JP5686415B2

JP5686415B2 - 共鳴トンネルダイオードおよびテラヘルツ発振器

Info

Publication number: JP5686415B2
Application number: JP2012034749A
Authority: JP
Inventors: 杉山　弘樹; 弘樹杉山; 左文鈴木; 雅洋浅田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013171966A

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。

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。

微分負性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微分負性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。

ＲＴＤは、電流−電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性）における微分負性抵抗領域において発振動作する。ＲＴＤのＩ−Ｖ特性を特徴づけるパラメータとして、ピーク電流密度Ｊ_Pと、ピーク電圧Ｖ_Pと、バレー電流密度と呼ばれる微分負性抵抗領域の電流密度極小値Ｊ_V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Ｊ_P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）。

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。

最近、発明者らは、同じくＩｎＰ基板上に積層されたＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層からなるＲＴＤを用いた発振器によって、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Ｖ_P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までの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を超える高い周波数における室温発振が従来の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向上が望まれている。

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，Masahiro Asada，Atsushi Teranishi，Hiroki Sugiyama，and Haruki Yokoyama，"Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature"，Applied Physics Letter 97，242102，2010年12月13日

前記のようにＲＴＤを高速動作させるため、従来は、電子が電子走行層を走行する際に起こるΓ−Ｌバレー間散乱を抑圧するためのグレーデッドエミッタ構造により走行層の低電圧化を行ったが、Γ−Ｌバレー間散乱を完全に抑制することは出来なかった。

Γ−Ｌバレー間散乱は、ΓバンドとＬバンド間のエネルギー分離が大きいほど起こりにくくなり、電子は弾道的に走行しやすくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、Γ−Ｌバレー間散乱を抑圧し、電子走行層中の電子の走行時間を短縮することを目的とする。

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、不純物がドープされた半導体からなるグレーデッドエミッタ層と、前記エミッタ層および前記グレーデッドエミッタ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グレーデッドエミッタ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グレーデッドエミッタ層と前記第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、前記グレーデッドエミッタ層は、前記第１の障壁層に近づくに従ってバンドギャップが段階的に大きくなるような半導体からなり、前記電子走行層は、前記第２の障壁層に近い方から順に、第１の電子走行層と第２の電子走行層の少なくとも２層からなり、前記第２の電子走行層は、前記第１の電子走行層よりもΓ−Ｌバレー間エネルギー分離が大きい半導体から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、前記第１の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなり、前記第２の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＰから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構成例は、さらに、前記第１の電子走行層と前記第２の電子走行層との間に、前記第１の電子走行層のΓバンドと前記第２の電子走行層のΓバンドとの間のエネルギーのΓバンドを持ち、かつ、前記第１の電子走行層の伝導帯と前記第２の電子走行層の伝導帯との間のエネルギーの伝導帯を持つ第３の電子走行層を備え、この第３の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰから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構成例は、前記第３の電子走行層としてＩｎＡｌＧａＡｓを用いる場合、前記コレクタ層に近づくに従ってＡｌ組成が高くなり、Ｇａ組成が低くなり、前記第３の電子走行層としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合、前記コレクタ層に近づくに従ってＩｎ組成が高くなり、Ｇａ組成が低くなり、Ａｓ組成が低くなり、Ｐ組成が高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、前記グレーデッドエミッタ層、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、前記グレーデッドエミッタ層、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を備えることを特徴とするものである。

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。

本発明によれば、電子走行層を、第２の障壁層に近い方から順に、第１の電子走行層と第２の電子走行層の少なくとも２層から構成し、第２の電子走行層を、第１の電子走行層よりもΓ−Ｌバレー間エネルギー分離が大きい半導体で構成することにより、Γ―Ｌバレー間散乱を抑圧することが可能となり、電子走行層中の電子の走行時間を低減することができる。その結果、本発明では、テラヘルツ周波数帯での高い発振周波数を持つ発振器を実現することができる。

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構造を示す断面図である。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。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。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。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。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。比較用の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。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る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、不純物がドープされ、後述する障壁層に近づくに従ってバンドギャップが段階的に大きくなるような階段状バンド構造をもつ半導体からなるグレーデッドエミッタ層２５と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層２６と、サブエミッタ層２３、エミッタ層２４、グレーデッドエミッタ層２５およびスペーサ層２６の各層の電子に対して障壁となる障壁層２７と、電気的に中性な半導体からなる井戸層２８と、サブエミッタ層２３、エミッタ層２４、グレーデッドエミッタ層２５およびスペーサ層２６の各層の電子に対して障壁となる障壁層２９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とグレーデッドエミッタ層２５とスペーサ層２６と障壁層２７と井戸層２８と障壁層２９とを経て電子が流れ込む電子走行層３０と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層３１とが、基板２１上に順次積層された構造からなる。

ＲＴＤ２０は、下側に位置する右電極３２と上側に位置する左電極３３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３１は、右電極３２と左電極３３のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極３２からエミッタ層２４までの寄生抵抗成分、左電極３３からコレクタ層３１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。

本実施の形態では、電子走行層３０の組成を層中で段階的に変化させることにより、障壁層２９にヘテロ接合している電子走行層３０の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、障壁層２９との接合面での電子走行層３０のポテンシャルがコレクタ層３１のポテンシャルよりも低く、コレクタ層３１に近づくに従ってポテンシャルがコレクタ層３１のポテンシャルに近づきΓ−Ｌバレー間エネルギー分離が段階的に大き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、Γ−Ｌバレー間散乱の抑圧が可能となり、電子走行層中の電子の走行時間を低減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、グレーデッドエミッタ層２５の組成を層中で変化させることにより、グレーデッドエミッタ層２５の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、障壁層２７に近づくに従ってグレーデッドエミッタ層２５のポテンシャルが高くなりバンドギャップが段階的に大き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。

［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、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２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−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）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−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）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−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）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−Ｉｎ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓおよびｎ−Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ）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−Ｉｎ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ）からなるスペーサ層９４と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる障壁層９５と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）からなる井戸層９６と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる障壁層９７と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）からなる電子走行層９８と、アンドープインジウムアルミニウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ_0.53Ａｌ_0.05Ｇａ_0.42Ａｓ）からなる電子走行層９９と、アンドープインジウムアルミニウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ_0.53Ａｌ_0.1Ｇａ_0.37Ａｓ）からなる電子走行層１００と、アンドープインジウムアルミニウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ_0.53Ａｌ_0.15Ｇａ_0.32Ａｓ）からなる電子走行層１０１と、アンドープインジウム燐（ｕｎ−ＩｎＰ）からなる電子走行層１０２と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓおよびｎ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）からなるコレクタ層１０３とが、基板１上に順次積層された構造からなる。

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１０３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１０３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。

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、障壁層９５、井戸層９６、障壁層９７、電子走行層９８、電子走行層９９、電子走行層１００、電子走行層１０１、電子走行層１０２、コレクタ層１０３の厚さは、それぞれ２００ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、５ｎｍ、２ｎｍ、１．２ｎｍ、４．５ｎｍ、１．２ｎｍ、２．５ｎｍ、２．５ｎｍ、２．５ｎｍ、２．５ｎｍ、１５ｎｍ、２３ｎｍである。ＩｎＰからなる電子走行層１０２の厚さは、全電子走行層９８〜１０２の厚さの１／２以上とすればよい。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−Ｉｎ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓと厚さ２．５ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓの２層からなる。コレクタ層１０３は、基板１に近い方から順に、厚さ１５ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓと厚さ８ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓの２層からなる。

サブエミッタ層９１のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は約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、ドーピング濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3、コレクタ層１０３のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は約２×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

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３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３に示すテラヘルツ発振器では、インジウム燐（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。

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。

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３のＤ）は４μｍ程度、凸部７の幅（図３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。

図４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４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５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５において、Ｇ_RTDはＲＴＤ９の抵抗成分、Ｇ_ANTはスロットアンテナの抵抗成分、Ｃ_RTDはＲＴＤ９のキャパシタンス成分、Ｃ_ANT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。

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３、図５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（Ｃ_RTD＋Ｃ_ANT）｝^1/2］となる。

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２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９９〜１０２を省いた試料Ｂのパラメータも示す。

図６は、図２に示したＲＴＤ構造を有する試料Ａの発振器としての動作電圧付近での伝導帯Γバンドプロファイルを計算した結果を示す図、図７は、同様に試料Ｂの発振器としての動作電圧付近での伝導帯Γバンドプロファイルを計算した結果を示す図である。電子走行層については、Ｌバンドプロファイルも併せて示している。なお、表１から明らかなように、図６における電子走行層とは、電子走行層９８〜１０２であり、図７における電子走行層とは、電子走行層９８であることは言うまでもない。図６、図７の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９１に負の電圧を印加し、コレクタ層１０３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１０３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。

図７に示した比較用の試料Ｂよりも図６に示した本実施の形態の試料Ａの方が、電子走行層１０２を形成するＩｎＰによって電子走行層のΓ−Ｌバレー間エネルギー分離が大きくなっていることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、ＲＴＤにおいて、電子走行層を、電子走行層９８〜１０２の５層で構成し、うち電子走行層１０２をΓ−Ｌバレー間エネルギー分離の大きいＩｎＰで構成することにより、Γ−Ｌバレー間散乱の抑圧が可能となり、電子走行層中の電子の走行時間を低減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。

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、電子走行層９８〜１０２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１０３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、電子走行層９８〜１０２を二重障壁部分よりも基板側に設ければ良い。つまり、図２において、エミッタ層９２から電子走行層１０２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。

なお、本実施の形態では、電子走行層９９〜１０１をＩｎＧａＡｌＡｓによって構成したが、これらの層を構成する材料はこの限りではない。電子走行層９９〜１０１は、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓからなる電子走行層９８のΓバンドとＩｎＰからなる電子走行層１０２のΓバンドとの間のエネルギーのΓバンドを持ち、かつ、電子走行層９８の伝導帯と電子走行層１０２の伝導帯との間のエネルギーの伝導帯を持つ層であればよい。具体的には、例えばＩｎＧａＡｓＰを電子走行層９９〜１０１として用いても良い。例えば、電子走行層９９をＩｎ_0.58Ｇａ_0.42Ａｓ_0.9Ｐ_0.1によって構成し、電子走行層１００をＩｎ_0.68Ｇａ_0.32Ａｓ_0.7Ｐ_0.3によって構成し、電子走行層１０１をＩｎ_0.79Ｇａ_0.21Ａｓ_0.45Ｐ_0.55によって構成しても、本実施の形態と同様の効果が期待できる。

また、本実施の形態では、電子走行層を、電子走行層９８〜１０２の５層で構成したが、電子走行層９９〜１０１を省いてもよく、電子走行層９８と１０２の少なくとも２層があればよい。

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。

１，２１…基板、２，３２…右電極、３…絶縁体、４，３３…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、２５，９３…グレーデッドエミッタ層、２６，９４…スペーサ層、２７，２９，９５，９７…障壁層、２８，９６…井戸層、３０，９８〜１０２…電子走行層、３１，１０３…コレクタ層。

Claims

不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
不純物がドープされた半導体からなるグレーデッドエミッタ層と、
前記エミッタ層および前記グレーデッドエミッタ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グレーデッドエミッタ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グレーデッドエミッタ層と前記第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、
前記グレーデッドエミッタ層は、前記第１の障壁層に近づくに従ってバンドギャップが段階的に大きくなるような半導体からなり、
前記電子走行層は、前記第２の障壁層に近い方から順に、第１の電子走行層と第２の電子走行層の少なくとも２層からなり、
前記第２の電子走行層は、前記第１の電子走行層よりもΓ−Ｌバレー間エネルギー分離が大きい半導体からなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
請求項１記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記第１の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなり、
前記第２の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＰからなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
請求項２記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
さらに、前記第１の電子走行層と前記第２の電子走行層との間に、前記第１の電子走行層のΓバンドと前記第２の電子走行層のΓバンドとの間のエネルギーのΓバンドを持ち、かつ、前記第１の電子走行層の伝導帯と前記第２の電子走行層の伝導帯との間のエネルギーの伝導帯を持つ第３の電子走行層を備え、
この第３の電子走行層は、電気的に中性なＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
請求項３記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記第３の電子走行層としてＩｎＡｌＧａＡｓを用いる場合、前記コレクタ層に近づくに従ってＡｌ組成が高くなり、Ｇａ組成が低くなり、
前記第３の電子走行層としてＩｎＧａＡｓＰを用いる場合、前記コレクタ層に近づくに従ってＩｎ組成が高くなり、Ｇａ組成が低くなり、Ａｓ組成が低くなり、Ｐ組成が高くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
請求項１乃至４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、前記グレーデッドエミッタ層、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。
請求項１乃至４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、前記グレーデッドエミッタ層、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。
請求項１乃至６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を備えることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
請求項１乃至７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。