JPH0622239B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体デバイスを構成するＰＮ接合とそれを用
いたバイポーラトランジスタに関する。

（従来の技術） 従来の半導体デバイスに用いられているＰＮ接合では、
通常Ｐ型とＮ型のいずれか又は両方の不純物のドーピン
グレベルが低く、キャリアが縮退していないボルツマン
統計に従う場合に限られている。この場合、接合を流れ
る順方向電流は電圧の指数関数型になる。電流の対数対
電圧の勾配は温度の逆数に比例し、この勾配を大きくす
れば論理振動を小さくできる。従って電流電圧を低くで
きるのでトランジスタ回路では望ましい。このために低
温動作が望まれる。

（発明が解決しようとする問題点） しかし低温にすると、低ドープのＰＮ接合では少くとも
Ｐ型又はＮ型のいずれか一方のキャリアがフリーズアウ
トしてしまい、接合に直列に寄生抵抗が発生して、良好
な電流・電圧特性が得られない。一方、Ｐ領域とＮ領域
のいずれの領域も高ドープにして、低温でフリーズアウ
トしないようにすると、接合はトンネル接合となって、
逆バイアスで大きな電流が流れ、また順方向では負性抵
抗が表われて、よい整流特性が得られない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、Ｐ領域とＮ領域の半導体の両方が強く縮退
し、ＰＮ接合にトンネル電流が流れない程度の厚さでし
かも不純物を含まないかあるいは低不純物濃度の領域を
Ｐ領域とＮ領域の間に有しキャリアがポテンシャルバリ
ヤを越えて注入されるＰＮ接合である。更に本発明には
このＰＮ接合をエミッターベース接合あるいはベース−
コレクタ接合のいずれかまたは両方に用いる半導体装置
である。

（実施例） 第１図に本発明の第１の実施例の構造と、熱平衡におけ
るバンド図、バイアスＶを印加した時のバンド図を示
す。第１図(a)に示すように高濃度のＰ型不純物をドー
プした半導体１(Ｎ⁺層)と高濃度のＮ型不純物をドープ
した半導体２(Ｐ⁺層)の間に、ドナ・アクセプタをドー
プしないＩ層３を形成する。

第１図(b)は第１図(a)構造のＰＮ接合にバイアスを印加
しない熱平衡状態を示すバンド図である。４は熱平衡状
態でのフェルミルレベル、５Ｎ,５Ｉ,５Ｐは夫々Ｎ,Ｉ,
Ｐ領域の伝導帯、６Ｎ,６Ｉ,６Ｐは夫々Ｎ,Ｉ,Ｐ領域の
価電子帯である。

この時、バンド構造は、Ｐ⁺層のバンドギャップが狭く
Ｎ⁺層のバンドギャップが広くなっている。又Ｉ層のバ
ンドギャップはＮ⁺層のバンドギャップからＰ⁺層のバン
ドギャップに連続的に変化させている。このようなバン
ド構造を形成するには、例えば、Ｐ⁺ＩｎＧａＡｓ上に
Ｉ層としてＩｎＡｌ_1-xＧａ_xＡｓをｘの値を１から連続
的に変化させて成長させ、このＩ層の上にｘの値を固定
したＮ⁺型ＩｎＡｌ_1-xＧａ_xＡｓ層を成長させればよ
い。あるいはＰ⁺ＧａＡｓの上にＩ層としてＡｌ_1-xＧａ
_xＡｓをｘの値を１から連続的に変化させて、形成し、
このＩ層の上にｘの値を固定したＮ⁺Ｇａ_1-xＧａ_xＡｓ
層を成長させればよい。

こうして結晶成長は現在、分子線エピタキシャル(ＭＢ
Ｅ)技術や、金属有機気相成長法(ＭＯＳＶＤ法)等によ
って容易に実現し得る。III−Ｖ族のドナー不純物には
通常Ｓｉ、アクセプターにはＢｅが使用される。しかし
本発明は、こうした半導体材料の選択や、成長法、不純
物の種類で限定されるものではない。ここでＮ^＋領域の
電子とＰ⁺領域の正孔は強く縮退していて、フェルミレ
ベル４はそれぞれ、伝導帯５Ｎ及び価電子帯６Ｐの中に
ある。こうした強縮退の条件は十分に高ドープすれば実
現される。即ち高ドープによって、ドナー間、又はアク
セプタ間の平均距離が、夫々のボーア半径より小さくな
ると、これらの不純物レベルの波動関数が重なり合っ
て、不純物バンドを作る。この不純物バンドは波動関数
の重なりが大きくなると広がり、それぞれ伝導帯又は価
電子帯とのギャップが消失する。このような場合、半導
体は金属的な伝導を示し、フェルミレベルは伝導帯又は
価電子帯の中にあることになる。

