JPH0570309B2 - - Google Patents
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- JPH0570309B2 JPH0570309B2 JP87113590A JP11359087A JPH0570309B2 JP H0570309 B2 JPH0570309 B2 JP H0570309B2 JP 87113590 A JP87113590 A JP 87113590A JP 11359087 A JP11359087 A JP 11359087A JP H0570309 B2 JPH0570309 B2 JP H0570309B2
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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- H01L29/882—Resonant tunneling diodes, i.e. RTD, RTBD
Description
【発明の詳細な説明】
〔概要〕
本発明は、共鳴トンネリング半導体装置に於い
て、量子井戸を AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） からなるバリヤ層とInGaAsからなるウエル層と
で構成することに依り、極大電流密度JP及び極
大・極小電流密度比JP／JVが共に大であるように
し、良好な微分負性抵抗特性が得られるようにし
たものである。
て、量子井戸を AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） からなるバリヤ層とInGaAsからなるウエル層と
で構成することに依り、極大電流密度JP及び極
大・極小電流密度比JP／JVが共に大であるように
し、良好な微分負性抵抗特性が得られるようにし
たものである。
本発明は、共鳴トンネリング動作に起因する微
分負性抵抗特性を有する共鳴トンネリング半導体
装置の改良に関する。
分負性抵抗特性を有する共鳴トンネリング半導体
装置の改良に関する。
近年、化合物半導体のヘテロ接合をキヤリヤが
共鳴トンネリングすることで微分負性抵抗特性を
発揮する半導体装置、例えば、共鳴トンネリン
グ・バリヤ（resonant−tunneling barrier：
RTB）ダイオード、共鳴トンネリング・ホツ
ト・エレクトロン・トランジスタ（resonant−
tunneling hot electron transistor：RHET）の
開発・研究が盛んである。
共鳴トンネリングすることで微分負性抵抗特性を
発揮する半導体装置、例えば、共鳴トンネリン
グ・バリヤ（resonant−tunneling barrier：
RTB）ダイオード、共鳴トンネリング・ホツ
ト・エレクトロン・トランジスタ（resonant−
tunneling hot electron transistor：RHET）の
開発・研究が盛んである。
第１１図はRTBダイオードの従来例を説明す
る為の要部切断側面図を表している。
る為の要部切断側面図を表している。
図に於いて、１１は基板、１２は電極クンタク
ト層、１３はバリヤ層、１４はウエル層、１５は
バリヤ層、１６は電極コンタクト層、１７は保護
絶縁膜、１８及び１９はオーミツク・コンタクト
電極をそれぞれ示している。
ト層、１３はバリヤ層、１４はウエル層、１５は
バリヤ層、１６は電極コンタクト層、１７は保護
絶縁膜、１８及び１９はオーミツク・コンタクト
電極をそれぞれ示している。
前記各部分の主要データを例示すると次の通り
である。
である。
(a) 基板１１について
材料：半絶縁性GaAs
(b) 電極コンタクト層１２について
材料：ｎ型GaAs
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：0.5〔μm〕
(c) バリヤ層１３について
材料：ｉ型Al0.33Ga0.67As
厚さ：50〔Å〕
(d) ウエル層１４について
材料：ｉ型GaAs
厚さ：56〔Å〕
(e) バリヤ層１５について
材料：ｉ型Al0.33Ga0.67As
厚さ：50〔Å〕
(f) 電極コンタクト層１６について
材料：ｎ型GaAs
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：0.3〔μm〕
(g) 保護絶縁膜１７について
材料：二酸化シリコン（SiO2）
厚さ：0.3〔μm〕
前記説明から判るように、このRTBダイオー
ドに於いては、厚さがキヤリヤのドウ・ブローイ
ー（de Broglie）波長より小さいウエル層１４
を同様な厚さのバリヤ層１３及び１５にて挟んで
なる量子井戸を用いている。このような量子井戸
に於けるウエル層内に於いては、キヤリヤのエネ
ルギ準位が離散値となり、それを共鳴準位と呼ん
でいる。
ドに於いては、厚さがキヤリヤのドウ・ブローイ
ー（de Broglie）波長より小さいウエル層１４
を同様な厚さのバリヤ層１３及び１５にて挟んで
なる量子井戸を用いている。このような量子井戸
に於けるウエル層内に於いては、キヤリヤのエネ
ルギ準位が離散値となり、それを共鳴準位と呼ん
でいる。
第１２図は第１１図に見られるRTBダイオー
ドの動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイ
ヤフラムを表し、第１１図に於いて用いた記号と
同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つも
