JP2011114120A - Resonance tunnel diode and terahertz oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ周波数帯の光源となる発振素子を構成する共鳴トンネルダイオードの層構造、および共鳴トンネルダイオードを使用したテラヘルツ発振器に関するものである。 The present invention relates to a layer structure of a resonant tunnel diode that constitutes an oscillation element that serves as a light source in a terahertz frequency band, and a terahertz oscillator using the resonant tunnel diode.
100GHzから10THzにあるテラヘルツ周波数帯は、電子デバイスの動作周波数の上限に近く、簡便に利用可能な小型の光源が無かったことから、これまで特殊な計測・分析、電波天文学等に利用が限られていた。室温で動作する小型のテラヘルツ周波数帯光源は、イメージングによるセキュリティ技術、短距離大容量の無線通信技術への応用等、幅広い分野への応用が期待されることから、その実現が望まれている。 The terahertz frequency band from 100 GHz to 10 THz is close to the upper limit of the operating frequency of electronic devices, and there is no small light source that can be used easily. So far, it has been limited to special measurement / analysis and radio astronomy. It was. A small terahertz frequency band light source that operates at room temperature is expected to be applied to a wide range of fields such as security technology by imaging and short-distance and large-capacity wireless communication technology.
負性微分抵抗を有する共鳴トンネルダイオード(Resonant Tunneling Diode:以下、RTD)は、電子が走行する際の短いトンネル時間、高電流密度と小さい寄生容量がもたらす短い充電時間により、テラヘルツ周波数帯の発振が可能であることから、室温動作する小型のテラヘルツ光源として期待されている。その中でもInP基板上に積層したInGaAs層、AlAs層からなるRTDは、InGaAsとAlAs間の大きな伝導帯バンド不連続により室温において比較的大きな負性微分抵抗を得ることが可能であり、優れた発振特性をもたらす。 Resonant tunneling diodes (hereinafter referred to as RTDs) having negative differential resistance have oscillations in the terahertz frequency band due to the short tunneling time when electrons travel, the short charging time caused by high current density and small parasitic capacitance. Therefore, it is expected as a compact terahertz light source that operates at room temperature. Among them, RTDs composed of InGaAs layers and AlAs layers stacked on InP substrates can obtain a relatively large negative differential resistance at room temperature due to the large discontinuity of the conduction band between InGaAs and AlAs, resulting in excellent oscillation. Bring properties.
RTDは、電流−電圧特性(以下、I−V特性)における負性微分抵抗領域において発振動作する。RTDのI−V特性を特徴づけるパラメータとして、ピーク電流密度JPとピーク電圧VP、バレー電流密度と呼ばれる負性微分抵抗領域の電流密度極小値JV等がある。ピーク電流密度JPとピーク電圧VPの積は、発振素子の消費電力の指標と見なすことができる。ピーク電流密度JPが高いほどRTDの容量を短時間で充電できるため、高い発振周波数を得ることが可能となるが、これに伴い発振器の消費電力も増加する。 The RTD oscillates in a negative differential resistance region in current-voltage characteristics (hereinafter referred to as IV characteristics). Parameters characterizing the RTD IV characteristics include a peak current density J P and a peak voltage V P , and a current density minimum value J V in a negative differential resistance region called a valley current density. The product of the peak current density J P and the peak voltage V P can be regarded as an index of the power consumption of the oscillation element. Since the peak current density J P can be charged in a short time higher RTD capacity, although it is possible to obtain a high oscillation frequency also increases power consumption of the oscillator accordingly.
最近、発明者らはInP基板上に積層されたInGaAs層、AlAs層からなるRTDを用いた発振器によって、831GHzにおける基本波発振を実現した(非特許文献1参照)。このような1THz近傍の高い周波数における室温発振は、非特許文献1に記載のようにRTDの1×106A/cm2を上回る非常に高いピーク電流密度JPと明瞭な負性微分抵抗によって実現することができる。一方、発振動作させるために素子に加えるバイアス電圧は非特許文献1に示されているように比較的高く、1Vを上回っている。テラヘルツ周波数帯での発振と低い消費電力を同時に満たす発振器を作製するためには、RTDのI−V特性において、高JPと低VPを同時に満たす必要がある。
Recently, the inventors have realized fundamental wave oscillation at 831 GHz by an oscillator using an RTD composed of an InGaAs layer and an AlAs layer stacked on an InP substrate (see Non-Patent Document 1). Such room-temperature oscillation at a high frequency near 1 THz is caused by a very high peak current density J P exceeding 1 × 10 6 A / cm 2 of RTD and a clear negative differential resistance as described in
従来、一般にRTDを高速動作させようとすると、例えば素子のメサ面積を縮小して高いピーク電流密度Jpを得て素子容量の充電時間を短縮する、という方法が採用されてきた。しかし、この方法は高速動作するものの、RTDに印加するバイアス電圧が比較的高くなるために消費電力が大きくなるという問題点があった。バイアス電圧が高くなる理由は、RTDに動作電圧付近まで電圧を印加すると、RTDの二重障壁構造とコレクタ層との間にある電子走行層の伝導帯が大きくベンディングし、エミッタとコレクタとで伝導帯に大きなポテンシャル差を生じるからである。 Conventionally, when generally the RTD to try to high speed operation, for example, shortening the charging time of the device capacitance to obtain a high peak current density J p by reducing the mesa area of the element, a method has been adopted that. However, although this method operates at high speed, there is a problem in that power consumption increases because the bias voltage applied to the RTD becomes relatively high. The reason why the bias voltage becomes high is that when a voltage is applied to the RTD to the vicinity of the operating voltage, the conduction band of the electron transit layer between the RTD double barrier structure and the collector layer is greatly bent, and is conducted between the emitter and the collector. This is because a large potential difference occurs in the belt.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、テラヘルツ周波数帯での発振と低消費電力を同時に満たすテラヘルツ発振器を作製するために、電流−電圧特性において高いピーク電流密度JPと低いピーク電圧VPを同時に満たし、発振動作に必要なバイアス電圧を低くすることができるRTD層構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in order to produce a terahertz oscillator that simultaneously satisfies oscillation in the terahertz frequency band and low power consumption, a high peak current density J P and a low current-voltage characteristic are provided. An object of the present invention is to provide an RTD layer structure that can simultaneously satisfy the peak voltage V P and reduce the bias voltage required for the oscillation operation.
本発明の共鳴トンネルダイオードは、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、このエミッタ層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、電気的に中性な半導体からなる井戸層と、前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、半導体からなり、前記エミッタ層から前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、前記電子走行層は、電気的に中性な半導体からなる第1の電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなる第2の電子走行層と、電気的に中性な半導体からなる第3の電子走行層とから構成され、少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第2の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とするものである。 The resonant tunnel diode of the present invention includes an emitter layer made of a semiconductor doped with impurities, a first barrier layer that serves as a barrier against electrons in the emitter layer, a well layer made of an electrically neutral semiconductor, A second barrier layer serving as a barrier against electrons in the emitter layer; and a semiconductor, and electrons flow from the emitter layer through the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer. An electron transit layer and a collector layer made of a semiconductor doped with an impurity are sequentially stacked. The electron transit layer includes a first electron transit layer made of an electrically neutral semiconductor and a semiconductor doped with an impurity. And a third electron transit layer made of an electrically neutral semiconductor, and at least the emitter layer, the collector layer, and the second electron transit layer have the same conductivity. Indicates type And it is characterized in that it is doped with impurities.
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例において、前記半導体は、InGaAsであり、前記電子走行層は、電気的に中性なInGaAsからなる前記第1、第3の電子走行層中にn型不純物ドーピングが施された前記第2の電子走行層を有することを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加される場合において、基板上に前記エミッタ層、前記第1の障壁層、前記井戸層、前記第2の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加される場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第2の障壁層、前記井戸層、前記第1の障壁層、前記エミッタ層の順に積層されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とするものである。
In one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, the semiconductor is InGaAs, and the electron transit layer is n in the first and third electron transit layers made of electrically neutral InGaAs. It has the said 2nd electron transit layer to which type impurity doping was given.
Also, in one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, when a negative voltage is applied to the emitter layer and a positive voltage is applied to the collector layer, the emitter layer and the first layer are formed on a substrate. The barrier layer, the well layer, the second barrier layer, the electron transit layer, and the collector layer are stacked in this order.
Also, in one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, when a positive voltage is applied to the emitter layer and a negative voltage is applied to the collector layer, the collector layer and the electron transit layer are formed on a substrate. The second barrier layer, the well layer, the first barrier layer, and the emitter layer are stacked in this order.
Further, one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention is further laminated so as to be in contact with the emitter layer outside the emitter layer, and is an impurity having the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and A sub-emitter layer made of a semiconductor doped with an impurity having a higher concentration than the emitter layer and the collector layer, and a layer stacked so as to be in contact with the collector layer outside the collector layer, and having the same conductivity as the emitter layer and the collector layer And a sub-collector layer made of a semiconductor doped with impurities of a type and having a higher concentration of impurities than the emitter layer and the collector layer.
また、本発明のテラヘルツ発振器は、共鳴トンネルダイオードと、この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするものである。 The terahertz oscillator according to the present invention includes a resonant tunnel diode, a slot antenna that is a resonator connected to the resonant tunnel diode, and a power source that applies a bias voltage between an emitter layer and a collector layer of the resonant tunnel diode. It is characterized by the following.
本発明によれば、電子走行層を、第1の電子走行層と、第2の電子走行層と、第3の電子走行層の3層で構成し、うち第2の電子走行層をエミッタ層、コレクタ層と同じ導電型を示す不純物でドープすることにより、高いピーク電流密度JPを維持しつつ、低いピーク電圧VPを得ることが可能となり、発振動作に必要なバイアス電圧を低減することができる。その結果、本発明では、テラヘルツ周波数帯での発振と低消費電力を同時に満たすテラヘルツ発振器を実現することができる。 According to the present invention, the electron transit layer is composed of three layers of the first electron transit layer, the second electron transit layer, and the third electron transit layer, and the second electron transit layer is the emitter layer. By doping with an impurity having the same conductivity type as the collector layer, it is possible to obtain a low peak voltage V P while maintaining a high peak current density J P, and to reduce the bias voltage necessary for the oscillation operation Can do. As a result, in the present invention, it is possible to realize a terahertz oscillator that simultaneously satisfies the oscillation in the terahertz frequency band and the low power consumption.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の構造を示す斜視図である。
図1に示すテラヘルツ発振器では、インジウムリン(InP)からなる基板1上に、金(Au)、パナジウム(Pd)、またはチタン(Ti)等で作製される右電極2が積層されている。同じく金、パナジウムまたはチタンからなる左電極4は、酸化シリコンからなる絶縁体3を挟んで右電極2と対向するように積層されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a terahertz oscillator according to an embodiment of the present invention.
In the terahertz oscillator shown in FIG. 1, a right electrode 2 made of gold (Au), panadium (Pd), titanium (Ti) or the like is laminated on a
左電極4には、右電極2と絶縁体3を介して重なっている部分の中央部に2箇所の凹部5,6が形成されており、この2つの凹部5,6に挟まれた箇所に凸部7が形成されている。さらに、この凸部7の先端に突起部8が形成され、この突起部8の下側に右電極2と挟まれるようにしてRTD9が配置されている。右電極2と左電極4には、直流電源11が接続されるとともに、寄生発振を防止するための抵抗10が接続されている。
The left electrode 4 has two
この右電極2と左電極4とからスロットアンテナが形成されている。右電極2と左電極4とは、絶縁体3によって高周波的に短絡されると共に、直流的に遮断されるように形成されている。凹部5,6の深さ(図1のD)は4μm程度、凸部7の幅(図1のW)は6μm程度が好ましいが、このサイズはこれに限定されるものではなく、発振する高周波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
A slot antenna is formed from the right electrode 2 and the left electrode 4. The right electrode 2 and the left electrode 4 are formed so as to be short-circuited in a high frequency by the
図2は本実施の形態のテラヘルツ発振器の分解斜視図である。図2に示すように、右電極2と、絶縁体3と、左電極4と、RTD9とが基板1上に積層されてテラヘルツ発振器が構成される。
図3は本実施の形態のテラヘルツ発振器の等価回路図である。図3において、GRTDはRTD9の抵抗成分、GANTはスロットアンテナの抵抗成分、CRTDはRTD9のキャパシタンス成分、CANTはスロットアンテナのキャパシタンス成分、Lはスロットアンテナのインダクタンス成分である。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the terahertz oscillator according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the right electrode 2, the
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the terahertz oscillator according to the present embodiment. In FIG. 3, G RTD is the resistance component of RTD 9, G ANT is the resistance component of the slot antenna, C RTD is the capacitance component of RTD 9, C ANT is the capacitance component of the slot antenna, and L is the inductance component of the slot antenna.
スロットアンテナは、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。図1、図3に示したように、テラヘルツ発振器に対して直流電源11からバイアス電圧を供給すると、基板1に対して上方向と下方向の2方向に電磁波が放射される。このとき、発振周波数fは、1/[2π{L(CRTD+CANT)}1/2]となる。
The slot antenna doubles as a resonator and an electromagnetic wave radiation antenna. As shown in FIGS. 1 and 3, when a bias voltage is supplied from the
次に、以上のようなテラヘルツ発振器に使用するRTD9の構造について説明する。図4は本実施の形態のRTD9の構造を示す断面図である。RTD9は、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなるバッファ層90と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)からなるサブエミッタ層91と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)からなるエミッタ層92と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなるスペーサ層93と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第1の障壁層94と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.8Ga0.2As)からなる井戸層95と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第2の障壁層96と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなる第1の電子走行層97と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)からなる第2の電子走行層であるスパイクドープ層98と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなる第3の電子走行層99と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.7Ga0.3Asまたはn−In0.53Ga0.47As)からなるコレクタ層100と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.7Ga0.3Asおよびn−In0.53Ga0.47As)からなるサブコレクタ層101とが順次積層された構造からなる。RTD9は、下側に位置する右電極2と上側に位置する左電極4にオーミックに接続される構造となっている。サブエミッタ層91とサブコレクタ層101は、右電極2と左電極4のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極2からエミッタ層92までの寄生抵抗成分、左電極4からコレクタ層100までの寄生抵抗成分を小さくすることで、素子全体の寄生抵抗成分を小さくする役目を果たす。
Next, the structure of the
なお、スパイクドープ層とは、電気的に中性なInGaAs層中のごく狭い領域に、スパイク的なn型不純物ドーピングを施すことで形成される層(n型不純物ドーピングされた極薄膜層を電気的に中性な層で挟んで形成されるドーピングプロファイル)である。理想的にはδドープであるが、作成の容易性の観点から1原子層以上、第1、第2、第3の電子走行層97〜99の全厚さの15%以下の厚さを有し、コレクタ層100のn型不純物ドーピング濃度の50%以上のドーピング濃度を有するものであればよい。なお、スパイクドープ層98の厚みは素子容量を左右する要因の一つであり、特に第1、第2、第3の電子走行層97〜99の全厚さに対して15%を超える厚さにすると、RTDの高周波特性を顕著に劣化させるまで素子容量が増加する。また、スパイクドープ層98の不純物ドーピング濃度は、後述の通り第3の電子走行層99およびコレクタ層100の伝導帯バンドプロファイルに影響を与えるが、コレクタ層100のn型不純物ドーピング濃度の50%未満では十分に伝導帯のポテンシャルが持ち上がらず、本発明の効果が十分に得られない。基本的に濃度は高いほど良いが、スパイクドープ層98を構成している半導体とn型不純物の種類によって欠陥密度などの結晶品質を劣化させない濃度には上限があり、スパイクドープ層98の不純物ドーピング濃度の上限もそれによって定まる。例えば、本実施の形態で用いているn型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)にn型不純物としてSiをドープする場合、結晶成長を低温で行うなどの特殊な条件を用いた場合でも不純物ドーピング濃度を1×1020cm-3未満にしないと結晶欠陥が顕著に増加し、素子特性を著しく劣化させる。
Note that the spike doped layer is a layer formed by performing spiked n-type impurity doping in a very narrow region in an electrically neutral InGaAs layer (an ultrathin film layer doped with n-type impurity is electrically charged). In particular, a doping profile formed by being sandwiched between neutral layers). Although ideally δ-doped, it has a thickness of 1 atomic layer or more and 15% or less of the total thickness of the first, second, and third electron transit layers 97 to 99 from the viewpoint of ease of production. The
バッファ層90、サブエミッタ層91、エミッタ層92、スペーサ層93、第1の障壁層94、井戸層95、第2の障壁層96、コレクタ層100、サブコレクタ層101の厚さは、それぞれ200nm、400nm、25nm、2nm、1.4nm、4.5nm、1.4nm、25nm、23nmである。なお、サブコレクタ層101は、基板1に近い方から順に、厚さ15nmのn−In0.53Ga0.47Asと厚さ8nmのn−In0.7Ga0.3Asの2層からなる。また、第1の電子走行層97、スパイクドープ層98、第3の電子走行層99の厚さを、それぞれdS1,dSD,dS2とする。これらの厚さdS1,dSD,dS2については後述する。
The thicknesses of the
サブエミッタ層91のドーパントはSiで、ドーピング濃度は2×1019cm-3、エミッタ層92のドーパントはSiで、ドーピング濃度は3×1018cm-3、コレクタ層100のドーパントはSiで、ドーピング濃度は3×1018cm-3、サブコレクタ層101のドーパントはSiで、ドーピング濃度は2×1019cm-3である。また、スパイクドープ層98のドーパントもSiで、ドーピング濃度をNDとする。このドーピング濃度NDについては後述する。
The dopant of the sub-emitter layer 91 is Si, the doping concentration is 2 × 10 19 cm −3 , the dopant of the
図4の構造を有するRTD9の試料A,B,CのパラメータdS1,dS2,dSD,NDの値を表1に示す。なお、試料Aは、スパイクドープ層を含まない比較参照用の試料である。
Table 1 shows the values of parameters d S1 , d S2 , d SD , and N D of the samples A, B, and C of the
図5は、図4に示したRTD構造を有する試料A,B,Cの発振器としての動作電圧付近での伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。横軸は基板表面を原点とした層構造の厚さ、縦軸はエネルギーである。ここでは、基板側のサブエミッタ層91に負の電圧を印加し、サブコレクタ層101に正の電圧を印加した状態を示している。エミッタ層92側のバンドが平坦な領域とコレクタ層100側のバンドが平坦な領域とのエネルギー差が、印加バイアス電圧に対応する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a result of calculating a conduction band profile in the vicinity of an operating voltage as an oscillator of the samples A, B, and C having the RTD structure illustrated in FIG. The horizontal axis represents the thickness of the layer structure with the substrate surface as the origin, and the vertical axis represents energy. Here, a state in which a negative voltage is applied to the sub-emitter layer 91 on the substrate side and a positive voltage is applied to the sub-collector layer 101 is shown. The energy difference between the region where the band on the
第1、第2の障壁層94,96と井戸層95とからなる二重障壁構造部分において伝導帯バンドの傾きは、試料A〜C間で等しくなっている。ただし、試料A,B,Cの順にコレクタ層100側のエネルギーが高くなっていることから明らかなように、第1、第3の電子走行層97,99中にスパイクドープ層98を挿入し、スパイクドープ層98のドーピング濃度を高めた試料ほど、動作電圧を低くできることが分かる。
In the double barrier structure portion composed of the first and second barrier layers 94 and 96 and the well layer 95, the inclination of the conduction band is equal between the samples A to C. However, as is clear from the fact that the energy on the
図6は、実験的に測定した試料A,B,CのI−V特性を示す図である。ここで、負バイアス電圧は、基板側のサブエミッタ層91に負の電圧を印加する極性であり、図5のバンドプロファイルに対応している。つまり、負バイアス電圧下では、電子は基板側のサブエミッタ層91からサブコレクタ層101へ流れている。 FIG. 6 is a diagram showing IV characteristics of samples A, B, and C measured experimentally. Here, the negative bias voltage is a polarity for applying a negative voltage to the sub-emitter layer 91 on the substrate side, and corresponds to the band profile of FIG. That is, under a negative bias voltage, electrons flow from the sub-emitter layer 91 on the substrate side to the sub-collector layer 101.
各試料A,B,Cの負バイアス電圧下のI−V特性におけるピーク電流密度JP、ピーク電圧VP、ピーク電流密度JPとピーク電圧VPの積、および負性微分抵抗特性の指標となる、ピーク電流密度JPと電流密度極小値JVの差ΔJを表2に示す。 The peak current density J P , the peak voltage V P , the product of the peak current density J P and the peak voltage V P in the IV characteristics under the negative bias voltage of each sample A, B, and C, and the negative differential resistance characteristic index become, Table 2 shows the difference ΔJ peak current density J P and the current density minima J V.
表2によれば、ピーク電流密度JPは、1.6〜1.8×106A/cm2と試料A〜C間でほぼ同程度の値となっている。一方、第1、第3の電子走行層97,99中にスパイクドープ層98を挿入し、スパイクドープ層98のドーピング濃度を高めることによって、ピーク電圧VPを低下できることが分かる。ピーク電圧VPの低下に伴い、ピーク電流密度JPとピーク電圧VPの積の値も顕著に低下しており、本実施の形態のRTDを使用してテラヘルツ発振器を実現したときに、発振器の低消費電力化が可能となることを示している。また、スパイクドープ層98の挿入によるΔJの低下はなく、負性微分抵抗特性を損なうことが無いことも分かる。 According to Table 2, the peak current density J P is 1.6 to 1.8 × 10 6 A / cm 2 , which is approximately the same between samples A to C. On the other hand, it can be seen that the peak voltage V P can be lowered by inserting the spike doped layer 98 into the first and third electron transit layers 97 and 99 and increasing the doping concentration of the spike doped layer 98. As the peak voltage V P decreases, the product of the peak current density J P and the peak voltage V P also decreases significantly. When the terahertz oscillator is realized using the RTD of the present embodiment, the oscillator This indicates that low power consumption can be achieved. It can also be seen that there is no decrease in ΔJ due to the insertion of the spike doped layer 98, and the negative differential resistance characteristic is not impaired.
なお、上記の試料B,CをRTD9として使用したテラヘルツ発振器によって、発明者らは試料AをRTD9として使用した場合と同様に800GHzを上回る発振周波数が得られることを確認しており、本実施の形態の構造でRTDの高周波特性が損なわれないことは確認済みである。
In addition, by the terahertz oscillator using the above samples B and C as the
以上のように、本実施の形態では、RTDにおいて、電子走行層を、第1の電子走行層97と、スパイクドープ層(第2の電子走行層)98と、第3の電子走行層99の3層で構成し、うちスパイクドープ層98をサブエミッタ層91、エミッタ層92、コレクタ層100、サブコレクタ層101と同じ導電型を示す不純物でドープすることにより、スパイクドープ層98の部分で伝導帯のベンディングを抑えることができる。その結果、本実施の形態では、高いピーク電流密度JPを維持しつつ、低いピーク電圧VPを得ることが可能となり、発振動作に必要なバイアス電圧を低減することができるので、低消費電力のテラヘルツ発振器を実現することができる。
As described above, in the present embodiment, in the RTD, the electron transit layer includes the first electron transit layer 97, the spike doped layer (second electron transit layer) 98, and the third electron transit layer 99. The spike doped layer 98 is doped with an impurity having the same conductivity type as the sub-emitter layer 91, the
なお、本実施の形態では、電子が基板側から表面側に流れるバイアス極性を想定し、スパイクドープ層98と第1、第3の電子走行層97,99とを二重障壁部分よりも表面側に設置した。電子が表面側から基板側に流れるバイアス極性、つまりサブエミッタ層91に正の電圧を印加し、サブコレクタ層101に負の電圧を印加する極性を想定する場合には、スパイクドープ層98と第1、第3の電子走行層97,99とを二重障壁部分よりも基板に近い側に設ければ良い。つまり、図4において、エミッタ層92からコレクタ層100までの構造の上下を反転させた構造を用いても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, it is assumed that the bias polarity in which electrons flow from the substrate side to the surface side, and the spike dope layer 98 and the first and third electron transit layers 97 and 99 are arranged on the surface side of the double barrier portion. Installed. In the case of assuming a bias polarity in which electrons flow from the surface side to the substrate side, that is, a polarity in which a positive voltage is applied to the sub-emitter layer 91 and a negative voltage is applied to the sub-collector layer 101, the spike doped layer 98 and the second The first and third electron transit layers 97 and 99 may be provided closer to the substrate than the double barrier portion. That is, in FIG. 4, the same effect as in this embodiment can be obtained even if a structure in which the structure from the
本発明は、共鳴トンネルダイオードに適用することができる。 The present invention can be applied to a resonant tunneling diode.
1…基板、2…右電極、3…絶縁体、4…左電極、5,6…凹部、7…凸部、8…突起部、9…共鳴トンネルダイオード、10…抵抗、11…直流電源、90…バッファ層、91…サブエミッタ層、92…エミッタ層、93…スペーサ層、94、96…障壁層、95…井戸層、97,99…電子走行層、98…スパイクドープ層、100…コレクタ層、101…サブコレクタ層。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
このエミッタ層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなる井戸層と、
前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、
半導体からなり、前記エミッタ層から前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、
不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、
前記電子走行層は、電気的に中性な半導体からなる第1の電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなる第2の電子走行層と、電気的に中性な半導体からなる第3の電子走行層とから構成され、
少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第2の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 An emitter layer made of a semiconductor doped with impurities;
A first barrier layer that serves as a barrier against electrons in the emitter layer;
A well layer made of an electrically neutral semiconductor;
A second barrier layer serving as a barrier against electrons in the emitter layer;
An electron transit layer made of a semiconductor, in which electrons flow from the emitter layer through the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer;
A collector layer made of a semiconductor doped with impurities is sequentially stacked,
The electron transit layer includes a first electron transit layer made of an electrically neutral semiconductor, a second electron transit layer made of an impurity-doped semiconductor, and a third electrode made of an electrically neutral semiconductor. The electronic traveling layer of
A resonant tunnel diode, wherein at least the emitter layer, the collector layer, and the second electron transit layer are doped with impurities having the same conductivity type.
前記半導体は、InGaAsであり、
前記電子走行層は、電気的に中性なInGaAsからなる前記第1、第3の電子走行層中にn型不純物ドーピングが施された前記第2の電子走行層を有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 The resonant tunneling diode of claim 1, wherein
The semiconductor is InGaAs;
The electron transit layer has the second electron transit layer in which the n-type impurity doping is performed in the first and third electron transit layers made of electrically neutral InGaAs. Tunnel diode.
前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加される場合において、基板上に前記エミッタ層、前記第1の障壁層、前記井戸層、前記第2の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 The resonant tunneling diode according to claim 1 or 2,
When a negative voltage is applied to the emitter layer and a positive voltage is applied to the collector layer, the emitter layer, the first barrier layer, the well layer, the second barrier layer on a substrate, The resonant tunneling diode, wherein the electron transit layer and the collector layer are stacked in this order.
前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加される場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第2の障壁層、前記井戸層、前記第1の障壁層、前記エミッタ層の順に積層されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 The resonant tunneling diode according to claim 1 or 2,
When a positive voltage is applied to the emitter layer and a negative voltage is applied to the collector layer, the collector layer, the electron transit layer, the second barrier layer, the well layer, the first layer on the substrate. A resonant tunneling diode comprising: a barrier layer and an emitter layer stacked in this order.
さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、
前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 The resonant tunneling diode according to any one of claims 1 to 4,
Further, the impurity layer is laminated outside the emitter layer so as to be in contact with the emitter layer, and has the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and is doped with an impurity having a higher concentration than the emitter layer and the collector layer. A sub-emitter layer made of a doped semiconductor;
Stacked outside the collector layer so as to be in contact with the collector layer, doped with impurities having the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and having a higher concentration than the emitter layer and the collector layer A resonant tunneling diode comprising a subcollector layer made of a semiconductor.
この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、
前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするテラヘルツ発振器。 Resonant tunnel diode according to any one of claims 1 to 5,
A slot antenna which is a resonator connected to the resonant tunneling diode;
A terahertz oscillator comprising a power supply for applying a bias voltage between an emitter layer and a collector layer of the resonant tunneling diode.
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