JP5648915B2 - Resonant tunnel diode and terahertz oscillator - Google Patents

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Description

本発明は、テラヘルツ周波数帯の光源となる発振素子を構成する共鳴トンネルダイオードの層構造、および共鳴トンネルダイオードを使用したテラヘルツ発振器に関するものである。   The present invention relates to a layer structure of a resonant tunnel diode that constitutes an oscillation element that serves as a light source in a terahertz frequency band, and a terahertz oscillator using the resonant tunnel diode.

100GHzから10THzにあるテラヘルツ周波数帯は、電子デバイスの動作周波数の上限に近く、簡便に利用可能な小型の光源が無かったことから、これまで特殊な計測・分析、電波天文学等に利用が限られていた。室温で動作する小型のテラヘルツ周波数帯光源は、イメージングによるセキュリティ技術、短距離大容量の無線通信技術への応用等、幅広い分野への応用が期待されることから、その実現が望まれている。   The terahertz frequency band from 100 GHz to 10 THz is close to the upper limit of the operating frequency of electronic devices, and there is no small light source that can be used easily. So far, it has been limited to special measurement / analysis and radio astronomy. It was. A small terahertz frequency band light source that operates at room temperature is expected to be applied to a wide range of fields such as security technology by imaging and short-distance and large-capacity wireless communication technology.

負性微分抵抗を有する共鳴トンネルダイオード(Resonant Tunneling Diode:以下、RTD)は、電子が走行する際の短いトンネル時間と短い空乏層(電子走行層)走行時間、高電流密度と小さい寄生容量とがもたらす短い充電時間により、テラヘルツ周波数帯の発振が可能であることから、室温動作する小型のテラヘルツ光源として期待されている。その中でもInP基板上に積層したInGaAs層、AlAs層からなるRTDは、InGaAsとAlAs間の大きな伝導帯バンド不連続により室温において比較的大きな負性微分抵抗を得ることが可能であり、優れた発振特性をもたらす。   A resonant tunneling diode (RTD) having a negative differential resistance has a short tunnel time when electrons travel, a short depletion layer (electron travel layer) travel time, a high current density, and a small parasitic capacitance. Due to the short charging time provided, it is possible to oscillate in the terahertz frequency band, and it is expected as a compact terahertz light source operating at room temperature. Among them, RTDs composed of InGaAs layers and AlAs layers stacked on InP substrates can obtain a relatively large negative differential resistance at room temperature due to the large discontinuity of the conduction band between InGaAs and AlAs, resulting in excellent oscillation. Bring properties.

RTDは、電流−電圧特性における負性微分抵抗領域において発振動作する。RTDの電流−電圧特性を特徴づけるパラメータとして、ピーク電流密度JPとピーク電圧VP等がある。
発明者らは、これまでにInP基板上に積層したInGaAs層、AlAs層からなるRTD、特に1×106A/cm2を上回る高いピーク電流密度JPを有するRTDを用いた発振器によって、831GHzの室温基本波発振を実現した(非特許文献1参照)。
The RTD oscillates in the negative differential resistance region in the current-voltage characteristic. Parameters that characterize the RTD current-voltage characteristics include a peak current density J P and a peak voltage V P.
The inventors of the present invention used an oscillator using an RTD composed of an InGaAs layer and an AlAs layer stacked on an InP substrate, particularly an RTD having a high peak current density J P exceeding 1 × 10 6 A / cm 2 , 831 GHz. Room temperature fundamental wave oscillation was realized (see Non-Patent Document 1).

発明者らは、前記非特許文献1において、理論的に予想される発振周波数よりも実験的に得られた発振周波数が低くなることを見出した。そして、実験において発振周波数の上昇を制限している理由は、電子走行層を走行する際のΓ−Lバレー間散乱による電子の走行速度低下であると考察した。   The inventors have found in Non-Patent Document 1 that the oscillation frequency obtained experimentally is lower than the theoretically expected oscillation frequency. And it was considered that the reason for limiting the increase in the oscillation frequency in the experiment was a decrease in the traveling speed of electrons due to scattering between Γ-L valleys when traveling in the electron traveling layer.

最近、発明者らは、同じくInP基板上に積層したInGaAs層、AlAs層からなるRTDを用いた発振器において、前記のΓ−Lバレー間散乱による電子速度の低下を抑制するために、階段状のポテンシャル形状を有するエミッタおよびスペーサからなる、グレーデッドエミッタ構造を適用することによって、低VP化、つまり発振器の低電圧動作化を実現し、低電圧動作に伴う電子走行時間の短縮により、室温において1.04THzまで基本波発振を向上させることに成功した(非特許文献2参照)。
このように1THzを上回る発振周波数が従来のRTDによって実現されているが、テラヘルツ周波数帯の光源として用いるために、さらなる発振周波数の高周波化が望まれている。
Recently, in an oscillator using an RTD composed of an InGaAs layer and an AlAs layer that are also stacked on an InP substrate, in order to suppress a decrease in electron velocity due to the Γ-L valley scattering, a step-like consisting emitter and the spacer has a potential shape, by applying a graded emitter structure, low V P of, i.e. to achieve low voltage operation of the oscillator, by shortening the electron transit time associated with the low voltage operation, at room temperature The fundamental wave oscillation was successfully improved to 1.04 THz (see Non-Patent Document 2).
As described above, an oscillation frequency exceeding 1 THz is realized by a conventional RTD. However, for use as a light source in a terahertz frequency band, further increase in the oscillation frequency is desired.

Safumi Suzuki,Atsushi Teranishi,Kensuke Hinata,Masahiro Asada,Hiroki Sugiyama,and Haruki Yokoyama,“Fundamental Oscillation of up to 831 GHz in GaInAs/AlAs Resonant Tunneling Diode”,Applied Physics Express 2,社団法人応用物理学会,054501,2009年4月17日Safumi Suzuki, Atsushi Teranishi, Kensuke Hinata, Masahiro Asada, Hiroki Sugiyama, and Haruki Yokoyama, “Fundamental Oscillation of up to 831 GHz in GaInAs / AlAs Resonant Tunneling Diode”, Applied Physics Express 2, Japan Society of Applied Physics, 054501, 2009 April 17, Safumi Suzuki,Atsushi Teranishi,Masahiro Asada,Hiroki Sugiyama,and Haruki Yokoyama,“Increase of Fundamental Oscillation Frequency in Resonant Tunneling Diode with Thin Barrier and Graded Emitter Structures”,2010 35th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves(IRMMW-THz 2010),IEEE,Tu-C1.2,Rome,2010年9月5日Safumi Suzuki, Atsushi Teranishi, Masahiro Asada, Hiroki Sugiyama, and Haruki Yokoyama, “Increase of Fundamental Oscillation Frequency in Resonant Tunneling Diode with Thin Barrier and Graded Emitter Structures”, 2010 35th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2010), IEEE, Tu-C1.2, Rome, September 5, 2010

前記のようにRTDを用いた発振器の発振周波数を向上させるためには、低動作電圧化によって電子走行層を電子が走行する際のΓ−Lバレー間散乱を抑制する必要があった。しかし、低動作電圧化は、素子動作時のコレクタ層のポテンシャルと二重障壁層のポテンシャルとの差が小さくなることを意味している。   As described above, in order to improve the oscillation frequency of the oscillator using the RTD, it is necessary to suppress scattering between Γ-L valleys when electrons travel through the electron travel layer by lowering the operating voltage. However, lowering the operating voltage means that the difference between the potential of the collector layer and the potential of the double barrier layer during device operation is reduced.