のとする。
ドの動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイ
ヤフラムを表し、第１１図に於いて用いた記号と
同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つも
のとする。
図に於いて、Ecは伝導帯の底、E0はウエル層
１４内の電子に対する第１共鳴準位を示してい
る。
１４内の電子に対する第１共鳴準位を示してい
る。
図示のように、電極コンタクト層１６に対して
正の電位を電極コンタクト層１２に印加して、電
極コンタクト層１６内に於ける電子のエネルギ準
位がウエル層１４内の第１共鳴準位E0と一致し
た場合、即ち、電極コンタクト層１６及び１２間
の電圧Ｖが、 Ｖ≒2E0／ｑ ｑ：電子の電荷 である場合、共鳴トンネリング効果に依り、量子
井戸の電子が滲み出して電極コンタクト層１２に
注入され、従つて、RTBダイオードには電流が
流れる。また、前記電圧Ｖが、 Ｖ＞2E0／ｑ或いはＶ＜2E0／ｑになると、前
記の共鳴トンネリングの条件から外れてしまうの
で、電極コンタクト層１２に注入される電子の量
は著しく低下し、電流は殆ど流れない状態となる
ものである。
正の電位を電極コンタクト層１２に印加して、電
極コンタクト層１６内に於ける電子のエネルギ準
位がウエル層１４内の第１共鳴準位E0と一致し
た場合、即ち、電極コンタクト層１６及び１２間
の電圧Ｖが、 Ｖ≒2E0／ｑ ｑ：電子の電荷 である場合、共鳴トンネリング効果に依り、量子
井戸の電子が滲み出して電極コンタクト層１２に
注入され、従つて、RTBダイオードには電流が
流れる。また、前記電圧Ｖが、 Ｖ＞2E0／ｑ或いはＶ＜2E0／ｑになると、前
記の共鳴トンネリングの条件から外れてしまうの
で、電極コンタクト層１２に注入される電子の量
は著しく低下し、電流は殆ど流れない状態となる
ものである。
第１３図は共鳴トンネリング電流が流れる様子
を説明する為の線図であり、横軸には電圧を、ま
た、縦軸には電流密度をそれぞれ採つてある。
を説明する為の線図であり、横軸には電圧を、ま
た、縦軸には電流密度をそれぞれ採つてある。
図に於いて、VPは共鳴トンネリングが発生し
た極大電流（ピーク電流）が流れる状態の電圧、
VVは共鳴トンネリングが外れて極小電流（バレ
ー電流）が流れる状態の電圧、JPは極大電流密
度、JVは極小電流密度をそれぞれ示している。
た極大電流（ピーク電流）が流れる状態の電圧、
VVは共鳴トンネリングが外れて極小電流（バレ
ー電流）が流れる状態の電圧、JPは極大電流密
度、JVは極小電流密度をそれぞれ示している。
図から判るように、当初、トンネリング電流は
電圧の増加に対して次第に増加するが、その電圧
がVPになつた時点で極大電流密度JPに達し、次
いで、急激に減少し、電圧がVVになつた時点で
極小電流密度JVを示し、その後、再び増加に転ず
る。
電圧の増加に対して次第に増加するが、その電圧
がVPになつた時点で極大電流密度JPに達し、次
いで、急激に減少し、電圧がVVになつた時点で
極小電流密度JVを示し、その後、再び増加に転ず
る。
即ち、電圧がVPからVVに変化する間に於いて
は、電圧の増加に対し電流密度がJPからJVへと減
少し、所謂、負性抵抗特性が現れる。
は、電圧の増加に対し電流密度がJPからJVへと減
少し、所謂、負性抵抗特性が現れる。
第１４図は直径が50〔μm〕であるRTBダイオ
ードの従来例について、温度77〔Ｋ〕の雰囲気中
で共鳴トンネリング電流を実測した結果を表す線
図であり、横軸に印加電圧を、また、縦軸には電
流をそれぞれ採つてある。
ードの従来例について、温度77〔Ｋ〕の雰囲気中
で共鳴トンネリング電流を実測した結果を表す線
図であり、横軸に印加電圧を、また、縦軸には電
流をそれぞれ採つてある。
図に於いて、IPは極大電流、IVは極小電流をそ
れぞれ示し、横軸の１目盛は200〔mV〕に、そし
て、縦軸の１目盛は50〔mA〕になつている。尚、
図からすると、極小電流IVに対応する印加電圧
が、極大電流IPに対応する印加電圧に対し、低電
圧側にシフトして現れているが、これは、直列抵
抗成分に依る電圧降下量が変化する為である。
れぞれ示し、横軸の１目盛は200〔mV〕に、そし
て、縦軸の１目盛は50〔mA〕になつている。尚、
図からすると、極小電流IVに対応する印加電圧
が、極大電流IPに対応する印加電圧に対し、低電
圧側にシフトして現れているが、これは、直列抵
抗成分に依る電圧降下量が変化する為である。
前記説明したような微分負性抵抗特性はRTB
ダイオードの他にRHETなどでも得られ、少な
い数の素子で論理回路、逓倍回路、発振回路など
を構成するのに有効であるが、その場合、回路を
良好に動作させるには、極大電流密度と極小電流
密度との比、即ち、JP／JVが大であること、及
び、極大電流密度JPが大であることが必要であ
る。
ダイオードの他にRHETなどでも得られ、少な
い数の素子で論理回路、逓倍回路、発振回路など
を構成するのに有効であるが、その場合、回路を
良好に動作させるには、極大電流密度と極小電流
密度との比、即ち、JP／JVが大であること、及
び、極大電流密度JPが大であることが必要であ
る。
このような特性は、量子井戸のバリヤ高さ、バ
リヤ層の幅（厚さ）、ウエル層の幅（厚さ）、バリ
ヤ層の外側に在るｎ型半導体層である電極コンタ
クト層の不純物濃度などに依つて変化する。
リヤ層の幅（厚さ）、ウエル層の幅（厚さ）、バリ
ヤ層の外側に在るｎ型半導体層である電極コンタ
クト層の不純物濃度などに依つて変化する。
