JP2722849B2 - 共鳴トンネル電界効果トランジスタ - Google Patents
共鳴トンネル電界効果トランジスタInfo
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- JP2722849B2 JP2722849B2 JP9527191A JP9527191A JP2722849B2 JP 2722849 B2 JP2722849 B2 JP 2722849B2 JP 9527191 A JP9527191 A JP 9527191A JP 9527191 A JP9527191 A JP 9527191A JP 2722849 B2 JP2722849 B2 JP 2722849B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電界効果トランジスタ、
詳しくはソースとドレイン間を流れる共鳴トンネル電流
をゲート電極で制御する電界効果トランジスタに関す
る。
詳しくはソースとドレイン間を流れる共鳴トンネル電流
をゲート電極で制御する電界効果トランジスタに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図６は半導体ヘテロ接合により構成され
る従来の共鳴トンネルダイオードの断面構造模式図を示
す。図において、ｎ型の導電性を持つガリウム砒素（以
下ＧａＡｓと呼ぶ）基板１上に、第１の障壁層である高
純度アルミニウムガリウム砒素（以下ＡｌＧａＡｓと呼
ぶ）２、量子井戸としての役割を持つ高純度ＧａＡｓ
３、第２の障壁層である高純度ＡｌＧａＡｓ４、さらに
導電層であるｎ型ＧａＡｓ５が積層構造をなして設けら
れている。ＧａＡｓ１とＧａＡｓ５にはそれぞれ電極
６、７が接続されている。ＧａＡｓ３の膜厚は電子波長
オーダー（数十オングストローム）と薄く、ＡｌＧａＡ
ｓ２、４からなる障壁層に囲まれ、積層方向（ｚ軸）の
電子の運動の自由度が制限された量子井戸を形成してい
る。この結果、ｚ軸方向の電子の運動エネルギーは離散
化され、導電層のＧａＡｓから注入される電子の運動エ
ネルギーが前記離散化されたエネルギーに一致したとき
に、電子は共鳴的に２重障壁層２、４をトンネルし、導
電層１、５間に電流が流れることになる。このような共
鳴トンネルダイオードは江崎玲於奈監修、榊裕之編著の
文献「超格子ヘテロ構造デバイス」の第１１章に述べら
れる如く、当該分野では公知である。
る従来の共鳴トンネルダイオードの断面構造模式図を示
す。図において、ｎ型の導電性を持つガリウム砒素（以
下ＧａＡｓと呼ぶ）基板１上に、第１の障壁層である高
純度アルミニウムガリウム砒素（以下ＡｌＧａＡｓと呼
ぶ）２、量子井戸としての役割を持つ高純度ＧａＡｓ
３、第２の障壁層である高純度ＡｌＧａＡｓ４、さらに
導電層であるｎ型ＧａＡｓ５が積層構造をなして設けら
れている。ＧａＡｓ１とＧａＡｓ５にはそれぞれ電極
６、７が接続されている。ＧａＡｓ３の膜厚は電子波長
オーダー（数十オングストローム）と薄く、ＡｌＧａＡ
ｓ２、４からなる障壁層に囲まれ、積層方向（ｚ軸）の
電子の運動の自由度が制限された量子井戸を形成してい
る。この結果、ｚ軸方向の電子の運動エネルギーは離散
化され、導電層のＧａＡｓから注入される電子の運動エ
ネルギーが前記離散化されたエネルギーに一致したとき
に、電子は共鳴的に２重障壁層２、４をトンネルし、導
電層１、５間に電流が流れることになる。このような共
鳴トンネルダイオードは江崎玲於奈監修、榊裕之編著の
文献「超格子ヘテロ構造デバイス」の第１１章に述べら
れる如く、当該分野では公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら半導体ヘ
テロ構造を用いた上記の共鳴トンネルダイオードは以下
に述べるような欠点があった。第１の欠点は上記の構造
は２端子素子、即ちダイオードであり、電極６、７以外
の第３の電極を用いて、２端子間を流れる共鳴トンネル
電流を制御するような３端子素子、即ちトランジスタを
構成することは困難であった。この困難さの理由は、前
記構造においては第３の電極は何らかの形でＧａＡｓ量
子井戸層３に接続される必要があり、電子波長オーダー
