谐振隧穿结构的制作方法

专利名称：谐振隧穿结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谐振隧穿结构。
背景技术：
近年来，已经积极地进行对于将太赫兹波(在本说明书中，具有
30GHz至30THz的频率的电磁波)应用于包括通信、安全、医疗保 健的工业领域的研究和开发。太赫兹波具有物质穿透性和直线传播特 性，并且因此，可以基于来自对象的反射信号或透射信号以高分辨率 获得关于对象的内部信息。因此，已经开发了如下所述的各种非破坏 性或非侵入性的检查技术。
(1)使用对象的安全荧光成像来代替X射线成像的技术。 (2 )用于获得物质的吸收i普或复介电常数以查看分子的结合状 态的i普技术。
(3) 评估超导材料的载流子浓度或迁移率的技术。
(4) 分析生物分子(DNA或蛋白质)的技术。 用于将上述技术带入实际使用的重要开发因素之一是开发太赫
兹光源。至今，已经开发了使用激光器设备(例如飞秒激光激励光导 设备或具有非线性光晶体的太赫兹波参量振荡器)的生成方法。也已 经开发了使用小电子真空管(例如后向波振荡器(BWO)或回旋管) 或者使用大电子束加速器(例如自由电子激光器)的生成方法。因为 可变的频率以及大的输出功率，所以这些方法在包括对各种材料的指 紋镨进行标识的特定用途中是高度有效的。然而，这些方法需要大激 励光源或真空管，并且因此存在关于减小设备的尺寸和功耗方面的限 制。
因此，例如，已经研究了使用量子级联激光器或谐振隧穿二极管
7(下文中称之为RTD)的结构，以用于在太赫兹波区域中操作的电流 注入类型的振荡设备。所述振荡设备用于基于半导体量子阱结构中的 电子的子带间跃迁来实现电磁波振荡。
曰本专利申请公开No. 2007-124250中所描述的RTD类型振荡设 备预期在室温下在lTHz附近操作。
根据日本专利申请/>开No. 2007-124250，提供一种使用双势垒 RTD作为活性层的设备。在图10所示的设备的电压-电流(V-I)特 性中，观测到负微分电阻1001。双势垒RTD包括InGaAs量子阱层 和AlAs隧道势垒层，它们在InP衬底上外延生长。当将双势垒RTD 作为活性层合并到具有二维形成在衬底的表面上的天线结构的谐振器 中时，电磁波1002可以在图10所示的负微分电阻1001的区域附近振 荡。
当提供使用双势垒RTD作为活性层的设备时，振荡频率和振荡 输出受限于源自负微分电阻1001的增益或可注入的电流密度。
就振荡输出而言，期望增加峰谷比，峰谷比是电压-电流(V-I) 特性中的峰值电流值与负微分电阻区域中的梯度之间的比率。
根据日本专利/^开No. H06-030399,为了增力口 RTD的峰谷比， 提出了一种三势垒RTD，其包括Ino.。7Gao.93As的量子阱层、GaAs的 量子阱层以及AlAs的隧道势垒层，它们在GaAs村底上外延生长。这 两个量子阱层具有两种相互不同的成分。三势垒RTD包括如上所述 的量子阱层，并且因此，可以通过当施加电压时出现的谐振隧穿现象 来生成峰值电流。因此，实现了峰谷比的增加。
关于RTD类型振荡设备的频率，期望单个设备具有多个(例如， 两个)频率。然而，当使用日本专利申请公开No. 2007-124250或日本 专利7>开No. H06-030399中所7>开的结构时，仅可以实现单个频率振 荡。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于生成多个基本振荡频率的
8振荡的谐振隧穿结构。
根据本发明的谐振隧穿结构包括谐振隧穿结构层，其包括至少 三个隧道势垒层；以及各自具有栽流子的第一电接触层和第二电接触 层。
所述第一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接触层按 第一电接触层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布置。
所述谐振隧穿结构层包括第一子带、第二子带和第三子带，所述 第一子带、所述第二子带和所述第三子带相对于载流子分别具有能量 Ep E2和E3。
所述谐振隧穿结构是这样的其中所述第一电接触层和第二电接 触层相对于栽流子的带边沿能量分别由E^和Eb2表示；当没有将电场 施加到所述谐振隧穿结构时，满足(Ew， Eb2) 〈E^E2〈E3;当将第一 电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子带和所述第二子带产 生谐振隧穿现象；以及当将在极性上与所述第一电场不同的第二电场 施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第二子带和所述第一子带产生谐 振隧穿现象。
根据本发明的谐振隧穿结构包括谐振隧穿结构层，其包括至少 三个隧道势垒层；以及各自具有载流子的第一电接触层和第二电接触 层。
所述第一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接触层按 第一电接触层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布置。
