JP2012160686A - 共鳴トンネルダイオードおよびテラヘルツ発振器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共鳴トンネルダイオードは、バッファ層22と、サブエミッタ層23と、エミッタ層24と、スペーサ層25と、第1の障壁層26と、井戸層27と、第2の障壁層28と、電子走行層29と、コレクタ層30とが、基板21上に順次積層された構造からなる。電子走行層29は、第2の障壁層28との接合面でのポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルよりも低く、コレクタ層30との距離が近づくに従ってポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルに近づき、コレクタ層30との接合面でのポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルと同じになるような構造をしている。
【選択図】 図1
Description
発明者らは、これまでにInP基板上に積層したInGaAs層、AlAs層からなるRTD、特に1×106A/cm2を上回る高いピーク電流密度JPを有するRTDを用いた発振器によって、831GHzの室温基本波発振を実現した(非特許文献1参照)。
このように1THzを上回る発振周波数が従来のRTDによって実現されているが、テラヘルツ周波数帯の光源として用いるために、さらなる発振周波数の高周波化が望まれている。
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、前記電子走行層を構成するInGaAsは、前記第2の障壁層側でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成と同じにな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構成例において、前記半導体はInGaAsであり、前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するInGaAsは、前記第1の障壁層との距離が近づくに従ってIn組成が低くな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構成例において、前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、ポテンシャルが階段状に変化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構成例において、前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からな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、前記スペーサ層、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。
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は本発明の第1の実施の形態に係るRTDの構造を示す断面図である。本実施の形態のRTD20は、電気的に中性な半導体からなるバッファ層22と、不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層23と、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層24と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層25と、サブエミッタ層23、エミッタ層24およびスペーサ層25の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層26と、電気的に中性な半導体からなる井戸層27と、サブエミッタ層23、エミッタ層24およびスペーサ層25の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層28と、電気的に中性な半導体からなり、サブエミッタ層23からエミッタ層24とスペーサ層25と第1の障壁層26と井戸層27と第2の障壁層28とを経て電子が流れ込む電子走行層29と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層30とが、基板21上に順次積層された構造からなる。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、RTDの構造は第1の実施の形態と同様であるので、図1に示したRTDの符号を用いて説明する。図3は、本実施の形態のRTD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。図2の場合と同様に、図3は基板側のサブエミッタ層23に負の電圧を印加し、コレクタ層30に正の電圧を印加した状態を示している。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1、第2の実施の形態で説明したRTDの具体例を示すものである。図4は本実施の形態に係るRTDの構造を示す断面図である。本実施の形態の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、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.51Ga0.49Asおよびn−In0.49Ga0.51As)からなるグレーデッドエミッタ層93と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.47Ga0.53As)からなるスペーサ層94と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第1の障壁層95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96と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第2の障壁層97と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.7Ga0.3As)からなる第1の電子走行層98と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.6Ga0.4As)からなる第2の電子走行層99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)からなるコレクタ層101とが、基板1上に順次積層された構造からなる。
図7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7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。
Claims (10)
- 不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各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、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第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、前記第2の障壁層との接合面でのポテンシャルが前記コレクタ層のポテンシャルよりも低く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってポテンシャルが前記コレクタ層のポテンシャルに近づき、前記コレクタ層との接合面でのポテンシャルが前記コレクタ層のポテンシャルと同じになることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項1記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記エミッタ層および前記スペーサ層は、前記第1の障壁層との距離が近づくに従ってポテンシャルが高くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項1記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記半導体はInGaAsであり、
前記電子走行層を構成するInGaAsは、前記第2の障壁層側でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成と同じになることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項2記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記半導体はInGaAsであり、
前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するInGaAsは、前記第1の障壁層との距離が近づくに従ってIn組成が低くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、ポテンシャルが階段状に変化することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項5に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
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、前記スペーサ層、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。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
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、前記スペーサ層、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。 - 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
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。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の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テラヘルツ発振器。
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