JPH0245979A - 半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、通信用、民生機器用素子として用いられる半
導体装置に関するものである。

〔従来技術〕

第２Ａ図は、従来の二重障壁層を用いた半導体装置の構
造図、第２Ｂ図は、第２Ａ図の二重障壁層の組成比分布
図、第２ｃ図は、第２Ａ図の二重障壁層のバンド構造を
示す図である。

第２Ａ図、第２Ｂ図及び第２ｃ図において、１１はｎタ
イプＧａＡｓ層、１２はノンドープＧａＡｓスペーサー
層、１３はノンドープＡｌＧａＡｓの障壁層、１４はノ
ンドープＧａＡｓ井戸層、１５はノンドープＡｌＧａＡ
ｇの障壁層、１６はノンドープＧａＡｓスペーサー層、
１７はｎタイプＧａＡｓ層、１８はｎタイプＧａＡｓ基
板である。

ＧａＡｓ井戸層１４の膜厚を電子のド・ブロイ波長と同
程度、もしくはより小さくとることにより、量子準位が
形成される。この半導体装置に図の縦方向に電界をかけ
ると、ノンドープ層１２〜１６のバンド構造は傾いた形
に変化するため、量子準位もそれに応じてその位置が移
動する。この量子準位と低電位側からの入射電子の持つ
エネルギーが一致したとき、量子力学的な共鳴現象によ
り、障壁を通過する電子の数は激増する。

従って、この装置は、共鳴が生じる所定の電圧付近で、
電流値が増大するといった特徴を持つ。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の量子準位は、ＧａＡｓ井戸層１４の膜厚に大きく
依存する。このＧａＡｓ井戸層１４の膜厚が１０人程度
の典型的な二重障壁構造においては、その値がわずか一
原子層具なるだけで、量子準位は１０ｍｅＶ程も変化す
る。一方、通常のＭ　Ｂ　Ｅ　（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢ
　ａａｍ　Ｅ　ｐｉｔａｘｙ）法やＭ　ＯＣＶ　Ｄ　（
Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｓｍｉｃａｌ　Ｖａｐ
ｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの薄膜成長技術で
は、成長表面に１〜数原子層程度の凹凸が生じるため、
この成長技術により作製した二重障壁構造の井戸層厚も
同程度のゆらぎを持つ。

これらの結果、電圧の共鳴値もあるゆるぎを持って分布
し、成長表面の非平坦性により、この半導体装置の共鳴
特性は劣化してしまう。結晶成長法の進歩により膜厚制
御性は向上し、この二重障壁構造を用いた半導体装置の
特性は大きな改善を得たが、依然として井戸層厚には一
原子層厚程度のゆらぎが存在し、共鳴特性に悪影響を与
えている。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、前述の膜厚制御の不完全性が、量子井
戸のエネルギー準位に与える影響を減少させ、半導体装
置の共鳴特性を向上することができる技術を提供するこ
とにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

前述の目的を達成するために、本発明は、半導体装置に
用いる二重もしくは多重障壁層として。

伝導電子または価電子帯止孔の感じるポテンシャルの形
状がなめらかに変化するものを用いたことを最も主要な
特徴とする。

すなわち、第１のエネルギーギャップＥｇ１を持つ半導
体材料中に第２のエネルギーギャップＥｇｚを持つ半導
体材料（Ｅｇ□＜Ｅｇｚ）の薄層を、電子または正孔に
対する障壁層として少なくとも二層導入して構成される
共鳴トンネルダイオードを備えた半導体装置において、
前記二つの障壁層の少なくとも互いに対向している面及
びその近傍に第１のエネルギーギャップを持つ材料と第
２のエネルギーギャップを持つ材料の混晶“層を設け、
この混晶層は、構成する元素の組成比を原子層毎または
数原子層毎にゆっくり変化させて伝導電子または価電子
帯止孔の感じるポテンシャルの形状がなめらかに変化し
たものであることを特徴とする。

〔作用〕

このようなポテンシャルの形状を得るには、組成比が連
続的に変化するグレーデツド層を用いる。

従来のへテロ界面を用いた二重もしくは多重障壁層のエ
ネルギー準位は二重もしくは多重障壁層間の井戸層幅の
みによって決定されるのに対し、本構造では、グレーデ
ツド層全体の組成比分布によって決定される点が大きく
異なる。膜厚制御の不完全性による組成比分布のゆらぎ
は、本構造においても生じるが、前述の特徴により、各
原子層のゆらぎを平均化した影響のみが量子準位に及ぼ
される。一般にこれらのゆらぎは、各原子層で統計的に
独立であるため、異なる原子層におけるゆらぎからくる
影響同志が打ち消しあい、従来の障壁のように界面の一
原子層だけにゆらぎが生じる場合により、膜厚制御の不
完全性からくる共鳴特性への悪影響はずっと小さなもの
になる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

なお、実施例を説明するための全図において、同一機能
を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は
省略する。

第１Ａ図は、本発明の二重障壁層を用いた半導体装置の
一実施例の構造図、第１Ｂ図は、第１Ａ図の二重障壁層
の組成比分布図、第１Ｃ図は、第１Ａ図の二重障壁層の
バンド構造を示す図である。

第１Ａ図、第１Ｂ図及び第１Ｃ図において、１はｎタイ
プＧ’ａＡｓ基板、２はノンドープＧａＡｓスペーサー
層、３はノンドープＡｌＧａＡｓグレーデッド井戸層で
あり、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのＡ１組成比（Ｘ）が０．
５からいったんＯまでなめらかに減少し、再び０．５ま
で増加する構造の量子井戸層で、その半値幅ａは２０人
、層厚は全部で１００人である。４はノンドープＧａＡ
ｓスペーサー層、５はｎタイプＧａＡｓ層、６はｎタイ
プＧａＡｓ基板である。前述のように、この二重障壁の
共鳴準位は、１０数原子層にわたる組成比分布全体に依
って決定される。このため、膜厚制御の不完全性から生
じる組成比分布のゆらぎの影響は。

１０数個の原子層間で打ち消し合う。その効果として、
この二重障壁構造を用いた半導体装置では、同じ共鳴準
位を持つ従来の同装置に比べ、共鳴ピークの半値幅が１
７２以下、共鳴時の電流値が３倍以上の優れた共鳴特性
を得ることができる。

なお、前記実施例では、井戸層全体をなめらかに組成比
が変化するグレーデツド層としたが、従来の二重障壁構
造において、共鳴準位を決定するヘテロ界面付近の数原
子層のみをグレーデツド層にすることもできる。また、
前記実施例ではＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系という格子不整合
の小さな場合を扱ったが、他の格子不整合の比較的大き
な化合物半導体系においても、グレーデツド層が格子不
整合からくる応力を緩和するため、優れた共鳴特性を得
ることができる。また、前記実施例ではガウス（Ｇａｕ
ｓｓ）関数タイプの組成比変化を井戸層に与えたが、三
角型または２次関数など、量子準位が複数の原子層にわ
たる組成比分布全体で決まるものならば、どのような組
成比変化を与えてもよい。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、膜厚制御の不
完全性が共鳴特性に与える影響は、障壁を構成する各原
子層間で打ち消し合って低減し。

共鳴ピークの大きさを著しく増大するので、半導体装置
の共鳴特性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は１本発明の二重障壁層を用いた半導体装置の
一実施例の構造図、 第１Ｂ図は、第１Ａ図の二重障壁層の組成比分布図。 第１Ｃ図は、第１Ａ図の二重障壁層のバンド構造を示す
図、 第２Ａ図は、従来の二重障壁層を用いた半導体装置の構
造図、 第２Ｂ図は、第２Ａ図の二重障壁層の組成比分布図。 第２Ｃ図は、第２Ａ図の二重障壁層のバンド構造を示す
図である。 図中、１・・・ｎタイプＧａＡｓ基板、２・・・ノンド
ープＧａＡｓスペーサー層、３・・・ノンドープＡｌＧ
ａＡｓグレーデッド井戸層、４・・・ノンドープＧａＡ
ｓスペーサー層、５・・・ｎタイプＧａＡｓ層、６・・
・ｎタイプＧａＡｓ基板。 第１Ａ図 １−ｎ９ＹブＧａＡｓ層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のエネルギーギャップＥｇ＿１を持つ半導体
   材料中に第２のエネルギーギャップＥｇ＿２を持つ半導
   体材料（Ｅｇ＿１＜Ｅｇ＿２）の薄層を、電子または正
   孔に対する障壁層として少なくとも二層導入して構成さ
   れる共鳴トンネルダイオードを備えた半導体装置におい
   て、前記二つの障壁層の少なくとも互いに対向している
   面及びその近傍に第１のエネルギーギャップを持つ材料
   と第２のエネルギーギャップを持つ材料の混晶層を設け
   、この混晶層は、構成する元素の組成比を原子層毎また
   は数原子層毎にゆっくり変化させて伝導電子または価電
   子帯正孔の感じるポテンシャルの形状がなめらかに変化
   したものであることを特徴とする半導体装置。