JP3014340B2 - 量子波干渉層を有したダイオード - Google Patents
量子波干渉層を有したダイオードInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は動作抵抗を減少させ
た新規構造のダイオードに関する。
た新規構造のダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｎ接合のダイオードが知られて
いる。これらのダイオードは順方向電圧を印加する時に
流れる電流は、その順方向電圧がバンド電位差を越える
電圧から急激に増加する。この動作領域での電圧電流特
性の傾きが大きい程、ダイオードを各種の素子に応用す
る場合に都合が良い。しかし、この傾きは、半導体材料
により決定されており、変化させることはできなかっ
た。
いる。これらのダイオードは順方向電圧を印加する時に
流れる電流は、その順方向電圧がバンド電位差を越える
電圧から急激に増加する。この動作領域での電圧電流特
性の傾きが大きい程、ダイオードを各種の素子に応用す
る場合に都合が良い。しかし、この傾きは、半導体材料
により決定されており、変化させることはできなかっ
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＪＪＡＰ L
etters Vol.29,No.11(1990 年) L1977-L1980 に記載さ
れたように、クラッド層に多重量子井戸障壁を設けるこ
とで、キャリアを反射させることが提案されている。し
かし、この文献では、キャリアの運動エネルギをどのよ
うな値とするかは示唆がなく、この文献によって指摘さ
れた第１層と第２層との最適な厚さは、本発明者らが最
適とする厚さに対して１／４〜１／６である。この結
果、キャリアの反射の効果が十分ではないという問題が
残されている。
etters Vol.29,No.11(1990 年) L1977-L1980 に記載さ
れたように、クラッド層に多重量子井戸障壁を設けるこ
とで、キャリアを反射させることが提案されている。し
かし、この文献では、キャリアの運動エネルギをどのよ
うな値とするかは示唆がなく、この文献によって指摘さ
れた第１層と第２層との最適な厚さは、本発明者らが最
適とする厚さに対して１／４〜１／６である。この結
果、キャリアの反射の効果が十分ではないという問題が
残されている。
【０００４】そこで、本発明者らは、多重量子井戸構造
を光の多重反射における誘電体多層膜に対応させて、キ
ャリアの量子波が多重量子井戸構造により多重反射され
ると考えた。そして、この反射によりキャリアの通電時
のＶＩ特性を急峻とすることができる考え、量子波干渉
層の最適構造を創作した。従って、本発明の目的は、最
適構造の量子波干渉層をｐ層又はｎ層に設けることで、
動作抵抗を著しく減少させたダイオードを提供すること
である。
を光の多重反射における誘電体多層膜に対応させて、キ
ャリアの量子波が多重量子井戸構造により多重反射され
ると考えた。そして、この反射によりキャリアの通電時
のＶＩ特性を急峻とすることができる考え、量子波干渉
層の最適構造を創作した。従って、本発明の目的は、最
適構造の量子波干渉層をｐ層又はｎ層に設けることで、
動作抵抗を著しく減少させたダイオードを提供すること
である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多
重周期で積層した量子波干渉層を有するダイオードにお
いて、ｐ層又はｎ層において、第１層と第２層の厚さを
注入される少数キャリアの各層における量子波の波長の
４分の１の奇数倍に設定したことを特徴とする。
は、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多
重周期で積層した量子波干渉層を有するダイオードにお
いて、ｐ層又はｎ層において、第１層と第２層の厚さを
注入される少数キャリアの各層における量子波の波長の
４分の１の奇数倍に設定したことを特徴とする。
【０００６】請求項２に記載の発明は、第１層と第１層
よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で積層した量
子波干渉層を有するダイオードにおいて、ｐ層又はｎ層
において、第１層と第２層の厚さを注入された少数キャ
リアの各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に
設定し、第１層と第２層との境界には、第１層と第２層
の厚さに比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させ
るδ層が設けられていることを特徴とする。
よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で積層した量
子波干渉層を有するダイオードにおいて、ｐ層又はｎ層
において、第１層と第２層の厚さを注入された少数キャ
リアの各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に
設定し、第１層と第２層との境界には、第１層と第２層
の厚さに比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させ
るδ層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】請求項３の発明は、注入されるキャリアを
第２層のバンドの底付近に存在するキャリアとすること
を特徴とする。
第２層のバンドの底付近に存在するキャリアとすること
を特徴とする。
【０００８】請求項４に記載の発明は、第１層の厚さＤ
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層における注入さ
れる少数キャリアの有効質量、ｍB は第２層における少
数キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入される少数キ
ャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバ
ンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数である。尚、Ｅは第２層
のバンドの底付近にとることが望ましい。
れる少数キャリアの有効質量、ｍB は第２層における少
数キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入される少数キ
ャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバ
ンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数である。尚、Ｅは第２層
のバンドの底付近にとることが望ましい。
【０００９】請求項５の発明は、第１層と第１層よりも
バンド幅の広い第２層との多重周期から成る量子波干渉
層を次のように形成したことを特徴とする。第１層、第
２層を、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期Ｔk だけ
繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但し、
バンド幅の広い第２層との多重周期から成る量子波干渉
層を次のように形成したことを特徴とする。第１層、第
２層を、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期Ｔk だけ
繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但し、
【数３】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ/ ４ [２ｍwk（Ｅk ＋Ｖ) ]1/2 …（３）
【数４】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ/ ４ (２ｍBkＥk )1/2 …（４） ここで、Ｅk は第２層に注入される少数キャリアの運動
エネルギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動
エネルギＥk ＋Ｖを有する少数キャリアの有効質量、ｍ
Bkは第２層における運動エネルギＥ k を有する少数キャ
リアの有効質量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。この
ように形成された部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj
と、ｋの最大値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成
される。
エネルギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動
エネルギＥk ＋Ｖを有する少数キャリアの有効質量、ｍ
Bkは第２層における運動エネルギＥ k を有する少数キャ
リアの有効質量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。この
ように形成された部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj
と、ｋの最大値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成
される。
【００１０】請求項６の発明は、（３），（４）式で決
定される厚さ（ＤBk，ＤWk）の（第２層，第１層）を、
（ＤB1，ＤW1），…，（ＤBk，ＤWk），…，（ＤBj，Ｄ
Wj）と積層し、部分量子波干渉層とする。この部分量子
波干渉層を任意周期繰り返して量子波干渉層が形成され
る。
定される厚さ（ＤBk，ＤWk）の（第２層，第１層）を、
（ＤB1，ＤW1），…，（ＤBk，ＤWk），…，（ＤBj，Ｄ
Wj）と積層し、部分量子波干渉層とする。この部分量子
波干渉層を任意周期繰り返して量子波干渉層が形成され
る。
【００１１】請求項７の発明は、上記のように形成され
た第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さに
比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層を
設けたことを特徴とする。
た第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さに
比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層を
設けたことを特徴とする。
【００１２】請求項８の発明は、量子波干渉層の量子波
の入射端は注入される少数キャリアのトンネル伝導を禁
止するに十分な厚さの第２層が形成されていることを特
徴とする。
の入射端は注入される少数キャリアのトンネル伝導を禁
止するに十分な厚さの第２層が形成されていることを特
徴とする。
【００１３】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、３、４の発明〕 本発明にかかる量子波干渉層の原理を次に説明する。図
１は、ｐ層に形成されたバンド幅の異なる層の多重層構
造の伝導帯を示している。少数キャリアである電子がｐ
層へ注入、即ち、図上左から右方向に伝導するとする。
伝導に寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近に存在
する電子と考えられる。この電子の運動エネルギをＥと
する。すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導する電子は
第２層から第１層へのバンド電位差Ｖにより加速され
て、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋Ｖとなる。
又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１層から
第２層へのバンド電位差Ｖにより減速されて、第２層Ｂ
における電子の運動エネルギはＥに戻る。伝導電子の運
動エネルギは、多重層構造のポテンシャルエネルギによ
りこのような変調を受ける。
１は、ｐ層に形成されたバンド幅の異なる層の多重層構
