JPH0337735B2

JPH0337735B2 -

Info

Publication number: JPH0337735B2
Application number: JP59075885A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mimura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1984-04-17
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1991-06-06
Also published as: JPS60219766A

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は、従来のものと全く異なる動作原理を
有し、超高速で動作可能なバイポーラ形式の半導
体装置（quantized base transistor：QBT）に
関する。

従来技術と問題点一般に、バイポーラ半導体装置の動作原理は良
く知られているが、次に、その概略を第１図を参
照して説明する。

第１図は従来のnpn型バイポーラ半導体装置が
熱平衡状態にある場合のエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムである。

図に於いて、Ｅはエミツタ、Ｂはベース、Ｃは
コレクタ、E_Fはフエルミ・レベル、E_Vは価電子
帯、E_Cは伝導帯、ｎ，ｐ，は導電型をそれぞれ
示している。

このようなバイポーラ半導体装置に於いて基本
とされる動作原理は次の通りである。

今、エミツタＥとベースＢ間に順方向電圧を印
加すると、エミツタＥからベースＢに注入された
電子がベースＢ中を拡散等で走行してコレクタＣ
に到達することに依つて信号がエミツタＥからコ
レクタＣに伝達されたことになる。

従つて、このバイポーラ半導体装置の動作速度
は、究極的には、電子が熱拡散でエミツタＥから
コレクタＣまで走行するのに要する時間、即ち、
熱拡散に依る走行時間で規制されていることにな
る。

このように、バイポーラ半導体装置の動作速度
が電子の熱拡散に依る走行時間で規制されている
問題を打開する為、電子の共鳴トンネリング現象
を利用する試みがなされ、例えば、特開昭58−
3277号公報、或いは、特開昭52−105785号公報に
発明が開示されている。

ところが、そこに開示された発明では、共鳴ト
ンネリング・トランジスタに関する基本動作原理
を充分に究明していない為、トランジスタとして
の基本的な機能である電流増幅、電力増幅を行う
ことができず、トラジスタ作用を欠如したものに
なつている。

即ち、前記した何れの公報にも、バリヤ層（エ
ミツタ及びコレクタ）に挟まれた谷層（ベース）
からなるトランジスタが開示され、共鳴トンネリ
ング現象で動作するとされている。

然しながら、そのトランジスタでは、エミツ
タ・ベース・コレクタの全てが同一導電型、例え
ばｎ・ｎ・ｎになつているか、或いは、エミツタ
に金属を用いたとしてもベースとコレクタは同一
導電型になつている。

従つて、このトランジスタを動作させる為、コ
レクタ・ベース間に正電圧を印加すると、ベース
及びコレクタが同導電型であることから、ベース
からコレクタに向かつて共鳴トンネリング現象に
依存しない電子がトンネリングして無効電流が流
れてしまう。しかも、この無効電流は、共鳴トン
ネリング・トランジスタとして正常である筈のエ
ミツタからの共鳴トンネリング電流よりも大きく
なる。その理由は、この無効電流に対するトンネ
リング障壁がコレクタ障壁のみであることに起因
している。

前記したベースからコレクタへの無効電流は、
当然のことながら、トランジスタの電流増幅を不
可能する。

発明の目的本発明は、前記キヤリヤの熱拡散に依る走行時
間で束縛を受けることなく高速動作が可能である
のは勿論のこと、電流増幅や電力増幅などトラン
ジスタとしての基本的な機能をもち、更に、必要
に応じて種々の特徴をもたせることができる半導
体装置を提供する。

発明の構成本発明に依る半導体装置に於いては、１マイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バン
ド（例えばサブ・バンドE₁，E₂…）が生成さ
れ得る一導電型のベース（例えばｐ型ベース
Ｂ）と、前記一導電型のベースよりエネルギ・
バンド・ギヤツプが大であつてトンネル効果を
生じ得る程度の厚さを有するエミツタ・ポテン
シヤル・バリヤ（例えばエミツタ・ポテンシヤ
ル・バリヤPB_E）を介して前記一導電型のベー
スに接する反対導電型のエミツタ（例えばｎ型
エミツタＥ）と、前記一導電型のベースよりエ
ネルギ・バンド・ギヤツプが大であつてトンネ
ル効果を生じ得る程度の厚さを有するコレク
タ・ポテンシヤル・バリヤ（例えばコレクタ・
ポテンシヤル・バリヤPB_C）を介して前記一導
電型のベースに接する反対導電型のコレクタ
（例えばｎ型コレクタＣ）とを備え、前記ベー
スに生成されたマイノリテイ・キヤリヤに対す
るサブ・バンドを介してエミツタからコレクタ
へ該マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネリン
グ遷移すること、を特徴とするか、或いは、２マイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バン
ドが生成され得る一導電型のベースと、前記一
導電型のベースよりエネルギ・バンド・ギヤツ
プが大であつてトンネル効果を生じ得る程度の
厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリヤ
を介して前記一導電型のベースに接する金属
（例えばAlなど）からなるエミツタと、前記一
導電型のベースよりエネルギ・バンド・ギヤツ
プが大であつてトンネル効果を生じ得る程度の
厚さを有するコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ
を介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のコレクタとを備え、前記ベースに生成さ
れたマイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バ
ンドを介してエミツタからコレクタへ該マイノ
リテイ・キヤリヤが共鳴トンネリング遷移する
こと、を特徴とする構成になつている。

このような構成を有する本発明の半導体装置に
於ける動作原理は従来のバイポーラ半導体装置と
全く異なつているので、それを次に説明すること
にする。

第２図は本発明の一実施例の半導体装置が熱平
衡状態にある場合のエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラムを表し、第１図に関して説明した部分と同部
分は同記号で指示してある。

図に於いて、PB_Eはエミツタ・ポテンシヤル・
バリヤ、PB_Cはコレクタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、E₁，E₂…E_o…はサブ・バンド、L_Bはベース
Ｂの幅（厚み）、ＺはエミツタＥからコレクタＣ
へ向かう方向をそれぞれ示している。

さて、エミツタ・ポテンシヤル・バリヤPB_Eと
コレクタ・ポテンシヤル・バリヤPB_Cとで挟まれ
たベースＢは実質的に２次元であり、そして、電
子（キヤリヤ）のＺ方向の運動が量子化される程
度に充分に薄く、例えば、50〔Å〕程度に設定さ
れるものとする。

このようにベースＢを薄く形成すると、ベース
Ｂはポテンシヤルの井戸のような状態になつてい
て、その中では、エミツタＥからコレクタＣへ向
かう電子、即ち、Ｚ方向に向かう電子は或る特定
のエネルギ準位しかとることができない状態が実
現される。即ち、前記量子化に伴つて、ベースＢ
にはサブ・バンドE₁，E₂…E_o…が形成される。

サブ・バンドのエネルギ準位E_oは近似的には、
即ち、ポテンシヤル・バリヤ無限大とした場合に
は、 E_o＝πζ²n²／2m^*L_B ² ζ＝ｈ／2π ｈ：ブランク定数ｎ＝エネルギ量子数 m^*＝電子の有効質量（effective mass） L_B＝ベース幅で与えられる。

さて、このような半導体装置に於いて、エミツ
タＥ及びベースＢ間に順方向電圧を印加すると、
その場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラムは第
３図に見られるように変化する。

第３図では第２図に関して説明した部分と同部
分は同記号で指示してある。

図に於いて、V_EBはエミツタ・ベース間電圧、
V_CBはコレクタ・ベース間電圧、DBはドブロイ
（DeBloglie）波をそれぞれ示し、そして、エミ
ツタ・ポテンシヤル・バリヤPB_E及びコレクタ・
ポテンシヤル・バリヤPB_Cそれぞれの厚さは電子
がトンネリング可能な程度に選択されている。

図示のように電圧が印加された場合に於いて、
例えば、エネルギ準位E₁と同じエネルギを有す
る電子がエミツタＥからＺ方向に注入されると、
該電子はドブロイ波DBに見られるように透過率
１、即ち、完全透過でコレクタＣに到達する。

