JPH073822B2 - 共鳴トンネリング半導体デバイス - Google Patents
共鳴トンネリング半導体デバイスInfo
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- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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- H10D48/32—Devices controlled by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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- H10D48/362—Unipolar transistors having ohmic electrodes on emitter-like, base-like, and collector-like regions, e.g. hot electron transistors [HET], metal base transistors [MBT], resonant tunnelling transistors [RTT], bulk barrier transistors [BBT], planar doped barrier transistors [PDBT] or charge injection transistors [CHINT]
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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- H10H20/81—Bodies
- H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は、一般的にはスイッチングや増幅などの輸送
的な適用技術に有用であるとともに、レーザーの形成や
光検出などの電気光学的適用技術にも有用であるような
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。
的な適用技術に有用であるとともに、レーザーの形成や
光検出などの電気光学的適用技術にも有用であるような
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。
特に、本発明は、中心ポテンシャル井戸が、共鳴トンネ
リング障壁の外側の層とは反対の導電型からなっている
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。その中心ポ
テンシャル井戸は、輸送的な適用技術においては三端子
デバイスのベースとして働き、電気光学的適用技術にお
いては電気光学的デバイスの輻射応答性または輻射放出
性の部分として働く。
リング障壁の外側の層とは反対の導電型からなっている
共鳴トンネリング半導体デバイスに関する。その中心ポ
テンシャル井戸は、輸送的な適用技術においては三端子
デバイスのベースとして働き、電気光学的適用技術にお
いては電気光学的デバイスの輻射応答性または輻射放出
性の部分として働く。
B.従来技術 ２つの障壁の間の量子井戸を通過する共鳴トンネリング
（resonant tunneling）が観察されるようになってか
ら、三端子半導体デバイスが明確に概念化された。しか
し、電子のみを扱うという従来の発想では、概念的に有
用な構造を与えるという点でも、技術的に中心の薄い量
子井戸に接点を設けるという点でもさまざまな困難に行
きあたる。
（resonant tunneling）が観察されるようになってか
ら、三端子半導体デバイスが明確に概念化された。しか
し、電子のみを扱うという従来の発想では、概念的に有
用な構造を与えるという点でも、技術的に中心の薄い量
子井戸に接点を設けるという点でもさまざまな困難に行
きあたる。
障壁を通過する共鳴トンネリングの原理は、Applied Ph
ys.Lett.,Vol.24,No.12、1974年６月15日刊に記載され
ている。簡単に述べると、この論文は、２つのGaAlAs障
壁の間にはさまれた薄いGaAs層をもつ二重障壁構造にお
いて電子の共鳴トンネリングを観察したことを記述して
いる。その共鳴は、ポテンシャル井戸の準定常状態付近
におけるトンネリング電流のピークとしてあらわれる。
その構造は、きわめてなめらかな膜と界面を形成する分
子線エピタキシにより製造される。
ys.Lett.,Vol.24,No.12、1974年６月15日刊に記載され
ている。簡単に述べると、この論文は、２つのGaAlAs障
壁の間にはさまれた薄いGaAs層をもつ二重障壁構造にお
いて電子の共鳴トンネリングを観察したことを記述して
いる。その共鳴は、ポテンシャル井戸の準定常状態付近
におけるトンネリング電流のピークとしてあらわれる。
その構造は、きわめてなめらかな膜と界面を形成する分
子線エピタキシにより製造される。
IBM TDB（Technical Disclosure Bulletin）,Vol.27,N
o.5,October,1984年の第3053−3056頁には、本発明の構
造にある程度類似した調整可能共鳴トンネリング半導体
デバイスが開示されている。しかしながら、このIBM TD
Bの共鳴トンネリング半導体構造については、幾つかの
重大な相違が存在する。即ち、その構造の動作における
困難即ち欠陥に関するものである。第１の相違点は、前
記IBM TDBの構造における両端の層は、n+（n+は高ドー
プトｎ型半導体）であり、一方本発明におけるこれらの
層は単にｎ型であることであり、そしてこれの詳細につ
いては以下に述べる。
o.5,October,1984年の第3053−3056頁には、本発明の構
造にある程度類似した調整可能共鳴トンネリング半導体
デバイスが開示されている。しかしながら、このIBM TD
Bの共鳴トンネリング半導体構造については、幾つかの
重大な相違が存在する。即ち、その構造の動作における
困難即ち欠陥に関するものである。第１の相違点は、前
