JP2007535178A - Hot electron transistor - Google Patents

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Abstract

ホットエレクトロン・トランジスタはエミッタ電極、ベース電極及びコレクタ電極と、エミッタ電極とベース電極との間に配置され、そこでの電子の輸送層として機能する第1のトンネル構造とを有する。第1のトンネル構造は、電子の輸送がトンネリングによる輸送を含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び別の第2の絶縁体層を含む。トランジスタはさらに、ベース電極とコレクタ電極との間に配置された第2のトンネル構造を含む。第2のトンネル構造は電子の少なくとも一部の、ベース電極とコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能し、その結果、電子の一部はコレクタ電極で収集される。薄膜トランジスタ内の界面での電子反射を低減する関連方法もまた開示される。  The hot electron transistor has an emitter electrode, a base electrode and a collector electrode, and a first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and functioning as an electron transport layer there. The first tunnel structure includes at least a first amorphous insulator layer and another second insulator layer so that electron transport includes transport by tunneling. The transistor further includes a second tunnel structure disposed between the base electrode and the collector electrode. The second tunnel structure functions as a transport layer by ballistic transport between at least a part of the electrons and between the base electrode and the collector electrode, so that a part of the electrons is collected at the collector electrode. A related method for reducing electron reflection at an interface in a thin film transistor is also disclosed.

Description

本発明は、概してトランジスタに関し、特に、トンネル構造に基づくトランジスタとその応用に関する。より具体的には、本発明はトンネル構造に基づく薄膜トランジスタとその応用に関する。   The present invention relates generally to transistors, and more particularly to a transistor based on a tunnel structure and its applications. More specifically, the present invention relates to a thin film transistor based on a tunnel structure and its application.

金属−絶縁体−金属−絶縁体−金属(M−I−M−I−M)構成を含むトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタ増幅器は1960年にミード(Mead)によって初めて提案され(非特許文献1参照)、1981年にヘイブルーム(Heiblum)によって詳細に検討された(非特許文献2参照)。図1は、従来技術に係る典型的なM−I−M−I−Mトランジスタを例示している。なお、図面においては様々な図を通して可能な限り、似通った構成要素には似通った参照符号を用いることとする。また、図は明りょう化のため縮尺通りには描かれていない。   A tunnel hot electron transistor amplifier including a metal-insulator-metal-insulator-metal (MIMIMIM) configuration was first proposed by Mead in 1960 (see Non-Patent Document 1). ), And was examined in detail in 1981 by Heiblum (see Non-Patent Document 2). FIG. 1 illustrates a typical MIMIM transistor according to the prior art. In the drawings, similar reference numerals are used for similar components as much as possible throughout the various drawings. Also, the figures are not drawn to scale for clarity.

図1は典型的なM−I−M−I−Mトランジスタ100の部分断面図である。M−I−M−I−Mトランジスタ100は金属及び絶縁体の単層が交互になったものを有しており、それらにはエミッタ電極110、ベース電極112、コレクタ電極114、エミッタ障壁116及びコレクタ障壁118が含まれる。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a typical MIMIM transistor 100. The MIMIM transistor 100 comprises alternating single layers of metal and insulator, including an emitter electrode 110, a base electrode 112, a collector electrode 114, an emitter barrier 116, and A collector barrier 118 is included.

他の研究者等も同様のトランジスタ構造について、エピタキシャル成長させた金属−絶縁体構造(非特許文献3参照)、III−V族半導体構造(非特許文献4及び5参照)や、強磁性金属(非特許文献6参照)及び絶縁体(非特許文献7参照)を用いた構造を利用して研究してきた。   Other investigators have also found similar transistor structures using epitaxially grown metal-insulator structures (see Non-Patent Document 3), III-V group semiconductor structures (see Non-Patent Documents 4 and 5), and ferromagnetic metals (non-Patent Document 3). Research has been conducted using a structure using an insulator (see Patent Document 6) and an insulator (see Non-Patent Document 7).

加えて、数多くの回路応用においては、相補的な対を具備し、一方のトランジスタが正のベース−エミッタ電圧でターンオンし、他方の相補型トランジスタが負のベース−エミッタ電圧でターンオンすることが有利である。このようにして、プッシュプル式の増幅器回路又はスイッチ回路が構築され得る。このようなデバイスの例には、比較的低い休止電力を用いる、シリコンCMOS又はバイポーラ・プッシュプル電力増幅器が含まれる。   In addition, in many circuit applications, it is advantageous to have complementary pairs, with one transistor turning on with a positive base-emitter voltage and the other complementary transistor turning on with a negative base-emitter voltage. It is. In this way, a push-pull type amplifier circuit or switch circuit can be constructed. Examples of such devices include silicon CMOS or bipolar push-pull power amplifiers that use relatively low quiescent power.

従来技術のホットホール・トランジスタ(非特許文献8参照)は先述のホットエレクトロン・トランジスタと同じM−I−M−I−Mを有している。デバイス動作もまた同様であるが、電子の代わりに正孔がデバイスの電荷キャリアであるという例外がある。しかしながら、従来技術のホットホール・トランジスタは従来技術のM−I−M−I−Mホットエレクトロン・トランジスタと同一の問題を共有するものである。
C.A.Mead、「Tunnel−Emission Amplifiers」、Proc.IRE、1960年、48巻、p.359 Mordehai Heiblum、「Tunneling Hot Electron Transistor Amplifiers(THETA):Amplifiers Operating Up to the Infrared」、Solid State Elec.、1981年、24巻、p.343 S.Muratake、M.Watanabe、T.Suemasu、M.Asada、「Transistor action of metal(CoSi2)/insulator(CaF2) hot electron transistor structure」Elec.Lett.、1992年、28巻、p.1002 M.Heiblum、M.I.Nathan、D.C.Thomas、C.M.Knoedler、「Direct Observation of Ballistic Transport in GaAs」、Phys.Rev.Lett.、1985年、55巻、p.2200 A.Seabaugh、Y−C.Kao、J.Rndall、W.Frensely、A.Khatibzadeh、「Room Temperature Hot Electron Transistors with InAs−Notched Resonant−Tunneling−Diode Injector」、Japanese Joumal of Appl.Phys.、1991年、30巻、p.921 D.Lacour、M.Hehn、F.Montaigne、H.Jakes、P.Rottlander、G.Rodaray、F.Ghuyen Van Dau、F.Petrol、A.Schuhl、「Hot−electron transport in 3−terminal devices based on magnetic tunnel junctions」、Europhysics Letters、2002年、60巻、p.896 S.Sugahara、M.Tanaka、「Spin−Filter Transistor」、Japanese Journal of Applied Physics、2004年、43巻、p.L838 M.Heiblum、K.Seo、H.P.Meier、T.W.Hickmott、「First Observation of Ballistic Holes in a p−Type THETA Device」、IEEE Trans. on Electron Devices、1988年、35巻、p.2428
A conventional hot hole transistor (see Non-Patent Document 8) has the same MIMIM as the hot electron transistor described above. Device operation is similar, with the exception that holes instead of electrons are charge carriers in the device. However, the prior art hot hole transistors share the same problems as the prior art MIMIM hot electron transistors.
C. A. Mead, “Tunnel-Emission Amplifiers”, Proc. IRE, 1960, 48, p. 359 Mordehai Heiblum, “Tunneling Hot Electron Amplifiers (THETA): Amplifiers Operating Up to the Infrared”, Solid State Elec. 1981, 24, p. 343 S. Murake, M.M. Watanabe, T.A. Suemasu, M .; Asada, “Transistor action of metal (CoSi2) / insulator (CaF2) hot electron transistor structure” Elec. Lett. 1992, 28, p. 1002 M.M. Heiblum, M.M. I. Nathan, D.C. C. Thomas, C.I. M.M. Knoedler, “Direct Observation of Ballistic Transport in GaAs”, Phys. Rev. Lett. 1985, 55, p. 2200 A. Seabaugh, YC. Kao, J .; Rndall, W.M. Frensery, A.M. Khatibzadeh, “Room Temperature Hot Electron Transistors with InAs-Notched Resonant-Tunneling-Diode Injector,” Japan Journal of Appl. Phys. 1991, 30, p. 921 D. Lacour, M.M. Hehn, F.M. Montaigne, H.M. Jakes, P .; Rottlander, G.M. Rodaray, F.M. Ghuyen Van Dau, F.A. Petrol, A.M. Schuhl, “Hot-electron transport in 3-terminal devices based on magnetic tunnel junctions”, Europhysics Letters, 2002, 60, p. 896 S. Sugahara, M .; Tanaka, “Spin-Filter Transistor”, Japan Journal of Applied Physics, 2004, 43, p. L838 M.M. Heiblum, K.M. Seo, H.C. P. Meier, T.W. W. Hickmot, “First Observation of Ballistic Holes in a Type THETA Device”, IEEE Trans. on Electron Devices, 1988, 35, p. 2428

本発明は、上述の現行技術が抱える問題を解決しながら性能向上された、高速な薄膜デバイスを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a high-speed thin film device whose performance is improved while solving the problems of the above-described current technology.

本発明の一態様に従った、少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたホットエレクトロン・トランジスタは、エミッタ電極、エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、入力信号の少なくとも一部がエミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより電子がエミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極、を有する。当該トランジスタはまた、エミッタ電極とベース電極との間に配置され、エミッタ電極とベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造を有する。第1のトンネル構造は、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び第1のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第2の絶縁体層を含む。当該トランジスタはさらに、ベース電極から隔てられたコレクタ電極、及びベース電極とコレクタ電極との間の第2のトンネル構造を有する。第2のトンネル構造は、エミッタ電極から放出された電子の少なくとも一部の、ベース電極とコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成され、それにより電子の一部はコレクタ電極で収集される。入力信号は、例えば、バイアス電圧、信号電圧又は電磁放射線を含み得る。   In accordance with one aspect of the present invention, a hot electron transistor adapted to receive at least one input signal is an emitter electrode, a base electrode separated from the emitter electrode, wherein at least a portion of the input signal is an emitter electrode. And the base electrode, whereby electrons are emitted from the emitter electrode toward the base electrode. The transistor also has a first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and configured to function as an electron transport layer between and to the emitter electrode and the base electrode. The first tunnel structure is disposed directly adjacent to at least the first amorphous insulator layer, and the first amorphous insulator layer, such that the transport of electrons at least partially includes transport by tunneling; And a second insulator layer configured to cooperate therewith. The transistor further includes a collector electrode separated from the base electrode and a second tunnel structure between the base electrode and the collector electrode. The second tunnel structure is configured to function as a transport layer by ballistic transport between at least part of the electrons emitted from the emitter electrode and between the base electrode and the collector electrode, whereby part of the electrons are Collected at the collector electrode. The input signal can include, for example, a bias voltage, a signal voltage, or electromagnetic radiation.

トランジスタに関する他の一態様においては、ベース電極及びコレクタ電極の少なくとも選択された1つは、少なくとも部分的に半金属で形成されている。あるいは、ベース電極及びコレクタ電極の選択された1つは、少なくとも部分的に金属シリサイド又は金属窒化物で形成されている。   In another aspect of the transistor, at least a selected one of the base electrode and the collector electrode is at least partially formed of a semimetal. Alternatively, a selected one of the base electrode and the collector electrode is at least partially formed of metal silicide or metal nitride.

さらに他の一態様においては、第2のトンネル構造は、ホットエレクトロン反射の第1の値を示すように構成され、且つ成形された障壁エネルギーバンド特性を有し、それによりホットエレクトロン反射の第1の値は、成形された障壁エネルギーバンド特性を有さない第2のトンネル構造により示されるであろうホットエレクトロン反射の第2の値より低くされている。より具体的には、成形された障壁エネルギーバンド特性は第2のトンネル構造の放物線状傾斜を含んでいる。   In yet another aspect, the second tunnel structure is configured to exhibit a first value of hot electron reflection and has a shaped barrier energy band characteristic, thereby providing a first hot electron reflection first value. Is lower than the second value of hot electron reflection that would be exhibited by a second tunnel structure having no shaped barrier energy band characteristics. More specifically, the shaped barrier energy band characteristic includes a parabolic slope of the second tunnel structure.

他の一態様においては、トランジスタは電子放出エネルギー幅の第1の値を示すように構成され、且つ第1のトンネル構造は成形された障壁エネルギーバンド特性を有し、それにより電子放出エネルギー幅の第1の値は、成形された障壁エネルギーバンド特性を有さないトランジスタにより示されるであろう電子放出エネルギー幅の第2の値より低くされている。   In another aspect, the transistor is configured to exhibit a first value of electron emission energy width, and the first tunnel structure has a shaped barrier energy band characteristic, thereby reducing the electron emission energy width. The first value is set lower than the second value of the electron emission energy width that would be exhibited by a transistor without shaped barrier energy band characteristics.

さらに他の一態様においては、エミッタ電極は所与のフェルミ準位を示すように構成され、且つ第1のトンネル構造は所与のフェルミ準位と2eV未満だけ異なる所与の伝導帯を示すように構成されている。   In yet another aspect, the emitter electrode is configured to exhibit a given Fermi level, and the first tunnel structure exhibits a given conduction band that differs from the given Fermi level by less than 2 eV. It is configured.

本発明の更なる一態様に従った、少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたホットホール・トランジスタは、エミッタ電極、エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、入力信号の少なくとも一部がエミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより正孔がエミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極、を有する。当該ホットホール・トランジスタはまた、エミッタ電極とベース電極との間に配置され、エミッタ電極とベース電極との間の且つそれらへの正孔輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造を有する。第1のトンネル構造は、正孔の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び第1のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第2の絶縁体層を含む。当該トランジスタはさらに、ベース電極から隔てられたコレクタ電極、及びベース電極とコレクタ電極との間に配置され、エミッタ電極から放出されたホットホールの少なくとも一部の、ベース電極とコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより正孔の一部がコレクタ電極で収集されるところの第2のトンネル構造を有する。入力信号は、例えば、バイアス電圧、信号電圧又は電磁放射線を含み得る。   According to a further aspect of the invention, a hot hole transistor adapted to receive at least one input signal is an emitter electrode, a base electrode separated from the emitter electrode, wherein at least a portion of the input signal is A base electrode provided between the emitter electrode and the base electrode, whereby holes are emitted from the emitter electrode toward the base electrode. The hot hole transistor is also disposed between the emitter electrode and the base electrode and is configured to function as a hole transport layer between and to the emitter electrode and the base electrode. Have The first tunnel structure is disposed directly adjacent to at least the first amorphous insulator layer and the first amorphous insulator layer such that hole transport at least partially includes tunneling transport. And a second insulator layer configured to cooperate therewith. The transistor is further disposed between the base electrode and the collector electrode, the collector electrode being spaced from the base electrode, and being disposed between the base electrode and the collector electrode, and at least a portion of the hot holes emitted from the emitter electrode. , A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport, thereby having a second tunnel structure in which part of the holes are collected by the collector electrode. The input signal can include, for example, a bias voltage, a signal voltage, or electromagnetic radiation.

本発明の他の一態様は、複数の層を含み、それら間に定められる複数の界面とそれら間を輸送される弾道電子とを具備するホットエレクトロン・トランジスタにおいて使用する方法である。複数の層は少なくとも第1層及び第2層を有し、第1層及び第2層は互いに隣接してそれらの間に第1の界面を定め、それにより弾道電子の少なくとも一部は第1の界面で反射される。少なくとも第1の界面での電子の反射を低減する方法は、第1の選定された波動関数を示すように第1層を構成する工程、及び第1の割合の弾道電子が第1の界面で反射されるよう、第2の選定された波動関数を示すように第2層を構成する工程を有する。第1の割合は、第2の選定された波動関数を示すように構成された第2層が存在しない場合に第1の界面で反射される弾道電子の第2の割合より小さい。   Another aspect of the invention is a method for use in a hot electron transistor comprising a plurality of layers, comprising a plurality of interfaces defined therebetween and ballistic electrons transported between them. The plurality of layers have at least a first layer and a second layer, the first layer and the second layer being adjacent to each other and defining a first interface therebetween, whereby at least some of the ballistic electrons are first Reflected at the interface. At least a method for reducing the reflection of electrons at the first interface includes the steps of configuring the first layer to exhibit a first selected wave function, and a first proportion of ballistic electrons at the first interface. Configuring the second layer to exhibit a second selected wave function to be reflected. The first rate is less than the second rate of ballistic electrons reflected at the first interface when there is no second layer configured to exhibit the second selected wave function.

本発明のさらに他の一態様は、少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたトランジスタであり、当該トランジスタは、エミッタ電極、エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、入力信号の少なくとも一部がエミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより電子がエミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極を有する。当該トランジスタはまた、エミッタ電極とベース電極との間に配置され、エミッタ電極とベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造を有する。当該トランジスタはさらに、ベース電極から隔てられたコレクタ電極、及びベース電極とコレクタ電極との間に配置され、エミッタ電極によって放出された電子の少なくとも一部の、ベース電極とコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより電子の一部がコレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造を有する。第2のトンネル構造は、ホットエレクトロン反射の第1の値を示すように構成されるとともに、選定された波動関数を示すように構成され、それによりホットエレクトロン反射の第1の値が、選定された波動関数を有さない第2のトンネル構造により示されるであろうホットエレクトロン反射の第2の値より低くされている。   Yet another aspect of the invention is a transistor adapted to receive at least one input signal, the transistor being an emitter electrode, a base electrode separated from the emitter electrode, and at least a portion of the input signal. Is provided between the emitter electrode and the base electrode so that electrons are emitted from the emitter electrode toward the base electrode. The transistor also has a first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and configured to function as an electron transport layer between and to the emitter electrode and the base electrode. The transistor is further disposed between the base electrode and the collector electrode, the collector electrode being spaced from the base electrode, and disposed between the base electrode and the collector electrode, and at least some of the electrons emitted by the emitter electrode. A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport, thereby having a second tunnel structure in which a part of electrons can be collected by the collector electrode. The second tunnel structure is configured to exhibit a first value of hot electron reflection and configured to exhibit a selected wave function, whereby a first value of hot electron reflection is selected. Lower than the second value of hot electron reflection that would be exhibited by a second tunnel structure having no wave function.

本発明のさらに他の一態様は、少なくとも1つの入力信号を受けるように適応された線形増幅器である。当該線形増幅器はホットエレクトロン・トランジスタを有し、そのホットエレクトロン・トランジスタは、第1のエミッタ電極、及び第1のエミッタ電極から隔てられた第1のベース電極であり、入力信号の少なくとも第1の部分が第1のエミッタ電極と該第1のベース電極との間に与えられ、それにより電子が第1のエミッタ電極から該第1のベース電極に向けて放出されるところの第1のベース電極を有する。ホットエレクトロン・トランジスタはまた、第1のエミッタ電極と第1のベース電極との間に配置され、第1のエミッタ電極と第1のベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造を有する。第1のトンネル構造は、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び第1のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第2の絶縁体層を含む。ホットエレクトロン・トランジスタはさらに、第1のベース電極から隔てられた第1のコレクタ電極、及び第1のベース電極と第1のコレクタ電極との間に配置され、第1のエミッタ電極から放出された電子の少なくとも一部の、第1のベース電極と第1のコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより電子の一部が第1のコレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造を有する。当該線形増幅器はまたホットホール・トランジスタを有し、そのホットホール・トランジスタは、第2のエミッタ電極、及び第2のエミッタ電極から隔てられた第2のベース電極であり、入力信号の少なくとも第2の部分が第2のエミッタ電極と該第2のベース電極との間に与えられ、それにより正孔が第2のエミッタ電極から該第2のベース電極に向けて放出されるところの第2のベース電極を有する。ホットホール・トランジスタはまた、第2のエミッタ電極と第2のベース電極との間に配置され、第2のエミッタ電極と第2のベース電極との間の且つそれらへの正孔輸送層として機能するように構成された第3のトンネル構造を有する。第3のトンネル構造は、正孔の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第3のアモルファス絶縁体層、及び第3のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第4の絶縁体層を含む。ホットホール・トランジスタはさらに、第2のベース電極から隔てられた第2のコレクタ電極、及び第2のベース電極と第2のコレクタ電極との間に配置され、第2のエミッタ電極から放出されたホットホールの少なくとも一部の、第2のベース電極と第2のコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第4のトンネル構造であり、それにより正孔の一部が第2のコレクタ電極で収集可能にされるところの第4のトンネル構造を有する。当該線形増幅器においては、ホットエレクトロン・トランジスタ及びホットホール・トランジスタはプッシュプル増幅器構成で構成されている。   Yet another aspect of the invention is a linear amplifier adapted to receive at least one input signal. The linear amplifier includes a hot electron transistor, the hot electron transistor being a first emitter electrode and a first base electrode separated from the first emitter electrode, and at least a first of the input signal. A first base electrode, wherein a portion is provided between the first emitter electrode and the first base electrode, whereby electrons are emitted from the first emitter electrode toward the first base electrode; Have The hot electron transistor is also disposed between the first emitter electrode and the first base electrode and functions as an electron transport layer between and to the first emitter electrode and the first base electrode. A first tunnel structure configured as described above. The first tunnel structure is disposed directly adjacent to at least the first amorphous insulator layer and the first amorphous insulator layer such that the transport of electrons at least partially includes transport by tunneling; And a second insulator layer configured to cooperate therewith. The hot electron transistor is further disposed between the first collector electrode separated from the first base electrode and between the first base electrode and the first collector electrode and emitted from the first emitter electrode. A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport between at least a portion of the electrons between the first base electrode and the first collector electrode, whereby a portion of the electrons Has a second tunnel structure that can be collected by the first collector electrode. The linear amplifier also includes a hot hole transistor, the hot hole transistor being a second emitter electrode and a second base electrode separated from the second emitter electrode, and at least a second of the input signal. Is provided between the second emitter electrode and the second base electrode, whereby holes are emitted from the second emitter electrode toward the second base electrode. It has a base electrode. The hot hole transistor is also disposed between the second emitter electrode and the second base electrode and functions as a hole transport layer between and to the second emitter electrode and the second base electrode. A third tunnel structure configured to do so. The third tunnel structure is disposed directly adjacent to at least the third amorphous insulator layer and the third amorphous insulator layer so that hole transport at least partially includes tunneling transport. And a fourth insulator layer configured to cooperate therewith. The hot hole transistor is further disposed between the second collector electrode separated from the second base electrode, and between the second base electrode and the second collector electrode, and emitted from the second emitter electrode. A fourth tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport between the second base electrode and the second collector electrode of at least a part of the hot holes, whereby It has a fourth tunnel structure, part of which can be collected by the second collector electrode. In the linear amplifier, the hot electron transistor and the hot hole transistor are configured in a push-pull amplifier configuration.

図面を参照しながら本発明について説明する。なお、図面においては明りょう化のため、ある一定の要素は縮尺通りに描かれていない。また、種々の図面に用いられる垂直、水平などといった記載上の用語は単に説明のためのものであり、説明される構造やデバイスの実用的な向きを限定することを意図するものではない。   The present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, certain elements are not drawn to scale for clarity. Also, descriptive terms such as vertical and horizontal used in the various drawings are for illustrative purposes only and are not intended to limit the practical orientation of the structures and devices described.

以下の記載は、当該技術分野における通常の知識を有する者による本発明の実施を可能とし、特許出願とその要件の内容で提供されるものである。記載の実施形態への様々な変更が当業者に明らかとなるものであり、ここに記載の包括的な原理は他の実施形態に適用され得るものである。故に、本発明は示される実施形態に限定されるものではなく、原理とここに記載される特徴とに一致する最も広い範囲が認められるべきものである。   The following description is provided in the context of a patent application and its requirements that enable one of ordinary skill in the art to practice the invention. Various modifications to the described embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the generic principles described herein may be applied to other embodiments. Thus, the present invention is not limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and features described herein.

M−I−M−I−M薄膜トランジスタ構造は1960年頃から検討されてきたが、商業的に有用なデバイスは今日まで誰によっても実証されて来なかった。材料の処理と理解、デバイス製造、及びデバイスのモデル化技術の状況における最近の進展は、適切に制御されたM−I−M−I−M薄膜トランジスタの実現とその動作の理解の可能性に関して良い方向に寄与するものである。さらに、本発明の出願人によって生み出された革新は、以下で詳細に説明されるように、従来のM−I−M−I−M薄膜トランジスタの更なる進展を可能にするものである。   Although MIMIM thin film transistor structures have been studied since around 1960, no commercially useful devices have been demonstrated by anyone to date. Recent developments in the status of material processing and understanding, device manufacturing, and device modeling techniques are good for the realization of well-controlled MIMIM thin film transistors and the understanding of their operation. It contributes to the direction. In addition, the innovation created by the applicant of the present invention allows further development of conventional MIMIM thin film transistors, as will be described in detail below.

トンネル・ホットエレクトロン・トランジスタの改善について説明する。   The improvement of the tunnel hot electron transistor will be described.

この開示において、薄膜ホットエレクトロン・トランジスタ構造への主要な革新について説明するが、これは本発明に係るデバイスを従来の不成功のデバイスから区別し、本発明に係るデバイスを実現可能な薄膜トランジスタにするものである。加えて、幾つかの実行可能な促進技術について説明する。   In this disclosure, a major innovation to the thin film hot electron transistor structure is described, which distinguishes the device according to the present invention from conventional unsuccessful devices and makes the device according to the present invention a feasible thin film transistor. Is. In addition, some possible facilitating techniques are described.

薄膜金属−絶縁体構造に二重絶縁体(すなわち、I−I)構造を利用することは、例えば米国特許第6534784号明細書(以下、784特許と称する)にて詳細に説明されている。なお、この特許は本出願人に譲渡されたものであり、参照することによりここに組み込まれる。エミッタ障壁にI−I構成を含めることにより少なくとも2つの問題が解決される。第1に、I−I構造は単一の絶縁体トンネル接合より有意に大きい非線形性を有するトンネル接合が得られ、その結果、より低い直流バイアス(高効率且つ低ノイズ性)で、より高い微分導電率(高速性)が得られる。加えて、絶縁体−絶縁体界面での電荷の蓄積が回避される場合、2つの絶縁体層を用いることによりエミッタ−ベース容量も低減され得る。第2に、ベースに放出されるホットエレクトロンのエネルギー分布は、単一絶縁体トンネル接合によるそれより遙かに狭くなり、それにより電流利得が増大される結果となる。   The use of a double insulator (ie, I-I) structure for a thin film metal-insulator structure is described in detail, for example, in US Pat. No. 6,534,784 (hereinafter referred to as the 784 patent). This patent is assigned to the present applicant and is incorporated herein by reference. Inclusion of an I-I configuration in the emitter barrier solves at least two problems. First, the I-I structure results in a tunnel junction having significantly greater nonlinearity than a single insulator tunnel junction, resulting in higher differentials with lower DC bias (high efficiency and low noise). Electrical conductivity (high speed) can be obtained. In addition, if charge accumulation at the insulator-insulator interface is avoided, the emitter-base capacitance can also be reduced by using two insulator layers. Second, the energy distribution of hot electrons emitted to the base is much narrower than that due to a single insulator tunnel junction, resulting in increased current gain.

米国特許第6563185号明細書(以下、185特許と称する)には、図1のM−I−M−I−MトランジスタのI層の一方又は双方として多層(multilayer)トンネル構造を含んだ構造を具備する接合トランジスタが開示されている。なお、この特許は本出願人に譲渡されたものであり、参照することによりここに組み込まれる。すなわち、接合トランジスタの場合、エミッタ障壁116及び/又はコレクタ障壁118が多層トンネル構造を含んでいる。当業者に知られているように、接合トランジスタはトランジスタの動作点と出力を駆動する電力とを設定するために、外部のバイアス源(図示せず)からのバイアス電圧又はバイアス電流を使用する。これらの外部バイアス源は、例えば、コモンエミッタ構成ではベース−エミッタ接合の電位及び/又はコレクタ−エミッタ接合の電位として電圧を印加するように構成される。例えば、バイアス源はエミッタ及びベース電極間に電圧を印加して、エミッタ障壁116内の電位、ひいては、エミッタ電極110からベース電極112への電子のトンネル確率を制御するために用いられてもよい。いったん放出されると、電子はエミッタ障壁116、ベース電極112、コレクタ障壁118をトンネルし、最終的に所与の収集効率でコレクタ電極114へとトンネルする。収集効率はベース電極112を妨げられずにトンネルする電子の割合の関数である。トンネル確率はベースへの印加電圧と他の材料特性とによって決定される。   US Pat. No. 6,563,185 (hereinafter referred to as the 185 patent) includes a structure including a multi-layer tunnel structure as one or both of the I layers of the MIMIM transistor of FIG. A junction transistor is disclosed. This patent is assigned to the present applicant and is incorporated herein by reference. That is, in the case of a junction transistor, the emitter barrier 116 and / or the collector barrier 118 includes a multilayer tunnel structure. As known to those skilled in the art, a junction transistor uses a bias voltage or bias current from an external bias source (not shown) to set the operating point of the transistor and the power driving the output. These external bias sources are configured, for example, to apply a voltage as a base-emitter junction potential and / or a collector-emitter junction potential in a common emitter configuration. For example, the bias source may be used to apply a voltage between the emitter and base electrode to control the potential in the emitter barrier 116 and thus the tunneling probability of electrons from the emitter electrode 110 to the base electrode 112. Once emitted, the electrons tunnel through the emitter barrier 116, base electrode 112, collector barrier 118, and eventually to the collector electrode 114 with a given collection efficiency. Collection efficiency is a function of the percentage of electrons that tunnel unimpeded through the base electrode 112. The tunnel probability is determined by the voltage applied to the base and other material properties.

図2は、エミッタ障壁に二重絶縁体構造を含むこのような接合トランジスタの一例を示している。このN−I−I−N−I−N(一般に、Nは非絶縁体層、Iは絶縁体層)トランジスタは従来のM−I−M−I−Mトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタ構造を改良したものであり、
そのエネルギーバンド図が図2に示されている。N−I−I−N−I−Nトランジスタにおいては、エミッタトンネル接合がホットエレクトロンをベースに注入する。電子は弾道輸送(ballistic transport)によって薄い金属ベースを走行する。弾道輸送は散乱に支配されない速度を有する(例えば、電子の)動きであると理解され、その速度は平衡熱運動速度より大きい。それに対し、共鳴トンネルは準定常エネルギーレベルを介しての電子の動きである。
FIG. 2 shows an example of such a junction transistor including a double insulator structure in the emitter barrier. This N-I-I-N-N (generally N is a non-insulator layer, I is an insulator layer) transistor is an improvement over the conventional MIMIM tunnel hot electron transistor structure. And
The energy band diagram is shown in FIG. In the N-I-I-N-I-N transistor, the emitter tunnel junction injects hot electrons into the base. The electrons travel through a thin metal base by ballistic transport. Ballistic transport is understood to be movement (eg, of electrons) with a speed that is not subject to scattering, which is greater than the equilibrium thermal motion speed. In contrast, resonant tunneling is the movement of electrons through a quasi-stationary energy level.

注入された電子がコレクタ障壁を乗り越えるに十分なエネルギーを有する場合、それらの電子は弾道経路を進んでコレクタ金属に到達する。他方、ベース−エミッタ電位を制御するベース内の比較的冷たい(cold)電子はコレクタ障壁を乗り越えるに十分なエネルギーを有していない。トランジスタの電流利得は、エミッタからコレクタへのホットエレクトロン電流のベース電流に対する比によって決定される。先出の185特許及び784特許に開示されているように、N層は例えば、これらには限られないが、金属、半金属(semi−metal)、金属シリサイド及び金属窒化物などの多様な材料で形成されてもよい。   If the injected electrons have sufficient energy to overcome the collector barrier, they will travel through the ballistic path and reach the collector metal. On the other hand, the relatively cold electrons in the base that control the base-emitter potential do not have enough energy to overcome the collector barrier. The current gain of the transistor is determined by the ratio of the hot electron current from the emitter to the collector to the base current. As disclosed in the previous 185 and 784 patents, the N layer can be a variety of materials such as, but not limited to, metals, semi-metals, metal silicides and metal nitrides. May be formed.

引き続き図2を参照するに、N−I−I−N−I−Nホットエレクトロン・トランジスタ構造に対応するエネルギーバンド図200が例示されている。エネルギーバンド図200はx軸202(薄膜積層体の厚さtを表している)及びy軸204(エネルギーEを表している)を有している。N−I−I−N−I−Nホットエレクトロン・トランジスタ構造のエネルギーバンド図200の各種部分は、エミッタ電極210、ベース電極212、コレクタ電極214、エミッタ障壁構造216及びコレクタ障壁構造218に対応している。エミッタ障壁構造216は第1の絶縁体層216A及び第2の絶縁体層216Bを含んでいる。すなわち、エミッタ電極210、ベース電極212及びコレクタ電極214はN−I−I−N−I−Nホットエレクトロン・トランジスタ構造の“N”層に対応し、エミッタ障壁構造216の第1の絶縁体層216A及び第2の絶縁体層216B並びにコレクタ障壁構造218はN−I−I−N−I−Nホットエレクトロン・トランジスタ構造の“I”層に対応している。エミッタ電極210とベース電極212との間に印加されるバイアス電圧(図示せず)は、エミッタ電極210からの弾道電子220を生じさせる。弾道電子220の電子エネルギー分布221は矢印で表されたエネルギー準位222付近を中心とするピークを有する曲線によって表されている。エネルギーバンド図200によって表されたトランジスタ構造に二重絶縁体構造(すなわち、第1の絶縁体層216A及び第2の絶縁体層216B)を使用することにより、例えば、電子エネルギー分布221の狭ピーク幅化がもたらされ、それによってトランジスタの効率が向上される。   With continued reference to FIG. 2, an energy band diagram 200 corresponding to the NI-IN-IN hot-electron transistor structure is illustrated. The energy band diagram 200 has an x-axis 202 (representing the thickness t of the thin film stack) and a y-axis 204 (representing energy E). The various parts of the energy band diagram 200 of the NI-IN-IN-N hot electron transistor structure correspond to the emitter electrode 210, the base electrode 212, the collector electrode 214, the emitter barrier structure 216, and the collector barrier structure 218. ing. The emitter barrier structure 216 includes a first insulator layer 216A and a second insulator layer 216B. That is, the emitter electrode 210, the base electrode 212, and the collector electrode 214 correspond to the “N” layer of the NI-INN-IN hot electron transistor structure, and the first insulator layer of the emitter barrier structure 216. 216A and second insulator layer 216B and collector barrier structure 218 correspond to the "I" layer of the NI-IN-IN hot electron transistor structure. A bias voltage (not shown) applied between the emitter electrode 210 and the base electrode 212 generates ballistic electrons 220 from the emitter electrode 210. The electron energy distribution 221 of the ballistic electrons 220 is represented by a curve having a peak centered around the energy level 222 represented by an arrow. By using a double insulator structure (ie, first insulator layer 216A and second insulator layer 216B) in the transistor structure represented by energy band diagram 200, for example, a narrow peak in electron energy distribution 221 is achieved. A width is provided, thereby improving the efficiency of the transistor.

さらに、ベース電極及びコレクタ電極の一方又は双方を形成するために、半金属材料、金属シリサイド又は金属窒化物が使用されてもよい。例えばコバルトシリサイド(CoSi)やタングステンシリサイド(WSi)等の金属シリサイドは、導電率及びキャリア濃度が金属と半導体のそれらの間にあるという点で半金属性である。半金属は高い導電率と高い電流利得との間でトレードオフを示す。 Further, semi-metallic materials, metal silicides or metal nitrides may be used to form one or both of the base electrode and the collector electrode. For example, metal silicides such as cobalt silicide (CoSi 2 ) and tungsten silicide (WSi 2 ) are semi-metallic in that conductivity and carrier concentration are between those of metal and semiconductor. Semimetals exhibit a trade-off between high conductivity and high current gain.

薄膜トランジスタの特性を改善する助けとなり得るもう1つの重要なことは、エミッタ障壁及びコレクタ障壁の一方又は双方の成形である。障壁は、トランジスタ素子を走行する電子が成形されたエネルギーバンドに遭遇するように、片側又は両側で薄膜の電子的特性の傾斜を制御することによって成形され得る。例えば、障壁を形成する際に組成、電子親和力、電荷中性準位、電子質量や誘電率などの因子を変えることによって、障壁の成形は実現されてもよい。曲線的なコレクタ障壁は、例えば、電極と障壁との界面でのホットエレクトロンの反射を抑制する。また、成形されたエミッタ障壁により、エミッタ電極からベース電極へ向けての電子放出の狭幅化がもたらされる。   Another important thing that can help improve the properties of thin film transistors is the shaping of one or both of the emitter and collector barriers. The barrier can be shaped by controlling the slope of the electronic properties of the thin film on one or both sides so that electrons traveling through the transistor element encounter a shaped energy band. For example, the formation of the barrier may be realized by changing factors such as composition, electron affinity, charge neutral level, electron mass and dielectric constant when forming the barrier. The curved collector barrier suppresses hot electron reflection at the interface between the electrode and the barrier, for example. The shaped emitter barrier also provides a narrower emission of electrons from the emitter electrode to the base electrode.

薄膜トランジスタへの更にもう1つの改良は、エミッタ障壁及びコレクタ障壁の一方又は双方に低い障壁を使用することである。低い障壁を使用することにより、従来の薄膜トランジスタで使用される高い障壁の場合とは対照的に、高い導電率(高速性)とホットエレクトロンの低い散乱率(高利得)との双方が得られる。   Yet another improvement to thin film transistors is to use a low barrier for one or both of the emitter and collector barriers. By using a low barrier, both high conductivity (high speed) and low scattering of hot electrons (high gain) are obtained, as opposed to the high barrier used in conventional thin film transistors.

本発明に係るN−I−I−N−I−Nトランジスタには従来技術に対して様々な利点が存在する。N−I−I−N−I−Nトランジスタは半導体及びエピタキシーの使用なしでも形成され得る薄膜デバイスである。例えば、N−I−I−N−I−Nトランジスタは多様な基板上に形成され得るように、完全に金属と絶縁体とで(すなわち、M−I−I−M−I−M構造として)形成されてもよい。N−I−I−N−I−Nトランジスタの堆積及び処理の温度は、例えばフレキシブル高分子基板などの、高温処理に耐えられない基板に適合するように低くされる。また、N−I−I−N−I−Nは高速デバイスであり、その遮断(cut−off)周波数(f)はテラヘルツ領域まで伸び得る。 The NI-IN-IN transistor according to the present invention has various advantages over the prior art. N-I-I-N-N transistors are thin film devices that can be formed without the use of semiconductors and epitaxy. For example, N-I-I-N-I-N transistors can be formed entirely on metal and insulators (ie, as M-I-I-M-I-M structures so that they can be formed on a variety of substrates. ) May be formed. The temperature of the deposition and processing of N-I-IN-IN transistors is lowered to be compatible with a substrate that cannot withstand high temperature processing, such as a flexible polymer substrate. N-I-I-N-N is a high-speed device, and its cut-off frequency (f T ) can extend to the terahertz region.

図4A及び4Bは、本発明に係るN−I−I−N−I−Nトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタ構造を示している。図4Aは本発明に係る改良されたN−I−I−N−I−Nトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタに対応するエネルギーバンド図400を示している。エネルギーバンド図400はエミッタ電極410、ベース電極412、コレクタ電極構造414、エミッタ障壁構造416及びコレクタ障壁構造418のエネルギーバンド準位を含んでいる。エミッタ障壁構造は第1の絶縁体層416A及び第2の絶縁体層416Bを含む二重絶縁体構造を有している。ベース電極412は金属シリサイドで形成されている。さらに、コレクタ電極構造414は金属シリサイド層414A及び金属層414Bを含んでいる。図4Bは、エネルギーバンド図に対応するN−I−I−N−I−Nトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタ450(及び等価回路図)の部分立面図を示している。   4A and 4B show a NI-INN-IN tunnel hot electron transistor structure according to the present invention. FIG. 4A shows an energy band diagram 400 corresponding to an improved NINN INN tunnel hot electron transistor according to the present invention. The energy band diagram 400 includes the energy band levels of the emitter electrode 410, the base electrode 412, the collector electrode structure 414, the emitter barrier structure 416 and the collector barrier structure 418. The emitter barrier structure has a double insulator structure including a first insulator layer 416A and a second insulator layer 416B. The base electrode 412 is made of metal silicide. Further, the collector electrode structure 414 includes a metal silicide layer 414A and a metal layer 414B. FIG. 4B shows a partial elevation view of the NI-IN-IN tunnel hot electron transistor 450 (and equivalent circuit diagram) corresponding to the energy band diagram.

図4Aのエネルギーバンド図400及び図4Bの立面図で表されるN−I−I−N−I−Nトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタは、本発明によって提供される従来技術に対する様々な改善を具体化するものである。このN−I−I−N−I−Nトランジスタに含まれる改善には様々な要因が寄与している。   The NI-INNN tunnel hot electron transistor represented by the energy band diagram 400 of FIG. 4A and the elevation view of FIG. 4B provides various improvements over the prior art provided by the present invention. It is to be embodied. Various factors contribute to the improvement included in the N-I-I-N-I-N transistor.

半導体トランジスタと比較して、図4Bのトランジスタ構造の応答性は以下に起因して高速である:1)膜と活性接合領域とが薄いことによりキャリア輸送時間が短い;2)デバイスまでとデバイス内とに金属性あるいは半金属性の導電層を使用することにより、特に、薄いベース層内の、また特に数百ギガヘルツを超える周波数で、直列抵抗が低減される;3)高い微分導電率のN−I−I−Nエミッタ構造を用いることにより、低いエミッタ抵抗と高いトランスインピーダンス利得がもたらされる;及び4)低誘電率の基板材料を用いることにより基板の寄生容量が低減される。N−I−I−N−I−Nトランジスタに含まれる膜が薄いため、エミッタ障壁を通過するトンネル時間は1フェムト秒程度である。さらに、ベース電極412(およそ10nm厚さ)とコレクタ障壁構造418(およそ8nm厚さ)とを横切るホットエレクトロンの弾道輸送は、0.1ピコ秒程度又はそれ未満である。図4A及び4Bに示されるトランジスタにおいては、高い導電率の金属リード線が接合までの全長にわたって延在しており、それによって半導体デバイスと比較すると寄生抵抗が大幅に低減されるとともに、高い最大発振周波数(fmax)がもたらされる。また、ある特定材料の高周波での導電率はその材料のプラズマ周波数によって制限されることが知られている。半導体のプラズマ周波数は最大で1THz程度であるが金属のプラズマ周波数は紫外線領域にあり、その結果、N−I−I−N−I−Nトランジスタの電極層の高周波導電率は半導体デバイスのそれより遙かに高いものとなる。加えて、エミッタ障壁に二重絶縁体構造を用いることにより比較的低い直流バイアス電流での高トランスコンダクタンス利得のための高い微分導電率が可能となり、それによって高い遮断周波数fが得られる(二重絶縁体構造の詳細は、例えば先出の784特許にて開示されている)。さらに、一般に用いられている半導体基板は高誘電率を示すことが知られているが、N−I−I−N−I−Nトランジスタは多様な基板と相性が良いので、N−I−I−N−I−Nトランジスタは低誘電率の基板上に製造されることができ、故に、寄生容量が最小化される。 Compared to a semiconductor transistor, the responsiveness of the transistor structure of FIG. 4B is faster due to: 1) shorter carrier transport time due to thin film and active junction region; 2) up to and within the device The use of a metallic or semi-metallic conductive layer, in particular, reduces the series resistance in the thin base layer and especially at frequencies above several hundred gigahertz; 3) high differential conductivity N Using an -I-I-N emitter structure results in low emitter resistance and high transimpedance gain; and 4) using low dielectric constant substrate material reduces substrate parasitic capacitance. Since the film included in the N-I-I-N-I-N transistor is thin, the tunnel time passing through the emitter barrier is about 1 femtosecond. Furthermore, ballistic transport of hot electrons across the base electrode 412 (approximately 10 nm thick) and the collector barrier structure 418 (approximately 8 nm thick) is on the order of 0.1 picosecond or less. In the transistors shown in FIGS. 4A and 4B, a high conductivity metal lead extends all the way to the junction, thereby significantly reducing parasitic resistance and high maximum oscillation compared to semiconductor devices. A frequency (f max ) is provided. Further, it is known that the electrical conductivity at a high frequency of a specific material is limited by the plasma frequency of the material. The plasma frequency of the semiconductor is about 1 THz at the maximum, but the plasma frequency of the metal is in the ultraviolet region. As a result, the high-frequency conductivity of the electrode layer of the NI-INN transistor is higher than that of the semiconductor device. It will be much higher. In addition, the use of a double insulator structure for the emitter barrier allows a high differential conductivity for a high transconductance gain at a relatively low DC bias current, thereby obtaining a high cutoff frequency f T (2 Details of the heavy insulator structure are disclosed, for example, in the aforementioned 784 patent). Further, it is known that a generally used semiconductor substrate exhibits a high dielectric constant. However, since N-I-N-I-N transistors are compatible with various substrates, N-I-I -N-I-N transistors can be fabricated on low dielectric constant substrates, thus minimizing parasitic capacitance.

従来のM−I−M−I−M及びその他のホットエレクトロン・トランジスタと比較して、図4Aのトランジスタは電流利得性能に幾つかの改善を組み入れている。第1に、エネルギーバンド図400のコレクタ障壁部分が有する成形された特徴は、ベース電極−コレクタ障壁−コレクタ電極構造の界面での電子の反射を低減する助けとなる。加えて、半金属性のベース及びコレクタ層(金属シリサイド層として図4Aに標示されている)はまた、通常の金属層と比較してこれらの界面での電子の反射を低減する。第2に、M−I−I−Mトンネルエミッタは単純なM−I−Mエミッタ構造より高い微分導電率と放出される電子の狭いエネルギー広がりとを示す。第3に、金属のフェルミエネルギー準位と絶縁体の伝導帯エッジとの間の低い障壁高さは、電子の反射と弾性電子散乱とを低減する。上述の改善要因の詳細についてはこの後すぐに説明する。   Compared to conventional MIMIM and other hot electron transistors, the transistor of FIG. 4A incorporates several improvements in current gain performance. First, the shaped features of the collector barrier portion of the energy band diagram 400 help reduce the reflection of electrons at the base electrode-collector barrier-collector electrode structure interface. In addition, the semi-metallic base and collector layers (labeled in FIG. 4A as metal silicide layers) also reduce the reflection of electrons at these interfaces compared to normal metal layers. Second, the M-I-I-M tunnel emitter exhibits a higher differential conductivity and a narrow energy spread of the emitted electrons than a simple M-I-M emitter structure. Third, the low barrier height between the Fermi energy level of the metal and the conduction band edge of the insulator reduces electron reflection and elastic electron scattering. The details of the above-mentioned improvement factors will be described soon.

改善された薄膜トランジスタの開発は本出願人による或る重要な認識に導かれている。具体的には、本出願人は非絶縁体層と絶縁体層との結合に基づく薄膜トランジスタにおける利得制限過程の物理、並びにこれらの利得制限機構を克服する方策について認識し、完全に分析するに至った。認識されたのは、ホットエレクトロン・トランジスタの電流利得は以下の4つの機構:すなわち、1)ベース電極でのホットエレクトロン散乱;2)ベース−コレクタリーク電流;3)注入されたホットエレクトロンのエネルギー分布広がり;及び4)電極−障壁界面での量子力学的反射;によって制限されることである。   The development of improved thin film transistors has led to some important recognition by the applicant. Specifically, the Applicant has recognized and fully analyzed the physics of gain limiting processes in thin film transistors based on the combination of non-insulator and insulator layers, and strategies to overcome these gain limiting mechanisms. It was. It has been recognized that the current gain of hot electron transistors has the following four mechanisms: 1) hot electron scattering at the base electrode; 2) base-collector leakage current; 3) energy distribution of injected hot electrons. And 4) quantum mechanical reflection at the electrode-barrier interface.

これら4つの機構の各々について図5と図2と参照しながら説明する。図5は、図2に示されたN−I−I−N−I−Nホットエレクトロン・トランジスタのエネルギーバンド図200の構成要素を、先述の4つの利得制限機構とともに含んでいる。図5に示される利得制限機構は、ベースにおけるホットエレクトロン散乱効果505(下向きの矢印と囲み数字の1とで表されている)、ベース−コレクタリーク電流510(水平の矢印と囲み数字の2とで表されている)、注入されたホットエレクトロンのエネルギー分布広がり520(電子エネルギー分布曲線221のそれぞれの側の矢印の対と囲み数字の3とで表されている)、及び電極−障壁界面での量子力学的反射(曲線の矢印と囲み数字の4とで表されている)を含んでいる。   Each of these four mechanisms will be described with reference to FIGS. FIG. 5 includes the components of the energy band diagram 200 of the NI-IN-IN hot-transistor transistor shown in FIG. 2 along with the four gain limiting mechanisms described above. The gain limiting mechanism shown in FIG. 5 includes a hot electron scattering effect 505 at the base (represented by a downward arrow and a box number 1), a base-collector leakage current 510 (a horizontal arrow and a box number 2). At the electrode-barrier interface, and the energy distribution spread 520 of the injected hot electrons (represented by the arrow pair on each side of the electron energy distribution curve 221 and the box number 3). Quantum mechanical reflections (represented by curved arrows and box number 4).

ベース電極でのホットエレクトロン散乱505は電子−電子相互作用及び電子−フォノン相互作用による弾性散乱である。このような弾性散乱はコレクタ障壁を乗り越えるに十分なエネルギーを有するホットエレクトロンの数を減少させる。既知の通り、散乱確率はフェルミ準位を超える電子エネルギーの増加に伴って急激に増大する。   Hot electron scattering 505 at the base electrode is elastic scattering due to electron-electron interaction and electron-phonon interaction. Such elastic scattering reduces the number of hot electrons that have sufficient energy to overcome the collector barrier. As is known, the scattering probability increases rapidly with increasing electron energy above the Fermi level.

このホットエレクトロン散乱の問題は、例えばニオブ(Nb)−五酸化ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)−酸化チタン(TiO)及びTa−酸化タンタル(Ta)等の低いトンネル障壁(例えば、2eV未満)を用いることと、例えば金属シリサイド等の半金属性ベース電極を用いることとによって解決され得る。従来のM−I−M−I−M構造は例えば酸化アルミ(Nb)等の高い障壁の酸化物を使用しており、完全に冷やされない限り、電流利得を大幅に制限していた。注入されたホットエレクトロンが散乱されずに弾道的にベース電極を横断する確率はベース輸送係数αで与えられる: This hot electron scattering problem is caused by low tunnels such as niobium (Nb) -niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), tantalum (Ta) -titanium oxide (TiO 2 ), and Ta-tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). This can be solved by using a barrier (eg, less than 2 eV) and using a semi-metallic base electrode such as a metal silicide. The conventional MIMIM structure uses a high barrier oxide such as aluminum oxide (Nb 2 O 5 ), for example, which significantly limited the current gain unless completely cooled. . The probability that injected hot electrons traverse the base electrode ballistically without being scattered is given by the base transport coefficient α B :

Figure 2007535178

ここで、xはベース電極の厚さ、Lはベース電極を形成する材料における平均自由工程(単位はnm/eV)であり、そしてVはフェルミ準位より高いホットエレクトロン・エネルギーである。金属におけるLの典型値は20nm/eV程度である。故に、例えば、10nmのベース電極を横断する0.3eVのホットエレクトロンは、およそα〜0.14のベース輸送係数を有することになる。本出願人は半金属におけるホットエレクトロン散乱長に関する如何なる公表データも認識していないが、半金属における自由電子濃度(およそ1022cm−3)は金属と比較して低いため、半金属の散乱長は従来の金属におけるそれよりも長いものであると考えられる。半金属における電子−フォノン散乱率及び欠陥散乱率は検討されておらず、先述の効果は更なる実験的検討により定量化されるべきである。
Figure 2007535178

Where x B is the thickness of the base electrode, L B is the mean free path in the material forming the base electrode (unit is nm / eV 2 ), and V e is the hot electron energy higher than the Fermi level. is there. Typical values of L B in the metal is about 20 nm / eV 2. Thus, for example, a 0.3 eV hot electron traversing a 10 nm base electrode will have a base transport coefficient of approximately [alpha] B to 0.14. Although the Applicant is not aware of any published data on hot electron scattering lengths in metalloids, the free metal concentration in metalloids (approximately 10 22 cm −3 ) is low compared to metals, so that Is considered to be longer than that of conventional metals. The electron-phonon scattering rate and defect scattering rate in semimetals have not been studied, and the effects described above should be quantified by further experimental investigation.

第2の、ベース−コレクタリーク電流510(又は暗電流)の問題は、コレクタ障壁のエネルギーバンド高さが低すぎる場合に、ベース電極内のコールドエレクトロンがコレクタ障壁を介してコレクタ電極にトンネルする場合があり、またその逆も然りであるという事実に起因している。この異質のトンネル電流はベース−コレクタリーク電流を構成し、トランジスタの電流利得を低下させる。   The second, base-collector leakage current 510 (or dark current) problem is when cold electrons in the base electrode tunnel through the collector barrier to the collector electrode if the collector barrier energy band height is too low. This is due to the fact that there is, and vice versa. This extraneous tunnel current constitutes a base-collector leakage current and reduces the current gain of the transistor.

ベース−コレクタリーク電流の問題は、コレクタ障壁のエネルギーバンドの高さ、幅及び形状を適切に選定することによって解決され得る。コレクタ障壁のエネルギーバンド高さの選定は、ホットエレクトロン散乱の低減(低い障壁高さを要する)とベース−コレクタトンネル電流の低減(高い障壁高さを要する)との間でトレードオフの関係にある。本出願人はデバイスモデルを用い、0.3eVから0.8eVの範囲のエネルギーバンド高さを有するコレクタ障壁は、これら2つの競合要因間の優れたトレードオフをもたらすことを見出した。また、ベース−コレクタリーク電流の問題は、ホットエレクトロン散乱問題を参照して先述されたように、より低いコレクタ障壁のエネルギーバンド高さを用いることによって当然に軽減され得る。なぜなら、低誘電率材料を用いることによって量子力学的な鏡像力(image force)が増大され得るからである。   The problem of base-collector leakage current can be solved by appropriately selecting the height, width and shape of the energy band of the collector barrier. The choice of collector barrier energy band height is a trade-off between reducing hot electron scattering (requires low barrier height) and reducing base-collector tunnel current (requires high barrier height). . Applicants have used a device model and have found that a collector barrier having an energy band height in the range of 0.3 eV to 0.8 eV provides an excellent tradeoff between these two competing factors. Also, the problem of base-collector leakage current can naturally be mitigated by using a lower collector barrier energy band height, as previously described with reference to the hot electron scattering problem. This is because the quantum mechanical image force can be increased by using a low dielectric constant material.

同様に、コレクタ障壁のエネルギーバンド厚さの選定はデバイスの速度とリーク電流との間でトレードオフの関係にある。より厚い障壁はより低いリーク電流をもたらすが、障壁を横切る弾道電子の輸送時間は増大することになる。すなわち、10から10cm/sまでの間である弾道速度で走行するホットエレクトロンが20nmの障壁を横断するには、5nmの障壁を横断するのに要するより長い時間を要する。さらなる問題は、弾道電子が散乱するとともに熱運動化して障壁の伝導帯エッジまで下がってくる場合である。本発明に係るデバイスで使用される障壁は一般にアモルファス材料を含んでいるので、電子伝導(すなわち、ドリフト及び拡散)の移動度は非常に低い。従って、所与の電子がコレクタ電極に到達するための時間は、電子が熱運動化する場合には有意に増大することになる。故に、障壁の厚さは熱運動化による衝突確率を最小化するように選定されるべきである。 Similarly, the choice of collector barrier energy band thickness is a trade-off between device speed and leakage current. Thicker barriers result in lower leakage current, but ballistic electron transport time across the barrier will increase. That is, it takes longer time for hot electrons traveling at a ballistic velocity between 10 7 and 10 8 cm / s to cross the 20 nm barrier than to cross the 5 nm barrier. A further problem is when ballistic electrons scatter and become thermal kinetics down to the conduction band edge of the barrier. Since the barriers used in devices according to the present invention generally comprise amorphous material, the mobility of electronic conduction (ie drift and diffusion) is very low. Thus, the time for a given electron to reach the collector electrode will increase significantly if the electron is in thermal motion. Therefore, the thickness of the barrier should be selected to minimize the probability of collision due to thermal kinetics.

さらに、コレクタ障壁のエネルギーバンド形状はホットエレクトロンの通過確率に多大な影響を有する。同様に、実効的な障壁のエネルギーバンド高さは障壁のエネルギーバンド高さの平均値にほぼ等しいので、障壁のエネルギーバンド形状はベース−コレクタリーク電流に影響を及ぼす。故に、リーク電流はまた、ホットエレクトロンの通過に関して適切な障壁のエネルギーバンド形状を選定する際にも考慮されるべきである。この点については以下の適切箇所にて詳細に説明する。   Furthermore, the energy band shape of the collector barrier has a great influence on the passing probability of hot electrons. Similarly, since the effective barrier energy band height is approximately equal to the average value of the barrier energy band height, the barrier energy band shape affects the base-collector leakage current. Therefore, leakage current should also be considered in selecting an appropriate barrier energy band shape for the passage of hot electrons. This point will be described in detail in the appropriate place below.

第3の、注入されたホットエレクトロンのエネルギー分布広がり520の問題は、エミッタ障壁をトンネルする電子は唯一のエネルギーを有するわけではないという事実に起因している。すなわち、エミッタ障壁から出てくる電子はエネルギーの広がりを有するホットエレクトロンである。非常に熱い(すなわち、高エネルギー)電子は遙かに大きい弾性散乱確率を有する一方で、比較的冷たい(すなわち、低エネルギー)電子は低いコレクタ障壁通過確率を有するので、トランジスタの利得が低下される結果となる。   A third problem with the energy distribution spread 520 of injected hot electrons is due to the fact that electrons tunneling through the emitter barrier do not have unique energy. That is, the electrons emerging from the emitter barrier are hot electrons having a spread of energy. Very hot (ie, high energy) electrons have a much greater elastic scattering probability, while relatively cold (ie, low energy) electrons have a low collector barrier passage probability, thus reducing transistor gain. Result.

ホットエレクトロンのエネルギー広がりは、エミッタ障壁に二重絶縁体構造を含めることによって解決され得る。様々な二重絶縁体構造の詳細については先出の784特許及び185特許にて説明されている。図6Aは、放出された電子の分布を狭くすることを例示しており、単一の絶縁体エミッタからの理論的なホットエレクトロン分布が二重絶縁体構造を含むエミッタのそれと比較されている。図6Aは、単一絶縁体M−I−Mエミッタ及び二重絶縁体M−I−I−Mエミッタから注入されたホットエレクトロンのエネルギー分布の比較を示している。図6Aは、第1のグラフ601Aと第2のグラフ601Bとを含む複合グラフ600を有している。グラフ600の上部は、単一絶縁体M−I−Mエミッタエネルギーバンド図610Aのための、距離に対応する第1のx軸602Aとエネルギーに対応するy軸604Aとを有している。y軸604Aと、電流に対応する第2のx軸615Aとは、電流−エネルギー分布曲線620Aのための軸である。同様にグラフ600の下部は、二重絶縁体M−I−I−Mエミッタエネルギーバンド図610Bのための、距離に対応する第1のx軸602Bとエネルギーに対応するy軸604Bとを有している。また、電流−エネルギー分布曲線620Bがy軸604B及び第2のx軸615B上に示されている。電流−エネルギー分布曲線620Aと620Bとを比較することで理解されるように、エミッタの二重絶縁体構造は遙かに狭い電流/エネルギー分布ピークを生じさせる。二重絶縁体構造を含むエミッタからのホットエレクトロンの狭い分布は電流利得を増大させる結果となる。   Hot electron energy spread can be resolved by including a double insulator structure in the emitter barrier. Details of the various double insulator structures are described in the aforementioned 784 and 185 patents. FIG. 6A illustrates narrowing the distribution of emitted electrons, where the theoretical hot electron distribution from a single insulator emitter is compared to that of an emitter containing a double insulator structure. FIG. 6A shows a comparison of the energy distribution of hot electrons injected from a single insulator M-I-M emitter and a double insulator M-I-I-M emitter. FIG. 6A has a composite graph 600 that includes a first graph 601A and a second graph 601B. The top of the graph 600 has a first x-axis 602A corresponding to distance and a y-axis 604A corresponding to energy for a single insulator MIM emitter energy band diagram 610A. The y-axis 604A and the second x-axis 615A corresponding to the current are axes for the current-energy distribution curve 620A. Similarly, the lower portion of the graph 600 has a first x-axis 602B corresponding to distance and a y-axis 604B corresponding to energy for the double insulator M-I-I-M emitter energy band diagram 610B. ing. A current-energy distribution curve 620B is shown on the y-axis 604B and the second x-axis 615B. As can be seen by comparing current-energy distribution curves 620A and 620B, the double insulator structure of the emitter produces a much narrower current / energy distribution peak. The narrow distribution of hot electrons from the emitter containing the double insulator structure results in an increase in current gain.

引き続き図6Aを参照するに、二重絶縁体構造を含むエミッタに起因する狭い電子分布は、例えば周波数乗算器や短パルス発生器などの、N−I−I−N−I−Nトランジスタの一部の非伝統的用途においても有用となり得るものである。N−I−I−Nダイオード構造は逆バイアスでの低電流性の更なる利益をもたらすものであり、それはスイッチング用途において有用となり得る。逆バイアスでの低電流性は薄い凹凸型エミッタ金属を用いることによって更に促進され得る。その薄い凹凸型エミッタ金属は、例えば、高圧且つ低陰極電圧でのスパッタリングによって形成され得る。図6Bは、このような凹凸型コレクタ電極の一例を示しており、例示されているトランジスタ650は、二重絶縁体エミッタ障壁(第1の絶縁体層654及び第2の絶縁体層656を有する)を含み、コレクタ電極658はコレクタ障壁118から離れた側に階段状の凹凸を有するように示されている。   With continued reference to FIG. 6A, the narrow electron distribution due to the emitter including the double insulator structure is one of the N-I-I-N-I-N transistors, such as frequency multipliers and short pulse generators. It can also be useful in some non-traditional applications. The NI-IN diode structure provides the additional benefit of low current with reverse bias, which can be useful in switching applications. Low current characteristics at reverse bias can be further promoted by using a thin rugged emitter metal. The thin rugged emitter metal can be formed, for example, by sputtering at a high voltage and a low cathode voltage. FIG. 6B shows an example of such an uneven collector electrode, and the illustrated transistor 650 has a double insulator emitter barrier (first insulator layer 654 and second insulator layer 656). ) And the collector electrode 658 is shown as having stepped irregularities on the side away from the collector barrier 118.

第4の、非絶縁体−絶縁体界面でのホットエレクトロンの量子力学的反射530の問題は、4つの利得制限機構の中で解決するのに最も能力を試される問題である。非特許文献11によれば、パラジウム(Pd)−二酸化シリコン(SiO2)−シリコン(Si)構造においてホットエレクトロンの振動的通過(oscillatory transmission)が実験的に観測されている。本出願人は、概して、量子力学的反射の問題の抑制には、薄膜トランジスタ素子を横切る波動関数のコントラストの低減が必要であるとの認識に至った。本出願人は、この後すぐに詳細に説明されるように、この重要な問題を解決するための2本柱の手法を提案する。   The fourth, hot electron quantum mechanical reflection 530 problem at the non-insulator-insulator interface, is the most challenged problem to solve among the four gain limiting mechanisms. According to Non-Patent Document 11, the oscillation transmission of hot electrons is experimentally observed in a palladium (Pd) -silicon dioxide (SiO2) -silicon (Si) structure. Applicants have generally recognized that suppression of the quantum mechanical reflection problem requires a reduction in the contrast of the wave function across the thin film transistor device. Applicants propose a two-pillar approach to solve this important problem, as will be explained in detail shortly thereafter.

第1の手法は、ベース及びコレクタ電極とコレクタ障壁との間の波動関数のコントラスト、すなわち、電極の伝導帯エッジ(EeVだけフェルミ準位の下側)と絶縁体のそれ(コレクタ障壁の頂部)との間のエネルギー差を最小化するために、半金属性のベース及びコレクタ電極を使用することに基づくものである。例えばアルミニウムや銅などの典型的な金属はフェルミ準位より10eV程度下側に導電体エッジを有する。例えばニオブや銀などの或る特定のその他の金属はフェルミ準位より5eV程度下側に導電体エッジを有するため、本発明に係るトランジスタにおいて使用するには、これらの金属がより好ましい。さらに、金属シリサイドはおよそ1022cm−3のキャリア濃度を有するので、この情報を外挿して、金属シリサイドはたった1eVから2eVの導電帯深さを有することが推定される。 The first approach is the contrast of the wave function between the base and collector electrodes and the collector barrier, ie the conduction band edge of the electrode (below the Fermi level by EeV) and that of the insulator (top of the collector barrier). Is based on the use of semi-metallic base and collector electrodes in order to minimize the energy difference between. For example, typical metals such as aluminum and copper have a conductor edge about 10 eV below the Fermi level. For example, certain other metals such as niobium and silver have conductor edges about 5 eV below the Fermi level, so these metals are more preferred for use in the transistor of the present invention. Furthermore, since metal silicide has a carrier concentration of approximately 10 22 cm −3 , extrapolating this information, it is estimated that metal silicide has a conduction band depth of only 1 eV to 2 eV.

図7は、ホットエレクトロンの通過率T(E)への導電帯深さの影響を示している。図7は、様々な導電帯深さの値に関して計算されたホットエレクトロン通過率曲線を組み合わせた複合グラフ700である。挿入図は計算に使用されたモデル、すなわち、側面に第1の電極720と第2の電極740とが位置する方形の障壁710を例示している。この計算においては、障壁は4nmの厚さと0.77eVのエネルギーバンド高さを有すると仮定している。電極のフェルミエネルギーはE=0eVにあると仮定している。凡例内に与えられている数字は電極のフェルミ準位から下方の導電帯深さ(Ec、単位はeV)に対応している。図7より、導電帯深さを1eVから2eVに低減することにより、図中に振動深さとして観察される電子の反射が許容可能な値まで低減されることが見て取れる。   FIG. 7 shows the influence of the conduction band depth on the hot electron passage rate T (E). FIG. 7 is a composite graph 700 combining hot electron pass rate curves calculated for various conduction band depth values. The inset illustrates the model used for the calculation, ie, a square barrier 710 with the first electrode 720 and the second electrode 740 on the sides. In this calculation, it is assumed that the barrier has a thickness of 4 nm and an energy band height of 0.77 eV. It is assumed that the Fermi energy of the electrode is at E = 0 eV. The numbers given in the legend correspond to the conduction band depth (Ec, unit is eV) below the Fermi level of the electrode. From FIG. 7, it can be seen that by reducing the conduction band depth from 1 eV to 2 eV, the reflection of electrons observed as the vibration depth in the figure is reduced to an acceptable value.

電極に金属シリサイドを使用する更なる利点は、それらが標準的な集積回路プロセスと相性が良いことである。従来の金属ではなく半金属性のベース及びコレクタ材料を用いることのトレードオフはベース電極抵抗の増大である。ベース電極抵抗の増大は、次式で与えられるトランジスタの最大発信周波数fmaxを低下させる: A further advantage of using metal silicides for the electrodes is that they are compatible with standard integrated circuit processes. The tradeoff for using semi-metallic base and collector materials rather than conventional metals is an increase in base electrode resistance. Increasing the base electrode resistance decreases the maximum transmission frequency f max of the transistor given by:

Figure 2007535178

ここで、fはトランジスタの遮断周波数(エミッタ接合容量とバイアス状態でのエミッタ微分抵抗とで決定される)、Rは小信号ベース信号であり、Cはコレクタ接合容量である。半金属性ベース電極を用いる場合、ベース電極として半金属のより厚い層を用いること、及び/又は例えばタングステン等の高導電率金属の薄い層を付加することによりベース抵抗は低減され得る。しかしながら、何れの方法もトランジスタの利得を幾分低下させるものである。なぜなら、それらはベース電極内で散乱されるホットエレクトロンを増加させる傾向にあるとともに、従来の金属と半金属層との界面はホットエレクトロンを付加的に反射するからである。
Figure 2007535178

Here, f T cut-off frequency of the transistor (as determined by the emitter differential resistance at the emitter junction capacitance and bias state), R B is a small signal base signal, C C is the collector junction capacitance. When using a semi-metallic base electrode, the base resistance can be reduced by using a thicker layer of semi-metal as the base electrode and / or by adding a thin layer of a high conductivity metal such as tungsten. However, both methods somewhat reduce the transistor gain. This is because they tend to increase hot electrons scattered in the base electrode and the conventional metal-metalloid interface additionally reflects hot electrons.

これに関連し、トランジスタ動作は図7に示されるような発振ピークの1つでの動作に制限され得る。さらに、ホットエレクトロンの収集と微分抵抗Rとを高め、また電磁フィードバックを提供するために、強磁性絶縁体及び/又は金属がエミッタ又はコレクタ領域と併せて用いられてもよい。微分抵抗Rは入力、例えば振動電圧Vcos(wt)、から見たバイアス点での抵抗である。 In this regard, transistor operation can be limited to operation at one of the oscillation peaks as shown in FIG. In addition, ferromagnetic insulators and / or metals may be used in conjunction with the emitter or collector region to enhance hot electron collection and differential resistance R S and provide electromagnetic feedback. The differential resistance RS is a resistance at a bias point as viewed from an input, for example, the oscillation voltage Vcos (wt).

複数層の金属の手法は、ベース電極の従来からの金属層とコレクタ障壁との間に1/4波長の反射防止層を作成するように更に改良されてもよい。さらには、半金属性層の厚さと導電帯深さとが、ある特定のエネルギーで3つの層の干渉効果がホットエレクトロンの反射をゼロにする傾向を有するように選択される場合、それに従ってトランジスタの利得は増大され得る。   The multi-layer metal approach may be further improved to create a quarter-wave anti-reflection layer between the conventional metal layer of the base electrode and the collector barrier. Furthermore, if the thickness of the semi-metallic layer and the conduction band depth are selected so that the interference effect of the three layers has a tendency to zero hot electron reflection at a certain energy, the transistor's accordingly The gain can be increased.

量子力学的反射を低減する第2の手法はコレクタ障壁のエネルギーバンドの傾斜を利用することに基づくものである。例えば、酸化物の導電体エッジの物理的成形ではなく障壁の組成変化によって、“成形された”障壁が得られ得る。傾斜制御されたエネルギーバンドは、例えば、コレクタ酸化物を低障壁材料から高障壁材料へ、そして再び低障壁材料へと徐々に変化させ(例えば、Nb−Nb2xTa2−2x−Ta)ることによって実現され得る。この手法はIII−V族半導体トランジスタ構造でうまく適用させているが、半導体以外のトランジスタ技術へのこの手法の適用については本出願人は見聞きしたことがない。 A second approach to reducing quantum mechanical reflection is based on utilizing the slope of the collector barrier energy band. For example, a “shaped” barrier can be obtained by changing the composition of the barrier rather than physical shaping of the oxide conductor edge. The tilt-controlled energy band, for example, gradually changes the collector oxide from a low barrier material to a high barrier material and again to a low barrier material (eg, Nb 2 O 5 -Nb 2x Ta 2-2x O 5 -ta 2 O 5) may be implemented by Rukoto. Although this approach has been successfully applied to III-V semiconductor transistor structures, the applicant has never seen or applied this approach to non-semiconductor transistor technology.

図8は、図7と併せて、相異なる様式のコレクタ障壁の傾斜効果を比較するものである。図7の挿入図に示されるように複合グラフ700は、様々な導電帯深さの方形障壁に関して計算されたホットエレクトロン通過率曲線を表している。図8は、様々な導電帯深さの値を有する放物線状障壁に関して計算されたホットエレクトロン通過率曲線を組み合わせた複合グラフ800を示している。挿入図は計算に使用されたモデル、すなわち、側面に第1の電極820と第2の電極840とが位置する放物線状障壁810を例示している。図8においては凡例に表されるように、方形障壁エネルギーバンドの通過率が放物線状障壁エネルギーバンドのそれと比較されている。図8は、コレクタ障壁の放物線状傾斜は方形コレクタ障壁の場合に対して、ホットエレクトロンの反射を有意に低減することを示している。   FIG. 8, in conjunction with FIG. 7, compares the gradient effects of different types of collector barriers. As shown in the inset of FIG. 7, the composite graph 700 represents the hot electron pass rate curves calculated for square barriers of various conduction band depths. FIG. 8 shows a composite graph 800 that combines hot electron pass curves calculated for parabolic barriers with various conduction band depth values. The inset illustrates the model used for the calculation, ie, a parabolic barrier 810 with the first electrode 820 and the second electrode 840 on the sides. In FIG. 8, as shown in the legend, the pass rate of the square barrier energy band is compared with that of the parabolic barrier energy band. FIG. 8 shows that the parabolic slope of the collector barrier significantly reduces hot electron reflection compared to the square collector barrier case.

図9は、相異なるように傾斜されたコレクタ障壁の効果を比較するものである。図9においては凡例に表されるように、方形、放物線状、半放物線状、円形、半円形、直線傾斜、及び半直線傾斜の障壁エネルギーバンドを含む構造を通過する電子の通過率が比較されている。方形障壁構造の一例は、例えば、図7の挿入図に示され、放物線状障壁エネルギーバンドは図8の挿入図に示され、そして丸められた構造は図4Aに示されている。図9は、様々なコレクタ障壁形状に関するトンネル確率を電子エネルギーの関数として示すグラフを含んでいる。0eVの導電体オフセットと0.4eVの障壁高さが仮定されている。表記“半”は、コレクタ障壁の先頭側(すなわち、ベース電極側)のエッジのみが成形されると仮定するものである。図9より、コレクタ障壁エネルギーバンドの一方の側を傾斜させることは振動を抑制するが、コレクタ障壁エネルギーバンドの両側を傾斜させることは量子力学的反射の大幅な低減を生じさせることが見て取れる。理想的には、障壁エネルギーバンドの伝導帯エッジを金属の伝導帯エッジから最大障壁エネルギーバンド高さまで傾斜させた後に最小高さまで戻すように傾斜させることにより、ホットエレクトロン反射は最も大幅に抑制される。実際のデバイスの製造における最も近い手法は、障壁材料のエネルギーバンドを可能な限り低いエネルギーから傾斜させるものである。   FIG. 9 compares the effects of differently tilted collector barriers. In FIG. 9, as shown in the legend, the pass rates of electrons passing through structures containing square, parabolic, semiparabolic, circular, semicircular, linearly inclined, and semilinearly inclined barrier energy bands are compared. ing. An example of a rectangular barrier structure is shown, for example, in the inset of FIG. 7, a parabolic barrier energy band is shown in the inset of FIG. 8, and a rounded structure is shown in FIG. 4A. FIG. 9 includes a graph showing tunnel probability as a function of electron energy for various collector barrier shapes. A conductor offset of 0 eV and a barrier height of 0.4 eV are assumed. The notation “half” assumes that only the leading edge (ie, base electrode side) edge of the collector barrier is formed. From FIG. 9, it can be seen that tilting one side of the collector barrier energy band suppresses vibration, but tilting both sides of the collector barrier energy band causes a significant reduction in quantum mechanical reflection. Ideally, hot electron reflection is most significantly suppressed by tilting the conduction band edge of the barrier energy band from the metal conduction band edge to the maximum barrier energy band height and then back to the minimum height. . The closest approach in actual device manufacturing is to tilt the energy band of the barrier material from the lowest possible energy.

ベース−コレクタリーク電流の低減に関する部分で説明されたように、ホットエレクトロンの量子力学的反射は、より低い障壁エネルギーバンドを用いることにより当然に軽減される。この効果は、例えば低誘電率の絶縁体を用いることによって高められ得る量子力学的な鏡像力に起因するものである。電子親和力は同様であるが誘電率は異なる絶縁体を使用することもまた、薄膜トランジスタ構造全体の伝導帯傾斜すなわち電界の調整に寄与し得る。   As explained in the section on reducing base-collector leakage current, the quantum mechanical reflection of hot electrons is naturally mitigated by using a lower barrier energy band. This effect is due to the quantum mechanical image force that can be enhanced by using, for example, an insulator with a low dielectric constant. The use of insulators with similar electron affinity but different dielectric constants can also contribute to the adjustment of the conduction band slope or field of the entire thin film transistor structure.

ホットエレクトロンの量子力学的反射は、1に近い電子トンネル質量(electron−tunnel mass)を有する絶縁体を組み込むことによって更に低減され得る。このような材料を用いることにより、トンネル確率の振動深さを縮小させながら、同時に、振動周波数を高めながら、ベース−コレクタ暗電流が低減され、それによってエネルギー範囲全体にわたる平均トンネル確率が高められる結果となる。   Hot electron quantum mechanical reflection can be further reduced by incorporating an insulator with an electron-tunnel mass close to one. Using such materials results in reducing the base-collector dark current while reducing the vibration depth of the tunnel probability and at the same time increasing the vibration frequency, thereby increasing the average tunnel probability over the entire energy range. It becomes.

より広く、本出願人は、効率的で高速な薄膜トランジスタ素子の製造において全般的に検討すべきことは、弾道電子がデバイスを横断するときの薄膜層群全域での波動関数マッチングを考慮することであるとの認識に至った。換言すれば、種々の薄膜層の形成に際して適切な材料と製造技術を選択することにより、各々の薄膜層の波動関数の操作、及び各層間の界面での電子反射は所望のように調整され得る。例えば、ある特定の材料が薄膜トランジスタ構造内で使用されるために、その層の所望の誘電率特性又は化学組成をその材料が示すことを理由にして選択され得る。所与の薄膜層の波動関数は、例えば、(例えば、放物線状エネルギーバンド形状を実現するように)その層の組成を傾斜させること、(例えば、強磁性体の場合に)磁界を印加若しくは生成すること、又はその層に表面組織(surface texture)を付加することによって、さらに影響され得る。同様に、二重絶縁体構造を例えばエミッタ障壁内に設けることにより、より狭い分布の放出電子(すなわち、より単色エネルギーに近い電子)がトランジスタ内に実現され得る。例えば電子エネルギー分布幅や界面での電子反射などの薄膜トランジスタのある特定の特性の調整が、波動関数マッチングを考慮することによって操作され得ることの可能性についての認識は、薄膜トランジスタの従来技術に対する有意な進展である。また、フェルミ準位ピンニングと、ベース電極−コレクタ障壁界面及びコレクタ障壁−コレクタ電極界面におけるトラップ分布状態とは、伝導帯の不連続性を最小化することに役立つように使用され得るものである。   More broadly, the applicant's general consideration in the manufacture of efficient and fast thin film transistor devices is to consider wave function matching across the thin film layer group as ballistic electrons traverse the device. I came to realize that there was. In other words, by selecting appropriate materials and manufacturing techniques in forming the various thin film layers, the manipulation of the wave function of each thin film layer and the electron reflection at the interface between each layer can be adjusted as desired. . For example, because a particular material is used in a thin film transistor structure, it can be selected because the material exhibits the desired dielectric properties or chemical composition of the layer. The wave function of a given thin film layer can, for example, tilt the composition of that layer (eg, to achieve a parabolic energy band shape), or apply or generate a magnetic field (eg, in the case of a ferromagnet). Or by adding a surface texture to the layer. Similarly, by providing a double insulator structure, for example in the emitter barrier, a narrower distribution of emitted electrons (ie, electrons closer to monochromatic energy) can be realized in the transistor. The recognition that adjustment of certain characteristics of thin film transistors, such as electron energy distribution width and electron reflection at the interface, can be manipulated by considering wave function matching is significant for thin film transistor prior art. Progress. Also, Fermi level pinning and trap distribution at the base electrode-collector barrier interface and the collector barrier-collector electrode interface can be used to help minimize conduction band discontinuities.

上述の本発明に係るトンネル・ホットエレクトロン・トランジスタを補完するものとして、ホットホール輸送に基づく薄膜トンネルトランジスタについて詳細に説明する。   As a supplement to the tunnel hot electron transistor according to the present invention described above, a thin film tunnel transistor based on hot hole transport will be described in detail.

図3は、M−I−M−I−Mホットホール・トランジスタのエネルギーバンド図を示している。図2に示されるホットエレクトロン・トランジスタと比較して、エネルギーバンドが逆になっている。すなわち、トンネルする正孔に対する障壁高さは金属のフェルミエネルギーと絶縁体の価電子帯エッジとの間のエネルギー差である。   FIG. 3 shows an energy band diagram of the MIMIM hot hole transistor. Compared to the hot electron transistor shown in FIG. 2, the energy band is reversed. That is, the barrier height for the tunneling holes is the energy difference between the Fermi energy of the metal and the valence band edge of the insulator.

引き続き図3を参照するに、N−I−N−I−Nホットトランジスタ構造に対応するエネルギーバンド図300が例示されている。エネルギーバンド図300の様々な部分はN−I−N−I−Nホットホール・トランジスタを形成する、エミッタ電極310、ベース電極312、コレクタ電極314、エミッタ障壁構造316及びコレクタ障壁構造318を含む様々な層に対応している。ホットホール320はエミッタ電極から放出され、コレクタ障壁を乗り越え、そしてコレクタ電極で収集される。   With continued reference to FIG. 3, an energy band diagram 300 corresponding to a NINN-IN hot transistor structure is illustrated. Various portions of the energy band diagram 300 include the emitter electrode 310, the base electrode 312, the collector electrode 314, the emitter barrier structure 316 and the collector barrier structure 318 that form an NINN hot hole transistor. It corresponds to various layers. Hot holes 320 are emitted from the emitter electrode, overcome the collector barrier, and are collected at the collector electrode.

図3に例示されるような上記デバイスを実現するため、金属の仕事関数と絶縁体の電子親和力との差は、絶縁体のバンドギャップに電子親和力を足したものと金属の仕事関数との差より大きくされるべきである。あるいは、電子のトンネルを抑制するために外的制御手法が用いられてもよい。   In order to realize the above device as illustrated in FIG. 3, the difference between the work function of the metal and the electron affinity of the insulator is the difference between the band gap of the insulator plus the electron affinity and the work function of the metal. Should be made larger. Alternatively, an external control technique may be used to suppress electron tunneling.

本発明に係る技術に従って、(図3に例示されるような)基本的なM−I−M−I−Mホットホール・トランジスタへの幾つかの改良が実現され得る。例えば、エミッタ障壁に二重絶縁体構造を組み込むことは、ホットエレクトロン・トランジスタを参照して上述されたのと同一の効果を生じさせるものである。加えて、二重絶縁体構造はコレクタ障壁にも含まれてもよく、それはベース−コレクタリーク電流を低減させ、且つホットホール通過率を増大させる助けとなり得る。さらに、コレクタ障壁エネルギーバンドを傾斜させることは非絶縁体−絶縁体界面でのホットホールの反射を低減させるものである。また、ホットエレクトロンデバイスでのように、ベースとコレクタの電極材料を適切に選択することにより、ホットホールの反射が最小化され得る。   In accordance with the technique of the present invention, several improvements to the basic MIMIM hot hole transistor (as illustrated in FIG. 3) can be realized. For example, incorporating a double insulator structure in the emitter barrier produces the same effect as described above with reference to hot electron transistors. In addition, a double insulator structure may also be included in the collector barrier, which can help reduce base-collector leakage current and increase hot hole transmission. Further, tilting the collector barrier energy band reduces hot hole reflection at the non-insulator-insulator interface. Also, hot hole reflections can be minimized by proper selection of base and collector electrode materials, as in hot electron devices.

ホットエレクトロンデバイスとホットホールデバイスとの主な相違点は、ホットエレクトロンデバイスでは電子は金属の伝導帯から絶縁体の伝導帯にトンネルすることである。ホットホールの場合には、正孔は金属の伝導帯からコレクタ障壁の価電子帯にトンネルする。   The main difference between hot electron devices and hot hole devices is that in hot electron devices, electrons tunnel from the conduction band of the metal to the conduction band of the insulator. In the case of hot holes, the holes tunnel from the conduction band of the metal to the valence band of the collector barrier.

続いて、本発明に係る薄膜トランジスタを製造するための2つの方法、すなわち、1)積層体(stack)プロセス、及び2)平面(planar)プロセスについて説明する。   Subsequently, two methods for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, namely, 1) a stack process and 2) a planar process will be described.

積層体プロセスと呼ばれる第1の方法は、MIxMxIxMトランジスタ積層体の全体を単一の真空堆積系で堆積することを含むものである。先述のように、本明細書で参照される“M”層は適当な如何なる非絶縁体であってもよく、それには、例えば金属又は金属と金属以外との結合が含まれる。層群は様々な従来からの方法、例えば、これらには限られないが熱蒸着法、スパッタリング法、化学気相堆積法及び原子層エピタキシー、によって堆積され得る。構造体を大気に晒すことなく様々な堆積を別々のチャンバ内で実行するためにクラスター手段が使用されてもよい。積層体プロセスは層の厚さ、組成及び清浄度を最も制御できるものと考えられる。積層体プロセスは2つの分野すなわち材料と処理とに細分化され得る。材料の課題は、所望の電子的界面を作り出すために場合によって様々な堆積法を用いて積層体を堆積することである。処理の課題は、積層体中央の層内に埋め込まれている場合もある所望の層に対して、パターニングし、且つコンタクトを作ることを可能とする現像処理である。切断される領域が中間処理への耐性を有することが確実にされる場合、トランジスタの製造品又は積層体を多数の積層体に分割することが可能な場合もある。   The first method, called the stack process, involves depositing the entire MIxMxIxM transistor stack in a single vacuum deposition system. As noted above, the “M” layer referred to herein may be any suitable non-insulator, including, for example, a metal or a bond between a metal and a non-metal. The layers can be deposited by a variety of conventional methods such as, but not limited to, thermal evaporation, sputtering, chemical vapor deposition, and atomic layer epitaxy. Cluster means may be used to perform various depositions in separate chambers without exposing the structure to the atmosphere. The laminate process is believed to be the most controllable in layer thickness, composition and cleanliness. Laminate processes can be subdivided into two areas: materials and processing. The material challenge is to deposit the stack, optionally using various deposition methods to create the desired electronic interface. The processing challenge is a development process that allows patterning and making contacts to the desired layer that may be embedded in the middle layer of the stack. If it is ensured that the area to be cut is resistant to intermediate processing, it may be possible to divide the transistor product or stack into multiple stacks.

最も基本的な形態の積層体の層群は、エミッタ金属、エミッタ−ベース酸化物、ベース金属、ベース−コレクタ酸化物、コレクタ金属を含んでいる。コレクタ金属の頂部表面は堆積後に大気に晒されることになるので、コレクタ金属の頂部に形成された自然酸化膜又は汚染を除去するために後続処理にて削り処理(milling)がその場(in−situ)で用いられない限り、例えばNbN等の耐酸化性材料がコレクタ金属を覆うために用いられるべきである。ベース金属はホットエレクトロンの平均自由工程(およそ100nmであり、電子エネルギー及びベース金属に依存する)に対して薄く作られなければならない。ベース金属はまた積層体の“ダッグアウト”でなければならず、そのため、ベース金属は外部回路に接触させられる。ベース層への削り処理を容易にするためエッチング停止層が組み込まれてもよい。さらに、ベース層は露出されても酸化してはならない。これはキャップ層(例えば、NbN)を組み込むことによって達成され得る。薄い(およそ1nmから5nm)エミッタ酸化物は、単一エネルギーの電子ビームの放出を促進するように、隣接する複数の酸化物(又は金属)を組み入れていてもよい。厚い(及び4nmから20nm)コレクタ酸化物は、ベース−コレクタのバイアス電流を最小化しながら、放出されたホットエレクトロンの反射を低減するように、隣接する複数の酸化物又はシリサイドを組み入れていてもよい。なお、エミッタ、ベース及びコレクタは何れも金属として述べられているが、それらは半金属、シリサイド、半導体、超伝導体又は超格子であってもよい。同様に、エミッタ−ベース酸化物及びコレクタ−ベース酸化物は従来の酸化物に限定される必要はない。   The layer group of the most basic form stack includes emitter metal, emitter-base oxide, base metal, base-collector oxide, collector metal. Since the top surface of the collector metal is exposed to the atmosphere after deposition, a milling process is performed in-situ in a subsequent process in order to remove a natural oxide film or contamination formed on the top of the collector metal. Unless used in situ), an oxidation resistant material such as NbN should be used to cover the collector metal. The base metal must be made thin with respect to the hot electron mean free path (approximately 100 nm, depending on the electron energy and the base metal). The base metal must also be a “dug out” of the stack, so that the base metal is brought into contact with an external circuit. An etch stop layer may be incorporated to facilitate the scraping process to the base layer. Furthermore, the base layer must not be oxidized when exposed. This can be achieved by incorporating a cap layer (eg, NbN). A thin (approximately 1 to 5 nm) emitter oxide may incorporate multiple adjacent oxides (or metals) to facilitate the emission of a single energy electron beam. Thick (and 4 to 20 nm) collector oxide may incorporate multiple adjacent oxides or silicides to reduce the reflection of emitted hot electrons while minimizing base-collector bias current. . Note that although the emitter, base, and collector are all described as metals, they may be metalloids, silicides, semiconductors, superconductors, or superlattices. Similarly, the emitter-base oxide and collector-base oxide need not be limited to conventional oxides.

以下で説明される製造プロセスは、単一の積層体堆積、反応性イオンエッチングRIE、及びパターニングされた金属層を形成するためのリフトオフ技術を利用するものである。パターニングされた金属層の形成は、化学的エッチング、反応性イオンエッチング、削り処理及びその他の技術によっても可能である。様々な基板がMIxMxIxMトランジスタを製造するのに使用可能であり、後述のプロセスではシリコン基板が用いられる。図10A乃至10Xは、以下のような典型的なデバイスの製造プロセスの概要を示している。   The manufacturing process described below utilizes single stack deposition, reactive ion etching RIE, and lift-off techniques to form a patterned metal layer. Patterned metal layers can also be formed by chemical etching, reactive ion etching, scraping and other techniques. Various substrates can be used to fabricate MIxMxIxM transistors, and silicon substrates are used in the processes described below. 10A-10X outline a typical device manufacturing process as follows.

1.例えば標準的なSPM、SC1、BOE、SC2シーケンスを使用した十分な基板洗浄。   1. Thorough substrate cleaning, eg using standard SPM, SC1, BOE, SC2 sequences.

2.MIxMxIxMトランジスタとシリコン基板との間の電気的分離を設けるための1μm未満の基板の熱酸化。   2. Thermal oxidation of substrates less than 1 μm to provide electrical isolation between MIxMxIxM transistors and silicon substrates.

