DE3737572C2

DE3737572C2 -

Info

Publication number: DE3737572C2
Application number: DE19873737572
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.Rer.Nat. 5100 Aachen De Beneking
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1987-11-05
Filing date: 1987-11-05
Publication date: 1991-11-28
Also published as: DE3737572A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mehreren, aufeinander geschichteten Halbleiterschichten, die eine Quantentopf-Struktur bilden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a semiconductor device several semiconductor layers stacked on top of each other, which form a quantum well structure according to Preamble of claim 1.

Eine entsprechende Quantentopf-Struktur zeigt die Fig. 1a, wobei der Potentialtopf 1 aus undotiertem Gallium- Arsenid (GaAs) mit einer Dicke von ca. 10 nm besteht, während die beidseitig angeordneten Potentialwälle 2 und 3 aus undotiertem Aluminium-Arsenid (AlAs) mit einer Dicke von jeweils ca. 7 nm bestehen.A corresponding quantum well structure is shown in FIG. 1 a , the potential well 1 consisting of undoped gallium arsenide (GaAs) with a thickness of approximately 10 nm, while the potential walls 2 and 3 arranged on both sides consist of undoped aluminum arsenide (AlAs) each have a thickness of approximately 7 nm.

Die beiden äußersten Schichten 4 und 5 bestehen aus entartet dotiertem Gallium-Arsenid (GaAs), wobei diese Schichten 4 und 5 hoch n-dotiert sind.The two outermost layers 4 and 5 consist of degenerately doped gallium arsenide (GaAs), these layers 4 and 5 being highly n-doped.

Die Fig. 1b zeigt den schematischen Potentialverlauf der Quantentopf-Struktur, wobei der für das resonante Tunneln wesentliche Einergiewert E₀ näherungsweise durch die Formel Fig. 1b shows the schematic potential profile of the quantum well structure, the essential energy value for the resonant tunneling E₀ approximately by the formula

gegeben ist (h: Planck′sche Konstante, m: effektive Elektronenmasse, d: Breite des Potentialtopfes). Der Energiewert E₀ hängt also unter anderem von der Breite d des Potentialtopfes ab. Legt man an die Gesamtanordnung der Quantentopf-Struktur eine elektrische Spannung U an, wird gemäß Fig. 1c eine energetische Gleichstellung des Energieniveaus E₀ mit dem Energieniveau der Schicht 4 möglich, was zum resonanten Tunnel führt. Mit einer Änderung der Spannung U tritt ein Stromverlauf gemäß Fig. 2 auf, wonach der Strom zunächst mit der Spannung U bis zu einem peak-Punkt P ansteigt, um dann mit weiter zunehmender Spannung abzunehmen, bevor er wieder mit anwachsender Spannung zunimmt.is given (h: Planck's constant, m: effective electron mass, d: width of the potential well). The energy value E₀ depends, among other things, on the width d of the potential well. If an electrical voltage U is applied to the overall arrangement of the quantum well structure, an energetic equivalence of the energy level E₀ with the energy level of the layer 4 is possible according to FIG. 1c, which leads to the resonant tunnel. A change in the voltage U causes a current profile according to FIG. 2, after which the current initially rises with the voltage U up to a peak point P, and then decreases with a further increase in voltage before it increases again with an increasing voltage.

Aus der Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, 1986, Vol. 29, Nr. 7, S. 3048 ist eine Quantentopf-Struktur bekannt, bei der die Quantentopf-Schicht mit einem Kontaktanschluß versehen ist, so daß diese Struktur als Tunnel-Transistor bezeichnet werden kann, dessen Emitter-Kollektor-Strom durch resonantes Tunneln zustande kommt.From the IBM Technical Disclosure Bulletin, 1986, Vol. 29, No. 7, p. 3048 is a quantum well structure known in which the quantum well layer with a Contact terminal is provided so that this structure can be referred to as a tunnel transistor, the Emitter-collector current through resonant tunneling comes about.

Eine solche bekannte Struktur zeigt die Fig. 3a, wobei der Potentialverlauf in den Schichten dieses Tunnel-Transistors in der Fig. 3b dargestellt ist. Die den Quantentopf bildende Schicht 1 weist eine Steuerelektrode 6 auf, mit der der Zustand der Resonanz beeinflußt werden kann. Damit wird eine Steuerung des Stromes mittels des mit Steuerelektroden erzeugten Potentials möglich. Der Steuermechanismus erfolgt durch die direkte Beeinflussung des Potentials durch die Steuerspannung U₁, die zwischen der Quantentopf bildenden Schicht 1 mit dem Steuerkontakt 6 und der entartet dotierten Kontaktschicht 4 anliegt, wie es die Fig. 3a darstellt. Die Fig. 3b zeigt den Potentialverlauf innerhalb der Schichten der Halbleiteranordnung und die Wirkung einer sich ändernden Steuerspannung an der Steuerelektrode 6. Bei zunehmender Steuerspannung U₁ erhöht sich das Potential des Quantentopfes auf V₀₂, womit aber ebenso das Energieniveau E₀ auf E₀₂ angehoben wird, während bei abnehmender Steuerspannung U₁ das Energieniveau E₀, über die Absenkung des Potentials auf V₀₁, auf E₀₁ erniedrigt wird. Der erste Fall ist in der Fig. 3b durch die punkt-gestrichelten Linien dargestellt, während der zweite Fall durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Eine Änderung des Potentialtopfniveaus um V₀ hat eine Änderung des Energieniveaus um E₀ zur Folge.Such a known structure is shown in FIG. 3a, the potential profile in the layers of this tunnel transistor being shown in FIG. 3b. The layer 1 forming the quantum well has a control electrode 6 with which the state of the resonance can be influenced. This makes it possible to control the current by means of the potential generated with control electrodes. The control mechanism is effected by directly influencing the potential through the control voltage U 1 , which is present between the layer 1 forming the quantum well with the control contact 6 and the degenerate doped contact layer 4 , as shown in FIG. 3 a . FIG. 3b shows the potential profile within the layers of the semiconductor device and the effect of a changing control voltage to the control electrode 6. With increasing control voltage U₁, the potential of the quantum well increases to V₀₂, which also increases the energy level E₀ to E₀₂, while with decreasing control voltage U₁ the energy level E₀ is lowered to E₀₁ by lowering the potential to V₀₁. The first case is shown in FIG. 3b by the dot-dash lines, while the second case is shown by the dashed lines. A change in the potential well level by V₀ results in a change in the energy level by E₀.

Ein solches Halbleiterbauelement ist auch aus der Offenlegungsschrift DE 26 07 940 bekannt. Bei einem solchen mehrschichten Halbleiterbauelement, in welchem durch eine Folge von dünnen Schichten mit verschiedenen Leitungs- und/oder Valenzbandenergien, die beispielsweise zu verschiedenen Zustandsdichten führen können, mindestens zwei Potentialbarrieren und ein dazwischen liegendes Potentialtal realisiert sind, werden die zwischen je zwei Barriereschichten angeordnete Talschicht mit Kontakteinrichtungen versehen, mit denen an die Schichtenfolge ein dem Arbeitsfeld überlagertes longitudinales Zusatzfeld zur Beeinflussung der Energieniveaus der quantizierten Zustände und dadurch des resonanten Tunnelstroms angelegt wird.Such a semiconductor component is also from the published patent application DE 26 07 940 known. With such a multilayer semiconductor component, in which through a series of thin layers with different Conduction and / or valence band energies, for example can lead to different density of states, at least two potential barriers and one in between potential potential are realized, the between Valley layers arranged in each case two barrier layers provided with contact devices with which to the Layer sequence a longitudinal one superimposed on the working field Additional field for influencing the energy levels of the quantized states and thus of the resonant Tunnel current is applied.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Quantentopf-Struktur bildende Halbleiteranordnung anzugeben, die eine einfache und ebenfalls unabhängige Steuerung der diskreten Energiewerte der in dem Quantentopf sich befindenden Ladungsträger ermöglicht.The invention is based, another object Specify semiconductor arrangement forming quantum well structure, which is a simple and also independent Control of the discrete energy values in the quantum well existing load carrier allows.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is carried out according to the characteristic features of claim 1 solved.

Demnach besteht die Erfindung darin, die Breite der Raumladungszone in der den Potentialtopf bildenden Schicht durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang zu variieren, wobei dieser pn-Übergang zwischen einer Barriereschicht und der genannten Potentialtopfschicht gebildet wird.Accordingly, the invention is the width of the Space charge zone in the one forming the potential well Layer by applying a voltage to a pn junction to vary, with this pn junction between a barrier layer and the said potential well layer is formed.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 2.An advantageous embodiment of the invention results itself from claim 2.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the description an embodiment with reference to the Drawings explained in more detail. It shows

Fig. 4a eine erfindungsgemäße Quantentopf bildende Halbleiteranordnung mit Steuerelektroden 6a und 6b und 4a is a quantum well according to the invention forming semiconductor device having control electrodes. 6 a and 6 b and

Fig. 4b den Potentialverlauf in den Schichten der Halbleiteranordnung nach Fig. 4a. FIG. 4b shows the potential profile in the layers of the semiconductor device according to Fig. 4a.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 4a und 4b wird die Breite des Quantentopfes d₀ variiert, wodurch gemäß der oben angegebenen Formel auch der Energiewert E₀ variiert. Die an den Kontakten 6a und 6b angelegte Steuerspannung liegt zwischen der Quantentopf bildenden Schicht 1 und der Potentialwall bildenden Schicht 2, wobei aber der Übergang von Schicht 2 zu Schicht 1 als pn-Übergang ausgelegt ist. Bei passender Wahl von Dotierung der Breite dieser beiden Zonen wird dann eine Steuerung der Breite des Quantentopfes möglich, da die sich ausbildende Raumladungszone an der Grenze von der Schicht 2 zu der Schicht 1 die wirksame Breite d₀ verändert, wie es in Fig. 4b dargestellt ist. Je nach Vorzeichen der angelegten Steuerspannung U₁ wird die Lage der Energieniveaus im Quantentopf erhöht oder erniedrigt, wodurch eine Steuerung des durch die Anordnung fließenden Stromes ermöglicht wird, da die Resonanzbedingung nur für einen Niveauwert gegeben ist. Wird die Steuerspannung U₁ am in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang erhöht, wird die Breite d₀ des Quantentopfes auf d₀₁ verkleinert, womit das Energieniveau von E₀ auf E₀₁ angehoben wird, während bei abnehmender Steuerspannung U₁ der Quantentopf auf d₀₂ verbreitert wird und dadurch das Energieniveau von E₀ auf E₀₂ absinkt. Der erste Fall ist in der Fig. 4b durch die gestrichelten Linien, der zweite Fall durch die punkt-gestrichelten Linien dargestellt. Eine Änderung der Breite der Quantentopf-Struktur um d₀ hat also eine Änderung des Energieniveaus um E₀ zur Folge.In the embodiment of the invention according to FIGS. 4a and 4b, the width of the quantum well d₀ is varied, as a result of which the energy value E₀ also varies according to the formula given above. The control voltage applied to the contacts 6 a and 6 b lies between the layer 1 forming the quantum well and the layer 2 forming the potential wall, but the transition from layer 2 to layer 1 is designed as a pn junction. With a suitable choice of doping the width of these two zones, it is then possible to control the width of the quantum well, since the space charge zone that forms at the boundary from layer 2 to layer 1 changes the effective width d₀, as shown in FIG. 4b . Depending on the sign of the applied control voltage U 1, the position of the energy levels in the quantum well is increased or decreased, which enables control of the current flowing through the arrangement, since the resonance condition is only given for one level value. If the control voltage U₁ at the pn junction operated in the reverse direction, the width d₀ of the quantum well is reduced to d ,₁, which increases the energy level from E₀ to E ,₁, while with decreasing control voltage U₁ the quantum well is widened to d₀₂ and thereby the energy level of E₀ drops to E₀₂. The first case is shown in FIG. 4b by the dashed lines, the second case by the dashed lines. A change in the width of the quantum well structure by d₀ therefore results in a change in the energy level by E₀.

Claims

1. Semiconductor arrangement with a plurality of semiconductor layers stacked on top of one another, which form a quantum well structure and contain a layer ( 1 ) forming the quantum well as well as adjoining layers ( 2, 3 ) forming potential walls, and with means for controlling the discrete energy values for the charge carriers located within the quantum well structure ( 1 ), characterized in that the quantum well layer ( 1 ) and one of the potential wall layers ( 2 ) have opposite conductivity types and that the control of the discrete energy values for those located within the quantum well layer located charge carriers by applying a voltage between the quantum well layer ( 2 ) ( Fig. 4).

2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that that the quantum well layer is weaker than that with this potential wall layer connected via a voltage source is endowed.