JP5265831B2

JP5265831B2 - タイプｉｉバンド間ヘテロ構造逆ダイオード

Info

Publication number: JP5265831B2
Application number: JP2001537802A
Authority: JP
Inventors: グエン，チャン; エイチ．チャウ，デビッド; エヌ．シュルマン，ジョエル
Original assignee: HRL Laboratories LLC
Current assignee: HRL Laboratories LLC
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: AU1623001A; WO2001037348A1; WO2001037348A8; US6635907B1; JP2003518326A; EP1230685A1

Description

【発明の属する技術分野】
本願発明は半導体装置に関し、さらに特定すれば、高周波検出とミキシングに有用な逆ダイオード(backward diode)に関する。

【従来の技術】
トンネルダイオード(tunnel diode)は一般的に逆導電性タイプの多量ドープ半導体材料の２領域を含んだ周知の半導体装置である。これら逆導電性タイプは、半導体領域に適当な作動電位が適用されたときには電荷キャリヤを通過させる比較的に薄い接合部(junction)によって分離されている。ｐ領域ダイオードとｎ領域ダイオードは非常に多量にドープされているために変性(degenerate)している。均衡状態ではｐ領域ダイオードの価電子バンド（帯）(valence band)の一部は空状態(empty)であり、ｎ領域ダイオードの伝導バンド（帯）(conduction band)の一部は充填状態である。

多少の順バイアス(forward bias)はｎ領域の伝導バンドの充填部分の幾つかのレベルをｐ領域の価電子バンドの空レベルとエネルギー整合状態にする。この場合、量子力学トンネル効果は電子をｎ領域からｐ領域に流れさせ、バイアスの増加で最初に増大する正電流を提供する。ｎ領域の伝導バンドの充填部分がｐ領域の価電子バンドの空部分と最大整合するとき電流は最大となる。続いて順バイアスの増加で電流は減少し、ｎ領域の伝導バンドの充填部分がｐ領域のエネルギーギャップの反対側に存在するとき最低値に接近する。さらに大きな順バイアスが発生すると、電子とホール(hole)はｐ領域とｎ領域との間の障壁を超えて注入され、増大する順バイアスに対して電流が急速に増加する。よって、電流-電圧はその特性の順方向領域で負の微分コンダクタンス部分(differential conductance part)を有している。

トンネル接合部とインターフェースしたＧaＳb_1-yＡs_yとＩn_1-xＧa_ｘＡsの隣接領域で成るヘテロ構造(heterostructure)の利用は米国特許第４１９８６４４号「トンネルダイオード」（１９８０年４月１５日発行、江崎レオ）で説明されている。江崎特許のヘテロ構造はグループIII−Ｖの化合物半導体合金の第１層と第２層を含む。この第１層は第１グループIII物質と第１グループＶ物質を含んだ合金であり、第２層は第１グループIII物質とは異なる第２グループIIIと、第１グループＶ物質とは異なる第２グループＶ物質とを含んだ合金であり、第１合金の価電子バンドは、第２合金の価電子バンドへよりも第２合金の伝導バンドに近い。好適実施例は第１グループIII物質としてのＩn、第１グループＶ物質としてのＡs、第２グループ物質としてのＧa、第２グループＶ物質としてのＳbを設定する。

米国特許第４３７１８８４号「ＩnＡs-ＧaＳbトンネルダイオード」（江崎レオ）は多量のドーピングを必要としないトンネルダイオードを提供する。ここでは電子ビームエピタキシプロセスは容易に実施できる。その特許のトンネルダイオードのヘテロ構造は比較的に軽くドープされたグループIII−Ｖ化合物（特にＩn_1-xＧa_ｘＡsとＧaＳb_1-yＡs_yで成る）の第１堆積領域と第２堆積領域とを含んでいる。ｘとｙで表される密度は好適には０であるが、０.３未満であり、改良点は、その構成物質が隣接領域のものである４基化合物の比較的に薄い層のインターフェースであることである。このインターフェースはＩnＡsとＧaＳbの連続領域間でオーム接合部(ohmicjunction)ではなくてトンネル接合部(tunneling junction)を提供する。

【発明が解決しようとする課題】
本願発明の１目的は、高周波検出のためにさらに広範な範囲と向上した感度を提供するようにさらに高いバンド幅へと適用を拡張させるトンネルダイオードの新規で有用な改良の提供である。特に、本願発明は略０バイアスで高度の非線形を提供するようにデザインされている。これは前述の特許とは異なる点である。それらは略０バイアスで負抵抗領域を提供するようにデザインされたものである。

【課題を解決するための手段】
本願発明はＡlＳb層とＡlＧaＳb層とを使用して電流電圧（Ｉ-Ｖ）曲線と電流強度の曲線を制御し、順電流を減少させる。負バイアス方向のトンネル電流は比較的に大きく、影響を受けない。このデザインの望ましい特徴は略０バイアスでＩ-Ｖ曲線の非線形部分を提供することである。この特徴はＡlＧaＳb層で大きく改善される。

本願発明によれば、バンド間トンネル特性を示す高速半導体装置が提供される。この装置は互いに異なる組成を有し、トンネル現象が起こる薄いインターフェース層で分離された２つの半導体領域を含んでいる。これら半導体領域は互いに反対方向にシフトされるギャップを示し、インターフェース層は充分に薄くてトンネル効果によって電子を移動させる。

【発明の実施の形態】
本願発明は改良型逆ダイオード構造を提供する。これは多種多様な適用形態が可能である。以下で提供する実施例は本願発明を限定するものではなく、それらの変形は本願発明のスコープ内である。

図１はＧeその他の半導体での従来の多量ドープｐ-ｎ接合に関連するバンドエッジ図である。この多量ドープはエネルギーバンドを曲げ、ｎ型サイドの電子を比較的に薄いバンド-曲げ領域に通過させてｐ型サイドに送らせる。もしドーピングが両側で多量であれば、電流-電圧（Ｉ-Ｖ）曲線の負の微分抵抗ピークは、ｎサイド１００からｐサイド１０２のホールへの電子トンネルとして正バイアスを提供するように創出される。ｎ型層とｐ型層の両方は典型的にはＧeで形成される。図の左右の矢印１０４は伝導バンドエッジ１０６と価電子バンドエッジ１０８の正バイアスでのシフトの方向を示す。充分な正バイアスでは、ホール状態へのトンネル現象にとり電子エネルギーは高過ぎ、負の微分抵抗結果が発生する。負のバイアスでは、ドーピングが多量であると、バンド曲げ領域１１２は短く、フェルミ準位１１２より低いエネルギーでｐサイド１０２からの電子はフェルミ準位１１２より高いｎサイド１００に（左から右に）トンネル通過できる。得られる電流は大きく、逆バイアスで級数的に増大する。もしｐサイド１０２のドーピングが過大でなれば、フェルミ準位１１２はｐ型サイド１０２の価電子バンドエッジ１０８に接近するであろう。この状態(state)では、電子が順バイアスでトンネル通過する多くのホールは存在しないであろう。負抵抗電流-電圧曲線のピーク電流は小さく、負バイアス方向のトンネル電流は比較的に無影響で大きい（図２）。これは江崎ダイオードの逆ダイオードタイプである。望ましい特性は略０バイアス２００での非線形電流-電圧曲線特性である。これは高周波信号のミキシングと検出に有用である。

本願発明はＩnＡs/ＡlＳb/ＧaＳbヘテロ構造を活用した改良特性を達成させる。その例示的バンドエッジ図は図３に提供されている。ＡlＳb層３００の存在はＩnＡs及びＧaＳb層（３０２と３０４）の専用利用よりも大きなデザインフレキシビリティを提供する。ＡlＳb層３００の価電子バンドエッジはＩnＡs層３０２の伝導バンドとの調整可能なオーバーラップを提供するようにデザインさせる。このことはＩnＡs/ＧaＳb異質層ではできないことである。これは実際の組成値に対して制限された範囲のバンド整合をさせるものである。説明を容易にするため、図１に示すようなバンド曲げは説明しない。この特殊条件はＩnＡs伝導バンドエッジ３０８に対するフェルミ準位３０６がＧaＳb価電子バンドエッジ３１０対するフェルミ準位３０６と等しくなり、それらの間でバンドが非連続性となるときにのみに達成される。一般的に、この条件は充足されないであろう。しかし、説明を容易にするため、実際には介在するであろうバンド曲げ領域は図示しない。ｐ型ＧaＳb層３０４ではフェルミ準位３０６はＧaＳb価電子バンドエッジ３１０のエッジより上である。正方向（左から右）の電流はｐドープされたＧaＳbサイド３０４のホールの不存在によって小さいことが望ましい。しかし、逆電流（右から左）も小バイアスに対しては小さいであろう。なぜなら、ＩnＡs伝導バンド３０８の電子はバイアスがＧaＳb価電子バンド３１０のエッジをＩnＡs層３０２のフェルミ準位３０６のエネルギーより上に上昇させるまでＧaＳb価電子バンド３１０の電子をブロックするからである。

図３の実施例の変形例のバンドエッジ図は図４に示されており、ＩnＧaＳbはＧaＳbと交換される。ＩnＧaＳb価電子バンド４００のエッジは図３に示すＧaＳb価電子バンド３１０のエッジのものに対して少し上昇され、負にバイアスされたときにＩnＧaＳb価電子バンド４００の上部で電子をフェルミ準位４０２より上のエネルギー範囲にアクセスさせる。ＩnＧaＳb層４００のフェルミ準位４０２は好適にはＩnＧaＳb価電子バンドエッジ４００近辺で調整され、順電流を最小とする。

図５と図６で２つのさらなる変形例が図示されている。２タイプの障壁であるＡlＳb５００とＡlＧaＳb５０２は図５に図示されている。ＡlＧaＳbを提供するためのＧaの付加はＧaＳbとのバリアバンドギャップと価電子バンド不連続性を減少させる。ＡlＳb バリア５００の厚みは調整でき、トンネル現象による全体電流を制御し、ＡlＳbバリア５０２は、ＩnＡs層５０６からＧaＳb層５０８へトンネル通過する順電流すなわち電子に対する追加的ブロックを提供する。しかし、ＡlＧaＳbバリアは、ＡlＧaＳbバリア５０２の“下側”であるときＡlＧaＳbバリア価電子バンド５１０からの電子の逆トンネル現象を大きくはブロックせず、ＩnＡs領域５０６でフェルミ準位５１２よりも上の可能な状態に流れることができる。図６には右側のｐ型ＧaＳb層６０２上の追加のｎ型ＩnＡs被覆層６００が示されている。右側サイドインターフェース６０４には障壁は存在せず、右側のＩnＡsのｎ型コンタクトに便利な遷移返却(transition back)を提供する。

図７と図８は２つの追加的実施例を示す。図７は調整式価電子バンドエッジ７０２を有した１つのＡlＧaＳbバリア７００を図示する。ＡlＧaＳbバリア７０２の価電子バンドエッジはフェルミ準位７０４に接近している。この障壁の存在はＩnＡs層７０６からの電子がＧaＳb層７０８に到達する前に大型価電子バンド障壁をトンネル通過しないようにブロックする。この変形例は高い電流を低い非線形のものと交換する。なぜなら、それは図５と図６に示す実施例で存在するＡlＳbを有していないからである。図８は連続的に傾斜を与えられたＡlＧaＳbバリア層８００を有した実施例を図示する。これはＩnＡs層８０２とのインターフェース近辺のＡlＧaＳb層８００でさらに高いＡl濃度と、ＧaＳb層８０４とのインターフェース近辺のＡlGaＳb層８００のさらに低いＡl濃度を組み合わせたものである。この条件は、価電子バンド電子が通過する効果的な三角障壁の幅がバイアスで減少するとき、負バイアスで逆電流に増強された非線形増加を創出するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は逆ダイオードあるいは江崎ダイオードの従来例を示すバンドエッジ図である。
【図２】図２は江崎ダイオードの逆ダイオードタイプによって典型的に示される電流-電圧特性の量的な例である。
【図３】図３は本願発明の１実施例によるＩnＡs/ＡlＳb/ＧaＳbヘテロ構造のバンドエッジ図である。
【図４】図４は図３に示す本願発明の実施例の変形例を示すバンドエッジ図である（ＩnＧaＳbはＧaＳbの代用）。
【図５】図５は図３に示す本願発明の実施例の別変形例を示すバンドエッジ図である（２タイプの障壁、ＡlＳbとＡlＧaＳbが存在）。
【図６】図６は図５に示すものに類似した本願発明の実施例のバンドエッジ図であり、図５の右側のｐタイプＧaＳb層上に形成された追加のｎタイプＩnＡs層を有している。
【図７】図７は図３に示す本願発明の実施例の別変形例を示すバンドエッジ図であり、調整式価電子バンドを有した１つのＡlＧaＳbバリアが存在する。
【図８】図８は図５に示す本願発明の実施例の別変形例を示すバンドエッジ図であり、連続的に傾斜を与えられた障壁の使用を図示している。

Claims

バンド間でトンネル効果特性を示す半導体装置であって、第１半導体領域と第２半導体領域とを含んでおり、それらはそれぞれ相互に異質の組成と伝導性を有し、インターフェース層で分離されており、該第１半導体領域は第１エネルギーバンドギャップを有し、該第２半導体領域は第２エネルギーバンドギャップを有し、それら第１半導体領域と第２半導体領域は、該第１エネルギーバンドギャップと該第２エネルギーバンドギャップが互いに反対の方向にシフトするように選択されており、前記インターフェース層は充分に薄くて、前記インターフェース層を通過させるトンネル効果によって該第１半導体領域と該第２半導体領域との間で電子キャリヤを移動させる半導体装置であって、
前記第１半導体領域と、前記第２半導体領域と、前記インターフェース層とは、伝導バンドエッジおよび価電子バンドエッジをさらに含んでおり、
一方の前記第１半導体領域の伝導バンドエッジは、他方の前記第２半導体領域の価電子バンドエッジよりも下にあり、前記インターフェース層の前記価電子バンドエッジは前記第１半導体領域の前記第１エネルギーバンドギャップとオーバーラップしており、
さらに、前記第１半導体領域の伝導バンドエッジはフェルミ準位よりも下にあり、前記第２半導体領域の価電子バンドエッジはフェルミ準位よりも上にあり、
前記第１半導体領域はＩnＡsを含んでおり、前記第２半導体領域はＩn _1-x Ｇa _x Ｓbを含んでおり、ｘ値は１以下０以上であり、前記インターフェース層はＡlＳbを含んでおり、
前記インターフェース層の成分物質の密度は、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域にむかって、前記インターフェース層のエネルギーバンドギャップが小さくなり、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の、それぞれの前記伝導バンドエッジとそれぞれの前記価電子バンドエッジとの間でインターフェース遷移バンド領域を形成し、前記インターフェース層で一方の前記半導体領域の前記伝導バンドエッジは前記インターフェース層で他方の前記半導体領域の前記価電子バンドエッジより下に存在することを特徴とする半導体装置。
前記第１半導体領域はＩnＡsを含んでおり、前記第２半導体領域はＩn_1-xＧa_xＳbを含んでおり、ｘ値は０.３未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の一方はｎ型半導体物質を含んでおり、他方はｐ型半導体物質を含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の一方はｎ型ＩnＡsを含んでおり、他方はｐ型ＩnＧaＳbを含んでおり、インターフェース層はＡlＳbを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の、一方はｎ型ＩnＡsを含んでおり、他方はｐ型ＩnＧaＳbを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記インターフェース層はＡl、Ｓb及びＧaで成る群から選択される少なくとも２物質を含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１半導体領域はＩnＡsを含んでおり、前記第２半導体領域はＩnＧaＳbとＧaＳbで成る群から選択される化合物を含んでおり、前記インターフェース層はＡlＳbとＡlＧaＳbで成る群から選択されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記インターフェース層の成分物質の密度は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の、それぞれの前記伝導バンドエッジとそれぞれの前記価電子バンドエッジとの間で傾斜を与えられたインターフェース遷移バンド領域を形成し、前記インターフェース層で一方の前記半導体領域の前記伝導バンドエッジは前記インターフェース層で他方の前記半導体領域の前記価電子バンドエッジより下に存在することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の一方はｎ型ＩnＡsを含んでおり、他方はｐ型ＩnＧaＳbを含んでいることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記第１半導体領域はＩnＡsを含んでおり、前記第２半導体領域はＩnＧaＳbとＧaＳbで成る群から選択される化合物を含んでおり、前記インターフェース層はＡlＳbとＡlＧaＳbで成る群から選択されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記インターフェース層はＡl、Ｓb及びＧaで成る群から選択される少なくとも２物質を含んでいることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記インターフェース層はＡlと、ＳbとＧaで成る群から選択される少なくとも１種の物質とを含んだ化合物を含んでいることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
ＡlとＧaとの組み合わせは化合物ＡlＧaＳbの５０％を占めており、Ｓbが残りを占めていることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
前記インターフェース層の成分物質の密度は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の、それぞれの前記伝導バンドエッジとそれぞれの前記価電子バンドエッジとの間で連続的に傾斜を与えられたインターフェース遷移バンド領域を形成し、前記インターフェース層で一方の前記半導体領域の前記伝導バンドエッジは前記インターフェース層で他方の前記半導体領域の前記価電子バンドエッジより下に存在することを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
前記第１半導体領域あるいは前記第２半導体領域のいずれかはｎ型ＩnＡsを含んでおり、他方はｐ型ＩnＧaＳbを含んでいることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。