【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ダイオ−ド、特に変形された二重バリアトンネルダイオ−ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイオ−ドは非線形電圧電流特性を有する半導体装置である。 ダイオ−ドは最も重要な固体装置の１つであり、多くの電子応用で使用される。 トンネルダイオ−ドはダイオ−ドの一種類であり、負性抵抗の通常ではない特性を有する。 この用語が使用されるとき、
負性抵抗は電圧電流特性であり、ある電圧領域にわたってダイオ−ドを横切って供給される電圧が増加するとダイオ−ドを通って伝送される電流が減少する。 対照的に他の多くの装置では増加した供給電圧は増加した電流となる。 トンネルダイオ−ドは高周波発振器回路や高周波電子スイッチを含む多くの応用を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】トンネルダイオ−ドの１つのタイプは二重バリアトンネルダイオ−ドである。
このような二重バリアトンネルダイオ−ドの１例は量子ウェルの各側面にエピタキシャル的に結合するアンチモン化アルミニウムの薄いバリア層を有するアンチモン化ガリウムの量子ウェルを含む。 量子バリアと呼ばれるこの構造は砒化インジウムの２つの注入層の間に配置される。 量子バリアはある状況下でのみ電子の越えることのできる電子流に対するエネルギバリアを生成し、これは供給されたバイアス電圧の範囲にわたって関心の負性抵抗特性を生成する。 外部供給電圧により生成された内部電圧の下で注入層の１つの伝導帯から電子が量子バリアに注入される。 内部電圧は量子バリアの共振トンネル状態を満足するため注入された電子のエネルギを増加する。 共振状態を満足するのに十分な電圧の適切な状態の下で入来電子は量子ウェルの価電子帯レベルと同じエネルギを有し電子は量子バリアを貫通する。 バイアス電圧がさらに増加するとエネルギレベルはもはや整列せず電流は減少し、負性抵抗効果の結果を生じる。

【０００４】ある場合では負性抵抗効果の大きさが期待程ではないことが観察されている。 この減少した負性抵抗の効果の起因と負性抵抗効果の十分な範囲を示す改良された二重バリアトンネルダイオ−ドの関連する必要性を理解することが重要である。 本発明はこの必要性を達成し関連する利点を与える。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は改良した二重バリアトンネルダイオ−ドを提供する。 このダイオ−ドは他の同様のダイオ−ドで観察される負性抵抗効果の大きさの減少を阻止する。 これは構造的に通常のダイオ−ドと類似しており通常のダイオ−ドの代用もできる。

【０００６】本発明によると二重バリアトンネルダイオ−ドは半導体材料の少なくとも１つの層を有する量子ウェルを有する。 １対の電子注入層は量子ウェルの両側に配置されておりバリア層は各電子注入層と量子ウェルとの間に位置されている。 バリア層は電子がバリアと量子ウェルをトンネルすることを許容する十分小さい厚さである。 バリア層はさらに量子ウェル材料と双軸性に歪んだエピタキシャル関係を有し、双軸性応力と歪みは電子注入層の伝導帯の最小エネルギ−のエネルギより低く量子ウェルのホールのエネルギを減少するのに十分である。

【０００７】好ましい方法では量子ウェルは約200 オングストロ−ムより小さい厚さで約１〜40の原子パ−セントの砒素を有するアンチモン化ガリウムから作られる。
電子注入層は砒化インジウムから作られる。 バリア層はそれぞれ約40オングストロ−ムより小さい厚さであり、
アンチモン化アルミニウムから作られている。 しかし本発明の応用はこの構造に限定されない。

【０００８】好ましい構造では砒素の付加は量子ウェルのアンチモン化ガリウムの格子定数を減少させる。 砒素の付加は一貫性およびエピタキシャル境界面構造を失わない量に限定され、結果は量子ウェルが双軸の張力に位置される。 この張力の応力は量子ウェルの重いホールと軽いホールのエネルギレベルを分離し、軽いホールに関して重いホールのエネルギレベルを減少する。 合金成分の量子ウェル材料への十分な付加で重いホールのエネルギレベルは十分減少し、これは注入層の伝導エネルギレベルの下である。

【０００９】結果として本発明の方法では重いホールは量子ウェルトンネル効果に入らず、それはバイアス電圧が注入電子のエネルギを重いホールのエネルギより上に上昇するためである。 従って軽いホールのみが好ましい結果である負性抵抗効果に貢献することができる。 重いホールが所望の軽いホールへの伝導用の競合するチャンネルを提供し、それ故伝導処理からの重いホールの削減がダイオ−ドの改良された負性抵抗性能の結果となることが発見されている。

【００１０】本発明のダイオ−ドは負性抵抗効果を達成することにおいて通常の匹敵するダイオ−ドよりも効果的である。 本発明のその他の特徴および利点は本発明の原理である例示の方法により図示される添付図面を伴って以下の好ましい実施例の詳細な説明から明白になるであろう。

【００１１】

【実施例】本発明の二重バリアトンネルダイオ−ド10の１実施例は図１で示されている。 このようなトンネルダイオ−ド10はバリア層14が各側面に結合されている量子ウェル12を含む。 量子ウェル12および２つのバリア層14
をまとめて以下量子バリア15と呼ぶ。 量子バリア15の両側のバリア層14の外側にそれぞれ位置されているのは１
対の注入層16である。 ダイオ−ド10はこれらの層を逐次付着することにより形成される。

【００１２】動作上、電子は注入層16ａとして示されている１つの注入層から供給される。 外部バイアス電圧Ｖ
_bの供給下で注入層16ａからの電子は共振的に他の注入層16ｂへ量子バリア15を通過する。 その結果電流が量子バリア15およびダイオ−ド10を通る。

【００１３】技術で知られるこのような装置の１形態では、量子ウェル12は約200 オングストロ−ムより小さい厚さである単結晶アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）である。 バリア層14は単結晶アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）であり、厚さは約40オングストロ−ムより小さい。 注入層16は単結晶砒化インジウムである。 他の材料もこのようなダイオ−ドで使用されることができ、
本発明はこの構成に限定されない。

【００１４】バリア層14は量子ウェル12にエピタキシャルに関連し、注入層16はバリア層14とエピタキシャルに関連する。 “エピタキシャル”関連は隣接する層または構造が同一の結晶構造を有し、２つの層または構造間の結晶学的連続を有する構造である。 しかし結晶構造が同一で、層の間の連続は２つの層または構造の格子パラメ−タが同一でないものを含む。 多くの場合、格子パラメ−タは僅かに不整合で双軸的歪み状態につながる。 本発明は双軸的歪みを減少することを試みるのではなく、量子ウェルの電子エネルギ状態を利用するように制御するために双軸的歪みを増加する反対の方法を取る。

【００１５】材料に２つの直交方向に歪みがあるとき双軸的歪みが存在する。 このような双軸的歪みは異なった格子定数または膨脹係数を有する２つの材料が境界面で結合するとき他の文脈で発生し、応力および歪みは境界面に平行な直交方向で各材料中に生成される。

【００１６】図２は図１のダイオ−ドの関連した電子エネルギ状態を示す。 “Ｅ _C ”で示すラインは各層の伝導帯の最低の電子エネルギ状態を表している。 “Ｅ _V ”で示すラインは各層の価電子帯の電子エネルギ状態を表している。 （図１のバイアス電圧Ｖの影響下で）注入層16
ａから注入された伝導帯電子がバリア層14をトンネルし、価電子帯の量子ウェル12を通って伝導され、他のバリア層14をトンネルし、注入層16ｂの伝導帯に入るときダイオ−ド10を通過する伝導が生じる。

【００１７】量子ウェル12の価電子帯状態の電子運動が“重いホール”、“軽いホール”と呼ばれる多重の微細な状態で生じることが観察されている。 重いホールと軽いホールは図２で“ＨＨ”、“ＬＨ”と呼ばれる各価電子帯エネルギ状態を有する。 軽いホールの共振は強い伝送確率と結果的な高い電流密度を有するのでトンネルには望ましい。 軽いホールの共振と入来する電子状態との間の対称不整合のために重いホールの共振は軽いホールの共振と同様に伝送しない。 重いホールの共振の存在は負性抵抗効果を低下しがちな伝送用の代りのチャンネルを提供するので望ましくない。 残念ながら大きな質量により、重いホールは常にこのタイプの構造の軽いホールの共振よりも高いエネルギにある。 従って、電圧Ｖ _bの供給は常に装置が負性抵抗領域の動作になるとき重いホール状態からの妨害が生じる結果となる。

【００１８】本発明の重要な特徴は、軽いホールのエネルギ状態からそれを分割することにより重いホールのエネルギ状態を限定するため量子ウェル12の構造を変形したことにある。 重いホールのエネルギ状態は注入層16ａ
の伝導帯のレベルおよび注入層16ａからの注入電子のエネルギより下のレベルに減少される。 この変形はバリア層14と量子ウェル層12との間のエピタキシャル関係を維持しながら達成しなければならない。

【００１９】好ましい方法では量子ウェル層12は格子パラメ−タが減少されるように合金成分の付加により合金される。 量子ウェルの格子パラメ−タの減少は量子ウェル層12で双軸的張力応力および歪みを生成する。 バリア層14とのエピタキシャル関係とバリア層14の格子パラメ−タは不変である。 量子ウェル層12の圧縮応力および歪み状態は図３で示されているように重いホールのエネルギレベルを選択的に減少させる。 合金成分の十分な付加は重いホールのエネルギレベルが注入層の最小の伝導帯エネルギより下に減少されるように量的に量子ウェル材料が双軸的張力応力および歪みを増加させる。 重いホールのエネルギレベルがこのように減少されることによって重いホールは量子バリアを通る共振トンネルに貢献せず、それ故電圧Ｖ _bがさらに増加するとき達成された負性抵抗領域に影響しない。 従って変調されたダイオ−ドは変調されない通常のダイオ−ドと比較して増強された負性抵抗効果を示す。

【００２０】本発明の方法によると量子ウェル層は格子定数を減少する成分を付加することにより変形される。
アンチモン化ガリウム量子ウェルの場合、好ましい合金素子は砒素である。 砒素は分子ビ−ムエピタクシによる結晶成長期間中、量子ウェルの材料に付加される。 付加される砒素の量は限定された範囲にわたって変化できる。 砒素の量は注入層ここでは砒化インジウムの注入層の伝導帯のエネルギレベルより下に重いホールのエネルギレベルを減少するのに十分でなければならない。 砒素の最小の動作量は約１原子パ−セントと推定される。

【００２１】一方、サンプル領域の量子ウェルでアンチモン化ガリウムに付加された砒素の量の増加によって張力応力は増加し、ある点でシステムエネルギが欠陥を核化しエピタキシャル関係が失われることにより減少する。 量子ウェルのアンチモン化ガリウムに付加される砒素の量が非常に大きくなると、アンチモン化アルミニウムバリア層14と量子ウェル12との間のエピタキシャル関係は失われる。 正確な値は量子ウェルの厚さよって決定されるが、量子ウェルのアンチモン化ガリウムに付加されることのできる最大量の砒素は約40原子パ−セントと推定される。

【００２２】従って砒化インジウム注入層、アンチモン化アルミニウムバリア層、アンチモン化砒化ガリウム量子ウェルを有する好ましいシステムでは砒素は約１〜40
原子パ−セントの範囲に維持する。 同様の構造のダイオ−ド製造に使用される材料の他の選択では同様の物理的原理が適用されるが数値は変化する。

【００２３】本発明は重要な負性抵抗機能を達成する改良された構造および動作の二重バリアトンネルダイオ−
ドを提供する。 本発明の特定の実施例は例示の目的で詳細に説明されており、種々の変形は本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われる。 従って本発明は添付の請求の範囲以外に限定されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】二重バリアトンネルダイオ−ドの概略断面図。

【図２】図１の構造の通常のダイオ−ドのエネルギ状態の概略図。

【図３】図１の構造の本発明のダイオ−ドのエネルギ状態の概略図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・エイチ・チョウ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91320、ニューベリー・パーク、ロッジウ ッド 3091