JPS596078B2 - 半導体超格子構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は本質的に２次元のキャリアの流れを有する半導
体超格子構造体に係る。

従来の半導体構造体の製造に於ては、装置を導通せしめ
るキャリアの移動が或る特定の領域に於てあらゆる方向
に生じ得るという点に於て或る制約が存在している。

その結果、装置の性能に多くの制約を加える原因となる
損失が生じている。キャリアの移動が本質的に２次元に
限定される様に導通方向に平行な平面に於て異質の領域
を有している構造体を形成することにより半導体構造体
が形成され得る。その結果形成された構造体は、より高
いキャリア移動度、より高い電子の状態密度、及び選択
可能なエネルギ・ギャップという特性を有している。上
記構造体に於けるこれらの特性は、改良されたバルク性
能、改良された接合に於ける光電変換の性能（ｊｕｎｃ
ｔｉｏｎｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｅｒｆｏｒ
ｍａｎｃｅ）、及び改良された接合トランジスタの性能
を有する有利な装置を達成する。次に、本発明について
詳細に説明する。

超格子として知られている種類の半導体構造体があり、
これは交互に異なる２つの半導体材料の周期的連続層か
ら成る構造体である。本発明に従つて、交互に異なるエ
ネルギ・ギャップを有する領域を有しそしてそれらの領
域の幅が電子の平均自由行程の小部分である２つの半導
体材利から成る超格子構造体を設けることによつて、２
次元に導通する半導体構造体が形成され得る。その結果
形成された構造体に於ては、キャリ゜アの流れが本質的
に積層平面内に限定され、従つて本質的に２次元の導通
が生じる。この様な構造体に於ては、２つの半導体材料
の領域の界面に於てポテンシャル。エネルギが急峻な変
化又は不連続性を示し、これはキャリアを限定する電位
の井戸又は障壁と称され得る。第１Ａ図、第１Ｂ図、及
び第１Ｃ図に於て、第１半導体材料の領域１Ａ乃至１Ｄ
と第２半導体材訓の領域２Ａ乃至２Ｃとを交互に有して
いる超格子から成る単結晶半導体構造体が示されている
。

第１Ｂ図に於て、電位はエネルギ・ギャツプＥＯｌ及び
Ｅぃ並びに障壁ＥＢＯ及びＥＢｖを有する領域から領域
へと変化する。第１Ｂ図及び第１Ｃ図は、半導体構造体
内に於けるＸ方向に沿つた電位条件をグラフにより示し
ているエネルギ・レベル図である。交互に異なる半導体
材相の領域１Ａ乃至１Ｄ及び２Ａ乃至２Ｃは、Ｙ−Ｚ方
向に於て境界線３により分離されている平面に沿つてエ
ピタキシヤルに結合されている。本発明に於ては、構造
体のＹ−Ｚ方向に於ける積層平面に電子の流れを限定す
る束縛状態を生せしめることが必要である。

この本発明の条件を充たすために制御されるべき３つの
要素が存在する。その第１の要素は、第１Ｂ図に於てＤ
ｗとして示されている電位の井戸の幅即ち導通領域の厚
さが電子の波長と同程度にされることである。これは、
構造体に於ける第１半導体材料の領域１Ｂ及び１Ｃの厚
さの寸法を制御することによつて達成される。第２の要
素は、第１Ｂ図に於てＤＢとして示されている障壁の幅
が電子波を電子の井戸に限定する様に充分に大きくされ
ることである。これは、構造体に於ける第２半導体材相
の領域２Ａ，２Ｂ及び２Ｃの寸法を制御することによつ
て達成される。第３の要素は、第１Ｂ図に於てＥＢｃと
して示されている障壁の高さが電子波を電子の井Ｐに限
定する様に充分に高くされることである。これは、半導
体材料の領域１Ａ乃至１Ｄ及び２Ａ乃至２Ｃのための半
導体材料を選択することによつて達成される。これらの
３つの条件の組合せは、第１Ｂ図及び第１Ｃ図に於てＥ
ｘＯとして示されている離散的な束縛状態を生ぜしめる
様に働き、それらは電位のプロフイルの方向に垂直な積
層平面即ちＹ−Ｚ方向に於てのみ電子の流れを可能にし
、従つて２次元の導通を生ぜしめる。第１Ｂ図及び第１
Ｃ図の電位の図はＥｘｃとして示されている伝導帯に於
ける電子及びＥｘｖとして示されている価電子帯に於け
る正孔のためのその様な束縛状態の最も小さいものを示
している。ＥｘＯとＥｘｖとの間のエネルギ差は超格子
の実効エネルギ・ギャツプとして定義される。第１半導
体材判の領域１Ａ乃至１Ｄｔ）′−ＧａＡｓから成り、
第２半導体材料の領域２Ａ乃至２ＣがＧａＡｌＡｓから
成り、そしてそれらの半導体材料の領域１Ｂ及び１Ｃ並
びに２Ａ乃至２Ｃの厚さが約１００λである、本発明に
よる構造体の或る典型的な例に於ては、障壁の高さＥＢ
ｃは約０．５ｅＶである。

