JPH0377375A - High speed semiconductor device - Google Patents

High speed semiconductor device

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Publication number
JPH0377375A
JPH0377375A JP21342589A JP21342589A JPH0377375A JP H0377375 A JPH0377375 A JP H0377375A JP 21342589 A JP21342589 A JP 21342589A JP 21342589 A JP21342589 A JP 21342589A JP H0377375 A JPH0377375 A JP H0377375A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
collector
barrier
base
type gaas
Prior art date
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Pending
Application number
JP21342589A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyasu Ando
秀泰 安藤
Masahiko Sasa
佐々 誠彦
Shunichi Muto
俊一 武藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPH0377375A publication Critical patent/JPH0377375A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain a high speed semiconductor device which has little scattering between valleys, facilitates high speed operation and has ensured voltage withstand characteristics between the base and the collector by a method wherein a collector barrier is formed in a collector barrier layer with a potential barrier provided by a doped layer and a potential barrier provided by a inclined composition mixed crystal layer. CONSTITUTION:An injected electron (e<->) is transmitted through an n<+>-type GaAs base layer 34 in a ballistic manner and crosses over the collector barrier 59 of a collector barrier layer 32 and reaches an n<+>-type GaAs collector layer 24 to form a collector current Ic. At that time, the collector barrier 59 has a shape of trapezoid whose height is about 0.28 eV. Further, as the height about 0.28 eV of the collector barrier 59 is defined by an inclined composition AlxGa1-xAs layer at the boundary between the collector barrier layer 32 and the n<+>-type GaAs base layer 34, even if a base-collector voltage VBC is applied, the height is not degraded. Therefore, a withstand voltage between the base and the collector can be ensured and the voltage withstand characteristics of the device are not deteriorated.

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係り、特に共鳴トンネル効果
を利用した負性抵抗特性を有する3端子の高速半導体装
置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a high-speed semiconductor device, and more particularly to a three-terminal high-speed semiconductor device having negative resistance characteristics using resonant tunneling effect.

[従来の技術] 従来、電圧制御型の負性抵抗素子としては例えばエサキ
ダイオード等があったが、これらは全て2端子素子であ
り、3端子の負性抵抗素子は実現されていなかった。
[Prior Art] Conventionally, there have been voltage-controlled negative resistance elements such as Esaki diodes, but all of these are two-terminal elements, and a three-terminal negative resistance element has not been realized.

これに対して、最近、共鳴トンネル効果を利用した半導
体装置が研究され、負性抵抗特性を有する3端子の高速
半導体装置が提案されている。
On the other hand, recently, research has been conducted on semiconductor devices that utilize the resonant tunneling effect, and three-terminal high-speed semiconductor devices having negative resistance characteristics have been proposed.

まず、第5図を用いて、共鳴トンネル効果を説明する。First, the resonance tunnel effect will be explained using FIG. 5.

半導体層62.64間に、共鳴トンネル効果によってト
ンネル可能なバリア即ち共鳴トンネルバリア66.68
とこれらの共鳴トンネルバリア66.68に挟まれた量
子井戸70とからなる超格子層が形成されている。この
とき、量子井戸70には離散的なエネルギー準位即ち共
鳴準位が形成されるが、ここでは最も低い共III!準
位E1のみを図示する。
Between the semiconductor layers 62, 64 there is a barrier 66, 68 which can be tunneled by resonant tunneling.
A superlattice layer is formed of the quantum well 70 sandwiched between the resonant tunnel barriers 66 and 68. At this time, discrete energy levels, that is, resonance levels, are formed in the quantum well 70, and here, the lowest co-III! Only level E1 is illustrated.

いま、第5図(a)に示されるように、半導体層62.
64間に印加されるバイアスが小さい場合は、半導体層
62の電子e−のエネルギーよりも量子井戸70の共鳴
準位E1が高く、半導体層62から注入される電子e−
は量子井戸の領域で反射され、半導体層64に到達する
ことができない。
Now, as shown in FIG. 5(a), the semiconductor layer 62.
64, the resonance level E1 of the quantum well 70 is higher than the energy of the electron e- of the semiconductor layer 62, and the electron e- injected from the semiconductor layer 62
is reflected in the quantum well region and cannot reach the semiconductor layer 64.

次いで、第5図(b)に示されるように、半導体層62
.64間にさらにバイアスを印加して、半導体層62の
電子e−のエネルギーと共鳴準位E1とが等しくなるよ
うにする。実際には電子のエネルギーはある分布をもつ
ため、半導体層62の電子e−のエネルギー分布が共鳴
準位E1にがかるようにすればよい。このとき、半導体
層62から注入される電子e−は、共鳴トンネル効果に
よって共鳴トンネルバリア66.68を透過し、半導体
層64に到達する。
Next, as shown in FIG. 5(b), the semiconductor layer 62
.. A bias is further applied between the semiconductor layer 64 and the resonance level E1 so that the energy of the electron e- of the semiconductor layer 62 becomes equal to the resonance level E1. In reality, the energy of electrons has a certain distribution, so the energy distribution of electrons e- in the semiconductor layer 62 may be made to approach the resonance level E1. At this time, electrons e- injected from the semiconductor layer 62 pass through the resonant tunnel barriers 66 and 68 due to the resonant tunnel effect and reach the semiconductor layer 64.

次いで、第5図(e)に示されるように、半導体層62
.64間のバイアスをさらに大きくすると、半導体層6
2の電子のエネルギーよりも共鳴準位E1が低くなって
、再び半導体層62から注入される電子e”’′は半導
体層64に到達することができなくなる。
Next, as shown in FIG. 5(e), the semiconductor layer 62
.. If the bias between 64 is further increased, the semiconductor layer 6
The resonance level E1 becomes lower than the energy of the second electron, and the electrons e'''' injected from the semiconductor layer 62 again cannot reach the semiconductor layer 64.