この電子がエミツタＥからコレクタＣに到達す
る過程では、従来のような走行に依るものではな
く、トンネル効果で二つのポテンシヤル・バリヤ
を通り抜ける、所謂、共鳴トンネリング
（resonant tunneling）に依る遷移である為に極
めて高速である。

この半導体装置をトランジスタ動作させる場合
には、エミツタ・ベース間電圧V_EBに依つてエネ
ルギ・バンドのアライメントを実現させるのみで
良く、原理的にはベース電流は動作に不可欠では
ない。

従つて、入力電圧は直流的には零であるが、エ
ミツタ・ベース間静電容量を充電する為の変位電
流は流れるので、これが回路を通して一定電流と
なり、オーミツク電流がエミツタ及びベース中を
流れ、それに依るジユール損で交流電力が発生す
ることになる。

一般に、出力電力はコレクタ電流とコレクタ・
ベース間電圧V_CBとの積であるから、この半導体
装置は増幅器としての機能を有しているものであ
る。

また、ベース・エミツタ間電圧V_EBを増加させ
て、例えば、エネルギ準位E₁及びE₂の中間にエ
ミツタの伝導帯E_Cがアライメントされたような
場合には、電子の透過率は零、即ち、完全反射の
状態になり、コレクタ電流も零になる。

更に、ベース・エミツタ間電圧V_EBを増加させ
て、例えば、エネルギ準位E₂と伝導帯E_Cとがア
ライメントされると再び完全透過となり、コレク
タ電流が発生する。

ここで、本発明の半導体装置に於ける増幅機能
について更に詳細に説明しよう。

本発明の半導体装置では、エミツタ・ベース・
コレクタの導電型は「ｎ・ｐ・ｎ」或いは「ｐ・
ｎ・ｐ」となるか、「金属・ｐ・ｎ」或いは「金
属・ｎ・ｐ」となるものであり、今、第３図に見
られるエネルギ・バンド・ダイヤグラムがnpnト
ランジスタに関するものであるとし、コレクタに
適切な正電圧を印加して動作させた場合、エミツ
タからコレクタへ電子（ベース中でのマイノリテ
イ・キヤリヤ）が共鳴トンネリングする。この
時、ベース中にはマジヨリテイ・キヤリヤとして
正孔しか存在しないので、コレクタに正電圧が印
加されたことでコレクタ側にトンネリングするこ
とはなく、従つて、無効電流は流れないから、ト
ランジスタとして増幅作用を発揮することができ
る。

このように、本発明の半導体装置、即ち、
QBTは、その稀に見る高速性に加え、従来の半
導体装置にない強い非線型と多様な機能を有する
ものである。

第４図は前記の点を更に明らかにする為、
QBTと従来のバイポーラ・トランジスタとの伝
達特性を比較して示す線図である。

図では、縦軸にコレクタ電流I_Cを、横軸にエミ
ツタ・ベース間電圧V_EBをそれぞれ採つてあり、
ＡはQBTの、また、Ｂは従来のバイポーラ・ト
ランジスタのそれぞれの特性線、V₁及びV₂は伝
導帯E_Cをそれぞれエネルギ準位E₁及びE₂にアラ
イメントする為のエミツタ・ベース間電圧V_EBを
それぞれ示している。

図から判るように、従来のバイポーラ・トラン
ジスタでは、エミツタ・ベース間電圧V_EBに対し
て単調に増加するだけであるが、QBTでは、エ
ミツタ・ベース間電圧V_EBがV₁及びV₂であるとき
のみ、パルス状のコレクタ電流I_Cが発生し、この
コレクタ電流I_Cはエミツタ・ベース間電圧V_EBに
対して極めて非線型性が強い依存性を示す。この
特徴的な伝達特性は、通常のバイナリ論理回路の
みならず、多値論理回路などの高度の論理回路の
実現に有効である発明の実施例第５図は本発明一実施例の要部切断側面図を表
している。

