JPS6250995B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子遷移素子（transferred
electrondevice）に関する。

ガンダイオードのような電子遷移素子は、マイ
クロ波発生器のような種種の用途に近年使われて
いる半導体素子である。これ等の電子遷移素子
は、適当なエネルギ帯構造を持ち以下能動材料と
称するｎ型半導体材料の領域と、能動材料を横切
つて高い電界を加えるためにこの能動材料に取付
けた２個の電極すなわち陽極および陰極とを備え
陰極を負に付勢している。転移電子素子は、能動
材料内の若干の自由電子の状態がしきい値に対し
等しいかまたは高い電界を加えることにより低エ
ネルギ高移動度へ伝導帯領域から高エネルギ低移
動度の１つまたは複数の伝導帯領域に転移する電
子遷移効果によつて動作する。この場合能動材料
内に電流振動が生ずる。これ等の振動は普通のマ
イクロ波空洞内で電極マイクロ波に変換すること
ができる。電子遷移素子の例は英国特許第
1205211号、同第1286674号および同第1354511号
の各明細書に記載してある。これ等の各明細書で
は、主成分としてりん化インジウムを含む半導体
材料から電子遷移素子を作る場合の若干の利点に
ついても記載してある。

電子遷移素子による直流電力からマイクロ波電
力への変換の効率は極めて重要なパラメータであ
る。この効率をできるだけ高くすることは望まし
いことが多い。たとえば電子遷移素子を、限られ
た電力の電力源から駆動するレーダー送信器源と
して使おうとする場合に素子効率を最高にすれ
ば、送信信号強さは従つて最高になる。実際上得
られる素子効率は残念ながら、とくに高い作動周
波数（10GHzまたはそれ以上の程度の）に対して
はこれ等の効率の理論的に可能な限度に達しな
い。

本発明は、電子遷移効果を発揮できるｎ型半導
体能動材料から成る単一層の領域と、この能動材
料に取付けた陰極と、前記能動材料に取付けた陽
極とを備えた電子遷移素子において、前記陰極
を、能動材料の隣りに位置しこの能動材料より高
いドナー濃度と、２μｍより大きくない厚みと、
３×10¹⁰cm^-2と３×10¹²cm^-2との間の平均厚み×
ドナー濃度とを持つn⁺半導体材料から成る第１
の区域と、この第１の区域に対し高抵抗の電気接
点を形成する第２の区域とにより構成し、この第
２の区域を、前記第１の区域の隣りの半導体材料
から成る領域と、外側の金属領域とにより構成し
たことを特徴とする電子遷移素子にある。

能動材料は、電子遷移効果を示す任意のｎ型半
導体材料たとえばりん化インジウム、砒化ガリウ
ム、またはりん化砒化インジウムでよく、エピタ
キシヤル層の形でよい。

陰極の第１の区域は、２μｍを越えないたとえ
ば0.03μｍの厚み（）と約10¹⁶cm^-3ないし10¹⁷
cm^-3のドナー濃度（ｎ）とを持つn⁺半導体層が好
適である。

ドナー濃度および厚みの積は、３×10¹⁰cm^-2よ
り大きいのがよく、３×10¹⁰ないし２×10¹³cm^-2
の間にある。

陰極の第２の区域は、高抵抗率の材料の１つま
たは複数の材料を含むことにより、また第１区域
で電気的障害を形成することにより、または第２
区域自体内に１つまたは複数の電気的障壁を含む
ことにより、或はこれ等の機構の組合わせによ
り、第１区域に対し高抵抗の電気的接点を生ず
る。第２区域を作る種種の方法については後述す
る。

本発明により電子遷移素子の直流対マイクロ波
変換効率の著しい改良のできることが分つた。こ
の効率の向上の明らかな理由については後述す
る。

以下本発明電子遷移素子の実施例を添付図面に
ついて詳細に説明する。

第１図、第３図，第４図に基づいて説明する従
来の電子遷移素子の欠点は、効率の低いことであ
る。たとえば効率がわずかに５％にすぎないこと
である。この低い効率は、第４図の曲線１５によ
り示されているように能動層を横切る電界の不均
等に起因すると考えられる。この不均等な電界分
布の原因は、低い運動エネルギの電子を能動領域
に注入するためである。

本発明電子遷移素子は、高い運動エネルギを持
つ電子を能動領域に注入することによつて、第６
図の曲線１７，１９に示されているように高電圧
低電流状態に対しても低電圧高流状態に対して能
動領域に均等な電界を形成することである。そし
て高抵抗接点領域を持つ陰極は、熱い電子を供給
する。n⁺層１０は、能動層２内に正確かつ均等
な電界分布を確立する。

本発明電子遷移素子（TED）は、電子遷移効
果として知られているメカニズムによつて動作す
る。

IMPATTは、陰極のまわりの高い電界による
電子なだれ（avalanche effect）によつて動作す
る。IMPATTにおいては、陰極における高い電
界と、陰極と陽極との間のドリフト領域を横切る
低い電界とが特徴である。IMPATTの或１つの
型式は、ロー―ハイ―ロー構造（low―high―
low―structure）と呼ばれ、本発明電子遷移素子
（TED）に類似している。このことは、この出願
の優先権主張日以後に頒布された、ジヨン・ウイ
リー・アンド・サンズ（JOHN WlLEY＆
SONS）発行、S.M.Sze番、「半導体素子の物理
学」（Physics of Semiconductor Devices）第２
版第571頁第３図及び第669頁ないし第670頁に記
載されている。このロー―ハイ―ロー構造は、不
純物を低度にドープした２層（低ドープ層）の間
に、不純物を高度にドープした層（高ドープ層）
を備えている。この高ドープ層は、陰極における
電界を多大に減少させる、曲型的な例としては
GaAs及びInPに対して５×10⁵volts／cm以上減少
させる。この結果この高ドープ層は、３×10¹²cm
^-2以上の厚さ×ドナー濃度（ｎ×の積）を備え
ている。このことは、前記「半導体素子の物理
学」において本発明者が発表した第670頁、参照
数字46により示された論説により明らかである。

本発明電子遷移素子においては、n⁺層は、３
×10¹⁰cm^-2以上のｎ×の積を備えており、その
上限は３×10¹²cm^-2である。n⁺層は、ロー―ハイ
ロー構造のIMPATTの場合よりは遥に少ない程
度だけ電界を減少させ、なだれ状態を積極的に避
ける。ほとんどのpnダイオードは、適当な高い
電界によつて電子なだれ状態に形成され
IMPATTとして動作する。

一般的に言つてBARITTは、リーチ・スル
ー・コンデイシヨン（reach through
condition）にバイアスされるバツク・ツー・バ
ツク（back toback）ダイオードである。
BARITTの１例の構造は、前記「半導体素子の
物理学」第617頁に記載されているように、P⁺―
ｉ―ｎ―πP⁺を備えている。この構造は能動層
の隣りにn⁺層を備えていないから、構造的には
本発明電子遷移素子とは異なる。BARITTに関
しては、前記「半導体素子の物理学」第613頁な
いし第617頁に記載されている。

本発明電子遷移素子においては、特許請求の範
囲第１項に記載された数値限定を備えることによ
つてn⁺層１０はオーム接点を形成しないし、
IMPATTとして使用できるような大きな電界減
少を与えない。

第１図に示した従来のこの種素子ではｎ型能動
層２がｎ陽極基板３にエピタキシヤル形に付着し
ている。数μの厚みを持つn⁺陰極層１はｎ型能
動層２にエピタキシヤル形に付着している。n⁺
陰極層１とｎ型能動層２と陽極基板３とはそれぞ
れ10¹⁷cm^-3、10¹⁵cm^-3および10¹⁷cm^-3の近似ドナー
濃度を持つている。オーム接点（ohmic
contact）4.5はそれぞれn⁺陰極層１およびn⁺陽極
基板３に付着させてある。

