JPS63310167A

JPS63310167A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS63310167A
Application number: JP62145242A
Authority: JP
Inventors: Taku Oshima; 卓大嶋; Yasuhiro Shiraki; 靖寛白木
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1987-06-12
Filing date: 1987-06-12
Publication date: 1988-12-19

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、ホット・エレクトロン・トランジスタの好適
な構成に関する。特に集積回路用に好適な、メモリ素子
、増幅器等に応用して有用である。

〔従来の技術〕

従来の半導体スタティック・メモリは、少なくとも２つ
のトランジスタを結合して正の増幅率を持つ増幅器とし
、それに正帰還をかけて２つの安定状態を作り出してい
た。なお、この種の装置として関連するものには、例え
ば、アイ・イー・ディー・エム・テクニカルダイジェス
ト（１９８１年）８０ページから８３ページ（ＩＥＤＭ
しｅｃｈｎｉｃａｌ　　ｄｉｇｅｓｔ　　（１９８１）
　　　ｐｐ、８　０−８　３）に報告されたものがある
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来、トランジスタを用いてスタティック・メモリ、マ
ルチ・バイブレータ等を構成する場合は、２つ以上のト
ランジスタが必要であり、したがって回路部品の点数が
多く、高集積化しにくいという問題があった。

本発明の目的は、トランジスタ１個だけでもスタティッ
ク・メモリ等を構成することができる半導体装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、単体で正の増幅率を持ったトランジスタを
用いることにより解決される。この正の増幅率を持った
トランジスタは、そのベース層中に量子力学的井戸構造
を有するホット・エレクトロン・トランジスタであって
、その量子力学的井戸中にできるエレクトリック・サブ
バンドの最高位のエネルギーと井戸端のバリアのエネル
ギーとの差がｋＴ／２以内であるような井戸幅にするこ
とによって達成される。尚、ｋはボルツマン定数。

Ｔは温度（絶対温度）である。そして、コレクタとベー
ス間にフィード・バックをかける手段を挿入し、且負荷
はコレクターに接続する。前記フィード・バック手段は
抵抗、コンデンサ、ダイオード、トランジスタ等、必要
に応じて用いることが当然可能である。

〔作用〕

本発明のトランジスタにおいては、ベース層に第２図（
ａ）に示すような量子力学的井戸１が設けられている。

領域４はバリア層である。

尚、図は禁止帯の上端部のみを示している。

この井戸中の電子に許されるエネルギーは、井戸に固有
のエネルギー準位２となる。このうち最大のエネルギー
準位３が井戸端のバリア４のエネルギーに一致している
場合、バリア４に注入された電子５は井戸中の最大のエ
ネルギー準位を介して井戸を透過する確率が増大すると
いう一種の共鳴条件があることを見いだした。一方、ベ
ース層に外部より電圧を加え、前記井戸を第２図（ｂ）
に示すようなポテンシアルの形状にしたところ、最大の
エネルギー準位と、井戸端のバリアのエネルギーとは一
致しなくなり、共鳴条件からはずれたために、電子が井
戸を透過する確率が下がることも見いだした。

従来のホット・エレクトロン・トランジスタは、第３図
中の曲線１０に示すようにペースエミッタ電圧■ｒ３８
を大きくして行うと、ホット・エレクトロンの注入量が
増大し、コレクタ電流ＩＣが単調に増加して行った。こ
れに対し、井戸幅を上記の条件に設定することによって
電圧領域１２においてベース層中の電子の透過率が増大
し、曲線１１に示す特性となった。このうち領域１３は
、共鳴条件からはずれる境界にあり、ベース・エミッタ
電圧ｖ１１Ｅが大きくなると、コレクタ電流が減少する
領域である。すなわち、この領域１３は正の増幅率を持
つことになる。このため、従来２つのトランジスタを組
み合わせて得ていた正の増幅率がｍ体で得られることに
なる。

〔実施例〕

以下、実施例を用いて本発明の効果を示す。

第１図（ａ）は、本発明の実施例の半導体装置の断面図
である。ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板３ｏ上に、ｔｏ−８Ｐ
ａ以上の真空中で分子線エピタキシー法を用いて、Ａ　
Ｑｏ、３　Ｇ　ａｏ、　７　Ａ　Ｓ　（７）バ＋Ｊ７ｒ
２４を１００人、ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓのベース層２５を
４７人ｔ　ＡＱｏ、３Ｇａｏ、７Ａｓのバリア層２６を
１００人、ｎ十形ＧａＡｓ　（１０ｉａｃ＋＊−３）の
コレクタ層２７を５０人、ｎ−形ＧａＡｓ　（１０１ｇ
Ｃ１１−３）のオーミック層２９を５０人の順に形成し
た。この例では、ベース層２５とバリア層２４と２６と
で量子力学的井戸構造を構成しており、バリア層のＡ　
Ｑ□、　３　Ｇ　ａｏ、　７　Ａ　ｓに対シテヘース層
ノ厚すを４７λとすることで、エレクトリック・サブバ
ンドの最高位のエネルギーと量子力学的井戸端のバリア
のエネルギーとの差をｋＴ／２以内とすることができる
。その後エツチングを行ない、第１図（ａ）のような階
段状にした。その中段の一部に不純物のイオン打ち込み
を行ない、アニールすることにより、ｎ形抵抗層２０を
形成した。そして各段にＡ　ｕ　／　Ｇ　ｅ　／　Ｎ　
ｉ合金を用いて、オーミック電極２１，２２，２３を形
成した。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　−ＡＩ２ＧａＡｓ系で本発明
を実施する場合、上述の実施例を示した構成が望ましい
。更に井戸幅は１５人、９４人においても有用である。

即ち、上記量子力学的井戸構造の井戸の部分はＧ　ａ　
Ａ　ｓであってその井戸幅が１５人、４７人あるいは９
４人であリ、一方量子力学的井戸端のバリアはＡｎ　ｘａａ　１−　ｘＡｓ　（ｘ＝ｏ、３）ものであ
る。

次いで、この装置の等価回路を第１図（ｂ）に示す。図
中のトランジスタＱは第３図に示すような特性を有し、
正の増幅率を持っている。負荷抵抗ＲＬはｎ　　ＧａＡ
ｓの負荷抵抗層２８の抵抗であり、また帰還抵抗Ｒ１は
ｎ形紙抗層２０の抵抗で　゛ある。ベース−エミッタ抵
抗Ｒ２は、バリア層２４を越えてきたホ）トエレクトロ
ンがベース層２５中にとりこまれることによって生まれ
るリーク電流を与えるものである。

次に、第４図を用いてこの装置の動作を簡単に説明する
。トランジスタＱ単体のコレクタ電流Ｉ、とペースエミ
ッタ間電圧ｖＢｇとの関係は曲線４１で示される。一方
、電源電圧Ｖとエミッタとの間の電圧が一定の場合には
、抵抗ＲＬ、Ｒ，。

Ｒ２のネットワークを考えることにより同様に１０とｖ
［］。の関係が決まり、これが曲線４２である。これが
直線にならないのは、各抵抗が必ずしも線形ではないた
めである０本装置の動作は、この２つの曲線の交点ａｔ
ｂｔｃ上で行なわれる。

このうちｂ点は電圧、電流のゆらぎ等に対して復元力が
働かず、安定点ではない。したがって、本実施例の装置
においては、直流的にａ、ｃ２つの安定点が存在する。

このため本装置は、スタティックメモリあるいはコンパ
レータとして用いることができる。

応用例１゜第５図（ａ）に、本装置をスタティックメモリに用いた
場合の結線図を示す。以下第５図（ｂ）〜（ｄ）を用い
て、時間軸に沿って動作を説明する。

初めの状態を第４図のａ点とすると、出方電圧ｖｏは低
電圧側にある。時刻ｔ１に書き込み線５２からコンデン
サ５５を介して、正でかつ第４　　′図に示すｖｌ）よ
り大きなパルスをベースにスカすルト（第５図（ｂ））
、ｖＢＲはｖ。を超えテｖ０に移ったままとなり、出力
■。は高電圧側に移る（第５図（ｄ））。この結果、メ
モリに情報が書き込まれたことになる０次に時刻ｔ２の
ときに消去線５１に電圧ｖｃ０からＯｖに落ちるパルス
を与えると（第５図（ｃ））、Ｖｇｇは０にもどり、第
４図において点Ｃから安定点ａに落ちつき、出力ｖｏは
再び低電圧側にもどる（第５図（ｄ））。

この結果、メモリにたくわえられていた情報が消去され
たことになる。

応用例２゜第６図（ａ）に、本装置をコンパレータに用いた場合の
結線図を示す。このコンパレータは１本装置では、ｖＦ
ＩＥがＶｂを境にして安定点が異なる点に着目したもの
である。すなわち、ＶＢ。がｖｋ、よりも少しでも高く
なると安定点Ｃに落ちつき、逆にｖ８８がｖｋｌよりも
少しでも低くなると安定点ａに落ちつくことを利用した
ものである。

第６図（ａ）に示すように本装置のベースに第６図（ｂ
）（７）Ｖｉを入力すると、ｖｏはＶ　ｔ　＜ｖｋ、の
とき低電圧に、Ｖｔ＞Ｖｂのとき高電圧にスイッチング
する。これは基準電圧ｖｂのコンパレータである。この
ため本装置は、波形整形回路、ＡＤ変換器等にも応用で
きる。

以上の実施例によれば、トランジスタ、抵抗等が膜の深
さ方向に形成されているために、平面的には第１図（ａ
）に見られるように３つの電極２１．２２．２３を形成
するだけの面積しか必要とせず、非常に小さなセルとす
ることができる。

この結果、回路の集積がさらに容易になるという効果を
奏する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少なくとも１つのホット・エレクトロ
ン・トランジスタで、スタティックメモリ、コンパレー
タ等の回路が構成できるため、小型、高集積化可能であ
り、かつ本装置の動作が微少なトンネル電流とホットエ
レクトロンによるものであるために、本質的に高速、低
消費電力の集積回路が得られるという効果がある。さら
に、本装置形成のプロセ゛スは、基本的には、各層の積
み重ね、エツチングによる電極出し、不純物イオン打ち
込み、金属電極配線の４段階であり、Ｈ便に形成できる
という効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例の断面図、第１図（ｂ）
は等価回路図である。第２図は、量子力学的井戸による
電子の透過率変化の概念を説明する図であって、第３図
はホット・エレクトロン・トランジスタの動作曲線を示
す図、第４図は本発明の一応用例の動作を説明する図で
ある。第５図（ａ）は一応用例の回路図及び第５図（ｂ
）、（Ｃ）。（ｄ）は動作を説明する図である。第６図（ａ）は本発
明の他の応用例の回路図、及び第６図（ｂ）は動作を説
明する図である。１・・・量子力学的井戸、２・・・エレクトリック・サ
ブバンド、３・・・最大のエレクトリック・サブバンド
、４・・・バリア、５・・・電子、１０・・・従来の曲
線、１１・・・共鳴効果による曲線、１２・・・共鳴領
域。

Claims

【特許請求の範囲】１、その内部に量子力学的井戸構造を有するベース領域
、エミッタ領域およびコレクタ領域を少なくとも有する
ホット・エレクトロン・トランジスタであって、前記量
子力学的井戸構造の井戸幅が、該量子力学的井戸内に構
成されるエレクトリック・サブバンドの最高位のエネル
ギーと該量子力学的井戸端のバリアのエネルギーとの差
がｋＴ／２以内（但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対
温度）にある如く設け、且前記コレクターに負荷を接続
し、前記コレクターと前記ベース間にフィード・バック
手段を有して成ることを特徴とする半導体装置。２、前記フィード・バック手段は抵抗、コンデンサ、ダ
イオード、トランジスタの少なくとも一者で構成される
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
置。