JPS60219767A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分舒 本発明は、従来のものと全、く異なる動作原理を有し、
超高速で動作可能なバイポーラ形式のトランジスタ（ｑ
ｕａｕｔｉｚｅｄ　ｂａｓｅ　ｔｒａｎａｉｓｔｏｒ：
ＱＢＴ）を縦続接続してなる半導体装置に関する。

従来技術と問題点 一般に、バイポーラ・トランジスタの動作原理は良く知
られているが、次に、その概略を第１図を参照して説明
する。

第１図は従来のｎｐｎ型バイポーラ・トランジスタが熱
平衡状態にある場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
である。

図に於いて、Ｅはエミッタ、Ｂはベース、Ｃはコレクタ
、ＥＦはフェルミ・レベル、Ｅ、は価電子帯、ＥＣは伝
導帯、ｎ＋ｐ＋　は導電型をそれぞれ示している。

このようなバイポーラ・トランジスタに於いて基本とさ
れる動作原理は次の通りである。

今、エミッタＥとベース８間に順方向電圧を印加すると
、エミッタＥからベースＢに注入された電子がベースＢ
中を拡散等で走行してコレクタＣに到達することに依っ
て信号がエミッタＥからコレクタＣに伝達されたことに
なる。

従って、このバイポーラ・トランジスタの動作速度は、
究極的には、電子が拡散等でエミッタＥからコレクタＣ
まで走行するのに要する時間、即ち、拡散等に依る走行
時間で規制されていることになる。

発明の目的 本発明は、全く新しい動作原理に依って高速動作が可能
であり、且つ、特異な信号伝達特性を有するトランジス
タ（以下、ＱＢＴと呼ぶ）を利用した相補型半導体装置
を提供する。

発明の構成 本発明の半導体装置は、マイノリティ・キャリヤに対す
るサブ・バンドが生成され得るベースと、トンネル効果
を生じ得る程度の厚さを有するエミッタ・ポテンシャル
・バリヤを介して前記ベースに接するエミッタと、トン
ネル効果を生じ得る程度の厚さを有するコレクタ・ポテ
ンシャル・バリヤを介して前記ベースに接するコレクタ
とを備え、前記ベースにマイノリティ・キャリヤに対す
るサブ・バンドが形成された際にエミッタからコレクタ
へ該マイノリティ・キャリヤが共鳴トンネルで１′ 遷移するトランジスタ並びに該トランジスタと同様の構
造を有し且つ前記サブ・バンドとはエネルギ単位を異に
するサブ・バンドが生成されるトランジスタを縦続接続
してなることを特徴とする構成になっている。

本発明の半導体装置に用いられているＱＢＴの動作原理
は従来のバイポーラ・トランジスタと全く異なっている
ので、それを次に説明することにする。

第２図はＱＢＴが熱平衡状態にある場合のエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラムを表し、第１図に関して説明した部
分と同部分は同記号で指示しである。

図に於いて、ＰＢ、はエミッタ・ポテンシャル・バリヤ
、ＰＢｃはコレクタ・ポテンシャル・バリヤ、Ｅｌ、Ｅ
２　・・・・Ｅｌｌ　・・・・はサブ・バンド、し、は
ベースＢの幅（厚み）、ｚはエミッタＥからコレクタＣ
へ向かう方向をそれぞれ示している。

さて、エミッタ・ポテンシャル・バリヤＰＢＥとコレク
タ・ポテンシャル・バリヤＰＢ、とで挟まれたベースＢ
は実質的に２次元であり、そして、電子（キャリヤ）の
Ｚ方向の運動が量子化される程度に充分に薄く、例えば
、５０〔人〕程度に設定されるものとする。

このようにベースＢを薄く形成すると、ベースＢはポテ
ンシャルの井戸のような状態になっていて、その中では
、エミッタＥからコレクタＣへ向かう電子、即ち、Ｚ方
向に向かう電子は成る特定のエネルギ準位しかとること
ができない状態が実現される。即ち、前記量子化に伴っ
て、ベースＢにはサブ・バンドＥ＋　、Ｅｘ　・・・・
ＥＴｌ　・・・・が形成される。

