JPH0437069A - 共鳴トンネリング素子及びそれを用いた可変コンダクタンス回路 - 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、共鳴トンネリング素子及びそれを用いた可変
コンダクタンス回路、更に詳しくいえば、半導体多重障
壁構造に於ける共鳴トンネリングを利用した負性抵抗素
子に係り、特にその電流電圧特性において、電流のピー
クが多数出現する負性抵抗特性を得ることができ、多値
論理素子としての応用が可能な素子と、それを利用した
可変コンダクタンス回路に関する。 ［従来の技術］ 半導体多重障壁構造に於ける共鳴トンネリングを利用し
た負性抵抗素子としては、公開特許公報、（平１−１７
００５５号）に記載のように、複数の障壁層の間の量子
井戸層を全て同じ材質で構成するものが知られている。 また２重障壁共鳴トンネリング素子に関しては、アプラ
イド　フィジックス　レター、２（１９８７年）１４２
８頁（Ａｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ、
２（１９８７）１４２８）　　に記載のように、量子井
戸層が放物線ポテンシャルをもつ構成のものがある。

【発明が解決しようとする課題】

上記特許公開公報には、第２図（ａ）、第２図（ｂ）、
第２図（ｃ）に示すようなエネルギーバンド構造をもつ
共鳴トンネリング素子が開示されている。第２図（ａ）
の２重障壁構造では、カソード６、アノード７間に第１
の障壁層１、第１の量子井戸層４、第２の障壁層２が順
に構成され、井戸層４中に量子化準位Ｅ。、Ｅ工、・・
・が形成され、電圧Ｖを印加して量子化準位がカソード
側の擬フエルミ準位Ｅ、Ｌとバンドの底との間、すなわ
ち同図の斜線部分に位置するとき、トンネル電流にピー
クが生じる。また、第２図（ｂ）の３重障壁構造では、
第１の井戸層４中に形成された量子化準位Ｅ０１を電子
の注入準位とし、第２の井戸層５中に形成された量子化
準位　Ｅ。２．Ｅ□′、・・・へのＥ、１→Ｅ、”、Ｅ
、’→Ｅ１′、・・・の共鳴により電子の等価確立が増
大し、電流ピークが生じる。この場合、第３図（ａ）の
ような電流電圧特性が得られるが、そのピーク電流Ｉ、
、Ｉ、は著しく異なっており、実用化には適していない
、また、第２図（ｃ）の４重障壁構造では、第３図（ｂ
）のようにピーク電流値の揃った特性を得ることができ
るが、多値論理素子としての応用が可能な負性抵抗ピー
クを３つ以上得ることは不可能である。また、第１の井
戸層の厚さを第２、第３の井戸層より厚くしなければな
らないため、素子サイズが大きくなり、ピーク電流密度
が小さいという問題点があった・ また、上記文献アプライド　フィジックス　レターに記
載されている共鳴トンネリング素子は、第１及び第２障
壁層１．２間の量子井戸層４が第４図のような放物線ポ
テンシャルを用いることにより、等間隔の量子化準位を
得ることができる。 しかし、その電流電圧特性は、第５図のように、各ピー
クの電流密度が著しく異なり、実用可能な負性抵抗ピー
クを得ることができなかった。 従って、本発明の主な目的は、ピーク電流値がほぼ等し
く、かつ多数のピーク電流を持ち、多値論理素子として
の応用が可能な負性抵抗特性を得ることができる共鳴ト
ンネリング素子を実現することにある。 本発明の他の目的は、ピーク電流を与える外部電圧を自
由に設定できる構造の共鳴トンネリング素子を提供する
ことにある。 本発明の更に他の目的は、素子サイズをできるだけ小さ
