JP2710783B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2710783B2 JP63108746A JP10874688A JP2710783B2 JP 2710783 B2 JP2710783 B2 JP 2710783B2 JP 63108746 A JP63108746 A JP 63108746A JP 10874688 A JP10874688 A JP 10874688A JP 2710783 B2 JP2710783 B2 JP 2710783B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高い電流密度で大きな負性抵抗を有する半
導体装置に関するものである。
〔従来技術〕
従来、2種類以上のIII−V族化合物半導体薄膜を交
互に積み重ねることによって負性抵抗を得るようにした
半導体装置には以下のようなものがある。
(i)AlAs−GaAs系トンネルダイオード 第3図は、AlAs−GaAs系の二重障壁構造トンネルダイ
オードの概略構成を示す模式的断面図である。
AlAs−GaAs系トンネルダイオードは、第3図に示すよ
うに、ドープされていない(以下、アンドープという)
AlAs薄膜(層)1とGaAs薄膜(層)2の2種類のIII−
V族化合物半導体薄膜を交互に積み重ねた積層体3を構
成し、この積層体3をドーピング層のn+−GaAs薄膜
(層)4で挟んで構成されたトンネルダイオードであ
る。トンネル構造は、アンドープAlAs層1及びGaAs層2
で構成されている。n+−GaAs層4は電子注入用の電極層
である。
このような構造のAlAs−GaAs系トンネルダイオードに
おいて、第4図に示すような負性抵抗を有する電流−電
圧特性が得られる。例えば、トンネル構造内のアンドー
プAlAs薄膜(層)1及びGaAs薄膜(層)2の厚さを最適
化することによって、室温においてIp/Iv=3の値が得
られる[M.Tsuchiya and H.Sakaki:Jpn.J.Appl.Phys.25
(1986)L185]。
(ii)InGaAs−AlAs系トンネルダイオード 第5図は、In0.1Ga0.9Ak系二重構造トンネルダイオー
ドの概略構成を示す模式的断面図である。
InGaAs−AlAs系トンネルダイオードは、第5図に示す
ように、アンドープAlAs薄膜(層)5の上にアンドープ
In0.1Ga0.9As薄膜(層)6を積み重ね、このアンドープ
In0.1Ga0.9As薄膜(層)6の上にアンドープAlAs薄膜
(層)7を積み重ね、このアンドープAlAs薄膜(層)7
の上にアンドープGaAs薄膜(層)8を積み重ね、前記ア
ンドープAlAs層5の下面にアンドープGaAs薄膜(層)8
を重ねて積層体9を構成し、この積層体9をドーピング
層のn+−GaAs薄膜(層)10で挟んで構成されたトンネル
ダイオードである。トンネル構造は、アンドープGaAs層
8、アンドープAlAs層5、アンドープIn0.1Ga0.9As層6
およびアンドープAlAs層7で構成されている。n+GaAs層
10は電子注入用の電極層である。
このような構造のInGaAs−AlAs系トンネルダイオード
では、トンネル構造内のウェル層を形成するアンドープ
In0.1Ga0.9As薄膜(層)6のコンダクションバンド端が
ドーピング層のn+−GaAs薄膜(層)10のコンダクション
バンド端よりも低いために、Ip/Iv=13という大きな値
が得られる[H.Toyoshima,Y.Ando,A.Okamoto and T.Ito
h:Jap.J.Appl.Phys.25(1986)L786]。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、前記従来のAlAs−GaAs系トンネルダイ
オードでは、最適化を行っても、Ip/Iv(比)には限界
があるという問題があった。これはトンネル構造内に注
入される電子には大きなエネルギー分布があるためであ
る。電子はn+−GaAs層4内から注入されるため電子のエ
ネルギ分布は、n+−GaAs層4のコンダクションバンド内
の状態密度及び温度によって決定される。室温でIp/Iv
(比)が大きな値を取れないのは、電子にエネルギ分布
があるためである。ドーピング層の濃度を低くすると、
Ip/Iv=4が得られるが[C.I.Huang,H.J.Paulus,C.A.Bo
zada,S.C.Dudly,K.R.Evans,C.E.Stutz,R.L.Jones and
M.E.cheney:Appl.PhYs.Lett.51(1987)121]、やは
り、電子のエネルギ分布によってIp/Iv(比)が制限さ
れている。また、デバイス作製上、大きな電流密度が必
要であり、n+−GaAs層4の不純物濃度を下げることは好
ましくない。
また、前記従来のInGaAs−AlAs系トンネルダイオード
も、注入される電子のエネルギ分布は、n+−GaAs層10で
決定されるために、Ip/Iv(比)は制限されるという問
題があった。
以上の例では、アンドープ層を形成するバリアは2つ
の場合であったが、2つ以上の場合でも注入される電子
エネルギ分布の広がりはn+−GaAs層4及び10によって決
定される。従ってIp/Iv(比)は制限を受けることとな
る。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたもの
である。
本発明の目的は、高い電流密度で大きな負性抵抗を有
する半導体装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであ
ろう。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明は、少なくとも2種
類の化合物半導体薄膜が交互に積み重ねられて形成され
た超格子から成る第2の層と、前記第2の層の間に形成
される少なくとも2種類の化合物半導体薄膜が交互に積
み重ねられて形成された第1の層とを具備する半導体装
置であって、前記超格子を構成する少なくとも2種類の
化合物半導体薄膜の各々は、前記第2の層に1×1016cm
-3以上の電子濃度を与えるn型不純物がドープされてい
ることを最も主要な特徴とする。
〔作用〕
前述した手段によれば、電子の注入層に超格子を用い
たので、トンネル構造内に注入する電子エネルギ分布の
広がりを小さくすることができ、かつトンネル構造内の
ウェル層のコンダクションバンド端を相対的に低くする
ことができる。
すなわち、従来の技術では、電子の注入層(ドーピン
グ層)はバルク半導体であった。この場合には、注入さ
れる電子のエネルギ分布は、室温付近では第6図に示す
ような特性になり、エネルギ分布はとても大きくなる。
これに対して本発明では電子の注入層に超格子を用いる
ために、第7図に示すように、注入される電子のエネル
ギ分布は小さくなる。さらに超格子内に形成される量子
準位は、バンドギャップの小さい半導体のコンダクショ
ンバンド端よりも高いために、室温でも大きな負性抵抗
が得られる。
なお、第7図は、超格子中における電子のエネルギ分
布を示す図であり、超格子中では、量子準位が形成さ
れ、バルク半導体中の電子分布とは異なった電子分布を
とる。電子のエネルギ分布は小さくなり、最低エネルギ
が高くなる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明
する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機
能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明
は省略する。
〔実施例I〕
第1図は、本発明の実施例IのアンドープAlAs−GaAs
系二重障壁層を、SiドープAlAs/GaAs超格子ではさんだ
構造の半導体装置の概略構成を説明するための模式的断
面図である。
本発明の実施例Iの半導体装置は、第1図に示すよう
に、SiドープGaAs(Si濃度は1×1018cm-3)基板上11
に、SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×1018c
m-3)12を200nm程度の厚さまで成長させる。次に、アン
ドープAlAs−GaAs系二重障壁層20として、アンドープ
(undope)GaAs層13を1.5nm程度の厚さまで成長させ、
その上にアンドープAlAs層14を2.3nm程度の厚さまで成
長させ、その上にアンドープGaAs層15を7.0nm程度の厚
さまで成長させ、その上にアンドープAlAs層16を2.3nm
程度の厚さまで成長させ、さらにその上にアンドープGa
As層17を1.5nm程度の厚さまで成長させる。最後に、Si
ドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×1018cm-3)18を2
00nm程度の厚さまで成長させたものである。
前記SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×1018cm
-3)12及び18の周期は、AlAs(5nm)/GaAs(5nm)であ
り、有機金属熱分解気相成長法(MOCVD)を用いて作製
する。
第1図に示す半導体装置は、室温においてIp/Iv=5
であり、絶対温度77KにおいてIp/Iv=15という大きな負
性抵抗が得られた。これに対して、従来の二重障壁をSi
ドープGaAs層(Si濃度は1×1018cm-3)で挟んだ構造で
は、室温においてIp/Iv=3であり、絶対温度77Kにおい
てIp/Iv=10であった。
以上の説明からわかるように、本実施例によれば、ア
ンドープAlAs−GaAs系二重障壁層(層13〜17)20をSiド
ープAlAs/GaAs超格子12及び18により挟み込むことによ
り、アンドープAlAs−GaAs系二重障壁層20に注入する電
子のエネルギ分布を小さくすることができるので、Ip/I
v(比)を大きくすることができる。
〔実施例II〕
第2図は、本発明の実施例IIのアンドープAlAs−InGa
As系二重障壁層をSiドープAlAs/GaAs超格子で挟んだ構
造の半導体装置の概略構成を説明するための模式的断面
図である。
本発明の実施例IIの半導体装置は、第2図に示すよう
に、アンドープAlAs−GaAs系二重障壁層30をSiドープAl
As/GaAs超格子12及び18で挟んだ構造のものである。
すなわち、SiドープGaAs(Si濃度は1×1018cm-3)基
板11上に、SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×10
18cm-3)12を200nm程度の厚さまで成長させる。次に、
アンドープAlAs−InGaAs系二重障壁層30として、アンド
ープGaAs層13を1.5nm程度の厚さまで成長させ、その上
にアンドープAlAs層14を2.3nm程度の厚さまで成長さ
せ、その上にアンドープIn0.1Ga0.9As層25を7.0nm程度
の厚さまで成長させ、その上にアンドープAlAs層16を2.
3nm程度の厚さまで成長させ、さらにその上にアンドー
プGaAs層17を1.5nm程度の厚さまで成長させる。最後
に、SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×1018c
m-3)18を200nm程度の厚さまで成長させたものである。
前記SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×1018cm
-3)12及び18の周期はAlAs(5nm)/GaAs(5nm)であ
り、これらの超格子は、有機金属熱分解気相成長法(MO
CVD)により作製される。
本発明の実施例IIの半導体装置は、第1図に示すアン
ドープAlAs−GaAs系二重障壁層20内のウェル層(7nm程
度の厚さのアンドープGaAs層15)を7nm程度の厚さのア
ンドープIn0.1Ga0.9As層25にした場合である。この場合
には、室温においてIp/Iv=5であり、絶対温度77Kにお
いてIp/Iv=20という大きな負性抵抗が得られた。
また、従来のアンドープAlAs−GaAs系二重障壁層30を
SiドープGaAs層(Si濃度は1×1018cm-3)により挟んだ
構造では、室温においてIp/Iv=3.5、絶対温度77Kにお
いてIp/Iv=13であった。
以上の説明からわかるように、実施例IIによれば、実
施例1と同様に、アンドープAlAs−InGaAs系二重障壁層
30をSiドープAlAs/GaAs超格子層12及び18で挟むことに
より、アンドープAlAs−InGaAs系二重障壁層30に注入す
るエネルギ分布を小さくすることができるので、Ip/Iv
(比)を大きくすることができる。
なお、前記実施例I及びIIでは、GaAs,AlAs,InGaAsを
用いた場合を示したが、それら以外の化合物半導体に対
しても、ドーピング層を超格子とすることによって、大
きなIp/Iv(比)が得られると考えられる。また、電子
に対するトンネル構造ばかりでなく、正孔に対するトン
ネル構造に対しても効果がある。
以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である
ことは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、トンネル構造
を、不純物をドープした超格子構造で挟むことにより、
トンネル構造に注入する電子のエネルギ分布の広がりを
小さくでき、トンネル構造内のウェル層のバンド端を相
対的に低くすることができる。これにより、大きな負性
抵抗を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例IのアンドープAlAs−GaAs系
二重障壁層を、SiドープAlAs/GaAs超格子ではさんだ構
造の半導体装置の概略構成を説明するための模式的断面
図、 第2図は、本発明の実施例IIのアンドープAlAs−InGaAs
系二重障壁層をSiドープAlAs/GaAs超格子で挟んだ構造
の半導体装置の概略構成を説明するための模式的断面
図、 第3図は、AlAs−GaAs系の二重障壁構造トンネルダイオ
ードの概略構成を示す模式的断面図、 第4図は、AlAs−GaAs系トンネルダイオードにおける電
圧−電流特性図、 第5図は、In0.1Ga0.9As系二重構造トンネルダイオード
の概略構成を示す模式的断面図、 第6図は、バルク半導体中における電子のエネルギ分布
を示す図、 第7図は、超格子中における電子のエネルギ分布を示す
図である。 図中、11……SiドープGaAs(Si濃度は1×1018cm-3)基
板、12……SiドープAlAs/GaAs超格子(Si濃度は1×10
18cm-3)、13……アンドープGaAs層、14……アンドープ
AlAs層、15……アンドープGaAs層、16……アンドープAl
As層、17……アンドープGaAs層、18……SiドープAlAs/G
aAs超格子(Si濃度は1×1018cm-3)、20……アンドー
プAlAs−GaAs系二重障壁層、25……アンドープIn0.1Ga
0.9As層、30……アンドープAlAs−InGaAs系二重障壁
層。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも2種類の化合物半導体薄膜が交
    互に積み重ねられて形成された超格子から成る第2の層
    と、前記第2の層の間に形成される少なくとも2種類の
    化合物半導体薄膜が交互に積み重ねられて形成された第
    1の層とを具備する半導体装置であって、 前記超格子を構成する少なくとも2種類の化合物半導体
    薄膜の各々は、前記第2の層に1×1016cm-3以上の電子
    濃度を与えるn型不純物がドープされていることを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記第1の層は、二重障壁層であることを
    特徴とする請求項1に記載された半導体装置。
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