JP2677534B2 - マイクロ波半導体装置とその発振周波数を変化するための方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体超格子構造
を有し、マイクロ波信号を発振するために好適なマイク
ロ波半導体装置とその発振周波数を変化するための方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波信号を発振するための高周波
発振器においては、従来、ガンダイオード、インパット
ダイオード、トラパットダイオードなどのダイオード半
導体素子が用いられてきた。

【０００３】例えばガンダイオードを用いた従来の高周
波発振器において、両電極間に逆バイアス電圧を印加す
ると、ガンダイオードの半導体層の中に電界の比較的強
い領域と、比較的弱い領域ができる。電界の強い領域に
おいては、電子のドリフトが他の領域よりも遅いので、
この領域が正電極に向かって移動するとき、後側に電子
が集まって負の空間電荷をもち、前側は電子が不足する
ので正の空間電荷をもつようになる。そこで、この領域
中の電界はますます強められるので、高電界領域が安定
に存在し、正電極に到達するまで消滅しない。高電界領
域が正電極に到達すると、次の新しい高電界領域が負電
極の近傍の半導体層内に生成され、次にそれが正電極に
向かって移動していく。高電界領域が消滅したとき、半
導体層中の電界はほぼ一様であったとしても、負電極の
近傍では強い電界があるので、ここでから高電界領域が
成長する。このようにして、高電界領域が次々に繰り返
して正電極に流れこむので、電流の発生を所定の周期で
繰り返すことにより、高周波信号を発生して出力するこ
とができる。ここで、高周波信号の発振周波数は、両電
極に挟設された半導体層の厚さに依存する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来の高周波
発振器において、発振周波数を大きく変更するために
は、発振器に用いるダイオード半導体素子そのものを別
の発振周波数用のダイオード半導体素子に交換する必要
があった。すなわち、発振周波数が上述のように、ダイ
オード半導体素子の両電極間の半導体層の厚さに依存す
るために、半導体層の厚さの異なるダイオード半導体素
子を用いて高周波発振器を構成する必要があった。従っ
て、これらの従来の高周波発振器において、発振周波数
を広い周波数範囲で変化することができないという問題
点があった。

【０００５】本発明の目的は以上の問題点を解決し、従
来に比較して簡単な構成を有し、広帯域でマイクロ波発
振周波数を変化することができるマイクロ波半導体装置
と、その発振周波数を変化するための方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載のマイクロ波半導体装置は、２つの電極間に、障壁層
と量子井戸層とが交互に積層されてなる超格子構造を有
する真性半導体ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード
素子を備えたマイクロ波半導体装置であって、互いに隣
接する障壁層のＸ点の準位と量子井戸層のΓ点の準位と
が互いに共鳴するように、障壁層の厚さと量子井戸層の
厚さを設定しかつ上記２つの電極間に直流電源により所
定の逆バイアス電圧を印加したことを特徴とする。

【０００７】また、請求項２記載のマイクロ波半導体装
置は、請求項１記載のマイクロ波半導体装置において、
上記ｐｉｎ型ダイオード素子のｐ層側から光を入射する
ための光発生手段をさらに備え、ｐ層においてキャリア
を生成して高周波発振を生じさせることを特徴とする。

【０００８】さらに、本発明に係る請求項３記載のマイ
クロ波半導体装置は、２つの電極間に、ｎ⁺型半導体層
と、障壁層と量子井戸層とが交互に積層されてなる超格
子構造を有するｎ^-型半導体層と、ｎ⁺型半導体層とを挟
設してなるダイオード素子を備えたマイクロ波半導体装
置であって、互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量子
井戸層のΓ点の準位とが互いに共鳴するように、障壁層
の厚さと量子井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの電極
間に直流電源により所定のバイアス電圧を印加したこと
を特徴とする。

【０００９】またさらに、本発明に係る請求項４記載の
マイクロ波半導体装置は、２つの電極間に、少なくとも
アバランシェ増倍部と、障壁層と量子井戸層とが交互に
積層されてなる超格子構造を有する真性半導体ｉ層とを
挟設してなるダイオード素子を備えたマイクロ波半導体
装置であって、互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量
子井戸層のΓ点の準位とが互いに共鳴するように、障壁
層の厚さと量子井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの電
極間に直流電源により所定の逆バイアス電圧を印加した
ことを特徴とする。

