JPH08148670A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH08148670A
JPH08148670A JP6290200A JP29020094A JPH08148670A JP H08148670 A JPH08148670 A JP H08148670A JP 6290200 A JP6290200 A JP 6290200A JP 29020094 A JP29020094 A JP 29020094A JP H08148670 A JPH08148670 A JP H08148670A
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JP
Japan
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layer
gate
drain
barrier
semiconductor
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JP6290200A
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Nobuhiro Sakurai
伸弘 櫻井
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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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
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    • H01L29/808Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with a PN junction gate, e.g. PN homojunction gate
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ホットエレクトロンを利用し高速動作が可能
で、HETのようなコレクタバリアでのコレクタ反射が
なく、かつ、デバイスの構造が簡単で電極の形成が容易
な新しい動作原理の半導体装置を提供する。 【構成】 ソース層1(n−GaAs)の上にバリア層
2(AlAs)を形成し、バリア層2の上にドレイン層
3(n−GaAs)とドレイン層3に隣接するゲート層
4(p−GaAs)を形成する。ソース層1に対してド
レイン層3を正電圧にバイアスすると、バリア層2を介
してトンネル電流が流れる。ゲート層4にpn接合が逆
バイアスとなる電圧を印加することによりチャネルのゲ
ート側の電位が上がりトンネル電流が減少する。チャネ
ル側への空乏層の広がりによってチャネル幅が減少する
ことによってもドレイン層3の電流が減少する。よっ
て、ゲート層4に印加する電圧に基づいて、ドレイン電
流を制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、トンネル効果を利用
した新しい動作原理による半導体装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】トンネル効果を利用したトンネルトラン
ジスタは、MeadによりMIMIM構造(M:金属,
I:絶縁体)のものが最初に提案され(Proc.IR
E 48(1960)359)、その後Sprattら
によりMIMS構造(S:半導体)(Phys.Re
v.Lett 6(1961)341)、および、Ki
sakiらによりMIS構造(Proc.IEEE 6
1(1973)1053)が提案されている。これらは
ホットエレクトロンを利用し高速動作化を目指した半導
体装置として、現在では一般的にHET(Hot El
ectron Transister)と言われてい
る。
【0003】以下に半導体ヘテロ構造からなるHETの
動作原理を説明する。HETは図6に示すような半導体
ヘテロ構造からなり、ベース電流とコレクタ電流の比が
βのとき、ベースコレクタ電圧をエミッタベース電圧の
1/β以上にできれば電力増幅ができるという動作原理
に基づいている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】実用的なHETデバイ
スが得られるには、以下のような数多くの解決すべき課
題がある。 (1)コレクタバリアでの反射が大きい為、ベース電流
によるロスがある。 (2)コレクタバリアでの反射を減少させるためにポテ
ンシャル形状を改良したものもあるが(特開平6−21
435号公報)、エピタキシープロセスが複雑である。 (3)極薄ベースの作製とそのベースへのコンタクトの
作製が困難である。
【0005】以上のような課題により、現在までに報告
のあるHETでは非常に小さな増幅率しか得られていな
い。増幅率の改善のためにエミッタにシングルバリアを
持つ半導体ヘテロ接合構造のHETデバイスとしてTH
ETA(Appl.Phys.Lett 64(199
4)1138)のようなものがあるが、前記のベースコ
ンタクトの問題は残る。また、半導体ヘテロ接合ダブル
バリア共鳴トンネル効果利用のRHET(Jpn.J.
