ErAs/III-V半導体量子ヘテロ構造におけるトンネル現象の解明と負性抵抗デバイス

阐明 ErAs/III-V 半导体量子异质结构和负阻器件中的隧道现象

基本信息

批准号：
12875058
负责人：
田中雅明
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、GaAs上で熱力学的にきわめて安定な半金属材料としてNaCl型結晶構造をもつErAsに着目し、ErAs/AlAs/GaAsに代表される異なる結晶構造、異なる格子定数、異なるタイプの化学結合をもつ半金属と半導体を組み合わせたヘテロ接合の結晶成長技術を確立し、形成された金属間化合物/半導体ヘテロ構造の電子伝導、特に共鳴トンネル現象を明らかにし、デバイス応用の実現可能性を探索することを目的とする。最近我々は、MBEによって高品質のErAs単結晶をGaAs基板上にエピタキシャル成長できることを示し、GaAs/AlAs系化合物半導体と熱力学的に安定な金属/半導体ヘテロ構造の作製に成功した。さらに、半金属(ErAs)を量子井戸とする共鳴トンネルダイオード構造を試作し、この材料系では世界で初めて室温で微分負性抵抗を観測した。これは数ナノメータのErAs超薄膜中の量子効果が室温でも明瞭に現れたものであり、将来の量子効果を用いた高速電子デバイス応用へ向けてきわめて有望な結果である。しかしながらその電子物性、電子伝導のメカニズムは未解明のままであり、デバイス応用の試みも行われていない。そこで本年度には、半金属(ErAs)を量子井戸とする超薄膜ヘテロ構造のトンネル現象等の界面に垂直な方向の電子伝導現象の解明を進めることに重点をおき、負性抵抗デバイスの試作を行い、トンネル現象の本質的な機構を探るとともに、デバイス応用のための最適化を行った。分子線エピタキシーによりIII-V/ErAs/III-Vヘテロ構造を成長し、界面に垂直な方向の電子伝導(トンネル効果)を利用した2端子デバイス(ダイオード)の試作、その電気的特性を、温度、素子サイズ等を変え、様々な条件のもとでその負性抵抗特性を評価し、デバイスの最適化を行った。ダイオードサイズを20ミクロンまで小さくすることにより、微分負性抵抗特性のばらつきを抑えることができた。また、サイズを1ミクロン程度まで小さくしたダイオードにおいては横方向量子サイズ効果によると思われる電流電仕特性の振動現象を見出した。

在本研究中，我们重点关注 ErAs，它具有 NaCl 型晶体结构，是 GaAs 接合处的热力学极其稳定的半金属材料。建立半金属和半导体异质结的晶体生长技术，阐明所形成的金属间化合物/半导体异质结构中的电子传导，特别是共振隧道效应，并探索器件应用的可行性。最近，我们证明了可以通过MBE在GaAs衬底上外延生长高质量的ErAs单晶，并成功地用GaAs/AlAs基化合物半导体制备热力学稳定的金属/半导体异质结构。此外，我们使用半金属（ErAs）作为量子阱制作了谐振隧道二极管结构原型，并首次在该材料系统中观察到室温下的微分负电阻。这表明，几纳米的超薄ErAs薄膜中的量子效应即使在室温下也清晰可见，对于未来利用量子效应在高速电子器件中的应用来说是一个非常有前景的结果。然而，其电子特性和电子传导机制仍不清楚，也没有尝试将其应用于器件。因此，今年，我们将重点阐明垂直于界面方向的电子传导现象，例如使用半金属（ErAs）量子阱的超薄膜异质结构中的隧道现象，并将开发原型负阻器件。隧道现象的基本机制，并针对设备应用进行了优化。我们通过分子束外延生长了 III-V/ErAs/III-V 异质结构，制造了利用垂直于界面的电子传导（隧道效应）的原型两端器件（二极管），并通过改变温度研究了其电性能。我们通过改变元件尺寸、评估其在各种条件下的负阻特性并优化器件来优化器件。通过将二极管尺寸减小至 20 微米，我们能够抑制微分负电阻特性的变化。此外，在尺寸已减小到约1微米的二极管中，我们发现了电流特性中的振荡现象，这被认为是由于横向量子尺寸效应造成的。