(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型導電性の第１の半導体からなるコレクタ層と、ｎ型導電性の第２の半導体からなるエミッタ層と、ｐ型導電性の第３の半導体からなりかつ前記第１および第２の半導体とタイプIIのヘテロ接合を形成する量子井戸層と、前記第１の半導体の電子に対して障壁となる第１障壁層と、前記第２の半導体の電子に対して障壁となる第２障壁層とが、前記コレクタ層、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、エミッタ層の順に積層されてなる共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記第１障壁層および第２障壁層がアルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなり、
前記第１および第２の半導体がインジウム砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導体がガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）であり、
ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる前記第３の半導体が、８から１２の原子層からなり、
前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【請求項２】
ｎ型導電性の第１の半導体からなるコレクタ層と、ｎ型導電性の第２の半導体からなるエミッタ層と、ｐ型導電性の第３の半導体からなりかつ前記第１および第２の半導体とタイプIIのヘテロ接合を形成する量子井戸層と、前記第１の半導体の電子に対して障壁となる第１障壁層と、前記第２の半導体の電子に対して障壁となる第２障壁層とが、前記コレクタ層、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、エミッタ層の順に積層されてなる共鳴トンネルダイオードにおいて、
前記第１障壁層および第２障壁層がアルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなり、
前記第１および第２の半導体がインジウム砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導体がガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）であり、
ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる前記第３の半導体が、１０の原子層からなり、
前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速素子、機能素子に利用される共鳴トンネルダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共鳴トンネル現象は１ｐｓ以下の超高速現象として知られており、既に、微分負性抵抗を使用した、７００ＧＨｚを超える発振周波数を有する共鳴トンネルダイオードが報告されている。さらに、共鳴トンネルダイオードの負性抵抗特性を有効に使うための、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と共鳴トンネルダイオードを接続した複合デバイスも実現されている。
【０００３】
図４は、従来の共鳴トンネルダイオードの層構造の一例を示す断面図である。
【０００４】
図４において、４０１はｎ型ＧａＡｓ結晶基板、４０２はｎ型ＧａＡｓコレクタ層、４０３はＡｌＧａＡｓ第１障壁層、４０４はｎ型ＧａＡｓ量子井戸層、４０５はＡｌＧａＡｓ第２障壁層、４０６はｎ型ＧａＡｓエミッタ層、４０７はコレクタ電極、４０８はエミッタ電極である。
【０００５】
図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ結晶基板４０１上に、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４０２、ＡｌＧａＡｓ障壁層４０３、ｎ型ＧａＡｓ量子井戸層４０４、ＡｌＧａＡｓ障壁層４０５、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層４０６を、通常の分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）により順次成長させ、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４０２、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層４０６のそれぞれに接続するコレクタ電極４０７、エミッタ電極４０８を形成することにより素子構造が得られる。
【０００６】
図５は、図４に示した従来の共鳴トンネルダイオードの４０２〜４０６の積層構造に対応するバンド構造を示す図である。
【０００７】
図５において、５０１は伝導帯の下端、５０２は価電子帯の上端、ＥfEはエミッタ領域のフェルミ準位、５０３は量子井戸層４０４における電子の基底準位、５０４は量子井戸層４０４における電子の第１励起準位、５０５は障壁層４０３、４０５内のＸ点である。
【０００８】
本素子を動作させるためには、バイアス電圧ＶCEをエミッタ・コレクタ間に印加させる。
【０００９】
図６は、そのような動作状態のバンド構造を示す図である。
【００１０】
図６において、ｅＶCEは、エミッタ・コレクタ間にバイアス電圧ＶCEをかけたときのエミッタ・コレクタ間のポテンシャルの差である。
【００１１】
エミッタ・コレクタ電圧ＶCEを増加させ、基底準位５０３がエミッタのフェルミ準位ＥfEより低くなると、共鳴トンネルにより、エミッタ４０６（図４）から量子井戸４０４への電子の注入が起こり、その大部分はコレクタ４０２側へ抜ける。バイアス電圧ＶCEをさらに増加させると、基底準位５０３がエミッタ領域４０６の伝導帯の下端５０１より低下し、共鳴トンネルが抑止される。この結果、エミッタ・コレクタ電圧ＶCEの増加に対してエミッタ・コレクタ間の電流が減少するという、負性コンダクタンスが得られるため、機能ゲート、発振素子としても利用されている。
【００１２】
しかし、常温で存在するエネルギーの高い状態の電子は、基底準位５０３以外に、例えば、障壁層のＸ点５０５や第１励起準位５０４などを通り、エミッタからコレクタへ抜けることが可能である。その結果、電子の基底準位５０３を介した共鳴トンネルが抑止されるバイアス状態であっても電流が生じる。また、このような電流を抑制するために障壁層の厚さを厚くすることが考えられるが、この場合、ピーク電流密度が低下する。このため、共鳴トンネルが抑止されるバイアス状態における電流値の抑制とピーク電流密度の向上が両立しないという問題点があった。
【００１３】
この問題点を解決する目的で、タイプIIのヘテロ接合を用いて、共鳴トンネル以外の電流成分を禁止帯によって抑制する共鳴バンド間トンネルダイオード構造が提案されている。
【００１４】
図７は、この共鳴バンド間トンネルダイオードのバンド構造の一例を示す図で、（ａ）はバイアス電圧Ｖバイアスが０Ｖの場合、（ｂ）はバイアス電圧ＶバイアスがＶoff resonanceの場合である。
【００１５】
図７において、７０１はｎ型ＩｎＡｓエミッタ層、７０２はＡｌＳｂ障壁層、７０３はｐ型ＧａＳｂ量子井戸層、７０４はＡｌＳｂ障壁層、７０５はｎ型ＩｎＡｓコレクタ層、７０６は伝導帯の下端、７０７は価電子帯の下端、ＥfEはエミッタ領域のフェルミ準位、７０８はＧａＳｂ量子井戸層７０３における軽い正孔の基底準位、ｅＶoff resonanceはエミッタ・コレクタ間に、共鳴トンネルの禁止されるバイアスＶoff resonanceをかけたときのエミッタ・コレクタ間のポテンシャルの差、７０９はＩｎＡｓエミッタ層７０１から注入される電子である。
【００１６】
共鳴トンネルが抑制されるバイアスＶoff resonanceをかけ、エミッタ・コレクタ間のポテンシャルの差がｅＶoff resonanceの状態では、ＩｎＡｓエミッタ層７０１から注入される電子７０９は、ＧａＳｂ量子井戸層７０３の禁止帯によりＩｎＡｓコレクタ層７０５へ抜けることを妨げられている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来提案されてきた構造においては、ＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚さが、２３モノレイヤ（原子層）程度あるいはそれ以上であった（ザ インスティテュート オブ フィジクス コンファレンス(Inst. Phys. Conf.) Ser. No.136
: Chapter 4 pp.209）。
【００１８】
図８は、図７に示した構造における、軽い正孔の基底状態の共鳴準位を計算した結果を示す図である。
【００１９】
図８において、８０１はＧａＳｂ量子井戸層７０３（図７）内の価電子帯の上端から測ったＩｎＡｓエミッタ層７０１内の伝導帯の下端のポテンシャル、８０２はＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚さを変えたときの軽い正孔の基底状態の共鳴準位Ｅres、８０３は従来提案されていた構造のうち最も薄い２３モノレイヤ（ＭＬ）の厚さのＧａＳｂ量子井戸層７０３の共鳴準位である。
【００２０】