くし、大きなピーク電流を得る構造の共鳴トンネリング
素子を提供することにある。 本発明の他の目的は、集積化が容易な可変コンダクタン
ス回路を提供することにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、半導体薄膜より成
る量子井戸層を上記量子井戸層の電子親和力より小さい
電子親和力の半導体薄膜より成る障壁層で挾んだ超格子
層と、上記超格子層の両側に形成されたカソード電極及
びアノード電極を有し、量子井戸内に形成される量子化
準位のトンネル電流を利用して動作する共鳴トンネリン
グ素子において、上記障壁層を３層以上にし、上記３層
以上の障壁層間の複数の量子井戸層の少なくとも１つは
担体に対するポテンシャルが少なくとも１つの量子井戸
層内で変化する構造とした。 上記量子井戸層内で変化するポテンシャルの分布として
は、横軸に厚みをとり、縦軸にエネルギーレベルをとっ
たとき放物線型にすることが望ましいが、厳密な放物線
型に限定する必要はなく、量子井戸内に形成される量子
化準位がほぼ等間隔のレベル幅となればよい。 大きなピーク電流を得る目的は、第１井戸層にカソード
層、アノード層や第２量子井戸よりも電子親和力の大き
い半導体を用いることにより達成される。 集積化が容易な可変コンダクタンス回路の実現は、上記
本発明の共鳴トンネリング素子と、その負荷素子との直
列回路の接続点に接続された回路において、その接続点
あるいは負荷素子に外部入力を段階的に与える手段を設
けることによって達成される。

【作用】

第１図は本発明の原理説明のため、本発明による共鳴ト
ンネリング素子の代表的実施例のエネルギーバンド構造
を示す。図面の記号は第２図で説明したしたものと同じ
である。 第２、第３の障壁層２及び３間の第２の量子井戸層のポ
テンシャル分布が厚さ方向を横軸とし、エネルギーレベ
ルを縦軸として放物線で表されるとき、量子井戸５中の
量子化準位Ｅｎはシュレディンガ一方程式の解として Ｅ、＝ｉω（ｎ＋１／２）　　　（ｎ＝ｏ、１゜２．３
．・・・、４はブランク定数、ωは放物線の曲率で決ま
る定数） で表される。すなわち、量子井戸中の量子化準位は等間
隔になる。 また、第１量子井戸層４に電子親和力の大きい半導体を
用い、その量子化準位のうち１つが外部電圧によって変
化しないように第１障壁、第１量子井戸、第２障壁の厚
さを設定する。 このようなエネルギーバンド構造をもつ素子のアノード
、カソード間電圧を第６図に示すように、変えていくと
、第１量子井戸中の量子化準位Ｅ０１のカソード電極６
の伝導帯に対する関係は変わらず、すなわち安定してお
り、第２量子井戸層の量子化準位をＥ、２．　Ｅｉ”、
　Ｅ２２．　Ｅ、”、　Ｅ４”、・・・とすると、量子
化準位　Ｅ　ｏ　”　ｔ　Ｅ　１”　ｔ　Ｅ　２　”　
＋　Ｅ　ｚ　”　ｔＥ４２．・・・は印加電圧に比例し
て変動するので、それぞれＥ０１→Ｅ　１２．　Ｅ、１
→Ｅ２２．Ｅ、→Ｅ３２及びＥｏ１→Ｅ４″の量子化準
位間の共鳴に起因するトンネル電流は、その電流電圧特
性において等間隔の電圧位置にピーク電流を生しる。こ
のピーク電流は第１量子井戸中の安定した量子化準位と
第２量子井戸中の量子化準位が等しいときの電子の共鳴
トンネル電流によって生じるので、安定した多重負性抵
抗特性を得る。このため、各々のピーク電流を与える電
圧は、第２量子井戸層の厚さと、放物線ポテンシャルの
形状により自由に制御できる。 第７図は、計算機シミュレーションにより得られた上記