薄い周期的な層から成る構造体のための半導体材料の適
当な組合わせには、例えば、ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ．Ｇａ
Ｓｂ−ＡｌＳｂ．ＩｎＡｓ−ＧａＳｂ、ＧａＡｓ−Ｚｎ
Ｓｅ．ＧａＳｂ−ＺｎＴｅ、及びＩｎＳｂ一ＣｄＴｅ、
並びにＣａＡｓ−ＧａｌｌＡｌｘＡｓの如きそれらの合
金等がある。

これらの半導体材料は次の２つの点を考慮して選択され
る。その１つは、２つの半導体材料が欠陥のない高品質
のエピタキシヤル層を形成するために必要とされる厳密
な格子の整合を有していることであり、もう１つは電位
の井戸を構成する半導体材料が例えば光電変換装置の動
作に於て強い光を放出させるために要する直接遷移型の
エネルギ・ギヤツプを有していることである。この様に
して形成された、電流がＹ−Ｚ方向に流れる、第１Ａ図
に示されている如き、２次元の導通を生じる構造体は、
極めて有利な特性を有する装置を達成する。

第１Ｃ図に於て、状態密度は通常の３次元の導通の場合
よりも増加しそしてエネルギに依存していないことが理
解され得る。これは、本発明による２次元導通型の半導
体構造体が効果的な大きな可変のエネルギ・ギャツプ及
び状態密度を有するものとして効果的に働くことを可能
にする。更に、Ｘ方向に於ける移動が存在しないことに
より、キヤリアの運動エネルギが減少され、従つて散乱
時間が或る運動エネルギの或るべき乗に逆比例する通常
の条件の下に於てはより高い移動度及びより大きい拡散
率が得られる。次に、本発明の有利な特性を用いた例を
、第２図乃至第４図を参照して説明する。第２図に於て
、ＧＵｒｌｎ発振器として通常知られている型のバルク
半導体装置が示されている。

本発明を用いたこの装置は第１Ｂ図及び第１Ｃ図に示さ
れているエネルギ条件を生ぜしめるために２つの半導体
材料から成る一連の層から形成されている。説明のため
、この装置はｎ導電型の装置として示されており、又電
子を移動させるためりード線６及び７を各々有している
電極４及び５が示されている。電極４及び５ははんだ層
から成り得る。発振周波数はキャリアの遷移時間に依存
し、装置が本発明による２次元の導通により達成され得
る高い移動度を有している場合には、周波数が相当に増
加する。動作に於て、この種の装置は通常の３次元の導
通の場合の基本的エネルギ帯とその上のエネルギ帯との
間に於ける電子の移動によつて動作するので、本発明を
用いたこの装置は第１Ｂ図及び第１Ｃ図に示されている
如く基本的エネルギ帯をその上のエネルギ帯に関して高
くすることによつて閾値を制御及び低下させる。より速
いドリフト速度はキャリアの遷移時間を減少させそして
動作周波数を増加させる。第３図に於ては、ｎ−ｐ接合
８を有する光電変換装置が示されている。

矢印により示されている光が接合８に隣接する構造体の
部分から放出される。図示されている如く、本発明を用
いることによつて、キヤリアの２次元の導通は従来の場
合よりも相当に高い状態密度を生じ、それはこの装置に
於てはより大きい電気一光エネルギ変換効率を可能にす
る。

第３図に示されている如き光電変換装置の光出力周波数
は半導体材料のエネルギ・ギャツプの寸法によつて専ら
決定され、従つて本発明を用いたこの装置は効果的に選
択可能であるので、この分野に於て大きな融通性が得ら
れる。第４図に於ては、２つのｐ−ｎ接合９及び１０を
有するｎ−ｐ−ｎトランジスタ装置が示されている。