造の伝導帯を示している。少数キャリアである電子がｐ
層へ注入、即ち、図上左から右方向に伝導するとする。
伝導に寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近に存在
する電子と考えられる。この電子の運動エネルギをＥと
する。すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導する電子は
第２層から第１層へのバンド電位差Ｖにより加速され
て、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋Ｖとなる。
又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１層から
第２層へのバンド電位差Ｖにより減速されて、第２層Ｂ
における電子の運動エネルギはＥに戻る。伝導電子の運
動エネルギは、多重層構造のポテンシャルエネルギによ
りこのような変調を受ける。
【００１４】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギを用いて、（１）、
（２）式により求められる。さらに、波の反射率Ｒは第
２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクトルを
ＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギを用いて、（１）、
（２）式により求められる。さらに、波の反射率Ｒは第
２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクトルを
ＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数５】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（５） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
る。
【数６】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（６） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（６）式は次式のように
変形できる。
変形できる。
【数７】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（７） この反射率Ｒのｘに対する特性は図２のようになる。
【００１５】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数８】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（８） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
Ｖの関係は
【数９】 Ｅ≦Ｖ／９ …（９） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（９）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このような多重量子井戸構造により、ｐ
層へ注入される電子の量子波を効率良く反射させること
ができる。
伝導帯の底付近であることから、（９）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このような多重量子井戸構造により、ｐ
層へ注入される電子の量子波を効率良く反射させること
ができる。
【００１６】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数１０】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（１０）
【００１７】このような量子波干渉層をｐ層に形成した
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、ｐ層
に注入される電子の運動エネルギが上記の量子波干渉層
の厚さの設計に用いられた運動エネルギを大きく越える
までは、電子の反射が起こり電子による電流は流れな
い。注入される電子の運動エネルギが設定された運動エ
ネルギを大きく越えると、反射していた電子が急激に流
れるようになる。この結果、ダイオードのＶＩ特性が急
峻となる。即ち、動作抵抗が低下する。
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、ｐ層
に注入される電子の運動エネルギが上記の量子波干渉層
の厚さの設計に用いられた運動エネルギを大きく越える
までは、電子の反射が起こり電子による電流は流れな
い。注入される電子の運動エネルギが設定された運動エ
ネルギを大きく越えると、反射していた電子が急激に流
れるようになる。この結果、ダイオードのＶＩ特性が急
峻となる。即ち、動作抵抗が低下する。
【００１８】又、価電子帯においても、エネルギレベル
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なること、第１層、第２層における正孔の
有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、電子
に対して反射率を高くするように設定された第１層と第
２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条
件にはならない。よって、上記の構造の量子波干渉層
は、電子だけを反射させ正孔を反射させないようにする
ことができる。又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正
孔の有効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計す
ることで、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電
子を透過させる層とすることもできる。
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なること、第１層、第２層における正孔の
有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、電子
に対して反射率を高くするように設定された第１層と第
２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条
件にはならない。よって、上記の構造の量子波干渉層
は、電子だけを反射させ正孔を反射させないようにする
ことができる。又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正
孔の有効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計す
ることで、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電
子を透過させる層とすることもできる。
【００１９】上記のような電子の量子波干渉層をｐ層に
設け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、この
ダイオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、
動作抵抗を著しく低下させることができる。
設け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、この
ダイオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、
動作抵抗を著しく低下させることができる。
【００２０】〔請求項５の発明〕図３に示すように、複
数の運動エネルギＥk のそれぞれに対して部分量子波干
渉層Ｉk を形成しても良い。各部分量子波干渉層Ｉk は
（３）、（４）式で決定される厚さの第１層Ｗと第２層
Ｂとを（ＤWk, ＤBk）を１組としてＴk 周期分多重化し
て形成される。この部分量子波干渉層Ｉk をＩ1 〜Ｉj
まで、設定した電子の運動エネルギの数だけ直列に設け
BR>て量子波干渉層を形成しても良い。図３に示すよう
に、各運動エネルギＥk を有する電子は、各部分量子波
干渉層Ｉk で反射されることになり、運動エネルギがＥ
1 〜Ｅj の範囲にある電子を効率良く反射させることが
できる。運動エネルギの間隔を細かく設定すれば、各部
分量子波干渉層Ｉk における第１層Ｗ又は第２層Ｂの厚
さ（ＤWk, ＤBk）はｋに対してほぼ連続して変化するこ
とになる。
数の運動エネルギＥk のそれぞれに対して部分量子波干
渉層Ｉk を形成しても良い。各部分量子波干渉層Ｉk は
（３）、（４）式で決定される厚さの第１層Ｗと第２層
Ｂとを（ＤWk, ＤBk）を１組としてＴk 周期分多重化し
て形成される。この部分量子波干渉層Ｉk をＩ1 〜Ｉj
まで、設定した電子の運動エネルギの数だけ直列に設け
BR>て量子波干渉層を形成しても良い。図３に示すよう
に、各運動エネルギＥk を有する電子は、各部分量子波
干渉層Ｉk で反射されることになり、運動エネルギがＥ
1 〜Ｅj の範囲にある電子を効率良く反射させることが
できる。運動エネルギの間隔を細かく設定すれば、各部
分量子波干渉層Ｉk における第１層Ｗ又は第２層Ｂの厚
さ（ＤWk, ＤBk）はｋに対してほぼ連続して変化するこ
とになる。
【００２１】〔請求項６の発明〕図４に示すように、
（３）、（４）式で決定される厚さ（ＤWk, ＤBk）に関
して、厚さ（ＤW1, ＤB1）, …, （ＤWk, ＤBk）, …
（ＤWj, ＤBj) で多重化した部分量子波干渉層を任意個
数分だけ直列接続しても良い。このように配列しても、
運動エネルギがＥ1 〜Ｅj の範囲にある電子を効率良く
反射させることができる。運動エネルギの間隔を細かく
設定すれば、各第１層又は各第２層の厚さはほぼ連続し
て変化することになる。
（３）、（４）式で決定される厚さ（ＤWk, ＤBk）に関
して、厚さ（ＤW1, ＤB1）, …, （ＤWk, ＤBk）, …
（ＤWj, ＤBj) で多重化した部分量子波干渉層を任意個
数分だけ直列接続しても良い。このように配列しても、
運動エネルギがＥ1 〜Ｅj の範囲にある電子を効率良く
反射させることができる。運動エネルギの間隔を細かく
設定すれば、各第１層又は各第２層の厚さはほぼ連続し
て変化することになる。
【００２２】〔請求項２、７の発明〕図５に示すよう
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギバ
ンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十
分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は（７）
式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バンド電
位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくなる。ｘ値
が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。このδ層は、
図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の境界に設
けられているが、片側の境界だけに設けても良い。又、
δ層は、図５（ａ）に示すように、境界に第２層Ｂのバ
ンドの底よりもさらに高い底を有するバンドが形成され
るように設けているが、図５（ｂ）に示すように、境界
に第１層の底よりもさらに低い底を有するバンドを有す
るように形成しても良い。さらに、図５（ｃ）に示すよ
うに、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギレベルを有し
第１層Ｗよりも低いエネルギレベルを有する２つのδ層
を形成しても良い。このようにすることで、第１層Ｗと
第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を大きくすること
ができ、多重層に形成した場合に全体での量子波の反射
率を大きくすることができる。
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギバ
ンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十
分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は（７）
式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バンド電
位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくなる。ｘ値
が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。このδ層は、
図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の境界に設
けられているが、片側の境界だけに設けても良い。又、
δ層は、図５（ａ）に示すように、境界に第２層Ｂのバ
ンドの底よりもさらに高い底を有するバンドが形成され
るように設けているが、図５（ｂ）に示すように、境界
に第１層の底よりもさらに低い底を有するバンドを有す
るように形成しても良い。さらに、図５（ｃ）に示すよ
うに、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギレベルを有し
第１層Ｗよりも低いエネルギレベルを有する２つのδ層
を形成しても良い。このようにすることで、第１層Ｗと
第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を大きくすること
ができ、多重層に形成した場合に全体での量子波の反射
率を大きくすることができる。
【００２３】〔請求項８の発明〕請求項８の発明は、量
子波干渉層の入射端面側の１つの第２層Ｂ0 だけを厚く
形成することで、共鳴トンネル伝導を防止し、キャリア
の反射を効果的に行うことができる。
子波干渉層の入射端面側の１つの第２層Ｂ0 だけを厚く
形成することで、共鳴トンネル伝導を防止し、キャリア
の反射を効果的に行うことができる。
【００２４】
図６は量子波干渉層をｐ層に形成したダイオードの断面
図である。GaAsから成る基板１０の上に、n-GaAsから成
る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のバッファ層１
２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P から成る厚さ
0.1 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コンタクト層１
４が形成されている。ｎ形コンタクト層１４の上には、
n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.5 μm 、電子濃度 1×
1018/cm3のｎ層１６が形成され、その上にはAl0.51In
0.49P から成る厚さ0.6 μm のｐ層１８が形成されてい
る。さらに、そのｐ層１８の中に量子波干渉層である電
子反射層２０が形成されている。尚、電子反射層２０の
入射端面側のｐ層１８ａは厚さ0.1 μm 、正孔濃度 1×
1017/cm3であり、電子反射層２０の出射端面側のｐ層１
８ｂは厚さ0.5 μm 、正孔濃度 1×1018/cm3である。そ
して、ｐ層１８ｂの上にp-Ga0.51In0.49P から成る厚さ
0.1 μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コンタクト
層２２とp-GaAsから成る厚さ0.1 μm 、正孔濃度 2×10
18/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成されている。
さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μm のAu/Ge から
成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト層２４の
上には厚さ0.2 μm のAu/Zn から成る電極２８が形成さ
れている。尚、基板１０は、２インチ径の大きさであ
り、基板の主面は面方位(100) に対して15°方位[011]
方向にオフセットしている。
図である。GaAsから成る基板１０の上に、n-GaAsから成
る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のバッファ層１
２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P から成る厚さ
0.1 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コンタクト層１
４が形成されている。ｎ形コンタクト層１４の上には、
n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.5 μm 、電子濃度 1×
1018/cm3のｎ層１６が形成され、その上にはAl0.51In
0.49P から成る厚さ0.6 μm のｐ層１８が形成されてい
る。さらに、そのｐ層１８の中に量子波干渉層である電
子反射層２０が形成されている。尚、電子反射層２０の
入射端面側のｐ層１８ａは厚さ0.1 μm 、正孔濃度 1×
1017/cm3であり、電子反射層２０の出射端面側のｐ層１
８ｂは厚さ0.5 μm 、正孔濃度 1×1018/cm3である。そ
して、ｐ層１８ｂの上にp-Ga0.51In0.49P から成る厚さ
0.1 μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コンタクト
層２２とp-GaAsから成る厚さ0.1 μm 、正孔濃度 2×10
18/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成されている。
さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μm のAu/Ge から
