JPS63239867A - Semiconductor memory cell - Google Patents

Semiconductor memory cell

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JPS63239867A
JPS63239867A JP62071350A JP7135087A JPS63239867A JP S63239867 A JPS63239867 A JP S63239867A JP 62071350 A JP62071350 A JP 62071350A JP 7135087 A JP7135087 A JP 7135087A JP S63239867 A JPS63239867 A JP S63239867A
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JP
Japan
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semiconductor
region
layer
memory element
semiconductor layer
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Application number
JP62071350A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunihiro Arai
邦博 荒井
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPS63239867A publication Critical patent/JPS63239867A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types 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
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/80Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
    • H01L29/802Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with heterojunction gate, e.g. transistors with semiconductor layer acting as gate insulating layer, MIS-like transistors
    • H01L29/803Programmable transistors, e.g. with charge-trapping quantum well

Abstract

PURPOSE:To obtain a nondestructive reading memory of a sole element with a simple structure at a high speed by forming a source region and a drain region, and at least statically electrically interrupted charge storage region between a channel forming region and a gate electrode. CONSTITUTION:A P-type GaAs layer 103 is etched to a depth having no static continuity with a charge storage layer 112 at source region 107 and drain region 109 at both positions for holding a gate electrode 105. When a source electrode 108 and a drain electrode 110 are electrically continuous, the energy of the layer 112 is reduced lower than the Fermi energy (EF) of the electrode 108, but the electric continuity between the electrode 108 and the region 112 is interrupted by the hill of a potential between a channel forming region 111 and the region 112. Thus, the state that electrons are stored is '1' (or '0') at the region 112, the state that the electrons are not stored is '0' (or '1') to write information, and information can be nondestructively read by the conduction of the different channel forming regions of the two states.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速で低電力な、半導体記憶素子に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a high-speed, low-power semiconductor memory element.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、本発明と類似の半導体記憶素子としては第7図に
示すものが知られている(J、A。
Conventionally, as a semiconductor memory element similar to the present invention, the one shown in FIG. 7 has been known (J, A.

Cooper、 J r、 M 、 R、Melloc
hおよびQ−DQian、 1986年国際電子素子会
議(IEDM86)テクニカルダイジェスト、452頁
)、第7図において、1は半絶縁性GaAs基板、2は
p型GaAs層、3はアンドープAQ GaAs層、4
および6はn+GaAs層、5,7および9はオーミッ
ク電極、8はn0領域、10および12はp+領領域1
1および13はオーミック電極である。上記素子ではつ
ぎに説明するように、1つの素子で非破壊読出しが可能
である。まず、オーミック電極7に、電極9に対する正
の電圧を印加する。この状態で電極5に正の電圧を印加
すれば、電極9から電極7へ電子が流れ、nゝGaAs
層6の直下に図中・印で示すように電子が蓄積される。
Cooper, J.R., M.R., Melloc.
In FIG. 7, 1 is a semi-insulating GaAs substrate, 2 is a p-type GaAs layer, 3 is an undoped AQ GaAs layer, and 4 is a semi-insulating GaAs substrate.
and 6 are n+ GaAs layers, 5, 7 and 9 are ohmic electrodes, 8 is n0 region, 10 and 12 are p+ region 1
1 and 13 are ohmic electrodes. With the above element, non-destructive readout is possible with one element, as will be explained below. First, a positive voltage relative to the electrode 9 is applied to the ohmic electrode 7 . If a positive voltage is applied to the electrode 5 in this state, electrons flow from the electrode 9 to the electrode 7, and the n.GaAs
Electrons are accumulated directly under the layer 6 as shown by the marks in the figure.

しかし、オーミック電極5に正の電圧を印加しなければ
、上記n”GaAs層6の直下に電子が蓄積されること
はない、つまり、オーミック電WA5に電圧を印加する
ことにより、n’GaAs層6直下の電子蓄積層という
形で情報が書き込まれたことになる。上記情報の読出し
は電極11と電極13との間の伝導度の変化という形で
非破壊に読出すことができる。すなわち、n+GaAs
層6の直下に電子の蓄積層がある場合にはn’GaAs
層6からの電界が、上記電子の蓄積層により遮蔽される
ため、p型GaAs!!12の空乏層は14の破線で示
すように半絶縁性基板1に達することがなく、電極11
と電極13とは電気的に導通している。上記n”GaA
s層6の直下に電子蓄積層がない場合には、上記空乏層
が半絶縁性基板1に達し電極11と電極13とは電気的
に遮断される。
However, unless a positive voltage is applied to the ohmic electrode 5, electrons will not be accumulated directly under the n'GaAs layer 6. In other words, by applying a voltage to the ohmic electrode WA5, the n'GaAs layer This means that information has been written in the electron storage layer directly below 6. The above information can be read out non-destructively in the form of a change in conductivity between electrode 11 and electrode 13. That is, n+GaAs
If there is an electron storage layer directly below layer 6, n'GaAs
Since the electric field from layer 6 is shielded by the electron accumulation layer, p-type GaAs! ! The depletion layer 12 does not reach the semi-insulating substrate 1 as shown by the broken line 14, and the depletion layer 12 does not reach the semi-insulating substrate 1.
and electrode 13 are electrically connected. The above n”GaA
If there is no electron storage layer directly below the s-layer 6, the depletion layer reaches the semi-insulating substrate 1, and the electrodes 11 and 13 are electrically isolated.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上記従来素子は、つぎに示すような問題点を有している
。第1に、素子の構造上電極11と電極13との間に3
つの電極9,5および7を設けなければならない。した
がって、電極11と電極13とを近づける上では構造上
の限界を有し、上記素子を高速化するためには上記両電
極間距離を短かくすることが不可欠であるため、上記従
来素子は構造上高速化に適さない。第2に、上記従来素
子では電、極11と電極13との間の電流坦体として正
孔を用い、  ている。よく知られているように、G 
a A sの正孔の移動度は電子に比べて10分の1以
下と小さい。
The conventional element described above has the following problems. First, due to the structure of the element, there is a
Two electrodes 9, 5 and 7 must be provided. Therefore, there is a structural limit to bringing the electrodes 11 and 13 closer together, and it is essential to shorten the distance between the two electrodes in order to speed up the device. Not suitable for high speed. Second, in the conventional element described above, holes are used as current carriers between the electrodes 11 and 13. As is well known, G.
The mobility of holes in a A s is one-tenth or less of that of electrons.

