JPH0337736B2

JPH0337736B2 -

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Publication number: JPH0337736B2
Application number: JP59075886A
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: JPS60219767A

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トラ
ンジスタ（quantized base transistor：QBT）
を縦続接続してなる半導体装置に関する。

従来技術と問題点一般に、バイポーラ・トランジスタの動作原理
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・トランジス
タ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・トランジスタに於いて
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・トランジスタの動作
速度は、究極的には、電子が拡散等でエミツタＥ
からコレクタＣまで走行するのに要する時間、即
ち、拡散等に依る走行時間で規制されていること
になる。

発明の目的本発明は、全く新しい動作原理に依つて高速動
作が可能であり、且つ、特異な信号伝達特性を有
するトランジスタ（以下、QBTと呼ぶ）を利用
した相補型半導体装置を提供する。

発明の構成本発明の半導体装置に於いては、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前記
マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネリング遷移
するトランジスタ並びに前記トランジスタと同様
の構造を有し且つ前記サブ・バンドとはエネルギ
準位を異にするサブ・バンドが生成されるトラン
ジスタを縦続接続してなることを特徴とする構成
になつている。

本発明の半導体装置に用いられているQBTの
動作原理は従来のバイポーラ・トランジスタと全
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QBT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ひ近似的には、
即ち、ポテンシヤル・バリヤを無限大とした場合
には、 E_o＝πζ²n²／2m^*L_B ² ζ＝ｈ／2π ｈ：プランク定数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QBTに於いて、エミツタＥ
及び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QBTをトランシ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、出力電力が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QBT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。

このように、QBTは、その稀に見る高速性に
加え、従来のトランジスタにない強い非線型と多
様な機能を有している。

第４図は前記の点を更に明らかにする為に必要
なQBTに於ける伝達特性を示す線図である。

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、
ここでは、サブ・バンドとして、基底サブ・バン
ドのみ、即ち、サブ・バンドに於けるエネルギ順
位E_oに於いてｎ＝１の場合のみを考え、また、
ベースの材料としてはGaAs（m^*＝0.068m₀ m₀：
真空中に於ける電子の質量）を選択するものとす
る。

図に見られるＡはベース幅L_Bが60〔Å〕で且つ
エネルギ準位E₁が44〔meV〕であるQBTの、ま
た、Ｂはベース幅L_Bが40〔Å〕で且つエネルギ準
位E₁が99〔meV〕であるQBTのそれぞれの特性
線、V₁及びV₂は伝導帯E_Cをそれそれベース幅L_B
＝60〔Å〕であるQBTに於けるエネルギ準位E₁に
及びベース幅L_B＝40〔Å〕であるQBTに於けるエ
ネルギ準位E₁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、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。

本発明では、この特徴的な伝達特性を有する
QBTを組み合わせることに依り、優れた相補型
半導体装置を構成しているものである。

因に、従来のバイポーラ・トランジスタに於い
ては、エミツタ・ベース間電圧V_EBに対してコレ
クタ電流I_Cは単調に増加するだけである。

発明の実施例第５図は本発明一実施例に用いるQBT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QBT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QBT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クシヤル成長
（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・レジスタ膜を
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
ジスト膜を溶解・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・レジスタ膜（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
つてパターニングする為、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QBT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、前記QBTに於いて、必須とされる
事項は、 (1) ベース中にマイノリテイ・キヤリヤに対する
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、前記例示し
たものに限定されるものではない。また、ベース
は前記QBT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QBT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、
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、前記例示したQBTと異なる種々のQBT
を提示する。

Ａ半導体ヘテロ接合を有する他のQBT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適宜選択することがで
きる。

QBT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、そのようなQBT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QBT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QBT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。

この場合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・トランジスタの製造
プロセスを適用すれば良い。

Ｃ金属エミツタを有するQBT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QBT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で構成されていることは云うまでもない。

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

さて、本発明では、以上説明したようなQBT
を縦続接続して半導体装置、即ち、インバータを
構成するものであり、それには、サブ・バンドの
エネルギ準位を異にするQBTを用いれば良い。

第９図はそのような本発明一実施例を表す回路
図である。

図に於いて、１１は第４図に見られる特性Ａを
有するQBT、１２は第４図に見られる特性Ｂを
有するQBT、Ｒは抵抗、V_ioは入力信号、V_putは
出力信号、V_ccは正側電源レベルをそれぞれ示し
ている。

第９図に示した実施例の動作を説明すると次の
通りである。

入力信号V_ioとしてV₁（ロウ・レベル）とV₂（ハ
イ・レベル）を考える。

先ず、入力信号V_io＝V₁である場合には、QBT
１１のみがオンとなり、出力信号V_put＝V_cc−I_C・
Ｒ＞０（ハイ・レベル）となる（I_C：コレクタ電
流）。

次に、入力信号V_io＝V₂である場合には、QBT
１２がオンとなり、QBT１１はオフ状態になる
から出力信号V_putは接地レベル（ロウ・レベル）
になる。

前記説明から判るように、半導体装置に信号が
入力されると、該入力信号が反転された信号が出
力されるので、該半導体装置はインバータとして
機能している。

第９図に示したような回路構成が可能となる為
には、QBT１２に於けるサブ・バンドのエネル
ギ準位E₁がQBT１１に於ける基底サブ・バンド
のエネルギ準位E₁より一つ高いサブ・バンドの
エネルギ準位E₂より小であれば十分である。

第１０図はQBT１１及び１２に於けるエネル
ギとベース幅との関係を表す線図である。

図では、縦軸にエネルギE_Yを、横軸にベース
幅L_Bをそれぞれ採つてあり、ｎ＝１及びｎ＝２
と表示してある特性線は、それぞれエネルギ準位
E_oに於けるｎ＝１及びｎ＝２に対応し、また、
L_B1はQBT１１の基底サブ・バンドのエネルギ準
位E₁に対応するベース幅、そして、L_B2はQBT１
２のサブ・バンドのエネルギ準位E₂に対応する
ベース幅を示している。図から判るように、
QBT１１に於けるベース幅L_Bは、L_B2＜L_B＜L_B1
であるように定める必要がある。即ち、例えば、
QBT１１のベース幅L_B図にL_BXで指示したように
採ると、それに対応する基底サブ・バンドに於け
るエネルギ準位E₁はQBT１２に於けるそれに対
して明らかに低くなり、また、QBT１２の基底
サブ・バンドに於けるエネルギ準位E₁はQBT１
１のエキサイテイング状態に於けるサブ・バンド
のエネルギ準位E₂よりも低くなる。若し、その
ようにしないとQBT１１及び１２が同時にオン
になる虞れがあり、正常なインバータとして機能
しない。

このインバータでは、直流的な電力を消費せ
ず、また、npn型のみで構成することも可能であ
る。

本実施例の製造方法は極めて簡単であり、要
は、ベース幅L_Bが相違するQBTをMBE法等で２
回に分けて成長させれば良い。

発明の効果本発明の半導体装置では、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
からコレクタへ前記マイノリテイ・キヤリヤが共
鳴トンネリング遷移するトランジスタ並びに前記
トランジスタと同様の構造を有し且つ前記サブ・
バンドとはエネルギ準位を異にするサブ・バンド
が生成されるトランジスタを縦続接続してなるこ
とを特徴とする構成になつている。

本発明の半導体装置に於いて用いているQBT
は、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。そして、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。更にまた、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旨の特異な伝達特性を有し
ている。

本発明の半導体装置は、このようなQBTを縦
接続した構成を採つていて、直流的な電力は消費
されず、従つて、従来のCMOS（complementary
metal oxide semiconductor）と同様に低消費電
力であり、且つ、npn型のみで構成することも可
能である為、QBTの高速性と相俟つて、著しく
高速のインバータとして機能させることができ
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・ダイラグラム、第２図
はQBT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QBTが動作状態
にある場合のエネルギ・バンド・ダイラグラム、
第４図はQBTの伝達特性を示した線図、第５図
はQBTの要部切断側面図、第６図はQBTのベー
ス接地コレクタ特性を示す線図、第７図はQBT
の伝達特性を示す線図、第８図はQBT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、第９図は本発明一実施例
の回路図、第１０図はエネルギとベース幅の関係
を示す線図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、１１及び１２は
QBT、Ｒは抵抗、V_ioは入力信号、V_putは出力信
号、V_ccは正側電源レベル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前記
マイノリテイ・キヤリヤが共鳴トンネリング遷移
するトランジスタ並びに前記トランジスタと同様の構造を有し且
つ前記サブ・バンドとはエネルギ準位を異にする
サブ・バンドが生成されるトランジスタを縦続接続してなることを特徴とする半導体装置。