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JPH0831472B2 - High-speed semiconductor device - Google Patents
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JPH0831472B2 - High-speed semiconductor device - Google Patents

High-speed semiconductor device

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Publication number
JPH0831472B2
JPH0831472B2 JP63079463A JP7946388A JPH0831472B2 JP H0831472 B2 JPH0831472 B2 JP H0831472B2 JP 63079463 A JP63079463 A JP 63079463A JP 7946388 A JP7946388 A JP 7946388A JP H0831472 B2 JPH0831472 B2 JP H0831472B2
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layer
collector
semiconductor device
base
speed semiconductor
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JP63079463A
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裕二 安藤
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NEC Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速半導体装置に関し、特に共鳴トンネル・
バイポーラ・トランジスタに関する。
The present invention relates to a high-speed semiconductor device, and more particularly to a resonance tunnel
Regarding bipolar transistors.

〔従来の技術〕 共鳴トンネル効果は電子の通過に要する遅延時間が著
しく短く、かつ顕著な微分負性抵抗特性を示すことか
ら、超高速・新機能素子への応用が極めて有望であり各
所で研究開発が活発に行われるようになった。
[Prior art] Resonance tunnel effect is extremely promising for application to ultra-high-speed and new-function devices because the delay time required for the passage of electrons is remarkably short and the differential negative resistance characteristic is remarkable. Development has become active.

第10図および第11図はそれぞれ従来技術による共鳴ト
ンネル・バイポーラ・トランジスタ(RBT)の断面構造
図およびその動作を示すエネルギー・バンド図で、例え
ば二木らによりジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィズィクス(Jpn.J.Appl.Phys.)、第26巻,L
131頁,1987年に報告されているものである。この共鳴ト
ンネル・バイポーラ・トランジスタ(以下RBTという)
の断面図は、対称軸Y−Y′の片側面のみが示されてい
るが、第10図に示すように、N+GaAs基板9上に形成され
たn型AlGaAsエミッタ層1と、超格子層を形成するノン
ドープ・GaAs量子井戸層2aとノンドープAlGaAsポテンシ
ャル・バリア層2bとのサンドイッチ層と、p型GaAsベー
ス層3と、n型GaAsコレクタ層5とから成る。ここで、
10,11および12はそれぞれエミッタ,ベースおよびコレ
クタの各電極である。このRBTでは共鳴トンネル効果に
よって注入された電子がベース層3中をホット・エレク
トロンとなって走行するため、顕著な微分負性抵抗(ND
R)を有しており、高速に動作するフリップ・フロップ
等の構成が可能である。
FIG. 10 and FIG. 11 are cross-sectional structural views of a conventional resonant tunneling bipolar transistor (RBT) and energy band diagrams showing the operation thereof, for example, Japanese Journal of Applied Physics by Niki et al. (Jpn.J.Appl.Phys.), Volume 26, L
131 pages, reported in 1987. This resonant tunneling bipolar transistor (hereinafter called RBT)
Although only one side surface of the axis of symmetry YY ′ is shown in the sectional view of FIG. 10, as shown in FIG. 10, the n-type AlGaAs emitter layer 1 formed on the N + GaAs substrate 9 and the superlattice are formed. The layer is composed of a sandwich layer of a non-doped GaAs quantum well layer 2a and a non-doped AlGaAs potential barrier layer 2b, a p-type GaAs base layer 3 and an n-type GaAs collector layer 5. here,
Reference numerals 10, 11 and 12 denote emitter, base and collector electrodes, respectively. In this RBT, electrons injected due to the resonance tunnel effect travel as hot electrons in the base layer 3, so that a remarkable differential negative resistance (ND
R), and can be configured as a flip-flop that operates at high speed.

第12図は上記従来の共鳴トンネル・バイポーラ・トラ
ンジスタ(RBT)を用いて構成されたフリップ・フロッ
プの接続回路図を示すもので、エミッタ接地されたRBT
のコレクタ電極12は抵抗Rを介して電圧源VCCによって
駆動され、また、ベース電極11に入力端子Sから抵抗RS
を介して入力電圧が印加されることによって動作する。
この際、RBTのコレクタ電極12と抵抗Rの結接点の電位
が出力端子Qから取り出されるが、入力端子Sにバイア
ス電位を印加することによって出力端子Qの電位は2つ
の安定状態をもつようになり、このバイアス電位に対し
正か負の何れか一つのパルスを入力端子Sに入力するこ
とによってそれら2つの状態を切り換えることが可能に
なる。このように、このRBTを用いれば1個の能動素子
で簡潔なフリップ・フロップ回路を得ることができる。
FIG. 12 shows a connection circuit diagram of a flip-flop configured by using the conventional resonant tunneling bipolar transistor (RBT) described above.
Collector electrode 12 is driven by a voltage source V CC through a resistor R, and the base electrode 11 is connected to a resistor R S from an input terminal S.
It operates by applying an input voltage via.
At this time, the potential of the contact point between the collector electrode 12 of the RBT and the resistor R is taken out from the output terminal Q, but by applying a bias potential to the input terminal S, the potential of the output terminal Q has two stable states. By inputting either one of positive and negative pulses to this bias potential to the input terminal S, it becomes possible to switch between these two states. Thus, by using this RBT, a simple flip-flop circuit can be obtained with one active element.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

ところで、フリップ・フロップを用いてカウンタまた
はシフト・レジスタ等を構成する際には、出力Qとその
逆出力が同時に得られることが要求されるので、第12
図のような1出力のフリップ・フロップは使いにくい。
すなわち、このような1出力のフリップ,フロップを用
いて2出力のフリップ・フロップを構成するためにはイ
ンバータ回路を併用する必要があり、この際、配線遅延
時間の増大、出力(Q,)間の位相遅れを生じて、高速
動作が困難となる。
By the way, when a counter, a shift register, or the like is formed using flip-flops, it is required to obtain the output Q and its inverse output at the same time.
A one-output flip-flop as shown is difficult to use.
That is, in order to form a 2-output flip-flop by using such a 1-output flip-flop, it is necessary to use an inverter circuit at the same time. At this time, an increase in wiring delay time and output (Q,) Therefore, the high speed operation becomes difficult.

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、簡潔な回
路構成によって2出力のフリップ・フロップ動作を実現
しうる共鳴トンネル効果バイポーラ・トランジスタの高
速半導体装置を提供することである。
In view of such problems, an object of the present invention is to provide a high speed semiconductor device of a resonance tunnel effect bipolar transistor capable of realizing a two-output flip-flop operation with a simple circuit configuration.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明によれば、高速半導体装置は、化合物半導体基
板と、前記化合物半導体基板上に一つの一導電型エミッ
タ層を互いに共用して超格子層,逆導電型ベース層およ
び一導電型コレクタ層の順に上下対称に配置形成される
一対の同一導電型共鳴トンネル・バイポーラ・トランジ
スタから成り、前記一対の同一導電型共鳴トンネル・バ
イポーラ・トランジスタは前記超格子層を形成する量子
井戸層内に互いに異なるエネルギー準位の電子および正
孔のサブバンドをそれぞれ生成して形成されることを含
む。
According to the present invention, a high-speed semiconductor device includes a compound semiconductor substrate and a superlattice layer, an opposite conductivity type base layer, and a one conductivity type collector layer that share one emitter layer of one conductivity type on the compound semiconductor substrate. The pair of identical-conductivity-type resonant tunneling bipolar transistors, which are arranged one after another in a vertically symmetrical manner, have different energies in the quantum well layers forming the superlattice layer. It is included that a level electron sub-band and a hole sub-band are generated respectively.

〔作用〕[Action]

本発明によれば、一つの基板上に一対の同一導電型の
共鳴トンネル・バイポーラ・トランジスタが互いに異な
るエネルギー準位の電子および正孔のサブバンドを生成
する超格子層をそれぞれ独立に備えて形成される。従っ
て、それぞれのトランジスタはベース層に加わる入力信
号に対してそれぞれ独立に微分負性抵抗素子として振舞
うことができ、2出力のフリップ・フロップ、排他的OR
/NORその他の論理演算動作を一つの素子のみによって行
い得る。
According to the present invention, a pair of resonant tunneling bipolar transistors of the same conductivity type are independently formed on a single substrate, each of which is provided with a superlattice layer for generating subbands of electrons and holes having different energy levels. To be done. Therefore, each transistor can behave as a differential negative resistance element independently with respect to the input signal applied to the base layer, and the two-output flip-flop, exclusive OR
/ NOR and other logical operations can be performed by only one element.

〔実施例〕〔Example〕

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図および第2図はそれぞれ本発明高速半導体装置
の一実施例を示す断面構造図およびそれに対応する伝導
帯プロフィル図である。本実施例によれば、その断面図
は従来例と同じく対称軸Y−Y′の片側面のみが示さ
れ、N+GaAs基板9上にn型AlGaAs共通エミッタ層を挟
み上下対称に一対のRBTを配置するようにそれぞれ形成
される互いに異なる膜厚の第1および第2のノンドープ
GaAs量子井戸層2a1,2a2と第1および第2のノンドープA
l.5Ga.5Asポテンシャル・バリア層2b1,2b2のそれぞれサ
ンドイッチ構造から成る一対の第1および第2の超格子
層と、一対の第1および第2のP型GasAsベース層3a,3b
と、一対の第1および第2のn型GaAsコレクタ層5a,5b
と、n+GaAsコレクタ・コンタクト層6とを含む。ここ
で、10、11a,11bおよび12a,12bはそれぞれ共通エミッタ
電極、第1および第2のベース電極およびコレクタ電極
である。本実施例によれば、量子井戸層2a1には電子お
よび正孔のサブバンドEn,Enh(n=1,2,…)が生成さ
れ、量子井戸層2a2内には電子および正孔のサブバンド
E′n,E′nh(n=1,2,…)がそれぞれ生成される。一
般に知られているように、量子井戸層の幅をLとし、キ
ャリアの有効質量をmとしたときのサブバンドのエネル
ギー準位は で表される。但し、 はプランク(Planck)定数、πは円周率である。従っ
て、量子井戸層2a1,2a2の膜厚を適当に設定することに
よって、2つの量子井戸層におけるサブバンドのエネル
ギー準位En,E′nを互いに異ならしめることが可能とな
る。本実施例では、量子井戸層2a1の膜厚の方が2a2膜厚
より厚膜とされ、第2図のプロフィルのように、各サブ
バンドのエネルギー準位がE1<E′1<E2の順番になる
ように設定される。
1 and 2 are a sectional structural view and a conduction band profile diagram corresponding thereto showing an embodiment of the high speed semiconductor device of the present invention, respectively. According to the present embodiment, the sectional view shows only one side surface of the axis of symmetry YY 'as in the conventional example, and the n-type AlGaAs common emitter layer 1 is sandwiched on the N + GaAs substrate 9 to form a pair of vertically symmetrical pairs. First and second non-doped layers having different thicknesses formed so as to dispose the RBT.
GaAs quantum well layers 2a 1 and 2a 2 and first and second non-doped A
l.5Ga.5As potential barrier layers 2b 1 and 2b 2 each having a pair of first and second superlattice layers and a pair of first and second P-type GasAs base layers 3a and 3b.
And a pair of first and second n-type GaAs collector layers 5a, 5b
And n + GaAs collector contact layer 6. Here, 10 , 11a, 11b and 12a, 12b are a common emitter electrode, a first and a second base electrode and a collector electrode, respectively. According to this embodiment, the electron and hole subbands En, Enh (n = 1, 2, ...) Are generated in the quantum well layer 2a 1, and the electron and hole subbands are generated in the quantum well layer 2a 2 . Subbands E'n, E'nh (n = 1, 2, ...) Are generated respectively. As is generally known, when the width of the quantum well layer is L and the effective mass of carriers is m, the energy level of the subband is It is represented by. However, Is the Planck constant and π is the circular constant. Therefore, by appropriately setting the film thicknesses of the quantum well layers 2a 1 and 2a 2 , it becomes possible to make the energy levels En and E′n of the subbands in the two quantum well layers different from each other. In the present embodiment, the quantum well layer 2a 1 is made thicker than the film thickness of 2a 2 and the energy level of each subband is E1 <E′1 <E2 as shown in the profile of FIG. It is set to be in the order of.

かかる構造の高速半導体装置はつぎのように動作す
る。
The high-speed semiconductor device having such a structure operates as follows.

第3図(a),(b),(c)は本発明高速半導体装
置の基本動作を説明する伝導帯プロフィル図である。こ
こで2つのベース電極11a,11bを短絡してこれに異なる
レベルの信号パルスを加えた場合を考える。以下では説
明を簡単化するために、共通エミッタ層をE,ベース層
3a,3bをB,コレクタ層5aをC,コレクタ層5bをC′とそれ
ぞれ呼ぶことにする。
3 (a), (b) and (c) are conduction band profile diagrams for explaining the basic operation of the high speed semiconductor device of the present invention. Here, consider a case where the two base electrodes 11a and 11b are short-circuited and a signal pulse of a different level is applied thereto. In the following, in order to simplify the explanation, the common emitter layer 1 is defined as E, the base layer.
3a and 3b are called B, the collector layer 5a is called C, and the collector layer 5b is called C '.

いま、ベース・エミッタ間電圧VBEが2E1/q程度である
場合では(但し、qは電子の電荷量)第3図(a)に示
すように、量子井戸2a1のサブバンド基底準位E1におけ
る共鳴トンネル効果によってベースに注入された電子が
ホットエレクトロンとなってコレクタ層5aに到達するの
で、コレクタCに電流ICが流れる。他方、ベース層3aか
らは軽い正孔が共鳴トンネル効果によってエミッタ
注入されたベース電流IBなす。この時、コレクタC′に
は電流は流れない。ここで、VBEが2E′1/q程度になる
と、第3図(b)に示す量子井戸2a2における基底準位
E′1における共鳴トンネルが起こり、コレクタC′に
電流IC′が流れる。このとき、ポテンシャル・バリア層
2b1,2b2の価電子帯におけるバリアの高さは低いため、
2重バリア構造が変形して共鳴トンネルが起こらなくな
るので、他方のRBT側ではベース電流は流れない。この
時、一方のRBT側におけるコレクタCには電流が流れな
くなる。更にVBEが2E2/q程度になると、エネルギー準位
E2における共鳴トンネルが生じて、一方のコレクタC′
には電流が流れない状態となる。(第3図(c)参
照)。このように一つのエミッタ層を共用して一対の
RBTを構成する本発明の高速半導体装置は、一方のRBTの
コレクタICおよびベース電流IBはVBE=2E1/qで微分負性
抵抗(NDR)を生じ、また、他方のRBTにおいてはコレク
タ電流IC′がVBE=2E′1/qで微分負性抵抗(NDR)を生
じる。すなわち、異なるベース・エミッタ間電圧VBE
応答してコレクタ電流およびベース電流がそれぞれ微分
負性抵抗を示すので、2出力のフリップ・フロップ等を
単独素子で容易に構成することが可能となる。
Now, when the base-emitter voltage V BE is about 2E1 / q (where q is the electron charge amount), as shown in FIG. 3 (a), the subband ground level E1 of the quantum well 2a 1 is The electrons injected into the base due to the resonance tunnel effect in the above become hot electrons and reach the collector layer 5a, so that the current I C flows through the collector C. On the other hand, light holes from the base layer 3a form the base current I B injected into the emitter 1 by the resonance tunnel effect. At this time, no current flows through the collector C '. Here, when V BE becomes about 2E′1 / q, a resonant tunnel occurs at the ground level E′1 in the quantum well 2a 2 shown in FIG. 3B, and a current I C ′ flows through the collector C ′. . At this time, the potential barrier layer
Since the barrier height in the valence band of 2b 1 and 2b 2 is low,
Since the double barrier structure is deformed and the resonance tunnel does not occur, the base current does not flow on the other RBT side. At this time, no current flows in the collector C on one RBT side. Further, when V BE becomes about 2E2 / q, the energy level
A resonant tunnel occurs at E2, causing one collector C '
No current will flow through it. (See FIG. 3 (c)). In this way, one emitter layer 1 is shared and a pair of
In the high-speed semiconductor device of the present invention which constitutes the RBT, the collector I C and the base current I B of one RBT produce a differential negative resistance (NDR) at V BE = 2E1 / q, and the other RBT has a collector. The current I C ′ produces a differential negative resistance (NDR) at V BE = 2E′1 / q. That is, since the collector current and the base current respectively exhibit differential negative resistance in response to different base-emitter voltages V BE , it is possible to easily form a 2-output flip-flop or the like with a single element.

第4図および第5図はそれぞれ本発明高速半導体装置
を用いたフリップ・フロップの接続回路図およびその動
作電流−電圧特性図である。
4 and 5 are a connection circuit diagram of a flip-flop using the high-speed semiconductor device of the present invention and an operating current-voltage characteristic diagram thereof, respectively.

本発明高速半導体装置によるフリップ・フロップは、
エミッタ接地された本発明高速半導体装置Tの2つにコ
レクタ電極12aおよび12bが抵抗R1およびR2を介してそれ
ぞれ電圧源VCCに接続され、共通接続された2つのベー
ス端子11a,11bに抵抗RSを介して入力電圧が印加される
ことによってフリップ・フロップ動作し、コレクタ電極
12aと抵抗R1の結接点およびコレクタ電極12bと抵抗R2と
の結接点の電位がそれぞれ出力端子Q,Qから取り出され
る。この際、入力端子Sにバイアス電位VBを印加するこ
とによって、ベース電流IBにおける微分負性抵抗NDRに
起因する2つの安定状態が、ベース・エミッタ間電圧V
BEの低い状態(V0)と高い状態(V1)においてそれぞれ
形成される。このベース・エミッタ間電圧VBEの低い状
態(V0)と高い状態(V1)の値は抵抗RSを調整すること
によって、V0≒2E1/q,V1≒2E1′/qにそれぞれ設定する
ことができる。従って、VBEがV0であれば、第3図
(a)に従って、一方のRBTのコレクタCは導通してコ
レクタ電流ICが流れ、他方のRBTのコレクタC′には電
流が流れないため、出力Qは低電圧状態、すなわち
“L"、出力は高電圧状態、すなわち“H"となる。ま
た、VBE=V1であれば、第3図(b)に従って、一方のR
BTのコレクタCには電流は流れず他方のRBTのコレクタ
C′のみが導通するため、出力Qは“H",出力は“L"
状態となる。
The flip-flop based on the high-speed semiconductor device of the present invention is
The collector electrodes 12a and 12b are connected to the voltage source V CC via resistors R1 and R2, respectively, to two high-speed semiconductor devices T of the present invention whose emitters are grounded, and the resistor R is connected to two commonly connected base terminals 11a and 11b. Flip-flop operation is performed by applying the input voltage via S , and the collector electrode
The potentials of the contact between the resistor 12a and the resistor R1 and the contact between the collector electrode 12b and the resistor R2 are taken from the output terminals Q, Q, respectively. At this time, by applying the bias potential V B to the input terminal S, the two stable states due to the differential negative resistance NDR in the base current I B are changed to the base-emitter voltage V
It is formed in a low BE state (V 0 ) and a high BE state (V 1 ), respectively. The values of the low state (V 0 ) and high state (V 1 ) of the base-emitter voltage V BE can be adjusted to V 0 ≈ 2E1 / q, V 1 ≈ 2E1 ′ / q by adjusting the resistance R S. Can be set. Therefore, if V BE is V 0 , the collector C of one RBT becomes conductive and the collector current I C flows according to FIG. 3 (a), and no current flows to the collector C ′ of the other RBT. , The output Q is in a low voltage state, that is, "L", and the output is in a high voltage state, that is, "H". If V BE = V 1 , then one R
No current flows through the collector C of the BT, and only the collector C'of the other RBT conducts, so the output Q is "H" and the output is "L".
It becomes a state.

ところで、いまVBE=V0である時、入力端子Sにバイ
アス電位VBに対し正のパルスが入力されると、VBEはV0
からV1に遷移し出力Qととは互いに反転するが、VBE
がV0である状態である時負のパルスが入力されてもVBE
はV0にとどまるので、出力は保持される。同様に、VBE
がV1なる状態の時、入力端子Sにバイアス電位VBに対し
負のパルスを入力することによって、VBEをV1なる状態
からV0なる状態に遷移させることも可能である。正の入
力をS0,負の入力をR0であらわすと、第4図の回路の入
出力の真理表は第1表のようになり、これから、2出力
フリップ・フロップ動作になっていることが確められ
る。
By the way, when V BE = V 0 , when a positive pulse is input to the input terminal S with respect to the bias potential V B , V BE becomes V 0
Changes from V 1 to V 1 and is inverted from the output Q, but V BE
Is V 0 , even if a negative pulse is input, V BE
Remains at V 0 , so the output is held. Similarly, V BE
There the state made V 1, by inputting a negative pulse with respect to the bias potential V B to the input terminal S, it is possible to transition the V BE from V 1 becomes state V 0 becomes state. If the positive input is represented by S 0 and the negative input is represented by R 0 , the truth table of the input / output of the circuit of FIG. 4 becomes as shown in Table 1, and from now on, it should be the 2-output flip-flop operation. Is confirmed.

さらに、本発明によれば、排他的OR,非排他的NORといっ
た複数の論理演算を同時に行うことも可能である。
Further, according to the present invention, it is possible to simultaneously perform a plurality of logical operations such as exclusive OR and non-exclusive NOR.

第6図および第7図はそれぞれ本発明高速半導体装置
で構成された排他的OR/NORの接続回路図およびその論理
演算機能を説明する電流−電圧特性図である。
FIG. 6 and FIG. 7 are a connection circuit diagram of an exclusive OR / NOR constituted by the high-speed semiconductor device of the present invention and a current-voltage characteristic diagram for explaining its logical operation function.

本発明高速半導体装置による排他的OR/NOR回路は、エ
ミッタ接地された本発明高速半導体装置Tの2つのコレ
クタ電極12aおよび12bが抵抗R1およびR2を介してそれぞ
れ電圧源VCCに接続され、共通接続された2つのベース
端子11a,11bに2つの入力端子A,Bからそれぞれ抵抗Ra,R
bを介して異なる2つの入力電圧が印加されることによ
って動作し、コレクタ電極12aと抵抗R1の結接点および
コレクタ電極12bと抵抗R2との結接点の電位がそれぞれ
出力端子X,Yから取り出される。この回路によると、抵
抗Ra,Rbを適当に設定することによって、第5図のよう
なベース電流IBにおける2安定状態が生じないようにす
ることができる。従って、ベース・エミッタ間電圧の低
い状態(V0)および高い状態(V1,V2)をそれぞれV0≒2
E1/qおよびV1≒2E1′/q,V2≒2E2/qとし、且つ、電圧V0/
2を“0"レベル、V1−V0/2を“1"レベルにそれぞれ設定
して入力端子A,Bにいずれかを与える場合を想定する
と、入力A,Bがいずれも“0"であるか、またはいずれも
が“1"であれば、ベース・エミッタ間電圧VBEはそれぞ
れV0または約V2となるので、第7図の電流−電圧特性か
ら明かなように、どちらの場合も一方のRBTのコレクタ
Cが導通してコレクタ電流ICが流れ、他方のRBTのコレ
クタC′に電流I′は流れない状態になる。すなわ
ち、出力端子Xの出力は“L"となり、出力端子Yの出力
は“H"となる。同様に入力A,B互いに異なるときは、VBE
=V1になるので出力Xが“H",出力Yが“L"となる。こ
れを真理表で表すと第2表のようになり、XはAとBの
排他的OR,YはAとBの排他的NORになっていることが確
かめられる。
In the exclusive OR / NOR circuit according to the high speed semiconductor device of the present invention, the two collector electrodes 12a and 12b of the high speed semiconductor device T of the present invention whose emitter is grounded are connected to the voltage source V CC via the resistors R 1 and R 2 , respectively. , Two input terminals A and B connected to two commonly connected base terminals 11a and 11b, and resistors Ra and R, respectively.
It operates when two different input voltages are applied via b, and the potentials of the contact between the collector electrode 12a and the resistor R 1 and the contact between the collector electrode 12b and the resistor R 2 are respectively from the output terminals X and Y. Taken out. According to this circuit, the resistor Ra, by appropriately setting the Rb, it is possible to make 2 stable state does not occur in the base current I B as Figure 5. Therefore, when the base-emitter voltage is low (V 0 ) and high (V 1 , V 2 ), V 0 ≈ 2
E1 / q and V 1 ≈ 2E1 ′ / q, V 2 ≈ 2E2 / q, and voltage V 0 /
2 "0" level, V 1 -V 0/2 "1" level in each set to the input terminal A, when it is assumed that give either the B, input A, also B are both at "0" If either of them is “1”, the base-emitter voltage V BE becomes V 0 or approximately V 2 , respectively. Therefore, as is clear from the current-voltage characteristics of FIG. On the other hand, the collector C of one RBT becomes conductive, the collector current I C flows, and the current I ′ C does not flow in the collector C ′ of the other RBT. That is, the output of the output terminal X becomes "L" and the output of the output terminal Y becomes "H". Similarly, when inputs A and B are different from each other, V BE
= V 1 , the output X becomes "H" and the output Y becomes "L". The truth table shows this as shown in Table 2. It can be confirmed that X is the exclusive OR of A and B, and Y is the exclusive NOR of A and B.

第8図および第9図はそれぞれ本発明高速半導体装置
の実施例を示す断面構造図およびそれに対応する伝導帯
プロフィル図である。本実施例によれば、その断面図は
前実施例と同じく対称軸Y−Y′の片側面のみが示さ
れ、N+GaAs基板9上にn形AlGaAs共通エミッタ層を挟
み上下対称に一対のRBTを配置するようにそれぞれ形成
されるノンドープIn.1Ga.9As量子井戸層2a1′とノンド
ープAlAsポテンシャル・バリア層2b1′およびノンドー
プGaAs量子井戸層2a2′とノンドープAlAsポテンシャル
・バリア層2b2′のそれぞれサンドイッチ構造から成る
一対の第1および第2の超格子層と、一対の第1および
第2のP型GaAsベース層3a,3bと、一対の第1および第
2のn型GaAsコレクタ層5a,5bと、n+GaAsコレクタ・コ
ンタクト層6とを含む。ここで、10は共通エミッタ電
極、11a,11bはそれぞれ第1および第2のベース電極、1
2a,12bはそれぞれ第1および第2のコレクタ電極であ
る。本実施例によれば、量子井戸層2a1′内には電子お
よび正孔のサブバンドEn,Enh(n=1,2,…)がそれぞれ
生成され、また、量子井戸層2a2′内には電子および正
孔のサブバンドE′n,E′nhがそれぞれ生成される。AlA
sとInGaAsは格子定数が異なるが、InGaAs量子井戸層2
a1′の厚みを30A程度とミスフィット転位が形成される
臨界膜厚(約100A)以下にすることによって、弾性歪み
が格子不整を緩和する歪み格子層となり、良好な界面が
形成される。ここでInGaAsはGaAsよりバンド・ギャップ
が狭いため、In.1Ga.9As/GaAsにおける伝導帯オフセッ
ト分(約100meV)だけ両側に位置するエミッタ層,ベ
ース3aより伝導帯下端が低エネルギーとなる。したがっ
て、第9図のバンドのような伝導帯プロフィルとなっ
て、量子井戸層2a1′と2a2′の膜厚を前実施例の如く異
ならしめないでもE1<E1′<E2が達成され、本発明によ
る高速半導体装置を実現することができる。以上の説明
では材料系としてGaAs/AlGaAsを例にとったが、本発明
による高速半導体装置は勿論この材料系に限ることな
く、他の組み合わせによっても実現可能である。
8 and 9 are a cross-sectional structural view and a conduction band profile diagram corresponding thereto showing an embodiment of the high speed semiconductor device of the present invention, respectively. According to the present embodiment, the cross-sectional view thereof shows only one side surface of the axis of symmetry YY 'as in the previous embodiment, and the n-type AlGaAs common emitter layer 1 is sandwiched on the N + GaAs substrate 9 to form a vertically symmetrical pair. Non-doped In.1Ga.9As quantum well layer 2a 1 ′ and non-doped AlAs potential barrier layer 2b 1 ′ and non-doped GaAs quantum well layer 2a 2 ′ and non-doped AlAs potential barrier layer 2b, respectively A pair of first and second superlattice layers having a sandwich structure of 2 ', a pair of first and second P-type GaAs base layers 3a and 3b, and a pair of first and second n-type GaAs. It includes collector layers 5a and 5b and an n + GaAs collector / contact layer 6. Here, 10 is a common emitter electrode, 11 a and 11 b are first and second base electrodes, respectively.
2a and 12b are the first and second collector electrodes, respectively. According to the present embodiment, electron and hole subbands En, Enh (n = 1, 2, ...) Are generated in the quantum well layer 2a 1 ′, respectively, and the quantum well layer 2a 2 ′ is also generated. Generates electron and hole subbands E'n and E'nh, respectively. AlA
Although s and InGaAs have different lattice constants, InGaAs quantum well layer 2
By setting the thickness of a 1 ′ to about 30 A and below the critical film thickness (about 100 A) at which misfit dislocations are formed, elastic strain becomes a strained lattice layer that relaxes lattice misalignment, and a good interface is formed. Since InGaAs has a narrower band gap than GaAs, the lower energy level of the conduction band is lower than that of the emitter layer 1 and the base 3a located on both sides by the conduction band offset (about 100 meV) in In.1Ga.9As / GaAs. Therefore, a conduction band profile such as the band shown in FIG. 9 is obtained, and E1 <E1 ′ <E2 is achieved even if the quantum well layers 2a 1 ′ and 2a 2 ′ are not made different in thickness as in the previous embodiment. A high speed semiconductor device according to the present invention can be realized. Although GaAs / AlGaAs is taken as an example of the material system in the above description, the high speed semiconductor device according to the present invention is not limited to this material system, and can be realized by other combinations.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳細な説明から明らかなように、本発明によれ
ば、極めて簡潔な回路構成によって2出力のフリップ・
フロップ動作を可能にし、また、論理演算機能も有する
高速半導体装置を実現することができるので、今後の通
信・情報技術に寄与するところがきわめて大きい。
As will be apparent from the above detailed description, according to the present invention, a flip-flop having two outputs can be formed with an extremely simple circuit configuration.
Since it is possible to realize a high-speed semiconductor device that enables a flop operation and also has a logical operation function, it will greatly contribute to future communication and information technology.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図および第2図はそれぞれ本発明高速半導体装置の
一実施例を示す断面構造図およびそれに対応する伝導帯
プロフィル図、第3図(a),(b),(c)は本発明
高速半導体装置の基本動作を説明する伝導帯プロフィル
図、第4図および第5図はそれぞれ本発明高速半導体装
置を用いたフリップ・フロップの接続回路図およびその
動作電流−電圧特性図、第6図および第7図は本発明高
速半導体装置で構成された排他的OR/NORの接続回路図お
よびその論理演算機能を説明する電流−電圧特性図、第
8図および第9図はそれぞれ本発明高速半導体装置の他
の実施例を示す断面構造図およびそれに対応する伝導帯
プロフィル図、第10図および第11図はそれぞれ従来技術
による共鳴トンネル・バイポーラ・トランジスタ(RB
T)の断面構造図およびその動作を示すエネルギー・バ
ンド図、第12図は上記従来の共鳴トンネル・バイポーラ
・トランジスタを用いて構成されたフリップ・フロップ
の接続回路図である。 ……n型AlGaAs共通エミッタ層、2a,2a2,2a2′……超
格子層を形成するノンドープGaAs量子井戸層、2b1,2b2
……超格子層を形成するノンドープAlGaAsポテンシャル
・バリア層、2b1′,2b2′……超格子層を形成するノン
ドープAlAsポテンシャル・バリア層、3a,3b……p型GaA
sベース層、5a,5b……n型GaAsコレクタ層、6……n+Ga
Asコレクタ層、9……n+GaAs基板、10……共通エミッタ
電極、11a,11b……ベース電極、12a,12b……コレクタ電
極、2a1′……ノンドープInGaAs量子井戸層、En,En′,E
nh,E′nh……サブバンド準位、T……高速半導体装置、
Rs,R1,R2,Ra,Rb,R……抵抗、VCC……電圧源。
1 and 2 are cross-sectional structural views showing an embodiment of the high speed semiconductor device of the present invention and a conduction band profile diagram corresponding thereto, and FIGS. 3 (a), (b) and (c) are the high speed semiconductor devices of the present invention. A conduction band profile diagram for explaining the basic operation of the semiconductor device, FIGS. 4 and 5 are a connection circuit diagram of a flip-flop using the high speed semiconductor device of the present invention and its operation current-voltage characteristic diagram, FIG. 6 and FIG. FIG. 7 is a connection circuit diagram of exclusive OR / NOR constituted by the high speed semiconductor device of the present invention and a current-voltage characteristic diagram for explaining its logical operation function. FIGS. 8 and 9 are high speed semiconductor devices of the present invention, respectively. FIG. 10 is a cross-sectional structural view showing another embodiment of the present invention and its corresponding conduction band profile diagram, and FIG. 10 and FIG. 11 are resonance tunnel bipolar transistors (RB
FIG. 12 is a connection circuit diagram of a flip-flop formed by using the conventional resonant tunneling bipolar transistor described above, and FIG. 12 is a sectional structural view of T) and an energy band diagram showing its operation. 1 ... n-type AlGaAs common emitter layer, 2a, 2a 2 , 2a 2 '... non-doped GaAs quantum well layer forming superlattice layer, 2b 1 , 2b 2
...... Non-doped AlGaAs potential barrier layer forming superlattice layer, 2b 1 ′, 2b 2 ′ …… Non-doped AlAs potential barrier layer forming superlattice layer, 3a, 3b …… p-type GaA
s base layer, 5a, 5b ... n-type GaAs collector layer, 6 ... n + Ga
As collector layer, 9 ... n + GaAs substrate, 10 ... Common emitter electrode, 11a, 11b ... Base electrode, 12a, 12b ... Collector electrode, 2a 1 '... Non-doped InGaAs quantum well layer, En, En' , E
nh, E'nh ... Subband level, T ... High-speed semiconductor device,
Rs, R1, R2, Ra, Rb, R …… Resistor, V CC …… Voltage source.

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/201 29/73 29/88 H03K 3/313 H01L 27/06 101 B 29/88 S ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication location H01L 29/201 29/73 29/88 H03K 3/313 H01L 27/06 101 B 29/88 S

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】化合物半導体基板と、前記化合物半導体基
板上に一つの一導電型エミッタ層を互いに共用して超格
子層,逆導電型ベース層および一導電型コレクタ層の順
に上下対称に配置形成される一対の同一導電型共鳴トン
ネル・バイポーラ・トランジスタから成り、前記一対の
同一導電型共鳴トンネル・バイポーラ・トランジスタは
前記超格子層を形成する量子井戸層内に互いに異なるエ
ネルギー準位の電子および正孔のサブバンドをそれぞれ
生成して形成されることを特徴とする高速半導体装置。
1. A compound semiconductor substrate and a superconducting layer, an anticonductivity type base layer and a one conductivity type collector layer which are formed on the compound semiconductor substrate so as to be shared by each other and are arranged symmetrically in the vertical direction. A pair of identical conductivity type resonant tunneling bipolar transistors, wherein the pair of identical conductivity type resonant tunneling bipolar transistors are arranged in the quantum well layer forming the superlattice layer. A high-speed semiconductor device characterized by being formed by forming sub-bands of holes respectively.
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