JPH02172280A - 高速半導体装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は高速半導体装置に関し、特に共鳴トンネル効果
を利用した高速半導体装置に関する。

（従来の技術） 共鳴トンネル効果は電子の通過に要する遅延時間が著し
く小さく、かつ、顕著な微分負性抵抗を有することから
、超高速、新機能三端子素子への応用が極めて有望であ
り、各所で研究開発が行なわれている。例えば、従来の
共鳴トンネル効果を利用した三端子素子の一例としては
、構出らによるジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フイジク　ス（Ｊａｐａｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、）第２４巻、　Ｌ８５３頁−Ｌ８５４頁
、１９８５年に報告された共鳴トンネル電流・ホットエ
レクトロン、トランジスタ（ＲＨＢＴ；Ｒｅ５ｏｎａｎ
ｔ−工ｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｈｏｔ　Ｅｌｃｔｒｏｎ　Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。第１５図はＲＨＥＴの要
部構造断面図である。

図において１１はｎ型ＧａＡｓコレクタ層、１２はノン
ドープＡｌＧａＡｓコレクタバリヤ層、１３はｎ型Ｇａ
Ａｓベース層である。１４ＡはＡｌＧａＡｓ層、１４Ｂ
はＧａＡｓ層であり、（１４Ａ−１４Ｂ−１４Ａ）なる
サンドイッチ構造によって共鳴トンネル・バリヤ層を形
成する。

１５はｎ型ＧａＡｓ層エミッタ層、１６はエミッタ電極
、１７はベース電極であり、１８はコレクタ電極である
。第１６図にＲＨＥＴにおけるコレクタ電流のベース、
エミッタ電圧依存性を示すように、同素子は負の伝達コ
ンダクタンスを有する。

（発明が解決しようとする問題点） 以上の説明から分かるように、従来例では負の伝達コン
ダクタンスが得られ、同素子を例えば、周波数逓倍、論
理演算機能、フリップ・フロップ等の新機能素子に応用
することが可能になった。ここで、更にＲＨＥＴを多値
論理演算や多進数による数値演算・メモリーに応用する
ことを考えた場合、素子に２個以上の負性伝達コンダク
タンスが特性良く得られることが望まれる。従来のＲＨ
ＥＴにおいても励起準位Ｅｉ（ｉ＝２，３．・・・）に
おける共鳴トンネル効果をも利用し、複数の負性伝達コ
ンダクタンスを得ることが原理的には可能である。しか
しながら、従来のＲＨＥＴでは得られる負性抵抗は高々
１個である。なぜなら、励起準位においては電子の閉じ
込めが充分でなく、仮に励起準位における共鳴が観測さ
れたとしても電流値が基底準位におけるトンネル電流よ
り１桁程度大きく、がっピーク電流／バレー電流比ＣＰ
Ｎ比）の小さいものになってしまうからである。

また、従来のＲＨＥＴでは周波数逓倍および論理演算機
能（排他的論理和）と記憶機能（フリップ・フロップ）
は両立しなかった。すなわち、コレクタ電流に負性微分
抵抗（ＮＤＲ；　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎ
ｃｉａｌ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が現れ、がっ、ベー
ス電流にＮＤＲが現れない素子は、周波数逓倍、論理演
算機能を有し、一方、ベース電流にＮＤＲが現れ、がっ
、コレクタ電流にＮＤＲが現れない素子は記憶素子用に
用いられた。このように、従来の素子では、用途に応じ
て素子構造を変える必要があり、同一チップ上に異なる
機能を有するＲＨＥＴを集積することが難しかった。

本発明の目的は、このような問題点を解決し、所望の複
数のＮＤＲを特性良く得られる高速半導体装置を提供し
、更に、−個の素子で周波数逓倍、論理演算機能および
記憶機能を備える高速半導体装置を提供することにある
。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、量子準位が生成される量子井戸構造を
有する半導体装置において、少なくとも２つ以上の量子
井戸が形成され、かつ、これらの量子井戸間には導電層
が形成された導電型エミッタ層と該導電型エミッタ層か
らキャリアが注入される同一導電型ベース層と、該導電
型ベース層とコレクタポテンシャルバリヤ層を介して接
する同一導電型コレクタ層とを備えることを特徴とする
高速半導体装置が得られる。

