JP3300066B2 - Semiconductor device and multi-input logic circuit element - Google Patents
Semiconductor device and multi-input logic circuit elementInfo
- Publication number
- JP3300066B2 JP3300066B2 JP30684992A JP30684992A JP3300066B2 JP 3300066 B2 JP3300066 B2 JP 3300066B2 JP 30684992 A JP30684992 A JP 30684992A JP 30684992 A JP30684992 A JP 30684992A JP 3300066 B2 JP3300066 B2 JP 3300066B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- type
- schottky
- electrode
- conductive layer
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
- Bipolar Integrated Circuits (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置とそれを用い
た論理回路素子に関し、特に1伝導型のホットキャリア
の高速走行を利用した半導体装置とそれを用いた複数入
力論理回路素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a logic circuit device using the same, and more particularly to a semiconductor device utilizing high-speed traveling of one-conduction type hot carrier and a multi-input logic circuit device using the same.
【0002】排他的ノア回路(Exclusive NOR、XN
OR)は、論理回路の基本素子のひとつであり、通常多
数のトランジスタを用いて構成される。より簡単な構成
の回路素子でXNOR回路が構成できれば、大規模集積
回路等に極めて有効である。An exclusive NOR circuit (Exclusive NOR, XN
OR) is one of the basic elements of a logic circuit, and is usually configured using a large number of transistors. If an XNOR circuit can be configured with a circuit element having a simpler configuration, it is extremely effective for a large-scale integrated circuit and the like.
【0003】[0003]
【従来の技術】ホットエレクトロンを利用した新しいト
ランジスタとして、ホットエレクトロントランジスタ
(HET)や、共鳴ホットエレクトロントランジスタ
(RHET)が提案されている。2. Description of the Related Art Hot electron transistors (HET) and resonant hot electron transistors (RHET) have been proposed as new transistors utilizing hot electrons.
【0004】HETにおいては、同一導電型のエミッタ
領域とベース領域との間にポテンシャルの高いエミッタ
バリア領域が設けられ、同一導電型のベース領域とコレ
クタ領域の間に、ポテンシャルの高いコレクタバリア領
域が設けられている。In HET, a high potential emitter barrier region is provided between an emitter region and a base region of the same conductivity type, and a high potential collector barrier region is provided between a base region and a collector region of the same conductivity type. Is provided.
【0005】コレクタバリア領域のバリア高さは、エミ
ッタバリア領域のバリア高さよりも低く設定され、エミ
ッタ領域からトンネリングによってベース領域にエレク
トロンが注入された時、ホットな状態のエレクトロンが
エネルギを失わなければ、そのままコレクタバリア領域
を通過できるように設定される。The barrier height of the collector barrier region is set lower than the barrier height of the emitter barrier region. When electrons are injected from the emitter region into the base region by tunneling, the electrons in the hot state must lose energy. Are set so that they can pass through the collector barrier region as they are.
【0006】エミッタ領域からベース領域に注入された
が、エネルギを失ったエレクトロンは、ベース領域から
取り出され、ベース電流を構成する。HETにおいて
は、エミッタ領域からベース領域に注入されたエレクト
ロンは、エネルギを失うまではホットエレクトロンであ
り、高速動作が可能である。Electrons that have been injected from the emitter region into the base region but have lost energy are extracted from the base region and constitute a base current. In the HET, electrons injected from the emitter region to the base region are hot electrons until energy is lost, and high-speed operation is possible.
【0007】RHETにおいては、エミッタバリア領域
が2つのエミッタバリアとその間の量子井戸とで構成さ
れる共鳴構造で形成され、量子井戸内においては離散的
なエネルギ準位のみが許される。In RHET, the emitter barrier region is formed with a resonance structure composed of two emitter barriers and a quantum well therebetween, and only discrete energy levels are allowed in the quantum well.
【0008】RHETにおいては、エミッタ・ベース間
に順バイアスを印加すると、エミッタ領域のエネルギが
量子井戸内のエネルギ準位に合致した時のみ、トンネル
電流が流れ、ホットエレクトロンがベース領域に注入さ
れる。このため、トランジスタ全体としてIV特性は負
性抵抗を示す。In RHET, when a forward bias is applied between the emitter and the base, a tunnel current flows and hot electrons are injected into the base region only when the energy in the emitter region matches the energy level in the quantum well. . Therefore, the IV characteristics of the transistor as a whole indicate negative resistance.
【0009】RHETは、図2(A)で示すように、通
常半絶縁性基板11上に、n型半導体、たとえばn型G
aAsやn型InGaAsからなるコレクタ12、その
上にバンドギャップの大きなアンドープ半導体、たとえ
ばi型AlGaAsやi型In(AlGa)Asからな
るコレクタバリア13、その上にn型半導体、たとえば
n型GaAsやn型InGaAsからなるベース14、
その上にアンドープの一対のバリア層15a、15cと
その間の量子井戸層15bで構成する単一量子井戸構
造、たとえばi型AlGaAs/i型GaAs/i型A
lGaAsまたはi型InAlAs/i型InGaAs
/i型InAlAsからなる共鳴トンネルダイオード
(RTD)構造のエミッタバリア15、その上にn型半
導体、たとえばn型GaAsやn型InGaAsからな
るエミッタ16を積層した構造を有する。As shown in FIG. 2A, an RHET is usually formed on an n-type semiconductor, for example, an n-type G
Collector 12 made of aAs or n-type InGaAs, undoped semiconductor having a large band gap such as i-type AlGaAs or collector barrier 13 made of i-type In (AlGa) As, and n-type semiconductor such as n-type GaAs a base 14 made of n-type InGaAs,
A single quantum well structure composed of a pair of undoped barrier layers 15a and 15c and a quantum well layer 15b therebetween, for example, i-type AlGaAs / i-type GaAs / i-type A
lGaAs or i-type InAlAs / i-type InGaAs
The emitter barrier 15 has a resonant tunneling diode (RTD) structure made of / i-type InAlAs, and an emitter 16 made of an n-type semiconductor, for example, n-type GaAs or n-type InGaAs, is stacked thereon.
