JPS62130561A - 高速半導体装置 - Google Patents

高速半導体装置

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JPS62130561A
JPS62130561A JP60270803A JP27080385A JPS62130561A JP S62130561 A JPS62130561 A JP S62130561A JP 60270803 A JP60270803 A JP 60270803A JP 27080385 A JP27080385 A JP 27080385A JP S62130561 A JPS62130561 A JP S62130561A
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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〕 本発明は、高速半導体装置に於いて、一導電型エミッタ
層に量子井戸を形成し、その一導電型エミッタ層から共
鳴トンネリングでキャリヤが注入される反対導電型ベー
ス層を形成し、その反対導電型ベース層との間でｐｎ接
合を生成させる一導電型エミッタ層を形成することに依
り、従来の共鳴トンふリング効果を利用するホット・エ
レクトロン・トランジスタと同様に３値の高速動作が可
能で、しかも、コレクタ側ポテンシャル・バリヤを無く
し、ベース層中で散乱を受けた電子もコレクタに到達す
ることができるようにして電流利得を向上し、そして、
ｐｎ接合の作用でベース・コレクタ間の絶縁性も充分に
維持することができるようにしたものである。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、キャリヤがエミツタ層内に形成されたバリヤ
を共鳴トンネリング効果で通過してベースに注入される
形式の高速半導体装置に関する。
〔従来の技術〕
本発明者等は、さきに、実用性が極めて高い共鳴トンネ
リング効果を利用するホット・エレクトロン・トランジ
スタ（ｒｅｓｏｎａｎｔ−ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　ｈｏ
ｔ　　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：Ｒ
ＨＥＴ）を提供した（要すれば、ｖＦ願昭６０−１６０
３１４号参照）。
第６図は該ＲＨＥ　Ｔを説明する為の図であり、（Ａ）
は要部切断側面図、（Ｂ）は図（Ａ＞に対応させたエネ
ルギ・ハンド・ダイヤグラムをそれぞれ表している。
第６図（Ａ）に於いて、■はｎ＋型Ｇ　ａ　Ａ　ｓコレ
クタ層、２はＡｆｆｙｃａｔ−ｙ　ＡｓＤレクタ側ポテ
ンシャル・バリヤ層、３はｎ”型ＧａＡｓへ一ス層、４
は超格子層、５はｎ＋型ＧａＡｓエミッタ層、６はエミ
ッタ荒損、７はベース電橋、８はコレクタ電極をそれぞ
れ示し、第６図（Ｂ）に於いて、Ｅ、は伝導帯の底、Ｅ
Ｆはフェルミ・レベル、Ｅｘはサブ・バンドのエネルギ
・レベルをそれぞれ示している。
面、超格子層４はＡ（ｌＸＧａ、−ＸＡｓバリヤ層４Ａ
とＧａＡｓウェル層４Ｂとからなっていて、図示例では
二つのバリヤ層と一つのウェル層で構成されているが、
必要あれば複数のウェル層及びそれを形成する為のバリ
ヤ層を用いて良い。
第７図（Ａ＞乃至（Ｃ）はＲＨＥＴの動作原理を説明す
る為のエヱルギ・ハンド・ダイヤグラムを表し、第６図
に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同
し意味を持つものとする。
図に於いて、Ｅつはウェル層４Ｂ内に生成されるサブ・
ハンドのエネルギ・レベル、ｑはキャリヤ（電子）の電
荷量、ψ、はコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層２とベ
ース層３との間に於ける伝導帯底不連続値（ｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｏｎ　　ｂａｎｄ　　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔ
ｙ）、Ｖ、Ｅはベース・エミッタ間電圧をそれぞれ示し
ている。
第７図（Ａ）はベース・エミッタ間電圧■ＢＦが２　Ｅ
ｘ　／　ｑより小さい（０か或いは０に近い）場合に於
けるエネルギ・ハンド・ダイヤグラムである。
図示の状態では、コレクタ・エミッタ間に電圧ＶＣＥが
印加されているが、ベース・エミッタ間電圧Ｖ！ＩＥが
殆ど０であるので、エミツタ層５に於けるエネルギ・レ
ベルがウェル層４Ｂに於けるサブ・ハンドのエネルギ・
レベルＥｘと相違している為、エミツタ層５に於ける電
子は超格子層４をトンネリングしてベース層３に抜ける
ことは不可能であり、従って、ＲＨＥＴには電流が流れ
ていない。
第７図（Ｂ）はベース・エミッタ間電圧■□が２Ｅイ／
ｑに殆ど等しい場合に於けるエネルギ・ハンド・ダイヤ
グラムである。
図示の状態では、エミツタ層５に於けるエネルギ・レベ
ルがウェル層４Ｂに於けるサブ・バンドのエネルギ・レ
ベルＥＸと整合する為、エミツタ層５に於ける電子は共
鳴トンネリング効果で超格子層４を抜けてベース層３に
注入され、そこでポテンシャル・エネルギ（０，３（ｅ
Ｖ））が運動エネルギに変換されるので、電子は所謂ホ
ットな状態となり、ベース層３をバリステインクに通過
してコレクタ層１に到達するものである。
第７図（Ｃ）はベース・エミッタ間電圧ＶＩＩＥが２　
Ｅｘ　／　ｑより大きい場合に於けるエネルギ・バンド
・ダイヤグラムである。
図示の状態では、エミツタ層５に於けるエネルギ・レベ
ルがウェル層４Ｂに於けるサブ・ハンドのエネルギ・レ
ベルＥｘより高くなってしまうので共鳴トンネリング効
果は発生せず、再びエミツタ層５からベース層３に抜け
る電子はなくなって電流は低減されるが、超格子層４に
於ける二つのバリヤｌｉ　４　Ａのうち、ベース層３に
近い側のバリヤ層４Ａを適当に低くしておけば、電子は
エミツタ層５に近い側のバリヤ層４Ａを直接トン不リン
グするので、成る有限の値のコレクタ電流を流すことが
できる。
前記説明から判るように、ＲＨＥＴは、そのエミッタ電
流が微分真性抵抗特性を有している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記説明から判るように、本発明者等が開発したＲＨＥ
Ｔは１個の素子で３値の出力を得ることができるので、
３値論理回路、発振器など多くの用途があり、しかも、
それ等を全て高速化することができるが、未だ、改良の
余地を残している。
その一つとして、電流利得が充分に採れないことが挙げ
られる。
その理由は、エミツタ層５から超格子層４を共鳴トンネ
リングしてベース層３に注入されてポット化された電子
の多くが、ベース層３中でフォノン散乱（オプチカル・
フォノン散乱、谷内散乱）を受けてコレクタ側ポテンシ
ャル・バリヤＮ２を越えることができないからである。
本発明は、コレクタ側ポテンシャル・バリヤを無くし、
ベース層中で散乱を受けた電子もコレクタに到達するこ
とができるように、しかも、ベース・コレクタ間の絶縁
性も充分に維持することができるようにするものである
。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明に依る高速半導体装置に於いては、エネルギ・サ
ブ・バンドが生成される少なくとも一つの量子井戸（例
えばＧａＡｓ量子井戸層１６）が形成された一導電型エ
ミッタＮ（例えばｎ型ＡｌｘＧａ＋−ＸＡｓエミツタ層
１７）と、該一導電型エミッタ層から共鳴トン不リング
効果に依ってキャリヤが注入される反対導電型ベース層
（例えばｐ＋型Ｑ　ａ　、Ａ、　ｓベース層１４）と、
該反対導電型ベース層との間にｐｎ接合を生成する一導
電型コレクタ層（例えばｎ型ＧａＡｓコレクタ層１３）
とを備えてなる構成を採っている。
〔作用〕
前記手段を採ると、従来の共鳴トンネリング効果を利用
するホット・エレクトロン・トランジスタと同様に３値
の高速動作が可能であり、しかも、コレクタ側ポテンシ
ャル・バリヤが無いから、ベース層中で散乱を受けたキ
ャリヤもコレクタに到達することが可能となって電流利
得が向上し、そして、ｐｎ接合の作用でベース・コレク
タ間の絶縁性も充分に維持することができる。
〔実施例〕
第１図は本発明一実施例に用いるウェハの要部切断側面
図を表している。
図に於いて、１１は半絶縁性であるＧａＡｓ基板、１２
はｎ”型ＧａＡｓコレクタ・コンタクト層、１３はｎ型
ＧａＡｓコレクタ層、Ｉ４はｐ＋型ＧａＡｓベース層、
１５はＡ７！、Ｇａ、−ｙＡｓバリヤ層、１６はＧａＡ
Ｓ量子井戸層、１７はｎ型Ａ／！ＸＧａ１−、Ａｓエミ
ツタ層、１８はｎ＋型ＧａＡｓエミッタ・コンタクト層
をそれぞれ示している。尚、巳はエミッタを構成する半
導体層を、Ｂはベースを構成する半導体層を、Ｃはコレ
クタを構成する半導体層をそれぞれ指示する記号であり
、エミッタＥはバリヤ層１５と量子井戸層１６とエミツ
タ層１７とエミッタ・コンタクト層１８で、ベースＢは
ベース層１４で、コレクタＣはコレクタ１１３及びコレ
クタ・コンタクト［１２で構成されている。
ここに示した各半導体層に於ける主なデータを例示する
と次の通りである。
■　コレクタ・コンタクト層１２について厚さ：２００
０（人〕 不純物４度：　５　Ｘ　１０Ｉ８（ｃｍ−３）■　コレ
クタ層１３について 厚さ：３０００　　（人〕 不純物４度：　Ｉ　Ｘ　１０”　　（ｃｍ−’）■　ベ
ース層１４について 厚さ：２０００（人） 不純物４度：５Ｘ１０１θ　（ｃｍ−’）■　バリヤ層
１５について 厚さ：５０　〔人］ ｙ値：０．３ ■　量子井戸層１６について 厚さ：５０　〔人〕 ■　エミツタ層１７について 厚さ：３０００　　（人〕 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０Ｉ７（ｃｍ−”）Ｘ値：０
．３ ■　エミッタ・コンタクト層Ｉ８について厚さ：　２０
００〜３０００　　（人〕不純物濃度：　６　Ｘ　１０
”　　（ａｍ−’）第２図は第１図について説明したウ
ェハを用いて製造した本発明一実施例の要部切断側面図
を表し、第１図に於いて用いた記号と同記号は同部分を
示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、１９はエミッタ電極、２０はベース電極、
２１はコレクタ電極をそれぞれ示している。
各電極に関する主なデータを例示すると次の通りである
。
■　エミッタ電極１９について 材料＋Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ 厚さ：３００Ｃ人）／３０００（人〕 ■　ベース電極２０について 材料：Ｃｒ／Ａｕ 厚さ：　３ＯＯ（人）／３０００（人〕■　コレクタ電
極２１について 材料：Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ 厚さ：３００　　Ｃ人）／３０００（人〕第３図は第１
図及び第２図に関して説明した実施例のエネルギ・ハン
ド・ダイヤグラムを表し、第１図及び第２図、第６図及
び第７図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか
或いは同じ意味を持つものとする。尚、Ｅ　ｖは価電子
帯の上端を示している。
第１図乃至第３図から明らかなように、本発明に依る高
速半導体装置では、第６図及び第７図について説明した
従来のそれと比較すると、■　ベースＢがｐ型になって
いること ■　コレクタ側ポテンシャル・バリヤが存在しないこと ■　コレクタＣがｎ型になっていることの点で大きく相
違している。
このように、コレクタ側ポテンシャル・バリヤが存在し
ないことから、ベースＢで散乱を受けたキャリヤ（この
場合、エレクトロン）も容易にコレクタＣに達すること
ができるから電流利得は大きくなり、また、ベース・コ
レクタ間にはｐｎ接合が存在することから絶縁性は充分
に維持されている。
前記構成からすれば、本発明に依る高速半導体装置は、
共鳴トンネリングを利用したベテロ接合バイポーラ・ト
ランジスタ（ｒｅｓｏｎａｎｔ　−ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
　　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　　ｂｉｐｏｌａｒ
　　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＲＨＢＴ）と呼ぶことが適
切であろうと考えられる。また、この高速半導体装置で
は、前記実施例に見られるように、エミツタ層１７を構
成する半導体に、ベース層１４を構成する半導体に比較
して、エネルギ・ハンド・ギャップが大きいものを用い
ることに依り、ベース層１４からエミツタ層１７に正孔
が注入されるのを抑止することができるので、電子の注
入効率が増大し、より一層の電流利得改善を図ることが
できる。
第４図は本発明に依る他の実施例の要部切断側面図を表