図８に示した本発明者らの計算結果から、ＧａＳｂ量子井戸層７０３の厚さが２３モノレイヤの場合のＧａＳｂ量子井戸層７０３内の軽い正孔の基底状態の共鳴準位８０３はＩｎＡｓエミッタ層７０１の伝導帯の下端から約７０ｍｅＶのところにあることが確認された。この構造の共鳴トンネルダイオードのピーク電流密度は、軽い正孔の共鳴準位を主に介してトンネルして入ることが、本発明者らの実験から確認されており、また、ピーク電流密度は軽い正孔の共鳴準位の幅に近似的には比例するとしてよいことが知られている。一定の障壁の厚さの場合、共鳴準位に対する実効的な障壁の高さが低いほど、軽い正孔の共鳴準位の幅は広くなることが知られているが、従来提案されていた構造における共鳴準位８０３の位置は、先に述べたとおり、ＩｎＡｓエミッタ層７０１の伝導帯の下端から７０ｍｅＶの高さにあり、必要以上に障壁の実効的な高さを高くしているという問題点があることが、本発明者らの計算から確認された。このため、一定の障壁厚さの構造において、ピーク電流密度が十分に高くできていないという問題点があった。
【００２１】
本発明の目的は、一定の障壁厚さを持つ構造に対して、ピーク電流対バレイ電流比を低下させることなく、ピーク電流密度を向上させる共鳴トンネルダイオードの構造を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、量子井戸層内の軽い正孔の共鳴準位が、エミッタ層の伝導帯の下端の直上となるような厚さの量子井戸層を用いることを、最も大きな特徴としている。従来の技術とは、量子井戸層の厚さが異なる。
【００２３】
すなわち、本発明は、ｎ型導電性の第１の半導体からなるコレクタ層と、ｎ型導電性の第２の半導体からなるエミッタ層と、ｐ型導電性の第３の半導体からなりかつ前記第１および第２の半導体とタイプIIのヘテロ接合を形成する量子井戸層と、前記第１の半導体の電子に対して障壁となる第１障壁層と、前記第２の半導体の電子に対して障壁となる第２障壁層とが、前記コレクタ層、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、エミッタ層の順に積層されてなる共鳴トンネルダイオードにおいて、前記第１障壁層および第２障壁層がアルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなり、前記第１および第２の半導体がインジウム砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導体がガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）であり、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる前記第３の半導体が、８から１２の原子層からなり、前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴とする。
【００２４】
また、ｎ型導電性の第１の半導体からなるコレクタ層と、ｎ型導電性の第２の半導体からなるエミッタ層と、ｐ型導電性の第３の半導体からなりかつ前記第１および第２の半導体とタイプIIのヘテロ接合を形成する量子井戸層と、前記第１の半導体の電子に対して障壁となる第１障壁層と、前記第２の半導体の電子に対して障壁となる第２障壁層とが、前記コレクタ層、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、エミッタ層の順に積層されてなる共鳴トンネルダイオードにおいて、前記第１障壁層および第２障壁層がアルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）からなり、前記第１および第２の半導体がインジウム砒素（ＩｎＡｓ）であり、かつ、前記第３の半導体がガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）であり、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる前記第３の半導体が、１０の原子層からなり、前記量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、前記エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にあることを特徴とする。
【００２７】
本発明では、量子井戸層として、量子井戸層内の軽い正孔の準位が、エミッタ層内の伝導帯の下端の直上となる厚さに設定されているので、次の作用が生じる。
【００２８】
ピーク電流密度は、共鳴準位の幅に近似的に比例すると考えてよいことが知られている。さらに、共鳴準位の幅は、障壁の厚さが一定のとき、その共鳴準位に対する障壁の実効的な高さが低いほど、広くなることが知られている。
【００２９】
したがって、一定厚さの障壁を持つ構造に対しては、共鳴準位に対する実効的な障壁の高さを低くすることにより、ピーク電流密度を向上させることができる。
【００３０】
さらに、ｎ型導電性のエミッタ層、コレクタ層、およびｐ型導電性を持つ量子井戸層からなる共鳴トンネルダイオード構造の場合、エミッタ層から量子井戸層へ入射する電子に対する実効的な障壁の高さは、入射電子が量子井戸層内の価電子帯において持つエネルギーと、量子井戸層内の価電子帯における障壁の高さとの差になるので、入射電子がエミッタ層からコレクタ層に共鳴トンネルする際に介する量子井戸層内の正孔の共鳴準位が下がる（正孔のエネルギーとして上がる）ほど、実効的な障壁高さは低くなる。
【００３１】
一方、正孔の共鳴準位が下がり（正孔のエネルギーとして上がり）、エミッタ層内の伝導帯の下端よりも下がると、エミッタ層内からコヒーレントに量子井戸層内に入射する電子が量子井戸層内に存在できる状態が消滅するので、共鳴トンネルができなくなり、ピーク電流密度は急激に減少する。
【００３２】
したがって、本発明のように、量子井戸層内の軽い正孔の基底準位が、エミッタ層内の伝導帯の下端の直上となるよう量子井戸層の厚さを取ると、共鳴トンネルが存在し、かつ、実効的な障壁高さが最小となる作用がある。
【００３３】
そのため、共鳴準位の幅が最大となり、ピーク電流密度を最大にすることができる。
【００３４】
また、共鳴準位を下げる（正孔のエネルギーとして上げる）ことにより、バレイ電流が上昇することはないので、ピーク電流対バレイ電流比が小さくなることはない。
【００３５】
以上のように、高いピーク電流対バレイ電流比を小さくすることなく、一定障壁厚さの構造において、ピーク電流密度を向上させることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態の共鳴トンネルダイオードの層構造の一例を示す断面図である。
【００３７】
図１において、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板、１０２はｎ型ＩｎＡｓコレクタ層、１０３はＡｌＳｂ第１障壁層、１０４はｐ型ＧａＳｂ量子井戸層、１０５はＡｌＳｂ第２障壁層、１０６はｎ型ＩｎＡｓエミッタ層、１０７はＴｉ／Ａｕからなるエミッタ電極、１０８は同じくＴｉ／Ａｕからなるコレクタ電極である。
【００３８】
本実施の形態の特徴は、その量子井戸層１０４の厚さにある。ＧａＳｂ量子井戸層１０４の厚さは１０モノレイヤである。
【００３９】
また、図２は、本実施の形態の共鳴トンネルダイオードのバンド構造を示す図である。
【００４０】
図２において、２０１は伝導帯の下端、２０２は価電子帯の上端、２０３はＧａＳｂ量子井戸層１０４内の正孔の基底準位である。
【００４１】
この積層構造は、通常の分子線エピタキシ成長法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、各層を連続的に成長することで形成した。また、図１に示したエミッタ、コレクタの各オーミック電極１０７、１０８も、通常のＩｎＧａＡｓ材料系プロセス技術により形成した。
【００４２】
本構造においては、量子井戸層１０４が、厚さ１０モノレイヤのＧａＳｂから構成されており、前述の図８で示した計算結果からわかるように、このＧａＳｂ量子井戸層１０４の厚さは、該ＧａＳｂ量子井戸層１０４内の軽い正孔の共鳴準位２０３を、ＩｎＡｓエミッタ層１０６内の伝導帯の下端２０１の直上に形成するものである。
【００４３】
図３は、この積層構造をもつ素子のＧａＳｂ量子井戸層６０４の厚さを変え、ピーク電流密度を実際に測定した結果を示す図である。
【００４４】
３０１、３０２、３０３はそれぞれＡｌＳｂ障壁層１０３、１０５の厚さが７モノレイヤ（ＭＬ）、５モノレイヤ、３モノレイヤの場合の共鳴トンネルダイオードについてのピーク電流密度の測定結果を示す。
【００４５】
この図に示された実験結果からわかるように、ＡｌＳｂ障壁層１０３および１０５の厚さに関わらず、ＧａＳｂ量子井戸層６０４の厚さが１０モノレイヤのときに最大のピーク電流密度が得られていることがわかる。したがって、ＧａＳｂ量子井戸層１０４の厚さを、ＩｎＡｓエミッタ層１０２内の伝導帯の下端２０１の直上に、ＧａＳｂ量子井戸層１０４内の軽い正孔の基底準位２０３がくるように構成することにより、一定のＡｌＳｂ障壁層厚さの構造において、最大のピーク電流密度を得ることができた。このとき、バレイ電流の上昇は、ほとんど確認されなかったので、ピーク電流対バレイ電流比の劣化は見られなかった。
【００４６】
ここでは、１０モノレイヤの厚さの例をとって説明したが、ここで述べた効果は８から１２モノレイヤのときも得られることは明らかである。
【００４７】
このように、本実施の形態によれば、ＧａＳｂ量子井戸層内の軽い正孔の共鳴準位を、ＩｎＡｓエミッタ層の伝導帯の下端の直上にしたので、共鳴トンネルが存在する条件のもとで障壁の実効的な高さを最小とすることができた。そのため、共鳴トンネルが存在する条件のもとで最大の共鳴準位の幅を得ることができた。また、共鳴準位が伝導帯の下端の直上にすることによるバレイ電流の上昇は認められなかった。このため、一定の障壁幅を持つ共鳴トンネルダイオード構造において、ピーク電流対バレイ電流比を下げることなく、ピーク電流密度を向上することができた。
【００４８】
さらに、ここでの実施の形態はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ系を例に取って説明したが、ｎ型エミッタおよびコレクタ層、ｐ型量子井戸層からなる同様の構造を有する共鳴トンネル障壁構造に対しても、ｎ型エミッタ層内の伝導帯の下端の直上に、ｐ型量子井戸層内の共鳴準位がくるようにｐ型量子井戸層の厚さを決めても、全く同様の効果が得られた。
【００４９】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、量子井戸層内の軽い正孔の共鳴準位を、エミッタ層内の伝導帯の下端の直上にすることにより、共鳴トンネルが存在する条件のもとで障壁の実効的な高さを最小とすることができる。そのため、この条件のもとで、最大の共鳴準位の幅を得ることができる。なお、共鳴準位が伝導帯の下端の直上にすることによるバレイ電流の上昇は認められないため、一定の障壁幅を持つ共鳴トンネルダイオード構造において、ピーク電流対バレイ電流比を下げることなく、ピーク電流密度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の共鳴トンネルダイオードの層構造の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示した共鳴トンネルダイオードのバンド構造を示す図である。
【図３】図１に示した共鳴トンネルダイオードのＧａＳｂ量子井戸層の厚さを変え、ピーク電流密度を実際に測定した結果を示す図である。
【図４】従来の共鳴トンネルダイオードの構造の一例を示す断面図である。
【図５】図４に示した従来の共鳴トンネルダイオードの積層構造に対応するバンド構造を示す図である。
【図６】図４に示した従来の共鳴トンネルダイオードの動作状態のバンド構造を示す図である。
【図７】共鳴バンド間トンネルダイオードのバンド構造の一例を示す図で、（ａ）はバイアス電圧Ｖバイアスが０Ｖの場合、（ｂ）はバイアス電圧ＶバイアスがＶoff resonanceの場合である。
【図８】図７に示した構造における、軽い正孔の基底状態の共鳴準位を計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型ＩｎＡｓコレクタ層、１０３…ＡｌＳｂ第１障壁層、１０４…ｐ型ＧａＳｂ量子井戸層、１０５…ＡｌＳｂ第２障壁層、１０６…ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層、１０７…エミッタ電極、１０８…コレクタ電極、
２０１…伝導帯の下端、２０２…価電子帯の上端、２０３…ＧａＳｂ量子井戸層１０４内の正孔の基底準位、
４０１…ｎ型ＧａＡｓ結晶基板、４０２…ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、４０３…ＡｌＧａＡｓ第１障壁層、４０４…ｎ型ＧａＡｓ量子井戸層、４０５…ＡｌＧａＡｓ第２障壁層、４０６…ｎ型ＧａＡｓエミッタ層、４０７…コレクタ電極、４０８…エミッタ電極、
５０１…伝導帯の下端、５０２…価電子帯の上端、ＥfE…エミッタ領域のフェルミ準位、５０３…量子井戸層４０４における電子の基底準位、５０４…量子井戸層４０４における電子の第１励起準位、５０５…障壁層４０３、４０５内のＸ点、ｅＶCE…エミッタ・コレクタ間のポテンシャルの差、
７０１…ｎ型ＩｎＡｓエミッタ層、７０２…ＡｌＳｂ障壁層、７０３…ｐ型ＧａＳｂ量子井戸層、７０４…ＡｌＳｂ障壁層、７０５…ｎ型ＩｎＡｓコレクタ層、７０６…伝導帯の下端、７０７…価電子帯の下端、ＥfE…エミッタ領域のフェルミ準位、７０８…ＧａＳｂ量子井戸層における軽い正孔の基底準位、ｅＶoff resonance…エミッタ・コレクタ間に共鳴トンネルの禁止されるバイアスＶoff resonanceをかけたときのエミッタ・コレクタ間のポテンシャル差、７０９…ＩｎＡｓエミッタ層７０１から注入される電子、
８０１…ＧａＳｂ量子井戸層内の価電子帯の上端から測ったＩｎＡｓエミッタ層内の伝導帯の下端のポテンシャル、８０２…ＧａＳｂ量子井戸層の厚さを変えたときの軽い正孔の基底状態の共鳴準位Ｅres、８０３…従来提案されていた構造のうち最も薄い２３モノレイヤの厚さのＧａＳｂ量子井戸層の共鳴準位。
【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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