JPH05275717A - Magnetic resistance element - Google Patents

Magnetic resistance element

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JPH05275717A
JPH05275717A JP9867992A JP9867992A JPH05275717A JP H05275717 A JPH05275717 A JP H05275717A JP 9867992 A JP9867992 A JP 9867992A JP 9867992 A JP9867992 A JP 9867992A JP H05275717 A JPH05275717 A JP H05275717A
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Japan
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barrier
layer
superlattice
barrier region
negative resistance
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JP9867992A
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Japanese (ja)
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Takeshi Takagi
剛 高木
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Omron Corp
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Abstract

PURPOSE:To realize a large peak/valley ratio in a current-voltage characteristic and to operate a negative resistance element at room temperature by a method wherein an excess electric current is suppressed. CONSTITUTION:An n-GaAs conductive layer 2, an i-AlAs barrier layer 3a, an f-GaAs well layer 3b, an i-AlAs barrier layer 3a and an n-GaAs conductive layer 2 are formed sequentially; a double barrier region 3A which forms a resonance level ER is formed of the i-AlAs barrier layer 3a, the i-GaAs well layer 3b and the i-AlAs barrier layer 3a. The film thickness of the i-AlAs barrier layers 3a and the i-GaAs well layer 3b is set so as to enhance quantum- dynamic reflection with reference to electrons whose energy is higher than the potential barrier height DELTAEc of the barrier layers 3a. The Fermi level EF of the n-GaAs conductive layer 2 is set lower than the resonance level ER which is generated by the double barrier region 3A.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は負性抵抗特性を備えた負
性抵抗素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative resistance element having negative resistance characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】図12に従来の負性抵抗素子を示す。こ
れはダブルバリア共鳴トンネリングダイオード51と呼
ばれるものであって、n−GaAs層52、i−AlA
sバリア層53、i−GaAsウエル層54、i−Al
Asバリア層53及びn−GaAs層52からなり、二
重のバリア層53,53を有する共鳴トンネリングダイ
オードである。
2. Description of the Related Art FIG. 12 shows a conventional negative resistance element. This is called a double barrier resonance tunneling diode 51, and includes an n-GaAs layer 52 and an i-AlA.
s barrier layer 53, i-GaAs well layer 54, i-Al
The resonant tunneling diode is composed of an As barrier layer 53 and an n-GaAs layer 52, and has double barrier layers 53, 53.

【0003】負性抵抗特性とは、図13に示すように、
電流−電圧特性においてオーミック特性と逆勾配の領域
を有するものであるから、負性抵抗特性は素子に流れる
全電流によって左右される。ダブルバリア共鳴トンネリ
ングダイオード51においては、素子を横切る電流(あ
るいは、電流密度)Jは図12に示すように主に2つの
成分によって決まり、 J=JRT+JEX と表わされる。ここに、JRTは共鳴トンネリングによる
トンネル電流、JEXは主に熱的に分布した電子がバリア
層53の上を共鳴することなく流れる余剰電流である。
The negative resistance characteristic is, as shown in FIG.
Since the current-voltage characteristic has a region having a gradient opposite to that of the ohmic characteristic, the negative resistance characteristic depends on the total current flowing through the element. In the double barrier resonance tunneling diode 51, the current (or current density) J across the element is mainly determined by two components as shown in FIG. 12, and is expressed as J = J RT + J EX . Here, J RT is a tunnel current due to resonant tunneling, and J EX is a surplus current that mainly thermally distributed electrons flow on the barrier layer 53 without resonating.

【0004】望ましい負性抵抗特性を得るためには、図
13のような電流−電圧特性においてピーク値Ipを大
きくし、バレー値Ivを小さくする必要がある。ダブル
バリア共鳴トンネリングダイオード51においては、ピ
ーク値Ipは主にトンネル電流JRTよって決まり、トン
ネル電流JRTを大きくすればピーク値Ipを増加させる
ことができる。また、バレー値Ivは主に余剰電流JEX
によって決まり、余剰電流JEXを小さくすればバレー値
Ivを減らすことができる。したがって、当該ダブルバ
リア共鳴トンネリングダイオード51において望ましい
負性抵抗特性を得るためには、トンネル電流JRTを増加
させ、余剰電流JEXを減少させることが重要である。こ
のため、従来は、余剰電流JEXを低減させることを目的
として、バリア高さが最大となるAlAsによってバリ
ア層を形成している。
In order to obtain the desired negative resistance characteristic, it is necessary to increase the peak value Ip and decrease the valley value Iv in the current-voltage characteristic as shown in FIG. In the double barrier resonance tunneling diode 51, the peak value Ip is determined mainly by the tunnel current J RT , and the peak value Ip can be increased by increasing the tunnel current J RT . Further, the valley value Iv is mainly the surplus current J EX.
The valley value Iv can be reduced by reducing the surplus current J EX . Therefore, in order to obtain the desired negative resistance characteristic in the double barrier resonance tunneling diode 51, it is important to increase the tunnel current J RT and decrease the surplus current J EX . Therefore, conventionally, the barrier layer is formed of AlAs having the maximum barrier height for the purpose of reducing the excess current J EX .

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のダブルバリア共鳴トンネリングダイオードに
あっては、バリア高さが材料によって制限を受けるため
十分なバリア高さを実現することができず、電流−電圧
特性においてピーク/バレー比(つまり、Ip/Iv)
をあまり大きくすることができないという問題があっ
た。
However, in such a conventional double barrier resonance tunneling diode, since the barrier height is limited by the material, a sufficient barrier height cannot be realized, and the current -The peak / valley ratio (that is, Ip / Iv) in the voltage characteristic
There was a problem that could not be made too large.

【0006】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、電流−電
圧特性において大きなピーク/バレー比を実現すること
ができる負性抵抗素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the drawbacks of the above conventional examples, and an object thereof is to provide a negative resistance element capable of realizing a large peak / valley ratio in the current-voltage characteristic. To provide.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の負性抵抗
素子は、バリア層及びウエル層によって構成される多重
バリア領域と、当該多重バリア領域の両側に形成された
導電層とから成る共鳴トンネリングダイオードにおい
て、前記多重バリア領域を構成するバリア層及びウエル
層の膜厚及び組成を、当該バリア層のポテンシャルより
も高いエネルギーをもつ入射電子に対して、量子力学的
反射作用による仮想的バリアを形成するように設定した
ことを特徴としている。
A first negative resistance element of the present invention comprises a multiple barrier region composed of a barrier layer and a well layer, and conductive layers formed on both sides of the multiple barrier region. In the resonant tunneling diode, the thickness and composition of the barrier layer and the well layer forming the multi-barrier region are set to a virtual barrier by quantum mechanical reflection action with respect to incident electrons having energy higher than the potential of the barrier layer. It is characterized in that it is set to form.

【0008】また、第1の負性抵抗素子においては、上
記導電層のフェルミレベルは、多重バリア領域によって
生じる共鳴準位より低く設定することが好ましい。
Further, in the first negative resistance element, it is preferable that the Fermi level of the conductive layer is set lower than the resonance level generated by the multiple barrier region.

【0009】本発明の第2の負性抵抗素子は、超格子ウ
エル層及び超格子バリア層によって構成される超格子バ
リア領域と、当該超格子バリア領域の両側に形成された
導電層とから成る負性抵抗素子であって、前記超格子バ
リア領域を構成する超格子ウエル層及び超格子バリア層
の膜厚及び組成を、前記超格子バリア層のポテンシャル
よりも高いエネルギーをもつ入射電子に対して、量子力
学的反射作用による仮想的バリアを形成するように設定
したことを特徴としている。
The second negative resistance element of the present invention comprises a superlattice barrier region constituted by a superlattice well layer and a superlattice barrier layer, and conductive layers formed on both sides of the superlattice barrier region. In the negative resistance element, the film thickness and composition of the superlattice well layer and the superlattice barrier layer forming the superlattice barrier region are set to an incident electron having an energy higher than the potential of the superlattice barrier layer. , It is characterized in that it is set so as to form a virtual barrier by the quantum mechanical reflection effect.

【0010】また、第2の負性抵抗素子においては、上
記導電層と上記超格子バリア領域の間にバリア層を形成
し、このバリア層の膜厚を、超格子バリア領域を構成し
ている超格子バリア層の膜厚よりも厚く設定するのが好
ましい。
In the second negative resistance element, a barrier layer is formed between the conductive layer and the superlattice barrier region, and the thickness of this barrier layer constitutes the superlattice barrier region. It is preferable to set the thickness larger than that of the superlattice barrier layer.

【0011】本発明の第3の負性抵抗素子は、バリア層
及びウエル層によって構成される多重バリア領域と、当
該多重バリア領域の両側に形成されたに超格子ウエル層
及び超格子バリア層によって構成される超格子バリア領
域と、当該超格子バリア領域の外側に形成された導電層
とから成る負性抵抗素子であって、超格子バリア領域を
構成している超格子ウエル層及び超格子バリア層の膜厚
及び組成を、超格子バリア層のポテンシャルよりも高い
エネルギーをもつ入射電子に対して、量子力学的反射作
用による仮想的バリアを形成するように設定したことを
特徴としている。
A third negative resistance element of the present invention comprises a multi-barrier region composed of a barrier layer and a well layer, and a superlattice well layer and a superlattice barrier layer formed on both sides of the multi-barrier region. A negative resistance element comprising a configured superlattice barrier region and a conductive layer formed outside the superlattice barrier region, the superlattice well layer and the superlattice barrier constituting the superlattice barrier region. It is characterized in that the film thickness and composition of the layer are set so as to form a virtual barrier by the quantum mechanical reflection action with respect to incident electrons having an energy higher than the potential of the superlattice barrier layer.

【0012】また、第3の負性抵抗素子においては、上
記多重バリア領域によって生じる前記共鳴準位は、超格
子バリア領域のミニバンド内に位置するように設定する
とよい。
Further, in the third negative resistance element, the resonance level generated by the multiple barrier region may be set so as to be located within the miniband of the superlattice barrier region.

【0013】さらに、第2及び第3の負性抵抗素子にお
いては、上記導電層のフェルミレベルは、超格子バリア
領域のミニバンドより低く設定するのが好ましい。
Further, in the second and third negative resistance elements, the Fermi level of the conductive layer is preferably set lower than the miniband of the superlattice barrier region.

【0014】[0014]

【作用】本発明の第1の負性抵抗素子にあっては、共鳴
準位を形成する多重バリア領域の膜厚及び組成を、量子
力学的反射の多重干渉により多重バリア領域のバリア層
のポテンシャルよりも高いエネルギーをもつ入射電子に
対して反射を増強するように設定しているので、従来多
重バリア領域の上を越えて流れていた余剰電流を抑制で
きる。この結果、室温においても大きなピーク/バレー
比を持つ素子を製作することができ、良好な負性抵抗特
性を得ることができる。
In the first negative resistance element of the present invention, the film thickness and composition of the multiple barrier region forming the resonance level are determined by the potential of the barrier layer in the multiple barrier region by multiple interference of quantum mechanical reflection. Since the setting is made so as to enhance the reflection with respect to incident electrons having a higher energy than that, it is possible to suppress the surplus current that has conventionally flowed over the multiple barrier region. As a result, an element having a large peak / valley ratio even at room temperature can be manufactured, and good negative resistance characteristics can be obtained.

【0015】また、本発明の第2の負性抵抗素子にあっ
ては、超格子バリア領域をポテンシャルの低い導電層で
挟んだ構成とし、当該超格子バリア領域を多重量子障壁
の概念に基づいて超格子ウエル層及び超格子バリア層の
組成及び厚さを超格子バリア層のポテンシャルバリアの
バリア高さよりも高いエネルギーを持つ電子に対して量
子力学的反射を増強するように設計しているので、超格
子バリア層のバリア高さよりも高いエネルギーを持つ電
子に対しても仮想的なバリアが形成され、余剰電流を抑
制できる。この結果、室温においても大きなピーク/バ
レー比を持つ素子を製作することができ、良好な負性抵
抗特性を得ることができる。
In the second negative resistance element of the present invention, the superlattice barrier region is sandwiched by conductive layers having a low potential, and the superlattice barrier region is based on the concept of multiple quantum barriers. Since the composition and thickness of the superlattice well layer and the superlattice barrier layer are designed to enhance the quantum mechanical reflection for electrons having higher energy than the barrier height of the potential barrier of the superlattice barrier layer, A virtual barrier is formed even for electrons having an energy higher than the barrier height of the superlattice barrier layer, and the surplus current can be suppressed. As a result, an element having a large peak / valley ratio even at room temperature can be manufactured, and good negative resistance characteristics can be obtained.

【0016】また、本発明の第3の負性抵抗素子にあっ
ては、多重バリア領域の両側に超格子バリア領域を形成
し、当該超格子バリア領域を多重量子障壁の概念に基づ
いて超格子ウエル層及び超格子バリア層の組成及び厚さ
を超格子バリア層のバリア高さよりも高いエネルギーを
持つ電子に対して量子力学的反射を増強するように設計
しているので、超格子バリア層のバリア高さよりも高い
エネルギーを持つ電子に対しても仮想的なバリアが形成
され、余剰電流を抑制できる。また、多重バリア領域に
よって生じる共鳴準位を超格子バリア領域のミニバンド
内に位置するように設定すると、超格子バリア領域のミ
ニバンドを通って多重バリア領域の共鳴準位に電子が注
入される。この結果、室温において、大きなピーク/バ
レー比を持つ素子を製作することができ、良好な負性抵
抗特性を得ることができる。
Further, in the third negative resistance element of the present invention, superlattice barrier regions are formed on both sides of the multiple barrier region, and the superlattice barrier region is formed on the basis of the concept of multiple quantum barriers. Since the composition and thickness of the well layer and the superlattice barrier layer are designed to enhance quantum mechanical reflection for electrons having higher energy than the barrier height of the superlattice barrier layer, A virtual barrier is formed even for electrons having an energy higher than the barrier height, and the surplus current can be suppressed. Further, when the resonance level generated by the multiple barrier region is set to be located within the miniband of the superlattice barrier region, electrons are injected into the resonance level of the multiple barrier region through the miniband of the superlattice barrier region. .. As a result, an element having a large peak / valley ratio can be manufactured at room temperature, and good negative resistance characteristics can be obtained.

【0017】[0017]

【実施例】図1は本発明の一実施例によるGaAs/A
lAs系のダブルバリア共鳴トンネリングダイオード1
の構成を示す無バイアス時における伝導帯のバンド構造
図である。これは、n−GaAs導電層2、i−AlA
sバリア層3a、i−GaAsウエル層3b、i−Al
Asバリア層3a、n−GaAs導電層2からなり、i
−AlAsバリア層3a、i−GaAsウエル層3b及
びi−AlAsバリア層3aによって共鳴準位ERを形
成するダブルバリア領域3Aが形成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT FIG. 1 shows a GaAs / A according to an embodiment of the present invention.
lAs-based double barrier resonance tunneling diode 1
FIG. 6 is a band structure diagram of a conduction band in the absence of bias, showing the configuration of FIG. This is the n-GaAs conductive layer 2, i-AlA
s barrier layer 3a, i-GaAs well layer 3b, i-Al
As barrier layer 3a and n-GaAs conductive layer 2
The -AlAs barrier layer 3a, the i-GaAs well layer 3b, and the i-AlAs barrier layer 3a form a double barrier region 3A forming a resonance level E R.

