JPH0834213B2 - 共鳴トンネル半導体装置 - Google Patents
共鳴トンネル半導体装置Info
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- JPH0834213B2 JPH0834213B2 JP61060416A JP6041686A JPH0834213B2 JP H0834213 B2 JPH0834213 B2 JP H0834213B2 JP 61060416 A JP61060416 A JP 61060416A JP 6041686 A JP6041686 A JP 6041686A JP H0834213 B2 JPH0834213 B2 JP H0834213B2
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- Japan
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- conduction band
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- semiconductor device
- barrier
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 共鳴トンネル効果の生じる半導体装置において、ポテ
ンシャルの量子井戸を形成する半導体膜の伝導帯底のエ
ネルギが、量子井戸及び障壁を挟む半導体膜の伝導帯底
のエネルギと異なるようにすることにより、素子設計の
自由度を増す。
ンシャルの量子井戸を形成する半導体膜の伝導帯底のエ
ネルギが、量子井戸及び障壁を挟む半導体膜の伝導帯底
のエネルギと異なるようにすることにより、素子設計の
自由度を増す。
本発明は、共鳴トンネル効果を利用した半導体装置に
係り、特にその特性を改善することができる素子構造を
有する共鳴トンネル半導体装置に関する。
係り、特にその特性を改善することができる素子構造を
有する共鳴トンネル半導体装置に関する。
第６図に、従来の共鳴トンネル素子のポテンシャル形
状を示している。図は伝導帯底Vcの形状を示し、71、75
はそれぞれ素子のカソード及びアノードであり、その間
にトンネル可能な障壁層72及び74と量子井戸73からなる
超格子層を有する。この量子井戸73には量子化された準
位E1、E2等が生じ、カソードの電子e-のエネルギが丁度
量子井戸の準位E1或いはE2等に一致するとき、共鳴トン
ネル効果により電子e-はカソードからアノードに透過し
て伝搬することができる。この共鳴トンネル効果の特性
を変えるには、ポテンシャルの障壁の高さVB及び厚さLB
と、量子井戸の厚さLwを変化させる方法がある。
状を示している。図は伝導帯底Vcの形状を示し、71、75
はそれぞれ素子のカソード及びアノードであり、その間
にトンネル可能な障壁層72及び74と量子井戸73からなる
超格子層を有する。この量子井戸73には量子化された準
位E1、E2等が生じ、カソードの電子e-のエネルギが丁度
量子井戸の準位E1或いはE2等に一致するとき、共鳴トン
ネル効果により電子e-はカソードからアノードに透過し
て伝搬することができる。この共鳴トンネル効果の特性
を変えるには、ポテンシャルの障壁の高さVB及び厚さLB
と、量子井戸の厚さLwを変化させる方法がある。
第７図に共鳴トンネル効果を生じる超格子層の従来例
の一つを示している。第８図はトンネル透過率が、前記
障壁の高さVB、障壁の厚さLB及び量子井戸の厚さLwらの
パラメータに対してどのように変化するかを示したもの
である。第８図（Ｂ）から明らかなように障壁の厚さLB
を厚くすると、非共鳴時の透過率が減少する。また第８
図（Ａ）のように障壁の高さを高くすると、共鳴準位は
高い方へ移動し、また非共鳴時の透過率は減少する。ま
た、第８図（Ｃ）からわかるように量子井戸の厚さLwを
厚くすると共鳴準位は低くなり、また、各準位は接近し
てくる。
の一つを示している。第８図はトンネル透過率が、前記
障壁の高さVB、障壁の厚さLB及び量子井戸の厚さLwらの
パラメータに対してどのように変化するかを示したもの
である。第８図（Ｂ）から明らかなように障壁の厚さLB
を厚くすると、非共鳴時の透過率が減少する。また第８
図（Ａ）のように障壁の高さを高くすると、共鳴準位は
高い方へ移動し、また非共鳴時の透過率は減少する。ま
た、第８図（Ｃ）からわかるように量子井戸の厚さLwを
厚くすると共鳴準位は低くなり、また、各準位は接近し
てくる。
しかし、これだけのパラメータでは望み通りの特性が
得られるとは限らない。例えば今、一番目の共鳴準位を
E1とすると、これがなるべく低く、且つ二番目の共鳴準
位E2をE1より十分高くしたいとする。これは、E1とE2と
の間で論理動作を行なわせたい時当然起る要求である。
量子井戸の厚さを厚くすれば、E1は下がるが、E2も同時
に下がってしまう。また、量子井戸の厚さをあまり厚く
すると、量子が量子井戸内で散乱され、共鳴が生じなく
なくなる。
得られるとは限らない。例えば今、一番目の共鳴準位を
E1とすると、これがなるべく低く、且つ二番目の共鳴準
位E2をE1より十分高くしたいとする。これは、E1とE2と
の間で論理動作を行なわせたい時当然起る要求である。
量子井戸の厚さを厚くすれば、E1は下がるが、E2も同時
に下がってしまう。また、量子井戸の厚さをあまり厚く
すると、量子が量子井戸内で散乱され、共鳴が生じなく
なくなる。
本発明の目的は共鳴トンネル特性の設計の自由度を増
大することを可能とする素子構造を有する共鳴トンネル
半導体装置を提供することにある。
大することを可能とする素子構造を有する共鳴トンネル
半導体装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、共鳴トンネル効
果を生じる超格子層のポテンシャルの量子井戸を形成す
る一導電型の半導体膜の伝導帯底のエネルギが、該量子
井戸及び障壁を含む超格子層を挟む一導電型の半導体膜
の伝導帯底のエネルギと異なる共鳴トンネル半導体装置
を提供するものである。そのため、本発明は、ポテンシ
ャル量子井戸層として、障壁を挟む半導体層と異なるバ
ンドギャップ及び電子親和力を持つ材料を用いている。
果を生じる超格子層のポテンシャルの量子井戸を形成す
る一導電型の半導体膜の伝導帯底のエネルギが、該量子
井戸及び障壁を含む超格子層を挟む一導電型の半導体膜
の伝導帯底のエネルギと異なる共鳴トンネル半導体装置
を提供するものである。そのため、本発明は、ポテンシ
ャル量子井戸層として、障壁を挟む半導体層と異なるバ
ンドギャップ及び電子親和力を持つ材料を用いている。
従って、本発明の構成は以下に示す通りである。
即ち、共鳴トンネル効果を利用した半導体装置におい
て、 量子準位が形成される程度の厚みを有する量子井戸
（13）及びキャリアがトンネル可能な厚みを有する障壁
層（12,14）を含む超格子層（12,13,14）の該量子井戸
（13）を形成する一導電型の半導体膜（13）の伝導帯底
のエネルギが該超格子層（12,13,14）を挟む一導電型の
半導体膜（11,15）の伝導帯底のエネルギと異なること
を特徴とする共鳴トンネル半導体装置としての構成を有
する。
て、 量子準位が形成される程度の厚みを有する量子井戸
（13）及びキャリアがトンネル可能な厚みを有する障壁
層（12,14）を含む超格子層（12,13,14）の該量子井戸
（13）を形成する一導電型の半導体膜（13）の伝導帯底
のエネルギが該超格子層（12,13,14）を挟む一導電型の
半導体膜（11,15）の伝導帯底のエネルギと異なること
を特徴とする共鳴トンネル半導体装置としての構成を有
する。
第１図は本発明の概念を説明するためのポテンシャル
形状を示す。各部の符号は先の第６図と統一している。
第１図は伝導帯底Vcの形状を示し、11、15はそれぞれ素
子のカソード及びアノードであり、その間にトンネル可
能な障壁層12及び14と量子井戸13を有する。この量子井
戸13には量子化された準位E1、E2等が生じ、カソード11
の電子e-のエネルギが丁度量子井戸13の準位E1或いはE2
等に一致するとき、共鳴トンネル効果により電子e-はカ
ソード11からアノード12に透過して伝搬することができ
る点は同様である。ところが、本発明においては、上記
のようにポテンシャルの量子井戸層（13）として、障壁
（12,14）を挟む半導体層（11,15）と異なるバンドギャ
ップ及び電子親和力を持つ材料を用いているので、障壁
（12,14）を挟む半導体層（この場合はカソード11及び
アノード15）のポテンシャルより、Ewだけ変化する。す
なわち、ポテンシャルの量子井戸13を形成する半導体膜
の伝導帯底のエネルギが、量子井戸（13）及び障壁（1
2,14）を挟む半導体膜（11,15）の伝導帯底のエネルギ
と異なる構成となる。このEwの設定を変えることによ
り、共鳴トンネル特性の設計の自由度を増すことができ
る。
形状を示す。各部の符号は先の第６図と統一している。
第１図は伝導帯底Vcの形状を示し、11、15はそれぞれ素
子のカソード及びアノードであり、その間にトンネル可
能な障壁層12及び14と量子井戸13を有する。この量子井
戸13には量子化された準位E1、E2等が生じ、カソード11
の電子e-のエネルギが丁度量子井戸13の準位E1或いはE2
等に一致するとき、共鳴トンネル効果により電子e-はカ
ソード11からアノード12に透過して伝搬することができ
る点は同様である。ところが、本発明においては、上記
のようにポテンシャルの量子井戸層（13）として、障壁
（12,14）を挟む半導体層（11,15）と異なるバンドギャ
ップ及び電子親和力を持つ材料を用いているので、障壁
（12,14）を挟む半導体層（この場合はカソード11及び
アノード15）のポテンシャルより、Ewだけ変化する。す
なわち、ポテンシャルの量子井戸13を形成する半導体膜
の伝導帯底のエネルギが、量子井戸（13）及び障壁（1
2,14）を挟む半導体膜（11,15）の伝導帯底のエネルギ
と異なる構成となる。このEwの設定を変えることによ
り、共鳴トンネル特性の設計の自由度を増すことができ
る。
第１図のように、量子井戸13のバンドギャップ及び電
子親和力を変化させて、伝導帯底Vcがカソード11または
アノード15の伝導帯底よりEwだけ低くした実施例を第３
図を用いて説明する。第３図において、図（Ａ）にダイ
オード構成の素子の要部断面構造図を示している。各半
導体層は以下の如く形成されている。
子親和力を変化させて、伝導帯底Vcがカソード11または
アノード15の伝導帯底よりEwだけ低くした実施例を第３
図を用いて説明する。第３図において、図（Ａ）にダイ
オード構成の素子の要部断面構造図を示している。各半
導体層は以下の如く形成されている。
1:GaAs基板 2:Al0.08Ga0.92As 膜厚＝5000Å キャリア濃度（Siドープ）＝１×1017cm-3 3:Al0.57Ga0.43As 膜厚＝80Å ノンドープ 4:GaAs乃至Al×Ga1-x As（０＜ｘ＜１） 膜厚＝50Å，ここではGaAsを用いた。
キャリア濃度（Siドープ）＝１×1017cm-3 5:Al0.57Ga0.43As 膜厚＝80Å 6:Al0.08Ga0.92As 膜厚＝5000Å キャリア濃度（Siドープ）＝１×1017cm-3 次に、Al0.08Ga0.92As半導体層２とAl0.08Ga0.92As半
導体層６にオーミックコンタクトを形成する電極金属７
及び８を設けている。この実施例では、電極金属７、８
はそれぞれAuGe（200Å）/Au（3000Å）で形成してい
る。
導体層６にオーミックコンタクトを形成する電極金属７
及び８を設けている。この実施例では、電極金属７、８
はそれぞれAuGe（200Å）/Au（3000Å）で形成してい
る。
第３図（Ｂ）にこの実施例のポテンシャル形状を示
す。
す。
この実施例において、GaAs層４の量子井戸の半導体層
にバンドギャップ及び電子親和力が異なる半導体層を用
いることにより、種々のEwの値を実現することができ
る。この時のトンネル透過率と電子のエネルギとの関係
を第２図に示している。第２図から明らかなように、ト
ンネル透過率の曲線は、量子井戸の伝導帯の値Ewの変化
に対して、略平行にずれることがわかる。
にバンドギャップ及び電子親和力が異なる半導体層を用
いることにより、種々のEwの値を実現することができ
る。この時のトンネル透過率と電子のエネルギとの関係
を第２図に示している。第２図から明らかなように、ト
ンネル透過率の曲線は、量子井戸の伝導帯の値Ewの変化
に対して、略平行にずれることがわかる。
いま、第１準位E1＝10meV、第２準位E2＝210meVの共
鳴トンネル構造が欲しいとする。このとき、ポテンシャ
ル障壁層（3,5）として、Al0.57Ga0.43As、他の部分
（2,6）に１×1017cm-3のSiドープのAl0.08Ga0.92Asを
用い、障壁厚さ80Å、量子井戸厚を50Åとすれば、E1＝
80meV、E2＝280meVが得られる。これをそれぞれ10meV,2
10meVにするには、第３図のように、量子井戸のポテン
シャルを70meV落せば良い。これは、量子井戸層として
ｎ−GaAsを用いれば実現できる。すなわち、GaAs−AlxG
a1-xAs系では、ｘを変化させることによって伝導帯底の
ポテンシャルを変化させることが可能であり、共鳴トン
ネル特性を変化させることができる。
鳴トンネル構造が欲しいとする。このとき、ポテンシャ
ル障壁層（3,5）として、Al0.57Ga0.43As、他の部分
（2,6）に１×1017cm-3のSiドープのAl0.08Ga0.92Asを
用い、障壁厚さ80Å、量子井戸厚を50Åとすれば、E1＝
80meV、E2＝280meVが得られる。これをそれぞれ10meV,2
10meVにするには、第３図のように、量子井戸のポテン
シャルを70meV落せば良い。これは、量子井戸層として
ｎ−GaAsを用いれば実現できる。すなわち、GaAs−AlxG
a1-xAs系では、ｘを変化させることによって伝導帯底の
ポテンシャルを変化させることが可能であり、共鳴トン
ネル特性を変化させることができる。
次に、本発明をトランジスタに適用した実施例を第４
図に示す。第４図（Ａ）はそのエネルギバンド図による
ポテンシャル形状を示し、エミッタ41にｎ型Al0.08Ga
0.92As、障壁層42にAlAs、ベース43にｎ型GaAsの量子井
戸、ベース−コレクタ間障壁層44にAlAs、コレクタ45に
ｎ型GaAsを用いている。本実施例の等価回路を示す第４
図（Ｂ）において、エミッターベース間電圧ＶEBを変え
たとき、本実施例では第４図（Ｃ）のようにエミッタ−
ベース間電圧ＶEBが殆ど零Ｖの所に電流Icのピークをも
ってくることができる。即ち、ノーマリーオン型の特性
が得られる。これに対して、従来例では、第４図（Ｄ）
のように、ノーマリーオン型の特性を実現することはで
きなかった。
図に示す。第４図（Ａ）はそのエネルギバンド図による
ポテンシャル形状を示し、エミッタ41にｎ型Al0.08Ga
0.92As、障壁層42にAlAs、ベース43にｎ型GaAsの量子井
戸、ベース−コレクタ間障壁層44にAlAs、コレクタ45に
ｎ型GaAsを用いている。本実施例の等価回路を示す第４
図（Ｂ）において、エミッターベース間電圧ＶEBを変え
たとき、本実施例では第４図（Ｃ）のようにエミッタ−
ベース間電圧ＶEBが殆ど零Ｖの所に電流Icのピークをも
ってくることができる。即ち、ノーマリーオン型の特性
が得られる。これに対して、従来例では、第４図（Ｄ）
のように、ノーマリーオン型の特性を実現することはで
きなかった。
なお、以上の説明においては、GaAs−AlxGa1-xAs系に
ついて示したが、本発明の他のヘテロ系についても有効
であることは勿論である。
ついて示したが、本発明の他のヘテロ系についても有効
であることは勿論である。
また、ここまでは電子e-のトンネルを考えてきたが、
正孔h+に対しても同様である。ただし、このとき、第６
図に示すように伝導帯底のエネルギでなく、価電子帯頂
上Vvのエネルギが変るようになる。
正孔h+に対しても同様である。ただし、このとき、第６
図に示すように伝導帯底のエネルギでなく、価電子帯頂
上Vvのエネルギが変るようになる。
以上のように、本発明によれば、共鳴トンネル効果を
生じる超格子層の量子井戸層のポテンシャルを自由に変
化させることができるので、所望の共鳴トンネル特性を
得ることが可能となり、設計の自由度を増すことがで
き、共鳴トンネル効果利用素子の実用化に益するところ
大である。
生じる超格子層の量子井戸層のポテンシャルを自由に変
化させることができるので、所望の共鳴トンネル特性を
得ることが可能となり、設計の自由度を増すことがで
き、共鳴トンネル効果利用素子の実用化に益するところ
大である。
第１図は本発明の概念を説明するためのバンド図、第２
図は本発明の実施例の共鳴トンネル特性図、第３図
（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例の構成図、第４図
（Ａ）〜（Ｄ）は本発明をトランジスタに適用した例の
説明図、第５図は電子と正孔の共鳴トンネル効果を示す
図、第６図は従来のポテンシャル形状を示す図、第７図
は従来のポテンシャル形状の一具体例を示す図、第８図
（Ａ）〜（Ｃ）は従来の共鳴トンネル素子の特性図であ
る。 １……GaAs基板 ２……Al0.08Ga0.92As ３……Al0.57Ga0.43As ４……GaAs乃至AlxGa1-xAs（０＜ｘ＜１） ５……Al0.57Ga0.43As ６……Al0.08Ga0.92As 7,8……オーミックコンタクトを形成する電極金属 11,71……カソード 12,14,72,74……（トンネル可能な）障壁層 13,73……量子井戸 15,75……アノード E1,E2……量子井戸の準位 41……エミッタ 42……障壁層 43……ベース 44……ベース−コレクタ間障壁層 45……コレクタ VB……障壁の高さ Lw……量子井戸の厚さ LB……障壁の厚さ Ew……量子井戸の伝導帯の値 e-……電子 h+……正孔 Vc……伝導帯底 VEB……エミッタ−ベース間電圧 Vv……価電子帯頂上
図は本発明の実施例の共鳴トンネル特性図、第３図
（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例の構成図、第４図
（Ａ）〜（Ｄ）は本発明をトランジスタに適用した例の
説明図、第５図は電子と正孔の共鳴トンネル効果を示す
図、第６図は従来のポテンシャル形状を示す図、第７図
は従来のポテンシャル形状の一具体例を示す図、第８図
（Ａ）〜（Ｃ）は従来の共鳴トンネル素子の特性図であ
る。 １……GaAs基板 ２……Al0.08Ga0.92As ３……Al0.57Ga0.43As ４……GaAs乃至AlxGa1-xAs（０＜ｘ＜１） ５……Al0.57Ga0.43As ６……Al0.08Ga0.92As 7,8……オーミックコンタクトを形成する電極金属 11,71……カソード 12,14,72,74……（トンネル可能な）障壁層 13,73……量子井戸 15,75……アノード E1,E2……量子井戸の準位 41……エミッタ 42……障壁層 43……ベース 44……ベース−コレクタ間障壁層 45……コレクタ VB……障壁の高さ Lw……量子井戸の厚さ LB……障壁の厚さ Ew……量子井戸の伝導帯の値 e-……電子 h+……正孔 Vc……伝導帯底 VEB……エミッタ−ベース間電圧 Vv……価電子帯頂上
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/88 Ｈ０１Ｌ 29/20
Claims (1)
- 【請求項１】共鳴トンネル効果を利用した半導体装置に
おいて、 量子準位が形成される程度の厚みを有する量子井戸及び
キャリアがトンネル可能な厚みを有する障壁層を含む超
格子層の該量子井戸を形成する一導電型の半導体膜の伝
導帯底のエネルギが、該超格子層を挟む一導電型の半導
体膜の伝導帯底のエネルギと異なることを特徴とする共
鳴トンネル半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61060416A JPH0834213B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 共鳴トンネル半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61060416A JPH0834213B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 共鳴トンネル半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62217658A JPS62217658A (ja) | 1987-09-25 |
| JPH0834213B2 true JPH0834213B2 (ja) | 1996-03-29 |
Family
ID=13141566
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61060416A Expired - Lifetime JPH0834213B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 共鳴トンネル半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0834213B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62245669A (ja) * | 1986-04-17 | 1987-10-26 | Nec Corp | 共鳴トンネリング負性微分抵抗素子 |
| JPH0642553B2 (ja) * | 1986-06-13 | 1994-06-01 | 日本電気株式会社 | 共鳴トンネル・ダイオ−ド |
| JPH01102959A (ja) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Nec Corp | 共鳴トンネルトランジスタ |
| JPH01278065A (ja) * | 1988-04-28 | 1989-11-08 | Hitachi Ltd | 半導体記憶装置 |
| JP2518160B2 (ja) * | 1993-10-01 | 1996-07-24 | 日本電気株式会社 | 共鳴トンネル・ダイオ―ド |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58197770A (ja) * | 1982-05-12 | 1983-11-17 | Sony Corp | 半導体装置 |
| JPS60254657A (ja) * | 1984-05-31 | 1985-12-16 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
-
1986
- 1986-03-18 JP JP61060416A patent/JPH0834213B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62217658A (ja) | 1987-09-25 |
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