(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の隣合うミニバンドとこれらの各ミニバンドを隔てる１または複数のミニギャップとを有する半導体超格子構造を備え、前記ミニバンドのうち、高ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドをエミッタとコレクタとをつなぐキャリア走行用のチャネルとして用い、低ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドを制御電圧印加用として用い、且つ、前記高ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドと低ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドとを隔てるミニギャップのエネルギ幅を、ＬＯフォノンのエネルギよりも大きく設定するように構成したことを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マイクロ波デバイス，超高速ディジタルデバイスに使用される化合物半導体トランジスタとして利用可能な半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来のホットエレクトロントランジスタ（ＨＥＴ）の伝導帯プロファィルを示す模式図である。このＨＥＴでは、キャリアを電子とすると、エミッタからの電子が、エミッタ・ベース間に形成されたポテンシャル障壁をトンネル効果で通り抜け、更にベースを通過してベース・コレクタ間のポテンシャル障壁を越えてコレクタに到達することによって、電流が流れる。そして、ベース・エミッタ間電圧ＶＢＥを制御することによって両者の間のポテンシャル障壁の大きさを変化させて、電子のトンネル確率を変化させ、コレクタへの電子の到達度を可変としてエミッタ・コレクタ間電流ＩＣ  （以下、単にコレクタ電流ＩＣ  という）を制御でき、トランジスタとして動作する。
【０００３】
エミッタからベースに注入された電子は、ベース領域で高い運動エネルギを有するホットエレクトロンとなって高速にベース領域を通過するので、電子走行時間が短く、トランジスタ動作速度の高速化を実現できる。また、ベースにＰ型の半導体を用いるバイポーラトランジスタに現れるベースへの少数キャリアの蓄積効果がＨＥＴには見られない点も、動作の高速化には有利である。更に、ＨＥＴではバイポーラトランジスタと同様に、コレクタ電流ＩＣ  の増加に伴って相互コンダクタンスが増加するので、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に比べて駆動能力は高く、高集積化された場合にも動作の高速性が維持される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＥＴは、確実に電子がコレクタに到達する場合には上述したような高速性に優れているという利点を有しているが、現実には以下に示すような問題点があり、その解決が望まれている。ベースに注入された電子の一部は、例えばＬＯフォノンによる散乱などの非弾性散乱の影響を受けてその運動エネルギが数１０ｍＶずつ失われていき、ベース・コレクタ間のポテンシャル障壁を乗り越えられずにコレクタまで到達できなくなる。従って、このような散乱を受けた電子は、コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥを増加させなければ、コレクタに到達できない。この結果、コレクタ電流ＩＣ  はこの電圧ＶＣＥの増加と共に増大し、図８に示すような非飽和特性を示すこととなる。このような非飽和特性を有するＨＥＴを実際の回路に使用した場合には、入力に対する出力が非線形性を呈して問題となる。更に、非弾性散乱の影響によりコレクタに到達しなかった電子がベース電流ＩＢ  に加わるので、素子特性としての増幅率β（＝ΔＩＣ  ／ΔＩＢ  ）が減少するという問題もある。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、上述のＨＥＴのベースとして利用した場合に、散乱を受けても電子が確実にコレクタまで到達できる半導体素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体素子は、２つ以上の隣合うミニバンドとこれらの各ミニバンドを隔てる１または複数のミニギャップとを有する半導体超格子構造を備え、前記ミニバンドのうち、高ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドをエミッタとコレクタとをつなぐキャリア走行用のチャネルとして用い、低ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドを制御電圧印加用として用い、且つ、前記高ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドと低ポテンシャルエネルギ側にあるミニバンドとを隔てるミニギャップのエネルギ幅を、ＬＯフォノンのエネルギよりも大きく設定するように構成したことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
ミニギャップによって互いに隔てられた２つ以上のミニバンドを有する半導体超格子構造を備えた本発明の半導体素子をＨＥＴのベースに使用する場合、高ポテンシャルエネルギ側にある１つのミニバンド（以下、上部ミニバンドという）をエミッタとコレクタとをつなぐチャネルとして使用し、低ポテンシャルエネルギ側にある他の１つのミニバンド（以下、下部ミニバンドという）をベース電極と直結させて制御電圧印加用として使用する。エミッタから注入された電子は、ベース領域内の上部ミニバンド内を走行する。ここで、両ミニバンドを隔てるミニギャップのエネルギ幅を、例えばＬＯフォノンのエネルギよりも大きく設定しておくと、チャネル（上部ミニバンド）内を走行する電子は、その内部での散乱は受けるが、ミニギャップを越えて下部ミニバンドにで移することはなく、必ずコレクタまで到達する。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【０００９】
図１は、本発明の半導体素子をベースに用いたＨＥＴの伝導帯プロファィルを示す模式図、図２は、図１における本発明の特徴部分であるベースの超格子構造の伝導帯プロファィルを示す模式図、図３は本発明の半導体素子をベースに用いたＨＥＴの模式的断面図である。
【００１０】
本実施例のＨＥＴでは、Ｓｉを〜1018ｃｍ-3程度ドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層11（膜厚：2000Å）と、アンドープＧａＡｓ層12及びアンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層13（膜厚： 200Å）と、アンドープＡｌ0.09Ｇａ0.91Ａｓ層14と、Ｓｉを２×1018ｃｍ-3程度ドーピングしたＧａＡｓ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ超格子層15と、障壁層としてのアンドープＧａＡｓ層16（膜厚：57Å）及びアンドープＡｌ0.09Ｇａ0.91Ａｓ層17（膜厚：42Å）と、Ｓｉを７×1017ｃｍ-3程度ドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層18（膜厚：2000Å）とが、ＧａＡｓ基板（図示せず）上に積層されている。ｎ−ＧａＡｓ層11，アンドープＧａＡｓ層12，アンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層13及びアンドープＡｌ0.09Ｇａ0.91Ａｓ層14にてコレクタ１が構成され、ＧａＡｓ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ超格子層15，アンドープＧａＡｓ層16及びアンドープＡｌ0.09Ｇａ0.91Ａｓ層17にてベース２が構成され、ｎ−ＧａＡｓ層18にてエミッタ３が構成されている。なお、これらの各半導体層は、ＭＢＥ法などのエピタキシャル成長法を用いて順次積層形成される。
【００１１】
ベース２を構成するＧａＡｓ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ超格子層１５は、例えば図２に示すように、ＧａＡｓ層２１（２０分子層，  膜厚：５７Å）及びＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層２２（１０分子層，  膜厚：２８Å）を交互に５周期程度積層させた構成をなす。この場合、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とのバンド不連続値ΔＥＣ２は０．１３ｅＶである。また、図３に示すように、コレクタ１，ベース２，エミッタ３に、それぞれコレクタ電極３１，ベース電極３２，エミッタ電極３３が形成されている。ここで、ベース電極３２は、Ｓｉ拡散技術などを用いて、ベース２の超格子層１５が混晶化するように形成する（図３でハッチングを付した部分）。このように電極部分では超格子層１５を混晶化しておくので、ミニギャップは消失し、電子はポテンシャルが低い部分に蓄積するので、ベース電極３２は超格子層１５の下部ミニバンドのみに接続することとなる。
【００１２】
図４に、図２に示す超格子構造における電子エネルギに対する電子の透過率ＴＴ＊  の理論値を示す。図４において、電子エネルギはＩｎＧａＡｓ層伝導帯の底を基準としており、下部ミニバンドはエネルギ０．０７〜０．１３ｅＶの位置に形成され、上部ミニバンドはエネルギ  ０．２ｅＶ以上の位置に形成されていることが分かる。両バンドの間（０．１３〜  ０．２ｅＶ）には電子は存在できず、ミニギャップが形成される。アンドープＧａＡｓ層１６の伝導帯の底は超格子層１５とエネルギ０．１３ｅＶの位置で接続するので、アンドープＧａＡｓ層１６から超格子層１５へ注入された電子は必ず上部ミニバンドに流入される。
【００１３】
図１の構造の場合、エミッタ３に蓄積される電子のフェルミエネルギＥＦ  は０．０３ｅＶ以下であり、このエミッタ３のフェルミエネルギＥＦ  とベース２の上部ミニバンドの底とがほぼ一致するときに、コレクタ１に電子が流れ始める。図５に、エミッタ３の伝導基底から計測した電子エネルギとエミッタ３からベース２に流れ込む電子の透過率ＴＴ＊  との関係を示す。ベース・エミッタ間電圧ＶＢＥが０．０７Ｖ程度のときには、エミッタ３のフェルミ準位ＥＦ  と上部ミニバンドとの裾が重なって、エミッタ３からベース２に電子が注入される。ここで、ミニギャップはＬＯフォノンのエネルギ（４０ｍｅＶ以下）より広く設定しているので、ＬＯフォノンによる散乱を受けても電子が上部ミニバンドから下部ミニバンドに遷移することはなく、そのまま上部ミニバンドを高速に通過してコレクタ１に到達し、コレクタ電流ＩＣ  が流れてＨＥＴはオンとなる。一方、ベース・エミッタ間電圧ＶＢＥが０．０３Ｖ程度以下の場合には、電子は超格子層１５のミニギャップによって阻止され、コレクタ電流ＩＣ  が流れずＨＥＴはオフとなる。
【００１４】
図６は、超格子構造を有する本発明の半導体素子をベースに用いた、エミッタ・ベース間に２重のポテンシャル障壁を持つ共鳴トネリングホットエレクトロントランジスタ（ＲＨＥＴ）の伝導帯プロファイルを示す模式図である。このようなＲＨＥＴにおいても、前述したＨＥＴの場合と全く同様に、ベースでの散乱の影響を受けることなく確実に電子がコレクタに到達できる。なお、その動作は前述のＨＥＴと同様であるので、説明は省略する。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように本発明の半導体素子をＨＥＴ，ＲＨＥＴなどのベースに使用した場合に、エミッタから注入された電子は、ベース内で散乱を受けても、ミニギャップの存在によって上部ミニバンドの底よりもエネルギを失うことがなく、確実にコレクタまで到達する。従って、従来のこのようなトランジスタで問題となっていた、コレクタ電圧に対するコレクタ電流の非飽和特性及びベース電流漏れに伴う電流増幅率の減少を解決することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子をベースに使用したＨＥＴの伝導帯プロファイルの模式図である。
【図２】本発明の半導体素子をベースに使用したＨＥＴにおける超格子層の伝導帯プロファイルの模式図である。
【図３】本発明の半導体素子をベースに使用したＨＥＴの構成を示す模式的断面図である。
【図４】図２に示す超格子層における電子の透過率を示すグラフである。
【図５】図１に示すＨＥＴにおけるエミッタからベースへの電子の透過率を示すグラフである。
【図６】本発明の半導体素子をベースに使用したＲＨＥＴの伝導帯プロファイルの模式図である。
【図７】従来のＨＥＴの伝導帯プロファイルの模式図である。
【図８】従来のＨＥＴにおけるＤＣ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  コレクタ
２  ベース
３  エミッタ
１１  ｎ−ＧａＡｓ層
１２  アンドープＧａＡｓ層
１３  アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層
１４  アンドープＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓ層
１５  ＧａＡｓ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ超格子層
１６  アンドープＧａＡｓ層
１７  アンドープＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓ層
１８  ｎ−ＧａＡｓ層
２１  ＧａＡｓ層
２２  Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層
３１  コレクタ電極
３２  ベース電極
３３  エミッタ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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