JPH0337737B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、従来のものと全く異なる動作原理を
有し、超高速で動作可能なバイポーラ形式の半導
体装置（quantized base transistor：QBT）の
改良に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is an improvement of a bipolar type semiconductor device (quantized base transistor: QBT) that has a completely different operating principle from conventional devices and can operate at ultra high speed. Regarding.
一般に、バイポーラ半導体装置の動作原理は良
く知られているが、次に、第２図を参照しつつ、
その概略を説明する。
Generally, the operating principle of bipolar semiconductor devices is well known, but next, referring to FIG.
The outline will be explained below.
第２図は従来のnpn型バイポーラ半導体装置が
熱平衡状態にある場合のエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムである。 FIG. 2 is an energy band diagram when a conventional npn type bipolar semiconductor device is in a thermal equilibrium state.
図に於いて、Ｅはエミツク、Ｂはベース、Ｃは
コレクタ、EFはフエルミ・レベル、EVは価電子
帯、ECは伝導帯、ｎ，ｐは導電型をそれぞれ示
している。 In the figure, E is the emitter, B is the base, C is the collector, E F is the Fermi level, EV is the valence band, E C is the conduction band, and n and p are the conductivity types, respectively.
このようなバイポーラ半導体装置に於いて基本
とされる動作原理は次の通りである。 The basic operating principle of such a bipolar semiconductor device is as follows.
今、エミツタＥとベースＢ間に順方向電圧を印
加すると、エミツタＥからベースＢに注入された
電子がベースＢ中を拡散等で走行してコレクタＣ
に到達することに依つて信号がエミツタＥからコ
レクタＣに伝達されたことになる。 Now, when a forward voltage is applied between emitter E and base B, electrons injected from emitter E to base B travel through base B by diffusion etc.
The signal has been transmitted from emitter E to collector C by reaching .
従つて、このバイポーラ半導体装置の動作速度
は、究極的には、電子が熱拡散でエミツタＥから
コレクタＣまで走行するのに要する時間、即ち、
熱拡散に依る走行時間で規制されていることにな
る。 Therefore, the operating speed of this bipolar semiconductor device is ultimately determined by the time required for electrons to travel from emitter E to collector C by thermal diffusion, that is,
This means that the travel time is regulated by heat diffusion.
本発明者は、さきに、前記従来のバイポーラ半
導体装置の欠点を解消し、前記熱拡散に依る走行
時間で束縛されずに高速動作が可能であつて、必
要に応じて種々の特徴を持たせることができる半
導体装置としてQBTを提供した。 The present inventor first solved the drawbacks of the conventional bipolar semiconductor device, enabled high-speed operation without being constrained by the transit time due to thermal diffusion, and added various features as necessary. QBT was provided as a semiconductor device that can
そのQBTは、マイノリテイ・キヤリヤに対す
るサブ・バンドが生成され得るベースと、トンネ
ル効果を生じ得る程度の厚さを有するエミツタ・
ポテンシヤル・バリヤを介して前記ベースに接す
るエミツタと、トンネル効果を生じ得る程度の厚
さを有するコレクタ・ポテンシヤル・バリヤを介
して前記ベースに接するコレクタとを備え、前記
ベースにマイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・
バンドが形成された際にエミツタからコレクタへ
該マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネルで遷移
するような構成になつている。 The QBT has a base in which a sub-band for the minority carrier can be generated, and an emitter with a thickness sufficient to create a tunneling effect.
an emitter in contact with the base via a potential barrier; and a collector in contact with the base via a collector potential barrier having a thickness sufficient to cause a tunnel effect;
The configuration is such that the minority carrier transitions from the emitter to the collector in a resonant tunnel when the band is formed.
第３図はQBTの具体例を表す要部切断側面図
である。 FIG. 3 is a cutaway side view of the main parts of a specific example of QBT.
図に於いて、１は半絶縁性GaAs基板、２はコ
レクタ、３はコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ、
４はベース、５はエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、６はエミツタ、７は金・ゲルマニウム／金
（Au・Ge／Au）オーミツク性コレクタ電極、８
は金・亜鉛／金（Au・Zn／Au）オーミツク性ベ
ース電極、９はAu・Ge／Auオーミツク性エミ
ツタ電極をそれぞれ示している。尚、QBTを構
成する材料、例えば半導体、或いは、ドーパン
ト、ドーパント濃度等には種々のバリエーシヨン
が存在することは云うまでもない。 In the figure, 1 is a semi-insulating GaAs substrate, 2 is a collector, 3 is a collector potential barrier,
4 is a base, 5 is an emitter/potential barrier, 6 is an emitter, 7 is a gold/germanium/gold (Au/Ge/Au) ohmic collector electrode, 8
9 indicates a gold/zinc/gold (Au/Zn/Au) ohmic base electrode, and 9 indicates an Au/Ge/Au ohmic emitter electrode, respectively. It goes without saying that there are various variations in the materials constituting the QBT, such as semiconductors, dopants, dopant concentrations, etc.
