JPH0642491B2 - 半導体デバイス及びそれを用いた装置 - Google Patents
半導体デバイス及びそれを用いた装置Info
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- JPH0642491B2 JPH0642491B2 JP1237408A JP23740889A JPH0642491B2 JP H0642491 B2 JPH0642491 B2 JP H0642491B2 JP 1237408 A JP1237408 A JP 1237408A JP 23740889 A JP23740889 A JP 23740889A JP H0642491 B2 JPH0642491 B2 JP H0642491B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体デバイスに係り、特にポテンシャル井戸
の量子エネルギレベルと一致するキャリアエネルギを含
む動作によって特徴付けられた半導体デバイスに関す
る。
の量子エネルギレベルと一致するキャリアエネルギを含
む動作によって特徴付けられた半導体デバイスに関す
る。
［従来技術］ 共鳴トンネリング半導体素子が開発された背景には、様
々なデジタルおよびアナログ回路用の電子素子を微細化
し、機能密度および動作速度を向上させるという要請が
大きく働いていた。
々なデジタルおよびアナログ回路用の電子素子を微細化
し、機能密度および動作速度を向上させるという要請が
大きく働いていた。
提案された素子のうち、２端子素子は次ぎの文献に開示
されている。
されている。
エイ．エイ．ラカーニ等、「信号処理および多段論理の
ための連結共鳴トンネリングダイオード」応用物理レタ
ーズ、第５２巻（1988年）、pp.1684-1685； エイ．エイ．ラカーニ等、「単一の垂直に集積された共
鳴トンネリング素子を有する１１ビットパリティ発生
器」、エレクトロニクスレターズ、第２４巻（1988
年）、pp.681-683； アール．シイ．ポター等、「信号処理および３状態論理
のための共鳴トンネリング構造の３次元集積」、応用物
理レターズ、第５２巻（1988年）、pp.2163-2164；およ
び エス．セン等「多数の負抵抗領域および高室温ピーク−
バレイ比を有する新規な共鳴トンネリング素子」、ＩＥ
ＥＥエレクトロンデバイスレターズ、第９巻（1988
年）、pp.402-404。
ための連結共鳴トンネリングダイオード」応用物理レタ
ーズ、第５２巻（1988年）、pp.1684-1685； エイ．エイ．ラカーニ等、「単一の垂直に集積された共
鳴トンネリング素子を有する１１ビットパリティ発生
器」、エレクトロニクスレターズ、第２４巻（1988
年）、pp.681-683； アール．シイ．ポター等、「信号処理および３状態論理
のための共鳴トンネリング構造の３次元集積」、応用物
理レターズ、第５２巻（1988年）、pp.2163-2164；およ
び エス．セン等「多数の負抵抗領域および高室温ピーク−
バレイ比を有する新規な共鳴トンネリング素子」、ＩＥ
ＥＥエレクトロンデバイスレターズ、第９巻（1988
年）、pp.402-404。
また、３端子素子は次ぎの文献に開示されている。
エヌ．ヨコヤマ等、「新規な機能共鳴トンネリングホッ
トエレクトロントランジスタ（ＲＨＥＴ）」、応用物理
ジャパニーズジャーナル、第２４巻（1985年）、pp.L85
3-L854； エフ．カパッソ等、「室温で動作する量子井戸共鳴トン
ネリングバイポーラトランジスタ」、ＩＥＥＥエレクト
ロンデバイスレターズ、第ＥＤＬ−７巻（1986年）、p
p.573-576； エフ．カパッソ等、「共鳴トンネリングゲート電界効果
トランジスタ」、エレクトロニクスレターズ、第２３巻
（1987年）、pp.225-226；及び エヌ．ヨコヤマに対して1987年12月８日に発行された米
国特許第4,712,121号「高速半導体素子」である。
トエレクトロントランジスタ（ＲＨＥＴ）」、応用物理
ジャパニーズジャーナル、第２４巻（1985年）、pp.L85
3-L854； エフ．カパッソ等、「室温で動作する量子井戸共鳴トン
ネリングバイポーラトランジスタ」、ＩＥＥＥエレクト
ロンデバイスレターズ、第ＥＤＬ−７巻（1986年）、p
p.573-576； エフ．カパッソ等、「共鳴トンネリングゲート電界効果
トランジスタ」、エレクトロニクスレターズ、第２３巻
（1987年）、pp.225-226；及び エヌ．ヨコヤマに対して1987年12月８日に発行された米
国特許第4,712,121号「高速半導体素子」である。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の３端子共鳴トンネリング素子
は単一ピーク電流電圧特性を有している。これに対し
て、多数のピーク電流電圧特性を有する素子が望まれて
いる。
は単一ピーク電流電圧特性を有している。これに対し
て、多数のピーク電流電圧特性を有する素子が望まれて
いる。
［問題点を解決するための手段］ 本発明による半導体デバイスは、例えばスイッチングシ
ステム、中央処理論理装置、記憶装置、周波数逓倍器、
波形スクランブラ、パリティビット発生器及びアナログ
−デジタル変換器などに組み込まれ、適正動作条件下に
おいて、等しい又はほとんど等しいピーク電流で複数の
負抵抗領域を有するものである。
ステム、中央処理論理装置、記憶装置、周波数逓倍器、
波形スクランブラ、パリティビット発生器及びアナログ
−デジタル変換器などに組み込まれ、適正動作条件下に
おいて、等しい又はほとんど等しいピーク電流で複数の
負抵抗領域を有するものである。
本半導体デバイスは、エミッタ、ベース及びコレクタの
各領域とコンタクトから成るヘテロ構造バイポーラ素子
であり、コレクタ領域とエミッタ領域のコンタクトとの
間に少なくとも２つの量子井戸構造が存する。これらの
構造では、量子力学的状態間での有効な量子力学的相互
作用が存在せず、動作中は、これらの量子井戸を通して
の共鳴トンネリングのクエンチングが異なるベース・エ
ミッタ間電圧で生じている。
各領域とコンタクトから成るヘテロ構造バイポーラ素子
であり、コレクタ領域とエミッタ領域のコンタクトとの
間に少なくとも２つの量子井戸構造が存する。これらの
構造では、量子力学的状態間での有効な量子力学的相互
作用が存在せず、動作中は、これらの量子井戸を通して
の共鳴トンネリングのクエンチングが異なるベース・エ
ミッタ間電圧で生じている。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。
する。
第１図は、本発明による半導体デバイスの一実施例を示
す模式的構成図である。ここではエミッタに２つの共鳴
トンネリングダブルバリア量子井戸を直列に設けたｎｐ
ｎバイポーラトランジスタが望ましい素子構成の一例と
して示されている。
す模式的構成図である。ここではエミッタに２つの共鳴
トンネリングダブルバリア量子井戸を直列に設けたｎｐ
ｎバイポーラトランジスタが望ましい素子構成の一例と
して示されている。
この様な構造は、確立された技術である分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）
などによって、例えばインジウム・リン（ＩｎＰ）基板
１１上に形成されうる。基板１１はドープでもアンドー
プでも良いが、アンドープのものは素子の動作速度を向
上させる点で望ましい。
シー（ＭＢＥ）や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）
などによって、例えばインジウム・リン（ＩｎＰ）基板
１１上に形成されうる。基板１１はドープでもアンドー
プでも良いが、アンドープのものは素子の動作速度を向
上させる点で望ましい。
基板１１上に順次形成された格子整合層１２〜２３は、
ガリウム・インジウム・ヒ素では公称組成Ｇａ0.47Ｉｎ
0.53Ａｓ、アルミニウム・インジウム・ヒ素ではＡｌ
0.48Ｉｎ0.52Ａｓである。望ましい不純物濃度は次ぎの
通りである。コレクタ・コンタクト層１２は約２×１０
18/cm3以上、コレクタ活性層１３は約２×１０16/cm3以
下、ベース層１４は約２×１０18/cm3以上、層１５は約
１×１０18/cm3、量子井戸分離層１９は約５×１０17/c
m3、及びエミッタ・コンタクト層２３は約１×１０18/c
m3以上である。本実施例のエネルギバンド図を見れば分
かるように、層１６、１７及び１８と層２０、２１及び
２２とがダブルバリア共鳴トンネリング量子井戸を形成
している。
ガリウム・インジウム・ヒ素では公称組成Ｇａ0.47Ｉｎ
0.53Ａｓ、アルミニウム・インジウム・ヒ素ではＡｌ
0.48Ｉｎ0.52Ａｓである。望ましい不純物濃度は次ぎの
通りである。コレクタ・コンタクト層１２は約２×１０
18/cm3以上、コレクタ活性層１３は約２×１０16/cm3以
下、ベース層１４は約２×１０18/cm3以上、層１５は約
１×１０18/cm3、量子井戸分離層１９は約５×１０17/c
m3、及びエミッタ・コンタクト層２３は約１×１０18/c
m3以上である。本実施例のエネルギバンド図を見れば分
かるように、層１６、１７及び１８と層２０、２１及び
２２とがダブルバリア共鳴トンネリング量子井戸を形成
している。
なお図示されていないが、層１５及び１６、層１８及び
１９、そして層２２及び２３の間に、５０オングストロ
ームの公称アンドープのガリウム・インジウム・ヒ素オ
フセット層を設けることが望ましい。これによって、高
温処理の際のバリア層への不純物拡散を防ぐことができ
るからである。
１９、そして層２２及び２３の間に、５０オングストロ
ームの公称アンドープのガリウム・インジウム・ヒ素オ
フセット層を設けることが望ましい。これによって、高
温処理の際のバリア層への不純物拡散を防ぐことができ
るからである。
ホトリソグラフィおよび化学ウエットエッチングを用い
て、直径約５０μｍのエミッタメサ及び直径約１２５μ
ｍのベースメサを形成した。エッチャントの公称組成
は、50H2Ｏ＋３Ｈ3ＰＯ4＋１Ｈ2Ｏ2であった。
て、直径約５０μｍのエミッタメサ及び直径約１２５μ
ｍのベースメサを形成した。エッチャントの公称組成
は、50H2Ｏ＋３Ｈ3ＰＯ4＋１Ｈ2Ｏ2であった。
エミッタ及びコレクタのコンタクト金属被覆層２３１及
び１２１は、ゲルマニウム、金、銀、そして金と順次蒸
着することによって形成された。ベースコンタクト層１
４１は、金ベリリウムアロイ、そして金を蒸着すること
によって形成された。これらのコンタクトは、酸化防止
のために水素雰囲気中で、約１０分間、約３７５℃で合
金化された。なお、酸化防止には、窒素やヘリウムなど
の不活性ガスを用いることもできる。
び１２１は、ゲルマニウム、金、銀、そして金と順次蒸
着することによって形成された。ベースコンタクト層１
４１は、金ベリリウムアロイ、そして金を蒸着すること
によって形成された。これらのコンタクトは、酸化防止
のために水素雰囲気中で、約１０分間、約３７５℃で合
金化された。なお、酸化防止には、窒素やヘリウムなど
の不活性ガスを用いることもできる。
上記素子構造はｎｐｎ共鳴トンネリングバイポーラトラ
ンジスタ（ＲＴＢＴ）に対応しているが、ｐｎｐ構造で
あっても可能である。すなわち、ｎｐｎの場合ではダブ
ルバリア量子井戸構造が伝導帯にあり、ｐｎｐの場合で
は価電子帯にある。すべての場合、量子井戸数は２以
上、すなわち少なくとも２個の量子井戸を有し、トラン
ジスタ動作中に、これらの２つの量子井戸を通して共鳴
トンネリングのクエンチングが異なるベース・エミッタ
間電圧で生ずるように設けられている。
ンジスタ（ＲＴＢＴ）に対応しているが、ｐｎｐ構造で
あっても可能である。すなわち、ｎｐｎの場合ではダブ
ルバリア量子井戸構造が伝導帯にあり、ｐｎｐの場合で
は価電子帯にある。すべての場合、量子井戸数は２以
上、すなわち少なくとも２個の量子井戸を有し、トラン
ジスタ動作中に、これらの２つの量子井戸を通して共鳴
トンネリングのクエンチングが異なるベース・エミッタ
間電圧で生ずるように設けられている。
この２つの量子井戸は、それらの量子力学的状態間で有
効な量子力学的相互作用がないように分離されている。
この分離は、低いバンドギャップドープされた十分に厚
い層を量子井戸間に設けることによって行われる。すな
わち、この分離層の厚さは、その層材料の熱ド・ブロイ
波長（λ＝ｈ／（3kTm*）1/2で定義される）より大きい
値であることが望ましい。ここで、Ｔは格子温度、ｍ*
はトンネル（多数）キャリアの有効質量である。層の厚
さにこの様な下限を設けたのは、量子井戸の量子状態と
結合する分離層内の量子状態の存在を考慮したからであ
る。ガリウム・インジウム・ヒ素の場合、分離層の厚さ
は、室温動作で、５００〜１０００オングストロームの
範囲内であることが好ましい。また、分離層のドーピン
グは、少なくとも２×１０17/cm3であることが望まし
い。
効な量子力学的相互作用がないように分離されている。
この分離は、低いバンドギャップドープされた十分に厚
い層を量子井戸間に設けることによって行われる。すな
わち、この分離層の厚さは、その層材料の熱ド・ブロイ
波長（λ＝ｈ／（3kTm*）1/2で定義される）より大きい
値であることが望ましい。ここで、Ｔは格子温度、ｍ*
はトンネル（多数）キャリアの有効質量である。層の厚
さにこの様な下限を設けたのは、量子井戸の量子状態と
結合する分離層内の量子状態の存在を考慮したからであ
る。ガリウム・インジウム・ヒ素の場合、分離層の厚さ
は、室温動作で、５００〜１０００オングストロームの
範囲内であることが好ましい。また、分離層のドーピン
グは、少なくとも２×１０17/cm3であることが望まし
い。
量子井戸を設けるのは、ベース領域とエミッタ領域のコ
ンタクトとの間が良い。さらに、そのベース領域に隣接
して、ベース領域とは反対の不純物がドーピングされ、
ベース領域より広いバンドギャップを有する領域（第１
図の層１５）を含めることも望ましい。この様な領域を
介在させることで、動作中に、ベース領域からの少数キ
ャリアの後戻りを阻止することができる。また、バンド
