JPH0349263A - Resonance tunnel three-teminal device - Google Patents

Resonance tunnel three-teminal device

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JPH0349263A
JPH0349263A JP1184130A JP18413089A JPH0349263A JP H0349263 A JPH0349263 A JP H0349263A JP 1184130 A JP1184130 A JP 1184130A JP 18413089 A JP18413089 A JP 18413089A JP H0349263 A JPH0349263 A JP H0349263A
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substance
layer
layer consisting
base
tunnel
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JP1184130A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Tazo
康夫 田雑
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To acquire high mutual conductance characteristics and fast switching characteristics by taking a base electrode from a substance which supplies a tunnel level which becomes a quantum well of resonance tunneling diode structure. CONSTITUTION:Thin layers consisting of a substance A, a substance B, a substance C, a substance D, and a substance E are laminated. As a component of substance A to E, thin layers consisting of the substance B and the substance D form a barrier of potential to thin layers consisting of the substance A, the substance C and the substance E. That is, the layer consisting of the substance C selects a material which forms a well of potential to the layer consisting of the substances B and D. Furthermore, a thickness of each of layers consisting of the substance B, the substance C and the substance D is set this enough to realize a quantum level inside the layer consisting of the substance C and to enable resonance tunnelineg. An emitter electrode 1 is taken out of the layer consisting of the substance A, a base electrode 2 is taken out of the layer consisting of the substance C and a collector electrode 3 is taken out of the layer consisting of the substance E.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はポテンシャル障壁に囲まれた物質中の量子効果
を応用した電子デバイスに関し、特に共鳴トンネル効果
を利用した高相互コンダクタンス特性、高速スイッチン
グ特性、超高周波発振・増幅特性を持つことを特徴とす
る共鳴トンネル三端子デバイスに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to electronic devices that apply quantum effects in materials surrounded by potential barriers, and in particular to high transconductance characteristics and high-speed switching characteristics that utilize resonant tunneling effects. , relates to a resonant tunnel three-terminal device characterized by ultra-high frequency oscillation and amplification characteristics.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の共鳴トンネルダイオードは、例えば物質A、B、
C,D及びEからなる薄い層が積層された構造を持つ。
Conventional resonant tunneling diodes are made of materials A, B,
It has a structure in which thin layers consisting of C, D and E are laminated.

例えば、ここで物質A、  C,EはGaAsで、物質
L DはAlGaAsが用いられる。GaAsとAlG
aAsとの電子親和力の違いによD、物質A、B、C,
D、Eの順に積層された場合、物質B、Dからなる層は
電子に対するポテンシャルの障壁を、物質Cからなる層
はボテンシャルの井戸を形成する。第5図(a)に伝導
帯近辺のエネルギーバンドの模式図を示す。ポテンシャ
ル井戸の厚さ(物質Cの厚み)を物質C中の電子のド・
ブロイ波長程度以下にすると、ポテンシャル障壁に囲ま
れた電子の波動的性質により井戸内に量子化されたエネ
ルギー準位E。(rl=1゜2、・・・)が形成される
。この量子準位にある電子空準位数は極めて多い。更に
、第5図(alで物質B及びDからなる薄い層において
形成されるポテンシャル障壁の厚みを電子がトンネルで
きる程度に薄くすると、以下に説明する原理に基付き、
共鳴トンネル効果が生じる。第5図(blは物質A及び
Eからなる眉間にバイアス電圧■を印加した場合のエネ
ルギーバンド構造図である。
For example, the materials A, C, and E are GaAs, and the material LD is AlGaAs. GaAs and AlG
Due to the difference in electron affinity with aAs, D, substances A, B, C,
When D and E are stacked in this order, the layers made of substances B and D form a potential barrier to electrons, and the layer made of substance C forms a potential well. FIG. 5(a) shows a schematic diagram of energy bands near the conduction band. The thickness of the potential well (thickness of material C) is
When the temperature is below the Broglie wavelength, the energy level E is quantized within the well due to the wave nature of electrons surrounded by a potential barrier. (rl=1°2,...) is formed. The number of empty electron levels at this quantum level is extremely large. Furthermore, based on the principle explained below, if the thickness of the potential barrier formed in the thin layer made of substances B and D in FIG. 5 (al) is made thin enough to allow electrons to tunnel,
A resonant tunneling effect occurs. FIG. 5 (bl is an energy band structure diagram when a bias voltage ■ is applied between the eyebrows made of substances A and E.

第5図fb)に示すように、物質Aの伝導帯が物質C中
の量子準位E1に一敗するように、物質Aと物質Eとの
間に電圧■を印加すると、物質への伝導帯にある電子は
井戸内の量子準位E1を介して物fEの空準位に向かっ
てトンネル確率する。これは、量子準位に対応したある
特定のエネルギーを持つ電子に対してのみトンネル確率
が増大する現象である。即ち、キャリアの輸送は量子井
戸内のエネルギー準位を介してトンネル遷移によって行
なわれているわけである。ここで第6図に物質A、B、
C,D、Eからなる薄い層(GaAsAj2GaAsを
例とする)を積層して形成した共鳴トンネルダイオード
にバイアス電圧Vを印加した時の電流−電圧特性の傾向
を図示する。第6図に図示するように電流−電圧特性は
量子単位に対応した電圧2EI /q (qは電子の電
荷量、Eは量子準位E1に対応するエネルギーレベル)
のところにピークを持つ負性抵抗特性を持つ。この現象
は、量子準位に共鳴して電子のトンネル確率が増大する
ことから、共鳴トンネリング効果と呼ばれている。
As shown in FIG. The electrons in the band tunnel toward the empty level of the object fE via the quantum level E1 in the well. This is a phenomenon in which the tunneling probability increases only for electrons with a certain energy corresponding to a quantum level. That is, transport of carriers is performed by tunnel transition via energy levels within the quantum well. Here, in Figure 6, substances A, B,
10 illustrates trends in current-voltage characteristics when a bias voltage V is applied to a resonant tunnel diode formed by laminating thin layers of C, D, and E (GaAsAj2GaAs is an example). As shown in Figure 6, the current-voltage characteristic is a voltage corresponding to a quantum unit, 2EI /q (q is the amount of charge of an electron, and E is the energy level corresponding to the quantum level E1).
It has negative resistance characteristics with a peak at . This phenomenon is called the resonant tunneling effect because it resonates with the quantum level and increases the probability of electron tunneling.

