JPH02231777A - 共鳴トンネル光電素子 - Google Patents
共鳴トンネル光電素子Info
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- JPH02231777A JPH02231777A JP2001438A JP143890A JPH02231777A JP H02231777 A JPH02231777 A JP H02231777A JP 2001438 A JP2001438 A JP 2001438A JP 143890 A JP143890 A JP 143890A JP H02231777 A JPH02231777 A JP H02231777A
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- well semiconductor
- semiconductor heterostructure
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
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- Mathematical Physics (AREA)
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、量子井戸領域を通過するキャリアの共鳴トン
ネル現象にその動作が基因する半導体素子を有する装置
に関する。
ネル現象にその動作が基因する半導体素子を有する装置
に関する。
［従来技術の説明コ
素子のスイッチングのスピードは、通信、スイッチング
、コンピュータ応用に使用される半導体素子にとって、
最重要動作パラメータである。素子のスイッチングのス
ピードを向上させる為に、多数の物理的現象が研究され
てきた。このような物理現象の１つに、エネルギ障壁を
貫通（トンネル）する素粒子の現象、より詳述すると、
複数のエネルギ障壁を有する構成中の共鳴トンネル現象
がある。
、コンピュータ応用に使用される半導体素子にとって、
最重要動作パラメータである。素子のスイッチングのス
ピードを向上させる為に、多数の物理的現象が研究され
てきた。このような物理現象の１つに、エネルギ障壁を
貫通（トンネル）する素粒子の現象、より詳述すると、
複数のエネルギ障壁を有する構成中の共鳴トンネル現象
がある。
共鳴トンネル現象を有する素子では、複数のエネルギ障
壁層がポテンシャル井戸を（２次元で）包囲する。共鳴
トンネル現象が発生するのは、チャージキャリアが印加
電界に応答して、ポテンシャル井戸のエネルギ固有状態
を貫通（トンネリング）する時である。この二重障壁共
鳴トンネル電子素子については、＾ｐｐ１．ＰｈｙＳ．
Ｌｅｔｔ．２４．ｐ１）．５９３−５（１９７４）の記
載されている。
壁層がポテンシャル井戸を（２次元で）包囲する。共鳴
トンネル現象が発生するのは、チャージキャリアが印加
電界に応答して、ポテンシャル井戸のエネルギ固有状態
を貫通（トンネリング）する時である。この二重障壁共
鳴トンネル電子素子については、＾ｐｐ１．ＰｈｙＳ．
Ｌｅｔｔ．２４．ｐ１）．５９３−５（１９７４）の記
載されている。
二重障壁共鳴トンネル素子の動作特性を、変調ドーピン
グ、異なる陣璧高さの形成などにより、強調しようとす
る試みは、素子のスイッチングスピードを改良する点で
は、ある程度の成功をおさめている。しかし、これらの
成功あるいは、他の強調技術は、印加電界条件下のキャ
リア移動度の改良に依存する。
グ、異なる陣璧高さの形成などにより、強調しようとす
る試みは、素子のスイッチングスピードを改良する点で
は、ある程度の成功をおさめている。しかし、これらの
成功あるいは、他の強調技術は、印加電界条件下のキャ
リア移動度の改良に依存する。
〔発明の概要コ
スイッチングスピードを有する改良共鳴トンネル素子は
、素子を１つの定常状態から他の定常状態に切替えるの
に、電子制御素子ではなく、光学制御素子を利用するこ
とにより、実現される。光学制御素子による光学プロセ
スは、従来の電子制御素子による電子プロセスよりかな
り速い為、スイッチングスビートの改善が達成される。
、素子を１つの定常状態から他の定常状態に切替えるの
に、電子制御素子ではなく、光学制御素子を利用するこ
とにより、実現される。光学制御素子による光学プロセ
スは、従来の電子制御素子による電子プロセスよりかな
り速い為、スイッチングスビートの改善が達成される。
本発明の一実施例では、少なくとも１つの二重障壁量子
井戸半導体ヘテロ構造を含む光電素子は、活性状態から
非活性状態へおよびその逆へ切替えるに、二重陣壁量子
井戸半導体ヘテロ構造のバンドギャップエネルギ以下の
平均光子エネルギを有する光学信号を注入することによ
り、制御される。
井戸半導体ヘテロ構造を含む光電素子は、活性状態から
非活性状態へおよびその逆へ切替えるに、二重陣壁量子
井戸半導体ヘテロ構造のバンドギャップエネルギ以下の
平均光子エネルギを有する光学信号を注入することによ
り、制御される。
充電素子の活性状態では、共鳴トンネル現象に・よるチ
ャージキャリアの導通を示す。
ャージキャリアの導通を示す。
［実施例の説明］
活性状態すなわち導電状態でチャージキャリアの共鳴ト
ンネル現象を示す電気的に制御される二重陣壁量子井戸
半導体ヘテロ構造素子は、従来技術で公知である。導電
