JPH08213640A

JPH08213640A - 窒化ｉｉｉ−ｖ化合物共鳴トンネリングダイオード

Info

Publication number: JPH08213640A
Application number: JP20718795A
Authority: JP
Inventors: Tom P E Browkaert; ピー．イー．ブロカートトム; Alan C Seabaugh; シー．シーバウグアラン; Chih-Chen Cho; − チェンチョウチ
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1994-08-15
Filing date: 1995-08-14
Publication date: 1996-08-20
Also published as: EP0697741A1

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンに対して格子整合する窒化物ベース
のＩＩＩ−Ｖ化合物において共鳴トンネリングを実現す
る【解決手段】フッ化カルシウム（４０８）および二酸
化シリコン（４０４）のような２つの異なる材料を含む
トンネリング障壁（４０４、４０８）を備えた量子井戸
（４０６）を含む共鳴トンネリングダイオード（４０
０）。フッ化カルシウムはエミッター（４１０）と量子
井戸（４０６）との間に格子整合を提供する。更に、窒
素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物からシリコン格子に整合する
障壁を備えた共鳴トンネリングダイオードが作られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子デバイスに関するも
のであって、更に詳細には共鳴トンネリングデバイスお
よびシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタおよび集積回路の特性向上
に対する絶え間のない要求の結果、シリコンバイポーラ
ーおよびＣＭＯＳトランジスタやガリウム砒素ＭＥＳＦ
ＥＴのような既存のデバイスの改善に並んで、新しいタ
イプのデバイスや材料が導入されてきた。特に、高周波
特性を向上させるためにデバイス寸法を縮小することに
よって、電位障壁を通り抜けるキャリアのトンネリング
のような量子力学的効果が観測されるようになってき
た。このことは、例えば共鳴トンネリングダイオードや
共鳴トンネリングホット電子トランジスタ等のそのよう
なトンネリング現象を活用する新しいデバイス構造につ
ながっていく。

【０００３】共鳴トンネリングダイオードは２端子デバ
イスであり、伝導キャリアが電位障壁をトンネリングす
ることによって部分的に負の微分抵抗を示す電流−電圧
特性が得られる。高濃度にドープしたＰＮダイオード中
でのバンド間（すなわち、伝導帯から価電子帯への）ト
ンネリングを利用した、もともとのエサキダイオードに
ついて思い出して欲しい。別のタイプの共鳴トンネリン
グダイオード構造では、単一バンドの中で量子井戸を通
っての共鳴トンネリングを利用している。ＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ量子井戸を示した図１を参照。更に、Ｊ．Ｖ
ａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．の第Ｂ１１巻、頁９６５（１
９９３年）に発表されたＭａｒｓ等による論文”ＡｌＡ
ｓ／ＧａＡｓ二重障壁共鳴トンネリングダイオードの再
現性のある成長と応用（ＲｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅＧ
ｒｏｗｔｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤｏｕｂｌｅＢａｒｒｉｅｒ
ＲｅｓｏｎａｎｔＴｕｎｎｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ
ｓ）”およびＩＥＥＥＥｌｅｃ．Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．
の第１２巻、頁４８０（１９９１年）に発表されたＯｚ
ｂａｙ等による論文”１１０−ＧＨｚモノリシック共鳴
トンネリングダイオードトリガー回路（１１０−ＧＨｚ
ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＲｅｓｏｎａｎｔ−Ｔｕｎｎ
ｅｌｉｎｇ−ＤｉｏｄｅＴｒｉｇｇｅｒＣｉｒｃｕ
ｉｔ）”は、それぞれＧａＡｓ構造中に埋め込まれた２
つのＡｌＡｓトンネリング障壁を利用して量子井戸共鳴
トンネリングダイオードを形成している。この量子井戸
は４．５ｎｍと１．７ｎｍの厚さのトンネリング障壁で
よい。図２は室温における電流−電圧特性を示してい
る。そのような共鳴トンネリング”ダイオード”が対称
的であることに注意されたい。図３ａに示されたような
バイアス下では、量子井戸中の離散的電子準位（サブバ
ンドの下端）がカソードの伝導帯下端と揃うことによっ
て、電子のトンネリングが容易に発生し、大きな電流が
流れる。反対に、図３ｂに示されたバイアス下では、カ
ソードの伝導帯は量子井戸準位の中間に揃うため、トン
ネリングが抑制されて電流は小さい。

【０００４】ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓのようなＩＩＩ−
Ｖ半導体ではなく、シリコンをベースとする半導体中に
量子井戸を作製しようとする試みは、まずシリコン−ゲ
ルマニウム合金を標的にして始められた。例えば、シリ
コンベースのヘテロ構造に関するトピック会議ＩＩ（シ
カゴ、１９９２年）では、Ｇｒｕｔｚｍａｃｈｅｒ等に
よる論文”低温大気圧でのＣＶＤによって堆積された非
常に狭いＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸（ＶｅｒｙＮａｒｒ
ｏｗＳｉＧｅ／ＳｉＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌｓ
ＤｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙＬｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅ
ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）”（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．第Ｂ１１巻、
頁１０８３（１９９３年）に掲載、１０ｎｍ幅のＳｉト
ンネリング障壁を備えた１ｎｍ幅のＳｉ_0.75Ｇｅ_0.25井
戸）およびＳｅｄｇｗｉｃｋ等による論文”大気圧ＣＶ
Ｄ法によって低温で堆積された選択的ＳｉＧｅおよび高
濃度ＡｓドープのＳｉ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｉＧｅ
ａｎｄＨｅａｖｉｌｙＡｓＤｏｐｅｄＳｉＤ
ｅｐｏｓｉｔｅｄａｔＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅｂｙＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｅｓｓｕｒ
ｅＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）”（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．第Ｂ１１
巻、頁１１２４（１９９３年）に掲載、各々５ｎｍ幅の
シリコントンネリング障壁と６ｎｍ幅のＳｉ_0.75Ｇｅ
_0.25量子井戸を備えた、酸化物窓中に選択成長されたＳ
ｉ／ＳｉＧｅ共鳴トンネリングダイオード）のような論
文が発表された。ＳｉＧｅ／Ｓｉ界面において価電子帯
のオフセットが伝導帯のオフセットを大幅に上回ってい
るため、ほとんどの研究者がＳｉＧｅ歪層を用いる場
合、電子トンネリングではなく正孔トンネリングを考え
ている。

【０００５】しかし、ＳｉＧｅ歪層はバンド不連続が小
さい（５００ｍｅＶよりも小さい）という固有の深刻な
障害を有している。このため、大きい（約５よりも大き
いような）ピーク対バレー（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｖａｌｌ
ｅｙ）電流差を持った室温動作はできない。更に、歪み
ヘテロ接合およびゲルマニウムという新しい材料の導入
により、望まない新しい低温製造技術開発および組み込
みということが製造のために必要になってくる。

【０００６】シリコンをベースとする量子井戸のための
別のエピタキシャル方式はトンネリング障壁としてフッ
化カルシウム（ＣａＦ₂）を使用するものである。フッ
化カルシウムの格子は（１１１）面方位に関してシリコ
ンと整合し、分子ビームエピタキシーによってエピタキ
シャル成長が可能である。ＣＲＣＣｒｉｔ．Ｒｅｖ．
ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＭａｔｅｒ．Ｓｃｉ．第１５
巻、頁３６７（１９８９年）のＳｃｈｏｗａｌｔｅｒお
よびＦａｔｈａｕｅｒの論文、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔ
ｅｃｈ．第Ａ１０巻、頁７６９（１９９２年）のＣｈｏ
等による論文、および、Ｃｈｏ等による米国特許第５，
２２９，３３２号および第５，２２９，３３３号を参
照。

【０００７】Ｔｓｕは米国特許第５，２１６，２６２号
の中で、２原子層の厚さにエピタキシャル成長させた二
酸化シリコンを使用して構成した短周期のシリコン／二
酸化シリコン超格子を含むトンネリング障壁を備えたシ
リコンベースの量子井戸構造について述べている。

【０００８】大勢の研究者がシリコン／シリコン酸化物
界面について研究している。それは、この界面が現在の
主流デバイスであるシリコン集積回路のＣＭＯＳトラン
ジスタ構造の特性を左右するからである。単原子層酸化
物の成長および解析は普通のことになってしまった。例
えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第６０巻、頁２
１２６（１９９２年）に発表された大見等による論文”
ウルトラクリーン酸化によってシリコン表面に作製され
た超薄膜酸化物（ＶｅｒｙＴｈｉｎＯｘｉｄｅＦ
ｉｌｍｏｎａＳｉｌｉｃｏｎＳｕｒｆａｃｅ
ｂｙＵｌｔｒａｃｌｅａｎＯｘｉｄａｔｉｏ
ｎ）”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．第Ｂ１１巻、
頁１５２８（１９９３年）に発表された服部等による論
文”薄膜ＳｉＯ ₂およびＳｉ／ＳｉＯ₂界面のＸ線光電
子分光による高分解能分析（ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉ
ｏｎＸ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｍｉｓｓｉｏｎＳｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙＳｔｕｄｉｅｓｏｆＴｈｉ
ｎＳｉＯ₂ ａｎｄＳｉ／ＳｉＯ₂ Ｉｎｔｅｒｆ
ａｃｅｓ）”、およびＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．
第Ａ１１巻、頁１６４９（１９９３年）に発表されたＳ
ｅｉｐｌｅ等による論文”Ｓｉ（１１１）７×７の高温
酸化およびエッチングの走査トンネル顕微法による観察
（ＥｌｅｖａｔｅｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＯｘｉ
ｄａｔｉｏｎａｎｄＥｔｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅ
Ｓｉ（１１１）７×７ＳｕｒｆａｃｅＯｂｓｅ
ｒｖｅｄｗｉｔｈＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌ
ｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）”を参照のこと。大見
等の論文は、３００℃においてシリコンウエハ上へ形成
した単分子層酸化物が、薄膜酸化物に関するフレンケル
・プール（Ｆｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅ）エミッション
の点で、標準的な熱酸化物よりも優れた酸化物膜の基盤
を与えることを報告している。

【０００９】

【発明の概要】本発明は、シリコンに対して格子整合す
る窒化物ベースのＩＩＩ−Ｖ化合物において共鳴トンネ
リングを実現する。この窒化物ベースＩＩＩ−Ｖ化合物
はガリウムリン等、その他の基板に対しても格子整合し
得る。

【００１０】このことは、標準的なシリコンプロセスと
両立し得るプロセスで以て共鳴トンネリングデバイスが
作製でき、従ってＣＭＯＳやバイポーラートランジスタ
等のその他のシリコンデバイスと一緒に集積化できると
いう技術的な特長を与える。