の超薄膜ＧａＡｓ３との電気的接続が物理的に極めて困
難であることによる。さらに、たとえ超薄膜ＧａＡｓ３
と第３の電極との電気的接続が可能になったとしても、
この第３の電極は、電子がトンネル可能なほどの超薄膜
のＡｌＧａＡｓ２、４を介してＧａＡｓ導電層１、５と
隔たれているだけであり、前記２つの導電層との電気的
絶縁を図ることが困難であるという問題もあった。
テロ構造を用いた上記の共鳴トンネルダイオードは以下
に述べるような欠点があった。第１の欠点は上記の構造
は２端子素子、即ちダイオードであり、電極６、７以外
の第３の電極を用いて、２端子間を流れる共鳴トンネル
電流を制御するような３端子素子、即ちトランジスタを
構成することは困難であった。この困難さの理由は、前
記構造においては第３の電極は何らかの形でＧａＡｓ量
子井戸層３に接続される必要があり、電子波長オーダー
の超薄膜ＧａＡｓ３との電気的接続が物理的に極めて困
難であることによる。さらに、たとえ超薄膜ＧａＡｓ３
と第３の電極との電気的接続が可能になったとしても、
この第３の電極は、電子がトンネル可能なほどの超薄膜
のＡｌＧａＡｓ２、４を介してＧａＡｓ導電層１、５と
隔たれているだけであり、前記２つの導電層との電気的
絶縁を図ることが困難であるという問題もあった。
【０００４】第２の欠点としてＧａＡｓ層３からなる量
子井戸に閉じ込められた電子は層の面内方向には運動の
自由度を有しており、このため２重障壁層により閉じ込
められた電子のエネルギー準位の離散性は不十分であ
り、準位間にも電子の状態密度が連続的に存在してい
る。このため前記文献に記述される如く、共鳴トンネル
電流電圧特性に現れる微分負性抵抗の大きさに制限を与
えていた。このことは、従来構造の共鳴トンネルダイオ
ードの素子応用にとって、障害となっていた。
子井戸に閉じ込められた電子は層の面内方向には運動の
自由度を有しており、このため２重障壁層により閉じ込
められた電子のエネルギー準位の離散性は不十分であ
り、準位間にも電子の状態密度が連続的に存在してい
る。このため前記文献に記述される如く、共鳴トンネル
電流電圧特性に現れる微分負性抵抗の大きさに制限を与
えていた。このことは、従来構造の共鳴トンネルダイオ
ードの素子応用にとって、障害となっていた。
【０００５】本発明の目的は従来の共鳴トンネルダイオ
ードの持つこれらの欠点を取り除いた新規な共鳴トンネ
ル電流をゲート電極で制御する電界効果トランジスタを
提供することにある。
ードの持つこれらの欠点を取り除いた新規な共鳴トンネ
ル電流をゲート電極で制御する電界効果トランジスタを
提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、ソース、ドレ
イン電極間に、キャリアがトンネルできる程度の幅の導
電性の第１と第２の細線をキャリア波長程度の間隔で並
列に設けしかもこの細線間を電気的に接続するように導
電性の第３の細線を複数設けて第１、第２、第３の細線
に囲まれた領域の寸法をキャリア波長程度とした構造の
ゲート電極を有することを特徴とする共鳴トンネル電界
効果トランジスタである。ここで第１、第２、第３の細
線に囲まれた領域の寸法を一つのゲート電極内で変えて
もよい。また第１、第２、第３の細線に囲まれた領域の
寸法を一つのゲート電極内で変え、しかもドレイン電極
を互いに電気的に分離して複数設け、一つの寸法の前記
領域に対し一つのドレインが対応するようにしてもよ
い。
イン電極間に、キャリアがトンネルできる程度の幅の導
電性の第１と第２の細線をキャリア波長程度の間隔で並
列に設けしかもこの細線間を電気的に接続するように導
電性の第３の細線を複数設けて第１、第２、第３の細線
に囲まれた領域の寸法をキャリア波長程度とした構造の
ゲート電極を有することを特徴とする共鳴トンネル電界
効果トランジスタである。ここで第１、第２、第３の細
線に囲まれた領域の寸法を一つのゲート電極内で変えて
もよい。また第１、第２、第３の細線に囲まれた領域の
寸法を一つのゲート電極内で変え、しかもドレイン電極
を互いに電気的に分離して複数設け、一つの寸法の前記
領域に対し一つのドレインが対応するようにしてもよ
い。
【０００７】
【作用】アップライド・フィズィックス・レター（Ａｐ
ｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）誌５５巻
１４２１頁に記述される如く、選択ドープされたＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合上に極微細線状のショット
キー電極を設けると、ヘテロ接合界面に存在する２次元
電子ガスが、前記ショットキー金属直下の部分だけポテ
ンシャルエネルギーが高くなるため空乏化し、２次元電
子ガスが二分される。図７（ａ）はその事情を説明する
ためのヘテロ構造断面模式図を、同じく（ｂ）はヘテロ
界面の電子のエネルギー・ダイアグラムを示す。ショッ
トキー電極６２は、幅が１０００オングストローム以下
の極微細線形状をしているため、電子にとってポテンシ
ャル障壁６４として働く空乏化部分の幅は短く、二分さ
れた２次元電子ガス６３間に電圧Ｖa が印加されると、
電子がそこをトンネルすることで電流が流れる。
ｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）誌５５巻
１４２１頁に記述される如く、選択ドープされたＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合上に極微細線状のショット
キー電極を設けると、ヘテロ接合界面に存在する２次元
電子ガスが、前記ショットキー金属直下の部分だけポテ
ンシャルエネルギーが高くなるため空乏化し、２次元電
子ガスが二分される。図７（ａ）はその事情を説明する
ためのヘテロ構造断面模式図を、同じく（ｂ）はヘテロ
界面の電子のエネルギー・ダイアグラムを示す。ショッ
トキー電極６２は、幅が１０００オングストローム以下
の極微細線形状をしているため、電子にとってポテンシ
ャル障壁６４として働く空乏化部分の幅は短く、二分さ
れた２次元電子ガス６３間に電圧Ｖa が印加されると、
電子がそこをトンネルすることで電流が流れる。
【０００８】上記の結果から、図８（ａ）に示されるよ
うな井桁形の表面構造を持つ極微細線状のショットキー
電極をへテロ接合上に設けると、ヘテロ接合界面に存在
する電子のエネルギーダイアグラムは図８（ｂ）のよう
になることが類推できる。井桁構造の向かい合った細線
間の間隔を電子波長オーダーにすると、極微細線のショ
ットキー電極によって生ずる２重障壁中の電子は３次元
的に閉じ込められ、全ての方向に関し運動の自由度を失
い、電子エネルギーは離散的な量子準位７３となる。こ
の場合は前記従来例と異なり、量子準位間に電子の状態
密度は存在しない。領域７１、７２に存在する２次元電
子ガス間に電圧Ｖａを印加すると前記２重障壁を電子が
共鳴トンネルすることで電流が流れる。そのときの電子
のエネルギーダイアグラムを同図（ｃ）に示す。共鳴ト
ンネル電流７４が最も大きくなるのは、注入される２次
元電子ガス７１のフェルミ準位６５が前記離散的量子準
位７３に一致した時である。前記ショットキー電極６２
に電圧を印加すると、ショットキー電極下に広がるポテ
ンシャル障壁６４の形が変わり、離散的量子準位のエネ
ルギー位置が変化する。このため、同図（ｄ）に示すよ
うに注入される２次元電子ガスのフェルミ準位６５が離
散的量子準位７３と一致しなくなり、共鳴トンネル電流
は減少することになる。
うな井桁形の表面構造を持つ極微細線状のショットキー
電極をへテロ接合上に設けると、ヘテロ接合界面に存在
する電子のエネルギーダイアグラムは図８（ｂ）のよう
になることが類推できる。井桁構造の向かい合った細線
間の間隔を電子波長オーダーにすると、極微細線のショ
ットキー電極によって生ずる２重障壁中の電子は３次元
的に閉じ込められ、全ての方向に関し運動の自由度を失
い、電子エネルギーは離散的な量子準位７３となる。こ
の場合は前記従来例と異なり、量子準位間に電子の状態
密度は存在しない。領域７１、７２に存在する２次元電
子ガス間に電圧Ｖａを印加すると前記２重障壁を電子が
共鳴トンネルすることで電流が流れる。そのときの電子
のエネルギーダイアグラムを同図（ｃ）に示す。共鳴ト
ンネル電流７４が最も大きくなるのは、注入される２次
元電子ガス７１のフェルミ準位６５が前記離散的量子準
位７３に一致した時である。前記ショットキー電極６２
