JPS6313355B2 - - Google Patents
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- JPS6313355B2 JPS6313355B2 JP56056414A JP5641481A JPS6313355B2 JP S6313355 B2 JPS6313355 B2 JP S6313355B2 JP 56056414 A JP56056414 A JP 56056414A JP 5641481 A JP5641481 A JP 5641481A JP S6313355 B2 JPS6313355 B2 JP S6313355B2
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
-
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- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor 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
- H01L29/201—Semiconductor 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
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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- H01L29/772—Field effect transistors
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明の分野
本発明は高速半導体デバイスに関するものであ
る。一般の半導体デバイスにおいては、電流の流
れに寄与するキヤリヤがデバイス本体内で衝突し
てしまうため、応答速度に限界があつた。しかし
ながら、最近になつて、キヤリヤが一方の電極か
ら他方の電極へ輸送される間このような衝突が実
質的に生じず、従つてキヤリヤ速度が印加電圧に
直接関係して、理論上の最大値を有するようなデ
バイスが開発され、弾動輸送デバイス（ballistic
transport device；以下BTDの略称する）とし
て知られるようになつた。
る。一般の半導体デバイスにおいては、電流の流
れに寄与するキヤリヤがデバイス本体内で衝突し
てしまうため、応答速度に限界があつた。しかし
ながら、最近になつて、キヤリヤが一方の電極か
ら他方の電極へ輸送される間このような衝突が実
質的に生じず、従つてキヤリヤ速度が印加電圧に
直接関係して、理論上の最大値を有するようなデ
バイスが開発され、弾動輸送デバイス（ballistic
transport device；以下BTDの略称する）とし
て知られるようになつた。
先行技術
BTDの開発には幾多の努力が払われているが、
その一例として、1979年11月に刊行されたThe
IEEE Transactions on Eleetron Device Ve1.
ED−26，No.111677〜1683頁によれば、平行自由
行程の長いGaAsの如き半導体材料が電界効果ト
ランジスタの通電チヤネルとして使用される。こ
のようなデバイスは、伝播遅延が短く、電力消費
も少ない。
その一例として、1979年11月に刊行されたThe
IEEE Transactions on Eleetron Device Ve1.
ED−26，No.111677〜1683頁によれば、平行自由
行程の長いGaAsの如き半導体材料が電界効果ト
ランジスタの通電チヤネルとして使用される。こ
のようなデバイスは、伝播遅延が短く、電力消費
も少ない。
別の型のBTDとして、エミツタ側から注入さ
れたキヤリヤの殆んどが、金属ベースを通過して
コレクタに達するようなトランジスタも提案され
ている。
れたキヤリヤの殆んどが、金属ベースを通過して
コレクタに達するようなトランジスタも提案され
ている。
また、動作原理は異なるが、構造的に似たもの
としてガン効果デバイスがある。Sze著のThe
Physics of Semiconducter Devicesの749〜778
頁にも記載されているように、ガン効果デバイス
では衝突が生じる。
としてガン効果デバイスがある。Sze著のThe
Physics of Semiconducter Devicesの749〜778
頁にも記載されているように、ガン効果デバイス
では衝突が生じる。
本発明の要約
本発明は、半導体デバイスにおける多数キヤリ
ヤの弾動輸送を取扱う。弾動輸送とは、キヤリヤ
が理論上の最大速度で丁度電子ビームのように輸
送される現象を云う。例えば、あとで説明する実
施例においては、キヤリヤはデバイス本体の約
10-14秒で通過する。しかしながら、デバイスの
構造及び動作条件に関しては厳しい制約がある。
ヤの弾動輸送を取扱う。弾動輸送とは、キヤリヤ
が理論上の最大速度で丁度電子ビームのように輸
送される現象を云う。例えば、あとで説明する実
施例においては、キヤリヤはデバイス本体の約
10-14秒で通過する。しかしながら、デバイスの
構造及び動作条件に関しては厳しい制約がある。
弾動輸送を可能にするためには、輸送距離は、
エネルギ及び運動量を減少させる衝突が実質的に
生じない程度のものでなければならない。半導体
本体内におけるオーミツク電極間の距離は、量子
力学的トンネル効果が生じ得る距離よりも長く、
本体材料として選ばれた半導体材料の平均自由行
程以下である。電極間距離の設計自由度は、材料
の平均自由行程が長い程大きい。
エネルギ及び運動量を減少させる衝突が実質的に
生じない程度のものでなければならない。半導体
本体内におけるオーミツク電極間の距離は、量子
力学的トンネル効果が生じ得る距離よりも長く、
本体材料として選ばれた半導体材料の平均自由行
程以下である。電極間距離の設計自由度は、材料
の平均自由行程が長い程大きい。
一般に、半導体本体内でキヤリヤが衝突するの
はドープされた不純物及び結晶格子である。この
ため、まず半導体本体のドーピング・レベルは、
それを越えると衝突確率が大きくなるようなレベ
ルより小さくしなければならず、しかも実用上充
分な電流を流し得る程度の不純物を含んでいなけ
ればならない。格子衝突の１つの型に、キヤリヤ
が低質量状態から高質量状態に移る謂ゆる谷間遷
移を生じるものがある。従つて、半導体本体にか
ける電圧を、このような谷間遷移が生じない程度
に抑えなければならない。
はドープされた不純物及び結晶格子である。この
ため、まず半導体本体のドーピング・レベルは、
それを越えると衝突確率が大きくなるようなレベ
ルより小さくしなければならず、しかも実用上充
分な電流を流し得る程度の不純物を含んでいなけ
ればならない。格子衝突の１つの型に、キヤリヤ
が低質量状態から高質量状態に移る謂ゆる谷間遷
移を生じるものがある。従つて、半導体本体にか
ける電圧を、このような谷間遷移が生じない程度
に抑えなければならない。
使用可能な動作電圧は、伝導帯とこれに最も近
最小エネルギの谷との間のエネルギ・ギヤツプに
相当するものであり、これは例えばGaAsでは
0.3eV（電子ボルト）である。
最小エネルギの谷との間のエネルギ・ギヤツプに
相当するものであり、これは例えばGaAsでは
0.3eV（電子ボルト）である。
このように、使用可能な動作電圧は極めて小さ
いので、外部オーミツク電極と半導体本体との間
に障壁が実質的に存在しないようにしなければな
らない。接触抵抗は、10-6Ωcm2より小さいのが望
ましい。電流密度及び抵抗を下げる大きな接触面
積を、デバイスの基板側で実現させることは困難
ではないが、反対側には小面積の完全なオーミツ
ク接点を設けなければならない。これは、原子的
にコンパチブルな傾斜バンドギヤツプ半導体材料
との間にオーミツク電極を設けることにより達成
される。そうすれば、金属接点と半導体本体との
間の障壁がすべて除かれる。
いので、外部オーミツク電極と半導体本体との間
に障壁が実質的に存在しないようにしなければな
らない。接触抵抗は、10-6Ωcm2より小さいのが望
ましい。電流密度及び抵抗を下げる大きな接触面
積を、デバイスの基板側で実現させることは困難
ではないが、反対側には小面積の完全なオーミツ
ク接点を設けなければならない。これは、原子的
にコンパチブルな傾斜バンドギヤツプ半導体材料
との間にオーミツク電極を設けることにより達成
される。そうすれば、金属接点と半導体本体との
間の障壁がすべて除かれる。
本発明においては、半導体本体内に制御電極を
設けることにより、キヤリヤの流れ即ち電流が変
調される。これは、制御電極にバイアスを加える
ことによつて、本体中の電流が流れる断面積が変
化するからである。
設けることにより、キヤリヤの流れ即ち電流が変
調される。これは、制御電極にバイアスを加える
ことによつて、本体中の電流が流れる断面積が変
化するからである。
実施例の説明
本発明の一実施例である２端子構造のBTDを
第１図に示す。半導体材料から成る本体１の輸送
幅（第２図参照）は、該材料の平均自由行程以下
であり、従つてキヤリヤは本体中を衝突なしに通
過し得る。外部金属電極２及び３は、本体１との
間に完全なオーミツク接点を形成している。第２
図に示したように、金属電極２及び３と本体１と
の界面において、伝導帯がフエルミ準位よりも上
になつている。更に、本体１の輸送幅がその半導
体材料における多数キヤリヤの平均自由行程以下
に設定されているから、何れの電極から注入され
たキヤリヤも本体中を弾動的に即ち衝突なしに他
方の電極に向つて輸送され得る。そのとき流れる
電流は、キヤリヤの数と速度との積で表わされ
る。BTDにおいては、不純物密度、輸送幅及び
印加電圧に上限及び下限がある。
第１図に示す。半導体材料から成る本体１の輸送
幅（第２図参照）は、該材料の平均自由行程以下
であり、従つてキヤリヤは本体中を衝突なしに通
過し得る。外部金属電極２及び３は、本体１との
間に完全なオーミツク接点を形成している。第２
図に示したように、金属電極２及び３と本体１と
の界面において、伝導帯がフエルミ準位よりも上
になつている。更に、本体１の輸送幅がその半導
体材料における多数キヤリヤの平均自由行程以下
に設定されているから、何れの電極から注入され
たキヤリヤも本体中を弾動的に即ち衝突なしに他
方の電極に向つて輸送され得る。そのとき流れる
電流は、キヤリヤの数と速度との積で表わされ
る。BTDにおいては、不純物密度、輸送幅及び
印加電圧に上限及び下限がある。
不純物密度に関しては、キヤリヤの衝突が実質
的に生じないことが条件であるから、衝突確率が
大きくならないように抑える必要があるが、適切
な電流密度が得られる程度のレベルでなければな
らない。不純物密度と平均自由行程との間には関
係がある。平均自由行程は、本体１の純度が高く
て、格子振動による散乱がキヤリヤの輸送を支配
している場合に最大になり、不純物が添加される
と短くなる。本体１の材料としてGaAsを使用す
る場合、許容し得る不純物密度の範囲は1014〜
1016原子／cm3である。
的に生じないことが条件であるから、衝突確率が
大きくならないように抑える必要があるが、適切
な電流密度が得られる程度のレベルでなければな
らない。不純物密度と平均自由行程との間には関
係がある。平均自由行程は、本体１の純度が高く
て、格子振動による散乱がキヤリヤの輸送を支配
している場合に最大になり、不純物が添加される
と短くなる。本体１の材料としてGaAsを使用す
る場合、許容し得る不純物密度の範囲は1014〜
1016原子／cm3である。
輸送幅に関しては、前にも述べたように、本体
材料の平均自由行程以下が望ましい。これは現在
の製造技術でも実現可能である。輸送幅がこれよ
りも長くなると、衝突確率が急激に増大する。
材料の平均自由行程以下が望ましい。これは現在
の製造技術でも実現可能である。輸送幅がこれよ
りも長くなると、衝突確率が急激に増大する。
輸送幅の下限は、量子力学的トンネル効果が生
じ得る幅によつて決まる。これは、平均自由行程
に比べて極めて短い。GaAsの場合、幅が約100
Å以下になると量子力学的トンネル効果が生じる
が、平均自由行程は5000Å程度に達する。ただ
し、不純物密度との関係があるので、輸送幅は
1000〜4000Åぐらいが好ましい。
じ得る幅によつて決まる。これは、平均自由行程
に比べて極めて短い。GaAsの場合、幅が約100
Å以下になると量子力学的トンネル効果が生じる
が、平均自由行程は5000Å程度に達する。ただ
し、不純物密度との関係があるので、輸送幅は
1000〜4000Åぐらいが好ましい。
印加電圧に関しては、キヤリヤ伝導に必要な値
（下限）と谷間遷移が生じる寸前の値（上限）と
の間にある。印加電圧がこれよりも大きくなる
と、格子との衝突が生じる。GaAsの場合、印加
電圧は0.3ボルトより小さい。
（下限）と谷間遷移が生じる寸前の値（上限）と
の間にある。印加電圧がこれよりも大きくなる
と、格子との衝突が生じる。GaAsの場合、印加
電圧は0.3ボルトより小さい。
BTDは２つの動作領域を有する。低電圧の第
１領域においては、キヤリヤは単に本体中を横切
るだけであるが、第２領域においては、キヤリヤ
は注入された後加速される。第１領域において
は、キヤリヤ密度は下記の式(1)に従つて変化す
る。
１領域においては、キヤリヤは単に本体中を横切
るだけであるが、第２領域においては、キヤリヤ
は注入された後加速される。第１領域において
は、キヤリヤ密度は下記の式(1)に従つて変化す
る。
Ｉ∝√ (1)
第２領域においては、キヤリヤ密度及び速度は電
圧に依存し、式(2)に従つて変化する。
圧に依存し、式(2)に従つて変化する。
Ｉ∝V3/2 (2)
第２領域のときに印加電圧は、効果をマスクす
るに十分な衝突を生ぜしめ得る。
るに十分な衝突を生ぜしめ得る。
要約すると、本体１がGaAsであれば、平行自
由行程は2000Å以上であり、この程度の輸送幅は
容易に実現させ得る。これは、トンネル効果が生
じる幅より１桁大きい。不純物のドーピング・レ
ベルは、良好な導電性を与えるという点で1014原
子／cm3より高く、不純物衝突を防止するという点
で1016原子／cm3より低くする必要がある。印加電
圧は、結晶格子との衝突によるキヤリヤの谷間遷
移を考慮して、0.3ボルト程度に抑える必要があ
る。
由行程は2000Å以上であり、この程度の輸送幅は
容易に実現させ得る。これは、トンネル効果が生
じる幅より１桁大きい。不純物のドーピング・レ
ベルは、良好な導電性を与えるという点で1014原
子／cm3より高く、不純物衝突を防止するという点
で1016原子／cm3より低くする必要がある。印加電
圧は、結晶格子との衝突によるキヤリヤの谷間遷
移を考慮して、0.3ボルト程度に抑える必要があ
る。
本発明のBTDを、衝突を利用して双極子を生
成させるガン効果デバイスと比べてみると、
GaAsを本体材料とするガン効果デバイスにおい
ては、キヤリヤを低質量状態から高質量状態へ移
す谷間遷移を生じさせるため、印加電圧は0.3ボ
ルトより大きくなければならない。これに対し、
本発明のBTDにおいては、キヤリヤは常に低質
量状態にある。
成させるガン効果デバイスと比べてみると、
GaAsを本体材料とするガン効果デバイスにおい
ては、キヤリヤを低質量状態から高質量状態へ移
す谷間遷移を生じさせるため、印加電圧は0.3ボ
ルトより大きくなければならない。これに対し、
本発明のBTDにおいては、キヤリヤは常に低質
量状態にある。
更に、ガン効果デバイスの本体は、双極子ドメ
インを収容するに十分な長さ（幅）を有していな
ければならず、またこの長さはトービング・レベ
ルによつても左右される。GaAsのガン効果デバ
イスの場合、ドーピング・レベルは通常1014原
子／cm3より小さく、長さは平均自由行程の数百倍
（約100〜200μ）に達する。
インを収容するに十分な長さ（幅）を有していな
ければならず、またこの長さはトービング・レベ
ルによつても左右される。GaAsのガン効果デバ
イスの場合、ドーピング・レベルは通常1014原
子／cm3より小さく、長さは平均自由行程の数百倍
（約100〜200μ）に達する。
BTDにおいては、小信号が要求されるので、
理想的には、回路中の抵抗はゼロであるのが望ま
しい。従つて、電極２及び３と本体１との界面に
キヤリヤの流れを阻止する障壁が形成されないよ
うにする必要がある。
理想的には、回路中の抵抗はゼロであるのが望ま
しい。従つて、電極２及び３と本体１との界面に
キヤリヤの流れを阻止する障壁が形成されないよ
うにする必要がある。
第３図は、金属−半導体界面に存在する固有の
障壁をエネルギ準位の形で表わしたものである。
このような障壁は、殆んどすべての金属−半導体
界面に現われるが、長い平均自由行程を有する
（BTDの製造が容易になる）という点で望ましい
GaAsのような化合物半導体では、これは0.7〜
0.8eV程度である。
障壁をエネルギ準位の形で表わしたものである。
このような障壁は、殆んどすべての金属−半導体
界面に現われるが、長い平均自由行程を有する
（BTDの製造が容易になる）という点で望ましい
GaAsのような化合物半導体では、これは0.7〜
0.8eV程度である。
第３図に示したように、半導体表面において
は、キヤリヤを捕獲する表面準位のためにエネル
ギ帯が上方に曲げられ（Ｎ形の場合）、フエルミ
準位から伝導帯までの高さφbを有する障壁が現
われる。金属−半導体界面においては、両方のフ
エルミ準位が一致している。伝導帯及び価電子帯
が曲つた状態は、半導体表面からある深さのとこ
ろまで続いており、そこから平坦になつている。
第３図では、この深さが「障壁幅」として示され
ている。障壁を越えるのに必要なエネルギは、非
線形接触抵抗の形で表わすことができる。これを
第４図に示す。図示のように、障壁φbの効果は、
電圧−電流曲線における整流特性として現われて
いる。しかしながら、BTDにおいては、キヤリ
ヤの谷間遷移が生じない程度に印加電圧を抑えな
ければならないから、このままでは、BTDで使
用可能な信号のエネルギの大部分が非線形抵抗効
果のために失なわれ、BTDとして機能しない。
は、キヤリヤを捕獲する表面準位のためにエネル
ギ帯が上方に曲げられ（Ｎ形の場合）、フエルミ
準位から伝導帯までの高さφbを有する障壁が現
われる。金属−半導体界面においては、両方のフ
エルミ準位が一致している。伝導帯及び価電子帯
が曲つた状態は、半導体表面からある深さのとこ
ろまで続いており、そこから平坦になつている。
第３図では、この深さが「障壁幅」として示され
ている。障壁を越えるのに必要なエネルギは、非
線形接触抵抗の形で表わすことができる。これを
第４図に示す。図示のように、障壁φbの効果は、
電圧−電流曲線における整流特性として現われて
いる。しかしながら、BTDにおいては、キヤリ
ヤの谷間遷移が生じない程度に印加電圧を抑えな
ければならないから、このままでは、BTDで使
用可能な信号のエネルギの大部分が非線形抵抗効
果のために失なわれ、BTDとして機能しない。
本発明においては、少なくとも一方のオーミツ
ク接点を傾斜バンドギヤツプ型のオーミツク接点
にすることにより接触障壁が除かれる。このよう
なオーミツク接点は、1980年６月12日付の米国特
許出願第158664号の明細書に開示されている。そ
れによれば、金属電極と化合物半導体材料との間
に傾斜バンドギヤツプを有する中間半導体領域が
設けられ、そのバンドギヤツプは化合物半導体材
料６との界面では大きく、金属電極との界面では
0.5eVより小さくなつている。更に、化合物半導
体材料との界面にも障壁が生じないようにする
（原子的コンパチブル）ため、格子不整合度及び
電子親和力の差が特定の値にされる。かくすれ
ば、オーミツク接点の電圧−電流特性は直線にな
り、第４図のような整流特性は消滅する。
ク接点を傾斜バンドギヤツプ型のオーミツク接点
にすることにより接触障壁が除かれる。このよう
なオーミツク接点は、1980年６月12日付の米国特
許出願第158664号の明細書に開示されている。そ
れによれば、金属電極と化合物半導体材料との間
に傾斜バンドギヤツプを有する中間半導体領域が
設けられ、そのバンドギヤツプは化合物半導体材
料６との界面では大きく、金属電極との界面では
0.5eVより小さくなつている。更に、化合物半導
体材料との界面にも障壁が生じないようにする
（原子的コンパチブル）ため、格子不整合度及び
電子親和力の差が特定の値にされる。かくすれ
ば、オーミツク接点の電圧−電流特性は直線にな
り、第４図のような整流特性は消滅する。
接触抵抗は、接触面積を大きくすることによつ
ても減らすことができる。これは、例えば大きな
基板上に本体１を形成することにより達成され
る。その場合、本体１の基板とは反対側には、上
述の傾斜バンドギヤツプを有する小さなオーミツ
ク接点が形成され得る。
ても減らすことができる。これは、例えば大きな
基板上に本体１を形成することにより達成され
る。その場合、本体１の基板とは反対側には、上
述の傾斜バンドギヤツプを有する小さなオーミツ
ク接点が形成され得る。
第５図は、本体１に２種類のオーミツク接点２
及び３を設けた実施例を示している。本体１は、、
高濃度にドープされた半導体領域２Ａ及び金属被
覆２Ｂから成る大きなオーミツク接点２上に形成
される。本体１の反対側には、傾斜バンドギヤツ
プを有する半導体領域３Ａ及び金属３Ｂから成る
別のオーミツク接点３が設けられる。半導体領域
３Ａは本体１と原子的にコンパチブルであり、金
属３Ｂとの界面におけるバンドギヤツプは0.5eV
より小さい。このような構成においては、大きい
方のオーミツク接点２での電流密度が小さくな
り、２Ａ及び２Ｂの界面における障壁幅は、量子
力学的トンネル効果を生ぜしめる程度のドーピン
グを行なうことにより、充分に短くされる（オー
ミツク特性が得られる）。
及び３を設けた実施例を示している。本体１は、、
高濃度にドープされた半導体領域２Ａ及び金属被
覆２Ｂから成る大きなオーミツク接点２上に形成
される。本体１の反対側には、傾斜バンドギヤツ
プを有する半導体領域３Ａ及び金属３Ｂから成る
別のオーミツク接点３が設けられる。半導体領域
３Ａは本体１と原子的にコンパチブルであり、金
属３Ｂとの界面におけるバンドギヤツプは0.5eV
より小さい。このような構成においては、大きい
方のオーミツク接点２での電流密度が小さくな
り、２Ａ及び２Ｂの界面における障壁幅は、量子
力学的トンネル効果を生ぜしめる程度のドーピン
グを行なうことにより、充分に短くされる（オー
ミツク特性が得られる）。
第５図のBTDにおけるエネルギ準位を示した
第６図を参照するに、半導体領域２Ａ及び金属２
Ｂの界面には、第３図の場合と同じく、障壁φb
が依然として存在しているが、半導体領域２Ａの
高濃度のドーピングのため、障壁幅Ｗは量子力学
的トンネル効果が生じる程度まで短くなつてお
り、従つてキヤリヤはこの薄い障壁をトンネル効
果により通過する。更に、オーミツク接点２は本
体１に比べて大きな面積を有しているため、電流
密度が小さくなり、これとトンネル効果との相乗
作用によりオーミツク特性が得られる。半導体領
域３Ａ及び金属３Ｂから成るオーミツク接点３
は、上述とは別の機構によりオーミツク特性を呈
する。即ち、第６図に示されているように、半導
体領域３Ａと本体１及び金属３Ｂとの間の界面に
は障壁が存在していない。これは、半導体領域３
Ａが本体１と原子的にコンパチブルであること
（界面付近では１及３Ａの成分が同じになつてい
る）及び半導体領域３Ａのバンドギヤツプが金属
３Ｂの方に向つて徐々に小さくなり、金属３Ｂと
の界面では0.5eVより小さくなつていることによ
る。
第６図を参照するに、半導体領域２Ａ及び金属２
Ｂの界面には、第３図の場合と同じく、障壁φb
が依然として存在しているが、半導体領域２Ａの
高濃度のドーピングのため、障壁幅Ｗは量子力学
的トンネル効果が生じる程度まで短くなつてお
り、従つてキヤリヤはこの薄い障壁をトンネル効
果により通過する。更に、オーミツク接点２は本
体１に比べて大きな面積を有しているため、電流
密度が小さくなり、これとトンネル効果との相乗
作用によりオーミツク特性が得られる。半導体領
域３Ａ及び金属３Ｂから成るオーミツク接点３
は、上述とは別の機構によりオーミツク特性を呈
する。即ち、第６図に示されているように、半導
体領域３Ａと本体１及び金属３Ｂとの間の界面に
は障壁が存在していない。これは、半導体領域３
Ａが本体１と原子的にコンパチブルであること
（界面付近では１及３Ａの成分が同じになつてい
る）及び半導体領域３Ａのバンドギヤツプが金属
３Ｂの方に向つて徐々に小さくなり、金属３Ｂと
の界面では0.5eVより小さくなつていることによ
る。
直列接触抵抗が実質的にデバイスの抵抗を左右
しないことが基本である。原則的には、次の式(3)
に示すように、接触抵抗とバルク抵抗の比は断面
積と無関係でなければならない。
しないことが基本である。原則的には、次の式(3)
に示すように、接触抵抗とバルク抵抗の比は断面
積と無関係でなければならない。
2ρc／ρl0.1 (3)
式(3)において、ρcは接触抵抗率、ρはバルク抵
抗率、ｌは第２図に示した輸送幅である。バルク
抵抗率ρは次式で表わされる。
抗率、ｌは第２図に示した輸送幅である。バルク
抵抗率ρは次式で表わされる。
ρ＝１／Δ電流密度／Δ電圧・ｌ (4)
一例として、GaAsを使用した場合、接触抵抗
率ρcは次のようになる。
率ρcは次のようになる。
ρc0.1ρl／２0.1×10-5／２＜10-6Ωcm2(5)
第５図のデバイスにおいては、キヤリヤは本体
１中を弾動輸送される。即ち、輸送幅、ドーピン
グ・レベル及び印加電圧が前述の範囲内にあるの
で、一方のオーミツク接点（例えば２）から注入
されたキヤリヤは、実質的に衝突を生じることな
く本体１中を通過する。
第５図のデバイスにおいては、キヤリヤは本体
１中を弾動輸送される。即ち、輸送幅、ドーピン
グ・レベル及び印加電圧が前述の範囲内にあるの
で、一方のオーミツク接点（例えば２）から注入
されたキヤリヤは、実質的に衝突を生じることな
く本体１中を通過する。
第７図の実施例では、高濃度にドープされた半
導体領域２Ａ及び金属電極２Ｂを含む基板４が使
用される。本体１は、基板４の表面上に、本体材
料における多数キヤリヤの平均自由行程程度の高
さ（線５のところ）までエピタキシヤル成長され
る。線５のところからは、前述の傾斜バンドギヤ
ツプを有する原子的にコンパチブルな別の半導体
３Ａが成長される。最後に、デバイス表面に金属
電極３Ｂが形成される。半導体３Ａのバンドギヤ
ツプは、線５のところから界面６に向つて徐々に
減少しており、界面６では0.5eVよりも小さい。
本体１の断面積は、例えば成長前に基板４をマス
クし、参照番号７の部分をエツチンクやイオン衝
撃などの適当な方法で変換することにより小さく
される。
導体領域２Ａ及び金属電極２Ｂを含む基板４が使
用される。本体１は、基板４の表面上に、本体材
料における多数キヤリヤの平均自由行程程度の高
さ（線５のところ）までエピタキシヤル成長され
る。線５のところからは、前述の傾斜バンドギヤ
ツプを有する原子的にコンパチブルな別の半導体
３Ａが成長される。最後に、デバイス表面に金属
電極３Ｂが形成される。半導体３Ａのバンドギヤ
ツプは、線５のところから界面６に向つて徐々に
減少しており、界面６では0.5eVよりも小さい。
本体１の断面積は、例えば成長前に基板４をマス
クし、参照番号７の部分をエツチンクやイオン衝
撃などの適当な方法で変換することにより小さく
される。
本体１の断面積は、希望する電流容量に基いて
決められる。例えば、本体材料としてGaAsを使
用し、0.1Vの印加電圧のもとでの電流密度が
104A／cm2で、電極２Ｂ及び３Ｂ間に10mAの電流
を流す場合には、本体１の断面積は10-6cm2にされ
る。
決められる。例えば、本体材料としてGaAsを使
用し、0.1Vの印加電圧のもとでの電流密度が
104A／cm2で、電極２Ｂ及び３Ｂ間に10mAの電流
を流す場合には、本体１の断面積は10-6cm2にされ
る。
第７図のデバイスをより具体的に説明すると、
基板領域２Ａは、Se，Si又はGeを1019原子／cm3
までドープされたn+GaAsであり、その上に成長
される本体１は、Se，Si又はGeのドーピング・
レベルが1016程度のほぼ真性のGaAsである。本
体１の輸送幅は約1000〜4000Åの範囲にある。本
体１の成長は、例えばCVD法又はMBE法で行な
われる。所望の輸送幅が得られると、次いで成長
中のGaAsにInが導入され、これによりGa1-xInx
Asの領域３Ａが約2000Åの高さまで成長される。
変数ｘは０から１に向つて徐々に増加し、界面６
のところでは純枠のInAsになつている。
基板領域２Ａは、Se，Si又はGeを1019原子／cm3
までドープされたn+GaAsであり、その上に成長
される本体１は、Se，Si又はGeのドーピング・
レベルが1016程度のほぼ真性のGaAsである。本
体１の輸送幅は約1000〜4000Åの範囲にある。本
体１の成長は、例えばCVD法又はMBE法で行な
われる。所望の輸送幅が得られると、次いで成長
中のGaAsにInが導入され、これによりGa1-xInx
Asの領域３Ａが約2000Åの高さまで成長される。
変数ｘは０から１に向つて徐々に増加し、界面６
のところでは純枠のInAsになつている。
次いで、約6.5×10-6cm2のデバイス領域をマス
クして、領域７に対し、ホウ素、酸素、陽子又は
重陽子によるイオン衝撃が行なわれる。最後に、
Ag，An又はInの金属電極２Ｂ及び３Ｂが形成さ
れる。
クして、領域７に対し、ホウ素、酸素、陽子又は
重陽子によるイオン衝撃が行なわれる。最後に、
Ag，An又はInの金属電極２Ｂ及び３Ｂが形成さ
れる。
第８図は、両方のオーミツク接点を傾斜バンド
ギヤツプ型にした実施例を示している。たとえば
GaAsから成る輸送本体８の両側には、傾斜バン
ドギヤツプを有するGa1-xInxAsの領域９が設け
られる。前述のように、領域９においては、金属
電極１０に近づく程InAsの純度が高くなつてい
る。ただし、本体８との界面においては、成分In
は実質的にゼロであり、GaAsになつている。出
発基板としてInAsを使用すれば、第７図のとき
と同様な方法で製造することができる。その場
合、Ga及びInの割合は徐々に変化される。
ギヤツプ型にした実施例を示している。たとえば
GaAsから成る輸送本体８の両側には、傾斜バン
ドギヤツプを有するGa1-xInxAsの領域９が設け
られる。前述のように、領域９においては、金属
電極１０に近づく程InAsの純度が高くなつてい
る。ただし、本体８との界面においては、成分In
は実質的にゼロであり、GaAsになつている。出
発基板としてInAsを使用すれば、第７図のとき
と同様な方法で製造することができる。その場
合、Ga及びInの割合は徐々に変化される。
第９図はエネルギ準位を示したものであるが、
金属電極１０との界面におけるバンドギヤツプ
は、InAsのバンドギヤツプである0.35eV程度に
なつており、障壁は存在していない。
金属電極１０との界面におけるバンドギヤツプ
は、InAsのバンドギヤツプである0.35eV程度に
なつており、障壁は存在していない。
本発明に従うBTDに電流変調電極を設けると、
３極管動作が可能になる。輸送本体の成長中に、
例えばレーザー照射を行なつて局部的な光化学分
解を生ぜしめることにより、導通制御グリツドを
形成することができる。その例を第１０図に示
す。
３極管動作が可能になる。輸送本体の成長中に、
例えばレーザー照射を行なつて局部的な光化学分
解を生ぜしめることにより、導通制御グリツドを
形成することができる。その例を第１０図に示
す。
第１０図においては、1019原子／cm3以上にドー
プされた領域２０が、GaAsから成る輸送本体２
１のABE（分子ビーム・エピタキシ）成長基板と
して使用される。反対導電型の局部領域２２は、
本体２１の成長中に、適切な不純物を含む有機金
属化合物の光化学分解により形成される。
プされた領域２０が、GaAsから成る輸送本体２
１のABE（分子ビーム・エピタキシ）成長基板と
して使用される。反対導電型の局部領域２２は、
本体２１の成長中に、適切な不純物を含む有機金
属化合物の光化学分解により形成される。
まず、Siを約1016原子／cm3までドープされたｎ
型のGaAsが本体２１の一部として約1000〜2000
Åの高さまで成長される。次いで、Zn（CH3）の
如き有機金属化合物がグリツド状の局部領域２２
のところで分解してこれらにｐ型不純物である
Znがドープされるように、異なつたエネルギを
有する２つのレーザーを用いて干渉パターンが生
成される。この方法自体は既に知られており、例
えば1979年７月15日に刊行されたApplied
Physics Letters 35(2)には、CVD法による成長
中に、inPの局部領域にCdをドープする技術が開
示されている。
型のGaAsが本体２１の一部として約1000〜2000
Åの高さまで成長される。次いで、Zn（CH3）の
如き有機金属化合物がグリツド状の局部領域２２
のところで分解してこれらにｐ型不純物である
Znがドープされるように、異なつたエネルギを
有する２つのレーザーを用いて干渉パターンが生
成される。この方法自体は既に知られており、例
えば1979年７月15日に刊行されたApplied
Physics Letters 35(2)には、CVD法による成長
中に、inPの局部領域にCdをドープする技術が開
示されている。
本体１の成長中に、所望のパターンをするｐ型
領域２２が完全に形成されると、製造条件は元に
戻され、ｎ型本体２１の残りの領域が約1000〜
2000Åまで成長される。かくして、ｎ型本体中に
ｐ型領域２２のグリツドが形成される。
領域２２が完全に形成されると、製造条件は元に
戻され、ｎ型本体２１の残りの領域が約1000〜
2000Åまで成長される。かくして、ｎ型本体中に
ｐ型領域２２のグリツドが形成される。
次いで、第１１図に示すように、本体領域２１
の上にGaAs領域２０に相当するGaAs領域２３
が成長される。この時点で成長条件が変更され、
Gaを徐々に減少させ且つInを徐々に増加させな
がら、Ga1-xInxAsの領域２４が両側に成長され
る。成長の最後の段階では、純粋のInAsの領域
２５が形成される。
の上にGaAs領域２０に相当するGaAs領域２３
が成長される。この時点で成長条件が変更され、
Gaを徐々に減少させ且つInを徐々に増加させな
がら、Ga1-xInxAsの領域２４が両側に成長され
る。成長の最後の段階では、純粋のInAsの領域
２５が形成される。
最後に電極２６，２７及び２８を形成すること
により、第１２図に示したようなゲート型乃至は
制御グリツド型のBTDが得られる。本体２１に
おけるキヤリヤの輸送は、オーミツク接点と平行
に設けられているグリツド２２をバイアスして、
本体２１の有効断面積を電気的に変化させること
により変調され得る。これは３極管動作に相当す
る。勿論、第１２図のBTDにおいても、輸送幅、
ドーピング・レベル及び印加電圧に関する前述の
条件は満足されている。
により、第１２図に示したようなゲート型乃至は
制御グリツド型のBTDが得られる。本体２１に
おけるキヤリヤの輸送は、オーミツク接点と平行
に設けられているグリツド２２をバイアスして、
本体２１の有効断面積を電気的に変化させること
により変調され得る。これは３極管動作に相当す
る。勿論、第１２図のBTDにおいても、輸送幅、
ドーピング・レベル及び印加電圧に関する前述の
条件は満足されている。
第１２図のBTDを用いた回路の一例を第１３
図に示す。３極管デバイスとして働くBTD３０
は陽極３１、陰極３２及び制御端子３３を有す
る。陰極３２は接地され、陽極３１は負荷抵抗３
４を介して駆動電圧端子３５に接続される。出力
端子３６は、負荷抵抗３４と陽極３１の間に接続
される。この回路への入力は制御端子３３に印加
される。制御端子３３における入力信号の変動
は、BTD３０のインピーダンスを変化させる。
図に示す。３極管デバイスとして働くBTD３０
は陽極３１、陰極３２及び制御端子３３を有す
る。陰極３２は接地され、陽極３１は負荷抵抗３
４を介して駆動電圧端子３５に接続される。出力
端子３６は、負荷抵抗３４と陽極３１の間に接続
される。この回路への入力は制御端子３３に印加
される。制御端子３３における入力信号の変動
は、BTD３０のインピーダンスを変化させる。
第１４図は、第１３図の回路の動作特性を示し
たもので、負荷RLは第１３図の負荷抵抗３４に
対応している。負荷抵抗３４は、BTD３０と一
緒に集積化されたエピタキシヤル抵抗であつても
よい。論理動作に適合するように電圧をシフトさ
せたければ、例えば約0.8Vのレベル・シフト・
ダイオードを負荷抵抗３４と直列に接続すればよ
い。
たもので、負荷RLは第１３図の負荷抵抗３４に
対応している。負荷抵抗３４は、BTD３０と一
緒に集積化されたエピタキシヤル抵抗であつても
よい。論理動作に適合するように電圧をシフトさ
せたければ、例えば約0.8Vのレベル・シフト・
ダイオードを負荷抵抗３４と直列に接続すればよ
い。
効 果
本発明によれば、弾動輸送デバイスにおいて、
オーミツク接点の小型化が可能になり、したがつ
て弾動輸送デバイス全体のサイズの一層の小型化
に貢献することができるという優れた効果が得ら
れる。
オーミツク接点の小型化が可能になり、したがつ
て弾動輸送デバイス全体のサイズの一層の小型化
に貢献することができるという優れた効果が得ら
れる。
第１図は２端子型BTDの断面図、第２図はエ
ネルギ準位を併わせて示した部分断面図、第３図
は通常の金属−半導体接触をエネルギ準位と共に
示した部分断面図、第４図は第３図の金属−半導
体接触における特性曲線を示したグラフ、第５図
乃至第９図は２端子型BTDの別の実施例を示し
た断面図、第１０図乃至第１２図は３端子型
BTDを製造工程の順に示した断面図、第１３図
は３端子型BTDを組込んだ回路の一例を示した
回路図、第１４図は第１３図の回路の動作特性を
示したグラフである。
ネルギ準位を併わせて示した部分断面図、第３図
は通常の金属−半導体接触をエネルギ準位と共に
示した部分断面図、第４図は第３図の金属−半導
体接触における特性曲線を示したグラフ、第５図
乃至第９図は２端子型BTDの別の実施例を示し
た断面図、第１０図乃至第１２図は３端子型
BTDを製造工程の順に示した断面図、第１３図
は３端子型BTDを組込んだ回路の一例を示した
回路図、第１４図は第１３図の回路の動作特性を
示したグラフである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ キヤリヤが２つのオーミツク接点間を、実質
的な衝突なしに輸送される弾動輸送デバイスにし
て、２つのオーミツク接点にはさまれた半導体材
料から成り、該材料をはさむオーミツク接点間の
距離は量子力学的トンネル効果を生じる距離より
長く且つ上記材料におけるキヤリアの平均自由行
程以下であり、 上記材料のドービング・レベルは実用上充分な
電流を流し得るが、キヤリヤの衝突確率が大きく
ならない程度に抑えられており、 上記オーミツク接点のうちの少なくとも１つに
は上記半導体材料と金属との間に中間半導体領域
を設け、かつ該中間半導体領域の組成を、上記半
導体材料との第１界面では上記半導体材料の組成
と実質的に同じとし、上記第１界面から上記金属
との第２界面にかけてはエネルギ・バンドギヤツ
プが徐々に減少し上記第２界面にて該バンドギヤ
ツプが0.5eVより小さくなるように変化させた ことを特徴とする、弾道輸送デバイス。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/161,611 US4366493A (en) | 1980-06-20 | 1980-06-20 | Semiconductor ballistic transport device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5713774A JPS5713774A (en) | 1982-01-23 |
| JPS6313355B2 true JPS6313355B2 (ja) | 1988-03-25 |
Family
ID=22581916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5641481A Granted JPS5713774A (en) | 1980-06-20 | 1981-04-16 | Elastically driven transporting device |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4366493A (ja) |
| EP (1) | EP0042489B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5713774A (ja) |
| DE (1) | DE3166687D1 (ja) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2493604A1 (fr) * | 1980-10-31 | 1982-05-07 | Thomson Csf | Transistors a effet de champ a grille ultra courte |
| FR2498815A1 (fr) * | 1981-01-27 | 1982-07-30 | Thomson Csf | Dispositif semi-conducteur de deviation d'electrons du type " a transport balistique ", et procede de fabrication d'un tel dispositif |
| FR2520157B1 (fr) * | 1982-01-18 | 1985-09-13 | Labo Electronique Physique | Dispositif semi-conducteur du genre transistor a heterojonction(s) |
| FR2525028A1 (fr) * | 1982-04-09 | 1983-10-14 | Chauffage Nouvelles Tech | Procede de fabrication de transistors a effet de champ, en gaas, par implantations ioniques et transistors ainsi obtenus |
| US4910562A (en) * | 1982-04-26 | 1990-03-20 | International Business Machines Corporation | Field induced base transistor |
| US4532533A (en) * | 1982-04-27 | 1985-07-30 | International Business Machines Corporation | Ballistic conduction semiconductor device |
| US4728616A (en) * | 1982-09-17 | 1988-03-01 | Cornell Research Foundation, Inc. | Ballistic heterojunction bipolar transistor |
| DE3380047D1 (en) * | 1982-09-17 | 1989-07-13 | France Etat | Ballistic heterojunction bipolar transistor |
| US4672404A (en) * | 1982-09-17 | 1987-06-09 | Cornell Research Foundation, Inc. | Ballistic heterojunction bipolar transistor |
| US4672423A (en) * | 1982-09-30 | 1987-06-09 | International Business Machines Corporation | Voltage controlled resonant transmission semiconductor device |
| JPS5982772A (ja) * | 1982-11-02 | 1984-05-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 電界効果トランジスタ及びその製法 |
| US4649405A (en) * | 1984-04-10 | 1987-03-10 | Cornell Research Foundation, Inc. | Electron ballistic injection and extraction for very high efficiency, high frequency transferred electron devices |
| GB2162370B (en) * | 1984-07-26 | 1987-10-28 | Japan Res Dev Corp | Static induction transistor and integrated circuit comprising such a transistor |
| GB2163002B (en) * | 1984-08-08 | 1989-01-05 | Japan Res Dev Corp | Tunnel injection static induction transistor and its integrated circuit |
| JP2589062B2 (ja) * | 1984-08-08 | 1997-03-12 | 新技術開発事業団 | 熱電子放射型静電誘導サイリスタ |
| JPS61121369A (ja) * | 1984-11-19 | 1986-06-09 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| US4691215A (en) * | 1985-01-09 | 1987-09-01 | American Telephone And Telegraph Company | Hot electron unipolar transistor with two-dimensional degenerate electron gas base with continuously graded composition compound emitter |
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