このように共鳴トンネルバリア66.68は、共鳴準位
E】に一致するエネルギーの電子だけを選択的に透過さ
せ、他のエネルギーの電子は反射するという性質をもっ
ている。
In this manner, the resonant tunnel barriers 66, 68 have the property of selectively transmitting only electrons with an energy matching the resonance level E, and reflecting electrons with other energies.

従って、共鳴トンネルバリア66.68に印加するバイ
アス電圧■と電流■との関係は、第6図に示されるよう
に、負性抵抗特性を示す。
Therefore, the relationship between the bias voltage (2) and the current (2) applied to the resonant tunnel barriers 66, 68 exhibits negative resistance characteristics, as shown in FIG.

すなわち、第5図(a)に対応する状態から次第にバイ
アス電圧Vを増加させていくと、それに件って電流Iも
増加していく。第5図(b)に対応して、バイアス電圧
Vが共鳴電圧Vp=2E1/q(ここでqは電子の索電
荷を示す)になると、電流Iは最大となる。さらにバイ
アス電圧Vを増加させていくと、第5図(c)に対応し
て、今度は逆に電流Iが減少していく。
That is, as the bias voltage V is gradually increased from the state corresponding to FIG. 5(a), the current I also increases accordingly. Corresponding to FIG. 5(b), when the bias voltage V reaches the resonant voltage Vp=2E1/q (where q represents the electron charge), the current I becomes maximum. When the bias voltage V is further increased, the current I decreases in contrast, corresponding to FIG. 5(c).

このような共鳴トンネル効果を利用した半導体装置とし
て、第7図に示されるようなR)(ET(Resona
nt−tunneling Hot Electron
 T「ansistor)がある。
As a semiconductor device that utilizes such a resonant tunneling effect, a semiconductor device such as R) (ET (Resona Tunneling) as shown in FIG.
nt-tunneling Hot Electron
There is a T "ansistor".

このRHETは、共鳴トンネルバリアをエミッタバリア
に利用したものである。すなわち、第7図(a)におい
て、n+型GaAsエミッタ層72とn4′型GaAs
ベ一ス層74との間に、エミッタバリアとしてGaAs
/AjGaAs 4Mへテロ構造からなる共鳴トンネル
バリア76.78とこれらの共鳴トンネルバリア76.
78に挟まれた量子井戸80とが形成されている。
This RHET uses a resonant tunnel barrier as an emitter barrier. That is, in FIG. 7(a), the n+ type GaAs emitter layer 72 and the n4' type GaAs
GaAs is used as an emitter barrier between the base layer 74 and the base layer 74.
/AjGaAs 4M heterostructure 76.78 and these resonant tunnel barriers 76.
A quantum well 80 sandwiched between quantum wells 78 and 78 is formed.

また、n 4’型GaAsベ一ス層74とn+型GaA
sコレクタ層82との間に、AjxGa+、A、s (
x=0.24)コレクタバリア層84が設けられ、コレ
クタバリア85を形成している。
In addition, an n4' type GaAs base layer 74 and an n+ type GaAs base layer 74
s collector layer 82, AjxGa+, A, s (
x=0.24) A collector barrier layer 84 is provided to form a collector barrier 85.

いま、第7図<b>に示されるように、エミッタ・ベー
ス間に電圧VBを印加させてn″型GaAsエミッタ層
72の電子e−のエネルギーを量子井戸80の共鳴準位
E1に一致させると、n4型QaAs工ミツタ層72か
ら共鳴トンネルバリア76.78を透過してn+型Ga
Asベース層74に注入される。そして注入された電子
e−のうち、n1型G a A、 sベース層74をパ
リスティックに走行した電子e−は、コレクタバリア8
5を越えて、コレクタ電流を形成する。このとき、共鳴
トンネルバリア76.78による負性抵抗特性によって
、コレクタ電流にも負性抵抗特性が現れる。
Now, as shown in FIG. 7<b>, a voltage VB is applied between the emitter and the base to match the energy of the electron e- in the n'' type GaAs emitter layer 72 to the resonance level E1 of the quantum well 80. Then, n+ type Ga is transmitted from the n4 type QaAs layer 72 through the resonant tunnel barrier 76.78.
As is implanted into the As base layer 74. Of the injected electrons e-, the electrons e- that have traveled through the n1 type GaA,s base layer 74 in a parisistic manner pass through the collector barrier 8.
5 to form a collector current. At this time, the collector current also exhibits negative resistance characteristics due to the negative resistance characteristics caused by the resonant tunnel barriers 76 and 78.

しかし、この従来のRHE ”?’においては、コレク
タバリア85がA ’J x G a + −x A 
sによって形成されているため、コレクタバリア85を
通過する電子e−がA J xG a + −x A 
sコレクタバリア層74に存在するアッパーバレイLへ
のバレイ間散乱を生じる。第7図(b)にバレイLのポ
テンシャルを破線で示すと、例えばコレクタバリア85
の高さを約0−27eVにするにはA、Q、Ga1−X
ASコレクタバリア層74のAI組成比X=0.24が
必要であり、その場合にバレイr”−L間のエネルギー
差は約0.15eVとなる、この値は、n+型GaAs
ベース層74におけるバレイr−L間のエネルギー差が
約0928eVであるのと比べて、かなり小さい。
However, in this conventional RHE "?", the collector barrier 85 is A 'J x G a + -x A
s, the electron e- passing through the collector barrier 85 is A J xG a + -x A
Inter-valley scattering occurs to the upper valley L present in the s collector barrier layer 74. If the potential of the valley L is shown by a broken line in FIG. 7(b), for example, the collector barrier 85
To make the height of about 0-27eV, A, Q, Ga1-X
It is necessary that the AI composition ratio of the AS collector barrier layer 74 is
This is considerably smaller than the energy difference between the valleys r and L in the base layer 74, which is about 0928 eV.

ぞしてコレクタバリア85の高さを高くするためにA」
。G a l−x A Sコレクタバリア層74のA」
組成比Xを大きくするにしたかって、バレイr−L間の
エネルギー差が小さくなる。また、第7図(b)から明
らかなように、AE x G a r−xAsコレクタ
バリア層7層内4+型GaAsコレクタ層82曲の@域
において、バレイ間数社の生じる度合が大きい。
Therefore, in order to increase the height of the collector barrier 85,
. G a l-x A of collector barrier layer 74
As the composition ratio X increases, the energy difference between valleys r and L decreases. Furthermore, as is clear from FIG. 7(b), in the @ range of the 82 pieces of the 4+ type GaAs collector layer within the 7 layers of the AE x Gar-x As collector barrier layer, the degree of occurrence of several layers between valleys is large.

このように、A、l! x G a r−x A Sコ
レクタバリア層74におけるバレイrからアッパーバレ
イし、へのバレイ間散乱が生じると、通過する電子の速
度が遅くなるという問題があった。
In this way, A, l! When inter-valley scattering occurs from the valley r to the upper valley in the xG a r-x A S collector barrier layer 74, there is a problem that the speed of passing electrons decreases.

この問題を解決するため、第8図に示されるように、ブ
レナート−ピングによって形成されるボテ〉・シャルバ
リアをコレクタバリアとして用いるR HE Tが考え
られる。
In order to solve this problem, as shown in FIG. 8, a RHEET using a Bote-Char barrier formed by Brenner toping as a collector barrier is considered.

すなわち、n“型GaAsベース層74とn+型GaA
sコレクタ層82との間に、アクセプタ不純物をブレナ
ート−ピングしたp+型GaAsコレクタバリア層86
を設ける。このブレナート−ピングにより、p中型Ga
AsコレクタバリアN86には、3角ポテンシヤルバリ
アが形成される。
That is, the n" type GaAs base layer 74 and the n+ type GaAs
A p+ type GaAs collector barrier layer 86 doped with acceptor impurities is interposed between the s collector layer 82 and the s collector layer 82.
will be established. By this Brenner toping, p medium Ga
A triangular potential barrier is formed in the As collector barrier N86.

このブレナート−ピングによるコレクタバリア87にお
いては、第7図のコレクタバリア85と異なり、バリア
層の構成材料がGaAsのままでAIを含む混晶でない
ため、バレイr−L間のエネルギー差が約0.28eV
と大きく、従ってバレイ間散乱を小さく抑えることがで
きる。
In the collector barrier 87 formed by Brenner toping, unlike the collector barrier 85 shown in FIG. 7, the constituent material of the barrier layer is GaAs and is not a mixed crystal containing AI, so that the energy difference between the valleys r and L is approximately 0. .28eV
Therefore, inter-valley scattering can be suppressed to a small value.

しかし、このRHETにおいては、第8図の破線で示さ
れるように、ベース−コレクタ間に電圧Vacが印加さ
れると、それに連れてコレクタバリア87の高さもV 
sc/ 2だけ低下する。このコレクタバリア87の高
さが低下することにより、ベース−コレクタ間の耐圧が
低下し、従ってRHETの耐圧特性が悪化するという問
題があった。
However, in this RHET, as shown by the broken line in FIG. 8, when the voltage Vac is applied between the base and collector, the height of the collector barrier 87 also increases to Vac.
It decreases by sc/2. As the height of the collector barrier 87 decreases, the breakdown voltage between the base and the collector decreases, resulting in a problem that the breakdown voltage characteristics of the RHET deteriorate.

[発明が解決しようとする課題] このように従来のRHETにおいては、半導体材料とし
て例えばG a A sを用い、コレクタバリア層を例
えばAjGaAs等の3元混晶によって形成すると、A
jの組成によってバレイr−L間のエネルギー差が小さ
くなり、バレイrからアッパーバレイLへのバレイ間散
乱が生じて、通過する電子の速度が遅くなるという問題
があった。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional RHET, when GaAs is used as the semiconductor material and the collector barrier layer is formed from a ternary mixed crystal such as AjGaAs,
There was a problem in that the energy difference between the valleys r and L becomes small depending on the composition of j, and inter-valley scattering occurs from the valley r to the upper valley L, thereby slowing down the speed of passing electrons.

また、コレクタバリア層をブレナート−ピングによって
形成すると、ベース−コレクタ間の耐圧が低下し、素子
の耐圧特性が悪化するという問題があった。
Furthermore, when the collector barrier layer is formed by Brenner doping, there is a problem in that the breakdown voltage between the base and the collector is lowered, and the breakdown voltage characteristics of the device are deteriorated.

そこで本発明は、コレクタバリア層におけるバレイ間散
乱を小さくして高速動作を行なうことができると共に、
ベース−コレクタ間の耐圧特性を確保することができる
共鳴トンネル効果を利用した負性抵抗3@子素子として
の高速半導体装置を提供することを目、的とする。
Therefore, the present invention enables high-speed operation by reducing inter-valley scattering in the collector barrier layer, and
The object of the present invention is to provide a high-speed semiconductor device as a negative resistance 3@ element that utilizes the resonant tunneling effect and can ensure the withstand voltage characteristics between the base and the collector.

[課題を解決するための手段] 第1図を用いて、本発明の詳細な説明する。[Means to solve the problem] The present invention will be explained in detail with reference to FIG.

第1図は、本発明による高速半導体装置のエネルギーバ
ンドの伝導帯底の形状を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the shape of the conduction band bottom of the energy band of a high-speed semiconductor device according to the present invention.

なお、ここでは半導体材料としてGaAsを用いた場合
について述べる。
Note that a case will be described here in which GaAs is used as the semiconductor material.

GaAsからなるエミッタ層2とベース層4との間に、
GaAs4重j GaAs4重へテロ構造からなる超格
子層が設けられ、エミッタバリアとしての共鳴トンネル
バリア6.8とこれらの共鳴トンネルバリア6.8に挟
まれた量子井戸10とを形成している。そしてこの量子
井戸10には離散的なエネルギー準位即ち共鳴準位が形
成されるが、ここでは最も低い共鳴準位E1のみを図示
する。
Between the emitter layer 2 and base layer 4 made of GaAs,
A superlattice layer consisting of a GaAs quadruple j GaAs quadruple heterostructure is provided, forming a resonant tunnel barrier 6.8 as an emitter barrier and a quantum well 10 sandwiched between these resonant tunnel barriers 6.8. Discrete energy levels, that is, resonance levels are formed in this quantum well 10, but only the lowest resonance level E1 is illustrated here.

ところで、ベース層4とGaAsからなるコレクタ11
2との間のコレクタバリアN14に、アクセプタ不純物
のブレナート−ピングにより形成されたドーピング層と
してのp+型GaAs層を設けると、第1図(a)に示
されるように、高さφ0.の3角ポテンシヤルバリア1
6が両開に広がって形成される。
By the way, the base layer 4 and the collector 11 made of GaAs
When a p+ type GaAs layer as a doping layer formed by Brenner doping of acceptor impurities is provided as a collector barrier N14 between the collector barrier N14 and the collector impurities N14, the height φ0. triangular potential barrier 1
6 is formed by spreading out on both sides.

また、コレクタバリア層14に組成傾斜混晶層としての
A j X G a 1−x A 8層を設け、そのA
Nの組成比Xがベース側からコレクタ側に向かって小さ
くなるように傾斜を付けると、第1図(b)に示される
ように、コレクタ側に向かって広がる高さφs2の3角
ポテンシヤルバリア18が形成される。
Further, the collector barrier layer 14 is provided with 8 layers of A j
If the slope is made such that the N composition ratio is formed.

そして本発明においては、第1図(a)、(b)にそれ
ぞれ示されるポテンシャルバリア16,18を組み合わ
せて、コレクタバリア20を形成する。すなわち、コレ
クタバリア層14に、p+型GaAs層とA」組成比X
に傾斜を持たせたAIX G a i −x A s層
とを設け、第1図(a>に示される高さφ旧の3角ポテ
ンシヤルバリア16を形成すると共に、この3角ポテン
シヤルバリア16のベース側半分に、第1図(b)に示
される高さφ8□の3角ボデンシヤルバリア18を形成
して、ポテンシャルバリア16.18の高さφ、1、φ
82をほぼ等しくすることにより、第1図(e)に示さ
れるように、はぼ台形状のコレクタバリア20が形成さ
れる。
In the present invention, the collector barrier 20 is formed by combining the potential barriers 16 and 18 shown in FIGS. 1(a) and 1(b), respectively. That is, the collector barrier layer 14 has a p+ type GaAs layer and a composition ratio of X
An AIX Gai-x As layer having an inclination is provided to form a triangular potential barrier 16 with a height φ shown in FIG. A triangular bodential barrier 18 with a height of φ8□ as shown in FIG. 1(b) is formed on the base half, and the potential barrier 16.
By making 82 substantially equal, a trapezoidal collector barrier 20 is formed as shown in FIG. 1(e).

[作 用1 第1図(e)に示されるようなエネルギーバンドの伝導
帯底の形状を有する高速半導体装置のベース−コレクタ
間に電圧V、cが印加されると、第1図(d)に示され
るように、p+型GaAs層によるポテンシャルバリア
の高さφ11は低下するが、Aj!x G a +−x
 A s層によって形状されたベース層4との境界にお
けるポテンシャルバリアの高さφs2は低下しない、従
って、ベース−コレクタ間の耐圧が確保され、素子とし
ての耐圧特性が悪化することもない。
[Function 1] When voltages V and c are applied between the base and collector of a high-speed semiconductor device having the shape of the conduction band bottom of the energy band as shown in FIG. 1(e), as shown in FIG. 1(d) As shown in , the height φ11 of the potential barrier due to the p+ type GaAs layer decreases, but Aj! x G a +-x
The height φs2 of the potential barrier at the boundary with the base layer 4 shaped by the As layer does not decrease, so the breakdown voltage between the base and the collector is ensured, and the breakdown voltage characteristics as an element are not deteriorated.

また、コレクタバリア層14における。11 X Ga
1〜X AsJilは、コレクタバリア層14のベース
側半分のみに存在し、さらにAjの組成比Xがコレクタ
側に向かって小さくなるように傾斜が付いているため、
コレクタバリア層14におけるバレイr−L間のエネル
ギー差が小さくなることは抑制される。従って、バレイ
間散乱も抑制される。
Further, in the collector barrier layer 14. 11
1 to X AsJil exists only in the base side half of the collector barrier layer 14, and furthermore, since the composition ratio X of Aj is sloped so as to decrease toward the collector side,
The energy difference between the valleys r and L in the collector barrier layer 14 is suppressed from becoming small. Therefore, inter-valley scattering is also suppressed.

しかも、バレイ間散乱の生じる度合が大きいコレクタ側
半分においてはAJ組成が含まれていないため、このバ
レイ間散乱を抑制する効果は大きい。
Furthermore, since the AJ composition is not included in the collector side half where inter-valley scattering occurs to a high degree, the effect of suppressing inter-valley scattering is large.

[実施例] 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。
[Example] The present invention will be specifically described below based on an illustrative example.

第2図は、本発明の一実施例による高速半導体装置を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a high-speed semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

半絶縁性GaAs基板22上に、厚さ3000人、キャ
リア濃度N o = L X 10 ”c 1ri−’
のn4型GaAsコレクタ層24が形成されている。こ
のn+型G a、 A s コレクタ424上に、厚さ
l。
On the semi-insulating GaAs substrate 22, the thickness is 3000 mm, the carrier concentration N o = L x 10 "c 1ri-'
An n4 type GaAs collector layer 24 is formed. On this n+ type Ga, A s collector 424, there is a thickness l.

00人のノンドープGaAs層26、ドーピング層とし
て例えばBe(ベリリウム)等のアクセプタ不純物をブ
レナート−ピングした厚さ約3人、キャリア濃度NA 
=4X ]、O■cm−’のp生型GaAs層28、及
び組成傾斜混晶層としての厚さ100〇へのノンドープ
寺且成傾斜AjxGa、−。
A non-doped GaAs layer 26 with a thickness of approximately 3000 nm, carrier concentration NA
=4X ], Ocm-' p-type GaAs layer 28, and non-doped compositionally graded AjxGa,- to a thickness of 1000 as a compositionally graded mixed crystal layer.

As層30が順に積層されて、コレクタバリア層32を
形成している。そしてこのコレクタバリア層32上に、
厚さ200人、キャリア濃度No=5X10”am−’
のn+型GaAsベース層34が形成されている。
As layers 30 are laminated in order to form a collector barrier layer 32. And on this collector barrier layer 32,
Thickness 200 people, carrier concentration No = 5X10"am-'
An n+ type GaAs base layer 34 is formed.

なおこのとき、組成傾斜Aj x G a +−x A
 8層30は、n4型G a A sベース層34との
境界でA」組成比x=0.24となっており、またp 
+型G a A s N 28との境界で組成比x=0
となっていて、その間はほぼ直線的に変化している。
At this time, the composition gradient Aj x Ga +-x A
The 8 layer 30 has an A' composition ratio x=0.24 at the boundary with the n4 type GaAs base layer 34, and has a p
Composition ratio x=0 at the boundary with + type G a A s N 28
, and it changes almost linearly during that time.

また、n″型GaAsベース層34上に、厚さ50Aの
ノンドープGaAsバッファ層36を介し、て、厚さ3
0人のノンドープA j xG a + −x As 
(x=0.5)バリア層38、厚さ30人のノンドープ
GaAs1子井戸層40、及び厚さ30人のノンドープ
Ai x Gat−X As (x=0.5)バリア層
42が順に積層されて、共鳴トンネルバリア構造を有す
る上ミッタバリアNJ44を形成している。
Further, on the n'' type GaAs base layer 34, a non-doped GaAs buffer layer 36 with a thickness of 50A is interposed, and a thickness of 3
0 non-doped A j xG a + -x As
(x=0.5) barrier layer 38, a 30-thick non-doped GaAs single well layer 40, and a 30-thick non-doped Aix Gat-X As (x=0.5) barrier layer 42 are laminated in this order. As a result, an upper transmitter barrier NJ44 having a resonant tunnel barrier structure is formed.

さらに、このエミッタバリア層44上に、厚さ30人の
ノンドープGaAsバッファ層46を介して、厚さ30
00人、キャリア濃度No=1x1018c m−’の
n+型GaAsエミッタ層48が形成されている。
Further, on this emitter barrier layer 44, a non-doped GaAs buffer layer 46 with a thickness of 30 mm is interposed, and a layer 46 with a thickness of 30 mm is formed.
An n+ type GaAs emitter layer 48 with a carrier density No. 000 and a carrier concentration No=1×10 18 cm−′ is formed.

そしてn1型GaAsコレクタ層24、n+型GaAs
ベース層32、及びn+型GaAsエミッタ層48上に
は、それぞれコレクタtfffi50、ベース電極52
及びエミッタ電極54が設けられている。
and an n1 type GaAs collector layer 24, an n+ type GaAs collector layer 24;
A collector tfffi50 and a base electrode 52 are disposed on the base layer 32 and the n+ type GaAs emitter layer 48, respectively.
and an emitter electrode 54 are provided.

次に、第3図を用いて動作を説明する。Next, the operation will be explained using FIG.

第3図は、第2図の高速半導体装置のエネルギーバンド
の伝導帯底の形状を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the shape of the conduction band bottom of the energy band of the high-speed semiconductor device of FIG. 2.

n1型GaAs工ミツタ層48とn+型GaAsベース
層32との間にはベースコレクタ電圧VlIEか印加さ
れ、n+型G a A sベース層32とn生型GaA
sコレクタ層24との間にはベースコレクタ電圧V8C
が印加されている。
A base collector voltage VlIE is applied between the n1 type GaAs processed layer 48 and the n+ type GaAs base layer 32, and the base collector voltage VlIE is applied between the n+ type GaAs base layer 32 and the n+ type GaAs base layer 32.
There is a base collector voltage V8C between the s collector layer 24 and
is applied.

