JP3367546B2 - Manufacturing method of resonant tunnel structure - Google Patents
Manufacturing method of resonant tunnel structureInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、有機金属気相成
長法や分子線成長法により、共鳴トンネル構造を作製す
る共鳴トンネル構造の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】共鳴トンネル構造は、高速の電子スイッ
チ,高周波オシレータ,機能素子などへの応用が考えら
れる。この構造は、数分子層の障壁層とそれより若干厚
い井戸層からなり、共鳴トンネル特性は、これらの層
厚,特に障壁層の厚さに非常に敏感である。例えば、障
壁層において1分子層の厚さの変化があると、電子のト
ンネル確率が約50%変化する。したがって、精密な膜
厚制御はもちろんのこと、障壁層と井戸層との界面を原
子精度で平坦に形成する技術が重要となってくる。
【0003】その共鳴トンネル構造を作製するための成
膜方法としては、まず、有機金属気相成長法がある。こ
の方法における膜厚制御技術については、成膜している
表面に照射した斜めX線の反射強度をモニタする方法が
提案されている。しかし、これは、装置構成上容易では
ない。したがって、有機金属気相成長法における膜厚制
御は、通常、成膜時間で制御するようにしている。ま
た、共鳴トンネル構造を作製するための成膜方法とし
て、分子線成長法がある。この成膜方法では、成膜して
いる表面に照射した電子の反射電子回折強度をモニタす
ることで膜厚制御を行う方法があり、実際に多く用いら
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
に、X線や電子線を用いた膜厚制御の方法では、非常に
狭い領域の情報を得ているのにすぎないため、成膜して
いる全面に対する膜厚制御になっていない。このため、
成長した結晶表面に、2次元島や3次元島が形成される
ことが頻繁に発生していても、この状態を捉えることが
できず、原子精度で平坦な界面を得ることが困難であっ
た。
【0005】ところで、これまで、共鳴トンネル構造を
形成する障壁層と井戸層の界面の平坦性,つまりそれら
の層の膜厚均一性と、共鳴トンネル特性との関係を実験
的に明らかにした例はない。その理由は、界面の平坦性
の制御が困難であったことや、また、界面の実観察がな
されず、平坦性の程度は種々の特性から逆に推定するよ
うにしていたためである。ここで、最近、走査型原子間
力顕微鏡観察により、以下に示すことが解明されてきた
(文献:Shinohara et al.Appl. Phys. Lett.65(11)141
8(1994))。例えば、分子線結晶成長法では、上述した
界面で2次元島が形成されやすいことや、一方、有機金
属気相成長法では、分子線結晶法に対して平坦なテラス
の形成に適していることなどが解明されてきた。
【0006】図5は、従来の方法で形成した共鳴トンネ
ル構造のヘテロ界面の状態を示す断面図である。同図に
おいて、51は障壁層、52は井戸層である。また、2
0は界面に形成された高さが同一の平坦なテラス、21
は1分子層分の段差であるステップ、22はこのステッ
プ21が数段重なった多段ステップ、23はテラス20
上に発生した局所的な領域である2次元島、24は2次
元島が高さ方向に2層以上重なった3次元島である。ま
た、図6は、図5の障壁層51の表面状態を示す斜視図
であり、図6中のI−I線の断面が図5の下の障壁層5
1で示されている。
【0007】図5に示したように、2次元島23が発生
すると、その領域での層厚変化は1分子層分となる。そ
して、多段ステップ22や3次元島24が発生すると、
その領域での層厚変化は数分子層分となり、平坦性(膜
厚の均一性)の劣化は顕著となる。また、ステップ21
には、図6のC−C間のように上方から見て直線的に形
成されている場合と、突出した箇所21aや窪んだ箇所
21bが発生して、直線状に形成されていない場合があ
る。このような箇所など、上の界面でのステップと下の
界面でのステップ位置がずれると、図5のBで示す位置
のように、井戸層52の膜厚の変化が生じる。
【0008】通常の成長では、たとえステップが直線状
に形成されたとしても、上の界面と下の界面でのステッ
プ位置がずれるのが一般的であるため、位置がずれた部
分で層厚変化が生じるのは避けられない。共鳴トンネル
特性は、前述したように、形成する層の厚さに非常に敏
感であるが、従来では、上述したように層厚に変化があ
るため、形成した共鳴トンネル構造を用いた素子の特性
が、予想していた程良くならないという問題があった。
【0009】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、共鳴トンネル構造を用い
た素子の特性を向上させることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明の共鳴トンネル
構造の作製方法は、まず、表面が(100)面から<1
10>方向に0.5度から2度の範囲に傾斜した化合物
半導体基板上に、化合物半導体基板よりバンドギャップ
エネルギーの大きい第1の材料からなる第1の障壁層を
所定の温度で結晶成長する。次いで、その第1の障壁層
上に、これよりバンドギャップエネルギーの小さい第2
の材料からなる井戸層を所定の温度で結晶成長する。そ
して、井戸層上に、第1の材料からなる第2の障壁層を
所定の温度で結晶成長して、共鳴トンネル構造とするよ
うにした。ただし、上述した所定の温度は、第1および
第2の材料が結晶成長するとき、成長表面に形成される
ステップの高さが分子1つ分となるステップフロー成長
状態となる範囲である。ここで、基板にGaAs,第1
の材料にAlGaAs,第2の材料にGaAsを用いる
場合と、基板にInP,第1の材料にInAlAsもし
くはAlAs,第2の材料にInGaAsを用いる場合
とがある。
【0011】以上のようにしたことにより、井戸層とそ
の上下の層との界面は、テラスと規則的にならんだステ
ップで構成される。そして、このテラス上には2次元島
や3次元島が発生せず、それぞれのステップの段差が1
分子層となっており、このテラスの幅は、電子のフェル
ミ波長の2倍以下となる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図1は、この発明により作製した共
鳴トンネル構造の一部を示す斜視図である。同図におい
て、15はGaAsからなる井戸層、16はAl0.5G
a0.5Asからなる障壁層であり、井戸層15上に障壁
層16を成長した状態を示している。図示していない
が、井戸層15下にはAl0.5Ga0.5Asからなる障壁
層とGaAsからなる基板とがあり、基板主表面は、
(100)面から[1−10]方向に微傾斜させた面と
なっている。
【0013】このように、(100)面から[1−1
0]方向に微傾斜させた面上に結晶成長していくと、G
aAs表面は端部が直線的な単分子層ステップ21cが
形成され、AlGaAsの表面は端部が波打った状態の
単分子層ステップ21dが形成される。通常では、Ga
Asなどの化合物半導体の基板は、その製造精度の限界
から、その表面は(100)面より多少ではあるが微傾
斜している。このため、この上に結晶成長した層の表面
は、多少なりともステップ(テラス)が形成されること
となる。
【0014】このような状態の中で、結晶成長の条件の
中で、成長温度が低いほどテラスの上に2次元島が形成
されやすい。一方、成長温度が高いほど多段ステップが
形成されやすい。また、この多段ステップは、基板面の
結晶面が(100)面から大きく傾斜しているほど形成
されやすい。すなわち、2次元島が形成されやすい温度
より高く、多段ステップが形成されやすい温度より低く
した条件、すなわちステップフロー成長状態で結晶成長
させるようにすれば、均一なテラス(単分子層ステッ
プ)が形成された状態で結晶成長できる。
【0015】図1の構造は、以上に説明したように、2
次元島や多段ステップがない条件、すなわち成長温度と
基板の傾斜角が、ある限られた条件の範囲で形成できる
ときの構成を示している。これは、基板の傾斜角が0.
05〜2度の範囲、成長温度が600〜730℃の範囲
で形成可能であった。なお、成長温度を630〜700
℃とすれば、より確実に2次元島と多段ステップの形成
を抑制できる。このとき、基板の傾斜方向は[1−1
0]方向とし、Ga原料にトリメチルガリウム,Al原
料にトリメチルアルミニウム,As原料にアルシンを用
いた有機金属気相成長法によりそれぞれの層を成長し
た。
【0016】ここで、通常、図1に示す上側の界面の単
分子層ステップ21dと、下側の界面の単分子層ステッ
プ21cの位置をそろえることは不可能に近い。そのた
め、層厚の異なる領域d1が必ず存在する。しかし、基
板面の(100)面からの<110>方向の傾斜角を
0.5度以上にすることで、その領域d1を電子のフェ
ルミ波長以下にすれば、電子にとっては膜厚変化が捉え
られなくなる領域となり、電子にとっては均一な膜厚の
層が形成されていることになる。
【0017】そして、形成されるテラスの幅d2は、結
晶成長する基板面の(100)面からの傾斜角が大きい
ほど小さくなり、これを1.0度以上(<2度)にする
ことにより電子のフェルミ波長以下とすることができ
る。テラスの幅d2が電子のフェルミ波長以下となって
いれば、層厚の異なる領域d1の幅も、電子のフェルミ
波長以下となり、上述のことが達成される。
【0018】以下に、この発明の効果を示す共鳴トンネ
ル構造と特性との関係を示す。図2は、上述した結果を
適用して作製した共鳴トンネルダイオードの断面図、図
3(a)はこのダイオード(素子面積20×20μm
2 )の83Kにおける電流電圧特性を示す特性図であ
る。なお、図2は、成長している結晶表面に形成される
テラスの方向に平行な断面を示している。
【0019】図2において、1は不純物としてのSiが
5×1017cm-3のn形GaAsからなる基板、2,8
は不純物としてのSiの濃度が5×1017cm-3で厚さ
が300nmのn形GaAs層、3,7は厚さが2nm
および5nmのGaAs層、4,6は厚さが12分子層
分のAl0.5 Ga0.5 Asからなる障壁層、5は厚さが
14分子層分のGaAsからなる井戸層、9は不純物と
してのSiの濃度が3×1018cm-3で厚さが50nm
のn+ 形GaAs層、10は電極である。このときに用
いた基板の傾斜角は1.0度、成長温度は650℃であ
る。
【0020】周知のように、共鳴トンネルダイオードの
電流電圧特性には、印加電圧の上昇にともなってピーク
電圧Ipが現れ、さらに電圧を上げると電流が減少して
バレ−電流Ivが表れる。図3(a)に示すように、共
鳴トンネルダイオードの性能指数を表す負性抵抗部のピ
ーク電流/バレー電流比が7.2、ピーク電流密度が5
5000A/cm2 という結果が得られている。
【0021】この特性は、これまでに有機金属気相成長
法で得られた中で最も優れた値である。これは、図3
(a)の特性を有する構造では、テラスの幅が16nm
となり、この値がこの共鳴トンネルダイオードの電子の
フェルミ波長である24nmより小さいために、電子が
界面を平坦な面と捉えるためであり、界面での電子の散
乱が抑制され、特性が向上したためである。
【0022】以上のことに対して、図3(b)は、層厚
変化が1分子層分有り、その影響を受けている従来の方
法で作製した共鳴トンネルダイオード(素子面積20×
20μm2 )の83Kにおける電流電圧特性の一例を示
す特性図である。図3(b)に示したように、従来で
は、それらピーク電流/バレー電流比およびピーク電流
密度の値はそれぞれ3.6,30000A/cm2 と小
さい。
【0023】以上示したように、層厚変化領域を電子の
フェルミ波長以下にすることで、共鳴トンネル特性が向
上する効果を、より明確にした結果を図4に示す。図4
のIrtは、トンネル電流でIrt=Ip-Iv/2より求めた
ものである。上述したように、多段ステップや2次元島
が形成されていない状態で、テラス幅を減少させていく
と、これにともない、トンネル電流とIp/Iv比が増加
する。このテラス幅は、基板面の(100)面からの<
110>方向への傾斜角度が小さいほど大きい。そし
て、この傾斜角度がある程度大きくなり、約0.5度の
とき、そのテラス幅は約32nmとなり、ここよりピー
ク電流/バレー電流比およびピーク電流密度の値に著し
い増加が見られる。
【0024】このとき、図1で示した層厚変化の幅d1
は、最大でも16nmと見積もられる。この値は、前述
したように電子のフェルミ波長以下の値であるため、電
子にとっては膜厚変化が捉えられなくなる領域となる。
そのため特性が向上する。さらに、テラス幅が16nm
では、図3で示したように、テラス幅自体が電子のフェ
ルミ波長以下となるため、ステップの存在すら電子が捉
えられなくなり、さらに特性が向上する。
【0025】ところで、図4の黒で塗りつぶされた四
角,丸,三角の印は、(100)面からの<110>方
向の傾斜角が2度の基板を用いた場合を示しており、こ
こでは特性の劣化が起きて初めていることがわかる。こ
れは、ステップが2分子以上の段差となっている多段ス
テップが形成され始めているためである。基板面の(1
00)面からの<110>方向の傾斜角度が0.5度以
上であっても、2度を越えるていくと、多段ステップが
形成され初めてしまい、たとえこの幅が16nm以下と
小さくても、特性の劣化をきたすことになる。
【0026】なお、上述では、GaAs/AlGaAs
系の材料を用いた場合について説明したが、これに限る
ものではなく、InP基板を用い、この上にInAlA
sもしくはAlAsからなる障壁層と、InGaAsか
らなる井戸層とを形成する場合についても同様である。
この場合は、ステップフロー成長状態とするために、成
長温度を530〜650℃とする。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、表面が(100)面から<110>方向に0.5度
から2度の範囲に傾斜した化合物半導体基板上に、結晶
成長温度を所定の値として、第1の障壁層と井戸層と第
2の井戸層からなる共鳴トンネル構造を形成するように
した。上述した所定の温度は、第1および第2の材料が
結晶成長するとき、成長表面に形成されるステップの高
さが分子1つ分となるステップフロー成長状態となる範
囲である。このため、井戸層とその上下の層との界面
は、テラスと規則的にならんだステップで構成され、そ
して、このテラス上には2次元島や3次元島が発生せ
ず、それぞれのステップの段差が1分子層となってお
り、このテラスの幅は、電子のフェルミ波長の2倍以下
となる。このため、例えば、量子井戸の両界面でステッ
プの位置が一致していないことによる層厚の変化の領域
は、電子のフェルミ波長以下となり、電子にとっては捉
えられないものとなる。すなわち、電子にとっては層厚
の変化のない状態が形成されていることになり、共鳴ト
ンネル構造を用いた素子の特性を向上させることができ
るという効果を有する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for fabricating a resonant tunnel structure by metal organic chemical vapor deposition or molecular beam growth. 2. Description of the Related Art A resonance tunnel structure can be applied to high-speed electronic switches, high-frequency oscillators, functional elements, and the like. This structure consists of a few molecular barrier layers and a slightly thicker well layer, and the resonant tunneling characteristics are very sensitive to the thickness of these layers, especially the thickness of the barrier layers. For example, a change in the thickness of one molecular layer in the barrier layer changes the electron tunneling probability by about 50%. Therefore, not only precise film thickness control, but also a technique for forming a flat interface between the barrier layer and the well layer with atomic precision is important. As a film forming method for producing the resonance tunnel structure, first, there is a metal organic chemical vapor deposition method. Regarding the film thickness control technique in this method, a method of monitoring the reflection intensity of oblique X-rays applied to the surface on which a film is formed has been proposed. However, this is not easy due to the device configuration. Therefore, the film thickness control in the metal organic chemical vapor deposition method is usually controlled by the film formation time. As a film forming method for producing a resonance tunnel structure, there is a molecular beam growth method. In this film formation method, there is a method of controlling the film thickness by monitoring the reflection electron diffraction intensity of the electron irradiated on the surface on which the film is formed, and is actually used in many cases. However, as described above, the method of controlling the film thickness using an X-ray or an electron beam only obtains information in a very narrow area. The film thickness is not controlled for the entire surface on which the film is formed. For this reason,
Even if two-dimensional islands or three-dimensional islands are frequently formed on the grown crystal surface, this state could not be grasped, and it was difficult to obtain a flat interface with atomic precision. . By the way, an example in which the relationship between the flatness of the interface between the barrier layer and the well layer forming the resonance tunnel structure, that is, the uniformity of the film thickness of those layers, and the resonance tunnel characteristics has been experimentally clarified. There is no. The reason for this is that it was difficult to control the flatness of the interface, and the actual observation of the interface was not performed, and the degree of flatness was estimated in reverse from various characteristics. Here, the following has been recently elucidated by scanning atomic force microscopy (Reference: Shinohara et al. Appl. Phys. Lett. 65 (11) 141).
8 (1994)). For example, in the molecular beam crystal growth method, two-dimensional islands are easily formed at the above-described interface. On the other hand, in the metal organic chemical vapor deposition method, a flat terrace is more suitable than the molecular beam crystal method. Etc. have been elucidated. FIG. 5 is a sectional view showing a state of a heterointerface of a resonance tunnel structure formed by a conventional method. In the figure, reference numeral 51 denotes a barrier layer, and 52 denotes a well layer. Also, 2
0 is a flat terrace with the same height formed at the interface, 21
Is a step corresponding to one molecular layer, 22 is a multi-step in which the step 21 is overlapped several steps, and 23 is a terrace 20
A two-dimensional island 24, which is a local region generated above, is a three-dimensional island in which two-dimensional islands overlap two or more layers in the height direction. FIG. 6 is a perspective view showing a surface state of the barrier layer 51 of FIG. 5, and a cross section taken along a line II in FIG.
It is indicated by 1. As shown in FIG. 5, when a two-dimensional island 23 is generated, the change in the layer thickness in that region is equivalent to one molecular layer. Then, when the multi-step 22 or the three-dimensional island 24 occurs,
The change in the layer thickness in that region is equivalent to several molecular layers, and the flatness (uniformity of the film thickness) is significantly deteriorated. Step 21
6 are formed linearly when viewed from above, as between C and C in FIG. 6, and are not formed linearly due to the occurrence of protruding portions 21 a and recessed portions 21 b is there. When the step position at the upper interface and the step position at the lower interface are shifted from each other, a change in the film thickness of the well layer 52 occurs as shown by a position B in FIG. In normal growth, even if the steps are formed linearly, the step positions at the upper interface and the lower interface are generally displaced. Is inevitable. As described above, the resonance tunnel characteristic is very sensitive to the thickness of the layer to be formed, but conventionally, since the layer thickness varies as described above, the characteristic of the element using the formed resonance tunnel structure However, there was a problem that it was not as good as expected. The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to improve the characteristics of an element using a resonance tunnel structure. According to the method for manufacturing a resonant tunnel structure of the present invention, first, the surface is set to <1 from the (100) plane.
A first barrier layer made of a first material having a larger band gap energy than the compound semiconductor substrate is crystal-grown at a predetermined temperature on the compound semiconductor substrate inclined in a range of 0.5 degrees to 2 degrees in the 10> direction. . Then, on the first barrier layer, a second bandgap energy having a smaller bandgap energy is formed.
The well layer made of the above material is grown at a predetermined temperature. Then, on the well layer, a second barrier layer made of the first material is crystal-grown at a predetermined temperature to form a resonance tunnel structure. However, the predetermined temperature mentioned above is the first and
Formed on the growth surface when the second material grows crystal
Step flow growth where the step height is one molecule
This is the range of the state. Here, the substrate is made of GaAs,
In some cases, AlGaAs is used for the second material and GaAs is used for the second material, and in other cases, InP is used for the substrate, InAlAs or AlAs is used for the first material, and InGaAs is used for the second material. As described above, the interface between the well layer and the layers above and below the well layer is formed by steps regularly arranged with the terrace. Then, no two-dimensional islands or three-dimensional islands are generated on this terrace, and the step of each step is 1 step.
It is a molecular layer, and the width of this terrace is twice or less the Fermi wavelength of electrons. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a part of a resonance tunnel structure manufactured according to the present invention. In the figure, 15 is a well layer made of GaAs, 16 is Al 0.5 G
a barrier layer made of a 0.5 As, showing a state in which the barrier layer 16 is grown on the well layer 15. Although not shown, a barrier layer made of Al 0.5 Ga 0.5 As and a substrate made of GaAs are provided below the well layer 15.
The plane is slightly inclined from the (100) plane in the [1-10] direction. Thus, [1-1] from the (100) plane
[0] direction, the crystal grows on a plane slightly inclined in the direction.
A monolayer step 21c having a straight end is formed on the aAs surface, and a monolayer step 21d having a wavy end is formed on the surface of AlGaAs. Usually, Ga
The surface of a substrate made of a compound semiconductor such as As is slightly inclined slightly from the (100) plane due to the limit of the manufacturing accuracy. For this reason, steps (terraces) are formed on the surface of the layer on which the crystal is grown, to some extent. In such a state, under a condition of crystal growth, a two-dimensional island is more likely to be formed on the terrace as the growth temperature is lower. On the other hand, the higher the growth temperature, the more easily multi-step steps are formed. The multi-steps are more likely to be formed as the crystal plane of the substrate surface is greatly inclined from the (100) plane. That is, if the temperature is higher than the temperature at which two-dimensional islands are easily formed and lower than the temperature at which multi-steps are easily formed, that is, if crystal growth is performed in a step flow growth state, a uniform terrace (monomolecular layer step) is formed. The crystal can be grown in the state in which it is formed. [0015] As described above, the structure shown in FIG.
This figure shows a configuration in which there is no dimensional island or multi-step, that is, when the growth temperature and the tilt angle of the substrate can be formed within a certain limited range of conditions. This is because the inclination angle of the substrate is 0.
The film could be formed in the range of 05 to 2 degrees and the growth temperature in the range of 600 to 730 ° C. In addition, the growth temperature is 630-700.
When the temperature is set to ° C., the formation of two-dimensional islands and multi-steps can be suppressed more reliably. At this time, the inclination direction of the substrate is [1-1].
0] direction, and the respective layers were grown by metal organic chemical vapor deposition using trimethylgallium as a Ga source, trimethylaluminum as an Al source, and arsine as an As source. Here, it is almost impossible to align the positions of the monolayer step 21d at the upper interface and the monolayer step 21c at the lower interface shown in FIG. Therefore, there is always a region d1 having a different layer thickness. However, if the tilt angle in the <110> direction from the (100) plane of the substrate surface is set to 0.5 degree or more and the region d1 is set to be equal to or less than the Fermi wavelength of the electrons, the change in film thickness is not captured by the electrons. This is a region where the electrons cannot be obtained, and a layer having a uniform film thickness is formed for electrons. The width d2 of the terrace to be formed becomes smaller as the inclination angle from the (100) plane of the substrate surface on which the crystal grows becomes larger, and is set to 1.0 degree or more (<2 degrees). It can be less than the electron Fermi wavelength. If the width d2 of the terrace is equal to or smaller than the Fermi wavelength of the electrons, the width of the region d1 having a different layer thickness is also equal to or smaller than the Fermi wavelength of the electrons. The relationship between the resonance tunnel structure showing the effect of the present invention and the characteristics will be described below. FIG. 2 is a cross-sectional view of a resonance tunnel diode manufactured by applying the above-described results, and FIG. 3A is a sectional view of the diode (element area 20 × 20 μm).
2 ) is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics at 83 K in FIG. FIG. 2 shows a cross section parallel to the direction of the terrace formed on the surface of the growing crystal. [0019] In FIG. 2, 1 is Si as an impurity is made of n-type GaAs of 5 × 10 17 cm -3 substrate, 2,8
Is an n-type GaAs layer having a concentration of Si as an impurity of 5 × 10 17 cm -3 and a thickness of 300 nm;
GaAs layers of 4 nm and 5 nm, 4 and 6 are barrier layers of 12 molecular layers of Al 0.5 Ga 0.5 As, 5 are well layers of GaAs of 14 molecular layers, and 9 is Si as an impurity. With a concentration of 3 × 10 18 cm −3 and a thickness of 50 nm
The n + -type GaAs layer 10 is an electrode. The tilt angle of the substrate used at this time is 1.0 degree, and the growth temperature is 650 ° C. As is well known, the peak voltage Ip appears in the current-voltage characteristics of the resonant tunneling diode as the applied voltage increases, and when the voltage is further increased, the current decreases and the ballet current Iv appears. As shown in FIG. 3A, the peak current / valley current ratio of the negative resistance portion representing the figure of merit of the resonant tunneling diode is 7.2, and the peak current density is 5
A result of 5000 A / cm 2 was obtained. This characteristic is the most excellent value obtained by the metal organic chemical vapor deposition method. This is shown in FIG.
In the structure having the characteristic (a), the width of the terrace is 16 nm.
Since this value is smaller than 24 nm, which is the Fermi wavelength of the electrons of the resonant tunneling diode, the electrons are considered as a flat surface of the interface, and the scattering of the electrons at the interface is suppressed, and the characteristics are improved. is there. In contrast to the above, FIG. 3B shows a resonance tunnel diode (element area 20 ×) manufactured by a conventional method affected by a change in the layer thickness of one molecular layer.
It is a characteristic diagram which shows an example of the current-voltage characteristic at 83K of 20 μm 2 ). As shown in FIG. 3B, conventionally, the values of the peak current / valley current ratio and the peak current density are as small as 3.6,30000 A / cm 2 . FIG. 4 shows the effect of improving the resonance tunnel characteristic by making the layer thickness change region equal to or less than the Fermi wavelength of electrons as described above. FIG.
'S I rt, those determined from I rt = I p -I v / 2 in the tunnel current. As described above, if the terrace width is reduced in a state where the multi-steps and the two-dimensional islands are not formed, the tunnel current and the I p / I v ratio increase accordingly. This terrace width is less than the (100) plane of the substrate surface.
The greater the inclination angle to the 110> direction, the greater the value. When the inclination angle is increased to some extent and is about 0.5 degree, the terrace width is about 32 nm, and the peak current / valley current ratio and the value of the peak current density are significantly increased. At this time, the width d1 of the change in the layer thickness shown in FIG.
Is estimated to be at most 16 nm. Since this value is equal to or smaller than the Fermi wavelength of the electron as described above, it is a region where the change in the film thickness cannot be recognized for the electron.
Therefore, the characteristics are improved. Furthermore, the terrace width is 16 nm
In this case, as shown in FIG. 3, the terrace width itself is equal to or less than the Fermi wavelength of the electrons, so that even if there is a step, the electrons cannot be captured, and the characteristics are further improved. By the way, squares, circles, and triangles painted in black in FIG. 4 indicate a case where a substrate having an inclination angle of 2 degrees in the <110> direction from the (100) plane is used. It can be seen that the characteristic deterioration has begun. This is because a multi-step step in which the step has a step of two or more molecules has begun to be formed. (1)
Even if the angle of inclination in the <110> direction from the (00) plane is 0.5 ° or more, if it exceeds 2 °, multi-steps will be formed for the first time, and even if this width is as small as 16 nm or less, The characteristics will be degraded. In the above description, GaAs / AlGaAs
The case where a system material is used has been described. However, the present invention is not limited to this. An InP substrate is used, and an InAlA
The same applies to the case where a barrier layer made of s or AlAs and a well layer made of InGaAs are formed.
In this case, the growth temperature is set to 530 to 650 ° C. in order to obtain a step flow growth state. As described above, according to the present invention, a compound semiconductor substrate whose surface is inclined from 0.5 degree to 2 degrees in the <110> direction from the (100) plane can be formed on a compound semiconductor substrate. By setting the crystal growth temperature to a predetermined value, a resonance tunnel structure including a first barrier layer, a well layer, and a second well layer is formed. The predetermined temperature described above is such that the first and second materials
During crystal growth, the height of the steps formed on the growth surface
Range of the step flow growth state where
It is an enclosure. For this reason, the interface between the well layer and the layers above and below the well layer is composed of steps regularly arranged on the terrace, and no two-dimensional islands or three-dimensional islands are generated on this terrace. The step is a single molecular layer, and the width of this terrace is twice or less the electron Fermi wavelength. For this reason, for example, the region where the layer thickness changes due to the mismatch of the step positions at both interfaces of the quantum well becomes equal to or less than the Fermi wavelength of the electron and cannot be captured by the electron. In other words, a state in which the layer thickness does not change is formed for electrons, which has the effect of improving the characteristics of the device using the resonance tunnel structure.
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明により作製した共鳴トンネル構造の
一部を示す斜視図である。
【図2】 この発明により作製した共鳴トンネルダイオ
ードの構成を示す断面図である。
【図3】 共鳴トンネルダイオード(素子面積20×2
0μm2 )の83Kにおける電流電圧特性を示す特性図
である。
【図4】 ステップ幅と共鳴トンネル特性との関係を示
す相関図である。
【図5】 従来の方法で形成した共鳴トンネル構造のヘ
テロ界面の状態を示す断面図である。
【図6】 従来の方法で形成した共鳴トンネル構造のヘ
テロ界面の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…基板、2,8…n形GaAs層、3,7…GaAs
層、4,6…障壁層、5…井戸層、9…n+ 形GaAs
層、10…電極。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing a part of a resonance tunnel structure manufactured according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a resonant tunnel diode manufactured according to the present invention. FIG. 3 shows a resonant tunneling diode (element area 20 × 2)
FIG. 7 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics at 83 K of 0 μm 2 ). FIG. 4 is a correlation diagram showing a relationship between a step width and a resonance tunnel characteristic. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state of a heterointerface of a resonance tunnel structure formed by a conventional method. FIG. 6 is a perspective view showing a state of a hetero interface of a resonance tunnel structure formed by a conventional method. [Description of Signs] 1 ... substrate, 2,8 ... n-type GaAs layer, 3,7 ... GaAs
Layers 4,6 ... barrier layer, 5 ... well layers, 9 ... n + form GaAs
Layers, 10 ... electrodes.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−213170(JP,A) 特開 平7−6957(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 - 21/205 H01L 29/06 H01L 29/66 H01L 29/68 H01L 29/88 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-2-213170 (JP, A) JP-A-7-6957 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/20-21/205 H01L 29/06 H01L 29/66 H01L 29/68 H01L 29/88
Claims (1)
に0.5度から2度の範囲に傾斜した化合物半導体基板
上に、前記化合物半導体基板よりバンドギャップエネル
ギーの大きい第1の材料からなる第1の障壁層を所定の
温度で結晶成長する第1の工程と、 前記第1の障壁層上に、これよりバンドギャップエネル
ギーの小さい第2の材料からなる井戸層を所定の温度で
結晶成長する工程と、 前記井戸層上に、前記第1の材料からなる第2の障壁層
を所定の温度で結晶成長する工程とを有し、 前記所定の温度は、前記第1および第2の材料が結晶成
長するとき、成長表面に形成されるステップの高さが分
子1つ分となるステップフロー成長状態となる範囲であ
る ことを特徴とする共鳴トンネル構造の作製方法。(57) [Claim 1] A compound semiconductor substrate having a surface inclined from 0.5 degree to 2 degrees in the <110> direction from a (100) plane by a band from the compound semiconductor substrate. A first step of crystal-growing a first barrier layer made of a first material having a large gap energy at a predetermined temperature; and forming a first material on the first barrier layer from a second material having a smaller band gap energy. a step of crystal growth of the well layer at a predetermined temperature at which, on the well layer, a second barrier layer made of the first material have a a step of crystal growth at a predetermined temperature, the predetermined temperature Means that the first and second materials are crystalline
As the length increases, the height of the steps formed on the growth surface
Step flow growth range for one child
A method for fabricating a resonant tunnel structure.
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| JP26984695A JP3367546B2 (en) | 1995-10-18 | 1995-10-18 | Manufacturing method of resonant tunnel structure |
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| JP26984695A JP3367546B2 (en) | 1995-10-18 | 1995-10-18 | Manufacturing method of resonant tunnel structure |
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