記IBM TDBの構造における両端の層は、n+（n+は高ドー
プトｎ型半導体）であり、一方本発明におけるこれらの
層は単にｎ型であることであり、そしてこれの詳細につ
いては以下に述べる。
n+ドーピングの容認されている定義は、フェルミ・レベ
ル（前記IBMTDBの第３図において破線で示されており、
本願の第１図では一点鎖線で示されている。）が。伝導
帯端よりも上に位置するということである。一方、ｎド
ーピングにおいては、フェルミ・レベルは、本願の第１
図からわかるように、伝導帯端よりも下に位置してい
る。逆に、前記IBM TDBのP+ドーピングについては、フ
ェルミ・レベルが価電子帯端よりも下に位置しており、
一方本発明のＰドーピングでは、フェルミ・レベルは価
電子帯端よりも上に位置している（前記IBM TDBの第３
図及び本願の第１図を参照のこと）。
ル（前記IBMTDBの第３図において破線で示されており、
本願の第１図では一点鎖線で示されている。）が。伝導
帯端よりも上に位置するということである。一方、ｎド
ーピングにおいては、フェルミ・レベルは、本願の第１
図からわかるように、伝導帯端よりも下に位置してい
る。逆に、前記IBM TDBのP+ドーピングについては、フ
ェルミ・レベルが価電子帯端よりも下に位置しており、
一方本発明のＰドーピングでは、フェルミ・レベルは価
電子帯端よりも上に位置している（前記IBM TDBの第３
図及び本願の第１図を参照のこと）。
前記IBM TDBのn+ドーピングは、４×1018cm-3として与
えられているし、一方、本発明におけるｎドーピングは
1016乃至1017cm-3として定義される。前記IBM TDBの４
×1018cm-3のドーピングは、ドナーの最大数であり従っ
て非常にドープされている（Hilsum及びRose−Innesに
よるSEMICONDUCTING III−IV COMPOUNDS,Pergamon Pres
s,1961参照のこと）。
えられているし、一方、本発明におけるｎドーピングは
1016乃至1017cm-3として定義される。前記IBM TDBの４
×1018cm-3のドーピングは、ドナーの最大数であり従っ
て非常にドープされている（Hilsum及びRose−Innesに
よるSEMICONDUCTING III−IV COMPOUNDS,Pergamon Pres
s,1961参照のこと）。
さらに、両端の層がn+よりもむしろｎであるということ
が、非常に重要である。本発明では、最上部からベース
層への合金貫通Ｐ接点は、Ga1-xAlxAsの最上部ｎ層（エ
ミッタ）を貫通している。ブロッキングP+−ｎ接合が形
成されて、接点とエミッタとの間の電流を妨げる。さも
なければ、前記IBM TDBにおけるように、接合は高導電
性のP+−n+トンネル・ダイオードである。このために、
大きな横方向電流が、n+層の基体を通ってベース及びエ
ミッタの接点間を流がれる。このことは、特に、前記IB
M TDBにより開示されたベースへの拡散接点を考えれ
ば、間違いない。このIBM TDBの構造では、拡散プロセ
スの結果としての、更に高い濃度の不純物即ちアクセプ
タのために、拡散接点が形成される上側層が下側層より
も導電性が高くなる。そしてベース電極の制御が行われ
なくなり、デバイスは動作上の問題を生じそして機能し
なくなる。本発明は、両端の層のドーピング・レベルを
1016−1017cm-3とすることにより上述の問題点を解決す
る。
が、非常に重要である。本発明では、最上部からベース
層への合金貫通Ｐ接点は、Ga1-xAlxAsの最上部ｎ層（エ
ミッタ）を貫通している。ブロッキングP+−ｎ接合が形
成されて、接点とエミッタとの間の電流を妨げる。さも
なければ、前記IBM TDBにおけるように、接合は高導電
性のP+−n+トンネル・ダイオードである。このために、
大きな横方向電流が、n+層の基体を通ってベース及びエ
ミッタの接点間を流がれる。このことは、特に、前記IB
M TDBにより開示されたベースへの拡散接点を考えれ
ば、間違いない。このIBM TDBの構造では、拡散プロセ
スの結果としての、更に高い濃度の不純物即ちアクセプ
タのために、拡散接点が形成される上側層が下側層より
も導電性が高くなる。そしてベース電極の制御が行われ
なくなり、デバイスは動作上の問題を生じそして機能し
なくなる。本発明は、両端の層のドーピング・レベルを
1016−1017cm-3とすることにより上述の問題点を解決す
る。
前記IBM TDB（第４図）についての第２の重要な相違点
は、中心量子井戸への接点がP+拡散によって形成されて
いることである。本発明では、量子井戸へのリーチ・ス
ルー電気接点は、量子井戸と同じ型の半導体物質で合金
形成することにより形成されている。これによって、当
分野における実際に重要な問題が解決される。当分野で
はその困難な問題に対する解決策を見出すべく苦心して
きたのだが、２つの他の層を貫通させて薄い中心井戸領
域に達するように合金化接点を用いることにより、共鳴
トンネリング構造において重大な進歩がもたらされる。
合金化接点は、前記IBM TDBの拡散接点とは異なる。拡
散は、800乃至1000℃のような高温で実質的な時間の
間、行なわれなければならない。拡散は、厚いデバイス
では大丈夫であるが、しかし、本発明による薄い共鳴ト
ンネリング構造においては界面のアブラプトネス（abru
ptness）を全く破壊することになる。
は、中心量子井戸への接点がP+拡散によって形成されて
いることである。本発明では、量子井戸へのリーチ・ス
ルー電気接点は、量子井戸と同じ型の半導体物質で合金
形成することにより形成されている。これによって、当
分野における実際に重要な問題が解決される。当分野で
はその困難な問題に対する解決策を見出すべく苦心して
きたのだが、２つの他の層を貫通させて薄い中心井戸領
域に達するように合金化接点を用いることにより、共鳴
トンネリング構造において重大な進歩がもたらされる。
合金化接点は、前記IBM TDBの拡散接点とは異なる。拡
散は、800乃至1000℃のような高温で実質的な時間の
間、行なわれなければならない。拡散は、厚いデバイス
では大丈夫であるが、しかし、本発明による薄い共鳴ト