RTDでは、二重障壁層を通過した電子は、ポテンシャルの高い二重障壁層からポテンシャルの低いコレクタ層に向かって走行する。そこでは、二重障壁層が電子のランチャーとして作用しており、二重障壁層とコレクタ層との間のポテンシャルの差が大きいほど電子は弾道的に走行しやすくなる。   In RTD, electrons that have passed through the double barrier layer travel from the high potential double barrier layer toward the low potential collector layer. There, the double barrier layer acts as an electron launcher, and the larger the potential difference between the double barrier layer and the collector layer, the easier the electrons travel ballistically.

低電圧動作のRTDでは、前記の二重障壁層のランチャーとしての効果は小さくなる。このため、二重障壁層を通過した後に弾道的に高速で走行する電子が少なくなり、電子走行層中の電子の走行時間は長くなる。この電子走行速度の低下が発振周波数の上昇を制限していると考えられる。そこで、非特許文献2に記載のような低動作電圧RTD発振器の動作周波数をさらに上昇させるためには、二重障壁層のランチャー効果を促進し、電子速度の低下を抑制する必要がある。   In the RTD operating at a low voltage, the effect of the double barrier layer as a launcher is reduced. For this reason, the number of electrons traveling ballistically at high speed after passing through the double barrier layer is reduced, and the traveling time of the electrons in the electron traveling layer is increased. This decrease in the electronic traveling speed is considered to limit the increase in the oscillation frequency. Therefore, in order to further increase the operating frequency of the low operating voltage RTD oscillator as described in Non-Patent Document 2, it is necessary to promote the launcher effect of the double barrier layer and suppress the decrease in the electron velocity.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、動作電圧が低いRTDにおいて、二重障壁層を通過した電子が電子走行層を通過する際の速度の低下を抑制し、発振器の動作周波数を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In an RTD with a low operating voltage, the speed of electrons passing through the double barrier layer is suppressed from decreasing when the electron travels through the electron transit layer. The purpose is to improve the frequency.

本発明の共鳴トンネルダイオードは、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、電気的に中性な半導体からなる井戸層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、前記電子走行層は、前記第2の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりもく、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、前記エミッタ層の組成を層中で変化させることにより、前記第1の障壁層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが低くなることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードは、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、電気的に中性な半導体からなる井戸層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、前記電子走行層は、前記第2の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、前記半導体はInGaAsであり、前記電子走行層を構成するInGaAsは、前記第2の障壁層側でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成と同じになることを特徴とするものである。
The resonant tunnel diode of the present invention serves as a barrier against electrons in the emitter layer made of an impurity-doped semiconductor, a spacer layer made of an electrically neutral semiconductor, and electrons in each of the emitter layer and the spacer layer. A first barrier layer, a well layer made of an electrically neutral semiconductor, a second barrier layer serving as a barrier against electrons in each of the emitter layer and the spacer layer, and an electrically neutral layer An electron transit layer made of a semiconductor, through which electrons flow from the emitter layer through the spacer layer, the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer, and a collector layer made of a semiconductor doped with impurities bets are sequentially stacked, the electron transit layer, the second conduction band energy at the bonding surface between the barrier layer is rather higher than the conduction band energy of the collector layer, the near distance between the collector layer Conduction band energy approaches the conduction band energy of the collector layer according to Ku, wherein Ri is the conduction band energy at the bonding surface between the collector layer same as name and conduction band energy of said collector layer, said emitter layer and said spacer layer by varying the composition of the emitter layer in the layer, said first conduction band energy as the distance approaches the barrier layer is characterized in Rukoto a low.
The resonant tunnel diode of the present invention includes an emitter layer made of a semiconductor doped with impurities, a spacer layer made of an electrically neutral semiconductor, and a barrier against electrons in each layer of the emitter layer and the spacer layer. A first barrier layer, a well layer made of an electrically neutral semiconductor, a second barrier layer serving as a barrier against electrons in each of the emitter layer and the spacer layer, and an electrically neutral layer An electron transit layer through which electrons flow from the emitter layer through the spacer layer, the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer, and a semiconductor doped with impurities. A collector layer is sequentially stacked, and the electron transit layer has a conduction band energy at a junction surface with the second barrier layer higher than a conduction band energy of the collector layer, and is separated from the collector layer. As the conduction band energy approaches the conduction band energy of the collector layer, the conduction band energy at the interface with the collector layer becomes the same as the conduction band energy of the collector layer, the semiconductor is InGaAs, The InGaAs constituting the electron transit layer has an In composition on the second barrier layer side higher than the In composition of InGaAs constituting the collector layer, and the In composition increases as the distance from the collector layer decreases. And the In composition of the InGaAs that constitutes the collector layer is the same as the In composition of the InGaAs that constitutes the collector layer.

また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例において、前記半導体はInGaAsであり、前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するInGaAsは、前記第1の障壁層との距離が近づくに従ってIn組成が低くなることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例において、前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、伝導帯エネルギーが階段状に変化することを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例において、前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からなることを特徴とするものである。
Further , in one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, the semiconductor is InGaAs, and the InGaAs constituting the emitter layer and the spacer layer has an In composition as the distance from the first barrier layer decreases. It is characterized by being lowered.
In one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, the electron transit layer, the emitter layer, and the spacer layer are characterized in that conduction band energy changes stepwise.
In one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, each of the electron transit layer and the emitter layer includes a plurality of layers.

また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加される場合において、基板上に前記エミッタ層、前記スペーサ層、前記第1の障壁層、前記井戸層、前記第2の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加される場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第2の障壁層、前記井戸層、前記第1の障壁層、前記スペーサ層、前記エミッタ層の順に積層されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの1構成例は、さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とするものである。
Further, in one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, when a negative voltage is applied to the emitter layer and a positive voltage is applied to the collector layer, the emitter layer, the spacer layer, The first barrier layer, the well layer, the second barrier layer, the electron transit layer, and the collector layer are stacked in this order.
Also, in one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention, when a positive voltage is applied to the emitter layer and a negative voltage is applied to the collector layer, the collector layer and the electron transit layer are formed on a substrate. The second barrier layer, the well layer, the first barrier layer, the spacer layer, and the emitter layer are stacked in this order.
Further, one configuration example of the resonant tunneling diode of the present invention is further laminated so as to be in contact with the emitter layer outside the emitter layer, and is an impurity having the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and A sub-emitter layer made of a semiconductor doped with an impurity having a higher concentration than the emitter layer, and an impurity having the same conductivity type as that of the emitter layer and the collector layer, stacked outside the collector layer so as to be in contact with the collector layer And a sub-collector layer made of a semiconductor doped with an impurity having a higher concentration than that of the collector layer.

また、本発明のテラヘルツ発振器は、共鳴トンネルダイオードと、この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするものである。   The terahertz oscillator according to the present invention includes a resonant tunnel diode, a slot antenna that is a resonator connected to the resonant tunnel diode, and a power source that applies a bias voltage between an emitter layer and a collector layer of the resonant tunnel diode. It is characterized by the following.