【0010】そして、エミッタ、ベース、コレクタに
は、オーミック電極としてn型GaAsには、たとえば
Au/Ge/Ni、n型InGaAsにはCr/Au等
を蒸着熱処理してそれぞれコレクタ電極17、ベース電
極18、エミッタ電極19とする。For the emitter, base and collector, ohmic electrodes such as Au / Ge / Ni for n-type GaAs and Cr / Au for n-type InGaAs are deposited and heat-treated, respectively. 18, an emitter electrode 19.
【0011】前記エミッタバリア15は、量子井戸層1
5bとそれを挟む一対のバリア層15aの3層で構成さ
れるが、その厚みは、たとえば各層40A前後に設定さ
れる。The emitter barrier 15 is formed on the quantum well layer 1.
5b and a pair of barrier layers 15a sandwiching it, the thickness of which is set, for example, to around each layer 40A.
【0012】この程度の厚さの量子井戸層においては、
エレクトロンの状態は1次元量子化により離散的な値を
とる。エミッタ・ベース間に順バイアス電圧を印加して
いくと、エミッタのエレクトロンのエネルギが量子井戸
層内の許容されたエネルギ準位に近づくと、エミッタ・
量子井戸層間でトンネリングが生じ、量子井戸層にトン
ネルされたエレクトロンはさらに他のバリア層をもトン
ネルし、ベースに注入される。In a quantum well layer having such a thickness,
The state of the electron takes a discrete value by one-dimensional quantization. When a forward bias voltage is applied between the emitter and the base, when the energy of the electrons of the emitter approaches the allowed energy level in the quantum well layer, the emitter
Tunneling occurs between the quantum well layers, and electrons tunneled to the quantum well layer also tunnel through other barrier layers and are injected into the base.
【0013】エミッタのエレクトロンのエネルギがさら
に高くなると、量子井戸層内のエネルギ準位と合わなく
なり、エミッタからベースへのトンネリングは減少す
る。このため、図2(B)に示すように、ベース・エミ
ッタ電圧に対するコレクタ電流の特性は負性抵抗を示
す。[0013] If the energy of the electrons of the emitter is further increased, the energy level does not match the energy level in the quantum well layer, and tunneling from the emitter to the base is reduced. Therefore, as shown in FIG. 2B, the characteristic of the collector current with respect to the base-emitter voltage shows a negative resistance.
【0014】RHETの負性特性を利用すると、種々の
機能素子が実現可能である。たとえば、ひとつのRHE
Tと抵抗およびダイオードを用いて、排他的NOR回路
を構成することができる。図2(C)は、RHETを用
いた排他的NOR回路の構成を示す。Various functional elements can be realized by utilizing the negative characteristics of RHET. For example, one RHE
An exclusive NOR circuit can be formed using T, a resistor, and a diode. FIG. 2C shows a configuration of an exclusive NOR circuit using RHET.
【0015】図2(C)に示すように、RHETのコレ
クタに負荷抵抗R1を接続し、電源電圧VCCに接続す
る。また、コレクタと負荷抵抗R1との相互接続点から
出力V OUT を取り出す。[0015] As shown in FIG.
The load resistor R1 is connected to theCCConnect to
You. Also, from the point of interconnection between the collector and the load resistor R1
Output V OUTTake out.
【0016】RHETのエミッタは接地し、ベースに抵
抗R2を接続すると共に、2つのダイオードD1、D2
を接続する。なお、これらのダイオードD1、D2は、
ベース領域にショットキ電極を形成することによっても
実現することができる。The emitter of the RHET is grounded, a resistor R2 is connected to the base, and two diodes D1 and D2 are connected.
Connect. Note that these diodes D1 and D2 are
It can also be realized by forming a Schottky electrode in the base region.
【0017】このような2つのダイオードに2つの2値
信号A、Bを入力することにより、2値の組み合わせで
NOR論理動作をさせることができる。図2(C)の回
路構成において、2入力端子A、BからRHETベース
へ入力される信号はLo(Low)またはHi(Hig
h)の2種類(2値)とする。By inputting two binary signals A and B to such two diodes, a NOR logic operation can be performed by a combination of binary values. In the circuit configuration shown in FIG. 2C, a signal input from the two input terminals A and B to the RHET base is Lo (Low) or Hi (High).
h) (binary).
【0018】入力端子がHiになると、対応する電流が
抵抗R2に流れ、ベース電位VINが変化する。入力Aま
たはBの一方のHi電圧レベルによって抵抗R2に生じ
る電圧をI−V特性のVM レベルにあわせておき、両入
力信号A、BのHi電圧レベルによって生じる約2倍の
電圧をVH に対応するように設計しておく。When the input terminal becomes Hi, a corresponding current flows through the resistor R2, and the base potential V IN changes. The voltage generated in the resistor R2 by one of Hi voltage level of the input A or B in advance in accordance with the V M levels of the I-V characteristic, both input signals A, approximately twice the voltage V H generated by Hi voltage level B It is designed to correspond to.
【0019】このようにすれば、A、B両方にLoが入
った時はRHETのベース電圧はLowであり、コレク
タ電流は流れないので、出力端子Cの電圧VOUT はHi
レベルとなる。入力が両方ともHiの時は、ベース・エ
ミッタ電圧はVH となり、コレクタ電流は流れなくな
る。このため、同様に出力端子Cの電圧はHiとなる。
どちらか一方がHiで一方がLoであれば、VINはVM
となり、コレクタ電流が流れるのでVOUT はLoとな
る。In this way, when Lo is applied to both A and B, the base voltage of RHET is Low and the collector current does not flow, so that the voltage V OUT of the output terminal C becomes Hi.
Level. When both inputs are Hi, the base-emitter voltage becomes VH and the collector current stops flowing. Therefore, the voltage of the output terminal C becomes Hi similarly.
If either one is Hi and one is Lo, V IN is V M
V OUT becomes Lo because the collector current flows.
【0020】RHETは、図2(C)で示したような大
きな負性抵抗と1伝導型ホットキャリアによる高速性を
兼ね備えているので、排他的NOR以外にもフリップフ
ロップ等、種々の機能回路に利用することができる。Since RHET has both a large negative resistance as shown in FIG. 2C and a high speed by one-conduction type hot carrier, it can be used for various functional circuits such as flip-flops in addition to exclusive NOR. Can be used.
【0021】[0021]
【発明が解決しようとする課題】HETやRHETの機
能や応用回路は未だ十分開発されたとは言えない。本発
明の目的は、新たな構成と機能を有するHET型半導体
素子を提供することである。The functions and application circuits of HET and RHET have not been sufficiently developed. An object of the present invention is to provide a HET semiconductor device having a new configuration and function.
【0022】本発明の他の目的は、より簡単で新規な構
造を有し、排他的NOR回路機能を実現できるHET型
複数入力論理回路素子を提供することである。Another object of the present invention is to provide a HET type multiple-input logic circuit element having a simpler and novel structure and capable of realizing an exclusive NOR circuit function.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
所定バンドギャップと第1の導電型を有する第1導電層
と、前記第1導電層上に形成され、前記所定バンドギャ
ップよりも広いバンドギャップを有するi型半導体のバ
リア層と、前記バリア層上に形成され、前記バリア層の
バンドギャップよりも狭いバンドギャップと前記第1の
導電型を有する第2導電層と、前記第1導電層上に形成
されたオーミック電極と、前記第2導電層上に形成され
た第1のショットキー電極と第2のショットキー電極と
を備え、前記第1のショットキー電極と前記第2のショ
ットキー電極との間に順方向と逆方向との双方のバイア
ス電圧の印加が可能である。According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A first conductive layer having a predetermined bandgap and a first conductivity type; a barrier layer of an i-type semiconductor formed on the first conductive layer and having a bandgap wider than the predetermined bandgap; A second conductive layer having a band gap narrower than a band gap of the barrier layer and the first conductivity type; an ohmic electrode formed on the first conductive layer; A first Schottky electrode and a second Schottky electrode formed on the substrate, and a bias in both a forward direction and a reverse direction is provided between the first Schottky electrode and the second Schottky electrode. A voltage can be applied.
【0024】本発明の複数入力論理回路素子は、所定バ
ンドギャップと第1の導電型を有する第1導電層と、前
記第1導電層上に形成され、前記所定のバンドギャップ
よりも広いバンドギャップを有するi型半導体のバリア
層と、前記バリア層上に形成され、前記バリア層のバン
ドギャップよりも狭いバンドギャップと前記第1の導電
型を有する第2導電層と、前記第1導電層上に形成され
たオーミック電極と、前記第2導電層上に形成された複
数のショットキー電極とを含み、前記複数のショットキ
ー電極に複数の入力を印加し、前記オーミック電極から
出力を得る。[0024] A multiple-input logic circuit element according to the present invention includes a first conductive layer having a predetermined bandgap and a first conductivity type, and a bandgap formed on the first conductive layer and wider than the predetermined bandgap. A second conductive layer formed on the barrier layer, having a band gap narrower than a band gap of the barrier layer, and having the first conductivity type, and a first conductive layer formed on the first conductive layer. And a plurality of Schottky electrodes formed on the second conductive layer, wherein a plurality of inputs are applied to the plurality of Schottky electrodes to obtain outputs from the ohmic electrodes.
【0025】[0025]
【作用】バリア層は、従来のHETにおけるコレクタバ
リアに相当する。また、ショットキ電極はHETにおけ
るエミッタおよびエミッタバリアの両機能を併せて有す
ると共に、バイアス電圧によってベース電極の機能も果
たす。The barrier layer corresponds to a collector barrier in the conventional HET. Further, the Schottky electrode has both functions of an emitter and an emitter barrier in the HET, and also functions as a base electrode by a bias voltage.
【0026】簡単のために、今前記ショットキ電極が2
ケの場合のみについて、図1を参照して説明する。キャ
リアがエレクトロンである場合を説明するが、n型をp
型とし、バイアス電圧の極性を反転すればキャリアが正
孔の場合となる。For simplicity, the Schottky electrode is now 2
Only the case (1) will be described with reference to FIG. The case where carriers are electrons will be described.
If the carrier is a hole and the polarity of the bias voltage is reversed, the carrier is a hole.
【0027】半導体装置は、図1(A)に示すような構
成を有する。所定のバンドギャップを有するn型半導体
層であるコレクタ領域Cの上に、コレクタ領域Cよりも
広いバンドギャップを有するi型半導体で形成されたコ
レクタバリア層CBが形成され、コレクタバリア層CB
の上に、n型半導体層のベース領域Bが形成されてい
る。The semiconductor device has a structure as shown in FIG. A collector barrier layer CB made of an i-type semiconductor having a band gap wider than the collector region C is formed on a collector region C which is an n-type semiconductor layer having a predetermined band gap.
Is formed with a base region B of an n-type semiconductor layer.
【0028】ベース領域Bとコレクタ領域Cは、同一半
導体である必要はないが、共にコレクタバリア領域CB
よりも狭いバンドギャップを有する。コレクタ領域Cの
上には、オーミック電極OEが形成され、ベース領域B
の上には2つのショットキ電極SE1、SE2が形成さ
れている。The base region B and the collector region C do not need to be made of the same semiconductor, but both are in the collector barrier region CB.
It has a narrower bandgap. An ohmic electrode OE is formed on the collector region C, and the base region B
Are formed with two Schottky electrodes SE1 and SE2.
