JPS6331165A - 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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- 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
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- 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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- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- 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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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。
め要約のデータは記録されません。
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数比
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数比
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 Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、、 Ｖｏｌ、
２４． Ｎａ１２．１９７４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ＧａＡ
ｕＡｓ障壁の間にはさまれた簿い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ｌ［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
あられれる。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。
２４． Ｎａ１２．１９７４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ＧａＡ
ｕＡｓ障壁の間にはさまれた簿い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ｌ［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
あられれる。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。
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の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。
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の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１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。
Ｃ６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
型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。
型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。
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。
Ｄ０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して同一の導電型の半導体
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して同一の導電型の半導体
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ｎＧａＡｓ半
導体結晶であり、第１及び第２の障壁はドープされない
Ｇ ａ Ａ Ｑ Ａ ｓ半導体結晶であり、量子井戸は
ｐ Ｇ ａ Ａ ｓ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ｎＧａＡｓ半
導体結晶であり、第１及び第２の障壁はドープされない
Ｇ ａ Ａ Ｑ Ａ ｓ半導体結晶であり、量子井戸は
ｐ Ｇ ａ Ａ ｓ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。
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。
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・デバイスはまた、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
射する輻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。
能にも使用することができる。この場合、量子井戸に入
射する輻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。
ーザー機能にも使用することができる。
この場合１．量子井戸から放出される輻射の量は、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。
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。
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。
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輻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、ｎ Ｇ
ａ Ａ ｓ基板１６と外側の基板１８の間の、ｎ Ｇ
ａ Ａ ｓ、ドープされていないＧａＡｌＡｓ、ｐＧ
ａＡｓ、 ドープされていないＧａＡｌＡｓ、ｎＧａＡ
ｓという５層中に形成され、ｐ Ｇ ａ Ａ ｓベース
とｎＧａＡｓエミッタに接点（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輻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、ｎ Ｇ
ａ Ａ ｓ基板１６と外側の基板１８の間の、ｎ Ｇ
ａ Ａ ｓ、ドープされていないＧａＡｌＡｓ、ｐＧ
ａＡｓ、 ドープされていないＧａＡｌＡｓ、ｎＧａＡ
ｓという５層中に形成され、ｐ Ｇ ａ Ａ ｓベース
とｎＧａＡｓエミッタに接点（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（又はＧ ａ
Ａ Ｑ Ａ ｓ中のＡＱの合金組成をあられす）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、ｘ １ ＜ ｘ
２ ＜ ｘ ３であり、ｄｌとｄ３は５０人のオーダ
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Ｘ
２層に形成することができる。ｐｉｆｉｏには、導電型
に基づく選択的エツチングによるか、または後で第６図
に関連してより詳しく説明するように、量子井戸として
同一の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ことができ
る。
Ａ Ｑ Ａ ｓ中のＡＱの合金組成をあられす）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、ｘ １ ＜ ｘ
２ ＜ ｘ ３であり、ｄｌとｄ３は５０人のオーダ
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Ｘ
２層に形成することができる。ｐｉｆｉｏには、導電型
に基づく選択的エツチングによるか、または後で第６図
に関連してより詳しく説明するように、量子井戸として
同一の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ことができ
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１
０−１０−１Ｏ０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。
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１
０−１０−１Ｏ０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ル通過の効率的なチ
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。
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。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 （Ｌ、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、ＶＥ＝Ｏであり、ＶＣは、トンネル通過の状態を与
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、利得はぼ１の場合、
工ＣＮ−工Ｅ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。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 （Ｌ、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、ＶＥ＝Ｏであり、ＶＣは、トンネル通過の状態を与
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、利得はぼ１の場合、
工ＣＮ−工Ｅ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れす。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＝Ｏ１１，２）。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、増幅器または発振器としても機能
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れす。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＝Ｏ１１，２）。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、増幅器または発振器としても機能
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
１例えばＶＥ＝ＶＣ＝Ｏにバイアスされ。
１例えばＶＥ＝ＶＣ＝Ｏ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輻射的再結合が生じ、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。
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輻射的再結合が生じ、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１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）”” ・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１
０−１４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、τ ／Ｔで与え
られ、ここでて−１は電子波が障壁に衝突する頻度（ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ ）であり、Ｔは共鳴の伝達時間であ
る。典型的には、それは約１０−”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〜ＩＣ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、ｇ ｍ ＝
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／τ 、ｈはブ
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。
わめて短いと評価される。すなわち、貫通時間ｔ＝ （
ｍ／２Ｅ）”” ・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１
０−１４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、τ ／Ｔで与え
られ、ここでて−１は電子波が障壁に衝突する頻度（ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ ）であり、Ｔは共鳴の伝達時間であ
る。典型的には、それは約１０−”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〜ＩＣ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、ｇ ｍ ＝
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／τ 、ｈはブ
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、。
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。
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２０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１ｏ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
。
スの量子ポテンシャル井戸に延出する接点２０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１ｏ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。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。
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。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。
Ｆ０発明の詳細
な説明したように、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。
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１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１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釦用に使用する場合
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。 ＦＩＧ、４ 先 暢謝 ＦＩＧ、５ 光以珀 ＦＩＧ、６ 接点／）形八
施例を示す図、 第２図は１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１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釦用に使用する場合
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。 ＦＩＧ、４ 先 暢謝 ＦＩＧ、５ 光以珀 ＦＩＧ、６ 接点／）形八
Claims (3)
- （１）（ａ）第１導電型の半導体結晶からなる量子井戸
の層と、 （ｂ）上記量子井戸の層を両側から挟む、半導体結晶か
らなる第１及び第２の障壁層と、 （ｃ）上記第１及び第２の障壁層の外側にそれぞれ設け
られた、上記第１導電型とは反 対の第２導電型の半導体結晶からなる第１及び第２の層
、 とを具備し、 上記第１及び第２の障壁層をキャリアが順次トンネル通
過することにより導通がはかられる 共鳴トンネリング半導体デバイス。 - （２）上記第１及び第２の層の導電型がｎ型であり、上
記量子井戸の層の導電型がｐ型である特許請求の範囲第
（１）項記載のデバイス。 - （３）上記第１及び第２の層がｎＧａＡｓであり、上記
第１及び第２の障壁層が実質的にドープされていないＧ
ａＡｌＡｓであり、上記量子井戸の層がｐＧａＡｓであ
る特許請求の範囲第（２）項記載のデバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US88818186A | 1986-07-18 | 1986-07-18 | |
| US888181 | 1986-07-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6331165A true JPS6331165A (ja) | 1988-02-09 |
Family
ID=25392685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62009223A Pending JPS6331165A (ja) | 1986-07-18 | 1987-01-20 | 共鳴トンネリング半導体デバイス |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0253174A1 (ja) |
| JP (1) | JPS6331165A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01287982A (ja) * | 1988-05-16 | 1989-11-20 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 半導体レーザ装置 |
| JPH0538268A (ja) * | 1991-08-07 | 1993-02-19 | Snow Brand Food Co Ltd | エアレーシヨンクリーム及びその製造法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4973858A (en) * | 1986-07-18 | 1990-11-27 | Ibm Corporation | Resonant tunneling semiconductor devices |
| US5047822A (en) * | 1988-03-24 | 1991-09-10 | Martin Marietta Corporation | Electro-optic quantum well device |
| US5223723A (en) * | 1990-10-19 | 1993-06-29 | At&T Bell Laboratories | Light emitting device |
| FR2684807B1 (fr) * | 1991-12-10 | 2004-06-11 | Thomson Csf | Transistor a puits quantique a effet tunnel resonnant. |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60219766A (ja) * | 1984-04-17 | 1985-11-02 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JPS60254657A (ja) * | 1984-05-31 | 1985-12-16 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JPS6154665A (ja) * | 1984-08-24 | 1986-03-18 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置及びその製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4208667A (en) * | 1978-06-09 | 1980-06-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Controlled absorption in heterojunction structures |
| CA1237824A (en) * | 1984-04-17 | 1988-06-07 | Takashi Mimura | Resonant tunneling semiconductor device |
-
1987
- 1987-01-20 JP JP62009223A patent/JPS6331165A/ja active Pending
- 1987-06-26 EP EP87109210A patent/EP0253174A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60219766A (ja) * | 1984-04-17 | 1985-11-02 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JPS60254657A (ja) * | 1984-05-31 | 1985-12-16 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
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| JPH0538268A (ja) * | 1991-08-07 | 1993-02-19 | Snow Brand Food Co Ltd | エアレーシヨンクリーム及びその製造法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0253174A1 (en) | 1988-01-20 |
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