サブテラヘルツ波検出を目指したSb 系 へテロ構造ダイオードの高感度化への検討

サブテラヘルツ波検出を目指した

Sb 系

へテロ構造ダイオードの高感度化への検討

*

井上 達也

**

_{・天野 直樹}

**

_{・小山 政俊}

**

前元 利彦・佐々 誠彦・井上 正崇

工学研究科 電気電子工学専攻

（2007 年 9 月 29 日受理）

Investigation of Sb-Based Diode Structures for Detecting Subterahertz Waves

by

Tatsuya INOUE

**

_{, Naoki AMANO}

**

_{, Masatoshi KOYAMA}

**

_,

Toshihiko MAEMOTO, Shigehiko SASA, Masataka INOUE

Major in Electrical and Electronic Systems Engineering, Graduate School of Engineering （Manuscript received September 29, 2007）

Abstract

We report on the fabrication and characterization of an Sb-based diode for detecting subterahertz waves. InAs/AlSb/AlxGa1-xSb/GaSb heterostructures were grown on a semi-insulating GaAs (001) substrate by molecular beam epitaxy. Our purpose is to properly design the diode structure in order to improve the sensitivity, i.e., the curvature γ in the I-V characteristics at low voltages. We changed the Al composition x of the AlxGa1-xSb (x = 0.2, 0.25 and 0.3) and thickness y of the AlSb barrier (y = 1, 1.5, and 2 nm). The maximum curvature γ of 16.9 V-1 was observed for x = 0.25 and y = 1.5 nm.

キーワード; サブテラヘルツ，テラヘルツ，ダイオード，ヘテロ構造，負性抵抗 K e y w o r d ; subterahertz, terahertz, diode, heterostructure, negative resistance

* 第54回応用物理学関係連合講演会にて口頭発表（2007年3月30日，青山学院大学）

** 大阪工業大学大学院工学研究科電気電子工学研究

Memoirs of the Osaka Institute of Technology, Series A Vol.52,No.2(2007) pp.25～30

1．研究背景と目的 最近，テラヘルツ波と呼ばれる周波数領域が注目 され，盛んに研究が進められている．光波・電波の 中間の領域であることから，光デバイス，電子デバ イスの両方からアプローチされている．テラヘルツ 波は，周波数領域（100GHzから10THz）の電磁波を 指し，特徴は，電波のように物質を透過する性質と 光のように直進性を有すること，また水分に吸収さ れる性質があることである．応用例として正常細胞 とがん細胞に含まれる水分量の差を利用した，がん 細胞の検出などがある．物質を透過するという性質 を利用して，服の中に隠されたナイフ（金属）を検出 することも可能である．さらに，高周波であること を利用した近距離高速通信，気体の吸収スペクトル の識別による大気汚染モニターや物質固有の吸収ス ペクトルを利用した様々な禁止薬物の検出などへの 利用が期待されている1）_． テラヘルツ波の発生装置には長波長の光源とし て，自由電子レーザ，パラメトリック光源などがあ り，さらに最近の研究では量子カスケードレーザを 用いた研究がヨーロッパを中心に行われている．電 磁波側からのアプローチには，TUNNETTダイオー ドを用いた発生装置，RTDを用いたアンテナ構造に よる発生などがある．また検出器には，カーボンナ ノチューブを用いた光検出器2）_{やショットキーダイ} オードやなどが研究に用いられている3）_． 我々は，テラヘルツ波の中で100GHzから1THzに 当たる，サブテラヘルツ波の検出器の開発を目指し 研究を行っている．サブテラヘルツ波の検出器には Geをベースとしたエサキダイオードやショットキ ーダイオードなどがある．しかし，エサキダイオー ドには動作周波数が40GHz までに限られること や，ショットキーダイオードでは接触抵抗を下げる ためにバイアスが必要で，アレイ化が容易でないと いった問題点がある．このような問題を解決するた め に ，InAs と Sb 系 材 料 の 組 み 合 わ せ と な る InAs/AlSb/ AlGaSb/GaSbへテロ構造ダイオード（略し てSb系ヘテロ接合ダイオード）が研究されている4）-8）_． Sb系へテロ構造ダイオードは既に100GHzまでの検 出が報告されており，さらに300GHz程度まで検出 できる可能性がある．ゼロバイアスで動作するため にアレイ化も容易である．我々の目標はSb系へテ ロ構造ダイオードの高感度化である． このヘテロ構造ダイオードは，いわゆるタイプII 型のヘテロ構造を利用していることが特徴で，その 電圧電流特性は順バイアス方向，逆バイアス方向で 大きく異なり，原点付近で非線形性（整流特性）を示 す．この特性を利用することでテラヘルツ波の検出 が可能となる．これまでの報告ではゼロバイアスに おける検出感度 γ =39.1V-1_{が最大である}5）_． 従来，我々の研究では，Sb系へテロ構造ダイオ ードのAlGaSb層のAl組成変化によるバンドダイア グラムの変化に伴う電圧電流特性の制御やAlSb層 膜厚変化に伴うトンネル電流の制御について議論し た9）_{．今回は検出感度 γ を増大させ，高感度化へ} 向けた検討について報告する．なお，検出感度 γ は式で定義される5）_{．したがって，高周波での} 評価を行うことなく，直流での電流・電圧特性 から検出感度を評価することができる． ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = V I V I 2 2

