JP3135871B2 - 超格子半導体装置 - Google Patents
超格子半導体装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超格子層を有する
ダイオード型半導体素子による、負性微分抵抗を有する
超格子半導体装置に関する。
ダイオード型半導体素子による、負性微分抵抗を有する
超格子半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超格子構造を有するダイオード型半導体
素子を用いて、負性微分抵抗を生じさせる超格子半導体
装置では、バッファ層、キャップ層には、基板に格子整
合する材料が用いられてきた。この素子では、超格子構
造中の井戸層内のΓ準位と障壁層内のＸ準位との交差に
より負性微分抵抗が実現されてきた。
素子を用いて、負性微分抵抗を生じさせる超格子半導体
装置では、バッファ層、キャップ層には、基板に格子整
合する材料が用いられてきた。この素子では、超格子構
造中の井戸層内のΓ準位と障壁層内のＸ準位との交差に
より負性微分抵抗が実現されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超格子
構造を有する従来の負性微分抵抗素子では、キャリアが
Γ準位からＸ準位に流れ込むことができる電圧であるΓ
−Ｘミキシングが生じる電圧、すなわち、負性微分抵抗
特性を得るために必要な電圧を設定するときに、超格子
構造を変更せざるをえないため、Γ準位とＸ準位を同時
に設計する以外方法が無かった。従来の素子では、電流
−電圧特性に影響を与えるΓ１−Γ２ミキシングが生じ
る電圧も同時に決まってしまい、素子設計上の制約が大
きかった。
構造を有する従来の負性微分抵抗素子では、キャリアが
Γ準位からＸ準位に流れ込むことができる電圧であるΓ
−Ｘミキシングが生じる電圧、すなわち、負性微分抵抗
特性を得るために必要な電圧を設定するときに、超格子
構造を変更せざるをえないため、Γ準位とＸ準位を同時
に設計する以外方法が無かった。従来の素子では、電流
−電圧特性に影響を与えるΓ１−Γ２ミキシングが生じ
る電圧も同時に決まってしまい、素子設計上の制約が大
きかった。
【０００４】本発明の目的は以上の問題点を解決し、負
性微分抵抗特性を得るのに必要な印加電圧を比較的自由
に設定できる超格子半導体装置を提供することにある。
性微分抵抗特性を得るのに必要な印加電圧を比較的自由
に設定できる超格子半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る超格子半導
体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互
に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体ｉ層で
ある第２の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を
介して挟設してなる超格子半導体素子を備え、その超格
子構造の少なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、互い
に異なる格子定数を有する材料にてなる超格子半導体装
置であって、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電
圧を印加することにより負性微分抵抗を生じさせ、上記
第１と第３の半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向
に対して変化するように上記第１と第３の半導体層を形
成して、上記第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層
の準位を変化することにより、上記超格子半導体素子に
おいて負性微分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化
させることを特徴とする。ここで、上記超格子半導体素
子は、好ましくは、ｐ−ｉ−ｎ型又はｎ−ｉ−ｎ型であ
る。さらに、好ましくは、上記量子井戸層はＩｎＧａＡ
ｓ又はＧａＡｓにてなり、上記障壁層はＩｎＡｌＡｓに
てなる。
体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互
に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体ｉ層で
ある第２の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を
介して挟設してなる超格子半導体素子を備え、その超格
子構造の少なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、互い
に異なる格子定数を有する材料にてなる超格子半導体装
置であって、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電
圧を印加することにより負性微分抵抗を生じさせ、上記
第１と第３の半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向
に対して変化するように上記第１と第３の半導体層を形
成して、上記第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層
の準位を変化することにより、上記超格子半導体素子に
おいて負性微分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化
させることを特徴とする。ここで、上記超格子半導体素
子は、好ましくは、ｐ−ｉ−ｎ型又はｎ−ｉ−ｎ型であ
る。さらに、好ましくは、上記量子井戸層はＩｎＧａＡ
ｓ又はＧａＡｓにてなり、上記障壁層はＩｎＡｌＡｓに
てなる。
【０００６】また、別の発明に係る超格子半導体装置
は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互に積層
されてなる超格子構造を有する第２の半導体層をそれぞ
れ第１と第３の半導体層を介して挟設してなるｎ+−ｎ-
−ｎ+型超格子半導体素子を備え、その超格子構造の少
なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、互いに異なる格
子定数を有する材料にてなる超格子半導体装置であっ
て、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加
することにより負性微分抵抗を生じさせ、上記第１と第
３の半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向に対して
変化するように上記第１と第３の半導体層を形成して、
上記第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層の準位を
変化することにより、上記超格子半導体素子において負
性微分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化させるこ
とを特徴とする。さらに、上述の２つの発明に係る上記
超格子半導体装置において、好ましくは、一方の電極
に、上記超格子半導体素子を励起するための励起光を入
射するための開口を形成する。これにより、当該開口を
介して励起光を容易に入射させることができる。
は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互に積層
されてなる超格子構造を有する第２の半導体層をそれぞ
れ第１と第３の半導体層を介して挟設してなるｎ+−ｎ-
−ｎ+型超格子半導体素子を備え、その超格子構造の少
なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、互いに異なる格
子定数を有する材料にてなる超格子半導体装置であっ
て、上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加
することにより負性微分抵抗を生じさせ、上記第１と第
３の半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向に対して
変化するように上記第１と第３の半導体層を形成して、
上記第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層の準位を
変化することにより、上記超格子半導体素子において負
性微分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化させるこ
とを特徴とする。さらに、上述の２つの発明に係る上記