・  したがって、上記従来素子は構造的に高速化には
適さない。また第3に、上記従来素子は素子構造が複雑
であり、良好な均一性と再現性を得るためには、高精度
のプロセス制御が要求される。このため、プロセスの余
裕が乏しく、規模が大きなメモリLSIには適用できな
い。
- Therefore, the above-mentioned conventional element is structurally unsuitable for increasing speed. Thirdly, the conventional device described above has a complicated device structure, and highly accurate process control is required in order to obtain good uniformity and reproducibility. Therefore, it cannot be applied to large-scale memory LSIs with insufficient processing margin.

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、高速でかつ構
造が単純な、単一素子の非破壊読出しメモリである半導
体記憶素子を得ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a semiconductor memory element that is a single-element non-destructive read memory that is high-speed and has a simple structure.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、少なくともソース領域、ドレイン領域、ゲ
ート電極およびチャネル形成領域を有する半導体記憶素
子において、上記チャネル形成領域とゲート電極との間
に、ソース領域およびドレイン領域と、少なくとも静的
には電気的に遮断された電荷蓄積領域とを設けることに
より達成される。
The above object is to provide a semiconductor memory element having at least a source region, a drain region, a gate electrode, and a channel formation region, in which the source region and the drain region are at least statically electrically connected between the channel formation region and the gate electrode. This is achieved by providing a blocked charge storage region.

〔作用〕[Effect]

本発明は、単一のソース領域、単一のドレイン領域、単
一のチャネル形成領域および単一のゲート電極を備えた
nチャネル電界効果トランジスタにおいて、上記チャネ
ル形成領域とゲート電極との間に、ソース電極およびド
レイン電極と静的には電気的に遮断されたポテンシャル
の井戸を設は上記井戸中に電子を蓄積した状態を1(ま
たは0[とし、上記井戸中に電子を蓄積しない状態をO
(または1)として情報の書き込みを行い、上記2つの
状態による−なるチャネル形成領域の伝導度により、情
報の非破壊読出しを行うことを最も主要な特徴とする。
The present invention provides an n-channel field effect transistor including a single source region, a single drain region, a single channel forming region, and a single gate electrode, in which between the channel forming region and the gate electrode, A potential well that is statically electrically isolated from the source and drain electrodes is provided.The state in which electrons are accumulated in the well is defined as 1 (or 0), and the state in which no electrons are accumulated in the well is defined as O.
The most important feature is that information is written as (or 1), and that information is read non-destructively by the conductivity of the channel forming region which is - depending on the above two states.

本発明が従来技術と異なる点は、つぎのとおりである。The present invention differs from the prior art in the following points.

第1に本発明では、ソース電極、ゲート電極、ドレイン
電極の配置が通常の電界効果トランジスタと同じであり
、ソース電極とドレイン電極との間に単一の電極(ゲー
ト電極)があるだけであるのに対し、従来技術ではソー
ス電極とドレイン電極との間に3つの電極(第7図の5
,7゜9)を設ける必要がある。そのため、ソース電極
とドレイン電極との間隔縮少による高速化に構造上の限
界があるが、本発明では上記限界がなく、より高速の素
子を実現できる。また第2に、本発明では電子だけを用
い正孔を用いないが、従来技術では電子と正孔との両方
を用いている。よく知られるように正孔の走行速度は電
子の走行速度より遅い(GaAsの場合はl/10以下
)。したがって、従来技術では、素子の動作速度が正孔
によって制限されるのに対し、本発明は上記制限がなく
高速素子を実現できる。・さらに第3に、従来技術は2
つのゲート電極、2つのp+領領域2つのp型オーミッ
ク電極、1つのn1領域、1つのn型オーミック電極を
含み、素子構造が複雑であるため、良好な均一性を得る
上で許容されるプロセス余裕が少ないが、本発明は素子
構造および製作プロセスがより単純であり、均一性・再
現性を得る上で有利である。
First, in the present invention, the arrangement of the source electrode, gate electrode, and drain electrode is the same as that of a normal field effect transistor, and there is only a single electrode (gate electrode) between the source electrode and the drain electrode. On the other hand, in the conventional technology, there are three electrodes (5 in Fig. 7) between the source electrode and the drain electrode.
, 7°9). Therefore, there is a structural limit to speeding up by reducing the distance between the source electrode and the drain electrode, but the present invention does not have this limit and can realize a higher speed device. Second, the present invention uses only electrons and does not use holes, whereas the prior art uses both electrons and holes. As is well known, the traveling speed of holes is slower than that of electrons (l/10 or less in the case of GaAs). Therefore, in the prior art, the operating speed of the device is limited by holes, whereas the present invention does not have the above limitations and can realize a high-speed device.・Thirdly, the conventional technology is
Since the device structure is complex, including two gate electrodes, two p+ regions, two p-type ohmic electrodes, one n1 region, and one n-type ohmic electrode, it is an acceptable process to obtain good uniformity. Although there is little margin, the device structure and manufacturing process of the present invention are simpler, which is advantageous in obtaining uniformity and reproducibility.

〔実施例〕〔Example〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明による半導体記憶素子の第1実施例を示
す断面図、第2図は上記実施例の動作原理を示すエネル
ギーバンド図、第3図は上記実施例の電気特性を示す図
、第4図は本発明の第2実施例のエネルギーバンド図、
第5図は本発明の第3実施例を示す断面図、第6図にお
いて、(a)は上記第3実施例のエネルギーバンド図、
(b)は第4実施例のエネルギーバンド図、(c)は第
5実施例のエネルギーバンド図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a semiconductor memory element according to the present invention, FIG. 2 is an energy band diagram showing the operating principle of the above embodiment, and FIG. 3 is a diagram showing electrical characteristics of the above embodiment. FIG. 4 is an energy band diagram of the second embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a sectional view showing the third embodiment of the present invention, and in FIG. 6, (a) is an energy band diagram of the third embodiment,
(b) is an energy band diagram of the fourth embodiment, and (c) is an energy band diagram of the fifth embodiment.

第1実施例 第1図において、101は半絶縁性GaAs基板、10
2はn型AQxGal−xAJ (例えばx =0.3
.不純物濃度I X 10” am−3+ fiAg2
00A)、103ハp型GaAs層(例えば膜厚500
人)、104はA Q y G 81−yAJ!7(例
えば、不純物濃度10”C1m−’以下v’!=0.4
5.膜厚300人)、105はn1型G a A s層
(例えば膜厚500人)よりなるゲート電極、106は
ゲート抵抗を低減するために設けた金属III(例えば
W S i膜)、107.109はそれぞれ例えばSi
をイオン注入して形成したソースおよびドレインのn+
領領域108、110は例えばAuGe/Niよりなる
ソース電極およびドレイン電極をそれぞれ示している。
First Embodiment In FIG. 1, 101 is a semi-insulating GaAs substrate;
2 is n-type AQxGal-xAJ (e.g. x = 0.3
.. Impurity concentration I x 10” am-3+ fiAg2
00A), 103 hap-type GaAs layer (for example, film thickness 500
), 104 is A Q y G 81-yAJ! 7 (for example, impurity concentration 10"C1m-' or less v'!=0.4
5. 105 is a gate electrode made of an n1 type GaAs layer (eg, 500 layers thick), 106 is a metal III provided to reduce gate resistance (eg, W Si film), 107. 109 are each, for example, Si
Source and drain n+ formed by ion implantation
The regions 108 and 110 respectively represent a source electrode and a drain electrode made of, for example, AuGe/Ni.

111はチャネル形成領域、112は電荷蓄積領域であ
る。上記p型GaAs層103は、ゲート電極105を
挟む両位置において、ソース領域107およびドレイン
領域109が電荷蓄積層112と静的な導通をもっこと
がない深さまでエツチングされている。
111 is a channel forming region, and 112 is a charge storage region. The p-type GaAs layer 103 is etched to such a depth that the source region 107 and drain region 109 have no static conduction with the charge storage layer 112 at both positions sandwiching the gate electrode 105 .

上記素子の動作原理を、第2図のエネルギーバンド図お
よび第3図(a)に示すIo(ドレイン電流)−VG(
ゲート電圧)特性図を用いて説明する。第2図(a)は
ゲート電極105に電圧を印加しない状態のエネルギー
バンド図であるが、この状態ではチャネル形成領域11
1のエネルギーは。
The operating principle of the above element is illustrated in the energy band diagram of Fig. 2 and Io (drain current) - VG (
This will be explained using a characteristic diagram (gate voltage). FIG. 2(a) is an energy band diagram in a state where no voltage is applied to the gate electrode 105. In this state, the channel forming region 11
What is the energy of 1?

ソース電極108のフェルミエネルギーE、より大きい
ため、上記チャネル形成領域111に電子層が形成され
ない、したがって、ソース電極108とドレイン電極1
10との間の電気的導通はない。
Since the Fermi energy E of the source electrode 108 is larger, an electron layer is not formed in the channel forming region 111. Therefore, the source electrode 108 and the drain electrode 1
There is no electrical continuity with 10.

ゲート電極105に正のゲート電圧VGを印加してゆく
と、VGがしきい値vT□を超えたところからチャネル
形成領域111のエネルギーがソース電極108のフェ
ルミエネルギー(第3図(b)のEF)より小さくなる
ため、チャネル形成領域111に電子層が形成される。
When a positive gate voltage VG is applied to the gate electrode 105, the energy of the channel formation region 111 changes from the point where VG exceeds the threshold value vT□ to the Fermi energy of the source electrode 108 (EF ), an electronic layer is formed in the channel forming region 111.

したがって、ソース電極108とドレイン電極110は
電気的に導通する。このとき、電荷蓄積領域112のエ
ネルギーもソース電極108のフェルミエネルギー(第
2図(b)のEF)より小さくなるが、チャネル形成領
域111と電荷蓄積領域112との間にあるポテンシャ
ルの丘によって、ソース電極108と電荷蓄積領域11
2との電気的導通が遮断されるため、電荷蓄積領域11
2に電荷が蓄積されることはない、チャネル形成領域1
11における電子層の電子密度は、ゲート電圧V。
Therefore, source electrode 108 and drain electrode 110 are electrically connected. At this time, the energy of the charge storage region 112 also becomes smaller than the Fermi energy of the source electrode 108 (EF in FIG. 2(b)), but due to the potential hill between the channel formation region 111 and the charge storage region 112, Source electrode 108 and charge storage region 11
Since electrical continuity with the charge storage region 11 is cut off, the charge storage region 11
Channel forming region 1 in which no charge is accumulated in 2
The electron density of the electron layer at 11 is the gate voltage V.

とともに増大するため、ドレイン電流IOはゲート電圧
Vaとともに増大する(第3図(a)参照)。
Therefore, the drain current IO increases with the gate voltage Va (see FIG. 3(a)).

ゲート電圧VGが第1の臨界電圧Vcより大きくなると
、第2図(c)に示すようにチャネル形成領域111と
電荷蓄積領域112との間のポテンシャルの丘を慈えて
、電子がチャネル形成領域111がら電荷蓄積領域11
2に移動する。この結果、チャネル形成領域111の電
子層における電子密度が著しく減少し、ドレイン電流I
oは第3図(a)に示すように激減する。上記の状態か
らゲート電圧VGを減少してゆくとき、第2図(d)に
示すように電荷蓄積領域112には電子が蓄積され、チ
ャネル形成領域中には電子層が形成されない状態が保持
される。つまり、ソース電極108とドレイン電極11
0が電気的に遮断された状態が保持される(第3図(a
)参照)、このとき、電荷蓄積領域112に蓄積された
電子は、ソース電極108と熱平衡状態にないが、チャ
ネル形成領域111と電荷蓄積領域112との間にポテ
ンシャルの丘があるため、ソース電極10gに流れ出る
ことがない。
When the gate voltage VG becomes higher than the first critical voltage Vc, as shown in FIG. empty charge accumulation region 11
Move to 2. As a result, the electron density in the electron layer of the channel forming region 111 decreases significantly, and the drain current I
o decreases drastically as shown in FIG. 3(a). When the gate voltage VG is decreased from the above state, electrons are accumulated in the charge storage region 112 as shown in FIG. 2(d), and a state in which no electron layer is formed in the channel formation region is maintained. Ru. In other words, the source electrode 108 and the drain electrode 11
0 is kept electrically cut off (see Figure 3 (a)
)) At this time, the electrons accumulated in the charge storage region 112 are not in thermal equilibrium with the source electrode 108, but since there is a potential hill between the channel formation region 111 and the charge storage region 112, 10g does not flow out.

ゲート電圧VGが第2の臨界電圧VC2より小さくなる
と、第2図(e)に示すようにチャネル形成領域111
と電荷蓄積領域112との間のポテンシャルの丘を越え
て、電子が電荷蓄積領域112からチャネル形成領域1
11に移動する。上記電子は過渡的な電流となって、第
3図(a)に破線で示すようにドレイン電極110に流
れ出る。電荷蓄積領域112に蓄積されていた電子が放
出されたあとは、ソース電極108とドレイン電極11
0は再び電気的に遮断状態になる。
When the gate voltage VG becomes smaller than the second critical voltage VC2, the channel formation region 111 as shown in FIG.
The electrons cross the potential hill between the charge storage region 112 and the charge storage region 112 and flow into the channel formation region
Move to 11. The electrons become a transient current and flow out to the drain electrode 110 as shown by the broken line in FIG. 3(a). After the electrons stored in the charge storage region 112 are released, the source electrode 108 and the drain electrode 11
0 becomes electrically cut off again.

こののち、ゲート電圧VGを増大してゲート電圧を0ボ
ルトにすると、本動作原理の説明で最初に記した状態に
もどる。本実施例は、非破壊読出しメモリとして用いる
ことができる。すなわち、電荷蓄積領域112に電子層
がある状態を1(またはO)、電子層がない状態を0(
または1)とすればよい。読出しは、ゲート電圧がしき
い値VTと第1の臨界電圧Vcmとの間の値v0のとき
のドレイン電流値IDにより非破壊に行うことができる
。1(または0)を書き込むときは、ゲート電圧VGを
、−変温1の臨界電圧Vcmより大きな値V□にすれば
よい。0(または1)を書き込むときにはゲート電圧V
aを、一度、第2の臨界電圧VCzより小さな値v2と
すればよい。ここで5.シきい値V丁、第1の臨界電圧
vc1、第2の臨界電圧Vc)の値は、それぞれn型A
Q xGal−XAS1102、GaAs層103、お
よびAQ 、Ga0.AJ1104の膜厚および不純物
濃度の関数であり、これらの諸量を適切に設定すること
により、所望のV 丁+vc1.vc2の値を得ること
が可能である。
Thereafter, when the gate voltage VG is increased to bring the gate voltage to 0 volts, the state returns to the state described at the beginning in the explanation of this operating principle. This embodiment can be used as a non-destructive read memory. In other words, 1 (or O) indicates that there is an electron layer in the charge storage region 112, and 0 (or O) indicates that there is no electron layer in the charge storage region 112.
Alternatively, 1) may be used. Reading can be performed non-destructively using the drain current value ID when the gate voltage is a value v0 between the threshold value VT and the first critical voltage Vcm. When writing 1 (or 0), the gate voltage VG may be set to a value V□ larger than the critical voltage Vcm of −temperature 1. When writing 0 (or 1), gate voltage V
It is sufficient to set a once to a value v2 smaller than the second critical voltage VCz. Here 5. The values of the threshold value Vd, the first critical voltage vc1, and the second critical voltage Vc are respectively n-type A
QxGal-XAS1102, GaAs layer 103, and AQ, Ga0. It is a function of the film thickness and impurity concentration of AJ1104, and by appropriately setting these quantities, the desired V + vc1. It is possible to obtain the value of vc2.

