(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）、この多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）上に配置されたグレーディッドＡｌＧａＡｓ層（５）、この場合、この層のアルミニウム濃度が、この多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）に対する境界面から出発してＡｌＧａＡｓ層（５）の対向する境界面の方向に減少する、該層（５）、およびＧａＡｓからなる多くドープされた第２ｎ＋層（７）が積層して配置された連続した層を有するエミッタを含む、ガンダイオードであって、
この多くドープされた層（３）に対するＡｌＧａＡｓ層（５）の境界面に、ＧａＡｓからなるドープされなかった中間層（４）が、前記ｎｄＧａＡｓ層（３）のドープ原子のための拡散阻止層及び／又は分離阻止層として配置されていることを特徴とする、上記のガンダイオード。
【請求項２】
珪素又はテルルが、ドープ材であることを特徴とする請求項１に記載のガンダイオード。
【請求項３】
多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）及び／又は多くドープされた第２ｎ＋層（７）は、１０１８ｃｍ−３までの珪素によってドープされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガンダイオード。
【請求項４】
前記ＡｌＧａＡｓ層（５）と前記多くドープされた第２ｎ＋ＧａＡｓ層（７）との間に、更なるドープされなかったＧａＡｓ層（６）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガンダイオード。
【請求項５】
積層構造（３，４，５，６，７）は、その他の層（１，２）上に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガンダイオード。
【請求項６】
積層構造（３，４，５，６，７）は、ｎ−ＧａＡｓ層（２）上に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガンダイオード。
【請求項７】
ｎ−ＧａＡｓ層（２）は、多くドープされた特にＧａＡｓから成るｎ＋層（１）上に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガンダイオード。
【請求項８】
多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）及び該多くドープされた第１層（３）上に配置されたグレーディッドＡｌＧａＡｓ層（５）を有し、この場合、この層のアルミニウム濃度が、この多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）に対する境界面から出発してＡｌＧａＡｓ層（５）の対向する境界面の方向に減少する、該層（５）、およびＧａＡｓからなる多くドープされた第２ｎ＋層（７）、が積層して配置された連続した層を有するエミッタを含む、ガンダイオードの製造方法であって、
上記のガンダイオードの製造方法の間に、前記多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層（３）に対する前記ＡｌＧａＡｓ層（５）の境界面に、ＧａＡｓからなるドープされなかった中間層（４）が、前記ｎｄＧａＡｓ層（３）のドープ原子のための拡散阻止層及び／又は分離阻止層として配置されることを特徴とする、上記の方法。
【請求項９】
前記多くドープされた第２ｎ＋ＧａＡｓ層（７）に対する前記ＡｌＧａＡｓ層（５）の境界面に、ドープされなかったＧａＡｓ層（６）が配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造、特にガンダイオード又はガン発振器用の積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガン効果は、一定で比較的高い電界強度（2000V/cmを超える電界強度）がｎドープされた砒化ガリウムに対して速い電流変動を引き起こす時の現象に関する。結晶が非常に短い場合、これらの電流ゆらぎが関連する振動に変わることが分かっている。これらの変動の周波数は、結晶の長さによって決定されていて、マイクロ波領域内にある。例えばｎドープされた燐化インジウムのようなその他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でも、電界強度が、これらの化合物中で数千V/cmにある臨界値を超えた時に、マイクロ波がこの効果に起因して発生する。この効果は、一般にＩＩＩ／Ｖ族半導体中で発生する。これらのＩＩＩ／Ｖ族半導体のエネルギーバンドは、さほど大きくないエネルギー間隔内に相対最大値及び最小値を有する。その結果、電子が、高いエネルギーバンドに容易に到達する。電子の移動度がより小さい場合、すなわちより小さい電流の強さがより大きい電界強度に属する場合、負性抵抗が存在する。この負性抵抗は、振動の発生及び増幅の前提条件である。ガン効果は、マイクロ波を生成するいわゆるガン発振器で利用される。
【０００３】
したがって、いわゆる一時的な高電界ドメイン(Dipoldomanen)が、所定の電界強度から電子エミッタで発生する。これらの高電界ドメインは、所定の速度で半導体を走行し、コレクタに到達する。これらの高電界ドメインがコレクタに到達して初めて、別の高電界ドメインがエミッタに形成される。したがってエミッタは、高電界ドメインを形成する場合に重要である。荷電粒子が、コレクタで吸収される。
【０００４】
ガンダイオードは、一般にコレクタに指向するＡｌＧａＡｓ層を有するエミッタを備えてもよい。このＡｌＧａＡｓ層は、そのため、このＡｌＧａＡｓ層は、放出する電子に対する電位ジャンプを提供し、同時にこれらの電子をダイオードの活性層に対してエネルギー的に上げるために使用される。
【０００５】
出版物Greenwald 等(Greenwald, Z. Woodard, D.W., Calawa, A.R., Eastman,L. F. (1988). The effect of a high energy Injection on the performance of millimeter wafe gunn oscillators. Solid-State Electronics 31, 1211-1214)から、ガンダイオードが公知である。このガンダイオードは、23％の一定のアルミニウム含有量のＡｌＧａＡｓ層を有する積層構造を備える。
【０００６】
米国特許発明第４，８０１，９８２  号明細書及びＨｕｔｃｈｉｎｓｏｎ等（Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，  Ｓ．，  Ｊ．  Ｓｔｅｐｈａｎｓ，  Ｍ．  Ｃａｒｒ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｊ，  Ｋｅｌｌｙ．  Ｉｍｐｌａｎｔ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｉｎ  ｇｒａｄｅｄ−ｇａｐ  Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ，  ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ３２（９），  ８５１−８５２，  １９９６）  から、変動する、すなわちアルミニウム含有量がコレクタ方向に零から３０％まで線形に上昇するＡｌＧａＡｓ層を配置することが公知である。このようなＡｌＧａＡｓ層は、英語でｇｒａｄｅｄ  ｌａｙｅｒと呼ばれ、以下ではグレーディッド層と呼ぶ。このグレーディッド層は、高濃度のアルミニウム含有量に向かう連続する移行部分として構成され得る。これによって、好ましくは望まない電子反射が低減され、より小さい電子移動度を呈するエネルギーバンドに合うエネルギーを有する電子が注入される。
【０００７】
ガンダイオードの製造温度及び／又は使用温度が高い場合、従来の技術から公知の積層構造は、ＡｌＧａＡｓ層の希望する電位障壁が無効すなわち電気的に不活性であるという不利な特性を呈する。このことは、特に低い入力電圧時に明らかである。何故なら、このときに電流が、電圧の関数として既に線形に上昇しているからである。
【特許文献１】米国特許発明第 4,801,982号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、従来の技術で説明した欠点なしに電流−電圧特性曲線を呈する積層構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、主請求項に記載の積層構造及び並列請求項に記載の方法によって解決される。好適な構成は、それぞれの従属請求項に記載されている。
【００１０】
この積層構造は、以下の重なって配置された連続した層を有する。−多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層、この多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層上に配置されたグレーディッドＡｌＧａＡｓ層、この場合、この層のアルミニウム濃度が、この多くドープされた第１ｎｄＧａＡｓ層に対する境界面から出発してＡｌＧａＡｓ層の対向する境界面の方向に減少する。多くドープされた第２ｎ＋層。これらの多くドープされた層のうちの１つの層に対するＡｌＧａＡｓ層の少なくとも１つの境界面に対して、ドープされなかった中間層が配置されている。
【００１１】
ＡｌＧａＡｓ層及び多くドープされたｎ+ 層は、機能的にはガンダイオード又はガン発振器のエミッタを形成する。エミッタと隣接するこの多くドープされたｎd ＧａＡｓ層は、コレクタ方向に生成される高電界ドメインのエネルギーレベルを微調整するために使用される。
【００１２】
ドープされなかった中間層は、主に同様にＧａＡｓから成る。
【００１３】
このような中間層は、好ましくは電流−電圧特性曲線が著しく非線形な特性すなわち低電圧時のショットキー・タイプの特性を呈するように作用する。
【００１４】
電子を放出するｎ+ ドープされた層の出力部の材料は、好ましくは同様にＧａＡｓである。
【００１５】
本発明のその他の構成では、ＡｌＧａＡｓ層が、隣接する多くドープされた層に対する、すなわち電子を放出するｎ＋ドープされた隣接する層と多くドープされた隣接するｎｄ  ＧａＡｓ層とに対する両境界面に沿ってドープされなかったＧａＡｓ層から成る中間層を有する。これによって、エミッタ側の層及びグレーディッド層のコレクタ側の層の双方が特定の電子構造を有するように、電流−電圧特性曲線がさらに改善される。
【００１６】
このような積層構造は、ガンダイオード及びガン発振器に対する出力積層構造として使用される。このとき、このような電子構成要素に対するその他の層が、多くドープされたｎd ＧａＡｓ層に接合している。
【００１７】
ガン効果を実際に実現する層としての特に少なくドープされたｎ- ＧａＡｓ層が、このような電子構成要素に対するその他の層として電子を放出する層に対向する多くドープされたｎd ＧａＡｓ層の端面に沿って設けられていて、かつ、この端面に続くもう１つの多くドープされたｎ+ 層が、コレクタを形成する層として設けられている。このコレクタ層は、特に同様にＧａＡｓから成り得る。
【００１８】
これらの層のドープ材としては、特に珪素やテルルが考えられる。これらの元素は、好ましくは純粋な電子伝導性を呈する。
【００１９】
本発明の積層構造を製造する方法は、ドープされなかったＧａＡｓ層が多くドープされたｎｄＧａＡｓ層上に被覆されて適度な温度でエピタキシーされるステップを有する。変化するアルミニウム濃度を有するＡｌＧａＡｓ層が、このドープされなかった中間層上に配置される。この濃度は、ＧａＡｓ層から出発して最大値、例えば３０％から零％まで連続して低下する。このとき、もう１つのドープされなかったＧａＡｓ層をＧａＡｓ層上に配置してもよいし又は多くドープされたｎ＋層を直に配置してもよい。したがってこの２番目のドープされなかったＧａＡｓ層は任意である。
【００２０】
しかし、ＧａＡｓから成る多くドープされたｎ+ 層から開始してこれと逆の方法手順で全く同様に実施することも可能である。
【００２１】
この場合、少なくとも１つのドープされなかったＧａＡｓ層が、多くドープされた特に多くドープされたＧａＡｓ層に対するＡｌＧａＡｓ層の境界面のうちの少なくとも１つの境界面に沿って配置されて適度な温度でエピタキシーされる。
【００２２】
当然に、中間層としてのＧａＡｓ層を、多くドープされた層に対するＡｌＧａＡｓ層の両境界面に沿って被覆して適度な温度でエピタキシーしてもよい。
【００２３】
本発明の方法では、好ましくは、ＧａＡｓ層のエピタキシャル成長に対して好ましい選択された約600 ℃の温度の間に、ドープ原子が、ＡｌＧａＡｓ層中に拡散しないか又は分離しない。こうして、このＡｌＧａＡｓ層は、ドープ原子、例えば珪素又はテルルから保護される。したがってこれらのＧａＡｓ層は、積層構造中の多くドープされた領域の隣接するドープ原子に対する拡散阻止層又は分離阻止層の機能を有する。拡散阻止層又は分離阻止層としてのＧａＡｓ層は、積層構造が温度に左右されないで製造され得ることを保証する。したがって、積層構造が、ＧａＡｓに対して理想的な約600 ℃の成長温度で製造され得る。このことには、完成後及び製造中の構成要素の非常に強い加熱が構成要素の温度に依存する分離を招かないという利点がある。
【００２４】
以下に、本発明を２つの実施の形態及び添付された図面に基づいて詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、グレーディッド層としてのＡｌＧａＡｓ層５に対する拡散阻止層又は分離阻止層４，６としての追加のＧａＡｓ層を全く有さない積層構造（積層構造Ａ：従来の技術）、このＧａＡｓ層を１つ有する積層構造（積層構造Ｂ）及びこのＧａＡｓ層を２つ有する積層構造（積層構造Ｃ）による３つの積層構造Ａ−Ｃを概略的に示す。これらの積層構造の個々の層の材料はそれぞれ同一であるものの、その厚さは縦の欄Ａ−Ｃ中に示されたように変更できる。
【００２６】
積層構造Ａ−Ｃでは、多くドープされたｎ+ ＧａＡｓ層１がそれぞれ、ガンダイオードの給電部としてのコレクタである。
【００２７】
給電部としてのコレクタ１は、多くドープされたｎ+ ＧａＡｓ層として4*1018cm-3の珪素でドープされる。少ない珪素ドープ量（1016cm-3）を有しガン効果を起こすｎ- ＧａＡｓ層２が、いわゆる「遷移領域」としてｎ+ ＧａＡｓ層１上に配置されている。ｎd ＧａＡｓ層が、層２上にコレクタ１に対向して配置されている。この層３のドープ量は、積層構造Ａに対しては4*1018cm-3であり、積層構造Ｂ及びＣに対してはそれぞれ1018cm-3である。50ナノメートルの厚さのＡｌＧａＡｓ層５が、10ナノメートルの厚さの多くドープされたｎd ＧａＡｓ層３上に被覆されている。このＡｌＧａＡｓ層５は、多くドープされたｎd ＧａＡｓ層３に対する境界面に沿って30％のアルミニウム濃度を有する。このとき、この濃度は、零％まで連続して減少する。積層構造Ｃでは、最大で32％のアルミニウム濃度が層５中で選択される。多くドープされたｎ+ ＧａＡｓ層７が、4*1018cm-3の珪素でドープされたＡｌＧａＡｓ層５上に配置されている。
【００２８】
積層構造Ｂ及びＣの場合、拡散阻止層又は分離阻止層としてのドープされなかったＧａＡｓ層４が、ｎd ＧａＡｓ層３とＡｌＧａＡｓ層５との間にさらに配置されている。この層は、積層構造Ｂの場合は５ナノメートルの厚さである。積層構造Ｃでは、この厚さはナノメートルの厚さである。さらに積層構造Ｃでは、10ナノメートルの厚さのドープされなかったもう１つのＧａＡｓ層６が、ＡｌＧａＡｓ層５上に配置されている。
【００２９】
図２は、順方向又は逆方向での積層構造Ａ−ＣのＩ−Ｕ特性曲線を比較して示す。
【００３０】
ＧａＡｓに対して理想的な600 ℃の成長温度で析出された積層構造ＡのＩ−Ｕ特性曲線は、ショットキー・タイプの上昇をＩ−Ｕ特性曲線で示さない。むしろこの曲線は、直線から開始する。このことは、オーミック抵抗の特性を示す。さらにこの曲線は、正及び負の供給電圧に対して対称な特性を示す。
【００３１】
これに対して積層構造Ｂでは、拡散阻止層又は分離阻止層をグレーディッドＡｌＧａＡｓ層５の下に挿入したことによって、特性曲線が、非線形に関して明らかに改善され、同時にＡｌＧａＡｓ層の機能が改良される。ショットキー・タイプの特性曲線が、順方向でも逆方向でも明らかに確認することができる。
【００３２】
もう１つの拡散阻止層又は分離阻止層６（積層構造Ｃ）が、グレーディッドＡｌＧａＡｓ層５上に配置されていて、多くドープされた領域からＡｌＧａＡｓ層５中へのドープ原子の拡散が、多くドープされた層に対する両境界面で阻止される場合の特性がさらなる特徴である。このとき、非常に顕著なショットキー・タイプの特性曲線を確認することができる（曲線Ｃ，図２）。
【００３３】
積層構造Ｃに対する特性曲線が、グレーディッドエミッタの作用を明らかに示す一方で、積層構造Ａの場合のＡｌＧａＡｓ層では、その作用が全く確認されない。この効果は、層７又は３からＡｌＧａＡｓ層５中へのドープ材である珪素の拡散又は分離に起因し、層５が電気的にドープされてその作用が変化したことを意味する。
【００３４】
本発明の範囲内では、本発明の積層構造を、注入層として電位障壁を必要とするその他の電子構成要素に対して使用することが考えられる。
【００３５】
グレーディッド層を拡散阻止層又は分離阻止層としてのドープされなかった中間層によって保護するという原理が適用され得るその他の積層構造、例えばＩｎＰを母材にする積層構造が考えられる。この積層構造の場合、ＩｎＰが、ＧａＡｓの代わりに層１〜７の材料として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】グレーディッド層としてのＡｌＧａＡｓ層５に対する拡散阻止層又は分離阻止層４，６としての追加のＧａＡｓ層を全く有さない積層構造（積層構造Ａ：従来の技術）、このＧａＡｓ層を１つ有する積層構造（積層構造Ｂ）及びこのＧａＡｓ層を２つ有する積層構造（積層構造Ｃ）による３つの積層構造Ａ−Ｃを概略的に示す。
【図２】順方向又は逆方向での積層構造Ａ−ＣのＩ−Ｕ特性曲線を比較して示す。
【図１】
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【図２】
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