三重障壁共鳴トンネリング素子の電流電圧特性である。 素子の超格子層の構造は、以下のようにした。 Ａ　ｌ　、、４Ｇ　ａ　０．ｓＡ　Ｓ　（１５人）／　
Ｉ　ｎ　ａ　ｓｒｓ　Ｇ　ａ　ｏ　−ａｓＡ　ｓ　（６
０人）／Ａ　ｌ　、、４Ｇ　８０．５Ａ　Ｓ　（６０人
）／放物線ポテンシャル層　（３００人）／Ａ　１０．
４．Ｇ　ａ、、、Ａ　５（２５人）。 カソード及びアノードはキャリア濃度ｌＸｌ０”ｃｍ”
”のｎ”　　ＧａＡｓである。放物線ポテンシャル層５
の構造は、ポテンシャルの中心は第２障壁側から１２０
人、第３障壁３との境界でのＡｌ濃度が０．２、ポテン
シャルの中心でのＡ１濃度は０となるように、Ａ１濃度
を変化させたＡＩ。 Ｇ　ａ　１−ｘ　Ａ　ｓを仮定した。この図かられかる
ように、３つのピーク電流をもつ負性抵抗特性曲線１０
０が得られ、図中の負荷線１０１により、４つの安定点
１２１〜１２４が可能となる。

【実施例】

以下に本発明の実施例を図を用いて説明する。 （実施例１） 第８図（ａ）〜（ｅ）に本発明によるの共鳴トンネリン
グ素子の一実施例の製造工程及び断面構造を示す。 第８図（ａ）において、ｎ”　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板８
上にＭＢＥ（分子線エピタキシー）法で、ｎチーＧａＡ
ｓ層９（キャリア濃度：ｌＸ１０”ｃｍ−’、膜厚：２
０００人）及びｎ”−ＧａＡｓ層（膜厚５０人）１０を
成長させた後、超格子層１１及びｎ”　　ＧａＡｓ層１
２（キャリア濃度ｌＸｌ０”ａｍ−’、膜厚３０００人
）を成長させる。超格子層１１の組成はｎ＋−Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ層９側から、ｉ　−Ａ　１．．４Ｇ　ａ、、、Ａ
　ｓ　（１５人）／ｉ−Ｉ　ｎ　ａ　−ｚｓ　Ｇ　ａ　
ｏ　−ｓｓ　Ａ　Ｓ　（６０人）／　ｉ　−Ａ　１゜、
４Ｇ　ａ　０．、Ａ　ｓ　（６０人）／放物線ポテンシ
ャル層（３００人）／ｉ　　Ａ１０．４Ｇａｏ、、Ａｓ
（２５人）の順に積重されて入る。 上記放物線ポテンシャル層はＡ　ＩＸＧ　ａｌ−ｘＡ　
ｓを用いており、第８図（ｂ）は上記ＡｌｘＧａニーＸ
ＡｓのＡ１１層Ｘを拡大して示す。ポテンシャルの中心
は第２障壁側から１２０人、第３障壁との境界でのＡ１
１層ｘ　＝０．２、ポテンシャルの中心でのＡ１１層Ｘ
＝Ｏである。このようなＡ１１層Ｘの制御はセル温度を
変化させながら成長させた。 この結晶成長は、原子層単位で成長を制御できる装置、
例えばＭＯＣＶＤ等を用いても、同様な結果が得られる
。 第８図（ｃ）はメサ領域１３を示す。通常のフォトリソ
グラフィー技術により形成した。その後第８図（ｄ）の
よう！：ＳｉＯ□膜１４（膜厚４０００人）をＣＶＤ法
により成長させた。さらに、第８図（ｅ）において、１
５はカソード電極及び１６はアノード電極を通常のりフ
トオフ法により形成した。電極材料としては、Ａ　ｕ　
Ｇ　ｅ／Ｗ／Ｎ　ｉ／Ａ　ｕを各々６００／１００／１
００／８００人とした。 第９図は上記第１の実施例の電流電圧特性曲線１００を
示す。図中負荷曲線１０２〜１０５及び負荷曲線と電流
電圧特性曲線の交点を表す番号１３０〜１３９は後で説
明する回路のために示している。同図から明らかなよう
に、４つの大きな電流ピークが得られ、それを与える電
圧の間隔は等しい。放物線ポテンシャル層層の厚さが、
２００人、４００人、５００人のものも作成したが、そ
の結果はほぼ同じであり、間隔が増えるほどピークの数
が増えた。 なお、この実施例では多重資性抵抗を得るために２層の
