JP2656476B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JP2656476B2 JP2656476B2 JP23458386A JP23458386A JP2656476B2 JP 2656476 B2 JP2656476 B2 JP 2656476B2 JP 23458386 A JP23458386 A JP 23458386A JP 23458386 A JP23458386 A JP 23458386A JP 2656476 B2 JP2656476 B2 JP 2656476B2
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- inp
- well
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化合物半導体のヘテロ接合により形成される
量子井戸構造を有する半導体装置に関する。特に、該構
造の井戸層内にドナー及びアクセプタが空間的に不均一
にドーピングされた構造に関する。
量子井戸構造を有する半導体装置に関する。特に、該構
造の井戸層内にドナー及びアクセプタが空間的に不均一
にドーピングされた構造に関する。
化合物半導体の量子井戸構造は、多重量子井戸型半導
体レーザの活性層や、電界による複素屈折率の高速変調
を利用した光スイッチ等に応用されている（「半導体超
格子の物理と応用」日本物理学会編，培風館昭和59
年）。これらに用いられた構造は第３図（ａ）に示した
ように、バンドギャップで差の異なる化合物半導体のヘ
テロ接合からなり、伝導帯のバンド不連続ΔEc及び価電
子帯のバンド不連続ΔEvがそれぞれ伝導帯の電子と、価
電子帯の正孔に対するポテンシャル障壁を形成してい
る。第３図（ｂ）は同一の半導体に周期的にドナーとア
クセプタをドーピングしたいわゆるドーピング超格子
で、第３図に模式的に示した如く、電子と正孔が空間的
に分離されている。この系では、光吸収によって伝導帯
の電子数及び価電子帯の正孔数が変化すると、電気的中
性条件をみたすべくホテンシャル障壁の形がセルフコン
システントに変化する。そのため、量子レベルが入射励
起光の強度により順次変化するために、L.L.Chang他
「シンセティック・モジュレーテッド ストラクチャ
ー」，アカデミック プレス刊,1985年，第241頁（“Sy
nthetic Modulated Stracture",Academic Press,（198
5）p.241）に示されるように光吸収係数発光スペクトル
が外部光でチューニングできることになる。第３図
（ｃ）は、同図（ｂ）において電子，正孔に対するポケ
ット量子井戸をつけ加えた例である。
体レーザの活性層や、電界による複素屈折率の高速変調
を利用した光スイッチ等に応用されている（「半導体超
格子の物理と応用」日本物理学会編，培風館昭和59
年）。これらに用いられた構造は第３図（ａ）に示した
ように、バンドギャップで差の異なる化合物半導体のヘ
テロ接合からなり、伝導帯のバンド不連続ΔEc及び価電
子帯のバンド不連続ΔEvがそれぞれ伝導帯の電子と、価
電子帯の正孔に対するポテンシャル障壁を形成してい
る。第３図（ｂ）は同一の半導体に周期的にドナーとア
クセプタをドーピングしたいわゆるドーピング超格子
で、第３図に模式的に示した如く、電子と正孔が空間的
に分離されている。この系では、光吸収によって伝導帯
の電子数及び価電子帯の正孔数が変化すると、電気的中
性条件をみたすべくホテンシャル障壁の形がセルフコン
システントに変化する。そのため、量子レベルが入射励
起光の強度により順次変化するために、L.L.Chang他
「シンセティック・モジュレーテッド ストラクチャ
ー」，アカデミック プレス刊,1985年，第241頁（“Sy
nthetic Modulated Stracture",Academic Press,（198
5）p.241）に示されるように光吸収係数発光スペクトル
が外部光でチューニングできることになる。第３図
（ｃ）は、同図（ｂ）において電子，正孔に対するポケ
ット量子井戸をつけ加えた例である。
第３図（ａ）の例では、量子井戸全体に外部電界を印
加すると、同図（ａ）の右側に示されるように電子波動
関数と正孔の波動関数が逆方向にシフトして、外部光に
対する複素屈折率応答が変化するが、第３図（ｂ）の例
に比べると井戸内に閉じこめられている電子正孔の量子
レベルは余り変化しないために、波長のチューニング特
性といえるほどの変化はない。
加すると、同図（ａ）の右側に示されるように電子波動
関数と正孔の波動関数が逆方向にシフトして、外部光に
対する複素屈折率応答が変化するが、第３図（ｂ）の例
に比べると井戸内に閉じこめられている電子正孔の量子
レベルは余り変化しないために、波長のチューニング特
性といえるほどの変化はない。
本発明の目的は、従来の組成型量子井戸とドーピング
型量子井戸の特徴をかねそなえた、すなわち、空間的に
不均一にドープされた半導体結晶を、この結晶よりも禁
制帯幅が大きくかつ、伝導帯および価電子帯でのバンド
不連続性が該結晶内に障壁を形成するような第２の半導
体ではさんだ新しい量子井戸構造を導入することにより
達成される。
型量子井戸の特徴をかねそなえた、すなわち、空間的に
不均一にドープされた半導体結晶を、この結晶よりも禁
制帯幅が大きくかつ、伝導帯および価電子帯でのバンド
不連続性が該結晶内に障壁を形成するような第２の半導
体ではさんだ新しい量子井戸構造を導入することにより
達成される。
本発明の基本的作用を説明する概念図を第１図（ａ）
に示した。ここに示した例では、井戸層が１コのp/n接
合からなりたっており、両側がΔEc,ΔEvの大きいアン
ドープヘテロ障壁層ではさまれている。伝導帯の電子
は、井戸層のｎ型ドープ領域に、価電子帯の正孔は、井
戸層のｐ型ドープ領域に、それぞれ量子レベルをつくっ
て閉じこめられることになる。井戸内の電気的中性条件
は同図に示したイオン化ドナー，アクセプターと自由電
子，正孔のバランスで満たされ、井戸層のポテンシャル
はポアソン方程式とシュレジンガー方程式をセルフコン
システントに解くことにより求められる。多重量子井戸
の場合の近似的なポテンシャル分布を第１図（ｂ）に示
した。ここで、エネルギーE1の光の入射により、正孔の
基底準位から伝導帯に上がった電子は、電子の基底準位
に緩和するが、このレベルから価電子帯に発光遷移（エ
ネルギーE2＞E1）しようとしても価電子帯がつまってい
るために遷移できず、その結果井戸層内には大量の電子
と正孔が空間的に分離された状態でたまることになる。
それによって井戸層内のポテンシャルは再び電気的条件
をみたすようセルフコンシステントに変化し、電子，正
孔の量子レベルも大きく変化することになる。
に示した。ここに示した例では、井戸層が１コのp/n接
合からなりたっており、両側がΔEc,ΔEvの大きいアン
ドープヘテロ障壁層ではさまれている。伝導帯の電子
は、井戸層のｎ型ドープ領域に、価電子帯の正孔は、井
戸層のｐ型ドープ領域に、それぞれ量子レベルをつくっ
て閉じこめられることになる。井戸内の電気的中性条件
は同図に示したイオン化ドナー，アクセプターと自由電
子，正孔のバランスで満たされ、井戸層のポテンシャル
はポアソン方程式とシュレジンガー方程式をセルフコン
システントに解くことにより求められる。多重量子井戸
の場合の近似的なポテンシャル分布を第１図（ｂ）に示
した。ここで、エネルギーE1の光の入射により、正孔の
基底準位から伝導帯に上がった電子は、電子の基底準位
に緩和するが、このレベルから価電子帯に発光遷移（エ
ネルギーE2＞E1）しようとしても価電子帯がつまってい
るために遷移できず、その結果井戸層内には大量の電子
と正孔が空間的に分離された状態でたまることになる。
それによって井戸層内のポテンシャルは再び電気的条件
をみたすようセルフコンシステントに変化し、電子，正
孔の量子レベルも大きく変化することになる。
このように、本発明の量子井戸では、第３図に示した
２つのタイプの量子井戸の特徴が共にとりこまれた結
果、より設計自由度が、拡大された非線形光−光相互作
用機能を実現できるようになる。
２つのタイプの量子井戸の特徴が共にとりこまれた結
果、より設計自由度が、拡大された非線形光−光相互作
用機能を実現できるようになる。
以下、本発明の内容を実施例に基づいて説明する。第
１図（ａ）の量子井戸構造の１例として、InPを障壁層
とし、井戸層に、InPに格子整合したIn0.53Ga0.47Asのp
/n接合を用いた例を、InGaAsPの４元系を作製可能な減
圧MOCVD装置で結晶成長した。さらに、InPに格子整合し
たIn0.52Al0.48Asを障壁層とし、井戸層に同じくIn0.53
Ga0.47Asのp/n接合を用いた例を、MBE装置で作製した。
どちらの場合も第２図（ａ）に示したような光−光変調
検出器の作製を目標とし、ｎ−Inp基板上にアンドープI
nP（又はInAlAs）のクラッド２を１μｍ、本発明の量子
井戸構造3:InP/（p/n）InGaAs/InP又はInAlAs/（p/n）I
nGaAs/InAlAsを１μｍ、アンドープInP（又はInAlAs）
のクラッド４を１μｍ成長したのち、基板のInPの一部
を除去した。量子井戸層に対して、垂直方向又は平行方
向に入射光（波長λ１）モニター検出光（波長λＣ）を
入射させる配置で、λ１の入射光強度をかえながら、λ
Ｃの光の透過強度及び位相シフトを観測した。位相検出
はマイケルソン型の干渉検出方式を用いた。（第２図
（ａ）の下の模式図参照）波長λ１として、第１図
（ｂ）に示した井戸内ｐ型領域中の正孔基底準位から伝
導帯への励起エネルギーE1に等しいものを選び、検出光
の波長λ２として第１図（ｂ）の井戸内ｎ型領域中の電
子基底準位から価電子帯への遷移エネルギーECに等しい
ものを選んでおいた。入射光強度の増大と共に、井戸内
に電子，正孔が空間分離されて蓄積される結果，量子準
位がシフトして、波長λ２でみた量子井戸の複素屈折率
は連続的に変化してゆき、透過光の減衰率でみても、位
相シフトでみても同様の高感度で入射光の有無を検出で
きることがわかった。入射光をパルスレーザとしたとき
の応答速度は、従来のGaAs/GaAlAs系量子井戸に電界を
印加したタイプの光スイッチの速度と同等以上であっ
た。これは、本発明の量子井戸においては、λ１の光で
伝導帯に励起された電子が、高濃度のイオン化不純物の
散乱と、内部電界勾配により速やかに基底準位に緩和す
ることを示している。
１図（ａ）の量子井戸構造の１例として、InPを障壁層
とし、井戸層に、InPに格子整合したIn0.53Ga0.47Asのp
/n接合を用いた例を、InGaAsPの４元系を作製可能な減
圧MOCVD装置で結晶成長した。さらに、InPに格子整合し
たIn0.52Al0.48Asを障壁層とし、井戸層に同じくIn0.53
Ga0.47Asのp/n接合を用いた例を、MBE装置で作製した。
どちらの場合も第２図（ａ）に示したような光−光変調
検出器の作製を目標とし、ｎ−Inp基板上にアンドープI
nP（又はInAlAs）のクラッド２を１μｍ、本発明の量子
井戸構造3:InP/（p/n）InGaAs/InP又はInAlAs/（p/n）I
nGaAs/InAlAsを１μｍ、アンドープInP（又はInAlAs）
のクラッド４を１μｍ成長したのち、基板のInPの一部
を除去した。量子井戸層に対して、垂直方向又は平行方
向に入射光（波長λ１）モニター検出光（波長λＣ）を
入射させる配置で、λ１の入射光強度をかえながら、λ
Ｃの光の透過強度及び位相シフトを観測した。位相検出
はマイケルソン型の干渉検出方式を用いた。（第２図
（ａ）の下の模式図参照）波長λ１として、第１図
（ｂ）に示した井戸内ｐ型領域中の正孔基底準位から伝
導帯への励起エネルギーE1に等しいものを選び、検出光
の波長λ２として第１図（ｂ）の井戸内ｎ型領域中の電
子基底準位から価電子帯への遷移エネルギーECに等しい
ものを選んでおいた。入射光強度の増大と共に、井戸内
に電子，正孔が空間分離されて蓄積される結果，量子準
位がシフトして、波長λ２でみた量子井戸の複素屈折率
は連続的に変化してゆき、透過光の減衰率でみても、位
相シフトでみても同様の高感度で入射光の有無を検出で
きることがわかった。入射光をパルスレーザとしたとき
の応答速度は、従来のGaAs/GaAlAs系量子井戸に電界を
印加したタイプの光スイッチの速度と同等以上であっ
た。これは、本発明の量子井戸においては、λ１の光で
伝導帯に励起された電子が、高濃度のイオン化不純物の
散乱と、内部電界勾配により速やかに基底準位に緩和す
ることを示している。
この他第２図（ｂ）のように、従来のドーピング超格
子の例と同様に、量子井戸内のｎ・ｐ層に独立にｐ・ｎ
型オーミック電極をとることによって、光検出層を作成
できることを確認した。
子の例と同様に、量子井戸内のｎ・ｐ層に独立にｐ・ｎ
型オーミック電極をとることによって、光検出層を作成
できることを確認した。
以上はInP基板上のInP,InGaAs,InAlAsを用いた量子井
戸の例を示したが、本発明の内容は材料については何ら
制限を設けていないことは明らかである。
戸の例を示したが、本発明の内容は材料については何ら
制限を設けていないことは明らかである。
また、井戸内も単一のp/n接合だけでなく、必要に応
じてp,n,i層等を一部に付け加えることにより、より微
妙な量子準位変調効果を期待できる。場合によっては、
井戸内にごく低いヘテロ障壁層をつくることにより、電
子正孔の空間分離をより効果的にすることも可能であ
る。
じてp,n,i層等を一部に付け加えることにより、より微
妙な量子準位変調効果を期待できる。場合によっては、
井戸内にごく低いヘテロ障壁層をつくることにより、電
子正孔の空間分離をより効果的にすることも可能であ
る。
本発明によれば、正孔と電子を分離した状態で量子井
戸層内に閉じこめられるので、強い非線形性を有する新
機能光素子を得ることができる。
戸層内に閉じこめられるので、強い非線形性を有する新
機能光素子を得ることができる。
第１図は本発明の量子井戸構造を示す図、第２図は、本
発明の実施例としてのInP/（p/n）InGaAs/InP構造を示
す図、第３図は従来の代表的な２種の量子井戸構造を示
す図である。
発明の実施例としてのInP/（p/n）InGaAs/InP構造を示
す図、第３図は従来の代表的な２種の量子井戸構造を示
す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 隆雄 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 松村 宏善 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−85227（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】第１の半導体層を該第１の半導体層より禁
制帯幅の大きい第２の半導体層で第１の半導体層を挟ん
で構成される量子井戸構造を少なくとも１つ含み、上記
第１の半導体層は第１の導電型の第１領域層と第２の導
電型の第２領域層を含むことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】上記第１領域層と第２領域層はpn接合を形
成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半
導体装置。 - 【請求項３】上記第１の半導体層をGa0.47In0.53Asと
し、第２の半導体層をInP又はInPに格子整合したAl0.48
In0.52Asとすることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23458386A JP2656476B2 (ja) | 1986-10-03 | 1986-10-03 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23458386A JP2656476B2 (ja) | 1986-10-03 | 1986-10-03 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6390180A JPS6390180A (ja) | 1988-04-21 |
| JP2656476B2 true JP2656476B2 (ja) | 1997-09-24 |
Family
ID=16973293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23458386A Expired - Fee Related JP2656476B2 (ja) | 1986-10-03 | 1986-10-03 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2656476B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2758472B2 (ja) * | 1990-01-11 | 1998-05-28 | 三菱電機株式会社 | 光変調器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6285227A (ja) * | 1985-10-09 | 1987-04-18 | Tokyo Inst Of Technol | 光回路機能素子 |
-
1986
- 1986-10-03 JP JP23458386A patent/JP2656476B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6390180A (ja) | 1988-04-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |