JPH1065186A - 共鳴トンネルダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一定の障壁厚さを持つ構造に対して、ピーク電
流対バレイ電流比を低下させることなく、ピーク電流密
度を向上させる共鳴トンネルダイオード構造を提供す
る。 【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＡ
ｓコレクタ層１０２、ＡｌＳｂ第１障壁層１０３、ｐ型
ＧａＳｂ量子井戸層１０４、ＡｌＳｂ第２障壁層１０
５、ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層１０６が順次積層され、エ
ミッタ電極１０７、コレクタ電極１０８を設けてなる共
鳴トンネルダイオードにおいて、ｐ型ＧａＳｂ量子井戸
層１０４内の軽い正孔の基底準位が、ｎ型ＩｎＡｓエミ
ッタ層１０６内の伝導帯の下端の直上にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高速素子、機能
素子に利用される共鳴トンネルダイオードに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】共鳴トンネル現象は１ｐｓ以下の超高速
現象として知られており、既に、微分負性抵抗を使用し
た、７００ＧＨｚを超える発振周波数を有する共鳴トン
ネルダイオードが報告されている。さらに、共鳴トンネ
ルダイオードの負性抵抗特性を有効に使うための、高電
子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と共鳴トンネルダイ
オードを接続した複合デバイスも実現されている。

【０００３】図４は、従来の共鳴トンネルダイオードの
層構造の一例を示す断面図である。

【０００４】図４において、４０１はｎ型ＧａＡｓ結晶
基板、４０２はｎ型ＧａＡｓコレクタ層、４０３はＡｌ
ＧａＡｓ第１障壁層、４０４はｎ型ＧａＡｓ量子井戸
層、４０５はＡｌＧａＡｓ第２障壁層、４０６はｎ型Ｇ
ａＡｓエミッタ層、４０７はコレクタ電極、４０８はエ
ミッタ電極である。

【０００５】図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ結晶基板
４０１上に、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４０２、ＡｌＧａ
Ａｓ障壁層４０３、ｎ型ＧａＡｓ量子井戸層４０４、Ａ
ｌＧａＡｓ障壁層４０５、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層４０
６を、通常の分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）によ
り順次成長させ、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４０２、ｎ型
ＧａＡｓエミッタ層４０６のそれぞれに接続するコレク
タ電極４０７、エミッタ電極４０８を形成することによ
り素子構造が得られる。

【０００６】図５は、図４に示した従来の共鳴トンネル
ダイオードの４０２〜４０６の積層構造に対応するバン
ド構造を示す図である。

【０００７】図５において、５０１は伝導帯の下端、５
０２は価電子帯の上端、Ｅ_f ^Eはエミッタ領域のフェルミ
準位、５０３は量子井戸層４０４における電子の基底準
位、５０４は量子井戸層４０４における電子の第１励起
準位、５０５は障壁層４０３、４０５内のＸ点である。

【０００８】本素子を動作させるためには、バイアス電
圧Ｖ_CEをエミッタ・コレクタ間に印加させる。

【０００９】図６は、そのような動作状態のバンド構造
を示す図である。

【００１０】図６において、ｅＶ_CEは、エミッタ・コレ
クタ間にバイアス電圧Ｖ_CEをかけたときのエミッタ・コ
レクタ間のポテンシャルの差である。

【００１１】エミッタ・コレクタ電圧Ｖ_CEを増加させ、
基底準位５０３がエミッタのフェルミ準位Ｅ_f ^Eより低く
なると、共鳴トンネルにより、エミッタ４０６（図４）
から量子井戸４０４への電子の注入が起こり、その大部
分はコレクタ４０２側へ抜ける。バイアス電圧Ｖ_CEをさ
らに増加させると、基底準位５０３がエミッタ領域４０
６の伝導帯の下端５０１より低下し、共鳴トンネルが抑
止される。この結果、エミッタ・コレクタ電圧Ｖ_CEの増
加に対してエミッタ・コレクタ間の電流が減少するとい
う、負性コンダクタンスが得られるため、機能ゲート、
発振素子としても利用されている。

【００１２】しかし、常温で存在するエネルギーの高い
状態の電子は、基底準位５０３以外に、例えば、障壁層
のＸ点５０５や第１励起準位５０４などを通り、エミッ
タからコレクタへ抜けることが可能である。その結果、
電子の基底準位５０３を介した共鳴トンネルが抑止され
るバイアス状態であっても電流が生じる。また、このよ
うな電流を抑制するために障壁層の厚さを厚くすること
が考えられるが、この場合、ピーク電流密度が低下す
る。このため、共鳴トンネルが抑止されるバイアス状態
における電流値の抑制とピーク電流密度の向上が両立し
ないという問題点があった。