【0029】この半導体装置の基本的動作は、図1
(A)右側に示すように、コレクタ領域Cに接続された
オーミック電極OEに負荷Rを介して電源電圧、たとえ
ばVCCを印加し、負荷Rとの相互接続点から出力VOUT
を取り出す。2つのショットキ電極SE1、SE2は、
同等のものであるが、基本的にはその一方、たとえばB
に低電圧を与え、他方、たとえばAに高電圧を与える。The basic operation of this semiconductor device is shown in FIG.
(A) As shown on the right side, a power supply voltage, for example, V CC is applied to the ohmic electrode OE connected to the collector region C via the load R, and the output V OUT is output from the interconnection point with the load R.
Take out. The two Schottky electrodes SE1, SE2 are
It is equivalent, but basically, on the other hand, for example, B
Are applied with a low voltage, while, for example, A is applied with a high voltage.
【0030】図1(B)、(C)は、一方のショットキ
電極SE2を接地し、オーミック電極OEに正極性の高
電圧を与え、他方のショットキ電圧SE1にはその中間
の電圧を与えた時の半導体装置内部のポテンシャル分布
を示す。FIGS. 1B and 1C show the case where one Schottky electrode SE2 is grounded, a positive high voltage is applied to the ohmic electrode OE, and an intermediate voltage is applied to the other Schottky voltage SE1. 3 shows a potential distribution inside the semiconductor device.
【0031】図1(B)は、ショットキ電極SE2から
オーミック電極OEに向かう方向に沿ったポテンシャル
分布を示す。ショットキ電極SE2は接地電位にあり、
ショットキ電極SE2に隣接してショットキバリアSB
2の電位障壁が形成されている。FIG. 1B shows a potential distribution along the direction from the Schottky electrode SE2 to the ohmic electrode OE. Schottky electrode SE2 is at ground potential,
Schottky barrier SB adjacent to Schottky electrode SE2
Two potential barriers are formed.
【0032】他方のショットキ電極SE1に与えた正極
性の中間電圧により、ベース領域Bのポテンシャルが引
き下げられ、ショットキ電極SE1前面のショットキバ
リアSB1の障壁高さは低減している。The potential of the base region B is reduced by the positive intermediate voltage applied to the other Schottky electrode SE1, and the height of the Schottky barrier SB1 in front of the Schottky electrode SE1 is reduced.
【0033】コレクタバリア領域CBは、ベース領域B
と接する面で電位障壁を形成し、オーミック電極OEの
電位によって徐々にそのポテンシャルは引き下げられて
いる。The collector barrier region CB is
A potential barrier is formed on the surface in contact with the ohmic electrode OE, and the potential is gradually lowered by the potential of the ohmic electrode OE.
【0034】ベース領域Bのポテンシャルがある程度以
上下がると、ショットキ電極SE2前面のショットキバ
リアSB2の障壁幅が減少し、ショットキ電極SE2か
らベース領域Bにホットエレクトロンが注入されるよう
になる。When the potential of the base region B drops to a certain degree or more, the barrier width of the Schottky barrier SB2 in front of the Schottky electrode SE2 decreases, and hot electrons are injected from the Schottky electrode SE2 into the base region B.
【0035】このホットエレクトロンがベース領域Bを
そのまま通過すれば、コレクタバリアCBを通過してオ
ーミック電極OEに引き出される。ベース領域B内でエ
レクトロンがエネルギを失うと、このエレクトロンはコ
レクタバリアCBによって遮られ、ベース領域Bに落ち
る。If the hot electrons pass through the base region B as they are, they pass through the collector barrier CB and are drawn to the ohmic electrode OE. When the electrons lose energy in the base region B, they are blocked by the collector barrier CB and fall into the base region B.
【0036】図1(C)は、ベース領域Bの横方向のポ
テンシャル分布を示す。ショットキ電極SE1とSE2
は、ベース領域Bとの間にショットキバリアを形成して
いるが、ショットキ電極SE2を接地し、ショットキ電
極SE1に正極性の電圧を印加することにより、ショッ
トキ電極SE2前面のショットキバリアSB2は逆バイ
アスされて障壁高さを保ち、ショットキ電極SE1前面
のショットキバリアSE1は順バイアスされて障壁高さ
は低くなる。FIG. 1C shows a horizontal potential distribution of the base region B. Schottky electrodes SE1 and SE2
Forms a Schottky barrier between itself and the base region B, but the Schottky electrode SE2 is grounded and a positive voltage is applied to the Schottky electrode SE1, so that the Schottky barrier SB2 on the front surface of the Schottky electrode SE2 has a reverse bias. As a result, the barrier height is maintained, and the Schottky barrier SE1 in front of the Schottky electrode SE1 is forward-biased and the barrier height is reduced.
【0037】ショットキ電極SE1に印加する電圧があ
る程度以上大きくなると、ベース領域Bの電位が引き下
げられ、ショットキ電極SE2前面のショットキバリア
SB2の幅が狭くなる。When the voltage applied to the Schottky electrode SE1 increases to a certain extent or more, the potential of the base region B is reduced, and the width of the Schottky barrier SB2 on the front surface of the Schottky electrode SE2 is reduced.
【0038】ショットキバリアSB2の幅がある程度以
上狭くなると、ショットキ電極SE2からショットキバ
リアSB2をトンネルしてホットエレクトロンがベース
領域Bに注入されるようになる。When the width of the Schottky barrier SB2 is reduced to a certain extent or more, hot electrons are injected from the Schottky electrode SE2 through the Schottky barrier SB2 into the base region B.
【0039】図1(B)に示すように、ショットキ電極
SE2からベース領域Bに注入されたエレクトロンは、
当初コレクタバリアの障壁高さよりも高いエネルギを有
する。このエレクトロンはホットエレクトロン状態であ
り、ベース領域中を散乱することなく通り抜けると、コ
レクタバリアCBを越えるエネルギを有する。As shown in FIG. 1B, the electrons injected from the Schottky electrode SE2 into the base region B are:
Initially it has higher energy than the barrier height of the collector barrier. These electrons are in a hot electron state, and have energy exceeding the collector barrier CB when passing through the base region without being scattered.