ドナーが不純物バンドを作る濃度の目安としてはドナー
不純物間距離がボーア半径の２倍程度になる濃度でよ
い。この時の重なりのクーロン積分を計算するとドナー
の深さの大体０．１７倍位になるので、バンドを作るに
は十分である。電子又は正孔の有効質量をｍ^＊半導体の
比誘導体をεとすると、ドナー又はアクセプタの有効半
径ｒは ｒ＝０．５３×ε/ｍ^＊Å となる。例えば半導体のε＝１３、電子の有効質量ｍ^＊
＝０．１とするとｒ＝７３Åとなる。故、直径ｄ＝１４
６Åとなり、ドナー濃度Ｎ_D＝１/ｄ^３＝３×１０¹⁷ｃｍ
^-3になる。正孔の有効質量ｍ^＊＝０．２とすると、アク
セプタの有効半径ｒ＝３４Å、その時のアクセプタ濃度
３×１０¹⁸ｃｍ^-3を得る。ｍ^＊が小さいと、ｒが大きく
なり、不純物バンドは低い濃度から形成される。

さて、このような条件で、フェルミレベル４とＰ⁺領域
の伝導帯５Ｐとの差を電子の閾値電圧Ｖ_Tと呼ぼう。こ
れは第１図(c)に示すように、バイアスＶを印加した時
に、Ｖ＞Ｖ_Tの時、電子がＮ⁺領域の伝導帯９ＮからＰ⁺
領域の伝導帯９Ｐに注入されることから名付けるもので
ある。

但し、バイアスＶはＮ側の擬フェルミ準位８Ｎと、Ｐ型
の擬フェルミ準位８Ｐの差である。Ｖ_Tは電子がＮ⁺層か
らＰ⁺層に注入される最小のバイアス電圧を意味する。
同様に第１図(b)でフェルミレベル４から、Ｎ領域の価
電子帯６Ｎとの差を、正孔の閾値電圧Ｖ_T2と呼ぼう。こ
れは第１図(c)で、バイアスがＶ＞Ｖ_T2になった時、Ｐ⁺
領域の価電子帯１０ＰからＮ⁺領域の価電子帯１０Ｎに
正孔が注入される最小の電圧を意味する。この実施例で
はＶ_T＜Ｖ_T2となっているので、Ｖ_T＜Ｖ＜Ｖ_T2の時に
は、Ｎ⁺からＰ⁺への電子の注入のみが起こる。この時の
電子の注入効率は１になっている。

この時の電流密度Ｊと電圧Ｖとの関係を計算する。低温
で、キャリアが縮退している時には、電子の拡散係数Ｄ
は次式のように書ける。

但し、μは電子の移動度、ｑは電子の電荷、ｈはプラン
クの定数、ｍは伝導電子の有効質量、ｎは電子密度であ
る。注入された電子の電子密度ｎは次の拡散方程式に従
う。

但し、τは注入された電子がＰ層１内で正孔と再結合し
て消滅する寿命である。この式はＤが式(1)のようにｎ
に依存するので非線型方程式である。但しｘ座標の原点
を第１図(a)に示すＩ層３とＰ層１との界面７に取る。
今、バイアスがＶの時、ｘ＝０における電子密度ｎ(0)
は、次式で与えられる。

この式は、絶対０度では正確な式であるが、有限温度Ｔ
でもｋＴ≪ｑ(Ｖ−Ｖ_T)であれば正しい。但しｋはボル
ツマン定数。ｘ＝∝で、ｎ＝０、ｄｎ/ｄｘ＝０とし、
これと式(3)を境界条件として、式(2)を解くと、電流密
度Ｊの式が基まる。

この電流式ではＶ≦Ｖ_Tの時、Ｊ＝０であるが、Ｖ＞Ｖ_T
で電圧とともにＪは急激に立ち上がる式である。その物
理的理由は、電子が低温で縮退しているために、フェル
ミレベルの近くで、電子の分布関数がシャープに立ち上
がること、量子力学的状態密度が大きいことによる。

ここで、式(4)の数値例を示す。

ｑ＝１．６×１０^-19Ｃ,μ＝１０００ｃｍ²/ｖ・ｓｅ
ｃ,τ＝１０^-9ｓｅｃ, ｍ＝０．１×９．１×１０^-28ｇ, を代入すると、次式を得る。

Ｊ＝１．１５×１０⁷(Ｖ−Ｖ_T)² Ａ/ｃｍ² これにより、例えばＪ＝１×１０³〜１×１０⁵Ａ/ｃｍ²
を得るためにはＶ−Ｖ_T＝９．３ｍＶというきわめて小
さなバイアスで良い。即ちＪはＶの関数として非常にシ
ャープに立ち上がる関数となっている。

このように第１図で示した実施例では、電流が、電圧の
急激な増加関数となり、この性質を種々のデバイスに利
用出来る。

次に、第１図のＰ⁺領域１のバンドギャップが界面７か
らはなれるにつれて小さくなっている場合を考えよう。
簡単のために、バンドギャップＥｇ(ｘ)が、次にように
書ける場合を考える。

Ｅｇ(ｘ)＝Ｅｇ(0)−Ｅｘ (5) (5)式でｘの原点を第１図中の界面７にとり、Ｐ⁺領域１
へ向かう方向がｘで正である。

ｘ＞Ｅｇ(0)/Ｅ≡ｘ₁で、Ｅｇ(ｘ)＜０になるが、以下
の話では、このことは関係してこない。現実には、ｘ₂
＜ｘ₁を満足するｘ₂に対して、ｘ＞ｘ₂では、一様なバ
ンドギャップとするか、金属電極に結合していると考え
ることにする。さて、今このバンドギャップ勾配が十分
に急で、このバンドギャップ勾配による電界加速が、拡
散電流よりも支配的な場合を考えよう。この場合電子密
度の輸送方程式は次式のように書ける。

この一階の微分方程式を式(3)の境界条件で解くと を得る。但しＬ_B＝ｑμＥτである。電流の式は のようになる。この式でもやはり、Ｖ＜Ｖ_TＪ＝０とな
り、Ｖ＞Ｖ_Tで電圧の関数としてＪが急激に立上る式と
なる。その理由は式(4)で述べたのと同じである。

式(8)の数値例を示す。

ｑ＝１．６×１０^-19Ｃ,μ＝１０００ｃｍ²/ｖ・ｓｅ
ｃ,Ｅ＝０．１Ｖ/(１００×１０^-8ｃｍ)の時には、次式
を得ます。

Ｊ＝２．３×１０⁸(Ｖ−Ｖ_T) Ａ/ｃｍ² この式でＪ＝１０³〜１０⁵Ａ/ｃｍ²を得るにはＶ−Ｖ_T
＝０．２６〜５．５８ｍＶというきわめて小さなバイア
スを与えらればよい。バンドギャップ勾配がある場合の
式(8)の方が、一般には拡散電流の式(4)よりも大きな電
流が流れる。

次に、式(4)と(8)で、Ｅ_F＜Ｖ−Ｖ_T＜Ｖ_T2の場合を定性
的に述べる。但し、Ｅ_Fは第１図(b)示すようにＮ⁺層２
の電子の伝導帯の底５Ｎからのフェルミレベル４までの
深さである。これは、バイアスを印加しても変らず、第
１図(c)では、Ｎ層の伝導帯の底９Ｎから電子の擬フェ
ルミ準位８Ｎまでの深さに等しい。この時は第１図(c)
で、Ｎ⁺領域２とＩ領域３における擬フェルミレベル８
Ｎ,８Ｉと伝導帯の底９Ｎが右下がりの傾きを持つよう
になる。この時はＮ⁺領域に電圧降下が生じていること
を意味しており、接合に直列の抵抗成分がつけ加わった
ことになる。この時、外部電圧Ｖと電流密度Ｊとの関係
は式(4)(8)より電圧降下分を補正した関係になる。

この時は、Ｖ−Ｖ_TのかわりにＶ−Ｖ_T−Ｖ_R(J)を置き換
えた式になる。但し、Ｖ_R(J)は電流密度Ｊに対する電圧
降下である。大雑把には次式で与えられる。

Ｖ_R(J)＝(Ｎ⁺層の厚さ)×Ｊ/(Ｎ⁺層の比伝導度) 更に、Ｖ＞Ｖ_T2の時には、更にＰ⁺からＮ⁺への正孔の注
入が始まり、接合を流れる電流はこの両方の注入電流を
加えたものになる。従って、この領域に入るとＪ−Ｖ特
性は多少ゆるやかな傾きを持ち始める。

次にＰ⁺半導体１とＮ⁺半導体２とＩ層３のバンドギャッ
プがすべて等しいホモ接合の場合を考える。この時は、
Ｐ⁺からＮ⁺に、又はＮ⁺からＰ⁺への小数キャリア注入が
同時におこる場合を考えなければならない。しかし、お
の場合もＰとＮのドーピング濃度に差をつけることによ
ってしき値電圧Ｖ_TとＶ_T2を決めることが出来、例えば
Ｖ_T2＞Ｖ_Tであれば同じ議論が成立する。又、ＰとＮの
ドーピング濃度が同じでＶ_T＝Ｖ_T2であれば、同じ閾値
を持った電流電圧特性を示し、やはり、シャープな立上
りの電流電圧特性を得る。

第２図はこの発明の第２の実施例である。第２図(a)に
構造を示す。高濃度のＮ⁺層２−１、高濃度のＰ⁺２−２
が低濃度不純物層Ｉ₂２−３を挟む。第２図(b)に熱平衡
状態におけるバンド図を示す。この場合は第１の実施例
と違って価電子帯にオフセットがある場合である。Ｎ,
Ｉ,Ｐ領域の伝導帯はそれぞれ、２−５Ｎ,２−５Ｉ,２
−５Ｐである。またそれぞれの価電子帯は、２−６Ｎ,
２−６Ｉ,２−６Ｐである。又フェルミレベルは２−４
である。このバンド構造を第１の実施例における第１図
(b)との違いは、Ｎ⁺Ｉ₂層とＩ₂−Ｐ⁺層界面に価電子に
おけるバンドオフセットΔＥ_v1,ΔＥ_v2が存在する点で
ある。この時、電子の閾値電圧Ｖ_Tはフェルミ準位２−
４と、Ｐ⁺層の伝導帯２−５Ｐとの差として定義され
る。一方、ホールの閾値電圧Ｖ′_T2はフェルミ準位とＩ
₂層の価電子帯のエネルギーの一番低い値、即ち、Ｎ⁺層
とＩ₂界面における価電子帯のエネルギーとの差として
定義される。

さて、Ｖ_T＜Ｖ′_T2として、バイアス電圧Ｖを印加した
時の電流と電圧の関係を考えよう。この時のバンド図を
第２図(c)示す。バイアス電圧はＰ領域の擬フェルミ準
位２−８ＰとＮ領域の擬フェルミ準位２−８Ｎとの差で
ある。図から分かるように、Ｖ_T＜Ｖ＜Ｖ′_T2の時は、
Ｎ⁺からＰ⁺への電子の注入だけが起こる。つまり電子
は、Ｉ₂層の伝導帯のポテンシャルの山を越えることが
出来るが、ホールは、Ｉ₂層の価電子帯の山を越えるこ
とが出来ないからである。

さて、Ｎ⁺からＰ⁺に注入された電子の電流の式は実施例
１の場合と同じになる。Ｐ⁺層が一様なバンドキャップ
の時は、(4)式のようになる。又、Ｐ⁺層のバンドキャッ
プ式(5)のような勾配を持っている時は、電流の式は式
(8)のようになる。これらはいずれも、電圧の関数とし
て鋭く立上がる。

又、ホールの注入の価電子帯におけるバリヤーとして
は、Ｐ⁺Ｉ₂界面における価電子帯のエネルギーが作用す
る場合も効果は同様である。このような場合としては、
ΔＥ_V2がΔＥ_v1に比べて大きい時に起こり得る。第３図
はこの発明の第３の実施例を示す図である。第３図(a)
に構造を示す。高濃度のＮ⁺層３−１、高濃度のＰ₊３−
２に、低濃度不純物層Ｉ₂３−３を挟む。第３図(b)に熱
平衡状態におけるバンド図を示す。この場合は第２の実
施例を更に一般化した場合である。Ｎ,Ｉ,Ｐ,領域の伝
導帯はそれぞれ、３−５Ｎ,３−５Ｉ,３−５Ｐである。
またそれぞれの価電子帯は、３−６Ｎ,３−６Ｉ,３−６
Ｐである。又フェルミレベル３−４である。このバンド
構造と第２の実施例における第２図(b)との違いは、更
にＮ⁺Ｉ₂層とＩ₂層とＩ₂−Ｐ⁺層界面の伝導帯、価電子
帯それぞれにバンドオフセットΔＥ_c1,ΔＥ_c2,ΔＥ_v1,
ΔＥ_v2が存在する点である。又、この場合の電子の閾値
電圧Ｖ′_Tは、フェルミ準位３−４と、Ｉ₂−Ｐ⁺界面に
おけるＩ₂層の伝導帯のトップとの差として定義されて
いる。ホールの閾値電圧Ｖ′_T2は実施例２と同じであ
る。

さて、Ｖ′_T＜Ｖ′_T2として、バイアス電圧Ｖを印加し
た時の電流と電圧の関係を考えよう。この時のバンド図
を第３図(c)に示す。バイアス電圧は、Ｐ領域の擬フェ
ルミ準位３−８ＰとＮ領域の擬フェルミ準位３−８Ｎと
の差である。図から分かるように、Ｖ′_T＜Ｖ_T＜Ｖ′_T2
の時は、Ｎ⁺からＰ⁺への電子の注入だけが起こる。つま
り電子は、Ｉ₂層の伝導帯のポテンシャルの山を越える
ことが出来るが、ホールは、Ｉ₂層の価電子帯の山を越
えることが出来ないからである。

さて、この実施例３で、電子の注入だけが起こる時、伝
導帯のバンドオフセットΔＥ_c1,ΔＥ_c2の値によって様
々のケースが起こり得る。ここで第３図(b)でＮ層の電
子の伝導帯３−５Ｎからフェルミレベル３−４までの深
さＥ_Fとこれらのオフセットの関係が重要になる。今は
Ｅ_F＜ΔＥ_c1の場合を考えている。ΔＥ_c2＝０の時は、
電流電圧特性は、Ｐ⁺層のバンドギャップが均一な場合
もバンドギャップに勾配がある場合も同様である。但
し、閾値電圧としてはＶ′_Tを用いる。ΔＥ_c2≪Ｅ_Fの時
にも基本的には状況は変わらない。電流はＶ＝Ｖ′_Tで
鋭く立上がる。ΔＥ_c2が大きくなった時には注入された
電子の輸送方程式を解き、電流の式を解くのは複雑な問
題となるが、定性的には以下のように考えられる。第３
図(c)のように、Ｖ−Ｖ′_T＞０の時には、注入される電
子の密度は(3)式でＶ_TのかわりにＶ′_Tと置いたものに
なる。ΔＥ_c2＝０の時との違いは、この注入された電子
が、Ｐ⁺領域の伝導帯３−９Ｐに入ると、ΔＥ_c2の運動
エネルギーを余分に持つことになる。このため電子は熱
平衡からずれたホットエレクトロンになる。０＜Ｖ−
Ｖ′_TＥ_F≪ΔＥ_c2を考えると、この時の電子の運動エ
ネルギーは、電子のフェルミエネルギーより大きい。従
って、電子は非縮退状態にある。Ｐ⁺が均一なバンドギ
ャップの場合は、電子に働く電界は存在しないので拡散
電流が流れる。この時の拡散係数はアインシュタインの
関係により電子温度に比例すると考えられ、(1)式のよ
うに電子密度には依存しない。従って拡散方程式(2)は
電子密度ｎについて線型の方程式である。

但し、拡散係数は場所によって変化しても良い。ｘ＝０
における境界条件は、(3)式であるから、電流の表式
は、 Ｊ∝ｎ(0) ∝(Ｖ−Ｖ′_T)^2/3 と書ける。この式は依然としてＶの関数としてＶ′_Tで
鋭く立上がる関数である。

次にＥ_F＜ΔＥ_c1の時は、次のようにする。この時は、
Ｎ⁺とＩ₂層との間に高ドープのＮ⁺⁺層を挟み、局所的に
Ｅ_Fを深くして、Ｎ⁺⁺層とＩ₂の界面では電子の擬フェル
ミレベルがＩ₂層の伝導帯より上に来るようにする。

尚、実施例１,３ではＮ⁺バンドギャップがＰ⁺のバンド
ギャップよりも広く描いているが、必ずしもその必要は
なく、これらは等しくても逆でもよい。

第４図は本発明の第４の実施例である。第４図(a)に構
造を示す。高不純物濃度のＰ⁺層４−１とＮ⁺層４−４の
間に低不純物のＰ−層４−２とＮ^-層４−３をはさんで
ある。第４図(b)に熱平衡でのバンド構造を示す。４−
５はフェルミレベルである。Ｐ⁺,Ｐ^-,Ｎ^-,Ｐ⁺ 層の伝導
帯を夫々４−６Ｐ⁺,４−６Ｐ^-,４−６Ｎ^-,４−６Ｎ⁺と
する。同じく価電子帯を夫々、４−７Ｐ⁺,４−７Ｐ^-,４
−７Ｎ^-,４−７Ｎ⁺で示してある。さて、このＮ^-,Ｐ^-層
の存在によってＮ⁺,Ｐ⁺間にトンネル電流は流れない。
Ｎ⁺,Ｐ⁺のドーピングレベルやＮ⁺層バンドギャップの巾
によって、Ｎ^-,Ｐ^-がなくてもトンネル電流が流れなけ
れば、Ｎ^-,Ｐ^-層はなくてもよい。このような構造で
も、先に述べたように、電流がある閾値電圧を境にし
て、電圧の関数として鋭く立上がる。但し閾値電圧Ｖ_T
としては、フェルミレベル４−５とＰ⁺層の伝導帯４−
６Ｐ⁺との差と定義する。但し場合によっては、Ｎ^-層の
Ｐ^-層との界面における伝導帯４−８が、バイアス電圧
ＶがＶ＝Ｖ_Tの時に、電子のバリヤーとして働く場合も
あり得る。しかしこの場合も、Ｖ_Tに適当な補正を加え
れば話は同じである。又Ｎ^-,Ｐ^-層はＩ層(ノンドープ
層)でもよい。

以上述べた全てのＰＮ接合を用いて、接合トランジスタ
を作ることが出来る。次にこれを説明する。

第５図は本願第２の発明の実施例である。第５図(a)は
半絶縁性のＩｎＰ基板５−１の上に５×１０¹⁸ｃｍ^-3の
ドナー(Ｓｉ)をドープした厚さ５０００ÅのＩｎＧａＡ
ｓ層のコレクター層５−１′、５×１０¹⁶ｃｍ^-3のドナ
ー(Ｓｉ)をドープした厚さ５０００ÅのＩｎＧａＡｓの
コレクター層５−１”、１×１０¹⁹ｃｍ^-3のアクセプタ
(Ｂｅ)をドープした厚さ５００〜２０００Åのベース層
５−２、その上にバンドギャップを連続的に変えたエミ
ッタ層５−３′、５−３、その上に２×１０¹⁹ｃｍ^-3の
ドナー(Ｓｉ)をドープしたＩｎＡｌＡｓのエミッタ５−
４を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタの断面
図である。ＩｎＰ基板５−１上の層は気相エピタキシャ
ル成長法又は分子線エピタキシャル成長法によって形成
出来る。第５図(b)にバンド図を示す。ＩｎＰ基板と格
子定数が一致するためにはIII族の元素におけるＩｎの
割合を一定値(ｘ＝０．５２)に保っておけばよい。III
族元素の成分の割合の中でＧａとＡｌの割合を変えて行
くと、ＩｎＰに格子定数を一定させたバンドキャップを
ＩｎＡｌＡｓの１．４５ｅＶからＩｎＧａＡｓの０．７
５ｅＶまで連続的に変えることが出来る。本実施例では
ベース層５−２でエミッタ側をＩｎ_x(Ｇａ_0.85Ａ
ｌ_0.15)_1-xＡｓ、コレクター側をＩｎＧａＡｓとして、
ＧａとＡｌの組成比を連続的に変えバンドキャップを
０．８５ｅＶから０．７５ｅＶまで変えてある。又エミ
ッターのグレーデッドギャップ層５−３，５−３′では
ベースとの界面までのＧａとＡｌの組成比をＩｎ_x(Ｇａ
_0.85Ａｌ_0.15)_1-xＡｓからＩｎＡｌＡｓまで変えて、バ
ントギャップを０．８５ｅＶから１．４５ｅＶまで連続
的に変えてある。このエミッタグレーデッドギャップ層
では、２×１０^-19ｃｍ^-3のドナーをドープした層５−
３とベース５−２との間にノンドープの薄い層５−３′
を挟んでいる。この厚さは、エミッタベースを低いバイ
アス電圧で順方向バイアスした時にトンネル電流が流れ
ない厚さであればよく、１００Åもあれば十分である。
もう一つの考慮すべき条件として、エミッタベース間の
キャパシタンスを下げるために厚い方がよいが、順方向
の抵抗が増えてはいけない。従って大体５００〜５０Å
の間が適当である。又この層はこの実施例ではノンドー
プであるが、１０¹⁶ｃｍ^-3以下の低不純物濃度のｎ型又
はｐ型でも良い。

さて、このトランジスタ構造での、エミッタベース間の
順方向電流Ｊとエミッタ接地の電流利得ｈ_FEは で与えられる。但し、ΔＥ_gはエミッタベース接合での
バンドギャップからベースクレクタ間のバンドギャップ
を差引いたバンドギャップ差、Ｗ_Bはベース幅である。
ｍ＝０．０４５×９．１×１０^-29ｇ、μ＝１０００ｃ
ｍ²/Ｖ・ｓｅｃ、Ｗ_b＝５００Å、ΔＥ_g＝０．１ｅＶと
するとＪ＝１．４×１０⁷(Ｖ−Ｖ_T)^3/2Ａ/ｃｍ²を得
る。この式で、Ｊ＝１０³〜１０⁵Ａ/ｃｍ²を得るにはＶ
−Ｖ_T＝１〜２１．５ｍＶをとればよい。この実施例で
は動作温度は４．２ｋ以下の極低温のであるがエミッタ
とベースのドーピング濃度をより高くすれば７７ｋ程度
でも動作する。本願の第２の発明の第２の実施例とし
て、第５図のベース領域５−２がＩｎＧａＡｓで一様な
バンドギャップ０．７５ｅＶであるヘテロバイポーラト
ランジスタを考える。この時はエミッタグレーデッドギ
ャップ層５−３′,５−３で組成をＩｎＧａＡｓからＩ
ｎＡｌＡｓまで連続的にＧａとＡｌの組成比を変えて、
バンドギャップを０．７５ｅＶから１．４５ｅＶまで変
える。又エミッタを例えば、Ｉｎ_x(Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5)_1-x
Ａｓとして、１ｅＶにしてもよく、この時はグレーデッ
ド層のバッドギャップは０．７５から１ｅＶで良い。さ
て、この時はベース電流は拡散電流が支配的になり、ベ
ースエミッタの順方向電流密度Ｊと電流利得ｈ_FEは次式
のように書ける。

第１の実施例と同じ数値を用いると、次式を得る。

Ｊ＝３．２×１０⁸(Ｖ−Ｖ_T) この式でＪ＝１０³〜１０⁵Ａ/ｃｍ²であるためにはＶ−
Ｖ_T＝８〜１７１ｍＶであれば良い。以上から分かるよ
うに高い電流密度レベルを得るのに小さいバイアスを印
加すれば良いので、従来の素子に比べて非常に小さい論
理振幅のトランジスタが実現できる。この実施例では動
作温度は４．２ｋ以下の極低温であるが、エミッタベー
スのドーピング濃度をより高くすれば７７ｋ程度でも動
作する。

次に本願第２の発明の第３の実施例として、第１の実施
例でベース幅を挟くした場合も考える。ベース幅として
は注入された電子の平均自由工程ｅよりも薄い幅である
とする。ベースの半導体における電子の易動度をμと
し、バンドギャップ勾配の電界Ｆ＝ΔＥ_g/_gＷ_Bとし、電
子の緩和時間をτとすると、平均自由工程ｅは 但し、ｖは電子のドリフト速度、τは衝突緩和時間であ
る。従って、μが大きく、Ｆが大きければ自由工程を大
きくすることが出来る。ベース幅がこのｅより小さけれ
ば、エミッタから注入された電子は、散乱されることな
くコレクターに到達する。この条件は上の式でｅ＝Ｗ_B
とおき、Ｗ_Bについて解くと次式を得る。

この式でμ＝１０００ｃｍ²/Ｖ・ｓｅｃ ｍ＝０．１×
９．１×１０^-28ｇ,ｑ＝１．６×１０^-19Ｃ ΔＥ_g＝
０．１ｅＶとおくと Ｗ_B＝２３８Å を得る。

従ってこの実施例のようなトランジスタの構造では、ベ
ース幅を２３８Å以下にすれば、注入された電子はベー
ス領域では散乱されないでコレクターに達する。

こうした条件下ではエミッタベース間の電流はエミッタ
にある縮退した電子ガスが電子のないベース中に放出さ
れる時の電流を計算すれば良い。こうして計算した電流
密度Ｊとエミッタベース間のバイアス電圧Ｖの関係は次
式で与えられる。

