JPH0638494B2 - Compound semiconductor device - Google Patents
Compound semiconductor deviceInfo
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- JPH0638494B2 JPH0638494B2 JP63300717A JP30071788A JPH0638494B2 JP H0638494 B2 JPH0638494 B2 JP H0638494B2 JP 63300717 A JP63300717 A JP 63300717A JP 30071788 A JP30071788 A JP 30071788A JP H0638494 B2 JPH0638494 B2 JP H0638494B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン・トランジス
タやホット・エレクトロン・トランジスタなどヘテロ接
合をもつ化合物半導体装置の改良に関し、 コレクタ・ベース間電圧を印加しても、コレクタ・バリ
ヤ内で電子が谷間散乱を受け難いようにすることを目的
とし、 順に積層されたInAsからなるコレクタ層及びIn
(AlGs)Asからなるコレクタ・バリヤ層及びIn
GaAsからなるベース層及びInAlAsからなるエ
ミッタ・バリヤ層及びInGaAsからなるエミッタ層
を備え、前記コレクタ・バリヤ層の組成はベース層側か
らAlを漸減させ前記コレクタ層に至るまでに0にして
なるよう構成する。The present invention relates to improvement of a compound semiconductor device having a heterojunction such as a resonant tunneling hot electron transistor or a hot electron transistor, and a collector barrier even when a collector-base voltage is applied. In order to make it difficult for electrons to be subjected to valley scattering inside, a collector layer made of InAs and In
(AlGs) As collector barrier layer and In
A base layer made of GaAs, an emitter barrier layer made of InAlAs, and an emitter layer made of InGaAs are provided, and the composition of the collector barrier layer is gradually reduced from the base layer side to zero until reaching the collector layer. Constitute.
本発明は、共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン・
トランジスタ(resonant−tunneling
hot electron transistor:
RHET)やホット・エレクトロン・トランジスタ(h
ot electron transistor:HE
T)などヘテロ接合をもつ化合物半導体装置の改良に関
する。The present invention is a resonant tunneling hot electron
Transistor (resonant-tunneling)
hot electron transistor:
RHET) and hot electron transistor (h
ot electron transistor: HE
T) such as compound semiconductor device having a heterojunction.
現在、コンピュータなどを高速化する要求が強いことか
ら、それを構成する半導体装置を高速化する為の開発・
研究が盛んである。前記RHETやHETは、ベース中
を電子がバリスティックに通り抜ける為、通常の半導体
素子に比較して電子のベース走行時間は大変短く、ま
た、特にRHETは、その微分負性抵抗特性などの新機
能性と相俟って将来の集積回路に於ける基本的素子とし
て期待されている。Currently, there is a strong demand for speeding up computers, etc., so development for speeding up the semiconductor devices that compose it
Research is active. In RHET and HET, since electrons pass ballistically through the base, the base transit time of electrons is very short as compared with an ordinary semiconductor element. In particular, RHET has a new function such as its differential negative resistance characteristic. Combined with the characteristics, it is expected as a basic element in future integrated circuits.
然しながら、RHET或いはHETでは、ベース・コレ
クタ間の耐圧を得る為にポテンシャル・バリヤ(コレク
タ・バリヤ)が形成されていて、そこで電子の走行速度
が低下する旨の問題があるので、これを解決しなければ
ならない。However, in RHET or HET, a potential barrier (collector barrier) is formed in order to obtain a withstand voltage between the base and collector, and there is a problem that the electron traveling speed decreases, so this problem has been solved. There must be.
第3図は従来のInGaAs/In(AlGa)As系
RHETを説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラ
ムを表している。FIG. 3 shows an energy band diagram for explaining a conventional InGaAs / In (AlGa) As system RHET.
図に於いて、 Eはn型In0.53Ga0.47Asエミッタ層、 EBはi型In0.52Al0.48Asエミッタ・バリヤ層、 Bはn型In0.53Ga0.47Asベース層、 CBはi型In0.52(Al0.5 Ga0.5 )0.48Asコレ
クタ・バリヤ層、 Cはn型In0.53Ga0.47Asコレクタ層 を示し、また、EC(Γ)はΓ谷の伝導帯の底、E
C(L)はL谷の伝導帯の底、EFはフェルミ・レベ
ル、ES1及びES2はΓ谷とL谷のセパレーション・エネ
ルギ、ECBはコレクタ・バリヤ層CBのベース側バリヤ
・ハイト、VCBはコレクタ・ベース間電圧、eは電子を
それぞれ示している。In the figure, E is an n-type In 0.53 Ga 0.47 As emitter layer, EB is an i-type In 0.52 Al 0.48 As emitter barrier layer, B is an n-type In 0.53 Ga 0.47 As base layer, and CB is an i-type In 0.52 ( Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.48 As collector / barrier layer, C indicates n-type In 0.53 Ga 0.47 As collector layer, and E C (Γ) is the bottom of the conduction band of Γ valley, E
C (L) is the bottom of the conduction band of the L valley, E F is the Fermi level, E S1 and E S2 are the separation energies of the Γ valley and the L valley, and E CB is the barrier height of the collector barrier layer CB on the base side. , V CB is a collector-base voltage, and e is an electron.
このRHETに関する主要データを例示すると次の通り
である。The main data regarding this RHET is as follows.
(a) エミッタ層Eについて 厚さ:2000〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1×1018〔cm-3〕 (b) エミッタ・バリヤ層EBについて 厚さ:100〔Å〕 (c) ベース層Bについて 厚さ:500〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1×1018〔cm-3〕 (d) コレクタ・バリヤ層CBについて 厚さ:2000〔Å〕 (e) コレクタ層Cについて 厚さ:2000〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1×1018〔cm-3〕 (f) セパレーション・エネルギES1について 0.55〔eV〕 (g) セパレーション・エネルギES2について0.45
〔eV〕 (h) コレクタ・バリヤ層CBのベース側バリヤ・ハイ
トECBについて 0.27〔eV〕 このRHETでは、エミッタ層Eから電子eがトンネリ
ングでベース層Bに現れ、そのベース層Bを略バリステ
ィックに走行し、コレクタ・バリヤ層CBを越えてコレ
クタ層Cに到達するものである。(a) About emitter layer E Thickness: 2000 [Å] Impurity: Si Impurity concentration: 1 × 10 18 [cm -3 ] (b) About emitter / barrier layer EB Thickness: 100 [Å] (c) Base layer About B Thickness: 500 [Å] Impurity: Si Impurity concentration: 1 × 10 18 [cm -3 ] (d) About collector / barrier layer CB Thickness: 2000 [Å] (e) About collector layer C Thickness: 2000 [Å] Impurity: Si Impurity concentration: 1 × 10 18 [cm −3 ] (f) Separation energy E S1 0.55 [eV] (g) Separation energy E S2 0.45
[EV] (h) Base-side barrier height E CB of collector-barrier layer CB 0.27 [eV] In this RHET, electrons e from the emitter layer E appear in the base layer B by tunneling, and the base layer B It travels almost ballistically and reaches the collector layer C over the collector / barrier layer CB.
前記RHETやHETは高速であるとされているが、コ
レクタ・バリヤ層CBに於けるΓ谷−L谷間のセパレー
ション・エネルギES1は、前記したように、InGaA
sの約0.55〔eV〕よりも狭く、約0.45〔e
V〕である。従って、コレクタ・ベース間電圧VCBを約
0.4〔V〕以上にした場合、電子eはコレクタ・バリ
ヤ層CB内で谷間散乱(inter valley s
cattering)を受け、急速にエネルギを失い、
速度が低下する。その為、折角、電子eがベース層B中
を略バリスティックに走行しても、コレクタ・バリヤ層
CB内に於ける走行時間が支配的となって、高速化の効
果は期待する程には現れない。Although the RHET and HET are said to be high speed, the separation energy E S1 between the Γ valley and the L valley in the collector-barrier layer CB is, as described above, InGaA.
narrower than about 0.55 [eV] of s, about 0.45 [eV]
V]. Therefore, when the collector-base voltage V CB is set to about 0.4 [V] or more, the electrons e are inter-valley scattered in the collector-barrier layer CB.
and lose energy rapidly.
Slow down. Therefore, even if the electrons e travel in the base layer B substantially ballistically, the travel time in the collector / barrier layer CB becomes dominant, and the effect of speeding up is expected. It does not appear.
本発明は、コレクタ・ベース間電圧を印加しても、コレ
クタ・バリヤ内で電子が谷間散乱を受け難いようにした
RHET或いはHETなどの化合物半導体装置を提供し
ようとする。The present invention aims to provide a compound semiconductor device such as RHET or HET in which electrons are less likely to undergo valley scattering in the collector-barrier even when a collector-base voltage is applied.
電子eがコレクタ・バリヤ層CB内に於いて谷間散乱を
受け難くする為には、そこでのΓ谷・L谷間のセパレー
ション・エネルギが大であるようにすれば良く、その為
には、コレクタ・バリヤ層CBを構成する半導体材料を
適切に選択する必要があり、また、それに伴って別な不
都合が発生しないように、コレクタ層の半導体材料にも
配慮しなければならない。In order to make the electron e less susceptible to valley scattering in the collector / barrier layer CB, the separation energy between the Γ valley and the L valley in the electron barrier e should be large. It is necessary to appropriately select the semiconductor material forming the barrier layer CB, and also to consider the semiconductor material of the collector layer so as not to cause another inconvenience.
このようなことから、本発明の化合物半導体装置に於い
ては、順に積層されたInAsからなるコレクタ層(例
えばコレクタ層C)とIn(AlGa)Asからなるコ
レクタ・バリヤ層(例えばコレクタ・バリヤ層CB)と
InGaAsからなるベース層(例えばベース層B)と
InAlAsからなるエミッタ・バリヤ層(例えばエミ
ッタ・バリヤ層EB)及びInGaAsからなるエミッ
タ層(例えばエミッタ層E)を備え、前記コレクタ・バ
リヤ層の組成はベース層側からAlを漸減させ前記コレ
クタ層に至るまでに0にしてなるように構成している。Therefore, in the compound semiconductor device of the present invention, a collector layer (for example, collector layer C) made of InAs and a collector / barrier layer (for example, collector / barrier layer) made of In (AlGa) As, which are sequentially stacked, are used. CB) and a base layer (eg, base layer B) made of InGaAs, an emitter barrier layer (eg, emitter barrier layer EB) made of InAlAs, and an emitter layer (eg, emitter layer E) made of InGaAs, and the collector barrier layer The composition is such that Al is gradually reduced from the base layer side to zero until reaching the collector layer.
前記手段を採ることに依り、コレクタ・バリヤ層に於け
るΓ谷・L谷間のセパレーション・エネルギはベース層
側からコレクタ層側にかけて広くなり、従って、従来よ
り大きなコレクタ・ベース間電圧を印加しても電子が谷
間散乱を受け難くなり、高速性を維持することができ
る。また、コレクタ層を構成する半導体材料としてIn
Asを用いていることから、コレクタ・バリヤ層に於け
るコレクタ層側のバリヤ・ハイトは充分に高く、従っ
て、コレクタ層に於ける電子がベース層に流れ込むよう
なことは起きない。更にまた、コレクタ・バリヤ層に於
けるベース層側のx値は0.5であって有効質量が大き
いことから、ベース層のコールド・エレクトロンがコレ
クタ・バリヤをトンネリングしてコレクタ層に到達する
ようなことはない。By adopting the above means, the separation energy between the Γ valley and the L valley in the collector-barrier layer becomes wider from the base layer side to the collector layer side. Therefore, by applying a larger collector-base voltage than before. Also, electrons are less likely to be subjected to valley scattering, and high speed can be maintained. In addition, as a semiconductor material forming the collector layer, In
Since As is used, the barrier height of the collector-barrier layer on the collector layer side is sufficiently high, and therefore electrons in the collector layer do not flow into the base layer. Furthermore, since the x value on the side of the base layer in the collector / barrier layer is 0.5 and the effective mass is large, cold electrons in the base layer are tunneled through the collector / barrier to reach the collector layer. There is no such thing.
第1図は本発明一実施例であるInGaAs/In(A
lGa)As系RHETを説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムを表し、第3図に於いて用いた信号と
同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとす
る。FIG. 1 shows InGaAs / In (A) which is an embodiment of the present invention.
1Ga) represents an energy band diagram for explaining the As type RHET, and the same symbols as the signals used in FIG. 3 represent the same parts or have the same meanings.
本実施例が第3図に見られる従来例と相違するところ
は、 (1) コレクタ・バリヤ層CBが 「i型In0.52(AlxGi1-x)0.48As」で構成さ
れ、しかも、ベース層B側からコレクタ層C側に向かっ
てx値が0.5→0まで変化していること、 (2) コレクタ層Cが「n型InAs」で構成されてい
ること、 である。尚、この場合、コレクタ・バリヤ層CBの厚さ
は2000〔Å〕、また、コレクタ層Cの厚さは100
0〔Å〕、そして、不純物濃度は1×1018〔cm-3〕で
ある。The present embodiment is different from the conventional example shown in FIG. 3 in that (1) the collector / barrier layer CB is composed of “i-type In 0.52 (Al x Gi 1-x ) 0.48 As” and the base is The x value changes from 0.5 to 0 from the layer B side to the collector layer C side. (2) The collector layer C is composed of “n-type InAs”. In this case, the thickness of the collector / barrier layer CB is 2000 [Å], and the thickness of the collector layer C is 100.
0 [Å], and the impurity concentration is 1 × 10 18 [cm −3 ].
前記したように、コレクタ・バリヤ層CBに於けるx値
はベース層B型で0.5、そして、コレクタ層C側で0
であり、その結果、Γ谷とL谷とのセパレーション・エ
ネルギは、 ベース層B側(ESB):0.45〔eV〕 コレクタ層C側(ESC):0.55〔eV〕 となる。従って、コレクタ・ベース間電圧VCBを約0.
6〔V〕程度にした場合でも、コレクタ・バリヤ層CB
内に於いて電子eが谷間散乱を受けることはなくなる。
また、コレクタ・バリヤ層CBに於けるコレクタ層C側
のバリヤ・ハイトECCは0.47〔eV〕であり、コレ
クタ層Cに在る電子がベース層Bに向かうようなことは
充分に阻止される。このように高いバリヤ・ハイトが得
られているのは、コレクタ層Cを構成する半導体材料と
してInAsを用いたことに起因する。尚、InAsは
基板であるInPとは格子整合しないが厚さ1000
〔Å〕程度に成長してから直ちにInGaAsに戻して
やればデバイス特性上は殆ど影響を受けない。As described above, the x value in the collector / barrier layer CB is 0.5 in the base layer B type and 0 in the collector layer C side.
As a result, the separation energy between the Γ valley and the L valley becomes the base layer B side ( ESB ): 0.45 [eV] and the collector layer C side ( ESC ): 0.55 [eV]. . Therefore, the collector-base voltage V CB is about 0.
Even when the voltage is about 6 [V], the collector / barrier layer CB
The electrons e will not be subjected to valley scattering inside.
Further, the barrier height E CC on the collector layer C side of the collector / barrier layer CB is 0.47 [eV], and it is sufficiently prevented that the electrons in the collector layer C are directed to the base layer B. To be done. The reason why such a high barrier height is obtained is due to the use of InAs as a semiconductor material forming the collector layer C. Although InAs does not lattice match with InP, which is a substrate, InAs has a thickness of 1000.
If it is returned to InGaAs immediately after it has grown to about [Å], the device characteristics are hardly affected.
第2図は本発明に於ける他の実施例であるInGaAs
/In(AlGa)As系RHETを説明する為のエネ
ルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第1図及び第3図
に於いて用いた信号と同記号は同部分を表すか或いは同
じ意味を持つものとする。FIG. 2 shows InGaAs which is another embodiment of the present invention.
/ In (AlGa) As system is an energy band diagram for explaining the RHET, and the same symbols as the signals used in FIGS. 1 and 3 represent the same parts or have the same meanings. To do.
本実施例が第1図に見られる実施例と相違する点は、コ
レクタ・バリヤ層CBがベース層B側からi型In0.52
(Al0.5 Ga0.5 )0.48Asで始まり、中央近傍でi
型In0.53Ga0.47Asとなり、コレクタ層C側ではi
型In0.75Ga0.25Asとなっていることである。尚、
コレクタ層Cは矢張りInAsである。This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the collector / barrier layer CB is formed of i-type In 0.52 from the base layer B side.
(Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.48 As, starting near the center i
Type In 0.53 Ga 0.47 As, i on the collector layer C side
The type is In 0.75 Ga 0.25 As. still,
The collector layer C is Inari InAs.
即ち、本実施例では、第1図に見られる実施例と同様、
コレクタ・バリヤ層CBを構成する半導体材料のうちA
lをベース層B側から見て0.5より次第に減少させて
中央付近で0とし、それからGaを0.5より次第に減
少させてコレクタ層C側で例えば0.25としたもので
ある。That is, in this embodiment, as in the embodiment shown in FIG.
A of the semiconductor materials constituting the collector / barrier layer CB
1 is gradually reduced from 0.5 as viewed from the base layer B side to 0 near the center, and then Ga is gradually reduced from 0.5 to 0.25 on the collector layer C side.
このようにすると、コレクタ・バリヤ層CBに於けるΓ
谷とL谷とのセパレーション・エネルギは、 ベース層B側(ESB):0.45〔eV〕 コレクタ層C側(ESC):0.75〔eV〕 となり、ベース層B側では第1図に見られる実施例と変
わりないが、コレクタ層C側では更に広くなっている。By doing so, Γ in the collector / barrier layer CB
The separation energy between the valley and the L valley is as follows: the base layer B side ( ESB ): 0.45 [eV], the collector layer C side ( ESC ): 0.75 [eV], and the first on the base layer B side. Although it is the same as the embodiment shown in the figure, it is wider on the collector layer C side.
これは、要するに、Γ谷に関するエネルギ・バンド・ギ
ャップを狭くしていることに外らないが、このようにし
ても、コレクタ・バリヤ層CBのコレクタ層C側に於け
るバリヤ・ハイトECCは0.35〔eV〕であってデバ
イス特性には実用上の悪影響はない。This is, in essence, the narrowing of the energy band gap with respect to the Γ valley, but even in this case, the barrier height E CC on the collector layer C side of the collector barrier layer CB is Since it is 0.35 [eV], there is no practical adverse effect on the device characteristics.
本実施例では、コレクタ・ベース間電圧VCBを約0.7
〔V〕程度にした場合でも、谷間散乱は発生しない。In this embodiment, the collector-base voltage V CB is about 0.7.
Even in the case of [V], valley scattering does not occur.
本発明の化合物半導体装置では、コレクタ層にInA
s、コレクタ・バリヤ層にIn(AlGa)As、ベー
ス層及びエミッタ層にInGaAsをそれぞれ用い、前
記コレクタ・バリヤ層の組成はベース層側からAlを漸
減させ前記コレクタ層に至るまでに0にしている。In the compound semiconductor device of the present invention, InA is formed in the collector layer.
s, In (AlGa) As is used for the collector / barrier layer, and InGaAs is used for the base layer and the emitter layer. The composition of the collector / barrier layer is such that Al is gradually reduced from the base layer side to zero until reaching the collector layer. There is.
前記構成を採ることに依り、コレクタ・バリヤ層中での
谷間散乱は発生し難くなって高速性が維持され、また、
コレクタ・ベース間耐圧も向上させることができる。従
って、回路を設計する際の動作マージンを大きく採るこ
とができる。By adopting the above configuration, valley scattering in the collector / barrier layer is less likely to occur, and high speed is maintained.
The collector-base breakdown voltage can also be improved. Therefore, a large operating margin can be taken when designing a circuit.
第1図は本発明一実施例を説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラム、第2図は本発明に於ける他の実施例
を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第3
図は従来例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラムをそれぞれ表している。 図に於いて、Eはエミッタ層、EBはエミッタ・バリヤ
層、Bはベース層、CBはコレクタ・バリヤ層、Cはコ
レクタ層、EC(Γ)はΓ谷の伝導帯の底、EC(L)
はL谷の伝導帯の底、EFはフェルミ・レベル、ES1及
びES2はΓ谷とL谷のセパレーション・エネルギ、ECB
はコレクタ・バリヤ層CBのベース側バリヤ・ハイト、
ECCはコレクタ・バリヤ層CBのコレクタ側バリヤ・ハ
イト、VCBはコレクタ・ベース間電圧、eは電子をそれ
ぞれ示している。FIG. 1 is an energy band diagram for explaining one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an energy band diagram for explaining another embodiment of the present invention.
The figures respectively represent energy band diagrams for explaining a conventional example. In the figure, E is the emitter layer, EB is the emitter barrier layer, B is the base layer, CB is the collector barrier layer, C is the collector layer, E C (Γ) is the bottom of the conduction band of the Γ valley, and E C (L)
Is the bottom of the conduction band of the L valley, E F is the Fermi level, E S1 and E S2 are the separation energies of the Γ valley and the L valley, and E CB
Is the barrier height on the base side of the collector barrier layer CB,
E CC is a collector-side barrier height of the collector-barrier layer CB, V CB is a collector-base voltage, and e is an electron.
Claims (1)
層及びIn(AlGa)Asからなるコレクタ・バリヤ
層及びInGaAsからなるベース層及びInAlAs
からなるエミッタ・バリヤ層及びInGaAsからなる
エミッタ層を備え、 前記コレクタ・バリヤ層の組成はベース層側からAlを
漸減させ前記コレクタ層に至るまでに0にしてなること を特徴とする化合物半導体装置。1. A sequentially laminated collector layer made of InAs, a collector / barrier layer made of In (AlGa) As, a base layer made of InGaAs, and InAlAs.
A compound semiconductor device comprising an emitter / barrier layer made of InGaAs and an emitter layer made of InGaAs, wherein the composition of the collector / barrier layer is such that Al is gradually reduced from the base layer side to 0 until reaching the collector layer. .
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP63300717A JPH0638494B2 (en) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | Compound semiconductor device |
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| JP63300717A JPH0638494B2 (en) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | Compound semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH02148867A JPH02148867A (en) | 1990-06-07 |
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| JP63300717A Expired - Lifetime JPH0638494B2 (en) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | Compound semiconductor device |
Country Status (1)
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Families Citing this family (2)
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1988
- 1988-11-30 JP JP63300717A patent/JPH0638494B2/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |