JPH06260655A - Planar superlattice transistor - Google Patents
Planar superlattice transistorInfo
- Publication number
- JPH06260655A JPH06260655A JP361193A JP361193A JPH06260655A JP H06260655 A JPH06260655 A JP H06260655A JP 361193 A JP361193 A JP 361193A JP 361193 A JP361193 A JP 361193A JP H06260655 A JPH06260655 A JP H06260655A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- superlattice
- source
- transistor
- layer
- drain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超高速ディジタル用素
子として用いられるプレーナ超格子トランジスタに関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a planar superlattice transistor used as an element for ultra high speed digital.
【0002】[0002]
【従来の技術】プレーナ超格子トランジスタ(washboar
d transistorともいう) は、電子の進行方向に、超格子
を利用した周期的ポテンシャルを有し、弾性散乱長が長
い電子波の波長とポテンシャルの周期とが一致するとき
電子波がブラッグ反射を起こして伝導しなくなることを
利用したトランジスタである。超格子構造のポテンシャ
ルは異なる値を交互に繰り返し、その変化は周期的であ
る。このポテンシャルの周期(L)の2倍が電子波の波
長(λ)に一致したときの波動関数を図2に示す。図中
上部,下部に、入射電子波(Φ),定在波(Ψ)を夫々
破線にて示し、また入射電子波,定在波の2乗を夫々実
線にて示す。図2に示す如く、λ=2Lを満たしている
と、定在波が現れて、電子波が伝播しなくなる。2. Description of the Related Art Planar superlattice transistors (washboar
(also referred to as d transistor) has a periodic potential utilizing a superlattice in the electron traveling direction, and when the wavelength of the electron wave with a long elastic scattering length and the period of the potential coincide with each other, the electron wave causes Bragg reflection. Is a transistor that utilizes the fact that it does not conduct. The potential of the superlattice structure alternates different values, and the change is periodic. FIG. 2 shows a wave function when twice the period (L) of this potential matches the wavelength (λ) of the electron wave. In the upper and lower parts of the figure, the incident electron wave (Φ) and the standing wave (Ψ) are shown by broken lines, respectively, and the squares of the incident electron wave and the standing wave are shown by solid lines, respectively. As shown in FIG. 2, when λ = 2L is satisfied, a standing wave appears and the electron wave does not propagate.
【0003】以下、AlGaAs/GaAsヘテロ界面
の2次元電子ガス(2DEG)を利用したプレーナ超格
子トランジスタを例にして、トランジスタとしての動作
原理を説明する。プレーナ超格子トランジスタでは、下
記(1)式に示すように電子波のフェルミ波長λF が電
子のシートキャリア濃度NS の平方根に反比例すること
を利用する。The operation principle of the transistor will be described below by taking a planar superlattice transistor using a two-dimensional electron gas (2DEG) at the AlGaAs / GaAs hetero interface as an example. The planar superlattice transistor utilizes that the Fermi wavelength λ F of the electron wave is inversely proportional to the square root of the sheet carrier concentration N S of the electron as shown in the following formula (1).
【0004】[0004]
【数1】 [Equation 1]
【0005】ここで、電子の単位電荷をe、ゲート容量
をC、閾値電圧をVthで表すと、ゲートに電圧Vを印加
した場合のシートキャリア濃度NS は、下記(2)式の
ように表される。 eNS =C(V−Vth) …(2)Here, assuming that the unit charge of electrons is e, the gate capacitance is C, and the threshold voltage is V th , the sheet carrier concentration N S when the voltage V is applied to the gate is expressed by the following equation (2). Represented by. eN S = C (V−V th ) ... (2)
【0006】従って、ゲートへの印加電圧Vを制御する
ことにより、下記(3)式が成り立つように電子波のフ
ェルミ波長λF を変化させると、ソースからゲートを通
してドレインへ向かう電子はブラッグ反射を起こして伝
導せず、トランジスタはオフ状態となる。一方、下記
(3)式が成立しないような電圧をゲートへ印加する場
合には、トランジスタはオン状態となる。 2L=n・λF (但し、n:整数) …(3)Therefore, when the Fermi wavelength λ F of the electron wave is changed by controlling the voltage V applied to the gate so that the following equation (3) is satisfied, the electrons traveling from the source to the drain through the gate undergo Bragg reflection. It awakens and does not conduct, and the transistor is turned off. On the other hand, when a voltage which does not satisfy the following expression (3) is applied to the gate, the transistor is turned on. 2L = n · λ F (where n: integer) (3)
【0007】例えば、ポテンシャルの周期Lが 200Åで
ある場合、NS =4×1011cm-2となるようにゲート電圧
を印加するとλF が 400Å程度となって、このときに電
子はブラッグ反射を起こしてトランジスタがオフ状態と
なる。なお電子波の干渉性を利用しているので、ブラッ
グ反射を起こすには電子波の弾性散乱長(le)が長
い、つまり電子の移動度(μ)が大きいことが必要であ
る。AlGaAs/GaAs系の2DEGにおいては、
leは10μm 程度(この場合μ=106 cm-2/secV)が必
要である。For example, when the potential period L is 200Å, when a gate voltage is applied so that N S = 4 × 10 11 cm -2 , λ F becomes about 400Å, at which time electrons are Bragg-reflected. And the transistor is turned off. Since the coherence of the electron waves is used, it is necessary that the elastic scattering length (le) of the electron waves is long, that is, the electron mobility (μ) is large, in order to cause Bragg reflection. In AlGaAs / GaAs 2DEG,
le needs to be about 10 μm (in this case, μ = 10 6 cm −2 / secV).
【0008】電子の波長が変化した後にブラッグ反射が
起きて伝導が止まるまでの時間、またはその反対に伝導
が再開されるまでの時間は、前述の(2)式で示される
キャリア濃度の変化に要する時間に律速される。従っ
て、このようなプレーナ超格子トランジスタでは、0.1p
sec.オーダでの高速スイッチング動作が可能である。ま
た、ゲート電圧に対して負性抵抗が現れるので、1個の
素子でXOR回路を構成することができるという利点も
ある。The time until the Bragg reflection occurs and the conduction stops after the wavelength of the electron changes, or vice versa, depends on the change in the carrier concentration expressed by the above equation (2). It is limited by the time required. Therefore, in such a planar superlattice transistor,
High-speed switching operation on the order of sec. is possible. Further, since a negative resistance appears with respect to the gate voltage, there is also an advantage that an XOR circuit can be configured with one element.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上述のプレーナ超格子
トランジスタが動作する条件は、電子の波長λと、形成
したポテンシャルの周期Lとが一致するということであ
る。この条件を満足するためには(3)式で表される波
長を有する電子が、周期的ポテンシャルを有する超格子
に対して垂直に入射するということが必要である。図3
(a) は超格子の周期的ポテンシャルを、縦軸にエネルギ
ーを採って示したものであり、図3(b) は、図3(a) に
示す周期的ポテンシャルを有する超格子を電子波が伝導
する状態を示す平面図である。(3)式を満たす波長を
有する電子波であっても、Aで示すように超格子に対し
て斜め方向に入射した場合はブラッグ反射は生じない。
一方、Aと同じ波長の電子波が、Bで示すように超格子
に対して垂直に入射した場合はブラッグ反射は生じる。The condition for operating the above-described planar superlattice transistor is that the wavelength λ of the electron and the period L of the formed potential match. In order to satisfy this condition, it is necessary that electrons having a wavelength represented by the equation (3) are incident perpendicularly on the superlattice having a periodic potential. Figure 3
(a) shows the periodic potential of the superlattice with the energy taken on the vertical axis, and Fig. 3 (b) shows the superlattice with the periodic potential shown in Fig. 3 (a) where the electron wave It is a top view which shows the state which conducts. Even if the electron wave has a wavelength satisfying the expression (3), when it is obliquely incident on the superlattice as shown by A, Bragg reflection does not occur.
On the other hand, when an electron wave having the same wavelength as A enters perpendicularly to the superlattice as shown by B, Bragg reflection occurs.
【0010】また(3)式を満たさない波長を有する電
子波であっても、超格子に対して斜め方向に入射するこ
とにより、ブラッグ反射が生じることがある。このよう
な現象はゲート電圧に対する負性抵抗を減少させ、オン
/オフ時における出力電流の差を減少させる。これによ
り、オン/オフの不定を招来するという問題があった。Even with an electron wave having a wavelength that does not satisfy the expression (3), Bragg reflection may occur when it is obliquely incident on the superlattice. Such a phenomenon reduces the negative resistance with respect to the gate voltage and reduces the difference in output current during on / off. As a result, there is a problem in that the on / off is undefined.
【0011】そこでソース・ドレイン間に超格子を有す
るトランジスタにおいて、電子をこの超格子に対して垂
直に入射するために、ソース・ドレイン間のチャネルを
細線状に加工する試みもなされているが、その寸法とし
ては1000Å程度が限界である。しかしながら、電子を垂
直入射するためには実効的なチャネル幅を1000Å以下に
する必要があり、従って微細加工技術により垂直入射を
実現することは極めて困難である。本発明は、斯かる事
情に鑑みてなされたものであり、所定間隔を有するスプ
リットゲートを備えることにより、電子波を超格子に対
して垂直に入射させることが可能なプレーナ超格子トラ
ンジスタを提供することを目的とする。Therefore, in a transistor having a superlattice between a source and a drain, an attempt has been made to process a channel between the source and the drain into a fine line in order to make electrons enter the superlattice perpendicularly. The size is limited to about 1000Å. However, in order to vertically inject electrons, it is necessary to make the effective channel width 1000 Å or less, and thus it is extremely difficult to realize vertical incidence by microfabrication technology. The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a planar superlattice transistor capable of vertically injecting an electron wave into a superlattice by including a split gate having a predetermined interval. The purpose is to
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明に係るプレーナ超
格子トランジスタは、ソース・ドレイン電極間の半導体
層に縦型超格子を備えるプレーナ超格子トランジスタに
おいて、ソース・ドレイン方向に直交する方向が所定間
隔にて分断されたスプリットゲート電極を備えることを
特徴とする。A planar superlattice transistor according to the present invention is a planar superlattice transistor having a vertical superlattice in a semiconductor layer between a source electrode and a drain electrode, and a direction orthogonal to the source / drain direction is predetermined. It is characterized in that it is provided with split gate electrodes divided at intervals.
【0013】[0013]
【作用】本発明にあっては、スプリットゲート電極を備
えることにより、スプリットゲート電極に電圧を印加す
るとゲート電極直下は空乏化するので、ソース電極から
注入された電子は空乏層が形成されていないスプリット
下の半導体層を通り抜ける。このとき各ゲート電極下の
空乏層は横方向へも拡がり、スプリット下における半導
体層へも拡がるため、実効的なチャネル幅を、スプリッ
ト間隔より小さくすることができる。このようにして微
細な幅のチャネル層を超格子に対して垂直に形成するこ
とにより、電子波を超格子に対して垂直に入射させるこ
とが可能である。In the present invention, since the split gate electrode is provided, when a voltage is applied to the split gate electrode, the region directly under the gate electrode is depleted, so that the electron injected from the source electrode does not have a depletion layer. Through the semiconductor layer under the split. At this time, the depletion layer under each gate electrode also extends in the lateral direction and also extends to the semiconductor layer under the split, so that the effective channel width can be made smaller than the split interval. By thus forming the channel layer having a fine width perpendicularly to the superlattice, it is possible to make the electron wave incident perpendicularly to the superlattice.
【0014】[0014]
【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図1は本発明に係るプレーナ超格
子トランジスタを示す模式図であり、図1(a) はこの平
面図を示し、図1(b) はこの断面図を示す。半絶縁性の
GaAs基板1上に、MBE(分子線エピタキシアル成
長)法によりGaAs層2を8000Å堆積してある。さら
にその上には、AlAs層3aとAlGaAs層3bとを 1
00Å毎に交互に略10周期備える縦型超格子がその略中央
部に形成されたN−Al0.22Ga0.78As層3(シリコ
ン濃度2×1018cm-3)を 300Å積層してある。そしてソ
ース・ドレイン領域には夫々ソース電極S,ドレイン電
極Dが形成されており、前記縦型超格子は、これらソー
ス電極S,ドレイン電極D間に位置しており、さらにソ
ース電極S,ドレイン電極Dに平行である。またソース
電極S,ドレイン電極D間の中央部には、2個のゲート
電極G,Gが、ソース・ドレイン方向に直交する方向に
1000Åのスプリット間隔dを隔てて並設され、スプリッ
トゲート電極を形成している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below with reference to the drawings showing the embodiments. FIG. 1 is a schematic view showing a planar superlattice transistor according to the present invention, FIG. 1 (a) shows this plan view, and FIG. 1 (b) shows this sectional view. A GaAs layer 2 is deposited on the semi-insulating GaAs substrate 1 by 8000 Å by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. On top of that, an AlAs layer 3a and an AlGaAs layer 3b 1
A vertical superlattice having approximately 10 cycles alternately for every 00 Å is formed by laminating 300 Å layers of N-Al 0.22 Ga 0.78 As layer 3 (silicon concentration 2 × 10 18 cm -3 ) formed in the substantially central portion thereof. A source electrode S and a drain electrode D are formed in the source / drain regions, respectively, and the vertical superlattice is located between the source electrode S and the drain electrode D. It is parallel to D. Further, in the central portion between the source electrode S and the drain electrode D, two gate electrodes G, G are arranged in a direction orthogonal to the source / drain direction.
The split gate electrodes are formed side by side with a split distance d of 1000Å.
【0015】以上の如き構成のプレーナ超格子トランジ
スタでは、前記縦型超格子により図3(a) に示す如き周
期的ポテンシャルが形成されている。そしてN−Al
0.22Ga0.78As層3から供給された電子が、GaAs
層2にシートキャリア濃度5×1011cm-2程度溜まり、ソ
ース電極S,ドレイン電極D間に 0.1V程度の電圧を印
加しておくと、ソース電極Sからスプリットゲート電極
下を通ってドレイン電極Dへ向かって電子波が進行す
る。このときスプリットゲート電極に−1〜−2V程度
の負バイアスを印加すると、各ゲート電極G,G直下は
完全に空乏化して電子は流れることができず、スプリッ
ト下を通り抜ける。ここで空乏層は数 100Åずつ横方向
へも拡がるため、スプリット間隔dが1000Åであっても
実効的なチャネル幅は1000Å以下となり電子波は、周期
的ポテンシャルを有する超格子に対して垂直に入射さ
れ、ドレイン電極Dへ向けて進行する。In the planar superlattice transistor having the above structure, the vertical superlattice forms a periodic potential as shown in FIG. 3 (a). And N-Al
The electrons supplied from the 0.22 Ga 0.78 As layer 3 are GaAs
When a sheet carrier concentration of about 5 × 10 11 cm -2 is accumulated in the layer 2 and a voltage of about 0.1 V is applied between the source electrode S and the drain electrode D, the drain electrode passes from the source electrode S to under the split gate electrode. The electron wave progresses toward D. At this time, if a negative bias of about -1 to -2 V is applied to the split gate electrode, the gate electrodes G and G are completely depleted and electrons cannot flow, and pass through under the split. Here, since the depletion layer spreads in the lateral direction by several hundred Å, the effective channel width becomes 1000 Å or less even if the split distance d is 1000 Å, and the electron wave is incident perpendicularly on the superlattice having the periodic potential. And proceeds toward the drain electrode D.
【0016】なお本実施例ではスプリットが1つである
場合を示したが、スプリットの数は1つに限るものでは
ない。また本実施例では、超格子の材料としてAlAs
とAlGaAsとを使用したが、図3(a) に示す如き周
期的ポテンシャルを形成するものであれば、他の材料を
使用してもよい。In this embodiment, the number of splits is one, but the number of splits is not limited to one. Further, in this embodiment, AlAs is used as a material for the superlattice.
Although AlGaAs and AlGaAs were used, other materials may be used as long as they form a periodic potential as shown in FIG.
【0017】[0017]
【発明の効果】以上のように本発明に係るプレーナ超格
子トランジスタは、所定間隔にて分断されたスプリット
ゲート電極を備えるので、スプリットゲート電極に電圧
を印加すると、各ゲート電極直下は空乏化し、ソース電
極から注入された電子はスプリット下の半導体層を通り
抜ける。このようにして電子が移動するチャネル幅を限
定し微細にすることにより、電子波を超格子に対して垂
直に入射させることが可能となり、電子波を周期的ポテ
ンシャルと効率的に干渉させることができ、素子出力の
オン/オフ比を大きくすることができる等、本発明は優
れた効果を奏する。As described above, the planar superlattice transistor according to the present invention has the split gate electrodes divided at a predetermined interval. Therefore, when a voltage is applied to the split gate electrodes, the portions directly under each gate electrode are depleted, The electrons injected from the source electrode pass through the semiconductor layer below the split. In this way, by limiting the channel width in which the electrons move and making it fine, it becomes possible to make the electron wave incident perpendicularly to the superlattice, and to efficiently interfere the electron wave with the periodic potential. In addition, the present invention has excellent effects such that the ON / OFF ratio of the element output can be increased.
【図1】本発明に係るプレーナ超格子トランジスタを示
す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a planar superlattice transistor according to the present invention.
【図2】ポテンシャル周期の2倍と電子のフェルミ波長
とが一致した場合の波動関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a wave relationship when twice the potential period and the Fermi wavelength of an electron match.
【図3】超格子の周期的ポテンシャル及びこの超格子を
電子波が伝導する状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a periodic potential of a superlattice and a state in which an electron wave is conducted through the superlattice.
1 GaAs基板 2 GaAs層 3 N−Al0.22Ga0.78As層 3a AlAs層 3b AlGaAs層 G ゲート電極 S ソース電極 D ドレイン電極1 GaAs substrate 2 GaAs layer 3 N-Al 0.22 Ga 0.78 As layer 3a AlAs layer 3b AlGaAs layer G gate electrode S source electrode D drain electrode
Claims (1)
型超格子を備えるプレーナ超格子トランジスタにおい
て、ソース・ドレイン方向に直交する方向が所定間隔に
て分断されたスプリットゲート電極を備えることを特徴
とするプレーナ超格子トランジスタ。1. A planar superlattice transistor having a vertical superlattice in a semiconductor layer between a source / drain electrode, comprising a split gate electrode in which a direction orthogonal to the source / drain direction is divided at predetermined intervals. Planar superlattice transistor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP361193A JPH06260655A (en) | 1993-01-12 | 1993-01-12 | Planar superlattice transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP361193A JPH06260655A (en) | 1993-01-12 | 1993-01-12 | Planar superlattice transistor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06260655A true JPH06260655A (en) | 1994-09-16 |
Family
ID=11562292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP361193A Pending JPH06260655A (en) | 1993-01-12 | 1993-01-12 | Planar superlattice transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06260655A (en) |
-
1993
- 1993-01-12 JP JP361193A patent/JPH06260655A/en active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3745015B2 (en) | Electronic devices | |
| US5023671A (en) | Microstructures which provide superlattice effects and one-dimensional carrier gas channels | |
| US4704622A (en) | Negative transconductance device | |
| JPH02128435A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
| JPH0224025B2 (en) | ||
| JPS6181662A (en) | 3-terminal quantizer | |
| JPS61174776A (en) | Heterojunction field effect transistor | |
| JPS62248261A (en) | semiconductor equipment | |
| Austing et al. | Multiple-gated submicron vertical tunnelling structures | |
| JPH0563005A (en) | Field effect transistor | |
| US5148242A (en) | Electron-wave coupled semiconductor switching device | |
| JPH06260655A (en) | Planar superlattice transistor | |
| JPS6154665A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| JP2675362B2 (en) | Semiconductor device | |
| US4672423A (en) | Voltage controlled resonant transmission semiconductor device | |
| JPS59181069A (en) | Semiconductor device | |
| US5128734A (en) | Surface channel hact | |
| JPH0337737B2 (en) | ||
| JPH0311767A (en) | Velocity modulation type field-effect transistor | |
| JPH04369843A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| US5712491A (en) | Lateral theta device | |
| JPH0352227B2 (en) | ||
| JPS6255314B2 (en) | ||
| JP2615714B2 (en) | Heterojunction field effect transistor | |
| JPH043942A (en) | Field-effect transistor |