JP3171278B2 - Quantum box semiconductor device - Google Patents
Quantum box semiconductor deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
にキャリアの自由度が0次元の量子箱間のキャリア遷移
を制御する量子箱半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a quantum box semiconductor device for controlling carrier transition between quantum boxes having a zero degree of freedom of carriers.
【0002】半導体微細加工技術の高度化によって半導
体装置もサブミクロン以下のサイズで製造できるように
なった。固体内電子のド・ブローイ波長程度のサイズに
まで微細化された半導体領域においては、キャリアの量
子力学的性質が現れてくる。この結果、電子、正孔のエ
ネルギ準位は量子化される。[0002] Advances in semiconductor fine processing technology have made it possible to manufacture semiconductor devices in submicron or smaller sizes. In a semiconductor region miniaturized to a size of about the de Broglie wavelength of electrons in a solid, quantum mechanical properties of carriers appear. As a result, the energy levels of electrons and holes are quantized.
【0003】これら量子化された準位を利用した新しい
機能のひとつに、共鳴トンネリングがある。この現象は
近接した2つのエネルギ準位が一致した時のみ選択的に
キャリアがトンネル遷移するもので、これをエミッタに
利用した共鳴ホットエレクトロントランジスタ(RHE
T)が試作されている。One of the new functions using these quantized levels is resonance tunneling. This phenomenon is a phenomenon in which carriers selectively make a tunnel transition only when two adjacent energy levels coincide with each other. A resonant hot electron transistor (RHE) using this as an emitter is used.
T) has been prototyped.
【0004】[0004]
【従来の技術】RHETの場合、キャリア(電子)は通
常、近接した2つの量子井戸層間の準位を遷移する。す
なわち、キャリアの自由度は2次元である。2. Description of the Related Art In the case of RHET, carriers (electrons) usually transition between the levels between two adjacent quantum well layers. That is, the degree of freedom of the carrier is two-dimensional.
【0005】しかし、室温では格子の熱的振動の影響を
避けることができず、キャリアのエネルギ分布やエネル
ギ準位のぼけのため、シャープな特性が得られないこと
が多い。However, at room temperature, the influence of thermal vibration of the lattice cannot be avoided, and sharp characteristics cannot be obtained in many cases due to the energy distribution of the carriers and the blur of the energy level.
【0006】そこで、さらにキャリアの自由度を制限
し、準位を局在化せしめた量子細線(1次元キャリア)
および量子箱(0次元キャリア)が提案され、デバイス
への応用が検討されている。Therefore, a quantum wire (one-dimensional carrier) in which the degree of freedom of the carrier is further restricted and the level is localized.
And quantum boxes (0-dimensional carriers) have been proposed, and application to devices has been studied.
【0007】たとえば、TI社のマークリードらは、0
次元の共鳴トンネリングを利用した半導体装置を開示し
た(特開昭61−123174号、特開昭61−816
62号、特開昭61−82470号、特開昭61−82
471号、特開昭61−82472号および特開昭61
−82473号)。これは、電子の外部ポテンシャル変
化を利用して電子のトンネリング制御を行なう論理素子
である。For example, TI's Mark Read et al.
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 61-123174 and 61-816 disclose a semiconductor device using two-dimensional resonant tunneling.
No. 62, JP-A-61-82470, JP-A-61-82
No. 471, JP-A-61-82472 and JP-A-61-82472.
-82473). This is a logic element that performs electron tunneling control using the change in the external potential of electrons.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の量
子化半導体装置においては、電位井戸を含む領域のポテ
ンシャル、あるいは0次元電子の置かれた量子箱を含む
領域の外場ポテンシャルを全体的に変調している。この
ため、量子化半導体装置の動作を制御するための電界が
量子準位以外の領域にまで広がり、したがって量子化半
導体装置の近接配置に制限が生ずる。In the conventional quantized semiconductor device described above, the potential of a region including a potential well or the external field potential of a region including a quantum box in which 0-dimensional electrons are placed is generally reduced. Modulated. For this reason, the electric field for controlling the operation of the quantized semiconductor device spreads to a region other than the quantum level, so that the proximity arrangement of the quantized semiconductor device is restricted.
【0009】本発明の目的は、新規な構成の量子箱半導
体装置を提供することである。本発明の別の目的は、高
集積化が可能な駆動方式による量子箱半導体装置を提供
することである。An object of the present invention is to provide a quantum box semiconductor device having a novel configuration. Another object of the present invention is to provide a quantum box semiconductor device using a driving method capable of high integration.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の量子箱半導体装
置は、半導体中に形成された量子箱構造のキャリアエミ
ッタと、キャリアエミッタからトンネル注入できる程度
に近接して前記半導体中に形成された量子箱構造の複数
のキャリアコレクタと、該キャリアコレクタの量子箱サ
イズを外部電圧で制御するための制御手段とを有し、前
記複数のキャリアコレクタを予め異なるサイズの量子箱
に形成し、前記制御手段が複数のキャリアコレクタに対
して同一の外部電圧を印加する手段を有し、前記キャリ
アエミッタから電圧に応じて異なるキャリアコレクタに
共鳴トンネル注入を生じさせる。According to the present invention, there is provided a quantum box semiconductor device formed in a semiconductor so as to be close to a carrier having a quantum box structure formed in the semiconductor and to be tunnel-injected from the carrier emitter. A plurality of carrier collectors having a quantum box structure, and control means for controlling a quantum box size of the carrier collector by an external voltage, wherein the plurality of carrier collectors are formed in quantum boxes of different sizes in advance, and the control is performed. The means has means for applying the same external voltage to a plurality of carrier collectors, and causes resonant tunneling injection from the carrier emitter to different carrier collectors depending on the voltage.
【0011】[0011]
【作用】量子箱のサイズを変化させると、量子箱内で許
容される量子準位が変化する。この量子準位の変化を利
用して共鳴トンネル現象を制御することができる。When the size of the quantum box is changed, the quantum level allowed in the quantum box changes. The resonance tunnel phenomenon can be controlled using the change in the quantum level.
【0012】図1に本発明の原理を概略的に示す。図1
(A)は、キャリアエミッタ7とこれに隣接するキャリ
アコレクタ8A(複数のキャリアコレクタのひとつ)の
量子状態を示すポテンシャル図である。量子箱サイズが
小さくなってくると、そのポテンシャル分布は図示した
ように尾を引き、急峻には変化しにくくなる。FIG. 1 schematically shows the principle of the present invention. FIG.
(A) is a potential diagram showing a quantum state of a carrier emitter 7 and a carrier collector 8A (one of a plurality of carrier collectors) adjacent thereto. As the size of the quantum box becomes smaller, the potential distribution has a tail as shown in the figure, and it becomes difficult to change sharply.
【0013】図1(A)の上段には、キャリアコレクタ
8Aに外部電圧を印加しない状態を示す。図は簡単のた
めに、キャリアエミッタ7の量子準位5よりキャリアコ
レクタ8Aの準位6Aaがエネルギ的に低い位置にある
場合を示すが、本発明は勿論これに限定されるものでは
ない。FIG. 1A shows a state where no external voltage is applied to the carrier collector 8A. For simplicity, the figure shows a case where the level 6Aa of the carrier collector 8A is lower in energy than the quantum level 5 of the carrier emitter 7, but the present invention is of course not limited to this.
【0014】図1(A)の上段の図において、キャリア
エミッタ7の左方からは該エミッタ7にキャリアを供給
するための手段として、ソース2が矢印で示され、また
キャリアコレクタ8Aの右方には該コレクタ8Aからキ
ャリアを引き出すドレイン4Aが矢印で示されている。In the upper part of FIG. 1A, the source 2 is indicated by an arrow as a means for supplying carriers to the carrier emitter 7 from the left side, and the right side of the carrier collector 8A from the left side. A drain 4A for extracting carriers from the collector 8A is indicated by an arrow in FIG.
【0015】図1(A)中段に示すように、今キャリア
コレクタ8Aに外部電圧印加手段、たとえば付設電極に
より電圧を印加し、周囲の空乏層領域を拡大させること
によって矢印1で示す方向に量子箱サイズを縮めると、
キャリアコレクタ8Aの量子準位6Abは高エネルギ側
にシフトする。同時にポテンシャルの底も上昇する。As shown in the middle part of FIG. 1A, a voltage is now applied to the carrier collector 8A by an external voltage applying means, for example, an additional electrode, and the surrounding depletion layer region is enlarged, whereby the quantum in the direction indicated by arrow 1 is increased. If you shrink the box size,
The quantum level 6Ab of the carrier collector 8A shifts to a higher energy side. At the same time, the bottom of the potential rises.
【0016】キャリアエミッタ7とキャリアコレクタ8
Aの量子準位がエネルギ的に等しくなると、共鳴トンネ
リング現象が生じて、ソース2からキャリアエミッタ7
に注入されたキャリアが、キャリアコレクタ8Aに遷移
する。Carrier emitter 7 and carrier collector 8
When the quantum levels of A become energetically equal, a resonance tunneling phenomenon occurs, causing the source 2 to move from the carrier emitter 7
The carrier injected to the carrier transitions to the carrier collector 8A.
【0017】したがって、適当な手段でキャリアコレク
タ8Aとドレイン4Aの量子準位を一致させておけば、
この時ソース2からドレイン4Aにキャリアが流れる。
勿論、ドレイン4Aが量子化されていなければ、キャリ
アコレクタ8Aに遷移したキャリアは、直ちにホットな
状態でドレイン4Aに流入することができる。Therefore, if the quantum levels of the carrier collector 8A and the drain 4A are made to match by appropriate means,
At this time, carriers flow from the source 2 to the drain 4A.
Of course, if the drain 4A is not quantized, the carrier that has transited to the carrier collector 8A can immediately flow into the drain 4A in a hot state.
【0018】なお、室温では、格子振動やその他のキャ
リア散乱機構の影響で量子準位がぼけているため、遷移
確率はある幅を有する。次に、外部電圧をさらに高めて
いくと、図1(A)下段に示すように、キャリアコレク
タ8Aの量子準位6Acがキャリアエミッタ7の量子準
位5よりエネルギ的に高くなり、非共鳴状態となる。こ
の結果、キャリアエミッタ7からキャリアコレクタ8A
への遷移は、再び停止する。At room temperature, the transition probability has a certain width because the quantum level is blurred due to the effects of lattice vibration and other carrier scattering mechanisms. Next, when the external voltage is further increased, the quantum level 6Ac of the carrier collector 8A becomes energetically higher than the quantum level 5 of the carrier emitter 7 as shown in the lower part of FIG. Becomes As a result, from the carrier emitter 7 to the carrier collector 8A
The transition to stops again.
【0019】本発明の量子箱の準位制御は、当該量子箱
への外部電圧印加によって可能であり、量子箱周囲の外
部ポテンシャルには必ずしも関係しないので、前記従来
技術の量子箱デバイスのように周囲の不純物等の電荷の
影響は受けにくい。The level control of the quantum box of the present invention is possible by applying an external voltage to the quantum box, and is not necessarily related to the external potential around the quantum box. It is hardly affected by charges such as impurities in the surroundings.
【0020】図1(B)は、本発明の複数のキャリアコ
レクタ(図では3個のキャリアコレクタ8A、8B、8
Cを示す)の配置例を示している。今、説明の都合上、
各キャリアコレクタのサイズを、 8A<8B<8C のようにする。また、キャリアは電子eとする。FIG. 1B shows a plurality of carrier collectors (three carrier collectors 8A, 8B and 8 in the figure) of the present invention.
C is shown). Now, for the sake of explanation,
The size of each carrier collector is set as follows: 8A <8B <8C. The carrier is electron e.
【0021】キャリアコレクタ8A、8B、8Cのサイ
ズは、外部電圧を印加しない時、図1(A)のように制
御することができる。外部電圧を印加していくと、上記
量子箱サイズ比によって、まず最もエネルギ的に高い位
置にあるキャリアコレクタ8Aの量子準位6Aがキャリ
アエミッタ7の量子準位5に一致して、ソース2からキ
ャリアエミッタ7に注入された電子eがキャリアコレク
タ8Aに共鳴トンネル注入される。The size of the carrier collectors 8A, 8B and 8C can be controlled as shown in FIG. 1A when no external voltage is applied. When an external voltage is applied, the quantum level 6A of the carrier collector 8A located at the highest energy level coincides with the quantum level 5 of the carrier emitter 7 according to the quantum box size ratio. The electrons e injected into the carrier emitter 7 are subjected to resonance tunnel injection into the carrier collector 8A.
【0022】さらに外部電圧を高めていくと、キャリア
コレクタ8Aは非共鳴となり、代わりに次に高いエネル
ギ準位を有するキャリアコレクタ8Bが共鳴状態とな
り、量子準位5から量子準位6Bへの電子のトンネル注
入が生ずる。When the external voltage is further increased, the carrier collector 8A becomes non-resonant, and the carrier collector 8B having the next highest energy level is brought into a resonance state, and electrons from the quantum level 5 to the quantum level 6B are changed. Tunnel injection occurs.
【0023】さらに、外部電圧を高めていくと、キャリ
アコレクタ8Bも非共鳴となり、それまで非共鳴状態に
あったキャリアコレクタ8Cの量子準位6Cがキャリア
エミッタ準位5と一致して共鳴トンネリングを生ずる。When the external voltage is further increased, the carrier collector 8B also becomes non-resonant, and the quantum level 6C of the carrier collector 8C, which has been in a non-resonant state, coincides with the carrier emitter level 5 to perform resonance tunneling. Occurs.
【0024】このようにして、1個のキャリアエミッタ
7のキャリアを比較的シャープな閾値をもって複数の導
電チャネル(キャリアコレクタとドレインにより構成)
に任意にスイッチさせることができる。In this manner, the carriers of one carrier emitter 7 are divided into a plurality of conductive channels (composed of a carrier collector and a drain) with a relatively sharp threshold.
Can be switched arbitrarily.
【0025】図1を用いて原理説明したような状態は、
たとえば高移動度トランジスタ(HEMT)で用いられ
ているヘテロ接合の変調ドーピングを利用し、微細加工
と適当な電極形成によって具体化することができる。The state described in principle with reference to FIG.
For example, modulation doping of a heterojunction used in a high-mobility transistor (HEMT) can be used, and it can be embodied by fine processing and appropriate electrode formation.
【0026】すなわち、低不純物濃度、狭禁制帯幅を有
する第1の半導体の上または下に、高不純物濃度、広禁
制帯幅を有する第2の半導体を積層すると、変調ドーピ
ング構造が形成され、前記第1の半導体のヘテロ接合界
面にバンドベンディングによる井戸層が形成されて該井
戸層に電子が集積化する。これは、2次元電子ガスであ
るため、その周囲を空乏層で隔離することにより、1次
元や0次元状態を作りだすことができる。That is, when a second semiconductor having a high impurity concentration and a wide bandgap is laminated on or under the first semiconductor having a low impurity concentration and a narrow bandgap, a modulation doping structure is formed. A well layer is formed at the heterojunction interface of the first semiconductor by band bending, and electrons are integrated in the well layer. Since this is a two-dimensional electron gas, a one-dimensional or zero-dimensional state can be created by isolating the surroundings with a depletion layer.
【0027】このような0次元状態を利用して、図1
(A)、(B)に示すような量子箱サイズの制御を行な
えば、量子箱の外部に格別電位勾配を形成しなくても共
鳴状態を制御することができる。Using such a zero-dimensional state, FIG.
By controlling the quantum box size as shown in (A) and (B), the resonance state can be controlled without forming a special potential gradient outside the quantum box.
【0028】以下、本発明を実施例に基づいて、より詳
しく述べる。Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
【0029】[0029]
【実施例】図2は、本発明の実施例によるマルチチャネ
ル量子箱半導体装置の機能層領域平面図を示す。図2の
X−Y断面構成はたとえば図3に示すようなものであ
る。FIG. 2 is a plan view of a functional layer region of a multi-channel quantum box semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The XY cross-sectional configuration in FIG. 2 is, for example, as shown in FIG.
【0030】図2は、図1(B)の場合同様、量子箱キ
ャリアエミッタ46に近接してサイズのそれぞれ異なる
量子箱キャリアコレクタ48、50、52(サイズは4
8<50<52の順)が配置されていることを示す。FIG. 2 shows quantum box carrier collectors 48, 50, and 52 (sizes are different from each other) close to the quantum box carrier emitter 46, similarly to the case of FIG.
8 <50 <52).
【0031】エミッタ/コレクタ間隔は、コレクタの空
乏層化によるサイズ縮減によってもトンネル注入可能な
数〜十数nmである。また、エミッタ、コレクタの各サ
イズは数十nm程度である。The emitter / collector distance is several to several tens of nm, which enables tunnel injection even by size reduction due to depletion of the collector. Each size of the emitter and the collector is about several tens nm.
【0032】キャリアエミッタ46近傍にはソース38
が、また各コレクタ48、50、52近傍には、それぞ
れドレイン40、42、44が配置されている。図の場
合、各ドレイン領域は1次元チャネル(量子細線)構造
になっているが、必ずしも量子化されていなくてもよ
い。The source 38 is located near the carrier emitter 46.
However, drains 40, 42, and 44 are arranged near the collectors 48, 50, and 52, respectively. In the case of the figure, each drain region has a one-dimensional channel (quantum wire) structure, but it does not necessarily have to be quantized.
【0033】各ドレイン40、42、44の量子準位
は、それぞれのゲート電極(図示せず)によって量子準
位をそれぞれのキャリアコレクタ48、50、52と一
致させるように制御される。The quantum level of each drain 40, 42, 44 is controlled by a respective gate electrode (not shown) so that the quantum level coincides with the respective carrier collectors 48, 50, 52.
【0034】ソース38は、2次元電子ガス領域72と
接続し、該領域72上にはソース電極30が設けられて
いる。一方、各ドレイン40、42、44もそれぞれ2
次元電子ガス領域74、76、78と接続し、それぞれ
の領域上にはそれぞれドレイン電極32、34、36が
設けられている。キャリアコレクタ48、50、52上
には、共通のゲート電極54が設けられている。The source 38 is connected to the two-dimensional electron gas region 72, on which the source electrode 30 is provided. On the other hand, each of the drains 40, 42, 44 is also 2
The drain electrodes 32, 34, and 36 are provided on the respective regions connected to the two-dimensional electron gas regions 74, 76, and 78, respectively. On the carrier collectors 48, 50, 52, a common gate electrode 54 is provided.
【0035】このような構造は、たとえば、以上のよう
にして製造される。まず、図3で示すように、半絶縁性
GaAs基板60上に厚さ500nmのアンドープGa
As層62、その上に厚さ10nmのアンドープAlG
aAsスペーサ層64、その上に厚さ45nm、不純物
濃度1×1018cm-3のn型AlGaAs電子供給層6
6、その上に厚さ45nm、キャリア濃度1×1018c
m3 のn+ 型GaAsコンタクト層68を、MBE法で
連続的に形成した多層構造を得る。Such a structure is manufactured, for example, as described above. First, as shown in FIG. 3, a 500 nm thick undoped Ga is formed on a semi-insulating GaAs substrate 60.
As layer 62, on which undoped AlG having a thickness of 10 nm
aAs spacer layer 64, on which n-type AlGaAs electron supply layer 6 having a thickness of 45 nm and an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3
6. On top of that, a thickness of 45 nm and a carrier concentration of 1 × 10 18 c
A multilayer structure in which m 3 n + -type GaAs contact layers 68 are continuously formed by MBE is obtained.
【0036】次いで、n+ 型GaAsコンタクト層68
上に、AuGe/Au(厚さ20nm/200nm)か
らなるソース電極30およびドレイン電極32、34、
36を蒸着と通常のリフトオフ法を用いて形成する。Next, the n + type GaAs contact layer 68
A source electrode 30 and drain electrodes 32 and 34 made of AuGe / Au (thickness 20 nm / 200 nm) are formed thereon.
36 is formed using vapor deposition and a normal lift-off method.
【0037】その後、加熱処理を行なって電極を合金化
する。合金化領域は、深さ方向に2次元電子ガス層70
にまで達している。したがって、ソース電極30および
ドレイン電極32、34、36から2次元電子ガス層7
0への電気的接続は、合金化領域を介して形成される。Thereafter, heat treatment is performed to alloy the electrodes. The alloyed region is formed by a two-dimensional electron gas layer 70 in the depth direction.
Has been reached. Therefore, the two-dimensional electron gas layer 7 is formed from the source electrode 30 and the drain electrodes 32, 34, 36.
An electrical connection to zero is made through the alloyed region.
【0038】アンドープGaAsチャネル層62とn型
AlGaAs電子供給層66は、変調ドープのヘテロ接
合を形成する。アンドープGaAsチャネル層62のヘ
テロ接合界面領域に形成される2次元電子ガス層70で
は、シートキャリア濃度が約2.3×1011cm-2、電
子移動度が800000cm2 /V・sec程度とな
る。The undoped GaAs channel layer 62 and the n-type AlGaAs electron supply layer 66 form a modulation-doped heterojunction. In the two-dimensional electron gas layer 70 is formed on the heterojunction interface region between the undoped GaAs channel layer 62, the sheet carrier concentration of about 2.3 × 10 11 cm -2, the electron mobility becomes 800000cm 2 / V · sec about .
【0039】2次元電子ガス層70にキャリアエミッタ
46およびキャリアコレクタ48、50、52を形成す
るため、図3に示したように、選択性ドライエッチング
を用いてn+ 型GaAsコンタクト層68およびn型A
lGaAs電子供給層66の一部を堀り込み、ソース領
域、キャリアエミッタ、キャリアコレクタ、ドレイン領
域に対応する領域を分離する。In order to form the carrier emitter 46 and the carrier collectors 48, 50 and 52 in the two-dimensional electron gas layer 70, as shown in FIG. 3, n + -type GaAs contact layers 68 and n are formed by selective dry etching. Type A
A part of the lGaAs electron supply layer 66 is dug to separate regions corresponding to a source region, a carrier emitter, a carrier collector, and a drain region.
【0040】エッチングされた領域直下のアンドープG
aAsチャネル層62では、空乏層化によってヘテロ接
合界面領域から2次元電子ガス層70が消滅する。最後
に、キャリアコレクタ48、50、52の量子箱サイズ
を外部電圧によって制御するために、コンタクト層68
の対応する領域上に厚さ300nmのAl膜からなるシ
ョットキゲート電極54を堆積する。該電極54は、図
2に点線で表示したように、キャリアコレクタ48、5
0、52全体を制御するように連続的に形成されてい
る。Undoped G just below the etched region
In the aAs channel layer 62, the two-dimensional electron gas layer 70 disappears from the heterojunction interface region due to depletion. Finally, in order to control the quantum box size of the carrier collectors 48, 50, 52 by an external voltage, the contact layer 68 is controlled.
A Schottky gate electrode 54 made of an Al film having a thickness of 300 nm is deposited on the region corresponding to. The electrode 54 has carrier collectors 48, 5 and 5 as indicated by the dotted lines in FIG.
0 and 52 are formed continuously so as to control the whole.
【0041】ショットキゲート電極54は、図3に示す
ように、コンタクト層の島状領域の表面だけでなく、側
面にも回り込んで堆積したAl膜によって形成されてい
る。図3(B)は、ショットキゲート電極54の別の形
態を示す。この場合、Al膜の堆積は、コンタクト層6
8の島状領域の上面には行なわれず、側面にのみ行なわ
れている。As shown in FIG. 3, the Schottky gate electrode 54 is formed of an Al film deposited not only on the surface of the island region of the contact layer but also on the side surface. FIG. 3B shows another form of the Schottky gate electrode 54. In this case, the Al film is deposited on the contact layer 6.
8 is not performed on the upper surface but performed only on the side surface.
【0042】このようにして、側面のみに形成された電
極54に電圧を印加して量子箱サイズを縮減すると、全
面に電極形成した場合に比べて、キャリアコレクタのサ
イズ縮減割合よりも量子準位シフト割合が大きくなるた
め、同じゲート電圧の変化に対して出力の立ち上がり、
立ち下がりが鋭くなり、また複数のキャリアコレクタを
経由するマルチチャネルの出力分離がより明確になると
いう利点がある。As described above, when the voltage is applied to the electrode 54 formed only on the side surface to reduce the size of the quantum box, the quantum level becomes smaller than the size reduction ratio of the carrier collector as compared with the case where the electrode is formed on the entire surface. Since the shift ratio increases, the output rises for the same gate voltage change,
There is an advantage that the fall becomes sharper and the multi-channel output separation via a plurality of carrier collectors becomes clearer.
【0043】本実施例で以上のようにして形成されたキ
ャリアコレクタ48、50、52の量子箱サイズは、 コレクタ50<コレクタ48<コレクタ52 のような関係にする。In the present embodiment, the quantum box sizes of the carrier collectors 48, 50 and 52 formed as described above satisfy the relationship of collector 50 <collector 48 <collector 52.
【0044】すなわち、外部電圧が印加されていない場
合の各キャリアコレクタの量子準位は、コレクタ52が
エネルギ的に最も低い位置にあり、次いでコレクタ4
8、コレクタ50の順になる。That is, when the external voltage is not applied, the quantum level of each carrier collector is such that the collector 52 is at the lowest energy position,
8 and the collector 50.
【0045】今、簡単のために、キャリアエミッタ46
のサイズをキャリアコレクタ50よりもさらに小さく形
成しておくとする。この時、各量子箱間ではキャリアエ
ミッタ46の量子準位がエネルギ的に最も高い位置にく
る。Now, for simplicity, the carrier emitter 46
Is formed smaller than the carrier collector 50. At this time, the quantum level of the carrier emitter 46 is located at the highest energy level between the quantum boxes.
【0046】勿論、キャリアエミッタサイズを他の量子
箱より大きくも等しくすることもできる。これらは、ゲ
ート電極54に印加する電圧に対する相対的な量子準位
エネルギをシフトさせるだけであり、本質的に半導体装
置の動作に影響を与えるものではない。Of course, the carrier emitter size can be made larger or equal to other quantum boxes. These shift only the quantum level energy relative to the voltage applied to the gate electrode 54 and do not essentially affect the operation of the semiconductor device.
【0047】各量子箱領域46、48、50、52にそ
れぞれトンネル注入可能な程度に近接して形成された量
子細線領域38、40、42、44の量子準位は、量子
箱の準位よりエネルギ的に低い位置にある。The quantum levels of the quantum wire regions 38, 40, 42 and 44 formed so close to the respective quantum box regions 46, 48, 50 and 52 as to enable tunnel injection are higher than the quantum box levels. It is in a low energy position.
【0048】ゲート電極54に、電圧を印加しない場合
の各領域のポテンシャル状態を、図4(A)に示す。キ
ャリアエミッタ46の量子準位47は、キャリアコレク
タ50の量子準位51よりエネルギ的に高く、キャリア
コレクタ48の量子準位49は量子準位51より低く、
またキャリアコレクタ52の量子準位53は量子準位4
9よりさらに低い。FIG. 4A shows the potential state of each region when no voltage is applied to the gate electrode 54. The quantum level 47 of the carrier emitter 46 is energetically higher than the quantum level 51 of the carrier collector 50, the quantum level 49 of the carrier collector 48 is lower than the quantum level 51,
The quantum level 53 of the carrier collector 52 is the quantum level 4
Even lower than 9.
【0049】さて、ソース電極30に負の電圧を印加し
てソース38の量子準位を高め、それがキャリアエミッ
タ46の量子準位47と一致した時、共鳴トンネリング
が生じて、電子はキャリアエミッタ46に注入される。Now, a negative voltage is applied to the source electrode 30 to increase the quantum level of the source 38. When the quantum level coincides with the quantum level 47 of the carrier emitter 46, resonance tunneling occurs, and electrons are generated by the carrier emitter. Injected into 46.
【0050】ドレイン電極34にも負の電圧を印加し、
ドレイン42の量子準位を予めキャリアコレクタ50の
量子準位51と一致させておく。ただし、量子準位47
より量子準位51がエネルギ的に低い位置にあるため、
ドレイン電流は流れない。A negative voltage is also applied to the drain electrode 34,
The quantum level of the drain 42 is made to match the quantum level 51 of the carrier collector 50 in advance. However, the quantum level 47
Since the quantum level 51 is at a lower position in terms of energy,
No drain current flows.
【0051】次に、ショットキゲート電極54に負の電
圧を印加していくと、各コレクタの量子準位はエネルギ
的に上昇する。最初にキャリアコレクタ50の量子準位
51がキャリアエミッタ46の量子準位47と一致して
共鳴状態になり、電子がキャリアエミッタからキャリア
コレクタへ遷移する。Next, when a negative voltage is applied to the Schottky gate electrode 54, the quantum level of each collector rises energetically. First, the quantum level 51 of the carrier collector 50 coincides with the quantum level 47 of the carrier emitter 46 to be in a resonance state, and electrons transition from the carrier emitter to the carrier collector.
【0052】量子準位51へトンネル注入された電子
は、量子準位51とドレイン42の量子準位が一致して
いるため、直ちに共鳴トンネリングによってドレイン4
2へ流れ、ドレイン電流を形成する。これを図4(B)
に示す。The electrons injected into the quantum level 51 by tunnel injection have the same quantum level of the quantum level 51 and that of the drain 42, so that the drain 4 is immediately subjected to resonance tunneling.
2 to form a drain current. This is shown in FIG.
Shown in
【0053】一方、他のキャリアコレクタの量子準位
は、図4(B)中段、下段に示したように、キャリアエ
ミッタ46の量子準位47よりエネルギ的に、なお低い
位置にあるので、ドレイン電流は流れない。なお、ドレ
イン40、44の量子準位はキャリアコレクタ48、5
2の量子準位49、53と一致させておく。On the other hand, the quantum level of the other carrier collector is still lower in energy than the quantum level 47 of the carrier emitter 46 as shown in the middle and lower parts of FIG. No current flows. Note that the quantum levels of the drains 40 and 44 are the carrier collectors 48 and 5
The two quantum levels 49 and 53 are matched.
【0054】ショットキゲート電極54のバイアスを次
第に深くしていくと、キャリアコレクタの量子準位が上
昇し、次にキャリアコレクタ48のドレイン40に、さ
らに次いでキャリアコレクタ52のドレイン44に電流
が流れることは明らかである。各キャリアコレクタを経
てドレイン電流が流れる場合、他のドレイン電流はほぼ
ゼロになっている。As the bias of the Schottky gate electrode 54 is gradually increased, the quantum level of the carrier collector increases, and a current flows through the drain 40 of the carrier collector 48 and then to the drain 44 of the carrier collector 52. Is clear. When the drain current flows through each carrier collector, the other drain currents are almost zero.
【0055】ショットキゲート電圧に対して流れるドレ
イン電流の関係を図示したのが、図5である。室温での
格子振動や副レベル間遷移等によってドレイン電流は完
全にゼロにならず、電流のシャープカットオフは困難で
あるが、ゲート電圧の大小のみによって流れる電流のチ
ャネルを高速で切り換えることが可能である。FIG. 5 shows the relationship between the Schottky gate voltage and the drain current flowing. The drain current does not become completely zero due to lattice vibration at room temperature or transition between sub-levels, etc., and it is difficult to sharply cut off the current. However, it is possible to switch the current channel at high speed only by the magnitude of the gate voltage It is.
【0056】このようなマルチチャネル量子箱半導体装
置は、たとえばニューラルネットワーク等の高集積化デ
バイスへの応用に適している。以上の実施例において
は、キャリアエミッタ46の周囲に配置するチャネルを
3系統としたが、勿論必要に応じてその数を増減するこ
とができる。また、量子箱形成は上記したエッチングに
よる方法の他、イオン注入法を用いることも可能であ
る。Such a multi-channel quantum box semiconductor device is suitable for application to a highly integrated device such as a neural network. In the above embodiment, three channels are arranged around the carrier emitter 46. However, the number of channels can be increased or decreased as needed. The quantum box can be formed by an ion implantation method in addition to the above-described etching method.
【0057】上記した実施例では、2次元電子ガス層7
0をAlGaAs/GaAsの変調ドーピングで形成し
たが、その他の材料、組合せ、たとえばInAlAs/
InGaAs等を用い得ることは明白である。さらに、
ソース38およびドレイン40、42、44は、量子井
戸構造でもよく、量子化されていなくてもよい。In the above embodiment, the two-dimensional electron gas layer 7
0 was formed by modulation doping of AlGaAs / GaAs, but other materials, combinations, such as InAlAs /
Obviously, InGaAs or the like can be used. further,
The source 38 and the drains 40, 42, 44 may have a quantum well structure and may not be quantized.
【0058】また、以上の実施例では、走行するキャリ
アを電子としたが、正孔を用い得ることも、本発明の原
理から明らかである。以上実施例に沿って本発明を説明
したが、本発明はこれらに制限されるものではない。た
とえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なこと
は当業者に自明であろう。In the above embodiment, the traveling carriers are electrons. However, it is clear from the principle of the present invention that holes can be used. Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
【0059】[0059]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マルチチャネルを構成するキャリアコレクタの量子箱サ
イズを実効的に外部電圧で変化させることにより、量子
箱内の量子準位を変化させることができる。各キャリア
コレクタの量子準位を適当に電圧で変化させることによ
って、任意のチャネルを選んで共鳴トンネリングによる
電流を選択的に流すことができる。As described above, according to the present invention,
The quantum level in the quantum box can be changed by effectively changing the size of the quantum box of the carrier collector constituting the multi-channel by an external voltage. By appropriately changing the quantum level of each carrier collector with a voltage, an arbitrary channel can be selected and a current through resonance tunneling can be selectively passed.
【0060】量子箱のサイズを変化させることによって
量子準位を制御するため、周囲の不純物等による電荷の
影響を受けにくく、より小型化することができる。この
ため、高集積化した高速スイッチング回路の形成が可能
となる。Since the quantum level is controlled by changing the size of the quantum box, the size of the quantum box is hardly affected by charges due to surrounding impurities and the like, and the size can be further reduced. Therefore, a highly integrated high-speed switching circuit can be formed.
【図1】本発明の原理説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
【図2】本発明の実施例の動作領域を示す平面図であ
る。FIG. 2 is a plan view showing an operation area according to the embodiment of the present invention.
【図3】図2のX−Y断面における構成概略図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram in the XY section of FIG. 2;
【図4】図2、3に示す実施例の動作を説明するための
概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIGS.
【図5】図4に示す動作による各チャネルの電流変化を
示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a change in current of each channel due to the operation shown in FIG. 4;
1 量子箱への外部電圧印加手段 2 量子細線構造のソース 3 キャリアエミッタ/コレクタ間のポテンシャル障壁 4 量子細線構造のドレイン 5 キャリアエミッタの量子準位 6 キャリアコレクタの量子準位 7 キャリアエミッタ 8 キャリアコレクタ 30 ソース電極 32、34、36 ドレイン電極 38 ソース 40、42、44 ドレイン 46 キャリアエミッタ 47 キャリアエミッタの量子準位 48、50、52 キャリアコレクタ 49、51、53 キャリアコレクタの量子準位 54 ショットキゲート電極 60 半絶縁性GaAs基板 62 アンドープGaAsチャネル層 64 アンドープAlGaAsスペーサ層 66 n型AlGaAs電子供給層 68 n+ 型GaAsコンタクト層 70 2次元電子ガス層 72 2次元電子ガスソース領域 74、76、78 2次元電子ガスドレイン領域Reference Signs List 1 external voltage applying means to quantum box 2 source of quantum wire structure 3 potential barrier between carrier emitter and collector 4 drain of quantum wire structure 5 quantum level of carrier emitter 6 quantum level of carrier collector 7 carrier emitter 8 carrier collector Reference Signs List 30 Source electrode 32, 34, 36 Drain electrode 38 Source 40, 42, 44 Drain 46 Carrier emitter 47 Carrier emitter quantum level 48, 50, 52 Carrier collector 49, 51, 53 Carrier collector quantum level 54 Schottky gate electrode Reference Signs List 60 semi-insulating GaAs substrate 62 undoped GaAs channel layer 64 undoped AlGaAs spacer layer 66 n-type AlGaAs electron supply layer 68 n + type GaAs contact layer 70 two-dimensional electron gas layer 72 two-dimensional electron gas source region Region 74, 76, 78 Two-dimensional electron gas drain region
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/337 H01L 21/338 H01L 27/095 H01L 29/778 H01L 29/80 - 29/812 H01L 29/68 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/337 H01L 21/338 H01L 27/095 H01L 29/778 H01L 29/80-29/812 H01L 29 / 68
Claims (4)
リアエミッタと、 キャリアエミッタからトンネル注入できる程度に近接し
て前記半導体中に形成された量子箱構造の複数のキャリ
アコレクタと、 該キャリアコレクタの量子箱サイズを外部電圧で制御す
るための制御手段とを有し、 前記複数のキャリアコレクタを予め異なるサイズの量子
箱に形成し、 前記制御手段が複数のキャリアコレクタに対して同一の
外部電圧を印加する手段を有し、前記キャリアエミッタ
から電圧に応じて異なるキャリアコレクタに共鳴トンネ
ル注入を生じさせるマルチチャネル量子箱半導体装置。1. A carrier emitter having a quantum box structure formed in a semiconductor, a plurality of carrier collectors having a quantum box structure formed in the semiconductor so close to the carrier that tunnel injection can be performed, and the carrier collector Control means for controlling the quantum box size by an external voltage, wherein the plurality of carrier collectors are previously formed in quantum boxes of different sizes, and the control means controls the plurality of carrier collectors with the same external voltage. A multi-channel quantum box semiconductor device, comprising: means for applying a voltage to the carrier emitter to cause resonance tunnel injection from the carrier emitter to a different carrier collector according to a voltage.
アを供給するための量子井戸または量子細線構造のソー
スおよび前記キャリアコレクタからそれぞれキャリアを
引き出すための量子井戸または量子細線構造のドレイン
を有する請求項1記載のマルチチャネル量子箱半導体装
置。2. A quantum well or quantum wire structure source for supplying carriers to the carrier emitter and a quantum well or quantum wire structure drain for extracting carriers from the carrier collector, respectively. Multi-channel quantum box semiconductor device.
アコレクタおよびドレインがヘテロ接合の変調ドープに
よって出現した2次元電子ガス領域内で形成される請求
項1又は2に記載のマルチチャネル量子箱半導体装置。3. The multi-channel quantum box semiconductor device according to claim 1, wherein the source, the carrier emitter, the carrier collector, and the drain are formed in a two-dimensional electron gas region generated by modulation doping of a heterojunction.
レクタ上に形成したショットキ電極を含む請求項1〜3
までのいずれか1項に記載のマルチチャネル量子箱半導
体装置。4. The control means includes a Schottky electrode formed on the plurality of carrier collectors.
The multi-channel quantum box semiconductor device according to any one of the above items.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16144292A JP3171278B2 (en) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | Quantum box semiconductor device |
US07/981,152 US5283445A (en) | 1991-11-29 | 1992-11-24 | Quantum semiconductor device employing quantum boxes for enabling compact size and high-speed operation |
EP92120080A EP0545255B1 (en) | 1991-11-29 | 1992-11-25 | Quantum semiconductor device employing quantum boxes for enabling compact size and high-speed operation |
DE69232767T DE69232767T2 (en) | 1991-11-29 | 1992-11-25 | Quantum effect semiconductor arrangement using quantum wells to enable compact construction and fast function |
KR92022844A KR970003849B1 (en) | 1991-11-29 | 1992-11-30 | Quantum semiconductor device employing quantum boxes for enabling compact size and high-speed operation |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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