JPS63173A - 高速半導体装置 - Google Patents

高速半導体装置

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JPS63173A
JPS63173A JP61143803A JP14380386A JPS63173A JP S63173 A JPS63173 A JP S63173A JP 61143803 A JP61143803 A JP 61143803A JP 14380386 A JP14380386 A JP 14380386A JP S63173 A JPS63173 A JP S63173A
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Shunichi Muto
俊一 武藤
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor 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
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/36Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the concentration or distribution of impurities in the bulk material
    • H01L29/365Planar doping, e.g. atomic-plane doping, delta-doping
    • HELECTRICITY
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    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/20Permanent superconducting devices
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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】 〔概要〕 プレーナドーピングによる近接した電子層および正孔層
からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或いは正孔層の
一方にソース、ドレインの選択電極を設け、更にこの層
のキャリアの濃度を制御電極により制御するようにした
高速半導体装置。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、比較的高い温度で動作することができる超伝
導トランジスタの構造に関する。
〔従来の技術〕
従来、超伝導現象は、液体ヘリウム温度程度の極低温で
観察され、これを利用したデバイスは極低温に冷却する
必要があり、超伝導デバイスを利用するのに困難性があ
った。そして、実用レベルでは超伝導を用いたトランジ
スタは存在しない。
研究段階では、電界効果型トランジスタへの超伝導のし
みだし効果を用いたもの、ジョセフソン接合による電子
の注入を用いたものがある。いずれも通常のBCS論理
による超伝導現象を用いたものである。
ところで、最近、電子と正孔ペアの合成粒子による超伝
導機構により、比較的高い温度で超伝導効果が得られる
ことが提唱され、液体ヘリウムより高い温度でも超伝導
が起ることがわかってきた(Yu、E、Lozovik
 and V、 1. Yudson : 5olid
 StateCommunications 19  
(1976) pp、 391〜393参照)。電子−
正孔対における超伝導現象は、従来のBC3論理により
記述されるものとは全く異なり、論理的には液体窒素温
度以上乃至室温でも超伝導現象が期待される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、これまで電子−正孔対超伝導機構につい
ては、単に現象的な検討が行なわれたのみであり、これ
までトランジスタ等の素子は実現されていない。
そこで、本発明の目的は、電子−正孔対超伝導機構を利
用したトランジスタの構造を実現することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、プレーナドーピングによる近接した電子層お
よび正孔層からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或い
は正孔層の一方に選択的にオーミック接触するソースお
よびドレインの選択電極を備えるとともに、更に該電子
層または正孔層のキャリアの濃度を制御する制御電極を
備えることを特徴とする高速半導体装置を提供する。そ
して、更に前記電子層または正孔層のうち、ソースおよ
びドレインの選択電極がオーミックに接触する層のドー
ピング濃度をn1、他方の層のドレイン濃度をn2とす
るとき、n 1 < n 2としてなることを特徴とす
る高速半導体装置を提供する。
〔作用〕
本発明の原理および作用を、第2図に示した実施例のエ
ネルギバンド構造図を用いて説明する。
第2図において、GaAs層1および5の間に絶縁性の
AlAs薄層4が介在した層構造となっており、GaA
s層 Aj! As界面近傍3にn型不純物がプレーナ
ドーピングにより導入され、 AlAs/ GaAs界
面近傍2にn型不純物が同様にプレーナドーピングによ
り導入されている。そして、界面2.3にそって2次元
的なチャネル(以下電子層3または正孔層2という)が
形成され、絶縁性のAlAs薄層を挾んで2次元電子ガ
スおよび2次元正孔ガスが形成されている。この第2図
の電子層3と正孔層2の形成過程を説明すると、3のn
型不純物のプレーナドーピング層からの電子が2のn型
不純物のプレーナドーピング層に拡散してアクセプタを
埋めことにより、3のn型プレーナドーピング層のドナ
ーはイオン化し、それにより3の層の伝導帯の端が曲り
、エネルギレベルが低下する。−方2のp型プレーナド
ーピング層の価電子帯のエネルギレベルが上昇する。そ
れに伴い、電子の遷移を妨げる向きに電界が発生する結
果ある所で平衡状態となる。第2図はこの平衡状態を示
してあり、3のn型プレーナドーピング層の伝導帯の端
のエネルギレベルはフェルミレベルEFより低下してい
る。−方、2のp型プレーナドーピング層の価電子帯の
エネルギレベルは上昇し、フェルミレベルより上になっ
ている。ここで、3のn型プレーナドーピング層の不純
物濃度は十分高いから、この平衡状態においても、完全
に空乏化することなくキャリアが残っており、電子層を
構成する。−方、2のp型プレーナドーピングN2は、
正孔層を構成する。
この電子層の2次元電子ガスと正孔層の正孔ガスが絶縁
性の薄FiAffiAsを挾んで存在することにより、
電子と正孔対による合成粒子が得られ、超伝導となる。
ところが、この超伝導により、電子と正孔は同一方向に
運動し、全体として電流はキャンセルされるため、電子
と正孔対による合成粒子による超伝導を利用して、トラ
ンジスタを得るには、電子または正孔の一方のみを取出
さなければならない。
そこで、本発明においては、2次元電子ガスまたば正孔
ガスのみにコンタクトする選択電極を設け、電子または
正孔の一方のみを取出すようにしている。
しかしながら、なお、電子−正孔対超伝導機構によるト
ランジスタを得るのに問題が残る。
その理由は、例えば、2次元電子ガスにコンタクトする
選択電極を形成し、電子を取出す構成にした場合で考え
ると、正孔層には電極が形成されず正孔流が取出されな
いため、正孔が正孔層内に局所的に滞留し、正孔層内に
電界が発生し、正孔流を妨げる。そのため、電子−正孔
対超伝導が起り難くなる。そこで、本発明においては、
電子層と正孔層のドーピングに差をつけ、選択電極によ
りチャネル外に取出さない方のドープ量を大きくする構
成とし、選択電極が形成されない方の層のキャリアの流
れを増大できるようにして、選択電極が形成される方の
層のキャリアの流れと整合させて、上記キャリアの局所
的滞留を防止している。
その構成により、電子−正孔対超伝導機構による超伝導
を実現でき、トランジスタ動作が可能な素子が提供可能
になる。
〔実施例〕
以下に、図面を用いて本発明の詳細な説明する。
第1A図には本発明の実施例のトランジスタの要部断面
構成を示してあり、また、第1B図には実施例の電流径
路を示し、さらに、第2図には実施例のトランジスタの
ゲート電極直下のバンド構造が示しである。 第1A図
において、各層は以下の如くである。
1・−半導体絶縁性(S I ) GaAs基板1′−
ノンドープGaAs層(バッファ層)2−・p” −G
aAsプレーナドープ層Be(ベリリウム)ドープ、ド
ーピング濃度2)OX 11013a″″2 11・−ノンドープGaAs層 厚味5人 4−・−ノンドープ iAs層 厚味90人 12− ノンドープGaAs層 厚味5人 3−−− n ” −GaAsプレーナドープ層Si(
シリコン)ドープ、ドーピング濃度1、I X IQI
3cai−2 5・−n −GaAs層 Siドープ、ドーピング濃度I X IQ” am−3
厚味300人 なお、以上の各半導体層は、MBE<分子線エピタキシ
ャル成長法)またはMOCVD (有機金属気相成長法
)等を用いて形成することができる。
次に、電極領域は以下のように形成されている。
6−ゲート電極(Aj?デポジション)7.8−一一ソ
ース、ドレイン電極 AuGe/^Uをデポジション後、合金化9.10−m
−選択電極形成用イオン注入領域注入イオンSe(セレ
ン)、注入濃度 ピーク濃度で5x 10111 cm−’次に、本発明
の実施例のトランジスタ動作について説明する。
3のn ” −GaAsプレーナドープ層(Stドープ
層)からの電子のうち、I X 1013 am−2は
2のp++−GaAsプレーナドープ層(Beドープ層
)のアクセプタを埋めるためにフリーキャリアとはなら
ない。したがって、n ” −GaAsプレーナドープ
層3に1×10I2cf11″″2の電子、2のp” 
−GaAsプレーナドープ層にI X 10” elm
−2の正孔がメ¥れフリーキャリアとして残る。これら
、2つの層は、100人のノンドープ層、即ちノンドー
プGaAs層11,12(厚味各5人)と4のノンドー
プiAs層(厚味90人)により隔てられるために、先
に述べた電子−正孔対超伝導機構によって、低温下で超
伝導となる。超伝導領域は、選択電極形成用のイオン注
入領域9,10を除く部分である。 この超伝導により
、電子と正孔は同一方向に運動し、全体として電流はキ
ャンセルされるため、そのままではトランジスタ動作が
できないため、ソース、ドレインの選択電極9.10に
より、電子による電流のみを取出す。そして、この電子
の濃度は、ゲート電極6により、5のn −GaAs層
領域での空乏層をコントロールすることにより制御され
る。
以上の実施例において、n ” −GaAsプレーナド
ープ層3と、2のp”  GaAsプレーナドープ層の
ドーピング濃度に差をつけて正孔濃度の方を増すように
している理由をさらに詳しく説明する。
もし、2の電子層と3の正孔層の電子流と正孔流とが同
じであったとすると、電子層3の電子はドレインの選択
電極により外部回路に取出され、再びソースの選択電極
を介して電子チャネル3に戻るという閉ループを形成す
るのに対して、正孔チャネル2には電極が形成されてい
ないため、正孔チャネル2内のパスを流れるのみである
から正孔はドレインの選択電極近くに滞留することにな
る。
それにより正孔の流れを阻害する電界が正孔層内に発生
し、正孔の流れが阻害されることにより、電子−正孔対
合成粒子の他方の対の電子の数が減少し、超伝導でなく
なる。
そこで、本発明のように、正孔層2の正孔濃度を高くし
ておくと、正孔層2の正孔のうち、電子層3の電子数と
同じ数の正孔は電子−正孔対超伝導機構により超伝導化
する。そして、残りの曇亨傷−十曇墨曇正孔は正孔層・
3内のパスを常伝導で流れる。ここで、第1B図の電流
径路のように正孔層2内のパスを流れる正孔流りは常伝
導で流れる正孔層だけ従来例より流れ易くなるから、正
孔の局所的蓄積が少なくなり、電子−正孔対超伝導機構
による超伝導が阻害されることが防止される。
次に、本実施例において、プレーナドーピングを用いて
いる点を説明する。
電子層3および正孔層2のドーピングを通常のドーピン
グにより単に高濃度に行なうと、n層からp層に電子が
移ることによる空乏層のために、電子層と正孔層との距
離が大きくなり非常に低温でしか超伝導化しない。これ
に対して、本実施例のようにプレーナドーピングを行な
うと、ドーピング濃度が極高いので、空乏層は形成され
ず、絶縁層を挾んで発生する電子−正孔対超伝導機構に
より超伝導が起るのである。なお、上記において、ソー
ス、ドレインの選択電極を形成する層を電子層としたが
、正孔層にソース、ドレインの選択電極を形成するよう
にして、正孔層と電子層のドーピング濃度を電子層の方
が高くなるようにしても良い。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、プレーナドープにより
電子層および正孔層を絶縁層を挾んで形成し、且つ選択
電極により、電子層または正孔層に選択的にオーミック
コンタクトし、電子流または正孔流の一方を取出すこと
により、電子−正孔対超伝導効果を用いたトランジスタ
を実現できる。
また、電子−正孔対超伝導機構を利用したトランジスタ
の正孔の蓄積(正孔流を取出す場合は電子の蓄積)を、
電子層と正孔層にドーピング濃度差をつけることにより
、防ぐことができ、電子−正孔対超伝導機構を利用した
高速なトランジスタを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1A図は本発明の実施例の断面図、第1B図は実施例
の電流径路の説明図、第2図は実施例のエネルギバンド
図である。 1−半導体絶縁性(S I ) GaAs基板11−ノ
ンドープGaAs層 2−・p ” −GaAsブレーナドープ層3−−− 
n ” −GaAsプレーナドープ層4−ノンドープG
aAs層 5−−− n −GaAs層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)プレーナドーピングによる近接した電子層および
    正孔層からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或いは正
    孔層の一方に選択的にオーミック接触するソースおよび
    ドレインの選択電極を備えるとともに、更に該電子層ま
    たは正孔層のキャリアの濃度を制御する制御電極を備え
    ることを特徴とする高速半導体装置。
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載の高速半導体装置にお
    いて、 前記電子層または正孔層のうち、ソースおよびドレイン
    の選択電極がオーミックに接触する層のドーピング濃度
    をn_1、他方の層のドレイン濃度をn_2とするとき
    、 n_1<n_2 としてなることを特徴とする高速半導体装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63175471A (ja) * 1987-01-16 1988-07-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体装置
EP0331527A2 (en) * 1988-03-03 1989-09-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Superconductive transistor
EP0828296A2 (en) * 1996-09-03 1998-03-11 International Business Machines Corporation High temperature superconductivity in strained Si/SiGe

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JPH0770705B2 (ja) 1995-07-31

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