JPS62245680A - 電界効果トランジスタ - Google Patents
電界効果トランジスタInfo
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- JPS62245680A JPS62245680A JP8930586A JP8930586A JPS62245680A JP S62245680 A JPS62245680 A JP S62245680A JP 8930586 A JP8930586 A JP 8930586A JP 8930586 A JP8930586 A JP 8930586A JP S62245680 A JPS62245680 A JP S62245680A
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- semiconductor layer
- gaas
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/7727—Velocity modulation transistors, i.e. VMT
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、高速の電子移動度を有し、かつ負性微分抵抗
の機能をも有する電界効果トランジスタ(以下負性微分
抵抗電界効果トランジスタと記す)に関するものである
。
の機能をも有する電界効果トランジスタ(以下負性微分
抵抗電界効果トランジスタと記す)に関するものである
。
(従来の技術)
従来、電界効果型のトランジスタにおいて負性微分抵抗
を発現させる技術として、アイ・イー・イー・イー・エ
レクトロン・デバイス・レターズ(IEEE。
を発現させる技術として、アイ・イー・イー・イー・エ
レクトロン・デバイス・レターズ(IEEE。
Electron Device Letters)誌
1983年EDL4巻334頁に記載されているような
技術が知られている。これは第3図に示す素子構造にお
いてソース電極31とドレイン電極32間の電子走行チ
ャンネル33内の電子を加速させて電子温度を上昇させ
、これによって電子を電子走行チャンネル33がら熱的
に溢れさせ、半導体層34を通して半導体層35へ熱的
に拡散させ、ソース電極31とドレイン電極32間で電
流に寄与する電子数を少なくせしめ、この結果、負性微
分抵抗を得んとするものである。
1983年EDL4巻334頁に記載されているような
技術が知られている。これは第3図に示す素子構造にお
いてソース電極31とドレイン電極32間の電子走行チ
ャンネル33内の電子を加速させて電子温度を上昇させ
、これによって電子を電子走行チャンネル33がら熱的
に溢れさせ、半導体層34を通して半導体層35へ熱的
に拡散させ、ソース電極31とドレイン電極32間で電
流に寄与する電子数を少なくせしめ、この結果、負性微
分抵抗を得んとするものである。
(発明が解決しようとする問題点)
しかしながら、上記記載の技術による負性微分抵抗を示
す電界効果トランジスタは、電界によって加速された電
子(ホットエレクトロン)の熱的拡散過程を利用するた
め、応答速度が低いという欠点を有する。本発明の目的
は、高速の電子移動度を有する電界効果トランジスタに
おいて、負性微分抵抗の機能をも有する素子構造を提供
することにある。
す電界効果トランジスタは、電界によって加速された電
子(ホットエレクトロン)の熱的拡散過程を利用するた
め、応答速度が低いという欠点を有する。本発明の目的
は、高速の電子移動度を有する電界効果トランジスタに
おいて、負性微分抵抗の機能をも有する素子構造を提供
することにある。
(問題点を解決するための手段)
本発明は、第1の半導体層上に順次積層された第2、第
3、第4の半導体層を少なくとも含む半導体積層構造と
、その」三方に設置された金属電極を備え、第4の半導
体層がn型にドープされ、第3の半導体層は第4の半導
体層よりも狭い禁制帯幅を有しかつ層厚が電子の平均自
由行程程度であり、第1の半導体層は第2の半導体層よ
りも狭く、第3の半導体層よりも広い禁制帯幅を有し、