さらにこの半導体装置においてコレクタバリヤ層のベー
ス層との界面側の高さを次のｉ〕〜１ｉｉ）で規定され
る３つの高さに変えることによりベース層に隣接する量
子井戸内の準位を介した共鳴トンネル効果に伴ってベー
ス層に注入されるキャリア制御され種々の微分負性抵抗
が得られる。

ｉ）ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を介した
共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキャリ
アがコレクタバリア層によって反射されず、コレクタ層
まで到達しうるようにする。

ｉｉ）　ｉ）に記載した基底準位からのキャリアはコレ
クタバリヤ層によって反射され、基底準位より高いエネ
ルギー準位におけるトンネル効果に伴ってベース層に注
入されたキャリアのみがコレクタ層に到達しうるように
する。

１ｉｉ）　ｉ）に記した量子井戸内の第一励起準位を介
した共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキ
ャリアはコレクタバリア層によって反射されるベース電
流を形成するようにする。このｉ）〜１ｉｉ）のように
コレクタバリヤ層を設定することによりベース・エミッ
タ間電圧変化に対するベース電流とコレクタ電流の微分
負性抵抗がｉ）コレクタ電流のみ、ｉｉ）ベース電流及
びコレクタ電流、１ｉｉ）ベース電流のみにおいて各々
表れる。

（作用） 前記手段をとると、ベースに電子を注入するエミッタ部
分において、所望の数の特性の良いＮＤＲを生じせしめ
ることが可能であり、従って、多値論理演算や多進数に
よる数値演算・メモリーに応用可能な明瞭な複数個のＮ
ＤＲがえられる。

ベース層における電子の注入エネルギーが、複数のＮＤ
Ｒに対応して、複数個存在するが、その内、基底準位に
対応する電子はコレクタバリヤに反射されベース中に落
ち、かつ、励起準位（Ｅ２）に対応する電子のみコレク
タの到達するようにコレクタバリヤの高さを設定すれば
、低電圧側ではベース電流にのみＮＤＲが現れ、高電圧
側ではコレクタ電流にのみＮＤＲが現れるようにするこ
とが出来る。

（実施例） 第１図（ａ）は本発明の第一の実施例の高速半導体装置
における要部の構造断面図であり、第１図（ｂ）は第１
図（ａ）におけるエミッタ量子井戸部６を詳しく説明す
る為の６を拡大した構造断面図である。第１図（ａ）に
おいて、１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２はｎ　ＧａＡｓ
コンタクト層、３はｎ　−ＧａＡｓコレクタ層、４はノ
ンドープＡｌＧａＡｓコレクタバリヤ層、５はｎ−Ｇａ
Ａｓベース層、６はエミッタ量子井戸部、７はｎ　Ｇａ
Ａｓコンタクト層、８はエミッタ電極、９はベース電極
であり、１０はコレクタ電極を示している。更に、エミ
ッタ量子井戸部６は、第１図（ｂ）に示すごとく、６Ａ
のノンドープＧａＡｓ量子井戸層が６ＢのノンドープＡ
ｌＡｓ障壁層で挟まれた量子井戸構造を基本単位として
、この量子井戸構造がＮ個、６Ｃ（７）ｎ−ＧａＡｓ層
で接続され、更に、その最上部にｎ　−ＧａＡｓエミッ
タ層６Ｄが積層された構造がら成っている。従って、本
構造では従来例におけるＲＨＥＴのエミッタ部がＮＤＲ
を生じせしめる量子井戸がｎ　−ＧａＡｓ層でＮ個直列
に接続された構造に置きがわっている。

第１図に示した半導体素子はより具体的には以下のよう
に作製される。まず、例えば、分子線エピタキシャル成
長法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に第工表のよう
な材料からなる層構造を順次成長する。ここに、第工表
にはＮ＝２の場合の層構造について示した。

成長後、通常のりソグラフィ技術を用い、ベース層５お
よびコレクタコンタクト層３をウエトエッチングにより
露出させ、オーミック電極８，９．１０を形成すること
によって、作製される。

以下、本実施例の動作原理を最も簡単なＮ；２の場合、
つまりエミッタ量子井戸部が２個の量子井戸の直列構造
から成っている場合を例に説明する。

この場合、エミッタ量子井戸部は例えば第２図に示すよ
うな電流、電圧特性を有する共鳴トンネルダイオード（
ＲＴＤ；　Ｒｅ５ｏｎａｎｔ工ｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｑｉ
ｏｄｅ）Ｄｉ、Ｄ２が第３図に示すごとく接続されてい
る回路と等価であるとみなされる。ここで、電圧Ｖｔは
ＮＤＲの生じる端子電圧である。

ここで、第３図の回路の端子３１．３２はそれぞれ＋Ｖ
、−Ｖの電位であるとし、第３図中のＡ点より見た動作
点の特性図を第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。端
子印加電圧（２ｖ）が２Ｖｔより小さい場合は、第４図
（ａ）のようにＡ点はａの動作点をとり、印加電圧の増
大に伴い、電流は増大する。印加電圧が２Ｖｔを越えた
瞬間にＲＴＤ　ＤｉとＤ２の一方が高電圧状態で、他方
が低電圧状態となる双安定状態に遷移し電流は減少する
。更に電圧を増加すると第４図（ｂ）のようにＡ点はｂ
またはｂ′の双安定点を動作点としてとりながら電流は
増大する。更に、印加電圧を増加し電流値がＮＤＲのピ
ーク電流値に一致した瞬間にＤｉ、Ｄ２の双安定状態を
脱し、電流は殆ど流れなくなる。更に印加電圧を増加す
ると、第４図（ｅ）に示すようにＡ点がｄの動作点をと
りながら再び電流は増大する。

従って、エミッタ量子井戸部の電流−電圧特性は第５図
に示すように、２個の明瞭なＮＤＲを示す。ここで第５
図ａ、ｂ、ｄで示した点はそれぞれ、第４図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）で、示した動作点に対応する。更に、一般
にエミッタ量子井戸部６がＮ個の量子井戸の直列接続構
造からなる場合の動作原理も全く同様に説明され、その
エミッタ部分の電流−電圧特性にはＮ個の明瞭なＮＤＲ
が得られる。

第６図（ａ）〜（ｄ）は本実施例のトランジスタとして
の動作原理を説明するためのエネルギ町バンド図である
。図中、第１図（ａ）、（ｂ）と同記号は同部分あるい
は同じ意味を持つものである。エミッタ、ベース、コレ
クタに電圧を加えていない熱平衡状態では、第６図（ａ
）のような伝導帯ダイヤグラムになり、量子井戸内には
電子の基底準位および第一励起準位Ｅｌ、Ｅ２が生成さ
れる。量子井戸の伝導帯の底から測った電子の共鳴準位
Ｅｉ（ｉ＝１．２．・・・）は、下式によって計算され
る。

Ｅｉ＝（ｈｉ）２／８ｍ”Ｌ２（１） ここで、ｈはブランク（Ｐｌａｎｃｋ）定数、ｍ本は電
子の有効質量、Ｌは量子井戸の厚みである。本実施例で
は、ｍ本＝０．０６７ｍｏ（ｍｏは自由電子の質量）、
Ｌ＝５０Ａであるので、Ｅ１＝２２５ｍｅＶ、　Ｅ２　
＝８９８ｍｅＶとなる。

第６図（ｂＸｃＸｄ）はコレクターエミッタ間に一定電
圧を加えた状態でベース−エミッタ間電圧（ＶＢＥ）を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
５図のａ点近傍の動作点では、第６図（ｂ）に示すよう
に、二つの量子井戸ともに基底準位Ｅ１を通じて電流が
流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベー
ス層５に接するＲＴＤ（ＤＩ）の両端に加わる電圧に相
当する運動エネルギー ２Ｅ１　＝４５０ｍｅＶを有する。ここで、コレクタ障
壁における伝導帯不連続量（ΔＥｃ）は約１５０ｍｅＶ
であるので、ベース層に注入された電子はコレクタ障壁
によ、って反射されることなく、殆ど全てコレクタ層に
到達する。ＶＢＥを増加し第５図のＮＤＲにおけるピー
ク電流値を越えるとＩｃは減少し、更にＶＢＥを増加し
、第５図す点近傍の動作点では、第６図（Ｃ）のように
、Ｄ２では基底準位Ｅ１における共鳴が、ＤＩでは第１
励起準位Ｅ２のテイル（ｔａｉｌ）部分を介した伝導が
起こる。この時もベース層における入射電子の運動エネ
ルギーかコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。更に、ＶＢＥを
増加し第５図ｄ近傍になると、第６図（ｄ）のバンド図
のごと＜　Ｄｉ、Ｄ２共にＥ２のテイル部を介した伝導
となり、同様に殆どの電子はコレクタに到達する。従っ
て、コレクターエミッタ間に一定電圧を加えた下のコレ
クタ電流（Ｉｃ）のＶＢＥ依存性は第７図のようになり
、Ｉｃ−ＶＢＥ特性に明瞭な２個のＮＤＲが得られる。

ここで、第７図中に示した動作点ａ、ｂ、ｄはそれぞれ
、第６図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各バイアス点に対応
する。本実施例では、Ｉｃに複数のＮＤＲが得られるこ
とから、周波数逓倍や論理演算機能等に応用できる。ま
た、一般のＮ個の量子井戸の直列構造の場合でも、全（
同様な原理に基づいてＮ個の明瞭な負の伝達コンダクタ
ンスが得られる。

次に、第二の実施例について説明する。第二の実施例は
、第１図（ａ）、（ｂ）と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性ＧａＡｓ基板１上の第１Ｉ表のような層構造が
積層された構造となっている。

本実施例の特徴は、ＱａＡｓ井戸層６Ｂが９０Ａと第一
の実施例と比較して厚いこと、更にコレクタ障壁層４の
ＡｌＡｓ組成が０．３と高いことである。エミッタ量子
井戸部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一の実施
例と同様に、第５図のように２個の明瞭なＮＤＲが得ら
れる。第８図（ａ）〜（ｄ）は本実施例における動作原
理を説明するためのバンドダイヤグラムである。熱平衡
状態では、第８図（ａ）のような伝導帯ダイヤグラムに
なり量子井戸６Ｂ内に電子の基底準位Ｅ１、第一励起準
位Ｒ２が生成される。量子井戸の伝導帯の底から図った
共鳴準位のエネルギーはＥ１＝６９ｍｅＶ、Ｅ２＝２７
７ｍｅＶとなる。

第８図（ｂＸｃＸｄ）はコレクターエミッタ間に一定電
圧を加えた状態でベース、エミッタ間電圧（ＶＢＥ）を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
５図のａ点近傍の動作・点では、第８図（ｂ）に示すよ
うに、二つの量子井戸ともに基底準位Ｅ１を通じて電流
が流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベ
ース層５に接するＲＴＤ（Ｄｉ）の両端に加わる電圧に
相当する運動エネルギー ２Ｅ１＝１３８ｍｅ■を有する。ここで、コレクタ障壁
におけるΔＥｃは約２２４ｍｅＶであるので、ベース層
に注入された電子は殆ど全てコレクタ障壁によって反射
され、ベース電流（ＩＢ）になる。ＶＢＥを増加しＮＤ
Ｒにおけるピーク電流値を越えるとＩＢが減少し、更に
ＶＢＥを増加し、第５図す点近傍の動作点では、第８図
（ｅ）のように、Ｒ２では基底準位Ｅ１における共鳴が
、Ｄｌでは第１励起準位Ｅ２のテイル部を介した伝導が
起こる。この時はベース層における入射電子の運動エネ
ルギーがコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。ＶＢＥを増加し
ＮＤＲにおけるピーク電流を越えるとＩｃは減少し、更
にＶＢＥを増加し、第５図ｄ近傍になると、第８図（ｄ
）のバンド図のごと＜　Ｄｉ、Ｒ２共にＲ２のテイル部
を介した伝導となり、同様に殆どの電子はコレクタに到
達する。従って、コレクターエミッタ間に一定電圧を加
えた下のエミッタ電流、ＩＢ、およびＩｃのＶＢＥ依存
性は、それぞれ、第９図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のよう
になり、ＩＢ−ＶＢＥ特性及びＩｃ−ＶＢＥ特性の双方
に異なった電圧（ＶＢＥ）において、ＮＤＲが得られる
。ここで、第９図中に示した動作点ａ、ｂ、ｄはそれぞ
れ、第８図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各バイアス点に対
応する。本実施例では、ＩｃとＩＢの双方の互いに相補
的なバイアス点においてＮＤＲが得られることがら、Ｉ
ｃにおけるＮＤＲを用いれば周波数逓倍や論理演算機能
等に応用可能であり、一方、ＩＢにおけるＮＤＲを用い
ればフリップ・フロップも構成できる。

第１０図は第二の実施例の高速半導体装置を用いて排他
的ＮＯＲゲートを構成する場合の回路図であり、Ｒ１，
Ｒ２，ＲＬは趣抗、Ｔは高速半導体装置であり、Ｅ、Ｂ
、Ｃはそれぞれ、エミッタ端子、ベース端子、コレクタ
端子を示している。エミッタ接地された高速半導体装置
Ｔのベース、エミッタ間には抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して、
それぞれ、入力電圧Ｖｌ、Ｖ２が入力され、一方、コレ
クタ端子には負荷抵抗ＲＬを介して電圧源ＶＣＣに接続
されている。出力電圧Ｖｏはコレクタと抵抗ＲＬの結節
点から読み出される。第１１図は第１０図に示した回路
の動作を説明する電流−電圧特性図である。動作点ＰＬ
、Ｐ２．Ｐ３はそれぞれ、コレクタ電流におけるＮＤＨ
の立ち上がり、ピーク、ヴアレーにとられている。第９
図（ｂ）のように、この電圧領域ではベース電流にＮＤ
Ｒは見られないため、ｖ１とｖ２の和に比例する電圧が
ベース、エミッタ間に生じる。抵抗Ｒ１及びＲ２を適当
に調節することにより、■１とｖ２が共にローレベル（
ｌｏｗ　１ｅｖｅｌ）であるときには、第１１図のＰｌ
に、ｖｌと■２の一方がローレベルで他方がハイレベル
（ｈｉｇｈ　１ｅｖｅｌ）であるときにはＰ２に、ｖｌ
とｖ２が共にハイレベルの時にはＰ３に動作点をとるこ
とができる。ハイレベルを１、ローレベルをＯとすると
、このときの入出力における真理衣は第１ＩＩ表のよう
になる。

この表から明らかな通り、出力Ｖｏは入力ｖ１とｖ２の
排他的ＮＯＲに一致している。

第１２図は本実施例による高速半導体装置を用いてフリ
ップロップを構成する場合の回路図であるる。エミッタ
接地された高速半導体装置Ｔのベース−エミッタ間には
抵抗ＲＩを介して、入力端子Ｖｉが人力され、一方、コ
レクタ端子には負荷抵抗ＲＬを介して電圧源■ＣＣに接
続されている。出力電圧Ｖｏはコレクタと抵抗ＲＬの結
節点から読み出される。第１３図（ａ）、（ｂ）は第１
２図に示したフリップフロップ回路の動作を説明する電
流−電圧特性図である。高速半導体装置Ｔと負荷抵抗Ｒ
Ｌを直列接続したときのＶＢＥの動作点は第１３図（ａ
）に示すがごとく、ベース電流−電圧特性と負荷線の交
点で表され、この時、抵抗ＲＬと電圧ＶＣＣを適当に選
ぶことによって、２個の安定な動作点Ｑｌ、Ｑ２をとる
双安定状態に設定することができる。第１３図（ａ）に
示すがごとく、動作点Ｑｌ、Ｑ２はそれぞれ、ベース電
流におけるＮＤＲのピーク近傍、ヴアレー近傍にとられ
ている。この電圧領域ではコレクタ電流にＮＤＲは、生
じないので、第１３図（ｂ）のようにＱ２におけるコレ
クタ電流はＱｌにおける値より大きい。したがって、Ｑ
ｌとＱ２の状態は出力ｖｏのそれぞれハイレベル、ロー
レベルに対応して読み出される。いま、状態Ｑ１におい
て負の電圧パルスが入力されても動作点はＱｌのままで
あるが、正の電圧パルスが入力されれば動作点はＱｌか
らＱ２に遷移しＶｏはローレベルになる。また、その逆
も可能である。すなわち、第１２図に示す回路は記憶機
能を有する。

以上のように、本実施例により高速半導体装置は、−個
の素子で排他的ＮＯＲ、フリップフリップ等の従来のＲ
ＨＥＴでは両立出来なかった複数の機能を兼ね備えてい
る。

次に、第三の実施例について説明する。第三の実施例は
、第１図（ａ）、（ｂ）と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性ＧａＡｓ基板１上第１Ｖ表のような層構造が積
層された構造となっている。

（以下余白） 本実施例の特徴は、ＧａＡｓ井戸層６Ｂが１５ＯＡと第
二の実施例より更に厚いこと、コレクタ障壁層４のＡｌ
Ａｓ組成が０．３と高いことである。エミッタ量子井戸
部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一、第二の実
施例と同様に、第５図のように２個の明瞭なＮＤＲが得
られる。第１４図（ａ）、（ｂ）は本実施例の動作を示
す電流−電圧特性を示す。量子井戸の伝導帯の底から測
った共鳴準位のエネルギーはＥ１＝２５ｍｅＶ、Ｅ２　
＝　１００ｍｅＶとなり、第５図の２個目のピークに対
応する電子ですら、ベース層内における注入エネルギー
が低く、コレクタ・バリヤ（ΔＥｃ　＝　２２４ｍｅＶ
）を越えられない。従って、第１４図（ｂ）に示すごと
＜ＩｃにはＮＤＲは現れず、代わりに第１４図（ａ）の
ようにＩＢに２個のＮＤＲが得られる。このような素子
を用いて第１２図と同様な回路を構成する。高速半導体
装置Ｔと負荷抵抗ＲＬを直列接続したときのＶＢＥの動
作点は第１４図（ａ）に示すがごとく、ベース電流−電
圧特性と負荷線の交点で表され、この時、抵抗ＲＬと電
圧ＶＣＣを適当に選ぶことによって、３個の安定な動作
点Ｑｌ、Ｑ２．Ｑ３をとる３安定状態に設定することが
できる。第１４図（ｂ）に示すがごとく、コレクタ電流
にＮＤＲは生じないので、Ｑｌ、Ｑ２．Ｑ３の状態は出
力Ｖｏのそれぞれハイレベル、中間レベル、ローレベル
に対応して読み出される。いま、状態Ｑ１において負の
電圧パルスが入力されても動作点はＱｌのままであるが
、正の電圧パルスが人力されれば動作点はＱｌからＱ２
に遷移しＶｏは中間レベルになる。兜に、負の電圧パル
スが人力されると動作点はＱｌにもどり、Ｖｏはハイレ
ベルになるが、状態Ｑ２で正の電圧パルスが入力される
と動作点はＱ２からＱ３に遷移しＶｏはローレベルにな
る。また、その逆も可能である。すなわち、第１２図に
示す回路は３値の記憶機能を有する。また、一般のＮ個
の量子井戸の直列構造の場合でも、全く同様な原理に基
づいてベース電流−電圧特性にＮ個の明瞭なＮＤＲが得
られ、Ｎ値の記憶回路に応用できる。