所述谐振隧穿结构层包括第一子带、第二子带和第三子带，所迷 第一子带、所述第二子带和所述第三子带相对于载流子分别具有能量
Ei 、 E;3 o
所述谐振隧穿结构是这样的其中，所述第一电接触层和第二电 接触层相对于载流子的带边沿能量分别由Ew和Eb2表示；当没有将电 场施加到所述谐振隧穿结构时，满足(Ew， Eb2) 〈E^E^E3;当将第 一电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子带和所述第二子带 产生谐振隧穿现象；以及当将在极性上与所述第一电场不同的第二电
9场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第二子带和所述第一子带产生 谐振隧穿现象。
所述第一电接触层与所述第二电接触层中的每一个是11型半导体。
所述谐振隧穿结构层包括第一隧道势垒层；第二隧道势垒层；
第三隧道势垒层；第一量子阱层，其被插入在所述第一隧道势垒层与
所述第二隧道势垒层之间；以及第二量子阱层，其被插入在所述第二
隧道势垒层与所述第三隧道势垒层之间。
所述第一量子阱层至少包括所述第二子带。 所述第二量子阱层至少包括所述第一子带和所述第三子带。 所述第一量子阱层在厚度上不同于所述第二量子阱层。 当没有将电场施加到所述谐振隧穿结构时，所述第一隧道势垒层
和所述第三隧道势垒层中的任一个相对于载流子的带边沿能量大于所
述第二隧道势垒层相对于栽流子的带边沿能量。
根据如上所述的本发明，有可能提供当施加所述第一电场时和当
施加在极性上与所述第一电场不同的第二电场时能够生成具有多个基
本振荡频率的振荡的谐振隧穿结构。
结合附图从以下示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将
变得清楚。


图1A、图1B和图1C是示出根据本发明实施例的谐振隧穿结构 的导带的能带结构的示意性解释示图。
图2A和图2B是示出包括根据示例1的谐振隧穿结构的谐振隧 穿二极管(RTD)的结构的示意性解释示图。
图3A、图3B和图3C是示出根据示例1的谐振隧穿结构的导带 的能带结构的示意性解释示图。
图4A和图4B是示出根据示例1的谐振隧穿结构的导带中的子 带的电场相关性的曲线图。图5是示出使用根据示例1的RTD所获得的电流-电压特性的曲线图。
图6是示出根据示例2的电磁波振荡器的结构的示意性解释示图。
图7是示出根据示例2的电磁波振荡器的等效电路的示意性解释示图。
图8是示出根据示例3的检查装置的示意性解释示图。
图9是示出根据示例3的检查装置中的指紋i普的解释曲线图。
图IO是示出传统技术的示意性解释示图。
图IIA和图11B是示出根据示例4的检测器的示意性解释示图。
具体实施例方式
根据本发明实施例的谐振隧穿结构包括以下构成元件。
(a) 谐振隧穿结构层，其具有至少三个隧道势垒层。
(b) 各自具有载流子的第一电接触层和第二电接触层。
(c) 所述第一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接 触层按第一电接触层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布 置。
(d) 所述谐振隧穿结构层包括第一子带、第二子带和第三子带， 所述第一子带、所述第二子带和所述第三子带相对于载流子分别具有 能量Ep E2和E3。
(e) 其中，所述第一电接触层和第二电接触层相对于载流子的 带边沿能量分别由Ebt和Eb2来表示，当没有将电场施加到所述谐振隧 穿结构时，所述谐振隧穿结构满足"(Ebl， Eb2) 〈E^E^E3"。
(f) 当将第一电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子 带和所述第二子带产生谐振隧穿现象。
(g) 当将在极性上与所述第一电场不同的第二电场施加到所述 谐振隧穿结构时，由所述第二子带和所述第一子带产生谐振隧穿现象。
(三个隧道势垒层载流子是电子)将参照图1A至图1C描述根据本发明实施例的谐振隧穿结构。 图1A至图1C示出根据该实施例的谐振隧穿结构的导带的能带结构。
假设具有图1A至图1C所示的能带结构的谐振隧穿结构包括具 有三个隧道势垒层的谐振隧穿结构层。当谐振隧穿结构具有这种关系 的至少三个子带时，本发明中的隧道势垒层的数量不限于此。必要的 隧道势垒层的最小数量是三个。
例如，存在以下情况两个邻近的量子阱具有三个子带(图1A 的带结构)，并且隧道势垒层的位置与第一隧道势垒层101或第三隧 道势垒层103邻近。
在具有图1A至图1C所示的能带结构的谐振隧穿结构中，假设 载流子是电子的情况。本发明的载流子不限于此，并且因此可以是空 穴。当载流子是空穴时，可以参照谐振隧穿结构的价带的能带结构来 描述谐振隧穿结构。
该实施例中的谐振隧穿结构层包括第一隧道势垒层101、第二隧 道势垒层102和第三隧道势垒层103。谐振隧穿结构层进一步包括 第一量子阱层104，其在第一隧道势垒层101与第二隧道势垒层102 之间被插入；第二量子阱层105，其在第二隧道势垒层102与第三隧 道势垒层103之间被插入。
