JP2018014400A

JP2018014400A - 検波ダイオード

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Publication number: JP2018014400A
Application number: JP2016142738A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　弘樹; Hiroki Ito; 弘樹伊藤; 清水　誠; Makoto Shimizu; 誠清水; 石橋　忠夫; Tadao Ishibashi; 忠夫石橋; 伊藤　弘; Hiroshi Ito; 弘伊藤
Original assignee: NTT Electronics Corp; Kitasato Institute
Current assignee: NTT Electronics Corp; Kitasato Institute
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP6751869B2

Abstract

【課題】ＴＨｚ周波数帯でゼロバイアス動作させるＨＢＤにおいて、ｎ値の増大を抑制し、検波受信動作の感度を上げてＳ／Ｎ特性を改善した検波ダイオードを提供する。
【解決手段】半導体基板上に、高濃度ｎ形のカソード層、低濃度ｎ形のバリア層、高濃度ｎ形のアノード層が順に積層され、前記アノード層と前記バリア層との界面の前記バリア層側にヘテロバリアが形成された検波ダイオードであって、前記バリア層は、前記カソード層側からヘテロ界面に向かって電子親和力が減少するように半導体組成が調整されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、検波ダイオードに関し、より詳細には、ミリ波帯からＴＨｚ周波数帯に及ぶ広い周波数域の電磁波信号の検波受信デバイスとして用いることができる半導体検波ダイオードに関する。

近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）イメージング技術分野において、従来のショットキーバリア・ダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）に代わる受信デバイスとして、ヘテロバリア・ダイオード（ＨＢＤ：Hetero Barrier Diode）が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。ＨＢＤは、ＴＨｚ帯の動作に必要な小さな接合面積であっても、十分に低い微分抵抗値Ｒｄを実現できる。ＴＨｚ帯の純抵抗広帯域アンテナとして、例えば、Bow-tieアンテナと検波ダイオードとを集積化した検波受信装置を構成する場合、ゼロバイアス動作においても、検波ダイオードと広帯域アンテナとの間で直接インピーダンス整合（例えば、アンテナインピーダンスの典型値＝７５Ω）を容易にとることができる。従って、ＨＢＤの適用により、Ｓ／Ｎ比が改善され、受信感度を向上することができる。インピーダンス整合回路を組み合わせる検波受信装置の場合においても、微分抵抗値Ｒｄの設計自由度があるため、整合回路の最適化、広帯域化の面で有利となる。

H. Ito and T. Ishibashi, "Fermi-level managed barrier diode for broadband and low-noise terahertz-wave detection," Electronics Letters, Vol. 51 , Issue 18, pp. 1440 - 1442, 2015.

ＨＢＤは、ゼロバイアス（０Ｖ付近）動作であっても、その微分抵抗を適切な値に設定できる。しかしながら、ヘテロバリア高さを低くせざるを得ず、バリアの電界強度は下がってしまう。その結果、いわゆる「Image Force Barrier Lowering効果」と呼ばれる現象、すなわちバリアポテンシャルエネルギーの局所的な低下の影響が出やすいという問題があった。従来のＳＢＤは、ヘテロバリアの高さが十分に高いので、「Image Force Barrier Lowering効果」による問題は指摘されてこなかった。すなわち，ヘテロバリア高さが低いＨＢＤに特有の問題である。バリアポテンシャルエネルギーの局所的な低下は、ダイオードの理想係数（ｎ値）の劣化を引き起こし（ｎ値が１より大きくなる）、非線形性を悪化させ、検波出力の劣化、Ｓ／Ｎ比の劣化を引き起こす。

図１は、従来のＨＢＤのヘテロ界面付近におけるバンドプロファイルの模式図である。ｘ軸は、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓアノード層とｎ^-−ＩｎＰバリア層とのヘテロ界面からの距離を示し、ｙ軸は真空準位からのエネルギーを示す。また、Ｅ_Cは伝導帯端エネルギーを示す。ヘテロ界面付近の電子のポテンシャル形状は、バリア層の伝導帯端の変化（図中、Ｅ₀×ｒ）だけで決まるのではなく、見かけ上アノード側の高キャリア濃度層に発生する正のイメージ電荷に伴うクーロン引力の影響を受ける。電子のヘテロ界面からの距離（ｒ）によって変化するイメージポテンシャルは、
ΔU_IF(r) = -q²/(16πε_sr) （１）
で表わされ、図中破線Ａで示す。ヘテロ界面に近づくほどイメージ電荷によるクーロン引力の影響が大きい。従って、電子が感じる実際のポテンシャル形状は、元のバリアポテンシャル（Ｅ₀×ｒ：図中細実線Ｃ）とイメージポテンシャルΔＵ_IF（ｒ）を足し合わせたポテンシャルとなり、図中太実線Ｂで示す。

そのため、バリアポテンシャルエネルギーのピーク位置Ｐは、ヘテロ界面から離れることになる。バリアの電界強度が小さいほど、バリアポテンシャルエネルギーのピーク位置Ｐは、ヘテロ界面からカソード側に移動するのは明らかである。結局、外部印可電圧に対するポテンシャルピークの変化は相対的に小さくなり、１／ｎの変化になって、非線形性の劣化を引き起こし、検波出力を低下させてしまう。

このｎ値の増大は、ヘテロバリア高さが高いＨＢＤであれば、同じΔＵ_IF（ｒ）が存在しても、バリア層の電界が高いので、バリアポテンシャルエネルギーのピーク位置は変化しても、移動量は相対的に小さい。

図２に、従来のＨＢＤのバンドプロファイルの一例を示す。横軸は、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓアノード層とｎ^-−ＩｎＰバリア層とのヘテロ界面からの距離（ｒ）を示し、縦軸はフェルミ準位（Ｅ_f）からのエネルギーを示す。ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓアノード層とｎ^-−ＩｎＰバリア層（厚さ５００Å（オングストローム））とのヘテロ界面付近のバンドプロファイルを計算した例である。図中破線Ａで元のバリアポテンシャルを、元のバリアポテンシャルにイメージポテンシャルを足し合わせたポテンシャルを図中実線Ｂで示す。イメージ電荷に伴うクーロン引力の影響を受け、元のバリア高さφ_BN0から７ｍｅＶ低いバリア高さφ_BNになっている。

一方、バリアポテンシャルエネルギーのピーク位置Ｐは、ヘテロ界面から９０Å離れている。印可電圧に対するピーク位置の動きを見積もると、
（５００−９０）／５００＝０．８２
に悪くなっている。これをｎ値にすると
１／０．８２＝１．２２
となる。このｎ値の増大により、計算される検波感度（室温）は、理想値の１９．５Ａ／Ｗから１２．４Ａ／Ｗに低下する。

本発明の目的は、ＴＨｚ周波数帯でゼロバイアス動作させるＨＢＤにおいて、ｎ値の増大を抑制し、検波受信動作の感度を上げてＳ／Ｎ特性を改善した検波ダイオードを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、半導体基板上に、高濃度ｎ形のカソード層、低濃度ｎ形のバリア層、高濃度ｎ形のアノード層が順に積層され、前記アノード層と前記バリア層との界面の前記バリア層側にヘテロバリアが形成された検波ダイオードであって、前記バリア層は、前記カソード層側からヘテロ界面に向かって電子親和力が減少するように半導体組成が調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、電子がヘテロ界面付近で感じる実効的なバリアエネルギーの局所的な低下を補償して、ダイオードの理想係数（ｎ値）を改善し、検波出力を理想値に近くすることができ、Ｓ／Ｎ特性を改善することができる。

従来のＨＢＤのヘテロ界面付近におけるバンドプロファイルの模式図である。従来のＨＢＤのバンドプロファイルの一例を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかるＨＢＤの構造を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかるＨＢＤのバンドプロファイルを示す図である。第２の実施形態におけるＡｌＡｓ組成とバリア修正エネルギーとの関係を示す図である。第３の実施形態におけるＡｌＡｓ組成とバリア修正エネルギーとの関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかるＨＢＤの構造を示す。ＨＢＤは、半絶縁性半導体基板１（ＩｎＰ）の上に、ｎ形で高不純物濃度のＩｎＧａＡｓカソード層２、ｎ形で低不純物濃度のＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３、ｎ形で高濃度ＩｎＧａＡｓアノード層４が順に積層されたエピタキシャル半導体層構造を有する。アノード層４とバリア層３との界面のバリア層３側にヘテロバリアが形成されている。カソード層２にはカソード電極５が形成され、アノード層４にはアノード電極６が形成されている。

このＨＢＤを製作するには、ＭＯ−ＶＰＥ法もしくはＭＢＥ法により、半絶縁性半導体基板上に、カソード層２からアノード層４まで順にエピタキシャル成長させる。次に、上面から適宜エッチング加工することにより、アノード層とバリア層からなる上部メサを形成し、さらに素子分離のための下部メサを形成して、ダブルメサ構造とする。その後、カソード電極５とアノード電極６とをパターンニングして、オーミック接触を形成する。

ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３の電子親和力は、ＩｎＧａＡｓアノード層４の電子親和力よりも小さいので、アノード層とバリア層とのヘテロ界面には、電子に対する非対称なポテンシャルバリアが形成される。このＨＢＤの構造は、非線形電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を有するダイオードとして機能する。

図３には、ＨＢＤの積層構造の深さ方向に沿った電子親和力の分布を合わせて示している。アノード層とバリア層とのヘテロ界面付近において、カソード層側からヘテロ界面の方向に向かって電子親和力が小さくなっている。いわゆる伝導帯不連続といわれる、伝導帯端エネルギーの不連続値ΔＥｃが大きくなる構造となっている。第１の実施形態においては、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３中の半導体組成を、カソード層側からヘテロ界面の方向に向かって変化させている。具体的には、ヘテロ界面に向かって、ＩｎＡｌＧａＡｓのＡｌＡｓ成分をＧａＡｓ成分に対して増加させ、バンドギャップが大きくなるように設定する。

この様なバリア層のバンドプロファイルにすることにより、「Image Force Barrier Lowering効果」に伴って、電子がヘテロ界面付近で感じる実効的なバリアエネルギーの局所的な低下が補償される。ダイオードの理想係数（ｎ値）が改善され、検波出力を理想値に近くすることができ、Ｓ／Ｎ特性を改善することができる。

第１の実施形態では、アノード層４の半導体材料をＩｎＧａＡｓとし、バリア層３の半導体材料をＩｎＡｌＧａＡｓとしているが、本実施形態は他の半導体材料の場合にも適用することができる。例えば、アノード層４を同じＩｎＧａＡｓ材料とし、バリア層３をＩｎＧａＡｓＰとしても良い。このとき、カソード層側からヘテロ界面の方向に向かって、ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップが大きくなるように、すなわち、ＩｎＧａＡｓＰのＩｎＰ組成が増大するように、半導体組成を変化させればよい。

（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態にかかるＨＢＤのバンドプロファイルを示す。図３に示した構造において、半絶縁性半導体基板１（ＩｎＰ）上に、ＩｎＡｌＧａＡｓカソード層２（１×１０¹⁸／ｃｍ³）、ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３（厚さ５００Å、キャリア濃度３×１０¹⁶／ｃｍ³）、およびＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓアノード層４（キャリア濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³）が順に積層されたＨＢＤである。ここで、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓアノード層４のフェルミレベルの位置は、伝導帯端から０．１７ｅＶ高い位置にあり、ヘテロ界面近傍を除くＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３のバンドギャップエネルギーをＥｇ＝１．０３２ｅＶに設定している。従って、ヘテロ界面の伝導帯端エネルギーの不連続値ΔＥ_Cが両半導体のバンドギャップの差の８５％となると仮定すると、ヘテロ界面近傍を除くＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ界面におけるΔＥ_Cは、０．２４ｅＶとなる。

ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３中の半導体組成が一様である従来のＨＢＤについて計算したバンドプロファイルを図中実線Ａで示す。バリア高さは７０ｍｅＶとなる。上述したように、アノード側の高キャリア濃度層に発生する正のイメージ電荷により、実効的なバリアポテンシャルエネルギーの低下が起こり、その結果、図中破線Ｂとなる。ポテンシャルエネルギーの形状が平坦となると同時に、ピーク位置がヘテロ界面から遠ざかる。

第２の実施形態のＨＢＤにおいては、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３中の半導体組成を調整することにより、図中実線Ｃで示したポテンシャルエネルギーの形状となる。従って、電子が感じる実効的なポテンシャルエネルギーの形状は、図中点線Ｄとなり、バリアエネルギーの局所的な低下が補償される。

ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の半導体組成の調整について以下に説明する。ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓは、Ｉｎ_0.53（Ａｌ_yＧａ_0.47-y）Ａｓの組成を持つ。組成ｙの値を変化させることにより、ＡｌＡｓとＧａＡｓの組成成分を変えると、バンドギャップ（Ｅ_g）と電子親和力、すなわち伝導帯不連続値ΔＥ_Cが変化する。簡単のため、組成ｙの変化に対して、バンドギャップ（Ｅ_g）は、ｙ＝０のＩｎＧａＡｓの値（Ｅ_g＝０．７５ｅＶ）から、ｙ＝０．４７のＩｎＡｌＡｓの値（Ｅ_g＝１．４５ｅＶ）まで線形に変化し、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓヘテロ界面のΔＥ_Cが、両半導体のバンドギャップの差の８５％となると近似する。このとき、組成ｙに対するＥ_g（ｙ）とＩｎＧａＡｓに対するΔＥ_C（ｙ）は、それぞれ、
E_g(y) = 0.75 + 0.7(y/0.47) (eV) （２）
ΔE_c(y) =[E_g(y)-0.75]×0.85 (eV) （３）
と表すことができる。また、組成ｙをΔＥ_Cの関数として、
y(ΔE_c) = [ΔE_c(y)/0.85] x (0.47/0.7)
= [E_g(y)-0.75] x (0.47/0.7) （４）
と書き直すことができる。本実施形態では、バリア高さを７０ｍｅＶとするとバンドギャップＥ_g＝１．０３２ｅＶなので、組成ｙ＝０．１８９となっている。

「Image Force Barrier Lowering効果」を調整するために必要となるバリア修正エネルギー（ΔＥ_Cに追加するエネルギー）をＥ_bc（ｒ）とすると、新たな組成ｙ_bc（ｒ）は、
y_bc(r) = y(ΔE_c+E_bc(r)) =[(ΔE_c+E_bc(r))/0.85] x (0.47/0.7) （５）
となる。結局、必要なＥ_bc（ｒ）を与えるとｙ_bc（ｒ）が求められることになる。

図５に、第２の実施形態におけるＡｌＡｓ組成とバリア修正エネルギーとの関係を示す。図４の点線Ｄで示したポテンシャルプロファイルを実現するため、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌＡｓ組成ｙ（ｒ）を、カソード側からヘテロ界面の方向に向かって増大するプロファイルとした場合の一例である。バリア修正エネルギーＥｂｃ（ｒ）は、ヘテロ界面の近傍を除いて（１）式で決まるエネルギー（ΔＵ_IF（ｒ））を補償する値としており、（５）式で計算した組成値ｙ（ｒ）、およびそれに対応するＥ_bc（ｒ）を示している。ヘテロ界面から離れた位置の組成ｙ値は０．１８９であり、ヘテロ界面に向かって組成ｙ値を０．２１２まで増大させている。

バリア層中の半導体組成が一様である従来のＨＢＤのｎ値は、バリアポテンシャルエネルギーのピーク位置で見積もると、「背景技術」で説明したように、ｎ＝１．２２である。第２の実施形態によれば、バリア層のバリアポテンシャルエネルギーのピーク位置をヘテロ界面に近接させることができるので、ｎ値は約１．０２まで改善される。この改善されたｎ値は、ダイオードのＩ−Ｖ特性の劣化がほとんど起きない範囲にあるので、検波出力を理想値に近くすることができ、Ｓ／Ｎ特性を改善することができる。
第２の実施形態では、アノード層４の半導体材料をＩｎＧａＡｓとし、バリア層３の半導体材料をＩｎＡｌＧａＡｓとしているが、本実施形態は他の半導体材料の場合にも適用することができる。例えば、アノード層４を同じＩｎＧａＡｓ材料とし、バリア層３をＩｎＧａＡｓＰとしても良い。このとき、カソード層側からヘテロ界面の方向に向かって、ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップが大きくなるように、すなわち、ＩｎＧａＡｓＰのＩｎＧａＡｓ成分よりＩｎＰ成分が増大するように、半導体組成を変化させればよい。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓアノード層４（Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）と、Ｉｎ_0.53（Ａｌ_yＧａ_0.47-y）Ａｓバリア層３とを用いて構成したＨＢＤであった。第３の実施形態では、ＩｎＧａＡｓアノード層４のＩｎ組成を増大させて、ＩｎＰ基板よりもわずかに格子定数が大きい格子不整合状態としたＨＢＤである。ここで、アノード層４の材料は、Ｉｎ_0.63Ｇａ_0.37Ａｓとしており、バンドギャップ（Ｅｇ）は、約０．６５ｅＶとなる。従って、アノード層４の電子親和力は格子整合状態の場合よりも大きい。ヘテロ界面のΔＥ_Cが、両半導体のバンドギャップの差の８５％となると仮定すると、第２の実施形態と同じアノード層のドーピングを適用した場合、ヘテロバリアは（０．７５−０．６５）×０．８５＝８５ｍｅＶ上昇することになる。