成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト層２４の
上には厚さ0.2 μm のAu/Zn から成る電極２８が形成さ
れている。尚、基板１０は、２インチ径の大きさであ
り、基板の主面は面方位(100) に対して15°方位[011]
方向にオフセットしている。
【００２５】このダイオードは、ガスソースＭＢＥ法に
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。
【００２６】電子反射層（量子波干渉層）２０は、図７
に示すように、第１層Ｗにp-Ga0.51In0.49P 、第２層Ｂ
にp-Al0.51In0.49P を用いた１５周期の多重量子構造で
あり、第１層Ｗと第２層Ｂの境界にp-Al0.33Ga0.33In
0.33P から成るδ層が形成されている。厚さの条件は上
記した（１）、（２）式で決定され、最初の第２層Ｂ0
（ｐ層１８ａ）の厚さはキャリアのトンネル伝導を防止
できる程の厚さに設計されている。又、δ層の厚さは、
1.3nm である。図７のエネルギダイヤグラムでは、ｎ層
１６とｐ層１８ａと電子反射層２０が図示されている。
図７（ａ）は電圧が印加されていない状態を示し、
（ｂ）は電圧Ｖが印加された状態を示している。このよ
うな構造とすることで、このダイオードに順方向に電圧
を印加すると、ｎ層１６からｐ層１８に注入された電子
は電子反射層２０により効果的に反射され、電子はｐ層
に注入されない。さらに、電圧を増加させて注入される
電子の運動エネルギが電子反射層２０を設計した運動エ
ネルギＥを大きく越えると、この電子反射層２０が電子
を反射しなくなり、電子を通過させるようになる。この
結果、ＶＩ特性は印加電圧があるしきい値を越えると急
峻に立ち上がる。
に示すように、第１層Ｗにp-Ga0.51In0.49P 、第２層Ｂ
にp-Al0.51In0.49P を用いた１５周期の多重量子構造で
あり、第１層Ｗと第２層Ｂの境界にp-Al0.33Ga0.33In
0.33P から成るδ層が形成されている。厚さの条件は上
記した（１）、（２）式で決定され、最初の第２層Ｂ0
（ｐ層１８ａ）の厚さはキャリアのトンネル伝導を防止
できる程の厚さに設計されている。又、δ層の厚さは、
1.3nm である。図７のエネルギダイヤグラムでは、ｎ層
１６とｐ層１８ａと電子反射層２０が図示されている。
図７（ａ）は電圧が印加されていない状態を示し、
（ｂ）は電圧Ｖが印加された状態を示している。このよ
うな構造とすることで、このダイオードに順方向に電圧
を印加すると、ｎ層１６からｐ層１８に注入された電子
は電子反射層２０により効果的に反射され、電子はｐ層
に注入されない。さらに、電圧を増加させて注入される
電子の運動エネルギが電子反射層２０を設計した運動エ
ネルギＥを大きく越えると、この電子反射層２０が電子
を反射しなくなり、電子を通過させるようになる。この
結果、ＶＩ特性は印加電圧があるしきい値を越えると急
峻に立ち上がる。
【００２７】又、価電子帯においても、多重量子井戸構
造が形成されるが、この構造では電子が効果的に反射さ
れるように第１層Ｗと第２層Ｂの厚さの条件が決定され
ているので、正孔はこの多重量子井戸構造では反射され
ない。よって、ｐ層１８ｂからの正孔はこの電子反射層
２０を通過して、ｎ層１６に達する。
造が形成されるが、この構造では電子が効果的に反射さ
れるように第１層Ｗと第２層Ｂの厚さの条件が決定され
ているので、正孔はこの多重量子井戸構造では反射され
ない。よって、ｐ層１８ｂからの正孔はこの電子反射層
２０を通過して、ｎ層１６に達する。
【００２８】第１層Ｗと第２層Ｂの厚さを各種変化させ
てＶＩ特性を測定した。第２層Ｂの厚さを７nmにして、
第１層Ｗの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定した。
第１層Ｗの厚さが５nmの時にＶＩ特性の傾き（動作抵
抗）は最小となった。次に、第１層Ｗの厚さを５nmにし
て、第２層Ｂの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定し
た。第２層Ｂの厚さが７nmの時に動作抵抗が最小となっ
た。このように、電子反射層２０は第１層Ｗの厚さを５
nm、第２層Ｂの厚さを７nmにする時にダイオードの動作
抵抗が最小となった。このダイオードの測定されたＶＩ
特性Ｂを図８、図９に示す。又、上記の実施例におい
て、電子反射層２０だけが存在しないダイオードを製造
し、そのＶＩ特性Ａも測定した。図８は、電流が急激に
立ち上がる前の領域を示している。本実施例のダイオー
ドの電流が従来形のダイオードに比べて電流が抑制され
ているのが理解される。又、ＶＩ特性Ａ−ＶＩ特性Ｂを
表した特性がＣである。約２Ｖで最大の電流抑制が実現
されていることが理解される。この約２Ｖを印加した時
に第２層を越える程度のエネルギが第１層と第２層の厚
さの設計に用いられたｐ層に注入される電子の運動エネ
ルギＥに対応していると考えられる。図９は直線目盛り
で表されたＶＩ特性である。本実施例のダイオードの動
作抵抗は、従来のダイオードの動作抵抗に比べて１／４
に低下した。
てＶＩ特性を測定した。第２層Ｂの厚さを７nmにして、
第１層Ｗの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定した。
第１層Ｗの厚さが５nmの時にＶＩ特性の傾き（動作抵
抗）は最小となった。次に、第１層Ｗの厚さを５nmにし
て、第２層Ｂの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定し
た。第２層Ｂの厚さが７nmの時に動作抵抗が最小となっ
た。このように、電子反射層２０は第１層Ｗの厚さを５
nm、第２層Ｂの厚さを７nmにする時にダイオードの動作
抵抗が最小となった。このダイオードの測定されたＶＩ
特性Ｂを図８、図９に示す。又、上記の実施例におい
て、電子反射層２０だけが存在しないダイオードを製造
し、そのＶＩ特性Ａも測定した。図８は、電流が急激に
立ち上がる前の領域を示している。本実施例のダイオー
ドの電流が従来形のダイオードに比べて電流が抑制され
ているのが理解される。又、ＶＩ特性Ａ−ＶＩ特性Ｂを
