(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度のｎ形の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層と比較してより小さな電子親和力を有する第２の半導体層と、
高濃度のｎ形の第３の半導体層とが順に積層され、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面の前記第２の半導体層側にヘテロバリアが形成され、前記第１の半導体層のドーピングレベルを調整することにより、前記へテロバリアのバリア高さが調整されており、
前記第１の半導体層上にアノード電極が形成され、前記第３の半導体層が形成されたサブカソード層上にカソード電極が形成された半導体積層構造を備え、
前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層と接するアンドープのバリア層と、前記第３の半導体層と接するｎ形のバリア層とを含むことを特徴とする検波ダイオード。
【請求項２】
前記ｎ形のバリア層は、一定の濃度のｎ形不純物が導入されていることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。
【請求項３】
前記ｎ形のバリア層は、前記アンドープのバリア層から前記第３の半導体層に向けて、ｎ形不純物の濃度が指数関数的に増大するように導入されていることを特徴とする請求項１に記載の検波ダイオード。
【請求項４】
前記第１の半導体層は、ＩｎＧａＡｓからなり、前記第２の半導体層は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の検波ダイオード。
【請求項５】
高濃度のｎ形のＩｎＧａＡｓアノード層と、
前記アノード層と比較してより小さな電子親和力を有するＩｎＰバリア層と、
高濃度のｎ形のＩｎＰカソード層とが順に積層され、
前記アノード層と前記バリア層との界面の前記バリア層側にヘテロバリアが形成され、
前記アノード層上にアノード電極が形成され、前記カソード層が形成されたサブカソード層上にカソード電極が形成された半導体積層構造を備え、
前記バリア層は、前記アノード層と接するアンドープのＩｎＰバリア層と、前記カソード層と接するｎ形のＩｎＰバリア層とを含むことを特徴とする検波ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検波ダイオードに関し、より詳細には、ＴＨｚ周波数帯（０．１〜１０ＴＨｚ）のＲＦ電気信号を受信し、ゼロバイアスで動作する低雑音で高速な半導体検波ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＴＨｚ周波数帯の無線システムにおける検波手段として、一般的に、ダイオードの非線形電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が利用されている。典型的には、Schottky Barrier Diode（ＳＢＤ）、Backward Diode、Planar Doped Barrier（ＰＤＢ）Diode等が用いられている。例えば、ＳＢＤを用いた包絡線検波において、微弱な信号を検出する際には、電源ノイズの影響を抑制すべく、ゼロバイアスで動作させることが望ましく、良好な感度を得るためには、飽和電流値Ｉｓを大きくする必要がある。また、ＴＨｚ周波数帯で動作する受信器を構成する場合、半導体基板に形成した純抵抗アンテナのインピーダンスＺ0が約７５Ωと低いために、インピーダンス整合が取りにくい。このとき、結合効率を確保するためには、ＳＢＤの微分抵抗値ＲDをＺ0に近づけるために、飽和電流値Ｉｓを大きくする必要がある。
【０００３】
飽和電流値Ｉｓを大きくするために、バリア高さφBが小さくなる、すなわち飽和電流密度Ｊｃ（Ａ／ｃｍ2）が大きくなる半導体材料としてＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＰを用いたＳＢＤが知られている。しかしながら、数百ＧＨｚ以上の高周波動作を行う場合には、必要な接合面積が極めて小さくなるので、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いるかぎり、所望の飽和電流値Ｉｓを得られる程度にバリア高さφBを小さくすることができない。そこで、バリア高さφBを任意に制御できるHetero Barrier Diode (ＨＢＤ)が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図１に、従来のＨＢＤの構造を示す。高濃度のｎ+−ＩｎＰカソード層３（第３の半導体層）、アンドープ（＝低濃度）のＩｎＰバリア層２（第２の半導体層）、高濃度のｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１（第１の半導体層）が順に積層され、カソード層３にカソード電極５が形成され、アノード層１にアノード電極４が形成されている。バリア層２は、アノード層１と比較してより小さな電子親和力を有し、両者の界面（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ界面）のバリア層２側に、電子に対するエネルギーバリア（ヘテロバリア）が形成されている。バリア高さφBは、ｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１のフェルミ準位から測った量であるため、アノード層１のドーピングレベルを調整することにより、φB＝０まで任意に小さくできる。
【０００５】
以下に、各パラメータと焦点となるダイオードの微分抵抗値ＲDとの関係を説明する。ＨＢＤの非線形Ｉ−Ｖ特性は、飽和電流値Ｉｓ、熱電圧ＶT、準方向電流の理想係数ｎを用いると、
ＩD（Ｖ）＝Ｉｓ｛ｅｘｐ［Ｖ×（ｎＶT）-1］−ｅｘｐ［−Ｖ×（ｎ−１）×（ｎＶT）-1］｝    （１）
と表現できる（例えば、非特許文献２）。さらに、飽和電流値Ｉｓは、ダイオードの接合面積をＳj、バリアの材料のRichardson常数をＡ*、温度をＴ（Ｋ）をとして、
Ｉｓ（Ｓj、Ｔ）＝Ｓj×Ａ*×Ｔ2×ｅｘｐ（−ｑφB／ＶT）    （２）
で与えられる。
【０００６】
例えば、Ｓj＝１μｍ2、Ｔ＝３００Ｋ、Ａ*＝９．２Ａ／ｃｍ2／Ｋとして、仮にｑφB＝８５ｍｅＶ、ｎ＝１．２に設定すると、ダイオードの微分抵抗値ＲD（＝ｄＶ／ｄＩ）は、（１）式から、８４Ωと計算される。この微分抵抗値ＲDは、Ｓｉ半球レンズ上に形成された自己相補アンテナ（Self-Complementary Antenna）のインピーダンスＺ0（７５Ω）に近いことがわかる。Ｓj＝１μｍ2の様に、ＴＨｚ周波数帯の動作に必要な小さな接合面積であっても、十分に低い微分抵抗値ＲDを実現できる。従って、このＨＢＤは、ＴＨｚ周波数帯で動作し、ゼロバイアスで動作する低雑音の検波手段として、適用することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】H. Ito and T. Ishibashi, “Fermi-level managed barrier diode for broadband and low-noise terahertz-wave detection,” Electronics Letters, Vol. 51 , Issue 18, pp. 1440 - 1442, 2015.
【非特許文献２】M. S. Tyagi et al., “Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications,” edited by B. L. Sharma _Plenum, New York, 1984, Chap.1, p.19.
【非特許文献３】S. M. Sze, “Physics of Semiconductor Devices,” John Wiley and Sons, 1981, Chap.5, p.250.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、低濃度のＩｎＰバリア層を用いたＨＢＤは、バリア高さｑφBを小さくすることにより、以下のような問題があった。
【０００９】
図２に、従来のＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの一例を示す。バンドの非放物線性と電子電荷のエネルギー分布を考慮して、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ界面にヘテロ構造を有するＨＢＤの伝導帯端のプロファイル（バンドプロファイル）を計算した結果である。ＨＢＤの構造は、アンドープのＩｎＰバリア層２の厚さを１０００Ａ，ｎ+−ＩｎＰカソード層３のキャリア濃度を１×１０18／ｃｍ3とした。電子のエネルギーは、ｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１の伝導帯端ＥC1＝０とし、アノード層１のフェルミ準位（Ｅｆ）の位置を破線で示す。
【００１０】
フェルミ準位（Ｅｆ）を変化させたときの、バリア層２の伝導帯端（ＥC2）を示し、バリア高さｑφBをパラメータとして、
（Ａ）Ｅｆ−ＥC1＝１４０ｍｅＶ，ｑφB＝１００ｍｅＶ
（Ｂ）Ｅｆ−ＥC1＝１１４ｍｅＶ，ｑφB＝１２６ｍｅＶ
（Ｃ）Ｅｆ−ＥC1＝８８ｍｅＶ，ｑφB＝１５２ｍｅＶ
の場合を示している。
【００１１】
バリア高さｑφBが高い（Ｃ）の場合、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のＩｎＰバリアは、三角形形状のポテンシャル形状を成しているが、フェルミ準位を上昇させて、バリア高さｑφBを縮小するにつれて（Ｂ）〜（Ａ）、ヘテロ界面付近のバンド形状が平坦化される様子がわかる。このバンドの曲りは、アンドープのＩｎＰバリア層２中に広がって分布する電子のマイナス電荷によるものであり、バリア高さｑφBが小さくなるほど、フェルミ準位よりも上にエネルギーが分布する電子の全電荷量が増えるので、平坦化の影響が強く出てくる。
【００１２】
上述したように、第１の半導体層のドーピングレベルを調整することにより、フェルミ準位の位置を上下させて、へテロバリアのバリア高さを調整することができる。しかしながら、計算結果から明らかなように、フェルミ準位Ｅｆが上がるにつれて、バンド形状が上方に凸状になり、平坦な形状となる傾向が見られる。最適なバリア高さｑφBは１００ｍｅＶ程度、またはそれ以下の値であるので、従来のＨＢＤでは、ヘテロ界面付近のバンド形状が平坦化してしまうという問題があった。
【００１３】
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のＩｎＰバリアが平坦となる問題は、第１に、理想係数ｎ値の劣化（＝ｎ値の増大）にある。電子に対する「実効的な」ポテンシャルのピーク位置ｘｍはヘテロ界面にはない。これは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ界面付近の電子に対して、イメージ力が働くことにより、
ｘｍ  ∝  界面付近の電界強度-1/2
に従って、界面からＩｎＰ側に遠ざかることによる。バリア高さｑφBが小さいほど電界強度は下がるので、ｘｍは大きくなり、ＨＢＤのｎ値が増大してしまう。その結果、ＨＢＤのＩ−Ｖ特性の非線形性が弱くなり、検波性能が劣化してしまう。
【００１４】
第２に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のバリア形状が平坦になると、ダイオード電流そのものが変調され、低下することである。これは、バリアの電界強度の低下に伴い、（２）式に示した界面付近の電子熱放出電流を支配するパラメータが、熱放出で律速される状態から、拡散で律速される状態に変化する傾向があることによる（例えば、非特許文献３）。電子輸送メカニズムが拡散律速の傾向になると、実効的なＩS（Ｓj，Ｔ）が下がり、ＨＢＤ電流そのものが低下して、微分抵抗値ＲDの増大と検波電流の減少をもたらす。微分抵抗値ＲDを下げるべくダイオード面積を増大させると、接合容量の増大が起こるので、周波数特性が劣化してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、ＴＨｚ周波数帯でゼロバイアス動作させるＨＢＤにおいて、Ｉ−Ｖ特性の劣化を抑制することにより、良好な検波特性を確保することにある。
【００１６】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、高濃度のｎ形の第１の半導体層と、前記第１の半導体層と比較してより小さな電子親和力を有する第２の半導体層と、高濃度のｎ形の第３の半導体層とが順に積層され、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面の前記第２の半導体層側にヘテロバリアが形成され、前記第１の半導体層のドーピングレベルを調整することにより、前記へテロバリアのバリア高さが調整されており、前記第１の半導体層上にアノード電極が形成され、前記第３の半導体層が形成されたサブカソード層上にカソード電極が形成された半導体積層構造を備え、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層と接するアンドープのバリア層と、前記第３の半導体層と接するｎ形のバリア層とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
従来の典型的なＨＢＤにおける「電子のマイナス電荷によるバリア層のバンドの曲り」の問題を解決するため、本発明においては、適切なバリア形状を実現するための手段を提供する。すなわち、第２の半導体層の一部、カソード（第３の半導体層）側にｎ形のドーピング（ドナーの導入）を施した領域を設けることにより、へテロバリアのバンドプロファイルを改善することができ、ＴＨｚ周波数帯においてゼロバイアス動作させるＨＢＤのＩ−Ｖ特性の劣化の問題を解決し、良好な検波特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のＨＢＤの構造を示す図である。
【図２】従来のＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの構造を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの第１の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの第２の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図３に、本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの構造を示す。高濃度のｎ＋−ＩｎＧａＡｓサブカソード層１３Ｂ、高濃度のｎ+−ＩｎＰカソード層１３Ａ（第３の半導体層）、ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂ、アンドープ（＝低濃度）のＩｎＰバリア層１２Ａ（第２の半導体層）、高濃度のｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１１（第１の半導体層）が順に積層され、サブカソード層１３Ｂにカソード電極１５が形成され、アノード層１１にアノード電極１４が形成されている。
【００２１】
このＨＢＤを製作するには、ＭＯ−ＶＰＥ法もしくはＭＢＥ法により、半絶縁性ＩｎＰ基板上に、サブカソード層１３Ｂからアノード層１１まで順にエピタキシャル成長させ、その基板をメサエッチング加工する。その後、アノード電極１４とカソード電極１５とをパタニングして、オーミック接触を形成する。従来のＨＢＴでは、ＩｎＰバリア層をアンドープ（＝低濃度）としていたのに対して、本実施形態では、ＩｎＰバリア層の一部、カソード側にｎ形のドーピング（ドナーの導入）を施した領域を設ける。このｎ形のドーピング領域のドナー分布は、一様であってもよいし、カソード側に向かって増大する形状であっても良い。
【００２２】
本実施形態においては、上述したように、フェルミ準位よりも上にエネルギーが分布する「負の電子電荷」によるバンド形状の平坦化を抑制するために、「正のドナー電荷」によってバンドの曲りを補償する。より詳細には、エネルギーに依存する電子電荷量分布ｎ（ｘ）とドナー電荷量Ｎｄ（ｘ）のバランスによって、バンドプロファイル（ポテンシャル変化）が一意に決まるので、ＩｎＰバリア層のｎ+−ＩｎＰカソード層１３Ａ側にドーピングを施したｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂを設けて、バンドプロファイルを調整する。この様な設計により、カソード側の伝導帯を下降させ、バンドプロファイルが直線的にカソード側に下降するようにし、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のＩｎＰバリアが三角形形状となるようにする。電子に対するポテンシャルのピーク位置ｘｍは、界面付近の電界の上昇に伴ってｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層に近づくので、ｎ値の劣化が抑えられる。
【００２３】
このようにして、本実施形態によれば、従来のＨＢＤにおける「電子電荷によるバンドの曲り」を補償して、「ヘテロ界面付近のバンド平坦化」の問題を改善することにより、良好なＩ−Ｖ特性を確保し、ＴＨｚ周波数帯における受信感度を改善することができる。
【００２４】
図４に、本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの第１の例を示す。フェルミ準位から測るバリア高さｑφB＝１００ｍｅＶとし、ｎ+−ＩｎＰカソード層１３Ａ側にドーピングを施したｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂを設ける。ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂについては、ｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１１とＩｎＰバリア層１２Ａとの界面付近のバリア層内のキャリア濃度と同程度の、一定濃度（ＮD）のドーピングを用い、ドーピング領域を最適な位置に配置した場合のバンドプロファイルの計算結果である。ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂの位置は、バリア高さｑφＢと、バリア層（１２Ａ、１２Ｂ）の幅により調整されるが、ＩｎＰバリア層のカソード側に１／２〜２／３程度の幅で配置することで良好なバンドプロファイルが得られる。この実施形態のＨＢＤの構造の例においては、ｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１１のキャリア濃度を５×１０18／ｃｍ3とし、ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂのカソード側には、幅７００Ａ、ＮD＝１×１０17／ｃｍ3でｎ形不純物を導入している。バリア高さｑφB＝１００ｍｅＶを考慮すると、界面付近のバリア層内のキャリア濃度は、ｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層１１のキャリア濃度の概ね１／５０と見積もることができ、これはｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂのドーピング濃度と同程度になっている。
【００２５】
従来例における計算結果である図２のプロファイル（Ａ）の場合（ｑφB＝１００ｍｅＶ）と比較すると、図４では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のＩｎＰバリア部分が三角形の形状に回復している様子がわかる。界面における電界強度は７．１ｋＶ／ｃｍと計算され、ＩｎＰの移動度を４，０００ｃｍ2／Ｖｓと仮定すると、実効的拡散速度はｖD＝２．８×１０7ｃｍ／ｓと見積もることができる。一方、熱放出速度は、ｖth＝１×１０7ｃｍ／ｓ程度であり、ｖth＜ｖDとなることから、ＨＢＤの電子輸送メカニズムが熱放出で律速される状態となることがわかる。従って、本実施形態によれば、従来のＨＢＤにおける「電子電荷によるバンドの曲り」を補償して、「ヘテロ界面付近のバンド平坦化」の問題を改善することにより、良好なＩ−Ｖ特性を確保し、ＴＨｚ周波数帯における受信感度を改善することができる。
【００２６】
図５に、本発明の一実施形態にかかるＨＢＤの伝導帯端のプロファイルの第２の例を示す。ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂのドーピングをより適正に調整して配置した場合のバンドプロファイルの計算結果である。アンドープのＩｎＰバリア層１２Ａのカソード側には、ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂとして、幅８００Ａ、バリア層１２Ａからカソード層１３Ａに向けてＮD（ｘ）＝４×１０16／ｃｍ3から４×１０17／ｃｍ3まで指数関数的に濃度が増加するようにｎ形不純物を導入している。
【００２７】
図４に示したバンドプロファイルと比較して、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面付近のＩｎＰバリア部分がより良好な三角形の形状になっていることがわかる。ｎ−ＩｎＰバリア層１２Ｂにおける電子のエネルギー分布が指数関数的に変化しているので、上述した一定濃度のバリア層１２よりも、良好なバンドプロファイルが得られる。このようにして、本実施形態によれば、従来のＨＢＤにおける「電子電荷によるバンドの曲り」を補償して、「ヘテロ界面付近のバンド平坦化」の問題を改善することにより、良好なＩ−Ｖ特性を確保し、ＴＨｚ周波数帯における受信感度を改善することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１，１１  高濃度のｎ+−ＩｎＧａＡｓアノード層
２，１２Ａ  アンドープ（＝低濃度）のＩｎＰバリア層
３，１３Ａ  高濃度のｎ+−ＩｎＰカソード層
４，１４  アノード電極
５，１５  カソード電極
１２Ｂ  ｎ−ＩｎＰバリア層
１３Ｂ  高濃度のｎ+−ＩｎＧａＡｓサブカソード層
【図１】
0006489701.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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