根据该实施例的谐振隧穿结构进一步包括第一电接触层106和 第二电接触层107，其各自具有载流子。在谐振隧穿结构中，所述笫 一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接触层按第一电接触 层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布置。
根据该实施例的谐振隧穿结构包括至少三个子带，也就是第一子 带、第二子带和第三子带，所述第一子带、所述第二子带和所述第三 子带相对于载流子分别具有能量Ep E2和E3。
该实施例中的第一量子阱层104至少包括第二子带。该实施例中 的第二量子阱层105至少包括第一子带和第三子带。
现在，第一电接触层106和第二电接触层107相对于栽流子的带 边沿能量分别由E^和Eb2来表示。于是，当没有将电场施加到根据该实施例的谐振隧穿结构时，该
谐振隧穿结构满足"(Ebl， Eb2) 〈E^E^E3"。
根据该实施例的谐振隧穿结构是这样的当将第一电场Va施加 到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子带和所述第二子带产生谐振隧 穿现象。
根据该实施例的谐振隧穿结构是这样的当将在极性上与所述第 一电场不同的第二电场Vb施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第二子 带和所述第一子带产生谐振隧穿现象。
第一电接触层和第二电接触层具有栽流子，从而当施加第一电场 时，由第三子带和第二子带产生谐振隧穿现象，而当施加第二电场时， 由第二子带和第一子带产生谐振隧穿现象。
当被限制到不同量子阱层的子带的能量基本上彼此相等时可产 生谐振隧穿现象(反交叉，anti-crossing)。具体地说，当在用于提供 载流子的层的带边沿能量与费米(Fermi)能量的附近之间产生这种 现象时，大谐振电流流动。
当在谐振隧穿现象中电子从子带的高能量侧到其低能量侧跃迁 时，发射电磁波(光子辅助隧穿，photon-assisted tunneling),并且 因此，负电阻显现在电流-电压曲线图中。
第一子带、第二子带和第三子带位于谐振隧穿结构的量子阱层 中，从而其能量满足"(Ebl， Eb2) 〈E^E2〈E3"，并且产生谐振隧穿现 象，这是足够的。在包括三个隧道势垒层的谐振隧穿结构的示例中， 第二量子阱层105可以具有第二子带，第一量子阱层104可以具有第 一子带和第三子带。
(关于第二量子阱层的不对称性)
根据该实施例的谐振隧穿结构包括以下期望的结构。
第一量子阱层在厚度上不同于第二量子阱层。因此可以容易地获 得关系"(Ebl， Eb2) 〈E^E卜E3"。
本发明不限于其中第一量子阱层在厚度上不同于第二量子阱层 的结构。因此，可以采用满足关系"(Ebl, Eb2) 〈E^E^E3"的结构。除了上述结构之外，还可以采用其中第一量子阱层在材料上不同 于第二量子阱层的结构。例如，第一量子阱层的材料的带边沿和第二
量子阱层的材料的带边沿可以偏移，以获得关系"E^E^E3"。在此情
况下，除非偏移受到控制从而满足"(Ebl， Eb2)〈E ，，否则不能获得
源自第一子带和第二子带的谐振隧穿效应。 (隧道势垒层的不同高度) 根据该实施例的谐振隧穿结构包括以下期望的结构。 按以下方式来进行构造当没有将电场施加到谐振隧穿结构时，
第一隧道势垒层和第三隧道势垒层中的任意一个相对于载流子的带边
沿能量大于第二隧道势垒层相对于载流子的带边沿能量。因此，在源 自第二子带和第三子带的谐振隧穿效应中可以增加峰谷比。在典型的
情况下，用于通过第三子带和第二子带获得谐振隧穿效应的电场强度
大于用于通过第二子带和第一子带获得谐振隧穿效应的电场强度。 本发明不限于上述结构。 (以N型半导体制成的电接触层) 根据该实施例的谐振隧穿结构包括以下期望的结构。 第一电接触层与第二电接触层中的每一个以n型半导体制成。因
此，可以选择电子作为载流子。已知电子具有比空穴相对更高的移动性。
本发明不限于上述结构。
其能量相对于载流子为Ei的子带可以被认为是其能级为Ei的子
带。同样的情况应用于E2的情况以及E;j的情况中的每一个。
下文中，将参照示例来描述本发明。 (示例1:谐振隧穿二极管)
将参照图2A、图2B、图3A、图3B、图3C、图4A、图4B和 图5描述示例1。
图2A和图2B是示出包括根据该示例的三势垒谐振隧穿结构的 谐振隧穿二极管(RTD)的示意性解释示图。
图3A至图3C是示出根据该示例的三势垒谐振隧穿结构的导带的能带结构的示意性解释示图。
图4A和图4B是示出电子的子带的电场相关性的曲线图。
图5是示出通过实验所获得的本发明中的谐振隧穿二极管的电流 -电压特性的曲线图。
将参照图2A详细描述根据该示例的谐振隧穿二极管(RTD )200。
RTD 200包括谐振隧穿结构层220。谐振隧穿结构层220包括第 一隧道势垒层201、第一量子阱层204、第二隧道势垒层202、第二量 子阱层205和第三隧道势垒层203，它们按此顺序而被层叠。第一隧 道势垒层201以非掺杂AlAs制成。第 一量子阱层204以非掺杂InGaAs 制成。第二隧道势垒层202以非掺杂InAlAs制成。第二量子阱层205 以非掺杂InGaAs制成。第三隧道势垒层203以非掺杂AlAs制成。
RTD 200进一步包括第一接触层210和第二接触层211，其均以 n++InGaAs制成。RTD 200进一步包括第一电接触层208和第二电 接触层209，其均以n+InGaAs制成。RTD 200进一步包括第一分 隔层206和第二分隔层207，其均以非掺杂InGaAs制成。层210、 208、 206、 211、 209、 207被用作电极对，以用于施加第一电场和第二电场， 所述第二电场在极性上不同于所述笫一电场。因此，可以将电场施加 到谐振隧穿结构层220。例如，通过正偏置电压来施加第一电场，而 通过负偏置电压来施加第二电场。
第一接触层210和第二接触层211中的每一个是掺杂成高浓度的 半导体层。第一接触层210和第二接触层211通过欧姆电极212和213 与电压源214连接，欧姆电极212和213中的每一个以Ti/Pd/Au制成， 以将偏置电压提供给RTD 200。
第一电接触层208和第二电接触层209中的每一个是掺杂的半导 体层，所述掺杂的半导体层是用于将电子提供给谐振隧穿结构层220 并且从谐振隧穿结构层220接收电子的层。根据偏置电压的施加方向， 第一电接触层208和第二电接触层209充当发射极和集电极。
提供第 一分隔层206和第二分隔层207，以防止当谐振隧穿结构 层220外延生长时第一隧道势垒层201和第三隧道势垒层203由于掺杂物的扩散而劣化。
谐振隧穿结构层220以InP衬底上外延生长的半导体晶体制成。 第一量子阱层204、第二量子阱层205和第二隧道势垒层202中的每 一个以与InP衬底晶格匹配的InGaAs/InAlAs制成。第一隧道势垒层 201和第三隧道势垒层203中的每一个以与InP衬底不晶格匹配的 AlAs制成。第一隧道势垒层201和第三隧道势垒层203中的每一个比
临界厚度更薄，并且因此变为较高能量势垒。
图2B示出根据该示例的用于RTD 200的材料、膜厚度和掺杂物浓度。
以不同的膜厚度对谐振隧穿结构层220的第 一量子阱层204和第 二量子阱层205进行层叠。
因此，如图3A所示，当没有施加电场时在属于第二量子阱层205 的第二子带(E2)与属于第一量子阱层204的第一子带和第三子带(Ei 和E3)之间的能级关系变为E-E^E3。
第一隧道势垒层201在成分或厚度上不同于第二隧道势垒层 202。或者，第二隧道势垒层202在成分或厚度上不同于第三隧道势垒 层203。
第一电接触层208和第二电接触层209被掺杂成高浓度。这使得 当施加正偏置电压和负偏置电压中的每一个时，能够将电子从充当发 射极侧的电接触层注入到谐振隧穿结构层220。因此，当施加正偏置 电压和负偏置电压中的每一个时，可以在第三子带(E3)与第二子带 (E2)之间并且在第二子带(E2)与第一子带(EJ之间产生谐振隧 穿结构层220中的谐振隧穿现象。
调整第一量子阱层204的厚度和第二量子阱层205的厚度，从而 产生谐振隧穿现象。
接下来，将描述图3B的情况。这是将正偏置电压Va施加到谐振 隧穿结构层220的情况。第二电接触层209充当发射极，并且因此， 第二量子阱层205的第二子带(E2)和第一量子阱层204的第三子带 (E3)彼此谐振。注意，EF1表示第二电接触层209的费米能级，EC1
16表示第二电接触层209的导带底部能量。
在此情况下，当第二子带(E2)的能级和第三子带(E3)的能级 大于导带底部能量EC1并且小于包括发射极中的热弥散的电子能量 En士KBT时，电子^皮注入到谐振隧穿结构层220。
为了当施加正偏置电压Va时满足关系"EC1<E2"以及 "E3<EF1±KBT，，，笫二电接触层209被掺杂至充足的浓度。为了满足上 述关系，在厚度和成分上调整第一量子阱层204、第二量子阱层205、 第一隧道势垒层201、第二隧道势垒层202和第三隧道势垒层203。
包括发射极中相对于导带底部能量EC1的热弥散的电子能量 En士KBT被表示为近费米能级。注意，KB表示玻尔兹曼(Boltzmann) 常数(J/K) ， T表示绝对温度(K)。
在该示例中，以浓度2 x 1018 cn^被掺杂有硅的n+InGaAs层被 用作第二电接触层209，并且因此，相对于导带底部能量Ed的费米 能级E^的能量被设置为近似140meV。在室温下电子的热弥散KBT 近似为27meV。因此，第二电接触层209中的电子广泛地分布在能级 中，由此保证了沟道。
如图4A所示，在具有图2B所示的膜厚度和成分的谐振隧穿结 构层220中，第二子带(E2)和第三子带(E3)彼此谐振(反交叉)。 当正偏置电压Va近似为0.7V时，也就是说，当电场强度近似为 220kV/cm时，第二子带(E2)和第三子带(E3)在相对于导带底部能 量EC1大约16meV的能量处彼此谐振。
在此情况下，充分满足了关系"Ed〈E2"以及"E3〈E打士KBT"，并 且因此，电子从第一电接触层208被注入到谐振隧穿结构层220。
接下来，将描述图3C的情况。这是将具有不同极性的负偏置电 压Vb施加到谐振隧穿结构层220的情况。第一电接触层208充当发射 极，并且因此，第二量子阱层205的第二子带(E2)和第一量子阱层 204的第一子带(Ej彼此谐振。
在此情况下，当第二子带(E2)的能级和第一子带(EJ的能级 均大于导带底部能量EC2并且小于发射极中的电子能量EF2±KBT时，
