JPH06204457A - 多重量子障壁ショットキー接合素子 - Google Patents
多重量子障壁ショットキー接合素子Info
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- JPH06204457A JPH06204457A JP14342092A JP14342092A JPH06204457A JP H06204457 A JPH06204457 A JP H06204457A JP 14342092 A JP14342092 A JP 14342092A JP 14342092 A JP14342092 A JP 14342092A JP H06204457 A JPH06204457 A JP H06204457A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
- H01L29/151—Compositional structures
- H01L29/152—Compositional structures with quantum effects only in vertical direction, i.e. layered structures with quantum effects solely resulting from vertical potential variation
- H01L29/155—Comprising only semiconductor materials
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/47—Schottky barrier electrodes
- H01L29/475—Schottky barrier electrodes on AIII-BV compounds
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- 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
- H01L29/861—Diodes
- H01L29/872—Schottky diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
- H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
- H01S5/2013—MQW barrier reflection layers
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 リーク電流の極めて小さく、また、順方向立
ち上がり電圧の大きいショットキー接合を有する半導体
素子を提供する。 【構成】 半導体4と金属6とで形成されるショットキ
ー接合を有し、前記半導体4と金属6の界面に、入射キ
ャリアを波動として反射し、かつ、入射波と反射波とが
強め合う位相となるように反射し得る作用を有する多重
量子障壁構造5を設ける。
ち上がり電圧の大きいショットキー接合を有する半導体
素子を提供する。 【構成】 半導体4と金属6とで形成されるショットキ
ー接合を有し、前記半導体4と金属6の界面に、入射キ
ャリアを波動として反射し、かつ、入射波と反射波とが
強め合う位相となるように反射し得る作用を有する多重
量子障壁構造5を設ける。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体と金属とで構成
されるショットキー接合を有する多重量子障壁ショット
キー接合素子に関する。
されるショットキー接合を有する多重量子障壁ショット
キー接合素子に関する。
【0002】
【従来技術】InPに格子整合するIn0.53Ga0.47A
sは、低電界時の移動度が大きい、飽和速度が大きい、
バンドギャップが0.74eVと小さく、光通信用の波
長帯1.3〜1.65μmの光を吸収できるなどの特徴
をもつ。このため、In0.53Ga0.47Asと金属とのシ
ョットキー接合を利用したMESFETやホトダイオー
ドが検討されている。しかし、上記ショットキー接合は
バリア高さが低く、リーク電流が大きいという問題を有
し、この問題を改善するために次のような手段が検討さ
れてきた。即ち、 1)界面にSiO2 層を用いる(文献1参照)。 2)界面にn−In0.52Al0.48As層を用いる(文献
2参照)。 3)界面にIn0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48A
sからなるGraded超格子を用いる(文献3参
照)。ここで、Graded超格子とは、In0.53Ga
0.47Asの薄膜層とIn0.52Al0.48As薄膜層を交互
に積層したもので、In0.53Ga0.47As層の厚さとI
n0.52Al0.48As層の厚さは逆方向に徐々に変化して
いるものである。 文献1: D.V.Morgan et al.,Electron.Lett.14,737(1
978) 文献2: J.Barrard et al.,IEEE Electron Device Le
tt.EDL-1,174(1980) 文献3: D.H.Lee et al.,Appl.Phys.Lett.19,1863(19
89)
sは、低電界時の移動度が大きい、飽和速度が大きい、
バンドギャップが0.74eVと小さく、光通信用の波
長帯1.3〜1.65μmの光を吸収できるなどの特徴
をもつ。このため、In0.53Ga0.47Asと金属とのシ
ョットキー接合を利用したMESFETやホトダイオー
ドが検討されている。しかし、上記ショットキー接合は
バリア高さが低く、リーク電流が大きいという問題を有
し、この問題を改善するために次のような手段が検討さ
れてきた。即ち、 1)界面にSiO2 層を用いる(文献1参照)。 2)界面にn−In0.52Al0.48As層を用いる(文献
2参照)。 3)界面にIn0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48A
sからなるGraded超格子を用いる(文献3参
照)。ここで、Graded超格子とは、In0.53Ga
0.47Asの薄膜層とIn0.52Al0.48As薄膜層を交互
に積層したもので、In0.53Ga0.47As層の厚さとI
n0.52Al0.48As層の厚さは逆方向に徐々に変化して
いるものである。 文献1: D.V.Morgan et al.,Electron.Lett.14,737(1
978) 文献2: J.Barrard et al.,IEEE Electron Device Le
tt.EDL-1,174(1980) 文献3: D.H.Lee et al.,Appl.Phys.Lett.19,1863(19
89)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】文献3の方法では、G
raded超格子を金属−(n−In0.53Ga0.47A
s)の間に挿入すると、金属がAuの場合、ショットキ
ーバリア高さは0.71eVとなり、0.51eV増加
することが示されている。このショットキーバリア高さ
の増大の原因としては、超格子の平均組成に対応する実
効的バンドギャップの増大に由来するという説明がなさ
れている。即ち、In0.53Ga0.47As/In0.52Al
0.48AsGraded超格子の実効的バンドギャップは
1.40eVとなり、In0.53Ga0.47Asの0.74
eVよりも0.65eV高くなっている。この増分0.
65eVの0.78倍(実験的には0.51eV)だけ
ショットキーバリア高さが高くなっている。しかしなが
ら、上述の方法では、Graded超格子の物質定数と
しての実効的バンドギャップ(あるいは実効的電子親和
力)で決まるショットキーバリア高よりも高いショット
キーバリア高さを得ることができないという問題があ
る。本発明の目的は、物質定数としての電子親和力の差
で決まるショットキーバリア高さよりも高いバリア高さ
を実現し、リーク電流の極めて小さいショットキー接合
を有する半導体素子を提供することである。
raded超格子を金属−(n−In0.53Ga0.47A
s)の間に挿入すると、金属がAuの場合、ショットキ
ーバリア高さは0.71eVとなり、0.51eV増加
することが示されている。このショットキーバリア高さ
の増大の原因としては、超格子の平均組成に対応する実
効的バンドギャップの増大に由来するという説明がなさ
れている。即ち、In0.53Ga0.47As/In0.52Al
0.48AsGraded超格子の実効的バンドギャップは
1.40eVとなり、In0.53Ga0.47Asの0.74
eVよりも0.65eV高くなっている。この増分0.
65eVの0.78倍(実験的には0.51eV)だけ
ショットキーバリア高さが高くなっている。しかしなが
ら、上述の方法では、Graded超格子の物質定数と
しての実効的バンドギャップ(あるいは実効的電子親和
力)で決まるショットキーバリア高よりも高いショット
キーバリア高さを得ることができないという問題があ
る。本発明の目的は、物質定数としての電子親和力の差
で決まるショットキーバリア高さよりも高いバリア高さ
を実現し、リーク電流の極めて小さいショットキー接合
を有する半導体素子を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決した半導体素子を提供するもので、半導体と金属とで
形成されるショットキー接合を有し、前記半導体と金属
の界面に、入射キャリアを波動として反射し、かつ、入
射波と反射波とが強め合う位相となるように反射し得る
作用を有する多重量子障壁構造を設けたことを特徴とす
る多重量子障壁ショットキー接合素子を第1発明とし、
前記多重量子障壁構造が歪超格子層からなることを第2
発明とするものである。
決した半導体素子を提供するもので、半導体と金属とで
形成されるショットキー接合を有し、前記半導体と金属
の界面に、入射キャリアを波動として反射し、かつ、入
射波と反射波とが強め合う位相となるように反射し得る
作用を有する多重量子障壁構造を設けたことを特徴とす
る多重量子障壁ショットキー接合素子を第1発明とし、
前記多重量子障壁構造が歪超格子層からなることを第2
発明とするものである。
【0005】
【作用】多重量子障壁(MQB:Multi-Quantum Barrie
r)の原理は、入射キャリアを波動として反射し、入射波
と反射波とが強め合う位相となるように、井戸層と障壁
層から構成される超格子構造(多重量子バリア)を構成
することで、古典的障壁高さよりも高い障壁高さを実現
するものである(文献4参照)。本発明は多重量子障壁
構造の上記性質をショットキー接合部に利用したもの
で、上記特性を有する多重量子障壁構造をショットキー
接合を有する半導体素子のショットキー接合部に挿入す
ると、ショットキーバリアが高くなり、逆バイアス時の
ショットキー接合のリーク電流の小さい半導体素子を得
ることができる。また、順バイアス時のショットキー接
合の立ち上がり電圧が高いショットキー接合素子を実現
できる。 文献4: K.Iga et al.,Electron.Lett.22,1008(1986)
r)の原理は、入射キャリアを波動として反射し、入射波
と反射波とが強め合う位相となるように、井戸層と障壁
層から構成される超格子構造(多重量子バリア)を構成
することで、古典的障壁高さよりも高い障壁高さを実現
するものである(文献4参照)。本発明は多重量子障壁
構造の上記性質をショットキー接合部に利用したもの
で、上記特性を有する多重量子障壁構造をショットキー
接合を有する半導体素子のショットキー接合部に挿入す
ると、ショットキーバリアが高くなり、逆バイアス時の
ショットキー接合のリーク電流の小さい半導体素子を得