【0040】コレクタバリアCBを通過したホットエレ
クトロンは、オーミック電極OEに引き出され、コレク
タ電流を構成する。一方、ベース領域Bでエネルギを失
ったエレクトロンは、ベース領域Bに落ち、ショットキ
電極SE1から引き出される。Hot electrons that have passed through the collector barrier CB are drawn out to the ohmic electrode OE, and constitute a collector current. On the other hand, electrons that have lost energy in the base region B fall into the base region B and are extracted from the Schottky electrode SE1.
【0041】このように、2つのショットキ電極SE
1、SE2の一方を接地し、低電圧に保ち、他方にバイ
アス電圧(中間電圧)を印加すると、図1(A)に示す
構成の半導体装置はホットエレクトロントランジスタ
(HET)と同等の動作を行なう。As described above, the two Schottky electrodes SE
When one of SE1 and SE2 is grounded and kept at a low voltage and a bias voltage (intermediate voltage) is applied to the other, the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 1A performs the same operation as a hot electron transistor (HET). .
【0042】ここで、ショットキ電極SE1とSE2が
同様の構成を有することを利用すると、ショットキ電極
SE1とSE2はその役割を交換してもよいことが判
る。そこでショットキ電極SE1、SE2に、2つの入
力信号A、Bを図1(A)に示すように印加する場合を
考える。Here, if the fact that the Schottky electrodes SE1 and SE2 have the same configuration is used, it is understood that the roles of the Schottky electrodes SE1 and SE2 may be exchanged. Therefore, a case where two input signals A and B are applied to the Schottky electrodes SE1 and SE2 as shown in FIG.
【0043】入力A、Bの一方がHi、一方がLowで
あれば、図1(B)、(C)に示すように、ショットキ
電極SE1、SE2の一方は順バイアスされ、図1
(A)の半導体装置はオンとなったトランジスタとして
作用する。If one of the inputs A and B is Hi and the other is Low, one of the Schottky electrodes SE1 and SE2 is forward-biased as shown in FIGS.
The semiconductor device in FIG. 1A functions as a turned-on transistor.
【0044】入力A、Bが、共にLowまたは共にHi
である場合には、2つのショットキ電極SE1、SE2
間にバイアスが生ぜず、ショットキバリアSB1、SB
2は共にその障壁高さを保ち、図1(B)、(C)に示
すようなトンネル電流は発生しない。したがって、この
場合には、図1(A)に示す半導体装置はオフ状態とな
り、キャリアの注入は行なわれない。Inputs A and B are both Low or Hi.
, Two Schottky electrodes SE1, SE2
There is no bias between the Schottky barriers SB1, SB
2 maintain the barrier height, and no tunnel current is generated as shown in FIGS. 1 (B) and 1 (C). Therefore, in this case, the semiconductor device shown in FIG. 1A is turned off, and carrier injection is not performed.
【0045】上に述べた動作は、図1(A)右側に示す
等価回路がそのまま排他的NOR機能を有していること
を示す。すなわち、ショットキHET1個と1個の負荷
により排他的NOR回路を実現できる。The above operation indicates that the equivalent circuit shown on the right side of FIG. 1A has the exclusive NOR function as it is. That is, an exclusive NOR circuit can be realized by one Schottky HET and one load.
【0046】以下、本発明を具体的実施例に基づいて、
より詳しく述べる。Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
I will describe it in more detail.
【0047】[0047]
【実施例】図3は、本発明の一実施例であるInGaA
s/In(AlGa)As系半導体装置の構成を断面図
で示す。FIG. 3 shows InGaAs according to an embodiment of the present invention.
The configuration of an s / In (AlGa) As-based semiconductor device is shown in a cross-sectional view.
【0048】半絶縁性InP基板1の上に、n型In
0.53Ga0.47Asコレクタ層2がエピタキシャルに形成
され、その中央部分上にはi型In0.52(Al0.5 Ga
0.5 ) 0.48Asコレクタバリア層3がエピタキシャルに
形成され、その上にn型In0. 53Ga0.47Asベース層
4がエピタキシャルに形成されている。On a semi-insulating InP substrate 1, an n-type InP
0.53Ga0.47As collector layer 2 is formed epitaxially
And an i-type In0.52(Al0.5Ga
0.5) 0.48As collector barrier layer 3 becomes epitaxial
Formed, and an n-type In0. 53Ga0.47As base layer
4 is formed epitaxially.
【0049】コレクタ層2の上には、オーミック接触を
形成するコレクタ電極7が形成され、ベース層4の上に
はショットキ電極を形成するショットキエミッタ5、6
が形成されている。A collector electrode 7 for forming an ohmic contact is formed on the collector layer 2, and Schottky emitters 5 and 6 for forming a Schottky electrode on the base layer 4.
Are formed.
【0050】n型In0.53Ga0.47Asベース層4は、
約1×1018cm-3程度の比較的低いドープ量を有す
る。ショットキエミッタ5、6は、Cr/Au、Ti/
Pt/Au、WSi等で形成され、In0.53Ga0.47A
sベース層4に対して約0.2eV程度のバリア高さを
有するショットキ電極を構成する。The n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer 4 is
It has a relatively low doping amount of about 1 × 10 18 cm −3 . Schottky emitters 5 and 6 are made of Cr / Au, Ti /
Pt / Au, WSi or the like, and In 0.53 Ga 0.47 A
A Schottky electrode having a barrier height of about 0.2 eV with respect to the s base layer 4 is formed.
【0051】また、n型In0.53Ga0.47Asコレクタ
層2は、約5×1018cm-3程度の高いドープ量を有す
る。コレクタ層2上のコレクタ電極7は、AuGe/A
u等で形成され、コレクタ層2とオーミック接触を形成
する。The n-type In 0.53 Ga 0.47 As collector layer 2 has a high doping amount of about 5 × 10 18 cm −3 . The collector electrode 7 on the collector layer 2 is made of AuGe / A
and an ohmic contact with the collector layer 2.
【0052】すなわち、2つのショットキ電極5、6を
備えたn型半導体層のベース層4は、電位障壁を介して
オーミック電極7を備えたn型半導体層2に接続されて
いる。That is, the base layer 4 of the n-type semiconductor layer having the two Schottky electrodes 5 and 6 is connected to the n-type semiconductor layer 2 having the ohmic electrode 7 via a potential barrier.
【0053】ショットキ電極5、6間にバイアス電圧を
印加すると、順バイアスされる一方のショットキ電極前
面のショットキバリアは低くなり、その中間に配置され
たベース層4のポテンシャルを制御する。When a bias voltage is applied between the Schottky electrodes 5 and 6, the Schottky barrier on the front surface of one Schottky electrode that is forward-biased is lowered, and controls the potential of the base layer 4 disposed therebetween.
【0054】ベース層4のポテンシャル制御により、他
方のショットキ電極前面のショットキバリアの幅が制御
され、ショットキ電極からベース層4へのトンネリング
によるキャリア注入を制御する。一旦注入されたキャリ
アは、ベース層4をホット状態で通過し、コレクタバリ
ア層3を飛び越してコレクタ領域2に引き出されること
ができる。By controlling the potential of the base layer 4, the width of the Schottky barrier in front of the other Schottky electrode is controlled, and carrier injection from the Schottky electrode to the base layer 4 by tunneling is controlled. Once injected carriers can pass through the base layer 4 in a hot state, jump over the collector barrier layer 3 and be extracted to the collector region 2.
【0055】このような半導体装置は、以下のような製
造プロセスによって形成することができる。まず、MB
E法または減圧MOVPE法等を用いて、半絶縁性In
P基板1上に、Siドープ、キャリア濃度5×1018c
m-3のn型In0.53Ga0.47Asコレクタ層2を300
nmの厚さにエピタキシャル成長する。Such a semiconductor device can be formed by the following manufacturing process. First, MB
E or semi-insulating In
On a P substrate 1, Si-doped, carrier concentration 5 × 10 18 c
m −3 n-type In 0.53 Ga 0.47 As collector layer 2
Epitaxially grow to a thickness of nm.
【0056】その上に、アンドープのi型In0.52(A
l0.5 Ga0.5 )0.48Asコレクタバリア層3を200
nm、さらにその上にSiドープ、キャリア濃度1×1
018cm-3のn型In0.53Ga0.47Asベース層4を厚
さ30nmにエピタキシャル成長する。An undoped i-type In 0.52 (A
l 0.5 Ga 0.5 ) 0.48 As collector barrier layer 3 is 200
nm, and further thereon Si doping, carrier concentration 1 × 1
An n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer 4 of 0 18 cm -3 is epitaxially grown to a thickness of 30 nm.
【0057】次に、ドライエッチングによってベース層
4、コレクタバリア層3を図のようにパターニングす
る。n型In0.53Ga0.47Asベース層4の上には、適
当なマスクを形成し、その上にCr/AuまたはTi/
Pt/Au、あるいはWSi等を蒸着後、リフトオフす
ることにより、ショットキエミッタ5およびショットキ
エミッタ6を形成する。これらのショットキエミッタの
材料は、n型In0.53Ga0.47Asベース層4に対して
約0.2eVの高さのショットキバリアを形成する。Next, the base layer 4 and the collector barrier layer 3 are patterned by dry etching as shown in the figure. An appropriate mask is formed on the n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer 4 and Cr / Au or Ti /
After depositing Pt / Au or WSi, the Schottky emitter 5 and the Schottky emitter 6 are formed by lift-off. These Schottky emitter materials form a Schottky barrier having a height of about 0.2 eV with respect to the n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer 4.
【0058】また、n型In0.53Ga0.47Asコレクタ
層2の上には、AuGe/Au等の金属を蒸着すると、
オーミックなコレクタ電極7が形成される。ショットキ
エミッタ5、6の分離形成はリフトオフのみで行なえ、
エッチングの必要がない。このため、ベース抵抗が加工
プロセス中に変化する等の心配はない。When a metal such as AuGe / Au is deposited on the n-type In 0.53 Ga 0.47 As collector layer 2,
An ohmic collector electrode 7 is formed. The separation of the Schottky emitters 5 and 6 can be performed only by lift-off,
There is no need for etching. For this reason, there is no concern that the base resistance changes during the processing process.
【0059】また、従来のHETやRHETの場合に比
べて、コレクタ電極/ショットキエミッタ電極(エミッ
タ)間の高低差が減少し、配線が断線する等の加工プロ
セスでの事故防止にも効果がある。Further, the height difference between the collector electrode and the Schottky emitter electrode (emitter) is reduced as compared with the conventional case of HET or RHET, which is also effective in preventing accidents in a processing process such as disconnection of wiring. .
【0060】本発明の他の実施例として、InP基板を
GaAs基板とした半導体装置を形成することも可能で
ある。この場合は、基板を半絶縁性GaAs、コレクタ
バリア層、エミッタバリア層をAlGaAs、コレクタ
層およびベース層をn型GaAsとすればよい。As another embodiment of the present invention, it is possible to form a semiconductor device using an InP substrate as a GaAs substrate. In this case, the substrate may be made of semi-insulating GaAs, the collector barrier layer and the emitter barrier layer may be made of AlGaAs, and the collector layer and the base layer may be made of n-type GaAs.
【0061】ただし、GaAsでは伝導帯のΓ谷とL谷
の分離エネルギは約0.3eVと比較的小さい。したが
って、ショットキバリアをトンネリングしてベース層に
注入されたホットエレクトロンの一部はL谷に遷移して
低速化する。However, in GaAs, the separation energy between the Γ valley and the L valley in the conduction band is relatively small, about 0.3 eV. Therefore, a part of the hot electrons injected into the base layer by tunneling the Schottky barrier transits to the L valley and is slowed down.
【0062】これに対して、InGaAsベース層で
は、Γ−Lの分離エネルギが約0.55eVと大きいの
で、高速性、電流利得ともGaAs系より優れていると
考えられる。On the other hand, in the InGaAs base layer, since the エ ネ ル ギ -L separation energy is as large as about 0.55 eV, it is considered that both the high speed and the current gain are superior to the GaAs system.
【0063】図3の素子は、図1(A)のように負荷を
接続し、2入力論理回路素子とすれば、前述したよう
に、それだけで排他的NORゲートを構成することがで
きる。以上においては、簡単のために、エミッタが2つ
の場合について述べた。しかし、さらにショットキエミ
ッタ数を増やして多入力論理回路素子を形成し得ること
は明らかである。負荷は抵抗の他、トランジスタ等で形
成してもよい。If the device shown in FIG. 3 is connected to a load as shown in FIG. 1A and is a two-input logic circuit device, an exclusive NOR gate can be constituted by itself as described above. In the above, the case of two emitters has been described for simplicity. However, it is clear that a multi-input logic circuit element can be formed by further increasing the number of Schottky emitters. The load may be formed by a transistor or the like in addition to the resistor.
【0064】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
【0065】[0065]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成のHET型半導体装置およびHET型複数入
力論理素子が提供される。As described above, according to the present invention,
A HET type semiconductor device and a HET type multiple input logic element having a simple configuration are provided.
【0066】エミッタとして機能するショットキ電極
は、半導体層の分離用エッチングなしい容易に形成する
ことができ、高い製造分留りを容易に確保できる。ま
た、電極間の段差も低く、断線事故の確率を小さくする
ことができる。The Schottky electrode functioning as an emitter can be easily formed without etching for separating the semiconductor layer, and a high production yield can be easily secured. Also, the step between the electrodes is low, and the probability of a disconnection accident can be reduced.
【0067】また、HET型半導体装置と負荷1個のみ
で排他的NOR回路の基本ゲートを簡単に構成すること
ができ、論理集積回路の素子数を大幅に低減することが
可能になる。Further, the basic gate of the exclusive NOR circuit can be easily constituted by only the HET type semiconductor device and one load, and the number of elements of the logic integrated circuit can be greatly reduced.
【図1】基本実施例を示す。図1(A)は、構成を示す
断面図および排他的NORゲートとしての接続例を示す
回路図、図1(B)、(C)は、それぞれ一方のショッ
トキ電極SE1を順方向バイアスした時の垂直方向およ
び水平方向の電子の流れを説明するための伝導帯エネル
ギ図である。FIG. 1 shows a basic embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration and a circuit diagram showing a connection example as an exclusive NOR gate, and FIGS. 1B and 1C respectively show a case where one Schottky electrode SE1 is forward-biased. FIG. 4 is a conduction band energy diagram for explaining the flow of electrons in a vertical direction and a horizontal direction.
【図2】従来技術例を示す。図2(A)はRHETの断
面図、図2(B)はそのIV特性を示すグラフ、図2
(C)は排他的NOR回路の単位ゲートに用いた場合の
回路図である。FIG. 2 shows a prior art example. FIG. 2A is a cross-sectional view of RHET, FIG. 2B is a graph showing its IV characteristics, FIG.
(C) is a circuit diagram when the exclusive NOR circuit is used as a unit gate.
【図3】実施例による半導体装置の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a semiconductor device according to an embodiment.
1 半絶縁性InP基板 2 n型In0.53Ga0.47Asコレクタ層 3 i型In0.52(Al0.5 Ga0.5 )0.48Asコレク
タバリア層 4 n型In0.53Ga0.47Asベース層 5、6 ショットキエミッタ 7 コレクタ電極 11 半絶縁性基板 12 コレクタ 13 コレクタバリア 14 ベース 15 エミッタバリア 15a バリア層 15b 井戸層 16 エミッタ 17 コレクタ電極 18 ベース電極 19 エミッタ電極 B ベース領域 CB コレクタバリア領域 C コレクタ領域 SE ショットキ電極 OE オーミック電極 R 抵抗(負荷) Reference Signs List 1 semi-insulating InP substrate 2 n-type In 0.53 Ga 0.47 As collector layer 3 i-type In 0.52 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.48 As collector barrier layer 4 n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer 5, 6 Schottky emitter 7 collector electrode Reference Signs List 11 semi-insulating substrate 12 collector 13 collector barrier 14 base 15 emitter barrier 15a barrier layer 15b well layer 16 emitter 17 collector electrode 18 base electrode 19 emitter electrode B base region CB collector barrier region C collector region SE Schottky electrode OE ohmic electrode R resistance (load)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/331 H01L 21/8222 H01L 27/06 H01L 29/205 H01L 29/737 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/331 H01L 21/8222 H01L 27/06 H01L 29/205 H01L 29/737
Claims (5)
する第1導電層と、 前記第1導電層上に形成され、前記所定バンドギャップ
よりも広いバンドギャップを有するi型半導体のバリア
層と、 前記バリア層上に形成され、前記バリア層のバンドギャ
ップよりも狭いバンドギャップと前記第1の導電型を有
する第2導電層と、 前記第1導電層上に形成されたオーミック電極と、 前記第2導電層上に形成された第1のショットキー電極
と第2のショットキー電極とを備え、 前記第1のショットキー電極と前記第2のショットキー
電極との間に順方向と逆方向との双方のバイアス電圧の
印加が可能である半導体装置。A first conductive layer having a predetermined bandgap and a first conductivity type; and an i-type semiconductor barrier layer formed on the first conductive layer and having a bandgap wider than the predetermined bandgap. A second conductive layer formed on the barrier layer and having a band gap narrower than a band gap of the barrier layer and the first conductivity type; an ohmic electrode formed on the first conductive layer; A first Schottky electrode and a second Schottky electrode formed on a second conductive layer, wherein a forward direction and a reverse direction are provided between the first Schottky electrode and the second Schottky electrode. Semiconductor device capable of applying both bias voltages.
第1導電層が前記InP基板上に形成されたn型InG
aAs層であり、前記i型バリア層がi型In(AlG
a)As層であり、前記第2導電層がn型InGaAs
層であり、前記オーミック電極がAu/Ge/Au層で
あり、前記第1及び第2のショットキー電極がCr/A
uまたはTi/Au層である請求項1記載の半導体装
置。2. An n-type InG substrate further comprising a semi-insulating InP substrate, wherein the first conductive layer is formed on the InP substrate.
aAs layer, and the i-type barrier layer is an i-type In (AlG
a) an As layer, wherein the second conductive layer is n-type InGaAs
The ohmic electrode is an Au / Ge / Au layer, and the first and second Schottky electrodes are Cr / A
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a u or Ti / Au layer.
記第1導電層がn型GaAs層であり、前記i型バリア
層がi型AlGaAs層であり、前記第2導電層がn型
GaAs層であり、前記オーミック電極がAuGe/A
u層であり、前記ショットキー電極がCr/Auまたは
Ti/Au層である請求項1記載の半導体装置。3. The semiconductor device further comprises a semi-insulating GaAs substrate, wherein the first conductive layer is an n-type GaAs layer, the i-type barrier layer is an i-type AlGaAs layer, and the second conductive layer is an n-type GaAs layer. Wherein the ohmic electrode is AuGe / A
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a u layer, and the Schottky electrode is a Cr / Au or Ti / Au layer.
のショットキー電極とは、前記バイアス電圧の順逆に基
づいてエミッタ電極とベース電極の役割を交代する請求
項1から3までのいずれか1項に記載の半導体装置。4. The first Schottky electrode and the second Schottky electrode
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the Schottky electrode alternates between the role of the emitter electrode and the role of the base electrode based on the order of the bias voltage. 5.
する第1導電層と、 前記第1導電層上に形成され、前記所定バンドギャップ
よりも広いバンドギャップを有するi型半導体のバリア
層と、 前記バリア層上に形成され、前記バリア層のバンドギャ
ップよりも狭いバンドギャップと前記第1の導電型を有
する第2導電層と、 前記第1導電層上に形成されたオーミック電極と、 前記第2導電層上に形成された複数のショットキー電極
とを含み、 前記複数のショットキー電極に複数の入力を印加し、前
記オーミック電極から出力を得る複数入力論理回路素
子。5. A first conductive layer having a predetermined band gap and a first conductivity type; and an i-type semiconductor barrier layer formed on the first conductive layer and having a band gap wider than the predetermined band gap. A second conductive layer formed on the barrier layer and having a band gap narrower than a band gap of the barrier layer and the first conductivity type; an ohmic electrode formed on the first conductive layer; And a plurality of Schottky electrodes formed on a second conductive layer, wherein a plurality of inputs are applied to the plurality of Schottky electrodes and an output is obtained from the ohmic electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30684992A JP3300066B2 (en) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | Semiconductor device and multi-input logic circuit element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30684992A JP3300066B2 (en) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | Semiconductor device and multi-input logic circuit element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06163880A JPH06163880A (en) | 1994-06-10 |
| JP3300066B2 true JP3300066B2 (en) | 2002-07-08 |
Family
ID=17961997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30684992A Expired - Fee Related JP3300066B2 (en) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | Semiconductor device and multi-input logic circuit element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3300066B2 (en) |
-
1992
- 1992-11-17 JP JP30684992A patent/JP3300066B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06163880A (en) | 1994-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | InP-based high-performance monostable-bistable transition logic elements (MOBILEs) using integrated multiple-input resonant-tunneling devices | |
| CA1237824A (en) | Resonant tunneling semiconductor device | |
| US5705827A (en) | Tunnel transistor and method of manufacturing same | |
| US5021841A (en) | Semiconductor device with controlled negative differential resistance characteristic | |
| US5313117A (en) | Semiconductor logic circuit using two n-type negative resistance devices | |
| US4902912A (en) | Apparatus including resonant-tunneling device having multiple-peak current-voltage characteristics | |
| US4853753A (en) | Resonant-tunneling device, and mode of device operation | |
| EP0238406B1 (en) | Heterojunction semiconductor device | |
| US5049955A (en) | Semiconductor ballistic electron velocity control structure | |
| JP3300066B2 (en) | Semiconductor device and multi-input logic circuit element | |
| US4786957A (en) | Negative differential resistance element | |
| JPH0870114A (en) | Resonance tunnel bipolar transistor | |
| US5021863A (en) | Semiconductor quantum effect device having negative differential resistance characteristics | |
| US4916495A (en) | Semiconductor device with semi-metal | |
| JP2692558B2 (en) | Heterojunction bipolar transistor | |
| US5461245A (en) | Article comprising a bipolar transistor with floating base | |
| JPS62128559A (en) | Semiconductor device | |
| CA1284234C (en) | Apparatus including resonant-tunneling device having multiple-peak current-voltage characteristics | |
| JPH0543178B2 (en) | ||
| JP2808145B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP2778447B2 (en) | Tunnel transistor and manufacturing method thereof | |
| JPH088360B2 (en) | Tunnel transistor and manufacturing method thereof | |
| JPH07263708A (en) | Tunnel transistor | |
| JPH0831471B2 (en) | Resonant tunneling transistor | |
| JPH01262663A (en) | Resonance tunneling hetero-bipolar transistor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20020409 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080419 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090419 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090419 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100419 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |