DE69107262T2

DE69107262T2 - Elektronische anordnung mit stromkanal aus dielektrischem material.

Info

Publication number: DE69107262T2
Application number: DE69107262T
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Tamura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: EP0472740B1; EP0472740A1; DE69107262D1; US5291274A; DE69107262T4; WO1991015033A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektronenanordnungen, und im besonderen auf eine Elektronenanordnung oder -vorrichtung mit einer dielektrischen Kanalschicht zum Hindurchführen von Trägern, bei der der Fluß von Trägern als Reaktion auf eine Steuerspannung gesteuert wird, die auf die dielektrische Schicht angewendet wird.
Auf dem Gebiet der Informationsverarbeitung, wie bei Computern, sind Transistoren und Dioden die wesentlichen Anordnungen. Transistoren führen verschiedene Schalt- oder Verstärkungsoperationen aus und werden für verschiedene Logikschaltungen verwendet. Dioden werden andererseits für verschiedene Stromgleichrichtungen und Signaldetektionen verwendet. Ferner werden Dioden, die als Reaktion auf die Polarität von angewendeten Signalen einen sich steil ändernden Widerstand aufweisen, für verschiedene Schaltanordnungen von Computern und anderen elektronischen Vorrichtungen verwendet. Somit beeinflußt die Verbesserung von Betriebscharakteristiken der Transistoren direkt die Verbesserung der Operation des Informationsverarbeitungssystems. Ähnlich wird die Entwicklung von Dioden, die mit niedriger Signalamplitude arbeiten können, zu der Verbesserung eines Telekommunikationssystems oder Radarsystems beitragen, das eine erhöhte Empfindlichkeit hat.

HINTERGRUNDTECHNIK

Im allgemeinen sind Transistoren aus Halbleitermaterialien, wie Silizium, Germanium, oder aus verschiedenen Verbindungshalbleitermaterialien gebildet, und bisher sind verschiedene Transistoren vorgeschlagen worden.
FIG. 1 bis 12 zeigen die Beispiele von herkömmlichen Transistoren und Dioden, in denen FIG. 1 und 2 die Struktur und die Bandstruktur eines typischen Bipolartransistors zeigen.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 enthält der Bipolartransistor einen n-Typ-Emitter 11, der von einer p-Typ-Basis 12 umgeben ist, und ein Kollektor 13 umgibt die Basis 12, die den Emitter 11 enthält. Unter dem Kollektor 13 ist eine vergrabene n&spplus;-Typ-Kollektorzone 14 gebildet, und der Kollektorstrom, der an dem Kollektor 13 erhalten wird, wird über die vergrabene Kollektorzone 14 und weiter durch eine n&spplus;- Typ-Kontaktzone 15 zu der Oberfläche der Struktur geführt. Ferner stützt ein Substrat 16 aus p-Typ-Silizium die obige vertikale Bipolartransistorstruktur. In Entsprechung zu der Emitterzone 11, der Basiszone 12 und der Kollektorkontaktzone 15 sind eine Emitterelektrode 17, eine Basiselektrode 18 und eine Kollektorelektrode 19 gebildet. In der üblichen Praxis wird solch ein Bipolartransistor durch Kombinieren von p-Typ- und n-Typ-Siliziumschichten gebildet.
FIG. 2 zeigt die Bandstruktur des Bipolartransistors von FIG. 1. Wie daraus ersichtlich ist, hat die n-Typ- Emitterzone 11 als Träger in dem Leitungsband Elektronen, die in der Zeichnung durch volle Kreise gezeigt sind. Andererseits hat die p-Typ-Basiszone 12 in ihrem Valenzband als Träger Löcher, die in der Zeichnung als leere Kreise gezeigt sind. Ferner hat die n-Typ-Kollektorzone 13 in ihrem Leitungsband als Träger Elektronen, die in der Zeichnung auch durch volle Kreise gezeigt sind.
Bei Betrieb wird die Basisspannung in der Basiszone 11 durch die Spannung gesteuert, die auf die Basiselektrode 18 angewendet wird. Wenn zum Beispiel eine positive Basisspannung angewendet wird, verschiebt sich das Energieniveau der Basiszone 12 in die abwärtige Richtung. Als Reaktion auf solch eine Abwärtsverschiebung des Basisenergieniveaus verschwindet im wesentlichen die Potentialsperre, die durch das Leitungsband der Basiszone 12 zwischen der Emitterzone 11 und der Kollektorzone 12 gebildet worden ist. Wenn dies auftritt, werden die Elektronen aus der Emitterzone 11 in die Basiszone 12 injinziert und durch die Diffusion der Minoritätsträger durch die Basiszone 12 transportiert. Dadurch erreichen die injizierten Träger die Kollektorzone 13, und durch den Transistor fließt ein Kollektorstrom.
In solch einem Bipolartransistor ist die Operationsgeschwindigkeit hauptsächlich durch die Durchgangszeit der Träger begrenzt, die die Basiszone 12 durchlaufen. Um die Operationsgeschwindigkeit von Bipolartransistoren zu erhöhen, wird somit gewünscht, die Basiszone aus einem Halbleitermaterial zu bilden, das eine hohe Elektronenbeweglichkeit hat. Alternativ kann die Dicke der Basiszone 12 zum Reduzieren der Durchgangszeit von Elektronen durch die Basiszone reduziert werden. Wenn letztere Möglichkeit angewendet wird, tritt jedoch das Problem eines erhöhten lateralen Widerstandes der Basiszone auf. Wenn dies geschieht, wird der Spannungspegel innerhalb der Basiszone nicht effektiv gesteuert und daher die Schaltoperation des Transistors auch nicht. Wenn die Dicke der Basiszone 12 weiter reduziert wird, überlappt sich die Verarmungszone, die mit der Kollektorzone einhergeht, wesentlich mit der Verarmungszone, die mit der Emitterzone einhergeht. Solch ein Überlappen der Verarmungszonen verursacht das sogenannte Durchgreifen, bei dem der Fluß des Stromes durch die Basis durch die Basisspannung nicht mehr gesteuert werden kann.
Wenn andererseits die erstere Möglichkeit angewendet wird, besteht eine Begrenzung bei der Auswahl von geeignetem Material, da die Halbleitermaterialien außer Silizium und Germanium, die mit gesteuertem Trägerkonzentrationsniveau auf den p-Typ oder n-Typ dotiert werden können, relativ begrenzt sind. Besonders können solche herkömmlichen Bipolartransistoren nicht die ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften von kürzlich entdeckten Hochtemperatursupraleitern nutzen.
FIG. 3 und 4 zeigen die Struktur eines herkömmlichen Heißelektronentransistors und seine Bandstruktur.
Unter Bezugnahme auf FIG. 3 hat die Anordnung eine Emitterzone 21, eine Basiszone 23 und eine Kollektorzone 25, die jeweils aus einem leitfähigen Material, wie Metall, gebildet sind, und eine Emittersperrzone 22 und eine Kollektorsperrzone 24, beide aus einem Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, sind zwischen der Emitterzone 21 und der Basiszone 23 und zwischen der Basiszone 23 und der Kollektorzone 25 angeordnet. Die Schichtstruktur der Schichten 21 bis 24 ist auf einem Substrat 26 gebildet, und die Emitterzone 21, die Basiszone 23 und die Kollektorzone 25 haben jeweilige Elektroden 17, 18 und 19.
In dem Heißelektronentransistor mit solch einer Konstruktion können Metalle oder dotierte Halbleiter für die Emitterzone, die Basiszone und die Kollektorzone verwendet werden, während isolierende Materialien oder halbisolierende Materialien für die Emittersperrschicht und die Kollektorsperrschicht verwendet werden können. Ferner erfordert solch eine Struktur nicht die exakte Steuerung des Leitfähigkeitstyps für die Emitterzone, die Basiszone und die Kollektorzone.
Wie in dem Banddiagramm von FIG. 4 gezeigt, bilden die Emittersperrzone 22 und die Kollektorsperrzone 24 die Energiesperre gegen den Durchgang der Träger aus der Emitterzone 21 in die Kollektorzone 25. Mit zunehmender Durchlaßvorspannung quer durch die Basiszone 23 und Emitterzone 21 wird die Sperrhöhe der Emittersperre 22 verringert, und die Träger in der Emitterzone beginnen, ein Hindurchtunneln durch die Zone 22 zu der Basiszone 23 zu verursachen. Wenn eine ausreichend große Vorspannung quer durch die Kollektorzone 25 und die Emitterzone 21 vorhanden ist, passieren jene Elektronen, die in die Basiszone 23 injiziert wurden und noch die ursprüngliche Energie besitzen, die Basiszone 23 und erreichen die Kollektorzone 25. Dadurch fließt in dem Transistor ein Kollektorstrom von der Emitterzone 21 zu der Kollektorzone 25. Die Kollektorsperre 24 bildet lediglich eine Potentialsperre, die die Basiszone 23 von der Kollektorzone 25 elektrisch trennt.
In solch einem Heißelektronentransistor besteht jedoch das Problem, daß die Träger, die in die Basis Zone 23 injiziert wurden, wenn sie ihre Energie durch die Streuung und dergleichen verlieren, zwischen der Sperrzone 22 und der Sperrzone 24 eingesperrt sind. Somit bilden die so in der Basiszone gefangenen Träger einen Basisstrom. Mit anderen Worten, die Heißelektronentransistoren neigen dazu, eine unzureichende Stromverstärkung aufzuweisen.
FIG. 5 zeigt die Bandstruktur eines Resonanztunnel- Bipolartransistors. Der Transistor hat im wesentlichen eine Struktur eines Bipolartransistors und umfaßt eine n-Typ- GaAs-Emitterzone 31, eine p-Typ-GaAs-Basiszone 32 und eine n-Typ-GaAs-Kollektorzone 33. Zwischen der Emitterzone 31 und der Basiszone 32 ist ein Paar von Resonanzsperrzonen 34 aus AlGaAs gebildet, so daß eine zweidimensionale Quantenmulde zwischen den zwei Sperrzonen 34 gebildet wird. Bei Betrieb wird das Sperrniveau der Basiszone 32 als Reaktion auf die Basisspannung verändert, und der Strom fließt bei Verringerung des Sperrniveaus der Basiszone 32 von dem Emitter zu der Basis.
In solch einer zweidimensionalen Quantenmulde wird eine Anzahl von quantisierten Zuständen mit jeweiligen Energieniveaus gebildet, und die einfallenden Träger, die die Resonanz mit dem Quantenniveau in der Resonanzsperrzone 34 verursachen, werden selektiv durchgelassen. Somit weist der Resonanztunneltransistor eine streng nichtlineare Charakteristik auf, die durch andere Transistortypen nicht vorgesehen wird.
Bei der Bandstruktur von FIG. 5 ist auf Grund des Fehlens der Kollektorsperrschicht im Gegensatz zu der Struktur von FIG. 4 das Problem einer unbefriedigenden Stromverstärkung in der Emitterschaltung beseitigt. Jedoch hat diese Struktur noch das Problem der Durchgangszeit von Trägern durch die Basis ähnlich wie bei dem Transistor von FIG. 1, und die Operationsgeschwindigkeit ist begrenzt. Ferner erfordert der Transistor eine präzise Leitfähigkeitssteuerung für die Kollektor-, Basis- und Emitterzonen.
FIG. 6 zeigt die Bandstruktur eines Resonanz-Heißelektronentransistors. Im Gegensatz zu dem Heißelektronentransistor von FIG. 3 hat der Transistor von FIG. 6 eine Resonanzsperrzone 36 für die Basissperrzone. Ähnlich wie bei der Struktur von FIG. 5 umfaßt die Resonanzsperrzone 36 ein Paar von Potentialsperren, die zwischen sich eine zweidimensionale Quantenmulde einschließen. Das Resonanzhindurchtunneln der Träger durch die Zone 36 tritt als Resultat der energetischen Resonanz der Träger mit den Quantenniveaus auf, die in der Resonanzsperrzone 36 gebildet wurden. Bei diesem Transistor können verschiedene Materialien und Isoliermaterialien verwendet werden, und somit entspannt sich die Beschränkung bezüglich der Materialien, die für den Transistor verwendet werden können. Andererseits hat der Transistor das Problem, daß die Stromverstärkung in der Emitter-Schaltung auf Grund des Einfangens der Träger in der Basiszone 23 unzureichend sein kann.
FIG. 7 ist ein Banddiagramm, das einen Tunneltransistor zeigt, der eine Bipolartransistorstruktur hat. Unter Bezugnahme auf FIG. 7 umfaßt der Transistor eine p-Typ-Emitterzone 41 und eine p-Typ-Kollektorzone 42 aus GaAsSb mit einer dazwischenliegenden Basiszone 43 aus n-Typ-GaInAs. Die Dicke der Basiszone 43 wird klein genug festgelegt, so daß die Träger das Tunneln von der Emitterzone 41 zu der Kollektorzone 42 als Reaktion auf eine Vorspannung verursachen, die auf die Basiszone 43 angewendet wird. Typischerweise wird die Dicke d der Basiszone 43 auf etwa 50 Å festgelegt.
GaAsSb, das die Emitterzone 41 und die Kollektorzone 42 bildet, hat eine Zusammensetzung von GaAs0,5Sb0,5 mit dem Trägerkonzentrationsniveau von 10¹&sup6;cm³ oder weniger. Andererseits hat die Basiszone 43 ein hohes Verunreinigungskonzentrationsniveau und somit eine hohe Leitfähigkeit. Dadurch kann die Potentialsperre, die in Entsprechung zu der Basiszone 43 gebildet ist, als Reaktion auf die Basisspannung gesteuert werden, die auf die Basiselektrode angewendet wird. Da die Dicke der Basiszone 43 dünn ist, verursacht die reduzierte Dicke der Sperrhöhe sofort das Tunneln der Löcher von der Emitterzone 41 zu der Kollektorzone 42, wobei die Basiszone 43 durchlaufen wird. Der Durchgang der Löcher durch die Basiszone 43 durch das Tunneln wird durch die Basisspannung gesteuert, und somit wird der Strom, der zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors fließt, durch die Basisspannung gesteuert. Die Zeit, die die Löcher zum Durchgang durch die Basiszone 43 benötigen, ist auf Grund der reduzierten Dicke der Basis viel kürzer als die Lebenszeit der Löcher in der Basiszone. Somit kann durch diesen herkömmlichen Transistor die Stromverstärkung in der Basisschaltung von etwa 100 % erreicht werden.
Dieser Transistor hat jedoch in Zuordnung zu der extremen Dicke der Basiszone 43 das Problem, daß die Basiszone 43 einen merklichen lateralen Widerstand hat. Wenn der Basiswiderstand groß ist, wird die Zeit, die zum Steuern der Potentialsperre der Basiszone benötigt wird, auf Grund der erhöhten Zeitkonstante verlängert, die als Resultat des Widerstandes und der parasitären Kapazität der Basiszone gebildet wird. Somit versagt der Transistor im allgemeinen beim Vorsehen der Hochgeschwindigkeitscharakteristiken, die erwartet werden. Das Dotieren zum Reduzieren des lateralen Widerstandes der Basis 43 ist nicht erfolgreich, da solch ein Dotieren eine erhöhte Streuung der Löcher in der Basiszone und somit die reduzierte Stromverstärkung bewirkt. Ferner hat dieser Transistor auch das Problem der Begrenzung beim Material, das zum Bilden seines aktiven Teils verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Hochtemperatursupraleiter, die in den letzten Jahren entwickelt worden sind, nicht verwendet werden.
Ferner wird ein Niedertemperaturtunneltransistor vorgeschlagen, wie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 60-142580 offenbart, bei dem die Trägerdurchgangszeit quer durch ein Paar von benachbarten Elektroden durch Fließen der Träger in der Form eines Tunnelstroms minimiert wird.
FIG. 9 zeigt das Prinzip dieses Transistors nach Stand der Technik, bei dem eine GaAs-Kanalschicht 52 auf einem Isoliersubstrat 51 vorgesehen ist, und Source-, Gate- und Drainelektroden 53, 55 und 54 sind auf der Kanalschicht 52 vorgesehen. Die Kanalschicht 52 ist gebildet, um als Isolator zu dienen, der die Energiesperre von 2 - 3 meV in der Niedertemperaturzone hat, und diese Sperre wird als Reaktion auf die Gatespannung gesteuert, die auf das Gate 55 angewendet wird. FIG. 10 zeigt eine Verbesserung der Anordnung von FIG. 9, bei der ein Isolierfilm 57 zwischen dem Kanal 52 und der Gateelektrode 55 zum Sicherstellen der Kanal-Gate- Isolierung angeordnet ist.
Dieser Transistor von FIG. 9 und FIG. 10 hat ein ernstes Problem, das sich aus dem Grundprinzip des Transistors ergibt, weil er zwei miteinander unvereinbare Anforderungen wie folgt erfüllen muß. Bei der ersten Anforderung zum Vermeiden der Ablenkung des Tunnelstroms zu der Gateelektrode und zum Maximieren der Stromverstärkung ist es nötig, die Gateelektrode 55 von der Kanalschicht 52 so weit wie möglich zu entfernen. Bei der zweiten Anforderung ist die Gateelektrode 55 so dicht wie möglich an der Kanalschicht 52 vorzusehen, um eine effektive Steuerung der Sperrhöhe in der Kanalschicht 52 durch die Steuerspannung zu erreichen, die auf die Gateelektrode 55 angewendet wird. Der Abstand zwischen der Gateelektrode 55 und der Kanalschicht 52 ist so festzulegen, daß ein Tunnelstrom zwischen der Source 55 und dem Drain 54 fließt, und diesbezüglich ist das Gate 55 dichter an der Kanalschicht 52 vorzusehen, als der Abstand zwischen der Sourceelektrode 53 und der Drainelektrode 54 beträgt. Solch eine Anordnung bewirkt jedoch unvermeidlich, daß der Tunnelstrom auch durch die Gateelektrode 55 fließt. Der Isolierfilm 57 von FIG. 10 ist vorgesehen, um dieses Problem zu vermeiden. Solch ein Isolierfilm 57 vermindert jedoch die Potentialkopplung zwischen der Sperre in der Kanalschicht 52 und der Gatespannung. Dieses Problem kann scheinbar durch Festlegen eines großen Abstandes zwischen den Source- und Drainelektroden und durch Reduzieren der Sperrhöhe zwischen den Source- und Drainelektroden gelöst werden. Jedoch ist die Sperrhöhe zwischen den Source- und Drainelektroden durch das Kontaktpotential zwischen der Sourceelektrode 53 und der Kanalschicht 52 und das Kontaktpotential zwischen der Kanalschicht 52 und der Drainelektrode 54 bestimmt. Somit ist es im allgemeinen nicht möglich, die Sperrhöhe von 2 - 3 meV zu realisieren, wie es für diesen Zweck nötig ist.
FIG. 11 zeigt eine typische herkömmliche Diode. Unter Bezugnahme auf FIG. 11 umfaßt die Diode eine Katodenzone 61 aus n-Typ-Einkristallsilizium und eine Anodenzone 62 aus p- Typ-Einkristallsilizium, die miteinander in Kontakt sind, um einen p-n-Übergang zu bilden. FIG. 12 zeigt die Bandstruktur der Diode von FIG. 11, wobei EF das Fermi-Niveau in dem thermischen Gleichgewichtszustand darstellt, EC die Unterkante des Leitungsbandes in dem thermischen Gleichgewichtszustand darstellt und EV die Oberkante des Valenzbandes in dem thermischen Gleichgewichtszustand darstellt. Φ bezeichnet die Sperrhöhe, die in dem Leitungsband in dem thermischen Gleichgewichtszustand gebildet ist.
Bei Betrieb wird eine Durchlaßvorspannung quer über die Anodenzone 62 und die Katodenzone 61 angewendet. Als Reaktion darauf ändert sich das Fermi-Niveau von EF auf EF', das Leitungsband von EC auf EC' und das Valenzband von EV auf EV'.
Als Reaktion auf die Anwendung der Durchlaßvorspannung werden Elektronen von der Katodenzone 61 in die Anodenzone 62 als Minoritätsträger injiziert, während Löcher von der Anodenzone 62 in die Katodenzone 61 als Minoritätsträger injiziert werden. Dadurch fließt ein Strom durch die Diode. Wenn die Diode andererseits in Sperrichtung vorgespannt wird, wird die Verarmungszone an dem p-n-Übergangsgrenzbereich gebildet, und die Träger fließen nicht durch den p- n-Übergang. Somit weist die Diode eine Gleichrichtungsoperation auf.
Die obige Gleichrichtung wird durch das Vorhandensein der Sperre erreicht, deren Höhe Φ durch den Bandabstand des für die Katode und Anode verwendeten Halbleitermaterials bestimmt ist. Es sei angemerkt, daß sich die Sperrhöhe Φ verringert, wenn eine Durchlaßvorspannung angewendet wird, so daß die Stromdichte in der Diode dargestellt wird als
J = AT² exp(-ΦO/kT)(exp(eVkT) - 1),
wobei A für die Richardson-Konstante steht, T die absolute Temperatur darstellt, ΦO die Sperrhöhe ohne Vorspannung darstellt, k für die Boltzmann-Konstante steht und V die Durchlaßvorspannung darstellt.
Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß der Term eV einen Wert nahe ΦO haben muß, um einen ausreichenden Durchlaßstrom zu erhalten. Mit anderen Worten, in solch einer Diode existiert eine Durchlaßschwellenspannung um zu bewirken, daß Ströme im Durchlaßvorspannungszustand fließen. Diese Schwellenspannung ändert sich in Abhängigkeit von dem Material und nimmt einen Wert von etwa 0,6 Volt bei Silizium und von 0,2 Volt bei Germanium an. Somit benötigt die herkömmliche Diode eine Eingangssignalamplitude von wenigstens 0,6 Volt in der gewöhnlich verwendeten Siliziumdiode. Solch eine Begrenzung schließt jedoch die Möglichkeit des Gleichrichtens von Signalen, wie von elektromagnetischen Signalen, die über eine große Entfernung übertragen werden, oder von schwachen Radarechosignalen von einem entfernten Ziel aus. Es sei erwähnt, daß solche Signale eine Signalamplitude von maximal nur 20 mV - 30 mV haben können. Bei den integrierten Josephson-Schaltungen tritt ein ähnliches Problem auf. Da die logische Ausgangsamplitude der Josephson-Prozessoren typischerweise in der Größenordnung von 3 mV liegt, können die herkömmlichen Dioden das Ausgangssignal der Josephson-Prozessoren nicht verarbeiten. In der Tat gibt es keine bekannte Diode, die das logische Ausgangssignal von Josephson-Prozessoren direkt gleichrichten kann.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und nützliche Elektronenanordnung oder -vorrichtung vorzusehen, bei der die obigen Probleme beseitigt sind.
Eine andere und spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektronenanordnung vorzusehen, bei der die Steuerung des Stromes, der durch die Elektronenanordnung fließt, durch eine Steuerspannung erreicht wird, die auf eine dielektrische Sperrschicht angewendet wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Transistor vorzusehen, der einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor hat, die miteinander gestapelt sind, um einen Weg für die Träger von dem Emitter zu dem Kollektor über die Basis zu bilden, bei dem die Basis ein dielektrisches Material umfaßt und der Durchgang des Stromes von dem Emitter zu der Basis durch eine Steuerspannung gesteuert wird, die auf die dielektrische Basis angewendet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Lecken des Stromes, der von dem Emitter durch die dielektrische Basis zu der Steuerelektrode fließt, im wesentlichen beseitigt, und ein großer Verstärkungsfaktor kann erhalten werden.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tunneltransistor vorzusehen, der einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor hat, die miteinander gestapelt sind, um einen Weg für Träger zu bilden, die von dem Emitter über die Basis zu dem Kollektor fließen, bei dem die Basis aus einer ersten dielektrischen Schicht, einer zweiten dielektrischen Schicht und einer dritten dielektrischen Schicht gebildet ist, und bei dem die zweite dicke dielektrische Schicht eine große Dielektrizitätskonstante hat, die größer als jene der anderen zwei dielektrischen Schichten ist, und die erste dielektrische Schicht eine Dicke hat, die den Durchgang von Trägern durch Hindurchtunneln gestattet. Der Fluß der Träger von dem Emitter zu dem Kollektor wird durch die Steuerspannung gesteuert, die auf die zweite dielektrische Schicht angewendet wird, wodurch der Spannungspegel in der dielektrischen Basis und daher die Energiesperre an der Basis als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Planartunneltransistor vorzusehen, der einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor hat, die in einer planaren Konstruktion angeordnet sind, bei dem der Emitter und der Kollektor mit einem winzigen Abstand dazwischen auf der Basis gebildet sind, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor ausreichend reduziert werden, um ein Fließen des Tunnelstroms über die dielektrische Basis zu gestatten, aber kein Fließen des Tunnelstroms durch die Basis in eine auf ihr vorgesehene Steuerelektrode.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Planartunneltransistor vorzusehen, der eine dielektrische Basisschicht umfaßt, die mit einem Emitter und einem Kollektor versehen ist, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, um ein Fließen eines Tunnelstroms durch die Basis zu gestatten, welche dielektrische Basisschicht eine Resonanzstruktur hat, die ein Resonanztunneln von Trägern bewirkt, und bei dem eine Steuerelektrode auf der dielektrischen Basisschicht zum Abwandeln ihres Sperrniveaus vorgesehen ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die niedrige Sperrhöhe der dielektrischen Basisschicht zum Hindurchtunneln von Trägern nicht mehr erforderlich. Dadurch kann für die Basisschicht ein Material mit hoher Sperrhöhe verwendet werden, und die Notwendigkeit einer Niedertemperaturumgebung, die für die Tunneltransistoren zum Eliminieren von Wärmerauschen bislang nötig war, ist nicht mehr notwendig. Somit kann der Transistor in einer weiten Betriebsumgebung verwendet werden.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diode vorzusehen, die eine Schichtstruktur aus einer Katodenelektrode und einer Anodenelektrode mit einer dazwischenliegenden dielektrischen Schichtstruktur mit einer ersten dielektrischen Schicht und einer zweiten dielektrischen Schicht umfaßt, bei der die erste dielektrische Schicht eine Dicke hat, die das Hindurchtunneln von Trägern gestattet, während die zweite dielektrische Schicht eine wesentlich größere Dicke hat, und bei der die zweite dielektrische Schicht eine Dielektrizitätskonstante hat, die wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante der ersten dielektrischen Schicht ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die effektive Sperrhöhe der Diode, die durch die zweite dielektrische Schicht gebildet ist, auf Grund der großen Dielektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Schicht beträchtlich kleiner als die Sperrhöhe der herkömmlichen Dioden. Dadurch kann die Diode der vorliegenden Erfindung die Gleichrichtung von extrem schwachen Signalen vorsehen, deren Amplitude einige Millivolt oder weniger betragen kann.
Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIG. 1 ist ein Diagramm, das die Struktur eines typischen herkömmlichen Bipolartransistors zeigt;
FIG. 2 ist ein Banddiagramm, das die Bandstruktur des Transistors von FIG. 1 zeigt;
FIG. 3 ist ein Diagramm, das die Struktur eines herkömmlichen Heißelektronentransistors zeigt;
FIG. 4 ist ein Banddiagram, das die Bandstruktur des Transistors von FIG. 3 zeigt;
FIG. 5 ist ein Banddiagramm, das die Bandstruktur eines herkömmlichen Resonanztunneltransistors zeigt;
FIG. 6 ist ein Banddiagramm, das die Bandstruktur eines herkömmlichen Resonanz-Heißelektronentransistors zeigt;
FIG. 7 ist ein Banddiagramm, das die Bandstruktur eines herkömmlichen Tunneltransistors zeigt;
FIG. 8 ist ein Banddiagramm entsprechend FIG. 7, das den Betriebszustand des Tunneltransistors zeigt;
FIG. 9 ist ein Diagramm, das die Struktur eines herkömmlichen Planartunneltransistors zeigt;
FIG. 10 ist ein Diagramm, das die Struktur eines anderen, verbesserten herkömmlichen Planartunneltransistors zeigt;
FIG. 11 ist ein Diagramm, das die Struktur einer typischen Diode zeigt;
FIG. 12 ist ein Banddiagramm, das die Operation der Diode von FIG. 11 zeigt;
FIG. 13 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 14 ist ein Diagramm, das die dielektrische Schicht zeigt, die den wesentlichen Teil des Transistors von FIG. 13 bildet;
FIG. 15 ist ein Diagramm, das die Ersatzschaltung der dielektrischen Schicht von FIG. 14 zeigt;
FIG. 16 ist ein Diagramm, das die Bandstruktur des Transistors von FIG. 13 in dem vorspannungslosen Zustand zeigt;
FIG. 17 ist ein Diagramm entsprechend FIG. 16, das die Bandstruktur in dem vorgespannten Zustand zeigt;
FIG. 18 ist ein Diagramm, das die Operation des Transistors von FIG. 13 zeigt;
FIG. 19 ist eine grafische Darstellung, die die Potentialverteilung in der dielektrischen Schicht zeigt, die in dem Transistor von FIG. 13 verwendet wird;
FIG. 20 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des Transistors von FIG. 13 zeigt;
FIG. 21 ist eine grafische Darstellung, die die Potentialverteilung in der dielektrischen Schicht in der Anordnung von FIG. 20 zeigt;
FIG. 22 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 23 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des Transistors von FIG. 22 zeigt;
FIG. 24 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 25 ist ein Diagramm, das eine Resonanzstruktur zeigt, die in dem Transistor von FIG. 24 verwendet wird;
FIG. 26 ist ein Diagramm, das eine andere Resonanzstruktur zeigt, die in dem Transistor von FIG. 24 verwendet wird;
FIG. 27 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 28 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des Transistors von FIG. 27 zeigt;
FIG. 29 - 31 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur und Operation des Transistors von FIG. 27 zeigen;
FIG. 32 und 33 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur eines Transistors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
FIG. 34 und 35 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur eines Transistors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
FIG. 36 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 37 und 38 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur und Operation des Transistors von FIG. 36 zeigen;
FIG. 39 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 40 ist ein Diagramm, das die Struktur des Transistors von FIG. 39 in der Draufsicht zeigt;
FIG. 41(A) und 41(B) sind Banddiagramme des Transistors von FIG. 39 zum Erläutern seines Betriebsprinzips;
FIG. 42 ist eine grafische Darstellung, die die Charakteristik des Transistors von FIG. 39 zeigt;
FIG. 43 ist ein anderes Diagramm, das die Betriebscharakteristik des Transistors von FIG. 39 in anderer Größe zeigt;
FIG. 44(A) - 44(D) sind Diagramme, die das Herstellungsverfahren des Transistors von FIG. 39 zeigen;
FIG. 45 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 46 ist ein Diagramm, das die Struktur des Transistors von FIG. 45 in der Draufsicht zeigt;
FIG. 47 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 48 ist ein Diagramm, das den Transistor von FIG. 47 in der Draufsicht zeigt;
FIG. 49 und 50 sind Diagramme, die die Betriebscharakteristiken des Transistors von FIG. 45 zeigen;
FIG. 51 ist ein Diagramm, das die Betriebscharakteristiken des Transistors von FIG. 47 zeigt;
FIG. 52 ist ein Diagramm, das die Betriebscharakteristiken des Transistors von FIG. 45 zeigt;
FIG. 53 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht zeigt;
FIG. 54 ist ein Diagramm, das den Transistor von FIG. 55 im Querschnitt zeigt;
FIG. 55 und 56 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur und Operation des Transistors von FIG. 53 zeigen;
FIG. 57 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 58 ist ein Diagramm, das die struktur des Transistors von FIG. 53 in der Draufsicht zeigt;
FIG. 59 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 60 ist ein Diagramm, das den Transistor von FIG. 59 in der Draufsicht zeigt;
FIG. 61 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Transistors gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 62 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 63 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 64 ist ein Diagramm, das den Transistor gemäß einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 65 - 67 sind Banddiagramme, die die Bandstruktur des Transistors von FIG. 64 zur Erläuterung der Operation zeigen;
FIG. 68 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 69 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 70 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 71 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 72 ist ein Diagramm, das einen Transistor gemäß einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 73 - 75 sind Diagramme, die einen Transistor gemäß einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
FIG. 76 ist ein Diagramm, das eine Diode gemäß einer vierundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 77 ist ein Banddiagramm, das die Operation der Diode von FIG. 76 zeigt;
FIG. 78 ist ein Diagramm, das die effektive Sperrhöhe als Funktion f der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht zeigt;
FIG. 79 ist ein Diagramm, das die Bildung der Verarmungszone an dem Metall-Halbleiter-Grenzbereich in der herkömmlichen Diode zeigt;
FIG. 80 ist ein Diagramm, das die Diode gemäß einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 81 ist ein Diagramm, das die Diode gemäß einer sechsundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 82 ist eine grafische Darstellung, die die Spannungs-Strom-Beziehung für die Diode von FIG. 76 zeigt;
FIG. 83 ist ein Diagramm, das die Struktur der Diode gemäß einer siebenundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 84 ist ein Diagramm, das die Struktur der Diode gemäß einer achtundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
FIG. 85 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Josephson- UND-Gatter zeigt, das durch die Diode der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
FIG. 86 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Josephson- ODER-Gatter zeigt, das durch die Diode der vorliegenden Erfindung gebildet ist; und
FIG. 87 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Verwendung des Transistors der vorliegenden Erfindung zur Verarbeitung der Ausgabe einer logischen Josephson-Schaltung zeigt.

BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf FIG. 13, die einen Tunneltransistor zeigt, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, wird jetzt das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 13 hat der Transistor die wesentlichste Struktur und umfaßt eine leitfähige Emitterzone 101 und eine leitfähige Kollektorzone 102 mit einer dazwischenliegenden dielektrischen Schichtstruktur 100. Die Emitterzone 101 und die Kollektorzone 102 können aus einem dotierten Halbleitermaterial oder Metall gebildet sein. Wenn für die Emitter- und Kollektorzonen 101 und 102 ein Halbleitermaterial verwendet wird, kann irgendeines der p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien verwendet werden, solange es eine ausreichend hohe Leitfähigkeit hat.
Die dielektrische Struktur 100 umfaßt eine erste dielektrische Schicht 103, eine zweite dielektrische Schicht 104 und eine dritte dielektrische Schicht 105, die konsekutiv gestapelt sind, bei der die dielektrische Schicht 103 angrenzend an die Emitterzone 101 vorgesehen ist und die dielektrische Schicht 105 angrenzend an die Kollektorzone 102 vorgesehen ist. Die Schicht 104 ist zwischen der Schicht 103 und 105 angeordnet. Ferner ist eine Emitterelektrode 107 auf der Emitterzone 101 vorgesehen, ist eine Kollektorelektrode 109 auf der Kollektorzone 102 vorgesehen, und ist eine Steuerelektrode 108 auf der zweiten dielektrischen Schicht 104 vorgesehen.
FIG. 14 zeigt die dielektrische Schichtstruktur 100 im Detail.
Unter Bezugnahme auf FIG. 14 hat die dielektrische Schicht 103, die mit der Emitterzone 101 einen Kontakt bildet, eine Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1;, die dielektrische Schicht 105, die einen Kontakt mit der Kollektorzone 102 bildet, eine Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub3;, und die dielektrische Schicht 104, die zwischen den Schichten 103 und 105 liegt, eine Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2;, welche Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; viel größer als die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1; oder &epsi;&sub3; ist (&epsi;&sub2; » &epsi;&sub1;, &epsi;&sub3;).
FIG. 15 zeigt die Ersatzschaltung der dielektrischen Struktur 100. Wie aus diesem Schaltungsdiagramm ersichtlich ist, wird das Potential innerhalb der Basiszone 104 durch die elektrostatische Induktion bestimmt, die verursacht wird über eine Kapazität C8, die zwischen der Steuerelektrode 108 und der dielektrischen Schicht 104 gebildet ist, eine Kapazität C1, die zwischen der Emitterzone 101 und den dielektrischen Schichten 103, 104 gebildet ist, und eine Kapazität C2, die zwischen der Kollektorzone 102 und den dielektrischen Schichten 104, 105 gebildet ist. Es sei erwähnt, daß die Kapazität C8 auf Grund der größten Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; den größten Kapazitätswert hat. Somit wird der Spannungspegel in der dielektrischen Struktur 100 hauptsächlich durch die Steuerspannung bestimmt, die auf die Steuerelektrode 108 angewendet wird.
FIG. 16 zeigt die Bandstruktur des Transistors von FIG. 13 in dem vorspannungslosen Zustand, in der die Unterkante des Leitungsbandes von jedem Teil des Transistors von FIG. 13 dargestellt ist. Somit zeigt dieses Diagramm den Fall, bei dem die Träger aus Elektronen gebildet sind.
Wie in dieser Zeichnung ersichtlich ist, ist die erste dielektrische Schicht 103 aus einem Material mit einem großen Bandabstand gebildet, und sie bildet die höchste Potentialsperre. Obwohl diese Potentialsperre die größte Sperrhöhe hat, blockiert sie andererseits auf Grund der reduzierten Dicke, die das Hindurchtunneln von Trägern gestattet, den Durchgang der Träger durch die Schicht 103 nicht effektiv, wenn sie allein verwendet wird. Die zweite dielektrische Schicht 104 und die dritte dielektrische Schicht 105 bilden auch Potentialsperren mit reduzierter Höhe, wobei die Sperrhöhe der Schicht 104 höher als die Sperrhöhe der Schicht 105 ist.
Im vorspannungslosen Zustand ist das Fermi-Niveau der Emitterzone 101 auf demselben Niveau wie das Fermi-Niveau der Kollektorzone 102, während jede Schicht 103, 104 und 105 die Potentialsperre bildet, die höher als das Fermi-Niveau ist. Somit arbeitet die dielektrische Schichtstruktur 100 insgesamt als effektive Potentialsperre, und der Fluß von Trägern von der Emitterzone 101 zu der Kollektorzone 102 wird effektiv verhindert.
FIG. 17 zeigt das Banddiagramm des Transistors im vorgespannten Zustand, bei dem eine Durchlaßvorspannung über die Emitterzone 101 und die Kollektorzone 102 angewendet wird. Als Resultat der Durchlaßvorspannung erscheint eine Neigung im Leitungsband in Entsprechung zu den dielektrischen Schichten 103 und 105 auf Grund der kleinen Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1;, &epsi;&sub3;. Andererseits bleibt das Leitungsband der dielektrischen Schicht 104 auf Grund der großen Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; im wesentlichen flach. Dies bedeutet, daß der Gradient des Potentials in der Schicht 104, der das elektrische Feld verursacht, durch die Polarisierung, die in der Schicht 104 auftritt, neutralisiert wird. Im Zustand von FIG. 17 kann das Niveau des Leitungsbandes der Schicht 104 als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf den Anschluß 108 angewendet wird, nach oben und unten verschoben werden. Wenn das Leitungsband der Schicht 104 somit auf dem Niveau über dem Fermi-Niveau der Emitterzone 101 gesteuert wird, blockiert die dielektrische Schicht 104 den Fluß von Trägern von der Emitterzone 101 zu der Kollektorzone 102, selbst wenn eine Durchlaßvorspannung vorhanden ist. Wenn das Leitungsband der Schicht 104 andererseits auf das Niveau unter dem Fermi-Niveau der Emitterzone 101 herabgesetzt wird, fließen die Elektronen von der Emitterzone 101 durch Hindurchtunneln durch die dielektrische Schicht 103 zu dem Leitungsband der dielektrischen Schicht 104. Sobald sie die Schicht 103 durchlaufen haben, erreichen die Elektronen die Kollektorzone 102 längs des Leitungsbandes der Schichten 104 und 105. Während des Transportes längs des Leitungsbandes der Schicht 105 werden die Elektronen durch das elektrische Feld beschleunigt.
Eine ähnliche Operation wird auch erreicht, wenn die Löcher für die Träger verwendet werden. Es sei erwähnt, daß bei Verwendung der Löcher für die Träger die p-Typ-Halbleiter für die Emitter- und Kollektorzonen 101 und 102 eingesetzt werden. Dadurch kann das Banddiagramm von FIG. 16 und 17 mit der oberen Seite nach unten und durch Ersetzen des gezeigten Leitungsbandes durch das Valenzband gelesen werden.
Es sei angemerkt, daß der Transistor der vorliegenden Erfindung durch die elektrostatische Induktion des Potentialniveaus in der dielektrischen Schichtstruktur 100 gesteuert wird. Somit leitet die Struktur 100 keine Ströme zu der Steuerelektrode 108. So tritt die ungewollte Ablenkung des Kollektorstroms in der Form von Basisstrom wie im Fall des herkömmlichen Bipolartransistors bei dem vorliegenden Transistor nicht auf.
FIG. 18 und 19 zeigen eine eingehendere Analyse der Operation des Transistors von FIG. 13. Wie ersichtlich ist, haben die erste dielektrische Schicht 103, die zweite dielektrische Schicht 104 und die dritte dielektrische Schicht 105 jeweilige Dicken d&sub1;, d&sub2; und d&sub3;. Bei Betreiben des Transistors durch den Fluß von Elektronen von der Emitterzone 101 zu der Kollektorzone 102 ist die Emitterzone 101 geerdet und wird auf die Kollektorzone 102 eine positive Kollektorspannung angewendet. Ferner wird eine positive Spannung auf die Elektrode 108 als Steuerspannung angewendet.
Da die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; der zweiten dielektrischen Schicht 104 wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1; oder &epsi;&sub3; der Schicht 103 oder 105 ist, tendiert der elektrische Fluß, der in der Schicht 104 gebildet wird, dazu, in der Schicht 104 eingesperrt zu bleiben. Dadurch dringt der Fluß tief in das Innere der Schicht 104 in der x-Richtung ein, wie in FIG. 18 durch die Pfeile gezeigt. Mit anderen Worten, der Spannungspegel oder das Potential an der Steuerelektrode 108 reicht tief in das Innere der dielektrischen Schicht 104.
Als nächstes wird die Analyse über die Penetration des Potentials in das Innere der dielektrischen Schicht 104 in der Struktur von FIG. 18 beschrieben.
Ausgehend von der Maxwellschen Gleichung wird die räumliche Verteilung der elektrischen Verschiebung D dargestellt als
D = &epsi;E
divD =
wobei E den elektrischen Feldvektor und die Verteilung der elektrischen Ladungsdichte in der dielektrischen Struktur 100 von FIG. 18 darstellt.
Die obigen Gleichungen werden für die Struktur von FIG. 18 wie folgt erweitert
dD/dx = - V (&epsi;&sub1;d&sub3;+d&sub1;&epsi;&sub3;)/d&sub1;d&sub2;d&sub3; + Vd &epsi;&sub3;/d&sub2;d&sub3;
dV/dx = -D/&epsi;&sub2; d&sub2;.
Aus diesen Gleichungen erhält man die Darstellung der Potential- oder Spannungsverteilung V in der dielektrischen Schicht 104 als Funktion des Abstandes x von der Steuerelektrode 108 als
V = V&sub0; + (Vb - V&sub0;)exp (-x/x&sub0;)
wobei
V&sub0; = VC d&sub1;/&epsi;&sub1;/(d&sub1;/&epsi;&sub1; + d&sub2;/&epsi;&sub3;)
x&sub0; = [d&sub1;d&sub2;d&sub3;&epsi;&sub2;/(d&sub3;&epsi;&sub1; + d&sub1;&epsi;&sub1;]1/2.
Die Parameter Vb und Vc sind in FIG. 18 definiert.
Es sei erwähnt, daß der Parameter x&sub0; die charakteristische Länge der Penetration des Potentials in die dielektrische Schicht 104 darstellt. In dem System, in dem zum Beispiel d&sub1; = d&sub3; = 10 nm, d&sub2; = 500 nm, &epsi;&sub1; = &epsi;&sub3; = 8 und &epsi;&sub2; = 20 000 beträgt, nimmt die Länge x&sub0; den Wert von 2,5 um an.
Somit ist gezeigt, daß das Potential innerhalb der dielektrischen Schicht 104 durch die Spannung gesteuert wird, die auf die Elektrode 108 angewendet wird. FIG. 19 zeigt die Verteilung der Spannung innerhalb der dielektrischen Schicht 104. Dadurch wird die Steuerung des Durchgangs von Elektronen von der Emitterzone 101 zu der Kollektorzone 102 über die dielektrische Struktur 100 erreicht, wie unter Bezugnahme auf FIG. 16 und 17 beschrieben.
FIG. 20 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform von FIG. 13, bei der die Steuerelektrode an beiden Seiten der dielektrischen Schicht 104 als Elektroden 108a und 108b vorgesehen ist. In Entsprechung dazu wird die Spannung in der dielektrischen Schicht 104 angegeben als
V = V&sub0; + (Vb - V&sub0;) cosh(x/x&sub0;)/cosh(L/2x&sub0;)
wobei L den Abstand zwischen der Elektrode 108a und der Elektrode 108b darstellt. Die durch die obige Gleichung definierte Verteilung ist in FIG. 21 gezeigt.
Wieder ist aus diesen Gleichungen ersichtlich, daß die Spannung in der Schicht 104 durch die Steuerspannung gesteuert wird, die auf die Elektroden 108a und 108b angewendet wird. Es ist kein Steuerstrom erforderlich.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf FIG. 22 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 22 ist die Elektronenanordnung ein Transistor, der eine Kollektorschicht 212 aus Gold hat, das auf einem isolierenden Substrat 210, wie Siliziumoxid oder Saphir, mit einer Dicke von etwa 5000 Å durch Sputtern abgeschieden wurde. Auf der Kollektorschicht 212 ist eine Zinkoxid-(ZnO)-Schicht 216 als dritte dielektrische Schicht mit einer Dicke von etwa 2000 Å durch Sputtern gewachsen, die der Schicht 105 von FIG. 13 entspricht. Ferner ist eine Strontiumtitanat-(SrTiO&sub3;)-Schicht 214 auf der Zinkoxidschicht 123 mit einer Dicke von etwa 500 Å als zweite dielektrische Schicht durch Sputtern gewachsen, die der Schicht 104 entspricht, und eine Siliziumoxid-(SiO&sub2;)- Schicht 215 ist auf der Schicht 214 als erste dielektrische Schicht mit einer Dicke von etwa 50 Å durch Sputtern gewachsen, die der Schicht 103 entspricht. Dadurch bilden die Schichten 214 - 216 die dielektrische Schichtstruktur 100. Schließlich ist auf der ersten dielektrischen Schicht 215 eine Emitterschicht 211 aus Gold mit einer Dicke von 5000 Ä durch Sputtern abgeschieden.
Es sei erwähnt, daß Siliziumoxid eine große Energielücke von etwa 8 meV hat und die große Potentialsperre bildet, die in FIG. 16 gezeigt ist. Andererseits hat dieses Material die kleine spezifische Dielektrizitätskonstante von etwa 8. Im Gegensatz dazu hat Strontiumtitanat, das die Schicht 214 bildet, die spezifische Dielektrizitätskonstante von 200 - 300 bei Raumtemperatur. In der Niedertemperaturumgebung, wie bei 77 ºK, erhöht sich die spezifische Dielektrizitätskonstante auf 2000 - 3000. Ferner erhöht sich die spezifische Dielektrizitätskonstante von SrTiO&sub3; in der extremen Niedertemperaturumgebung, wie bei 10 ºK, auf etwa 20 000. Der Bandabstand von Strontiumtitanat ist verglichen mit Siliziumoxid klein und hat einen Wert von etwa 3,3 meV. ZnO ist ein dielektrisches Material mit einem schmalen Bandabstand von etwa 3 eV und der spezifischen Dielektrizitätskonstante von etwa 10.
In der Struktur von FIG. 22 erstreckt sich die Kollektorschicht 212 seitlich über die dielektrische Schichtstruktur 100 hinaus, und eine Leitung ist mit der exponierten oberen Oberfläche der Kollektorschicht 212 als Kollektorelektrode 109 verbunden. Ferner hat die Siliziumoxidschicht 215 eine kleinere seitliche Größe als die darunterliegende zweite dielektrische Schicht 214, und die Schicht 214 bildet einen exponierten Teil in ihrer oberen Oberfläche. Auf diesem exponierten Teil sind Steuerelektroden 217a und 217b aus Gold auf beiden Seiten der Schicht 215 mit einer Dicke von etwa 5000 Å abgeschieden, und Leitungen sind verbunden, um die Steuerelektrode 108 zu bilden. Die seitliche Größe der dielektrischen Schicht 215 ist ausreichend klein festgelegt, so daß der Abstand zwischen den zwei Steuerelektroden 217a und 217b kleiner als 2 um ist. Ferner ist eine Leitung mit der oberen Oberfläche der Emitterschicht 211 als Emitterelektrode 107 verbunden. Somit wird durch Anwenden einer Durchlaßvorspannung über die Emitterund Kollektorelektroden, wie in FIG. 20 gezeigt, der Emitterstrom als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert, die auf die Steuerelektrode 108 angewendet wird.
Bezüglich der Struktur von FIG. 22 sei erwähnt, daß die Emitter- und Kollektorschichten 211 und 212 keine Halbleitermaterialien zu sein brauchen. Tatsächlich ist das Material, das bei dem obigen Beispiel für diese Teile verwendet wurde, Gold, das ein Metall mit niedrigem Widerstand ist. Hinsichtlich der zunehmenden Operationsgeschwindigkeit des Transistors ist es ferner vorteilhaft, Supraleiter für die Emitter und Kollektoren zu verwenden, so daß der Widerstand dieser Teile weiter verringert wird.
Zum Beispiel können die Hochtemperatursupraleiter, wie YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, für die Emitterschicht 211 und die Kollektorschicht 212 verwendet werden. Wenn solche Supraleiter auf Oxidbasis verwendet werden, ist es nötig, das Material für die Zonen auszuwählen, die diese Elektroden kontaktieren. Zum Beispiel kann MgO für die dielektrische Schicht 215 und PrBa&sub2;Cu&sub7;O&sub7; für die dielektrische Schicht 216 verwendet werden. Für die Schicht 214 kann problemlos SrTiO&sub3; verwendet werden.
Das Material für die dielektrische Schicht 214 ist natürlich nicht auf SrTiO&sub3; begrenzt, das die große Dielektrizitätskonstante nur in der Niedertemperaturumgebung aufweist. Zum Beispiel kann KTa1-xNbxO&sub3; für die dielektrische Schicht 214 verwendet werden. Durch Auswählen der Zusammensetzung x, um etwa 0,05 zu betragen, weist dieses Material die spezifische Dielektrizitätskonstante von etwa 30 000 bei 70 ºK auf. Somit ist dieses Material für die Transistoren geeignet, bei denen die Oxidsupraleiterelektroden verwendet werden, die die Supraleitfähigkeit bei Flüssigstickstofftemperatur aufweisen.
Als andere Ausgangsstoffe dielektrischer Materialien für die dielektrische Schicht 214 können verschiedene Oxide von Titan, Zinn, Zirconium, Niobium oder Tantal, wie Titanoxid (TiO&sub2;), verschiedene Titanate, Stannate, wie BaSnO&sub3;, Zirconate, wie BaZrO&sub3;, Niobate, wie LiNbO&sub3;, und Tantalate, wie LiTaO&sub3;, verwendet werden. Alternativ kann eine Vielzahl von diesen Verbindungen mit einer optimierten Zusammensetzung gemischt werden, so daß die Temperatur, die die maximale Dielektrizitätskonstante vorsieht, eingestellt wird. Zum Beispiel kann die Curie-Temperatur von BaTiO&sub3; (Tc 140 ºC) durch Beimengen von SrTiO&sub3;, CaSnO&sub3;, BaSnO&sub3;, BaZrO&sub3; und dergleichen verringert werden.
Bezüglich des Materials für die dielektrischen Schichten 215 und 216 können auch verschiedene Halbleitermaterialien verwendet werden. Solch ein Halbleitermaterial enthält die Halbleiter der Gruppe IV, die Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V und die Verbindungshalbleiter der Gruppe II-VI. Im allgemeinen haben die Halbleiter eine kleine Energielücke und sind für die dielektrische Schicht 216 geeignet.
FIG. 23 zeigt eine Abwandlung der Struktur von FIG. 22. In der Zeichnung sind jene Abschnitte, die der Struktur von FIG. 22 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung von ihnen wird weggelassen.
In dieser Ausführungsform ist die Seitenwand der dielektrischen Struktur 100 mit Gradient in Entsprechung zu der dielektrischen Schicht 214 und der dielektrischen Schicht 215 geätzt. Dadurch wird der Abstand zwischen der Elektrode 217a und der Elektrode 217b weiter reduziert, und eine effektivere Steuerung des Potentials in der dielektrischen Schicht 214 wird erreicht. Solch eine Struktur mit der schrägen Oberfläche kann gebildet werden, indem durch ein Fotoresist eine Maske aufgetragen wird und die Struktur einem Trockenätzverfahren unter Verwendung von CF&sub4; und Sauerstoff als Ätzgas ausgesetzt wird. Dadurch wird das Fotoresist mit fortschreitendem Ätzen oxydiert, und die seitliche Grenze des Fotoresists wird seitlich verschoben. Als Reaktion auf solch eine Veränderung des Maskenmusters mit fortschreitendem Ätzen wird die gewünschte schräge Oberfläche erhalten.
Bei dem Transistor der ersten und zweiten Ausführungsformen tritt die Verschlechterung der Anordnungscharakteristiken auf Grund des Basiswiderstandes wie bei dem herkömmlichen Bipolartransistor nicht auf. Ferner tritt durch die Verwendung der dielektrischen Schicht anstelle der Basis das Problem des Durchgreifens nicht auf. Dadurch kann die Anordnungsgröße reduziert werden, ohne auf die Durchgreiferscheinung begrenzt zu werden, und die Anordnungsgeschwindigkeit kann maximiert werden. Ferner ist solch eine Größenreduzierung beim Reduzieren der parasitären Kapazität und Induktivität vorteilhaft.
FIG. 24 zeigt den Transistor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der jene Abschnitte, die der Struktur von FIG. 22 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind und die Beschreibung weggelassen wird.
In dieser Ausführungsform ist eine Resonanzstruktur 219 in der ersten dielektrischen Schicht 215 gebildet. Solch eine Resonanzstruktur kann gebildet werden, indem ein tiefliegendes Verunreinigungsniveau in der dielektrischen Schicht 215 inkorpiert wird, wie in FIG. 25 gezeigt, oder indem in der dielektrischen Schicht 215 eine Quantenmuldenstruktur gebildet wird, wie in FIG. 26 gezeigt. In der Struktur von FIG. 25 kann Gold in die Siliziumoxidschicht, die die Schicht 215 bildet, durch Ionenimplantation mit dem Konzentrationsniveau von 1017cm&supmin;³ oder mehr eingebaut werden. Andererseits kann in der Struktur von FIG. 26 eine dünne Schicht aus Silizium oder GaAs mit einer Dicke, die wesentlich kleiner als 1000 Å ist, zwischen einem Paar von Siliziumoxidschichten angeordnet werden. Durch Vorsehen von solch einer Resonanzstruktur 219 in der Schicht 215 kann eine nichtlineare Charakteristik erhalten werden, die mit anderen Konstruktionen nicht erreichbar ist.
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 27 beschrieben. In FIG. 27 sind die Teile, die den Teilen von FIG. 22 entsprechen, mit den identischen Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung von ihnen wird weggelassen.
Die Struktur von FIG. 27 hat eine dielektrische Schichtstruktur 300 anstelle der dielektrischen Struktur 100, bei der die Struktur 300 eine erste dielektrische Schicht 315 umfaßt, die mit der Emitterzone 211 in Kontakt ist, eine dritte dielektrische Schicht 316, die mit der Kollektorzone in Kontakt ist, und eine dazwischenliegende, zweite dielektrische Schicht 314, die zwischen den Schichten 315 und 316 angeordnet ist. Ähnlich wie bei der Struktur von FIG. 22 hat die erste Schicht 315 eine erste Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1;, die zweite Schicht 314 eine zweite Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; und die dritte Schicht 316 eine dritte Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub3;, wobei die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstanten &epsi;&sub1; und &epsi;&sub3; ist. Somit wird das Potentialniveau in der dielektrischen Schichtstruktur 300 als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert, die auf die Steuerelektroden 217a und 217b angewendet wird. Der Wert von &epsi;&sub1; und &epsi;&sub3; kann 8 sein, wenn für die Schichten 315 und 316 Siliziumoxid verwendet wird. Andererseits kann die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; den Wert von etwa 20 000 annehmen, wenn für die Schicht 314 SrTiO&sub3; verwendet wird. Die Dicke der Schicht 315 und 316 kann auf etwa 10 nm festgelegt werden, während die Dicke der Schicht 314 auf etwa 500 nm festgelegt werden kann.
FIG. 29 zeigt die Bandstruktur der dielektrischen Schichtstruktur 300 in dem Zustand, wenn keine Steuerspannung angewendet wird. Wie in diesem Diagramm zu sehen ist, bildet die zweite dielektrische Schicht 314 die höchste Potentialsperre in der Struktur 300 und steuert den Fluß von Elektronen von der Emitterschicht 211 zu der Kollektorschicht 212 als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektroden 217a und 217b angewendet wird.
FIG. 30 zeigt die Bandstruktur, die FIG. 29 in dem Zustand entspricht, wenn eine große negative Spannung auf die Steuerelektroden 217a und 217b angewendet wird. In diesem Fall wird die Potentialsperre an der dielektrischen Schicht 314 auf Grund der negativen elektrischen Ladungen angehoben, die in der Schicht 314 als Resultat der Polarisierung induziert werden. Die Penetration der Steuerspannung in die Schicht 314 wurde schon unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben.
In dem Zustand von FIG. 31, die die Bandstruktur für den Fall zeigt, bei dem eine positive Steuerspannung angewendet wird, wird die Potentialsperre an der Schicht 314 andererseits herabgesetzt, und die Elektronen können von der Emitterschicht 211 zu der Kollektorschicht 212 längs des Leitungsbandes der Schichten 314 - 316 fließen, wenn eine geeignete Antriebsspannung über die Schichten 211 und 212 angewendet wird. Somit arbeitet die Anordnung von FIG. 27 als Transistor.
Um die Bandstruktur von FIG. 29 zu realisieren, ist eine verschiedene Kombination von Materialien möglich. Zum Beispiel kann ZnO für die Schichten 315 und 316 in Kombination mit SrTiO&sub3; verwendet werden, das die Schicht 314 bildet. Alternativ kann Silizium für die Schichten 315 und 316 verwendet werden, um die Sperrhöhe in diesen Schichten zu reduzieren. Ferner können die Supraleiter für die Emitter- und Kollektorschichten 211 und 212 ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform verwendet werden. Da der Fluß von Elektronen längs des Leitungsbandes auftritt, ist die Schichtdicke der Schichten 314, 315 und 316 in dieser Ausführungsform nicht wesentlich.
FIG. 28 zeigt eine Abwandlung der Struktur von FIG. 27, die der Struktur von FIG. 23 entspricht. So hat der Transistor der vorliegenden Ausführungsform die schrägen Oberflächen in der Struktur 300 in Entsprechung zu den dielektrischen Schichten 314 und 315. Da die Konstruktion und Operation dieser Ausführungsform aus der obigen Beschreibung hervorgehen, wird die Beschreibung dieser Ausführungsform weggelassen.
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform ist auch ein Tunneltransistor und hat die Struktur, die im wesentlichen mit der Struktur von FIG. 22 identisch ist. Somit wird die Strukturbeschreibung der Anordnung weggelassen. In dieser Ausführungsform hat die dielektrische Schicht 314 auch die extrem große Dielektrizitätskonstante und steuert das Potentialniveau in ihr als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektrode angewendet wird.
Unter Bezugnahme auf das Banddiagramm von FIG. 32 hat die vorliegende Ausführungsform die dielektrische Schichtstruktur 300, die eine Tunnelsperre bildet. Zu diesem Zweck hat jede Schicht 314, 315 und 316 verglichen mit der entsprechenden Struktur 300 von FIG. 29 eine reduzierte Dicke. Somit hat die Schicht 315 und 316 aus ZnO die Dicke von 20 Å, und die Schicht 314 hat die Dicke von etwa 60 Å. Ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist die Schicht 314 aus SrTiO&sub3; gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die relative Sperrhöhe nicht wichtig. Somit kann die dielektrische Schichtstruktur 300 das Banddiagramm wie in FIG. 33 haben, bei dem die Sperrhöhe der dielektrischen Schichten 315 und 316 höher als die Sperrhöhe der Schicht 314 ist.
Als Reaktion auf die Anwendung einer negativen Spannung auf die Steuergates 217a und 217b werden in der Schicht 314 negative Ladungen induziert, und die Energiesperre in der Struktur 300, die durch das Leitungsband der Schichten 314 - 316 gebildet wird, wird angehoben. Dadurch nimmt die Tunnelungswahrscheinlichkeit der Elektronen durch die Struktur 300 ab, und der Strom wird abgeschaltet.
Im Fall von FIG. 35, bei dem eine negative Steuerspannung angewendet wird, wird die Barrierenhöhe in der Struktur 300 verringert, und als Reaktion darauf nimmt die Tunnelungswahrscheinlichkeit der Elektronen zu. Dadurch fließen die Elektronen von der Emitterschicht 211 zu der Kollektorschicht 212. Somit sieht die vorliegende Ausführungsform einen Tunneltransistor mit vertikaler Konstruktion vor, dessen Leitung durch die Steuerspannung gesteuert wird, die auf die Steuerelektroden 217a und 217b angewendet wird.
Auch in dieser Ausführungsform sieht die Verwendung von Supraleitern für die Emitterschicht 211 und die Kollektorschicht 212 auf Grund der reduzierten Zeitkonstante eine vorzuziehende Beschleunigung der Operation vor.
FIG. 36 zeigt eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In FIG. 36 sind die Teile, die identisch mit der Struktur von FIG. 22 konstruiert sind, mit den identischen Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung wird weggelassen.
In dieser Ausführungsform ist eine Resonanzstruktur 319 in der zweiten dielektrischen Schicht 314 gebildet. Solch eine Resonanzstruktur kann gebildet werden, indem in Entsprechung zu dem zentralen Niveau der Schicht 314 etwa 5 % der Sr-Atome durch Nb-Atome ersetzt werden. Dadurch wird die Schicht aus Nb-Atomen parallel zu der Schicht 314 zwischen ihrer oberen Oberfläche und ihrer unteren Oberfläche gebildet. Die Inkorporation der Nb-Atome kann durch das Ionenimplantationsverfahren erreicht werden.
Die somit den Platz der Sr-Atome ersetzenden Nb-Atome wirken als Donator und bilden ein tiefliegendes Donatorniveau, wie in FIG. 37 gezeigt. Somit werden die Elektronen mit dem Energieniveau, das mit dem tiefliegenden Donatorniveau koinzidiert, durch die dielektrische Schichtstruktur 300 selektiv durchgelassen. Unter Bezugnahme auf FIG. 38, die den vorgespannten Zustand zeigt, würde zwischen dem Emitter und dem Kollektor ein großer Strom fließen, wenn das tiefliegende Donatorniveau 315 im wesentlichen koinzidierend mit dem Energieniveau der Elektronen eingestellt wird, die von der Emitterschicht 211 injiziert werden. Diese Resonanzbedingung kann für verschiedene Kombinationen der Steuerspannung und der Emitter-Kollektor-Spannung erreicht werden. Der Resonanztunneltransistor mit solch einer Eigenschaft weist im allgemeinen eine starke Nichtlinearität auf und hat eine überlegene Empfindlichkeit, verglichen mit den üblichen Tunneltransistoren.
Als nächstes wird eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 39 und 40 beschrieben, wobei FIG. 39 den Querschnitt und FIG. 40 die Draufsicht zeigt.
Unter Bezugnahme auf FIG. 39 ist die Anordnung der vorliegenden Erfindung ein Planartunneltransistor und umfaßt ein Substrat 401 aus einem dielektrischen Material mit einer großen Dielektrizitätskonstante, wie SrTiO&sub3;. Das Substrat kann eine Platte aus SrTiO&sub3; mit einer Dicke von 500 um sein und hat eine (100) Oberfläche.
Auf dem dielektrischen Substrat 401 ist eine supraleitende Emitterzone 402 und eine supraleitende Kollektorzone 403 vorgesehen, die beide aus einem Hochtemperatursupraleiter sind, wie YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x. Ferner ist eine Steuerelektrode 406 auf der Rückseite des SrTiO&sub3;-Substrats 401 vorgesehen. Diese Steuerelektrode braucht lediglich eine Silberpaste zu sein, die einen Anschlußdraht mit dem Substrat 401 verbindet. Die supraleitenden Emitter- und Kollektorzonen 402 und 403 sind mit einer Isolierschicht 407 aus BaF&sub2; bedeckt, und supraleitende Niobiumelektroden 408 oder 409 sind auf der Schicht 407 in Entsprechung zu der Emitterzone 402 und der Kollektorzone 403 vorgesehen. Die Elektrode 408 bildet über ein Kontaktloch, das in der Isolierschicht 407 vorgesehen ist, einen Kontakt mit der Goldschicht 404 der darunterliegenden Emitterzone 402, und die Elektrode 409 bildet über ein Kontaktloch, das in der Isolierschicht 407 vorgesehen ist, einen Kontakt mit der Goldschicht 405 der darunterliegenden Kollektorzone 403.
In der Draufsicht haben die Emitterzone 402 und die Kollektorzone 403 eine rechteckige Form von 20 um x 40 um mit einem gegenseitigen Abstand von 2 - 4 um, wie in FIG. 40 gezeigt. Die Emitter- und Kollektorzonen 402 und 403 haben eine Dicke von 40 - 100 nm, und ein Goldfilm 404, 405 mit einer Dicke von 50 nm ist auf der oberen Oberfläche von jeder Zone gebildet.
In dieser Struktur sind Schichten 402a und 403a zwischen der Emitterzone 402 und dem Substrat 401 bzw. zwischen der Kollektorzone 403 und dem Substrat 401 gebildet, so daß die Schichten 402a und 403a eine Dielektrizitätskonstante haben, die sich von der Dielektrizitätskonstante des Substrats 401 unterscheidet. Dadurch bildet das Substrat 401 zusammen mit den Schichten 402a und 403a eine Potentialsperre zwischen der Emitterzone 402 und der Kollektorzone 403, wie in dem Banddiagramm von FIG. 41(A) gezeigt, welche Sperrhöhe als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert wird, die auf die Steuerelektrode 406 auf der hinteren Oberfläche des Substrats 401 angewendet wird. Auf Grund der großen Dielektrizitätskonstante des Materials, das das Substrat 401 bildet, steuert die Steuerspannung an der Steuerelektrode 406 die Sperrhöhe ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Wenn die Sperrhöhe, die das Niveau des Leitungsbandes in dem Substrat 401 darstellt, als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektrode 406 angewendet wird, unter das Niveau von Elektronen in der Emitterzone 402 verringert wird, verschwindet somit das Hindernis bezüglich des Durchgangs von Elektronen, und die Elektronen beginnen, von der Emitterzone 402 zu der Kollektorzone 403 zu fließen, unter der Voraussetzung, daß eine geeignete Antriebsspannung vorhanden ist, die über die Zonen 402 und 403 angewendet wird, wie in dem Banddiagramm von FIG. 41(B) gezeigt.
FIG. 42 und 43 zeigen die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom Ic, der zwischen der Kollektorzone 402 und der Emitterzone 403 fließt, als Funktion der Antriebsspannung, die über die Zonen 402 und 403 angewendet wird, während die Steuerspannung VBE an der Steuerelektrode 406 verschiedenartig verändert wird. Hier wird die Spannung VBE unter Bezugnahme auf die Emitterspannung an der Emitterzone 403 gemessen. FIG. 42 zeigt das Resultat für die Anordnung, bei der der Abstand zwischen der Emitterzone 402 und der Kollektorzone 403 auf 2 um eingestellt ist. FIG. 43 zeigt andererseits das Resultat für die Anordnung, bei der der Abstand zwischen der Emitterzone 402 und der Kollektorzone 403 auf 4 um eingestellt ist. Beide Experimente wurden bei Flüssigheliumtemperatur von 4,2 ºK durchgeführt.
Wie in beiden Diagrammen klar ersichtlich ist, wird der Kollektorstrom Ic als Reaktion auf die Steuerspannung VBE verändert, und die Anordnung von FIG. 39 weist die Transistoraktion auf, bei der die Stromverstärkung 1 wesentlich überschreitet. Bezüglich der Spannungsverstärkung GV, die definiert ist als GV = -δVCE/δVBE, wird ein Wert von 1,5 - 2 erhalten. Die beobachtete hohe Stromverstärkung ist offenbar das Resultat des schwachen Kriechstroms zu dem Substrat 401.
FIG. 44(A) - 44(D) zeigen das Herstellungsverfahren der Anordnung von FIG. 39.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beginnt die Transistorherstellung mit chemischer Behandlung des SrTiO&sub3;- Substrats 401 von 1 Minute in einer konzentrierten HCL- Lösung. Dann wird ein YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Film über dem gesamten Substrat unter Einsatz der Laser-Abtragung abgeschieden. Ein stöchiometrisches YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Schwestertarget wird durch einen KrF-Excimerlaser mit einer Leistungsdichte von 4 J/cm² in der Sauerstoffgasumgebung von 1,3 Pa abgetragen. Die Abscheidungsrate kann bei einer kritischen Filmtemperatur von etwa 85 ºK auf 0,07 - 0,17 nm/min (0,01 - 0,03 nm/Impuls) eingestellt werden. Die Abscheidungsrate kann auf der oberfläche des Substrats variiert werden, wobei die Mitte des Substrats die höchste Rate aufweist. Die YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Schicht wächst mit der Dicke von 40 - 100 nm. Nachdem die YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Schicht als solche gewachsen ist, wird ein Goldfilm mit einer Dicke von 50 nm auf der Schicht abgeschieden. Dadurch wird die in FIG. 44(A) gezeigte Struktur erhalten.
Als nächstes wird die Schicht aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x einschließlich der Goldschicht auf ihr gemustert, und ein Ar- Ionenstrahlätzverfahren wird angewendet, um die Emitterzone 402 und die Kollektorzone 403 zu bilden, wie in FIG. 44(B) gezeigt. Das Ätzverfahren kann unter Verwendung der Ar- Ionen-Beschleunigungsspannung von 0,5 kV und der Stromdichte von 0,26 mA/cm² durchgeführt werden. Dadurch wird eine Ätzrate von 10 nm/min erhalten.
Als nächstes wird bei dem Verfahren von FIG. 44(C) eine Fotoresistmaske in Entsprechung zu den zu bildenden Kontaktlöchern vorgesehen, und die gesamte Oberfläche des Substrats wird mit dem BaF&sub2;-Isolierfilm bedeckt, der eine Dicke von 360 nm hat.
Nach dem Abheben der Fotoresistmaske wird die gesamte Struktur bei einem Argon-Druck von 1,3 Pa mit einer HF- Leistungsdichte von 0,2 W/cm² 5 Minuten lang durch Sputtern gereinigt. Als nächstes wird eine Nb-Zwischenverbindungsschicht mit der Dicke von 500 nm durch Sputtern abgeschieden und nachfolgend gemustert, um die Zwischenverbindungsmuster 408 und 409 zu bilden. Dadurch wird die Struktur von FIG. 44(D) erhalten, die der Struktur von FIG. 39 entspricht.
FIG. 45 zeigt einen Tunneltransistor gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In FIG. 45 sind jene Teile, die der Struktur von FIG. 39 entsprechen, mit den identischen Bezugszahlen bezeichnet.
In dieser Ausführungsform ist eine Emitterzone 412 aus Nb auf einer dünnen Siliziumoxid- oder Siliziumsperrschicht 411 vorgesehen, die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 401 gebildet ist. Die Sperrschicht 411 hat typischerweise eine Dicke von 6 nm, während die Nb-Emitterschicht 412 eine Dicke von 260 nm haben kann. Die Oberfläche des Substrats 401 einschließlich der Emitterzone 412 ist mit einer Siliziumoxidisolierschicht 417 bedeckt, und eine Nb- Kontaktelektrode 415 ist auf der Emitterzone 412 in Entsprechung zu der Elektrode 107 über ein Kontaktloch in der Siliziumoxidisolierschicht 417 vorgesehen. Ferner ist eine Nb-Kollektorzone 416 vorgesehen, die über ein in der Siliziumoxidisolierschicht 417 gebildetes Kontaktloch mit der oberen Hauptoberfläche des Substrats 401 in Kontakt ist. Ferner ist eine Steuerelektrode 406 auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats ähnlich wie bei der Ausführungsform von FIG. 39 vorgesehen.
FIG. 46 zeigt die Draufsicht auf den Transistor von FIG. 45. Wie ersichtlich ist, hat die Emitterzone 412 eine runde Form mit einem Durchmesser von etwa 30 um. Die Kollektorzone 416 ihrerseits ist in dem halbkreisförmigen Streifen gebildet, der die Emitterzone 412 mit einem Abstand d von 15 um umgibt. Die Kollektorzone 416 kann eine Breite w von 10 um haben.
Bei Betrieb durchlaufen die Elektronen, die durch die Emitterzone 412 freigegeben werden, die Sperrschicht 411 durch Hindurchtunneln und erreichen die Kollektorzone 416 längs des Leitungsbandes des Substrats 401. Die Sperrhöhe in dem Substrat 401 wird als Reaktion auf die Steuerspannung verändert, die auf die Steuerelektrode angewendet wird.
FIG. 49, 50 und 52 zeigen die Betriebscharakteristiken des Transistors von FIG. 45, wobei FIG. 49 das Resultat für die Anordnung darstellt, bei der Silizium für die Sperrschicht 411 in Kombination mit dem Substrat 401 mit der Dicke von 0,5 mm verwendet wird, während FIG. 50 das Resultat für die Anordnung darstellt, bei der Siliziumoxid für die Sperrschicht 411 in Kombination mit dem Substrat mit der Dicke von 0,3 mm verwendet wird. Aus diesen Zeichnungen geht klar hervor, daß die Anordnung von FIG. 45 als Transistor arbeitet und die Stromverstärkung für den Transistor der vorliegenden Erfindung 1 wesentlich überschreitet. Ferner weist diese Anordnung die Spannungsverstärkung GV von 2,5 auf, wenn Silizium für die Sperrschicht 411 verwendet wird.
FIG. 52 zeigt andererseits den Kollektorstrom IC als Funktion der Steuerspannung VBE bei einer konstanten Antriebsspannung VCE von 40 Volt über die Emitterzone 412 und die Kollektorzone 416. In der Zeichnung ist die Charakteristik in zwei verschiedenen Maßstäben gezeigt, eine an der rechten vertikalen Achse und die andere an der linken vertikalen Achse. Aus diesem Diagramm ist bei etwa -2 Volt eine sehr strikte Sperrspannung ersichtlich, über der der Kollektorstrom IC plötzlich ansteigt. Es wurde herausgefunden, daß der Transistor mit der Siliziumsperrschicht 411 bei einer Einstellung von VCE auf 40 Volt die Steilheit von 1,4 mS aufweist, wenn der Kollektorstrom ICE als Reaktion auf die Steuerspannung VBE von 1,4 Volt auf 0,3 mA eingestellt wird.
Als nächstes wird ein Tunneltransistor gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 47 und 48 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu der Sperrschicht 411 und der Emitterzone 412 eine andere Sperrschicht 421 aus Silizium oder Siliziumoxid auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 401 angrenzend an die Sperrschicht 411 mit einer Dicke von 6 nm vorgesehen, und eine Kollektorzone 422 aus Nb ist auf der Zone 412 mit einer Dicke von 260 nm vorgesehen. Dadurch bedeckt die Siliziumoxidisolierschicht 417 die obere Hauptoberfläche des Substrats 401 einschließlich der Emitter- und Kollektorzonen 412 und 422. Ferner ist die Kollektorzone 422 mit der Kollektorelektrode 109 über eine Kontaktelektrode 425 verbunden, die in der Isolierschicht 417 in Entsprechung zu der Kollektorzone 422 vorgesehen ist. Ähnlich wie bei der Struktur von FIG. 45 hat die Anordnung der vorliegenden Ausführungsform die Steuerelektrode 406, die auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 401 vorgesehen ist.
FIG. 48 zeigt die Draufsicht auf die Anordnung von FIG. 47. Wie in diesem Diagramm ersichtlich ist, haben die Emitterzone 412 und die Kollektorzone 422 eine rechteckige Form mit einer Größe von 20 um x 40 um. Ferner ist die Zone 412 von der Zone 422 durch einen Abstand von 2 um getrennt.
Bei Betrieb wird das Potentialniveau in dem Substrat 401 als Reaktion auf die Steuerspannung verändert, die auf die Steuerelektrode 406 angewendet wird. Wenn eine geeignete Antriebsspannung vorhanden ist, die über die Emitterzone 412 und die Kollektorzone 422 angewendet wird, beginnen die Elektronen als Reaktion auf die Steuerspannung, die das Verringern des Niveaus des Leitungsbandes des Substrats 401 verursacht, von der Emitterzone 412 zu der Kollektorzone 422 zu fließen, wobei die Sperrschichten 411 und 421 durchlaufen werden. Die Bandstruktur für dieses Verfahren wird später unter Bezugnahme auf eine andere Ausführungsform beschrieben.
FIG. 51 zeigt den Kollektorstrom IC als Funktion der Antriebsspannung VCE, die über die Emitterzone 412 und die Kollektorzone 422 angewendet wird, während die Steuerspannung verschiedenartig verändert wird. Wie in dieser Zeichnung klar ersichtlich ist, weist die Anordnung von FIG. 47 die Transistoraktion auf, bei der die Stromverstärkung 1 wesentlich überschreitet. Ferner weist diese Anordnung die Spannungsverstärkung GV von etwa 2 auf.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren der Anordnung von FIG. 47 beschrieben.
Für das Substrat 401 wird ein Einkristall aus SrTiO&sub3; verwendet, der durch das Bernoulli-Verfahren gewachsen ist. Die Oberfläche des Substrats 401 wird mechanisch poliert, um eine Oberfläche mit optischem Gütegrad zu ergeben. Das so erhaltene Substrat 401 wird 5 Minuten lang einem in-situ- Reinigungsverfahren unter Verwendung des Sauerstoff-HF- Plasmas mit einem Druck von 6,7 Pa bei der HF-Leistungsdichte von 0,1 W/cm² unterzogen. Als nächstes werden die Silizium- und Nb-Schichten über der gesamten oberen Oberfläche des Substrats durch das HF-Magnetron-Sputtern abgeschieden. Die Siliziumschicht wird mit der Dicke von 6 nm in Entsprechung zu den Grenzschichten 411 und 421 abgeschieden, während die Nb-Schicht mit der Dicke von 260 nm in Entsprechung zu den Emitter- und Kollektorzonen 412 und 422 abgeschieden wird. Alternativ kann anstelle der Siliziumschicht eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 2 nm durch Sputtern abgeschieden werden.
Nachdem die Nb-Schicht abgeschieden ist, die die Emitter- und Kollektorzonen 412 und 422 bildet, wird die Nb- Schicht zusammen mit der darunterliegenden Silizium- oder Siliziumoxidschicht durch das reaktive Ionenätzverfahren unter Verwendung eines CF&sub4;-Ätzgases, das 5 % Sauerstoff enthält, gemustert. Dadurch werden die Emitterzone 412 und die Kollektorzone 422 gebildet. Während des Ätzens wird für etwa 90 Sekunden ein Überätzen angewendet, um zu gewährleisten, daß keine Silizium- oder Siliziumoxidrestschicht zwischen der Emitterzone 412 und der Kollektorzone 422 verbleibt. Ferner wird die gesamte Oberfläche der so erhaltenen Struktur mit der Siliziumisolierschicht 417 bedeckt, die durch das HF-Magnetron-Sputterverfahren mit der Dicke von 450 nm abgeschieden wird. Ferner wird nach der Bildung der Kontaktlöcher durch das reaktive Ionenätzverfahren und dem anschließenden HF-Sputterreinigungsverfahren die Nb-Zwischenverbindungsschicht mit der Dicke von 650 nm abgeschieden und im Anschluß daran gemustert.
FIG. 53 zeigt eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einer Abwandlung der Ausführungsform von FIG. 45 entspricht. In FIG. 53 sind die Teile, die den Teilen von FIG. 45 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung wird weggelassen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuerelektrode 406 nicht auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 401 sondern auf der oberen Hauptoberfläche als Steuerelektrode 436 vorgesehen. Somit wird, wie in dem Querschnitt von FIG. 54 gezeigt, der dem Querschnitt von FIG. 45 entspricht, die Steuerelektrode 406 auf der Rückseite des Substrats 401 weggelassen.
Wie in der Draufsicht von FIG. 53 gezeigt, ist die Steuerelektrode 436 von dem Kanal CH der Elektronen von der Emitterzone 412 zu der Kollektorzone 422 versetzt vorgesehen und steuert das Niveau des Leitungsbandes des Substrats 401 als Reaktion auf die ihr zugeführte Steuerspannung.
FIG. 55 zeigt das Banddiagramm der Anordnung von FIG. 54, wobei dieses Diagramm das Profil des Leitungsbandes längs des Weges von der Emitterelektrode 412 zu der Kollektorelektrode zeigt, der durch die Sperrschicht 411, das Substrat 401 und die Sperrschicht 421 verläuft. Wie ersichtlich ist, bilden die Sperrschichten 411 und 412 eine dünne, aber große Potentialsperre, wobei das Leitungsband des SrTiO&sub3; zwischen ihnen liegt. Das Niveau des Leitungsbandes kann als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektrode 436 angewendet wird, verringert werden, und die Träger bewirken das Hindurchtunneln durch die Sperrschichten 411 und 412.
FIG. 56 zeigt die Steuerung des Niveaus des Leitungsbandes des SrTiO&sub3; unmittelbar unter den Emitter- und Kollektorzonen 412 und 422 als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektrode 436 angewendet wird. Auf Grund der extrem großen Dielektrizitätskonstante des SrTiO&sub3;, das das Substrat 401 bildet, induziert die Spannung, die auf die Elektrode 436 angewendet wird, eine entsprechende Verschiebung im Niveau des Leitungsbandes in dem Substrat 401, das die Zone unmittelbar unter den Emitter- und Kollektorzonen 412 und 422 erreicht. Dadurch wird der Fluß der Träger von der Emitterzone zu der Kollektorzone als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert, die auf die Steuerelektrode 436 angewendet wird.
Wie aus dem Querschnitt von FIG. 54 hervorgeht, hat der Transistor der vorliegenden Ausführungsform eine im wesentlichen identische Struktur mit der Ausführungsform von FIG. 45, außer daß Ta, ein anderer typischer Supraleiter, für die Emitterzone 412, Kollektorzone 422 und die Kontaktelektroden 415, 425 anstelle von Nb verwendet wird. Somit wird eine weitere Beschreibung dieser Ausführungsform weggelassen.
FIG. 57 ist ein Diagramm, das einen Tunneltransistor gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und FIG. 58 zeigt die Draufsicht auf die Anordnung von FIG. 57.
Unter Bezugnahme auf FIG. 57 ist das SrTiO&sub3;-Substrat 401 mit einer 200 nm dicken Siliziumoxidisolierschicht 442 bedeckt, und in der Schicht 442 ist eine rechteckige Aussparung 442a vorgesehen (FIG. 58), die die obere Oberfläche des Substrats 401 exponiert. Auf der Isolierschicht 442 einschließlich der exponierten Oberfläche des Substrats 401, die durch die Aussparung 442a exponiert ist, ist eine Sperrschicht 443 aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 2 nm gleichförmig abgeschieden, und auf der Sperrschicht 443 ist ein Paar von einander gegenüberliegenden Leitern 444 und 445 als Emitter- und Kollektorzonen vorgesehen. Die Leiter 444 und 445 erstrecken sich in die Aussparungszone, die durch die Aussparung 442a definiert ist, und sind auf der Sperrschicht 443 angeordnet, die den exponierten Teil der Substratoberfläche bedeckt. Die beiden Leiter umfassen Ta und können eine Dicke von 260 - 300 nm haben.
In der Aussparungszone, die durch die Aussparung 442a definiert ist, ist die Sperrschicht 443 entfernt, außer jene Teile, die unter den Emitter- und Kollektorzonen 444 und 445 angeordnet sind, und eine Steuerelektrode 436 ist in direktem Kontakt mit der exponierten Oberfläche des Substrats 401 vorgesehen. Wie in der Draufsicht von FIG. 58 gezeigt, ist die Steuerelektrode 436 von dem Kanal CH von Elektronen, die von der Emitterzone 444 zu der Kollektorzone 445 fließen, versetzt vorgesehen, so daß zu der Steuerelektrode keine Trägerablenkung auftritt.
Der Abstand d zwischen der Emitterzone 444 und der Kollektorzone 445 ist auf etwa 2 - 3 um festgelegt. Andererseits ist der Abstand s zwischen der Gateelektrode 436 und dem Kanal CH der Elektronen auf wenigstens größer als 20 - 30 Å, vorzugsweise größer als 200 - 300 Å, festgelegt, um das Fließen eines Tunnelstroms von dem Kanal CH zu der Steuerelektrode 436 zu vermeiden.
Das Banddiagramm von FIG. 55 und 56 gilt auch für den Fall der vorliegenden Erfindung. Somit können die Elektronen von der Emitterzone 444 zu der Kollektorzone 445 fließen, wobei sie die Sperrschicht 443 unter der Zone 444 durch Hindurchtunneln durchlaufen, den Kanal CH des Substrats 401 längs des Leitungsbandes des SrTiO&sub3; durchlaufen, die Sperrschicht 443 unter der Kollektorzone 445 durchlaufen und schließlich die Kollektorzone 445 erreichen. Das Niveau des Leitungsbandes wird als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert, die auf den Steueranschluß 436 angewendet wird, wie in FIG. 56 gezeigt, wobei die Existenz einer Potentialsperre zwischen der Steuerelektrode 436 und dem Elektronenkanal die Ablenkung der Elektronen in die Steuerelektrode effektiv verhindert. In FIG. 56 ist der Abstand s, der dem Abstand s von FIG. 58 entspricht, wesentlich größer als die Durchtunnelungslänge der Elektronen.
Als nächstes wird ein Tunneltransistor gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 59 beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind jene Teile, die den Teilen der zuvor beschriebenen Struktur entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung von ihnen wird weggelassen.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Substrat 401' anstelle des Substrats 401 verwendet, in dem etwa 0,001 % der Sr-Atome in dem SrTiO&sub3; durch Nb-Atome ersetzt wurden, die als Donator wirken. Dadurch verschiebt das positive Donatorniveau, das in dem Substrat 401' gebildet wird, das Potentialniveau des Kanals CH, und die Potentialsperre, die durch das Leitungsband des SrTiO&sub3; vorgesehen ist, wird auf den Wert von 2 meV - 20 meV reduziert, der für das Hindurchtunneln von Elektronen geeignet ist. Mit anderen Worten, der Transistor der vorliegenden Ausführungsform kann bei der Vorspannung für die Steuerelektrode 436 von fast Null arbeiten. Je nach Bedarf können Akzeptoren anstelle von Donatoren eingebaut werden.
FIG. 60 zeigt den Tunneltransistor gemäß einer Abwandlung der dreizehnten Ausführungsform. Bei dieser Abwandlung ist der Bereich des Substrats 401', in den der Donator eingebaut ist, auf einen Bereich 430 in der Nähe der Steuerelektrode 436 begrenzt. Genauer gesagt, der Bereich 430 ist so gewählt, daß er von der Kanalzone getrennt ist und um die Elektrode 436 herum eingeschränkt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Bildung von ungewollten Trägern, die in der Kanalzone CH auf Grund des Dotierens des Substrats 401' gebildet werden können, ausgeschlossen, und eine richtige Operation des Tunneltransistors wird gewährleistet. Alternativ kann das gesamte Substrat 401' mit einem Donator auf ein niedriges Konzentrationsniveau dotiert werden, wie in dem Fall von FIG. 59, und die Zone 430 wird auf ein erhöhtes Niveau dotiert.
FIG. 61 ist ein Diagramm, das einen Tunneltransistor gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Transistor hat eine Struktur, die im wesentlichen mit der Struktur von FIG. 57 und 58 identisch ist, und die Beschreibung der Strukturoperation wird weggelassen.
Bei dieser Ausführungsform wird YAlO&sub3; für die Isolierschicht 442 und die Sperrschicht 443 verwendet, während YBa&sub2;Cu&sub3;Ox, ein Hochtemperatursupraleiter, für die Emitter- und Kollektorzonen 444 und 445 verwendet wird. Durch Verwendung des Hochtemperatursupraleiters für die Emitter- und Kollektorzonen wird eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit und Betriebsgeschwindigkeit des Transistors erwartet. Der Hochtemperatursupraleiter kann auch für die Steuerelektrode 436 verwendet werden. Ferner können andere Supraleiter wie das zuvor beschriebene Nb oder eine Pb-Legierung verwendet werden.
FIG. 62 zeigt einen Tunneltransistor gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Transistor eine Struktur hat, die mit dem Transistor von FIG 62 im wesentlichen identisch ist, außer daß das Substrat durch ein Substrat 401" ersetzt wurde.
Bei dieser Ausführungsform hat das Substrat 401" eine Zusammensetzung, die als KTa1-xNbxO&sub3; dargestellt wird, wobei die Zusammensetzung x festgelegt ist, um etwa 0,05 zu betragen, so daß das Material die maximale Dielektrizitätskonstante bei Flüssigstickstofftemperatur hat. Durch solch ein Festlegen der Zusammensetzung weist das Substrat 401" die spezifische Dielektrizitätskonstante von 20 000 - 30 000 bei 77 ºK auf. Somit ist der Transistor der vorliegenden Erfindung besonders für die Kombination mit den Hochtemperatursupraleitern geeignet, die die Supraleitfähigkeit bei oder über der Flüssigstickstofftemperatur aufweisen.
FIG. 63 zeigt einen Tunneltransistor gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein MgO- Substrat 400 verwendet, und das SrTiO&sub3;-Substrat 401 ist auf der oberen Hauptoberfläche des MgO-Substrats 400 vorgesehen. Das Substrat 401 ist in eine Vielzahl von isolierten Zonen geteilt, wobei in FIG. 63 nur eine solche Zone gezeigt ist. Das MgO-Substrat ist mit der Siliziumoxidschicht 442 bedeckt, die auch das Substrat 401 darunter bedeckt, und die Schicht 442 ist mit der Aussparung 442a ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen versehen, so daß die obere Oberfläche des Substrats 401 in Entsprechung zu der Aussparung 442a exponiert ist. Auf dem Substrat 401 sind ähnlich wie bei der zwölften Ausführungsform die Sperrschicht 443, die Emitterzone 444 und die Kollektorzone 445 gebildet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine ausgezeichnete Anordnungsisolierung zwischen den Tunneltransistoren erreicht, die auf dem MgO-Substrat 400 gemeinsam gebildet sind. Somit ist die vorliegende Ausführungsform besonders zum Konstruieren einer integrierten Schaltung von Tunneltransistoren geeignet.
Als nächstes wird ein Tunneltransistor gemäß einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 64 bis 67 beschrieben.
Der Transistor der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, die in FIG. 64 gezeigt ist und mit der Struktur von FIG. 47 im wesentlichen identisch ist. In dieser Struktur ist eine Resonanzstruktur 450 mit einem Resonanzniveau dicht an der oberen Hauptoberfläche des Substrats 401 in Entsprechung zu der Kanalzone CH zwischen der Emitterzone 412 und der Kollektorzone 422 gebildet.
FIG. 65 zeigt das Banddiagramm des Transistors von FIG. 64 längs eines Weges c'-c'. Wie zu sehen ist, ist das Resonanzniveau 450 bezüglich der unteren Kante des Leitungsbandes des SrTiO&sub3;-Substrates festgelegt und wird nach oben und unten verschoben, wenn das Energieniveau des Substrats 401 als Reaktion auf die Steuerspannung, die auf die Steuerelektrode 406 angewendet wird, nach oben und unten verschoben wird.
FIG. 66 zeigt das Banddiagramm des Transistors längs eines Weges d-d', der in FIG. 64 definiert ist. Wie schon unter Bezugnahme auf vorhergehende Ausführungsformen erläutert, wird die Potentialverteilung in dem Substrat 401 als Reaktion auf die Steuerspannung gesteuert, die auf die Steuerelektrode 406 angewendet wird, und dadurch wird das Energieniveau des Resonanzniveaus nach oben und unten verschoben, wie in FIG. 66 gezeigt.
FIG. 67 zeigt die Aktion der Resonanzstruktur 450, wobei der leere Kreis den Fall zeigt, wenn das Resonanzniveau nicht mit dem Energieniveau der Elektronen koinzidiert, die von der Emitterzone 412 zugeführt werden. In diesem Fall wird der Durchgang der Elektronen durch die Sperre durch das Tunneln gesteuert. Wenn das Resonanzniveau andererseits mit dem Energieniveau der Elektronen koinzidiert, können die Elektronen die Sperre in dem Substrat 401 längs der Resonanzstruktur 450 mit einer beträchtlich höheren Wahrscheinlichkeit passieren. Durch Vorsehen von solch einer Resonanzstruktur kann der Durchgang von Elektronen ausgeschlossen werden, die thermisch auf die höheren Energieniveaus erregt sind, während die Elektronen mit Fermi-Niveau in der Emitterzone 412 selektiv durchgelassen werden. Dadurch wird das Wärmerauschen in dem Transistor der vorliegenden Erfindung beseitigt, und die Betriebsumgebung des Transistors ist nicht auf die extrem niedrigen Temperaturen begrenzt. Ferner weist der Transistor eine große nichtlineare Betriebscharakteristik auf.
FIG. 68 zeigt eine achtzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung des Resonanztunneltransistors von FIG. 64 darstellt. In dieser Ausführungsform wird eine einzelne Sperrschicht 411' aus Siliziumoxid mit einer Dicke von etwa 2 nm anstelle der Sperrschichten 411 und 412 verwendet. In dieser Struktur ist eine Defektzone 451 auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 401 angrenzend an die Sperrschicht 411' gebildet, welche Defektzone 451 die Sauerstoffdefekte bildet, die als tiefliegende Verunreinigung wirken. Als Resultat der Sauerstoffdefekte hat die Zone 451 eine Zusammensetzung SrTiO3-x. Solch eine defekte Zone 451 kann zum Beispiel durch die Elektronen- oder Argonionenstrahleinstrahlung und dergleichen gebildet werden.
FIG. 69 zeigt eine neunzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine andere Abwandlung des Transistors von FIG. 64 darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird die einzelne Sperrschicht 411' aus Siliziumoxid ähnlich wie bei der Ausführungsform von FIG. 68 verwendet, und eine amorphe Siliziumschicht 452 ist auf der oberen Hauptoberfläche des SrTiO&sub3;-Substrats 401 angrenzend an die Sperrschicht 411' gebildet. Die amorphe Siliziumschicht 452 hat eine Dicke von etwa 1 nm und wird ohne Hydrieren gebildet. Dadurch enthält die Schicht 452 eine große Anzahl von Resonanzniveaus. Anstelle der Verwendung von amorphem Silizium können andere Materialien verwendet werden, die eine große Anzahl von Verunreinigungsniveaus enthalten, wie amorphes Germanium, Chalkogenidglase und dergleichen.
FIG. 70 zeigt eine zwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung des Transistors von FIG. 64 darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Sperrschicht 411' anstelle der Sperrschichten 411 und 421 verwendet, und die Resonanzstruktur 450 ist als Zone 453 gebildet, in der 0,001 % der Ti-Atome, die das SrTiO&sub3;-Substrat 401 bilden, durch Nb-Atome ersetzt wurden, die als tiefliegender Donator wirken. Alternativ können Ni-Atome anstelle von Nb-Atomen verwendet werden. In diesem Fall wirken die Ni-Atome als tiefliegende Akzeptoren.
FIG. 71 zeigt eine einundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung des Transistors von FIG. 64 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Sperrschicht 461 aus PrBa&sub2;Cu&sub3;Ox auf der oberen Oberfläche des SrTiO&sub3;-Substrats 401 mit einer Dicke von 1,2 nm anstelle der Sperrschichten 411 und 412 abgeschieden. Ferner sind eine Emitterzone 462 und eine Kollektorzone 463, die beide aus YBa&sub2;Cu&sub3;Ox sind, auf der Sperrschicht 461 gebildet. Weiterhin ist eine Steuerelektrode 466 aus YBa&sub2;Cu&sub3;Ox auf der unteren Oberfläche des Substrats 401 vorgesehen. In dieser Struktur werden die natürlich vorkommenden Verunreinigungsniveaus 461' in der Sperrschicht 461 für den Transport der Träger verwendet.
FIG. 72 zeigt eine zweiundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung des Transistors von FIG. 64 darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Substrat 464 aus KTa1-xNbxO&sub3; anstelle des SrTiO&sub3;-Substrats 401 ähnlich wie bei der Ausführungsform von FIG. 62 verwendet. Der Zusammensetzungsparameter x wird in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur gesteuert, bei der die Anordnung zu verwenden ist, so daß das Substrat 464 bei der Betriebstemperatur die maximale Dielektrizitätskonstante hat. Zum Beispiel wird eine spezifische Dielektrizitätskonstante von einigen Zehntausend bei Flüssigheliumtemperatur erreicht, indem der Parameter x als x = 0,05 festgelegt wird. Die Resonanzstruktur ist als Struktur 453 gebildet, welche Struktur 453 ähnlich wie bei der Ausführungsform von FIG. 68 durch die Sauerstoffdefekte gebildet ist. FIG. 73 - 75 zeigen einen Tunneltransistor gemäß einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein MgO- Substrat 470 verwendet, und das SrTiO&sub3;-Substrat 471 ist ähnlich wie bei der Ausführungsform von FIG. 63 auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 470 vorgesehen. Auf dem Substrat 470 ist eine Siliziumoxidsperrschicht 472 mit einer Dicke von 2 nm gebildet, außer auf einer Zone 471a, auf der die Steuerelektrode zu bilden ist. Ferner sind ein Paar von gegenüberliegenden Emitter- und Kollektorzonen 473 und 474 aus Tantal auf der oberen Hauptoberfläche der Sperrschicht 472 vorgesehen, um sich von beiden Seiten zu erstrecken, wobei die Kanalzone CH dazwischen belassen wird. Ferner ist eine Steuerelektrode 475 aus Tantal direkt auf dem Substrat 471 in Entsprechung zu seinem exponierten Teil 471a vorgesehen.
In diesem Transistor ist die Resonanzstruktur 450 als Defektzone 476 gebildet, die in Entsprechung zu der Kanalzone CH gebildet ist, wie in FIG. 74 gezeigt, die den Querschnitt längs der Linie 74-74' von FIG. 73 zeigt, so daß die Defektzone 476 die Sauerstoffdefekte enthält. Somit hat die Zone 476 die Zusammensetzung SrTiO3-x ähnlich wie die Ausführungsform von FIG. 68. Solch eine Zone kann durch die Ionenstrahleinstrahlung gebildet werden, wie schon beschrieben wurde.
FIG. 75 zeigt den Transistor von FIG. 73 längs der Linie 75-75'. Diese Zeichnung zeigt, daß die Steuerelektrode 475 mit der oberen Hauptoberfläche des Substrats 471 an der exponierten Zone 471a in Kontakt ist. Da die Aktion der Steuerelektrode mit anderen Ausführungsformen identisch ist, wird eine weitere Beschreibung weggelassen.
Es sei erwähnt, daß bei den obigen ersten bis dreiundzwanzigsten Ausführungsformen die Anordnung ähnlich arbeitet, wenn die Löcher für die Träger verwendet werden. Bei dem Beispiel von FIG. 13 erreichen zum Beispiel die Löcher, die durch die Emitterzone 101 injiziert worden sind und durch die dielektrische Schicht 103 hindurchgetunnelt sind, die Kollektorzone 102 längs des Valenzbandes der dielektrischen Schichten 104 und 105, während sie durch die Steuerspannung gesteuert werden, die auf die Steuerelektrode 108 angewendet wird. Die Operation bei anderen Ausführungsformen für den Fall der Verwendung von Löchern für die Träger ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, und eine weitere Beschreibung wird weggelassen.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf FIG. 76 eine vierundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Elektronenanordnung oswe -vorrichtung der vorliegenden Erfindung arbeitet als Diode.
Unter Bezugnahme auf FIG. 76 hat die Diode der vorliegenden Erfindung eine Schichtstruktur, die eine Katodenelektrode 511 umfaßt, eine erste dünne dielektrische Schicht 512, die auf der Katodenelektrode 511 gebildet ist, eine zweite dielektrische Schicht 513 mit einer großen Dielektrizitätskonstante, die auf der ersten dielektrischen Schicht 512 vorgesehen ist, und eine Anodenelektrode 514, die auf der zweiten dielektrischen Schicht 513 vorgesehen ist. Die erste dielektrische Schicht 512 kann Siliziumoxid mit einer kleinen Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1; umfassen und hat eine Dicke, um das Hindurchtunneln der Elektronen zu gestatten. Andererseits ist die zweite dielektrische Schicht 513 eine dotierte dielektrische Schicht und kann SrTiO&sub3; umfassen, das eine sehr große Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; hat. Wie schon beschrieben, wird das Dotieren des SrTiO&sub3; erreicht, indem einige Sr-Atome durch Nb-Atome ersetzt werden. In dieser Struktur tritt das Hindurchtunneln von Elektronen auf, wenn entsprechend vorgespannt wurde, so daß die Elektronen von der Katodenschicht 511 durch die dielektrische Schicht 512 hindurchtunneln und die Anodenschicht 514 erreichen, wobei sie sich längs des Leitungsbandes der dielektrischen Schicht 513 bewegen.
FIG. 77 zeigt das Banddiagramm der Struktur von FIG. 76, bei dem die durchgehende Linie den thermischen Gleichgewichtszustand darstellt und die unterbrochene Linie den Fall darstellt, wenn eine Durchlaßvorspannung angewendet wird. Aus diesem Banddiagramm ist ersichtlich, daß in dieser Struktur fast die gesamte Spannung, die auf die Diode angewendet wird, auf Grund der Kontinuität der elektrischen Verschiebung, die das elektrische Feld in der Verarmungsschicht viel niedriger als in der Sperrschicht macht, quer über der Sperrschicht 512 erscheint. Aus demselben Grund tritt fast die gesamte Krümmung des Bandes in der Sperrschicht 512 auf. Als Resultat wird die Krümmung des Bandes in der zweiten dielektrischen Schicht 513 in Entsprechung zu der in ihr gebildeten Verarmungszone DL wesentlich reduziert.
Es sei angemerkt, daß in der Struktur von FIG. 76 die effektive Sperrhöhe gegenüber den Elektronen, die von der Katodenelektrode 511 durch die Schicht 512 zu der dielektrischen Schicht 513 hindurchtunneln und längs des Leitungsbandes der Schicht 513 weiter zu der Anodenschicht 514 transportiert werden, durch die Höhe ΦB der Leitungsbandkante an dem Grenzbereich zwischen der ersten dielektrischen Schicht 512 und der zweiten dielektrischen Schicht 513 gegeben ist. FIG. 78 zeigt die Berechnung des Wertes von ΦB gegenüber der Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; der Schicht 513 unter Verwendung der Verarmungsapproximation. Bei dieser Berechnung wird die Schichtdicke der ersten dielektrischen Schicht 512 mit 60 Å, die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub1; der Schicht 512 mit 10 angenommen. Die Berechnung erfolgt für verschiedene Verunreinigungsniveaus Nd der n-Typ-Verunreinigungssubstanz.
Gemäß dieser Berechnung wird vorausgesagt, daß die Sperrhöhe ΦB unter der Bedingung Vorspannung Null auf einige Millivolt reduziert werden kann, wenn die Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub2; der Schicht 513 auf etwa 104 festgelegt wird, die Trägerkonzentration in der Schicht 513 auf 10¹&sup7; - 10¹&sup8; cm&supmin;³ festgelegt wird, und die Summe der Bandkrümmung in den Schichten 512 und 513 von 1 eV festgelegt wird.
Wenn eine Spannung auf die Diode angewendet wird, weist das Band in der Schicht 513 eine parallele Verschiebung auf. Denn die meiste Bandkrümmung tritt in der ersten dielektrischen Schicht 512 auf. Wenn die angewendete Spannung auf der Schicht 513 positiv ist, wird das Niveau des Leitungsbandes der Schicht 513 bezüglich des Fermi-Niveaus EF in abwärtiger Richtung verschoben, und der Strom, der von der Katodenschicht 511 zu der Anodenschicht 514 fließt, nimmt zu. Wenn andererseits eine negative Spannung angewendet wird, verschiebt sich das Leitungsband der Schicht 513 nach oben, und der Strom, der durch die Diode fließt, verschwindet im wesentlichen. Es sei angemerkt, daß die Diode auf Grund der effektiven Sperrhöhe ΦB von einigen Millivolt im vorspannungslosen Zustand die Signale mit kleiner Spannung, bei denen der Spannungshub einige Millivolt betragen kann, erfolgreich gleichrichten kann.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der Schicht 512 gewählt werden, um das Hindurchtunneln von Elektronen im vorspannungslosen Zustand zu gestatten. Alternativ kann die Dicke der Schicht 512 etwas größer gewählt werden, so daß das Hindurchtunneln nur auftritt, wenn die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wie durch die unterbrochene Linie in FIG. 77 gezeigt.
FIG. 79 zeigt die herkömmliche Schottky-Sperre, die an einem Metall-Halbleiter-Übergang gebildet ist. In diesem Fall wird die effektive Sperrhöhe ΦB durch die Bandkrümmung bestimmt, die die Verarmungszone DL an dem Übergang bildet, und dieser Wert wird durch die Kombination der Materialien bestimmt, die den Übergang bilden. Im allgemeinen kann der Wert ΦB nicht unter 0,5 - 0,8 Volt verringert werden. Deshalb sind die herkömmlichen Dioden mit dem Problem behaftet gewesen, daß sie eine Schwellencharakteristik von 0,5 - 0,8 Volt aufweisen und die Signale mit dem Spannungshub, der kleiner als die Schwelle ist, nicht gleichrichten können. Die Diode der vorliegenden Erfindung beseitigt dieses Problem erfolgreich und ist für die Telekommunikationssysteme und Radarsysteme von außerordentlichem Nutzen.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Diode von FIG. 76 ist durch die folgende Gleichung gegeben.
I = SA*T²exp(-ΦB/kT){exp(qV'/n'kT) - exp[(1/n' - 1) qV'/kT]}
= -SA*T²exp(-ΦB/kT){exp(qV/nkT) - exp[(1/n - 1) qV/kT]}
Dabei stellt S den Diodenbereich dar, stellt A* die effektive Richardson-Konstante dar, die den Effekt der Elektronentunnelungswahrscheinlichkeit durch die Schicht 512 enthält, ist ΦB die effektive Sperrhöhe, T die Temperatur, V' (=-V) die Elektrodenspannung der Katodenschicht 511 bezüglich der Spannung der Schicht 513, n' der Idealitätsfaktor für die Durchlaßvorspannungsbedingung und n der Idealitätsfaktor für den Rückwärtsbetrieb, angegeben durch n&supmin;¹ = 1 - n'&supmin;¹. Der Wert von n' ist gegeben durch
1/n' = 1 - ΦB/ (qV')
= 1 - [1 + (2&epsi;&sub0;&epsi;&sub2;/(q²Nd)) (&epsi;&sub1;/(&epsi;&sub2;d)²(ΦBO-kT)]-½
Dabei bezeichnet Nd die Halbleiterträgerdichte, ΦBO die Sperrhöhe mit Vorspannung Null bei Fehlen der Tunnelsperre, &epsi;&sub2; die Dielektrizitätskonstante der Schicht 513, und &epsi;&sub1; bezeichnet die Dielektrizitätskonstante der Schicht 512.
FIG. 80 zeigt eine fünfundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung der Diode von FIG. 76 darstellt. Die Diode umfaßt ein Substrat 527 aus Silizium, auf dem eine Platinschicht 522 als Anodenelektrode gebildet ist. Eine Leitung 526 ist mit der Schicht 522 verbunden. Auf der Anodenschicht 522 ist eine dielektrische Schicht 524 aus SrTiO&sub3; mit der Dicke von 1000 Å vorgesehen, und eine Siliziumschicht 523 ist auf der dielektrischen Schicht 524 mit einer Dicke von 60 Å vorgesehen. Dadurch entspricht die dielektrische Schicht 524 der dielektrischen Schicht 513, und die dielektrische Schicht 523 entspricht der dielektrischen Schicht 512. Ferner ist eine Nb-Schicht 521 auf der Siliziumschicht 523 als Katodenschicht 511 gebildet. Außerdem ist eine Leitung 525 mit der Katodenschicht 521 verbunden.
Bei der Diode der vorliegenden Erfindung ist der Leitwert verglichen mit dem Leitwert bei Vorspannung Null 15mal höher, wenn eine Durchlaßspannung von 10 mV angewendet wird. Wenn ferner eine Durchlaßspannung von 20 mV angewendet wird, ist der Leitwert 60mal höher. Somit hat die Diode eine ausgezeichnete Gleichrichtungscharakteristik.
FIG. 81 zeigt eine sechsundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Abwandlung der Diode von FIG. 76 darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein SrTiO&sub3;-Substrat 529 verwendet, das zum Beispiel mit Nb mit dem Trägerkonzentrationsniveau von 6 x 10¹&sup7;cm&supmin;³ dotiert ist. Das Substrat ist mit der Dicke von 400 um gebildet und auf den n-Typ dotiert. Auf Grund der Leitfähigkeit des Substrats 529 ist die Leitung 526 direkt mit dem Substrat 529 verbunden. Auf der Oberfläche, die der Seite gegenüberliegt, mit der die Leitung 526 verbunden ist, ist eine Oberflächenverarmungszone 529A gebildet. Auf dem Substrat 529 sind die dielektrische Schicht 523 und die Katodenschicht 521 ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform vorgesehen, und die Leitung 525 ist mit der Katodenschicht 521 verbunden. Bei dieser Ausführungsform wird die Herstellung der Anordnung durch die direkte Verbindung der Leitung 526 mit dem Substrat 529 erleichtert.
FIG. 82 zeigt die Spannungs-Strom-Charakteristik der Diode der vorliegenden Ausführungsform. Diese Charakteristik wird bei Flüssigheliumtemperatur erhalten. Wie ersichtlich ist, wird bei dem Spannungssignal, dessen Spannungshub nur 20 mV beträgt, eine klare Gleichrichtung erhalten.
FIG. 83 zeigt eine siebenundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine undotierte SrTiO&sub3;- Schicht 530 auf der Oberfläche des Substrats 529 vorgesehen ist, wo die Oberflächenverarmungszone 529A gebildet ist. Die Schicht 530 hat eine Dicke von etwa 500 Å und blockiert die Träger, die durch die Verarmungszone 529A hindurchdringen. Durch solch eine Konstruktion der Diode kann der Kriechstrom in der Sperrichtung reduziert werden.
FIG. 84 zeigt eine achtundzwanzigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Substrat 532 aus KTa1-xNbxO&sub3; anstelle des Substrats 529 verwendet wird. Das Substrat ist auf den n-Typ dotiert und hat den Zusammensetzungsparameter x, der auf 0,05 festgelegt ist. Das Dotieren des Substrats 532 kann durch Ersetzen der K-Atome durch Ca- Atome erreicht werden. Auf dem Substrat 529 ist eine undotierte Schicht 531 mit derselben Zusammensetzung vorgesehen. Ferner sind die Siliziumsperrschicht 523 und die Katodenschicht 521 auf der Oberfläche der Schicht 531 konsekutiv vorgesehen. Wenn die Zusammensetzung des Substrats so gewählt wird, wird bei 77 ºK, welches der Flüssigstickstofftemperatur entspricht, eine maximale Dielektrizitätskonstante realisiert. Dadurch weist die Diode der vorliegenden Erfindung die ausgezeichnete Leistung bei Flüssigstickstofftemperatur auf.
FIG. 85 zeigt das Verwendungsbeispiel der Diode der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel wird die Diode in Kombination mit einem Josephson-Übergang JJ verwendet, um ein ODER-Gatter zu bilden. Es sei erwähnt, daß die logischen Signale, die durch solche Josephson-Schaltungen verarbeitet werden, im allgemeinen eine logische Amplitude von nur einigen Millivolt haben und herkömmliche Dioden zum Konstruieren des gezeigten ODER-Gatters nicht verwendet werden könnten. Als Resultat dessen ist bei den herkömmlichen Josephson-ODER-Gattern eine extrem komplizierte Konstruktion mit einem supraleitenden Quanteninterferometer verwendet worden. Durch die Verwendung der Diode der vorliegenden Erfindung wird die Konstruktion des Josephson-ODER-Gatters wesentlich vereinfacht.
FIG. 86 zeigt das Beispiel eines Josephson-UND-Gatters, bei dem die Diode der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Auch bei dieser Ausführungsform wurde die Schaltungskonstruktion beträchtlich vereinfacht.
FIG. 87 zeigt ein Verwendungsbeispiel des Transistors der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird der Transistor zum Empfangen und Verstärken der Ausgabe eines Josephson-Logikgatters, wie des MVTL-Gatters, verwendet. Dadurch kann ohne weiteres eine große Ausgangsauffächerungsanzahl erreicht werden.
Ferner ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Veränderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Die Elektronenvorrichtung der vorliegenden Erfindung sieht, wie oben beschrieben, durch die Beseitigung des Kriechstroms, der durch die dielektrische Schicht fließt, einen Transistor mit einer hohen Spannungs- und Stromverstärkung vor, wenn sie als Transistor verkörpert ist. Solch ein Transistor weist eine hohe Betriebsgeschwindigkeit auf, die nicht durch den Basiswiderstand begrenzt ist. Ferner ist die Durchgreiferscheinung beseitigt. Durch Verwendung der Resonanzstruktur in der dielektrischen Schicht hat der Transistor eine nichtlineare Charakteristik. Solch ein Transistor arbeitet in einem breiten Temperaturbereich. Ferner können verschiedene Leitermaterialien, die Supraleiter und Hochtemperatursupraleiter umfassen, für die Emitter und Kollektoren verwendet werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Transistors weiter verbessert. Ferner sieht die vorliegende Erfindung eine Diode vor, bei der die Durchlaßschwellenspannung im wesentlichen beseitigt ist. Mit anderen Worten, die Diode der vorliegenden Erfindung kann extrem schwache Signale verarbeiten, deren Spannungshub einige Millivolt oder weniger betragen kann.