Appl.Phys.24(1985)L835)等
は、スイッチング素子等の限られた用途には良いが、信
号増幅等の幅広い応用には不向きである。
【0006】この発明はこのような課題を解決するため
なされたもので、ホットエレクトロンを利用し高速動作
が可能で、HETのようなコレクタバリアでのコレクタ
反射がなく、かつ、簡単な構造でコンタクト(電極)の
形成が容易な新しい動作原理の半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明に係る半導体装置は、第1の半導体層と、この
第1の半導体層上に設けられたバリア層と、このバリア
層上に設けられた第2の半導体層と、この第2の半導体
層と隣接してバリア層上設けられたゲート層とを有する
ことを特徴とする。
【0008】
【作用】第1の半導体層に対して第2の半導体層を正電
圧にバイアスすると、バリア層を介してトンネル電流が
流れる。ゲート層にpn接合が逆バイアスとなる電圧を
印加することによりチャネルのゲート側の電位が上がり
トンネル電流が減少する。チャネル側への空乏層の広が
りによってチャネル幅が減少することによっても第2の
半導体層の電流が減少する。よって、ゲート層に印加す
る電圧に基づいて、第1の半導体層から第2の半導体層
へ流れる電流を制御できる。ホットエレクトロンを利用
するので高速動作が可能である。また、構造が簡単であ
るので、ゲートコンタクト(電極)の形成が容易であ
る。
【0009】
【実施例】以下この発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。図1はこの発明の第1実施例に係る半導体装
置の模式断面図である。第1の実施例に係る半導体装置
Aは、第1の半導体層であるソース1上にバリア層2を
形成し、バリア層2上に第2の半導体層であるドレイン
3を形成し、バリア層2上にドレイン3と隣接してゲー
ト層4を形成してなる。ソース1の下面にソース電極5
を、ドレイン3の上面にドレイン電極6を、ゲート層4
の上面にゲート電極7をそれぞれ形成している。
【0010】ソース1は例えばn−GaAsからなり、
トンネル障壁であるバリア層2は例えばAlAsからな
る。ドレイン3は例えばn−GaAsからなり、ゲート
層は例えばp−GaAsからなる。
【0011】平衡状態においてのチャネルおよびゲート
領域での伝導帯のポテンシャル図を図2に、ドレインお
よびゲートバイアスを加えたときのポテンシャル図を図
3に示す。なお、図2および図3で、(a)はチャネル
領域(図1において仮想線a−aで示す領域)、(b)
はゲート領域(図1において仮想線b−bで示す領
域)、(c)はゲート−ドレイン領域(図1において仮
想線c−cで示す領域)のポテンシャルを示す。
【0012】図1に示した半導体装置の場合、例えばソ
ース電位に対しドレインを正電圧にバイアスすると、ト
ンネル電流が流れる。この時、ゲートにpn接合が逆バ
イアスとなる電圧を印加することによりチャネルのゲー
ト側の電位が上りトンネル電流が減少する。さらに、チ
ャネル側への空乏層の広がりによってチャネル幅が減少
することによってもドレイン電流が減少する。
【0013】このように、ゲートにより電流を制御でき
る点がHETと異なる。また、ゲート構造はこれまでに
知られているJFETと類似しているが、JFETの動
作原理は電子が移動する伝導帯からなるチャネルの幅を
ゲート電圧で制御することによる電流の制御であるか
ら、トンネル電流の制御を原理とした本発明とは全く異
なる。
【0014】図2,図3中のEC はコンダクションバン
ド端、ΔEC はコンダクションバンド不連続、EFSはソ
ース側フェルミレベル、EFDはドレイン側フェルミレベ
ル、EFGはゲートフェルミレベル、VD はドレイン印加
電圧、VG はゲート印加電圧である。
【0015】ソース1、バリア2、ドレイン3、ゲート
層4の各層のバンドギャップ、バンドギャップの変化形
状、および、バンド不連続量等のバンド構造や材料はこ
の一例に限定されたものでなく、各層を傾斜ポテンシャ
ル構造等に変更したり、ヘテロ接合タイプの異なる材料
系とすることなどにより、様々なデバイス特性が設計可
能である。
【0016】例えば、ソース1およびドレイン3の各領
域は上記の材料の他にInPのような他のIII−V族化合
物半導体、ZnSeのようなII−VI族化合物半導体、S
iGeのようなIV−IV族半導体、さらにGeのようなIV
族半導体のヘテロ接合、もしくはそれらの傾斜ポテンシ
ャルを持つヘテロ接合でも良い。
【0017】トンネル障壁であるバリア層2は、AlP
のような他のIII−V族化合物半導体、ZnSeのような
II−VI族化合物半導体、SiCのようなIV−IV族化合物
半導体等の極薄のワイドギャップ半導体薄膜とのヘテロ
接合、もしくはそれらの傾斜ポテンシャルを持つヘテロ
障壁でも良い。またこれらは、目的によってはドープさ
れていても良い。さらには、SiO2 のような極薄の絶
縁体でも良い。
【0018】ゲート層4は、他の半導体のホモもしくは
ヘテロ接合のpn接合ゲート、または、図4に示す半導
体装置Bのように第2の半導体層であるドレイン3の側
壁にゲート絶縁膜8を形成した絶縁ゲートやショットキ
ー接合ゲートでも良い。
【0019】作製法は、図1に示した半導体装置の場
合、例えばn−GaAs基板(ソース)1上にAlAs
バリア層2、n−GaAsドレイン層(ドレイン)3を
エピタキシー成長し、p−GaAsゲート層4を拡散法
もしくはイオン注入法等で作製したり、またはこれらの
各層を選択的に順次エピタキシー成長させても良い。
【0020】図5に示す半導体装置Cのように、GaA
s半絶縁性基板9等の上に前記の各エピタキシー層1,
2,3,4を作製しても良い。この場合、デバイス電極
5,6,7は全て表面側で取れる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る半導
体装置は、第1の半導体層(ソース)の上にバリア層を
形成し、このバリア層の上に第2の半導体層(ドレイ
ン)とこの第2の半導体層(ドレイン)に隣接するゲー
ト層を形成したので、第1の半導体層(ソース)に対し
て第2の半導体層(ドレイン)を正電圧にバイアスする
と、バリア層を介してトンネル電流が流れる。ゲート層
にpn接合が逆バイアスとなる電圧を印加することによ
りチャネルのゲート側の電位が上がりトンネル電流が減
少する。チャネル側への空乏層の広がりによってチャネ
ル幅が減少することによっても第2の半導体層の電流が
減少する。よって、ゲート層に印加する電圧に基づい
て、第1の半導体層から第2の半導体層へ流れる電流を
制御できる。
【0022】ホットエレクトロン(トンネル電流)を利
用するので高速動作が可能である。HET(ホットエレ
クトロントランジスタ)のようなコレクタバリアでのコ
レクタ反射がないため、電流増幅率を大きくできる。ま
た、デバイス(半導体素子)の構造が簡単であるので、
コンタクト(電極)の形成が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例に係る半導体装置の模式
断面図
【図2】図1に示した半導体装置の平衡状態におけるポ
テンシャル図
【図3】図1に示した半導体装置にドレインおよびゲー
トバイアスを加えたときのポテンシャル図
【図4】この発明の第2実施例に係る半導体装置の模式
断面図
【図5】この発明の第3実施例に係る半導体装置の模式
断面図
【図6】半導体ヘテロ構造からなるHETの動作原理の
説明図
【符号の説明】
A,B,C この発明に係る半導体装置 1 第1の半導体層であるソース 2 バリア層(トンネル障壁) 3 第2の半導体層であるドレイン 4 ゲート層 5 ソース電極 6 ドレイン電極 7 ゲート電極 8 ゲート絶縁膜 9 基板

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の半導体層と、この第1の半導体層
    上に設けられたバリア層と、このバリア層上に設けられ
    た第2の半導体層と、この第2の半導体層と隣接して前
    記バリア層上に設けられたゲート層とを有することを特
    徴とする半導体装置。
JP6290200A 1994-11-24 1994-11-24 半導体装置 Withdrawn JPH08148670A (ja)

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JP6290200A JPH08148670A (ja) 1994-11-24 1994-11-24 半導体装置
US08/861,886 US5895931A (en) 1994-11-24 1997-05-22 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004241778A (ja) * 2003-02-03 2004-08-26 Agilent Technol Inc 中間層を含む半導体ヘテロ接合

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US5895931A (en) 1999-04-20

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