表した特性がＣである。約２Ｖで最大の電流抑制が実現
されていることが理解される。この約２Ｖを印加した時
に第２層を越える程度のエネルギが第１層と第２層の厚
さの設計に用いられたｐ層に注入される電子の運動エネ
ルギＥに対応していると考えられる。図９は直線目盛り
で表されたＶＩ特性である。本実施例のダイオードの動
作抵抗は、従来のダイオードの動作抵抗に比べて１／４
に低下した。
【００２９】〔第２実施例〕 図１０に示すように、ｎ層１６にも正孔反射層３０が設
けられている。正孔の量子波入射端面のｎ層１６ａはト
ンネル電流を阻止するに十分な厚さがある。この正孔反
射層３０も電子反射層２０と構造的には同一である。正
孔を効果的に反射させるために、第１層Ｗの厚さは1.0n
m であり、第２層Ｂの厚さは1.2nm である。このように
電子反射層２０と正孔反射層３０とを形成することで、
電子反射層２０と正孔反射層３０が形成されていないダ
イオードに比べて、約１／６の動作抵抗の低下が得られ
た。
けられている。正孔の量子波入射端面のｎ層１６ａはト
ンネル電流を阻止するに十分な厚さがある。この正孔反
射層３０も電子反射層２０と構造的には同一である。正
孔を効果的に反射させるために、第１層Ｗの厚さは1.0n
m であり、第２層Ｂの厚さは1.2nm である。このように
電子反射層２０と正孔反射層３０とを形成することで、
電子反射層２０と正孔反射層３０が形成されていないダ
イオードに比べて、約１／６の動作抵抗の低下が得られ
た。
【００３０】上記実施例では、δ層を形成している。こ
のδ層により反射率を著しく向上させることができる
が、効果は低下するがδ層がない多重量子井戸構造でも
良い。又、上記実施例では、量子波干渉層をGa0.51In
0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成したが、４元
系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値) で組成比
を異にして形成しても良い。さらに、量子波干渉層は、
他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合物半導
体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構成する
ことが可能である。
のδ層により反射率を著しく向上させることができる
が、効果は低下するがδ層がない多重量子井戸構造でも
良い。又、上記実施例では、量子波干渉層をGa0.51In
0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成したが、４元
系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値) で組成比
を異にして形成しても良い。さらに、量子波干渉層は、
他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合物半導
体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構成する
ことが可能である。
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図３】本発明の概念を説明するための説明図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の具体的な一実施例に係るダイオードの
構造を示した断面図。
構造を示した断面図。
【図７】その実施例に係るダイオードのエネルギダイヤ
グラム。
グラム。
【図８】その実施例に係るダイオードのＶＩ特性の測定
図。
図。
【図９】その実施例に係るダイオードのＶＩ特性の測定
図。
図。
【図１０】他の実施例に係るダイオードの構造を示した
断面図。
断面図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｐ層 ２０…電子反射層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 ３０…正孔反射層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29，Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ｐｐ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ｐｐ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 29/06 H01L 29/78 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (8)
- 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードにおいて、 ｐ層又はｎ層において、前記第１層と前記第２層の厚さ
を注入された少数キャリアの各層における量子波の波長
の４分の１の奇数倍に設定した量子波干渉層を設けたこ
とを特徴とするダイオード。 - 【請求項２】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードにおいて、 ｐ層又はｎ層において、前記第１層と前記第２層の厚さ
を注入された少数キャリアの各層における量子波の波長
の４分の１の奇数倍に設定し、 前記第１層と前記第２層との境界には、前記第１層と前
記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エネルギバンドを
急変させるδ層が設けられていることを特徴とするダイ
オード。 - 【請求項３】 前記注入される少数キャリアは、前記第
２層の最低エネルギレベル付近にあるキャリアとするこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子波干
渉層を設けたことを特徴とするダイオード。 - 【請求項４】 前記第１層における前記量子波の波長λ
W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入されるキャリア
