JP5171539B2 - 共鳴トンネル構造体 - Google Patents

Description

本発明は、共鳴トンネル構造体に関する。

近年、テラヘルツ波（本明細書では３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波である。）を通信、セキュリティー、医療などの産業分野へ応用するための研究開発が活発に行われている。テラヘルツ波は、物質透過性と直進性を備え、物体からの反射信号や透過信号により、物体の内部情報を高分解能で取得することが出来る。そのため、以下に記載する様に、様々な非破壊及び非侵襲の検査技術が開発されてきている。
・Ｘ線の代用として、物体の透視イメージングを安全に行う技術
・物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態を調べる分光技術
・超伝導材料のキャリア濃度や移動度を評価する技術
・生体分子（ＤＮＡやたんぱく質）の解析技術
上記技術を実用化していく上で必要不可欠な開発要素の一つとして、テラヘルツ光源の開発が挙げられる。これまでに、フェムト秒レーザ励起光伝導素子や、非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波パラメトリック発振器といったレーザ装置を用いた発生方法が開発されてきている。また、ＢＷＯやジャイロトロンといった小型電子真空管や自由電子レーザなどの大型電子線加速器を用いた発生方法なども開発されてきている。これらの方法は、周波数可変且つ高出力であるため様々な材料の指紋スペクトル同定など特殊な用途に威力を発揮するが、大型の励起光源や真空管を必要とする為、装置の小型化や低消費電力化には限界がある。

そこで、テラヘルツ波の領域で動作する電流注入型の発振素子として、量子カスケードレーザや共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下ＲＴＤと記す）を用いた構造などが検討されている。これらの発振素子は、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波発振を実現させるものである。

例えば、特許文献１に示されているようなＲＴＤ型の発振素子は、１ＴＨｚ近傍で室温動作するものとして期待されている。

特許文献１では、２重障壁型のＲＴＤを活性層とした素子を用いている。これにより、図１０に示すような電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性で微分負性抵抗１００１が観測される。２重障壁型のＲＴＤは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＡｓトンネル障壁層とから構成されている。また、２重障壁型のＲＴＤを活性層として、基板表面に平面状に形成したアンテナ構造の共振器に組み込むことにより、図１０に示すような微分負性抵抗１００１の領域の近傍で、電磁波１００２を発振させることができる。

このような２重障壁型のＲＴＤを活性層とした素子を用いた場合、微分負性抵抗による利得や、注入できる電流密度により発振周波数と発振出力が制限される。

発振出力の点からは、電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性における電流のピーク値と、微分負性抵抗領域における傾きとの比であるピーク対バレー比を大きくすることが望まれる。

特許文献２には、ＲＴＤのピーク対バレー比を大きくする構成として、ＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長されたＩｎ０．０７Ｇａ０．９３ＡｓとＧａＡｓからなる量子井戸層と、ＡｌＡｓからなるトンネル障壁層で構成された３重障壁ＲＴＤが提案されている。２つ量子井戸層をそれぞれ異なる２つの組成を用いて構成する。このような量子井戸層を備える３重障壁ＲＴＤにすることで、電圧印加時に共鳴トンネル現象によりピーク電流が生じる構造にすることができる。これにより、ピーク対バレー比の増大を達成している。
特開２００７−１２４２５０号公報 特公平６−３０３９９号公報

ＲＴＤ型の発振素子の周波数としては、単一の素子で複数（例えば２周波）の周波数を有することが望まれる。しかし、特許文献１と２のいずれも、単一の周波数での発振しか実現できていない。

本発明の目的は、複数の基本発振周波数を発振させるための共鳴トンネル構造体の提供である。

本発明に係る共鳴トンネル構造体は、３つ以上のトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層と、キャリアを有する第１及び第２の電気接点層と、を備え、且つ、前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含み構成される共鳴トンネル構造体であって、前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有しており、前記共鳴トンネル構造体は、前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥ_ｂ１、Ｅ_ｂ２としたときに、前記共鳴トンネル構造体に対して、無電界時には、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３を満たし、且つ、第１電界印加時には、前記エネルギーＥ _ｂ１ と前記第１の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとが共鳴し、且つ、前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記エネルギーＥ _ｂ２ と前記第２の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとが共鳴する構造であることを特徴とする。

以上説明した本発明によれば、第１電界印加時と前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時において、複数の基本発振周波数を発振させることのできる共鳴トンネル構造体を提供できる。

本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、少なくとも以下の構成からなる。
（ａ）３つ以上のトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層
（ｂ）キャリアを有する第１及び第２の電気接点層
（ｃ）前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含む
（ｄ）前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有す
（ｅ）前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥ_ｂ１、Ｅ_ｂ２としたときに、
前記共鳴トンネル構造体に対して、無電界時には、
（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３を満たす
（ｆ）第１電界印加時には、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる
（ｇ）前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる。

（３つのトンネル障壁層、キャリアが電子）
本実施形態に係る共鳴トンネル構造体について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を表している。

ここで、図１の共鳴トンネル構造体は、３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層の場合を想定しているが、こうした関係の３つのサブバンドを少なくとも有していれば本発明のトンネル障壁層の数はこれに限定されるものではない。最低限必要な、３つ以上のトンネル障壁層であれば良い。

例えば、隣り合う２つの量子井戸に３つのサブバンドを有し（図１（ａ）のバンド構造）、さらに第１のトンネル障壁層１０１や第３のトンネル障壁層１０３側に隣接するトンネル障壁層がある場合である。

また、図１の共鳴トンネル構造体は、キャリアが電子である場合を想定しているが、本発明のキャリアはこれに限定されるものではなく、正孔（ホール）でも良い。なお、キャリアが正孔（ホール）の場合は、共鳴トンネル構造体の価電子帯のエネルギーバンド構造を用いることにより説明することができる。

本実施形態に係る共鳴トンネル構造層は、第１のトンネル障壁層１０１と、第２のトンネル障壁層１０２と、第３のトンネル障壁層１０３と、を含み構成されている。また、共鳴トンネル構造層は、第１のトンネル障壁層１０１と第２のトンネル障壁層１０２との間に介在する第１の量子井戸層１０４と、第２のトンネル障壁層１０２と第３のトンネル障壁層１０３との間に介在する第２の量子井戸層１０５とを含み構成されている。

また、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、キャリアを有する第１の電気接点層１０６と第２の電気接点層１０７とを含み構成されている。また、前記共鳴トンネル構造体は、前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含み構成されている。

さらに、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、前記キャリアに対するエネルギーがＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３となる第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドからなるサブバンドを、少なくとも３つ有している。

本実施形態に係る前記第１の量子井戸層１０４は、前記第２サブバンドを少なくとも有している。また、本実施形態に係る前記第２の量子井戸層１０５は、前記第１及び第３サブバンドを少なくとも有している。

ここで、前記第１の電気接点層１０６及び第２の電気接点層１０７におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥ_ｂ１、Ｅ_ｂ２とする。

このとき、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、無電界時には、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３を満たす。

また、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、第１電界Ｖａ印加時には、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる構造である。

さらに、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、前記第１電界と極性の異なる第２電界Ｖｂ印加時には、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる構造である。

なお、第１及び第２の電気接点層は、第１電界印加時に第３サブバンドと第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じ、且つ、第２電界印加時に第２サブバンドと第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じるようにキャリアを有している。

ここで、共鳴トンネル現象は、互いに異なる量子井戸層に閉じ込められたサブバンドのエネルギーがほぼ等しいとき（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）に起こり得る。とくに、キャリアを供給する層のバンド端のエネルギーとフェルミエネルギー近傍の間においてこうした現象が起こると共鳴的に大きな電流が流れるようになる。

また、共鳴トンネル現象において、サブバンドのエネルギーの高い側から低い側へ電子が遷移するとき、電磁波を放出し（フォトンアシストトンネリング）、電流―電圧グラフに負性抵抗が現れる。

また、第１、第２、第３サブバンドは、それぞれのエネルギーの大小関係が（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３を満たし、且つ、上記の共鳴トンネル現象が生じるように、共鳴トンネル構造体の有する量子井戸層にあれば良い。３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造体を例にすると、第２サブバンドを第２の量子井戸層１０５が有し、且つ、第１及び第３サブバンドを第１量子井戸層１０４が有していても良い。

（第２の量子井戸層を中心に非対称）
本実施形態の共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。

前記第１の量子井戸層の膜厚と第２の量子井戸層の膜厚とが異なるように構成する。これにより、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３の関係を容易に得ることができる。

ただし、本発明は前記第１の量子井戸層の膜厚と第２の量子井戸層の膜厚とが異なる構成に限定されるものではなく、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３の関係を満たすように構成されていれば良い。

上記の構成以外にも、前記第１の量子井戸層の材料と第２の量子井戸層の材料とが異なる構成にすることが考えられる。例えば、前記第１の量子井戸層の材料におけるバンド端と第２の量子井戸層の材料におけるバンド端とをオフセットさせて、Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３の関係を得ることができる。ただし、この場合は、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１を満たす様にオフセットを限定しないと第１サブバンドと第２サブバンドとによる共鳴トンネル効果が得られない。

（トンネル障壁層の高さが異なる）
本実施形態の共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。

共鳴トンネル構造体に対して無電界時に、前記第１又は前記第３のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーが、前記第２のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーよりも大きいように構成する。これにより、第２サブバンドと第３サブバンドとによる共鳴トンネル効果において、ピーク対バレー比を大きくすることができる。典型的な場合、第３サブバンドと第２サブバンドとによる共鳴トンネル効果を得るための電界強度は、第２サブバンドと第１サブバンドとによる共鳴トンネル効果を得るための電界強度よりも大きい。
ここで、本発明は上記構成に限定されるものではない。

（電気接点層がｎ型半導体）
本実施形態に係る共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。

前記第１の電気接点層と第２の電気接点層がｎ型半導体となるように構成する。これにより、キャリアに電子を選ぶことが出来る。電子は、正孔（ホール）に比べて比較的移動度が高いことで知られている。

ただし、本発明は上記構成に限定されるものでないことは言うまでもない。

また、キャリアに対するエネルギーがＥ_１であるサブバンドとは、エネルギー準位がＥ_１と換言できる。Ｅ_２とＥ_３も同様である。

以下、本発明に係る実施例について説明する。

（実施例１：共鳴トンネルダイオード）
実施例１について、図２から５を用いて説明する。

図２は、本実施例に係る３重障壁共鳴トンネル構造体を有する共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の構造を説明するための模式図である。

図３は、本実施例に係る３重障壁共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を説明するための模式図である。

図４は、電子のサブバンドの電界依存性を示すグラフである。

図５は、実験にて得られた本発明のおける共鳴トンネルダイオードの電流―電圧特性を示すグラフである。

本実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）２００について、図２（ａ）を用いて詳細に説明する。

共鳴トンネル構造層２２０は、第１のトンネル障壁層２０１と、第１の量子井戸層２０４と、第２のトンネル障壁層２０２と、第２の量子井戸層２０５と、第３のトンネル障壁層２０３がこの順に積層されている。第１のトンネル障壁層２０１は、ノンドープＡｌＡｓからなる。第１の量子井戸層２０４は、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる。第２のトンネル障壁層２０２は、ノンドープＩｎＡｌＡｓからなる。第２の量子井戸層２０５は、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる。第３のトンネル障壁層２０３は、ノンドープＡｌＡｓからなる。

また、ＲＴＤ２００は、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｓからなる第１コンタクト層２１０及び第２コンタクト層２１１を有する。また、ＲＴＤ２００は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓからなる第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９を有する。さらに、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる第１スペーサ層２０６及び第２スペーサ層２０７を有する。これらを、第１電界と第１電界とは極性の異なる第２電界とを印加するための電極対として用いる。これにより、共鳴トンネル構造層２２０に電界を印加することができる。ここで、例えば、第１電界は正バイアス電圧によって印加され、第２電界は負バイアス電圧によって印加される。

コンタクト層２１０と２１１は、高濃度にドーピングされた半導体層である。コンタクト層２１０と２１１は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるオーミック電極２１２と２１３を介して電圧源２１４に接続されることで、ＲＴＤ１００にバイアス電圧が供給される。

第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、ドーピングされた半導体層であり、共鳴トンネル構造層２２０に電子を供給又は受容する層である。第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、バイアス電圧の印加方向に応じてエミッタ又はコレクタの役割を果たす。

また、スペーサ層２０６及び２０７は、上記の共鳴トンネル構造層２２０をエピタキシャル成長する際に、ドーパントの拡散により第１のトンネル障壁層２０１と第３のトンネル障壁層２０３の品質が劣化することを防止するために設けられている。

ここで、共鳴トンネル構造層２２０は、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長された半導体結晶である。第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５と第２のトンネル障壁層２０２は、ＩｎＰ基板に格子整合しているＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。また、第１のトンネル障壁層２０１と第３のトンネル障壁層２０３は、ＩｎＰ基板に格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜よりは薄く、よりエネルギーの高い障壁となっている。

本実施例のＲＴＤ２００に使用されている材料、膜厚、ドープ濃度を、図２（ｂ）に示した。

共鳴トンネル構造層２２０の第１の量子井戸層２０４の膜厚と、第２の量子井戸層２０５の膜厚とが異なるように積層している。

これにより、図３（ａ）のように、無電界時における第２の量子井戸層２０５に帰属するサブバンドＥ_２と第１の量子井戸層２０４に帰属するサブバンドＥ_１及びサブバンドＥ_３のエネルギーレベルの関係がＥ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３となる。

また、第１のトンネル障壁層２０１と第２のトンネル障壁層２０２、或いは第２のトンネル障壁層２０２と第３のトンネル障壁層２０３の組成や膜厚をそれぞれ異なるように構成している。

また、第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、高濃度にドーピングされている。これは、正負の各バイアス印加時に、エミッタ側となる電気接点層から電子を共鳴トンネル構造層２２０に注入できるようにするためである。これにより、正負の各バイアス印加時に、共鳴トンネル構造層２２０のサブバンドＥ_１とサブバンドＥ_２、サブバンドＥ_２とサブバンドＥ_３間で、共鳴トンネル現象を生じさせることができる。

ここで、第１の量子井戸層２０４の膜厚と、第２の量子井戸層２０５の膜厚とを、上記共鳴トンネル現象が起こるように調整している。

次に、図３（ｂ）について説明する。これは、共鳴トンネル構造層２２０に正バイアス電圧Ｖ_ａが印加される場合である。第２の電気接点層２０９はエミッタの役割を果たし、第２の量子井戸層２０５のサブバンドＥ_２と第１の量子井戸層２０４のサブバンドＥ_３とが共鳴する。ここでＥ_Ｆ１は第２の電気接点層２０９のフェルミレベルであり、Ｅ_Ｃ１は第２の電気接点層２０９の伝導帯底のエネルギーである。