超格子半導体装置において、好ましくは、一方の電極
に、上記超格子半導体素子を励起するための励起光を入
射するための開口を形成する。これにより、当該開口を
介して励起光を容易に入射させることができる。
【０００７】
【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。
る実施形態について説明する。
【０００８】図１は、本発明に係る一実施形態である超
格子半導体素子１０を備えた超格子半導体装置の構成を
示す断面図であり、比較例となる従来例の超格子半導体
素子１０ａを備えた超格子半導体装置の構成を示す断面
図である。
格子半導体素子１０を備えた超格子半導体装置の構成を
示す断面図であり、比較例となる従来例の超格子半導体
素子１０ａを備えた超格子半導体装置の構成を示す断面
図である。
【０００９】従来例では、バッファ層１７とキャップ層
１３は半導体基板２０に格子整合する材料が用いられて
いる。これに対して、本発明に係る実施形態では、超格
子構造を有する真性半導体ｉ層１５を挟み込むバッファ
層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１３，１３ａの各
格子定数が厚さ方向に変化するように形成することによ
り、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５の部分の歪
を制御して、当該素子１０において負性微分抵抗を生じ
させることを特徴とする。
１３は半導体基板２０に格子整合する材料が用いられて
いる。これに対して、本発明に係る実施形態では、超格
子構造を有する真性半導体ｉ層１５を挟み込むバッファ
層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１３，１３ａの各
格子定数が厚さ方向に変化するように形成することによ
り、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５の部分の歪
を制御して、当該素子１０において負性微分抵抗を生じ
させることを特徴とする。
【００１０】従来例では、Γ準位とＸ準位の関係を変更
する場合には、超格子構造を変更する必要があった。こ
のため、Γ準位とＸ準位の関係を同時に考えなければな
らなかった。これに対して、本発明に係る実施形態で
は、バッファ層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１
３，１３ａの各格子定数を厚さ方向に変化しても、Γ準
位の量子化エネルギーは、変化しないが、Ｘ準位の量子
化エネルギーは変化することを利用し、Γ準位との量子
化エネルギー状態を設定した後、Ｘ準位の量子化エネル
ギー状態をΓ準位とは独立して設定することが可能とな
る。これにより、Γ１−Γ２共鳴電圧と、Γ１−Ｘ共鳴
電圧の設定を独立にできるようになり、素子の定数の設
定を簡単化することができる。また、従来例では、Γ−
Ｘｚ共鳴及びΓ−Ｘｘｙ共鳴により電子の伝導が妨げら
れて、電流が流れにくくなるために負性微分抵抗領域が
できるのに対して、本発明に係る本実施形態では、Γ−
Ｘｘｙ共鳴により、電子が流れやすくなって電流−電圧
特性にピークができるために負性微分抵抗領域ができ
る。
する場合には、超格子構造を変更する必要があった。こ
のため、Γ準位とＸ準位の関係を同時に考えなければな
らなかった。これに対して、本発明に係る実施形態で
は、バッファ層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１
３，１３ａの各格子定数を厚さ方向に変化しても、Γ準
位の量子化エネルギーは、変化しないが、Ｘ準位の量子
化エネルギーは変化することを利用し、Γ準位との量子
化エネルギー状態を設定した後、Ｘ準位の量子化エネル
ギー状態をΓ準位とは独立して設定することが可能とな
る。これにより、Γ１−Γ２共鳴電圧と、Γ１−Ｘ共鳴
電圧の設定を独立にできるようになり、素子の定数の設
定を簡単化することができる。また、従来例では、Γ−
Ｘｚ共鳴及びΓ−Ｘｘｙ共鳴により電子の伝導が妨げら
れて、電流が流れにくくなるために負性微分抵抗領域が
できるのに対して、本発明に係る本実施形態では、Γ−
Ｘｘｙ共鳴により、電子が流れやすくなって電流−電圧
特性にピークができるために負性微分抵抗領域ができ
る。
【００１１】図１に示すように、本実施形態の超格子半
導体装置は、２つの電極１１，１２間に、障壁層２１−
０乃至２１−Ｎ（以下、総称の符号として２１と付
す。）と量子井戸層２２−１乃至２２−Ｎ（以下、総称
の符号として２２と付す。）とが交互に積層されてなる
超格子半導体構造を有する真性半導体ｉ層１５をそれぞ
れｐ型キャップ層１３，１３ａとｎ型バッファ層１７，
１７ａ，１７ｂを介して挟設してなるヘテロ接合ｐ−ｉ
−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０を備
えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を構成
する少なくとも１対の障壁層２１と量子井戸層２２は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなり、また、上
記ｎ型バッファ層１７，１７ａ，１７ｂ並びにｐ型キャ
ップ層１３，１３ａは、半導体基板２０と異なる格子定
数を有し、それらの格子定数が厚さ方向に変化するよう
にこれらの層を形成したことを特徴とする。ここで、上
記ｎ型バッファ層１７ａは、その格子定数が、エピタキ
シャル成長につれ半導体基板２０の格子定数から徐々に
変化しｎ型バッファ層１７ｂと接する面ではｎ型バッフ
ァ層１７ｂと同一の格子定数をもち、ｎ型バッファ層１
７ｂに格子歪の影響を与えない。一方、キャップ層１３
ａは、クラッド層１４とキャップ層１３との間の格子定
数を有する。
導体装置は、２つの電極１１，１２間に、障壁層２１−
０乃至２１−Ｎ（以下、総称の符号として２１と付
す。）と量子井戸層２２−１乃至２２−Ｎ（以下、総称
の符号として２２と付す。）とが交互に積層されてなる
超格子半導体構造を有する真性半導体ｉ層１５をそれぞ
れｐ型キャップ層１３，１３ａとｎ型バッファ層１７，
１７ａ，１７ｂを介して挟設してなるヘテロ接合ｐ−ｉ
−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０を備
えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を構成
する少なくとも１対の障壁層２１と量子井戸層２２は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなり、また、上
記ｎ型バッファ層１７，１７ａ，１７ｂ並びにｐ型キャ
ップ層１３，１３ａは、半導体基板２０と異なる格子定
数を有し、それらの格子定数が厚さ方向に変化するよう
にこれらの層を形成したことを特徴とする。ここで、上
記ｎ型バッファ層１７ａは、その格子定数が、エピタキ
シャル成長につれ半導体基板２０の格子定数から徐々に
変化しｎ型バッファ層１７ｂと接する面ではｎ型バッフ
ァ層１７ｂと同一の格子定数をもち、ｎ型バッファ層１
７ｂに格子歪の影響を与えない。一方、キャップ層１３
ａは、クラッド層１４とキャップ層１３との間の格子定
数を有する。
【００１２】従来技術の超格子半導体素子では、超格子
構造を変化させない限り負性微分抵抗の起こる電圧を変
更することができなかったが、本実施形態においては、
超格子構造を変化させずに負性微分抵抗の起こる電圧を
制御することが可能である。これによって、Γ１−Γ２
共鳴の電圧と、Γ１−Ｘｚ並びにΓ１−Ｘｘｙ共鳴の電
圧を独立して設計し素子を作製することが可能となる。
構造を変化させない限り負性微分抵抗の起こる電圧を変
更することができなかったが、本実施形態においては、
超格子構造を変化させずに負性微分抵抗の起こる電圧を
制御することが可能である。これによって、Γ１−Γ２
共鳴の電圧と、Γ１−Ｘｚ並びにΓ１−Ｘｘｙ共鳴の電
圧を独立して設計し素子を作製することが可能となる。
【００１３】本実施形態の超格子半導体素子１０を、比
較例となる図２の従来例の超格子半導体素子１０ａとの
比較を行いながら説明する。両素子１０，１０ａは、図
１（本実施形態）及び図２（従来例）に示すように、裏
面に平板形状のＡｕからなる電極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１０18ｃｍ-3
だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００ｍｍの
ｎ型半導体基板２０上に、以下の各層が順次、ｎ型半導
体基板から近接した側から積層されて形成される。本実