に電圧を印加すると、ショットキー電極下に広がるポテ
ンシャル障壁６４の形が変わり、離散的量子準位のエネ
ルギー位置が変化する。このため、同図（ｄ）に示すよ
うに注入される２次元電子ガスのフェルミ準位６５が離
散的量子準位７３と一致しなくなり、共鳴トンネル電流
は減少することになる。
【０００９】
【実施例】以下に本発明の実施例を図を用いて説明す
る。
る。
【００１０】図１（ａ）は請求項１記載の発明の一実施
例を示すためのトランジスタ断面模式図である。ＧａＡ
ｓ基板１０上に高純度ＧａＡｓ層１１と、Ｓｉを高濃度
にドープしたＡｌＧａＡｓ層１２をこの順に設ける。Ａ
ｌＧａＡｓ層１２上には、同図（ｂ）の平面模式図に示
されるような平行に設けられた第１、第２の金属細線１
３、１４、その間を接続するように配置された第３の金
属細線１５とで構成される井桁構造を持つショットキー
ゲート電極３０が設けられている。金属細線１３、１
４、１５の材料としてはアルミニウムを用いる。ＡｌＧ
ａＡｓ層１２と高純度ＧａＡｓ層１１のヘテロ界面に存
在する２次元電子ガスのソース側からドレイン側への流
れをショットキー電極により制御することで動作する。
ソース電極１６、ドレイン電極１７は金・ゲルマニウム
・ニッケルの合金からなり、ヘテロ界面に存在する２次
元電子ガスとオーミック接触がとられている。細線１
３、１４はその下に形成されるバリア層を電子がトンネ
ルできる必要があり、その線幅は本実施例では５００オ
ングストロームとした。また細線１３、１４、１５で囲
まれた領域の寸法は電子波長程度にするので、本実施例
では細線１３、１４の間隔は５００オングストローム、
一つの細線１５と隣の細線１５の間隔は８００オングス
トロームとした。細線１５の線幅は電子をとじこめられ
ればよいので極微細な寸法である必要はなくもっと太く
てもよいが、あまり太いとその下はデッドスペースにな
ってしまうので、本実施例では５００オングストローム
とした。井桁構造の寸法を小さくするほど高い温度で動
作させることができる。
例を示すためのトランジスタ断面模式図である。ＧａＡ
ｓ基板１０上に高純度ＧａＡｓ層１１と、Ｓｉを高濃度
にドープしたＡｌＧａＡｓ層１２をこの順に設ける。Ａ
ｌＧａＡｓ層１２上には、同図（ｂ）の平面模式図に示
されるような平行に設けられた第１、第２の金属細線１
３、１４、その間を接続するように配置された第３の金
属細線１５とで構成される井桁構造を持つショットキー
ゲート電極３０が設けられている。金属細線１３、１
４、１５の材料としてはアルミニウムを用いる。ＡｌＧ
ａＡｓ層１２と高純度ＧａＡｓ層１１のヘテロ界面に存
在する２次元電子ガスのソース側からドレイン側への流
れをショットキー電極により制御することで動作する。
ソース電極１６、ドレイン電極１７は金・ゲルマニウム
・ニッケルの合金からなり、ヘテロ界面に存在する２次
元電子ガスとオーミック接触がとられている。細線１
３、１４はその下に形成されるバリア層を電子がトンネ
ルできる必要があり、その線幅は本実施例では５００オ
ングストロームとした。また細線１３、１４、１５で囲
まれた領域の寸法は電子波長程度にするので、本実施例
では細線１３、１４の間隔は５００オングストローム、
一つの細線１５と隣の細線１５の間隔は８００オングス
トロームとした。細線１５の線幅は電子をとじこめられ
ればよいので極微細な寸法である必要はなくもっと太く
てもよいが、あまり太いとその下はデッドスペースにな
ってしまうので、本実施例では５００オングストローム
とした。井桁構造の寸法を小さくするほど高い温度で動
作させることができる。
【００１１】図２はヘテロ界面に存在する２次元電子ガ
ス１８のエネルギーダイアグラムを示す。井桁構造を持
つショットキー電極により、２重ポテンシャル障壁が形
成され、井桁構造内に閉じ込められた電子の運動は３次
元的に全ての方向に閉じ込められ、離散的量子準位が形
成される。この結果、ソースとドレイン両電極間に電圧
ＶSDを印加するとソース側の２次元電子ガスのフェルミ
準位が前記離散的量子準位に一致したとき前記２重ポテ
ンシャル障壁を介して共鳴トンネル電流が強く流れる。
ショットキー電極のゲート電位を単調に増加させていく
と、離散的量子準位のエネルギー位置が変わり、ソース
側の電子のフェルミ準位が最低次の量子準位に一致し
て、共鳴トンネル電流が多く流れる状態、続けて前記準
位との一致が外れ、共鳴トンネル電流が流れなくなる状
態、最低次の次の量子準位とソース側のフェルミ準位と
が一致して共鳴トンネル電流が多く流れる状態を逐次実
現していくことができ、このトランジスタを微分負性抵
抗を持つ機能素子として使用することができる。
ス１８のエネルギーダイアグラムを示す。井桁構造を持
つショットキー電極により、２重ポテンシャル障壁が形
成され、井桁構造内に閉じ込められた電子の運動は３次
元的に全ての方向に閉じ込められ、離散的量子準位が形
成される。この結果、ソースとドレイン両電極間に電圧
ＶSDを印加するとソース側の２次元電子ガスのフェルミ
準位が前記離散的量子準位に一致したとき前記２重ポテ
ンシャル障壁を介して共鳴トンネル電流が強く流れる。
ショットキー電極のゲート電位を単調に増加させていく
と、離散的量子準位のエネルギー位置が変わり、ソース
側の電子のフェルミ準位が最低次の量子準位に一致し
て、共鳴トンネル電流が多く流れる状態、続けて前記準
位との一致が外れ、共鳴トンネル電流が流れなくなる状
態、最低次の次の量子準位とソース側のフェルミ準位と
が一致して共鳴トンネル電流が多く流れる状態を逐次実
現していくことができ、このトランジスタを微分負性抵
抗を持つ機能素子として使用することができる。
【００１２】図３は請求項２記載の発明の実施例を示す
平面図で、簡単のためトランジスタのゲート電極のみ示
している。このトランジスタも、図１と同じくＧａＡｓ
基板上に高純度ＧａＡｓ層とＳｉを高濃度にドープした
ＡｌＧａＡｓ層を順に設け、そのヘテロ界面に存在する
２次元電子ガスのソース電極側からドレイン電極側への
流れを、図３に示されるような平行に設けられた第１、
第２の金属細線１３、１４と、その間を接続するように
配置された複数個の第３の金属細線１５とで構成される
井桁の平面構造を持つショットキー電極により制御する
ことで動作する。金属細線１３〜１５の材料としてはア
ルミニウムを用いる。このトランジスタが図１と異なる
点は、第１〜第３の金属配線で囲まれる領域の寸法つま
り井桁の寸法が一つのゲート電極内で異なっていること
であり、これによってこの領域の離散的量子準位の数を
図１に比べ多くすることができる。図３（ａ）はゲート
幅方向の井桁の寸法ＷをＷ1 Ｗ2 の二種類にしたもの、
（ｂ）はゲート長方向の寸法ＬをＬ1 、Ｌ2 の二種類に
したものである。（ｃ）はＷ、Ｌの両方をＷ3 、Ｌ3 、
Ｗ4 、 Ｌ4 、Ｗ5 、 Ｌ5 と三種類変えている。また図１
および図３（ａ）〜（ｃ）では第１〜第３の金属配線で
囲まれる領域の平面形状はすべて短形であるが、これ以
外の形状、例えば図３（ｄ）に示すように円形でもかま
わない。
平面図で、簡単のためトランジスタのゲート電極のみ示
している。このトランジスタも、図１と同じくＧａＡｓ
基板上に高純度ＧａＡｓ層とＳｉを高濃度にドープした
ＡｌＧａＡｓ層を順に設け、そのヘテロ界面に存在する
２次元電子ガスのソース電極側からドレイン電極側への
流れを、図３に示されるような平行に設けられた第１、
第２の金属細線１３、１４と、その間を接続するように
配置された複数個の第３の金属細線１５とで構成される
井桁の平面構造を持つショットキー電極により制御する
ことで動作する。金属細線１３〜１５の材料としてはア
ルミニウムを用いる。このトランジスタが図１と異なる
点は、第１〜第３の金属配線で囲まれる領域の寸法つま
り井桁の寸法が一つのゲート電極内で異なっていること
であり、これによってこの領域の離散的量子準位の数を
図１に比べ多くすることができる。図３（ａ）はゲート
幅方向の井桁の寸法ＷをＷ1 Ｗ2 の二種類にしたもの、
（ｂ）はゲート長方向の寸法ＬをＬ1 、Ｌ2 の二種類に
したものである。（ｃ）はＷ、Ｌの両方をＷ3 、Ｌ3 、
Ｗ4 、 Ｌ4 、Ｗ5 、 Ｌ5 と三種類変えている。また図１
および図３（ａ）〜（ｃ）では第１〜第３の金属配線で
囲まれる領域の平面形状はすべて短形であるが、これ以
外の形状、例えば図３（ｄ）に示すように円形でもかま
わない。
【００１３】図４は請求項３記載の発明の一実施例を示
す平面図である。このトランジスタでは図１、図３のト
ランジスタと異なり、ドレイン電極１９が複数（図では
三つ）に分かれて、ドレイン電極間はメサエッチ領域２
０で電気的に分離されている。このトランジスタにおい
ては同一のドレイン電極に流れる共鳴トンネル電流を制
御するゲート電極の複数の井桁構造の寸法は同一に設計
され、同一のエネルギーの量子準位を持つが、ドレイン
電極が異なると対応するゲート電極の井桁構造の寸法が
異なり、異なるエネルギーの量子準位となるように設計
する。本実施例では細線１３、１４、１５で囲まれる領
域が２００オングストローム角、４００オングストロー
ム角、６００オングストローム角の三種類とする。この
ため、各次数の量子準位のエネルギーの値が空間的に離
散的に変化しており、ゲート電極の電位を単調に増大し
ていくと最低次の電子準位のうち、最も低いエネルギー
値を持つ領域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流
れ、やがてその領域のドレイン電極に流れる電流が切
れ、続けて次に離散的量子準位のエネルギーが高い領域
のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れる。以後、同
様の動作が連続しておこり、最低次の量子準位を一巡す
ると、第２次の量子準位のうち、最も低いエネルギー値
を持つ領域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れ、
やがてその領域のドレイン電極に流れる電流が切れ、続
けて第２次の量子準位のうち、次にエネルギーが高い領
域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れる。以後、
同様の動作を繰り返し、このトランジスタは繰り返し動
作の可能な多点切り替えスイッチのような機能を持つこ
とになる。
す平面図である。このトランジスタでは図１、図３のト
ランジスタと異なり、ドレイン電極１９が複数（図では
三つ）に分かれて、ドレイン電極間はメサエッチ領域２
０で電気的に分離されている。このトランジスタにおい
ては同一のドレイン電極に流れる共鳴トンネル電流を制
御するゲート電極の複数の井桁構造の寸法は同一に設計
され、同一のエネルギーの量子準位を持つが、ドレイン
電極が異なると対応するゲート電極の井桁構造の寸法が
異なり、異なるエネルギーの量子準位となるように設計
する。本実施例では細線１３、１４、１５で囲まれる領
域が２００オングストローム角、４００オングストロー
ム角、６００オングストローム角の三種類とする。この
ため、各次数の量子準位のエネルギーの値が空間的に離
散的に変化しており、ゲート電極の電位を単調に増大し
ていくと最低次の電子準位のうち、最も低いエネルギー
値を持つ領域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流
れ、やがてその領域のドレイン電極に流れる電流が切
れ、続けて次に離散的量子準位のエネルギーが高い領域
のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れる。以後、同
様の動作が連続しておこり、最低次の量子準位を一巡す
ると、第２次の量子準位のうち、最も低いエネルギー値
を持つ領域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れ、
やがてその領域のドレイン電極に流れる電流が切れ、続
けて第２次の量子準位のうち、次にエネルギーが高い領
域のドレイン電極に共鳴トンネル電流が流れる。以後、
同様の動作を繰り返し、このトランジスタは繰り返し動
作の可能な多点切り替えスイッチのような機能を持つこ
とになる。
【００１４】図４の実施例ではドレイン電極１９間をメ
サエッチで分離しているが、図５に示すように酸素イオ
ンを注入する方法でもよい。また注入イオンは酸素に限
らずプロトンやＧａ+ 、Ｂ+ 等のＩＩＩ族元素でもよ
い。
サエッチで分離しているが、図５に示すように酸素イオ
ンを注入する方法でもよい。また注入イオンは酸素に限
らずプロトンやＧａ+ 、Ｂ+ 等のＩＩＩ族元素でもよ
い。
【００１５】以上述べた実施例ではすべて順構造の２次
元電子ガス電界効果トランジスタを用いたが、高純度Ｇ
ａＡｓ層側にゲート電極を形成するいわゆる逆構造のも
の、ＭＥＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等も用いることができる。
またｎ型ＦＥＴに限らずｐ型ＦＥＴも可能である。なお
ＪＦＥＴでは本発明でいう細線は金属ではなく、高濃度
に不純物をドープした拡散層となる。
元電子ガス電界効果トランジスタを用いたが、高純度Ｇ
ａＡｓ層側にゲート電極を形成するいわゆる逆構造のも
の、ＭＥＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等も用いることができる。
またｎ型ＦＥＴに限らずｐ型ＦＥＴも可能である。なお
ＪＦＥＴでは本発明でいう細線は金属ではなく、高濃度
に不純物をドープした拡散層となる。
【００１６】
【発明の効果】以上、本発明によれば、ソース電極とド
レイン電極間を流れる共鳴トンネル電流の大きさをゲー
ト電極で制御することができ、共鳴トンネル電流に特有
の微分負性抵抗の大きさをゲートで制御する三端子の機
能素子が構成できる。本発明では、前述の従来例のよう
な電子波長オーダーの超薄膜（図６のＧａＡｓ３）が必
要なくなり、従って３端子素子化するためのそこへの困
難な電気的接続も不要となる。またこの超薄膜とその外
側の導電層との電気的絶縁も容易になる。さらに井桁構
造内に閉じ込められた電子の運動は３次元的に全ての方
向に閉じ込められ、離散的量子準位が形成される。この
ため、従来の共鳴トンネルダイオードと異なり、準位間
の電子の状態密度は零となり、負性抵抗の大きさが大き
く現れ、機能素子として動作させる点で有利となってい
る。
レイン電極間を流れる共鳴トンネル電流の大きさをゲー
ト電極で制御することができ、共鳴トンネル電流に特有
の微分負性抵抗の大きさをゲートで制御する三端子の機
能素子が構成できる。本発明では、前述の従来例のよう
な電子波長オーダーの超薄膜（図６のＧａＡｓ３）が必
要なくなり、従って３端子素子化するためのそこへの困
難な電気的接続も不要となる。またこの超薄膜とその外
側の導電層との電気的絶縁も容易になる。さらに井桁構
造内に閉じ込められた電子の運動は３次元的に全ての方
向に閉じ込められ、離散的量子準位が形成される。この
ため、従来の共鳴トンネルダイオードと異なり、準位間
の電子の状態密度は零となり、負性抵抗の大きさが大き
く現れ、機能素子として動作させる点で有利となってい
る。
【００１７】また、２重障壁によって閉じ込められた領
域の電子の離散的量子準位の値が空間的に変化するよう
に細線で囲まれる井桁平面構造のゲート電極の寸法を空
間的に変化させ、単一のソース電極、複数のドレイン電
極を設けることで、繰り返し動作の可能な多点切り替え
スイッチのような機能を持たせることができる。
域の電子の離散的量子準位の値が空間的に変化するよう
に細線で囲まれる井桁平面構造のゲート電極の寸法を空
間的に変化させ、単一のソース電極、複数のドレイン電
極を設けることで、繰り返し動作の可能な多点切り替え
スイッチのような機能を持たせることができる。
【図１】請求項１記載の共鳴トンネルトランジスタの一
実施例を説明するための断面模式図と平面模式図であ
る。
実施例を説明するための断面模式図と平面模式図であ
る。
【図２】ヘテロ界面に存在する２次元電子ガスのエネル
ギーダイアグラムである。
ギーダイアグラムである。
【図３】請求項２記載の共鳴トンネルトランジスタの一
実施例を説明するための平面模式図である。
実施例を説明するための平面模式図である。
【図４】請求項３記載の共鳴トンネルトランジスタの一
実施例を説明するための平面模式図である。
実施例を説明するための平面模式図である。
【図５】請求項３記載の共鳴トンネルトランジスタの他
の実施例を示す平面模式図である。
の実施例を示す平面模式図である。
【図６】共鳴トンネルダイオードの従来例を説明するた
めの断面模式図である。
めの断面模式図である。
【図７】極微細線ショットキー電極が設けられた半導体
ヘテロ構造を説明するための断面模式図とエネルギーダ
イアグラムである。
ヘテロ構造を説明するための断面模式図とエネルギーダ