量子井戸構造を用いたが、３層以上の構造を用いても同
じような結果が得られる。また、ここで用いたキャリア
濃度、あるいは量子井戸層や障壁層の厚さ等の数値は絶
対的なものではなく、また材料もＧ　ａ　Ａ　ｓ　／　
Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系には限ったものではなく、例
えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ系でも同様な結
果を得た。さらに、第２量子井戸のポテンシャル形状が
７字型の場合でも、ピーク電圧は等間隔ではないが、多
数の電流ピークが確認された。要するに、第６図のよう
な伝導電子のバンド構造が実現できるような、材質と厚
さの組を用いればよい。第２量子井戸層５作成も、例え
ばＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ超格子周期を段階的
に変化させることによっても得ることができ、同様な結
果が得られた。 （実施例２） 第１０図は本発明による共鳴トンネリング素子の第２の
実施例のポテンシャル分布を示す（量子化準位は省略し
ている）。素子の各層の製造方法等については実施例（
１）と同じであり、同一部分には同一の番号をつけてい
る。相違点はアノード７とカソード６にｉ　−Ａ　ｌ　
、、□Ｇ　ａ　１１．、Ａ　ｓ　（２００人）を用いた
ことと、超格子層１１の構造を次のようにしたことであ
る。 ｎ　　　ＧａＡｓ層９側から、　　　１−Ａｌ、、、４
Ｇ　ａ　、、、Ａ　ｓ　（２５人）／放物線ポテンシャ
ル層（３００人）／ｉ　−Ａ　ｌ。、４Ｇ　ａｏ、、Ａ
　Ｓ　　（６０人）／ｉ−Ｉ　ｎ、、２．Ｇ　ａ、、、
、Ａ　ｓ　（６０人）／１−Ａ１．．４Ｇａ、、、Ａｓ
　（２５人）で構成されている。。 第１井戸層４である放物線ポテンシャル層は、ポテンシ
ャルの中心がカソード側から１２０人、１−ＧａＡｓを
用い、第２障壁との境界でＡ１濃度が０．２になるよう
にしてＡ　ｌ　ｘＧ　ａ　１−ｘＡ　ｓを成長させた。 この構造での電流電圧特性を第１１図１ＯＯに示す。ピ
ーク電流の電流値が実施例（１）の第９図のものより揃
った特性が得られた。 なお、この実施例でも実施例（１）と同じように、用い
た材料や数値は絶対的なものではなく、第１０図のよう
なポテンシャル分布が得られれば同様な結果が得られる
。 （実施例３） 第１２図は本発明による共鳴トンネリング素子の更に他
の実施例のポテンシャル分布を示す。この構造を得るた
めの製造方法は実施例（１）とほぼ同じで、カソード６
、アノード７のキャリア濃度２　Ｘ　１０”　ｃ　ｍ−
’、超格子層１１の構造は以下のようにした。ｎ”　−
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層９側から、　　ｉ　−Ａ　ｌ　、、、
Ｇ　ａ　、、、Ａ　ｓ　（２５人）／第１放物線ポテン
シャル層（２５０人）　／　ｉ　−Ａ　１０．、Ｇ　ａ
ｏ、ＧＡ　ｓ　（６０人）／第２放物線ポテンシャル層
（３００人）／１−Ａ１．．４Ｇａ、、、Ａｓ　　（２
５人）とした。 第１井戸層４である放物線ポテンシャル層は、ポテンシ
ャルの中心がカソード側から１００人、ｉ　−Ｇ　ａ　
Ａ　ｓを用い、第２障壁２との境界でＡｌ濃度が０．３
になるように、第２井戸層５である放物線ポテンシャル
層は、ポテンシャルの中心がカソード側から１２０人、
ｉ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓを用い、第３障壁との境界でＡｌ
濃度が０．３になるようにしてＡ　ｌ　ｘＧ　ａニー８
Ａｓを成長させた。この構造での電流電圧特性を第１３
図に示す。ピークの数は実施例１，２と比較して増大し
ている。これは、少しずれた２つの等間隔の準位の重ね
合わせにより起こると考えられる。尚この構造において
、ピーク電流の大きさの不揃がある。 尚、この実施例でも実施例（１）と同じように。 用いた材料や数値は絶対的なものではなく、第１２図の
ようなポテンシャル分布が得られれば同様な結果が得ら
れる。 （実施例４） 第１４図は本発明の実施例（１）で得られた共鳴トンネ
リング素子を用いて構成された多段階可変コンダクタン
ス回路を示す。アースと電源端子２０との間に本発明の
共鳴トンネリング素子１７とＦＥＴで構成された負荷１
８が直列に接続され。 その接続点から出力電圧（動作点電圧）■ｏをとりだす
。またＦＥＴ１９を介して、外部回路に加える。共鳴ト
ンネリング素子１７は第９図の動作特性をもつから、負
荷ＦＥＴ１８のゲートに制御電圧端子２１から制御端子
電圧Ｖｌをくわえると、制御電圧Ｖｌと動作点電圧ｖ０
の関係は第１５図に示される。第９図の曲線１００と負
荷曲線１０５の交点が動作点であるが、安定点としては
１３１〜１３４の４点ある。制御電圧入力端子の電位を
変化させることにより動作点を換えることができ、多値
論理動作が可能な回路が実現される。

【発明の効果】

本発明によれば、複数の量子化準位がほぼ等間隔の量子
井戸層とその量子井戸層より電子親和力の大きい量子化
井戸層とを組み合わせることによって、カソード、アノ
ード電極間の厚みを増すことなく、複数のピーク電流が
等しい電圧間隔で発生し、かつ複数のピーク電流の値が
ほぼ等しい多重負性抵抗を持つ共鳴トンネリング素子を
実現でき、論理回路用多値論理素子として適用したとき
大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による共鳴トンネリング素子の１実施
例のエネルギーバンド図、第２図（ａ）、第２図（ｂ）
、ｉ“よび第２図（Ｃ）及び第４図はいずれも従来の共
鳴トンネリング素子のエネルギーバンド図、第３図（ａ
）及び第３図（ｂ）はそれぞれ従来のトンネリング素子
第２図（ｂ）ならび第２図（ｃ）の電流電圧特性、第５
図は従来のトンネリング素子の電流電圧特性、第６図（
ａ）、第６図（ｂ）及び第６図（Ｃ）はいずれも本発明
による共鳴トンネリング素子の１実施例の原理説明のた
めのエネルギーバンド図、第７図は本発明による共鳴ト
ンネリング素子の１実施例での計算機シミュレーション
による電流電圧特性、第８図（ａ）〜第８図（ｅ）は本
発明による共鳴トンネリング素子の１実施例の製造工程
を示す断面図、第９図及び第１１図はいずれも本発明に
よるの共鳴トンネリング素子の実施例の電流電圧特性、
第１０図及び第１２図はいずれも本発明による共鳴トン
ネリング素子他の実施例でのエネルギーバンド図、第１
３図及び第１４図は本発明の一実施例の多段階可変コン
ダクタンス回路、第１５図は同回路の動作電圧制御電圧
特性である。 符号の説明 １・・・第１の障壁　　　　２・・・第２の障壁層３・
・・第３の障壁層 ４・・・第１の量子井戸層　訃・・第２の量子井戸層６
・・・カソード　　　　　　７・・・アノード８・・・
ｎナーＧａＡｓ基板 ９−　ｎ十−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層　１Ｏ−ｉ−ＧａＡｓ層
