JP2018067727A - 共鳴トンネルダイオード素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共鳴トンネルダイオード素子において、複数のバリア層と該バリア層間の井戸層とからなる量子井戸の井戸層に、分極または組成傾斜によるポテンシャル傾斜を備え、サブバンド間遷移によって前記量子井戸内に電子を蓄積することが可能な量子準位を前記量子井戸に設ける。または、井戸層とバリア層間に、井戸層及びバリア層のいずれともバンドギャップの異なる中間層を備え、サブバンド間遷移によって前記量子井戸内に電子を蓄積することが可能な量子準位を前記量子井戸に設ける。サブバンド遷移が可能な共鳴トンネルダイオード素子により、電子蓄積及び電子放出により双安定状態を記憶する不揮発性メモリを実現する。
【選択図】図1
Description
本発明の第1の実施の形態について、図1乃至6を参照して以下説明する。図2乃至4は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体によるRTDを用いた抵抗変化型メモリの動作原理を示す模式図である。図2は無バイアス時、図3は順バイアス時での電子蓄積、図4は逆バイアスでの電子放出時のエネルギーバンド構造を示している。図2乃至4は、図1と同様のRTD素子であり、説明を簡素化するために、図2乃至4では、図1とは異なり、電子蓄積のための量子準位、およびトンネル電子のための量子準位を、最小の数にして示している。
本発明の第2の実施の形態について、図7を参照して以下説明する。図7は、本実施の形態のRTDの積層構造の模式図である。
(1)n+−Ga1-zAlzNコンタクト層43bとして、基板側から、Alの組成がz=0.1から0.5の範囲である層を形成し、
(2)n−Ga1-zAlzNエミッタ層44bとして、コンタクト層43b側から、Alの組成がz=0.1から0.5範囲である層を形成し、
(3)u−Ga1-zAlzNスペーサー層45bとして、エミッタ層44b側から、Alの組成をz=0.5(あるいは0.1)から0へ変化させる層を形成し、
(4)u−Al1-yGayNバリア層46bとして、スペーサー層45b側から、Gaの組成をy=0.2から0へ変化させる層を形成し、
(5)u−InxGa1-xN井戸層47bとして、バリア層46b側から、Inの組成をx=0.3から0.6へ変化させる層を形成し、
(6)u−Al1-yGayNバリア層48bとして、井戸層47b側から、Gaの組成をz=0.2から0へ変化させる層を形成し、
(7)u−Ga1-zAlzNスペーサー層49bとして、バリア層48b側から、Alの組成をz=0.6から0.5(あるいは0.1)へ変化させる層を形成し、
(8)n−Ga1-zAlzNコレクタ層410bとして、スペーサー層49b側から、Alの組成をz=0.1から0.5である層を形成し、
(9)n+−Ga1-zAlzNコンタクト層411bとして、コレクタ層410b側から、Alの組成をz=0.1から0.5の範囲である層を形成する。
本発明の第3の実施の形態について、図8乃至図11を参照して以下説明する。図8乃至10は、本実施の形態で解決しようとする課題について説明するための図である。図8は、バリア層に結晶欠陥が存在する場合のRTDのエネルギーバンド構造であり、図9、10は、その電流電圧特性を示している。また、図11は、本実施の形態のRTDのエネルギーバンド構造である。
本発明の第4の実施形態について、図12乃至図16を参照して説明する。図12乃至図16は、本実施の形態にかかるRTD素子のエネルギーバンド構造である。
12、22a、b、c、62、72b、92b、122a、132b、142b、152b、162b エミッタ電極の伝導帯の底のエネルギー準位
13、23a、b、c、63、73b、93b、123a、133b、143b、153b、163b エミッタ層
14、24a、b、c、74b、94b、124a、134b、144b、154b、164b スペーサー層
15、25a、b、c、75b、95b、125a、135b、145b、155b、165b バリア層
16、26a、b、c、76b、96b、126a、136b、156b、166b 井戸層
17、27a、b、c、77b、97b、127a、137b、146b、147b、157b、167b バリア層
18、28a、b、c、78b、98b、128a、138b、148b、158b、168b スペーサー層
19、29a、b、c、612、79b、99b、129a、139b、149b、159b、169b コレクタ層
31、81a、b、84b、85a 低抵抗状態
32、82a、b、83a 高抵抗状態
33、84a 電子放出
41a Si基板又はサファイア基板
41b GaN基板
42a、42b u−GaNバッファ層
43a n+−GaNコンタクト層
43b n+−Ga1-zAlzNコンタクト層
44a n−GaNエミッタ層
44b n−Ga1-zAlzNエミッタ層
45a u−GaNスペーサー層
45b u−Ga1-zAlzNスペーサー層
46a u−AlNバリア層
46b u−Al1-yGayNバリア層
47a u−GaN井戸層
47b u−InxGa1-xN井戸層
48a u−AlNバリア層
