JPH0697461A - Multifunctional semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ゲート電極17の下に3つの垂直積層チャネ
ル12,14,16を有する多機能半導体デバイスが提
供される。
【構成】 チャネル12,14,16はワイド・バンド
ギャップ・バッファ層11の上に形成されており、各チ
ャネルはソース/ドレイン電極21〜26に結合されて
おり、これら電極はゲート電極17をはさんで両側に対
置する形で形成されている。いちばん上部のチャネル1
6は、ワイド・バンドギャップ半導体材料のキャップ層
18によってゲート電極17から分離されて隔てられて
いる。チャネル12,14,16はワイド・バンドギャ
ップ障壁層13,15によって互いに分離されている。
(57) [Summary] [Object] A multifunctional semiconductor device having three vertically stacked channels 12, 14, 16 under a gate electrode 17 is provided. The channels 12, 14, 16 are formed on the wide bandgap buffer layer 11, each channel is coupled to a source / drain electrode 21-26, and these electrodes are connected to the gate electrode 17. It is formed so that it faces each other on both sides. Channel 1 at the top
6 is separated and separated from the gate electrode 17 by a cap layer 18 of wide bandgap semiconductor material. The channels 12, 14, 16 are separated from each other by wide bandgap barrier layers 13, 15.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は一般に半導体デバイスに
関し、具体的には複数の垂直整合チャネルを有する電解
効果トランジスタに関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to semiconductor devices, and more particularly to field effect transistors having a plurality of vertically aligned channels.
【0002】[0002]
【従来の技術】化合物半導体ベースのヘテロ構造デバイ
スは、シリコン・デバイスに比べて速度および電力に関
して重要な有利性をもたらすものと予想されている。化
合物半導体ベースのHFET設計の大半は、化合物半導
体材料を用いたシリコン・ベース構造をほとんどコピー
することを目指している。この方式の一つの欠点は、化
合物半導体材料の有利な特性を充分に生かしきれておら
ず、シリコン・ベースのものに比して、デバイスの最小
形状も改良されていないことである。その結果、ガリウ
ム・ひ素デバイスはシリコン・ベース・デバイスに比べ
て余り小型化しておらず、従来のCMOS技術に対して
コスト競争力を持たない。化合物半導体材料を用いた真
に小型で高性能の相補的ヘテロ接合電解効果トランジス
タ構造が必要とされる。BACKGROUND OF THE INVENTION Heterostructure devices based on compound semiconductors are expected to offer significant speed and power advantages over silicon devices. Most compound semiconductor-based HFET designs aim to copy most silicon-based structures using compound semiconductor materials. One drawback of this approach is that it does not take full advantage of the beneficial properties of compound semiconductor materials, and that the minimum feature size of the device is not improved over silicon-based ones. As a result, gallium arsenide devices are not much smaller than silicon-based devices and are not cost competitive with conventional CMOS technology. What is needed is a truly compact and high performance complementary heterojunction field effect transistor structure using compound semiconductor materials.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の2進論理回路
は、オフまたはオンのいずれかをとる1個の出力を有す
るトランジスタをベースにしている。基本的機能および
複雑な論理機能を実行する回路を提供するには、多くの
トランジスタを相互接続しなければならない。各論理機
能に対して相当数のトランジスタが必要なため、集積回
路のコストが増大する。また多くのトランジスタを相互
接続するのは複雑で時間がかかり、論理回路の費用をい
っそう増大させる。複数の出力を提供し、付加する構成
要素の数を減らしても複雑な論理演算を実行できる半導
体デバイスが必要とされる。Prior art binary logic circuits are based on transistors having one output that is either off or on. Many transistors must be interconnected to provide circuits that perform basic and complex logic functions. The cost of the integrated circuit increases because a significant number of transistors are required for each logic function. Also, interconnecting many transistors is complex and time consuming, further increasing the cost of logic circuits. What is needed is a semiconductor device that provides multiple outputs and is capable of performing complex logical operations even with fewer added components.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】要約すると、本発明の利
点はゲート電極の下に3個の垂直積層チャネルを有する
多機能半導体デバイスによって達成する。これらのチャ
ネルはワイド・バンドギャップ・バッファ層の中に形成
され、各チャネルはソース電極およびドレイン電極に結
合されており、これら電極はゲート電極をはさんで両側
に対置する形で形成される。いちばん上部のチャネルは
ワイド・バンドギャップ半導体材料のキャップ層によっ
て、ゲート電極から分離されて隔てられている。チャネ
ルは、ワイド・バンドギャップ障壁層によって互いに分
離される。In summary, the advantages of the present invention are achieved by a multifunction semiconductor device having three vertically stacked channels below the gate electrode. The channels are formed in a wide bandgap buffer layer, each channel being coupled to a source electrode and a drain electrode, the electrodes being formed on opposite sides of a gate electrode. The top channel is separated and separated from the gate electrode by a cap layer of wide bandgap semiconductor material. The channels are separated from each other by a wide bandgap barrier layer.