第５図はRTBダイオードやRHETなど負性抵
抗素子に於ける極大電流密度JP並びに極大・極小
電流密度比JP／JVの相関を説明する為の線図であ
り、黒丸（●）が従来のAlGaAs／GaAs系負性
抵抗素子に於ける特性を示している。
抗素子に於ける極大電流密度JP並びに極大・極小
電流密度比JP／JVの相関を説明する為の線図であ
り、黒丸（●）が従来のAlGaAs／GaAs系負性
抵抗素子に於ける特性を示している。
図から判るように、極大電流密度JPが大きくな
るにつれて極大・極小電流密度比JP／JVが減少
し、例えば、JP≒２×104〔Ａ／cm2〕のときJP／JV
≒３程度に留まつている。
るにつれて極大・極小電流密度比JP／JVが減少
し、例えば、JP≒２×104〔Ａ／cm2〕のときJP／JV
≒３程度に留まつている。
このように、従来のAlGaAs／GaAs系負性抵
抗素子では、極大電流密度JPを大きくすれば極
大・極小電流密度比JP／JVが減少することから、
電流を増大して動作速度を向上するには制約があ
る。
抗素子では、極大電流密度JPを大きくすれば極
大・極小電流密度比JP／JVが減少することから、
電流を増大して動作速度を向上するには制約があ
る。
本発明は、極大電流密度JP並びに極大・極小電
流密度比JP／JVの何れも大である微分負性抵抗特
性を有する半導体装置を実現させようとする。
流密度比JP／JVの何れも大である微分負性抵抗特
性を有する半導体装置を実現させようとする。
本発明に依る共鳴トンネリング半導体装置に於
いては、InP基板（例えば半絶縁性InP基板１）
の上に形成され且つ AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-XAs （0.48＜ｘ≦１） の各混晶から選択されたバリヤ層（例えばｉ型
Al0.48In0.52Asバリヤ層３及び５）で InGaAs からなるウエル層（例えばｉ型In0.53Ga0.47Asウ
エル層４）を挟んだ量子井戸を備えた構成になつ
ている。
いては、InP基板（例えば半絶縁性InP基板１）
の上に形成され且つ AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-XAs （0.48＜ｘ≦１） の各混晶から選択されたバリヤ層（例えばｉ型
Al0.48In0.52Asバリヤ層３及び５）で InGaAs からなるウエル層（例えばｉ型In0.53Ga0.47Asウ
エル層４）を挟んだ量子井戸を備えた構成になつ
ている。
第１図は本発明の原理を説明する共鳴トンネリ
ング半導体装置の要部切断側面図を表している。
ング半導体装置の要部切断側面図を表している。
図に於いて、２は電極コンタクト層、３はバリ
ヤ層、４はウエル層、５はバリヤ層、６は電極コ
ンタクト層をそれぞれ示している。
ヤ層、４はウエル層、５はバリヤ層、６は電極コ
ンタクト層をそれぞれ示している。
前記各部分の使用半導体を例示すると次の通り
である。
である。
(a) 電極コンタクト層２について
ｎ型InGaAs
(b) バリヤ層３について
ｉ型AlxGayIn1-x-yAs
（０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47）
或いは
ｉ型AlxIn1-xAs
（0.48＜ｘ≦１）
(c) ウエル層４について
ｉ型InGaAs
(d) バリヤ層５について
ｉ型AlxGayIn1-X-YAs
（０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47）
或いは
ｉ型AlxIn1-XAs
（０＜ｘ≦１）
(e) 電極コンタクト層６について
ｎ型InGaAs
さて、本発明に於いて、バリヤ層３及び５に於
ける半導体の選択に関しては次のように考えると
良い。
ける半導体の選択に関しては次のように考えると
良い。
即ち、バリヤ層３及び５の厚さが基板である単
結晶InPと格子不整合が問題となるような場合に
は、 ｉ型AlxGaYIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） を、更に詳細には、 （In0.52Al0.48As）z（In0.53Ga0.47As）1-z （０＜Ｚ≦１） を採用することが好ましい。
結晶InPと格子不整合が問題となるような場合に
は、 ｉ型AlxGaYIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） を、更に詳細には、 （In0.52Al0.48As）z（In0.53Ga0.47As）1-z （０＜Ｚ≦１） を採用することが好ましい。
このようにすると、Ｚの全ての範囲に亘つてバ
リヤ層３及び５は単決勝InPと格子整合し、その
禁制帯幅は約0.74乃至１／45〔eV〕程度となる。
リヤ層３及び５は単決勝InPと格子整合し、その
禁制帯幅は約0.74乃至１／45〔eV〕程度となる。
また、バリヤ層３及び５の厚さが基板である単
決勝InPと格子不整合が問題とならないような場
合には、 ｉ型AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） を採用することが好ましい。そのようにすると、
量子井戸は、所謂、歪入り超格子で構成され、前
記のようにバリヤ層３及び５が厚い場合と比較す
ると特性は更に向上する。
決勝InPと格子不整合が問題とならないような場
合には、 ｉ型AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） を採用することが好ましい。そのようにすると、
量子井戸は、所謂、歪入り超格子で構成され、前
記のようにバリヤ層３及び５が厚い場合と比較す
ると特性は更に向上する。
前記説明では、バリヤ層３及び５が厚い場合と
薄い場合に分けて考えたが、それ等の厚さが格子
不整合について問題とならないような場合にも単
決勝InPと格子整合する組成の半導体を採用して
良いことは勿論である。
薄い場合に分けて考えたが、それ等の厚さが格子
不整合について問題とならないような場合にも単
決勝InPと格子整合する組成の半導体を採用して
良いことは勿論である。
ところで、ウエル層４に関しては、単決勝InP
に格子整合させたい場合にはIn0.53Ga0.47Asを採
用すれば良く、これは前記AlxGayIn1-x-yAsに於
いてｘ＝０及びｙ＝0.47とした場合に相当し、そ
の際に於ける禁制帯幅は約0.47〔ev〕程度となる。
に格子整合させたい場合にはIn0.53Ga0.47Asを採
用すれば良く、これは前記AlxGayIn1-x-yAsに於
いてｘ＝０及びｙ＝0.47とした場合に相当し、そ
の際に於ける禁制帯幅は約0.47〔ev〕程度となる。
前記の手段を採ると、Al（Ga）InAs／
InGaAs／Al（Ga）InAs系量子井戸に於けるAl
（Ga）InAsからなるバリヤ層が（In0.52Al0.48As）z
（In0.53Ga0.47As）1-Z（０＜Ｚ≦１）である場合、
キヤリヤの有効質量m*が従来のAlGaAs／
GaAs／AlGaAs系量子井戸に於けるそれと比較
して小さい為、トンネリング確率が増大すると共
に、バリヤ層中での散乱確率が減少し、従つて、
共鳴トンネリング効果が極めて顕著になり、極大
電流密度JP及び極大・極小電流密度比JP／JVが共
に大である微分負性抵抗特性を実現することがで
き、また、同じくAl（Ga）InAsからなるバリヤ
層としてAlxIn1-xAs（0.48＜ｘ≦１）を採用した
場合には、バリヤ層のエネルギ・バンド・ギヤツ
プが1.45〔eV〕程度以上と大きく、従つて、バリ
ヤの電位障壁高さが0.53〔eV〕以上と高い為、極
小電流に於ける熱的電流成分を低減させることが
でき、共鳴トンネリング効果は顕著となり、良好
な微分負性抵抗特性を実現することができる。
InGaAs／Al（Ga）InAs系量子井戸に於けるAl
（Ga）InAsからなるバリヤ層が（In0.52Al0.48As）z
（In0.53Ga0.47As）1-Z（０＜Ｚ≦１）である場合、
キヤリヤの有効質量m*が従来のAlGaAs／
GaAs／AlGaAs系量子井戸に於けるそれと比較
して小さい為、トンネリング確率が増大すると共
に、バリヤ層中での散乱確率が減少し、従つて、
共鳴トンネリング効果が極めて顕著になり、極大
電流密度JP及び極大・極小電流密度比JP／JVが共
に大である微分負性抵抗特性を実現することがで
き、また、同じくAl（Ga）InAsからなるバリヤ
層としてAlxIn1-xAs（0.48＜ｘ≦１）を採用した
場合には、バリヤ層のエネルギ・バンド・ギヤツ
プが1.45〔eV〕程度以上と大きく、従つて、バリ
ヤの電位障壁高さが0.53〔eV〕以上と高い為、極
小電流に於ける熱的電流成分を低減させることが
でき、共鳴トンネリング効果は顕著となり、良好
な微分負性抵抗特性を実現することができる。
第２図は本発明一実施例を説明する為の要部切
断断面図であり、第１図に於いて用いた記号と同
記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つもの
とする。尚、この実施例もRTBダイオードに関
するものであり、しかも、量子井戸を構成する各
半導体層がInPからなる基板に格子整合するもの
を挙げている。
断断面図であり、第１図に於いて用いた記号と同
記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つもの
とする。尚、この実施例もRTBダイオードに関
するものであり、しかも、量子井戸を構成する各
半導体層がInPからなる基板に格子整合するもの
を挙げている。
図に於いて、１は基板、７は保護絶縁膜、８及
び９はオーミツク・コンタクト電極をそれぞれ示
している。
び９はオーミツク・コンタクト電極をそれぞれ示
している。
前記各部分の主要データを例示すると次の通り
である。
である。
(a) 基板１について
材料：半絶縁性InP
(b) 電極コンタクト層２について
材料：ｎ型In0.53Ga0.47As
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：0.5〔μm〕
(c) バリヤ層３について
材料：ｉ型Al0.48In0.52As
厚さ：41〔Å〕
(d) ウエル層４について
材料：ｉ型In0.53Ga0.47As
厚さ：62〔Å〕
(e) バリヤ層５について
材料：ｉ型Al0.48In0.52As
厚さ：41〔Å〕
(f) 電極コンタクト層６について
材料：ｎ型In0.53Ga0.47As
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：0.3〔μm〕
(g) 保護絶縁膜７について
材料：二酸化シリコン（SiO2）
厚さ：0.3〔μm〕
(h) オーミツク・コンタクト電極８及び９につい
て 材料：AuGe／Au 厚さ：200〔Å〕／2000〔Å〕 或いは 材料：Cr／Au 厚さ：100〔Å〕／2000〔Å〕 とするノン・アロイ・オーミツク・コンタクト 本実施例を製造することは極めて簡単であり、
先ず、分子線エピタキシヤル成長（molecular
beam epitaxy：MBE）技術を適用することに依
り、基板１上に電極コンタクト層２、バリヤ層
３、ウエル層４、バリヤ層５、電極コンタクト層
を成長させ、次いで、通常のフオト・リソグラフ
イ技術を適用することに依り、表面から電極コン
タクト層２に達するメサ・エツチングを行つて表
面の直径が例えば50〔μm〕であるメサを形成し、
次いで、化学気相堆積（chemical vapour
deposition：CVD）技術を適用することに依り、
保護絶縁膜７を形成し、次いで、通常のフオト・
リソグラフイ技術を適用することに依り、保護絶
縁膜７に電極コンタクト窓を開口し、次いで、真
空蒸着技術及びリフト・オフ技術を適用すること
に依り、オーミツク・コンタクト電極８及び９を
形成すれば良い。
て 材料：AuGe／Au 厚さ：200〔Å〕／2000〔Å〕 或いは 材料：Cr／Au 厚さ：100〔Å〕／2000〔Å〕 とするノン・アロイ・オーミツク・コンタクト 本実施例を製造することは極めて簡単であり、
先ず、分子線エピタキシヤル成長（molecular
beam epitaxy：MBE）技術を適用することに依
り、基板１上に電極コンタクト層２、バリヤ層
３、ウエル層４、バリヤ層５、電極コンタクト層
を成長させ、次いで、通常のフオト・リソグラフ
イ技術を適用することに依り、表面から電極コン
タクト層２に達するメサ・エツチングを行つて表
面の直径が例えば50〔μm〕であるメサを形成し、
次いで、化学気相堆積（chemical vapour
deposition：CVD）技術を適用することに依り、
保護絶縁膜７を形成し、次いで、通常のフオト・
リソグラフイ技術を適用することに依り、保護絶
縁膜７に電極コンタクト窓を開口し、次いで、真
空蒸着技術及びリフト・オフ技術を適用すること
に依り、オーミツク・コンタクト電極８及び９を
形成すれば良い。
第３図は第２図について説明した実施例に関す
るエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第２
図及び第１２図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
るエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第２
図及び第１２図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、EFはフエルミ・レベルを示して
いる。
いる。
図は電圧の非印加状態におるエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムであるから、伝導帯の底ECに
は印加電圧に起因するレベルの上昇や下降、或い
は、傾斜などは存在せず、唯、バリヤ層３及び５
に依るバリヤ高さのみが明瞭に看取される。
ド・ダイヤグラムであるから、伝導帯の底ECに
は印加電圧に起因するレベルの上昇や下降、或い
は、傾斜などは存在せず、唯、バリヤ層３及び５
に依るバリヤ高さのみが明瞭に看取される。
第４図は第２図及び第３図について説明した本
発明一実施例であるRTBダイオードの共鳴トン
ネリング電流を温度77〔Ｋ〕の雰囲気中で実測し
た結果を表す線図であり、横軸に印加電圧を、ま
た、縦軸には電流をそれぞれ採つてある。尚、第
１４図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表
すか或いは同じ意味を持つものであり、観測の条
件なども全く同じである。
発明一実施例であるRTBダイオードの共鳴トン
ネリング電流を温度77〔Ｋ〕の雰囲気中で実測し
た結果を表す線図であり、横軸に印加電圧を、ま
た、縦軸には電流をそれぞれ採つてある。尚、第
１４図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表
すか或いは同じ意味を持つものであり、観測の条
件なども全く同じである。
図から判るように、第１４図と比較すると、極
大電流IPが増大し、また、極小電極IVが顕著に減
少している。
大電流IPが増大し、また、極小電極IVが顕著に減
少している。
第５図は第２図乃至第４図について説明した本
発明一実施例であるRTBダイオードの極大電流
密度JPと極大・極小電流密度比JP／JVとの関係を
従来のAlGaAs／GaAs／AlGaAs系と対比して
表した線図であり、横軸に極大電流密度JPを、縦
軸に極大・極小電流密度比JP／JVをそれぞれ採つ
てある。
発明一実施例であるRTBダイオードの極大電流
密度JPと極大・極小電流密度比JP／JVとの関係を
従来のAlGaAs／GaAs／AlGaAs系と対比して
表した線図であり、横軸に極大電流密度JPを、縦
軸に極大・極小電流密度比JP／JVをそれぞれ採つ
てある。
図では、黒丸（●）が従来例のデータを、そし
て、白丸（○）が本発明一実施例のそれを示して
いる。
て、白丸（○）が本発明一実施例のそれを示して
いる。
図から判るように、例えば、
JP≒2.5×104〔Ａ／cm2〕
であるとき、
JP／JV≒11.7
であり、AlGaAs／GaAs／AlGaAs系の略４倍
にもなつている。
にもなつている。
前記説明した実施例では、量子井戸を構成して
いる各半導体層がInPからなる基板に格子整合さ
れたものを挙げて説明したが、量子井戸を、所
謂、歪入り超格子で構成すれば、格子整合に関連
する諸条件に留意する必要はなくなる。
いる各半導体層がInPからなる基板に格子整合さ
れたものを挙げて説明したが、量子井戸を、所
謂、歪入り超格子で構成すれば、格子整合に関連
する諸条件に留意する必要はなくなる。
さて、量子井戸を歪入り超格子で構成した
RTBダイオードの実施例について説明するが、
その場合、材料や諸寸法は相違するものの、各半
導体層の積層構成などの基本的構造は第２図の実
施例と同様である為、ここでは、各部分の主要デ
ータのみを例示して説明する。
RTBダイオードの実施例について説明するが、
その場合、材料や諸寸法は相違するものの、各半
導体層の積層構成などの基本的構造は第２図の実
施例と同様である為、ここでは、各部分の主要デ
ータのみを例示して説明する。
(a) 基板１について
材料：半絶縁性InP
(b) 電極コンタクト層２について
材料：ｎ型In0.53Ga0.47As
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：5000〔Å〕
(c) バリヤ層３について
材料：ｉ型AlAs
厚さ：24〔Å〕
(d) ウエル層４について
材料：ｉ型In0.53Ga0.47As
厚さ：44〔Å〕
(e) バリヤ層５について
材料ｉ型AlAs
厚さ：24〔Å〕
(f) 電極コンタクト層６について
材料：ｎ型In0.53Ga0.47As
不純物濃度：１×1018〔cm-3〕
厚さ：3000〔Å〕
(g) 保護絶縁膜７について
材料：二酸化シリコン（SiO2）
厚さ0.3〔μm〕
(h) オーミツク・コンタクト電極８及び９につい
て 材料：AuGe／Au 厚さ：200〔Å〕／2000〔Å〕 或いは 材料：Cr／Au 厚さ：100〔Å〕／2000〔Å〕 とするノン・アロイ・オーミツク・コンタクト 本実施例に於けるバリヤ層３及び５の構成材料
はAlxIn1-xAsのｘ値を１にした場合に相当する。
て 材料：AuGe／Au 厚さ：200〔Å〕／2000〔Å〕 或いは 材料：Cr／Au 厚さ：100〔Å〕／2000〔Å〕 とするノン・アロイ・オーミツク・コンタクト 本実施例に於けるバリヤ層３及び５の構成材料
はAlxIn1-xAsのｘ値を１にした場合に相当する。
このようにバリヤ層３及び５の構成材料として
AlAsを用いた場合、当然、InGaAsとの間には格
子不整合が存在するが、AlAsからなるバリヤ層
３及び５の厚さを格子定数の相違に起因して転位
が発生する臨界膜厚以下にすることで結晶に対す
る悪影響は回避される。
AlAsを用いた場合、当然、InGaAsとの間には格
子不整合が存在するが、AlAsからなるバリヤ層
３及び５の厚さを格子定数の相違に起因して転位
が発生する臨界膜厚以下にすることで結晶に対す
る悪影響は回避される。
第６図はバリヤ層３並びに５の構成材料として
AlAsを用いた前記実施例に於ける極大電流密度
JPと極大・極小電流密度JP／JVとの関係を第２図
乃至第５図について説明した実施例及び従来の
AlGaAs／GaAs／AlGaAs系と対比して表した
線図であり、横軸に極大電流密度JPを、縦軸に極
大・極小電流密度比JP／JVをそれぞれ採つてあ
る。尚、このデータは、温度77〔Ｋ〕で得られた
ものである。
AlAsを用いた前記実施例に於ける極大電流密度
JPと極大・極小電流密度JP／JVとの関係を第２図
乃至第５図について説明した実施例及び従来の
AlGaAs／GaAs／AlGaAs系と対比して表した
線図であり、横軸に極大電流密度JPを、縦軸に極
大・極小電流密度比JP／JVをそれぞれ採つてあ
る。尚、このデータは、温度77〔Ｋ〕で得られた
ものである。
図では、白丸（○）が本実施例のデータを、ま
た、黒丸（●）は第２図乃至第５図に関して説明
した実施例のデータを、更にまた、□，■，△，
▲は従来例（AlGaAs／GaAs系RTBダイオー
ド）のデータをそれぞれ示している。
た、黒丸（●）は第２図乃至第５図に関して説明
した実施例のデータを、更にまた、□，■，△，
▲は従来例（AlGaAs／GaAs系RTBダイオー
ド）のデータをそれぞれ示している。
図から判るように、AlAs／InGaAs／AlAs系
の場合、本発明に於ける他の実施例である
AlInAs／InGaAs／AlInAs系と比較しても極
大・極小電流密度比JP／JVは圧倒的に高い値が得
られ、AlGaAs／GaAs／AlGaAs系は全く問題
にならない。
の場合、本発明に於ける他の実施例である
AlInAs／InGaAs／AlInAs系と比較しても極
大・極小電流密度比JP／JVは圧倒的に高い値が得
られ、AlGaAs／GaAs／AlGaAs系は全く問題
にならない。
第６図に見られるAlAs／InGaAs／AlAs系の
優位性は、常温である300〔Ｋ〕に於いても変わり
ない。
優位性は、常温である300〔Ｋ〕に於いても変わり
ない。
第７図は第６図と同様な線図であり、唯、温度
を300〔Ｋ〕にした場合に得られたデータであるこ
とのみが相違している。
を300〔Ｋ〕にした場合に得られたデータであるこ
とのみが相違している。
図から判るように、300〔Ｋ〕では、AlAsのバ
リヤ層を用いても、極大電流密度JP及び極大・極
小電流密度比JP／JVは共にその値が低下している
が、他の実施例或いは従来例との相対関係は、77
〔Ｋ〕の場合と大差ない。
リヤ層を用いても、極大電流密度JP及び極大・極
小電流密度比JP／JVは共にその値が低下している
が、他の実施例或いは従来例との相対関係は、77
〔Ｋ〕の場合と大差ない。
第８図はバリヤ層３及び５にAlxIn1-xAsを用
い、ｘ値をパラメータとして得たデータをまとめ
て表した線図であり、第６図及び第７図に於いて
用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ
意味を持つものとする。
い、ｘ値をパラメータとして得たデータをまとめ
て表した線図であり、第６図及び第７図に於いて
用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ
意味を持つものとする。
このデータを得た際に用いた歪入り共鳴トンネ
リング・バリヤに関する寸法などの諸条件は、第
８図にも挿入されているが、 バリヤ層３及び５の厚さLB：24〔Å〕 ウエル層４の厚さLW：44〔Å〕 であり、また、電極コンタクト層２及び６の不純
物濃度は１×1018〔cm-3〕とした。尚、ここでは、
バリヤ層３或いは５と電極コンタクト層２或いは
６との間に厚さLNが例えば15〔Å〕程度であるノ
ン・ドープInGaAs層を介挿してあるが、これは
必須のものではない。
リング・バリヤに関する寸法などの諸条件は、第
８図にも挿入されているが、 バリヤ層３及び５の厚さLB：24〔Å〕 ウエル層４の厚さLW：44〔Å〕 であり、また、電極コンタクト層２及び６の不純
物濃度は１×1018〔cm-3〕とした。尚、ここでは、
バリヤ層３或いは５と電極コンタクト層２或いは
６との間に厚さLNが例えば15〔Å〕程度であるノ
ン・ドープInGaAs層を介挿してあるが、これは
必須のものではない。
図から明らかなように、ｘ値が１、即ち、
AlAsをバリヤ層とした場合には、300〔Ｋ〕の常
温でも、77〔Ｋ〕に冷却したAl0.48In0.52Asのバリ
ヤ層、即ち、本発明に於ける第２図乃至第５図に
ついて説明した実施例より良い結果が得られてい
る。このAl0.48In0.52Asバリヤ層を用いた実施例で
あつても、従来技術に於けるAlGaAsバリヤ層を
用いたものに比較すると優れていることは前記し
た通りである。
AlAsをバリヤ層とした場合には、300〔Ｋ〕の常
温でも、77〔Ｋ〕に冷却したAl0.48In0.52Asのバリ
ヤ層、即ち、本発明に於ける第２図乃至第５図に
ついて説明した実施例より良い結果が得られてい
る。このAl0.48In0.52Asバリヤ層を用いた実施例で
あつても、従来技術に於けるAlGaAsバリヤ層を
用いたものに比較すると優れていることは前記し
た通りである。
第９図及び第１０図は同じくAlAsバリヤ層を
用いた場合の印加電圧対電流密度の関係を説明す
る為の線図であり、横軸には印加電圧を、縦軸に
は電流密度をそれぞれ採つてある。尚、第９図が
温度77〔Ｋ〕に於いて得られたデータを、第１０
図が温度300〔Ｋ〕に於いて得られたデータをそれ
ぞれ表している。
用いた場合の印加電圧対電流密度の関係を説明す
る為の線図であり、横軸には印加電圧を、縦軸に
は電流密度をそれぞれ採つてある。尚、第９図が
温度77〔Ｋ〕に於いて得られたデータを、第１０
図が温度300〔Ｋ〕に於いて得られたデータをそれ
ぞれ表している。
各図から明らかなように、77〔Ｋ〕に冷却する
と、300〔Ｋ〕の場合と比較して、電流密度の極大
値が高くなり、また、極小値は低くなつている。
これ等の特性は、他の実施例或いは従来例に比較
して優れていることは云うまでもない。
と、300〔Ｋ〕の場合と比較して、電流密度の極大
値が高くなり、また、極小値は低くなつている。
これ等の特性は、他の実施例或いは従来例に比較
して優れていることは云うまでもない。
本発明に依る共鳴トンネリング半導体装置に於
いては、量子井戸を AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） からなるバリヤ層とInGaAsからなるウエル層と
で構成している。
いては、量子井戸を AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） からなるバリヤ層とInGaAsからなるウエル層と
で構成している。
この構成を採ることに依り、Al（Ga）InAs／
InGaAs／Al（Ga）InAs系量子井戸に於けるAl
（Ga）InAsからなるバリヤ層が（In0.52Al0.48As）z
（In0.53Ga0.47As）1-z（０＜Ｚ≦１）である場合、
キヤリヤの有効質量m*が従来のAlGaAs／
GaAs／AlGaAs系量子井戸に於けるそれと比較
して小さい為、トンネリング確率が増大すると共
にバリヤ層中での散乱確率が減少し、従つて、共
鳴トンネリング効果が極めて顕著になり、極大電
流密度JP及び極大・極小電流密度比JP／JVが共に
大である微分負性抵抗特性を実現することがで
き、また、同じく、Al（Ga）InAsからなるバリ
ヤ層がAlxIn1-xAs（0.48＜ｘ≦１）である場合、
バリヤ層のエネルギ・バンド・ギヤツプが1.45
〔eV〕程度以上と大きく、従つて、バリヤの電位
障壁高さが0.53〔eV〕以上と高い為、極小電流に
於ける熱的電流成分を低減させることができ、共
鳴トンネリング効果は更に顕著となり、この場合
も良好な微分負性抵抗特性を実現することができ
る。
InGaAs／Al（Ga）InAs系量子井戸に於けるAl
（Ga）InAsからなるバリヤ層が（In0.52Al0.48As）z
（In0.53Ga0.47As）1-z（０＜Ｚ≦１）である場合、
キヤリヤの有効質量m*が従来のAlGaAs／
GaAs／AlGaAs系量子井戸に於けるそれと比較
して小さい為、トンネリング確率が増大すると共
にバリヤ層中での散乱確率が減少し、従つて、共
鳴トンネリング効果が極めて顕著になり、極大電
流密度JP及び極大・極小電流密度比JP／JVが共に
大である微分負性抵抗特性を実現することがで
き、また、同じく、Al（Ga）InAsからなるバリ
ヤ層がAlxIn1-xAs（0.48＜ｘ≦１）である場合、
バリヤ層のエネルギ・バンド・ギヤツプが1.45
〔eV〕程度以上と大きく、従つて、バリヤの電位
障壁高さが0.53〔eV〕以上と高い為、極小電流に
於ける熱的電流成分を低減させることができ、共
鳴トンネリング効果は更に顕著となり、この場合
も良好な微分負性抵抗特性を実現することができ
る。
第１図は本発明の原理を説明する共鳴トンネリ
ング半導体装置の要部切断側面図、第２図は本発
明一実施例の要部切断側面図、第３図は第２図に
ついて説明した実施例のエネルギ・バンド・ダイ
ヤフラム、第４図は第２図について説明した実施
例の共鳴トンネリング電流を実測した結果をまと
めた線図、第５図は第２図について説明した実施
例の極大電流密度と極大・極小電流密度比との関
係を示す線図、第６図はAlAsバリヤ層を用いた
実施例の極大電流密度と極大・極小電流密度比と
の関係を示す線図、第７図はAlAsバリヤ層を用
いた実施例の極大電流密度と極大・極小電流密度
比との関係を示す線図、第８図はｘ値をパラメー
タとしたAlxIn1-xAsバリヤ層を用いた実施例に関
するデータを示す線図、第９図及び第１０図は
AlAsバリヤ層を用いた実施例について印加電圧
対電流密度の関係を説明する為の線図、第１１図
はRTBダイオードの従来例を説明する為の要部
切断側面図、第１２図は第１１図に見られる
RTBダイオードのエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラム、第１３図は共鳴トンネリング電流が流れる
様子を説明する為の線図、第１４図は温度77〔Ｋ〕
に於けるRTBダイオードの共鳴トンネリング電
流を実測した結果を示す線図をそれぞれ表してい
る。 図に於いて、１は基板、２は電極コンタクト
層、３はバリヤ層、４はウエル層、６はバリヤ
層、６は電極コンタクト層、７は保護絶縁膜、８
及び９はオーミツク・コンタクト電極をそれぞれ
示している。
ング半導体装置の要部切断側面図、第２図は本発
明一実施例の要部切断側面図、第３図は第２図に
ついて説明した実施例のエネルギ・バンド・ダイ
ヤフラム、第４図は第２図について説明した実施
例の共鳴トンネリング電流を実測した結果をまと
めた線図、第５図は第２図について説明した実施
例の極大電流密度と極大・極小電流密度比との関
係を示す線図、第６図はAlAsバリヤ層を用いた
実施例の極大電流密度と極大・極小電流密度比と
の関係を示す線図、第７図はAlAsバリヤ層を用
いた実施例の極大電流密度と極大・極小電流密度
比との関係を示す線図、第８図はｘ値をパラメー
タとしたAlxIn1-xAsバリヤ層を用いた実施例に関
するデータを示す線図、第９図及び第１０図は
AlAsバリヤ層を用いた実施例について印加電圧
対電流密度の関係を説明する為の線図、第１１図
はRTBダイオードの従来例を説明する為の要部
切断側面図、第１２図は第１１図に見られる
RTBダイオードのエネルギ・バンド・ダイヤグ
ラム、第１３図は共鳴トンネリング電流が流れる
様子を説明する為の線図、第１４図は温度77〔Ｋ〕
に於けるRTBダイオードの共鳴トンネリング電
流を実測した結果を示す線図をそれぞれ表してい
る。 図に於いて、１は基板、２は電極コンタクト
層、３はバリヤ層、４はウエル層、６はバリヤ
層、６は電極コンタクト層、７は保護絶縁膜、８
及び９はオーミツク・コンタクト電極をそれぞれ
示している。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ InP基板の上に形成され且つ AlxGayIn1-x-yAs （０＜ｘ≦0.48，０≦ｙ＜0.47） 或いは AlxIn1-xAs （0.48＜ｘ≦１） の各混晶から選択されるバリヤ層でInGaAsから
なるウエル層を挟んだ量子井戸 を備えてなる共鳴トンネリング半導体装置。
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| JP62113590A JPS63153867A (ja) | 1986-08-04 | 1987-05-12 | 共鳴トンネリング半導体装置 |
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| KR8708543A KR910005762B1 (en) | 1986-08-04 | 1987-08-04 | Resonant tunneling semiconductor device |
| EP87306907A EP0256759B1 (en) | 1986-08-04 | 1987-08-04 | Resonant tunneling semiconductor device |
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Applications Claiming Priority (3)
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| JP18310186 | 1986-08-04 | ||
| JP62113590A JPS63153867A (ja) | 1986-08-04 | 1987-05-12 | 共鳴トンネリング半導体装置 |
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Family
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