イアグラムである。
【図８】極微細線井桁型ショットキー電極の平面図およ
び極微細線井桁型ショットキー電極下のヘテロ界面にお
ける電子ガスの熱平衡状態、共鳴時、非共鳴時のエネル
ギーダイアグラムである。
び極微細線井桁型ショットキー電極下のヘテロ界面にお
ける電子ガスの熱平衡状態、共鳴時、非共鳴時のエネル
ギーダイアグラムである。
１、１０ ガリウム砒素基板 ２、４ アルミニウムガリウム砒素 ３、５ ガリウム砒素 ６、７ 電極 １１ 高純度ガリウム砒素 １２ シリコンドープアルミニウムガリウム砒素 １３、１４、１５ 極微細線ゲート電極 １６ ソース電極 １７ ドレイン電極 １８ ２次元電子ガス １９ ドレイン電極 ２０ メサエッチ領域 ２１ 酸素イオン注入領域 ６０ ガリウム砒素 ６１ アルミニウムガリウム砒素 ６２ ショットキー電極 ６３ ２次元電子ガス ６４ ポテンシャル障壁 ６５ フェルミ準位 ７０ ショットキー電極 ７１、７２ ２次元電子ガス ７３ 量子準位 ７４ 共鳴トンネル電流
Claims (3)
- 【請求項１】 ソース、ドレイン電極間に、キャリアが
トンネルできる程度の幅の導電性の第１と第２の細線を
キャリア波長程度の間隔で並列に設けしかもこの細線間
を電気的に接続するように導電性の第３の細線を複数設
けて第１、第２、第３の細線に囲まれた領域の寸法をキ
ャリア波長程度とした構造のゲート電極を有することを
特徴とする共鳴トンネル電界効果トランジスタ。 - 【請求項２】 第１、第２、第３の細線に囲まれた領域
の寸法を一つのゲート電極内で変えた請求項１記載の共
鳴トンネル電界効果トランジスタ。 - 【請求項３】 第１、第２、第３の細線に囲まれた領域
の寸法を一つのゲート電極内で変え、しかもドレイン電
極を互いに電気的に分離して複数設け、一つの寸法の前
記領域に対し一つのドレインが対応するようにした請求
項１記載の共鳴トンネル電界効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9527191A JP2722849B2 (ja) | 1991-04-25 | 1991-04-25 | 共鳴トンネル電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9527191A JP2722849B2 (ja) | 1991-04-25 | 1991-04-25 | 共鳴トンネル電界効果トランジスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04324940A JPH04324940A (ja) | 1992-11-13 |
| JP2722849B2 true JP2722849B2 (ja) | 1998-03-09 |
Family
ID=14133113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9527191A Expired - Fee Related JP2722849B2 (ja) | 1991-04-25 | 1991-04-25 | 共鳴トンネル電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2722849B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0662600A4 (en) * | 1993-06-10 | 1997-02-12 | Oh Yoh Keisoku Kenkyusho Kk | DEVICE FOR MEASURING THE POSITION OF A MOVABLE OBJECT. |
-
1991
- 1991-04-25 JP JP9527191A patent/JP2722849B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04324940A (ja) | 1992-11-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19971028 |
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