【0005】[0005]
【実施例】チャネル領域の性能がデバイス全体の性能を
大方決定するので、量子井戸電解効果トランジスタの設
計では、ゲート電極の下部のチャネル領域の構造が主要
な問題となる。図1は、本発明に基づく多機能電解効果
トランジスタのチャネル領域の断面図をごく単純化して
示したものである。図1に示すすべての材料層ならびに
本発明の後続の実施例は実質的に単結晶エピタキシャル
生長層である。このために各エピタキシャル層は、基調
となる基板と結晶学的に適合性のある材料によって構成
する必要がある。そのため、個々の実施例に関して後述
する電子材料の制約のほかに、材料の選択は水晶の特性
によっても制限されることに注意されたい。本発明のエ
ピタキシャル層は、有機金属気相成長法(MOCV
D),分子線エピタキシ(MBE)または原子層エピタ
キシ(ALE)などによって生長させてもよい。EXAMPLES The structure of the channel region below the gate electrode is a major issue in the design of quantum well field effect transistors because the performance of the channel region largely determines the performance of the entire device. FIG. 1 shows a very simplified sectional view of the channel region of a multifunctional field effect transistor according to the invention. All material layers shown in FIG. 1 as well as subsequent embodiments of the present invention are substantially single crystal epitaxial growth layers. For this purpose, each epitaxial layer must be composed of a material that is crystallographically compatible with the underlying substrate. Therefore, it should be noted that in addition to the electronic material constraints described below with respect to the individual embodiments, the choice of material is also limited by the properties of the crystal. The epitaxial layer of the present invention is a metal-organic vapor phase epitaxy method (MOCV).
D), molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE), or the like.
【0006】図1に示す実施例は、支持結晶基板10の
上に形成され、アンチモン化アルミニウム(AlSb)
などの材料によって構成されるワイド・バンド・ギャッ
プ・バッファ層11を含む。他のワイド・バンドギャッ
プ材料も知られており、化合物半導体デバイス内で使用
されているが、以下で見ていくように、好適実施例で
は、各上載せ層で使用する他の材料との適合性を確保す
るために、ALSbが望ましい。The embodiment shown in FIG. 1 is formed on a supporting crystal substrate 10 and is made of aluminum antimonide (AlSb).
A wide band gap buffer layer 11 composed of a material such as Other wide bandgap materials are also known and used in compound semiconductor devices, but as will be seen below, the preferred embodiment is compatible with other materials used in each overlay layer. ALSb is desirable in order to secure the property.
【0007】第1N形量子井戸12はバッファ層11を
被覆する形で形成される。好適実施例では、N形量子井
戸12は厚さが約5〜10ナノメートルで、インジウム
・ひ素(InAs)などの材料によって構成される。第
1障壁層13は、N形量子井戸12の上に形成される。
障壁13は、AlSbなどのワイド・バンド・ギャプ材
料によって構成されるのが望ましく、好適実施例では約
3ナノメートルの厚さである。The first N-type quantum well 12 is formed so as to cover the buffer layer 11. In the preferred embodiment, N-type quantum well 12 is about 5-10 nanometers thick and is constructed of a material such as indium arsenide (InAs). The first barrier layer 13 is formed on the N-type quantum well 12.
Barrier 13 is preferably constructed of a wide band gap material such as AlSb and is about 3 nanometers thick in the preferred embodiment.
【0008】P形量子井戸14は、AlSb障壁層13
を被覆する形で形成される。好適実施例では、P形量子
井戸14は5〜10ナノメートルの範囲の厚さを有し、
アンチモン化ガリウム(GaSb)によって構成され
る。このP形量子井戸は、第2障壁層15によって被覆
され、この障壁層は、約3ナノメートルの厚さを有し、
AlSbなどバンド・ギャップの広い材料によって構成
される。The P-type quantum well 14 is composed of the AlSb barrier layer 13
Is formed so as to cover. In a preferred embodiment, P-type quantum well 14 has a thickness in the range of 5-10 nanometers,
It is composed of gallium antimonide (GaSb). This P-type quantum well is covered by a second barrier layer 15, which has a thickness of about 3 nm.
It is made of a material having a wide band gap such as AlSb.
【0009】第2N形量子井戸16は、第2障壁層15
を被覆する形で形成される。好適実施例では、N形量子
井戸16は厚さが約5〜10ナノメートルで、インジウ
ム・ひ素(InAs)などの材料によって構成される。
キャップ層18は、第2N形量子井戸16の上に形成さ
れる。第3障壁18も、AlSbなどワイド・バンド・
ギャップ材料によって構成され、好適実施例では約10
ナノメートルの厚さを有する。The second N-type quantum well 16 includes the second barrier layer 15
Is formed so as to cover. In the preferred embodiment, N-type quantum well 16 is about 5-10 nanometers thick and is constructed of a material such as indium arsenide (InAs).
The cap layer 18 is formed on the second N-type quantum well 16. The third barrier 18 is also made of a wide band such as AlSb.
Composed of a gap material, about 10 in the preferred embodiment.
It has a thickness of nanometers.