いま、ベース−エミッタ電圧V!12が小さい場合、第
3図(a)に示されるように、n+型GaAsエミッタ
層48の電子e−のエネルギーはエミッタバリア層44
における共鳴トンネルバリア56゜57に挟まれた量子
井戸58の共鳴準位E1より低いため、n1型GaAs
工ミツタ層48から注入される電子e−は量子井戸の領
域で反射されてn+型G a A、 sコレクタ層24
に到達することができない、従って、コレクタ電流Ic
は極めて小さい。
Now, the base-emitter voltage V! 12 is small, as shown in FIG.
Since the resonance level E1 of the quantum well 58 sandwiched between the resonance tunnel barriers 56 and 57 in
Electrons e- injected from the quantum well layer 48 are reflected in the quantum well region and form n+ type GaA,s collector layer 24.
Therefore, the collector current Ic
is extremely small.

次いで、第3図(b)に示されるように、ベース−エミ
ッタ電圧VIIEを大きくして、n“型GaAsエミッ
タ層48の電子e−のエネルギーと共鳴準位B1とが等
しくなるように、より正確に言えば、n+型GaAsエ
ミ・・lり層48の電子eのエネルギー分布が共鳴準位
E1にかかるようにすると、n+型GaAsエミッタ層
48から注入される電子e−は共鳴トンネル効果によっ
てエミッタバリア層44の共鳴Lンネルバリア56.5
7を透過して、n+型GaAsベース132に注入され
る。そしてこの注入された電子e−は、パリスティック
にn+型GaAsベース層32を通過し、コレクタバリ
ア層32のコレクタバリア59を越えてn 4’型Ga
Asコレクタ層24に到達し、コレクタ電流Heを形成
する。
Next, as shown in FIG. 3(b), the base-emitter voltage VIIE is increased so that the energy of the electron e- of the n" type GaAs emitter layer 48 becomes equal to the resonance level B1. To be precise, if the energy distribution of electrons e in the n+ type GaAs emitter layer 48 is made to be on the resonance level E1, the electrons e- injected from the n+ type GaAs emitter layer 48 will be affected by the resonance tunnel effect. Resonant L-channel barrier 56.5 of emitter barrier layer 44
7 and is implanted into the n+ type GaAs base 132. Then, the injected electrons e- pass through the n+ type GaAs base layer 32 in a parisistic manner, and pass through the collector barrier 59 of the collector barrier layer 32 to form n4' type GaAs base layer 32.
It reaches the As collector layer 24 and forms a collector current He.

このとき、コレクタバリア59は、ρ“型GaAs層2
8及び組成傾斜A j x G a + −x A 8
層30により、高さ約0.28eVの台形状に形成され
ている。そしてコレクタバリア層32のn+型GaAs
ベース層34との境界においては、コレクタバリア59
の高さ約0.28eVは、組成傾斜Aj x G a 
+−x A s層30によって規定されているため、ベ
ース−コレクタ電圧VICが印加されても低下しない、
従って、ベース−コレクタ間の耐圧が確保され、素子と
しての耐圧特性が悪化することもない。
At this time, the collector barrier 59 is the ρ“ type GaAs layer 2
8 and compositional gradient A j x G a + −x A 8
The layer 30 forms a trapezoidal shape with a height of about 0.28 eV. And the collector barrier layer 32 is made of n+ type GaAs.
At the boundary with the base layer 34, a collector barrier 59
The height of about 0.28 eV is the compositional gradient Aj x Ga
Since it is defined by the +-x As layer 30, it does not decrease even when the base-collector voltage VIC is applied.
Therefore, the breakdown voltage between the base and the collector is ensured, and the breakdown voltage characteristics of the element are not deteriorated.

また、コレクタバリア層32における組成傾斜A j 
x G a + −x A 5層30は、コレクタバリ
ア層32のベース測半分のみに存在し2、さらにANの
組成比Xがコレクタ側に向かって小さくなるように傾斜
し7ているため、コレクタバリア層32におけるバレイ
r−L間のエネルギー差は、n+型Ga A、、 sベ
ース層34との境界における約0,15eVが最小で、
コレクタ間になるに連れて大きくなっている。従9て、
バレイFからアッパーバレイLへのバレイ間散乱が抑制
される。とりわけバレイ間散乱の生じる度合が大きいコ
レクタ測半分においては、A1組成が全く含まれていな
いため、バレイr−1−間のエネルギー差は約0゜28
eVと十分に大きくなっていて、アッパーバレイI−へ
のバレイ間散乱を抑制する効果は大きい。
Furthermore, the composition gradient A j in the collector barrier layer 32
The x G a + -x A 5 layer 30 exists only in the base half of the collector barrier layer 322, and is also inclined7 so that the AN composition ratio X decreases toward the collector side. The energy difference between the valleys r and L in the barrier layer 32 is minimum at about 0.15 eV at the boundary with the n+ type Ga A, s base layer 34,
It gets bigger as the number of collectors increases. 9th,
Inter-valley scattering from valley F to upper valley L is suppressed. Particularly in the collector measurement half where the degree of inter-valley scattering is high, the A1 composition is not included at all, so the energy difference between valleys r-1- is approximately 0°28
eV, which is sufficiently large, and the effect of suppressing inter-valley scattering to the upper valley I- is large.

次いで、ベースーエミッタ電圧V■をさらに大きくする
と、第3図(c)に示されるように、n“型GaAsエ
ミッタ層48の電子e−のエネルギーが共鳴準位E1よ
つも高くなって一致しなくなり、再びn +型GaAs
エミッタ層48から注入される電子e−は量子井戸の領
域で反射されてn+型GaAsコレクタ層24に到達す
ることができなくなる。従って、コレクタ電流ICは著
しく低下する。
Next, when the base-emitter voltage V■ is further increased, the energy of the electron e- of the n" type GaAs emitter layer 48 becomes higher than the resonance level E1 and matches, as shown in FIG. 3(c). It disappears and becomes n + type GaAs again.
Electrons e- injected from the emitter layer 48 are reflected by the quantum well region and cannot reach the n+ type GaAs collector layer 24. Therefore, the collector current IC decreases significantly.

この動作特性を、第4図のグラフに示す。This operating characteristic is shown in the graph of FIG.

すなわち、ベースーヱミッタ電圧VIImとコレクタ電
流1cとの関係は、第3図(a)に対応する状態から次
第にベース−エミッタ電圧■。を増加させていくと、そ
れに伴ってコレクタ電流ICも増加していく、第3図(
b)に対応して、ベースエミッタ電圧Vegが共鳴電圧
VP−2E1/Qになると、コレクタ電流ICは最大と
なる。さらにベース−エミッタ電圧VILEを増加させ
ていくと、第3図(c)に対応して、コレクタ電流■。
That is, the relationship between the base-emitter voltage VIIm and the collector current 1c gradually becomes the base-emitter voltage ■ from the state corresponding to FIG. 3(a). As the collector current IC increases, the collector current IC also increases, as shown in Figure 3 (
Corresponding to b), when the base-emitter voltage Veg reaches the resonant voltage VP-2E1/Q, the collector current IC becomes maximum. When the base-emitter voltage VILE is further increased, the collector current increases as shown in FIG. 3(c).

は急激に減少していく。is rapidly decreasing.

こうして第2図の高速半導体装置は、第3図(b)、(
c)間において負性抵抗を得ることができる。
In this way, the high-speed semiconductor device shown in FIG.
c) Negative resistance can be obtained between.

このように本実施例によれば、コレクタバリア層32に
アクセプタ不純物をブレナート−ピングしなρ“型G 
a A s N 28及び組成傾斜、Il、 Gat−
xAS層30を組み合わせてコレクタバリア59を形成
することにより、ベース−コレクタ間の耐圧を確保する
と共に、コレクタバリア層32における、持にコレクタ
測半分のコレクタバリア層32におけるバレイr−L間
のエネルギー差を十分に大きくしてバレイ間散乱を抑制
することができる。
As described above, according to this embodiment, the collector barrier layer 32 is not doped with acceptor impurities, and the
a As N 28 and compositional gradient, Il, Gat-
By combining the xAS layers 30 to form the collector barrier 59, the withstand voltage between the base and the collector is ensured, and the energy between the valley r and L in the collector barrier layer 32, which is half the collector measurement, is ensured. Inter-valley scattering can be suppressed by making the difference sufficiently large.

これによって素子としての耐圧特性を確保するることが
できると共に、コレクタバリア層32中の電子の走行時
間を十分に短くして動作速度を速くすることができる。
This makes it possible to ensure the breakdown voltage characteristics as an element, and also to sufficiently shorten the transit time of electrons in the collector barrier layer 32, thereby increasing the operating speed.

なお、」二部実施例においては、半導体材料としてG 
a A、 sを用い、コレクタバリア層を形成する組成
傾斜3元混晶としてAj x G a l−x A S
を用いた場合について述べたが、この材質に限定されず
、他の■−v族化合物半導体及び他の組成傾斜3元混晶
を用いた場合にも本発明を適用することができる。
In addition, in the two-part embodiment, G is used as the semiconductor material.
a A, s, Aj x G a l-x A S as a compositionally graded ternary mixed crystal forming the collector barrier layer.
The present invention is not limited to this material, and can also be applied to the case where other group III-V compound semiconductors and other compositionally graded ternary mixed crystals are used.

[発明の効果] 以上のように本発明によれば、エミッタ層とベース層と
の間に共鳴トンネルバリアを設けた高速半導体装置にお
いて、ベース層とコレクタ層との間のコレクタバリア層
が、このコレクタバリア層の内部に設けられたドーピン
グ層とこのドーピング層と前記ベース層との間に設けら
れ前記ベース層との境界近傍に最大組成比を有する組成
傾斜混晶層とを有し、ドーピング層によるポテンシャル
バリアと組成傾斜混晶層によるポテンシャルバリアとに
よってコレクタバリアが形成されているため、コレクタ
バリア層におけるバレイ「−り間のエネルギー差を十分
に大きくしてバレイ間散乱を抑制することができると共
に、ベース−コレクタ間の耐圧を確保することができる
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, in a high-speed semiconductor device in which a resonant tunnel barrier is provided between an emitter layer and a base layer, the collector barrier layer between the base layer and the collector layer is The doping layer includes a doping layer provided inside the collector barrier layer, and a compositionally graded mixed crystal layer provided between the doping layer and the base layer and having a maximum composition ratio near the boundary with the base layer. Since the collector barrier is formed by the potential barrier caused by the crystal and the potential barrier caused by the compositionally graded mixed crystal layer, it is possible to suppress inter-valley scattering by sufficiently increasing the energy difference between the valleys in the collector barrier layer. At the same time, withstand voltage between the base and the collector can be ensured.

これにより、共鳴トンネル効果を利用する負性抵抗3端
子素子の耐圧特性を確保すると共に、高速動作特性を向
上させることができる。
Thereby, it is possible to ensure the withstand voltage characteristics of the negative resistance three-terminal element that utilizes the resonant tunnel effect, and to improve the high-speed operation characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の原理説明図、 第2図は本発明の一実施例による高速半導体装置を示す
断面図、 第3図は第2図の高速半導体装置の動作を説明するため
の図、 第4図は第2図の高速半導体装置の動作を説明するため
のグラフ、 第5図は従来の高速半導体装置を説明するための図、 第6図は従来の高速半導体装置を説明するためのグラフ
、 第7図及び第8図はそれぞれ従来の高速半導体装置を説
明するための図である。 図において、 2・・・・・・エミッタ層、 4・・・・・・ベース層、 6.8,56,57.66 ・・・・・共鳴トンネルバリア、 ]、0.58.70.80・・・・・・量子井戸、6 8 8 12・・・・・・コレクタ層、 14・・・・・・コレクタバリア層、 16.18・・・・・・ポテンシャルバリア、20.5
9.85.87・・・・・・コレクタバリア、22・・
・・・・半絶縁性GaAs基板、24 、82−− r
l+型G a Asコレクタ層、26・・・・・・Ga
As層、 28・・・・・・ρ1型G a A s層、30 =−
−−−−組成傾斜Aj x G a l−x A、 S
層、32・・・・・・コレクタバリア層、 34.74−−−−−−n+型G a A sベース層
、36.46・・・・・・G a A、 sバラフッ層
、38.42=・・・・Aj x Ga+−x Asバ
リア層、40・・・・・・GaAs量子井戸層、44・
・・・・・エミッタバリア贋、 48.72・・・・・・n4型GaAs工ミツタ層、5
0・・・・・・コレクタに’fl、 52・・・・・・ベース電極、 54・・・・・・エミッタ電極、 62.64・・・・・・半導体層、 84・・・・・・Aj x G a +−x A sコ
レクタバリア層、86・・・・・・p生型GaAsコレ
クタバリア層。 /□It+ルP          20  コレクタ
バリア本ge明の斥理説明図 第ト図 本凭明の 実施例によう高速半遇体技置渣示す断面図第2図 9 コレクタノでリア 第2図の高速′+導体技夏0動作麦訳明するため0図〜
’+tr Nレ−?
1 is a diagram illustrating the principle of the present invention; FIG. 2 is a sectional view showing a high-speed semiconductor device according to an embodiment of the present invention; FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the high-speed semiconductor device shown in FIG. 2; FIG. 4 is a graph for explaining the operation of the high-speed semiconductor device in FIG. 2, FIG. 5 is a graph for explaining the conventional high-speed semiconductor device, and FIG. 6 is a graph for explaining the conventional high-speed semiconductor device. The graphs, FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining conventional high-speed semiconductor devices, respectively. In the figure, 2... Emitter layer, 4... Base layer, 6.8, 56, 57.66... Resonant tunnel barrier, ], 0.58.70.80 ...Quantum well, 6 8 8 12 ... Collector layer, 14 ... Collector barrier layer, 16.18 ... Potential barrier, 20.5
9.85.87... Collector barrier, 22...
... Semi-insulating GaAs substrate, 24, 82-- r
l+ type Ga As collector layer, 26...Ga
As layer, 28...ρ1 type Ga As layer, 30 =-
----Composition gradient Aj x G a l-x A, S
Layer, 32...Collector barrier layer, 34.74---n+ type GaAs base layer, 36.46...GaA,s rose layer, 38. 42=...Aj x Ga+-x As barrier layer, 40...GaAs quantum well layer, 44.
...Emitter barrier fake, 48.72...N4 type GaAs emitter layer, 5
0...'fl in the collector, 52...Base electrode, 54...Emitter electrode, 62.64...Semiconductor layer, 84... - Aj x Ga + - x As collector barrier layer, 86...p-type GaAs collector barrier layer. /□It+LeP 20 Collector barrier explanatory diagram of the theory of the present invention Fig. 2 A sectional view showing the high-speed half-body technique in the embodiment of the present invention Fig. 2 +Conductor Technique Summer 0 Movement Mugi Translation 0 Diagram~
'+tr Nre-?

Claims (1)

【特許請求の範囲】 エミッタ、ベース及びコレクタの3端子を有し、エミッ
タ層とベース層との間に共鳴トンネルバリアを設けた高
速半導体装置において、 前記ベース層とコレクタ層との間のコレクタバリア層が
、このコレクタバリア層の内部に設けられたドーピング
層と、このドーピング層と前記ベース層との間に設けら
れ前記ベース層との境界近傍に最大組成比を有する組成
傾斜混晶層とを有し、前記ドーピング層によるポテンシ
ャルバリアと前記組成傾斜混晶層によるポテンシャルバ
リアとにより、前記コレクタバリア層におけるコレクタ
バリアが形成されている ことを特徴とする高速半導体装置。
[Claims] A high-speed semiconductor device having three terminals, an emitter, a base, and a collector, and having a resonant tunnel barrier between the emitter layer and the base layer, comprising: a collector barrier between the base layer and the collector layer; The layer includes a doped layer provided inside the collector barrier layer, and a compositionally graded mixed crystal layer provided between the doped layer and the base layer and having a maximum composition ratio near the boundary with the base layer. A high-speed semiconductor device comprising: a collector barrier in the collector barrier layer formed by a potential barrier formed by the doped layer and a potential barrier formed by the compositionally graded mixed crystal layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05190834A (en) * 1991-10-02 1993-07-30 Mitsubishi Electric Corp High speed operating semiconductor device and manufacture thereof
JP2008519409A (en) * 2004-11-08 2008-06-05 エアバス フランス Aircraft connector assembly

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