帯プロフィール■特性と二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ
構造を有する電気的に制御される素子の実施例が第１−
５図に図示されている。第１−４図に示されているよう
に、共鳴トンネル現象の原理が、２つの狭い障壁により
閉込められる量子井戸内の少なくとも１つの疑似閉込め
固有状態を、１つの障壁の外部のドープ領域のフエルミ
エネルギレベルの一致状態に持込むことにより、示され
る。トンネル現象の確率の共鳴増加、即ち、最大電流の
発生は、障壁外のフ工ルミエネルギが量子井戸内の固有
状態（Ｅｏ，Ｅ１）の１つのエネルギに等しくなるよう
に、障壁層に電圧が印加される。付加的なバイアスは共
鳴整合を破壊し、微分負性抵抗の条件を発生させる。
ンネル現象を示す電気的に制御される二重陣壁量子井戸
半導体ヘテロ構造素子は、従来技術で公知である。導電
帯プロフィール■特性と二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ
構造を有する電気的に制御される素子の実施例が第１−
５図に図示されている。第１−４図に示されているよう
に、共鳴トンネル現象の原理が、２つの狭い障壁により
閉込められる量子井戸内の少なくとも１つの疑似閉込め
固有状態を、１つの障壁の外部のドープ領域のフエルミ
エネルギレベルの一致状態に持込むことにより、示され
る。トンネル現象の確率の共鳴増加、即ち、最大電流の
発生は、障壁外のフ工ルミエネルギが量子井戸内の固有
状態（Ｅｏ，Ｅ１）の１つのエネルギに等しくなるよう
に、障壁層に電圧が印加される。付加的なバイアスは共
鳴整合を破壊し、微分負性抵抗の条件を発生させる。
第１図において、障壁層１２．１４はそれぞれ量子井戸
層１３の反対側に形成される。外部層１１．１５は障壁
層１２．１４の外部にそれぞれ形成される。層ｌ■−１
５の組合せが二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造を形成
する。外部層１１．１５はドープ狭バンドギャップ半導
体材料（例ＧａＡｓ）を含む。障壁層１２．１４は非ド
ープ広バンドギャップ半導体材料（例ＡＩＧａＡｓの約
２０−５Ｏ Ａ厚成長）を含む。
層１３の反対側に形成される。外部層１１．１５は障壁
層１２．１４の外部にそれぞれ形成される。層ｌ■−１
５の組合せが二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造を形成
する。外部層１１．１５はドープ狭バンドギャップ半導
体材料（例ＧａＡｓ）を含む。障壁層１２．１４は非ド
ープ広バンドギャップ半導体材料（例ＡＩＧａＡｓの約
２０−５Ｏ Ａ厚成長）を含む。
量子井戸ＪＷ１３は非ドープ狭バンドギャップ半導体材
料（例ＡＩＧａＡｓの約２０−２５０Ａ厚成長）を含む
。一般的に、層１１．１３．１５は、ほぼ同一のバンド
ギャップを有する半導体材料を有する。フェルミエネル
ギＥｒは、層比１５の導電帯エネルギＥ。
料（例ＡＩＧａＡｓの約２０−２５０Ａ厚成長）を含む
。一般的に、層１１．１３．１５は、ほぼ同一のバンド
ギャップを有する半導体材料を有する。フェルミエネル
ギＥｒは、層比１５の導電帯エネルギＥ。
の上に示される。準閉込め固有状態Ｅ。，Ｅ１は量子井
戸層１３内に示される。Ｅ に対する準閉込Ｃ め固有状態エネルギの値は、量子井戸層１３の幅と組成
に依存し、３０−１００ｍ ｅ Ｖの範囲にある。第１
図に示すように、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造Ｉ
Ｏは印加電界０として示される。この条件では、ヘテロ
構造を通過する電流はない。
戸層１３内に示される。Ｅ に対する準閉込Ｃ め固有状態エネルギの値は、量子井戸層１３の幅と組成
に依存し、３０−１００ｍ ｅ Ｖの範囲にある。第１
図に示すように、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造Ｉ
Ｏは印加電界０として示される。この条件では、ヘテロ
構造を通過する電流はない。
第２図においては、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造
ｌＯは電圧Ｖ『による印加電界の影響下にある。電圧の
増加は、準閉込め固有状態ＥＯをＥｒに一致させ、電流
をヘテロ構造に流す。電流は、充分な電圧（Ｖ ）か
ヘテロ構造にかかり、固有Ｃ 状態Ｅｏが導電帯エネルギＥ０以下のレベルになるまで
、流れ続ける。
ｌＯは電圧Ｖ『による印加電界の影響下にある。電圧の
増加は、準閉込め固有状態ＥＯをＥｒに一致させ、電流
をヘテロ構造に流す。電流は、充分な電圧（Ｖ ）か
ヘテロ構造にかかり、固有Ｃ 状態Ｅｏが導電帯エネルギＥ０以下のレベルになるまで
、流れ続ける。
電圧Ｖ，の共鳴トンネル現象に基因する電流の増加とＶ
での電流の鋭い落込みは、第４図の電Ｃ 流対電圧のグラフに示されている。
での電流の鋭い落込みは、第４図の電Ｃ 流対電圧のグラフに示されている。
第１−４図に示される二重障壁量子井戸半導体ペテロ構
造ｌＯのプロフィールと特性を有′ｔ条代表的な素子構
造は、第５図に示される電気制御共鳴トンネル素子５０
である。この素子５０は、標準的なエビタキシャルプロ
セス（例 ＭＢＥ％ＶＰＥ，ＭＯＣＶＤ）により形成さ
れる。成長プロセスはＧａＡｓ基板５２にシリコンでｎ
十型にドープすることで開始される。基板５２にＧａＡ
ｓバッファ層をエビタキシャル成長させる。このＧａＡ
ｓバッファ層は、シリコンドープ（ｎ＋で約５Ｘ１０ｌ
７アトム／ｃｍ３）で、約１ミクロンの厚さを有する。
造ｌＯのプロフィールと特性を有′ｔ条代表的な素子構
造は、第５図に示される電気制御共鳴トンネル素子５０
である。この素子５０は、標準的なエビタキシャルプロ
セス（例 ＭＢＥ％ＶＰＥ，ＭＯＣＶＤ）により形成さ
れる。成長プロセスはＧａＡｓ基板５２にシリコンでｎ
十型にドープすることで開始される。基板５２にＧａＡ
ｓバッファ層をエビタキシャル成長させる。このＧａＡ
ｓバッファ層は、シリコンドープ（ｎ＋で約５Ｘ１０ｌ
７アトム／ｃｍ３）で、約１ミクロンの厚さを有する。
名目上非ドープ二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造５ｌ
は、層５３の上に成長される。このヘテロ構造は、約０
．２５ ミクロン厚のＧａＡｓ層５４と、約２０久厚の
ＡＩＡｓのバリア層５５と、約７０人厚のＧａＡｓの量
子井戸層５６と、約２０人厚のＡＩＡｓのバリア層５７
と、約２００λ厚の非ドープチャネル層５８とを有する
。
は、層５３の上に成長される。このヘテロ構造は、約０
．２５ ミクロン厚のＧａＡｓ層５４と、約２０久厚の
ＡＩＡｓのバリア層５５と、約７０人厚のＧａＡｓの量
子井戸層５６と、約２０人厚のＡＩＡｓのバリア層５７
と、約２００λ厚の非ドープチャネル層５８とを有する
。
バリア層と量子井戸層は、線形傾斜障壁層または放物線
状傾斜量子井戸層の場合は、同一組成または異組成のい
ずれかである。量子井戸歴用の材料のバンドギャップは
、バリア層用のそれより狭いのが一般的である。
状傾斜量子井戸層の場合は、同一組成または異組成のい
ずれかである。量子井戸歴用の材料のバンドギャップは
、バリア層用のそれより狭いのが一般的である。
変調ドープヘテロ接合の形態のヘテロ接合は二重陣壁量
子井戸半導体ヘテロ構造５ｌ上に成長する。
子井戸半導体ヘテロ構造５ｌ上に成長する。
第５図に示すように、典型的な変調ドープＡＩＧａ Ａ
ｓ ／ Ｇ ａ Ａ ｓヘテロ構造は、前成長したチ
ャ”ネル層５８と、名目上非ドープのスペーサ層５９（
約８ＯＡ厚のＡＩＧａＡｓ （ＡＩのモル分率は０．３
５ ）、約４００Ａ厚で約２×１０１８／Ｃｍ３の濃度
のｎ＋型のシリコンドープのドープドナー層６０からな
る。このヘテロ接合では、チャネル層５８は高速移動度
のエレクトロンガスを有し、このエレクトロンガスは、
約１ ０ １８／ ｃ ｍ３の密度を有し、スペーサ層
５９によりドナー層６０内の親ドナーから空間的に分離
されている。変調ドープヘテロ接合を用いることは、ド
ーバントを二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造５ｌから
隔離しながら、低抵抗の抵抗性接点をヘテロ接合に形成
するのに便利である。
ｓ ／ Ｇ ａ Ａ ｓヘテロ構造は、前成長したチ
ャ”ネル層５８と、名目上非ドープのスペーサ層５９（
約８ＯＡ厚のＡＩＧａＡｓ （ＡＩのモル分率は０．３
５ ）、約４００Ａ厚で約２×１０１８／Ｃｍ３の濃度
のｎ＋型のシリコンドープのドープドナー層６０からな
る。このヘテロ接合では、チャネル層５８は高速移動度
のエレクトロンガスを有し、このエレクトロンガスは、
約１ ０ １８／ ｃ ｍ３の密度を有し、スペーサ層
５９によりドナー層６０内の親ドナーから空間的に分離
されている。変調ドープヘテロ接合を用いることは、ド
ーバントを二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造５ｌから
隔離しながら、低抵抗の抵抗性接点をヘテロ接合に形成
するのに便利である。
スペーサ層５９は、また隣接のチャネル層５８を不動体
化する手段を提供する。
化する手段を提供する。
ｎ 型のドープＧａＡｓの接点層８ｌは、ドナー層の上
に形成される。この接点層６１は、約１４０ＯＡ厚のシ
リコンの２Ｘ１０’／ｃｍ８のドーピング濃度を有する
。
に形成される。この接点層６１は、約１４０ＯＡ厚のシ
リコンの２Ｘ１０’／ｃｍ８のドーピング濃度を有する
。
電気接点パッド６２．８３は各々層８１．５２上に形成
される。標準的な光リソグラフ技術金属と被覆技術が、
電気接点パッド６２．８３を形成するのに使用される。
される。標準的な光リソグラフ技術金属と被覆技術が、
電気接点パッド６２．８３を形成するのに使用される。
同種合金がパッド６２．６３として使用される。例えば
、ゲルマニウム、金、銀の連続的蒸発の後に、適当な温
度での短時間熱処理（アニーリング）が、理想的な合金
接点パッドの形成に適当である。
、ゲルマニウム、金、銀の連続的蒸発の後に、適当な温
度での短時間熱処理（アニーリング）が、理想的な合金
接点パッドの形成に適当である。
第５図の素子は二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造と変
調ドープ領域を有する電気制御共鳴トンネルダイオード
である。このダイオードは、第１−４図に示した原理で
動作する。即ち、電圧を接点パッド６２．６Ｂにかると
、この素子は共鳴トンネル現象を起すチャージキャリア
により、印加電圧が、二重障壁量子井戸半導体ベテロ構
造内の最低準ハウンド固有状態を、バリア層外のフエル
ミエネルギレベルＥ，に一致させる程大きくなることを
条件に、導通する。
調ドープ領域を有する電気制御共鳴トンネルダイオード
である。このダイオードは、第１−４図に示した原理で
動作する。即ち、電圧を接点パッド６２．６Ｂにかると
、この素子は共鳴トンネル現象を起すチャージキャリア
により、印加電圧が、二重障壁量子井戸半導体ベテロ構
造内の最低準ハウンド固有状態を、バリア層外のフエル
ミエネルギレベルＥ，に一致させる程大きくなることを
条件に、導通する。
第６図に本発明の一実施例を示す。ここで、「光電素子
」という用語は、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造を
通過するチャージキャリアの共鳴トンネル現象により、
導通状態にされる光制御電子素子をを含む。また電子素
子には、ＦＥＴ，バイポーラ素子、単一接合素子等のダ
イオードまたはトランジスタが含まれる。
」という用語は、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造を
通過するチャージキャリアの共鳴トンネル現象により、
導通状態にされる光制御電子素子をを含む。また電子素
子には、ＦＥＴ，バイポーラ素子、単一接合素子等のダ
イオードまたはトランジスタが含まれる。
第６図の光電素子には、光源６４とダイオード素子５０
（第５図）に半導体層、接点パッドが含まれる。光源６
４は、ＬＥＤ，半導体レーザあるいは他の光源を有し、
その光学信号は二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造のバ
ンドギャ゛ツブ以下の平均光子エネルギｈｄを有する。
（第５図）に半導体層、接点パッドが含まれる。光源６
４は、ＬＥＤ，半導体レーザあるいは他の光源を有し、
その光学信号は二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造のバ
ンドギャ゛ツブ以下の平均光子エネルギｈｄを有する。
即ち、ｈνはＥ −ＥＣ
９以下である。ここで、Ｅ は導電帯のエネルギＣ
レベルで、Ｅ は価電子帯のエネルギレベルであＶ
る。
第６図に示すように、光電素子は、基板層５２の修正を
有し、光源Ｂ４からの光学信号が二重陣壁量子井戸半導
体ヘテロ構造に到達するようにする。
有し、光源Ｂ４からの光学信号が二重陣壁量子井戸半導
体ヘテロ構造に到達するようにする。
この修正は接点バッド８３の金属被覆を基板層の後続の
エッチングのマスクとして用いることにより、なされる
。材料選択性ウエット化学エッチング（例：過酸化水素
とアンモニア水酸化物との混合物ｐＨは約７．２）が、
接点パッド６３の部分間の露出基板部分に施され、基板
５２の露出部分を除去する。エッチングは、基板５２の
適当な量が除去されたとさ（例［１５３が露出するとき
）、終了する。
エッチングのマスクとして用いることにより、なされる
。材料選択性ウエット化学エッチング（例：過酸化水素
とアンモニア水酸化物との混合物ｐＨは約７．２）が、
接点パッド６３の部分間の露出基板部分に施され、基板
５２の露出部分を除去する。エッチングは、基板５２の
適当な量が除去されたとさ（例［１５３が露出するとき
）、終了する。
基板層５２の修正は、ＧａＡｓ基板層５２に光学信号を
注入する際の高吸収の為に必要である。上記の修正は、
光学信号が二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造に注入さ
れるようにし、また、素子の凹凸（機械的な力がかかっ
たとき、割れや破壊の原因になる）を減少させる。これ
らの問題を回避し、上記の基板修正の必要により、他の
材料システムが採用され、成長基板層は光学信号の注入
に対しては、全体の透明（非吸収）である。このような
材料システムはＩｎＰベースの第３−５族材料系の半導
体化合物が含まれる。
注入する際の高吸収の為に必要である。上記の修正は、
光学信号が二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ構造に注入さ
れるようにし、また、素子の凹凸（機械的な力がかかっ
たとき、割れや破壊の原因になる）を減少させる。これ
らの問題を回避し、上記の基板修正の必要により、他の
材料システムが採用され、成長基板層は光学信号の注入
に対しては、全体の透明（非吸収）である。このような
材料システムはＩｎＰベースの第３−５族材料系の半導
体化合物が含まれる。
次に動作について説明する。第６図の光電素子は非導通
状態にバイアスがかけられている。一般的に接点パッド
６２．６３にかかるバイアス電圧Ｖｂ（ Ｖ ｂ≧ｖｃ
）より電界がかけられ、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ
構造５１の導通を阻止する。二重陣壁量子井戸半導体ヘ
テロ構造５ｌに注入される光学信号は、小さな内部電界
を生成し、量子井戸層内に、このバイアス電圧により生
成される電界に反応させる。この効果については、Ｐｈ
ｙｓ．Ｒ６ｙ，ｔ，ｅｔｔ．第５９巻第９号（ ｐｐｌ
ｏｌｇ−２１） （１９８７）の「バイアスをかけられ
た量子井戸」に記載されている。
状態にバイアスがかけられている。一般的に接点パッド
６２．６３にかかるバイアス電圧Ｖｂ（ Ｖ ｂ≧ｖｃ
）より電界がかけられ、二重陣壁量子井戸半導体ヘテロ
構造５１の導通を阻止する。二重陣壁量子井戸半導体ヘ
テロ構造５ｌに注入される光学信号は、小さな内部電界
を生成し、量子井戸層内に、このバイアス電圧により生
成される電界に反応させる。この効果については、Ｐｈ
ｙｓ．Ｒ６ｙ，ｔ，ｅｔｔ．第５９巻第９号（ ｐｐｌ
ｏｌｇ−２１） （１９８７）の「バイアスをかけられ
た量子井戸」に記載されている。
二重障壁量子井戸半導体構造の効果については以下に説
明する。ダイオードがカットオフ電圧Ｖ。
明する。ダイオードがカットオフ電圧Ｖ。
以上の電圧でバイアスがかけられると、バンドギャップ
以下の平均光子エネルギを有する光学パルスは、準閉込
め固有状態（ＥｏＳＥ１）の高エネルギ方向へのＡＣシ
ュタルクシフト（Ｓｔａｒｋ ｓｈｊｆ’ｔ）を生成し
、印加バイアス電圧により生成される電界に対向する内
部静的電界の生成する。このＡＣシュタルクシフトに関
し、準閉込め固有状態のみが、最小導電帯Ｅ の対応す
る移行なしに、高Ｃ エネルギ方向へ移行する。その理由は、障壁層外のドー
プ材料のエネルギレベルと光誘導領域との結合は、排他
原理により消滅するからである。この内部静的電界効果
は、ＡＣシュタルク効果と結合して、固有状ｇＥｏを障
壁層（領域１１）外の材料の最低占有レベルに一致させ
る。その結果、ダイオードの特性動作点は、ダイオード
がチャージキャリアの二重障壁量子井戸半導体構造を貫
通する共鳴トンネル現象により導通を示す点までさかの
ぼる。光学信号が二重ＭＩ壁量子井戸半導体構造に最早
注入されなくなると、ダイオードはその通常状態である
非導通状態にカットオフ電圧Ｖ 以Ｃ 上のバイアス電圧で復帰する。
以下の平均光子エネルギを有する光学パルスは、準閉込
め固有状態（ＥｏＳＥ１）の高エネルギ方向へのＡＣシ
ュタルクシフト（Ｓｔａｒｋ ｓｈｊｆ’ｔ）を生成し
、印加バイアス電圧により生成される電界に対向する内
部静的電界の生成する。このＡＣシュタルクシフトに関
し、準閉込め固有状態のみが、最小導電帯Ｅ の対応す
る移行なしに、高Ｃ エネルギ方向へ移行する。その理由は、障壁層外のドー
プ材料のエネルギレベルと光誘導領域との結合は、排他
原理により消滅するからである。この内部静的電界効果
は、ＡＣシュタルク効果と結合して、固有状ｇＥｏを障
壁層（領域１１）外の材料の最低占有レベルに一致させ
る。その結果、ダイオードの特性動作点は、ダイオード
がチャージキャリアの二重障壁量子井戸半導体構造を貫
通する共鳴トンネル現象により導通を示す点までさかの
ぼる。光学信号が二重ＭＩ壁量子井戸半導体構造に最早
注入されなくなると、ダイオードはその通常状態である
非導通状態にカットオフ電圧Ｖ 以Ｃ 上のバイアス電圧で復帰する。
二重障壁量子井戸半導体構造５ｌのバンドギャップエネ
ルギに対する光学信号の強度とその平均光子エネルギは
、光源６４から二重障壁量子井戸半導体構造５ｌに注入
された光学信号によって誘起される内部電界の大きさを
決定する。実験的には、量子井戸の透過範囲で約２ ０
０ ＭＷ／ｃｄ、で、光学信号（約１００ｆｓのパル
ス幅）の注入に対してＧａＡｓの量子井戸で５ｍｅＶの
シフト（脱ａｄｅｔｕｎｉｎｇ ）がえられた。他の実
験では、約３０一５０ｍｅＶで導電帯エネルギ以下の平
均光子エネルギの税調の場合、ＧａＡｓの量子井戸（約
１０ＯＡ）に注入される光学信号の強度はＩＯＯＭＷ／
Ｃ一（ピコ秒パルス）とＩ ＧＷ／ｃｄ （フエムト秒
パルス）の間である。更に別の実験では、１００ＡＧａ
Ａｓの量子井戸では、８ＭＷ／ｃｄの強度で量子井戸の
導電帯エネルギ以下の約３０ｍｅＶの平均光子エネルギ
を有する光学信号に対して、０．２２ｍｅＶの準閉込め
固有状態のシフトがあった。
ルギに対する光学信号の強度とその平均光子エネルギは
、光源６４から二重障壁量子井戸半導体構造５ｌに注入
された光学信号によって誘起される内部電界の大きさを
決定する。実験的には、量子井戸の透過範囲で約２ ０
０ ＭＷ／ｃｄ、で、光学信号（約１００ｆｓのパル
ス幅）の注入に対してＧａＡｓの量子井戸で５ｍｅＶの
シフト（脱ａｄｅｔｕｎｉｎｇ ）がえられた。他の実
験では、約３０一５０ｍｅＶで導電帯エネルギ以下の平
均光子エネルギの税調の場合、ＧａＡｓの量子井戸（約
１０ＯＡ）に注入される光学信号の強度はＩＯＯＭＷ／
Ｃ一（ピコ秒パルス）とＩ ＧＷ／ｃｄ （フエムト秒
パルス）の間である。更に別の実験では、１００ＡＧａ
Ａｓの量子井戸では、８ＭＷ／ｃｄの強度で量子井戸の
導電帯エネルギ以下の約３０ｍｅＶの平均光子エネルギ
を有する光学信号に対して、０．２２ｍｅＶの準閉込め
固有状態のシフトがあった。
エネルギｔνの光学信号に応答して、準閉込め固有状態
のシフトの量を決定す．る関係式は以下である。
のシフトの量を決定す．る関係式は以下である。
ここで、μ はバンド間遷移マトリックス素子、Ｃｖ
ξ は光学フィールド（周波数ν）、ＥｏはＱＷν
の第１レベルエネルギ、πνは光学フィτルドの光子エ
ネルギ、（Ｅｏ−？！ν］は（ｅＶ）の税調、１φ（ｒ
−０）Ｉ２は『−０の励起の包絡関数（ｅｎｖｅｌｏｐ
ｅ ｆ’ｕｎｃｔ１ｏｎ）の２乗、Ｎ は飽和密度、δ
Ｓ ＥＯは準閉込め固有状態（ｅＶ）のシフトを表す。
ネルギ、（Ｅｏ−？！ν］は（ｅＶ）の税調、１φ（ｒ
−０）Ｉ２は『−０の励起の包絡関数（ｅｎｖｅｌｏｐ
ｅ ｆ’ｕｎｃｔ１ｏｎ）の２乗、Ｎ は飽和密度、δ
Ｓ ＥＯは準閉込め固有状態（ｅＶ）のシフトを表す。
二二で、ＩはＷ／ｃＪで表わされた光学信号の強度であ
る。
る。
第７，８図は、光学的に制御された共鳴トンネルバイポ
ーラトランジスタの半導体層構造と導電帯プロフィール
を示す。第７，８図の電子素子はエミッタ領域８Ｌベー
ス領域８３、コレクタ領域８５を有する。接点パッド８
７，８９．９１はエミッタ領域、ベース領域、コレクタ
領域にそれぞれ形成される。
ーラトランジスタの半導体層構造と導電帯プロフィール
