JPH01262662A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ベース電流に負性微分抵抗特性を持つ共鳴トンネリング
・バイポーラ・トランジスタからなる半導体装置に関し
、比較的簡単な構造を有し、室温でもベース電流に負性
微分抵抗特性が得られる共鳴トンネリング・バイポーラ
・トランジスタからなる半導体装置を得ることを目的と
し、一導電型コレクタ層と、該一導電型コレクタ層の上
に形成された反対導電型ベース層と、該反対導電型ベー
ス層の上に形成されたエミッタバリヤ層と、該エミッタ
バリヤ層の上に形成された一導電型エミッタ層とを有す
る共鳴トンネリング・バイポーラ・トランジスタからな
る半導体装置において、該バリヤ層は少なくとも４．ヤ
リ７がトンネリングする程度の膜厚の２つの共鳴バリヤ
層とその間に形成された量子井戸層とを有し、該一導電
型エミツタ層における伝導帯の下端をＥＣ［、該反対導
電型ベース層における伝導帯の１・端をＥＣＢ、該量子
井戸層における電子の共鳴準位をＥ。。。

該一導電型エミッタ層における価電子帯の上端をＥＶＥ
’該反対導電型ベース層における１ｉｌｊｆｆｉ子帯の
上端をＥｖ６、該量子井戸層における正孔の共鳴単位を
Ｅｖｈとした時、ＥＣ’Ｅ＞ＥＣｅかつＥｖＥ＞Ｅｖｈ
〈ＥＶＢ又はＩ　Ｅｏｏ−Ｅ、ｏｌ　＞　Ｉ　Ｅｖｈ−
ＥｖＢｌかつＥＶＥ＞ＥＶｈくＩＥｖｓが成立し、該一
導電型エミツタ層と該反対導電型ベース層との間に所定
のバイアス電圧を印加すると、少なくとも電子より正孔
の共鳴トンネリングの方が先に発生することによりベー
ス電流は負性微分抵抗特性を持ち、かつ、コレクタ電流
は該負性微分抵抗特性が現われてから大き（流れる共鳴
トンネリング・バイポーラ・トランジスタからなるよう
に構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置、特にベース電流に負性微分抵抗特
性を持つ共鳴トンネリング・バイポーラ・トランジスタ
からなる半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（
Ｓ　ｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｓ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍ
ｏｒｙ　：ＳＲＡＭ）に於いては、一つのメモリ・セル
を構成するのに最低４個の電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）を用いていて、そのうち２ｇ４をフリップ・７Ｏツ
ブ回路を当て、そして、残り２個をトランスファ・ゲー
トに当てている。また、ダブル・エミッタのバイポーラ
・トランジスタの場合には最低２個が必要である。

現在、半導体集積回路装置に於ける解決すべき最大の技
術的課題としては高集積化が上げられ、前記の如き半導
体記憶回路もその例外ではない。

ところで、従来、その目的を達成する為、トランジスタ
自体を如何に小形化するかに努力が払われてぎたが、こ
のようなことは早晩行ぎ詰まることは必至であるから、
何か別の手段を探ることが必要となる。

そこで考えられることは、半導体集積回路装置としての
作用や効果は変わるところがないようにし、しかも、そ
れを構成するトランジスタの数は少なくなるようにする
ことである。然しながら、単導体記憶回路の場合、通常
のトランジスタを使用している限り、このような問題に
対処するには限界があり、これも手詰まり状態にある。

近年、共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン・トラ
ンジスタ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ−ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎｇ　
ＨｏｔＥ　Ｉｅｃｔｒｏｎ　Ｔ　ｒａｎｓｉｓｔｏｒ　
：　ＲＨＥ　Ｔ　）を始めとし、キャリＡ７の注入源と
して共鳴トンネル障壁を利用する、所謂、ＲＴＴの研究
及び開発が盛んである。

