JP3014359B2 - 量子波干渉層を有した可変容量素子 - Google Patents
量子波干渉層を有した可変容量素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規構造のｎｉｎ又
はｐｉｐ可変容量素子に関する。
はｐｉｐ可変容量素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｎ接合を利用した電圧可変容量
素子が知られている。この容量素子は、高不純物濃度の
ｐ層と低不純物濃度のｎ層とを接合させ、ｎ層のｐ層に
対する境界領域に空乏層を形成して容量素子とするもの
である。この容量素子では、ｐｎ接合に逆バイアス電圧
が印加されると、空乏層幅が拡大され、容量が小さくな
る。このように、逆バイアス電圧の大きさにより容量値
を可変させることができる。
素子が知られている。この容量素子は、高不純物濃度の
ｐ層と低不純物濃度のｎ層とを接合させ、ｎ層のｐ層に
対する境界領域に空乏層を形成して容量素子とするもの
である。この容量素子では、ｐｎ接合に逆バイアス電圧
が印加されると、空乏層幅が拡大され、容量が小さくな
る。このように、逆バイアス電圧の大きさにより容量値
を可変させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電圧可変容
量素子においては、印加電圧に対する容量値の変化率を
大きくすることが要請されている。このことを実現する
ために、上記のｐｎ接合構造を有した可変容量素子にお
いて、低不純物濃度のｎ層において、ｐ層との境界から
の不純物濃度に空間分布を設けることが考慮されてい
る。そして、容量の電圧変化率を大きくするには、この
不純物濃度の分布を非線型に変化させる必要がある。
量素子においては、印加電圧に対する容量値の変化率を
大きくすることが要請されている。このことを実現する
ために、上記のｐｎ接合構造を有した可変容量素子にお
いて、低不純物濃度のｎ層において、ｐ層との境界から
の不純物濃度に空間分布を設けることが考慮されてい
る。そして、容量の電圧変化率を大きくするには、この
不純物濃度の分布を非線型に変化させる必要がある。
【０００４】しかし、この非線型な不純物分布を得るた
めには、加速度電圧を変化させたイオン注入、結晶成長
過程における変調ドーピング等の手法が用いられるが、
不純物の熱拡散があり、正確に設計した通りの非線形分
布を得ることは困難である。よって、容量の電圧変化率
を向上にも限界がある。
めには、加速度電圧を変化させたイオン注入、結晶成長
過程における変調ドーピング等の手法が用いられるが、
不純物の熱拡散があり、正確に設計した通りの非線形分
布を得ることは困難である。よって、容量の電圧変化率
を向上にも限界がある。
【０００５】本発明は、この空乏層の電圧による変化を
不純物分布で実現するのではなく、全く新規な構造によ
り実現するものである。本発明の目的は、容量の電圧変
化率の大きい電圧可変容量素子を実現することである。
又、他の目的は、電圧制御できる容量の値の精度を向上
させることである。
不純物分布で実現するのではなく、全く新規な構造によ
り実現するものである。本発明の目的は、容量の電圧変
化率の大きい電圧可変容量素子を実現することである。
又、他の目的は、電圧制御できる容量の値の精度を向上
させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ｎｉ
ｎ又はｐｉｐ接合を有した量子波干渉層を有した可変容
量素子において、ｉ層において、第１層と第１層よりも
バンド幅の広い第２層の厚さを、ｉ層を伝導するキャリ
アの、各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に
設定した量子波干渉層を設けたことを特徴とする。
ｎ又はｐｉｐ接合を有した量子波干渉層を有した可変容
量素子において、ｉ層において、第１層と第１層よりも
バンド幅の広い第２層の厚さを、ｉ層を伝導するキャリ
アの、各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に
設定した量子波干渉層を設けたことを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、量子波の波長を決定す
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には価電子帯の底付近に設定したことを特徴と
する。
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には価電子帯の底付近に設定したことを特徴と
する。
【０００８】請求項３に記載の発明は、第１層の厚さＤ
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層における注入さ
れる少数キャリアの有効質量、ｍB は第２層における少
数キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入された、第２
層の最低エネルギレベル付近における少数キャリアの運
動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電位
差、ｎW 、ｎB は奇数である。
れる少数キャリアの有効質量、ｍB は第２層における少
数キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入された、第２
層の最低エネルギレベル付近における少数キャリアの運
動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電位
差、ｎW 、ｎB は奇数である。
【０００９】請求項４に記載の発明は、ｎｉｎ又はｐｉ
ｐ接合を有した量子波干渉層を有した可変容量素子にお
いて、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とか
ら成る多重周期層であって、第２層を伝導するキャリア
の運動エネルギを複数の異なる値Ｅk 、第１層における
その各運動エネルギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の