この効果は、江崎を始めとするIBMのグループにより
提案され(R,Tsu  and  L、Ezaki 
  :Appl、、Phys、   Lett、   
、   vol、22.p、562.1973.)、実
験により観測された(L、L、Chang、L、Eza
ki、  and   R,Tsu:AppCPh y
s、  Lett、、  voj!、  24.p、 
 593. 1974)。この効果は、負性抵抗を示す
ことから発振器、アナログアンプとしての応用が可能で
あD、かつその応答速度は超高速のトンネル現象で決定
されており極めて速いと考えられていることから、2端
子素子としての検討が数多く行なわれている。
This effect was proposed by a group at IBM including Ezaki (R, Tsu and L, Ezaki
:Appl, Phys, Lett,
, vol, 22. p, 562.1973. ), experimentally observed (L, L, Chang, L, Eza
ki, and R, Tsu: AppCPh y
s, Lett,, voj! , 24. p,
593. 1974). This effect can be applied to oscillators and analog amplifiers because it exhibits negative resistance, and its response speed is determined by ultra-high-speed tunneling and is thought to be extremely fast. Many studies have been conducted on using it as a terminal element.

代表的なものとして、(1)MITの5ollnerが
液体窒素温度においてPeak・Valley比が6の
大きな負性抵抗領域を観測し、共鳴トンネリング電流が
2.5THzの高周波まで追従したことを確認したこと
(T、C,L、G。
As a representative example, (1) MIT's 5ollner observed a large negative resistance region with a Peak/Valley ratio of 6 at liquid nitrogen temperature, and confirmed that the resonant tunneling current followed up to a high frequency of 2.5 THz. (T, C, L, G.

5ollner、W、D、Goodhue、P。5ollner, W. D., Goodhue, P.

E、Tannenwald、C,D、Parker、a
nd  D、D、Peck:Appl、Phys、、L
ett、、voC43,p、588゜1983、)、(
2)同じ(So7!j!net等が18GHzまで発振
する共鳴トンネリングダイオードを試作したこと(T、
C,L、G、5oe7!ner、  P、  E、Ta
nnenwand、  D、D。
E, Tannenwald, C, D, Parker, a.
nd D, D, Peck: Appl, Phys,, L
ett,, voC43, p, 588°1983,), (
2) Same (So7!j!net, etc. has prototyped a resonant tunneling diode that oscillates up to 18 GHz (T,
C, L, G, 5oe7! ner, P, E, Ta
nnenwand, D.D.

Peck、  C,D、  Parker、  and
   W。
Peck, C.D., Parker, and
W.

D、Goodhue:App 7!、  Phys、 
 LetL、、  vol、  45.  p、  1
319. 1984゜)、(3)イリノイ大学の3he
wchuk等がが室温において真性抵抗を観測したこと
(T、J。
D. Goodhue: App 7! , Phys.
LetL,, vol, 45. p, 1
319. 1984゜), (3) University of Illinois 3he
Wchuk et al. observed the intrinsic resistance at room temperature (T, J.

Shewchuk、P、C,Chapin、and  
P、D、Coffeman:App7!、Phys、L
ett、、vol、46.p、508.1985)など
が挙げられる。しかしながら、何れの場合も二端子素子
(ダイオード)に対する検討であD、三端子デバイスと
しての応用の発想は提案されていない。即ち、共鳴トン
ネル効果を利用した三端子デバイスの具体的構造の提案
、動作方法、動作原理、及びその具体的製造方法等は未
だ提案されていなかった。
Shewchuk, P., C., Chapin, and
P, D, Coffeeman: App7! , Phys., L.
ett,, vol, 46. p, 508.1985). However, in both cases, the studies were conducted on two-terminal elements (diodes), and no idea of application as a three-terminal device was proposed. That is, the specific structure, operating method, operating principle, and specific manufacturing method of a three-terminal device that utilizes the resonant tunneling effect have not yet been proposed.

二端子に比べ三端子化することで、電流電圧特性の制御
が行なえ、応用面も飛曜的に拡大するものと考えられる
By using three terminals compared to two terminals, it is possible to control the current-voltage characteristics, and it is thought that the range of applications will expand dramatically.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

本発明の目的は、高相互コンダクタンス特性、および高
速スイッチング特性、高周波発振・増幅特性を持つこと
を特徴とする共鳴トンネル三端子デバイスを提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to provide a resonant tunnel three-terminal device characterized by having high transconductance characteristics, high-speed switching characteristics, and high-frequency oscillation/amplification characteristics.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、共鳴トンネリングダイオードのポテンシャル
井戸部から第3の電極を取り出し、三端子デバイスとし
ての動作を可能にしたことを最も大きな特徴とする。即
ち、具体的には例えば物質A、B、C,D、Eからなる
薄い層を積層し形成した共鳴トンネリングダイオードの
構造において量子井戸となるトンネル準位を供給する物
質Cからなる層から第3の電極を取り出し、三端子デバ
イスの制御用端子とし、物質A及び物質Eからなる層間
に流れる電流−電圧特性の制illを行なえるようにし
た構造に重要な特徴がある。更に、物質Aにキャリア密
度の大きい金属を適用することにより電流密度の増大化
を実現すると共に、物質Cに金属、あるいは超伝導体を
用いることによりベース抵抗の低減を実現し、高速LS
I用のスイッチングデバイスや高周波デバイスとしての
重要なパラメータである相互コンタクタンスの増大化、
高速・高周波発振・増幅特性及びそれらの制御を実現で
きるメリットがある。
The most significant feature of the present invention is that the third electrode is taken out from the potential well portion of the resonant tunneling diode to enable operation as a three-terminal device. That is, specifically, for example, in the structure of a resonant tunneling diode formed by stacking thin layers made of substances A, B, C, D, and E, the third layer starts with the layer made of substance C that supplies a tunnel level that becomes a quantum well. An important feature lies in the structure in which the electrode is taken out and used as a control terminal of a three-terminal device to control the current-voltage characteristics flowing between the layers consisting of substance A and substance E. Furthermore, by applying a metal with a high carrier density to material A, we can increase the current density, and by using a metal or a superconductor to material C, we can reduce the base resistance, thereby achieving high-speed LS.
Increasing mutual contactance, which is an important parameter for I switching devices and high frequency devices,
It has the advantage of realizing high-speed/high-frequency oscillation/amplification characteristics and their control.

〔作 用〕[For production]

本発明の共鳴トンネル三端子デバイスは、共鳴トンネリ
ングダイオードの共鳴トンネル効果による電流−電圧特
性上の電流ピークを、トンネル遷移を行なう量子準位E
1を形成する薄いベース層に対して取られた第3の電極
(ベース電極)に印加する電圧により制御する、三端子
デバイスとしての動作を行なう。ベース抵抗を下げるた
めにベース層を多層に設ける構造、或いはベースを金属
もしくは超伝導体よる構成とする等々の様々な構造的工
夫が存在するが、その動作原理の基本は、所定のエミッ
タ・ベース電圧及び、ベース・コレクタ電圧の印加によ
って物IAからなる層(エミツタ層)からトンネル注入
によりベース層となる物質Cからなる層の量子準位E1
に電子を遷移させ、さらにこのトンネル注入された電子
の大部分をさらに物質Eからなる層中ヘトンネル注入さ
せることで主電極間にコレクタ電流が得られ、一方ベー
ス層中における伝導帯への緩和過程でのベース電流は極
めて小さく、大きな電流利得が得られるという三端子動
作となっている。
The resonant tunneling three-terminal device of the present invention converts the current peak on the current-voltage characteristic due to the resonant tunneling effect of the resonant tunneling diode to the quantum level E that performs the tunnel transition.
It operates as a three-terminal device, controlled by a voltage applied to a third electrode (base electrode) taken to a thin base layer forming part 1. In order to lower the base resistance, there are various structural ideas such as a structure in which the base layer is multi-layered, or a structure in which the base is made of metal or a superconductor, but the basic operating principle is that a predetermined emitter base By applying a voltage and a base-collector voltage, the quantum level E1 of the layer made of substance C, which becomes the base layer, is changed by tunnel injection from the layer made of substance IA (emitter layer).
A collector current is obtained between the main electrodes by causing most of the tunnel-injected electrons to be further tunnel-injected into the layer made of substance E, while the relaxation process to the conduction band in the base layer The base current is extremely small, resulting in three-terminal operation that provides a large current gain.

わずかなベース電圧変化で大きな電流を制御できること
から、高相互コンダクタンスが得られ、トンネル効果に
よる高速スイッチング性能、低ベース抵抗化による高遮
断周波数性能が得られる三端子デバイスの動作となって
いる。
A large current can be controlled with a small change in base voltage, resulting in high mutual conductance, high-speed switching performance due to the tunnel effect, and high cut-off frequency performance due to low base resistance, resulting in three-terminal device operation.

〔実施例〕〔Example〕

第1図(a)及び(blは本発明による第1及び第2の
実施例としての共鳴トンネル三端子デバイスの模式的断
面構造図を図示している。
FIGS. 1A and 1B show schematic cross-sectional structural views of resonant tunnel three-terminal devices as first and second embodiments of the present invention.

第1図(a)では、それぞれ物質A、物fB、物質C1
物質D、物質Eからなる薄い層が積層された構造、第1
図(blではそれぞれ物質B、物質C2物質りからなる
薄い層により形成される超格子を物質A、動物質からな
る層で挟んだ構造になっている。第1図(a)と第1図
(blの実施例では、動作上全く同じなので、以下、第
1図(alの構造について説明する。
In FIG. 1(a), substance A, substance fB, and substance C1, respectively.
Structure in which thin layers consisting of substance D and substance E are laminated, first
In the figure (bl), a superlattice formed by thin layers consisting of substance B and substance C2 is sandwiched between layers consisting of substance A and animal matter. Figure 1 (a) and Figure 1 (In the embodiment of bl, the operation is exactly the same, so the structure of FIG. 1(al) will be explained below.

物質A−Eまでの構成材料としては、物質B及び物質り
からなる薄い層が物質A、動物質及び物質Eからなる薄
い層に対してポテンシャルの障壁を形成し、つまD、物
質Cからなる層が物質B及び物IDからなる層に対して
ポテンシャルの井戸を形成する材料を選択する。また、
物質B、物質C1物質りからなる各層の厚さを、物質C
からなる府中に量子準位ができ、かつ共鳴トンネリング
が可能な程度に薄く設定する。エミッタ電極lを物質A
からなる層から、ベース電極2を物質Cからなる層から
、コレクタ電極3を物質Eからなる層から取り出す。
As for the constituent materials of substances A to E, a thin layer consisting of substance B and substance R forms a potential barrier against a thin layer consisting of substance A, animal matter, and substance E, and in other words, a thin layer consisting of substance D and substance C. A material is selected whose layer forms a potential well with respect to the layer consisting of substance B and substance ID. Also,
The thickness of each layer consisting of material B and material C1 is determined by material C.
It is set to be thin enough to create a quantum level in the fuchu consisting of , and to allow resonant tunneling. Emitter electrode l with material A
The base electrode 2 is taken out from the layer made of substance C, and the collector electrode 3 is taken out from the layer made of substance E.

第1図(blの構造においても共鳴トンネリングのため
の量子準位を形成する物質Cからなる層は物質B及び物
質りからなる薄い層にはさまれた構造として、しかも超
格子構造として形成され、かつこれらの超格子は多層に
形成されている。これらの多層超格子はBCDCBCD
・・・l3CDのような順に形成されている。第3の電
極としてのベース電極2はこれらの物質Cからなる各層
から取り出されている。
In the structure shown in Figure 1 (bl), the layer made of material C that forms the quantum level for resonance tunneling is sandwiched between thin layers made of material B and material R, and is also formed as a superlattice structure. , and these superlattices are formed in multiple layers.These multilayer superlattices are BCDCCBCD.
... are formed in the order of 13CD. A base electrode 2 as a third electrode is taken out from each layer of these substances C.

第2図は第1図(alに対応する本発明の第1の実施例
としての共鳴トンネル三端子デバイスの伝導帯近辺のエ
ネルギーバンドの模式図を示す。第2図(alば、エミ
ッタ・ベース電圧V E l %ベース・コレクタ電圧
VICともに印加していない場合を図示している。また
第2図(b)は■、及びVIICをともに印加した状態
を図示している。物質Cからなる薄い層のポテンシャル
井戸部には前記した量子効果のために量子準位E、(n
=1.2.・・・)ができる。第2図(b)のように、
物質Aの伝導帯のエネルギーレベルが量子準位E、と一
致するようにVEIを印加すると、物質A中の電子が量
子準位にトンネルする。量子準位に移動した電子の大部
分は、物質E中の空車値に向かってトンネルし、コレク
タ電流1cとなる。極く一部は量子準位から物質Cの伝
導帯に移りベース電流■8を生じる。従って、エミッタ
接地の直流電流増幅率β(−rc/Ie)は極めて大き
な値になる。更に、エミッタからコレクタへの電子の移
動はトンネリングで行なわれるため非常に高速で、かつ
エミッタ・ベース間の強い非線型電流・電圧特性を反映
して、相互タンダクタンスは大きいため、高速動作、つ
まり大きな電流遮断周波数[iが実現できる。物質A−
Eとしては、以下の(A)、  (B)、  (C)。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the energy band near the conduction band of the resonant tunneling three-terminal device as the first embodiment of the present invention, which corresponds to FIG. 1 (al). The figure shows the case where neither the base voltage nor the collector voltage VIC is applied. FIG. In the potential well portion of the layer, there are quantum levels E, (n
=1.2. ) can be done. As shown in Figure 2(b),
When VEI is applied so that the energy level of the conduction band of substance A matches the quantum level E, electrons in substance A tunnel to the quantum level. Most of the electrons that have moved to the quantum level tunnel toward the empty cell value in the substance E and become a collector current 1c. A very small portion moves from the quantum level to the conduction band of substance C, producing base current 8. Therefore, the direct current amplification factor β (-rc/Ie) of the common emitter becomes an extremely large value. Furthermore, since electrons move from the emitter to the collector by tunneling, it is extremely fast, and reflecting the strong nonlinear current/voltage characteristics between the emitter and base, the mutual conductance is large, so high-speed operation is possible. A large current cutoff frequency [i can be realized. Substance A-
E includes the following (A), (B), and (C).

(D)の条件を満足するものであれば良い。即ち、(A
)それぞれ物質A、物質B、物質C1物質り及び物質E
からなる薄い層が積層される構造、あるいはそれぞれ物
質B、物質C1物質りからなる薄い層により形成される
超格子を物質A及び物質Eからなる層で挟んだ構造にお
いて、(B)物質B及び物質りからなる層が物質A、物
質C及び物質Eからなる薄い層に対して電子に対するポ
テンシャルの障壁を形成しくつまり物質Cからなる層が
物質B及び物質りからなる層に対して電子に対するポテ
ンシャルの井戸を形成し)、 (C)物質B、物質C1物質りからなる各層の厚さを共
鳴トンネリングが発生する程度に薄く設定し、 (D)物質Aからなる層からエミッタ電極、物質Cから
なる層からベース電極、 物質Eからなる層からコレクタ電極を 取ることを特徴とする共鳴トンネル三端子デバイスであ
ればよい。
Any material that satisfies the condition (D) may be used. That is, (A
) Substance A, Substance B, Substance C1 Substance and Substance E respectively
In a structure in which thin layers are stacked, or in a structure in which a superlattice formed by thin layers made of substances B and C1 is sandwiched between layers made of substance A and substance E, (B) substances B and The layer of material C forms a potential barrier for electrons with respect to the thin layers of material A, material C, and material E. That is, the layer of material C forms a potential barrier for electrons with respect to the thin layer of material B and material E. (C) The thickness of each layer made of material B and material C1 is set to be thin enough to cause resonant tunneling, and (D) the layer made of material A is set as an emitter electrode, and the layer made of material C is made as thin as possible. Any resonant tunnel three-terminal device may be used as long as it is a resonant tunnel three-terminal device characterized in that a base electrode is taken from a layer made of substance E and a collector electrode is taken from a layer made of substance E.

例えばこれらの物質A−Eからなる各層を半導体を用い
て形成する場合の組み合わせ例を第第1表 A−E  ′なる い    る 人の み人わせ 第1図(blにおいて図示した本発明による第2の実施
例としての共鳴トンネル三端子デバイスの物質B、物質
C1物質りからなる多層構造の超格子を物質A及び物質
Eからなるで挟んだ構造においても、超格子内に量子準
位ができる。従って、動作原理は全く同じである。構造
は多少複雑となるが、物質Cからなる層は複数個になる
ため、べ−大抵抗を減少させる効果がある。従って、第
1図(blに図示した構造を有する本発明による第2の
実施例では最大発振周波数fMAにを第1図fa)の実
施例に比べて更に増大できるメリットが加わる。
For example, examples of combinations when each layer consisting of these materials A-E is formed using a semiconductor are shown in Table 1 A-E'. Even in the structure in which a multilayered superlattice consisting of materials B and C1 of the resonant tunnel three-terminal device as Example 2 is sandwiched between materials A and E, a quantum level is created in the superlattice. Therefore, the operating principle is exactly the same.Although the structure is somewhat complicated, since there are multiple layers made of material C, it has the effect of reducing the resistance. The second embodiment of the present invention having the structure shown has the added advantage of further increasing the maximum oscillation frequency fMA compared to the embodiment of FIG. 1fa).

本発明による共鳴トンネル三端子デバイスで通常の論理
回路、高周波アナログ回路を構成できることは説明する
までもないが、本三端子デバイスには発光(電磁波発振
)スイッチングデバイスとしての動作モードも存在し、
これが本発明による共鳴トンネル三端子デバイスを発光
スイッチングデバイスに通用する第3の実施例に対応し
ている。
Needless to say, the resonant tunnel three-terminal device according to the present invention can be used to construct ordinary logic circuits and high-frequency analog circuits, but this three-terminal device also has an operation mode as a light-emitting (electromagnetic wave oscillation) switching device.
This corresponds to a third embodiment in which the resonant tunnel three-terminal device according to the present invention is applied to a light-emitting switching device.

以下、第3の実施例について説明する。第3図(a)及
び(b)は本発明による第1の実施例の構造を有する共
鳴トンネル三端子デバイス(第1図(a))の伝導帯付
近のエネルギーバンド構造図においてVEII、及び■
。のバイアス条件を変えた場合のエネルギーバンド構造
図を図示しておD、同時に本発明による共鳴トンネル三
端子デバイスの発光スイッチングデバイスとしての動作
説明図となっている。
The third example will be described below. FIGS. 3(a) and 3(b) are energy band structure diagrams near the conduction band of the resonant tunnel three-terminal device (FIG. 1(a)) having the structure of the first embodiment according to the present invention.
. FIG. 6 shows an energy band structure diagram when the bias conditions of FIG.

第3図(alに図示するように物fiEの伝導帯レベル
が量子順位E、より太き(なるようにベース・コレクタ
電圧ViICを印加した場合を考えてみる。エミッタ・
ベース電圧V□の印加によD、物質A中の伝導帯レベル
の電子は物質C中の量子準位E1にトンネリングする。
Consider the case where the base-collector voltage ViIC is applied so that the conduction band level of the material fiE becomes quantum order E, thicker (as shown in Figure 3 (al).
By applying the base voltage V□ D, electrons at the conduction band level in the substance A tunnel to the quantum level E1 in the substance C.

しかし、電子の持つエネルギーレベル以下には物質E中
には準位がないため、量子準位E1にトンネリングして
きた電子は物質Eにトンネリングすることができず、物
質Cの伝導帯に落ち込む。従って、この緩和過程におい
ては、エネルギー差に対応した周波数ν(=2π(EI
   EC) /h、hニブランク定数、E、:物質C
の伝導帯のエネルギーレベル)の光、或いは電磁波が発
生する。
However, since there is no level in the material E below the energy level possessed by electrons, the electrons that have tunneled to the quantum level E1 cannot tunnel into the material E and fall into the conduction band of the material C. Therefore, in this relaxation process, the frequency ν(=2π(EI
EC) /h, h blank constant, E,: substance C
light or electromagnetic waves (conduction band energy level) are generated.

一方、第3図(blに図示するように物[E中の伝導帯
レベルが量子準位E1より小さくなるようにベース・コ
レクタ電圧■1を印加した場合は、前に説明したように
、量子準位E1にトンネリングしてきた電子の大部分は
物質E中の準位にトンネリングし、物質C中の伝導帯に
緩和する確率は極めて小さい。従って、発光、あるいは
電磁波放出は起こらない。このように、電圧V1の大き
さ、極性によD、発光のスイッチングを行なうことがで
きる。
On the other hand, if the base-collector voltage ■1 is applied so that the conduction band level in the object [E is smaller than the quantum level E1 as shown in Figure 3 (bl), as explained earlier, the quantum Most of the electrons that have tunneled to level E1 will tunnel to levels in material E, and the probability that they will be relaxed to the conduction band in material C is extremely small.Therefore, no light emission or electromagnetic wave emission will occur.In this way, , the light emission can be switched depending on the magnitude and polarity of the voltage V1.

この場合、当然のことながら、本発明の実施例の如く第
3の電極端子としてのベース電極を取り出し、それぞれ
エミッタ、コレクタ端子との間にバイアス電圧を印加し
たD、或いは電流を注入したり引き出したり動作を行な
うことができるようになされた点が本発明の如き発光ス
イッチング動作の制御が行なえる重要な特徴であること
は云うまでもない。単純な二端子動作(共鳴トンネルダ
イオード)では制御性は極めて悪い。
In this case, as a matter of course, as in the embodiment of the present invention, the base electrode as the third electrode terminal is taken out, and a bias voltage is applied between D and the emitter and collector terminals, respectively, or a current is injected or drawn out. Needless to say, the fact that the light emission switching operation can be controlled as in the present invention is an important feature. Controllability is extremely poor with simple two-terminal operation (resonant tunnel diode).

第4の実施例としては、物質Aを構成する材料として金
属を用いる場合である。即ち、第1図(a)及び(b)
の構造において物質Aを構成する材料として金属層を使
用する例である。金属は半導体に比ベキャリア(電子)
密度が高いので、エミッタからベースへのトンネル電流
密度を挙げることができる。従って、相互コンダクタン
ス、負荷駆動力が増加することによD、電流遮断周波数
fTO増加、高速スイッチング特性を実現できる。この
実施例では、物質Aが金属で、かつ前述の(A)、(B
)、(C)及び(D)の条件を満足すれば、物質A−E
の組み合わせは数多くある。しかし物質量の結晶性等の
材料品質が良好で界面準位が少なく理想的なポテンシャ
ル構造を実現できることがより好ましいことは当然であ
る。
A fourth example is a case where metal is used as the material constituting the substance A. That is, FIGS. 1(a) and (b)
This is an example in which a metal layer is used as the material constituting the substance A in the structure. Metals have more carriers (electrons) than semiconductors
Due to the high density, the tunneling current density from the emitter to the base can be increased. Therefore, by increasing mutual conductance and load driving force, it is possible to increase D, current cutoff frequency fTO, and achieve high-speed switching characteristics. In this example, substance A is a metal, and the above-mentioned (A) and (B
), (C) and (D), substances A-E
There are many combinations of. However, it is natural that it is more preferable that the quality of the material such as the crystallinity of the amount of substance is good and that an ideal potential structure with few interface states can be realized.

それには、物質同士がヘテロエピタキシャル成長が可能
であること、つまり格子定数の整合がとれた物質の組み
合わせが考えられる。これが、本発明による各実施例を
実現する物質の構成材料に対する補足的条件である。格
子定数の観点からも数多くの物質の組み合わせがある。
One possible solution for this is the possibility of heteroepitaxial growth between materials, that is, the combination of materials with matched lattice constants. This is a supplementary condition for the constituent materials of the substances realizing each embodiment according to the invention. There are many combinations of materials in terms of lattice constants.

はんの−例として、物質A、物質C1物質Eを構成する
材料としてSn、あるいはPbの合金、シリサイド(C
O3iz 、NiSi2等)、物質B、Dを構成する材
料としてはS i、CaFz 、GaAs、AAGaA
s、AlAsなどがある。これらの物質はSiとの格子
不整合が少なく、大面積で、安価なSi基板上にデバイ
スを製作できるメリットがある。
For example, the material constituting material A, material C1 and material E may be Sn, an alloy of Pb, or silicide (C
O3iz, NiSi2, etc.), materials constituting substances B and D include Si, CaFz, GaAs, AAGaA
s, AlAs, etc. These materials have the advantage of having little lattice mismatch with Si, allowing devices to be fabricated on large-area, inexpensive Si substrates.

第5の実施例としては、物1cを構成する材料に金属を
用いる構造を有する場合である。ベース抵抗を減少させ
ることができるため、最大発振周波数f MAXを大き
くできる。当然、ヘテロエピタキシャル成長が可能な物
質の選択には、上記の補足的条件が存在し、例えば前述
の如(Snあるいはpbの合金、或いはシリサイド等が
用いられうる。
A fifth example is a case where the object 1c has a structure in which metal is used as the material composing the object 1c. Since the base resistance can be reduced, the maximum oscillation frequency f MAX can be increased. Naturally, the above-mentioned supplementary conditions exist in selecting a material capable of heteroepitaxial growth, and for example, as described above (Sn or Pb alloy, silicide, etc.) can be used.

