JPH0630399B2 - 共鳴トンネル・ダイオ−ド - Google Patents
共鳴トンネル・ダイオ−ドInfo
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- JPH0630399B2 JPH0630399B2 JP61271181A JP27118186A JPH0630399B2 JP H0630399 B2 JPH0630399 B2 JP H0630399B2 JP 61271181 A JP61271181 A JP 61271181A JP 27118186 A JP27118186 A JP 27118186A JP H0630399 B2 JPH0630399 B2 JP H0630399B2
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- layer
- electrons
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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ル・ダイオード、特に超高速・新機
能素子の利用分野で高性能を発揮する三重障壁共鳴トン
ネル・ダイオードに関する。
能素子の利用分野で高性能を発揮する三重障壁共鳴トン
ネル・ダイオードに関する。
（従来の技術） 共鳴トンネル・ダイオードは電子の透過に要する遅延時
間を著しく低減でき、かつ顕著な微分負性抵抗を示すこ
とから、超高速・新機能素子を構成する上で極めて有望
であり、とくに、三重障壁共鳴トンネルダイオードは、
従来の二重障壁構造と比べて、共鳴時の透過電子のエネ
ルギー分布がしぼられて急峻なピーク電流の立上がりが
得られるため、研究開発が活発に行われるようになって
きた。
間を著しく低減でき、かつ顕著な微分負性抵抗を示すこ
とから、超高速・新機能素子を構成する上で極めて有望
であり、とくに、三重障壁共鳴トンネルダイオードは、
従来の二重障壁構造と比べて、共鳴時の透過電子のエネ
ルギー分布がしぼられて急峻なピーク電流の立上がりが
得られるため、研究開発が活発に行われるようになって
きた。
第11図は従来構造の一例を示すもので、例えば、中川ら
により、第33回応用物理学関係連合講演会講演予稿集2a
-R-3に、報告されている。図において112,112′はノン
ドープGaAs層、113,113′,113″はノンドープAlGaAs
層、114,114′はＮ形GaAs層、９はN+GaAs基板、10,10′
はオーミック電極である。
により、第33回応用物理学関係連合講演会講演予稿集2a
-R-3に、報告されている。図において112,112′はノン
ドープGaAs層、113,113′,113″はノンドープAlGaAs
層、114,114′はＮ形GaAs層、９はN+GaAs基板、10,10′
はオーミック電極である。
第12図は第11図の共鳴トンネルダイオードの伝導帯エネ
ルギー分布を示し、(a)は熱平衡状態で、E1,E1′はそれ
ぞれ量子井戸層112,112′の中に形成される擬束縛状態
の基底準位、Ｖ0は障壁の高さである。また、(b)はE1が
入射電子のエネルギーに一致するようなバイアス条件に
おける伝導帯分布である。
ルギー分布を示し、(a)は熱平衡状態で、E1,E1′はそれ
ぞれ量子井戸層112,112′の中に形成される擬束縛状態
の基底準位、Ｖ0は障壁の高さである。また、(b)はE1が
入射電子のエネルギーに一致するようなバイアス条件に
おける伝導帯分布である。
（発明が解決しようとする問題点） ところで前記構造の三重障壁共鳴トンネル・ダイオード
を発振回路や論理回路に応用する場合には、顕著な電流
値のピーク対バレー比を得る必要がある。
を発振回路や論理回路に応用する場合には、顕著な電流
値のピーク対バレー比を得る必要がある。
従来の三重障壁共鳴トンネル・ダイオードは、対称構造
であった為に、第12図(a)に示したように、熱平衡状態
でのみ、E1とE1′のエネルギー値が一致し、電圧印加時
にはE1とE1′が異なってしまい、良好な共鳴状態が得ら
れなかった。即ち、第12図(b)に示したように、E1が入
射電子のエネルギーに一致するバイアス条件では、井戸
層112′が非許容状態であるため、電子は遷移し難く十
分なピーク電流が流れない。また、電流−電圧特性の谷
に対応する非共鳴状態では、E1とE1′による透過確率の
ピークの端が重なるため、バレー電流が大きくなってし
まう。したがって、従来構造の三重障壁共鳴トンネル・
ダイオードでは、第13図に示すようにピーク電流が小さ
く、ピーク対バレー電流比も十分には得られていなかっ
た。
であった為に、第12図(a)に示したように、熱平衡状態
でのみ、E1とE1′のエネルギー値が一致し、電圧印加時
にはE1とE1′が異なってしまい、良好な共鳴状態が得ら
れなかった。即ち、第12図(b)に示したように、E1が入
射電子のエネルギーに一致するバイアス条件では、井戸
層112′が非許容状態であるため、電子は遷移し難く十
分なピーク電流が流れない。また、電流−電圧特性の谷
に対応する非共鳴状態では、E1とE1′による透過確率の
ピークの端が重なるため、バレー電流が大きくなってし
まう。したがって、従来構造の三重障壁共鳴トンネル・
ダイオードでは、第13図に示すようにピーク電流が小さ
く、ピーク対バレー電流比も十分には得られていなかっ
た。
本発明の目的は、この様な問題点を解消し、ピーク電流
が大きく良好なピーク対バレー比を有する共鳴トンネル
・ダイオードを提供することにある。
が大きく良好なピーク対バレー比を有する共鳴トンネル
・ダイオードを提供することにある。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、少なくとも一層のＮ形層を含む第１の半導体
層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子がト
ンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体層、
該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第１の
基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半導体
層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さく、電
子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４の半導
体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく電子の
第２の基底準位が形成される第５の半導体層、該第５の
半導体層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さ
く、電子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第６
の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度が等し
く、少なくとも一層のＮ形層を含む第７の半導体層が順
次形成され、前記第１の半導体層及び前記第７の半導体
層のＮ形層にそれぞれオーム性接触する電極が形成され
た共鳴トンネルダイオードにおいて、前記第５の半導体
層の電子親和度が前記第１の半導体層及び前記第３の半
導体層のいずれよりも大きいと共に、前記第７の半導体
層の伝導帯下端の電子に対するエネルギーをEC、前記第
１の基底準位の電子に対するエネルギーをE1、前記第２
の基底準位の電子に対するエネルギーをE1′とするとき
に、関係 EC＜E1′＜E1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子がト
ンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体層、
該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第１の
基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半導体
層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さく、電
子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４の半導
体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく電子の
第２の基底準位が形成される第５の半導体層、該第５の
半導体層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さ
く、電子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第６
の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度が等し
く、少なくとも一層のＮ形層を含む第７の半導体層が順
次形成され、前記第１の半導体層及び前記第７の半導体
層のＮ形層にそれぞれオーム性接触する電極が形成され
た共鳴トンネルダイオードにおいて、前記第５の半導体
層の電子親和度が前記第１の半導体層及び前記第３の半
導体層のいずれよりも大きいと共に、前記第７の半導体
層の伝導帯下端の電子に対するエネルギーをEC、前記第
１の基底準位の電子に対するエネルギーをE1、前記第２
の基底準位の電子に対するエネルギーをE1′とするとき
に、関係 EC＜E1′＜E1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
または、少なくとも一層のＰ形層を含む第１の半導体
層、該第１の半導体層より電子親和度とバンドギャップ
の和が大きく正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有
する第２の半導体層、該第２の半導体層より電子親和度
とバンドギャップの和が小さく正孔の第１の基底準位が
形成される第３の半導体層、該第３の半導体層及び前記
第１の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和が
大きく、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有する
第４の半導体層、該第４の半導体層より電子親和度とバ
ンドギャップの和が小さく正孔の第２の基底準位が形成
される第５の半導体層、該第５の半導体層及び前記第１
の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和が大き
く、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有する第６
の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度とバンド
ギャップの和が等しく、少なくとも一層のＰ形層を含む
第７の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層及
び前記第７の半導体層のＰ形層にそれぞれオーム性接触
する電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおい
て、前記第５の半導体層の電子親和度とバンドギャップ
の和が前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層のい
ずれよりも小さいと共に、前記第７の半導体層の価電子
帯上端の正孔に対するエネルギーをEV、前記第１の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1、前記第２の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1′とするときに、
関係 EV＜Ep1′＜Ep1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
層、該第１の半導体層より電子親和度とバンドギャップ
の和が大きく正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有
する第２の半導体層、該第２の半導体層より電子親和度
とバンドギャップの和が小さく正孔の第１の基底準位が
形成される第３の半導体層、該第３の半導体層及び前記
第１の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和が
大きく、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有する
第４の半導体層、該第４の半導体層より電子親和度とバ
ンドギャップの和が小さく正孔の第２の基底準位が形成
される第５の半導体層、該第５の半導体層及び前記第１
の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和が大き
く、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有する第６
の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度とバンド
ギャップの和が等しく、少なくとも一層のＰ形層を含む
第７の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層及
び前記第７の半導体層のＰ形層にそれぞれオーム性接触
する電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおい
て、前記第５の半導体層の電子親和度とバンドギャップ
の和が前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層のい
ずれよりも小さいと共に、前記第７の半導体層の価電子
帯上端の正孔に対するエネルギーをEV、前記第１の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1、前記第２の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1′とするときに、
関係 EV＜Ep1′＜Ep1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
または、少なくとも一層のＮ形層を含む第１の半導体
層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子がト
ンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体層、
該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第１の
基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半導体
層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さく、電
子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４の半導
体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく電子の
第２の基底準位と電子の励起準位が形成される第５の半
導体層、該第５の半導体層及び前記第１の半導体層より
電子親和度が小さく、電子がトンネル効果で通過できる
厚さを有する第６の半導体層、前記第１の半導体層と電
子親和度が等しく、少なくとも一層のＮ形層を含む第７
の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層及び前
記第７の半導体層のＮ形層にそれぞれオーム性接触する
電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおいて、前
記第５の半導体層の電子親和度が前記第１の半導体層及
び前記第３の半導体層のいずれよりも大きいと共に、前
記第１の半導体層の伝導帯下端の電子に対するエネルギ
ーをEC、前記第１の基底準位の電子に対するエネルギー
をE1、前記励起準位の電子に対するエネルギーをE2′と
するときに、関係 EC＜E1＜E2′ が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子がト
ンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体層、
該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第１の
基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半導体
層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さく、電
子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４の半導
体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく電子の
第２の基底準位と電子の励起準位が形成される第５の半
導体層、該第５の半導体層及び前記第１の半導体層より
電子親和度が小さく、電子がトンネル効果で通過できる
厚さを有する第６の半導体層、前記第１の半導体層と電
子親和度が等しく、少なくとも一層のＮ形層を含む第７
の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層及び前
記第７の半導体層のＮ形層にそれぞれオーム性接触する
電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおいて、前
記第５の半導体層の電子親和度が前記第１の半導体層及
び前記第３の半導体層のいずれよりも大きいと共に、前
記第１の半導体層の伝導帯下端の電子に対するエネルギ
ーをEC、前記第１の基底準位の電子に対するエネルギー
をE1、前記励起準位の電子に対するエネルギーをE2′と
するときに、関係 EC＜E1＜E2′ が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオードで
ある。
（作用） 以下、本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明による共鳴トンネル・ダイオードの基本
構造断面図で、第２図は対応する伝導帯のエネルギー帯
図である。また第３図は透過確率の電圧依存性を示すグ
ラフであり、第４図は本発明による共鳴トンネルダイオ
ードの電流−電圧特性図である。図において、11はノン
ドープAlxGa1-xAs量子井戸層、12はノンドープGaAs量子
井戸層、13,13′,13″はノンドープAlyGa1-yAs障壁層、
14,14′はＮ型AlxGa1-xAs層で、９はN+GaAs基板、10,1
0′はオーミック電極である。AlxGa1-xAs層11,14,14′
及びAlyGa1-yAs障壁層13,13′,13″におけるｘ及びｙは
第２図(a),(b)のエネルギー帯図が実現されるように選
ばれている。
構造断面図で、第２図は対応する伝導帯のエネルギー帯
図である。また第３図は透過確率の電圧依存性を示すグ
ラフであり、第４図は本発明による共鳴トンネルダイオ
ードの電流−電圧特性図である。図において、11はノン
ドープAlxGa1-xAs量子井戸層、12はノンドープGaAs量子
井戸層、13,13′,13″はノンドープAlyGa1-yAs障壁層、
14,14′はＮ型AlxGa1-xAs層で、９はN+GaAs基板、10,1
0′はオーミック電極である。AlxGa1-xAs層11,14,14′
及びAlyGa1-yAs障壁層13,13′,13″におけるｘ及びｙは
第２図(a),(b)のエネルギー帯図が実現されるように選
ばれている。
ところで、Ｎ形AlxGa1-xAs層14,14′の伝導帯下端Ecか
ら測った障壁層13,13′,13″の高さＶ0が0.3eV、GaAs量
子井戸層12の深さが0.05eVの時の、この系の電子の透過
確率を印加電圧の関数として、第３図に破線で示す。こ
こで、障壁層及び井戸層の厚みはそれぞれ30Åと50Åで
あり、Ecから測った入射電子のエネルギーは0.005eVと
した。
ら測った障壁層13,13′,13″の高さＶ0が0.3eV、GaAs量
子井戸層12の深さが0.05eVの時の、この系の電子の透過
確率を印加電圧の関数として、第３図に破線で示す。こ
こで、障壁層及び井戸層の厚みはそれぞれ30Åと50Åで
あり、Ecから測った入射電子のエネルギーは0.005eVと
した。
一方、第３図に実線で示したのは、第11図、第12図に示
した従来技術による場合の電子の透過確率で、やはりＶ
0＝0.3eVで、障壁層、井戸層の厚みはそれぞれ30Åと50
Åの場合である。
した従来技術による場合の電子の透過確率で、やはりＶ
0＝0.3eVで、障壁層、井戸層の厚みはそれぞれ30Åと50
Åの場合である。
さて、本発明の特徴は第２図(a)に示すように、二つあ
る量子井戸層の一方の伝導帯下端のエネルギーを障壁両
端のＮ形層よりΔＥ′だけ小さくした事であるが、この
時第２図(b)に示すように、量子準位E1が入射電子のエ
ネルギーに一致するバイアス条件でE1′がE1と等エネル
ギーになるようにΔＥ′を選んであるので、第３図に示
すように透過確率−電圧曲線は、E1のピークとE1′のピ
ークが重なることにより、従来技術に比べて極めて大き
いピーク対バレー比と大きい半値幅を有する。従って、
第４図に示すように、ピーク対バレー電流比が良好であ
り、大きなピーク電流が得られる電流−電圧特性が得ら
れる。ここで、第３図の透過係数−電圧曲線（破線）に
おいて、一個目のピークは二つの小ピークに分かれてい
るが、そのエネルギー差は電子のエネルギー分布関数の
ひろがりより十分狭いため第４図ではならされた１個の
ピークしか見えない。
る量子井戸層の一方の伝導帯下端のエネルギーを障壁両
端のＮ形層よりΔＥ′だけ小さくした事であるが、この
時第２図(b)に示すように、量子準位E1が入射電子のエ
ネルギーに一致するバイアス条件でE1′がE1と等エネル
ギーになるようにΔＥ′を選んであるので、第３図に示
すように透過確率−電圧曲線は、E1のピークとE1′のピ
ークが重なることにより、従来技術に比べて極めて大き
いピーク対バレー比と大きい半値幅を有する。従って、
第４図に示すように、ピーク対バレー電流比が良好であ
り、大きなピーク電流が得られる電流−電圧特性が得ら
れる。ここで、第３図の透過係数−電圧曲線（破線）に
おいて、一個目のピークは二つの小ピークに分かれてい
るが、そのエネルギー差は電子のエネルギー分布関数の
ひろがりより十分狭いため第４図ではならされた１個の
ピークしか見えない。
以上は、電子の共鳴トンネルの場合について説明した
が、正孔の共鳴トンネルの場合も同様である。第５図は
本発明によるＰ形共鳴トンネルダイオードの基本構造断
面図である。図において、51はノンドープAlzGa1-zAs量
子井戸層、52はノンドープGaAs量子井戸層、53,53′,5
3″はノンドープAlyGa1-yAs障壁層、54,54′はＰ形AlzG
a1-zAs層で、39はP+GaAsは基板、10,10′はオーミック
電極である。AlzGa1-zAs層51,54,54′及びAlyGa1-yAs障
壁層、53,53′,53″におけるｚおよびｙは、第６図(a),
(b)の価電子帯図が実現されるように選ばれている。す
なわち、量子井戸層５２の価電子帯上端のエネルギーを
両端のＰ形層54,54′よりΔＥ′pだけ大きくすることに
よって、量子井戸51の量子準位Ep1が入射正孔のエネル
ギーと一致するバイアス条件で、量子井戸52の量子準位
E′p1がEp1と等しくなるようにすることが可能であり、
極めて良好なピーク対バレー電流比が実現できる。この
場合、基底準位Ep1,E′p1は重い正孔に対する準位であ
る。
が、正孔の共鳴トンネルの場合も同様である。第５図は
本発明によるＰ形共鳴トンネルダイオードの基本構造断
面図である。図において、51はノンドープAlzGa1-zAs量
子井戸層、52はノンドープGaAs量子井戸層、53,53′,5
3″はノンドープAlyGa1-yAs障壁層、54,54′はＰ形AlzG
a1-zAs層で、39はP+GaAsは基板、10,10′はオーミック
電極である。AlzGa1-zAs層51,54,54′及びAlyGa1-yAs障
壁層、53,53′,53″におけるｚおよびｙは、第６図(a),
(b)の価電子帯図が実現されるように選ばれている。す
なわち、量子井戸層５２の価電子帯上端のエネルギーを
両端のＰ形層54,54′よりΔＥ′pだけ大きくすることに
よって、量子井戸51の量子準位Ep1が入射正孔のエネル
ギーと一致するバイアス条件で、量子井戸52の量子準位
E′p1がEp1と等しくなるようにすることが可能であり、
極めて良好なピーク対バレー電流比が実現できる。この
場合、基底準位Ep1,E′p1は重い正孔に対する準位であ
る。
以上では、ノンドープの半導体層を用いて説明したが、
不純物が含まれていても構成することができる。
不純物が含まれていても構成することができる。
（実施例１） 本発明による共鳴トンネルダイオードの実施例を説明す
る。
る。
第７図は本発明による共鳴トンネルダイオードの一実施
例の構造断面図で以下のような方法で作製される。ま
ず、半絶縁性GaAs基板59の上に例えば、分子線エピタキ
シー(MBE)法により、不純物濃度3×1018cm-3のN+-GaAs
コンタクト層75を0.5μｍ、不純物濃度5×1017cm-3のN-
GaAs層74を0.1μｍ、ノンドープGaAsスペーサ層71を50
Å、ノンドープAlAs障壁層73を30Å、ノンドープGaAs量
子井戸層71′を50Å、ノンドープAlAs障壁層73′を30
Å、ノンドープIn0.07Ga0.93As量子井戸層72を５０Å、
ノンドープAlAs層73″を30Å、ノンドープGaAsスペーサ
層71″を50Å、不純物濃度5×1017cm-3のN-GaAs層74′
を0.1μｍ、さらに不純物濃度3×1018cm-3のN+-GaAsコ
ンタクト層75′を0.1μｍ順次成長する。次に、ダイオ
ード領域以外の成長層をn+-GaAsコンタクト層75の表面
が露出するまでエッチング除去し、最後に通常の方法で
オーミック電極10,10′を形成して第７図に示した共鳴
トンネルダイオードが得られる。第８図(a)は、本実施
例の熱平衡時における伝導帯分布図である。量子井戸層
72の伝導帯下端のエネルギーが障壁の両端より約0.05eV
だけ小さくなり、第８図(b)に示すように、電圧印加に
よって量子井戸層71′の基底準位E1と量子井戸層72の基
底状態E1′が等エネルギーとなり、極めて良好な共鳴状
態が実現できる。
例の構造断面図で以下のような方法で作製される。ま
ず、半絶縁性GaAs基板59の上に例えば、分子線エピタキ
シー(MBE)法により、不純物濃度3×1018cm-3のN+-GaAs
コンタクト層75を0.5μｍ、不純物濃度5×1017cm-3のN-
GaAs層74を0.1μｍ、ノンドープGaAsスペーサ層71を50
Å、ノンドープAlAs障壁層73を30Å、ノンドープGaAs量
子井戸層71′を50Å、ノンドープAlAs障壁層73′を30
Å、ノンドープIn0.07Ga0.93As量子井戸層72を５０Å、
ノンドープAlAs層73″を30Å、ノンドープGaAsスペーサ
層71″を50Å、不純物濃度5×1017cm-3のN-GaAs層74′
を0.1μｍ、さらに不純物濃度3×1018cm-3のN+-GaAsコ
ンタクト層75′を0.1μｍ順次成長する。次に、ダイオ
ード領域以外の成長層をn+-GaAsコンタクト層75の表面
が露出するまでエッチング除去し、最後に通常の方法で
オーミック電極10,10′を形成して第７図に示した共鳴
トンネルダイオードが得られる。第８図(a)は、本実施
例の熱平衡時における伝導帯分布図である。量子井戸層
72の伝導帯下端のエネルギーが障壁の両端より約0.05eV
だけ小さくなり、第８図(b)に示すように、電圧印加に
よって量子井戸層71′の基底準位E1と量子井戸層72の基
底状態E1′が等エネルギーとなり、極めて良好な共鳴状
態が実現できる。
（実施例２） 前実施例１は量子井戸層72と73の基底準位同士の共鳴を
利用していたが、量子井戸層72としてノンドープIn0.12
Ga0.88As層92を用いれば、基底準位から励起準位への遷
移を利用した共鳴トンネルダイオードが実現できる。第
９図(a)は、その実施例の熱平衡時における伝導帯分布
図である。図中、E1は量子井戸層71′の基底状態、E2′
は量子井戸層92における励起準位である。第９図(b)に
示すように深い井戸92が浅い井戸71′に対して正電位に
なるように適当な電圧を加えると、E1とE2′が入射電子
のエネルギーと一致するために、極めて良好な電流−電
圧特性が実現される。ここで量子井戸となるInxGa1-xAs
層はAlGaAs或いはGaAs層に対しては格子整合しない、い
わゆる歪格子層となっている。しかし、ｘ＝0.12程度で
は約300Åの厚みまでは転移などの発生がなく、良好な
量子井戸層が得られる。
利用していたが、量子井戸層72としてノンドープIn0.12
Ga0.88As層92を用いれば、基底準位から励起準位への遷
移を利用した共鳴トンネルダイオードが実現できる。第
９図(a)は、その実施例の熱平衡時における伝導帯分布
図である。図中、E1は量子井戸層71′の基底状態、E2′
は量子井戸層92における励起準位である。第９図(b)に
示すように深い井戸92が浅い井戸71′に対して正電位に
なるように適当な電圧を加えると、E1とE2′が入射電子
のエネルギーと一致するために、極めて良好な電流−電
圧特性が実現される。ここで量子井戸となるInxGa1-xAs
層はAlGaAs或いはGaAs層に対しては格子整合しない、い
わゆる歪格子層となっている。しかし、ｘ＝0.12程度で
は約300Åの厚みまでは転移などの発生がなく、良好な
量子井戸層が得られる。
（実施例３） 次に、正孔の共鳴トンネルを用いた本発明の実施例の構
造断面図を第10図に示す。製造プロセスは以下の通りで
ある。
造断面図を第10図に示す。製造プロセスは以下の通りで
ある。
まず、半絶縁性GaAs基板59上に例えばMBE法により、不
純物濃度1×1019cm-3のP+-Al0.1Ga0.9Asコンタクト層10
5を0.5μｍ、不純物濃度1×1018cm-3のP-Al0.1Ga0.9As
層104を0.1μｍ、ノンドープAl0.1Ga0.9Asスペーサ層10
1を50Å、ノンドープAlAs障壁層103を30Å、ノンドープ
Al0.1Ga0.9As量子井戸層101′を50Å、ノンドープAlAs
障壁層103′を30Å、ノンドープGaAs量子井戸層102を50
Å、ノンドープAlAs障壁層103″を30Å、ノンドープAl
0.1Ga0.9Asスペーサ層101″を50Å、不純物濃度1×1018
cm-3のP-Al0.1Ga0.9As層104′を0.1μｍ、さらに不純物
濃度1×1019cm-3のP+-Al0.1Ga0.9Asコンタクト層105′
を0.1μｍ順次成長する。
純物濃度1×1019cm-3のP+-Al0.1Ga0.9Asコンタクト層10
5を0.5μｍ、不純物濃度1×1018cm-3のP-Al0.1Ga0.9As
層104を0.1μｍ、ノンドープAl0.1Ga0.9Asスペーサ層10
1を50Å、ノンドープAlAs障壁層103を30Å、ノンドープ
Al0.1Ga0.9As量子井戸層101′を50Å、ノンドープAlAs
障壁層103′を30Å、ノンドープGaAs量子井戸層102を50
Å、ノンドープAlAs障壁層103″を30Å、ノンドープAl
0.1Ga0.9Asスペーサ層101″を50Å、不純物濃度1×1018
cm-3のP-Al0.1Ga0.9As層104′を0.1μｍ、さらに不純物
濃度1×1019cm-3のP+-Al0.1Ga0.9Asコンタクト層105′
を0.1μｍ順次成長する。
次にダイオード領域以外の成長層をP+-Al0.1Ga0.9Asコ
ンタクト層105の表面が露出するまでエッチング除去
し、最後に通常の方法でオーミック電極を10,10′を形
成して第10図に示した共鳴トンネルダイオードが得られ
る。
ンタクト層105の表面が露出するまでエッチング除去
し、最後に通常の方法でオーミック電極を10,10′を形
成して第10図に示した共鳴トンネルダイオードが得られ
る。
以上の実施例では、AlAs/GaAs/InxGa1-xAs或いはAlxGa
1-xAs/GaAsの系を用いて本発明の共鳴トンネルダイオー
ドを実現したが、もちろん、これらの材料系に限られる
ことはなく、他の組合せでも本発明の共鳴トンネルダイ
オードが得られる。
1-xAs/GaAsの系を用いて本発明の共鳴トンネルダイオー
ドを実現したが、もちろん、これらの材料系に限られる
ことはなく、他の組合せでも本発明の共鳴トンネルダイ
オードが得られる。
（発明の効果） 以上の詳細な説明から明らかな様に、本発明によればピ
ーク電流が大きく、極めて良好なピーク対バレー比を有
する三重障壁共鳴トンネルダイオードか実現でき、今後
の通信・情報技術に寄与するところがきわめて大であ
る。
ーク電流が大きく、極めて良好なピーク対バレー比を有
する三重障壁共鳴トンネルダイオードか実現でき、今後
の通信・情報技術に寄与するところがきわめて大であ
る。
第１図、第５図は本発明による共鳴トンネルダイオード
の基本構造断面図であり、第２図、第６図は各々第１
図、第５図に示した共鳴トンネルダイオードのエネルギ
ー帯図、第３図は透過確率の電圧依存性を示すグラフ、
第４図は本発明による共鳴トンネルダイオードの電流−
電圧特性図である。第７図、第10図は実施例１、実施例
３の構造断面図、第８図、第９図は各々実施例１、実施
例２のエネルギー帯図である。また、第11図は従来技術
による共鳴トンネルダイオードの構造断面図、第12図は
そのエネルギー帯図、第13図は従来技術による共鳴トン
ネルダイオードの電流−電圧特性の図である。 図において、 ９……N+-GaAs基板 10,10′……オーミック電極 13,13′,13″,53,53′,53″,113,113′,113″……ノン
ドープAlGaAs障壁層 11,51,101′……ノンドープAlGaAs量子井戸層 12,52,71′,102,112,112′……ノンドープGaAs量子井戸
層 14,14′……Ｎ形AlGaAs層 39……P+GaAs基板 54,54′,104,104′……Ｐ形AlGaAs層 59……半絶縁性GaAs基板 72,92……ノンドープInGaAs量子井戸層 73,73′,73″,103,103′,103″……ノンドープAlAs障壁
層 74,74′,114,114′……Ｎ形GaAs層 75,75′……N+形GaAs層 105,105′……P+形AlGaAs層 である。
の基本構造断面図であり、第２図、第６図は各々第１
図、第５図に示した共鳴トンネルダイオードのエネルギ
ー帯図、第３図は透過確率の電圧依存性を示すグラフ、
第４図は本発明による共鳴トンネルダイオードの電流−
電圧特性図である。第７図、第10図は実施例１、実施例
３の構造断面図、第８図、第９図は各々実施例１、実施
例２のエネルギー帯図である。また、第11図は従来技術
による共鳴トンネルダイオードの構造断面図、第12図は
そのエネルギー帯図、第13図は従来技術による共鳴トン
ネルダイオードの電流−電圧特性の図である。 図において、 ９……N+-GaAs基板 10,10′……オーミック電極 13,13′,13″,53,53′,53″,113,113′,113″……ノン
ドープAlGaAs障壁層 11,51,101′……ノンドープAlGaAs量子井戸層 12,52,71′,102,112,112′……ノンドープGaAs量子井戸
層 14,14′……Ｎ形AlGaAs層 39……P+GaAs基板 54,54′,104,104′……Ｐ形AlGaAs層 59……半絶縁性GaAs基板 72,92……ノンドープInGaAs量子井戸層 73,73′,73″,103,103′,103″……ノンドープAlAs障壁
層 74,74′,114,114′……Ｎ形GaAs層 75,75′……N+形GaAs層 105,105′……P+形AlGaAs層 である。
Claims (3)
- 【請求項１】少なくとも一層のＮ形層を含む第１の半導
体層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子が
トンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体
層、該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第
１の基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半
導体層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さ
く、電子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４
の半導体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく
電子の第２の基底準位が形成される第５の半導体層、該
第５の半導体層及び前記第１の半導体層より電子親和度
が小さく、電子がトンネル効果で通過できる厚さを有す
る第６の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度が
等しく、少なくとも一層のＮ形層を含む第７の半導体層
が順次形成され、前記第１の半導体層及び前記第７の半
導体層のＮ形層にそれぞれオーム性接触する電極が形成
された共鳴トンネルダイオードにおいて、前記第５の半
導体層の電子親和度が前記第１の半導体層及び前記第３
の半導体層のいずれよりも大きいと共に、前記第７の半
導体層の伝導帯下端の電子に対するエネルギーをEC、前
記第１の基底準位の電子に対するエネルギーをE1、前記
第２の基底準位の電子に対するエネルギーをE1′とする
ときに、関係 EC＜E1′＜E1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 【請求項２】少なくとも一層のＰ形層を含む第１の半導
体層、該第１の半導体層より電子親和度とバンドギャッ
プの和が大きく正孔がトンネル効果で通過できる厚さを
有する第２の半導体層、該第２の半導体層より電子親和
度とバンドギャップの和が小さく正孔の第１の基底準位
が形成される第３の半導体層、該第３の半導体層及び前
記第１の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和
が大きく、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有す
る第４の半導体層、該第４の半導体層より電子親和度と
バンドギャップの和が小さく正孔の第２の基底準位が形
成される第５の半導体層、該第５の半導体層及び前記第
１の半導体層より電子親和度とバンドギャップの和が大
きく、正孔がトンネル効果で通過できる厚さを有する第
６の半導体層、前記第１の半導体層と電子親和度とバン
ドギャップの和が等しく、少なくとも一層のＰ形層を含
む第７の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層
及び前記第７の半導体層のＰ形層にそれぞれオーム性接
触する電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおい
て、前記第５の半導体層の電子親和度とバンドギャップ
の和が前記第１の半導体層及び前記第３の半導体層のい
ずれよりも小さいと共に、前記第７の半導体層の価電子
帯上端の正孔に対するエネルギーをEV、前記第１の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1、前記第２の基底
準位の正孔に対するエネルギーをEp1′とするときに、
関係 EV＜Ep1′＜Ep1 が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 - 【請求項３】少なくとも一層のＮ形層を含む第１の半導
体層、該第１の半導体層より電子親和度が小さく電子が
トンネル効果で通過できる厚さを有する第２の半導体
層、該第２の半導体層より電子親和度が大きく電子の第
１の基底準位が形成される第３の半導体層、該第３の半
導体層及び前記第１の半導体層より電子親和度が小さ
く、電子がトンネル効果で通過できる厚さを有する第４
の半導体層、該第４の半導体層より電子親和度が大きく
電子の第２の基底準位と電子の励起準位が形成される第
５の半導体層、該第５の半導体層及び前記第１の半導体
層より電子親和度が小さく、電子がトンネル効果で通過
できる厚さを有する第６の半導体層、前記第１の半導体
層と電子親和度が等しく、少なくとも一層のＮ形層を含
む第７の半導体層が順次形成され、前記第１の半導体層
及び前記第７の半導体層のＮ形層にそれぞれオーム性接
触する電極が形成された共鳴トンネルダイオードにおい
て、前記第５の半導体層の電子親和度が前記第１の半導
体層及び前記第３の半導体層のいずれよりも大きいと共
に、前記第１の半導体層の伝導帯下端の電子に対するエ
ネルギーをEC、前記第１の基底準位の電子に対するエネ
ルギーをE1、前記励起準位の電子に対するエネルギーを
E2′とするときに、関係 EC＜E1＜E2′ が成り立つことを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61271181A JPH0630399B2 (ja) | 1986-11-14 | 1986-11-14 | 共鳴トンネル・ダイオ−ド |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61271181A JPH0630399B2 (ja) | 1986-11-14 | 1986-11-14 | 共鳴トンネル・ダイオ−ド |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63124578A JPS63124578A (ja) | 1988-05-28 |
| JPH0630399B2 true JPH0630399B2 (ja) | 1994-04-20 |
Family
ID=17496474
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61271181A Expired - Lifetime JPH0630399B2 (ja) | 1986-11-14 | 1986-11-14 | 共鳴トンネル・ダイオ−ド |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0630399B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3542620B2 (ja) * | 1992-09-30 | 2004-07-14 | テキサス インスツルメンツ インコーポレイテツド | 多重ピーク共鳴トンネルダイオード |
| JP5171539B2 (ja) * | 2007-11-29 | 2013-03-27 | キヤノン株式会社 | 共鳴トンネル構造体 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2607940A1 (de) * | 1976-02-27 | 1977-09-08 | Max Planck Gesellschaft | Mehrschichtiges halbleiterbauelement |
| JPS6154665A (ja) * | 1984-08-24 | 1986-03-18 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置及びその製造方法 |
-
1986
- 1986-11-14 JP JP61271181A patent/JPH0630399B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63124578A (ja) | 1988-05-28 |
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