ギャップを整合させるために、この領域は量子井戸へ向
けて組成を傾斜させるのが良い。
ンタクトとの間が良い。さらに、そのベース領域に隣接
して、ベース領域とは反対の不純物がドーピングされ、
ベース領域より広いバンドギャップを有する領域（第１
図の層１５）を含めることも望ましい。この様な領域を
介在させることで、動作中に、ベース領域からの少数キ
ャリアの後戻りを阻止することができる。また、バンド
ギャップを整合させるために、この領域は量子井戸へ向
けて組成を傾斜させるのが良い。
第１図に示す素子ではガリウム・インジウム・ヒ素及び
アルミニウム・インジウム・ヒ素を材料としたが、他の
材料組成を排除するものではない。例えば、バリア層は
アルミニウム・ガリウム・ヒ素またはアルミニウム・ヒ
素であっても良いし、井戸層はガリウム・ヒ素または
（ストレインド）ガリウム・インジウム・ヒ素Ｇａ1-x
ＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦0.2）であっても良い。
アルミニウム・インジウム・ヒ素を材料としたが、他の
材料組成を排除するものではない。例えば、バリア層は
アルミニウム・ガリウム・ヒ素またはアルミニウム・ヒ
素であっても良いし、井戸層はガリウム・ヒ素または
（ストレインド）ガリウム・インジウム・ヒ素Ｇａ1-x
ＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦0.2）であっても良い。
次ぎに、第２図〜第４図によって本実施例の機能を説明
する。ここでは、２個（またはそれ以上）のダブルバリ
ア量子井戸を通した共鳴トンネリングのシーケンシャル
・クエンチングに基づくものを示す。これは電荷増大に
よる量子井戸の両側の不均一電界分布によって生じたも
のである。
する。ここでは、２個（またはそれ以上）のダブルバリ
ア量子井戸を通した共鳴トンネリングのシーケンシャル
・クエンチングに基づくものを示す。これは電荷増大に
よる量子井戸の両側の不均一電界分布によって生じたも
のである。
コレクタバイアスが固定され、その大きさが（負の）エ
ミッタ・ベース間電圧ＶEBに対してガリウム・インジウ
ム・ヒ素ｐｎ接合のビルトイン電圧より小さい場合に
は、そのバイアス電圧のほとんどがこの接合にかかって
くる。なぜなら、そのインピーダンスは、共鳴トンネリ
ングにより導通する直列の２つの量子井戸のインピーダ
ンスより相当大きいからである（第２図参照）。
ミッタ・ベース間電圧ＶEBに対してガリウム・インジウ
ム・ヒ素ｐｎ接合のビルトイン電圧より小さい場合に
は、そのバイアス電圧のほとんどがこの接合にかかって
くる。なぜなら、そのインピーダンスは、共鳴トンネリ
ングにより導通する直列の２つの量子井戸のインピーダ
ンスより相当大きいからである（第２図参照）。
電圧ＶEBの大きさが増大してビルトイン電圧と等しくな
ると、その接合部はフラットバンドとなり、強い導通状
態となる。そして、さらにＶEBが増大すると、その増加
分は主として量子井戸に掛ってくる（第３図参照）。こ
れらの量子井戸はその基底状態が隣接するクラッド層の
フェルミレベルより十分高いレベルにあるように設計さ
れている。
ると、その接合部はフラットバンドとなり、強い導通状
態となる。そして、さらにＶEBが増大すると、その増加
分は主として量子井戸に掛ってくる（第３図参照）。こ
れらの量子井戸はその基底状態が隣接するクラッド層の
フェルミレベルより十分高いレベルにあるように設計さ
れている。
量子井戸に掛る電界は不均一であり、ｐｎ接合のｎ領域
に隣接する（すなわちベース層に最も近い）アルミニウ
ム・インジウム・ヒ素バリアで最も高くなる。これは、
共鳴トンネリング中に量子井戸に蓄積される電荷による
電界のスクリーニングのためである。
に隣接する（すなわちベース層に最も近い）アルミニウ
ム・インジウム・ヒ素バリアで最も高くなる。これは、
共鳴トンネリング中に量子井戸に蓄積される電荷による
電界のスクリーニングのためである。
電圧ＶEBがさらに増大すると、共鳴トンネリングは、イ
ンジウム・ガリウム・ヒ素ｐｎ接合に最も近い量子井戸
でクエンチされ、そのプロセスが各量子井戸で順に繰り
返される。一度共鳴トンネリングがクエンチされると、
その量子井戸の両側の電圧は、抵抗が増大する事による
バイアス電圧の増加に伴って、急速に降下する。その量
子井戸を通る非共鳴トンネリング成分（すなわち熱イオ
ン放出および非弾性トンネリング）は、他の量子井戸を
共鳴トンネリング電流が流れ続けるのに十分な大きさで
ある。量子井戸を通る共鳴トンネリングがクエンチされ
る度に、エミッタからベースへ注入された電子電流の降
下及びそれに付随したコレクタ電流の降下が生じる。こ
の様にして、ＶEBの関数としてのコレクタ電流において
負の伝達コンダクタンス領域が得られ、これは各量子井
戸を通しての共鳴トンネリングのクエンチングに対応し
ている。したがって、Ｎ個の量子井戸があれば伝達特性
においてＮ個のピークが得られる。
ンジウム・ガリウム・ヒ素ｐｎ接合に最も近い量子井戸
でクエンチされ、そのプロセスが各量子井戸で順に繰り
返される。一度共鳴トンネリングがクエンチされると、
その量子井戸の両側の電圧は、抵抗が増大する事による
バイアス電圧の増加に伴って、急速に降下する。その量
子井戸を通る非共鳴トンネリング成分（すなわち熱イオ
ン放出および非弾性トンネリング）は、他の量子井戸を
共鳴トンネリング電流が流れ続けるのに十分な大きさで
ある。量子井戸を通る共鳴トンネリングがクエンチされ
る度に、エミッタからベースへ注入された電子電流の降
下及びそれに付随したコレクタ電流の降下が生じる。こ
の様にして、ＶEBの関数としてのコレクタ電流において
負の伝達コンダクタンス領域が得られ、これは各量子井
戸を通しての共鳴トンネリングのクエンチングに対応し
ている。したがって、Ｎ個の量子井戸があれば伝達特性
においてＮ個のピークが得られる。
第１図に示す本実施例の場合、第５図（室温動作に対応
する）及び第６図（約７７Ｋの温度での動作に対応す
る）に示すように、電流電圧特性（固定コレクタ・ベー
ス間電圧ＶCB＝0.1Ｖでの電圧ＶEBに対するコレクタ電
流特性）において２つのピークが得られる。約0.7Ｖの
ビルトイン電圧より大きい電圧ＶEBに対して、そのｐｎ
接合は強い導通状態となり始め、その第１の量子井戸を
通した共鳴トンネリングがクエンチされるまで、コレク
タ電流は急速に増加する。このシークエンスが第２の量
子井戸に対しても繰り返され、こうして第２のピークが
生ずる。第１のピークのピーク−バレイ比は３００Ｋで
約４：１であり、第２のピークでは３：１である。液体
窒素温度では、上記の比は、それぞれ２２：１及び８：
１である。電流電圧特性は、コレクタ・ベース間電圧Ｖ
CBが異なっても実質的に同じであることが分かった。
する）及び第６図（約７７Ｋの温度での動作に対応す
る）に示すように、電流電圧特性（固定コレクタ・ベー
ス間電圧ＶCB＝0.1Ｖでの電圧ＶEBに対するコレクタ電
流特性）において２つのピークが得られる。約0.7Ｖの
ビルトイン電圧より大きい電圧ＶEBに対して、そのｐｎ
接合は強い導通状態となり始め、その第１の量子井戸を
通した共鳴トンネリングがクエンチされるまで、コレク
タ電流は急速に増加する。このシークエンスが第２の量
子井戸に対しても繰り返され、こうして第２のピークが
生ずる。第１のピークのピーク−バレイ比は３００Ｋで
約４：１であり、第２のピークでは３：１である。液体
窒素温度では、上記の比は、それぞれ２２：１及び８：
１である。電流電圧特性は、コレクタ・ベース間電圧Ｖ
CBが異なっても実質的に同じであることが分かった。
室温における本実施例のエミッタ接地出力特性は、ベー
ス電流ＩBが１mAまでは第７図に、1.4mAまでは第８図
に、1.8mAまでは第９図に、それぞれ示されている。
ス電流ＩBが１mAまでは第７図に、1.4mAまでは第８図
に、1.8mAまでは第９図に、それぞれ示されている。
ＩBが小さいとき（低いＶBE）、印加されたベース・エ
ミッタ間電圧はフラットバンド条件に到達するまで主に
ｐｎ接合で低下し、このとき本実施例は、小信号電流利
得がせいぜい７０の通常のバイポーラトランジスタのよ
うに動作する（第７図参照）。
ミッタ間電圧はフラットバンド条件に到達するまで主に
ｐｎ接合で低下し、このとき本実施例は、小信号電流利
得がせいぜい７０の通常のバイポーラトランジスタのよ
うに動作する（第７図参照）。
第８図は、ＩB＝1.2mAでの電流利得のクエンチングを示
し、ピーク−バレイ比は約６：１である。
し、ピーク−バレイ比は約６：１である。
ＩB（ＶBE）がさらに増加すると、他の量子井戸の共鳴
トンネリングのクエンチングに関連して、第２の負抵抗
（微分係数が負の）領域がＩB＝1.6mAでのＶCEに対する
コレクタ電流特性において生ずる（第９図参照）。
トンネリングのクエンチングに関連して、第２の負抵抗
（微分係数が負の）領域がＩB＝1.6mAでのＶCEに対する
コレクタ電流特性において生ずる（第９図参照）。
第１０図及び第１１図は、それぞれ温度３００Ｋ及び７
７Ｋ、定電圧ＶCE＝2.5ＶでのＶBEに対するＩｃ、即ち
エミッタ接地伝達特性を示す。
７Ｋ、定電圧ＶCE＝2.5ＶでのＶBEに対するＩｃ、即ち
エミッタ接地伝達特性を示す。
ＶCEが一定の下で、ＶBEが増加すると、エミッタ及びコ
レクタ電流は、エミッタ・ベース接合がフラットバンド
状態になるまで、増加する。フラットバンド状態と越え
ると、より高いＶBEで、２つの量子井戸を通る共鳴トン
ネリングは順にクエンチし、エミッタ及びコレクタ電流
の鋭い降下が観測される。伝達特性におけるピーク−バ
レイ比の最高値は、室温で４：１、７７Ｋで約２０：１
である。この電流電圧特性は、コレクタ・ベース間電圧
ＶCEが異なってても本質的に同じであることが分かっ
た。
レクタ電流は、エミッタ・ベース接合がフラットバンド
状態になるまで、増加する。フラットバンド状態と越え
ると、より高いＶBEで、２つの量子井戸を通る共鳴トン
ネリングは順にクエンチし、エミッタ及びコレクタ電流
の鋭い降下が観測される。伝達特性におけるピーク−バ
レイ比の最高値は、室温で４：１、７７Ｋで約２０：１
である。この電流電圧特性は、コレクタ・ベース間電圧
ＶCEが異なってても本質的に同じであることが分かっ
た。
本発明の半導体デバイスは、種々の回路、典型的には集
積回路の形で用いられる。第１図及び第１１図に示す伝
達特性に基づいて、周波数逓倍器回路を第１２図に示す
ように設計することができる。第１２図に示す回路を特
定するためには、次の値が適当である。ＶCC＝3.0Ｖ，
ＶBB＝1.8Ｖ，ＲC＝５Ω，そしてＲB＝50Ωである。
積回路の形で用いられる。第１図及び第１１図に示す伝
達特性に基づいて、周波数逓倍器回路を第１２図に示す
ように設計することができる。第１２図に示す回路を特
定するためには、次の値が適当である。ＶCC＝3.0Ｖ，
ＶBB＝1.8Ｖ，ＲC＝５Ω，そしてＲB＝50Ωである。
周波数逓倍器回路の動作において、入力電圧が増加する
と、その素子が負の伝達コンダクタンス領域に到達する
までコレクタ電流が増加し、コレクタ電圧が低下する。
そして、負の伝達コンダクタンス領域に到達すると、コ
レクタ電流が突然低下し、出力電圧は増加する。この様
に、適当なバイアス電圧（ＶBB）の下で、三角入力波は
３倍され（第１３図参照）、サイン波は５倍される（第
１４図参照）。ただし、第１３図及び第１４図における
出力波形は位相を反転させてある。
と、その素子が負の伝達コンダクタンス領域に到達する
までコレクタ電流が増加し、コレクタ電圧が低下する。
そして、負の伝達コンダクタンス領域に到達すると、コ
レクタ電流が突然低下し、出力電圧は増加する。この様
に、適当なバイアス電圧（ＶBB）の下で、三角入力波は
３倍され（第１３図参照）、サイン波は５倍される（第
１４図参照）。ただし、第１３図及び第１４図における
出力波形は位相を反転させてある。
第１２図に示す回路において、トランジスタの伝達特性
に多数のピークのために、出力信号がグラウンドリファ
レンスで入力から分離されていることは数ある利点のひ
とつである。適当な動作条件下では、第１２図に示す回
路は波形スクランブリングに用いることもできる。
に多数のピークのために、出力信号がグラウンドリファ
レンスで入力から分離されていることは数ある利点のひ
とつである。適当な動作条件下では、第１２図に示す回
路は波形スクランブリングに用いることもできる。
第１５図は、パリティビット発生器回路を示す。この回
路はトランジスタのベース端子に抵抗回路網を有し、そ
の４つの入力ビットを加え合わせてステップ状の波形を
発生させる。抵抗ＲB1によって調整されたトランジスタ
の静的なバイアス及び抵抗Ｒ0の値は、合計電圧の連続
ステップにおいてハイ及びローのコレクタ電流レベルで
交互にトランジスタの動作点を選択するように、選ばれ
る。こうして、コレクタの出力電圧は、入力ビットのハ
イの数が偶数か奇数かによって、ハイまたはローとな
る。
路はトランジスタのベース端子に抵抗回路網を有し、そ
の４つの入力ビットを加え合わせてステップ状の波形を
発生させる。抵抗ＲB1によって調整されたトランジスタ
の静的なバイアス及び抵抗Ｒ0の値は、合計電圧の連続
ステップにおいてハイ及びローのコレクタ電流レベルで
交互にトランジスタの動作点を選択するように、選ばれ
る。こうして、コレクタの出力電圧は、入力ビットのハ
イの数が偶数か奇数かによって、ハイまたはローとな
る。
従来では、３個の排他的ＯＲを用いる最適化されたパリ
ティビット回路に２４個の通常のトランジスタが必要で
あるが、第１５図に示す回路では同じ機能を本発明によ
る単一のトランジスタで達成することができる。さら
に、従来のパリティ発生回路はある時点での２つの入力
ビットを階層的に比較するが、本発明の回路では、すべ
ての入力ビットが同時に処理され、これによって高い動
作速度を達成できる。
ティビット回路に２４個の通常のトランジスタが必要で
あるが、第１５図に示す回路では同じ機能を本発明によ
る単一のトランジスタで達成することができる。さら
に、従来のパリティ発生回路はある時点での２つの入力
