(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の障壁層と、
前記第１の障壁層上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第２の障壁層と、
前記第２の障壁層に設けられたソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極とを備え、
前記第１の障壁層は、ｎ型拡散層及びｐ型拡散層のいずれか一方を有し、前記第２の障壁層は、これら拡散層のいずれか他方を有しており、
前記ｎ型拡散層を有する障壁層の伝導帯端のエネルギーが前記チャネル層の伝導帯端のエネルギーより大きく、前記ｐ型拡散層を有する障壁層の価電子帯端のエネルギーが前記チャネル層の価電子帯端のエネルギーよりも小さく、
前記ｎ型拡散層を有する障壁層と前記チャネル層との境界に二次元電子ガスが蓄積される一方、前記ｐ型拡散層を有する障壁層と前記チャネル層との境界に二次元ホールガスが蓄積されており、
前記ソース電極、前記ゲート電極、及び前記ドレイン電極は、それぞれ前記二次元電子ガス及び二次元ホールガスと静電的に結合されている、プラズマ振動スイッチング素子。
【請求項２】
前記ソース電極に高周波信号を印加することで、前記二次元電子ガス及び二次元ホールガスにプラズマ振動が発生し、これらプラズマ振動は結合して前記ドレイン電極側へ伝播する、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項３】
前記ｎ型拡散層を有する障壁層の伝導帯端のエネルギーと前記チャネル層の伝導帯端のエネルギーとの差、及び前記ｐ型拡散層を有する障壁層の価電子帯端のエネルギーと前記チャネル層の価電子帯端のエネルギーとの差は、０．１ｅＶ以上１．０ｅＶ以下である、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項４】
前記チャネル層のバンドギャップが、前記第１の障壁層及び第２の障壁層のバンドギャップよりも小さい、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項５】
前記チャネル層は、Ｎを含有している、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項６】
前記チャネル層はＮXＡｓ1-Xを含有し、Ｎの組成率ｘが０以上０．１以下である、請求項５に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項７】
前記チャネル層はＮXＡｓ1-Xを含有し、Ｎの組成率ｘが０．０１以上０．０７以下である、請求項５に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項８】
前記各拡散層は、前記チャネル層から１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項９】
前記基板は、接地された共通電極を備えている、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項１０】
前記ソース電極には、１０ＧＨｚ以上１０００ＧＨｚ以下の高周波信号が印加される一方、
前記ゲート電極には、直流電圧、または前記ソース電極に印加される信号の周波数の０．１％以上１０％以下の周波数信号が印加される、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項１１】
前記ソース電極、前記ゲート電極、及び前記ドレイン電極は、それぞれ絶縁層を介して前記第２の障壁層上に形成されている、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項１２】
前記ソース電極、前記ゲート電極、及び前記ドレイン電極と前記第２の障壁層とはそれぞれショットキー接合を形成している、請求項１に記載のプラズマスイッチング素子。
【請求項１３】
前記ソース電極、前記ゲート電極、及び前記ドレイン電極のいずれの電極を挟む位置に、前記二次元電子ガス及び二次元ホールガスのいずれか一方或いは両方とオーム性接触をする第２のソース電極及び第２のドレイン電極が形成されている、請求項１に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【請求項１４】
前記第２のソース電極と第２のドレイン電極との間に、直流電圧が印加される、請求項１３に記載のプラズマ振動スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体素子に関し、特に高周波領域で動作するプラズマ振動スイッチング素子に関する。
背景技術
従来の半導体素子は、主に素子構造を微細化することにより、その動作速度を向上してきた。例えば、高電子移動度トランジスタでは、二次元的に分布した電子を利用することで、不純物の拡散を効果的に防止し、動作速度を向上している。ところが、上記のような半導体素子では、信号の伝達に電荷（電子）の移動を利用しているため、その移動速度は材料の飽和速度によって制限されている。したがって、チャネル走行時間を短縮するのにも限界があり、高速動作が困難であるという問題があった。このような状況から、高速動作を実現するためには、素子構造のさらなる微細化が要求されており、例えば、数百ＧＨｚまでの高速動作が報告されている素子のゲート形成には、少なくとも０．１μｍ以下の超微細加工技術が要求されている。
このような問題に対して、従来より、信号伝達に直接電荷移動を伴わない半導体素子が提案されている。例えば、M. Dyakonov及びM. Shurによる文献１（Phys. Rev. Lett. V71(1993), p.2465）及び文献２（IEEE Trans. Elect. Dev. V43(1996), p.380）では、ＦＥＴチャネル内の高濃度電子流体のプラズマ振動を利用した素子を提案している。図７は、文献１に示されているＦＥＴ素子の断面図である。また、文献３（特開平８−１３９３０６号公報）では、正孔と電子とからなる二流体が共存する系、或いは重い電子と軽い電子とからなる二流体が共存する系で起こる二流体不安定性現象を利用した電磁波増幅素子が提案されている。図８は、文献３で示されている電磁波増幅素子の斜視図である。
ところが、上記従来技術は、理論的には高周波領域での動作が可能とされているものの、実際には動作範囲が限定されたり、信号の入出力が困難であったりし、さらには構造が複雑になるなどの問題があるため、実用性に乏しかった。例えば、文献１及び文献２に記載の素子構造では、高周波での電磁波発振、周波数逓倍、電磁波検出の可能性があるとされているものの、実験的には初期的な応答検出を除いて本格的な動作確認はされていない。実用化を阻む要因の一つとして、例えば、図７に示される文献１のようなＦＥＴ素子では、入出力と素子内部のプラズマ振動との結合が困難であることが挙げられる。
特開２０００−２９４７６８号公報は、絶縁膜を通過するリーク電流を抑制することができる以下のような半導体素子を開示している。サファイアよりなる基板の上にundope−ＡｌＧａＮよりそれぞれなるバッファ層および下地層を介してｎ型ＡｌＧａＮよりなる電子供給層およびｎ型ＧａＮよりなる電子走行層が順次積層されている。そして、この電子走行層の上にはＡｌＮよりなる絶縁膜を介してゲート電極１７が設けられている。絶縁膜は９００℃以下の温度で成長させたものであり、複数の柱状結晶により構成されている。絶縁膜のゲート電極側の表面における各柱状結晶塊間の間隙の最大深さは膜厚の８０％以下、平均深さは膜厚の３５％以下であり、各柱状結晶塊の平均直径は４０ｎｍ以下となっている。
特開２０００−２５２４５８号公報は、絶縁膜を通過するリーク電流を抑制することができる以下のような半導体素子を開示している。サファイアよりなる基板の上にundope−ＡｌＧａＮよりそれぞれなるバッファ層および下地層を介してｎ型ＡｌＧａＮよりなる電子供給層およびｎ型ＧａＮよりなる電子走行層が順次積層されている。そして、電子走行層の上には絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。絶縁膜はＡｌＮよりなる第１の絶縁膜とＳｉＯ2よりなる第２の絶縁膜とが電子走行層の側から順に積層された構造を有している。第２の絶縁膜を設けることにより、第１の絶縁膜のみでは発生してしまうリーク電流を抑制できる。
特開平８−２７４３４６号公報は、ゲート耐圧を確保し特性を向上したデュアルゲートＦＥＴを得て、高性能な増幅回路およびミキサ回路を得るために、デュアルゲートＦＥＴの電圧制御時の真性部分コンダクタンスを、第１ゲート電極の使用時に第２ゲート電極の使用時より大きくし、ドレイン耐圧は第２ゲート電極が第１ゲート電極より大きくし、相互コンダクタンスの劣化をなくし素子の耐圧を向上させることを開示している。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高周波領域での確実な動作を実現することが可能なプラズマ振動スイッチング素子を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子は、上記問題を解決するためになされたものであり、基板と、前記基板上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１の障壁層と、前記第１の障壁層上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第２の障壁層と、前記第２の障壁層に設けられるソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極とを備え、前記第１の障壁層は、ｎ型拡散層及びｐ型拡散層のいずれか一方を有し、前記第２の障壁層は、これら拡散層のいずれか他方を有しており、前記ｎ型拡散層を有する障壁層の伝導帯端のエネルギー（電子に対するポテンシャル）が前記チャネル層の伝導帯端のエネルギーより大きく、前記ｐ型拡散層を有する障壁層の価電子帯端のエネルギーが前記チャネル層の価電子帯端のエネルギーよりも小さく、前記ｎ型拡散層を有する障壁層と前記チャネル層との界面に二次元電子ガスが蓄積される一方、前記ｐ型拡散層を有する障壁層と前記チャネル層との界面に二次元ホールガスが蓄積されており、前記各電極は、前記二次元電子ガス及び二次元ホールガスと静電的に結合されている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子の第１実施形態を示す断面図である。
図２は、図１のチャネル層付近のバンド構造を示す図である。
図３は、本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子の第２実施形態を示す断面図である。
図４は、プラズマ振動の位相の変化を示す図である。
図５は、本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子の第２実施形態の他の例を示す断面図である。
図６は、本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子を用いた高周波変調装置である。
図７は、文献１に示されている従来のＦＥＴ素子を示す断面図である。
図８は、文献３に示されている従来の電磁波増幅素子の斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
（第１実施形態）
以下、本発明に係るプラズマ振動スイッチング素子の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子の断面図である。
図１に示すように、このスイッチング素子は、Ｆｅを添加した半絶縁性ＩｎＰからなる半導体基板１０１と、この半導体基板１０１上に形成される半導体積層体Ｓとを備えている。半導体積層体Ｓは、半導体基板１０１と格子整合する組成で形成されており、エピタキシャル成長により形成された無添加ＩｎＰ層１０２、ＩｎＡｌＡｓからなる第１の障壁層１０３、無添加ＧａＩｎＮＡｓからなるチャネル層１０４、及びＩｎＡｌＡｓからなる第２の障壁層１０５が、この順で積層されたものである。ここで、ＩｎＰ層１０２は、半導体基板１０１とほぼ同じ幅（図１の左右方向長さ）で形成されているが、これより上の層は、ＩｎＰ層１０２よりも狭い幅でメサ状に形成されている。第１の障壁層１０３はその大部分が無添加であるが、チャネル層１０４との界面近くにｎ型不純物がデルタドープされた第１の拡散層１０３ａが形成されている。同様に、第２の障壁層１０５もその大部分は無添加であるが、チャネル層１０４との界面付近には、ｐ型不純物がデルタドープされた第２の拡散層１０５ａが形成されている。
これら第１及び第２の拡散層１０３ａ，１０５ａにおける不純物濃度は、いずれも１×１０12〜１×１０13ｃｍ-2となっている。また、第１及び第２の拡散層１０３ａ，１０５ａとチャネル層１０４とは、所定の間隔をおいて配置されている。つまり、各拡散層１０３ａ，１０５ａとチャネル層１０４との間には、障壁層の一部の無添加領域１０３ｂ，１０５ｂが配置されている。このとき、各拡散層１０３ａ，１０５ａとチャネル層１０４との間、つまり上記無添加領域１０３ｂ，１０５ｂの層厚は、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。このように所定間隔をおいて配置することで、後述する二次元電子ガス或いは二次元ホールガスの振動が、拡散層１０３ａ，１０５ａの影響によって乱されるのを防止することができる。
半導体基板１０１の下面には、金属からなる共通電極１１１が形成されており、この電極１１１は接地されている。一方、半導体積層体Ｓの上面、つまり第２の障壁層１０５上には、ＳｉＯ2からなる絶縁層１０６が形成されており、その上面には３つの電極が形成されている。すなわち、絶縁層１０６の中央にゲート電極１０９が形成され、これを挟んで絶縁層１０６の両側にソース電極１０７及びドレイン電極１０８が形成されている。このように、本実施形態に係るスイッチング素子では、通常の高電子移動度トランジスタと異なり、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８がいずれもチャネル層１０４に対して、電気的なオーム性接触をしていない。なお、絶縁層１０６はＳｉＮで形成してもよく、またその膜厚はデバイスの特性によっても変化するが、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、半導体積層体ＳにおけるＩｎＰ層１０２の上面、及びメサ状に形成された部分の側面には、ＳｉＯ2からなる保護絶縁層１１０が形成されており、これによって半導体積層体Ｓは周囲と絶縁されている。
図２は、このスイッチング素子におけるチャネル層付近のバンド構造である。同図に示すように、チャネル層１０４のバンドギャップは、第１の障壁層１０３及び第２の障壁層１０５のものよりも小さく、これによってバンドオフセットが形成されている。そして、第１及び第２の障壁層１０３，１０５とチャネル層１０４との境界それぞれに、第１及び第２の拡散層１０３ａ，１０５ａから供給された電荷が蓄積し、二次元的な分布が形成されている。すなわち、第１の拡散層１０３ａにはｎ型不純物が添加されているため、この部分の電子は、第１の障壁層１０３とチャネル層１０４との境界でオフセットされている伝導帯Ｅcに蓄積され、二次元電子ガス（「二次元電子流体」とも呼ばれる）ＥＧを形成している。一方、第２の拡散層１０５ａにはｐ型不純物が添加されているため、この部分のホールが第２の障壁層１０５とチャネル層１０４との境界でオフセットされている価電子帯Ｅvに蓄積され、二次元ホールガス（「二次元ホール流体」とも呼ばれる）ＨＧを形成している。二次元電子ガスＥＧ及びホールガスＨＧの電荷密度はほぼ不純物の添加密度に対応しており、いずれも１×１０12〜１×１０13ｃｍ-2となっている。
なお、図２において、フェルミレベルＥFは、電子の化学ポテンシャルであり、電子の分布関数が０．５となるエネルギーである。伝導帯ＥｃにおいてはフェルミレベルＥFより下に、価電子帯ＥｖにおいてはフェルミレベルＥFより上に、それぞれ高濃度の電子（ＥＧ）及びホール（ＨＧ）が存在する。
次に、上記のように構成されたスイッチング素子の動作について説明する。まず、ソース電極１０７に、１０ＧＨｚ以上１０００ＧＨｚ以下の周波数の信号を印加する。このとき、二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧには、二次元的に高濃度の電荷が蓄積されているため、高周波信号が印加されると、二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧとソース電極１０７とが静電的に結合しているので、これら二次元電子ガスＥＧ及びホールガスＨＧそれぞれにプラズマ振動が生じる。ここで、本実施形態のスイッチング素子では、二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧが平行に近接しているため、両者のプラズマ振動は容易に結合し、安定的に結合した状態のまま伝播するようになっている。なお、チャネル層１０４にプラズマ振動の位相速度を超えるような電荷の移動は生じないので、二流体不安定現象は生じない。また、ドレイン電極１０８も二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧと静電的に結合しているので、上記のようにソース電極１０７側から伝播したプラズマ振動は、ドレイン電極１０８から出力される。
このとき、ゲート電極１０９に電圧を印加すると、ゲート電極１０９の下方における電荷密度が変化する。特に、ゲート電極１０９に負の電圧を印加していくと、電子、ホールとも電荷密度が減少し、やがてはゲート電極直下の蓄積電荷量がゼロとなる。これにより、チャネル層１０４の二次元電子ガスＥＧ及びホールガスＨＧは、ゲート電極１０９の左右に分かれてしまうので、ソース電極１０９から伝播するプラズマ振動は、ドレイン電極１０８に達することができない。したがって、このようにゲート電極１０９に印加する電圧を変化させることにより、ゲート電極１０９直下のプラズマ振動の伝播効率を変化させることができるため、高周波振動を強度変調する変調素子として本素子を機能させることができる。さらに、ゲート電圧の変化により、プラズマ振動の伝播速度が変化することを利用した位相変調も可能である。なお、ゲート電極１０９には、直流電圧、或いはソース電極１０９に印加される信号の周波数の約１／１０〜１／１０００程度の周波数を有する信号を入力することが好ましい。
以上のように、本実施形態によれば、バンドギャップの狭いチャネル層１０４を、不純物が添加された拡散層１０３ａ、１０５ａを有する障壁層１０３，１０５で挟み、バンドオフセット部分に二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧを形成している。そして、これら電子ガスＥＧ及びホールガスＨＧに静電結合するソース電極１０９に高周波信号を印加している。これにより、電子ガスＥＧ及びホールガスＨＧそれぞれにプラズマ振動が生じ、これらの振動が結合して伝播することで、高周波信号を伝達することが可能となる。このように本実施形態に係るスイッチング素子では、電荷の移動を伴わず、結合したプラズマ振動を用いて信号の伝達を行うため、電子やホールの飽和速度に制限されることなく、高周波の信号の伝達が可能となる。
また、従来のプラズマ振動を利用した半導体素子は、外界の電磁場や回路からの信号とプラズマ振動とを結合させることが困難であったため、特殊な構成となったり、結合用のアンテナが必要となっていた。このような問題が生じる原因の一つとして、プラズマ振動は、電荷の粗密による縦波であるため、二次元電子ガスやホールガスに垂直な方向では、電界の発生強度が小さいことが挙げられ、これに起因して外部信号とプラズマ振動との結合が困難であった。これに対して、本実施形態に係る構成では、二次元電子ガスとホールガスとが結合するため、従来例と比較して大きな縦方向の電界を得ることが可能となっている。そのため、電子密度の高い領域では、ホール密度も高くなり、結果的に半導体積層体Ｓの上面の電位が低くなる。これに起因して、半導体積層体Ｓの上面の電位を変化させると、チャネル層１０４の電荷密度を変化させることができる。したがって、素子上部に設けられたソース電極１０７及びドレイン電極１０８の電位は、高周波領域でチャネル層１０４のプラズマ振動と結合しているため、ソース電極１０７に高周波信号を印加すると、入力信号はプラズマ振動としてチャネル層１０４を伝播し、ドレイン電極１０８から出力することができる。
なお、上記説明では、同一の絶縁層１０６上に各電極１０７〜１０９を形成しているが、これに限定されるものではなく、絶縁層の膜厚や組成を各電極が形成される部分によって変更することもできる。例えば、高周波信号の入出力が行われるソース電極１０７及びドレイン電極１０８の下方では、信号の入出力を効果的にするために絶縁層１０６の膜厚を薄くすることが好ましい。一方、ゲート電極１０９では、比較的低周波の信号が入力されるため、ソース電極１０７下方の絶縁層よりも絶縁層１０６の膜厚を厚くすることができる。また、各電極１０７〜１０９は、上記のように絶縁層１０６を介して第２の障壁層１０５上に形成する以外に、第２の障壁層１０５との間でショットキー接合を形成するように接続することができる。これらの変更については、後述する第２の実施形態においても適用可能である。
また、障壁層１０３，１０５及びチャネル層１０４を構成する材料は、上記説明で示したものに限定されるものではない。つまり、III−Ｖ族化合物半導体で構成されていればよく、二元系材料のみならず、三元、四元、或いは五元混晶材料を用いることもできる。また、チャネル層１０４がＩｎを含有していると、バンドギャップを狭めることができるため、好ましい。
ところで、本実施形態では、チャネル層１０４にＮを含有したＧａＩｎＮＡｓを用いているが、このようにＮを含有することで、次のような効果を得ることができる。一般的に、電子の有効質量は、ホール（正孔）の有効質量よりもかなり小さくなっており、これに起因して、電子の移動度は、ホールの移動度よりも大幅に大きくなっている。ここで、信号の周波数が高くなりソース・ドレイン間の距離に対して信号波長が短い場合、上記のように電子及びホールの移動度が大きく相違すると、伝播中にプラズマ振動の位相がずれて結合が解けてしまう可能性がある。これに対して、上記のようにＮを添加すると、電子の有効質量を増大させることができ、これによって電子の移動度を遅くすることができる。その結果、両者の移動度の差が小さくなるため、プラズマ振動の結合が解けるのを防止することができ、安定した信号の伝達を行うことができる。その一例として、ＧａＡｓにＮを添加した場合の電子の有効質量を示す。以下の表では、ＧａＮXＡｓ1-xにおけるｘの値、つまりＮの組成率を変化させた場合の電子の有効質量を示している。このように、Ｎの組成率を増加すると、電子の有効質量が大きくなっていくため、好ましい。なお、Ｖ属元素であるＮの導入は、伝導帯に大きな影響を与えるが、価電子帯への影響はそれに比較して小さいので、ホールの有効質量（約０．６２）はあまり変化しない。
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但し、III−Ｖ族化合物半導体基板上で成長する半導体混晶においては、Ｎの添加限界は、約０．１であった。このとき、良好な結晶性を保つためには、約０．０７が上限であった。この観点より、チャネル層１０４を構成するIII−Ｖ族化合物半導体では、Ｎ，Ａｓを含有しＮの組成率、つまりＮxＡｓ1-Ｘと表記した場合のｘの値が、０以上０．１以下が好ましく、０．０１以上０．０７以下がさらに好ましく、０．０２以上０．０５以下が特に好ましい。なお、ここでいう有効質量とは、真空中の電子の重さに対する相対的な重さをいう。
本実施形態では、チャネル層１０４を構成する半導体混晶は、
Ga(0.2)In(0.8)N(0.04)As(0.96)である。特に、ＩｎＰ基板上におけるチャネル層の組成としては、Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶とし、y＝0.47−6.7x±0.26以内でかつXが前述範囲である組成範囲を用いることで高品質な半導体膜が得られるので好ましい。
またＧａＡｓ基板上におけるチャネル層の組成としては、
Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶とし、y＝１−2.9x±0.12以内でかつXが前述範囲である組成範囲を用いることで高品質な半導体膜が得られるので好ましい。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子の断面図である。本実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子が、第１実施形態と相違するのは、電極の構成であり、基板、積層体の構成は第１実施形態と同じであるので、同一符号を付して、その説明を省略する。
図３に示すように、この実施形態では、第２の障壁層１０５の上面に、絶縁層１０６と、この絶縁層１０６を挟むように障壁層１０５の両側に配置された一対のコンタクト層１１２が形成されている。絶縁層１０６の上面には、第１実施形態で説明したのと同一構成の第１のソース電極１０７、ゲート電極１０９、及び第１のドレイン電極１０８が形成されている。また、第１のソース電極１０７と隣接するコンタクト層１１２上には、第２のソース電極１１３が形成され、第１のドレイン電極１０８と隣接するコンタクト層１１２上には第２のドレイン電極１１４が形成されている。コンタクト層１１２は、例えばｐ型不純物が高濃度に添加されたＩｎＧａＡｓで形成することができ、これによって、第２のソース電極１１３及びドレイン電極１１４は、第２の障壁層１０５及び二次元ホールガスＨＧに対してオーム性接触をしている。
次に、上記のように構成されたスイッチング素子の動作について説明する。第１実施形態で説明したのと同様に、第１のソース電極１０７には、高周波信号が入力され、ゲート電極１０９には、直流電圧、または比較的低周波の信号が印加される。これにより、二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧにプラズマ振動が生じ、これらの振動が結合して高周波信号がソース電極１０７側からドレイン電極１０８側へ伝播する。一方、第２のソース電極１１３及びドレイン電極１１４間には、直流電圧が印加される。ここで、第２のソース電極１１３及びドレイン電極１１４は、コンタクト層１１２を介して第２の障壁層１０５と接続されていることから、二次元ホールガスＨＧにオーム性接触をしている。したがって、例えば第２のドレイン電極１１４が正となるように電圧を印加すると、二次元ホールガスＨＧにおいては、ホールが第２のドレイン電極１１４側から第２のソース電極１１３側へ移動することになる。一方、二次元電子ガスＥＧ内の電子は移動しない。
このようにホールが移動すると、ドップラー効果により、プラズマ振動の波長が変化する。すなわち、図４に示すように、二次元ホールガスＨＧでは、振動の伝播方向と反対の方向にホールが流れるため、振動の波長が短くなる。一方、二次元電子ガスＥＧのプラズマ振動の波長は変化しない。こうして、各ガスで発生したプラズマ振動の位相は、信号が伝播するにつれてずれていき、そのズレ量が波長と一致したとき（例えば線Ｋ上）に、両振動が再結合する。図４に基づいて詳細に説明すると、二次元電子ガスＥＧのプラズマ振動の１波長と、ホールの振動のｎ波長（ｎは２以上の自然数であり、図４ではｎ＝２）とが一致すると、両振動が再結合する。これにより、ドレイン電極１０８においては、ソース・ドレイン間での位相変化量と一致する波長の周波数信号のみが選択的に強調されて出力される。そして、それ以外の信号は、プラズマ振動の位相ズレによって抑圧される。
以上のように、本実施形態によれば、第１のソース電極１０７及びドレイン電極１０８を挟む位置に、直流電圧が印加される第２のソース電極１１３及びドレイン電極１１４を設けている。そして、この電極間を流れる直流電流によって、各プラズマ振動の波長をそれぞれ変化させることができるため、位相変化量と一致する波長の周波数信号のみを取り出すことができる。すなわち、本実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子は、任意の周波数信号を取り出すことができるフィルターとして機能することが可能となる。このとき、位相のズレ量は、第２のソース電極１１３及びドレイン電極１１４間の電流量によって変化するので、任意の周波数の信号を取り出すことが可能となる。なお、このように、本素子をフィルターとして機能させるためには、ゲート電極１０９を省略することができ、これによって、構造が簡易になり、製造が容易になる。
ところで、図３では第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４は第２の障壁層１０５を介して二次元ホールガスＨＧとオーム性接触している。しかし、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４をメサ形状の斜面にも拡張して設けたり、あるいはメサの下部で第１の障壁層１０３の一部を露出させ、そこに第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４を拡張して設けたりすることもできる。これにより製造プロセスは若干複雑になるが、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４を、二次元ホールガスＨＧだけでなく、第１の障壁層１０３を介して２次元電子ガスＥＧともオーム性接触させることもできる。この場合、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４の間に電流を流すと、二次元電子ガスＥＧ及び二次元ホールガスＨＧの両方において電子とホールとがそれぞれ移動する。このときも電子とホールの移動方向が逆であることにより、位相のズレが発生するので上記実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、図５に示すように、メサの下部で第１の障壁層１０３の一部を露出させ、そこに第１の障壁層１０３を介して二次元電子ガスＥＧともオーム性接触する第３のソース電極１１５および第３のドレイン電極１１６を、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４とは独立して設けることもできる。これにより製造プロセスはさらに複雑になるが、２次元ホールガスＨＧにおける正孔の移動量と、２次元電子ガスＥＧにおける電子の移動量をそれぞれ独立に、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４と第３のソース・ドレイン電極１１５，１１６を用いて制御することができる。
また上記スイッチング素子おいて、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４のいずれか一方を接地または電源電圧と接続してＡＣ的にも短絡し、他方の電極において電流が一定となるように制御してＡＣ的に開放することで、信号の増幅および発振動作を行うことが可能である。ここでも前述のように、第３のソース・ドレイン電極１１５，１１６を、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４とは独立して設けた素子を用いることができる。この場合、第２のソース・ドレイン電極１１３，１１４と、第３のソース・ドレイン電極との間で、互いに逆方向に電流を流すことで、電子と正孔の移動方向を一致させることができ、双方において利得を得られるので特に望ましい。
以下に、上記スイッチング素子による信号の増幅および発振動作をより詳細に説明する。M.DyakonovおよびM.Shurが指摘したように、第２（および第３）のソース・ドレイン電極１１３，１１４がプラズマ振動に対して２つの境界となり、ＡＣ短絡電極がプラズマ振動に対して固定端、ＡＣ開放電極が自由端となる。素子内では、電子ガス（あるいはホールガス）の拡がりサイズに対応したプラズマ振動の定在波が立ち、対応する周波数の電気信号（あるいは電磁波）に対して共鳴することができる。共鳴周波数はプラズマ振動の伝播速度に依存し、これは電荷密度で決まるので、ゲート電圧を変化させることで変調可能である。
この素子に、電子（あるいは正孔）が固定端から自由端に向かう方向に移動し、かつその速度がプラズマ振動の伝播速度を超えない範囲となるように電流を流す。すると、固定端から自由端へ向かう進行波に対しては自由端境界が見かけ上対向して来るように振る舞い、結果として自由端における反射率は、絶対値が１を超えるような複素数値となる。また逆方向の進行波（自由端での反射波）に対しては固定端が後退して行くように振舞うが、電子（あるいは正孔）の速度は進行波の伝播速度より遅いのでいずれ追いつき、再度反射される。結果として進行波は左右の境界の間で多重反射することができ、かつ自由端での反射のたびにその振幅が増幅されていくこととなる。見方を変えると、媒体となる電子（あるいは正孔）の移動により、共振器周波数の固有値の虚数成分が正になることで、時間とともに振幅が増大する不安定なモードが現れる。なお、進行波は共振器内で反射を重ねるに応じて振幅が増大するが、その上限を決める素子利得は、各境界での反射損失や共振器内での位相散乱・エネルギー散乱等で制限され、有限の値をとる。
したがって、例えば第２（および第３）のソース電極１１３を固定端として第２のドレイン電極１１４を自由端にするとともに、第２のソース電極１１３側から第２のドレイン電極１１４側へ電子（および正孔）が移動するように直流電流を流し、さらに適切な周波数を有する電気信号を第１のソース電極１０７に導入することで、第１のドレイン電極１０８から増幅された信号が出力される。すなわち増幅装置として動作する。また出力信号の一部を入力側にフィードバックすることで発振装置としても動作する。なおゲート電圧を変化させることで、共振（増幅・発振）する周波数を変調することもできる。
このような増幅・発振動作においても、互いに結合した二次元電子ガスＥＧおよび二次元ホールガスＨＧを用いてこれらと結合した第１のソース電極１０７とドレイン電極１０８に高周波信号の入出力を行う構成により、また独立した第２のソース・ドレイン電極１１３、１１４（および第３のソース・ドレイン電極）を用いて直流電流を供給する構成により、より容易に入出力信号とプラズマ振動の結合を行うことができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、第１実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子を用いた高周波変調装置である。図６は、本実施形態に係る高周波変調装置の概略構成図である。
図６に示すように、この高周波変調装置は、第１実施形態で示したプラズマ振動スイッチング素子１０と、入力整合回路２０と、高周波信号発生装置３０とを備えている。また、入力整合回路２０に変調信号が入力される入力部４１が設けられるとともに、スイッチング素子１０のドレイン電極１０８に出力部４２が設けられている。スイッチング素子１０のゲート電極１０９には、上記入力整合回路２０が接続されるとともに、ソース電極１０７には高周波発生装置３０が接続されている。
以上のように構成された装置は、次のように動作する。すなわち、高周波信号発生装置３０で発生した１０００ＧＨｚ程度の高周波信号Ｓａがスイッチング素子１０に入力される。また、入力部４１から入力された変調信号Ｓｂが入力整合回路２０においてインピーダンス整合され、スイッチング素子１０のゲート電極１０９に入力される。ここで、スイッチング素子１０においては、第１実施形態で説明したように、ソース電極１０７からドレイン電極１０９へ高周波領域の信号が伝播するとともに、この信号がゲート電圧によって制御される。したがって、上記のようにソース電極１０７に入力された高周波信号Ｓａは、ゲート電極１０９に入力された変調信号Ｓｂによって変調されてドレイン電極１０８から出力される。
以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態で用いたプラズマ振動スイッチング素子を用いることで、簡単な構成によって高周波領域で動作する変調装置を実現することができる。ここで、出力部４２にアンテナを接続すると、変調された高周波信号Ｓｃを出力電磁波として外部に放射することができる。したがって、本変調装置を高周波領域の電磁波を用いた送信機として利用することができる。なお、スイッチング素子１０とアンテナとの間にインピーダンス整合装置をさらに設けたり、上記入力部４１や出力部４２に増幅装置を設けることもできる。また、本実施形態では、第１実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子を用いているが、第２実施形態に係るプラズマ振動スイッチング素子を用いることができるのは言うまでもない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、プラズマ振動スイッチング素子の基板１０１は、ＩｎＰ以外で形成されていてもよく、例えば半絶縁性のIII−Ｖ族化合物半導体で形成することができる。或いはＡｌ2Ｏ3等の絶縁性基板で形成することもできる。このように、半絶縁性或いは絶縁性の基板を用いると、スイッチング素子の静電容量が低減するので、高周波特性を向上することができる。さらに、複数のスイッチング素子を形成する際に、各素子の絶縁が容易になるという利点もある。
また、上記各実施形態では、第１の障壁層１０３にｎ型拡散層１０３ａが形成され、第２の障壁層１０５にｐ型拡散層１０５ａが形成されているが、これを反対にしてもよい。すなわち、第１の障壁層１０３にｐ型拡散層を形成し、第２の障壁層１０５にｎ型拡散層を形成してもよい。さらに、上記各実施形態では、図２に示すように、チャネル層１０４のバンドギャップが、第１及び第２の障壁層１０３，１０５のバンドギャップよりも小さくなるように各層を形成する材料を選択しているが、これに限定されるものではない。すなわち、二次元電子ガスＥＧやホールガスＨＧを蓄積するためのオフセット部分が、各障壁層１０３，１０５とチャネル層１０４との境界に形成されればよい。具体的には、ｎ型拡散層を有する障壁層の伝導帯端のエネルギー（電子に対するポテンシャル）がチャネル層の伝導帯端のエネルギーより大きく、ｐ型拡散層を有する障壁層の価電子帯端のエネルギーがチャネル層の価電子帯端のエネルギーよりも小さくなっていればよい。このとき、形成されるバンドオフセットは、０．１ｅＶ以上１．０ｅＶ以下であることが好ましい。
また、上記実施形態では、デルタドープによって各障壁層１０３，１０５に不純物を添加した拡散層を形成しているが、次のようにしてもよい。例えば、各障壁層１０３，１０５において、チャネル層１０４との拡散層１０３ａ，１０５ａとの間に所定厚さの無添加の領域１０３ｂ，１０５ｂを形成し、障壁層１０３，１０５のそれ以外の部分すべてに不純物を添加するようにしてもよい。或いは、障壁層１０３，１０５のすべてに不純物を添加するようにしてもよく、こうすることで製造が容易になる。但し、第１実施形態で説明したように、プラズマ振動を効果的に生じさせるためには、チャネル層１０４と拡散層１０３ａ，１０５ａとの間に所定間隔の無添加の層１０３ｂ，１０５ｂを設けておくことが好ましい。
上記各実施形態では、接地された共通電極１１１を基板１０１の下面に設けているが、共通電極を設ける位置はこの部分に限定されるものではなく、基板１０１と第１の障壁層１０３との間の領域１０２に設けることもできる。また、基板１０１に不純物を添加してこれに共通電極を設けてもよい。さらに、二次元電子ガス或いはホールガスの少なくとも一方とオーム性接触した電極を設け、これを共通電極としてもよい。但し、このような独立した共通電極は必ずしも必要ではなく、ゲート電極１０９を共通電極として用いることもできる。しかしながら、信号入力の効率化、或いは回路の簡素化の観点からは、上記のような共通電極を設けることが好ましい。
産業上の利用可能性
本発明により、高周波領域での確実な動作を実現することが可能なプラズマ振動スイッチング素子が提供される。
【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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【図７】
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【図８】
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