略自然降伏デバイス
【課題】 バイアス電圧が印加されるときに半導体デバイス上に自然降伏状態を作り出すような「略自然降伏状態」を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体デバイスは第１半導体領域を含み、第１半導体領域は、強制または非強制略自然降伏領域であり、この領域は、非自然降伏（例えば、ツェナー降伏及び雪崩降伏）の降伏電圧以下の大きさを有する所定電圧がデバイスの両端に印加されるときに完全に空乏化される。
【解決手段】 本発明の半導体デバイスは第１半導体領域を含み、第１半導体領域は、強制または非強制略自然降伏領域であり、この領域は、非自然降伏（例えば、ツェナー降伏及び雪崩降伏）の降伏電圧以下の大きさを有する所定電圧がデバイスの両端に印加されるときに完全に空乏化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１１／４４６，６９９号（特許文献１）の優先権を主張し、特許文献１は、そっくりそのまま引用を以って本明細書の一部となす。米国を指定する場合、本願は、米国特許出願第１０／９６３，３５７号（特許文献２）の一部継続出願である米国特許出願第１１／４４６，６９９号の継続出願であり、特許文献２もそっくりそのまま引用を以って本明細書の一部となす。
【０００２】
本発明は、高速スイッチング用途及び発振器用途を含む用途のための、バイアス電圧を利用してデバイスの半導体領域内に自然降伏状態を作り出す半導体デバイスに関する。ゼロバイアスで、デバイスの半導体領域は略自然降伏状態を有する。バイアスされた後、領域は、自然降伏状態にあり（完全に空乏化され）、デバイスに電流を伝導させる。略自然降伏状態を有する半導体デバイスの一例が特許文献２に開示されている。
【背景技術】
【０００３】
図２は、従来のｐｎ接合ダイオードの電流対電圧特性を示している。図１は、従来の階段ｐｎ接合ダイオード１００の略図である。図１に示すように、従来のｐｎ接合ダイオード１００は、ｐ領域１０１及びｎ領域１０２を含む。ｐ領域１０１は、例えばｐ型ドーパント（すなわちホウ素などの電子受容体）を用いてドープされることができ、ｎ領域１０２は、ｎ型ドーパント（すなわちリンなどの電子供与体）を用いてドープされることができる。ｐ領域１０１とｎ領域１０２間の階段接合の近くで、２つの領域間の電荷キャリア（例えば電子及び「正孔」）の拡散及び２つの領域の電気化学ポテンシャルの差に起因する平衡は、電荷キャリアを減らし（空乏化）、ｐ領域１０１及びｎ領域１０２にそれぞれ「空乏」領域（空乏層）１０３及び１０４を形成する。いわゆる「階段接合近似」下で、空乏領域１０３の幅ｘｐ及び空乏領域１０４の幅ｘｎは、ｐｎ接合両端に外部から電圧Ｖをかけられた状態で、それぞれ次式で与えられる。
【数１】
【数２】
ここで、εｓはシリコンの誘電率、ｑは電子の電荷、φｉはｐｎ接合の「内蔵」電位（「ビルトイン」ポテンシャル）、ＮＡ及びＮＤはそれぞれｐ領域１０１及びｎ領域１０２のドーピング濃度である。
【０００４】
図２に示すように、横軸はｐｎ接合両端の電圧Ｖを示し、縦軸はｐｎ接合両端のダイオード電流ＩＤを示している。図２に示すように、ｐｎ接合両端の電圧Ｖが０ボルトより大きくかつ電圧Ｖｔｈ（「閾値電圧」）より大きいときには、ｐｎ接合は強く「順バイアス」され、ダイオード電流ＩＤは電圧Ｖと共に指数関数的に増大する。ｐｎ接合両端の電圧Ｖが０ボルトよりは小さいが電圧Ｖｂｒ（「降伏電圧」）よりは小さくないときには、ｐｎ接合は「逆バイアス」され、ダイオード電流ＩＤは非常に小さい。逆バイアス下では、電圧の大きさが増大するにつれて、生成されたキャリアはエネルギーを増し、電圧Ｖｂｒで降伏現象（注１）、例えば、トンネル現象及び衝撃イオン化をもたらす。電圧Ｖｂｒでは、ダイオード電流ＩＤは非常に大きくなり、ダイオードの「降伏」が起こる。降伏時点では、ｐｎ接合両端の平均電界の大きさ（Ｖ／ｃｍ）は実験式
【数３】
によって与えられる。ここで、ＮＤは、ＮＡ及びＮＢのうち、より小さい方である。
【０００５】
（注１）本開示では、「非自然降伏」なる語は、以下に詳述されるような「自然降伏」及び「略自然降伏」現象と区別される降伏現象を指すために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１１／４４６，６９９号（米国特許公開公報２００７０２１５８７３号）明細書
【特許文献２】米国特許出願第１０／９６３，３５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、バイアス電圧が印加されるときに半導体デバイス上に自然降伏状態を作り出すような「略自然降伏状態」を提供する。自然降伏状態は、電流伝導やスイッチング用途に用いられる。「略自然降伏デバイス」（「near natural breakdown device：ＮＮＢＤ」）は、バイアスされると自然降伏状態を達成するような新たな能動領域を有する。本発明の一実施形態では、ＮＮＢＤは２端子略自然降伏デバイスである。ＮＮＢＤは、高速発振器及びスイッチング用途に用いられることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に従って、半導体デバイス及びＮＮＢＤを形成する方法を開示する。半導体デバイスは、第２領域に隣接して形成される半導体領域を含み、第１半導体領域は強制または非強制略自然降伏デバイスであり、これは、所定電圧が例えばツェナー降伏及び雪崩降伏の非自然降伏電圧以下の大きさを有するときに完全に空乏化される。非自然降伏電圧は、第１及び第２領域の両端に印加される。第２領域は、第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料であり得る。あるいは、第２領域は、第１領域へのショットキー障壁を形成する金属であり得る。さらに、半導体デバイスは、第２領域に隣接する第３領域を含み、第２領域及び第３領域は共に半導体材料を含むので、第１領域、第２領域及び第３領域がバイポーラトランジスタを形成することがある。そのようなバイポーラトランジスタでは、第１領域はバイポーラトランジスタのエミッタまたはコレクタであり得る。
【０００９】
ＰＩＮ型ダイオード構造、ＭＯＳＦＥＴ及びＪＦＥＴ構造を含むＮＮＢＤデバイスも可能である。
【００１０】
本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面を考慮してより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のｐｎ接合ダイオード１００の略図である。
【図２】従来のｐｎ接合ダイオードの電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）特性を示している。
【図３】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるＰ型領域を有するような、強制略自然降伏デバイス（ＮＮＢＤ）３００の略図である。
【図４】ＮＮＢＤ３００の電流−電圧（ＩＶ）特性を示している。
【図５（ａ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＮＰＮが印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５００の略図である。
【図５（ｂ）】自然降伏状態下でコレクタ半導体領域５０１が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５００の拡大図を示している。
【図５（ｃ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＰＮＰ Ｖｆｂｒ ＮＰＮの前に略自然降伏状態にあるコレクタ半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５１０の略図である。
【図５（ｄ）】自然降伏状態下でコレクタ半導体領域５１１が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５１０の拡大図を示している。
【図５（ｅ）】バイポーラトランジスタに対するコレクタ電流ＩＣ対ＶＣＥ ＩＶ曲線を示している。
【図５（ｆ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５２０の略図である。
【図５（ｇ）】自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５２０の拡大図を示している。
【図５（ｈ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５３０の略図である。
【図５（ｉ）】自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５３０の拡大図を示している。
【図５（ｊ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５４０の略図である。
【図５（ｋ）】自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５４０の拡大図を示している。
【図５（ｌ）】自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５５０の略図と、本発明の一実施形態に従って、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときの拡大図である。
【図６（ａ）】本発明の一実施形態に従って、逆自然降伏電圧Ｖｆｂｒで完全に空乏化されるＮ型領域を有するＮＮＢＤ６００の略図である。
【図６（ｂ）】ＮＮＢＤ６００の電流−電圧（ＩＶ）特性を示している。
【図６（ｃ）】本発明の一実施形態に従って、逆自然降伏電圧Ｖｆｂｒで完全に空乏化されるＮ型領域を有するＮＮＢＤ６００の略図である。
【図７（ａ）】本発明の一実施形態に従って、ゼロ印加バイアス電圧でと、Ｖｆｂｒの逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ７００の略図である。ＮＮＢＤ７００は、強制略自然降伏状態下での強制略自然降伏Ｎショットキーダイオードを表す。
【図７（ｂ）】本発明の一実施形態に従って、ゼロ印加バイアス電圧でと、Ｖｆｂｒの逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ７１０の略図である。ＮＮＢＤ７１０は、強制略自然降伏状態下での強制略自然降伏Ｐショットキーダイオードを表す。
【図８（ａ）】ゼロバイアス電圧バイアスでコンタクトに隣接する１つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８００を示している。
【図８（ｂ）】ゼロバイアス電圧バイアスでコンタクトに隣接する２つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８１０を示している。
【図８（ｃ）】自然降伏電圧Ｖｆｂｒでコンタクトに隣接する１つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８２０を示している。
【図８（ｄ）】自然降伏電圧Ｖｆｂｒでコンタクトに隣接する２つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８３０を示している。
【図９】本発明に従って、バイアス電圧下でのＮＮＢＤ構造及び特性の表を示している。
【図１０（ａ）】ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときの順電流及び順バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。
【図１０（ｂ）】ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときの逆電流及び逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。
【図１１（ａ）】本発明の一実施形態に従ってＰ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１００の略図を示している。
【図１１（ｂ）】本発明の一実施形態に従ってＮ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１１０の略図を示している。
【図１１（ｃ）】本発明の一実施形態に従ってＰ型略自然降伏領域及びＮ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１２０の略図を示している。
【図１２】本発明の一実施形態に従ってソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１２００の略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１３００の略図である。
【図１４】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１４００の略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に従って、ソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１５００の略図である。
【図１６】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１６００の略図である。 図面間の比較を容易にするために、類似の要素には類似の符号が割り当てられている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、ｐ型またはｎ型領域を、領域全体がその多数キャリアを失うときに、完全に空乏化されると見なす。この領域は、任意の適切な形、形状、寸法、層、構造、導電率または濃度で、異なる材料を含み得る。本明細書中のＮＮＢＤの例及び図面は均質または均一なドーパント濃度の領域を示しているが、そのような領域は例示のためだけに与えられている。本発明は、その様々な領域内のドーパント濃度が均質でないかまたは均一でないような半導体デバイスに等しく適用できる。さらに、本発明は、ヘテロ接合を有するデバイスにも適用され得る。
【００１３】
特許文献２に記載されているように、半導体デバイス（「ＮＢＤ」）は、その半導体領域の一方（Ｐ型またはＮ型）が外部バイアス電圧の印加なしに完全に空乏化されるときに「自然降伏」状態にある。本発明は、「略自然降伏」状態を導入する。半導体デバイスは、半導体デバイス上の半導体領域（Ｐ型またはＮ型）が、ゼロバイアスでは完全に空乏化されないが、特定のバイアス電圧が印加されると完全に空乏化する（すなわち、デバイスに非ゼロバイアス電圧が印加されると半導体デバイスの半導体領域が「略自然降伏」状態から「自然降伏」状態に変化する）とき、「略自然降伏」状態にあると言われる。非ゼロバイアス電圧は、電流伝導が発生しかつスイッチング電圧として用いられ得るような電圧レベルである。略自然降伏状態にある半導体領域を有する半導体デバイスは、「略自然降伏デバイス」（ＮＮＢＤ）である。
【００１４】
本発明に従って、略自然降伏状態は従来のまたは新たな半導体デバイスに適用され、新たな特性を作り出すことができる。略自然降伏状態を利用することによって新たなデバイスが作り出され得る。
【００１５】
略自然降伏状態は、「非自然降伏」状態下で動作する半導体デバイス構造に適用され得る。これらの半導体デバイスの例には、トンネル現象（すなわちツェナー効果）または衝撃イオン化（すなわち雪崩効果）デバイスが含まれる。略自然降伏デバイスの降伏電圧の大きさは、任意の非自然降伏電圧以下である。後述する技術を用いて、半導体デバイスは、非自然降伏電圧と一致する自然降伏電圧を有するように製造され得る。後述する式Ｐ、式Ｎ、または当業者に既知の他の公式を用いて、自然降伏電圧範囲を計算することができる。デバイスが、デバイスの降伏電圧の「非自然降伏」電圧よりも大きさが小さい略自然降伏電圧を有するとき、デバイスには「非自然降伏」の代わりに自然降伏が起こる。デバイスの自然降伏電圧と「非自然降伏」電圧が一致するとき、同じ降伏現象が同時に現れることがあり、両方の現象に起因する電流が生じ得るので、全電流はどちらかの降伏効果に起因する電流を超える。例えば、ツェナー降伏電圧を有する半導体デバイスは、ツェナー降伏電圧で自然降伏電圧になるような、略自然降伏状態の半導体領域（すなわち略自然降伏ツェナーデバイス）を有するように設計されることがある。そのようなデバイスにおいては、ツェナー降伏電圧において、デバイスには複合降伏効果が起こる。デバイスは、ツェナーデバイスより速くスイッチすることができ、より強い電流を生成することができる。雪崩降伏及び自然降伏の複合効果は、半導体デバイスに適用され得る。従って、略自然降伏状態は、半導体デバイスにおいて、当該デバイスに対して（大きさが）略ゼロから「非自然降伏」電圧までの自然降伏電圧で完全に空乏化した領域を作り出すように設計されることができる。
【００１６】
略自然降伏状態は、従来のまたは新たな半導体デバイス構造に対して実現され得る。一実施形態では、実現ステップは、（１）自然降伏電圧Ｖｆｂｒを選択するステップと、（２）ゼロバイアスで略自然降伏状態を作り出すようにデバイス内の半導体領域及びドーピング濃度を選択するステップと、（３）そのドーピング濃度を用いて、式Ｎ、式Ｐ、または当業者に既知の他の公式を用いて、半導体領域の幅を計算するステップとであり得る。（幅を決定するために、シミュレーションも用いられることができる。）これらのステップは、非自然降伏電圧を有する半導体デバイスに対しても同じように用いられ得る。自然降伏電圧Ｖｆｂｒ（上記ステップ（１）に従って決定される）及び非自然降伏電圧は、デバイス降伏が非自然降伏状態下であるか自然降伏状態下であるかを決定する。通常の意図された動作中に非自然降伏状態下で降伏しないデバイスの場合、そのような領域（すなわち自然降伏領域）の幅は、そのような領域で略自然降伏状態が尚も起こるための最大幅まで選択され得る。従って、最大自然降伏電圧は、ドーピング濃度及び領域の幅から計算されることができる。用途に対する適切な自然降伏バイアス電圧を選択した後、デバイスの幅は、式Ｐ、式Ｎ、または当業者に既知の他の公式を解くことによって、選択された自然降伏バイアス電圧及び半導体ドーピング濃度から計算され得る。非自然降伏が起こるデバイスの場合、最大自然降伏電圧は非自然降伏電圧である。
【００１７】
