JPH01223775A - 二重障壁共鳴トンネル素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、障壁層に挟まれた量子井戸層での共鳴トンネ
ル効果を利用した二重障壁共鳴トンネル素子に関する。

（従来の技術） 負性抵抗を示す高速半導体素子として、エサキ・ダイオ
ードが知られている。最近、このエサキ・ダイオードよ
り高速性能を示すダイオードとして、二重障壁共鳴トン
ネルダイオードか注目されている。その参考文献１とし
て、Ｔ：、Ｃ，Ｌ。

Ｇ、　　５ｏｌｌｎｅｒ、　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　　　Ｌｅｔｔｅｒｓ４３巻６号　ｐｐ５
８８〜５９０　　（１９８３）がある。

第１２図は、二重障壁共鳴トンネルダイオードの模式的
構造を示す。電子親和力の小さい半導体として例えば、
ＡＪ２Ａｓ層６２．６４を障壁層とし、この間にこれら
より電子親和力の大きい半導体であるＧａＡｓ層６３を
挟んで量子井戸構造を形成している。両端のｎ生型Ｇａ
Ａｓ層６１゜６５は電極層である。第１３図はこの二重
障壁共鳴トンネルダイオードのバンド構造を示す。障壁
層に挟まれた量子井戸層内には、点線で示すように量子
化された準位６６が形成される。このダイオードの両端
に電圧を印加すると、第１４図に示すような負性抵抗を
示す電流−電圧特性が得られる。この特性の電流ピーク
６７は、第１５図のバンド図に示すように、左側の電極
層のフェルミ準位が量子井戸層の量子準位６６に一致し
た時に得られる。

この様な二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を、トラ
ンジスタの一部に組込めば、第１４図に示す負性抵抗特
性を制御端子により制御できる共鳴トンネルトランジス
タが得られる。通常のトランジスタに共鳴トンネルダイ
オードを組込む研究やホットエレクトロン・トランジス
タに組込む研究がなされている。前者の研究報告してた
とえば、Ｆ　、　　Ｃａｐａｓｓｏ　　他、　　　Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　　ＰｈｙｓｉｃｓＬ　ｅｔｔｅｒｓ　　５
８巻、　ｐ１３ＢＢ　　（１９８５）　）　　（参考文
献２）があり、後者の研究報告として例えば、Ｎ。

Ｙ　ｏｋｏｙａｉ＋ａ　　他、　　Ｊ　ａｐａｎｅｓｅ
　　Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　　ｏｆＡ＋）ｐｌｉｅｄ　　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ、　ｐａｒｔ２．　ｖｏｌ　、　２４　　
ｐｐＬ５８３〜Ｌ５８４　　（１９８５）　）　　（参
考文献３）がある。

以上の説明は、量子準位が一個の場合であるが、第１３
図に示す量子井戸層の幅りと障壁層の高さｖｂを調整す
ることにより、量子井戸層内に２個。

３個と量子準位を増やすことかでき、これに応じて電流
−電圧特性上で電流ピークを２個、３個と増やすことが
できる。この様な複数個の電流ピークを持つ電流−電圧
特性を示す二重障壁共鳴トンネルダイオードは、多値論
理素子等への応用が、前述の参考文献２に記載されてい
るように期待されている。

ところが、実際に量子井戸層の幅と障壁層の高さを調整
して二つの量子準位が得られる二重障壁共鳴トンネルダ
イオードを製作してみると、実用的な多重ピークの特性
はなかなか得られない。第１４図に破線で示したように
、第１の電流ピーク７１が第２の電流ピーク７２に比べ
て極端に小さい電流・−電圧特性となる。３個以上の量
子準位を形成した場合も同様で、電圧の高い点に出る電
流ピークが大きく、電圧が低い点での電流ピークは非常
に小さいものとなってしまう。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、二重障壁共鳴トンネル素子が高速素子と
して注目されているが、量子皇位を複数個形成して電流
ピークが複数点に得られる電流−電圧特性を得ようとす
ると、電流ピーク値の不ｉｌｌ：ｉいが著しく、多値論
理素子等の実用に供することができない、という問題が
あった。

本発明は、この様な問題を解決した二重障壁共鳴トンネ
ル素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、二重障壁共鳴トンネルダイオードにおいて、
その量子井戸層内に一層ないし数層の極薄障壁層を介在
させたことを特徴とする。

