JPH0831591B2 - High-speed semiconductor device - Google Patents
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- JPH0831591B2 JPH0831591B2 JP63093042A JP9304288A JPH0831591B2 JP H0831591 B2 JPH0831591 B2 JP H0831591B2 JP 63093042 A JP63093042 A JP 63093042A JP 9304288 A JP9304288 A JP 9304288A JP H0831591 B2 JPH0831591 B2 JP H0831591B2
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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・
ホットキャリア・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 resonant tunneling device.
Regarding hot carrier 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・ホットエレクトロン・トランジスタ(RHET)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、例えば横山らによりジャパニーズジャーナル・オブ
・アプライド・フィズィックス(Jpn.J.Appl.Phys.)、
第24巻、第11号、L853頁、1985年に報告されているもの
である。この共鳴トンネル・ホットエレクトロン・トラ
ンジスタ(以下RHET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のが、第10図に示すよう
に、半絶縁性GaAs基板9上に形成されたn形GaAsエミッ
タ層1と、超格子層を形成するノンドープAlGaAs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、n形GaAsベース層3と、ノンドー
プAlGaAsコレクタ側ポテンシャル・バリア層4との、n
形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ァの各電極
である。このRHET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(NDR)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 an energy band diagram showing a cross-sectional structure diagram and operation of a conventional resonant tunneling hot electron transistor (RHET), for example, Yokoyama et al., Japanese Journal of Applied Physics. (Jpn.J.Appl.Phys.),
Vol. 24, No. 11, L853, reported in 1985. The cross-sectional view of this resonant tunneling hot electron transistor (hereinafter referred to as RHET) is the axis of symmetry YY '.
As shown in FIG. 10, only one side surface of the n-type GaAs emitter layer 1 formed on the semi-insulating GaAs substrate 9 and the non-doped AlGaAs quantum well layer forming the superlattice layer are shown. N of the sandwich layer of 2a and the non-doped AlGaAs potential barrier layer 2b, the n-type GaAs base layer 3, and the non-doped AlGaAs collector-side potential barrier layer 4
And a GaAs collector layer 5. Where 10, 11 and 12
Are emitter, base and collector electrodes, respectively. In this RHET, electrons injected by the resonance tunnel effect travel as hot electrons in the base layer 3 and thus have a remarkable differential negative resistance (NDR). Can be configured.
第12図は上記従来の共鳴トンネル・ホットエレクトロ
ン・トランジスタ(RHET)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RHET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には入力端子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。この回路はRHET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、入力端子Sに
バイアス電位に対し正か負の何れか一つの信号パルスを
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RHET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 above-mentioned conventional resonant tunneling hot electron transistor (RHET). The collector electrode 12 of the emitter-grounded RHET is connected via a resistor R. Voltage source Vcc
Driven by the input voltage applied to the base electrode 11 from the input terminal S through the resistor Rs. In this circuit, the potential of the contact point between the collector electrode 12 of RHET 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. Therefore, by inputting either one of the positive and negative signal pulses with respect to the bias potential to the input terminal S, it becomes possible to switch between these two states. Thus, using this RHET, 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) 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
逆出力と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。(Problems to be Solved by the Invention) By the way, when a counter, a shift register, or the like is formed by using a flip-flop, it is required that the output Q and its inverse output be obtained at the same time.
A one-output flip-flop as shown in Figure 12 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, a high-speed operation becomes difficult due to the phase delay.
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の高速半導体装置を提供するこ
とである。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a high-speed semiconductor device having a resonant tunnel effect capable of realizing a 2-output flip-flop operation with a simple circuit configuration.
(課題を解決するための手段) 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エミッタ層を互
いに共用して超格子層、ベース層およびコレクタ層の順
に上下対称に配置形成される一対の共鳴トンネル・ホッ
トキャリア・トランジスタから成り、前記一対の共鳴ト
ンネル・ホットキャリア・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
の電子または正孔のサブバンドをそれぞれ生成して形成
されることを含んで構成される。(Means for Solving the Problems) According to the present invention, a high-speed semiconductor device includes a compound semiconductor substrate and a superlattice layer, a base layer, and a collector layer that share one emitter layer on the compound semiconductor substrate. The pair of resonant tunneling hot carrier transistors, which are arranged one after another in a vertically symmetrical arrangement, have electrons of different energy levels in the quantum well layer forming the superlattice layer. Alternatively, each of the sub-bands of holes is generated and formed.
(作用) 本発明によれば、一つの基板上に一対の共鳴トンネル
・ホットキャリア・トランジスタが互いに異なるエネル
ギー準位の電子または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一つの入力信号
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わし
め得る。(Operation) According to the present invention, a pair of resonant tunneling hot carrier transistors are independently formed on a single substrate, each of which is provided with a superlattice layer for generating subbands of electrons or holes having different energy levels. To be done. Therefore, each transistor can behave independently as a differential negative resistance element with respect to one input signal applied to the base layer, and it can operate as a 2-output flip-flop, exclusive OR / NOR.
Other logical operation operations can be performed by only one element.
(実施例) 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。(Example) 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、半絶縁性GaAs基板9上にn型GaAs共通エミッタ1を
挟み上下対称に一対のRHET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Al0.3Ga0.7Asポテンシャル・バリア層2b1,2b2とのそ
れぞれサンドイッチ層から成る一対の第1および第2の
超格子層と、一対の第1および第2のn型GaAsベース層
3a,3bと、一対の第1および第2のノンドープAl0.15Ga
0.85Asコレクタ側ポテンシャル・バリア層4a,4bと、一
対の第1および第2のn型GaAsコレクタ層5a,5b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のそれぞれベース電極お
よびコレクタ電極を示す。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 symmetry axis Y-Y 'as in the conventional example, and the n-type GaAs common emitter 1 is sandwiched on the semi-insulating GaAs substrate 9 to form a pair of vertically symmetrical pairs. The first and second non-doped GaAs quantum well layers 2a 1 and 2a 2 and the first and second non-doped Al 0.3 Ga 0.7 As potential barrier layers 2b 1 having different thicknesses formed so as to arrange the RHET. , 2b 2 and a pair of first and second superlattice layers each consisting of a sandwich layer, and a pair of first and second n-type GaAs base layers
3a, 3b and a pair of first and second undoped Al 0.15 Ga
0.85 As collector-side potential barrier layers 4a, 4b and a pair of first and second n-type GaAs collector layers 5a, 5b. Here, reference numerals 10 , 11a, 11b and 12a, 12b respectively denote a common emitter electrode and first and second base electrodes and collector electrodes, respectively.
本実施例によれば、量子井戸層2a1内には電子のサブ
バンドEn(n=1,2,…)が生成され、また量子井戸層2a
2内には電子のサブバンドE′N(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とし電子の有効質量をmとしたとき量子井戸
層のサブバンドのエネルギー準位はおおよそ で表される。但し、 はプランク(Planck)定数、п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の膜厚より
厚膜とされ、第2図のプロフィルが示すように、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。According to this embodiment, electron sub-bands En (n = 1, 2, ...) Are generated in the quantum well layer 2a 1 , and the quantum well layer 2a is formed.
The in 2 electron subbands E'N (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 electrons is m, the energy level of the subband of the quantum well layer is approximately It is represented by. However, Is the Planck constant, and п is the pi. 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. In this embodiment, the quantum well layer 2a 1 is thicker than the film thickness of 2a 2 , and the energy level of each subband is E 1 <E ′ as shown in the profile of FIG. The order is 1 <E 2 .
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を示す。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1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) show 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 signal pulses of different levels are applied thereto. For the sake of simplicity, the common emitter layer 1 will be referred to as E, the base layers 3a and 3b as B, the collector layer 5a as C, and the collector layer 5b as 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に
おける電子の注入エネルギーは第1のコレクタ側バリア
層4aの高さと同程度であり低いため、ベース層3aに注入
された電子の一部分はベースBに流れ込みベース電流IB
をなす。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)のよう
に量子井戸2a2のサブバンド基底準位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。このときベース層3bにおける電子の注入エネルギー
は第2のコレクタ側バリア4bの高さに比べて充分大きい
ため、ほとんどの電子はコレクタC′に流れ込みベース
電流は流れない。この時、一方のコレクタ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
ー準位はE2における共鳴トンネルが生じ、一方のコレク
タCに電流が流れ、他方のコレクタC′には電流は流れ
ない状態となる(第3図(c)参照)。このようにエミ
ッタ層1を共用して一対のRHETを構成する本発明の高速
半導体装置は、一方のRHETのコレクタ電流ICおよびベー
ス電流IBがVBE=2E1/qで微分負性抵抗(NDR)を生じ、
また、他方のRHETにおいてはコレクタ電流IC′がVBE=2
E1/qで同じく微分負性抵抗(NDR)を生じる。すなわ
ち、異なるベースエミッタ間電圧(VBE)に応答してコ
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 2E 1 / q (where q is the electron charge amount), as shown in FIG. 3 (a), the subband ground level of the quantum well 2a 1 The electrons injected into the base due to the resonance tunnel effect at E 1 become hot electrons and reach the collector layer 5a, so that the current Ic flows through the collector C. On the other hand, since the injection energy of electrons in the base layer 3a is as low as the height of the first collector-side barrier layer 4a, a part of the electrons injected into the base layer 3a flows into the base B and the base current I B
Make At this time, no current flows through the collector C '. Here, when V BE becomes about 2E ′ 1 / q, a resonant tunnel occurs in the subband ground level E ′ 1 of the quantum well 2a 2 as shown in FIG. 3B, and the current I C flows to the collector C ′. ′ Flows. At this time, since the injection energy of electrons in the base layer 3b is sufficiently higher than the height of the second collector-side barrier 4b, most of the electrons flow into the collector C'and no base current flows. At this time, no current flows in one collector C. Further, when V BE becomes about 2E 2 / q, a resonance tunnel occurs in the energy level at E 2 , and a current flows in one collector C and no current flows in the other collector C ′ (the third state). See FIG. (C)). As described above, the high-speed semiconductor device of the present invention in which the emitter layer 1 is shared to form the pair of RHETs has a differential negative resistance when the collector current I C and the base current I B of one RHET are V BE = 2E 1 / q. (NDR),
In the other RHET, the collector current I C ′ is V BE = 2
E 1 / q also causes differential negative resistance (NDR). 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 two-output flip-flop 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,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VBE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≒2E′
1/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RHETのコレク
タCは導通してコレクタ電極ICが流れ、他方のRHETのコ
レクタC′には電流が流れない。従って、出力Qは低電
圧状態、すなわち“L"、また、出力は高電圧状態、す
なわち“H"となる。また、VBEがV1であれば、第3図
(b)に従って、一方のRHETのコレクタCには電流は流
れず他方のRHET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
Two collector electrodes 12a and 12b of the high-speed semiconductor device T of the present invention having a grounded emitter are connected to a voltage source V CC via resistors R 1 and R 2 , respectively, and input to two commonly connected base terminals 11a and 11b. When an input voltage is applied from the terminal S via the resistor Rs, a flip-flop operation is performed, and the potentials of the connecting contact between the collector electrode 12a and the resistor R 1 and the connecting contact between the collector electrode 12b and the resistor R 2 are output terminals.
Retrieved from Q. 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 low base-emitter voltage V BE (V BE). 0 ) and high state (V 1 ) respectively. The value of the low state (V 0 ) and the high state (V 1 ) of this base-emitter voltage V BE can be adjusted by adjusting the resistance Rs to obtain V 0 ≈ 2E 1 / q V 1 ≈ 2E ′
Can be set to 1 / q respectively. Therefore, V BE is V 0
Then, according to FIG. 3 (a), the collector C of one RHET becomes conductive and the collector electrode I C flows, and no current flows to the collector C'of the other RHET. Therefore, the output Q is in the low voltage state, that is, "L", and the output is in the high voltage state, that is, "H". If V BE is V 1 , according to FIG. 3 (b), no current flows through the collector C of one RHET and only the collector C ′ of the other RHET conducts, so that the output Q is “H”, The output goes to the “L” state.
ところで、いまVBE=V0である時、入力端子Sにバイ
アス電圧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で表すと、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かめられる。By the way, when V BE = V 0 , when a positive pulse is input to the input terminal S with respect to the bias voltage 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. When the positive input is represented by S 0 and the negative input is represented by R 0 , the truth table of input and output of the circuit of FIG. 4 is as shown in Table 1, and from now on, it is a 2-output flip-flop operation. Can be confirmed.
さらに、本発明によれば、排他的OR、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 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回路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 circuit 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による高速半導体装置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、抵抗Rb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
出力端子X,Yからそれぞれ取り出される。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VBEの低い状態(V0)および高い状態(V1,V2)をそれ
ぞV0≒2E1/q,V1≒2E′1/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のいずれもが“0"であるか、またはいず
れもが“1"である場合は、ベース・エミッタ間電圧VBE
はそれぞれV0またはほぼV2となる。従って、第7図の電
流−電圧特性から明らかなように、どちらの場合も一方
のRHETのコレクタCが導通してコレクタ電流ICが流れ、
他方のRHETのコレクタC′に電流I′Cが流れない状態
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が互いに異
なるときはVBE=V1になるので、出力はXが“H"、また
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 with the emitter grounded are connected to the voltage source V CC via the resistors R 1 and R 2 , respectively. Are connected to the two commonly connected base voltage sources V CC , and the two commonly connected base terminals 11a and 11b are respectively connected to the resistors from the two input terminals A and B.
It operates by applying two different input voltages via R a and resistor R b , and the potential of the contact between collector electrode 12a and resistor R 1 and the potential between the contact between collector electrode 12b and resistor R 2 are output terminals. Retrieved from X and Y respectively. According to this circuit, by appropriately setting the resistors R a and R b , it is possible to prevent the bistable state at the base current I B as shown in FIG. 5 from occurring. Therefore, the low (V 0 ) and high (V 1 , V 2 ) states of the base-emitter voltage V BE are V 0 ≈ 2E 1 / q, V 1 ≈ 2E ′ 1 / q, V 2 ≈ 2E, respectively. 2 / q and voltage V 0 /
2 "0" level, (V 1 -V 0/2 ) the "1" and set to the level input terminal A, when it is assumed that give either the B, input A, none of B is " When it is 0 "or both are" 1 ", the base-emitter voltage V BE
Are respectively V 0 or almost V 2 . Therefore, as is clear from the current-voltage characteristics of FIG. 7, in either case, the collector C of one RHET becomes conductive and the collector current I C flows,
It becomes the other state that does not have C flows 'current I' collector C of the RHET. That is, the output of the output terminal X becomes "L" and the output of the output terminal Y becomes "H". Similarly, when the inputs A and B are different from each other, V BE = V 1 , so that the output is “H” for X and “L” for Y. The truth table shows this as in Table 2, where X is the exclusive OR of A and B, and Y is the exclusive NOR of A and B.
It can be confirmed that
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型GaAs共通エミッタ層1を
挟み上下対称に一対のRHETを配置するようにそれぞれ形
成されるノンドープIn0.1Ga0.9As量子井戸層2a′1とノ
ンドープAlAsポテンシャル・バリア層2b′1、およびノ
ンドープGaAs量子井戸層2a′2とノンドープAlAsポテン
シャル・バリア層2b′2のそれぞれサンドイッチ層から
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n形GaAsベース層3a,3bと一対の第1および
第2のドノンープAl0.2Ga0.8Asコレクタ側ポテンシャル
・バリア層4a,4bと、一対の第1および第2のn形GaAs
コレクタ層5a,5b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2a′1内には電子の
サブバンドEn(n=1,2,…)が生成され、また量子井戸
層2a′2内には電子のサブバンドEn(n=1,2,…)が生
成される。AlAsとInGaAsは格子定数が異なるが、InGaAs
量子井戸層2a′1の厚みを30Å程度とミスフィット転位
が形成される臨界厚膜(約100Å)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・ジャップが狭いため、In0.1Ga0.9As/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1、ベース層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2a′1と2a′2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。さらに、以上の実施例ではn型半導体
を用いているが、p型半導体を用いることもできる。 FIG. 8 and FIG. 9 are a sectional structural view and a conduction band profile diagram corresponding thereto, respectively, showing another embodiment of the high speed semiconductor device of the present invention. According to the present embodiment, the sectional view shows only one side surface of the axis of symmetry YY 'as in the previous embodiment, and is vertically symmetrical with the n-type GaAs common emitter layer 1 sandwiched on the N + GaAs substrate 9'. A non-doped In 0.1 Ga 0.9 As quantum well layer 2a ′ 1 and a non-doped AlAs potential barrier layer 2b ′ 1 , and a non-doped GaAs quantum well layer 2a ′ 2 and a non-doped AlAs potential barrier, which are respectively formed by disposing a pair of RHETs. the pair of each layer 2b '2 consisting sandwich layer 1 and the second superlattice layer, a pair of first and second n-type GaAs base layer 3a, 3b and a pair of first and second Dononpu Al 0.2 Ga 0.8 As collector-side potential barrier layers 4a, 4b and a pair of first and second n-type GaAs
Includes collector layers 5a and 5b. Here, 10 is a common emitter electrode, 11a and 11b are the first and second base electrodes, respectively.
Reference numerals 2a and 12b denote first and second collector electrodes, respectively. According to this embodiment, an electron sub-band En (n = 1, 2, ...) Is generated in the quantum well layer 2a ′ 1 and an electron sub-band En (n = 1, 2, ...) Is generated in the quantum well layer 2a ′ 2 . n = 1, 2, ...) Is generated. Although AlAs and InGaAs have different lattice constants, InGaAs
By setting the thickness of the quantum well layer 2a ′ 1 to around 30Å and the critical thickness film (about 100Å) at which misfit dislocations are formed, elastic strain becomes a strained lattice layer that relaxes lattice misalignment, and a good interface is formed. To be done. Since InGaAs has a narrower band-jap than GaAs, the lower energy level of the conduction band is lower than that of the emitter layer 1 and the base layer 3a located on both sides by the conduction band offset (about 100 meV) in In 0.1 Ga 0.9 As / GaAs. Become. Therefore, a conduction band profile like the band shown in FIG. 9 is obtained, and E 1 <E 1 ′ <E 2 even if the quantum well layers 2a ′ 1 and 2a ′ 2 are not different in film thickness as in the previous embodiment.
Thus, the high speed semiconductor device according to the present invention can be realized. In the above explanation, GaAs / AlGaAs was used as the material system.
However, the high speed semiconductor device according to the present invention is not limited to this material system and can be realized by other combinations. Furthermore, although the n-type semiconductor is used in the above embodiments, a p-type semiconductor may be used.
(発明の効果) 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。(Effects of the Invention) As is clear from the above detailed description, according to the present invention, a flip-flop with two outputs is provided by 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.
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回路の接続回路
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・ホットエレクトロン・トランジ
スタ(RHET)の断面構造図およびそのエネルギー・バン
ド図、第12図は上記従来の共鳴トンネル・ホットエレク
トロン・トランジスタ(RHET)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。1 ……n型GaAs共通エミッタ層、2a1,2a2,2a′2……ノ
ンドープGaAs量子井戸層、2b1,2b2……ノンドープAlGaA
sポテンシャル・バリア層、2b′1,2b′2……ノンドー
プAlAsポテンシャル・バリア層、3a,3b……n型GaAsベ
ース層、4a,4b……ノンドープAlGaAsコレクタ側バリア
層、5a,5b……n型GaAsコレクタ層、9……半絶縁性GaA
s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、2a′1……ノンドープI
nGaAs量子井戸層、9′……N+GaAs基板層、E1,E2,E1′,
E2′……サブバンド準位、T……高速半導体装置、RS,R
1,R2,Ra,Rb……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 an exclusive OR / NOR circuit composed of the high-speed semiconductor device of the present invention and a current-voltage characteristic diagram for explaining its logical operation function,
8 and 9 are cross-sectional structural views showing another embodiment of the high-speed semiconductor device of the present invention and their corresponding conduction band profile diagrams, and FIGS. 10 and 11 are resonance tunnel hot electrons according to the prior art. A cross-sectional structure diagram of the transistor (RHET) and its energy band diagram, and FIG. 12 is a connection circuit diagram of a flip-flop configured using the conventional resonant tunneling hot electron transistor (RHET). 1 n-type GaAs common emitter layer, 2a 1 , 2a 2 , 2a ' 2 ... non-doped GaAs quantum well layer, 2b 1 , 2b 2 ... non-doped AlGaA
s potential barrier layer, 2b ′ 1 , 2b ′ 2 ...... non-doped AlAs potential barrier layer, 3a, 3b …… n-type GaAs base layer, 4a, 4b …… non-doped AlGaAs collector-side barrier layer, 5a, 5b …… n-type GaAs collector layer, 9 ... Semi-insulating GaA
s substrate, 10 ... common emitter electrode, 11a, 11b ... base electrode, 12a, 12b ... collector electrode, 2a ' 1 ... undoped I
nGaAs quantum well layer, 9 '... N + GaAs substrate layer, E 1 , E 2 , E 1 ',
E 2 ′ ... Sub-band level, T ... High-speed semiconductor device, R S , R
1 , R 2 , R a , R b ... resistance, 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 H03K 17/56 19/08 Z ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H03K 17/56 19/08 Z
Claims (1)
板上に一つのエミッタ層を互いに共用して超格子層、ベ
ース層およびコレクタ層の順に上下対称に配置形成され
る一対の共鳴トンネル・ホットキャリア・トランジスタ
から成り、前記一対の共鳴トンネル・ホットキャリア・
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または正孔のサブバ
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 pair of resonant tunneling hot carriers in which one emitter layer is shared on the compound semiconductor substrate and a superlattice layer, a base layer and a collector layer are arranged in this order vertically symmetrically. · A pair of resonant tunnels, hot carriers
A high-speed semiconductor device, wherein the transistor is formed by generating subbands of electrons or holes having different energy levels in the quantum well layer forming the superlattice layer.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63093042A JPH0831591B2 (en) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | High-speed semiconductor device |
| US07/683,521 US5138408A (en) | 1988-04-15 | 1991-04-09 | Resonant tunneling hot carrier transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63093042A JPH0831591B2 (en) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | High-speed semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01265561A JPH01265561A (en) | 1989-10-23 |
| JPH0831591B2 true JPH0831591B2 (en) | 1996-03-27 |
Family
ID=14071448
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63093042A Expired - Lifetime JPH0831591B2 (en) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | High-speed semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0831591B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4999687A (en) * | 1990-04-25 | 1991-03-12 | At&T Bell Laboratories | Logic element and article comprising the element |
| US5514876A (en) * | 1994-04-15 | 1996-05-07 | Trw Inc. | Multi-terminal resonant tunneling transistor |
-
1988
- 1988-04-15 JP JP63093042A patent/JPH0831591B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01265561A (en) | 1989-10-23 |
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