JP2001156301A - 共鳴トンネル装置 - Google Patents
共鳴トンネル装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】常温で高速動作し、ピーク電流／バレー電流比
の大きい共鳴トンネル装置を提供する。 【解決手段】ＧａＡｓ基板上に形成したバッファ層、量
子井戸層、及び障壁層からなる共鳴トンネル装置であ
る。メタモルフィックバッファ層２０を複数のＩｎ xＧ
ａ1-x Ａｓ層で構成する。Ｉｎの組成比ｘを例えば０．
１から0 ．5 までステップ的に変化させる。障壁層４
１、４２はＩｎＡｌＡｓ、量子井戸層５０はＩｎＧａＡ
ｓで形成する。メタモルフィックバッファ層を用いてい
るので、その上に形成する量子井戸構造の結晶性が良く
なる共に、Ｉｎの組成比を大きくすることができるた
め、井戸層と障壁層との電位障壁を大きくすることが可
能となる。よって、常温動作が可能となり、ピーク電流
／バレー電流比も大となるＡｓ基板上に連続して結晶成
長せられ、全体としての結晶性が保持される。
の大きい共鳴トンネル装置を提供する。 【解決手段】ＧａＡｓ基板上に形成したバッファ層、量
子井戸層、及び障壁層からなる共鳴トンネル装置であ
る。メタモルフィックバッファ層２０を複数のＩｎ xＧ
ａ1-x Ａｓ層で構成する。Ｉｎの組成比ｘを例えば０．
１から0 ．5 までステップ的に変化させる。障壁層４
１、４２はＩｎＡｌＡｓ、量子井戸層５０はＩｎＧａＡ
ｓで形成する。メタモルフィックバッファ層を用いてい
るので、その上に形成する量子井戸構造の結晶性が良く
なる共に、Ｉｎの組成比を大きくすることができるた
め、井戸層と障壁層との電位障壁を大きくすることが可
能となる。よって、常温動作が可能となり、ピーク電流
／バレー電流比も大となるＡｓ基板上に連続して結晶成
長せられ、全体としての結晶性が保持される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に形
成された量子井戸構造を有する共鳴トンネル装置に関す
る。特に、半導体基板上にメタモルフィックバッファ層
を形成する事により、室温で高い電流密度と高いピーク
電流／バレー電流比を実現する共鳴トンネル装置に関す
る。本発明は、数十ＧHz〜百数十ＧHz動作の高周波デバ
イスに適用できる。又、例えば、ピーク電圧、バレー電
圧を論理上の１、０に対応させる高速論理回路に適用で
きる。
成された量子井戸構造を有する共鳴トンネル装置に関す
る。特に、半導体基板上にメタモルフィックバッファ層
を形成する事により、室温で高い電流密度と高いピーク
電流／バレー電流比を実現する共鳴トンネル装置に関す
る。本発明は、数十ＧHz〜百数十ＧHz動作の高周波デバ
イスに適用できる。又、例えば、ピーク電圧、バレー電
圧を論理上の１、０に対応させる高速論理回路に適用で
きる。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板
を用いた共鳴トンネルダイオードがある。例えば、特開
平１０−６５１８６号公報に開示の共鳴トンネルダイオ
ードがその一例である。これは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に
ＩｎＡｓ（インジュウム砒素）エミッタ層、ＡｌＳｂ
（アルミニュウムアンチモン）の第１障壁層、ｐ型Ｇａ
Ｓｂ（ガリュウムアンチモン）の量子井戸層、ＡｌＳｂ
の第２障壁層、ＩｎＡｓのコレクタ層から構成されてい
る。そして、ｐ型ＧａＳｂ量子井戸層内の軽い正孔の基
準準位を、ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層内の伝導帯の下端の
直上とすることで、ピーク電流／バレー電流比を低下さ
せることなくピーク電流密度を向上させたものである。
を用いた共鳴トンネルダイオードがある。例えば、特開
平１０−６５１８６号公報に開示の共鳴トンネルダイオ
ードがその一例である。これは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に
ＩｎＡｓ（インジュウム砒素）エミッタ層、ＡｌＳｂ
（アルミニュウムアンチモン）の第１障壁層、ｐ型Ｇａ
Ｓｂ（ガリュウムアンチモン）の量子井戸層、ＡｌＳｂ
の第２障壁層、ＩｎＡｓのコレクタ層から構成されてい
る。そして、ｐ型ＧａＳｂ量子井戸層内の軽い正孔の基
準準位を、ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層内の伝導帯の下端の
直上とすることで、ピーク電流／バレー電流比を低下さ
せることなくピーク電流密度を向上させたものである。
【０００３】又、他には特開平１０−８４１２１号公報
に開示のヘテロ接合半導体装置、J.Appl．Phys．67（5
) ，11Mar ．1990 p2643に開示された共鳴トンネル装
置がある。これは、何れもＩｎＰ基板を用いたヘテロ接
合型の共鳴トンネルデバイスであり、ＩｎＰ基板を採用
することによりＩｎの組成比を上げ、ピーク電流密度の
上昇を図ったものである。
に開示のヘテロ接合半導体装置、J.Appl．Phys．67（5
) ，11Mar ．1990 p2643に開示された共鳴トンネル装
置がある。これは、何れもＩｎＰ基板を用いたヘテロ接
合型の共鳴トンネルデバイスであり、ＩｎＰ基板を採用
することによりＩｎの組成比を上げ、ピーク電流密度の
上昇を図ったものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】共鳴トンネルダイオー
ドを高周波デバイスに応用するためには、基板にビアホ
ールを設けてダイオードの１方の端子を基板直下のアー
ス電極と接続する必要がある。これは、配線の誘導成分
を低減させ、伝送損失を低減させるためである。しかし
ながら、上記ＩｎＰ基板は脆く又エッチングが困難であ
るため、それへのビアホール形成は容易ではない。又、
ＩｎＰ基板は、大口径の結晶作製が困難であり、その結
果、作製されるデバイスがコスト高になるという問題も
ある。即ち、従来の構造では、ＩｎＰ基板を例えば高周
波用のＭＭＩＣ（MonolithicMicrowave Integrated Ci
rcuits）に適用することは困難であった。
ドを高周波デバイスに応用するためには、基板にビアホ
ールを設けてダイオードの１方の端子を基板直下のアー
ス電極と接続する必要がある。これは、配線の誘導成分
を低減させ、伝送損失を低減させるためである。しかし
ながら、上記ＩｎＰ基板は脆く又エッチングが困難であ
るため、それへのビアホール形成は容易ではない。又、
ＩｎＰ基板は、大口径の結晶作製が困難であり、その結
果、作製されるデバイスがコスト高になるという問題も
ある。即ち、従来の構造では、ＩｎＰ基板を例えば高周
波用のＭＭＩＣ（MonolithicMicrowave Integrated Ci
rcuits）に適用することは困難であった。
【０００５】又、上記特開平１０−６５１８６号公報に
開示の共鳴トンネルダイオードでは、ビアホールは形成
されておらず、上述した誘導成分による損失を免れな
い。又、バッファ層として使用したＩｎＧａＡｓのＩｎ
の組成比を０．２以上に高めると、格子定数のずれが大
きくなり、その結果、結晶欠陥が増えて正常に結晶層が
成長しなくなるという不都合がある。即ち、さらなる電
流密度の向上を達成するものではない。
開示の共鳴トンネルダイオードでは、ビアホールは形成
されておらず、上述した誘導成分による損失を免れな
い。又、バッファ層として使用したＩｎＧａＡｓのＩｎ
の組成比を０．２以上に高めると、格子定数のずれが大
きくなり、その結果、結晶欠陥が増えて正常に結晶層が
成長しなくなるという不都合がある。即ち、さらなる電
流密度の向上を達成するものではない。
【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の目的は、半導体基板（例え
ば、ＧａＡｓ基板）上に、例えばＩｎを含んだメタモル
フィックバッファ層を形成することにより、室温で高い
電流密度と高いピーク電流／バレー電流比を実現する共
鳴トンネルダイオードを提供することである。又、他の
目的は、その半導体基板にビアホールを形成して、その
一端を裏面の電極と導通させて、誘導損失を低減し高周
波に適用可能な共鳴トンネル装置とすることである。
れたものであり、本発明の目的は、半導体基板（例え
ば、ＧａＡｓ基板）上に、例えばＩｎを含んだメタモル
フィックバッファ層を形成することにより、室温で高い
電流密度と高いピーク電流／バレー電流比を実現する共
鳴トンネルダイオードを提供することである。又、他の
目的は、その半導体基板にビアホールを形成して、その
一端を裏面の電極と導通させて、誘導損失を低減し高周
波に適用可能な共鳴トンネル装置とすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に請求項１に記載の共鳴トンネル装置は、半導体基板上
に形成され、バッファ層、量子井戸層、及び該量子井戸
層を挟む障壁層からなる共鳴トンネル装置であって、そ
のバッファ層がメタモルフィックバッファ層であること
を特徴とする。ここで、共鳴トンネル装置とは上記層構
造を有するダイオード、トランジスタ等、又はそれらを
組み合わせた半導体装置を言う。
に請求項１に記載の共鳴トンネル装置は、半導体基板上
に形成され、バッファ層、量子井戸層、及び該量子井戸
層を挟む障壁層からなる共鳴トンネル装置であって、そ
のバッファ層がメタモルフィックバッファ層であること
を特徴とする。ここで、共鳴トンネル装置とは上記層構
造を有するダイオード、トランジスタ等、又はそれらを
組み合わせた半導体装置を言う。
【０００８】又、請求項２に記載の共鳴トンネル装置
は、半導体基板が半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、メタ
モルフィックバッファ層がＩｎＧａＡｓ、障壁層がＩｎ
ＡｌＡｓ、量子井戸層がＩｎＧａＡｓであることを特徴
とする。
は、半導体基板が半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、メタ
モルフィックバッファ層がＩｎＧａＡｓ、障壁層がＩｎ
ＡｌＡｓ、量子井戸層がＩｎＧａＡｓであることを特徴
とする。
【０００９】又、請求項３に記載の共鳴トンネル装置に
よれば、メタモルフィックバッファ層は複数のＩｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層からなり、その複数のＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
層のＩｎ組成比ｘは、その濃度が０から0 ．5 までステ
ップ的に変化していることを特徴とする。
よれば、メタモルフィックバッファ層は複数のＩｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層からなり、その複数のＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
層のＩｎ組成比ｘは、その濃度が０から0 ．5 までステ
ップ的に変化していることを特徴とする。
【００１０】又、請求項４に記載の共鳴トンネル装置に
よれば、メタモルフィックバッファ層と障壁層間に形成
されたコンタクト層は半導体基板を穿って形成されたビ
アホールを通じて基板裏面に形成された電極と導通して
いることを特徴とする。
よれば、メタモルフィックバッファ層と障壁層間に形成
されたコンタクト層は半導体基板を穿って形成されたビ
アホールを通じて基板裏面に形成された電極と導通して
いることを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】請求項１に記載の共鳴トンネル
装置は、そのバッファ層がメタモルフィック層からな
る。例えば、共鳴トンネル装置である共鳴トンネルダイ
オードは、例えばＧａＡｓ基板上で、例えばＩｎを導入
したＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合で形成
できる。この場合、Ｉｎの組成比は０．２５程度までし
か上げられない。これはＩｎＧａＡｓとＧａＡｓの格子
定数が異なるため、ＧａＡｓ基板上へのＩｎＧａＡｓの
結晶成長が困難なためである。
装置は、そのバッファ層がメタモルフィック層からな
る。例えば、共鳴トンネル装置である共鳴トンネルダイ
オードは、例えばＧａＡｓ基板上で、例えばＩｎを導入
したＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合で形成
できる。この場合、Ｉｎの組成比は０．２５程度までし
か上げられない。これはＩｎＧａＡｓとＧａＡｓの格子
定数が異なるため、ＧａＡｓ基板上へのＩｎＧａＡｓの
結晶成長が困難なためである。
【００１２】本発明の共鳴トンネル装置は、バッファ層
をメタモルフィックバッファ層としている。メタモルフ
ィックバッファ層とは、結晶を構成する原子の組成比が
徐々に変化した変成層の意味である。このメタモルフィ
ックバッファ層では、その格子定数も徐々に変化するた
め、その結晶成長が可能である。そして、そのメタモル
フィックバッファ層の上には、ある原子、例えばＩｎの
組成比を大きくした組成の化合物半導体、例えば、Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ａｓを結晶性良く形成することが可能とな
る。従って、障壁層を例えば、ＡｌＧａＡｓとすれば、
電位障壁を大きくとることががきるために、ピーク電流
／バレー電流比を大きくすることが可能となる。
をメタモルフィックバッファ層としている。メタモルフ
ィックバッファ層とは、結晶を構成する原子の組成比が
徐々に変化した変成層の意味である。このメタモルフィ
ックバッファ層では、その格子定数も徐々に変化するた
め、その結晶成長が可能である。そして、そのメタモル
フィックバッファ層の上には、ある原子、例えばＩｎの
組成比を大きくした組成の化合物半導体、例えば、Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ａｓを結晶性良く形成することが可能とな
る。従って、障壁層を例えば、ＡｌＧａＡｓとすれば、
電位障壁を大きくとることががきるために、ピーク電流
／バレー電流比を大きくすることが可能となる。
【００１３】又、請求項２に記載の共鳴トンネル装置に
よれば、半導体基板が半絶縁性のＧａＡｓ基板からな
り、メタモルフィックバッファ層がＩｎＧａＡｓ、障壁
層がＩｎＡｌＡｓ、量子井戸層がＩｎＧａＡｓからな
る。一般に、ＧａＡｓ基板で通常作られるＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓのヘテロ構造の共鳴トンネル装置は、その動
作には例えば液体窒素温度が必要である。これは、Ｇａ
ＡｓとＡｌＧａＡｓとの伝導帯のエネルギー準位差△Ec
が０．３ｅＶと小さいためである。エネルギー準位差△
Ecが小さいと、熱エネルギーにより電位障壁が障壁とし
て機能しないためである。
よれば、半導体基板が半絶縁性のＧａＡｓ基板からな
り、メタモルフィックバッファ層がＩｎＧａＡｓ、障壁
層がＩｎＡｌＡｓ、量子井戸層がＩｎＧａＡｓからな
る。一般に、ＧａＡｓ基板で通常作られるＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓのヘテロ構造の共鳴トンネル装置は、その動
作には例えば液体窒素温度が必要である。これは、Ｇａ
ＡｓとＡｌＧａＡｓとの伝導帯のエネルギー準位差△Ec
が０．３ｅＶと小さいためである。エネルギー準位差△
Ecが小さいと、熱エネルギーにより電位障壁が障壁とし
て機能しないためである。
【００１４】本発明では、Ｉｎを導入したＩｎＧａＡｓ
とＩｎＡｌＡｓのへテロ接合を採用している。これによ
り、エネルギー準位差△Ecが０．５ｅＶ程度になる。従
って、半導体の室温動作が可能となる。又、Ｉｎの導入
により電子の移動度が高くなり、注入による電子伝導速
度も高くなる。これにより、高い周波数への適用が可能
となる。
とＩｎＡｌＡｓのへテロ接合を採用している。これによ
り、エネルギー準位差△Ecが０．５ｅＶ程度になる。従
って、半導体の室温動作が可能となる。又、Ｉｎの導入
により電子の移動度が高くなり、注入による電子伝導速
度も高くなる。これにより、高い周波数への適用が可能
となる。
【００１５】又、請求項３に記載の共鳴トンネル装置に
よれば、メタモルフィックバッファ層は複数のＩｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層からなり、Ｉｎの組成比ｘは０から0 ．5
までステップ的に変化させている。例えば、０．０５ず
つ０．５まで変化させている。この場合において、バッ
ファ層の導電率を向上させるために、ｎ型ドーパントを
例えば約5 ×1018ｃｍ-3程度に添加してｎ伝導型として
も良い。組成比をステップ的に変化させることで、格子
定数が各ステップ毎に徐々に変化した結晶となる。これ
により、メタモルフィックバッファ層上に、結晶性が良
く電位障壁が大きくなる量子井戸構造を形成することが
できる。このステップ構造は、例えばＭＢＥ等の気相成
長技術等により容易に、又精度良く作製できる。よっ
て、性能が安定した共鳴トンネル装置となる。
よれば、メタモルフィックバッファ層は複数のＩｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓ層からなり、Ｉｎの組成比ｘは０から0 ．5
までステップ的に変化させている。例えば、０．０５ず
つ０．５まで変化させている。この場合において、バッ
ファ層の導電率を向上させるために、ｎ型ドーパントを
例えば約5 ×1018ｃｍ-3程度に添加してｎ伝導型として
も良い。組成比をステップ的に変化させることで、格子
定数が各ステップ毎に徐々に変化した結晶となる。これ
により、メタモルフィックバッファ層上に、結晶性が良
く電位障壁が大きくなる量子井戸構造を形成することが
できる。このステップ構造は、例えばＭＢＥ等の気相成
長技術等により容易に、又精度良く作製できる。よっ
て、性能が安定した共鳴トンネル装置となる。
【００１６】又、請求項４に記載の共鳴トンネル装置に
よれば、メタモルフィックバッファ層と障壁層間に形成
されたコンタクト層は半導体基板を穿って形成されたビ
アホールを通じて基板裏面に形成された電極に接続して
いる。一般に、ＧａＡｓを使用した高周波用ＭＭＩＣで
は基板裏面をアースにする。例えば、トランジスタのソ
ース電極を基板を穿った穴（ビアホール）を通して接地
する。これはソース電極からの配線が長いとインダクタ
ンス成分が増大し、これが高周波では抵抗として働き、
特性の劣化を招くからである。本発明の共鳴トンネル装
置は、一方の電極であるコンタクト層をビアホールを通
して、裏面のアース電極に接続している。よって、他の
基板に対する電気的接続が容易とななる。即ち、この共
鳴トンネル装置はセラミックやテフロンなどの他の高周
波用基板上に容易に搭載が可能となり、数十ＧＨｚから
百数十ＧＨｚの範囲で動作する発振器、逓倍器、混合器
（ミキサ）等のハイブリッド回路を容易に製造すること
が可能となる。
よれば、メタモルフィックバッファ層と障壁層間に形成
されたコンタクト層は半導体基板を穿って形成されたビ
アホールを通じて基板裏面に形成された電極に接続して
いる。一般に、ＧａＡｓを使用した高周波用ＭＭＩＣで
は基板裏面をアースにする。例えば、トランジスタのソ
ース電極を基板を穿った穴（ビアホール）を通して接地
する。これはソース電極からの配線が長いとインダクタ
ンス成分が増大し、これが高周波では抵抗として働き、
特性の劣化を招くからである。本発明の共鳴トンネル装
置は、一方の電極であるコンタクト層をビアホールを通
して、裏面のアース電極に接続している。よって、他の
基板に対する電気的接続が容易とななる。即ち、この共
鳴トンネル装置はセラミックやテフロンなどの他の高周
波用基板上に容易に搭載が可能となり、数十ＧＨｚから
百数十ＧＨｚの範囲で動作する発振器、逓倍器、混合器
（ミキサ）等のハイブリッド回路を容易に製造すること
が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】（第１実施例）以下、本発明の実
施例を図面に基づいて説明する。図１に本発明の共鳴ト
ンネル装置の構成断面図を示す。本実施例では、共鳴ト
ンネルダイオードを説明する。本発明の共鳴トンネルダ
イオードは、主に半導体基板である半絶縁性ＧａＡｓ基
板１０、その上に形成されたＧａＡｓから成るバッファ
層１５、その上に順次形成されれ、Ｉｎの組成比が段階
的に増加するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓからなるメタモルフィ
ックバッファ層２０、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る第
１コンタクト層３１、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスぺーサ
層３１ａ、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスペーサ層３１ｂ、
Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓの第１障壁層４１、Ｉｎ0.5 Ｇａ
0.5 Ａｓの量子井戸層５０、Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓの第
２障壁層４２、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5Ａｓのスペーサ層３２
ａ、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスぺーサ層３２ｂ、Ｉｎ
0.5Ｇａ0.5 Ａｓのキャップ層３２から構成される。
施例を図面に基づいて説明する。図１に本発明の共鳴ト
ンネル装置の構成断面図を示す。本実施例では、共鳴ト
ンネルダイオードを説明する。本発明の共鳴トンネルダ
イオードは、主に半導体基板である半絶縁性ＧａＡｓ基
板１０、その上に形成されたＧａＡｓから成るバッファ
層１５、その上に順次形成されれ、Ｉｎの組成比が段階
的に増加するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓからなるメタモルフィ
ックバッファ層２０、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る第
１コンタクト層３１、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスぺーサ
層３１ａ、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスペーサ層３１ｂ、
Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓの第１障壁層４１、Ｉｎ0.5 Ｇａ
0.5 Ａｓの量子井戸層５０、Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓの第
２障壁層４２、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5Ａｓのスペーサ層３２
ａ、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓのスぺーサ層３２ｂ、Ｉｎ
0.5Ｇａ0.5 Ａｓのキャップ層３２から構成される。
【００１８】その製造方法は、ＭＢＥ（分子線エピタキ
シー）装置を用いた気相成長法であり、製造工程は以下
の通りである。先ず、成長温度６００℃で半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板上１０にＧａＡｓバッファ層１５を成長させ
る。次いで、４００℃以下で、メタモルフィックバッフ
ァ層２０を成長させる。メタモルフィック層とは格子定
数を徐々に変化させた結晶の意味である。本実施例では
メタモルフィックバッファ層２０はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
であり、Ｉｎの組成ｘは、ステップ的に0 ．１〜０．４
５まで０．０５毎上げて、順次形成される。形成された
メタモルフィックバッファ層２０の詳細を図２に示す。
矢印方向が半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０の方向である。
各層の厚さは全て約５０ｎｍであり、ｎ型ドーパントが
５×１０18/cm3の濃度に添加されている。この構成によ
り、メタモルフィックバッファ層２０の格子定数は、結
晶性を保持しつつ半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０から徐々
に変化し、第１コンタクト層３１に至る。即ち、半絶縁
性ＧａＡｓ基板上１０から格子定数は異なるものの連続
して結晶成長せられ、メタモルフィックバッファ層２０
の結晶性は損こなわれない。従って、メタモルフィック
バッファ層２０上に形成する量子井戸構造の結晶性を向
上させ、且つ、Ｉｎ組成比の高い量子井戸構造にするこ
とができるために、井戸層と障壁層との電位障壁を大き
くすることが可能となる。又、量子井戸構造はＩｎで構
成されていることから、電気移動度が高く、拡散速度が
高く、拡散電流密度を向上させることができ、高周波に
適した素子となる。
シー）装置を用いた気相成長法であり、製造工程は以下
の通りである。先ず、成長温度６００℃で半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板上１０にＧａＡｓバッファ層１５を成長させ
る。次いで、４００℃以下で、メタモルフィックバッフ
ァ層２０を成長させる。メタモルフィック層とは格子定
数を徐々に変化させた結晶の意味である。本実施例では
メタモルフィックバッファ層２０はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
であり、Ｉｎの組成ｘは、ステップ的に0 ．１〜０．４
５まで０．０５毎上げて、順次形成される。形成された
メタモルフィックバッファ層２０の詳細を図２に示す。
矢印方向が半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０の方向である。
各層の厚さは全て約５０ｎｍであり、ｎ型ドーパントが
５×１０18/cm3の濃度に添加されている。この構成によ
り、メタモルフィックバッファ層２０の格子定数は、結
晶性を保持しつつ半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０から徐々
に変化し、第１コンタクト層３１に至る。即ち、半絶縁
性ＧａＡｓ基板上１０から格子定数は異なるものの連続
して結晶成長せられ、メタモルフィックバッファ層２０
の結晶性は損こなわれない。従って、メタモルフィック
バッファ層２０上に形成する量子井戸構造の結晶性を向
上させ、且つ、Ｉｎ組成比の高い量子井戸構造にするこ
とができるために、井戸層と障壁層との電位障壁を大き
くすることが可能となる。又、量子井戸構造はＩｎで構
成されていることから、電気移動度が高く、拡散速度が
高く、拡散電流密度を向上させることができ、高周波に
適した素子となる。
【００１９】メタモルフィックバッファ層２０に続い
て、ｎ+ −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１００ｎ
ｍの第１コンタクト層３１、ｎ- −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａ
ｓから成る厚さ１０ｎｍのスぺーサ層３１ａ、ｉ−Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１．５ｎｍのスペーサ層
３１ｂを成長させる。尚、第１コンタクト層３１には、
ｎ型ドーパントが５×１０18/cm3の濃度に添加されてお
り、スペーサ層３１ａには、ｎ型ドーパントが５×１０
17/cm3の濃度に添加されており、スペーサ層３１ｂは不
純物無添加である。次に、アンドープで厚さ４．０ｎｍ
のＩｎ0.5 Ａｌ0. 5 Ａｓの第１障壁層４１、アンドープ
で厚さ６．０ｎｍのＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る量子
井戸層５０、アンドープで厚さ４．０ｎｍのＩｎ0.5 Ａ
ｌ0.5 Ａｓの第２障壁層４２を成長する。次に、ｉ−Ｉ
ｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１．５ｎｍのスペーサ
層３２ａ、ｎ- −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１
０ｎｍのスぺーサ層３２ｂ、ｎ+ −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａ
ｓから成る厚さ５００ｎｍのキャップ層３２を、順次、
成長させる。尚、キャップ層３２には、ｎ型ドーパント
が５×１０18/cm3の濃度に添加されており、スペーサ層
３２ｂには、ｎ型ドーパントが５×１０17/cm3の濃度に
添加されており、スペーサ層３２ａは不純物無添加であ
る。共鳴トンネルダイオードを構成する各層の厚さ、組
成比、不純物濃度の詳細を図３に示す。尚、矢印方向が
半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０の方向である。
て、ｎ+ −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１００ｎ
ｍの第１コンタクト層３１、ｎ- −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａ
ｓから成る厚さ１０ｎｍのスぺーサ層３１ａ、ｉ−Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１．５ｎｍのスペーサ層
３１ｂを成長させる。尚、第１コンタクト層３１には、
ｎ型ドーパントが５×１０18/cm3の濃度に添加されてお
り、スペーサ層３１ａには、ｎ型ドーパントが５×１０
17/cm3の濃度に添加されており、スペーサ層３１ｂは不
純物無添加である。次に、アンドープで厚さ４．０ｎｍ
のＩｎ0.5 Ａｌ0. 5 Ａｓの第１障壁層４１、アンドープ
で厚さ６．０ｎｍのＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る量子
井戸層５０、アンドープで厚さ４．０ｎｍのＩｎ0.5 Ａ
ｌ0.5 Ａｓの第２障壁層４２を成長する。次に、ｉ−Ｉ
ｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１．５ｎｍのスペーサ
層３２ａ、ｎ- −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る厚さ１
０ｎｍのスぺーサ層３２ｂ、ｎ+ −Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａ
ｓから成る厚さ５００ｎｍのキャップ層３２を、順次、
成長させる。尚、キャップ層３２には、ｎ型ドーパント
が５×１０18/cm3の濃度に添加されており、スペーサ層
３２ｂには、ｎ型ドーパントが５×１０17/cm3の濃度に
添加されており、スペーサ層３２ａは不純物無添加であ
る。共鳴トンネルダイオードを構成する各層の厚さ、組
成比、不純物濃度の詳細を図３に示す。尚、矢印方向が
半絶縁性ＧａＡｓ基板上１０の方向である。
【００２０】次に、上記構成の共鳴トンネルダイオード
の動作について説明する。量子井戸層５０を２つの障壁
層４１、４２で挟んだトンネルダイオードは特異な電流
電圧特性を有する。その電流電圧特性を図４に示す。電
圧を徐々に上昇させると、電流は一旦Ａ点でオーバーシ
ュートし、Ｂ点で再び上昇する。Ａ点付近の電導は、量
子井戸層５０に形成された量子準位が、障壁層４１、４
２を挟んで形成された層３１、３１ａ、３１ｂのフェル
ミー準位、層４２、３２ａ、３２ｂのフェルミー準位と
が同一レベルとなって、共鳴する時に流れるトンネル伝
導によるものである。そして、Ｂ点からの電流増加は、
注入電流による伝導によるものである。この現象が、共
鳴トンネルダイオード特有の動作である。この特性は、
様々な高周波素子に応用される。例えば、発振器に応用
できる。この共鳴トンネルダイオードと共振回路を並列
に接続し、共振回路の抵抗成分を負性抵抗r にとると、
共振回路の共振点で発振する。
の動作について説明する。量子井戸層５０を２つの障壁
層４１、４２で挟んだトンネルダイオードは特異な電流
電圧特性を有する。その電流電圧特性を図４に示す。電
圧を徐々に上昇させると、電流は一旦Ａ点でオーバーシ
ュートし、Ｂ点で再び上昇する。Ａ点付近の電導は、量
子井戸層５０に形成された量子準位が、障壁層４１、４
２を挟んで形成された層３１、３１ａ、３１ｂのフェル
ミー準位、層４２、３２ａ、３２ｂのフェルミー準位と
が同一レベルとなって、共鳴する時に流れるトンネル伝
導によるものである。そして、Ｂ点からの電流増加は、
注入電流による伝導によるものである。この現象が、共
鳴トンネルダイオード特有の動作である。この特性は、
様々な高周波素子に応用される。例えば、発振器に応用
できる。この共鳴トンネルダイオードと共振回路を並列
に接続し、共振回路の抵抗成分を負性抵抗r にとると、
共振回路の共振点で発振する。
【００２１】本実施例では、より多くのＩｎを有するメ
タモルフィックバッファ層を採用しているので、従来よ
り電流密度の高い共鳴トンネルダイオードとなる。又、
Ｉｎの導入により電子の移動度が高くなる。これによ
り、高速動作するダイオードとなる。又、本実施例では
Ｉｎを導入したＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓのへテロ接
合を採用している。これにより、エネルギー準位差△Ec
が０．５ｅＶ程度になって、室温動作が可能となる。
又、Ａ点でのピーク電流とＢ点でのバレー電流比も増大
できる。以上より、室温で高速動作する共鳴トンネルダ
イオードとなり、容易に、例えば上記高周波用の発振器
等に適用することができる。
タモルフィックバッファ層を採用しているので、従来よ
り電流密度の高い共鳴トンネルダイオードとなる。又、
Ｉｎの導入により電子の移動度が高くなる。これによ
り、高速動作するダイオードとなる。又、本実施例では
Ｉｎを導入したＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓのへテロ接
合を採用している。これにより、エネルギー準位差△Ec
が０．５ｅＶ程度になって、室温動作が可能となる。
又、Ａ点でのピーク電流とＢ点でのバレー電流比も増大
できる。以上より、室温で高速動作する共鳴トンネルダ
イオードとなり、容易に、例えば上記高周波用の発振器
等に適用することができる。
【００２２】更に、この特性は電圧によって対称性を有
する（図４）。図４においてＡ点とＢ点を取りうる2 つ
の状態（論理回路における０、１に対応）とすると、こ
の2点間の遷移時間はきわめて短い。よって、より高速
な論理回路に適用できる。
する（図４）。図４においてＡ点とＢ点を取りうる2 つ
の状態（論理回路における０、１に対応）とすると、こ
の2点間の遷移時間はきわめて短い。よって、より高速
な論理回路に適用できる。
【００２３】（第２実施例）図５に、上記構造を用いた
共鳴トンネルダイオード素子を示す。図は、構成断面図
である。第１実施例に示した共鳴トンネルダイオードを
構成する要素には同じ番号が記してある。本実施例の共
鳴トンネルダイオード素子は、第１実施例の共鳴トンネ
ルダイオードとその両端に形成された電極配線６１、６
２からなり、１端の第１コンタクト層３１がビアホール
６０によって半絶縁性ＧａＡｓ基板１０の裏面に形成さ
れた裏面電極６３（アース電位）と接続されていること
が特徴である。
共鳴トンネルダイオード素子を示す。図は、構成断面図
である。第１実施例に示した共鳴トンネルダイオードを
構成する要素には同じ番号が記してある。本実施例の共
鳴トンネルダイオード素子は、第１実施例の共鳴トンネ
ルダイオードとその両端に形成された電極配線６１、６
２からなり、１端の第１コンタクト層３１がビアホール
６０によって半絶縁性ＧａＡｓ基板１０の裏面に形成さ
れた裏面電極６３（アース電位）と接続されていること
が特徴である。
【００２４】この製造工程は以下の通りである。先ず、
エピタキシャル層を成長後、ＩｎＧａＡｓの第１コンタ
クト層３１までリン酸系のウェットエッチング液を用い
てメサエッチングする。次いで、オーミック金属、例え
ばAuGe／Ni／Auをそれぞれ45nm、15nm、200nm厚さに蒸
着し、電極配線６１、６２を形成する。次いで、半絶縁
性ＧａＡｓ基板１０を裏面より研磨し、その厚さを約15
0 μｍとする。その後、両面マスクアライナーで電極配
線６２の位置を確定し、その個所に硫酸系のウエットエ
ッチングによって穴を穿つ。即ち、第１コンタクト層３
１に穴を穿ち裏面から配電電極６２を露にする。そし
て、裏面よりTi／Auの蒸着及びAuメッキを行い裏面電極
６３を形成する。このようにして、共鳴トンネルダイオ
ード素子が形成される。
エピタキシャル層を成長後、ＩｎＧａＡｓの第１コンタ
クト層３１までリン酸系のウェットエッチング液を用い
てメサエッチングする。次いで、オーミック金属、例え
ばAuGe／Ni／Auをそれぞれ45nm、15nm、200nm厚さに蒸
着し、電極配線６１、６２を形成する。次いで、半絶縁
性ＧａＡｓ基板１０を裏面より研磨し、その厚さを約15
0 μｍとする。その後、両面マスクアライナーで電極配
線６２の位置を確定し、その個所に硫酸系のウエットエ
ッチングによって穴を穿つ。即ち、第１コンタクト層３
１に穴を穿ち裏面から配電電極６２を露にする。そし
て、裏面よりTi／Auの蒸着及びAuメッキを行い裏面電極
６３を形成する。このようにして、共鳴トンネルダイオ
ード素子が形成される。
【００２５】この構成は、ダイオードの電極からの配線
を極力短くしインダクタンス成分を低減させ、高周波特
性の劣化を抑制する作用がある。よって、高周波素子へ
の適用が可能である。例えば、数十ＧＨｚから百数十Ｇ
Ｈｚでの発振器、逓倍器、混合器（ミキサ）などのハイ
ブッリドＩＣへ適用することができる。又、それらを容
易にセラミックやテフロンなどの他の高周波用基板に実
現することができる。
を極力短くしインダクタンス成分を低減させ、高周波特
性の劣化を抑制する作用がある。よって、高周波素子へ
の適用が可能である。例えば、数十ＧＨｚから百数十Ｇ
Ｈｚでの発振器、逓倍器、混合器（ミキサ）などのハイ
ブッリドＩＣへ適用することができる。又、それらを容
易にセラミックやテフロンなどの他の高周波用基板に実
現することができる。
【００２６】（変形例）以上、本発明の基本的構造を示
したが、その他様々な変形例が考えられる。例えば、上
述のハイブリッドＩＣ化のためには、第２実施例の構造
では電極面積が小さい場合がある。そのため、図６に示
すように、ＳｉＮによるパッシベーション膜とＡｕ等の
配線工程を追加してワイヤ本ディングやリボンボンディ
ングのための一辺が１５０〜２００μｍ程度のパッド７
０を設けても良い。
したが、その他様々な変形例が考えられる。例えば、上
述のハイブリッドＩＣ化のためには、第２実施例の構造
では電極面積が小さい場合がある。そのため、図６に示
すように、ＳｉＮによるパッシベーション膜とＡｕ等の
配線工程を追加してワイヤ本ディングやリボンボンディ
ングのための一辺が１５０〜２００μｍ程度のパッド７
０を設けても良い。
【図１】本発明の第１実施例に係わる共鳴トンネルダイ
オードの構成断面図。
オードの構成断面図。
【図２】本発明の第１実施例に係わるメタモルフィック
バッファ層の詳細構成図。
バッファ層の詳細構成図。
【図３】本発明の第１実施例に係わる共鳴トンネルダイ
オードの詳細構成図。
オードの詳細構成図。
【図４】本発明の第１実施例に係わる共鳴トンネルダイ
オードの電流電圧特性図。
オードの電流電圧特性図。
【図５】本発明の第２実施例に係わる共鳴トンネルダイ
オード素子の構成断面図。
オード素子の構成断面図。
【図６】本発明の第２実施例の変形例に係わる共鳴トン
ネルダイオード素子の構成断面図。
ネルダイオード素子の構成断面図。
１０ 半絶縁性ＧａＡｓ基板 ２０ メタモルフィックバッファ層 ３１ 第１コンタクト層 ３１ａ，ｂ スペーサー ３２ 第２コンタクト層 ３２ａ，ｂ スペーサー ４１ 第１障壁層 ４２ 第２障壁層 ５０ 量子井戸層 ６０ ビアホール ６１、６２ 電極配線 ６３ 裏面電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/80 Ｆターム(参考） 5F003 BB04 BE04 BF06 BG06 BH16 BH18 BJ12 BN07 BP32 BZ01 5F102 FA10 FB05 GB02 GJ05 GK04 GK08 GL04 GL08 GV03 HC01 HC11
Claims (4)
- 【請求項１】半導体基板上に形成され、バッファ層、量
子井戸層、及び該量子井戸層を挟む障壁層からなる共鳴
トンネル装置において、 前記バッファ層はメタモルフィックバッファ層であるこ
とを特徴とする共鳴トンネル装置。 - 【請求項２】前記半導体基板は半絶縁性のＧａＡｓ基板
であり、前記メタモルフィックバッファ層はＩｎＧａＡ
ｓ、障壁層はＩｎＡｌＡｓ、量子井戸層はＩｎＧａＡｓ
であることを特徴とする請求項１に記載の共鳴トンネル
装置。 - 【請求項３】前記メタモルフィックバッファ層は複数の
Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ層からなり、該複数のＩｎ xＧａ
1-x Ａｓ層のＩｎ組成比ｘは０から0 ．5 までステップ
的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の共
鳴トンネル装置。 - 【請求項４】前記メタモルフィックバッファ層と前記障
壁層間に形成されたコンタクト層は、半導体基板を穿っ
て形成されたビアホールを通じて基板裏面に形成された
電極に導通していることを特徴とする請求項１乃至請求
項３の何れか１項に記載の共鳴トンネル装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33354999A JP2001156301A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 共鳴トンネル装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33354999A JP2001156301A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 共鳴トンネル装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001156301A true JP2001156301A (ja) | 2001-06-08 |
Family
ID=18267298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33354999A Pending JP2001156301A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 共鳴トンネル装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001156301A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7122734B2 (en) * | 2002-10-23 | 2006-10-17 | The Boeing Company | Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers |
| JP2010225906A (ja) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
| US7915640B2 (en) * | 2005-05-25 | 2011-03-29 | Sony Corporation | Heterojunction semiconductor device and method of manufacturing |
| CN102194671A (zh) * | 2011-05-11 | 2011-09-21 | 中国科学院半导体研究所 | 在衬底上生长异变缓冲层的方法 |
| JP2012160686A (ja) * | 2011-02-03 | 2012-08-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 共鳴トンネルダイオードおよびテラヘルツ発振器 |
| JP2014517511A (ja) * | 2011-05-02 | 2014-07-17 | インテル・コーポレーション | 垂直トンネリングの負性微分抵抗素子 |
| RU2561779C1 (ru) * | 2014-06-17 | 2015-09-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Полупроводниковый диод |
| CN111863972A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的iii-v族半导体功率二极管 |
-
1999
- 1999-11-25 JP JP33354999A patent/JP2001156301A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7122734B2 (en) * | 2002-10-23 | 2006-10-17 | The Boeing Company | Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers |
| US7626116B2 (en) | 2002-10-23 | 2009-12-01 | The Boeing Company | Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers |
| US7915640B2 (en) * | 2005-05-25 | 2011-03-29 | Sony Corporation | Heterojunction semiconductor device and method of manufacturing |
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| JP2014517511A (ja) * | 2011-05-02 | 2014-07-17 | インテル・コーポレーション | 垂直トンネリングの負性微分抵抗素子 |
| US9293546B2 (en) | 2011-05-02 | 2016-03-22 | Intel Corporation | Vertical tunneling negative differential resistance devices |
| CN102194671B (zh) * | 2011-05-11 | 2012-08-15 | 中国科学院半导体研究所 | 在衬底上生长异变缓冲层的方法 |
| CN102194671A (zh) * | 2011-05-11 | 2011-09-21 | 中国科学院半导体研究所 | 在衬底上生长异变缓冲层的方法 |
| RU2561779C1 (ru) * | 2014-06-17 | 2015-09-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Полупроводниковый диод |
| CN111863972A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的iii-v族半导体功率二极管 |
| JP2020184622A (ja) * | 2019-04-30 | 2020-11-12 | アズール スペース ソーラー パワー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＡＺＵＲ ＳＰＡＣＥ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ ＧｍｂＨ | 積層型高ブロッキングｉｉｉ−ｖ半導体パワーダイオード |
| US11245012B2 (en) | 2019-04-30 | 2022-02-08 | Azur Space Solar Power Gmbh | Stacked high barrier III-V power semiconductor diode |
| JP7026721B2 (ja) | 2019-04-30 | 2022-02-28 | アズール スペース ソーラー パワー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 積層型高ブロッキングｉｉｉ－ｖ半導体パワーダイオード |
| CN111863972B (zh) * | 2019-04-30 | 2023-12-08 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的iii-v族半导体功率二极管 |
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