JP2936871B2 - トンネリング電界効果トランジスタ - Google Patents
トンネリング電界効果トランジスタInfo
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- JP2936871B2 JP2936871B2 JP4646092A JP4646092A JP2936871B2 JP 2936871 B2 JP2936871 B2 JP 2936871B2 JP 4646092 A JP4646092 A JP 4646092A JP 4646092 A JP4646092 A JP 4646092A JP 2936871 B2 JP2936871 B2 JP 2936871B2
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- Japan
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- semiconductor
- band
- energy
- effect transistor
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は微分負性抵抗特性を持つ
電界効果トランジスタに関する。
電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】トンネリングを用いた負性抵抗素子とし
ては、共鳴トンネリング構造を、ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタや電界効果トランジスタと組み合わせた、
共鳴トンネリングバイポーラトランジスタ（Ｒｅｓｏｎ
ａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇＢｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎ
ｓｉｓｔｏｒ）等が知られており、排他的論理和や多値
状態保持ゲートをはじめ、ラッチ回路やＮＯＲ回路など
が単体トランジスタで構成できるなど機能素子として優
位性が期待されている。これらの素子については例え
ば、カパソ（Ｃａｐｐａｓｓｏ）らによりエレクトロン
・デバイスィズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ）、ｖｏｌ．３６、ｐｐ２０６５、１９８９に述べら
れている。
ては、共鳴トンネリング構造を、ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタや電界効果トランジスタと組み合わせた、
共鳴トンネリングバイポーラトランジスタ（Ｒｅｓｏｎ
ａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇＢｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎ
ｓｉｓｔｏｒ）等が知られており、排他的論理和や多値
状態保持ゲートをはじめ、ラッチ回路やＮＯＲ回路など
が単体トランジスタで構成できるなど機能素子として優
位性が期待されている。これらの素子については例え
ば、カパソ（Ｃａｐｐａｓｓｏ）らによりエレクトロン
・デバイスィズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ）、ｖｏｌ．３６、ｐｐ２０６５、１９８９に述べら
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体の電子親和力と
は、無限遠点から半導体に電子を1つ付加するのに必要
なエネルギーであり、半導体ヘテロ接合を考える場合に
は、伝導帯のエネルギー値を電子親和力に置き換えて考
える事が出来る。従って、半導体ヘテロ接合における伝
導帯エネルギー不連続値は、それぞれの半導体の電子親
和力の差であらわさる。従来の共鳴トンネル効果は、半
導体ヘテロ接合における伝導帯（もしくは価電子帯）エ
ネルギー不連続、すなわち構成半導体間の電子親和力
（もしくは価電子帯のエネルギー）の差を利用してトン
ネル障壁を構成する。ここで言うトンネル障壁とは、半
導体Aから半導体Bへの荷電粒子の移動を阻害する為に設
けられた障壁を示す。この場合、トンネル電流の密度を
上げようとすると障壁高さを低くするか、もしくは障壁
の厚さを薄くする必要がある。これは同時に熱励起によ
り障壁を乗り越える電子の密度を増加させることにつな
がり、リーク電流を増加させる。このため室温で大きな
微分負性抵抗を実現することはむずかしかった。
は、無限遠点から半導体に電子を1つ付加するのに必要
なエネルギーであり、半導体ヘテロ接合を考える場合に
は、伝導帯のエネルギー値を電子親和力に置き換えて考
える事が出来る。従って、半導体ヘテロ接合における伝
導帯エネルギー不連続値は、それぞれの半導体の電子親
和力の差であらわさる。従来の共鳴トンネル効果は、半
導体ヘテロ接合における伝導帯（もしくは価電子帯）エ
ネルギー不連続、すなわち構成半導体間の電子親和力
（もしくは価電子帯のエネルギー）の差を利用してトン
ネル障壁を構成する。ここで言うトンネル障壁とは、半
導体Aから半導体Bへの荷電粒子の移動を阻害する為に設
けられた障壁を示す。この場合、トンネル電流の密度を
上げようとすると障壁高さを低くするか、もしくは障壁
の厚さを薄くする必要がある。これは同時に熱励起によ
り障壁を乗り越える電子の密度を増加させることにつな
がり、リーク電流を増加させる。このため室温で大きな
微分負性抵抗を実現することはむずかしかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明のトンネリング電
界効果トランジスタによれば、従来のバンド内（伝導帯
内もしくは価電子帯内）トンネリングに比べ、伝導帯と
価電子帯とのバンド間トンネリングを用いるためリーク
電流が抑制でき、かつ大きなトンネル電流を得ることが
出来る。半導体Aの伝導帯から半導体Bの価電子帯へのト
ンネル現象を利用する場合では、トンネル障壁層とし
て、半導体Aに対しては伝導帯エネルギー不連続が大き
く、半導体Bに対しては価電子帯エネルギー不連続が大
きい材料を利用する事が出来るからである。
界効果トランジスタによれば、従来のバンド内（伝導帯
内もしくは価電子帯内）トンネリングに比べ、伝導帯と
価電子帯とのバンド間トンネリングを用いるためリーク
電流が抑制でき、かつ大きなトンネル電流を得ることが
出来る。半導体Aの伝導帯から半導体Bの価電子帯へのト
ンネル現象を利用する場合では、トンネル障壁層とし
て、半導体Aに対しては伝導帯エネルギー不連続が大き
く、半導体Bに対しては価電子帯エネルギー不連続が大
きい材料を利用する事が出来るからである。
【０００５】
【作用】伝導帯と価電子帯とのバンド間トンネリング
は、通常のヘテロ構造作製に使われる半導体（ひ化ガリ
ウム、ひ化アルミニウムガリウム、ひ化インジウムガリ
ウム、燐化インジウム等）において、正孔に比べ有効質
量の小さい電子が、状態密度の小さい伝導帯から、状態
密度の大きい価電子帯に移動する現象である。このた
め、バンド内トンネリングに比べトンネル確率が大き
い。従ってトンネル電流は大きく、リーク電流は小さく
することが容易に実現できる。
は、通常のヘテロ構造作製に使われる半導体（ひ化ガリ
ウム、ひ化アルミニウムガリウム、ひ化インジウムガリ
ウム、燐化インジウム等）において、正孔に比べ有効質
量の小さい電子が、状態密度の小さい伝導帯から、状態
密度の大きい価電子帯に移動する現象である。このた
め、バンド内トンネリングに比べトンネル確率が大き
い。従ってトンネル電流は大きく、リーク電流は小さく
することが容易に実現できる。
【０００６】
【実施例】以下、図面を参照して本発明のトンネリング
電界効果トランジスタの動作を説明する。図１は請求項
１に記載した素子の断面図である。第一の半導体として
ｐ型アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）層１、第二の半
導体として真性アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）
層２、第三の半導体として真性ひ化インジウム（ＩｎＡ
ｓ）層３を用いている。森北出版(株)発行のＡ．Ｇ．ミ
ルネス＆Ｄ．Ｌ．フォイヒト原著、酒井善雄 高橋清 森
泉豊栄共訳 「半導体ヘテロ接合」８頁表１・２（以下
文献1）に記載されているように、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ
の電子親和力は、それぞれ、３．６５ｅＶ、４．９ｅＶ
である。従って、半導体中の電子から見たＩｎＡｓの電
子親和力（伝導帯エネルギー）は、ＡｌＳｂの電子親和
力（伝導帯エネルギー）に比べ１．２５ｅＶ低く、Ａｌ
Ｓｂ層２とＩｎＡｓ層３の界面のＩｎＡｓ側に２次元電
子ガス９が形成される。図に於いてソース電極８、ドレ
イン電極５は電極材料の熱拡散を用いて２次元電子ガス
９とオーミック接触をとっている。図２は第一の構造に
おけるエネルギーバンド図である。前出の文献１に記載
されているように、ＧａＳｂの電子親和力は４．０６ｅ
Ｖ、禁制帯幅は０．６８ｅＶ、荷電子帯のエネルギーは
４．７４ｅＶである。したがって、ＧａＳｂの価電子帯
のエネルギー４．７４ｅＶはＩｎＡｓの電子親和力（伝
導帯エネルギー）４．９ｅＶより、電子に対して高エネ
ルギー側にある。ゲート電極６のｐ−ＧａＳｂ層１に対
する電位をマイナスからプラス方向へ変化させたときの
様子を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）として示す。ＩｎＡｓ層
３中に形成された量子準位はゲート電圧の印加により図
中に示すように変化し、図２（ｂ）で示した状態でＰ型
ＧａＳｂ層１の価電子帯のエネルギーと同じになり、こ
のときにＡｌＳｂ層２を通してバンド間トンネリングが
起こる。バンド間トンネリングが起こると量子準位中の
電子数が増加し、このときにドレイン電流が増加する。
従ってゲート電極を図２で示した（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）の様に変化させるとドレイン電流は図３に示すよ
うに最初増加しその後減少する。従ってドレイン電流は
ゲート電圧の印加に対し微分負性抵抗を持って変化す
る。
電界効果トランジスタの動作を説明する。図１は請求項
１に記載した素子の断面図である。第一の半導体として
ｐ型アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）層１、第二の半
導体として真性アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）
層２、第三の半導体として真性ひ化インジウム（ＩｎＡ
ｓ）層３を用いている。森北出版(株)発行のＡ．Ｇ．ミ
ルネス＆Ｄ．Ｌ．フォイヒト原著、酒井善雄 高橋清 森
泉豊栄共訳 「半導体ヘテロ接合」８頁表１・２（以下
文献1）に記載されているように、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ
の電子親和力は、それぞれ、３．６５ｅＶ、４．９ｅＶ
である。従って、半導体中の電子から見たＩｎＡｓの電
子親和力（伝導帯エネルギー）は、ＡｌＳｂの電子親和
力（伝導帯エネルギー）に比べ１．２５ｅＶ低く、Ａｌ
Ｓｂ層２とＩｎＡｓ層３の界面のＩｎＡｓ側に２次元電
子ガス９が形成される。図に於いてソース電極８、ドレ
イン電極５は電極材料の熱拡散を用いて２次元電子ガス
９とオーミック接触をとっている。図２は第一の構造に
おけるエネルギーバンド図である。前出の文献１に記載
されているように、ＧａＳｂの電子親和力は４．０６ｅ
Ｖ、禁制帯幅は０．６８ｅＶ、荷電子帯のエネルギーは
４．７４ｅＶである。したがって、ＧａＳｂの価電子帯
のエネルギー４．７４ｅＶはＩｎＡｓの電子親和力（伝
導帯エネルギー）４．９ｅＶより、電子に対して高エネ
ルギー側にある。ゲート電極６のｐ−ＧａＳｂ層１に対
する電位をマイナスからプラス方向へ変化させたときの
様子を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）として示す。ＩｎＡｓ層
３中に形成された量子準位はゲート電圧の印加により図
中に示すように変化し、図２（ｂ）で示した状態でＰ型
ＧａＳｂ層１の価電子帯のエネルギーと同じになり、こ
のときにＡｌＳｂ層２を通してバンド間トンネリングが
起こる。バンド間トンネリングが起こると量子準位中の
電子数が増加し、このときにドレイン電流が増加する。
従ってゲート電極を図２で示した（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）の様に変化させるとドレイン電流は図３に示すよ
うに最初増加しその後減少する。従ってドレイン電流は
ゲート電圧の印加に対し微分負性抵抗を持って変化す
る。
【０００７】図４に請求項２の素子を、また図５にその
エネルギーバンド図を示す。動作原理は図１の素子と同
じであるが、図１の素子の相補的な動作をする。
エネルギーバンド図を示す。動作原理は図１の素子と同
じであるが、図１の素子の相補的な動作をする。
【０００８】
【発明の効果】本発明のトンネリング電界効果トランジ
スタによれば、従来のバンド内（伝導帯内もしくは価電
子帯内）トンネリングに比べ、伝導帯と価電子帯とのバ
ンド間トンネリングを用いるためリーク電流を抑制で
き、かつ大きなトンネル電流を得ることが出来る。従っ
て、動作する温度範囲や動作マージンが拡大できる。
スタによれば、従来のバンド内（伝導帯内もしくは価電
子帯内）トンネリングに比べ、伝導帯と価電子帯とのバ
ンド間トンネリングを用いるためリーク電流を抑制で
き、かつ大きなトンネル電流を得ることが出来る。従っ
て、動作する温度範囲や動作マージンが拡大できる。
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例の動作を説明するためのバンド
図である。
図である。
【図３】本発明の実施例の素子の電流−電圧特性を示す
図である。
図である。
【図４】本発明の別の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の別の実施例の動作を説明するためのバ
ンド図である。
ンド図である。
１ ｐ型ＧａＳｂ層 ２ 真性ＡｌＳｂ層 ３ 真性ＩｎＡｓ層 ４ ドレイン電極拡散領域 ５ ドレイン電極 ６ ゲート電極 ７ ソース電極拡散領域 ８ ソース電極 ９ ２次元電子ガス １０ ２次元正孔ガス １１ ｎ型ＩｎＡｓ層 １２ 真性ＧａＳｂ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/337 - 21/338 H01L 27/095 - 27/098 H01L 29/775 - 29/778 H01L 29/80 - 29/812
Claims (2)
- 【請求項１】 ｐ型の伝導特性を持つ第一の半導体と、
第一の半導体より電子親和力が小さく価電子帯のエネル
ギーが大きい第二の半導体、真性で第一の半導体の価電
子帯のエネルギーより大きな電子親和力を持つ第三の半
導体により構成され、第二の半導体は第一の半導体から
第三の半導体にトンネル電流が流れるのに十分なほど薄
く、第三の半導体上にソース電極、ゲート電極、ドレイ
ン電極を持つことを特徴とするトンネリング電界効果ト
ランジスタ。 - 【請求項２】 ｎ型の伝導特性を持つ第一の半導体と、
第一の半導体より電子親和力が小さく価電子帯のエネル
ギーが大きい第二の半導体、真性で第一の半導体の電子
親和力より小さな価電子帯のエネルギーを持つ第三の半
導体より構成され、第二の半導体は第一の半導体から第
三の半導体にトンネル電流が流れるのに十分なほど薄
く、第三の半導体上にソース電極、ゲート電極、ドレイ
ン電極を持つことを特徴とするトンネリング電界効果ト
ランジスタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4646092A JP2936871B2 (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | トンネリング電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4646092A JP2936871B2 (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | トンネリング電界効果トランジスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05267353A JPH05267353A (ja) | 1993-10-15 |
| JP2936871B2 true JP2936871B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=12747778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4646092A Expired - Lifetime JP2936871B2 (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | トンネリング電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2936871B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2687907B2 (ja) * | 1994-12-28 | 1997-12-08 | 日本電気株式会社 | トンネルトランジスタの製造方法 |
-
1992
- 1992-03-04 JP JP4646092A patent/JP2936871B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05267353A (ja) | 1993-10-15 |
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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: 19990511 |