【0010】ゲート電極17はキャップ18の一部の上
に形成され、キャップ層18に対してショットキー接点
を作る。P形量子井戸14およびN形量子井戸12,1
6は実質的にはドーピングされていないこと、また障壁
層の中には、電荷供給層を置く必要がないことに注意さ
れたい。電極21,26はゲート電極17をはさんで両
側に対置する形で形成され、チャネル12に対してソー
ス電極またはドレイン電極の働きをすることができる。
電極22,25はゲート電極17をはさんで両側に対置
する形で形成され、チャネル14に対してソース電極ま
たはドレイン電極の働きをすることができる。電極2
3,24は、ゲート電極17をはさんで両側に対置する
形で形成され、チャネル16に対してソース電極または
ドレイン電極の働きをすることができる。電極21〜2
6は表面部分21a〜26aによって構成され、この表
面部分は導電率が高く、デバイスを、外部回路もしくは
集積回路(図示せず)に相互接続するのに用いる。電極
21〜26はまた拡散部分21b〜26bによって構成
され、この拡散部分は、チャネル12,14,16に対
して低抵抗結合を提供する。The gate electrode 17 is formed on a portion of the cap 18 and makes a Schottky contact with the cap layer 18. P-type quantum well 14 and N-type quantum well 12,1
Note that 6 is substantially undoped and there is no need to place a charge supply layer in the barrier layer. The electrodes 21 and 26 are formed so as to face each other with the gate electrode 17 interposed therebetween, and can function as a source electrode or a drain electrode for the channel 12.
The electrodes 22 and 25 are formed so as to face each other with the gate electrode 17 sandwiched therebetween, and can function as a source electrode or a drain electrode for the channel 14. Electrode 2
3, 24 are formed so as to face each other with the gate electrode 17 sandwiched therebetween, and can function as a source electrode or a drain electrode for the channel 16. Electrodes 21-2
6 is comprised of surface portions 21a-26a, which are highly conductive and are used to interconnect the device to external or integrated circuits (not shown). Electrodes 21-26 are also formed by diffusing portions 21b-26b, which provide low resistance coupling to channels 12, 14, 16.
【0011】P形量子井戸14およびN形量子井戸1
2,16のために特定の材料を選択しているのは、図2
〜図5に示すように、セルフ・ドーピング(self-dopin
g )を提供するには、P形量子井戸14(?)は、N形
量子井戸14の伝導帯エネルギーよりも大きな価電子帯
エネルギーを持つことが望ましいからである。P-type quantum well 14 and N-type quantum well 1
Selecting a particular material for 2, 16 is shown in FIG.
~ As shown in Figure 5, self-doping (self-dopin
This is because it is desirable that the P-type quantum well 14 (?) has a larger valence band energy than the conduction band energy of the N-type quantum well 14 in order to provide g).
【0012】伝導帯エネルギー(Ec )および価電子帯
エネルギー(Ev )を、図2〜図5のバンドギャップ・
ダイアグラムに示す。バンドギャップ・ダイアグラムに
おいて、縦軸は相対エネルギー(電子ボルト)を表し、
横軸は図1のデバイス構造の厚さまたは深さを表す。図
の左側はゲート電極側、右側は基板側である。The conduction band energy (E c ) and the valence band energy (E v ) are represented by the band gaps of FIGS.
Shown in the diagram. In the bandgap diagram, the vertical axis represents the relative energy (electron volt),
The horizontal axis represents the thickness or depth of the device structure of FIG. The left side of the figure is the gate electrode side, and the right side is the substrate side.
【0013】P形量子井戸14およびN形量子井戸1
2,16は、障壁11,13,15およびキャップ層1
8によって構成されるワイド・バンド・ギャップ・ホス
ト材料の中に形成される。第1正孔状態(εh14 )の量
子化エネルギー準位は、P形量子井戸14内の線で示
す。εh14 は、P形量子井戸14の価電子帯エネルギー
よりやや低いエネルギー状態にある。εh14 の正確なエ
ネルギーは、P形量子井戸14の厚さによって決定す
る。εhはP形量子井戸14内の正孔に対する最小エネ
ルギーである。P-type quantum well 14 and N-type quantum well 1
2, 16 are barriers 11, 13, 15 and cap layer 1
8 formed in a wide band gap host material. The quantization energy level of the first hole state (ε h14 ) is shown by the line in the P-type quantum well 14. ε h14 is in an energy state slightly lower than the valence band energy of the P-type quantum well 14. The exact energy of ε h14 is determined by the thickness of P-type quantum well 14. ε h is the minimum energy for holes in the P-type quantum well 14.
【0014】同様にεe12 およびεe16 は、それぞれN
形量子井戸12,16内の第1電子状態の量子化エネル
ギー準位を示す。εe12およびεe16は、N形量子井戸1
2,16の伝導帯エネルギーよりやや上にあり、これも
N形量子井戸12,16の厚さによって決定する。Δε
は、P形量子井戸14内のバルク価電子帯エネルギー
と、N形量子井戸12,16内のバルク伝導帯エネルギ
ーとの間のエネルギー差である。GaSbおよびInA
sを量子井戸に用いる場合には、Δεは約0.175e
Vとなる。Similarly, ε e12 and ε e16 are N respectively.
2 shows the quantization energy level of the first electronic state in the quantum wells 12 and 16. ε e12 and ε e16 are N-type quantum wells 1
It is slightly above the conduction band energies of 2, 16 and is also determined by the thickness of the N-type quantum wells 12, 16. Δε
Is the energy difference between the bulk valence band energy in P-type quantum well 14 and the bulk conduction band energy in N-type quantum wells 12, 16. GaSb and InA
When s is used for the quantum well, Δε is about 0.175e.
It becomes V.
