下一代半导体器件——RHET

发布时间：93年02月25日

编译赵春华

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（f_T）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。