ビットを階層的に比較するが、本発明の回路では、すべ
ての入力ビットが同時に処理され、これによって高い動
作速度を達成できる。
第１５図に示す回路は、擬似ランダム４ビットワードに
よって試験された。その結果を第１６図（７７Ｋ）及び
第１７図（室温）に示す。ここで、トップとボトムの線
は各々コレクタ出力及びベースの波形を示している。
よって試験された。その結果を第１６図（７７Ｋ）及び
第１７図（室温）に示す。ここで、トップとボトムの線
は各々コレクタ出力及びベースの波形を示している。
第１８図は、本発明による半導体デバイスを３個用いて
構成されたアナログ−デジタル変換器の回路を示してい
る。この回路において、トランジスタＲＴＢＴ１，ＲＴ
ＢＴ２及びＲＴＢＴ３に対して各々Ｒ0及びＲ1、Ｒ0及
びＲ2そしてＲ0及びＲ3が設けられ、この複数の電圧ス
ケーリング網を通して、アナログ入力Ｖiが共鳴トンネ
リングトランジスタの並列アレイに同時に印加される。
こうして、調和して伝達特性のインターレースパターン
が形成され、アレイからの出力は量子化されたアナログ
入力レベルを表現する２進コードとなる。
構成されたアナログ−デジタル変換器の回路を示してい
る。この回路において、トランジスタＲＴＢＴ１，ＲＴ
ＢＴ２及びＲＴＢＴ３に対して各々Ｒ0及びＲ1、Ｒ0及
びＲ2そしてＲ0及びＲ3が設けられ、この複数の電圧ス
ケーリング網を通して、アナログ入力Ｖiが共鳴トンネ
リングトランジスタの並列アレイに同時に印加される。
こうして、調和して伝達特性のインターレースパターン
が形成され、アレイからの出力は量子化されたアナログ
入力レベルを表現する２進コードとなる。
第１９図は、多値論理回路（または多数状態メモリ）を
示す。この回路は、ベース・コレクタ接合が固定バイア
ス電圧ＶBCに維持されているとき、あるＲＴＢＴのエミ
ッタ・コレクタ端子での多値負性抵抗特性に基づいてい
る。ＶCEの変化がＶEBの変化を引き起こし、そのＶEBが
トンネリング共鳴をもたらすときにコレクタ電流がピー
クとなる（第２０図参照）。抵抗負荷ＲLおよび電源Ｖ
CCに接続すると、負荷線は電流電圧特性とＮ個の安定点
で交差する（ここでＮは共鳴ピークの数である）。こう
して、この回路は高密度データ格納が可能なＮ状態メモ
リ素子として動作する。また、この素子は、所望の状態
に近い電圧を瞬間的に印加することによって安定状態の
任意の１つにラッチさせることができる。
示す。この回路は、ベース・コレクタ接合が固定バイア
ス電圧ＶBCに維持されているとき、あるＲＴＢＴのエミ
ッタ・コレクタ端子での多値負性抵抗特性に基づいてい
る。ＶCEの変化がＶEBの変化を引き起こし、そのＶEBが
トンネリング共鳴をもたらすときにコレクタ電流がピー
クとなる（第２０図参照）。抵抗負荷ＲLおよび電源Ｖ
CCに接続すると、負荷線は電流電圧特性とＮ個の安定点
で交差する（ここでＮは共鳴ピークの数である）。こう
して、この回路は高密度データ格納が可能なＮ状態メモ
リ素子として動作する。また、この素子は、所望の状態
に近い電圧を瞬間的に印加することによって安定状態の
任意の１つにラッチさせることができる。
第１図は、本発明による半導体デバイスの一実施例の模
式的構成図及び対応するゼロバイアスのバンド図； 第２図〜第４図は、コレクタ電圧を固定し、順次エミッ
タ電圧を高くしたときの本実施例のベース接地バンド
図； 第５図及び第６図は、それぞれ液体窒素温度及び室温に
おいて得られる本実施例のベース接地伝達特性を示す
図； 第７図〜第９図は、それぞれ液体窒素温度及び室温にお
いて得られる本実施例のエミッタ接地出力特性を示す
図； 第１０図及び第１１図は、それぞれ液体窒素温度及び室
温において得られる本実施例のエミッタ接地伝達特性を
示す図； 第１２図は、本実施例を用いた周波数逓倍器の回路図； 第１３図は、周波数逓倍器への三角入力波形及び対応す
る周波数逓倍出力波形を示す図； 第１４図は、周波数逓倍器へのサイン入力波形及び対応
する周波数逓倍出力波形を示す図； 第１５図は、本実施例を用いたパリティ発生器の回路
図； 第１６図及び第１７図は、それぞれ液体窒素温度及び室
温におけるパリティ発生器でのベース及びコレクタの波
形を示す図； 第１８図は、本実施例を用いたアナログ−デジタル変換
器の回路図； 第１９図は、本実施例を用いた多値論理回路の回路図； 第２０図は、多値論理回路における電流電圧特性図； である。
式的構成図及び対応するゼロバイアスのバンド図； 第２図〜第４図は、コレクタ電圧を固定し、順次エミッ
タ電圧を高くしたときの本実施例のベース接地バンド
図； 第５図及び第６図は、それぞれ液体窒素温度及び室温に
おいて得られる本実施例のベース接地伝達特性を示す
図； 第７図〜第９図は、それぞれ液体窒素温度及び室温にお
いて得られる本実施例のエミッタ接地出力特性を示す
図； 第１０図及び第１１図は、それぞれ液体窒素温度及び室
温において得られる本実施例のエミッタ接地伝達特性を
示す図； 第１２図は、本実施例を用いた周波数逓倍器の回路図； 第１３図は、周波数逓倍器への三角入力波形及び対応す
る周波数逓倍出力波形を示す図； 第１４図は、周波数逓倍器へのサイン入力波形及び対応
する周波数逓倍出力波形を示す図； 第１５図は、本実施例を用いたパリティ発生器の回路
図； 第１６図及び第１７図は、それぞれ液体窒素温度及び室
温におけるパリティ発生器でのベース及びコレクタの波
形を示す図； 第１８図は、本実施例を用いたアナログ−デジタル変換
器の回路図； 第１９図は、本実施例を用いた多値論理回路の回路図； 第２０図は、多値論理回路における電流電圧特性図； である。
フロントページの続き (72)発明者 スサンタ セン アメリカ合衆国，07076 ニュージャージ ィ，スコッチ プレインズ，イースト フ ロント ストリート 1531
Claims (11)
- 【請求項１】第１導電型で第１の組成及びバンドギャッ
ププロフィールを有するエミッタ領域と； 第２導電型で第２の組成及びバンドギャッププロフィー
ルを有するベース領域と； 前記第１導電型で第３の組成及びバンドギャッププロフ
ィールを有するコレクタ領域と； 前記エミッタ、ベース及びコレクタの各領域に対する第
１、第２及び第３の電気コンタクトと； 前記コレクタ領域と前記エミッタ領域の電気コンタクト
との間に設けられた複数の量子井戸と；を有し、 前記量子井戸の少なくとも２つは、これらの量子力学的
状態間で有効な量子力学的相互作用が存在しないよう
に、且つ、動作中に前記量子井戸を通しての共鳴トンネ
リングのクエンチングが異なるベース・エミッタ間電圧
で生じるように、分離されていることを特徴とする半導
体デバイス。 - 【請求項２】前記２つの量子井戸はドープされた半導体
層によって分離され、その半導体層の厚さがその材料の
熱ド・ブロイ波長より厚いことを特徴とする請求項１記
載の半導体デバイス。 - 【請求項３】前記複数の量子井戸は前記ベース領域と前
記エミッタ領域の電気コンタクトとの間に設けられてい
ることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス。 - 【請求項４】前記ベース領域に隣接し、該ベース領域と
は反対のドーピング型を有するとともに、ベース領域よ
り広いバンドギャップを有する領域を含むことを特徴と
する請求項３記載の半導体デバイス。 - 【請求項５】半導体デバイスを有する電気回路からなる
装置において、 前記半導体デバイスが、 第１導電型で第１の組成及びバンドギャッププロフィー
ルを有するエミッタ領域と； 第２導電型で第２の組成及びバンドギャッププロフィー
ルを有するベース領域と； 前記第１導電型で第３の組成及びバンドギャッププロフ
ィールを有するコレクタ領域と； 前記エミッタ、ベース及びコレクタの各領域に対する第
１、第２及び第３の電気コンタクトと； 前記コレクタ領域と前記エミッタ領域の電気コンタクト
との間に設けられた複数の量子井戸と；を有し、 前記量子井戸の少なくとも２つは、これらの量子力学的
状態間で有効な量子力学的相互作用が存在しないよう
に、且つ、動作中に前記量子井戸を通しての共鳴トンネ
リングのクエンチングが異なるベース・エミッタ間電圧
で生じるように、分離されている、 ことを特徴とする半導体デバイスを用いた装置。 - 【請求項６】前記電気回路が、前記半導体デバイスに接
続され、前記回路を周波数逓倍回路として機能させる手
段を有することを特徴とする請求項５記載の装置。 - 【請求項７】前記電気回路が、前記半導体デバイスに接
続され、前記回路を波形スクランブラ回路として機能さ
せる手段を有することを特徴とする請求項５記載の装
置。 - 【請求項８】前記電気回路が、前記半導体デバイスに接
続され、前記回路をパリティビット発生器回路として機
能させる手段を有することを特徴とする請求項５記載の
装置。 - 【請求項９】前記電気回路が、前記半導体デバイスに接
続され、前記回路をアナログ−デジタル変換器回路とし
て機能させる手段を有することを特徴とする請求項５記
載の装置。 - 【請求項１０】前記電気回路が、前記半導体デバイスに
接続され、前記回路を多値論理処理回路として機能させ
る手段を有することを特徴とする請求項５記載の装置。 - 【請求項１１】前記電気回路が、前記半導体デバイスに
接続され、前記回路を記憶装置として機能させる手段を
有することを特徴とする請求項５記載の装置。
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