(57)【要約】【課題】電子デバイスの応答周波数は、従来型の構造だけでは限界があること。従来の電子デバイスの応答周波数の改善は微細化技術にのみ頼っており、ナノサイズの量産化技術が非常に困難であること。【解決手段】電子を注入する側の構造に、量子化準位を作り、さらに、それら量子化準位間エネルギーをＬＯフォノンエネルギーの整数倍にするよう設計する。これにバイアス電界を印加することで、量子化準位間における電子緩和は非弾性散乱、つまりフォノンボトルネック効果が起きる。量子井戸を通過した電子は非常にコヒーレントな状態で、位相ノイズをこれまでのデバイスノイズ限界以下に低減できる。ノイズの低減効果は数１００ＧＨｚ以上において起きると理論的に予測されており、数１００ＧＨｚ〜ＴＨｚ帯における低ノイズ電子デバイスが期待できる。【選択図】        図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子構造内にある電子のサブバンド間エネルギー緩和過程で、ＬＯフォノン散乱によるフォノンボトルネック効果を起こすように、量子井戸層厚とその材料、さらにバイアス電界条件を選定して、ｐｓ以下の電子エネルギー緩和と非弾性電子散乱を発生させ、数１００ＧＨｚ以上の超高周波域において量子限界に迫る低ノイズ（主に位相ノイズ）なキャリア移動が実現するデバイスとなるように構成したことを特徴とする超高速フォノンデバイス。
【請求項２】
前記量子井戸材料として、電子とフォノンとの相互作用が強く、分極性が高いＩＩ−ＶＩ族化合物材料を用いたことを特徴とする請求項１記載の超高速フォノンデバイス。
【請求項３】
フォノン散乱を受ける電子の運動エネルギーが、与えられた前記バイアス電界条件と共鳴するように、ＤＣ電圧とＡＣ電圧の周波数条件を選定したことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の超高速フォノンデバイス。
【請求項４】
前記量子井戸層厚とその材料の選定は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造では、ＧａＡｓ井戸層厚を２１〜３０ｎｍとし、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ（“ｘ”はＣｄの混晶比で、０＜ｘ＜０．３程度）ＭＱＷ構造では、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ井戸層厚を９〜２０ｎｍとしたアノード・カソード間構造を持つ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、もしくは、その構造をエミッターに有するヘテロバイポーラトランジスター（ＨＢＴ）としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超高速フォノンデバイス。
【請求項５】
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ─ＭＱＷ構造の井戸層厚／最終段井戸層厚の組み合わせを２８ｎｍ／１４ｎｍもしくは２３ｎｍ／１１．３ｎｍとし、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ─ＭＱＷ構造の井戸層厚／最終段井戸層厚の組み合わせを１９．５ｎｍ／１０ｎｍもしくは１４ｎｍ／７ｎｍもしくは１１．５ｎｍ／５．５〜５．９ｎｍとして、コヒーレントなホットエレクトロン状態を利用し、高周波域でのノイズ特性を改善した、アノード・カソード間構造を持つ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、もしくは、その構造をエミッターに有するヘテロバイポーラトランジスター（ＨＢＴ）としたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超高速フォンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、利用周波数が数１００から数ＴＨｚ域に及ぶ超高周波デバイスに関するもので、デバイス内部で電子のエネルギー緩和が可能な電子デバイスや光デバイス等のデバイス全てに適用可能な超高速フォノンデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子デバイスにおける電子輸送制御法は、電界効果によるものが主流で、それに加えて量子井戸構造やヘテロ構造などの構造による電子移動の制御を組み合わせたものであった。ＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジスタ）においては、エミッター・コレクター間のバイアス電圧によってエミッター電位を高め、ホットエレクトロン状態にした電子がエネルギーの低いベースを飛び越えてコレクターに緩和するホットエレクトロントランジスター（ＨＥＴ、図１参照）、エミッターに量子井戸構造を導入して、ＨＥＴに対してエミッタ内での共鳴トンネル効果を加え、より低ノイズで高速動作を可能にした共鳴トンネルホットエレクトロントランジスター（ＲＨＥＴ、図２参照）等がある。その後、ＨＢＴの性能は、コレクタ障壁層の削除、コレクタ電極の平面配置、エミッター・コレクター間の縮小、ベース電極の縮小、エミッターのドープ濃度低減化等によるエミッターからベース間の全ての電気容量を極力小さくし、より短い充放電時間を実現する方法や、より高い電子移動度材料の選択などで高速化改良が行われているが、より微細なプロセスでは歩留まりが悪化し、異種物質の導入やそれらの組み合わせが、プロセス技術上必ずしも容易ではないなどの問題があり、ＨＢＴの最大発振周波数（ｆｍａｘ）は現状で３００ＧＨｚに充たない。もう一つの高周波デバイスである高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ）であっても、ｆｍａｘは７００ＧＨｚ以下であり、現状のデバイス構造とプロセス技術の延長では性能向上における限界が近づいている。さらに、井戸層内部の量子準位間において、上位準位から下位準位への緩和現象を積極的に使うことは無く、むしろデバイス動作上の障害とされてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、電子デバイスの応答周波数は、従来型の構造だけでは限界があり、電子デバイス性能、特に周波数特性向上の為に必要な微細かつ精密な加工プロセスが、より困難になりつつある。また、従来の電子デバイスの応答周波数の改善は微細化技術にのみ頼っており、ナノサイズの量産化技術が非常に困難である。
【０００４】
本発明は、このような現状に鑑みなれたものであり、例えば、電子の散乱過程で、ＬＯフォノン散乱によるボトルネック効果を効果的に起こすよう設計された量子構造と材料および印加するバイアス電界条件との組み合わせにより、非常に早い緩和と非弾性電子散乱を発生させ、数１００ＧＨｚ以上の超高速域においてコヒーレントなキャリア移動を実現することによって、数１００ＧＨｚ以上の応答帯域を可能とし、電子デバイスのキャリア応答周波数限界を１０００ＧＨｚ以上まで拡大する電子デバイスを実現することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨を説明する。
【０００６】
量子構造内にある電子のサブバンド間エネルギー緩和過程で、ＬＯフォノン散乱によるフォノンボトルネック効果を起こすように、量子井戸層厚とその材料、さらにバイアス電界条件を選定して、ｐｓ以下の電子エネルギー緩和と非弾性電子散乱を発生させ、数１００ＧＨｚ以上の超高周波域において量子限界に迫る低ノイズ（主に位相ノイズ）なキャリア移動が実現するデバイスとなるように構成したことを特徴とする超高速フォノンデバイスに係るものである。
【０００７】
また、前記量子井戸材料として、電子とフォノンとの相互作用が強く、分極性が高いＩＩ−ＶＩ族化合物材料を用いたことを特徴とする請求項１記載の超高速フォノンデバイスに係るものである。
【０００８】
また、フォノン散乱を受ける電子の運動エネルギーが、与えられた前記バイアス電界条件と共鳴するように、ＤＣ電圧とＡＣ電圧の周波数条件を選定したことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の超高速フォノンデバイスに係るものである。
【０００９】
また、前記量子井戸層厚とその材料の選定は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造では、ＧａＡｓ井戸層厚を２１〜３０ｎｍとし、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ（“ｘ”はＣｄの混晶比で、０＜ｘ＜０．３程度）ＭＱＷ構造では、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ井戸層厚を９〜２０ｎｍとしたアノード・カソード間構造を持つ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、もしくは、その構造をエミッターに有するヘテロバイポーラトランジスター（ＨＢＴ）としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超高速フォノンデバイスに係るものである。
【００１０】
また、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ─ＭＱＷ構造の井戸層厚／最終段井戸層厚の組み合わせを２８ｎｍ／１４ｎｍもしくは２３ｎｍ／１１．３ｎｍとし、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ─ＭＱＷ構造の井戸層厚／最終段井戸層厚の組み合わせを１９．５ｎｍ／１０ｎｍもしくは１４ｎｍ／７ｎｍもしくは１１．５ｎｍ／５．５〜５．９ｎｍとして、コヒーレントなホットエレクトロン状態を利用し、高周波域でのノイズ特性を改善した、アノード・カソード間構造を持つ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、もしくは、その構造をエミッターに有するヘテロバイポーラトランジスター（ＨＢＴ）としたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超高速フォンデバイスに係るものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
好適と考える本発明の実施の形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。
【００１２】
電子を注入する側の構造に、量子化準位を作り、さらに、それら量子化準位間エネルギーをＬＯフォノンエネルギーの整数倍にするよう設計する。これにバイアス電界を印加することで、量子化準位間における電子緩和は非弾性散乱、つまりフォノンボトルネック効果が起きる。量子井戸を通過した電子は非常にコヒーレントな状態で、位相ノイズをこれまでのデバイスノイズ限界以下に低減できる。ノイズの低減効果は数１００ＧＨｚ以上において起きると理論的に予測されており、数１００ＧＨｚ〜ＴＨｚ帯における低ノイズ電子デバイスが期待できる。
【００１３】
更に説明すれば、例えば、材料選択については、電子の散乱過程で、ＬＯフォノン散乱を効果的に利用するために、電子フォノン相互作用が比較的強いＩＩ−ＶＩ族またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が望ましい。
【００１４】
デバイス内部で電子がエネルギー緩和する部分に量子構造を導入するが、この部分のエネルギー構造を量子井戸（厚さＷ）、量子細線（幅Ｌ）、量子ドット（直径Ｄ）などによりサブバンドエネルギー準位（Ｅｎ）へ量子化する。ただしこのサブバンド間のエネルギー差を、量子構造を構成する物質のＬＯフォノンエネルギー（ＥＬＯ）の整数倍になるように量子サイズ（Ｗ，  Ｌ，  Ｄ）を制御する（図３）。量子構造の設計サイズの目安としては、単一量子構造内部で電子または正孔におけるＥｎを計算予測する。量子井戸場合、Ｅｎの計算手法はすでに確立されており、障壁層ポテンシャルの高さを無限とした第一次近似としては次式
【数１】
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を使って求められる。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの場合、電子に対するサブバンド間のＥｎの差は以下のようになる。サブバンド量子数ｎ＝１とｎ＝２との間では、Ｗ（ＧａＡｓ層厚さ）＝３０ｎｍで〜１８ｍｅＶ（＝１ＬＯ）、Ｗ＝２１ｎｍで〜３７ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、同ｎ＝２とｎ＝３との間では、Ｗ＝２８ｎｍで〜３７ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、Ｗ＝２３ｎｍで〜５５ｍｅＶ（＝３ＬＯ）、などとなり、これらの井戸層厚を選択する（図４参照）。障壁層のエネルギー高さ、井戸層および障壁層の有効質量差なども考慮したより精密な計算は、Ｄ．  Ｇｅｒｓｈｏｎｉ他Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ３８，  ｐ．  ７８７０，  １９９８を参考とする。これを基にし、歪み効果も考慮してＩＩ−ＶＩ族化合物に対して計算した場合は、Ｈ．  Ｊ．  Ｌｏｚｙｋｏｗｓｋｉ他Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ６９，  ｐ．  ３２３６，  １９９１を参考とし、以下のようになる。Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ量子井戸（Ｃｄ混晶比＝０．１４）の場合の、電子に対するサブバンドレベル間エネルギー差は、サブバンド量子数ｎ＝１とｎ＝２との間で、Ｗ＝１４．５ｎｍで〜３０ｍｅＶ（＝１ＬＯ）、Ｗ＝９ｎｍで〜６０ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、Ｗ＝７ｎｍで〜９０ｍｅＶ（＝３ＬＯ）となり、これらの井戸層厚を選択する。
【００１５】
通常、電子デバイス動作時には、バイアス電圧（Ｖｂ）を印加するが、バイアス電界により加速された電子は、その散乱課程で、特に常温においてはＬＯフォノン散乱を強く受ける。
【００１６】
以上の条件下で、電子デバイスを構成すると、内部のキャリアは、あるＤＣバイアスまたはそれとＡＣバイアスを加えた条件下で、量子構造内部の電子が電界及びＬＯフォノンと共鳴し、エネルギー緩和過程においてＬＯフォノンによるキャリアの非弾性散乱、即ちフォノンボトルネック効果（図３）が起きる。
【００１７】
フォノンボトルネック効果が効果的に起きるよう設計された量子構造と材料および印加するバイアス電界条件との組み合わせにより、複数の周波数域で非弾性散乱が起き、その為、時間遅れに相当する位相ノイズが減少する。この場合、非常に早い電子エネルギー（おそらくｐｓ以下で）緩和が発生する。この効果によって、１００ＧＨｚ以上の周波数域で非常に低ノイズのキャリア移動が可能になることが理論的に予測されている（参考、Ｒ．  Ｍｉｃｋｅｖｉｃｉｕｓ他Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ７５，  ｐ．９７３，  １９９４）。この低ノイズな非弾性散乱を利用し、１００ＧＨｚ以上の超高周波帯域において非常に低ノイズ（主に位相ノイズ）な電子デバイスを実現する。
【００１８】
また、量子構造部分の製作は、従来からあるＭＢＥ（分子線エピタキシー）法により可能である。
【００１９】
もっとも基本的な利用法は共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）である。量子井戸層内に、図３の条件を満たす量子構造をつくり、アノード層側から量子井戸内の上位の量子化準位へ電子をトンネルさせる。量子井戸内では電子はフォノンボトルネック効果により非常に早く最低量子化準位へ緩和し、その後カソード側へトンネルする。もし効果的なフォノンボトルネック効果が起き、カソード側障壁層で上位準位からのトンネルを防ぐことができれば、最低準位からのトンネルが大きくなる。その為には多重量子構造にバイアス電界を印加すれば良い。これにより、隣接する量子井戸間で共鳴出来る準位間のみトンネルする上、ＬＯフォノンと結合した電子は、フォノンボトルネック効果による非弾性散乱によって、上位準位から下位準位へ非常に早く量子井戸内で緩和することで上位準位からのトンネルリークは防ぐことができる（図５）。こうしてフォノンボトルネック効果を介してトンネルした電子は位相がそろった、よりコヒーレントな状態にあり、数１００ＧＨｚ以上の超高速域において非常に低ノイズ（主に位相ノイズ）動作が可能となる。図６は図５に対して量子井戸層の最下層だけ量子化準位を高くなるよう設計し、カソード側のバンドエネルギーより電子エネルギーをさらに高くし、ホットエレクトロンを積極的に利用するための改良案で、より高速応答が期待できる。
【００２０】
ＨＢＴ構造に適用する場合は、エミッター層内に図３の条件を満たす多重量子構造障壁を設ける（図７）。材料選択と量子構造部分のサブバンド間のエネルギー差を制御し、動作時のエミッター・ベース間バイアス電界を最適化することで、上記ＲＴＤと同様に、エミッターを通過する電子は、数１００ＧＨｚ以上の超高周波数域において非常に低ノイズ（主に位相ノイズ）のホットエレクトロン状態になる。これはコヒーレントかつ高エネルギーの電子であり、これをコレクター側で受けることにより、数１００ＧＨｚ以上で低ノイズな電子移動が可能となる。この条件下では、従来のデバイスに対して周波数限界を飛躍的に拡大出来る。図８は図７に対して量子井戸層の最下層だけ量子化準位を高くなるよう設計し、コレクター側のバンドエネルギーより電子エネルギーをさらに高くし、ホットエレクトロンを積極的に利用するための改良案で、より高速応答が期待できる。
【００２１】
以上のＲＴＤおよびＨＢＴにおける形態は、従来の製造方法で十分に対応でき、電子線露光法などのナノオーダーの微細加工技術を必要とせず、製造面でのコスト削減、歩留まり向上も実現できる。
【００２２】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００２３】
図９は、ＲＴＤに対する実施例１の断面図であって、図５のエネルギー帯図を実現するように、量子井戸層はＩＩＩ−Ｖ属（Ｇａ、Ａｓ，  Ｇａ、Ｎ，  Ａｌ、Ｉｎ、Ｐなどからなる）化合物もしくはＩＩ−ＶＩ属（Ｚｎ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｍｇなどからなる）化合物とする。井戸層の厚さは（１ｎｍ〜数１０ｎｍ）とし、化合物の混晶比（結晶性の品質維持のために数１０％以下）を制御し、井戸層内の量子化準位がその井戸層の物質のＬＯフォノンエネルギー（ＧａＡｓの例で〜１８ｍｅＶ、ＺｎＳｅで〜３１ｍｅＶ）と同じになるようにする。
【００２４】
図１０は、ホットエレクトロンを利用するためのＲＴＤに対する実施例２の断面図であって、図６のエネルギー帯図を実現するように、量子井戸層は実施例１に加え、電子が通過する最終層で量子化準位が高くなるように、井戸層厚さを薄く（サブｎｍ〜数ｎｍ）し、混晶比を高くする。
【００２５】
図１１は、ＨＢＴに対する実施例３の断面図であって、図７のエネルギー帯図を実現するように、量子井戸層はＩＩＩ−Ｖ属（Ｇａ、Ａｓ，  Ｇａ、Ｎ，  Ａｌ、Ｉｎ、Ｐなどからなる）化合物もしくはＩＩ−ＶＩ属（Ｚｎ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｍｇなどからなる）化合物とする。井戸層の厚さは（１ｎｍ〜１０ｎｍ）とし、化合物の混晶比（結晶性の品質維持のために数１０％以下）を制御し、井戸層内の量子化準位がその井戸層の物質のＬＯフォノンエネルギー（ＧａＡｓの例で〜１８ｍｅＶ、ＺｎＳｅで〜３１ｍｅＶ）と同じになるようにする。
【００２６】
図１２は、ホットエレクトロンを利用するためのＨＢＴに対する実施例４の断面図であって、図８のエネルギー帯図を実現するように、量子井戸層は実施例３に加え、電子が通過する最終層で量子化準位が高くなるように、井戸層厚さを薄く（サブｎｍ〜数ｎｍ）し、混晶比を高くする。
【００２７】
井戸層厚と混晶比の設計方法については、既に述べた予測計算に基づいて、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの場合、ＧａＡｓ層厚さＷ＝３０ｎｍで〜１８ｍｅＶ（＝１ＬＯ）、Ｗ＝２１ｎｍで〜３７ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、Ｗ＝２８ｎｍで〜３７ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、Ｗ＝２３ｎｍで〜５５ｍｅＶ（＝３ＬＯ）などを適用する。
【００２８】
Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ／ＺｎＳｅ量子井戸では、Ｃｄ混晶比＝０．１４の場合、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ層厚さＷ＝１４．５ｎｍで〜３０ｍｅＶ（＝１ＬＯ）、Ｗ＝９ｎｍで〜６０ｍｅＶ（＝２ＬＯ）、Ｗ＝７ｎｍで〜９０ｍｅＶ（＝３ＬＯ）などを適用する。
【００２９】
【発明の効果】
１：電子デバイス内部において、非常に早い緩和と非弾性電子散乱を使い、数１００ＧＨｚ以上の超高速域において非常に低ノイズ（主に位相ノイズ）のキャリア移動を実現できる。
【００３０】
２：従来の製造方法で十分に対応でき、電子線露光法などのナノオーダーの微細加工技術を必要とせず、製造面でのコスト削減、歩留まり向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型のホットエレクトロントランジスター（ＨＥＴ）のエネルギー帯図と構造図である。
【図２】従来型の共鳴ホットエレクトロントランジスター（ＲＨＥＴ）のエネルギー帯図と構造図である。
【図３】量子化準位とフォノンボトルネック効果の説明図である。
【図４】ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子構造におけるサブバンド間エネルギー差をＬＯフォノンの整数倍にするための量子井戸膜厚の選定例である。
【図５】フォノンボトルネック効果を利用したＲＴＤのエネルギー帯図である。
【図６】フォノンボトルネック効果とホットエレクトロンを使う為のＲＴＤのエネルギー帯図である。
【図７】フォノンボトルネック効果をエミッターに利用したＨＢＴのエネルギー帯図である。
【図８】フォノンボトルネック効果とホットエレクトロンを使う為のＲＨＥＴのエネルギー帯図である。
【図９】フォノンボトルネック効果を利用したＲＴＤの構造図（実施例１）である。
【図１０】フォノンボトルネック効果とホットエレクトロンを利用する為のＲＴＤの構造図（実施例２）である。
【図１１】フォノンボトルネック効果をエミッターに利用したＨＢＴの構造図（実施例３）である。
【図１２】フォノンボトルネック効果とホットエレクトロンを利用する為のＲＨＥＴの構造図（実施例４）である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004153167.tif 000014
【図１２】
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