【0015】障壁13,15の厚さは、N形量子井戸1
2,16内の電子波動関数と、P形量子井戸14内の正
孔波動関数とがオーバーラップ可能なように設計されて
いる。すなわち、障壁13は、電荷担体が2つの量子井
戸を結合できる程度に薄くなっている。εh14 はεe12
よりも高いエネルギー状態にあり、P形量子井戸14の
価電子帯の電子は、N形量子井戸12の方に移動する性
向を有する。これによって、N形量子井戸12内に多く
の自由電子が生じ、またP形量子井戸14内にこれと同
数の自由空孔が生じる。このため、εh14 がεe12 より
も大きい場合には、各量子井戸は電荷担体によって他方
の量子井戸をドーピングして、量子井戸が導通状態にな
るようにする。また図2は、負のゲート・バイアスが、
εh14をεe16 より小さくなるように強制して、Nチャ
ネル16に実質的に電荷担体がなくなって、非導通状態
になるようにすることを示している。The thickness of the barriers 13 and 15 is the same as that of the N-type quantum well 1.
It is designed so that the electron wave function in 2, 16 and the hole wave function in the P-type quantum well 14 can overlap. That is, the barrier 13 is thin enough to allow charge carriers to couple the two quantum wells. ε h14 is ε e12
In the higher energy state, electrons in the valence band of the P-type quantum well 14 have a tendency to move toward the N-type quantum well 12. This produces many free electrons in the N-type quantum well 12 and the same number of free holes in the P-type quantum well 14. Thus, if ε h14 is greater than ε e12 , each quantum well will dope the other quantum well with charge carriers so that the quantum well becomes conductive. Also in FIG. 2, the negative gate bias is
It is shown that ε h14 is forced to be smaller than ε e16 so that N-channel 16 is substantially depleted of charge carriers and becomes non-conducting.
【0016】図3は、ゲート17(図1)に正のゲート
・バイアスをかけたときのバンドギャップ・ダイアグラ
ムを示す。εh14 がεe16 よりも大きなエネルギー状態
の場合には、P形量子井戸14の価電子帯内の電子は、
N形量子井戸16の方に移動する性向を有する。これに
よって、N形量子井戸16内に多くの自由電子、P形量
子井戸14内に同数の自由空孔を生じる。このため、ε
h14 がεe16 より大きい場合には、各量子井戸は、電荷
担体によって他方の量子井戸をドーピングして、量子井
戸が導通状態になるようにする。図3はまた、正のゲー
ト・バイアスが、εh14 をεe12 より小さくなるように
強制して、Nチャネル12に実質的に電荷担体がなくな
り、非導通状態になるようにすることを示している。FIG. 3 shows a bandgap diagram with a positive gate bias applied to gate 17 (FIG. 1). When ε h14 has a larger energy state than ε e16 , the electrons in the valence band of the P-type quantum well 14 are
It has a tendency to move toward the N-type quantum well 16. This produces many free electrons in the N-type quantum well 16 and the same number of free holes in the P-type quantum well 14. Therefore, ε
If h14 is greater than ε e16 , each quantum well will dope the other quantum well with charge carriers so that the quantum well becomes conductive. FIG. 3 also shows that a positive gate bias forces ε h14 to be less than ε e12 , causing N-channel 12 to be substantially depleted of charge carriers and non-conducting. There is.
【0017】図4に示すように、(図1に示す)ゲート
17によってかけられるバイアスがないと、P形量子井
戸14およびN形量子井戸12,16はともにドーピン
グされず、非導通状態になる。しかしながら図2および
図3に示すように、バイアスがかけられると、P形量子
井戸14およびN形量子井戸12,16はともにドーピ
ングされ、導通状態になる。注意すべき重要なことは、
N形量子井戸12,16およびP形量子井戸14は互い
にセルフ・ドーピングしているが、3つのチャネルは電
気的に分離されたままになることである。Nチャネル1
2または16で伝導される電荷は、Pチャネル14まで
達することはない。障壁13,15は電気的分離を保っ
て、P形デバイスがN形デバイスと独立して動作するよ
うにする。As shown in FIG. 4, in the absence of the bias applied by gate 17 (shown in FIG. 1), P-type quantum well 14 and N-type quantum wells 12 and 16 are both undoped and are non-conductive. . However, as shown in FIGS. 2 and 3, when biased, both P-type quantum well 14 and N-type quantum wells 12 and 16 are doped and become conductive. The important thing to note is that
The N-type quantum wells 12, 16 and the P-type quantum well 14 are self-doped with respect to each other, but the three channels remain electrically isolated. N channel 1
The charge conducted at 2 or 16 does not reach the P-channel 14. Barriers 13 and 15 maintain electrical isolation so that the P-type device operates independently of the N-type device.
【0018】上述したように、εe12 ,εe16 およびε
h14 は、量子井戸の厚さによって変化する。P形量子井
戸14が薄くなるにつれ、εh14 はEV から次第にかい
離する。同様に量子井戸12,16が薄くなるにつれ、
εe12 およびεe16 はEC からますますかい離する。図
1に示すセルフ・ドーピング構造のこのような側面を利
用すれば、空乏形とエンハンスメント形の両方の特性を
備えたHFET構造を作ることができる。As mentioned above, ε e12 , ε e16 and ε
h14 changes depending on the thickness of the quantum well. As the P-type quantum well 14 becomes thinner, ε h14 gradually moves away from E V. Similarly, as the quantum wells 12 and 16 become thinner,
ε e12 and ε e16 are increasingly separated from E C. Utilizing this aspect of the self-doping structure shown in FIG. 1, an HFET structure having both depletion and enhancement characteristics can be made.
【0019】図1に示すセルフ・ドーピング構造のいく
つかの特徴に注意されたい。第1にセルフ・ドーピング
が同時に行われる。すなわち、NチャネルおよびPチャ
ネルは、移動電荷によって同時に同じ程度まで能動化さ
れる。第2に、使用する材料の性質およびセルフ・ドー
ピング工程の結果、大量の電荷担体が井戸間を移動し、
セルフ・ドーピングが生じた場合に、電荷担体の濃度が
各量子井戸内で非常に高くなって、これに応じて導電率
が高くなるようにする。また量子井戸12,14,16
は実質的に不純物が存在せず、このためその固有の移動
度にきわめて近くなる。また、従来のドープ量子井戸と
異なり、εh14 がεe12 およびεe16 より小さい場合、
電荷担体は単に量子井戸のいずれにも存在し得ない。こ
れは、εh14 ,εe12 およびεe16 の間に、禁制帯エネ
ルギー・ギャップが存在するからである。この禁制帯エ
ネルギー・ギャップは、チャネルが非導通状態にある場
合に、驚くほど低い漏洩を生じることが予想される。Note some features of the self-doping structure shown in FIG. First, self-doping is done simultaneously. That is, the N-channel and P-channel are simultaneously activated to the same extent by mobile charges. Secondly, a large amount of charge carriers move between the wells as a result of the nature of the materials used and the self-doping process,
If self-doping occurs, the concentration of charge carriers will be very high in each quantum well, and accordingly the conductivity will be high. In addition, quantum wells 12, 14, 16
Is substantially free of impurities, which makes it very close to its inherent mobility. Further, unlike the conventional doped quantum well, if epsilon h14 is epsilon e12 and epsilon e16 smaller,
Charge carriers cannot simply be present in any of the quantum wells. This is because there is a forbidden band energy gap between ε h14 , ε e12 and ε e16 . This bandgap energy gap is expected to produce surprisingly low leakage when the channel is in the non-conducting state.
【0020】図5は、本発明に基づく多機能電解効果ト
ランジスタ構造の第1実施例を示す。図5の単純化した
回路図は、図1に示すデバイスをどのように結合して、
各ドレイン電極が一意の論理機能を提供しているかを示
している。説明を単純で分かりやすくするために、この
回路は、正の電源VDDを使用するものとして示してい
る。図5の論理回路は、論理「低」を示すのに負電圧
を、論理「高」を示すのに同じ大きさの正電圧を使用す
るが、単一電源を使用して動作する同様の回路を設計す
ることも可能である。FIG. 5 shows a first embodiment of a multifunctional field effect transistor structure according to the present invention. The simplified schematic of FIG. 5 shows how to combine the devices shown in FIG.
It shows whether each drain electrode provides a unique logic function. For simplicity and clarity of explanation, this circuit is shown as using a positive power supply V DD . The logic circuit of FIG. 5 uses a negative voltage to indicate a logic "low" and a positive voltage of the same magnitude to indicate a logic "high", but a similar circuit operating with a single power supply. It is also possible to design
【0021】入力Aは、抵抗37を介してゲート電極1
7に結合されている。入力Bは、抵抗38を介してゲー
ト電極17に結合されている。このため、ゲート電極1
7には3つの電位状態が存在する:両方の入力が高い場
合には論理高、両方の入力が低い場合には論理低、一つ
の入力が論理高でもう一つの入力が論理低の場合にはゼ
ロである。ドレイン電極24,25,26はそれぞれ抵
抗34,35,36を介してVDDに結合されている。抵
抗34,35,36の値は、各チャネルを流れる電流を
ほぼ等しくするように選択する。ソース電極21,2
2,23はそれぞれVEEに直接接続されている。VEEは
VDDと極性が反対の電源であり、個々の適用で決定され
る大きさを有する。The input A is applied to the gate electrode 1 via the resistor 37.
It is connected to 7. Input B is coupled to gate electrode 17 via resistor 38. Therefore, the gate electrode 1
There are three potential states in 7: logic high when both inputs are high, logic low when both inputs are low, one logic high and another logic low. Is zero. The drain electrodes 24, 25, 26 are coupled to V DD via resistors 34, 35, 36, respectively. The values of resistors 34, 35 and 36 are selected to make the currents in each channel approximately equal. Source electrodes 21,2
2, 23 are each directly connected to V EE . V EE is a power supply of opposite polarity to V DD and has a magnitude determined by the particular application.
【0022】N1と称される第1出力は、ドレイン電極
26からとられる。出力N1は、(図1に示す)第1N
チャネル12内を流れる電流によって制御する。N2と
称される第2出力は、ドレイン電極24からとられる。
出力N2は、(図1に示す)第2Nチャネル16内を流
れる電流によって制御する。同様にP1と称される第3
出力は、ドレイン電極25からとられるもので、Pチャ
ネル14内を流れる電流によって制御する。The first output, designated N1, is taken from the drain electrode 26. Output N1 is the first N (shown in FIG. 1)
It is controlled by the current flowing in the channel 12. A second output, designated N2, is taken from the drain electrode 24.
The output N2 is controlled by the current flowing in the second N channel 16 (shown in FIG. 1). A third, also called P1
The output is taken from the drain electrode 25 and is controlled by the current flowing in the P channel 14.
【0023】ゲート電極17が論理低をとるとその結
果、Nチャネル16はオフになり、Pチャネル14およ
びNチャネル12は導通状態になる。ゲート電極17が
論理高をとるとその結果、Nチャネル16およびPチャ
ネル14は導通状態になり、Nチャネル12は非導通状
態になる。ゲート電極17がゼロ・ポテンシャルをとる
とその結果、3つのチャネルすべてが非導通状態にな
る。表1は、図5に示す単一デバイス回路の結果の関数
を示す真理表である。The logic low on gate electrode 17 results in N channel 16 turning off and P channel 14 and N channel 12 conducting. Gate electrode 17 taking a logic high results in N-channel 16 and P-channel 14 being conductive and N-channel 12 being non-conductive. The zero potential of gate electrode 17 results in all three channels being non-conducting. Table 1 is a truth table showing the resulting function of the single device circuit shown in FIG.
【0024】[0024]
【表1】 A B N1(OR) P1(XOR) N2(NAND) 低 低 低 低 高 低 高 高 高 高 高 低 高 高 高 高 高 高 低 低 表1を見ると、本発明に基づく単一デバイスが、3つの
有用な論理機能を提供し、複雑な論理機能を実行するの
に必要な能動デバイスの数を大幅に削減していることが
明かである。また本発明に基づく多機能トランジスタの
3つのチャネルが電気的に独立しているので、この3つ
の論理機能を相互接続して、他の論理機能を提供するこ
とも可能である。Table 1 A B N1 (OR) P1 (XOR) N2 (NAND) Low Low Low Low High Low High High High High High Low Low High High High High High High Low Low Low It is clear that the device provides three useful logic functions, significantly reducing the number of active devices required to perform complex logic functions. Also, since the three channels of the multifunctional transistor according to the present invention are electrically independent, it is possible to interconnect these three logic functions to provide other logic functions.
【0025】図6は、相補的論理構造の最小デバイス形
状を実現する、本発明のもう一つの有用な実施例を示
す。この実施例では、(図1に示す)Pチャネル14
は、Nチャネル12,16のドーピングを行うためにの
み用いている。ソース電極21は正の電源(V+ で示
す)に結合されている。ドレイン電極26はドレイン電
極24および出力38に結合されている。ソース電極2
3は大地電位または負の電源に結合されている。FIG. 6 illustrates another useful embodiment of the present invention which implements the minimum device shape of complementary logic structures. In this example, P-channel 14 (shown in FIG. 1)
Are used only for doping the N channels 12 and 16. Source electrode 21 is coupled to a positive power supply (shown as V + ). Drain electrode 26 is coupled to drain electrode 24 and output 38. Source electrode 2
3 is coupled to ground potential or negative power supply.
【0026】演算中、ゲート電極17が論理高をとる
と、Nチャネル16が導通状態になり、その結果、出力
38に論理低が現れる。同様に、ゲート電極17が論理
低をとると、Nチャネル12が導通状態になり、その結
果、出力38に論理高が現れる。このため、図6に示す
実施例は、本発明に基づく単一多機能デバイスを用いた
相補的インバータを提供する。CMOSデバイスと同
様、図6に示す回路のみがスイッチング中に大きな電力
を消費する。しかしながら従来のCMOSデバイスと異
なり、スイッチングの高速化が予想され、使用する材料
の移動度も従来のCMOSデバイスに比べて高くなる。During operation, when the gate electrode 17 takes a logic high, the N-channel 16 becomes conductive resulting in a logic low appearing at the output 38. Similarly, when the gate electrode 17 takes a logic low, the N-channel 12 becomes conductive, resulting in a logic high appearing at the output 38. Thus, the embodiment shown in FIG. 6 provides a complementary inverter using a single multifunction device according to the present invention. Similar to CMOS devices, only the circuit shown in FIG. 6 consumes significant power during switching. However, unlike conventional CMOS devices, faster switching is expected, and the mobility of the materials used is higher than that of conventional CMOS devices.
【0027】図6に示す実施例は、以前、単一HFET
デバイスのために必要であったスペース内に、結合され
た相補的HFETデバイスの一対が、本発明に基づく構
造を使用して形成できることを示している。ドレイン/
ソース電極は、ドレイン/ソース領域と接する形で選択
的に形成され、デバイスを相互接続するのに用いること
ができる。これに代わる方法として、従来の集積回路で
しばしば行われているように、電極を使用せずに各デバ
イスを内部結合してもよい。The embodiment shown in FIG. 6 previously used a single HFET.
It is shown that a pair of coupled complementary HFET devices can be formed using the structure according to the invention in the space required for the device. drain/
Source electrodes are selectively formed in contact with the drain / source regions and can be used to interconnect devices. Alternatively, each device may be internally coupled without the use of electrodes, as is often done in conventional integrated circuits.
【0028】以上から、性能が改良されたセルフ・ドー
プ多機能半導体デバイスが提供されることが認められよ
う。本発明に基づく多機能デバイスは、優れた材料をH
FET技術に最適に使用できるようにするとともに、高
いパッキング密度を得るための効率的な形状を可能にす
る。また本発明に基づくHFETは、今までは不可能で
あった方法で結合されたP形デバイスおよびN形電圧を
提供して、以前可能であった水準よりも少ないデバイ
ス、簡単な回路で複雑な論理機能を実行できるようにし
ている。By now it should be appreciated that a self-doped multifunctional semiconductor device with improved performance is provided. The multifunctional device according to the present invention makes excellent materials
It allows optimal use in FET technology and enables efficient geometries for high packing densities. The HFET according to the present invention also provides a P-type device and an N-type voltage coupled in a way that has heretofore been impossible, making it less complex than previously possible, simple circuitry and complex. Allows you to perform logical functions.
【図1】本発明に基づく多機能半導体デバイスの一部の
断面図をごく単純化して示す。FIG. 1 shows, in a very simplified manner, a sectional view of a part of a multifunctional semiconductor device according to the invention.
【図2】第1のゲート・バイアスをかけた状態での図1
の構造のバンド・ダイアグラム(band diagram)を示
す。FIG. 2 FIG. 1 with a first gate bias applied.
2 shows a band diagram of the structure of FIG.
【図3】第2のゲート・バイアスをかけた状態での図1
の構造のバンド・ダイアグラムを示す。FIG. 3 FIG. 1 with a second gate bias applied.
Shows a band diagram of the structure of.
【図4】ゲート・バイアスをかけていない状態での図1
の構造のバンド・ダイアグラムを示す。FIG. 4 FIG. 1 without gate bias applied.
Shows a band diagram of the structure of.
【図5】本発明に基づく相補的電解効果トランジスタの
第1実施例を示す。FIG. 5 shows a first embodiment of a complementary field effect transistor according to the invention.
【図6】本発明に基づく多機能トランジスタの第2実施
例を示す。FIG. 6 shows a second embodiment of a multifunctional transistor according to the present invention.
10 結晶基板 11 バッファ層 12 第1N形量子井戸 13 第1障壁層 14 P形量子井戸 15 第2障壁層 16 第2N形量子井戸 17 ゲート電極17 18 キャップ層 21,22,23 ソース電極 24,25,26 ドレイン電極 34,35,36,37,38 抵抗 10 Crystal Substrate 11 Buffer Layer 12 First N-type Quantum Well 13 First Barrier Layer 14 P-type Quantum Well 15 Second Barrier Layer 16 Second N-type Quantum Well 17 Gate Electrode 17 18 Cap Layer 21, 22, 23 Source Electrode 24, 25 , 26 Drain electrodes 34, 35, 36, 37, 38 Resistance
フロントページの続き (72)発明者 エックス・セオドア・ズー アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 エヌ・コングレス・ドライブ1351Front Page Continuation (72) Inventor X Theodore Zoo, N Congress Drive 1351, Chandler, Arizona, USA
Claims (4)
バイスは:上部表面を有する多層半導体基板(10〜1
6,18);前記上部表面の上に形成されたゲート電極
(17);前記ゲート電極(17)の下にある第1チャ
ネル(16)、前記第1チャネル(16)に結合された
第1ソース電極(23)、および前記第1チャネルに結
合された第1ドレイン電極(24)を有する第1電解効
果トランジスタ(FET)であって、前記第1チャネル
(16)は、前記ゲート電極(17)の下にあって分離
されて隔てられており、前記第1ドレイン電極(24)
および前記第1ソース電極(23)は前記ゲート電極
(17)をはさんで両側に対置して形成されている第1
電解効果トランジスタ(FET);前記第1チャネル
(16)の下にある第2チャネル(14)、前記第2チ
ャネル(14)に結合された第2ソース電極(22)、
および前記第2チャネル(14)に結合された第2ドレ
イン電極(25)を有する第2FETであって、前記第
2チャネル(14)は前記第1チャネル(16)の下に
あって分離されて隔てられており、前記第2ドレイン電
極(25)および前記第2ソース電極(22)は前記ゲ
ート電極(17)をはさんで両側に対置して形成されて
いる第2FET;および前記第2チャネル(14)の下
にある第3チャネル(12)、前記第3チャネル(1
2)に結合された第3ソース電極(21)、および前記
第3チャネル(12)に結合された第3ドレイン電極
(26)を有する第3FETであって、前記第3チャネ
ル(12)は前記第2チャネル(14)の下にあって分
離されて隔てられており、前記第3ドレイン電極(2
6)および前記第3ソース電極(21)は前記ゲート電
極(17)をはさんで両側に対置して形成されることを
特徴とし、また前記第1チャネル(16)はエネルギー
Ee1を持つ第1量子化電子状態を有し、前記第3チャネ
ル(12)はエネルギーEe2を持つ第1量子化電子状態
を有し、また前記第2チャネル(14)はεh を持つ第
1量子化正孔状態を有して、ゼロ・バイアスが前記ゲー
ト電極にかけられた場合に、Ee1>εh およびEe2>ε
h となることを特徴とする第3FET;によって構成さ
れることを特徴とする多機能半導体デバイス。1. A multi-function semiconductor device, said device comprising: a multi-layer semiconductor substrate (10-1) having an upper surface.
6, 18); a gate electrode (17) formed on the upper surface; a first channel (16) under the gate electrode (17), a first coupled to the first channel (16) A first field effect transistor (FET) having a source electrode (23) and a first drain electrode (24) coupled to the first channel, the first channel (16) being the gate electrode (17). ) And separated and separated, said first drain electrode (24)
And the first source electrode (23) is formed oppositely on both sides of the gate electrode (17).
A field effect transistor (FET); a second channel (14) below the first channel (16), a second source electrode (22) coupled to the second channel (14),
And a second FET having a second drain electrode (25) coupled to the second channel (14), the second channel (14) being below the first channel (16) and separated. A second FET, which is separated from each other, and the second drain electrode (25) and the second source electrode (22) are opposed to each other across the gate electrode (17); and the second channel. A third channel (12) under (14), said third channel (1
A third FET having a third source electrode (21) coupled to 2) and a third drain electrode (26) coupled to the third channel (12), wherein the third channel (12) is Under the second channel (14) and separated and separated, the third drain electrode (2
6) and the third source electrode (21) are formed opposite to each other with the gate electrode (17) interposed therebetween, and the first channel (16) has a first energy (E e1 ). Has a first quantized electronic state, the third channel (12) has a first quantized electronic state with energy E e2, and the second channel (14) has a first quantized positive state with ε h. With a hole state, E e1 > ε h and E e2 > ε when a zero bias is applied to the gate electrode.
Multifunctional semiconductor devices, characterized in that it is constituted by: first 3FET, characterized in that the h.
アスがかけられる場合に、Ee1<εh およびEe2>εh
になることを特徴とする請求項1記載の多機能半導体デ
バイス。2. E e1 <ε h and E e2 > ε h when a predetermined positive bias is applied to the gate electrode (17).
The multifunctional semiconductor device according to claim 1, wherein:
アスがかけられる場合に、Ee1>εh およびEe2<εh
になることを特徴とする請求項2記載の多機能半導体デ
バイス。3. E e1 > ε h and E e2 <ε h when a predetermined negative bias is applied to the gate electrode (17).
The multifunctional semiconductor device according to claim 2, wherein
バイスは:積層半導体デバイスをその上に形成できる基
板(10);前記基板を被覆するワイド・バンドギャッ
プ・バッファ層(11);前記バッファ層(11)の一
部の上に形成される第1導電率タイプの第1チャネル領
域(12);前記第1チャネル(12)を被覆する第1
障壁層(13);前記第1障壁層(13)を被覆する第
2導電率タイプの第2チャネル領域(14);前記第2
チャネル(14)を被覆する第2障壁層(15);前記
第2障壁層(15)を被覆する前記第1導電率タイプの
第3チャネル領域(16);前記第3チャネル(16)
を被覆するワイド・バンドギャップ・キャップ層(1
8);前記第1,第2および第3チャネル(12,1
4,16)の上に形成されており、前記キャップ層(1
8)によって前記第3チャネル(16)から分離されて
隔てられているゲート電極(17)であって、前記第
1,第2および第3チャネル(12,14,16)はそ
れぞれ前記ゲート電極(17)の一方の側に第1端部
を、前記ゲート電極(17)のもう一方の側に第2端部
を有するゲート電極(17);前記第1チャネル(1
2)の前記第1端部に結合された第1ソース電極(2
1);前記第1チャネル(12)の前記第2端部に結合
された第1ドレイン電極(26);前記第2チャネル
(14)の前記第1端部に結合された第2ソース電極
(22);前記第2チャネル(14)の前記第2端部に
結合された第2ドレイン電極(25);前記第3チャネ
ル(16)の前記第1端部に結合された第3ソース電極
(23);および前記第3チャネル(16)の前記第2
端部に結合された第3ドレイン電極(24);によって
構成されることを特徴とする多機能半導体デバイス。4. A multifunctional semiconductor device, said device comprising: a substrate (10) on which a laminated semiconductor device can be formed; a wide bandgap buffer layer (11) covering said substrate; said buffer layer. A first conductivity type first channel region (12) formed on a portion of (11); a first covering the first channel (12).
Barrier layer (13); second conductivity type second channel region (14) covering the first barrier layer (13); the second
A second barrier layer (15) covering the channel (14); a third channel region (16) of the first conductivity type covering the second barrier layer (15); the third channel (16)
Wide bandgap cap layer (1
8); the first, second and third channels (12,1)
4, 16) and is formed on the cap layer (1
8) A gate electrode (17) separated from the third channel (16) by the first, second and third channels (12, 14, 16), respectively. 17) a gate electrode (17) having a first end on one side and a second end on the other side of the gate electrode (17); the first channel (1)
2) a first source electrode (2) coupled to the first end of
1); a first drain electrode (26) coupled to the second end of the first channel (12); a second source electrode (26) coupled to the first end of the second channel (14). 22); a second drain electrode (25) coupled to the second end of the second channel (14); a third source electrode (25) coupled to the first end of the third channel (16). 23); and the second of the third channel (16)
A multifunctional semiconductor device comprising a third drain electrode (24) coupled to an end.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US89530592A | 1992-06-08 | 1992-06-08 | |
| US895305 | 1992-06-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0697461A true JPH0697461A (en) | 1994-04-08 |
Family
ID=25404303
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5154570A Pending JPH0697461A (en) | 1992-06-08 | 1993-06-02 | Multifunctional semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697461A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000260177A (en) * | 1999-03-11 | 2000-09-22 | Toshiba Corp | Rack device for memory cassette |
| JP2023504479A (en) * | 2019-12-05 | 2023-02-03 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Capacitorless DRAM cell |
| JP2023539482A (en) * | 2020-08-24 | 2023-09-14 | ダブリュ.テイラー ジェフ | Semiconductor integrated circuit and its manufacturing method |
| JP2025528608A (en) * | 2022-11-04 | 2025-08-28 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device with tunable polarization direction |
-
1993
- 1993-06-02 JP JP5154570A patent/JPH0697461A/en active Pending
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