第3図(b)のIo(ドレイン電流)−VG(ゲート電
圧)特性例に示すように、しきい値VTを負の値とし、
voを0ボルト、vよとV2の絶対値を等しく選ぶこと
も可能である。
As shown in the Io (drain current) vs. VG (gate voltage) characteristic example in FIG. 3(b), the threshold value VT is set to a negative value,
It is also possible to choose vo to be 0 volts and the absolute values of v and V2 to be equal.

上記のように本実施例は、素子構造および製作プロセス
が従来例に較べて簡単であり、かつ電子と正孔との双方
を用いた従来例と異なり、電子だけを用いた単一素子の
非破壊読出しメモリであるため、従来例に較べ動作速度
の向上、および均一性、再現性の向上という点で改善さ
れる。
As mentioned above, the device structure and manufacturing process of this example are simpler than those of the conventional example, and unlike the conventional example that uses both electrons and holes, this example is a non-conventional single element that uses only electrons. Since it is a destructive read memory, it is improved in terms of improved operating speed, uniformity, and reproducibility compared to the conventional example.

第2実施例 第4図は本発明の第2実施例を説明するエネルギーバン
ド図である1本実施例は第1実施例におけるp型のGa
As層1103を、不純物濃度が1015CI””以下
のAQ zGal−zAsNI103.’で置替えたも
のである。ここでAQ組成2はn型A Q x G a
□−8As層102との界面近傍でゼロであり、また、
AQyGal−yAs層104との界面近傍でゼロであ
り。
Second Embodiment FIG. 4 is an energy band diagram for explaining the second embodiment of the present invention. This embodiment is a p-type Ga in the first embodiment.
The As layer 1103 is made of AQ zGal-zAsNI103. '. Here, AQ composition 2 is n-type A Q x Ga
It is zero near the interface with the □-8As layer 102, and
It is zero near the interface with the AQyGal-yAs layer 104.

膜の中央部でゼロでない値(例えばz =0.2)をと
るように連続的に変化しているものとする。本実施例で
はAQ組成を連続的に変化させる必要があるが、しきい
値に影響を与えるp型層を用いないため、第1実施例に
較べしきい値の制御が容易である。従来例からの改善点
は第1実施例と同じである。
It is assumed that z changes continuously to take a non-zero value (for example, z = 0.2) at the center of the film. In this embodiment, it is necessary to continuously change the AQ composition, but since a p-type layer that affects the threshold value is not used, the threshold value can be controlled more easily than in the first embodiment. Improvements over the conventional example are the same as in the first embodiment.

第3実施例 第5図は本発明の第3実施例を示す素子断面図である。Third embodiment FIG. 5 is a sectional view of an element showing a third embodiment of the present invention.

201は半絶縁性GaAs基板、202はGaAs層(
例えば膜厚2000人)、203はAn xGa、−x
As層(例えばx =0.2.膜厚200人)、204
はG a A s層(例えば膜厚300人)、205は
AlyGa1−yAs層(y =o、4s、膜厚200
人)、206はn+型G a A s層、207は金属
膜(例えばWSi膜)、 208はn+型のソース領域
、209はソース電極、210はn+型のドレイン領域
、211はドレイン電極である。ここで。
201 is a semi-insulating GaAs substrate, 202 is a GaAs layer (
For example, film thickness 2000), 203 is An xGa, -x
As layer (e.g. x = 0.2, film thickness 200), 204
205 is a GaAs layer (for example, thickness 300), and 205 is an AlyGa1-yAs layer (y = o, 4s, thickness 200).
206 is an n+ type GaAs layer, 207 is a metal film (for example, WSi film), 208 is an n+ type source region, 209 is a source electrode, 210 is an n+ type drain region, and 211 is a drain electrode. . here.

上記202.203.204.205の各層はアンドー
プ(不純物濃度10”ell−’以下)の半導体膜であ
るとする。
It is assumed that each of the layers 202, 203, 204, and 205 described above is an undoped (impurity concentration of 10"ell-' or less) semiconductor film.

