(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板から近い方から順に、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
このエミッタ層の電子に対して障壁となる第１の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなる井戸層と、
前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、
前記エミッタ層から前記第１の障壁層と前記井戸層と前記第２の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、
不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが、前記基板上に順次積層され、
前記電子走行層は、組成を含め同一の半導体の３つの層からなり、基板から近い方から順に、電気的に中性な第１の電子走行層と、不純物がドープされた第２の電子走行層と、電気的に中性な第３の電子走行層とが順次積層されて構成され、
少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第２の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記半導体は、ＩｎＧａＡｓであり、
前記電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなる前記第１、第３の電子走行層の間にｎ型不純物ドーピングが施された前記第２の電子走行層を有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項３】
請求項１または２記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項４】
基板から遠い方から順に、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
このエミッタ層の電子に対して障壁となる第１の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなる井戸層と、
前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、
前記エミッタ層から前記第１の障壁層と前記井戸層と前記第２の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、
不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが、前記基板上に順次積層され、
前記電子走行層は、組成を含め同一の半導体の３つの層からなり、基板から遠い方から順に、電気的に中性な第１の電子走行層と、不純物がドープされた第２の電子走行層と、電気的に中性な第３の電子走行層とが順次積層されて構成され、
少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第２の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項５】
請求項４記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記半導体は、ＩｎＧａＡｓであり、
前記電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなる前記第１、第３の電子走行層の間にｎ型不純物ドーピングが施された前記第２の電子走行層を有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項６】
請求項４または５記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加されることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、
前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオードと、
この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、
前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするテラヘルツ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ周波数帯の光源となる発振素子を構成する共鳴トンネルダイオードの層構造、および共鳴トンネルダイオードを使用したテラヘルツ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１００ＧＨｚから１０ＴＨｚにあるテラヘルツ周波数帯は、電子デバイスの動作周波数の上限に近く、簡便に利用可能な小型の光源が無かったことから、これまで特殊な計測・分析、電波天文学等に利用が限られていた。室温で動作する小型のテラヘルツ周波数帯光源は、イメージングによるセキュリティ技術、短距離大容量の無線通信技術への応用等、幅広い分野への応用が期待されることから、その実現が望まれている。
【０００３】
負性微分抵抗を有する共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode：以下、ＲＴＤ）は、電子が走行する際の短いトンネル時間、高電流密度と小さい寄生容量がもたらす短い充電時間により、テラヘルツ周波数帯の発振が可能であることから、室温動作する小型のテラヘルツ光源として期待されている。その中でもＩｎＰ基板上に積層したＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層からなるＲＴＤは、ＩｎＧａＡｓとＡｌＡｓ間の大きな伝導帯バンド不連続により室温において比較的大きな負性微分抵抗を得ることが可能であり、優れた発振特性をもたらす。
【０００４】
ＲＴＤは、電流−電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性）における負性微分抵抗領域において発振動作する。ＲＴＤのＩ−Ｖ特性を特徴づけるパラメータとして、ピーク電流密度ＪPとピーク電圧ＶP、バレー電流密度と呼ばれる負性微分抵抗領域の電流密度極小値ＪV等がある。ピーク電流密度ＪPとピーク電圧ＶPの積は、発振素子の消費電力の指標と見なすことができる。ピーク電流密度ＪPが高いほどＲＴＤの容量を短時間で充電できるため、高い発振周波数を得ることが可能となるが、これに伴い発振器の消費電力も増加する。
【０００５】
最近、発明者らはＩｎＰ基板上に積層されたＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層からなるＲＴＤを用いた発振器によって、８３１ＧＨｚにおける基本波発振を実現した（非特許文献１参照）。このような１ＴＨｚ近傍の高い周波数における室温発振は、非特許文献１に記載のようにＲＴＤの１×１０6Ａ／ｃｍ2を上回る非常に高いピーク電流密度ＪPと明瞭な負性微分抵抗によって実現することができる。一方、発振動作させるために素子に加えるバイアス電圧は非特許文献１に示されているように比較的高く、１Ｖを上回っている。テラヘルツ周波数帯での発振と低い消費電力を同時に満たす発振器を作製するためには、ＲＴＤのＩ−Ｖ特性において、高ＪPと低ＶPを同時に満たす必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Safumi Suzuki，Atsushi Teranishi，Kensuke Hinata，Masahiro Asada，Hiroki Sugiyama，and Haruki Yokoyama，“Fundamental Oscillation of up to 831 GHz in GaInAs/AlAs Resonant Tunneling Diode”，Appl.Phys.Express 2，054501，2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、一般にＲＴＤを高速動作させようとすると、例えば素子のメサ面積を縮小して高いピーク電流密度Ｊpを得て素子容量の充電時間を短縮する、という方法が採用されてきた。しかし、この方法は高速動作するものの、ＲＴＤに印加するバイアス電圧が比較的高くなるために消費電力が大きくなるという問題点があった。バイアス電圧が高くなる理由は、ＲＴＤに動作電圧付近まで電圧を印加すると、ＲＴＤの二重障壁構造とコレクタ層との間にある電子走行層の伝導帯が大きくベンディングし、エミッタとコレクタとで伝導帯に大きなポテンシャル差を生じるからである。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、テラヘルツ周波数帯での発振と低消費電力を同時に満たすテラヘルツ発振器を作製するために、電流−電圧特性において高いピーク電流密度ＪPと低いピーク電圧ＶPを同時に満たし、発振動作に必要なバイアス電圧を低くすることができるＲＴＤ層構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の共鳴トンネルダイオードは、基板から近い方から順に、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、このエミッタ層の電子に対して障壁となる第１の障壁層と、電気的に中性な半導体からなる井戸層と、前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、前記エミッタ層から前記第１の障壁層と前記井戸層と前記第２の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが、前記基板上に順次積層され、前記電子走行層は、組成を含め同一の半導体の３つの層からなり、基板から近い方から順に、電気的に中性な第１の電子走行層と、不純物がドープされた第２の電子走行層と、電気的に中性な第３の電子走行層とが順次積層されて構成され、少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第２の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの１構成例において、前記半導体は、ＩｎＧａＡｓであり、前記電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなる前記第１、第３の電子走行層の間にｎ型不純物ドーピングが施された前記第２の電子走行層を有することを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの１構成例は、前記エミッタ層に負の電圧が印加され、前記コレクタ層に正の電圧が印加されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードは、基板から遠い方から順に、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、このエミッタ層の電子に対して障壁となる第１の障壁層と、電気的に中性な半導体からなる井戸層と、前記エミッタ層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、前記エミッタ層から前記第１の障壁層と前記井戸層と前記第２の障壁層とを経て電子が流れ込む電子走行層と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層とが、前記基板上に順次積層され、前記電子走行層は、組成を含め同一の半導体の３つの層からなり、基板から遠い方から順に、電気的に中性な第１の電子走行層と、不純物がドープされた第２の電子走行層と、電気的に中性な第３の電子走行層とが順次積層されて構成され、少なくとも前記エミッタ層と前記コレクタ層と前記第２の電子走行層とが同じ導電型を示す不純物でドープされていることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの１構成例において、前記半導体は、ＩｎＧａＡｓであり、前記電子走行層は、電気的に中性なＩｎＧａＡｓからなる前記第１、第３の電子走行層の間にｎ型不純物ドーピングが施された前記第２の電子走行層を有することを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの１構成例は、前記エミッタ層に正の電圧が印加され、前記コレクタ層に負の電圧が印加されることを特徴とするものである。
また、本発明の共鳴トンネルダイオードの１構成例は、さらに、前記エミッタ層の外側に前記エミッタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層と、前記コレクタ層の外側に前記コレクタ層と接するように積層され、前記エミッタ層および前記コレクタ層と同じ導電型を示す不純物で、かつ前記エミッタ層および前記コレクタ層よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体からなるサブコレクタ層とを有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明のテラヘルツ発振器は、共鳴トンネルダイオードと、この共鳴トンネルダイオードに接続された共振器であるスロットアンテナと、前記共鳴トンネルダイオードのエミッタ層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加する電源とからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子走行層を、第１の電子走行層と、第２の電子走行層と、第３の電子走行層の３層で構成し、うち第２の電子走行層をエミッタ層、コレクタ層と同じ導電型を示す不純物でドープすることにより、高いピーク電流密度ＪPを維持しつつ、低いピーク電圧ＶPを得ることが可能となり、発振動作に必要なバイアス電圧を低減することができる。その結果、本発明では、テラヘルツ周波数帯での発振と低消費電力を同時に満たすテラヘルツ発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の等価回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの発振器動作点バイアス電圧における伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る共鳴トンネルダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係るテラヘルツ発振器の構造を示す斜視図である。
図１に示すテラヘルツ発振器では、インジウムリン（ＩｎＰ）からなる基板１上に、金（Ａｕ）、パナジウム（Ｐｄ）、またはチタン（Ｔｉ）等で作製される右電極２が積層されている。同じく金、パナジウムまたはチタンからなる左電極４は、酸化シリコンからなる絶縁体３を挟んで右電極２と対向するように積層されている。
【００１５】
左電極４には、右電極２と絶縁体３を介して重なっている部分の中央部に２箇所の凹部５，６が形成されており、この２つの凹部５，６に挟まれた箇所に凸部７が形成されている。さらに、この凸部７の先端に突起部８が形成され、この突起部８の下側に右電極２と挟まれるようにしてＲＴＤ９が配置されている。右電極２と左電極４には、直流電源１１が接続されるとともに、寄生発振を防止するための抵抗１０が接続されている。
【００１６】
この右電極２と左電極４とからスロットアンテナが形成されている。右電極２と左電極４とは、絶縁体３によって高周波的に短絡されると共に、直流的に遮断されるように形成されている。凹部５，６の深さ（図１のＤ）は４μｍ程度、凸部７の幅（図１のＷ）は６μｍ程度が好ましいが、このサイズはこれに限定されるものではなく、発振する高周波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００１７】
図２は本実施の形態のテラヘルツ発振器の分解斜視図である。図２に示すように、右電極２と、絶縁体３と、左電極４と、ＲＴＤ９とが基板１上に積層されてテラヘルツ発振器が構成される。
図３は本実施の形態のテラヘルツ発振器の等価回路図である。図３において、ＧRTDはＲＴＤ９の抵抗成分、ＧANTはスロットアンテナの抵抗成分、ＣRTDはＲＴＤ９のキャパシタンス成分、ＣANTはスロットアンテナのキャパシタンス成分、Ｌはスロットアンテナのインダクタンス成分である。
【００１８】
スロットアンテナは、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。図１、図３に示したように、テラヘルツ発振器に対して直流電源１１からバイアス電圧を供給すると、基板１に対して上方向と下方向の２方向に電磁波が放射される。このとき、発振周波数ｆは、１／［２π｛Ｌ（ＣRTD＋ＣANT）｝1/2］となる。
【００１９】
次に、以上のようなテラヘルツ発振器に使用するＲＴＤ９の構造について説明する。図４は本実施の形態のＲＴＤ９の構造を示す断面図である。ＲＴＤ９は、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるバッファ層９０と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるサブエミッタ層９１と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるエミッタ層９２と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるスペーサ層９３と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる第１の障壁層９４と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）からなる井戸層９５と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる第２の障壁層９６と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなる第１の電子走行層９７と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなる第２の電子走行層であるスパイクドープ層９８と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなる第３の電子走行層９９と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓまたはｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるコレクタ層１００と、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓおよびｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）からなるサブコレクタ層１０１とが順次積層された構造からなる。ＲＴＤ９は、下側に位置する右電極２と上側に位置する左電極４にオーミックに接続される構造となっている。サブエミッタ層９１とサブコレクタ層１０１は、右電極２と左電極４のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極２からエミッタ層９２までの寄生抵抗成分、左電極４からコレクタ層１００までの寄生抵抗成分を小さくすることで、素子全体の寄生抵抗成分を小さくする役目を果たす。
【００２０】
なお、スパイクドープ層とは、電気的に中性なＩｎＧａＡｓ層中のごく狭い領域に、スパイク的なｎ型不純物ドーピングを施すことで形成される層（ｎ型不純物ドーピングされた極薄膜層を電気的に中性な層で挟んで形成されるドーピングプロファイル）である。理想的にはδドープであるが、作成の容易性の観点から１原子層以上、第１、第２、第３の電子走行層９７〜９９の全厚さの１５％以下の厚さを有し、コレクタ層１００のｎ型不純物ドーピング濃度の５０％以上のドーピング濃度を有するものであればよい。なお、スパイクドープ層９８の厚みは素子容量を左右する要因の一つであり、特に第１、第２、第３の電子走行層９７〜９９の全厚さに対して１５％を超える厚さにすると、ＲＴＤの高周波特性を顕著に劣化させるまで素子容量が増加する。また、スパイクドープ層９８の不純物ドーピング濃度は、後述の通り第３の電子走行層９９およびコレクタ層１００の伝導帯バンドプロファイルに影響を与えるが、コレクタ層１００のｎ型不純物ドーピング濃度の５０％未満では十分に伝導帯のポテンシャルが持ち上がらず、本発明の効果が十分に得られない。基本的に濃度は高いほど良いが、スパイクドープ層９８を構成している半導体とｎ型不純物の種類によって欠陥密度などの結晶品質を劣化させない濃度には上限があり、スパイクドープ層９８の不純物ドーピング濃度の上限もそれによって定まる。例えば、本実施の形態で用いているｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）にｎ型不純物としてＳｉをドープする場合、結晶成長を低温で行うなどの特殊な条件を用いた場合でも不純物ドーピング濃度を１×１０20ｃｍ-3未満にしないと結晶欠陥が顕著に増加し、素子特性を著しく劣化させる。
【００２１】
バッファ層９０、サブエミッタ層９１、エミッタ層９２、スペーサ層９３、第１の障壁層９４、井戸層９５、第２の障壁層９６、コレクタ層１００、サブコレクタ層１０１の厚さは、それぞれ２００ｎｍ、４００ｎｍ、２５ｎｍ、２ｎｍ、１．４ｎｍ、４．５ｎｍ、１．４ｎｍ、２５ｎｍ、２３ｎｍである。なお、サブコレクタ層１０１は、基板１に近い方から順に、厚さ１５ｎｍのｎ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓと厚さ８ｎｍのｎ−Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの２層からなる。また、第１の電子走行層９７、スパイクドープ層９８、第３の電子走行層９９の厚さを、それぞれｄS1，ｄSD，ｄS2とする。これらの厚さｄS1，ｄSD，ｄS2については後述する。
【００２２】
サブエミッタ層９１のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は２×１０19ｃｍ-3、エミッタ層９２のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は３×１０18ｃｍ-3、コレクタ層１００のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は３×１０18ｃｍ-3、サブコレクタ層１０１のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は２×１０19ｃｍ-3である。また、スパイクドープ層９８のドーパントもＳｉで、ドーピング濃度をＮDとする。このドーピング濃度ＮDについては後述する。
【００２３】
図４の構造を有するＲＴＤ９の試料Ａ，Ｂ，ＣのパラメータｄS1，ｄS2，ｄSD，ＮDの値を表１に示す。なお、試料Ａは、スパイクドープ層を含まない比較参照用の試料である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
図５は、図４に示したＲＴＤ構造を有する試料Ａ，Ｂ，Ｃの発振器としての動作電圧付近での伝導帯バンドプロファイルを計算した結果を示す図である。横軸は基板表面を原点とした層構造の厚さ、縦軸はエネルギーである。ここでは、基板側のサブエミッタ層９１に負の電圧を印加し、サブコレクタ層１０１に正の電圧を印加した状態を示している。エミッタ層９２側のバンドが平坦な領域とコレクタ層１００側のバンドが平坦な領域とのエネルギー差が、印加バイアス電圧に対応する。
【００２６】
第１、第２の障壁層９４，９６と井戸層９５とからなる二重障壁構造部分において伝導帯バンドの傾きは、試料Ａ〜Ｃ間で等しくなっている。ただし、試料Ａ，Ｂ，Ｃの順にコレクタ層１００側のエネルギーが高くなっていることから明らかなように、第１、第３の電子走行層９７，９９中にスパイクドープ層９８を挿入し、スパイクドープ層９８のドーピング濃度を高めた試料ほど、動作電圧を低くできることが分かる。
【００２７】
図６は、実験的に測定した試料Ａ，Ｂ，ＣのＩ−Ｖ特性を示す図である。ここで、負バイアス電圧は、基板側のサブエミッタ層９１に負の電圧を印加する極性であり、図５のバンドプロファイルに対応している。つまり、負バイアス電圧下では、電子は基板側のサブエミッタ層９１からサブコレクタ層１０１へ流れている。
【００２８】
各試料Ａ，Ｂ，Ｃの負バイアス電圧下のＩ−Ｖ特性におけるピーク電流密度ＪP、ピーク電圧ＶP、ピーク電流密度ＪPとピーク電圧ＶPの積、および負性微分抵抗特性の指標となる、ピーク電流密度ＪPと電流密度極小値ＪVの差ΔＪを表２に示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
表２によれば、ピーク電流密度ＪPは、１．６〜１．８×１０6Ａ／ｃｍ2と試料Ａ〜Ｃ間でほぼ同程度の値となっている。一方、第１、第３の電子走行層９７，９９中にスパイクドープ層９８を挿入し、スパイクドープ層９８のドーピング濃度を高めることによって、ピーク電圧ＶPを低下できることが分かる。ピーク電圧ＶPの低下に伴い、ピーク電流密度ＪPとピーク電圧ＶPの積の値も顕著に低下しており、本実施の形態のＲＴＤを使用してテラヘルツ発振器を実現したときに、発振器の低消費電力化が可能となることを示している。また、スパイクドープ層９８の挿入によるΔＪの低下はなく、負性微分抵抗特性を損なうことが無いことも分かる。
【００３１】
なお、上記の試料Ｂ，ＣをＲＴＤ９として使用したテラヘルツ発振器によって、発明者らは試料ＡをＲＴＤ９として使用した場合と同様に８００ＧＨｚを上回る発振周波数が得られることを確認しており、本実施の形態の構造でＲＴＤの高周波特性が損なわれないことは確認済みである。
【００３２】
以上のように、本実施の形態では、ＲＴＤにおいて、電子走行層を、第１の電子走行層９７と、スパイクドープ層（第２の電子走行層）９８と、第３の電子走行層９９の３層で構成し、うちスパイクドープ層９８をサブエミッタ層９１、エミッタ層９２、コレクタ層１００、サブコレクタ層１０１と同じ導電型を示す不純物でドープすることにより、スパイクドープ層９８の部分で伝導帯のベンディングを抑えることができる。その結果、本実施の形態では、高いピーク電流密度ＪPを維持しつつ、低いピーク電圧ＶPを得ることが可能となり、発振動作に必要なバイアス電圧を低減することができるので、低消費電力のテラヘルツ発振器を実現することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、電子が基板側から表面側に流れるバイアス極性を想定し、スパイクドープ層９８と第１、第３の電子走行層９７，９９とを二重障壁部分よりも表面側に設置した。電子が表面側から基板側に流れるバイアス極性、つまりサブエミッタ層９１に正の電圧を印加し、サブコレクタ層１０１に負の電圧を印加する極性を想定する場合には、スパイクドープ層９８と第１、第３の電子走行層９７，９９とを二重障壁部分よりも基板に近い側に設ければ良い。つまり、図４において、エミッタ層９２からコレクタ層１００までの構造の上下を反転させた構造を用いても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、共鳴トンネルダイオードに適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…基板、２…右電極、３…絶縁体、４…左電極、５，６…凹部、７…凸部、８…突起部、９…共鳴トンネルダイオード、１０…抵抗、１１…直流電源、９０…バッファ層、９１…サブエミッタ層、９２…エミッタ層、９３…スペーサ層、９４、９６…障壁層、９５…井戸層、９７，９９…電子走行層、９８…スパイクドープ層、１００…コレクタ層、１０１…サブコレクタ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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