JPS58122791A - ガンダイオ−ド型の単極電子転移デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子転移ダイオードに関するものであり、特に
最近ではガン（Ｑｕｎｎ　）ダイオードと呼ばれるこの
種のダイオードのための新しいカン−の目的はダイオー
ドの有効的なパワーな高め、マイクロ波周波数の範囲内
での作用範囲な広げることである。

ガンダイオードは発生（ｇ＠ｎｅｒａｔｉｏｎ　）又は
増幅のためのマイクロ波構成要素であり、その作用は特
にｍ−ｖ族化合物、中でも特ＫＧａＡｓ及びＩｎＰに固
有な負性体積抵抗メカニズムに基いている。

ガンダイオードの作用はカソードの限界状態の臨界程度
に依存している。カソード接触の性質とこの接触に隣接
する部分の構造とは、電気効率。

電力１周波数範囲、雑音等に関する機能的特徴及びデバ
イスの作用モードに極めて実質的な影響を及ぼす。

ガンダイオードの本質的な負性抵抗メカニズムによると
、ＧａＡｓ又はＩｎＰ　　のようなｍ−ｖ族化合物の伝
導帯は２つの１時には３つのトラフ即ち谷な含んでいる
。しかしここではより簡単な２つのトラフモデルに限定
することにする。即ち、電子が非常によく移動する第１
のト２７（ドーピング員度Ｎｄ　〜１０”ｃｍ−”　　
Ｋ対しａン５０００　Ｃ１ｌ／Ｖ／ｓ　）と、移動度が
約２０倍低い第２の谷である。エネルギの大きさで言え
ば、第２最小値は第１最小値より上方、１／ＩＯＸ数電
子ポル）（ＧａＡｍ　に対し０．３５ａＶ　、　ＩｎＰ
　Ｋ対し０，５　＠Ｖ　）　Ｏ所に位置している。その
結果、２つのオーム接触が付与されたＧａＡｓの棒状体
に電界が印加される場合、明白な移動度はこの電界値の
関数となろう０弱い電界に対し、はとんど全ての電子は
第４のトラフにあり、平均的な移動度は高い。電界が強
化される場合、電子の平均的な運動エネルギは上昇し、
従って第２のドア７の電子の数は第１のトラ７を犠牲に
して増加し、平均的な移動度が減少する。電界がいわゆ
るＧａＡ１＋に対し３５００　Ｖ／ＣＩＩＬ（ＩｎＰに
対し１００００　Ｖ／ＣＩＬ　）　　のオーダの臨界値
Ｗｅ　Ｋ適するとき、このトラフ間の転移は負である微
分のとなる。これらの状態下では物理的バラメータ（ド
ーピング、長さ１等）１に適蟲に選択することで、走行
周波数を含むより大きな或いはより小さな周波数範囲内
でパ一端子で負の抵抗Ｖ得ることが可能である。電子転
移ダイオードで用いられるのはこのメカニズムである。

注目すべきことに、これは体積効果でなければならず、
即ち、他の負の抵抗現象、例えばはるかにこみいった組
成構造と関連しているトンネルダイオード、アバランシ
ェダイＸ−ドとは対照的に。

均質組成から成る材料の特別な種類と関連していなけれ
ばならない。しかし構造が非常に単純であるにもかかわ
らず、ガン効果ｔＳ非常に複雑なメカニズムである。他
方、完全に均質な材料に対しても、静的電子密度は電界
の方向で均一ではなく。

この密度勾配の特別な形はカソードの制限状態と印加さ
れた電界の値との関数である。他方屯界が臨界Ｅｃ　な
越えると、電子電荷異質性は時間が経つと増加する傾向
な示す。σ６が微分導電率であり、ばか媒質の誘電率で
ある場合、成長率令は銹電緩和と関連しており、との−
電緩和はキャリヤの平均速度でカソードからアノードへ
伝搬される間σ、＜０　　であるため負の減衰に対応す
る。従ってこれは、特徴が材料の物理的特性だけでなく
。

非常に初期状態、即ち、カソード注入状態にも依存して
いる伝達性の不安定さを表わす。

注入状態を制御するカソード接触、ショットキ接触又は
ダイオードの活性層に挿入された薄い高いドープ層、を
確立するための他の公知の解決方法の中で本出願人はフ
ランス特許出願第８１゜２０＋４４４　　号で、カソー
ド金属処理下に位置する無定形絶縁セクションによりカ
ソードの透過率を変更し、これらの絶縁セクタＩＩｙ＆
ニストリップ。

リング又はスタッドの形状な有する解決方法な開提案さ
れたカソード構造は同じ問題に対する異なる解決方法で
あり、　　　　　　　　　　　Ｓ決方鎮で毒−９９この
問題に対し本発明はその基礎とその具体例との両方に関
する簡単な解決方法な提供する。それは適当な注入状態
の確保を可能にする０例えば分子噴射によるエピタキシ
に基〈その技術は秀れた定義を必要とする構造に特に適
している。

原理を説明するためｎ型のドープされたＧａＡｍ　−Ａ
ＩＫＧａｌ−ｘＡａ　　ダイオードの非制限的具体例ケ
あげることができる。電流の注入はＡ　１　ｘＧ　ａ　
ｔ　−ｘＡ　ｓの薄層を介してトンネル効果によりおこ
なわれ、この薄層はドープされておらず、ｎ＋　ドープ
されたＧａＡｓの非常に薄い第１層と走行セクションな
構成する適当な厚みのれドーピングの第２層との間に含
まれる。このセクションはｎ”　Ｍｌ衝Ｎ１ｒｃより？
基層から分離されている。カソード側及びアノード側で
の２つの被覆されていない表面はオーム接触な構成する
ため金属処理されている。

籍に１本発明はマイクロ波範囲で作動するガンダイオー
ド渥の単極電子転移デバイスから成り。

この半導体ボディは接触点を構成する第１金属処理な有
し、ｎ＋極性の強力にドープされた材料により構成され
た接触層と、同じものであるがｎ極性でより少なく１・
−プされた材料から構成された走行層とを含んでおり、
これらの２つの層は緩衝層と、接触層と同じドーピング
を有する同じ材料の基層とにより担持されており、基層
はデバイスのアノード接触を構成し、第２＠触点金属処
理を有しており、このデバイスは、接触層から走行層へ
の電子の注入は第２のドープされていない材料の層な含
み、伝導帯にトンネルバリアを有する２電の１４ｔａＷ
合を介してトンネル効果によりおこなわれ、このドープ
されていない層は接触層と走行層との間に挿入されてい
ることを特徴とする。

本発明のより明確な理解は添付図面に関する次の具体例
の説明から明らかとなる、 本発明の開示は最初にガンダイオードでの電子注入状態
を想起することによりより容易に理解されよう。

ガンダイオードが発振器を構成するため回路に連結され
るとき、幾つかの多少とも有効的な作用モードがカソー
ド接触とダイオードの物理的パラメータの性質の関数と
して可能である。カソードセクションの適当な構成によ
りＩｎＰの場合、ＨＦ電力と発振器の効率とのかなりの
改良が得られている。

２種のカソード接触、即ち、注入接触と制限接触が公知
である。

注入接触を；ドナーの密度と比較して余剰の電子密度を
提供する。オーム接触又はｎ”ｔｔ　　接合は該接触の
典波的な例である。

制限接触はドナーの密度と比較して電子密度の不足を導
出する。その特徴は次の通りである。

ｌａｌ　　層全体を通しての電子密度はｎ＜Ｎｄである
。

それはカッ−Ｖからアノードの方にかけて大きくなり、
走行セクシ璽ンが充分な長さである場合Ｎｄの方へ向か
う。

ｔｂ＋　　結果として電界ｔはカソードからアノードの
方へ減少する。

１６１　　制限接触がブロックし得る。即ち該接触はカ
ソード電界の値に対し制限的なものにとど壕る。

それは低電界の値で制限的となり、高電界の値で注入し
得、他方中性点の特徴を通過する。交差点で電界は層を
通じ一定となる。

１句　制限接触台ｓ前記欠点を有する蓄積層の形成を阻
止する。

ｊ・）電界はカソードで最大となり、不感地帯は非常に
狭く、ガン発振器の場合パワーと効率に関し秀れた性能
を得ることを可能にする。

第１図はカソード接触の特徴を示しており、注として電
ｆｉｌｌＦｔＪに対する種々の曲線を示す。

電界Ｅは横座標に沿って示されており、密度Ｊ　＝　Ｎ
４ｔｖ＠は縦座標に沿って示されており、曲ｉｌｌはニ
エートッル特性に対応する０曲線２は交差せず、電界の
値に対する二瓢−トツル特性を示す曲線ｌの下にあるた
め、それはブロック制限接触に通じる。それとは対照的
に一線３は電界とは無関係に縦軸に沿って常に曲線ｌの
上にあり、それは注入接触に対応する。

最後に曲線４は電界Ｅｘに対応する点Ｘで曲線ｌと交差
する。電界Ｅ＞Ｅｘの場合、　＊＠は注入的であり％Ｅ
＜Ｅｘの場合、＊触は制限的である。

カソード接触を１制限的であるが、しかし又カッ−Ｖの
前のいわゆる「跳躍」又は「不感」地帯が出来るだけ短
い場合、ガンダイオードの特性は改棗される。

不感地帯は、生じる上部トラ７への転移のため電界によ
り充分加熱される前にカソードからの電子が動く距離の
大きさのオーダの深さを有する。

不感地帯は付加的アクセス抵抗を形成する。それは１％
に走行領域の嬌長部分が大きさの同じオーダになる最も
高い周波数に対し出来るだけ薄くなければならない。不
感地帯な減らすためカノードレペルの電界は出来るだけ
強力でなければならず。

これは弱いバリア飄のシ冒ットキ接触、或いはオーム接
触の次に軽くドープされた層を含む構造と次にバリアを
構成する強力にドープされた薄層が続く僚合カノードを
有する実験法を導出した。

現在まで提案された解決方法の中で１弱いバリア型のシ
冒ットキカソードは、再生童性が乏しいため工業的に適
用するのが困難であり、複合カソードは秀れた結果を生
起したが、その複雑な技術は工業的にはほとんど役に立
たないようである。

！２図は本発明によるガンダイオードの断面図である。

この図はダイオードの実際の形よりもむしろ牛導体層の
構造を示すため図式的である。

説明を簡単にするため１本発明をＡＩＧｍＡ−と省略さ
れた材料ＧａＡｓ／ムｌｘＧａｍ−ＸＡ−の対の場合に
基Ｉ観しするが、この対は本発明を制限するものではな
く、後述する他の材料の対によって置換され得る。

カソードから説明を始めると、ダイオードは。

−強力にドープされたれ＋型のＧａＡ−の非常に薄い層
５゜この層５は１電クロン以下の厚みを有する。ｎ＋材
料上にオーム接触を提供することが必要であり、ダイオ
ードの他の層の方へ向けられた電子源を構成する。

一ドープされておらず、厚みｒ−Ｊ　　を有するＡ　１
ｘＧ　ａ　１　＋＋、ム−の薄層６゜電流の注入がトン
ネル効果によりおこなわれるのはこのドープされていな
い層を介してである。

−ｎ　１１のＧａＡ−の層７゜ダイオードの走行又はド
リフト領域を構成するのはこの層７であり。

その厚みは不感地帯を取り囲むのに充分である。

（２０ＧＨｚで５μ、　Ｇｏ　ＧＨｚ　　で２７５　ａ
。

８０ＧＨｚ　でｔｓａ） −ｎ＋型のＧ　ａＡｉ、の基層９ｅこの基層はダイオー
ドの生産のための操作に先立ち同じ種類の材料と導電率
から成る緩衝層８で被覆されている。

により沈積される緩衝層８の作用は材料の原子の新しい
層の沈積で徐々に減衰されるこれらの結晶上の欠陥な改
良することである。

ダイオードはオーム接触を構成する２つの金属処理、即
ちカソード接触としての金属処１！ｌＯとアノード接触
としての金属処理１１．により完成される。これらのオ
ーム接触は例えばＧ・−Ａｌｌ−Ｎｉ鎖により作られる
。

ｎ層に対するドーピングレベルは１００　ＧＨｚ　で１
０１に達するが、ｎ層層に対するドーピングレ対する１
０ＧＨｚ　　でのドーピングレベルは１．５乃至２χ１
０１′原子”Ｃ１ｌでである。

それは本発明によるダイオードが、単極として言及され
たｎ極性の層だけを含んでいるためである。正孔はトラ
フの同じ現象と電子としての負の傾斜とを示さないため
Ｐ極性だけの同様なダイオードは不可能である。

第３図及び第４図は本発明による構造の伝導帯を示す、
伝導帯の底でのエネルギは距離の関数として、即ちダイ
オードの異なる層で、第３図のアノードに印加された零
電圧Ｖａに対し、及び第４図の正の電圧ｖｄに対し示さ
れている。フェルミエネルギレベルＩＣＦはデータレベ
ルとして考えられる。

従って第３図は電位による励起を欠く静的状態での異な
る層のエネルギレベルを示す。

電圧Ｖｄ＞Ｏ（第４図）がＡ　Ｉ、Ｇ　ａ　１　＋＋　
ｘＡ　ｍの層６上Ｋ［圧Ｖｋ＞Ｏにより示されたダイオ
ードの７ノードに印加される場合、領域５に位置する電
子は高さダのバリヤに、領域７に位置する電子は高さｐ
＋Ｖｋのバリアに遭遇し、絶縁層６を介してトンネル効
果により領域５から領域γの方へ電子を流出させる。電
子はエネルギｑｖｉｃ　　で走行領域７に達し、ｑは電
子の電荷である。

トンネル流れＪ　（Ｖｋ）　ｔ’意味するカソードの特
徴はシＺニレ−ジョンにより決定された。これは。

ダな変えることにより、即ち化合物Ａ　１ｘＧ　＊　ｔ
　＋＋ｘＡ　ａの化学量論及び層の厚み「ａ」を変える
ことにより、純粋な熱電子効果と同様温度により強化さ
れたトンネル効果を考慮しながら、技術的条件と両立し
得るダと「ａ」の値で適当な電流注入状態を確保するこ
とが可能であるということを示す。

第５図、第６図及び第Ｔ＠はカソードの特徴を。

即チ、ＡｌＧｍＡｍのドープされていない層６の異なる
厚み「ａ」、第６図では＠　ｗ　２Ｑ　ＯＸ　ｓ第６図
でｔｅａ−ｓｏｏｎ、第７図ではａ−ｔｏｏｏＸ。

に対する。及び３つの注入モードを得るように選択され
たバリア高さメの３つの値（０，１５Ｖ。

０．１８Ｖ及び０，２０Ｖ）に対する走行領域に入る時
の界Ｅｋの関数としての電流密度な表わ丁。３つの注入
毫−ド間で区別し得る中性点の特徴が同じ図に示されて
いる。

これらの曲ＳｔＺ＊味あるカソードの特徴が与えられた
ダイオードの生産のための結論な引き出すこと１可能に
する。

最初に、制限／ブロック又は制限／注入接触で。

技術的な可能性と両立し得るバリアの高さの値ダで、適
当な注入状態を作ることが可能であり、０はＡ　１ｘＧ
　ａ　１−ｘＡ−でのＩの値の公知の関数である。

次にバリア高さダの影響はかなり大きく、従って分子噴
流によるエピタキシの興味ある性質によりＡｌＸＧａ１
−ｘＡｓの化学量論の正確な制御が可能となる。

あるということを意味する特＝）Ｌ　Ｊ　、　（Ｅ　ｋ
）　Ｋはとんど影響な与えない。層に印加された電位ｖ
ｋに対し、即ち、カソードにより放出された電子のエネ
ルギｑｖｋ　に対し同じことが生じず、ｖｋＩ工［１］
Ｋ比例する。従って不感地帯な減らすため。

ｒａＪ　ｉｋ大ｔｋ＜、ｔｏｏｏＸ以上のオーダに選択
することが好ましい。一方ではダイオード上の電圧Ｖ　
に関し小さくなければならないｖｋＫ対する最大の受容
し得る値から、他方では注入特性上のダの効果％１「ａ
」がより大きいためより大きいという事実から、制限が
生じる。

対の材料Ｇ１Ａｓ／ＡＳｘＧａｌ−，Ａｓ　Ｋ基き説明
されたガンダイオードの具体例をｉ本発ｌｌＫ関し制限
的ではなく１次のような： （Ｉ５，７，８．９）　　　　　　　　　（６）Ｇ　ａ
Ａ　ｓ　　　　　　　Ｇ　ａ　、Ｉ　ｎ　＠　＋＋　ｘ
Ａ　ａ　ｙ　Ｐ　ｓ　＋＋。

ＩｎＰ　　　　　　　　ＡｌｘＩｎ、−、ＡｍＩｎＰ　
　　　　　　ＧｍｘＡｌ、−１Ａｓ７８ｂ、−。

Ｇａ、Ｉｎ１−ｘＡｍ　　　（Ａ１７Ｇｍ、−、）ｘｆ
、−ｘＡｍ他の半導体材料にまで範囲を伸ばし得る。

これらの材料の組成は、各々の対の材料から成る結晶質
パラメータが等しく、それらの伝導帯の不連続性が前記
のようにバリア高さグを限定するように選択される。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による電子転移ダイオード接触のカソ
ードの特徴を示す説明図、第２図は本発明によるダイオ
ードの具体例のカソード部分の構造を示す説明図、第３
図及び第４図は本発明により提案された構造の伝導ｗｔ
示す説明図、第５図、第６図及び第７図は本発明による
ガンダイオード接触のカソードの特徴を示す説１１１＠
である。 ５＠６ｓ７・・・層　　　　　８・・・緩衝層。 ９・・・基層。 出糖んトムソンーセエスエ７ 代理人弁理七　川　　日　　義　　枡 代理人弁ｐｅｌｆ　　今　　村　　　　元し− ０ 匡 Ｕ） 匡　　　　　　　ε

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　　マイクｖＩ技領域で作動するガンダイオード
   渥単極電子転移デバイスであって、半導体ボディは接触
   を構成する第１金属処履を有しておりｎ＋極性の第１の
   強力にドープされた材料により構成された接触層と、同
   じであるがｎ極性でより少なくドープされた材料から構
   成された走行層とを含んでおり、これらの２つの層は緩
   衝層と、接触層と同じドーピング逃場され同じ材料から
   成る基層とにより支持されており、基層はデバイスの７
   ノード接触を構成し、第２の接触構成金属処履を有し。 このデバイスでは接触層から走行層への電子の注入は伝
   導帯にトンネルバリア【有する第２のドープされていな
   い材料から成る層により構成された２重の異種接合を介
   してトンネル効果によりおこなわれ、このドープされて
   いない層は鋳記接触層と前記走行層との間に挿入されて
   いることを特徴とするガンダイオード飄の単極電子転移
   デバイス。 （８）２重の異種接合を介しての電子の注入モードは第
   ２のドープされていない材料の組成により決定され、こ
   の組成はドープされていない層のバリアの高さを決定す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のデバ
   イス。 （３）　　接触層、走行層、緩衝層及び基層４ＧｍＡｇ
   で作られており、２重の異種接合を構成するドーグされ
   ていない層Ｓｔ　ＡＩｚＧａトＨＡｓ及びＧａ、Ｉｎ、
   −ｘＡｓ、Ｐ、−アから選択されることを特徴とする特
   許請求の範ｌ！ｌ第１項に記載のデバイス。 ＋４１　　ＩＩ触層、走行層、緩衝層及び基層はＩｎＰ
   で作られており、２重の異種談合を構成するドーグされ
   ていない層はＡｌｘＩＪ−！Ａ−又はＧ　ａ　ｘＡ　１
   １−ＸＡ　ｍ　ｙ８　ｂ　１−ｙから選択されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のデバイス。 （５）接触層、走行層、緩衝層及び基層はＧａ！Ｉｎ、
   −ｘＡｓ　　で作られており、２重の異種接合を構成す
   るドープされていない層は（＾１．Ｇａ１−ｙ）ｘＩｎ
   ｓ−ｘ”　　から成ることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のデバイス。 （６）２重の異種接合を構成するドーグされていない層
   の厚みは１ｏｏｏ　Ｘのオーダであることを特徴とする
   特許請求の範ｉ！Ｉ第１項に記載のデバイス。