の運動エネルギー、Ｖは第１層に対する第２層のバンド
電位差、ｎW 、ｎB は奇数であることを特徴とする請求
項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のダイオード。 - 【請求項５】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードにおいて、 前記第２層に注入される少数キャリアの運動エネルギを
複数の異なる値Ｅk 、前記第１層におけるその各運動エ
ネルギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の各エネルギに
対応した各量子波長をλBk，λWkとする時、第２層、第
１層をｎBkλBk／４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期
繰り返された部分量子波干渉層Ｉk が前記値Ｅk の数だ
け繰り返し形成された、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、量子
波干渉層をｐ層又はｎ層に設けたことを特徴とするダイ
オード。 - 【請求項６】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードにおいて、 前記第２層に注入される少数キャリアの運動エネルギを
複数の異なる値Ｅk 、前記第１層におけるその各運動エ
ネルギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の各エネルギに
対応した各量子波長をλBk，λWkとする時、第２層、第
１層を厚さ（ｎB1λB1／４，ｎW1λW1／４），…，（ｎ
BkλBk／４，ｎWkλWk／４），…，（ｎBjλBj／４，ｎ
WjλWj／４）で形成した部分量子波干渉層を任意周期繰
り返して形成された、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、量子波
干渉層をｐ層又はｎ層に設けたことを特徴とするダイオ
ード。 - 【請求項７】 前記第１層と前記第２層との境界には、
前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする請求項１、又は、請求項３乃至請求項６のい
ずれか１項に記載のダイオード。 - 【請求項８】 前記量子波干渉層の量子波の入射端は少
数キャリアのトンネル伝導を禁止するに十分な厚さの第
２層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請
求項７のいずれか１項に記載のダイオード。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9123482A JP3014340B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | 量子波干渉層を有したダイオード |
| US09/057,549 US6188082B1 (en) | 1997-04-25 | 1998-04-09 | Diodes with quantum-wave interference layers |
| EP98107442A EP0874402A1 (en) | 1997-04-25 | 1998-04-23 | Diodes with quantum-wave interference layers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9123482A JP3014340B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | 量子波干渉層を有したダイオード |
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|---|---|---|---|
| JP31570999A Division JP2000138382A (ja) | 1999-11-05 | 1999-11-05 | 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10303435A JPH10303435A (ja) | 1998-11-13 |
| JP3014340B2 true JP3014340B2 (ja) | 2000-02-28 |
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ID=14861733
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|---|---|---|---|
| JP9123482A Expired - Fee Related JP3014340B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | 量子波干渉層を有したダイオード |
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|---|---|
| US (1) | US6188082B1 (ja) |
| EP (1) | EP0874402A1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0935294A1 (en) * | 1998-02-06 | 1999-08-11 | Canare Electric Co., Ltd. | Variable capacity device with quantum-wave interference layers |
| EP0954034A3 (en) | 1998-04-28 | 2000-01-26 | Canare Electric Co., Ltd. | Light receiving device with quantum-wave interference layers |
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