しきい値に対し等しいかまたは高い電界をオー
ム接点４，５間にｎ型能動層２を横切つて加える
と、前記した電子遷移効果によりｎ型能動層２内
に電流振動が生ずる。

第２図に示した本発明による電子遷移素子では
ｎ型能動層２、n⁺陽極基板３およびオーム接点
５は、すべて従来の電子遷移素子に基本的には同
じである。ｎ型能動層２は、15μ以下（たとえば
２ないし10μ）の厚みと約10¹⁵cm^-3のドナー濃度
とを持ち、たとえばＩ_oＰ、Ｉ_oＰ_xAs_1-X、１＞Ｘ
＞0.75またはGaAsから形成すればよい。約10¹⁷
cm^-3のドナー濃度を持つ陽極基板３は、ｎ型能動
層２と同じ半導体材料から形成すればよい。第２
図に示した装置の陰極１１はしかし第１図の陰極
とは異つている。n⁺半導体材料なるべくはｎ型
能動層２と同じ材料から成るn⁺層１０は、ｎ型
能動層２にエピタキシヤル形に付着している。
n⁺層１０は、２μｍより薄い厚みと、10¹⁶cm^-3な
いし10¹⁷cm^-3のドナー濃度とを持つている。n⁺層
１０に対する高抵抗接点９はn⁺層１０に次の各
方法の１つで形成できる。

(a) 4.0μｍ以下（たとえば１μｍ）の厚みと、
ｎ型能動層２よりはるかに低いドナー濃度（た
とえば10¹⁴cm^-3）とを持つなるべくはエピタキ
シヤルのｎ型半導体層を、n⁺層１０上に形成
し、たとえば銀のような金属を、すずのような
ドナー不純物金属と共に蒸発させ引続いて加熱
することにより、またはｎ層上にn⁺層をエピ
タキシヤル形に成長させこのn⁺層に低抵抗の
外側接点を形成する金属を蒸着することによ
り、低抵抗の接点をｎ型層上に形成する。

(b) 4.0μｍ以下（たとえば0.5μｍ）の厚みと、
任意のドナー濃度（ただしたとえば10¹⁵cm^-3）
とを持つｎ型半導体層を、n⁺層１０上に形成
し、ｎ型層上に金属層を付着する。この金属は
付着により、または（付着後に）熱処理される
ことにより、ｎ型層に関してシヨツトキー障壁
またはシヨツトキー障壁状の界面を形成する。
たとえばこの金属としてチタンまたはクロムを
使えば、このような界面は付着後すぐに形成で
きる。この金属として銀、金またはニツケルを
使えば、この界面を形成するのに別の熱処理が
必要である。銀は420℃に加熱しこの温度に不
活性ふん囲気中で約１分間だけ保持するのがよ
い。

(c) 任意のただしたとえば10¹⁵cm^-3のアクセプタ
濃度と、４μｍ以下たとえば0.5μｍの厚みと
を持つｐ型半導体層を、n⁺層１０上に形成
し、外側のn⁺層をｐ型半導体層上に形成し、
低抵抗の外側接点を形成する金属を外側のn⁺
層上に蒸着する。

(d) たとえば0.5μｍの厚みのp⁺層を、n⁺層１０
上に付着させ、低抵抗の外側接点を形成する金
属をp⁺層上に蒸着する。

(e) ｐ型またはｎ型の半導体層（たとえば厚みが
0.5μｍ）を、n⁺層１０上に付着させ、たとえ
ば銀の金属膜をｐ型またはｎ型の半導体層上に
蒸着する。この金属膜を熱処理し、ｐ型または
ｎ型の半導体層の一部または全部に高抵抗区域
を形成する。この区域は金属膜からの拡散によ
つて生じさせてもよい。

(f) 任意のドーピング濃度（ただしたとえば10¹⁵
cm^-3）を持ち、厚みがたとえば0.5μｍのｐ型ま
たはｎ型の半導体層を、n⁺層１０上に形成
し、公知の方法で陽子のような高エネルギイオ
ンによるボンバードメント（bombardment）
により、この半導体層の厚みの一部または全部
にわたり高抵抗を持つ状態に変換する。引続い
て熱処理できる銀またはニツケルのような金属
膜を、ｐ型またはｎ型の半導体層上に蒸着す
る。

(g) 4.0μｍ以下（たとえば0.5μｍ）の厚みと、
任意のドナー濃度（ただしたとえば10¹⁵cm^-3）
とを持つｎ型半導体層を、n⁺層１０上に形成
し、約100Åの厚みを持つAl₂O₃のような薄い
絶縁物層を、ｎ型半導体層上に付着させ、外側
金属層をこの絶縁物層上に形成する。

第２図に示した本発明電子遷移素子は、電子遷
移効果により振動するが第１図の従来の電子遷移
素子に比べて向上した効率を示す。この効率の向
上の理由を次に述べる。

第３図は第１図の従来の電子遷移素子を貫いて
n⁺陰極層１、ｎ型能動層２に直交する距離に対
し画いたドナー濃度の線図である。前記したよう
にn⁺陰極層１と、n⁺陽極基板３とは、共に高い
ドナー濃度（高い導電率に相当する）を持ち、ｎ
型能動層２は低いドナー濃度を持つ。各オーム接
点４，５は共に高い導電性を持つ。第６図は、第
５図に示したドナー濃度線を持つ電子遷移素子の
振動サイクル中の２つの瞬間において距離に対し
画いた電界強さの線図である。オーム接点４，
５、n⁺陰極層１およびn⁺陽極基板３を横切つて
現われる電界強さは高くない。加えられる電界の
大部分はｎ型能動層２を横切つて現われる。

この電子遷移素子は電子遷移効果により高電流
低電圧の状態から高電圧低電流の別の状態に普通
の方法で遷移する。第４図の曲線１３により示し
た低電圧高電流の状態では電界強さはｎ型能動層
２を通じてこの電子遷移素子の電子遷移効果しき
い値Ｅ_Tに近い。しかし第４図の曲線１５により
示した高電圧低電流の状態では、電界分布は極め
て不均等である。n⁺陰極層１の付近では、ｎ型
能動層２はＥ_Tよりはるかに弱い電界を持つが、
n⁺陽極基板３の付近ではｎ型能動層２はＥ_Tより
はるかに強い電界を持つ。従つて素子電圧は、電
界がｎ型能動層２の全体にわたり高い場合に得ら
れるより、はるかに低い。この低下により効率が
低くなる。

電子遷移素子部分がＥ_Tに近い電界を持ち〔曲
線１５〕、従つて効率の低い、不均等な電界分布
の主な原因は、n⁺陰極層１およびオーム接点膜
４から成り、低い運動エネルギ〔n⁺陰極層１内
の電子熱エネルギにほぼ等しい〕でのｎ型能動層
２内への電子の注入の原因である陰極の抵抗性
（ohmicnature）である。

第５図は第２図に示す本発明電子遷移素子の１
例に対しn⁺層１０に直交する距離に対して画い
たドナー濃度の線図である。第６図は振動サイク
ル中の２つの時刻において距離に対して画いた電
界強さの対応する線図である。図示の性能を持つ
この電子遷移素子の１例は、陰極が、n⁺層１０
上の低いドナー濃度を持つｎ型半導体層と、ｎ型
半導体層に対する低抵抗接点とを備えている前記
した電子遷移素子である。

第５図においてはドナー濃度は、n⁺層１０お
よびn⁺陽極基板３において高く、ｎ型能動層２
において低く、またn⁺層１０上に形成されたｎ
型層においてはなお低い。陰極１１のｎ型層への
低抵抗接点とオーム接点５とは共に高い導電率を
示す。

第６図には振動サイクル中の２つの瞬間におけ
る電界分布を示してある。曲線１７は本発明電子
遷移素子の低電圧高電流の状態を示し、曲線１９
は高電圧低電流の状態を示す。両方の場合に高電
界の領域は、n⁺層１０に近い高抵抗接点９に生
ずる。電界の急速な減退はn⁺層１０を経て生ず
る。従来の電子遷移素子とは異なつて、高電界領
域は、ｎ型能動層２を貫いて延びている。ｎ型能
動層２の大部分は、Ｅ_Tよりはるかに強い電界を
持つ。従つて素子効率が向上する。

陰極１１内の電界分布は、第２図の電子遷移素
子の変型における陰極１１の詳細な構造によれ
ば、第６図に示した分布とは異なるが、これ等の
電界分布は、高抵抗接点９内のn⁺層１０の付近
に高界領域が存在し、n⁺層１０を経て電界が急
速に減退し、ｎ型能動層２を貫いて高い電界領域
が延びる共通の性質を示す。高抵抗領域が、高い
運動エネルギで熱い電子をｎ型能動層２内へ注入
する原因であり、またn⁺層１０内の低電界の領
域は、ｎ型能動層２を横切つて正しい電界分布を
生ずるのに必要である。

陰極１１はさらに、高抵抗接点９内の電界強さ
を、素子電流で振動させる電流制限効果を持つ。
この電界振動によりまたｎ型能動層２全体にわた
つて高電界領域を生ずる。

本発明者は実験的に、電子遷移素子を、りん化
インジウム能動材料で作るに際し、高抵抗接点９
を、(i)、n⁺層１０の上部上に約0.5μｍの厚みの
低度にドープしたりん化インジウム層をエピタキ
シヤル形に成長させ、(ii)次いでこの表面上に銀を
蒸着し、この銀を１分間だけ420℃に加熱するこ
とにより、形成し、この結果得られる本発明電子
遷移素子が、12ないし17GHzの周波数で約15ない
し20％の効率の生ずることを知つた。従来のりん
化インジウム素子はこのような周波数でたとえば
５％の効率を持つ。さらにこれ等の高い効率は広
い温度範囲にわたつて得られることを見出した。
たとえば前記した効率を持つ電子遷移素子は、−
50℃ないし150℃の全範囲にわたり15％以上の効
率を生じた。

陰極１１の別の利点は、陰極１１が第１図の従
来の電子遷移素子の陰極により生ずる電流よりは
るかに弱い（たとえば1/3の）電流を生ずること
である。従つて第２図に示した本発明電子遷移素
子を冷却することは一層容易である。

別の利点は陰極１１が不当に高いバイアス電圧
を加えた場合に、損傷に対し一層強い抵抗を生ず
ることである。

第２図に示す本発明電子遷移素子の使用時に
は、動作電界は、電子なだれボンバードメントに
より有効な量の電子―正孔対の発生が起るには充
分でなくて、正孔が本発明電子遷移素子の動作に
はあまり役立たないようにするのがよい。

第２図に示す本発明電子遷移素子のn⁺層１０
が、オーム接点として作用するのを防ぐように、
このn⁺層１０は、0.3μｍ以下の厚みと、３×
10¹⁰cm^-2以上の厚みおよびドナー濃度の積とを持
つのがよい。しかし、n⁺層１０の厚みおよび平
均ドナー濃度の積が約３×10¹²cm^-2以下であれ
ば、n⁺層１０をオーム接点としないで、厚みを
0.3μｍないし２μｍの範囲にできる。

n⁺層１０は第５図に示したような一様なドー
ピング形状を持つ必要がない。この形状はたとえ
ば３角形のスパイクの形であつてもよい。

第２図に示す本発明電子遷移素子内の半導体層
は蒸気相のエピタキシヤル成長により作られ、ま
たドナー濃度を、エピタキシヤル成長中に蒸気相
濃度を制御することにより、またエピタキシヤル
成長中に制御したドーピング材を加えることによ
り公知の方法で制御することができる。

