JPH02172280A - 高速半導体装置 - Google Patents
高速半導体装置Info
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- JPH02172280A JPH02172280A JP32683988A JP32683988A JPH02172280A JP H02172280 A JPH02172280 A JP H02172280A JP 32683988 A JP32683988 A JP 32683988A JP 32683988 A JP32683988 A JP 32683988A JP H02172280 A JPH02172280 A JP H02172280A
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Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
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。
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)
本発明は高速半導体装置に関し、特に共鳴トンネル効果
を利用した高速半導体装置に関する。
を利用した高速半導体装置に関する。
(従来の技術)
共鳴トンネル効果は電子の通過に要する遅延時間が著し
く小さく、かつ、顕著な微分負性抵抗を有することから
、超高速、新機能三端子素子への応用が極めて有望であ
り、各所で研究開発が行なわれている。例えば、従来の
共鳴トンネル効果を利用した三端子素子の一例としては
、構出らによるジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フイジク ス(Japan、 J、 Appl
、 Phys、)第24巻、 L853頁−L854頁
、1985年に報告された共鳴トンネル電流・ホットエ
レクトロン、トランジスタ(RHBT;Re5onan
t−工unneling Hot Elctron T
ransistor)がある。第15図はRHETの要
部構造断面図である。
く小さく、かつ、顕著な微分負性抵抗を有することから
、超高速、新機能三端子素子への応用が極めて有望であ
り、各所で研究開発が行なわれている。例えば、従来の
共鳴トンネル効果を利用した三端子素子の一例としては
、構出らによるジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フイジク ス(Japan、 J、 Appl
、 Phys、)第24巻、 L853頁−L854頁
、1985年に報告された共鳴トンネル電流・ホットエ
レクトロン、トランジスタ(RHBT;Re5onan
t−工unneling Hot Elctron T
ransistor)がある。第15図はRHETの要
部構造断面図である。
図において11はn型GaAsコレクタ層、12はノン
ドープAlGaAsコレクタバリヤ層、13はn型Ga
Asベース層である。14AはAlGaAs層、14B
はGaAs層であり、(14A−14B−14A)なる
サンドイッチ構造によって共鳴トンネル・バリヤ層を形
成する。
ドープAlGaAsコレクタバリヤ層、13はn型Ga
Asベース層である。14AはAlGaAs層、14B
はGaAs層であり、(14A−14B−14A)なる
サンドイッチ構造によって共鳴トンネル・バリヤ層を形
成する。
15はn型GaAs層エミッタ層、16はエミッタ電極
、17はベース電極であり、18はコレクタ電極である
。第16図にRHETにおけるコレクタ電流のベース、
エミッタ電圧依存性を示すように、同素子は負の伝達コ
ンダクタンスを有する。
、17はベース電極であり、18はコレクタ電極である
。第16図にRHETにおけるコレクタ電流のベース、
エミッタ電圧依存性を示すように、同素子は負の伝達コ
ンダクタンスを有する。
(発明が解決しようとする問題点)
以上の説明から分かるように、従来例では負の伝達コン
ダクタンスが得られ、同素子を例えば、周波数逓倍、論
理演算機能、フリップ・フロップ等の新機能素子に応用
することが可能になった。ここで、更にRHETを多値
論理演算や多進数による数値演算・メモリーに応用する
ことを考えた場合、素子に2個以上の負性伝達コンダク
タンスが特性良く得られることが望まれる。従来のRH
ETにおいても励起準位Ei(i=2,3.・・・)に
おける共鳴トンネル効果をも利用し、複数の負性伝達コ
ンダクタンスを得ることが原理的には可能である。しか
しながら、従来のRHETでは得られる負性抵抗は高々
1個である。なぜなら、励起準位においては電子の閉じ
込めが充分でなく、仮に励起準位における共鳴が観測さ
れたとしても電流値が基底準位におけるトンネル電流よ
り1桁程度大きく、がっピーク電流/バレー電流比CP
N比)の小さいものになってしまうからである。
ダクタンスが得られ、同素子を例えば、周波数逓倍、論
理演算機能、フリップ・フロップ等の新機能素子に応用
することが可能になった。ここで、更にRHETを多値
論理演算や多進数による数値演算・メモリーに応用する
ことを考えた場合、素子に2個以上の負性伝達コンダク
タンスが特性良く得られることが望まれる。従来のRH
ETにおいても励起準位Ei(i=2,3.・・・)に
おける共鳴トンネル効果をも利用し、複数の負性伝達コ
ンダクタンスを得ることが原理的には可能である。しか
しながら、従来のRHETでは得られる負性抵抗は高々
1個である。なぜなら、励起準位においては電子の閉じ
込めが充分でなく、仮に励起準位における共鳴が観測さ
れたとしても電流値が基底準位におけるトンネル電流よ
り1桁程度大きく、がっピーク電流/バレー電流比CP
N比)の小さいものになってしまうからである。
また、従来のRHETでは周波数逓倍および論理演算機
能(排他的論理和)と記憶機能(フリップ・フロップ)
は両立しなかった。すなわち、コレクタ電流に負性微分
抵抗(NDR; Negative Differen
cial−Resistance)が現れ、がっ、ベー
ス電流にNDRが現れない素子は、周波数逓倍、論理演
算機能を有し、一方、ベース電流にNDRが現れ、がっ
、コレクタ電流にNDRが現れない素子は記憶素子用に
用いられた。このように、従来の素子では、用途に応じ
て素子構造を変える必要があり、同一チップ上に異なる
機能を有するRHETを集積することが難しかった。
能(排他的論理和)と記憶機能(フリップ・フロップ)
は両立しなかった。すなわち、コレクタ電流に負性微分
抵抗(NDR; Negative Differen
cial−Resistance)が現れ、がっ、ベー
ス電流にNDRが現れない素子は、周波数逓倍、論理演
算機能を有し、一方、ベース電流にNDRが現れ、がっ
、コレクタ電流にNDRが現れない素子は記憶素子用に
用いられた。このように、従来の素子では、用途に応じ
て素子構造を変える必要があり、同一チップ上に異なる
機能を有するRHETを集積することが難しかった。
本発明の目的は、このような問題点を解決し、所望の複
数のNDRを特性良く得られる高速半導体装置を提供し
、更に、−個の素子で周波数逓倍、論理演算機能および
記憶機能を備える高速半導体装置を提供することにある
。
数のNDRを特性良く得られる高速半導体装置を提供し
、更に、−個の素子で周波数逓倍、論理演算機能および
記憶機能を備える高速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)
本発明によれば、量子準位が生成される量子井戸構造を
有する半導体装置において、少なくとも2つ以上の量子
井戸が形成され、かつ、これらの量子井戸間には導電層
が形成された導電型エミッタ層と該導電型エミッタ層か
らキャリアが注入される同一導電型ベース層と、該導電
型ベース層とコレクタポテンシャルバリヤ層を介して接
する同一導電型コレクタ層とを備えることを特徴とする
高速半導体装置が得られる。
有する半導体装置において、少なくとも2つ以上の量子
井戸が形成され、かつ、これらの量子井戸間には導電層
が形成された導電型エミッタ層と該導電型エミッタ層か
らキャリアが注入される同一導電型ベース層と、該導電
型ベース層とコレクタポテンシャルバリヤ層を介して接
する同一導電型コレクタ層とを備えることを特徴とする
高速半導体装置が得られる。
さらにこの半導体装置においてコレクタバリヤ層のベー
ス層との界面側の高さを次のi〕〜1ii)で規定され
る3つの高さに変えることによりベース層に隣接する量
子井戸内の準位を介した共鳴トンネル効果に伴ってベー
ス層に注入されるキャリア制御され種々の微分負性抵抗
が得られる。
ス層との界面側の高さを次のi〕〜1ii)で規定され
る3つの高さに変えることによりベース層に隣接する量
子井戸内の準位を介した共鳴トンネル効果に伴ってベー
ス層に注入されるキャリア制御され種々の微分負性抵抗
が得られる。
i)ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を介した
共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキャリ
アがコレクタバリア層によって反射されず、コレクタ層
まで到達しうるようにする。
共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキャリ
アがコレクタバリア層によって反射されず、コレクタ層
まで到達しうるようにする。
ii) i)に記載した基底準位からのキャリアはコレ
クタバリヤ層によって反射され、基底準位より高いエネ
ルギー準位におけるトンネル効果に伴ってベース層に注
入されたキャリアのみがコレクタ層に到達しうるように
する。
クタバリヤ層によって反射され、基底準位より高いエネ
ルギー準位におけるトンネル効果に伴ってベース層に注
入されたキャリアのみがコレクタ層に到達しうるように
する。
1ii) i)に記した量子井戸内の第一励起準位を介
した共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキ
ャリアはコレクタバリア層によって反射されるベース電
流を形成するようにする。このi)〜1ii)のように
コレクタバリヤ層を設定することによりベース・エミッ
タ間電圧変化に対するベース電流とコレクタ電流の微分
負性抵抗がi)コレクタ電流のみ、ii)ベース電流及
びコレクタ電流、1ii)ベース電流のみにおいて各々
表れる。
した共鳴トンネル効果に伴ってベース層に注入されるキ
ャリアはコレクタバリア層によって反射されるベース電
流を形成するようにする。このi)〜1ii)のように
コレクタバリヤ層を設定することによりベース・エミッ
タ間電圧変化に対するベース電流とコレクタ電流の微分
負性抵抗がi)コレクタ電流のみ、ii)ベース電流及
びコレクタ電流、1ii)ベース電流のみにおいて各々
表れる。
(作用)
前記手段をとると、ベースに電子を注入するエミッタ部
分において、所望の数の特性の良いNDRを生じせしめ
ることが可能であり、従って、多値論理演算や多進数に
よる数値演算・メモリーに応用可能な明瞭な複数個のN
DRがえられる。
分において、所望の数の特性の良いNDRを生じせしめ
ることが可能であり、従って、多値論理演算や多進数に
よる数値演算・メモリーに応用可能な明瞭な複数個のN
DRがえられる。
ベース層における電子の注入エネルギーが、複数のND
Rに対応して、複数個存在するが、その内、基底準位に
対応する電子はコレクタバリヤに反射されベース中に落
ち、かつ、励起準位(E2)に対応する電子のみコレク
タの到達するようにコレクタバリヤの高さを設定すれば
、低電圧側ではベース電流にのみNDRが現れ、高電圧
側ではコレクタ電流にのみNDRが現れるようにするこ
とが出来る。
Rに対応して、複数個存在するが、その内、基底準位に
対応する電子はコレクタバリヤに反射されベース中に落
ち、かつ、励起準位(E2)に対応する電子のみコレク
タの到達するようにコレクタバリヤの高さを設定すれば
、低電圧側ではベース電流にのみNDRが現れ、高電圧
側ではコレクタ電流にのみNDRが現れるようにするこ
とが出来る。
(実施例)
第1図(a)は本発明の第一の実施例の高速半導体装置
における要部の構造断面図であり、第1図(b)は第1
図(a)におけるエミッタ量子井戸部6を詳しく説明す
る為の6を拡大した構造断面図である。第1図(a)に
おいて、1は半絶縁性GaAs基板、2はn GaAs
コンタクト層、3はn −GaAsコレクタ層、4はノ
ンドープAlGaAsコレクタバリヤ層、5はn−Ga
Asベース層、6はエミッタ量子井戸部、7はn Ga
Asコンタクト層、8はエミッタ電極、9はベース電極
であり、10はコレクタ電極を示している。更に、エミ
ッタ量子井戸部6は、第1図(b)に示すごとく、6A
のノンドープGaAs量子井戸層が6BのノンドープA
lAs障壁層で挟まれた量子井戸構造を基本単位として
、この量子井戸構造がN個、6C(7)n−GaAs層
で接続され、更に、その最上部にn −GaAsエミッ
タ層6Dが積層された構造がら成っている。従って、本
構造では従来例におけるRHETのエミッタ部がNDR
を生じせしめる量子井戸がn −GaAs層でN個直列
に接続された構造に置きがわっている。
における要部の構造断面図であり、第1図(b)は第1
図(a)におけるエミッタ量子井戸部6を詳しく説明す
る為の6を拡大した構造断面図である。第1図(a)に
おいて、1は半絶縁性GaAs基板、2はn GaAs
コンタクト層、3はn −GaAsコレクタ層、4はノ
ンドープAlGaAsコレクタバリヤ層、5はn−Ga
Asベース層、6はエミッタ量子井戸部、7はn Ga
Asコンタクト層、8はエミッタ電極、9はベース電極
であり、10はコレクタ電極を示している。更に、エミ
ッタ量子井戸部6は、第1図(b)に示すごとく、6A
のノンドープGaAs量子井戸層が6BのノンドープA
lAs障壁層で挟まれた量子井戸構造を基本単位として
、この量子井戸構造がN個、6C(7)n−GaAs層
で接続され、更に、その最上部にn −GaAsエミッ
タ層6Dが積層された構造がら成っている。従って、本
構造では従来例におけるRHETのエミッタ部がNDR
を生じせしめる量子井戸がn −GaAs層でN個直列
に接続された構造に置きがわっている。
第1図に示した半導体素子はより具体的には以下のよう
に作製される。まず、例えば、分子線エピタキシャル成
長法により、半絶縁性GaAs基板1上に第工表のよう
な材料からなる層構造を順次成長する。ここに、第工表
にはN=2の場合の層構造について示した。
に作製される。まず、例えば、分子線エピタキシャル成
長法により、半絶縁性GaAs基板1上に第工表のよう
な材料からなる層構造を順次成長する。ここに、第工表
にはN=2の場合の層構造について示した。
成長後、通常のりソグラフィ技術を用い、ベース層5お
よびコレクタコンタクト層3をウエトエッチングにより
露出させ、オーミック電極8,9.10を形成すること
によって、作製される。
よびコレクタコンタクト層3をウエトエッチングにより
露出させ、オーミック電極8,9.10を形成すること
によって、作製される。
以下、本実施例の動作原理を最も簡単なN;2の場合、
つまりエミッタ量子井戸部が2個の量子井戸の直列構造
から成っている場合を例に説明する。
つまりエミッタ量子井戸部が2個の量子井戸の直列構造
から成っている場合を例に説明する。
この場合、エミッタ量子井戸部は例えば第2図に示すよ
うな電流、電圧特性を有する共鳴トンネルダイオード(
RTD; Re5onant工unneling Qi
ode)Di、D2が第3図に示すごとく接続されてい
る回路と等価であるとみなされる。ここで、電圧Vtは
NDRの生じる端子電圧である。
うな電流、電圧特性を有する共鳴トンネルダイオード(
RTD; Re5onant工unneling Qi
ode)Di、D2が第3図に示すごとく接続されてい
る回路と等価であるとみなされる。ここで、電圧Vtは
NDRの生じる端子電圧である。
ここで、第3図の回路の端子31.32はそれぞれ+V
、−Vの電位であるとし、第3図中のA点より見た動作
点の特性図を第4図(a)、(b)、(c)に示す。端
子印加電圧(2v)が2Vtより小さい場合は、第4図
(a)のようにA点はaの動作点をとり、印加電圧の増
大に伴い、電流は増大する。印加電圧が2Vtを越えた
瞬間にRTD DiとD2の一方が高電圧状態で、他方
が低電圧状態となる双安定状態に遷移し電流は減少する
。更に電圧を増加すると第4図(b)のようにA点はb
またはb′の双安定点を動作点としてとりながら電流は
増大する。更に、印加電圧を増加し電流値がNDRのピ
ーク電流値に一致した瞬間にDi、D2の双安定状態を
脱し、電流は殆ど流れなくなる。更に印加電圧を増加す
ると、第4図(e)に示すようにA点がdの動作点をと
りながら再び電流は増大する。
、−Vの電位であるとし、第3図中のA点より見た動作
点の特性図を第4図(a)、(b)、(c)に示す。端
子印加電圧(2v)が2Vtより小さい場合は、第4図
(a)のようにA点はaの動作点をとり、印加電圧の増
大に伴い、電流は増大する。印加電圧が2Vtを越えた
瞬間にRTD DiとD2の一方が高電圧状態で、他方
が低電圧状態となる双安定状態に遷移し電流は減少する
。更に電圧を増加すると第4図(b)のようにA点はb
またはb′の双安定点を動作点としてとりながら電流は
増大する。更に、印加電圧を増加し電流値がNDRのピ
ーク電流値に一致した瞬間にDi、D2の双安定状態を
脱し、電流は殆ど流れなくなる。更に印加電圧を増加す
ると、第4図(e)に示すようにA点がdの動作点をと
りながら再び電流は増大する。
従って、エミッタ量子井戸部の電流−電圧特性は第5図
に示すように、2個の明瞭なNDRを示す。ここで第5
図a、b、dで示した点はそれぞれ、第4図(a)、(
b)、(c)で、示した動作点に対応する。更に、一般
にエミッタ量子井戸部6がN個の量子井戸の直列接続構
造からなる場合の動作原理も全く同様に説明され、その
エミッタ部分の電流−電圧特性にはN個の明瞭なNDR
が得られる。
に示すように、2個の明瞭なNDRを示す。ここで第5
図a、b、dで示した点はそれぞれ、第4図(a)、(
b)、(c)で、示した動作点に対応する。更に、一般
にエミッタ量子井戸部6がN個の量子井戸の直列接続構
造からなる場合の動作原理も全く同様に説明され、その
エミッタ部分の電流−電圧特性にはN個の明瞭なNDR
が得られる。
第6図(a)〜(d)は本実施例のトランジスタとして
の動作原理を説明するためのエネルギ町バンド図である
。図中、第1図(a)、(b)と同記号は同部分あるい
は同じ意味を持つものである。エミッタ、ベース、コレ
クタに電圧を加えていない熱平衡状態では、第6図(a
)のような伝導帯ダイヤグラムになり、量子井戸内には
電子の基底準位および第一励起準位El、E2が生成さ
れる。量子井戸の伝導帯の底から測った電子の共鳴準位
Ei(i=1.2.・・・)は、下式によって計算され
る。
の動作原理を説明するためのエネルギ町バンド図である
。図中、第1図(a)、(b)と同記号は同部分あるい
は同じ意味を持つものである。エミッタ、ベース、コレ
クタに電圧を加えていない熱平衡状態では、第6図(a
)のような伝導帯ダイヤグラムになり、量子井戸内には
電子の基底準位および第一励起準位El、E2が生成さ
れる。量子井戸の伝導帯の底から測った電子の共鳴準位
Ei(i=1.2.・・・)は、下式によって計算され
る。
Ei=(hi)2/8m”L2(1)
ここで、hはブランク(Planck)定数、m本は電
子の有効質量、Lは量子井戸の厚みである。本実施例で
は、m本=0.067mo(moは自由電子の質量)、
L=50Aであるので、E1=225meV、 E2
=898meVとなる。
子の有効質量、Lは量子井戸の厚みである。本実施例で
は、m本=0.067mo(moは自由電子の質量)、
L=50Aであるので、E1=225meV、 E2
=898meVとなる。
第6図(bXcXd)はコレクターエミッタ間に一定電
圧を加えた状態でベース−エミッタ間電圧(VBE)を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
5図のa点近傍の動作点では、第6図(b)に示すよう
に、二つの量子井戸ともに基底準位E1を通じて電流が
流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベー
ス層5に接するRTD(DI)の両端に加わる電圧に相
当する運動エネルギー 2E1 =450meVを有する。ここで、コレクタ障
壁における伝導帯不連続量(ΔEc)は約150meV
であるので、ベース層に注入された電子はコレクタ障壁
によ、って反射されることなく、殆ど全てコレクタ層に
到達する。VBEを増加し第5図のNDRにおけるピー
ク電流値を越えるとIcは減少し、更にVBEを増加し
、第5図す点近傍の動作点では、第6図(C)のように
、D2では基底準位E1における共鳴が、DIでは第1
励起準位E2のテイル(tail)部分を介した伝導が
起こる。この時もベース層における入射電子の運動エネ
ルギーかコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。更に、VBEを
増加し第5図d近傍になると、第6図(d)のバンド図
のごと< Di、D2共にE2のテイル部を介した伝導
となり、同様に殆どの電子はコレクタに到達する。従っ
て、コレクターエミッタ間に一定電圧を加えた下のコレ
クタ電流(Ic)のVBE依存性は第7図のようになり
、Ic−VBE特性に明瞭な2個のNDRが得られる。
圧を加えた状態でベース−エミッタ間電圧(VBE)を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
5図のa点近傍の動作点では、第6図(b)に示すよう
に、二つの量子井戸ともに基底準位E1を通じて電流が
流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベー
ス層5に接するRTD(DI)の両端に加わる電圧に相
当する運動エネルギー 2E1 =450meVを有する。ここで、コレクタ障
壁における伝導帯不連続量(ΔEc)は約150meV
であるので、ベース層に注入された電子はコレクタ障壁
によ、って反射されることなく、殆ど全てコレクタ層に
到達する。VBEを増加し第5図のNDRにおけるピー
ク電流値を越えるとIcは減少し、更にVBEを増加し
、第5図す点近傍の動作点では、第6図(C)のように
、D2では基底準位E1における共鳴が、DIでは第1
励起準位E2のテイル(tail)部分を介した伝導が
起こる。この時もベース層における入射電子の運動エネ
ルギーかコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。更に、VBEを
増加し第5図d近傍になると、第6図(d)のバンド図
のごと< Di、D2共にE2のテイル部を介した伝導
となり、同様に殆どの電子はコレクタに到達する。従っ
て、コレクターエミッタ間に一定電圧を加えた下のコレ
クタ電流(Ic)のVBE依存性は第7図のようになり
、Ic−VBE特性に明瞭な2個のNDRが得られる。
ここで、第7図中に示した動作点a、b、dはそれぞれ
、第6図(b)、(c)、(d)の各バイアス点に対応
する。本実施例では、Icに複数のNDRが得られるこ
とから、周波数逓倍や論理演算機能等に応用できる。ま
た、一般のN個の量子井戸の直列構造の場合でも、全(
同様な原理に基づいてN個の明瞭な負の伝達コンダクタ
ンスが得られる。
、第6図(b)、(c)、(d)の各バイアス点に対応
する。本実施例では、Icに複数のNDRが得られるこ
とから、周波数逓倍や論理演算機能等に応用できる。ま
た、一般のN個の量子井戸の直列構造の場合でも、全(
同様な原理に基づいてN個の明瞭な負の伝達コンダクタ
ンスが得られる。
次に、第二の実施例について説明する。第二の実施例は
、第1図(a)、(b)と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性GaAs基板1上の第1I表のような層構造が
積層された構造となっている。
、第1図(a)、(b)と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性GaAs基板1上の第1I表のような層構造が
積層された構造となっている。
本実施例の特徴は、QaAs井戸層6Bが90Aと第一
の実施例と比較して厚いこと、更にコレクタ障壁層4の
AlAs組成が0.3と高いことである。エミッタ量子
井戸部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一の実施
例と同様に、第5図のように2個の明瞭なNDRが得ら
れる。第8図(a)〜(d)は本実施例における動作原
理を説明するためのバンドダイヤグラムである。熱平衡
状態では、第8図(a)のような伝導帯ダイヤグラムに
なり量子井戸6B内に電子の基底準位E1、第一励起準
位R2が生成される。量子井戸の伝導帯の底から図った
共鳴準位のエネルギーはE1=69meV、E2=27
7meVとなる。
の実施例と比較して厚いこと、更にコレクタ障壁層4の
AlAs組成が0.3と高いことである。エミッタ量子
井戸部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一の実施
例と同様に、第5図のように2個の明瞭なNDRが得ら
れる。第8図(a)〜(d)は本実施例における動作原
理を説明するためのバンドダイヤグラムである。熱平衡
状態では、第8図(a)のような伝導帯ダイヤグラムに
なり量子井戸6B内に電子の基底準位E1、第一励起準
位R2が生成される。量子井戸の伝導帯の底から図った
共鳴準位のエネルギーはE1=69meV、E2=27
7meVとなる。
第8図(bXcXd)はコレクターエミッタ間に一定電
圧を加えた状態でベース、エミッタ間電圧(VBE)を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
5図のa点近傍の動作・点では、第8図(b)に示すよ
うに、二つの量子井戸ともに基底準位E1を通じて電流
が流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベ
ース層5に接するRTD(Di)の両端に加わる電圧に
相当する運動エネルギー 2E1=138me■を有する。ここで、コレクタ障壁
におけるΔEcは約224meVであるので、ベース層
に注入された電子は殆ど全てコレクタ障壁によって反射
され、ベース電流(IB)になる。VBEを増加しND
Rにおけるピーク電流値を越えるとIBが減少し、更に
VBEを増加し、第5図す点近傍の動作点では、第8図
(e)のように、R2では基底準位E1における共鳴が
、Dlでは第1励起準位E2のテイル部を介した伝導が
起こる。この時はベース層における入射電子の運動エネ
ルギーがコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。VBEを増加し
NDRにおけるピーク電流を越えるとIcは減少し、更
にVBEを増加し、第5図d近傍になると、第8図(d
)のバンド図のごと< Di、R2共にR2のテイル部
を介した伝導となり、同様に殆どの電子はコレクタに到
達する。従って、コレクターエミッタ間に一定電圧を加
えた下のエミッタ電流、IB、およびIcのVBE依存
性は、それぞれ、第9図(a)、(b)、(c)のよう
になり、IB−VBE特性及びIc−VBE特性の双方
に異なった電圧(VBE)において、NDRが得られる
。ここで、第9図中に示した動作点a、b、dはそれぞ
れ、第8図(b)、(c)、(d)の各バイアス点に対
応する。本実施例では、IcとIBの双方の互いに相補
的なバイアス点においてNDRが得られることがら、I
cにおけるNDRを用いれば周波数逓倍や論理演算機能
等に応用可能であり、一方、IBにおけるNDRを用い
ればフリップ・フロップも構成できる。
圧を加えた状態でベース、エミッタ間電圧(VBE)を
変えた場合の伝導帯ダイヤグラムである。エミッタ量子
井戸部が第一のピーク電流に近づいた時、すなわち、第
5図のa点近傍の動作・点では、第8図(b)に示すよ
うに、二つの量子井戸ともに基底準位E1を通じて電流
が流れる。このときのベース層に注入される電子は、ベ
ース層5に接するRTD(Di)の両端に加わる電圧に
相当する運動エネルギー 2E1=138me■を有する。ここで、コレクタ障壁
におけるΔEcは約224meVであるので、ベース層
に注入された電子は殆ど全てコレクタ障壁によって反射
され、ベース電流(IB)になる。VBEを増加しND
Rにおけるピーク電流値を越えるとIBが減少し、更に
VBEを増加し、第5図す点近傍の動作点では、第8図
(e)のように、R2では基底準位E1における共鳴が
、Dlでは第1励起準位E2のテイル部を介した伝導が
起こる。この時はベース層における入射電子の運動エネ
ルギーがコレクタ障壁を越えるのに十分であるため、一
部の電子がバンド間散乱等によってベース層に落ちる他
は、殆どの電子はコレクタに到達する。VBEを増加し
NDRにおけるピーク電流を越えるとIcは減少し、更
にVBEを増加し、第5図d近傍になると、第8図(d
)のバンド図のごと< Di、R2共にR2のテイル部
を介した伝導となり、同様に殆どの電子はコレクタに到
達する。従って、コレクターエミッタ間に一定電圧を加
えた下のエミッタ電流、IB、およびIcのVBE依存
性は、それぞれ、第9図(a)、(b)、(c)のよう
になり、IB−VBE特性及びIc−VBE特性の双方
に異なった電圧(VBE)において、NDRが得られる
。ここで、第9図中に示した動作点a、b、dはそれぞ
れ、第8図(b)、(c)、(d)の各バイアス点に対
応する。本実施例では、IcとIBの双方の互いに相補
的なバイアス点においてNDRが得られることがら、I
cにおけるNDRを用いれば周波数逓倍や論理演算機能
等に応用可能であり、一方、IBにおけるNDRを用い
ればフリップ・フロップも構成できる。
第10図は第二の実施例の高速半導体装置を用いて排他
的NORゲートを構成する場合の回路図であり、R1,
R2,RLは趣抗、Tは高速半導体装置であり、E、B
、Cはそれぞれ、エミッタ端子、ベース端子、コレクタ
端子を示している。エミッタ接地された高速半導体装置
Tのベース、エミッタ間には抵抗R1,R2を介して、
それぞれ、入力電圧Vl、V2が入力され、一方、コレ
クタ端子には負荷抵抗RLを介して電圧源VCCに接続
されている。出力電圧Voはコレクタと抵抗RLの結節
点から読み出される。第11図は第10図に示した回路
の動作を説明する電流−電圧特性図である。動作点PL
、P2.P3はそれぞれ、コレクタ電流におけるNDH
の立ち上がり、ピーク、ヴアレーにとられている。第9
図(b)のように、この電圧領域ではベース電流にND
Rは見られないため、v1とv2の和に比例する電圧が
ベース、エミッタ間に生じる。抵抗R1及びR2を適当
に調節することにより、■1とv2が共にローレベル(
low 1evel)であるときには、第11図のPl
に、vlと■2の一方がローレベルで他方がハイレベル
(high 1evel)であるときにはP2に、vl
とv2が共にハイレベルの時にはP3に動作点をとるこ
とができる。ハイレベルを1、ローレベルをOとすると
、このときの入出力における真理衣は第1II表のよう
になる。
的NORゲートを構成する場合の回路図であり、R1,
R2,RLは趣抗、Tは高速半導体装置であり、E、B
、Cはそれぞれ、エミッタ端子、ベース端子、コレクタ
端子を示している。エミッタ接地された高速半導体装置
Tのベース、エミッタ間には抵抗R1,R2を介して、
それぞれ、入力電圧Vl、V2が入力され、一方、コレ
クタ端子には負荷抵抗RLを介して電圧源VCCに接続
されている。出力電圧Voはコレクタと抵抗RLの結節
点から読み出される。第11図は第10図に示した回路
の動作を説明する電流−電圧特性図である。動作点PL
、P2.P3はそれぞれ、コレクタ電流におけるNDH
の立ち上がり、ピーク、ヴアレーにとられている。第9
図(b)のように、この電圧領域ではベース電流にND
Rは見られないため、v1とv2の和に比例する電圧が
ベース、エミッタ間に生じる。抵抗R1及びR2を適当
に調節することにより、■1とv2が共にローレベル(
low 1evel)であるときには、第11図のPl
に、vlと■2の一方がローレベルで他方がハイレベル
(high 1evel)であるときにはP2に、vl
とv2が共にハイレベルの時にはP3に動作点をとるこ
とができる。ハイレベルを1、ローレベルをOとすると
、このときの入出力における真理衣は第1II表のよう
になる。
この表から明らかな通り、出力Voは入力v1とv2の
排他的NORに一致している。
排他的NORに一致している。
第12図は本実施例による高速半導体装置を用いてフリ
ップロップを構成する場合の回路図であるる。エミッタ
接地された高速半導体装置Tのベース−エミッタ間には
抵抗RIを介して、入力端子Viが人力され、一方、コ
レクタ端子には負荷抵抗RLを介して電圧源■CCに接
続されている。出力電圧Voはコレクタと抵抗RLの結
節点から読み出される。第13図(a)、(b)は第1
2図に示したフリップフロップ回路の動作を説明する電
流−電圧特性図である。高速半導体装置Tと負荷抵抗R
Lを直列接続したときのVBEの動作点は第13図(a
)に示すがごとく、ベース電流−電圧特性と負荷線の交
点で表され、この時、抵抗RLと電圧VCCを適当に選
ぶことによって、2個の安定な動作点Ql、Q2をとる
双安定状態に設定することができる。第13図(a)に
示すがごとく、動作点Ql、Q2はそれぞれ、ベース電
流におけるNDRのピーク近傍、ヴアレー近傍にとられ
ている。この電圧領域ではコレクタ電流にNDRは、生
じないので、第13図(b)のようにQ2におけるコレ
クタ電流はQlにおける値より大きい。したがって、Q
lとQ2の状態は出力voのそれぞれハイレベル、ロー
レベルに対応して読み出される。いま、状態Q1におい
て負の電圧パルスが入力されても動作点はQlのままで
あるが、正の電圧パルスが入力されれば動作点はQlか
らQ2に遷移しVoはローレベルになる。また、その逆
も可能である。すなわち、第12図に示す回路は記憶機
能を有する。
ップロップを構成する場合の回路図であるる。エミッタ
接地された高速半導体装置Tのベース−エミッタ間には
抵抗RIを介して、入力端子Viが人力され、一方、コ
レクタ端子には負荷抵抗RLを介して電圧源■CCに接
続されている。出力電圧Voはコレクタと抵抗RLの結
節点から読み出される。第13図(a)、(b)は第1
2図に示したフリップフロップ回路の動作を説明する電
流−電圧特性図である。高速半導体装置Tと負荷抵抗R
Lを直列接続したときのVBEの動作点は第13図(a
)に示すがごとく、ベース電流−電圧特性と負荷線の交
点で表され、この時、抵抗RLと電圧VCCを適当に選
ぶことによって、2個の安定な動作点Ql、Q2をとる
双安定状態に設定することができる。第13図(a)に
示すがごとく、動作点Ql、Q2はそれぞれ、ベース電
流におけるNDRのピーク近傍、ヴアレー近傍にとられ
ている。この電圧領域ではコレクタ電流にNDRは、生
じないので、第13図(b)のようにQ2におけるコレ
クタ電流はQlにおける値より大きい。したがって、Q
lとQ2の状態は出力voのそれぞれハイレベル、ロー
レベルに対応して読み出される。いま、状態Q1におい
て負の電圧パルスが入力されても動作点はQlのままで
あるが、正の電圧パルスが入力されれば動作点はQlか
らQ2に遷移しVoはローレベルになる。また、その逆
も可能である。すなわち、第12図に示す回路は記憶機
能を有する。
以上のように、本実施例により高速半導体装置は、−個
の素子で排他的NOR、フリップフリップ等の従来のR
HETでは両立出来なかった複数の機能を兼ね備えてい
る。
の素子で排他的NOR、フリップフリップ等の従来のR
HETでは両立出来なかった複数の機能を兼ね備えてい
る。
次に、第三の実施例について説明する。第三の実施例は
、第1図(a)、(b)と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性GaAs基板1上第1V表のような層構造が積
層された構造となっている。
、第1図(a)、(b)と同様な素子構造断面を有し、
半絶縁性GaAs基板1上第1V表のような層構造が積
層された構造となっている。
(以下余白)
本実施例の特徴は、GaAs井戸層6Bが15OAと第
二の実施例より更に厚いこと、コレクタ障壁層4のAl
As組成が0.3と高いことである。エミッタ量子井戸
部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一、第二の実
施例と同様に、第5図のように2個の明瞭なNDRが得
られる。第14図(a)、(b)は本実施例の動作を示
す電流−電圧特性を示す。量子井戸の伝導帯の底から測
った共鳴準位のエネルギーはE1=25meV、E2
= 100meVとなり、第5図の2個目のピークに対
応する電子ですら、ベース層内における注入エネルギー
が低く、コレクタ・バリヤ(ΔEc = 224meV
)を越えられない。従って、第14図(b)に示すごと
<IcにはNDRは現れず、代わりに第14図(a)の
ようにIBに2個のNDRが得られる。このような素子
を用いて第12図と同様な回路を構成する。高速半導体
装置Tと負荷抵抗RLを直列接続したときのVBEの動
作点は第14図(a)に示すがごとく、ベース電流−電
圧特性と負荷線の交点で表され、この時、抵抗RLと電
圧VCCを適当に選ぶことによって、3個の安定な動作
点Ql、Q2.Q3をとる3安定状態に設定することが
できる。第14図(b)に示すがごとく、コレクタ電流
にNDRは生じないので、Ql、Q2.Q3の状態は出
力Voのそれぞれハイレベル、中間レベル、ローレベル
に対応して読み出される。いま、状態Q1において負の
電圧パルスが入力されても動作点はQlのままであるが
、正の電圧パルスが人力されれば動作点はQlからQ2
に遷移しVoは中間レベルになる。兜に、負の電圧パル
スが人力されると動作点はQlにもどり、Voはハイレ
ベルになるが、状態Q2で正の電圧パルスが入力される
と動作点はQ2からQ3に遷移しVoはローレベルにな
る。また、その逆も可能である。すなわち、第12図に
示す回路は3値の記憶機能を有する。また、一般のN個
の量子井戸の直列構造の場合でも、全く同様な原理に基
づいてベース電流−電圧特性にN個の明瞭なNDRが得
られ、N値の記憶回路に応用できる。
二の実施例より更に厚いこと、コレクタ障壁層4のAl
As組成が0.3と高いことである。エミッタ量子井戸
部の電流−電圧特性のみに注目すると、第一、第二の実
施例と同様に、第5図のように2個の明瞭なNDRが得
られる。第14図(a)、(b)は本実施例の動作を示
す電流−電圧特性を示す。量子井戸の伝導帯の底から測
った共鳴準位のエネルギーはE1=25meV、E2
= 100meVとなり、第5図の2個目のピークに対
応する電子ですら、ベース層内における注入エネルギー
が低く、コレクタ・バリヤ(ΔEc = 224meV
)を越えられない。従って、第14図(b)に示すごと
<IcにはNDRは現れず、代わりに第14図(a)の
ようにIBに2個のNDRが得られる。このような素子
を用いて第12図と同様な回路を構成する。高速半導体
装置Tと負荷抵抗RLを直列接続したときのVBEの動
作点は第14図(a)に示すがごとく、ベース電流−電
圧特性と負荷線の交点で表され、この時、抵抗RLと電
圧VCCを適当に選ぶことによって、3個の安定な動作
点Ql、Q2.Q3をとる3安定状態に設定することが
できる。第14図(b)に示すがごとく、コレクタ電流
にNDRは生じないので、Ql、Q2.Q3の状態は出
力Voのそれぞれハイレベル、中間レベル、ローレベル
に対応して読み出される。いま、状態Q1において負の
電圧パルスが入力されても動作点はQlのままであるが
、正の電圧パルスが人力されれば動作点はQlからQ2
に遷移しVoは中間レベルになる。兜に、負の電圧パル
スが人力されると動作点はQlにもどり、Voはハイレ
ベルになるが、状態Q2で正の電圧パルスが入力される
と動作点はQ2からQ3に遷移しVoはローレベルにな
る。また、その逆も可能である。すなわち、第12図に
示す回路は3値の記憶機能を有する。また、一般のN個
の量子井戸の直列構造の場合でも、全く同様な原理に基
づいてベース電流−電圧特性にN個の明瞭なNDRが得
られ、N値の記憶回路に応用できる。
以上の実施例では、AlGaAs/GaAs系について
本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、量子井戸
を形成できる材料系例えば、 InP/GaInAs/AlInAs系やGaAs/G
aInAs/AlGaAs歪系等にも適用可能である。
本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、量子井戸
を形成できる材料系例えば、 InP/GaInAs/AlInAs系やGaAs/G
aInAs/AlGaAs歪系等にも適用可能である。
また、半導体層の成長方法は分子線エピタキシャル成長
法に限らず、原子層エピタキシャル成長法、化学気相成
長法など各種成長方法でよい。
法に限らず、原子層エピタキシャル成長法、化学気相成
長法など各種成長方法でよい。
(発明の効果)
本発明の高速半導体装置では、所望の複数のNDRを特
性良く得ることができ、また、−個の素子で周波数逓倍
、論理演算機能および記憶機能を実現することも可能で
あり、負性抵抗特性を有する新機能素子の応用範囲を大
きく広げることが可能である。
性良く得ることができ、また、−個の素子で周波数逓倍
、論理演算機能および記憶機能を実現することも可能で
あり、負性抵抗特性を有する新機能素子の応用範囲を大
きく広げることが可能である。
第1図(a)および(b)は本発明の実施例における要
部構造断面図であり、第2図、第3図、第4図(a)、
(b)、(c)、第5図は実施例のエミッタ部の電流−
電圧特性を説明するための図、第6図(a)、(b)、
(c)、(d)は実施例のエネルギーバンド図、第7図
は第一の実施例の電流−電圧特性図、第8図(a)、(
b)、(c)、(d)は第2の実施例のエネルギーバン
ド図、第9図(a)、(b)、(c)は第2の実施例の
電流−電圧特性図、第10図、第11図は第2の実施例
を用いた排他的NORゲートを説明する図、第12図、
第13図(a)、(b)は第2の実施例を用いたフリッ
プ70ツブを説明する図、第14図(a)、(b)は本
発明の第3の実施例における電流、電圧特性を示す図、
第15図は従来技術によるRHETの一例における要部
構造断面図であり、第16図は従来例の電流−電圧特性
を示す図である。 図において、 1は半絶縁性GaAs基板、2,7はn GaAsコン
タクト層、3,5,6C,6D、11,13,15はn
−GaA3層、4,12.14AはノンドープAlG
aAs層、6.14はエミッタ量子井戸部、6Aはノン
ドープAlAs層、6B、14BはノンドープGaAJ
、 8,9,10,16.17.18はオーミック電
極、Di、D2は共鳴トンネルダイオード、Tは高速半
導体装置、R1,R2,R3,RL、RIは抵抗、vC
Cは定電圧源、Vl、V2.Vo、Viは入出力端子で
ある。
部構造断面図であり、第2図、第3図、第4図(a)、
(b)、(c)、第5図は実施例のエミッタ部の電流−
電圧特性を説明するための図、第6図(a)、(b)、
(c)、(d)は実施例のエネルギーバンド図、第7図
は第一の実施例の電流−電圧特性図、第8図(a)、(
b)、(c)、(d)は第2の実施例のエネルギーバン
ド図、第9図(a)、(b)、(c)は第2の実施例の
電流−電圧特性図、第10図、第11図は第2の実施例
を用いた排他的NORゲートを説明する図、第12図、
第13図(a)、(b)は第2の実施例を用いたフリッ
プ70ツブを説明する図、第14図(a)、(b)は本
発明の第3の実施例における電流、電圧特性を示す図、
第15図は従来技術によるRHETの一例における要部
構造断面図であり、第16図は従来例の電流−電圧特性
を示す図である。 図において、 1は半絶縁性GaAs基板、2,7はn GaAsコン
タクト層、3,5,6C,6D、11,13,15はn
−GaA3層、4,12.14AはノンドープAlG
aAs層、6.14はエミッタ量子井戸部、6Aはノン
ドープAlAs層、6B、14BはノンドープGaAJ
、 8,9,10,16.17.18はオーミック電
極、Di、D2は共鳴トンネルダイオード、Tは高速半
導体装置、R1,R2,R3,RL、RIは抵抗、vC
Cは定電圧源、Vl、V2.Vo、Viは入出力端子で
ある。
Claims (4)
- (1)キャリアの量子準位が生成される量子井戸構造を
有する半導体装置において、少なくとも2つ以上の量子
井戸が形成され、かつ、これらの量子井戸間には導電層
が形成された導電型エミッタ層と、該導電型エミッタ層
からキャリアが注入される同一導電型ベース層と、該導
電型ベース層とコレクタポテンシャルバリヤ層を介して
接する同一導電型コレクタ層とを備えることを特徴とす
る高速半導体装置。 - (2)特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を
介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注入さ
れるキャリアが前記コレクタバリヤ層によって反射され
ず前記コレクタ層まで到達しうるように、該コレクタバ
リヤ層の該ベース層との界面におけるポテンシャルバリ
ヤ高さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装
置。 - (3)特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の基底準位を
介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注入さ
れるキャリアは前記コレクタバリヤ層によって反射され
、かつ基底準位より高いエネルギー準位におけるトンネ
ル効果に伴って該ベース層に注入されたキャリアのみが
前記コレクタ層まで到達しうるように、該コレクタバリ
ヤ層の該ベース層との界面におけるポテンシャルバリヤ
高さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装置
。 - (4)特許請求の範囲第一項記載の高速半導体装置にお
いて、前記ベース層に隣接する量子井戸内の第一励起準
位を介した共鳴トンネル効果に伴って前記ベース層に注
入されるキャリアが前記コレクタバリヤ層によって反射
されベース電流を形成するように、該コレクタバリヤ層
の前記ベース層との界面におけるポテンシャルバリヤ高
さが設定されてあることを特徴とする高速半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32683988A JPH02172280A (ja) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | 高速半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32683988A JPH02172280A (ja) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | 高速半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02172280A true JPH02172280A (ja) | 1990-07-03 |
Family
ID=18192289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32683988A Pending JPH02172280A (ja) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | 高速半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02172280A (ja) |
-
1988
- 1988-12-23 JP JP32683988A patent/JPH02172280A/ja active Pending
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