し、第１図乃至第３図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
本実施例が第１図乃至第３図に関して説明した実施例と
相違する点は、ＧａＡｓ量子井戸層１６がＡｆｆ、Ｇａ
、−、Ａｓバリヤ層１５並びに１５’で挟まれているこ
とである。尚、バリヤ層１５′はバリヤ層１５と全く同
じ構成のものである。
第５図は第４図に関して説明した実施例のエネルギ・ハ
ンド・ダイヤグラムを表し、第１図乃至第４図、第６図
及び第７図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示す
か或いは同じ意味を持つものとする。
この実施例に依ると、第１図乃至第３図に関して説明し
た実施例に比較して、バリヤ作用が更に顕在化されるこ
とは云うまでもなく、例えばバリヤ層１５′及び１５を
越えるようなキャリヤは皆無となる。
前記各実施例に於いては、ｎｐｎ型トランジスタについ
て説明したが、これは、ｐｎｐ型にしても良いことは勿
論であり、また、量子井戸層は複数にしても良いことは
云うまでもない。
〔発明の効果〕
本発明に依る高速半導体装置に於いては、一導電型エミ
ッタ層に量子井戸を形成し、その−導電型エミッタ層か
ら共鳴トン不リングでキャリヤが注入される反対導電型
ベース層を形成し、その反対導電型ベース層との間でｐ
ｎ接合を生成させる一導電型エミッタ層を形成した構成
を採っている。
この構成に依れば、従来の共鳴トンネリング効果を利用
するホット・エレクトロン・トランジスタと同様に微分
負性抵抗特性を持つことができる為、３値の高速動作が
可能であり、しかも、コレクタ側ポテンシャル・バリヤ
が無いから、ベース層中で散乱を受けた電子もコレクタ
に到達することができるので、その電流利得は向上し、
また、ｐｎ接合の作用でベース・コレクタ間の絶縁性も
充分に維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明一実施例に用いるウェハの要部切断側面
図、第２図は本発明一実施例の要部切断側面図、第３図
は第２図に見られる実施例のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラム、第４図は本発明に於ける他の実施例の要部切断
側面図、第５図は第４図に見られる実施例のエネルギ・
バンド・ダイヤグラム、第６図（Ａ）及び（Ｂ）はＲＨ
ＥＴの要部切断側面図及びエネルギ・ハンド・ダイヤグ
ラム、第７図（Ａ）乃至（Ｃ）はＲＨＥＴの動作原理を
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、ＩＩは半絶縁性であるＧａＡｓ基板、１２
はｎ”型ＧａＡｓコレクタ・コンタクト層、１３はｎ型
ＧａＡｓコレクタ層、１４はｐ＋型ＧａＡｓベース層、
１５は”　ｙ　Ｇ　ａ　ｌ−ｙ　Ａ　５バリヤ層、１６
はＧａＡｓ量子井戸層、１７はｎ型”　ｘ　Ｇ　ａ　ｌ
−Ｘ　Ａ　Ｓエミツタ層、１８はｎ＋型ＧａＡｓエミッ
タ・コンタクト層、１９はエミッタ電極、２０はベース
電極、２１はコレクタ電極、Ｅはエミッタを構成する半
導体層、Ｂはベースを構成する半導体層、Ｃはコレクタ
を構成する半導体層をそれぞれ示している。 特許出願人　　　富士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司 代理人弁理士　　渡　邊　弘　一 実施例に用いるウェハの要部切断側面図第１図 実施例の要部切断側面図 第２図 実施例の要部切断側面図 第４図 φ　　　　　　φ く　　　　く （’）％”ｕの

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 エネルギ・サブ・バンドが生成される少なくとも一つの
    量子井戸が形成された一導電型エミッタ層と、 該一導電型エミッタ層から共鳴トンネリング効果に依っ
    てキャリヤが注入される反対導電型ベース層と、 該反対導電型ベース層との間にｐｎ接合を生成する一導
    電型コレクタ層とを備えてなることを特徴とする高速半
    導体装置。
JP60270803A 1985-12-03 1985-12-03 高速半導体装置 Expired - Fee Related JPH0611056B2 (ja)

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