かつ層厚が電子の平均自由行程程度であり、かつ第3の
半導体層よりも厚く、かつ不純物がドープされている負
性微分抵抗電界効果トランジスタである。
3、第4の半導体層を少なくとも含む半導体積層構造と
、その」三方に設置された金属電極を備え、第4の半導
体層がn型にドープされ、第3の半導体層は第4の半導
体層よりも狭い禁制帯幅を有しかつ層厚が電子の平均自
由行程程度であり、第1の半導体層は第2の半導体層よ
りも狭く、第3の半導体層よりも広い禁制帯幅を有し、
かつ層厚が電子の平均自由行程程度であり、かつ第3の
半導体層よりも厚く、かつ不純物がドープされている負
性微分抵抗電界効果トランジスタである。
:、+R,。
(3)う
(作用)
以下、図面を用いて本発明による負性微分抵抗電界効果
トランジスタの作用を説明する。まず本発明による負性
微分抵抗電界効果トランジスタのゲート電極付近のエネ
ルギーバンド構造を、ゲート電極に電位が加えられてい
ない場合について第2図(a)に示す。ここで横軸方向
は積層方向であり、縦軸はエネルギーである。第2図の
22の領域の26(Φ)は、電子を隣接する半導体層2
3に供給して正に帯電した不純物を表わす。半導体層2
3.25は、層厚が電子の平均自由行程程度(数10人
〜数100人)であるため、これは量子井戸であり、こ
れに供給された電子はこの量子井戸の量子準位27に蓄
積され、半導体層23.25の積層面に平行な方向に拡
がり、2次元的電子気体を形成する。ゲート電極21に
電位が加えられていないとき、半導体層25の量子準位
は半導体層23の量子準位よりも高エネルギー側にある
ように半導体層25の伝導バンド端を半導体層25の組
成により設定しであるので、電子は半導体層23に局在
し半導体層25にはほとんど存在しない。また本構造に
おいては電子は不純物位置から隔離され、それによる散
乱を受けないため、半導体層23の積層面に平行な方向
には電子は高速の移動度を有する。次にゲート電極21
に負電位を加えるとゲート電極付近のエネルギーバンド
構造は第2図(b)のようになる。このとき各半導体層
には電界が積層方向に加わるが、電界によって半導体層
23.25における量子準位27はそれぞれ低エネルギ
ー側へ移動する。本構造では半導体層25の層厚を半導
体層23の層厚よりも大きくしているため、量子準位の
低エネルギー側への移動量は半導体層23よりも半導体
層25の方が大きい。このため電界によって半導体層2
5の量子準位のエネルギーは半導体層23の量子準位の
エネルギーよりも低くなり、電子は半導体層24を量子
力学的にトンネル効果で通り抜けて半導体層25の量子
準位に蓄積される。半導体層25は不純物がドープされ
ているため、この半導体層内では不純物散乱により電子
の移動度は低減し、これにより半導体積層面に平行な方
向の電流が小さくなるため負性微分抵抗が発現される。
トランジスタの作用を説明する。まず本発明による負性
微分抵抗電界効果トランジスタのゲート電極付近のエネ
ルギーバンド構造を、ゲート電極に電位が加えられてい
ない場合について第2図(a)に示す。ここで横軸方向
は積層方向であり、縦軸はエネルギーである。第2図の
22の領域の26(Φ)は、電子を隣接する半導体層2
3に供給して正に帯電した不純物を表わす。半導体層2
3.25は、層厚が電子の平均自由行程程度(数10人
〜数100人)であるため、これは量子井戸であり、こ
れに供給された電子はこの量子井戸の量子準位27に蓄
積され、半導体層23.25の積層面に平行な方向に拡
がり、2次元的電子気体を形成する。ゲート電極21に
電位が加えられていないとき、半導体層25の量子準位
は半導体層23の量子準位よりも高エネルギー側にある
ように半導体層25の伝導バンド端を半導体層25の組
成により設定しであるので、電子は半導体層23に局在
し半導体層25にはほとんど存在しない。また本構造に
おいては電子は不純物位置から隔離され、それによる散
乱を受けないため、半導体層23の積層面に平行な方向
には電子は高速の移動度を有する。次にゲート電極21
に負電位を加えるとゲート電極付近のエネルギーバンド
構造は第2図(b)のようになる。このとき各半導体層
には電界が積層方向に加わるが、電界によって半導体層
23.25における量子準位27はそれぞれ低エネルギ
ー側へ移動する。本構造では半導体層25の層厚を半導
体層23の層厚よりも大きくしているため、量子準位の
低エネルギー側への移動量は半導体層23よりも半導体
層25の方が大きい。このため電界によって半導体層2
5の量子準位のエネルギーは半導体層23の量子準位の
エネルギーよりも低くなり、電子は半導体層24を量子
力学的にトンネル効果で通り抜けて半導体層25の量子
準位に蓄積される。半導体層25は不純物がドープされ
ているため、この半導体層内では不純物散乱により電子
の移動度は低減し、これにより半導体積層面に平行な方
向の電流が小さくなるため負性微分抵抗が発現される。
このように電子の走行チャンネル(半導体層23及び半
導体層25)を2つ設け、その間の電子の移動を量子力
学的なトンネル効果で行わせしめることが本発明の負性
微分抵抗トランジスタの最も重要な点である。この結果
、電子のホットエレクトロン化とその熱的拡散によって
ソース電極とドレイン電極間のキャリア密度を実効的に
減少させることを利用する従来の技術による負性微分抵
抗を示す電界効果トランジスタよりも高速のスイッチン
グ応答速度を得ることができる。
導体層25)を2つ設け、その間の電子の移動を量子力
学的なトンネル効果で行わせしめることが本発明の負性
微分抵抗トランジスタの最も重要な点である。この結果
、電子のホットエレクトロン化とその熱的拡散によって
ソース電極とドレイン電極間のキャリア密度を実効的に
減少させることを利用する従来の技術による負性微分抵
抗を示す電界効果トランジスタよりも高速のスイッチン
グ応答速度を得ることができる。
(実施例)
以下第1図の実施例により本発明による負性微分抵抗電
界効果トランジスタの構成ならびに電気的特性について
説明する。本実施例はCrをドープした表面が(100
)面の半絶縁性GaAs基板19上に分子線エピタキシ
ー(MBE)法と真空蒸着により作成した。
界効果トランジスタの構成ならびに電気的特性について
説明する。本実施例はCrをドープした表面が(100
)面の半絶縁性GaAs基板19上に分子線エピタキシ
ー(MBE)法と真空蒸着により作成した。
まず上記半絶縁性GaAs基板19にMBE法により順
次厚さlpmのノンドープGaAsバッファ層18、厚
す200人のCrドープAI0.I Gao、gAs層
17(第1の半導体層)、厚さ50人のノンドープAl
4)、3Gao、7As層16(第2の半導体層)、厚
さ100人のノンドープGaAs層15(第3の半導体
層)、厚さ500人のSiドープn型AlO,3GaO
,7As層14(第4の半導体層、Siのドーピング量
は2X1018cm−3)及び厚さ500人のn型ノン
ドープGaAs層13を成長させたあと、その」二面に
真空蒸着によりともに厚さlpm、長さ2p、m、幅3
00pmのゲート電極12、ソース電極10及びドレイ
ン電極11を設置した。ゲート電極部12はまずTiを
蒸着させ(厚さ0.7pm)、次にPtを蒸着させて(
厚さ0.6pm)、最後にAuを蒸着させて(厚さ0.
6pm、)作成した。ソース電極部10とドレイン電極
部11はともにまずAuGeを蒸着させ(厚さlpm)
、次にAuを蒸着させて(厚さlpm)作成した。
次厚さlpmのノンドープGaAsバッファ層18、厚
す200人のCrドープAI0.I Gao、gAs層
17(第1の半導体層)、厚さ50人のノンドープAl
4)、3Gao、7As層16(第2の半導体層)、厚
さ100人のノンドープGaAs層15(第3の半導体
層)、厚さ500人のSiドープn型AlO,3GaO
,7As層14(第4の半導体層、Siのドーピング量
は2X1018cm−3)及び厚さ500人のn型ノン
ドープGaAs層13を成長させたあと、その」二面に
真空蒸着によりともに厚さlpm、長さ2p、m、幅3
00pmのゲート電極12、ソース電極10及びドレイ
ン電極11を設置した。ゲート電極部12はまずTiを
蒸着させ(厚さ0.7pm)、次にPtを蒸着させて(
厚さ0.6pm)、最後にAuを蒸着させて(厚さ0.
6pm、)作成した。ソース電極部10とドレイン電極
部11はともにまずAuGeを蒸着させ(厚さlpm)
、次にAuを蒸着させて(厚さlpm)作成した。
ソース電極10とゲート電極12間の距離及びドレイン
電極11とゲート電極12間の距離はともに2pmとし
た。n型ノンドープGaAs層13は電極が容易に形成
されるように設けたもので無くてもよい(GaAs層1
3が無い場合は第4半導体層14に電極を形成する)。
電極11とゲート電極12間の距離はともに2pmとし
た。n型ノンドープGaAs層13は電極が容易に形成
されるように設けたもので無くてもよい(GaAs層1
3が無い場合は第4半導体層14に電極を形成する)。
上述のプロセスにより作成した本発明による負性微分抵
抗電界効果トランジスタのドレイン電極12とソース電
極11の間に一定の電圧0.5■を印加しておき、ゲー
ト電圧−VG[V]を印加し、ゲート電圧(VG)の変
化に対するドレイン電流(IDS)の変化量gm :
aIDs/aVaを111mゲート幅当たりで77にの
もとで測定すると、V=1.0■前後でgmが200m
5から一800m5へ急激に変化し負性微分抵抗が観測
された。このときのスイッチング時間はlps以下と見
積られる。従来のGaAs −MESFETではスイッ
チング時間は最高でも数Loopsであった。また上述
のドレイン電流の急激な変化の前後でのドレイン電流の
最大値と最小値の比は約30であった。また上述の過程
における電子移動度は77にでの測定の結果I X 1
05cm2/Vから5 X 103cm2/Vに変化し
ていることがわかり、ドレイン電流に寄与する電子の濃
度には変化は見られなかった。
抗電界効果トランジスタのドレイン電極12とソース電
極11の間に一定の電圧0.5■を印加しておき、ゲー
ト電圧−VG[V]を印加し、ゲート電圧(VG)の変
化に対するドレイン電流(IDS)の変化量gm :
aIDs/aVaを111mゲート幅当たりで77にの
もとで測定すると、V=1.0■前後でgmが200m
5から一800m5へ急激に変化し負性微分抵抗が観測
された。このときのスイッチング時間はlps以下と見
積られる。従来のGaAs −MESFETではスイッ
チング時間は最高でも数Loopsであった。また上述
のドレイン電流の急激な変化の前後でのドレイン電流の
最大値と最小値の比は約30であった。また上述の過程
における電子移動度は77にでの測定の結果I X 1
05cm2/Vから5 X 103cm2/Vに変化し
ていることがわかり、ドレイン電流に寄与する電子の濃
度には変化は見られなかった。
さらにゲート電圧がOvから−0,8■まででは負性微
分抵抗を示さず、従来の電界効果トランジスタと同じ機
能を有するが、lpmゲート幅当たりのgmの値として
20QmSが得られ(77K)、これは従来のGaAs
−MESFETの値(通常100m8前後)を凌ぐ値
である。このことは本発明による負性微分抵抗電界へ 効果トランジスタがトランジスタ動作の点においても従
来のGaAs −MBSFETに比べて高速性及び低消
費電力性に優れることを意味する。
分抵抗を示さず、従来の電界効果トランジスタと同じ機
能を有するが、lpmゲート幅当たりのgmの値として
20QmSが得られ(77K)、これは従来のGaAs
−MESFETの値(通常100m8前後)を凌ぐ値
である。このことは本発明による負性微分抵抗電界へ 効果トランジスタがトランジスタ動作の点においても従
来のGaAs −MBSFETに比べて高速性及び低消
費電力性に優れることを意味する。
(発明の効果)
このように本発明による負性微分抵抗電界効果トランジ
スタは、ゲート電圧の印加により高速かつ低消費電力の
電界効果トランジスタとして機能し、しかも特定のゲー
ト電圧の前後で負性微分抵抗による高速のスイッチング
素子としても機能し、高速論理素子等への応用に活用さ
れる。
スタは、ゲート電圧の印加により高速かつ低消費電力の
電界効果トランジスタとして機能し、しかも特定のゲー
ト電圧の前後で負性微分抵抗による高速のスイッチング
素子としても機能し、高速論理素子等への応用に活用さ
れる。
第1図は本発明による負性微分抵抗電界効果トランジス
タの構造図である。第2図は本発明による負性微分抵抗
電界効果トランジスタのゲート電極付近のエネルギーバ
ンド構造をしめす図で(a)はゲート電極に電位が加え
られていない場合、(b)はゲート電極に負電位を加え
た場合の図である。第3図は従来の電界効果型トランジ
スタの構造を示す図である。 第1図において 10ソース電極(厚さlpm、長さ2pm)11 ドレ
イン電極(厚さlpm、長さ2pm)12ゲート電極(
厚さlpm、長さ2pm)13 n型ノンドープGaA
s層(厚さ500人)14 Siドープn型AlO,3
Gao、7As層(厚さ500人)15ノンド一プGa
As層(厚さ100人)16ノンドープAI0.3Ga
0.7AS層(厚さ50人)17 CrドープAlo、
、Gao、gAs層(厚さ200人)18ノンド一プG
aAsバツフア層(厚さll1m)19半絶縁性GaA
s基板 第2図において 21ゲ一ト電極層 22 n型半導体層(電子供給層) 23量子井戸層 24障壁層 25量子井戸層 26イオン化した不純物 27電子の量子準位 第3図において 31ソース電極 32 ドレイン電極 33電子走行チャンネル 34半導体層 35半導体層 (n) 第/ゾ π シーX値地 // ドbイレ(ヅぜ区 ! ゲート輻し料U /3 π型ノシドーブ6aAs層 /4 5l−F’−)−nハゲAノリ、36シ/、vk
層と第4半橋らθす曽)/!;ノンF゛−ブqa i上
層(第3千阜林層)β ノンドーフAノρ、31rai
>、vA3層(X贋イ半県劇p/7ひ/”−)Ale4
qal−yAs眉で期l十岑林層)β ノX/F−ブの
、Lバ′ッフ1屓
タの構造図である。第2図は本発明による負性微分抵抗
電界効果トランジスタのゲート電極付近のエネルギーバ
ンド構造をしめす図で(a)はゲート電極に電位が加え
られていない場合、(b)はゲート電極に負電位を加え
た場合の図である。第3図は従来の電界効果型トランジ
スタの構造を示す図である。 第1図において 10ソース電極(厚さlpm、長さ2pm)11 ドレ
イン電極(厚さlpm、長さ2pm)12ゲート電極(
厚さlpm、長さ2pm)13 n型ノンドープGaA
s層(厚さ500人)14 Siドープn型AlO,3
Gao、7As層(厚さ500人)15ノンド一プGa
As層(厚さ100人)16ノンドープAI0.3Ga
0.7AS層(厚さ50人)17 CrドープAlo、
、Gao、gAs層(厚さ200人)18ノンド一プG
aAsバツフア層(厚さll1m)19半絶縁性GaA
s基板 第2図において 21ゲ一ト電極層 22 n型半導体層(電子供給層) 23量子井戸層 24障壁層 25量子井戸層 26イオン化した不純物 27電子の量子準位 第3図において 31ソース電極 32 ドレイン電極 33電子走行チャンネル 34半導体層 35半導体層 (n) 第/ゾ π シーX値地 // ドbイレ(ヅぜ区 ! ゲート輻し料U /3 π型ノシドーブ6aAs層 /4 5l−F’−)−nハゲAノリ、36シ/、vk
層と第4半橋らθす曽)/!;ノンF゛−ブqa i上
層(第3千阜林層)β ノンドーフAノρ、31rai
>、vA3層(X贋イ半県劇p/7ひ/”−)Ale4
qal−yAs眉で期l十岑林層)β ノX/F−ブの
、Lバ′ッフ1屓
Claims (1)
- 第1の半導体層に順次積層された第2、第3、第4の半
導体層を少なくとも含む半導体積層構造と、その上方に
設置された金属電極を備え、第4の半導体層がn型にド
ープされ、第3の半導体層は、第4の半導体層よりも狭
い禁制帯幅を有し、かつ層厚が電子の平均自由行程程度
であり、第2の半導体層は、第3の半導体層より広禁制
帯幅を有し、かつ層厚が電子の平均自由行程程度であり
、第1の半導体層は、第2の半導体層より狭く第3の半
導体層より広い禁制帯幅を有し、かつ層厚が電子の平均
自由行程程度であり、かつ第3の半導体層よりも厚く、
かつ不純物がドープされていることを特徴とする電界効
果トランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8930586A JPS62245680A (ja) | 1986-04-17 | 1986-04-17 | 電界効果トランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8930586A JPS62245680A (ja) | 1986-04-17 | 1986-04-17 | 電界効果トランジスタ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62245680A true JPS62245680A (ja) | 1987-10-26 |
Family
ID=13966951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8930586A Pending JPS62245680A (ja) | 1986-04-17 | 1986-04-17 | 電界効果トランジスタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62245680A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5258632A (en) * | 1990-08-31 | 1993-11-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Velocity modulation transistor |
US5594262A (en) * | 1994-06-06 | 1997-01-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Elevated temperature gallium arsenide field effect transistor with aluminum arsenide to aluminum gallium arsenide mole fractioned buffer layer |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6154670A (ja) * | 1984-08-25 | 1986-03-18 | Fujitsu Ltd | 半導体記憶装置 |
-
1986
- 1986-04-17 JP JP8930586A patent/JPS62245680A/ja active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6154670A (ja) * | 1984-08-25 | 1986-03-18 | Fujitsu Ltd | 半導体記憶装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5258632A (en) * | 1990-08-31 | 1993-11-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Velocity modulation transistor |
US5594262A (en) * | 1994-06-06 | 1997-01-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Elevated temperature gallium arsenide field effect transistor with aluminum arsenide to aluminum gallium arsenide mole fractioned buffer layer |
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