JPS5984475A - 電界効果型トランジスタ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は電界効果トランジスタに係シ、特に超高速で動
作するのに好適な電界効果トランジスタに関する。

〔従来技術〕

従来の電界効果トランジスタは、ＭＯＳトランジスタが
その代表的な例であるが、その動作原理はチャンネルと
呼ばれる能動領域中のキャリア濃度を電界効果（通常ゲ
ート電圧によって供給される）によシ増減することにょ
シ、ソース、ドレイン間のコンダクタンスを変化させる
ことに基づいている。この電界効果トランジスタを高速
で動作させようとするときの動作限界の１つは、チャン
ネルをキャリヤが通過するに要する時間（走行時間、ｔ
ｒａｎｓｉｔ　ｔｉｍｅ　）　ｒである。たとえば、チ
ャンネル長１μｍのＳｉＭＯＳトランジスタを例にとる
と、Ｓｉ内の電子の飽和速度は２×１０７ｃｒｎ／　ｓ
ｅａであるから、チャンネル内の走行時間τはτ＝（チ
ャンネル長）／（飽オロ速度）＝　Ｉ　Ｘ　１０−’（
ｃｒｎ）／　２Ｘ　１０’　（ｃｍ／５ｅＣ）＝５ｐＳ
ｔ３ｃ であり、ＭＯｆ９）ランジスタの動作速度はこれを越え
ることは、その動作原理から見て不可能である。

一方、移動度を太きくシ、走行時間を短くすることを目
的として、低温での動作が盛んに提唱されているが、飽
和速度は温度によってあまシ変化しないので、走行時間
をこれ以上短くすることはほとんど不可能である。

〔発明の目的〕

したがって、電界効果トランジスタの動作速度を飛躍的
に向上させるには、従来と全く異なった動作原理に基づ
く電界効果トランジスタの開発が必要であシ、本発明の
目的はこのような電界効果トランジスタを提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明では、正孔と電子
が同一層内にあるビスマス（Ｂｊ）等で代表される半金
属薄層、または適当な半導体薄層の組合せでのその界面
近傍に形成される半金属的性質を有する薄層に絶縁物ま
たは半導体のへテロ接合を介して電界を印加することに
よシ、半金属的性質を有する薄層のコンダクタンスを変
化させることをその動作原理としたものである。

以下、本発明のもとになっている半金属および半導体の
薄層を組合せることによシ、その界面近傍に形成される
半金属的性格を有する薄層について説明する。

ビスマス（Ｂｉ）に代表される半金属とは、その電子構
造におい１伝導帯の最低エネルギー準位が価電子帯の頂
上よシも低いところに位置するため、不純物をドープし
なくても、伝導電子と正孔の両者が共存し、金属的な電
気伝導特性を示す物質である。しかし、この伝導電子お
よび正孔の濃度はｌＸｌ０”錆−１程度であシ、伝導電
子の濃度がｌＯ！２ω−３程度の金属よシははるかに低
い。

さらに、ビスマスの場合について詳しく説明すると、電
気伝導度は有効質量が小さく、移動度の大きな伝導電子
によって殆んど決っているが、異なった符号の荷電を有
する正孔が伝導電子とほぼ同じ濃度で存在するために、
同一符号のキャリヤしか存在しない金属や半導体では見
られない特異な現象を示すことがある。たとえば、ビス
マスの単結晶薄片の面内のある方向（Ｘ方向とする）に
電界を印加し、電流を流し、この薄片と直焚する方向（
Ｚ方向とする）に磁界を印加する。このような場合、伝
導電子または正孔の一方しか有しない半導体または金属
においては、電流および磁界の両者と直焚する方向（Ｙ
方向）にホール電圧と呼ばれる電圧が生じることはよく
知られている。

しかし、半金属の場合には、電流と磁界によって生じる
ローレンツ力が電子と正孔に対して同じ方向に働くため
、両者とも同じ側に曲げられ、負の荷電を有する電子と
正の荷電を有する正孔が打ち消し合い、ホール電圧を生
じない。このような現象は半金属においてのみ見られる
ものである。

本発明は、この半金属の薄層に厚さ方向に電界を印加す
ることによシ、この薄層中の電子および正孔の濃度を変
化させることにょシ、この薄層のコンダクタンスを変化
させることを基本動作原理としている。

つぎに、異種の半導体薄層を重ね合せることによシ、界
面に形成される半金属的性質を有する薄層について説明
する。

このような性質を有する薄層の例としては、Ｌ。

Ｌ、　ＣｈａｎｇらがＩｎＡｓとＧａＳｂとのへテロ界
面について報告しているものがある（Ａｐｐｌ、　Ｐｈ
ｙｓ。

Ｌｅｆｔ、３上、、９３９　　（１９７９））、すなわ
ち、分子線エピタキシー法等によシ形成されたＩｎＡｓ
−ＧａＳｂ　　　’界面では、この二つの物質の仕事関
数と電子エネルギー構造の相対関係によシ、後に第３図
のところで説明するように、界面のＩ　ｎ　Ａ　ｓ側に
伝導電子が、Ｇａｒｂ側忙正孔が近接して存在するよう
になる。このように、正孔と電子の２種のキャリヤが極
〈近接して存在する状態を、半金属的性質を有する状態
と定義する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によシ詳細に説明する。

実施例　１ 本実施例の構成および動作原理を第１図を用いて説明す
る。

０、１Ω・確のｎ形Ｓｉ基板１１の上に分子線エピタキ
シー法で１３ｉをエピタキシャル成長させ、厚さ８０ｎ
ｍのＢｉ薄層１２を得る。この１３ｉ薄層は、電子およ
び正孔の両者を２　Ｘ　１０　”ｃｍ−”有する半金属
層である。極低温（４，２’Ｋ　）における電子の移動
度は約８　Ｘ　１０’　ｃｒｌ／Ｖ・灘に達する大きな
値を有し、正孔の移動度はこれに比べて１桁以上小さい
ので、極低温では正孔、電子の両者とも存在するが、電
気伝導度は電子の濃度のみで決っている。

このＢｉ薄層１２の上に５０ｎｍの厚さのＡ　ｔ２０３
膜を電子線蒸着法によ多形成する。つぎに、写真食刻法
によシ、ゲート部のｋｔ２０ｓ膜１３だけを残して他の
Ａ４０ａを除去する。ついで、同じく電子線蒸着法で全
面に金を１１０００ｎの厚さに蒸着し、さらに写真食刻
法にょシ、不要部分を除去して、ゲート電極１４、ソー
ス電極１５、ドレイン電極１６を形成する。

つぎに、上記素子の動作原理を説明する。

基板１１に対して、＋ＶＧボルトだけ、ゲート電極１４
にバイアスをかけた場合を想定する。いまＢｉ薄層１２
とゲート電極１４で、絶縁Ｍ１３をはさむことによって
形成されている静電容量をＣとする。精密には基板１１
からＢｉ薄層１２、絶縁膜１３を通ってゲート電極１４
までを自己無撞着的に解くことが必要であるが、おおむ
ね、Ｑ＝Ｃｖで与えられる負の電荷がＢｊ薄層１２内の
絶縁膜１３に近い側に誘起され、同じだけの正の電荷が
基板ｌｌ側の方に誘起される。これは１３ｉ層１２内の
絶縁膜１３に近い側で電子濃度が大きくなハ基板１１の
側で正孔の濃度が大きくなることで達成される。さきに
記したように、４．２’にではＢｉの電気伝導度は電子
のみによって決っているので、ソース、ドレイン間のコ
ンダクタンスが大きくなったことになる。また、この際
の電荷の移動は、ＭＯＳトランジスタの場合とは異な如
、Ｂｉ薄層内の電子と正孔の偏極のみによシ達成できる
ので、Ｂｉの誘電緩和時間の程度の非常に短い時間内（
（ｌｐｓ）に起る。

第２図に本実施例の電界効果素子の静的動作特性を示す
。図から見て分るように、本素子は基本的にはノーマリ
・オン（ｎｏｍａｌｌｙ　ｏｎ　）の三極管動作が中心
である。また、ドレイン電圧、電流特性は、素子の平面
上の幾伺学的な構造パラメータで適当なところを選ぶこ
とができる。

また、この実施例では、分子線エピタキシー法で成長し
たＢｉを用いるためにＳｉ基板を用いたが、サファイア
等の絶縁物基板の方が好ましい。

また、本実施例では、エピタキシャル成長の１３ｉ単結
晶薄層を用いたが、その動作原理から考えて、他の半金
属薄層でも同様な動作ができることはもちろんである。

また、この半金属薄層は多結晶であってもよい。

つぎに、実施例２以下の具体的構造を示す前に、異種の
半導体の界面または超格子構造を用いると、電子によシ
ミ気伝導が行なわれる層と正孔によシミ気伝導が行なわ
れる層を空間的に非常に近接して作成することができる
ことを示す。

第３図は、ｎ型Ｇａｒｂとｐ型ＩｎＡｓのへテロ接合ｌ
Ｉｉ近のエネルギー図である。Ｇａｒｂと工ｎ　Ａ　Ｓ
の仕事関数、バンドギャップ等の関係で、第３図に模式
的に示したように、３１で示した逆三角形のポテンシャ
ルの井戸の中に電子がたまシ、３２で示した三角形のポ
テンシャルの井戸の頂上に正孔がたまシ、これらが紙面
に垂直な方向には自由な電子および自由な正孔として運
動している。すなわち、界面に沿った面内の方向では、
自由電子と自由正孔が共存する半金属的な性質を有する
薄層が存在する。

また、第４図はり、　Ｌ、　Ｃｈａｎｇら（ＩＢＭ）に
よってはじめて報告されたＧ　ａ　Ａ　ｓとＩｎＡｓの
超格子の電子エネルギー構造の模式図である。Ｃｈａｎ
ｇらによれば、ＧａＡｓとＩ　ｎ　Ａ　ｓの厚さが適当
な範囲にある時は、工ｎＡＳの電子の性格の強く現われ
た状態のエネルギーが、ＧａＳｂの正孔の性格が強く現
れた状態のエネルギーよシ下にきて、半金属的な状況が
実現する。この場合、電子４１はほぼＪｎＡｓの層に局
在し、正孔４２はほぼＧａｒｂの層内にほぼ局在してい
る。

実施例２以下は、実施例１の代シに、第３図で象徴され
る異種の半導体間の接合、または、第４図に示された半
導体の超格子で半金属的性質ある範囲のものを用いたも
のである。

実施例　２ 本実施例を第５図を用いて説明する。

半絶縁性の（）　ａ　Ａ　ｓ基板５１の上に、分子線エ
ピタキシー法を用いて、格子定数を合わせるためのＧａ
ｔ−ｘＩｎｘｓｂｔ−ｙＡｓｙからなるバッファ一層５
２を２μｍの厚さで形成し、ついで、この上にイオウ（
Ｓ）を５　Ｘ　１０　”ｃｍ−”の濃度で含む厚さ１．
５μｍのＧａＳｂ層５３全５３し、さらにその上に１μ
ｍの厚さのＩｎＡｓｎＡｓ全５４して分子線エピタキシ
ー法で形成する。しかる後、その上に厚さ１１００ｎの
絶縁物ノー５５を形成する。そのあとのゲート電極５６
、ソース電極５７、ドレイン電極５８を実施例１と同様
にして形成し、電界効果トランジスタを作成する。この
素子の静的動作特性を測定したところ、実施例１の第３
図と類似した特性が得られた。

ここでは、ゲート電極５６下に絶縁物層を用いたが、こ
れを工ｎ　Ａ　８よりバンドギャップの広い半導体層で
おき代えて、ペテロ接合としてもよい。

実施例　３ 実施例２と同様に半絶縁性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板６１上に
、分子線エピタキシー法を用いて、第６図に示すように
厚さ２μｍのバッフ叛畜６２を、さらにその上に第４図
で説明した構造の超格子層６３を連続成長させ、ついで
、電子線蒸着法によシ、その上に絶縁物層６４を１５０
ｎｍの厚さに蒸着する。

その後の電界効果トランジスタの形成は、実施例１と同
様でおる。６５はゲート電極、６６はソース電極、６７
はドレイン電極である。このようにして作成した電界効
果トランジスタの静的動作特性を測定したところ、第２
図と類似の特性が得られた。

また、絶縁物層６４とゲート電極６５の間に分子線エピ
タキシー法で形成した半導体層をつけ加えてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したところから明らかなように、本発明の電界
効果トランジスタは従来のものと全く異なる動作原理に
基づく新規なものであシ、動作速度を飛躍的に向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の電界効果トランジスタ
の構成図、第２図は第１の実施例の電界効果トランジス
タの静的動作特性を示す図、第３図はＧａＡｓ−ＩｎＡ
ｓ界面付近の電子構造の模式図、第４図はＧａＡｓ−Ｉ
ｎＡｓ超格子の電子構造の模式図、第５図及び第６図は
それぞれ本発明の他の実施例の構成図である。 １１・・・Ｓｉ基板、１２・・・Ｂｂ薄層、１３・・・
Ａ４０３薄層、１４・・・ゲート電極、１５・・・ソー
ス電極、１６・・・ドレイン電極、３１・・・自由電子
、３２・・・自由正孔、４１・・・自由電子、４２・・
・自由正孔、５１・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、５２　
・・・Ｇａｔ−ｘＩｎｘ　５ｂｔ−ｙＡｓｙバッファ層
、５３・・・ＧａＳｂ層、５４・　ＩｎＡｓ層、５５・
・・絶縁物層、５６・・・ゲート電極、５７・・・ソー
ス電極、５８・・・ドレイン電極、６１・・・半絶縁性
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、６２−　Ｇａ１−ｘＩ　ｎｘ　Ｓ
　ｂｔ−ｙＡｓｙバッファ層、６３”Ｇａ５ｂ−ＩｎＡ
ｓ超格子層、６４・・・絶縁物層、・６５・・・ゲート
電極、６６・・・ソース電極、第　１　図 第２図 ドトイ山電圧１５　（久、す ■ （１ａ　Ｓｂ　−吋←−１７１Ａ３− 第　５　図 ）ｂ　　　乙　　　　図 第１頁の続き ０発　明　者　丸山瑛− 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　白木端寛 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、能動領域として、価電子帯正孔と伝導帯電子の両相
   体が共存する一種の薄層か、あるいは、それぞれが一方
   の該担体か、もしくは該両相体を有する複数の薄層を重
   ねて用いることを特徴とする電界効果装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電界効果装置において
   、前記能動領域として、価電子帯止孔および伝導帯電子
   がそれぞれＩ　Ｘ　１０　”ｃｍ−”以上存在する半金
   属薄層を用いることを特徴とする電界効果装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の電界効果装置において
   、前記能動領域の一部として、異種の半導体薄層を接し
   て形成することによシ、該両薄層の界面近傍で、前記両
   相体が共存または近接して存在する部分を用いることを
   特徴とする電界効果装置。 ４、特許請求の範囲第３項記載の電界効果装置において
   、前記異種の半導体層がそれぞれｎ形半導体層とｐ形半
   導体層であシ、該両層の界面に価電子帯止孔および伝導
   帯電子がそれぞれ１×１０　”　ｃｍ−”以上存在する
   部分を前記能動領域の一部として用いることを特徴とす
   る電界効果装置。