(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各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、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第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順次積層され、
前記電子走行層は、前記第２の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、
前記エミッタ層および前記スペーサ層は、前記エミッタ層の組成を層中で変化させることにより、前記第１の障壁層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが低くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項２】
不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、
電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各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、
前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、
電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第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順次積層され、
前記電子走行層は、前記第２の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、
前記半導体はＩｎＧａＡｓであり、
前記電子走行層を構成するＩｎＧａＡｓは、前記第２の障壁層側でのＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成と同じにな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、
前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するＩｎＧａＡｓは、前記第１の障壁層との距離が近づくに従ってＩｎ組成が低くなることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項４】
請求項１乃至３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、
前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、伝導帯エネルギーが階段状に変化す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に記載の共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からな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１乃至３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、
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場合において、基板上に前記エミッタ層、前記スペーサ層、前記第１の障壁層、前記井戸層、前記第２の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層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３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、
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場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第２の障壁層、前記井戸層、前記第１の障壁層、前記スペーサ層、前記エミッタ層の順に積層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９】
請求項１乃至８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と短い空乏層（電子走行層）走行時間、高電流密度と小さい寄生容量と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−電圧特性における負性微分抵抗領域において発振動作する。ＲＴＤの電流−電圧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等がある。
発明者らは、これまでにＩｎＰ基板上に積層したＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層からなるＲＴＤ、特に１×１０6Ａ／ｃｍ2を上回る高いピーク電流密度ＪPを有するＲＴＤを用いた発振器によって、８３１ＧＨｚの室温基本波発振を実現した（非特許文献１参照）。
【０００５】
発明者らは、前記非特許文献１において、理論的に予想される発振周波数よりも実験的に得られた発振周波数が低くなることを見出した。そして、実験において発振周波数の上昇を制限している理由は、電子走行層を走行する際のΓ−Ｌバレー間散乱による電子の走行速度低下であると考察した。
【０００６】
最近、発明者らは、同じくＩｎＰ基板上に積層したＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層からなるＲＴＤを用いた発振器において、前記のΓ−Ｌバレー間散乱による電子速度の低下を抑制するために、階段状のポテンシャル形状を有するエミッタおよびスペーサからなる、グレーデッドエミッタ構造を適用することによって、低ＶP化、つまり発振器の低電圧動作化を実現し、低電圧動作に伴う電子走行時間の短縮により、室温において１．０４ＴＨｚまで基本波発振を向上させることに成功した（非特許文献２参照）。