第４図の装置に於ては、エミツタ接続体１１Ａ，ベース
接続体１１Ｂ及びコレクタ接続体１１Ｃが設けられてい
る。トランジスタ装置に於ては、周波数は特にベースに
於けるキヤリアの遷移時間及びコレクタに於けるドリフ
ト時間によつて大きく決定される。従つて、本発明によ
る２次元の導通条件が与えられている場合には、高い拡
散率及びドリフト速度はベースに於ける遷移時間及びコ
レクタに於けるドリフト時間を短縮させる。この種のト
ランジスタ装置に於ては、エミツタ接地による高い利得
を有していることが望ましい。本発明による構造体の高
い移動度特性はこの種の利得に寄与する。又、第４図に
示されている型のトランジスタ装置に於ては、横方向の
電流の流れを除くことが望ましく、これは本発明による
構造体に関連して示された障壁によつて達成される。本
発明による構造体は分子線によるエピタキシヤル技術を
用いて容易に製造され得る。この技術を用いることによ
り、薄い周期的な層を形成することが可能である。分子
線は、半導体材料の構成元素及び所望のドパントを含む
噴散型の炉内の超高真空装置中に於て発生される。分子
線は、オリフイスを経て、適当な運動エネルギ条件の下
で成長が行われる基板に向かつて方向付けられる。各分
子線に各々シヤツタが設けられており、それらの操作は
帰還回路又はデイジタル・コンピユータにより制御され
る。第１半導体材料の領域を成長させるために１つＱシ
ャツタが開かれている間、他のシャツタは閉じられてい
る。この半導体材料の領域が所定の厚さに成長されると
、第２半導体材料の領域を成長させるために状態が変え
られ、この様な操作が反復されて周期的な構造体が形成
される。分子線によるエピタキシヤル技術は極めて平滑
な薄膜を形成することが出来そして正確に制御され得る
。これらの２つの特徴は望ましい周期的構造体を形成す
るために必要な条件である。この技術に於けるもう１つ
の重要な特徴は、液相による付着又は化学的気相付着の
如き他のエピタキシヤル技術の場合に比べて比較的低い
基板温度が用いられることであり、その結果熱拡散効果
が殆ど無くなつて急峻な構造体が達成され得る。付着中
に接合構造体のためのｐ型領域及び／若しくはｎ型領域
を制御するために、ドパントのための炉の形状寸法が高
い方向性を有する分子線を生ぜしめる様に設計されそし
て又適当な遮蔽効果を有する機械的マスクが設けられ得
る。周期的構造体に著しい悪影響を与える様な拡散温度
及び時間を用いない、従来の拡散技術が上記付着後に用
いられ得る。イオン注入も又将来期待される技術である
。第２図乃至第３図の装置は説明のため簡単に示されて
いるが、第１Ａ図に示されている本発明による構造体の
オングストロームのオーダーの厚さの層を交互に重ねる
ことにより３次元的なＬＳＩ構造体を形成することも可
能であることは明らかである。

以上に於て、半導体装置に於けるキヤリアの流れを通常
の３次元の中の２次元のみに限定する様に組合わされて
働く本発明による構造体の原理を示しそして幾つかの典
型的な半導体装置の性能特性に本発明による２次元の導
通の利点を適用した例について述べた。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明による半導体構造体を示す図、第１Ｂ
図及び第１Ｃ図は第１Ａ図の半導体構造体に関するエネ
ルギ・レベルを示す図、第２図は本発明を用いたｎ型バ
ルク半導体装置を示す図、第３図は本発明を用いたｎ−
ｐ接合を有する光電変換半導体装置を示す図、そして第
４図は本発明を用いたｎ−ｐ−ｎ接合を有するトランジ
スタ装置を示す図である。 １Ａ乃至１Ｄ・・・・・・第１半導体材料の領域、２Ａ
乃至２Ｃ・・・・・・第２半導体材料の領域、３・・・
・・・境界線、４，５・・・・・・電極、６，７・・・
・・・リード線、８，９，１０・・・・・・ｐ−ｎ接合
、１１Ａ・・・・・・エミツタ接続体、１１Ｂ・・・・
・・ベース接続体、１１Ｃ・・・・・・コレクタ接続体
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交互に異なる半導体材料の領域を含む半導体超格子
   構造体に於て、上記領域に於ける各々の半導体材料のエ
   ネルギ・ギャップにより決定される障壁の高さと、上記
   の１方の半導体材料の領域の厚さによつて決定される障
   壁の幅と、上記の他方の半導体材料の領域の厚さによつ
   て決定される導通領域の厚さとが、上記導通領域に於て
   本質的に２次元のキャリアの流れが生じる様に組合わさ
   れて選択され、上記構造体に上記導通領域に平行に電流
   を導入する入出力手段が設けられていることを特徴とす
   る、半導体超格子構造体。