本発明によれば、電子走行層を、第2の障壁層との接合面でのポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルよりも低く、コレクタ層との距離が近づくに従ってポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルに近づき、コレクタ層との接合面でのポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルと同じになるような構造とすることにより、二重障壁層(第1の障壁層、井戸層、第2の障壁層)と電子走行層とのポテンシャル差を大きくすることができ、二重障壁層と電子走行層との界面における電子のランチャー効果を促進することができるので、電子走行層中の電子を高速化することができる。その結果、本発明では、バイアス電圧を低下させても二重障壁層からコレクタ層にかけての電子の走行速度が低下しなくなるため、共鳴トンネルダイオードの動作速度を向上させることができる。したがって、本発明の共鳴トンネルダイオードを発振器に利用すれば、発振器の発振周波数を高周波化することができる。   According to the present invention, the potential of the electron transit layer at the junction surface with the second barrier layer is lower than the potential of the collector layer, and the potential approaches the potential of the collector layer as the distance from the collector layer decreases. By adopting a structure in which the potential at the junction surface with the layer is the same as the potential of the collector layer, a double barrier layer (first barrier layer, well layer, second barrier layer), an electron transit layer, And the electron launcher effect at the interface between the double barrier layer and the electron transit layer can be promoted, so that the speed of electrons in the electron transit layer can be increased. As a result, in the present invention, even when the bias voltage is lowered, the traveling speed of electrons from the double barrier layer to the collector layer is not lowered, so that the operating speed of the resonant tunneling diode can be improved. Therefore, if the resonant tunnel diode of the present invention is used for an oscillator, the oscillation frequency of the oscillator can be increased.

また、本発明では、エミッタ層およびスペーサ層を、第1の障壁層との距離が近づくに従ってポテンシャルが高くなるような構造とすることにより、バイアス電圧を低下させやすくすることができる。その結果、本発明では、低バイアス電圧化により共鳴トンネルダイオードおよび発振器の消費電力を低減することが可能となる。   In the present invention, the bias voltage can be easily lowered by making the emitter layer and the spacer layer have a structure in which the potential increases as the distance from the first barrier layer decreases. As a result, in the present invention, the power consumption of the resonant tunneling diode and the oscillator can be reduced by lowering the bias voltage.

また、本発明では、電子走行層を構成するInGaAsを、第2の障壁層側でのIn組成がコレクタ層を構成するInGaAsのIn組成よりも高く、コレクタ層との距離が近づくに従ってIn組成がコレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づき、コレクタ層との接合面でのIn組成がコレクタ層を構成するInGaAsのIn組成と同じになるような構成とすることにより、電子走行層内での電子の有効質量を低減する事が可能となり、電子を更に高速化することができ、共鳴トンネルダイオードの動作速度を更に向上させることができる。その結果、本発明では、発振器の発振周波数を更に高周波化することができる。   Further, in the present invention, the InGaAs constituting the electron transit layer has a higher In composition on the second barrier layer side than the In composition of InGaAs constituting the collector layer, and the In composition becomes smaller as the distance from the collector layer becomes closer. By approaching the In composition of the InGaAs constituting the collector layer and the In composition at the junction surface with the collector layer being the same as the In composition of the InGaAs constituting the collector layer, The effective mass of electrons can be reduced, the speed of electrons can be further increased, and the operating speed of the resonant tunneling diode can be further improved. As a result, in the present invention, the oscillation frequency of the oscillator can be further increased.

本発明の参考例に係る共鳴トンネルダイオードの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the resonant tunnel diode which concerns on the reference example of this invention. 本発明の参考例に係る共鳴トンネルダイオードの発振器動作点バイアス電圧における伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the conduction band profile in the oscillator operating point bias voltage of the resonant tunnel diode which concerns on the reference example of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの発振器動作点バイアス電圧における伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the conduction band profile in the oscillator operating point bias voltage of the resonant tunnel diode which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the resonant tunnel diode which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the terahertz oscillator based on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the terahertz oscillator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the terahertz oscillator according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの発振器動作点バイアス電圧における伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the conduction band profile in the oscillator operating point bias voltage of the resonant tunnel diode which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

参考例
以下、本発明の参考例を図面に基づいて説明する。図1は本発明の参考例に係るRTDの構造を示す断面図である。本参考例のRTD20は、電気的に中性な半導体からなるバッファ層22と、不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層23と、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層24と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層25と、サブエミッタ層23、エミッタ層24およびスペーサ層25の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層26と、電気的に中性な半導体からなる井戸層27と、サブエミッタ層23、エミッタ層24およびスペーサ層25の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層28と、電気的に中性な半導体からなり、サブエミッタ層23からエミッタ層24とスペーサ層25と第1の障壁層26と井戸層27と第2の障壁層28とを経て電子が流れ込む電子走行層29と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層30とが、基板21上に順次積層された構造からなる。
[ Reference example ]
Hereinafter, reference examples of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an RTD according to a reference example of the present invention. The RTD 20 of this reference example includes a buffer layer 22 made of an electrically neutral semiconductor, a sub-emitter layer 23 made of an impurity-doped semiconductor, an emitter layer 24 made of an impurity-doped semiconductor, A spacer layer 25 made of a neutral semiconductor, a first barrier layer 26 serving as a barrier against electrons in each of the sub-emitter layer 23, the emitter layer 24 and the spacer layer 25, and an electrically neutral semiconductor. A well layer 27, a second barrier layer 28 that serves as a barrier against electrons in each of the sub-emitter layer 23, the emitter layer 24, and the spacer layer 25, and an electrically neutral semiconductor. From the emitter layer 24, the spacer layer 25, the first barrier layer 26, the well layer 27, and the second barrier layer 28, and an impurity-doped half layer. A collector layer 30 made of the body is made of a sequentially laminated structure on the substrate 21.

RTD20は、下側に位置する右電極31と上側に位置する左電極32にオーミックに接続される構造となっている。サブエミッタ層23とコレクタ層30は、右電極31と左電極32のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極31からエミッタ層24までの寄生抵抗成分、左電極32からコレクタ層30までの寄生抵抗成分を小さくすることで、素子全体の寄生抵抗成分を小さくする役目を果たす。   The RTD 20 has a structure in which the RTD 20 is ohmically connected to the lower right electrode 31 and the upper left electrode 32. The sub-emitter layer 23 and the collector layer 30 reduce the ohmic contact resistance between the right electrode 31 and the left electrode 32, and the parasitic resistance component from the right electrode 31 to the emitter layer 24 and the parasitic resistance from the left electrode 32 to the collector layer 30, respectively. By reducing the resistance component, the parasitic resistance component of the entire element is reduced.

図2は、図1に示したRTD20の発振器としての動作電圧付近での伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。横軸は基板表面を原点とした層構造の厚さ、縦軸はエネルギーである。ここでは、基板側のサブエミッタ層23に負の電圧を印加し、コレクタ層30に正の電圧を印加した状態を示している。エミッタ層24側のバンドが平坦な領域とコレクタ層30側のバンドが平坦な領域とのエネルギー差が、印加バイアス電圧に対応する。   FIG. 2 is a diagram showing a calculation result of a conduction band profile in the vicinity of an operating voltage as the oscillator of the RTD 20 shown in FIG. The horizontal axis represents the thickness of the layer structure with the substrate surface as the origin, and the vertical axis represents energy. Here, a state in which a negative voltage is applied to the sub-emitter layer 23 on the substrate side and a positive voltage is applied to the collector layer 30 is shown. The energy difference between the flat region on the emitter layer 24 side and the flat region on the collector layer 30 side corresponds to the applied bias voltage.

参考例では、図2に示すようにRTD20の電子走行層29において、第2の障壁層28にヘテロ接合している電子走行層29の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第2の障壁層28との接合面での電子走行層29のポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルよりも低く、コレクタ層30との距離が近づくに従って電子走行層29のポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルに近づくようにし、コレクタ層30との接合面での電子走行層29のポテンシャルがコレクタ層30のポテンシャルと同じになるような構造としている。 In this reference example , as shown in FIG. 2, in the electron transit layer 29 of the RTD 20, the potential seen from the electrons in the conduction band of the electron transit layer 29 heterojunction with the second barrier layer 28 is changed, and the second The potential of the electron transit layer 29 at the junction surface with the barrier layer 28 is lower than the potential of the collector layer 30, and the potential of the electron transit layer 29 approaches the potential of the collector layer 30 as the distance from the collector layer 30 decreases. The potential of the electron transit layer 29 at the junction surface with the collector layer 30 is the same as the potential of the collector layer 30.

このような構造により、本参考例では、二重障壁層(第1の障壁層26、井戸層27、第2の障壁層28)と電子走行層29とのポテンシャル差を大きくすることができ、二重障壁層と電子走行層29との界面における電子のランチャー効果を促進することができるので、電子走行層29中の電子を高速化することができる。その結果、本参考例では、バイアス電圧を低下させても二重障壁層からコレクタ層30にかけての電子の走行速度が低下しなくなるため、RTDの動作速度を向上させることができる。したがって、本参考例のRTDを発振器に利用すれば、発振器の発振周波数を高周波化することができる。 With this structure, in this reference example , the potential difference between the double barrier layer (the first barrier layer 26, the well layer 27, the second barrier layer 28) and the electron transit layer 29 can be increased. Since the electron launcher effect at the interface between the double barrier layer and the electron transit layer 29 can be promoted, the speed of electrons in the electron transit layer 29 can be increased. As a result, in this reference example , the traveling speed of electrons from the double barrier layer to the collector layer 30 does not decrease even when the bias voltage is decreased, so that the operating speed of the RTD can be improved. Therefore, if the RTD of this reference example is used for an oscillator, the oscillation frequency of the oscillator can be increased.

第1の実施の形態
次に、本発明の第1の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、RTDの構造は参考例と同様であるので、図1に示したRTDの符号を用いて説明する。図3は、本実施の形態のRTDの発振器としての動作電圧付近での伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。図2の場合と同様に、図3は基板側のサブエミッタ層23に負の電圧を印加し、コレクタ層30に正の電圧を印加した状態を示している。
[ First Embodiment ]
Next, a first embodiment of the present invention will be described. Also in the present embodiment, the structure of the RTD is the same as that of the reference example , so that description will be made using the RTD code shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a result of calculating a conduction band profile in the vicinity of the operating voltage as the RTD oscillator according to the present embodiment. As in the case of FIG. 2, FIG. 3 shows a state in which a negative voltage is applied to the sub-emitter layer 23 on the substrate side and a positive voltage is applied to the collector layer 30.

本実施の形態では、エミッタ層24の組成を層中で変化させることにより、エミッタ層24の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第1の障壁層26との距離が近づくに従ってエミッタ層24およびスペーサ層25のポテンシャルが高くなるような構造としている。このような構造により、本実施の形態では、バイアス電圧を低下させやすくすることができる。その結果、本実施の形態では、低バイアス電圧化によりRTDの消費電力を低減することが可能となる。   In the present embodiment, by changing the composition of the emitter layer 24 in the layer, the potential seen from the electrons in the conduction band of the emitter layer 24 is changed, and as the distance from the first barrier layer 26 becomes closer, the emitter layer 24 and the spacer layer 25 have a high potential. With this structure, the bias voltage can be easily reduced in this embodiment. As a result, in this embodiment, the power consumption of the RTD can be reduced by lowering the bias voltage.

第2の実施の形態
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、参考例および第1の実施の形態で説明したRTDの具体例を示すものである。図4は本実施の形態に係るRTDの構造を示す断面図である。本実施の形態のRTD9は、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなるバッファ層90と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)からなるサブエミッタ層91と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.53Ga0.47As)からなるエミッタ層92と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.51Ga0.49Asおよびn−In0.49Ga0.51As)からなるグレーデッドエミッタ層93と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.47Ga0.53As)からなるスペーサ層94と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第1の障壁層95と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.8Ga0.2As)からなる井戸層96と、アルミニウムヒ素(AlAs)からなる第2の障壁層97と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.7Ga0.3As)からなる第1の電子走行層98と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.6Ga0.4As)からなる第2の電子走行層99と、アンドープインジウムガリウムヒ素(un−In0.53Ga0.47As)からなる第3の電子走行層100と、n型インジウムガリウムヒ素(n−In0.7Ga0.3Asおよびn−In0.53Ga0.47As)からなるコレクタ層101とが、基板1上に順次積層された構造からなる。
[ Second Embodiment ]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment shows a specific example of the RTD described in the reference example and the first embodiment . FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the RTD according to the present embodiment. The RTD 9 of the present embodiment includes a buffer layer 90 made of undoped indium gallium arsenide (un-In 0.53 Ga 0.47 As), a sub-emitter layer 91 made of n-type indium gallium arsenide (n-In 0.53 Ga 0.47 As), An emitter layer 92 made of n-type indium gallium arsenide (n-In 0.53 Ga 0.47 As) and a graded emitter layer 93 made of n-type indium gallium arsenide (n-In 0.51 Ga 0.49 As and n-In 0.49 Ga 0.51 As) A spacer layer 94 made of undoped indium gallium arsenide (un-In 0.47 Ga 0.53 As), a first barrier layer 95 made of aluminum arsenic (AlAs), and undoped indium gallium arsenide (un-In 0.8 Ga 0.2 As). A well layer 96 made of aluminum, and a second layer made of aluminum arsenic (AlAs). Barrier layer 97, a first electron transit layer 98 made of undoped indium gallium arsenide (un-In 0.7 Ga 0.3 As), and a second electron transit made of undoped indium gallium arsenide (un-In 0.6 Ga 0.4 As). A layer 99, a third electron transit layer 100 made of undoped indium gallium arsenide (un-In 0.53 Ga 0.47 As), and n-type indium gallium arsenide (n-In 0.7 Ga 0.3 As and n-In 0.53 Ga 0.47 As). The collector layer 101 is made of a structure in which the collector layer 101 is sequentially laminated on the substrate 1.

RTD9は、下側に位置する右電極2と上側に位置する左電極4にオーミックに接続される構造となっている。サブエミッタ層91とコレクタ層101は、右電極2と左電極4のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極2からエミッタ層92までの寄生抵抗成分、左電極4からコレクタ層101までの寄生抵抗成分を小さくすることで、素子全体の寄生抵抗成分を小さくする役目を果たす。   The RTD 9 has a structure in which the RTD 9 is ohmically connected to the lower right electrode 2 and the upper left electrode 4. The sub-emitter layer 91 and the collector layer 101 reduce the ohmic contact resistance between the right electrode 2 and the left electrode 4, the parasitic resistance component from the right electrode 2 to the emitter layer 92, and the parasitic resistance from the left electrode 4 to the collector layer 101, respectively. By reducing the resistance component, the parasitic resistance component of the entire element is reduced.

バッファ層90、サブエミッタ層91、エミッタ層92、グレーデッドエミッタ層93、スペーサ層94、第1の障壁層95、井戸層96、第2の障壁層97、第1の電子走行層98、第2の電子走行層99、第3の電子走行層100、コレクタ層101の厚さは、それぞれ200nm、400nm、20nm、5nm、2nm、1.2nm、4.5nm、1.2nm、10nm、10nm、5nm、23nmである。グレーデッドエミッタ層93は、基板1に近い方から順に、厚さ2.5nmのn−In0.51Ga0.49Asと厚さ2.5nmのn−In0.49Ga0.51Asの2層からなる。コレクタ層101は、基板1に近い方から順に、厚さ15nmのn−In0.53Ga0.47Asと厚さ8nmのn−In0.7Ga0.3Asの2層からなる。 Buffer layer 90, sub-emitter layer 91, emitter layer 92, graded emitter layer 93, spacer layer 94, first barrier layer 95, well layer 96, second barrier layer 97, first electron transit layer 98, first The thicknesses of the second electron transit layer 99, the third electron transit layer 100, and the collector layer 101 are 200 nm, 400 nm, 20 nm, 5 nm, 2 nm, 1.2 nm, 4.5 nm, 1.2 nm, 10 nm, 10 nm, respectively. 5 nm and 23 nm. The graded emitter layer 93 is composed of two layers of n-In 0.51 Ga 0.49 As with a thickness of 2.5 nm and n-In 0.49 Ga 0.51 As with a thickness of 2.5 nm in order from the side closer to the substrate 1. The collector layer 101 is composed of two layers of n-In 0.53 Ga 0.47 As having a thickness of 15 nm and n-In 0.7 Ga 0.3 As having a thickness of 8 nm in order from the side closer to the substrate 1.

サブエミッタ層91のドーパントはSiで、ドーピング濃度は2×1019cm-3、エミッタ層92とグレーデッドエミッタ層93のドーパントはSiで、ドーピング濃度は3×1018cm-3、コレクタ層101のドーパントはSiで、ドーピング濃度は2×1019cm-3である。 The dopant of the sub-emitter layer 91 is Si, the doping concentration is 2 × 10 19 cm −3 , the dopant of the emitter layer 92 and the graded emitter layer 93 is Si, the doping concentration is 3 × 10 18 cm −3 , and the collector layer 101. The dopant is Si, and the doping concentration is 2 × 10 19 cm −3 .

次に、本実施の形態のRTD9を用いたテラヘルツ発振器について説明する。図5は本実施の形態に係るテラヘルツ発振器の構造を示す斜視図である。図5に示すテラヘルツ発振器では、インジウムリン(InP)からなる基板1上に、金(Au)、パラジウム(Pd)、またはチタン(Ti)等で作製される右電極2が積層されている。同じく金、パラジウムまたはチタンからなる左電極4は、酸化シリコンからなる絶縁体3を挟んで右電極2と対向するように積層されている。   Next, a terahertz oscillator using the RTD 9 of this embodiment will be described. FIG. 5 is a perspective view showing the structure of the terahertz oscillator according to the present embodiment. In the terahertz oscillator shown in FIG. 5, a right electrode 2 made of gold (Au), palladium (Pd), titanium (Ti) or the like is laminated on a substrate 1 made of indium phosphide (InP). Similarly, the left electrode 4 made of gold, palladium or titanium is laminated so as to face the right electrode 2 with an insulator 3 made of silicon oxide interposed therebetween.

左電極4には、右電極2と絶縁体3を介して重なっている部分の中央部に2箇所の凹部5,6が形成されており、この2つの凹部5,6に挟まれた箇所に凸部7が形成されている。さらに、この凸部7の先端に突起部8が形成され、この突起部8の下側に右電極2と挟まれるようにして、図4に示したRTD9が配置されている。右電極2と左電極4には、直流電源11が接続されるとともに、寄生発振を防止するための抵抗10が接続されている。   The left electrode 4 has two concave portions 5 and 6 formed in the central portion of the portion overlapping the right electrode 2 and the insulator 3, and the portion sandwiched between the two concave portions 5 and 6 is formed. A convex portion 7 is formed. Further, a projection 8 is formed at the tip of the projection 7, and the RTD 9 shown in FIG. 4 is arranged so as to be sandwiched between the right electrode 2 below the projection 8. A DC power supply 11 is connected to the right electrode 2 and the left electrode 4, and a resistor 10 for preventing parasitic oscillation is connected.

この右電極2と左電極4とからスロットアンテナが形成されている。右電極2と左電極4とは、絶縁体3によって高周波的に短絡されると共に、直流的に遮断されるように形成されている。凹部5,6の深さ(図5のD)は4μm程度、凸部7の幅(図5のW)は6μm程度が好ましいが、このサイズはこれに限定されるものではなく、発振する高周波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。   A slot antenna is formed from the right electrode 2 and the left electrode 4. The right electrode 2 and the left electrode 4 are formed so as to be short-circuited in a high frequency by the insulator 3 and to be cut off in a direct current manner. The depth of the concave portions 5 and 6 (D in FIG. 5) is preferably about 4 μm, and the width of the convex portion 7 (W in FIG. 5) is preferably about 6 μm, but this size is not limited to this, and the high frequency that oscillates It is set as appropriate according to the design according to the frequency.

図6は本実施の形態のテラヘルツ発振器の分解斜視図である。図6に示すように、右電極2と、絶縁体3と、左電極4と、RTD9とが基板1上に積層されてテラヘルツ発振器が構成される。
図7は本実施の形態のテラヘルツ発振器の等価回路図である。図7において、GRTDはRTD9の抵抗成分、GANTはスロットアンテナの抵抗成分、CRTDはRTD9のキャパシタンス成分、CANTはスロットアンテナのキャパシタンス成分、Lはスロットアンテナのインダクタンス成分である。
FIG. 6 is an exploded perspective view of the terahertz oscillator of this embodiment. As shown in FIG. 6, the right electrode 2, the insulator 3, the left electrode 4, and the RTD 9 are stacked on the substrate 1 to constitute a terahertz oscillator.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the terahertz oscillator according to the present embodiment. In FIG. 7, G RTD is the resistance component of RTD 9, G ANT is the resistance component of the slot antenna, C RTD is the capacitance component of RTD 9, C ANT is the capacitance component of the slot antenna, and L is the inductance component of the slot antenna.

右電極2と左電極4とからなるスロットアンテナは、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。図5、図7に示したように、テラヘルツ発振器に対して直流電源11からバイアス電圧を供給すると、基板1に対して上方向と下方向の2方向に電磁波が放射される。このとき、テラヘルツ発振器の発振周波数fは、1/[2π{L(CRTD+CANT)}1/2]となる。 The slot antenna composed of the right electrode 2 and the left electrode 4 serves as both a resonator and an electromagnetic wave radiation antenna. As shown in FIGS. 5 and 7, when a bias voltage is supplied from the DC power supply 11 to the terahertz oscillator, electromagnetic waves are radiated in two directions, upward and downward, with respect to the substrate 1. At this time, the oscillation frequency f of the terahertz oscillator is 1 / [2π {L (C RTD + C ANT )} 1/2 ].

次に、本実施の形態のRTD9とテラヘルツ発振器の特性について説明する。図4に示した構造を有するRTD9の試料Aのパラメータの値を表1に示す。なお、比較用の試料として、電子走行層の組成がコレクタ層と同一であり、組成の段階的な分布の無い試料Bのパラメータも示す。   Next, the characteristics of the RTD 9 and the terahertz oscillator of this embodiment will be described. Table 1 shows the parameter values of the RTD 9 sample A having the structure shown in FIG. In addition, as a sample for comparison, the parameters of Sample B in which the composition of the electron transit layer is the same as that of the collector layer and there is no stepwise distribution of composition are also shown.

Figure 0005648915
Figure 0005648915

図8は、図4に示したRTD構造を有する試料A,Bの発振器としての動作電圧付近での伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。図2、図3の場合と同様に、図8は基板側のサブエミッタ層91に負の電圧を印加し、コレクタ層101に正の電圧を印加した状態を示している。エミッタ層92側のバンドが平坦な領域とコレクタ層100側のバンドが平坦な領域とのエネルギー差が、印加バイアス電圧に対応する。   FIG. 8 is a diagram illustrating a result of calculating a conduction band profile in the vicinity of an operating voltage as an oscillator of the samples A and B having the RTD structure illustrated in FIG. 2 and 3, FIG. 8 shows a state in which a negative voltage is applied to the sub-emitter layer 91 on the substrate side and a positive voltage is applied to the collector layer 101. The energy difference between the region where the band on the emitter layer 92 side is flat and the region where the band on the collector layer 100 side is flat corresponds to the applied bias voltage.

本実施の形態では、電子走行層を、第1の電子走行層98と第2の電子走行層99と第3の電子走行層100の3層のInGaAs層で構成し、そのうち第1の電子走行層98と第2の電子走行層99をIn組成の高いInGaAsで構成することにより、電子走行層において、第2の障壁層97にヘテロ接合している電子走行層の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第2の障壁層97との接合面での電子走行層のポテンシャルがコレクタ層101のポテンシャルよりも低く、コレクタ層101との距離が近づくに従って電子走行層のポテンシャルがコレクタ層101のポテンシャルに近づくようにし、コレクタ層101との接合面での電子走行層のポテンシャルがコレクタ層101のポテンシャルと同じになるような構造としている。このような構造により、参考例で説明した効果を得ることができる。 In the present embodiment, the electron transit layer is composed of three InGaAs layers of the first electron transit layer 98, the second electron transit layer 99, and the third electron transit layer 100, of which the first electron transit layer is formed. Since the layer 98 and the second electron transit layer 99 are composed of InGaAs having a high In composition, the electron transit layer is viewed from the electrons in the conduction band of the electron transit layer heterojunction with the second barrier layer 97. The potential of the electron transit layer at the interface with the second barrier layer 97 is lower than the potential of the collector layer 101 by changing the potential, and the potential of the electron transit layer becomes lower as the distance from the collector layer 101 becomes closer. The potential of the electron transit layer at the junction surface with the collector layer 101 is the same as the potential of the collector layer 101. There. With such a structure, the effect described in the reference example can be obtained.

エミッタ層92側のバンドが平坦な領域のポテンシャルと、第2の障壁層97と電子走行層との接合界面のエネルギー差が、二重障壁層(第1の障壁層95、井戸層96、第2の障壁層97)を電子がトンネルする際のランチャー効果の指標となる。つまり、このエネルギー差が大きいほど、二重障壁層を電子がトンネルする際のランチャー効果は大きくなる。   The potential difference in the region where the band on the emitter layer 92 side is flat and the energy difference at the junction interface between the second barrier layer 97 and the electron transit layer are the double barrier layers (first barrier layer 95, well layer 96, first layer This is an index of the launcher effect when electrons tunnel through the second barrier layer 97). In other words, the greater this energy difference, the greater the launcher effect when electrons tunnel through the double barrier layer.

図8によると、試料Aのエネルギー差DAは約280meVであり、試料Bのエネルギー差DBは160meVである。電子走行層を3層構造とし、第3の電子走行層100と比較してIn組成を高くしたInGaAsを第1、第2の電子走行層98,99に用いたことにより、試料Bよりも試料Aの方が大きなエネルギー差が得られることが分かる。つまり、二重障壁層のランチャー効果は本実施の形態の試料Aの方が大きくなることが分かる。   According to FIG. 8, the energy difference DA of the sample A is about 280 meV, and the energy difference DB of the sample B is 160 meV. Since the electron transit layer has a three-layer structure and InGaAs having an In composition higher than that of the third electron transit layer 100 is used for the first and second electron transit layers 98 and 99, the sample is more sampled than the sample B. It can be seen that A gives a larger energy difference. That is, it can be seen that the launcher effect of the double barrier layer is larger in the sample A of the present embodiment.

また、高いIn組成のInGaAsにおける電子の有効質量は、格子整合InGaAsにおける電子の有効質量よりも小さくなる。そのため、試料Bよりも本実施の形態の試料Aの方が、電子走行層中の電子の有効質量が小さくなるため、電子走行層中の電子の速度は上昇する。   In addition, the effective mass of electrons in InGaAs having a high In composition is smaller than the effective mass of electrons in lattice-matched InGaAs. Therefore, since the effective mass of the electrons in the electron transit layer is smaller in the sample A of the present embodiment than in the sample B, the speed of the electrons in the electron transit layer is increased.

発明者らは、上記の試料A,BをそれぞれRTD9として使用した図5のようなテラヘルツ発振器を作製した。試料Aを使用した場合、発振器の最高発振周波数として1.08THzが得られ、試料Bを使用した場合、最高発振周波数として1.04THzが得られた。   The inventors produced a terahertz oscillator as shown in FIG. 5 using the above samples A and B as RTDs 9 respectively. When sample A was used, 1.08 THz was obtained as the maximum oscillation frequency of the oscillator, and when sample B was used, 1.04 THz was obtained as the maximum oscillation frequency.

得られた最高発振周波数より電子走行層の走行時間を計算すると、試料Aの電子走行層走行時間は140fsであり、試料Bの電子走行層走行時間は170fsであった。すなわち、本実施の形態の試料Aの方が電子の走行時間を30fs短縮出来ていることが分かる。この走行時間の短縮は、高いIn組成のInGaAsからなる電子走行層を用いることによって、二重障壁層と電子走行層との界面における電子のランチャー効果が促進されると共に、電子走行層内での電子の有効質量が低減され、電子が高速化したことを示唆している。   When the transit time of the electron transit layer was calculated from the obtained maximum oscillation frequency, the electron transit layer transit time of Sample A was 140 fs, and the electron transit layer transit time of Sample B was 170 fs. That is, it can be seen that the sample A of the present embodiment can shorten the electron travel time by 30 fs. This reduction in travel time is achieved by using an electron transit layer made of InGaAs having a high In composition, thereby promoting the electron launcher effect at the interface between the double barrier layer and the electron transit layer, and in the electron transit layer. This suggests that the effective mass of electrons has been reduced and the speed of electrons has been increased.

また、本実施の形態では、エミッタ層をエミッタ層92とグレーデッドエミッタ層93の2層のInGaAs層で構成し、グレーデッドエミッタ層93を段階的にIn組成が低くなるInGaAsで構成することにより、エミッタ層の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第1の障壁層95との距離が近づくに従ってエミッタ層およびスペーサ層のポテンシャルが高くなるような構造としている。このような構造により、第1の実施の形態で説明した効果を得ることができる。 In the present embodiment, the emitter layer is composed of two InGaAs layers, ie, the emitter layer 92 and the graded emitter layer 93, and the graded emitter layer 93 is composed of InGaAs whose In composition gradually decreases. The potential of the emitter layer as viewed from the electrons in the conduction band is changed so that the potentials of the emitter layer and the spacer layer increase as the distance from the first barrier layer 95 decreases. With such a structure, the effect described in the first embodiment can be obtained.

以上のように、本実施の形態では、二重障壁層のランチャー効果の促進と電子の有効質量の低減が可能となり、電子走行層中の電子の走行時間を短縮することができるので、テラヘルツ発振器の高周波化を実現することができる。また、本実施の形態では、バイアス電圧を低減することができ、RTDおよびテラヘルツ発振器の消費電力を低減することが可能となる。   As described above, in the present embodiment, the launcher effect of the double barrier layer can be promoted and the effective mass of electrons can be reduced, and the transit time of electrons in the electron transit layer can be shortened. Higher frequency can be realized. In this embodiment, the bias voltage can be reduced, and the power consumption of the RTD and the terahertz oscillator can be reduced.

なお、本実施の形態では、電子が基板側から表面側に流れるバイアス極性を想定し、グレーデッドエミッタ層93を二重障壁部分よりも基板側に設置し、第1、第2、第3の電子走行層98,99,100を二重障壁部分よりも表面側に設置した。電子が表面側から基板側に流れるバイアス極性、つまりサブエミッタ層91に正の電圧を印加し、コレクタ層101に負の電圧を印加する極性を想定する場合には、グレーデッドエミッタ層93を二重障壁部分よりも表面側に設置し、第1、第2、第3の電子走行層98,99,100を二重障壁部分よりも基板側に設ければ良い。つまり、図4において、エミッタ層92から第3の電子走行層100までの構造の上下を反転させた構造を用いても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment, assuming a bias polarity in which electrons flow from the substrate side to the surface side, the graded emitter layer 93 is disposed on the substrate side with respect to the double barrier portion, and the first, second, and third The electron transit layers 98, 99, and 100 were installed on the surface side of the double barrier portion. When assuming a bias polarity in which electrons flow from the surface side to the substrate side, that is, a polarity in which a positive voltage is applied to the sub-emitter layer 91 and a negative voltage is applied to the collector layer 101, two graded emitter layers 93 are provided. The first, second, and third electron transit layers 98, 99, and 100 may be provided on the substrate side with respect to the double barrier portion. That is, in FIG. 4, the same effect as in the present embodiment can be obtained even if a structure in which the structure from the emitter layer 92 to the third electron transit layer 100 is inverted is used.

また、本実施の形態では、電子走行層を、3つの異なるIn組成を有するInGaAsによって構成する例を示したが、本実施の形態の効果を得るための電子走行層内の組成の分布はこの限りではない。電子走行層の構成は、第2の障壁層側からコレクタ層側にかけてIn組成が段階的に変化し、第2の障壁層側で高In組成のInGaAsからなり、コレクタ層との距離が近づくに従い、コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づくようにすればよい。各々のInGaAs層のIn組成と厚さは、格子不整合による格子緩和の起きない範囲で構成すれば良い。   In the present embodiment, an example is shown in which the electron transit layer is formed of InGaAs having three different In compositions. However, the composition distribution in the electron transit layer for obtaining the effect of the present embodiment is as follows. Not as long. The structure of the electron transit layer is such that the In composition changes stepwise from the second barrier layer side to the collector layer side, and is made of InGaAs with a high In composition on the second barrier layer side, and as the distance from the collector layer decreases. The In composition of InGaAs constituting the collector layer may be approached. The In composition and thickness of each InGaAs layer may be configured in a range where lattice relaxation due to lattice mismatch does not occur.

なお、In組成が高くなるにつれて、電子走行層に加わる圧縮歪みが大きくなり、臨界膜厚が低下する。電子走行層を構成するInGaAsのIn組成の上限値は、電子走行層の膜厚がIn組成で定まる臨界膜厚と一致するIn組成の値である。   As the In composition increases, the compressive strain applied to the electron transit layer increases and the critical film thickness decreases. The upper limit value of the In composition of InGaAs constituting the electron transit layer is a value of the In composition that matches the critical thickness determined by the In composition.

また、本実施の形態では、製造の容易さから、電子走行層を3層に分割し、各層で混晶組成を変化させることで階段状にポテンシャルを変化させているが、本発明は伝導帯のポテンシャルが連続的に変化する構造でも階段状のポテンシャル構造と同様の効果を得ることができるので、連続的に組成が変化する傾斜組成層で電子走行層を構成しても構わない。   In this embodiment, for ease of manufacturing, the electron transit layer is divided into three layers, and the potential is changed stepwise by changing the mixed crystal composition in each layer. Since the same effect as that of the stepped potential structure can be obtained even in a structure in which the potential of the electron transits continuously changes, the electron transit layer may be configured by a gradient composition layer in which the composition changes continuously.

また、本実施の形態では、グレーデッドエミッタ層93とスペーサ層94を、3つの異なるIn組成を有するInGaAsによって構成する例を示したが、本実施の形態の効果を得るための各層の組成の構成はこの限りではなく、エミッタ層から障壁層にかけて、エミッタを構成するInGaAsの組成から段階的にIn組成が低下する層構成となっていればよい。例えば、4層ないし5層の異なるIn組成からなるInGaAsによって、グレーデッドエミッタ層93とスペーサ層94を構成しても同様の効果は得られる。   In the present embodiment, an example in which the graded emitter layer 93 and the spacer layer 94 are composed of InGaAs having three different In compositions has been described. However, the composition of each layer for obtaining the effect of the present embodiment is shown. The configuration is not limited to this, and it is sufficient that the In composition is gradually decreased from the composition of InGaAs constituting the emitter from the emitter layer to the barrier layer. For example, the same effect can be obtained even if the graded emitter layer 93 and the spacer layer 94 are made of InGaAs having four or five different In compositions.

なお、In組成が低くなるにつれてスペーサ層94およびグレーデッドエミッタ層93に加わる引っ張り歪みが大きくなり、臨界膜厚が低下する。スペーサ層94およびグレーデッドエミッタ層93を構成するInGaAsのIn組成の下限値は、スペーサ層94とグレーデッドエミッタ層93の膜厚がIn組成で定まる臨界膜厚と一致するIn組成の値である。   As the In composition decreases, tensile strain applied to the spacer layer 94 and the graded emitter layer 93 increases, and the critical film thickness decreases. The lower limit of the In composition of InGaAs constituting the spacer layer 94 and the graded emitter layer 93 is a value of the In composition that matches the critical film thickness determined by the In composition of the spacer layer 94 and the graded emitter layer 93. .

また、本実施の形態では、エミッタ層をエミッタ層92とグレーデッドエミッタ層93の2層で構成し、各層で混晶組成を変化させることで階段状にポテンシャルを変化させているが、電子走行層の場合と同様に、ポテンシャルが連続的に変化する構造でも階段状のポテンシャル構造と同様の効果を得ることができるので、連続的に組成が変化する傾斜組成層でエミッタ層を構成しても構わない。   In the present embodiment, the emitter layer is composed of two layers of the emitter layer 92 and the graded emitter layer 93, and the potential is changed stepwise by changing the mixed crystal composition in each layer. As in the case of the layer, even if the potential is changed continuously, the same effect as that of the stepped potential structure can be obtained. Therefore, even if the emitter layer is constituted by the gradient composition layer whose composition changes continuously, I do not care.

また、参考例および第1、第2の実施の形態では、エミッタ層24,92の外側にサブエミッタ層23,91を設けているが、同様にコレクタ層30,101の外側(コレクタ層30,101と左電極4,32との間)にサブコレクタ層を設けるようにしてもよい。サブコレクタ層は、エミッタ層24,92およびコレクタ層30,101と同じ導電型を示す不純物で、かつコレクタ層30,101よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体によって構成すればよい。 In the reference example and the first and second embodiments , the sub-emitter layers 23 and 91 are provided outside the emitter layers 24 and 92. Similarly, outside the collector layers 30 and 101 (collector layers 30, 101 and the left electrodes 4 and 32) may be provided with a subcollector layer. The subcollector layer may be made of a semiconductor doped with impurities having the same conductivity type as that of the emitter layers 24 and 92 and the collector layers 30 and 101 and having a higher concentration of impurities than the collector layers 30 and 101.

また、第3の実施の形態では、参考例および第1の実施の形態で説明したRTDの構造をInGaAs/InP系の半導体材料で実現している例を示したが、第1〜第3の実施の形態で説明した伝導帯のポテンシャルの構造(バンドラインナップ)を実現できるのであれば、InGaAs/InP系以外の半導体材料を使用してRTDを製作することも可能である。 In the third embodiment , an example in which the RTD structure described in the reference example and the first embodiment is realized by an InGaAs / InP-based semiconductor material has been described. As long as the potential band structure (band lineup) described in the embodiment can be realized, an RTD can be manufactured using a semiconductor material other than an InGaAs / InP system.

本発明は、共鳴トンネルダイオード、および共鳴トンネルダイオードを使用したテラヘルツ発振器に適用することができる。   The present invention can be applied to a resonant tunnel diode and a terahertz oscillator using the resonant tunnel diode.

1,21…基板、2,31…右電極、3…絶縁体、4,32…左電極、5,6…凹部、7…凸部、8…突起部、9,20…共鳴トンネルダイオード、10…抵抗、11…直流電源、22,90…バッファ層、23,91…サブエミッタ層、24,92…エミッタ層、25,94…スペーサ層、26,27,95,97…障壁層、27,96…井戸層、29,98,99,100…電子走行層、30,101…コレクタ層、93…グレーデッドエミッタ層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Board | substrate, 2,31 ... Right electrode, 3 ... Insulator, 4, 32 ... Left electrode, 5, 6 ... Concave part, 7 ... Convex part, 8 ... Protrusion part, 9, 20 ... Resonant tunnel diode, 10 ... Resistance 11 ... DC power source 22,90 ... Buffer layer 23,91 ... Sub-emitter layer 24,92 ... Emitter layer 25,94 ... Spacer layer 26,27,95,97 ... Barrier layer 27 96 ... well layer, 29, 98, 99, 100 ... electron transit layer, 30, 101 ... collector layer, 93 ... graded emitter layer.

Claims (9)

不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなる井戸層と、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、
不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、
前記電子走行層は、前記第2の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりもく、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、
前記エミッタ層および前記スペーサ層は、前記エミッタ層の組成を層中で変化させることにより、前記第1の障壁層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが低くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
An emitter layer made of a semiconductor doped with impurities;
A spacer layer made of an electrically neutral semiconductor;
A first barrier layer serving as a barrier against electrons in each layer of the emitter layer and the spacer layer;
A well layer made of an electrically neutral semiconductor;
A second barrier layer serving as a barrier against electrons in each layer of the emitter layer and the spacer layer;
An electron transit layer made of an electrically neutral semiconductor, in which electrons flow from the emitter layer through the spacer layer, the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer;
A collector layer made of a semiconductor doped with impurities is sequentially stacked,
The electron transit layer, the second conduction band energy at the bonding surface between the barrier layer is rather higher than the conduction band energy of the collector layer, the collector layer is a conduction band energy as the distance approaches between the collector layer the closer to the conduction band energy, Ri conduction band energy at the bonding surface between the collector layer are the same as name and conduction band energy of the collector layer,
RTD said emitter layer and said spacer layer, by varying the composition of the emitter layer in the layer, said first conduction band energy as the distance approaches the barrier layer is characterized by Rukoto a low .
不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、An emitter layer made of a semiconductor doped with impurities;
電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、A spacer layer made of an electrically neutral semiconductor;
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第1の障壁層と、A first barrier layer serving as a barrier against electrons in each layer of the emitter layer and the spacer layer;
電気的に中性な半導体からなる井戸層と、A well layer made of an electrically neutral semiconductor;
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第2の障壁層と、A second barrier layer serving as a barrier against electrons in each layer of the emitter layer and the spacer layer;
電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第1の障壁層と前記井戸層と前記第2の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、An electron transit layer made of an electrically neutral semiconductor, in which electrons flow from the emitter layer through the spacer layer, the first barrier layer, the well layer, and the second barrier layer;
不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが順次積層され、A collector layer made of a semiconductor doped with impurities is sequentially stacked,
前記電子走行層は、前記第2の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、The electron transit layer has a conduction band energy at the interface with the second barrier layer that is higher than the conduction band energy of the collector layer, and the conduction band energy of the collector layer decreases as the distance from the collector layer decreases. Approaching the conduction band energy, the conduction band energy at the interface with the collector layer becomes the same as the conduction band energy of the collector layer,
前記半導体はInGaAsであり、The semiconductor is InGaAs;
前記電子走行層を構成するInGaAsは、前記第2の障壁層側でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのIn組成が前記コレクタ層を構成するInGaAsのIn組成と同じになることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。The InGaAs constituting the electron transit layer has an In composition on the second barrier layer side higher than the In composition of InGaAs constituting the collector layer, and the In composition increases as the distance from the collector layer decreases. A resonant tunneling diode characterized by approaching the In composition of InGaAs constituting the layer and having the same In composition at the junction surface with the collector layer as the In composition of InGaAs constituting the collector layer.
請求項記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記半導体はInGaAsであり、
前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するInGaAsは、前記第1の障壁層との距離が近づくに従ってIn組成が低くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode of claim 1 , wherein
The semiconductor is InGaAs;
The resonant tunnel diode, wherein the InGaAs constituting the emitter layer and the spacer layer has an In composition that decreases as the distance from the first barrier layer decreases.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、伝導帯エネルギーが階段状に変化することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode according to any one of claims 1 to 3 ,
The resonant tunneling diode according to claim 1, wherein a conduction band energy of the electron transit layer, the emitter layer, and the spacer layer changes stepwise.
請求項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode according to claim 4 ,
The electron tunneling layer and the emitter layer each include a plurality of layers.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加される場合において、基板上に前記エミッタ層、前記スペーサ層、前記第1の障壁層、前記井戸層、前記第2の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode according to any one of claims 1 to 3 ,
When a negative voltage is applied to the emitter layer and a positive voltage is applied to the collector layer, the emitter layer, the spacer layer, the first barrier layer, the well layer, the second layer on the substrate. The resonant tunnel diode is characterized in that the barrier layer, the electron transit layer, and the collector layer are stacked in this order.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加される場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第2の障壁層、前記井戸層、前記第1の障壁層、前記スペーサ層、前記エミッタ層の順に積層されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode according to any one of claims 1 to 3 ,
When a positive voltage is applied to the emitter layer and a negative voltage is applied to the collector layer, the collector layer, the electron transit layer, the second barrier layer, the well layer, the first layer on the substrate. A resonant tunneling diode comprising: a barrier layer, a spacer layer, and an emitter layer stacked in this order.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、
前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
The resonant tunneling diode according to any one of claims 1 to 7 ,
Further, the semiconductor layer is laminated outside the emitter layer so as to be in contact with the emitter layer, and has an impurity having the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and is doped with an impurity having a higher concentration than the emitter layer. A sub-emitter layer,
A sub-layer made of a semiconductor that is stacked outside the collector layer so as to be in contact with the collector layer, doped with impurities having the same conductivity type as the emitter layer and the collector layer, and having a higher concentration of impurities than the collector layer. A resonant tunneling diode comprising a collector layer.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオードと、
この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、
前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするテラヘルツ発振器。
Resonant tunnel diode according to any one of claims 1 to 8 ,
A slot antenna which is a resonator connected to the resonant tunneling diode;
A terahertz oscillator comprising a power supply for applying a bias voltage between an emitter layer and a collector layer of the resonant tunneling diode.
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