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JPS6048909B2 - Active semiconductor device and manufacturing method - Google Patents
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JPS6048909B2 - Active semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

Active semiconductor device and manufacturing method

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Publication number
JPS6048909B2
JPS6048909B2 JP56082067A JP8206781A JPS6048909B2 JP S6048909 B2 JPS6048909 B2 JP S6048909B2 JP 56082067 A JP56082067 A JP 56082067A JP 8206781 A JP8206781 A JP 8206781A JP S6048909 B2 JPS6048909 B2 JP S6048909B2
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JP
Japan
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layer
collector
electron affinity
semiconductor
emitter
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高志 三村
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/30Devices controlled by electric currents or voltages
    • H10D48/32Devices controlled by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H10D48/36Unipolar devices
    • H10D48/362Unipolar transistors having ohmic electrodes on emitter-like, base-like, and collector-like regions, e.g. hot electron transistors [HET], metal base transistors [MBT], resonant tunnelling transistors [RTT], bulk barrier transistors [BBT], planar doped barrier transistors [PDBT] or charge injection transistors [CHINT]

Landscapes

  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は能動的半導体装置とその製造方法と番−関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an active semiconductor device and a method and method for manufacturing the same.

特に、電子親和力を異にする半導体相h間のヘテロ界面
に発生するポテンシャルの差を科用してなす高速動作の
可能な能動的半導体装置とその製造方法とに関する。ア
ルミニユウムガリユウム砒素(AlGaAs)とガリユ
ウム砒素(GaAs)との間のヘテロ界面等、電子親和
力を異にする半導体相互間のヘテロ界面に発生するポテ
ンシャルの差を利用してなすダイオードは既に公知であ
る(BellLlbOratOriesRecOrd,
Sept,l98O,pp278)。その原理は、第1
図A,bに示す如く、例えば、ガリユウム砒素(GaA
s)層間にアルミニユウムガリユウム砒素(AlxGa
,−XAs)層を介在させそのX値を一方のヘテロ界面
から他方のヘテロ界面に向つて次第に変化させて、これ
に対応して、その電子親和力を次第に変化させておくと
、熱平衡状態におけるポテンシャル分布が図示の如く鋸
歯状となつてポテンシャルバリヤが形成され整流性が得
られることにある。順方向電圧と逆方向電圧とが夫々印
加された場合のポテンシャルダイヤグラムを、夫々、第
2図A,bに示す。本発明の目的は、電子親和力を異す
る半導体相;互間のヘテロ界面に発生するポテンシャル
の差を利用してなす高速動作の可能な能動的半導体装置
とその製造方法を提供することにある。
In particular, the present invention relates to an active semiconductor device that can operate at high speed by exploiting the difference in potential generated at a hetero-interface between semiconductor phases h having different electron affinities, and a method for manufacturing the same. Diodes are already known that are made by utilizing the difference in potential that occurs at the hetero-interface between semiconductors with different electron affinities, such as the hetero-interface between aluminum gallium arsenide (AlGaAs) and gallium arsenide (GaAs). There is (BellLlbOratOriesRecOrd,
Sept, 198O, pp278). The principle is the first
As shown in Figures A and b, for example, gallium arsenide (GaA
s) Aluminum gallium arsenide (AlxGa
, -XAs) layer and gradually change its X value from one heterointerface to the other, and correspondingly, gradually change its electron affinity, the potential in thermal equilibrium state As shown in the figure, the distribution becomes sawtooth-like, forming a potential barrier and providing rectification. Potential diagrams when a forward voltage and a reverse voltage are respectively applied are shown in FIGS. 2A and 2B, respectively. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an active semiconductor device capable of high-speed operation by utilizing the difference in potential generated at a hetero-interface between semiconductor layers having different electron affinities, and a method for manufacturing the same.

その構造の要旨は、(イ)例えばガリユウム砒素(Ga
As)のように電子親和力の大きな半導体より3なる層
(コレクタコンタクト層)と接触して、(口)例えばア
ルミニユウムガリユウム砒素(AlxGa,一XAs)
のように電子親和力の小さな半導体よりなる層(コレク
タ層)が形成されており、このコレクタ層の電子親和力
の値はコレクタコンタクト3:層と接触する部分おいて
最大であり、コレクタコンタクト層から離れるにしたが
い次第に減少するように、この例においてはアルミニュ
ウム(A1)含有量が次第に増加してX値が例えば0か
ら0.鍜度に増加しており、←→コレクタ層に接触40
して、極めて厚さの薄い、電子の自由行程と同等又はそ
れ以下の厚さすなわち100乃至200八程度の厚さを
有する、例えばガリユウム砒素(GaAs)のように電
子親和力の大きな半導体よりなる層(ベース層)が形成
されており、目ベース層に接触して例えばアルミニユウ
ムガリユウム砒素(AlxGa,−XAs)のように電
子親和力の小さな半導体よりなる層(エミッタ層)が形
成されてお5 り、このエミッタ層の電子親和力の値は
ベース層と接触する部分において最小であり、しかも、
この値はコレクタ層の電子親和力の最小値より更に小さ
く、又、電子親和力の値はベース層から離れるにしたが
い次第に増加するように、この例におoいてはアルミニ
ュウム(Al)の含有量が次第に減少してx値が例えば
0.3から0に減少しており、(ポエミツタ層に接触し
て例えばガリユウム砒素(GaAs)のように電子親和
力の大きな半導体よりなる層(エミッタコンタクト層)
が設けてあ7る層構造を有し、Nコレクタコンタクト層
、ベース層、エミッタコンタクト層には、コレクタ電極
、ベース電極、エミッタ電極が設けられていることにあ
る。
The gist of its structure is (a) For example, gallium arsenide (Ga
In contact with a layer (collector contact layer) made of a semiconductor with a high electron affinity such as As), for example, aluminum gallium arsenide (AlxGa, -XAs)
A layer (collector layer) made of a semiconductor with a small electron affinity is formed, and the value of the electron affinity of this collector layer is maximum at the part where it contacts the collector contact 3 layer, and when it is away from the collector contact layer. In this example, the aluminum (A1) content gradually increases so that the X value increases, for example, from 0 to 0. The temperature is increasing, and the contact with the collector layer is 40.
A layer made of a semiconductor with a high electron affinity, such as gallium arsenide (GaAs), which is extremely thin and has a thickness equal to or less than the free path of an electron, that is, a thickness of about 100 to 200 mm. (base layer) is formed, and a layer (emitter layer) made of a semiconductor with low electron affinity, such as aluminum gallium arsenide (AlxGa, -XAs), is formed in contact with the base layer. Therefore, the value of electron affinity of this emitter layer is minimum at the part where it contacts the base layer, and moreover,
This value is even smaller than the minimum value of the electron affinity of the collector layer, and as the value of electron affinity gradually increases with distance from the base layer, in this example, the content of aluminum (Al) gradually increases. The x value decreases from, for example, 0.3 to 0, and a layer (emitter contact layer) made of a semiconductor with a high electron affinity, such as gallium arsenide (GaAs), is in contact with the emitter layer.
It has a layered structure in which a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode are provided in the N collector contact layer, base layer, and emitter contact layer.

そして、本発明の構成に欠くことの出来ない事項は、(
イ)電子親和力の値が大きい半導体よりなるコレクタコ
ンタクト層のあること、同この層に接触して電子親和力
の最大値がコレクタコンタクト層の電子親和力より大き
くない半導体よりなるコレクタ層があり、この層の電子
親和力の値はコレクタコンタクト層から離れるにしたが
い次第に小さくなつていること、!/→この層に接触し
て電子親和力の値がコレクタ層の電子親和力の最小値よ
り小さくない半導体よりなり、かつ、その厚さが電子の
自由行程程度以下である層よりなるベース層のあること
、(4この層に接触して電子親和力の最小値がコレクタ
コンタクト層の電子親和力の最小値より更に小さく、し
かも、電子親和力の値はベース層から離れるにしたがい
次第に大きくなつている半導体よりなるエミッタ層のあ
ること、(ホにの層に接触して電子親和力の値がエミッ
タ層の電子親和力の最大値より小さくない半導本よりな
るエミッタコンタクト層のあること、(ベコレクタコン
タクト層、ベース層、エミッタコンタクト層には、夫々
、コレクタ電極、ベース電組エミッタ電極が設けられて
いることである。) として、使用しうる半導体の種類
は、上記のアルミニウムガリユウム砒素(AlxGal
−XAs)とガノユウム砒素(GaAs)との他に、ア
ルミニユウ、ガリユウム砒素燐(AlGaAsP)とガ
リユウムL素(GaAs)、インジユウムガリユウム砒
素燐(InGaAsP)とインジユウム燐(InP)、
インジユウムガリユウムアンチモン(InGaSb)と
インジユウム燐(InP)、ガリユウム砒素アンチモン
(GaAsSb)とィンジユウム砒素(InAs)等多
数存在する。その製造方法の要旨は、(イ)モレキユラ
ービームエピタキシヤル成長法を使用して半絶縁性基板
上に上記の層構造を有する半導体積層体を形成し、(口
)素子形成領域をメサ型に残してその周囲をエッチし、
←→このメサ型に残留した上記の半導体積層J体のコレ
クタ電極形成領域をコレクタコンタクト層に達するまで
エッチし、(:基板全面に二酸化シリコン(SIO。
Indispensable matters for the structure of the present invention are (
b) There is a collector contact layer made of a semiconductor with a large value of electron affinity, and there is a collector layer in contact with this layer made of a semiconductor whose maximum value of electron affinity is not larger than the electron affinity of the collector contact layer. The electron affinity value of becomes gradually smaller as it moves away from the collector contact layer. /→There is a base layer that is in contact with this layer and is made of a semiconductor whose electron affinity value is not smaller than the minimum electron affinity value of the collector layer, and whose thickness is equal to or less than the free path of electrons. , (4) an emitter made of a semiconductor which is in contact with this layer and whose minimum value of electron affinity is even smaller than that of the collector contact layer, and whose value of electron affinity gradually increases as it moves away from the base layer. (There is an emitter contact layer made of a semiconductor whose electron affinity value is not smaller than the maximum value of the electron affinity of the emitter layer, which is in contact with the base layer.) , the emitter contact layer is provided with a collector electrode and a base electrode assembly emitter electrode, respectively.) The types of semiconductors that can be used include the above-mentioned aluminum gallium arsenide (AlxGal
-XAs) and GaAs, aluminum, gallium arsenide phosphorus (AlGaAsP), gallium phosphorus (GaAs), indium gallium arsenide phosphorus (InGaAsP) and indium phosphorus (InP),
There are many types, such as indium gallium antimony (InGaSb), indium gallium phosphorus (InP), gallium arsenide antimony (GaAsSb), and indium gallium antimony (InAs). The gist of the manufacturing method is as follows: (a) a semiconductor stack having the above layer structure is formed on a semi-insulating substrate using the molecular beam epitaxial growth method; and etch the surrounding area,
←→The collector electrode formation region of the above-mentioned semiconductor laminated J body remaining in this mesa shape is etched until it reaches the collector contact layer.

)等よりなる絶縁膜を形成した後、(ホ)リングラフィ
ー法を使用して上記の半導体積層体のベース電極形成領
域の絶縁膜を除去し、更に、ドライエッチング法を使用
してこの領域の半導体積層体にベース層に達する開口を
形成し、N再びリングラフィー法を使用して上記の半導
体積層体のエミッタ形成領域の絶縁膜を除去し、(卜)
モレキユラービームエピタキシヤル成長法を使用して、
工程←→において形成されたコレクタ電極形成領域と工
程(ホ)において形成された開口と工程Nにおいて絶縁
膜が除去された領域とに例えばガリユウム砒素(GaA
s)のように大きな電子親和力を有する半導体層を形成
し、(チにれらの領域すなわちコレクタ電極形成領域と
ベース形成領域とエミッタ形成領域とに形成された例え
ばガリユウム砒素(GaAs)のように大きな電子親和
力を有する半導体層上に、夫々、コレクタ電極とベース
電極とエミッタ電極とを形成することにある。ここて、
コレクタとエミッタとの積層順序を全く逆にすることは
勿論全く自由であり、使用しうる半導体の種類にも上記
のとおりかなりの自由度が許されていることは当然であ
る。又、アルミニュウム(A1)を含有する半導体とア
ルミニュウム(A1)を含有しない半導体との組合わせ
層構造であるザ合は、アルミニュウム(A1)プラズマ
の発光波長(3967Λ)をモニタすることによりエッ
チング終了点を正確に制御しうることを特筆すべき利,
?である。本発明の実施例の説明に先立ち、図面を参照
しつつ、本発明に係る能動的半導体装置の動作原Pを説
明する。
), etc., the insulating film in the base electrode formation region of the semiconductor stack is removed using the (holographic) method, and then the insulating film in this region is removed using the dry etching method. An opening reaching the base layer is formed in the semiconductor stack, and the insulating film in the emitter formation region of the semiconductor stack is removed using N phosphorography again.
Using molecular beam epitaxial growth method,
For example, gallium arsenide (GaA
A semiconductor layer having a large electron affinity as shown in s) is formed (for example, gallium arsenide (GaAs) formed in these regions, that is, the collector electrode formation region, the base formation region, and the emitter formation region). The purpose is to form a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode, respectively, on a semiconductor layer having a large electron affinity.
Of course, it is completely free to completely reverse the stacking order of the collector and emitter, and it goes without saying that a considerable degree of freedom is allowed in the types of semiconductors that can be used as described above. In addition, the etching end point can be determined by monitoring the emission wavelength (3967Λ) of aluminum (A1) plasma, which is a combination layer structure of a semiconductor containing aluminum (A1) and a semiconductor not containing aluminum (A1). A notable advantage is that it is possible to precisely control
? It is. Prior to describing the embodiments of the present invention, the operating principle P of the active semiconductor device according to the present invention will be explained with reference to the drawings.

第3図aは上記の半導体層構造の熱平衡状態1、おける
ポテンシャルの層厚に対する分布を示す。
FIG. 3a shows the distribution of potential with respect to layer thickness in thermal equilibrium state 1 of the semiconductor layer structure described above.

図においてCCはコレクタコンタクト層をCはコレクタ
層を、Bはベース層を、Eはエミッタ層を、ECはエミ
ッタコレクタ層を夫々示す。この例においては、コレク
タ層ベース層間のポテンシャルの差P1は0.2Vであ
り、エミッタ層ベース層間のポテンシャルの差P2は0
.3Vである。第3図bは上記の半導体層構造において
、ベース層を接地してエミッタ層に正電位をコレクタ層
に負電位を与えた場合のポテンシャルの層厚に対する分
布を示す。ここで、コレクタ層・ベース層間電位差P1
、エミッタ層・ベース層間電位差P2が不変であること
は当然である。上記のとおり、ベース層の長さは電子の
自由行程程度以下の長さであり、又、エミッタ層・ベー
ス層間電位差P。
In the figure, CC represents a collector contact layer, C represents a collector layer, B represents a base layer, E represents an emitter layer, and EC represents an emitter collector layer. In this example, the potential difference P1 between the collector layer and the base layer is 0.2V, and the potential difference P2 between the emitter layer and the base layer is 0.
.. It is 3V. FIG. 3b shows the distribution of potential with respect to layer thickness in the above semiconductor layer structure when the base layer is grounded and a positive potential is applied to the emitter layer and a negative potential is applied to the collector layer. Here, the collector layer-base layer potential difference P1
, it is natural that the potential difference P2 between the emitter layer and the base layer remains unchanged. As mentioned above, the length of the base layer is equal to or less than the free path of electrons, and the potential difference P between the emitter layer and the base layer.

がベース層・コレクタ層間電位差P,より大きいから、
エミッタコレクタ層ECからエミッタ層Eに供給された
電子流は、コレクタバリヤによる量子力学的な電子の反
射を無視すると、ベース層Bを通過してコレクタ層Cに
到達することになる。エミッタ層Eの電子流のうちどの
程度の量がコレクタ層Cに到達するかは、電子がベース
層B中で失なうエネルギーの大きさと克服すべきコレク
タ層バリヤの大きさとによつて決定丁される。ここで、
もし、ベース層B中における損失電子が0(零)でベー
ス電流が0(零)であると仮定すれば、電力増幅率Aは
入力インピーダンスRinと出力インピーダンスROu
tとの比0R0utA =ーー R1n となることになり、増幅機能を有する能動的半導体装置
として機能しうることになる。
Since is larger than the potential difference P between the base layer and the collector layer,
The electron flow supplied from the emitter collector layer EC to the emitter layer E passes through the base layer B and reaches the collector layer C, if quantum mechanical reflection of electrons by the collector barrier is ignored. How much of the electron flow in the emitter layer E reaches the collector layer C is determined by the amount of energy that the electrons lose in the base layer B and the size of the collector layer barrier that must be overcome. be done. here,
If we assume that the loss electrons in the base layer B are 0 (zero) and the base current is 0 (zero), the power amplification factor A is the input impedance Rin and the output impedance Rou.
The ratio with respect to t is 0R0utA=--R1n, which means that it can function as an active semiconductor device having an amplification function.

なお、ベース層B中でエネルギーを失ないコレ!5クタ
バリヤを超えることのできなかつた電子はベース電流I
Bとなるが、エミッタ接地電流増幅率βはベース電流I
Bコレクタ電流Icとの比ICβM 4Oとなることは当然である。
In addition, this does not lose energy in base layer B! The electrons that could not exceed the 5ta barrier have a base current I
B, but the common emitter current amplification factor β is the base current I
Naturally, the ratio to the B collector current Ic is ICβM 4O.

ここで、ベース電流IBは層構成の選択によつて極めて
小さくすることが可能であるから、電流増幅率βを極め
て大きくすることが困難なことではないことは注目に値
する。そこで、本発明に係る能動的半導体装置は、t能
的にはN −P −N型バイポーラトランジスタ。
Here, it is worth noting that since the base current IB can be made extremely small by selecting the layer structure, it is not difficult to make the current amplification factor β extremely large. Therefore, the active semiconductor device according to the present invention is functionally an N-P-N type bipolar transistor.

類似した能動的半導体装置と解され、回路的にιN−P
−N型バイポーラトランジスタと同様に1て使用しうる
が、N−P−N型バイボーラトラユジスタと異なるとこ
ろは、PN接合を全く利用1−ておらす、正孔を利用せ
ず、移動度の高い電子bのみを利用しているので、高速
性能が極めてすくれている点である。以下、図面を参照
しつつ、本発明の一実施例I(係る能動的半導体装置を
製造する各主要工程を畠明し、本発明の構成と特有の効
果とを更に明ら力にする。
It is considered to be a similar active semiconductor device, and the circuit is ιN-P.
- It can be used in the same way as an N-type bipolar transistor, but the difference from the N-P-N type bipolar transistor is that it uses no PN junction, does not use holes, and has high mobility. Since only the high electron b is used, high-speed performance is extremely low. Embodiment I of the present invention (each of the main steps for manufacturing such an active semiconductor device) will be explained in detail below with reference to the drawings to further clarify the structure and unique effects of the present invention.

第4図参照 ノンドープの半絶縁性ガリユウム砒力 (GaAs)よりなる基板上に、モレキユラービームエ
ピタキシヤル成長法を使用して、下記に表記ゼる結晶パ
ラメータを有する半導体積層体を形成する。
Referring to FIG. 4, a semiconductor stack having the crystal parameters shown below is formed on a substrate made of non-doped semi-insulating gallium arsenide (GaAs) using a molecular beam epitaxial growth method.

N型不純 層名 材 料 厚さ 物濃度 八CTn−3 コレクタコGaAs5,OOO2×1018ンタクト層
コレクタ層AIxGal−XAs4OOアンドープ但し
Xは下から上に向 (1×10”6つてOから0.2ま
で増 以下) 加 ベース層GaAslOO2×1018 エミッタ層AIxGa,−XAs2OO〃1018但し
Xは下から土に向つて0.3から0に減少 エミツタコGaAs3OO〃1018 ンタクト層 成長時の基板温度は520〜640゜C程度が望ましい
N-type impurity layer name Material Thickness concentration 8 CTn-3 Collector GaAs5, OOO2 x 1018 Contact layer Collector layer AI x Gal- Increase below) Add base layer GaAslOO2×1018 Emitter layer AIxGa, -XAs2OO〃1018 However, X decreases from 0.3 to 0 from the bottom toward the soil degree is desirable.

コレクタ層とエミッタ層とのX値を変化させるためには
、アルミニュウム(Al)オープンの−温度を制御して
アルミニュウム(A1)の蒸発量を変化させることが有
効である。ドーパントとしてはシリコン(Si)が適当
である。この実施例においてはコレクタ層はアンドープ
層とされているが、その理由は、この能動的半導体装置
の動作状態においては、コレクタ層に大きな逆方向電圧
が印加されることとなるので、コレクタ層のブレークダ
ウン電圧を大きくするためである。したがつ5て、コレ
クタ層に印加される逆方向電圧の大きさが比較的小さい
ときはアンドープにする意味はなく、他の層と同様N型
にドープされることがむしろ望ましい。したがつて、こ
のドーピング状態は発明の要旨を規定するものではない
。図においJOて、1は半絶縁性ガリユウム砒素(Ga
As)基板であり、2はガリユウム砒素(GaAs)層
よりなるコレクタコンタクト層であり、3はX値が下か
ら上に向つてoから0.2まで増加しているアンドープ
アルミニユウムガリユウム砒素(AlxGal−5xA
s)層よりなるコレクタ層であり、4はN型にドープさ
れたガリユウム砒素(GaAs)層よりなるベース層で
あり、5はX値が下から上に向つて0.3からoまで減
少しているN型アルミニユウムガリユウム砒素(Alx
Gal−XAs)層よりなる工つミッタ層であり、6は
N型ガリユウム砒素(GaAs)層よりなるエミッタコ
レクタ層である。第5図参照リングラフィー法を使用し
て素子形成領域上にマスクを形成し、弗酸(■り系エッ
チング液を丁使用して、素子形成領域を残すように上記
半導体積層体をメサエツチし、つづいて、再びリングラ
フィー法を使用してコレクタ電極形成領域を除く領域上
にマスクを形成し、弗酸系エッチング液を使用して、コ
レクタ電極形成領域7上にコレクタ層2の一部を残して
上記の半導体積層体を除去する。
In order to change the X value of the collector layer and the emitter layer, it is effective to change the amount of evaporation of aluminum (A1) by controlling the temperature of the aluminum (Al) open. Silicon (Si) is suitable as a dopant. In this embodiment, the collector layer is an undoped layer, because in the operating state of this active semiconductor device, a large reverse voltage is applied to the collector layer. This is to increase the breakdown voltage. Therefore, when the magnitude of the reverse voltage applied to the collector layer is relatively small, there is no point in making it undoped, and it is rather preferable that it be doped to an N-type like the other layers. Therefore, this doping state does not define the gist of the invention. In the figure, in JO, 1 is semi-insulating gallium arsenide (Ga
2 is a collector contact layer made of a gallium arsenide (GaAs) layer, and 3 is an undoped aluminum gallium arsenide (GaAs) substrate whose X value increases from o to 0.2 from bottom to top. AlxGal-5xA
s) layer, 4 is a base layer made of an N-type doped gallium arsenide (GaAs) layer, and 5 is an X value that decreases from 0.3 to o from the bottom to the top. N-type aluminum gallium arsenide (Alx
6 is an emitter layer made of an N-type gallium arsenide (GaAs) layer. Referring to FIG. 5, a mask is formed on the element formation region using a phosphorography method, and the semiconductor stack is mesa-etched using a hydrofluoric acid (etching solution) so as to leave the element formation region; Next, using the phosphorography method again, a mask is formed on the area excluding the collector electrode forming area, and using a hydrofluoric acid etching solution, a part of the collector layer 2 is left on the collector electrode forming area 7. to remove the semiconductor stack.

第6図参照 化学的気相成長法を使用して基板表面を二酸化シリコン
(SiO。
See FIG. 6. The substrate surface was grown using chemical vapor deposition using silicon dioxide (SiO).

)層8をもつて覆つた後、リングラフィー法を使用し弗
酸(HF)系エッチング液を使用してベース電極形成領
域9において二酸化シリコン(SiO2)層8に開口を
形成し、二塩化二弗化炭素(CCI。F2)を反応性物
質としてなす反応性プラズマエッチング法を使用してエ
ミッタコンタクト層6とエミッタ層5とベース層4の一
部とを除去する。このとき、ベース層4の厚さは僅か1
00Λであるから、エッチングがベース層4に到達した
ら直ちにエッチングを停止しなければならない。これを
可能にするため、アルミニュウム(A1)プラズマの発
光を利用することは有効である。すなわち、フォトダイ
オード等のセンサを使用してアルミニュウム(A1)プ
ラズマの発光波長3.960Λをモニタしておき、この
発光の停止をもつて直ちにエッチング工程を停止するこ
とであ5る。このモニタ方法により、±20〜30Λの
精度をもつてベース層4中でエッチングを停止すること
が可能であることが実験的に確認されている。第7図参
照リングラフィー法を使用して弗酸(HF)系工1.ツ
チング液を使用して、エミッタ電極形成領域10とコレ
クタ電極形成領域11とにおいて二酸化シリコン(Si
O。
) layer 8, an opening is formed in the silicon dioxide (SiO2) layer 8 in the base electrode formation region 9 using a hydrofluoric acid (HF) based etching solution using a phosphorography method, and Emitter contact layer 6, emitter layer 5 and part of base layer 4 are removed using a reactive plasma etching method with carbon fluoride (CCI.F2) as the reactive material. At this time, the thickness of the base layer 4 is only 1
00Λ, the etching must be stopped as soon as it reaches the base layer 4. In order to make this possible, it is effective to utilize light emission from aluminum (A1) plasma. That is, the etching process is stopped immediately after the emission wavelength of 3.960 Λ of aluminum (A1) plasma is monitored using a sensor such as a photodiode and the emission of light is stopped. It has been experimentally confirmed that this monitoring method makes it possible to stop etching within the base layer 4 with an accuracy of ±20 to 30Λ. Refer to Fig. 7 Hydrofluoric acid (HF)-based processing using phosphorography method 1. Silicon dioxide (Si
O.

)層8に開口を形成し、二酸化シリコン(SiO2)層
8をマスクとして、モレキユラービームエピタキシヤル
成長法を使用して、ベー1ス電極形成領域9とエミッタ
電極形成領域10とコレクタ電極形成領域11とに10
″゜/d程度に高濃度にN型にドープされたガリユウム
砒素(GaAs)層12を形成する。
) An opening is formed in the layer 8, and a base electrode formation region 9, an emitter electrode formation region 10, and a collector electrode are formed using the molecular beam epitaxial growth method using the silicon dioxide (SiO2) layer 8 as a mask. Area 11 and 10
A gallium arsenide (GaAs) layer 12 doped to be N-type at a high concentration of approximately 100.degree./d is formed.

ここで各電極形成領域9,10,11上には単結晶ガリ
ユウム砒素二(GaAs)層が形成されるが、マスクと
して使用された二酸化シリコン(SiO。)層8上には
非晶質ガリユウム砒素(GaAs)層が形成される。二
塩化二弗化炭素(CCI。F。)を反応性物質としてな
すプラズマエッチング法を使用して基板の全.面をエッ
チすると、非晶質ガリユウム砒素(GaAs)のエッチ
ングレートは単結晶ガリユウム砒素(GaAs)のそれ
の約2倍であるから、二酸化シリコン(SIO。
Here, a monocrystalline gallium arsenide (GaAs) layer is formed on each electrode forming region 9, 10, 11, but amorphous gallium arsenide (GaAs) layer is formed on the silicon dioxide (SiO.) layer 8 used as a mask. (GaAs) layer is formed. A plasma etching method with carbon dichloride difluoride (CCI.F.) as the reactive agent is used to completely etch the substrate. When etching a surface, the etching rate of amorphous gallium arsenide (GaAs) is about twice that of single crystal gallium arsenide (GaAs), so silicon dioxide (SIO).

)層8上の非晶質ガリユウム砒素(GaAs)層は除去
されるが、各電極形成領域 ・9,10,11上の単結
晶ガリユウム砒素(GaAs)層は残留する。
) The amorphous gallium arsenide (GaAs) layer on layer 8 is removed, but the single crystal gallium arsenide (GaAs) layer on each electrode formation region 9, 10, 11 remains.

第8図参照 ここで、エミッタ電極形成領域10内に堆積した単結晶
ガリユウム砒素(GaAs)層12とベー タス電極形
成領域9内に堆積した単結晶ガリユウム砒素(GaAs
)層12とはエミッタコンタクト層6を介して短絡して
しまうかの如く見えるが、両電極形成領域9,10をへ
だてる領域におけるエミッタコンタクト層6の全部とエ
ミッタ層5の大 ι部分とは図に斜線13をもつて示す
領域において表面空乏層のためにほとんど空乏化される
ことはそのN型不純物濃度(2×10″“/d)と層厚
(480八)とから明らかであり、上記両電極形成領或
9,10が短絡することはない。
Refer to FIG. 8. Here, a single crystal gallium arsenide (GaAs) layer 12 deposited in the emitter electrode formation region 10 and a single crystal gallium arsenide (GaAs) layer deposited in the beta electrode formation region 9 are used.
) layer 12 through the emitter contact layer 6; It is clear from the N-type impurity concentration (2 x 10"/d) and layer thickness (4808) that the region indicated by diagonal lines 13 in the figure is almost depleted due to the surface depletion layer. , the electrode formation regions 9 and 10 will not be short-circuited.

名9図参照 最後に、基板上に金・ゲルマニユウム/金(AuGe/
Au)層を真空蒸着した後、各電極形成領域9,10,
11以外からこれを除去し、ゲート電極14、エミッタ
電極15、コレクタ電極16を完成して、本発明の一実
施例に係る能動的半導体装置を完成する。
Refer to Figure 9. Finally, place gold/germanium/gold (AuGe/gold) on the substrate.
After vacuum-depositing the Au) layer, each electrode forming area 9, 10,
This is removed from areas other than 11 to complete the gate electrode 14, emitter electrode 15, and collector electrode 16, thereby completing an active semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

第10図参照なお、この実施例に係る能動的半導体装置
の層構成の熱平衡状態におけるポテンシャル分布はおお
むね第10図に示す如くなる。
Refer to FIG. 10. The potential distribution in the thermal equilibrium state of the layer structure of the active semiconductor device according to this embodiment is approximately as shown in FIG.

第11図参照 ただ、本発明の本質はすでに上述したとおりであるから
、エミッタ層、コレクタ層における電子親和力の変化状
態は第3図b又は第10図に示す如きものに限定される
ものではなく、第11図A,bに示す如きものを含め、
種々なものがありうる。
See FIG. 11 However, since the essence of the present invention has already been described above, the state of change in electron affinity in the emitter layer and collector layer is not limited to that shown in FIG. 3b or FIG. 10. , including those shown in Figures 11A and b,
There can be many different things.

更に、コレクタ層とエミッタ層との電子親和力の最小値
についても、その求められる特性にしたがつて自由に選
択されることができる。
Furthermore, the minimum value of the electron affinity between the collector layer and the emitter layer can also be freely selected according to the desired characteristics.

以上説明せるとおり、本発明によれば機能的にはN−P
−N型バイポーラトランジスタと類似しているがP−N
接合を全く使用せす、電子親和力を異にする半導体相互
間のヘテロ界面に発生するポテンシャルの差によつて高
移動度をもつて移動する電子流を利用してなく高速動作
の可能な能動的半導体装置とその製造方法とを提供する
ことが1できる。
As explained above, according to the present invention, functionally N-P
-Similar to N-type bipolar transistor, but P-N
It is an active method capable of high-speed operation that does not use any junctions or utilizes the electron flow that moves with high mobility due to the difference in potential that occurs at the hetero-interface between semiconductors with different electron affinities. It is possible to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same.

本発明に利用しうる半導体の種類はアルミニユウムガリ
ユウム砒素(GAlxGal−XAs)とカリユウム砒
素(GaAs)との組み合わせの他に下記の組み合わせ
等がある。
Types of semiconductors that can be used in the present invention include combinations of aluminum gallium arsenide (GAlxGal-XAs) and potassium arsenide (GaAs), as well as the following combinations.