第７図はＲＴＴの一種であるＲ１−ＩＥＴの電圧・電流
特性を表す線図であり、横軸にはベース・エミッタ間電
圧ＶＢＥを、また、縦軸にはベース電流Ｉ８並びにコレ
クタ電流■。をそれぞれ採っである。

第８図では、ベース電流１８及びコレクタＮ流■ｏの特
性線に対し、ベース入力電圧■８がＶＢｌであるときの
負荷線が一点鎖線で、ＶＢ２であるときの負荷線が実線
で、ＶＢ３であるときの負荷線が二点鎖線でそれぞれが
表されており、また、Ｓｌ及びＢ２は安定点を示してい
る。

第８図から判るように、Ｒ１−ＩＥＴに於けるベース電
流ＩＢはＮ字型特性を示し、所謂、負性微分抵抗特性を
もっていて、コレクタ電流■ｃはベース電流■８に負性
微分抵抗特性が現われるまでは殆ど流れず、それが現れ
てからは急速に立ち上がる（特願昭６１−１３８６３０
号参照）。このような特性を利用すれば、１個のＲＨＥ
Ｔで７リツプ・フロップ回路を構成することができる。

第９図はＲＨＥＴを用いたフリップ・フロップ回路を表
し、第８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、ＱはＲＨＥＴであるトランジスタ、Ｒ３は
ベース・エミッタと直列に挿入された抵抗、ＶＢはベー
ス入力電圧、Ｖｃｃは正側電源レベルをそれぞれ示して
いる。

第８図を参照しつつ第９図に見られる回路の動作を説明
する。

ＶＢ””Ｂ２の時、動作点に二つの安定点Ｓ１並びに８
２が存在し、安定点Ｓ１の場合、コレクタ電流ＩＣは殆
ど流れていないから、このトランジスタＱはオフ状態で
あり、また、安定点Ｓ２の場合、コレクタ電流Ｉ。は流
れているから、トランジスタＱはオン状態である。

動作点を安定点Ｓ　から８２、即ち、トラツクスタＱを
オフからオンに遷移させるには、−旦、ｖ８〉ＶＢ３と
してから再びＶＢ＝■Ｂ２にすれば良い。

動作点を安定点Ｓ　から８１、即ち、トラツクスタＱを
オンからオフに遷移させるには、−旦、ｖＢくＶＢｌと
してから再びＶＢ＝ｖＢ２にすれば、良い。

前記説明から判るように、第９図に見られる回路は能ｆ
、ＩＩＸ子として僅か１個のトランジスタＱを使用する
のみでフリップ・フロップ動作を行うことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、ＲＨＥＴの構造は非常に複雑であると共に、室
温ではベース、コレクタの耐圧がないために低温下でし
かベース電流に負性微分抵抗特性が得られないという問
題が生じており、このため、室温では、能動素子として
ＲＨＥ　Ｔを用いてもフリップ・フロップ動作を行うこ
とができないという問題も生じていた。

本発明は、比較的簡単な構造を有し、室温でもベース電
流に負性微分抵抗特性が得られる共鳴トンネリング・バ
イポーラ・トランジスタからなる半導体装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題の解決は、一導電型コレクタ層と、該一導電型
コレクタ層の上に形成された反対導電型ベース層と、該
反対導電型ベース層の上に形成されたエミッタバリヤ層
と、該エミッタバリヤ層の上に形成された一導電型エミ
ッタ層とを有する共鳴トンネリング・バイポーラ・トラ
ンジスタからなる半導体装置において、該エミッタバリ
ヤ層は少なくともキャリアがトンネリングする程度の膜
厚の２つの共鳴バリヤ層とその間に形成された量子井戸
層とを有し、該一導電型エミツタ層における伝導帯の下
端をＥ。４、該反対導電型ベース層における伝導帯の下
端をＥ。Ｂ、該吊子井戸層における電子の共鳴準位をＥ
Ｃｅ、該一導電型エミツタ層における価電子帯の上端を
ＥＶＥ−該反対導電型べ一ス層における価電子帯の上端
をＥＶＢ１該量子井戸層における正孔の共鳴単位をＥｖ
ｈとした時、Ｅ　　＞Ｅ　　かつＥｖＥ＞Ｅｖｈ＜Ｅｖ
Ｂ又はＩＥｃＥ−ＣＥ　　　Ｃｅ Ｅｃｏｌ　＞　ｌ　Ｅｖｈ−ＥｖＢｌかつＥ　ＶＥ＞Ｅ
　ｖｈ＜Ｅ　ＶＢが成立し、該一導電型エミツタ層と該
反対導電型ベース層との間に所定のバイアス電圧を印加
すると、少なくとも電子より正孔の共鳴トンネリングの
方が先に発生することによりベースＮ流は負性微分抵抗
特性を持ち、かつ、コレクタＮ流は該負性微分抵抗特性
が現われてから大きく流れる共鳴トンネリング・バイポ
ーラ・トランジスタからなることを特徴とする半導体５
ＡＭにより達成される。

〔作用〕

即ち、本発明は、ＥｏＥ＞ＥＣ８かつＥ　ＶＥ＞Ｅ　Ｖ
ｈ〈ＥＶＢ又はｌ　ＥＣ８−ＥｃＥｌ　＞　ｌ　Ｅｖｈ
−ＥｖＢｌかつＥＶＥ＞ＥＥｖｈ＜ＩＥｖａとすること
により、エミッタとベースとの間に所定のバイアス電圧
を印加すると、少なくも電子より正孔の共鳴トンネリン
グの方が先に発生する。

従って、比較的簡単な構造を有し、空温でもベース電流
に負性微分抵抗特性が得られる共鳴トンネリング・バイ
ポーラ・トランジスタからなる半導体装置を得ることが
可能となる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例としての共鳴トンネリング
・バイポーラ・トランジスタ （ＲｅｓＯｎａｎｔ　−ｔ　Ｕｎｎ（３１ｉｎ！ｌ　　
Ｂ　１ｐｏｌａｒＴ　ｒａｎｓｉｓｔｏｒ　：　ＲＢ　
Ｔ　）のエネルギーバンド図を示す。ＲＢＴでは、通常
のバイポーラ・トランジスタのエミッタとベースとの接
合部に、エミッタバリヤＩＮ（共鳴トンネリングバリャ
層）が設けられており、電子のトンネリング電流がコレ
クタ電流に寄与し、正孔のトンネリング電流がベース電
流に寄与する。エミッタバリヤ層は、少なくともキャリ
アがトンネリングする程度の膜厚の２つの共鳴バリヤ層
とその間に形成された皇子井戸層とを有する。そこで、
本実施例では、エミッタとベースとの間に所定のバイア
ス電圧を印加した時に、エミッタバリヤ層において電子
の共鳴トンネリングより先に正孔の共鳴トンネリングが
発生するようにしている。これにより、ベース電流に負
性微分抵抗が発生し、フリップフロツブ動作を行なう半
導体装置の能動素子に適したＲＢＴが得られる。

第１図（ａ）はベース・エミッタ電圧がゼロの場合、同
図（ｂ）はベース・エミッタ電圧が加えられ、正孔の共
鳴トンネリングが発生することによりベース電流が流れ
ている場合、同図（Ｃ）はベース・エミッタ電圧が更に
加えられてベース電流が流れなくなった場合を示してい
る。なお、第１図（ｂ）、（ｃ）のエネルギーバンド図
に対応したＲＢＴの電圧・電流特性を夫々第２図（ａ）
。

（ｂ）に示す。第２図中、ＩＢはベース電流。

ＩＣはコレクタ電流、ＶＢＥはベース・エミッタ間電圧
を表わす。

電子の共鳴トンネリングより先に正孔の共鳴トンネリン
グを発生させる条件としては、第３図に示す２つが考え
られる。同図中、エミッタ側、エミッタバリヤ層の第１
の共鳴バリヤ、歌子井戸。

エミッタバリヤ層の第２の共鳴バリヤ及びベースの伝導
帯の下端を夫々ＥＣ１，ＥＣ２，ＥＣ３，ＥＣ４’ＥＣ
５とし、価電子帯の上端を夫々Ｅｖ１．Ｅｖ２゜ＥＶ３
．ＥＶ４＝　’Ｅｖｓとしている。

第３図（ａ）では、エミッタ側をワイドギャップとして
、Ｅｃｌ〉ＥＣ３かつＥｖｌ〉ＥＶＢくＥｖｈなる条件
を満足している。これにより、電子の共鳴トンネリング
は発生することなく、正孔のトンネリングのみが発生す
る。

他方、第３図（ｂ）では、エミッタ側をナロウギャップ
として、ｌ　ＥＣ３−ＥＣ１１〉ＩＥＶ３−Ｅｖｓｌか
つＥｖｌ〉ＥＶＢ〈Ｅｖｈなる条件を満足している。

これにより、正孔の共鳴トンネリングが電子の共鳴トン
ネリングより先に発生する。

第３図（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、ベース・エミッ
タ間に所定のバイアス電圧を印加すると、少なくとも電
子より正孔の共鳴トンネリングの方が先に発生する。こ
の結果、ベース電流は負性微分抵抗を持ち、かつ、コレ
クタ電流はこの負性微分抵抗が現われてから大きく流れ
る。又、ＲＢＴの場合はベースとコレクタとの接合がｐ
ｎ接合となっており、室温でもベース・コレクタ間の耐
圧が十分であるから、ＲＨＥＴの場合とは異なり低温で
動作させる必要がない。

第４図は、上記ＲＢＴの構造の一実施例を示す。

同図中、ＲＢＴはコレクタ電極１．ｎ１型ＧａＡｓコレ
クタ層２．膜厚４００Ｇ人で不純物濃度が１Ｘ１０１７
ｃＩＲ′３のｎ型ＧａＡｓ層３．膜厚１５００Ａｒ不純
物濃度が５Ｘ１０”ｃｍ″３のｐ＋型ＧａＡｓベースｌ
ｉ！４゜ベース電極５．１型ＧａＡＳスペ一サ層６．共
嗅トンネリングバリャ１ｍ７．ＩＩ膜厚１０００人不純
物濃度がＩ　Ｘ　１０”　ａｍ′３のｎ型Ａｌ１ＸＧａ
１−ｘＡｓ　（ｘ−０，１）層８．膜厚５００人のｎ型
からｎ＋型へ濃度が変化するグレイデッド接合１ｔ９．
膜厚１５００人で不純物１１度が６　Ｘ　１０”　ａｍ
−”のｎ＋型ＧａＡＳエミッタＪｌ１１０及びエミッタ
電極１１からなる。

共鳴トンネリングバリャｆｆ７は、例えば膜厚２０人の
Ａｌ１Ａｓバリヤ層と膜厚５０人のＧａＡＳｆｆｉ子井
戸層と膜厚２０人のバリヤＡｌ１Ａｓ層とからなる。本
実施例では、ＲＢＴは第３図（ａ）の特性を有する。

第５図は、本発明の他の実施例としての７リツプ７０ツ
ブ回路（双安定マルチバイブレータ）を示す。同図中、
フリップフロップ回路は、上記の如き特性を有する単一
のＲＢＴＱＲＢ□と、一端を第１の電ＩＩ！電圧ｙｃｃ
に接続され他端をＲＢＴＱＲＢＴのコレクタＣと接続さ
れた抵抗Ｒ１と、−端を入力端子ＩＮに接続され他端を
ＲＢＴＱＲ３■のベースＢに接続された抵抗Ｒ８とから
なる。ＲＢ　Ｔ　Ｑ　ＲＢ、のエミッタＥは、第２の電
源電圧をＶＳＳに接続されており、出力端子ＯＵＴはＲ
ＢＴ　Ｑ　ＲＢＴのコレクタＣに接続されている。

第６図にＲＢＴのコレクタ電流■、及びベース電流Ｉ８
のベース・エミッタ電圧依存性を示す。

同図中には、入力電圧ｖＩＨがｖＢＯ，ＶＢｌ−ＶＢ２
ノ場合の負荷曲線も示しである。Ｖ　ＩＮ−Ｖ　ＢＯの
場合、二つの安定状態Ｓ１．８２が存在する。状態が８
１の場合は、コレクタ電流は流れておらず、■ｏＵ、は
、ハイレベルとなる。状態が８２の場合は、コレクタ電
流が流れるので、ＶＯＵＴはローレベルとなる。状態を
Ｓ、からＳ２に移すためには、−旦ＶＩＮ〉ＶＢ２とし
てから、■ＩＮ−ｖＢＯに戻せば良い。状態を　８２か
ら８１に移すためには、−旦ｖＩＮ＜ｖＢｌとしてから
、ｖＩＮ−ｖＢＯに戻せば良い。

したがって、入力端子ＩＮに第７図（ａ）に示す如き入
力電圧ＶＩＮが印加されると、出力端子０ＬＪＴからは
第７図（ｂ）に示す出力電圧■ＯＵＴが取出される。こ
のように、ＲＢＴを用いることにより、ＲＨＥＴ同様の
７リツプ７０ツブ動作が室温において実現できる。

