タイプＩＩインターバンド異質構造体後方ダイオード

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は半導体装置に関し、さらに特定すれば、高周波検出とミキシングに有用な後方ダイオード(backward diode)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルダイオード(tunnel diode)は一般的に逆導電性タイプの多量ドープ半導体材料の２領域を含んだ周知の半導体装置である。これら逆導電性タイプは、半導体領域に適当な作動電位が適用されたときには電荷キャリヤを通過させる比較的に薄い接合部(junction)によって分離されている。ｐ領域ダイオードとｎ領域ダイオードは非常に多量にドープされているために変性(degenerate)している。均衡状態ではｐ領域ダイオードの価電子バンド（帯）(valence band)の一部は空状態(empty)であり、ｎ領域ダイオードの伝導バンド（帯）(conduction band)の一部は充填状態である。
【０００３】
多少の前方バイアス(forward bias)はｎ領域の伝導バンドの充填部分の幾つかのレベルをｐ領域の価電子バンドの空レベルとエネルギー整合状態にする。この場合、量子力学トンネル効果は電子をｎ領域からｐ領域に流れさせ、バイアスの増加で最初に増大する正電流を提供する。ｎ領域の伝導バンドの充填部分がｐ領域の価電子バンドの空部分と最大整合するとき電流は最大となる。続いて前方バイアスの増加で電流は減少し、ｎ領域の伝導バンドの充填部分がｐ領域のエネルギーギャップの反対側に存在するとき最低値に接近する。さらに大きな前方バイアスが発生すると、電子とホール(hole)はｐ領域とｎ領域との間のバリヤを超えて注入され、増大前方バイアスに対して電流が急速に増加する。よって、電流-電圧はその特性の前方領域で負のディファレンシャルコンダクタンス部分 (differential conductance part)を有している。
【０００４】
トンネル接合部とインターフェースしたＧaＳb1-yＡsyとＩn1-xＧaＡsの隣接領域で成る異質構造体(heterostructure)の利用は米国特許第４１９８６４４号「トンネルダイオード」（１９８０年４月１５日発行、江崎レオ）で説明されている。江崎特許の異質構造体はグループIII－Ｖの化合物半導体合金の第１層と第２層を含む。この第１層は第１グループIII物質と第１グループＶ物質を含んだ合金であり、第２層は第１グループIII物質とは異なる第２グループIIIと、第１グループＶ物質とは異なる第２グループＶ物質とを含んだ合金であり、第１合金の価電子バンドは、第２合金の価電子バンドへよりも第２合金の伝導バンドに近い。好適実施例は第１グループIII物質としてのＩn、第１グループＶ物質としてのＡs、第２グループ物質としてのＧa、第２グループＶ物質としてのＳbを設定する。
【０００５】
米国特許第４３７１８８４号「ＩnＡs-ＧaＳbトンネルダイオード」（江崎レオ）は多量のドーピングを必要としないトンネルダイオードを提供する。ここでは電子ビームエピタキシプロセスは容易に実施できる。その特許のトンネルダイオードの異質構造体は比較的に軽くドープされたグループIII－Ｖ化合物（特にＩn1-xＧaＡsとＧaＳb1-yで成る）の第１堆積領域と第２堆積領域とを含んでいる。ｘとｙで表される密度は好適には０であるが、０.３以下であり、改良点は、その構成物質が隣接領域のものである４基化合物の比較的に薄い層のインターフェースであることである。このインターフェースはＩnＡsとＧaＳbの連続領域間でオーム接合部(ohmic junction)ではなくてトンネル接合部(tunneling junction)を提供する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の１目的は、高周波検出のためにさらに広範な範囲と向上した感度を提供するようにさらに高いバンド幅へと適用を拡張させるトンネルダイオードの新規で有用な改良の提供である。特に、本願発明は略０バイアスで高度の非線形を提供するようにデザインされている。これは前述の特許とは異なる点である。それらは略０バイアスで負抵抗領域を提供するようにデザインされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明はＡlＳb層とＡlＧaＳb層とを使用して電流電圧（Ｉ-Ｖ）曲線と電流強度の曲線を制御し、前方電流を減少させる。負バイアス方向のトンネル電流は比較的に大きく、影響を受けない。このデザインの望ましい特徴は略０バイアスでＩ-Ｖ曲線の非線形部分を提供することである。この特徴はＡlＧaＳb層で大きく改善される。
【０００８】
本願発明によれば、インターバンドトンネル特性を示す高速半導体装置が提供される。この装置は互いに異なる組成を有し、トンネル現象が起こる薄いインターフェース層で分離された２つの半導体領域を含んでいる。これら半導体領域は互いに反対方向にシフトされるギャップを示し、インターフェース層は充分に薄くてトンネル効果によって電子を移動させる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本願発明は改良型後方ダイオード構造を提供する。これは多種多様な適用形態が可能である。以下で提供する実施例は本願発明を限定するものではなく、それらの変形は本願発明のスコープ内である。
【００１０】
図１はＧeその他の半導体での従来の多量ドープｐ-ｎ接合に関連するバンドエッジ図である。この多量ドープはエネルギーバンドを曲げ、ｎ型サイドの電子を比較的に薄いバンド-曲げ領域に通過させてｐ型サイドに送らせる。もしドーピングが両側で多量であれば、電流-電圧（Ｉ-Ｖ）曲線の負のディファレンシャル抵抗ピークは、ｎサイド１００からｐサイド１０２のホールへの電子トンネルとして正バイアスを提供するように創出される。ｎ型層とｐ型層の両方は典型的にはＧeで形成される。図の左右の矢印１０４は伝導バンドエッジ１０６と価電子バンドエッジ１０８の正バイアスでのシフトの方向を示す。充分な正バイアスでは、ホール状態へのトンネル現象にとり電子エネルギーは高過ぎ、負のディファレンシャル抵抗結果が発生する。負のバイアスでは、ドーピングが多量であると、バンド曲げ領域１１２は短く、フェルミ準位１１２以下のエネルギーでｐサイド１０２からの電子はフェルミ準位１１２以上のｎサイド１００に（左から右に）トンネル通過できる。得られる電流は大きく、逆バイアスで級数的に増大する。もしｐサイド１０２のドーピングが過大でなれば、フェルミ準位１１２はｐ型サイド１０２の価電子バンドエッジ１０８に接近するであろう。この状態(state)では、電子が前方バイアスでトンネル通過する多くのホールは存在しないであろう。負抵抗電流-電圧曲線のピーク電流は小さく、負バイアス方向のトンネル電流は比較的に無影響で大きい（図２）。これは江崎ダイオードの後方ダイオードタイプである。望ましい特性は略０バイアス２００での非線形電流-電圧曲線特性である。これは高周波信号のミキシングと検出に有用である。
【００１１】
本願発明はＩnＡs/ＡlＳb/ＧaＳb異質構造を活用した改良特性を達成させる。その例示的バンドエッジ図は図３に提供されている。ＡlＳb層３００の存在はＩnＡs及びＧaＳb層（３０２と３０４）の専用利用よりも大きなデザインフレキシビリティを提供する。ＡlＳb層３００の価電子バンドエッジはＩnＡs層３０２の伝導バンドとの調整可能なオーバーラップを提供するようにデザインさせる。このことはＩnＡs/ＧaＳb異質層ではできないことである。これは実際の組成値に対して制限された範囲のバンド整合をさせるものである。説明を容易にするため、図１に示すようなバンド曲げは説明しない。この特殊条件はＩnＡs伝導バンドエッジ３０８に対するフェルミ準位３０６がＧaＳb価電子バンドエッジ３１０対するフェルミ準位３０６と等しくなり、それらの間でバンドが非連続性となるときにのみに達成される。一般的に、この条件は充足されないであろう。しかし、説明を容易にするため、実際には介在するであろうバンド曲げ領域は図示しない。ｐ型ＧaＳb層３０４ではフェルミ準位３０６はＧaＳb価電子バンドエッジ３１０のエッジ以上である。前方方向（左から右）の電流はｐドープされたＧaＳbサイド３０４のホールの不存在によって小さいことが望ましい。しかし、後方電流（右から左）も小バイアスに対しては小さいであろう。なぜなら、ＩnＡs伝導バンド３０８の電子はバイアスがＧaＳb価電子バンド３１０のエッジをＩnＡs層３０２のフェルミ準位３０６のエネルギー以上に上昇させるまでＧaＳb価電子バンド３１０の電子をブロックするからである。
【００１２】
図３の実施例の変形例のバンドエッジ図は図４に示されており、ＩnＧaＳbはＧaＳbと交換される。ＩnＧaＳb価電子バンド４００のエッジは図３に示すＧaＳb価電子バンド３１０のエッジのものに対して少し上昇され、負にバイアスされたときにＩnＧaＳb価電子バンド４００の上部で電子をフェルミ準位４０２以上のエネルギー範囲にアクセスさせる。ＩnＧaＳb層４００のフェルミ準位４０２は好適にはＩnＧaＳb価電子バンドエッジ４００近辺で調整され、前方電流を最小とする。
【００１３】
図５と図６で２つのさらなる変形例が図示されている。２タイプのバリヤであるＡlＳb５００とＡlＧaＳb５０２は図５に図示されている。ＡlＧaＳbを提供するためのＧaの付加はＧaＳbとのバリヤバンドギャップと価電子バンド不連続性を減少させる。ＡlＳbバリヤ５００の厚みは調整でき、トンネル現象による全体電流を制御し、ＡlＳbバリヤ５０２は、ＩnＡs層５０６からＧaＳb層５０８へトンネル通過する前方電流すなわち電子に対する追加的ブロックを提供する。しかし、ＡlＧaＳbバリヤは、ＡlＧaＳbバリヤ５０２の“下側”であるときＡlＧaＳbバリヤ価電子バンド５１０からの電子の後方トンネル現象を大きくはブロックせず、ＩnＡs領域５０６でフェルミ準位５１２以上の可能な状態に流れることができる。図６には右側のｐ型ＧaＳb層６０２上の追加のｎ型ＩnＡs被覆層６００が示されている。右側サイドインターフェース６０４にはバリヤは存在せず、右側のＩnＡsのｎ型コンタクトに便利な遷移返却(transition back)を提供する。
【００１４】
図７と図８は２つの追加的実施例を示す。図７は調整式価電子バンドエッジ７０２を有した１つのＡlＧaＳbバリヤ７００を図示する。ＡlＧaＳbバリヤ７０２の価電子バンドエッジはフェルミ準位７０４に接近している。このバリヤの存在はＩnＡs層７０６からの電子がＧaＳb層７０８に到達する前に大型価電子バンドバリヤをトンネル通過しないようにブロックする。この変形例は高い電流を低い非線形のものと交換する。なぜなら、それは図５と図６に示す実施例で存在するＡlＳbを有していないからである。図８は連続グレードＡlＧaＳbバリヤ層８００を有した実施例を図示する。これはＩnＡs層８０２とのインターフェース近辺のＡlＧaＳb層８００でさらに高いＡl濃度と、ＧaＳb層８０４とのインターフェース近辺のＡlGaＳb層８００のさらに低いＡl濃度を組み合わせたものである。この条件は、価電子バンド電子が通過する効果的な三角バリヤの幅がバイアスで減少するとき、負バイアスで後方電流に増強された非線形増加を創出するであろう。

