JP3087370B2 - 高速論理回路 - Google Patents
高速論理回路Info
- Publication number
- JP3087370B2 JP3087370B2 JP03230043A JP23004391A JP3087370B2 JP 3087370 B2 JP3087370 B2 JP 3087370B2 JP 03230043 A JP03230043 A JP 03230043A JP 23004391 A JP23004391 A JP 23004391A JP 3087370 B2 JP3087370 B2 JP 3087370B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- base
- layer
- collector
- electrode
- transistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 32
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 9
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 7
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 102000004129 N-Type Calcium Channels Human genes 0.000 description 1
- 108090000699 N-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 239000004047 hole gas Substances 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/08—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
- H03K19/094—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
- H03K19/09403—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using junction field-effect transistors
- H03K19/09418—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using junction field-effect transistors in combination with bipolar transistors [BIFET]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
- H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
- H01L27/0605—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits made of compound material, e.g. AIIIBV
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/73—Bipolar junction transistors
- H01L29/737—Hetero-junction transistors
- H01L29/7371—Vertical transistors
- H01L29/7373—Vertical transistors having a two-dimensional base, e.g. modulation-doped base, inversion layer base, delta-doped base
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
- H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Bipolar Integrated Circuits (AREA)
Description
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの特徴を生かしたデ
バイス構造の半導体装置を用いた高速論理回路に関す
る。
びMOCVD(有機金属熱分解法)技術の進歩により、
原子レベルでの制御性をもって結晶成長が可能になって
いる。上記技術により形成される半導体のヘテロ接合界
面の2次元状担体を利用した新構造のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタ(HBT)が特開昭62−199079号に開
示されている。そこには、半導体のヘテロ接合界面に形
成される2次元状担体(または反転層、蓄積層)をベー
ス層として用いるバイポーラトランジスタ(BJT)と能
動層として用いる電界効果トランジスタ(FET)を同
一基板内に形成できることが示されており、BJTとF
ETを同時に使用した回路の実現を可能としている。
は、例えばSiのBJTとCMOS(相補型金属酸化物
半導体)のFETを同時に作製するBiCMOS技術が
よく知られている。従って、ヘテロ接合を利用するBJ
TとFETでも、BiCMOSと同様の回路を実現する
ことは回路的には比較的容易である。しかしながら、上
記の原子レベルでの制御性をもった結晶成長技術とそれ
によるデバイス構造を最大限に生かしているとは言い難
く、ほとんど従来の基本回路の流用にとどまっている。
が可能で、製造プロセスの簡単なものとしてIIL(In
