JPS6154665A

JPS6154665A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPS6154665A
Application number: JP17628684A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Asai; 浅井　裕充; Nobuhiko Susa; 須佐　信彦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1986-03-18

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】産業上の利用分野本発明は、超格子構造を持つ半導体内の共鳴トンネル現
象を利用した超高周波、超高速スイッチング特性を有す
る三端子半導体装置及びその製造方法に関するものであ
る。

従来の技術従来、超格子構造の共鳴トンネル現象を利用した電子回
路素子としての半導体装置は、第１１図に示すようなダ
イオードが実現されていた。例えば、ＧａＡｓ−ＡｌＧ
ａＡｓ系のそのようなダイオードを例に挙げるならば、
第１１図（ａ）に示すように、高不純物濃度の例えばｎ
−ＧａＡｓ層１０を有し、そのＧａＡｓ層１０」二にノ
ンドープのＡｌＧａＡｓ層１２が形成され、更にそのＡ
ｌＧａＡｓ層１２上に比較的不純物濃度の低い５０人程
度の極めて薄いＧａＡｓ層１４が形成され、そのＧａＡ
ｓ層１４上にはノンドープのＡｌＧａＡｓ層１６が形成
され、そして、そのＡｌＧａＡｓ層１６上に高不純物濃
度のｎ　−ＧａＡｓ層１８が形成されている。また、Ｇ
ａＡｓ層ＩＯ及び１８上には、オーム性電極２０が形成
されている。

以上のようなダイオードにおいて、ノンドープのＡｌＧ
ａＡｓ層１２及び１６は、ＧａＡｓ層１４に比較して禁
制帯が広いので、ＧａＡｓ層１４は、第１１図（ｂ）の
バンド図に示すように、両側からポテンシャルバリヤ△
ＥＣに挟まれており、かつその厚さが５０人程度なので
、伝導帯内に離散的な準位いわゆるサブバンドＥ１、Ｅ
２等が形成されている。なお、第１１図（ｂ）において
、Ｅｐはフェルミレベルであり、Ｅｃは伝導帯底部のレ
ベルである。

以上のようなダイオードに両端子間に電圧Ｖａ　＋を、
例えばＧａＡｓ層１０側が正電位になるように、加える
と、第１１図（Ｃ）のバンド図に示すように、ＧａＡｓ
層１０のフェルミレベルＥｐ　とＧａＡｓ層１４中のサ
ブバンドＥ＋　とが同じエネルギーレベルになった時、
ＧａＡｓ層１８中の電子はＧａＡｓ層１４中のサブバン
ドＥ１を介して、２つのバリヤをトンネル現象によって
通り抜け、ＧａＡｓ層１０に到達し電流が流れる。

しかし、第１１図ω）のバンド図に示すように、上記し
た電圧Ｖａ＋より大きな電圧Ｖａ２を加えた場合、Ｇａ
ＡｓＮ１ｆｌ中のＥ、とＧａＡｓ層１４中のサブバンド
Ｅ。

は一致せずトンネル電流は減少する。

以上のようなダイオードの電流電圧の応答特性は、２．
５　ＴＨｚであると報告されている（Ｔ、Ｃ，Ｌ、Ｇ。

３ｏ１１ｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ、静吐Ｐｈｙｓ、　ｌ、ｅ
ｔｔ、４３５８８　（１９８３］　）。

発明が解決しようとする問題点上述したように、超格子構造の共鳴トンネル現象を利用
した半導体装置は、二端子素子でしか実現されておらず
、その高速性を能動素子として広く利用することができ
なかった。

そこで、本発明は、超格子構造の共鳴トンネル現象を利
用した能動素子として使用できる半導体装置を提供せん
とするものである。

問題点を解決するための手段本発明の発明者は、超格子構造の共鳴トンネル現象を利
用したダイオードの構造を研究し、サブバンドを有する
中間の超格子層に制御電極を設け、その制御電極への印
加電圧を変えることにより、その超格子層のサブバンド
のエネルギーレベルを変えることができることを発見し
た。すなわち、サブバンドを有する中間の超格子層に制
御電極を設けることにより、三端子半導体装置すなわち
トランジスタを実現できる。本発明者は、かかる着想に
基づいて種々研究した結果、本発明を完成したものであ
る。

しかしながら、中間の極く薄い層から電極をとり出すこ
とは、容易ではない。そこで、本発明の発明者は種々研
究した結果、その極く薄い中間層に電極を設けることが
できる半導体装置の製造方法の開発にも成功した。

すなわち、本発明によるならば、比較的導電性が高い材
料の第１の層と、該第１の層上に形成され、第１の層の
材料より広い禁制帯を有する材料で構成されている薄い
第２の層と、該第２の層上にサブバンドを有するほど薄
く形成され、第２の層の材料より狭い禁制帯を有し且つ
第２の層の材料と異なる種類の材料で構成されている第
３の層と、該第３の層上に形成され、第３の層の材料よ
り広い禁制帯を有し且つ第３の層の材料と異なる種類の
材料で構成されている薄い第４の層と、該第４の層上に
形成されている比較的導電性が高い材料の第５の層とを
有し、前記第３の層をベースとし、前記第１及び第５の
層の一方をエミッタとし、他方をコレクタとしているこ
とを特徴とする半導体装置が提供される。

更に本発明によるならば、比較的導電性が高い材料の第
１の層上に、該第１の層の材料より広い禁制帯を有する
材料で薄い第２の層を形成し、該第２の層上に、該第２
の層の材料より狭い禁制帯を有し且つ第２の層の材料と
異なる種類の材料で、第３の層をサブバンドを有するほ
ど薄く形成し、該第３の層上の一部にオーム性電極を形
成し、該オーム性電極で覆われていない前記第３の層上
に、該第３の層の材料より広い禁制帯を有し且つ第３の
層の材料と異なる種類の材料で薄い第４の層を形成し、
該第４の層上に比較的導電性が高い材料で第５の層を形
成して、前記第３の層をベースとし、前記第１及び第５
の層の一方をエミッタとし、他方をコレクタとしている
半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製
造方法が提供される。

また、本発明によるならば、比較的導電性が高い材料の
第１の層上に、該第１の層の半導体より広い禁制帯を有
する一つの導電型の半導体で薄い第２の半導体層を形成
し、該第２の半導体層上に、該第２の半導体層の半導体
より狭い禁制帯を有し且つ第２の半導体層の半導体と異
なる種類で異なる導電型の半導体で、第３の半導体層を
サブバンドを有するほど薄く形成し、該第３の半導体層
上に、該第３の半導体層の半導体より広い禁制帯を有し
且つ第２の半導体層の半導体と同一の種類で同一の導電
型の半導体で薄い第４の半導体層を形成し、該第４の半
導体層上に比較的導電性が高い材料で第５の半導体層を
形成して、該第５の半導体層上の一部より前記第３の半
導体層と同一の導電型とする不純物を高濃度に拡散して
該第３の半導体層に少なくとも達する深さの拡散領域を
形成し、該拡散領域をベースとし、前記第１及び第５の
半導体層の一方をエミッタとし、他方をコレクタとして
いる半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置
の製造方法が提供される。

昨週以上のような本発明による半導体装置においては、ベー
スのバイアス電圧を印加してそのバイアスを変えること
により、第３の層のサブバンドのレベルを変えることが
できる。それ故、べ７スのバイアス電圧をを変えること
により、第１及び第５の層のフェルミレベルＥｐ　と第
３の層のサブバンドのエネルギーレベルとを一致させて
共鳴トンネル現象により第１及び第５の層の間すなわち
エミッターコレクタ間に電流が流れるようにしたり、ま
た、第１及び第５の層のフェルミレベルＥｐと第３の層
のサブバンドのエネルギーレベルとをずらして、第１及
び第５の層の間すなわちエミッターコレクタ間に電流が
流れないようにすることができる。

従っテ、ベースのバイアス電圧を変えることによりスイ
ッチ特性を発揮させることができる。そして、本発明に
よる半導体装置は、超格子構造の共鳴トンネル現象を利
用しているので、そのスイッチングを極めて高速で実現
することができる。

また、上記した本発明による半導体装置の製造方法にお
いては、サブバンドを有する程薄い上記した第３の層が
形成された時に竿の第３の層の表面の一部に電極を設け
るか、または、半導体装置の層構造が完成したときに拡
散により第３層まで達する拡散層を形成しそれをベース
としているので、極めて薄いその第３の層にもオーム性
接続をすることができる。

実施例以下添付図面を参照して本発明による半導体装置及びそ
の製造方法の実施例を説明する。

第１図は、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓを使用した本発明に
よる三端子半導体装置の１つの実施例の断面図である。

第１図において、参照番号３０は、ｎ＋−（０（１０）
）ＧａＡｓ（ｎ　〜１０”　’　ｃｍ−’　）’　（７
）基板テアリ、ソノ基板３０上ニは、ノンドープの八ｌ
ｏ、　Ｊａｏ、　Ｊｓ層３２が２００〜５０人程度の厚
程度形成されている。そして、そのＡｌｏ、　３Ｇａｏ
、　７Ａｓ層３２上には、ｎ　−ＧａＡｓ（ｎ　〜１０
”ｃｍ−″）層３４が２００〜５０人程度の厚程度形成
されている。

そのｎ−ＧａＡｓ層３４上の一部には、オーム性電極３
６が形成されている。更に、オーム性電極３６はＳｉＯ
２などの絶縁膜３８で覆われている。一方、オーム性電
極３６にも絶縁層３８にも覆われていないｎ　−ＧａＡ
ｓ層３４上の部分には、ノンドープのＡＩｏ、　３Ｇａ
ｏ、　ＪＳ層４０が２００〜５０人程度の厚程度形成さ
れている。そして、そのＡｌｏ、　３Ｇａｏ、　７Ａｓ
層４０上には、ｎ＋−ＧａＡｓ（ｎ　〜１（１０）８ｃ
ｍ−３）層４２が形成されている。ｎ＋−ＧａＡｓ基板
３０の下面とｎ”−ＧａＡｓ層４２の上面には、オーム
性電極４４及び４６が形成されている。

かくして、オーム性電極３６がベース電極となり、オー
ム性電極４４及び４６の一方がエミッタ電極となり、他
方がコレクタ電極となるトランジスタができる。

以上のようなトランジスタは、例えば、第２図（ａ）〜
（Ｃ）に示す工程により製造することができる。

すなわち、ｎ”−（０（１０））ＧａＡｓ（ｎ〜１０”
ｃｍ−３）の基板３０を用意し、その基板３０上に分子
線エピタキシー法または有機金属気相成長法を使用して
、ノンドープのＡｌｏ、　３Ｇａｏ、　Ｊｓ層３２を２
００〜５０人程度成長程度、引き続き同様な方法により
ｎ−ＧａＡｓ（ｎ〜１（１０）７ｃｍ−３）層３４を２
００〜５００Ａ程度成長させる。

その後、第２図（ａ）に示すように、リフトオフ等の手
段を使ってｎ−ＧａＡｓ層３４の一部にオーム性電極３
６を形成する。

次いで、第２図（１））に示すように、そのオーム性電
極３６を覆うように５ｉＯａの絶縁膜３８を形成する。

これは、例えば、オーム性電極３６を含むｎ　−ＧａＡ
ｓ層３４の上表面全体に絶縁膜を一旦形成しその後選択
除去することにより形成することができる。

その後、第２図（Ｃ）に示すように、分子線エピタキシ
ー法または有機金属気相成長法を使用して、ｎ−ＧａＡ
ｓ層３４のＧａＡｓが露出している部分上に、ノンドー
プのＡｌＧａＡｓ層４０を２００〜５０Ａ程度成長させ
、その上にｎ”−ＧａＡｓ（ｎ　〜１（１０）８ｃｎｒ
’）層４２を成長させる。

そして、以上のようにして形成された積層半導体構造の
上下に、すなわち、基板３０の下面とｎ＋−ＧａＡｓ層
４２の上面とにそれぞれオーム性電極４４及び４６を形
成して、エミッタ電極、コレクタ電極とする。

以上のような製造方法の第２図（ｂ）で示す工程におい
て、オーム性電極３６を覆うように５１０２絶縁膜３８
を設けるのは、その後のへ１ＧａλＳ層４０とｎ＋−Ｇ
ａＡｓ層４２を形成するときに、それらＡｌＧａＡｓ層
４０及びｎ　”　−ＧａＡｓ層４２とオーム性電極３８
との接触を防ぐためである。

従って、第２図（ｄ）に示すように、ＡｌＧａＡｓ層４
０とｎ＋−ＧａＡｓ層４２を台形に成長できれば、第２
図（ｂ）で示す５１０２膜付与工程は不要である。Ａｌ
ＧａＡｓ層４０と　ｎ　”　−ＧａＡｓ層４２を台形に
成長させるには、第２図（ａ）において見るならば、オ
ーム性電極３８の左縁の図面に対して垂直な方向を、Ｇ
ａＡｓ層３４の上面すなわち（０旧）結晶面上の＜１１
０＞方向から０°から４５°の間に位置するようにオー
ム性電極３８を形成しておいて、ＡｌＧａＡｓ層４０と
　ｎ　＋−ＧａＡｓ層４２を有機金属気相成長法を使用
して形成する。このような方法によれば、オーム性電極
３８の左端面には　′ぼ直角な方向における横方向成長
速度が、それと異なる方向における横方向成長速度より
遅くなるために、成長層は台形となる。

第３図は、ＧａＡｓ　−Ａ　］　ＧａＡｓを使用した本
発明による三端子半導体装置のもう１つの実施例の断面
図である。

第３図に示す半導体装置は、ｎ　”−（０（１０），）
　ＧａＡｓ　（ｎ〜１０”ｃｍ−’）の基板５０を有し
ており、その基板５０上には、比較的低い不純物濃度の
ｎ　−八ｌ。、　、Ｇａ、、　、Ａｓ層５２が２００〜
５０Ａ程度の厚さに形成されている。

そして、そのＡｌｏ、　ａＧａ、、　７Ａ８層５２上に
は、ｐ”−ＧａＡＳ（ｐ〜１（１０）７〜１０”ｃ「’
）層５４が２００〜５０Ａ程度の厚さに形成されている
。そのｐ＋−ＧａＡｓ層５４上には、比較的低い不純物
濃度のｎ　−Ａｌｅ、　３Ｇａｏ１．Ａｓ層５６が２０
０〜５０人程度の厚程度形成されている。そして、その
ｎ　−Ａ１．、４Ｇａｏ、　７Ａ８層５６上には、ｎ＋
−ＧａＡｓ　（ｎ　〜１０”ｃ「’　）層５８が形成さ
れている。

以上の如き半導体層積層体に対して、ｎ″−ＧａＡｓ基
板５０の下面には、オーム性電極６０が形成され、ｎ　
”−ＧａＡｓ層５８の上面には、オーム性電極６２及び
６４が互いに分離さて形成されている。更に、そのオー
ム性電極６４の下の半導体層は、少なくともｐ＋−Ｇａ
Ａｓ層５４まで達する、図示の例では基板５０の上層ま
で達するｐ型不純物拡散領域６６が形成されている。

かくして、ｐ　”　−ＧａＡｓ層５４は、ｐ型不純物拡
散領域６６を介してオーム性電極６４にオーム性接続さ
れる。しかし、基板５０、Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　Ｊｓ
層５２、Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　ＴＡＳ層５６及びＧａ
Ａｓ層５８は、ｎ型であるので、ｐ型不純物拡散領域６
６との間にｐｎ接合が形成され、そのｐｎ接合により電
気的に分離されている。

それ故、オーム性電極６４をベース電極とし、オーム性
電極６０及び６２の一方をエミッタ電極とし、他方をコ
レクタ電極とするトランジスタができる。

以上のようなトランジスタは、例えば、第４図（ａ）〜
（Ｃ）に示す工程により製造することができる。

まず、ｎ”−（０（１０））ＧａＡｓ（ｎ−１（１０）
８ｃｍ−’）の基板５０上に、分子線エピタキシー法ま
たは有機金属気相成長法を使用して、比較的低い不純物
濃度のｎ　−八ｌｏ、　３Ｇａｏ、　７Ａｓ層５２を２
００〜５０人の厚さに形成し、その上にｐ＋−ＧａＡｓ
（１〜１（１０）７〜１（１０）６０ｍ−３）層５４を
同様な方法により２００〜５０人の厚さに形成する。

更にその上に比較的低い不純物濃度のｎ　−八ｌ。、　
、Ｇａｎ、　Ｊｓ層５６を同様な方法により２００〜５
０人の厚さに形成した後、ｎ”　−ＧａＡｓ　（ｎ　〜
１０”ｃ＋ｙｒ’）層５８を形成して、第４図（ａ）に
示すような半導体層積層体をつくる。

そのあと、第４図（ｂ）に示すように、ｎ＋−ＧａＡｓ
層５８の上面の一部に、５ｉ０２などでマスク６８を設
け、そのマスク６８を介してｎ　”　”ＧａＡｓ層５８
の上面から、たとえば２ｎなどのｐ型不純物を高濃度に
拡散させ、少なくともｐ　”−ＧａＡｓ層５４まで到達
する拡散領域６６を形成する。

その後、第４図（Ｃ）に示すように、上下のｎ＋領領域
すなわち基板５０の下面とｎ”−ＧａＡｓ層５８の非拡
散部分の上面とにオーム性電極６０及び６２をそれぞれ
設けて、エミッタ電極、コレクタ電極とし、更に、ｐ型
拡散領域６６にオーム性電極６４を設けて、ベース電極
とし、トランジスタを作製する。

以上は、現在の技術で実現可能な素子作製方法の実施例
を述べてきた。将来、エツチング技術が進歩し、第１図
に示す半導体装置は、半導体層３０．３２．３４．４０
及び４２を順次形成した後、一部をエツチングによって
削り、精度よく、半導体層３４に到達できるようになれ
ば、エツチングによっても第１図の素子は実現できる。

第５図（ａ）は、第１図の半導体装置の各層の伝導帯の
エネルギーバンド構成を示すバンド図である。

このバンド構成は、第１１図（社）に示し従来の超格子
構造の共鳴トンネル現象を利用したダイオードと同じで
ある。なお、第３図の半導体装置の各層の伝導帯のバン
ド構成もほぼ同様であるので、その図示は省略する。

ｎ”−（０（１０））ＧａＡｓ　（ｎ−１（１０）８ｃ
ｍ−３）基板３０及びｎ＋−ＧａＡｓ層４２は、伝導帯
の下端のレベルＥｃと真空準位■０との間のエネルギー
ギャップが大きく、また、フェルミレベルＥｐが伝導帯
の下端のレベルＥｃより高い。しかし、このようにフェ
ルミレベルＥｐが伝導帯の下端のレベルＥｃより高い理
由は、不純物濃度がｎ〜１（１０）８ｃｍ−３に達する
ためであり、これらＧａＡｓ基板３０及びＧａＡｓ層４
２の伝導帯の下端のレベルＥｃがフェルミレベルＥｐよ
り上方に位置していてもよい。

そして、アンドープのＡｌｏ、　３Ｇａｏ、　７Ａｓ層
３２及び４０は、伝導帯の下端のレベルＥｃと真空準位
■０との間のエネルギーギャップが、ｎ　＋−ＧａＡｓ
基板３０及びｎ　＋−ＧａＡｓ層４２の伝導帯の下端の
レベルＥｃと真空準位■０との間のエネルギーギャップ
より小さい。更に、アンドープのＡｌｏ、　３Ｇａｏ、
　ＴＡｓ層３２及び４０厚さが２００〜５０人程度と薄
程度めに、トンネル電流が流れることが可能である。

一方、ｎ−ＧａＡｓ層３４は、伝導帯の下端のレベルＥ
ｃと真空準位■０との間のエネルギーギャップが、アン
ドープの八１゜、　３Ｇａｏ、　７へＳ層３２及び４０
の伝導帯の下端のレベルＥｃと真空準位Ｖｏとの間のエ
ネルギーギャップより大きい。従って、Ａｌｏ、　３Ｇ
ａｏ、　Ｊｓ層３２及び４０の間にエネルギーギャップ
ΔＥｃの量子井戸が形成されている。それゆえ、アンド
ープの＾１ｏ、　ａＧａｏ、　Ｊｓ層３２及び４０は、
サブバンドを有するｎ−ＧａＡｓ層３４に対するバリア
層と言うことができる。

そして、ｎ−ＧａＡｓ層３４は、上述したように、厚さ
が２００〜５０人程度と薄程度めに、超格子構造を有し
、伝導帯の中に離散的なサブバンド（Ｅｌ、Ｅ２等）が
形成されている。

このサブバンドは、ｎ−ＧａＡｓ層３４の幅すなわち量
子井戸の幅と、両側の八１゜、　５Ｇａｏ、　Ｊｓ層３
２及び４０すなわちへ］ｘＧａ＋−ｘＡＳ層１ごよるバ
リヤの高さ△Ｅｃによって変化する。サブバンドの位置
をＧａＡｓの伝導帯の底部から測るとすれば、サブバン
ドのエネルギーは、ｎ−ＧａＡｓ層３４の量子井戸の幅
によって第６図のように変化する。第６図において、Ｅ
＋Ｅ２、Ｅ３、Ｅ、及びＥ５は、サブバンドを示してい
る。そして、それらサブバンドＥ１Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４及
びＥ５は、バリヤの高さ△Ｅｃに対しては第７図のよう
に変化する。更に、その△Ｅｃは、ＡＩ。

Ｇａｐ−ＸＡＳ層のＡｌａ度に対して第８図のように変
化する。従って、へ１濃度、ｎ−ＧａＡｓ層３４の厚さ
を制御することによって、サブバンドＥ１、Ｅ２　の位
置を人為的に変化させることができる。更に大きく八Ｅ
Ｃをするには、５ｉｎ２等の禁止帯の大きい絶縁膜を、
超格子層を挟むバリア層（第１図の八１゜、３Ｇａ、、
　７ＡＳ層３２及び４０に対応）に使用することも可能
である。

第５（ｂ）図は、第１図に示した半導体層のエミッタを
接地とし、ベースに０■、コレクタに正の電圧Ｖｃを加
えた時のバンド図の例を示している。

この場合、サブバンドＥ１　はエミッタ内のフェルミレ
ベルＥｐの位置より高いので、トンネル現象によってエ
ミッタからベースへ電子が移動することはできず、結局
電流は流れにくい。