このとき、サブバンドＥ_２及びサブバンドＥ_３のエネルギーレベルが、伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ１と比較して大きく、エミッタ内の熱分散を含めた電子のエネルギーＥ_Ｆ１±Ｋ_ＢＴと比較して小さいとき、共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。

正バイアス電圧Ｖ_ａ印加時に、Ｅ_Ｃ１＜Ｅ_２及びＥ_３＜Ｅ_Ｆ１±Ｋ_ＢＴを満たすように、第２の電気接点層２０９は十分な濃度でドーピングされている。また、上記関係式を満たすように、第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５、第１のトンネル障壁層２０１、第２のトンネル障壁層２０２、第３のトンネル障壁層２０３の膜厚と組成を構成する。

なお、このエミッタ内の伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ１から熱分散を含めた電子のエネルギーＥ_Ｆ１±Ｋ_ＢＴをフェルミレベル近傍と表現している。ここで、Ｋ_Ｂはボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）であり、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。

本実施例においては、第２の電気接点層２０９にＳｉが２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたｎ＋ＩｎＧａＡｓ層を用いることで、伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ１を基準としたフェルミレベルＥ_Ｆ１のエネルギーは約１４０ｍｅＶとした。室温における電子の熱分散Ｋ_ＢＴは約２７ｍｅＶであり、第２の電気接点層２０９内の電子は幅広いエネルギーに分布し、チャネルを確保している。

また、図４（ａ）に示したように、図２（ｂ）の膜厚や組成の共鳴トンネル構造層２２０において、サブバンドＥ_２とサブバンドＥ_３とが共鳴する（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）。ここで、正バイアス電圧Ｖ_ａが約０．７Ｖのとき、電界強度では約２２０ｋＶ／ｃｍにおいて、サブバンドＥ_２とサブバンドＥ_３とが、伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ１から約１６ｍｅＶのエネルギーで共鳴する。

このとき、上述のＥ_Ｃ１＜Ｅ_２及びＥ_３＜Ｅ_Ｆ１±Ｋ_ＢＴが十分満たされているので、第１の電気接点層２０８から共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。

さらに、図３（ｃ）について説明する。これは、共鳴トンネル構造層２２０に極性の異なる負バイアス電圧Ｖ_ｂが印加した場合である。第１の電気接点層２０８がエミッタの役割を果たし、第２の量子井戸層２０５のサブバンドＥ_２と第１の量子井戸層２０４のサブバンドＥ_１とが共鳴する。

このとき、サブバンドＥ_２及びサブバンドＥ_１のエネルギーレベルが、伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ２と比較して大きく、エミッタ内の電子のエネルギーＥ_Ｆ２±Ｋ_ＢＴと比較して小さいとき、共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。

負バイアス電圧Ｖ_ｂ印加時にＥ_Ｃ２＜Ｅ_２及びＥ_１＜Ｅ_Ｆ２±Ｋ_ＢＴを満たすように、第１の電気接点層２０８は十分な濃度でドーピングされている。また、上記関係式を満たすように、第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５、第１のトンネル障壁層２０１、第２のトンネル障壁層２０２、第３のトンネル障壁層２０３の膜厚と組成は構成されている。ここで、Ｅ_Ｆ２は、第１の電気接点層２０８のフェルミレベルであり、Ｅ_Ｃ２は、第１の電気接点層２０８の伝導帯底のエネルギーである。本実施例においては、第１の電気接点層２０８にもＳｉが２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたｎ＋ＩｎＧａＡｓ層を用いたので、伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ２を基準としたフェルミレベルＥ_Ｆ２のエネルギーは約１４０ｍｅＶである。

図４（ｂ）に示したように、図２（ｂ）の膜厚や組成の共鳴トンネル構造層２２０において、サブバンドＥ_２とサブバンドＥ_１とが共鳴する（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）。ここで、電圧Ｖ_ｂが約−０．２Ｖ、電界強度で約４５ｋＶ／ｃｍのとき、サブバンドＥ_２とサブバンドＥ_１とが伝導帯底のエネルギーＥ_Ｃ２から約５０ｍｅＶのエネルギーレベルにおいて共鳴する。このとき、上述のＥ_Ｃ２＜Ｅ_２及びＥ_１＜Ｅ_Ｆ２±Ｋ_ＢＴが十分満たされているので、第１の電気接点層２０８から共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。

図５は、本実施例のＲＴＤ２００の電流―電圧特性を測定して得られたグラフであり、ＲＴＤ２００は極性の異なる２種類のバイアス電圧を印加することで、ピーク電流密度とピーク対バレー比が異なる２つの微分負性抵抗領域が観測される。

例えば、正バイアス印加時においてピーク電流密度Ｊ_ｐはＪ_ｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ^２、直径約２μｍΦのメサのＲＴＤであれば、微分負性抵抗（以下、ＮＤＲと記す）はＮＤＲ＝−２２Ωとなる。また、負バイアス印加時においてピーク電流密度はＪ_ｐ＝９０ｋＡ／ｃｍ^２、直径約２μｍΦのメサのＲＴＤであれば、ＮＤＲ＝−１７４Ωとなる。

このように、本発明の構成の共鳴トンネルダイオードは、印加されるバイアス電圧の極性と大きさによって、１つのＲＴＤで異なる２種類以上の微分負性抵抗が得られる。

本実施例では、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの材料系に限られることなく、他の材料の組み合わせであっても本発明の共鳴トンネルダイオードを提供することができる。例えば、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓであっても良い。また、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂであっても良い。さらに、ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。

また、これまでキャリアを電子として説明してきたが、キャリアとして正孔（ホール）を用いて価電子帯で同様の動作原理の共鳴トンネルダイオードも提供することができる。図３に示すエネルギーバンド構造は伝導帯のものでキャリアは電子であるが、エネルギーを表す縦軸を上下逆にして価電子帯のものと考えればキャリアが正孔であるエネルギーバンド構造を表すことになる。

また、これまで３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル共鳴トンネルダイオードで説明してきたが、４つ以上のトンネル障壁層を有する同様の動作原理の共鳴トンネルダイオードも提供することができる。例えば、図３において第２のトンネル障壁層を２つのトンネル障壁に分割するなどとして図４と同様の電界依存性を持つサブバンドが得られる設計を行うこともできる。

なお、特許文献２は、同一素子に逆バイアス印加する記載がない。また、特許文献２は、逆バイアス印加時にも共鳴トンネル現象が起こるような共鳴トンネル構造体の構成を積極的に開示するものではない。特許文献２の第９図に開示されている共鳴トンネル構造体は、無電界時において（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＞Ｅ_１となっている。ここで、Ｅ_１はキャリアに対するエネルギーである第１サブバンド、Ｅ_ｂ１とＥ_ｂ２は第１及び第２の電気接点層におけるバンド端のキャリアに対するエネルギーである。この共鳴トンネル構造体に対して、第１電界と第２電界を印加したとき、どちらも共鳴トンネル現象を生じる構成にはなっていない。

（実施例２：電磁波発振器）
実施例２について、図６と図７を用いて説明する。

本実施例は、共鳴トンネル構造体を含み構成される活性層と、電磁波共振器とを備えている電磁波発振器である。

例えば、上記実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）からなる活性層を、電磁波共振器とを備えている電磁波発振器である。

図６は、上記実施例に係るＲＴＤ２００を活性層として電磁波共振器に組み込んだ電磁波発振器の構成を説明するための模式図である。

図７は、本実施例に係るＲＴＤの等価回路を示した図である。

電磁波発振器６３０は、スロットアンテナ型の電磁波共振器構造を用いており、ＩｎＰ基板６３６上に電極とアンテナを兼ねているＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１と６３２がＳｉＯ_２絶縁層６３３を介して形成されている。電極６３１には一部に電極６３１、６３１の一部を除去した窓領域６３４があり、スロットアンテナ構造の共振器が形成されており、矢印で示された窓領域の長さが発振周波数を決めるファクタとなっている。また、メサ６３５はポスト状に形成されたＲＴＤ２００である。Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１や６３２は、それぞれ図２のオーミック電極２１２と２１３に相当し、電圧源２１４に接続されている。本実施例においては、スロットアンテナの窓幅は３０μｍとし、一辺２．３μｍのメサ６３５を配置した。

一般的に、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は、ＡＰＬ，Ｖｏｌ．５５〈１７〉，Ｐ．１７７７，１９８９などに開示されているように、図７に示した等価回路で記述される。共鳴トンネルダイオードの動作周波数の上限はＲＣＬ回路の時定数により決まる。また電磁波発振器においては、図７に示した等価回路に、共振器の構造によって決まる負荷抵抗、容量成分、インダクタンス成分を接続した共振回路のＬＣの共振周波数によって基本発振波長が決定される。

ここで、図７において、Ｒ_ｃｏｎｔ、Ｃ_ｃｏｎｔは電極６３１とコンタクト層６１０の接触抵抗成分、接触容量成分であり、Ｒ_ｐｏｓｔはＲＴＤ２００に直列に接続されるメサ構造に起因する抵抗成分を表している。また、Ｒ_ａｃｔはＲＴＤ２００のＮＤＲ（＜０）である。また、Ｃ_ａｃｔはＲＴＤ２００の容量成分であり、Ｌ_ａｃｔはＲＴＤ２００のインダクタンス成分である。

Ｌ_ａｃｔは、ＲＴＤ１００内における電子のトンネリング時間、空乏層の走行時間を考慮したＲＴＤ１００におけるの電子の遅延時間τを遅延インダクタンスとして表したものであり、Ｌ_ａｃｔ＝Ｒ_ａｃｔ×τの関係が知られている。

電磁波発振器６３０は、電圧源６１４から極性の異なるバイアス電圧（Ｖ_ａとＶ_ｂ）を給電することで、図５に示した通り２種類の微分負性抵抗が得られる。したがってバイアス電圧Ｖ_ａとＶ_ｂに対応した２種類の微分負性抵抗が得られるため、図５の等価回路の遅延インダクタンスＬ_ａｃｔが変化する。しかも、本実施例に係るＲＴＤ２００を用いた場合、Ｌ_ａｃｔは７９０％変化する。この結果、同じスロットアンテナ型共振器でも全体の共振回路の共振周波数が大きく変化することになり発振周波数の変化として現れる。このように、本発明の構成の共鳴トンネルダイオードを用いた電磁波発振器は、異なる２種類以上の微分負性抵抗により、印加されるバイアス電圧の極性と大きさを変化させることで２種類以上の基本発振周波数で発振させることが可能となる。本実施例では、バイアス電圧がＶ_ａ＝０．８Ｖのときに２２０ＧＨｚ、極性を変えたＶ_ｂ＝−０．３Ｖのときには４５５ＧＨｚの発振が可能である。

本実施例では、共振器としてスロットアンテナ構造を用いたが、アレイ化や高出力化に有利なマイクロストリップ線路やマイクロストリップアンテナ（例えば、パッチアンテナ）を組み合わせた共振器でも良い。また、Ｑ値の高い素子壁面や裏面も電極で覆った３次元構造の空洞導波管を採用しても提供することも出来る。

また、実際に発振周波数を変化させる場合には、図６に示したように電圧源６１４にスイッチを設けることで、電圧信号（Ｖ_ａとＶ_ｂ）が切り替える構成が考えられる。具体的には、第１基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する正バイアス電圧と、第２基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する負バイアス電圧とを切り替える。このように、本実施例に係る電磁波発振器と、電圧信号を切り替えるためのスイッチング素子とを備えた電磁波発振装置が考えられる。

素子の保護のために電圧信号を徐々に０に下げてから極性を変えて徐々に電圧を上昇させるように駆動しても良い。一般的に、共鳴トンネルダイオードは高速動作が可能であるため、高速に周波数をスイッチングして切り替えることにより、サブＴＨｚ帯の通信としてＦＳＫ（周波数シフトキーイング）変調して光源として駆動しても良い。

さらに、本実施例の電磁波発振器の駆動方法は、以下のようになる。すなわち、上記実施例に係る共鳴トンネル構造層に、第１サブバンドと第２サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する第１電気信号を印加する。第１電気信号は、例えば正バイアス電圧印加を表す電気信号である。これにより、第１基本発振周波数の電磁波を発振させる。また、第２サブバンドと第３サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する前記第１電気信号と極性が異なる第２電気信号を印加する。第２電気信号は、例えば負バイアス電圧印加を表す電気信号である。これにより、第２基本発振周波数の電磁波を発振させる。

（実施例３：検査装置）
実施例３について、図８と図９を用いて説明する。

ここで本実施例は、例えば上記実施例の共鳴トンネルダイオードを備えた電磁波発振器を用いた、物体の検査装置である。

図８に示すように、本実施例の検査装置は、例えば上記実施例の２周波数で発振する電磁波発振器７０ａ〜７０ｄを並べて配置し、ｆ１〜ｆ８までの複数の発振周波数の電磁波を発生させる。また、それぞれの電磁波は放物面鏡７４で平行ビームとして伝播し、検体となる対象物体７２に照射され、透過光がレンズ７３で集光され検出器７１ａ〜７１ｄで受信される。ここで、本実施例では透過配置にしているが、反射配置で検査しても良い。

例えば、記憶装置に、予め検出器で受信すべき強弱の組み合わせパターンを記憶させておく。また、検査物質がｆ１〜ｆ８までの周波数のうち、いずれか１つまたは複数の特定な吸収スペクトルを有していたとする。このとき、検査物質の吸収スペクトルと、記憶させておいたパターンと比較することにより、検査したい物質が対象物体７２中に含まれているか否かを判別することができる。

図９は、検査物質の指紋スペクトルの例である。周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に吸収ピークを持つために、予め本物質の吸収パターンを記憶しておいて、ｆ１、ｆ２、ｆ３で検出器出力が弱く、その他の周波数における検出出力が大きいという情報を照合すれば、本物質が含まれると判定することができる。

本実施例の検査装置は、例えば、空港での危険物・禁止物質検査、郵便・貨物等の物流品検査、工場における工業製品の検査等に利用することができる。

（実施例４：ヘテロダイン検出器）
実施例４について、図１１を用いて説明する。

本実施例は、例えば上記実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を備えた電磁波発振器を局部発振器として用いたヘテロダイン検出器を提供する。

図１１は、本実施例の検出器の模式図であり、図１１（ａ）は局部発振器としてスロットアンテナ型の電磁波発振器を用いた例であり、図１１（ｂ）は局部発振器としてマイクロストリップ型の電磁波発振器を用いた例である。

図１１に示したように、本実施例の電磁波検出器は局部発振器（ＬＯ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、ＩＦ検出部、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔ、ＩＦ−ｐｏｒｔなどから構成される。

ここで、局部発振器（ＬＯ）はヘテロダイン検出の為の局発波発振器であり、本発明の電磁波発振器が用いられる。

また、ミキサーはＲＦパワーを効率よくＩＦパワーに変換するデバイスであり、ショットキーダイオード、超伝導ＳＩＳミキサー、ホットエレクトロンボロメータ、ＨＢＴ／ＨＥＭＴミキサーなどが用いられる。

また、ＩＦ検出部はミキシングで生成した中間周波数（ＩＦ）出力を検出する役割を果たし、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）は検出したい信号を受信する役割を果たす。また、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔは、それぞれ局発波、信号波のミキサー（Ｍｉｘｅｒ）への入力ポートを表しており、ＩＦ−ｐｏｒｔは中間周波数（ＩＦ）のＩＦ検出部への入力ポートを表している。ここで、特に図示はしていないが、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、局部発振器（ＬＯ１又はＬＯ２）の間にフィルターやＲＦ増幅器等を配置すればより高感度な電磁波検出器が実現される。

図１１（ａ）を用いて本発明の検出器について詳細に説明する。検出器６４０の局部発振器（ＬＯ１）は、スロットアンテナ型共振器構造６３７を有する電磁波発振器６３０と電圧切替えスイッチが設けられた電圧源６１４とから構成される。ここで、実施例２の説明から局部発振器（ＬＯ１）は、極性の異なるバイアス電圧（Ｖ_ａとＶ_ｂ）を給電することで２波長の基本発振周波数を持ち、本実施例においてはこの周波数が２つの局発波（ｆ_Ｌ１及びｆ_Ｌ２）となる。検出器６４０において、スロットアンテナ型共振器構造６３７は信号（ｆ_Ｓ１及びｆ_Ｓ２）受信用のアンテナとしての役割も果たしている。受信した信号波と、電磁波発振器６３０からの局発波は、ＲＦ―ｐｏｒｔ及びＬＯ―ｐｏｒｔからミキサー（Ｍｉｘｅｒ）に入力され、周波数混合により差周波成分である中間周波数（ＩＦ）が生成される。生成された中間周波数（ＩＦ）はＩＦ−ｐｏｒｔを介してＩＦ検出部にて検出される。

本発明の検出器の動作について説明する。例えば、電圧源６１４からバイアス電圧Ｖ_ａが電磁波発振器６３０に印加された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから局発波１（ｆ_Ｌ１）が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ１（＝｜ｆ_Ｌ１＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波１を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波１が検出される。また、電圧源６１４から極性の異なるバイアス電圧Ｖ_ｂが電磁波発振器６３０に印加された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから局発波２（ｆ_Ｌ１）が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ２（＝｜ｆ_Ｌ２＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波２を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波２が検出される。

例えば、実施例２で説明した電磁波発振器を用いた場合は、局発波はｆ_Ｌ１＝４５５ＧＨｚ及びｆ_Ｌ２＝２２０ＧＨｚの２種類となり、中間周波数をｆ_ＩＦ＝２ＧＨｚとすれば、ｆ_Ｓ１＝４５７ＧＨｚ及びｆ_Ｓ２＝２２２ＧＨｚの２種類の電磁波が検出される。

また、図１１（ｂ）のように局部発振器として本発明にかかる共鳴トンネルダイオードと、マイクロストリップ型の共振器とを備えた電磁波発振器を用いた例においても同様の検出を行なうことが可能である。ここで、検出器８０７の局部発振器ＬＯ２は、ＲＴＤ８０１、マイクロストリップライン８０２、λ／４スタブ８０３、局発波出力部８０６、基板８０５、電圧源６１４から構成され、一般的なＭＭＩＣ技術で作製される。本構成においても、バイアス電圧Ｖ_ａとＶ_ｂに応じて局部発振器ＬＯ２から発振される２種類の局発波（ｆ_Ｌ１及びｆ_Ｌ２）により、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎｎａ）で受信した信号（ｆ_Ｓ１及びｆ_Ｓ２）をヘテロダイン検出することが可能である。

このように、本発明の共鳴トンネルダイオードを用いた発振器をヘテロダインミキシングにおける局部発振器として用いることで、少なくとも２種類の周波数の電磁波を検出（ヘテロダイン検波）することが可能な検出器が実現される。

また、本実施例の検出器により、１つの検出器で複数の周波数帯の電磁波を検出することが可能であるため、検出器の小型化や高密度化が容易に達成される。さらに、本実施例の検出器をアレイ状に複数配置すれば、複数の周波数の電磁波を高感度で検出可能な小型の検出器が実現される。

本発明の実施形態に係る共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を説明するための模式図 実施例１に係る共鳴トンネル構造体及びＲＴＤの構造を説明するための模式図 実施例１に係る共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を説明するための模式図 実施例１に係る共鳴トンネル構造体の伝導帯におけるサブバンドの電界依存性を示すグラフ 実施例１に係るＲＴＤを用いて得られた電流―電圧特性を示すグラフ 実施例２に係る電磁波発振器の構成を説明するための模式図 実施例２に係る電磁波発振器の等価回路を説明するための模式図 実施例３に係る検査装置を説明するための模式図 実施例３に係る検査装置を説明するための指紋スペクトルを示すグラフ 従来技術を説明するための模式図 実施例４に係る検出器を説明するための模式図

符号の説明

１０１ 第１のトンネル障壁層
１０２ 第２のトンネル障壁層
１０３ 第３のトンネル障壁層
１０４ 第１の量子井戸層
１０５ 第２の量子井戸層
１０６ 第１の電気接点層
１０７ 第２の電気接点層

Claims (14)

1. ３つ以上のトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層と、キャリアを有する第１及び第２の電気接点層と、を備え、且つ、前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含み構成される共鳴トンネル構造体であって、
   前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有しており、
   前記共鳴トンネル構造体は、
   前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥ_ｂ１、Ｅ_ｂ２としたときに、
   前記共鳴トンネル構造体に対して、
   無電界時には、（Ｅ_ｂ１、Ｅ_ｂ２）＜Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３を満たし、且つ、
   第１電界印加時には、前記エネルギーＥ _ｂ１ と前記第１の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとが共鳴し、且つ、
   前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記エネルギーＥ _ｂ２ と前記第２の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとが共鳴する構造であることを特徴とする共鳴トンネル構造体。
2. 前記第１の電気接点層と前記第２の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーを、それぞれＥ _ｆ１ 、Ｅ _ｆ２ としたとき、無電界時に、（Ｅ _ｂ１ 、Ｅ _ｂ２ ）＜（Ｅ _ｆ１ 、Ｅ _ｆ２ ）＜Ｅ _１ ＜Ｅ _２ ＜Ｅ _３ を満たすことを特徴とする請求項１に記載の共鳴トンネル構造体。
3. 前記第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドは、Ｅ _１ ＜Ｅ _２ ＜Ｅ _３ の順で連続するサブバンドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の共鳴トンネル構造体。
4. 前記共鳴トンネル構造層は、第１のトンネル障壁層と、第２のトンネル障壁層と、第３のトンネル障壁層と、該第１のトンネル障壁層と該第２のトンネル障壁層との間に介在する第１の量子井戸層と、該第２のトンネル障壁層と該第３のトンネル障壁層との間に介在する第２の量子井戸層とを含み構成し、
   前記第１の量子井戸層は、前記第２サブバンドを少なくとも有し、且つ、
   前記第２の量子井戸層は、前記第１及び第３サブバンドを少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載の共鳴トンネル構造体。
5. 前記第１の量子井戸層の膜厚と前記第２の量子井戸層の膜厚とが異なることを特徴とする請求項４に記載の共鳴トンネル構造体。
6. 前記共鳴トンネル構造体に対して無電界時に、前記第１のトンネル障壁層又は前記第３のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーが、前記第２のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項４又は５に記載の共鳴トンネル構造体。
7. 前記第１の電気接点層及び前記第２の電気接点層がｎ型半導体であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の共鳴トンネル構造体。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の共鳴トンネル構造体と、
   前記第１電界と前記第２電界を印加するための電極対と、を備えていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載の共鳴トンネル構造体を含み構成される活性層と、電磁波共振器とを備えていることを特徴とする電磁波発振器。
10. 請求項８に記載の共鳴トンネルダイオードからなる活性層と、電磁波共振器とを備えていることを特徴とする電磁波発振器。
11. 請求項９又は１０に記載の電磁波発振器と、
    第１基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する前記第１電界と、第２基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する前記第２電界とを切り替えるためのスイッチング素子とを備えることを特徴とする電磁波発振装置。
12. 請求項９又は１０に記載の電磁波発振器の駆動方法であって、
    前記共鳴トンネル構造層に、第１サブバンドと第２サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する第１電気信号を印加することにより、第１基本発振周波数の電磁波を発振させ、
    且つ、第２サブバンドと第３サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する前記第１電気信号と極性が異なる第２電気信号を印加することにより、第２基本発振周波数の電磁波を発振させることを特徴とする駆動方法。
13. 請求項９又は１０に記載の電磁波発振器とミキサーとを備え、
    少なくとも２つの波長の電磁波をヘテロダイン検波することを特徴とする電磁波検出器。
14. 請求項１１に記載の電磁波発振装置から構成される局部発振器とミキサーとを備え、
    少なくとも２つの波長の電磁波をヘテロダイン検波することを特徴とする電磁波検出器。

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