JPH0763092B2 - メタルベ−ストランジスタ - Google Patents

メタルベ−ストランジスタ

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JPH0763092B2
JPH0763092B2 JP61153485A JP15348586A JPH0763092B2 JP H0763092 B2 JPH0763092 B2 JP H0763092B2 JP 61153485 A JP61153485 A JP 61153485A JP 15348586 A JP15348586 A JP 15348586A JP H0763092 B2 JPH0763092 B2 JP H0763092B2
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semiconductor layer
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/36Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the concentration or distribution of impurities in the bulk material
    • H01L29/365Planar doping, e.g. atomic-plane doping, delta-doping
    • HELECTRICITY
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/7606Transistor-like structures, e.g. hot electron transistor [HET]; metal base transistor [MBT]

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 金属と薄い半導体層をオーミック接触し、この薄い半導
体層と第2の半導体とのヘテロ接合またはプレーナドー
ピングにより実質的にコレクタバリアを形成したメタル
ベーストランジスタであり、コレクタバリアの高さ、形
状を自由に制御することを可能とし、性能が高く、特性
の再現性に優れたメタルベーストランジスタを得る。
〔産業上の利用分野〕
本発明は金属層をベースとして用い、これと接触した半
導体をコレクタとしたメタルベーストランジスタに関す
る。
このようなメタルベーストランジスタでは、ベース金属
とコレクタ半導体の間に形成されるシヨツトキーバリア
のバリア高さを再現性良く得ることが必要である。
〔従来の技術〕
従来のメタルベーストランジスタの構造を第5図に示
す。図中50は厚さ10nmのAu薄膜であり、Geよりなるコレ
クタ51上に蒸着されている。エミッタはSiの針52をこの
Au薄膜上に立てたものである。第6図はこの構造のエネ
ルギ・バンド・ダイアグラムを示す。Siエミッタより電
子を注入すると、電子はAu薄膜中を走行しAu薄膜とGeと
の接触で生じたシヨツトキーバリアを通過する。この結
果、エミッタより流した電流により、コレクタ電流が制
御される。
このメタルベーストランジスタは、ベースが金属なので
極く薄くしてもベース抵抗が低く、エネルギの高い電子
(ホットエレクトロン)が通り抜ける時間も短いので高
速化に適しているものと考えられる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記従来のメタルベーストランジスタの
欠点は、エミッタよりコレクタに到達する電子の割合が
小さいことである。ベース接地の電流伝達率は高々0.3
程度であった。このため、従来のメタルベーストランジ
スタは電流利得を得ることができず、入出力のインピー
ダンスの差により電力利得が得られるだけである。この
ことからメタルベーストランジスタを通常のトランジス
タに置き換えることはできなかった。
このようにメタルベーストランジスタの電流伝達率が小
さいのは、金属薄膜中のホットエレクトロンの平均自由
工程が短いためと、金属−半導体の界面で電子が反射さ
れたり、エネルギを失うためである。また、金属−半導
体界面では、ポテンシヤルの急激な変化による量子力学
的反射の他にコレクタ半導体中で電子−フオノン相互作
用により電子がエネルギを失いバリアを越えられなくな
る場合が生じる。
ホットエレクトロンの平均的自由工程を長くするには、
電子のエネルギを下げると良いが、電子はコレクタのシ
ヨツトキーバリアを越えるだけのエネルギが必要なた
め、それほどエネルギを下げることはできない。すなわ
ち、従来のメタルベーストランジスタでは金属と半導体
とのシヨツトキーバリアをコレクタ障壁に使用してお
り、シヨツトキーバリアの高さは自由に制御することが
できず、またその形成の制御性もよくない。そのため、
コレクタのバリアの高さを自由に低くすることができず
上記欠点を解消されず、メタルベーストランジスタの実
用化が阻害されていた。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するための本発明の構成を第1図およ
び第2図を用いて説明する。
第1図は本発明のメタルベーストランジスタに用いるコ
レクタ部分の原理を示す断面図である。第2図(A)は
第1図に対応するエネルギ・バンド図である。図中、1,
2は半導体エピタキシヤル層(以下単に半導体層い
う)、3は金属薄膜である。4は半導体層1にオーミッ
ク接触した電極である。半導体層2と金属薄膜3はオー
ミック接触がとれるようにする。5はトンネルバリア、
6はエミッタ金属薄膜である。Ecと指示するのは伝導帯
の底、EFはフエルミレベルを指示する。
ここで、2の半導体層と3の金属薄膜とをオーミックに
接触するようにしているのは次の理由による。
すなわち、従来のように金属と半導体とのシヨツトキー
接触によるバリアができるとそこがコレクタバリアとし
て作用する。この半導体のトヨツトキーバリアは安定に
制御することができず、そのバリアの高さを所望の低い
値に制御することができない。そこで、本発明では半導
体と金属が最初に接触する部分はオーミックに接触する
ような組合せとする。そして少しコレクタ側に入った所
にヘテロ接合バリアを形成する。ここで、金属ベース層
を構成する3の金属薄膜とオーミックに接触する半導体
層2の厚味はトランジスタ動作上薄いことが必要であ
り、1原子層以上20原子層以下とする。
なお、このバリアはヘテロ接合バリアに限らず、プレー
ナドーピング・バリアで作製することも可能である。そ
の要部エネルギ・バンド図を第2図(B)に示してあ
り、オーミック接触を形成する半導体層2′とコレクタ
の半導体層1′との間にアクセプタをプレーナドーピン
グし3角ポテンシヤル・バリアを形成している。
このようなヘテロ接合バリアやプレーナドーピング・バ
リアは充分低いバリアを制御性良く形成することを可能
とする。
なお、本発明のエミッタは、ベース金属3上のトンネル
バリア5によるトンネル注入を用いることができ、トン
ネルバリア5の作製はベース金属のAlを酸化した酸化ア
ルミニウムを用いることができる。
〔作用〕
本発明のメタルベーストランジスタのコレクタでは、金
属薄膜3と半導体層2は良好なオーミック接触がとれて
いるため、3の金属薄膜に注入された電子は容易に半導
体層2の中に移動できる。ここで、半導体層2が充分に
薄ければ、この電子はエネルギを殆ど失うことなく半導
体層2と1のヘテロ界面に到達する。このため、この構
造では電子に対するバリアは実質的に半導体層2と1の
ヘテロ界面により作られる。半導体層1と2のヘテロ接
合で作られるバリアの高さは、半導体層1と2の組成の
関係により決定されるため、通常のシヨツトキーバリア
と異なり、様々な値を再現性良く得ることができる。こ
のためデバイスの再現性がよくなるという利点が生じ
る。また、通常のシヨツトキーバリア高さよりも低いバ
リア高さを得ることができる。低いバリアを使えばホッ
トエレクトロンのエネルギは低くすることができ、平均
自由行工程を長くすることが可能となる。
低いバリアを使うことで次のような利点が出てくる。そ
れは、金属から半導体に入射した電子が半導体の伝導帯
の底Ecに対して持つ過剰なエネルギΔEの大きさを小さ
な値にできることである。ΔEがオプテイカルフオノン
のエネルギより小さいと電子はオプテイカルフオノンを
励起することはなく、エネルギの損失を受けなくなる。
また、ヘテロ界面に低いバリアがある場合の電子反射率
は、金属−半導体界面のシヨツトキーバリアでの電子反
射率より小さくなる。
以上の理由で本発明のバリア構造は電子透過率の高いも
のとなる。
〔実施例〕
第3図は本発明の一実施例によるメタルベーストランジ
スタを示す。図中30は半絶縁性InP基板、31は厚さ1μ
mのn+−In0.52Ga0.48Asエピタキシヤル層である。な
お、このIn0.52Ga0.48Asエピタキシヤル層31は通常、図
示しない非ドープのIn0.52Al0.48As(200Å程度)の上
に形成される。32は厚さ100nmの非ドープIn0.52Al0.10G
a0.38As層である。32の層上に厚さ5nmのn+−In0.52Ga
0.48As層33およびAl薄膜からなるベース34(厚さ10nm)
が形成されている。34はAl薄膜によるエミッタ36とトン
ネルバリアoxを介して接続しトンネル接合を形成してい
る。それには34のAl薄膜を表面酸化してその上にエミッ
タのAl薄膜35を形成すればよい。36は層間絶縁膜、37は
コレクタの31の層にオーミックに接触する引出し電極、
38はベースの引出し電極、39はエミッタの引出し電極で
ある。以上の構造では31,32,33,34の各層は同一のMBE装
置中で連続して作製されるため、Alと半導体層との接触
が良好であり、特性の良いトランジスタを作製すること
が可能である。
第4図(A)は本発明の他の実施例を示す。図中40は半
絶縁性InP基板、41は厚さ1μmのn+−In0.52Ga0.48As
エピタキシヤル層である。なお、このIn0.52Ga0.48Asエ
ピタキシヤル層41は通常、図示しない非ドープのIn0.52
Al0.48As(200Å程度)の上に形成される。42は厚さ100
nmの非ドープIn0.52Al0.10Ga0.38As層である。42の層上
に厚さ5nmのn+−In0.52Ga0.48As層43を形成しこの43の
層の上にオーミック接触するAl44aをMBEで形成する。こ
こまでは、先の第3図の場合と同様である。ただし、こ
のAl44aはできるだけ薄く(例えば100Å程度)形成し、
その上に超伝導体のNb44bを成長する。ここで、Al44aは
超伝導体ではないが、その厚味が薄くその上に超伝導体
のNbが形成されているので、近接効果により超伝導にな
る。この二つの金属層44aおよび44bが複合してベースを
構成する。そして、トンネルバリアoxを形成するため
に、薄いAl(例えば50Å)を付着して酸化して酸化アル
ミニウムoxを形成した後、45のAlのエミッタ電極を形成
する。その他、46は層間絶縁膜、47,48,49はコレクタ,
ベース,エミッタの各引出し電極である。第2図と異な
るのはベース金属としてAl膜(厚味10nm)の上にNb膜
(厚味50nm)を形成していることである。この実施例で
は先の実施例に対して、さらにベースが超伝導のため、
ベース抵抗が0となり、また電子の寿命が普通の金属に
比較して非常に長くなるため高い利得が得られる、さら
に良好なトランジスタ特性となる。なお更に、エミッタ
電極も超伝導体にすることができる。その場合、例えば
エミッタ電極45をNbで構成する。
動作は、第3図の常伝導ベースの場合、トンネルでフエ
ルミエネルギより高いエネルギのホットエレクトロンが
ベースに注入され、それがコレクタに到達し外部に流れ
出す。一方、第4図(A)のベース3″が超伝導の場合
のエネルギ・バンド図を第4図(B)に示している。超
伝導体のギヤップ・エネルギΔは極く小さく、その上方
のバンドにエミッタ6″からトンネルバリアを介して準
粒子がベースに注入され、その準粒子がベース3″を走
行してオーミック接触を形成する半導体層2″と半導体
層1″間に形成されるバリアを越えてコレクタに到達
し、電子としてコレクタから流れ出す。
〔発明の効果〕
本発明によれば、メタルベーストランジスタのコレクタ
バリアの高さ,形状を自由に制御することが可能なた
め、性能が高く、特性の再現性に優れたメタルベースト
ランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理図、第2図(A),(B)は本発
明の原理を説明するためのエネルギ・バンド図、第3図
は本発明の一実施例の断面図、第4図(A),(B)は
本発明の他の実施例の断面図およびエネルギ・バンド・
ダイアグラム、第5図は従来例の素子の断面図、第6図
は従来例の素子のエネルギ・バンド図である。 1,2…半導体(エピタキシヤル)層 3,6…金属薄膜 5…トンネルバリア 4…オーミック電極 30,40…半絶縁性InP基板 31,41…n+−InGaAs 32,42…In0.52Al0.10Ga0.38As 33,43…n+−InGaAs 34,35,44a,45…Al膜 44b…Nb膜 50…Au膜 51…Ge 52…Si
───────────────────────────────────────────────────── 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 39/22 G 9276−4M

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エミッタから注入されたキャリアが走行す
    る常伝導もしくは超伝導の金属ベース層と、 該金属ベース層とオーミックに接触しその厚味が1原子
    層以上20原子層以下の第1の半導体層と、 コレクタを構成する第2の半導体層とを有し、該第1の
    半導体層と第2の半導体層との間に、第1半導体層およ
    び第2の半導体層のヘテロ接合により形成されるバリア
    層またはプレーナドーピングにより形成されるバリア層
    を備えることを特徴とするメタルベーストランジスタ。
JP61153485A 1986-06-30 1986-06-30 メタルベ−ストランジスタ Expired - Lifetime JPH0763092B2 (ja)

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JPS639149A JPS639149A (ja) 1988-01-14
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JP2925566B2 (ja) * 1989-01-20 1999-07-28 三洋電機株式会社 超電導トランジスタ
JP5182775B2 (ja) * 2006-03-22 2013-04-17 国立大学法人大阪大学 トランジスタ素子及びその製造方法、電子デバイス、発光素子並びにディスプレイ

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