48b u−Al1-yGayNバリア層
49a u−GaNスペーサー層
49b u−Ga1-zAlzNスペーサー層
51、56 上部コレクタ電極
52、57 下部エミッタ電極
53 導電性基板
54 バッファ層
55a エミッタ側コンタクト層
55b 結晶成長層
58 絶縁性又は半絶縁性基板
59 メサ構造
64 Au層
65 Al層
66 i−Si層
67、69 i−CaF2バリア層
68 i−CdF2井戸層
83b EDLを介した不規則な電子放出
110、210a、b、c、613Ef’、710b、910b、1210a、1310b、1410b、1510b、1610b コレクタ電極の伝導帯の電子フェルミ準位
111、211a、b、c、614Ec’、711b、911b、1212a、1311b、1411b、1511b、1611b コレクタ電極の伝導帯の底のエネルギー準位
112、212a、b、c、ΔEc、712b、912b ポテンシャルの傾斜
113、213a、b、c、ΔEc’、713b、913b ポテンシャルの傾斜
114ER3、114’ER4、ER2214a、b、c 高いエネルギー位置にある量子準位
115ER1、115’ER2、ER1215a、b、c 低いエネルギーを持つ量子準位、電子の蓄積に用いる量子準位
116、216b、216c、716b、916b、1318b、1416b、1517b、1617b トンネル電流
117、217b、619、717b、917b、1219a、1319b、1417b、1518b、1618b トンネルに寄与する電子
118、218b、620、718b、918b、1220a、1320b、1418b、1519b、1619b サブバンド間遷移
119、219b、621、719b、919b、1221a、1321b、1419b、1520b、1620b 蓄積された電子
120、220a、b、c、720b、920b 分極によって形成される三角状ポテンシャル
410a n−GaNコレクタ層
410b n−Ga1-zAlzNコレクタ層
411a n+−GaNコンタクト層
411b n+−Ga1-zAlzNコンタクト層
610 n−Si層
611 CoSi層
ΔEc615、ΔEc’616 バンド不連続量
ER2617 第2量子準位
ER1618 第1量子準位
714bER2、914bER2、715bER1、915bER1、1217aER2、1218aER1、1316bER2、1317bER1、1414bER2、1415bER1、1515bER2、1516bER1、1615bER2、1616bER1、 量子準位
721b、722b、921b、922b、1222a、1223a、1322b、1323b、1420b、1421b、1521b、1522b、1621b、1622b 結晶欠陥によるエネルギー準位EDL
723b EDLを介して放出される電子(リーク電流)
923b、1623b 中間層によって阻止されるリーク電流
924b、925b 中間層
1213a、1214a、1312b、1313b、1412b、1512b 第1の中間層
1215a、1216a、1314b、1315b、1413b、1513b、1514b 第2の中間層
1324b、1422b、1523b 第1の中間層によって阻止されるリーク電流
1613b、1614b 組成傾斜を用いた中間層
Claims (6)
- 複数のバリア層と該バリア層間の井戸層とからなる量子井戸の井戸層に、分極または組成傾斜によるポテンシャル傾斜を備え、サブバンド間遷移によって前記量子井戸内に電子を蓄積することが可能な量子準位を前記量子井戸に有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード素子。
- 複数のバリア層と該バリア層間の井戸層とからなる量子井戸の、該井戸層と該バリア層間に、該井戸層及び該バリア層のいずれともバンドギャップの異なる中間層を備え、サブバンド間遷移によって前記量子井戸内に電子を蓄積することが可能な量子準位を前記量子井戸に有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード素子。
- サブバンド間遷移によって前記量子井戸内に電子を蓄積することが可能な量子準位は、トンネルに寄与する電子よりも低いエネルギーを持つ量子準位であることを特徴とする請求項1又は2記載の共鳴トンネルダイオード素子。
- 前記量子井戸の両側に隣接して設けられるエミッタ及びコレクタの伝導帯の底に形成されたポテンシャル傾斜が、電子の閉じ込め構造として機能することを特徴とする請求項1又は2記載の共鳴トンネルダイオード素子。
- 前記共鳴トンネルダイオード素子は、GaN、InGaN、AlGaN、及びAlNのいずれか1以上の層を含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項1又は2記載の共鳴トンネルダイオード素子。
- サブバンド遷移による電子蓄積及び電子放出により双安定状態を記憶することを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項記載の共鳴トンネルダイオード素子を有する不揮発性メモリ。
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