このような構成を有するQBTに於ける動作原
理は従来のバイポーラ半導体装置と全く異なつて
いる。 The operating principle of a QBT having such a configuration is completely different from that of a conventional bipolar semiconductor device.
第４図はQBTが熱平衡状態になる場合のエネ
ルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第２図に関
して説明した部分と同部分は同記号で指示してあ
る。 FIG. 4 shows an energy band diagram when QBT is in thermal equilibrium, and the same parts as those explained in connection with FIG. 2 are designated with the same symbols.
図に於いて、PBEはエミツタ・ポテンシヤル・
バリヤ、PBCはコレクタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、E1，E2…Eo…はサブ・バンド、LBはベース
Ｂの幅（厚み）、ＺはエミツタＥからコレクタＣ
へ向かう方向をそれぞれ示している。 In the figure, PB E is the emitter potential.
barrier, PB C is the collector potential barrier, E 1 , E 2 ... E o ... is the sub band, L B is the width (thickness) of base B, Z is from emitter E to collector C
Each shows the direction to go.
さて、エミツタ・ポテンシヤル・バリヤPBEと
コレクタ・ポテンシヤル・バリヤPBCとで挟まれ
たベースＢは実質的に２次元であり、そして、電
子（キヤリア）のＺ方向の運動が量子化される程
度に充分に薄く、例えば、50〔Å〕程度に設定さ
れるものとする。 Now, the base B sandwiched between the emitter potential barrier PB E and the collector potential barrier PB C is essentially two-dimensional, and to the extent that the motion of electrons (carriers) in the Z direction is quantized. The thickness is set to be sufficiently thin, for example, about 50 [Å].
このようにベースＢを薄く形成すると、ベース
Ｂはポテンシヤルの井戸のような状態になつてい
て、その中では、エミツタＥからコレクタＣへ向
かう電子、即ち、Ｚ方向に向かう電子は或る特定
のエネルギ準位しかとることができない状態が実
現される。即ち、前記量子化に伴つて、ベースＢ
にはサブ・バンドE1，E2…Eo…が形成される。 When the base B is formed thin in this way, the base B is in a state like a potential well, in which electrons traveling from the emitter E to the collector C, that is, electrons traveling in the Z direction, are A state is realized in which only energy levels can be assumed. That is, along with the quantization, the base B
sub-bands E 1 , E 2 . . . E o . . . are formed.
サブ・バンドのエネルギ準位Eoは近似的には、
即ち、ポテンシヤル・バリヤを無限大とした場合
には、
Eo＝πζ2n2／2m*LB 2
ζ＝ｈ／2π
ｈ：プランク定数
ｎ＝エネルギ量子数
m*＝電子の有効質量（effective mass）
LB＝ベース幅
で与えられる。 The energy level E o of the sub-band is approximately:
That is, when the potential barrier is set to infinity, E o = πζ 2 n 2 /2m * L B 2 ζ = h/2π h: Planck's constant n = energy quantum number m * = effective mass of electron mass) L B = given by base width.
さて、このようなQBTに於いて、エミツタＥ
及びベースＢ間に順方向電圧を印加すると、その
場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラムは第５図
に見られるように変化する。 Now, in such QBT, Emitsuta E
When a forward voltage is applied between B and B, the energy band diagram in that case changes as shown in FIG.
第５図では第４図に関して説明した部分と同部
分は同記号で指示してある。 In FIG. 5, the same parts as those explained in connection with FIG. 4 are indicated by the same symbols.
図に於いて、VEBはエミツタ・ベース間電圧、
VCBはコレクタ・ベース間電圧、DBはドブロイ
（DeBloglie）波をそれぞれ示し、そして、エミ
ツタ・ポテンシヤル・バリヤPBE及びコレクタ・
ポテンシヤル・バリヤPBCそれぞれの厚さは電子
がトンネリング可能な程度に選択されている。 In the figure, V EB is the emitter-base voltage,
V CB is the collector-base voltage, DB is the DeBloglie wave, and the emitter potential barrier PB E and the collector
The thickness of each potential barrier PB C is selected to allow electron tunneling.
図示のように電圧が印加された場合に於いて、
例えば、エネルギ準位E1と同じエネルギを有す
る電子がエミツタＥからＺ方向に注入されると、
該電子はドブロイ波DBに見られるように透過率
１、即ち、完全透過でコレクタＣに到達する。 When voltage is applied as shown,
For example, when electrons with the same energy as energy level E1 are injected from emitter E in the Z direction,
The electrons reach the collector C with a transmittance of 1, that is, complete transmission, as seen in the de Broglie wave DB.
この電子がエミツタＥからコレクタＣに到達す
る過程では、従来のような走行に依るものではな
く、トンネル効果で二つのポテンシヤル・バリヤ
を通り抜ける、所謂、共鳴トンネリング
（resonant tunneling）に依る遷移である為に極
めて高速である。 The process in which these electrons reach collector C from emitter E does not rely on conventional travel, but rather a transition that relies on so-called resonant tunneling, in which they pass through two potential barriers due to the tunnel effect. It is extremely fast.
このQBTをトランジスタ動作させる場合、エ
ミツタ・ベース間電圧VEBに依つてエネルギ・バ
ンドのアライメントを実現させるのみで良く、原
理的にはベース電流は動作に不可欠ではない。 When operating this QBT as a transistor, it is only necessary to realize energy band alignment using the emitter-base voltage VEB , and in principle, the base current is not essential for operation.
従つて、入力電圧は直流的には零であるが、エ
ミツタ・ベース間静電容量を充電する為の変位電
流は流れるので、これが回路を通して一定電流と
なり、オーミツク電流がエミツタ及びベース中を
流れ、それに依るジユール損で交流電力は発生す
ることになる。 Therefore, although the input voltage is zero in direct current terms, a displacement current flows to charge the capacitance between the emitter and base, so this becomes a constant current through the circuit, and an ohmic current flows through the emitter and base. AC power will be generated due to the resulting Joule loss.
一般に、出力電力はコレクタ電流とコレクタ・
ベース間電圧VCBとの積であるから、このQBTは
増幅器としての機能を有しているものである。 Generally, the output power is determined by the collector current and the collector current.
Since this is the product of the base-to-base voltage V CB , this QBT has the function of an amplifier.
また、ベース・エミツタ間電圧VEBを増加させ
て、例えば、エネルギ準位E1及びE2の中間にエ
ミツタの伝導帯ECがアライメントされたような
場合には、電子の透過率は零、即ち、完全反射の
状態になり、コレクタ電流も零になる。 In addition, if the base-emitter voltage V EB is increased so that the conduction band E C of the emitter is aligned between the energy levels E 1 and E 2 , the electron transmittance becomes zero. That is, it becomes a state of complete reflection, and the collector current also becomes zero.
更に、ベース・エミツタ間電圧VEBを増加させ
て、例えば、エネルギ準位E2と伝導帯ECとがア
ライメントされると再び完全透過となり、コレク
タ電流が発生する。 Furthermore, when the base-emitter voltage V EB is increased and, for example, the energy level E 2 and the conduction band E C are aligned, complete transmission becomes possible again and a collector current is generated.
このように、QBTは、その稀に見る高速性に
加え、従来の半導体装置にない強い非線型と多様
な機能を有するものである。 In this way, in addition to its rare high speed, QBT has strong nonlinearity and a variety of functions not found in conventional semiconductor devices.
第６図は前記の点を更に明らかにする為、
QBTと従来のバイポーラ・トランジスタとの伝
達特性を比較して示す線図である。 To further clarify the above point, Figure 6 shows
FIG. 2 is a diagram comparing and showing the transfer characteristics of a QBT and a conventional bipolar transistor.
図では、縦軸にコレクタ電流ICを、横軸にエミ
ツタ・ベース間電圧VEBをそれぞれ採つてあり、
ＡはQBTの、そして、Ｂは従来のバイポーラ・
トランジスタのそれぞれの特性線、V1及びV2は
伝導帯ECをそれぞれエネルギ準位E1及びE2にア
ライメントする為のエミツタ・ベース間電圧VEB
をそれぞれ示している。 In the figure, the vertical axis shows the collector current I C and the horizontal axis shows the emitter-base voltage V EB .
A is QBT, and B is conventional bipolar
The respective characteristic lines of the transistor, V 1 and V 2 are the emitter-base voltage V EB to align the conduction band E C to the energy levels E 1 and E 2 , respectively.
are shown respectively.