212はチャネル形成領域、213は電荷蓄積領域であ
る。本実施例のエネルギーバンドを第6図(a)に示す
。図における破線はゲート電圧VGがOボルトの場合、
実線はゲート電圧がしきい値VTより大きい場合である
。本実施例の特徴は、本実施例で用いる半、導体層がア
ンドープ層またはn+型の層だけであるため、しきい値
VT、第1の臨界電圧VCい第2の臨界電圧vc2の制
御のために要求される不純濃度制御の精度が、第1実施
例、第2実施例よりも低くてすみ、プロセス余裕をより
大きくとることができる点である。従来例からの改善点
は上記第1実施例と同じである。
212 is a channel forming region, and 213 is a charge storage region. The energy band of this example is shown in FIG. 6(a). The broken line in the figure indicates when the gate voltage VG is O volts,
The solid line indicates the case where the gate voltage is greater than the threshold value VT. The feature of this embodiment is that the semi-conductor layer used in this embodiment is only an undoped layer or an n+ type layer, so that it is difficult to control the threshold voltage VT, the first critical voltage VC, and the second critical voltage VC2. The accuracy of impurity concentration control required for this purpose is lower than that in the first and second embodiments, and a larger process margin can be secured. Improvements over the conventional example are the same as in the first embodiment.

第4実施例 本実施例は、第3実施例のアンドープGaAs層204
を、n+型のGaAs層204′で置替えたものである
0本実施例の特徴は、第3実施例に比してゲート電極2
06とチャネル形成領域212との間の容量が大きいた
め、第3実施例に較べ電荷蓄積領域213に電子が蓄積
されていない状態、つまり、0(または1)の状態での
相互コンダクタンスが大きい点である。従来例からの改
善点は第1実施例と同じである。
Fourth Embodiment This embodiment is based on the undoped GaAs layer 204 of the third embodiment.
is replaced with an n+ type GaAs layer 204'.The feature of this embodiment is that the gate electrode 2 is replaced with an n+ type GaAs layer 204' compared to the third embodiment.
Since the capacitance between 06 and the channel forming region 212 is large, the mutual conductance in the state where no electrons are stored in the charge storage region 213, that is, in the state of 0 (or 1), is large compared to the third embodiment. It is. Improvements over the conventional example are the same as in the first embodiment.

第5実施例 本実施例は、第3実施例のアンドープG a A s層
204の膜厚をゼロとし、AQxGa□−xAgAs5
205成Xを、GaAs層202の側からA12 、G
a1−、As5205の側に向って単調に減少させたも
のである。
Fifth Embodiment In this embodiment, the film thickness of the undoped GaAs layer 204 of the third embodiment is set to zero, and AQxGa□-xAgAs5
A12, G
a1-, which monotonically decreases toward the As5205 side.

本実施例の特徴は第3実施例と同様に、プロセス余裕を
大きくとることができる点、および、しきい値V丁と第
2の臨界電圧VC,との差、IVT−VC21を小さく
できる点である。従来例か鹸敲善点は第1実施例と同じ
である。
Similar to the third embodiment, the features of this embodiment are that a large process margin can be taken, and that the difference between the threshold value V and the second critical voltage VC, IVT-VC21, can be made small. It is. The advantages of the conventional example are the same as those of the first embodiment.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

上記のように本発明による半導体記憶素子は、少なくと
もソース領域、ドレイン領域、ゲート電極、およびチャ
ネル形成領域を有する半導体記憶素子において、上記チ
ャネル形成領域とゲート電極との間に、ソース領域およ
びドレイン領域と少なくとも静的には電気的に遮断され
た電荷蓄積領域を設けたことにより、上記電荷蓄積領域
の電子層の有無により情報を書き込み、チャネル形成領
域の電子層の伝導度により情報の非破壊読出しを行うと
いう、簡単な構成で電子だけを利用した単一素子の非破
壊読出しメモリであるから、素子の微細化に適しており
、動作速度が速く、製作プロセスの余裕が大きいという
利点をもっている。
As described above, in the semiconductor memory element according to the present invention, the semiconductor memory element has at least a source region, a drain region, a gate electrode, and a channel formation region. By providing a charge storage region that is electrically isolated at least statically, information can be written depending on the presence or absence of the electronic layer in the charge storage region, and information can be read non-destructively based on the conductivity of the electronic layer in the channel forming region. Because it is a single-element nondestructive readout memory that uses only electrons and has a simple configuration, it is suitable for miniaturization of elements, has the advantage of high operating speed, and a large margin in the manufacturing process.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による半導体記憶素子の第1実施例を示
す断面図、第2図(a)”(e)は上記実施例の動作原
理をそれぞれ示すエネルギーバンド図、第3図(a)、
(b)はそれぞれ上記実施例の電気特性を示す図、第4
図は本発明の第2実施例のエネルギーバンド図、第5図
は本発明の第3実施例を示す断面図、第6図はエネルギ
ーバンド図で、(a)は上記第3実施例のエネルギーバ
ンド図、(b)は第4実施例のエネルギーバンド図、(
c)は第5実施例のエネルギーバンド図、第7図は従来
の半導体記憶素子を示す断面図である。 105、206・・・ゲート電極 107、208・・・ソース領域 108、209・・・ソース電極 109、210・・・ドレイン領域 110、211・・・ドレイン電極 111、212・・・チャネル形成領域112、213
・・・電荷蓄積領域 特許出願人  日本電信電話株式会社 代理人弁理士  中 村 純 之 助 津1 洲 (CI)  矛2じコ1 ケ2 ■ (C) (e) ゛全3閾 貨4  k”::’ 引取−一109÷和小−一−103’−一一一102−
・叱5  l*7(、j ン1i 令61.、Fつ′1
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a semiconductor memory element according to the present invention, FIGS. 2(a) and 2(e) are energy band diagrams showing the operating principle of the above embodiment, and FIG. 3(a) ,
(b) is a diagram showing the electrical characteristics of the above embodiment, and the fourth
The figure is an energy band diagram of the second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a sectional view showing the third embodiment of the present invention, FIG. 6 is an energy band diagram, and (a) is the energy band diagram of the third embodiment. Band diagram, (b) is the energy band diagram of the fourth embodiment, (
c) is an energy band diagram of the fifth embodiment, and FIG. 7 is a sectional view showing a conventional semiconductor memory element. 105, 206... Gate electrode 107, 208... Source region 108, 209... Source electrode 109, 210... Drain region 110, 211... Drain electrode 111, 212... Channel forming region 112 , 213
...Charge storage area patent applicant Nippon Telegraph and Telephone Corporation Representative Patent Attorney Junyuki Nakamura Suketsu 1 Su (CI) Ko 2 Jiko 1 Ke 2 ■ (C) (e) ゛Total 3 thresholds 4 k ”::' Pick-up-1109 ÷ Japanese elementary school-1-103'-111102-
・Scold 5 l * 7 (, j n 1 i rei 61., F tsu'1