但し、Ｖ_Tは第１の実施例で定義した閾値電圧である。
今、ｍ＝０．１×９．１×１０^-28ｇ,ｈ＝１．０５×１
０^-27ｅｒｇ・ｓｅｃ,ｑ＝１．６×１０^-19Ｃを代入する
と、次式を得る。

Ｊ＝７．９×１０⁸(Ｖ−Ｖ_T)² Ａ/ｃｍ² ＪはやはりＶの急速に立上がる関数である。例えばＪ＝
１０³〜１０⁵Ａ/ｃｍ²を得るのにＶ−Ｖ_T＝１．１ｍＶ
〜１１ｍＶであれば良い。つまりこのトランジスタは非
常に小さい論理振幅で動作する。しかも、ベースで電子
が散乱されないのでしゃ断周波数が非常に高い。

第１,第３の実施例ベース幅によって電子がベース中で
何回も散乱される場合と全然散乱をされない場合を示し
ている。しかし、ベース中で数回散乱されるような場合
が考えられる。いづれの場合でもＪはＶの急速に立上が
る関数であることに変りはない。

これは本発明で提案したエミッタの構造によるもので、
このように第１と第３の実施例の中間的な場合にも本発
明は有効なものである。

又第２の発明の第１,第２の発明においてエミッタとベ
ースの接合の構造に関して第１の発明の第２,第３,第４
の実施例のようなＰＮ接合を用いた場合も本発明に含ま
れる。

（発明の効果） 本発明の接合を用いると、非常に小さい電圧振幅で接合
をオンオフさせることが出来る。また、これらの接合を
トランジスタに用いると論理振幅を非常に小さくするこ
とができ、高速・高集積のバイポーラＬＳＩが実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)(b)(c)は夫々薄いグレーディング層をはさむ
縮退したＰ⁺Ｎ⁺接合の断面図、熱平衡におけるバンド
図、バイアス印加時におけるバンド図である。 第２図(a)(b)(c)はＰ⁺Ｎ⁺接合にはさまれた薄い層がワ
イドギャップであり且つ、伝導帯がなめらかに、下がっ
た場合の同様の図である。 第３図(a)(b)(c)は、第２図と同様の図で、違いは、伝
導帯にもバンドオフセットがある場合の図である。 第４図(a)(b)はＮ⁺とＰ⁺にはさまれた層が、Ｎ^-,Ｐ^-又
は１層である場合の断面図とバンド図である。 第５図(a)(b)はそれぞれ本願第２の発明の実施例を示す
断面図およびバンド図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/91

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＰＮ接合において、Ｐ領域とＮ領域の半導
   体の両方が強く縮退し、ＰＮ接合にトンネル電流が流れ
   ない程度の厚さの不純物を含まないかあるいは低不純物
   濃度の領域をＰ領域とＮ領域の間に有し強く縮退した領
   域のキャリアがポテンシャルバリヤをこえて注入される
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】Ｐ型領域とＮ型領域の間の一方のバンドギ
   ャップが他方より広い特許請求の範囲第１項記載の半導
   体装置。
3. 【請求項３】ＰＮ接合の間にＰ型、Ｎ型半導体のいずれ
   よりもバンドギャップの広い半導体をはさみ、且つ伝導
   帯又は価電子帯のいずれかのバンド端がなめらかにつな
   がっているかそれに近い条件である特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の半導体装置。
4. 【請求項４】Ｐ領域とＮ領域の半導体の両方が強く縮退
   し、ＰＮ接合にトンネル電流が流れない程度の厚さでし
   かも不純物を含まないかあるいは低不純物濃度の領域を
   Ｐ領域とＮ領域の間に有し強く縮退した領域のキャリア
   がポテンシャルを越えて注入されるＰＮ接合をエミッタ
   −ベース接合あるいはベース−コレクタ接合のいずれか
   または両方に用いることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】Ｐ型領域とＮ型領域の間の一方のバンドギ
   ャップが他方より広い特許請求の範囲第４項記載の半導
   体装置。
6. 【請求項６】ＰＮ接合の間にＰ型、Ｎ型半導体のいずれ
   よりもバンドギャップの広い半導体をはさみ、且つ伝導
   帯又は価電子帯のいずれかのバンド端がなめらかにつな
   がっているかそれに近い条件である特許請求の範囲第４
   項または第５項記載の半導体装置。