図から判るように、従来のバイポーラ・トラン
ジスタでは、エミツタ・ベース間電圧VEBに対し
てコレクタ電流ICは単調に増加するだけである
が、QBTでは、エミツタ・ベース間電圧VEBが
V1及びV2であるときのみ、パルス状のコレクタ
電流ICが発生し、このコレクタ電流ICはエミツ
タ・ベース間電圧VEBに対して極めて非線型性が
強い依存性を示す。この特徴的な伝達特性は、通
常のバイナリ論理回路のみならず、多値論理回路
などの高度の論理回路の実現に有効である。 As can be seen from the figure, in a conventional bipolar transistor, the collector current I C only increases monotonically with respect to the emitter-base voltage V EB , but in a QBT, the emitter-base voltage V EB increases.
Only when V 1 and V 2 are present, a pulsed collector current I C is generated, and this collector current I C exhibits an extremely nonlinear dependence on the emitter-base voltage V EB . This characteristic transfer characteristic is effective for realizing not only ordinary binary logic circuits but also advanced logic circuits such as multivalued logic circuits.
前記説明で判るように、既提供のQBTは従来
のバイポーラ・トランジスタに比較して多くの優
れた特質を有しているが、未だ改良されるべき点
が存在している。
As can be seen from the above description, QBTs that have already been provided have many superior characteristics compared to conventional bipolar transistors, but there are still points to be improved.
第７図はベースが高濃度で縮退しているQBT
が動作状態にある場合のエネルギ・バイド・ダイ
ヤグラムを表し、第５図に関して説明した部分と
同部分は同記号で指示してある。 Figure 7 shows QBT whose base is highly concentrated and degenerate.
5 shows an energy byde diagram when the is in operation, and the same parts as those explained in connection with FIG. 5 are indicated by the same symbols.
この図に於いては、エミツタＥに於ける伝導帯
EC、即ち、伝導帯の底のエネルギがベースＢに
於ける基底サブ・バンドE1と一致した動作状態
が示されている。 In this figure, the conduction band at emitter E is
An operating condition is shown in which E C , ie, the energy of the bottom of the conduction band coincides with the base subband E 1 in base B.
このとき、エミツタＥの価電子帯EV、即ち、
価電子帯の頂上のエネルギは、ベースＢの擬フエ
ルミ・レベルEF及び価電子帯EVより高エネルギ
となる為、エミツタＥに於ける価電子が矢印TN
で示すようにベースＢの価電子帯EVにトンネリ
ングする。この現象は、ベースＢ中の正孔がエミ
ツタＥに注入されることと同じことであり、
QBTの電流増幅率hFEを劣化させる最大の原因と
なつている。 At this time, the valence band E V of the emitter E, that is,
The energy at the top of the valence band is higher than the quasi-Fermi level E F of the base B and the valence band E V , so the valence electron in the emitter E is shown by the arrow TN.
tunnels to the valence band E V of base B as shown in . This phenomenon is the same as holes in the base B being injected into the emitter E.
The current amplification factor h of QBT is the biggest cause of deterioration of FE .
本発明は、QBTに於ける前記正孔のトンネリ
ングを抑制することに依つて電流増幅率を向上さ
せることが目的である。 An object of the present invention is to improve the current amplification factor by suppressing hole tunneling in the QBT.
本発明の半導体装置に於いては、マイノリテ
イ・キヤリヤに対するサブ・バンド（例えばサ
ブ・バンドE1，E2…）が生成され得る一導電型
のベース（例えばｐ型ベースＢ）と、前記一導電
型のベースよりエネルギ・バンド・ギヤツプが大
であつてトンネル効果を生じ得る程度の厚さを有
するエミツタ・ポテンシヤル・バリヤ（例えばエ
ミツタ・ポテンシヤル・バリヤPBE）を介して前
記一導電型のベースに接し且つエネルギ・バン
ド・ギヤツプが前記一導電型のベースを構成する
半導体に於けるエネルギ・バンド・ギヤツプより
大である反対導電型のエミツタ（例えばｎ型エミ
ツタＥ）と、前記一導電型のベースよりエネル
ギ・バンド・ギヤツプが大であつてトンネル効果
を生じ得る程度の厚さを有するコレクタ・ポテン
シヤル・バリヤ（例えばコレクタ・ポテンシヤ
ル・バリヤPBC）を介して前記一導電型のベース
に接する反対導電型のコレクタ（例えばｎ型コレ
クタＣ）とを備え、前記一導電型のベースに生成
されたマイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バ
ンドを介して反対導電型のエミツタから反対導電
型のコレクタへ前記マイノリテイ・キヤリヤが共
鳴トンネリング遷移することを特徴とする構成に
なつている。
In the semiconductor device of the present invention, a base of one conductivity type (for example, p-type base B) in which sub-bands (for example, sub-bands E 1 , E 2 . . . ) for minority carriers can be generated; to the base of the one conductivity type via an emitter potential barrier (e.g. emitter potential barrier PB E ) having a larger energy band gap than the base of the mold and a thickness sufficient to cause a tunneling effect. an emitter of an opposite conductivity type (e.g., n-type emitter E) that is in contact with the emitter and whose energy band gap is larger than the energy band gap of the semiconductor constituting the base of the one conductivity type; and the base of the one conductivity type. The opposite conductivity is in contact with the base of one conductivity type through a collector potential barrier (e.g. collector potential barrier PB C ) having a larger energy band gap and a thickness sufficient to cause a tunneling effect. type collector (for example, an n-type collector C), and the minority carrier is transmitted from the emitter of the opposite conductivity type to the collector of the opposite conductivity type via a sub-band for the minority carrier generated at the base of the one conductivity type. The structure is characterized by a resonant tunneling transition.
前記構成を採ると、エミツタの価電子帯頂上の
エネルギがベースの擬フエルミ・レベル及び価電
子帯より低エネルギとなり、エミツタの価電子が
ベース中にトンネリングすることは禁止される。
When the above configuration is adopted, the energy at the top of the valence band of the emitter becomes lower than the pseudo-Fermi level and valence band of the base, and tunneling of the valence electrons of the emitter into the base is prohibited.
その結果、ベース中の正孔がエミツタに注入さ
れることはなくなり、電流増幅率は向上する。 As a result, holes in the base are no longer injected into the emitter, improving the current amplification factor.
本発明に於ける半導体装置の具体的構造は第３
図に示した従来のQBTと同様であり、その材料
構成等の一例を示すと次の通りである。
The specific structure of the semiconductor device in the present invention is described in the third section.
It is similar to the conventional QBT shown in the figure, and an example of its material composition is as follows.
(1) エミツタ
半導体：Al0.1Ga0.9As
厚み：１〔μｍ〕
ドーパント濃度：１×1018〔cm-3〕
ドーパント：Si
(2) エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ
半導体：Al0.4Ga0.6As
厚み：20〔Å〕
ドーパント濃度：−
ドーパント：−
(3) ベース
半導体：GaAs
厚み：50〔Å〕
ドーパント濃度：２×1019〔cm-3〕
ドーパント：Be
(4) コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ
半導体：Al0.4Ga0.6As
厚み：20〔Å〕
ドーパント濃度：−
ドーパント：−
(5) コレクタ
半導体：GaAs
厚み：１〔μｍ〕
ドーパント濃度：２×1018〔cm-3〕
ドーパント：Si
この実施例を製造する場合に適用するプロセス
は従来から多用されている技術を用いて容易に実
施することが可能であるから、ここでは、その概
要を説明する。尚、構造及び各部の記号は第３図
を流用するものとする。(1) Emitter Semiconductor: Al 0.1 Ga 0.9 As Thickness: 1 [μm] Dopant concentration: 1×10 18 [cm -3 ] Dopant: Si (2) Emitter Potential Barrier Semiconductor: Al 0.4 Ga 0.6 As Thickness: 20 [Å] Dopant concentration: − Dopant: − (3) Base semiconductor: GaAs Thickness: 50 [Å] Dopant concentration: 2×10 19 [cm -3 ] Dopant: Be (4) Collector potential barrier Semiconductor: Al 0.4 Ga 0.6 As Thickness: 20 [Å] Dopant concentration: − Dopant: − (5) Collector Semiconductor: GaAs Thickness: 1 [μm] Dopant concentration: 2×10 18 [cm -3 ] Dopant: Si Manufacturing this example Since the process applied in this case can be easily implemented using techniques that have been widely used in the past, an outline thereof will be explained here. Note that the structure and symbols of each part are the same as those in FIG. 3.
(a) 先ず、例えば分子線エピタキシヤル成長
（molecular beam epitaxy：MBE）法を適用
することに依り、半絶縁性GaAs基板１上にｎ
型GaAsコレクタ２、Al0.4Ga0.6Asコレクタ・
ポテンシヤル・バリヤ３、ｐ型GaAsベース
４、Al0.4Ga0.6Asエミツタ・ポテンシヤル・バ
リヤ５、ｎ型GaAsエミツタ６を前記の順に成
長させる。尚、ｎ型GaAsエミツタ６は、後に
エミツタ電極を合金化する為の熱処理をした際
に突き抜けを生じないように充分に厚く、例え
ば約１〔μｍ〕程度に形成してあるが、その不
純物濃度を充分に高くすれば、前記熱処理は不
要になるから、薄くすることも可能である。(a) First, by applying, for example, the molecular beam epitaxy (MBE) method, n is grown on a semi-insulating GaAs substrate 1.
type GaAs collector 2, Al 0.4 Ga 0.6 As collector/
Potential barrier 3, p-type GaAs base 4, Al 0.4 Ga 0.6 As emitter potential barrier 5, and n-type GaAs emitter 6 are grown in the above order. The n-type GaAs emitter 6 is formed to be sufficiently thick, for example, approximately 1 [μm], so as not to cause penetration during heat treatment for alloying the emitter electrode later, but its impurity concentration is If it is made sufficiently high, the heat treatment becomes unnecessary, so it is possible to make it thinner.
(b) 例えば、フツ化水素酸（HF）系エツチング
液を用い、素子間分離の為のメサ・エツチング
を行う。(b) Mesa etching for isolation between elements is performed using, for example, a hydrofluoric acid (HF)-based etching solution.
このメサ・エツチングは半絶縁性GaAs基板
１に達するまで行う。 This mesa etching is performed until the semi-insulating GaAs substrate 1 is reached.
(c) ベース・パターンのフオト・レジスト膜（図
示せず）を形成し、そのフオト・レジスト膜を
マスクとしてフツ化水素酸系エツチング液を用
い、ｎ型GaAsコレクタ２に到達するまでメ
サ・エツチングを行い、コレクタ・ポテンシヤ
ル・バリヤ３、ベース４、エミツタ・ポテンシ
ヤル・バリヤ５、エミツタ６を選択的に除去す
る。(c) Form a base pattern photoresist film (not shown) and use the photoresist film as a mask to perform mesa etching until it reaches the n-type GaAs collector 2 using a hydrofluoric acid etching solution. The collector potential barrier 3, the base 4, the emitter potential barrier 5, and the emitter 6 are selectively removed.
(d) エミツタ電極及びコレクタ電極の形成予定部
分に開口を有するフオト・レジスト膜（図示せ
ず）を形成する。(d) Form a photoresist film (not shown) having openings where the emitter electrode and collector electrode are to be formed.
(e) 蒸着法を適用することに依り、Au・Ge／
Au膜を形成し、次いで、それをリフト・オフ
に依つてパターニングする為、前記フオト・レ
ジスト膜の溶解・除去を行い、その後、合金化
処理を行つてコレクタ電極及びエミツタ電極９
を形成する。(e) By applying the vapor deposition method, Au/Ge/
In order to form an Au film and then pattern it by lift-off, the photoresist film is dissolved and removed, and then an alloying process is performed to form a collector electrode and an emitter electrode 9.
form.
(f) ベース電極８を形成する為のパターンを有す
るフオト・レジスタ膜（図示せず）を形成し、
CCl2F2系のエツチヤントを用いたドライ・エ
ツチング法を適用することに依り、エミツタ６
を選択的に除去する。(f) forming a photo resistor film (not shown) having a pattern for forming the base electrode 8;
By applying a dry etching method using a CCl 2 F 2 based etchant, the emitter 6
selectively remove.
(g) 蒸着法を適用することに依り、Au・Zn／Au
膜を形成し、次いで、それをリフト・オフに依
つてパターニングする為、前記工程ｆで形成し
たフオト・レジスト膜の溶解・除去を行い、そ
の後、合金化処理を行つてベース電極８を形成
し完成する。(g) By applying the vapor deposition method, Au・Zn/Au
In order to form a film and then pattern it by lift-off, the photoresist film formed in step f is dissolved and removed, and then an alloying process is performed to form the base electrode 8. Complete.
第１図は前記説明した工程を採つて製造された
本発明一実施例であるワイド・エネルギ・バン
ド・ギヤツプ・エミツタQBTが動作状態にある
場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、
第４図、第５図、第７図に関して説明した部分と
同部分は同記号で指示してある。 FIG. 1 shows an energy band diagram when the wide energy band gap emitter QBT, which is an embodiment of the present invention manufactured using the above-described process, is in operation.
The same parts as those described with reference to FIGS. 4, 5, and 7 are indicated by the same symbols.
図に於いて、EGEはエミツタＥに於けるエネル
ギ・バンド・ギヤツプ、EGBはベースＢに於ける
エネルギ・バンド・ギヤツプをそれぞれ示してい
る。 In the figure, E GE indicates the energy band gap at emitter E, and E GB indicates the energy band gap at base B, respectively.
図から理解できるように、エミツタＥに於ける
価電子帯EVがベースＢに於ける擬フエルミ・レ
ベルEF及び価電子帯EVより低エネルギであるか
らエミツタＥに於ける価電子がベースＢヘトンネ
リングすることはできず、従つて、ベースＢ中の
正孔がエミツタＥに注入されることもなく、無効
ベース電流は流れないから、従来のQBTに比較
して電流増幅率は約１桁向上し、3000乃至5000程
度になる。 As can be understood from the figure, the valence band E V in the emitter E has lower energy than the pseudo-Fermi level E F and the valence band E V in the base B, so the valence electron in the emitter E is the base. Since the holes in the base B cannot be tunneled to the emitter E and the reactive base current does not flow, the current amplification factor is about 1 compared to the conventional QBT. It will improve by an order of magnitude, reaching about 3,000 to 5,000.
本発明の半導体装置に於いては、マイノリテ
イ・キヤリヤに対するサブ・バンドが生成され得
る一導電型のベースと、前記一導電型のベースよ
りエネルギ・バンド・ギヤツプが大であつてトン
ネル効果を生じ得る程度の厚さを有するエミツ
タ・ポテンシヤル・バリヤを介して前記一導電型
のベースに接し且つエネルギ・バンド・ギヤツプ
が前記一導電型のベースを構成する半導体に於け
るエネルギ・バンド・ギヤツプより大である反対
導電型のエミツタと、前記一導電型のベースより
エネルギ・バンド・ギヤツプが大であつてトンネ
ル効果を生じ得る程度の厚さを有するコレクタ・
ポテンシヤル・バリヤを介して前記一導電型のベ
ースに接する反対導電型のコレクタとを備え、前
記一導電型のベースに生成されたマイノリテイ・
キヤリヤに対するサブ・バンドを介して反対導電
型のエミツタから反対導電型のコレクタへ前記マ
イノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネリング遷移す
ることを特徴とする構成になつている。
In the semiconductor device of the present invention, there is provided a base of one conductivity type in which a sub-band for a minority carrier can be generated, and a base having a larger energy band gap than the base of one conductivity type, which can cause a tunnel effect. is in contact with the base of the one conductivity type through an emitter potential barrier having a thickness of approximately an emitter of an opposite conductivity type, and a collector having a larger energy band gap than the base of the one conductivity type and having a thickness sufficient to cause a tunnel effect.
a collector of an opposite conductivity type that is in contact with the base of the one conductivity type via a potential barrier, and a collector of the opposite conductivity type that is in contact with the base of the one conductivity type;
The configuration is characterized in that the minority carrier undergoes a resonant tunneling transition from an emitter of an opposite conductivity type to a collector of an opposite conductivity type via a sub-band for the carrier.
このような構成を採ることに依り、エミツタに
於ける価電子帯に於ける頂上のエネルギは、ベー
スに於ける擬フエルミ・レベル及び価電子帯に於
ける頂上のエネルギよりも常に高い状態になり、
エミツタに於ける価電子がベースに於ける価電子
帯にトンネリングすることは不可能になる。従つ
て、ベースに於ける正孔がエミツタに注入される
現象はなくなり、無効ベース電流が流れることは
ない。 By adopting this configuration, the energy at the top of the valence band in the emitter is always higher than the quasi-Fermi level at the base and the energy at the top of the valence band. ,
It becomes impossible for valence electrons in the emitter to tunnel into the valence band in the base. Therefore, the phenomenon that holes in the base are injected into the emitter is eliminated, and no reactive base current flows.
その結果、QBTに於ける電流増幅率は向上さ
せることができ、また、QBT本来の高速性、非
線型性などの特徴もそのまま維持される。 As a result, the current amplification factor in QBT can be improved, and the original characteristics of QBT, such as high speed and nonlinearity, can be maintained.
第１図は本発明一実施例が動作状態にある場合
のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第２図は従
来のnpn型バイポーラ半導体装置に於けるエネル
ギ・バンド・ダイヤグラム、第３図はQBTの要
部切断側面図、第４図はQBTが熱平衡状態にあ
る場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第５
図はQBTが動作状態にある場合のエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラム、第６図はQBTと従来の
npn型バイポーラ半導体装置との伝達特性を比較
して示した線図、第７図は従来のQBTに於ける
欠点を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラムをそれぞれ表している。
図に於いて、１は半絶縁性GaAs基板、２はコ
レクタ、３はコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ、
４はベース、５はエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、６はエミツタ、７はコレクタ電極、８はベー
ス電極、９はエミツタ電極、Ｅはエミツタ、Ｂは
ベース、Ｃはコレクタ、EFはフエルミ・レベル、
EVは価電子帯、ECは伝導帯、PBEはエミツタ・ポ
テンシヤル・バリヤ、PBCはコレクタ・ポテンシ
ヤル・バリヤ、E1，E2…はサブ・バンド、LBは
ベースＢの幅、ＺはエミツタＥからコレクタＣへ
向かう方向、VEBはエミツタ・ベース間電圧、
VCBはコレクタ・ベース間電圧、DBはドブロイ
波、EGEはエミツタに於けるエネルギ・バンド・
ギヤツプ、EGBはベースに於けるエネルギ・バン
ド・ギヤツプをそれぞれ示している。
Figure 1 is an energy band diagram when one embodiment of the present invention is in operation, Figure 2 is an energy band diagram of a conventional npn bipolar semiconductor device, and Figure 3 is the main part of a QBT. Cut side view, Figure 4 is the energy band diagram when QBT is in thermal equilibrium, Figure 5
The figure shows the energy band diagram when QBT is in operation, and Figure 6 shows the energy band diagram of QBT and conventional
FIG. 7 is a diagram showing a comparison of the transfer characteristics with an npn bipolar semiconductor device, and an energy band diagram for explaining the drawbacks of the conventional QBT. In the figure, 1 is a semi-insulating GaAs substrate, 2 is a collector, 3 is a collector potential barrier,
4 is the base, 5 is the emitter potential barrier, 6 is the emitter, 7 is the collector electrode, 8 is the base electrode, 9 is the emitter electrode, E is the emitter, B is the base, C is the collector, E F is the fermi level,
E V is the valence band, E C is the conduction band, PB E is the emitter potential barrier, PB C is the collector potential barrier, E 1 , E 2 ... are the sub bands, L B is the width of the base B, Z is the direction from emitter E to collector C, VEB is the emitter-base voltage,
V CB is the collector-base voltage, DB is the de Broglie wave, and E GE is the energy band at the emitter.
Gap and EGB respectively indicate the energy band gap in the base.
Claims (1)
ドが生成され得る一導電型のベースと、 前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接し且つエネ
ルギ・バンド・ギヤツプが前記一導電型のベース
を構成する半導体に於けるエネルギ・バンド・ギ
ヤツプより大である反対導電型のエミツタと、 前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するコレクタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のコレクタとを備え、 前記一導電型のベースに生成されたマイノリテ
イ・キヤリヤに対するサブ・バンドを介して反対
導電型のエミツタから反対導電型のコレクタへ前
記マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネリング遷
移すること を特徴とする半導体装置。[Scope of Claims] 1. A base of one conductivity type in which a sub-band for a minority carrier can be generated;
A semiconductor which is in contact with the base of the one conductivity type through an emitter potential barrier having a large gap and a thickness sufficient to cause a tunnel effect, and whose energy band gap constitutes the base of the one conductivity type. an emitter of opposite conductivity type which is larger than the energy band gap in the base;
a collector of an opposite conductivity type that is in contact with the base of the one conductivity type through a collector potential barrier having a large gap and a thickness that can cause a tunnel effect; A semiconductor device characterized in that the minority carrier undergoes resonant tunneling transition from an emitter of an opposite conductivity type to a collector of an opposite conductivity type via a sub-band for the minority carrier.
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59109436A JPS60254657A (en) | 1984-05-31 | 1984-05-31 | Semiconductor device |
| CA000478704A CA1237824A (en) | 1984-04-17 | 1985-04-10 | Resonant tunneling semiconductor device |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP59109436A JPS60254657A (en) | 1984-05-31 | 1984-05-31 | Semiconductor device |
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Family Applications (1)
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| JPS52105785A (en) * | 1976-02-27 | 1977-09-05 | Max Planck Gesellschaft | Multiilayer semiconductor element |
-
1984
- 1984-05-31 JP JP59109436A patent/JPS60254657A/en active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60254657A (en) | 1985-12-16 |
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