【0018】ここで、共鳴準位ERを作るi−AlAs
バリア層3a及びi−GaAsウエル層3bの膜厚は、
バリア層3aのポテンシャルバリアのバリア高さΔEc
よりも高いエネルギーを持つ電子に対して量子力学的に
反射を増強するように設定されている。したがって、ダ
ブルバリア領域3Aには、バリア層3aのバリア高さΔ
Ecよりも高いバリア高さΔEc+ΔUewの仮想バリ
ア4が形成されており、さらに、仮想バリア4内には共
鳴準位ERが形成されている。例えば、2つのi−Al
Asバリア層3aの厚みを11.3Åとし、i−GaA
sウエル層3bの厚みを14.1Åとしている。また、
n−GaAs導電層2のフェルミレベルEFは、ダブル
バリア領域3Aによって生じる共鳴準位ERよりも低く
設定してある。
Here, i-AlAs that creates the resonance level E R
The thickness of the barrier layer 3a and the i-GaAs well layer 3b is
Barrier height ΔEc of the potential barrier of the barrier layer 3a
It is set to enhance the reflection quantum mechanically for electrons with higher energies. Therefore, in the double barrier region 3A, the barrier height Δ of the barrier layer 3a is
A virtual barrier 4 having a barrier height ΔEc + ΔUew higher than Ec is formed, and a resonance level E R is formed in the virtual barrier 4. For example, two i-Al
The thickness of the As barrier layer 3a is 11.3Å, and i-GaA
The thickness of the s well layer 3b is 14.1Å. Also,
The Fermi level E F of the n-GaAs conductive layer 2 is set lower than the resonance level E R generated by the double barrier region 3A.

【0019】こうしてバリア層3aの古典的ポテンシャ
ルバリアの高さΔEcよりも高い仮想的なポテンシャル
バリアの高さΔEc+ΔUewが得られるようにダブル
バリア領域3Aを形成すれば、電子がダブルバリア領域
3Aを越えて余剰電流JEXとなるためには仮想バリア4
のバリア高さΔEc+ΔUewよりも大きなエネルギー
を持たなければならない。このため、余剰電流JEXとし
て負性抵抗特性を低下させていた古典的ポテンシャルバ
リアの高さΔEcよりも高いエネルギーをもつ電子に対
して仮想バリア4を形成することができ、余剰電流JEX
を減少させることができる。一方、ダブルバリア領域3
Aの共鳴準位ERと等しいエネルギーの電子は、トンネ
ル効果による大きな透過率を持つので、ダブルバリア領
域3Aをトンネル効果によって通過し、トンネル電流J
RTが流れる。この結果、室温でも、電流−電圧特性にお
いて大きなピーク/バレー比を得ることができ、負性抵
抗素子としての特性が向上する。また、n−GaAs導
電層2のフェルミレベルEFは、共鳴準位ERよりも低い
ので、無バイアス時にトンネル電流JRTを抑制すること
ができる。
Thus, if the double barrier region 3A is formed so as to obtain a virtual potential barrier height ΔEc + ΔUew that is higher than the classical potential barrier height ΔEc of the barrier layer 3a, electrons will cross the double barrier region 3A. Virtual barrier 4 in order to become excess current J EX
Must have a larger energy than the barrier height ΔEc + ΔUew of. Therefore, it is possible to form a virtual barrier 4 with respect to electrons having energy higher than the height ΔEc classical potential barrier which has reduced the negative resistance characteristic as excess current J EX, excess current J EX
Can be reduced. On the other hand, double barrier area 3
An electron having an energy equal to the resonance level E R of A has a large transmittance due to the tunnel effect, so that it passes through the double barrier region 3A by the tunnel effect and the tunnel current J
RT flows. As a result, a large peak / valley ratio can be obtained in the current-voltage characteristic even at room temperature, and the characteristic as the negative resistance element is improved. Further, since the Fermi level E F of the n-GaAs conductive layer 2 is lower than the resonance level E R , the tunnel current J RT can be suppressed when there is no bias.

【0020】図2に示すものは、i−AlAsバリア層
3aの厚みを11.3Å、i−GaAsウエル層3bの
厚みを14.1Åとしたダブルバリア領域3Aの無バイ
アス時におけるn−GaAs導電層2側からの入射電子
に対する反射率を示しており、横軸は入射電子のエネル
ギーを表わし、縦軸は反射率を表わしている。この図2
の反射率曲線によれば、ダブルバリア領域3Aのバリア
層3aのバリア高さΔEc(=956.4meV)以上
のエネルギーを持つ電子に対しても反射率が1近くに保
たれており、エネルギーがΔEc+ΔUew以下の電子
はダブルバリア領域3Aで反射されてダブルバリア領域
3Aを通過することができない。したがって、図1に示
すように、ダブルバリア領域3Aのポテンシャルバリア
の高さが、仮想的にΔEc+ΔUewまで高くなり、こ
の仮想バリア4によって余剰電流JEXを低減させること
ができる。一方、図2の反射率曲線によれば、共鳴準位
Rと等しいエネルギーを持つ電子に対しては反射率が
0となっており、共鳴準位ERを通って大きなトンネル
電流JRTがダブルバリア領域3Aに流れる。
FIG. 2 shows the n-GaAs conductivity of the double barrier region 3A when the i-AlAs barrier layer 3a has a thickness of 11.3Å and the i-GaAs well layer 3b has a thickness of 14.1Å without bias. The reflectance of incident electrons from the layer 2 side is shown, the horizontal axis represents the energy of the incident electrons, and the vertical axis represents the reflectance. This Figure 2
According to the reflectance curve of, the reflectance is kept close to 1 even for the electron having the energy of the barrier height ΔEc (= 956.4 meV) or more of the barrier layer 3a of the double barrier region 3A, and the energy is The electrons of ΔEc + ΔUew or less are reflected by the double barrier region 3A and cannot pass through the double barrier region 3A. Therefore, as shown in FIG. 1, the height of the potential barrier in the double barrier region 3A virtually increases to ΔEc + ΔUew, and the surplus current J EX can be reduced by the virtual barrier 4. On the other hand, according to the reflectance curve of FIG. 2, the reflectance is 0 for electrons having the energy equal to the resonance level E R, and a large tunnel current J RT passes through the resonance level E R. It flows into the double barrier region 3A.

【0021】なお、この実施例においては、素子材料は
GaAs/AlAs系に限定されない。また、ウエル層
やバリア層等は格子整合するものに限らず、格子不整合
系を用いてもよい。また、導電層とウエル層とは異なる
材料を用いてもよい。
In this embodiment, the device material is not limited to the GaAs / AlAs system. Further, the well layer, the barrier layer, and the like are not limited to those that are lattice-matched, and a lattice-mismatched system may be used. Further, different materials may be used for the conductive layer and the well layer.

【0022】図3は本発明の別な実施例によるGaAs
/AlAs系のトリプルバリア共鳴トンネリングダイオ
ード5の構成を示す伝導帯のバンド構造図(無バイアス
時)である。これは、n−GaAs導電層2、i−Al
Asバリア層3a、i−GaAsウエル層3b、i−A
lAsバリア層3a、i−GaAsウエル層3b、i−
AlAsバリア層3a、n−GaAs導電層2からな
り、i−AlAsバリア層3a、i−GaAsウエル層
3b、i−AlAsバリア層3a、i−GaAsウエル
層3b及びi−AlAsバリア層3aによって2つの共
鳴準位ER1,ER2を形成するトリプルバリア領域3Bが
形成されている。
FIG. 3 shows GaAs according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a band structure diagram (without bias) of a conduction band showing a configuration of a triple barrier resonance tunneling diode 5 of / AlAs system. This is the n-GaAs conductive layer 2, i-Al
As barrier layer 3a, i-GaAs well layer 3b, i-A
lAs barrier layer 3a, i-GaAs well layer 3b, i-
The AlAs barrier layer 3a and the n-GaAs conductive layer 2 are used. The i-AlAs barrier layer 3a, the i-GaAs well layer 3b, the i-AlAs barrier layer 3a, the i-GaAs well layer 3b, and the i-AlAs barrier layer 3a are used to form 2 A triple barrier region 3B forming one resonance level E R1 and E R2 is formed.

【0023】ここで、共鳴準位ER1,ER2を作る各i−
AlAsバリア層3a及び各i−GaAsウエル層3b
の膜厚は、バリア層3aの古典的ポテンシャルバリアの
高さΔEcよりも高いエネルギーを持つ電子に対して量
子力学的に反射を増強するように設定されている。した
がって、トリプルバリア領域3Bには、バリア層3aの
バリア高さΔEcよりも高いバリア高さΔEc+ΔUe
tの仮想バリア4が形成されており、さらに、仮想バリ
ア4内には共鳴準位ER1,ER2が形成されている。例え
ば、各i−AlAsバリア層3aの厚みを11.3Åと
し、各i−GaAsウエル層3bの厚みを14.1Åと
している。また、n−GaAs導電層2のフェルミレベ
ルEFは、トリプルバリア領域3Bによって生じる共鳴
準位ER1,ER2のいずれよりも低く設定してある。
Here, each i- which makes the resonance levels E R1 and E R2
AlAs barrier layer 3a and each i-GaAs well layer 3b
The film thickness is set so as to quantum-mechanically enhance reflection of electrons having energy higher than the height ΔEc of the classical potential barrier of the barrier layer 3a. Therefore, in the triple barrier region 3B, the barrier height ΔEc + ΔUe higher than the barrier height ΔEc of the barrier layer 3a.
The virtual barrier 4 of t is formed, and the resonance levels E R1 and E R2 are further formed in the virtual barrier 4. For example, the thickness of each i-AlAs barrier layer 3a is 11.3Å, and the thickness of each i-GaAs well layer 3b is 14.1Å. Further, the Fermi level E F of the n-GaAs conductive layer 2 is set to be lower than both the resonance levels E R1 and E R2 generated by the triple barrier region 3B.

【0024】図4に示すものは、各i−AlAsバリア
層3aの厚みを11.3Å、各i−GaAsウエル層3
bの厚みを14.1Åとしたトリプルバリア領域3Bの
無バイアス時におけるn−GaAs導電層2側からの入
射電子に対する反射率を示している。この図4の反射率
曲線によれば、トリプルバリア領域3Bのバリア層3a
のバリア高さΔEc(=956.4meV)以上のエネ
ルギーを持つ電子に対しても反射率が1近くに保たれて
おり、エネルギーがΔEc+ΔUet以下の電子はトリ
プルバリア領域3Bで反射されてトリプルバリア領域3
Bを通過することができない。したがって、図3に示す
ように、トリプルバリア領域3Bのポテンシャルバリア
の高さが、仮想的にΔEc+ΔUetまで高くなり、余
剰電流JEXを低減させることができる。一方、図4の反
射率曲線によれば、2つの共鳴準位ER1,ER2に等しい
エネルギーを持つ電子に対しては反射率が0となってお
り、大きなトンネル電流JRTがトリプルバリア領域3B
を通過して流れる。この結果、室温でも、大きなピーク
/バレー比を得ることができ、良好な負性抵抗特性を実
現できる。
In the structure shown in FIG. 4, each i-AlAs barrier layer 3a has a thickness of 11.3Å, and each i-GaAs well layer 3 has a thickness of 11.3Å.
The reflectance for incident electrons from the side of the n-GaAs conductive layer 2 in the non-biased triple barrier region 3B in which the thickness of b is 14.1Å is shown. According to the reflectance curve of FIG. 4, the barrier layer 3a of the triple barrier region 3B is
The reflectance is kept close to 1 even for the electrons having the energy equal to or higher than the barrier height ΔEc (= 956.4 meV), and the electrons having the energy equal to or less than ΔEc + ΔUet are reflected by the triple barrier region 3B to form the triple barrier region. Three
You cannot pass B. Therefore, as shown in FIG. 3, the height of the potential barrier of the triple barrier region 3B virtually increases to ΔEc + ΔUet, and the surplus current J EX can be reduced. On the other hand, according to the reflectance curve of FIG. 4, the reflectance is 0 for the electron having the energy equal to the two resonance levels E R1 and E R2 , and the large tunnel current J RT is the triple barrier region. 3B
Flow through. As a result, a large peak / valley ratio can be obtained even at room temperature, and good negative resistance characteristics can be realized.

【0025】図5は本発明のさらに別な実施例による負
性抵抗素子6の構成を示すバンド構造図(無バイアス
時)である。この負性抵抗素子6は、n−GaAs導電
層2、i−AlAsバリア層7、i−AlAs/GaA
s超格子バリア領域8、i−AlAsバリア層7、n−
GaAs導電層2とからなり、i−AlAs超格子バリ
ア層8a及びi−GaAs超格子ウエル層8bを多層積
層することにより超格子バリア領域8が形成されてい
る。
FIG. 5 is a band structure diagram (without bias) showing the configuration of the negative resistance element 6 according to still another embodiment of the present invention. The negative resistance element 6 includes an n-GaAs conductive layer 2, an i-AlAs barrier layer 7, and an i-AlAs / GaA.
s superlattice barrier region 8, i-AlAs barrier layer 7, n-
The superlattice barrier region 8 is formed by laminating the i-AlAs superlattice barrier layer 8a and the i-GaAs superlattice well layer 8b.

【0026】ここで、i−AlAs超格子バリア層8a
及びi−GaAs超格子ウエル層8bを交互に多層積層
して形成された超格子バリア領域8は、多重量子障壁
(Multi-Quantum Barrier: 以下、MQBと略称す
る。)という概念に基づいて導入されたものであり、伝
導帯の底がΔEc(バリア層8aのバリア高さ)の振幅
で周期的に変化しており、超格子バリア層8aのポテン
シャルバリアの高さΔEcよりも高いエネルギーを持つ
電子に対して量子力学的に反射を増強するように設定さ
れている。
Here, the i-AlAs superlattice barrier layer 8a is formed.
The superlattice barrier region 8 formed by alternately laminating the i-GaAs superlattice well layers 8b is introduced on the basis of the concept of a multi-quantum barrier (hereinafter, referred to as MQB). The bottom of the conduction band changes periodically with an amplitude of ΔEc (barrier height of the barrier layer 8a), and electrons having energy higher than the height ΔEc of the potential barrier of the superlattice barrier layer 8a. Is set to enhance the reflection mechanically with respect to.

【0027】このようなMQBを構成することにより超
格子バリア層8aのポテンシャルバリアの高さΔEcよ
りも高いエネルギーを持つ入射電子に対しても反射率が
1近くに保たれ、超格子バリア領域8のポテンシャルバ
リアの高さを仮想的に高くすることができる。すなわ
ち、この超格子バリア領域8にエネルギーEの電子が入
射すると、電子(電子波)はポテンシャルの不連続点で
量子力学的に反射される。よって、各不連続点での電子
の反射波の位相を制御し得るように超格子バリア層8a
及び超格子ウエル層8bの物理量を適切に設定すれば、
入射電子に対するエネルギー障壁を人為的に制御でき
る。例えば、超格子ウエル層8b及び超格子バリア層8
aの厚さd1、d2をそれぞれ次式を満足するように設定
すれば良い。 {2m1 *・(E−ΔE)}1/2・(d1/h)=1/4 …… {2m2 *・(E−ΔE)}1/2・(d2/h)=1/4 …… ここで、m1 *、m2 *は超格子ウエル層8b及び超格子バ
リア層8aにおける電子の有効質量、hはプランク定数
である。この式及び式を満足するように、すなわち
各超格子バリア層8aで反射された電子の反射波の位相
差がπの整数倍となるように超格子ウエル層8b及び超
格子バリア層8aの各物理量を設定すれば、各不連続点
において電子の反射波の位相が強め合い、入射電子は超
格子バリア領域8によって強く反射され、従って電子に
対するエネルギー障壁が等価的に高められることになる
のである。この結果、図5に示すように、超格子バリア
領域8には、超格子バリア層8aのバリア高さΔEcよ
り高いバリア高さΔEc+ΔUesの仮想バリア9が形
成される。
By constructing such an MQB, the reflectance is kept close to 1 even for incident electrons having an energy higher than the height ΔEc of the potential barrier of the superlattice barrier layer 8a, and the superlattice barrier region 8 is formed. The height of the potential barrier can be virtually increased. That is, when an electron of energy E enters the superlattice barrier region 8, the electron (electron wave) is quantum mechanically reflected at a potential discontinuity point. Therefore, the superlattice barrier layer 8a is controlled so that the phase of the reflected wave of electrons at each discontinuity can be controlled.
And if the physical quantity of the superlattice well layer 8b is set appropriately,
The energy barrier for incident electrons can be artificially controlled. For example, the superlattice well layer 8b and the superlattice barrier layer 8
The thicknesses d 1 and d 2 of a may be set so as to satisfy the following expressions, respectively. {2m 1 * · (E−ΔE)} 1/2 · (d 1 / h) = 1/4 …… {2m 2 * · (E−ΔE)} 1/2 · (d 2 / h) = 1 / 4 Here, m 1 * and m 2 * are effective masses of electrons in the superlattice well layer 8b and the superlattice barrier layer 8a, and h is Planck's constant. Each of the superlattice well layer 8b and the superlattice barrier layer 8a is satisfied so that these equations and equations are satisfied, that is, the phase difference of the reflected wave of the electron reflected by each superlattice barrier layer 8a becomes an integral multiple of π. When the physical quantity is set, the phases of the reflected waves of the electrons strengthen each other at each discontinuity point, and the incident electrons are strongly reflected by the superlattice barrier region 8, so that the energy barrier for the electrons is equivalently increased. .. As a result, as shown in FIG. 5, a virtual barrier 9 having a barrier height ΔEc + ΔUes higher than the barrier height ΔEc of the superlattice barrier layer 8a is formed in the superlattice barrier region 8.

【0028】さらに、超格子バリア領域8には、MQB
により仮想バリア9中を貫通するようにポテンシャルE
1とE2の間にミニバンド(許容帯)10が形成されてい
る。なお、ここでは伝導帯の電子について説明したが、
仮想バリア及びミニバンドは価電子帯のホールについて
も成立する。
Further, in the superlattice barrier region 8, MQB
So that the potential E penetrates through the virtual barrier 9
A mini band (allowable band) 10 is formed between 1 and E 2 . Although the electrons in the conduction band are explained here,
Virtual barriers and minibands also hold for holes in the valence band.

【0029】また、i−AlAsバリア層7は、i−G
aAs超格子ウエル層8bに接し、i−AlAs超格子
バリア層8aよりも大きな膜厚に設計されており、低電
界状態においてミニバンド10に流れるトンネル電流J
RTを抑制する役割を果たしている。すなわち、i−Al
Asバリア層7の厚さを制御することにより、超格子バ
リア領域8をトンネリングする電流量JRTを制御するこ
とができる。
The i-AlAs barrier layer 7 is made of i-G.
It is designed to have a thickness larger than that of the i-AlAs superlattice barrier layer 8a in contact with the aAs superlattice well layer 8b, and the tunnel current J flowing through the miniband 10 in a low electric field state.
It plays a role in suppressing RT . That is, i-Al
By controlling the thickness of the As barrier layer 7, it is possible to control the current amount J RT that tunnels the superlattice barrier region 8.

【0030】さらに、超格子バリア領域8が形成するミ
ニバンド10の底E1がn−GaAs導電層2のフェル
ミレベルEFよりも高くなるよう、超格子バリア層8a
及び超格子ウエル層8bの膜厚とフェルミレベルEF
設計されており、無バイアス時におけるトンネル電流J
RTを抑制している。
Further, the superlattice barrier layer 8a is formed so that the bottom E1 of the miniband 10 formed by the superlattice barrier region 8 is higher than the Fermi level E F of the n-GaAs conductive layer 2.
The film thickness of the superlattice well layer 8b and the Fermi level E F are designed so that the tunnel current J in the absence of bias is
It suppresses RT .

【0031】しかして、この結果、MQBの仮想バリア
9により超格子バリア層8aのポテンシャルバリアの高
さΔEcよりも高いエネルギーを持つ電子による余剰電
流JEXが抑制され、一方、ミニバンド10をトンネル電
流JRTが流れ、大きなピーク/バレー比を持つ室温動作
が可能な負性抵抗特性を実現できる。
As a result, the virtual barrier 9 of the MQB suppresses the surplus current J EX due to the electrons having energy higher than the height ΔEc of the potential barrier of the superlattice barrier layer 8a, while tunneling the miniband 10. A current J RT flows, and a negative resistance characteristic capable of operating at room temperature with a large peak / valley ratio can be realized.

【0032】図6は、i−GaAs超格子ウエル層8b
の厚みを5原子層、i−AlAs超格子バリア層8aの
厚みを4原子層とし、超格子ウエル層8bと超格子バリ
ア層8aを10ペア形成した場合のn−GaAs導電層
2側からの入射電子に対する反射率を示しており、横軸
は入射電子のエネルギーを表わし、縦軸は反射率を表わ
している。この図6の反射率曲線によれば、超格子バリ
ア領域8の超格子バリア層8aの高さΔEc(=95
6.4meV)以上のエネルギーΔEc+ΔUes(図
6では、ΔEc+ΔUes≒1.6×ΔEc)を持つ電
子に対しても反射率が1近くに保たれており、エネルギ
ーがΔEc+ΔUes以下の電子は超格子バリア領域8
で反射されて超格子バリア領域8を通過することができ
ない。したがって、図5に示すように、超格子バリア領
域8のポテンシャルバリアの高さが、仮想的にΔEc+
ΔUes≒1.6×ΔEcまで高くなり、余剰電流JEX
を低減させることができる。一方、図6の反射率曲線に
よれば、超格子バリア層8aのバリア高さΔEcの0.
5倍程度のエネルギー0.5×ΔEcあたりで反射率が
急激に低下しており、図5に示すように超格子バリア領
域8内にミニバンド10が形成されており、ミニバンド
10を通過して大きなトンネル電流JRTが超格子バリア
領域8に流れる。また、n−GaAs導電層2のキャリ
ア濃度を1×1018cm-3とした場合には、フェルミレ
ベルEFは、約53meV程度であるため、ミニバンド
10よりも低くできる。
FIG. 6 shows the i-GaAs superlattice well layer 8b.
Is 5 atomic layers, the thickness of the i-AlAs superlattice barrier layer 8a is 4 atomic layers, and 10 pairs of the superlattice well layer 8b and the superlattice barrier layer 8a are formed from the n-GaAs conductive layer 2 side. The reflectance for incident electrons is shown, the horizontal axis represents the energy of incident electrons, and the vertical axis represents the reflectance. According to the reflectance curve of FIG. 6, the height ΔEc (= 95 of the superlattice barrier layer 8a in the superlattice barrier region 8).
The reflectance is kept close to 1 even for an electron having an energy ΔEc + ΔUes (6.4 meV) or more (ΔEc + ΔUes≈1.6 × ΔEc in FIG. 6), and an electron having an energy of ΔEc + ΔUes or less is a superlattice barrier region. 8
And cannot pass through the superlattice barrier region 8. Therefore, as shown in FIG. 5, the height of the potential barrier of the superlattice barrier region 8 is virtually ΔEc +.
ΔUes≈1.6 × ΔEc, and surplus current J EX
Can be reduced. On the other hand, according to the reflectance curve of FIG. 6, the barrier height ΔEc of the superlattice barrier layer 8a is 0.
The reflectivity sharply decreases around the energy 0.5 × ΔEc of about 5 times, and the miniband 10 is formed in the superlattice barrier region 8 as shown in FIG. 5 and passes through the miniband 10. And a large tunnel current J RT flows in the superlattice barrier region 8. Further, when the carrier concentration of the n-GaAs conductive layer 2 is 1 × 10 18 cm −3 , the Fermi level E F is about 53 meV and can be lower than that of the miniband 10.

【0033】なお、本実施例でも、素子材料は、GaA
s/AlAs系に限らない。また、超格子ウエル層や超
格子バリア層等は格子整合するものに限らず、格子不整
合系を用いてもよい。
In this embodiment also, the element material is GaA.
Not limited to s / AlAs system. Further, the superlattice well layer, the superlattice barrier layer, and the like are not limited to those that are lattice-matched, and a lattice-mismatched system may be used.

【0034】図7(a)は本発明のさらに別な実施例に
よる負性抵抗素子11の構成を示す構造図、図7(b)
はその超格子バリア領域8の付近における伝導帯のバン
ド構造図である。n−GaAs基板12の上に、MBE
法等によって、n−GaAs導電層2(膜厚2.0μ
m、キャリア密度5×1017cm-3)、undoped−Ga
Asスペーサ層13(膜厚100Å)、i−Al0.2
0.8Asバリア層7(膜厚170Å)、i−超格子バ
リア領域8(膜厚0.2μm)、i−Al0.2Ga0.8
sバリア層7(膜厚170Å)、undoped−GaAsス
ペーサ層13(膜厚100Å)、n−GaAs導電層2
(膜厚2.0μm、キャリア密度5×1017cm-3)、
n−GaAsキャップ層14(膜厚0.2μm、キャリ
ア密度5×101 8cm-3)を順次形成したものである。
ここに、i−超格子バリア領域8は、図7(b)に示す
ように、25層のi−GaAs超格子ウエル層8b(膜
厚33.9Å)と24層のi−Al0.2Ga0.8As超格
子バリア層8a(膜厚33.9Å)を交互に積層したも
のである。さらに、n−GaAs導電層2のキャリア濃
度を5×1017cm-3としてあり、フェルミレベルEF
はミニバンドの底よりも下に位置している。
FIG. 7 (a) is a structural diagram showing the structure of a negative resistance element 11 according to still another embodiment of the present invention, FIG. 7 (b).
FIG. 4 is a band structure diagram of a conduction band in the vicinity of the superlattice barrier region 8. MBE on the n-GaAs substrate 12
N-GaAs conductive layer 2 (film thickness 2.0 μ
m, carrier density 5 × 10 17 cm −3 ), undoped-Ga
As spacer layer 13 (film thickness 100Å), i-Al 0.2 G
a 0.8 As barrier layer 7 (film thickness 170Å), i-superlattice barrier region 8 (film thickness 0.2 μm), i-Al 0.2 Ga 0.8 A
s barrier layer 7 (film thickness 170Å), undoped-GaAs spacer layer 13 (film thickness 100Å), n-GaAs conductive layer 2
(Film thickness 2.0 μm, carrier density 5 × 10 17 cm −3 ),
n-GaAs cap layer 14 is the (film thickness 0.2 [mu] m, the carrier density of 5 × 10 1 8 cm -3) that are sequentially formed.
Here, as shown in FIG. 7B, the i-superlattice barrier region 8 includes 25 layers of i-GaAs superlattice well layers 8b (thickness 33.9Å) and 24 layers of i-Al 0.2 Ga 0.8. As superlattice barrier layers 8a (thickness 33.9Å) are alternately laminated. Furthermore, the carrier concentration of the n-GaAs conductive layer 2 is 5 × 10 17 cm −3 , and the Fermi level E F
Is located below the bottom of the miniband.

【0035】このような負性抵抗素子11においても、
図5に示した負性抵抗素子6と同様な動作を行なわせる
ことができ、室温において大きなピーク/バレー比を得
ることができ、良好な負性抵抗特性を達成することがで
きる。
Also in such a negative resistance element 11,
An operation similar to that of the negative resistance element 6 shown in FIG. 5 can be performed, a large peak / valley ratio can be obtained at room temperature, and excellent negative resistance characteristics can be achieved.

【0036】図8は本発明のさらに別な実施例による負
性抵抗素子15の構成を示す無バイアス時におけるバン
ド構造図である。この実施例にあっては、導電層2と超
格子ウエル層8bを異なる材料で形成してあり、そのた
め導電層2と超格子ウエル層8bの底のエネルギー準位
が異なっている。また、バリア層7と超格子バリア層8
aの材料も異なっており、そのためバリア層7と超格子
バリア層8aのバリア高さも異なっている。
FIG. 8 is a band structure diagram showing the structure of the negative resistance element 15 according to another embodiment of the present invention when no bias is applied. In this embodiment, the conductive layer 2 and the superlattice well layer 8b are made of different materials, so that the bottom layers of the conductive layer 2 and the superlattice well layer 8b have different energy levels. In addition, the barrier layer 7 and the superlattice barrier layer 8
The materials of a are also different, so that the barrier heights of the barrier layer 7 and the superlattice barrier layer 8a are also different.

【0037】図9は本発明のさらに別な実施例による負
性抵抗素子16の構成を示すバンド構造図(無バイアス
時)である。この負性抵抗素子16は、n−GaAs導
電層2、i−AlAs/GaAs超格子バリア領域8、
ダブルバリア領域3A、i−AlAs/GaAs超格子
バリア領域8、n−GaAs導電層2とからなってい
る。
FIG. 9 is a band structure diagram (without bias) showing the structure of the negative resistance element 16 according to still another embodiment of the present invention. The negative resistance element 16 includes an n-GaAs conductive layer 2, an i-AlAs / GaAs superlattice barrier region 8,
It comprises a double barrier region 3A, an i-AlAs / GaAs superlattice barrier region 8 and an n-GaAs conductive layer 2.

【0038】ここで、超格子バリア領域8は、i−Al
As超格子バリア層8a及びi−GaAs超格子ウエル
層8bを多層積層することにより形成されており、MQ
Bの概念に基づいて、超格子バリア層8aのポテンシャ
ルバリアの高さΔEcよりも高いエネルギーを持つ電子
に対して量子力学的に反射を増強するように設定されて
いる。この結果、超格子バリア領域8には、超格子バリ
ア層8aのバリア高さΔEcよりも高いバリア高さΔE
c+ΔUesの仮想バリア9が形成されている。また、
超格子バリア領域8には、MQBによりポテンシャルエ
ネルギーE1とE2の間にミニバンド(許容帯)10が形
成されている。
Here, the superlattice barrier region 8 is made of i-Al.
The As superlattice barrier layer 8a and the i-GaAs superlattice well layer 8b are formed in a multi-layered structure.
Based on the concept of B, it is set so as to quantum mechanically enhance reflection of electrons having energy higher than the height ΔEc of the potential barrier of the superlattice barrier layer 8a. As a result, the barrier height ΔE in the superlattice barrier region 8 is higher than the barrier height ΔEc of the superlattice barrier layer 8a.
A virtual barrier 9 of c + ΔUes is formed. Also,
In the superlattice barrier region 8, a miniband (allowable band) 10 is formed between MQ and the potential energies E 1 and E 2 .

【0039】また、ダブルバリア領域3Aは、i−Al
Asバリア層3a、i−GaAsウエル層3b及びi−
AlAsバリア層3aからなり、ダブルバリア領域3A
によって電子の共鳴準位ERが形成されている。しか
も、ダブルバリア領域3Aの共鳴準位ERは、超格子バ
リア領域8によって形成されるミニバンド10内に位置
するように設計されている。すなわち、 E1<ER<E2 のエネルギー関係となるようダブルバリア領域3Aのバ
リア幅、ウエル幅及び組成を設計している。
The double barrier region 3A is made of i-Al.
As barrier layer 3a, i-GaAs well layer 3b and i-
Double barrier region 3A made of AlAs barrier layer 3a
The electron resonance level E R is formed by. Moreover, the resonance level E R of the double barrier region 3 A is designed to be located within the miniband 10 formed by the superlattice barrier region 8. That is, the barrier width, the well width, and the composition of the double barrier region 3A are designed so that the energy relationship of E 1 <E R <E 2 is satisfied.

【0040】また、この実施例にあっては、超格子バリ
ア領域8に形成されているミニバンド10の底E1がn
−GaAs導電層2のフェルミレベルEFよりも高くな
るよう、n−GaAs導電層2のキャリア濃度及び超格
子バリア領域8が設計されている。
Further, in this embodiment, the bottom E1 of the miniband 10 formed in the superlattice barrier region 8 is n.
The carrier concentration of the n-GaAs conductive layer 2 and the superlattice barrier region 8 are designed to be higher than the Fermi level E F of the -GaAs conductive layer 2.

【0041】この結果、超格子バリア層8aのバリア高
さΔEcよりも高いエネルギーを持つ電子は、超格子バ
リア領域8におけるバリア高さΔEc+ΔUesの仮想
バリア9により反射され、従来共鳴することなく流れて
いた余剰電流JEXを抑制できる。しかも、n−GaAs
導電層2からダブルバリア領域3Aの共鳴準位ER
は、超格子バリア領域8のミニバンド10を通して電子
が注入され、さらに他方の超格子バリア領域8のミニバ
ンド10を通して他方のn−GaAs導電層2へ電子が
流れ、共鳴トンネリングによるトンネル電流JRTが流れ
る。したがって、室温動作時においても、ピーク/バレ
ー比を持つ負性抵抗素子を実現することができる。
As a result, the electrons having energy higher than the barrier height ΔEc of the superlattice barrier layer 8a are reflected by the virtual barrier 9 having the barrier height ΔEc + ΔUes in the superlattice barrier region 8 and flow without resonance conventionally. The surplus current J EX can be suppressed. Moreover, n-GaAs
Electrons are injected from the conductive layer 2 to the resonance level E R of the double barrier region 3A through the miniband 10 of the superlattice barrier region 8 and further through the miniband 10 of the other superlattice barrier region 8 to the other n-GaAs. Electrons flow to the conductive layer 2 and a tunnel current J RT due to resonance tunneling flows. Therefore, it is possible to realize a negative resistance element having a peak / valley ratio even during operation at room temperature.

【0042】図10は本発明のさらに別な実施例による
負性抵抗素子17の構成を示す伝導帯のバンド構造図で
ある。この実施例においては、ダブルバリア領域3Aの
ウエル層3bと、導電層2及び超格子ウエル層8bとで
異なる材料を用いており、ウエル層3bの底を導電層2
及び超格子ウエル層8bの底よりも低くしている。さら
に、ダブルバリア領域3Aのバリア層3aと超格子バリ
ア層8aとで異なる材料を用い、ダブルバリア領域3A
のバリア層3aのポテンシャルバリアの高さを超格子バ
リア層8aのポテンシャルバリアの高さよりも低くして
いる。
FIG. 10 is a band structure diagram of the conduction band showing the structure of the negative resistance element 17 according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, different materials are used for the well layer 3b of the double barrier region 3A, the conductive layer 2 and the superlattice well layer 8b, and the bottom of the well layer 3b is formed of the conductive layer 2.
And the bottom of the superlattice well layer 8b. Further, different materials are used for the barrier layer 3a and the superlattice barrier layer 8a of the double barrier region 3A, and the double barrier region 3A
The height of the potential barrier of the barrier layer 3a is lower than the height of the potential barrier of the superlattice barrier layer 8a.

【0043】図11は本発明のさらに別な実施例による
負性抵抗素子18の構成を示す伝導帯のバンド構造図で
ある。この実施例は、ダブルバリア領域3Aのウエル層
3bと、導電層2及び超格子ウエル層8bとで異なる材
料を用いており、ウエル層3bの底を導電層2及び超格
子ウエル層8bの底よりも低くしている。さらに、ダブ
ルバリア領域3Aのバリア層3aと超格子バリア層8a
とで異なる材料を用い、ダブルバリア領域3Aのバリア
層3aのポテンシャルバリアの高さを超格子バリア層8
aのポテンシャルバリアの高さよりも高くしている。
FIG. 11 is a band structure diagram of the conduction band showing the structure of the negative resistance element 18 according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, different materials are used for the well layer 3b of the double barrier region 3A, the conductive layer 2 and the superlattice well layer 8b, and the bottom of the well layer 3b is the bottom of the conductive layer 2 and the superlattice well layer 8b. Have lower than. Further, the barrier layer 3a in the double barrier region 3A and the superlattice barrier layer 8a
And the potential of the barrier layer 3a of the double barrier region 3A is set to be different from that of the superlattice barrier layer 8
It is set higher than the height of the potential barrier of a.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明によれば、従来多重バリア領域の
上を越えて流れていた余剰電流を抑制できる。また、超
格子バリア領域を備えているものでは、ミニバンドによ
ってトンネル電流を制御することができる。
According to the present invention, it is possible to suppress the surplus current that has conventionally flowed over the multiple barrier region. In addition, the tunnel current can be controlled by the miniband in the device having the superlattice barrier region.

【0045】この結果、室温において、大きなピーク/
バレー比を持つ素子を製作することができ、良好な負性
抵抗特性を得ることができ、室温動作可能な負性抵抗素
子を実現することができる。
As a result, at room temperature, a large peak /
It is possible to manufacture an element having a valley ratio, obtain good negative resistance characteristics, and realize a negative resistance element that can operate at room temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例によるダブルバリア共鳴トン
ネリングダイオードの構成を示す伝導帯のバンド構造図
である。
FIG. 1 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a double barrier resonance tunneling diode according to an embodiment of the present invention.

【図2】同上の実施例におけるダブルバリア領域の反射
率と入射電子のエネルギーとの関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the reflectance of the double barrier region and the energy of incident electrons in the example of the same.

【図3】本発明の別な実施例によるトリプルバリア共鳴
トンネリングダイオードの構成を示す伝導帯のバンド構
造図である。
FIG. 3 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a triple barrier resonance tunneling diode according to another embodiment of the present invention.

【図4】同上の実施例におけるトリプルバリア領域の反
射率と入射電子のエネルギーとの関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the reflectance of a triple barrier region and the energy of incident electrons in the example of the same.

【図5】本発明のさらに別な実施例による負性抵抗素子
の構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 5 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention.

【図6】同上の実施例における超格子バリア領域の反射
率と入射電子のエネルギーとの関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the reflectance of the superlattice barrier region and the energy of incident electrons in the example of the same.

【図7】(a)(b)は本発明のさらに別な実施例によ
る負性抵抗素子の具体的構成を示す構造図とその超格子
バリア領域を示すバンド構造図である。
7A and 7B are a structural view showing a specific structure of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention and a band structure view showing its superlattice barrier region.

【図8】本発明のさらに別な実施例による負性抵抗素子
の構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 8 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention.

【図9】本発明のさらに別な実施例による負性抵抗素子
の構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 9 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention.

【図10】本発明のさらに別な実施例による負性抵抗素
子の構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 10 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention.

【図11】本発明のさらに別な実施例による負性抵抗素
子の構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 11 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a negative resistance element according to still another embodiment of the present invention.

【図12】従来のダブルバリア共鳴トンネリングダイオ
ードの構成を示す伝導帯のバンド構造図である。
FIG. 12 is a band structure diagram of a conduction band showing a configuration of a conventional double barrier resonance tunneling diode.

【図13】負性抵抗特性を有する電流−電圧特性の一例
を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of current-voltage characteristics having negative resistance characteristics.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 n−GaAs導電層 3A ダブルバリア領域 3B トリプルバリア領域 3a i−AlAsバリア層 3b i−GaAsウエル層 4 仮想バリア 7 i−AlAsバリア層 8 超格子バリア領域 8a i−AlAs超格子バリア層 8b i−GaAs超格子ウエル層 9 仮想バリア 10 ミニバンド ER 共鳴準位 EF フェルミレベル2 n-GaAs conductive layer 3A double barrier region 3B triple barrier region 3a i-AlAs barrier layer 3b i-GaAs well layer 4 virtual barrier 7 i-AlAs barrier layer 8 superlattice barrier region 8a i-AlAs superlattice barrier layer 8b i -GaAs superlattice well layer 9 virtual barrier 10 miniband E R resonance level E F Fermi level

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 バリア層及びウエル層によって構成され
る多重バリア領域と、当該多重バリア領域の両側に形成
された導電層とから成る共鳴トンネリングダイオードに
おいて、 前記多重バリア領域を構成するバリア層及びウエル層の
膜厚及び組成を、当該バリア層のポテンシャルよりも高
いエネルギーをもつ入射電子に対して、量子力学的反射
作用による仮想的バリアを形成するように設定した負性
抵抗素子。
1. A resonance tunneling diode comprising a multi-barrier region composed of a barrier layer and a well layer, and a conductive layer formed on both sides of the multi-barrier region, wherein the barrier layer and the well constituting the multi-barrier region. A negative resistance element in which the film thickness and composition of the layer are set so as to form a virtual barrier by a quantum mechanical reflection action with respect to incident electrons having an energy higher than the potential of the barrier layer.
【請求項2】 前記導電層のフェルミレベルが、多重バ
リア領域によって生じる共鳴準位より低く設定されてい
る請求項1に記載の負性抵抗素子。
2. The negative resistance element according to claim 1, wherein a Fermi level of the conductive layer is set lower than a resonance level generated by the multiple barrier region.
【請求項3】 超格子ウエル層及び超格子バリア層によ
って構成される超格子バリア領域と、当該超格子バリア
領域の両側に形成された導電層とから成る負性抵抗素子
であって、 前記超格子バリア領域を構成する超格子ウエル層及び超
格子バリア層の膜厚及び組成を、前記超格子バリア層の
ポテンシャルよりも高いエネルギーをもつ入射電子に対
して、量子力学的反射作用による仮想的バリアを形成す
るように設定した負性抵抗素子。
3. A negative resistance element comprising a superlattice barrier region composed of a superlattice well layer and a superlattice barrier layer, and conductive layers formed on both sides of the superlattice barrier region, The film thickness and composition of the superlattice well layer and the superlattice barrier layer forming the lattice barrier region are set to a virtual barrier by quantum mechanical reflection action with respect to incident electrons having energy higher than the potential of the superlattice barrier layer. A negative resistance element set to form a.
【請求項4】 前記導電層と前記超格子バリア領域の間
にバリア層が形成され、当該バリア層の膜厚が、超格子
バリア領域を構成している超格子バリア層の膜厚よりも
厚く設定されている請求項3に記載の負性抵抗素子。
4. A barrier layer is formed between the conductive layer and the superlattice barrier region, and the barrier layer is thicker than the superlattice barrier layer forming the superlattice barrier region. The negative resistance element according to claim 3, which is set.
【請求項5】 バリア層及びウエル層によって構成され
る多重バリア領域と、当該多重バリア領域の両側に形成
されたに超格子ウエル層及び超格子バリア層によって構
成される超格子バリア領域と、当該超格子バリア領域の
外側に形成された導電層とから成る負性抵抗素子であっ
て、 超格子バリア領域を構成している超格子ウエル層及び超
格子バリア層の膜厚及び組成を、超格子バリア層のポテ
ンシャルよりも高いエネルギーをもつ入射電子に対し
て、量子力学的反射作用による仮想的バリアを形成する
ように設定した負性抵抗素子。
5. A multi-barrier region composed of a barrier layer and a well layer, a super-lattice well layer formed on both sides of the multi-barrier region and a super-lattice barrier region composed of a super-lattice barrier layer, A negative resistance element comprising a conductive layer formed outside a superlattice barrier region, wherein the film thickness and composition of the superlattice well layer and superlattice barrier layer forming the superlattice barrier region A negative resistance element that is set so as to form a virtual barrier by quantum mechanical reflection for incident electrons having energy higher than the potential of the barrier layer.
【請求項6】 多重バリア領域によって生じる前記共鳴
準位が、超格子バリア領域のミニバンド内に位置するよ
うに設定されている請求項5に記載の負性抵抗素子。
6. The negative resistance element according to claim 5, wherein the resonance level generated by the multiple barrier region is set so as to be located within the miniband of the superlattice barrier region.
【請求項7】 導電層のフェルミレベルが、超格子バリ
ア領域のミニバンドより低く設定されている請求項3又
は5に記載の負性抵抗素子。
7. The negative resistance element according to claim 3, wherein the Fermi level of the conductive layer is set lower than the miniband of the superlattice barrier region.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6737684B1 (en) 1998-02-20 2004-05-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Bipolar transistor and semiconductor device

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US6737684B1 (en) 1998-02-20 2004-05-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Bipolar transistor and semiconductor device

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