17电子被注入到谐振隧穿结构层220。
为了当施加负偏置电压Vb时满足关系"EC2<E2"以及 "E^Ef2士KbT"，第一电接触层208被掺杂成充足的浓度。为了满足上 述关系，在厚度和成分上调整第一量子阱层204、第二量子阱层205、 第一隧道势垒层201、第二隧道势垒层202和第三隧道势垒层203。注 意，Ep2表示第一电接触层208的费米能级，Ec2表示第一电接触层208 的导带底部能量。在该示例中，以浓度2 x 1018 cm—s被掺杂有硅的 n+InGaAs层被用作第一电接触层208，并且因此，相对于导带底部能 量Ec2的费米能级EF2的能量被设置为近似140meV。
如图4B所示，在具有图2B所示的膜厚度和成分的谐振隧穿结 构层220中，第二子带(E2)和第一子带(EJ彼此谐振(反交叉)。 当负偏置电压Vb近似为-0.2V时，也就是说，当电场强度近似为 45kV/cm时，第二子带(E2)和第一子带(Ej在相对于导带底部能 量Ea大约50meV的能级彼此谐振。在此情况下，充分满足了关系 "Ec2〈E2"以及"E^Ef2士KbT"，并且因此，电子从第一电接触层208被 注入到谐振隧穿结构层220。
图5是根据该示例的通过测量RTD 200的电流-电压特性所获得 的曲线图。当将在极性上彼此不同的两种偏置电压施加到RTD 200 时，观测到在峰值电流密度和峰谷比方面彼此不同的两个负微分电阻 区域。
例如，当施加正偏置电压时，峰值电流密度Jp等于280kA/cm2。 当RTD具有带有约2pm①的直径的台式结构时，负微分电阻(下文 中称之为NDR)是-22Q。当施加负偏置电压时，峰值电流密度Jp等 于90kA/cm2。当RTD具有带有约2nm①的直径的台式结构时，NDR 是-174Q。
如上所述，根据本发明中具有谐振隧穿结构的谐振隧穿二极管， 由单个RTD基于所施加的偏置电压的极性及其电平获得两个或更多 不同种类的负微分电阻。
在该示例中，已经描述了在InP衬底上生长的InGaAs/InAlAs和lnGaAs/AlAs的三势垒谐振隧穿二极管。然而，本发明不限于这些 材料。即使当对其它材料进行组合时，也可以提供根据本发明的谐振 隧穿二极管。例如，可以在GaAs衬底上形成GaAs/AlGaAs、 GaAs/AlAs 和 InGaAs/GaAs/AlAs 。 此夕卜，可以在 InP衬底上形成 InGaAs/AlGaAsSb。进一步地，可以在InAs衬底上形成InAs/AlAsSb 和InAs/AlSb，或者可在珪衬底上形成SiGe/SiGe。
已经描述了假设载流子是电子的情况。即使当空穴被用作栽流子 时，也可以提供在价带中具有相同操作原理的谐振隧穿二极管。图3A 至图3C所示的能带结构与导带有关，并且载流子是电子。然而，当 指示能量的纵坐标被反转以被提供用于价带时，获得其中载流子是空 穴的能带结构。
已经描述了包括三个隧道势垒层的谐振隧穿二极管。有可能提供 包括四个或更多隧道势垒层并且具有相同操作原理的谐振隧穿二极 管。例如，当在图3A至图3C的情况中根据设计而将第二隧道势垒层 划分为两个隧道势垒层时，可以获得具有图4A和图4B所示的电场相 关性的子带。
日本专利公开No.H06-030399没有描述相同设备经受反转偏置 施加操作。日本专利公开No.H06-030399没有积极地讨论其中即使当 施加反转偏置时也产生谐振隧穿现象的谐振隧穿结构。当没有施加电 场时，日本专利公开No.H06-030399中的图9A和图9B所示的谐振隧 穿结构满足"(E^， Eb2)〉E ，。注意，Ei表示第一子带相对于载流子 的能量，Ebi和Eb2分别表示第一电接触层相对于载流子的带边沿能量 以及第二电接触层相对于载流子的带边沿能量。即使当将第一电场或 第二电场施加到谐振隧穿结构时，也不产生谐振隧穿现象。 (示例2:电磁波振荡器)
将参照图6和图7描述示例2。该示例与电磁波振荡器有关，所 述电磁波振荡器包括活性层和电磁波谐振器。活性层具有谐振隧穿结 构。
例如，电磁波振荡器包括活性层，其具有根据示例l的谐振隧图6是示出电磁波振荡器的结构的示意性解释示图，其中根据示 例1的RTD 200作为活性层被合并到电磁波谐振器中。
图7示出根据示例1的RTD的等效电路。
电磁波振荡器630具有缝隙天线电磁波谐振器结构。在InP衬底 636上形成充当电极和天线的Ti/Pd/Au层631和632。SK)2绝缘层633 在Ti/Pd/Au层631与632之间被插入。电极631具有通过移除一部分 电极631而获得的窗口区域634，由此形成缝隙天线电磁波谐振器结 构。由双向箭头所指示的窗口区域的长度是用于确定振荡频率的因素。 台式部分635与形成为柱状的RTD 200对应。Ti/Pd/Au层631和632 与图2A所示的欧姆电才及212和213对应，并且与电压源614连接。 在该示例中，将缝隙天线的窗口宽度设置为30nm，并且提供具有每 一侧长度为2.3nm的台式部分635。
由图7所示的等效电路来表示一般谐振隧穿二极管(RTD)，如 APL，Vol.55 <17>，p.l777和p.1989中所公开的那样。基于RCL电路 的时间常数来确定谐振隧穿二极管的操作频率的上限。在电磁波振荡 器的情况下，基于谐振电路的LC电路的谐振频率来确定基本振荡频 率，其中，图7所示的等效电路与根据谐振器的结构而确定的负栽电 阻器、电容器组件以及电感器组件连接。
在图7中，R訓t和Cc肌t分别表示电极631与接触层610之间的 接触电阻分量和接触电容分量，Rp。st表示与RTD200串联并且由台式 结构所产生的电阻分量。此外，Rw表示RTD 200的NDR ( <0 )， Cact表示RTD 200的电容分量，Lw表示RTD 200的电感分量。
作为延迟电感，电感組件Laet表示RTD 200中的电子时延t，
通过考虑RTD 200中的电子隧穿时间以及到耗尽层的电子跃迁时间 来获得所述电子时延t。关系"Lact = Raet x t"是已知的。
电磁波振荡器630 4皮馈送有与电压源614不同极性的偏置电压 (Va和Vb)，并且因此，如图5所示的那样获得两种负微分电阻。因 为获得与偏置电压Va和Vb对应的两种负微分电阻，所以图7所示的
20等效电路的延迟电感Laet改变。当使用根据该示例的RTD 200时， 延迟电感Lw改变790%。结果，即使当使用相同的缝隙天线谐振器 时，整个谐振电路的谐振频率也明显改变，并且因此，这种改变表现 为振荡频率的改变。因此，根据使用具有本发明中如上所述的结构的 谐振隧穿二极管的电磁波振荡器，所施加的偏置电压的极性及其电平 基于两个或更多不同种的负微分电阻而改变。因此，可以生成具有两 种或更多种的基本振荡频率的振荡。在该示例中，当偏置电压Va等于 0.8V时，可以在220GHz生成振荡。当具有改变后的极性的偏置电压 Vb等于-0.3V时，可以在455GHz生成振荡。
在该示例中，对于谐振器使用缝隙天线结构。可以使用其中组合 了具有形成阵列并且获得高输出的优点的微带线和微带天线(例如贴 片天线)的谐振器。即使当采用其中以电极覆盖具有高Q值的设备的 壁表面和后表面的、具有三维结构的腔波导时，也可以提供谐振器。
当振荡频率将要实际上被调整时，可以使用这样的结构其中， 对于图6所示的电压源614提供开关元件，以在电压信号(Va和Vj 之间进行切换。具体地说，在被施加从而在第一基本振荡频率生成电 磁波的正偏置电压与被施加从而在第二基本振荡频率生成电磁波的负 偏置电压之间执行切换操作。因此，可以使用包括根据该示例的电磁 波振荡器以及用于在电压信号之间进行切换的开关元件的电磁波振荡 设备。
为了保护设备(振荡器)，可以对设备进行驱动，从而电压信号 逐渐减少到0，并且其后极性改变，并且电压逐渐增加。谐振隧穿二 极管一般可以快速操作。因此，可以通过切换操作而快速地改变频率， 并且因此，可以对于亚THz波段通信执行频移键控(FSK)调制，以 作为光源驱动设备。
对根据该示例的电磁波振荡器进行驱动的方法如下。也就是说， 用于感生第三子带与第二子带之间的光子辅助隧穿的第一电信号被施 加到上述示例中的谐振隧穿结构层。第 一 电信号是例如指示待施加的 正偏置电压的电信号。因此，生成具有第一基本振荡频率的电磁波。用于感生第二子带与第 一子带之间的光子辅助隧穿的、在极性上不同 于第一电信号的第二电信号被施加到谐振隧穿结构层。第二电信号是 例如指示待施加的负偏置电压的电信号。因此，生成具有第二基本振 荡频率的电磁波。
(示例3:检查装置) 将参照图8和图9描述示例3。
该示例与对象检查装置有关，所述对象检查装置例如使用包括根 据上述示例的谐振隧穿二极管的电磁波振荡器。
如图8所示，根据该示例的检查装置例如包括上述示例中在两个 频率振荡的电磁波振荡器70a至70d，它们被布置为在多个振荡频 率fl至f8生成电》兹波。由抛物面镜74将各个电》兹波作为平行光束传 播，以通过平行光束来照射作为检查对象的目标对象72。由透镜73 来对所透射的光束进行会聚，并且由检测器71a至71d来接收所透射 的光束。在该示例中，采用透射布置。对于检查，也可采用反射布置。
例如，待由检测器所接收的强度组合模式被预先存储在存储设备 中。假设检查物质具有振荡频率fl至f8中的至少一个的特定吸收谱。 在此情况下，当将检查物质的吸收镨与所存储的模式进行比较时，可 以确定待检查的物质是否被包含在目标对象72中。
图9示出检查物质的指紋语的示例。在振荡频率fl、 f2和f3观 测到吸收峰值。因此，预先存储检查物质的吸收模式。于是，当获得 检测器输出在振荡频率fl、f2和O弱并且检测器输出在其它振荡频率 大的信息时，可以确定包含检查物质。
根据该示例的检查装置可以用于例如航空港中行李的检查(以检 测危险材料或违禁物质)、分发货物(例如邮件或货运)的检查、以 及工厂中的工业产品的检查。
(示例4:外差检测器) 将参照图IIA和图11B描述示例4。
在该示例中，提供外差检测器，其使用包括根据上述示例的谐振 隧穿二极管(RTD)的电磁波振荡器作为本地振荡器。图IIA和图11B是示出根据该示例的外差检测器的示例的示意 图。图11A示出其中缝隙天线电磁波振荡器被用作本地振荡器的示例。 图11B示出其中樣吏带电》兹波振荡器被用作本地振荡器的示例。
如图IIA和图11B所示，根据该示例的电磁波(外差)检测器 的示例中的每一个包括本地振荡器(LOl或L02 )、混频器(Mixer)、 IF检测部分、LO-端口、 RF-端口和IF-端口。图IIB所示的检测器进 一步包括天线(Antenna)。
本地振荡器(LOl或L02)是本地生成波的振荡器，其用于外 差检测。根据本发明的电磁波振荡器被用作本地振荡器。
混频器是用于将RF功率高效地转换为IF功率的设备。肖特基 (Schottky) 二极管、超导SIS混频器、热电子辐射热测量计、或 HBT/HEMT混频器^皮用作所述混频器。
IF检测部分用于检测由混频器生成的中频(IF)输出。天线 (Antenna)用于接收待检测的信号。LO-端口充当用于将本地生成波 输入到混频器(Mixer)的输入端口。 RF-端口充当用于将信号波输入 到混频器(Mixer)的输入端口。 IF-端口充当用于将中频(IF)输出 输入到IF检测部分的输入端口。虽然未具体地示出，但当在天线 (Antenna)与混频器(Mixer)之间、在天线(Ante腿)与本地振 荡器(LOl或L02)之间、或者在混频器(Mixer)与本地振荡器(LOl 或L02)之间提供滤波器或RF放大器时，实现了高灵敏度电磁波检 测器。
将参照图11A详细描述根据本发明的检测器。检测器640包括本 地振荡器LOl。本地振荡器LOl包括电磁波振荡器630,其具有缝 隙天线谐振器结构637;电压源614，其具有电压开关元件。从示例2 的描述可见，本地振荡器LOl被馈送有彼此不同的极性的偏置电压 (Va和Vj，以具有两个基本振荡频率(波长)。在该示例中，这两 个基本振荡频率与两个本地生成波(tl和&2)对应。检测器640的 缝隙天线谐振器结构637还充当用于接收信号波(fsl和fs2 )的天线。 所接收到的信号波和来自电磁波振荡器630的本地生成波通过RF-端口和LO-端口而被输入到混频器(Mixer),并且经受混频，以生成 中频(IF) fIF，中频f^是不同的频率分量。由IF检测部分通过IF-端口来检测所生成的中频(IF) fIF。
将描述根据本发明的检测器的操作。例如，当将偏置电压Va从 电压源614施加到电^f兹波振荡器630时，本地振荡器(LOl)生成本 地生成波l(fU)。此时，检测器640通过天线接收具有频率fsl (= |fLl + fiF|)的信号波l。由IF检测部分来检测从混频器(Mixer)输 出的中频(IF)，以检测信号波l。当将与偏置电压Va不同极性的偏 置电压Vb从电压源614施加到电磁波振荡器630时，本地振荡器 (LOl)生成本地生成波2 (fL2)。此时，检测器640通过天线接收 具有频率fs2 ( = |fL2 + f1F|)的信号波2。由IF检测部分来检测从混频 器(Mixer)输出的中频(IF) fIF,以检测信号波2。
例如，当使用示例2中描述的电磁波振荡器时，本地生成波的两 种频率是455GHz ( fLl)和220GHz ( fL2 )。当中频fw是2GHz时， 检测到两种电磁波(fsl = 457 GHz和fs2 = 222 GHz )。
即使当将包括微带谐振器以及根据本发明的谐振隧穿二极管的 电磁波振荡器用作图IIB所示的本地振荡器时，也可以执行相同的检 测。检测器807包括本地振荡器L02。本地振荡器L02包括RTD 801; 微带线802; X/4短线803;本地生成波输出部分806;衬底805;电压 源614，并且本地振荡器L02由一般MMIC技术来制造。即4吏在这 种结构中，也可以使用响应于偏置电压Va和Vb而从本地振荡器L02 生成的两种本地生成波(fLl和fL2)对通过天线(Antenna)所接收 到的信号(fsl和fs2 )进行外差检测。
如上所述，将使用根据本发明的谐振隧穿二极管的振荡器用作本 地振荡器，以用于外差混频，并且因此，实现了能够检测(外差检测) 具有至少两种频率的电磁波的检测器。
根据该示例中的检测器，可以由单个检测器来检测具有多个频段 的电磁波，并且因此，容易地实现了检测器尺寸的减少以及检测器密 度的增加。当按阵列来布置各自为根据该示例的检测器的多个检测器
24时，实现了能够以高灵敏度检测具有多个频率的电磁波的小尺寸检测 器。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不 限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的解释一 致，从而包括所有这样的修改和等同的结构以及功能。
权利要求
1. 一种谐振隧穿结构，包括谐振隧穿结构层，其包括至少三个隧道势垒层；各自具有载流子的第一电接触层和第二电接触层，其中，所述第一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接触层按第一电接触层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布置，其中，所述谐振隧穿结构层包括第一子带、第二子带和第三子带，所述第一子带、所述第二子带和所述第三子带相对于载流子分别具有能量E1、E2和E3，以及其中，所述谐振隧穿结构是这样的其中，所述第一电接触层和第二电接触层相对于载流子的带边沿能量分别由Eb1和Eb2表示，当没有将电场施加到所述谐振隧穿结构时，满足(Eb1，Eb2)<E1<E2<E3；当将第一电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子带和所述第二子带产生谐振隧穿现象；以及当将在极性上与所述第一电场不同的第二电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第二子带和所述第一子带产生谐振隧穿现象。
2. 如权利要求1所述的谐振隧穿结构， 其中，所述谐振隧穿结构层包括第一隧道势垒层； 第二隧道势垒层； 第三隧道势垒层；第一量子阱层，其被插入在所述第一隧道势垒层与所述第二 隧道势垒层之间；以及第二量子阱层，其被插入在所述第二隧道势垒层与所述第三 隧道势垒层之间，其中，所述第一量子阱层至少包括所述第二子带，以及其中，所述第二量子阱层至少包括所述第一子带和所述第三子带。
3. 如权利要求2所述的谐振隧穿结构，其中，所述第一量子阱层 在厚度上不同于所述第二量子阱层。
4. 如权利要求2所述的谐振隧穿结构，其中，当没有将电场施加 到所述谐振隧穿结构时，所述第一隧道势垒层和所述第三隧道势垒层 中的任意一个相对于栽流子的带边沿能量大于所述第二隧道势垒层相 对于载流子的带边沿能量。
5. 如权利要求1所述的谐振隧穿结构，其中，所述第一电接触层 和所述第二电接触层中的每一个是n型半导体。
6. —种谐振隧穿二极管，包括 如权利要求1所述的谐振隧穿结构；以及 电极对，其用于施加第一电场和第二电场。
7. —种电磁波振荡器，包括活性层，其包括如权利要求1所述的谐振隧穿结构；以及 电磁波谐振器。
8. —种电磁波振荡器，包括活性层，其包括如权利要求6所迷的谐振隧穿二极管；以及 电磁波谐振器。
9. 一种电磁波振荡i殳备，包括 如权利要求7所述的电磁波振荡器；以及开关元件，其用于在第一电场与第二电场之间进行切换，所述第 一电场被施加从而生成具有第一基本振荡频率的电磁波，所述第二电 场被施加从而生成具有第二基本振荡频率的电磁波。
10. —种对如权利要求7所述的电磁波振荡器进行驱动的方法，包括将第一电信号施加到所述谐振隧穿结构层，以用于在所述第三子 带与所述第二子带之间感生光子辅助隧穿，从而生成具有第一基本振 荡频率的电》兹波；以及将第二电信号施加到所述谐振隧穿结构层，以用于在所述第二子 带与所述第一子带之间感生光子辅助隧穿，从而生成具有第二基本振 荡频率的电磁波，所述第二电信号在极性上不同于所述第一电信号。
11. 一种电磁波检测器，包括 如权利要求7所述的电磁波振荡器；以及 混频器，其中，所述电磁波检测器对至少两个波长的电磁波进行外差检测。
12. —种电磁波检测器，包括本地振荡器，其包括如权利要求9所述的电磁波振荡设备； 混频器，其中，所述电磁波检测器对至少两个波长的电磁波进行外差检测。
13. —种谐振隧穿结构，包括谐振隧穿结构层，其包括至少三个隧道势垒层；以及各自具有载流子的第一电接触层和第二电接触层，其中，所述第一电接触层、所述谐振隧穿结构层和所述第二电接触层按第一电接触层、谐振隧穿结构层和第二电接触层的顺序而被布 置，其中，所述谐振隧穿结构层包括第一子带、笫二子带和第三子带， 所述第一子带、所述第二子带和所述第三子带相对于载流子分别具有能量Ep E2和E3，其中，所述谐振隧穿结构是这样的其中，所述第一电接触层和 第二电接触层相对于栽流子的带边沿能量分别由Em和Eb2表示当没有将电场施加到所述谐振隧穿结构时，满足(Ebn Eb2)当将第一电场施加到所述谐振隧穿结构时，由所述第三子带和所述第二子带产生谐振隧穿现象；以及当将在极性上与所述第 一电场不同的第二电场施加到所述谐 振隧穿结构时，由所述第二子带和所述第一子带产生谐振隧穿现象，其中，所述笫一电接触层与所述第二电接触层中的每一个是n型 半导体，其中，所述谐振隧穿结构层包括 第一隧道势垒层； 第二隧道势垒层； 第三隧道势垒层；第一量子阱层，其被插入在所述第一隧道势垒层与所述第二 隧道势垒层之间；以及第二量子阱层，其被插入在所述第二隧道势垒层与所述第三 隧道势垒层之间，其中，所述第一量子阱层至少包括所述第二子带，其中，所述第二量子阱层至少包括所述第一子带和所述第三子带，其中，所述第一量子阱层在厚度上不同于所述第二量子阱层，以及其中，当没有将电场施加到所述谐振隧穿结构时，所述第一隧道势垒层和所述第三隧道势垒层中的任一个相对于载流子的带边沿能量 大于所述第二隧道势垒层相对于载流子的带边沿能量。
全文摘要
本发明涉及一种谐振隧穿结构。提供一种用于生成具有多个基本振荡频率的振荡的谐振隧穿结构。第一量子阱层具有第二子带(E₂)。第二量子阱层具有第一子带(E₁)和第三子带(E₃)。当没有施加电场时，所述谐振隧穿结构满足“(E_b1，E_b2)＜E₁＜E₂＜E₃”，其中，第一电接触层和第二电接触层相对于载流子的带边沿能量分别由E_b1和E_b2表示。当施加第一电场(V_a)时，由所述第三子带和所述第二子带产生谐振隧穿现象。当施加在极性上与所述第一电场不同的第二电场(V_b)时，由所述第二子带和所述第一子带产生谐振隧穿现象。
文档编号H03B7/00GK101447763SQ200810179719
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月29日
发明者关口亮太, 小山泰史 申请人:佳能株式会社