１１・・・超格子層　　　　　１２・・・ｎチーＧａＡ
ｓ層１３・・・メサ領域　　　　　１４・・・Ｓ　ｉ　
Ｏ，膜１５・・・カソード電極　　　１６・・・アノー
ド電極１７・・・共鳴トンネリング素子 １８・・・負荷Ｆ　Ｅ　Ｔ　　　　　１９・・・ＦＥＴ
２０・・・電源端子　　　　　２１・・・制御電圧端子
２２・・・動作点電圧 １００・・・共鳴トンネリング素子の電流電圧特性曲線 １０１・・・抵抗負荷線 １０２〜１０５・・・Ｆ、ＥＴ負荷線 １２１〜１２４・・・安定動作点 １３０〜１３９・・・安定動作点 代理人弁理士　　薄　１）利　幸 第４図 第５図 第６図 第３図 劃■す） 第７図 （ｂ） （Ｃ） （ｄ） 第８図 トンネル眉【圀を 第１０図 第１２図 第１１図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体薄膜より成る量子井戸層を上記量子井戸層の
   電子親和力より小さい電子親和力の半導体薄膜より成る
   障壁層で挾んだ超格子層と、上記超格子層の両側に形成
   されたカソード電極及びアノード電極を有し、量子井戸
   内に形成される量子化準位のトンネリングを利用して動
   作する共鳴トンネリング素子において、上記障壁層は３
   層以上であり、上記３層以上の障壁層間の複数の量子井
   戸層の少なくとも１つは担体に対するポテンシャルが少
   なくとも１つの量子井戸層内で変化する構造を持つこと
   を特徴とする共鳴トンネリング素子。 ２、請求項第１記載において、上記障壁層は３層であり
   、上記量子井戸層は２層であり、かつ上記２層の量子井
   戸層のうちいずれかは、担体に対するポテンシャルが放
   物線型に変化する構造を持つ共鳴トンネリング素子。 ３、請求項第２記載において、上記３層の障壁層がカソ
   ード電極側からアノード電極側に順に第１、第２、第３
   の障壁層を形成し、上記第１と第２の障壁層間の第１量
   子井戸層が量子井戸に生じる量子化準位が上記カソード
   電極の伝導帯の底と上記伝導帯のフェルミ準位の中央付
   近に位置するように、上記第１量子井戸層の材質及び上
   記第１障壁層と上記第１量子井戸層の厚さが設定された
   共鳴トンネリング素子。 ４、請求項第２記載において、上記３層の障壁層がカソ
   ード電極側からアノード電極側に順に第１、第２、第３
   の障壁層を形成し、上記第２と第３の障壁層間の第２量
   子井戸層が量子井戸に生じる量子化準位が上記アノード
   電極の伝導帯の底と上記伝導帯のフェルミ準位の中央付
   近に位置するように、上記第２量子井戸層の材質及び上
   記第３障壁層と上記第２量子井戸層の厚さが設定された
   共鳴トンネリング素子。 ５、請求項第３又は第４記載において、上記第１の量子
   井戸層の材質がアノード層及びカソード層よりも電子親
   和力の大きい材質からなる共鳴トンネリング素子。 ６、請求項第１記載において、上記障壁層は３層であり
   、上記量子井戸層は２層であり、かつ上記２層の量子井
   戸層のいずれの量子井戸層もその担体に対するポテンシ
   ャルが変化する構造を持つ共鳴トンネリング素子。 ７、請求項第１ないし第６記載のいずれかの共鳴トンネ
   リング素子と負荷素子との直列回路における両者の接続
   点に接続された可変コンダクタンス回路において、その
   接続点あるいは負荷素子に外部入力を段階的に与える手
   段を設けて構成された可変コンダクタンス回路。