第6の実施例のとしては、物質Cを構成する材料に超伝
導体を用いることである。第4図は本発明による第6の
実施例としてのベース層に超伝導体材料を用いる場合の
共鳴トンネル三端子デバイスに対応し、伝導帯付近のエ
ネルギーバンド構造図を示す。ポテンシャル障壁に囲ま
れた物質C(超伝導体)中にも、前述した量子準位E、
(n=1.2.・・・)が存在するとともに、超伝導の
エネルギーギャップ(大きさ2Δで示している)が存在
する。超伝導のエネルギーギャップの端に準粒子の状態
密度があD、またフェルミ準位には超伝導対電子(クー
パーベア)が存在している。
In the sixth embodiment, a superconductor is used as the material constituting the substance C. FIG. 4 corresponds to a resonant tunnel three-terminal device in which a superconductor material is used for the base layer as a sixth embodiment of the present invention, and shows an energy band structure diagram near the conduction band. Even in a material C (superconductor) surrounded by potential barriers, the quantum levels E,
(n=1.2...) exists, and a superconducting energy gap (indicated by the size 2Δ) exists. There is a quasiparticle state density D at the edge of the superconducting energy gap, and a superconducting pair electron (Cooper bear) exists at the Fermi level.

第4図(blに図示するように、物質への伝導帯のエネ
ルギーレベルが量子準位E1と一致するようにVEII
を印加すると、物質A中の電子が量子準位にトンネルす
る。量子準位に移動した電子の大部分は、物質Eの空単
位に向かってトンネルし、コレクタ電流ICとなる。極
く一部は量子準位から物質C(超伝導体)の準粒子準位
に緩和したのち再結合し超伝導電子対になりベース電流
18を生じる。従って、ベース電流は直流抵抗零の超伝
導電子対により運ばれる。つまD、ベース抵抗が無くな
ることによD、最大発振周波数f MAXを格段に増大
できるメリットがある。従ってスイッチングデバイスと
して応用する場合には、ベース抵抗による時間遅延がな
く、従来ベース抵抗により限界とされた周波数制限がな
く、ベース内のロスがない三端子デバイスが実現できる
As shown in Figure 4 (bl), VEII is
When , electrons in substance A tunnel to the quantum level. Most of the electrons that have moved to the quantum level tunnel toward empty units in the substance E, becoming a collector current IC. A very small portion relaxes from the quantum level to the quasi-particle level of the material C (superconductor) and then recombines to form superconducting electron pairs and generate a base current 18. Therefore, the base current is carried by superconducting electron pairs with zero DC resistance. Finally, by eliminating the base resistance, there is an advantage that the maximum oscillation frequency fMAX can be significantly increased. Therefore, when applied as a switching device, it is possible to realize a three-terminal device that has no time delay due to the base resistance, no frequency limitations conventionally limited by the base resistance, and no loss within the base.

超伝導体としては、Nb系、pb系等の低T。As a superconductor, low T such as Nb type and PB type.

超伝導体のみならず、数年前以降発見が相次いでいるL
a系、Y系、Bi系等と略称されている高T、酸化物超
伝導体を使用できることは云うまでもない。
Not only superconductors but also L, which has been discovered one after another since several years ago.
It goes without saying that high T, oxide superconductors abbreviated as a-based, Y-based, Bi-based, etc. can be used.

本発明の実施態様を述べると以下の通りである。The embodiments of the present invention are described below.

即ち、本発明は、 それぞれ物質A、物質B、物質C5物質D、及び物質E
からなる薄い層が積層される構造、あるいはそれぞれ物
質B、物質C1物質りからなる薄い層により形成される
超格子を物質A及び物質Eからなる層で挟んだ構造にお
いて、 物tB及び物[Dからなる層が物質A、物質C及び物質
Eからなる薄い層に対して電子に対するポテンシャルの
障壁を形成しくつまり物質Cからなる層が物質B及び物
質りからなる層に対して電子に対するポテンシャルの井
戸を形成し)、物質B、物質C1物質りからなる各層の
厚さを共鳴トンネリングが発生する程度に薄く設定し、
物質Aからなる層からエミツク電極、 物質Cからなる層からベース電極、 物質Eからなる層からコレクタ電極を取ることを特徴と
する共鳴トンネル三端子デバイスに関するものである。
That is, the present invention provides substance A, substance B, substance C, substance D, and substance E, respectively.
In a structure in which thin layers are stacked, or in a structure in which a superlattice formed by thin layers made of substances B and C1 is sandwiched between layers made of substance A and substance E, substance tB and substance [D Forms a potential barrier for electrons with respect to the thin layers of material A, material C, and material E. In other words, the layer of material C forms a potential well for electrons with respect to the thin layer of material B and material E. ), the thickness of each layer consisting of material B and material C1 is set to be thin enough to cause resonance tunneling,
This invention relates to a resonant tunnel three-terminal device characterized in that an emitter electrode is formed from a layer made of substance A, a base electrode is formed from a layer made of substance C, and a collector electrode is formed from a layer made of substance E.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

従来の三端子デバイスとしての共鳴トンネリングダイオ
ードに比ベベース層からベース電極を取り出すことによ
りエミッタ・ベースバイアス電圧ヘース・コレクタバイ
アス電圧の印加によりトンネル注入制御を行なうことが
できるという利点が存在する。
Compared to a resonant tunneling diode as a conventional three-terminal device, there is an advantage that tunnel injection can be controlled by applying an emitter-base bias voltage and a base-collector bias voltage by taking out the base electrode from the base layer.

ベース電極の制御によD、トンネル注入制御を高速かつ
高効率に行なうことができるため上記の高相互コンダク
タンス特性、および高速スイッチング特性を得ることが
できる。
By controlling the base electrode, tunnel injection control can be performed at high speed and with high efficiency, so that the above-mentioned high mutual conductance characteristics and high speed switching characteristics can be obtained.

さらにベース層を単一層として構成するだけでな(多層
(マルチ層)として超格子内に構成し、それぞれベース
電極を取り出すことでベース抵抗を低減化できるため、
さらに高遮断周波数f、を得ることができる。またベー
ス層を構成する物質Cを金属層としたり超伝導体として
形成することでさらにベース抵抗が低減化され、ベース
遅延のないスイッチング素子、ベース抵抗による周波数
制限のない三端子デバイスが得られるという利点も存在
する。またエミッタ領域或いはコレクタ領域となる物質
AもしくはEからなる層を金属で構成することからさら
に許容電流値の大きな素子も実現できるという利点もあ
る。
Furthermore, the base resistance can be reduced by not only configuring the base layer as a single layer, but also by configuring it as a multilayer in a superlattice and taking out the base electrode from each layer.
Furthermore, a higher cutoff frequency f can be obtained. In addition, by forming the material C constituting the base layer as a metal layer or a superconductor, the base resistance can be further reduced, making it possible to obtain a switching element without base delay and a three-terminal device without frequency limitations due to base resistance. There are also advantages. Furthermore, since the layer made of substance A or E, which becomes the emitter region or the collector region, is made of metal, there is also the advantage that an element with a larger allowable current value can be realized.

さらに本発明の実施例の構成のように三端子化すること
でベースバイアス条件を選ぶことで発光・遮断による発
光スイッチング動作を行なわせることができ、高速・高
効率の発光スイッチング素子も実現できるいう利点があ
る。
Furthermore, by using three terminals as in the configuration of the embodiment of the present invention, it is possible to perform a light emission switching operation by light emission/cutoff by selecting the base bias condition, and it is possible to realize a high speed and high efficiency light emission switching element. There are advantages.

以上説明したように、本発明により高相互コンダクタン
ス特性、および高速スイッチング特性を持つ三端子デバ
イスが実現でき、超高速LSI、あるいは超高周波デバ
イスなど幅広い応用を切り開くものである。
As explained above, the present invention makes it possible to realize a three-terminal device with high mutual conductance characteristics and high-speed switching characteristics, opening up a wide range of applications such as ultra-high speed LSIs and ultra-high frequency devices.

第2図は第1図の実施例(第1図(a))の共鳴l・ン
ネル三端子デバイスの伝導帯近辺のエネルギーバンドの
模式図、 第3図は第3の実施例の共鳴トンネル三端子デバイスの
伝導帯近辺のエネルギーバンドの模式図、第4図は第6
の実施例の共鳴トンネル三端子デバイスの伝導帯近辺の
エネルギーバンドの模式図である。
2 is a schematic diagram of the energy band near the conduction band of the resonant tunnel three-terminal device of the embodiment shown in FIG. 1 (FIG. 1(a)), and FIG. Schematic diagram of the energy band near the conduction band of the terminal device, Figure 4 is the same as Figure 6.
FIG. 2 is a schematic diagram of energy bands near the conduction band of the resonant tunnel three-terminal device of the example.

第5図は従来の共鳴トンネルダイオードの伝導帯近辺の
エネルギーバンドの模式図、 第6図は従来の共鳴トン皐ルダイオートの電流電圧特性
を示す。
Fig. 5 is a schematic diagram of the energy band near the conduction band of a conventional resonant tunnel diode, and Fig. 6 shows the current-voltage characteristics of a conventional resonant tunnel diode.

1・・・エミッタ電極、 2・・・ベース電極、 3・・・コレクタ領域1...emitter electrode, 2...Base electrode, 3...Collector area

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

Claims (1)

【特許請求の範囲】  それぞれ物質A、物質B、物質C、物質D、及び物質
Eからなる薄い層が積層される構造、あるいはそれぞれ
物質B、物質C、物質Dからなる薄い層により形成され
る超格子を物質A及び物質Eからなる層で挟んだ構造に
おいて、 物質B及び物質Dからなる層が物質A、物質C及び物質
Eからなる薄い層に対して電子に対するポテンシャルの
障壁を形成し、 物質B、物質C、物質Dからなる各層の厚さを共鳴トン
ネリングが発生する程度に薄く設定し、物質Aからなる
層からエミッタ電極、 物質Cからなる層からベース電極、 物質Eからなる層からコレクタ電極を 取ることを特徴とする共鳴トンネル三端子デバイス。
[Claims] A structure in which thin layers each consisting of substance A, substance B, substance C, substance D, and substance E are laminated, or formed by thin layers consisting of substance B, substance C, and substance D, respectively. In a structure in which a superlattice is sandwiched between layers consisting of substance A and substance E, the layer consisting of substance B and substance D forms a potential barrier to electrons with respect to the thin layer consisting of substance A, substance C, and substance E, The thickness of each layer consisting of substance B, substance C, and substance D is set to be thin enough to cause resonance tunneling, and the layer consisting of substance A is an emitter electrode, the layer consisting of substance C is a base electrode, and the layer consisting of substance E is an emitter electrode. A resonant tunnel three-terminal device characterized by a collector electrode.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6154665A (en) * 1984-08-24 1986-03-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor device and manufacture thereof
JPS62111469A (en) * 1985-08-23 1987-05-22 テキサス インスツルメンツ インコ−ポレイテツド Resonance tunneling device
JPH01102959A (en) * 1987-10-16 1989-04-20 Nec Corp Resonance tunnel transistor

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