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、少なくともソース領域、ドレイン領域、ゲート電極
、およびチャネル形成領域を有する半導体記憶素子にお
いて、上記チャネル形成領域とゲート電極との間に、ソ
ース領域およびドレイン領域と少なくとも静的には電気
的に遮断された電荷蓄積領域を設けたことを特徴とする
半導体記憶素子。 2、上記チャネル形成領域および電荷蓄積領域は、第1
半導体よりなる第1半導体層と、上記第1半導体より伝
導帯端のエネルギーが小さな第2半導体よりなる第2半
導体層と、上記第2半導体より伝導帯端のエネルギーが
大きな第3半導体よりなる第3半導体層とを順次積層し
た積層体における、上記第2半導体層内の第1半導体層
と第2半導体層の界面近傍の領域、および上記第2半導
体層内の第2半導体層と第3半導体層界面の近傍の領域
であり、上記積層体上の一部に形成した金属膜またはn
^+型半導体膜をゲート電極とし、該ゲート電極を挟む
両位置の少なくとも上記チャネル形成領域を含み、かつ
上記電荷蓄積領域を含まない領域に形成したn^+領域
を、それぞれソース領域およびドレイン領域とし、上記
ソース領域に接して形成したオーミック接触をソース電
極、上記ドレイン領域に接して形成したオーミック接触
をドレイン電極としたことを特徴とする特許請求の範囲
第1項に記載した半導体記憶素子。 3、上記第2半導体は、化合物半導体であり、組成を連
続的に変化させることにより、禁制帯幅を第2半導体内
で連続的に変化させ、上記第2半導体層の中央部で局大
値となることを特徴とする特許請求の範囲第2項に記載
した半導体記憶素子。 4、上記第1半導体、第2半導体、第3半導体は、それ
ぞれAl_xGa_1_−_xAs(0<x≦1)、G
aAs、Al_yGa_1_−_yAs(0<y≦1)
であることを特徴とする特許請求の範囲第2項に記載し
た半導体記憶素子。 5、上記第1半導体、第2半導体、第3半導体は、それ
ぞれAl_xGa_1_−_xAs(0<x≦1)、A
l_yGa_1_−_yAs(0<y≦1)、Al_z
Ga_1_−_zAs(0<z≦1)であることを特徴
とする特許請求の範囲第3項に記載した半導体記憶素子
。 6、上記第1半導体、第2半導体、第3半導体はそれぞ
れIn_0_._5_2Al_0_._4_8As、I
n_0_._5_3Ga_0_._4_7As、In_
0_._5_2Al_0_._4_8Asであることを
特徴とする特許請求の範囲第2項に記載した半導体記憶
素子。 7、上記ゲート電極は、上記第3半導体層との間にGa
As層が挿入されていることを特徴とする特許請求の範
囲第4項または第5項のいずれかに記載した半導体記憶
素子。 8、上記ゲート電極は、上記第3半導体層との間にIn
_0_._5_3Ga_0_._4_7As層が挿入さ
れていることを特徴とする特許請求の範囲第6項に記載
した半導体記憶素子。 9、上記チャネル形成領域および電荷蓄積領域は、第1
半導体よりなる第1半導体層と、上記第1半導体よりも
伝導帯端のエネルギーが大きな第2半導体よりなる第2
半導体層と、上記第2半導体よりも伝導帯端のエネルギ
ーが小さな第3半導体よりなる第3半導体層と、上記第
3半導体よりも伝導帯端のエネルギーが大きな第4半導
体よりなる第4半導体層とを、順次積層した積層体にお
ける、上記第1半導体層内の第1半導体と第2半導体層
の界面近傍の領域、および上記第3半導体層であり、上
記積層体の一部に形成した金属膜またはn^+型半導体
膜をゲート電極とし、該ゲート電極を挟む両位置の少な
くとも上記チャネル形成領域を含み、かつ上記電荷蓄積
領域を含まない領域に形成したn^+領域を、それぞれ
ソース領域およびドレイン領域とし、上記ソース領域に
接して形成したオーミック接触をソース電極、上記ドレ
イン領域に接して形成したオーミック接触をドレイン電
極としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
した半導体記憶素子。 10、上記第1半導体、第2半導体、第3半導体および
第4半導体は、それぞれGaAs、Al_xGa_1_
−_xAs(0<x≦1)、GaAsおよびAl_yG
a_1_−_yAs(0<x≦1)であることを特徴と
する特許請求の範囲第9項に記載した半導体記憶素子。 11、上記第1半導体、第2半導体、第3半導体および
第4半導体は、それぞれIn_0_._5_3Ga_0
_._4_7As、In_0_._5_2Al_0_.
_4_8As、In_0_._5_3Ga_0_._4
_7AsおよびIn_0_._5_2Al_0_._4
_8Asであることを特徴とする特許請求の範囲第9項
に記載した半導体記憶素子。 12、上記ゲート電極は、上記第4半導体層との間にG
aAs層が挿入されていることを特徴とする特許請求の
範囲第10項に記載した半導体記憶素子。 13、上記ゲート電極は、上記第4半導体層との間にI
n_0_._5_3Ga_0_._4_7As層が挿入
されていることを特徴とする特許請求の範囲第11項に
記載した、半導体記憶素子。
[Scope of Claims] 1. In a semiconductor memory element having at least a source region, a drain region, a gate electrode, and a channel forming region, there is a static contact between the channel forming region and the gate electrode. 1. A semiconductor memory element characterized in that a charge storage region is provided with an electrically cut-off charge storage region. 2. The channel forming region and the charge storage region are the first
a first semiconductor layer made of a semiconductor; a second semiconductor layer made of a second semiconductor having a conduction band edge energy smaller than that of the first semiconductor; and a third semiconductor layer made of a third semiconductor having a conduction band edge energy larger than the second semiconductor. A region near the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer and the third semiconductor in the second semiconductor layer in a stacked body in which three semiconductor layers are sequentially stacked. This is a region near the layer interface, where the metal film or n
A ^+ type semiconductor film is used as a gate electrode, and n^+ regions formed at both positions sandwiching the gate electrode, including at least the channel forming region, but not including the charge storage region, are formed as a source region and a drain region, respectively. 2. The semiconductor memory element according to claim 1, wherein the ohmic contact formed in contact with the source region is used as a source electrode, and the ohmic contact formed in contact with the drain region is used as a drain electrode. 3. The second semiconductor is a compound semiconductor, and by continuously changing the composition, the forbidden band width is continuously changed within the second semiconductor, and a local maximum value is obtained at the center of the second semiconductor layer. A semiconductor memory element according to claim 2, characterized in that: 4. The first semiconductor, second semiconductor, and third semiconductor are Al_xGa_1_−_xAs (0<x≦1), G
aAs, Al_yGa_1_-_yAs (0<y≦1)
A semiconductor memory element according to claim 2, characterized in that: 5. The first semiconductor, the second semiconductor, and the third semiconductor are Al_xGa_1_−_xAs (0<x≦1), A
l_yGa_1_-_yAs(0<y≦1), Al_z
The semiconductor memory element according to claim 3, characterized in that Ga_1_−_zAs (0<z≦1). 6. The first semiconductor, the second semiconductor, and the third semiconductor are each In_0_. _5_2Al_0_. _4_8As,I
n_0_. _5_3Ga_0_. _4_7As, In_
0__. _5_2Al_0_. The semiconductor memory element according to claim 2, characterized in that it is _4_8As. 7. The gate electrode has Ga between it and the third semiconductor layer.
The semiconductor memory element according to claim 4 or 5, characterized in that an As layer is inserted. 8. The gate electrode has Ind between it and the third semiconductor layer.
_0_. _5_3Ga_0_. The semiconductor memory element according to claim 6, wherein a _4_7As layer is inserted. 9. The channel forming region and the charge storage region are the first
a first semiconductor layer made of a semiconductor; and a second semiconductor layer made of a second semiconductor having a conduction band edge energy larger than that of the first semiconductor.
a third semiconductor layer made of a semiconductor layer, a third semiconductor having a conduction band edge energy smaller than that of the second semiconductor, and a fourth semiconductor layer made of a fourth semiconductor having a conduction band edge energy larger than the third semiconductor. and a region near the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in the first semiconductor layer, and a metal formed in a part of the layered body, which is the third semiconductor layer, in a stacked body in which these layers are sequentially stacked. A film or an n^+ type semiconductor film is used as a gate electrode, and n^+ regions formed in regions sandwiching the gate electrode that include at least the channel formation region and do not include the charge storage region are respectively used as source regions. and a drain region, an ohmic contact formed in contact with the source region is used as a source electrode, and an ohmic contact formed in contact with the drain region is used as a drain electrode. memory element. 10. The first semiconductor, second semiconductor, third semiconductor, and fourth semiconductor are GaAs, Al_xGa_1_
−_xAs (0<x≦1), GaAs and Al_yG
The semiconductor memory element according to claim 9, characterized in that a_1_-_yAs (0<x≦1). 11. The first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor are each In_0_. _5_3Ga_0
_. _4_7As, In_0_. _5_2Al_0_.
_4_8As, In_0_. _5_3Ga_0_. _4
_7As and In_0_. _5_2Al_0_. _4
The semiconductor memory element according to claim 9, characterized in that the semiconductor memory element is _8As. 12. The gate electrode has a G between it and the fourth semiconductor layer.
11. The semiconductor memory element according to claim 10, wherein an aAs layer is inserted. 13. The gate electrode has I between it and the fourth semiconductor layer.
n_0_. _5_3Ga_0_. _4_7 The semiconductor memory element according to claim 11, wherein an As layer is inserted.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010512012A (en) * 2006-12-08 2010-04-15 テヒーニィシエ ウニヴァジテート ベルリン Memory cell and data recording method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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