JP3014364B2 - 量子波干渉層を有した半導体素子 - Google Patents
量子波干渉層を有した半導体素子Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規構造の半導体素
子に関する。
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｎ、ｐｉｎ接合を有したダイオ
ードが知られている。このダイオードの電流電圧特性に
おいては、電圧を上昇させる方向に変化させた時の電流
の増加特性と、電圧を下降させる方向に変化させた時の
電流の減少特性とは、同一特性を示し、特に、ヒステリ
シスを示すものではない。
ードが知られている。このダイオードの電流電圧特性に
おいては、電圧を上昇させる方向に変化させた時の電流
の増加特性と、電圧を下降させる方向に変化させた時の
電流の減少特性とは、同一特性を示し、特に、ヒステリ
シスを示すものではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、量子波
を反射させる機能を有した量子波干渉層とバンドが多重
周期ではない平坦な構造をした中間層とを縦続に接続し
た素子を形成し、電圧電流特性を測定した。この電圧電
流特性は、所定方向に印加電圧を増加して行くと、ある
電圧で電流が急激に増加するステップ増加特性を示し
た。又、この電圧電流特性は、一旦、電流が増加した領
域から、電圧を逆方向に減少させてゆくと、異なる所定
電圧で電流が急激に減少するステップ減少特性を示し
た。即ち、ステップ変化する電圧電流特性において、ス
テップ変化する電圧値が異なるというヒステリシス特性
が見られることが明らかになった。
を反射させる機能を有した量子波干渉層とバンドが多重
周期ではない平坦な構造をした中間層とを縦続に接続し
た素子を形成し、電圧電流特性を測定した。この電圧電
流特性は、所定方向に印加電圧を増加して行くと、ある
電圧で電流が急激に増加するステップ増加特性を示し
た。又、この電圧電流特性は、一旦、電流が増加した領
域から、電圧を逆方向に減少させてゆくと、異なる所定
電圧で電流が急激に減少するステップ減少特性を示し
た。即ち、ステップ変化する電圧電流特性において、ス
テップ変化する電圧値が異なるというヒステリシス特性
が見られることが明らかになった。
【０００４】本発明は、このヒステリシス特性を利用し
た新規構造の半導体素子を提供することを目的とする。
この構造の半導体素子は、電圧電流特性のステップ変化
にヒステリシスがあることを利用した素子であり、シュ
ミット回路、２値化素子に応用できる。即ち、状態の変
化にチャタリングを示さない素子とすることができる。
た新規構造の半導体素子を提供することを目的とする。
この構造の半導体素子は、電圧電流特性のステップ変化
にヒステリシスがあることを利用した素子であり、シュ
ミット回路、２値化素子に応用できる。即ち、状態の変
化にチャタリングを示さない素子とすることができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有した半導体素子において、第
１層と第２層の各層の厚さを、各層を伝導するキャリア
の、各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に設
定した量子波干渉層を、多重周期でないバンドの平坦な
中間層を介在させて複数配設したことを特徴とする。
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有した半導体素子において、第
１層と第２層の各層の厚さを、各層を伝導するキャリア
の、各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に設
定した量子波干渉層を、多重周期でないバンドの平坦な
中間層を介在させて複数配設したことを特徴とする。
【０００６】請求項２の発明は、量子波の波長を決定す
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
【０００７】請求項３の発明は、第１層の厚さＤW と第
２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴とす
る。
２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴とす
る。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層を伝導するキャ
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数であ
る。
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数であ
る。
【０００８】請求項４の発明は、量子波干渉層を、第２
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk 、第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉk が値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、としたことを特徴とす
る。
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk 、第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉk が値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、としたことを特徴とす
る。
【０００９】請求項５の発明は、中間層のバンド幅は、
第２層のバンド幅以下にしたことを特徴とする。請求項
６の発明は、中間層の厚さを、量子波の波長λB の１／
２としたことを特徴とする。請求項７の発明は、第１層
と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さに比べて充
分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層を設けたこ
とを特徴とする。請求項８の発明は、半導体素子は、ｐ
ｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及び中間層は、ｉ層
に形成されていることを特徴とする。請求項９の発明
は、半導体素子は、ｐｎ接合構造を有し、量子波干渉層
及び中間層は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていること
を特徴とする。請求項１０の発明は、電流電圧特性にお
いて、ヒステリシス特性を有することを特徴とする。
第２層のバンド幅以下にしたことを特徴とする。請求項
６の発明は、中間層の厚さを、量子波の波長λB の１／
２としたことを特徴とする。請求項７の発明は、第１層
と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さに比べて充