ることができる。また、順バイアス時のショットキー接
合の立ち上がり電圧が高いショットキー接合素子を実現
できる。 文献4: K.Iga et al.,Electron.Lett.22,1008(1986)
【0006】
【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。図1(a)は本発明にかかる半導体
素子の一実施例であるショットキーバリアダイオードの
断面図である。このショットキーバリアダイオードは、
文献3に示されている素子において、Graded超格
子の代わりに多重量子障壁層(MQB:Multi-Quantum
Barrier)を用いたものである。図中、1はAu/Ge−
Niオーミック電極、2はn+ −InP基板、3は厚さ
0.5μmのn+ −In0.53Ga0.47As層、4は厚さ
1.5μmのn−In0.53Ga0.47As層、5は多重量
子障壁層、6はAuショットキー電極である。多重量子
障壁層5は、図示のように、1層の厚さ60原子層(M
L)のn−InP層51、8層の厚さ5MLのGaIn
As井戸層52、8層の厚さ5MLのn−AlX In
1-X As障壁層53から構成されており、ドーピング量
は全て5×1015cm-3であり、伝導帯下端のエネルギ
−準位は図1(b)のようになる。伝導帯下端のエネル
ギ−準位はGaInAsを基準にしている。ここで、障
壁層の混晶比X=0.48(MQB1と呼ぶ)とX=
0.62(MQB2と呼ぶ)の2例のMQBを用いた。
MQB1の障壁層はInPに格子整合しており、障壁層
53の伝導帯下端エネルギ−EB は500meVであ
る。MQB2の障壁層は1%の面内引っ張り歪みを持つ
ように構成されており、障壁層53の伝導帯下端エネル
ギーEB は770meVである。このような歪超格子を
用いるMQBの原理と効果については、既に特願平2−
305785に開示した。なお、歪超格子構造とするこ
とによるバンド端準位の変化については、文献5に報告
されている。ここで、リーク電流が問題となる逆バイア
ス条件下でのショットキー接合のエネルギーバンド図を
図1(c)に示す。リーク電流はメタルからショットキ
ーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に由来す
る。このような電子に対して、同図に示すように、MQ
Bにより実際の障壁高さより高い実効障壁高さが実現さ
れる。上記MQB1とMQB2について、トランスファ
−マトリックス法(TMM法)を用いて実効障壁高さを
計算した(文献6参照)。その結果は次の通りである。
即ち、 1)MQB1については、n−InGaAsよりも約
1.0V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.2Vが得られる。 2)MQB2については、n−InGaAsよりも約
1.5V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.7Vが得られる。 これらのショットキーバリア高さを文献3の値0.71
と比較すると、MQB1では0.5V高く、MQB2で
は約1.0V高くなっている。一般にショットキー接合
の逆バイアス下の飽和リーク電流JSTは、金属からショ
ットキーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に
由来するとして、熱電子放出理論でよく表され次のよう
になる。即ち、 JST ∝ exp(−qφBn/kT) ここで、φBnはショットキーバリア高さである。上記式
を本実施例に適用し、リーク電流を文献3の値と比較す
ると、MQB1の場合には、 exp(−0.5/0.02
6)≒10-9倍に低減し、MQB2の場合には、 exp
(−1.0/0.026)≒10-17 倍に低減する。こ
のように本実施例により、極めてリーク電流の少ないシ
ョットキーバリアダイオードを得る事が出来る。以上で
は、逆バイアス下で、メタルから半導体へ注入される電
子について述べたが、同様の原理を半導体からメタルへ
注入される電子に適用することで、立ち上がり電圧の高
いショットキー接合を実現できる。上記実施例では、M
QBのバリア材料としてAlX In1-X As(X=0.
48またはX=0.62)を用いたが、0.3≦X≦1
であれば、同様の効果を期待できる。X=0.34の場
合について、エネルギーバンド構造とフォトダイオード
として使用した場合におけるキャリアの流れを図2に示
した。この場合には、MQBの効果により、InPに格
子整合するAlX In1-X As(X=0.48)と同等
の実効ショットキーバリア高さが得られるとともに、M
QB内の価電子帯上端の不連続を0.08eVと小さく
できる。因みに、文献3の構造では0.2eVの不連続
が存在する。正孔はMQBを通ってショットキーメタル
へ流れるため、文献3で指摘されているように、価電子
帯上端の不連続は正孔のパイルアップを生じ、高速応答
の妨げとなる。本実施例はこの問題に対しても有利であ
る。以上の実施例では、MQB領域へ均一にドーピング
されている場合を述べたが、井戸層もしくは障壁層にn
型変調ドープを行うことも、伝導帯の障壁を高くし、価
電子帯の障壁を低くする上で有効である。この他の材料
系としては、GaAsY Sb1-Y (Y≒0.32)を用
いてもよい。この場合には、InPに格子整合するGa
X In1-X As(X=0.47)に対して伝導帯障壁が
十分高く、従って、MQBとした場合の実効バリア高さ
が十分高く、かつ、価電子帯不連続がほとんどないとい
う条件を満たすことができる。さらに、InPに対して
1%〜5%程度格子定数の小さいGaX In1-X PをM
QBのバリア層としてもよい。また、本実施例ではショ
ットキーダイオードだけを説明したが、この構造はSI
S型FET、HEMTなどにも応用できる。また、以上
の実施例では、InP基板上のショットキー素子につい
て説明したが、他の材料系の場合にも同様の原理を適用
できる。なお、本発明に開示するMQB構造は、MOC
VD、ガスソースMBEおよび原子層エピタキシー(A
LE)法などの超薄膜制御性に優れた結晶成長法を用い
て作製することができる。 文献5: F.L.Schuermeyer et al.,Appl.Phys.Lett.5
5,1877(1989) 文献6: B.Jonsson et al.,IEEE J. Quantum Electro
n.,QE-26,2025(1990)
を詳細に説明する。図1(a)は本発明にかかる半導体
素子の一実施例であるショットキーバリアダイオードの
断面図である。このショットキーバリアダイオードは、
文献3に示されている素子において、Graded超格
子の代わりに多重量子障壁層(MQB:Multi-Quantum
Barrier)を用いたものである。図中、1はAu/Ge−
Niオーミック電極、2はn+ −InP基板、3は厚さ
0.5μmのn+ −In0.53Ga0.47As層、4は厚さ
1.5μmのn−In0.53Ga0.47As層、5は多重量
子障壁層、6はAuショットキー電極である。多重量子
障壁層5は、図示のように、1層の厚さ60原子層(M
L)のn−InP層51、8層の厚さ5MLのGaIn
As井戸層52、8層の厚さ5MLのn−AlX In
1-X As障壁層53から構成されており、ドーピング量
は全て5×1015cm-3であり、伝導帯下端のエネルギ
−準位は図1(b)のようになる。伝導帯下端のエネル
ギ−準位はGaInAsを基準にしている。ここで、障
壁層の混晶比X=0.48(MQB1と呼ぶ)とX=
0.62(MQB2と呼ぶ)の2例のMQBを用いた。
MQB1の障壁層はInPに格子整合しており、障壁層
53の伝導帯下端エネルギ−EB は500meVであ
る。MQB2の障壁層は1%の面内引っ張り歪みを持つ
ように構成されており、障壁層53の伝導帯下端エネル
ギーEB は770meVである。このような歪超格子を
用いるMQBの原理と効果については、既に特願平2−
305785に開示した。なお、歪超格子構造とするこ
とによるバンド端準位の変化については、文献5に報告
されている。ここで、リーク電流が問題となる逆バイア
ス条件下でのショットキー接合のエネルギーバンド図を
図1(c)に示す。リーク電流はメタルからショットキ
ーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に由来す
る。このような電子に対して、同図に示すように、MQ
Bにより実際の障壁高さより高い実効障壁高さが実現さ
れる。上記MQB1とMQB2について、トランスファ
−マトリックス法(TMM法)を用いて実効障壁高さを
計算した(文献6参照)。その結果は次の通りである。
即ち、 1)MQB1については、n−InGaAsよりも約
1.0V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.2Vが得られる。 2)MQB2については、n−InGaAsよりも約
1.5V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.7Vが得られる。 これらのショットキーバリア高さを文献3の値0.71
と比較すると、MQB1では0.5V高く、MQB2で
は約1.0V高くなっている。一般にショットキー接合
の逆バイアス下の飽和リーク電流JSTは、金属からショ
ットキーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に
由来するとして、熱電子放出理論でよく表され次のよう
になる。即ち、 JST ∝ exp(−qφBn/kT) ここで、φBnはショットキーバリア高さである。上記式
を本実施例に適用し、リーク電流を文献3の値と比較す
ると、MQB1の場合には、 exp(−0.5/0.02
6)≒10-9倍に低減し、MQB2の場合には、 exp
(−1.0/0.026)≒10-17 倍に低減する。こ
のように本実施例により、極めてリーク電流の少ないシ
ョットキーバリアダイオードを得る事が出来る。以上で
は、逆バイアス下で、メタルから半導体へ注入される電
子について述べたが、同様の原理を半導体からメタルへ
注入される電子に適用することで、立ち上がり電圧の高
いショットキー接合を実現できる。上記実施例では、M
QBのバリア材料としてAlX In1-X As(X=0.
48またはX=0.62)を用いたが、0.3≦X≦1
であれば、同様の効果を期待できる。X=0.34の場
合について、エネルギーバンド構造とフォトダイオード
として使用した場合におけるキャリアの流れを図2に示
した。この場合には、MQBの効果により、InPに格
子整合するAlX In1-X As(X=0.48)と同等
の実効ショットキーバリア高さが得られるとともに、M
QB内の価電子帯上端の不連続を0.08eVと小さく
できる。因みに、文献3の構造では0.2eVの不連続
が存在する。正孔はMQBを通ってショットキーメタル
へ流れるため、文献3で指摘されているように、価電子
帯上端の不連続は正孔のパイルアップを生じ、高速応答
の妨げとなる。本実施例はこの問題に対しても有利であ
る。以上の実施例では、MQB領域へ均一にドーピング
されている場合を述べたが、井戸層もしくは障壁層にn
型変調ドープを行うことも、伝導帯の障壁を高くし、価
電子帯の障壁を低くする上で有効である。この他の材料
系としては、GaAsY Sb1-Y (Y≒0.32)を用
いてもよい。この場合には、InPに格子整合するGa
X In1-X As(X=0.47)に対して伝導帯障壁が
十分高く、従って、MQBとした場合の実効バリア高さ
が十分高く、かつ、価電子帯不連続がほとんどないとい
う条件を満たすことができる。さらに、InPに対して
1%〜5%程度格子定数の小さいGaX In1-X PをM
QBのバリア層としてもよい。また、本実施例ではショ
ットキーダイオードだけを説明したが、この構造はSI
S型FET、HEMTなどにも応用できる。また、以上
の実施例では、InP基板上のショットキー素子につい
て説明したが、他の材料系の場合にも同様の原理を適用
できる。なお、本発明に開示するMQB構造は、MOC
VD、ガスソースMBEおよび原子層エピタキシー(A
LE)法などの超薄膜制御性に優れた結晶成長法を用い
て作製することができる。 文献5: F.L.Schuermeyer et al.,Appl.Phys.Lett.5
5,1877(1989) 文献6: B.Jonsson et al.,IEEE J. Quantum Electro
n.,QE-26,2025(1990)
【0007】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体と金属とで形成されるショットキー接合を有し、前
記半導体と金属の界面に、入射キャリアを波動として反
射し、かつ、入射波と反射波とが強め合う位相となるよ
うに反射し得る作用を有する多重量子障壁構造を設ける
ため、物質定数としての電子親和力差で決まるショット
キーバリア高さよりも高い実効バリア高さを実現し、リ
ーク電流が極めて小さく、また、順方向立ち上がり電圧
が大きいショットキー接合を有する半導体素子を得るこ
とができるという優れた効果がある。
導体と金属とで形成されるショットキー接合を有し、前
記半導体と金属の界面に、入射キャリアを波動として反
射し、かつ、入射波と反射波とが強め合う位相となるよ
うに反射し得る作用を有する多重量子障壁構造を設ける
ため、物質定数としての電子親和力差で決まるショット
キーバリア高さよりも高い実効バリア高さを実現し、リ
ーク電流が極めて小さく、また、順方向立ち上がり電圧
が大きいショットキー接合を有する半導体素子を得るこ
とができるという優れた効果がある。
【図1】(a)は本発明に係る半導体素子の一実施例で
あるショットキーバリアダイオードの断面図であり、
(b)は前記実施例の伝導帯下端エネルギー構造図であ
り、(c)は逆バイアス下のショットキー接合のエネル
ギー準位とMQBの実効ポテンシャル高さ、入射電子の
関係を示す図である。
あるショットキーバリアダイオードの断面図であり、
(b)は前記実施例の伝導帯下端エネルギー構造図であ
り、(c)は逆バイアス下のショットキー接合のエネル
ギー準位とMQBの実効ポテンシャル高さ、入射電子の
関係を示す図である。
【図2】(a)と(b)は本発明に係る半導体素子の他
の実施例であるフォトダイオードのエネルギーバンド構
造図とキャリアの流れを示す図である。
の実施例であるフォトダイオードのエネルギーバンド構
造図とキャリアの流れを示す図である。
1 Au/Ge−Niオーミック電極 2 n+ −InP基板 3 n+ −In0.53Ga0.47As層 4 n−In0.53Ga0.47As層 5 多重量子障壁層 6 Auショットキー電極 51 n−InP層 52 GaInAs井戸層 53 n−AlX In1-X As障壁層
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年6月1日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】
【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。図1(a)は本発明にかかる半導体
素子の一実施例であるショットキーバリアダイオードの
断面図である。このショットキーバリアダイオードは、
文献3に示されている素子において、グレーディド(G
raded)超格子の代わりに多重量子障壁層(MQ
B:Multi-Quantum Barrier)を用いたものである。図
中、1はAu/Ge−Ni−Auオーミック電極、2は
n+ −InP基板、3は厚さ0.5μmのn+ −In
0.53Ga0.47As層、4は厚さ1.5μmのn−In
0.53Ga0.47As層、5は多重量子障壁層、6はAuシ
ョットキー電極である。多重量子障壁層5は、図示のよ
うに、1層の厚さ60原子層(ML)のn−InP層5
1、8層の厚さ5MLのGaInAs井戸層52、8層
の厚さ5MLのn−AlX In1-X As障壁層53から
構成されており、ドーピングは全てノンドープであり、
伝導帯下端のエネルギ−準位は図1(b)のようにな
る。伝導帯下端のエネルギ−準位はGaInAsを基準
にしている。ここで、障壁層の混晶比X=0.48(M
QB1と呼ぶ)とX=0.62(MQB2と呼ぶ)の2
例のMQBを用いた。MQB1の障壁層はInPに格子
整合しており、障壁層53の伝導帯下端エネルギ−EB
は500meVである。MQB2の障壁層は1%の面内
引っ張り歪みを持つように構成されており、障壁層53
の伝導帯下端エネルギーEB は770meVである。こ
のような歪超格子を用いるMQBの原理と効果について
は、既に特願平2−305785および文献5に開示し
た。なお、歪超格子構造とすることによるバンド端準位
の変化については、文献6に報告されている。ここで、
リーク電流が問題となる逆バイアス条件下でのショット
キー接合のエネルギーバンド図を図1(c)に示す。リ
ーク電流はメタルからショットキーバリアを越えて半導
体側へ注入される熱電子に由来する。このような電子に
対して、同図に示すように、MQBにより実際の障壁高
さより高い実効障壁高さが実現される。上記MQB1と
MQB2について、トランスファ−マトリックス法(T
MM法)を用いて実効障壁高さを計算した(文献7参
照)。その結果は次の通りである。即ち、 1)MQB1については、n−InGaAsよりも約
1.0V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.2Vが得られる。 2)MQB2については、n−InGaAsよりも約
1.5V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.7Vが得られる。 これらのショットキーバリア高さを文献3の値0.71
と比較すると、MQB1では0.5V高く、MQB2で
は約1.0V高くなっている。一般にショットキー接合
の逆バイアス下の飽和リーク電流JSTは、金属からショ
ットキーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に
由来するとして、熱電子放出理論でよく表され次のよう
になる。即ち、 JST ∝ exp(−qφBn/kT) ここで、φBnはショットキーバリア高さである。上記式
を本実施例に適用し、リーク電流を文献3の値と比較す
ると、MQB1の場合には、 exp(−0.5/0.02
6)≒10-9倍に低減し、MQB2の場合には、 exp
(−1.0/0.026)≒10-17 倍に低減する。こ
のように本実施例により、極めてリーク電流の少ないシ
ョットキーバリアダイオードを得る事が出来る。以上で
は、逆バイアス下で、メタルから半導体へ注入される電
子について述べたが、同様の原理を半導体からメタルへ
注入される電子に適用することで、立ち上がり電圧の高
いショットキー接合を実現できる。上記実施例では、M
QBのバリア材料としてAlX In1-X As(X=0.
48またはX=0.62)を用いたが、0.3≦X≦1
であれば、同様の効果を期待できる。X=0.34の場
合について、エネルギーバンド構造とフォトダイオード
として使用した場合におけるキャリアの流れを図2に示
した。この場合には、MQBの効果により、InPに格
子整合するAlX In1-X As(X=0.48)と同等
の実効ショットキーバリア高さが得られるとともに、M
QB内の価電子帯上端の不連続を0.08eVと小さく
できる。因みに、文献3の構造では0.2eVの不連続
が存在する。正孔はMQBを通ってショットキーメタル
へ流れるため、文献3で指摘されているように、価電子
帯上端の不連続は正孔のパイルアップを生じ、高速応答
の妨げとなる。本実施例はこの問題に対しても有利であ
る。以上の実施例では、MQB領域へ均一にドーピング
されている場合を述べたが、井戸層もしくは障壁層にn
型変調ドープを行うことも、伝導帯の障壁を高くし、価
電子帯の障壁を低くする上で有効である。この他の材料
系としては、GaAsY Sb1-Y (Y≒0.32)を用
いてもよい。この場合には、InPに格子整合するGa
X In1-X As(X=0.47)に対して伝導帯障壁が
十分高く、従って、MQBとした場合の実効バリア高さ
が十分高く、かつ、価電子帯不連続がほとんどないとい
う条件を満たすことができる。さらに、InPに対して
1%〜5%程度格子定数の小さいGaX In1-X PをM
QBのバリア層としてもよい。また、本実施例ではショ
ットキーダイオードだけを説明したが、この構造はSI
S型FET、HEMTなどにも応用できる。また、以上
の実施例では、InP基板上のショットキー素子につい
て説明したが、他の材料系の場合にも同様の原理を適用
できる。なお、本発明に開示するMQB構造は、MOC
VD、ガスソースMBEおよび原子層エピタキシー(A
LE)法などの超薄膜制御性に優れた結晶成長法を用い
て作製することができる。 文献5: M.Irikawa et al.,Jpn.J.Appl.Phys.31,L135
1(1992). 文献6: F.L.Schuermeyer et al.,Appl.Phys.Lett.5
5,1877(1989). 文献7: B.Jonsson et al.,IEEE J. Quantum Electro
n.,QE-26,2025(1990).
を詳細に説明する。図1(a)は本発明にかかる半導体
素子の一実施例であるショットキーバリアダイオードの
断面図である。このショットキーバリアダイオードは、
文献3に示されている素子において、グレーディド(G
raded)超格子の代わりに多重量子障壁層(MQ
B:Multi-Quantum Barrier)を用いたものである。図
中、1はAu/Ge−Ni−Auオーミック電極、2は
n+ −InP基板、3は厚さ0.5μmのn+ −In
0.53Ga0.47As層、4は厚さ1.5μmのn−In
0.53Ga0.47As層、5は多重量子障壁層、6はAuシ
ョットキー電極である。多重量子障壁層5は、図示のよ
うに、1層の厚さ60原子層(ML)のn−InP層5
1、8層の厚さ5MLのGaInAs井戸層52、8層
の厚さ5MLのn−AlX In1-X As障壁層53から
構成されており、ドーピングは全てノンドープであり、
伝導帯下端のエネルギ−準位は図1(b)のようにな
る。伝導帯下端のエネルギ−準位はGaInAsを基準
にしている。ここで、障壁層の混晶比X=0.48(M
QB1と呼ぶ)とX=0.62(MQB2と呼ぶ)の2
例のMQBを用いた。MQB1の障壁層はInPに格子
整合しており、障壁層53の伝導帯下端エネルギ−EB
は500meVである。MQB2の障壁層は1%の面内
引っ張り歪みを持つように構成されており、障壁層53
の伝導帯下端エネルギーEB は770meVである。こ
のような歪超格子を用いるMQBの原理と効果について
は、既に特願平2−305785および文献5に開示し
た。なお、歪超格子構造とすることによるバンド端準位
の変化については、文献6に報告されている。ここで、
リーク電流が問題となる逆バイアス条件下でのショット
キー接合のエネルギーバンド図を図1(c)に示す。リ
ーク電流はメタルからショットキーバリアを越えて半導
体側へ注入される熱電子に由来する。このような電子に
対して、同図に示すように、MQBにより実際の障壁高
さより高い実効障壁高さが実現される。上記MQB1と
MQB2について、トランスファ−マトリックス法(T
MM法)を用いて実効障壁高さを計算した(文献7参
照)。その結果は次の通りである。即ち、 1)MQB1については、n−InGaAsよりも約
1.0V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.2Vが得られる。 2)MQB2については、n−InGaAsよりも約
1.5V高い実効障壁高さが得られる。従って、例えば
Auメタルに対するショットキーバリア高さとしては
1.7Vが得られる。 これらのショットキーバリア高さを文献3の値0.71
と比較すると、MQB1では0.5V高く、MQB2で
は約1.0V高くなっている。一般にショットキー接合
の逆バイアス下の飽和リーク電流JSTは、金属からショ
ットキーバリアを越えて半導体側へ注入される熱電子に
由来するとして、熱電子放出理論でよく表され次のよう
になる。即ち、 JST ∝ exp(−qφBn/kT) ここで、φBnはショットキーバリア高さである。上記式
を本実施例に適用し、リーク電流を文献3の値と比較す
ると、MQB1の場合には、 exp(−0.5/0.02
6)≒10-9倍に低減し、MQB2の場合には、 exp
(−1.0/0.026)≒10-17 倍に低減する。こ
のように本実施例により、極めてリーク電流の少ないシ
ョットキーバリアダイオードを得る事が出来る。以上で
は、逆バイアス下で、メタルから半導体へ注入される電
子について述べたが、同様の原理を半導体からメタルへ
注入される電子に適用することで、立ち上がり電圧の高
いショットキー接合を実現できる。上記実施例では、M
QBのバリア材料としてAlX In1-X As(X=0.
48またはX=0.62)を用いたが、0.3≦X≦1
であれば、同様の効果を期待できる。X=0.34の場
合について、エネルギーバンド構造とフォトダイオード
として使用した場合におけるキャリアの流れを図2に示
した。この場合には、MQBの効果により、InPに格
子整合するAlX In1-X As(X=0.48)と同等
の実効ショットキーバリア高さが得られるとともに、M
QB内の価電子帯上端の不連続を0.08eVと小さく
できる。因みに、文献3の構造では0.2eVの不連続
が存在する。正孔はMQBを通ってショットキーメタル
へ流れるため、文献3で指摘されているように、価電子
帯上端の不連続は正孔のパイルアップを生じ、高速応答
の妨げとなる。本実施例はこの問題に対しても有利であ
る。以上の実施例では、MQB領域へ均一にドーピング
されている場合を述べたが、井戸層もしくは障壁層にn
型変調ドープを行うことも、伝導帯の障壁を高くし、価
電子帯の障壁を低くする上で有効である。この他の材料
系としては、GaAsY Sb1-Y (Y≒0.32)を用
いてもよい。この場合には、InPに格子整合するGa
X In1-X As(X=0.47)に対して伝導帯障壁が
十分高く、従って、MQBとした場合の実効バリア高さ
が十分高く、かつ、価電子帯不連続がほとんどないとい
う条件を満たすことができる。さらに、InPに対して
1%〜5%程度格子定数の小さいGaX In1-X PをM
QBのバリア層としてもよい。また、本実施例ではショ
ットキーダイオードだけを説明したが、この構造はSI
S型FET、HEMTなどにも応用できる。また、以上
の実施例では、InP基板上のショットキー素子につい
て説明したが、他の材料系の場合にも同様の原理を適用
できる。なお、本発明に開示するMQB構造は、MOC
VD、ガスソースMBEおよび原子層エピタキシー(A
LE)法などの超薄膜制御性に優れた結晶成長法を用い
て作製することができる。 文献5: M.Irikawa et al.,Jpn.J.Appl.Phys.31,L135
1(1992). 文献6: F.L.Schuermeyer et al.,Appl.Phys.Lett.5
5,1877(1989). 文献7: B.Jonsson et al.,IEEE J. Quantum Electro
n.,QE-26,2025(1990).
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明に係る半導体素子の一実施例で
あるショットキーバリアダイオードの断面図であり、
(b)は前記実施例の伝導帯下端エネルギー構造図であ
り、(c)は逆バイアス下のショットキー接合のエネル
ギー準位とMQBの実効ポテンシャル高さ、入射電子の
関係を示す図である。
あるショットキーバリアダイオードの断面図であり、
(b)は前記実施例の伝導帯下端エネルギー構造図であ
り、(c)は逆バイアス下のショットキー接合のエネル
ギー準位とMQBの実効ポテンシャル高さ、入射電子の
関係を示す図である。
【図2】(a)と(b)は本発明に係る半導体素子の他
の実施例であるフォトダイオードのエネルギーバンド構
造図とキャリアの流れを示す図である。
の実施例であるフォトダイオードのエネルギーバンド構
造図とキャリアの流れを示す図である。
【符号の説明】 1 Au/Ge−Niオーミック電極 2 n+ −InP基板 3 n+ −In0.53Ga0.47As層 4 n−In0.53Ga0.47As層 5 多重量子障壁層 6 Auショットキー電極 51 n−InP層 52 GaInAs井戸層 53 AlX In1-X As障壁層
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体と金属とで形成されるショットキ
ー接合を有し、前記半導体と金属の界面に、入射キャリ
アを波動として反射し、かつ、入射波と反射波とが強め
合う位相となるように反射し得る作用を有する多重量子
障壁構造を設けたことを特徴とする多重量子障壁ショッ
トキー接合素子。 - 【請求項2】 前記多重量子障壁構造が歪超格子層から
なることを特徴とする多重量子障壁ショットキー接合素
子。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14342092A JPH06204457A (ja) | 1992-05-08 | 1992-05-08 | 多重量子障壁ショットキー接合素子 |
EP93303599A EP0569258A3 (en) | 1992-05-08 | 1993-05-10 | Schottky junction device having a multiple quantum barrier. |
US08/422,831 US5789760A (en) | 1992-05-08 | 1995-04-17 | Multiquantum barrier Schottky junction device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14342092A JPH06204457A (ja) | 1992-05-08 | 1992-05-08 | 多重量子障壁ショットキー接合素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06204457A true JPH06204457A (ja) | 1994-07-22 |
Family
ID=15338338
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14342092A Pending JPH06204457A (ja) | 1992-05-08 | 1992-05-08 | 多重量子障壁ショットキー接合素子 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0569258A3 (ja) |
JP (1) | JPH06204457A (ja) |
Cited By (1)
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 |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3014339B2 (ja) | 1997-04-25 | 2000-02-28 | カナレ電気株式会社 | 量子波干渉層を有した半導体素子 |
JP3014340B2 (ja) | 1997-04-25 | 2000-02-28 | カナレ電気株式会社 | 量子波干渉層を有したダイオード |
US6331716B1 (en) | 1998-02-06 | 2001-12-18 | Canare Electric Co., Ltd. | Variable capacity device with quantum-wave interference layers |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0666519B2 (ja) * | 1986-08-14 | 1994-08-24 | 東京工業大学長 | 超格子構造体 |
JPS6398158A (ja) * | 1986-10-15 | 1988-04-28 | Hitachi Ltd | ホトダイオ−ド |
-
1992
- 1992-05-08 JP JP14342092A patent/JPH06204457A/ja active Pending
-
1993
- 1993-05-10 EP EP93303599A patent/EP0569258A3/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0569258A2 (en) | 1993-11-10 |
EP0569258A3 (en) | 1995-03-01 |
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