略自然降伏状態は、より広範囲の降伏電圧、低電圧高速スイッチング、電圧保護または調整、スイッチングをデバイスに与え、望ましくない降伏を防ぎ、電流を与え、他の降伏効果と自然降伏を結び付けるように実現され得る。
【００１８】
本発明の一実施形態に従って、非自然降伏を有するｐｎ接合ダイオードは、Ｖｂｒの非自然降伏電圧が外部からかけられるときに同等の寸法及び同等のドーパント濃度の従来の階段ｐｎ接合の空乏幅ｘｐ以下の幅ｗｐを有する半導体領域（例えばｐ型領域）を含む。電圧Ｖｂｒは、従来の階段ｐｎ接合ダイオードの領域が例えばトンネル現象（すなわちツェナー効果）または衝撃イオン化（すなわち雪崩効果）に起因して非自然降伏状態に入る前にｐｎ接合両端にかけられることができる最大のバイアス電圧である。すなわち、
【数４】
である。ここで、εｓはシリコンの誘電率、ｑは電子の電荷、φｉはｐｎ接合の「内蔵」電位、ＮＡ及びＮＤはそれぞれｐ領域１０１及びｎ領域１０２のドーピング濃度である。ｗｐ＝ｘｐ（ｎ型領域の場合はｗｎ＝ｘｎ）のとき、その領域は非強制略自然降伏領域と呼ばれ、ｗｐ＜ｘｐ（ｎ型領域の場合はｗｎ＜ｘｎ）のとき、その領域は「強制略自然降伏」領域と呼ばれる。
【００１９】
図３は、本発明の一実施形態に従ってＮＮＢＤ３００の略図である。図３に示すように、ＮＮＢＤ３００はｐ領域３０１及びｎ領域３０２を含み、ｐ領域３０１は空乏幅３０５、ｐ領域幅３０６（ｗｐ）を有し、ｗｐは、Ｖｂｒの外部非自然バイアス降伏電圧がかけられるとき、同等の寸法及びドーパント濃度の従来のｐｎ接合のｐ領域における対応する空乏幅のｘｐ以下である。非自然降伏電圧でのｐ領域３０１の空乏幅ｘｐは、参考のために図３中に長さ３０７で示されている。（外部からかけられるＶｂｒの非自然降伏電圧がかけられるときに従来のｐｎ接合における対応する半導体領域に対する空乏幅より小さい空乏幅を有する半導体領域は、本明細書中では「強制降伏」幅を有すると見なされる。外部からかけられるＶｂｒの非自然降伏電圧がかけられるときに従来のｐｎ接合における対応する半導体領域に対する空乏幅に等しい空乏幅を有する半導体領域は、本明細書中では「非強制略自然降伏」幅を有すると見なされる。）その一方、ｎ領域３０２の幅は、外部からかけられるＶｂｒの逆非自然降伏電圧がかけられるとき、同等のドーピング濃度及び寸法の従来のｐｎ接合ダイオードのｎ領域に対する空乏領域ｘｎより小さくても、大きくても、あるいは等しくてもよい。非自然降伏電圧でのｎ領域３０２の空乏幅ｘｎは、参考のために図３中に長さ３１７で示されている。
【００２０】
ｐ領域３０１上及びｘｎより大きい幅を有するｎ領域３０２上での強制略自然降伏状態は、本発明の一実施形態である。ＮＮＢＤ３００を電子回路に接続させることができるコンタクト領域３０３及び３０４も示されている。ｐ領域３０１及びｎ領域３０２内のドーピング濃度は、コンタクト３０３及び３０４がオーミック接触（オーミックコンタクト）であるように、十分に高い。コンタクト領域３０３及び３０４は、例えば従来の化学蒸着法技術を用いて従来の相互接続導体（例えばアルミニウムや銅）を蒸着することによって、あるいは当業者に既知の他の手段によって接続され得る。ｐ領域３０１及びｎ領域３０２は、イオン注入または当業者に既知の他の手段を用いて従来のシリコン基板内に形成され得る。
【００２１】
ＮＮＢＤ３００のｐ領域幅ｗｐは、ドーピング濃度、空乏幅、自然降伏電圧及び非自然降伏電圧に基づいて計算され得る。ＮＮＢＤ３００のための適切な幅ｗｐは、次のステップを用いて計算され得る。
【００２２】
（１）先ず、従来のｐｎ接合ダイオードのｐ領域及びｎ領域に対するドーピング濃度を選択するが、このとき、ゼロ印加バイアス電圧下で、ｐ領域が空乏幅Ｚｐ（図３の幅３０５によって示されている）を有し、ｎ領域が空乏幅Ｚｎ（図３の幅３１５によって示されている）を有するようにドーピング濃度の選択を行う。（適切なドーピング濃度を選択するためにｐ領域及びｎ領域の空乏幅が用いられることがある。）これらの寸法は、従来のｐｎ接合ダイオードにおいて、ｐｎ接合の両端に外部電圧がかけられていないときに、内蔵電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを作り出す。また、従来のｐｎ接合ダイオードが、非自然降伏電圧Ｖｂｒに等しい逆バイアス電圧を外部からかけられるとき、ｐ領域は空乏幅ｘｐを有し、ｎ領域は空乏幅ｘｎを有する。非自然降伏状態の空乏幅ｘｐは、ｘｐの最大幅である。幅ｗｐは、Ｚｐより大きい。強制ＮＮＢＤにおいては、自然降伏電圧Ｖｆｂｒの大きさはＶｂｒの大きさより小さい。非強制ＮＮＢＤにおいては、バイアス自然降伏電圧ＶｆｂｒはＶｂｒに等しい。
【００２３】
（２）ＮＮＢＤに対する所望の自然降伏電圧Ｖｆｂｒをゼロバイアスとデバイスの非自然降伏電圧Ｖｂｒの間で選択する。印加されたバイアス電圧がゼロとＶｆｂｒの間であるときには、漏れ電流のみがＮＮＢＤを流れることになる。しかし、印加されたバイアス電圧がＶｆｂｒより大きい大きさを有するときには、より大きな多数キャリア逆電流がＮＮＢＤを流れることになる。ＮＮＢＤが被選択自然降伏電圧Ｖｆｂｒにバイアスされるとき、自然降伏状態が発生する。
【００２４】
（３）ｐ領域３０１に対する空乏幅ｗｐを計算するが、このとき、コンタクト３０３とコンタクト３０４の間に電圧Ｖｆｂｒがかけられるときにｐ領域３０１全体が完全に空乏化するように幅ｗｐの計算を行う。階段接合近似を仮定すると、幅ｗｐは次式Ｐを用いて計算され得る。
【数５】
【００２５】
当業者に既知であるように、ｗｐを計算する他の方法がある。ｗｐ＝ｘｐのとき、ＶｆｂｒはＶｂｒに等しい。ドーピング濃度は、キャリアの数によって表され得る。ＮＮＢＤ３００に対する幅ｗｐは、他のステップ、例えば、（１）所望の自然降伏電圧Ｖｆｂｒを選択するステップと、（２）ドーピング濃度及び空乏幅Ｚｐを選択するステップと、（３）上記した式Ｐ（または当業者に既知の他の公式）を用いて幅ｗｐを計算するステップとによっても計算され得る。半導体領域内で非自然降伏状態にならない半導体デバイスが完全に空乏化されるとき、ｗｐの最大幅は半導体領域幅であり、幅ｗｐはＺｐより大きい。
【００２６】
幅ｗｐは階段接合近似を用いて上記のように計算されることに留意されたい。他の適切な方法を用いてもよい。幅ｗｐは、用途に応じて、異なる接合近似を用いて計算され得る。上記で説明したように、本発明の一実施形態に従って、状態ｗｐ＜ｘｐは「強制略自然降伏状態」と呼ばれ、そのような状態下で、ｐ領域３０１は「強制略自然降伏領域」と呼ばれる。ｐ領域３０１が強制略自然降伏状態にあるとき、Ｖｆｂｒの値はＶｂｒより小さい。本発明の別の実施形態に従って、状態ｗｐ＝ｘｐは「非強制略自然降伏状態」と呼ばれ、そのような状態下で、ｐ領域３０１は「非強制略自然降伏領域」と呼ばれる。ＮＮＢＤが「非強制略自然降伏領域」を有するときには、自然降伏及び非自然降伏が起こりかつかなりの電流を生成することになる。
【００２７】
ひとたびｗｐが決まったら、ＮＮＢＤ３００がＶｆｂｒでバイアスされるときにｐ領域３０１がコンタクト領域３０３とｎ領域３０２の間で完全に空乏化されることになるように、任意の適切な幅のｎ領域３０２を備えたＮＮＢＤが作り出され得る。ｗｎ（幅３１６によって示される）は、ＮＮＢＤ３００がＶｆｂｒに逆バイアスされるときのＮＮＢＤ３００上のｎ領域３０２の空乏領域幅である。ｎ領域３０２の幅は、ｐ領域３０１が完全に空乏化する前にｎ領域３０２が完全に空乏化しない限り、ｗｎからｘｎ以上にまで及び得る。コンタクト３０３と３０４の間に印加される外部電圧がＶｆｂｒであるとき、ＮＮＢＤ３００のｐ領域３０１は完全に空乏化される。本発明の一実施形態は、ｘｐより小さいｗｐを持つｐ領域３０１に強制略自然降伏状態を与え、ｎ領域３０２の幅は、ｗｎからｘｎ以上までの間の値である。本発明の一実施形態は、ｐ領域３０１がｘｐに等しい幅ｗｐを有するような非強制略自然降伏状態であり、ｎ領域３０２の幅は、ｗｎからｘｎ以上にまで及び得る。
【００２８】
図６（ａ）に示されている本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤ６００のｎ領域６０２は、ｐ領域６０１における略自然降伏状態なしに、強制略自然降伏状態下に置かれ得る。ＮＮＢＤは、２つ以上の降伏領域を有し得る。この実施形態では、ｐ領域６０１の幅は、ｎ領域６０２が完全に空乏化するときにｐ領域６０１が完全に空乏化しない限り、ｗｐからｘｐ以上にまで及び得る。図６（ａ）では、自然降伏でのｐ領域６０１の空乏幅ｗｐ及び空乏幅ｗｎが図６（ａ）にそれぞれ幅６０６及び６１６として示されている。本発明の一実施形態は、非強制略自然降伏のｎ領域６０２（すなわちｗｎがｘｎに等しい）及びｐ領域６０１（ｗｐからｘｐ以上までの間の幅を有する）を与える。本発明の別の実施形態は、ｘｎより小さいｗｎで作られたｎ領域６０２に強制略自然降伏状態を与え、ｐ領域６０１の幅は、ｗｐからｘｐ以上までの間の幅を有する。この実施形態では、ｐ領域６０１の幅は、ｎ領域６０２が完全に空乏化するときにｐ領域６０１が完全に空乏化しない限り、ｗｐからｘｐ以上にまで及び得る。そのような構造を有するＮＮＢＤには、強制略自然降伏ダイオードが含まれる。これらのＮＮＢＤ領域は、強制略自然降伏領域または非強制略自然降伏領域のいずれかである場合がある。
【００２９】
一般に、ＮＮＢＤは、Ｖｆｂｒの逆バイアス下で完全に空乏化したｐ領域またはｎ領域のうちの一方を有する。ひとたびＮＮＢＤが完全に空乏化した領域を有すると、電界によって、電子、正孔、または両方が、完全に空乏化した領域を越えさせられることになり、それゆえ電流が作り出される。例えば、図３のＮＮＢＤ３００は、強制略自然降伏状態にあるｐ領域３０１と、幅がｘｎより大きいｎ領域３０２とを有する。ＮＮＢＤ３００が、外部からかけられるＶｆｂｒの逆バイアス電圧を有するとき、ｐ領域３０１は完全に空乏化する（すなわちｐ領域３０１内の空乏領域の末端とコンタクト３０３間の距離がゼロになる）。こうした条件下で、ｐ領域３０１内での電界の極性によって、コンタクト領域３０３からｐ領域３０１に入る電子は、ｐ領域３０１を越えてｎ領域３０２内へ直接に引き寄せられる。同様に、ｎ領域３０２から空乏領域に入る正孔は、ｐ領域３０１を越えてコンタクト領域３０３内へ引き寄せられる。
【００３０】
ひとたびＮＮＢＤ３００の両端に外部からかけられる逆バイアス電圧がＶｆｂｒに達したら、ｐ領域３０１及びｎ領域３０２に関連する空乏領域は、電圧がさらに増加しても同じ幅のままである。これは、ｎ領域３０２から電子を激減させるために利用できるさらなる正孔がｐ領域３０１内にないためである。結果として、外部印加逆バイアス電圧の大きさがＶｆｂｒを超えるので、ｎ領域３０２の中性領域における電圧降下として追加電圧が現れる。この誘導電圧は、電子電流（すなわち逆電流）をコンタクト領域３０３からｎ型領域３０２内へ流れさせる。
【００３１】
ＮＮＢＤ３００の両端にゼロと閾値電圧の間の順バイアス電圧（すなわち０＜ＶＩＮ＜Ｖｔｈ）がかけられると、ｐ領域３０１及びｎ領域３０２の両方で空乏幅が減少する。空乏領域両端の電圧降下も少なくなる。この状況では、外部印加電圧に比例する小さな順方向の漏れ電流がＮＮＢＤ３００内を流れる。外部印加電圧が閾値電圧Ｖｔｈに近付くにつれて、ＮＮＢＤ３００における空乏幅は、かなりの電流が流れるように著しく小さくなる。ひとたび外部からかけられる電圧が閾値電圧を超えると（すなわちＶＩＮ≧Ｖｔｈ）、ＮＮＢＤ３００は順バイアス電流を伝導する。
【００３２】
逆バイアスされると、ＮＮＢＤ３００は、順バイアスされるときの少数キャリアデバイスとは対照的に、多数キャリアデバイス（ｎ領域内に注入されている電子）として動作する。多数キャリアデバイスのスイッチング時間は、典型的には、少数キャリアデバイスのスイッチング時間より速い。
【００３３】
図４は、ＮＮＢＤ３００の電流対電圧（ＩＶ）特性のプロットである。ＮＮＢＤ３００は、外部からかけられる電圧がＶｆｂｒより大きさが大きい逆バイアス電圧より大きいときにはかなりの逆電流を伝導し、外部からかけられる電圧がＶｔｈより大きいときには順電流を伝導する。バイアス電圧がＶｆｂｒとＶｔｈの間にあるときには、ＮＮＢＤ３００は極僅かな漏れ電流を伝導する。
【００３４】
要約すると、本発明のＮＮＢＤは、Ｖｆｂｒより大きいバイアス電圧が印加されるときに伝導電流が流れるようにする。Ｖｆｂｒでは、ＮＮＢＤの半導体領域は、自然降伏状態を有する。デバイス上で略自然降伏状態を用いることは、例えばツェナー効果及び雪崩効果など非自然降伏状態を用いて達成可能であるより広くかつより柔軟な電圧範囲の伝導を可能にする。ＮＮＢＤは、バイアスされると、多数キャリアデバイスとして動作する。印加されるバイアス電圧が閾値電圧Ｖｆｂｒを超えていれば、ＮＮＢＤは伝導電流を供給する。本ＮＮＢＤ発明を従来のｐｎ接合ダイオードに適用すると、新たな能動バイアス電圧範囲、すなわち、Ｖｂｒより大きさが小さいバイアス電圧が作り出された。この新たな能動範囲は、ＮＮＢＤに改変されたｐｎ接合ダイオードが、発振回路及び高速スイッチを含む種々の用途に用いられることができる２つの能動領域を有することを可能にする。
【００３５】
本発明の別の実施形態に従って、上記したように、図６（ａ）は、ｘｎ（すなわち、外部逆非自然降伏電圧Ｖｂｒがかけられたときの従来のｐｎ接合ダイオードの空乏幅）より小さい幅ｗｎを有するｎ型領域６０２を備えたＮＮＢＤ６００を示している。階段接合近似を仮定すると、幅ｗｎは、次式Ｎを用いて計算することができる。
【数６】
【００３６】
ＮＮＢＤ６００に対する幅ｗｎ（幅６１６によって示される）も同様に決められる。ＮＮＢＤ６００に逆バイアス電圧Ｖｆｂｒが外部からかけられるとき、ｎ領域６０２は完全に空乏化する（すなわちｎ領域６０２内のコンタクト領域６０４と空乏領域の末端との間の距離がゼロになる）。こうした条件下で、コンタクト領域６０４からｎ領域６０２に入る正孔は、ｎ領域６０２を越えてｐ領域６０１内へ直接に引き寄せられる。同様に、ｐ領域６０１から空乏領域に入る電子は、ｎ領域６０２を越えて引き寄せられ、コンタクト領域６０４に入る。
【００３７】
ひとたびＮＮＢＤ６００にＶｆｂｒの逆バイアス電圧が外部からかけられたら、ｎ領域６０２及びｐ領域６０１に関連する空乏領域は幅が増大しない。これは、ｐ領域６０１から正孔を激減させるために利用できる電子がｎ領域６０２にないからである。従って、外部印加逆バイアス電圧の大きさがＶｆｂｒより大きく増大するにつれて、ｐ領域６０１の中性領域内で電圧が誘導されることになる。この誘導電圧は、前述の空乏領域の電界の引き寄せ（スイープ）効果によりコンタクト６０４からｐ領域６０１内に逆電流を流すことになる。
【００３８】
ＮＮＢＤ６００にゼロと閾値電圧の間の順バイアス電圧（すなわち０＜ＶＩＮ＜Ｖｔｈ）が外部からかけられると、ｐ領域６０１及びｎ領域６０２の両方で空乏幅が減少する。空乏領域両端の電圧降下も少なくなる。この状況では、外部印加電圧に比例する小さな順方向の漏れ電流がＮＮＢＤ６００内を流れる。外部印加電圧がＶｔｈにかなり近くなるにつれて、ＮＮＢＤ６００における空乏幅は著しく小さくなって、かなりの電流が流れるようになる。ひとたび外部からかけられる電圧が閾値電圧を超えると（すなわちＶＩＮ≧Ｖｔｈ）、ＮＮＢＤ６００は電流を伝導する。
【００３９】
図６（ｂ）は、ＮＮＢＤ６００の電流対電圧特性のプロットである。本発明に従う別の実施形態は、ｗｎ＝ｘｎ（すなわち非強制略自然降伏空乏状態）を与える。非強制ＮＮＢＤ６００は、非強制ＮＮＢＤ３００と同じ性質を有する。
【００４０】
ＮＮＢＤ３００または６００の両端に外部電圧Ｖｆｂｒがかけられるとき、空乏領域両端の電圧は、Ｖｆｂｒに内蔵電位Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを加えた値に等しい。従って、空乏領域を越えるキャリアは、外部からかけられる電圧よりも電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎだけ電位が高い。この電圧差を補償するために、Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを全ＮＮＢＤ抵抗で除した値に等しい増加電流がＮＮＢＤ３００または６００を流れる。この電流の増加は、ＮＮＢＤ３００のｐ領域３０１またはＮＮＢＤ６００のｎ領域６０２が完全に空乏化される限り生じる。ターンオン電圧での電流増加は、オフからオンへ及びオンからオフへのスイッチング時間を減少させるのに役立ち得る。
【００４１】
当技術分野では真のｐ型オーミック接触を作り出すコンタクト材料がないことが知られている。その代わりとして、ｐ型オーミック接触は、十分に薄い空乏領域とのｐ型ショットキー接触を用いて模倣されることがある。薄い空乏領域は、高濃度にドープされたｐ型材料を用いて作り出されるので、トンネル現象を許容する。高濃度にドープされたｐ型材料を用いることは、望ましくないことがあり、あるいは、十分に低い抵抗を与えないことがある。コンタクト／半導体接合での抵抗は、接合の空乏領域幅に比例する。ＮＮＢＤ３００及びＮＮＢＤ６００が逆バイアスされるとき、ショットキー接触を用いる模倣されたオーミック接触は順バイアス下にある。ショットキー接触を順バイアスすることは、コンタクト空乏幅を減少させ、それによってコンタクトトンネリング能力を増加させる。トンネリング能力の増加は、オーミック接触抵抗を低下させる。
【００４２】
本発明の別の実施形態に従って、図７（ａ）は、空乏領域７０４を有するゼロ印加バイアス電圧で、そして完全に空乏化したｎ領域７０２を有するＶｆｂｒの逆バイアス電圧での、ｎ領域７０２と、ＮＮＢＤ７００を電子回路に接続するために設けられたコンタクトである導体７０１及び７０３とを備えた、ＮＮＢＤ７００を示している。電圧Ｖｆｂｒは、ＮＮＢＤ７００と同等の材料を用いる従来のｎショットキーダイオードの降伏電圧Ｖｂｒより大きさが小さい。ｎ領域７０２内のドーピング濃度は十分に高いので、導体７０３とｎ領域７０２の間の接合はオーミック接触であり、導体７０１はｎ領域７０２へのショットキー障壁を形成する。ＮＮＢＤ７００において、ゼロ印加バイアス電圧で、ｎ領域７０２は空乏幅７０４を有する。ＮＮＢＤ７００がＶｆｂｒに逆バイアスされると、ｎ領域７０２は空乏幅７０５を有して完全に空乏化される。ひとたびｎ領域７０２がＮＮＢＤ７００両端の逆バイアスされた電圧Ｖｆｂｒによって完全に完全に空乏化すると、ＮＮＢＤ７００内の空乏領域に関連する電界により、コンタクト７０１からコンタクト７０３へ電子が引き寄せられ、それによって、ＮＮＢＤ７００を通過する逆電流が生じる。ｎ領域７０２は、Ｖｆｂｒ以上の大きさの逆バイアスされた電圧が外部からＮＮＢＤ７００の両端にかけられる限り、完全に空乏化したままであることになる。順バイアス下のＮＮＢＤ７００は、順バイアスされた状態下の同等の材料及び寸法の従来のｎ型ショットキーダイオードと実質的に同じように働く。
【００４３】
本発明の別の実施形態に従って、図７（ｂ）は、空乏領域７１４を有するゼロバイアス電圧で、そして完全に空乏化したｐ領域７１２を有する逆バイアス電圧Ｖｆｂｒでの、ｐ領域７１２及び導体７１１及び７１３とを備えたＮＮＢＤ７１０を示しており、導体７１１及び７１３は、ＮＮＢＤ７１０を電子回路に接続するために設けられたコンタクトである。電圧Ｖｆｂｒは、ＮＮＢＤ７１０と同等の材料及び寸法の従来のｐショットキーダイオードの非自然降伏電圧Ｖｂｒより大きさが小さい。ｐ領域７１２内のドーピング濃度は、導体７１３とｐ領域７１２の間の接合がオーミック接触でありかつ導体７１１がｐ領域７１２へのショットキー障壁を形成するように十分高い。ゼロ印加バイアス電圧でのＮＮＢＤ７１０において、ｐ領域７１２は、空乏幅７１４を有する。ＮＮＢＤ７１０がＶｆｂｒに逆バイアスされると、ｐ領域７１２は空乏幅７１５を有して完全に空乏化される。ひとたびｐ領域７１２が完全に空乏化すると、ＶｆｂｒでＮＮＢＤ７１０が逆バイアスされるとき、ＮＮＢＤ７１０の空乏領域に関連する電界により、コンタクト７１３からコンタクト７１１へ電子が引き寄せられ、それによって、ＮＮＢＤ７１０を通過する逆電流が生じる。ｐ領域７１２は、Ｖｆｂｒ以上の大きさの逆バイアスされた電圧が外部からＮＮＢＤ７１０にかけられる限り、完全に空乏化される。順バイアス下のＮＮＢＤ７１０は、順バイアスされた状態下の同等の寸法及び材料の従来のｐ型ショットキーダイオードと実質的に同じように働く。
【００４４】
次のステップは、ＮＮＢＤ７００に対する強制略自然降伏幅を決定する。すなわち、（１）ｎ領域ドーピング濃度を用いて従来のショットキーダイオードの非自然降伏電圧Ｖｂｒと、バイアス電圧Ｖｂｒでの空乏幅ｘｎと、ゼロバイアスでの空乏幅Ｚｎとを求めるステップと、（２）ショットキーダイオード７００と共に用いられることができるゼロとＶｂｒの間の（またはＶｂｒに等しい）逆バイアス自然降伏電圧Ｖｆｂｒを探すステップと、（３）ＮＮＢＤ７００の両端に逆自然降伏バイアス電圧Ｖｆｂｒが印加されるとき、ｎ領域７０２が完全に空乏化するように、ｎ領域７０２の空乏幅ｗｎを計算するステップである。空乏幅ｗｎは、Ｚｎとｘｎの間である。同様のステップを用いてＮＮＢＤ７１０に対する強制略自然降伏幅を決定することができる。領域７０２及び７１２は、それぞれ、異なるドーピング濃度の複数のｎ型及びｐ型セクションを含む。ＮＮＢＤ７００または７１０は、同様の方法または他の方法で作り出され得る。
【００４５】
ＮＮＢＤ７００または７１０の両端に外部電圧Ｖｆｂｒがかけられるとき、空乏領域の両端の電圧は、Ｖｆｂｒに内蔵電位Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを加えた値に等しい。従って、空乏バンド領域を越えるキャリアは、外部からかけられる電圧よりも電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎだけ電位が高い。この電圧差を補償するために、全ＮＮＢＤ抵抗に等しい増加電流がＶｂｕｉｌｔ−ｉｎ／ＮＮＢＤを流れる。この電流の増加は、ＮＮＢＤ７００のｎ領域７０２またはＮＮＢＤ７１０のｐ領域７１２が完全に空乏化されるされる限り生じる。また、ＮＮＢＤ７００及び７１０は、Ｖｆｂｒ以上の電圧が外部からかけられるときには、中性領域を有しない。Ｖｆｂｒで電流が増加しかつ中性領域を有しないことは、オフからオンへ及びオンからオフへのスイッチング時間を減少させるのに役立ち得る。
【００４６】
この技術の適用は、従来のショットキーダイオードに略自然降伏状態を与え、新たな能動バイアス電圧範囲、すなわち、ゼロとＶｂｒの間の逆バイアス電圧範囲を作り出す。この新たな能動領域によって、２つの能動領域を有するように略自然降伏状態に改変されたショットキーダイオードは、発振回路及び高速スイッチを含む用途に利用されることができる。
【００４７】
本発明の別の実施形態に従って、ＮＮＢＤは３つ以上の半導体領域を用いて形成されることがあり、そのうちの１つ若しくは複数はコンタクトに隣接し、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化する。半導体領域には、同じ極性型の複数のセクションが含まれることがある。図５（ａ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＮＰＮで自然降伏領域にあるコレクタ半導体領域５０１を有するＮＰＮバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５００を示している。Ｖｆｂｒ ＮＰＮに等しい電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５００のコレクタ領域５０１及びベース領域５０３の両端にかけられると、コレクタ半導体領域５０１はコレクタコンタクト５０２の下で完全に空乏化する（すなわちコレクタ領域５０１は自然降伏状態にある）。図５（ｂ）は、中性領域５０４を有するベース半導体領域５０３と共にコレクタ半導体領域５０１が自然降伏状態下にあるときのＮＮＢＤ５００の拡大図を示している。図５（ｃ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＰＮＰで自然降伏領域にあるコレクタ半導体領域５１１を有するＰＮＰバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５１０を示している。Ｖｆｂｒ ＰＮＰに等しい電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５１０のコレクタ領域５１１及びベース領域５１３の両端にかけられると、コレクタ半導体領域５１１は、コレクタコンタクト５１２の下で完全に空乏化する（すなわちコレクタ領域５１１は自然降伏状態にある）。図５（ｄ）は、中性領域幅５１４を有するベース半導体領域５１３と共にコレクタ半導体領域５１１が自然降伏状態下にあるときのＮＮＢＤ５１０の拡大図を示している。
【００４８】
Ｖｆｂｒ ＮＰＮ以上の電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５００のコレクタ領域５０１及びベース領域５０４の両端にかけられるとき、コレクタ半導体領域５０１は自然降伏状態にあるので、ＮＮＢＤ５００のコレクタベース接合での空乏領域幅は変わらない。従って、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０３における中性領域５０４の幅は、電圧ＶＣＢがＶｆｂｒ ＮＰＮ以上の値を超えたときに変化しない。ベース領域５０３におけるＶＣＢに影響されないベース中性領域５０４の幅を有することは、コレクタ領域５０１及びベース領域５０４の両端に内部電圧差を生じさせる。２つの現象がこの内部電圧差を補償する。先ず、コレクタ電流の増加が内部電圧降下を小さくする。さらに、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０４内の中性領域５０３に電界が作り出される。順方向能動モードで動作する（すなわち、ベース−エミッタ接合は順バイアスされ、ベース−コレクタ接合は逆バイアスされる）従来のバイポーラトランジスタにおいて見られるように、コレクタ電流は、ＶＢＥ電圧及びベース電流に基づき、ＶＣＢ電圧と無関係に、エミッタ領域からベース領域内へのキャリアの注入によって制御される。従って、ＮＮＢＤ５００において、ベース中性領域内に生成される電界は支配的効果である。同様の効果がＮＮＢＤ５１０に生じるので、ＮＮＢＤ５１０のベース５１３の中性領域にも電界が作り出される。
【００４９】
順方向能動モードで動作する従来のバイポーラトランジスタは、電圧の増加につれてベース中性領域における幅の縮小に起因してコレクタ電流の増加をもたらすアーリー効果など、様々な非理想効果及び降伏状態を有する。アーリー効果は、バイポーラトランジスタに対するコレクタ電流ＩＣ対ＶＣＥ ＩＶ曲線を示す図５（ｅ）から分かる。図５（ｅ）において、実線（すなわち５４１）は、従来のバイポーラトランジスタに対するアーリー効果に起因するコレクタ電流の増加を示す。上記したように、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０３における中性領域５０４の幅は、電圧ＶＣＢが増加しても減少しない。従って、ＮＮＢＤ５００はアーリー効果のコレクタ電流変化を示さない。図５（ｅ）に示されている破線（すなわち５４２）は、コレクタ半導体領域が略自然降伏領域にあるバイポーラトランジスタ（例えばＮＮＢＤ５００）に対するコレクタ電流を表す。また、従来のバイポーラトランジスタは、ベース−コレクタ空乏領域はベース−エミッタ空乏領域に達するまで増加するので、ベース領域が完全に空乏化するときに生じるパンチスルー降伏状態を有する。ＮＮＢＤ５００は、パンチスルー降伏状態にならない。同じように、ＮＮＢＤ５１０は、パンチスルー降伏状態にならない。
【００５０】
コレクタ半導体領域５０１が自然降伏状態にあり、ＮＮＢＤ５００がカットオフモードで動作する（すなわちベース−エミッタ接合及びベース−コレクタ接合の両方が逆バイアスされる）とき、コレクタコンタクト５０２からのコレクタ電流は、ベース領域５０３の中性領域５０４に入る。しかし、ベース−エミッタ空乏領域における電界の極性は、ベース中性領域５０４に入る電流がベース−エミッタ接合を越えることを妨げる。結果として、ＮＮＢＤ５００内のコレクタ電流は、実質的にベースコンタクトから流れ出る。ＮＮＢＤ５１０は、ＮＮＢＤ５００と同じようにカットオフモードで動作する。
【００５１】
ＮＮＢＤは、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化するエミッタ半導体領域を備えたバイポーラトランジスタによっても形成され得る。図５（ｆ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＮＰＮバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５２０の略図である。図５（ｇ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５２０の拡大図を示している。図５（ｊ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＰＮＰバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５４０の略図を示している。図５（ｋ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５４０の拡大図を示している。エミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときにＮＮＢＤ５２０またはＮＮＢＤ５４０がカットオフモードで動作するとき、エミッタ電流は、上記したように実質的にベースコンタクトから流れ出る。
【００５２】
ＮＮＢＤはまた、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化するコレクタ及びエミッタの両半導体領域を備えたバイポーラトランジスタによって形成され得る。図５（ｈ）は、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５３０の略図を示している。図５（ｉ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５３０の拡大図を示している。図５（ｌ）は、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５５０と、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときの拡大図を示している。ＮＮＢＤ５３０及びＮＮＢＤ５５０は、上記したように、略自然降伏状態にあるコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタと略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するバイポーラトランジスタとの複合効果を示すことになる。
【００５３】
図８（ａ）及び図８（ｃ）は、それぞれＮＮＢＤデバイス８００及び８２０を示し、各々は３つ以上の半導体領域を有し、そのうちの１つがコンタクトに隣接しており、その半導体領域は自然降伏電圧が外部から印加されると完全に空乏化する。図８（ｂ）及び図８（ｄ）は、それぞれＮＮＢＤデバイス８１０及び８３０を示し、各々は３つ以上の半導体領域を有し、そのうちの２つがコンタクトに隣接しており、これらの半導体領域の各々は、自然降伏電圧が外部から印加されると完全に空乏化する。
【００５４】
次のステップは、あるデバイスから略自然降伏デバイス（ＮＮＢＤ）を作り出す一般的な方法を与える。
【００５５】
１）デバイス内のコンタクトに隣接する半導体領域を選び、デバイスのドーピング濃度を用いてデバイスがバイアスされていないときの領域における空乏領域の幅（Ｚｐ）を計算するステップ。空乏領域幅Ｚｐのデバイスの半導体領域上で実現される略自然状態に対して、領域の幅（Ｗｐ）はＺｐより大きい必要がある。
【００５６】
２）領域の電流幅及び非自然降伏電圧Ｖｂｒを用いて自然降伏電圧Ｖｆｂｒの最大の大きさを計算またはシミュレートし、空乏幅Ｚｐを用いて電圧Ｖｆｂｒの最小値を計算するステップ。Ｖｆｂｒバイアス電圧では、領域は自然降伏効果により完全に空乏化される。Ｖｆｂｒの大きさが、領域内で発生する非自然降伏状態の降伏電圧に等しいとき、降伏効果の組合せが生じることがある。電圧Ｖｆｂｒの大きさが、領域内で発生することになる非自然降伏状態の降伏電圧より小さいときは、自然降伏現象のみが現れる。また、Ｖｆｂｒの極性は、半導体領域内で１つの空乏領域の幅を増大させる方向にある。
【００５７】
３）Ｖｆｂｒを選択し、ＮＮＢＤに対する領域の新たな幅（ＷＮＮＢＣ）を計算するステップ。
【００５８】
上記の一般的な方法の変形形態は、上記と同じステップ１）と、次のステップ２）及び３）を用いる。
【００５９】
２）略自然降伏状態を有するために適切な略自然降伏領域の最大及び最小幅を決定するステップ。最大幅は、計算またはシミュレートされることができる非自然降伏電圧Ｖｂｒで、領域の電流幅と領域両端の空乏幅の間で（大きさが）より小さい値である。領域の最小値は、空乏幅Ｚｐより大きい。領域の幅（ＷＮＮＢＣ）を最大幅と最小幅の間で選ぶ。
【００６０】
３）選択された領域の幅ＷＮＮＢＣを用いてＶｆｂｒを計算するステップ。Ｖｆｂｒバイアス電圧では、領域は、自然降伏効果により完全に空乏化される。
【００６１】
略自然降伏状態を作り出すために用いられる半導体領域のドーピング濃度及び幅は、降伏電圧が決定された時点で決定され得る。ドーピング濃度は、半導体領域のある幅を選択することによって決定されることができる。ドーピング濃度を決定する際の限定要因は、ドーピング濃度が、決定された自然降伏電圧Ｖｆｂｒより小さい大きさの電圧で非自然降伏状態（すなわちトンネル現象）を作り出してはならないことである。また、半導体領域の幅は、あるドーピング濃度を選択することによって決定されることができる。幅の選択は、選択された自然降伏電圧より小さい大きさの電圧で非自然降伏状態（例えば雪崩）を作り出すようなものであってはならない。
【００６２】
非ゼロ印加電圧でデバイスにおけるコンタクトに隣接する完全に空乏化した領域は、以下のことを成し遂げる。（１）空乏領域によって電界が作り出される結果として、コンタクト／半導体接合での電子が、完全に空乏化したｐ領域からｎ領域へ移動する（コンタクト／半導体接合での正キャリア（正孔）が、完全に空乏化したｎ領域からｐ領域へ移動する）。この場合、コンタクト／半導体接合での外部電子と完全に空乏化したｐ領域との間の距離（コンタクト／半導体接合での外部の正キャリア（正孔）と完全に空乏化したｎ領域との間の距離）はゼロである。結果として、逆バイアス伝導電流が達成される。（２）完全に空乏化したｐ領域がコンタクト／半導体接合で外部電子を有する（完全に空乏化したｎ領域がコンタクト／半導体接合で外部の正キャリア（正孔）を有する）ならば、逆バイアス伝導性（reverse bias conductivity）が生じる。（２）完全に空乏化したｐ領域がコンタクト／半導体接合で外部電子を有する（完全に空乏化したｎ領域がコンタクト／半導体接合で外部の正キャリア（正孔）を有する）ならば、閾値電圧で逆バイアス伝導性が生じる。（３）コンタクト／半導体接合での電子が、空乏領域によって作り出される電界の方向と逆の方向へ移動する（コンタクト／半導体接合での外部の正キャリア（正孔）が電界の方向と同じ方向に移動する）。例えば、ＮＮＢＤダイオードが、従来のダイオードの場合の雪崩降伏電圧の代わりに、略自然降伏電圧を伝導する。
【００６３】
図９は、本発明に従って、バイアス電圧下でのＮＮＢＤ構造及び特性の表を示している。表の左側の１列目は、構造があたかも直線的に配置されたかのようなＮＮＢＤの構造である。構造を示すために用いられる語は、次のとおりである。
「Sch」Contact−半導体ショットキー障壁
「Ohm」Contact−半導体オーミック障壁
「N non-F」−非強制略自然降伏 ｎ型領域
「P non-F」−非強制略自然降伏 ｐ型領域
「N Forced」−強制略自然降伏 ｎ型領域
「P Forced」−強制略自然降伏 ｐ型領域
「N」−降伏状態下にないｎ型領域
「P」−降伏状態下にないｐ型領域
【００６４】
２列目は、構造が構造の左側で正にバイアスされるかまたは構造の右側で負にバイアスされるときに構造が強制自然降伏状態を有する（「Yes」）か否（「No」）かを示している。２列目が「Yes」を示していれば、３列目は、どちらの接合が強制自然降伏状態を有するかを示す。４列目は、構造が構造の左側で負にバイアスされるかまたは構造の右側で正にバイアスされるときに構造が強制自然降伏状態を有する（「Yes」）か否（「No」）かを示している。４列目が「Yes」を示していれば、５列目はどちらの接合が強制自然降伏状態を有するかを示す。
【００６５】
図９におけるＮＮＢＤ構造は、領域を付加しかつ／または異なる材料を利用することによって、略自然降伏状態特性を示す他のＮＮＢＤ構造を得るために用いられ得る。他のＮＮＢＤ構造を得る方法には、例えば、電界が接合を越えることを妨げないような変更または非均質材料を用いて、接合間に真性材料を追加するステップが含まれることがある。一例として、構造「Ohm｜P Forced｜N｜Ohm」を有するＮＮＢＤ構造２９は、「Ohm｜P Forced｜Intrinstic｜N｜N+｜Ohm」に変更され得る。
