JP2004200286A - 共鳴トンネル障壁構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】障壁層へのIn偏析の影響を抑制することが可能な構造の高性能の共鳴トンネル障壁構造を提供する。
【解決手段】n型の導電性を有するコレクタ層1と、n型の導電性を有するエミッタ層2と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第1の障壁層3と、導電性が中性であって、その伝導帯の下端がエミッタ層2の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層4と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第2の障壁層5と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第3の障壁層6よりなり、コレクタ層1、第1の障壁層3、量子井戸層4、第2の障壁層5、第3の障壁層6、エミッタ層2の順に積層して構成してなる共鳴トンネル障壁構造とする。
【選択図】図1
【解決手段】n型の導電性を有するコレクタ層1と、n型の導電性を有するエミッタ層2と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第1の障壁層3と、導電性が中性であって、その伝導帯の下端がエミッタ層2の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層4と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第2の障壁層5と、コレクタ層1およびエミッタ層2のキャリアに対して障壁として作用する導電性が中性の第3の障壁層6よりなり、コレクタ層1、第1の障壁層3、量子井戸層4、第2の障壁層5、第3の障壁層6、エミッタ層2の順に積層して構成してなる共鳴トンネル障壁構造とする。
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速素子、機能素子に利用される共鳴トンネルダイオードや共鳴トンネルトランジスタの構成要素である共鳴トンネル障壁構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
【非特許文献1】
H.Matsuzaki,J.Osaka,H.Sugiyama,T.Kobayashi,T.Enoki,Inst.Phys.Conf.Ser.No.170,(2002),p.63-67.
【非特許文献2】
F.G.Celii,Y.-C.Kao,A.J.Katz,and T.S.Moise,J.Vac.Sci.Technol.A13,(1995)p.733.
電流電圧特性に現れる負性微分抵抗特性を特徴とする共鳴トンネルダイオードや共鳴トンネルトランジスタには、さまざまな構造が提案されている。
共鳴トンネル特性の性能指標には、電流の極大値(共鳴トンネル条件時に流れる電流)IPとその時の印加電圧VP、電流の極小値IVとその時の印加電圧VV、VVより高く電圧を印加しIPと同じ電流値に到達した際の電圧値VR、電流値を共鳴トンネル障壁構造の接合面積で規格化した電流密度JP、電流の極大値と極小値の比PVR(=IP/IV)、VRとVPの差(VR−VP)等がある。
共鳴トンネル障壁構造を超高速素子に応用しようとする際には、高いJP、低いVP、大きいPVRとVR−VPをそれぞれ有する電流電圧特性を満たさなくてはならない。
具体的には、例えばJPが5×104A/cm2以上、VPが0.5V以下、PVRが5以上、VR−VPが0.6V以上という要求を満たさなくてはならない。
【0003】
一般に、JPは、主に障壁層の厚さによって決定され、VPは井戸層の厚さによって決定される。そのため、高いJPを得るためには障壁層の厚さを薄くし、低いVPを実現するためには、井戸層の厚さを薄くする必要がある。一方、PVRとVR−VPを大きくするためには、井戸層に生じる第一・第二共鳴準位間の間隔を広げて、第二共鳴準位を介して流れる電流を抑制する必要がある。そのためには、井戸層を薄くする必要が生じる。このため、井戸層の厚さを制御することによって、低いVPと大きいPVR・VR−VPを両立することは、相矛盾することになり不可能となってしまう。
【0004】
この困難を解決するために、電極と接するエミッタ層・コレクタ層となる半導体の伝導帯の下端よりも、井戸層の伝導帯の下端が低い半導体を井戸層に用いる方法が考案されている〔非特許文献1〕。この方法によって、井戸層厚さを薄くしても、第一共鳴準位の位置を低い位置に保ったまま、第二共鳴準位の位置のみを高くすることが可能となる。これによって、低いVPと高いVR、PVRが実現可能となる。
実際に上記の方法をInPに格子整合する結晶材料系に適用する場合、共鳴トンネル障壁構造として、エミッタ層・コレクタ層にIn0.53Ga0.47Asを用い、障壁層にAlAsを用い、井戸層の伝導帯の下端を下げるために、井戸層にIn組成xが0.7〜0.95であるInxGa1−xAsを用いるという方法が提案され、その効果が確認されている。
【0005】
しかしながら、一般にIn原子は、GaやAlなど他のIII族原子と比較して、結晶成長中に表面偏析しやすいという性質を有する。そのため、In組成の高い井戸層を成長する際に、偏析したIn原子が井戸層直上のAlAs障壁層に混入してしまう。AlAsにInが混入すると、井戸層と障壁層の界面の障壁高さが、AlAsの場合と比べて低下してしまう。特に上層障壁層は、In組成の高い井戸層の上に形成されるため、In混入の影響が下層の障壁層よりも顕著となる。これによって、上層障壁層のポテンシャルは、必然的に下層障壁層とは異なる形状となり、結果として上層障壁層と下層障壁層の電子の透過確率は異なる値を持つことになる。
共鳴トンネル障壁構造の透過確率Ttotalは、上層側障壁の透過確率Ttと下層側障壁の透過確率をTbとした場合、近似的に次の(数1)式で表される。
ここで、TtとTbが等しい時にTtotalは最大で1となる。つまり、高いJPを得るためには、上層と下層の障壁の透過確率を可能な限り等しくする、つまり障壁高さと厚さを等しく作製することが必要となる。このことから、In原子の偏析によりもたらされる障壁層の対称性の劣化は、Ttotalの低下、すなわちJPの低下をもたらすことになる。
また、上記のようなInの偏析が起きている場合、共鳴トンネル障壁構造のポテンシャル形状が非対称となることから、電流電圧特性は、印加する電圧の極性に対して非対称となる。素子設計・作製においては、共鳴トンネル素子と他の素子構造を複合する際に、共鳴トンネル素子の電圧極性に対する制限を無くすことができることから、電流電圧特性の対称性が高いほうが望ましい。
【0006】
実際、有機金属気相成長(MOVPE)法で作製された上記の構造を有する共鳴トンネルダイオードでは、電子が結晶表面側、つまり上層障壁側から流れる場合のほうが、下層から電子が流れる場合よりもIPが大きくなる傾向にあり、印加電圧に対して非対称な特性を示す。これは、Inの偏析によって、上層側障壁層の実効的な障壁高さが低くなったことを示していると考えられる。同様な現象は、MOVPE法よりも成長温度が低い分子線エピタキシー(MBE)法においても報告されており〔非特許文献2〕、共鳴トンネル障壁構造の形成にあたっては、不可避な問題である。
以上のことから、高性能の共鳴トンネル障壁構造を実現するためには、上記のような障壁層へのIn偏析の影響を抑制しなくてはならない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したごとく、従来技術において、特に上層障壁層はIn組成の高い量子井戸層の上に形成されるため、In原子の混入による影響が下層の障壁層よりも顕著となる。これによって、上層障壁層のポテンシヤルは、必然的に下層障壁層とは異なる形状となり、結果として上層障壁層と下層障壁層の電子の透過確率は異なる値を持つことになる。このことから、In原子の偏析によりもたらされる障壁層の対称性の劣化は、Ttotalの低下、すなわちJPの低下をもたらすことになるという問題がある。
【0008】
本発明の課題は、上記従来技術における問題点を解消し、上記障壁層へのIn偏析の影響を抑制することが可能な構造の高性能な共鳴トンネル障壁構造を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項1に記載のように、
第1の半導体からなり、n型の導電性を有するコレクタ層と、
第2の半導体からなり、n型の導電性を有するエミッタ層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第3の半導体からなり、導電性が中性である第1の障壁層と、
第4の半導体からなり、導電性が中性であって、その伝導帯の下端が前記第2の半導体の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第5の半導体からなり、導電性が中性である第2の障壁層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第6の半導体からなり、導電性が中性である第3の障壁層とが、
前記コレクタ層、前記第1の障壁層、前記量子井戸層、前記第2の障壁層、前記第3の障壁層、前記エミッタ層の順に積層して構成した共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0010】
また、請求項2に記載のように、請求項1において前記第1の半導体および前記第2の半導体がIn0.53Ga0.47Asよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0011】
また、請求項3に記載のように、請求項1において、前記第4の半導体が、Inの組成が0.7以上、0.95以下、厚さが単原子層以上、60nm以下のInGaAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0012】
また、請求項4に記載のように、請求項1において、前記第3と第5の半導体が、AlAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0013】
また、請求項5に記載のように、請求項1において、前記第6の半導体が、In組成が0より大きく、0.8以下、その厚さが単原子層以上3原子層以下であるInAlAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0014】
本発明では、上記の構成により、In組成の高い井戸層からのInの混入による上層AlAsの障壁高さ・実効的な厚さの低減を、第3の障壁層を挿入することによって補完し、下層側の障壁層と上層側の障壁層の透過確率を等しくすることによって、共鳴トンネル障壁構造全体の透過確率を高め、高JPを実現しつつ、電流電圧特性の電圧極性に対する対称性が高い共鳴トンネル障壁構造を実現するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
〈実施の形態1〉
図1は、本実施の形態で例示する共鳴トンネル障壁構造を用いて作製した共鳴トンネルダイオードの構造を示す模式図である。図1に示すように、本実施の形態で示す共鳴トンネルダイオードは、第1の半導体からなり、n型の導電性を有するコレクタ層1と、第2の半導体からなり、n型の導電性を有するエミッタ層2と、コレクタ層1とエミッタ層2との間に配置され、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第3の半導体からなり、導電性が中性である第1の障壁層3と、第4の半導体からなり、導電性が中性であって、その伝導帯の下端が第2の半導体の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層4と、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第5の半導体からなり、導電性が中性である第2の障壁層5と、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第6の半導体からなり、導電性が中性である第3の障壁層6とが、コレクタ層1、第1の障壁層3、量子井戸層4、第2の障壁層5、第3の障壁層6、エミッタ層2の順に積層して構成される共鳴トンネル障壁構造であって、第1の半導体および第2の半導体がIn0.53Ga0.47Asよりなり、第4の半導体が、In組成が0.7以上、0.95以下、厚さが単原子層以上、6nm以下のInGaAsよりなり、第3と第5の半導体が、AlAsよりなり、第6の半導体が、In組成が0より大きく、0.8以下、その厚さが単原子層以上3原子層以下のInAlAsよりなる。なお、8はInP基板、7はバッファ層である。
【0016】
本実施の形態では、第2の障壁層とエミッタ層の間に、Inの組成が0より大きく、0.8以下のInAlAsを挿入することによって、高いIn組成のInGaAsからなる量子井戸層から混入するInによる第2の障壁層の障壁高さ・厚さの低減を補完し、第1の障壁層と第2および第3からなる上部障壁層の透過確率を揃えることによって、高いJPを実現し、かつ印加電圧の極性に対する電流電圧特性の対称性が高い共鳴トンネルダイオードを実現することができる。
【0017】
図2は、本実施の形態で示した共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図である。図2から明らかなように、高JP、低VP、高いPVRとVR−VPを同時に実現しつつ、印加電圧の極性に対する良好な対称性を示している。
【0018】
図3は、第3の障壁構造が挿入されていない共鳴トンネル障壁構造を有する共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図である。
図3に示すように、第3の障壁を挿入しない場合、JPが低下すると共に、電流電圧特性の対称性が劣化していることが分かる。以上の結果は本発明の効果を示している。
【0019】
以上本発明の実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本発明は特許請求の範囲において数値限定した範囲において、上記実施の形態と同様の効果が得られることを本発明者らは確認した。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、共鳴トンネル障壁構造において、障壁層構造を上層と下層で非対称とすることで、高JPと、高い電流電圧特性の対称性を同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態で例示した共鳴トンネルダイオードの構造を示す模式図。
【図2】図1に示した構造の共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図で、順方向とは、表面エミッタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示し、逆方向とは、基板側コレクタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示す。
【図3】第3の障壁層を含まず、第1と第2の障壁層からなる共鳴トンネル障壁構造を有する共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図で、順方向とは、表面エミッタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示し、逆方向とは、基板側コレクタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示す。
【符号の説明】
1…n型コレクタ層(In0.53Ga0.47As):第1の半導体
2…n型エミッタ層(In0.53Ga0.47As):第2の半導体
3…第1の障壁層(AlAs):第3の半導体
4…量子井戸層:第4の半導体
5…第2の障壁層(AlAs):第5の半導体
6…第3の障壁層(InxAl1−xAs、xは0より大きく0.8以下):第6の半導体
7…バッファ層
8…InP基板
JP:共鳴トンネル障壁構造の接合面積で規格化した電流密度
VP:印加電圧
VR:電流の極大値に到達した際の電圧値
VV:電流が極小値の時の印加電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速素子、機能素子に利用される共鳴トンネルダイオードや共鳴トンネルトランジスタの構成要素である共鳴トンネル障壁構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
【非特許文献1】
H.Matsuzaki,J.Osaka,H.Sugiyama,T.Kobayashi,T.Enoki,Inst.Phys.Conf.Ser.No.170,(2002),p.63-67.
【非特許文献2】
F.G.Celii,Y.-C.Kao,A.J.Katz,and T.S.Moise,J.Vac.Sci.Technol.A13,(1995)p.733.
電流電圧特性に現れる負性微分抵抗特性を特徴とする共鳴トンネルダイオードや共鳴トンネルトランジスタには、さまざまな構造が提案されている。
共鳴トンネル特性の性能指標には、電流の極大値(共鳴トンネル条件時に流れる電流)IPとその時の印加電圧VP、電流の極小値IVとその時の印加電圧VV、VVより高く電圧を印加しIPと同じ電流値に到達した際の電圧値VR、電流値を共鳴トンネル障壁構造の接合面積で規格化した電流密度JP、電流の極大値と極小値の比PVR(=IP/IV)、VRとVPの差(VR−VP)等がある。
共鳴トンネル障壁構造を超高速素子に応用しようとする際には、高いJP、低いVP、大きいPVRとVR−VPをそれぞれ有する電流電圧特性を満たさなくてはならない。
具体的には、例えばJPが5×104A/cm2以上、VPが0.5V以下、PVRが5以上、VR−VPが0.6V以上という要求を満たさなくてはならない。
【0003】
一般に、JPは、主に障壁層の厚さによって決定され、VPは井戸層の厚さによって決定される。そのため、高いJPを得るためには障壁層の厚さを薄くし、低いVPを実現するためには、井戸層の厚さを薄くする必要がある。一方、PVRとVR−VPを大きくするためには、井戸層に生じる第一・第二共鳴準位間の間隔を広げて、第二共鳴準位を介して流れる電流を抑制する必要がある。そのためには、井戸層を薄くする必要が生じる。このため、井戸層の厚さを制御することによって、低いVPと大きいPVR・VR−VPを両立することは、相矛盾することになり不可能となってしまう。
【0004】
この困難を解決するために、電極と接するエミッタ層・コレクタ層となる半導体の伝導帯の下端よりも、井戸層の伝導帯の下端が低い半導体を井戸層に用いる方法が考案されている〔非特許文献1〕。この方法によって、井戸層厚さを薄くしても、第一共鳴準位の位置を低い位置に保ったまま、第二共鳴準位の位置のみを高くすることが可能となる。これによって、低いVPと高いVR、PVRが実現可能となる。
実際に上記の方法をInPに格子整合する結晶材料系に適用する場合、共鳴トンネル障壁構造として、エミッタ層・コレクタ層にIn0.53Ga0.47Asを用い、障壁層にAlAsを用い、井戸層の伝導帯の下端を下げるために、井戸層にIn組成xが0.7〜0.95であるInxGa1−xAsを用いるという方法が提案され、その効果が確認されている。
【0005】
しかしながら、一般にIn原子は、GaやAlなど他のIII族原子と比較して、結晶成長中に表面偏析しやすいという性質を有する。そのため、In組成の高い井戸層を成長する際に、偏析したIn原子が井戸層直上のAlAs障壁層に混入してしまう。AlAsにInが混入すると、井戸層と障壁層の界面の障壁高さが、AlAsの場合と比べて低下してしまう。特に上層障壁層は、In組成の高い井戸層の上に形成されるため、In混入の影響が下層の障壁層よりも顕著となる。これによって、上層障壁層のポテンシャルは、必然的に下層障壁層とは異なる形状となり、結果として上層障壁層と下層障壁層の電子の透過確率は異なる値を持つことになる。
共鳴トンネル障壁構造の透過確率Ttotalは、上層側障壁の透過確率Ttと下層側障壁の透過確率をTbとした場合、近似的に次の(数1)式で表される。
ここで、TtとTbが等しい時にTtotalは最大で1となる。つまり、高いJPを得るためには、上層と下層の障壁の透過確率を可能な限り等しくする、つまり障壁高さと厚さを等しく作製することが必要となる。このことから、In原子の偏析によりもたらされる障壁層の対称性の劣化は、Ttotalの低下、すなわちJPの低下をもたらすことになる。
また、上記のようなInの偏析が起きている場合、共鳴トンネル障壁構造のポテンシャル形状が非対称となることから、電流電圧特性は、印加する電圧の極性に対して非対称となる。素子設計・作製においては、共鳴トンネル素子と他の素子構造を複合する際に、共鳴トンネル素子の電圧極性に対する制限を無くすことができることから、電流電圧特性の対称性が高いほうが望ましい。
【0006】
実際、有機金属気相成長(MOVPE)法で作製された上記の構造を有する共鳴トンネルダイオードでは、電子が結晶表面側、つまり上層障壁側から流れる場合のほうが、下層から電子が流れる場合よりもIPが大きくなる傾向にあり、印加電圧に対して非対称な特性を示す。これは、Inの偏析によって、上層側障壁層の実効的な障壁高さが低くなったことを示していると考えられる。同様な現象は、MOVPE法よりも成長温度が低い分子線エピタキシー(MBE)法においても報告されており〔非特許文献2〕、共鳴トンネル障壁構造の形成にあたっては、不可避な問題である。
以上のことから、高性能の共鳴トンネル障壁構造を実現するためには、上記のような障壁層へのIn偏析の影響を抑制しなくてはならない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したごとく、従来技術において、特に上層障壁層はIn組成の高い量子井戸層の上に形成されるため、In原子の混入による影響が下層の障壁層よりも顕著となる。これによって、上層障壁層のポテンシヤルは、必然的に下層障壁層とは異なる形状となり、結果として上層障壁層と下層障壁層の電子の透過確率は異なる値を持つことになる。このことから、In原子の偏析によりもたらされる障壁層の対称性の劣化は、Ttotalの低下、すなわちJPの低下をもたらすことになるという問題がある。
【0008】
本発明の課題は、上記従来技術における問題点を解消し、上記障壁層へのIn偏析の影響を抑制することが可能な構造の高性能な共鳴トンネル障壁構造を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項1に記載のように、
第1の半導体からなり、n型の導電性を有するコレクタ層と、
第2の半導体からなり、n型の導電性を有するエミッタ層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第3の半導体からなり、導電性が中性である第1の障壁層と、
第4の半導体からなり、導電性が中性であって、その伝導帯の下端が前記第2の半導体の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第5の半導体からなり、導電性が中性である第2の障壁層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第6の半導体からなり、導電性が中性である第3の障壁層とが、
前記コレクタ層、前記第1の障壁層、前記量子井戸層、前記第2の障壁層、前記第3の障壁層、前記エミッタ層の順に積層して構成した共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0010】
また、請求項2に記載のように、請求項1において前記第1の半導体および前記第2の半導体がIn0.53Ga0.47Asよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0011】
また、請求項3に記載のように、請求項1において、前記第4の半導体が、Inの組成が0.7以上、0.95以下、厚さが単原子層以上、60nm以下のInGaAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0012】
また、請求項4に記載のように、請求項1において、前記第3と第5の半導体が、AlAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0013】
また、請求項5に記載のように、請求項1において、前記第6の半導体が、In組成が0より大きく、0.8以下、その厚さが単原子層以上3原子層以下であるInAlAsよりなる共鳴トンネル障壁構造とするものである。
【0014】
本発明では、上記の構成により、In組成の高い井戸層からのInの混入による上層AlAsの障壁高さ・実効的な厚さの低減を、第3の障壁層を挿入することによって補完し、下層側の障壁層と上層側の障壁層の透過確率を等しくすることによって、共鳴トンネル障壁構造全体の透過確率を高め、高JPを実現しつつ、電流電圧特性の電圧極性に対する対称性が高い共鳴トンネル障壁構造を実現するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
〈実施の形態1〉
図1は、本実施の形態で例示する共鳴トンネル障壁構造を用いて作製した共鳴トンネルダイオードの構造を示す模式図である。図1に示すように、本実施の形態で示す共鳴トンネルダイオードは、第1の半導体からなり、n型の導電性を有するコレクタ層1と、第2の半導体からなり、n型の導電性を有するエミッタ層2と、コレクタ層1とエミッタ層2との間に配置され、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第3の半導体からなり、導電性が中性である第1の障壁層3と、第4の半導体からなり、導電性が中性であって、その伝導帯の下端が第2の半導体の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層4と、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第5の半導体からなり、導電性が中性である第2の障壁層5と、第1の半導体および第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第6の半導体からなり、導電性が中性である第3の障壁層6とが、コレクタ層1、第1の障壁層3、量子井戸層4、第2の障壁層5、第3の障壁層6、エミッタ層2の順に積層して構成される共鳴トンネル障壁構造であって、第1の半導体および第2の半導体がIn0.53Ga0.47Asよりなり、第4の半導体が、In組成が0.7以上、0.95以下、厚さが単原子層以上、6nm以下のInGaAsよりなり、第3と第5の半導体が、AlAsよりなり、第6の半導体が、In組成が0より大きく、0.8以下、その厚さが単原子層以上3原子層以下のInAlAsよりなる。なお、8はInP基板、7はバッファ層である。
【0016】
本実施の形態では、第2の障壁層とエミッタ層の間に、Inの組成が0より大きく、0.8以下のInAlAsを挿入することによって、高いIn組成のInGaAsからなる量子井戸層から混入するInによる第2の障壁層の障壁高さ・厚さの低減を補完し、第1の障壁層と第2および第3からなる上部障壁層の透過確率を揃えることによって、高いJPを実現し、かつ印加電圧の極性に対する電流電圧特性の対称性が高い共鳴トンネルダイオードを実現することができる。
【0017】
図2は、本実施の形態で示した共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図である。図2から明らかなように、高JP、低VP、高いPVRとVR−VPを同時に実現しつつ、印加電圧の極性に対する良好な対称性を示している。
【0018】
図3は、第3の障壁構造が挿入されていない共鳴トンネル障壁構造を有する共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図である。
図3に示すように、第3の障壁を挿入しない場合、JPが低下すると共に、電流電圧特性の対称性が劣化していることが分かる。以上の結果は本発明の効果を示している。
【0019】
以上本発明の実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本発明は特許請求の範囲において数値限定した範囲において、上記実施の形態と同様の効果が得られることを本発明者らは確認した。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、共鳴トンネル障壁構造において、障壁層構造を上層と下層で非対称とすることで、高JPと、高い電流電圧特性の対称性を同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態で例示した共鳴トンネルダイオードの構造を示す模式図。
【図2】図1に示した構造の共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図で、順方向とは、表面エミッタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示し、逆方向とは、基板側コレクタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示す。
【図3】第3の障壁層を含まず、第1と第2の障壁層からなる共鳴トンネル障壁構造を有する共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性を示す図で、順方向とは、表面エミッタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示し、逆方向とは、基板側コレクタ層側から電子が流れる場合の電流電圧特性を示す。
【符号の説明】
1…n型コレクタ層(In0.53Ga0.47As):第1の半導体
2…n型エミッタ層(In0.53Ga0.47As):第2の半導体
3…第1の障壁層(AlAs):第3の半導体
4…量子井戸層:第4の半導体
5…第2の障壁層(AlAs):第5の半導体
6…第3の障壁層(InxAl1−xAs、xは0より大きく0.8以下):第6の半導体
7…バッファ層
8…InP基板
JP:共鳴トンネル障壁構造の接合面積で規格化した電流密度
VP:印加電圧
VR:電流の極大値に到達した際の電圧値
VV:電流が極小値の時の印加電圧
Claims (5)
- 第1の半導体からなり、n型の導電性を有するコレクタ層と、
第2の半導体からなり、n型の導電性を有するエミッタ層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第3の半導体からなり、導電性が中性である第1の障壁層と、
第4の半導体からなり、導電性が中性であって、その伝導帯の下端が前記第2の半導体の伝導帯の下端よりも低い位置にある量子井戸層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第5の半導体からなり、導電性が中性である第2の障壁層と、
前記第1の半導体および前記第2の半導体中のキャリアに対して障壁として作用する第6の半導体からなり、導電性が中性である第3の障壁層とが、
前記コレクタ層、前記第1の障壁層、前記量子井戸層、前記第2の障壁層、前記第3の障壁層、前記エミッタ層の順に積層して構成したことを特徴とする共鳴トンネル障壁構造。 - 請求項1において前記第1の半導体および前記第2の半導体がIn0.53Ga0.47Asよりなることを特徴とする共鳴トンネル障壁構造。
- 請求項1において、前記第4の半導体が、Inの組成が0.7以上、0.95以下、厚さが単原子層以上、60nm以下のInGaAsよりなることを特徴とする共鳴トンネル障壁構造。
- 請求項1において、前記第3と第5の半導体が、AlAsよりなることを特徴とする共鳴トンネル障壁構造。
- 請求項1において、前記第6の半導体が、In組成が0より大きく、0.8以下、その厚さが単原子層以上3原子層以下であるInAlAsよりなることを特徴とする共鳴トンネル障壁構造。
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WO2015105123A1 (ja) * | 2014-01-10 | 2015-07-16 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 共鳴トンネルダイオード素子及び不揮発性メモリ |
-
2002
- 2002-12-17 JP JP2002365087A patent/JP2004200286A/ja active Pending
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JPWO2015105123A1 (ja) * | 2014-01-10 | 2017-03-23 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 共鳴トンネルダイオード素子及び不揮発性メモリ |
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