を示す。第７，８図の電子素子はエミッタ領域８Ｌベー
ス領域８３、コレクタ領域８５を有する。接点パッド８
７，８９．９１はエミッタ領域、ベース領域、コレクタ
領域にそれぞれ形成される。
接続特性は、エミッタ領域、ベース領域、コレクタ頭域
に接触して、高濃度にドープした領域９３，９５，９７
を用いることにより、改良される。図示するように、棲
点バッド８９は環状接点である。全ての層は適当な基板
８２上に成長される。必要ならば、基板８２は、ベース
領域の周辺をエッチングされ、光源９０からの光学信号
がベース領域内の二重障壁量子井戸半導体構造に注入さ
れる。図示された電子素子は、エミッタ領域に隣接する
ベース領域よりも広いエネルギバンドギッヤブを有する
エミッタ領域とヘテロ接合を有する。このヘテロ接合は
Ｉ型で、広いバンドギッヤブ領域の導電帯と価電子帯は
、それぞれ、狭バンドギッヤプ領域の導電帯と価電子帯
の上と下にある。バンドギッヤブの傾斜は突然のエミッ
タ領域を形成するが（第７図）、縮退ドーピングのよう
な他の技術でエミッタ領域を形成できる。
に接触して、高濃度にドープした領域９３，９５，９７
を用いることにより、改良される。図示するように、棲
点バッド８９は環状接点である。全ての層は適当な基板
８２上に成長される。必要ならば、基板８２は、ベース
領域の周辺をエッチングされ、光源９０からの光学信号
がベース領域内の二重障壁量子井戸半導体構造に注入さ
れる。図示された電子素子は、エミッタ領域に隣接する
ベース領域よりも広いエネルギバンドギッヤブを有する
エミッタ領域とヘテロ接合を有する。このヘテロ接合は
Ｉ型で、広いバンドギッヤブ領域の導電帯と価電子帯は
、それぞれ、狭バンドギッヤプ領域の導電帯と価電子帯
の上と下にある。バンドギッヤブの傾斜は突然のエミッ
タ領域を形成するが（第７図）、縮退ドーピングのよう
な他の技術でエミッタ領域を形成できる。
ある実施例では、エミッタ領域は、ＡＩＧａＡｓ （
０．４以下のＡ１モル分率で、１０１７／ｃＩＩ＋３以
上のｎ型ドーピング濃度を有する）を含む。ベース領域
は、約２Ｘ１０１８／（至）３以上のドーピング濃度を
有するｐ型導電性で、１１００−１００ＯＡの厚さを有
する。二重障壁量子井戸半導体構造はベース領域の中心
に位置するのが好ましい。一般的に、ベース領域の厚さ
（エミッタ領域と二重障壁量子井戸半導体構造内の最近
接陣璧との間で測定される）は、エミッタ領域から注入
される電子の拡散平均自由行程以下で、かつ、エミッタ
・ベース接合のＰサイド上のゼロバイアスデブレーショ
ン幅以上である。この二重障壁量子井戸半導体構造は、
第５図に示すように、Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ Ｇ
ａ Ａ ｓまたは、ＧａＡｓ／ＡＩＡｓが好ましい。
０．４以下のＡ１モル分率で、１０１７／ｃＩＩ＋３以
上のｎ型ドーピング濃度を有する）を含む。ベース領域
は、約２Ｘ１０１８／（至）３以上のドーピング濃度を
有するｐ型導電性で、１１００−１００ＯＡの厚さを有
する。二重障壁量子井戸半導体構造はベース領域の中心
に位置するのが好ましい。一般的に、ベース領域の厚さ
（エミッタ領域と二重障壁量子井戸半導体構造内の最近
接陣璧との間で測定される）は、エミッタ領域から注入
される電子の拡散平均自由行程以下で、かつ、エミッタ
・ベース接合のＰサイド上のゼロバイアスデブレーショ
ン幅以上である。この二重障壁量子井戸半導体構造は、
第５図に示すように、Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ Ｇ
ａ Ａ ｓまたは、ＧａＡｓ／ＡＩＡｓが好ましい。
上述した本発明の製造技術は、ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ
バイポーラトランジスタについては、Ａｐｐｌ． Ｐｈ
ｙｓ． Ｌｅｔｔ． ，４６，ｐｐ．８００−６０３．
（１９８５）に記載されている。
バイポーラトランジスタについては、Ａｐｐｌ． Ｐｈ
ｙｓ． Ｌｅｔｔ． ，４６，ｐｐ．８００−６０３．
（１９８５）に記載されている。
次に本発明の動作について説明する。ベース・エミッタ
接合には、一般に順方向バイアスがかけられている。一
方、ベース・コレクタ接合には、逆方向バイアスがかけ
られている。ベースーエミッタ電圧が増加するにつれて
、エミッタ領域のパリスティック電子の上部と量子井戸
層の第１準閉込め固有状態間のエネルギ差は減少する。
接合には、一般に順方向バイアスがかけられている。一
方、ベース・コレクタ接合には、逆方向バイアスがかけ
られている。ベースーエミッタ電圧が増加するにつれて
、エミッタ領域のパリスティック電子の上部と量子井戸
層の第１準閉込め固有状態間のエネルギ差は減少する。
この２つのエネルギレベルが一致すると、電子は、エミ
ッタ領域から量子井戸内の共鳴固有状態にパリスティッ
クに移動し、近い単位伝送確率（ｎｅａｒ ｕｎｌｔｙ
ｔｒａｎｓａ＋ｉｓｓｆｏｎ ｐｒｏｂａｂｌｌｉｔ
ｙ）で二重障壁量子井戸半導体構造により、共鳴トンネ
ル現象をうける。
ッタ領域から量子井戸内の共鳴固有状態にパリスティッ
クに移動し、近い単位伝送確率（ｎｅａｒ ｕｎｌｔｙ
ｔｒａｎｓａ＋ｉｓｓｆｏｎ ｐｒｏｂａｂｌｌｉｔ
ｙ）で二重障壁量子井戸半導体構造により、共鳴トンネ
ル現象をうける。
この装置を本発明の原理により、動作させるには、ベー
スーエミッタバイアス電圧と、ベースーコレクタ電圧は
、電子素子を共鳴導電状＠（ノーミリオン）か、非共鳴
状！ｔ３（ノーマリオフ）のいずれかに設定するよう選
択される。光源９０からの光学信号は、電子素子のベー
ス領域上の二重障壁量子井戸半導体構造のバンドギャッ
プ以下の平均光子エネルギを有する。ノーマリオンにバ
イアスされた電子素子では、光源９０からの光学信号は
、上記のＡＣスタルク（Ｓｔａｒｋ）シフトと内部対向
電界を準閉込め状態のシフトを発生させる。その結果、
トランジスタは、光学信号を注入することにより、ノー
マリオン状態から非導通オフ状懇に切替える。
スーエミッタバイアス電圧と、ベースーコレクタ電圧は
、電子素子を共鳴導電状＠（ノーミリオン）か、非共鳴
状！ｔ３（ノーマリオフ）のいずれかに設定するよう選
択される。光源９０からの光学信号は、電子素子のベー
ス領域上の二重障壁量子井戸半導体構造のバンドギャッ
プ以下の平均光子エネルギを有する。ノーマリオンにバ
イアスされた電子素子では、光源９０からの光学信号は
、上記のＡＣスタルク（Ｓｔａｒｋ）シフトと内部対向
電界を準閉込め状態のシフトを発生させる。その結果、
トランジスタは、光学信号を注入することにより、ノー
マリオン状態から非導通オフ状懇に切替える。
同様に、ノーマリオフの状態にバイアスされた電子素子
では、光源９０からの光学信号は、上記のＡＣスタルク
（Ｓｔａｒｋ）シフトと内部対向電界を準閉込め状懇の
シフトを発生させる。その結果、トランジスタは、光学
信号を注入することにより、ノーマリオフ状態から共鳴
導電状態に切替える。
では、光源９０からの光学信号は、上記のＡＣスタルク
（Ｓｔａｒｋ）シフトと内部対向電界を準閉込め状懇の
シフトを発生させる。その結果、トランジスタは、光学
信号を注入することにより、ノーマリオフ状態から共鳴
導電状態に切替える。
上記の実施例では、Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ Ａ
ｓ系の材料で説明したが、他の材料（第３−５族）の組
合せでもよい。例えば、ＧａＡｓ／ＡＩＧａＡｓ％１ｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＡＩＡｓ．．ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ＩＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡＩＡｓＳｂ，１ｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰである。これらの半導体系では、層は、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＰ基板に格子適合する。格子不適合は
ひずみ層が基板材料上に成長した時に発生する。素子構
造は、Ｎ２−６族第２−４族にまで拡大される。
ｓ系の材料で説明したが、他の材料（第３−５族）の組
合せでもよい。例えば、ＧａＡｓ／ＡＩＧａＡｓ％１ｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＡＩＡｓ．．ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ＩＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡＩＡｓＳｂ，１ｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰである。これらの半導体系では、層は、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＰ基板に格子適合する。格子不適合は
ひずみ層が基板材料上に成長した時に発生する。素子構
造は、Ｎ２−６族第２−４族にまで拡大される。
第１、２、３図は、共鳴トンネル現象を示す二重障壁量
子井戸半導体構造の導電帯プロフィールを示す図、 第４図は、第１−３図に示した素子の電流対電圧を示す
グラフ、 第５図は、電気制御素子を有する第１図のヘテロ構造の
素子の一実施例の図、 第６図は、本発明の光電素子の１実施例を示す図、 第７図は、本発明の光電素子の第２実施例の導電帯プロ
フィールを示す図、 第８図は、本発明の光電素子の第２実施例の層構造を示
す図である。 ＦＩＧ． ／ Ｆ／６．２ ＦＩＧ． ５ ＦＩＧ． ４ エ ＦＩＧ． ６
子井戸半導体構造の導電帯プロフィールを示す図、 第４図は、第１−３図に示した素子の電流対電圧を示す
グラフ、 第５図は、電気制御素子を有する第１図のヘテロ構造の
素子の一実施例の図、 第６図は、本発明の光電素子の１実施例を示す図、 第７図は、本発明の光電素子の第２実施例の導電帯プロ
フィールを示す図、 第８図は、本発明の光電素子の第２実施例の層構造を示
す図である。 ＦＩＧ． ／ Ｆ／６．２ ＦＩＧ． ５ ＦＩＧ． ４ エ ＦＩＧ． ６
Claims (16)
- （１）キャリアの共鳴トンネル現象による導電状態に応
じて活性状態と非活性状態を有する共鳴トンネル光電素
子において、 二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造と、 前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造に電気ポテンシ
ャルを印加する手段と、 光電素子の動作状態を制御する為に、前記二重障壁量子
井戸半導体ヘテロ構造に信号を印加する手段と、を有し
、 前記信号印加手段は、前記二重陣壁量子井戸半導体ヘテ
ロ構造のバンドギャップエネルギ以下の平均光子エネル
ギを有する光学信号源を有することを特徴とする共鳴ト
ンネル光電素子。 - （２）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は実質的
に非ドープであることを特徴とする請求項１記載の素子
。 - （３）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第３−
５族から選択された組成からなる化合物を含むことを特
徴とする請求項２記載の素子。 - （４）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第２−
６族から選択された組成からなる化合物を含むことを特
徴とする請求項２記載の素子。 - （５）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第２−
４族から選択された組成からなる化合物を含むことを特
徴とする請求項２記載の素子。 - （６）キャリアの共鳴トンネル現象による導電状態に応
じて活性状態と非活性状態を有する共鳴トンネル光電素
子において、 二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造を有する電子回路素
子と、 前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造に電気ポテンシ
ャルを印加する手段と、 光電素子の動作状態を制御する為に、前記二重障壁量子
井戸半導体ヘテロ構造に信号を印加する手段と、を有し
、 前記信号印加手段は、前記二重障壁量子井戸半導体ヘテ
ロ構造のバンドギャップエネルギ以下の平均光子エネル
ギを有する光学信号源を有することを特徴とする共鳴ト
ンネル光電素子。 - （７）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は実質的
に非ドープであることを特徴とする請求項６記載の素子
。 - （８）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第３−
５族から選択された組成からなる化合物を含むことを特
徴とする請求項７記載の素子。 - （９）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第２−
６族から選択された組成からなる化合物を含むことを特
徴とする請求項７記載の素子。 - （１０）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第２
−４族から選択された組成からなる化合物を含むことを
特徴とする請求項７記載の素子。 - （１１）前記電子回路素子は、共鳴トンネルダイオーを
有することを特徴とする請求項７記載の素子。 - （１２）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第３
−５族から選択された組成からなる化合物を含むことを
特徴とする請求項１１記載の素子。 - （１３）前記電子回路素子は、共鳴トンネルバイポーラ
トランジスタを有することを特徴とする請求項７記載の
素子。 - （１４）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第３
−５族から選択された組成からなる化合物を含むことを
特徴とする請求項１３記載の素子。 - （１５）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は前記
バイポーラトランジスタのベース領域に含まれることを
特徴とする請求項１４記載の素子。 - （１６）前記二重障壁量子井戸半導体ヘテロ構造は第３
−５族から選択された組成からなる化合物を含むことを
特徴とする請求項１５記載の素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US294225 | 1981-08-19 | ||
| US07/294,225 US5047810A (en) | 1989-01-09 | 1989-01-09 | Optically controlled resonant tunneling electronic devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02231777A true JPH02231777A (ja) | 1990-09-13 |
Family
ID=23132434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001438A Pending JPH02231777A (ja) | 1989-01-09 | 1990-01-08 | 共鳴トンネル光電素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5047810A (ja) |
| JP (1) | JPH02231777A (ja) |
| DE (1) | DE4000023C2 (ja) |
| GB (1) | GB2226916B (ja) |
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