DE69218893T2

DE69218893T2 - Tunneleffekttransistor

Info

Publication number: DE69218893T2
Application number: DE69218893T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Uemura
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JP2734260B2; EP0545381B1; US5349202A; EP0545381A2; DE69218893D1; EP0545381A3; JPH05206152A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tunneleffekttransistor, der in der Lage ist, Negativwiderstandscharakteristika zu steuern.
Frühere Anwendung von Negativwiderstandsvorrichtungen durch Tunnel umfassen einen Resonanz-Heißelektronentransistor (RHET) und einen Resonanztunnelbipolartransistor (RET), wobei diese Transistoren durch Kombination einer Resonanztunnelstruktur mit einem Heteroübergangs-Bipolartransistor oder einem Feldeffekttransistor aufgebaut sind. Diese Transistoren sind erfolgreich für den Aufbau von Ex-NCR-Gates, Mehrfachstufen-Haltegates, Halteschaltung und NOR-Schaltungen mit einer reduzierten Anzahl von Bauteutransistoren im Vergleich mit vorbekannten Transistoren und ziehen viele Interessen mit der Erwartung der Anwendung für Funktionsvorrichtungen auf sich. Diese Vorrichtungen sind beispielsweise in Electron Devices, Band 26, Seite 2065, 1989, F. Capasso et al, beschrieben.
Beim resonanten Tunneleffekt wird als Tunnelbarriere die Größe einer Diskontinuität der Leitungsbandenergie in einem Halbleiter-Heteroübergang genommen, d.h. die Differenz zwischen Elektronenaffinitäten der verwendeten Halbleiter, so daß die Höhe der Tunnelbarriere nicht erhöht ist und der resonante Tunneleffekt durch einen Strom (einen Überstrom) ernstlich beeinflußt wird, der auf Elektronen basiert, die durch thermische Anregung bei Raumtemperatur über die Barriere gelangen.
Für die vorgenannten Tunneleffekttransistoren ist es somit höchst unwahrscheinlich, daß sie bei Raumtemperatur arbeiten.
Applied Physics Letter, Band 47, Nr. 8, Oktober 1985, Seiten 888-890 (Bonnefoi et al.) beschreibt einen unipolar invertierten Basis-Kollektor-Tunneltransistor.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 31, Nr. 7, Dezember 1988, Seiten 20 und 21 zeigt eine Heterotunnelhalbleiterstruktur mit einer InAs-Schicht und einer GaSb-Schicht, die durch eine Barrierenschicht getrennt sind.
Die US-A-4 538 165 beschreibt einen Feldeffekttransistor, der InAs, GaSb und AlSb verwendet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Tunneleffekttransistor zu schaffen, der durch Reduktion des Überstroms im Tunneltransistor und Vergrößern des Tunnelstroms in der Lage ist, bei Raumtemperatur zu arbeiten.
Diese Aufgabe wird durch einen Tunneltransistor nach Anspruch 1 bzw. 2 gelöst; Anspruch 3 betrifft eine weitere Entwicklung der Erfindung.
Zum Sicherstellen der Abnahme des Überstroms und der Zunahme des Tunnelstroms wird erfindungsgemäß ein Interbandtunneln zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband der beteiligten Halbleiter anstatt eines Tunnelns zwischen Leitungsbändern eines Halbleiters eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Tunneleffekttransistor wird ein differentieller Negativwiderstand in der Strom-Spannungs-Charakteristik erzeugt, wobei dieser Widerstand durch die Gateelektrode steuerbar ist.
Die vorliegende Erfindung zeigt die folgenden Vorteile: Die Verwendung des Resonanztunnelns zwischen den Energiebändern anstatt dem bekannten Resonanztunneln zwischen den Leitungsbändern stellt ein Ansteigen der Tunnelstromdichte und eine Unterdrückung des Überstroms sicher und erlaubt einen Betrieb bei Raumtemperatur. Verglichen mit bekannten AlGaAs-Vorrichtungen kann der erfindungsgemäße Transistor den Überstrom bei einer vorgegebenen Stromdichte und einer Betriebstemperatur von 77K auf 1/6-1/8 unterdrücken.
Die oben genannten und weiteren Vorteile, Merkmale und zusätzliche Aufgaben der Erfindung werden für den Fachmann durch Bezug auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen bevorzugte strukturelle Ausführungsformen, die die Prinzipien der Erfindung umsetzen als Beispiele dargestellt sind.
Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Darstellung der Bandstruktur des ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Strom-Spannungs-Charakteristik des ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4 ist eine Darstellung der Bandstruktur eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 5 ist eine Darstellung der Bandstruktur eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
Fig. 6 ist eine Darstellung der Bandstruktur eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, die jeweils einige bevorzugte und konkrete Beispiele der Erfindung darstellen.
Bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 ist dort jeweils die Anordnung eines ersten konkreten Beispiels der Erfindung in Form einer Schnittdarstellung bzw. der Energiebandstruktur in der Anordnung von Figur 1 dargestellt.
Wie in Figur 1 dargestellt ist, ist eine AlSb-Sperrschicht 2, die ein zweiten Halbleiter ist, auf einem InAs-Substrat 1 eines Transistors vorgesehen, und eine Gateelektrode 3 ist auf der oberen Fläche der Sperrschicht 2 an einer Seite derselben ausgebildet, und andererseits ist eine InAs-Kollektorschicht 4 auf der oberen Fläche der Sperrschicht auf der anderen Seite derselben ausgebildet. Auf der oberen Fläche der Kollektorschicht 4 auf einer Seite derselben ist eine AlSb-Sperrschicht 6 angeordnet, während auf der obersten Fläche derselben auf der anderen Seite eine Kollektorelektrode 5 angeordnet ist, um einen ohmschen Übergang der Kollektorschicht 4 zu bilden. Auf der obersten Fläche der AlSb-Sperrschicht 6 ist eine GaSb- Emitterschicht 7 vorgesehen. Auf der obersten Fläche der Emitterschicht 7 ist eine Emitterelektrode 8 angeordnet, um einen ohmschen Übergang mit der Emitterschicht 7 zu bilden.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, ist das Valenzband der GaSb- Emitterschicht 7 um etwa 150 meV oberhalb des Leitungsbandes der InAs-Kollektorschicht 4 angeordnet, und Interbandtunneln durch die AlSb-Sperrschicht 6 wird ermöglich. Quantenniveaus werden in der InAs-Kollektorschicht 4, die zwischen der AlSb- Sperrschicht 2 und der AlSb-Sperrschicht 6 angeordnet ist, derart ermöglicht, daß nur Elektronen in dem GaSb-Valenzband, die mit diesen Energieniveaus resonant sind, zur InAs-Kollektorschicht 4 Tunneln, um einen Kollektorstrom zu bilden. Mit einer Dicke eines InAs-Quantenwells, die zu 10 nm (100 Å) angenommen wird, wird ein erstes Quantenniveau E&sub0; im wesentlichen um etwa 80 meV oberhalb der InAs-Leitungsbandkante und um etwa 70 meV unterhalb der GaSb-Valenzbandkante gebildet. Die Quantenniveaus in der InAs-Kollektorschicht 4 können durch eine Gatespannung variiert werden, die an die gegenüber der GaAs-Emitterschicht 7 angeordnete Gateelektrode 3 angelegt werden, mit Bezug auf die Kollektorschicht 4, wodurch negative Widerstandscharakteristika des Ausführungsbeispiels kontrolliert werden können. Wenn die Gateelektrode 3 mit negativer Spannung versorgt wird, wird negative Spannung an den InAs- Quantenwell angelegt, und ein Strom wird in resonanter Weise erzeugt, wenn das Quantenniveau mit dem Ferminiveau des GaSb- Emitters übereinstimmt. Bei weiter Erhöhung der angelegten negativen Spannung wird der Quantenpegel verschoben, bis er in dem GaSb-Lücke liegt. Dabei wird der Strom vermindert, um die negativen Widerstandscharakteristika zu erzeugen.
Bezugnehmend auf Figur 3 ist dort die Kollektor-Strom-Spannungs-Charakteristik für verschiedene Quantenniveaus dargestellt. Hinsichtlich der verwendeten Konstanten wird die Dicke der AlSb-Sperrschicht 6 zu 2 nm (20 Å) angenommen, und für den Fermipegel im thermischen Gleichgewicht wird angenommen, daß er um 75 meV oberhalb des InAs-Leitungsbandes liegt.
In Figur 4 ist die Energiebandstruktur eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. Ein identischer Betrieb zu dem Transistors des ersten Ausführungsbeispiels wird durch Umkehren der Polarität der angelegten Spannung gezeigt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel stellt eine Komplementärvorrichtung zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 dar.
Figur 5 zeigt die Energiebandstruktur eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Obwohl in Figur 1 die Kollektorelektrode ihren Kontakt auf der Quantenwellschicht bildet, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Doppelsperrquantenwellschicht zwischen dem Emitter und dem Kollektor angebracht, um zu ermöglichen, daß die Kollektorschicht dicker ausgebildet werden kann. Die Ausbildung der Kollektorelektrode kann auf diese Weise verglichen mit der ersten Anordnung erleichtert werden.
Figur 6 zeigt ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der identische Betrieb zu dem Transistor der Figur 5 wird durch Umkehren der Polarität der angelegten Spannung erzielt. Das vorliegende Ausführungsbeipiel stellt eine Komplementärvorrichtung zu der Vorrichtung der Figur 5 dar.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß vom Interbandtunneln anstatt vom bekannten Resonzanztunneln zwischen den Leitungsbändern Gebrauch gemacht, wodurch die Tunnelstromdichte erhöht wird, wobei der Überstrom unterdrückt wird, was es ermöglicht, daß der erfindungsgemäße Transistor bei Raumtemperatur arbeitet. Verglichen mit der bekannten AlGaAs-Vorrichtung unterdrückt der erfindungsgemäße Transistor den Überstrom unter der Annahme einer konstanten Stromdichte und einer Betriebstemperatur von 77K auf 1/6-1/8.

Claims

1. Tunneleffekttransistor mit:

einer Emitterschicht (7) aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Emitterschicht einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, einer Sperrschicht (6) aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Unterkante des Leitungsbandes des zweiten Halbleitermaterials in der Energie höher ist als die Unterkante des Leitungsbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Oberkante des Valenzbandes des zweiten Halbleitermaterials in der Energie niedriger ist als die Oberkante des Valenzbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Sperrschicht eine solche Dicke aufweist, daß Elektronen durch die Sperrschicht tunneln können,

einer Kollektorschicht (4) aus einem dritten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Unterkante des Leitungsbandes des dritten Halbleitermaterials in der Energie niedriger ist als die Oberkante des Valenzbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Oberkante des Valenzbandes des dritten Halbleitermaterials in der Energie höher ist als die Oberkante des Valenzbandes des zweiten Halbleitermaterials, wobei die Kollektorschicht einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem der Emitterschicht aufweist und eine solche Dicke hat, daß Quantenniveaus in der Kollektorschicht gebildet werden,

einer Gateschicht (2) aus einem Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Unterkante des Valenzbandes des Halbleitermaterials der Gateschicht in der Energie höher ist als die Unterkante des Leitungsbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Oberkante des Valenzbandes des Halbleitermaterials der Gateschicht in der Energie geringer ist als die Oberkante des Valenzbandes des dritten Halbleitermaterials, wobei die Gateschicht eine solche Dicke aufweist, daß die Wahrscheinlichkeit des Elektronentunnels durch die Gateschicht deutlich reduziert ist, wobei die Schichten in dieser Reihenfolge aufgeschichtet sind,

Elektroden (8, 5), die ohmische Kontakte auf der Emitterschicht bzw. der Kollektorschicht bilden, und einer Elektrode (3), die einen Schottkykontakt auf der Gateschicht bildet.

2. Tunneleffekttransistor mit:

einer Emitterschicht aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Emitterschicht einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, einer Sperrschicht aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Unterkante des Leitungsbandes des zweiten Halbleitermaterials in der Energie höher ist als die Unterkante des Leitungsbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Oberkante des Valenzbandes des zweiten Halbleitermaterials in der Energie geringer ist als die Oberkante des Valenzbandes des ersten Halbleitermaterials, wobei die Sperrschicht eine solche Dicke aufweist, daß Elektronen durch die Sperrschicht tunneln können,

einer Kollektorschicht aus einem dritten Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Oberkante des Valenzbandes des dritten Halbleitermaterials in der Energie höher ist als die Unterkante des Leitungsbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Unterkante des Leitungsbandes des dritten Halbleitermaterials in der Energie geringer ist als die Unterkante des Leitungsbandes des zweiten Halbleitermaterials, wobei die Kollektorschicht einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem der Emitterschicht aufweist und eine solche Dicke hat, daß Quantenniveaus in der Kollektorschicht gebildet werden, einer Gateschicht aus einem Halbleitermaterial mit einem Leitungsband und einem Valenzband, wobei die Oberkante des Valenzbandes des Halbleitermaterials der Gateschicht in der Energie geringer ist als die Oberkante des Valenzbandes des ersten Halbleitermaterials und wobei die Unterkante des Leitungsbandes des Halbleitermaterials der Gateschicht in der Energie höher ist als die Unterkante des Leitungsbandes des dritten Halbleitermaterials, wobei die Gateschicht eine solche Dicke aufweist, daß die Wahrscheinlichkeit des Elektronentunnels durch die Gateschicht deutlich reduziert ist, wobei die Schichten in dieser Reihenfolge aufgeschichtet sind,

Elektroden, die ohmische Kontakte auf der Emitterschicht bzw. der Kollektorschicht bilden, und einer Elektrode, die einen Schottkykontakt auf der Gateschicht bildet.

3. Tunneleffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Sperrschicht aus dem zweiten Halbleitermaterial innerhalb der Kollektorschicht zwischen der Sperrschicht und der Gateschicht angeordnet ist, wobei eine Doppelsperr-Quantenwellstruktur durch die Sperrschicht, die weitere Sperrschicht und den dazwischen angeordneten Teil der Kollektorschicht gebildet wird, wobei die Quantenniveaus in dem Teil der Kollektorschicht ausgebildet werden.