KR0170181B1 - 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터 - Google Patents

공진 터널링 핫 전자 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터에 관한 것으로서, 양자 우물 구조로 이루어진 콜렉터 전위 장벽층을 사이에 두고 불순물이 도핑되지 않은 넓은 제1및 제2완충층의 도입으로 전압이 인가될 때, 층의 넓이가 좁은 콜렉터 전위 장벽층 뿐만 아니라 층의 넓이가 넓은 제1및 제2완충층의 에너지 밴드를 변화시키므로 콜렉터 전위 장벽층의 에너지 밴드의 경사가 급격하지 완만하게 되어 콜렉터 전위 장벽층을 이루는 양자우물 내의 양자속박 에너지 레벨(EQW)의 위치와 에너지 폭에 상대적으로 변화를 작게할 수 있다. 또한, 전류-전압 특성 곡선의 NDR영역이 고정되지 않고, 에미터, 베이스, 콜렉터 전압의 조합에 의해 조정될 수 있어, NDR특성을 갖는 전류-전압 곡선이 모양의 변형이 없이 자유로이 움직일 수 있고 이러한 NDR 영역의 선택의 자유도에 의해 회로 디자인에 있어 많은 자유도를 부과할 수 있다.

Description

공진 터널링 핫 전자 트랜지스터
제1도는 본 발명에 따른 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터(RHET)의 단면도.
제2a도 내지 제2d도는 본 발명에 따른 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램.
제3도는 본 발명에 따른 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터의 베이스-에미터 전압(VBE)과 공진 터널링 콜렉터 전류(IC)의 관계를 도시하는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 반도체기판 13 : 콜렉터층
15, 19 : 제1 및 제2완층층 17 : 콜렉터 전위 장벽층
21 : 베이스층 23 : 스페이서층
25 : 에미터 장벽층 27 : 에미터층
29 : 콜렉터 전극 31 : 베이스 전극
33 : 에미터 전극 35 : 장벽층
37 : 우물층
본 발명은 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터(Resonant-tunneling hot electron transistor:RTET)에 관한 것으로서, 특히, 전압인가시 양자 우물층 내의 에너지 밴드의 경사를 완만하게하여 양자 우물내의 속박 에너지 레벨(EQW)의 위치 및 에너지 폭의 변화를 작게할 수 있도록 하는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터에 관한 것이다.
최근 수년동안 분자 빔 에피택시(MBE), 금속 유기화합물 증착법(MOCVD)등의 반도체 성장 기술이 발전함에 따라 이질접합 구조를 사용하는 반도체 장치들의 개발이 활성화되어 왔다.
이러한 장치들 가운데, 특히 핫 전자들이 캐리어로 사용되어 베이스 영역을 통과하는 시간이 매우 짧아 바른 천이시간(transition timr)을 갖는 핫 전자 트랜지스터(Hot Electron Transistor[HET])에 대해 지대한 관심들이 집중되고 있다.
공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 핫 전자 트랜지스터에 이종 접합 양자우물(hetero junction quantum well)을 부과한 것으로 이 양자 우물의 속박 준위(confined state)를 통과하는 전자가 공진 터널링 된다. 그러므로, 상기 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 매우 높은 주파수에서 동작되고 전류-전압 곡선의 NDR(Negative Differential Resistance) 특성을 나타내어 스위칭소자 및 고기능 논리 소자로 이용 가능하다. 종래의 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 유럽 특허 출원 제 85308371.5호에 고속 반도체 장치라는 명칭으로 출원되었다.
상기 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 에미터층과 베이스층 사이의 에미터 전위 장벽층이 양자 우물층으로 형성되어 핫 전자 주입기로 사용된다.
상기 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 베이스층에 전압을 인가하면 공진 터널링에 의해 전자가 에미터층으로부터 베이스층에 주입되고 콜렉터층으로 전송되어 콜렉터 전류를 흐르게 한다.
상기에서 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 공명 터널링 효과에 의해 NDR 특성을 가지므로 콜렉터 전류는 베이스층에 소정 전압이 인가될 때 까지는 증가하다가 소정 전압 이상으로 증가되면 감소된다.
그러므로, 상기 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 스위칭 소자 및 고기능 논리 소자로 이용가능하다.
그러나, 종래의 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 에미터와 베이스층 사이의 양자 우물층의 속박 준위에 의해 전류-전압 특성 곡선에서 NDR이 일어나는 전압이 고정되게 되는 문제점이 있었다.
또한, 비교적 얇은 양자 우물층에 걸리는 전위차가 크므로 에너지 밴드가 급격하게 경사지게 되어 전자가 공진 터널링되는 양자 속박 에너지의 위치 변화와 에너지 폭이 커져 NDR 영역이 날카롭게 나타내어지지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 양자 우물층을 완충층 사이에 개재시켜 인가 전압에 의해 변하는 양자 우물층의 에너지 밴드의 경사를 완만하게 하여 양자 우물내의 속박 에너지 레벨(EQW)의 위치와 에너지 폭의 변화를 작게할 수 있는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터를 제공함에 있었다.
본 발명의 다른 목적은 전류-전압 특성 곡선의 NDR 영역이 고정되지 않고, 인가되는 전압에 따라 조정될 수 있어서, 날카로운, NDR 특성을 갖는 전류 전압 특성 곡선(I-V curve)은 모양을 변형하지 않고 자유로이 이동할 수 있도록 함으로써, 소자의 회로에 적용시 회로 디자인에 많은 자유도를 줄 수 있는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 화합물 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 도전형의 콜렉터층과, 상기 콜렉터층 상부의 소정 부분에 형성된 불순물이 도핑되지 않은 제1완층층(넓은 스페이서층)과, 상기 제1완충층의 상부에 양자 우물 구조로 형성된 콜렉터 전위 장벽층과, 상기 콜렉터 전위 장벽층의 상부에 형성된 불순물이 도핑되지 않은 제2완충층(넓은 스페이서층)과, 상기 제2완충층의 상부에 형성된 콜렉터층과, 도전형의 베이스층과, 상기베이스층 상부의 소정 부분에 형성된 불순물이 도핑도지 않은 에미터 장벽층과, 상기 에미터 장벽층의 상부에 형성된 도전형의 에미터 층을 포함한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 의한 공진 터널링 핫전자 트랜지스터의 단면도이다.
제1도를 참조하면, 본 발명의 공진 터널링 핫전자 트랜지스터는 콜렉터전위 장벽층 구조에 얇은 공진 터널링 이중장벽 양자우물 구조와 도핑이 되지 않은 콜렉터와 같은 물질의 넓은 층들을 조합적용한 구조로서, 기판(11)상에 콜렉터층(13), 불순물이 도핑되지 않은 제1완충층(15), 콜렉터 전위 장벽층(17), 불순물이 도핑되지 않은 제2완충층(19), 베이스층(21), 불순물이 도핑되지 않은 스페이서층(23), 불순물이 도핑되지 않은 에미터 장벽층(25) 및 에미터층(27)이 순차적으로 결정 성장되어 형성되며, 이 에미터층(27), 베이스층(21) 및 콜렉터층(13)의 상부에 형성된 에미터 전극(33), 베이스전극(31) 및 콜렉터 전극(29)이 형성된다.
상기 콜렉터 전위 장벽층(17)은 공진 터널링을 일으키는 양자우물구조(quantum well structure), 예를들어, 장벽층(35)/우물층(37)/장벽층(35)이 샌드위치된 구조를 1주기로 하여 1-3주기로 형성된다.
상기 제1 및 제2완충층(넓은 스페이서층)(15)(19)은 소정의 베이스-에미터 전압(VBE)이나, 또는 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가되어 상기 콜렉터 전위 장벽층(17)의 에너지 밴드가 변화되어 경사질 때 양자 우물 구조내에서 급격하게 경사지는 것을 방지한다.
즉, 상기 인가되는 소정 전압은 작은 넓이의 콜렉터 전위 장벽층(17) 뿐만 아니라 상기 제1 및 제2완충층(15)(19)에도 인가되어 넓은 층의 에너지 밴드를 변화시키므로 상기 콜렉터 전위 장벽층(17)의 에너지 밴드의 경사가 급격하지 않고 완만하게 된다.
또한, 상기 스페이서층(23)은 베이스층(21)의 불순물이 에미터층(27)으로 확산되는 것을 방지한다.
그리고, 상기 에미터층(27), 베이스층(21) 및 콜렉터층(13)의 상부에 에미터 전극(33), 베이스전극(31) 및 콜렉터 전극(29)이 형성된다.
제2a도 내지 2d도는 본 발명에 따른 공진 터널링 핫전자 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램이다.
상기 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터의 에너지 밴드 다이어그램에서 (a)는 열평형 상태이고, (b)는 큰 베이스-에미터 전압(VBE)과 비교적 작은 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태이며, (c)는 비교적 작은 베이스-에미터 전압(VBE)과 이 베이스-에미터 전압(VBE)보다 약간 큰 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태이고, (d)는 비교적 작은 베이스-에미터 전압(VBE)과 매우 큰 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태이다.
상기 제2도(a)를 참조하면, 베이스-에미터 전압(VBE)과 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가되지 않은 열 평형 상태로 에미터층(27), 베이스층(21) 및 콜렉터층(13)의 페므리 준위(EP)가 일치하게 된다.
그리고, 제2도(b)는 큰 베이스-에미터 전압(VBE)과 비교적 작은 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태로 베이스층(21)의 페르미 레벨(EFB)이 에미터 영역의 페르미 레벨(EFE)에 비해 낮아지며, 콜렉터층(13)의 페르미 레벨(EFC)도 인가되는 전압 만큼 낮아진다. 그러므로, 상기 콜렉터 전위 장벽층(17)과 제1 및 제2완충층(15)(19)에 에너지 밴드는 베이스층(21)쪽으로 완만하게 기울어지며, 에미터층(27)으로부터 베이스층(21)에 주입된 전자가 콜렉터 전위장벽층(17)을 공진 터널링하여 콜렉터층(13)으로 전송되어 콜렉터 전류(IC)를 흐르게 한다.
상기에서, 전자의 공진 터널링은 페르미 레벨(EP)근처에서 수행되는데, 이 전자가 콜렉터 전위장벽층(17)의 양자우물 속박 에너지 레벨(EQW)을 통과하여 공진 터널링하므로 콜렉터 전류(IC)는 NDR 특성을 갖는다.
제2도(c)는 비교적 작은 베이스-에미터 전압(VBE)과 베이스-에미터 전압(VBE) 보다 약간 큰 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태로 베이스층(21)의 페르미 레벨(EFB)이 에미터 영역의 페르미 레벨(EFE)에 비해 낮아지며, 콜렉터층(13)의 페르미 레벨(EFC)도 인가되는 전압만큼 낮아진다.
그러므로, 상기 콜렉터 전위 장벽층(17)과 제1 및 제2완충층(15)(19)의 에너지 밴드는 콜렉터층(13)쪽으로 매우 완만하게 기울어지며, 에미터층(27)으로부터 베이스층(21)에 주입된 전자가 콜렉터 전위장벽층(17)의 양자우물 속박 에너지 레벨(EQW)을 통하여 공진 터널링하므로 콜렉터층(13)으로 전송되어 콜렉터전류(IC)를 흐르게 한다.
이때에도, 상기 콜렉터 전류(IC)는 NDR 특성을 갖게 된다.
제2도(d)는 비교적 작은 베이스-에미터 전압(VBE)과 매우 큰 콜렉터-에미터 전압(VCE)이 인가된 상태로 베이스층(21)의 페르미 레벨(EFB)이 에미터층(27)의 페르미 레벨(EFE)에 비해 낮아지며, 콜렉터층(13)의 페르미 레벨(EFC)도 인가되는 전압만큼 낮아져 제1 및 제2완충층(15)(19)의 에너지 밴드는 콜렉터층(13)쪽으로 매우 급격하게 기울어져 에미터층(27)의 페르미 레벨(EFE)이 콜렉터 전위 장벽층(17)의 양자 우물 속박 에너지 레벨(EQW)보다 높게 된다.
따라서, 에미터층(27)으로부터 베이스층(21)에 주입된 전자가 콜렉터 전위장벽층(17)을 통해 콜렉터층(13)으로 전송되어 흐르게 되는 콜렉터 전류(IC)는 콜렉터 전위장벽층(17)의 양자 우물 속박 에너지 레벨(EQW)보다 높은 지점을 통과하게 되어 공진 터널링 되지 않는다.
상술한 바와 같이 양자우물 속박 에너지 레벨(EQW)을 통과하는 공진 터널링 콜렉터 전류(IC)는 베이스-에미터 전압(VBE)과 콜렉터-에미터 전압(VCE)의 조합에 의해 제어될될 수 있다.
이에 따라, 전류-전압 특성 곡선의 NDR 영역이 고정되지 않고, 인가되는 베이스-에미터 전압(VEE)과 콜렉터-에미터 전압(VCE)의 조합에 의해 조정될 수 있다.
즉, 베이스-에미터 전압(VBE) ALC 콜렉터-에미터 전압(VCE)에 의한 공진 터널링 콜렉터 전류(IC)의 피크(peak) 위치 VP BE와 VP CE는 다음과 같은 관계식이 성립된다.
상기에서, VP BE는 베이스-에미터 전압(VBE)에 의한 공진터널링 콜렉터 전류(IC)에 피크(peak)위치이고, VP CE는 베이스-에미터 전압(VBE)과 콜렉터-에미터 전압(VCE)에 의한 공진 터널링 콜렉터 전류(IC)의 피크(peak) 위치이다.
그리고, LQW는 콜렉터층(13)과 콜렉터 전위 장벽층(17) 사이의 거리이고, LO는 콜렉터층(13)과 베이스층(21) 사이의 거리이다.
상기 식을 정리하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명에 따른 일예의 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터의 베이스-에미터 전압(VBE)과 공진 터널링 콜렉터 전류(IC)의 관계를 도시하는 그래프이다.
상기 그래프에서 수평축은 베이스-에미터 전압(VBE)을, 수직축은 콜렉터 전류(IC)를 나타낸다.
상기 그래프에서 c1 내지 c3 각각은 제2도(b) 내지 (d)의 에너지 밴드 다이어그램의 콜렉터 전류(IC)로,c1 및 c2는 도면에서 알 수 있듯이 NDR 특성을 나타내며, c3는 트랜지스터 특성을 나타낸다.
상기 일정 베이스-에미터 전압(VBE)에서 콜렉터-에미터 전압(VCE)의 조절에 따라 일정한 형태의 NDR 특성을 가진 전류-전압 특성 곡선을 모양의 변화 없이 이동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터는 양자 우물 구조로 이루어진 콜렉터 전위장벽층을 사이에 두고 불순물이 도핑되지 않은 넓은 제1 및 제2완충층이 형성되므로 베이스-에미터 전압(VBE), 또는 콜렉터-베이스 전압(VCB)이 인가될 때 층의 넓이가 에너지 밴드 폭이 좁은 콜렉터 전위장벽층 뿐만 아니라 층의 넓이가 넓은 제1 및 제2완충의 에너지 밴드를 변화시키므로 콜렉터 전위 장벽층의 에너지 밴드의 경사가 급격하지 않고 완만하게 된다.
따라서, 콜렉터 전위 장벽층을 이루는 양자우물 내의 양자속박 에너지 레벨(EQW)의 위치와 에너지의 변화를 작게할 수 있다. 또한, 전류-전압 특성 곡선의 NDR 영역이 고정되지 않고, 에미터, 베이스, 콜렉터 전압이 조합에 따라 조정할 수 있어, NDR 특성을 갖는 전류-전압 곡선이 모양의 변형이 없이 자유로이 움직이고, 이러한 NDR 영역의 선택의 자유도에 의해 회로 디자인에 있어 많은 자유도를 부과할 수 있다.

Claims (3)

  1. 화합물 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 도전형의 콜렉터층과, 상기 콜렉터층 상부의 소정 부분에 형성된 불순물이 도핑되지 않은 제1완충층과, 상기 제1완충층의 상부에 양자 우물 구조로 형성된 콜렉터 전위 장벽층과, 상기 콜렉터 전위 장벽층의 상부에 형성된 불순물이 도핑되지 않은 제2완충층과, 상기 제2완충층의 상부에 형성된 콜렉터층과 동일한 도전형의 베이스층과, 상기 베이스층 상부의 소정 부분에 형성된 불순물이 도핑되지 않은 에미터 장벽층과, 상기 에미터 장벽층의 상부에 형성된 상기 베이스층과 동일한 도전형의 에미터층을 포함하는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 콜렉터 전위 장벽층은 장벽층/우물층/장벽층의 샌드위치된 구조를 1주기로하여 1-3 주기로 형성된 것을 특징으로 하는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이스층과 에미터층 사이에 스페이서층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터.
KR1019940035155A 1994-12-19 1994-12-19 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터 KR0170181B1 (ko)

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