【００６６】
ＮＮＢＤが、非自然降伏電圧Ｖｂｒに等しいＶｆｂｒ電圧を有するとき、自然降伏効果及び非自然降伏の組合せが発生する。効果の組合せは、降伏状態中に多数キャリアを利用し、それによってデバイスキャパシタンスを低下させる。デバイスキャパシタンスを低下させることによって、ＮＮＢＤは、１つの降伏効果、例えば雪崩降伏またはツェナー降伏を利用するデバイスよりも短いターンオフスイッチング時間を有することができる。
【００６７】
Ｖｆｂｒがゼロバイアスにかなり近い非常に小さな値に設定されるとき、ＮＮＢＤの降伏状態は、略ゼロ順閾値電圧を有すると考えることができる。例えば、ＮＮＢＤ３００は、略ゼロ逆バイアス電圧によってバイアスされる（完全に空乏化される）とき、電流を伝導する。内蔵電圧及びＶｆｂｒは共に、ＮＮＢＤ３００に対して電流を作り出すために用いられる。電流はかなり大きいので、デバイス上の抵抗を気にする必要はない。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。図１０（ａ）は、順電流及び順バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。図１０（ｂ）は、逆電流及び逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を表している。図１０（ｂ）は、ＮＮＢＤ３００が順閾値電圧及び略ゼロ順閾値電圧で逆降伏状態を有することを示している。自然降伏電圧Ｖｆｂｒがゼロにかなり近い小さな値に設定されるとき、ＮＮＢＤは、略ゼロ閾値電圧で電流を伝導し、理想的な半導体デバイスのように機能する。例えば、ＮＮＢＤ３００は、順バイアス電圧（Ｖｔｈ）より小さい外部印加電圧を有するとき、理想ダイオード特性を有する。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ゼロからＶｔｈ未満までの順バイアス領域及び全部の逆バイアス領域を含む理想ダイオードＩＶ曲線を示している。
【００６８】
ＮＮＢＤダイオードの用途には、クリッピング、クランピング、電圧調整が含まれ、あるいは所定電圧レベルを必要とする用途に適用される。複数のＮＮＢＤダイオードを並列に接続すると、回路を流れる電流の総量を増加させることになる。複数のＮＮＢＤダイオードを直列に接続すると、自然降伏状態を作り出すために必要な電圧の大きさを増大させることになる。
【００６９】
ＮＮＢＤダイオードは、降伏状態でデバイス内に中性領域がないように、Ｖｆｂｒ電圧でｐ領域及びｎ領域の両方の全域全体に空乏領域を延在させるように形成され得る。自然降伏状態中に中性領域を有すると、非導電（オフ）から導電（オン）状態へのスイッチング速度を増加させ得る。これは、キャリアが中性領域を越えるために必要な遷移時間がゼロであるためである。また、キャリアが空乏領域を越えるための遷移時間は、単位長さ当たりで、キャリアが中性領域を越えるための遷移時間より速い。
【００７０】
Ｖｆｂｒ電圧は、自然降伏領域内のイオンの数に基づく。半導体領域内でのこれらのイオンの分布は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒを変化させない。Ｖｆｂｒ降伏電圧を作り出すために必要なイオンの数は、均質材料及び階段ｐｎ接合近似を用いて計算され得る。必要なイオンの数が計算された時点で、所望の用途に最も良く合うようにイオンの分布が選択され得る。ＮＮＢＤに対する自然降伏領域内のイオンの分布は、ツェナー効果を用いることを含めてトンネル現象を用いて降伏を作り出す他のデバイスよりも柔軟性があり得る。これは、トンネル現象が、自然降伏領域と違って特定のドーピング濃度を必要とするからである。一例として、隣接するコンタクトの近くでイオン濃度をより高くしてコンタクト／半導体接合抵抗を低下させることが挙げられる。半導体領域内のイオンの数を制御するためにイオン注入が用いられることがある。
【００７１】
トンネル現象（すなわちツェナー効果）に起因する降伏は、特定のドーピング濃度を有する必要がある。雪崩効果に起因する降伏は、用いられる半導体材料に基づく固有の電界強度を必要とする。自然降伏状態によって生じる降伏は、完全に空乏化した半導体領域内のキャリアの数にのみ依存し、必要なデバイスパラメータを実現するのに必要なキャリアを分布させる自由度が増す。
【００７２】
本発明のＮＮＢＤ内の略自然降伏領域をバイアスするとき、略自然降伏領域の空乏領域幅の増加は、次の規則に従う。
− 強制略自然降伏領域が完全に空乏化していなければ、強制略自然降伏領域はデバイスを通る発生電流に寄与せず、
− 強制略自然降伏領域が完全に空乏化し、コンタクトに隣接していれば、隣接するコンタクトから完全に空乏化した強制略自然降伏領域を越えて、または完全に空乏化した強制略自然降伏領域から隣接するコンタクト内へのいずれかに電子電流が流れる。電子電流の方向は、強制略自然降伏領域内の電界の極性によって決まる。
【００７３】
略自然降伏状態は、コンタクトまたは半導体領域（ｐ型またはｎ型）に隣接する真性材料を用いて作り出され得る。略自然降伏領域は、真性材料に隣接するｐ型またはｎ型材料を用いて作り出され得る。本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤは、少なくとも１つの真性半導体領域に隣接するｐ型またはｎ型半導体領域によって作り出される強制略自然降伏領域を用いる。本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤは、少なくとも１つの真性半導体領域に隣接するｐ型またはｎ型半導体領域によって作り出される非強制略自然降伏領域を用いる。
【００７４】
真性材料を利用して既存のデバイスを用いて作り出されるＮＮＢＤの一例は、１つか２つの強制略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオード（すなわちｐ型／真性／ｎ型ダイオード構造）である。図１１（ａ）は、Ｐ型略自然降伏領域１１０１を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１００の略図を示している。図１１（ｂ）は、Ｎ型略自然降伏領域１１１２を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１１０の略図を示している。図１１（ｃ）は、Ｐ型略自然降伏領域１１２１及びＮ型略自然降伏領域１１２２を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１２０の略図を示している。略降伏状態にある１若しくは複数の半導体領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードは、中性領域の量が減少しているので、従来のＰＩＮダイオードより速い遷移時間を有すると期待される。
【００７５】
本発明は、ソースまたはドレインコンタクトに隣接する半導体領域が略自然降伏領域によって与えられ得るようなＭＯＳＦＥＴトランジスタを作り出すために適用され得る。図１３は、ドレインコンタクト１３０２に隣接する略自然降伏領域１３０１を有するエンハンスメントモードＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１３００の略図を示している。略自然降伏状態にあるドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することは、空乏領域の電界に起因して遷移時間を短縮することが期待される。図１２は、ソースコンタクト１２０２に隣接する略自然降伏領域１２０１を有するエンハンスメントモードＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１２００の略図を示している。略自然降伏状態にあるソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することで、結果的に、ソース空乏領域の電界によってＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴデバイスにチャネル電流が流れないようにされる。そのようなＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴデバイスは、回路保護のために用いられ得る。
【００７６】
本発明はまた、ソース、ドレインまたはゲートコンタクトに隣接する半導体領域が略自然降伏領域として与えられ得るようなＪＦＥＴトランジスタに適用され得る。図１４は、ドレインコンタクト１４０２に隣接する略自然降伏領域１４０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１４００の略図を示している。略自然降伏状態にあるドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することは、空乏領域の電界に起因して遷移時間を短縮することが期待される。図１５は、ソースコンタクト１５０２に隣接する略自然降伏領域１５０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１５００の略図を示している。略自然降伏状態にあるソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することで、結果的に、ソース空乏領域の電界によってＮＮＢＤ ＪＦＥＴデバイスに電流が流れないようにされる。そのようなＮＮＢＤ ＪＦＥＴは、回路保護を作り出すために用いられ得る。
【００７７】
図１６は、ゲートコンタクト１６０２に隣接する略自然降伏領域１６０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１６００の略図を示している。略自然降伏領域１６０１が略自然降伏状態にあるとき、チャネル１６０３内に形成される空乏幅は、略自然降伏効果のために、ゲート・ソース電圧の変化の結果として変化しない。また、電流がチャネル１６０３から略自然降伏領域１６０１を通って流れ、ゲートコンタクト１６０２から出て行く。略自然降伏領域１６０１が略自然降伏状態にある間はチャネル１６０３の幅は減少せず、それによって、ＮＮＢＤ１６００は最小チャネル幅を達成することができる。そのようなＮＮＢＤデバイスは、回路保護を作り出すために用いられ得る。
【００７８】
本発明は、光子（フォトン）を吸収するコンタクトに隣接する半導体領域が非強制略自然降伏領域であるような、雪崩フォトダイオードに適用され得る。別の実施形態では、ＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードは、コンタクトに隣接する光子を吸収するＰ型領域を非強制略自然降伏領域にする。従って、略自然降伏電圧でＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードがバイアスされるとき、雪崩効果及び略自然降伏状態の両方が一緒に起こる。このことは、比較的一定のバックグラウンド電流を作り出す略自然降伏状態のおかげで、従来の雪崩フォトダイオードに関連するノイズ問題を改善し得る。ＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードのバックグラウンド電流は、従来の雪崩フォトダイオードより高いことがあるが、生じる雪崩増倍は、ひとたび光子が吸収されると、バックグラウンド電流よりかなり大きい電流を生成することになる。
【００７９】
本発明は、コレクタコンタクトに隣接する半導体領域が非強制略自然降伏領域であるような雪崩フォトトランジスタに適用され得る。別の実施形態では、ＮＮＢＤ雪崩フォトトランジスタは、コレクタコンタクトに隣接する非強制自然降伏領域を有する。ＮＮＢＤ雪崩フォトトランジスタは、上記した雪崩フォトダイオードに対する利点と同じ利点を有し得る。
【００８０】
上記の詳細な説明は、上記の特定実施形態を説明するために与えられているものであり、限定することを意図するものではない。本発明の範囲内での数多くの改変及び変形が可能である。本発明は、以下の特許請求の範囲に規定される。
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１１／４４６，６９９号（特許文献１）の優先権を主張し、特許文献１は、そっくりそのまま引用を以って本明細書の一部となす。米国を指定する場合、本願は、米国特許出願第１０／９６３，３５７号（特許文献２）の一部継続出願である米国特許出願第１１／４４６，６９９号の継続出願であり、特許文献２もそっくりそのまま引用を以って本明細書の一部となす。
【０００２】
本発明は、高速スイッチング用途及び発振器用途を含む用途のための、バイアス電圧を利用してデバイスの半導体領域内に自然降伏状態を作り出す半導体デバイスに関する。ゼロバイアスで、デバイスの半導体領域は略自然降伏状態を有する。バイアスされた後、領域は、自然降伏状態にあり（完全に空乏化され）、デバイスに電流を伝導させる。略自然降伏状態を有する半導体デバイスの一例が特許文献２に開示されている。
【背景技術】
【０００３】
図２は、従来のｐｎ接合ダイオードの電流対電圧特性を示している。図１は、従来の階段ｐｎ接合ダイオード１００の略図である。図１に示すように、従来のｐｎ接合ダイオード１００は、ｐ領域１０１及びｎ領域１０２を含む。ｐ領域１０１は、例えばｐ型ドーパント（すなわちホウ素などの電子受容体）を用いてドープされることができ、ｎ領域１０２は、ｎ型ドーパント（すなわちリンなどの電子供与体）を用いてドープされることができる。ｐ領域１０１とｎ領域１０２間の階段接合の近くで、２つの領域間の電荷キャリア（例えば電子及び「正孔」）の拡散及び２つの領域の電気化学ポテンシャルの差に起因する平衡は、電荷キャリアを減らし（空乏化）、ｐ領域１０１及びｎ領域１０２にそれぞれ「空乏」領域（空乏層）１０３及び１０４を形成する。いわゆる「階段接合近似」下で、空乏領域１０３の幅ｘｐ及び空乏領域１０４の幅ｘｎは、ｐｎ接合両端に外部から電圧Ｖをかけられた状態で、それぞれ次式で与えられる。
【数１】
【数２】
ここで、εｓはシリコンの誘電率、ｑは電子の電荷、φｉはｐｎ接合の「内蔵」電位（「ビルトイン」ポテンシャル）、ＮＡ及びＮＤはそれぞれｐ領域１０１及びｎ領域１０２のドーピング濃度である。
【０００４】
図２に示すように、横軸はｐｎ接合両端の電圧Ｖを示し、縦軸はｐｎ接合両端のダイオード電流ＩＤを示している。図２に示すように、ｐｎ接合両端の電圧Ｖが０ボルトより大きくかつ電圧Ｖｔｈ（「閾値電圧」）より大きいときには、ｐｎ接合は強く「順バイアス」され、ダイオード電流ＩＤは電圧Ｖと共に指数関数的に増大する。ｐｎ接合両端の電圧Ｖが０ボルトよりは小さいが電圧Ｖｂｒ（「降伏電圧」）よりは小さくないときには、ｐｎ接合は「逆バイアス」され、ダイオード電流ＩＤは非常に小さい。逆バイアス下では、電圧の大きさが増大するにつれて、生成されたキャリアはエネルギーを増し、電圧Ｖｂｒで降伏現象（注１）、例えば、トンネル現象及び衝撃イオン化をもたらす。電圧Ｖｂｒでは、ダイオード電流ＩＤは非常に大きくなり、ダイオードの「降伏」が起こる。降伏時点では、ｐｎ接合両端の平均電界の大きさ（Ｖ／ｃｍ）は実験式
【数３】
によって与えられる。ここで、ＮＤは、ＮＡ及びＮＢのうち、より小さい方である。
【０００５】
（注１）本開示では、「非自然降伏」なる語は、以下に詳述されるような「自然降伏」及び「略自然降伏」現象と区別される降伏現象を指すために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１１／４４６，６９９号（米国特許公開公報２００７０２１５８７３号）明細書
【特許文献２】米国特許出願第１０／９６３，３５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、バイアス電圧が印加されるときに半導体デバイス上に自然降伏状態を作り出すような「略自然降伏状態」を提供する。自然降伏状態は、電流伝導やスイッチング用途に用いられる。「略自然降伏デバイス」（「near natural breakdown device：ＮＮＢＤ」）は、バイアスされると自然降伏状態を達成するような新たな能動領域を有する。本発明の一実施形態では、ＮＮＢＤは２端子略自然降伏デバイスである。ＮＮＢＤは、高速発振器及びスイッチング用途に用いられることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に従って、半導体デバイス及びＮＮＢＤを形成する方法を開示する。半導体デバイスは、第２領域に隣接して形成される半導体領域を含み、第１半導体領域は強制または非強制略自然降伏デバイスであり、これは、所定電圧が例えばツェナー降伏及び雪崩降伏の非自然降伏電圧以下の大きさを有するときに完全に空乏化される。非自然降伏電圧は、第１及び第２領域の両端に印加される。第２領域は、第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料であり得る。あるいは、第２領域は、第１領域へのショットキー障壁を形成する金属であり得る。さらに、半導体デバイスは、第２領域に隣接する第３領域を含み、第２領域及び第３領域は共に半導体材料を含むので、第１領域、第２領域及び第３領域がバイポーラトランジスタを形成することがある。そのようなバイポーラトランジスタでは、第１領域はバイポーラトランジスタのエミッタまたはコレクタであり得る。
【０００９】
ＰＩＮ型ダイオード構造、ＭＯＳＦＥＴ及びＪＦＥＴ構造を含むＮＮＢＤデバイスも可能である。
【００１０】
本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面を考慮してより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のｐｎ接合ダイオード１００の略図である。
【図２】従来のｐｎ接合ダイオードの電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）特性を示している。
【図３】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるＰ型領域を有するような、強制略自然降伏デバイス（ＮＮＢＤ）３００の略図である。
【図４】ＮＮＢＤ３００の電流−電圧（ＩＶ）特性を示している。
【図５（ａ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＮＰＮが印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５００の略図である。