tegrated Injection Logic)回路がある。IIL回路は
逆方向動作のnpnトランジスタと横型pnpトランジ
スタを複合した構造により回路面積を小さくし、1ゲー
ト回路をほとんど1個のトランジスタで実現している。
図10(a)に従来のIIL回路の基本的な断面構造
図、(b)にその等価回路を示す。
拡散あるいはイオン打ち込み技術を用いて、n型基板1
01にp型領域102、103を形成し、さらにn型領
域104を形成して構成され、図14(b)のような等
価回路で表現することができる。論理動作をするnpn
型トランジスタ106は、n型領域101、p型領域1
02、n型領域104を、それぞれエミッタ、ベース、
コレクタとする逆方向動作の縦型トランジスタで実現さ
れている。縦型トランジスタのエミッタ、すなわち基板
は接地されている。また、インジェクタとして動作する
pnp型トランジスタ107は、コレクタをトランジス
タ106のベース領域と同じp型領域102で共有し、
さらにベースをトランジスタ106のエミッタと同じn
型基板101で共有している。エミッタはp型領域10
3である。
107が、インジェクタ電流をトランジスタ106のベ
ースへ供給するか、または前段のゲート回路へ供給する
かの2つの状態により実現される。つまり、前段のゲー
ト回路が電流を流さない状態(以下OFF状態という)
のとき、インジェクタ電流はトランジスタ106のベー
スに流れるため、トランジスタ106は電流が流れる状
態(以下ON状態という)になる。従って、出力端子V
out1、Vout2は、次段のゲート回路から電流を
引き込み、電位的には接地電位に近いものになる。一
方、前段のゲート回路のトランジスタがON状態のと
き、インジェクタ電流は前段のコレクタに引き抜かれる
ため、トランジスタ106はOFF状態になり、出力端
子Vout1、Vout2は電位的には論理Highレ
ベル、つまり次段のトランジスタのベース−エミッタ電
圧だけ接地電位より高くなる。
み技術を用いて作製されるが、拡散あるいはイオン打ち
込み技術では、上の層に行くほど、つまり工程で言えば
後になるほど、濃い濃度で不純物を入れて不純物補償を
行いながらnまたはp型の層を形成している。この結
果、最上層のエミッタ(n型とする)とその下のベース
(p型とする)で形成するpn接合では、エミッタから
ベースへ注入される電子の方が、ベースからエミッタへ
注入される正孔よりもはるかに多くなる。このため、ベ
ース電流が少なく電流増幅率が大きくなる。同様に、ベ
ース・コレクタ接合では、ベースからコレクタへ注入さ
れる正孔の方が、コレクタからベースへ注入される電子
よりも多くなる。これは、コレクタをエミッタとして使
う逆方向動作では、電流増幅率が小さくなってしまうこ
とを意味する。また、通常の順方向動作では、飽和領
域、すなわちベース・コレクタ接合が順バイアスされる
動作領域ではコレクタに蓄積される正孔の量が多くなる
ことを意味する。
トランジスタを用いるIIL回路は、遮断周波数が上が
らず、また電流増幅率も低いためエミッタとなる基板に
多量の少数キャリヤ(正孔)が蓄積し、動作速度が遅く
なるという欠点を有する。
の回路が提案されている。図15にその代表例としてI
SL(Integrated Schottky Logic)と呼ばれる回路を示
す。これは例えば、アイ・イー・イー・イー・ジャーナ
ル・オブ・ソリッド・ステート・サーキット、1979
年6月号、585ページに記載されている。論理動作を
するnpn型トランジスタ117は、エミッタ、ベー
ス、コレクタを、それぞれn型領域111、p型領域1
12、n型領域113で実現した縦型構造である。出力
端子Vout1、Vout2には、n型領域113a上
にショットキー電極116を形成することでショットキ
ーダイオード119を実現している。pnp型トランジス
タ118は、トランジスタ117と複合した構造になっ
ていて、エミッタ、ベース、コレクタは、それぞれp型
領域112、n型領域113、p型領域114または1
15になる。インジェクタ120はこの断面図には示さ
れておらず、IIL回路とは違って別途抵抗等で形成さ
れることになる。この回路が、IIL回路に比較して改
良しようとする点は、(1)トランジスタの逆方向動作
をやめ、順方向で使用、(2)トランジスタがON時に
飽和領域に入り少数キャリヤが蓄積されることによる動
作速度の低下を回避することの2点である。第1の点を
実現するには、複数の出力端子を相互に分離する必要が
ある。このため上記のショットキー・ダイオード119
を形成する。第2の点を実現するには、トランジスタ1
17のコレクタ電位が下がりすぎないようにクランプ手
段を付加する方法がある。これは、トランジスタ117
がON状態になったとき、コレクタに蓄積される少数キ
ャリヤである正孔をpnp型トランジスタ118の動作
により、領域113から114または115へ流し、少
数キャリアの蓄積を防止している。
IL回路の改良型の論理回路は、順方向動作の縦型トラ
ンジスタを使うため回路速度等でIIL回路に優るもの
であるが、本来のIIL回路が持っていた特長のいくつ
かを犠牲にしている。例えば、IIL回路では逆方向動
作のトランジスタのエミッタがn型基板で他のトランジ
スタと共通にできるため、素子分離領域が不要となる
が、ISL回路等では通常のBJTを使う場合と同様に
素子分離領域が必要となり、集積度を上げることが難し
い。また、複数の出力を分離するためのショットキー・
ダイオードが必要となるうえ、トランジスタの飽和によ
る少数キャリヤの蓄積を防ぐために、クランプ手段が必
要となり構造が複雑となる。さらに、クランプ手段を設
けても完全には少数キャリヤの蓄積を防ぐことができな
いため、高速化には限界がある等の問題があった。
に生かすとともに、上記IIL型回路の問題点を解決し
て、高速動作が可能で、かつ集積度の向上が容易なII
L型の論理回路を提供することにある。
界面の2次元状担体をベース層とするBJTとしても、
またはチャネル層とするFETとしても動作するHBT
をIIL型回路の基本デバイスとすることにより達成さ
れる。具体的には、本発明による高速論理回路は、半導
体のヘテロ接合面に形成される2次元状担体をベース層
とし最上層をコレクタ層、最下層をエミッタ層とする縦
型のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を用
いた高速論理回路であって、コレクタ層の上のコレクタ
電極をはさんで横に2個のベース電極を設けてベース層
と接触をとり、この2個のベース電極は前記2次元状担
体を能動層として用いる電界効果トランジスタのそれぞ
れソースおよびドレイン電極を兼ね、前記バイポーラト
ランジスタの一方のベース電極を入力端子、他方を電源
に接続し、エミッタを接地し、コレクタを出力端子とし
て構成される。好ましくはこのHBTは、IIL型回路
に適用するため、コレクタを上にする逆方向動作の性能
が上がるように、適当なエピタキシャル成長を行なうこ
とにより形成される。また、好ましくは、このHBT
は、ベース・コレクタ間にもヘテロ接合が導入される。
タ、最下層をエミッタとする逆方向動作のBJTを用い
ることにより、基板を接地電位にしてチップ上で共通に
でき、最下層のエミッタ(逆方向動作)の領域の分離を
不要にすることができる。また、このBJTとしてベー
ス・エミッタ接合にヘテロ接合を導入したHBTを用い
ることにより、最上層をエミッタとする順方向動作の縦
型BJTと同等の性能を実現することができる。さら
に、ベースとコレクタの間にもヘテロ接合を導入するこ
とによりBJTの飽和動作時のコレクタにおける少数キ
ャリヤの蓄積を防ぐことができ、より高速な論理回路の
動作を実現することができる。また、高集積化を容易に
するためには、ゲート回路を構成する素子の数をできる
だけ少なくする必要があるが、本発明ではIIL回路で
インジェクタの働きをするpnp型トランジスタをなく
し、その代わりHBTのFETとしての動作モードをイ
ンジェクタに利用し1個のHBTでBJTとしての動作
とFETとしての動作を同時に実現している。従って、
まさしく1個のHBTで1個のゲート回路を構成でき、
集積度の向上が極めて容易になる。
BEやMOCVDといった原子レベルでの制御性を持つ
結晶成長技術により作製される。従って、下層の不純物
レベルに関係なく、各層で所望の組成の結晶を所望の不
純物レベルで形成することが可能となる。この結果、上
述した従来のトランジスタとは違い、逆方向動作で性能
が上がるように、各層の不純物レベルを最適化できる。
さらに、GaAsとAlGaAsのようにエネルギー・
ギャップの異なる半導体間のpn接合、つまりヘテロ接
合が実現できる。通常のpn接合、つまりホモ接合では
電子と正孔の注入量(の違い)がほとんど不純物レベル
でしか制御できないのに比較し、ヘテロ接合であればエ
ネルギー・バンドの不連続を利用して注入量を抑制する
ことも可能となる。従って、ヘテロ接合を利用すること
により、エミッタからコレクタへの電流やコレクタ耐圧
の設計のための濃度等の設計とは独立に、トランジスタ
の飽和を少なくする設計が可能となる。
したHBT(2次元電子ガスベースHBTという意味で
2DEG−HBTと呼ぶ)のデバイス特性を詳細に解析
した結果 (IEEE Transactions on Electron Devices、
Vol.38、 No.2、 1991pp.222−231に詳し
く議論されている。)、次のような事実を見出した。G
aAs/AlGaAs系ヘテロ接合では、Al組成がよ
く使われる0.3 の時、伝導帯の不連続ΔEvは300
meV、価電子の不連続ΔEcは50meVであり、Δ
Ecは約6倍ΔEvより大きい。このため、同論文22
5ページのセクションB.Frequency Performance Analys
isに詳しく論じられる様に、エミッタでの遅延時間τE
は0.02−0.1ピコ秒と無視できる程小さい。これ
は、GaAs/AlGaAs pnp HBTの特徴であり、
同じGaAs/AlGaAs npnHBTでは、1.0 ピコ
秒弱のエミッタでの遅延時間τEでありΔEvが小さい
ことに依っている。
クタのバンドギャップを大きくするベース・コレクタ接
合をヘテロ接合にするダブルヘテロ接合2DEG−HB
Tで、ベース・コレクタ間を順バイアスにした時にコレ
クタ層内に蓄積する少数キャリヤ(今の場合電子)の様
子をシミュレーションした結果、大幅に少数キャリヤを
低減できることを見出した。そして、素子を試作評価し
たところ、実験的にもこの効果を確認した。
にすることで、ベースコレクタ間が順バイアスされる時
にコレクタ層内に蓄積する少数キャリヤを大幅に低減で
きるという現象をもちいて、従来飽和領域で使うと速度
が落ちると思われていたバイポーラトランジスタの回路
技術に新しい路を拓くものである。
説明する。
例を示すもので、図1(a)はデバイス構造の断面を模
式的に示した断面図、図1(b)は平面図である。ま
た、図1(c)には等価回路を示す。
例では半絶縁性GaAs基板11の上にp型領域12、
n型領域13、p型領域14を形成する。n型領域13
には、入力Vinおよび電源Vssに接続される電極1
5、16が形成され、p型領域14には、出力Vout
に接続される電極17が形成される。また、p型領域1
2は接地されている。ここで、p型領域14の下部を除
いてn型領域13とp型領域12の境界部分に形成され
る領域300は、後に詳しく述べるように、p型領域1
2とn型領域13の接合面の一部を絶縁してリーク電流
を少なくするためのものである。
領域13、p型領域14で構成されるpnp型のBJT
を通常とは逆方向で動作させる。つまり、最上層のp型
領域14を、コレクタとして動作させ、n型領域13を
ベース、p型領域12をエミッタとして使う。従って、
トランジスタ18は、回路的にはエミッタが接地され、
ベースを入力、コレクタを出力として使用する。また、
図1(b)にも示すようにVinに接続する電極とVs
sに接続する電極をVoutに接続する電極を挾むよう
にその両側に設け、ベース領域であるn型領域13をチ
ャネルとするFETとしての機能を同時に持たせる。こ
のような構造の素子を等価回路で表わすと図1(c)の
ように表わすことができる。
3の間のpn接合にはヘテロ接合が用いられており、B
JTのベースとしてこのpn接合部のn型領域13側に
形成される2次元電子ガス層を利用した2DEG−HB
Tを用いている。トランジスタとして2DEG−HBT
を用いると、高性能のBJTが実現できるだけでなく、
BJTを逆方向動作で用いる場合でも高性能化すること
が可能である。さらに、2DEG−HBTが高速FET
としての動作モードを合わせ持つことから、図1(a)
に示すデバイス構造とすることで、以下に述べるような
ゲート回路としての動作が可能となる。図1(c)には
このときの等価回路を示す。
図2、図3を参照しつつ説明する。まず、図1(a)で
入力端子Vinより電流が流れ込まない状態、つまり、
Vinが論理的に低いレベル(以下これをLowレベ
ル、逆をHighレベルと記す)にあるとき、同様に構
成される前段のゲート回路の出力端子は、後述するよう
に高インピーダンス状態にあり、Vin端子は開放状態
となる。従って、BJT18は前段から切り離されて、
Vss端子のみをベース電極とする通常のBJTとして
の動作をすることになる。この状態を表現したのが図2
である。負電極であるVssに接続されるn型領域13
と、接地電位にあるp型領域12は、順方向にバイアス
されているから、図2(a)に示すように、n型領域1
3の電子とp型領域12の正孔はそれぞれ矢印21、2
2、23で示すように少数キャリヤとして相手領域に注
入される。n型領域13はその厚さが薄いため、ここに
注入される正孔は大部分が矢印23で示すようにp型領
域14に到達し、通常のBJTの動作を行なう。これを
等価回路で表現すると図2(b)のようになる。ここで
抵抗24は、図2(a)において片側のベース電極しか
使用されないことを誇張して代表させたものであり、実
際はほとんど無視し得る場合が多い。矢印21、22で
示す電子と正孔の流れは図2(b)におけるベース電流
Ibとなる。また、矢印23で示したようにp型領域1
4に到達する電子の流れは図2(b)におけるコレクタ
電流Ionとなる。そして、Ionは出力電流となっ
て、やはり同様に構成される次段のゲート回路に流れ、
その大きさは次段のゲート回路が引き込む電流で決ま
る。
上記の電流Ionに相当する電流Ion′が流れ込む状
態にあるときは、BJT18のFETとしての動作モー
ドによりBJT18のベース領域(n型領域13)がF
ETのn型のチャネルとして働き、図3(a)に矢印2
6で示すように、Vssの電極からVinの電極に向か
う電子の流れが生じる。ただし、FETのゲート電圧に
相当するVoutとVssの電位差は、本FETのしき
い値電圧Vthより大きく、FETはON状態にあるも
のとする。このとき、チャネルに沿った電圧降下により
p型領域12とn型領域13(FETのチャネル)の間
のpn接合は、Vssに近い側の方が大きく順バイアス
され、逆にVinに近い側はほとんどバイアスされない
ことになる。従って、BJT18は、Vssに近い側で
矢印25で示すように、ごくわずかな正孔の流れがある
程度になり、コレクタ電流Ionはほとんど流れず、出
力Voutは高インピーダンス状態となる。以上の動作
を等価回路で表現すると図3(b)に示すように表わす
ことができる。ここで抵抗27はFETのチャネル領域
となるn型領域13の抵抗を表現したものであり、前段
からの電流Ion′が抵抗27を通って電源Vssに流
れる。この場合、図2(b)に示す場合とは違って電流
Ion′が比較的大きいため、抵抗27での電圧降下も
大きく、BJT18のベースの電位は負電源Vssから
大きく上がることになり、BJT18がほとんどOFF
してしまう上記の動作をよく表現している。ところで、
アイソレーション領域300は、このとき順方向バイア
スとなるp型領域12とn型領域13の間のpn接合で
のリーク電流を少なくするためのものである。アイソレ
ーション領域300がない場合には、p型領域12とn
型領域13の間のpn接合にVssの電位差が直接かか
る部分が存在し、その部分での接合電流がリーク電流と
なる。なお、アイソレーション領域300の有無は本実
施例の基本的な動作には関係しない。
価回路と2DEG−HBTの特性を考慮すると、図1
(c)に示した等価回路の動作は次のとおり説明でき
る。BJT18がON状態では、Vout端子、つまり
図1(c)のFET19のゲート端子はHighレベル
になるため、FET19はON状態となり、ON抵抗2
4(図2(b))は非常に小さい。一方、BJTがOFF
状態では、FET19のゲート端子はLowレベルにな
るため、FET19はOFF状態となり、ON抵抗27
(図2(d))は大きくなる。従って、前段からの電流
Ionによる電圧降下によってBJT18がOFFにな
る動作をうまく表現していることになる。
らに具体的に説明する。
成される半導体膜は、半絶縁性GaAs基板11上に、
p型GaAs層31、p型AlGaAs層32(ここで
組成比x(Alがx、Gaが1−x)は約0.45)、n
型AlGaAs層33(ここで組成比y(Alがy、G
aが1−y)は約0.3)、アンドープ(高純度)のAlG
aAs層34、アンドープGaAs層35、p型GaA
s層36を、MBEまたはMOCVDなどを用いてエピ
タキシャル成長して形成される。各層の膜厚は、それぞ
れ1000Å、2000Å、260Å、40Å、300
0Å、4000Å程度である。その後各電極を形成する
ため、反応性イオンエッチング(RIE)により、アン
ドープGaAs層35やp型GaAs層31に達するま
でエッチングを行ない、アンドープGaAs層35ある
いはp型GaAs層31を露出させる。次に、通常のリ
ソグラフィ技術と電極形成技術を用いて、図5(a)に
示すように電極37〜39を形成する。なお、本実施例
のFETでは、デプリーション型FETを用いている。
図5(a)に示すようにアンドープGaAs層35上に
直接形成するほかに、図5(b)に示すように形成する
ことができる。すなわち、コレクタ層となるp型GaA
s層36に対して、WSiなどの高耐熱金属38′を用
いてコレクタ領域を形成し、アンドープGaAs層35
の途中までエッチングで取り去る。そして、側壁絶縁膜
91をCVDSiO2により形成後、MOCVDにより濃
度の濃いn型GaAs層90を3000Å選択成長さ
せ、ソース・ドレイン(ベース)電極37′を形成す
る。この選択成長によるソース・ドレイン(ベース)電
極37′形成は、BJTのベース抵抗あるいは、FET
としての動作モードにおけるソース・ゲート間抵抗の低
減に有効である。また、このようなソース・ドレイン
(ベース)電極37′の形成方法は後に説明するダブル
ヘテロ接合の2DEG−HBTにおいても有効である。
このようにソース・ドレイン(ベース)電極領域を形成
することにより、寄生抵抗を低減することができ、デバ
イスの高性能化に寄与する。
図1に示した論理回路の断面構造を表わしている。図1
においてコレクタ領域となるp型領域14は、図5では
電極38が形成されるアンドープGaAs層35、p型
GaAs層36で実現される。図1においてベース領域
となるn型領域13は、n型AlGaAs層33および
アンドープAlGaAs層34であるが、BJTの真性
ベース層、またはFETの能動層(チャネル)の働きを
するのは、ヘテロ接合界面に形成される2次元電子ガス
層40である。この2次元電子ガス層は、アンドープA
lGaAs層34とアンドープGaAs層35とのヘテ
ロ接合界面のアンドープGaAs層35側に形成され、
膜厚は100Å程度である。ソース・ドレイン(ベー
ス)電極37は2次元電子ガスに対してオーミック接触
をするもので、図1に示すVinやVss用の電極とな
る。図1においてエミッタ領域となるp型領域12は、
p型AlGaAs層32で実現される。エミッタ電極3
9はこのp型AlGaAs層32に対してオーミック接
触をとる。そして、このエミッタ電極39は電位的には
接地される。
ルギーバンド図である。図中のEfは、ゼロバイアス状
態でのフェルミレベルである。2次元電子ガス層40の
ヘテロ接合では、GaAsとAlGaAsとの電子親和
力の差に由来する伝導帯の不連続ΔEc(〜300m
V)41と、価電子帯の不連続ΔEv42が形成され
る。このようなヘテロ接合系によれば、特開昭62−1990
49号に示されているように、2次元電子ガスにより非常
にベース抵抗の小さく、かつ膜厚の薄いベース層を実現
できる。それと同時に、2次元電子ガスをヘテロ接合界
面と平行に走行させ、ゲート電極によりその流れを制御
するFETとしても動作させることが可能である。
スの多数キャリヤである電子にとっては、価電子帯の不
連続ΔEc41によりポテンシャル障壁が高くなりエミ
ッタ領域32への注入が抑制され、ベース電流が減少し
て電流増幅率が上がることが判る。しかし、図5に示す
デバイス構造では、ヘテロ接合が適用されるのはエミッ
タ・ベース間のpn接合部のみで、ベース・コレクタ間
接合にはヘテロ接合は用いられていないため、コレクタ
への電子の注入およびコレクタでの電子の蓄積は必ずし
も抑えられない。そこで、ベース・コレクタ接合にもヘ
テロ接合を採用して、コレクタへの電子の注入とコレク
タでの電子の蓄積を少なくすることが考えられる。図7
にこの考えを採用したデバイス構造例を示す。
ープGaAs層35とp型GaAs層36の間にアンド
ープAlGaAs層51及びp型AlGaAs層51′
が追加されている。本実施例では、アンドープAlGa
As層34とアンドープGaAs層35のヘテロ接合に
加え、ベース・コレクタ間のアンドープGaAs層35
とアンドープAlGaAs層51の接合部にもヘテロ接
合を形成し、論理回路を構成するBJTをダブルヘテロ
接合2DEG−HBTで構成した。アンドープGaAs
層35の厚さは1500Å、アンドープAlGaAs層
51の厚さは1500Å、p型AlGaAs層51′の
厚さを2000Åとしている。これらの層の設計は、応
用目的に応じて変えることは可能である。このような構
造とすることにより、BJTのON状態、つまり飽和領
域でコレクタに蓄積される少数キャリヤを少なくするこ
とができ、ON状態からOFF状態への遷移が極めて素
早く行われることになる。また、高耐圧化等のための膜
厚や不純物濃度の設計から、飽和の問題を切り離すこと
ができる。
構造におけるエネルギーバンド図を示す。
理回路を更に高速化したものを図9、図10として示
す。図9あるいは図10に示すアイソレーション領域3
01(主としてp型AlGaAs層32とp型GaAs
層31の一部分)は、自由キャリヤを酸素インプラなど
の方法で殺した部分である。このようにアイソレーショ
ン領域301を設けることによりエミッタ・ベース間の
寄生リーク電流や寄生容量を低減でき、更なる高速化を
達成することができる。なお、このアイソレーション領
域301は、図1に示したアイソレーション領域300
に対応するものである。
す。これは、図1(c)の等価回路を用いて2出力の論
理ゲートを構成したものである。この論理ゲート回路は
その平面図を図12に示すように、ベース領域のVss
電極を中心として、その両側のコレクタ領域にVout
1電極、Vout2電極を形成し、さらにその外側のベ
ース領域にVin電極を形成することで実現される。た
だし、ここでは簡単のために図1におけるアイソレーシ
ョン領域300は省略して示している。また、図5
(a)にBで示す部分が本実施例の断面構造であり、真
ん中の電極37がVss、両端の電極37がVin、そ
して電極38がVout1またはVout2に接続され
る。本実施例の動作は、図1(c)の等価回路の動作と
同様に説明することができる。入力VinがLowレベ
ル(前段の論理回路の出力が高インピーダンス状態)の
ときはBJT71はONとなり、Vout1、Vout
2端子はともにHIghレベルとなる。従って、FET
72、73はともにゲートがHIghレベルとなりON
状態となる。一方、入力VinがHighレベル(前段
の論理回路の出力がON状態)になると、FET72、
73を流れる電流が大きくなってBJT71はベース電
位が上昇し、OFFする。従って、Vout1、Vou
t2端子はともにLowレベルとなってFET72、7
3はともにゲートがLowレベルとなりOFF状態にな
る。
11に示した2出力の論理ゲート回路を用いて簡単な論
理回路を構成したのが図13である。ここで入力信号X
1、X2はそれぞれBJT18′、71′のベース電極
に入力される。BJT18′の出力と、BJT71′の
一つの出力は互いに接続されX3の信号となって、次段
のBJT91のベースに入力される。BJT91のベー
スに電流が流れ込む(X3がHighレベルで、BJT
91がOFF状態になる)のは、BJT18とBJT7
1のどちらか一方または両方がON状態(入力がLow
レベルで、出力がHighレベル)にあるときである。
従って、X3はX1とX2の反転信号のOR論理、つま
りX1とX2のNAND論理となる。X3はさらにBJ
T91で反転されるから、この論理回路の出力X4はX
1とX2のAND論理となる。
路をいくつか用いて適当な回路を構成すれば、様々な種
類の論理装置を実現することが可能である。
いれば、従来Siや通常のGaAs等を念頭に考えら
れ、製品化されてきた論理回路、およびそれを用いた情
報処理装置への応用は極めて容易である。
層を用いたHBTを用いた論理回路について記したが、
各層の伝導極性を逆(pをnに、nをpに)にした2次
元正孔ガス層を用いて論理回路を構成してもよいことは
明らかである。また、材料の点からは、AlGaAs/
GaAsヘテロ接合を用いたが、Si/SiGe、Al
GaAs/InGaAs、AlInAs/InGaAs
などのヘテロ接合を有する場合にも適用できることは、
明白である。
理回路は、ヘテロ接合界面に形成される2次元状担体を
ベース層として用いるヘテロ接合バイポーラトランジス
タと、その2次元状担体が同時に電界効果トランジスタ
の能動層を形成する特性を利用することにより、従来の
バイポーラトランジスタの複合構造を利用したIIL系
の回路や、通常のFETの回路、例えばCMOSやNM
OSの回路では実現できなかった1個のトランジスタで
1ゲート回路を構成することが可能となる。また、II
L系の構造と比較し、バイポーラトランジスタに特有の
飽和領域における少数キャリヤの蓄積をなくした高速な
論理回路を実現することができる。
断面図
ド図
示す断面図
ド図
回路を示す図
図
18…2DEG-HBT、19…2DEG−HBTのFETの動
作モードを表現するFET、31、36…p型GaAs
層、35…アンドープ(高純度)GaAs層、32、51
…p型AlGaAs層、33…n型AlGaAs層、34
…アンドープ(高純度)AlGaAs層、40…2次元電
子ガス層。
Claims (5)
- 【請求項1】半導体のヘテロ接合面に形成される2次元
状担体をベース層とし最上層をコレクタ層、最下層をエ
ミッタ層とする縦型のヘテロ接合バイポーラトランジス
タを用いた高速論理回路であって、前記コレクタ層の上
のコレクタ電極をはさんで横に2個のベース電極を設け
てベース層と接触をとり、前記ベース電極は前記2次元
状担体を能動層として用いる電界効果トランジスタのそ
れぞれソースおよびドレイン電極を兼ね、前記バイポー
ラトランジスタの一方のベース電極を入力端子、他方を
電源に接続し、エミッタを接地し、コレクタを出力端子
としたことを特徴とする高速論理回路。 - 【請求項2】前記バイポーラトランジスタはpnp型で
あり、前記他方のベース電極に接続する電源は負であっ
て、その絶対値は前記バイポーラトランジスタのベース
エミッタ間電圧より大きいことを特徴とする請求項1記
載の高速論理回路。 - 【請求項3】前記バイポーラトランジスタのベース・コ
レクタ接合がヘテロ接合で形成されることを特徴とする
請求項1または2記載の高速論理回路。 - 【請求項4】半導体のヘテロ接合面に形成される2次元
状担体をベース層とし最上層をコレクタ、最下層をエミ
ッタとする縦型ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用
いた高速論理回路であって、前記バイポーラトランジス
タのコレクタ電極を挾んでその両側に前記ベース層に接
続するベース電極をそれぞれ設け、前記ベース電極の一
方をドレイン電極、他方をソース電極、前記コレクタ電
極をゲート電極とし前記2次元状担体を能動層とする電
界効果トランジスタを形成し、前記バイポーラトランジ
スタのエミッタを接地し、前記一方のベース電極を入力
として前記コレクタより出力を取り出し、前記電界効果
トランジスタのソース電極を兼ねる前記他方のベース電
極を電源に接続して前記電界効果トランジスタをインジ
ェクタとして用いることを特徴とする高速論理回路。 - 【請求項5】前記電界効果トランジスタのゲートは前記
バイポーラトランジスタのコレクタより取り出される出
力により制御されることを特徴とする請求項4記載の高
速論理回路。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03230043A JP3087370B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 高速論理回路 |
US07/942,181 US5293084A (en) | 1991-09-10 | 1992-09-09 | High speed logic circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03230043A JP3087370B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 高速論理回路 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0567734A JPH0567734A (ja) | 1993-03-19 |
JP3087370B2 true JP3087370B2 (ja) | 2000-09-11 |
Family
ID=16901671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03230043A Expired - Fee Related JP3087370B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 高速論理回路 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5293084A (ja) |
JP (1) | JP3087370B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101820053B1 (ko) * | 2017-03-16 | 2018-01-18 | 주식회사 쉘파스페이스 | 고체 비료를 구비하는 식물 모종 포트 및 이를 포함하는 배송 패키지 |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07263644A (ja) * | 1994-03-17 | 1995-10-13 | Hitachi Ltd | 化合物半導体集積回路 |
US6043519A (en) * | 1996-09-12 | 2000-03-28 | Hughes Electronics Corporation | Junction high electron mobility transistor-heterojunction bipolar transistor (JHEMT-HBT) monolithic microwave integrated circuit (MMIC) and single growth method of fabrication |
US5864226A (en) * | 1997-02-07 | 1999-01-26 | Eic Enterprises Corp. | Low voltage regulator having power down switch |
JP2003060064A (ja) * | 2001-08-08 | 2003-02-28 | Sharp Corp | Mosfet、半導体装置及びその製造方法 |
US8159287B2 (en) * | 2007-10-12 | 2012-04-17 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Transistor device and method |
US11139290B2 (en) * | 2018-09-28 | 2021-10-05 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | High voltage cascode HEMT device |
CN116314174B (zh) * | 2022-09-09 | 2023-11-24 | 燕山大学 | 锗硅异质结双极晶体管低温大信号等效电路模型 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0626242B2 (ja) * | 1983-12-05 | 1994-04-06 | 富士通株式会社 | 半導体集積回路装置 |
JPH0763051B2 (ja) * | 1986-02-27 | 1995-07-05 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置 |
JPH0611056B2 (ja) * | 1985-12-03 | 1994-02-09 | 富士通株式会社 | 高速半導体装置 |
JPS6382122A (ja) * | 1986-09-26 | 1988-04-12 | Toshiba Corp | 論理回路 |
JP2633848B2 (ja) * | 1987-03-25 | 1997-07-23 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置 |
US5012318A (en) * | 1988-09-05 | 1991-04-30 | Nec Corporation | Hybrid semiconductor device implemented by combination of heterojunction bipolar transistor and field effect transistor |
US5206546A (en) * | 1990-03-16 | 1993-04-27 | Hitachi, Ltd. | Logic circuit including variable impedance means |
-
1991
- 1991-09-10 JP JP03230043A patent/JP3087370B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-09-09 US US07/942,181 patent/US5293084A/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
IEEE Transaction on Electron Devices、Vol.38、No.2、1991 pp.222−231 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101820053B1 (ko) * | 2017-03-16 | 2018-01-18 | 주식회사 쉘파스페이스 | 고체 비료를 구비하는 식물 모종 포트 및 이를 포함하는 배송 패키지 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0567734A (ja) | 1993-03-19 |
US5293084A (en) | 1994-03-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5567961A (en) | Semiconductor device | |
US5986287A (en) | Semiconductor structure for a transistor | |
US5705827A (en) | Tunnel transistor and method of manufacturing same | |
JP3135939B2 (ja) | Hemt型半導体装置 | |
US5243207A (en) | Method to integrate HBTs and FETs | |
US5548138A (en) | Semiconductor device with reduced tunnel resistance and circuitry using the same | |
US7038250B2 (en) | Semiconductor device suited for a high frequency amplifier | |
EP0504925B1 (en) | Multilayer base heterojunction device | |
KR19980034078A (ko) | 핫 전자 장치(Hot Electron Device) 및 공진 터널링 핫 전자 장치 | |
JP3087370B2 (ja) | 高速論理回路 | |
JP2001210657A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
JP2553510B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
JPH05315366A (ja) | 半導体装置 | |
EP0240567B1 (en) | Semiconductor device | |
JP3230503B2 (ja) | トンネルトランジスタとその製造方法 | |
JP2006228784A (ja) | 化合物半導体エピタキシャルウェハ | |
JP3295373B2 (ja) | 半導体装置 | |
JPH0763051B2 (ja) | 半導体装置 | |
JP2817718B2 (ja) | トンネルトランジスタおよびその製造方法 | |
JP2003309128A (ja) | ダブルヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ | |
JP2658934B2 (ja) | トンネルトランジスタ | |
JP3006792B2 (ja) | ヘテロ構造電界効果トランジスタ | |
JP2969778B2 (ja) | 高電子移動度複合トランジスタ | |
JPH03192727A (ja) | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ | |
JPH10107274A (ja) | トンネルトランジスタ及びその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080714 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080714 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090714 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100714 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110714 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110714 Year of fee payment: 11 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110714 Year of fee payment: 11 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |