JPS6147681A - 可変禁制帯デバイス - 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】 技術分野 本発明は反射に対して対称性が壊れた可変禁制帯領域を
有する半導体デバイスに係る。

本発明の背景 多数の結晶の中で、正電荷の中心は負電荷の中心とは一
致しない。そのような結晶は反射に対して対称ではなく
、多くの場合、物理的には興味ある特性を有する。たと
えば、それらは誘発性の電気分極を有し、その大きさは
結晶の温度に依存する。そのような結晶は、当業者には
焦電性とよばれる。

焦電性の原因を説明するために、簡単な物理的モデルが
有用に議論されている。負電荷と正電荷の中心は一致し
ないから、各局部的構造単位は、正味の電気的ダイポー
ルを有する。もし結晶構造が、すべてのユニットに対す
る電気的ダイボニルが、相互に打消さないようなもので
あるならば、構造は誘発的な電気分極を示す。このこと
は、もしダイポールの方向が不規則でないならば、すな
わち方向がある程度の相関を示すならば、起る。もし、
構造の温度が上昇又は下降したとすると、ダイポールの
強さは変化する可能性がある。なぜならば、正及び負電
荷の相対的な位置が、電荷が熱エネルギーの獲得又は損
失とともに変化するからである。たとえば、「焦電性の
起源（Ｓｏｕｒｃｅｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｐｙｒｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃｔｙ）Ｊ　、第１章シトニーラング（Ｓｉｄｎ
ｅｙ　Ｌａｎｇ）、ゴルドン（Ｇｏｒｄｏｎ）及びブリ
ーチ（Ｂｒｅａｃｈ）社、１９７４を参照のこと。

ある種の焦電材料において、結晶中の電気的ダイポール
の方向は、外部電界を印加することによ′す、逆転する
ことができる。従って、電気分極め方向は変えられる。

これらの材料は当業者にはフェロ電気的と呼ばれ、焦電
材料の一分野を形成する。すべての焦電性物質がそれら
の方向を変えられるようなダイポールをもつというわけ
ではないことを、認識すべきである。なぜならば、たと
えば逆転に必要な電界が、材料の電気的降伏電界より太
きいからである。従って、すべての焦電材料がフェロ電
気的材料ということではない。

いくつかの天然に生じる結晶は、フェロ４り気的である
。第１に、ロッシェル塩といくつかの化学的に関連のあ
る塩がある。これら材料中のフェロ電気性の原因は、分
子中の水和による水と信じられている。第２にリン酸二
水素カリウムとそれに関連した塩を含む一連の結晶があ
る。これら材料中のフェロ電気的振舞は、水素結合と付
随した陽子の動きに関連している。第３に、ペロブスカ
イト又はイレマイト構造のいずれかを有する一連のイオ
ン性結晶がある。チタン酸バリウムはこの類の代表例で
ある。フェロ電気的振舞は、正及び負電荷が相互にずれ
、一つの型の電荷が二つの可能な格子位置をもつために
、観察される。

フェロ電気及び焦電材料は、このように性質がかなり共
通である。これらの材料はそれらの誘電的特性及びピエ
ゾ電気的特性のため、商品的に関心がもたれている。材
料はしばしば、たとえば非常に高い誘電定数をもつ。他
の可能性のある用途としては、温度センサ及びメモリデ
バイスがある。

本発明の要約 本発明を実施し、非対称エネルギー井戸中にキャリヤを
有する可変禁制帯領域を含むデバイスは、有用な特性を
もつ。可変禁制帯領域は第１及び第２の半導体領域間の
、第３の半導体領域中にある。デバイスは、前記第１及
び第２の領域に、７対して、それぞれ第１及び第２の電
極を電子る。特に、本発明を実施し、選択的に１−プさ
れた複数の可変禁制帯領域、すなわち鋸歯状超格子領域
を含むデバイスは、有用な焦電的特性を有する。第３の
領域は、少くとも一つの可変禁制帯領域を有し、キャリ
ヤ及びドーパント原子が、平均的なエネルギーをみたと
き、フェルミレベルの異なる側にあるように、選択的に
ドープされる。広禁制帯領域、すなわち閉じ込め領域は
、キャリヤ閉じ込めをする。すなわち、キャリヤは閉じ
込め領域及び可変禁制帯領域の界面に形成されるエネル
ギー井戸中にある。井戸は好ましい実施例において、非
対称である。構造は巨視的な電気分極を示す。なぜなら
ば、電子の電荷の中心は、イオン化したドナの電荷の中
心とは一致しない。好ましい一実施例において、可変禁
制帯領域は層のエネルギー帯構造の少くとも一部が、フ
ェルミレベルの上にあり、ｎ形にドープされた少くとも
一つの傾斜禁制帯層を含む。非対称井戸中にあるキャリ
ヤは、フェルミレベル下に二次元電子ガスを形成する。

ある程度のキャリヤは室温において、フェルミレベルの
上にあるような十分なエネルギーをもちうろことが認識
されよう。

別の実施例において、エネルギー井戸中のキャリヤは、
フォトン吸収により、光学的に生成される。

詳細な記述 本発明に従ういくつかの実施例の構造について述べ、次
にデバイスに有用ないくつかの可変禁制帯のエネルギー
帯構造について、デバイス動作を説明するために述べる
。

第１図は本発明に従う焦電デバイスの一実施例の断面図
である。デバイスは基板１を含み、その上に第１の半導
体領域３、第２の半導体領域５及び領域３及び５の間の
第３の可変禁制帯半導体領域７が配置されている。領域
３及び５は同じ又は相対する伝導形を有する。基板は半
絶縁性又は絶縁性が望ましい。

第３の領域は超格子で、正及び負電荷の中心が一致しな
いように、可変禁制帯で選択的にドープさ糺た複数の領
域を含む。もしエネルギー井戸が構造に隣接するならば
、基板１もまたキャリヤ閉じ込めの働きをする。領域３
．５及び７には、それぞれ電極９．１１及び１３が電気
的に接している。電極９及び１１は通常のオーム性電極
である。電極１３は電界効果トランジスタ上のデート製
作に用いられる、たとえば金属−絶縁体又は金属のよう
な通常の技術により製作してよい。

第２図は本発明に従う別の実施例の断面図である。描か
れたデバイスは、第１の半導体領域２０、第２の半導体
領域２２及びこれら二つの領域間の第３の領域２４を含
む。また、この場合導波路層２５及び２γがある。第３
の領域は、第１図のそれと同様である。領域２０及び２
２は同じ伝導形又は相対する伝導形を有してよい。導波
路領域２５及び２７は、必要に応じて省いてよい。これ
らの領域は隣接した可変禁制帯領域の屈折率より小さな
屈折率を有する。領域２７は超格子領域の隣接した部分
の禁制帯より、広い禁制帯を有する。

もし領域２０が隣接した超格子領域より広い禁制帯を有
するならば、領域２７は省いてもよい。すなわち、領域
２０又は領域２１は、キャリヤ閉じ込め領域になる。領
域２０及び２２には、それぞれ電極２６及び２Ｂが電気
的に接している。

領域は傾斜禁制帯及び選択ドーピングを有するように製
作するのに便利な■−■族化合物半導体のような半導体
から成る。＃　ｚＧａｌ−ｙｔＡｇ、Ａｌｋｓ、（／ｌ
／！ｘＧａｌ−ｘ）ｙＩｎｌ−ｙＡｓ　、　ＧａｘＩｎ
ｌ−ｘＰｙＡｓｌ　−ｙ　、　ＭｘＧａｌ−ｘｓｂ　、
　＃Ｓｂ及びＧａＳｂのような半導体を用いてよい。Ｈ
ｇ１−ｘＣｄｘＴｅ　　もまた用いてよい。デバイスは
たとえば、分子線エピタキシーにより層を成長させ、通
常のプロセス技術を用いることにより、製作すると便利
である。

本発明は超格子を構成する第３の領域のエネルギー帯構
造を参照することにより、より良く理解されるであろう
。簡単にするために、エネルギー帯構造には、伝導帯を
プロットする。特に述べなければ、すべての伝導帯構造
は、印加バイアス・ゼロにおけるものを描く。

そのような伝導帯構造が第３図に描かれており、エネル
ギーが任意目盛で縦軸にプロットされ、それに対して超
格子領域に対する距離が水平軸にプロットされている。

６個の超格子領域２０１．２０２．２０３．２０４．２
０５及び２０６が、領域２５及、び２７と基板２０とと
もに描かれている。フェルミレベルはＥＦ　と印されて
いる。超格子領域は６個の傾斜禁制帯から成るように描
かれているが、それ以上又はそれ以下の数の領域も、あ
る種の実施例で用いるのに有利であることがある。フェ
ルミレベル下のエネルギー帯構造を有する領域の部分は
、電子に対するエネルギー井戸を形成する。

描かれている伝導帯傾斜は、半導体組成を変えることに
より得るのが便利である。たとえばＭｘＧａｌ−ｘＡｓ
はＸをｏ、ｏから０．５まで変えて用いることができる
。もちろん、他の半導体を用いてもよい。〃モル分率の
単゛位中の組成変化が、第４図に描かれている。導波領
域は典型的な場合、５００　ｎｍ　の厚さで、傾斜禁制
帯領域は典型的な場合、５ないし１００　ｎｍ　の厚さ
である。もし領域が薄すぎると、エネルギー井戸間で好
ましくないトンネリングが起るであろう。もし、領域が
厚すぎると、量子化されたエネルギー状態は存在しない
であろう。

領域は選択的にドープされ、フェルミレベル上の領域の
エネルギー帯構造の部分は、ｎ形であり、すなわちそれ
はドナな有する。各傾斜禁制帯領域のほぼ半分は、典型
的な場合５　Ｘ　１０”　／ｃｒ／ｌ　ないし５　Ｘ　
１０１８／ｃｒｌの濃度に、ｎ形にドープされる。一般
に、エネルギー井戸中には約１０”／ｃＪないし１０１
２／ｃｒｌのキャリヤ密度を有するのが望ましい。

平衡状態において、ドナ原子からの電子はフェルミレベ
ル下の伝導帯のエネルギー帯構造の部分を満し、従って
フェルミレベル上の伝導帯を有する構造の一部に、正味
の正電荷を残す。電子は二次元電子ガスを形成する。

明らかなように、正電荷の中心・は負電荷の中心とは一
致せず、従ってデバイスは正味のダイポールモーメント
を有し、焦電デバイスである。

負電荷の中心は電子がより高いエネルギー状態に励起さ
れるとともに、変化することを認識すべきである。電子
が励起された時、それらのエネルギー状態が変り、領域
の非対称構造とその結果生じるエネルギー井戸のため、
それらの平均位置も変化する。もちろんこのことは電気
的ダイポールモーメントと正味の電気分極を変える。電
子はいくつかの方法のうちのいずれかにより、励起すれ
ばよい。たとえば、熱的手段、すなわち加熱又は冷却、
光学的手段、すなわち吸収、又は電気的手段、すなわち
領域に垂直又は平行な電界などを用いてもよい。動的に
検出可能な内部分極は、変調される。従って、デバイス
は温度センサ及び光検出器として有用である。ゲートは
電子井戸の形及び深さを変えられ、従って領域３及び５
間の電子の輸送特性を変える。

電子が中に閉じ込められる可変禁制帯領域すなわち非対
称エネルギー井戸が存在することは、本質的である。た
とえば、もし電子が正方形又は他の対称形井戸に閉じ込
められるならば、それらの平均位置はそれらがエネルギ
ーを得た時変化せず、ダイポールモーメントは変化しな
いであろう。

あるいは、領域にはアクセプタを選択的にドープしても
よい。そのような実施例において、二次元ガスは正孔か
ら成り、それはエネルギー帯構造において、フェルミレ
ベル以上のエネルギー帯構造を選択的に満す。このドー
ピングの型は、エネルギー禁制帯差のほとんどが価電子
帯にある時、望ましいであろう。

他のエネルギー帯構造も、第３の領域として可能である
。第５図は別の実施例の伝導帯を示し、との場合第３領
域は複数の領域を有する超格子から成る。更に多くのあ
るいは少数でもよいことを理解すべきであるが、４つの
超格子領域４１．４２．４３及び４４が描かれている。

領域４５はキャリヤ閉じ込め領域である。この実施例に
おいて、各超格子領域は二つの隣接した傾斜領域間のｎ
形にドープされた本質的に一定禁制帯幅の領域を有する
。傾斜禁制帯領域は、たとえばＸが距離とともに直線的
に変化するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る。やはり電子
の平衡状態は、それらが平均ではフェルミレベル下で、
ドナ原子からは空間的に分離された二次元電子ガスを形
成する。

定禁制帯領域の伝導帯中のくぼみは、イオン化したドナ
の空間電荷のために生じる。従って、正電荷の中心は負
電荷の中心とは一致せず、デバイスは焦電性である。異
なる組成変化を用いてもよい。たとえば、放物線状の変
化も使用できる。

第６図は本発明に従うフェロ電気超格子領域の伝導帯構
造を示す。二つの可変禁制帯超格子領域５１及び５２が
描かれている。領°域５４はキャリヤ閉じ込め領域であ
る。各領域はｎ形にドープした比較的一定の禁制帯領域
を有する。定禁制帯領域間に可変禁制帯領域があり、そ
れはフェルミレベルより上にエネルギー極大値を有し、
フェルミレベルより下に二つの極小値をもつ。従って、
各超格子は超格子構造の各定禁制帯領域間の、フェルミ
レベル下にある二つの電子井戸を有する。得られる構造
は印加電界により逆転される正味の電気的ダイポールの
方向をもち、従ってフェロ電気的である。

第７図は一例としてのデバイスのヒステリシス・ループ
の例について、電界を水平軸にプロットし、分極を垂直
にプロットしたものである。

このことは第８−１２図を参照することにより、より良
く理解できるであろう。これらの図は外部電界の影響下
でのデバイスの分極反転を電子。簡単にするために、単
一の超格子領域のみが描かれている。デバイスは定禁制
帯領域間に、電子のための二つの井戸を有する。各井戸
は最初、電子により占められている。第８図はデバイス
が最初製作されたまま、すなわち電界が印加されていな
い時の平衡状態を示す。これは第７図中の点０、すなわ
ち原点に対応する。もし電界を層に垂直に印加し、大き
さを増すならば、井戸の反射対称性は破れ、電子が一つ
の井戸から離れ、第２の井戸に移動するとともに、電気
的に分極する。分極は線ＯＡに沿って増す。最終的に、
電界のある値Ａ以上で、分極は飽和する傾向にある。こ
の状況が第９図に描かれている。

この時点において、すべての電子は一方の井戸から、他
方の井戸に移動してし址っている。

今もし印加電界をゼロに減少すると、第１０図に描かれ
ているようなエネルギー帯構造が生じる。これは第７図
中の点Ｂに対応する。

電界は第８図中のときと同じであるが、この状態では、
残留分極があることに注意すべきである。すなわち、超
格子はすべての電子が一つの井戸に残っているため、分
極したままである。もし、電界を第９図に描かれている
のとは逆の方向に増すと、分極の逆転が起る。

すなわち電子は第１０図中の占有されていない井戸に移
動する。分極は線ＢＣに沿って移動する。飽和が最終的
に起り、第１１図に描かれているようなエネルギー帯構
造が生じる。

第７図中の点Ｃにおいて、飽和が起る。やはり、もし電
界をゼロに減少させると、第１２図に描かれているよう
な残留分極がある。これは第７図中の点りに対応する。

すなわち、電子は一つの井戸中に残る。フェロ電気超格
子はこのようにヒステリシスループを有することが、当
業者には容易に認識されよう。もし、電界を再び増加さ
せると、分極は曲線ＤＦに沿って移動する。そのような
デバイスはメモリデバイスとして使用できることが、容
易に理解できよう。

第１０図に描かれた伝導帯構造は、以下のデバイス用途
に対して、更に関心がもたれる。

もし、領域３及び５間の電圧を増すならば、エネルギー
井戸中の電子はエネルギーを得て、超格子領域に平行な
方向に移動する。それらが十分なエネルギーを得た時、
すなわち電圧が十分大きい時、それらは隣接する井戸に
移動する。デバイスはこのように、実空間電子転送デバ
イスである。二つの井戸中の電子移動度が異るならば、
デバイスは負微分抵抗を示す。

第１３図は更に別のフェロ電気超格子エネルギー帯構造
を示す。二つの超格子領域１３１及び１３２が描かれて
いる。領域２１はキャリヤ閉じ込め領域である。各領域
は定禁制帯領域と、定禁制帯領域間に二つの局部的な極
大値と三つの局部的極小値を有する可変禁制帯領域を有
する。可変禁制帯領域は次の超格子領域の定禁制帯領域
に隣接する。しかし、電子が三つの井戸のいずれかにあ
るように、定禁制帯領域間に三つの井戸を有し、デバイ
スがバイアスされるため、これは三安定デ゛バイスであ
ることに注意すべきである。ヒステリシス曲線がかなり
複雑であることは容易に理解されるであろうが、このデ
バイスの動作は第１０図に描かれたデバイスのそれと同
様である。

第１４図はバイアス下の鋸歯状超格子の伝導帯構造であ
る。三つの可変禁制帯領域１４１．１４２及び１４３が
描かれている。超格子はｐ−ｎ接合間に挿入される。す
なわち、第１及び第２の半導体領域は相対する伝導形を
有し、ｐ−ｎ接合は逆バイアスされる。

ある逆バイアス電圧において、エネルギー帯構造は第１
４図に示されるように、階段状になる。電子は井戸から
除去され、超格子にキャリヤ、は無くなる。これはデバ
イス容量の急激な降下に対応し、デバイスはバラクタダ
イオードとして使用できる。

本発明に関して、フェルミレベル下の井戸中にキャリヤ
を生成するために、選択ドーピングを用いた実施例を参
照して述べてきたが、他の技術も使用できることが認識
されよう。

たとえば、超格子層はアンドープでよく、キャリヤはフ
ォトンの吸収により井戸中に入れてもよい。もちろん、
電子及び正孔の再結合時間は、有用なデバイス動作に必
要な時間より長くすべきである。加えて、超格子領域は
均一にドープしてもよく、その場合井戸の高エネルギー
側のドーパントは、電荷をフェルミエネルギー下の低エ
ネルギー側に移動させるであろう。やはり一つの可変禁
制帯層の存在が必要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、 第２図は本発明の別の実施例の断面図、第３図は本発明
に従う焦電性超格子デバイスの伝導帯構造を示す図、 第４図は第３図に描かれたデバイスの単位構造中の組成
を、Ｍのモル分率で示す図、第５図は本発明に従う別の
焦電性超格子デ、　　バイスの伝導帯構造を示す図、 第６図は本発明に従うフェロ電気超格子デバイスの伝導
帯構造を示す図、 第７図はフェロ電気デバイスの一例におけるヒステリシ
スループを示す図、 第８図−第１２図はデバイスの分極ヒステリシスループ
曲線を説明するのに有用な本発明に従うフェロ電気超格
子デバイスの伝導帯構造を示す図、 第１３図は本発明に従う別のフェロ電気超格子デバイス
の伝導帯構造を示す図、 第１４図は本発明のキャパシタの例の伝導帯構造を示す
図である。 主要符号の説明 １・・・・・・基板　　　３．２ｏ・・・・・・第１の
半導体領域５．２２・・・・・・第２の半導体領域？・
・・・・・可変禁制相半導体領域 ９．１１．１３．２６．２８・・・・・・電極２５．２
７・・・・・・導波路層 ＦＩＧ、／ダ 距離 ？ｊ、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　Ｗば　　　　　　　鷺 Ｆ／に、７ Ｆ／こ９ ＦＩＣθ Ｆ／Ｇ、１０ Ｆ／に、／２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１及び第２の半導体領域と前記第１及び第２の各
   領域への第１及び第２の電極を含むデバイスにおいて、 該デバイスは前記第１及び第２の半導体領域間に、第３
   の領域を含み、前記第３の領域は少くとも一つの傾斜禁
   制帯領域と、前記第３領域に隣接した閉じ込め領域を含
   み、前記閉じ込め領域及び前記第３領域は、キャリヤ閉
   じ込めエネルギー井戸を形成することを特徴とするデバ
   イス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記第３領域はキャリヤ及びドーパント原子のエネルギ
   ーレベルが、ゼロ印加バイアスにおいて、フェルミレベ
   ルの異なる側にあるように、選択的にドープされた領域
   を含むことを特徴とするデバイス。 ３、特許請求の範囲第１又は第２項に記載されたデバイ
   スにおいて、 前記第１及び第２の電極は、 ａ）前記第３領域に平行又は ｂ）前記第３領域に垂直に、 選択的に電界を印加することを特徴とするデバイス。 ４、特許請求の範囲第１、第２又は第３項に記載された
   デバイスにおいて、 前記第３領域に対する電極を含み、前記電極は前記選択
   ドープ領域に垂直な電界を印加することを特徴とするデ
   バイス。 ５、特許請求の範囲第１、第２、第３又は第４項に記載
   されたデバイスにおいて、 前記第１及び第２領域は選択的に、 ａ）同じ伝導形であるか、又は ｂ）相対する伝導から であることを特徴とするデバイス。 ６、特許請求の範囲第１項から第５項のうちのいずれか
   １項に記載されたデバイスにおいて、 前記選択ドープ領域は、 ａ）ｎ形ドープ又は ｂ）ｐ形ドープであること を特徴とするデバイス。 ７、特許請求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか
   １項に記載されたデバイスにおいて、 前記第３領域は定禁制帯領域及び可変禁制帯領域を含み
   、前記定禁制帯領域はドープされていることを特徴とす
   るデバイス。 ８、特許請求の範囲第７項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記ドーピングはｎ形で、前記可変禁制帯領域はフェル
   ミレベルより上の伝導帯中に局部的な極大値をもち、そ
   れによつて二つの電子井戸を形成することを特徴とする
   デバイス。 ９、特許請求の範囲第７項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記可変禁制帯領域はフェルミレベルより上の伝導帯中
   に局部的な二つの極大値を有し、それにより３個の電子
   井戸を形成することを特徴とするデバイス。 １０、特許請求の範囲第１項から第６項のうちのいずれ
   か１項に記載されたデバイスにおいて、 前記第３領域は超格子を含み、前記超格子は複数の領域
   を含み、前記領域はキャリヤ及びドーパント原子のエネ
   ルギーレベルが、ゼロバイアスにおいて、フェルミレベ
   ルの異なる側にあるように、選択的にドープされた領域
   を含むことを特徴とするデバイス。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載されたデバイスに
   おいて、 前記超格子領域は定禁制帯領域と可変禁制帯領域を含み
   、前記定禁制帯領域は選択的にドープされた領域である
   ことを特徴とするデバイス。 １２、特許請求の範囲第１１項に記載されたデバイスに
   おいて、 前記可変禁制帯領域はフェルミレベルより上の伝導帯中
   に局部的な極大値を有し、それにより二つの電子井戸を
   形成することを特徴とするデバイス。 １３、特許請求の範囲第１１項に記載されたデバイスに
   おいて、 前記可変禁制帯領域はフェルミレベルより上の伝導帯中
   に二つの局部的な極大値を有し、それにより三つの電子
   井戸を形成することを特徴とするデバイス。 １４、特許請求の範囲第１０項に記載されたデバイスに
   おいて、 前記超格子領域への電極を含むことを特徴とするデバイ
   ス。 １５、特許請求の範囲第１０項に記載されたデバイスに
   おいて、 前記第３領域への電極を含み、前記電極は前記超格子の
   前記領域に垂直に、電界を印加することを特徴とするデ
   バイス。