【図５（ｂ）】自然降伏状態下でコレクタ半導体領域５０１が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５００の拡大図を示している。
【図５（ｃ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＰＮＰ Ｖｆｂｒ ＮＰＮの前に略自然降伏状態にあるコレクタ半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５１０の略図である。
【図５（ｄ）】自然降伏状態下でコレクタ半導体領域５１１が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５１０の拡大図を示している。
【図５（ｅ）】バイポーラトランジスタに対するコレクタ電流ＩＣ対ＶＣＥ ＩＶ曲線を示している。
【図５（ｆ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５２０の略図である。
【図５（ｇ）】自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５２０の拡大図を示している。
【図５（ｈ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５３０の略図である。
【図５（ｉ）】自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５３０の拡大図を示している。
【図５（ｊ）】本発明の一実施形態に従って、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５４０の略図である。
【図５（ｋ）】自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５４０の拡大図を示している。
【図５（ｌ）】自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５５０の略図と、本発明の一実施形態に従って、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときの拡大図である。
【図６（ａ）】本発明の一実施形態に従って、逆自然降伏電圧Ｖｆｂｒで完全に空乏化されるＮ型領域を有するＮＮＢＤ６００の略図である。
【図６（ｂ）】ＮＮＢＤ６００の電流−電圧（ＩＶ）特性を示している。
【図６（ｃ）】本発明の一実施形態に従って、逆自然降伏電圧Ｖｆｂｒで完全に空乏化されるＮ型領域を有するＮＮＢＤ６００の略図である。
【図７（ａ）】本発明の一実施形態に従って、ゼロ印加バイアス電圧でと、Ｖｆｂｒの逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ７００の略図である。ＮＮＢＤ７００は、強制略自然降伏状態下での強制略自然降伏Ｎショットキーダイオードを表す。
【図７（ｂ）】本発明の一実施形態に従って、ゼロ印加バイアス電圧でと、Ｖｆｂｒの逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ７１０の略図である。ＮＮＢＤ７１０は、強制略自然降伏状態下での強制略自然降伏Ｐショットキーダイオードを表す。
【図８（ａ）】ゼロバイアス電圧バイアスでコンタクトに隣接する１つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８００を示している。
【図８（ｂ）】ゼロバイアス電圧バイアスでコンタクトに隣接する２つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８１０を示している。
【図８（ｃ）】自然降伏電圧Ｖｆｂｒでコンタクトに隣接する１つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８２０を示している。
【図８（ｄ）】自然降伏電圧Ｖｆｂｒでコンタクトに隣接する２つの強制略自然降伏領域を含むＮＮＢＤ８３０を示している。
【図９】本発明に従って、バイアス電圧下でのＮＮＢＤ構造及び特性の表を示している。
【図１０（ａ）】ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときの順電流及び順バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。
【図１０（ｂ）】ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときの逆電流及び逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。
【図１１（ａ）】本発明の一実施形態に従ってＰ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１００の略図を示している。
【図１１（ｂ）】本発明の一実施形態に従ってＮ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１１０の略図を示している。
【図１１（ｃ）】本発明の一実施形態に従ってＰ型略自然降伏領域及びＮ型略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１２０の略図を示している。
【図１２】本発明の一実施形態に従ってソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１２００の略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１３００の略図である。
【図１４】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１４００の略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に従って、ソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１５００の略図である。
【図１６】本発明の一実施形態に従って、ドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタであるＮＮＢＤ１６００の略図である。 図面間の比較を容易にするために、類似の要素には類似の符号が割り当てられている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、ｐ型またはｎ型領域を、領域全体がその多数キャリアを失うときに、完全に空乏化されると見なす。この領域は、任意の適切な形、形状、寸法、層、構造、導電率または濃度で、異なる材料を含み得る。本明細書中のＮＮＢＤの例及び図面は均質または均一なドーパント濃度の領域を示しているが、そのような領域は例示のためだけに与えられている。本発明は、その様々な領域内のドーパント濃度が均質でないかまたは均一でないような半導体デバイスに等しく適用できる。さらに、本発明は、ヘテロ接合を有するデバイスにも適用され得る。
【００１３】
特許文献２に記載されているように、半導体デバイス（「ＮＢＤ」）は、その半導体領域の一方（Ｐ型またはＮ型）が外部バイアス電圧の印加なしに完全に空乏化されるときに「自然降伏」状態にある。本発明は、「略自然降伏」状態を導入する。半導体デバイスは、半導体デバイス上の半導体領域（Ｐ型またはＮ型）が、ゼロバイアスでは完全に空乏化されないが、特定のバイアス電圧が印加されると完全に空乏化する（すなわち、デバイスに非ゼロバイアス電圧が印加されると半導体デバイスの半導体領域が「略自然降伏」状態から「自然降伏」状態に変化する）とき、「略自然降伏」状態にあると言われる。非ゼロバイアス電圧は、電流伝導が発生しかつスイッチング電圧として用いられ得るような電圧レベルである。略自然降伏状態にある半導体領域を有する半導体デバイスは、「略自然降伏デバイス」（ＮＮＢＤ）である。
【００１４】
本発明に従って、略自然降伏状態は従来のまたは新たな半導体デバイスに適用され、新たな特性を作り出すことができる。略自然降伏状態を利用することによって新たなデバイスが作り出され得る。
【００１５】
略自然降伏状態は、「非自然降伏」状態下で動作する半導体デバイス構造に適用され得る。これらの半導体デバイスの例には、トンネル現象（すなわちツェナー効果）または衝撃イオン化（すなわち雪崩効果）デバイスが含まれる。略自然降伏デバイスの降伏電圧の大きさは、任意の非自然降伏電圧以下である。後述する技術を用いて、半導体デバイスは、非自然降伏電圧と一致する自然降伏電圧を有するように製造され得る。後述する式Ｐ、式Ｎ、または当業者に既知の他の公式を用いて、自然降伏電圧範囲を計算することができる。デバイスが、デバイスの降伏電圧の「非自然降伏」電圧よりも大きさが小さい略自然降伏電圧を有するとき、デバイスには「非自然降伏」の代わりに自然降伏が起こる。デバイスの自然降伏電圧と「非自然降伏」電圧が一致するとき、同じ降伏現象が同時に現れることがあり、両方の現象に起因する電流が生じ得るので、全電流はどちらかの降伏効果に起因する電流を超える。例えば、ツェナー降伏電圧を有する半導体デバイスは、ツェナー降伏電圧で自然降伏電圧になるような、略自然降伏状態の半導体領域（すなわち略自然降伏ツェナーデバイス）を有するように設計されることがある。そのようなデバイスにおいては、ツェナー降伏電圧において、デバイスには複合降伏効果が起こる。デバイスは、ツェナーデバイスより速くスイッチすることができ、より強い電流を生成することができる。雪崩降伏及び自然降伏の複合効果は、半導体デバイスに適用され得る。従って、略自然降伏状態は、半導体デバイスにおいて、当該デバイスに対して（大きさが）略ゼロから「非自然降伏」電圧までの自然降伏電圧で完全に空乏化した領域を作り出すように設計されることができる。
【００１６】
略自然降伏状態は、従来のまたは新たな半導体デバイス構造に対して実現され得る。一実施形態では、実現ステップは、（１）自然降伏電圧Ｖｆｂｒを選択するステップと、（２）ゼロバイアスで略自然降伏状態を作り出すようにデバイス内の半導体領域及びドーピング濃度を選択するステップと、（３）そのドーピング濃度を用いて、式Ｎ、式Ｐ、または当業者に既知の他の公式を用いて、半導体領域の幅を計算するステップとであり得る。（幅を決定するために、シミュレーションも用いられることができる。）これらのステップは、非自然降伏電圧を有する半導体デバイスに対しても同じように用いられ得る。自然降伏電圧Ｖｆｂｒ（上記ステップ（１）に従って決定される）及び非自然降伏電圧は、デバイス降伏が非自然降伏状態下であるか自然降伏状態下であるかを決定する。通常の意図された動作中に非自然降伏状態下で降伏しないデバイスの場合、そのような領域（すなわち自然降伏領域）の幅は、そのような領域で略自然降伏状態が尚も起こるための最大幅まで選択され得る。従って、最大自然降伏電圧は、ドーピング濃度及び領域の幅から計算されることができる。用途に対する適切な自然降伏バイアス電圧を選択した後、デバイスの幅は、式Ｐ、式Ｎ、または当業者に既知の他の公式を解くことによって、選択された自然降伏バイアス電圧及び半導体ドーピング濃度から計算され得る。非自然降伏が起こるデバイスの場合、最大自然降伏電圧は非自然降伏電圧である。
【００１７】
略自然降伏状態は、より広範囲の降伏電圧、低電圧高速スイッチング、電圧保護または調整、スイッチングをデバイスに与え、望ましくない降伏を防ぎ、電流を与え、他の降伏効果と自然降伏を結び付けるように実現され得る。
【００１８】
本発明の一実施形態に従って、非自然降伏を有するｐｎ接合ダイオードは、Ｖｂｒの非自然降伏電圧が外部からかけられるときに同等の寸法及び同等のドーパント濃度の従来の階段ｐｎ接合の空乏幅ｘｐ以下の幅ｗｐを有する半導体領域（例えばｐ型領域）を含む。電圧Ｖｂｒは、従来の階段ｐｎ接合ダイオードの領域が例えばトンネル現象（すなわちツェナー効果）または衝撃イオン化（すなわち雪崩効果）に起因して非自然降伏状態に入る前にｐｎ接合両端にかけられることができる最大のバイアス電圧である。すなわち、
【数４】
である。ここで、εｓはシリコンの誘電率、ｑは電子の電荷、φｉはｐｎ接合の「内蔵」電位、ＮＡ及びＮＤはそれぞれｐ領域１０１及びｎ領域１０２のドーピング濃度である。ｗｐ＝ｘｐ（ｎ型領域の場合はｗｎ＝ｘｎ）のとき、その領域は非強制略自然降伏領域と呼ばれ、ｗｐ＜ｘｐ（ｎ型領域の場合はｗｎ＜ｘｎ）のとき、その領域は「強制略自然降伏」領域と呼ばれる。
【００１９】
図３は、本発明の一実施形態に従ってＮＮＢＤ３００の略図である。図３に示すように、ＮＮＢＤ３００はｐ領域３０１及びｎ領域３０２を含み、ｐ領域３０１は空乏幅３０５、ｐ領域幅３０６（ｗｐ）を有し、ｗｐは、Ｖｂｒの外部非自然バイアス降伏電圧がかけられるとき、同等の寸法及びドーパント濃度の従来のｐｎ接合のｐ領域における対応する空乏幅のｘｐ以下である。非自然降伏電圧でのｐ領域３０１の空乏幅ｘｐは、参考のために図３中に長さ３０７で示されている。（外部からかけられるＶｂｒの非自然降伏電圧がかけられるときに従来のｐｎ接合における対応する半導体領域に対する空乏幅より小さい空乏幅を有する半導体領域は、本明細書中では「強制降伏」幅を有すると見なされる。外部からかけられるＶｂｒの非自然降伏電圧がかけられるときに従来のｐｎ接合における対応する半導体領域に対する空乏幅に等しい空乏幅を有する半導体領域は、本明細書中では「非強制略自然降伏」幅を有すると見なされる。）その一方、ｎ領域３０２の幅は、外部からかけられるＶｂｒの逆非自然降伏電圧がかけられるとき、同等のドーピング濃度及び寸法の従来のｐｎ接合ダイオードのｎ領域に対する空乏領域ｘｎより小さくても、大きくても、あるいは等しくてもよい。非自然降伏電圧でのｎ領域３０２の空乏幅ｘｎは、参考のために図３中に長さ３１７で示されている。
【００２０】
ｐ領域３０１上及びｘｎより大きい幅を有するｎ領域３０２上での強制略自然降伏状態は、本発明の一実施形態である。ＮＮＢＤ３００を電子回路に接続させることができるコンタクト領域３０３及び３０４も示されている。ｐ領域３０１及びｎ領域３０２内のドーピング濃度は、コンタクト３０３及び３０４がオーミック接触（オーミックコンタクト）であるように、十分に高い。コンタクト領域３０３及び３０４は、例えば従来の化学蒸着法技術を用いて従来の相互接続導体（例えばアルミニウムや銅）を蒸着することによって、あるいは当業者に既知の他の手段によって接続され得る。ｐ領域３０１及びｎ領域３０２は、イオン注入または当業者に既知の他の手段を用いて従来のシリコン基板内に形成され得る。
【００２１】
ＮＮＢＤ３００のｐ領域幅ｗｐは、ドーピング濃度、空乏幅、自然降伏電圧及び非自然降伏電圧に基づいて計算され得る。ＮＮＢＤ３００のための適切な幅ｗｐは、次のステップを用いて計算され得る。
【００２２】
（１）先ず、従来のｐｎ接合ダイオードのｐ領域及びｎ領域に対するドーピング濃度を選択するが、このとき、ゼロ印加バイアス電圧下で、ｐ領域が空乏幅Ｚｐ（図３の幅３０５によって示されている）を有し、ｎ領域が空乏幅Ｚｎ（図３の幅３１５によって示されている）を有するようにドーピング濃度の選択を行う。（適切なドーピング濃度を選択するためにｐ領域及びｎ領域の空乏幅が用いられることがある。）これらの寸法は、従来のｐｎ接合ダイオードにおいて、ｐｎ接合の両端に外部電圧がかけられていないときに、内蔵電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを作り出す。また、従来のｐｎ接合ダイオードが、非自然降伏電圧Ｖｂｒに等しい逆バイアス電圧を外部からかけられるとき、ｐ領域は空乏幅ｘｐを有し、ｎ領域は空乏幅ｘｎを有する。非自然降伏状態の空乏幅ｘｐは、ｘｐの最大幅である。幅ｗｐは、Ｚｐより大きい。強制ＮＮＢＤにおいては、自然降伏電圧Ｖｆｂｒの大きさはＶｂｒの大きさより小さい。非強制ＮＮＢＤにおいては、バイアス自然降伏電圧ＶｆｂｒはＶｂｒに等しい。
【００２３】
（２）ＮＮＢＤに対する所望の自然降伏電圧Ｖｆｂｒをゼロバイアスとデバイスの非自然降伏電圧Ｖｂｒの間で選択する。印加されたバイアス電圧がゼロとＶｆｂｒの間であるときには、漏れ電流のみがＮＮＢＤを流れることになる。しかし、印加されたバイアス電圧がＶｆｂｒより大きい大きさを有するときには、より大きな多数キャリア逆電流がＮＮＢＤを流れることになる。ＮＮＢＤが被選択自然降伏電圧Ｖｆｂｒにバイアスされるとき、自然降伏状態が発生する。
【００２４】
（３）ｐ領域３０１に対する空乏幅ｗｐを計算するが、このとき、コンタクト３０３とコンタクト３０４の間に電圧Ｖｆｂｒがかけられるときにｐ領域３０１全体が完全に空乏化するように幅ｗｐの計算を行う。階段接合近似を仮定すると、幅ｗｐは次式Ｐを用いて計算され得る。
【数５】
【００２５】
当業者に既知であるように、ｗｐを計算する他の方法がある。ｗｐ＝ｘｐのとき、ＶｆｂｒはＶｂｒに等しい。ドーピング濃度は、キャリアの数によって表され得る。ＮＮＢＤ３００に対する幅ｗｐは、他のステップ、例えば、（１）所望の自然降伏電圧Ｖｆｂｒを選択するステップと、（２）ドーピング濃度及び空乏幅Ｚｐを選択するステップと、（３）上記した式Ｐ（または当業者に既知の他の公式）を用いて幅ｗｐを計算するステップとによっても計算され得る。半導体領域内で非自然降伏状態にならない半導体デバイスが完全に空乏化されるとき、ｗｐの最大幅は半導体領域幅であり、幅ｗｐはＺｐより大きい。
【００２６】
幅ｗｐは階段接合近似を用いて上記のように計算されることに留意されたい。他の適切な方法を用いてもよい。幅ｗｐは、用途に応じて、異なる接合近似を用いて計算され得る。上記で説明したように、本発明の一実施形態に従って、状態ｗｐ＜ｘｐは「強制略自然降伏状態」と呼ばれ、そのような状態下で、ｐ領域３０１は「強制略自然降伏領域」と呼ばれる。ｐ領域３０１が強制略自然降伏状態にあるとき、Ｖｆｂｒの値はＶｂｒより小さい。本発明の別の実施形態に従って、状態ｗｐ＝ｘｐは「非強制略自然降伏状態」と呼ばれ、そのような状態下で、ｐ領域３０１は「非強制略自然降伏領域」と呼ばれる。ＮＮＢＤが「非強制略自然降伏領域」を有するときには、自然降伏及び非自然降伏が起こりかつかなりの電流を生成することになる。
【００２７】
