超晶格器件作为未来新型半导体器件,引起了人们的关注。所谓超晶格器件,就是使用高技术、人工控制达到原子级排列的器件。是不沿用原来半导体技术的下一代器件。

最近,这种超晶格器件由通产省从下一代到21世纪的超级计划推出,并命名为“RHET”(共振隧道效应强电子半导体管),其极精密的超高速、超多重处理技术,极大地促进了集成电路的进展。

这项RHET的发明,是富士通研究所机能设计研究部部长横山直树。在此,对横山氏在RHET研究开发方面取得的成就和今后的研究方向,以及在该研究中使用的富士通厚本研究所的最新设备一并予以介绍。

应用量子力学创造的半导体管

RHET是利用由超晶格引起的共振隧道效应的器件。最先利用这种隧道效应的是江崎玲于奈发明的江崎二极管,横山的发明也可以说是江崎研究的继续。

简单地说,根据由GaAs和AlAs形成的超晶格结构(是一种积层生长的厚度在100 A°以下的格子状半导体晶体),利用电子波的性质,能够形成一种可以开闭的电子通道(隧道),应用这种现象的三端元件(半导体管)就是RHET。

具有一定波长的电子可以穿过晶格孔眼的现象,称为共振隧道效应。应用这一原理制造器件的理想,一直未能实现。虽然,通过施加电压便能控制这个隧道的二极管,当时便被证实,但是,要实现这种晶体管的电气控制是极为困难的。最先发现这一现象的江崎也曾指出:为制造半导体管,要在厚度仅100 A°的隧道底(量子阱)直接制作电极,几乎是不可能的。

横山发明了一种方法,即在隧道前面设置一种栏架,克服了制作半导体管的难题。从隧道穿出的电子称作超越电子,由于其势能能够超越栏架。这个栏架就如同共振隧道效应的势垒。用减少铝的组成比的方法得到比较低的势垒,队而产生出了超越电子。

横山对其发明作了如下的比喻:“要让桶中的水散失,江崎提出的方法是把桶底敲掉,而我的方法是把水桶倾倒。”言简意明,这样伟大的发明,往往如此简单。

这样一来,横山在世界上首先发明了应用共振隧道效应的半导体管。

将RHET集成化

横山发明的RHET作为通产省下一代器计划——超晶格研究开发计划的主要开发课题,由富士通进行。在此,对这一计划略作说明。

从组织上,作为通产省下一代产业基础技术开发研究的一环,新能源和产业技术开发机构(NEDO)委托新机能器件研究开发协会(FED)实施。

这一计划的口号是“从子叶到幼苗”。从1981年到1991年分三期开始研究,从建立基础设施到达实用化水平,原因全在于技术革新的不断推进。

横山,发明的RHET,也是在这项计划中成长的。

在评价方面,着重要证实机能、速度以及确认实用性。在高速性方面,达到121 GHz,约为原来晶体管电流截止频率(fT)的6倍,从而证实了这种器件的超高速性。

功能开发方面,从首先制成的双输入异或非(E-NOR)门电路来看,确认晶体管数为双极型电路的1/4(2个)。

当两个输入信号同为0时,集电极输出电流为1。输入信号中有一方为0时,输出为0,而输入信号同为1时,输出信号也为1(集电极又有电流流出)。

应用这种特异性能,1989年制成了集成开关电路,1990年10月制成了集成全加器电路,1991年10月又制成了集成1/2分频器电路。全加器电路由7个RHET构成,用2个前述的异或非电路构成了3输入的异或(E-OR)电路和3输入的多数表决电路。和性能相同,使用同种材料制成的双极型电路相比,元件数为1/4,电源电压为1/2,总电流值为1/5(电力消耗为1/10),显示出的各项性能都极为优异。

但是,现在试制的单个全加器的运算速度,与双极型相比,都同在200~300 PS的数量级。

因此,现在的课题是证明可以将个别单体达到的121 GHz,为原来6倍电流截止频率的高速性能,移植到集成电路中。现在,正进行基极性能改良(降低电阻)。并建立了目标,使用这种新的电极,能够达到更高的电流密度。

以后,如果高速性能被证实,便具有了通用性,可以制作出与非门(NAND),或非门(NOR)新电路。目前横山正在考虑,或者减少基极电阻,或者完全使用新的电路的方法。

下一个目标是制作超级存储器

RHET用作新机能器件的障碍,还有两点:一点是低温下(77°K)的工作,再一点是晶片制作能否达到数A°级的均一性。

对于这两点,横山认为:“低温下能工作一点,几乎不成问题,因为RHET商品化时,已进入21世纪,确信届时致冷技术会有长足进步。关于晶片的均一化问题,一般认为对极薄部分的加工,仅仅利用富士通研究所的原子层外延技术(ALE)即可。”

现在使用普通的分子级外延装置(MBE),加工2英吋晶片时,膜层的偏差大约为±3%。

去年,超晶格器件研究开发项目已经结束,但RHET的研究开发还有很多遗留问题。

对此新项目的作用,其中之一是量子化机能,横山指出,这一期计划是利用量子力学创制存储器,RHET技术的发展,能够担当10 G比特的超级存储器。应用量子力学组成的逻辑/记忆系统,难道不令物理工作者振奋吗?

设想利用电子波布线

本次计划的成果,一语道破就是弄清并制成了直接控制量子效应的量子效应晶体管。

同样是使用量子效应的约瑟夫森器体和混合电磁波晶体管(HEMT),情况却不同。大家知道,约瑟夫森器件不是使用半导体,而是使用超导体。HEMT则是部分使用量子效应(二维的电子束)的场效应型晶体管。

在新机能方面,横山正在进行的研究除RHET外,还有具有特殊功能的电子波装置。

由神经元构成的人类脑细胞的极好的机能,与其说是神经元自身的功能,不如说是由神经元之间的相互联系赋予的。由电子装置尽管也能制作一个个的神经元,但由于人工配线而受到限制。这种配线如果能用电子波代替,或者采用量子接点那就容易多了,当然,还要利用电子干涉来控制电子波的强弱,但是这还是梦想。

这种技术可以称为中介立体电子技术,以现在的技术和常识,还不知道电子波能否实现上述愿望,因此还必须继续电子学的深入研究和探索。

[《电子技术》(日)1992年3月]