JPH0621435A - ホットエレクトロントランジスタ - Google Patents

ホットエレクトロントランジスタ

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JPH0621435A
JPH0621435A JP19621792A JP19621792A JPH0621435A JP H0621435 A JPH0621435 A JP H0621435A JP 19621792 A JP19621792 A JP 19621792A JP 19621792 A JP19621792 A JP 19621792A JP H0621435 A JPH0621435 A JP H0621435A
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JP
Japan
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layer
hot electron
type
base
electron transistor
Prior art date
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Pending
Application number
JP19621792A
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English (en)
Inventor
Toshiharu Imanaga
俊治 今永
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.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い電流増幅率が得られ、かつ高速動作が可
能なホットエレクトロントランジスタを実現する。 【構成】 ホットエレクトロントランジスタのベースの
中心から厚さ方向に測った距離をxとするとき、ベース
のポテンシャルV(x)が近似的に V(x)=−{(h/2π)2 /8m}{β2 /cosh 2
(αx)}(A) (h:プランク定数、m:電子の質量) β/α=2{n(n+1)}1/2 (n:整数)
(B) で表されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ホットエレクトロン
トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】ホットエレクトロントランジスタは、室
温で高速動作が可能なトランジスタとして注目され、こ
れまでに様々なタイプのものが提案されている。そし
て、最近では、半導体微細加工技術や高度なエピタキシ
ー技術の使用により、キャリアがフォノン散乱を受けな
い程度にベースの厚さが十分に小さい(数nm〜数10
nm)、高速動作が期待されるホットエレクトロントラ
ンジスタも試作されるようになってきた(例えば、Jpn.
J. Appl. Phys. 29(12), L2414(1990))。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のホットエレクトロントランジスタにおいても、高
い電流増幅率が得られないというホットエレクトロント
ランジスタの最大の欠点は、依然として残されていると
言える。
【0004】従って、この発明の目的は、高い電流増幅
率が得られ、かつ高速動作が可能なホットエレクトロン
トランジスタを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者の検討によれ
ば、ホットエレクトロントランジスタにおいて、ベース
におけるフォノンによるキャリアの散乱がなくなっても
高い電流増幅率が得られないのは、エミッタバリア端か
らコレクタバリア端に至るポテンシャルの形状で決まる
量子力学的反射は必ずしも減少しないことに一つの問題
があると考えられる。従って、高い電流増幅率を得るた
めには、ベースのポテンシャルの形状を最適化して量子
力学的反射が生じないようにする必要がある。
【0006】今、図1に示すようなポテンシャルV
(x)を考え、これに左方から電子波が入射したとす
る。このポテンシャルV(x)を
【数1】 とすると、この場合のシュレーディンガー方程式は
【数2】 となる。ただし、hはプランク定数、mは電子の質量、
Eは電子のエネルギー、ψ(x)は電子の波動関数を表
す。
【0007】この(2)式のシュレーディンガー方程式
を解いて入射波の反射係数Rを求めると、
【数3】 となることがわかっている。
【0008】(3)式より、s=n(n:整数)とすれ
ば、R=0となって反射波はなくなり、全てのエネルギ
ーの電子がポテンシャルV(x)を100%透過するこ
とがわかる。その条件は、s(s+1)=β2 /4α2
の式にs=nを代入してβ/αについて解くことによ
り、
【数4】 と表される。
【0009】この発明は、以上の検討に基づいて案出さ
れたものである。
【0010】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明によるホットエレクトロントランジスタは、ベー
スの中心から厚さ方向に測った距離をxとするとき、ベ
ースのポテンシャルが近似的に V(x)=−{(h/2π)2 /8m}{β2 /cosh 2(αx)}(A) (h:プランク定数、m:電子の質量) β/α=2{n(n+1)}1/2 (n:整数) (B) で表されるものである。
【0011】ベースをn型Aly Ga1-y Asにより形成する
場合には、このn型Aly Ga1-y AsのAl組成比yをx(n
m)とともに近似的に y(x)=0.406{1−1/cosh 2(0.4x)} で表されるように変化させることによりベースのポテン
シャルV(x)を(A)式及び(B)式で表されるよう
なものにすることができる。
【0012】
【作用】上述のように構成されたこの発明によるホット
エレクトロントランジスタによれば、ベースのポテンシ
ャルV(x)が(A)式及び(B)式で表されるように
なっていることにより、エミッタから注入される電子が
エミッタバリア端からコレクタバリア端に達するまでの
間に量子力学的反射を受けることが実質的になくなり、
これによって高い電流増幅率を得ることができる。ま
た、エミッタから注入される電子はベースをバリスティ
ックにしかも量子力学的反射を受けることなく走行する
ことができるため、ベース走行時間が短く、従って高速
動作が可能である。
【0013】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。
【0014】図2は一般的な構造のホットエレクトロン
トランジスタにこの発明を適用した一実施例を示し、図
3は図2に示すホットエレクトロントランジスタの特殊
な一例を示す。
【0015】図2及び図3に示すように、この実施例に
よるホットエレクトロントランジスタは、エミッタ、エ
ミッタバリア、ベース、コレクタバリア及びコレクタか
ら成五つの領域により構成されている。
【0016】この場合、ベースのポテンシャルV(x)
の形状は上記(A)式及び(B)式で表されるように選
ばれている。これによって、エミッタから注入される電
子はエミッタバリア端からコレタクバリア端に至るまで
ベース中をバリスティックにしかも量子力学的反射を受
けることなく走行することができ、このため高い電流増
幅率が得られるとともに、高速動作が可能である。
【0017】図4は図3に示すタイプのホットエレクト
ロントランジスタの具体的な設計例を示す。ここで、図
4Aは断面図、図4Bは伝導帯を示すエネルギーバンド
図である。図4B中、EC は伝導帯の底のエネルギーを
示す。
【0018】図4Aに示すように、このホットエレクト
ロントランジスタにおいては、コレクタを構成するn++
型GaAs基板1上に、コレクタバリアを構成するAlz Ga
1-z As層2、ベースを構成するn型Aly Ga1-y As層3、
エミッタバリアを構成するAlzGa1-z As層4及びエミッ
タを構成するn++型GaAs層5が順次積層されている。こ
の場合、Alz Ga1-z As層4及びn++型GaAs層5はメサ形
状を有する。
【0019】ここでは、一例として、ベースを構成する
n型Aly Ga1-y As層3の厚さは20(nm)、コレクタ
バリアを構成するAlz Ga1-z As層2及びエミッタバリア
を構成するAlz Ga1-z As層4の厚さはそれぞれ200
(nm)であるとする。また、n++型GaAs層5の厚さは
例えば150nmである。
【0020】n++型GaAs層5上にはエミッタ電極6が形
成され、Alz Ga1-z As層4及びn++型GaAs層5の周囲の
n型Aly Ga1-y As層3上にはベース電極7が形成され、
++型GaAs基板1の裏面にはコレクタ電極8が形成され
ている。これらのエミッタ電極6、ベース電極7及びコ
レクタ電極8は、例えばNi/Au-Ge合金のようなオーミッ
ク金属から成る。
【0021】この図4Aに示すホットエレクトロントラ
ンジスタを製造するには、n++型GaAs基板1上に分子線
エピタキシー(MBE)法や有機金属化学気相成長(M
OCVD)法によりAlz Ga1-z As層2、n型Aly Ga1-y
As層3、Alz Ga1-z As層4及びn++型GaAs層5を順次エ
ピタキシャル成長させた後、n++型GaAs層5及びAlzGa
1-z As層4を例えば反応性イオンエッチング(RIE)
法により基板表面に対して垂直に順次エッチングしてメ
サ形状を形成し、その後にエミッタ電極6、ベース電極
7及びコレクタ電極8を形成すればよい。
【0022】この図4Aに示すホットエレクトロントラ
ンジスタにおいては、ベースを構成するn型Aly Ga1-y
As層3のポテシャルV(x)を上記(A)式及び(B)
式で表されるものにするために、このn型Aly Ga1-y As
層3のAl組成比yをxの関数として次のように変化させ
る。ここでは、このn型Aly Ga1-y As層3の厚さ方向の
中心をxの原点(x=0)にとり、+x方向を図4A中
上方向にとる。この場合、n型Aly Ga1-y As層3の厚さ
は20(nm)であるから、−10(nm)≦x≦10
(nm)である。
【0023】今、このn型Aly Ga1-y As層3のAl組成比
yを0〜0.4の範囲で変化させるとする。そして、こ
のn型Aly Ga1-y As層3における電子の質量mとして、
【数5】 で表されるAly Ga1-y Asの有効質量の式にAl組成比yの
平均値y=0.2を代入したときの値、すなわちm≒
0.084m0 (m0 :電子の静止質量)を使用する。
【0024】ここで、一例としてα=4×10
8 (m-1)、n=2とすると、上記(B)式よりβ2
4n(n+1)α2 =4×2×3α2 =43 ×6×10
16(m-2)となる。このとき、
【数6】 となる。従って、ポテンシャルV(x)は、
【数7】 となる。
【0025】この(7)式で示されるポテンシャルV
(x)の形状をn型Aly Ga1-y As層3の伝導帯に実現す
るためには、次のようにすればよい。
【0026】すなわち、
【数8】 で表されるAly Ga1-y Asのエネルギーギャップの式にお
いて、伝導帯の不連続をいわゆるDingleの85%則を適
用して求めると、 1.247y×0.85=1.06y となる。従って、V(x)の底をエネルギーの原点とし
たとき、 1.06y(x)=V(x)+0.43 となるようにすればよい(図4B参照)。
【0027】これより、
【数9】 となる。
【0028】(9)式のαにα=(43 ×6×1016
1/2 (m-1)を代入すると、
【数10】 となる。ただし、xの単位はnmである。
【0029】以上より、ベースを構成するn型Aly Ga
1-y As層3のポテンシャルV(x)を上記(A)式及び
(B)式で表されるものにするためには、n型Aly Ga
1-y As層3のAl組成比yを(10)式に従って変化させ
ればよい。この場合、このAl組成比yは、x=0におけ
る0から+x方向及び−x方向に向かって次第に増加
し、x=±10nmにおいて0.4となる。
【0030】一方、エミッタバリアを構成するAlz Ga
1-z As層4のAl組成比zは、n++型GaAs層5との界面に
おける0からn型Aly Ga1-y As層3との界面における
0.4まで線形に増加させればよい。同様に、コレタク
バリアを構成するAlz Ga1-z As層2のAl組成比zは、n
++型GaAs基板1との界面における0からn型Aly Ga1-y
As層3との界面における0.4まで線形に増加させれば
よい。
【0031】この場合、n型Aly Ga1-y As層3とAlz Ga
1-z As層4とのAl組成比はそれらの界面で同一であり、
n型Aly Ga1-y As層3とAlz Ga1-z As層2とのAl組成比
もそれらの界面で同一であるため、図4Bに示すよう
に、伝導帯はn型Aly Ga1-y As層3とAlz Ga1-z As層4
との界面及びn型Aly Ga1-y As層3とAlz Ga1-z As層2
との界面で連続的につながっている。
【0032】以上、この発明の一実施例につき具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
【0033】例えば、上述の実施例によるホットエレク
トロントランジスタは、具体的な設計例で用いたAlGaAs
/GaAs系の材料以外の材料を用いて形成してもよい。
【0034】また、上述の実施例によるホットエレクト
ロントランジスタと同様なエネルギーバンド構造は、同
一の材料、例えばGaAsやSiなどを用いてnpnpn構造
を形成し、これらの各層の不純物濃度を適切に選ぶこと
によっても実現することが可能である。
【0035】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
高い電流増幅率が得られ、かつ高速動作が可能なホット
エレクトロントランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ポテンシャルV(x)に電子波が入射する様子
を示すグラフである。
【図2】この発明の一実施例によるホットエレクトロン
トランジスタのエネルギーバンド図である。
【図3】図2に示すホットエレクトロントランジスタの
特殊な一例のエネルギーバンド図である。
【図4】図3に示すホットエレクトロントランジスタの
具体的な設計例を示す断面図及びエネルギーバンド図で
ある。
【符号の説明】
1 n++型GaAs基板 2、4 Alz Ga1-z As層 3 n型Aly Ga1-y As層 5 n++型GaAs層 6 エミッタ電極 7 ベース電極 8 コレクタ電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベースの中心から厚さ方向に測った距離
    をxとするとき、上記ベースのポテンシャルが近似的に V(x)=−{(h/2π)2 /8m}{β2 /cosh 2(αx)}(A) (h:プランク定数、m:電子の質量) β/α=2{n(n+1)}1/2 (n:整数) (B) で表されるホットエレクトロントランジスタ。
  2. 【請求項2】 Al組成比yがx(nm)とともに近似的
    に y(x)=0.406{1−1/cosh 2(0.4x)} で表されるように変化するn型Aly Ga1-y Asにより上記
    ベースが形成されている請求項1記載のホットエレクト
    ロントランジスタ。
JP19621792A 1992-06-30 1992-06-30 ホットエレクトロントランジスタ Pending JPH0621435A (ja)

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JP (1) JPH0621435A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5895931A (en) * 1994-11-24 1999-04-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Semiconductor device
WO2005022585A1 (en) * 2003-09-03 2005-03-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Surface light source

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5895931A (en) * 1994-11-24 1999-04-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Semiconductor device
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