図に於いて、１は半絶縁性GaAs基板、２はコ
レクタ、３はコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ、
４はベース、５はエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、６はエミツタ、７は金・ゲルマニウム／金
（Au・Ge／Au）オーミツクのコレクタ電極、８
は金・亜鉛／金（Au・Zn／Au）オーミツクのベ
ース電極、９はAu・Ge／Auオーミツクのエミ
ツタ電極をそれぞれ示している。

この実施例に於ける材料構成等の一例を示すと
次の通りである。

エミツタ半導体：ｎ型GaAs ドーパント濃度：４×10¹⁸〔cm^-3〕ドーパント：Si 厚み：１〔μｍ〕エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ半導体：ｐ型Al_0.3Ga_0.7As ドーパント濃度：２×10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：Be 厚み：20〔Å〕ベース半導体：ｐ型GaAs ドーパント濃度：２×10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：Be 厚み：50〔Å〕コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ半導体：ｐ型Al_0.3Ga_0.7As ドーパント濃度：２×10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：Be 厚み：20〔Å〕コレクタ半導体：ｎ型GaAs ドーパント濃度：４×10¹⁷〔cm^-3〕ドーパント：Si 厚み：１〔μｍ〕尚、前記エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ及び
コレクタ・ポテンシヤル・バリヤはｐ型にしてあ
るが、これは、pn接合から延び出る空乏層で薄
いベースが充満されることを防止する為の配慮で
あり、例えば、エミツタのドーパント濃度を２×
10¹⁷〔cm^-3〕程度、また、コレクタのドーパント
濃度を２×10¹⁵〔cm^-3〕程度にすれば空乏層はエ
ミツタ側或いはコレクタ側に延び出ることになる
からｉ層を用いても良い。

この実施例を製造する場合に適用するプロセス
の概略を説明する。

(a) 先ず、例えば分子線エピタキシヤル成長
（molecular beam epitaxy：MBE）法を適用
することに依り、半絶縁性GaAs基板１上にｎ
型GaAsコレクタ２、ｐ型Al_0.3Ga_0.7Asコレク
タ・ポテンシヤル・バリヤ３、ｐ型GaAsベー
ス４、ｐ型Al_0.3Ga_0.7Asエミツタ・ポテンシヤ
ル・バリヤ５、ｎ型GaAsエミツタ６を順に成
長させる。尚、ｎ型GaAsエミツタ６は、後に
エミツタ電極を合金化の為の熱処理をした際に
突き抜けを生じないように充分に厚く、例えば
約１〔μｍ〕程度に形成してあるが、ｎ型
GaAsエミツタ６を充分に高濃度にすれば、前
記熱処理は不要になるから、薄くすることも可
能である。

(b) 例えばフツ化水素酸（HF）系エツチング液
を用い、素子間分離の為のメサ・エツチングを
行う。このメサ・エツチングは半絶縁性GaAs
基板１に達するまで行う。

(c) ベース・パターンのフオト・レジスト膜（図
示せず）を形成し、そのフオト・レジスト膜を
マスクとしてフツ化水素酸系エツチング液を用
い、ｎ型GaAsコレクタ２に到達するまでメ
サ・エツチングを行い、コレクタ・ポテンシヤ
ル・バリヤ３、ベース４、エミツタ・ポテンシ
ヤル・バリヤ５、エミツタ６を選択的に除去す
る。

(d) エミツタ電極及びコレクタ電極の形成予定部
分に開口を有するフオト・レジスト膜（図示せ
ず）を形成する。

(e) 蒸着法を適用することに依り、Au・Ge／
Au膜を形成し、次いで、それをリフト・オフ
に依つてパターニングする為、前記フオト・レ
ジスト膜の溶解・除去を行い、その後、合金化
処理を行つてコレクタ電極７及びエミツタ電極
９を形成する。

(f) ベース電極８を形成する為のパターンを有す
るフオト・レジスト膜（図示せず）を形成し、
CCl₂F₂系のエツチヤントを用いたドライ・エ
ツチングを適用することに依り、エミツタ６を
選択的に除去する。

(g) 蒸着法を適用することに依り、Au・Zn／Au
膜を形成し、次いで、それをリフト・オフに依
つてパターンする為、前記工程(f)で形成したフ
オト・レジスト膜の溶解・除去を行い、その
後、合金化処理を行つてベース電極８を形成し
て完成する。

以上説明した実施例は、前記の「発明の構成」
に於いて説明した動作原理に沿つて動作すること
は云うまでもない。

ところで、本発明の半導体装置に於いて、必須
とされる項目は、 (1) ベース中にマイノリテイ・キヤリアに対する
サブ・バンドの形成 (2) トンネル効果を生じ得る厚さのエミツタ・ポ
テンシヤル・バリヤ及びコレクタ・ポテンシヤ
ル・バリヤの形成であり、従つて、材料構成等は、前記(1)及び(2)の
事項が満足されるようであれば良く、前記実施例
に限定されるものではない。また、ベースは前記
実施例のようにｐ型である必要はなく、ｎ型であ
つても良い。勿論、その場合、エミツタ及びコレ
クタの導電型はｐ型になる。

第６図及び第７図は前記説明した半導体ヘテロ
接合を有する実施例に依り得られる電気的特性を
表す線図である。

第６図はQBTのベース接地コレクタ特性を表
している。

図では、縦軸にコレクタ電流I_Cを、横軸にコレ
クタ・ベース間電圧V_CBをそれぞれ採り、パラメ
ータはエミツタ電流I_Eである。尚、このデータを
得た際の温度Ｔは77〔Ｋ〕であつた。

第７図はQBTの伝達特性を表している。

図では、縦軸にコレクタ電流I_Cを、横軸にエミ
ツタ・ベース間電圧V_EBをそれぞれ採つてあり、
この場合の温度Ｔも77〔Ｋ〕であつた。

これ等のデータを得たQBTのデイメンシヨン
の概要は、エミツタ電極幅：１〔μｍ〕、エミツタ
電極長：50〔μｍ〕、エミツタ・ベース電極間隔：
１〔μｍ〕であつた。

第６図から判るように、エミツタ電流I_Eが０で
あれば、コレクタ電流I_Cも殆ど０であつて、エミ
ツタ電流I_E≒コレクタ電流I_Cであり、ベース電流
は極めて少ないことが理解される。

これは、電流増幅率βが大きいことを意味して
いるものである。

次に、前記実施例と異なる種々の実施例を提示
する。

Ａ半導体ヘテロ接合を有する多の実施例の場合その１エミツタ：Ge エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ：GaAs ベース：Ge コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ：GaAs コレクタ：Ge その２エミツタ：Si_1-XGe_X エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ：Si ベース：Si_1-XGe_X コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ：Si コレクタ：Si_1-XGe_X その３エミツタ：Al_XGa_1-XAs エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ：Al_y
Ga_1-yAs ベース：Al_ZGa_1-ZAs コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ：Al_v
Ga_1-vAs コレクタ：Al_uGa_1-uAs その４エミツタ：InSb エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ：CdTe ベース：InSb コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ：CdTe コレクタ：InSb その５エミツタ：InAs エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ：GaSb ベース：InAs コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ：GaSb コレクタ：InAs 前記提示したものの外、エネルギ・ギヤツプ
に差があり、且つ、格子定数が近似している旨
の条件を満足する材料を滴宜選択することがで
きる。

本発明は、前記したような半導体に依る接合
のみでなく、半導体と絶縁体で構成したり、或
いは、エミツタはキヤリヤを供給することがで
きれば良いので、それを純粋金属で構成するこ
とも可能である。

次に、そのように実施例を種々示して説明す
ることにしよう。

Ｂ半導体・絶縁体接合系の実施例の場合エミツタ半導体：ｎ型Si ドーパント濃度：10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：As 厚み：１〔μｍ〕エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ材料：SiO₂ 厚み：20〔Å〕ベース半導体：ｐ型Si ドーパント濃度：４×10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：Ｂ厚み：50〔Å〕コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ材料：SiO₂ 厚み：20〔Å〕コレクタ半導体：ｎ型Si ドーパント濃度：５×10¹⁸〔cm^-3〕ドーパント：As 厚み：１〔μｍ〕この半導体・絶縁体系の半導体装置を製造す
るには、 (a) MBE法を適用することに依り、Si基板上
にｎ型Siコレクタを形成する。

(b) Si基板を空気中に取り出すことなく、プラ
ズマ酸化室に移送し、プラズマ酸化を行うこ
とに依り、SiO₂からなるコレクタ・ポテン
シヤル・バリヤを形成する。

このときの酸化室内における圧力は10^-3
〔Torr〕、エネルギは100〔Ｗ〕として良い。

酸化に依り、SiO₂からなるコレクタ・ポ
テンシヤル・バリヤを形成中、例えば、ジヨ
セフソン素子を製造する場合に酸化膜の膜厚
測定に用いられているエリプソメトリ法を適
用することに依り、その場（in−situ）でコ
レクタ・ポテンシヤル・バリヤの厚みを測定
し、設定値まで酸化を行う。

(c) 再びMBE法を適用することに依り、ｐ型
Siベースを形成する。

この場合、Siは多結晶或いはアモルフアス
となるが、これを電子ビーム・アニール、レ
ーザ・アニール等の技術で単結晶化すること
は容易である。

(d) この後、前記と同様な過程を経て、エミツ
タ・ポテンシヤル・バリヤ、エミツタを形成
する。

(e) 前記各半導体或いは絶縁体をパターニング
したり、所要電極を形成して完成させるに
は、通常のバイポーラ半導体装置の製造プロ
セスを適用すれば良い。

Ｃ金属エミツタを有する実施例の場合エミツタ材料：Al 厚み：１〔μｍ〕エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ材料：SiO₂ 厚み：20〔Å〕ベース半導体：ｐ型Si ドーパント濃度：４×10¹⁹〔cm^-3〕ドーパント：Ｂ厚み：50〔Å〕コレクタ・ポテンシヤル・バリヤ材料：SiO₂ 厚み：20〔Å〕コレクタ半導体：ｎ型Si ドーパント濃度：５×10¹⁸〔cm^-3〕ドーパント：As 厚み：１〔μｍ〕第８図は金属エミツタを有する実施例のエネル
ギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第１図乃至第
３図に関して説明した部分と同部分は同記号で指
示してある。尚、簡明にする為、バンドの曲がり
は省略して表してある。

図に於いて、エミツタ・ポテンシヤル・バリヤ
PB_E及びコレクタ・ポテンシヤル・バリヤPB_Cが
SiO₂で構成されているとは云うまでもない。

この実施例に於ける構造に依ると、エミツタの
直列抵抗を低減することができ、また、微細なエ
ミツタを形成することが容易である旨の利点があ
る。

また、この実施例の製造プロセスは前記「Ｂ
半導体・絶縁体系接合の実施例」を製造する場合
と殆ど同じである。

発明の効果本発明に依る半導体装置に於いては、１マイノリテイ・キヤリアに対するサブ・バン
ドが形成され得る一導電型のベースと、前記一
導電型のベースよりエネルギ・バンド・ギヤツ
プが大であつてトンネル効果を生じ得る程度の
厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリヤ
を介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のエミツタと、前記一導電型のベースより
エネルギ・バンド・ギヤツプが大であつてトン
ネル効果を生じ得る程度の厚さを有するコレク
タ・ポテンシヤル・バリヤを介して前記一導電
型のベースに接する反対導電型のコレクタとを
備え、前記ベースに生成されたマイノリテイ・
キヤリヤに対するサブ・バンドを介してエミツ
タからコレクタへ該マイノリテイ・キヤリヤが
共鳴トンネリング遷移すること、を特徴とする
か、或いは、２マイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バン
ドが生成され得る一導電型のベースと、前記一
導電型のベースよりエネルギ・バンド・ギヤツ
プが大であつてトンネル効果を生じ得る程度の
厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリヤ
を介して前記一導電型のベースに接する金属か
らなるエミツタと、前記一導電型のベースより
エネルギ・バンド・ギヤツプが大であつてトン
ネル効果を生じ得る程度の厚さを有するコレク
タ・ポテンシヤル・バリヤを介して前記一導電
型のベースに接する反対導電型のコレクタとを
備え、前記ベースに生成されたマイノリテイ・
キヤリヤに対するサブ・バンドを介してエミツ
タからコレクタへ該マイノリテイ・キヤリヤが
共鳴トンネリング遷移すること、を特徴とする
構成になつている。

この構成を採ることに依り、今、キヤリヤが電
子である場合、エミツタからベースに注入された
電子のエネルギ準位とベースに於けるサブ・バン
ドのエネルギ準位とがアライメントされると、該
電子は完全透過でコレクタに到達することがで
き、また、前記のようなアライメントが採れない
場合には、電子が完全反射されるのでコレクタに
は到達しない。

ところで、前記アライメントが採れた際の電子
の移動は、トンネル効果でエミツタ・ポテンシヤ
ル・バリヤ及びコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ
を通り抜ける、所謂、共鳴トンネリングに依る遷
移である為、従来のバイポーラ半導体装置に於け
るような電子の走行とは相違して著しく高速であ
る。

また、前記したところから明らかなように、前
記アライメントが採れたか否かに依つてコレクタ
電流はオン・オフされる。そして、該アライメン
トはベース・エミツタ間電圧に依存するので、該
電圧の如何に依つてコレクタ電流がオン・オフす
ることになり、しかも、該アライメントが採れる
のは一点ではなく複数の点で採ることができるか
ら、値が相違するベース・エミツタ間電圧を種々
パルス的に印加すれば、アライメントが採れる都
度、パルス的にコレクタ電流が流れる。

更にまた、トランジスタと呼ばれるデバイスと
しては当然のことであろうが、その基本的機能で
ある増幅作用も併せ有している。

従つて、このような基本的機能及び前記説明し
た特異な伝達特性を利用して超高速なバイナリ論
理回路や多値論理回路などの高度の論理回路を容
易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のnpn型バイポーラ半導体装置に
於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第２図
は本発明の半導体装置が熱平衡状態にある場合の
エネルギ・バンド・ダイヤグラム、第３図は本発
明の半導体装置が動作状態にある場合のエネル
ギ・バンド・ダイヤグラム、第４図は本発明の半
導体装置と従来例との伝達特性を比較して示した
線図、第５図は本発明一実施例の要部切断側面
図、第６図は本発明一実施例のベース接地コレク
タ特性を示す線図、第７図は本発明の一実施例の
伝達特性を示す線図、第８図は本発明に於ける他
の実施例が熱平衡状態にある場合のエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラムをそれぞれ表している。図に於いて、１は半絶縁性GaAs基板、２はコ
レクタ、３はコレクタ・ポテンシヤル・バリヤ、
４はベース、５はエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤ、６はエミツタ、７はコレクタ電極、８はベー
ス電極、９はエミツタ電極をそれぞれ示してい
る。

Claims

【特許請求の範囲】１マイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バン
ドが生成され得る一導電型のベースと、前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のエミツタと、前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するコレクタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のコレクタとを備え、前記ベースに生成されたマイノリテイ・キヤリ
ヤに対するサブ・バンドを介してエミツタからコ
レクタへ該マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネ
リング遷移することを特徴とする半導体装置。２マイノリテイ・キヤリヤに対するサブ・バン
ドが生成され得る一導電型のベースと、前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するエミツタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接する金属か
らなるエミツタと、前記一導電型のベースよりエネルギ・バンド・
ギヤツプが大であつてトンネル効果を生じ得る程
度の厚さを有するコレクタ・ポテンシヤル・バリ
ヤを介して前記一導電型のベースに接する反対導
電型のコレクタとを備え、前記ベースに生成されたマイノリテイ・キヤリ
ヤに対するサブ・バンドを介してエミツタからコ
レクタへ該マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネ
リング遷移することを特徴とする半導体装置。