ひとたびｗｐが決まったら、ＮＮＢＤ３００がＶｆｂｒでバイアスされるときにｐ領域３０１がコンタクト領域３０３とｎ領域３０２の間で完全に空乏化されることになるように、任意の適切な幅のｎ領域３０２を備えたＮＮＢＤが作り出され得る。ｗｎ（幅３１６によって示される）は、ＮＮＢＤ３００がＶｆｂｒに逆バイアスされるときのＮＮＢＤ３００上のｎ領域３０２の空乏領域幅である。ｎ領域３０２の幅は、ｐ領域３０１が完全に空乏化する前にｎ領域３０２が完全に空乏化しない限り、ｗｎからｘｎ以上にまで及び得る。コンタクト３０３と３０４の間に印加される外部電圧がＶｆｂｒであるとき、ＮＮＢＤ３００のｐ領域３０１は完全に空乏化される。本発明の一実施形態は、ｘｐより小さいｗｐを持つｐ領域３０１に強制略自然降伏状態を与え、ｎ領域３０２の幅は、ｗｎからｘｎ以上までの間の値である。本発明の一実施形態は、ｐ領域３０１がｘｐに等しい幅ｗｐを有するような非強制略自然降伏状態であり、ｎ領域３０２の幅は、ｗｎからｘｎ以上にまで及び得る。
【００２８】
図６（ａ）に示されている本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤ６００のｎ領域６０２は、ｐ領域６０１における略自然降伏状態なしに、強制略自然降伏状態下に置かれ得る。ＮＮＢＤは、２つ以上の降伏領域を有し得る。この実施形態では、ｐ領域６０１の幅は、ｎ領域６０２が完全に空乏化するときにｐ領域６０１が完全に空乏化しない限り、ｗｐからｘｐ以上にまで及び得る。図６（ａ）では、自然降伏でのｐ領域６０１の空乏幅ｗｐ及び空乏幅ｗｎが図６（ａ）にそれぞれ幅６０６及び６１６として示されている。本発明の一実施形態は、非強制略自然降伏のｎ領域６０２（すなわちｗｎがｘｎに等しい）及びｐ領域６０１（ｗｐからｘｐ以上までの間の幅を有する）を与える。本発明の別の実施形態は、ｘｎより小さいｗｎで作られたｎ領域６０２に強制略自然降伏状態を与え、ｐ領域６０１の幅は、ｗｐからｘｐ以上までの間の幅を有する。この実施形態では、ｐ領域６０１の幅は、ｎ領域６０２が完全に空乏化するときにｐ領域６０１が完全に空乏化しない限り、ｗｐからｘｐ以上にまで及び得る。そのような構造を有するＮＮＢＤには、強制略自然降伏ダイオードが含まれる。これらのＮＮＢＤ領域は、強制略自然降伏領域または非強制略自然降伏領域のいずれかである場合がある。
【００２９】
一般に、ＮＮＢＤは、Ｖｆｂｒの逆バイアス下で完全に空乏化したｐ領域またはｎ領域のうちの一方を有する。ひとたびＮＮＢＤが完全に空乏化した領域を有すると、電界によって、電子、正孔、または両方が、完全に空乏化した領域を越えさせられることになり、それゆえ電流が作り出される。例えば、図３のＮＮＢＤ３００は、強制略自然降伏状態にあるｐ領域３０１と、幅がｘｎより大きいｎ領域３０２とを有する。ＮＮＢＤ３００が、外部からかけられるＶｆｂｒの逆バイアス電圧を有するとき、ｐ領域３０１は完全に空乏化する（すなわちｐ領域３０１内の空乏領域の末端とコンタクト３０３間の距離がゼロになる）。こうした条件下で、ｐ領域３０１内での電界の極性によって、コンタクト領域３０３からｐ領域３０１に入る電子は、ｐ領域３０１を越えてｎ領域３０２内へ直接に引き寄せられる。同様に、ｎ領域３０２から空乏領域に入る正孔は、ｐ領域３０１を越えてコンタクト領域３０３内へ引き寄せられる。
【００３０】
ひとたびＮＮＢＤ３００の両端に外部からかけられる逆バイアス電圧がＶｆｂｒに達したら、ｐ領域３０１及びｎ領域３０２に関連する空乏領域は、電圧がさらに増加しても同じ幅のままである。これは、ｎ領域３０２から電子を激減させるために利用できるさらなる正孔がｐ領域３０１内にないためである。結果として、外部印加逆バイアス電圧の大きさがＶｆｂｒを超えるので、ｎ領域３０２の中性領域における電圧降下として追加電圧が現れる。この誘導電圧は、電子電流（すなわち逆電流）をコンタクト領域３０３からｎ型領域３０２内へ流れさせる。
【００３１】
ＮＮＢＤ３００の両端にゼロと閾値電圧の間の順バイアス電圧（すなわち０＜ＶＩＮ＜Ｖｔｈ）がかけられると、ｐ領域３０１及びｎ領域３０２の両方で空乏幅が減少する。空乏領域両端の電圧降下も少なくなる。この状況では、外部印加電圧に比例する小さな順方向の漏れ電流がＮＮＢＤ３００内を流れる。外部印加電圧が閾値電圧Ｖｔｈに近付くにつれて、ＮＮＢＤ３００における空乏幅は、かなりの電流が流れるように著しく小さくなる。ひとたび外部からかけられる電圧が閾値電圧を超えると（すなわちＶＩＮ≧Ｖｔｈ）、ＮＮＢＤ３００は順バイアス電流を伝導する。
【００３２】
逆バイアスされると、ＮＮＢＤ３００は、順バイアスされるときの少数キャリアデバイスとは対照的に、多数キャリアデバイス（ｎ領域内に注入されている電子）として動作する。多数キャリアデバイスのスイッチング時間は、典型的には、少数キャリアデバイスのスイッチング時間より速い。
【００３３】
図４は、ＮＮＢＤ３００の電流対電圧（ＩＶ）特性のプロットである。ＮＮＢＤ３００は、外部からかけられる電圧がＶｆｂｒより大きさが大きい逆バイアス電圧より大きいときにはかなりの逆電流を伝導し、外部からかけられる電圧がＶｔｈより大きいときには順電流を伝導する。バイアス電圧がＶｆｂｒとＶｔｈの間にあるときには、ＮＮＢＤ３００は極僅かな漏れ電流を伝導する。
【００３４】
要約すると、本発明のＮＮＢＤは、Ｖｆｂｒより大きいバイアス電圧が印加されるときに伝導電流が流れるようにする。Ｖｆｂｒでは、ＮＮＢＤの半導体領域は、自然降伏状態を有する。デバイス上で略自然降伏状態を用いることは、例えばツェナー効果及び雪崩効果など非自然降伏状態を用いて達成可能であるより広くかつより柔軟な電圧範囲の伝導を可能にする。ＮＮＢＤは、バイアスされると、多数キャリアデバイスとして動作する。印加されるバイアス電圧が閾値電圧Ｖｆｂｒを超えていれば、ＮＮＢＤは伝導電流を供給する。本ＮＮＢＤ発明を従来のｐｎ接合ダイオードに適用すると、新たな能動バイアス電圧範囲、すなわち、Ｖｂｒより大きさが小さいバイアス電圧が作り出された。この新たな能動範囲は、ＮＮＢＤに改変されたｐｎ接合ダイオードが、発振回路及び高速スイッチを含む種々の用途に用いられることができる２つの能動領域を有することを可能にする。
【００３５】
本発明の別の実施形態に従って、上記したように、図６（ａ）は、ｘｎ（すなわち、外部逆非自然降伏電圧Ｖｂｒがかけられたときの従来のｐｎ接合ダイオードの空乏幅）より小さい幅ｗｎを有するｎ型領域６０２を備えたＮＮＢＤ６００を示している。階段接合近似を仮定すると、幅ｗｎは、次式Ｎを用いて計算することができる。
【数６】
【００３６】
ＮＮＢＤ６００に対する幅ｗｎ（幅６１６によって示される）も同様に決められる。ＮＮＢＤ６００に逆バイアス電圧Ｖｆｂｒが外部からかけられるとき、ｎ領域６０２は完全に空乏化する（すなわちｎ領域６０２内のコンタクト領域６０４と空乏領域の末端との間の距離がゼロになる）。こうした条件下で、コンタクト領域６０４からｎ領域６０２に入る正孔は、ｎ領域６０２を越えてｐ領域６０１内へ直接に引き寄せられる。同様に、ｐ領域６０１から空乏領域に入る電子は、ｎ領域６０２を越えて引き寄せられ、コンタクト領域６０４に入る。
【００３７】
ひとたびＮＮＢＤ６００にＶｆｂｒの逆バイアス電圧が外部からかけられたら、ｎ領域６０２及びｐ領域６０１に関連する空乏領域は幅が増大しない。これは、ｐ領域６０１から正孔を激減させるために利用できる電子がｎ領域６０２にないからである。従って、外部印加逆バイアス電圧の大きさがＶｆｂｒより大きく増大するにつれて、ｐ領域６０１の中性領域内で電圧が誘導されることになる。この誘導電圧は、前述の空乏領域の電界の引き寄せ（スイープ）効果によりコンタクト６０４からｐ領域６０１内に逆電流を流すことになる。
【００３８】
ＮＮＢＤ６００にゼロと閾値電圧の間の順バイアス電圧（すなわち０＜ＶＩＮ＜Ｖｔｈ）が外部からかけられると、ｐ領域６０１及びｎ領域６０２の両方で空乏幅が減少する。空乏領域両端の電圧降下も少なくなる。この状況では、外部印加電圧に比例する小さな順方向の漏れ電流がＮＮＢＤ６００内を流れる。外部印加電圧がＶｔｈにかなり近くなるにつれて、ＮＮＢＤ６００における空乏幅は著しく小さくなって、かなりの電流が流れるようになる。ひとたび外部からかけられる電圧が閾値電圧を超えると（すなわちＶＩＮ≧Ｖｔｈ）、ＮＮＢＤ６００は電流を伝導する。
【００３９】
図６（ｂ）は、ＮＮＢＤ６００の電流対電圧特性のプロットである。本発明に従う別の実施形態は、ｗｎ＝ｘｎ（すなわち非強制略自然降伏空乏状態）を与える。非強制ＮＮＢＤ６００は、非強制ＮＮＢＤ３００と同じ性質を有する。
【００４０】
ＮＮＢＤ３００または６００の両端に外部電圧Ｖｆｂｒがかけられるとき、空乏領域両端の電圧は、Ｖｆｂｒに内蔵電位Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを加えた値に等しい。従って、空乏領域を越えるキャリアは、外部からかけられる電圧よりも電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎだけ電位が高い。この電圧差を補償するために、Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを全ＮＮＢＤ抵抗で除した値に等しい増加電流がＮＮＢＤ３００または６００を流れる。この電流の増加は、ＮＮＢＤ３００のｐ領域３０１またはＮＮＢＤ６００のｎ領域６０２が完全に空乏化される限り生じる。ターンオン電圧での電流増加は、オフからオンへ及びオンからオフへのスイッチング時間を減少させるのに役立ち得る。
【００４１】
当技術分野では真のｐ型オーミック接触を作り出すコンタクト材料がないことが知られている。その代わりとして、ｐ型オーミック接触は、十分に薄い空乏領域とのｐ型ショットキー接触を用いて模倣されることがある。薄い空乏領域は、高濃度にドープされたｐ型材料を用いて作り出されるので、トンネル現象を許容する。高濃度にドープされたｐ型材料を用いることは、望ましくないことがあり、あるいは、十分に低い抵抗を与えないことがある。コンタクト／半導体接合での抵抗は、接合の空乏領域幅に比例する。ＮＮＢＤ３００及びＮＮＢＤ６００が逆バイアスされるとき、ショットキー接触を用いる模倣されたオーミック接触は順バイアス下にある。ショットキー接触を順バイアスすることは、コンタクト空乏幅を減少させ、それによってコンタクトトンネリング能力を増加させる。トンネリング能力の増加は、オーミック接触抵抗を低下させる。
【００４２】
本発明の別の実施形態に従って、図７（ａ）は、空乏領域７０４を有するゼロ印加バイアス電圧で、そして完全に空乏化したｎ領域７０２を有するＶｆｂｒの逆バイアス電圧での、ｎ領域７０２と、ＮＮＢＤ７００を電子回路に接続するために設けられたコンタクトである導体７０１及び７０３とを備えた、ＮＮＢＤ７００を示している。電圧Ｖｆｂｒは、ＮＮＢＤ７００と同等の材料を用いる従来のｎショットキーダイオードの降伏電圧Ｖｂｒより大きさが小さい。ｎ領域７０２内のドーピング濃度は十分に高いので、導体７０３とｎ領域７０２の間の接合はオーミック接触であり、導体７０１はｎ領域７０２へのショットキー障壁を形成する。ＮＮＢＤ７００において、ゼロ印加バイアス電圧で、ｎ領域７０２は空乏幅７０４を有する。ＮＮＢＤ７００がＶｆｂｒに逆バイアスされると、ｎ領域７０２は空乏幅７０５を有して完全に空乏化される。ひとたびｎ領域７０２がＮＮＢＤ７００両端の逆バイアスされた電圧Ｖｆｂｒによって完全に完全に空乏化すると、ＮＮＢＤ７００内の空乏領域に関連する電界により、コンタクト７０１からコンタクト７０３へ電子が引き寄せられ、それによって、ＮＮＢＤ７００を通過する逆電流が生じる。ｎ領域７０２は、Ｖｆｂｒ以上の大きさの逆バイアスされた電圧が外部からＮＮＢＤ７００の両端にかけられる限り、完全に空乏化したままであることになる。順バイアス下のＮＮＢＤ７００は、順バイアスされた状態下の同等の材料及び寸法の従来のｎ型ショットキーダイオードと実質的に同じように働く。
【００４３】
本発明の別の実施形態に従って、図７（ｂ）は、空乏領域７１４を有するゼロバイアス電圧で、そして完全に空乏化したｐ領域７１２を有する逆バイアス電圧Ｖｆｂｒでの、ｐ領域７１２及び導体７１１及び７１３とを備えたＮＮＢＤ７１０を示しており、導体７１１及び７１３は、ＮＮＢＤ７１０を電子回路に接続するために設けられたコンタクトである。電圧Ｖｆｂｒは、ＮＮＢＤ７１０と同等の材料及び寸法の従来のｐショットキーダイオードの非自然降伏電圧Ｖｂｒより大きさが小さい。ｐ領域７１２内のドーピング濃度は、導体７１３とｐ領域７１２の間の接合がオーミック接触でありかつ導体７１１がｐ領域７１２へのショットキー障壁を形成するように十分高い。ゼロ印加バイアス電圧でのＮＮＢＤ７１０において、ｐ領域７１２は、空乏幅７１４を有する。ＮＮＢＤ７１０がＶｆｂｒに逆バイアスされると、ｐ領域７１２は空乏幅７１５を有して完全に空乏化される。ひとたびｐ領域７１２が完全に空乏化すると、ＶｆｂｒでＮＮＢＤ７１０が逆バイアスされるとき、ＮＮＢＤ７１０の空乏領域に関連する電界により、コンタクト７１３からコンタクト７１１へ電子が引き寄せられ、それによって、ＮＮＢＤ７１０を通過する逆電流が生じる。ｐ領域７１２は、Ｖｆｂｒ以上の大きさの逆バイアスされた電圧が外部からＮＮＢＤ７１０にかけられる限り、完全に空乏化される。順バイアス下のＮＮＢＤ７１０は、順バイアスされた状態下の同等の寸法及び材料の従来のｐ型ショットキーダイオードと実質的に同じように働く。
【００４４】
次のステップは、ＮＮＢＤ７００に対する強制略自然降伏幅を決定する。すなわち、（１）ｎ領域ドーピング濃度を用いて従来のショットキーダイオードの非自然降伏電圧Ｖｂｒと、バイアス電圧Ｖｂｒでの空乏幅ｘｎと、ゼロバイアスでの空乏幅Ｚｎとを求めるステップと、（２）ショットキーダイオード７００と共に用いられることができるゼロとＶｂｒの間の（またはＶｂｒに等しい）逆バイアス自然降伏電圧Ｖｆｂｒを探すステップと、（３）ＮＮＢＤ７００の両端に逆自然降伏バイアス電圧Ｖｆｂｒが印加されるとき、ｎ領域７０２が完全に空乏化するように、ｎ領域７０２の空乏幅ｗｎを計算するステップである。空乏幅ｗｎは、Ｚｎとｘｎの間である。同様のステップを用いてＮＮＢＤ７１０に対する強制略自然降伏幅を決定することができる。領域７０２及び７１２は、それぞれ、異なるドーピング濃度の複数のｎ型及びｐ型セクションを含む。ＮＮＢＤ７００または７１０は、同様の方法または他の方法で作り出され得る。
【００４５】
ＮＮＢＤ７００または７１０の両端に外部電圧Ｖｆｂｒがかけられるとき、空乏領域の両端の電圧は、Ｖｆｂｒに内蔵電位Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎを加えた値に等しい。従って、空乏バンド領域を越えるキャリアは、外部からかけられる電圧よりも電圧Ｖｂｕｉｌｔ−ｉｎだけ電位が高い。この電圧差を補償するために、全ＮＮＢＤ抵抗に等しい増加電流がＶｂｕｉｌｔ−ｉｎ／ＮＮＢＤを流れる。この電流の増加は、ＮＮＢＤ７００のｎ領域７０２またはＮＮＢＤ７１０のｐ領域７１２が完全に空乏化されるされる限り生じる。また、ＮＮＢＤ７００及び７１０は、Ｖｆｂｒ以上の電圧が外部からかけられるときには、中性領域を有しない。Ｖｆｂｒで電流が増加しかつ中性領域を有しないことは、オフからオンへ及びオンからオフへのスイッチング時間を減少させるのに役立ち得る。
【００４６】
この技術の適用は、従来のショットキーダイオードに略自然降伏状態を与え、新たな能動バイアス電圧範囲、すなわち、ゼロとＶｂｒの間の逆バイアス電圧範囲を作り出す。この新たな能動領域によって、２つの能動領域を有するように略自然降伏状態に改変されたショットキーダイオードは、発振回路及び高速スイッチを含む用途に利用されることができる。
【００４７】
本発明の別の実施形態に従って、ＮＮＢＤは３つ以上の半導体領域を用いて形成されることがあり、そのうちの１つ若しくは複数はコンタクトに隣接し、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化する。半導体領域には、同じ極性型の複数のセクションが含まれることがある。図５（ａ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＮＰＮで自然降伏領域にあるコレクタ半導体領域５０１を有するＮＰＮバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５００を示している。Ｖｆｂｒ ＮＰＮに等しい電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５００のコレクタ領域５０１及びベース領域５０３の両端にかけられると、コレクタ半導体領域５０１はコレクタコンタクト５０２の下で完全に空乏化する（すなわちコレクタ領域５０１は自然降伏状態にある）。図５（ｂ）は、中性領域５０４を有するベース半導体領域５０３と共にコレクタ半導体領域５０１が自然降伏状態下にあるときのＮＮＢＤ５００の拡大図を示している。図５（ｃ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒ ＰＮＰで自然降伏領域にあるコレクタ半導体領域５１１を有するＰＮＰバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５１０を示している。Ｖｆｂｒ ＰＮＰに等しい電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５１０のコレクタ領域５１１及びベース領域５１３の両端にかけられると、コレクタ半導体領域５１１は、コレクタコンタクト５１２の下で完全に空乏化する（すなわちコレクタ領域５１１は自然降伏状態にある）。図５（ｄ）は、中性領域幅５１４を有するベース半導体領域５１３と共にコレクタ半導体領域５１１が自然降伏状態下にあるときのＮＮＢＤ５１０の拡大図を示している。
【００４８】
Ｖｆｂｒ ＮＰＮ以上の電圧ＶＣＢがＮＮＢＤ５００のコレクタ領域５０１及びベース領域５０４の両端にかけられるとき、コレクタ半導体領域５０１は自然降伏状態にあるので、ＮＮＢＤ５００のコレクタベース接合での空乏領域幅は変わらない。従って、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０３における中性領域５０４の幅は、電圧ＶＣＢがＶｆｂｒ ＮＰＮ以上の値を超えたときに変化しない。ベース領域５０３におけるＶＣＢに影響されないベース中性領域５０４の幅を有することは、コレクタ領域５０１及びベース領域５０４の両端に内部電圧差を生じさせる。２つの現象がこの内部電圧差を補償する。先ず、コレクタ電流の増加が内部電圧降下を小さくする。さらに、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０４内の中性領域５０３に電界が作り出される。順方向能動モードで動作する（すなわち、ベース−エミッタ接合は順バイアスされ、ベース−コレクタ接合は逆バイアスされる）従来のバイポーラトランジスタにおいて見られるように、コレクタ電流は、ＶＢＥ電圧及びベース電流に基づき、ＶＣＢ電圧と無関係に、エミッタ領域からベース領域内へのキャリアの注入によって制御される。従って、ＮＮＢＤ５００において、ベース中性領域内に生成される電界は支配的効果である。同様の効果がＮＮＢＤ５１０に生じるので、ＮＮＢＤ５１０のベース５１３の中性領域にも電界が作り出される。
【００４９】
順方向能動モードで動作する従来のバイポーラトランジスタは、電圧の増加につれてベース中性領域における幅の縮小に起因してコレクタ電流の増加をもたらすアーリー効果など、様々な非理想効果及び降伏状態を有する。アーリー効果は、バイポーラトランジスタに対するコレクタ電流ＩＣ対ＶＣＥ ＩＶ曲線を示す図５（ｅ）から分かる。図５（ｅ）において、実線（すなわち５４１）は、従来のバイポーラトランジスタに対するアーリー効果に起因するコレクタ電流の増加を示す。上記したように、ＮＮＢＤ５００のベース領域５０３における中性領域５０４の幅は、電圧ＶＣＢが増加しても減少しない。従って、ＮＮＢＤ５００はアーリー効果のコレクタ電流変化を示さない。図５（ｅ）に示されている破線（すなわち５４２）は、コレクタ半導体領域が略自然降伏領域にあるバイポーラトランジスタ（例えばＮＮＢＤ５００）に対するコレクタ電流を表す。また、従来のバイポーラトランジスタは、ベース−コレクタ空乏領域はベース−エミッタ空乏領域に達するまで増加するので、ベース領域が完全に空乏化するときに生じるパンチスルー降伏状態を有する。ＮＮＢＤ５００は、パンチスルー降伏状態にならない。同じように、ＮＮＢＤ５１０は、パンチスルー降伏状態にならない。
【００５０】
コレクタ半導体領域５０１が自然降伏状態にあり、ＮＮＢＤ５００がカットオフモードで動作する（すなわちベース−エミッタ接合及びベース−コレクタ接合の両方が逆バイアスされる）とき、コレクタコンタクト５０２からのコレクタ電流は、ベース領域５０３の中性領域５０４に入る。しかし、ベース−エミッタ空乏領域における電界の極性は、ベース中性領域５０４に入る電流がベース−エミッタ接合を越えることを妨げる。結果として、ＮＮＢＤ５００内のコレクタ電流は、実質的にベースコンタクトから流れ出る。ＮＮＢＤ５１０は、ＮＮＢＤ５００と同じようにカットオフモードで動作する。
【００５１】
ＮＮＢＤは、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化するエミッタ半導体領域を備えたバイポーラトランジスタによっても形成され得る。図５（ｆ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＮＰＮバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５２０の略図である。図５（ｇ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５２０の拡大図を示している。図５（ｊ）は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒが印加される前に略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するＰＮＰバイポーラトランジスタであるＮＮＢＤ５４０の略図を示している。図５（ｋ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でエミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５４０の拡大図を示している。エミッタ半導体領域が完全に空乏化されたときにＮＮＢＤ５２０またはＮＮＢＤ５４０がカットオフモードで動作するとき、エミッタ電流は、上記したように実質的にベースコンタクトから流れ出る。
【００５２】
ＮＮＢＤはまた、自然降伏電圧で外部からバイアスされると完全に空乏化するコレクタ及びエミッタの両半導体領域を備えたバイポーラトランジスタによって形成され得る。図５（ｈ）は、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタ半導体領域を有するＮＰＮトランジスタであるＮＮＢＤ５３０の略図を示している。図５（ｉ）は、中性領域を有するベース半導体領域を備えた、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときのＮＮＢＤ５３０の拡大図を示している。図５（ｌ）は、自然降伏電圧が印加される前に略自然降伏状態にあるコレクタ及びエミッタの両半導体領域を有するＰＮＰトランジスタであるＮＮＢＤ５５０と、自然降伏状態下でコレクタ及びエミッタの両半導体領域が完全に空乏化されたときの拡大図を示している。ＮＮＢＤ５３０及びＮＮＢＤ５５０は、上記したように、略自然降伏状態にあるコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタと略自然降伏状態にあるエミッタ半導体領域を有するバイポーラトランジスタとの複合効果を示すことになる。
【００５３】
図８（ａ）及び図８（ｃ）は、それぞれＮＮＢＤデバイス８００及び８２０を示し、各々は３つ以上の半導体領域を有し、そのうちの１つがコンタクトに隣接しており、その半導体領域は自然降伏電圧が外部から印加されると完全に空乏化する。図８（ｂ）及び図８（ｄ）は、それぞれＮＮＢＤデバイス８１０及び８３０を示し、各々は３つ以上の半導体領域を有し、そのうちの２つがコンタクトに隣接しており、これらの半導体領域の各々は、自然降伏電圧が外部から印加されると完全に空乏化する。
【００５４】
次のステップは、あるデバイスから略自然降伏デバイス（ＮＮＢＤ）を作り出す一般的な方法を与える。
【００５５】
１）デバイス内のコンタクトに隣接する半導体領域を選び、デバイスのドーピング濃度を用いてデバイスがバイアスされていないときの領域における空乏領域の幅（Ｚｐ）を計算するステップ。空乏領域幅Ｚｐのデバイスの半導体領域上で実現される略自然状態に対して、領域の幅（Ｗｐ）はＺｐより大きい必要がある。
【００５６】
２）領域の電流幅及び非自然降伏電圧Ｖｂｒを用いて自然降伏電圧Ｖｆｂｒの最大の大きさを計算またはシミュレートし、空乏幅Ｚｐを用いて電圧Ｖｆｂｒの最小値を計算するステップ。Ｖｆｂｒバイアス電圧では、領域は自然降伏効果により完全に空乏化される。Ｖｆｂｒの大きさが、領域内で発生する非自然降伏状態の降伏電圧に等しいとき、降伏効果の組合せが生じることがある。電圧Ｖｆｂｒの大きさが、領域内で発生することになる非自然降伏状態の降伏電圧より小さいときは、自然降伏現象のみが現れる。また、Ｖｆｂｒの極性は、半導体領域内で１つの空乏領域の幅を増大させる方向にある。
【００５７】
３）Ｖｆｂｒを選択し、ＮＮＢＤに対する領域の新たな幅（ＷＮＮＢＣ）を計算するステップ。
【００５８】
上記の一般的な方法の変形形態は、上記と同じステップ１）と、次のステップ２）及び３）を用いる。
【００５９】
２）略自然降伏状態を有するために適切な略自然降伏領域の最大及び最小幅を決定するステップ。最大幅は、計算またはシミュレートされることができる非自然降伏電圧Ｖｂｒで、領域の電流幅と領域両端の空乏幅の間で（大きさが）より小さい値である。領域の最小値は、空乏幅Ｚｐより大きい。領域の幅（ＷＮＮＢＣ）を最大幅と最小幅の間で選ぶ。
【００６０】
３）選択された領域の幅ＷＮＮＢＣを用いてＶｆｂｒを計算するステップ。Ｖｆｂｒバイアス電圧では、領域は、自然降伏効果により完全に空乏化される。
【００６１】
略自然降伏状態を作り出すために用いられる半導体領域のドーピング濃度及び幅は、降伏電圧が決定された時点で決定され得る。ドーピング濃度は、半導体領域のある幅を選択することによって決定されることができる。ドーピング濃度を決定する際の限定要因は、ドーピング濃度が、決定された自然降伏電圧Ｖｆｂｒより小さい大きさの電圧で非自然降伏状態（すなわちトンネル現象）を作り出してはならないことである。また、半導体領域の幅は、あるドーピング濃度を選択することによって決定されることができる。幅の選択は、選択された自然降伏電圧より小さい大きさの電圧で非自然降伏状態（例えば雪崩）を作り出すようなものであってはならない。
【００６２】
非ゼロ印加電圧でデバイスにおけるコンタクトに隣接する完全に空乏化した領域は、以下のことを成し遂げる。（１）空乏領域によって電界が作り出される結果として、コンタクト／半導体接合での電子が、完全に空乏化したｐ領域からｎ領域へ移動する（コンタクト／半導体接合での正キャリア（正孔）が、完全に空乏化したｎ領域からｐ領域へ移動する）。この場合、コンタクト／半導体接合での外部電子と完全に空乏化したｐ領域との間の距離（コンタクト／半導体接合での外部の正キャリア（正孔）と完全に空乏化したｎ領域との間の距離）はゼロである。結果として、逆バイアス伝導電流が達成される。（２）完全に空乏化したｐ領域がコンタクト／半導体接合で外部電子を有する（完全に空乏化したｎ領域がコンタクト／半導体接合で外部の正キャリア（正孔）を有する）ならば、逆バイアス伝導性（reverse bias conductivity）が生じる。（２）完全に空乏化したｐ領域がコンタクト／半導体接合で外部電子を有する（完全に空乏化したｎ領域がコンタクト／半導体接合で外部の正キャリア（正孔）を有する）ならば、閾値電圧で逆バイアス伝導性が生じる。（３）コンタクト／半導体接合での電子が、空乏領域によって作り出される電界の方向と逆の方向へ移動する（コンタクト／半導体接合での外部の正キャリア（正孔）が電界の方向と同じ方向に移動する）。例えば、ＮＮＢＤダイオードが、従来のダイオードの場合の雪崩降伏電圧の代わりに、略自然降伏電圧を伝導する。
【００６３】
図９は、本発明に従って、バイアス電圧下でのＮＮＢＤ構造及び特性の表を示している。表の左側の１列目は、構造があたかも直線的に配置されたかのようなＮＮＢＤの構造である。構造を示すために用いられる語は、次のとおりである。
「Sch」Contact−半導体ショットキー障壁
「Ohm」Contact−半導体オーミック障壁
「N non-F」−非強制略自然降伏 ｎ型領域
「P non-F」−非強制略自然降伏 ｐ型領域
「N Forced」−強制略自然降伏 ｎ型領域
「P Forced」−強制略自然降伏 ｐ型領域
「N」−降伏状態下にないｎ型領域
「P」−降伏状態下にないｐ型領域
【００６４】
２列目は、構造が構造の左側で正にバイアスされるかまたは構造の右側で負にバイアスされるときに構造が強制自然降伏状態を有する（「Yes」）か否（「No」）かを示している。２列目が「Yes」を示していれば、３列目は、どちらの接合が強制自然降伏状態を有するかを示す。４列目は、構造が構造の左側で負にバイアスされるかまたは構造の右側で正にバイアスされるときに構造が強制自然降伏状態を有する（「Yes」）か否（「No」）かを示している。４列目が「Yes」を示していれば、５列目はどちらの接合が強制自然降伏状態を有するかを示す。
【００６５】
図９におけるＮＮＢＤ構造は、領域を付加しかつ／または異なる材料を利用することによって、略自然降伏状態特性を示す他のＮＮＢＤ構造を得るために用いられ得る。他のＮＮＢＤ構造を得る方法には、例えば、電界が接合を越えることを妨げないような変更または非均質材料を用いて、接合間に真性材料を追加するステップが含まれることがある。一例として、構造「Ohm｜P Forced｜N｜Ohm」を有するＮＮＢＤ構造２９は、「Ohm｜P Forced｜Intrinstic｜N｜N+｜Ohm」に変更され得る。
【００６６】
ＮＮＢＤが、非自然降伏電圧Ｖｂｒに等しいＶｆｂｒ電圧を有するとき、自然降伏効果及び非自然降伏の組合せが発生する。効果の組合せは、降伏状態中に多数キャリアを利用し、それによってデバイスキャパシタンスを低下させる。デバイスキャパシタンスを低下させることによって、ＮＮＢＤは、１つの降伏効果、例えば雪崩降伏またはツェナー降伏を利用するデバイスよりも短いターンオフスイッチング時間を有することができる。
【００６７】
Ｖｆｂｒがゼロバイアスにかなり近い非常に小さな値に設定されるとき、ＮＮＢＤの降伏状態は、略ゼロ順閾値電圧を有すると考えることができる。例えば、ＮＮＢＤ３００は、略ゼロ逆バイアス電圧によってバイアスされる（完全に空乏化される）とき、電流を伝導する。内蔵電圧及びＶｆｂｒは共に、ＮＮＢＤ３００に対して電流を作り出すために用いられる。電流はかなり大きいので、デバイス上の抵抗を気にする必要はない。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ｐ領域３０１上に自然降伏状態を作り出すためにＶｆｂｒがその最も小さいバイアス電圧（略ゼロ）にあるときのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。図１０（ａ）は、順電流及び順バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を示している。図１０（ｂ）は、逆電流及び逆バイアス電圧でのＮＮＢＤ３００のＩＶ曲線を表している。図１０（ｂ）は、ＮＮＢＤ３００が順閾値電圧及び略ゼロ順閾値電圧で逆降伏状態を有することを示している。自然降伏電圧Ｖｆｂｒがゼロにかなり近い小さな値に設定されるとき、ＮＮＢＤは、略ゼロ閾値電圧で電流を伝導し、理想的な半導体デバイスのように機能する。例えば、ＮＮＢＤ３００は、順バイアス電圧（Ｖｔｈ）より小さい外部印加電圧を有するとき、理想ダイオード特性を有する。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ゼロからＶｔｈ未満までの順バイアス領域及び全部の逆バイアス領域を含む理想ダイオードＩＶ曲線を示している。
【００６８】
ＮＮＢＤダイオードの用途には、クリッピング、クランピング、電圧調整が含まれ、あるいは所定電圧レベルを必要とする用途に適用される。複数のＮＮＢＤダイオードを並列に接続すると、回路を流れる電流の総量を増加させることになる。複数のＮＮＢＤダイオードを直列に接続すると、自然降伏状態を作り出すために必要な電圧の大きさを増大させることになる。
【００６９】
ＮＮＢＤダイオードは、降伏状態でデバイス内に中性領域がないように、Ｖｆｂｒ電圧でｐ領域及びｎ領域の両方の全域全体に空乏領域を延在させるように形成され得る。自然降伏状態中に中性領域を有すると、非導電（オフ）から導電（オン）状態へのスイッチング速度を増加させ得る。これは、キャリアが中性領域を越えるために必要な遷移時間がゼロであるためである。また、キャリアが空乏領域を越えるための遷移時間は、単位長さ当たりで、キャリアが中性領域を越えるための遷移時間より速い。
【００７０】
Ｖｆｂｒ電圧は、自然降伏領域内のイオンの数に基づく。半導体領域内でのこれらのイオンの分布は、自然降伏電圧Ｖｆｂｒを変化させない。Ｖｆｂｒ降伏電圧を作り出すために必要なイオンの数は、均質材料及び階段ｐｎ接合近似を用いて計算され得る。必要なイオンの数が計算された時点で、所望の用途に最も良く合うようにイオンの分布が選択され得る。ＮＮＢＤに対する自然降伏領域内のイオンの分布は、ツェナー効果を用いることを含めてトンネル現象を用いて降伏を作り出す他のデバイスよりも柔軟性があり得る。これは、トンネル現象が、自然降伏領域と違って特定のドーピング濃度を必要とするからである。一例として、隣接するコンタクトの近くでイオン濃度をより高くしてコンタクト／半導体接合抵抗を低下させることが挙げられる。半導体領域内のイオンの数を制御するためにイオン注入が用いられることがある。
【００７１】
トンネル現象（すなわちツェナー効果）に起因する降伏は、特定のドーピング濃度を有する必要がある。雪崩効果に起因する降伏は、用いられる半導体材料に基づく固有の電界強度を必要とする。自然降伏状態によって生じる降伏は、完全に空乏化した半導体領域内のキャリアの数にのみ依存し、必要なデバイスパラメータを実現するのに必要なキャリアを分布させる自由度が増す。
【００７２】
本発明のＮＮＢＤ内の略自然降伏領域をバイアスするとき、略自然降伏領域の空乏領域幅の増加は、次の規則に従う。
− 強制略自然降伏領域が完全に空乏化していなければ、強制略自然降伏領域はデバイスを通る発生電流に寄与せず、
− 強制略自然降伏領域が完全に空乏化し、コンタクトに隣接していれば、隣接するコンタクトから完全に空乏化した強制略自然降伏領域を越えて、または完全に空乏化した強制略自然降伏領域から隣接するコンタクト内へのいずれかに電子電流が流れる。電子電流の方向は、強制略自然降伏領域内の電界の極性によって決まる。
【００７３】
略自然降伏状態は、コンタクトまたは半導体領域（ｐ型またはｎ型）に隣接する真性材料を用いて作り出され得る。略自然降伏領域は、真性材料に隣接するｐ型またはｎ型材料を用いて作り出され得る。本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤは、少なくとも１つの真性半導体領域に隣接するｐ型またはｎ型半導体領域によって作り出される強制略自然降伏領域を用いる。本発明の別の実施形態では、ＮＮＢＤは、少なくとも１つの真性半導体領域に隣接するｐ型またはｎ型半導体領域によって作り出される非強制略自然降伏領域を用いる。
【００７４】
真性材料を利用して既存のデバイスを用いて作り出されるＮＮＢＤの一例は、１つか２つの強制略自然降伏領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオード（すなわちｐ型／真性／ｎ型ダイオード構造）である。図１１（ａ）は、Ｐ型略自然降伏領域１１０１を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１００の略図を示している。図１１（ｂ）は、Ｎ型略自然降伏領域１１１２を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１１０の略図を示している。図１１（ｃ）は、Ｐ型略自然降伏領域１１２１及びＮ型略自然降伏領域１１２２を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードであるＮＮＢＤ１１２０の略図を示している。略降伏状態にある１若しくは複数の半導体領域を有するＮＮＢＤ ＰＩＮダイオードは、中性領域の量が減少しているので、従来のＰＩＮダイオードより速い遷移時間を有すると期待される。
【００７５】
本発明は、ソースまたはドレインコンタクトに隣接する半導体領域が略自然降伏領域によって与えられ得るようなＭＯＳＦＥＴトランジスタを作り出すために適用され得る。図１３は、ドレインコンタクト１３０２に隣接する略自然降伏領域１３０１を有するエンハンスメントモードＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１３００の略図を示している。略自然降伏状態にあるドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することは、空乏領域の電界に起因して遷移時間を短縮することが期待される。図１２は、ソースコンタクト１２０２に隣接する略自然降伏領域１２０１を有するエンハンスメントモードＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１２００の略図を示している。略自然降伏状態にあるソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することで、結果的に、ソース空乏領域の電界によってＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴデバイスにチャネル電流が流れないようにされる。そのようなＮＮＢＤ ＭＯＳＦＥＴデバイスは、回路保護のために用いられ得る。
【００７６】
本発明はまた、ソース、ドレインまたはゲートコンタクトに隣接する半導体領域が略自然降伏領域として与えられ得るようなＪＦＥＴトランジスタに適用され得る。図１４は、ドレインコンタクト１４０２に隣接する略自然降伏領域１４０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１４００の略図を示している。略自然降伏状態にあるドレインコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することは、空乏領域の電界に起因して遷移時間を短縮することが期待される。図１５は、ソースコンタクト１５０２に隣接する略自然降伏領域１５０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１５００の略図を示している。略自然降伏状態にあるソースコンタクトに隣接する略自然降伏領域を有することで、結果的に、ソース空乏領域の電界によってＮＮＢＤ ＪＦＥＴデバイスに電流が流れないようにされる。そのようなＮＮＢＤ ＪＦＥＴは、回路保護を作り出すために用いられ得る。
【００７７】
図１６は、ゲートコンタクト１６０２に隣接する略自然降伏領域１６０１を有するＮＮＢＤ ＪＦＥＴトランジスタ（ｎチャネルまたはｐチャネルのいずれか）であるＮＮＢＤ１６００の略図を示している。略自然降伏領域１６０１が略自然降伏状態にあるとき、チャネル１６０３内に形成される空乏幅は、略自然降伏効果のために、ゲート・ソース電圧の変化の結果として変化しない。また、電流がチャネル１６０３から略自然降伏領域１６０１を通って流れ、ゲートコンタクト１６０２から出て行く。略自然降伏領域１６０１が略自然降伏状態にある間はチャネル１６０３の幅は減少せず、それによって、ＮＮＢＤ１６００は最小チャネル幅を達成することができる。そのようなＮＮＢＤデバイスは、回路保護を作り出すために用いられ得る。
【００７８】
本発明は、光子（フォトン）を吸収するコンタクトに隣接する半導体領域が非強制略自然降伏領域であるような、雪崩フォトダイオードに適用され得る。別の実施形態では、ＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードは、コンタクトに隣接する光子を吸収するＰ型領域を非強制略自然降伏領域にする。従って、略自然降伏電圧でＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードがバイアスされるとき、雪崩効果及び略自然降伏状態の両方が一緒に起こる。このことは、比較的一定のバックグラウンド電流を作り出す略自然降伏状態のおかげで、従来の雪崩フォトダイオードに関連するノイズ問題を改善し得る。ＮＮＢＤ雪崩フォトダイオードのバックグラウンド電流は、従来の雪崩フォトダイオードより高いことがあるが、生じる雪崩増倍は、ひとたび光子が吸収されると、バックグラウンド電流よりかなり大きい電流を生成することになる。
【００７９】
本発明は、コレクタコンタクトに隣接する半導体領域が非強制略自然降伏領域であるような雪崩フォトトランジスタに適用され得る。別の実施形態では、ＮＮＢＤ雪崩フォトトランジスタは、コレクタコンタクトに隣接する非強制自然降伏領域を有する。ＮＮＢＤ雪崩フォトトランジスタは、上記した雪崩フォトダイオードに対する利点と同じ利点を有し得る。
【００８０】
上記の詳細な説明は、上記の特定実施形態を説明するために与えられているものであり、限定することを意図するものではない。本発明の範囲内での数多くの改変及び変形が可能である。本発明は、以下の特許請求の範囲に規定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって、
第１導電型の半導体材料から形成されている第１領域と、
前記第１領域に隣接する第２領域とを含み、
前記第１及び第２領域の両端に所定電圧が印加されるときに前記第１領域が完全に空乏化することを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第１及び第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記第２領域が完全に空乏化することを特徴とする請求項２の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第２領域が、前記第１領域へのショットキー障壁を形成する導電性材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第２領域に隣接する第３領域をさらに含み、
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含み、
前記第３領域が、前記第１導電型の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項６】
前記第３領域が、前記第２領域とのオーミック接触をなすことを特徴とする請求項５の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第１領域とのオーミック接触を形成する前記第１領域に隣接する第３領域をさらに含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項８】
前記第２領域とのオーミック接触を形成する前記第２領域に隣接する第３領域をさらに含むことを特徴とする請求項７の半導体デバイス。
【請求項９】
前記半導体デバイスが、（ａ）ＰＩＮダイオード、（ｂ）ＭＯＳＦＥＴ、（ｃ）ＪＦＥＴ、（ｄ）雪崩フォトダイオード、（ｅ）雪崩フォトトランジスタからなる群から選択されるデバイスとして動作することを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項１０】
半導体デバイスを提供する方法であって、
第１導電型の半導体材料から第１領域を形成するステップと、
前記第１領域に隣接する第２領域を形成し、前記第１及び第２領域の両端に所定電圧が印加されるときに前記第１領域が完全に空乏化するようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料から形成されることを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記第２領域が金属から形成され、前記第２領域が、それによって前記第１領域へのショットキー障壁を形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１３】
前記第２領域に隣接する第３領域を形成するステップをさらに含み、
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含み、
前記第３領域が、第１導電型の半導体を含むことを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１４】
前記第３領域が、前記第２領域とのオーミック接触をなすことを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記第１領域に隣接する第３領域を形成するステップをさらに含み、
前記第３領域が、前記第１領域とのオーミック接触を形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１６】
前記第２領域に隣接する第４領域を形成するステップをさらに含み、
前記第４領域が、前記第２領域とのオーミック接触を形成することを特徴とする請求項１５の方法。
【請求項１７】
（ａ）ＰＩＮダイオード、（ｂ）ＭＯＳＦＥＴ、（ｃ）ＪＦＥＴ、（ｄ）雪崩フォトダイオード、（ｅ）雪崩フォトトランジスタからなる群から選択されるデバイスとして動作する半導体デバイスを形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１８】
既存の半導体デバイス内に自然降伏状態を提供する方法であって、
前記既存の半導体デバイス内に第１ドーピング濃度を有する第１半導体領域を提供するステップと、
前記既存の半導体デバイス内に前記第１領域に隣接する第２領域を提供するステップと、
前記自然降伏状態を作り出すように所定電圧を与えるステップと、
前記第１半導体領域及び前記第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記第１半導体領域が完全に空乏化するように、前記第１半導体領域に対する幅を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
空乏バンドを用いて所定電圧で電流を伝導する方法であって、
第１ドーピング濃度を有する第１半導体領域を提供するステップと、
前記第１半導体領域に隣接する第２領域を提供し、前記第１半導体領域及び前記第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記空乏バンドが前記第１半導体領域を完全に包含するようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１】
半導体デバイスであって、
第１導電型の半導体材料から形成されている第１領域と、
前記第１領域に隣接する第２領域とを含み、
前記第１及び第２領域の両端に所定電圧が印加されるときに前記第１領域が完全に空乏化することを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第１及び第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記第２領域が完全に空乏化することを特徴とする請求項２の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第２領域が、前記第１領域へのショットキー障壁を形成する導電性材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第２領域に隣接する第３領域をさらに含み、
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含み、
前記第３領域が、前記第１導電型の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項６】
前記第３領域が、前記第２領域とのオーミック接触をなすことを特徴とする請求項５の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第１領域とのオーミック接触を形成する前記第１領域に隣接する第３領域をさらに含むことを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項８】
前記第２領域とのオーミック接触を形成する前記第２領域に隣接する第３領域をさらに含むことを特徴とする請求項７の半導体デバイス。
【請求項９】
前記半導体デバイスが、（ａ）ＰＩＮダイオード、（ｂ）ＭＯＳＦＥＴ、（ｃ）ＪＦＥＴ、（ｄ）雪崩フォトダイオード、（ｅ）雪崩フォトトランジスタからなる群から選択されるデバイスとして動作することを特徴とする請求項１の半導体デバイス。
【請求項１０】
半導体デバイスを提供する方法であって、
第１導電型の半導体材料から第１領域を形成するステップと、
前記第１領域に隣接する第２領域を形成し、前記第１及び第２領域の両端に所定電圧が印加されるときに前記第１領域が完全に空乏化するようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料から形成されることを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記第２領域が金属から形成され、前記第２領域が、それによって前記第１領域へのショットキー障壁を形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１３】
前記第２領域に隣接する第３領域を形成するステップをさらに含み、
前記第２領域が、前記第１導電型と極性が逆の第２導電型の半導体材料を含み、
前記第３領域が、第１導電型の半導体を含むことを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１４】
前記第３領域が、前記第２領域とのオーミック接触をなすことを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記第１領域に隣接する第３領域を形成するステップをさらに含み、
前記第３領域が、前記第１領域とのオーミック接触を形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１６】
前記第２領域に隣接する第４領域を形成するステップをさらに含み、
前記第４領域が、前記第２領域とのオーミック接触を形成することを特徴とする請求項１５の方法。
【請求項１７】
（ａ）ＰＩＮダイオード、（ｂ）ＭＯＳＦＥＴ、（ｃ）ＪＦＥＴ、（ｄ）雪崩フォトダイオード、（ｅ）雪崩フォトトランジスタからなる群から選択されるデバイスとして動作する半導体デバイスを形成することを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１８】
既存の半導体デバイス内に自然降伏状態を提供する方法であって、
前記既存の半導体デバイス内に第１ドーピング濃度を有する第１半導体領域を提供するステップと、
前記既存の半導体デバイス内に前記第１領域に隣接する第２領域を提供するステップと、
前記自然降伏状態を作り出すように所定電圧を与えるステップと、
前記第１半導体領域及び前記第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記第１半導体領域が完全に空乏化するように、前記第１半導体領域に対する幅を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
空乏バンドを用いて所定電圧で電流を伝導する方法であって、
第１ドーピング濃度を有する第１半導体領域を提供するステップと、
前記第１半導体領域に隣接する第２領域を提供し、前記第１半導体領域及び前記第２領域の両端に前記所定電圧が印加されるときに前記空乏バンドが前記第１半導体領域を完全に包含するようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図５（ｄ）】
【図５（ｅ）】
【図５（ｆ）】
【図５（ｇ）】
【図５（ｈ）】
【図５（ｉ）】
【図５（ｊ）】
【図５（ｋ）】
【図５（ｌ）】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図６（ｃ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図５（ｄ）】
【図５（ｅ）】
【図５（ｆ）】
【図５（ｇ）】
【図５（ｈ）】
【図５（ｉ）】
【図５（ｊ）】
【図５（ｋ）】
【図５（ｌ）】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図６（ｃ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２００９−５４０５４２（Ｐ２００９−５４０５４２Ａ）
【公表日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１３３３５（Ｐ２００９−５１３３３５）
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１３１９１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４３２０８
【国際公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（５０８３５６２５０）
【氏名又は名称原語表記】ＳＩＬＶＥＲ， Ｇｕｙ
【住所又は居所原語表記】２０９００ ＨｏｍｅｓｔｅａｄＲｏａｄ， ＃Ａ５， Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， ＣＡ ９５０１４， Ｕ． Ｓ． Ａ
【出願人】（５０８３５６２６１）
【氏名又は名称原語表記】ＷＵ， Ｊｕｉｎｅｒｏｎｇ
【住所又は居所原語表記】２０９００ ＨｏｍｅｓｔｅａｄＲｏａｄ， ＃Ａ５， Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， ＣＡ ９５０１４， Ｕ． Ｓ． Ａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１３１９１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４３２０８
【国際公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（５０８３５６２５０）
【氏名又は名称原語表記】ＳＩＬＶＥＲ， Ｇｕｙ
【住所又は居所原語表記】２０９００ ＨｏｍｅｓｔｅａｄＲｏａｄ， ＃Ａ５， Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， ＣＡ ９５０１４， Ｕ． Ｓ． Ａ
【出願人】（５０８３５６２６１）
【氏名又は名称原語表記】ＷＵ， Ｊｕｉｎｅｒｏｎｇ
【住所又は居所原語表記】２０９００ ＨｏｍｅｓｔｅａｄＲｏａｄ， ＃Ａ５， Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ， ＣＡ ９５０１４， Ｕ． Ｓ． Ａ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]