【００１３】この問題点を解決する目的で、タイプIIの
ヘテロ接合を用いて、共鳴トンネル以外の電流成分を禁
止帯によって抑制する共鳴バンド間トンネルダイオード
構造が提案されている。

【００１４】図７は、この共鳴バンド間トンネルダイオ
ードのバンド構造の一例を示す図で、（ａ）はバイアス
電圧Ｖ_バイアスが０Ｖの場合、（ｂ）はバイアス電圧Ｖ
_バイアスがＶ_{off resonance}の場合である。

【００１５】図７において、７０１はｎ型ＩｎＡｓエミ
ッタ層、７０２はＡｌＳｂ障壁層、７０３はｐ型ＧａＳ
ｂ量子井戸層、７０４はＡｌＳｂ障壁層、７０５はｎ型
ＩｎＡｓコレクタ層、７０６は伝導帯の下端、７０７は
価電子帯の下端、Ｅ_f ^Eはエミッタ領域のフェルミ準位、
７０８はＧａＳｂ量子井戸層７０３における軽い正孔の
基底準位、ｅＶ_{off resonance}はエミッタ・コレクタ間
に、共鳴トンネルの禁止されるバイアスＶ_{off
resonance}をかけたときのエミッタ・コレクタ間のポテ
ンシャルの差、７０９はＩｎＡｓエミッタ層７０１から
注入される電子である。

【００１６】共鳴トンネルが抑制されるバイアスＶ_{off
resonance}をかけ、エミッタ・コレクタ間のポテンシャ
ルの差がｅＶ_{off resonance}の状態では、ＩｎＡｓエミ
ッタ層７０１から注入される電子７０９は、ＧａＳｂ量
子井戸層７０３の禁止帯によりＩｎＡｓコレクタ層７０
５へ抜けることを妨げられている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案され
てきた構造においては、ＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚
さが、２３モノレイヤ（原子層）程度あるいはそれ以上
であった（ザ インスティテュート オブ フィジクス コ
ンファレンス(Inst. Phys. Conf.) Ser. No.136: Chapt
er 4 pp.209）。

【００１８】図８は、図７に示した構造における、軽い
正孔の基底状態の共鳴準位を計算した結果を示す図であ
る。

【００１９】図８において、８０１はＧａＳｂ量子井戸
層７０３（図７）内の価電子帯の上端から測ったＩｎＡ
ｓエミッタ層７０１内の伝導帯の下端のポテンシャル、
８０２はＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚さを変えたとき
の軽い正孔の基底状態の共鳴準位Ｅ_res、８０３は従来
提案されていた構造のうち最も薄い２３モノレイヤ（Ｍ
Ｌ）の厚さのＧａＳｂ量子井戸層７０３の共鳴準位であ
る。

【００２０】図８に示した本発明者らの計算結果から、
ＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚さが２３モノレイヤの場
合のＧａＳｂ量子井戸層７０３内の軽い正孔の基底状態
の共鳴準位８０３はＩｎＡｓエミッタ層７０１の伝導帯
の下端から約７０ｍｅＶのところにあることが確認され
た。この構造の共鳴トンネルダイオードのピーク電流密
度は、軽い正孔の共鳴準位を主に介してトンネルして入
ることが、本発明者らの実験から確認されており、ま
た、ピーク電流密度は軽い正孔の共鳴準位の幅に近似的
には比例するとしてよいことが知られている。一定の障
壁の厚さの場合、共鳴準位に対する実効的な障壁の高さ
が低いほど、軽い正孔の共鳴準位の幅は広くなることが
知られているが、従来提案されていた構造における共鳴
準位８０３の位置は、先に述べたとおり、ＩｎＡｓエミ
ッタ層７０１の伝導帯の下端から７０ｍｅＶの高さにあ
り、必要以上に障壁の実効的な高さを高くしているとい
う問題点があることが、本発明者らの計算から確認され
た。このため、一定の障壁厚さの構造において、ピーク
電流密度が十分に高くできていないという問題点があっ
た。

【００２１】本発明の目的は、一定の障壁厚さを持つ構
造に対して、ピーク電流対バレイ電流比を低下させるこ
となく、ピーク電流密度を向上させる共鳴トンネルダイ
オードの構造を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、量子井戸層内
の軽い正孔の共鳴準位が、エミッタ層の伝導帯の下端の
直上となるような厚さの量子井戸層を用いることを、最
も大きな特徴としている。従来の技術とは、量子井戸層
の厚さが異なる。

【００２３】すなわち、本発明は、ｎ型導電性の第１の
半導体からなるコレクタ層と、ｎ型導電性の第２の半導
体からなるエミッタ層と、ｐ型導電性の第３の半導体か
らなりかつ前記第１および第２の半導体とタイプIIのヘ
テロ接合を形成する量子井戸層と、前記第１の半導体の
電子に対して障壁となる第１障壁層と、前記第２の半導
体の電子に対して障壁となる第２障壁層とが、前記コレ
クタ層、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、エミッ
タ層の順に積層されてなる共鳴トンネルダイオードにお
いて、前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記
エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴と
する。

【００２４】また、前記第１および第２の半導体がイン
ジウム砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導
体がガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）であることを特徴
とする。

【００２５】また、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）か
らなる前記第３の半導体が、８から１２の原子層からな
ることを特徴とする。

【００２６】さらに、前記第１障壁層および第２障壁層
がアルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなることを
特徴とする。

【００２７】本発明では、量子井戸層として、量子井戸
層内の軽い正孔の準位が、エミッタ層内の伝導帯の下端
の直上となる厚さに設定されているので、次の作用が生
じる。

【００２８】ピーク電流密度は、共鳴準位の幅に近似的
に比例すると考えてよいことが知られている。さらに、
共鳴準位の幅は、障壁の厚さが一定のとき、その共鳴準
位に対する障壁の実効的な高さが低いほど、広くなるこ
とが知られている。

【００２９】したがって、一定厚さの障壁を持つ構造に
対しては、共鳴準位に対する実効的な障壁の高さを低く
することにより、ピーク電流密度を向上させることがで
きる。

【００３０】さらに、ｎ型導電性のエミッタ層、コレク
タ層、およびｐ型導電性を持つ量子井戸層からなる共鳴
トンネルダイオード構造の場合、エミッタ層から量子井
戸層へ入射する電子に対する実効的な障壁の高さは、入
射電子が量子井戸層内の価電子帯において持つエネルギ
ーと、量子井戸層内の価電子帯における障壁の高さとの
差になるので、入射電子がエミッタ層からコレクタ層に
共鳴トンネルする際に介する量子井戸層内の正孔の共鳴
準位が下がる（正孔のエネルギーとして上がる）ほど、
実効的な障壁高さは低くなる。

【００３１】一方、正孔の共鳴準位が下がり（正孔のエ
ネルギーとして上がり）、エミッタ層内の伝導帯の下端
よりも下がると、エミッタ層内からコヒーレントに量子
井戸層内に入射する電子が量子井戸層内に存在できる状
態が消滅するので、共鳴トンネルができなくなり、ピー
ク電流密度は急激に減少する。

【００３２】したがって、本発明のように、量子井戸層
内の軽い正孔の基底準位が、エミッタ層内の伝導帯の下
端の直上となるよう量子井戸層の厚さを取ると、共鳴ト
ンネルが存在し、かつ、実効的な障壁高さが最小となる
作用がある。

【００３３】そのため、共鳴準位の幅が最大となり、ピ
ーク電流密度を最大にすることができる。

【００３４】また、共鳴準位を下げる（正孔のエネルギ
ーとして上げる）ことにより、バレイ電流が上昇するこ
とはないので、ピーク電流対バレイ電流比が小さくなる
ことはない。

【００３５】以上のように、高いピーク電流対バレイ電
流比を小さくすることなく、一定障壁厚さの構造におい
て、ピーク電流密度を向上させることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態の
共鳴トンネルダイオードの層構造の一例を示す断面図で
ある。

【００３７】図１において、１０１はｎ型ＧａＡｓ基
板、１０２はｎ型ＩｎＡｓコレクタ層、１０３はＡｌＳ
ｂ第１障壁層、１０４はｐ型ＧａＳｂ量子井戸層、１０
５はＡｌＳｂ第２障壁層、１０６はｎ型ＩｎＡｓエミッ
タ層、１０７はＴｉ／Ａｕからなるエミッタ電極、１０
８は同じくＴｉ／Ａｕからなるコレクタ電極である。

【００３８】本実施の形態の特徴は、その量子井戸層１
０４の厚さにある。ＧａＳｂ量子井戸層１０４の厚さは
１０モノレイヤである。

【００３９】また、図２は、本実施の形態の共鳴トンネ
ルダイオードのバンド構造を示す図である。

【００４０】図２において、２０１は伝導帯の下端、２
０２は価電子帯の上端、２０３はＧａＳｂ量子井戸層１
０４内の正孔の基底準位である。

【００４１】この積層構造は、通常の分子線エピタキシ
成長法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、各層を連
続的に成長することで形成した。また、図１に示したエ
ミッタ、コレクタの各オーミック電極１０７、１０８
も、通常のＩｎＧａＡｓ材料系プロセス技術により形成
した。

【００４２】本構造においては、量子井戸層１０４が、
厚さ１０モノレイヤのＧａＳｂから構成されており、前
述の図８で示した計算結果からわかるように、このＧａ
Ｓｂ量子井戸層１０４の厚さは、該ＧａＳｂ量子井戸層
１０４内の軽い正孔の共鳴準位２０３を、ＩｎＡｓエミ
ッタ層１０６内の伝導帯の下端２０１の直上に形成する
ものである。

【００４３】図３は、この積層構造をもつ素子のＧａＳ
ｂ量子井戸層６０４の厚さを変え、ピーク電流密度を実
際に測定した結果を示す図である。

【００４４】３０１、３０２、３０３はそれぞれＡｌＳ
ｂ障壁層１０３、１０５の厚さが７モノレイヤ（Ｍ
Ｌ）、５モノレイヤ、３モノレイヤの場合の共鳴トンネ
ルダイオードについてのピーク電流密度の測定結果を示
す。

【００４５】この図に示された実験結果からわかるよう
に、ＡｌＳｂ障壁層１０３および１０５の厚さに関わら
ず、ＧａＳｂ量子井戸層６０４の厚さが１０モノレイヤ
のときに最大のピーク電流密度が得られていることがわ
かる。したがって、ＧａＳｂ量子井戸層１０４の厚さ
を、ＩｎＡｓエミッタ層１０２内の伝導帯の下端２０１
の直上に、ＧａＳｂ量子井戸層１０４内の軽い正孔の基
底準位２０３がくるように構成することにより、一定の
ＡｌＳｂ障壁層厚さの構造において、最大のピーク電流
密度を得ることができた。このとき、バレイ電流の上昇
は、ほとんど確認されなかったので、ピーク電流対バレ
イ電流比の劣化は見られなかった。

【００４６】ここでは、１０モノレイヤの厚さの例をと
って説明したが、ここで述べた効果は８から１２モノレ
イヤのときも得られることは明らかである。さらに、２
３モノレイヤ以下であれば、この効果はやや弱められる
ものの、従来の２３モノレイヤ以上の場合と比較すれ
ば、ピーク電流の増大効果があることは、この例から明
らかである。

【００４７】このように、本実施の形態によれば、Ｇａ
Ｓｂ量子井戸層内の軽い正孔の共鳴準位を、ＩｎＡｓエ
ミッタ層の伝導帯の下端の直上にしたので、共鳴トンネ
ルが存在する条件のもとで障壁の実効的な高さを最小と
することができた。そのため、共鳴トンネルが存在する
条件のもとで最大の共鳴準位の幅を得ることができた。
また、共鳴準位が伝導帯の下端の直上にすることによる
バレイ電流の上昇は認められなかった。このため、一定
の障壁幅を持つ共鳴トンネルダイオード構造において、
ピーク電流対バレイ電流比を下げることなく、ピーク電
流密度を向上することができた。

【００４８】さらに、ここでの実施の形態はＩｎＡｓ／
ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ系を例に取って説明したが、ｎ型エ
ミッタおよびコレクタ層、ｐ型量子井戸層からなる同様
の構造を有する共鳴トンネル障壁構造に対しても、ｎ型
エミッタ層内の伝導帯の下端の直上に、ｐ型量子井戸層
内の共鳴準位がくるようにｐ型量子井戸層の厚さを決め
ても、全く同様の効果が得られた。

【００４９】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
量子井戸層内の軽い正孔の共鳴準位を、エミッタ層内の
伝導帯の下端の直上にすることにより、共鳴トンネルが
存在する条件のもとで障壁の実効的な高さを最小とする
ことができる。そのため、この条件のもとで、最大の共
鳴準位の幅を得ることができる。なお、共鳴準位が伝導
帯の下端の直上にすることによるバレイ電流の上昇は認
められないため、一定の障壁幅を持つ共鳴トンネルダイ
オード構造において、ピーク電流対バレイ電流比を下げ
ることなく、ピーク電流密度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の共鳴トンネルダイオー
ドの層構造の一例を示す断面図である。

【図２】図１に示した共鳴トンネルダイオードのバンド
構造を示す図である。

【図３】図１に示した共鳴トンネルダイオードのＧａＳ
ｂ量子井戸層の厚さを変え、ピーク電流密度を実際に測
定した結果を示す図である。

【図４】従来の共鳴トンネルダイオードの構造の一例を
示す断面図である。

【図５】図４に示した従来の共鳴トンネルダイオードの
積層構造に対応するバンド構造を示す図である。

【図６】図４に示した従来の共鳴トンネルダイオードの
動作状態のバンド構造を示す図である。

【図７】共鳴バンド間トンネルダイオードのバンド構造
の一例を示す図で、（ａ）はバイアス電圧Ｖ_バイアスが０
Ｖの場合、（ｂ）はバイアス電圧Ｖ_バイアスがＶ_{off
resonance}の場合である。

【図８】図７に示した構造における、軽い正孔の基底状
態の共鳴準位を計算した結果を示す図である。

【符号の説明】

１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型ＩｎＡｓコレ
クタ層、１０３…ＡｌＳｂ第１障壁層、１０４…ｐ型Ｇ
ａＳｂ量子井戸層、１０５…ＡｌＳｂ第２障壁層、１０
６…ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層、１０７…エミッタ電極、
１０８…コレクタ電極、２０１…伝導帯の下端、２０２
…価電子帯の上端、２０３…ＧａＳｂ量子井戸層１０４
内の正孔の基底準位、４０１…ｎ型ＧａＡｓ結晶基板、
４０２…ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、４０３…ＡｌＧａＡ
ｓ第１障壁層、４０４…ｎ型ＧａＡｓ量子井戸層、４０
５…ＡｌＧａＡｓ第２障壁層、４０６…ｎ型ＧａＡｓエ
ミッタ層、４０７…コレクタ電極、４０８…エミッタ電
極、５０１…伝導帯の下端、５０２…価電子帯の上端、
Ｅ_f ^E…エミッタ領域のフェルミ準位、５０３…量子井戸
層４０４における電子の基底準位、５０４…量子井戸層
４０４における電子の第１励起準位、５０５…障壁層４
０３、４０５内のＸ点、ｅＶ_CE…エミッタ・コレクタ間
のポテンシャルの差、７０１…ｎ型ＩｎＡｓエミッタ
層、７０２…ＡｌＳｂ障壁層、７０３…ｐ型ＧａＳｂ量
子井戸層、７０４…ＡｌＳｂ障壁層、７０５…ｎ型Ｉｎ
Ａｓコレクタ層、７０６…伝導帯の下端、７０７…価電
子帯の下端、Ｅ_f ^E…エミッタ領域のフェルミ準位、７０
８…ＧａＳｂ量子井戸層における軽い正孔の基底準位、
ｅＶ_{off resonance}…エミッタ・コレクタ間に共鳴トンネ
ルの禁止されるバイアスＶ_{off resonance}をかけたとき
のエミッタ・コレクタ間のポテンシャル差、７０９…Ｉ
ｎＡｓエミッタ層７０１から注入される電子、８０１…
ＧａＳｂ量子井戸層内の価電子帯の上端から測ったＩｎ
Ａｓエミッタ層内の伝導帯の下端のポテンシャル、８０
２…ＧａＳｂ量子井戸層の厚さを変えたときの軽い正孔
の基底状態の共鳴準位Ｅ_res、８０３…従来提案されて
いた構造のうち最も薄い２３モノレイヤの厚さのＧａＳ
ｂ量子井戸層の共鳴準位。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型導電性の第１の半導体からなるコレク
   タ層と、ｎ型導電性の第２の半導体からなるエミッタ層
   と、ｐ型導電性の第３の半導体からなりかつ前記第１お
   よび第２の半導体とタイプIIのヘテロ接合を形成する量
   子井戸層と、前記第１の半導体の電子に対して障壁とな
   る第１障壁層と、前記第２の半導体の電子に対して障壁
   となる第２障壁層とが、前記コレクタ層、第１障壁層、
   量子井戸層、第２障壁層、エミッタ層の順に積層されて
   なる共鳴トンネルダイオードにおいて、 前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記エミッ
   タ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴とする共
   鳴トンネルダイオード。
2. 【請求項２】前記第１および第２の半導体がインジウム
   砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導体がガ
   リウムアンチモン（ＧａＳｂ）であることを特徴とする
   請求項１記載の共鳴トンネルダイオード。
3. 【請求項３】ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる
   前記第３の半導体が、８から１２の原子層からなること
   を特徴とする請求項２記載の共鳴トンネルダイオード。
4. 【請求項４】前記第１障壁層および第２障壁層がアルミ
   ニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなることを特徴とす
   る請求項１、２、または３記載の共鳴トンネルダイオー
   ド。