JPS62209864A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS62209864A
JPS62209864A JP5281086A JP5281086A JPS62209864A JP S62209864 A JPS62209864 A JP S62209864A JP 5281086 A JP5281086 A JP 5281086A JP 5281086 A JP5281086 A JP 5281086A JP S62209864 A JPS62209864 A JP S62209864A
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JP
Japan
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band
inas
level
gasb
heterojunction
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Pending
Application number
JP5281086A
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English (en)
Inventor
Kazukiyo Tsunenobu
和清 常信
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/201Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys
    • H01L29/205Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys in different semiconductor regions, e.g. heterojunctions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • 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
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7391Gated diode structures

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】 〔概 要〕 ヘテロ接合を形成する一方の半導体の価電子帯が、他方
の半導体の導電体よりエネルギが大である場合には、そ
のペテロ接合界面に2次元の電子と正孔が蓄積すること
を利用し、ヘテロ接合に近接して設けた制御電極の印可
電圧によって該2次元エネルギ準位を変化させ、電子/
正孔遷移電流の発生を制御する高速スイッチング素子が
提供される。本発明の素子は液体窒素温度あるいはそれ
以下の温度で効果的に動作する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は高速動作する半導体スイッチング素子に関わり
、特にヘテロ接合を構成する2種の半導体材料のバンド
構造が特定の条件を満たす場合、該ヘテロ接合に近接し
て設けられた制御電極に印可する電圧によって電子と正
孔の遷移電流を制御するスイッチング素子に関わる。
従来、高速に作動するスイッチング素子とじてGaAs
FETが知られている。このFETの動作は、ゲート電
圧によってチャネル領域の空乏層幅を変化させ、変化分
の空乏層中の電荷量に相当する電流を変化させるもので
あるため、そのスイッチング速度は空乏層の容量とチャ
ネル抵抗で定まる時定数に制限される。
これは、制御対象の電流値を大きくしようとすれば空乏
層容量も大になるので動作速度が低下することは避けら
れず、動作速度を上げようとすると電流増幅率は大きく
出来ないことを意味する。
従って、より高速のスイッチング素子を実現するには、
従来の素子を改善するだけでは十分でなく、動作の異な
る素子を開発することも必要である。
〔従来の技術〕
本発明の先行技術として、GaAsFETや高電子移動
度トランジスタ等が挙げられるが、本発明の素子はこれ
等の素子とは構造および動作が異なるものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来知られている高速スイッチング素子は、上に述べた
ように、容量を介して制御するものであるため時定数の
制約を受け、高速化に限界がある。
本発明の目的は、ヘテロ接合界面に存在する電子と正孔
の2次元エネルギ準位を変化させて電子/正孔の遷移電
流を制御する電子装置を具現することにより、時定数の
制約を受けない高速スイッチング素子を提供することで
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は特許請求の範囲第1項或いは第2項に記され
た構成を持つ本発明の素子によって達成されるものであ
るが、これをより具体的に例示すると、GaSbとIn
Asのヘテロ接合に近接してショットキ接合のゲート電
極を設け、ヘテロ接合界面に蓄積した2次元電子及び2
次元正孔のエネルギ準位をゲート電圧によって変化させ
て、共鳴遷移電流の発生を制御する高速スイッチング素
子である。
[作 用〕 ペテロ接合近傍で湾曲しているエネルギバンドの曲率は
、ゲート電極に印加される電圧によって変化し、GaS
bの価電子帯のスパイク部に蓄積された正孔のエネルギ
準位と、InAsの価電子帯のスパイク部に蓄積された
電子のエネルギ準位が一致すると共鳴遷移電流が流れ、
不一致の場合は流れないので、ゲート電圧による電流の
スイッチングが行われる。このスイッチング動作には静
電容量は関与しないので高速である。
〔実施例〕
第1図に本発明の実施例の断面構造を模式的に示す。
図の1は(1;asb単結晶、2はInAs単結晶で、
ヘテロ接合を形成している部分は共に不純物を殆ど含有
しない真性半導体であり、ドレイン電極3はイオン注入
によってp型不純物、例えばBeがドープされたp″領
域4に形成され、ソース電極5はh型不純物、例えばS
iがドープされたn″領域6に形成されている。
これ等2種の半導体単結晶は、素子の動作に関与する部
分だけが必要なので、図には明示されてい゛ないが、G
aAs基板上にエピタキシャル成長させた構造でよく、
その厚さはInAs単結晶が4000人、casb*結
晶が1000人といった値である。
GaSb単結晶の動作領域に相当する部分表面にタング
ステンシリサイド(WSi)のゲート電極7が設けられ
ており、該電極はGaSb層との間にショットキバリヤ
を形成している。ソース、ドレインとゲート間の距離は
小であることが望ましいが、これは製造方法との関連で
定まる値であり、ここでは取り上げない。
また、本実施例ではソース部分のGaSb層を除去して
n°型ソース領域を形成しているが、GaSb層を残し
たままn型不純物を導入し、GaSb層表面にソース電
極を形成しても、同様の特性を持つ素子が得られる。
該素子の動作は次のように理解される。
第2図に真性半導体であるGaSbと[nAsのエネル
ギハンドモデルが示されている。真空準位E0を基準に
した伝導帯の底の準位Ec5価電子帯の上端の準位Ev
は、夫々図示のような位置関係にあるが、注目すべきは
Garbの価電子帯の上端の準位EvがInAsの伝導
帯の底の準位Ecよりも高レベルにあるという点である
エネルギバンドがこのような相対位置関係にある2種の
材料で形成された上記の素子では、ゲート電極からヘテ
ロ接合を越えてInAs層に至る部分のバンド構造は第
3図のようになる。
即ち、ゲート電極/GaSb界面ではシシットキバリャ
が存在するのでEc、E、とも僅かに上方に湾曲し、G
aSb/InAsヘテロ接合近傍ではGaSbのバンド
は上方に、I nAsのバンドは下方に、いずれも大き
く湾曲している。
このようなヘテロ接合では接合界面のポテンシャル井戸
に2次元の電子と正孔が蓄積する。バンドモデルで表す
と、GaSbの価電子帯のスパイク部にはEhのレベル
に正孔が蓄積され、I nAsの伝導帯のスパイク部に
はEaのレベルに電子が蓄積される。この部分を取り出
して拡大したものが第4図である。
通常この2つのレベルは異なった値であり、画部分に蓄
積された正孔と電子が再結合することはなく、ヘテロ接
合を通過する電流は流れない。しかし、このE’、E”
はゲート電圧■。に従って変化するので、V、=V、な
る特定の電圧が印加されると、EbとE・のレベルが一
致し、共鳴遷移電流が流れる。
E’、E”の変化は、ゲート電圧V、に従ってバンドの
曲がり方が変化し、そこに蓄積された正孔や電子の深さ
が変化するものと理解することができる。■oはヘテロ
接合とゲート電極間の距離によってもその値が異なるが
、ソースに対し正の値として存在する。
即ち、Vc =Vc/≠■、の制御によって素子のドレ
イン電流がスイッチされることになるが、この場合の電
流の制御は2次元のエネルギ準位を変化させるだけであ
り、空乏層電荷には無関係なので、被制御電流を大にし
ても動作が遅くなることはなく、素子は高速に作動する
第4図ではE’、E@とも明確なレベルとして表現され
ているが、これは素子の温度が十分に低い場合である。
素子温度が上昇するとこのレベルが不明確になり、リー
ク電流が生じてスイッチング動作も不明確になるので、
例えば液体窒素温度に冷却して動作させることになる。
以上の説明では電流端子をソース、ドレインと呼称した
が、これは便宜的なもので、本質的には単なるオーミッ
ク電極である。また、ヘテロ接合を構成するm層の順は
第1図と反対であってもよく、ヘテロ接合界面に100
人程度の薄い半導体層を挟むことによって電子/正孔の
結合確率を減らし、リーク電流を減らすようにしても良
い。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の素子はヘテロ接合部にお
ける共鳴遷移電流の発生を制御して電流をスイッチする
ものであり、空乏層電荷には無関係に動作するので高速
スイッチングが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明実施例の素子の構造を示す模式第2図は
Garb、InAsのエネルギバンド構造を示す図、 第3図は本発明実施例の素子のエネルギバンド構造を示
す図、 第4図は第3図のバンド構造の細部を示す図である。 図において、 1はGarb単結晶、 2はInAs単結晶、 3はドレイン電極、 4はp″領域 5はソース電極、 6はn3領域、

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)夫々に電流供給用の電極が設けられた第1の半導
    体(1)と第2の半導体(2)でヘテロ接合が形成され
    ており、 前記第1の半導体の価電子帯の上端のエネルギ準位は前
    記第2の半導体の伝導帯の底のエネルギ準位よりも高く
    、 印加する電圧によって前記ヘテロ接合部の2次元エネル
    ギ準位を変化させるように配設された制御電極(7)を
    備えて成ることを特徴とする半導体装置。
  2. (2)前記第1の半導体がアンチモン化ガリウムであり
    、前記第2の半導体が砒化インジウムであり、前記制御
    電極が、前記ヘテロ接合面にほゞ平行に設けられたショ
    ットキ接合電極であ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。
JP5281086A 1986-03-11 1986-03-11 半導体装置 Pending JPS62209864A (ja)

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