3.エミッタのコンタクトパッドの形成(デバイスへの電気接続のため):
a.コンタクトパッド形状を定めるリソグラフィ:
i.下塗液(HMDS)を6000rpmで30秒間スピン塗布、
ii.レジストを6000rpmで30秒間スピン塗布(時間及びスピン速度は使用される特定のレジストに依存する)、
iii.レジスト層をホットプレート上で110℃にて60秒間プリベーク(時間及び温度は使用される特定のレジストに依存する)、
iv.レジスト層を18秒間露光(露光時間は使用される特定のレジストとレジスト厚とに依存する)、
v.レジスト層を現像液(4:1の比のDI水と現像液)を用いて所定時間だけ現像(現像時間は使用される特定のレジストと現像液とに依存する)、
vi.現像液をDI水で洗い流す、
vii.レジスト開口を洗浄するためのOプラズマ洗浄;
b.傷防止金属として機能する結合層の熱蒸着。これによりデバイスは電気的に探針を当てられ得る;
c.コンタクトの酸化を防止し、且つ積層体のエミッタ層へのオーム性接触を促進するコンタクト層(35nmの金)の熱蒸着;
d.余分な物質を除去するためのリフトオフ:
i.低速のスピナー上でアセトンを用いてリフトオフ、
ii.アセトンを用いて超音波浴(リフトオフを強化する必要に応じて)、
iii.スピナー上でアセトンを用いてリフトオフ、
iv.スピナー上でイソプロピル・アルコールを用いて洗浄、
v.脱水(spin dry);
トランジスタの所望の大きさ及びリソグラフィ性能に応じて、この工程は複数工程に分割されてもよい。例えば、標準的な光学リソグラフィを用いて大きい配線がパターニングされ、電子ビームリソグラフィを用いてトランジスタからこれらの配線への接続が形成されてもよい。
3. Emitter contact pad formation (for electrical connection to the device):
a. Lithography to define contact pad shape:
i. Undercoat liquid (HMDS) is spin-coated at 6000 rpm for 30 seconds,
ii. Spin coating the resist at 6000 rpm for 30 seconds (time and spin speed depends on the specific resist used),
iii. Pre-bake the resist layer on a hot plate at 110 ° C. for 60 seconds (time and temperature depend on the specific resist used),
iv. Expose the resist layer for 18 seconds (exposure time depends on the specific resist used and the resist thickness),
v. Develop the resist layer with developer (4: 1 DI water to developer) for a predetermined time (development time depends on the particular resist and developer used),
vi. Rinse the developer with DI water.
vii. O 2 plasma cleaning to clean resist openings;
b. Thermal vapor deposition of a bonding layer that functions as a scratch-proof metal. This allows the device to be probed electrically;
c. Thermal evaporation of a contact layer (35 nm gold) which prevents contact oxidation and promotes ohmic contact to the emitter layer of the stack;
d. Lift-off to remove excess material:
i. Lift off with acetone on a low speed spinner,
ii. Ultrasonic bath with acetone (if necessary to enhance lift-off),
iii. Lift off with acetone on spinner,
iv. Wash with isopropyl alcohol on the spinner,
v. Spin dry;
Depending on the desired size of the transistor and the lithographic performance, this step may be divided into multiple steps. For example, large interconnects may be patterned using standard optical lithography and connections from transistors to these interconnects may be formed using electron beam lithography.

4.MIxMxIxMトランジスタ積層体の堆積。トランジスタ積層体はウェハ全体上に堆積されるか、リフトオフ工程で定められるウェハの特定領域に堆積されるかの何れでもよい。以下に示す積層体は、単一の真空堆積手段にて堆積される積層体の一例を提示するものである。   4). Deposition of MIxMxIxM transistor stack. The transistor stack may be deposited on the entire wafer or on a specific area of the wafer defined by the lift-off process. The laminate shown below presents an example of a laminate that is deposited by a single vacuum deposition means.

a.Nbエミッタ金属(80nm)− エミッタ−ベース酸化物との障壁特性、CF/O内でのRIE削り能力、エッジ酸化物の形成能力、エミッタコンタクトとの優れた接着性のために選択される。この金属は例えば直接スパッタリングによって堆積される。 a. Nb emitter metal (80 nm)-selected for emitter-base oxide barrier properties, ability to RIE in CF 4 / O 2 , edge oxide formation capability, and excellent adhesion to emitter contacts . This metal is deposited, for example, by direct sputtering.

b.Nb/Taエミッタ−ベース酸化物(2nm/2nm)− このII構造は狭い幅の放出電子、CF/O内でのRIEエッチング能力、及び反応性スパッタリングの容易さをもたらす。 b. Nb 2 O 5 / Ta 2 O 5 Emitter—Base Oxide (2 nm / 2 nm) —This II structure provides narrow-width emission electrons, RIE etching capability in CF 4 / O 2 , and ease of reactive sputtering. Bring.

c.Nb/NbN/Cr/Nbベース金属(3nm/1nm/3nm/3nm)− このベース金属は外側のエッジ上にNbを組み込んでおり、エミッタ−ベース酸化物及びベース−コレクタ酸化物との障壁特性、CF/O内でのRIE削り能力、及びエッジ酸化物の形成能力のために選択される。RIEエッチング停止層として機能するCr層がベース金属内に配置されており、RIEエッチングがベース金属で正確に停止することを可能にするとともに、エッジを容易に酸化することを可能にする。NbNはCrが除去された後にベース電極の耐酸化性コンタクトをもたらす。この金属は例えば直接スパッタリングによって堆積される。窒化物は窒素プラズマ、反応性スパッタリング又は直接スパッタリングによって形成され得る。 c. Nb / NbN / Cr / Nb base metal (3 nm / 1 nm / 3 nm / 3 nm) —this base metal incorporates Nb on the outer edge, barrier properties of the emitter-base oxide and base-collector oxide, It is selected for its ability to cut RIE within CF 4 / O 2 and the ability to form edge oxides. A Cr layer functioning as an RIE etch stop layer is disposed in the base metal, allowing the RIE etch to stop exactly on the base metal and allowing the edges to be easily oxidized. NbN provides an oxidation resistant contact for the base electrode after Cr is removed. This metal is deposited, for example, by direct sputtering. The nitride can be formed by nitrogen plasma, reactive sputtering or direct sputtering.

d.Nbベース−コレクタ酸化物(10nm)− コレクタ酸化物を挟んで印加されたり生成されるバイアスに起因するベース−コレクタ電流を低減しながら、エミッタから到着したホットエレクトロンの通過を可能にするため、低くて幅の広いコレクタ酸化物が用いられる。急峻でない金属−酸化物界面を得るために酸化物の組成を変化させることは、障壁に衝突するホットエレクトロンの反射を低減するのに好ましいものである。この酸化物は例えば反応性スパッタリングによって堆積される。 d. Nb 2 O 5 base-collector oxide (10 nm) —allows passage of hot electrons arriving from the emitter while reducing base-collector current due to bias applied or generated across the collector oxide Therefore, a low and wide collector oxide is used. Changing the oxide composition to obtain a non-steep metal-oxide interface is preferred to reduce the reflection of hot electrons impinging on the barrier. This oxide is deposited, for example, by reactive sputtering.

e.Nb/NbNコレクタ金属(20nm/1nm)− コレクタ金属は、コレクタ酸化物との障壁特性、CF/O内でのRIE削り能力、及び安定な窒化物であるNbNとの相性の良さのために選択される。この金属は例えば直接スパッタリングによって堆積される。窒化物はプラズマ、反応性スパッタリング又は直接スパッタリングによって形成され得る。 e. Nb / NbN collector metal (20 nm / 1 nm)-The collector metal has barrier properties with the collector oxide, RIE cutting ability in CF 4 / O 2 , and good compatibility with NbN, which is a stable nitride Selected. This metal is deposited, for example, by direct sputtering. The nitride can be formed by plasma, reactive sputtering or direct sputtering.

5.コレクタ規定金属の堆積− コレクタ規定金属はRIEエッチングのマスクを設けるために用いられ、それ自体がトランジスタのコレクタ−ベース側の大きさを規定する。Cr/Au(5nm/35nm)を用いるリフトオフ処理が使用され得る。AuはRIEエッチングに対して回復力があり、トランジスタ及び外部探針/パッドへの優れた電気接触をもたらす。先行処理工程にてNbNの頂部に発生し得る如何なる酸化物をも除去するために、50:1のHO:HFディップ(dip)が用いられ得る。 5). Collector-Defining Metal Deposition—The collector-defining metal is used to provide a mask for the RIE etch and itself defines the size of the collector-base side of the transistor. A lift-off process using Cr / Au (5 nm / 35 nm) can be used. Au is resilient to RIE etching and provides excellent electrical contact to the transistor and external probe / pad. A 50: 1 H 2 O: HF dip can be used to remove any oxide that may be generated on top of the NbN in the pretreatment step.

6.コレクタ−ベースのRIE削り− CF/OのRIE系を用いてトランジスタ積層体はベース金属内のCrエッチング停止層までエッチングされる。 6). Collector-base RIE-cutting—The transistor stack is etched down to the Cr etch stop layer in the base metal using a CF 4 / O 2 RIE system.

7.エッチング停止層の除去− ドライエッチング又はウェット化学的エッチングを用いて、コレクタ−ベース構造によって保護されていないベース内のCr金属エッチング停止層が除去され、ベースのNbN層が露出される。   7). Etch Stop Layer Removal—Using dry or wet chemical etching, the Cr metal etch stop layer in the base not protected by the collector-base structure is removed, exposing the base NbN layer.

8.エミッタ規定金属の堆積− エミッタ−ベースの大きさを規定するため、リフトオフ技術を用いてアルミニウムが積層体(コレクタ部分を含む)上に堆積される。Alはエッチングマスクとして機能する。   8). Emitter-defined metal deposition-Aluminum is deposited on the stack (including the collector portion) using a lift-off technique to define the emitter-base size. Al functions as an etching mask.

9.積層体のエミッタ−ベース部分のRIEエッチング。   9. RIE etching of the emitter-base portion of the stack.

10.エッジの酸化− エミッタ及びベース金属のエッジは保護とパッシベーションのためにここで酸化され得る。これは酸化物の堆積又は酸素プラズマの使用によって達成され得る。   10. Edge Oxidation-Emitter and base metal edges can now be oxidized for protection and passivation. This can be accomplished by oxide deposition or the use of oxygen plasma.

11.Alエッチングマスクの除去− AlエッチングマスクはAZ400Kを用いて容易に除去される。   11. Removal of Al Etching Mask—The Al etching mask is easily removed using AZ400K.

12。リフトオフ処理を用いてベースコンタクト金属が堆積される。Cr/Au(5nm/180nm)が露出されたベースのNbNの頂部に堆積される。先行処理工程にてNbNの頂部に発生し得る如何なる酸化物をも除去するために、50:1のHO:HFディップ(dip)が用いられ得る。このプロセスはまたコレクタコンタクトを外部回路又は探針パッドまで延在させるコレクタ金属コンタクトを含んでもよい。 12. A base contact metal is deposited using a lift-off process. Cr / Au (5 nm / 180 nm) is deposited on top of the exposed base NbN. A 50: 1 H 2 O: HF dip can be used to remove any oxide that may be generated on top of the NbN in the pretreatment step. This process may also include a collector metal contact that extends the collector contact to an external circuit or probe pad.

得られた構造はエミッタを積層体の底部に、コレクタを積層体の頂部に置いている。これは必然的なものではなく、エミッタ及びコレクタの配置は逆にされてもよい。用いられる堆積技術に応じて、ある特定の順序が有利となり得る。   The resulting structure places the emitter at the bottom of the stack and the collector at the top of the stack. This is not inevitable and the emitter and collector arrangement may be reversed. Depending on the deposition technique used, a certain order may be advantageous.

平面プロセスと呼ばれる第2の製造方法は、ベースコンタクトとコレクタ又はエミッタのコンタクトを基板上にパターニングした後にトランジスタ構造の残りの部分を製造することを含むものである。この方法の利点は、薄いベース金属までエッチングする必要がなく、工程数の少ないプロセスとなることである。この方法の欠点は、MIMIM積層体の堆積が2段階に分割される結果、トランジスタ構造の1つの界面が周囲大気に晒され、それにより、この界面と、場合により露出表面の自然酸化膜とが汚染される場合があることである。図11A乃至11Iは、以下の典型的なデバイスの製造プロセスの概要を示している。   A second fabrication method, called the planar process, involves fabricating the rest of the transistor structure after patterning the base contacts and collector or emitter contacts on the substrate. The advantage of this method is that it is not necessary to etch down to a thin base metal, resulting in a process with fewer steps. The disadvantage of this method is that the deposition of the MIMIM stack is divided into two stages, so that one interface of the transistor structure is exposed to the surrounding atmosphere, thereby causing this interface and possibly the native oxide on the exposed surface. It can be contaminated. 11A-11I outline the following typical device manufacturing process.

1.シリコン(又はポリシリコン)基板の表面洗浄
2.シリコン表面上のベース及びコレクタ(又はエミッタ)電極金属のパターニング
3.電極金属をシリコンに拡散させ、金属シリサイドを形成するためのウェハアニール
4.導電性シリサイド配線をシリコン表面に残しながら残りの金属を除去するためのウェハエッチング
5.コレクタ電極の上方の表面上へのコレクタ酸化物の堆積及びパターニング
6.トランジスタ構造の側方へのベース及びコレクタのコンタクト(典型的に金)のパターニング
7.表面上へのベース金属/エミッタ酸化物/エミッタ金属の積層体の堆積
8.トランジスタ接合の真上のベース電極の基礎をなすエッチングマスクのパターニング
9.コレクタの真上、且つベース電極を横切るベース−酸化物−エミッタの積層体を残しながら、残りの積層体をエッチング除去
10.エッチングマスクの除去
11.コレクタコンタクトの上方を中心とする厚いエミッタコンタクト層(典型的に金)のパターニング
12.エミッタコンタクト層をマスクとして用いて、残りのエミッタ金属をエミッタ酸化物までエッチング。
1. 1. Surface cleaning of silicon (or polysilicon) substrate 2. Patterning of base and collector (or emitter) electrode metal on silicon surface. 3. Wafer annealing for diffusing electrode metal into silicon and forming metal silicide. 4. Wafer etching to remove remaining metal while leaving conductive silicide wiring on silicon surface. 5. Deposition and patterning of collector oxide on the surface above the collector electrode 6. Pattern base and collector contacts (typically gold) to the sides of the transistor structure. 7. Deposition of base metal / emitter oxide / emitter metal stack onto the surface. 8. Patterning of the etching mask underlying the base electrode directly above the transistor junction 9. Etch away remaining stack, leaving base-oxide-emitter stack just above collector and across base electrode. 10. Removal of etching mask 11. Patterning a thick emitter contact layer (typically gold) centered above the collector contact Etch remaining emitter metal to emitter oxide using emitter contact layer as mask.

続いて、金属−絶縁体薄膜トランジスタの用途について幾つか説明する。線形増幅器、発振器又はスイッチとしての通常用途に加え、むしろ新規の用途に有用となり得るホットエレクトロン/ホットホール・トランジスタの幾つかの態様について述べる。   Subsequently, some uses of the metal-insulator thin film transistor will be described. In addition to normal applications as linear amplifiers, oscillators or switches, some aspects of hot electron / hot hole transistors that may be useful in new applications are rather described.

1.線形増幅器/発振器
これらのトランジスタの言うまでもない用途は線形増幅器である。図12Aは、本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタと本発明に係るホットホール・トランジスタとをプッシュプル構成で含んでいる線形増幅器1200の等価回路図を示している。こうすることで、高周波回路における電力増幅器、低雑音増幅器又は発振器として有用となり得る。ホットエレクトロンデバイスとホットホールデバイスの双方を用い、プッシュプル増幅器構成が実現され得る。これらのデバイスは薄膜であり非常に高速であるため、例えば、可撓性のある電子技術、低損失又はフレキシブル基板上のマイクロ波回路、及びシリコンCMOS又はIII−V族の光電子技術と集積されたハイブリッド回路に用途を見出し得るものである。
1. Linear Amplifier / Oscillator The obvious use of these transistors is a linear amplifier. FIG. 12A shows an equivalent circuit diagram of a linear amplifier 1200 including a hot electron transistor according to the present invention and a hot hole transistor according to the present invention in a push-pull configuration. This can be useful as a power amplifier, a low noise amplifier or an oscillator in a high frequency circuit. A push-pull amplifier configuration can be realized using both hot electron devices and hot hole devices. Because these devices are thin films and very fast, they have been integrated with, for example, flexible electronics, low loss or microwave circuits on flexible substrates, and silicon CMOS or III-V optoelectronics Applications can be found in hybrid circuits.

2.SPDTスイッチ
ホットエレクトロン(ホール)・トランジスタの興味深い特徴は、放出された電子はコレクタ障壁を乗り越えるに十分なエネルギーを有さなければならないが故に、これらトランジスタはゼロでないターンオン電圧を有することである。大部分の放出電子はベース−エミッタ電圧のエネルギーにほぼ等しいエネルギーを有するので、ターンオンの閾値はこの障壁高さにほぼ等しい。故に、閾値より大きいベース−エミッタ電圧では大部分のエミッタ電流がコレクタコンタクトまで流れるが、閾値より小さいベース−エミッタ電圧ではエミッタ電流はコレクタ障壁を乗り越えることができずにベースコンタクトへ流れ出る。このように、ホットエレクトロン・トランジスタは単極双投(single−pole double−throw;SPDT)スイッチとして機能する。図12Bは、このようなデバイスの一例の等価回路図を示しており、図12C及び12Dは相異なるスイッチング状態についてのエネルギーバンド図を示している。
2. SPDT switch An interesting feature of hot electron (Hole) transistors is that they have a non-zero turn-on voltage because the emitted electrons must have sufficient energy to overcome the collector barrier. Since most emitted electrons have an energy approximately equal to that of the base-emitter voltage, the turn-on threshold is approximately equal to this barrier height. Therefore, most of the emitter current flows to the collector contact at a base-emitter voltage greater than the threshold, but at a base-emitter voltage less than the threshold, the emitter current cannot flow across the collector barrier and flows out to the base contact. Thus, the hot electron transistor functions as a single-pole double-throw (SPDT) switch. FIG. 12B shows an equivalent circuit diagram of an example of such a device, and FIGS. 12C and 12D show energy band diagrams for different switching states.

3.負性微分抵抗増幅器/発振器
上述のように、ベース−エミッタ電圧が増大するとエミッタ電流はベースからコレクタへと切り替えられる。電流が切り替わり始めると、結果はベースとエミッタとの間の負性微分抵抗となる。周知のように、負性微分抵抗(NDR)は増幅及び発振に利用され得る。図12Eは、このようなデバイスの等価回路図を示している。
3. Negative Differential Resistance Amplifier / Oscillator As described above, the emitter current is switched from the base to the collector as the base-emitter voltage increases. As the current begins to switch, the result is a negative differential resistance between the base and the emitter. As is well known, negative differential resistance (NDR) can be utilized for amplification and oscillation. FIG. 12E shows an equivalent circuit diagram of such a device.

4.マルチバイブレータ
マルチバイブレータの概念は上述のSPDTの概念から得られる。コレクタからベースへの適切なフィードバックにより、トランジスタはエミッタをコモン電極としてベースとコレクタ間で出力電流を発振させられ得る。図12Fは、このようなデバイスの等価回路図を示している。単純化のため、バイアス回路は図12Fには示されていない。
4). Multivibrator The concept of multivibrator is derived from the SPDT concept described above. With appropriate feedback from the collector to the base, the transistor can be caused to oscillate output current between the base and the collector with the emitter as the common electrode. FIG. 12F shows an equivalent circuit diagram of such a device. For simplicity, the bias circuit is not shown in FIG. 12F.

5.非線形増幅器/パルス発生器
上述のように、ホットエレクトロン・トランジスタは、放出電子がコレクタ障壁を乗り越えるに十分なエネルギーを有するときのターンオン閾値を有している。通常は、線形増幅器の均一な利得応答と、トランジスタが閾値より高い電圧で十分にバイアスされなければならないこととが望まれる。しかしながら、非線形な利得が有用な用途に遭遇することが時折ある。このような用途の1つが短パルス発生器のためのものである。
5). Nonlinear Amplifier / Pulse Generator As noted above, hot electron transistors have a turn-on threshold when the emitted electrons have sufficient energy to overcome the collector barrier. Typically, it is desired that the linear amplifier has a uniform gain response and that the transistor must be fully biased with a voltage above the threshold. However, sometimes nonlinear gains encounter useful applications. One such application is for short pulse generators.

トランジスタは(上述の)ターンオン閾値でバイアスされる場合、電流利得はゼロからその最大値へと移行し、トランジスタの応答は非常に非線形なものである。そして、ベース−エミッタ間の振動的な入力電圧はコレクタ出力に一連の短い電流スパイクを作り出す。なぜなら、利得は閾値を上回る入力電圧に対して最も高く、閾値を下回る電圧に対してはゼロだからである。この電流スパイク系列が低い電圧揺動信号に変換され、適切な電圧レベルで非線形増幅器にフィードバックされる場合、その結果の出力スパイクはより一層狭くなる。ここで、適切な電圧レベルとは、入力信号の揺動がトランジスタの利得飽和点を超えてはならないことを意味しており、さもなければ信号スパイクは狭くされないことになる。出力スパイクが狭くされ得る限界は1/(2πfmax)に等しく、今日考えられるMIMIMトランジスタ構造に関しては、ベース抵抗に応じて100fs程度に短くなり得る。究極的な限界は1/(2πf)である。 When the transistor is biased at the turn-on threshold (described above), the current gain goes from zero to its maximum value and the transistor response is very non-linear. The oscillating input voltage between the base and emitter then creates a series of short current spikes at the collector output. This is because the gain is highest for input voltages above the threshold and zero for voltages below the threshold. If this current spike sequence is converted to a low voltage swing signal and fed back to the nonlinear amplifier at the appropriate voltage level, the resulting output spike becomes even narrower. Here, an appropriate voltage level means that the swing of the input signal must not exceed the gain saturation point of the transistor, otherwise the signal spike will not be narrowed. The limit at which the output spike can be narrowed is equal to 1 / (2πf max ) and can be as short as 100 fs depending on the base resistance for today's MIMIM transistor structures. The ultimate limit is 1 / (2πf T ).

6.周波数乗算器
線形増幅器では均一な利得応答のために、コレクタ障壁での振動的な量子力学的反射の影響は最小化されるように努められる。しかしながら、周波数乗算などの特定の用途では、このような利得の鋭い変化を有利に利用することが望まれる場合がある。この場合、ホットエレクトロンの量子力学的反射による利得振動を低減することは計られない。入力ベース−エミッタ電圧が1つ又は複数のこれらの振動にわたってスイープされる場合、入力周波数の倍数における出力信号が生成される。故に、利得振動の1周期に十分に等しい電圧揺動を有する発振入力電圧が加えられると、出力信号は入力周波数の2倍の周波数になる。入力電圧が2つの利得振動にわたってスイープされる場合には、出力は入力周波数の4倍の周波数になる。
6). Frequency multiplier In a linear amplifier, for uniform gain response, the effect of oscillatory quantum mechanical reflection at the collector barrier is sought to be minimized. However, in certain applications, such as frequency multiplication, it may be desirable to take advantage of such sharp changes in gain. In this case, it is impossible to reduce the gain oscillation due to the quantum mechanical reflection of hot electrons. When the input base-emitter voltage is swept across one or more of these oscillations, an output signal at a multiple of the input frequency is generated. Therefore, when an oscillation input voltage having a voltage fluctuation sufficiently equal to one period of gain oscillation is applied, the output signal has a frequency twice the input frequency. If the input voltage is swept across two gain oscillations, the output will be four times the input frequency.

図12Gは、これらの原理に基づくコモンエミッタ1400の等価回路図を示している。コモンエミッタ1400はNDR領域に基づくときNDK増幅器として動作する。線形用途か非線形用途かは、トランジスタの動作点に依存する。コモンエミッタ1400はまた、トランジスタ設計を適切に選定することによって周波数乗算器としても動作する。コモンコレクタ構成又はコモンベース構成も同様に可能である。別個の部品群がRF伝送線要素を含んでもよい。マッチング回路が負荷に前置されてもよく、且つ/或いは信号源に続いてもよい。さらに、フィルタ増幅器及び/又はカスケード増幅器も可能である。また、IR(赤外線)(又はテラヘルツ若しくはマイクロ波)検出器として、このデバイスはそのような入力を用いることにより動作し得る。   FIG. 12G shows an equivalent circuit diagram of a common emitter 1400 based on these principles. The common emitter 1400 operates as an NDK amplifier when based on the NDR region. Whether it is a linear or non-linear application depends on the operating point of the transistor. The common emitter 1400 also operates as a frequency multiplier by properly selecting the transistor design. A common collector configuration or a common base configuration is possible as well. A separate group of parts may include RF transmission line elements. A matching circuit may be placed in front of the load and / or may follow the signal source. Furthermore, filter amplifiers and / or cascade amplifiers are possible. Also, as an IR (infrared) (or terahertz or microwave) detector, the device can operate by using such an input.

図12Hは、(発振が電圧制御されるように)バラクタ・ダイオードを具備した発振器の等価回路図を示している。様々な構成、例えば、直列、コルピッツ、ハートレー、クラップ、コモンエミッタ、ベース若しくはコレクタ等、が可能である。   FIG. 12H shows an equivalent circuit diagram of an oscillator with a varactor diode (so that the oscillation is voltage controlled). Various configurations are possible, such as series, Colpitts, Hartley, clap, common emitter, base or collector.

7.利得を有する非線形整流器/ミキサ
上述の用途と同様に、整流及びミキシング用途のための高い非線形性を提供するために、トランジスタの比較的鋭いターンオン応答が利用され得る。トランジスタはターンオン閾値でバイアスされるべきであり、入力信号はベース−エミッタ間であるべきである。出力信号はコレクタ電流である。ターンオンの非線形性の“鋭さ”、ひいては、整流又はミキシングの効率はエミッタからのホットエレクトロン分布の幅によって大きく制限される。この場合、MIIMエミッタ構造の方がMIMエミッタよりも有利である。ベース−コレクタ間のバイアス電圧もまた非線形性に影響を及ぼし、電圧(ベースに対してコレクタが正)が高いほど鋭いターンオンが得られる。
7). Nonlinear Rectifier / Mixer with Gain Similar to the application described above, a relatively sharp turn-on response of the transistor can be utilized to provide high nonlinearity for rectification and mixing applications. The transistor should be biased at the turn-on threshold and the input signal should be between base and emitter. The output signal is a collector current. The “sharpness” of turn-on nonlinearity, and thus the efficiency of rectification or mixing, is greatly limited by the width of the hot electron distribution from the emitter. In this case, the MIIM emitter structure is more advantageous than the MIM emitter. The base-collector bias voltage also affects non-linearity, and the higher the voltage (the collector is positive with respect to the base), the sharper the turn-on.

トランジスタはバイアス電圧のおかげにより信号に電力利得を付加する。   The transistor adds power gain to the signal thanks to the bias voltage.

この整流/ミキサデバイスの従来の二端子ダイオードに対する更なる利点は、入力及び出力インピーダンスが相異なるものとされ、特定のソース及び負荷のインピーダンスに整合するように調整され得ることである。一例として、信号源としての200Ωアンテナに入力を結合させ、且つ負荷として50Ω伝送線を駆動したい場合がある。   A further advantage of this rectifier / mixer device over conventional two-terminal diodes is that the input and output impedances can be different and adjusted to match the impedance of a particular source and load. As an example, there is a case where an input is coupled to a 200Ω antenna as a signal source and a 50Ω transmission line is driven as a load.

また、非線形性を提供するために、コレクタでの量子力学的反射による利得振動が利用されてもよい。トランジスタを利得の立ち下がりピークでバイアスすることにより、負性微分抵抗がもたらされることになる。   Also, gain oscillation due to quantum mechanical reflection at the collector may be utilized to provide non-linearity. Biasing the transistor with a falling peak in gain will result in a negative differential resistance.

図12Iは、このような原理に基づくミキサ1500の等価回路図を示している。ミキサ1500は入力整合及び出力整合を有している。ダイオードミキサに対してミキサ1500によってもたらされる1つの有意な利点は利得である。   FIG. 12I shows an equivalent circuit diagram of the mixer 1500 based on such a principle. The mixer 1500 has input matching and output matching. One significant advantage provided by mixer 1500 over a diode mixer is gain.

8.利得を有する赤外線検出器
この用途は上述の整合/ミキサ用途と同様であり、相違するのは、赤外線入力信号の場合には光子アシスト・トンネリングが古典的な整流よりも支配的になると期待されることである。故に、ベース−エミッタ電圧は光子エネルギーと同じだけターンオン閾値より小さく低減され得る。バイアスが低いほど、ベース−エミッタのダイオードは低い直流バイアス電流、従って低いショット雑音を有する。この場合も、信号の電力利得はベース−コレクタ間バイアス電圧とベース−エミッタ間バイアス電圧との比によって決定される。
8). Infrared detector with gain This application is similar to the matching / mixer application described above, except that photon-assisted tunneling is expected to dominate over classical rectification for infrared input signals That is. Thus, the base-emitter voltage can be reduced below the turn-on threshold by as much as the photon energy. The lower the bias, the lower the base-emitter diode has a lower DC bias current and hence lower shot noise. Again, the signal power gain is determined by the ratio of the base-collector bias voltage to the base-emitter bias voltage.

それぞれ特定の向きを有する様々な構成要素を用いて各々の実施形態について例示してきたが、本発明が多様な位置や相互方向に配置された様々な構成要素を具備する様々な具体的構成を取り得ることは理解されるべきことである。さらに、ここで述べられた方法は限りない数の変更を加えられ得る。例えば、先述のトランジスタデバイスをフレキシブル基板上に形成することにより、本発明に係るトランジスタデバイスが低温用の基板と相性が良いことが利用され得る。その他の変更には、これらに限られないが、トランジスタ内のM−I−M−I−M−I−Mエミッタ構造、トランジスタ内のM−I−I−I−Mエミッタ/コレクタ構造、N−M−Nベース電極、コレクタ障壁への複数絶縁体層の使用、様々な整合/フィルタ/バイアス構成の応用上の付加、上述のスイッチに基づく様々な論理回路(例えば、NAND、NOR、インバータ等)の実現、及び入力/出力としてのアンテナの様々な用途への接続が含まれる。また、コレクタ障壁内に電圧を印加できるように、そして外部電圧の印加によって障壁の伝導帯形状を調整するために、コレクタ障壁内に薄い金属が用いられてもよい。図13は、このような構成の一例を示しており、3層コレクタ障壁1602を具備するトランジスタ構成のエネルギーバンド図を含んでいる。3層コレクタ障壁1602は第1の絶縁体層1604、金属層1606及び第2の絶縁体層1608を含んでいる。外部電圧(図示せず)を金属層1606に印加することにより、コレクタ障壁1602のエネルギーバンドの全体形状が所望のように調整され得る。薄い金属を使用するこの技術は、さらに、伝導方向の法線方向に適用されると、障壁の伝導帯の更なる成形制御を付与し得るものである。故に、提示された例は限定的ではなく例示的であるとして見なされるべきものであり、本発明はここで与えられた詳細事項に限定されず、添付の請求項の範囲内で変更され得るものである。   Although each embodiment has been illustrated with various components each having a particular orientation, the present invention takes various specific configurations with various components arranged in various positions and directions. Getting is to be understood. Further, the methods described herein can be subjected to an unlimited number of changes. For example, by forming the above-described transistor device on a flexible substrate, it can be used that the transistor device according to the present invention has good compatibility with a low-temperature substrate. Other modifications include, but are not limited to, an MIMIMIM emitter structure in the transistor, an MIIM emitter / collector structure in the transistor, N -MN base electrode, use of multiple insulator layers for collector barrier, application of various matching / filter / bias configurations, various logic circuits based on the above switches (eg NAND, NOR, inverter, etc.) ) And connection of the antenna as input / output to various applications. Also, a thin metal may be used in the collector barrier so that a voltage can be applied in the collector barrier and to adjust the conduction band shape of the barrier by applying an external voltage. FIG. 13 shows an example of such a configuration and includes an energy band diagram for a transistor configuration with a three-layer collector barrier 1602. The three-layer collector barrier 1602 includes a first insulator layer 1604, a metal layer 1606, and a second insulator layer 1608. By applying an external voltage (not shown) to the metal layer 1606, the overall shape of the energy band of the collector barrier 1602 can be adjusted as desired. This technique of using a thin metal can also provide further shaping control of the conduction band of the barrier when applied in the normal direction of the conduction direction. The presented examples are therefore to be regarded as illustrative rather than restrictive, and the invention is not limited to the details given herein, but can be varied within the scope of the appended claims It is.

おおまかに要約すると、本明細書は以下を開示するものである。ホットエレクトロン・トランジスタはエミッタ電極、ベース電極及びコレクタ電極と、エミッタ電極とベース電極との間に配置され、そこでの電子の輸送層として機能する第1のトンネル構造とを有する。第1のトンネル構造は、電子の輸送がトンネリングによる輸送を含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び別の第2の絶縁体層を含む。トランジスタはさらに、ベース電極とコレクタ電極との間に配置された第2のトンネル構造を含む。第2のトンネル構造は上記電子の少なくとも一部の、ベース電極とコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能し、その結果、電子の前記一部はコレクタ電極で収集される。薄膜トランジスタ内の界面での電子反射を低減する関連方法もまた開示されている。   Roughly summarized, this specification discloses the following. The hot electron transistor has an emitter electrode, a base electrode and a collector electrode, and a first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and functioning as an electron transport layer there. The first tunnel structure includes at least a first amorphous insulator layer and another second insulator layer so that electron transport includes transport by tunneling. The transistor further includes a second tunnel structure disposed between the base electrode and the collector electrode. The second tunnel structure functions as a transport layer by ballistic transport between at least a part of the electrons and the base electrode and the collector electrode, so that the part of the electrons is collected at the collector electrode. A related method for reducing electron reflection at an interface in a thin film transistor is also disclosed.

さらにおおまかに要約すると、本明細書は、少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたトランジスタを開示するものであり、そのトランジスタは、エミッタ電極、前記エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、前記入力信号の少なくとも一部が前記エミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより電子が前記エミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に配置され、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造であり、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス層を含む第1のトンネル構造、前記ベース電極から隔てられたコレクタ電極;及び前記ベース電極と前記コレクタ電極との間に配置され、前記エミッタ電極によって放出された電子の少なくとも一部の、前記ベース電極と前記コレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより前記電子の前記一部が前記コレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造を有する。   More broadly summarized, the present specification discloses a transistor adapted to receive at least one input signal, the transistor being an emitter electrode, a base electrode separated from the emitter electrode; At least a portion of the input signal is provided between the emitter electrode and the base electrode, whereby electrons are emitted from the emitter electrode toward the base electrode, the emitter electrode and the base A first tunnel structure arranged between the emitter electrode and the base electrode and configured to function as an electron transport layer to and from the emitter electrode and the base electrode. A first tunnel structure including at least a first amorphous layer so as to include at least partly; A collector electrode spaced from the source electrode; and between the base electrode and the collector electrode, disposed between the base electrode and the collector electrode and at least a portion of the electrons emitted by the emitter electrode; A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport, thereby having the second tunnel structure in which the part of the electrons can be collected by the collector electrode.

米国特許第6563185号明細書にて開示された接合トランジスタ素子を示す部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a junction transistor element disclosed in US Pat. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに対応するエネルギーバンド図である。It is an energy band figure corresponding to the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットホール・トランジスタに対応するエネルギーバンド図である。It is an energy band figure corresponding to the hot hole transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態に対応するエネルギーバンド図である。It is an energy band figure corresponding to other one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタ部分立面図に等価回路図を重ねた図である。It is the figure which superimposed the equivalent circuit diagram on the hot electron transistor partial elevation which concerns on this invention. 実用的デバイスを得るために解決されるべき多様な利得制限機構を示すための、本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態に対応するエネルギーバンド図である。FIG. 4 is an energy band diagram corresponding to one embodiment of a hot electron transistor according to the present invention, illustrating various gain limiting mechanisms to be solved to obtain a practical device. 二重絶縁体構造を含めることの、エミッタ障壁から放出された電子の電子エネルギー分布への影響を単一絶縁体構造の場合と対比するために、2つのエネルギーバンド図を比較する図である。In order to contrast the influence of the inclusion of a double insulator structure on the electron energy distribution of electrons emitted from the emitter barrier, the two energy band diagrams are compared. 二重絶縁体構造によるエミッタ障壁と凹凸型コレクタ電極とを有する本発明に従ったトランジスタ素子を示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a transistor element according to the present invention having an emitter barrier with a double insulator structure and an uneven collector electrode. 0.5eVから10eVの範囲の様々な伝導帯深さを有する方形コレクタ障壁に関するトンネル確率の差を電子のエネルギーの関数として例示するための複合グラフである。FIG. 5 is a composite graph for illustrating the difference in tunnel probability as a function of electron energy for square collector barriers having various conduction band depths ranging from 0.5 eV to 10 eV. 0eVから2eVの範囲の様々な伝導帯深さを有する放物線状及び方形(“SQ”)コレクタ障壁に関するトンネル確率の差を電子のエネルギーの関数として例示するための複合グラフである。6 is a composite graph to illustrate the difference in tunnel probability as a function of electron energy for parabolic and square (“SQ”) collector barriers with various conduction band depths ranging from 0 eV to 2 eV. 0.4eVの障壁高さで0eVの伝導帯オフセットを仮定したときの、様々なコレクタ障壁形状に関するトンネル確率の差を電子のエネルギーの関数として例示するための複合グラフである。6 is a composite graph for illustrating the difference in tunnel probability as a function of electron energy for various collector barrier geometries assuming a 0 eV conduction band offset at a barrier height of 0.4 eV. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの一実施形態を製造するための積層体プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the process included in the laminated body process for manufacturing one Embodiment of the hot electron transistor which concerns on this invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタの他の一実施形態を製造するための平面プロセスに含まれる工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the process included in the plane process for manufacturing other one embodiment of the hot electron transistor concerning the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタ及びホットホール・トランジスタに基づく線形増幅器の等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of a linear amplifier based on a hot electron transistor and a hot hole transistor according to the present invention. FIG. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づくスイッチの等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a switch based on a hot electron transistor according to the present invention. 図12Bのスイッチの一状態における動作を例示するエネルギーバンド図である。FIG. 12D is an energy band diagram illustrating the operation in one state of the switch of FIG. 12B. 図12Bのスイッチの他の一状態における動作を例示するエネルギーバンド図である。FIG. 12D is an energy band diagram illustrating an operation in another state of the switch of FIG. 12B. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づく負性微分抵抗(NDR)による発振器の等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of an oscillator with a negative differential resistance (NDR) based on a hot electron transistor according to the present invention. FIG. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づくマルチバイブレータの等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a multivibrator based on a hot electron transistor according to the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づく、正バイアスされたコモンエミッタの等価回路図である。2 is an equivalent circuit diagram of a positively biased common emitter based on a hot electron transistor according to the present invention. FIG. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づく(発振電圧制御用)バラクタ・ダイオードを具備した発振器の等価回路図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of an oscillator including a varactor diode (for oscillation voltage control) based on a hot electron transistor according to the present invention. 本発明に係るホットエレクトロン・トランジスタに基づく入力整合及び出力整合を具備したミキサの等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a mixer having input matching and output matching based on a hot electron transistor according to the present invention. 二重絶縁体構造とコレクタ障壁内の金属層構造との併用を例示するエネルギーバンド図である。It is an energy band figure which illustrates combined use with a double insulator structure and the metal layer structure in a collector barrier.

Claims (13)

少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたホットエレクトロン・トランジスタであって:
エミッタ電極;
前記エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、前記入力信号の少なくとも一部が前記エミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより電子が前記エミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極;
前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に配置され、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造であり、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び前記第1のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第2の絶縁体層を含む第1のトンネル構造;
前記ベース電極から隔てられたコレクタ電極;及び
前記ベース電極と前記コレクタ電極との間に配置され、前記エミッタ電極から放出された電子の少なくとも一部の、前記ベース電極と前記コレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより前記電子の前記一部が前記コレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造;
を有するトランジスタ。
A hot electron transistor adapted to receive at least one input signal, comprising:
An emitter electrode;
A base electrode spaced from the emitter electrode, wherein at least a portion of the input signal is provided between the emitter electrode and the base electrode, whereby electrons are emitted from the emitter electrode toward the base electrode; Base electrode;
A first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and configured to function as an electron transport layer between and to the emitter electrode and the base electrode, At least a first amorphous insulator layer, and arranged to be directly adjacent to and cooperating with the first amorphous insulator layer, such that the transport includes at least partially transport by tunneling A first tunnel structure comprising a patterned second insulator layer;
A collector electrode separated from the base electrode; and at least a portion of electrons emitted from the emitter electrode, disposed between the base electrode and the collector electrode, between the base electrode and the collector electrode A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport, whereby the part of the electrons can be collected by the collector electrode;
Having a transistor.
前記ベース電極及び前記コレクタ電極の少なくとも選択された1つが、少なくとも部分的に半金属で形成されているところの請求項1に記載のトランジスタ。   The transistor of claim 1, wherein at least a selected one of the base electrode and the collector electrode is at least partially formed of a semimetal. 前記ベース電極及び前記コレクタ電極の少なくとも選択された1つが、少なくとも部分的に金属シリサイドで形成されているところの請求項1に記載のトランジスタ。   The transistor of claim 1, wherein at least a selected one of the base electrode and the collector electrode is at least partially formed of metal silicide. 前記ベース電極及び前記コレクタ電極の少なくとも選択された1つが、少なくとも部分的に金属窒化物で形成されているところの請求項1に記載のトランジスタ。   The transistor of claim 1, wherein at least a selected one of the base electrode and the collector electrode is at least partially formed of a metal nitride. 前記第2のトンネル構造が、ホットエレクトロン反射の第1の値を示すように構成され、且つ成形された障壁エネルギーバンド特性を有し、それにより前記ホットエレクトロン反射の第1の値が、成形された障壁エネルギーバンド特性を有さない第2のトンネル構造により示されるホットエレクトロン反射の第2の値より低くされているところの請求項1に記載のトランジスタ。   The second tunnel structure is configured to exhibit a first value of hot electron reflection and has a shaped barrier energy band characteristic, whereby the first value of hot electron reflection is shaped. 2. The transistor of claim 1, wherein the transistor is lower than a second value of hot electron reflection exhibited by the second tunnel structure having no barrier energy band characteristics. 前記成形された障壁エネルギーバンド特性が前記第2のトンネル構造の放物線状傾斜を含んでいるところの請求項5に記載のトランジスタ。   6. The transistor of claim 5, wherein the shaped barrier energy band characteristic includes a parabolic slope of the second tunnel structure. 前記エミッタ電極が所与のフェルミ準位を示すように構成され、且つ前記第1のトンネル構造が前記所与のフェルミ準位と2eV未満だけ異なる所与の伝導帯を示すように構成されているところの請求項1に記載のトランジスタ。   The emitter electrode is configured to exhibit a given Fermi level and the first tunnel structure is configured to exhibit a given conduction band that differs from the given Fermi level by less than 2 eV. However, the transistor according to claim 1. 少なくとも1つの入力信号を受けるように適応されたトランジスタであって:
エミッタ電極;
前記エミッタ電極から隔てられたベース電極であり、前記入力信号の少なくとも一部が前記エミッタ電極と該ベース電極との間に与えられ、それにより電子が前記エミッタ電極から該ベース電極に向けて放出されるところのベース電極;
前記エミッタ電極と前記ベース電極との間に配置され、前記エミッタ電極と前記ベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造であり、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス層を含む第1のトンネル構造;
前記ベース電極から隔てられたコレクタ電極;及び
前記ベース電極と前記コレクタ電極との間に配置され、前記エミッタ電極によって放出された電子の少なくとも一部の、前記ベース電極と前記コレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより前記電子の前記一部が前記コレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造;
を有し、
前記第2のトンネル構造が、ホットエレクトロン反射の第1の値を示すように構成され、且つ成形された障壁エネルギーバンド特性を有し、それにより前記ホットエレクトロン反射の第1の値が、成形された障壁エネルギーバンド特性を有さない第2のトンネル構造により示されるホットエレクトロン反射の第2の値より低くされている
ところのトランジスタ。
A transistor adapted to receive at least one input signal, comprising:
An emitter electrode;
A base electrode spaced from the emitter electrode, wherein at least a portion of the input signal is provided between the emitter electrode and the base electrode, whereby electrons are emitted from the emitter electrode toward the base electrode; Base electrode;
A first tunnel structure disposed between the emitter electrode and the base electrode and configured to function as an electron transport layer between and to the emitter electrode and the base electrode, A first tunnel structure including at least a first amorphous layer such that the transport includes at least partially transport by tunneling;
A collector electrode spaced from the base electrode; and at least some of the electrons disposed between the base electrode and the collector electrode and emitted by the emitter electrode between the base electrode and the collector electrode A second tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport, whereby the part of the electrons can be collected by the collector electrode;
Have
The second tunnel structure is configured to exhibit a first value of hot electron reflection and has a shaped barrier energy band characteristic, whereby the first value of hot electron reflection is shaped. The transistor being lower than the second value of hot electron reflection exhibited by the second tunnel structure having no barrier energy band characteristics.
前記成形された障壁エネルギーバンド特性が前記第2のトンネル構造の放物線状傾斜を含んでいるところの請求項8に記載のトランジスタ。   9. The transistor of claim 8, wherein the shaped barrier energy band characteristic includes a parabolic slope of the second tunnel structure. 複数の層を含み、それら間に定められる複数の界面と前記それら間を輸送される弾道電子とを具備するホットエレクトロン・トランジスタであり、前記複数の層が少なくとも第1層及び第2層を有し、前記第1層及び第2層が互いに隣接してそれらの間に第1の界面を定め、それにより前記弾道電子の少なくとも一部が前記第1の界面で反射される、ところのホットエレクトロン・トランジスタにおいて、少なくとも前記第1の界面での電子の反射を低減する方法であって:
第1の選定された波動関数を示すように前記第1層を構成する工程;及び
第1の割合の前記弾道電子が前記第1の界面で反射されるよう、第2の選定された波動関数を示すように前記第2層を構成する工程;
を有し、
前記第1の割合が、前記第2の選定された波動関数を示すように構成された前記第2層が存在しない場合に前記第1の界面で反射される前記弾道電子の第2の割合より小さい
ところの方法。
A hot electron transistor comprising a plurality of layers, comprising a plurality of interfaces defined between them and ballistic electrons transported between them, wherein the plurality of layers have at least a first layer and a second layer. The first and second layers are adjacent to each other and define a first interface therebetween, whereby at least a portion of the ballistic electrons are reflected at the first interface. A method for reducing the reflection of electrons at least at the first interface in a transistor comprising:
Configuring the first layer to exhibit a first selected wave function; and a second selected wave function such that a first proportion of the ballistic electrons are reflected at the first interface. Configuring the second layer to show:
Have
The first ratio is greater than the second ratio of the ballistic electrons reflected at the first interface in the absence of the second layer configured to exhibit the second selected wave function. Smaller way.
前記第2層が所与のエネルギーバンド構造を示し、且つ前記第2層を構成する前記工程が前記エネルギーバンド構造をある特定の形状に傾斜させることを含むところの請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, wherein the second layer exhibits a given energy band structure, and the step of constructing the second layer includes tilting the energy band structure into a particular shape. 前記第2層が少なくとも1つの平面を有し、且つ前記第2層を構成する前記工程が前記平面に表面組織を付加することを含むところの請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, wherein the second layer has at least one plane and the step of constructing the second layer includes adding surface texture to the plane. 少なくとも1つの入力信号を受けるように適応された線形増幅器であって:
ホットエレクトロン・トランジスタであり:
第1のエミッタ電極、
前記第1のエミッタ電極から隔てられた第1のベース電極であり、前記入力信号の少なくとも第1の部分が前記第1のエミッタ電極と該第1のベース電極との間に与えられ、それにより電子が前記第1のエミッタ電極から該第1のベース電極に向けて放出されるところの第1のベース電極、
前記第1のエミッタ電極と前記第1のベース電極との間に配置され、前記第1のエミッタ電極と前記第1のベース電極との間の且つそれらへの電子輸送層として機能するように構成された第1のトンネル構造であり、電子の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第1のアモルファス絶縁体層、及び前記第1のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第2の絶縁体層を含む第1のトンネル構造、
前記第1のベース電極から隔てられた第1のコレクタ電極、及び
前記第1のベース電極と前記第1のコレクタ電極との間に配置され、前記第1のエミッタ電極から放出された電子の少なくとも一部の、前記第1のベース電極と前記第1のコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第2のトンネル構造であり、それにより前記電子の前記一部が前記第1のコレクタ電極で収集可能にされるところの第2のトンネル構造、
を有するホットエレクトロン・トランジスタ;並びに
ホットホール・トランジスタであり:
第2のエミッタ電極、
前記第2のエミッタ電極から隔てられた第2のベース電極であり、前記入力信号の少なくとも第2の部分が前記第2のエミッタ電極と該第2のベース電極との間に与えられ、それにより正孔が前記第2のエミッタ電極から該第2のベース電極に向けて放出されるところの第2のベース電極、
前記第2のエミッタ電極と前記第2のベース電極との間に配置され、前記第2のエミッタ電極と前記第2のベース電極との間の且つそれらへの正孔輸送層として機能するように構成された第3のトンネル構造であり、正孔の輸送がトンネリングによる輸送を少なくとも部分的に含むように、少なくとも第3のアモルファス絶縁体層、及び前記第3のアモルファス絶縁体層に直接的に隣接して配置され、且つそれと協働するように構成された第4の絶縁体層を含む第3のトンネル構造、
前記第2のベース電極から隔てられた第2のコレクタ電極、及び
前記第2のベース電極と前記第2のコレクタ電極との間に配置され、前記第2のエミッタ電極から放出された正孔の少なくとも一部の、前記第2のベース電極と前記第2のコレクタ電極との間の、弾道輸送による輸送層として機能するように構成された第4のトンネル構造であり、それにより前記正孔の前記一部が前記第2のコレクタ電極で収集可能にされるところの第4のトンネル構造、
を有するホットホール・トランジスタ;
を有し、
前記ホットエレクトロン・トランジスタ及び前記ホットホール・トランジスタがプッシュプル増幅器構成で構成されている
ところの線形増幅器。
A linear amplifier adapted to receive at least one input signal:
Hot electron transistor:
A first emitter electrode;
A first base electrode separated from the first emitter electrode, wherein at least a first portion of the input signal is provided between the first emitter electrode and the first base electrode, thereby A first base electrode from which electrons are emitted from the first emitter electrode toward the first base electrode;
Arranged between the first emitter electrode and the first base electrode and configured to function as an electron transport layer between and to the first emitter electrode and the first base electrode The first amorphous insulator layer, and at least partially adjacent to the first amorphous insulator layer, such that electron transport at least partially includes tunneling transport. A first tunnel structure comprising a second insulator layer disposed and configured to cooperate with
A first collector electrode separated from the first base electrode; and at least of electrons emitted from the first emitter electrode, disposed between the first base electrode and the first collector electrode. A second tunnel structure configured to act as a transport layer by ballistic transport between a portion of the first base electrode and the first collector electrode, whereby the one of the electrons A second tunnel structure in which a portion is enabled to be collected by the first collector electrode;
A hot electron transistor having: and a hot hole transistor:
A second emitter electrode,
A second base electrode separated from the second emitter electrode, wherein at least a second portion of the input signal is provided between the second emitter electrode and the second base electrode, thereby A second base electrode in which holes are emitted from the second emitter electrode toward the second base electrode;
Arranged between the second emitter electrode and the second base electrode so as to function as a hole transport layer between and to the second emitter electrode and the second base electrode A third tunnel structure configured, wherein at least a third amorphous insulator layer and directly to the third amorphous insulator layer so that hole transport at least partially includes tunneling transport; A third tunnel structure including a fourth insulator layer disposed adjacent and configured to cooperate therewith;
A second collector electrode separated from the second base electrode; and a hole disposed between the second base electrode and the second collector electrode, the holes emitted from the second emitter electrode A fourth tunnel structure configured to function as a transport layer by ballistic transport between at least a portion of the second base electrode and the second collector electrode, whereby the holes; A fourth tunnel structure in which the portion is collected by the second collector electrode;
A hot hole transistor having:
Have
A linear amplifier in which the hot electron transistor and the hot hole transistor are configured in a push-pull amplifier configuration.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007258308A (en) * 2006-03-22 2007-10-04 Osaka Univ Transistor element and its fabrication process, light emitting element, and display
JP2019525461A (en) * 2016-07-07 2019-09-05 アモルフィックス・インコーポレイテッド Amorphous metal hot electron transistor
US10651255B2 (en) 2017-07-27 2020-05-12 Samsung Electronics Co. Ltd. Thin film transistor and method of manufacturing the same

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2608267B1 (en) * 2011-12-23 2019-02-27 IHP GmbH-Innovations for High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik P-type graphene base transistor
ES2564493T3 (en) * 2012-04-04 2016-03-23 Forschungszentrum Jülich GmbH Josephson contact in reproducible stages
US9553163B2 (en) 2012-04-19 2017-01-24 Carnegie Mellon University Metal-semiconductor-metal (MSM) heterojunction diode
WO2014039550A1 (en) * 2012-09-04 2014-03-13 Carnegie Mellon University A hot-electron transistor having metal terminals
EP3039723B1 (en) * 2013-08-27 2024-07-03 Georgia State University Research Foundation, Inc. Tunable hot-carrier photodetector
US9112130B2 (en) * 2013-11-01 2015-08-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Quantum interference based logic devices including electron monochromator
JP2021175027A (en) * 2020-04-21 2021-11-01 株式会社村田製作所 Power amplifier, power amplification circuit, and power amplification device
US12075656B2 (en) 2020-06-12 2024-08-27 Amorphyx, Incorporated Circuits including non-linear components for electronic devices
CN115389891B (en) * 2022-07-26 2023-07-25 安庆师范大学 Method for detecting electric transport band gap in molecular semiconductor material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2228617A (en) * 1989-02-27 1990-08-29 Philips Electronic Associated A method of manufacturing a semiconductor device having a mesa structure

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007258308A (en) * 2006-03-22 2007-10-04 Osaka Univ Transistor element and its fabrication process, light emitting element, and display
JP2019525461A (en) * 2016-07-07 2019-09-05 アモルフィックス・インコーポレイテッド Amorphous metal hot electron transistor
JP7068265B2 (en) 2016-07-07 2022-05-16 アモルフィックス・インコーポレイテッド Amorphous metal hot electron transistor
US10651255B2 (en) 2017-07-27 2020-05-12 Samsung Electronics Co. Ltd. Thin film transistor and method of manufacturing the same

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