本発明はまた、二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を
ベース層等に組込んだバイポーラトランジスタ或いはホ
ットエレクトロン・トランジスタにおいて、その量子井
戸層内に一層ないし数層の極薄障壁層を介在させたこと
を特徴とする。

（作用） 二重障壁共鳴トンネルダイオ−ドの量子井戸層内に極薄
障壁層を介在させると、この極薄障壁層を挟んで二つの
量子井戸が結合した状態となる。

この結果、もともと一つであった量子準位は、分離され
た量子井戸間の相互作用によって二つの量子準位に別れ
る。これによって、電流−電圧特性に二つの電流ピーク
が現われる。しかもこの場合、二つの電流ピーク値の差
は、ｔｉ薄薄壁壁層障壁高さと幅によって調節すること
ができ、はぼ等しいピーク値を得ることが可能になる。

量子井戸層内に３つの極薄障壁層を入れれば、はぼ等し
い３つの電流ピーク値を持つ電流−電圧特性が得られる
。

以上のようなピーク値の等しい複数の電流ピークを示す
電流−電圧特性の二重障壁共鳴トンネルダイオードを用
いれば、実用的な超高速の多値論理素子等を構成するこ
とができる。またこの様なダイオードを組込んだトラン
ジスタを構成すれば、外部制御端子対の超高速多値論理
素子等が得られる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ａ　、ｆ７　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ系を用いた一実施例の二重障壁共鳴トンネルダイ
オードである。これを製造工程に従って説明すると、Ｓ
ｉをドープしたｎ十型ＧａＡｓ基板１を用い、この上に
バッファ層となるｎ÷型ＧａＡｓ層２を１０００人、障
壁層となるノンドープＡノ。４゜Ｇ　ａ　ｏ、５Ａ　ｓ
層３を５０人、量子井戸層となるノンドープＧａＡｓ層
４を５０人、極薄障壁層となるノンドープＡｌＡｓ層５
を約１０人（二原子相当分）、量子井戸層となるノンド
ープＧａＡｓ層６を５０人、障壁層となるノンドープＡ
ノ。、４゜Ｇ　ａ　（、，５５Ａ　ｓ層７を５０人、電
極層となるｎ＋型ＧａＡｓ層８を順次分子線エピタキシ
ー法により形成する。次に裏面電極としてＡｕ−Ｇｅ電
極１１を蒸着した後、必要な領域をフォトレジストで覆
ってメサエッチングを行い、図の構造を得る。

そしてＣＶＤ５　ｉ　０２膜９で表面を覆い、これに孔
開けを行って表面電極としてＡｕ−Ｇｅ電極１０を形成
して完成する。

第２図は、この二重障壁共鳴トンネルダイオードのバン
ド構造を示す。二つの障壁層（ＡｉＧａＡｓ層３，７）
で挟まれた量子井戸層（ＧａＡｓ層４．６）が二つに別
れてこれが極薄障壁層（Ａ、ｆ’Ａｓ層５）によって結
合した状態になっている。この二つの量子井戸の結合に
よって、破線で示す量子準位１２は、二つの量子準位１
３゜１４に別れる。

第３図は、この二重障壁共鳴トンネルダイオ−、ドの電
流−電圧特性である。図に示すように、二つの電流ピー
クがほぼ等しい値をもって並んだ双峰特性が得られる。

第４図は、この様な二重障壁共鳴トンネルダイオードを
最も単純な多値論理回路に適用した例である。ＲＴが二
重障壁共鳴トンネルダイオードであり、これが負荷抵抗
ＲＬを介して電源ＶＳＳに接続されて、論理回路が構成
される。ＰＣは状態遷移を制御するパルス源である。第
５図にこの論理回路の静特性を示す。図示のように負荷
直線と電流−電圧特性曲線の交わる３点Ａ、Ｂ、Ｃが安
定点となる。パルスｉＰＧから短いパルスを印加するこ
とによって、これら３つの安定点間で状態遷移を行うこ
とができる。即ち３値の状態を有する論理回路となる。

Ａ、Ｂ、Ｃ点は回路的に安定点であるから、第４図の回
路は３状態を記憶するメモリ回路としても用いられる。

以上のようにこの実施例によれば、量子井戸内に極薄障
壁層を介在させることによって二つの量子井戸間の相互
作用を利用して、値がほぼ等しい電流ピークが並んだ電
流−電圧特性を得ることができ、超高速の３値論理回路
を実現することができる。