TYPE II INTERBAND HETEROSTRUCTURE BACKWARD DIODES

TECHNICAL FIELD

This invention relates in general to semiconductor devices, and in particular to backward diodes useful in radio frequency detection and mixing.

BACKGROUND OF THE INVENTION

The tunnel diode is a well-known semiconductor device that conventionally includes two regions of heavily doped semiconductor material of opposite conductivity types, separated by a relatively thin junction which permits charge carriers to tunnel through upon the application of a suitable operating potential to the semiconductor regions. The p and n regions of tunnel diodes are so heavily doped that they are degenerate. At equilibrium, a portion of the valence band in the p region of the diode is empty and a portion of the conduction band in the n region is filled.

A slight forward bias brings some levels of the filled portion of the conduction band of the n region into energetic alignment with empty levels of the valence band of the p region. In this situation, quantum-mechanical tunneling allows electrons to flow from the n region to the p region, giving a positive current that first increases with increasing bias.

When the filled part of the conduction band of the n region is maximally aligned with the empty part of the valence band of the p region, the current flow is maximized.

Subsequently, the current decreases with increasing forward bias, and approaches a minimum value when the filled part of the conduction band of the n region lies opposite the energy gap of the p region. When a yet larger forward bias occurs, electrons and holes are injected over the barrier between the p and n regions, resulting in a rapid increase in current for increasing forward bias. Thus, the current-voltage has a negative differential conductance part in the forward region of the characteristic.

Use of a heterostructure consisting of adjoining regions of GaSbl-yAsy and Inl-xGaxAs interfaced with a tunneling junction is described in U. S. Pat. No. 4,198,644 entitled, "Tunnel Diode"issued to Leo Esaki on Apr. 15,1980. The heterostructure presented in the Esaki patent discloses first and second layers of Group III-V compound semiconductor alloys wherein the first layer is an alloy including a first Group III material and a first Group V material, and the second layer is an alloy including a second Group III material different from the first Group III material and a second Group V material different from the first Group V material, and wherein the valence band of the first alloy is closer to the conduction band of the second alloy than it is to the valence band of the second alloy. The preferred embodiment identified In as the first Group III material, As as the first Group V material, Ga as the second Group III material, and Sb as the second Group V material.