Ding

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図A,b、第2図は電子親和力を異にする半導体相
互間のヘテロ界面に発生するポテンシャルの差をり用し
てなすダイオードの原理を説明する補助図である。 第3図A,bは本発明に係る能動的半導体装置の動作機
能を説明するための補助図である。第4,5,6,7図
は本発明の一実施例に係る能動的半導体装置の製造方法
の各主要工程を示す基板断面図である。第8図は、ベー
ス領域とエミッタ領域とが表面空乏層によつて分離絶縁
されることを説明する補助図である。第9図は、本発明
の一実施例に係る能動的半導体装置の完成状態を示す基
板断面図である。第10図は第・9図に示す能動的半導
体装置の各層互間の熱平衡状態におけるポテンシャル分
布ダイヤフラムである。第11図は本発明の他の実施例
に係る能動的半導体装置の各層相互間の熱平衡状態にお
けるポテンシャル分布ダイヤフラムである。1 ・・・
・・・基板(半絶縁性ガリユウム砒素基板)、2 ・・
・・・・コレクタコンタクト層(ガリユウム砒素層)、
3・・・・・・コレクタ層(X値が変化しているアンド
ープアルミニユウムガリユウム砒素層)、4・・・ ・
・・ベース層(N−ドープのガリユウム砒素・層)、5
・・・・・・エミッタ層(X値が変化しているNドープ
のアルミニウムガリユウム砒素層)、6 ・・・・・・
エミッタコンタクト層(N−ガリユウム砒素層)、7・
・・・・・コレクタ電極形成領域、8 ・・・・・・二
酸化シリコン層、9・・・・・・ベース電極形成領域、
10・・・・・・エミッタ電極形成領域、11・・・・
・・コレクタ電極形成領域、12・・・・・・高Nドー
プされたガリユウム砒素層、13・・・・・・空乏化さ
れた領域、14・・・・・・ゲート電極、15・・・・
・・エミッタ電極、16・・・・・・コレクタ電極。
FIGS. 1A and 1B and FIG. 2 are auxiliary diagrams for explaining the principle of a diode that utilizes the difference in potential generated at the hetero-interface between semiconductors having different electron affinities. FIGS. 3A and 3B are auxiliary diagrams for explaining the operational functions of the active semiconductor device according to the present invention. 4, 5, 6, and 7 are cross-sectional views of a substrate showing each main step of a method for manufacturing an active semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 is an auxiliary diagram illustrating that the base region and the emitter region are separated and insulated by the surface depletion layer. FIG. 9 is a cross-sectional view of a substrate showing a completed state of an active semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a potential distribution diaphragm in a state of thermal equilibrium between the layers of the active semiconductor device shown in FIG. 9. FIG. 11 is a potential distribution diaphragm in a state of thermal equilibrium between layers of an active semiconductor device according to another embodiment of the present invention. 1...
...Substrate (semi-insulating gallium arsenide substrate), 2...
...Collector contact layer (gallium arsenide layer),
3... Collector layer (undoped aluminum gallium arsenide layer with varying X value), 4... ・
...Base layer (N-doped gallium arsenide layer), 5
...Emitter layer (N-doped aluminum gallium arsenide layer with varying X value), 6 ...
Emitter contact layer (N-gallium arsenide layer), 7.
... Collector electrode formation region, 8 ... Silicon dioxide layer, 9 ... Base electrode formation region,
10...Emitter electrode formation region, 11...
... Collector electrode formation region, 12 ... Highly N-doped gallium arsenide layer, 13 ... Depleted region, 14 ... Gate electrode, 15 ...・
...Emitter electrode, 16...Collector electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 大きな電子親和力を有する半導体層(コレクタコン
タクト層)と該コレクタコンタクト層に接触して形成さ
れ電子親和力の最大値が前記コレクタコンタクト層の電
子親和力と同等又は以下であり前記コレクタコンタクト
層から離れるにしたがい電子親和力の値が減少するよう
な組成分布を有する半導体よりなる層(コレクタ層)と
、該コレクタ層に接触して形成され電子の自由行程と同
等又は以下の厚さを有し前記コレクタ層の電子親和力の
最小値より大きな電子親和力を有する半導体よりなる層
(ベース層)と、該ベース層に接触して形成され電子親
和力の最小値が前記コレクタ層の電子親和力の最小値よ
り小さく前記ベース層から離れるにしたがい電子親和力
の値が増加するような組成分布を有する半導体よりなる
層(エミッタ層)と、該エミッタ層に接触して形成され
大きな電子親和力を有する半導体層(エミッタコンタク
ト層)とよりなる層構造を有し、前記コレクタコンタク
ト層、前記ベース層、前記エミッタコンタクト層に、夫
々、コレクタ電極、ベース電極、エミッタ電極を有する
能動的半導体装置。 2(イ)モレキユラービームエピタキシヤル成長法を使
用して、半絶縁性基板上に、大きな電子親和力を有する
半導体層(コレクタコンタクト層)と、電子親和力の最
大値が前記コレクタコンタクト層の電子親和力と同等又
は以下であり前記コレクタコンタクト層から離れるにし
たがい電子親和力の値が減少するような組成分布になさ
れている半導体層(コレクタ層)と、電子の自由行程と
同等又は以下の厚さを有し前記コレクタ層の電子親和力
の最小値より大きな電子親和力を有する半導体よりなる
層(ベース層)と、電子親和力の最小値が前記コレクタ
層の電子親和力の最小値より小さく前記ベース層から離
れるにしたがい電子親和力の値が増加するような組成分
布になされている半導体(エミッタ層)と、大きな電子
親和力を有する半導体層(エミッタコンタクト層)とよ
りなる積層体を形成し、(ロ)該積層体の所望の領域を
残して該積層体を前記基板に達するまで除去し、(ハ)
該残留された前記積体層の所望の領域を前記コレクタコ
ンタクト層に達するまで除去し、(ニ)該一部領域が除
去された前記積層体の表面に絶縁物よりなる層を形成し
、(ホ)リングラフィー法を使用して前記積層体の所望
の領域に前記ベース層に達する開口を形成し、(ヘ)リ
ングラフイー法を使用して前記積層体の所望の領域上の
前記絶縁物よりなる層を除去してエミッタ電極形成領域
とコレクタ電極形成領域とを形成し、(ト)モレキユラ
ービームエピタキシヤル成長法を使用して前記コレクタ
コンタクト層に達するまで前記積層体が除去された領域
と前記ベース層に達する開口と前記エミッタ電極形成領
域とに大きな電子親和力を有する半導体層を形成し、(
チ)前記コレクタコンタクト層上と前記ベース層に達す
る開口と前記エミッタ電極形成領域とに形成された該大
きな電子親和力を有する半導体層上に、夫々、コレクタ
電極とベース電極とエミッタ電極とを形成してなす、能
動的半導体装置の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor layer (collector contact layer) having a large electron affinity, which is formed in contact with the collector contact layer, and whose maximum value of electron affinity is equal to or less than the electron affinity of the collector contact layer. A layer (collector layer) made of a semiconductor having a composition distribution in which the value of electron affinity decreases as the distance from the collector contact layer increases, and a layer formed in contact with the collector layer and having a thickness equal to or less than the free path of electrons. a layer (base layer) made of a semiconductor having an electron affinity larger than the minimum electron affinity of the collector layer, and a layer formed in contact with the base layer and having a minimum electron affinity of the collector layer A layer (emitter layer) made of a semiconductor having a composition distribution such that the value of electron affinity increases with distance from the base layer, which is smaller than a minimum value, and a semiconductor layer formed in contact with the emitter layer and having a large electron affinity. (emitter contact layer), and the collector contact layer, the base layer, and the emitter contact layer each have a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode. 2 (a) Using the molecular beam epitaxial growth method, a semiconductor layer (collector contact layer) having a large electron affinity is formed on a semi-insulating substrate, and a semiconductor layer (collector contact layer) having a maximum electron affinity is formed on a semi-insulating substrate. A semiconductor layer (collector layer) having a composition distribution that is equal to or less than the electron affinity and whose electron affinity value decreases as the distance from the collector contact layer increases, and a thickness equal to or less than the free path of electrons. a layer (base layer) made of a semiconductor having an electron affinity larger than the minimum value of the electron affinity of the collector layer; Forming a laminate consisting of a semiconductor (emitter layer) having a composition distribution such that the electron affinity value increases, and a semiconductor layer (emitter contact layer) having a large electron affinity; (b) forming the laminate; (c) removing the laminate until reaching the substrate, leaving a desired area of
removing a desired region of the remaining stacked layer until reaching the collector contact layer; (d) forming a layer made of an insulator on the surface of the stacked body from which the partial region has been removed; e) forming an opening reaching the base layer in a desired region of the laminate using a phosphorography method, and (f) forming an opening reaching the base layer in a desired region of the laminate using a phosphorography method; (g) using a molecular beam epitaxial growth method, the stack was removed until the collector contact layer was reached; forming a semiconductor layer having a large electron affinity in the region, an opening reaching the base layer, and the emitter electrode formation region;
h) forming a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode on the semiconductor layer having a large electron affinity formed on the collector contact layer, the opening reaching the base layer, and the emitter electrode formation region; A method for manufacturing active semiconductor devices.
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