分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層を設けたこ
とを特徴とする。請求項８の発明は、半導体素子は、ｐ
ｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及び中間層は、ｉ層
に形成されていることを特徴とする。請求項９の発明
は、半導体素子は、ｐｎ接合構造を有し、量子波干渉層
及び中間層は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていること
を特徴とする。請求項１０の発明は、電流電圧特性にお
いて、ヒステリシス特性を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、２、３、８、９、
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1 ，Ｑ2 ，
Ｑ3 ，Ｑ4 が形成されており、各量子波干渉層の間に
は、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 が形成されている。又、図
２は、１つの量子波干渉層Ｑ1 の伝導帯のバンド構造を
示している。
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1 ，Ｑ2 ，
Ｑ3 ，Ｑ4 が形成されており、各量子波干渉層の間に
は、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 が形成されている。又、図
２は、１つの量子波干渉層Ｑ1 の伝導帯のバンド構造を
示している。
【００１１】電子が外部電界により図上左から右方向に
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導
帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の運
動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗ
に伝導する電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖ
により加速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ
＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子
は第１層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速され
て、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギはＥに戻る。
伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポテンシャル
エネルギによりこのような変調を受ける。
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導
帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の運
動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗ
に伝導する電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖ
により加速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ
＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子
は第１層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速され
て、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギはＥに戻る。
伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポテンシャル
エネルギによりこのような変調を受ける。
【００１２】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数３】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（３） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
る。
【数４】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（４） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（４）式は次式のように
変形できる。
変形できる。
【数５】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（５） この反射率Ｒのｘに対する特性は図３のようになる。
【００１３】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数６】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（６） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
Ｖの関係は
【数７】 Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
【００１４】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数８】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（８）
【００１５】このような量子波干渉層をｉ層に形成した
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、量子
波干渉層のバンドのエネルギレベルは外部電圧により図
２（ｂ）のように傾斜する。このようにバンドが傾斜す
ると、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギ
Ｅ＋Ｖ，Ｅは、量子波が進行するにつれて増加し、次第
に第１層Ｗと第２層Ｂの厚さは、反射率が大きくなる最
適条件を満たさなくなる。この結果、印加電圧の大きさ
が、電子の運動エネルギを上記の量子波干渉層の厚さの
設計に用いられた運動エネルギを越えさせない範囲で
は、電子の反射が起こり電子による電流は流れない。し
かし、印加電圧の大きさが、注入される電子の運動エネ
ルギを設定された運動エネルギを越えさせる程度に増加
すると、反射していた電子が急激に流れるようになる。
この結果、ダイオードのＶＩ特性が急峻となる。即ち、
動作抵抗が低下する。
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、量子
波干渉層のバンドのエネルギレベルは外部電圧により図
２（ｂ）のように傾斜する。このようにバンドが傾斜す
ると、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギ
Ｅ＋Ｖ，Ｅは、量子波が進行するにつれて増加し、次第
に第１層Ｗと第２層Ｂの厚さは、反射率が大きくなる最
適条件を満たさなくなる。この結果、印加電圧の大きさ
が、電子の運動エネルギを上記の量子波干渉層の厚さの
設計に用いられた運動エネルギを越えさせない範囲で
は、電子の反射が起こり電子による電流は流れない。し
かし、印加電圧の大きさが、注入される電子の運動エネ
ルギを設定された運動エネルギを越えさせる程度に増加
すると、反射していた電子が急激に流れるようになる。
この結果、ダイオードのＶＩ特性が急峻となる。即ち、
動作抵抗が低下する。
【００１６】このダイオードは、後述するように、電流
電圧特性において、図８に示すように、電流が急増する
電圧値、電流が急減する電圧値とが異なる。即ち、電流
電圧特性がヒステリシス特性を示すことが観測された。
電圧特性において、図８に示すように、電流が急増する
電圧値、電流が急減する電圧値とが異なる。即ち、電流
電圧特性がヒステリシス特性を示すことが観測された。
【００１７】このヒステリシス特性を示す理由は、現在
のところ明確ではないが、次のように考えられる。図４
は、ｎｉｐ構造の伝導帯のエネルギー図を示しており、
（ａ）は外部電圧が０の時の状態、（ｂ）は電流が急激
に増加する時の立ち上がり点の電圧が印加された状態、
（ｃ）は電流が急激に増加して大きな電流が流れている
時の状態、（ｄ）は（ｃ）の状態から電圧を徐々に低下
して、電流が急激に減少する時の立ち下がり点の電圧が
印加された状態を示している。
のところ明確ではないが、次のように考えられる。図４
は、ｎｉｐ構造の伝導帯のエネルギー図を示しており、
（ａ）は外部電圧が０の時の状態、（ｂ）は電流が急激
に増加する時の立ち上がり点の電圧が印加された状態、
（ｃ）は電流が急激に増加して大きな電流が流れている
時の状態、（ｄ）は（ｃ）の状態から電圧を徐々に低下
して、電流が急激に減少する時の立ち下がり点の電圧が
印加された状態を示している。
【００１８】（ａ）から（ｂ）に至る印加電圧の範囲で
は、量子波干渉層の各層の厚さが、注入される電子の量
子波の波長の１／４の奇数場合の条件が成立し、電子は
量子波干渉層で反射され、電子の移動はない。伝導帯の
電位傾斜が（ｂ）の状態となるまで、外部電圧が印加さ
れると、反射条件が満たされなくなり、電子は量子波干
渉層を伝導する。この状態が図８のＡ点に相当する。そ
して、電子は、各中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 に閉じ込めら
れる。この意味で、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 はキャリア
閉込層と定義しても良い。従って、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，
Ｃ3 のバンド幅は第２層Ｂの伝導帯の底以下となるのが
望ましい。第２層Ｂと伝導帯の底が等しくとも良い。と
ころが、この中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の電子が多くなる
と、より高レベルに電子が存在するようになる。この高
レベルに存在する電子の運動エネルギーが増加するた
め、上記の量子波干渉層による反射条件を満たさなくな
る。この結果、電子は量子波干渉層Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を
透過してｐ層に流れる。このように電子がｐ層へ向かっ
て伝導している状態の伝導帯のエネルギー図が（ｃ）の
ようになる。この状態が図８のＢ点となる。
は、量子波干渉層の各層の厚さが、注入される電子の量
子波の波長の１／４の奇数場合の条件が成立し、電子は
量子波干渉層で反射され、電子の移動はない。伝導帯の
電位傾斜が（ｂ）の状態となるまで、外部電圧が印加さ
れると、反射条件が満たされなくなり、電子は量子波干
渉層を伝導する。この状態が図８のＡ点に相当する。そ
して、電子は、各中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 に閉じ込めら
れる。この意味で、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 はキャリア
閉込層と定義しても良い。従って、中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，
Ｃ3 のバンド幅は第２層Ｂの伝導帯の底以下となるのが
望ましい。第２層Ｂと伝導帯の底が等しくとも良い。と
ころが、この中間層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の電子が多くなる
と、より高レベルに電子が存在するようになる。この高
レベルに存在する電子の運動エネルギーが増加するた
め、上記の量子波干渉層による反射条件を満たさなくな
る。この結果、電子は量子波干渉層Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を
透過してｐ層に流れる。このように電子がｐ層へ向かっ
て伝導している状態の伝導帯のエネルギー図が（ｃ）の
ようになる。この状態が図８のＢ点となる。
【００１９】次に、電圧が徐々に低下する場合の電流電
圧特性は、次のように説明される。電流がステップ的に
増加した伝導状態での伝導帯のエネルギー状態は、図４
（ｃ）に示すように、最初の量子波干渉層Ｑ1 よりもｎ
層側にあるｉ層と、最後の量子波干渉層Ｑ4 よりもｐ層
側にあるｉ層とに、外部電圧のほとんどがかかり、量子
波干渉層Ｑ1 からＱ4 までは電位傾斜がほとんどない状
態である。この状態から印加電圧を減少させると、電位
傾斜のあるｉ層の電位傾斜が、（ｂ）に示す電流がステ
ップ増する瞬間の電位傾斜に等しくなる状態となるま
で、電流は流れ続ける。この状態が図４の（ｄ）であ
る。ところが、量子波干渉層Ｑ1 からＱ4 までは電位傾
斜が存在しないので、（ｄ）のエネルギー状態を示す外
部電圧は、（ｂ）図の状態の外部電圧よりも小さいこと
になる。この電圧点が、図８のＣ点に相当する。この電
位傾斜の時に、注入される電子の量子波の波長が上述し
た量子波干渉層による反射条件を満たすことになり、電
流がステップ減する。このような理由により、電流電圧
特性にヒステリシスが発生するものと思われる。
圧特性は、次のように説明される。電流がステップ的に
増加した伝導状態での伝導帯のエネルギー状態は、図４
（ｃ）に示すように、最初の量子波干渉層Ｑ1 よりもｎ
層側にあるｉ層と、最後の量子波干渉層Ｑ4 よりもｐ層
側にあるｉ層とに、外部電圧のほとんどがかかり、量子
波干渉層Ｑ1 からＱ4 までは電位傾斜がほとんどない状
態である。この状態から印加電圧を減少させると、電位
傾斜のあるｉ層の電位傾斜が、（ｂ）に示す電流がステ
ップ増する瞬間の電位傾斜に等しくなる状態となるま
で、電流は流れ続ける。この状態が図４の（ｄ）であ
る。ところが、量子波干渉層Ｑ1 からＱ4 までは電位傾
斜が存在しないので、（ｄ）のエネルギー状態を示す外
部電圧は、（ｂ）図の状態の外部電圧よりも小さいこと
になる。この電圧点が、図８のＣ点に相当する。この電
位傾斜の時に、注入される電子の量子波の波長が上述し
た量子波干渉層による反射条件を満たすことになり、電
流がステップ減する。このような理由により、電流電圧
特性にヒステリシスが発生するものと思われる。
【００２０】この半導体素子には順方向電圧が印加され
ることから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分
離が容易となる。又、電子の移動は、量子波干渉層を波
動として伝搬すると考えられるので、応答速度が高速と
なる。
ることから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分
離が容易となる。又、電子の移動は、量子波干渉層を波
動として伝搬すると考えられるので、応答速度が高速と
なる。
【００２１】尚、量子波干渉層の価電子帯においても、
エネルギレベルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖ
が伝導帯のバンド電位差と異なり、さらに、第１層、第
２層における正孔の有効質量が電子の有効質量と異なる
ため、電子に対して反射率を高くするように設定された
第１層と第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が
得られる条件にはならない。よって、上記の構造の量子
波干渉層は電子だけを反射するように第１層と第２層の
厚さが設計されているので、電子だけを反射させ正孔は
透過する。
エネルギレベルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖ
が伝導帯のバンド電位差と異なり、さらに、第１層、第
２層における正孔の有効質量が電子の有効質量と異なる
ため、電子に対して反射率を高くするように設定された
第１層と第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が
得られる条件にはならない。よって、上記の構造の量子
波干渉層は電子だけを反射するように第１層と第２層の
厚さが設計されているので、電子だけを反射させ正孔は
透過する。
【００２２】よって、正孔に対して反射層として機能す
る正孔反射の量子波干渉層を上記の電子を反射する各量
子波干渉層に従属接続して設けても良い。
る正孔反射の量子波干渉層を上記の電子を反射する各量
子波干渉層に従属接続して設けても良い。
【００２３】上記のキャリアの反射機能を有する量子波
干渉層は、０Ｖから所定のバイアス電圧までキャリアを
反射させ、電流が流れない状態を形成できるので、光受
光素子をｎ層だけ、又は、ｐ層だけで形成し、上記の量
子波干渉層と中間層を、ｎ層又はｐ層に形成しても良
い。同様に、ｐｎ接合の受光素子を形成し、そのｎ層、
ｐ層に形成しても良い。
干渉層は、０Ｖから所定のバイアス電圧までキャリアを
反射させ、電流が流れない状態を形成できるので、光受
光素子をｎ層だけ、又は、ｐ層だけで形成し、上記の量
子波干渉層と中間層を、ｎ層又はｐ層に形成しても良
い。同様に、ｐｎ接合の受光素子を形成し、そのｎ層、
ｐ層に形成しても良い。
【００２４】又、価電子帯においても、エネルギレベル
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なり、さらに、第１層、第２層における正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なるため、電子に対
して反射率を高くするように設定された第１層と第２層
の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子だけを反射させ正孔を反射させないようにすることが
できる。又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔の有
効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計すること
で、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電子を透
過させる層とすることもできる。
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なり、さらに、第１層、第２層における正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なるため、電子に対
して反射率を高くするように設定された第１層と第２層
の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子だけを反射させ正孔を反射させないようにすることが
できる。又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔の有
効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計すること
で、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電子を透
過させる層とすることもできる。
【００２５】上記の量子波干渉層は、ｎｉｐ構造の半導
体素子におけるｎ層とｐ層との間のｉ層に形成したが、
ｎ層だけ、ｐ層だけの半導体素子に、上記の量子波干渉
層を設けても良い。さらに、電子を反射する量子波干渉
層と正孔を反射する量子波干渉層とを縦続に接続するよ
うにしても良い。又、電子の量子波干渉層をｐ層に設
け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、このダ
イオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、動
作抵抗を著しく低下させることができる。
体素子におけるｎ層とｐ層との間のｉ層に形成したが、
ｎ層だけ、ｐ層だけの半導体素子に、上記の量子波干渉
層を設けても良い。さらに、電子を反射する量子波干渉
層と正孔を反射する量子波干渉層とを縦続に接続するよ
うにしても良い。又、電子の量子波干渉層をｐ層に設
け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、このダ
イオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、動
作抵抗を著しく低下させることができる。
【００２６】〔請求項４の発明〕 請求項４の発明は、図５に示すように、第１層と第１層
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から量子波干
渉層を次のように形成したことを特徴とする。第１層、
第２層を、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期Ｔk だ
け繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但し、
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から量子波干
渉層を次のように形成したことを特徴とする。第１層、
第２層を、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期Ｔk だ
け繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但し、
【数９】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ/ ４ [２ｍwk（Ｅk ＋Ｖ) ]1/2 …（９）
【数１０】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ/ ４ (２ｍBkＥk )1/2 …（１０） ここで、Ｅk は第２層を伝導するキャリアの運動エネル
ギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動エネル
ギＥk ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥ k を有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と、ｋの最大
値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この
運動エネルギＥk の離散間隔を狭くすれば、連続したあ
るエネルギー範囲にあるキャリアを反射させることがで
きる。
ギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動エネル
ギＥk ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥ k を有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と、ｋの最大
値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この
運動エネルギＥk の離散間隔を狭くすれば、連続したあ
るエネルギー範囲にあるキャリアを反射させることがで
きる。
【００２７】〔請求項５、６〕請求項５は、中間層のバ
ンドは、電子をキャリアとする場合には、その伝導帯の
底が第２層の伝導帯の底よりも低く、正孔をキャリアと
する場合には、その価電子帯の底が第２層の価電子帯の
底よりも低くしたことを特徴とする。又、請求項６はそ
の中間層の厚さをその層の量子波の波長λB の１／２と
している。これにより、伝導キャリアの閉込を効果的に
行うことができる。
ンドは、電子をキャリアとする場合には、その伝導帯の
底が第２層の伝導帯の底よりも低く、正孔をキャリアと
する場合には、その価電子帯の底が第２層の価電子帯の
底よりも低くしたことを特徴とする。又、請求項６はそ
の中間層の厚さをその層の量子波の波長λB の１／２と
している。これにより、伝導キャリアの閉込を効果的に
行うことができる。
【００２８】〔請求項７〕 請求項７は、図６に示すように、第１層Ｗと第２層Ｂと
の境界において、エネルギバンドを急変させる厚さが第
１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十分に薄いδ層を設けても良
い。境界での反射率は（５）式で得られるが、境界にδ
層を設けることで、バンド電位差Ｖを大きくすることが
できｘ値が小さくなる。ｘ値が小さいことから反射率Ｒ
が大きくなる。このδ層は、図６（ａ）に示すように、
各第１層Ｗの両側の境界に設けられているが、片側の境
界だけに設けても良い。又、δ層は、図６（ａ）に示す
ように、境界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い
底のバンドが形成されるように設けているが、図６
（ｂ）に示すように、境界に第１層のバンドの底よりも
さらに低い底を有するように形成しても良い。さらに、
図６（ｃ）に示すように、境界に第２層Ｂのバンドの底
よりも高い底を有し、第１層Ｗのバンドの底よりも低い
底を有するバンドを形成するように、δ層を形成しても
良い。このようにすることで、第１層Ｗと第２層Ｂとの
境界での量子波の反射率を大きくすることができ、多重
層に形成した場合に全体での量子波の反射率を大きくす
ることができる。
の境界において、エネルギバンドを急変させる厚さが第
１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十分に薄いδ層を設けても良
い。境界での反射率は（５）式で得られるが、境界にδ
層を設けることで、バンド電位差Ｖを大きくすることが
できｘ値が小さくなる。ｘ値が小さいことから反射率Ｒ
が大きくなる。このδ層は、図６（ａ）に示すように、
各第１層Ｗの両側の境界に設けられているが、片側の境
界だけに設けても良い。又、δ層は、図６（ａ）に示す
ように、境界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い
底のバンドが形成されるように設けているが、図６
（ｂ）に示すように、境界に第１層のバンドの底よりも
さらに低い底を有するように形成しても良い。さらに、
図６（ｃ）に示すように、境界に第２層Ｂのバンドの底
よりも高い底を有し、第１層Ｗのバンドの底よりも低い
底を有するバンドを形成するように、δ層を形成しても
良い。このようにすることで、第１層Ｗと第２層Ｂとの
境界での量子波の反射率を大きくすることができ、多重
層に形成した場合に全体での量子波の反射率を大きくす
ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。 〔第１実施例〕図７は量子波干渉層をｉ層に形成した半
導体素子の断面図である。GaAsから成る基板１０の上
に、n-GaAsから成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/c
m3のバッファ層１２が形成され、その上にn-Ga0.51In
0.49P から成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3の
ｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタク
ト層１４の上には、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2
μm 、電子濃度 1×1018/cm3のｎ層１６が形成されてい
る。そのｎ層１６の上に不純物無添加のｉ層１８を形成
した。そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚
さ0.2 μm 、正孔濃度1 ×1018/cm3のｐ層２０が形成さ
れている。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.51In0.49
P から成る厚さ0.13μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２
