JPH07307462A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH07307462A
JPH07307462A JP5227617A JP22761793A JPH07307462A JP H07307462 A JPH07307462 A JP H07307462A JP 5227617 A JP5227617 A JP 5227617A JP 22761793 A JP22761793 A JP 22761793A JP H07307462 A JPH07307462 A JP H07307462A
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doped
superlattice
semiconductor device
gate
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Baroozu Jiemii
バローズ ジェミー
Ouen Pooru
オウエン ポール
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】横伝搬モードがほとんど無い真の量子細線を用
いたＶＭＴを提供すること。 【構成】δドープｎ型ＧａＡｓ層３４とδドープｐ型Ｇ
ａＡｓ層３６とで構成された超格子構造３７を有し、斜
面４１が形成されたＧａＡｓ基板３３と、この斜面４１
上に形成されたＡｌＧａＡｓ障壁層４５と、このＡｌＧ
ａＡｓ障壁層４５上に形成された変調ドープＨＥＭＴ構
造４７とを備え、δドープｎ型ＧａＡｓ層３４とδドー
プｐ型ＧａＡｓ層３６とにバイアスを与えることによ
り、δドープｎ型ＧａＡｓ層３４の端部に沿って、Ａｌ
ＧａＡｓ障壁層４５とＧａＡｓ活性層４９との界面６７
に量子細線６５が誘起されることを特徴とするＶＭＴ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、量子細線を用いた半導
体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのようなヘテロ
構造により、いわゆる、２次電子ガス（２ＤＥＧ）が得
られることが知られており、この２ＤＥＧでは、そのガ
ス面に垂直方向な波動関数はエネルギーについて量子化
され、そして、電子はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ界
面に近いＧａＡｓ層に閉じ込められている。ヘテロ界面
近傍の電子は、ヘテロ界面に近傍かつ平行な面内で自由
に運動でき、このような電子によって伝導チャネルが形
成される上記伝導チャネルからドナー不純物を分離する
ことにより、つまり、ＡｌＧａＡｓ層に不純物を添加す
ることにより、２ＤＥＧは、１０6 ｃｍ2 ／Ｖs オーダ
ーの非常に高い移動度を示す。このような２ＤＥＧは、
高速の電界効果トランジスタを作成するのに利用されて
おり、この高速の電界効果トランジスタは、ＨＥＭＴ
（High Electron Mobility Transistors ）、またはＭ
ＯＤＦＥＴ（Modulation Doped Field Effect Transist
ors ）と呼ばれている。ＨＥＭＴは、マイクロ波増幅器
や高速集積回路などの分野で利用されている。
【０００３】最近、電子ガスが一次元電子ガスすなわち
量子細線を有するデバイスを開発するためにかなりの努
力が払われている。量子細線を利用したデバイスは移動
度を非常に高めることができ、超高集積度の非常に速い
トランジスタの開発において、潜在的に大きな関心が持
たれているデバイスの一つである。
【０００４】今まで量子細線を作るための努力はうまく
いかず、ヘテロ構造に溝をエッチングして２ＤＥＧ内の
複数の領域を排除したり（ｄｅｐｌｅｔｅ）、または２
ＤＥＧを静電的に狭くする（ｐｉｎｃｈｉｎｇ）ことに
限られていた。実効的なキャリア数が比較的低いこと
や、細線の幅が大きいこともあって、デバイスへの応用
がかなり制限されていた。
【０００５】図１には、Ｈ．Ｌ．Ｓｔｏｒｍｅｒその他
が“Ｃｌｅａｖｅｄ Ｅｄｇｅ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔ
ｈ： Ａ ｒｏｕｔｅ ｔｏ Ａｔｏｍｉｃａｌｌｙ
Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｌｏｗｅｒ Ｄｉｖｉｓｉｏｎａｌ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓ
ｓ １９９２；ＩＳＢＮ ０−１２−４０９６６０−３
で提案した構造が示されている。
【０００６】この構造は、ＨＥＭＴ構造１が、（１０
０）基板上に成長されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子
構造５のへき開（１１０）面３上に再成長されているも
のである。超格子構造の各層を適当にバイアスすると、
一次元電子ガス７が再成長表面部に形成される。
【０００７】Ｓｔｏｒｍｅｒその他による構造は幾つか
の点で実施上不利である。例えば、その製法が超格子層
全体に渡ってへき開を伴うので、全ウェハ加工（whole
wafer processing）によっては大量生産できない。
【０００８】更に、活性領域としての界面（active ele
ctric interface ）が再成長表面部であるので、デバイ
スは製造中の汚染に非常に敏感である。
【０００９】米国特許第４，８３５，５７８号明細書に
は、レーザ、発光ダイオードまたはトランジスタとして
動作可能といわれているデバイスが記述されている。こ
こでは、第１の超格子構造が個々の層端部を露出してい
る垂直の側壁に沿って部分的にエッチングされ、第２の
超格子構造がエッチングされた面に成長される。この構
造が５５０〜６８０℃の温度でアニールされ、第１の超
格子構造からのＺｎ不純物が第２の超格子構造に拡散
し、量子細線としての不規則領域を形成する。
【００１０】このデバイスは製造が困難であるばかりで
なく、超格子構造からの不純物の拡散を利用しているの
で、再成長構造の組成の制御が非常に困難になる。
【００１１】公知の検出器に関する限り、Ｂ．Ｆ．Ｌｅ
ｖｉｎｅその他は５０周期多量子井戸超格子赤外線検出
器について報告している（Ａｐｐｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ
ｌ．５６，１９９０，ｐｐ８５１−８５３）。これはＡ
ｌＧａＡｓ障壁層に対して交互に形成されたδドープｎ
+ 型量子井戸層を有し、全超格子構造のどちらの側にも
ｎ+ 型コンタクト層が設けられたものである。
【００１２】Ｌｅｖｉｎの検出器は多くの欠点を有す
る。例えば、ｎ+ 型δドープ層の量子井戸の向きは入射
輻射線の偏向方向と直交する。これは結合のために格子
またはプリズムが必要であることを意味する。更に、こ
のデバイスは調整ができない。図２はＨＥＭＴのヘテロ
界面近傍のエネルギーバンド図を示している。電子は、
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層からヘテロ界面に流れ、ヘテロ界面
の近傍にチャネルを形成する。
【００１３】プロファイルが三角形に似たポテンシャル
（三角形状の閉じ込め障壁）によって電子は量子化さ
れ、この電子はサブバンドを占めるようになる。図２に
は最も低い２つのサブバンドＥ1 ，Ｅ2 が示されてい
る。これらサブバンドのエネルギー差（Ｅ1 −Ｅ2 ）は
約２０ｍｅＶである。
【００１４】したがって、キャリア密度が約６×１０11
ｃｍ-2より小さければ、電子は基底状態のサブバンドを
占めることになる。キャリア密度は表面に形成されたシ
ョットキーバリアによって変わる。
【００１５】従来のＨＥＭＴの動作速度の理論的限界
は、Ｈ．Ｓａｋａｉによって解析されている(Japanese
Journal of Applied Physics Vo.21,No.6 June 1982 p.