ンネリング構造においては界面のアブラプトネス（abru
ptness）を全く破壊することになる。
第３の重大な相違点は、前記IBM TDBの中間ベース層のP
+ドーピングが最大ドーピング・レベルである1020cm-3
である点である。P+の最大ドーピングによって、中間ベ
ース層中に不純物の濃い層が導入される。このために、
それらを通って移動する電子が大変分散することにな
り、非干渉性の電子の波動関数が伝えられることにな
る。一方、これに反して、本発明では、1016乃至1017cm
-3のドーピング・レベルにある中間ベース層のＰドーピ
ングは、不純物のそのような濃い層を導入しないので、
電子の分散は非常に少なく、また実質的に干渉性の電子
の波動関数がそれらを通って伝えられることになる。
+ドーピングが最大ドーピング・レベルである1020cm-3
である点である。P+の最大ドーピングによって、中間ベ
ース層中に不純物の濃い層が導入される。このために、
それらを通って移動する電子が大変分散することにな
り、非干渉性の電子の波動関数が伝えられることにな
る。一方、これに反して、本発明では、1016乃至1017cm
-3のドーピング・レベルにある中間ベース層のＰドーピ
ングは、不純物のそのような濃い層を導入しないので、
電子の分散は非常に少なく、また実質的に干渉性の電子
の波動関数がそれらを通って伝えられることになる。
米国特許第4438447号に示されている構造は、垂直の多
重電気光学的構造であるという点でのみ幾分か本発明に
関連がある。さらに詳しく述べると、この米国特許は、
LSI回路上に通常存在する長い電気的結線が光学的導波
層で置き換えられているような電気光学的集積回路を開
示する。これにおいては、単一の基板上に複数のエピタ
キシャル層が成長され、そのエピタキシャル層のうちの
少くとも三層は、光源と、検出器と、導波路に適合する
バンド・ギャップをもつように成長されている。これら
の主要な層は、隣接するその主要な層のどれよりも大き
いバンド・ギャップをもつ障壁層により互いに離隔され
ている。そして、基板に隣接する層のうち２つは、電気
信号を光源層に結合するために使用できるように電気的
デバイスを適応させ、光学的検出層によって与えられた
電気信号を増幅するように成長されている。
重電気光学的構造であるという点でのみ幾分か本発明に
関連がある。さらに詳しく述べると、この米国特許は、
LSI回路上に通常存在する長い電気的結線が光学的導波
層で置き換えられているような電気光学的集積回路を開
示する。これにおいては、単一の基板上に複数のエピタ
キシャル層が成長され、そのエピタキシャル層のうちの
少くとも三層は、光源と、検出器と、導波路に適合する
バンド・ギャップをもつように成長されている。これら
の主要な層は、隣接するその主要な層のどれよりも大き
いバンド・ギャップをもつ障壁層により互いに離隔され
ている。そして、基板に隣接する層のうち２つは、電気
信号を光源層に結合するために使用できるように電気的
デバイスを適応させ、光学的検出層によって与えられた
電気信号を増幅するように成長されている。
しかし、上述の従来技術は、層とは垂直に電子を輸送す
ること、特に本発明の共鳴トンネリング半導体構造を開
示または教示するものではない。
ること、特に本発明の共鳴トンネリング半導体構造を開
示または教示するものではない。
C.発明が解決しようとする問題点 この発明の主な目的は、障壁の外の２つの外部層の導電
性とは反対の導電型をもつ中心ポテンシャル井戸を利用
する共鳴トンネリングの原理に基づき動作する半導体デ
バイスを提供することにある。この発明の他の目的は、
輸送的な適用技術のみならず電気光学的変換の適用技術
にも有用な三端子共鳴トンネリング半導体デバイスを提
供することにある。
性とは反対の導電型をもつ中心ポテンシャル井戸を利用
する共鳴トンネリングの原理に基づき動作する半導体デ
バイスを提供することにある。この発明の他の目的は、
輸送的な適用技術のみならず電気光学的変換の適用技術
にも有用な三端子共鳴トンネリング半導体デバイスを提
供することにある。
D.問題点を解決するための手段 本発明は、第１及び第２の半導体結晶の障壁によって隔
てられた、同一導電型の第１及び第２の半導体結晶の層
によって構成される。さらに、第１及び第２の障壁の間
には反対の導電型半導体結晶の量子井戸が存在する。そ
して、第１及び第２の障壁で順次的にトンネリングが生
じることによって、導電が起こる。
てられた、同一導電型の第１及び第２の半導体結晶の層
によって構成される。さらに、第１及び第２の障壁の間
には反対の導電型半導体結晶の量子井戸が存在する。そ
して、第１及び第２の障壁で順次的にトンネリングが生
じることによって、導電が起こる。
この種の構造に関連する一つの問題として量子井戸に延
出する電気的接点を形成するということがある。本発明
は、中心ポテンシャル井戸と同じ導電型の半導体物質の
接点を形成することによってこの問題に新規な解決策を
与える。すなわち、その接点は第１及び第２の障壁の外
側の半導体結晶の層に対しては反対の導電型の半導体物
質であり、これによってそれらの間の電気的導通が防止
される。以てこの手段は、半導体物質の層に電流を生じ
させることなく接点が半導体物質の層の一方または他方
に物理的に接触することを可能ならしめる。
出する電気的接点を形成するということがある。本発明
は、中心ポテンシャル井戸と同じ導電型の半導体物質の
接点を形成することによってこの問題に新規な解決策を
与える。すなわち、その接点は第１及び第２の障壁の外
側の半導体結晶の層に対しては反対の導電型の半導体物
質であり、これによってそれらの間の電気的導通が防止
される。以てこの手段は、半導体物質の層に電流を生じ
させることなく接点が半導体物質の層の一方または他方
に物理的に接触することを可能ならしめる。
尚、同一導電型半導体結晶の第１及び第２の層は、量子
井戸が反対のｐ型またはｎ型の半導体結晶である限り、
ｎ型またはｐ型の半導体結晶のどちらでもよい。
井戸が反対のｐ型またはｎ型の半導体結晶である限り、
ｎ型またはｐ型の半導体結晶のどちらでもよい。
以下で開示される、ガリウム・アルミニウム砒素化合物
を用いた実施例では、第１及び第２の層はGa1-x2Alx2As
半導体結晶であり、第１及び第２の障壁はnGa1-x3Alx3A
s半導体結晶であり、量子井戸はpGa1-x1Alx1As半導体結
晶である。
を用いた実施例では、第１及び第２の層はGa1-x2Alx2As
半導体結晶であり、第１及び第２の障壁はnGa1-x3Alx3A
s半導体結晶であり、量子井戸はpGa1-x1Alx1As半導体結
晶である。
共鳴トンネリング・デバイスは輸送スイッチング機能に
使用することができる。この場合、同一導電型半導体結
晶の第１及び第２の層がコレクタとエミッタを形成し、
量子井戸がベースを形成する。そして、ベースに加えら
れる電圧がしきい値電圧に等しいときに、デバイスは導
電性になりエミッタとコレクタの間で電気的導通がはか
られる。この共鳴トンネリング・デバイスはまた輸送増
幅機能にも使用することができ、この場合ベースに加え
られた電圧がエミッタとコレクタの間の増幅機能を決定
する。
使用することができる。この場合、同一導電型半導体結
晶の第１及び第２の層がコレクタとエミッタを形成し、
量子井戸がベースを形成する。そして、ベースに加えら
れる電圧がしきい値電圧に等しいときに、デバイスは導
電性になりエミッタとコレクタの間で電気的導通がはか
られる。この共鳴トンネリング・デバイスはまた輸送増
幅機能にも使用することができ、この場合ベースに加え
られた電圧がエミッタとコレクタの間の増幅機能を決定
する。
共鳴トンネリング・デバイスまた、電気光学的検出機能
にも使用することができる。この場合、量子井戸に入射
する幅射の量が同一導電型の半導体結晶からなる第１及
び第２の層の間の電流を決定する。
にも使用することができる。この場合、量子井戸に入射
する幅射の量が同一導電型の半導体結晶からなる第１及
び第２の層の間の電流を決定する。
さらに、共鳴トンネリング・デバイスは、電気光学的レ
ーザー機能にも使用することができる。この場合、量子
井戸から放出された幅射の量は、同一導電型の半導体結
晶からなる第１及び第２の層の相対的電圧によって決定
される。
ーザー機能にも使用することができる。この場合、量子
井戸から放出された幅射の量は、同一導電型の半導体結
晶からなる第１及び第２の層の相対的電圧によって決定
される。
E.実施例 本発明は、共鳴トンネリングという現象に基づく、一般
的には三端子デバイスである半導体デバイスに関する。
これらのデバイスは、異なる動作条件の下で輸送及び光
電気的動作のためのさまざまな機能を実行するために利
用できるように、適当な厚さとドーピング・レベルをも
つ物質のエピタキシャル層から形成される。特に関心が
寄せられるのは高速スイッチングまたは増幅と、効率的
な光放出及び検出の適用例である。
的には三端子デバイスである半導体デバイスに関する。
これらのデバイスは、異なる動作条件の下で輸送及び光
電気的動作のためのさまざまな機能を実行するために利
用できるように、適当な厚さとドーピング・レベルをも
つ物質のエピタキシャル層から形成される。特に関心が
寄せられるのは高速スイッチングまたは増幅と、効率的
な光放出及び検出の適用例である。
さて、第１図を参照すると、半導体ポテンシャル井戸が
配置される中心領域10は、２つの共鳴トンネリング障壁
14の外側に位置付けられている半導体層12とは反対の導
電型であり、これにより、電子が障壁14をトンネル通過
することができる。輸送的な適用技術においては、中心
ポテンシャル井戸が三端子デバイスのベースとして働
き、電気光学的適用技術においては、中心ポテンシャル
井戸が光応答性または光幅射部分として働くことにな
る。第１図に示す実施例では、デバイスは、緩衝基板16
と表面層18の間の、nGa1-x2Alx2As、ドープされていな
いGa1-x3Alx3As、pGa1-x1Alx1As、ドープされていないG
a1-x3Alx3As、nGa1-x2Alx2Asという５層中に形成され、
ｐベースへリーチ・スルー接点（第１図には図示しな
い）が設けられる。
配置される中心領域10は、２つの共鳴トンネリング障壁
14の外側に位置付けられている半導体層12とは反対の導
電型であり、これにより、電子が障壁14をトンネル通過
することができる。輸送的な適用技術においては、中心
ポテンシャル井戸が三端子デバイスのベースとして働
き、電気光学的適用技術においては、中心ポテンシャル
井戸が光応答性または光幅射部分として働くことにな
る。第１図に示す実施例では、デバイスは、緩衝基板16
と表面層18の間の、nGa1-x2Alx2As、ドープされていな
いGa1-x3Alx3As、pGa1-x1Alx1As、ドープされていないG
a1-x3Alx3As、nGa1-x2Alx2Asという５層中に形成され、
ｐベースへリーチ・スルー接点（第１図には図示しな
い）が設けられる。
第１図の構造においては、井戸は組成x1（ｘはGaAlAs中
のAlの合金組成をあらわす）と幅d1をもつｐ型であり、
外側の層は組成x2と幅d2をもつｎ型であり、障壁は組成
x3と幅d3をもちドープされていない。このときの必要条
件は、x1＜x2＜x3であり、d1とd3は50Åのオーダーであ
る。幅d2の大きさは厳密でなくともよい。ｎ接点は例え
ば分子線エピタキシなどの慣用的な方法で、構造全体が
成長されるｎ基板16からと、その表面上のx2層に形成す
ることができる。ｐ層10には、導電型に基づく選択的エ
ッチングによって接点を形成することができるが、しか
し、後で第６図に関連してより詳しく説明するように、
量子井戸と同じ型の半導体物質の接点を形成するべく表
面を介して合金化を施すことによって接点を形成する方
が好ましい。
のAlの合金組成をあらわす）と幅d1をもつｐ型であり、
外側の層は組成x2と幅d2をもつｎ型であり、障壁は組成
x3と幅d3をもちドープされていない。このときの必要条
件は、x1＜x2＜x3であり、d1とd3は50Åのオーダーであ
る。幅d2の大きさは厳密でなくともよい。ｎ接点は例え
ば分子線エピタキシなどの慣用的な方法で、構造全体が
成長されるｎ基板16からと、その表面上のx2層に形成す
ることができる。ｐ層10には、導電型に基づく選択的エ
ッチングによって接点を形成することができるが、しか
し、後で第６図に関連してより詳しく説明するように、
量子井戸と同じ型の半導体物質の接点を形成するべく表
面を介して合金化を施すことによって接点を形成する方
が好ましい。
物質12についてはx2をそして物質10についてはx1をx2＞
x1で用いることが必要な条件である。輸送デバイスにつ
いては、表面から中心Ga1-x1Alx1As層へのオーミックｐ
接点によって、外側のｎ層（Ga1-x2Alx2As）及び障壁の
真性層（Ga1-x3Alx3As）（第６図参照）の両方に対する
接点が形成されることになる。真性層は、導電性でない
ので、何ら問題を生じない。しかしながら、ｎ層への接
点は、ｐ−ｎブロッキング接点についてさえも不所望の
漏れ電流を起こしてしまう。この問題は、x2＞x1である
Ga1-x2Alx2Asのようなより幅広いエネルギー・ギャップ
の物質を用いることによって緩和され得る。光電気デバ
イスについては、必要条件x2＞x1は、層12中での吸収又
は再吸収なしに光が層10まで通って達するのには本質的
である。
x1で用いることが必要な条件である。輸送デバイスにつ
いては、表面から中心Ga1-x1Alx1As層へのオーミックｐ
接点によって、外側のｎ層（Ga1-x2Alx2As）及び障壁の
真性層（Ga1-x3Alx3As）（第６図参照）の両方に対する
接点が形成されることになる。真性層は、導電性でない
ので、何ら問題を生じない。しかしながら、ｎ層への接
点は、ｐ−ｎブロッキング接点についてさえも不所望の
漏れ電流を起こしてしまう。この問題は、x2＞x1である
Ga1-x2Alx2Asのようなより幅広いエネルギー・ギャップ
の物質を用いることによって緩和され得る。光電気デバ
イスについては、必要条件x2＞x1は、層12中での吸収又
は再吸収なしに光が層10まで通って達するのには本質的
である。
薄い中心井戸領域に達するために２つの他の層を貫通す
るように合金化説点を用いることが、共鳴トンネリング
構造においてはことごとく観察されなければならない。
先行技術では、この問題に対する解決策を見出す苦心が
なされていたのであるが。食刻及び停止の技術は、冗長
であり、非常に薄い中心層を考慮すると特に最も簡潔と
は言い難い。それはまた、構造体の平坦性を壊す。その
平坦性は、デバイスのアレイにとっては特に重要であ
る。さらに、合金化接点は、拡散接点とは異なってお
り、拡散は高温で実施されなければならない。拡散は、
厚いデバイスについては大丈夫であるが、しかし、本発
明におけるような薄い共鳴トンネリング構造においては
界面のアブラプトネスを全く破壊することになる。
るように合金化説点を用いることが、共鳴トンネリング
構造においてはことごとく観察されなければならない。
先行技術では、この問題に対する解決策を見出す苦心が
なされていたのであるが。食刻及び停止の技術は、冗長
であり、非常に薄い中心層を考慮すると特に最も簡潔と
は言い難い。それはまた、構造体の平坦性を壊す。その
平坦性は、デバイスのアレイにとっては特に重要であ
る。さらに、合金化接点は、拡散接点とは異なってお
り、拡散は高温で実施されなければならない。拡散は、
厚いデバイスについては大丈夫であるが、しかし、本発
明におけるような薄い共鳴トンネリング構造においては
界面のアブラプトネスを全く破壊することになる。
共鳴トンネリングの本質は、ｘ、ｄなどの条件に依存す
る特定のエネルギーで井戸に準定常量子状態を形成する
ことにある。典型的には、最も低いエネルギー状態は10
−100meVであり、それらの状態の間にほぼ同一の間隔で
エネルギー状態が存在する。というのは、そのような状
態は一般的には２つ以上形成され得るからである。この
ことは第１図に水平線によって、電子の場合と正孔の各
々の場合に示されている。しかし、ここでは電子の場合
のエネルギー状態のみが関与する。量子状態は、障壁の
間に電子トンネリングの効率的なチャネルを与える。こ
れらのエネルギーにおいて、井戸の内部に強い電子波が
形成され、以てその外部でのわずかな電子波の漏れがほ
ぼ完全な伝達をもたらす。他方、他のエネルギーでは
（単一の障壁の場合ですらも）、実質的に伝達は存在し
ない。
る特定のエネルギーで井戸に準定常量子状態を形成する
ことにある。典型的には、最も低いエネルギー状態は10
−100meVであり、それらの状態の間にほぼ同一の間隔で
エネルギー状態が存在する。というのは、そのような状
態は一般的には２つ以上形成され得るからである。この
ことは第１図に水平線によって、電子の場合と正孔の各
々の場合に示されている。しかし、ここでは電子の場合
のエネルギー状態のみが関与する。量子状態は、障壁の
間に電子トンネリングの効率的なチャネルを与える。こ
れらのエネルギーにおいて、井戸の内部に強い電子波が
形成され、以てその外部でのわずかな電子波の漏れがほ
ぼ完全な伝達をもたらす。他方、他のエネルギーでは
（単一の障壁の場合ですらも）、実質的に伝達は存在し
ない。
第２図を参照すると、電極が、エミッタＥ、コレクタＣ
及びベースＢとして図示されている。第２図の回路の動
作においては、ベースに加えられる電圧がしきい値電圧
VT（第１図）に等しくなると、デバイスが導電性にな
り、エミッタとコレクタの間に電気的導通がはかられ
る。スイッチング動作の場合、VB＝VT（しきい値電圧）
になるまでは電流は認められず、VB＝VTになるとデバイ
スは鋭敏にターン・オンする（第２図）。この目的のた
めには、VB＝０であり、VCは、トンネリングの状態を与
えるためにわずかに正である。トンネリング時間は、再
結合時間よりもはるかに短いので、利得ほぼ１の場合、
ICIEであり、ベースはほとんど電流を引き込まないけ
れども有効なゲートとして動作する。
及びベースＢとして図示されている。第２図の回路の動
作においては、ベースに加えられる電圧がしきい値電圧
VT（第１図）に等しくなると、デバイスが導電性にな
り、エミッタとコレクタの間に電気的導通がはかられ
る。スイッチング動作の場合、VB＝VT（しきい値電圧）
になるまでは電流は認められず、VB＝VTになるとデバイ
スは鋭敏にターン・オンする（第２図）。この目的のた
めには、VB＝０であり、VCは、トンネリングの状態を与