【００１１】図面は分かり易いように模式的なものとし
ている。

【００１２】

【実施例】

（結晶／アモルファス混合トンネリング障壁の概観）図
４ａ−ｂは、理解を助けるために、一般に参照符号４０
０で示した第１好適実施例の混合障壁共鳴トンネリング
ダイオードを断面図と平面図で示しており、そこにはシ
リコンコレクター（アノード）４０２、二酸化シリコン
（”酸化物”）トンネリング障壁４０４、シリコン量子
井戸４０６、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）トンネリン
グ障壁４０８、シリコンエミッター（カソード）４１
０、コレクター金属コンタクト４２２、およびエミッタ
ー金属コンタクト４２０が含まれている。図４ｂの平面
図はトンネリング障壁の積層構造４０４／４０８と量子
井戸４０６の積層メサ構造４３０を示している。酸化物
トンネリング障壁４０４は厚さ約１ｎｍ（おおよそ４分
子層分でアモルファス構造）で、約２μｍ×２μｍの大
きさである（図４ａでは、分かり易いように縦方向の寸
法を大幅に誇張している）。フッ化カルシウムトンネリ
ング障壁４０８は厚さ約１ｎｍで、シリコンエミッター
４１０およびシリコン量子井戸４０６と格子整合してい
る。これらの２つのトンネリング障壁は異なる特性を有
する。１つは格子整合した結晶であり、他方はアモルフ
ァスである。しかし、同等の障壁高さを有するため、両
者がともに酸化物障壁である場合や、両者がともにフッ
化カルシウム障壁である場合と比べて製造が簡単であ
る。量子井戸４０６は厚さ約３ｎｍである。障壁４０４
／４０８の厚さが主としてトンネリング電流の大きさに
影響を与え、量子井戸の厚さおよび障壁高さから決まる
共鳴準位ではないということに注意されたい。更に、ト
ンネリング障壁の正確な電子的および化学的性質は障壁
の中で変化している。

【００１３】変形として、コレクター４０２は図７ａ−
ｂに示すように、酸化物トンネリング障壁４０４の上へ
直接形成されたアルミニウム等の金属、あるいはｎ＋ポ
リシリコンでもよい。更に、エミッターをｐ形にドープ
することで、電子でなく正孔の共鳴トンネリングが可能
になる。

【００１４】量子井戸４０６の厚さが４ｎｍであるとい
うことは、量子井戸中の結晶運動量の量子化成分に従っ
て、伝導サブバンドの下端が伝導帯下端より約２０ｍｅ
Ｖ、８５ｍｅＶ、２００ｍｅＶ、および３５０ｍｅＶ上
がった位置にあるべきであるということを意味する。非
常に薄い酸化物に対するシリコン／酸化物界面での伝導
帯オフセットは約２．９ｅＶ（厚い酸化物に対する３．
２ｅＶと比較）であり、シリコン／フッ化カルシウム界
面での伝導帯オフセットは約２ｅＶである。図５ａ−ｃ
はダイオード４００に関する電子伝導のバンド構造を示
している。図５ａは零バイアス状態を示しており、その
時には電流は流れない。図５ｂはダイオード両端間に約
１００ｍＶのバイアスが印加された状態を示しており、
この時には第１の共鳴ピーク電流が現れる。図５ｃはダ
イオード４００両端に約１５０ｍＶのバイアスが印加さ
れており、この時には第１のバレー電流が流れる。コレ
クター４０２は障壁４０４に接している数ｎｍを除いて
ｎ＋にドープすることができる。また、エミッター４１
０もまた障壁４０８に接している数ｎｍを除いてｎ＋に
ドープすることができる。ドーピングをトンネリング障
壁から離すことによって、不純物によって支援されるト
ンネリングの発生する可能性のあるトンネリング障壁中
へのドーパント原子混入を回避することができる。ドー
プされたエミッターおよびコレクターを用いることで、
エミッターとコレクター間に印加されるバイアスの大部
分は障壁と量子井戸の両端間に現れる。シリコンの誘電
率（１１．７）は酸化物のそれ（３．９）やフッ化カル
シウムのそれ（６．９）よりも大きく、印加電圧の降下
分は、酸化物障壁、フッ化カルシウム障壁、量子井戸、
および障壁に接する未ドープのエミッターおよびコレク
ター部分の間で分担される。酸化物に関する降伏電圧は
６ＭＶ／ｃｍのオーダーであり、フッ化カルシウムに関
するそれは２ＭＶ／ｃｍのオーダーであるので、トンネ
リング障壁を破壊する恐れのある降伏電流を回避するた
めには、二重障壁全体に掛かる電圧降下はトンネリング
障壁のエミッター側にある空乏領域を除いて約３ボルト
以下でなければならない。

【００１５】エミッター４１０上へのフッ化カルシウム
のエピタキシャル成長によってトンネリング障壁４０８
が形成され、フッ化カルシウム上へのシリコンのエピタ
キシャル成長によって量子井戸４０６が形成される。逆
に、量子井戸シリコンをスパッタリングまたは酸化する
ことで酸化物トンネリング障壁４０４が形成される。こ
の酸化は、直接的な熱酸化でも、あるいは酸素量、従っ
て酸化物障壁の厚さを正確に制御することのできる酸素
のイオン打ち込みでもよい。シリコン−酸化物界面の急
峻さは酸素がシリコン中へ分散するのとは逆の酸素の酸
化物中への偏析に依存する。酸化物障壁４０４を形成す
るためのシリコンの熱酸化において、酸化物障壁４０４
中に結晶アライメントのための開口を設けることによっ
てシリコンコレクター４０２の成長はエピタキシャル的
となる。開口が典型的な電子波パケットの広がりよりも
小さい寸法を有する場合、そのような開口が非トンネリ
ング的な電子輸送を許容することはない。

【００１６】このように、ダイオード４００は、製造の
都合上ダイオードエミッターに接するトンネリング障壁
のみが格子整合している必要があるようなシステム中に
共鳴トンネリングを提供でき、室温で動作することがで
きる。

【００１７】（混合障壁の作製）図６ａ−ｃはダイオー
ド４００を製造するための第１好適実施例の方法を示す
断面図であって、次の工程を含む。

【００１８】（１）厚さ６３５ミクロン（２５ミル）、
直径１０１．６ｃｍ（４インチ）の（１００）または
（１１１）面方位のシリコンウエハ６００から始める。
ウエハ６００を分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）成長
チェンバーへ入れ、すべての自然酸化物を除去する。そ
してまず、バッファー層として０．１μｍのｎ＋ドープ
されたシリコン６０２をエピタキシャル成長させる。Ｓ
ｂ₄の分子ビームによってその場ドーピングができる。
次に、約７００℃で、未ドープのエピタキシャルシリコ
ン６０４を５ｎｍ成長させる。次に、フッ化カルシウム
のエピタキシャル成長へ移って、約４００℃のウエハ温
度で、フッ化カルシウムの分子ビームを用いて１ｎｍの
未ドープフッ化カルシウム６０６を成長させる。最後
に、シリコンのエピタキシャル成長へ戻って、未ドープ
シリコン６０８を３．５ｎｍ成長させる。シリコンとフ
ッ化カルシウムは似たような結晶構造（ダイヤモンドと
閃亜鉛鉱）を有しており、シリコンの室温での格子定数
は約０．５４３１ｎｍであり、フッ化カルシウムの室温
での格子定数は約０．５４６４ｎｍであることに注意さ
れたい。このように、フッ化カルシウムの格子定数はシ
リコンよりも約０．６％大きい。しかし、層６０６はこ
の不整合を歪みによって吸収し、エピタキシャル性を保
存できる程度に十分薄い。図６ａを参照。

【００１９】（２）ウエハ６００をＭＢＥ成長チェンバ
ーの超高真空中から酸化チェンバーへ移送し、酸素雰囲
気中、７００℃で３０分間加熱し、シリコン層６０８の
表面を酸化して１ｎｍ厚の酸化物層６１０を形成する。
この間、シリコン層６０８の厚さは３ｎｍへ減少する。
あるいは、熱成長の酸化物の代わりにスパッタされた二
酸化シリコンを使用してもよい。その場合は、酸化物形
成時にシリコンが消費されないので量子井戸の厚さは３
ｎｍのみである。

【００２０】（３）ウエハ６００を分子ビームチェンバ
ー装置の超高真空中へ戻し、酸化物層６１０の上へシリ
コンまたはポリシリコンのコレクター層６１２−６１４
を成長させる。この時、シリコン層６０２−６０４の成
長時と同様に、最初の５ｎｍの未ドープ層６１２の成長
後に、その場アンチモンドーピングによってｎ＋層６１
４を形成させる。シリコン層６１２−６１４は、（ｉ）
レーザーによる局所的溶融等で再結晶化すること、ある
いは（ｉｉ）まずメサ構造位置から離れたシード領域の
障壁／量子井戸構造を除去し、次にシード領域から障壁
／量子井戸の上へシリコンを成長させること、あるいは
（ｉｉｉ）まず酸化物層６１０中にシリコン成長のシー
ド領域として働く、波長よりも小さい開口を設けるこ
と、あるいは（ｉｖ）コレクター成長のためのシリコン
エピ層を残して、トンネリング障壁用の酸素を打ち込ま
れた、より厚いシリコン量子井戸、によって単結晶化さ
れる。領域６１２−６１４はコレクターとして用いられ
るので、その材料が下層の障壁および量子井戸層へ歪み
や結晶欠陥を通過させない限り、高品質の結晶性は不要
である。

【００２１】この理由で、堆積されたシリコン６１２−
６１４の代わりにアルミニウムのような金属コレクター
を使用することによって、図７ａに示したような層構造
を得ることができる。次に、アルミニウム層をフォトリ
ソグラフィーでパターニングしてコレクターを形成し、
それをマスクとして用いてメサをエッチおよび形成す
る。最後に、エミッター金属コンタクトを堆積およびパ
ターニングして、図７ｂに示すようにダイオードを完成
させる。

【００２２】図８ａは零バイアス時のアルミニウムコレ
クターダイオードのバンド構造を示し、図８ｂは、障壁
および井戸の厚さ、および未ドープの遷移層厚さの選択
に依存して約１００ｍＶから２．５Ｖまでの間で調節可
能な共鳴バイアスを印加した時のバンド構造を示してい
る。

【００２３】（金属量子井戸と金属酸化物障壁とを備え
た混合障壁）図９は、一般に参照符号９００で示した第
２好適実施例の混合障壁共鳴トンネリングダイオードの
断面図を示し、そこにはメサ構造が含まれ、更に、シリ
コンエミッター９０２−９０４（ｎ＋シリコン９０２と
未ドープシリコン９０４）、フッ化カルシウムトンネリ
ング障壁９０６、アルミニウム量子井戸９０８、アルミ
ニウム酸化物トンネリング障壁９１０、アルミニウムコ
レクター９１２、およびチタン・タングステンエミッタ
ーコンタクト９２０が含まれるとして示されている。３
ｎｍ厚のアルミニウム量子井戸９０８は１ｎｍ厚のフッ
化カルシウムトンネリング障壁９０６に対して格子整合
しており、後者は更にシリコンエミッター９０２−９０
４に対して格子整合している。これらの３層の平坦層は
すべて、結晶面方位（１１１）または（１００）を有し
ている。アルミニウム酸化物トンネリング障壁は１ｎｍ
の厚さであり、アルミニウム量子井戸９０８に対して格
子整合しておらず、そしてアルミニウムコレクター９１
２は多結晶である。更に、フッ化カルシウム上へのアル
ミニウムの成長を容易にするために、アルミニウム量子
井戸成長の前に、スペーサーとしての数原子層のシリコ
ンがフッ化カルシウムトンネリング障壁９０６の上へ成
長される。

【００２４】あるいは、フッ化カルシウム障壁９０６を
酸化物障壁９０４で置き換えることもできるが、その時
にはアルミニウム量子井戸は多結晶になる。

【００２５】図１０はダイオード９００に関するバンド
構造を示す。ここでもエミッターはシリコンであって、
接しているトンネリング障壁（格子整合したフッ化カル
シウムまたは熱酸化物）との間は良好な界面となってお
り、コレクターの結晶性品質はより低い。

【００２６】（金属量子井戸作製）ダイオード９００は
既に述べたダイオード４００の作製を修正した工程によ
って作製されよう。特に、工程（１）ないしフッ化カル
シウム成長工程を経た後、次にエピタキシャルシリコン
成長へ戻る代わりに、エピタキシャルアルミニウム成長
へ移って４．５ｎｍの厚さの成長を行う。ウエハ温度は
成長中は約２５−４００℃であり、この成長は分子ビー
ムエピタキシー装置中よりも金属堆積用のチェンバー
（金属のスパッタ堆積用）の中で行われる。次に、アル
ミニウム表面を１ｎｍの厚さまで酸化してアルミニウム
酸化物層を形成する。この酸化は３ｎｍ／時間程度のゆ
っくりした成長速度で、高真空システム中で実行されよ
う。

【００２７】アルミニウム酸化物の成長の後、アルミニ
ウム酸化物層の上へアルミニウムコレクターを堆積し、
パターニングおよびエッチングを行ってメサを形成す
る。エミッター金属コンタクトのリフトオフによってダ
イオード９００が完成する。

【００２８】（その他の結晶性トンネリング障壁）フッ
化カルシウムの代わりに第１のトンネリング障壁とし
て、シリコンに対して格子整合するその他の材料を用い
ることもできる。特に、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化亜鉛
セレン（ＺｎＳｅＳ）、硫化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺ
ｎＳ）、窒化アルミニウム砒素（ＡｌＡｓＮ）（以下の
窒化ＩＩＩ−Ｖ化合物の節を参照）、および、炭化シリ
コンゲルマニウム（Ｘ／Ｙの比が８．２に等しい時のＳ
ｉ_1-X- _YＧｅ_XＣ_Y）はシリコンに対して格子整合とバ
ンド端不連続とを提供し、上述の共鳴トンネリングダイ
オードのフッ化カルシウムの代わりに使用することがで
きる。

【００２９】（窒化ＩＩＩ−Ｖトンネリング障壁および
量子井戸）図１１は第３好適実施例の共鳴トンネリング
ダイオード１１００の断面図を示しており、それはシリ
コンウエハ１１０２、ＧａＡｓ_0.81Ｎ_0.19エミッター
（ｎ＋層１１０４および未ドープ層１１０６）、ＡｌＡ
ｓ_0.82Ｎ_0.18トンネリング障壁１１０８および１１１
２、ＩｎＡｓ_0.41Ｎ_0.59量子井戸１１１０、ＧａＡｓ_0.
₈₁Ｎ_0.19コレクター（ｎ＋層１１１６および未ドープ層
１１１４）、および金属コンタクト１１１８および１１
２０を含んでいる。このＧａＡｓＮ、ＡｌＡｓＮ、およ
びＩｎＡｓＮはすべて閃亜鉛鉱格子を有しており、それ
はシリコンの格子と整合する。ＡｌＡｓＮトンネリング
障壁１１０８および１１１２はそれぞれ厚さ１ｎｍを有
し、ＩｎＡｓＮ量子井戸１１１０は厚さ３ｎｍを有し、
ＧａＡｓＮエミッターおよびコレクターの未ドープ部分
１１０６および１１１４はそれぞれ数ｎｍの厚さを有す
る。メサ１１３０は２０μｍおよび２０μｍの横方向寸
法を有する。

【００３０】図１２はダイオード１１００のバンド構造
を示しており、バンド端の不連続を示している。Γ点
（結晶運動量（０，０，０）２π／ａ）に加えて、伝導
帯のＸおよびＬ点（結晶運動量（１，０，０）２π／ａ
および（１／２，１／２，１／２）２π／ａ）に対する
電子エネルギーが示されていることに注意。Ｘ，ＬとΓ
点の間の大きなエネルギー差（０．９ｅＶ）は、この共
鳴トンネリングダイオードが、室温動作において低いバ
レー電流と高いピーク対バレー電流比を持つことを示唆
する。

【００３１】図１３はＩＩＩ族としてＡｌ、Ｇａ、ある
いはＩｎを選び、Ｖ族としてＡｓ、あるいはＮを選んだ
時のＩＩＩ−Ｖ半導体化合物に対するバンドギャップと
格子定数とを示す。シリコンに対して格子整合するこれ
らの化合物合金に関するバンドギャップは、約１．０ｅ
Ｖ（ＩｎＡｓ_0.41Ｎ_0.59）から約３．０ｅＶ（Ａｌ_0. ₈
Ｇａ_0.2Ａｓ_0.8Ｎ_0.2）まで変化し、それらは直接遷
移型バンドギャップ材料である。この広いバンドギャッ
プ値の範囲は、モノリシックカラーディスプレイ、すべ
ての可視波長のレーザー等のようなシリコン上の各種光
電子デバイスを実現可能とする。

【００３２】ダイオード１１００の変形として、ＧａＡ
ｓＮのエミッターおよびコレクターをＩｎＡｓＮのエミ
ッターおよびコレクターで置換したものが可能であり、
それによって量子井戸と、エミッターおよびコレクター
とがすべて同じ材料でできるようになる。同様に、ダイ
オード１１００の変形として、ＩｎＡｓＮ量子井戸をＧ
ａＡｓＮで置換したものが可能であり、それによってこ
こでもエミッターおよびコレクターと、量子井戸とがす
べて同じ材料でできることになる。それらの構造はより
数少ない材料を使用しているため、製造が簡便である。

【００３３】一般に、４元の窒化ＩＩＩ−Ｖ化合物、例
えばＩｎ_XＡｌ_1-XＡｓ_YＮ_1-YやＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ
_YＮ_1-Yはシリコンとの格子整合性を保ちながら、バン
ドギャップ設計工学を可能とする。

【００３４】（窒化物ベースＩＩＩ−Ｖおよびシリコン
のトンネリング障壁および量子井戸）第４好適実施例で
ある共鳴トンネリングダイオード１４００は、量子井戸
およびトンネリング障壁用として、シリコンに対して格
子整合するＩＩＩ−Ｖ半導体化合物とシリコンとを使用
している。特に、図１４は、ＩｎＰ_0.5Ｎ_0.5トンネリ
ング障壁とともに、シリコンのエミッターおよびコレク
ターと量子井戸とを含むダイオード１４００を示してい
る。図１５はバンド構造である。シリコンの伝導帯中の
低エネルギーバレーはＸ点の近くにあって、そのため図
１５はＬおよびΓ点のエネルギーの表示と一緒にＸ点の
エネルギーを示している。Ｘ点におけるバンド不連続
１．１ｅＶは十分なトンネリング障壁高さを与える。

【００３５】ダイオード１４００を変形したものは、Ｉ
ｎＰＮトンネリング障壁をＡｌＡｓ _0.82Ｎ_0.18トンネリ
ング障壁で置換したもので、それによって１．３ｅＶの
不連続が得られる。更に、ＩｎＰＮの代わりに、ＡｌＰ
_XＮ_1-XとＧａＰ_XＮ_1-Xでできた歪層を使用すること
もできる。

【００３６】（その他の基板）シリコン（室温における
格子定数０．５４３１ｎｍ）に対して格子整合する窒化
ＩＩＩ−Ｖ化合物は、少し組成を変化させることによっ
て、室温で０．５４５１ｎｍの格子定数を有するガリウ
ムリン（ＧａＰ）に対しても格子整合させることができ
る。図１３はＡｓ対Ｎの比を少し増加させるだけで十分
であることを示している。こうすれば、ＧａＰ上でも類
似の共鳴トンネリング構造が実現できる。

【００３７】（窒化物ベースのＩＩＩ−Ｖ作製）ダイオ
ード１１００の作製工程は、各種の層の分子ビームエピ
タキシーと、それに続くコレクター金属コンタクト形
成、およびメサのエッチングおよびエミッター金属コン
タクト形成を含むだけである。窒素のソースとしては分
子状の窒素をプラズマ中で分解して原子状の窒素ビーム
としたものを使用する。その他の元素のソースとしては
噴散セル（ｅｆｆｕｓｉｏｎｃｅｌｌ）が使用され
る。同様に、ガリウム用としてトリメチルガリウム、砒
素用として第三ブチルアルシン（ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕ
ｔｙｌａｒｓｉｎｅ）、リン用として第三ブチルフォス
フィン（ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎ
ｅ）、そして原子状窒素用としてＥＣＲプラズマソー
ス、のようなソースを使用することによって、層成長の
ために化学ビームエピタキシーを使用することもでき
る。

【００３８】もちろん、ダイオード１１００が対称的で
あることは、エミッター／コレクターを区別する必要を
排除する。しかし、格子整合する窒化物ＩＩＩ−Ｖは混
合障壁ダイオード中の結晶性障壁用に使用することがで
きる。

【００３９】（マルチピーク共鳴）単結晶のコレクター
を使用した実施例（図４、１１、１４）は、単にそれら
の好適実施例の構造に対してトンネリング障壁および量
子井戸を追加成長させることによって、多重量子井戸が
直列につながった、多重の共鳴ピークを有する共鳴トン
ネリングダイオードへ拡張できる。量子井戸寸法のエミ
ッター／コレクターを備えた、直列多重量子井戸は超格
子を構成するであろう。

【００４０】（応用）上述の任意の共鳴トンネリングダ
イオードをバイポーラートランジスタのエミッター中に
埋め込んで、共鳴トンネリングバイポーラートランジス
タを構成することができる。

【００４１】好適実施例のダイオード２個を用いて、図
１６ａ−ｃに示すようなメモリセル等の各種構造を得る
ことができる。特に、図１６ａはスタティックランダム
アクセスメモリ（ＳＲＡＭ）セル１６００を模式的に示
しており、それは共鳴トンネリングダイオード（ＲＴ
Ｄ）１６０２および１６０４を直列につないだもの（Ｒ
ＴＤ１６０２はＲＴＤ１６０４の負荷として働く）を含
み、ワードライン１６１２上の電圧で制御されるシリコ
ン電界効果トランジスタパスゲート１６０８によってビ
ットライン１６１０へつながれるものとして示されてい
る。セル１６００のノード１６０６の双安定性は、各Ｒ
ＴＤの電流バレーよりもわずかに大きく設定されるバイ
アス電圧Ｖｄｄから引き出され、そのため、１つのＲＴ
Ｄがバレーにおいて動作し、他方のＲＴＤが小さいバイ
アスで以て動作する。図１６ｂはＲＴＤ１６０２−１６
０４に関する電流−電圧特性を重畳したものを示してお
り、各ＲＴＤは図２に示されたような特性を有してい
る。交点（Ｖｄｄに近いノード１６０６上の一対の電圧
（高）とノード１６０６に対する一対の電圧（低））は
安定な直列動作点を示している。そして、ノード１６０
６を高または低レベル状態へ強制することのできる大き
なドライバーを備えたパスゲート１６０８を通して、ア
クセスノード１６０６はセル１６００を所望の安定状態
へ強制的に設定する。一方、センス増幅器アクセスノー
ド１６０６はパスゲート１６０８を通してセルの状態を
損なうことなく検出する。もちろん、図２に示されたも
のより大きなＲＴＤ中のピーク対バレー比は、ノード１
６０６に関する高および低レベルの安定電圧をそれぞれ
Ｖｄｄおよび０へより近づける。

【００４２】図１６ｃは図１６ａの構造の鳥瞰図であ
り、単一のシリコン電界効果トランジスタおよび好適実
施例ＲＴＤを使用したものである。電界効果トランジス
タのドレイン上にＲＴＤを並列に配置することによっ
て、ＲＴＤの位置を定義するメサエッチと同時に作製す
ることが可能となることに注目されたい。上述の共鳴ト
ンネリング構造を標準的なシリコンデバイスと集積化す
ることは、最初に共鳴トンネリングプロセスを実行する
か、あるいは最初にシリコンデバイスを作製するか、あ
るいはそれらのプロセスを混合することのいずれかに従
って行われ得る。共通となる配線はデバイス作製の後に
行うことができる。

【００４３】（修正および特長）好適実施例は、混合ト
ンネリング障壁または窒化物ベースのＩＩＩ−Ｖ化合物
を備えた、シリコンプロセスと両立し得る共鳴トンネリ
ング構造という特徴のうち１つまたは複数の特徴を保ち
つつ、いろんなやり方で修正することができる。

【００４４】例えば、トンネリング障壁および量子井戸
の寸法を変えることができる。トンネリング障壁をもっ
と薄くして電流を増大させることができる。トンネリン
グ障壁を異なる厚さのものとすることができ、量子井戸
の厚さを変化させて共鳴準位を上下に調節することがで
きる。

【００４５】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）共鳴トンネリングダイオードであって、（ａ）エ
ミッター材料を含むエミッター、（ｂ）前記エミッター
に接して、トンネリング材料を含む第１のトンネリング
障壁、（ｃ）前記第１のトンネリング障壁に接して、量
子井戸材料を含む量子井戸、（ｄ）前記量子井戸に接し
て、前記トンネリング材料を含む第２のトンネリング障
壁、および（ｅ）前記第２のトンネリング障壁に接し
て、コレクター材料を含むコレクター、を含み、（ｆ）
ここにおいて、前記エミッター材料、トンネリング材
料、前記量子井戸材料、および前記コレクター材料が、
窒素を含み、シリコンに対して格子整合するＩＩＩ−Ｖ
半導体群のうちから選ばれたものである共鳴トンネリン
グダイオード。

【００４６】（２）第１項記載のダイオードであって、
（ａ）前記トンネリング障壁材料がアルミニウム、砒
素、および窒素を含む、ダイオード。

【００４７】（３）共鳴トンネリングダイオードであっ
て、（ａ）シリコンを含むエミッター、（ｂ）前記エミ
ッターに接して、トンネリング材料を含む第１のトンネ
リング障壁、（ｃ）シリコンを含む量子井戸、（ｄ）前
記量子井戸に接して、前記トンネリング材料を含む第２
のトンネリング障壁、および（ｅ）シリコンを含むコレ
クター、を含み、（ｆ）ここにおいて、前記トンネリン
グ材料が、窒素を含み、シリコンに対して格子整合する
ＩＩＩ−Ｖ半導体群のうちから選ばれたものである共鳴
トンネリングダイオード。

【００４８】（４）第２項記載のダイオードであって、
（ａ）前記トンネリング材料がインジウム、リン、およ
び窒素を含む、ダイオード。

【００４９】（５）フッ化カルシウム（４０８）および
二酸化シリコン（４０４）のような２つの異なる材料を
含むトンネリング障壁（４０４、４０８）を備えた量子
井戸（４０６）を含む共鳴トンネリングダイオード（４
００）。フッ化カルシウムはエミッター（４１０）と量
子井戸（４０６）との間に格子整合を提供する。更に、
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物からシリコン格子に整合す
る障壁を備えた共鳴トンネリングダイオードが作られ
る。

【関連出願へのクロスリファレンス】次の同時譲渡され
た米国特許出願は関連事項について開示している：１９
９４年８月４日付けの第号、１９９３年１０月
２９日付けの第０８／１４５，２６７号、１９９４年５
月３１日付けの第０８／２５０，９７６号、１９９１年
５月２３日付けの第０７／７０４，５３５号、１９９３
年５月２０日付の第０８／０６５，０８７号、１９９３
年６月２１日付の第０８／０４８，４０６号。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の共鳴トンネリングダイオードのバンド構
造。

【図２】従来の共鳴トンネリングダイオードの電流−電
圧特性。

【図３】従来の共鳴トンネリングダイオードのバンド構
造であって、ａはトンネリング許容バイアス状態、ｂは
トンネリング阻止バイアス状態。

【図４】第１好適実施例の混合障壁共鳴トンネリングダ
イオードであって、ａは断面図、ｂは平面図。

【図５】第１好適実施例のダイオードのバンド構造であ
って、ａは零バイアス状態、ｂは１００ｍＶバイアス状
態、ｃは１５０ｍＶバイアス状態。

【図６】第１好適実施例の方法の製造段階を示す断面図
であって、ａはシリコン層６０８を成長させた段階、ｂ
はｎ＋層６１４を成長させた段階、ｃはダイオード構造
４００が完成した段階。

【図７】図４ａ−ｂの好適実施例に対する金属コレクタ
ー変形例であって、ａはパターニング前の層状構造、ｂ
はデバイス構造の完成段階。

【図８】図７ｂに示す好適実施例デバイスのバンド構造
であって、ａは零バイアス、ｂは共鳴バイアス状態。

【図９】第２好適実施例の混合障壁共鳴トンネリングダ
イオード。

【図１０】第２好適実施例の混合障壁共鳴トンネリング
ダイオードのバンド構造。

【図１１】第３好適実施例の共鳴トンネリングダイオー
ド。

【図１２】図１１の実施例デバイスのバンド構造。

【図１３】各種化合物半導体の格子定数とバンドギャッ
プ。

【図１４】第４好適実施例の共鳴トンネリングダイオー
ド。

【図１５】図１４の実施例デバイスのバンド構造。

【図１６】好適実施例ダイオードのメモリセルへの応用
例であって、ａは回路図、ｂは電流−電圧特性、ｃは外
観図。

【符号の説明】

４００共鳴トンネリングダイオード４０２シリコンコレクター４０４二酸化シリコントンネリング障壁４０６シリコン量子井戸４０８フッ化カルシウムトンネリング障壁４１０シリコンエミッター４２０エミッター金属コンタクト４２２コレクター金属コンタクト４３０メサ構造６００ウエハ６０２ｎ＋ドープシリコン６０４未ドープエピタキシャルシリコン６０６未ドープフッ化カルシウム６０８未ドープシリコン６１０酸化物層６１２未ドープ層６１４ｎ＋層９００共鳴トンネリングダイオード９０２ｎ＋シリコン９０４未ドープシリコン９０６フッ化カルシウムトンネリング障壁９０８アルミニウム量子井戸９１０アルミニウム酸化物トンネリング障壁９１２アルミニウムコレクター９２０チタン・タングステンエミッターコンタクト１１００共鳴トンネリングダイオード１１０２シリコンウエハ１１０８ＡｌＡｓＮトンネリング障壁１１１０ＩｎＡｓＮ量子井戸１１１２ＡｌＡｓＮトンネリング障壁１１１４未ドープ層１１１６ｎ＋ドープ層１１１８金属コンタクト１１２０金属コンタクト１１３０メサ１４００ダイオード１６００ＳＲＡＭセル１６０２共鳴トンネリングダイオード１６０４共鳴トンネリングダイオード１６０６アクセスノード１６０８パスゲート１６１０ビットライン１６１２ワードライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チ − チェンチョウアメリカ合衆国テキサス州リチャードソン，ノースクリフ 2010

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共鳴トンネリングダイオードであって、（ａ）エミッター材料を含むエミッター、（ｂ）前記エミッターに接して、トンネリング材料を含
む第１のトンネリング障壁、（ｃ）前記第１のトンネリング障壁に接して、量子井戸
材料を含む量子井戸、（ｄ）前記量子井戸に接して、前記トンネリング材料を
含む第２のトンネリング障壁、および（ｅ）前記第２のトンネリング障壁に接して、コレクタ
ー材料を含むコレクター、を含み、（ｆ）ここにおいて、前記エミッター材料、トンネリン
グ材料、前記量子井戸材料、および前記コレクター材料
が、窒素を含み、シリコンに対して格子整合するＩＩＩ
−Ｖ半導体群のうちから選ばれたものである共鳴トンネ
リングダイオード。