JPH02252283A - 双安定発光装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、双安定動作と共に高集積化が可能な高性能の
発光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

光コンピューターや光の信号処理に用いる光論理素子と
して注目されているデバイスの１つに双安定動作を有す
る半導体発光装置があり、いろいろな動作原理のものが
提案されている。例えば、カワムラ、ワキタ、アサヒ、
オニ（ｙ、にａｗａｍｕｒａＫ、Ｗａｋｉｔａ、　Ｈ，
Ａｓａｈｉ　ａｎｄ　Ｋ、Ｏｅ）によりエレクトロニク
ス・レクーズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、　Ｖｏｌ、２３゜ｐ７２１．１９８７）に報告され
ている。このデバイスは、活性層（レーザー発光部）に
多重量子井戸を形成し、共鳴トンネル現象により現れる
微分負性抵抗を利用し、外部抵抗との組合せで双安定動
作を実現している。

第４図に従来構造の双安定発光装置の模式的断面図を示
す。第４図において、１は基板、２は高濃度ｎ型の半導
体からなる電極引出し層、３はｎ型の半導体からなるｎ
型クラッド層、４は禁止帯幅の大きな半導体と小さな半
導体を交互に積層した多重量子井戸活性層、５はｐ型の
半導体からなるｎ型クラッド層、６は電極引出し層２と
オーミックコンタクトを形成するカソード電極、７はｎ
型クラッド層５とオーミックコンタクトを形成するアノ
ード電極である。この構造を形成する材料の例としては
、半導体基Ｆｉ１として半絶縁性のＧａＡｓ、電極引出
し層２としてＡｊ２ｏ、＊Ｇａｏ、ｔＡｓ、ｎ型クラッ
ド層３としアク５９１層３＋Ｇａｏ、７ＡＳ、多重量子
井戸活性層４としてはＧａＡｓとＡｊ２ｏ、：ｌＧａ、
、７Ａｓの積層構造、ｎ型クラッド層５としてＡｌｏ、
３Ｇａｏ、７ＡＳ、カソード電極６としてＡｕ５ｅ、ア
ノード電極７としてＡｕＺｎがある。

この従来構造の双安定発光装置の動作を以下に説明する
。第４図に示す構造にカソード・アノード間に順方向バ
イアスを印加すると、電子がｎ型クラッド層３から多重
量子井戸活性層４に注入され、また正孔はｐ型りランド
層５から多重量子井戸活性層４に注入され、ここで再結
合が起こりレーザー光が発生する。このとき、多重量子
井戸活性層４には量子準位が形成されているため、注入
キャリアのエネルギーがこの量子準位を越えたときに電
流の急激な低下が起こり、電流・電圧特性に微分負性抵
抗が現れる。微分負性抵抗を有するデバイスにおいては
、外部に抵抗を付加することにより、この微分負性抵抗
を示す領域の付近でヒステリシスを持たせることができ
る。したがって、第４図に示す従来構造の双安定発光装
置において外部抵抗を付加することにより、双安定動作
をさせることができる。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の半導体発光装置においては前述したよう
に双安定動作が可能であるが、次のような欠点がありそ
の改善が望まれる。

従来構造では、微分負性抵抗の特性を決める領域と、発
光波長および電気・光変換効率を決める領域とが共通に
なっているため、高性能化のための設計を行うことが困
難である。また、双安定動作の根本は負゛性微分抵抗と
外部抵抗にあるため、このようなデバイスの集積化を進
める上では同一基板上に占有面積の広い外部抵抗領域を
作る必要がある。これは、集積度を上げるため大きな障
害となる。

本発明の目的は、従来の双安定動作の半導体発光装置の
欠点を除去し、高集積化が可能な半導体発光装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の双安定発光装置は、 ｎ型の第１の半導体からなるエミッタ層と、第１の半導
体より伝導帯エネルギーが高い第２の半導体からなり電
子がトンネルできる厚さのエミッタバリア層と、第２の
半導体より伝導帯エネルギーが低い第３の半導体からな
り電子波長以下の厚さのウェル層と、第１の半導体より
伝導帯エネルギーが高い第４の半導体からなりエミッタ
バリア層より電子のトンネル確率が低い厚さを有するベ
ースバリア層と、ｎ型の第５の半導体からなるベース層
と、ｎ型の第６の半導体からなるｎ型クラッド層と、第
７の半導体からなり光を出す活性層と、ｐ型の第８の半
導体からなるｎ型クラッド層とを積層した構造を有する
こと・を特徴とする。

〔作用〕

本発明の双安定動作の半導体発光装置においては、３双
安定動作が発光部に積層された共鳴トンネルダイオード
構造における真性の双安定特性によ。

り実現されているため、発光部の設計を自由に選ぶこと
ができ、また外部抵抗が必要でないため、高性能な設計
ができ高集積化が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。　。

第１図は本発明の一実施例を示す模式的断面図である。

第１図において第４図と同じ参照番号のものは第４図と
同等物で同一機能を果たすものである。８はｎ型の第１
の半導体からなるエミッタ層、９は第１の半導体より伝
導帯エネルギーが高い第２の半導体からなり電子がトン
ネルできる厚さのエミッタバリア層、１０は第２の半導
体より伝導帯エネルギーが低い第３の半導体からなり電
子波長以下の厚さのウェル層、１１は第１の半導体より
伝導帯エネルギーが高い第４の半導体からなりエミッタ
バリア層９より電子のトンネル確率が低い厚さを有する
ベースバリア層、１２はｎ型の第５の半導体からなるベ
ース層、１３はベース層１２とオーミック接合を形成す
るベース電極、１４は第７の半導体からなり光を出す活
性層である。

この構造においては、エミッタ層８とベース層１２との
間で非対称構造の共鳴トンネルダイオードを形成してお
り、またｎ型の第６の半導体からなるクランド層３とｐ
型の第８の半導体からなるクラッド層５との間でレーザ
ーダイオードを形成している。

第２図は本発明の実施例の動作を説明するためのバンド
図である。第２図において、第１図および第４図と同じ
参照番号のものは第１図および第４図と同等物で同一機
能を果たすものである。ＥＣは伝導帯端であり、Ｅｖは
価電子帯端、Ｅ、はフェルミ準位、ＥＱは共鳴準位であ
る。

第２図に示すような熱平衡状態からエミッタ層８に対し
ベース層１２に正の電圧を印加していくと、エミッタバ
′リア層９．ウェル層１０およびベースバリアＷ３１１
で形成される共鳴準位Ｅｑを通した電流が流れ始める。

エミッタＮ８の伝導帯の底が共鳴準位Ｅｑよりも高くな
ると電子がこの領域を通過できなくなり電流が減少する
。これが電流・電圧特性の負性微分抵抗領域となる。さ
て、電圧を増加させていくときは、ベースバリア層１１
のトンネル確率がエミッタバリア層９よりも小さいため
にウェル層１０内に多くの電子が蓄積するようになる。

このため、エミッタバリア層９からベースバリア層１１
に至る領域（バリア領域）の伝導帯端の形状は上に凸と
なり、電圧印加による共鳴準位Ｅｑの低下は電子の蓄積
が無いときに予想される値よりも少なくなる。したがっ
て、電圧を上昇していくときに微分負性抵抗が現れる電
圧は、電子の蓄積が無いときに予想される電圧よりも高
電圧側に移動している。これに対し、電圧を下げていく
場合には、微分負性抵抗が現れる電圧は電子の蓄積が無
いときに予想される電圧とほぼ等しくなる。これは、共
鳴準位ＥＱがエミッタＮ８の伝導帯の底よりも低い状態
から出発するため、電流はほとんど流れず、またバリア
領域での電子の蓄積も少ないためである。このように、
エミッタ層８とベース層１２との間で構成されている非
対称構造の共鳴トンネルダイオードは真性のヒステリシ
スが存在する。

ｎ型クラッド層３とｐ型クラッドＮ５との間のレーザー
ダイオード構造を、共鳴トンネルダイオードに直列につ
ながった負荷とみなし、適当なカソード・アノード間電
圧■、を選べば、第３図に示すような特性を得ることが
できる。なお、第３図は、模式的な電流・電圧特性であ
り、非対称共鳴トンネルダイオード構造の電流・電圧特
性、およびこれに対するレーザーダイオード構造の負荷
特性を示したものである。これによれば、電流の大きな
高電流状態（発光が強い）と電流の小さな低電流状態（
発光が弱い）の２つの安定点が存在する。これらの状態
は安定に存在するが、電圧■。

を一定にしておいてもベース層１２の電位を一瞬でもヒ
ステリシスの外に持って行けば、状態を入れ換えること
ができる。したがって、ベース電極１３にパルス電圧を
印加することにより、発光強度の異なる２つの状態を実
現することができ、双安定動作とすることができる。

以上述べたように本発明の構造によれば、双安定動作が
非対称バリアを有する共鳴トンネルダイオード構造にお
ける真性の双安定性により実現されているため、レーザ
ーダイオード部分の設計を自由に選ぶことができる。こ
のため、発光波長の選択や高性能化が容易に行える。ま
た外部抵抗が必要でないため、高集積化も容易である。

次に、この本実施例により作成したデバイスめ製造方法
および構造の具体例について述べる。結晶成長法として
はＭ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｃｐ
ｉｔａｘｙ）を用い、ＧａＡｓ基板１上に厚さ０．５μ
ｍでドナー濃度が６×１０１１１ＣＩＩ＋−３のｎ−Ｇ
ａＡｓ電極引出し層２、厚さ０．２μｍでドナー濃度が
１×１０１１０ｌ８″のｎ−ＧａＡｓエミッタ層８、厚
さ３０人の１Ａ１ｏ、ｚＧａｏ、ｒＡＳエミッタバリア
Ｎ９、厚さ６０人の１−ＧａＡｓウェル層１０、厚さ５
０人のｉ−Ａ　Ｉ　０．２Ｇ　ａ　Ｏ，？Ａ　ｓベース
バリア層１１、厚さ０．２ｙｍでドナー濃度がＩ　ＸＩ
Ｏ”ｃｍ−’のｎ−ＧａＡｓベース層１２、厚さ０．１
μｍでドナー濃度が５Ｘ１０”ｃ’ｍ−’のｎ−Ａ１．
．３Ｇａａ、、Ａｓクラッド層３、厚さ０．５ｐｍでド
ナー濃度がＩ　ＸＩＯ”ｃｍ−’のｎ−ＧａＡｓ活性層
１４、厚さ０．１μｍでアクセプタ濃度が５　ＸＩＯ”
ｃｍ−’のｐ　　Ａ　ｌ　ｏ、　ｚＧ　ａ　００７Ａ　
Ｓクラッド層５を順次成長した。電極形成のためにベー
スＨ１２および電極引出しＮ２をエツチングにより露出
させた。カソード電極６およびベース電極１３はＡ　ｕ
　Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕを蒸着しアロイすることによって
形成した。また、アノード電極７はＡｕＺｎ／ＡＵを蒸
着しアロイすることによって形成した。このデバイスに
おいて７７にで明瞭なレーザー強度の双安定性が示され
た。

以上の実施例では、半導体材料としてＧａＡｓ／　Ａ　
Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系しか示さなかったが、ＩｎＧａＡ
ｓ／ＡＩ！Ｉ　ｎＡｓ／ＩｎＰ系、Ａ　Ｉ　Ｓ　ｂ　／
　Ｇ　ａｓｂ系などの半導体、その他の各種半導体でも
本発明が適用できることは明らかである。また、上に示
した材料はほぼ格子定数が一致している組合せであるが
、格子定数が異なって歪が入っている材料でもかまわな
い。発光部としてはレーザーダイオード構造しか示さな
かったが、発光ダイオード構造でもよい。さらに、層構
造としては共鳴トンネルダイオードの上に発光部を乗せ
たものだけでなく、その逆の構造になっているものでも
よい。

〔発明の効果〕

本発明の双安定の半導体発光装置により、発光部の高性
能化および高集積化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の模式的断面図、第２図は第
１図の実施例のバンド構造図、第３図はその電流・電圧
特性図、 第４図は従来の双安定発光装置の模式的断面図である。 １・・・・・基板 ２・・・・・電極引出し層 ３・・・・・ｎ型クラッド層 ４・・・・・多重量子井戸活性層 ５・・・・・ｐ型りラッド層 ６　・ ７　・ ８　・ ９　・ １０・ １１・ １２・ １３・ １４・ ｃ ｖ ｔ Ｑ カソード電極 アノード電極 エミッタ層 エミッタバリア層 ウェル層 ベースバリア層 ベース層 ベース電極 活性層 伝導帯端 価電子帯端 フヱルミ準位 共鳴準位 ＠　１　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ型の第１の半導体からなるエミッタ層と、第１
   の半導体より伝導帯エネルギーが高い第２の半導体から
   なり電子がトンネルできる厚さのエミッタバリア層と、
   第２の半導体より伝導帯エネルギーが低い第３の半導体
   からなり電子波長以下の厚さのウェル層と、第１の半導
   体より伝導帯エネルギーが高い第４の半導体からなりエ
   ミッタバリア層より電子のトンネル確率が低い厚さを有
   するベースバリア層と、ｎ型の第５の半導体からなるベ
   ース層と、ｎ型の第６の半導体からなるｎ型クラッド層
   と、第７の半導体からなり光を出す活性層と、ｐ型の第
   ８の半導体からなるｐ型クラッド層とを積層した構造を
   有することを特徴とする双安定発光装置。