JP3138824B2 - 共鳴トンネル半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 電圧−電流特性に負性微分抵抗特性をもつ共鳴トンネ
ル障壁構造を用いた共鳴トンネル半導体装置に関し、 RHETやRBTを用いた全加算器を設計するために必要
な、高いピーク対バレイ比が得られ、かつ、バレイ領域
の電圧幅を自由に設計できる共鳴トンネル障壁構造を提
供することを目的とし、 エミッタ層とベース層の間に、エミッタ層側から順
次、第１電位障壁、量子井戸、第２電位障壁を配設した
共鳴トンネル電位障壁構造を形成して、エミッタ電流−
電圧特性に負性微分抵抗特性をもたせた共鳴トンネル半
導体装置において、第１電位障壁と第２電位障壁の間隔
が、電位障壁が高くなるにつれて大きくなるように変化
するように構成した。

この場合、第２電位障壁を形成する半導体層を、その
電位障壁の高さが第１電位障壁側から順次高くなってい
る複数の半導体によって構成して、第１電位障壁と第２
電位障壁の間隔を、電位障壁が高くなるにつれて大きく
なるように変化させることができる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電圧−電流特性に負性微分抵抗特性をもつ
共鳴トンネル障壁構造を用いた共鳴トンネル半導体装置
に関する。

近年のコンピュータシステムの高速化の要求に伴い、
高速動作する集積回路が要求されており、高速動作が可
能な回路素子の研究開発が強力に推進されている。

しかしながら、集積回路が大規模化するに伴い、素子
間を接続する配線が長くなり、この配線部分での信号伝
達の遅れが集積回路全体の動作速度を律するようになっ
てきた。

従来、この点に着目して、目的とする論理回路の機能
を有する半導体素子を実現することによって、多数の半
導体素子を用いて構成していた論理回路を、より少ない
半導体素子によって形成することが提案されている。

このような素子を実現することができると、所期の機
能を有する回路を形成する集積回路の面積を縮小するこ
とができ、より高集積化が達成できるとともに、回路を
構成する素子間の配線の長さを短縮することができて、
回路動作を高速化することができる。

その例として、共鳴トンネル障壁構造の負性微分抵抗
特性を利用した、共鳴トンネリング・ホットエレクトロ
ン・トランジスタ（RHET）や共鳴トンネリング・バイポ
ーラ・トランジスタ（RBT）等が実現され、これらの素
子を用いて、Ｅ（Exclusive）−NOR回路が状態保持回路
（特願平１−68329号明細書参照）、ラッチ回路、全加
算器等が提案され、従来の論理回路に比べて、1/2から1
/3の素子数で構成できることが期待されている。

これらの論理回路のうち全加算器は、３入力のＥ−NO
R回路（特願平１−309707号明細書参照）と３入力の多
数決論理回路（特願平１−311602号明細書参照）から構
成されているが、これらは、RHETやRBTのエミッタ電流
が増加してピークに達し、下降しバレイを過ぎて再び増
加する全特性を利用することが考えられている。

そのため、これらの回路を満足に動作させるために
は、従来の論理回路を実現するために必要であったピー
ク電圧、ピーク電流密度、ピーク対バレイ比だけでな
く、その論理回路に適したバレイ後の電流の立ち上がり
電圧や立ち上がり特性をもつ共鳴トンネル障壁構造を設
計することが必要になる。

まず、本発明の前提となる上記の共鳴トンネル効果に
ついて簡単に説明する。

第６図は共鳴トンネル効果を説明するための概念図で
ある。

この図において、２は第１電位障壁、３は量子井戸、
４は第２電位障壁、E₁は第１共鳴準位、E₂は第２共鳴準
位である。

この図のように、二つの電位障壁２、４に挟まれた量
子井戸３の幅が電子波の波長程度まで狭くなると、電子
の波動性が現れ、電子波の節が量子井戸３の両端に一致
する波長をもつ電子だけが量子井戸３内に存在できるよ
うになる。

この図のe₁は電子波の半波長が量子井戸３の両端に一
致している場合、e₂は電子波の１波長が量子井戸３の両
端に一致している場合を示している。

また、量子井戸３を形成する電位障壁２、４について
みると、この障壁の幅が広いときは、電子はこの障壁に
よって遮られて透過できないが、電位障壁が電子波の波
長程度まで狭くなると、電子はトンネル効果によって障
壁を透過できるようになる。

