JP2506871B2 - Ultra high frequency generator - Google Patents
Ultra high frequency generatorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、素子の一部に超電導体を用いた超高周波発
生素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a super high frequency generating device using a superconductor as a part of the device.
従来の技術 従来、高周波発生素子として、ガンダイオードやイン
パットダイオードなどが知られている。これらは半導体
バルク中の電子の負性抵抗現象や走行時間効果を利用し
たものである。2. Description of the Related Art Conventionally, Gunn diodes, impat diodes and the like are known as high frequency generating elements. These make use of the negative resistance phenomenon of electrons in the semiconductor bulk and the transit time effect.
発明が解決しようとする問題点 これらの高周波発生素子は、いずれも電子を高電界で
加速する必要があり、電子がそのエネルギーをもらうま
での時間が、その発生できる高周波の上限に関与する。
そのため臨界があり、100GHz程度のものまで得られてい
るが、それ以上高周波を発生させるのは困難である。Problems to be Solved by the Invention In any of these high frequency generating elements, it is necessary to accelerate electrons in a high electric field, and the time until the electrons receive their energy is involved in the upper limit of the high frequency that can be generated.
Therefore, there is a criticality, and up to about 100 GHz has been obtained, but it is difficult to generate a higher frequency.
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、ダイオード
構造の一部に超電導体を用い、この超電導体に注入され
た電子−ホール対の再結合を利用して、高周波発生をさ
せるもので、数100HGHz以上の高周波が容易に発生でき
る。The present invention has been made in view of the above points, and uses a superconductor as a part of a diode structure, and uses recombination of electron-hole pairs injected into the superconductor to generate a high frequency. High frequency of 100HGHz or more can be easily generated.
問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、超電導体を挟ん
で、一方の側に、トンネル可能な膜厚の層間絶縁膜を介
して、第1の半導体を有し、他方の側に、トンネル可能
な膜厚の層間絶縁膜を介して、前記第1の半導体よりフ
ェルミレベルから導電帯端までのエネルギー差が小さく
かつ前記第1の半導体よりフェルミレベルから価電子帯
端までのエネルギー差が大きい、第1の半導体と導電型
の異なる第2の半導体を有する構造からなるものであ
る。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention has a first semiconductor on one side with a superconductor interposed, with an interlayer insulating film having a tunnelable thickness interposed therebetween. On the other side, the energy difference from the Fermi level to the conduction band edge is smaller than that of the first semiconductor and the Fermi level to the valence band is smaller than that of the first semiconductor through the interlayer insulating film having a tunnelable thickness. The structure has a structure in which the first semiconductor and the second semiconductor having a different conductivity type have a large energy difference up to the edge.
作用 本発明は、前記した構造により、一方の半導体をn型
半導体とすると、n型半導体から超電導体に電子がトン
ネル注入され、他方のp型半導体から超電導体にホール
がトンネル注入されるのに必要な電圧が、トンネル注入
された電子またはホールが、他方の半導体へトンネルす
るのに必要とする電圧よりも低くなるようにエネルギー
バンド構造を設定することにより、超電導体内で注入さ
れた電子とホールが蓄積されそこで再結合することによ
って、超電導体のエネルギーバンドギャップに相当する
波長の高周波を発生するものである。Action According to the present invention, when one semiconductor is an n-type semiconductor, electrons are tunnel-injected from the n-type semiconductor into the superconductor and holes are tunnel-injected from the other p-type semiconductor into the superconductor by the structure described above. Electrons and holes injected in the superconductor are set by setting the energy band structure so that the required voltage is lower than the voltage required for tunnel injected electrons or holes to tunnel to the other semiconductor. Is accumulated and recombined there to generate a high frequency wave having a wavelength corresponding to the energy band gap of the superconductor.
実施例 以下に本発明の一実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。Embodiment One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
n型半導体であるガリウム砒素(GaAs)基板の上に、
化学気相成長法(CVD)により約20Åの酸化珪素(Si
O2)膜を形成し、その上に真空蒸着法により、約1μm
の鉛(Pb)薄膜を形成する。さらに化学気相成長法(CV
D)により約20Åの酸化珪素(SiO2)膜を形成し、さら
にその上に真空蒸着法により、5000Åのp型半導体ある
ゲルマニウム(Ge)膜を形成し、GaAsおよびGeにオーミ
ック電極を設ける。On a gallium arsenide (GaAs) substrate, which is an n-type semiconductor,
About 20Å of silicon oxide (Si) by chemical vapor deposition (CVD)
O 2 ) film is formed, and about 1 μm is formed on it by vacuum evaporation method.
To form a lead (Pb) thin film. Furthermore, chemical vapor deposition (CV
A silicon oxide (SiO 2 ) film of about 20 Å is formed by D), and a germanium (Ge) film which is a p-type semiconductor of 5000 Å is formed on the silicon oxide (SiO 2 ) film by vacuum evaporation, and ohmic electrodes are provided on GaAs and Ge.
その構造を第1図に示す。第1図において、1はn型
半導体GaAs基板、2はその上に形成した第1のSiO2薄
膜、3はPb薄膜、4はその上に形成した第2のSiO2膜で
ある。5はp型半導体Ge薄膜である。6はGaAs基板の他
方の面に形成されたオーミック電極、7はGe薄膜の上面
に形成されたオーミック電極である。The structure is shown in FIG. In FIG. 1, 1 is an n-type semiconductor GaAs substrate, 2 is a first SiO 2 thin film formed thereon, 3 is a Pb thin film, and 4 is a second SiO 2 film formed thereon. 5 is a p-type semiconductor Ge thin film. 6 is an ohmic electrode formed on the other surface of the GaAs substrate, and 7 is an ohmic electrode formed on the upper surface of the Ge thin film.
Pbは約7.2Kで超電導となる超電導体である。したがっ
て、このような構造の素子を臨界温度以下、例えば7K以
下に冷却すれば、一つの超電導体が薄い層間絶縁膜で分
離されたn型半導体およびp型半導体で挟まれた構造と
なっている。この時エネルギーバンド図を第2図に示
す。GaAsのエネルギーバンドギャップ、Eg1は約1.5eVで
ある。E1はフェルミレベルから導電帯バンド端までのエ
ネルギー、E1′はフェルミレベルから価電子帯バンド端
までのエネルギーで、E1+E1′=Eg1となっている。n
型不純物濃度を極めて高くすることにより、その導電帯
バンド端はフェルミレベルのすぐ近傍にくる。Pbは、超
電導状態において、約1.34meVのエネルギーバンドギャ
ップを有している。Pbのエネルギーバンドギャップを2
Δとすると、そのフェルミレベルはエネルギーバンドギ
ャップの中間に来る。Geのエネルギーバンドギャップ、
Eg2は約0.8evである。E2はフェルミレベルから導電帯バ
ンド端までのエネルギー、E2′はフェルミレベルから価
電子帯バンド端までのエネルギーで、E2+E2′=Eg2と
なっている。p型不純物濃度を高くすることにより、そ
の価電子帯バンド端は、フェルミレベルのすぐ近傍にく
る。したがって第2図のようなエネルギーバンド図とな
る。この時GaAs側の多数キャリアである電子は、層間絶
縁SiO2膜が十分薄いため、E1−Δ>0の場合極めて低い
電圧で、E1−Δ<0の場合、E1−Δの電圧をかけること
によってトンネル効果により、容易にPb超電導体の中へ
入る。しかしPb超電導体からGeへは、この電圧ではGeの
方にトンネルすべきエネルギー準位がないためトンネル
注入されない。一方この時、Ge側の多数キャリヤである
ホールは、層間絶縁SiO2膜が十分薄いため、やはりE2′
−Δ>0の場合極めて低い電圧で、E2′−Δ<0の場
合、E2′−Δの電圧でトンネル効果により、容易にPb超
電導体の中へ入る。しかしPb超電導体からGaAsへは、や
はりこの電圧ではGaAsの方にトンネルすべきエネルギー
準位がないためトンネル注入されない。すなわちこの時
Pb超電導体の中には、電子とホールが多量に注入蓄積さ
れた状態となる。これらの電子とホールは、適当な緩和
時間をもって再結合する。この時の電子とホールのエネ
ルギー差は平衡状態でほぼPb超電導体のエネルギーバン
ドギャップに相当する。Pb超電導体のエネルギーバンド
ギャップは約1.3meVであり、このエネルギーに相当する
波長は約1mm、周波数で約300GHzである。したがってこ
の構造の素子に、E1−ΔまたはE2′−Δの大きい方の電
圧を加えることにより、超電導体内部に電子とホールが
トンネル注入され、そこで再結合して約300GHzの高周波
を発生する。Pb is a superconductor that becomes superconducting at about 7.2K. Therefore, if an element having such a structure is cooled to a critical temperature or lower, for example, 7 K or lower, one superconductor is sandwiched between n-type semiconductor and p-type semiconductor separated by a thin interlayer insulating film. . The energy band diagram at this time is shown in FIG. The energy band gap of GaAs, Eg 1, is about 1.5 eV. E 1 is the energy from the Fermi level to the conduction band edge, E 1 ′ is the energy from the Fermi level to the valence band edge, and E 1 + E 1 ′ = Eg 1 . n
By making the type impurity concentration extremely high, the band edge of the conduction band comes close to the Fermi level. Pb has an energy band gap of about 1.34 meV in the superconducting state. The energy band gap of Pb is 2
If it is Δ, the Fermi level is in the middle of the energy band gap. Ge energy band gap,
Eg 2 is about 0.8 ev. E 2 is the energy from the Fermi level to the edge of the conduction band, E 2 ′ is the energy from the Fermi level to the edge of the valence band, and E 2 + E 2 ′ = Eg 2 . By increasing the p-type impurity concentration, the valence band band edge comes close to the Fermi level. Therefore, the energy band diagram as shown in FIG. 2 is obtained. Number is a carrier electron at this time GaAs side, since the interlayer insulating SiO 2 film is sufficiently thin, a very low voltage when the E 1 -Δ> 0, when the E 1 -Δ <0, E 1 -Δ voltage Due to the tunnel effect, it easily enters the Pb superconductor. However, Pb superconductor is not tunnel-injected into Ge at this voltage because there is no energy level to tunnel to Ge. On the other hand, at this time, the holes, which are the majority carriers on the Ge side, still have E 2 ′ because the interlayer insulating SiO 2 film is sufficiently thin.
When −Δ> 0, the voltage is extremely low, and when E 2 ′ −Δ <0, the voltage of E 2 ′ −Δ easily tunnels into the Pb superconductor. However, tunneling cannot be performed from the Pb superconductor to GaAs at this voltage because there is no energy level to tunnel to GaAs. That is, at this time
A large amount of electrons and holes are injected and accumulated in the Pb superconductor. These electrons and holes recombine with an appropriate relaxation time. The energy difference between the electrons and holes at this time corresponds to the energy band gap of the Pb superconductor in the equilibrium state. The energy band gap of Pb superconductor is about 1.3 meV, the wavelength corresponding to this energy is about 1 mm, and the frequency is about 300 GHz. Therefore, by applying a higher voltage of E 1 −Δ or E 2 ′ −Δ to the device of this structure, electrons and holes are tunnel-injected inside the superconductor, where they recombine and generate a high frequency of about 300 GHz. To do.
この状態でGaAs−Ge間のバイアス電圧をあげていく。
Ge側を正とした時、E2−Δのバイアス電圧を加えられた
時に初めて超電導体からGeへの電子のトンネルが可能と
なり急速に電流が流れだす。In this state, the bias voltage between GaAs and Ge is increased.
When the Ge side is positive, an electron can tunnel from the superconductor to Ge only when a bias voltage of E 2 −Δ is applied, and a current flows rapidly.
本実施例では、E2−E1の方がE1′−E2′よりも小さい
としたため、E2−E1で電流が流出すが、E1′−E2′の方
が小さければ、E1′−E2′で電流が流れだす。したがっ
て、電子、ホールの両者が超電導体に蓄積される状態
は、E2−E1>0で、E1′−E2′>0、言い変えれば、一
方の半導体のエネルギーバンド構造が、他方の半導体よ
りフェルミレベルから導電帯端までのエネルギー差が小
さくかつフェルミレベルから価電子帯端までのエネルギ
ー差が大きい場合である。In this embodiment, since E 2 −E 1 is smaller than E 1 ′ −E 2 ′, current flows out at E 2 −E 1 , but if E 1 ′ −E 2 ′ is smaller, , E 1 ′ -E 2 ′ starts to flow current. Therefore, the state in which both electrons and holes are accumulated in the superconductor is E 2 −E 1 > 0 and E 1 ′ −E 2 ′> 0, in other words, the energy band structure of one semiconductor is This is the case where the energy difference from the Fermi level to the conduction band edge is smaller than that of the semiconductor and the energy difference from the Fermi level to the valence band edge is larger.
本実施例では、超電導体としてPbを用いたが、Ln1Ba2
Cu3酸化物(但しLnは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Tm、Yb、Luの少なくとも一つ)などの臨界温度9
0K程度の超電導体や、La1.85−Ae0.15−Cu1酸化物(但
し、AeはBa、Sr、Caのうちの少なくとも一つ以上)など
の、臨界温度30K程度の超電導体を用いることにより、
より高い温度で本実施例と同様の電圧−ホール再結合に
よる高周波発生作用の得られることは明らかである。こ
の場合Ln1Ba2Cu3酸化物の超電導体としてのエネルギー
バンドギャップは20−30meVであり、約5−7THzの超高
周波が発生できる。In this embodiment, Pb was used as the superconductor, but Ln 1 Ba 2
Cu 3 oxide (however, Ln is Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H
critical temperature 9 such as o, Er, Tm, Yb, Lu)
By using a superconductor having a critical temperature of about 30K, such as a superconductor having a temperature of about 0K or La 1.85- Ae 0.15- Cu 1 oxide (where Ae is at least one of Ba, Sr, and Ca),
It is clear that at higher temperature, the same high frequency generating action can be obtained by voltage-hole recombination as in the present embodiment. In this case, the energy band gap of the Ln 1 Ba 2 Cu 3 oxide as a superconductor is 20-30 meV, and an ultrahigh frequency of about 5-7 THz can be generated.
Ln1Ba2Cu3酸化物において、BaをSrに置換していって
も、臨界温度の高い超電導体が得られる。したがって、
超電導体として、BaをSrに置換したものを用いても同様
の効果の得られることは明らかである。In the Ln 1 Ba 2 Cu 3 oxide, a superconductor having a high critical temperature can be obtained even if Ba is replaced with Sr. Therefore,
It is clear that the same effect can be obtained by using a superconductor in which Ba is replaced with Sr.
また本実施例では、半導体としてはn型GaAsおよびp
型Geを用いたが、第2の半導体のエネルギーバンド構造
が、第1の半導体よりフェルミレベルから導電帯端まで
のエネルギー差が小さくかつ第1の半導体よりフェルミ
レベルから価電子帯端までのエネルギー差が大きくなっ
ておれば良く、これらの半導体に限られるものではな
い。Further, in this embodiment, as the semiconductor, n-type GaAs and p are used.
Type Ge, the energy band structure of the second semiconductor has a smaller energy difference from the Fermi level to the conduction band edge than the first semiconductor and the energy from the Fermi level to the valence band edge of the first semiconductor. It is sufficient if the difference is large, and the semiconductor is not limited to these semiconductors.
本実施例では、層間絶縁膜の厚みとして特定の値を用
いたが、この厚みは、トンネル効果の起こる範囲内で任
意である。In this embodiment, a specific value is used as the thickness of the interlayer insulating film, but this thickness is arbitrary within the range where the tunnel effect occurs.
本実施例では、層間絶縁膜としてSiO2を用いたが、こ
れに限られないことは明らかである。In this embodiment, SiO 2 is used as the interlayer insulating film, but it is obvious that the present invention is not limited to this.
発明の効果 以上述べた如く、本発明は、超電導体を挟んで、一方
の側に、トンネル可能な膜厚の層間絶縁膜を介して、第
1の半導体を有し、他方の側に、トンネル可能な膜厚の
層間絶縁膜を介して、前記第1の半導体よりフェルミレ
ベルから導電帯端までのエネルギー差が小さくかつ前記
第1の半導体よりフェルミレベルから価電子帯端までの
エネルギー差が大きい、第1の半導体と導電型の異なる
第2の半導体を有する構造からなり、きわめて高い周波
数の電磁波を発生する素子を提供するものである。EFFECTS OF THE INVENTION As described above, according to the present invention, the first semiconductor is provided on one side of the superconductor with the tunnel insulating film having the tunnelable thickness interposed therebetween, and the other side of the tunnel is provided. The energy difference from the Fermi level to the conduction band edge is smaller than that of the first semiconductor and the energy difference from the Fermi level to the valence band edge is greater than that of the first semiconductor through the interlayer insulating film having a possible thickness. The present invention provides an element having a structure having a second semiconductor having a conductivity type different from that of a first semiconductor and generating an electromagnetic wave of extremely high frequency.
第1図は本発明の構造の一実施例を示す断面図、第2図
は本発明の素子のエネルギーバンド図の一例を示した模
式図である。 1……n型半導体基板、2……層間絶縁膜、3……超電
導体膜、4……層間絶縁膜、5……p型半導体膜、6,7
……電極。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the structure of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing an example of an energy band diagram of the element of the present invention. 1 ... n-type semiconductor substrate, 2 ... interlayer insulating film, 3 ... superconductor film, 4 ... interlayer insulating film, 5 ... p-type semiconductor film, 6,7
……electrode.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−111068(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ichiro Yamashita 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-57-111068 (JP, A)
Claims (1)
可能な膜厚の層間絶縁膜を介して、第1の半導体を有
し、他方の側に、トンネル可能な膜厚の層間絶縁膜を介
して、前記第1の半導体よりフェルミレベルから導電帯
端までのエネルギー差が小さくかつ前記第1の半導体よ
りフェルミレベルから価電子帯端までのエネルギー差が
大きい、第1の半導体と導電型の異なる第2の半導体を
有する構造からなる超高周波発生素子。1. A superconductor is sandwiched between a first semiconductor and an interlayer insulating film having a tunnelable film thickness on one side, and an interlayer insulating film having a tunnelable film thickness on the other side. Conduction through the film to the first semiconductor, which has a smaller energy difference from the Fermi level to the conduction band edge than the first semiconductor and a larger energy difference from the Fermi level to the valence band edge than the first semiconductor. An ultra-high frequency generating element having a structure having a second semiconductor of a different type.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62331979A JP2506871B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Ultra high frequency generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62331979A JP2506871B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Ultra high frequency generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01173766A JPH01173766A (en) | 1989-07-10 |
JP2506871B2 true JP2506871B2 (en) | 1996-06-12 |
Family
ID=18249785
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62331979A Expired - Lifetime JP2506871B2 (en) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | Ultra high frequency generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2506871B2 (en) |
-
1987
- 1987-12-28 JP JP62331979A patent/JP2506871B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH01173766A (en) | 1989-07-10 |
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