図６に、第３の実施形態におけるＡｌＡｓ組成とバリア修正エネルギーとの関係を示す。第２の実施形態と同様に、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌＡｓ組成ｙ（ｒ）を、カソード側からヘテロ界面の方向に向かって増大するプロファイルとした場合の一例である。ヘテロ界面から離れた位置の組成ｙ値は０．１２２であり、ヘテロ界面に向かって組成ｙ値を０．１４５まで増大させている。

第３の実施形態では、使用されているバリア層３の材料Ｉｎ_0.53（ＡｌｙＧａ_0.47-y）ＡｓのＡｌＡｓ組成が、第２の実施形態のバリア層の組成ｙ＝０．１８９〜０．２１２よりも小さい。２つの実施形態を比較すると、バリアポテンシャルエネルギーの形状は変わっていないものの電子移動度には違いが生じる。それは、Ｉｎ_0.53（ＡｌｙＧａ_0.47-y）Ａｓの電子移動度は、ＡｌＡｓ組成が小さいほど、すなわち、ＩｎＧａＡｓに近いほど高くなるという性質をもつからである。さらに、バリアポテンシャルエネルギーの小さなダイオードにおいては、バリア層の電子移動度が高いほど、その電子輸送状態が熱放出モードから熱拡散モードに移行しにくい。

従って、ダイオードＩ−Ｖ特性の観点から、バリア層の電子移動度が高い第３の実施形態の方が、第２の実施形態の場合よりも熱放出モードを保った状態で、高電流密度動作が可能となることを意味する。すなわち、第３の実施形態の方がより高いＴＨｚ入力レベルまで線形性を保ち、ダイナミックレンジが大きな検波ダイオードとして機能することが可能となる。

以上述べたように、本実施形態によれば、従来のＴＨｚ動作用に設計されたＨＢＤで起こりやすい「ｎ値の増大」の問題を改善することができ、より高い検波感度を実現する。さらに、より大きなダイナミックレンジを持つ検波ダイオードを実現することが可能となる。

１半絶縁性半導体基板
２ＩｎＧａＡｓカソード層
３ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層
４ＩｎＧａＡｓアノード層
５カソード電極
６アノード電極

Claims

半導体基板上に、高濃度ｎ形のカソード層、低濃度ｎ形のバリア層、高濃度ｎ形のアノード層が順に積層され、前記アノード層と前記バリア層との界面の前記バリア層側にヘテロバリアが形成された検波ダイオードであって、
前記バリア層は、前記カソード層側からヘテロ界面に向かって電子親和力が減少するように半導体組成が調整されていることを特徴とする検波ダイオード。
前記カソード層、前記バリア層および前記アノード層は、前記半導体基板に格子整合する半導体材料であることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。
前記アノード層は、前記半導体基板に対して格子整合からわずかにずれた半導体材料であり、前記アノード層の電子親和力が格子整合状態の場合よりも大きいことを特長とする請求項１に記載の検波ダイオード。
前記バリア層は、ｎ形で低不純物濃度のＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなり、前記アノード層は、ｎ形で高濃度ＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。
前記バリア層は、ｎ形で低不純物濃度のＩｎＡｌＧａＡｓからなり、前記カソード層側からヘテロ界面に向かって、ＡｌＡｓ成分をＧａＡｓ成分に対して増加させ、バンドギャップエネルギーが大きくなるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。
前記バリア層は、ｎ形で低不純物濃度のＩｎＧａＡｓＰからなり、前記カソード層側からヘテロ界面に向かって、ＩｎＧａＡｓ成分をＩｎＰ成分に対して増加させ、バンドギャップエネルギーが大きくなるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。