共鳴トンネル効果は、この二つの効果を組み合わせた
ものである。

すなわち、この共鳴トンネル障壁構造に、第１共鳴準
位E₁に相当するエネルギをもつ電子e₁が入射すると、そ
の半波長と量子井戸の幅が一致するため透過することが
できる。

また、第２共鳴準位E₂に相当するエネルギをもつ電子
e₂が入射すると、E₂における量子井戸の幅と、その１波
長が一致するため透過することができる。

しかし、その外のエネルギをもつ電子が入射しても透
過させない。

〔従来の技術〕

つぎに、従来のRHETやRBTで用いられていた共鳴トン
ネル障壁構造を説明する。

第７図は従来の共鳴トンネル障壁構造の構成説明図で
ある。

この図において、１はｎ型ドーピングされたエミッタ
層、２はノンドープの第１電位障壁層、３はノンドープ
の量子井戸層、４はノンドープの第２電位障壁層、７は
ｎ型にドーピングされたベース層、９はエミッタ電極、
８はベース電極、L₁、φ_１は第１電位障壁の厚さと高
さ、L_Wは量子井戸の厚さ、L₂、φ_２は第２電位障壁の厚
さと高さである。

上記従来の装置においては、高いエミッタ電流のピー
ク対バレイ比を得るために、第１電位障壁と第２電位障
壁の材料およびその厚さを、L₁＞L₂、φ_１＜φ_２とした
非対称構造が用いられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

第８図は、従来の共鳴トンネル障壁構造の電流−電圧
特性図である。

この図にみられるように、従来のこのような構造で
は、電子波の半波長が一致する第１の共鳴準位に相当す
るエミッタ電圧V_Pから、電子波１波長が一致する第２共
鳴準位までのエネルギ間隔が長いため、バレイ後の電流
の立ち上がり電圧や立ち上がり特性を用いる共鳴トンネ
ル障壁構造を得るためには、バレイが広すぎる欠点があ
った。

そして、この２つの電位障壁の非対称性を弱くして、
対称構造に近づけると、バレイ後の立ち上がり電圧は下
がってくるが、同時に、共鳴準位を通らないで、全体を
トンネルする電流が増加してピーク対バレイ比も低下す
る傾向があった。

したがって、このようなトンネル障壁構造を用いて適
当な広さのバレイ領域とピーク対バレイ比を同時に満足
することができないという問題があった。

本発明は、RHETやRBTを用いた全加算器を設計するた
めに必要な、高いピーク対バレイ比が得られ、かつ、バ
レイ領域の電圧幅を自由に設計できる共鳴トンネル障壁
構造を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明にかかる、エミッタ層とベース層の間に、エミ
ッタ層側から順次、第１電位障壁層、量子井戸、第２電
位障壁を配設した共鳴トンネル電位障壁構造を形成し
て、エミッタ電流−電圧特性に負性微分抵抗特性をもた
せた共鳴トンネル半導体装置においては、第１電位障壁
と第２電位障壁の間隔が、電位障壁が高くなるにつれて
大きくなるように変化させる構成を採用した。

この場合、第２電位障壁を形成する半導体層として、
その電位障壁の高さが第１電位障壁側から順次高くなっ
ている複数の半導体層によって構成することによって、
第１電位障壁と第２電位障壁の間隔を、電位障壁が高く
なるにつれて大きくなるように変化させることができ
る。

〔作用〕

第１図は、本発明の共鳴トンネル障壁構造の構成説明
図である。

この図において、５が第２電位障壁を形成する第１半
導体層、６が第２電位障壁を形成する第２半導体層、
L₃、φ_３が第２電位障壁を形成する第１半導体層の厚さ
と電位障壁の高さ、L₄、φ_４が第２障壁を形成する第２
半導体層の厚さと電位障壁の高さである他は第７図にお
いて同符号を付して説明したものと同様である。

本発明の共鳴トンネル障壁構造は、この図に示されて
いるように、ｎ型にドーピングされたベース層７の上
に、第２電位障壁を形成する電位障壁の高さがφ_４で厚
さがL₄の第２半導体層６、第２電位障壁を形成する電位
障壁がφ_３で厚さがL₃の第１半導体層５、量子井戸を形
成する厚さL_Wの半導体層３、第１電位障壁を形成する電
位障壁の高さがφ_１で厚さがL₁の半導体層２、エミッタ
層１をMBE法等適宜の結晶成長法によって形成し、ベー
ス層７にベース電極８を、エミッタ層１にエミッタ電極
９を設けたものである。

ここで説明した本発明の共鳴トンネル障壁構造が第７
図に示した従来の共鳴トンネル障壁構造と異なる点は、
第２電位障壁層を、電位障壁の高さと厚さが異なる２種
の半導体層によって形成し、第１半導体層の電位障壁の
高さをφ_３、第２の半導体層の電位障壁の高さをφ_４と
するとき、φ_３＜φ_４としたことである。

第２図は、本発明の共鳴トンネル障壁構造の電流−電
圧特性図である。

この図において、J_Pはエミッタ電流のピーク、V_Pはそ
のときのエミッタ電圧、J_Vはバレイ電流、V_Vバレイ電
圧、V_P2は、バレイ後に再びJ_Pが流れる電圧である。

本発明の共鳴トンネル障壁構造の、エミッタ電極９の
電圧を上昇していくと、エミッタ電流は増加し、エミッ
タ電圧がV_Pになると電流はピークに達し、その後減少し
てV_V以降バレイとなり、再び増加してV_P2でJ_Pまで上昇
する。

このような特性が得られると、電流の低、高、低、高
の４状態を用いて論理回路を構成することができる。

第３図（ａ）、（ｂ）は、本発明の共鳴トンネル障壁
構造の電位分布図である。

第３図（ａ）は、本発明の共鳴トンネル障壁構造が第
１共鳴準位に共鳴した状態を示す。

本発明の共鳴トンネル障壁構造において、エミッタ電
圧を上昇していくと、第２図に示されるように、エミッ
タ電流は僅かに増加するが、エミッタ電圧がV_Pに達して
電子のエネルギが第１共鳴準位E₁に一致すると、この準
位の共鳴が起こり、エミッタ電流がピーク値J_Pに達す
る。

さらにエミッタ電圧を上昇すると、この第１共鳴準位
E₁の共鳴条件から外れるため、電流が流れなくなる。

第３図（ｂ）は、本発明の共鳴トンネル障壁構造が第
２共鳴準位に共鳴した状態を示す。

第３図（ａ）に示した第１共鳴準位における共鳴の後
はエミッタ電流が減少してバレイに下降するが、さらに
エミッタ電圧を上昇していき、V_P2に達し、電子のエネ
ルギが第２共鳴準位E₂に近づくと、この準位の共鳴が起
こり、エミッタ電流が、エミッタ電圧がV_Pにおけるピー
ク値J_Pを超えて上昇する。

本発明の共鳴トンネル障壁構造においては、第２障壁
の高さφ_４を高くすることによってバレイ電流を抑え、
ピーク対バレイ比を大きくすることができる。

また、第２共鳴準位E₂の高さは、エミッタ電圧を印加
した状態での実効的な量子井戸の幅L_W＋L₂によって決ま
るから、第２電位障壁を２種の半導体層で形成したた
め、第２共鳴準位E₂の高さを第１共鳴準位E₁の高さとは
独立に決めることができ、V_Pに対してV_P2の位置を自由
に決めることができる。

このように、本発明の共鳴トンネル障壁構造において
は、第１共鳴準位E₁と第２共鳴準位E₂の高さを、第１電
位障壁と第２電位障壁の間の実効的な量子井戸幅を調節
することによって決定するものであり、第１電位障壁と
第２電位障壁の間隔が、電位障壁が高くなるにつれて大
きくなるように変化していることが必要である。

上記の説明においては、第２の電位障壁を製造が容易
な２つの半導体層によって形成した例を示したが、２以
上多数の半導体層で形成することもでき、あるいは、第
１電位障壁と第２電位障壁の間に形成される量子井戸幅
が上に向かって曲線状に拡大するように形成することも
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

（１）第１実施例 第４図は、本発明の第１実施例の構成説明図である。

この図における符号は、第１図において同符号を付し
て説明したものと同様である。

本実施例においては、エミッタ層１はIn_0.53Ga_0.47A
s、第１障壁層２は厚さが6.16nmのIn_0.52Al_0.48As、量
子井戸層３は厚さが3.22nmのIn_0.53Ga_0.47As、第２電位
障壁の第１半導体層５は厚さが1.47nmのIn_0.52Al_0.48A
s、第２障壁の第２半導体層６は厚さが1.58nmのAlAs、
ベース層はIn_0.53Ga_0.47Asで形成されている。

そして、エミッタ層とベース層のドーピング濃度は１
×10¹⁸cm^-3である。

また、本実施例の装置の電位分布は図示のように、第
１電位障壁層２の電位が0.53eV、第２電位障壁を形成す
る第１半導体層５の電位が0.53eV、第２電位障壁を形成
する第２半導体層６の電位が1.36eVである。

そして、量子井戸の底のE₁における幅はL_W＝3.22nmで
あり、開いたE₂における幅はL_W＋L₂＝4.69nmである。

第５図は、本発明の第１実施例の電流−電圧特性図で
ある。

本実施例においては、エミッタ電流密度とベース−エ
ミッタ電圧の関係は、この図に示されるように計算さ
れ、第１共鳴電位に相当するエミッタ電圧V_Pが0.6V、第
２共鳴準位によるJ_Pに相当するエミッタ電圧V_P2が1.4
V、ピーク対バレイ比が258となっている。

（２）他の実施例 上述の第１実施例では、第２電位障壁を形成する第２
半導体層６をAlAsとしたが、これを、In_1-xAl_xAsとし、
ｘの値を、ｘ＞0.48の範囲で変化することによって電位
分布を調節することができる。

またさらに、第２電位障壁を形成する第１半導体層５
をIn_1-yAl_yAs、第２半導体層６をIn_1-xAl_xAsとして、ｘ
＞ｙの条件下で、ｘとｙを変化することによって、電位
分布を調節することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の共鳴トンネリング障壁
構造によると、エミッタ電流のピーク対バレイ比を大き
く保ったままで、第２共鳴準位の高さを、第１共鳴準位
に対して独立に決めることができる。

また、第２電位障壁を複数の半導体層によって形成
し、各半導体層の厚さと電位障壁の高さを変えることに
よって、第２共鳴準位の高さを、第１共鳴準位に対して
独立に、かつ、容易に決めることができる。

その結果、エミッタ電流がバレイ後立ち上がるエミッ
タ電圧と、立ち上がり特性を制御でき、全加算器の構成
に適したRHETやRBTに必要な共鳴トンネル障壁構造を形
成できるため、共鳴トンネル障壁の負性微分抵抗特性を
利用した半導体装置を用いた高速集積回路の実現に寄与
するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の共鳴トンネル障壁構造の構成説明
図、第２図は、本発明の共鳴トンネル障壁構造の電流−
電圧特性図、第３図（ａ）、（ｂ）は、本発明の共鳴ト
ンネル障壁構造の電位分布図、第４図は、本発明の第１
実施例の構成説明図、第５図は、本発明の第１実施例の
電流−電圧特性図、第６図は共鳴トンネル効果を説明す
るための概念図、第７図は従来の共鳴トンネル障壁構造
の構成説明図、第８図は、従来の共鳴トンネル障壁構造
の電流−電圧特性図である。 １……エミッタ層、２……第１電位障壁層、３……量子
井戸層、４……第２電位障壁層、５……第２電位障壁を
形成する第１半導体層、６……第２電位障壁を形成する
第２半導体層、７……ベース層、８……ベース電極、９
……エミッタ電極、L₁……第１電位障壁の厚さ、L₂……
第２電位障壁の厚さ、L₃……第２電位障壁を形成する第
１半導体層の厚さ、L₄……第２障壁を形成する第２半導
体層の厚さ、L_W……量子井戸の厚さ、φ_１……第１電位
障壁の高さ、φ_２……第２電位障壁の高さ、φ_３……第
２電位障壁を形成する第１半導体層の電位障壁の高さ、
φ_４……第２障壁を形成する第２半導体層の電位障壁の
高さ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−220591（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−213167（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−216468（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−76262（ＪＰ，Ａ) Ａ．Ｚａｓｌａｖｓｋｙ，ｅｔ．ａ ｌ．，”Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅ ｌｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｂｉｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｓ ｙｍｍｅｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ−ｂａ ｒｒｉｅｒ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ ｕｒｅｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ ｔｔ，ｖｏｌ．53，Ｎｏ．15，10月 1988，ｐ．1408−1410 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737 H01L 29/88

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エミッタ層とベース層との間に、 第１の電位障壁層と、 前記第１の電位障壁層に接して形成された量子井戸層
   と、 前記量子井戸層に接して形成された第１の半導体層及び
   前記第１の半導体層に接して形成され且つ前記第１の半
   導体層よりも高い電位障壁を有する第２の半導体層を含
   んでなる第２の電位障壁層と が順次形成されてなる共鳴トンネル半導体装置であっ
   て、 前記第１の半導体層の電位障壁は前記量子井戸層に形成
   される第１共鳴準位よりも高く、且つ、前記量子井戸層
   に形成される第２共鳴準位よりも低く、 前記第２の半導体層の電位障壁は前記第２共鳴準位より
   も高いこと を特徴とする共鳴トンネル半導体装置。