JPH06160784A - 半導体デバイス - Google Patents
半導体デバイスInfo
- Publication number
- JPH06160784A JPH06160784A JP4307000A JP30700092A JPH06160784A JP H06160784 A JPH06160784 A JP H06160784A JP 4307000 A JP4307000 A JP 4307000A JP 30700092 A JP30700092 A JP 30700092A JP H06160784 A JPH06160784 A JP H06160784A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- quantum well
- subband
- layer
- well layer
- transition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高速応答性のサブバンド間遷移を利用して振
動子強度を高めることのできる半導体デバイスを提供す
る。 【構成】 量子井戸層に形成されるサブバンドレベルの
うち、第二サブバンドレベル以上にキャリアが蓄積され
るに程度にまで、量子井戸層および障壁層の少なくとも
一方に不純物が高濃度に添加されている。
動子強度を高めることのできる半導体デバイスを提供す
る。 【構成】 量子井戸層に形成されるサブバンドレベルの
うち、第二サブバンドレベル以上にキャリアが蓄積され
るに程度にまで、量子井戸層および障壁層の少なくとも
一方に不純物が高濃度に添加されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスに関し、
より詳細には、光通信あるいは光情報処理の分野におい
て利用される超高速光変調器，高速応答光検出器，光非
線形素子等に適用することのできる半導体デバイスに関
するものである。
より詳細には、光通信あるいは光情報処理の分野におい
て利用される超高速光変調器，高速応答光検出器，光非
線形素子等に適用することのできる半導体デバイスに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体検出器，光変調器に用いら
れる素子は、価電子帯と伝導帯間の電子あるいはそれに
関係する励起子等の遷移を利用してきた。この素子で
は、最終的に電子と正孔との再結合を伴う場合が多く、
このことが素子の応答速度を決定する一つの要因となっ
ていた。また、利用可能な光の波長は、材料固有の定数
である禁制帯幅によって決定されることが多い。超格子
を利用した素子の場合は、その構造を制御することによ
って若干波長を調整することができるが、量子井戸層と
なる半導体の禁制帯幅によって決定される波長よりも長
い波長を実現することは原理的に不可能であった。
れる素子は、価電子帯と伝導帯間の電子あるいはそれに
関係する励起子等の遷移を利用してきた。この素子で
は、最終的に電子と正孔との再結合を伴う場合が多く、
このことが素子の応答速度を決定する一つの要因となっ
ていた。また、利用可能な光の波長は、材料固有の定数
である禁制帯幅によって決定されることが多い。超格子
を利用した素子の場合は、その構造を制御することによ
って若干波長を調整することができるが、量子井戸層と
なる半導体の禁制帯幅によって決定される波長よりも長
い波長を実現することは原理的に不可能であった。
【０００３】このような状況の下で、量子井戸層の伝導
帯内に形成される第一サブバンド（基底サブバンドとも
呼ばれる）と第二サブバンド（第一励起サブバンドとも
呼ばれる）との間のサブバンド間遷移を利用する光素子
が提案されている（Ｌ．Ｃ．Ｗｅｓｔ ａｎｄ Ｓ．
Ｊ．Ｅｇｌａｓｈ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，
ｖｏｌ．４６，ｐｐ．１１５６〜１１５８（１９８
５））。このサブバンド間遷移は、ピコ秒以下の超高速
緩和過程を有することから、超高速光素子への応用が期
待されている。また、動作可能な波長も１０μｍ以上の
遠赤外領域まで広げられる利点がある。
帯内に形成される第一サブバンド（基底サブバンドとも
呼ばれる）と第二サブバンド（第一励起サブバンドとも
呼ばれる）との間のサブバンド間遷移を利用する光素子
が提案されている（Ｌ．Ｃ．Ｗｅｓｔ ａｎｄ Ｓ．
Ｊ．Ｅｇｌａｓｈ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，
ｖｏｌ．４６，ｐｐ．１１５６〜１１５８（１９８
５））。このサブバンド間遷移は、ピコ秒以下の超高速
緩和過程を有することから、超高速光素子への応用が期
待されている。また、動作可能な波長も１０μｍ以上の
遠赤外領域まで広げられる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学遷
移における振動子強度は素子を応用するに当たり重要な
性質であって、この振動子強度は大きければ大きいほど
素子の性能は向上する。例えば、光検出器においては振
動子強度が大きくなることによって感度は向上し、また
素子長も短くすることができる。その結果、素子の高速
応答性を期待することができる。
移における振動子強度は素子を応用するに当たり重要な
性質であって、この振動子強度は大きければ大きいほど
素子の性能は向上する。例えば、光検出器においては振
動子強度が大きくなることによって感度は向上し、また
素子長も短くすることができる。その結果、素子の高速
応答性を期待することができる。
【０００５】また、非線形素子においては、振動子強度
が増大することにより、制御光の強度が小さくても動作
させることができる。従って、サブバンド間の吸収にお
ける原理的な高速性に加えて、光学的遷移における強度
を増大することができれば、極めて高速性の光素子を実
現することができる。しかるに、第一サブバンドと第二
サブバンドとの間の従来のサブバンド間の遷移では、あ
る程度の大きさの振動子強度を実現することができる
が、バンド間の吸収に比較して数分の一程度と小さかっ
た。
が増大することにより、制御光の強度が小さくても動作
させることができる。従って、サブバンド間の吸収にお
ける原理的な高速性に加えて、光学的遷移における強度
を増大することができれば、極めて高速性の光素子を実
現することができる。しかるに、第一サブバンドと第二
サブバンドとの間の従来のサブバンド間の遷移では、あ
る程度の大きさの振動子強度を実現することができる
が、バンド間の吸収に比較して数分の一程度と小さかっ
た。
【０００６】そこで、本発明の目的は、上述した問題点
を解消し、高速応答性のサブバンド間遷移を利用して、
振動子強度を高めることのできる半導体デバイスを提供
することにある。
を解消し、高速応答性のサブバンド間遷移を利用して、
振動子強度を高めることのできる半導体デバイスを提供
することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の半導体デバイスは、量子井戸層と障
壁層とを有する半導体デバイスにおいて、前記量子井戸
層に形成されるサブバンドレベルのうち、第二サブバン
ドレベル以上にキャリアが蓄積される程度にまで、前記
量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に不純物
が高純度に添加されている超格子構造を有することを特
徴とする。
るために、本発明の半導体デバイスは、量子井戸層と障
壁層とを有する半導体デバイスにおいて、前記量子井戸
層に形成されるサブバンドレベルのうち、第二サブバン
ドレベル以上にキャリアが蓄積される程度にまで、前記
量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に不純物
が高純度に添加されている超格子構造を有することを特
徴とする。
【０００８】
【作用】本発明の半導体デバイスにおいてサブバンド間
遷移の振動子強度が増大することを以下に示す。
遷移の振動子強度が増大することを以下に示す。
【０００９】図１は、７０周期のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）における吸収スペクト
ルを示す特性図である。ここで、特性図のデータはＩｎ
ＡｌＡｓの障壁層の幅Ｌｂ＝６８Åに設定し、ＩｎＧａ
Ａｓの井戸幅Ｌｚを変化させた時の実験値を表す。ここ
で、ＩｎＧａＡｓには不純物としてｎ＝１．５×１０18
ｃｍ-3のＳｉがドープされている。このスペクトルの積
分強度からサブバンド間吸収の振動子強度を見積ること
ができる。
ｌＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）における吸収スペクト
ルを示す特性図である。ここで、特性図のデータはＩｎ
ＡｌＡｓの障壁層の幅Ｌｂ＝６８Åに設定し、ＩｎＧａ
Ａｓの井戸幅Ｌｚを変化させた時の実験値を表す。ここ
で、ＩｎＧａＡｓには不純物としてｎ＝１．５×１０18
ｃｍ-3のＳｉがドープされている。このスペクトルの積
分強度からサブバンド間吸収の振動子強度を見積ること
ができる。
【００１０】図２に、量子井戸幅に対する量子準位とフ
ェルミ準位の計算結果を示す。
ェルミ準位の計算結果を示す。
【００１１】図２の中で、キャリア濃度ｎ＝１．５×１
０18ｃｍ-3である場合に電子が蓄積されている部分を斜
線で表わせば、Ｌｚ＝１００Å以上の井戸幅では第二サ
ブバンドＥ2 まで電子が蓄積されているのが解る。従っ
て、Ｌｚ＝１００Åまでは従来の第一サブバンドから第
二サブバンドへのＥ21遷移であり、Ｌｚ＝１００Å以上
の井戸幅では第二サブバンドから第三サブバンドへのＥ
32遷移、あるいは、Ｅ32遷移以上の高次のサブバンド間
遷移を実現することができる。なお、本例においてはＩ
ｎＧａＡｓ量子井戸層に不純物としてＳｉをドープした
が、障壁層にＳｉをドープしても量子井戸層のサブバン
ドにキャリアが移動して量子井戸層にキャリアを蓄積す
ることができる。また、量子井戸層と障壁層の両層にＳ
ｉをドープしても同様の効果が得られる。
０18ｃｍ-3である場合に電子が蓄積されている部分を斜
線で表わせば、Ｌｚ＝１００Å以上の井戸幅では第二サ
ブバンドＥ2 まで電子が蓄積されているのが解る。従っ
て、Ｌｚ＝１００Åまでは従来の第一サブバンドから第
二サブバンドへのＥ21遷移であり、Ｌｚ＝１００Å以上
の井戸幅では第二サブバンドから第三サブバンドへのＥ
32遷移、あるいは、Ｅ32遷移以上の高次のサブバンド間
遷移を実現することができる。なお、本例においてはＩ
ｎＧａＡｓ量子井戸層に不純物としてＳｉをドープした
が、障壁層にＳｉをドープしても量子井戸層のサブバン
ドにキャリアが移動して量子井戸層にキャリアを蓄積す
ることができる。また、量子井戸層と障壁層の両層にＳ
ｉをドープしても同様の効果が得られる。
【００１２】図３は、従来のＥ21遷移と本発明のＥ32に
おいて、振動子強度と井戸幅との関係を示す特性図であ
る。
おいて、振動子強度と井戸幅との関係を示す特性図であ
る。
【００１３】図３より、本発明のＥ32遷移の振動子強度
は従来のＥ21遷移と比較して２倍ほど大きい。従って、
このＥ32遷移を用いれば、サブバンド間遷移を利用した
従来の素子の性能を向上させることができる。
は従来のＥ21遷移と比較して２倍ほど大きい。従って、
このＥ32遷移を用いれば、サブバンド間遷移を利用した
従来の素子の性能を向上させることができる。
【００１４】ところで、図２に示した計算結果は、同じ
キャリア濃度に対して井戸幅Ｌｚを増加させることによ
って、第二サブバンドに電子を蓄積することができるこ
とを示している。逆に、一定の井戸幅Ｌｚに対して、不
純物であるＳｉの濃度を増加させても第二サブバンドに
電子を蓄積させることができる。このように、第二サブ
バンドまで電子を蓄積させるためには、井戸幅とキャリ
ア濃度との相対関係により決定される。今、量子井戸と
して無限の深さを有する矩形の量子井戸とすれば、この
相対関係は以下のようにして求めることができる。
キャリア濃度に対して井戸幅Ｌｚを増加させることによ
って、第二サブバンドに電子を蓄積することができるこ
とを示している。逆に、一定の井戸幅Ｌｚに対して、不
純物であるＳｉの濃度を増加させても第二サブバンドに
電子を蓄積させることができる。このように、第二サブ
バンドまで電子を蓄積させるためには、井戸幅とキャリ
ア濃度との相対関係により決定される。今、量子井戸と
して無限の深さを有する矩形の量子井戸とすれば、この
相対関係は以下のようにして求めることができる。
【００１５】
【数１】
【００１６】ここで、Ｎｓは量子井戸の一層当たりのシ
ートキャリア濃度である。実際の量子井戸の深さは有限
であるので、直接にはこの関係式を適応することができ
ないが、一つの目安となる。
ートキャリア濃度である。実際の量子井戸の深さは有限
であるので、直接にはこの関係式を適応することができ
ないが、一つの目安となる。
【００１７】
【実施例】以下、図面を参照してＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓを例にとり本発明の実施例を詳細に説明する。
ｌＡｓを例にとり本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１８】図４は本発明を適用した光検出器の斜視図
である。
である。
【００１９】図４において、１はｎ型ＩｎＰ基板、２は
ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層、３はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
ＡｓのＭＱＷ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層である。
ここで、ＭＱＷ層は井戸幅が１３０ÅのＩｎＧａＡｓと
障壁層幅が１００ÅのＩｎＡｌＡｓであって、井戸層は
３０周期である。なお、ＭＱＷのシートキャリア濃度は
１×１０13ｃｍ-2であり、第二サブバンドまで電子が蓄
積されている。また、この井戸幅では吸収ピークの波長
は１０μｍ前後にある。この素子の基本構造は、従来の
光検出器とほとんど同じである。しかし、従来の光検出
器ではＥ21遷移を利用するため、シートキャリア濃度を
１×１０12ｃｍ-2として、吸収波長を１０μｍに設定し
たため井戸幅は１００Å程度であった。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層、３はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
ＡｓのＭＱＷ層、４はｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層である。
ここで、ＭＱＷ層は井戸幅が１３０ÅのＩｎＧａＡｓと
障壁層幅が１００ÅのＩｎＡｌＡｓであって、井戸層は
３０周期である。なお、ＭＱＷのシートキャリア濃度は
１×１０13ｃｍ-2であり、第二サブバンドまで電子が蓄
積されている。また、この井戸幅では吸収ピークの波長
は１０μｍ前後にある。この素子の基本構造は、従来の
光検出器とほとんど同じである。しかし、従来の光検出
器ではＥ21遷移を利用するため、シートキャリア濃度を
１×１０12ｃｍ-2として、吸収波長を１０μｍに設定し
たため井戸幅は１００Å程度であった。
【００２０】図５は、本発明と従来の光検出器の吸収電
流スペクトルを示す特性図である。図５において、
（ａ）は本発明の光検出器の吸収電流スペクトルであ
り、（ｂ）は従来の光検出器の吸収電流スペクトルであ
る。
流スペクトルを示す特性図である。図５において、
（ａ）は本発明の光検出器の吸収電流スペクトルであ
り、（ｂ）は従来の光検出器の吸収電流スペクトルであ
る。
【００２１】図５から解るように、本発明の光検出器の
吸収電流は従来の光検出器の２倍の吸収電流となってい
る。これは、Ｅ32遷移の振動子強度が増強された結果で
あることは明らかである。なお、感度および雑音に関し
ても改善が認められた。
吸収電流は従来の光検出器の２倍の吸収電流となってい
る。これは、Ｅ32遷移の振動子強度が増強された結果で
あることは明らかである。なお、感度および雑音に関し
ても改善が認められた。
【００２２】本発明の実施例では、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＡｌＡｓ材料で説明したが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ，
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ，ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，Ｇａ
Ｓｂ／ＡｌＧａＳｂ，ＩｎＡｓ／ＡｌＧＡＳｂ，ＧａＰ
／ＡｌＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそ
の混晶、あるいはＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＨｇＣｄＴｅなど
のＩＩ−ＶＩ族半導体とその混晶、ＳｉＯ2 ／Ｓｉなど
の半導体／誘電体、ＧａＡｓ／Ａｌなどの半導体／金属
の組合せでも実現可能である。また、実施例では多重量
子井戸で説明したが、単一量子井戸，ヘテロ構造でも実
現可能である。さらに、素子の実施例としては、サブバ
ンド間吸収の光検出器を取り上げたが、高速光変調器，
光非線形素子にも適用可能なことは言うまでもない。
ＡｌＡｓ材料で説明したが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ，
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ，ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，Ｇａ
Ｓｂ／ＡｌＧａＳｂ，ＩｎＡｓ／ＡｌＧＡＳｂ，ＧａＰ
／ＡｌＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそ
の混晶、あるいはＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＨｇＣｄＴｅなど
のＩＩ−ＶＩ族半導体とその混晶、ＳｉＯ2 ／Ｓｉなど
の半導体／誘電体、ＧａＡｓ／Ａｌなどの半導体／金属
の組合せでも実現可能である。また、実施例では多重量
子井戸で説明したが、単一量子井戸，ヘテロ構造でも実
現可能である。さらに、素子の実施例としては、サブバ
ンド間吸収の光検出器を取り上げたが、高速光変調器，
光非線形素子にも適用可能なことは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
量子井戸層に形成されるサブバンドレベルのうち、第二
サブバンドレベル以上で量子井戸層にキャリアが蓄積さ
れる程度にまで、量子井戸層または障壁層の少なくとも
一方に不純物が高濃度に添加されているので、振動子強
度を高めることができる。従って、光検出器，光変調
器，光非線形素子の感度が上昇し、素子長も短くするこ
とができ、素子の応答速度を高めることができる。
量子井戸層に形成されるサブバンドレベルのうち、第二
サブバンドレベル以上で量子井戸層にキャリアが蓄積さ
れる程度にまで、量子井戸層または障壁層の少なくとも
一方に不純物が高濃度に添加されているので、振動子強
度を高めることができる。従って、光検出器，光変調
器，光非線形素子の感度が上昇し、素子長も短くするこ
とができ、素子の応答速度を高めることができる。
【図１】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓのＭＱＷ層におけ
るサブバンド間の吸収スペクトルを示す特性図である。
るサブバンド間の吸収スペクトルを示す特性図である。
【図２】量子準位とフェルミ準位との関係を示す特性図
である。
である。
【図３】Ｅ21遷移とＥ32遷移の振動子強度を示す特性図
である。
である。
【図４】本発明を適用した光検出器の斜視図である。
【図５】本発明の光検出器と従来の光検出器の吸収電流
スペクトルを示す特性図である。
スペクトルを示す特性図である。
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層 ３ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓのＭＱＷ層 ４ ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極層
Claims (1)
- 【請求項１】 量子井戸層と障壁層とを有する半導体デ
バイスにおいて、 前記量子井戸層に形成されるサブバンドレベルのうち、
第二サブバンドレベル以上にキャリアが蓄積される程度
にまで、前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも
一方に不純物が高純度に添加されている超格子構造を有