【００１０】さらに、本発明に係る請求項５記載のマイ
クロ波半導体装置の発振周波数を変化するための方法
は、請求項２乃至４のうちの１つに記載のマイクロ波半
導体装置において、上記直流電源による上記２つの電極
に印加される逆バイアス電圧又はバイアス電圧を変化す
ることにより、上記マイクロ波半導体装置の発振周波数
を変化することを特徴とする。

【００１１】上記請求項３及び４記載のマイクロ波半導
体装置においては、上記直流電源により上記２つの電極
に所定のバイアス電圧又は逆バイアス電圧を印加するこ
とにより、キャリアが生成されることにより、マイクロ
波半導体装置において高周波発振を発生させることがで
きる。

【００１２】上記請求項５記載の方法においては、上記
直流電源による上記２つの電極に印加される逆バイアス
電圧又はバイアス電圧を変化することにより、互いに隣
接する障壁層のＸ点の準位エネルギーと量子井戸層のΓ
点の準位エネルギーとの差を変化し、これによって、互
いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量子井戸層のΓ点の
準位との間の緩和時間を変化し、超格子構造を有する半
導体層を走行する電子の走行時間を変化することによ
り、上記マイクロ波半導体装置の発振周波数を変化する
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。

【００１４】＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る
第１の実施形態であるマイクロ波ダイオード半導体素子
１０を示す断面図である。このマイクロ波ダイオード半
導体素子１０は、図１に示すように、障壁層２１−０乃
至２１−Ｎ（以下、総称する場合は２１と示す。）と量
子井戸層２２−０乃至２２−Ｎ（以下、総称する場合は
２２と示す。）とが交互に繰り返して積層されてなる超
格子構造を有する真性半導体ｉ層を備えたヘテロ接合ｐ
ｉｎ型ダイオード半導体素子であって、当該素子の電極
１１，１２間に直流電源３０から逆バイアス電圧Ｖｂを
印加することにより、互いに隣接する障壁層２１のＸ点
準位と量子井戸層２２のΓ点準位とが互いに共鳴するよ
うに各障壁層２１と各量子井戸層２２の厚さを設定した
ことを特徴とする。ここで、逆バイアス電圧Ｖｂを変化
することにより、真性半導体層ｉ層１６を通過する電子
の走行速度を変化することができ、これによって、ダイ
オード半導体素子１０の発振周波数を変化することがで
きる。

【００１５】本実施形態のｐｉｎ型ダイオード半導体素
子１０は、図１に示すように、裏面に平板形状のＡｕ電
極１２が形成され、Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例
えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓ
にてなる厚さ３００μｍのｎ型半導体基板２０上に、以
下の各層が順次、ｎ型半導体基板２０から近接した側か
ら積層されて形成される。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる
厚さ０．８μｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）ｉ−ＧａＡｓにてなる厚さ１０ｎｍのｉ型クラッ
ド層１６； （ｃ）超格子構造を有する厚さ約８２０μｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）ｉ−ＧａＡｓにてなる厚さ１０ｎｍのｉ型クラッ
ド層１４； （ｅ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる
厚さ５０ｎｍのｐ型キャップ層１３；並びに、 （ｆ）厚さ方向に貫通する孔が中央部に形成されたリン
グ形状のＡｕ電極１１。

【００１６】なお、Ａｕ電極１１をリング形状にするの
は、上記の積層を行った後に所定のエッチング方法によ
り行われる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、量子井
戸層２２がｉ型クラッド層１６に隣接するように、Ｇａ
Ａｓにてなり２４原子層の厚さ約６８Åの量子井戸層２
２と、ＡｌＡｓにてなり５原子層の厚さ約１４Åの障壁
層２１とを交互に、例えば１００周期（すなわち１００
対）で積層されて形成される。そして、電極１１は逆バ
イアス電圧Ｖｂの可変電圧源３０の負極に接続され、電
極１２は可変電圧源３０の正極に接続されることによっ
て、ｐｉｎ型ダイオード１０の電極１１，１２間に所定
の電界が印加されることになる。