サブ・バンドのエネルギ準位Ｅ１４は近偵的には、即ち
、ポテンシャル・バリヤを無限大とした場合には、 ζ−ｈ／２π ｈニブランク定数 ｎ　−エネルギ量子数 り、−ベース幅 で与えられる。

さて、このようなＱＢＴに於いて、エミッタＥ及びベー
ス８間に順方向電圧を印加すると、その場合のエネルギ
・バンド・ダイヤグラムは第３図に見られるように変化
する。

第３図では第２図に関して説明した部分と同部分は同記
号で指示しである。

図に於いて、ＶＥＩ＋はエミッタ・ベース間電圧、ＶＣ
Ｉはコレクタ・ベース間電圧、ＤＢはドブロイ（ＤｅＢ
Ｉｏｇｌｉｅ）波をそれぞれ示し、そして、エミッタ・
ポテンシャル・バリヤＰＢｔ及びコレクタ・ポテンシャ
ル・バリヤＰＢｃそれぞれの厚さは電子がトンネリング
可能な程度に迩択されている。

図示のように電圧が印加された場合に於いて、例えば、
エネルギ準位Ｅ１と同じエネルギを有する電子がエミッ
タＥからＺ方向に注入されると、該電子はドブロイ波Ｄ
Ｂに見られるように透過率ｌ、即ち、完全透過でコレク
タＣに到達する。

この電子がエミッタＥからコレクタＣに到達する過程で
は、従来のような走行に依るものではなり、トンネル効
果で二つのポテンシャル・バリヤを通り抜ける、所謂、
共鳴トンネル効果（ｒ　ｅ　５ｏｎａｎｔ　ｔｕｎｎｅ
ｌｉｎｇ）に依る遷移である為に極めて高速である。

このＱＢＴをトランジスタ動作させる場合には、エミッ
タ・ベース間電圧■。に依ってエネルギ・バンドのアラ
イメントを実現させるのみで良く、原理的にはベース電
流は動作に不可欠ではない。

従って、入力電圧は直流的には零であるが、エミッタ・
ベース間静電容量を充電する為の変位電流は流れるので
、これが回路を通して一定電流となり、オーミック電流
がエミッタ及びベース中を流れ、それに依るジュール損
で交流電力は発生することになる。

一般に、出力電力はコレクタ電流とコレクタ・ベース間
電圧ＶＣＩとの積であるから、このＱＢＴは増幅器とし
ての機能を有しているものである。

また、ベース・エミッタ間電圧■。を増加させて、例え
ば、エネルギ準位Ｅ１及びＥ２の中間にエミッタの伝導
帯Ｅ、がアライメントされたような場合には、電子の透
過率は零、即ち、完全反射の状態になり、コレクタ電流
も零になる。

更に、ベース・エミッタ間電圧■、を増加させて、例え
ば、エネルギ準位Ｅ！と伝導帯Ｅｃとがアライメントさ
れると再び完全透過となり、コレクタ電流が発生する。

このように、ＱＢＴは、その稀に見る高速性に加え、従
来のトランジスタにない強い非線型と多様な機能を有し
ている。

第４図は前記の点を更に明らかにする為に必要なＱＢＴ
に於ける伝達特性を示す線図である。

図では、縦軸にコレクタ電流■。を、横軸にエミッタ・
ベース間電圧ＶＥＩ＋をそれぞれ採ってあり、ここでは
、サブ・バンドとして、基底サブ・バンドのみ、即ち、
サブ・バンドに於けるエネルギ順位Ｅ１１に於いてｎ＝
１の場合のみを考え、また、ベースの材料としてはＧａ
Ａｓ　（ｍ”　＝０．０６８ｍｏ　ｍｏ　：真空中に於
ける電子の質量）を選択するものとする。

図に見られるＡはベース幅り、が６０〔人〕で且つエネ
ルギ準位Ｅ１が４４（ｍｅＶ）であるＱＢＴの、また、
Ｂはベース幅り、ｌが４０〔人〕で且つエネルギ準位Ｅ
１が９９（ｍｅＶ）であるＱＢＴのそれぞれの特性線、
■１及び■２は伝導帯Ｅ、をそれぞれベース幅り、＝６
０（人）であるＱＢＴに於けるエネルギ準位Ｅ１に及び
ベース幅し＋、−４０Ｃ人〕であるＱＢＴに於けるエネ
ルギ準位Ｅ１にアライメントする為のエミッタ・ベース
間電圧■。をそれぞれ示している。

図から判るように、ＱＢＴでは、エミッタ・ベース間電
圧■、が■１及び■２であるときのみ、パルス状のコレ
クタ電流Ｉ、が発生し、このコレクタ電流■、はエミッ
タ・ベース間電圧ＶＥＲに対して極めて非線型性が強い
依存性を示す。

本発明では、この特徴的な伝達特性を有するＱＢＴを組
み合わせることに依り、優れた相補型半導体装置を構成
しているものである。

因に、従来のバイポーラ・トランジスタに於いては、エ
ミッタ・ベース間電圧■。に対してコレクタ電流１ｃは
単訓に増加するだけである。

発明の実施例 第５図は本発明一実施例に用いるＱＢＴの要部切断側面
図を表している。

図に於いて、■は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２はコレクタ
、３はコレクタ・ポテンシャル・バリヤ、４はベース、
５はエミッタ・ポテンシャル・バリヤ、６はエミッタ、
７は金・ゲルマニウム／金（Ａｕ’Ｇｅ／Ａｕ）オーミ
ックのコレクタ電流、８は金・亜鉛／金（Ａｕ−Ｚｎ／
Ａｕ）オーミックのベース電極、９はＡｕ−Ｇｅ／ＡＵ
オーミックのエミッタ電極をそれぞれ示している。

このＱＢＴに於ける材料構成等の一例を示すと次の通り
である。

■エミッタ 半導体：ｎ型ＧａＡｓ ドーパント濃度：　４　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”　（ｃｍ−”）
ドーパント：Ｓｉ 厚み：１　〔μｍ〕 ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ 半導体：ｐ型Ａｊｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｔ　Ａｓドーパン
ト濃度：　２　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”　（ｃｇ＋−”）ドーパ
ント二Ｂｅ 厚み：２０〔λ〕 ■ベース 半導体：ｐ型ＧａＡｓ ドーパント濃度：　２　Ｘ　１０　′９（ｃｍ−’）ド
ーパント二Ｂｅ 厚み＝５０　〔人〕 ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ 半導体：ｐ型Ａｌｏ、３　Ｇａｏ、ｔ　Ａｓドーパント
濃度：２×１Ｏ１９〔備−３〕ドーパント：Ｂｅ 厚み：２０〔人〕 ■コレクタ 半導体：ｎ型ＧａＡｓ ドーパント濃度：　４　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”　（ａｍ−’）
ドーパント：Ｓｉ 厚み：１　〔μｍ〕 尚、前記エミッタ・ポテンシャル・バリヤ及びコレクタ
・ポテンシャル・バリヤはｐ型にしであるが、これは、
ｐｎ接合から延び出る空乏層で薄いベースが充満される
ことを防止する為の配慮であり、例えば、エミッタのド
ーパント濃度を２×１０　”　（ｃｍ−”）程度、また
、コレクタのドーパント濃度を２ＸＩＯＩ′［（至）−
３層程度にすれば空乏層はエミッタ側或いはコレクタ側
に延び出ることになるから１層を用いても良い。

このＱＢＴを製造する場合に適用するプロセスの概略を
説明する。

ｔａｌ　先ず、例えば分子線エピタキシャル成長（ｍｏ
ｌｅｃｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ＞
法を適用することに依り、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に
ｎ型ＧａＡｓコレクタ２、ｐ型Ａ　ｌ　ｏ、ｓ　Ｇ　ａ
　ｏ、ｑ　Ａ　Ｓコレクタ・ポテンシャル・バリヤ３、
ｐ型ＧａＡｓベース４、ｐ型Ａｌ１ｏ、ｓ　Ｇａａ、７
Ａｓエミツタ・ポテンシャル・バリヤ５、ｎ型ＧａＡｓ
エミッタ６を順に成長させる。尚、ｎ型ＧａＡｓエミッ
タ６は、後にエミッタ電極を合金化の為の熱処理をした
際に突き抜けを生じないように充分に厚く、例えば約１
　〔μｍ〕程度に形成しであるが、ｎ型ＧａＡｓエミッ
タ６を充分に高濃度にすれば、前記熱処理は不要になる
から、薄くすることも可能である。

（ｂ）　例えばフッ化水素酸（ＨＦ）系エツチング液を
用い、素子間分離の為のメサ・エツチングを行う、　こ
のメサ・エツチングは半絶縁性ＧａＡｓ基板１に達する
まで行う。

ｔｅｌ　ベース・パターンのフォト・レジスト膜（図示
せず）を形成し、そのフォト・レジスト膜をマスクとし
てフン化水素酸系エツチング液を用い、ｎ型ＧａＡｓコ
レクタ２に到達するまでメサ・エツチングを行い、コレ
クタ・ポテンシャル・バリヤ３、ベース４、エミッタ・
ポテンシャル・バリヤ５、エミッタ６を選択的に除去す
る。

（ｄｌ　エミッタ電極及びコレクタ電極の形成予定部分
に開口を有するフォト・レジスト膜（図示せず）を形成
する。

ｆａｌ　蒸着法を適用することに依り、Ａｕ−Ｇｅ／Ａ
ｕ膜を形成し、次いで、それをリフト・オフに依ってパ
ターニングする為、前記フォト・レジスト膜の溶解・除
去を行い、その後、合金化処理を行ってコレクタ電極７
及びエミッタ電極９を形成する。

（ｆｌ　ベース電極８を形成する為のパターンを有する
フォト・レジスト膜（図示せず）を形成し、ＣＣ！２Ｆ
ｚ系のエッチャントを用いたドライ・エツチングを適用
することに依り、エミッタ６を選択的に除去する。

（ｇｌ　蒸着法を適用することに依り、Ａｕ　−Ｚｎ／
Ａｕ１ｌｌＩを形成し、次いで、それをリフト・オフに
依ってパターニングする為、前記工程（ｆｌで形成した
フォト・レジスト膜の溶解・除去を行い、その後、合金
化処理を行ってベース電極８を形成して完成する。

以上説明したＱＢＴは、前記の「発明の構成」に於いて
説明した動作原理に沿って動作することは云うまでもな
い。

ところで、前記ＱＢＴに於いて、必須とされる事項は、 ｆｌ＋　ベース中にマイノリティ・キャリヤに対するサ
ブ・バンドの形成 （２）トンネル効果を生じ得る厚さのエミッタ・ポテン
シャル・バリヤ及びコレクタ・ポテンシャル・バリヤの
形成 であり、従って、材料構成等は、前記（１）及び（２ン
の事項が満足されるようであれば良く、前記例示したも
のに限定されるものではない。また、ベースは前記ＱＢ
Ｔのようにｐ型である必要はなく、ｎ型であっても良い
、勿論、その場合、エミッタ及びコレクタの導電型はｐ
型になる。

第６図及び第７図は前記説明した半導体へテロ接合を有
するＱＢＴに依り得られる電気的特性を表す線図である
。

第６図はＱＢＴのベース接地コレクタ特性を表している
。

図では、縦軸にコレクタ電流１．を、横軸にコレクタ・
ベース間電圧■。をそれぞれ採り、パラメータはエミッ
タ電流Ｉ、である。尚、このデータを得た際の温度Ｔは
７７（Ｋ）であった。

第７図はＱＢＴの伝達特性を表している。

図では、縦軸にコレクタ電流Ｉ、を、横軸にエミッタ・
ベース間電圧Ｖ□をそれぞれ採ってあり、この場合の温
度Ｔも７７（Ｋ）であった。

これ等のデータを得たＱＢＴのディメンシぢンの概要は
、エミッタ電極幅１（μｍ〕、エミッタ電極長：５０〔
μｍ〕、エミッタ・ベース電極間隔＝１〔μｍ〕であっ
た。

第６図から判るように、エミッタ電流１ｅが０であれば
、コレクタ電流■、も殆ど０であって、エミッタ電流Ｉ
、′４コレクタ電流■、であり、ベース電流は極めて少
ないことが理解される。

これは、電流増幅率βが大きいことを意味しているもの
である。

次に、前記例示したＱＢＴと異なる種々のＱＢＴを提示
する。

Ａ、半導体へテロ接合を有する他のＱＢＴの場合その１ ■エミッタ二Ｇｅ ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ：ＧａＡｓ■ベース
：Ｇｅ Φコレクタ・ポテンシャル・バリヤ：ＧａＡｓ■コレク
タ：Ｇｅ その２ ■エミッタ：　Ｓ　１Ｉ−ＸＧｅ。

■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ：Ｓｉ■ベース：５
ｌｉ−ｘＧｅｘ ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ：Ｓｉ■コレクタ：
　Ｓ　ｉ、−、Ｇｅｘ その３ ■エミッタ：　Ａ　Ｉｔ　ｗ　Ｇ　ａ　１−Ｘ　Ａ　ｓ
■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ：Ａβ、ｃａ＋−ｙ
ｓ ■ベース：　Ａ　ｊ！　ｔ　Ｇ　ａ　Ｉ−露Ａ　ｓ■コ
レクタ・ポテンシャル・バリヤ’　Ａ　Ｉ！’　Ｇ　ａ
’　、７＋’ｓ ■コレクタ：　Ａ　ｊ！ｕ　Ｇ　ａ　ｌ−ｕ　Ａ　ｓそ
の４ ■エミッタ：　ＩｎＳｂ ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ：　ＣｄＴｅ■ベー
ス：　ＩｎＳｂ ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ：　ＣｄＴｅ■コレ
クタ：　ＩｎＳｂ その５ ■エミッタ：ＩｎＡｓ ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ：ＧａＳｂ■ベース
：ＩｎＡｓ ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ：ＧａＳｂ■コレク
タ：ＩｎＡｓ 前記提示したものの外、エネルギ・ギャップに差があり
、且つ、格子定数が近似している旨の条件を満足する材
料を適宜選択することができる。

ＱＢＴは、前記したような半導体に依る接合のみでなく
、半導体と絶縁体で構成したり、或いは、エミッタはキ
ャリヤを供給することができれば良いので、それを純粋
金属で構成することも可能である。

次に、そのようなＱＢＴを種々示して説明することにし
よう。

Ｂ、半導体・絶縁体接合系のＱＢＴの場合■エミッタ 半導体二〇型Ｓｔ ドーパント濃度：　１０　”　（ｃｍ−″）ドーパント
：Ａｓ 厚み：１　〔μｍ〕 ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ 材料：　Ｓ　ｉ　０２ 厚み＝２０　〔人〕 ■ベース 半導体：ｐ型Ｓｉ ドーパント濃度：　４　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”　（ｅｌｌ−３
３ドーバント二Ｂ 厚み＝５０〔人〕 ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ 材料：　Ｓ　ｉ　Ｏ２ 厚み＝２０〔人〕 ■コレクタ 半導体＝ｎ型Ｓｉ ドーパント濃度：　５　ｘ　ｌ　Ｑ　”　［ｃｓ−”）
ドーパント：Ａｓ 厚み：１　〔μｍ〕 この半導体・絶縁体系のＱＢＴを製造するには、ｌａ１
ＭＢＥ法を適用することに依り、Ｓｉ基板上にｎ型Ｓｉ
コレクタを形成する。

（ｂｌｓｉ基板を空気中に取り出すことなく、プラズマ
酸化室に移送し、プラズマ酸化を行うことに依り、５ｉ
０２からなるコレクタ・ポテンシャル・バリヤを形成す
る。

この場合の酸化室内における圧力は１Ｏ−２（Ｔｏｒｒ
）、エネルギは１００（Ｗ）として良い。

酸化に依り、Ｓ　＋　０２からなるコレクタ・ポテンシ
ャル・バリヤを形成中、例えば、ジッセフソン素子を製
造する場合に酸化膜の膜厚測定に用いられているエリプ
ソメトリ法を適用することに依り、その場（ｉｎ−ｓｉ
ｔｕ）でコレクタ・ポテンシャル・バリヤの厚みを測定
し、設定値まで酸化を行う。

ｆｃ）　再びＭＢＥ法を適用することに依り、ｐ型３３
ベースを形成する。

この場合、Ｓｉは多結晶或いはアモルファスとなるが、
これを電子ビーム・アニール、レーザ・アニール等の技
術で単結晶化することは容易である。

ｌｄｌ　この後、前記と同様な過程を経て、エミッタ・
ポテンシャル・バリヤ、エミッタを形成する。

ｔｅｌ　前記各半導体栽いは絶縁体をバターニングした
り、所要電極を形成して完成させるには、通常のバイポ
ーラ・トランジスタの製造プロセスを適用すれば良い。

Ｃ９金属エミッタを有するＱＢＴの場合■エミッタ 材料：Ａｌ 厚み＝１　Ｃμｍ〕 ■エミッタ・ポテンシャル・バリヤ 材料：　Ｓ　ｉ　Ｏ２ 厚み＝２０〔人〕 ■ベース 半導体：ｐ型Ｓｉ ドーパント濃度：４Ｘ１０”（（２）弓〕ドーバント二
Ｂ 厚み：５０〔人〕 ■コレクタ・ポテンシャル・バリヤ 材料：５ｉ０２ 厚み＝２０（人〕 ■コレクタ 半導体＝ｎ型Ｓｔ ドーパント濃度：　５　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”　（ｃｍ−’）
ドーパント：Ａｓ 厚み＝１　〔μｍ〕 第８図は金属エミッタを有するＱＢＴのエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムを表し、第１図乃至第３図に関して説
明した部分と同部分は同記号で指示しである。

尚、簡明にする為、バンドの曲がりは省略して表しであ
る。

図に於いて、エミ７り・ポテンシャル・バ・ツヤＰＢ、
及びコレクタ・ポテンシャル・バリヤＰＢＣが５ｉ０２
で構成されていることは云うまでもない。

このＱＢＴに於ける構造に依ると、エミッタの直列抵抗
を低減することができ、また、微細なエミッタを形成す
ることが容易である旨の利点がある。

また、このＱＢＴの製造プロセスは前記［Ｂ。

半導体・絶縁体系接合のＱＢＴＪを製造する場合と殆ど
同じである。

さて、本発明では、以上説明したようなＱＢＴを縦続接
続して半導体装置、即ち、インバータを構成するもので
あり、それには、サブ・バンドのエネルギ単位を異にす
るＱＢＴを用いれば良い。

第９図はそのような本発明一実施例を表す回路図である
。

図に於いて、１１は第４図に見られる特性Ａを有するＱ
ＢＴ、１２は第４図に見られる特性Ｂを有するＱＢＴ、
Ｒは抵抗、Ｖｉｎは入力信号、■。１は出力信号、Ｖ　
ｃｃは正側電源レベルをそれぞれ示している。

第９図に示した実施例の動作を説明すると次の通りであ
る。

入力信号Ｖ　ｉｎとしてＶｌ　（ロウ・レベル）と■。

（ハイ・レベル）を考える。

先ず、入力信号Ｖ　！　ａ　”　Ｖ　Ｉである場合には
、ＱＢＴｌｌのみがオンとなり、出力信号■。。ｔ＝Ｖ
ｃｃ−１，−Ｒｈｏ　（ハイ・レベル）となる（Ｉｃ　
：コレクタ電流）。

次に、入力信号Ｖ　ｌ　ｎ　”　Ｖ　１である場合には
、ＱＢＴＪ２がオンとなり、ＱＢＴＩＩはオフ状態にな
るから出力信号ｖ０工、は接地レベル（ロウ・レベル）
になる。

前記説明から判るように、半導体装置に信号が入力され
ると、該入力信号が反転された信号が出力されるので、
該半導体装置はインバータとして機能している。

第９図に示したような回路構成が可能となる為には、Ｑ
ＢＴＪ２に於けるサブ・バンドのエネルギ準位Ｅ１がＱ
ＢＴＩＩに於ける基底サブ・バンドのエネルギ準位Ｅ１
より一つ高いサブ・バンドのエネルギ準位Ｅ、より小で
あれば十分である。

第１０図はＱＢＴＩＩ及び１２に於けるエネルギとベー
ス幅との関係を表す線図である。

図では、縦軸にエネルギＥ７を、横軸にベース幅り、を
それぞれ採ってあり、ｎ−１及びｎ＝２と表示しである
特性線は、それぞれエネルギ準位Ｅ、に於けるｎ−１及
びｎ＝２に対応し、また、Ｌ□はＱＢＴＩＩの基底サブ
・バンドのエネルギ準位Ｅ１に対応するベース幅、そし
て、ＬｏはＱＢＴＪ２のサブ・バンドのエネルギ準位Ｅ
２に対応するベース幅を示している。　図から判るよう
に、ＱＢＴＩＩに於けるベース幅り、は、Ｌ＋＋ｚ＜Ｌ
ｍ＜Ｌｉｔであるように定める必要がある。即ち、例え
ば、ＱＢＴＩＩのベース幅Ｌ１図にＬ□て指示したよう
に採ると、それに対応する基底サブ・バンドに於けるエ
ネルギ準位Ｅ、はＱＢＴＪ２に於けるそれに対して明ら
かに低くなり、また、ＱＢＴＪ２の基底サブ・バンドに
於けるエネルギ準位Ｅ１はＱＢＴＩＩのエキサイテイン
グ状態に於けるサブ・バンドのエネルギ準位Ｅ２よりも
低くくなる。若し、そのようにしないとＱＢＴＩＩ及び
１２が同時にオンになる皮があり、正常なインバータと
して機能しない。

このインバータでは、直流的な電力を消費せず、また、
ｎｐｎ型のみで構成することも可能である。

本実施例の製造方法は極めて簡単であり、要は、ベース
幅り、が相違するＱＢＴをＭＢＥ法等で２回に分けて成
長させれば良い。

発明の効果 本発明の半導体装置では、マイノリティ・キャリヤに対
するサブ・バンドが生成され得るベースと、トンネル効
果を生じ得る程度の厚さを有するエミッタ・ポテンシャ
ル・バリヤを介して前記ベースに接するエミッタと、ト
ンネル効果を住じ得る程度の厚さを有するコレクタ・ポ
テンシャル・リヤを介して前記ベースに接するコレクタ
とを備え、前記ベースにマイノリティ・キャリヤに対す
るサブ・バンドが形成された際にエミッタかｂコレクタ
ヘ該マイノリティ・キャリヤが共鳴トンネルで遷移する
トランジスタ並びに該トランジスタと同様の構造を有し
且つ前記サブ・バンドとはエネルギ単位を異にするサブ
・バンドが生成されるトランジスタをＮ＆続接続してな
ることを特徴とする構成を採っている。

本発明の半導体装置に於いて用いているＱＢＴは、キャ
リヤが電子である場合、エミッタからベースに注入され
た電子のエネルギ単位とベースに於けるサブ・バンドの
エネルギ単位とがアライメントされると、該電子は完全
透過でコレクタに到達することができ、また、前記のよ
うなアライメントが採れない場合には、電子が完全反射
されるのでコレクタには到達しない。そして、前記アラ
イメントが採れた際の電子の移動は、トンネル効果でエ
ミッタ・ポテンシャル・バリヤ及びコレクタ・ポテンシ
ャル・バリヤを通り抜ける、所謂、共鳴トンネル効果に
依る遷移である為、従来のバイポーラ半導体装置に於け
るような電子の走行とは相違して著しく高速である。更
にまた、前記したところから明らかなように、前記アラ
イメントが採れたか否かに依ってコレクタ電流はオン・
オフされる。そして、該アライメントはベース・エミッ
タ間電圧に依存するので、該電圧の如何に依ってコレク
タ電流がオン・オフすることになり、しかも、該アライ
メントが採れるのは一点ではなく複数の点で採ることが
できるから、値が相違するベース・エミッタ間電圧を種
々パルス的に印加すれば、アライメントが採れる都度、
パルス的にコレクタ電流が流れる旨の特異な伝達特性を
有している。

本発明の半導体装置は、このようなＱＢＴを縦接続した
構成を採っていて、直流的な電力は消費されず、従って
、従来のＣＭＯ３（ｃ　ｏｍｐ　Ｉ　ｅｍｅｎｔａｒｙ
　ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅ重量ｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒ）と同様に低消費電力であり、且つ、ｎｐｎ型のみで
構成することも可能である為、ＱＢＴの高速性と相俟っ
て、著しく高速のインバータとして機能させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のｎｐｎ型バイポーラ半導体装置に於ける
エネルギ・バンド・ダイヤグラム、第２図はＱＢＴが熱
平衡状態にある場合のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
、第３図はＱＢＴが動作社態にある場合のエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラム、第４図はＱＢＴの伝達特性を示し
た線図、第５図はＱＢＴの要部切断側面図、第６図はＱ
ＢＴのベース接地コレクタ特性を示す線図、第７図はＱ
ＢＴの伝達特性を示す線図、第８図はＱＢＴに於ける他
の実施例が熱平衡状態にある場合のエネルギ・バンド・
ダイヤグラム、第９図は本発明一実施例の回路図、第１
０図はエネルギとベース幅の関係を示す線図をそれぞれ
表している。 図に於いて、１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２はコレクタ
、３はコレクタ・ポテンシャル・バリヤ、４はベース、
５はエミッタ・ポテンシャル・バリヤ、６はエミッタ、
７はコレクタ電極、８はベース電極、９はエミッタ電極
、１１及び１２はＱＢＴ、Ｒは抵抗、Ｖｉａは入力信号
、■。ｕｌは出力信号、Ｖ　ｃｃは正側電源レベルをそ
れぞれ示している！！：１図 第２図 第４図 Ｉｃ 第６図 Ｉｃ（ｍＡ） 第７図 Ｔｃ　（ｍＡ） 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マイノリティ・キャリヤに対するサブ・バンドが生成さ
   れ得るベースと、トンネル効果を生じ得る程度の厚さを
   有するエミッタ・ポテンシャル・バリヤを介して前記ベ
   ースに接するエミッタと、トンネル効果を生じ得る程度
   の厚さを有するコレクタ・ポテンシャル・バリヤを介し
   て前記ベースに接するコレクタとを備え、前記ベースに
   マイノリティ・キャリヤに対するサブ・バンドが形成さ
   れた際にエミッタからコレクタへ該マイノリティ・キャ
   リヤが共鳴トンネル効果で遷移するトランジスタ並びに
   該トランジスタと同様の構造を有し且つ前記サブ・バン
   ドとはエネルギ準位を異にするサブ・バンドが生成され
   るトランジスタを縦続接続してなることを特徴とする半
   導体装置。