以上の実施例では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系について
本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、量子井戸
を形成できる材料系例えば、 ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ系やＧａＡｓ／Ｇ
ａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ歪系等にも適用可能である。

また、半導体層の成長方法は分子線エピタキシャル成長
法に限らず、原子層エピタキシャル成長法、化学気相成
長法など各種成長方法でよい。

（発明の効果） 本発明の高速半導体装置では、所望の複数のＮＤＲを特
性良く得ることができ、また、−個の素子で周波数逓倍
、論理演算機能および記憶機能を実現することも可能で
あり、負性抵抗特性を有する新機能素子の応用範囲を大
きく広げることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の実施例における要
部構造断面図であり、第２図、第３図、第４図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、第５図は実施例のエミッタ部の電流−
電圧特性を説明するための図、第６図（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）は実施例のエネルギーバンド図、第７図
は第一の実施例の電流−電圧特性図、第８図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は第２の実施例のエネルギーバン
ド図、第９図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は第２の実施例の
電流−電圧特性図、第１０図、第１１図は第２の実施例
を用いた排他的ＮＯＲゲートを説明する図、第１２図、
第１３図（ａ）、（ｂ）は第２の実施例を用いたフリッ
プ７０ツブを説明する図、第１４図（ａ）、（ｂ）は本
発明の第３の実施例における電流、電圧特性を示す図、
第１５図は従来技術によるＲＨＥＴの一例における要部
構造断面図であり、第１６図は従来例の電流−電圧特性
を示す図である。 図において、 １は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２，７はｎ　ＧａＡｓコン
タクト層、３，５，６Ｃ，６Ｄ、１１，１３，１５はｎ
　−ＧａＡ３層、４，１２．１４ＡはノンドープＡｌＧ
ａＡｓ層、６．１４はエミッタ量子井戸部、６Ａはノン
ドープＡｌＡｓ層、６Ｂ、１４ＢはノンドープＧａＡＪ
　、　８，９，１０，１６．１７．１８はオーミック電
極、Ｄｉ、Ｄ２は共鳴トンネルダイオード、Ｔは高速半
導体装置、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，ＲＬ、ＲＩは抵抗、ｖＣ
Ｃは定電圧源、Ｖｌ、Ｖ２．Ｖｏ、Ｖｉは入出力端子で
ある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）キャリアの量子準位が生成される量子井戸構造を
   有する半導体装置において、少なくとも２つ以上の量子
   井戸が形成され、かつ、これらの量子井戸間には導電層
   が形成された導電型エミッタ層と、該導電型エミッタ層
   からキャリアが注入される同一導電型ベース層と、該導
   電型ベース層とコレクタポテンシャルバリヤ層を介して
   接する同一導電型コレクタ層とを備えることを特徴とす
   る高速半導体装置。
2. （２）特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
   いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を
   介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注入さ
   れるキャリアが前記コレクタバリヤ層によって反射され
   ず前記コレクタ層まで到達しうるように、該コレクタバ
   リヤ層の該ベース層との界面におけるポテンシャルバリ
   ヤ高さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装
   置。
3. （３）特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
   いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を
   介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注入さ
   れるキャリアは前記コレクタバリヤ層によって反射され
   、かつ基底準位より高いエネルギー準位におけるトンネ
   ル効果に伴って該ベース層に注入されたキャリアのみが
   前記コレクタ層まで到達しうるように、該コレクタバリ
   ヤ層の該ベース層との界面におけるポテンシャルバリヤ
   高さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装置
   。
4. （４）特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
   いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の第一励起準
   位を介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注
   入されるキャリアが前記コレクタバリヤ層によって反射
   されベース電流を形成するように、該コレクタバリヤ層
   の前記ベース層との界面におけるポテンシャルバリヤ高
   さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装置。