Claims

1. Eine Elektronenvorrichtung mit:

einer ersten dielektrischen Schicht (103, 512) mit einer oberen Hauptoberfläche und einer gegenüberliegenden unteren Hauptoberfläche, welche erste dielektrische Schicht eine erste Dicke hat, die bestimmt ist, um das Hindurchtunneln von Trägern zu gestatten, und eine erste Dielektrizitätskonstante, welche erste dielektrische Schicht als Tunnelungssperre wirkt;

einer zweiten dielektrischen Schicht (104, 513) mit einer oberen Hauptoberfläche, die mit der unteren Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht in direktem Kontakt ist, und einer gegenüberliegenden unteren Hauptoberfläche, welche zweite dielektrische Schicht eine zweite Dicke hat, die wesentlich größer als die erste Dicke ist, und eine zweite Dielektrizitätskonstante, die wesentlich größer als die erste Dielektrizitätskonstante ist;

einem ersten Elektrodenmittel (107, 101, 511), das auf der oberen Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, zum Injizieren der Träger in die erste dielektrische Schicht; und

einem zweiten Elektrodenmittel (108, 514), das in Kontakt mit der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, auf welches zweite Elektrodenmittel eine Steuerspannung zum Steuern eines Flusses der Träger durch die zweite dielektrische Schicht angewendet wird.

2. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht ein Leitungsband und ein Valenzband hat und die genannte zweite Dielektrizitätskonstante so gewählt ist, daß ein Potentialniveau des Leitungsbandes und des Valenzbandes als Reaktion auf die Steuerspannung durch den elektrostatischen Induktionseffekt gesteuert wird.

3. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite Dielektrizitätskonstante wenigstens größer als 2000 ist.

4. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 3, in der die genannte zweite Dielektrizitätskonstante wenigstens größer als 20 000 ist.

5. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht ein Oxid umfaßt, das eines oder mehrere von Titan, Zinn, Zirconium, Niobium und Tantal enthält.

6. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Strontiumtitanat, Bariumtitanat, Calciumstannat, Bariumstannat, Bariumzirconat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und einer Mischung aus ihnen.

7. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht Strontiumtitanat umfaßt.

8. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht Kaliumtantalniobat umfaßt, das eine Zusammensetzung von KTa1-xNbxP&sub3; hat, bei der der Parameter x auf etwa 0,005 festgelegt ist.

9. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte erste Dicke weniger als etwa 10 nm beträgt.

10. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte erste dielektrische Schicht Silizium umfaßt.

11. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte erste dielektrische Schicht Siliziumoxid umfaßt.

12. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte zweite dielektrische Schicht mit Verunreinigungen dotiert ist, um in ihr eine Trägerdichte zu bilden, bei der das genannte zweite Elektrodenmittel auf der unteren Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, zum Sammeln der Träger, die an dem ersten Elektrodenmittel injiziert wurden und durch die ersten und zweiten dielektrischen Schichten hindurchtraten.

13. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 12, in der die genannte zweite dielektrische Schicht mit einer Verarmungszone an ihrer oberen Hauptoberfläche gebildet ist, die mit der ersten dielektrischen Schicht in Kontakt ist, welche Verarmungszone eine effektive Sperrhöhe gegenüber den Trägern von dem ersten Elektrodenmittel von weniger als 20 mV im thermischen Gleichgewichtszustand bildet.

14. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 13, in der die genannte zweite dielektrische Schicht mit einem Trägerkonzentrationsniveau von 10¹&sup7; - 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist.

15. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 12, in der die genannte zweite dielektrische Schicht eine Lage mit reduziertem Verunreinigungskonzentrationsniveau längs ihrer oberen Hauptoberfläche umfaßt.

16. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 12, in der wenigstens eines der genannten ersten und zweiten Elektrodenmittel einen Supraleiter umfaßt.

17. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte Elektronenvorrichtung ferner ein drittes Elektrodenmittel umfaßt, das von den ersten und zweiten Elektrodenmitteln getrennt ist, zum Sammeln der Träger, die an dem ersten Elektrodenmittel injiziert wurden und die ersten und zweiten dielektrischen Schichten durchliefen.

18. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 17, in der die genannte zweite dielektrische Schicht eine Seitenwand hat, die die dielektrische Schicht seitlich umgibt, welches zweite Elektrodenmittel auf der Seitenwand der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist und welches dritte Elektrodenmittel vorgesehen ist, um die Träger über die untere Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht zu sammeln.

19. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 18, in der die genannte Elektronenvorrichtung ferner eine dritte dielektrische Schicht umfaßt, die eine dritte Dielektrizitätskonstante hat, die wesentlich kleiner als die zweite Dielektrizitätskonstante ist, welche dritte dielektrische Schicht eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und so vorgesehen ist, daß ihre obere Hauptoberfläche mit der unteren Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht direkten Kontakt bildet.

20. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 19, in der die genannte dritte dielektrische Schicht ein Halbleitermaterial mit einem Bandabstand umfaßt, der wesentlich kleiner als jener der zweiten dielektrischen Schicht ist.

21. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 20, in der die genannte dritte dielektrische Schicht Zinkoxid umfaßt.

22. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 18, in der das genannte zweite Elektrodenmittel mit der Seitenwand der zweiten dielektrischen Schicht an zwei seitlich gegenüberliegenden Positionen verbunden ist, die mit einem Abstand von 2 um oder weniger voneinander getrennt sind.

23. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 17, in der wenigstens eines der genannten ersten und zweiten Elektrodenmittel einen Supraleiter umfaßt.

24. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 23, in der die genannte zweite Elektrode Kaliumtantalniobat umfaßt, das als KTa1-xNbxO&sub3; dargestellt wird, und wenigstens eines der ersten und zweiten Elektrodenmittel ein Hochtemperatursupraleiteroxid umfaßt.

25. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 17, in der die genannte erste dielektrische Schicht in sich eine Zone mit diskretem Energieniveau zum Bewirken eines Resonanzhindurchtunnelns der Träger enthält.

26. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 17, in der die genannte erste dielektrische Schicht gebildet ist, um die obere Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht zu exponieren, und das genannte zweite Elektrodenmittel mit der exponierten oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht direkt verbunden ist.

27. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 23, in der die genannten ersten und dritten Elektrodenmittel YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; umfassen und die genannten ersten und dritten dielektrischen Schichten eine schwach dielektrische Verbindung umfassen, die Elemente enthält, die in den ersten und dritten Elektrodenmitteln gemeinsam enthalten sind.

28. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 27, in der die genannten ersten und dritten Schichten PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; umfassen.

29. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 17, in der die genannte erste dielektrische Schicht auf einem Teil der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, wobei der Rest der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht exponiert bleibt, welches dritte Elektrodenmittel auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist.

30. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der das genannte dritte Elektrodenmittel vorgesehen ist, um das erste Elektrodenmittel auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht zu umgeben.

31. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der das genannte zweite Elektrodenmittel auf der unteren Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist.

32. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der das genannte zweite Elektrodenmittel auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist.

33. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der eine dritte dielektrische Schicht mit einer Dicke, die das Tunneln von Trägern gestattet, zwischen der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht und dem dritten Elektrodenmittel vorgesehen ist.

34. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der das genannte dritte Elektrodenmittel auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht über die dazwischenliegende erste dielektrische Schicht vorgesehen ist.

35. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 29, in der eine Resonanzstruktur mit einem vorbestimmten, diskreten Energieniveau in der zweiten dielektrischen Schicht längs der oberen Hauptoberfläche in Entsprechung zu einer Zone zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem zweiten Elektrodenmittel gebildet ist.

36. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 35, in der die genannte Resonanzstruktur eine Zone mit Defekten umfaßt.

37. Eine Elektronenvorrichtung nach Anspruch 35, in der die genannte Resonanzstruktur eine Zone aus amorphem Silizium umfaßt.

38. Ein Transistor mit:

einer ersten Elektrode (107, 101) zum Injizieren von Trägern, welche erste Elektrode eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat;

einer ersten dielektrischen Schicht (103), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der ersten Elektrode vorgesehen ist, so daß die untere Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht mit der oberen Hauptoberfläche der ersten Elektrode einen direkten Kontakt bildet, welche erste dielektrische Schicht eine erste Dielektrizitätskonstante hat;

einer zweiten dielektrischen Schicht (104), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, so daß die untere Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht mit der oberen Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht einen direkten Kontakt bildet, welche zweite dielektrische Schicht eine Dielektrizitätskonstante hat, die wesentlich größer als die erste Dielektrizitätskonstante ist;

einer zweiten Elektrode (108), die mit der zweiten dielektrischen Schicht verbunden ist, zum Anwenden einer Steuerspannung, die ein Potentialniveau des Leitungsbandes und des Valenzbandes der zweiten dielektrischen Schicht steuert;

einer dritten dielektrischen Schicht (105), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, wobei die untere Hauptoberfläche der dritten dielektrischen Schicht mit der oberen Hauptoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht einen direkten Kontakt bildet, welche dritte dielektrische Schicht eine dritte Dielektrizitätskonstante hat, die wesentlich kleiner als die zweite Dielektrizitätskonstante ist; und

einer dritten Elektrode (102, 109), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der dritten dielektrischen Schicht vorgesehen ist, zum Sammeln der Träger;

auf welche zweite Elektrode die Steuerspannung angewendet wird und welche den Fluß der Träger steuert, die von der ersten Elektrode zu der dritten Elektrode wandern, wobei sie die ersten, zweiten und dritten dielektrischen

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