JPS62293783A - 共鳴トンネル・ダイオ−ド - 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】 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共鳴トンネル、ダ
イオードに関する。

（従来技ＦＴ） 共鳴トンネルダイオードは電子の通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
がら超高速・新機能素子を構成するうえで極めて有望で
あり各所で研究開発が活発に行なわれるようになってき
た。

第９図は従来構造の一例を示す素子断面図で、例えばソ
ルナー（Ｓｏｌｌｎｅｔ）等によりアプライド・フィズ
イックスルターズ（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ
、）、　ｖｏｌ、４３．　Ｎｏ。

６、　ｐｐ、５８８−５９０．９月、１９８３年に報告
されている。図において９１はノンドープＧａＡｓ層、
９２．９２’　　はノンドープＡｌＧａＡｓ層、９３．
９３’　　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１０図（ａ）、（ｂ）は第９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くａ）は熱平衡状態
でＥｌは井戸の中に形成される共鳴準位の基底準位、Ｖ
ｏは障壁の高さである。また（ｂ）は恭鳴トンネルが起
こっている時の非平衡状態でのエネルギー分布を示す。

（発明が解決しようとする問題点） ところで前記構造の共鳴トンネル・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。

大きなピーク対バレー比を得るためには、９１のＧａＡ
ｓ量子井戸層において良好な共鳴状件を与える必要があ
るがその為にはこのＧａＡｓ層を電子のコヒーレンシイ
を保つ程度に薄くしなければならない。しかしながら、
この量子井戸層を薄くすると量子井戸内に形成される共
鳴準位Ｅ１が高エネルギー側にシフトするため第１１図
に示すように負性抵抗を生じる閾値電圧が大きくなる。

ここで閾値電圧はほぼ２Ｅｌ／ｑで与えられる。但し、
ｑは電子電荷である。

このように閾値電圧が大きくなると、共鳴トンネル・ダ
イオードを使用して論理回路を構成した場合消費電力が
大きくなり、また発振素子として使用した場合にはパワ
ーのＡＣ対ＤＣ変換効率が小さいといった問題があった
。

さらにダイオードの動作電圧が高いとエネルギー帯の湾
曲による共鳴状態のぼやけに伴い、必ずしも電流のピー
ク対バレー比は向上しないという問題があった。

本発明の目的はこの様な問題点を解消し、負性抵抗を赤
す閾値電圧が小さく、がっ電流の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であ
る。

（間圧点を解決するための手段） 本発明によれば、電子の共鳴準位が形成される第１の半
導体層を挟んで、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ノン
ドープの第２の半導体層が形成され、該第２の半導体層
の前記第１の半導体層と反対側に前記第１の半導体層よ
り電子親和度が小さく、また前記第２の半導体層より電
子親和度が大きい少なくとも一層のＮ形層を含む第３の
半導体層が形成され、該第３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ことを特徴とす
る共鳴トンネル・ダイオードが得られ、さらに正孔の共
鳴準位が形成される第１の半導体層を挟んで、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ノンドー
プの第２の半導体層が形成され、該第２の半導体層の前
記第１の半導体層と反対側に前記第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、また前記第
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
さい少なくとも一層のＰ形層を含む第３の半導体層が形
成され、該第３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ことを特徴とする共鳴トンネ
ル・ダイオードが得られる。

（作用） 以下、本発明の詳細な説明する。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
（ａ）、（ｂ）は対応する伝導帯のエネルギー帯図であ
る。図において１１はノンドープＧａＡｓ１子井戸層、
１２．１２’　　はノンドープＡ１ｚＧａ１−１Ａｓ障
壁層、１３．１３’　　はＮ形ＡｌｙＧａ１　＋ｙＡｓ
層で、９はＮ　”　ＧａＡｓ基板、１０．１０’　はオ
ーミック電極である。ノンドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ
障壁層１２．１２’　及びＮ形Ａ１ｙＧａ１−ｙＡｓ層
１３．１３’　のＸ及びｙは第２図（ａ）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ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層１３．１３’　
の伝導帯下端Ｅｃから測った障壁層１２．１２’　　の
高さＶｏが０゜３ｅＶ、ＧａＡｓ量子井戸層の深さが０
．１ｅＶの時の、この系の電子の透過係数をＥｃから測
ったエネルギーの関数として第３図に破線で示す。ここ
で障壁層及び井戸層の幅はともに５０人である。一方、
第３図に実線で示したものは、第９図、第１０図（ａ）
、（ｂ）に示した従来技術による場合の電子透過係数で
やはりＶｏ＝０゜３ｅＶで、障壁層及び井戸層の幅はと
もに５０人の場合である。

さて、本発明の特徴は第２図（ａ）に示すように量子井
戸層の伝導帯下端のエネルギーを障壁両側のＮ形層より
小さくしたことであるが、この時第３図に示すように従
来技術に比べて共鳴準位の基底準位Ｅ１を十分小さくす
ることができ、しかもこの場合励起準位Ｅ２は従来の場
合と比べてあまり変化がないためＥｌとＥ２の間を十分
大きく分離することができる。従って、第２図（ｂ）に
示すように、共鳴トンネルを起こさせるのに必要な電圧
が十分小さくなり、また第４図に示すように大きなピー
ク対バレー比を有する負性抵抗特性が得られる。

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。すなわち、こ
の場合第１図の１３．１３’　　をＰ形ＡｌｙＧａ１　
＋ｙＡｓ層とすればこの時の価電子帯上端のエネルギー
帯図は第５図（ａ）の様になる。すなわちこの場合には
量子井戸層１１の価電子帯上端のエネルギーを障壁層両
側のＰ形層１３．１３’　　より大きくすることによっ
て、共鳴準位の基底準位Ｅ１’　　を上げることができ
、従って、第５図（ｂ）の様に、極めて小さい印加電圧
で正孔の共鳴トンネルが生じることになる。この場合、
基底準位Ｅ１’　は重い正孔に対する準位である。

（実施例） 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。

第６図は本発明による共鳴トンネル・ダイオードの実施
例の構造断面図で、以下の様にして作製される。

まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板６９上に例えば分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）法により不純物濃度３Ｘ１０１８ｃ
ｍ−３のＮ十−ＧａＡｓコンタクト層６５を０゜５ｐｍ
、不純物濃度５　Ｘ　１０１１０１７ａのＮ−ＧａＡｓ
層６４を０゜１１１ｍ、ノンドープＧａＡｓスペーサ層
６３を５０人、ノンドープＡｌＡｓ障壁層６２を３０入
、　ノ　ン　ドープＩｎｚＧａ１　ｚＡｓ量子井戸層６
１を７０人、ノンドープＡｌＡｓ障壁層６２′　　を３
０人、ノンドープＧａＡｓスペーサ層６３′　　を５０
人、不純物濃度５Ｘ　１０１１０ｌ７のＮ−ＧａＡｓ層
６４′　を０．１ｐｍ、さらに不純物濃度３Ｘ１０１８
ｃｍ＝のＮ”ＧａＡｓコンタクト層６５′　　を０゜１
ｐｍを順次成長する。次にダイオード領域以外の成長層
をＮ”ＧａＡｓコンタクト層６５表面が露出するまでエ
ツチング除去し、最後に通常の方法でオーミック電極１
０．１０’　　を形成して第６図に示した共鳴トンネル
ダイオードが得られる。

ここで量子井戸層となるＩｎｘＧａ１−エＡｓ層はＸを
０から大きくすることにより伝導帯下端のエネルギーを
下げることができるが、ＡｌＧａＡｓ或いはＧａＡｓ層
に対しては格子整合しない、いわゆる正格子層となって
いる。しかし、ｘ＝０．３程度に大きくしても約９０Ａ
程度の厚みまでは転位などの発生がなく良好な量子井戸
層が得られる。

本発明による共鳴トンネルダイオードの負性抵抗が生じ
る閾値電圧のＸを０．２まで変化させた時の結果を第７
図に示す。図に示す様に、Ｘを０から０．２に変化する
ことにより閾値電圧を３６０ｍＶから３０ｍＶまで大幅
に減少させることができ、極めて小さな閾値電圧を有す
る共鳴トンネルダイオードが本発明により得られた。ま
た本発明によるダイオードの電流のピーク対バレー比は
１０以上と極めて大きな値が得られた。

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８図に示す。製造プロセスは以下の様である
。

まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板６９上に例えばＭＢＥ法に
より不純物濃度Ｉ　Ｘ　１０１９ｃｍ−３のＰ十−Ａｌ
ｏ、ＩＧａｏ、ｇＡｓコンタクト層８５を０，５μｍ、
不純物濃度Ｉ　Ｘ　１０】８ｃｍ−３のＰ　−ＡＩ□、
ＩＧａ□、ｇＡｓ層８４を０．１ｐｍ、ノンドープＡＩ
Ｑ。

Ｉ　Ｇａ□、ｇＡｓスペーサ層８３を５０人、ノンドー
プＡＩ□、５Ｇａ□。

５Ａｓ障壁層８２を３０人、ノンドープＧａＡｓ量子井
戸層８１を５０人、ノンドープＡ１０．５０ａｏ、５Ａ
ｓ障壁層８２′　　を３０人、ノンドープＡｌＯ，Ｉ　
Ｇａ□、ｇＡｓスペーサ層８３′　　を５０人、不純物
濃度１刈０１８ｃｍ−３のＰ　−Ａｌ□、ＩＧａ□、ｇ
Ａｓ層８４′　　を０．１μｍ、さらに不純物濃度１×
１０１９ｃｍ−３のＰ十−ＡＩ□、ＩＧａ□、ｇＡｓ　
：＋ンタクト層８５′　　を０．１ｐｍ順次成長する。

次にダイオード領域以外の成長層をＰ”　−ＡＩ□、Ｉ
Ｇａ□、ｇＡｓ　：７ンタクト層８５表面が露出するま
でエツチング除去し、最後に通常の方法でオーミック電
極１０．１０’　　を形成して第８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／ＩｎｚＧａ１−
、ＡｓあるいはＡｌｚＧａｌ−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、
こちらのこれらの材料系に限られることはなく、他の組
み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ように、本発明によれば
負性抵抗を示す閾値電圧が小さく、かつ電流−電圧特性
において電流値の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が実現でき、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。

【図面の簡単な説明】

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、第６図、第８図は本発明の実施例の構造断面
図、第２図（ａ）、（ｂ）、第５図（ａ＞、（ｂ）はエ
ネルギー帯図、第３図は電子透、過係数のエネルギー依
存性、第４図は電流−電圧特性、第７図は閾値電圧のＩ
ｎｚＧａｌ−１ＡｓにおけるＩｎＡｓモル比Ｘの依存性
である。また、第９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１０図（ａ）、（ｂ）はエネ
ルギー帯図、第１１図は電流−電圧特性である。 図において ９＝・Ｎ　”　−ＧａＡｓ基板 １０．１０’　・・・オーミック電極 １１．６３．６３’　　、８１，９１．、、ノンドープ
ＧａＡｓ層６４．６４’　、９３．９３’　−Ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板６５．６５’　−・・Ｎ”　−ＧａＡｓ基板１
２．１２’　　、８２．８２’　　、８３．８３’　　
、９２．９２’　　・・・ノンドープＡｌＧａＡｓ層 １３．１３’　・Ｎ−ＡｌＧａＡｓ層 ８４．８４’　−Ｐ−ＡｌＧａＡｓ層 ８５．８５’　・Ｐ”−ＡｌＧａＡｓ層６１−・・ノン
ドープＩｎＧａＡｓ層 第１図 第２図 （ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ） 躬３　図 θ、θ　　　　　　θｌ　　　　　　θ、ｚ　　　　　
　／９．３エネルギー（ｅＶ） 第４図 第、！５毘 ｅつ　　　　　　　　　　　　（ｂ） 躬７図 ｈｘ　にａ　ｔ−ｚ　Ｉｓ　ｈＩｎ　１１．ｓ−Ｅル比
７．ｌ−菊　７図 第７８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子の共鳴準位が形成される第１の半導体層を挟
   んで、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ノンドープの第
   ２の半導体層が形成され、該第２の半導体層の前記第１
   の半導体層と反対側に前記第１の半導体層より電子親和
   度が小さく、また前記第２の半導体層より電子親和度が
   大きい少なくとも一層のＮ形層を含む第３の半導体層が
   形成され、該第３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ことを特徴とする共鳴トン
   ネル・ダイオード。
2. （２）正孔の共鳴準位が形成される第１の半導体層を挟
   んで、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
   有するノンドープの第２の半導体層が形成され、該第２
   の半導体層の前記第１の半導体層と反対側に前記第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
   、また前記第２の半導体層より電子親和度とバンドギャ
   ップの和が小さい少なくとも一層のＰ形層を含む第３の
   半導体層が形成され、該第３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ことを特徴とす
   る共鳴トンネル・ダイオード。