しかし、ベースに正の電圧Ｖ　ｂ　＋を加えると、第５
図（Ｃ）に示すように、サブバンドＥ１が下がり、エミ
ッタ内のフェルミレベルＥ、と一致し、トンネル現象に
よって電子がエミッタからベースへ注入される。その注
入された電子はただちにコレクタ側に、やはりトンネル
現象によって注入され、エミッターコレクタ間に電流が
流れることになる。

更にベース電圧を高くして、Ｖ　ｂ　２にすると、サブ
バンドＥ１　は、第５図（ｄ）に示すように、エミッタ
内の伝導帯の底部より下ったところに位置する。

この状態では、トンネル現象によってエミッタ内の電子
がベース内に移動することはできず電流は流れにくい。

かくして、ベースのバイアス電圧を変えることにより、
エミッターコレクタ間の電流をオン・第フすることがで
きる。そして、その電流の流れは、ベース内のサブバン
ドを介したトンネル現象を利用しているので、超高速の
オン・オフスイッチングが可能である。

第３図の半導体装置の場合も、はぼ同様な動作が可能で
あるので、その詳細な動作の説明は省略する。

また、以上の実施例の動作説明は、ベースに正の電圧の
加える場合であるが、例えば第９図（ａ）のバンド図に
なるように半導体各層のＡ１濃度と層厚を選択すれば、
負の電圧に対しても同様な動作をさせることができる。

すなわち、層３４にＧａＡｓを使用し、層３２及び４０
に八ＩｘＧａ＋−Ｊｓを使用し、層３０及び４２にＡｌ
ｙＧａ＋−ｙＡｓを使用し、ＧａＡｓ層の伝導帯の下端
のレベルＥｃと真空準位Ｖｏとの間のエネルギーギャッ
プが、ＡｌｙＧａ＋−ｙＡｓ層だけでなく　Ａ１．Ｇａ
ｐ−ＭＡｓ層の伝導帯の下端のレベルＥｃと真空準位■
０との間のエネルギーギャップより大きい。

このような半導体装置のコレクタに、第９図ら）に示す
ように、正電圧Ｖｄを加え、ベース電圧及びエミッタ電
圧が０■では、ベース内のサブバンドＥ、はエミッタの
伝導帯の底部のエネルギーレベルＥｃより下にあるので
、トンネル現象によってエミッタ内の電子はベースに注
入されない。

しかし、第９図（Ｃ）に示すように、ベースに負の電圧
−Ｖｅを加えて、サブバンドＥ１のエネルギーレベルと
エミッタのフェルミレベルＥＦとが一致した時、トンネ
ル現象によりエミッタからベースに電子が注入され、そ
の電子はただちにコレクタへ、やはりトンネル現象によ
って移動し、エミッターコレクタ間に電流が流れる。し
かし、ベースへの負電圧を大きくすれば、Ｅｌ　はエミ
ッタのフェルミレベルＥｐよりも上がりトンネル現象に
よる電流は流れなくなる。

以上述べたＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系材料で構成された
トランジスタは、電子がキャリアとなっており、譬える
ならば、電子注入型トランジスタである。しかし、正孔
をキャリアとするように、各層の導電型を実施例とは逆
にすれば同様な工程で正孔注入型トランジスタが実現で
きる。その時の価電子帯のバンド図を第１０図に示す。

すなわち、第１０図に示すように、層３０及び４２に相
当する第１及び第５の半導体層は、ｐ型半導体で構成し
、層３２及び４０に相当する第２及び第４の半導体層は
、半導体の価電子帯頂部と真空準位■０との間のエネル
ギーギャップがそれぞれ第１及び第５の半導体層の半導
体の価電子帯頂部ＥＶと真空準位■０との間のエネルギ
ーギャップより大きいｐ型半導体で、例えば２００〜５
０人の厚さに構成される。そして、超格子層３４に対応
する第３の半導体層は、半導体の価電子帯頂部と真空準
位■０との間のエネルギーギャップが第２及び第４の半
導体層の半導体の価電子帯頂部と真空準位■０との間の
エネルギーギャップより小さなｐ型またはｐ型の半導体
で、サブバンドを持つようにたとえば２００〜５０人の
厚さに構成される。

以上のような半導体装置においては、ベースバイアスを
変えることによりエミッターコレクタ間に正孔をキャリ
アとして電流を流したり遮断したりすることができる。

また、材料系も、電子あるいは正孔に対して第５図（ａ
）あるいは第１１図に示すようなバンド図になれば良く
、例えばＩｎ　Ｐ　−１ｎＧａＡｓ、　ＡｌＩｎＡｓ−
Ｇａ１ｎＡｓ。

ＧａＡｓ５ｂ７ＧａｌｎＡｓ、　ＧａＡｓ−Ｚｎ５ｅな
どの半導体の異種接合の他、５Ｉ０２　３１、Ｓｉ　０
２−ＧａＡｓなどの絶縁体−半導体接合でも実現できる
。

すなわち、中央のサブバンドを有する層（層３４に対応
）を挟んでその両側にバリアを作るバリア層（層３２及
び４０に対応）は、中央のサブバンドを有する層の材料
より広い禁制帯を有し且つ中央のサブバンドを有する層
の材料と異なる種類の材料で構成されていれば、トンネ
ル現象により電流を流すことができる程薄くすることに
より、半導体材料でも、絶縁性材料でも使用することが
できる。

従って、バリア層に挟まれている、サブバンドを有する
層は、その両側のバリア層に対して量子井戸ができるよ
うな材料であれば、サブバンドを有する程薄くすること
により、半導体材料でも、絶縁性材料でも使用すること
ができる。

更に、以上のサブバンド層３４及びバリア層３２及び４
０を両側から挟んでいる層（層３０及び４２に対応）は
、バリア層（層３２及び４０に対応）にキャリアを注入
しまたは抽出できると共に、バリア層がバリアとして機
能するように、バリア層より禁制帯が狭い導電性の比較
的高い材料であればよい。従って、それらキャリアを注
入しまたは抽出する層は、半導体材料層だけでなく、バ
リア層に対しオーム接触する金属層でもよい。

換言するならば、キャリアが電子でも正孔でも、サブバ
ンド層がバリア層に対して量子井戸を構成し、バリア層
がサブバンド層及びキャリア注入／抽出層に対して障壁
を構成することができるならば、それら層の材料にはど
のような材料でも使用することができる。

発明の効果以上の説明から明らかなように、本発明による半導体層
は、ベースの電圧によってトランジスタ動作することが
可能であり、すなわち、エミッターコレクタ間の電荷の
流れがベースに印加した信号によりスイッチ作用を受け
ることが可能であり、その動作の基本原理がベース内の
サブバンドを介したトンネル現象を利用しているので、
超高速の能動素子が実現できる。

従って、本発明のトランジスタは、超高周波、超高速性
能を有する増幅器、発振器など、また分周器、マルチプ
レクサ、メモリなどの超高速集積回路素子として広範な
応用分野がある。

更に、本発明による半導体装置の製造方法によれば、超
格子構造をもつ極めて薄い半導体層に確実にオーム性接
続をすることができ、三端子超格子半導体装置を確実か
つ容易に製造することができる。

〔主な参照番号〕

１０　・・ｎ−ＧａＡｓ層、１２・・ノンド−プＡｌＧ
ａＡｓ層、１４・・低不純物濃度薄膜ＧａＡｓ層、１６
・・ノンドープＡｌＧａＡｓ層、１８　・・ｎ−ＧａＡｓ層、２０・・オーム性電極、３
０　・・ｎ＋−（０（１０））ＧａＡｓ　（ｎ−１（１
０）８ｃｍ−３）基板、３２・・ノンドープＡｇｏ、　
３Ｇａｏ、　７Ａ８層、３４　・・ｎ　−ＧａＡｓ（ｎ
　〜１（１０）７ｃ「３）層、３６・・オーム性電極、
３８・・絶縁膜、４２・・ｎ＋−ＧａＡｓ層、４４．４
６・・オーム性電極、５０・・ｎ＋−（０（１０））Ｇ
ａＡｓ（９〜１（１０）８０ｍ−３）基板、５２・・低
不純物濃度ｎ−八１０．３Ｇａ０．７ＡＳ層、５４　　
・　・　ｐ＋−ＧａＡｓ（ｐ　〜１（１０）７〜１０”
ｃａｎ−’）　　層、５６・・低不純物濃度ｎ　　Ａｌ
ｏ、ａＧａｏ、Ｊｓ層、５８　・　・　ｎ＋−ＧａＡｓ
　（９〜１（１０）８０ｍ−３）層、６０．６２．６４
・・オーム性電極、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）比較的導電性が高い材料の第１の層と、該第１の
層上に形成され、第１の層の材料より広い禁制帯を有す
る材料で構成されている薄い第２の層と、該第２の層上
にサブバンドを有するほど薄く形成され、第２の層の材
料より狭い禁制帯を有し且つ第２の層の材料と異なる種
類の材料で構成されている第３の層と、該第３の層上に
形成され、第３の層の材料より広い禁制帯を有し且つ第
３の層の材料と異なる種類の材料で構成されている薄い
第４の層と、該第４の層上に形成されている比較的導電
性が高い材料の第５の層とを有し、前記第３の層をベー
スとし、前記第１及び第５の層の一方をエミッタとし、
他方をコレクタとしていることを特徴とする半導体装置
。
（２）前記第２及び第４の層は、伝導帯底部と真空準位
との間のエネルギーギャップがそれぞれ前記第１及び第
５の層の材料の伝導帯底部と真空準位との間のエネルギ
ーギャップより小さいｎ型半導体で構成され、前記第３
の層は、伝導帯底部と真空準位との間のエネルギーギャ
ップが前記第２及び第４の層のｎ型半導体の伝導帯底部
と真空準位との間のエネルギーギャップより大きい半導
体で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載の半導体装置。
（３）前記第３の半導体層は、ｎ形半導体またはｐ形半
導体であることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項
記載の半導体装置。
（４）前記第２及び第４の層は、価電子帯頂部と真空準
位との間のエネルギーギャップがそれぞれ前記第１及び
第５の層の材料の価電子帯頂部と真空準位との間のエネ
ルギーギャップより大きいｐ型半導体で構成され、前記
第３の層は、価電子帯頂部と真空準位との間のエネルギ
ーギャップが前記第２及び第４の層のｐ型半導体の価電
子帯頂部と真空準位との間のエネルギーギャップより小
さな半導体で構成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第（１）項記載の半導体装置。
（５）前記第３の半導体層は、ｎ形半導体またはｐ形半
導体であることを特徴とする特許請求の範囲第（４）項
記載の半導体装置。
（６）比較的導電性が高い材料の第１の層上に、該第１
の層の材料より広い禁制帯を有する材料で薄い第２の層
を形成し、該第２の層上に、該第２の層の材料より狭い
禁制帯を有し且つ第２の層の材料と異なる種類の材料で
、第３の層をサブバンドを有するほど薄く形成し、該第
３の層上の一部にオーム性電極を形成し、該オーム性電
極で覆われていない前記第３の層上に、該第３の層の材
料より広い禁制帯を有し且つ第３の層の材料と異なる種
類の材料で薄い第４の層を形成し、該第４の層上に比較
的導電性が高い材料で第５の層を形成して、前記第３の
層をベースとし、前記第１及び第５の層の一方をエミッ
タとし、他方をコレクタとしている半導体装置を製造す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（７）前記第２、第３及び第４の層は、分子線エピタキ
シー法または有機金属気相成長法により形成することを
特徴とする特許請求の範囲第（６）項記載の半導体装置
の製造方法。
（８）前記オーム性電極を絶縁膜で覆い、該絶縁膜にも
前記オーム性電極にも覆われていない前記第３の層上に
、前記第４の層を形成することを特徴とする特許請求の
範囲第（６）項または第（７）項記載の半導体装置の製
造方法。
（９）前記第４の層は、前記オーム性電極の端面にほぼ
直角な方向における横方向成長速度が、それと異なる方
向における横方向成長速度より遅くなるようにして、有
機金属気相成長法により形成することを特徴とする特許
請求の範囲第（６）項または第（７）項記載の半導体装
置の製造方法。
（１０）比較的導電性が高い材料の第１の層上に、該第
１の層の半導体より広い禁制帯を有する一つの導電型の
半導体で薄い第２の半導体層を形成し、該第２の半導体
層上に、該第２の半導体層の半導体より狭い禁制帯を有
し且つ第２の半導体層の半導体と異なる種類で異なる導
電型の半導体で、第３の半導体層をサブバンドを有する
ほど薄く形成し、該第３の半導体層上に、該第３の半導
体層の半導体より広い禁制帯を有し且つ第２の半導体層
の半導体と同一の種類で同一の導電型の半導体で薄い第
４の半導体層を形成し、該第４の半導体層上に比較的導
電性が高い材料で第５の半導体層を形成して、該第５の
半導体層上の一部より前記第３の半導体層と同一の導電
型とする不純物を高濃度に拡散して該第３の半導体層に
少なくとも達する深さの拡散領域を形成し、該拡散領域
をベースとし、前記第１及び第５の半導体層の一方をエ
ミッタとし、他方をコレクタとしている半導体装置を製
造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（１１）前記第２、第３及び第４の半導体層は、分子線
エピタキシー法または有機金属気相成長法により形成す
ることを特徴とする特許請求の範囲第（１０）項記載の
半導体装置の製造方法。