JPH01171280A - 共鳴トンネルバリア素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 共鳴トンネル効果を利用する共鳴トンネルツマ１ノア素
子に関し。

ＲＴＢダイオードのピーク電流を与える電圧ｖｐを低電
圧側へ大きくシフトさせ、素子のノイズマージンを大き
クシ、素子の使用範囲を広くすることを目的とし。

ＩｎｘＧａ＋−ｘＡｓ（０，４≦ｘ≦１）からなる第１
の半導体層と、核層の両側にＧａＸＡ１＋−ｘＡｓｙｓ
ｂ＋−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第２の半
導体層と。

これらの層の両側にＩｎ、Ｇａ、−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第３の半導体層と
が積層されてなる構造を有するように構成する。

あるいは＋　１ｎ）（Ｇａ＋−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）か
らなる第１の半導体層と、核層の両側に ＧａｘＡｌｌ−ｘＡｓｙｓｂ＋−ｙ　（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１）からなる第２の半導体層と、これらの層の両
側ＧこＩｎＰからなる第３の半導体層とが積層されてな
る構造を有するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は共鳴トンネル効果を利用する共鳴トンネルバリ
ア素子に関する。

近年＋　ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のへテロ接合を用い
た二重障壁構造（共鳴トンネルバリア構造）の研究が盛
んに行われている。

この二重障壁構造を用いた共鳴トンネルバリア（ＲＴＢ
）ダイオードは、電流−電圧特性が良好な負性微分抵抗
特性を示すことから、ダイオード単体では高周波発振素
子として使用できるほか、トランジスタのエミッタにこ
の二重障壁構造を使った共鳴トンネリングホットエレク
トロントランジスタ（Ｒ１１ＥＴ）等の新機能素子の基
本構造としても使われている。

〔従来の技術〕 第３図は従来のＲＴＢダイオードの模式断面図である。

図において、１１は半絶縁性（ＳＩ）−ＧａＡｓ基板。

１２〜１６は共鳴トンネルバリア構造 Ａｌｏ、　ｚｚＧａｏ、　＆？ＡＳ層１３／ＧａＡｓ層
１４／Ａｌ＋１．　ｚｓＧａｏ、　ａＪｓ層１５を含む
次のような半導体層、１７は保護絶綾層で５ｉ０２層、
　１８．１９は電極である。

図番　　層　　　　不純物濃度　　　厚さ（ｃｍ−”）
　　　　　　（人） １６　　　ｎ−ＧａＡｓ’　　　ｌＢ１８　　　　　３
０００１５　　　ＡｌＧａＡｓ　　　アンドープ　　　
５０１４　　　ＧａＡｓ　　　　アンドープ　　　５０
１３　　　ＡｌＧａＡｓ　　　アンドープ　　　　５０
１２　　　　　ｎ−ＧａＡｓ　　　　　　　　ｌＢ１８
　　　　　　　　　５０００このような＋　ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系のへテロ接合を用いたＲＴＢダイオード
は負性微分抵抗特性のピーク電流値ＪＰ、およびピーク
電流とバレー電流の比Ｊ、　／　Ｊｖがあまり大きくな
いという問題があり。

その応用範囲が限定されていた。

そこで、これを改善するためにＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ。

Ａ　ＩＡｓ／　ＩｎＧａＡｓ等の系を使ったＲＴＢダイ
オードが開発された。

特に、　ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ではＪ、、とＪ、　
／　Ｊ。

の値は殆どの応用に対して問題がないが、ピーク電流を
与える電圧値ＶｐがＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系に比べて
かなり大きいためにＲＨＥＴを用いたメモリや、フリッ
プフロップへの応用に対しては、ノイズマージンが小さ
くなるという欠点があった。

因に８各系の素子の負性微分抵抗特性の概略は次の通り
である。

組成　　　　ＪｐＪ、／ＪｖＶｐ （Ａｃｍ−”）　　（室温＞　　（７７Ｋ）　　（Ｖ）
Ａ　ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ 〜２　Ｘ　１０’　　〜１．１　〜３〜０．２ＩｎＡ１
八ｓ／ＩｎＧａＡｓ ≦６　Ｘ　１０’　　〜５　〜１０　〜０．７（Ｇａ）
ＡＩＡｓ（Ｓｂ）／ＩｎＧａＡｓ〜Ｉ　Ｘ　１０’　　
〜１０２０〜３０　〜１．０第４図（１１，（２）はＩ
ｎＡ　ＩＡｓ／　ＩｎＧａＡｓ系のバンド構造図とＲＴ
Ｂダイオードの電流−電流特性の模式図である。

バンド構造図は直接動作に関与する伝導帯底Ｈｅについ
て示す。

電流−電圧特性は負性微分抵抗を示すＮ字型時２であり
ｒ　　ｖ、を低電圧側にシフトして負荷線上における低
電圧側の安定点を引き下げることが。

素子使用上のノイズマージンを太き（とれることになる
。

この系の＋　　Ｖｐを低電圧側にシフトさせるための試
みは未だ行われていない。

■、を低電圧側にシフトさせるための従来の試みは、　
ＡｌＧａＡｓ１ＧａＡｓ系において、二重障壁層の間の
ウェル層をＧａＡｓの代りにＩｎ、Ｇａｔ−Ｊｓ（ｘ＜
０．２）を用いてｖｐを制御していた例がある。

第５図（１１，（２１にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のバ
ンド構造図とＲＴＢダイオードの電流−電流特性の模式
図を示し、（ａ）はウェル層をＩｎ、Ｇａｔ−ｘＡｓ（
ｘ＜０．２）とした場合、（ｂ）はウェル層をＧａＡｓ
とした場合である。

しかし、この方法によると、格子不整合の問題からＩｎ
を上記の混晶比以下にしなければならず。

■、のシフト量はあまり大きくできず０．２　Ｖ程度で
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記の負性微分抵抗特性に示されたようにＩＪｐ、　Ｊ
、　／　Ｊｖ値が大きく良好な負性微分抵抗特性を持つ
（Ｇａ）ＡＩＡｓ（Ｓｂ）／ＩｎＧａＡｓ系のＶｐは大
きく素子のノイズマージンが小さいため＋　　Ｖｐを低
電圧側にシフトさせることが素子実用化の問題点である
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点の解決は。

ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０，４≦ｘ≦１）からなる第１
の半導体層と、核層の両側に ＧａＸＡｌ＋−ＪｓｙＳｌｇ−ｙ　（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１）からなる第２の半導体層と、これらの層の両側
にＩｎ、ｔＧａｒ−ｘＡｓｙｓｂｒ−ｙ　（０≦ｘ≦１
，０≦ｙ≦１）からなる第３の半導体層とが積層されて
なる構造を有する共鳴トンネルバリア素子、あるいはＩ
ｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１の半導
体層と、核層の両側にＧａＸＡ１＋−ｘＡｓｙｓｂｒ−
ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第２の半導体層
と。

これらの層の両側にＩｎＰからなる第３の半導体層とが
積層されてなる構造を有する共鳴トンネルバリア素子に
より達成される。

〔作用〕

本発明は、ウェル層をＩｎ、Ｇａ、−Ｊｓ、二重障壁層
をＧａｇＡ１＋−ｘＡ！１ｙｓｂｔ−ｙ　＋　そしてそ
の両側のコンタクト層をＩｎ、Ｇａ、ｘＡｓ、Ｓｂ、−
、またはＩｎＰとし、これら４元混晶の組成を制御する
ことによって格子不整の問題が無視できる範囲でＶｐを
大きくシフトできるようにしたものである。

上記のうち、コンタクト層が Ｉｎ、Ｇａ　Ｉ　−ｘＡｓ、Ｓｂ＋　−ｙ　（ｘ　〜０
．２６＋　ｙ　〜０．７６）またはＩｎＰの層構造を用
いると、二重障壁層の両側のコンタクト層とウェル層の
伝導帯の不連続値ΔＥ（両層の伝導帯底の差）が０．２
５　ｅＶであり、従って、ｖ、の低電圧側へのシフト量
は約０．５ｖと大きな値が得られる。

これは、バリアが二重障壁であるため９片側のコンタク
ト層の伝導帯底を前記不連続値ΔＥだけ引き上げるため
には、二重障壁両端には約２ΔＥのバイアス電圧を必要
とするからである。

また、コンタクト層がＧａＡｓ、Ｓｂ＋−ｙ　（ｙ〜０
．４９）の場合にはさらに大きなシフトが得られる。

従来例のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＲＴＢ素子ではウェ
ル層のＩｎｘＧａ、−ｘＡｓはＧａＡｓに対する格子整
合の理由からｘ＜０．２であり、従って伝導帯底の不連
続値ΔＥを大きくすることができなかったが２本発明で
はコンタクト層に４元結晶を用いて組成を制御すること
により、またはＩｎＰを用いることにより。

コンタクト層に格子整合するウェル層のＩｎ、Ｇａ＋−
ｘＡｓは０．４≦ｘ≦１とＸ値を大きくしてｖｐシフト
景を増やすことができるようになった。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例によるＲＴＢダイオードの模
式断面図である。

図において、１はＩｎＰ基板、　ＬＡは厚さ５００．０
人のＩｎｏ、　５３Ｇａｏ、　４７ＡＳバッファ層、２
〜６は共鳴トンネルバリア構造 ＡｌＡｓ　（ＧａｘＡｌ＋−ＸＡ５ｙｓｂｌ−ｙ　（Ｘ
＝０＋　３’＝１））層３／　Ｉｎｏ、　５ｚＧａｏ、
　４７ＡＳ層４　／ＡｌＡｓ層５と、その両側にコンタ
クト層としてＩｎｏ、　ｚｂＧａｏ、　？４Ａ３（１，
ｙｂｓｂｏ、　２４層２．６が積層された次のような半
導体層、７は保護絶縁層でＳｉｎ、層、８，９は電極で
厚さ２０００人７３００人のＡｕ／ＡｕＧｅ層である。

図番　　層　　　　不純物濃度　　　厚さ（ｃｍ−″）
　　　　　　（人） ６　　　ｎ−１ｎＧａＡｓＳｂ　　ＩＥＩ８　：Ｓｉ　
　　　１０００５　　　ＡｌＡｓ　　　　アンドープ　
　　２０４　　１ｎＧａＡｓ　　　アンドープ　　　３
８３　　　ＡｌＡｓ　　　　アンドープ　　　２０２　
　　ｎ−１ｎＧａＡｓＳｂ　　ＩＥ１８　：Ｓｉ　　　
　１０００基板上の各層は１例えば分子線エピタキシャ
ル成長（ＭＢＥ）法による。

第２図は実施例による（Ｇａ）ＡＩＡｓ（Ｓｂ）／Ｉｎ
ＧａＡｓ系のバンド構造図である。

この場合は、二重障壁層の両側のコンタクト層２．６と
ウェル層４の伝導帯の不連続値が０．２５ｅＶであり、
従ってｌ　　Ｖｐシフト景は約０．５　Ｖとなる。

実施例ではバリア層は薄いためにＩｎＰに格子整合しな
いＡｌＡｓを用いてバリアを高くしたが！、これの代わ
りに多少バリアは低くなるがＩｎＰに格子整合するＧａ
ｏ、　１ｓＡｌｏ、　３ｓＡｓｏ、　４ｇ５ｂ（、、８
１を用いてもよい。

次に、他の実施例について説明する。

第１図の実施例では、コンタクト層にＩｎＧａＡｓ５ｂ
４元混晶を用いたが、これの代わりにＩｎＰに格子整合
するＧａＡｓ、、１．Ｓｂｏ、５＋　（ｒｎｘｃａｌ−
ｘＡｓｙｓｂｌ−ｙ（ｘ＝０．　ｙ＝０．４９）　）　
、またはＩｎＰを用いても、上記伝導帯の不連続値はそ
れぞれ０．５．０．２５　ｅＶ程度の値が得られる。

上記のいずれの実施例においても、基板はＩｎＰを用い
たが、その他の結晶を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、Ｊ、。

Ｊ、　／　Ｊｖ値が大きく良好な食性微分抵抗特性を持
つ（Ｇａ）ＡＩＡｓ（Ｓｂ）／ＩｎＧａＡｓ系のＲＴＢ
ダイオードのピーク電流を与える電圧Ｖ、を、低電圧側
へ約０．５ｖと大きな値でシフトできる。

従って、素子のノイズマージンを大きくとれ。

素子の使用範囲を広くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるＲＴＢダイオードの模
式断面図。 第２図は実施例による（Ｇａ）ＡＩＡｓ（Ｓｂ）／Ｉｎ
ＧａＡｓ系のバンド構造図。 第３図は従来のＲＴＢダイオードの模式断面図。 第４図（１）、　（２１はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
系のバンド構造図とＲＴＢダイオードの電流−電流特性
の模式図。 第５図（１１，（２）はＡ　ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の
バンド構造図とＲＴＢダイオードの電流−電流特性の模
式図である。 図において。 ■は■れＰ基板。 ＩＡはバッファ層でＩｎＧａＡｓ層。 ２はコンタクト層でＩｎＧａＡｓＳｂ層。 ３はバリア層で（Ｇａ）ＡＩＡｓ　（Ｓｂ）層。 ４はウェル層でＩｎＧａＡｓｊｉ。 ５はバリア層で（Ｇａ）ＡＩＡｓ（Ｓｂ）層。 ６はコンタクト層でＩｎＧａＡｓＳｂ層。 ７は保護絶縁層でＳｉ０２層。 ８．９は電極でＡｕ／ＡｕＧｅ層 プ巳施イ列ｆ）ＲＴＢｆ）断冴行し１ 察１　図 大７Ｆｊ！オタ゛工の／Ｘ’ンド構企−図嘉２図 従層イ列の断面Ｚ 察３　図 （１）ハ゛〉トイ訴１　　　　　　（２）　キテ小主ｒ
ｎＡＩ２　Ａｓ／　Ｉｎ　Ｇｔｚ　Ａｓ　Ｓ、　ＲＴ　
ｆ３第　４−　阿 （１）ハ″ンド、ネノ〜−５１梅−（２）特斗東ＡＩ（
３αＡ拘αＡｓ系ＲＴＢ 第５圀

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｉｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０．４≦ｘ≦１
   ）からなる第１の半導体層と、該層の両側にＧａ＿ｘＡ
   ｌ＿１＿−＿ｘＡｓ＿ｙＳｂ＿１＿−＿ｙ（０≦ｘ≦１
   、０≦ｙ≦１）からなる第２の半導体層と、これらの層
   の両側にＩｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ＿ｙＳｂ＿１＿
   −＿ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第３の半導
   体層とが積層されてなる構造を有することを特徴とする
   共鳴トンネルバリア素子。
2. （２）Ｉｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）か
   らなる第１の半導体層と、該層の両側にＧａ＿ｘＡｌ＿
   １＿−＿ｘＡｓ＿ｙＳｂ＿１＿−＿ｙ（０≦ｘ≦１、０
   ≦ｙ≦１）からなる第２の半導体層と、これらの層の両
   側にＩｎＰからなる第３の半導体層とが積層されてなる
   構造を有することを特徴とする共鳴トンネルバリア素子
   。