JPS5961967A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の技術分野は高速度半導体スイッチイ〜装置であ
って、その様な装置の性能が１０−９秒の速度に近利く
につれて、拡散による少数キャリヤ移動を用いる装置に
おける標準的なキャリヤ移動子−ドに於いては、時間的
制限の問題が増々顕著になりつつある。

少数キャリヤ移動時間に関する制限を回避するための一
つの解決法は多重障壁を通しての共振ｍ予力学的透過（
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）のメカニズムを利用するキ
ャリヤ流動に依存する装置を作る事であった。

共４Ｈ−Ｒ子力学的透過はＡｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、２４，１２．Ｊｕｎｅ　　１５
，１９７４に於いて、特に高速度タイプの装置を作るた
めに月見・うる物理的メカニズムとして報告さ灯でいる
。

［発明の概要〕 導通のために共振透過の物理的メカニズムを用いる三極
タイプの半導体装置について構造的原理を示す。導通は
半導体結晶における高導電率の電極間の平坦な表面領域
にお℃・て行なわれ、共振透過の物理的メカニズムのた
めの障壁及Ｏ・ボデノンヤルの井戸は、絶縁層の厚さ寸
法、小さし・ゲートの幅及び間隔寸法、上を覆う重畳さ
れたより大型のグー１−の寸法症びに２つのゲート領域
間に印加される電位の組合せによって形成される。

本発明の構造体は、キャリヤ導通がノース及びドレイン
と称せられる２つの高導電率電極領域間の表面に隣接す
る半導体の領域であるチャネルに於いて行なわれる電界
効果トランジスタに比肩さ］Ｌる。

本発明に従って、ポテンシャル井戸は、キャリヤ導通領
駿にの層内に小型のゲートを並びにノース、ドレイン及
び小型のゲート上に重なる層の十に大型のゲートを設け
る事によってキャリヤ導通領域を貫通する少なくとも２
つの反射障壁の間において形成される。大型のゲートに
バイアス電圧を印加することによって、障壁レベルを設
定し、そのレベル内において小型のゲートに印加した異
なるバイアス電圧がボテン／ヤル井戸を生じる様に働ら
く。本発明はＦＥＴタイプのトランジスタに顛似した構
造体に共振トンネリングの原理を適用する事によって極
めて高速度で動作１−る共振トンネリング半導体装置を
４に供１−るものである。

〔実施例〕

第１図において、例えばシリコンの半導体本体１が示さ
れる。任意の導電型を用いうるが、第１図に於いては領
域１は例えばＰ型とする。高導電率の外部接点領域２及
び６ばＦＥＴのノース及びドレインタイプの接点として
働らく。接点２及び３はＰ領域の部分の各々端部にあっ
て、通常ノＦＥＴのチャネルに似た領１或５において結
晶１０表面４に渚って伸びている。半導体本体１の表面
４の上にはＳｉＯの様な絶縁相の領域６が設けられる。

チャネル５の上の中心合わせさ牲た領域に、小面積のゲ
ート７を設げる。ゲート７はチャネル５から寸法りまた
け離されている。ノース２及びトレイン６上に重畳され
た第２のより大面積のゲート８が絶縁相６の表面に設け
られる。ゲート７からの距離はＤ２である。ゲート７の
寸法ａ及びＤｌ、Ｄ２の寸法は１００ないし２００　Ｘ
Ｂ度である。

例えば、構造体が基板１としてＧａＡｓ（ｉｚ、Ａ・４
料６としてＧａＡＡＡｓ　　ｆ用い、チャネル５がドー
プされた変調キャリヤ伝導度領域である場合、ノリコン
の例の場合よりも平均自由行程はより長く、質敏はよジ
軽く、従ってゲート７の寸法ａｅより大きくする事がで
きる。ドープされた変調導電率チャネルは、一方の半導
体におけるドーピングによって生じた電子がドーピング
原子との衝突によって易動度が減じる事なく隣接する半
導体に於いてキャリヤを与える様な異なる半導体との界
面に隣接する領域である。本発明において、電界がこの
タイプの界面における導電率を変調させる。

第１図の構造体は半導体の技術分野に於いて公知の種々
の技術を用いて作ることができる。一つの技法によると
、絶縁相に段状部を設け、該段状部の側部に対してゲー
ト７として働らく金属を４」着させ、続いて更に絶縁相
の成長を行なう事によって構造体を作ることができる。

本発明に於ける共振透過はゲートの寸法が小さい月１と
、ゲート７及びゲート８の電圧を独立して変動させ得る
・事と・によって達成される。性能について１１−、バ
イアスの影響によるエネルギ・レベル図合示す第２図及
び第ろ図に関連して説明する。第２図及び第５図におい
て、Ｅｏは伝導）１）の端部、Ｅ　　及びＥＦ２はゲー
ト８に関するゲート７に１ 対するバイアスに依存するゲート７の−Ｆの領域に関す
る伝導帯端部上のフェルミ・エネルギである。

電位は理想化して示されている。

本発明を用いる構造体に於いて、第１図の障壁寸法ａの
部分に沿う長さはキャリヤの平均自由行程より短かくな
けれはならない。

以Ｆの説明は近似的に１次元の状態を用（・て示−ずが
、２次元の構造体にもその原理が適用されうる事は云５
までもない。

まず第２図の状態を考えると、ボテンソヤル井戸を通過
１−るゲート８の下方のフェルミ表面におけろ電子に関
する透過率は（１）式で表わされる。

ここでａは障壁の長さであって、 ここでｍは表面に平行なキャリヤ（電子）の有効質量で
あり、１、は−χ５　ｙ　ｌ　’ｉｉｌ　＃’ｌてあイ
・。

２　π 第１式の条件の下で、ＥＦｌが７０ｍｅＶて、Ｅ１４．
２が４ｍ　ｅ　Ｖ程度である場合、′ｒの最大値に）、
１であり、最小値％′ｉ０．２程度である。−例として
ａば２ｏｏＸである。

これらの条件の下で、透過（・主変動を呈する。これは
、式（１）の５Ｉｎ２αａ　の項、下の最大値及び最小
値がαａ−πて俸えられる周期でもって現わＪするから
である。もしもＥＦｌがろ８ミリエレクトロン・ポル）
（ｍｅＶ）だけ変動′するならば、−にの例において伝
送は最小値を通って最大値へ戻るであろう。ゲート７の
下において寸法Ｄ１が２ｏｏＸ程度であって、ゲート７
及びゲー１−８の間において寸法Ｄ２が約２００λであ
るならば、変動を呈するにばＯ０５ボルトのゲート７に
おける変化が必要であり、Ｄｌが約１００人に減じら、
１１７る場合は、わずか０．２５ボルトの変化が必要と
されるに過ぎない。

第６図を参照すると、ゲート７及び８における相対的電
位はゲート７の下のＥＦｌがＥＦ２より小さくなる様な
電位である。Ｔは式（１）に従うが、ＥＦｌが小さいと
、Ｔも小となる。第１共振ばαゴー　π／２において生
じる。ａが２００ＸＶＸ等しい条件の下では、Ｅｌ、１
ば１．１７　ｍ　ｅ　Ｖである。

もしもＥＦ２が５０ｍｅＶであったならば、Ｔは００９
に等しくなる。

多数キャリヤ・タイプの装置においてむよ、直列抵抗に
対する特別な感度がある。第２図の様な特（ｉを′、暑
４−ろ装置、’／、’（＋’）利点は１を丁列に抗／）
シＪ・さい事て・ル）ろ。

こθ）タイプの構へ休の直列抵抗は式（２）によって支
配されて）。

条件の組合せの一例として幅（Ｗ）−長さくＬ）が考え
Ｌノ１れる。、、１−記式において、ｅＯ）’ｆｌ子の
電イ’ｊ：ｆ、　　ｎ　　　は表面におけろキャリー＼
・密度、／Ｚはギ２ 一＼“’Ｊ　−Ｓ′の易動度である。

中−の障壁についてのコンダクタンスは式（３）によっ
て示さ」主ろ。

ここで、１１はブランク定数、 ｋは障壁に隣接てろ領域における波動 ベクトル、 ｍはギヤリヤ（電子）の有効質量、 ”’　Ｊ”　２は障壁に隣接する領域にオＧけるフェル
ミ・エネルギで’；’ａ　Ｚン。

第２図のエネルギ状態についてこれらの条件の１にオ６
いて、Ｒは２６０ρに等しく　ｌｘろであろう。

即ち、障壁の抵抗は直列抵抗の程度の抵抗であって、有
効な変調を達成することができる。

本発明の装置の利得は大きい。第２図のエネルギ状態に
於いて、エネルギのシフトは約１ｍｅＶである。これは
約１６Ｘ１０”キャリヤ／ｄに相当する。およそ１ｏｏ
、にの寸法Ｄ１について、０１ボルトより低い電圧が必
要であって、相／ｉコンダクタンス（Ｇｍ）は約１７２
５でル）って、これは幅対長さ比が１の例を考える場合
極めて大きなイｉｔｉである。

特別な干渉状態（ｍｅａｓｕｒｅ）の存在し／Ａ−い第
２１ン１のエネルギ状態にある装置１Ｙ７はオノ状態に
訂１待さね、るであろう。その様な構造体は線型増幅イ
：（とじて有用である。

第６図のエネルギ状態に関してＧ、Ｉｌ、比ｈ’ｆ　Ｌ
うろ深さの多数の共振が存在し、）・イアスミ月：がそ
」しら全てにわたって揺動する場合、その構１告休は周
波数逓倍器として働らきつる。

例えば、式（２）に関連して示した様に、抵抗は狭いゲ
ートもしくは引戸の数が乗ぜらＪｌねばプ、Ｃらないの
で、装置の利得が増加される様だ、ゲート領域に配置さ
れた格子状の段１一部を設げる様な構造ｉ−の変更が可
能である。

更に他の構造にの変更はもしも装置の幅が幅対長さ比１
をうる様に減じられる場合に行／ｆわれる。

これによって直列抵抗は不変となるが、障壁抵抗・は増
加する。

本発明の原理に従って、多数の小型のゲートを用いろ事
によって、第４図及び第５図に示−「様にそれらの間に
ポテンシャル井戸が生じろ。

第４図を参照する。第１図の構造体にオ６けるのと同様
の機能を有するものは同じ参照番号を用いても・ろ。但
し、第１図のゲート７は２つの部分７Ａ、７Ｂからなり
、ゲート８はチャネル５から離れた位置まで覆った状態
を呈している。ゲート７ヒのゲート８及びゲート７の間
の寸法Ｄ２はゲート８かもチャネル５までの距離と同じ
である。

これらの条件の下で、ゲート８に印加されるバイアスが
多重部分グー１−７Ａ及び７８によって変化され、・１
（）域レベルをゲートの各々の部分の一トにおいてノエ
ルミ・レベルより」二に配置し、第５図の寸法的に相関
して示されるエネルギ図に示される様にそれらの間の酸
化物の一トにおいてボテン／ヤル井戸を有える。

第４図の構造体は、１００ｆｒ、いし１０００人のオー
ダーの寸法の端部刺着技法によりイ・１着された金属部
Ａ’Ａ’　ｔメサ部の形成時にマスクとして用い、次い
てメサ部の両側に部Ａ・）、７Ａ及び７Ｂｉ端部ｆ−ｊ
着する事によって形成する小ができる。

第６図において、Ａｌの様なＲＩ　Ｅ（反応性イオン・
マツチング）レジスト１２でもってマスクし、所望の洋
さ１でマスクされない月別をＲＩＥ全用いて除去するこ
とによって層１１（例えばＳｉＯ□）内に段状部１０を
形成する。そのかわりに、マスクされていない酸化物を
全部除去し、第６図の構造体を形成する様に再成長が行
なわ１１てもよい。

第７図を参照する。第６図のマスク１２を浸漬エツチン
グ除ソＳしたのち、矢印１３で示されろ様に例えば７０
００角度をもたせてＡ１等のイ・１着プロセスを行なし
・、余分の部分をエツチングで除去する事によって、Ｒ
ＩＥマスク１４が形成されろ。

第７図は余分のｆ＝Ｊ着物をエツチングで除去し７だ後
の構造体を示す。

第８図にお（・て、メサ部１５を形成１−イ）ために部
側１４によってマスクされていな（・層１０がＲＩＥを
用いて除去される。同様に、代替法として、全てのマス
クされてない酸化物部分を除去し、第６図の構造体を形
成する様に再成長を行なう事ができる。

第９図に於いて、部伺１４をエツチングで除去したのち
、メリ一部１５の各側部妬端部側着技法を用いる事によ
ってゲート７Ａ及び７Ｂを形成才ろ。

基板及びゲート７Ａ、７Ｂの両方のトに同じ寸法Ｄ２の
厚さに伺加的な成長を行なう。その上にゲート８を令１
着させる。

分離したゲート７Ａ及び７Ｂの距離は１００λブ、ｏ・
し１［）００人の程度であって、それらの厚さは１ｓｏ
Ｘブエいし１ｏｏｏ入程度てル、る。

グー）、、８にバイアスが印加され、ゲート７Ａ及び７
ＢがゲートＢとは異なるバイアスを印加される様なバイ
アス条件の下に４・→いて、そのエネルギ体の図は第５
図に示されろ様になる。第５図に関して、分割さｉＬだ
グー）・領域の］二の伝導化端部はゲートＩ′に圧条件
によって生じろ任意のレベルを呈しうろ事にｎ゛目さ」
ｔた℃・。全ての障壁及び引戸の幅（・尤グー１〜の物
理的寸法、プロセス及びＤｌ、Ｄ２の寸法によって選択
することがてきイ）。ノエルミ・レベル・エネルギはグ
ーｌ−８に対するゲート電圧（・でよって制御され、バ
リヤの高さは分割されたグー１−７　Ａ、７Ｂのグー１
〜電圧によって制御されろ。

この構造体において、装置を通しての■）、子の透過は
、第５図に於ける中央のｍ手酌ないしポテンシャルの井
戸において電子の波長が変化イろにつれて共振を示す。

分離したグー（・７Ａ及び７Ｂと重畳されたゲート８０
両方に対１′ろ印加電圧が共振状態を制御ｆ１１ｆる。

透過率、従って装ｆ６の抵抗は中火部のジ１°戸領域に
おいて種々の定在波状態が和合−づ−ろにつれて共振す
る。従って第４図の構造体は高速度の応答増幅器及び周
波数避倍器として特に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の図、第２図及び第６図はエ
ネルギ・レベルの図、第４図は他の実施例の図、第５図
は他のエネルギ・レベルの図、第６図ノ、Ｃいし第９図
は第４図の構造体を形成するプロセスを示す図て゛ある
。 １・・・・半導体本体、２・・・・高導電率の接点領域
、６・・・・高導電率の接点領域、４・・・・半導体本
体１の表面、５・・・・チャネル、６・・・・絶縁相、
７・・・・小面積のゲート、８・・・・大面積のゲート
。 出願人インターヲンヨプフレ・ビジネス・マンーンズ・
コーボレーノヨン代理人・弁理士　岡　　１）　次　　
生（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記構成を有する共振透過半導体装置。 （イ）第１及び第２の高導電率電極領域の間にキャリヤ
   導通領域を備えた面を有する半導体結晶。 （ロ）上記面に接触するように設げら、ｈた絶縁層。 （ハ）上記絶縁層に接触するように設けられた大型の重
   畳ゲート。 に）　上記面から第１の距離及び−に記重畳ゲートから
   第２の距離の位置にあって上記重畳ゲートの下方に設け
   られた、上記半導体における平均自由行程ていどの上記
   キャリヤ・導通領域に＞１２行フｆ部分の寸法を有する
   小型の導通制商１ゲート。 （ホ）　上記重畳ゲート及び−」１記半導体結晶の間に
   印加さ」して、−に記キャリヤ導通領域において伝導エ
   ネルギ帯及ヒフエルミ・エネルギ帯のレベルを離れて配
   置−「る様に動作する第１のレベル設定バイアスを与え
   る手段。 （へ）−に記小型の導通制御ゲート及び上記半導体結晶
   の間に印加されて、−に記キャリヤ導通領域に於し・て
   少くとも２つの反射障壁を分離させる少くとも１つのポ
   テンシャル井戸を位貿例ける様に動作する第２のボテン
   ／ヤル井戸バイアスを与える手段。