【００１７】上記ｐｉｎ型ダイオード半導体素子１０の
真性半導体ｉ層１５は、各障壁層２１の厚さが各量子井
戸層２２の厚さに比較して薄い半導体超格子構造を有し
ており、この実施形態における真性半導体ｉ層１５の逆
バイアス電圧Ｖｂに対するエネルギーバンド図を図２に
示し、逆バイアス電圧Ｖｂ＝１０Ｖにおける真性半導体
ｉ層１５の厚さ方向の位置に対するエネルギーバンド図
を図３に示す。

【００１８】図３において、Γは、各層２１，２２がバ
ルク型半導体と仮定したときに波数ベクトルｋ＝０又は
（０００）となるときのΓ点であり、Ｘは、各層２１，
２２がバルク型半導体と仮定したときに波数ベクトルｋ
＝（１００）となるときのＸ点である。また、障壁層２
１がバルク型半導体でないときの第１準位、第２準位…
のＸ点をそれぞれＸ１点、Ｘ２点…と示す一方、量子井
戸層２２がバルク型半導体でないときの第１準位、第２
準位…のΓ点をそれぞれΓ１点、Γ２点…と示してい
る。さらに、図２において、Γ３（０）は量子井戸層２
２−０におけるΓ３点を示し、Γ３（１）は量子井戸層
２２−１におけるΓ３点を示し、以下同様である。ま
た、Ｘ１（１／２）は、量子井戸層２２−０と量子井戸
層２２−１との間の障壁層２１−１におけるＸ１点を示
し、Ｘ１（１・１／２）は、量子井戸層２２−１と量子
井戸層２２−２との間の障壁層２１−２におけるＸ１点
を示し、以下同様である。

【００１９】図２から明らかなように、逆バイアス電圧
Ｖｂを高くすることにより、各層２１，２２における閉
じ込め効果は弱くなり、各Ｘ点及び各Γ点における準位
エネルギーは低下してくる。また、図２において、逆バ
イアス電圧Ｖｂを変化することにより、逆バイアス電圧
Ｖｂ＝Ｖｂ１と設定したとき、例えば１００で示すよう
に、互いに隣接する層２２，２１のΓ２（１）の準位エ
ネルギーとＸ１（１／２）の準位エネルギーとを一致さ
せることができ、また、例えば１０１で示すように、互
いに隣接する層２２，２１のΓ２（２）の準位エネルギ
ーとＸ１（１・１／２）の準位エネルギーとを一致させ
ることができる。これにより、詳細後述するように、電
子を各層２２，２１間で遷移させることができる。

【００２０】ところで、本実施形態のように、超格子構
造を有する真性半導体ｉ層１５の部分でその障壁層２１
の厚みが非常に薄いと、電界によって加速された電子は
トンネリング現象によって隣り合う離れた障壁層２１中
のＸ点準位に遷移できる。これに対して、超格子構造で
はなく、総て単一組成のバルク型半導体である場合に
は、このＸ点は空間的に連続して存在するため、一旦Ｘ
点に入った電子はＸ点の中を流れることができる。とこ
ろが、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５において
は、障壁層２１と量子井戸層２２の組成が異なるためそ
のＸ点のエネルギー準位も大きく異なっており、障壁層
２１中のＸ点の電子は量子井戸層２２へは流れ込めず、
障壁層２１中に局在する。一旦障壁層２１中のＸ点に捕
われた電子は一般的にその緩和時間が非常に長いため、
ほとんど電流の伝動に寄与できない。以上が一般的な超
格子構造を有する真性半導体ｉ層１５内における電子伝
導に対する障壁層２１中のＸ点の作用であるが、超格子
構造を以下のようなある特殊な構造にすることにより、
このＸ点準位を電子伝導に積極的に寄与させることがで
きるようになる。