施形態では、２つの実施例１及び２を示す。なお、図１
及び図２において、対応する形成層については同一の符
号を付している。
較例となる図２の従来例の超格子半導体素子１０ａとの
比較を行いながら説明する。両素子１０，１０ａは、図
１（本実施形態）及び図２（従来例）に示すように、裏
面に平板形状のＡｕからなる電極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１０18ｃｍ-3
だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００ｍｍの
ｎ型半導体基板２０上に、以下の各層が順次、ｎ型半導
体基板から近接した側から積層されて形成される。本実
施形態では、２つの実施例１及び２を示す。なお、図１
及び図２において、対応する形成層については同一の符
号を付している。
【００１４】＜実施例１の素子１０＞ （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入され、ＩｎyＡｓ1-yの組成比ｙ
が０から０．０５まで厚さ方向に対して０．０００２５
／ｎｍの割合で変化するｎ−ＩｎyＧａ1-yＡｓにてなる
厚さ２００ｎｍのｎ型バッファ層１７ａ（半導体基板２
０に対して格子整合しない部分であって、歪を生じさせ
ないために徐々に格子定数を変化させ、グレーテッドバ
ッファ層とも呼ばれる。この実施例では、組成比ｙが一
定割合で変化しているが、本発明はこれに限らず、一定
割合で変化しなくてもよい。）； （ｃ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ａ
ｓにてなる厚さ８００ｎｍのｎ型バッファ層１７ｂ； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｅ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｆ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１４； （ｇ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ａ
ｓにてなる厚さ３００ｎｍのｐ型キャップ層１３ａ（半
導体基板２０に対して格子整合しない部分である。）； （ｈ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｉ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入され、ＩｎyＡｓ1-yの組成比ｙ
が０から０．０５まで厚さ方向に対して０．０００２５
／ｎｍの割合で変化するｎ−ＩｎyＧａ1-yＡｓにてなる
厚さ２００ｎｍのｎ型バッファ層１７ａ（半導体基板２
０に対して格子整合しない部分であって、歪を生じさせ
ないために徐々に格子定数を変化させ、グレーテッドバ
ッファ層とも呼ばれる。この実施例では、組成比ｙが一
定割合で変化しているが、本発明はこれに限らず、一定
割合で変化しなくてもよい。）； （ｃ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ａ
ｓにてなる厚さ８００ｎｍのｎ型バッファ層１７ｂ； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｅ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｆ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１４； （ｇ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ａ
ｓにてなる厚さ３００ｎｍのｐ型キャップ層１３ａ（半
導体基板２０に対して格子整合しない部分である。）； （ｈ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｉ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。
【００１５】＜実施例２の素子１０＞ （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入され、ＩｎyＡｓ1-yの組成比ｙ
が０から０．１まで厚さ方向に対して０．０００５／ｎ
ｍの割合で変化するｎ−ＩｎyＧａ1-yＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層１７ａ（半導体基板２０に
対して格子整合しない部分であって、歪を生じさせない
ために徐々に格子定数を変化させ、グレーテッドバッフ
ァ層とも呼ばれる。この実施例では、組成比ｙが一定割
合で変化しているが、本発明はこれに限らず、一定割合
で変化しなくてもよい。）； （ｃ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ
にてなる厚さ８００ｎｍのｎ型バッファ層１７ｂ； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｅ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｆ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１４； （ｇ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ
にてなる厚さ３００ｎｍのｐ型キャップ層１３ａ（半導
体基板２０に対して格子整合しない部分である。）； （ｈ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｉ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。 なお、実施例１と実施例２とは、バッファ層１７ａ，１
７ｂ及びキャップ層１３ａのＩｎの組成比が異なる。
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入され、ＩｎyＡｓ1-yの組成比ｙ
が０から０．１まで厚さ方向に対して０．０００５／ｎ
ｍの割合で変化するｎ−ＩｎyＧａ1-yＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層１７ａ（半導体基板２０に
対して格子整合しない部分であって、歪を生じさせない
ために徐々に格子定数を変化させ、グレーテッドバッフ
ァ層とも呼ばれる。この実施例では、組成比ｙが一定割
合で変化しているが、本発明はこれに限らず、一定割合
で変化しなくてもよい。）； （ｃ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ
にてなる厚さ８００ｎｍのｎ型バッファ層１７ｂ； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｅ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｆ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１４； （ｇ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ
にてなる厚さ３００ｎｍのｐ型キャップ層１３ａ（半導
体基板２０に対して格子整合しない部分である。）； （ｈ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｉ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。 なお、実施例１と実施例２とは、バッファ層１７ａ，１
７ｂ及びキャップ層１３ａのＩｎの組成比が異なる。
【００１６】＜比較例である従来例の素子１０ａ＞ （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｃ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
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
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｆ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。 従って、従来例においては実施例１，２に比較して、、
バッファ層１７ａ，１７ｂ及びキャップ層１３ａを備え
ていない。
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚
さ５０ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
のｉ型クラッド層１６； （ｃ）上述の超格子構造を有する厚さ３２４ｎｍの真性
半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）ｉ−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなる厚さ５．４ｎｍ
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
×１０18ｃｍ-3だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚
さ１１０ｎｍのｐ型キャップ層１３； （ｆ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。 従って、従来例においては実施例１，２に比較して、、
バッファ層１７ａ，１７ｂ及びキャップ層１３ａを備え
ていない。
【００１７】なお、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法により行わ
れる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、例えば、量子
井戸層２２がｉ型クラッド層１６に隣接するように、Ｇ
ａＡｓにてなり１９原子の厚さの５．４ｎｍの量子井戸
層２２とＩｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなり１９原子の厚さの
５．４ｎｍの障壁層２１を交互に、例えばＮ＝３０周期
（すなわち３０対）で積層されて形成される。そして、
電極１１，１２はそれぞれ、逆バイアス電圧Ｖｂの可変
直流電源３０の負極及び正極に接続される。これによっ
て、超格子半導体素子１０，１０ａの電極１１，１２間
に所定の電界が印加されることとなる。
上記の積層を行った後に所定のエッチング法により行わ
れる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、例えば、量子
井戸層２２がｉ型クラッド層１６に隣接するように、Ｇ
ａＡｓにてなり１９原子の厚さの５．４ｎｍの量子井戸
層２２とＩｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓにてなり１９原子の厚さの
５．４ｎｍの障壁層２１を交互に、例えばＮ＝３０周期
（すなわち３０対）で積層されて形成される。そして、
電極１１，１２はそれぞれ、逆バイアス電圧Ｖｂの可変
直流電源３０の負極及び正極に接続される。これによっ
て、超格子半導体素子１０，１０ａの電極１１，１２間
に所定の電界が印加されることとなる。
【００１８】従って、従来例では、バッファ層１７が１
層で構成されているのに対し、本実施形態の実施例１，
２ではバッファ層１７，１７ａ，１７ｂの３層で構成さ
れている。この３層は、半導体基板２０に格子整合する
バッファ層１７、半導体基板２０の格子定数から徐々に
格子定数を変化させるグレーデッドバッファ層１７ａ及
び半導体基板２０とは異なる格子定数をもつバッファ層
１７ｂとにより構成されるものである。また、従来例で
は、キャップ層１３が１層で構成されているのに対し
て、本実施形態の実施例１，２ではキャップ層１３，１
３ａの２層で構成されている。この２層は、バッファ層
１７ａと同一の格子定数をもつキャップ層１３ａ及びＧ
ａＡｓにてなるキャップ層１３により構成されるもので
ある。そして、本実施形態では、バッファ層１７ｂとキ
ャップ層１３ａにより、超格子構造を有する真性半導体
ｉ層１５内部での歪の状態を変化させ、異なった電圧で
負性微分抵抗特性を有する素子を実現するものである。
層で構成されているのに対し、本実施形態の実施例１，
２ではバッファ層１７，１７ａ，１７ｂの３層で構成さ
れている。この３層は、半導体基板２０に格子整合する
バッファ層１７、半導体基板２０の格子定数から徐々に
格子定数を変化させるグレーデッドバッファ層１７ａ及
び半導体基板２０とは異なる格子定数をもつバッファ層
１７ｂとにより構成されるものである。また、従来例で
は、キャップ層１３が１層で構成されているのに対し
て、本実施形態の実施例１，２ではキャップ層１３，１
３ａの２層で構成されている。この２層は、バッファ層
１７ａと同一の格子定数をもつキャップ層１３ａ及びＧ
ａＡｓにてなるキャップ層１３により構成されるもので
ある。そして、本実施形態では、バッファ層１７ｂとキ
ャップ層１３ａにより、超格子構造を有する真性半導体
ｉ層１５内部での歪の状態を変化させ、異なった電圧で
負性微分抵抗特性を有する素子を実現するものである。
【００１９】図３は、図１及び図２の超格子半導体素子
１０，１０ａの真性半導体ｉ層１５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
り、図４乃至図６は、従来例及び実施例１，２の超格子
半導体素子１０ａ，１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを
印加したときの真性半導体ｉ層１５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。
１０，１０ａの真性半導体ｉ層１５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
り、図４乃至図６は、従来例及び実施例１，２の超格子
半導体素子１０ａ，１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを
印加したときの真性半導体ｉ層１５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。
【００２０】図３乃至図６において、Γは、量子井戸層
２２において、波数ベクトルｋ＝０又は（０００）とな
るときの波数ベクトルｋ空間における伝導帯下端の点で
あり、Ｘは、障壁層２１において、波数ベクトルｋ＝
（１００）となるときの波数ベクトルｋ空間における伝
導帯下端の点である。また、障壁層２１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Ｘ
１，Ｘ２，…と表す一方、量子井戸層２２がバルク半導
体でないときの第１準位、第２準位、…のＸ点をΓ１，
Γ２，…と示している。ここで、Ｘ点を、２つの電極を
結ぶ方向に対して平行であるｚ軸方向のＸｚ点と、ｚ軸
方向に対して垂直であるｘｙ平面方向のＸｘｙ点とに分
割して考える。さらに、図４乃至図６において、Γ２
（０）は量子井戸層２２−０におけるΓ２点を示し、Γ
２（１）は量子井戸層２２−１におけるΓ２点を示し、
以下同様である。Ｘｚ１（＋１／２），Ｘｘｙ１（＋１
／２）はそれぞれ、障壁層２１−１におけるＸｚ，Ｘｘ
ｙ準位を示し、以下同様である。図６の１００の交点に
おいては、Γ１（０）−Ｘｘｙ（−１／２）の共鳴によ
り、電流がピーク値を有することを示している。他の図
においても同様である。
２２において、波数ベクトルｋ＝０又は（０００）とな
るときの波数ベクトルｋ空間における伝導帯下端の点で
あり、Ｘは、障壁層２１において、波数ベクトルｋ＝
（１００）となるときの波数ベクトルｋ空間における伝
導帯下端の点である。また、障壁層２１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Ｘ
１，Ｘ２，…と表す一方、量子井戸層２２がバルク半導
体でないときの第１準位、第２準位、…のＸ点をΓ１，
Γ２，…と示している。ここで、Ｘ点を、２つの電極を
結ぶ方向に対して平行であるｚ軸方向のＸｚ点と、ｚ軸
方向に対して垂直であるｘｙ平面方向のＸｘｙ点とに分
割して考える。さらに、図４乃至図６において、Γ２
（０）は量子井戸層２２−０におけるΓ２点を示し、Γ
２（１）は量子井戸層２２−１におけるΓ２点を示し、
以下同様である。Ｘｚ１（＋１／２），Ｘｘｙ１（＋１
／２）はそれぞれ、障壁層２１−１におけるＸｚ，Ｘｘ
ｙ準位を示し、以下同様である。図６の１００の交点に
おいては、Γ１（０）−Ｘｘｙ（−１／２）の共鳴によ
り、電流がピーク値を有することを示している。他の図
においても同様である。
【００２１】本実施形態の超格子半導体素子１０におい
ては、超格子層である真性半導体ｉ層１５に、格子定数
が異なる材料の組み合わせを用いることにより生じる、
超格子中の歪の状態をバッファ層１７，１７ａ，１７ｂ
とキャップ層１３，１３ａの材料の格子定数を厚さ方向
に対して変化することにより制御する。例えば、ＧａＡ
ｓの格子定数は５．６６である一方、Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａ
ｓの格子定数は５．７４である。一方、従来例では、バ
ッファ層１７及びキャップ層１３の材料として、半導体
基板２０に格子整合する材料を用いているため、超格子
層である真性半導体ｉ層１５内部での歪の分布は一意に
決定される。これに対して、本実施例１，２の超格子層
である真性半導体ｉ層１５を挟み込むバッファ層１７ｂ
及びキャップ層１３ａであるＩｎxＧａ1-xＡｓの格子定
数は、ｘ＝０．０５（実施例１）に対して５．６８、ｘ
＝０．１（実施例２）に対して５．７０である。この様
な構造で、バッファ層１７，１７ａ，１７ｂ及びキャッ
プ層１３，１３ａの各格子定数が厚さ方向に変化するよ
うに形成することによって歪の分布状態を変更すること
が可能となる。
ては、超格子層である真性半導体ｉ層１５に、格子定数
が異なる材料の組み合わせを用いることにより生じる、
超格子中の歪の状態をバッファ層１７，１７ａ，１７ｂ
とキャップ層１３，１３ａの材料の格子定数を厚さ方向
に対して変化することにより制御する。例えば、ＧａＡ
ｓの格子定数は５．６６である一方、Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａ
ｓの格子定数は５．７４である。一方、従来例では、バ
ッファ層１７及びキャップ層１３の材料として、半導体
基板２０に格子整合する材料を用いているため、超格子
層である真性半導体ｉ層１５内部での歪の分布は一意に
決定される。これに対して、本実施例１，２の超格子層
である真性半導体ｉ層１５を挟み込むバッファ層１７ｂ
及びキャップ層１３ａであるＩｎxＧａ1-xＡｓの格子定
数は、ｘ＝０．０５（実施例１）に対して５．６８、ｘ
＝０．１（実施例２）に対して５．７０である。この様
な構造で、バッファ層１７，１７ａ，１７ｂ及びキャッ
プ層１３，１３ａの各格子定数が厚さ方向に変化するよ
うに形成することによって歪の分布状態を変更すること
が可能となる。
【００２２】これらの条件の下での歪状態は、以下のよ
うになる。超格子層である真性半導体ｉ層１５部分の歪
量は、全体では、
うになる。超格子層である真性半導体ｉ層１５部分の歪
量は、全体では、
【数１】（障壁層２１の格子定数−量子井戸層２２の格
子定数）／（（障壁層２１の格子定数＋量子井戸層２２
の格子定数）／２）−１＝１．４（％） となる。この１．４（％）の歪量が量子井戸層２２と障
壁層２１で分配されることとなるが、その分配量は量子
井戸層２２及び障壁層２１の各格子定数に加えて、バッ
ファ層１７ｂ及びキャップ層１３ａの各格子定数を考慮
することにより計算できる。
子定数）／（（障壁層２１の格子定数＋量子井戸層２２
の格子定数）／２）−１＝１．４（％） となる。この１．４（％）の歪量が量子井戸層２２と障
壁層２１で分配されることとなるが、その分配量は量子
井戸層２２及び障壁層２１の各格子定数に加えて、バッ
ファ層１７ｂ及びキャップ層１３ａの各格子定数を考慮
することにより計算できる。
【００２３】量子井戸層２２の歪量は、次式のよう定義
できる。
できる。
【数２】（バッファ層１７ｂの格子定数−量子井戸層２
２の格子定数）／（（量子井戸層２２の格子定数＋バッ
ファ層１７ｂの格子定数）／２）−１ また、障壁層２１の歪量は、次式のように定義できる。
２の格子定数）／（（量子井戸層２２の格子定数＋バッ
ファ層１７ｂの格子定数）／２）−１ また、障壁層２１の歪量は、次式のように定義できる。
【数３】（バッファ層１７ｂの格子定数−障壁層２１の
格子定数）／（（障壁層２１の格子定数＋バッファ層１
７ｂの格子定数）／２）−１
格子定数）／（（障壁層２１の格子定数＋バッファ層１
７ｂの格子定数）／２）−１
【００２４】上記の式から計算された量子井戸層２２及
び障壁層２１の歪量は、従来例（ｘ＝０）の素子１０ａ
に対して、
び障壁層２１の歪量は、従来例（ｘ＝０）の素子１０ａ
に対して、
【数４】（量子井戸層２２の歪量，障壁層２１の歪量）
＝（０，−１．４）（％）本実施例１（ｘ＝０．０５）
に対して、
＝（０，−１．４）（％）本実施例１（ｘ＝０．０５）
に対して、
【数５】（量子井戸層２２の歪量，障壁層２１の歪量）
＝（０．３，−１．１）（％）本実施例２（ｘ＝０．
１）に対して、
＝（０．３，−１．１）（％）本実施例２（ｘ＝０．
１）に対して、
【数６】（量子井戸層２２の歪量，障壁層２１の歪量）
＝（０．７，−０．７）（％） となる。ここで、正の符号は引っ張り歪、負の符号は圧
縮歪であることを示している。
＝（０．７，−０．７）（％） となる。ここで、正の符号は引っ張り歪、負の符号は圧
縮歪であることを示している。
【００２５】以上のように構成された超格子半導体装置
において、超格子半導体装置の両端の電極１１，１２に
所定の逆バイアス電圧Ｖｂを印加すると、超格子層であ
る真性半導体ｉ層１５に対して垂直な方向に電界が印加
され、加速された電子はトンネル効果によって隣の量子
井戸層２２に進む。量子井戸層２２ではほとんどの電子
はΓ１準位に存在する。このΓ１準位が、ある電界にお
いて隣り合う障壁層２１のＸｘｙ準位と共鳴すると、一
部の電子はＸｘｙ準位に流れ込む。Ｘｘｙ準位に流れ込
んだ電子は急速に隣り合う量子井戸層２２に流れ込むた
め、電子のドリフト速度が上昇する。共鳴電圧からはず
れると、再び電子のドリフト速度が低下するため、電流
−電圧特性にピークを生じ、負性微分抵抗特性を示す。
において、超格子半導体装置の両端の電極１１，１２に
所定の逆バイアス電圧Ｖｂを印加すると、超格子層であ
る真性半導体ｉ層１５に対して垂直な方向に電界が印加
され、加速された電子はトンネル効果によって隣の量子
井戸層２２に進む。量子井戸層２２ではほとんどの電子
はΓ１準位に存在する。このΓ１準位が、ある電界にお
いて隣り合う障壁層２１のＸｘｙ準位と共鳴すると、一
部の電子はＸｘｙ準位に流れ込む。Ｘｘｙ準位に流れ込
んだ電子は急速に隣り合う量子井戸層２２に流れ込むた
め、電子のドリフト速度が上昇する。共鳴電圧からはず
れると、再び電子のドリフト速度が低下するため、電流
−電圧特性にピークを生じ、負性微分抵抗特性を示す。
【００２６】本発明においては、真性半導体ｉ層１５に
様々な材料を用いることができるが、本実施形態におい
ては、量子井戸層２２にＧａＡｓを用い、障壁層２１に
Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓを用いた構造を例にとると、障壁層
２１であるＩｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ層が、圧縮歪を受けるこ
とにより、その中に存在する２種類のＸバンド端（Ｘｚ
点及びＸｘｙ点）は分裂する。従来例では、この障壁層
２１中のＸ点のバンド端を変化させるためには、障壁層
２１の幅を変更する必要があったが、同時にΓ点のバン
ド端も変化してしまう。本発明では、この障壁層２１中
のＸ点のバンド端を、バッファ層１７ｂ及びキャップ層
１３ａのＩｎxＡｌ1-xＡｓ中のＩｎＡｓ組成比ｘによっ
て変化させることができ、この時にはΓ準位はほとんど
変化しない。Ｘ点の準位のみを選択的に変化させること
により、負性微分抵抗の生じる印加電圧を自由に設定す
ることが可能となる。
様々な材料を用いることができるが、本実施形態におい
ては、量子井戸層２２にＧａＡｓを用い、障壁層２１に
Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓを用いた構造を例にとると、障壁層
２１であるＩｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ層が、圧縮歪を受けるこ
とにより、その中に存在する２種類のＸバンド端（Ｘｚ
点及びＸｘｙ点）は分裂する。従来例では、この障壁層
２１中のＸ点のバンド端を変化させるためには、障壁層
２１の幅を変更する必要があったが、同時にΓ点のバン
ド端も変化してしまう。本発明では、この障壁層２１中
のＸ点のバンド端を、バッファ層１７ｂ及びキャップ層
１３ａのＩｎxＡｌ1-xＡｓ中のＩｎＡｓ組成比ｘによっ
て変化させることができ、この時にはΓ準位はほとんど
変化しない。Ｘ点の準位のみを選択的に変化させること
により、負性微分抵抗の生じる印加電圧を自由に設定す
ることが可能となる。
【００２７】本実施形態において、ＧａＡｓにてなる量
子井戸層２２を用いているが、本発明はこれに限らず、
量子井戸層２２の材料として、ＧａＡｓに代えてＩｎz
Ｇａ1 -zＡｓを用いても良い。この場合、ＩｎzＡｓ1-z
の組成比ｚを増加させることにより、バンドギャップエ
ネルギーを小さくすることができるので、より長波長の
励起光又はレーザー光で超格子半導体素子中のキャリア
を励起できる。
子井戸層２２を用いているが、本発明はこれに限らず、
量子井戸層２２の材料として、ＧａＡｓに代えてＩｎz
Ｇａ1 -zＡｓを用いても良い。この場合、ＩｎzＡｓ1-z
の組成比ｚを増加させることにより、バンドギャップエ
ネルギーを小さくすることができるので、より長波長の
励起光又はレーザー光で超格子半導体素子中のキャリア
を励起できる。
【００２８】
【実施例】本発明者は、図１に示す実施形態の超格子半
導体素子１０と図２に示す従来例の超格子半導体素子１
０ａとを作製して実験を行った結果を以下に示す。図７
に、強度約２．５μＷのＴｉ：サファイアレーザー７３
５ｎｍで素子１０を光励起したときの、超格子半導体素
子１０に印加される逆バイアス電圧Ｖｂに対する電流特
性を示す。従来例、実施例１及び２の測定値には、それ
ぞれ１００ｎＡのオフセットを付けてある。図７から明
らかなように、本実施例１，２の素子１０では、従来例
の素子１０ａと超格子構造が同じであるにも関わらず、
バッファ層１７ｂとキャップ層１３ａの歪の量を制御す
ることにより電流−電圧特性を変化させることができて
いることがわかる。また、本実施形態の素子１０では、
歪量の制御により負性微分抵抗の起こる電圧を変化させ
ることもできている。これは、図４、図５及び図６の比
較から明らかなようにΓ−Ｘ共鳴電圧の変化によるもの
であり、超格子構造の歪状態を変化させることにより、
素子の特性を変化させることが可能である。また、この
とき図４、図５及び図６からわかるように、歪の影響
は、Γ準位の量子化にはほとんど影響しない。Γ１−Γ
２共鳴も電流−電圧特性に影響を与えるが、本発明に係
る実施形態では、Γ準位と独立にＸ準位を設定すること
が可能となるため素子の定数の設定が容易になる。
導体素子１０と図２に示す従来例の超格子半導体素子１
０ａとを作製して実験を行った結果を以下に示す。図７
に、強度約２．５μＷのＴｉ：サファイアレーザー７３
５ｎｍで素子１０を光励起したときの、超格子半導体素
子１０に印加される逆バイアス電圧Ｖｂに対する電流特
性を示す。従来例、実施例１及び２の測定値には、それ
ぞれ１００ｎＡのオフセットを付けてある。図７から明
らかなように、本実施例１，２の素子１０では、従来例
の素子１０ａと超格子構造が同じであるにも関わらず、
バッファ層１７ｂとキャップ層１３ａの歪の量を制御す
ることにより電流−電圧特性を変化させることができて
いることがわかる。また、本実施形態の素子１０では、
歪量の制御により負性微分抵抗の起こる電圧を変化させ
ることもできている。これは、図４、図５及び図６の比
較から明らかなようにΓ−Ｘ共鳴電圧の変化によるもの
であり、超格子構造の歪状態を変化させることにより、
素子の特性を変化させることが可能である。また、この
とき図４、図５及び図６からわかるように、歪の影響
は、Γ準位の量子化にはほとんど影響しない。Γ１−Γ
２共鳴も電流−電圧特性に影響を与えるが、本発明に係
る実施形態では、Γ準位と独立にＸ準位を設定すること
が可能となるため素子の定数の設定が容易になる。
【００２９】以上説明したように、本実施例によれば、
２つの電極１１，１２間に、障壁層２１と量子井戸層２
２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１５をそれぞれｐ型キャップ層１３，１３ａと
ｎ型バッファ層１７，１７ａ，１７ｂを介して挟設して
なるヘテロ接合ｐ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子１０を備
えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を構成
する少なくとも１対の障壁層２１と量子井戸層２２は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなるように構成
し、この超格子部分の歪の分布を、超格子を挟み込むク
ラッド層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１３，１３
ａの各格子定数が厚さ方向に対して変化するように制御
することにより、負性微分抵抗を起こすのに必要な印加
電圧を比較的自由に設定可能な、負性部分抵抗特性を有
する超格子半導体装置を実現できる。
２つの電極１１，１２間に、障壁層２１と量子井戸層２
２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１５をそれぞれｐ型キャップ層１３，１３ａと
ｎ型バッファ層１７，１７ａ，１７ｂを介して挟設して
なるヘテロ接合ｐ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子１０を備
えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を構成
する少なくとも１対の障壁層２１と量子井戸層２２は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなるように構成
し、この超格子部分の歪の分布を、超格子を挟み込むク
ラッド層１７，１７ａ，１７ｂとキャップ層１３，１３
ａの各格子定数が厚さ方向に対して変化するように制御
することにより、負性微分抵抗を起こすのに必要な印加
電圧を比較的自由に設定可能な、負性部分抵抗特性を有
する超格子半導体装置を実現できる。
【００３０】本実施形態では、歪量の制御によりＸバン
ドを変調することにより、超格子半導体構造が同一であ
るにもかかわらず、異なった電圧で負性微分抵抗特性が
得られている。
ドを変調することにより、超格子半導体構造が同一であ
るにもかかわらず、異なった電圧で負性微分抵抗特性が
得られている。
【００３１】＜第１の変形例＞本実施例１では、組成一
定部分のバッファ層１７ｂ及びキャップ層１３ａにＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ａｓを用いた例を示したが、ＩｎxＧａ1-x
Ａｓ（０＜ｘ＜１）としてＩｎＡｓの組成比ｘを変化さ
せることにより、電流−電圧特性を変化させることが可
能である。また、バッファ層１７ｂ及びキャップ層１３
ａの材料として、ＩｎxＧａyＡｌ(1-x-y)Ａｓ（０＜ｘ
＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）を用いることもで
きる。
定部分のバッファ層１７ｂ及びキャップ層１３ａにＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ａｓを用いた例を示したが、ＩｎxＧａ1-x
Ａｓ（０＜ｘ＜１）としてＩｎＡｓの組成比ｘを変化さ
せることにより、電流−電圧特性を変化させることが可
能である。また、バッファ層１７ｂ及びキャップ層１３
ａの材料として、ＩｎxＧａyＡｌ(1-x-y)Ａｓ（０＜ｘ
＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）を用いることもで
きる。
【００３２】＜第２の変形例＞以上の実施形態において
は、ＧａＡｓ／ＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓからなる超格子層を
有するｐ−ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体
素子１０について述べているが、本発明はこれに限ら
ず、表１及び表２に示すｎ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子
又はｎ+−ｎ-−ｎ+型超格子半導体素子であってもよ
い。表１及び表２において、組成比はこれに限定されな
い。また、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５層の
組成も表３に示す材料を用いてもよい。表３において、
組成比はこれに限定されない。以上の変形例において
も、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができ
る。
は、ＧａＡｓ／ＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓからなる超格子層を
有するｐ−ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体
素子１０について述べているが、本発明はこれに限ら
ず、表１及び表２に示すｎ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子
又はｎ+−ｎ-−ｎ+型超格子半導体素子であってもよ
い。表１及び表２において、組成比はこれに限定されな
い。また、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５層の
組成も表３に示す材料を用いてもよい。表３において、
組成比はこれに限定されない。以上の変形例において
も、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができ
る。
【００３３】
【表１】 ｎ−ｉ−ｎ型の例 ─────────────────────────────────── 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （ｃｍ-3），不純物 ─────────────────────────────────── キャップ層１３ ｎ+-ＧａＡｓ １０ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ キャップ層１３ａ ｎ+-In0.05Al0.95As ３００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ クラッド層１４ Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ ５．４ｎｍ 半導体ｉ層１５ ＧａＡｓ／ ５．４ｎｍ Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ ５．４ｎｍ 周期Ｎ＝３０ クラッド層１６ Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ ５．４ｎｍ バッファ層１７ｂ ｎ+-In0.05Ga0.95As ８００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ バッファ層１７ａ ｎ+-InyGa1-yAs ２００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ ｙを０から０．０５まで変化させる。 バッファ層１７ ｎ+-ＧａＡｓ ５０ｎｍ ２×１０18，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ+-ＧａＡｓ ３００ｍｍ １０18，Ｓｉ ───────────────────────────────────
【００３４】
【表２】 ｎ+−ｎ-−ｎ+型の例 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （ｃｍ-3），不純物 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― キャップ層１３ ｎ+-ＧａＡｓ １０ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ キャップ層１３ａ ｎ+-In0.05Al0.95As ３００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ クラッド層１４ ｎ--In0.2Al0.8As ５．４ｎｍ １×１０17，Ｓｉ 半導体層１５ ｎ--ＧａＡｓ／ ５．４ｎｍ １×１０17，Ｓｉ ｎ--In0.2Al0.8As ５．４ｎｍ １×１０17，Ｓｉ 周期Ｎ＝３０ クラッド層１６ ｎ--In0.2Al0.8As ５．４ｎｍ １×１０17，Ｓｉ バッファ層１７ｂ ｎ+-In0.05Ga0.95As ８００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ バッファ層１７ａ ｎ+-InyGa1-yAs ２００ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ ｙを０から０．０５まで変化させる。 バッファ層１７ ｎ+-ＧａＡｓ ５０ｎｍ ２×１０18，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ+-ＧａＡｓ ３００ｍｍ １０18，Ｓｉ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００３５】
【表３】 超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５並びに バッファ層１７及びクラッド層１３の組成 ─────────────────────────────────── バッファ層１７及びクラッド層１３／組成比の例 当該例の時の格子定数 量子井戸層２２／ 障壁層２１ ─────────────────────────────────── ＡｌxＧａ1-xＳｂ／ ｘ＝０．８ ６．１２６／ ＩｎＡｓ／ ６．０５／ ＡｌyＧａ1-yＳｂ ｙ＝１．０ ６．１３４ ─────────────────────────────────── ＡｌＰxＳｂ1-x／ ｘ＝０．０４ ６．１０７／ ＩｎＡｓ／ ６．０５／ ＡｌＰyＳｂ1-y ｙ＝０．０ ６．１３４ ─────────────────────────────────── ＡｌＰxＳｂ1-x／ ｘ＝０．２０ ６．００／ ＩｎＰ／ ６．０５／ ＡｌＰyＳｂ1-y ｙ＝０．１５ ６．０３４ ─────────────────────────────────── ＡｌＡｓxＳｂ1-x／ ｘ＝０．２ ６．０３９／ ＩｎＰ／ ６．０５／ ＡｌＡｓyＳｂ1-y ｙ＝０．３ ５．９９１ ─────────────────────────────────── ＡｌＰxＳｂ1-x／ ｘ＝０．４５ ５．７６７／ ＧａＡｓ／ ５．６５３３／ ＡｌＰyＳｂ1-y ｙ＝０．５５ ５．８３４ ─────────────────────────────────── ＡｌＡｓxＳｂ1-x／ ｘ＝０．７５ ５．７７８／ ＧａＡｓ／ ５．６５３３／ ＡｌＡｓyＳｂ1-y ｙ＝０．６５ ５．８２６ ─────────────────────────────────── ＡｌＡｓxＳｂ1-x／ ｘ＝０．２５ ６．０１５／ ＩｎyＧａ1-yＡｓ／ ｙ＝０．６ ５．８９１／ ＡｌＡｓzＳｂ1-z ｚ＝０．１５ ６．０６２ ─────────────────────────────────── ＡｌＰxＳｂ1-x／ ｘ＝０．２ ６．００／ ＩｎyＧａ1-yＡｓ／ ｙ＝０．６ ５．８９１／ ＡｌＰzＳｂ1-z ｚ＝０．１ ６．０６７ ─────────────────────────────────── （注１）０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１。 （注２）量子井戸層２２の組成はキャップ層１３及びバッファ層１７に適用する ことができ、障壁層２１の組成はクラッド層１４，１６に適用することができる 。
【００３６】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、２
つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互に積層されて
なる超格子構造を有する第２の半導体層をそれぞれ第１
と第３の半導体層を介して挟設してなる超格子半導体素
子を備え、その超格子構造の少なくとも１対の障壁層と
量子井戸層は、互いに異なる格子定数を有する材料にて
なる超格子半導体装置であって、上記超格子半導体素子
に所定のバイアス電圧を印加することにより負性微分抵
抗を生じさせ、上記第１と第３の半導体層の各格子定数
がそれぞれ厚さ方向に対して変化するように上記第１と
第３の半導体層を形成して、上記第２の半導体層の歪状
態を制御して障壁層の準位を変化することにより、上記
超格子半導体素子において負性微分抵抗が生じるときの
バイアス電圧を変化させる。従って、この超格子部分の
歪の分布を、超格子を挟み込む第１と第３の半導体層の
各格子定数が厚さ方向に対して変化するように制御する
ことにより、負性微分抵抗を起こすのに必要な印加電圧
を比較的自由に設定可能な、負性部分抵抗特性を有する
超格子半導体装置を実現できる。
つの電極間に、障壁層と量子井戸層が交互に積層されて
なる超格子構造を有する第２の半導体層をそれぞれ第１
と第３の半導体層を介して挟設してなる超格子半導体素
子を備え、その超格子構造の少なくとも１対の障壁層と
量子井戸層は、互いに異なる格子定数を有する材料にて
なる超格子半導体装置であって、上記超格子半導体素子
に所定のバイアス電圧を印加することにより負性微分抵
抗を生じさせ、上記第１と第３の半導体層の各格子定数
がそれぞれ厚さ方向に対して変化するように上記第１と
第３の半導体層を形成して、上記第２の半導体層の歪状
態を制御して障壁層の準位を変化することにより、上記
超格子半導体素子において負性微分抵抗が生じるときの
バイアス電圧を変化させる。従って、この超格子部分の
歪の分布を、超格子を挟み込む第１と第３の半導体層の
各格子定数が厚さ方向に対して変化するように制御する
ことにより、負性微分抵抗を起こすのに必要な印加電圧
を比較的自由に設定可能な、負性部分抵抗特性を有する
超格子半導体装置を実現できる。
【図１】 本発明に係る一実施形態である超格子半導体
素子１０を備えた超格子半導体装置の構成を示す断面図
である。
素子１０を備えた超格子半導体装置の構成を示す断面図
である。
【図２】 従来例の超格子半導体素子１０ａを備えた超
格子半導体装置の構成を示す断面図である。
格子半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】 図１の超格子半導体素子１０に対して逆バイ
アス電圧Ｖｂを印加したときの真性半導体層ｉ層１５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。
アス電圧Ｖｂを印加したときの真性半導体層ｉ層１５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】 従来例（ｘ＝０；ＩｎxＡｌ1-xＡｓ）の超格
子半導体素子１０ａに対して逆バイアス電圧Ｖｂを印加
したときの真性半導体層ｉ層１５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。
子半導体素子１０ａに対して逆バイアス電圧Ｖｂを印加
したときの真性半導体層ｉ層１５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５】 実施例１（ｘ＝０．０５；ＩｎxＡｌ1-xＡ
ｓ）の超格子半導体素子１０に対して逆バイアス電圧Ｖ
ｂを印加したときの真性半導体層ｉ層１５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。
ｓ）の超格子半導体素子１０に対して逆バイアス電圧Ｖ
ｂを印加したときの真性半導体層ｉ層１５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６】 実施例２（ｘ＝０．１；ＩｎxＡｌ1-xＡｓ）
の超格子半導体素子１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを
印加したときの真性半導体層ｉ層１５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。
の超格子半導体素子１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを
印加したときの真性半導体層ｉ層１５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７】 従来例及び実施例１，２の超格子半導体素子
１０ａ，１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを印加したと
きの光電流を示すグラフである。
１０ａ，１０に対して逆バイアス電圧Ｖｂを印加したと
きの光電流を示すグラフである。
１１，１２…電極、 １３，１３ａ…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、 １７，１７ａ，１７ｂ…ｎ型バッファ層、 ２０…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…可変直流電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江上 典文 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・アール環 境適応通信研究所内 (56)参考文献 特開 平７−261220（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/86 H01L 29/864 H01L 31/10 H01S 1/02
Claims (5)
- 【請求項１】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
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
層である第２の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体
層を介して挟設してなる超格子半導体素子を備え、その
超格子構造の少なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなる超格子半導
体装置であって、 上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加する
ことにより負性微分抵抗を生じさせ、上記第１と第３の
半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向に対して変化
するように上記第１と第３の半導体層を形成して、上記
第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層の準位を変化
することにより、上記超格子半導体素子において負性微
分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化させることを
特徴とする超格子半導体装置。 - 【請求項２】 上記超格子半導体素子は、ｐ−ｉ−ｎ型
又はｎ−ｉ−ｎ型、であることを特徴とする請求項１記
載の超格子半導体装置。 - 【請求項３】 上記量子井戸層はＩｎＧａＡｓ又はＧａ
Ａｓにてなり、上記障壁層はＩｎＡｌＡｓにてなること
を特徴とする請求項１又は２記載の超格子半導体装置。 - 【請求項４】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有する第２の半導体
層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してな
るｎ+−ｎ-−ｎ+型超格子半導体素子を備え、その超格
子構造の少なくとも１対の障壁層と量子井戸層は、互い
に異なる格子定数を有する材料にてなる超格子半導体装
置であって、 上記超格子半導体素子に所定のバイアス電圧を印加する
ことにより負性微分抵抗を生じさせ、上記第１と第３の
半導体層の各格子定数がそれぞれ厚さ方向に対して変化
するように上記第１と第３の半導体層を形成して、上記
第２の半導体層の歪状態を制御して障壁層の準位を変化
することにより、上記超格子半導体素子において負性微
分抵抗が生じるときのバイアス電圧を変化させることを
特徴とする超格子半導体装置。 - 【請求項５】 一方の電極に、上記超格子半導体素子を
励起するための励起光を入射するための開口を形成した
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つ
に記載の超格子半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09248335A JP3135871B2 (ja) | 1997-09-12 | 1997-09-12 | 超格子半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09248335A JP3135871B2 (ja) | 1997-09-12 | 1997-09-12 | 超格子半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1187738A JPH1187738A (ja) | 1999-03-30 |
| JP3135871B2 true JP3135871B2 (ja) | 2001-02-19 |
Family
ID=17176566
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09248335A Expired - Fee Related JP3135871B2 (ja) | 1997-09-12 | 1997-09-12 | 超格子半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3135871B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5582822B2 (ja) * | 2010-02-26 | 2014-09-03 | キヤノン株式会社 | 電磁波発生装置 |
-
1997
- 1997-09-12 JP JP09248335A patent/JP3135871B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1187738A (ja) | 1999-03-30 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |