JPH05167066A - 励起放出能力を有する新規な量子井戸スイッチング素子 - Google Patents

励起放出能力を有する新規な量子井戸スイッチング素子

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JPH05167066A
JPH05167066A JP4064663A JP6466392A JPH05167066A JP H05167066 A JPH05167066 A JP H05167066A JP 4064663 A JP4064663 A JP 4064663A JP 6466392 A JP6466392 A JP 6466392A JP H05167066 A JPH05167066 A JP H05167066A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 より高速なオプトエレクトロスイッチングの
可能性を有し、さらに良好なレーザ性能や顕著な負の差
動抵抗及び高感度を示す半導体−絶縁体−半導体構造の
ダイオードスイッチング素子を提供する。 【構成】 ＧａＡｓ基板１２上にバッファ層１４が形成
され、バッファ層１４の頂部にｎ型クラッド層１６が、
バッファ層の頂部上に未ドープｉ領域が設置される。こ
のｉ領域は二つの導波層１８，２６の間に設けられた量
子井戸バリア層２２で分離された第１及び第２量子井戸
層２０，２４を含むが、少くとも一つの量子井戸を含む
ことが要求される。ｉ領域の頂部には軽くドープされた
ｐ型クラッド層２８が設置され、その頂部に接続層３０
が設置される。さらに第１及び第２接続端子３６，３８
が設けられ２端子素子を与える。このダイオードは良好
なレーザ放出性や顕著な負の微分抵抗及び強力光感度を
有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体−絶縁体−半導体
（ＳＩＳ）構造ダイオードに関し、特に励起放出能力を
有する新規量子井戸オプトエレクトロスイッチング素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ波半導体素子は一般に高周波数
電磁波エネルギーの発生、増幅、検出及び制御に一般に
使用されている。しかしながら、比較的高い周波数では
従来の半導体素子の有用性は、高周波数効果によって厳
しく制限されている。シリコン以外のガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）又はインジウム燐の様なIII-Ｖ族化合物の使用
は著しい改善を与える。これは、これらの材料の電子の
移動度はシリコンよりも数倍高く、より低い直列抵抗を
もたらすためである。
【０００３】励起放出を呈する種々のオプトエレクトロ
スイッチング素子が開発されている。この様な素子は、
マイクロ波発生、高速度論理スイッチ、集積回路様の光
学的相互接続、光計算システム及びオプトエレクトロ集
積回路（ＯＥＩＣ）における潜在的な応用のために、魅
力的なものとなっている。二重バリヤー共鳴トンネルダ
イオードは、量子井戸（ＱＷ）レーザーと単一結晶とし
て一体化されており、光双安定素子を形成している。単
一量子井戸レーザーと組み合わさった二重ヘテロ接続構
造オプトエレクトロスイチッング（ＤＯＥＳ）素子及び
表面垂直伝播エレクトロホトニック（ＶＳＴＥＰ）素子
が、励起放出を達成するレーザーとして実証されてい
る。しかしながら、ｐｎ接合の存在のために、これらの
素子の効率及びパワーが制限されていることが分かっ
た。更に、オプトエレクトロスイッチング素子構造の多
くはＯＥＩＣと両立できない、従って、ＯＥＩＣに容易
には組み込むことができない。
【０００４】従って、より高速なオプトエレクトロスイ
ッチングの可能性を有するオプトエレクトロスイッチン
グ素子を得ることが望まれる。更に、良好なレーザー性
能、顕著な負微分抵抗及び強い感度を呈する素子を得る
ことが望まれる。更に、ＯＥＩＣ技術と互換性のある素
子を得ることが望まれる。
【０００５】
【発明の要約】本発明の教えに従って、ＳＩＳ構造ダイ
オードが提供される。このダイオードは頂部にバッファ
ー層が設置された基板を有する。ｎ型クラッド層は、バ
ッファー層の頂部に設置される。非ドープｉ領域がバッ
ファー層の頂部に設置されている。ｉ領域は、２つの導
波層間に設置された少なくとも一つの量子井戸を含む。
軽くドープされたｐ型クラッド層はｉ領域の頂部に設置
される。接続層は更にｏ型クラッド素子の頂部に設置さ
れる。
【０００６】
【実施例】図１に戻る。複数の作成層を有するガリウム
砒素（ＧａＡｓ）／ガリウムアルミニュウム砒素（Ｇａ
ＡｌＡｓ）半導体−絶縁体−半導体ＳＩＳ構造ダイオー
ド１０が示されている。ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩ
Ｓ構造ダイオード１０は、本質的に、室温でｓ型負微分
抵抗を呈し、高性能励起放出を行うオプトエレクトロス
イッチング素子である。この素子は２端子素子１０であ
ってもよいし、更に３端子素子としても構成することが
できる。素子は光学的及び／又は電気的にスイッチさ
れ、光又は電気的出力を発生する。この素子構造は従来
の分離監禁ヘテロ接合量子井戸レーザーと似ており、従
って容易にオプトエレクトロ集積回路と集積化すること
ができる。
【０００７】ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ構造ダイ
オード１０は基板１２を含む。基板１２は強くドープさ
れたｎ+ ＧａＡｓを含む。ｎ+ 型ＧａＡｓバッファー層
１４は基板１２の頂部に設置されている。バッファー層
１４は、約1.０マイクロメータ厚であり、６×１０18cm
-3の濃度のＳe ドーピングを含む。このバッファー層
１４は本質的に基板１２を平滑にする。ＧａＡｌＡｓク
ラッド層１６はバッファー層１４の頂部に設置される。
ｎ型クラッド層１６はＧａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓから形成さ
れ、４×１０18 cm -3の濃度のＳe ドーピングされた約
1.２マイクロメータ厚である。
【０００８】非ドープのｉ領域はクラッド層１６の頂部
上に設置されている。ｉ領域は非ドープＧａ0.8 Ａｌ
0.2 Ａｓからなる第１の導波層１８を含む。第１の導波
層１８は、励起放出に対するガイドを与え、約７００オ
ングストローム厚である。第１の非ドープＧａＡｓ量子
井戸２０が、第１の導波層１８の頂部に設置される。第
１の量子井戸２０は約７００オングストローム厚であ
る。ＧａＡｌＡｓ量子井戸バリヤー層２２は量子井戸２
０の頂部に設置される。量子井戸バリヤー層２２は約９
０オングストローム厚である。第２のＧａＡｓ量子井戸
２４は、量子井戸バリヤー層２２の頂部設置されてい
る。第２の井戸２４は約７０オングストローム厚であ
る。非ドープＧａ0.8 Ａｌ0.2 Ａｓからなる第２の導波
層２６が更に第２の量子井戸２４の頂部に設置される。
第２の導波層２６は約７００オングストローム厚であ
り、同様に励起放出に対するガイドを与える。
【０００９】図１に示されるｉ領域は、量子井戸バリア
ー層２２によって分離された第１及び第２の量子井戸層
２０及び２４を含んでいる。本発明のためには、ｉ領域
は少なくとも一つの量子井戸層を含んでいることのみが
要求される。一つのみの量子井戸が与えられる場合、量
子井戸バリアー層は必要とされない。しかしながら、２
以上の量子井戸層が含まれる場合、量子井戸層は量子井
戸バリアー層によって分離されることが必要とされる。
【００１０】ｉ領域の頂部にには、Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａ
ｓからなるｐ- 型ＧａＡｌＡｓクラッド層２８である。
ｐ- 型クラッド層２８は、５×１０15−１０16 cm -3の
濃度のＺn ドーピングで軽くドープされている。ｐ- 型
クラッド層２８は約1.２マイクロメーター厚さである。
ｐ- 型クラッド層２８は、励起放出を閉じ込め、ホール
に対するバリアーを構成し、ホールが、低バイアス状態
で再結合できない様にする。
【００１１】ｐ+ 型ＧａＡｓ接続層３０が、ｐ- 型クラ
ッド層２８の頂部に設置されている。ｐ型接続層３０は
約0.５ミクロン厚であり、Ｚn で強くドープされて、オ
ーミック接続により良好なトンネルオーミック接続を保
証する。ｐ型オーミック接続層３２は、ｐ型接続端子３
６を有する接続層３０の頂部に設置されて、外部素子と
の接続を可能としている。ｐ型オーミック接続層３２は
Ｔi −Ｐt −Ａｕの様な導電性材料を含む。これとは別
に、ｐ+ 型接続層３０及びＰ型オーミック接続層３２
は、ｎ+ 型接続及びオーミック接続層と置き換えること
ができる。同様に、ｎ型接続端子３８を有するｎ型オー
ミック接続層３４は、接続を外部接続に与えるために、
構造ダイオード１０の底部に設置される。ｎ型オーミッ
ク接続層３４はＮｉ−ＡｕＧｅ−Ｎｉ−Ａｕの様な導電
性材料を含む。
【００１２】一般的に、結果として得られるダイオード
構造１０は、本ＯＥＩＣと集積化することができる従来
の分離隔離ヘテロ結合量子井戸構造と類似する４つの層
ｎ+ −ｉ−ｐ- 構造である。このｎ+ −ｉ−ｐ- 構造
は、金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）形態のコンデンサ
ーと同様にして振る舞う、半導体−絶縁体−半導体（Ｓ
Ｉ）形態コンデンサーである。ｐ- −ｐ+ 構造はＧａＡ
ｓ／ＧａＡｌＡｓヘテロ接合である。従って、このダイ
オード構造素子は、ＳＩＳ及びｐ- −ｐ+ ＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｌＡｓヘテロ接合コンデンサーである２つの接合を
含む。ダイオードキ構造素子１０は、湿式化学エッチン
グ、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング
及び他の乾式エッチング技術の様な公知の従来技術によ
って製造することができる。
【００１３】図２は本発明の別の実施例に従うＧａＡｓ
／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ構造ダイオード１０’を図示し
ている。構造ダイオード１０’は、ダイオード構造１
０’が非ドープの半絶縁ＧａＡｓ基板１２’を含むこと
を除いて、図１で示されるダイオード構造１０と同じ手
法で製造又は構成される。半絶縁ＧａＡｓ基板１２’は
寄生容量を減少し、より高速な動作を与え、従ってより
高性能を与える。更に、ｎ型オーミック接続層３４は、
バッファー層１４の頂部に設置され、素子１０’の他の
層から分離されている。
【００１４】図３は、本発明の別の実施例に従う３端子
素子４０を示している。この３端子素子４０は、第３の
端子が加えられ、トランジスタとして知られる３端子素
子を形成することを除いて、図２に示される素子１０’
と同様の手法で構成される。別の第３の端子４２は、ｉ
領域の層内に注入されたＳi イオンを含む。第３の端子
４２はトランジスタ様のゲートを形成し、オーミック層
４４を介してイオン注入部に接続される。ｐ型接続層端
子３６は、３端子素子４０のエミッター端子を形成す
る。ｎ型接続端子３８は、３端子素子４０のｎ型接続コ
レクタを形成する。
【００１５】図１から３に、励起放出をもたらすオプト
エレクトロスイッチング素子が、図示されている。素子
は２つのダイオードとして構成された端子素子１０とし
て構成することができる。第３の端子に加えて、素子は
３端子素子として構成され、トランジスタを形成するこ
とができる。素子のスイッチング機構が、図４ａから４
ｃに示されるエネルギーバンド図によって示される。図
４ａは、熱均衡にあるエネルギーバンド図を図示してい
る。非ドープｉ領域の導電率が、逆バイアスされたｐ+
ＧａＡｓ／ｐ- ＧａＡｌＡｓ（ｐ+ ／ｐ- ）接続５２の
ものより大きい場合、印加電圧の多くがｐ+ ／ｐ- 接続
５２を横切って降下する。逆バイアス下の素子の電流対
電圧（Ｉ−Ｖ）特性は従って逆バイアスされたｐｎ接合
と同様に振る舞う。
【００１６】図４ｂは順バイアスを与えた結果を図示し
ている。順バイアスが増加する時、自由電子がｐ+ ／ｐ
- 接合５２を介してｐ- 領域から掃き出され、空乏層５
８が成長する。電子ホール対が空乏層５８内で発生され
る。これは電子がｐ+ ／ｐ- 接合５２を介して掃き出さ
れ、ホールが、ｐ- ＧａＡｌＡｓ／非ドープＧａＡｌＡ
ｓ（ｐ- ／ｉ）界面へ掃き出される。結果として、発生
されたホールは（ｐ- ／ｉ）界面５４に集積される。こ
れらの状態下で、ホールは、広帯域ギャップバリアーを
介して非ドープｉ領域には注入できない。更に、電子は
重大な電圧降下及び空乏領域５８及び非ドープｉ領域を
横切る大きな直列抵抗を結果するバリアーを介するトン
ネリングによって制限される。結果として、これらの領
域は従って電位の多くを吸収し、高電位、低電流、オフ
状態とは異なる電流の流れを与える。
【００１７】順バイアスが増加する時、ｐ+ ／ｐ- 接合
５２を流れるホール電流は（ｐ- ／ｉ）界面５４のホー
ルの凝集と共に増大する。ホールの凝集は、空乏領域５
８内の電子ホール対の熱及び又は光発生を促進する。こ
の凝集は、またｐ+ ／ｐ- 接合５２のパンチスルー、ｐ
- 層のアバランシェ、及び／又はｎ+ ／ｉ接合５６から
の初期電子トンネル電流によって生じる場合もある。ホ
ール凝集及びホール電流の増加はｎ型ＧａＡｌＡｓ／非
ドープＧａＡｌＡｓ（ｎ+ ／ｉ）接合５６を介する電子
電流の増加をもたらす。この増大電子電流はｐ+ ／ｐ-
接合５２へフィールドバックし、ｐ+ ／ｐ- 接合５２を
介して流れる電子及びホール電流を増大する。ｐ+ ／ｐ
- 接合５２を介して流れるホール電流は、空乏領域５８
内の発生電流よりも大きい時、内部電流ループ利得は、
１を越える。電流ループのフィードバックは従って正に
なり、再生スイッチングを増大する。この再生過程の結
果として、電圧が低下し、電流が増加する様なｓ型負微
分抵抗（ＮＤＲ）を素子が表示する。この状態におい
て、ｐ+／ｐ- 接合５２及びｎ+ ／ｉ接合５６は、図４
Ｃに示される様に強く順方向にバイアスされる。
【００１８】電圧が低下した直後、急速に増大された電
子及びホール電流が、ｉ領域の量子井戸５０に注入さ
れ、ここで、再結合し、瞬時及び／又は励起放出を与え
る。この再結合は内部電流利得を１以下に減少し、素子
は安定状態に到達する。１０4 Ｖ／ｍよりも大きい電場
に対して、ホールガスが加熱され、バリアーに渡って熱
電子的安定放出が発生される。しかしながら、量子井戸
はｉ領域に最小電位を有しているので、熱ホールは、高
電場領域から掃き出される替わりに量子井戸に注入さ
れ、更にｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層内で再結合され
る。この注入機構は、高電場による衝撃イオン化を防止
する。更に、量子井戸内の電子及びホールの再結合は、
クラッド層によって与えられる固有の波ガイドによっ
て、励起放出を発生する。
【００１９】図５は室温での素子の電流対電圧（Ｉ−
Ｖ）特性を示している。ＱＷがｉ領域に最小電位を有し
ているので、熱ホールは、高電場領域から掃き出されな
いでＱＷ内に注入され、ｎ−ＧａＡｌＡｓ内で再結合す
る。電子及びホールはＱＷ内で再結合するので、クラッ
ド素子によって与えられる固有の波ガイドで、励起放出
が発生する。
【００２０】図６は素子の出力パワー対電流を図示して
いる。６００ミリアンペアの閾値、６７パーセントの差
動量子効率及びファセット当たり５０ミリワットを越え
るパワーが、疑似連続波状態下で得ることができる。こ
れは、励起放出を呈するオプトエレクトロスイッチング
素子に対して電力、差動量子効率及び閾値に関して、最
高の性能を与える。図３に対して測定された素子の電力
は、ファセット当たり５０ミリワットよりも低かった。
しかしながら、素子が完全に最適化される時、素子は、
より改良された閾値電流密度、差動量子効率及び出力電
力を与えることができる。
【００２１】ここで記述されたスイッチング素子は２又
は３端子素子を結果する。素子は、高速オプトエレクト
ロスイッチングを与え、励起放出を生じる。以上から、
本発明は、使用者が励起放出を有するダイオード構造を
有するオフトエレクトロスイッチ素子を得ることを可能
とする。従って、本発明は、特定の実施例と関連して記
述されたが、特許請求の範囲によって定義されたこと以
外は制限は意図されていない。当業者は、明細書及び図
面を研究することにより本発明の精神から離れること無
しに他の改良を行うことができることが理解されるため
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ
構造ダイオードの概略断面図、
【図２】本発明の別の実施例に従うＧａＡｓ／ＧａＡｌ
Ａｓ ＳＩＳ構造ダイオードの概略断面図、
【図３】本発明の別の実施例に従う３端子ＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｌＡｓ ＳＩＳ構造素子の概略断面図、
【図４】本発明に従うＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ
構造素子のエネルギー変化を図示するエネルギーバンド
図、
【図５】本発明は従うＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ
構造素子の電流対電圧特性を示す図、
【図６】本発明に従うＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ
構造素子の出力パワー対電流を示すグラフ。
【符号の説明】
１０ ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ ＳＩＳ構造ダイオード １２ 基板 １４ バッファー層 １６ クラッド層 １８ 第１の導波層 ２０ 第１の量子井戸 ２２ 量子井戸バリヤー層 ２４ 第２の量子井戸 ２６ 第２の導波層 ２８ クラッド層 ３０ 接触層 ３２，３４ オーミック接触層 ３６ 接続端子

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】オプトエレクトロスイッチングを提供する
    ための構造ダイオード素子であり、この素子が、 基板、 前記基板の上に設置されたバッファー層、 前記バッファー層の頂部に設置されたｎ型クラッド層、 から成り、更に、 前記ｎ型クラッド層の頂部に設置された少なくとも一つ
    の量子井戸を有するドープされていないｉ型領域を有
    し、このｉ型領域が、更に前記量子井戸の下に位置する
    第１の導波層及び前記量子井戸の頂部に設置された第２
    の導波路を含む、前記ｉ型領域、 前記ｉ型領域の頂部に設置されたｐ型クラッド層であ
    り、このｐ型クラッド層は軽くドープされて、ホールに
    対するバリアーを形成しているｐ型クラッド層、及び前
    記ｐ型クラッド層の頂部に設置された接続層を有するこ
    とを特徴とする構造ダイオード素子。
  2. 【請求項２】前記ｉ領域が、更に前記量子井戸の下に位
    置する第１の導波層、及び前記量子井戸の頂部に設置さ
    れた第２の導波層を更に含む請求項１記載の素子。
  3. 【請求項３】前記ＧａＡｓ接続層の頂部に設置される第
    １のオーミック接続層を更に含む請求項２記載の素子。
  4. 【請求項４】前記１のオーミック接続層に接続する第１
    の接続端子、及び前記第２のオーミック接続層に接続す
    る第２の接続端子を更に含む請求項３記載の素子。
  5. 【請求項５】前記ｉ領域が、複数の量子井戸とこの間に
    位置するバリアー層を含む請求項２記載の素子。
  6. 【請求項６】前記接続層がｐ+ 型ＧａＡｓを含む請求項
    ４記載の素子。
  7. 【請求項７】前記接続層がｎ+ 型ＧａＡｓを含む請求項
    ４記載の素子。
  8. 【請求項８】光学的又は電気的バイアス信号を受信する
    ための入力手段を有するオプトエレクトロスイッチング
    素子であり、この素子が、 バイアス入力信号が所定の電圧以下の時にバリアーを形
    成し、バイアス信号が所定の電圧以上の場合に励起放出
    を与える空乏層を与える手段を含むオプトエレクトロス
    イッチング素子。
JP4064663A 1991-09-06 1992-03-23 オプトエレクトロニクスイッチング能を有する半導体ダイオード素子 Expired - Lifetime JPH07118566B2 (ja)

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