JPH04196357A - 共鳴トンネル半導体装置 - 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］ 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、高いピーク対ハレイ比が得られ、かつ、ハレイ領
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
複数の半導体層によって構成して、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。

Ｃ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（Ｅｘｃ　ｌｕｓ　１ｖｅ）−ＮＯ
Ｒ回路や状態保持回路（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人力のＥ−ＮＯ
Ｒ回路（特願平１−３０９７０７号明細書参照）と３人
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Ｒ
ＢＴのエミッタ電流が増加してピークに達し、下降しハ
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、ピーク対ハレイ比だけでなく、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だめの概念図であ
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、Ｅ、は第１共鳴準位、Ｅ２は第２共鳴
本位である。

この図のように、二つの電位障壁２．４に挾まれた量子
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ｅｌ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Ｃコ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ｔこ、第１共鳴準
位Ｅ１に相当する工茅ルギをもつ電子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、その外の工矛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、■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へ一ス層、９はエミッタ電極、８
はベース電極、Ｌｌ、φ、は第１電位障壁の厚さと高さ
、Ｌ、は量子井戸の厚さ、Ｌ２、φ２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ｔｉ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、Ｌ、＞Ｌ２、φ１〈φ２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■、から、電子波１波長が一致する第２共鳴
準位箆でのエネルギ間隔が長いため、ハレイ後の電流の
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、ハ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、ハ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
な広さのハレイ領域とピーク対ハ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
、ハ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、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
、φ３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、φ４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ペース層７の上に、
第２電位障壁を形成する電位障壁の高さがφ４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φ３で厚さがＬ３の第１半導体層５、量子井戸を形
成する厚さり。

の半導体層３、第１を位障壁を形成する電位障壁の高さ
がφ１で厚さがり、の半導体層２、エミ。

り層１をＭＢＥ法等法官適宜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
ムこ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φ３、第２の半導体層の電位障壁の高さをφ４と
するとき、φ３くφ４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、はエミッタ電流のピーク、Ｖアは
そのときのエミッタ電圧、Ｊｖはハレイ電流、■９バレ
イ電圧、ＶＦ６は、バレイ後に再びｊ。

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■、になると電流はピークに達し、その後減少し
て■９以鋒ハレイとなり、再び増加してＶＦ６で、Ｊ、
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１−ン矛ル障壁
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
共鳴単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・ツタ電
圧を上昇してい（と、第２図に示されるようＧこ、エミ
・ツタ電流は僅かに増加するが、エミッタ電圧が■Ｐに
達して電子のエネルギが第１共鳴準位Ｅ、　Ｌこ一致す
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、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Ｅ
、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共鳴本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、ＶＰ□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■、における
ピーク値Ｊ、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φ４を高くすることによってハレイ電流を抑え、ピ
ーク対ハ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り。

十Ｌｚによって決まるから、第２を位障壁を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Ｅ、の高さとは独立に決めることができ、■、に
対してＶＦ６の位置を自由に決めることができる。

二のように、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Ｅ、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て
きる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を凹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Ｉｎｏ、ｓ：＋Ｇ
　ａ　ｏ、　４７Ａ　Ｓ　、第１障壁層２は厚さが６．
１６ｎｍのＩ　ｎ　ｏ、　ｓｚＡ　Ｉ　０．４８Ａ　Ｓ
、量子井戸層３は厚さが３．２２ｎｍのＩ　ｎ　ｏ、ｓ
：＋　Ｇ　ａ　ｏ、　４７Ａ　Ｓ、第２電位障壁の第１
半導体層５は厚さが１．４７ｎｍのＩ　ｎ　ｏ、　ｓｚ
Ａ　Ｅ　０．４８Ａ　Ｓ、第２障壁の第２半導体層６は
厚さが１．５８ｎｍのＡＡＡｓ、ベース層はＩ　ｎｏ、
ｓ：＋Ｇ　ａ　０．４７Ａ　Ｓ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Ｉ　
Ｘ　１０１１１ｃｍ−’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Ｅｌにおける幅はり、。

＝３．２２ｎｍであり、開いたＥ２における幅はＬｗ　
＋ＬＺ　＝４．　６９　ｎｍ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へ一スーエミ
ソタ電圧の関係は、この図に示されるように計算され、
第１共鳴準位に相当するエミッタ電圧〜′、が０．６Ｖ
、第２共鳴本位によるＪ、に相当するエミッタ電圧Ｖｒ
ｚが１．４■、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ＡｎＡｓとじたが、これを、１　”＋４　Ａ
ｒ１Ａｓ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
Ｉ　ｎ＋−ｙ　Ａｆ、Ａｓ、第２半導体層６をＩ　ｎｌ
−ｘ　Ａｊ２．　Ａｓとして、ｘ＞ｙの条件下で、χ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ハレイ比を大きく
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共鳴本位の高さを、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、エミッタ電流がハレイ後立ち上がるエミ・ン
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Ｚ、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　エミッタ電圧、
Ｌｌ　−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
、１−−一量子井戸の厚さ、φ、−第１電位障壁の高さ
、φ２第２電位障壁の高さ、φ３−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、φ４−第２障壁を
形成する第２半導体層の電位障壁の高さ本発明の共鳴ト
ノイ・ル障壁構造の構成説明図第１図 Ｖρ　　ＶＶ　　　　　　　Ｖρ２ エミ　ツタ電１１・ 本発明の共鳴ト／イ・ル障臂構造の電流−匍１．特性図
第２図 （ｂ）第２Ｊ＋、鳴子イパｌに共鳴 本発明の共鳴トノイル障壁構造の′市位分４図本発明の
第１実施例の構成説明図 第４図 エミ　ツタ電Ｊ「（Ｖ） 本発明の第１実施例の電流−電Ｊ１−特性図第５図 電ｒ−のエイ・ルキー（ｅＶ） 共鳴トノイ、ル効果を説明するための慨念図第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、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
   変化していることを特徴とする共鳴トンネル半導体装置
   。（２）、エミッタ層とベース層の間に、エミッタ側か
   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２電位障壁を形成する半導体
   層が、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され、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を特徴とする
   共鳴トンネル半導体装置。