【００２１】すなわち、逆バイアス電圧Ｖｂにより電界
を印加することにより、図３に示すように、例えば、障
壁層２１のすぐ右隣の量子井戸層２２のΓ点の第２準位
Γ２点等の高次の準位を、元の障壁層２１のＸ点準位の
エネルギーレベルに、Ｘ１＞Γ２となるように、実質的
に一致又は近接するように設定することにより、例えば
Ｘ１点準位とΓ２点準位とを共鳴させる。この場合、Ｘ
１点にトラップされた電子は、図３において２００で示
すように、図上右側のそのΓ２点に遷移することがで
き、かつＸ１点からの緩和時間が十分速くなるため電子
伝導に寄与できるようになる。なお、量子井戸層２２の
Γ２点の準位エネルギーと、それのすぐ右隣の障壁層２
１のＸ１点の準位エネルギーとを比較すると、Γ２≫Ｘ
１であるので、量子井戸層２２のΓ２点にトラップされ
た電子は、図３において２０１で示すように、それのす
ぐ右隣の障壁層２１のＸ１点に容易に遷移することがで
きる。従って、超格子構造を有する真性半導体層ｉ層に
おける電子は、主として、障壁層２１−０のＸ１点から
すぐ右隣りの量子井戸層２２−０のΓ２点に遷移し、量
子井戸層２２−０のΓ２点からすぐ右隣の障壁層２２−
１のΓ２点に遷移し、以下同様に、Ｘ１点→Γ２点→Ｘ
１点→Γ２点…のように遷移するので、電流はその方向
と逆方向に流れることになる。

【００２２】上述のように、互いに隣接する量子井戸層
２２と障壁層２１のΓ点準位とＸ点準位との共鳴をうま
く利用すると、電子の走行速度に関しては、電界が低い
ときには電子の実効的な速度を速くし、電界が高いとき
にはその実効的な速度を遅くすることができる。図４
に、そのような例を第１の実施形態における超格子構造
を用いた実験結果の例によって示す。図４では、当該ｐ
ｉｎ型ダイオード半導体素子１０の電極１１側から図１
に示すように、１ピコ秒の光パルスを入射させた場合に
生じる光電流を示しており、なお、各逆バイアス電圧Ｖ
ｂにおいて出力される光電流の違いを明確にするため
に、縦軸の光電流については２ずつオフセットして図示
している。

【００２３】図４において、逆バイアス電圧Ｖｂが低い
ときには、２００で示すように、電子の走行速度が速い
が、ある逆バイアス電圧Ｖｂ以上においては（図４の例
では、逆バイアス電圧Ｖｂ＝８．０Ｖ又は１０．０Ｖの
とき）２０１で示すように電子の走行にＸ点の影響によ
る遅れが生じ、その後、それよりも高いある電圧以上で
は、２００で示すように、再度電子の速度が遅延の無い
速い速度に戻ることがわかる。すなわち、このダイオー
ド半導体素子１０はある電圧範囲では負性微分速度を電
界に対して示すことがわかる。このような負性微分速度
が存在する場合、ある遅れ速度をもって電子集団を走行
させることによって高電界領域を形成して繰り返し障壁
層まで到達するといった、半導体超格子中のＸ点準位と
Γ点準位との共鳴効果を利用したガン効果を示すことと
なる。すなわち、電子は空間電荷効果によって高電界領
域を発生させ、その領域境界に集中した空間電荷層が領
域移動を伴なって走行する。このような走行する領域と
キャリアの集中が起こると、そのダイオード半導体素子
１０はマイクロ波帯の高周波発振を行うことが知られて
いる（上述の従来技術の項を参照。）。従って、第１の
実施形態においては、光を入射することにより、ｐ型キ
ャップ層１３にキャリアを注入し、これにより、電子及
び正孔を発生させて上記の高周波発振を生じさせる。こ
こで、入射する光は、例えばレーザダイオードなどの光
源又は光発生手段（図示せず。）を用いる。

【００２４】ガンダイオードはバルクのＧａＡｓ半導体
層のΓ点準位とＸ点準位との走行速度差による負性微分
速度による領域生成によって高周波発振を行うが、従来
の半導体素子では、発振周波数は主として、ダイオード
半導体素子１０の電子走行領域の長さによって決定され
るので、発振周波数を広い範囲で変化するためには、素
子自体を別の長さを持ったものに換えるしかない。これ
に対し、本発明に係る本実施形態におけるダイオード半
導体素子１０においては、図４に示したように印加され
る逆バイアス電圧ＶｂによってＸ点からΓ点への緩和時
間を大きく変化させることができるので、実効的な電子
の走行速度を大きく変化させることができ、従って、印
加される逆バイアス電圧Ｖｂの変化によって発振周波数
を、容易に従来に比較して広い周波数範囲で変化させる
ことができる。

【００２５】なお、当該ｐｉｎダイオード半導体素子１
０を用いてマイクロ波発振器を構成するためには、実際
には、当該素子１０の電極１１，１２に、比較的広い帯
域幅を有する、例えば複数の共振器からなる誘電体共振
器又はマイクロストリップ線路型共振器を接続して、発
振されたマイクロ波信号を取り出すことができる。

【００２６】さらに、第１の実施形態のダイオード半導
体素子１０に対して印加される逆バイアス電圧Ｖｂを変
化させることにより、非常に広い範囲の発振周波数を変
化することができるために、例えば入力される信号又は
データに従って、逆バイアス電圧Ｖｂを強度変調するこ
とにより、瞬時に広帯域に渡るマイクロ波周波数変調を
実現することができる。言い換えれば、印加される逆バ
イアス電圧Ｖｂを変化するだけで発振周波数を変化させ
ることができるため、超高速で周波数を掃引することが
できる。

【００２７】上記の図４の実験結果から、１００対の超
格子構造を有する第１の実施形態の場合においては、約
７００ＭＨｚから約２ＧＨｚまでの範囲で発振周波数を
変化することができ、例えば半分の５０対の超格子構造
を有する実施形態の場合においては、約１．４ＧＨｚか
ら約４ＧＨｚまでの範囲で発振周波数を変化することが
でき、さらに、例えば１／４の２５対の超格子構造を有
する実施形態の場合においては、約２．８ＧＨｚから約
８ＧＨｚまでの範囲で発振周波数を変化することができ
ると考えられる。

【００２８】以上の第１の実施形態において、真性半導
体ｉ層１５における各両端の層は、量子井戸層２１であ
ってもよいし、障壁層２２でもあってもよい。

【００２９】＜第２の実施形態＞図５は、本発明に係る
第２の実施形態であるマイクロ波ダイオード半導体素子
４０を示す断面図である。このダイオード半導体素子４
０は、直流電源３０により所定のバイアス電圧Ｖｂが印
加された電極４１と電極４２との間に、ｎ⁺型半導体層
４３とｎ^-型半導体層４４とｎ⁺型半導体層４５と、ｎ型
半導体基板４６とを挟設してなるダイオード素子におい
て、ｎ^-型半導体層４４は、第１の実施形態と同様に、
超格子構造を有することを特徴とする。以下、第１の実
施形態との相違点について説明する。

【００３０】この第２の実施形態においては、Ｓｉにて
なるｎ型不純物イオンが例えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だ
け注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００μｍのｎ
型半導体基板４６上に、以下の各層が順次、ｎ型半導体
基板４６から近接した側から積層されて形成される。 （ａ）ｎ⁺型半導体層４５は、Ｓｉにてなるｎ型不純物
イオンが例えば注入量１×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入され
たｎ⁺−ＧａＡｓにてなり、厚さ０．２μｍを有するよ
うに形成される。 （ｂ）ｎ^-型半導体層（ｎ^-−ＳＬ）４４は、第１の実施
形態と同様の障壁層２１と量子井戸層２２とが繰り返し
交互に積層された超格子構造を有し、厚さ約８２０μｍ
を有する。 （ｃ）ｎ⁺型半導体層４３は、Ｓｉにてなるｎ型不純物
イオンが例えば注入量１×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入され
たｎ⁺−ＧａＡｓにてなり、厚さ０．２μｍを有するよ
うに形成される。

【００３１】ここで、超格子構造を有するｎ^-型半導体
層４４は、ＧａＡｓにてなり２４原子層の厚さ約６８Å
の量子井戸層２２と、ＡｌＡｓにてなり５原子層の厚さ
約１４Åの障壁層２１とを交互に、例えば１００周期
（すなわち１００対）で積層されて形成される。ただ
し、当該ｎ^-型半導体層４４には、Ｓｉにてなるｎ型不
純物イオンが例えば注入量１×１０¹⁶／ｃｍ³だけ注入
される。

【００３２】以上のように構成された第２の実施形態の
ダイオード半導体素子４０においては、第１の実施形態
と同様に、超格子構造を有するｎ^-型半導体層４４の各
層２１，２２の厚さ及び所定のバイアス電圧Ｖｂを設定
する一方、直流電源３０によりｎ⁺型半導体層４５に電
流を注入することによりキャリアを注入することによ
り、高周波発振を生じさせることができる。ここで、印
加されるバイアス電圧ＶｂによってＸ点からΓ点への緩
和時間を大きく変化させることができるので、実効的な
電子の走行速度を大きく変化させることができ、従っ
て、印加されるバイアス電圧Ｖｂの変化によって発振周
波数を、容易に従来に比較して広い周波数範囲で変化さ
せることができる。

【００３３】なお、当該ｎ⁺ｎ^-ｎ⁺構造を有するダイオ
ード半導体素子４０を用いてマイクロ波発振器を構成す
るためには、実際には、当該素子４０の電極４１，４２
に、比較的広い帯域幅を有する、例えば複数の共振器か
らなる誘電体共振器又はマイクロストリップ線路型共振
器を接続して、発振されたマイクロ波信号を取り出すこ
とができる。

【００３４】以上の第２の実施形態においては、ｎ型半
導体基板４６を設けているが、本発明はこれに限らず、
設けなくてもよい。

【００３５】＜第３の実施形態＞図６は、本発明に係る
第３の実施形態であるマイクロ波ダイオード半導体素子
５０を示す断面図である。なお、図６における（）内の
表示は後述する第３の実施形態の変形例における半導体
層を示す。このダイオード半導体素子５０は、直流電源
３０により逆バイアス電圧Ｖｂが印加された電極５１と
電極５２との間に、ｐ⁺型半導体層５３と、ｎ型半導体
層５４と、真性半導体ｉ層５５と、ｎ⁺型半導体層５６
とを挟設してなるインパットダイオード素子であって、
真性半導体ｉ層５５は、第１の実施形態と同様に、超格
子構造を有することを特徴とする。以下、第１の実施形
態との相違点について説明する。

【００３６】この第３の実施形態においては、Ｓｉにて
なるｎ型不純物イオンが例えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だ
け注入されたｎ⁺−ＧａＡｓにてなる厚さ３０μｍのｎ⁺
型半導体層５６上に、以下の各層が順次、ｎ⁺型半導体
層５６から近接した側から積層されて形成される。 （ａ）真性半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）５５は、第１の実施
形態と同様の障壁層２１と量子井戸層２２とが繰り返し
交互に積層された超格子構造を有し、厚さ約８２０μｍ
を有する。 （ｂ）ｎ型半導体層５４は、Ｓｉにてなるｎ型不純物イ
オンが例えば注入量１×１０¹⁶／ｃｍ³だけ注入された
ｎ−ＧａＡｓにてなり、厚さ０．２μｍを有するように
形成される。 （ｃ）ｐ⁺型半導体層５３は、Ｂｅにてなるｐ型不純物
イオンが例えば注入量１×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入され
たｐ⁺−ＧａＡｓにてなり、厚さ０．２μｍを有するよ
うに形成される。

【００３７】ここで、ｎ型半導体層５４はアバランシェ
領域（又はインパクト領域）を構成しており、ｐ⁺型半
導体層５３とｎ型半導体層５４とのｐｎ接合により、な
だれ増倍部又はアバランシェ増倍部を構成する一方、真
性半導体ｉ層５５はドリフト領域を構成している。超格
子構造を有する真性半導体ｉ層５５は、ＧａＡｓにてな
り２４原子層の厚さ約６８Åの量子井戸層２２と、Ａｌ
Ａｓにてなり５原子層の厚さ約１４Åの障壁層２１とを
交互に、例えば１００周期（すなわち１００対）で積層
されて形成される。

【００３８】以上のように構成された第３の実施形態の
ダイオード半導体素子５０において、インパクトイオン
化が生じる臨界電界に達するような逆バイアス電圧Ｖｂ
を直流電源３０により印加することにより、ｎ型半導体
層５４とｐ⁺型半導体層５３との間でアバランシェ・ブ
レークダウンを生じさせ、これにより、キャリアが発生
する。この発生したキャリアを、公知の通り、飽和ドリ
フト速度で移動させることにより、当該素子５０全体か
ら見ると、生成されたキャリアによる電流の位相と印加
電圧の位相の間にπ／２の位相差が現れ、実効的な抵抗
成分が負、すなわち負性抵抗が現れる。これにより高周
波発振が生じる。

【００３９】ここで、第１の実施形態と同様に、超格子
構造を有する真性半導体ｉ層５５の各層２１，２２の厚
さ及び逆バイアス電圧Ｖｂを設定する一方、直流電源３
０により上記アバランシェ・ブレークダウンを生じさせ
るこにより、キャリアを注入させることができ、これに
よって上述のように、高周波発振を生じさせることがで
きる。ここで、印加される逆バイアス電圧Ｖｂによって
Ｘ点からΓ点への緩和時間を大きく変化させることがで
きるので、実効的な電子の走行速度を大きく変化させる
ことができ、従って、印加される逆バイアス電圧Ｖｂの
変化によって発振周波数を、容易に従来に比較して広い
周波数範囲で変化させることができる。

【００４０】なお、当該インパットダイオード構造を有
するダイオード半導体素子５０を用いてマイクロ波発振
器を構成するためには、実際には、当該素子５０の電極
５１，５２に、比較的広い帯域幅を有する、例えば複数
の共振器からなる誘電体共振器又はマイクロストリップ
線路型共振器を接続して、発振されたマイクロ波信号を
取り出すことができる。

【００４１】以上の第３の実施形態においては、ｐ⁺半
導体層５３と、ｎ型半導体層５４と、ｎ⁺型半導体層５
６とを備えて構成しているが、本発明はこれに限らず、
図６において（）内に示すように、それらに代えてそれ
ぞれ、ｎ⁺型半導体層と、ｐ型半導体層と、ｐ⁺型半導体
層とを備えて構成してもよい。

【００４２】以上の第３の実施形態においては、アバラ
ンシェ増倍部を有するインパットダイオードについて説
明しているが、本発明はこれに限らず、同様のアバラン
シェ増倍部を有するトラパットダイオードに容易に適用
することができる。このトラパットダイオードにおいて
は、発振周波数は接続される共振回路により決定され、
なだれ増倍による生成された電子・正孔プラズマの充満
による低電圧・高電流状態とプラズマが掃き出された高
電圧・低電流状態とが交互に繰り返され、発振が生じ
る。このトラパットダイオードにおいても、第３の実施
形態と同様の効果を有する。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波半導体装置によれば、２つの電極間に、少なくと
も、障壁層と量子井戸層とが交互に積層されてなる超格
子構造を有するダイオード素子を備えたマイクロ波半導
体装置であって、互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と
量子井戸層のΓ点の準位とが互いに共鳴するように、障
壁層の厚さと量子井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの
電極間に直流電源により所定の逆バイアス電圧又はバイ
アス電圧を印加したので、従来に比較して極めて簡単な
構成で、より広帯域で高周波発振周波数を変化すること
ができるマイクロ波半導体装置を提供することができ
る。当該マイクロ波半導体装置を用いることにより、高
周波の可変周波数発振器を実現することができる。

【００４４】また、本発明に係るマイクロ波半導体装置
の発振周波数を変化するための方法によれば、上記マイ
クロ波半導体装置において、上記直流電源による２つの
電極に印加される逆バイアス電圧又はバイアス電圧を変
化することにより、マイクロ波半導体装置の発振周波数
を変化するので、従来に比較して極めて簡単な構成で、
より広帯域で高周波発振周波数を変化することができる

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施形態であるマイクロ
波ダイオード半導体素子を示す断面図である。

【図２】 図１のマイクロ波ダイオード半導体素子に対
して逆バイアス電圧を印加したときの真性半導体ｉ層の
各点における準位エネルギーを示すエネルギーバンド図
である。

【図３】 図１のマイクロ波ダイオード半導体素子の真
性半導体ｉ層の厚さ方向の位置に対する準位エネルギー
を示すエネルギーバンド図である。

【図４】 図１のマイクロ波ダイオード半導体素子に対
して１ピコ秒の時間幅の光パルスを入射したときの光電
流の時間経過を示すグラフである。

【図５】 本発明に係る第２の実施形態であるマイクロ
波ダイオード半導体素子を示す断面図である。

【図６】 本発明に係る第３の実施形態であるマイクロ
波ダイオード半導体素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１０，４０，５０…マイクロ波ダイオード半導体素子、 １１，１２…電極、 １３…ｐ型キャップ層、 １４…ｉ型クラッド層、 １５…超格子構造を有する真性半導体ｉ層、 １６…ｉ型クラッド層、 １７…ｎ型バッファ層、 ２０…ｎ型半導体基板、 ２１−０乃至２１−Ｎ…障壁層、 ２２−０乃至２２−Ｎ…量子井戸層、 ３０…直流電源、 ４１，４２…電極、 ４３…ｎ⁺型半導体層、 ４４…超格子構造を有するｎ^-型半導体層、 ４５…ｎ⁺型半導体層、 ４６…ｎ型半導体基板、 ５１，５２…電極、 ５３…ｐ⁺型半導体層、 ５４…ｎ型半導体層、 ５５…超格子構造を有する真性半導体ｉ層、 ５６…ｎ⁺型半導体層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 秀典 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 冨永 浩司 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 渡辺 敏英 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (56)参考文献 特開 平８−116074（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−29590（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
   が交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体
   ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備えたマ
   イクロ波半導体装置であって、 互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量子井戸層のΓ点
   の準位とが互いに共鳴するように、障壁層の厚さと量子
   井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの電極間に直流電源
   により所定の逆バイアス電圧を印加したことを特徴とす
   るマイクロ波半導体装置。
2. 【請求項２】 上記ｐｉｎ型ダイオード素子のｐ層側か
   ら光を入射するための光発生手段をさらに備え、 ｐ層においてキャリアを生成して高周波発振を生じさせ
   ることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波半導体装
   置。
3. 【請求項３】 ２つの電極間に、ｎ⁺型半導体層と、障
   壁層と量子井戸層とが交互に積層されてなる超格子構造
   を有するｎ^-型半導体層と、ｎ⁺型半導体層とを挟設して
   なるダイオード素子を備えたマイクロ波半導体装置であ
   って、 互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量子井戸層のΓ点
   の準位とが互いに共鳴するように、障壁層の厚さと量子
   井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの電極間に直流電源
   により所定のバイアス電圧を印加したことを特徴とする
   マイクロ波半導体装置。
4. 【請求項４】 ２つの電極間に、少なくともアバランシ
   ェ増倍部と、障壁層と量子井戸層とが交互に積層されて
   なる超格子構造を有する真性半導体ｉ層とを挟設してな
   るダイオード素子を備えたマイクロ波半導体装置であっ
   て、 互いに隣接する障壁層のＸ点の準位と量子井戸層のΓ点
   の準位とが互いに共鳴するように、障壁層の厚さと量子
   井戸層の厚さを設定しかつ上記２つの電極間に直流電源
   により所定の逆バイアス電圧を印加したことを特徴とす
   るマイクロ波半導体装置。
5. 【請求項５】 請求項２乃至４のうちの１つに記載のマ
   イクロ波半導体装置において、 上記直流電源による上記２つの電極に印加される逆バイ
   アス電圧又はバイアス電圧を変化することにより、上記
   マイクロ波半導体装置の発振周波数を変化することを特
   徴とするマイクロ波半導体装置の発振周波数を変化する
   ための方法。