JP2701583B2 - トンネルトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

トンネルトランジスタ及びその製造方法

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JP2701583B2 JP3119545A JP11954591A JP2701583B2 JP 2701583 B2 JP2701583 B2 JP 2701583B2 JP 3119545 A JP3119545 A JP 3119545A JP 11954591 A JP11954591 A JP 11954591A JP 2701583 B2 JP2701583 B2 JP 2701583B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高集積化,高速動作が可
能なトンネル現象利用のトランジスタに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】半導体表面におけるp+−n+接合でのト
ンネル現象を利用し、通常のSiMOSFETやGaA
s MESFETとは動作原理の異なるトランジスタと
してトンネルトランジスタが提案されている。このデバ
イスについては例えば、馬場寿夫による特願昭56−1
94992号明細書「半導体装置」に記載されている。
このトランジスタはMOSFETの微細化の極限で問題
となってくるアバランシーやトンネル効果を積極的に利
用したものであり、高集積化を可能にする。この従来の
トンネルトランジスタの構造及び製造方法と動作を簡単
に説明する。
【0003】図3は従来のトンネルトランジスタの構造
模式図である。このトンネルトランジスタは、縮退して
いない基板1と、一導電型を有し縮退している第1の半
導体2と、縮退していない第2の半導体3と、第1の半
導体と反対の導電型を有する第3の半導体4と、第2の
半導体3上に設けられた絶縁層5と、絶縁層5上に設け
られたゲート電極6と、第1の半導体2とオーミック接
触を形成するソース電極7と、第3の半導体4とオーミ
ック接触を形成するドレイン電極8とから構成されてい
る。
【0004】図4(a)〜(e)は、この従来のトンネ
ルトランジスタの製造工程図である。(a)は第2の半
導体及び絶縁層形成工程、(b)はゲート形成工程、
(c)は第1の半導体形成工程、(d)は第3の半導体
形成工程、(e)はソース及びドレイン電極形成工程で
ある。
【0005】この従来のトンネルトランジスタの製造工
程について、基板1にp−Si、第1の半導体2にp+
−Si、第2の半導体3にn−Si、第3の半導体4に
+Si、絶縁層5にSiO2、ゲート電極6にn型ポリ
シリコン、ソース電極7及びドレイン電極8にAlを例
にとり説明する。まず、p−Si基板表面にAsの低濃
度イオン注入によりn−Si層を形成し、その上に熱酸
化によりSiO2を形成する。次に、ポリシリコンのゲ
ート電極を堆積し、このポリシリコンおよびSiO2
ゲート形状に加工する。その後、ゲート領域を挟みp−
Si基板表面にBの高濃度イオン注入によりp+−Si
領域、Asの高濃度イオン注入によりn+−Si領域を
形成する。最後に、p+−Siおよびn+−Si表面にA
lによるソース電極およびドレイン電極を形成してトラ
ンジスタを完成させる。
【0006】このトランジスタにおいて、ソース電極7
をアース電位とし、ゲート電極6には電圧を印加せず、
ドレイン電極8に正の電圧を印加すると、第1の半導体
(p+−Si)2と第2の半導体(n−Si)3間が逆
方向バイアスになり電流は流れない。このときn−Si
側に空乏層が長く伸びている。さて、ゲート電極6に大
きな正の電圧を印加すると、第2の半導体(n−Si)
3の表面(絶縁層(SiO2)との界面)の電位が低下
し、そこでは電子濃度が非常に大きい縮退した状態が実
現される。このため、第2の半導体(n−Si)3の表
面と第1の半導体(p+−Si)2とは江崎ダイオード
(トンネルダイオード)と同様の接合を形成し、そこに
トンネル電流が流れるようになる。また、ゲート電極6
に大きな負の電圧を印加すると第2の半導体3の表面は
反転して疑似的にp+−Siとなり、こんどは第3の半
導体(n+−Si)4との間に江崎ダイオードを形成し
てトンネル電流が流れる。このようにゲート電極6に印
加する電圧によりドレイン電流が制御され、トランジス
タ動作が実現される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ここで説明した動作原
理から明らかなように、このデバイスでは第2の半導体
の表面と第1の半導体の表面間または第2の半導体の表
面と第3の半導体の表面間に不純物ドーピング濃度の急
峻な変化が必要であり、また第1及び第3の半導体の表
面は高濃度に不純物を含み縮退していることが重要であ
る。しかし、従来の構造及び製造方法では、これらの半
導体層を形成するのにイオン注入を用いなければならな
いため、イオンの広がりを避けることができず、急峻な
ドーピングプロファイルを有する層の形成は困難であっ
た。このため、ドレインまたはゲートに印加する電圧で
トンネル接合部が移動し、急峻な立ち上がりの電流−電
圧特性の実現が困難であった。
【0008】本発明の目的は、従来のトンネルトランジ
スタの有する欠点を除去し、急峻な立ち上がりの電流−
電圧特性を実現できるトンネルトランジスタ及びその製
造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のトンネルトラン
ジスタは、基板上の一部に、一導電型を有する縮退した
第1の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前記
第1の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導
体との積層構造を有し、少なくとも前記第2の半導体の
露出表面に、前記第2の半導体よりも禁止帯幅が広い材
料からなる絶縁層とこの絶縁層上の電極とを有し、前記
第1の半導体と第3の半導体にそれぞれオーミック接合
を形成する1対の電極を有することを特徴としている。
【0010】本発明のトンネルトランジスタの製造方法
は、基板上に、一導電型を有する縮退した第1の半導体
と、縮退していない第2の半導体と、第1の半導体と反
対の導電型を有し縮退した第3の半導体とを積層し、エ
ッチングにより第2の半導体の一部を露出させ、露出表
面に第2の半導体よりも禁止帯幅が広い材料からなる絶
縁層を堆積し、第2の半導体の露出表面の絶縁層上にゲ
ート電極を形成し、第1の半導体と第3の半導体にそれ
ぞれソース電極,ドレイン電極を形成することを特徴と
している。
【0011】
【作用】本発明のトンネルトランジスタにおいては、高
濃度で急峻な不純物プロファイルを有する半導体表面の
形成ができるため、電圧印加によるトンネル接合部の移
動が起こらず、急峻な立ち上がりの電流−電圧特性を実
現することが可能となる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。
【0013】図1は本発明の実施例の層構造を示す模式
図である。図1において図3と同じ記号は図3と同等物
で同一機能を果たすものである。本実施例においては、
基板1上に第1の半導体2,第2の半導体3および第3
の半導体4が層構造として形成されている。ゲート絶縁
膜5およびゲート電極6はこれらの層構造の一部露出し
た表面に形成されている。ソース電極7は露出した第2
の半導体3の表面に、ドレイン電極8は第3の電極表面
に形成されている。このような構造のため、第1の半導
体2と第3の半導体4は結晶成長によって形成すること
が可能であり、高濃度で急峻なドーピング分布が容易に
実現できる。
【0014】図2(A)〜(D)は本実施例の製造方法
を示す製造工程図である。(A)は基板上に第1の半導
体,第2の半導体および第3の半導体を積層する工程、
(B)はエッチングにより第2の半導体の側面を露出さ
せる工程、(C)は第2の半導体の側面に絶縁層および
ゲート電極を堆積する工程、(D)は第1の半導体およ
び第2の半導体の表面にソース電極およびドレイン電極
を形成する工程である。この本実施例の製造方法につい
て、基板1に半絶縁性GaAs、第1の半導体2にアン
ドープGaAs、第2の半導体3にn-−GaAs、第
3の半導体4にp+−GaAs、絶縁膜5にアンドープ
Al0.5Ga0.5As、ゲート電極6にAl、ソース電極
7にAuGe、ドレイン電極8にAuZnを用いて説明
する。
【0015】まず、結晶成長方法に分子線エピタキシー
(MBE,Molecular Beam Epita
xy)を用い基板温度520℃において、GaAs基板
上に5000オングストロームのn+−GaAs(Si
=6×1018cm-3),2000オングストロームのア
ンドープGaAs、3000オングストロームのp+
GaAs(Be=5×1019cm-3)を成長する。次に
リソグラフィとエッチングによりドレイン領域をメサ形
状に残し、n+−GaAsの一部を露出させる。有機洗
浄によるクリーニングを行った後、再び基板をMBE装
置に導入し、形成した構造表面に500オングストロー
ムのアンドープAl0.5Ga0.5Asを再成長させる。M
BE装置から取り出した後、Alを蒸着し、Alおよび
Al0.5Ga0.5As層をゲート電極形状にエッチングす
る。リフトオフによりAuGeをn+−GaAsに形成
し、アロイすることでソース電極とする。最後に、リフ
トオフによりドレイン電極であるAuZnをp+−Ga
As上に形成し、トンネルトランジスタ構造の作製を完
了する。
【0016】この製造方法により作製されたトンネルト
ランジスタの構造においては、絶縁膜下のドーピングの
種類や濃度の異なる第1の半導体2,第2の半導体3及
び第3の半導体4が結晶成長により層構造として形成さ
れているため、急峻なドーピング分布が容易に実現でき
る。このため、従来構造よりも急峻な立ち上がりの電流
−電圧特性を実現することができた。
【0017】以上の本発明の実施例では、ゲート電極形
成部がメサ構造のものしか示さなかったが、ここが垂直
あるいは逆メサ構造であってもかまわない。また、結晶
成長方法としてMBEしか示さなかったが、MOCVD
(Metal Organic Chemical V
apor Deposition)法など他の方法でも
良い。第1から第3の半導体としてGaAsしか示さな
かったが、これらの層はSi,Ge,InP,InGa
As,GaSb,InAsなど他の半導体でも本発明が
適用できることは明かである。また、これらの半導体層
はホモ接合だけではなくへテロ接合でも良い。ここでは
絶縁層として半導体を用いたが、SiO2,Si34
どの絶縁体であっても良く、その堆積方法はCVD法や
スパッタ法などでも良いことは言うまでもない。
【0018】
【発明の効果】本発明のトンネルトランジスタの構造及
びその製造方法により、急峻な立ち上がりの電流−電圧
特性を実現することができ、低電圧動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のトンネルトランジスタの実施例を示す
構造図である。
【図2】本発明のトンネルトランジスタの製造方法の実
施例を示す製造工程図である。
【図3】従来のトンネルトランジスタの構造図である。
【図4】従来の製造工程図である。
【符号の説明】
1 基板 2 第1の半導体 3 第2の半導体 4 第3の半導体 5 絶縁層 6 ゲート電極 7 ソース電極 8 ドレイン電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上の一部に、一導電型を有する縮退し
    た第1の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前
    記第1の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半
    導体との積層構造を有し、少なくとも前記第2の半導体
    の露出表面に、前記第2の半導体よりも禁止帯幅が広い
    材料からなる絶縁層とこの絶縁層上の電極とを有し、前
    記第1の半導体と第3の半導体にそれぞれオーミック接
    合を形成する1対の電極を有することを特徴とするトン
    ネルトランジスタ。
  2. 【請求項2】基板上に、一導電型を有する縮退した第1
    の半導体と、縮退していない第2の半導体と、第1の半
    導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導体とを積
    層し、エッチングにより第2の半導体の一部を露出さ
    せ、露出表面に第2の半導体よりも禁止帯幅が広い材料
    からなる絶縁層を堆積し、第2の半導体の露出表面の絶
    縁層上にゲート電極を形成し、第1の半導体と第3の半
    導体にそれぞれソース電極,ドレイン電極を形成するこ
    とを特徴とするトンネルトランジスタの製造方法。
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