314_088-152CP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
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| 光控特性之多重負微分電阻交換元件 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
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| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
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| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 一種光控特性之多重負微分電阻交換元件，包括基板、次集極層、集極層、量子位能井層、第一空間層、基極層、第二空間層、單原子平面摻雜層、射極層以及歐姆接觸層多層結構。藉由與磷化銦晶格匹配之四元化合物砷化銦鎵鋁材料來改善電流增益與崩潰電壓等特性，使本元件在室溫反向操作時，產生雙重負微分電阻特性，此現象主要因雪崩累增與電位重新分佈所造成。在低溫反向操作時，因連續漸次的載子堆積與飛躍，產生多重負微分電阻特性。本元件具有良好的光控性質，因此藉由降低入射光之功率來阻止雪崩累增的發生，使元件恢復到初始關閉的狀態。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| [發明內容]
本發明是有關於一種負微分電阻交換元件，且特別是有關於一種具有光控特性之多重負微分電阻交換元件。 隨著磊晶成長系統的快速進步，如分子束磊晶成長系統(Molecular Beam Epitaxy, MBE)及低壓有機金屬化學氣相沈積系統(Low Pressure Metal Organic Chemical Vapor Deposition, LP-MOCVD)的研發成功，各種具備卓越特性之高品質光電或微波異質結構元件和材料，相繼的被開發出來。特別是由於負微分電阻開關元件在微波電路上具有功率產生的特性，使得此類元件被廣泛的應用於高速開關與高頻振盪器上。由於能使電路設計趨向更簡單化，因此多重路徑負微分電阻的特性更引人注意。此外，一般的光電開關交換元件也已大量應用於光電積體電路及光計算電路。然而，一般的光電開關交換元件操作在『開』(ON)的狀態下，其電流-電壓特性幾乎對光無任何的響應，也就是說，這種光電開關交換元件並無法恢復到原始『關』(OFF) 的狀態。 習知一般的光電開關交換元件分為很多種。其中，由David C. Y. Chang等人提出只有兩個開關狀態之金-絕- 半結構以及W. N. Jiang等人提出之體障壁結構，Y. Kawamura等人提出具有單一或多重開關狀態之之量子井結構，W. S. Lour等人提出之超晶格結構，D. F. Guo等人提出低溫具雙重、室溫具單一負微分電阻現象之平面摻雜結構。此外，D. F. Guo等人亦提出光感性之三角形障壁結構，G. W. Taylor等人也提出p-n型異質接面結構，Wang 等人提出同時具備N-型與S-型單-負微分電阻(Single Negative-Differential-Resistance)元件，都屬於一般常見之光電開關交換元件，然各種結構仍有其個別的缺點存在，條列如下： 1.Y. Kawamura等人提出具有單一或多重開關狀態之之量子井結構以及W. S. Lour等人提出之超晶格結構，其 N-型負微分電阻現象必須處於低溫時方為顯著。 2.D. F. Guo等人提出低溫具雙重、室溫具單一負微分電阻現象之平面摻雜結構，但由於其低溫上的限制，導致其實用性不佳。 3.D. F. Guo等人提出之光敏感性之三角形障壁結構以及G. W. Taylor等人提出p-n型異質接面結構，雖已具有光敏感性，但在光的可控制性上仍不成熟。 4.此外，Wang等人提出同時具備N-型與S-型單一負微分電阻(Single Negative-Differential-Resistance)元件以及D. F. Guo更提出一種具有光控性之開關元件，以三角位障高度(triangular barrier height)將入射光源的強度改變，以增進元件特性。此二元件雖然已經分別將多重負微分特性及光控特性增強，但仍無法達到同時具備多重負微分特性(Multiple NDR)與光控特性之境界。 因此，本發明提出一種具有光控特性之多重負微分電阻交換元件，不但可以藉由施加適當的電壓及負載設計以達到多個穩定的工作點，增進多值邏輯運算、模糊控制之應用，而且還可以同時具備多重負微分特性與良好的光 控特性。 本發明提出一種光控特性之多重負微分電阻交換元件，其簡述如下： 一種光控特性之多重負微分電阻交換元件，包括基板、次集極層、集極層、量子位能井層、第一空間層、基極層、第二空間層、單原子摻雜平面層、射極層以及歐姆接觸層多層結構。藉由與磷化銦晶格匹配之四元化合物砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)材料來改善電流增益與崩潰電壓等特性，並於射極-基極之間引入一背置層(第二空間層)與單原子摻雜平面層，使本元件在室溫反向操作時，展現一雙重負微分電阻特性，此現象主要因雪崩累增與電位重新分佈所造成。於基極-集極之間引入一背置層(第一空間層)與小能隙的量子位能井層(In0.53Ga0.47As)，所以在低溫反向操作時，會因連續漸次的載子堆積與飛躍，使得電流-電壓特性曲線呈現多重路徑與片斷型的負微分電阻現象。此外，由於本元件具有良好的光控性質，因此可以藉由改變入射光之強度加以控制，甚至藉由降低入射光之功率來阻止雪崩累增的發生，進而使元件恢復到初始關閉的狀態。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 較佳實施例 首先，請參照第1圖，其繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件10之結構示意圖。於基板12(InP)上主要一包括次集極層14(InP)、集極層16(In0.53Ga0.27Al0.2As)與量子位能井層18 (In0.53Ga0.47As)、第一空間層20(In0.53Ga0.27Al0.2As)、基極層22(In0.53Ga0.27Al0.2As)、第二空間層24 (In0.53Ga0.27Al0.2As)、單原子平面摻雜層26 (In0.53Ga0.27Al0.2As)、射極層28(InP)以及歐姆接觸層 30(InGaAs)。 其中，基板12例如為n+型磷化銦(InP)基板。次集極層14的厚度例如為2000，次集極層14的材質例如為 磷化銦(InP)，其摻質濃度例如為5×1018cm-3。集極層16 的厚度例如為5000，集極層16的材質例如為砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)，其n型摻質濃度例如為5×1016cm- 。量子位能井層18的材質例如為砷化銦鎵 (In0.53Ga0.47As)。無摻雜的第一空間層20的材質例如為砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)，其厚度例如為50 。基極層22的材質例如為砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)，其厚度例如為1000 ，其P+型摻質濃度例如為1×1019cm-3。第二空間層24的材質例如為砷化銦鎵鋁 (In0.53Ga0.27Al0.2As)，其厚度例如為50 。單原子平面摻雜層26的材質例如為砷化錮嫁鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)，其 n+型摻質濃度例如為2×1012cm-2。射極層28的材質例如為銦化磷(InP)，其厚度例如為1000 ，其n型摻質濃度例如為5×1017cm-3。歐姆接觸層30的材質例如為砷化銦嫁 (InGaAs)材質，其厚度例如為3000 ，其n型摻質濃度例如為3×1018cm-3。於射極層28與基極層22之間引入第二空間層24與單原子摻雜平面層26，可以使得射極層28 與基極層22之間的異質接面處之位障尖峰得以消除。而於基極層22與集極層16之間引入的第一空間層20與小能隙的量子位能井層18(In0.53Ga0.47As)會形成一量子位能井。 接著請參照第2圖，其繪示為多重負微分電阻交換元件於熱平衡時之能帶圖。由第2圖中可以得知，射極層 28與基極層22之間的異質接面處，因引入第二空間層24 與單原子平面摻雜層26，使得並無位障尖峰的存在。另一方面，基極層22與集極層16之間，由於引入的第一空間層20與小能隙的量子位能井層18(In0.53Ga0.47As)會形成一量子位能井。量子位能井將在低溫使得低能量的電子產生一連串的侷限、堆積與飛躍的效應，因此可以形成多重負微分電阻現象。 接著請參照第3A圖，其繪示為多重負微分電阻交換元件於室溫反向操作時，射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。於射極層28與基極層22之間引入第二空間層24 與單原子平面摻雜層26，使得射極層28與基極層22之間的異質接面處之位障尖峰得以消除。因此，在室溫反向操作時，本元件會展現雙重負微分電阻特性，具有第一路徑 42與第二路徑44，此現象主要是因兩階段的位障消除及雪崩累增所造成。由第3A圖中可清楚的看出代表雙重負微分電阻特性的兩條路徑42與44。 接著請參照第3B圖，其繪示為多重負微分電阻交換元件於低溫反向操作時，射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。於基極層22與集極層16之間引入的第一空間層 20與小能隙的量子位能井層18(In0.53Ga0.47As)會形成一量子位能井。在低溫反向操作時，由於載子在低溫時的能量明顯降低，以致於集極層16注入的電子在到達基極層22 與集極層16接面時易陷入量子位能井中，當電子堆積至某一程度之後會造成電位的重新分佈，使得集極層16的能帶在靠近基極層22與集極層16接面處得以提升，使電 子能夠通過量子位能井。此外，電洞會持續的對基極層22 和集極層16間空乏區進行充電，使基極層22的能帶也同時降低。因此會造成連續漸次的電子堆積與飛躍，使得電流-電壓特性曲線呈現多重路徑與片斷型的負微分電阻現象。由第3B圖中可清楚的看出代表多重負微分電阻特性的多條路徑42與44，其中虛線代表負載線40。 最後請參照第4A圖、第4B圖與第4C圖，其分別繪示為多重負微分電阻反向操作於室溫下未照光時、照光時、照光後移去光源時的電流一電壓特性曲線圖。第4A圖中之虛線為負載線50當控制電壓使其操作於單一負微分電阻邊緣時(尚未照光)，具有第一路徑52，如第4A圖所示，接著引入一光源則電流-電壓特性曲線將呈現出一雙重負微分電阻特性，一第一路徑52與一第二路徑54，如第4B圖所示。當光源移走之後，電流一電壓特性曲線將會幾乎恢復到引入光源前的狀況，僅具有第一路徑52，如第4C圖所示。 由上述可以得知，在引入光源、照光、其去光源的過程中，本元件經歷了一次開關的過程，這是由於光產生的電子-電洞對經由電場的分離，對本元件造成另一次的雪崩累增與位障降低效應，因此，照光時會呈現雙重負微分電阻特性。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件的主要特色為於射極層-基極層之間引入第二空間層與單原子平面摻雜層，在室溫時，可以使得射極層與基極層之間的 異質接面處之位障尖峰得以消除。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件的另一主要特色為於基極層與集極層之間引入的第一空間層與小能隙的量子位能井層(In0.53Ga0.47As)會形成一量子位能井。在低溫時，此量子位能井會造成連續漸次的電子堆積與飛躍，使得電流-電壓特性曲線呈現多重路徑與片斷型的負微分電阻現象。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件所具負微分電阻特性，可以藉由施加適當的電壓及負載設計而獲得多個穩定的工作點，對多值邏輯設計、模糊控制的應用上多所裨益。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件展現之S-型負微分電阻特性，在相同的電源與負載設計下，可以輕易的與其他的電路元件相容。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件可以同時具有多重負微分電阻特性與光控特性，大幅的改善了習知元件僅具備單一功能的缺點。 本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件於反向操作時，呈現一雙重負微分電阻特性，並且在低溫下呈現一多重路徑與多階段之負微分電阻特性。除此之外，本發明之光控特性之多重負微分電阻交換元件具有高度的光敏感度與光控特性，適合應用於國防、民生無線通訊及光電產品之高速、微波功率產生、放大器電路及光電計算電路上。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 [圖式簡單說明] 第1圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件之結構示意圖。 第2圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件於熱平衡時之能帶圖。 第3A圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件於室溫反向操作時，射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。 第3B圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交煥元件於低溫反向操作時，射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。 第4A圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件於室溫下，未照光時射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。 第4B圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件於室溫下，照光時射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。 第4C圖繪示為依照本發明一較佳實施例中光控特性之多重負微分電阻交換元件於室溫下，照光後移去光源時射極-集極兩端的電流-電壓特性曲線圖。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種光控特性之多重負微分電阻交換元件，至少包括：一基板；一次集極層位於該基板上；一控制集極層位於該次集極層上，且該控制集極層具有一量子位能井層。一控制基極層位於該控制集極層上，且該控制基極層具有一第一空間層與一第二空間層；一控制射極層位於該控制基極層上，且該控制射極層具有一單原子平面摻雜層；以及一歐姆接觸層位於該控制射極層上。 2.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該基板與該集極層之間更包括一次集極層。 3.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該射極層更包括一歐姆接觸層。 4.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該基極層之第一空間層與該量子位能井層可形成一量子位能井。 5.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該基極層之第二空間層與該單原子平面摻雜層可使該射極層與該基極層間的異質接面處之位障尖峰消除。 6.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該基板之材質包括n+型磷化銦(InP)。 7.如申請專利範圍第2項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該次集極層之材質包括n+型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)。 8.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該集極層之材質包括n型砷化銦鎵鋁 (In0.53Ga0.27Al0.2As)。 9.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該集極層之材質亦可由砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As))與n型砷化銦鎵鋁((In0.53Ga0.27Al0.2As)形成。 10.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該單原子平面摻雜層之材質包括n+型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)。 11.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該基極層之材質包括p+型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)。 12.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該空間層之材質包括無摻雜之砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.27Al0.2As)。 13.如申請專利範圍第1項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該射極層之材質包括n型磷化銦(InP)。 14.如申請專利範圍第3項所述之光控特性之多重負微分電阻交換元件，其中該歐姆接觸層之材質包括n+型砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)。 |
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| 十一、圖式： | |
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