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JPH0766974B2 - Tunnel transistor - Google Patents
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JPH0766974B2 - Tunnel transistor - Google Patents

Tunnel transistor

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JPH0766974B2
JPH0766974B2 JP5048086A JP4808693A JPH0766974B2 JP H0766974 B2 JPH0766974 B2 JP H0766974B2 JP 5048086 A JP5048086 A JP 5048086A JP 4808693 A JP4808693 A JP 4808693A JP H0766974 B2 JPH0766974 B2 JP H0766974B2
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JP
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semiconductor
gaas
tunnel
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transistor
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哲也 植村
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は高集積化、高速動作が可
能なトンネル現象利用のトランジスタに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a transistor utilizing a tunnel phenomenon, which can be highly integrated and can operate at high speed.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体表面におけるp+ −n+ 接合での
トンネル現像を利用し、通常のSiMOSFETやGa
As MESFETとは動作原理の異なるトランジスタ
としてトンネルトランジスタが提案されている。このデ
バイスについては例えば、馬場、植村による特願平3−
341594号明細書に記載されている。このトランジ
スタはMOSFETの微細化の極限で問題となってくる
アバランシーやトンネル効果を積極的に利用したもので
あり、高集積化を可能にする。この従来のトンネルトラ
ンジスタの構造と動作をその構造図を元に簡単に説明す
る。
2. Description of the Related Art Utilizing tunnel development at a p + -n + junction on the surface of a semiconductor, a conventional Si MOSFET or Ga is used.
A tunnel transistor has been proposed as a transistor whose operating principle is different from that of As MESFET. Regarding this device, for example, Japanese Patent Application No. 3 by Baba and Uemura
No. 3,415,594. This transistor positively utilizes the avalanche and tunnel effect, which are problems at the limit of miniaturization of MOSFET, and enables high integration. The structure and operation of this conventional tunnel transistor will be briefly described with reference to the structural diagram.

【0003】図2は従来のトンネルトランジスタの構造
模式図である。図2において、1は縮退していない基
板、2は一導電型を有し縮退している第1の半導体、3
は縮退していない第2の半導体、5は第1の半導体と反
対の導電型を有する第4の半導体、6は第2の半導体3
上に設けられた第5の半導体、7は第5の半導体上に設
けられたゲート電極、8は第1の半導体2とオーミック
接触を形成するソース電極、9は第4の半導体とオーミ
ック接触を形成するドレイン電極である。
FIG. 2 is a schematic diagram of the structure of a conventional tunnel transistor. In FIG. 2, 1 is a non-degenerate substrate, 2 is a degenerate first semiconductor having one conductivity type, 3
Is a non-degenerate second semiconductor, 5 is a fourth semiconductor having a conductivity type opposite to that of the first semiconductor, and 6 is a second semiconductor 3.
A fifth semiconductor provided above, 7 is a gate electrode provided on the fifth semiconductor, 8 is a source electrode forming ohmic contact with the first semiconductor 2, and 9 is ohmic contact with the fourth semiconductor. It is a drain electrode to be formed.

【0004】この従来のトンネルトランジスタの動作に
ついて、基板1に半絶縁性GaAs、第1の半導体2に
+ −GaAs、第2の半導体3にアンドープGaA
s、第4の半導体5にp+ −GaAs、第5の半導体6
にn−Al0 . 3 Ga0 . 7 Asとその上にアンドープ
Al0 . 6 Ga0 . 4 Asを積層したもの、ゲート電極
7にAl、ソース電極8にAuGe、ドレイン電極9に
AuZnを例に説明する。第5の半導体6にn型イオン
化不純物が添加してあるため、第2の半導体(アンドー
プGaAs)表面には変調ドープ構造により二次元電子
ガスが蓄積している(図中「−」で表示)。この二次元
電子ガスの濃度が高く第2の半導体表面が縮退している
と、第4の半導体であるp+ −GaAs層5とのあいだ
に江崎ダイオード(トンネルダイオード)と同様の接合
が形成される。この状態でソース・ドレイン間に電圧を
印加するとトンネル電流が流れる。二次電子ガスの濃度
によりトンネル障壁幅がかわり、トンネル電流が変調を
受けるが、この二次元電子ガス濃度はゲート電圧により
制御することができるのでトランジスタ動作が実現され
る。
Regarding the operation of this conventional tunnel transistor, semi-insulating GaAs is used for the substrate 1, n + -GaAs is used for the first semiconductor 2, and undoped GaA is used for the second semiconductor 3.
s, p + -GaAs on the fourth semiconductor 5 and the fifth semiconductor 6
N-Al 0 to. 3 Ga 0. 7 As an undoped Al 0 thereon. 6 Ga 0. 4 obtained by laminating As, Al gate electrode 7, AuGe source electrode 8, the AuZn the drain electrode 9 cases Explained. Since n-type ionized impurities are added to the fifth semiconductor 6, two-dimensional electron gas is accumulated on the surface of the second semiconductor (undoped GaAs) due to the modulation doping structure (indicated by "-" in the figure). . When the concentration of this two-dimensional electron gas is high and the surface of the second semiconductor is degenerated, a junction similar to an Esaki diode (tunnel diode) is formed between the second semiconductor surface and the p + -GaAs layer 5 which is the fourth semiconductor. It When a voltage is applied between the source and drain in this state, a tunnel current flows. The tunnel barrier width changes depending on the concentration of the secondary electron gas, and the tunnel current is modulated. However, since the concentration of the two-dimensional electron gas can be controlled by the gate voltage, the transistor operation is realized.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】この素子では、第5の
半導体へ不純物を添加することにより、第2の半導体表
面に二次元電子ガスを蓄積させるため、より高濃度の電
子を蓄積させるにはこの不純物の添加量を大きくする必
要がある。ところが、この不純物の添加量には限界があ
り、二次元電子ガス濃度は制限される。しかも、不純物
の添加量が大きいとゲートの絶縁性が悪くなり、ゲート
リーク電流が増加する。そのため、高電流密度動作は困
難である。
In this device, since a two-dimensional electron gas is accumulated on the surface of the second semiconductor by adding an impurity to the fifth semiconductor, it is necessary to accumulate electrons of higher concentration. It is necessary to increase the amount of this impurity added. However, the amount of this impurity added is limited, and the two-dimensional electron gas concentration is limited. Moreover, if the amount of impurities added is large, the gate insulating property deteriorates, and the gate leakage current increases. Therefore, high current density operation is difficult.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のトランジスタで
は、一導電型を有する縮退した第1の半導体、縮退して
いない第2の半導体、前記第1の半導体と同じ導電型を
有する第3の半導体、前記第1の半導体と反対の導電型
を有し縮退した第4の半導体とが隣接した構造を有し、
少なくとも前記第2および第3の半導体の表面にこの第
2および第3の半導体よりも禁止帯幅が広い材料からな
り、イオン化不純物を一部または全体に含有する第5の
層と、この第5の層上にショットキー電極を有し、前記
第1の半導体と第4の半導体にそれぞれオーミック接合
を形成する電極を有することを特徴としている。
In a transistor of the present invention, a degenerate first semiconductor having one conductivity type, a non-degenerate second semiconductor, and a third semiconductor having the same conductivity type as the first semiconductor. A semiconductor, and a structure in which a degenerate fourth semiconductor having an opposite conductivity type to the first semiconductor is adjacent,
A fifth layer which is made of a material having a band gap wider than that of the second and third semiconductors on at least the surfaces of the second and third semiconductors and partially or entirely contains ionized impurities, and the fifth layer. Is characterized by having a Schottky electrode on the layer and having electrodes for forming ohmic junctions in the first semiconductor and the fourth semiconductor, respectively.

【0007】[0007]

【作用】本発明は、前述の従来のトンネルトランジスタ
の第2と第4の半導体の間に第1の半導体と同一の導電
型を示すイオン化不純物を添加した第3の半導体を挿入
している。それによって、第3の半導体表面には第2の
半導体表面より高濃度のキャリアが蓄積でき、トンネル
電流が増す。
According to the present invention, a third semiconductor doped with an ionized impurity having the same conductivity type as the first semiconductor is inserted between the second and fourth semiconductors of the conventional tunnel transistor described above. As a result, carriers having a higher concentration than the surface of the second semiconductor can be accumulated on the surface of the third semiconductor, and the tunnel current increases.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明について実施例を示す図面を参
照して詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the drawings showing embodiments.

【0009】図1は本発明の実施例を示す模式図であ
る。図1において図2と同じ記号は図2と同等物で同一
機能を果たすものである。また、4は第3の半導体であ
る。以下、基板1に半絶縁性GaAs、第1の半導体2
にn+ −GaAs、第2の半導体3にアンドープGaA
s、第3の半導体4にn+ −GaAs、第4の半導体5
にp+ −GaAs、第5の半導体6にn−Al0 . 3
0 . 7 Asの上にアンドープAl0 . 6 Ga0 . 4
sを形成したもの、ゲート電極7にAl、ソース電極8
にAuGe、ドレイン電極9にAuZnを用いて説明す
る。第3の半導体にはn型のイオン化不純物が添加され
ているため、変調ドープ構造による電子の蓄積量は第2
の半導体のそれよりも大きくなる。従って、ドレイン
(p+ −GaAs)端における電子濃度は従来の構造に
比べて高くなり、その結果トンネル障壁幅が小さくな
り、トンネル電流密度の増加につながる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same symbols as those in FIG. 2 are equivalent to those in FIG. 2 and perform the same functions. Further, 4 is a third semiconductor. Hereinafter, the semi-insulating GaAs and the first semiconductor 2 are formed on the substrate 1.
Is n + -GaAs, and the second semiconductor 3 is undoped GaA.
s, the third semiconductor 4 is n + -GaAs, the fourth semiconductor 5
P + -GaAs, n-Al 0 to the fifth semiconductor 6 in. 3 G
a 0. 7 undoped Al 0 on the As. 6 Ga 0. 4 A
s formed, Al on the gate electrode 7, source electrode 8
And AuZn for the drain electrode 9 will be described. Since the n-type ionized impurity is added to the third semiconductor, the amount of electrons accumulated by the modulation doping structure is the second.
Will be larger than that of semiconductors. Therefore, the electron concentration at the drain (p + -GaAs) end becomes higher than that in the conventional structure, and as a result, the tunnel barrier width becomes smaller, which leads to an increase in tunnel current density.

【0010】素子の作製は以下のとおりである。基板上
に分子線エピタキシャル法により第1の半導体から第4
の半導体として、n+ −GaAs(1x101 9 cm
- 3 ,300nm)、アンドープGaAs(200n
m)、n+ −GaAs(2x101 9 cm- 3 ,5n
m)、p+ −GaAs(5x101 9 cm- 3 ,100
nm)、を基板温度520℃で順次成長する。次にリソ
グラフィとエッチングによりドレイン領域をメサ形状に
残し、第1の半導体であるn+ −GaAsの一部を露出
させる。有機洗浄によるクリーニングを行った後、再び
試料をMBE装置に導入し、形成した構造表面にn−A
0 . 3 Ga0 . 7 As(1x101 9 cm-3 ,10
nm)およびアンドープAl0 . 6 Ga0 . 4 As(4
0nm)を再成長させる。その後、ゲート電極のAlを
蒸着し、Alおよびn−Al0 . 3 Ga0 . 7 As/i
−Al0 . 6 Ga0 . 4 As層をゲート電極形状にエッ
チングする。リフトオフにより、AuGeをn+ −Ga
As上に形成し、アロイすることでソース電極とする。
最後にリフトオフによりドレイン電極であるAuZnを
+ −GaAs上に形成し、トンネルトランジスタの作
製を完了する。作製した素子は順方向バイアス下でゲー
ト電圧に依存した負性抵抗特性を示した。得られたピー
ク電流値はゲート電圧がOVのときおよそ0.7μA/
μmであった。
Fabrication of the device is as follows. From the first semiconductor to the fourth on the substrate by molecular beam epitaxy
N + -GaAs (1x10 19 cm
-3 , 300 nm), undoped GaAs (200 n
m), n + -GaAs (2 × 10 19 cm −3 , 5n
m), p + -GaAs (5 × 10 19 cm −3 , 100
nm) is sequentially grown at a substrate temperature of 520 ° C. Then, the drain region is left in a mesa shape by lithography and etching to expose a part of the first semiconductor, n + -GaAs. After cleaning by organic cleaning, the sample was again introduced into the MBE device, and n-A was formed on the surface of the formed structure.
l 0. 3 Ga 0. 7 As (1x10 1 9 cm -3, 10
nm) and undoped Al 0. 6 Ga 0. 4 As (4
0 nm) is regrown. Then, Al was deposited the gate electrode, Al and n-Al 0. 3 Ga 0 . 7 As / i
-Al 0. 6 Ga 0. Etching the 4 As layers into the shape of a gate electrode. Lift off the AuGe to n + -Ga
It is formed on As and is alloyed to form a source electrode.
Finally, AuZn, which is the drain electrode, is formed on p + -GaAs by lift-off, and the fabrication of the tunnel transistor is completed. The fabricated device showed negative resistance characteristics depending on the gate voltage under forward bias. The obtained peak current value is about 0.7 μA / when the gate voltage is OV.
was μm.

【0011】なお図1の実施例は基板をメサエッチング
して、ドレインをソースより高くしその間を第1〜第4
の半導体層が順に積層されている構造を示したが、通常
のトランジスタと同じくソースとドレインが基板上で同
じ平面内にあり、ソース・ドレイン間に第1〜第4の半
導体が隣接して形成されている平面的な構造でも良いこ
とは明らかである。
In the embodiment shown in FIG. 1, the substrate is mesa-etched so that the drain is higher than the source and the first to fourth portions are provided between them.
The semiconductor layers are sequentially stacked. However, the source and drain are on the same plane on the substrate as in a normal transistor, and the first to fourth semiconductors are formed adjacent to each other between the source and the drain. It is obvious that the planar structure described above may be used.

【0012】また図1の実施例では第3の半導体層は層
をなしているが、少なくとも第5の半導体と接する部分
にあれば充分で、むしろこの構造の方が好ましい。
Although the third semiconductor layer is a layer in the embodiment of FIG. 1, it is sufficient if it is in contact with at least the fifth semiconductor, and this structure is preferable.

【0013】また図1の実施例ではn+ −GaAs4を
5nmと薄くしている。この領域のキャリアのシート濃
度(単位面積当たりのキャリア濃度、図1の例では2×
101 9 cm- 3 ×5nmで1×101 3 cm- 2 )が
同じなら薄い方が特性上望ましい。
Further, in the embodiment of FIG. 1, n + -GaAs 4 is thinned to 5 nm. Sheet density of carriers in this area (carrier density per unit area, 2 × in the example of FIG. 1)
10 1 9 cm - 3 × 5nm at 1 × 10 1 3 cm - 2 ) If the same thinner is the characteristics desired.

【0014】以上の実施例では第1の半導体、第3の半
導体および第5の半導体の導電型としてn型、第4の半
導体としてp型のものしか示さなかったが、これらの導
電型を逆にしても同様の動作が得られる。また、第5の
半導体のかわりに第2および第3の半導体よりも禁止帯
幅の大きい絶縁層を用いてもよい。さらに、用いる材料
として、GaAs/AlGaAs系以外にも、SiGe
/Si、Ge/GaAs、InGaAs/InAlA
s、GaSb/AlGaSbなど他の半導体でも本発明
が適用できることは明らかである。
In the above embodiment, only the n-type conductivity type and the p-type conductivity type of the fourth semiconductor are shown for the first semiconductor, the third semiconductor and the fifth semiconductor. However, these conductivity types are reversed. However, the same operation can be obtained. Further, instead of the fifth semiconductor, an insulating layer having a bandgap larger than those of the second and third semiconductors may be used. Further, as a material to be used, other than GaAs / AlGaAs system, SiGe
/ Si, Ge / GaAs, InGaAs / InAlA
It is obvious that the present invention can be applied to other semiconductors such as s and GaSb / AlGaSb.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明のトンネルトランジスタの構造に
より、トンネル電流密度が増加する。
The tunnel current density is increased by the structure of the tunnel transistor of the present invention.

【0016】例えば図1の構造で第3の半導体層4がな
いものと比べると、電流密度はおよそ20倍に増加し
た。
For example, compared with the structure of FIG. 1 without the third semiconductor layer 4, the current density is increased about 20 times.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the present invention.

【図2】従来のトンネルトランジスタの構造図である。FIG. 2 is a structural diagram of a conventional tunnel transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 第1の半導体 3 第2の半導体 4 第3の半導体 5 第4の半導体 6 第5の半導体 7 ゲート電極 8 ソース電極 9 ドレイン電極 1 substrate 2 1st semiconductor 3 2nd semiconductor 4 3rd semiconductor 5 4th semiconductor 6 5th semiconductor 7 gate electrode 8 source electrode 9 drain electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 29/872 8826−4M H01L 29/48 H ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication location H01L 29/812 29/872 8826-4M H01L 29/48 H

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一導電型を有する縮退した第1の半導
体、縮退していない第2の半導体、前記第1の半導体と
同じ導電型を有する第3の半導体、前記第1の半導体と
反対の導電型を有し縮退した第4の半導体とが隣接した
構造を有し、少なくとも前記第2および第3の半導体の
表面にこの第2および第3の半導体よりも禁止帯幅が広
い材料からなり、イオン化不純物を一部または全体に含
有する第5の層と、この第5の層上にショットキー電極
を有し、前記第1の半導体と第4の半導体にそれぞれオ
ーミック接合を形成する電極を有することを特徴とする
トンネルトランジスタ。
1. A degenerate first semiconductor having one conductivity type, a non-degenerate second semiconductor, a third semiconductor having the same conductivity type as the first semiconductor, and an opposite of the first semiconductor. A fourth semiconductor having a conductivity type and a degenerate fourth semiconductor adjacent to each other, and at least on the surfaces of the second and third semiconductors made of a material having a wider band gap than the second and third semiconductors; A fifth layer containing ionized impurities in a part or the whole thereof, and a Schottky electrode on the fifth layer for forming ohmic junctions on the first semiconductor and the fourth semiconductor respectively. A tunnel transistor having.
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