DE3650630T2

DE3650630T2 - Transistor mit Resonanztunneleffekt

Info

Publication number: DE3650630T2
Application number: DE3650630T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Imamura; Naoki Yokoyama
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-12-03
Filing date: 1986-12-02
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2006-12-03
Also published as: EP0226383A3; JPH0611056B2; KR910009410B1; DE3650630D1; US5389804A; EP0226383A2; US5151618A; US5027179A; KR870006672A; JPS62130561A; EP0226383B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonanz-Tunneltransistor.
Die Resonanz-Tunnelerscheinung ist seit langem bekannt und es wurden kürzlich aufgrund der Fortschritte in der Halbleiter-Verarbeitungstechnologie solche angewandten Resonanz-Tunnel-Heißelektronen-Transistoren (RHETs) auf der Grundlage einer Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) und metallorganisch-chemischen Bedampfung (MOCVD) realisiert. In dem Artikel mit dem Titel "A NEW FUNCTIONAL, RESONANT-TUNNELING HOT ELECTRON TRANSISTOR (RHET)" (N. Yokoyama, et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol 24, Nr. 11, November 1985, Seiten L853 - L854) ist ein RHET offenbart, der enthält: eine Emitterschicht, eine Kollektorschicht, eine Basisschicht, die zwischen der Emitter- und Kollektorschicht gelegen ist, und eine dazwischen gelegene Supergitterstruktur und mit jeweiligen Flächen, die in Kontakt mit der Emitter- und Basisschicht stehen. Die Supergitterstruktur schafft eine Quantenquelle bzw. Quantentopf (quantum well), in welchem ein Resonanzzustand-Energiewert (Sub-Band) vorhanden ist, welches hoher liegt als oder gleich ist mit oder niedriger liegt als der niedrigste Energiewert eines Leitfähigkeitsbandes der Emitterschicht in Abhängigkeit von der Größe einer Vorspannung, die zwischen der Emitter- und Basisschicht angelegt ist, wenn die Vorrichtung in Verwen dung ist, und höher liegt als der niedrigste Energiewert eines Leitfähigkeitsbandes der Basisschicht, wenn der niedrigste Energiewert des Leitfähigkeitsbandes der Emitterschicht gleich ist dem Resonanzzustand-Energiewert.
Ein RHET besitzt negative differentielle Widerstandseigenschaften und kann demzufolge verwendet werden für Ternär-Logikschaltungen mit hoher Geschwindigkeit, eine kompakte Schaltungsanordnung und einen großen Spielraum usw., wie beispielsweise tristabile Gatterschaltungen oder Tristate-Speicherzellen. Jedoch ist der bekannten RHET mit den Nachteilen einer schwachen Stromverstärkung und der Unmöglichkeit bei normaler Raumtemperatur zu arbeiten behaftet, und zwar aufgrund der Existenz einer Kollektorsperre zwischen der Basis- und Kollektorschicht, um eine Toleranz gegenüber einer Umkehrspannung vorzusehen. Die oben angeführten Nachteile sollen später in Einzelheiten unter Hinweis auf spezifische Beispiele beschrieben werden.
Zusätzlich ist ein anderer Typ eines Resonanz-Tunneltransistors, der eine Supergitterstruktur in einer Basis enthält, bekannt (z.B. "Resonant tunnelling transistor with quantum well base and high-energy injection: A new negative differential resistance device; F. Capasso, et al., J. Appl. Phys. 58(3), August 1985, Seiten 1366-1368). Jedoch müssen bei diesem Resonanz-Tunneltransistor Elektronen vom Emitter ballistisch an der Basis eingespeist werden und sie laufen in ein schmales Sub-Band in der Supergitterstruktur.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung gemäß dem Anspruch 1 geschaffen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung gemäß dem Anspruch 2 geschaffen.
Ein solcher Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistor (RHBT) besitzt eine verbesserte Stromverstärkung, verglichen mit dem oben beschriebenen RHET und kann bei normaler Umgebungstemperatur stabil arbeiten.
Eine n-p-n-Transistorvorrichtung oder umgekehrt eine p-n-p-Transistorvorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verwendet, kann ausgebildet werden.
Die Resonanz kann eine Resonanz von Elektronen und eine Resonanz von positiven Löchern enthalten und es wird die Erzeugungsbedingung für die Elektronenresonanz und die positive Lochresonanz in Abhängigkeit von einem Mol-Bruchteil des Materials in der Emitterschicht geändert.
Die Resonanz-Tunnel-Hetero-Bipolartransistorvorrichtung (RHBT) kann eine negative Differentialbasiswiderstands(NDR)-Eigenschaft mit wenigstens einem Resonanzpunkt in einer Beziehung zwischen einem Strom haben, der in der Basisschicht fließt und der Vorspannung zwischen der Basisund Emitterschicht und besitzt wenigstens zwei stabile Basisstromwerte auf beiden Seiten des Resonanzpunktes auf der Kennlinie, die durch die Vorspannung definiert ist.
Die NDR-Kennlinie bzw. -Eigenschaft kann in einer Vielfalt von Logikschaltungen verwendet werden. Eine solche Logikschaltung enthält eine Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistorvorrichtung; eine Stromquelle, die ohmsch an die Basisschicht der Transistorvorrichtung angeschlossen ist und die einen konstanten Strom der Basisschicht zuführt; eine Lastschaltung, die ohmsch an die Kollektorschicht der Transistorvorrichtung angeschaltet ist; und eine Ausgangsschaltung, die betriebsmäßig mit einem gemeinsam angeschlossenen Punkt der Lastschaltung und der Kollektorschicht verbunden ist, um eine Spannung auszugeben, die durch eine Änderung des Stromes definiert ist, welcher durch die Kollektorschicht fließt, wobei die Span nung in Abhängigkeit von den zwei stabilen Basisstromwerten variiert.
Die Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistorvorrichtung kann auch eine differentielle Negativ-Widerstand-Kollektor-Kennlinie haben mit wenigstens einem Resonanzpunkt in einer Beziehung zwischen einem Strom, der in der Kollektorschicht fließt, und der Vorspannung, und mit wenigstens zwei stabilen Kollektor-Stromwerten auf beiden Seiten des Resonanzpunktes auf der Kennlinie, die durch die genannte Vorspannung festgelegt ist. Dieser NDR kann für eine Vielfalt von Logischaltungen verwendet werden.
Eine solche Logikschaltung enthält eine Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistorvorrichtung; wenigstens zwei Eingangswiderstände, die betriebsmäßig mit der Basisschicht der Transistorvorrichtung verbunden sind; und einen Ausgangswiderstand, der betriebsmäßig mit der Kollektorschicht der Transistorvorrichtung verbunden ist.
Es soll nun anhand eines Beispiels auf die beigefügten zeichnungen eingegangen werden, in welchen:
Fig. 1a und 1b jeweils Ansichten der Struktur und des Energiezustandes eines bekannten Resonanz-Tunnel-Transistors zeigen;
Fig. 2a bis 2c graphische Darstellungen sind, die einen Energiezustand des in Fig. 1a gezeigten Transistors veranschaulichen;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der negativen Differenz-Widerstandskennlinien der Vorrichtung von Fig. 1a ist;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Halbleiterwafers einer Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistorvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer halb fertiggestellten Halbleitervorrichtung der Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 eine graphische Darstellung ist, welche ein Profil der Zusammensetzung des Teiles der Vorrichtung veranschaulicht, die in Fig. 5 gezeigt ist;
Fig. 7 und 8 graphische Darstellungen sind, die die Energiezustände der Vorrichtung nach Fig. 5 veranschauhchen;
Fig. 9 bis 11 graphische Darstellungen sind, welche die Kennlinien der Vorrichtung nach Fig. 5 veranschaulichen;
Fig. 12 eine graphische Darstellung ist, welche die Resonanzkennlinien anzeigt;
Fig. 13 ein Schaltungsdiagramm der Schaltungsanordnung ist, die den RHBT einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 14 eine Kurve ist, welche die betriebsmäßigen Eigenschaften der Schaltungsanordnung nach Fig. 13 wiedergibt;
Fig. 15a bis 15c Zeitsteuerpläne sind, welche den Betrieb der Schaltungsanordnung nach Fig. 13 wiedergeben;
Fig. 16 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Schaltungsanordnung ist, die den RHBT nach Fig. 5 enthält;
Fig. 17 eine Schnittdarstellung eines halb fertiggestellten RHBT einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 18 eine graphische Darstellung ist, welche einen Energiezustand des RHBT nach Fig. 17 veranschaulicht.
Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, soll eine Beschreibung eines Resonanz-Tunnel-Heißelektronen-Transistors (RHET) gegeben werden.
Fig. 1a ist eine Schnittdarstellung einer halb fertiggestellten RHET-Vorrichtung und Fig. 1b ist eine graphische Darstellung eines Energiebandes der RHET-Vorrichtung in Fig. 1a. In Fig. 1a besteht die Resonanz-Tunnel-Transistorvorrichtung aus einer Kollektorelektrode 8, einer n&spplus;-leitfähigen GaAs-Kollektorschicht 1, die auf der Kollektorelektrode 8 ausgebildet ist, einer nicht dotierten Verunreinigung AlyGa1-yAs (z.B. y = 0,3) Kollektorseiten-Potentialsperrschicht 2 auf der Kollektorschicht 1, einer n&spplus;-leitfähigen GaAs-Basisschicht 3, einer Potentialsperrschicht 2, einer Supergitterschicht 4, einer n&spplus;-leitenden GaAs-Emitterschicht 5, einer Emitterelektrode 6 und einer Basiselektrode 7. Die Supergitterschicht 4 besteht aus einer AlxGa1-xAs-Sperrschicht 4A&sub1;, einer nicht dotierten Verun reinigungs-GaAs-Quatentopf-Schicht 4B und einer AlxGa1-xAs- Sperrschicht 4A&sub2;. Die Supergitterschicht 4 funktioniert als eine emitterseitige Potentialsperre. In dieser Beschreibung ist das Supergitter derart definiert, daß wenigstens eine Quantenquelle oder Quantentopf darin vorgesehen ist. In Fig. 1a können eine Vielzahl von Quantentöpfen bzw. Quantenquellen ausgebildet sein.
In Fig. 1b bezeichnet das Bezugszeichen EC einen Boden eines Leitfähigkeits-Energiebandes und EX bezeichnet einen Energiewert eines Sub-Bandes an der Quantenquelle bzw. dem Quantentopf (quantum weil).
Es sollen unter Hinweis auf die Fig. 2a bis 2c die Prinzipien der Betriebsweise der Resonanz-Tunnel-Transistorvorrichtung beschrieben werden.
Fig. 2a zeigt eine graphische Darstellung eines Ener giebandes der RHET-Vorrichtung, wenn eine Spannung VBE zwischen der Basisschicht 3 und der Emitterschicht 5 niedriger ist als 2 Ex/q, worin q die Ladung der Träger wiedergibt oder zu niedrig ist, beispielsweise angenähert 0 Volt. Obwohl in Fig. 2a eine Spannung VCE zwischen der Kollektor schicht 1 und der Emitterschicht 5 vorhanden ist, können Elektronen an der Emitterschicht 5 nicht die Basisschicht 3 erreichen, indem sie durch die Supergitterschicht hindurchtunneln, da die Basis-Emitter-Spannung VBE nahezu Null beträgt und sich somit ein Wert einer Energie EFE, nämlich ein Quasi-Fermi-Wert, der Emitterschicht 5 sich von dem Energiewert EX bei dem Sub-Band unterscheidet. Demzufolge fließt kein Strom zwischen der Emitterschicht 5 und der Kollektorschicht 1. Das Bezugszeichen φC gibt eine Leitfähigkeitsband-Diskontinuität wieder.
Fig. 2b ist eine graphische Darstellung eines Energiebandes der RHET-Vorrichtung, wenn die Basis-Emitter-Spannung VBE nahzu gleich ist 2 EX/q. In Fig. 2b ist der Energiewert EFE an der Emitterschicht 5 im wesentlichen gleich dem Energiewert EX des Sub-Bandes an der Quantentopfschicht 4B. Als ein Ergebnis werden aufgrund eines Resonanz-Tunnel- Effektes Elektronen an der Emitterschicht 5 durch die Supergitterschicht 4 hindurchgeführt und werden in die Basisschicht 3 injiziert. Die Potentialenergie der injizierten Elektronen, beispielsweise 0,3 eV, wird in kinetische Energie umgesetzt, so daß die Elektronen in einen sogenannten "heißen" Zustand gebracht werden. Die heißen Elektronen werden auf ballistische Weise durch die Basisschicht 3 hindurchgeleitet und erreichen die Kollektorschicht 1. Als ein Ergebnis fließt ein Strom zwischen der Emitterschicht 5 und der Kollektorschicht 1.
Fig. 2c zeigt eine graphische Darstellung eines Energiebandes der RHET-Vorrichtung, wenn die Basis-Emitter- Spannung VBE höher ist als 2 EX/q. In Fig. 2c ist der Ener giewert EFE an der Emitterschicht 5 höher als der Energiewert EX des Sub-Bandes an der Quantentopfschicht 4B. Der Resonanz-Tunnel-Effekt tritt nicht auf und die von der Emitterschicht 5 in die Basisschicht 3 eingeführten Elektronen existieren nicht. Demzufolge wird der in die RHET Vorrichtung fließende Strom reduziert. Andererseits können durch Vermindern der Sperrschichthöhe der Sperrschicht 4A&sub1; benachbart der Basisschicht 3 auf einen geeigneten Wert die Elektronen direkt durch die Sperrschicht 4A&sub2; nahe der Emitterschicht 5 tunneln. Als Ergebnis kann ein gewisser Betrag des Kollektorstroms fließen.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Eigenschaften der RHET-Vorrichtung, die oben beschrieben wurde, wiedergibt. In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Basis-Emitter-Spannung VBE aufgetragen und auf der Ordinate ist der Kollektorstrom IC aufgetragen. Die Kurven C&sub1; bis C&sub4; geben die Kennlinien wieder, wenn die Kollektor-Emitter- Spannung VCE jeweils beträgt 2,5 V, 2,0 V, 1,5 V und 1,0 V.
Die Kurven zeigen auch n-gestaltete differentielle Negativwiderstand(NDR)-Charakteristika. Durch Verwendung dieses Merkmals können eine Vielfalt von Schaltungen, wie beispielsweise Ternär-Logikschaltungen realisiert werden.
Die oben erläuterte RHET-Vorrichtung ist zusammengesetzt aus dem Heterotibergang n-leitenden Emitter, der n- leitenden Basis und dem n-leitenden Kollektor und daher muß die Kollektor-Potentialsperre zwischen der Basis und dem Kollektor vorgesehen werden, um der Spannung die Toleranz zu geben, das heißt die Isolation. Aufgrund der Kollektor- Potentialsperre leidet die RHET-Vorrichtung an problematischen Defekten. Es existiert nämlich eine niedrige Stromverstärkung, da die meisten der Elektronen, die von der Emitterschicht in die Supergitterschicht emittiert werden, dort resonanz-tunneln und in die Basis in einem heißen Zustand injiziert werden und durch eine Phonon-Streuung beeinflußt werden, z.B. einer optischen Phonon-Streuung, einer Zwischensenke-Streuung in der Basisschicht, und demzufolge können sie die Kollektor-Potentialsperre nicht überwinden. Um andererseits eine ausreichende Isolation zu schaffen, muß die Kollektor-Potentialsperre dick und hoch sein. Bei normaler Umgebungs-(Raum-)Temperatur ist die Höhe der Kollektor-Potentialsperre niedrig. Wenn zusätzlich die Kollektor-Potentialsperre niedrig ist, kann eine beträchtliche thermisch-ionische Emission auftreten und somit kann die RHET-Vorrichtung keinen normalen Transistor bilden. Wenn die Kollektor-Potentialsperre hoch ist, können die Elektronen nicht immer den Kollektor erreichen, was in einer niedrigen Stromverstärkung resultiert. Um diesen Nachteil zu überwinden, muß eine Energie der Elektronen angehoben werden, dies führt jedoch zu einer Zwischensenken- Streuung und ergibt ebenfalls eine niedrige Stromverstär kung. Als ein Ergebnis kann die RHET-Vorrichtung im wesentlichen nicht bei einer normalen Umgebungstemperatur arbeiten und muß supergekühlt werden, beispielsweise durch flüssigen Stickstoff.
Es sollen nun bevorzugte Ausführungsformen der vorhegenden Erfindung beschrieben werden.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterwafers eines Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Bipolartransistors (RHBT) einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer halb fer tiggestellten RHBT-Vorrichtung von Fig. 4; und Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die ein Profil der AlAs-Zusammensetzung der in Fig. 5 gezeigten RHBT-Vorrichtung veranschaulicht. In den Fig. 4 und 5 besteht die RHBT-Vorrichtung aus einem Substrat 11, welches aus GaAs hergestellt ist und eine halbisolierende Eigenschaft besitzt, einer n&spplus;leitenden Kollektor-Kontaktschicht 12 aus GaAs, einer n- leitenden Kollektorschicht 13 aus GaAs, einer p&spplus;-leitenden Basisschicht 14 aus GaAs, einer Sperrschicht 15A aus AlyGa1-yAs, einer Quantentopfschicht 16 aus GaAs, einer Sperrschicht 15B aus AlyGa1-yAs, einer n-leitenden Emitterschicht 17 aus AlxGa1-xAs und einer n-leitenden Emitterkontaktschicht 18 aus GaAs. Die RHBT-Vorrichtung ist mit einer Emitterelektrode 19 ausgestattet, die ohmsch mit der Emitterschicht 18 verbunden ist, mit Basiselektroden 20 ausgestattet, die ohmsch mit der Basisschicht 14 verbunden sind, und mit Kollektorelektroden 21 ausgestattet, die ohmsch mit der Kollektorschicht 13 verbunden sind.
Die Parameter der oben angeführten Elemente sind wie folgt:
(1) Kollektorkontaktschicht 12
Dicke: 200 nm (2000 Å)
Fremdstoffdichte: 5 x 10²&sup4;/m³ (5 x 10¹&sup8; cm³)
(2) Kollektorschicht 13
Dicke: 300 nm (3000 Å)
Fremdstoffdichte: 1 x 10²³ m³ (1 x 10¹&sup7; cm³)
(3) Basisschicht 14
Dicke: 100 nm (1000 Å)
Fremdstoffdichte: 5 x 10²&sup4;/m³ (5 x 10¹&sup8; cm³)
(4) Sperrschichten 15A und 15B
Dicke: 5 nm (50 Å)
y: 0,3
(5) Quantentopfschicht 16
Dicke: 5 nm (50 Å)
(6) Emitterschicht 17
Dicke: 300 nm (3000 Å)
Fremdstoffdichte: 1 x 10²³/m³ (1 x 10¹&sup7; cm³)
x: 0,37
(7) Emitterkontaktschicht 18
Dicke: 200 bis 300 nm (2000 Å bis 3000 Å)
Fremdstoffdichte: 6 x 10²&sup4;/m³ (6 x 10¹&sup8; cm³)
(8) Emitterelektrode 19
a. Material: Au Ge
Dicke: 30 nm (300 Å)
b. Material: Au
Dicke: 300 nm (3000 Å)
(9) Basiselektrode 20
a. Material: Cr
Dicke: 30 nm (300 Å)
b. Material: Au
Dicke: 300 nm (3000 Å)
(10) Kollektorelektrode 21
a. Material: Au Ge
Dicke: 30 nm (300 Å)
b. Material: Au
Dicke: 300 nm (3000 Å)
Der AlAs-Mol-Bruchteil x der Emitterschicht 17 beträgt 0,37 und der AlAs-Mol-Bruchteil nahe der Emitterschichtseite 17 der Quantentopfschicht 18 ist gestaffelt von 0,37 bis 0,14. Demnach ist die Energie des Leitfähigkeitsband-Randes der Emitterseite 17 der Quantentopfschicht 16 im wesentlichen gleich dem Resonanzenergiewert. Diese Supergitterstruktur wurde sukzessive auf dem n&spplus;-leitenden GaAs-Substrat bei 580ºC durch MBE wachsen gelassen.
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung, die das Energieband der RHBT-Vorrichtung wiedergibt, wenn die Vorspannung VBE niedriger ist als 2 EX/q oder im wesentlichen Null beträgt. Fig. 8 zeigt eine vergrößerte graphische Darstellung, welche ein Energieband der RHBT-Vorrichtung wiedergibt. In den Zeichnungen gibt EX einen Energiewert eines Sub-Bandes bei der Quantentopfschicht 16 wieder; q gibt Ladungen an; EFE gibt einen Quasi-Fermi-Wert an; EX gibt eine Sub-Band-Energie an; EC bezeichnet einen Boden eines Leit fähigkeits-Energiebandes; und EV gibt ein oberes Ende eines Valenz (oder gefüllten) Bandes an.
Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, enthält die RHBT- Vorrichtung eine Supergitterstruktur mit einem Resonanz- Tunnel-Effekt zwischen der Basisschicht 14 und der Emitter schicht, einem PN-Übergang, der durch die p-leitende Basisschicht 14 und die n-leitende Kollektorschicht 13 gebildet ist. Andererseits ist keine Potentialsperre zwischen Basis und Kollektor vorhanden, wie in den Fig. 2a bis 2c gezeigt ist. Der PN-Übergang zwischen der Basisschicht 14 und der Kollektorschicht 13 besitzt für Träger eine ausreichende Isolation und funktioniert somit als eine Isolierschicht anstelle einer Potentialsperre in der Resonanz-Heißelektronen-Transistorvorrichtung.
Wenn die Vorspannung VBE zugeführt wird, werden Elektronen in der Emitterschicht 17 resonanzmäßig getunnelt, und zwar in die Supergitterstruktur bei der Sub-Band-Energie EX und werden in die Basisschicht 14 injiziert. Da keine Potentialsperre vorhanden ist, können die injizierten Elektronen nahezu die Kollektorschicht 13 erreichen. Als ein Ergebnis kann eine hohe Stromverstärkung realisiert werden.
Darüber hinaus besitzt die RHBT-Vorrichtung geringe Leckstrom-Eigenschaften des Basis-Kollektor-PN-Übergangs derselben, so daß die RHBT-Vorrichtung bei Raumtemperatur verwendet werden kann, da die erregten thermionischen Elektronen die Basis-Kollektor-Potentialsperre nicht überwinden und somit der thermionische Strom klein ist.
Die Kennlinien der RHBT-Vorrichtung von Fig. 5 sind in den Fig. 9 bis 11 gezeigt. Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Basis-Emitter-I-V-Kennlinien wiedergibt, die bei 77ºK bei offenem Kollektur gemessen wurden. Eine negative Differenz-Widerstands(NDR)-Zone existiert bei angenähert der Basis-Emitter-Spannung VBE von 1,7 V. Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Kennlinien des Kollektorstroms und der Basis-Emitter- Spannung VBE wiedergibt. Der Kollektorstrom zeigt als eine Funktion der Basis-Emitter-Spannung VBE eine Spitze entsprechend dem Resonanz-Tunnelvorgang der Elektronen. Das Spitzen-zu-Tal-Verhältnis beträgt angenähert 1,8 bei 77ºK und 2,4 bei 5ºK. Fig. 11 zeigt eine graphische Darstellung, welche den Kollektorstrom- und die Kollektor- und Emitterspannungs(IC - VCE)-Kennlinien bei 77ºK veranschaulicht, und zwar in einer gemeinsamen Emitter-Konfiguration, wobei der Basisstrom IB als ein Parameter genommen ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein abrupter Abfall in dem Kollektorstrom auftritt, wenn der Basisstrom IB von 30 µA auf 40 µA ansteigt. Dies zeigt an, daß die RHBT-Vorrichtung eine negative Stromverstärkung besitzt. Die Stromverstärkung hfe hat sich in typischer Weise als 15 in der regulären Zone herausgestellt, das heißt der positiven Stromverstärkungszone und die maximale Stromverstärkung liegt bei 20. Diese Werte sind bei weitem höher als diejenigen der RHET-Vorrichtung.
Die NDR-Kennlinie der RHBT-Vorrichtung kann angewandt werden, um eine Vielfalt von Schaltungen in gleicher Weise wie mit der RHET-Vorrichtung auszubilden.
Darüber hinaus kann die Elektronenresonanz und die Lochresonanz in Abhängigkeit von dem AlAs-Mol-Bruchteil x der Emitterschichten 17 von AlxGa1-xAs eingestellt werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und zwar durch Ändern der Vorspannung. Aluminium (Al) trägt zur Erzeugung des elektrischen Feldes in der Emitterschicht bei und demzufolge van iert der AlAs-Mol-Bruchteil x die Höhe der Emitterschichten. Beispiele dieses Merkmals sind wie folgt:
(a) Wenn der Bruchteil x von AlxGa1-xAs gleich 0,0 beträgt, das heißt GaAs, werden die Lochresonanz und die Elektronenresonanz gleichzeitig angehoben.
Dieser Typ der RHBT-Vorrichtung kann für ein Licht-Emitterelement verwendet werden.
(b) Wenn der Bruchteil x gleich ist 0,14, das heißt Al0,14Ga0,86As steigt die Elektronenresonanz an und danach steigt die Lochresonanz an in Abhängigkeit von der Anhebung der Vorspannung. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird die Elektronenresonanz durch den Resonanz-Tunnel-Vorgang der Elektronen bei einer niedrigen Sub-Band-Energie angehoben. Andererseits wird die Lochresonanz durch den Resonanz- Tunnel-Vorgang der Löcher bei einer hohen Sub-Band-Energie angehoben. Bei der Elektronenstromresonanz tritt die Kollektorstromresonanz auf und bei der Lochresonanz tritt die Basisstromresonanz auf. Die Basisstromresonanz besitzt n- gestaltete NDR-Charakteristika.
(c) Wenn der Bruchteil x gleich 0,2 ist, das heißt Al0,2Ga0,8As, steigt die Lochresonanz an und danach steigt die Elektronenresonanz an. Diese Erscheinung ist das Inverse von derjenigen des oben angeführten Falles (b). Bei der Lochresonanz tritt die Basisstromresonanz auf und bei der Elektronenresonanz tritt die Kollektorstromresonanz auf.
Die Kollektorstromresonanz besitzt die n-gestalteten differentiellen Negativwiderstands-Charakteristika, wie oben dargelegt wurde.
Ein Beispiel der Anwendung der RHBT-Vorrichtung eines Typs (b), der oben beschrieben wurde, und mit einer basisstrom-n-gestalteten NDR-Eigenschaft soll im folgenden beschrieben werden.
Fig. 13 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Halbleiterspeicherzelle. Die Speicherzelle 100 enthält eine RHBT-Vor richtung 111, einen Stromquellenwiderstand 112, einen Lastwiderstand 113 und einen Übertragungstransistor 114 mit einem Gateanschluß, der mit einer Wortleitung WL verbunden ist, und mit einem Sourceanschluß, der mit Bitleitung BL verbunden ist. Eine Basis der RHBT-Vorrichtung 111 wird mit einer positiven Spannung VCC1 über den Widerstand 112 versorgt. Der Widerstand 112 funktioniert als Konstantstromquelle, die zwischen Basis und Emitter der RHBT-Vorrichtung 111 vorgesehen ist. Der Kollektor der RHBT-Vorrichtung 111 wird mit einer positiven Spannung VCC2 über den Widerstand 113 versorgt. Der Widerstand 113 wirkt als Last, das heißt als Abfaliwiderstand. Fig. 14 zeigt eine Ansicht, welche die Kennlinien der Speicherzelle veranschaulicht, die in Fig. 13 gezeigt ist. In Fig. 14 gibt die Abszisse die Basis-Emitter-Spannung VBE wieder und die Ordinate gibt den Basisstrom IB wieder. Eine Kurve CL zeigt die NDR-Kennlinie der RHBT-Vorrichtung 111 an. Die charakteristische Kurve CL besitzt eine n-gestaltete Negativ-Differential-Eigenschaft der Basis-Emitter-Spannung VBE und des Basisstromes IB. Ein erster Gipfelpunkt RP in der Kurve CL gibt den Resonanz Tunnelpunkt an. Eine Linie LL in der Figur zeigt eine Lastlinie an, die durch die Spannung VCC1 definiert ist, welche der Basis der RHBT-Vorrichtung 111 zugeführt wird, und einen Widerstandswert des Lastwiderstandes 113 definiert ist. Der Widerstandswert definiert einen Gradienten der Lastlinie LL. Die Spannung VCC1 definiert einen Schnittpunkt CR, an welchem die Lastlinie LL die Abszisse schneidet. Die Lastlinie LL muß in solcher Weise bestimmt werden, daß die Linie LL eine erste positive Steigungslinie der charakteristischen Kurve CL an einer Stelle A und eine zweite positive Steigungslinie bei einer Stelle B schneidet, um bistabile Zustände der Speicherzelle an den Punkten A und B festzulegen. Die graphische Darstellung in Fig. 7 gibt einen Energiezustand an der Stelle A in Fig. 14 wieder. Der Sub-Band-Energiewert EX bei der Quantentopfschicht 16 in Fig. 8 liegt höher als der Energiewert EFE an der Emitterschicht 17. In beiden Zuständen an den Punkten A und B kann ein bestimmter Betrag an Elektronen die Basisschicht 3 und die Kollektorschicht 1 von der Emitterschicht 5 aus erreichen und demzufolge können darin Ströme entsprechend den oben erwähnten Elektronen fließen. Hier beträgt der Widerstandswert RB des Stromwiderstandes 112 gleich 1,5 KΩ, der Widerstandswert RL des Lastwiderstandes 113 liegt bei KΩ, die Spannung VCC1 der Konstantstromquelle beträgt 1 V und die Spannung VCC2 der Last beträgt 1 V.
Es soll nun die Betriebsweise der Halbleiterspeicherzelle in Fig. 13 unter Hinweis auf die Fig. 15a, 15b und 15c beschrieben werden. In den Zeichnungen gibt die Abszisse den Zeitverlauf an. Fig. 15a zeigt eine graphische Darstellung der Spannungsänderung VBL der Bitleitung BL; Fig. 15b zeigt eine graphische Darstellung der Spannungsänderung BWL der Wortleitung WL; und Fig. 15c zeigt eine graphische Darstellung der Spannungsänderung VN bei einem Knotenpunkt N, der einen gemeinsamen Verbindungspunkt für den Kollektor der RHBT-Vorrichtung 111, den Lastwiderstand 113 und einen Kollektor des Übertragungstransistors 114 bildet. Wie oben dargelegt wurde, arbeitet der Widerstand 112 als Stromquelle und somit gibt die Stromquelle 112 eine konstante Spannung zwischen Basis und Emitter der RHBT-Vorrichtung 111 aus. Umgekehrt kann eine Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter der RHBT-Vorrichtung 111 dadurch variiert werden, indem eine variierende Spannung der Bitleitung BL jedesmal beim Wählen der Wortleitung WL zugeführt wird, wie in den Fig. 15a und 15b gezeigt ist. Durch Variieren des Potentials am Kollektor der RHBT-Vorrichtung 111, fließt der Basisstrom IB der RHBT-Vorrichtung 111 hinein oder heraus, was zu einer Änderung in der Basisspannung führt. Demzufolge kann der bistabile Zustand gesteuert werden und kann für eine Speicherfunktion verwendet werden. Um erneut auf die Fig. 15a bis 15c zurückzukommen, so wird während einer Zeit t&sub1; der Bitleitung BL die Spannung VBL von 0,5 V zugeführt und es wird der Wortleitung WL die Spannung VWL von 1,0 V zugeführt. Der Übertragungstransistor 114 wird EIN-geschaltet, und zwar durch einen hohen Pegel der Spannung VWL, und es wird die Spannung VN an den Knotenpunkt N auf ca. 0,4 V gebracht. Während einer Zeit t&sub2; wird die Bitleitung BL mit der Spannung VBL von 0 Volt beschickt und die Wortleitung WL wird mit der Spannung VWL von 1,0 V beschickt, und es wird der Übertragungstransistor 114 durch den hohen Pegel der Spannung VWL EIN-geschaltet. Da jedoch die Spannung VBL der Bitleitung BL 0 Volt beträgt, liegt die Spannung VN an dem Knotenpunkt N bei ca. 0,1 V.
Die oben erläuterte Speicherzelle enthält eine RHBT- Verriegelungsschaltung. Es sei somit darauf hingewiesen, daß eine Verriegelungsschaltung, die eine RHBT-Vorrichtung verwendet, ebenfalls in einfacher Weise nach der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann.
Bei der RHBT-Vorrichtung können positive Löcher Resonanz-Tunneln und dieser Resonanz-Tunnelvorgang der Löcher verursacht einen negativen Differenzwiderstand in einem Basisstrom.
Ein anderes Beispiel der Anwendung der RHBT-Vorrichtung des oben beschriebenen Typs (c) mit kollektorstrom-n- gestalteten NBR-Charakteristika soll nun beschrieben werden.
Fig. 16 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Exklusiv- NOR(WEDER-NOCH)-Logikschaltung mit der RHBT-Vorrichtung und mit drei Widerständen. Die Widerstände haben 1 k Ohm für die Last und 50 Ohm für die Verdrahtung oder Widerstand. Gleichspannungs-Offset-Spannungen von 0,35 V werden an den Eingang A und B angelegt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ausgangsgröße C lediglich für A = B hoch liegt, was anzeigt, daß die Schaltung eine Exklusiv-NOR-Logikfunktion besitzt. Die kleine logische Auslenkung von 50 mV ergibt sich aufgrund des erhöhten Talstromes und der erhöhten Spitzenspannung&sub3; Die Exklusiv-NOR-Funktion wird weit verbreitet dazu verwendet, um Addierstufen und Paritäts-Dekodierer/Generatoren herzustellen. Beachtet man, daß mehrere schaltende FETs oder Bipolartransistoren erforderlich sind, um eine Exklusiv-ODER-Logik herzustellen, zeigt die RHBT- Vorrichtung vielversprechendes für die Verwendung in Hochgeschwindigkeits-, hochdichten integrierten Schaltungen. Um erneut auf die Fig. 4 und 5 einzugehen, können andere Materialien bei den jeweiligen Schichten angewandt werden und einige Beispiele dieser Materialien sind wie folgt:
(a) Basisschicht 14
(InGa)As, (InAlGa)As
(b) Emitterschicht 17
(InAlGa)As, (InGa)As
(c) Kollektorschicht 13
(InGa)As
(d) Sperrschichten 15A und 15B
AlAs, (InAl)As, InP
(e) Substrat 11
InP
Eine andere Ausführungsform der RHBT-Vorrichtung soll unter Hinweis auf die Fig. 17 und 18 beschrieben werden. Fig. 17 zeigt eine Schnittansicht einer anderen halb fertiggestellten RHBT-Vorrichtung und entspricht Fig. 5. Verglichen mit der RHBT-Vorrichtung in Fig. 5 ist bei der RHBT-Vorrichtung in Fig. 17 die Sperrschicht 15B von der RHBT-Vorrichtung in Fig. 5 entfernt. Andere Elemente sind im wesentlichen gleich denjenigen in Fig. 5. Fig. 18 zeigt eine graphische Darstellung, welche einen Energiezustand der RHBT-Vorrichtung in Fig. 17 veranschaulicht und den Fig. 7 und 8 entspricht.
Die Modifikationen und das oben erläuterte Prinzip kann bei der RHBT-Vorrichtung in Fig. 17 angewandt werden.
Bei der obigen Beschreibung besitzt die RHBT-Vorrichtung 111 lediglich einen Sub-Band-Energiewert Ex. Nichtsdestoweniger kann die RHBT-Vorrichtung 111 eine Vielzahl von Sub-Band-Energiewerten haben und in diesem Fall kann eine charakteristische Kurve eine Vielzahl von Resonanzpunkt spitzen und eine Vielzahl von Tälern aufweisen. Eine Vielzahl von Speicherzellenzuständen können durch die Verwendung einer RHBT-Vorrichtung realisiert werden und es kann demzufolge eine Vielpegel-Speicherzelle realisiert werden. Zusätzlich kann die RHBT-Vorrichtung 111 eine Vielzahl von Quantentöpfen besitzen.
Bei den oben erläuterten Ausführungsformen kann die Supergitterstruktur, welche den Quantentopf enthält und als Resonanz-Träger-Injektorvorrichtung für die Basis funktioniert, zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht ausgebildet sein, wie oben dargelegt wurde, oder in der Emitterschicht ausgebildet sein.
Zusätzlich kann eine Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs- Transistorvorrichtung mit einer p-n-p-Struktur anstelle der oben erläuterten n-p-n-RHBT-Vorrichtung erreicht werden.

Claims

1. Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung mit:

einer Emitterschicht (17);

einer Kollektorschicht (13);

einer Basisschicht (14), die zwischen der Emitter- und Kollektorschicht (17, 13) gelegen ist; und

einer Supergitterstruktur (15A, 16, 15B; 15, 16), die zwischen der Emitter- und Basisschicht (17, 14) gelegen ist, wobei die Supergitterstruktur (15A, 16, 15B; 15, 16) so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Quantentopf (quantum weil) vorgesehen wird, über den der Resonanz-Tunnelvorgang der Träger erfolgt, wenn eine Vorspannung (VBE), die zwischen der Emitter- und Basisschicht (17, 14) angelegt wird, so bemessen ist, daß ein Sub-Band-Energiewert EX des Quantentopfes im wesentlichen gleich ist einem Quasi-Fermi-Wert EFE der Emitterschicht (17), wobei die Vorrichtung dafür ausgebildet ist, daß dann, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) kleiner ist als 2EX/q, worin q die Ladung der Träger ist, EX größer ist als EFE, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) nahezu gleich ist mit 2EX/q, EX gleich ist EFE, und dann, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) größer ist als 2EX/q, EX kleiner ist als EFE, wodurch der Fluß der Träger zwischen der Emitter- und Basisschicht (17, 14) eine Spitze zeigt, wenn die Vorspannung (VBE) angenähert gleich ist 2 EX/q;

bei der die Vorrichtung eine Bipolartransistorvorrichtung ist, in welcher die Basisschicht (14) aus einem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps und die Kollektorschicht (13) aus einer Schicht eines Halbleitermaterials des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, die Basisschicht (14) und die Kollektorschicht (13) eine gemeinsame Zwischenschicht haben, wodurch ein PN-Übergang dazwischen ausgebildet ist.

2. Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung mit:

einer Emitterschicht (17);

einer Kollektorschicht (13);

einer Supergitterstruktur (15A, 16, 15B; 15, 16), die in der Emitterschicht (14) gelegen ist, welche Supergitterstruktur (15A, 16, 15B; 15, 16) so ausgebildet ist, um we nigstens einen Quantentopf (quantum well) zu bilden, durch den ein Resonanz-Tunnelvorgang der Träger erfolgt, wenn eine Vorspannung (VBE) zwischen der Emitter- und Basisschicht (17, 14) so eingestellt ist, daß ein Sub-Band-Energiewert EX des Quantentopfes im wesentlichen gleich ist einem Quasi-Fermi-Wert EFE der Emitterschicht (17), wobei die Vorrichtung dafür ausgebildet ist, daß dann, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) kleiner ist als 2EX/q, worin q die Ladung von Trägern angibt, EX größer ist als EFE, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) im wesentlichen gleich ist 2EX/q, EX gleich ist EFE, und dann, wenn die Größe der Vorspannung (VBE) größer ist als 2EX/q, Ex kleiner ist als EFE, wodurch der Fluß der Träger zwischen der Emitter- und Basisschicht (17, 14) eine Spitze zeigt, wenn die Vorspannung (VBE) angenähert gleich ist 2EX/q;

bei der die Vorrichtung aus einer Bipolartransistorvorrichtung besteht, in der die Basisschicht (14) aus einem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps gebildet ist und die Emitterschicht und Kollektorschicht (17, 13) jeweils aus einem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet sind, und bei der die Basisschicht (14) und die Kollektorschicht (13) eine gemeinsame Zwischenschicht haben, wodurch ein PN-Übergang dazwischen gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer in solcher Weise ausgelegten Emitterschicht, daß sowohl Elektronen als auch positive Löcher durch den Quantentopf resonanz-tunneln und ein Generierungszustand der Elektronenresonanz und der positiven Lochresonanz abhangig ist von der Konzentration einer Komponente des Materials, welches die Emitterschicht (17) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Material Aluminium aufweist.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Emitterschicht (17) ein n-leitendes Halbleitermaterial aufweist, die Basisschicht (14) ein p- leitendes Halbleitermaterial aufweist und die Kollektorschicht (13) ein n-leitendes Halbleitermaterial aufweist.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Emitterschicht (17) ein p-leitendes Halbleitermaterial aufweist, die Basisschicht (14) ein n-leitendes Halbleitermaterial aufweist und die Kollektorschicht (13) ein p-leitendes Halbleitermaterial aufweist.

7. Logikschaltungsanordnung, mit:

einer Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche;

einer Stromquelleneinrichtung (112), die ohmsch mit der Basisschicht (114) der Transistorvorrichtung verbunden ist, um einen konstanten Strom der Basisschicht (14) zuzuführen;

einer Lasteinrichtung (113), die ohmsch mit der Kollektorschicht (13) der Transistorvorrichtung verbunden ist; und

einer Ausgangseinrichtung (114), die betriebsmäßig mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (N) der Lasteinrichtung (113) und der Kollektorschicht (13) verbunden ist, um eine Spannung auszugeben, die durch eine Änderung eines Stromes festgelegt ist, welcher durch die Kollektorschicht (13) fließt;

wobei die Schaltungsanordnung dafür ausgebildet ist, daß ein Kollektorstrom in der Kollektorschicht (13) in Abhängigkeit von der Vorspannung fließt und eine differentielle negative Widerstandseigenschaft aufweist mit einer Resonanzspitze und mit wenigstens einem örtlichen Minimum des Kollektorstroms; und

wobei die von der Ausgangseinrichtung (114) ausgegebene Spannung in Abhängigkeit von den zwei stabilen Vorspannstromwerten variierbar ist.

8. Logikschaltungsanordnung, mit:

einer Resonanz-Tunnel-Heteroübergangs-Transistorvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6;

wenigstens zwei Eingangswiderständen, die betriebsmäßig mit der Basisschicht (14) der Transistorvorrichtung verbunden sind; und

einem Ausgangswiderstand, der betriebsmäßig mit der Kollektorschicht (13) der Transistorvorrichtung verbunden ist;

wobei die Schaltungsanordnung dafür ausgebildet ist, daß ein Kollektorstrom in der Kollektorschicht (13) in Abhängigkeit von der Vorspannung fließt und eine differentielle negative Widerstandskennlinie mit einer Resonanzspitze und mit wenigstens einem örtlichen Minimum des Kollektorstroms zeigt.