各エネルギに対応した各量子波長をλBk，λWkとする
時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎWkλWk／４の厚
さで、Ｔk 周期繰り返された部分量子波干渉層Ｉk が値
Ｅk の数だけ繰り返し形成された、但し、ｎWk、ｎBkは
奇数、量子波干渉層をｉ層に設けたことを特徴とする。
ｐ接合を有した量子波干渉層を有した可変容量素子にお
いて、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とか
ら成る多重周期層であって、第２層を伝導するキャリア
の運動エネルギを複数の異なる値Ｅk 、第１層における
その各運動エネルギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の
各エネルギに対応した各量子波長をλBk，λWkとする
時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎWkλWk／４の厚
さで、Ｔk 周期繰り返された部分量子波干渉層Ｉk が値
Ｅk の数だけ繰り返し形成された、但し、ｎWk、ｎBkは
奇数、量子波干渉層をｉ層に設けたことを特徴とする。
【００１０】請求項５の発明は、ｉ層において、量子波
干渉層が、所定間隔隔てて、複数従続に配設されている
ことを特徴とする。請求項６の発明は、各量子波干渉層
の間にはキャリアを閉じ込めるキャリア閉込層が形成さ
れていることを特徴とする。請求項７の発明は、キャリ
ア閉込層のバンド幅は第２層のバンド幅に等しいことを
特徴とする。請求項８の発明は、ｉ層に印加される電界
が所定値の時に伝導するキャリアの量子波の波長に対し
て量子波干渉層の各層の厚さが決定されていることを特
徴とする。請求項９の発明は、第１層と第２層との境界
には、第１層と第２層の厚さに比べて充分に薄く、エネ
ルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを特
徴とする。
干渉層が、所定間隔隔てて、複数従続に配設されている
ことを特徴とする。請求項６の発明は、各量子波干渉層
の間にはキャリアを閉じ込めるキャリア閉込層が形成さ
れていることを特徴とする。請求項７の発明は、キャリ
ア閉込層のバンド幅は第２層のバンド幅に等しいことを
特徴とする。請求項８の発明は、ｉ層に印加される電界
が所定値の時に伝導するキャリアの量子波の波長に対し
て量子波干渉層の各層の厚さが決定されていることを特
徴とする。請求項９の発明は、第１層と第２層との境界
には、第１層と第２層の厚さに比べて充分に薄く、エネ
ルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを特
徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、２、３の発明〕本
発明にかかる量子波干渉層の原理を図３に示すｎｉｎ構
造を例として次に説明する。図１（ａ）は、ｉ層に形成
された量子波干渉層の伝導帯を示している。電子が外部
電界により図上左から右方向に伝導するとする。伝導に
寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近に存在する電
子と考えられる。この電子の運動エネルギをＥとする。
すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導する電子は第２層
から第１層へのバンド電位差Ｖにより加速されて、第１
層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋Ｖとなる。又、第１層
Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１層から第２層への
バンド電位差Ｖにより減速されて、第２層Ｂにおける電
子の運動エネルギはＥに戻る。伝導電子の運動エネルギ
は、多重層構造のポテンシャルエネルギによりこのよう
な変調を受ける。
発明にかかる量子波干渉層の原理を図３に示すｎｉｎ構
造を例として次に説明する。図１（ａ）は、ｉ層に形成
された量子波干渉層の伝導帯を示している。電子が外部
電界により図上左から右方向に伝導するとする。伝導に
寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近に存在する電
子と考えられる。この電子の運動エネルギをＥとする。
すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導する電子は第２層
から第１層へのバンド電位差Ｖにより加速されて、第１
層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋Ｖとなる。又、第１層
Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１層から第２層への
バンド電位差Ｖにより減速されて、第２層Ｂにおける電
子の運動エネルギはＥに戻る。伝導電子の運動エネルギ
は、多重層構造のポテンシャルエネルギによりこのよう
な変調を受ける。
【００１２】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数３】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（３） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
る。
【数４】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（４） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（４）式は次式のように
変形できる。
変形できる。
【数５】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（５） この反射率Ｒのｘに対する特性は図２のようになる。
【００１３】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数６】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（６） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