することを特徴とする半導体デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4307000A JPH06160784A (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4307000A JPH06160784A (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06160784A true JPH06160784A (ja) | 1994-06-07 |
Family
ID=17963813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4307000A Pending JPH06160784A (ja) | 1992-11-17 | 1992-11-17 | 半導体デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06160784A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009544061A (ja) * | 2006-07-18 | 2009-12-10 | レイセオン カンパニー | 光ディジタル・アナログ変換器 |
| JP2011191066A (ja) * | 2010-03-11 | 2011-09-29 | Denso Corp | 温度センサ及び温度センサの製造方法 |
-
1992
- 1992-11-17 JP JP4307000A patent/JPH06160784A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009544061A (ja) * | 2006-07-18 | 2009-12-10 | レイセオン カンパニー | 光ディジタル・アナログ変換器 |
| JP2011191066A (ja) * | 2010-03-11 | 2011-09-29 | Denso Corp | 温度センサ及び温度センサの製造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| GB2285172A (en) | Semiconductor laser device | |
| JP3362356B2 (ja) | 光半導体装置 | |
| JP2937404B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
| US5121181A (en) | Resonant tunneling photodetector for long wavelength applications | |
| JPH0728047B2 (ja) | 光トランジスタ | |
| JPH06350123A (ja) | 組成変調アバランシ・フォトダイオード | |
| US5432361A (en) | Low noise avalanche photodiode having an avalanche multiplication layer of InAlAs/InGaAlAs | |
| JP2588493B2 (ja) | 光・電子デバイスを有する装置 | |
| Döhler | The physics and applications of nipi doping superlattices | |
| JPH05211344A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| US5644587A (en) | Semiconductor laser device | |
| JP2672371B2 (ja) | 光通信変調装置 | |
| JP2590817B2 (ja) | ホトデイテクタ | |
| JPH06160784A (ja) | 半導体デバイス | |
| US4755860A (en) | Avalanche photodetector | |
| US5035479A (en) | Device for optical signal processing showing transistor operation | |
| JPH0834338B2 (ja) | 半導体レーザ | |
| JPH0862554A (ja) | 半導体光変調器 | |
| JPH051629B2 (ja) | ||
| Sealy | Review of III-V semiconductor materials and devices | |
| JPH06188449A (ja) | Ｍｓｍ型受光素子 | |
| EP0380939B1 (en) | Resonant tunneling photodetector for long wavelength applications | |
| JP3307695B2 (ja) | 量子井戸型発光素子 | |
| EP0385638A2 (en) | Semiconductor superlattice self-electrooptic effect device | |
| JP2962869B2 (ja) | 光半導体装置 |