JP2630438B2 - 量子効果半導体装置 - Google Patents
量子効果半導体装置Info
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- JP2630438B2 JP2630438B2 JP63190546A JP19054688A JP2630438B2 JP 2630438 B2 JP2630438 B2 JP 2630438B2 JP 63190546 A JP63190546 A JP 63190546A JP 19054688 A JP19054688 A JP 19054688A JP 2630438 B2 JP2630438 B2 JP 2630438B2
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- JP
- Japan
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- layer
- barrier
- emitter
- rhet
- semiconductor device
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン・トランジ
スタや共鳴トンネリング・バイポーラ・トランジスタな
どの量子効果半導体装置の改良に関し、 共鳴トンネリング・バリヤ層に極めて簡単な改変を施
すことに依り、電圧VBE対電流IEの関係が指数関数的に
変化して急激に立ち上がるように、従って、コンダクタ
ンスgEが大きくなるようにし、寄生容量を充電する時間
の短縮、即ち、高速動作性能を向上することを目的と
し、 バリヤ高が隣接する半導体層に向かって漸減するよう
に組成が選択されたバリヤ層及び該バリヤ層で挟まれた
井戸層からなる量子井戸で構成された共鳴トンネリング
・バリヤ層を備えてなるよう構成する。
スタや共鳴トンネリング・バイポーラ・トランジスタな
どの量子効果半導体装置の改良に関し、 共鳴トンネリング・バリヤ層に極めて簡単な改変を施
すことに依り、電圧VBE対電流IEの関係が指数関数的に
変化して急激に立ち上がるように、従って、コンダクタ
ンスgEが大きくなるようにし、寄生容量を充電する時間
の短縮、即ち、高速動作性能を向上することを目的と
し、 バリヤ高が隣接する半導体層に向かって漸減するよう
に組成が選択されたバリヤ層及び該バリヤ層で挟まれた
井戸層からなる量子井戸で構成された共鳴トンネリング
・バリヤ層を備えてなるよう構成する。
本発明は、共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン
・トランジスタ（resonant−tunneling hot electron
transistor:RHET）や共鳴トンネリング・バイポーラ
・トランジスタ（resonant−tunneling bipolar tran
sistor:RBT）などの量子効果半導体装置の改良に関す
る。
・トランジスタ（resonant−tunneling hot electron
transistor:RHET）や共鳴トンネリング・バイポーラ
・トランジスタ（resonant−tunneling bipolar tran
sistor:RBT）などの量子効果半導体装置の改良に関す
る。
この種の半導体装置は、化合物半導体を用いて構成さ
れ、ホット・エレクトロンの輸送現象を利用している
為、電子がトランジスタ中を通過する時間が極めて短い
ので高速動作が可能であり、また、コレクタ電流に微分
負圧コンダクタンス現象が現れることから、通常のトラ
ンジスタに存在しない新しい機能を有するなど、将来を
期待されている。
れ、ホット・エレクトロンの輸送現象を利用している
為、電子がトランジスタ中を通過する時間が極めて短い
ので高速動作が可能であり、また、コレクタ電流に微分
負圧コンダクタンス現象が現れることから、通常のトラ
ンジスタに存在しない新しい機能を有するなど、将来を
期待されている。
然しながら、斯かる半導体装置に於いても、矢張り、
寄生容量の充電時間が高速化を妨げるネックになってい
る。
寄生容量の充電時間が高速化を妨げるネックになってい
る。
第５図は従来のRHETを説明する為の要部切断側面図を
表している。
表している。
図に於いて、１はGaAs基板、２はｎ型GaAsコレクタ・
コンタクト層、３はｉ〜ｎ型AlGaAsコレクタ・バリヤ
層、４はｎ型GaAsベース層、５は量子井戸からなるエミ
ッタ側の共鳴トンネリング・バリヤ（resonant−tunnel
ing barrier:RTB）層、5B1並びに5B2は量子井戸に於け
るｉ型AlGaAsバリヤ層、5Wは量子井戸に於けるｉ型GaAs
井戸層、６はｎ型GaAsエミッタ層、７はAuGe/Auからな
るエミッタ電極、８はAuGe/Auからなるベース電極、９
はAuGe/Auからなるコレクタ電極をそれぞれ示してい
る。
コンタクト層、３はｉ〜ｎ型AlGaAsコレクタ・バリヤ
層、４はｎ型GaAsベース層、５は量子井戸からなるエミ
ッタ側の共鳴トンネリング・バリヤ（resonant−tunnel
ing barrier:RTB）層、5B1並びに5B2は量子井戸に於け
るｉ型AlGaAsバリヤ層、5Wは量子井戸に於けるｉ型GaAs
井戸層、６はｎ型GaAsエミッタ層、７はAuGe/Auからな
るエミッタ電極、８はAuGe/Auからなるベース電極、９
はAuGe/Auからなるコレクタ電極をそれぞれ示してい
る。
この従来例に於いて、量子井戸の構成要素であるｉ型
AlGaAsバリヤ量5B1及び5B2は、実際には、AlxGa1-xAsで
構成され、そのｘ値は0.3であり、また、各半導体層の
厚さは コレクタ・コンタクト層2:2000〔Å〕 コレクタ・バリヤ層3:2000〔Å〕 ベース層4:500〔Å〕 エミッタ層6:2000〔Å〕 である。
AlGaAsバリヤ量5B1及び5B2は、実際には、AlxGa1-xAsで
構成され、そのｘ値は0.3であり、また、各半導体層の
厚さは コレクタ・コンタクト層2:2000〔Å〕 コレクタ・バリヤ層3:2000〔Å〕 ベース層4:500〔Å〕 エミッタ層6:2000〔Å〕 である。
第６図は第５図に見られるRHETに関するエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラムを表し、第５図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものと
する。
ンド・ダイヤグラムを表し、第５図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものと
する。
図に於いて、ECは伝導帯の底、LRは共鳴準位をそれぞ
れ示している。
れ示している。
このRHETに於いては、エミッタ層６に於ける伝導帯の
底ECE及び量子井戸に於ける共鳴準位LRが一致した際、
共鳴トンネリング効果に依って電子がエミッタ層６から
ベース層４に注入され、その電子は、ベース層４に於い
て、電子がもつポテンシャル・エネルギが運動エネルギ
に変換されることから、そこを高速で走り抜けてコレク
タ・バリヤ層３の上方を通ってコレクタ・コンタクト層
２に到達する。
底ECE及び量子井戸に於ける共鳴準位LRが一致した際、
共鳴トンネリング効果に依って電子がエミッタ層６から
ベース層４に注入され、その電子は、ベース層４に於い
て、電子がもつポテンシャル・エネルギが運動エネルギ
に変換されることから、そこを高速で走り抜けてコレク
タ・バリヤ層３の上方を通ってコレクタ・コンタクト層
２に到達する。
前記説明したRHETに於いては、第６図に見られるよう
に、RTB層５に於けるバリヤ層5B1及び5B2は矩形をなし
ている。従って、高い電圧が印加されてバリヤ層5B1及
び5B2が薄くなるにつれてエミッタ電流のコンダクタン
スgEは増大する。
に、RTB層５に於けるバリヤ層5B1及び5B2は矩形をなし
ている。従って、高い電圧が印加されてバリヤ層5B1及
び5B2が薄くなるにつれてエミッタ電流のコンダクタン
スgEは増大する。
然しながら、このRHETに於いては、電圧の変化に対す
る電流の変化が直線的である為、コンダクタンスの増加
はそれほど期待できない。
る電流の変化が直線的である為、コンダクタンスの増加
はそれほど期待できない。
第７図はRHETの特性を説明する為の線図であり、横軸
にベース・エミッタ間電圧VBEを、また、縦軸にエミッ
タ電流IEをそれぞれ採ってある。
にベース・エミッタ間電圧VBEを、また、縦軸にエミッ
タ電流IEをそれぞれ採ってある。
図から判るように、電圧VBEに対して電流IEは直線的
に変化しているので、電圧VBEの微小変化分ΔVbeに対す
る電流IEの微小変換分ΔIE、即ち、コンダクタンスgEは
余り大きくはならない。従って、RTB層５並びにコレク
タ・バリヤ層３に寄生する容量を充電する時間の短縮は
それほど期待できない。
に変化しているので、電圧VBEの微小変化分ΔVbeに対す
る電流IEの微小変換分ΔIE、即ち、コンダクタンスgEは
余り大きくはならない。従って、RTB層５並びにコレク
タ・バリヤ層３に寄生する容量を充電する時間の短縮は
それほど期待できない。
本発明は、RTB層に極めて簡単な改変を施すことに依
り、電圧VBE対電流IEの関係が指数関数的に変化して急
激に立ち上がるように、従って、コンダクタンスgEが大
きくなるようにし、寄生容量を充電する時間の短縮、即
ち、高速動作性能を向上しようとする。
り、電圧VBE対電流IEの関係が指数関数的に変化して急
激に立ち上がるように、従って、コンダクタンスgEが大
きくなるようにし、寄生容量を充電する時間の短縮、即
ち、高速動作性能を向上しようとする。
本発明に依る量子効果半導体装置に於いては、バリヤ
高が隣接する半導体層に向かって漸減するように組成が
選択されたバリヤ層及び該バリヤ層で挟まれた井戸層か
らなる量子井戸で構成された共鳴トンネリング・バリヤ
層を備えている。
高が隣接する半導体層に向かって漸減するように組成が
選択されたバリヤ層及び該バリヤ層で挟まれた井戸層か
らなる量子井戸で構成された共鳴トンネリング・バリヤ
層を備えている。
前記手段を採ることに依る、共鳴準位の箇所でバリヤ
層の厚さが従来のものと同じ程度であっても、動作状態
にした場合には、半導体装置に流れる電流は指数関数的
に増加する為、コンダクタンスは大きく、従って、寄生
容量に対する充電時間は短縮され、高速性能は向上す
る。
層の厚さが従来のものと同じ程度であっても、動作状態
にした場合には、半導体装置に流れる電流は指数関数的
に増加する為、コンダクタンスは大きく、従って、寄生
容量に対する充電時間は短縮され、高速性能は向上す
る。
第１図は本発明一実施例の要部切断側面図であり、第
５図乃至第７図に於いて用いた記号と同記号は同部分を
表すか或いは同じ意味を持つものとする。
５図乃至第７図に於いて用いた記号と同記号は同部分を
表すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、10は量子井戸で構成されたエミッタ側の
共鳴トンネリング・バリヤ（RTB）層、10B1はAlxGa1-xA
s（ｘ＝０→0.3）バリヤ層、10B2はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.
3→０）バリヤ層、11はCr/Auからなるエミッタ電極、12
はCr/Auからなるベース電極、13はCr/Auからなるコレク
タ電極をそれぞれ示している。尚、Cr/Auからなるエミ
ッタ電極11等はノン・アロイでオーミック・コンタクト
を採ってある。
共鳴トンネリング・バリヤ（RTB）層、10B1はAlxGa1-xA
s（ｘ＝０→0.3）バリヤ層、10B2はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.
3→０）バリヤ層、11はCr/Auからなるエミッタ電極、12
はCr/Auからなるベース電極、13はCr/Auからなるコレク
タ電極をそれぞれ示している。尚、Cr/Auからなるエミ
ッタ電極11等はノン・アロイでオーミック・コンタクト
を採ってある。
ここで、各半導体層の厚さを例示すると、 コレクタ・コンタクト層2:3000〔Å〕 コレクタ・バリヤ層3:2000〔Å〕 ベース層4:500〔Å〕 RTB層10:60〜70〔Å〕 バリヤ層10B1:20〔Å〕 バリヤ層10B2:20〔Å〕 井戸層10W:20〜30〔Å〕 エミッタ層6:2000〔Å〕 である。
本実施例が第５図乃至第７図について説明した従来例
と相違する点は、エミッタ側に於けるRTB層10のバリヤ
層10B1及び10B2に含まれるAlのモル比がエミッタ層６に
向けて、或いは、ベース層４に向けて漸減するように、
即ち、ｘ値が0.3→０となるようにしたことである。
と相違する点は、エミッタ側に於けるRTB層10のバリヤ
層10B1及び10B2に含まれるAlのモル比がエミッタ層６に
向けて、或いは、ベース層４に向けて漸減するように、
即ち、ｘ値が0.3→０となるようにしたことである。
第２図は第１図に見られるRHETに関するエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラムを表し、第１図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものと
する。
ンド・ダイヤグラムを表し、第１図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものと
する。
図に於いて、ECは伝導帯の底であるが、ここではΓ谷
に於けるそれであることは云うまでもない。
に於けるそれであることは云うまでもない。
このRHETに於いて、共鳴トンネリングが起こって、エ
ミッタ層６からベース層４に電子が注入され、高速で走
行してコレクタ層２に到達する現象は前記従来のRHETに
ついて説明したところと全く同じである。
ミッタ層６からベース層４に電子が注入され、高速で走
行してコレクタ層２に到達する現象は前記従来のRHETに
ついて説明したところと全く同じである。
然しながら、RTB層10のバリヤ層10B1及び10B2はバリ
ヤが高くなるにつれて薄くなっていることから、エミッ
タ電流IEはエミッタ・ベース間電圧VBEに対して指数関
数的に増加するものである。
ヤが高くなるにつれて薄くなっていることから、エミッ
タ電流IEはエミッタ・ベース間電圧VBEに対して指数関
数的に増加するものである。
第３図は第１図に見られるRHETに電圧を印加して動作
させた場合に関するエネルギ・バンド・ダイヤグラムを
表し、第１図及び第２図に於いて用いた記号と同記号は
同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
させた場合に関するエネルギ・バンド・ダイヤグラムを
表し、第１図及び第２図に於いて用いた記号と同記号は
同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、14は電圧を印加したことに依って生成さ
れた電子の蓄積層、15は同じく電圧を印加したことに依
って生成された空乏層をそれぞれ示している。
れた電子の蓄積層、15は同じく電圧を印加したことに依
って生成された空乏層をそれぞれ示している。
図では、電圧が印加されてエミッタ層６に於ける伝導
帯の底ECEとRTB層10に於ける共鳴準位LRとが略一致した
ことで共鳴トンネリングが起き、電子がエミッタ層６か
らベース層４に注入されることを示している。
帯の底ECEとRTB層10に於ける共鳴準位LRとが略一致した
ことで共鳴トンネリングが起き、電子がエミッタ層６か
らベース層４に注入されることを示している。
この場合、電子はバリヤ層10B1及び10B2の薄い箇所を
共鳴トンネリングすることになり、そのトンネル確率は
極めて高く、従って、エミッタ電流IEは急激に増加す
る。尚、このエミッタ電流IEの増加は、特に、バリヤ層
10B2が薄い場合に急激に発生する。
共鳴トンネリングすることになり、そのトンネル確率は
極めて高く、従って、エミッタ電流IEは急激に増加す
る。尚、このエミッタ電流IEの増加は、特に、バリヤ層
10B2が薄い場合に急激に発生する。
第４図は第１図に見られるRHETの特性を説明する為の
線図であり、横軸にベース・エミッタ間電圧VBEを、ま
た、縦軸にエミッタ電流IEをそれぞれ採ってあり、第１
図乃至第３図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示
すか或いは同じ意味を持つものとする。
線図であり、横軸にベース・エミッタ間電圧VBEを、ま
た、縦軸にエミッタ電流IEをそれぞれ採ってあり、第１
図乃至第３図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示
すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、IEPは極大（ピーク）電流、IEVは極小
（バレー）電流をそれぞれ示している。
（バレー）電流をそれぞれ示している。
図から判るように、電圧VBEに対して電流IEは指数関
数的に変化しているので、電圧VBEの微小変化分ΔVbeに
対する電流IEの微小変換分ΔIE、即ち、コンダクタンス
gEは飛躍的に大きくなり、従来のRHETに比較すると２〜
３倍となって、RTB層10及びコレクタ・バリヤ層３に寄
生する容量を充電する時間は短縮される。
数的に変化しているので、電圧VBEの微小変化分ΔVbeに
対する電流IEの微小変換分ΔIE、即ち、コンダクタンス
gEは飛躍的に大きくなり、従来のRHETに比較すると２〜
３倍となって、RTB層10及びコレクタ・バリヤ層３に寄
生する容量を充電する時間は短縮される。
ところで、前記のようにエミッタ電流IEを指数関数的
に増加させることのみを期待するのであれば、バリヤ層
10B1及び10B2全体を第２図に見られる矩形の形状のまま
薄くすることで達成される。然しながら、そのようにす
ると、第４図に破線で示してあるようにエミッタ電流IE
のPV（ピーク対バレー）比、即ち、極大電流IEP/極小電
流IEVが小さくなってしまい、RHETの特徴を活かした例
えばエクスクルーシブ・ノア回路やフリップ・フロップ
回路などの論理回路を構成する場合などは不利である。
に増加させることのみを期待するのであれば、バリヤ層
10B1及び10B2全体を第２図に見られる矩形の形状のまま
薄くすることで達成される。然しながら、そのようにす
ると、第４図に破線で示してあるようにエミッタ電流IE
のPV（ピーク対バレー）比、即ち、極大電流IEP/極小電
流IEVが小さくなってしまい、RHETの特徴を活かした例
えばエクスクルーシブ・ノア回路やフリップ・フロップ
回路などの論理回路を構成する場合などは不利である。
このようなことを考慮すると、バリヤ層10B1及び10B2
の下方は厚く、且つ、上方は薄くすることが必要とな
り、第３図に見られる形状が理想的であることが理解さ
れよう。
の下方は厚く、且つ、上方は薄くすることが必要とな
り、第３図に見られる形状が理想的であることが理解さ
れよう。
前記実施例に於いては、RHETについて説明したが、本
発明は、RBTなどの量子効果半導体装置に適用すること
ができるのは勿論である。
発明は、RBTなどの量子効果半導体装置に適用すること
ができるのは勿論である。
本発明に依る量子効果半導体装置に於いては、バリヤ
高が隣接する半導体層に向かって漸減する組成をもつバ
リヤ層及びそのバリヤ層で挟まれた井戸層からなる量子
井戸で構成された共鳴トンネリング・バリヤ層を備えて
いる。
高が隣接する半導体層に向かって漸減する組成をもつバ
リヤ層及びそのバリヤ層で挟まれた井戸層からなる量子
井戸で構成された共鳴トンネリング・バリヤ層を備えて
いる。
前記構成を採ることに依り、共鳴準位の箇所でバリヤ
層の厚さが従来のものと同じ程度であっても、動作状態
にした場合には、半導体装置に流れる電流は指数関数的
に増加する為、コンダクタンスは大きく、従って、寄生
容量に対する充電時間は短縮され、高速性能は向上す
る。
層の厚さが従来のものと同じ程度であっても、動作状態
にした場合には、半導体装置に流れる電流は指数関数的
に増加する為、コンダクタンスは大きく、従って、寄生
容量に対する充電時間は短縮され、高速性能は向上す
る。
第１図は本発明一実施例の要部切断側面図、第２図は第
１図に見られるRHETに関するエネルギ・バンド・ダイヤ
グラム、第３図は第１図に見られるRHETに電圧を印加し
て動作させた場合に関するエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラム、第４図は第１図に見られるRHETの特性を説明する
為の線図、第５図は従来のRHETを説明する為の要部切断
側面図、第６図は第５図に見られるRHETに関するエネル
ギ・バンド・ダイヤグラム、第７図はRHETの特性を説明
する為の線図をそれぞれ表している。 図に於いて、１はGaAs基板、２はｎ型GaAsコレクタ・コ
ンタクト層、３はｉ〜ｎ型AlGaAsコレクタ・バリヤ層、
４はｎ型GaAsベース層、５は量子井戸からなるエミッタ
側のRTB層、5B1,5B2は量子井戸に於けるｉ型AlGaAsバリ
ヤ層、5Wは量子井戸に於けるｉ型GaAs井戸層、６はｎ型
GaAsエミッタ層、７はAuGe/Auからなるエミッタ電極、
８はAuGe/Auからなるベース電極、９はAuGe/Auからなる
コレクタ電極、10は量子井戸で構成されたエミッタ側の
RTB層、10B1はAlxGa1-xAs（ｘ＝０→0.3）バリヤ層、10
B2はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.3→０）バリヤ層、11はCr/Auか
らなるエミッタ電極、12はCr/Auからなるベース電極、1
3はCr/Auからなるコレクタ電極をそれぞれ示している。
１図に見られるRHETに関するエネルギ・バンド・ダイヤ
グラム、第３図は第１図に見られるRHETに電圧を印加し
て動作させた場合に関するエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラム、第４図は第１図に見られるRHETの特性を説明する
為の線図、第５図は従来のRHETを説明する為の要部切断
側面図、第６図は第５図に見られるRHETに関するエネル
ギ・バンド・ダイヤグラム、第７図はRHETの特性を説明
する為の線図をそれぞれ表している。 図に於いて、１はGaAs基板、２はｎ型GaAsコレクタ・コ
ンタクト層、３はｉ〜ｎ型AlGaAsコレクタ・バリヤ層、
４はｎ型GaAsベース層、５は量子井戸からなるエミッタ
側のRTB層、5B1,5B2は量子井戸に於けるｉ型AlGaAsバリ
ヤ層、5Wは量子井戸に於けるｉ型GaAs井戸層、６はｎ型
GaAsエミッタ層、７はAuGe/Auからなるエミッタ電極、
８はAuGe/Auからなるベース電極、９はAuGe/Auからなる
コレクタ電極、10は量子井戸で構成されたエミッタ側の
RTB層、10B1はAlxGa1-xAs（ｘ＝０→0.3）バリヤ層、10
B2はAlxGa1-xAs（ｘ＝0.3→０）バリヤ層、11はCr/Auか
らなるエミッタ電極、12はCr/Auからなるベース電極、1
3はCr/Auからなるコレクタ電極をそれぞれ示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/88
Claims (1)
- 【請求項１】バリヤ高が隣接する半導体層に向かって漸
減するように組成が選択されたバリヤ層及び該バリヤ層
で挟まれた井戸層からなる量子井戸で構成された共鳴ト
ンネリング・バリヤ層 を備えてなることを特徴とする量子効果半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63190546A JP2630438B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 量子効果半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63190546A JP2630438B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 量子効果半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0240957A JPH0240957A (ja) | 1990-02-09 |
| JP2630438B2 true JP2630438B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=16259880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63190546A Expired - Lifetime JP2630438B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 量子効果半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2630438B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100292308B1 (ko) * | 1992-06-19 | 2001-09-17 | 이데이 노부유끼 | 반도체장치 |
-
1988
- 1988-08-01 JP JP63190546A patent/JP2630438B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0240957A (ja) | 1990-02-09 |
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