Ｖの関係は
【数７】 Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
【００１４】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数８】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（８）
【００１５】ｉ層に印加する電圧を徐々に大きくして行
くとき、量子波干渉の反射効果が機能しｉ層に存在する
キャリアが流れない間は、ｉ層に存在する電子によりｉ
層の実効的な厚さ、即ち、空乏層の厚さが薄くなり、容
量は大きい。印加電圧を大きくして行くと、量子波干渉
層のバンドのエネルギレベルは外部電圧により図１
（ｂ）、図３（ｂ）のように傾斜する。このようにバン
ドが傾斜すると、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける電子の運
動エネルギＥ＋Ｖ，Ｅは、量子波が進行するにつれて増
加し、次第に第１層Ｗと第２層Ｂの厚さは、反射率が大
きくなる最適条件を満たさなくなる。この結果、印加電
圧の大きさが、電子の運動エネルギを上記の量子波干渉
層の厚さの設計に用いられた運動エネルギを越えさせな
い範囲では、電子の反射が起こり電子による電流は流れ
ない。しかし、印加電圧の大きさが、ｉ層の電子の運動
エネルギを設定された運動エネルギを越えさせる程度に
増加すると、ｉ層中に存在していた電子が、ｉ層の電界
で加速されて移動するようになる。この結果、ｉ層の電
子密度が低下し、ｉ層の実効的な厚さ、即ち、空乏層の
厚さが厚くなり、容量が小さくなる。
くとき、量子波干渉の反射効果が機能しｉ層に存在する
キャリアが流れない間は、ｉ層に存在する電子によりｉ
層の実効的な厚さ、即ち、空乏層の厚さが薄くなり、容
量は大きい。印加電圧を大きくして行くと、量子波干渉
層のバンドのエネルギレベルは外部電圧により図１
（ｂ）、図３（ｂ）のように傾斜する。このようにバン
ドが傾斜すると、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける電子の運
動エネルギＥ＋Ｖ，Ｅは、量子波が進行するにつれて増
加し、次第に第１層Ｗと第２層Ｂの厚さは、反射率が大
きくなる最適条件を満たさなくなる。この結果、印加電
圧の大きさが、電子の運動エネルギを上記の量子波干渉
層の厚さの設計に用いられた運動エネルギを越えさせな
い範囲では、電子の反射が起こり電子による電流は流れ
ない。しかし、印加電圧の大きさが、ｉ層の電子の運動
エネルギを設定された運動エネルギを越えさせる程度に
増加すると、ｉ層中に存在していた電子が、ｉ層の電界
で加速されて移動するようになる。この結果、ｉ層の電
子密度が低下し、ｉ層の実効的な厚さ、即ち、空乏層の
厚さが厚くなり、容量が小さくなる。
【００１６】又、価電子帯においても、エネルギレベル
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なり、さらに、第１層、第２層における正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なるため、電子に対
して反射率を高くするように設定された第１層と第２層
の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子だけを反射させ正孔を反射させないようにすることが
できる。よって、正孔は、印加電圧の小さい値におい
て、ｉ層には存在せず、ｉ層は完全に空乏層化してい
る。
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なり、さらに、第１層、第２層における正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なるため、電子に対
して反射率を高くするように設定された第１層と第２層
の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子だけを反射させ正孔を反射させないようにすることが
できる。よって、正孔は、印加電圧の小さい値におい
て、ｉ層には存在せず、ｉ層は完全に空乏層化してい
る。
【００１７】〔請求項４の発明〕 請求項４の発明は、図４に示すように、第１層と第１層
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から成るｉ層
に形成された量子波干渉層を次のように形成したことを
特徴とする。第１層、第２層を、それぞれ、厚さＤ Wk ，
Ｄ Bk で任意周期Ｔk だけ繰り返して部分量子波干渉層Ｉ
k とする。但し、
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から成るｉ層
に形成された量子波干渉層を次のように形成したことを
特徴とする。第１層、第２層を、それぞれ、厚さＤ Wk ，
Ｄ Bk で任意周期Ｔk だけ繰り返して部分量子波干渉層Ｉ
k とする。但し、
【数９】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ/ ４ [２ｍwk（Ｅk ＋Ｖ) ]1/2 …（９）
【数１０】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ/ ４ (２ｍBkＥk )1/2 …（１０） ここで、Ｅk は第２層に注入される少数キャリアの運動
エネルギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動
エネルギＥ k ＋Ｖを有する少数キャリアの有効質量、ｍ
Bkは第２層における運動エネルギＥ k を有する少数キャ
リアの有効質量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。この
ように形成された部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj
と、ｋの最大値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成
される。
エネルギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動
エネルギＥ k ＋Ｖを有する少数キャリアの有効質量、ｍ
Bkは第２層における運動エネルギＥ k を有する少数キャ
リアの有効質量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。この
ように形成された部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj
と、ｋの最大値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成
される。
【００１８】〔請求項５、６、７〕ｉ層において、多重
層構造の量子波干渉層を所定間隔にて複数従続に配設す
ることで、又、各量子波干渉層の間にキャリアを閉じ込
めるキャリア閉込層を形成することで、容量の増大を効
果的に実現することができる。又、請求項７は、キャリ
ア閉込層のバンド幅を第２層のバンド幅に等しくしてい
る。この構成が図６に示されている。各量子波干渉層Ａ
1 〜Ａ4 が所定の間隔を隔てて設けられており、その各
量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 間の領域がキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3 である。ｉ層に存在する電子がこのキャリア閉込
層Ｃ1 〜Ｃ3 で効果的に閉じ込められ、容量を増加させ
ることができる。印加電圧を増加させると、各量子波干
渉層Ａ1 〜Ａ4 における電子の量子波長が反射条件を満
たされなくなり、ｉ層の電界で加速されて流れる。これ
により、各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3での電子濃度が低
下する結果、容量が小さくなる。このように、外部電圧
により容量を制御することが可能となる。
層構造の量子波干渉層を所定間隔にて複数従続に配設す
ることで、又、各量子波干渉層の間にキャリアを閉じ込
めるキャリア閉込層を形成することで、容量の増大を効
果的に実現することができる。又、請求項７は、キャリ
ア閉込層のバンド幅を第２層のバンド幅に等しくしてい
る。この構成が図６に示されている。各量子波干渉層Ａ
1 〜Ａ4 が所定の間隔を隔てて設けられており、その各
量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 間の領域がキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3 である。ｉ層に存在する電子がこのキャリア閉込
層Ｃ1 〜Ｃ3 で効果的に閉じ込められ、容量を増加させ
ることができる。印加電圧を増加させると、各量子波干
渉層Ａ1 〜Ａ4 における電子の量子波長が反射条件を満
たされなくなり、ｉ層の電界で加速されて流れる。これ
により、各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3での電子濃度が低
下する結果、容量が小さくなる。このように、外部電圧
により容量を制御することが可能となる。
【００１９】〔請求項８〕請求項８は、ｉ層に印加され
る電界が所定値の時に伝導するキャリアの量子波の波長
に対して量子波干渉層の各層の厚さが決定されているこ
とを特徴とする。例えば、図６は、印加電圧Ｖ1 、
Ｖ2 、Ｖ3 の順番で大きくなる場合を示している。ある
印加電圧Ｖの場合に、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 の反射
率が最も大きくなるように設計しても良い。この場合に
は、その印加電圧Ｖの近傍で容量は最大値を示すことに
なる。
る電界が所定値の時に伝導するキャリアの量子波の波長
に対して量子波干渉層の各層の厚さが決定されているこ
とを特徴とする。例えば、図６は、印加電圧Ｖ1 、
Ｖ2 、Ｖ3 の順番で大きくなる場合を示している。ある
印加電圧Ｖの場合に、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 の反射
率が最も大きくなるように設計しても良い。この場合に
は、その印加電圧Ｖの近傍で容量は最大値を示すことに
なる。
【００２０】〔請求項９〕 図５に示すように、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界におい
て、エネルギバンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２
層Ｂに比べて十分に薄いδ層を設けても良い。境界での
反射率は（５）式で得られるが、境界にδ層を設けるこ
とで、バンド電位差Ｖを大きくすることができｘ値が小
さくなる。ｘ値が小さいことから反射率Ｒが大きくな
る。このδ層は、図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗ
の両側の境界に設けられているが、片側の境界だけに設
けても良い。又、δ層は、図５（ａ）に示すように、境
界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底のバンド
が形成されるように設けているが、図５（ｂ）に示すよ
うに、境界に第１層のバンドの底よりもさらに低い底を
有するように形成しても良い。さらに、図５（ｃ）に示
すように、境界に第２層Ｂのバンドの底よりも高い底を
有し、第１層Ｗのバンドの底よりも低い底を有するバン
ドを形成するように、δ層を形成しても良い。このよう
にすることで、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波
の反射率を大きくすることができ、多重層に形成した場
合に全体での量子波の反射率を大きくすることができ
る。
て、エネルギバンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２
層Ｂに比べて十分に薄いδ層を設けても良い。境界での
反射率は（５）式で得られるが、境界にδ層を設けるこ
とで、バンド電位差Ｖを大きくすることができｘ値が小
さくなる。ｘ値が小さいことから反射率Ｒが大きくな
る。このδ層は、図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗ
の両側の境界に設けられているが、片側の境界だけに設
けても良い。又、δ層は、図５（ａ）に示すように、境
界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底のバンド
が形成されるように設けているが、図５（ｂ）に示すよ
うに、境界に第１層のバンドの底よりもさらに低い底を
有するように形成しても良い。さらに、図５（ｃ）に示
すように、境界に第２層Ｂのバンドの底よりも高い底を
有し、第１層Ｗのバンドの底よりも低い底を有するバン
ドを形成するように、δ層を形成しても良い。このよう
にすることで、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波
の反射率を大きくすることができ、多重層に形成した場
合に全体での量子波の反射率を大きくすることができ
る。
【００２１】尚、上記の説明において、ｎｉｎ型におい
て、キャリアを電子で説明したが、本願発明は、ｐｉｐ
型でキャリアを正孔としても同様に成立する。
て、キャリアを電子で説明したが、本願発明は、ｐｉｐ
型でキャリアを正孔としても同様に成立する。
【００２２】
図７は量子波干渉層をｉ層に形成した可変容量素子の断
面図である。GaAsから成る基板１０の上に、n-GaAsから
成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のバッファ層
１２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P から成る厚
さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コンタクト層
１４が形成されている。ｎ形コンタクト層１４の上に
は、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm 、電子濃度
1×1018/cm3のｎ層１６が形成されている。そのｎ層１
６の上には、不純物無添加のｉ層１８が形成され、その
ｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm
、電子濃度1 ×1018/cm3のｎ層２０が形成されてい
る。さらに、そのｎ層２０の上にn-Ga0.51In0.49P から
成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3の第２ｎ形コ
ンタクト層２２とn-GaAsから成る厚さ0.06μm 、電子濃
度 2×1018/cm3の第１ｎ形コンタクト層２４が形成され
ている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μmのAu/
Ge から成る電極２６が形成され、第１ｎ形コンタクト
層２４の上には厚さ0.2 μm のAu/Ge から成る電極２８
が形成されている。
面図である。GaAsから成る基板１０の上に、n-GaAsから
成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のバッファ層
１２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P から成る厚
さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コンタクト層
１４が形成されている。ｎ形コンタクト層１４の上に
は、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm 、電子濃度
1×1018/cm3のｎ層１６が形成されている。そのｎ層１
６の上には、不純物無添加のｉ層１８が形成され、その
ｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm
、電子濃度1 ×1018/cm3のｎ層２０が形成されてい
る。さらに、そのｎ層２０の上にn-Ga0.51In0.49P から
成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3の第２ｎ形コ
ンタクト層２２とn-GaAsから成る厚さ0.06μm 、電子濃
度 2×1018/cm3の第１ｎ形コンタクト層２４が形成され
ている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μmのAu/
Ge から成る電極２６が形成され、第１ｎ形コンタクト
層２４の上には厚さ0.2 μm のAu/Ge から成る電極２８
が形成されている。
【００２３】上記のｉ層１８の中に、不純物無添加のGa
0.51In0.49P から成る第１層Ｗと不純物無添加のAl0.51
In0.49P から成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波
干渉層Ａ1 、これと同様な構成の量子波干渉層Ａ2,…,
Ａ4 が全体で４組設けられている。１つの量子波干渉層
Ａ1 の詳細なバンド構造が図８に示されている。第１層
Ｗの厚さは5nm 、第２層Ｂの厚さは7nm であり、第２層
Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ1.3nm の不純物無添加のAl
0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層が形成されている。
又、各量子波干渉層Ａi,Ａi+1 間には厚さ177nm 、不純
物無添加のAl0.51In0.49P から成るキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3 が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの
条件は、外部電圧が印加されていない状態で、上記した
（１）、（２）式で決定されている。
0.51In0.49P から成る第１層Ｗと不純物無添加のAl0.51
In0.49P から成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波
干渉層Ａ1 、これと同様な構成の量子波干渉層Ａ2,…,
Ａ4 が全体で４組設けられている。１つの量子波干渉層
Ａ1 の詳細なバンド構造が図８に示されている。第１層
Ｗの厚さは5nm 、第２層Ｂの厚さは7nm であり、第２層
Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ1.3nm の不純物無添加のAl
0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層が形成されている。
又、各量子波干渉層Ａi,Ａi+1 間には厚さ177nm 、不純
物無添加のAl0.51In0.49P から成るキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3 が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの
条件は、外部電圧が印加されていない状態で、上記した
（１）、（２）式で決定されている。
【００２４】尚、ｎ層２０又はｎ層１６に接合する第２
層Ｂは0.05μm である。又、基板１０は、２インチ径の
大きさであり、基板の主面は面方位(100) に対して15°
方位[011] 方向にオフセットしている。
層Ｂは0.05μm である。又、基板１０は、２インチ径の
大きさであり、基板の主面は面方位(100) に対して15°
方位[011] 方向にオフセットしている。
【００２５】この電圧可変容量素子は、ガスソースＭＢ
Ｅ法により製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶の
エレメント材料全てを固体ソースから供給する従来形の
ＭＢＥ法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(A
sH3,PH3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,
Ga,Al)は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結
晶成長法である。
Ｅ法により製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶の
エレメント材料全てを固体ソースから供給する従来形の
ＭＢＥ法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(A
sH3,PH3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,
Ga,Al)は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結
晶成長法である。
【００２６】上記の構成の可変容量素子において、ｎ層
２０とｎ層１６との間に電圧Ｖを印加すると、ｉ層１８
が絶縁性であるので、図６（ａ）に示すように、ｉ層１
８に電位傾斜を生じる。尚、図６においてはδ層は明示
されていないが、実際には、図８（ａ）に示すように、
δ層が存在する。外部電圧が０Ｖから図６（ａ）に示す
Ｖ1 までは、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 は電子を反射す
るために、ｉ層１８に存在する電子はｉ層を伝導しな
い。即ち、電子は各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に閉じ込
められる。この結果、実効的な空乏層の幅が短くなり、
電極２６、２８間の静電容量は大きい。
２０とｎ層１６との間に電圧Ｖを印加すると、ｉ層１８
が絶縁性であるので、図６（ａ）に示すように、ｉ層１
８に電位傾斜を生じる。尚、図６においてはδ層は明示
されていないが、実際には、図８（ａ）に示すように、
δ層が存在する。外部電圧が０Ｖから図６（ａ）に示す
Ｖ1 までは、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4 は電子を反射す
るために、ｉ層１８に存在する電子はｉ層を伝導しな
い。即ち、電子は各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に閉じ込
められる。この結果、実効的な空乏層の幅が短くなり、
電極２６、２８間の静電容量は大きい。
【００２７】電極２６、２８間の印加電圧Ｖが次第に大
きくなると、電子の運動エネルギーが大きくなり、量子
波長は短くなる。この結果、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4
の反射条件が満たされなくなり、電子が伝導し、各キャ
リア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 の電子濃度が減少する。この結
果、各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 が空乏層化するため、
等価的にｉ層の空乏層の幅が大きくなったことになり、
容量が低下する。このように、印加電圧Ｖを増大させる
に従って、容量を小さくすることができる。
きくなると、電子の運動エネルギーが大きくなり、量子
波長は短くなる。この結果、各量子波干渉層Ａ1 〜Ａ4
の反射条件が満たされなくなり、電子が伝導し、各キャ
リア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 の電子濃度が減少する。この結
果、各キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 が空乏層化するため、
等価的にｉ層の空乏層の幅が大きくなったことになり、
容量が低下する。このように、印加電圧Ｖを増大させる
に従って、容量を小さくすることができる。
【００２８】上記の可変容量素子において、電圧Ｖをバ
イアス電圧として与えた時の交流の容量値を、電圧Ｖを
変化させて測定した。測定結果を図９に示す。交流信号
は１００ｋＨｚと１ＭＨｚである。特性Ｘが１ＭＨｚの
時の特性であり、印加電圧Ｖが０．６Ｖ以上となると、
容量が急激に小さくなっていることが分かる。又、特性
Ｙは１００ｋＨｚの時の特性であり、０．７Ｖで最大と
なっていることが分かる。又、特性Ｚは従来のｐｎ接合
型の電圧可変容量素子の特性を示している。本実施例素
子の特性Ｘ，Ｙからも明白なように、０．８Ｖより大き
い領域での容量の電圧変化率が、従来素子よりも大きく
なっていることが理解される。
イアス電圧として与えた時の交流の容量値を、電圧Ｖを
変化させて測定した。測定結果を図９に示す。交流信号
は１００ｋＨｚと１ＭＨｚである。特性Ｘが１ＭＨｚの
時の特性であり、印加電圧Ｖが０．６Ｖ以上となると、
容量が急激に小さくなっていることが分かる。又、特性
Ｙは１００ｋＨｚの時の特性であり、０．７Ｖで最大と
なっていることが分かる。又、特性Ｚは従来のｐｎ接合
型の電圧可変容量素子の特性を示している。本実施例素
子の特性Ｘ，Ｙからも明白なように、０．８Ｖより大き
い領域での容量の電圧変化率が、従来素子よりも大きく
なっていることが理解される。
【００２９】上記実施例の他、図４に示すように、ｉ層
に形成される量子波干渉層を部分量子波干渉層Ｔ1 〜Ｔ
j の繰り返しで形成した場合にも、上記と同様な容量電
圧特性が得られた。上記実施例では、δ層を形成してい
る。δ層を形成することで、反射率を向上させることが
できるが、δ層がなくとも多重反射による反射率の増加
の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。又、上記
実施例では、Ａ1 〜Ａ4 の４つの量子波干渉層をキャリ
ア閉込層Ｃを介在させて直列に接続したが、ｉ層に１つ
の量子波干渉層を形成しても良い。又、量子波干渉層を
Ga0.51In0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成した
が、４元系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値)
で組成比を異にして形成しても良い。さらに、量子波干
渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合
物半導体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構
成することが可能である。
に形成される量子波干渉層を部分量子波干渉層Ｔ1 〜Ｔ
j の繰り返しで形成した場合にも、上記と同様な容量電
圧特性が得られた。上記実施例では、δ層を形成してい
る。δ層を形成することで、反射率を向上させることが
できるが、δ層がなくとも多重反射による反射率の増加
の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。又、上記
実施例では、Ａ1 〜Ａ4 の４つの量子波干渉層をキャリ
ア閉込層Ｃを介在させて直列に接続したが、ｉ層に１つ
の量子波干渉層を形成しても良い。又、量子波干渉層を
Ga0.51In0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成した
が、４元系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値)
で組成比を異にして形成しても良い。さらに、量子波干
渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合
物半導体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構
成することが可能である。
【００３０】なお、上記実施例では、ｉ層を不純物無添
加としたが、わずかにドナー不純物、又は、アクセプタ
不純物を添加するようにしても良い。
加としたが、わずかにドナー不純物、又は、アクセプタ
不純物を添加するようにしても良い。
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図３】本発明の概念を説明するための説明図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の概念及び実施例素子の構造を説明する
ための説明図。
ための説明図。
【図７】本発明の具体的な一実施例に係るｎｉｎ可変容
量素子の構造を示した断面図。
量素子の構造を示した断面図。
【図８】その実施例に係るｎｉｎ可変容量素子における
量子波干渉層の詳細なエネルギダイヤグラム。
量子波干渉層の詳細なエネルギダイヤグラム。
【図９】その実施例素子の交流容量の電圧特性を示した
測定図。
測定図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｉ層 ２０…ｎ層 ２２…第２ｎ形コンタクト層 ２４…第１ｎ形コンタクト層 ２６，２８…電極 Ａ1 〜Ａ4 …量子波干渉層 Ｂ…第２層 Ｗ…第１層 Ｃ，Ｃ1 〜Ｃ3 …キャリア閉込層
フロントページの続き (56)参考文献 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29，Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ｐｐ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ｐｐ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 33/00 H01S 5/30 H01L 27/04 H01L 29/06 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (9)
- 【請求項１】 ｎｉｎ又はｐｉｐ接合を有した量子波干
渉層を有した可変容量素子において、 ｉ層において、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層の厚さを、前記ｉ層を伝導するキャリアの、各層に
おける量子波の波長の４分の１の奇数倍に設定した量子
波干渉層を設けたことを特徴とする量子波干渉層を有し
た可変容量素子。 - 【請求項２】 前記量子波の波長を決定するための前記
キャリアの運動エネルギをキャリアが電子である場合に
は第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔である場合
には価電子帯の底付近に設定したことを特徴とする請求
項１に記載の量子波干渉層を有した可変容量素子。 - 【請求項３】 前記第１層における前記量子波の波長λ
W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
キャリアの有効質量、Ｅは第２層に流入されるキャリア
の運動エネルギー、Ｖは第１層に対する第２層のバンド
電位差、ｎW 、ｎB は奇数であることを特徴とする請求
項１又は請求項２のいずれか１項に記載の量子波干渉層
を有した可変容量素子。 - 【請求項４】 ｎｉｎ又はｐｉｐ接合を有した量子波干
渉層を有した可変容量素子において、 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とから成る
多重周期層であって、前記第２層を伝導するキャリアの
運動エネルギを複数の異なる値Ｅk 、前記第１層におけ
るその各運動エネルギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層
の各エネルギに対応した各量子波長をλBk，λWkとする
時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎWkλWk／４の厚
さで、Ｔk 周期繰り返された部分量子波干渉層Ｉk が前
記値Ｅkの数だけ繰り返し形成された、但し、ｎWk、ｎ
Bkは奇数、量子波干渉層を前記ｉ層に設けたことを特徴
とする可変容量素子。 - 【請求項５】 前記ｉ層において、前記量子波干渉層
が、所定間隔にて、複数従続に配設されていることを特
徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の
量子波干渉層を有した可変容量素子。 - 【請求項６】 前記各量子波干渉層の間にはキャリアを
閉じ込めるキャリア閉込層が形成されていることを特徴
とする請求項５に記載の量子波干渉層を有した可変容量
素子。 - 【請求項７】 前記キャリア閉込層のバンド幅は前記第
２層のバンド幅に等しいことを特徴とする請求項６に記
載の量子波干渉層を有した可変容量素子。 - 【請求項８】 前記ｉ層に印加される電界が所定値の時
に伝導する前記キャリアの量子波の波長に対して前記量
子波干渉層の各層の厚さが決定されていることを特徴と
する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の量子
波干渉層を有した可変容量素子。 - 【請求項９】 前記第１層と前記第２層との境界には、
前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載
の量子波干渉層を有した可変容量素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4107398A JP3014359B2 (ja) | 1998-02-06 | 1998-02-06 | 量子波干渉層を有した可変容量素子 |
| US09/245,299 US6331716B1 (en) | 1998-02-06 | 1999-02-05 | Variable capacity device with quantum-wave interference layers |
| EP99102297A EP0935294A1 (en) | 1998-02-06 | 1999-02-05 | Variable capacity device with quantum-wave interference layers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4107398A JP3014359B2 (ja) | 1998-02-06 | 1998-02-06 | 量子波干渉層を有した可変容量素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11233798A JPH11233798A (ja) | 1999-08-27 |
| JP3014359B2 true JP3014359B2 (ja) | 2000-02-28 |
Family
ID=12598282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4107398A Expired - Fee Related JP3014359B2 (ja) | 1998-02-06 | 1998-02-06 | 量子波干渉層を有した可変容量素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3014359B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1909384A3 (en) * | 2006-10-06 | 2015-11-25 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Rectifier circuit with variable capacitor, semiconductor device using the circuit, and driving method therefor |
-
1998
- 1998-02-06 JP JP4107398A patent/JP3014359B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９９０，ｐｐ．Ｌ１９７７−Ｌ１９８０ |
| 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．１５（ＥＤ９１ １−７），１９９１，ｐｐ．１５−２１ |
| 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．２（ＯＱＥ９１ １−１７），１９９１，ｐｐ．７３−７８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11233798A (ja) | 1999-08-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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