L381)。動作速度を改善するために、上記刊行物では、
速度（または移動度）変調という考えを提案している。
通常の電界効果トランジスタでは、チャネルの導電率Ｇ
は、チャネル内のキャリア密度Ｎの変化量ΔＮの影響を
受ける。このため、通常のＭＯＳトランジスタでは、高
速度（〜２×１０7 ｃｍ／ｓ）電子を利用しても、電子
が０．２μｍの長さのチャネルを１ピコ秒で走行するの
が動作速度の限界である。
【００１６】速度変調という考えによれば、導電率Ｇ
は、キャリア密度Ｎを固定し、主としてゲート電圧によ
ってキャリア移動度μを変えることにより、変調され
る。
【００１７】これは、ΔＧ＝μΔＮ＋ＮΔμという式か
ら理解できる。式中、ΔＧは導電率Ｇの変化量、Ｎはチ
ャネル中の電子密度、Δμはキャリア移動度の変化量を
示している。通常のＨＥＭＴは右辺の最初の項を利用し
ており、一方、ＶＭＴは第２項を利用している。上式か
らＶＭＴにおいては、大きな電子密度Ｎを維持するこ
と、および大きなキャリア移動度の変化量Δμを実現す
ることが重要であることが分かる。
【００１８】公開公報（特開昭５８−１７８５７２）に
開示されているように、ＶＭＴはデュアルチャネル構造
というものによって実現されている。このデュアルチャ
ネル構造はバックゲートＨＥＭＴ構造とも呼ばれてい
る。
【００１９】図３は従来のデュアルチャネル構造のＶＭ
Ｔを示す図であり、図４はこのＶＭＴの動作原理を示す
図である。図４（ｂ）は図１０のＶＭＴの不純物濃度分
布Ｎd を示しており、また、図４（ａ），図４（ｃ），
図４（ｄ）において、ＶgA，ＶgAはそれぞれゲート電極
ＧA ，ＧB に印加するゲート電圧を示している。このＶ
ＭＴは、２つのＨＥＭＴを背中合わせにしたような構造
になっており、チャネルＣＨA ，ＣＨB はそれぞれゲー
ト電極ＧA ，ＧB によって制御される。このような構造
は基板１０５に形成さている。ソース１０７，ドレイン
１０９はチャネルＣＨA ，ＣＨB の両端部にそれぞれ接
触するように設けられている。チャネルＣＨA ，ＣＨB
の２ＤＥＧ平面に垂直な方向に波動関数は量子化されて
おり、そして、１つのサブバンドが占有されている。ゲ
ート電極ＧA に正バイアス，ゲート電極ＧB に負バイア
ス、または、これらバイアスと逆極性のバイアスをゲー
ト電極ＧA ，ＧB に印加することにより、全てのキャリ
アをチャネルＣＨA ，ＣＨB のどちらか一方の２ＤＥＧ
に局在化することができる。
【００２０】ゲート電極ＧA ，ＧB に適当なバイアスを
与えることにより、全てのキャリアがチャネルＣＨA に
あるというキャリア密度と、全てのキャリアがチャネル
ＣＨB にあるというキャリア密度との間のどれかのキャ
リア密度に固定することができる。チャネルＣＨA のキ
ャリアの移動度は、チャネルＣＨB の近傍のＧａＡｓ層
に添加された不純物や界面あらさの違いにより、チャネ
ルＣＨB のキャリアの移動度と異なっている。
【００２１】したがって、ゲート電極に与えられたスイ
ッチングポテンシャルに対応して、２つのチャネル間で
キャリアを走行させることにより、トータルのキャリア
密度の変動を招くこと無く、移動度変調を行なうことが
できる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来より
量子細線を利用したデバイスが提案されていたが、良好
な量子細線の作成が困難であるため、量子細線を用いた
実用的なデバイスは実現されていなかった。
【００２３】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、横伝搬モードがほとん
ど無い真の量子細線を実現することにより、量子細線を
用いた実用可能なデバイスを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】第１の手段に係る半導体
装置は、超格子構造の側面に側面に近い順に障壁層およ
び活性層を具備してなり、前記超格子構造を形成する層
に与えるバイアスによって、前記活性層中または前記活
性層と前記障壁層との界面に少なくとも一つの量子細線
が誘起され、この量子細線に接触する異なる電位を有す
る複数の電極間で、前記量子細線がチャネルとなること
を特徴とする。
【００２５】第２の手段に係る半導体装置は、超格子構
造を有するパターン化基板上に再成長されてなる活性層
および障壁層を備え、この超格子構造が複数の層からな
り、前記超格子構造が斜面を有し、前記障壁層がこの斜
面の上または近接して設けられ、前記活性層が前記障壁
層の上にまたは近接して設けられていることを特徴とす
る。
【００２６】第３の手段に係る半導体装置は、第２の手
段の半導体装置において、前記超格子構造の少なくとも
一部の層がδドープされていることを特徴とする。
【００２７】第４の手段に係る半導体装置は、第２〜第
４の手段の半導体装置において、実質的にドーパントが
前記超格子構造から前記活性層または前記障壁層へ拡散
されていないことを特徴とする。
【００２８】第５の手段に係る半導体装置は、第２〜第
４の手段の半導体装置において、前記斜面が前記パター
ン化基板の面に対して傾斜していることを特徴とする。
【００２９】第６の手段に係る半導体装置は、前記手段
にいずれかの半導体装置において、前記超格子構造が、
アンドープ層と第１導電型δドープ層との積層構造を有
することを特徴とする。
【００３０】第７の手段に係る半導体装置は、第６の手
段の半導体装置において、前記超格子構造が、第１導電
型δドープ層と第２導電型δドープ層との積層構造を有
することを特徴とする。
【００３１】第８の手段に係る半導体装置は、第７の手
段の半導体装置において、前記超格子構造の層全てがδ
ドープＧａＡｓ層であることを特徴とする。
【００３２】第９の手段に係る半導体装置は、第７の手
段の半導体装置において、前記超格子構造の層全てがδ
ドープＡｌＧａＡｓ層であることを特徴とする。
【００３３】第１０の手段に係る半導体装置は、第７ま
たは第８の手段の半導体装置において、複数のスペーサ
層が連続するδドープ層間に配置され、これらスペーサ
層が前記δドープ層より広いバンドギャップを持つ材料
から形成されていることを特徴とする。
【００３４】第１１の手段に係る半導体装置は、前記手
段のいずれかの半導体装置において、前記活性層が前記
超格子構造上に再成長されたＨＥＭＴ構造の一部を形成
することを特徴とする。
【００３５】第１２の手段に係る半導体装置は、前記手
段のいずれかの半導体装置において、前記活性層上に設
けられた少なくとも１つのフロントゲートと第１のバッ
クゲートとして機能する第１の組の超格子層への電気接
続部をさらに有することを特徴とする。
【００３６】第１３の手段に係る半導体装置は、第１２
の手段の半導体装置において、第２のバックゲートとし
て機能する第１の組の超格子層と交互する第２の組の超
格子層への電気接続部をさらに有することを特徴とす
る。
【００３７】第１４の手段に係る半導体装置は、前記手
段のいずれかの半導体装置において、ソース領域とドレ
イン領域とをさらに有することを特徴とする。
【００３８】第１５の手段に係る半導体装置は、第１４
の手段の半導体装置において、前記ソース領域と前記ド
レイン領域とにはそれぞれショットキー障壁電気コンタ
クトが設けられていることを特徴とする。
【００３９】第１６の手段に係る半導体装置は、第１５
の手段の半導体装置において、前記ソース領域と前記ド
レイン領域とが、前記活性層に近接または接触する前記
超格子層の端部に対して実質的に平行に延在していると
ともに、前記超格子層の端部に関して間隔を置いて配置
されていることを特徴とする。
【００４０】第１７の手段に係る半導体装置は、第１〜
第１４の手段のいずれかの半導体装置において、前記ソ
ース領域と前記ドレイン領域が前記活性層に対するそれ
ぞれのオーミックコンタクトにより形成されていること
を特徴とする。
【００４１】第１８の手段に係る半導体装置は、第１６
の手段の半導体装置において、前記ソース領域と前記ド
レイン領域とが、前記活性層と近接または接触する超格
子層の端部と実質的に垂直に延在しているとともに、こ
れら超格子層の端部の長さに関して間隔を置いて配置さ
れていることを特徴とする。
【００４２】第１９の手段に係る半導体装置は、前記手
段のいずれかの半導体装置において、電磁輻射線検出器
として機能するように構成したことを特徴とする。
【００４３】第２０の手段に係る半導体装置は、前記手
段のいずれかの半導体装置において、トランジスタとし
て機能するよう構成したことを特徴とする。
【００４４】第２１の手段に係る半導体装置は、超格子
構造と、この超格子構造を構成する複数の層の端部と接
触または近接する障壁層と、この障壁層に接触または近
接する活性層と、前記障壁層上のフロントゲート構造
と、前記超格子構造の一組の層がバックゲート構造とし
て機能するように前記層に設けられた電気接続部とを備
えており、前記フロントゲート構造と前記バックゲート
構造とが検出器の周波数応答を変えるためのものであっ
て、前記フロントゲート構造と前記バックゲート構造と
が、前記検出器が電磁放射線を受信できるようにカプセ
ルに実装されていることを特徴とする。
【００４５】第２２の手段に係る半導体装置は、第２１
の手段の半導体装置において、前記バックゲート構造が
ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層とにより構成された２つの
バックゲートを有することを特徴とする。
【００４６】第２３の手段に係る半導体装置は、第１９
または第２２の手段の半導体装置において、ソース領域
とドレイン領域をさらに有することを特徴とする。
【００４７】第２４の手段に係る半導体装置は、第１９
の手段，第２１〜第２３の手段のいずれかに記載された
半導体装置において、赤外線に応答するように構成した
ことを特徴とする。
【００４８】第２５の手段に係る半導体装置の製造方法
は、複数の層からなり、それらの少なくとも一部がδド
ープされている超格子構造を基板上に成長させる工程
と、前記超格子構造を選択的にエッチングして斜面を形
成する工程と、前記斜面上または前記斜面に近接する障
壁層を再成長により形成する工程と、前記障壁層上また
は前記障壁層に近接する活性層を形成する工程とを有す
ることを特徴とする。
【００４９】第２６の手段に係る半導体装置の製造方法
は、第２５の手段の半導体装置の製造方法において、前
記斜面が基板の面に対して傾斜してることを特徴とす
る。
【００５０】第２７の手段に係る半導体装置の製造方法
は、第２５の手段の半導体装置の製造方法において、前
記選択的エッチング工程により、前記超格子構造に対す
るゲート電極のコンタクトを取るための第２の斜面が形
成されていることを特徴とする。
【００５１】第２８の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第６または第１２の手段の半導体装置の動作方法に
おいて、前記活性層上の第１のゲートに印加される電位
を変化させ、前記超格子構造により形成された第２のゲ
ートを一定電位に保持することを特徴とする。
【００５２】第２９の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第６または第１２の手段の半導体装置を動作方法に
おいて、前記活性層上の第１のゲートに印加される電位
を変化させ、前記超格子構造により形成された２つのゲ
ートをそれぞれ同じかあるいは異なる一定電位に保持す
ることを特徴とする。
【００５３】第３０の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第７または第１３の手段の半導体装置の動作方法に
おいて、前記活性層上の第１のゲートに印加される電位
を保持し、前記超格子構造により形成される２つのゲー
トに印加される平均電位をその差分が同じ大きさのまま
変化させることを特徴とする。
【００５４】第３１の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第７または第１３の手段の半導体装置の動作方法に
おいて、前記超格子構造により構成された２つのゲート
に電圧を印加して負性の差動抵抗が生じるソース・ドレ
イン電圧を決定することを特徴とする。
【００５５】第３２の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第７、第１２、第２１，第２２の手段のいずれかの
半導体装置の動作方法において、前記活性層上の第１の
ゲート構造と前記超格子構造により構成される第２のゲ
ート構造との間に電圧を印加し、第１のゲート構造と第
２のゲート構造との間を流れる電流を測定して電磁輻射
線を検出し、検出周波数応答を第２のゲート構造のゲー
ト間の電圧により確定するようにしたことを特徴とす
る。
【００５６】第３３の手段に係る半導体装置の動作方法
は、第６または第１１の手段に従属した第３の手段の半
導体装置あるいは第２１または第２２の手段に記載され
た半導体装置の動作方法において、前記活性層上の第１
のゲートと前記超格子構造により構成される第２のゲー
ト構造との間に電圧を印加し、前記ソース領域と前記ド
レイン領域との間を流れる電流を測定し、検出周波数応
答を第２のゲート構造のゲート間の電圧により確定する
ようにしたことを特徴とする。
【００５７】
【作用】本願の発明者等は形態がどうであれ関連の従来
装置の欠点を克服する新しい種類の装置を発明した。
【００５８】すなわち、本発明の一態様によれば、超格
子構造を有するパターン化基板上に再成長されてなる活
性層および障壁層を具備してなり、前記超格子構造を形
成する層に与えるバイアスによって、前記活性層中また
は前記活性層に隣接する少なくとも一つの量子細線が誘
起され、且つ前記量子細線によって、前記超格子構造の
端部と平行な方向に、前記障壁層に接触する導通部が形
成されるように、前記活性層が前記障壁層に近接または
接触し、前記障壁層が前記超格子構造に近接または接触
していることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００５９】また、本発明の第２の態様によれば、基板
上に超格子構造を備え、この超格子構造は複数の層から
なり、前記超格子構造は斜面（angled facet）を有し、
前記斜面の上または前記斜面に隣接して設けられた障壁
層と、前記障壁層の上または前記障壁層に隣接して設け
られた活性層とを有する半導体装置が提供される。
【００６０】超格子構造を構成する少なくとも幾つかの
層は、δドープされていることが望ましい。
【００６１】本発明において、“超格子構造”（以下単
に超格子ともいう）とは、規則正しく周期的に変化する
異なる特性（例えば、異なる導電型や、バンドギャッ
プ）の層を持つどのようなシステムをも意味する。超格
子は少なくとも３層を持つ。
【００６２】また、“δドーピング”とは、超格子を作
るために、少なくとも幾つかの層に不純物を選択的に導
入することをいう。
【００６３】“パターン化基板（パターン化基ウェ
ハ）”とは、その表面の少なくとも１つの関連領域に、
深さが変わる断面を有する基板，ウェハ，チップ等を意
味する。このようなパターン化は、ウエットエッチン
グ，ドライエッチングまたは選択成長のような適当な技
術を使用することにより得られる。
【００６４】本発明によれば、横伝搬モードがほとんど
無く、真の一次元量子井戸からなる少なくとも１つの量
子細線を誘起するデバイスを実現できる。お、本発明に
おいて、“量子細線”とは、前述した従来デバイスによ
り作られているような狭い２ＤＥＧをも含む。
【００６５】障壁層は超格子の上または超格子に近接し
て成長され、活性層は障壁層の上または障壁層に近接し
て成長され、後述するように、印加電位の影響により狭
くなって（ｐｉｎｃｈ）量子細線となる閉じ込め領域を
活性層に形成する。このため、ある状況では、活性層間
に１つ以上のスペーサ層を設けることが可能である。更
に、後述するように、多くの実施例では、第２の障壁層
が超格子から遠い活性層の他の面にある。障壁層は、活
性層の材料より広いバンドギャップを持つ半導体材料に
よって形成される。
【００６６】また、本発明によれば、斜面の作成に必要
なパターニングを選択エッチングにより行なえば、全ウ
ェハ加工による大量生産が可能である。斜面上の再成長
により障壁層が超格子を構成する層にコンタクトし、こ
れによりこれら層が露出される。コンタクト面が従来の
ように活性領域となる界面ではないので、低い汚染レベ
ルの重大さが減ることになる。したがって、本発明に係
るデバイスはＳｔｏｒｍｅｒその他のデバイスよりも顕
著な利点を奏する。
【００６７】本発明の第３の態様によれば、半導体装置
の製造方法が提供される。
【００６８】すなわち、本発明に係る製造方法は、複数
の層から成り、それらの少なくとも一部がδドープされ
ている超格子構造を基板上に成長させる工程と、前記超
格子構造を選択エッチングして斜面を形成する工程と、
この斜面上または斜面に隣接する障壁層を再成長により
形成する工程と、この障壁層上または障壁層に隣接して
活性層を形成する工程とを備えている。
【００６９】ドライエッチングを使うと、基板に対して
斜面が実質的に垂直となるようにできるが、ほとんど全
ての場合、通常のエッチング技術を使うと、斜面は基板
に対して傾くことになる。
【００７０】上述したように、単一の量子細線を誘起す
るには、超格子において最低３つの層が必要である。し
かし、この技術によれば、多くの層を形成することがで
き、２０個、場合によって１００個以上の量子細線まで
も形成できる。幾つかの量子細線を並列に接続できると
いうことは、大きな電流が取扱えるようになるという利
点だけではなく、個々の量子細線内の量子変動が平均化
されるという利点もある。
【００７１】本発明で利用される基本構造は多くの異な
る形態のデバイスに適合する。これらにはトランジスタ
や電磁輻射線検出器がある。トランジスタの１つはＶＭ
Ｔである。
【００７２】本発明に係るトランジスタは２つのゲート
を利用するけれども、同じ２つのチャネルも、バックゲ
ート構造を持たない。
【００７３】説明のため、再成長構造上のゲートを第１
のゲートまたはゲート１（Ｇ１）と呼び、超格子（構
造）により形成されたゲートを第２のゲートまたはゲー
ト２（Ｇ２）と呼ぶ。超格子構造がｎ型にドープされた
層とｐ型にドープされた層とが交互に積層されてなる場
合には、ｎ型層にコンタクトする第２のゲートＧ２ｎと
ｐ型層に接触する第２のＧ２ｐとの２つの第２ゲートが
あることになる。
【００７４】後述する本発明に係るトランジスタの実施
例から明らかとなるように、表面から１ＤＥＧ（量子細
線）へのソースとドレインとのコンタクトは、２ＤＥＧ
を介してなされる。この結果、イオン注入による浅いオ
ーミックコンタクトや、コンタクト絶縁が必ずしも必要
ではなくなり、製造が非常に簡単になる。
【００７５】各超格子層の材料としては、ゲートＧ２に
適当なバイアスを印加すると、再成長構造の所望の面に
１つ以上の量子細線が形成されるものを選択すべきであ
る。上述したように、本発明の利点は、主要な再成長面
から離れたところに量子細線を形成できることである。
このため、超格子がｎ型層とｐ型層とから成る場合に
は、互いに逆導電型であるこれら層間には、十分な差分
バイアスポテンシャル（differential bias potential
）を印加することが必要になる。差分バイアスポテン
シャルが大きければ大きいほど、１ＤＥＧはそれだけ遠
くに誘起する。超格子により誘起される差分ポテンシャ
ルは再成長界面からの距離が長くなるにつれて減少す
る。
【００７６】したがって、量子細線を界面から要求され
た距離のところに誘起するためばかりでなく、量子細線
をできるだけ細く保ち、許容状態間のギャップを広くす
るために、高いバイアス電圧を印加できることが一般に
要求される。
【００７７】選択される材料によっては、超格子を構成
するヘテロ構造として、アンドープの層と、δドープさ
れた層との積層構造を用いることが可能である（実施例
ではＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ）。しかし、互いに導電型
の異なり、δドープされた層（ｐ型層／ｎ型層）を使用
することが特に望ましい。
【００７８】本発明のＶＭＴ形態の１つのトランジスタ
は、隣接する超格子層間に差分バイアスを印加すること
によって動作する。ｐ／ｎδドーピングを使用すること
により、大きい差分変調が適用可能となり、再成長界面
での隣接超格子層間に１．５ｅＶ以上のオーダの電位差
（ΔＶｐｎ）を保証することがより容易になる。ｐ面と
ｎ面間との電位差を変えることにより、デバイスがＶＭ
Ｔ動作するように量子細線の幅を変調することが可能で
ある。
【００７９】超格子のｐ型層の逆バイアスを増加すると
量子井戸が狭くなり、その結果、サブバンドの間隔が増
大する。Ｇ２層に印加されている電圧が同じである場
合、つまり、ＶG2n ＝ＶG2p である場合には、或いはＶ
G2n ＞Ｖ G2pの場合（ＶG2n −ＶG2p がｐｎ接合の順バ
イアスタ−ンオン電圧より小さいと仮定）、量子井戸は
広い状態（ａ）にあり、ここでは、上サブバンド（１）
と下サブバンド（２）との間のエネルギー差をΔＥa 12
と表わす。ＶG2p ＜ＶG2n の場合には、量子井戸は狭い
状態（ｂ）にあり、ΔＥa 12＜Ｅb 12である。
【００８０】速度変調は、状態（ａ）においてはΔＥa
12＝ＫＴの場合に、状態（ｂ）においてはＥb 12＞＞Ｋ
Ｔの場合に生じる。その理由は、量子井戸が狭く、サブ
バンドの間隔が広い場合には、移動度を低下させること
になる他の状態への熱散乱の確率が非常に低くなるから
である。しかし、この状況では、サブバンドのキャリア
密度も変化するので変調速度が制限される。したがっ
て、平均バイアスを変化させ、キャリア密度の均衡を保
つことが大いに望ましい。
【００８１】これにより負性差動抵抗デバイス（negati
ve differential resistance device ）の可能性が生じ
ることになる。このようなデバイスにおいては、所定の
印加電圧で、ホットキャリアの励起により流れているキ
ャリアの総数が減少し、この領域に見掛けの負性抵抗を
生じさせる。ソース・ドレイン電圧を変え、エネルギー
レベルの分離点を変えることにより、負性抵抗効果が出
現する臨界電圧を調整できる。
【００８２】基本的な速度変調効果は、δドープされた
ｎ層とｐ層との間にバンドギャップがより高い材料から
なるスペーサ層を配置することによりさらに高めること
ができる。例えば、δドープ層がｐ型ＧａＡｓとｎ型Ｇ
ａＡｓとであれば、ＡｌＧａＡスペーサ層は障壁層とし
て機能するものとして使用できる。したがって、より高
い差分バイアスをゲートＧ２ｎとＧ２ｐとの間に印加す
ることができる。
【００８３】δドープ層がｐ型ＡｌＧａＡｓとｎ型Ａｌ
ＧａＡｓである場合には、ΔＶｐｎをＶG2n ＝ＶG2p の
まま増加させることができる。これにより低いバイアス
電位を利用しながらも量子細線を再成長表面からさらに
遠くに、例えば、活性層の遠い界面に誘起させることが
できる。これはバイアス条件を変更することによっても
達成できる。これにより少なくとも従来の成長技術を使
用して移動度がより高い電子ガスが可能になる。
【００８４】このようにしてトランジスタの２つの基本
的形態が実現できる。すなわち、１つは活性層上に配置
された単一の第１のゲート（Ｇ１）と、超格子により形
成された単一の第２のゲート（Ｇ２）とを有する。この
トランジスタは普通のＦＥＴとして機能する。動作に際
しては、Ｇ２を一定の電位に保ち、１ＤＥＧをピンチオ
フするように（もしくはしないように）Ｇ１の電位を変
え、これにより流れているキャリアの数を変える。
【００８５】第２の形態では、単一の第１ゲート（Ｇ
１）と、超格子構造により形成された２個の第２ゲート
（Ｇ２ｎとＧ２ｐ）とを有する。このトランジスタは普
通のＦＥＴまたはＶＭＴとして動作させることができ
る。
【００８６】通常のＦＥＥＴとして動作させるために
は、、Ｇ２ｎとＧ２ｐとは同じ外部電位または異なる電
位に保たれる。どちらの場合にも、両ゲートの電位は固
定される。第１の基本形態の場合と同様にＧ１が変わ
る。
【００８７】一方、第２の形態のトランジスタをＶＭＴ
として動作させるためには、Ｇ２ｎとＧ２ｐとはお互い
に関して同一の差動電位に常に保たれるが、その平均値
は固定バイアスに保たれたＧ１に対しては変えられる。
しかし、Ｇ２ｎとＧ２ｐとの間の差動バイアスを変える
が、その平均値はＧ１に対して変わらないハイブリッド
デバイスを考えることも可能である。
【００８８】第２の形態のトランジスタを負性差動抵抗
デバイスとして動作させることも可能である。この場
合、Ｇ２ｎとＧ２ｐとは量子細線のエネルギー間隔を調
整し、したがって、負性差動抵抗が生じるソース・ドレ
イン電圧を調整するために使用される。
【００８９】本発明によるデバイスの好ましい構成で
は、ＶＭＴであろうと通常のＦＥＴであろうと、従来の
ＨＥＭＴ構造の一部として活性層を形成する。しかし、
これは省いても差し支えなかろう。例えば、ＨＥＭＴ構
造の代わりに、ＡｌＧａＡｓ半絶縁性障壁層上に成長
し、不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のＧａＡｓ層と、そ
の上のＧａＡｓ半絶縁性層とからなる単純化した逆ＨＥ
ＭＴに変えられる。ドープ層の厚さは表面空乏層に依存
する。超格子上に成長したＡｌＧａＡｓ層を一対の薄い
ＡｌＧａＡｓ層で覆うようにしても良く、この場合、下
層は上記の如きにドーピングされる。こうすることによ
り、エンハンスメントモード動作の代りにデプレション
モード動作が可能になる。
【００９０】この単純化したデバイスは特に製造が容易
である。ソース／ドレインコンタクトは、従来のＧａＡ
ｓの浅いオーミックコンタクト技術により、例えば、Ｇ
ｅ／Ｐｄなどを使用して作ることができる。
【００９１】本発明によるトランジスタデバイスでは、
それが通常のＦＥＴであっても、ＶＭＴであっても、超
格子はデバイスのゲートとして有効に機能する。超格子
層へのオーミックコンタクトは都合の良いことに、パタ
ーン化プロセス中での、第２の斜面の形成に係る選択的
エッチングによりもたらされる。
【００９２】本発明による電磁輻射線検出器は、広い波
長範囲に感度を持つことが可能であるが、後述するよう
な動作モードによっては、上記波長範囲内のうち、狭い
波長帯のみに感度を持つように調整することも可能であ
る。
【００９３】本発明の第４の態様によれば、超格子と、
超格子を構成する複数の層の端部と接触または近接する
障壁層と、この障壁層に接触または近接する活性層と、
障壁層上のフロントゲートと、超格子の１組の層がバッ
クゲート構造として機能するための上記１組の層組に対
する電気接続部とを備え、これらフロントゲート構造お
よびバックゲート構造は検出器の周波数応答を変えるた
めのものであって、前記検出器は電磁放射線を受信でき
るべくカプセルに実装されている電磁輻射線検出器が提
供される。
【００９４】検出器が別個のバックゲートＧ２ｎ，Ｇ２
ｐを持つように、δドープされ交互に積層されたｎ型
層，ｐ型層を有する場合（ＶＭＴについて前述したよう
に）には、フロントゲート（Ｇ１）とＧ２ｐとの間に与
えられるポテンシャルによって、共振周波数を決定で
き、Ｇ１とＧ２ｎとの間に与えるポテンシャルによっ
て、感度と帯域幅とを制御することができる。
【００９５】周波数応答の変動（これは（ピーク）周波
数応答と、および／または構成に依存する帯域幅変動
（高域側のカットオフ周波数の変動）を含むであろ
う。）は影響を受ける可能性があり、それゆえ以下にデ
バイスのモード動作について詳細に説明する。デバイス
の感度も変化させることができる。
【００９６】検出器はマイクロ波や赤外線（ＩＲ）波長
で動作するよう適合させることができる。しかし、後述
する実施例のデバイスはＩＲ検出器として動作するよう
に製造されている。このようなＩＲ検出器は０．８〜１
０００μｍ、好ましくは５〜５００μｍの範囲で、また
特には７〜１５μｍの範囲で動作する。
【００９７】これら検出器は３つの実行可能な動作モー
ドを有しており、必要な電気コンタクトはモード毎に異
なる。しかし、十分で適切なコンタクトを用意して、デ
バイスを２つのモードまたは３つのモード全てにおいて
も動作させることが可能である。
【００９８】３つの動作モードは量子細線に対して異な
る方向への伝導に依存するので、これら動作モードを直
角座標によって述べるのが便利である。そこで、ここで
は３つのモードをそれぞれｘ、ｙ、およびｚモードと呼
ぶことにする。
【００９９】ｘモードにおいては、デバイスは入射輻射
線が最高の占有準位から最低の未占有準位へキャリアを
励起して電流がソースとドレイン間との量子細線に沿っ
て、再成長構造と接触する超格子端部に平行に流れるよ
うに動作する。検出はソースからドレインへに流れる電
流の変化によって示される。一次元量子井戸内の基底状
態と次の量子エネルギー準位との間のエネルギー差ΔＥ
ｘ（ΔＥｘ＝ｈν）により検出器の応答周波数が決定さ
れる。
【０１００】このようにｘモードにおいては、デバイス
は、各量子レベルの一次元状態密度のピーク性によっ
て、狭い周波数応答を持つ。更に、応答周波数は、Ｇ２
ｎとＧ２ｐとのバックゲート間に与えるポテンシャルを
変えることにより、したがって、一次元量子井戸の閉じ
込めの程度を変えることにより調整可能である。
【０１０１】ｘモード動作のためには、ソースおよびド
レイン領域は埋込み活性層に対する浅いオーミックコン
タクトにより作ることができる。
【０１０２】ｙモード動作のためには、ソースとドレイ
ンとはｘモード動作での位置と直交する位置に配置され
る。入射輻射線が十分のエネルギーを有すれば、１次元
量子井戸から、量子細線と再成長構造とに接触している
超格子層の端部に直交する方向に移動できる、キャリア
が励起される。ソースとドレインとの間にＤＣバイアス
が与えらているとすると、ソースとドレインとの間の電
流を増加させる条件はΔＥｙ＝ｈνである。ここでΔＥ
ｙは、基底状態と、準連続準位つまり１次元量子井戸の
上部との間の最小のエネルギー差である。
【０１０３】これは検出器がしきい値以上の周波数を有
する輻射線に応答することを意味する。しかし、このし
きい値自体はｘモード動作の場合と同じようにして調整
できる。
【０１０４】ｙモード動作については、ソースとドレイ
ンはオーミック型のものである。
【０１０５】ｚモード動作は、実際には、ΔＥｚ＜ΔＥ
ｙか、ΔＥｚ＞ΔＥｙかによって、２つの可能なサブモ
ードを有する。
【０１０６】ｚモード動作においては、再成長構造の表
面またはコンタクト層に対する電気コンタクトと、超格
子の関連層（すなわち、Ｇ２ｎとＧ２ｐ、多分Ｇ２ｎ）
の少なくとも裏面に対するコンタクト、つまり、再成長
表面から遠い表面に対する電気コンタクトとがある。コ
ンタクトは誘起された量子細線と対向する超格子のこれ
らの層に対してなされる。これらコンタクトはｘおよび
ｙモード動作のための“調整”コンタクトと同じもので
あることが理解されよう。
【０１０７】ｙモード動作とのカップリングのために、
ｘまたはｙモード動作のためのソース／ドレインコンタ
クトがあることもあれば、ないこともある。しかし、通
常のｚモード動作（すなわち、カップリングなし）のた
めには、ΔＥｚ＞ΔＥｙである。オーミックなソースコ
ンタクトとドレインコンタクトがない場合には、フロン
トゲート（Ｇ１）が基板とのオーミックコンタクトを形
成しなければならない。オーミックコンタクトがソース
とドレインに対して行なわれる場合には、Ｇ１へのコン
タクトはショットキー型であるべきであり、ソースとド
レインは効率的な電流注入を行なうためにｘモード用の
方向にあるのが望ましい。入射輻射線のエネルギーが最
小のしきい値以上であれば、キャリアの伝導が電子から
超格子層（すなわち、Ｇ２ｎ）へ起こることがある。し
かし、ｚモード動作のためには、ある種の結合器（たと
えば、格子とかプリズム）を備えて輻射線の偏向を量子
細線の方向に一致させなければならない。
【０１０８】他のｚサブモードはΔＥｚ＜ΔＥｙの場合
に起こり得る。このモードでは、Ｇ２ｎとＧ２ｐとのゲ
ートで与えられる閉じ込めポテンシャルにより決まるエ
ネルギー準位間で励起が起こる。しかし、伝導はｚ方向
の連続準位を介して行なわれる。このｚモード伝導形式
は偏向を合わせるためにどのような結合器をも必要とし
ない。
【０１０９】トランジスタ用であろうと検出器用であろ
うと、広範囲の再成長構造が使用可能である。唯一の条
件は量子細線を誘起させる能力である。通常、量子細線
は一対の障壁層間にサンドイッチされた活性層に形成さ
れる。障壁層の少なくとも１つが自由に活性層に直接コ
ンタクトしたスペーサ層を含むことができる。もしもコ
ンタクトを再成長構造の上部に対して行なわなければな
らない場合には（検出器の場合）、コンタクト層は上部
の障壁層がフロントゲート電極とバックゲート電極との
間の伝導に対して急な障壁とならないよう通常最後から
２番目の層である。ソース・ドレインコンタクトがない
デバイスのｚモード動作の場合には、傾斜コンタクト層
を使用してキャップ層と上部障壁層との間のバンドギャ
ップを漸進的に埋めて行く（ｂｒｉｄｇｅ）のが望まし
い。これはＡｌＧａＡｓ層の堆積中にＡｌの量を段階的
に変えていくことにより達成される。さもないと、ｎ+
型ＧａＡｓのようなキャップ層だけが与えられるかもし
れない。
【０１１０】活性層としてはａＡｓ、障壁層としてはＡ
ｌＧａＡｓまたはｎ型ＡｌＧａＡｓを使用するのが望ま
しい。
【０１１１】ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓのような他のヘテロ
構造も使用することができる。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／
ＡｌＩｎＡｓ構造については、ＩｎＰまたはＡｌＩｎＡ
ｓが障壁層となり、キャリアはＩｎＧａＡｓ領域に閉じ
込められる。これらの通常の二元または四元類似体も使
用可能である。ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓ系やこれ
らの三元同等物も使用可能である。例えば、ＡｌＳｂが
障壁層を形成し、ＩｎＡｓがキャリアを量子井戸内に閉
じ込める活性層を形成する。Ｓｉ／Ｇｅも使用可能であ
り、この場合、多数キャリアはホールである。このよう
なデバイスにおいては、Ｇｅが活性層を構成し、Ｓｉが
障壁層用に使用されることになろう。この場合、Ｓｉの
代わりに酸素が注入されたシリコン（“サイモックス
（Ｓｉｍｏｘ）”として知られている）を使用すること
ができる。障壁層をＧａＮのようなにあまり普通のもの
とはいえない他のワイドバンドギャップ材料から作るこ
ともできよう。
【０１１２】図５には本発明の第１の実施例に係るＶＭ
Ｔ３１が示されている。
【０１１３】第１の成長は、（１００）ＧａＡｓウェハ
３３上でなされ、これは厚さ１μｍのｐ型ＧａＡｓバッ
ファ層３５と、これに続くδドープｎ型ＧａＡｓ層３４
とδドープｐ型ＧａＡｓ層３６とで構成された超格子構
造３７からなり、この超格子構造３７は再成長工程中に
形成される第１のＡｌＧａＡｓ障壁層の厚さのほぼ２倍
の最小の超格子周期を有する。最後に厚さ１μｍのｐ型
ＧａＡｓキャップ層３９が成長され、第１の成長が終わ
る。
【０１１４】次にウェハは一般的なホトリソグラフィ技
術を用いてパターニングされ、エッチによって斜面（an
gled facet）４１、４３を露出させる。結晶面としては
（３１１）面が最大のデバイス柔軟性が得られるので好
ましい。というのは、（３１１）面上でのＳｉの両極性
ドーピング作用によって、再成長がＡ面かそれともＢ面
で起こるかにより、ｐ型またはｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ層の両方を再成長できるからである。（３１１）面
は適切なエッチング液の使用により露出できる。
【０１１５】次に必要な表面処理を行なった後、例えば
１０ｎｍよりも厚いＡｌＧａＡｓ障壁層４５が再成長に
より斜面４１上に形成される。次いで一般的な変調ドー
プＨＥＭＴ構造４７が形成される。ＨＥＭＴ構造は、順
次形成された、約２ｎｍよりも厚いＧａＡｓ活性層４９
と、厚さ約２０〜４０ｎｍの第２のＡｌＧａＡｓ層５１
と、厚さ約４０ｎｍのｎ型ドープＡｌＧａＡｓ層５３
と、厚さ約１０ｎｍのＧａＡｓキャップ層５５とで構成
される。ＨＥＭＴ構造は第１のゲート電極５７で被覆さ
れる。
【０１１６】再成長は一般的なＭＢＥまたはＭＯＣＶＤ
成長技術を使用して行なうことができる。しかし、デバ
イスの性能を良くするためには、マイグレーション強化
エピタキシアル成長法（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｅｎｈａ
ｎｃｅｄ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＥＥ）か、原子層エピタ
キシアル成長法（ＡＬＥ）を用いることが望ましい。Ｍ
ＥＥ成長法は成長種を一度に１つサイクルさせることに
より行なわれ、これにより単一層の成長が行なわれる。
この技術が機能するためには、基板温度が完全な結合単
一層が、ヒ素の過圧力を必要とすることなく堆積するよ
うに、十分低くなければならない。サイクル間の時間は
堆積種の表面拡散時間により決まる。低温にすると成長
面への汚染の拡散が少なくなる。また、界面が相当平坦
になる結果、みだれや合金の拡散が少なくなる。ＡＬＥ
は単一層成長用のＭＯＣＶＤともいえる。
【０１１７】オーミックコンタクト領域５９が他の斜面
４３に拡散形成され、第２のゲート電極６１と超格子３
７のδドープｎ型ＧａＡｓ層３４とがコンタクトする。
ＶＭＴ動作を可能にするため、別のゲート電極（図５に
は示さず）を設けて超格子３７のｐ型ＧａＡｓ層３６と
接触させる。第２のゲート電極６１はＳｉ3 Ｎ4 層等の
絶縁層６３により絶縁することができる。
【０１１８】使用に際しては、第２のゲート６１を正に
バイアスすることにより、１ＤＥＧ６５が第１のＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ界面６７に誘起される。また、一部は
活性層中にも誘起される。標準変調ドープＨＥＭＴ構造
４７が１ＤＥＧ近くの第２のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ界
面６９に２ＤＥＧを誘起する。こちらも一部は活性層中
にも誘起される。これは２つの電子ガスを結合させるほ
ど十分に近い。２ＤＥＧの主目的は１ＤＥＧへの効果的
なコンタクトを可能にすることである。関心のある領域
で、負のバイアスを第１のゲート５７に印加して２ＤＥ
Ｇを排除（空乏化）する。
【０１１９】Ｇ２ｐゲートを十分に負にバイアスするこ
とにより、第２の界面での２ＤＥＧがＧ２ｎゲートの上
の方で排除される。このようにして、１ＤＥＧの細線が
Ｇ２ｎゲートの上の第２の界面に誘起される。この動作
モードではソース・ドレインコンタクトが浅いことが必
要である。
【０１２０】図６は図５のＶＭＴの平面図である。第１
のゲート電極５７はＨＥＭＴ構造の上に配置されてお
り、そして、量子細線６５が誘起されるチャネル領域を
構成する領域の真上に中央部７１を持っている。量子細
線６５に接触する異なる電位を有する電極として、ソー
ス電極７３とドレイン電極７５とがチャネル領域の対向
端に配置されている。ここでは、ソース，ドレイン電極
間の量子細線がチャネルとなるのである。第２のゲート
６２が超格子のドープｐ型層にオーミックコンタクトを
与えている。このように、δドープｎ型層に対するＧ２
ｎ（６１）とｐ型δドープ層に対するＧ２ｐ（６２）の
２つの第２のゲートがある。
【０１２１】ＶＭＴ動作を行なわせるためには、第１の
ゲート５７（Ｇ１）を一定の電位に保ち、Ｇ２ｎとＧ２
ｐとに印加する電位を前述したように変える。普通のＦ
ＥＴとして動作させるためには、Ｇ２ｎとＧ２ｐを一定
の電位に保ち、Ｇ１の電位を変える。
【０１２２】図７は本発明の第２の実施例に係るＦＥＴ
を示す図である。これは図５に示したものと類似する
が、普通のＦＥＴであり、ＶＭＴではない。ノンドープ
層で挟まれたδドープｐ型およびｎ型ＧａＡｓの交互層
を使用する代りに、ノンドープ層とδドープｎ型層との
交互層が超格子構造に使用されている。
【０１２３】第１の成長は、（１００）ＧａＡｓウェハ
１３３上でなされ、これは厚さ１μｍのｐ型ＧａＡｓバ
ッファ層１３５の成長と、これに続くδドープｎ型Ｇａ
Ａｓ超格子構造１３７の成長とからなり、この場合の超
格子間隔は第１の実施例の場合の経験則によっている。
最後にキャップ層としての厚さ１μｍのｐ型ＧａＡｓ層
１３９が成長され、第１の成長が終了する。
【０１２４】次にウェハを前述のようにパターニング
し、エッチによって斜面１４１、１４３を露出させる。
（３１１）面はフッ化水素酸系エッチング液を使用して
露出する。１０ｎｍより厚いＡｌＧａＡｓ障壁層１４５
が再成長により斜面１４１上に形成され、次いで通常の
変調ドープＨＥＭＴ構造１４７が形成される。ＨＥＭＴ
構造は、約２ｎｍよりも厚いＧａＡｓ活性層１４９と、
厚さ約２０〜４０ｎｍの第２のＡｌＧａＡｓ層１５１
と、厚さ約４０ｎｍのｎ型ドープＡｌＧａＡｓ層１５３
と、そして厚さ約１０ｎｍのＧａＡｓキャップ層１５５
とから構成されている。ＨＥＭＴ構造は第１のゲート電
極１５７で被覆される。
【０１２５】オーミックコンタクト領域１５９が他の斜
面１４３に拡散形成され、単一の第２のゲート１６１と
超格子構造１３７のδドープｎ型ＧａＡｓ層１３４とを
オーミックコンタクトさせる。第２のゲート電極１６１
はＳｉ3 ３Ｎ4 等の絶縁層１６３により絶縁する。
【０１２６】図８は図７のＦＥＴの平面図である。超格
子構造のノンドープ層とコンタクトする別の第２のゲー
トは設けられていない。第１のゲートがチャネル領域の
中央部で２ＤＥＧ１７７をピンチオフする。
【０１２７】パターン化された表面にＨＥＭＴ構造を形
成することの利点は今や明らかであろう。しかし、もし
も再成長を劈開面上で行なった場合に起こるであろう状
況とは異なり、２回目の成長の方向は必ずしも最初の成
長の方向と垂直ではない。これにより２ＤＥＧの閉込め
が弱められる。
【０１２８】図９は第２の実施例のデバイスのエネルギ
ーバンド構造であり、図９（ａ）はδドープ領域を横断
するエネルギーバンド構造を示し、図９（ｂ）はノンド
ープ領域を横断するエネルギーバンド構造を示してい
る。一次元の閉込めはδドープ層により誘起される（３
１１）面内の不均一な電界によりもたらされる。閉込め
の程度は、δドーピング層の幅、および再成長界面と第
１のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ界面間との間の距離により
制御される。
【０１２９】図９（ａ）から第１のＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ界面での誘起１ＤＥＧが見て取れる。δドープ領域
を離れると、ＧａＡｓの伝導帯の最小レベルはもはやフ
ェルミ準位と交差せず、したがって誘起された移動電荷
は存在しない。なお、これらの図においては２ＤＥＧは
ピンチオフされている。
【０１３０】δドープｎ型ＧａＡｓ領域をδドープｐ型
ＧａＡｓ領域によって分けると、閉込めを更に強めるこ
とができる。これにより（３１１）面に平行な電界がさ
らに変化する。この構造の主要な利点は、電子ガスが再
成長界面から取り除かれるので、成長界面がそれ程汚染
されていなければ、電子ガスは再成長界面での帯電汚染
物質によって分散したり、欠乏したりすることが多分な
くなることである。
【０１３１】以下に第１および第２の実施例のデバイス
の製造工程についてより詳しく説明する。
【０１３２】（１００）ウェハ上に（３１１）面を露出
させるためには、信頼のおけるエッチング液が必要であ
る。このエッチング液はできるだけ多くの面を露出でき
ることが必要である。
【０１３３】適切なウェハ製造技術を使用して再成長用
ウェハを作ることが必要である。
【０１３４】パターン化基板上の再成長には、（１０
０）ＧａＡｓウェハ（または（１１１）のような他のＧ
ａＡｓウェハ）をエッチングして、（３１１）のような
所定の面を露出させることができることが必要である。
多数のＧａＡｓエッチング液があるが、これらはみな様
々な側壁断面を形成する。マスクのストライプ方向が
（１１０）方向と平行か、或いは垂直に整列されている
かどうかによらずに、エッチングによって（１００）面
に対して所定の角度をもつ直線状の側壁を形成すること
が必要である。
【０１３５】図１０は本発明の第３の実施例に係る逆Ｈ
ＥＭＴを示す図である。これは大体において図５に示し
たものと類似しているが、通常の変調ドープＨＥＭＴ構
造の代りに、逆ＨＥＭＴ構造１８１が再成長により形成
されている。
【０１３６】超格子構造３７の斜面４１上に１０ｎｍよ
り厚いＡｌＧａＡｓ半絶縁性層８９が成長され、次いで
厚さ２００ｎｍのＧａＡｓ半絶縁性層９１が、そして、
最後に厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層９３が、望まし
くは表面フェルミ準位の固定化（ｐｉｎｎｉｎｇ）によ
り完全に空乏化するのに十分なだけのドーピングレベル
（たとえば、１×１０17ｃｍ-3）で成長されている。こ
れによりＧａＡｓに対して浅いオーミックコンタクトが
使用できるようになる。
【０１３７】なお、図１０のデバイスにおいて、図５に
示したものと対応する部分には同じ参照符号が付されて
いる。
【０１３８】図１１は本実施例の再成長構造の変形例を
示している。この変形例において、再成長構造は厚さ６
０〜８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ層９５と、１×１０17ｃｍ
-3の濃度でもってＳｉ不純物がドープされた厚さ１０〜
２０ｎｍのｎ型−ＡｌＧａＡｓ層９７と、厚さ２０ｎｍ
のＡｌＧａＡｓ層９８からなる。この再成長構造の全面
は厚さ２００ｎｍのＧａＡｓ層９９により被覆され、１
ＤＥＧ６５は上部ＡｌＧａＡｓ層との界面に誘起され
る。ドープ層の不純物レベルは零バイアス電荷により決
定され、前に示したケースでは約１．２×１０11ｃｍ-3
のキャリア密度に相当する。
【０１３９】図１２は本発明の第４の実施例に係る赤外
線検出器１０１の断面図である。
【０１４０】この検出器は、δドープｐ型層１０５と、
δドープｎ型層１０３とが交互に配置されてなる超格子
構造を備えており、再成長界面１０９がエッチングによ
り形成されている。δドープｎ型層１０７に対する第１
の電気的接続部（不図示）がＧ２ｎ（バックゲート）と
して、δドープｐ型層１０５に対する第２の電気接続部
（不図示）がＧ２ｐ（他のバックゲート）として設けら
れている。
【０１４１】再成長界面１０９上には、厚さ約１５ｎｍ
のＧａＡｓからなるバック障壁層１１１と、厚さが３ｎ
ｍのＡｌＧａＡｓからなる活性層（または井戸層）１１
３と、Ｓｉ（＞約１×１０11ｃｍ-2）がδドープされた
厚さ約１００ｎｍのＡｌＧａＡｓからなるフロント障壁
層１１５とが続けて、つまり、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの短
い周期の超格子構造として成長される。ショットキーメ
タルコンタクト１１９はフロントゲートとしてコンタク
ト層１１８上に蒸着されている。動作時には量子細線１
２１が活性層１１３に誘起される。上部のＡｌＧａＡｓ
が十分にドープされていれば、活性井戸層１１３上の表
面固定化（surface pinning ）の影響を無効にするであ
ろう。
【０１４２】図１３を参照してｘモードでの動作を説明
する。
【０１４３】図１３（ａ）に示すように、ｘモードのソ
ース電極１２３とドレイン電極１２５とのコンタクト
は、量子細線とそれのそれぞれの端部の方でコンタクト
するように配置される。図１３（ｂ）に１ＤＥＧの井戸
を通る横断面におけるエネルギー帯を示す。図中、電流
輸送方向を矢印１２７で示してある。
【０１４４】井戸内の下位量子化エネルギー（Ｅ0 ）状
態と上位量子化エネルギー（Ｅ1 ）状態とのエネルギー
差ΔＥｘに対応した周波数を有する入射輻射線は、量子
細線に沿った方向の伝導性を変化させる。しかし、２つ
のバックゲート間に与えるポテンシャル差を増大させる
と閉込めが強まり、これによりΔＥｘが増大するので、
応答周波数が高くなる。
【０１４５】図１４（ａ）はｙモード動作のための配置
を示し、図１４（ｂ）は対応するエネルギー帯を示す。
【０１４６】図１４（ａ）に示すように、ｙモード用の
ソース電極１２９とドレイン電極１３１とが量子細線の
両側に配置されている。ソース・ドレインバイアスの影
響を受けて、少なくともΔＥｙ（これは基底状態と１Ｄ
ＥＧ井戸の上部に近い励起状態との間のエネルギー差で
ある）に相当する周波数の輻射線により、量子細線を横
切るソースからドレインへの導通が起こる（図１４
（ｂ）も参照のこと）。この場合の電流輸送方向を矢印
１３３で示してある。
【０１４７】図１５（ａ）は図１２に対応したもので、
通常のｚモード動作を説明するための図である。入射輻
射線の周波数が十分に高いと、電流はフロントゲート１
９９からバックゲート１０５へと流れる。電流輸送方向
を矢印１３５で示す。
【０１４８】図１５（ｂ）に示すように、赤外線輻射が
十分なエネルギーを持っていると、基底状態からの電子
は、井戸の格子エネルギーに打ち勝つほどのエネルギー
を持つようになる。印加バイアスの影響を受けて、フロ
ントゲート１９９からバックゲート１０５への導通が起
こる。
【０１４９】図１７に示した構造を用いたＩＲ検出器の
調整可能性を立証するために、サイクロトロン共振スペ
クトルを１０．５ｍｅＶのエネルギーに相当する一定周
波数のレーザによる照射についてプロットした。図１７
に示すように、このＩＲ検出器１４１は図１５（ａ）に
示したようなＶＭＴと類似した構造を有する。基板１４
３上には、厚さ７５０ｎｍのδドープｐ型ＧａＡｓ層１
４７と、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層１４９と、厚
さ２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１５１と、厚さ１００ｎ
ｍのｎ型ＧａＡｓ層１５３と、そして、厚さ５００ｎｍ
のｐ型ＧａＡｓ層１５５とからなる超格子１４５が成長
形成されている。この超格子は、再成長界面１６３上の
厚さ１３０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層１６１と、厚さ７
０ｎｍのＧａＡｓ活性層１６５と、そして、厚さ２０ｎ
ｍのスペーサ層を有する従来のＨＥＭＴ構造１６７とか
らなる再成長構造１５７により被覆される。
【０１５０】ゲート電圧を変えることにより、図１６に
示すように、活性層に対する吸収ピークがシフトするこ
とが分かる。これは表１に示すように、閉じ込めエネル
ギーの変化と等価である。
【０１５１】
【表１】
【０１５２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、横
伝搬モードがほとんど無い真の量子細線を実現でき、量
子細線を用いた実用可能なデバイスを提供できるように
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の量子細線を示す図
【図２】従来のＨＥＭＴ構造のエネルギーバンド図
【図３】従来のバックゲートＨＥＭＴ／ＶＭＴ構造の断
面図
【図４】従来のＶＭＴの動作原理を示す図
【図５】本発明の第１の実施例に係るＶＭＴを示す図
【図６】図５のＶＭＴの平面図
【図７】本発明の第２の実施例に係るＦＥＴを示す図
【図８】図７のＦＥＴの平面図
【図９】図７のＦＥＴのバンド図
【図１０】本発明の第３の実施例に係る逆ＨＥＭＴを示
す図
【図１１】図１０の逆ＨＥＭＴの変形例を示す図
【図１２】本発明の第４の実施例に係る赤外線検出器の
断面図
【図１３】図１２の赤外線検出器のｘモード動作を説明
するための図
【図１４】図１２の赤外線検出器のｙモード動作を説明
するための図
【図１５】図１２の赤外線検出器のｚモード動作を説明
するための図
【図１６】図１７の赤外線検出器のサイクロトロン共振
図表
【図１７】図１６のサイクロトロン共振図表を得るため
に使用される赤外線検出器を示す図
【符号の説明】
３３…ＧａＡｓウェハ ３４…δドープｎ型ＧａＡｓ層 ３５…ｐ型ＧａＡｓバッファ層 ３６…δドープｐ型ＧａＡｓ層 ３７…超格子構造 ３９…ｐ型ＧａＡｓキャップ層 ４１…斜面 ４３…斜面 ４５…ＡｌＧａＡｓ障壁層 ４７…変調ドープＨＥＭＴ構造 ４９…ＧａＡｓ活性層 ５１…ＡｌＧａＡｓ層 ５３…ｎ型ドープＡｌＧａＡｓ層 ５５…ＧａＡｓキャップ層 ５７…第１のゲート電極 ５９…オーミックコンタクト領域 ６１…第２のゲート電極 ６３…絶縁層 ６５…１ＤＥＧ ６７…第１のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ界面 ６９…第２のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ界面 ７１…中央部 ７３…ソース電極 ７５…ドレイン電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/06 29/68 29/80 (72)発明者 ポール オウエン イギリス国、シービー４・４ダブリュイ ー、ケンブリッジ、ミルトン・ロード、ケ ンブリッジ・サイエンス・パーク 260 トーシバ・ケンブリッジ・リサーチ・セン ター内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超格子構造の側面に側面に近い順に障壁層
    および活性層を具備してなり、 前記超格子構造を形成する層に与えるバイアスによっ
    て、前記活性層中または前記活性層と前記障壁層との界
    面に少なくとも一つの量子細線が誘起され、この量子細
    線に接触する異なる電位を有する複数の電極間で、前記
    量子細線がチャネルとなることを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項２】複数の層からなり、それらの少なくとも一
    部がδドープされてなる超格子構造を基板上に成長させ
    る工程と、 前記超格子構造を選択的にエッチングして斜面を形成す
    る工程と、 前記斜面上または前記斜面に近接する障壁層を再成長に
    より形成する工程と、 前記障壁層上または前記障壁層に近接する活性層を形成
    する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
JP5227617A 1992-09-11 1993-09-13 半導体装置およびその製造方法 Pending JPH07307462A (ja)

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GB9312825;4 1993-06-22
GB9219218;6 1993-06-22

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