第６図、本発明の共鳴トンネル・バイポーラトランジス
タの実施例である。この実施例は、エミッタ・ベース間
にヘテロ接合を用いたヘテロ接合バイポーラトランジス
タのｐ型ベース層内に、上記実施例で説明したと同様の
二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を取入れたもので
ある。製造工程に従って説明すると、先ずＳｉドープの
ｎ十型ＧａＡｓ基板２１に、分子線エピタキシー法によ
り複数層の必要な半導体層を成長形成する。バッファ層
となるｎ十型ＧａＡｓ層２がＳｔ濃度２×１０１８／ｃ
１１３、厚み５０００人、低濃度コレクタ層となるｎ−
型ＧａＡｓ層２３が濃度５　Ｘ　１０１６／ｃｒｘ３．
厚み５００ＯＡであり、この上にベース層となる濃度５
　ｘ　１０　”　８／　＋；ｉｗ　３のＢｅドープｐ型
ＧａＡｓ層が形成される。このとき、ｐ型ベース層内に
二重障壁共鳴トンネルダイオード層が埋め込まれた構造
となるように、ｐ型ＧａＡｓ層２５を３５５人成長し、
次いで二重障壁共鳴トンネルダイオード層２６を２９０
人成長し、引続きｐ型ＧａＡｓ層２７を３５５人成長さ
せる。ベース領域Ｂは全体として、１０００人になる。

二重障壁共鳴トンネルダイオード層２６は、第７図に示
すように、セットバック層であるノンドープＧａＡｓ層
２６＋　　（７０人）、障壁層であるノンドープＡｌＡ
ｓ層２６□　（２０人）、量子井戸層であるノンドープ
ＧａＡｓ層２６３（５０人）、極薄障壁層であるノンド
ープＡｌＡｓ層２６４　　（１０人）、量子井戸層であ
るノンドープＧａＡｓ層２６ｓ　　（５０人）、障壁層
であるノンドープＡ、ｆ’Ａｓ層２６６　　（２０人）
、セットバック層であるノンドープＧａＡｓ層２６７　
（７０人）を順次成長形成したものである。

セットバック層は、成長中にｐ型不純物であるＢｅか共
鳴トンネル層内に拡散するのを防上するための、もので
ある。

このように形成されたベース領域Ｂ上に更にエミッタ領
域Ｅを構成する結晶成長を行う。即ち、組成比を変化さ
せた遷移層としてＡｌ、Ｇａ、−ｍＡｓ層（ｘ−０から
ｘ−０，３まで）２８を３００人成長させ、エミツタ層
としてＳｉドープ濃度５Ｘ１０１７／Ｃｌ１１３のＡ　
ｉｏ、　３　Ｇ　ａ　ｏ、　７　Ａ　３層２９　（２０
００人）、再度組成比を変化させた遷移層としてＡｉｔ
Ｇａ＋−８Ａｓ層（ｘ−０，３からｘ−０まで）３０を
３００人、次いでＳｉ６度５　ｘ　１０　”／ｃｍ３の
ｎ　−’ｊＪ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層３１（１０００人）　
、Ｓ　ｉ　ＩＪａ度２×１０１８／Ｃｍ３のｎ生型Ｇａ
Ａｓ層３２　（２００人）を順次成長させる。

その後、裏面にコレクタ電極２５としてＡｕ−Ｇｅ膜を
蒸着し、フォトリソグラフィとメサエッチングを行って
図の構造を得る。そしてＣＶＤＳｉＯ２膜３３を被覆し
、孔開けを行ってエミッタ電極３４、ベース電極３６を
形成して完成する。

第８図は、この二重障壁共鳴トンネル・トランジスタの
バンド図である。図のようにベース領域内に先の実施例
と同様の二重障壁共鳴トンネルダイオードが組込まれて
いる。従ってベース・エミッタ間にバイアスを印加しな
い状態ではコレクタ電流は流れず、ベース・エミッタ間
に順バイアスを与えると、第３図に示したような二つの
電流ピークを持つコレクタ電流−コレクタ電圧特性が得
られる。このトランジスタを用いて、先の実施例と同様
に３値の論理回路あるいはメモリ回路を構成することが
できる。

第６図では、ベース層内に共鳴トンネルダイオード層を
入れたが、ベース・エミッタ間またはベース・コレクタ
間のｐｎ接合領域に共鳴トンネルダイオードを挿入して
も、同様の特性を示すバイポーラトランジスタが得られ
る。

第９図は、本発明の共鳴トンネル・ホットエレクトロン
・トランジスタの実施例である。この素子は、Ａ　ｉＧ
　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系のホットエレクト
ロン・トランジスタのエミッタ・ベース間に二重障壁共
鳴トンネルダイオードを挿入したもので、やはり分子線
エピタキシー法により形成される。

即ち、Ｓｉドープのｎ十型ＧａＡｓ基板４１を用意し、
この上にコレクタ層となる濃度２Ｘ１０１８／１３のＳ
ｉドープｎ今型ＧａＡｓ層４２を５０００人成長し、次
いでノンドープのＡ　、ｉ’　ｏ、　＝。

Ｇ　ａ　Ｏ，７Ａ　８層４３を２０００人成長し、コノ
上にベース層として濃度２×１０】８／ｃ１１３のＳｉ
ドープｎ十型ＧａＡｓ層４４を成長し、更に共鳴トンネ
ルダイオード層４６を成長する。この共鳴トンネルダイ
オード層４６上にはエミツタ層として濃度１×Ｘ０１８
／Ｃ７！ｔ３のＳｉドープｎ十型ＧａＡｓ層４７を１０
００人成長する。

共鳴トンネルダイオード層４６は、第１０図に示すよう
に、セットバック層であるノンドープＧａＡｓ層４６．
（７０人）、障壁層であるノンドープＡ、ｊ？Ａｓ層４
６２　　（２０人）、量子井戸層であるノンドープＧａ
Ａｓ層４６３　　（５０人）、極薄障壁層であるノンド
ープＡ１Ａｓ層４６４（１０人）、量子井戸層であるノ
ンドープＧａＡｓ層４６ｓ　　（５０人）、障壁層であ
るノンドープＡ１Ａｓ層４６ｂ　　（２０人）、セット
バック層であるノンドープＧａＡｓ層４６７　　（７０
人）を順次成長形成したものである。この構造は先の実
施例と同様である。

この後、裏面にコレクタ電極５０を形成し、フォトリソ
グラフィとメサエッチングを行い、ＣＶＤ５ｉ０２膜４
８で表面を覆って、エミッタ電極４９およびベース電極
５１を形成して完成する。

第１１図は、この共鳴トンネル争ホットエレクトロン・
トランジスタのコレクタに正のバイアスを印加した時の
バンド図である。コレクタに正バイアスを与えた状聾で
ベースに正バイアスを与えることにより、コレクタ電流
−コレクタ電圧特性は第３図と同様の電流ピークが並ん
だ特性を示す。

ベース電極にバイアスを印加しないと二重障壁共鳴トン
ネル効果は生じない。従ってこのトランジスタを用いて
、先の実施例と同様に３値の論理回路或いはメモリ回路
を構成することができる。

ホットエレクトロン・トランジスタの場合、二重障壁共
鳴トンネルダイオードはエミツタ層からベース層までの
範囲でいずれかの位置に設けられていれば、同様の効果
が得られる。

本発明は上記実施例に限られない。例えば実施例では、
二つの電流ピークを持つ共鳴トンネルダイオードの場合
を説明したが、極薄障壁層を量子井戸層内に２層以上挿
入して、３つ以上の電流ピークを持つ共鳴トンネルダイ
オードを構成することもできる。半導体材料は、ＧａＡ
ｓ／Ａ、＆ＧａＡｓ系の他、Ｇ　ａ　Ｓ　ｂ　／　ｌ　
ｎ　Ａ　ｓ　。

ＡノＩｎＡｓ／Ｇａ１ｎＡｓなどの組合わせを用いるこ
とができる。また本発明のダイオードやトランジスタは
、周波数逓倍器等地の用途にも用いられる。

［発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば、極薄障壁層で隔てら
れた量子井戸間の相互作用により、ピーク値がほぼ等し
い複数の電流ピークを持つ電流−電圧特性を示す二重障
壁共鳴トンネルダイオードおよびこれを組込んだトラン
ジスタを得ることができ、これらの素子を用いて超高速
の多値論理回路等を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の二重障壁共鳴トンネルダイオードの実
施例を示す図、第２図はそのバンド構造を示す図、第３
図は同じく電流−電圧特性を示す図、第４図はその二重
障壁共鳴トンネルダイオードを利用した３値論理回路を
示す図、第５図はその回路特性を示す図、第６図は本発
明の二重障壁共鳴トンネル・トランジスタの実施例を示
す図、第７図はその共鳴トンネルダイオード部の構造を
示す図、第８図はそのトランジスタのバンド構造を示す
図、第９図は本発明の二重障壁共鳴トンネル・ホットエ
レクトロン・トランジスタの実施例を示す図、第１０図
はその共鳴トンネルダイオード部の構造を示す図、第１
１図はそのトランジスタのバンド構造を示す図、第１２
図は二重障壁共鳴トンネルダイオードの基本構造を示す
図、第１３図はそのバンド構造を示す図、第１４図は同
しく電流−電圧特性を示す図、第１５図は電流ピークが
現われることを説明するためのバンド図である。 １−・−ｎ十型ＧａＡｓ基板、２−ｎ半型ＧａＡｓ層、
３・・・ノンドープＡ、ｊｔＧａＡｓ層（障壁層）、４
・・・ノンドープＧａＡｓ層（ｆｆｌ子井戸層）、５・
・・ＡｆＡｓ層（極薄障壁層）、６・・・ノンドープＧ
ａＡｓ層（ｆｆｌ子井戸層）、７・・・ノンドープＡｌ
ＧａＡｓ層（障壁層）　、８　＝・ｎ半型ＧａＡｓ層、
９・・・ＣＶ　Ｄ　Ｓ　ｉ　０２膜、１０．１１−・・
電極、２１・・ｎ十型ＧａＡｓ基板、２２　・＝　ｎ半
型ＧａＡｓ層、２３・・・ｎ−型ＧａＡｓ層（低濃度コ
レクタ）、２５．２７・・ｐ型ＧａＡｓ層（ベース）、
２６・・・二重障壁共鳴トンネルダイオード層、２８・
・・遷移層、２９　□・Ａ　ｉＧ　ａ　Ａ　ｓ層、３０
−・・遷移層、３１・・・ｒｌ″″型ＧａＡｓ層（エミ
ッタ）、３２・・・ｎ半型ＧａＡｓ層、３Ｂ−・・ＣＶ
Ｄ５ｉ０２膜、３４・・・エミッタ電極、３５・・・コ
レクタ電極、３６・・・ベース電極、４１・・・ｎ十型
ＧａＡｓ基板、４２・・・ｎ半型ＧａＡｓ層、４３・・
・ノンドープＡ１ＧａＡｓ層、４４−　ｎ半型ＧａＡｓ
層（ベース）、４６・・・二重障壁共鳴トンネルダイオ
ード層、４７　・−ｎ半型ＧａＡｓ層（エミッタ）、４
８・・・ＣＶＤ５ｉＯ□膜、４９・・・エミッタ電極、
５０・・・コレクタ電極、５１・・・ベース電極。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 ｆａｌ　　図 第２図 電　圧 第３図 第４図 第５図 第６図 −Ｅ　−÷−Ｂ−→−−Ｃ− 第８図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子親和力の小さい半導体層からなる二つの障壁
   層間に電子親和力の大きい半導体層を挟んで量子井戸構
   造を構成した二重障壁共鳴トンネルダイオードにおいて
   、前記量子井戸層内に一層以上の極薄障壁層を介在させ
   たことを特徴とする二重障壁共鳴トンネルダイオード。
2. （２）電子親和力の小さい半導体層からなる二つの障壁
   層間に電子親和力の大きい半導体層を挟んで量子井戸構
   造を構成した二重障壁共鳴トンネルダイオード構造をベ
   ース層内または、ベース・エミッタ若しくはベース・コ
   レクタ間のｐｎ接合領域内のいずれかに設けた二重障壁
   共鳴トンネルトランジスタにおいて、前記量子井戸層内
   に一層以上の極薄障壁層を介在させたことを特徴とする
   二重障壁共鳴トンネルトランジスタ。
3. （３）電子親和力の小さい半導体層からなる二つの障壁
   層間に電子親和力の大きい半導体層を挟んで量子井戸構
   造を構成した二重障壁共鳴トンネルダイオード構造をエ
   ミッタ層、ベース層またはこれらの間に設けた二重障壁
   共鳴トンネル・ホットエレクトロン・トランジスタにお
   いて、前記量子井戸層内に一層以上の極薄障壁層を介在
   させたことを特徴とする二重障壁共鳴トンネル・ホット
   エレクトロン・トランジスタ。