このように１ＴＨｚを上回る発振周波数が従来のＲＴＤによって実現されているが、テラヘルツ周波数帯の光源として用いるために、さらなる発振周波数の高周波化が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【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”，Applied Physics Express 2，社団法人応用物理学会，054501，2009年4月17日
【非特許文献２】Safumi Suzuki，Atsushi Teranishi，Masahiro Asada，Hiroki Sugiyama，and Haruki Yokoyama，“Increase of Fundamental Oscillation Frequency in Resonant Tunneling Diode with Thin Barrier and Graded Emitter Structures”，2010 35th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves（IRMMW-THz 2010），IEEE，Tu-C1.2，Rome，2010年9月5日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のようにＲＴＤを用いた発振器の発振周波数を向上させるためには、低動作電圧化によって電子走行層を電子が走行する際のΓ−Ｌバレー間散乱を抑制する必要があった。しかし、低動作電圧化は、素子動作時のコレクタ層のポテンシャルと二重障壁層のポテンシャルとの差が小さくなることを意味している。
【０００９】
ＲＴＤでは、二重障壁層を通過した電子は、ポテンシャルの高い二重障壁層からポテンシャルの低いコレクタ層に向かって走行する。そこでは、二重障壁層が電子のランチャーとして作用しており、二重障壁層とコレクタ層との間のポテンシャルの差が大きいほど電子は弾道的に走行しやすくなる。
【００１０】
低電圧動作のＲＴＤでは、前記の二重障壁層のランチャーとしての効果は小さくなる。このため、二重障壁層を通過した後に弾道的に高速で走行する電子が少なくなり、電子走行層中の電子の走行時間は長くなる。この電子走行速度の低下が発振周波数の上昇を制限していると考えられる。そこで、非特許文献２に記載のような低動作電圧ＲＴＤ発振器の動作周波数をさらに上昇させるためには、二重障壁層のランチャー効果を促進し、電子速度の低下を抑制する必要がある。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、動作電圧が低いＲＴＤにおいて、二重障壁層を通過した電子が電子走行層を通過する際の速度の低下を抑制し、発振器の動作周波数を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の共鳴トンネルダイオードは、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各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、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第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順次積層され、前記電子走行層は、前記第２の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、前記エミッタ層の組成を層中で変化させることにより、前記第１の障壁層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが低くな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、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層と、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各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、前記エミッタ層および前記スペーサ層の各層の電子に対して障壁となる第２の障壁層と、電気的に中性な半導体からなり、前記エミッタ層から前記スペーサ層と前記第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順次積層され、前記電子走行層は、前記第２の障壁層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーよりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従って伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーに近づき、前記コレクタ層との接合面での伝導帯エネルギーが前記コレクタ層の伝導帯エネルギーと同じになり、前記半導体はＩｎＧａＡｓであり、前記電子走行層を構成するＩｎＧａＡｓは、前記第２の障壁層側でのＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成よりも高く、前記コレクタ層との距離が近づくに従ってＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成に近づき、前記コレクタ層との接合面でのＩｎ組成が前記コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成と同じになることを特徴とするものである。
【００１３】
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、前記エミッタ層と前記スペーサ層とを構成するＩｎＧａＡｓは、前記第１の障壁層との距離が近づくに従ってＩｎ組成が低くな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、前記電子走行層、前記エミッタ層および前記スペーサ層は、伝導帯エネルギーが階段状に変化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構成例において、前記電子走行層および前記エミッタ層は、それぞれ複数の層からなることを特徴とするものである。
【００１４】
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場合において、基板上に前記エミッタ層、前記スペーサ層、前記第１の障壁層、前記井戸層、前記第２の障壁層、前記電子走行層、前記コレクタ層の順に積層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、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場合において、基板上に前記コレクタ層、前記電子走行層、前記第２の障壁層、前記井戸層、前記第１の障壁層、前記スペーサ層、前記エミッタ層の順に積層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。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、電子走行層を、第２の障壁層との接合面でのポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルよりも低く、コレクタ層との距離が近づくに従ってポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルに近づき、コレクタ層との接合面でのポテンシャルがコレクタ層のポテンシャルと同じになるような構造とすることにより、二重障壁層（第１の障壁層、井戸層、第２の障壁層）と電子走行層とのポテンシャル差を大きくすることができ、二重障壁層と電子走行層との界面における電子のランチャー効果を促進することができるので、電子走行層中の電子を高速化することができる。その結果、本発明では、バイアス電圧を低下させても二重障壁層からコレクタ層にかけての電子の走行速度が低下しなくなるため、共鳴トンネルダイオードの動作速度を向上させることができる。したがって、本発明の共鳴トンネルダイオードを発振器に利用すれば、発振器の発振周波数を高周波化することができる。
【００１７】
また、本発明では、エミッタ層およびスペーサ層を、第１の障壁層との距離が近づくに従ってポテンシャルが高くなるような構造とすることにより、バイアス電圧を低下させやすくすることができる。その結果、本発明では、低バイアス電圧化により共鳴トンネルダイオードおよび発振器の消費電力を低減することが可能となる。
【００１８】
また、本発明では、電子走行層を構成するＩｎＧａＡｓを、第２の障壁層側でのＩｎ組成がコレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成よりも高く、コレクタ層との距離が近づくに従ってＩｎ組成がコレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成に近づき、コレクタ層との接合面でのＩｎ組成がコレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成と同じになるような構成とすることにより、電子走行層内での電子の有効質量を低減する事が可能となり、電子を更に高速化することができ、共鳴トンネルダイオードの動作速度を更に向上させることができる。その結果、本発明では、発振器の発振周波数を更に高周波化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の参考例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２】本発明の参考例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３】本発明の第１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４】本発明の第２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】本発明の第２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６】本発明の第２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７】本発明の第２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８】本発明の第２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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［参考例］
以下、本発明の参考例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の参考例に係るＲＴＤの構造を示す断面図である。本参考例のＲＴＤ２０は、電気的に中性な半導体からなるバッファ層２２と、不純物がドープされた半導体からなるサブエミッタ層２３と、不純物がドープされた半導体からなるエミッタ層２４と、電気的に中性な半導体からなるスペーサ層２５と、サブエミッタ層２３、エミッタ層２４およびスペーサ層２５の各層の電子に対して障壁となる第１の障壁層２６と、電気的に中性な半導体からなる井戸層２７と、サブエミッタ層２３、エミッタ層２４およびスペーサ層２５の各層の電子に対して障壁となる第２の障壁層２８と、電気的に中性な半導体からなり、サブエミッタ層２３からエミッタ層２４とスペーサ層２５と第１の障壁層２６と井戸層２７と第２の障壁層２８とを経て電子が流れ込む電子走行層２９と、不純物がドープされた半導体からなるコレクタ層３０とが、基板２１上に順次積層された構造からなる。
【００２１】
ＲＴＤ２０は、下側に位置する右電極３１と上側に位置する左電極３２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２３とコレクタ層３０は、右電極３１と左電極３２のオーミック接触抵抗を小さくし、またそれぞれ右電極３１からエミッタ層２４までの寄生抵抗成分、左電極３２からコレクタ層３０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。
【００２２】
図２は、図１に示したＲＴＤ２０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２３に負の電圧を印加し、コレクタ層３０に正の電圧を印加した状態を示している。エミッタ層２４側のバンドが平坦な領域とコレクタ層３０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。
【００２３】
本参考例では、図２に示すようにＲＴＤ２０の電子走行層２９において、第２の障壁層２８にヘテロ接合している電子走行層２９の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第２の障壁層２８との接合面での電子走行層２９のポテンシャルがコレクタ層３０のポテンシャルよりも低く、コレクタ層３０との距離が近づくに従って電子走行層２９のポテンシャルがコレクタ層３０のポテンシャルに近づくようにし、コレクタ層３０との接合面での電子走行層２９のポテンシャルがコレクタ層３０のポテンシャルと同じになるような構造としている。
【００２４】
このような構造により、本参考例では、二重障壁層（第１の障壁層２６、井戸層２７、第２の障壁層２８）と電子走行層２９とのポテンシャル差を大きくすることができ、二重障壁層と電子走行層２９との界面における電子のランチャー効果を促進することができるので、電子走行層２９中の電子を高速化することができる。その結果、本参考例では、バイアス電圧を低下させても二重障壁層からコレクタ層３０にかけての電子の走行速度が低下しなくなるため、ＲＴＤの動作速度を向上させることができる。したがって、本参考例のＲＴＤを発振器に利用すれば、発振器の発振周波数を高周波化することができる。
【００２５】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、ＲＴＤの構造は参考例と同様であるので、図１に示したＲＴＤの符号を用いて説明する。図３は、本実施の形態のＲＴＤ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。図２の場合と同様に、図３は基板側のサブエミッタ層２３に負の電圧を印加し、コレクタ層３０に正の電圧を印加した状態を示している。
【００２６】
本実施の形態では、エミッタ層２４の組成を層中で変化させることにより、エミッタ層２４の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第１の障壁層２６との距離が近づくに従ってエミッタ層２４およびスペーサ層２５のポテンシャルが高くなるような構造としている。このような構造により、本実施の形態では、バイアス電圧を低下させやすくすることができる。その結果、本実施の形態では、低バイアス電圧化によりＲＴＤの消費電力を低減することが可能となる。
【００２７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、参考例および第１の実施の形態で説明したＲＴＤの具体例を示すものである。図４は本実施の形態に係るＲＴＤの構造を示す断面図である。本実施の形態の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、ｎ型インジウムガリウムヒ素（ｎ−Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ａｓおよびｎ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ａｓ）からなるグレーデッドエミッタ層９３と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ）からなるスペーサ層９４と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる第１の障壁層９５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９６と、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる第２の障壁層９７と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ）からなる第１の電子走行層９８と、アンドープインジウムガリウムヒ素（ｕｎ−Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓ）からなる第２の電子走行層９９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）からなるコレクタ層１０１とが、基板１上に順次積層された構造からなる。
【００２８】
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１０１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。
【００２９】
バッファ層９０、サブエミッタ層９１、エミッタ層９２、グレーデッドエミッタ層９３、スペーサ層９４、第１の障壁層９５、井戸層９６、第２の障壁層９７、第１の電子走行層９８、第２の電子走行層９９、第３の電子走行層１００、コレクタ層１０１の厚さは、それぞれ２００ｎｍ、４００ｎｍ、２０ｎｍ、５ｎｍ、２ｎｍ、１．２ｎｍ、４．５ｎｍ、１．２ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、５ｎｍ、２３ｎｍである。グレーデッドエミッタ層９３は、基板１に近い方から順に、厚さ２．５ｎｍのｎ−Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ａｓと厚さ２．５ｎｍのｎ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ａｓの２層からなる。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。
【００３０】
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とグレーデッドエミッタ層９３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１０１のドーパントはＳｉで、ドーピング濃度は２×１０19ｃｍ-3である。
【００３１】
次に、本実施の形態のＲＴＤ９を用いたテラヘルツ発振器について説明する。図５は本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５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）、パラジウム（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、パラ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。
【００３２】
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、図４に示した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。
【００３３】
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５のＤ）は４μｍ程度、凸部７の幅（図５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。
【００３４】
図６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６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７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７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。
【００３５】
右電極２と左電極４とからなる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５、図７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、テラヘルツ発振器の発振周波数ｆは、１／［２π｛Ｌ（ＣRTD＋ＣANT）｝1/2］となる。
【００３６】
次に、本実施の形態のＲＴＤ９とテラヘルツ発振器の特性について説明する。図４に示した構造を有するＲＴＤ９の試料Ａのパラメータの値を表１に示す。なお、比較用の試料として、電子走行層の組成がコレクタ層と同一であり、組成の段階的な分布の無い試料Ｂのパラメータも示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
図８は、図４に示したＲＴＤ構造を有する試料Ａ，Ｂ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。図２、図３の場合と同様に、図８は基板側のサブエミッタ層９１に負の電圧を印加し、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。
【００３９】
本実施の形態では、電子走行層を、第１の電子走行層９８と第２の電子走行層９９と第３の電子走行層１００の３層のＩｎＧａＡｓ層で構成し、そのうち第１の電子走行層９８と第２の電子走行層９９をＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓで構成することにより、電子走行層において、第２の障壁層９７にヘテロ接合している電子走行層の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第２の障壁層９７との接合面での電子走行層のポテンシャルがコレクタ層１０１のポテンシャルよりも低く、コレクタ層１０１との距離が近づくに従って電子走行層のポテンシャルがコレクタ層１０１のポテンシャルに近づくようにし、コレクタ層１０１との接合面での電子走行層のポテンシャルがコレクタ層１０１のポテンシャルと同じになるような構造としている。このような構造により、参考例で説明した効果を得ることができる。
【００４０】
エミッタ層９２側のバンドが平坦な領域のポテンシャルと、第２の障壁層９７と電子走行層との接合界面のエネルギー差が、二重障壁層（第１の障壁層９５、井戸層９６、第２の障壁層９７）を電子がトンネルする際のランチャー効果の指標となる。つまり、このエネルギー差が大きいほど、二重障壁層を電子がトンネルする際のランチャー効果は大きくなる。
【００４１】
図８によると、試料Ａのエネルギー差ＤＡは約２８０ｍｅＶであり、試料Ｂのエネルギー差ＤＢは１６０ｍｅＶである。電子走行層を３層構造とし、第３の電子走行層１００と比較してＩｎ組成を高くしたＩｎＧａＡｓを第１、第２の電子走行層９８，９９に用いたことにより、試料Ｂよりも試料Ａの方が大きなエネルギー差が得られることが分かる。つまり、二重障壁層のランチャー効果は本実施の形態の試料Ａの方が大きくなることが分かる。
【００４２】
また、高いＩｎ組成のＩｎＧａＡｓにおける電子の有効質量は、格子整合ＩｎＧａＡｓにおける電子の有効質量よりも小さくなる。そのため、試料Ｂよりも本実施の形態の試料Ａの方が、電子走行層中の電子の有効質量が小さくなるため、電子走行層中の電子の速度は上昇する。
【００４３】
発明者らは、上記の試料Ａ，ＢをそれぞれＲＴＤ９として使用した図５のようなテラヘルツ発振器を作製した。試料Ａを使用した場合、発振器の最高発振周波数として１．０８ＴＨｚが得られ、試料Ｂを使用した場合、最高発振周波数として１．０４ＴＨｚが得られた。
【００４４】
得られた最高発振周波数より電子走行層の走行時間を計算すると、試料Ａの電子走行層走行時間は１４０ｆｓであり、試料Ｂの電子走行層走行時間は１７０ｆｓであった。すなわち、本実施の形態の試料Ａの方が電子の走行時間を３０ｆｓ短縮出来ていることが分かる。この走行時間の短縮は、高いＩｎ組成のＩｎＧａＡｓからなる電子走行層を用いることによって、二重障壁層と電子走行層との界面における電子のランチャー効果が促進されると共に、電子走行層内での電子の有効質量が低減され、電子が高速化したことを示唆している。
【００４５】
また、本実施の形態では、エミッタ層をエミッタ層９２とグレーデッドエミッタ層９３の２層のＩｎＧａＡｓ層で構成し、グレーデッドエミッタ層９３を段階的にＩｎ組成が低くなるＩｎＧａＡｓで構成することにより、エミッタ層の伝導帯の電子から見たポテンシャルを変化させ、第１の障壁層９５との距離が近づくに従ってエミッタ層およびスペーサ層のポテンシャルが高くなるような構造としている。このような構造により、第１の実施の形態で説明した効果を得ることができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、二重障壁層のランチャー効果の促進と電子の有効質量の低減が可能となり、電子走行層中の電子の走行時間を短縮することができるので、テラヘルツ発振器の高周波化を実現することができる。また、本実施の形態では、バイアス電圧を低減することができ、ＲＴＤおよびテラヘルツ発振器の消費電力を低減することが可能となる。
【００４７】
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、グレーデッドエミッタ層９３を二重障壁部分よりも基板側に設置し、第１、第２、第３の電子走行層９８，９９，１００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、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、グレーデッドエミッタ層９３を二重障壁部分よりも表面側に設置し、第１、第２、第３の電子走行層９８，９９，１００を二重障壁部分よりも基板側に設ければ良い。つまり、図４において、エミッタ層９２から第３の電子走行層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。
【００４８】
また、本実施の形態では、電子走行層を、３つの異なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＡｓによって構成する例を示したが、本実施の形態の効果を得るための電子走行層内の組成の分布はこの限りではない。電子走行層の構成は、第２の障壁層側からコレクタ層側にかけてＩｎ組成が段階的に変化し、第２の障壁層側で高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓからなり、コレクタ層との距離が近づくに従い、コレクタ層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成に近づくようにすればよい。各々のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成と厚さは、格子不整合による格子緩和の起きない範囲で構成すれば良い。
【００４９】
なお、Ｉｎ組成が高くなるにつれて、電子走行層に加わる圧縮歪みが大きくなり、臨界膜厚が低下する。電子走行層を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成の上限値は、電子走行層の膜厚がＩｎ組成で定まる臨界膜厚と一致するＩｎ組成の値である。
【００５０】
また、本実施の形態では、製造の容易さから、電子走行層を３層に分割し、各層で混晶組成を変化させることで階段状にポテンシャルを変化させているが、本発明は伝導帯のポテンシャルが連続的に変化する構造でも階段状のポテンシャル構造と同様の効果を得ることができるので、連続的に組成が変化する傾斜組成層で電子走行層を構成しても構わない。
【００５１】
また、本実施の形態では、グレーデッドエミッタ層９３とスペーサ層９４を、３つの異なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＡｓによって構成する例を示したが、本実施の形態の効果を得るための各層の組成の構成はこの限りではなく、エミッタ層から障壁層にかけて、エミッタを構成するＩｎＧａＡｓの組成から段階的にＩｎ組成が低下する層構成となっていればよい。例えば、４層ないし５層の異なるＩｎ組成からなるＩｎＧａＡｓによって、グレーデッドエミッタ層９３とスペーサ層９４を構成しても同様の効果は得られる。
【００５２】
なお、Ｉｎ組成が低くなるにつれてスペーサ層９４およびグレーデッドエミッタ層９３に加わる引っ張り歪みが大きくなり、臨界膜厚が低下する。スペーサ層９４およびグレーデッドエミッタ層９３を構成するＩｎＧａＡｓのＩｎ組成の下限値は、スペーサ層９４とグレーデッドエミッタ層９３の膜厚がＩｎ組成で定まる臨界膜厚と一致するＩｎ組成の値である。
【００５３】
また、本実施の形態では、エミッタ層をエミッタ層９２とグレーデッドエミッタ層９３の２層で構成し、各層で混晶組成を変化させることで階段状にポテンシャルを変化させているが、電子走行層の場合と同様に、ポテンシャルが連続的に変化する構造でも階段状のポテンシャル構造と同様の効果を得ることができるので、連続的に組成が変化する傾斜組成層でエミッタ層を構成しても構わない。
【００５４】
また、参考例および第１、第２の実施の形態では、エミッタ層２４，９２の外側にサブエミッタ層２３，９１を設けているが、同様にコレクタ層３０，１０１の外側（コレクタ層３０，１０１と左電極４，３２との間）にサブコレクタ層を設けるようにしてもよい。サブコレクタ層は、エミッタ層２４，９２およびコレクタ層３０，１０１と同じ導電型を示す不純物で、かつコレクタ層３０，１０１よりも高い濃度の不純物がドープされた半導体によって構成すればよい。
【００５５】
また、第３の実施の形態では、参考例および第１の実施の形態で説明したＲＴＤの構造をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の半導体材料で実現している例を示したが、第１〜第３の実施の形態で説明した伝導帯のポテンシャルの構造（バンドラインナップ）を実現できるのであれば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系以外の半導体材料を使用してＲＴＤを製作することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、共鳴トンネルダイオード、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適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１，２１…基板、２，３１…右電極、３…絶縁体、４，３２…左電極、５，６…凹部、７…凸部、８…突起部、９，２０…共鳴トンネルダイオード、１０…抵抗、１１…直流電源、２２，９０…バッファ層、２３，９１…サブエミッタ層、２４，９２…エミッタ層、２５，９４…スペーサ層、２６，２７，９５，９７…障壁層、２７，９６…井戸層、２９，９８，９９，１００…電子走行層、３０，１０１…コレクタ層、９３…グレーデッドエミッタ層。
【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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【図７】
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【図８】
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