第２図に示す本発明電子遷移素子をカプセル化
し、この電子遷移素子に電界を加え、この電子遷
移素子からマイクロ波振動を抽出するのに適当な
装置は、英国特許第1386967号明細書に記載して
ある。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電子遷移素子の横断面図、第２
図は本発明電子遷移素子の１実施例の横断面図、
第３図、第４図、第５図および第６図は第１図お
よび第２図に示した電子遷移素子の動作を示す線
図である。 ２……ｎ型能動層、３……n⁺陽極基板、９…
…高抵抗接点（第２区域）、１０……n⁺層（第１
区域）、１１……陰極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子遷移効果を発揮できるｎ型半導体能動材
   料から成る単一層の領域と、この能動材料に取付
   けた陰極と、前記能動材料に取付けた陽極とを備
   えた電子遷移素子において、前記陰極を、能動材
   料の隣りに位置しこの能動材料より高いドナー濃
   度と、２μｍより大きくない厚みと、３×10¹⁰cm
   ^-2と３×10¹²cm^-2との間の平均厚み×ドナー濃度
   とを持つn⁺半導体材料から成る第１の区域と、
   この第１の区域に対し高抵抗の電気接点を形成す
   る第２の区域とにより構成し、この第２の区域
   を、前記第１の区域の隣りの半導体材料から成る
   領域と、外側の金属領域とにより構成したことを
   特徴とする電子遷移素子。 ２ 前記陽極が基板であり、前記能動材料と、前
   記第１および第２の区域とを前記基板に付着した
   各層から形成した特許請求の範囲第１項記載の電
   子遷移素子。 ３ 前記n⁺半導体材料から成る層の平均厚みを
   約0.03ミクロンにした特許請求の範囲第２項記載
   の電子遷移素子。 ４ 前記n⁺半導体材料から成る区域または層
   が、10¹⁶cm^-3ないし10¹⁷cm^-3のドナー濃度を持つ
   ようにした特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれかに記載の電子遷移素子。 ５ 前記第２の区域の半導体材料から成る領域
   を、４ミクロン以下の平均厚みと、前記能動材料
   より低いドナー濃度とを持つ単一のｎ型層により
   構成した特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれかに記載の電子遷移素子。 ６ 前記第２の区域の半導体材料から成る領域を
   ２つの層により構成し、前記第１の区域の隣りの
   一方の層が４ミクロン以下の平均厚みと、前記能
   動材料より低いドナー濃度とを持つようにし、前
   記金属層の隣りの他方の層を前記能動材料より高
   いドナー濃度を持つn⁺層により構成した特許請
   求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
   電子遷移素子。 ７ 前記金属領域を熱処理し前記第２の区域の半
   導体材料から成る領域に高抵抗の区域を形成した
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   記載の電子遷移素子。 ８ 前記金属領域を、シヨツトキー障壁またはシ
   ヨツトキー障壁状の界面が前記第２の区域の金属
   領域と半導体材料から成る領域との間に存在する
   ような領域にした特許請求の範囲第１項ないし第
   ４項のいずれかに記載の電子遷移素子。 ９ 前記第２の区域の半導体材料から成る領域
   を、前記第１の区域の隣りのｐ型層により構成し
   た特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載の電子遷移素子。 １０ 前記第１の区域の半導体材料から成る領域
   を又、前記金属領域の隣りのn⁺層により構成し
   た特許請求の範囲第９項記載の電子遷移素子。 １１ 前記第２の区域の半導体材料から成る領域
   が、イオン・ボンバードメントにより高められた
   抵抗率を備えた特許請求の範囲第１項ないし第４
   項のいずれかに記載の電子遷移素子。 １２ 前記第２の区域にさらに、この第２の区域
   の半導体材料から成る領域と金属領域との間に絶
   縁物層を設けた特許請求の範囲第１項ないし第４
   項のいずれかに記載の電子遷移素子。