Also, U. S. Pat. No. 4,371,884 entitled"InAs-GaSb Tunnel Diode", also issued to Leo Esaki provides for a tunnel diode requiring no heavy doping, and which the process of molecular beam epitaxy can readily fabricate. The'884 tunnel diode heterostructure comprises first and second accumulation regions of relatively lightly doped group III-V compounds specifically consisting of Inl-xGaxAs and GaSb)-y As where concentrations expressed in terms of x and y are preferably zero but less than 0.3, and where the improvement consists of an interface of a relatively thin layer of a quaternary compound whose constituent materials are those of the adjoining regions. This interface provides a tunneling junction as opposed to an ohmic junction between contiguous regions of InAs and GaSb.

An object of the present invention is to provide a new and useful improvement in tunneling diodes in order to expand their application to higher bandwidths, with greater dynamic range and greater sensitivity for radio frequency detection. In particular, the present invention is designed to provide a high degree of non-linearity near zero bias.

This is in contrast to patents discussed above, which are designed to provide a negative resistance region near zero bias.

The present invention uses AISb and AIGaSb layers to control the curvature of the current voltage (I-V) curve and current density through the device, thus decreasing the forward current while allowing the tunneling current in the negative bias direction to be relatively large and unaffected. The desirable characteristic of this design is to provide a highly nonlinear portion of the I-V curve near zero bias, which is greatly improved by the presence of the AIGaSb layers.

SUMMARY OF THE PRESENT INVENTION

According to the invention there is provided a high-speed semiconductor device that exhibits an interband tunneling characteristic. The present invention comprises two semiconductor regions having mutually different compositions from one another and separated by a thin interface layer through which tunneling occurs.

The semiconductor regions exhibit gaps that are shifted in mutually opposite directions and the interface layer is amply thin to allow for electron transfer via tunneling.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is band-edge diagram illustrative of a conventional implementation of a backward or Esaki diode; FIG. 2 is a qualitative example of the current-voltage characteristic diagram typically exhibited by the backward diode version of the Esaki diode; FIG. 3 is a band-edge diagram illustrative of the InAs/AISb/GaSb heterostructure backward diode system of an embodiment of the present invention; FIG. 4 is a band-edge diagram illustrative of a variation of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, wherein InGaSb is substituted for GaSb; FIG. 5 is a band-edge diagram illustrative of another variation of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, wherein two types of barriers are present, namely AlSb and AIGaSb ; FIG. 6 is a band-edge diagram of an embodiment of the present invention similar to that shown in FIG. 5, with an additional n-type InAs layer formed on the p-type GaSb layer on the right-hand side of the FIG. 5; FIG. 7 is a band-edge diagram illustrative of another variation of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, wherein a single AIGaSb barrier with an ajustable valence band is present; and FIG. 8 is a band-edge diagram illustrative of another variation of the embodiment of the present invention shown in FIG. 5, depicting the use of a continuously graded barrier.

DETAILED DESCRIPTION

The present invention provides improved backward diode structures, which may be tailored to a variety of applications. The following description is presented to enable one of ordinary skill in the art to make and use the invention and to incorporate it in the context of particular applications. Various modifications, as well as a variety of uses in different applications will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principes defined herein may be applied to a wide range of embodiments. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments presented, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

FIG. I presents a band-edge diagram associated with the conventional heavily doped p-n junction in Ge or another semiconductor. The heavy doping causes the energy bands to bend such that electrons in the n-type side can tunnel through the relatively thin band- bending region into the p-type side. If the doping is very heavy on both sides, a negative differential resistance peak in the current-voltage (I-V) curve is produced for positive bias as electrons tunnel from the n-side 100 to the holes in the p-side 102. Both the n-type and p-type layers are typically formed of Ge. The arrows on the left and right sides of the figure 104 indicate the direction of the shift of the conduction band edge 106 and the valence band edge 108 with positive bias. For sufficient positive bias, the electron energies are too high for tunneling into the hole states, and negative differential resistance results. For negative bias, if the doping is high, the band-bending region 112 is short, and the electrons from the p-side 102 at energies below the Fermi level 112 can tunnel (from left to right) into the n-side 100 above the Fermi level 112. The resulting current can be large, and increases exponentially with reverse bias. If the doping of the p-side 102 doping is not too large, the Fermi level 112 will be close to the valence band edge 108 on the p-type side 102. In this state, there will not be many hole states for the electrons to tunnel into with forward bias. The peak current of the negative resistance current-voltage curve will be small, while the tunneling current in the negative bias direction is relatively unaffected and large, as shown in FIG. 2. This is the backward diode version of the Esaki diode. The desirable characteristic is the highly nonlinear current-voltage curve characteristic near zero bias 200, which makes it useful for mixing and detecting radio frequency signals.

The present invention achieves improved behavior using an InAs/AISb/GaSb heterostructure system, an example band-edge diagram for which is depicted in 3.

The presence of an AlSb layer 300 provides greater design flexibility than the exclusive use of InAs and GaSb layers (302 and 304, respectively). The valence band edge of the AISb layer 300 can be designed to provide a tailorable overlap with the conduction band of the InAs layer 302. This is in contrast with the InAs/GaSb heterolayer system, which has a limited range of band alignments for practical composition values. For purposes of illustration simplicity, no band-bending is demonstrated such as that shown in FIG. 1.

This special condition is only obtained when the Fermi level 306 relative to the InAs conduction band edge 308 equals the Fermi level 306 relative to the GaSb valence band edge 310 plus the band discontinuity between them. In general this condition will not be satisfied. However, for clarity of illustration, the band-bending region is not shown, although it will likely be present in actual application. The Fermi level 306 is above the edge of the GaSb valence band edge 310 in the p-type GaSb layer 304. The current in the forward direction (left to right in the figure) will be desirably small due to the lack of holes in the p-doped GaSb side 304 to tunnel into. However, the backward current (right to left in the figure) will also be small for small bias, because the electrons in the InAs conduction band 308 block the electrons in the GaSb valence band 310 until the bias is sufficient to raise the edge of the GaSb valence band 310 above the energy of the Fermi level 306 in the InAs layer 302.

A band-edge diagram of a variation of the embodiment of FIG. 3 is shown in FIG. 4, where InGaSb is substituted for GaSb. The edge of the InGaSb valence band 400 is raised by a small amount relative to that of the edge of the GaSb valence band 310 shown in FIG. 3, allowing electrons at the top of the InGaSb valence band 400 access to the energy range above the Fermi level 402 in the InAs layer 404 when negatively biased.

The Fermi level 402 in the InGaSb layer 400 is preferably tailored close to the InGaSb valence band edge 400 to minimize forward current.

In FIG. 5 and FIG. 6 two further modifications are depicted. Two types of barriers, AISb 500 and AIGaSb 502, are depicted in FIG. 5. The addition of Ga to provide AIGaSb decreases the barrier band gap and the valence band discontinuity with GaSb. The thickness of the A) Sb barrier 500 is ajustable to control the overall current due to tunneling, while the AIGaSb barrier 502 contributes additional blocking to the forward current, i. e. electrons tunneling from the InAs layer 506 through to the GaSb layer 508.

However, the AlGaSb barrier does not significantly block the (beneficial) backward tunneling of electrons from the AIGaSb barrier valence band 510 as they are "underneath"the AlGaSb barrier 502 and can flow into available states above the Fermi level 512 in the InAs region 506. In FIG. 6 there is shown an additional n-type InAs cladding layer 600 on the p-type GaSb layer 602 on the right. There is no barrier at the right side interface 604, thus providing a convenient transition back to an InAs n-type contact on the right.

FIGs. 7 and 8 depict two additional embodiments. FIG. 7 demonstrates a single AIGaSb barrier 700 with an adjustable valence band edge 702. The valence band edge of the AlGaSb barrier 702 is close to the Fermi level 704. The presence of this barrier blocks electrons from the InAs layer 706 from tunneling through the large valence band barrier before reaching the GaSb layer 708. This variation can trade off higher currents for possibly lower nonlinearity since it lacks the AISb barrier present in the embodiments shown in FIGs. 5 and 6. FIG. 8 depicts an embodiment of the present invention with a continuously graded AIGaSb barrier layer 800, combining a higher Al concentration in the AIGaSb layer 800 near the interface with the InAs layer 802 and a lower Al concentration in the AlGaSb layer 800 near the interface with the GaSb layer 804. This condition will produce an enhanced nonlinear increase in the backward current with negative bias, as the width of the effective triangular barrier that the valence band electrons must tunnel through decreases with bias.

「特表2003-518326およびWO01037348より引用」