以上本発明を実施例により説明したが、本発明は本発明
の主旨に従い種々の変形が可能で本発明からそれらを排
除するものではない。

〔発明の効果〕 本発明によれば、ＲＢＴのエミッタとベースとの間に所
定のバイアス電圧を印加すると少なくとも電子より正孔
の共鳴トンネリングの方を先に発生せしめているので、
比較的簡単な構造を有し室温でもベース電流に負性微分
抵抗特性が得られるＲＢＴからなる半導体装置を得るこ
とができ、特にこのようなＲＢＴを７リツプフロツプ回
路を構成する単一の能動素子として使用した場合の効果
は大であり、実用的には極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてのＲＢＴのエネルギー
バンド図、 第２図はＲＢＴの電圧・電流特性を示す図、第３図は正
孔の共鳴トンネリングを先に発生させる条件を説明する
ためのエネルギーバンド図、第４図はＲＢＴの構造の一
実施例を示す断面図、第５図は本発明の他の実施例とし
てのノリツブフロップ回路の回路図、 第６図はＲＢＴのコレクタ電流及びベース電流のベース
・エミッタ電圧依存性を示す図、第７図はフリップフロ
ップ回路の入出力電圧を示す図、 第８図はＲＨＥＴの電圧・電流特性を示す図、第９図は
ＲＨＥ　Ｔを用いたフリップフロップ回路の要部回路図
である。 第１図〜第７図において、 １はコレクタ電極、 ２はｎ＋型ＧａＡｓコレクタ層、 ３はｎ型ＧａＡｓ層、 ４はｐ＋型ＧａＡｓベース層、 ５はベース電極、 ６はｉ型ＧａＡＳスベーザ層、 ７は共鳴トンネリングバリャ層、 ８はｎ型Ａ之ｘＧａ１−ｘＡＳ層、 ９はグレイデッド接合層、 １０はｎ＋型ＧａＡｓエミッタ層、 １１はエミッタ電極、 ＱＲＢ□はＲＢＴｌ ＲＬ、Ｒ８は抵抗 を示す。 特許出願人　富　士　通　株式会社 第１　図 べ久・Ｚｌｑｐ　Ｔｉ７＃！、″）ＥＶＢＥべ′−ス・
工、ミ咋りｒ＠ｅ反ＶＢＥ ＲＢＴｆ）ｔ・電或讐１セε１マキｂコ第２図 （ａ）　　　　二化−ｙ２謄１　　　　　　　　　　べ
−に渕（ｂ）　　　ｘ丸ツｐ４１１リ　　　　　　　　
　　　　　　”％　−＋７ζ４１１シ１ＲＢＴハ構識か
→翻謔１勘ｔ↑ｌ＃面習第４図 ｃｅ マース°二（−ｙｐ喝ジＥＶＩ追 第６図 ＠７図 ＲＨＥＴ−電工・撥メひ勧ｉｔホＴ回 喜８図 ＲＨＥＴｔｌ’＠ｂ−九フリー、プフ口・ν１頂しの−
！蹟ＭηＩＧ９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電型コレクタ層（２、３）と、該一導電型コ
   レクタ層の上に形成された反対導電型ベース層（４）と
   、該反対導電型ベース層の上に形成されたエミッタバリ
   ヤ層（７）と、該エミッタバリヤ層の上に形成された一
   導電型エミッタ層（８、９、１０）とを有する共鳴トン
   ネリング・バイポーラ・トランジスタからなる半導体装
   置において、該エミッタバリヤ層は少なくともキャリア
   がトンネリングする程度の膜厚の２つの共鳴バリヤ層と
   その間に形成された量子井戸層とを有し、該一導電型エ
   ミッタ層における伝導帯の下端をＥ＿Ｃ＿Ｅ（Ｅ＿Ｃ＿
   １）、該反対導電型ベース層における伝導帯の下端をＥ
   ＿Ｃ＿８（Ｅ＿Ｃ＿５）、該量子井戸層における電子の
   共鳴準位をＥ＿Ｃ＿ｅ（Ｅ＿Ｃ＿３）、該一導電型エミ
   ッタ層における価電子帯の上端をＥ＿Ｖ＿Ｅ（Ｅ＿Ｖ＿
   １）、該反対導電型ベース層における価電子帯の上端を
   Ｅ＿Ｖ＿Ｂ（Ｅ＿Ｖ＿５）、該量子井戸層における正孔
   の共鳴準位をＥ＿Ｖ＿ｈ（Ｅ＿Ｖ＿３）とした時、Ｅ＿
   Ｃ＿Ｅ＞Ｅ＿Ｃ＿ｅかつＥ＿Ｖ＿Ｅ＞Ｅ＿Ｖ＿ｈ＜Ｅ＿
   Ｖ＿Ｂ又はＩＥ＿Ｃ＿ｅ−Ｅ＿Ｃ＿ＥＩ＞ＩＥ＿Ｖ＿ｈ
   −Ｅ＿Ｖ＿ＢＩかつＥ＿Ｖ＿Ｅ＞Ｅ＿Ｖ＿ｈ＜Ｅ＿Ｖ＿
   Ｂが成立し、該一導電型エミッタ層と該反対導電型ベー
   ス層との間に所定のバイアス電圧を印加すると、少なく
   とも電子より正孔の共鳴トンネリングの方が先に発生す
   ることによりベース電流は負性微分抵抗特性を持ち、か
   つ、コレクタ電流は該負性微分抵抗特性が現われてから
   大きく流れる共鳴トンネリング・バイポーラ・トランジ
   スタからなることを特徴とする半導体装置。
2. （２）一端を第１の電源電圧（Ｖｃｃ）に接続され他端
   を該一導電型コレクタと接続された第１の抵抗（Ｒ＿Ｌ
   ）と、 一端を入力端子（ＩＮ）に接続され他端を該反対導電型
   ベース層と接続された第２の抵抗（Ｒ＿Ｂと、 該一導電型コレクタに接続された出力端子 （ＯＵＴ）とを設け、 該一導電型エミッタは第２の電源電圧（Ｖｓｓに接続さ
   れ、 該一導電型エミッタ層と該反対導電型ベース層との間に
   第１の電圧を印加して正孔を共鳴トンネリングせしめ第
   ２の電圧を印加して該一導電型エミッタ層から該反対導
   電型ベース層に電子を注入せしめることによりフリップ
   フロップ動作を行なうことを特徴とする請求項１の共鳴
   トンネリング・バイポーラ・トランジスタからなる半導
   体装置。