γ

 2．試料構造と電流・電圧特性 分子線エピタキシー法を用いて半絶縁性GaAs （001） 基板上にSb系ダイオードの活性層を成長す る．しかし，GaAsとSb系材料の格子定数はそれぞ れ，約5.6Åと約6.1Åであり，格子不整合の大きな 材料の組み合わせである．そこで，GaAsとInAsの 格子不整合を緩和するためにSb系のバッファ層を 形成，その後InAs系バッファ層を形成する．その後

活性層であるInAs/AlSb/AlGaSb/ GaSb構造を形成す る．なおコンタクト層であるInAs層にはSiを1.0× 1018 _cm-3 _{ドーピングしている．作製したSb系へテ} ロ構造ダイオードの構造図とエネルギーバンドダイ アグラムをFig.1に示す． 作製したサンプルをフォトリソグラフィーとケミ カルエッチングにより素子分離を行い，ダイオード を形成する．次にフォトレジストを絶縁膜に用い て，オーミックパターン，ゲートパターンを露光 し，In/Auを蒸着し，リフトオフし，ダイオードが 完成する． ここで，Sb系へテロ構造ダイオードの電流・電 圧特性について議論する．電圧の印加によりバンド ダイアグラムはFig. 1の状態から，順バイアス方 向，逆バイアス方向ではそれぞれFig. 2に示すよう に接合部付近のバンドが傾斜する． まず逆方向バイアスについて考える．このとき， p-GaSb側のオーミック電極から注入された電子は GaSb層とAlGaSb層の価電子帯を通り，AlSb層をト ンネルし，InAs層に到達し電流が流れる．逆バイア スを印加することで，電子はAlSb層だけをトンネ ルしてInAs層に達するため，電子がトンネルする距 離が短く，電流が流れる．逆に，順方向バイアスで は，AlGaSb層のバンドギャップが図のように低エ ネルギー側へシフトするため，n-InAs層側から注入 された電子が，AlSb層をトンネルした後AlGaSb層 のバンドギャップによってブロックされてしまう （トンネル距離が増加する）．こうして順方向バイア スでは電流が抑えられ，逆方向バイアスで電流が流 れる，通常とは逆の整流特性を示す．したがって， ゼロバイアス付近で急峻な非線形性が現れ，高い検 出感度 γ が期待できる．この非線形性を制御する ためには，トンネル過程に寄与するAlSb層の厚さ およびAlGaSb層のバンドギャップを決めるAl組成 が重要なパラメータであることがわかる．そこで， 以下の検討では，これらのパラメータがダイオード の電流・電圧特性に及ぼす影響について検討した結 果を報告する． 3．実験結果および考察

Fig. 3はAlSb層膜厚y =2.0 nm, AlGaSb層のAl組成x が0.25および0.3のダイオードの電流電圧特性であ る．測定した素子の寸法は5 μm×5 μmである． -0 .3 -0 .2 -0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 -1 -0 .5 0 0 .5 1 V [V] I [mA] x =0.3 x =0.25 Al組成x AlSb y = 2.0 nm -0 .3 -0 .2 -0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 -1 -0 .5 0 0 .5 1 V [V] I [mA] x =0.3 x =0.25 Al組成x AlSb y = 2.0 nm

Fig.3 AlSb層膜厚y =2.0 nm, AlGaSb層のAl 組成x が0.25および0.3のダイオードの室温における 直流電流電圧特性 n-InAs AlxGa1-xSb p-GaSb AlSb EF ＋ － EF n-InAs AlxGa1-xSb p-GaSb AlSb EF ＋ － EF n-InAs AlxGa1-xSb p-GaSb AlSb EF ＋ － EF n-InAs AlxGa1-xSb p-GaSb AlSb EF ＋ － EF  逆バイアス  順バイアス Fig.2 バイアス印加時の接合部のバンドダイアグラム

E

_F InAs InAs AlSb AlGaSb GaSb

E

_F InAs InAs AlSb AlGaSb GaSb Fig.1 InAs/AlSb/AlGaSb/GaSbへテロ構造ダイオード の構造とエネルギーバンド図

順方向電流はx = 0.25，0.3とも同程度流れている が，Al組成0.3では逆方向電流が流れにくくなって い る ．AlGaSb 層 の 組 成 が 大 き く な る こ と で ， AlGaSbのバンドギャップが増大し，逆方向バイア スにおいてInAs層からAlSb層をトンネルした電子 が，AlGaSb層にブロックされやすくなるためと考 えられる．さらに，AlSb層が2.0 nmであるためAlSb 層自身によってトンネルする電子が制限され，特に 逆方向での電流値の低下を招いたと考えられる． 次に，これらの試料の電圧と検出感度 γ の関係 をFig.4に示す．このときゼロバイアス付近での感 度は，AlGaSb層のAl組成x = 0.3よりもx = 0.25のと きのほうが（その絶対値が）高いことがわかる． Fig. 2に示されるように，順方向電流はほとんど変 わらないが，逆方向電流が低いx = 0.3の素子では感 度が低下していると考えられる．上述のように，逆 方向の電流の差はAlGaSb層のバンドギャップに起 因していると考えられるので，AlGaSb層のAl組成 を0.3以上にすると逆方向の電流が低下して検出感 度も低下すると結論される． これはAlGaSb層のAl組成とバンド構造の変化を 示したFig. 5の関係を考えると定性的に理解するこ と が でき る． 図 は横 軸にAl組成を示しており， AlGaSb層の組成が0.3を超えるとInAsの禁止帯と AlGaSb層の禁止帯に重なりが生じ，電子のトンネ ルが起こりにくくなることが予想される．しかし， 逆方法バイアスを印加することでバンドのアライン メントや傾斜に変化が生じるため，たとえば，x = 0.3付近の試料においてもAlSb層の膜厚を薄くする ことで更なる検出感度 γ の増加は起こり得る． そこで以下では，まず逆方向電流を増大させ，整 流特性を改善させることを優先し，AlGaSb層のAl 組成は0.3より低い側で，AlSb層の厚さについて検 討した結果について報告する． ここでは，AlGaSb層のAl組成xを0.25に固定し， AlSb層膜厚をy = 1.0 nm, 1.5nmと変化させたダイオ ード構造を作製した． これらのダイオードの室温での電流・電圧特性を Fig. 6に示す．素子寸法は10 μm×10 μmである． Fig. 6においても順方向電流は低く抑えられてい る．一方，逆方向バイアスでは，Fig. 3の素子とは 異なり低バイアス側で電流が非常に急峻に立ち上が っていることがわかる．したがって，AlGaSb層の 組成を低下したことによって，ダイオードの整流特 性が大きく改善されたことがわかる．この試料の電 圧検出感度 γ をFig. 7に示す． -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 -0 .4 -0 .3 -0 .2 -0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4

V [V]

I [mA]

y =1.5 nm y =1.0 nm -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 -0 .4 -0 .3 -0 .2 -0 .1 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4

V [V]

I [mA]

y =1.5 nm y =1.0 nm

Fig.6 Al組成0.25, AlSb層膜厚yを1.0 nm, 1.5 nmと 変化させたときの電圧電流特性 AlSb GaSb x 1 0 InAs 0.7eV 1.63eV 0.15eV _0.25eV 0.3 AlSb GaSb x 1 0 InAs 0.7eV 1.63eV 0.15eV _0.25eV 0.3 Fig.5 InAsのバンドギャップに対する，AlGaSbの バンドギャップのAl組成依存性 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0 .5 1 1 .5 2 -0 .1 -0 .0 5 0 0 .0 5 0 .1 0.09 -0.23 V [V] γ [V -1] Al組成x AlSb y = 2.0 nm x =0.3 x =0.25 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0 .5 1 1 .5 2 -0 .1 -0 .0 5 0 0 .0 5 0 .1 0.09 -0.23 V [V] γ [V -1] Al組成x AlSb y = 2.0 nm x =0.3 x =0.25 Fig.4 Fig. 3の特性から求めたそれぞれの素子の感度

Fig. 7のように原点（V = 0）での検出感度 γ は AlSb層膜厚y = 1.0 nmの試料で-7.9 V-1_{となった．} AlSb層膜厚y = 1.5 nm試料では-14.1 V-1_{とさらに高} く，Fig. 4に示した素子に比べて大幅な高感度化が 達成されている．どちらの試料においても，前回の 我々の報告値を大きく上回る検出感度 γ を得るこ とができた．さらに，この試料中素子寸法5 μm角 の素子で最大検出感度 γ = -16.9 V-1_{という値が得ら} れた． 感度が増大した要因を調べるため，検出感度 γ について詳しく検討する．検出感度 γ は式に示 されるように電流を電圧で二階微分したものと電流 を電圧で一階微分したものの逆数（すなわち微分抵 抗）の積である．二階微分 ∂2_V/∂I2_{をFig. 8に一階微} 分∂V/∂Iの逆数をFig. 9に示す． Fig. 8からゼロバイアス付近での二階微分の大き さは，AlSb層の膜厚y = 1.0 nm，1.5 nmともに値は -5 である．この値は電流電圧特性の曲率を示して いる．つまり，AlSb層の膜厚を変化させても，原 点での曲率は変化しなかったと判断できる．一方， Fig. 9からゼロバイアス付近での，一階微分の逆数 の値はAlSb層の膜厚が 1.0 nmの試料で約40，1.5 nmの試料では約80の値を示している．AlSb層が厚 くトンネル電流が少ないy = 1.5 nmの素子のほうが 抵抗値は約2倍値が高く，検出感度が高くなると考 えられる．しかし，前述のようにAlSb層の厚さを さらに厚くすることは，逆方向電流の低減を招くた め検出感度は再び低下する．したがって，AlSb層 の厚さに関しては，1 nmと2 nmの間に最適値があ ることが示された． 3．まとめ 我々はSb系へテロ構造ダイオードを作製し，サ ブテラヘルツ波検出感度を増大させるための検討を 行った．ダイオード特性で重要なAlSb層の厚さと AlGaSb層のAl組成を変化させたダイオードを試作 し，その電圧電流特性を測定した． AlGaSb層のAl組成0.25，AlSb層の膜厚1.5 nmの場 合に，最大検出感度 γ として16.9 V-1_{を得た．この} 値は，従来我々の研究系で得られていた値の約4倍 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 -0 .0 4 -0 .0 2 0 0 .0 2 0 .0 4

V [V]

1 階微分 の逆数 (抵 抗成分 ) 42.1 78.0 y =1.5 nm y =1.0 nm 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 -0 .0 4 -0 .0 2 0 0 .0 2 0 .0 4

V [V]

1 階微分 の逆数 (抵 抗成分 ) 42.1 78.0 y =1.5 nm y =1.0 nm Fig.9 Fig. 6の電流の一階微分 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -0 .0 4 -0 .0 2 0 0 .0 2 0 .0 4

V [V]

2 階微 分 (曲率 ) y =1.5 nm y =1.0 nm -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -0 .0 4 -0 .0 2 0 0 .0 2 0 .0 4

V [V]

2 階微 分 (曲率 ) y =1.5 nm y =1.0 nm

V [V]

2 階微 分 (曲率 ) y =1.5 nm y =1.0 nm Fig.8 Fig. 6の電流の二階微分 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 -0 .1 -0 .0 5 0 0 .0 5 0 .1

-7.9

-14.1

V [V]

y =1.5 nm y =1.0 nm

γ

[V

-1

]

-2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 -0 .1 -0 .0 5 0 0 .0 5 0 .1

-7.9

-14.1

V [V]

y =1.5 nm y =1.0 nm

γ

[V

-1

]

Fig.7 Fig. 5の特性から求めたそれぞれの素子の感度

であり，高感度化を達成することができた．また， 検出感度 γ は抵抗成分の増加による寄与が大きい ことも明らかとなった． 今後は，InAs層やGaSb層におけるドーピングの 検討により，コンタクト層のフェルミエネルギーの シフトが電流・電圧特性に与える影響を考慮し，よ り詳細に電流・電圧特性の制御が可能になると考え られる．また，高周波の測定により，高周波動作時 の検出感度の評価を行うことも重要ある． 参考文献 1）斗内，応用物理 第75巻 p.160 （2006） 2）河野行雄，豊川聖子，布施智子，内田剛生，石 橋幸治，2007年秋季第68回応用物理学会学術講 演会，7p-ZB-1 3）西澤潤一，テラヘルツ波の基礎と応用，株式会 社工業調査会 （2005）

4）COMPOUND SEMICONDUCTOR, June, 15 （2004） 5）R. G. Meyers ,P. Fay, J. N. Schulman, S. Thomas, Ⅲ,

D. H. Chow, J. Zinck, Y. K. Boegeman, and P. Deelman, IEEE ELECTRON DEVICE LETT.25, 4 （2004）.

6）Patrick Fay, J. N. Schulman, S.Thomas, Ⅲ, D. H. Chow, Y. K. Boegeman, and K. S.Holabird, IEEE ELECTRON DEVICE LETT. 23, 585（2002）.

7）J. N. Schulman and D. H. Chow, IEEE ELECTRON DEVICE LETT. 21,353（2000）.

8）J. N. Schulman V. Kolinko, M. Morgan, C. Martin, J. Lovberg, S. Thomas, Ⅲ, J. Zinck, and Y. K. Boegeman, IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETT. 14, 316, （2004）

9）H. TAKAHASHI, T. INOUE, Toshihiko MAEMOTO, Shigehiko SASA, Masataka INOUE, Memoirs of the Osaka Institute of Technology, Series A 51, No.2, pp.15-19, （2006）