ｐ形コンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μm 、
正孔濃度 2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形
成されている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μ
m のAu/Ge から成る電極２６が形成され、第１ｐ形コン
タクト層２４の上には厚さ0.2 μm のAu/Zn から成る電
極２８が形成されている。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。 〔第１実施例〕図７は量子波干渉層をｉ層に形成した半
導体素子の断面図である。GaAsから成る基板１０の上
に、n-GaAsから成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/c
m3のバッファ層１２が形成され、その上にn-Ga0.51In
0.49P から成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3の
ｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタク
ト層１４の上には、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2
μm 、電子濃度 1×1018/cm3のｎ層１６が形成されてい
る。そのｎ層１６の上に不純物無添加のｉ層１８を形成
した。そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚
さ0.2 μm 、正孔濃度1 ×1018/cm3のｐ層２０が形成さ
れている。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.51In0.49
P から成る厚さ0.13μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２
ｐ形コンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μm 、
正孔濃度 2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形
成されている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μ
m のAu/Ge から成る電極２６が形成され、第１ｐ形コン
タクト層２４の上には厚さ0.2 μm のAu/Zn から成る電
極２８が形成されている。
【００３０】上記のｉ層１８には、Ga0.51In0.49P から
成る厚さ5nm の第１層ＷとAl0.51In0.49P から成る厚さ
7nm の第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ1.3n
m の不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層
とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ1
と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…, Ｑ4 とを合
わせて、全体で４組設けられている。１つの量子波干渉
層Ｑ1 の詳細なバンド構造は図６（ａ）に示すものであ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑi+1 間には厚さ14nm、不
純物無添加のAl0.51In0.49P から成る中間層Ｃ1 〜Ｃ3
が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件
は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加して、ｉ
層１８に電位傾斜がない状態において上記した（１）、
（２）式で決定されている。
成る厚さ5nm の第１層ＷとAl0.51In0.49P から成る厚さ
7nm の第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ1.3n
m の不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層
とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ1
と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…, Ｑ4 とを合
わせて、全体で４組設けられている。１つの量子波干渉
層Ｑ1 の詳細なバンド構造は図６（ａ）に示すものであ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑi+1 間には厚さ14nm、不
純物無添加のAl0.51In0.49P から成る中間層Ｃ1 〜Ｃ3
が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件
は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加して、ｉ
層１８に電位傾斜がない状態において上記した（１）、
（２）式で決定されている。
【００３１】尚、ｎ層１６又はｐ層２０に接合する第２
層Ｂは0.05μm である。このように最初の第２層Ｂを厚
くしたのは、ｎ層１６又はｐ層２０からキャリアが第１
層Ｗにトンネル伝導することを防止するためである。
又、基板１０は、２インチ径の大きさであり、基板の主
面は面方位(100) に対して15°方位[011] 方向にオフセ
ットしている。
層Ｂは0.05μm である。このように最初の第２層Ｂを厚
くしたのは、ｎ層１６又はｐ層２０からキャリアが第１
層Ｗにトンネル伝導することを防止するためである。
又、基板１０は、２インチ径の大きさであり、基板の主
面は面方位(100) に対して15°方位[011] 方向にオフセ
ットしている。
【００３２】この半導体素子は、ガスソースＭＢＥ法に
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）を用いることもできる。
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）を用いることもできる。
【００３３】上記の構成の半導体素子（ダイオード）に
おいて、ｐ層２０とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを
増加させて行くと、図１に示すように、ｉ層１８のバン
ドの傾斜が平坦となる電位が存在する。この状態では、
量子波干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 において電子に対して反射条件
が設立するので、電子は流れない。
おいて、ｐ層２０とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを
増加させて行くと、図１に示すように、ｉ層１８のバン
ドの傾斜が平坦となる電位が存在する。この状態では、
量子波干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 において電子に対して反射条件
が設立するので、電子は流れない。
【００３４】さらに、順方向電圧を増加させると、上述
したように、伝導帯の状態は、図４（ｂ）に示した状態
となり、反射条件が満たされなくなり、電流が流れ、中
間層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が蓄積される。この中間層Ｃ1 〜
Ｃ3 における電子濃度が高くなり、第２層Ｗの伝導帯の
底付近以上の電子が多く存在するようになると、ｎ層１
６の電子が隣の中間層Ｃ1 に伝導し、中間層Ｃ1 の電子
は隣の中間層Ｃ2 に伝導する。このようにして、電子は
各中間層Ｃ1 を介在させて、各量子波干渉層中は電子の
波としての性質により高速に伝導すると考えられる。こ
の伝導状態の時の伝導帯の状態は図４（ｃ）に示すよう
になる。
したように、伝導帯の状態は、図４（ｂ）に示した状態
となり、反射条件が満たされなくなり、電流が流れ、中
間層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が蓄積される。この中間層Ｃ1 〜
Ｃ3 における電子濃度が高くなり、第２層Ｗの伝導帯の
底付近以上の電子が多く存在するようになると、ｎ層１
６の電子が隣の中間層Ｃ1 に伝導し、中間層Ｃ1 の電子
は隣の中間層Ｃ2 に伝導する。このようにして、電子は
各中間層Ｃ1 を介在させて、各量子波干渉層中は電子の
波としての性質により高速に伝導すると考えられる。こ
の伝導状態の時の伝導帯の状態は図４（ｃ）に示すよう
になる。
【００３５】尚、中間層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起されて
いない場合には、量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4 は電子に対し
て反射条件が満たされているが、中間層Ｃ1 〜Ｃ3 に電
子が励起された場合にのみ、電子の反射条件が満たされ
なくなり、量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4 を電子は量子波とし
て伝導すると考えられるため、スイッチグ速度も高速に
なると思われる。
いない場合には、量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4 は電子に対し
て反射条件が満たされているが、中間層Ｃ1 〜Ｃ3 に電
子が励起された場合にのみ、電子の反射条件が満たされ
なくなり、量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4 を電子は量子波とし
て伝導すると考えられるため、スイッチグ速度も高速に
なると思われる。
【００３６】この半導体素子の順方向のＶ−Ｉ特性を測
定した。図８に示す。電圧を増加させるとき、約５．３
Ｖの順方向電圧（Ａ点）により、電流は急峻に増加して
いるのが分かる。それに対して、電圧を減少させる場合
には、約４．３Ｖの電圧（Ｃ点）で電流が急峻に減少し
ているのが分かる。
定した。図８に示す。電圧を増加させるとき、約５．３
Ｖの順方向電圧（Ａ点）により、電流は急峻に増加して
いるのが分かる。それに対して、電圧を減少させる場合
には、約４．３Ｖの電圧（Ｃ点）で電流が急峻に減少し
ているのが分かる。
【００３７】このように、電流電圧特性において約１Ｖ
のヒステリシス特性が観測された。この半導体素子を単
独で用いることで、チャタリングを防止したシュミット
回路を形成することができる。
のヒステリシス特性が観測された。この半導体素子を単
独で用いることで、チャタリングを防止したシュミット
回路を形成することができる。
【００３８】上記の実施例では、量子波干渉層にδ層を
形成した。δ層を形成することで、反射率を向上させる
ことができるが、δ層がなくとも多重反射による反射率
の増加の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。
形成した。δ層を形成することで、反射率を向上させる
ことができるが、δ層がなくとも多重反射による反射率
の増加の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。
【００３９】他の実施例として、図９に示す構造のSiと
Geとの化合物半導体系のダイオードを形成した。この素
子では、量子波干渉層の第１層Ｗは厚さ５nmのSi0.8Ge
0.2で形成し、第２層Ｂは厚さ７nmのSiで形成した。
又、中間層Ｃ1 〜Ｃ3 は、厚さ14nmのSiで形成した。但
し、δ層は設けなかった。このダイオードにおいても、
図８と同様なヒステリシス特性を有する電流電圧特性が
観測された。
Geとの化合物半導体系のダイオードを形成した。この素
子では、量子波干渉層の第１層Ｗは厚さ５nmのSi0.8Ge
0.2で形成し、第２層Ｂは厚さ７nmのSiで形成した。
又、中間層Ｃ1 〜Ｃ3 は、厚さ14nmのSiで形成した。但
し、δ層は設けなかった。このダイオードにおいても、
図８と同様なヒステリシス特性を有する電流電圧特性が
観測された。
【００４０】又、上記全実施例では、Ｑ1 〜Ｑ4 の４つ
の量子波干渉層を中間層Ｃを介在させて直列に接続した
が、量子波干渉層の多重化される層の数は任意である。
又、量子波干渉層をGa0.51In0.49P とAl0.51In0.49P と
の多重層、又は、Si0.8Ge0.2とSiとの多重周期で構成し
たが、４元系のAlxGayIn1-x-y P(0 ≦x,y ≦1の任意の
値) で組成比を異にして形成しても良い。さらに、量子
波干渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族
化合物半導体、その他の異種半導体の多重接合で構成す
ることが可能である。
の量子波干渉層を中間層Ｃを介在させて直列に接続した
が、量子波干渉層の多重化される層の数は任意である。
又、量子波干渉層をGa0.51In0.49P とAl0.51In0.49P と
の多重層、又は、Si0.8Ge0.2とSiとの多重周期で構成し
たが、４元系のAlxGayIn1-x-y P(0 ≦x,y ≦1の任意の
値) で組成比を異にして形成しても良い。さらに、量子
波干渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族
化合物半導体、その他の異種半導体の多重接合で構成す
ることが可能である。
【００４１】又、キャリアを閉じ込める機能を有する中
間層Ｃ1 〜Ｃ3 のバンドは、キャリアが電子の場合に、
第２層Ｂの伝導帯の底と同一レベルの底を有するバンド
構造としたが、第１層Ｗの伝導帯の底と同一レベルの底
を有するバンド構造としても良い。さらに、第１層Ｗと
第２層Ｂの伝導帯の底の中間に伝導帯の底を有するよう
に中間層を形成しても良い。キャリアを正孔とする場合
には、価電子帯について、上記と同様な関係、即ち、第
２層Ｂの価電子帯の底と同一レベルの底を有するバンド
構造としても、第１層Ｗの価電子帯の底と同一レベルの
底を有するバンド構造としても良い。さらに、第１層Ｗ
と第２層Ｂの価電子帯の底の中間に価電子帯の底を有す
るように中間層を形成しても良い。
間層Ｃ1 〜Ｃ3 のバンドは、キャリアが電子の場合に、
第２層Ｂの伝導帯の底と同一レベルの底を有するバンド
構造としたが、第１層Ｗの伝導帯の底と同一レベルの底
を有するバンド構造としても良い。さらに、第１層Ｗと
第２層Ｂの伝導帯の底の中間に伝導帯の底を有するよう
に中間層を形成しても良い。キャリアを正孔とする場合
には、価電子帯について、上記と同様な関係、即ち、第
２層Ｂの価電子帯の底と同一レベルの底を有するバンド
構造としても、第１層Ｗの価電子帯の底と同一レベルの
底を有するバンド構造としても良い。さらに、第１層Ｗ
と第２層Ｂの価電子帯の底の中間に価電子帯の底を有す
るように中間層を形成しても良い。
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】本発明の理論を説明するための説明図。
【図３】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図４】本発明素子が電流電圧特性にヒステリシス特性
を有することを説明するための説明図。
を有することを説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の概念を説明するための説明図。
【図７】本発明の実施例に係る半導体素子（ダイオー
ド）の構造を示した断面図。
ド）の構造を示した断面図。
【図８】同実施例素子におけるＶ−Ｉ特性の測定図。
【図９】本発明の他の実施例に係る半導体素子（ダイオ
ード）の構造を示した断面図。
ード）の構造を示した断面図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｉ層 ２０…ｐ層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 Ｑ1 〜Ｑ4 …量子波干渉層 Ｂ…第２層 Ｗ…第１層 Ｃ，Ｃ1 〜Ｃ3 …中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/48 Ｐ (56)参考文献 特開 平10−303406（ＪＰ，Ａ) Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29，Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ｐｐ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ｐｐ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 29/06 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有した半導
体素子において、 前記第１層と前記第２層の各層の厚さを、各層を伝導す
るキャリアの、各層における量子波の波長の４分の１の
奇数倍に設定した量子波干渉層を、多重周期でないバン
ドの平坦な中間層を介在させて複数配設したことを特徴
とする量子波干渉層を有した半導体素子。 - 【請求項２】 前記量子波の波長を決定するための前記
キャリアの運動エネルギをキャリアが電子である場合に
は第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔である場合
には前記第２層の価電子帯の底付近に設定したことを特
徴とする請求項１に記載の量子波干渉層を有した半導体
素子。 - 【請求項３】 前記第１層における前記量子波の波長λ
W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
キャリアの有効質量、Ｅは第２層に流入されるキャリア
の運動エネルギー、Ｖは第１層に対する第２層のバンド
電位差、ｎW 、ｎB は奇数であることを特徴とする請求
項１又は請求項２に記載の量子波干渉層を有した半導体
素子。 - 【請求項４】 前記量子波干渉層は、前記第２層を伝導
するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値Ｅk 、前
記第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖとし、
第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長をλ
Bk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎ
WkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分量子波
干渉層Ｉk が前記値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、であることを特徴とする
請求項１又は請求項２に記載の量子波干渉層を有した半
導体素子。 - 【請求項５】 前記中間層のバンドは、電子をキャリア
とする場合には、その伝導帯の底が前記第２層の伝導帯
の底よりも低く、正孔をキャリアとする場合には、その
価電子帯の底が前記第２層の価電子帯の底よりも低いこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
記載の量子波干渉層を有した半導体素子。 - 【請求項６】 前記中間層の厚さは、前記量子波の波長
λB の１／２であることを特徴とする請求項５に記載の
量子波干渉層を有した半導体素子。 - 【請求項７】 前記第１層と前記第２層との境界には、
前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載
の量子波干渉層を有した半導体素子。 - 【請求項８】 前記半導体素子は、ｐｉｎ接合構造を有
し、前記量子波干渉層及び前記中間層は、ｉ層に形成さ
れていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいず
れか１項に記載の量子波干渉層を有した半導体素子。 - 【請求項９】 前記半導体素子は、ｐｎ接合構造を有
し、前記量子波干渉層及び前記中間層は、ｎ層、又は、
ｐ層に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請
求項７のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有した半
導体素子。 - 【請求項１０】 前記半導体素子は、電流電圧特性にお
いて、ヒステリシス特性を有することを特徴とする請求
項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の量子波干渉層
を有した半導体素子。
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