JPH02292832A - 共鳴トンネリング半導体デバイス - Google Patents

共鳴トンネリング半導体デバイス

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JPH02292832A
JPH02292832A JP2067396A JP6739690A JPH02292832A JP H02292832 A JPH02292832 A JP H02292832A JP 2067396 A JP2067396 A JP 2067396A JP 6739690 A JP6739690 A JP 6739690A JP H02292832 A JPH02292832 A JP H02292832A
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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】 A.産業上の利用分野 この発明は、一般的にはスイッチングや増幅などの輸送
的な適用技術に有用であるとともに、レーザーの形成や
光検出などの電気光学的適用技術にも有用であるような
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。
特に、本発明は、中心ポテンシャル井戸が、共鳴トンネ
リング障壁の外側の層とは反対の導電型からなっている
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。その中心ポ
テンシャル井戸は,輸送的な適用技術においては三端子
デバイスのベースとして働き、電気光学的適用技術にお
いては電気光学的デバイスの輻射応答性または輻射放出
性の部分として働く。
B.従来技術 2つの障壁の間の量子井戸を通過する共鳴トンネリング
(resoncmt tunneling)が観察され
るようになってから、三端子半導体デバイスが明確に概
念化された。しかし、電子のみを扱うという従来の発想
では、概念的に有用な構造を与えるという点でも、技術
的に中心の薄い量子井戸に接点を設けるという点でもさ
まざまな困難に行きあたる。
障壁を通過する共鳴トンネリングの原理は、Appli
ed Phys.tett.,Vo1.24,&12、
1974年6月15日刊に記載されている。簡単に述べ
ると、この論文は、2つのGaAQAs障壁の間にはさ
まれた薄いGaAs層をもつ二重障壁構造において電子
の共鳴トンネリングを観察したことを記述している。そ
の共鳴は、ポテンシャル井戸の準定常状態付近における
トンネリング電流のピークとしてあらわれる。その構造
は、きわめてなめらかな膜と界面を形成する分子線エピ
タキシにより製造される。
I BM  TDB (Technical Disc
losureBulletin),Vol. 27, 
Na 5,October, 1984には、本発明の
構造にある程度類似した調整可能共鳴トンネリング半導
体デバイスが開示されている。しかしながら、このIB
M  TDBの共鳴トンネリング半導体構造については
、幾つかの重大な相違が存在する。即ち、その構造の動
作における困難即ち欠陥に関するものである。第1の相
違は、そのTDBの構造における最後の層がn” (n
+は高ド一プトn型半導体)であり、一方、本発明にお
けるそれらの層は単にnである点である。
+ n ドーピングの容認されている定義は、フェルミ・レ
ベル(前記IBMTDBの第3図において破線で示され
ており、本願の第1図では一点鎖線で示されている。)
が。伝導帯端よりも上に位置するということである。一
方、nドーピングにおいては、フェルミ・レベルは、本
願の第1図からわかるように、伝導帯端よりも下に位置
している。逆に、P+ドーピングについては、フェルミ
・レベルが価電子帯端よりも下に位置しており、方、P
ドーピングでは、フェルミ・レベルは価電子帯端よりも
上に位置している(前記IBM  TDBの第3図及び
本願の第1図を参照のこと)。
+ 前記IBM  TDBのn ドーピングは、4x101
8c″″3として与えられているし、一方、本発明にお
けるnドーピングは1o16乃至1017cm−’とし
て定義される。前記IBM  TDBの4×10 ”C
!II−’のドーピングは、ドナーの最大数であり従っ
て非常にドープされている(Hilsum及びRose
−InnesによるSEMICONDUCTINGm−
IVCOMPOUND S , Pergamon P
ress,1961参照のこと)., さらに、最後の層がn+よりもむしろnであるというこ
とが、非常に重要である。本発明では,最上部から3ベ
ース層への合金貫通P接点は、成されて,接点とエミッ
タとの間の電流を妨げる。
さもなければ、前記IBM  TDBにおけるよう+ 
   + に、接合は高導電性のP  −n  トンネル・ダイオ
ードである。このために、大きな横方向電流が、n+層
の基体を通ってベース及びエミッタの接点間を流かれる
。このことは、特に、前記IBMTDBにより開示され
たベースへの拡散接点を考えれば、間違いない。そのI
BM  TDBの構造では,拡散プロセスの結果として
のより大きな濃度の不純物即ちアクセプタのために、拡
散接点の上層が下層よりもより導電性になる。ベース電
極は制御の点で多少の難点があるので、デバイスは動作
上の問題即ち機能しないものになってしまう。
前記IBM  TDB (第4図)についての第2の重
要な相違点は、中心量子井戸への接点がP+拡散によっ
て形成されていることである。本発明では、量子井戸へ
のリーチ・スルー電気接点は、量子井戸と同じ型の半導
体物質で合金形成することにより形成されている。これ
によって、当分野における実際に重要な問題が解決され
る。当分野ではその困難な問題に対する解決策を見出す
べく苦心してきたのだが,2つの他の層を貫通させて薄
い中心井戸領域に達するように合金化接点を用いること
により、共鳴トンネリング構造において重大な進歩がも
たらされる。合金化接点は、前記IBM  TDBの拡
散接点とは異なる。拡散は、800乃至1000℃のよ
うな高温で実質的な時間の間、行なわれなければならな
い。拡散は、厚いデバイスでは大丈夫であるが、しかし
、本発明による薄い共鳴トンネリング構造においては界
面のアブラプトネス(abruptness)を全く破
壊することになる。
+ 第3の重大な相違は、中間ベース層のP ドーピングが
最大ドーピングレベルである10”cm一゛である点で
ある.P+の最大ドーピングによって、中間ベース層中
に不純物の濃い層が導入される。このために、それらを
通って移動する電子が大変分散することになり、非干渉
性の電子の波動関数が伝えられることになる。一方、こ
れに反して、本発明では、1016乃至10”CI″″
3のドーピングレベルにある中間ベース層のPドーピン
グは、不純物のそのような濃い暦を導入しないので,電
子の分散は非常に少なく、また実質的に干渉性の電子の
波動関数がそれらを通って伝えられることになる。
米国特許第4438447号に示されている構造は、垂
直の多重電気光学的構造であるという点でのみ幾分か本
発明に関連がある。さらに詳しく述べると、この米国特
許は、LSI回路上に通常存在する長い電気的結線が光
学的導波層で置き換えられているような電気光学的集積
回路を開示する。これにおいては、単一の基板上に複数
のエビタキシャル層が成長され、そのエビタキシャル層
のうちの少くとも三層は、光源と、検出器と、導波路に
適合するバンド・ギャップをもつように成長されている
。これらの主要な層は、隣接するその主要な層のどれよ
りも大きいバンド・ギャップをもつ障壁層により互いに
離隔されている。そして、基板に隣接する層のうち2つ
は、電気信号を光源層に結合するために使用できるよう
に電気的デバイスを適応させ、光学的検出暦によって与
えられた電気信号を増幅するように成長されている。
しかし、上述の従来技術は、層とは垂直に電子を輸送す
ること、特に本発明の共鳴トンネリング半導体構造を開
示または教示するものではない。
C.発明が解決しようとする問題点 この発明の主な目的は、障壁の外の2つの外部層の導電
型とは反対の導電型をもつ中心ポテンシャル井戸を利用
する共鳴トンネリングの原理に基づき動作する半導体デ
バイスを提供することにある。 この発明の他の目的は
、輸送的な適用技術のみならず電気光学的変換の適用技
術にも有用な三端子共鳴トンネリング半導体デバイスを
提供することにある. D.問題点を解決するための手段 本発明は、第1及び第2の半導体結晶の障壁によって隔
てられた、同一導電型の第1及び第2の半導体結晶の層
によって構成される.さらに、第1及び第2の障壁の間
には反対の導電型半導体結晶の量子井戸が存在する。そ
して、第1及び第2の障壁で順次的にトンネリングが生
じることによって、導電が起こる。
この種の構造に関連する一つの問題として量子井戸に延
出する電気的接点を形成するということがある.本発明
は、中心ポテンシャル井戸とじて同一の導電型の半導体
物質の接点を形成することによってこの問題に新規な解
決策を与える。すなわち、その接点は第1及び第2の障
壁の外側の半導体結晶の層に対しては反対の導電型の半
導体物質であり、これによってそれらの間の電気的導通
が防止される。以てこの手段は、半導体物質の層に電流
を生じさせることなく接点が半導体物質の層の一方また
は他方に物理的に接触することを可能ならしめる。
尚,同一導電型半導体結晶の第1及び第2の層は、量子
井戸が反対のp型またはn型の半導体結品である限り、
n型またはp型の半導体結晶のどちらでもよい。
以下で開示される、ガリウム・アルミニウム砒素化合物
を用いた実施例では、第1及び第2の層はGa    
 AQ  A  半導体結晶であり、第1−x2  x
2 s 1及び第2の障壁はnGa     AQ  A  半
1−X,X,s 導体結晶であり、量子井戸はpGaよーx1AQ八 半
導体結晶である。
S 共鳴トンネリング・デバイスは輸送スイッチング機能に
使用することができる。この場合、同一導電型半導体結
晶の第1及び第2の層がコレクタとエミッタを形成し,
量子井戸がベースを形成する。そして、ベースに加えら
れる電圧がしきい値電圧に等しいときに、デバイスは導
電性になりエミッタとコレクタの間で電気的導通がはか
られる。
この共鳴トンネリング・デバイスはまた輸送増幅機能に
も使用することができ、この場合ベースに加えられた電
圧がエミッタとコレクタの間の増幅機能を決定する。
共鳴トンネリング・デバイスまた、電気光学的検出機能
にも使用することができる。この場合、量子井戸に入射
する輻射の量が同一導電型の半導体結晶からなる第1及
び第2の層の間の電流を決定する。
さらに、共鳴トンネリング・デバイスは、電気光学的レ
ーザー機能にも使用することができる。
この場合、量子井戸から放出された輻射の量は、同一導
電型の半導体結晶からなる第1及び第2の層の相対的電
圧によって決定される。
E.実施例 本発明は、共鳴トンネリングという現象に基づく、一般
的には三端子デバイスである半導体デバイスに関する。
これらのデバイスは、異なる動作条件の下で輸送及び光
電気的動作のためのさまざまな機能を実行するために利
用できるように、適当な厚さとドーピングレベルをもつ
物質のエビタキシャル層から形成される。特に関心が寄
せられるのは高速スイッチングまたは増幅と、効率的な
光放出及び検出の適用例である。
さて、第1図を参照すると、半導体ポテンシャル井戸が
配置される中心領域10は、2つの共鳴トンネリング障
壁14の外側に位置付けられている半導体/il2とは
反対の導電型であり、これにより.電子が障壁14をト
ンネル通過することができる.輸送的な適用技術におい
ては、中心ポテンシャル井戸が三端子デバイスのベース
として働き、電気光学的適用技術においては、中心ポテ
ンシャル井戸が光応答性または光輻射部分として働くこ
とになる。第1図に示す実施例では、デバイスは、緩衡
基板16と表面層18の間の、nGa     AQ 
  As、ドープされていない1−x,   X, Ga    AI2  As,pGa    AQ  
As1−x,   X3      1−X,   x
エドープされていないGa     AQ  As、1
−x3X3 nGa     AQ   Asという5M中に形成さ
1−x2  X2 れ,pベースへリーチ・スルー接点(第1図には図示し
ない)が設けられる。
第1図の構造においては、井戸は組成xi(xはGaA
QAs中のAΩの合金組成をあらわす)と幅d1をもつ
p型であり、外側の層は組成x2と幅d2をもつn型で
あり、障壁は組成x3と帳d3をもちドープされていな
い。このときの必要条件は、x 1 < x 2 < 
x 3であり、d1とd3は50人のオーダーである。
幅d2の大きさは厳密でなくともよい。n接点は例えば
分子線エピタキシなどの慣用的な方法で、構造全体が成
長されるn基板16からと、その表面上のx2/ilに
形成することができる。pm10には、導電型に基づく
選択的エッチングによって接点を形成することができる
が、しかし、後で第6図に関連してより詳しく説明する
ように、量子井戸として同一の型の半導体物質の接点を
形成するべく表面を介して合金化を施すことによって接
点を形成する方が好ましい。
物質12についてはX2をそして物質1oについてはx
1をX z > xエて用いることが必要な条件である
。輸送デバイスについては、表面から中心G a 1 
 . . A Q x. A s jllへのオーミッ
クp接点によって、外側のn層(Ga    AQ  
As)1−X2 x2 及び障壁の真性層(Ga     AQ  As)1−
X,X3 (第6図参照)の両方に対する接点が形成されることに
なる.真性層は、導電性でないので、何ら問題を生じな
い.しかしながら、njlへの接点は,p−nブロッキ
ング接点についてさえも不所望の漏れ電流を起こしてし
まう,この問題は、x,)XエであるGa     A
Ω  Asのようなより1−X2  X2 幅広いエネルギー・ギャップの物質を用いることによっ
て緩和され得る。光電気デバイスについては、必要条件
x2)x,は、層12中での吸収又は再吸収なしに光が
層1oまで通って達するのには本質的である。
薄い中心井戸領域に達するために2つの他の層を貫通す
るように合金化説点を用いることが,共鳴トンネリング
構造においてはことごとく観察されなければならない。
先行技術では、この問題に対する解決策を見出す苦心が
なされていたのであるが。食刻及び停止の技術は,冗長
であり、非常に薄い中心層を考慮すると特に最も簡潔と
は言い難い。それはまた、構造体の平坦性を壊す。その
平坦性は、デバイスのアレイにとっては特に重要である
。さらに、合金化接点は、拡散接点とは異なっており、
拡散は高温で実施されなければならない。拡散は、厚い
デバイスについては大丈夫であるが、しかし、本発明に
おけるような薄い共鳴トンネリング構造においては界面
のアブラプトネスを全く破壊することになる。
共鳴トンネリングの本質は、x.dなどの条件に依存す
る特定のエネルギーで井戸に準定常量子状態を形成する
ことにある。典型的には、最も低いエネルギー状態は1
0−100meVであり、それらの状態の間にほぼ同一
の間隔でエネルギー状態が存在する。というのは、その
ような状態は一般的には2つ以上形成され得るからであ
る。このことは第1図に水平線によって、電子の場合と
正孔の各々の場合に示されている。しかし、ここでは電
子の場合のエネルギー状態のみが関与する。
量子状態は、障壁の間に電子トンネリングの効率的なチ
ャネルを与える。これらのエネルギーにおいて、井戸の
内部に強い電子波が形成され、以てその外部でのわずか
な電子波の漏れがほぼ完全な伝達をもたらす。他方、他
のエネルギーでは(単一の障壁の場合ですらも)、実質
的に伝達は存在しない。
第2図を参照すると、電極が、エミッタE,コレクタC
及びベースBとして図示されている。第2図の回路の動
作においては、ベースに加えられる電圧がしきい値電圧
VT(第1図)に等しくなると,デバイスが導電性にな
り、エミッタとコレクタの間に電気的導通がはかられる
。スイッチング動作の場合、VB=VT (Lきい値電
圧)になるまでは電流は認められず、VB=VTになる
とデバイスは鋭敏にターン・オンする(第2図)。
この目的のためには、VB=Oであり、VCは、トンネ
リングの状態を与えるためにわずかに正である。トンネ
リング9間は、再結合時間よりもはるかに短いので、利
得ほぼ1の場合、ICさェEであり、ベースはほとんど
電流を引き込まないけれども有効なゲートとして動作す
る。
第3図は、第1図及び第2図と同一タイプの共鳴トンネ
リング半導体デバイスの動作特性曲線群をあらわす.こ
の場合、共鳴条件は,電圧VCを加えることによって到
達される.この電流一電圧特性は、異なるベース電圧レ
ベルによって制御される(VB=O、1、2)。この高
度に非線形の電流一電圧特性は、負性抵抗部分も含んで
おり、デバイスを、柔軟性に富むスイッチング・デバイ
スとしてのみならず、増幅器または発信器としても機能
することを可能ならしめる。
光電子的適用技術の場合、エミッタとコレクタは等電位
、例えばVE=VC=Oにバイアスされ,VB>VCの
ように設定される。第4図は、電気光学的放射の適用例
として機能する共鳴トンネリング半導体デバイスを示す
。第4図に示すように、電子は井戸に流入してそこで捕
捉され、強い電子の波が形成される。そして、そこで正
孔との強い輻射的再結合が生じ、そのことは光放出及び
レーザー動作となる。この状況を逆転させると、デバイ
スは光検出器となる(第5図)。この場合、井戸で生成
された電子は速やかに外側の電極へと1・ンネル通過し
、そこで感知動作のため流速計20の形式の外部回路が
使用される。この場合、バイアス電圧は,印加してもし
なくてもどちらでもよい。 これらのデバイスの動作の
場合、貫通(横断)時間はきわめて短いと評価される。
すなわち、1/2 貫通時間t= (m/2E)   ・d 3。ここでm
は電子の質量,Eは電子のエネルギーである。この値t
を計算してみると1o−14秒よりも小さく、それは連
続的動作に重大な制一約を課すものではない。スイッチ
ングの限界時間は,電子波が形成され,または崩壊する
ための時間または蓄積時間であると考えられている。そ
れは、τ。/Tで与えられ、ここでて −1は電子波が
障壁に衝突する頻C 度(frequency)であり、Tは共鳴の伝達時間
である。典型的には、それは1 0−12秒である。こ
のとき遅延(または荷電)時間は、比較上重要ではない
。それは、g−1Cという式に基づき算定すると10”
−”秒となる。ここでCはキャパシタンスであり、gm
=ΔJ/ΔVである。また、ΔJは共鳴における電流の
変化であり、ΔVは共鳴エ通常ナノ秒あるいはそれより
もやや小さい範囲にある再結合時間よりも十分に短い。
さて,通常2つ以上の量子レベルが存在している。もし
必要なら動作はめいめいのレベルに調節することができ
る。あるいは、V>VTにおける平坦な応答が望ましい
場合もある。このことは、量子レベレルの間隔を狭くし
て、障壁が非対称になるように設計することにより達成
される。
尚、n型井戸とp型外側層をもつ相補的な構造も同様の
動作を行う。また、単一の井戸の代わりに多重井戸と超
格子を使用することもできる。さらに、異なる組成の合
金を使用するのではなく異なる半導体を使用することも
できる。実際、InAsとGaSbの組み合わせは、第
1図の構造では無視されていた空間電荷効果を考慮しな
ければ、そのバンド構成が第1図の構造によく似ている
という点で理想的である。一般的な必要条件としては、
障壁物質は、キャリアがトンネル通過するための比較的
大きいエネルギー・ギャップをもち、井戸物質は、接点
形成と光吸収を容易ならしめるためにきわめて小さいギ
ャップをもつべきである、ということがある. 第6図は、本発明による共鳴トンネリング半導体デバイ
スの量子ポテンシャル井戸に延出する接点の好適な実施
例である。この種の構造に関係する一つの問題として、
量子井戸まで延出する電気的接点を形成することがある
。本発明は、中心ポテンシャル井戸10と同一の導電型
の半導体物質からなる接点を形成することによってこの
問題に新規な解決策を与える。ゆえに、この接点は、第
1及び第2の障壁の外側の半導体結晶の層とは逆の導電
型であり、これによりそれらの間の電気的導通が防止さ
れる。拡散プロセスの性質のために種々のドーピングレ
ベルを生じてしまう拡散接点とは異なり、一定の接点を
形成するように融解される合金化接点により、その接点
は形成される。
従って、この手段は、接点がそれと反対導電型の半導体
物質の層の一方または両方に物理的に接触してもそれら
の層とは電気的には導通しないようにすることを可能な
らしめる。
F。発明の効果 以上説明したように、この発明によれば、共鳴トンネリ
ング効果を利用することにより、きわめて高速のスイッ
チング特性を与えるとともに、光輻射及び光感知動作も
なし得る新規な半導体デバイスが与えられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の共鳴トンネリング・デバイスの一実
施例を示す図、 第2図は、本発明のデバイスをスイッチング動作用に使
用する場合の図、 第3図は、本発明のデバイスの電流一電圧特性を示す図
、 第4図は、本発明のデバイスを光輻射用に使用する場合
の図、 第5図は、本発明のデバイスを光感知用に使用する場合
の図、 第6図は、,本発明のデバイスに接点を設ける様子を示
す図である。 10・・・・・・量子井戸、12・・・・・・第1及び
第2の層、14・・・・・・第1及び第2の障壁層。 出願人  インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
嘲コーポレーション 代理人  弁理士  山  本  仁  朗(外1名) FIG.3 充

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 置換合金元素の組成がX1であり、ドーピングレベルが
    10^1^6乃至10^1^7cm^−^3である第1
    導電型の半導体結晶からなり、エネルギー・ギャップが
    E1である量子井戸の層と、 置換合金元素の組成がX2であり、ドーピングレベルが
    10^1^6乃至10^1^7cm^−^3である第2
    導電型の半導体結晶からなり、エネルギー・ギャップが
    E2である外側の第1及び第2の層と、 置換合金元素の組成がX3であり、前記量子井戸の層を
    両側から挟んで前記量子井戸の層と前記外側の第1及び
    第2の層との間に夫々位置する半導体結晶からなり、エ
    ネルギー・ギャップがE3である第1及び第2の障壁層
    と、 を具備し、前記X1、X2及びX3がX1<X2<X3
    であり、前記E1、E2及びE3がE1<E2<E3で
    あり、電極が前記量子井戸の層まで伸びて第1導電型の
    半導体物質により形成されている、共鳴トンネリング半
    導体デバイス。
JP2067396A 1989-03-20 1990-03-19 共鳴トンネリング半導体デバイス Expired - Lifetime JPH073822B2 (ja)

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