JPH02177332A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH02177332A
JPH02177332A JP63334814A JP33481488A JPH02177332A JP H02177332 A JPH02177332 A JP H02177332A JP 63334814 A JP63334814 A JP 63334814A JP 33481488 A JP33481488 A JP 33481488A JP H02177332 A JPH02177332 A JP H02177332A
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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) 本発明は超高周波および超高速で動作する新規な半導体
装置に関する。
(発明が解決しようとする問題点) 従来、超高周波および超高速で動作する半導体装置とし
て、例えばサイエンスフォーラム刊行(昭和61年)化
合物半導体デバイスハンドブックにあるように、GaA
s等化合物半導体を用いたショットギゲート電界効果ト
ランジスタ(MESFET)やn−AlGaAs/Ga
Asヘテロ接合を用いた2次元電子ガスFETが用いら
れている。しかしながら、これらのFETでは、電流駆
動能力の小さいことや比較的大きなソース抵抗が、高周
波特性やIC特性を制限する要素になっている。例えば
MESFETではチャネルの高キヤリア密度化がゲート
耐圧の低下で制限されること、2次元電子ガスFETで
は最大の2次元電子密度が小さいことにより電流駆動能
力が小さいのが現状である。また2次元電子ガスFET
ではAlGaAsはn型ドープされるためいわゆるDX
センターなるトラップが多いために、冷却すると電子密
度が低下したり特性の不安定性がおきるため大きな問題
となっている。
本発明はかかる従来のFETの問題点を解決し、さらに
はより高性能を実現する新規な超高周波・超高速半導体
装置、更には光電子集積回路を提供するものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、高抵抗基板上にアンドープの第1の半
導体層および第1の半導体層より電子親和力の小さいア
ンドープの第2の半導体層が形成され、該第1の半導体
層にソース電極、第2の半導体層上に正孔の注入電極と
ゲート電極、および第1の半導体層にドレイン電極が順
次形成された半導体装置が得られる。また高抵抗基板上
にアンドープの第1の半導体層および@1の半導体層よ
り電子親和力とバンドギャップの和の大きいアンドープ
の第2の半導体層が形成さ汽、第1の半導体層にソース
電極、第2の半導体層上に電子の注入電極とゲート電極
、および第1の半導体層にドレイン電極が順次形成され
た半導体装置が得られる。
(作用) 第1の発明によれば正孔注入電極からアンドープの第2
の半導体層および$1の半導体層中に正孔が注入される
。第2および第1の半導体層には電気的中性を保つため
、電子が誘起される。この電子はより電子親和力の大き
い第1の半導体層側に蓄積されチャネル層が形成される
。このチャネル層の電子密度は正孔の注入量によって制
御できるので、容易に電流駆動能力が大きくできる。か
つこのチャネルの電流は注入電極よりドイレン側に設け
られた容量の小さいゲート電極で制御できるので、超高
周波超高速動作に優れ、また多様な機能をもたせること
ができる。また第2の発明によれば第1の半導体より電
子親和力とバンドギャップの和の大きい第2の半導体層
を用い、電子の注入電極から電子を注入することにより
、チャネル層に正孔を誘起して、使うこともできる。
さらに、基板側に電子親和力が小さく、電子親和力とバ
ンドギャップの和の大きい半導体層を設ければ電子及び
正孔のバリアとして働くので、正孔及び電子の基板側へ
の放逸が防止され、チャネル層におけるキャリアの蓄積
効果を高められる。
第3の発明によれば、注入および誘起された正孔および
電子の再結合発光を利用して発光素子を成し、誘起され
たチャネルのドレイン側への流れをゲート電極で制御し
て、該再結合発光量を変調でき、発光およびその駆動集
積素子を形成できる。
(実施例1) 以下実施例に基いて本発明の半導体装置の動作について
説明する。第1図は本発明の1実施例を示す構造断面図
である。11は高抵抗基板、例えば半絶縁性GaAs基
板、12はアンドープの第1の半導体層例えばp”−G
aAs(キャリア密度〜1刈Ocm  )、13はアン
ドープの第2の半導体層、例えばGaAsより0.3e
V電子親和力の小さいn −AIo3Gao7As(キ
ャリア密度〜lXl0 cm  )、14.15はそれ
ぞれソースおよびドレインオーム性電極、16はp半導
体層例え〜2X10 cm  )、17は金属電極、例
えばAIで、16および17で正孔注入電極を成す。1
8はゲート電極、例えばAl電極である。この本発明の
半導体装置の動作は次の様である。図中に示した様に、
ソース電極を接地し、バイアス電圧として正孔注入電極
17およびドレイン電極に正の電圧が印加される。
まず正孔注入電極から正孔が半導体層に注入されると、
該半導体層は、アンドープ層であるので電荷中性を保つ
様に電子が誘起される。ただし電子は電子親和力の大き
い第1の半導体層側に蓄積される。正孔の注入量をどん
どん増加するとそれに従って電子の蓄積も増大するため
、正孔注入電極からソース電極にかけて極めて多量のキ
ャリアが蓄積され、かつ極めて低抵抗な状態が実現され
る。蓄積された電子はドレインに印加された正電圧によ
って加速されドレイン電流として流れるが、この電流は
すなわち第2の半導体層を実質的な絶縁層とした絶縁ゲ
ート型のゲート電極18によって制御できる。本装置の
特徴は最大ドレイン電流は正孔の注入量すなわち電fl
!17への印加バイアスで、電流変化は電極18で独立
に制御できる点にある。高周波高速動作の面では、正孔
注入電極自体は充分順方向にバイアスされるため容量が
大きいが、制御信号が入力されるゲート電極は絶縁ゲー
ト型で容易が小さく極めて有利である。なおソース抵抗
は上述のように極めて小さくなるが、正孔の注入電極を
例えばコンデンサ19を用いて高周波的に接地すれば、
それが実質的にソースとなり更に有利である。なおゲー
ト電極下の第2の半導体層の厚みは他の領域と同じでな
くとももちろん良く、エツチング等により薄くすること
も可能である。
(実施例2) 電子を注入し正孔をチャネルとするもので、例えば、基
板として半絶縁性InP基板、第1の半導体層としてI
nGaAs、第2の半導体層としてInGaAsより電
子親和力とバンドギャップの和の大きい、すなわち価電
子帯のエネルギーの小さいAlInAs、電子の注入電
極として、n ’−AIInAs層とTi等の金属電極
が用いられる。この場合は電子の注入により正孔が誘起
されるが、正孔のエネルギーレベルの小さい第1の半導
体層のInGaAsに正孔が蓄積される。
(実施例3) 正孔あるいは電子の注入電極として第2の半導体層上に
SiO等の薄い絶縁膜を介して金属電極を形成したもの
を用いることができる。
(実施例4) 第2図に本実施例の構造断面図を示す。ここでは、実施
例1あるいは2において、第1の半導体層の基板側に更
に第1の半導体層より電子親和力が小さく、かつ電子親
和力とバンドギャップの和の大きい第3の半導体層21
を設けたものである。この半導体層は第1の半導体層の
電子および正孔の両方に対してバリアとして働くので、
注入された正孔あるいは電子の基板側への散逸を防ぐと
ともに誘起された電子あるいは正孔のチャネルのコンフ
ァインメントを改善し、キャリアの蓄積効果を飛躍的に
高めることができる。第3の半導体層としては例えば第
1の半導体層がGaAsではアンドープのAlGaAs
、第1の半導体層がInGaAsではアンドープのA1
1nAs等を用いることができる。
(実施例5) 本発明の別の機能をもった実施例は、実施例4において
、正孔あるいは電子注入電極とソース電極の領域でレー
ザダイオードあるいは発光ダイオードを形成し、その光
出力をゲート電極で制御するものである。
この実施例の一例の素子構造の斜視図を第3図に示す。
ソース電極14、正孔注入電極17およびドライエツチ
ング等により表面に垂直に形成された端面ミラー33に
よりレーザダイオードか形成される。ここで31および
32はそれぞれ正孔注入電極のポンディングパッド、ゲ
ート電極の電極パッドであり第3の半導体な21のアン
ドープのAlInAs/J上あるいはGaAs基板工基
板工形上される。これは例えばエアーブリッジによって
正孔の注入電極17およびゲート電極18に接続される
。他の各半導体層は実施例4と同じく第1の半導体層1
2にアンドープGaAs、第2の半導体層13にアンド
ープのAlGaAs、+ p半導体層16にp GaAsを用いることができる。
また長波長帯レーザを構成する場合には、第1の半導体
層12としてInGaAsPを用い、例えば第2の半導
体層13および2層16にAlInAsを、第3の半導
体層21および基板11として、InPを用いることが
できる。
実施例4と同様注入された正孔(電子)と誘起電子(正
孔)がコンファインメントされるため正孔(電子)注入
電極下からソースにかけて再結合による高効率な発光が
とり出せる。ここで誘起電子はドレインへ加速、走行す
るがゲート電極でドレイン電流を抑える、すなわち誘起
電子のドレインへの走行を抑えれば再結合が増加し、発
光出力を増大することができる。すなわち光出力をゲー
ト電圧で制御できる。通常のレーザダイオードを直接変
調する方法ではダイオードの容量が大きいため、高速動
作が難しいが、本実施例では容量の小さいゲート電極で
光出力をも制御できるため極めて高速な変調ができる大
きなメリットがある。更に以上の説明からおよび第3図
から分かる様に、極めて簡単な構造で発光、およびその
駆動・変調集積素子を実現できる。
本発明において、第27第1ノ第3の半導体の組合せと
して、電子チャネルの場合、 AlGaAs/GaAs/AlGaAs、Ga丁nPあ
るいはAlGaAs/GaAs/AlGaAs、GaA
s/GaInAs/AlGaAs、A1.InAs/G
aInAs/AlInAs、InP/GaInAs/I
nP、AlInAs/GaInAsP/InP、InP
/GaInAsP/InPなど、正孔チャネルの場合、
AlGaAs/GaAs/AlGaAs、GaInP/
GaAs/AIGaInPJnP/GaInAs/In
P、GaAs/Ge/AlGaAsなどのIILV族、
■族はもとよりIf−Vl族でも良いし、要するに電子
または正孔の注入か可能でかつ電子親和力とバンドギャ
ップの和が請求項(1)、(2)及び(3)に記載した
条件を満たせば、いかなる材料でも良い。また電子や正
孔の注入が絶縁膜を介して行なわれても良い。
多様のものを用いることができる。
(発明の効果) 以上本発明によれば、高性能な超高周波超高速半導体装
置、超高速光・電子回路を実現でき、無線通信装置、光
通信装置等の高性能化、高機能化に寄与する所極めて大
である。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の実施例の構造断面図、第
3図は本発明の他の実施例の構造の斜視図である。ここ
で11は高抵抗基板、12は第1の半導体層、13は第
2の半導体層、14はソースti+、15はドレイン電
極、16はp半導体層、17は正孔注入用の金属電極、
18はゲート電極、19はコンデンサ、21は第3の半
導体層、31は正孔注入電極パッド、32はゲート電極
バッド、33はレーザ用の端面ミラーである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)高抵抗基板上にアンドープの第1の半導体層およ
    び第1の半導体層より電子親和力の小さいアンドープの
    第2の半導体層が形成され、該第1の半導体層にソース
    電極が、第2の半導体層上に正孔の注入電極とゲート電
    極とが、および第1の半導体層にドレイン電極が順次形
    成された半導体装置。
  2. (2)高抵抗基板上にアンドープの第1の半導体層およ
    び第1の半導体層より電子親和力とバンドギャップの和
    の大きい第2の半導体層が形成され、該第1の半導体層
    にソース電極が、第2の半導体層上に電子の注入電極と
    ゲート電極とが、および第1の半導体層にドレイン電極
    が順次形成された半導体装置。
  3. (3)第1の半導体層の基板側に、第1の半導体層より
    電子親和力が小さく、かつ電子親和力とバンドギャップ
    の和の大きい第3の半導体層を設けたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項および第2項記載の半導体装置。
  4. (4)特許請求の範囲第3項記載の半導体装置において
    、正孔あるいは電子の注入電極とソース電極の領域でレ
    ーザダイオードあるいは発光ダイオードを成し、該ダイ
    オードの光出力をゲート電極で制御可能なように接続さ
    れてあることを特徴とする半導体装置。
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