JPH0480963A - 半導体装置 - Google Patents

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） 本発明は電子波の干渉効果を利用した半導体装置の構造
に関わり、特にその作製方法を容易にすることを可能と
する半導体装置の構造に関する。

（従来の技術） 第６図は従来技術による半導体装置の素子構造図である
。このような半導体装置は、古屋によってジャーナル・
オブ・アプライド・フイズイクス（Ｊ、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、）、第６２巻、第４号、１４９２頁、１９８
７年に報告されている。図に於いて、６０はｎコレクタ
層、６１は＋ ｐコレクツ層、６２は面内超格子層（グレーテイング層
）、６３はｐベース層、６４はｐエミッタ・バリア層６
５はｎエミツタ層、６６はエミッタ電極、６７は接地電
極、６８はベース電極、６９はアブゾーバ電極、７０は
コレクタ電極である。面内超格子層６２は電子親和力の
異なる二種類の材料が面内方向に一定の周期で交互に配
列された構造によって形成されている。このような面内
超格子層は面を貫く方向に入射する電子に対して光に於
ける回折格子と同様な働きをするため、グレーテイング
層と呼ばれる。

第６図に示した半導体装置のエミッタ電極６６からｎコ
レクタ層６０に向かう直線上のポテンシャル・プロファ
イルを第７図に示す。エミッタバリア層６４を越えて注
入された電子はグレーテイング層６２によってコレクタ
層６０に到達する透過成分と到達しない回折成分に分離
される。回折成分はアブゾーバ電極６９に吸収され、コ
レクタ電極７０には透過成分だけが流れる。グレーティ
ング周期数が十分大きい場合にはグレーティングに直入
射した電子は次式で与えられる角度φに回折される。

λ８ φ＝　ａｒｃｓｉｎ（−）　　　　　　　　　　　　（
１）ここで、ｄはグレーティングの周期、λは電子のド
・ブロイ波長である。回折角φは電子波長λ−二関する
周期関数となるので、λを変えることに依って回折角、
即ち、実行的なコレクタ到達率（α）を変調することが
出来る。ここで、λは入射電子の注入エネルギーＥ、８
の関数として下式のように与えられる。

ｒｕ 二こで、ｈはブランク（Ｐｌａｎｃｋ）定数、ｍ”は電
子有効質量である。したがって、ベース電位を変えてＥ
ｉｎｊを変えることに依って、コレクタ到達率αを変調
することが可能となる。

（発明が解決しようとする課題） このような構造の半導体装置に於て十分な電子速度を得
るためには、電子のドブロイ波長λは数百Å以下になり
、グル−ティングの周期もλ程度共下、即ち、数百Å以
下にする必要がある。故に、数百穴程度の周期を有する
グレーテイング層６２をコレクタ層６１とベース層６３
の間に作り込む必要がある。しかも電子波の干渉効果を
起こさせるためには、ベース・グレーティング界面、グ
レーティング・コレクタ界面、グレーティング内に於て
電子の散乱を生じるような格子欠陥の無い完全な結晶を
得ることが必要不可欠になり、このような面内超格子の
埋め込み構造を実現することは現在の加工技術ではきわ
めて困難である。

更に、このような構造の半導体装置に於て電子波回折を
おこさせるためには、電子波を制御する領域の大きさを
電子の位相コヒーレント長り以下φ にする必要がある。即ち、ｎコレクタ層６１、グレーテ
イング層６２、ｐバー２層６３を合わせた領域全体はＬ
程度以下の大きさの中に作られねばならφ ない。ここで、Ｌは温度と電子移動度にかなり依存する
が、ｎ形ＧａＡｓのり、は４．２Ｋに於て０．１．４ｍ
程度、７７にでは０．０１μｍ程度である。即ち、１０
０人程度以下の膜厚及び底面積を有する多層構造に於て
ベース層６３とコレクタ層６１をエツチングに依って露
出させ、それらにコンタクトをとる工程が必要になり、
これも困難である。

本発明は単純な構造に依って電子波干渉効果を実現する
ことにより、その作製を容易にすることを可能にする半
導体装置の構造を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体装置は、半導体基板上にノンドープチャ
ネル層とｎ型不純物がドープされたキャリヤ供給層が順
次積層された半導体層構造の表面には、ソース電極、ド
レイン電極、ゲート電極が設けられ、前記半導体基板の
裏面にはショットキー電極が形成された半導体装置であ
って、前ｇ己ゲート電極は電子のド・ブロイ波長程度の
周期をもって配列された点電極がエアブリッジによって
接続された構造であると共に、各々の点電極の前記半導
体層との接触面は電子の非弾性散乱長で囲まれた大きさ
以下であることを特徴とする。

（作用） 埋め込み超格子構造は作製が困難であるばかりでなく、
例えば、エピタキシャル成長→エツチング→再成長とい
う作製プロセスを必要とするため、現在の加工技術では
電子波のコヒーレント状態を壊すような格子欠陥のない
良好な結晶を得ることは殆ど不可能である。もし半導体
表面に形成されたショットキー電極を介して電子の走行
する領域に超格子状のポテンシャルを実現することがで
きれば、このような困難は回避できるであろう。そのた
めの方法として考えられるのは、半導体装置の構造とし
て２次元電子ガス電界効果トランジスタ（２ＤＥＧＦＥ
Ｔまたは、ＨＥＭＴ）構造をとり、周期的に配列された
点状のショットキー電極によってチャネルを空乏化する
ことである。こうすることに依って２次元電子ガス（２
ＤＥＧ）の海に空乏層の島が一定間隔の周期をもって並
んだ状態が実現できる。

ここで、電子蓄積領域と空乏化領域とが交互に並ぶゲー
ト直下のチャネルとポテンシャル、バリア領域の周期構
造を構成するので、これは２ＤＥＧに対する１次元状の
グレーティングとして働く。ここでグレーティングの周
期は電子波長と同程度の数百人各々の点電極のサイズと
しては底面積が１００　Ｘ　１００Ａ程度かそれ以下で
あればよい。２ＤＥＧの非弾性散乱長りは７７Ｋに於て
もＩＡｔｍ程度と長いたφ め、この点電極のサイズは理想的な電子波干渉効果を得
るためには十分小さいものである。また、キャリヤ供給
層とチャネル層の界面にノンドープスペーサ層を挿入す
れば、弾性散乱（イオン化不純物散乱）の影響も排除で
きる。

次に、電子波長只の変調の方法について述べる。従来技
術ではベース層とエミツタ層間の中間にエミッタ・バリ
ヤ層を設けて接地電極を介してエミッタバリア層の電位
を変えることに依ってグレーティングに注入される電子
のド・ブロイ波長を変調していた。本発明のようなＦＥ
Ｔ構造では、グレーティングを通過する電子流（＝電子
数×電子速度）のエネルギースペクトルはフェルミレベ
ル近傍で急峻なピークをとるので、伝導に関与する電子
はフェルミエネルギーＥＦに相当するド・ブロイ波長を
有すると見なしてよい。但し、ドレイン・ソース電圧■
によって加速されるので、電子の注入エネルｓ ギーはＥＦ７′ｊけでなく■にも依存することになり、
ｓ フェルミレベルはシート電子濃度ｎの関数であるので、
本発明による半導体装置ｎを変えることに依って電子波
長を変調することが出来る。ここでは、ゲート電極は１
次元グレーティングを構成するために用いているので、
基板側にバックゲート電極をとり、基板電位を変えるこ
とによって容易に電子波長を変調することが可能である
。

また、従来技術による半導体装置は半導体層に垂直な方
向に電子が流れるいわゆる縦型トランジスタ構造である
ので、１ｏｏＡ程度のサイズの多層構造の各半導体層に
コンタクトをとる工程が必要であった。本発明では、Ｆ
ＥＴ構造をとることにより、電極を表面からとれるため
に、このような困難も回避できる。

更に、キャリアとして高電子移動度の２ＤＥＧを用いる
ことにより、電子の平均自由行程及び、非弾性散乱長り
を著しく大きくできるので、素子寸法φ に対する微細化の制約が緩くなり、素子作製が更に容易
になる。言い換えると、同じサイズの素子を作製すれば
、従来よりも高温動作が可能になると考えられる。

（実施例） 第１図に本発明の実施例の半導体装置の素子構造を示す
。このような素子は以下の様にして作製される。ノンド
ープＧａＡｓ基板１上に、次のようなエピタキシャル層
構造、厚さ２０００ＡのノンドープＧａＡｓ層２、厚さ
１００人のノンドープＡｌｏ、２Ｇａｏ８ＡＳスペーサ
層（ドーピング濃度５Ｘ１０　／ｃｍ）５を順に成長す
る。

ノンドープＧａＡｓ基板１の裏面上には蒸着によりショ
ットキー電極（バックゲート電極）８を形成する。ｎ型
ＧａＡｓ層５上にはソース電極６Ｓ及びドレイン電極６
Ｄを蒸着により形成後、アロイ処理に依ってオーム性接
触をとる。また、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５を除いて形
成されたリセス部には電子ビーム露光法などにより、底
面積が２００　ｘ　２００Ａ程度の正方形であるショッ
トキー点電極を３００人間人間形成し、更にそれらショ
ットキー点電極をエアブリッジによって配線することに
よってゲート電極７を形成する。

第１図に示した実施例のゲート電極の長手方向に沿う面
内の素子断面図を第２図に示す。ゲートに負の電位を与
えた時には、図のように、ショットキー・ゲート電極と
接触する部分の直下に空乏化領域が存在し、ゲートに沿
ってチャネルと空乏層の周期構造が生じる。

第１図に示した実施例に於てドレイン・ソース間に正バ
イアスを、ゲート・ソース間に負バイアスを印加した時
のチャネル層（ノンドープＧａＡｓ層２とスペーサ層３
のへテロ界面）に於けるポテンシャルプロファイルを第
３図に示す。ゲート直下ではゲートの長手方向に周期ポ
テンシャルができ、１次元のグレーティングを構成する
。ソース・ゲート間及びドレイン・ゲート間では電子は
２次元的に振舞い、ゲート下では周期的に並んだポイン
トコンタクトを介して化学ポテンシャルがつながってい
る。第３図から容易に分かるように、ソース電極でフェ
ルミエネルギーＥＦを有する電子はゲート直下で以下の
ような運動エネルギーＥ９．をもつ。

ｒＩＪ ここで、７５ｇはバックゲート電極とソース電極間に印
加される基板電圧である。（１）式、（３）式、（４）
式から明らかなようにバツクゲート電圧ｖ、−変えるこ
とによって、電子波長丸、回折角度φを変調でき、故に
ドレイン到達率。を変えることができる。

第４図は本発明による半導体装置の動作状態を示す配線
図である。即ち、ソース接地において、ドレイン電極６
Ｄには正電圧Ｖｄｓを、ゲート電極７には負電圧Ｖを印
加する。ここで、ゲート電圧Ｖはグｇｓ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　ｇｓシレーィング構造を実現するためのものである。

基板電極８に与える電圧を■　とすると、Ｖ、ｇ（７）
変化ｇ によってシート電子濃度、即ち、電子波長λを変えるこ
とが出来る。（υ式から分かるように電子の回折角度φ
、即ち、ドレイン到達率。は電子波長λの周期関数とな
ることから、ドレイン電流Ｉ、は第５図のような電流・
電圧特性を示す。置屋が報告しているように、φがλ８
に関する急峻な関数になることから微小な電圧変化で大
きな電流増幅が得られることが期待され、きわめて高い
相互コンダクタンスが得られると考えられる。

以上の実施例では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系２ＤＥＧ
ＦＥＴを用いて、本発明を説明したが、本発明は勿論、
ＡｌＧａＡｓ／　ＩｎＧａＡｓ歪系やＡｌＩｎＡｓ／Ｇ
ａＩｎＡｓ系等、他の材料系の２ＤＥＧＦＥＴにも適用
可能である。

（発明の効果） 以上の詳細な説明から明らかなように、本発明によれば
単純な構造に依って電子波干渉効果を利用できる半導体
装置を実現でき、その作製が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例の素子構造を示す図、第２
図は実施例に於けるゲートに沿った面内の断面図、第３
図はチャネル層のポテンシャルプロファイル図、第４図
は本実施例の動作状態を示す配線図、第５図は本実施例
に於ける電流、電圧特性を示す図、第６図は従来技術に
よる半導体装置の素子構造を示す図、第７図は従来例に
於けるエミッタ・コレクタ間に於けるポテンシャルプロ
ファイル図である。 図に於いて、１・・・ノンドープＧａＡｓ層板、２・・
ノンドープＧａＡｓ層、３・・・ノンドープＡｌＧａＡ
ｓ層、４・−・ｎ型ＡｌＧａＡｓ層、５．・・ｎ型Ｇａ
Ａｓ層、６８．６Ｄ−・・オームｈ電極、７，８・・・
ショットキー電極、６０・・・ｎ型コレクタ層、６１−
ｐ型コレクタ層、６２・・・グレーテイング層、６３・
・・ｐ型ベース層、６４・・・ｐ型エミッタバリヤ層、
６５・・・ｎ型エミツタ層、６６・・・エミッタ電極、
６７・・・接地電極、６８０．。 ベース電極、６９・・・アブゾーバ電極、７０・・・コ
レクタ電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体基板上に順次積層された、少なくともノンドー
   プチャネル層とｎ型不純物がドープされたキャリヤ供給
   層とを有する半導体層構造と、該半導体層構造の表面に
   形成されたソース電極、ドレイン電極、ゲート電極と、
   前記半導体基板の裏面に形成されたショットキー電極と
   を備える半導体装置であって、前記ゲート電極は電子の
   ド・ブロイ波長程度の周期をもって配列された点電極が
   エアブリッジによって接続された構造であると共に、各
   々の前記点電極の前記半導体層との接触面は電子の非弾
   性散乱長で囲まれた大きさ以下であることを特徴とする
   半導体装置。