えるためにわずかに正である。トンネリング時間は、再
結合時間よりもはるかに短いので、利得ほぼ１の場合、
ICIEであり、ベースはほとんど電流を引き込まないけ
れども有効なゲートとして動作する。
第３図は、第１図及び第２図と同一タイプの共鳴トンネ
リング半導体デバイスの動作特性曲線群をあらわす。こ
の場合、共鳴条件は、電圧VCを加えることによって到達
される。この電流−電圧特性は、異なるベース電圧レベ
ルによって制御される（VB＝０、１、２）。この高度に
非線形の電流−電圧特性は、負性抵抗部分も含んでお
り、デバイスを、柔軟性に富むスイッチング・デバイス
としてのみならず、増幅器または発信器としても機能す
ることを可能ならしめる。
リング半導体デバイスの動作特性曲線群をあらわす。こ
の場合、共鳴条件は、電圧VCを加えることによって到達
される。この電流−電圧特性は、異なるベース電圧レベ
ルによって制御される（VB＝０、１、２）。この高度に
非線形の電流−電圧特性は、負性抵抗部分も含んでお
り、デバイスを、柔軟性に富むスイッチング・デバイス
としてのみならず、増幅器または発信器としても機能す
ることを可能ならしめる。
光電子的適用技術の場合、エミッタとコレクタは等電
位、例えばVE＝VC＝０にバイアスされ、VB＞VCのように
設定される。第４図は、電気光学的放射の適用例として
機能する共鳴トンネリング半導体デバイスを示す。第４
図に示すように、電子は井戸に流入してそこで捕捉さ
れ、強い電子の波が形成される。そして、そこで正孔と
の強い幅射的再結合が生じ、そのことは光放出及びレー
ザー動作となる。この状況を逆転させると、デバイスは
光検出器となる（第５図）。この場合、井戸で生成され
た電子は速やかに外側の電極へとトンネル通過し、そこ
で感知動作のため流速計20の形式の外部回路が使用され
る。この場合、バイアス電圧は、印加してもしなくても
どちらでもよい。これらのデバイスの動作の場合、貫通
（横断）時間はきわめて短いと評価される。すなわち、
貫通時間ｔ＝（m/2E）1/2・d3。ここでｍは電子の質
量、Ｅは電子のエネルギーである。この値ｔを計算して
みると10-14秒よりも小さく、それは連続的動作に重大
な制約を課すものではない。スイッチングの限界時間
は、電子波が形成され、または崩壊するための時間また
は蓄積時間であると考えられている。それは、τＣ/Tで
与えられ、ここでτC -1は電子波が障壁に衝突する頻度
（frequency）であり、Ｔは共鳴の伝達時間である。典
型的には、それは10-12秒である。このとき遅延（また
は荷電）時間は、比較上重要ではない。それは、g-1 mＣ
という式に基づき算定すると10-13秒となる。ここでＣ
はキャパシタンスであり、gm＝ΔJ/ΔＶである。また、
ΔＪは共鳴における電流の変化であり、ΔＶは共鳴エネ
ルギー（hT/τＣ、ｈはプランクの定数）の幅である。
すなわち、さまざまな特徴的時間は、通常ナノ秒あるい
はそれよりもやや小さい範囲にある再結合時間よりも十
分に短い。
位、例えばVE＝VC＝０にバイアスされ、VB＞VCのように
設定される。第４図は、電気光学的放射の適用例として
機能する共鳴トンネリング半導体デバイスを示す。第４
図に示すように、電子は井戸に流入してそこで捕捉さ
れ、強い電子の波が形成される。そして、そこで正孔と
の強い幅射的再結合が生じ、そのことは光放出及びレー
ザー動作となる。この状況を逆転させると、デバイスは
光検出器となる（第５図）。この場合、井戸で生成され
た電子は速やかに外側の電極へとトンネル通過し、そこ
で感知動作のため流速計20の形式の外部回路が使用され
る。この場合、バイアス電圧は、印加してもしなくても
どちらでもよい。これらのデバイスの動作の場合、貫通
（横断）時間はきわめて短いと評価される。すなわち、
貫通時間ｔ＝（m/2E）1/2・d3。ここでｍは電子の質
量、Ｅは電子のエネルギーである。この値ｔを計算して
みると10-14秒よりも小さく、それは連続的動作に重大
な制約を課すものではない。スイッチングの限界時間
は、電子波が形成され、または崩壊するための時間また
は蓄積時間であると考えられている。それは、τＣ/Tで
与えられ、ここでτC -1は電子波が障壁に衝突する頻度
（frequency）であり、Ｔは共鳴の伝達時間である。典
型的には、それは10-12秒である。このとき遅延（また
は荷電）時間は、比較上重要ではない。それは、g-1 mＣ
という式に基づき算定すると10-13秒となる。ここでＣ
はキャパシタンスであり、gm＝ΔJ/ΔＶである。また、
ΔＪは共鳴における電流の変化であり、ΔＶは共鳴エネ
ルギー（hT/τＣ、ｈはプランクの定数）の幅である。
すなわち、さまざまな特徴的時間は、通常ナノ秒あるい
はそれよりもやや小さい範囲にある再結合時間よりも十
分に短い。
さて、通常２つ以上の量子レベルが存在している。もし
必要なら動作はめいめいのレベルに調節することができ
る。あるいは、Ｖ＞VTにおける平坦な応答が望ましい場
合もある。このことは、量子レベレルの間隔を狭くし
て、障壁が非対称になるように設計することにより達成
される。
必要なら動作はめいめいのレベルに調節することができ
る。あるいは、Ｖ＞VTにおける平坦な応答が望ましい場
合もある。このことは、量子レベレルの間隔を狭くし
て、障壁が非対称になるように設計することにより達成
される。
尚、ｎ型井戸とｐ型外側層をもつ相補的な構造も同様の
動作を行う。また、単一の井戸の代わりに多重井戸と超
格子を使用することもできる。さらに、異なる組成の合
金を使用するのではなく異なる半導体を使用することも
できる。実際、InAsとGaSbの組み合わせは、第１図の構
造では無視されていた空間電荷効果を考慮しなければ、
そのバンド構成が第１図の構造によく似ているという点
で理想的である。一般的な必要条件としては、障壁物質
は、キャリアがトンネル通過するための比較的大きいエ
ネルギー・ギャップをもち、井戸物質は、接点形成と光
吸収を容易ならしめるためにきわめて小さいギャップを
もつべきである、ということがある。
動作を行う。また、単一の井戸の代わりに多重井戸と超
格子を使用することもできる。さらに、異なる組成の合
金を使用するのではなく異なる半導体を使用することも
できる。実際、InAsとGaSbの組み合わせは、第１図の構
造では無視されていた空間電荷効果を考慮しなければ、
そのバンド構成が第１図の構造によく似ているという点
で理想的である。一般的な必要条件としては、障壁物質
は、キャリアがトンネル通過するための比較的大きいエ
ネルギー・ギャップをもち、井戸物質は、接点形成と光
吸収を容易ならしめるためにきわめて小さいギャップを
もつべきである、ということがある。
第６図は、本発明による共鳴トンネリング半導体デバイ
スの量子ポテンシャル井戸に延出する接点の好適な実施
例である。この種の構造に関係する一つの問題として、
量子井戸まで延出する電気的接点を形成することがあ
る。本発明は、中心ポテンシャル井戸10と同一の導電型
の半導体物質からなる接点を形成することによってこの
問題に新規な解決策を与える。ゆえに、この接点は、第
１及び第２の障壁の外側の半導体結晶の層とは逆の導電
型であり、これによりそれらの間の電気的導通が防止さ
れる。拡散プロセスの性質のために種々のドーピング・
レベルを生じてしまう拡散接点とは異なり、一定の接点
を形成するように融解される合金化接点により、その接
点は形成される。従って、この手段は、接点がそれと反
対導電型の半導体物質の層の一方または両方に物理的に
接触してもそれらの層とは電気的には導通しないように
することを可能ならしめる。
スの量子ポテンシャル井戸に延出する接点の好適な実施
例である。この種の構造に関係する一つの問題として、
量子井戸まで延出する電気的接点を形成することがあ
る。本発明は、中心ポテンシャル井戸10と同一の導電型
の半導体物質からなる接点を形成することによってこの
問題に新規な解決策を与える。ゆえに、この接点は、第
１及び第２の障壁の外側の半導体結晶の層とは逆の導電
型であり、これによりそれらの間の電気的導通が防止さ
れる。拡散プロセスの性質のために種々のドーピング・
レベルを生じてしまう拡散接点とは異なり、一定の接点
を形成するように融解される合金化接点により、その接
点は形成される。従って、この手段は、接点がそれと反
対導電型の半導体物質の層の一方または両方に物理的に
接触してもそれらの層とは電気的には導通しないように
することを可能ならしめる。
F.発明の効果 以上説明したように、この発明によれば、共鳴トンネリ
ング効果を利用することにより、きわめて高速のスイッ
チング特性を与えるとともに、光輻射及び光感知動作も
なし得る新規な半導体デバイスが与えられる。
ング効果を利用することにより、きわめて高速のスイッ
チング特性を与えるとともに、光輻射及び光感知動作も
なし得る新規な半導体デバイスが与えられる。
第１図は、本発明の共鳴トンネリング・デバイスの一実
施例を示す図、 第２図は、本発明のデバイスをスイッチング動作用に使
用する場合の図、 第３図は、本発明のデバイスの電流−電圧特性を示す
図、 第４図は、本発明のデバイスを光輻射用に使用する場合
の図、 第５図は、本発明のデバイスを光感知用に使用する場合
の図、 第６図は、本発明のデバイスに接点を設ける様子を示す
図である。 10……量子井戸、12……第１及び第２の層、14……第１
及び第２の障壁層。
施例を示す図、 第２図は、本発明のデバイスをスイッチング動作用に使
用する場合の図、 第３図は、本発明のデバイスの電流−電圧特性を示す
図、 第４図は、本発明のデバイスを光輻射用に使用する場合
の図、 第５図は、本発明のデバイスを光感知用に使用する場合
の図、 第６図は、本発明のデバイスに接点を設ける様子を示す
図である。 10……量子井戸、12……第１及び第２の層、14……第１
及び第２の障壁層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｈ０１Ｓ 3/18
Claims (1)
- 【請求項１】ドーピング・レベルが1016乃至1017cm-3で
あり、そしてエネルギー・ギャップがE1であるＰ型のGa
1-x1Alx1Asの半導体結晶の量子井戸の層と、 ドーピング・レベルが1016乃至1017cm-3であり、そして
エネルギー・ギャップがE2であるＮ型のGa1-x2Alx2Asの
半導体結晶の外側の第１及び第２の層と、 前記量子井戸の層を両側から挟んで前記量子井戸の層と
前記外側の第１及び第２の層との間に各々配置され、そ
してエネルギー・ギャップがE3である未ドープのGa1-x3
Alx3Asの半導体結晶の第１及び第２の障壁層と、 前記量子井戸の層まで延びるＰ型の半導体の電極領域
と、 を具備し、前記x1,x2及びx3がx1＜x2＜x3であり、前記E
1,E2及びE3がE1＜E2＜E3である、共鳴トンネリング半導
体デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/325,620 US4973858A (en) | 1986-07-18 | 1989-03-20 | Resonant tunneling semiconductor devices |
| US325620 | 1989-03-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02292832A JPH02292832A (ja) | 1990-12-04 |
| JPH073822B2 true JPH073822B2 (ja) | 1995-01-18 |
Family
ID=23268670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2067396A Expired - Lifetime JPH073822B2 (ja) | 1989-03-20 | 1990-03-19 | 共鳴トンネリング半導体デバイス |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4973858A (ja) |
| EP (1) | EP0393317A3 (ja) |
| JP (1) | JPH073822B2 (ja) |
| CA (1) | CA2000024C (ja) |
Families Citing this family (16)
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|---|---|---|---|---|
| US5223723A (en) * | 1990-10-19 | 1993-06-29 | At&T Bell Laboratories | Light emitting device |
| NL9200500A (nl) * | 1991-04-17 | 1992-11-16 | Imec Inter Uni Micro Electr | Halfgeleider-inrichting, licht uitzendende diode en transistoropbouw, gebruikmakend van resonante tunneling. |
| USH1570H (en) * | 1993-03-31 | 1996-08-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Variable lateral quantum confinement transistor |
| KR0138851B1 (ko) * | 1994-10-24 | 1998-04-27 | 양승택 | 광제어 공명투과 진동자 및 그의 제조방법 |
| US6376858B1 (en) * | 1998-11-20 | 2002-04-23 | Hughes Electronics Corp. | Resonant tunneling diode with adjusted effective masses |
| US6563185B2 (en) * | 2001-05-21 | 2003-05-13 | The Regents Of The University Of Colorado | High speed electron tunneling device and applications |
| US7173275B2 (en) * | 2001-05-21 | 2007-02-06 | Regents Of The University Of Colorado | Thin-film transistors based on tunneling structures and applications |
| US7388276B2 (en) * | 2001-05-21 | 2008-06-17 | The Regents Of The University Of Colorado | Metal-insulator varactor devices |
| US6967347B2 (en) * | 2001-05-21 | 2005-11-22 | The Regents Of The University Of Colorado | Terahertz interconnect system and applications |
| US7126151B2 (en) * | 2001-05-21 | 2006-10-24 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Interconnected high speed electron tunneling devices |
| US7378681B2 (en) * | 2002-08-12 | 2008-05-27 | Agility Communications, Inc. | Ridge waveguide device surface passivation by epitaxial regrowth |
| JP2004363567A (ja) * | 2003-05-12 | 2004-12-24 | Sony Corp | 半導体装置およびその動作方法ならびに情報処理装置ならびに情報処理方法 |
| US20060091467A1 (en) * | 2004-10-29 | 2006-05-04 | Doyle Brian S | Resonant tunneling device using metal oxide semiconductor processing |
| WO2012037474A1 (en) | 2010-09-17 | 2012-03-22 | The Governors Of The University Of Alberta | Two-and three-terminal molecular electronic devices with ballistic electron transport |
| US10508467B2 (en) * | 2015-08-19 | 2019-12-17 | biljax, inc. | Engineered floor and scaffold systems |
| US11959300B2 (en) | 2020-09-02 | 2024-04-16 | Bil-Jax, Inc. | Floor structure system and method of use |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4586074A (en) * | 1983-09-15 | 1986-04-29 | Rockwell International Corporation | Impurity band conduction semiconductor devices |
| CA1237824A (en) * | 1984-04-17 | 1988-06-07 | Takashi Mimura | Resonant tunneling semiconductor device |
| JPH0666317B2 (ja) * | 1985-08-16 | 1994-08-24 | 富士通株式会社 | 半導体装置 |
| JPH0740570B2 (ja) * | 1985-08-23 | 1995-05-01 | テキサス インスツルメンツ インコ−ポレイテツド | 共鳴トンネリング装置 |
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