JPH0743490B2 - 半導体デバイス - Google Patents
半導体デバイスInfo
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- JPH0743490B2 JPH0743490B2 JP2035063A JP3506390A JPH0743490B2 JP H0743490 B2 JPH0743490 B2 JP H0743490B2 JP 2035063 A JP2035063 A JP 2035063A JP 3506390 A JP3506390 A JP 3506390A JP H0743490 B2 JPH0743490 B2 JP H0743490B2
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Classifications
-
- 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
- H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
- G02F3/02—Optical bistable devices
- G02F3/028—Optical bistable devices based on self electro-optic effect devices [SEED]
-
- 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
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- H10F77/12—Active materials
- H10F77/124—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
- H10F77/1248—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP
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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、光双安定（OB）デバイスに関し、特に、自己
電気−光学効果（SEED:self-electrooptic-effect）デ
バイスとして既知である形式のOBデバイスに関する。
電気−光学効果（SEED:self-electrooptic-effect）デ
バイスとして既知である形式のOBデバイスに関する。
［従来技術の説明］ 初期の段階においては、計算及びスイッチング等のアプ
リケーションに適したOBデバイスは、高いフィネス値
（finesse）を有するファブリー・ペロー（Fabry-Pero
t;FP）共振器に組入れられた光可飽和吸収体に基づくも
のであった。その後、スイッチングに対して必要とされ
る光エネルギーを著しく低減させた、自己電気−光学効
果デバイス（SEED）として知られるOBデバイスが発明さ
れた（米国特許第4,546,244号参照）。SEEDデバイス
は、吸収係数が光励起が増大するにつれて増加するよう
な半導体材料を用いる結果、光双安定性を示す。
リケーションに適したOBデバイスは、高いフィネス値
（finesse）を有するファブリー・ペロー（Fabry-Pero
t;FP）共振器に組入れられた光可飽和吸収体に基づくも
のであった。その後、スイッチングに対して必要とされ
る光エネルギーを著しく低減させた、自己電気−光学効
果デバイス（SEED）として知られるOBデバイスが発明さ
れた（米国特許第4,546,244号参照）。SEEDデバイス
は、吸収係数が光励起が増大するにつれて増加するよう
な半導体材料を用いる結果、光双安定性を示す。
前掲の米国特許第4,546,244号に記載されているOBSEED
デバイスは、真性領域に多重量子井戸（MQW）を含むｐ
−ｉ−ｎダイオード、電気的／電子的負荷及び、バイア
ス電源とが相互接続されたものよりなる。一般には、当
該ダイオードは、電源と負荷とによるフィードバックル
ープに組込まれ、逆方向にバイアスされている。
デバイスは、真性領域に多重量子井戸（MQW）を含むｐ
−ｉ−ｎダイオード、電気的／電子的負荷及び、バイア
ス電源とが相互接続されたものよりなる。一般には、当
該ダイオードは、電源と負荷とによるフィードバックル
ープに組込まれ、逆方向にバイアスされている。
SEEDデバイスに垂直に印加された電界は、量子閉じ込め
シュタルク（Stark）効果（QCSE）のために、MQWによる
電界誘起光吸収を引き起こす。この電界誘起光吸収によ
る効果は、励起子共鳴ピークを含むMQWの吸収帯端を低
エネルギー側、すなわち長波長側にシフトすることであ
る。電界印加時に吸収帯端が低光子エネルギー側、すな
わち、光のスペクトルの赤い領域側へシフトする結果、
励起子共鳴ピーク波長におけるMQWの透過率は、吸収が
減少するため、およそ50％ほど微分的に変化する。一般
に、当該デバイスの高透過及び低透過状態の間に観測さ
れるコントラスト比は、スイッチング、変調その他に用
いられるデバイスの作製を可能にするのに充分なもので
ある（米国特許第4,525,687号参照）。
シュタルク（Stark）効果（QCSE）のために、MQWによる
電界誘起光吸収を引き起こす。この電界誘起光吸収によ
る効果は、励起子共鳴ピークを含むMQWの吸収帯端を低
エネルギー側、すなわち長波長側にシフトすることであ
る。電界印加時に吸収帯端が低光子エネルギー側、すな
わち、光のスペクトルの赤い領域側へシフトする結果、
励起子共鳴ピーク波長におけるMQWの透過率は、吸収が
減少するため、およそ50％ほど微分的に変化する。一般
に、当該デバイスの高透過及び低透過状態の間に観測さ
れるコントラスト比は、スイッチング、変調その他に用
いられるデバイスの作製を可能にするのに充分なもので
ある（米国特許第4,525,687号参照）。
SEEDデバイスに入射する光の強度が低い場合には、わず
かの光電流しか生成されず、その結果、ｐ−ｉ−ｎダイ
オードの両端での電圧降下は大きい。当該デバイスへの
入射光の波長は、入射光を最大限吸収するように、電界
が印加されていない場合の励起子共鳴ピークに実質的に
一致するように選択されている。その後、当該デバイス
に入射する光の強度を増加させると、MQW内の光電流が
増加し、その結果、SEEDデバイスの両端での電圧降下が
減少する。SEEDデバイスの特徴は、その両端での電圧差
が減少した場合の励起子共鳴ピークが低光子エネルギー
側へシフトすることによる、吸収の増加である。吸収が
さらに増加すると光電流が増加し、その結果、当該デバ
イスは低透過状態へとスイッチされる。
かの光電流しか生成されず、その結果、ｐ−ｉ−ｎダイ
オードの両端での電圧降下は大きい。当該デバイスへの
入射光の波長は、入射光を最大限吸収するように、電界
が印加されていない場合の励起子共鳴ピークに実質的に
一致するように選択されている。その後、当該デバイス
に入射する光の強度を増加させると、MQW内の光電流が
増加し、その結果、SEEDデバイスの両端での電圧降下が
減少する。SEEDデバイスの特徴は、その両端での電圧差
が減少した場合の励起子共鳴ピークが低光子エネルギー
側へシフトすることによる、吸収の増加である。吸収が
さらに増加すると光電流が増加し、その結果、当該デバ
イスは低透過状態へとスイッチされる。
上述されたデバイスは、電界印加時に希望する量の吸収
帯端シフトを生じさせる、対称的な量子井戸を有する量
子井戸領域によって特徴づけられている。最近の米国出
願第298,591号においては、非対称量子井戸を利用したS
EEDデバイスが、吸収帯端が従来技術に係るもののよう
に低光子エネルギー側へ“赤方向偏移”するのではな
く、高光子エネルギー側へ“青方向偏移”するようなタ
イプの双安定性を生ずることが示されている。非対称量
子井戸を用いたSEEDにおいては、量子井戸（QW）の各々
の端での非対称波動関数閉じ込めに由来する非対称電子
特性が、印加電界の増大に応じた“青方向偏移”を生ず
る。
帯端シフトを生じさせる、対称的な量子井戸を有する量
子井戸領域によって特徴づけられている。最近の米国出
願第298,591号においては、非対称量子井戸を利用したS
EEDデバイスが、吸収帯端が従来技術に係るもののよう
に低光子エネルギー側へ“赤方向偏移”するのではな
く、高光子エネルギー側へ“青方向偏移”するようなタ
イプの双安定性を生ずることが示されている。非対称量
子井戸を用いたSEEDにおいては、量子井戸（QW）の各々
の端での非対称波動関数閉じ込めに由来する非対称電子
特性が、印加電界の増大に応じた“青方向偏移”を生ず
る。
上述の全てのSEEDデバイスにおいては、フィネスの高い
ファブリー・ペロー共振器を必要とすることなく数10ナ
ノ秒領域のスイッチングスピードを達成することが可能
である。これらのデバイスにおいては、スイッチングス
ピードは、一部、ホール（正孔）が蓄積することによる
空間電荷生成が、MQW層に垂直な方向のキャリアの移動
度を制限することにより制限される。数10ナノ秒未満の
スイッチングスピードは、文献には報告されていない。
このようなスイッチング速度はSEEDデバイスの低損失、
低スイッチングエネルギー及び通信に対する応用におい
て必要とされている。
ファブリー・ペロー共振器を必要とすることなく数10ナ
ノ秒領域のスイッチングスピードを達成することが可能
である。これらのデバイスにおいては、スイッチングス
ピードは、一部、ホール（正孔）が蓄積することによる
空間電荷生成が、MQW層に垂直な方向のキャリアの移動
度を制限することにより制限される。数10ナノ秒未満の
スイッチングスピードは、文献には報告されていない。
このようなスイッチング速度はSEEDデバイスの低損失、
低スイッチングエネルギー及び通信に対する応用におい
て必要とされている。
スイッチング速度は重要な問題であるが、従来技術に係
る“赤方向偏移”型SEEDデバイスが波長に対して敏感で
あることを看過してはならない。即ち、これらのデバイ
スは、入射光の波長に関して、動作可能なスペクトル範
囲が狭い。この狭動作スペクトル範囲は、デバイスに入
射する光の波長が、実質的に励起子共鳴ピークの波長に
一致していなければならない、という条件によるもので
ある。それゆえ、実際には、“赤方向偏移”型SEEDの励
起子共鳴ピークの波長を同調、即ちシフトされて入射光
の波長に一致させるための、ペルチェ（Peltier）素子
を用いることが必要となる。
る“赤方向偏移”型SEEDデバイスが波長に対して敏感で
あることを看過してはならない。即ち、これらのデバイ
スは、入射光の波長に関して、動作可能なスペクトル範
囲が狭い。この狭動作スペクトル範囲は、デバイスに入
射する光の波長が、実質的に励起子共鳴ピークの波長に
一致していなければならない、という条件によるもので
ある。それゆえ、実際には、“赤方向偏移”型SEEDの励
起子共鳴ピークの波長を同調、即ちシフトされて入射光
の波長に一致させるための、ペルチェ（Peltier）素子
を用いることが必要となる。
（発明の概要） 本発明によれば、ｐ−ｉ−ｎダイオードの真性領域に半
導体超格子を有する自己電気−光学効果デバイス（SEE
D）において、低スイッチングエネルギー及び高コント
ラスト比を維持しつつ、キャリア掃出し及びスペクトル
範囲の増強が達成される。半導体超格子は、各々、高バ
ンドギャップエネルギー及び低バンドギャップエネルギ
ーを有する半導体障壁及び井戸層薄膜が交互に重畳され
たものによって実現される。共鳴トンネル効果は、半導
体超格子において、単一の障壁あるいは井戸層の離散し
たエネルギーレベルが拡がって連続したエネルギーレベ
ルサブバンドになることによって示される。電界が印加
されると、共鳴トンネル効果は失われ、それによって吸
収帯端がより高分子エネルギー側へシフトし、当該半導
体超格子の吸収帯端の透過率が変化する。観測されるコ
ントラスト比は、従来技術に係るSEEDデバイスと同程度
であり、高速かつ動作可能スペクトル範囲の広いSEEDデ
バイスの作製を可能とするものである。
導体超格子を有する自己電気−光学効果デバイス（SEE
D）において、低スイッチングエネルギー及び高コント
ラスト比を維持しつつ、キャリア掃出し及びスペクトル
範囲の増強が達成される。半導体超格子は、各々、高バ
ンドギャップエネルギー及び低バンドギャップエネルギ
ーを有する半導体障壁及び井戸層薄膜が交互に重畳され
たものによって実現される。共鳴トンネル効果は、半導
体超格子において、単一の障壁あるいは井戸層の離散し
たエネルギーレベルが拡がって連続したエネルギーレベ
ルサブバンドになることによって示される。電界が印加
されると、共鳴トンネル効果は失われ、それによって吸
収帯端がより高分子エネルギー側へシフトし、当該半導
体超格子の吸収帯端の透過率が変化する。観測されるコ
ントラスト比は、従来技術に係るSEEDデバイスと同程度
であり、高速かつ動作可能スペクトル範囲の広いSEEDデ
バイスの作製を可能とするものである。
（実施例の説明） 第１図は、本発明に係る半導体超格子自己電気−光学効
果デバイス（SEED）の模式図である。光束101は半導体
デバイス102に入射し、光束101の一部が光束103として
現れる。半導体デバイスは、第１図に示されているよう
に、逆バイアス電源105及び、直列に接続された抵抗113
及び半導体デバイスを含む電子回路104によってバイア
スされている。あるいは、電子回路104は、電圧源ある
いは電流源に対して直列あるいは並列に接続されたトラ
ンジスタ、フォトトランジスタ、フォトダイオード等を
有している。
果デバイス（SEED）の模式図である。光束101は半導体
デバイス102に入射し、光束101の一部が光束103として
現れる。半導体デバイスは、第１図に示されているよう
に、逆バイアス電源105及び、直列に接続された抵抗113
及び半導体デバイスを含む電子回路104によってバイア
スされている。あるいは、電子回路104は、電圧源ある
いは電流源に対して直列あるいは並列に接続されたトラ
ンジスタ、フォトトランジスタ、フォトダイオード等を
有している。
半導体デバイス102の光学的特性は、入射光束101の強度
の増加が当該デバイス102の吸収係数を増大させる、と
いうものである。電子回路104と相互に接続されている
ことにより、ポシティブフィードバック機構が形成さ
れ、半導体デバイス102による光エネルギー吸収の増大
が可能となり、光吸収係数が増加することになる。光吸
収係数に対してなされた言及は、クラマース・クローニ
ヒ（Kramers-Kronig）の関係式によって、屈折率に対す
る言及をも包含している。
の増加が当該デバイス102の吸収係数を増大させる、と
いうものである。電子回路104と相互に接続されている
ことにより、ポシティブフィードバック機構が形成さ
れ、半導体デバイス102による光エネルギー吸収の増大
が可能となり、光吸収係数が増加することになる。光吸
収係数に対してなされた言及は、クラマース・クローニ
ヒ（Kramers-Kronig）の関係式によって、屈折率に対す
る言及をも包含している。
本発明に係る半導体デバイスは、前掲の米国特許第4,54
6,244号あるいは特許出願第298,591号に記述されている
デバイスとは異なった機構で動作する。米国特許第4,54
6,244号に記載されている半導体デバイスは、対称的な
量子井戸領域を有しており、電界が増加した場合に減少
するような吸収を得るための機構として励起子共鳴ピー
クに依存している。特許出願第298,591号においては、
半導体デバイスが、非対称量子井戸を利用することによ
って、吸収帯端の所定のシフトを実現している。本発明
に係る半導体デバイスは、一般に、半導体超格子と呼称
される、共鳴トンネル効果によって結合された、交互に
積み重ねられた障壁及び井戸層薄膜を電界の変化に対す
る吸収の変化を生成するために用いている。このことに
より、前記両者のデバイスと区別されうる。さらに超格
子の各層が薄いため、実効的な障壁が低くなり、キャリ
ア移動度が増加させられた結果として、より高いスイッ
チング速度のSEEDデバイスが得られる。第１図に示され
ているように、半導体デバイス102は、電子回路104に電
気的に接続されるように、電極部106及び107が形成され
ている。電極部106及び107は、これに限定される訳では
ないが、各々光束101及び103の入射及び出射を妨げない
ような標準的な環状電極である。あるいは、電極部106
及び107は、環状電極の代わりに半透明の電極である。
あるいは、半導体デバイス102はｐ−ｉ−ｎ構造を有し
ており、領域108及び109は、各々、過剰ドープｐ層及び
ｎ層であり、ｐ−ｉ−ｎ構造への電気的接続を保障して
いる。領域110は、各々、広バンドギャップ及び狭バン
ドギャップエネルギーを有する半導体障壁及び井戸層が
交互に積み重ねられたものよりなる半導体超格子を有し
ている。半導体超格子110の伝導帯及び価電子帯の幅ΔE
c及びΔEvは、20〜30meVの範囲にあり、一方、交互に積
み重ねられた障壁及び井戸層の周期ｄは２〜3nmの範囲
にあることが意図されている。一般に、障壁及び井戸層
は、半導体超格子内で共鳴トンネル効果を生ずるほど充
分に薄いものである。半導体超格子及び量子井戸に関す
る一般的な取扱いは、エル・エサキ（L.Esaki）によ
る、アイ・トリプル・イー・ジャーナル・オブ・カンタ
ム・エレクトロニクス（IEEE J.Quantum Electronics）
誌第QE22巻第９号第1611-1624頁（1986年９月）の記事
に記載されている。
6,244号あるいは特許出願第298,591号に記述されている
デバイスとは異なった機構で動作する。米国特許第4,54
6,244号に記載されている半導体デバイスは、対称的な
量子井戸領域を有しており、電界が増加した場合に減少
するような吸収を得るための機構として励起子共鳴ピー
クに依存している。特許出願第298,591号においては、
半導体デバイスが、非対称量子井戸を利用することによ
って、吸収帯端の所定のシフトを実現している。本発明
に係る半導体デバイスは、一般に、半導体超格子と呼称
される、共鳴トンネル効果によって結合された、交互に
積み重ねられた障壁及び井戸層薄膜を電界の変化に対す
る吸収の変化を生成するために用いている。このことに
より、前記両者のデバイスと区別されうる。さらに超格
子の各層が薄いため、実効的な障壁が低くなり、キャリ
ア移動度が増加させられた結果として、より高いスイッ
チング速度のSEEDデバイスが得られる。第１図に示され
ているように、半導体デバイス102は、電子回路104に電
気的に接続されるように、電極部106及び107が形成され
ている。電極部106及び107は、これに限定される訳では
ないが、各々光束101及び103の入射及び出射を妨げない
ような標準的な環状電極である。あるいは、電極部106
及び107は、環状電極の代わりに半透明の電極である。
あるいは、半導体デバイス102はｐ−ｉ−ｎ構造を有し
ており、領域108及び109は、各々、過剰ドープｐ層及び
ｎ層であり、ｐ−ｉ−ｎ構造への電気的接続を保障して
いる。領域110は、各々、広バンドギャップ及び狭バン
ドギャップエネルギーを有する半導体障壁及び井戸層が
交互に積み重ねられたものよりなる半導体超格子を有し
ている。半導体超格子110の伝導帯及び価電子帯の幅ΔE
c及びΔEvは、20〜30meVの範囲にあり、一方、交互に積
み重ねられた障壁及び井戸層の周期ｄは２〜3nmの範囲
にあることが意図されている。一般に、障壁及び井戸層
は、半導体超格子内で共鳴トンネル効果を生ずるほど充
分に薄いものである。半導体超格子及び量子井戸に関す
る一般的な取扱いは、エル・エサキ（L.Esaki）によ
る、アイ・トリプル・イー・ジャーナル・オブ・カンタ
ム・エレクトロニクス（IEEE J.Quantum Electronics）
誌第QE22巻第９号第1611-1624頁（1986年９月）の記事
に記載されている。
半導体超格子110は、第２図に示されているように、単
一井戸の離散エネルギーレベルが幅Δc及びΔvのエネル
ギーミニバンドレベルに拡がることによって明示される
共鳴トンネル効果を示すことが要求されている。半導体
超格子110の、電界が印加されていない場合の伝導帯201
及び価電子帯202の様子が第２図に示されている。伝導
帯及び価電子帯は、各々、Ec及びEvで示されており、バ
ンド間遷移エネルギーはEgSLで示されている。共鳴トン
ネル効果により、伝導帯及び価電子帯内に、エネルギー
レベルミニバンドが存在する。電子回路104から電界を
印加されずに動作している半導体デバイス102に対して
は、バンド間遷移は、第２図に示されているように、伝
導帯の底部のミニバンドと価電子帯の頂部のミニバンド
の間で起こる。さらに、当該バンド間遷移エネルギー以
上の光子エネルギーを有する光は吸収される。バンド間
遷移はいくつかの隣接した障壁及び井戸層に局在させら
れているのではなく、当該半導体超格子全体に亘って拡
がっている。
一井戸の離散エネルギーレベルが幅Δc及びΔvのエネル
ギーミニバンドレベルに拡がることによって明示される
共鳴トンネル効果を示すことが要求されている。半導体
超格子110の、電界が印加されていない場合の伝導帯201
及び価電子帯202の様子が第２図に示されている。伝導
帯及び価電子帯は、各々、Ec及びEvで示されており、バ
ンド間遷移エネルギーはEgSLで示されている。共鳴トン
ネル効果により、伝導帯及び価電子帯内に、エネルギー
レベルミニバンドが存在する。電子回路104から電界を
印加されずに動作している半導体デバイス102に対して
は、バンド間遷移は、第２図に示されているように、伝
導帯の底部のミニバンドと価電子帯の頂部のミニバンド
の間で起こる。さらに、当該バンド間遷移エネルギー以
上の光子エネルギーを有する光は吸収される。バンド間
遷移はいくつかの隣接した障壁及び井戸層に局在させら
れているのではなく、当該半導体超格子全体に亘って拡
がっている。
ｅを電気素量（1.6×10-19ｃ）、ｄを超格子の周期、及
びΔcをミニバンド幅とするとき、Δc/edより大きい電
界Flocが電子回路104から電極部106及び107を介して印
加されると、隣接した障壁及び井戸層内のエネルギーレ
ベルがずれた状態になるため共鳴トンネル効果が失われ
る。その結果、エネルギー状態が、第３図に示されてい
るように、数層の障壁及び井戸層内に局在化する。この
効果は、ワニエーシュタルク（Wannier−Stark）局在化
として知られている。ワニエーシュタルク局在化によ
り、第３図に示されているように、バンド間遷移は局在
化された領域内に制限され、バンド間遷移エネルギーEg
SL＋1/2（Δc＋Δv）を有するようになる。すなわち、
バンド間遷移エネルギーが電界印加されていない場合に
比べて、1/2（Δc＋Δv）だけ大きくなる。遷移エネル
ギーが大きくなることによって、吸収端の“青方向偏
移”が生ずる。よってEgSL＋1/2（Δc＋Δv）より大き
い光子エネルギーを有する光のみが吸収される。この
“青方向偏移”が本発明の特徴である。この動作は、前
掲の米国特許第4,546,244号に記載されている“赤方向
偏移”型対称量子井戸SEEDデバイスにおける、デバイス
の真性領域間での構造的非同一性に起因するものとは全
く反対のものである。米国特許出願第298,591号に記載
されている非対称量子井戸SEEDデバイスも“青方向偏
移”現象を示すが、これは、その構造が対称でないとい
うことの結果である。半導体超格子において観測される
“青方向偏移”現象は、励起子共鳴ピークに無関係に印
加電界を増加させることによって吸収を減少させること
を可能にする。その結果、当該デバイスに入射する光の
波長のスペクトル範囲がより拡張される。さらに、半導
体超格子においてはキャリア掃出しがより高速に行われ
るため、スイッチングスピードがより高速になる。半導
体超格子における青方向偏移現象は、以下の参照文献に
より詳細に記載されている：ジェイ・ブルース及びピー
・ヴォワザン（J.Bleuse and p.Voisin）、アプライド
・フィジクス・レターズ（Appl.Phys.Lett.）誌第53巻
第26号第2632頁（1988年）；ピー・ヴォワザン及びジェ
イ・ブルース・フィジカル・レビュー・レターズ（Phy
s.Rev.Lett.）誌第61巻第14号第1639頁（1988年）；イ
ー・イー・メンデ（E.E.Mendez）、エフ・アグロールエ
ダ（F.Agullo-Rueda）及び、ジェイ・エム・ホング（J.
M.Hong）、フィジカル・レビュー・レターズ誌第60巻第
３号第2426頁（1988年）；及びジェイ・ブルース、ジー
・バスター（G.Bastard）及び、ピー・ヴォワザン、フ
ィジカル・レビュー・レターズ誌第60巻第３号第220頁
（1988年）。
びΔcをミニバンド幅とするとき、Δc/edより大きい電
界Flocが電子回路104から電極部106及び107を介して印
加されると、隣接した障壁及び井戸層内のエネルギーレ
ベルがずれた状態になるため共鳴トンネル効果が失われ
る。その結果、エネルギー状態が、第３図に示されてい
るように、数層の障壁及び井戸層内に局在化する。この
効果は、ワニエーシュタルク（Wannier−Stark）局在化
として知られている。ワニエーシュタルク局在化によ
り、第３図に示されているように、バンド間遷移は局在
化された領域内に制限され、バンド間遷移エネルギーEg
SL＋1/2（Δc＋Δv）を有するようになる。すなわち、
バンド間遷移エネルギーが電界印加されていない場合に
比べて、1/2（Δc＋Δv）だけ大きくなる。遷移エネル
ギーが大きくなることによって、吸収端の“青方向偏
移”が生ずる。よってEgSL＋1/2（Δc＋Δv）より大き
い光子エネルギーを有する光のみが吸収される。この
“青方向偏移”が本発明の特徴である。この動作は、前
掲の米国特許第4,546,244号に記載されている“赤方向
偏移”型対称量子井戸SEEDデバイスにおける、デバイス
の真性領域間での構造的非同一性に起因するものとは全
く反対のものである。米国特許出願第298,591号に記載
されている非対称量子井戸SEEDデバイスも“青方向偏
移”現象を示すが、これは、その構造が対称でないとい
うことの結果である。半導体超格子において観測される
“青方向偏移”現象は、励起子共鳴ピークに無関係に印
加電界を増加させることによって吸収を減少させること
を可能にする。その結果、当該デバイスに入射する光の
波長のスペクトル範囲がより拡張される。さらに、半導
体超格子においてはキャリア掃出しがより高速に行われ
るため、スイッチングスピードがより高速になる。半導
体超格子における青方向偏移現象は、以下の参照文献に
より詳細に記載されている：ジェイ・ブルース及びピー
・ヴォワザン（J.Bleuse and p.Voisin）、アプライド
・フィジクス・レターズ（Appl.Phys.Lett.）誌第53巻
第26号第2632頁（1988年）；ピー・ヴォワザン及びジェ
イ・ブルース・フィジカル・レビュー・レターズ（Phy
s.Rev.Lett.）誌第61巻第14号第1639頁（1988年）；イ
ー・イー・メンデ（E.E.Mendez）、エフ・アグロールエ
ダ（F.Agullo-Rueda）及び、ジェイ・エム・ホング（J.
M.Hong）、フィジカル・レビュー・レターズ誌第60巻第
３号第2426頁（1988年）；及びジェイ・ブルース、ジー
・バスター（G.Bastard）及び、ピー・ヴォワザン、フ
ィジカル・レビュー・レターズ誌第60巻第３号第220頁
（1988年）。
半導体デバイス102は、例えば分子線エピタキシー（MB
E）成長技法によって作製される。第４図のデバイス
は、半導体デバイス102を置換しうるものである。第４
図に示されたデバイスの成長プロセスは以下の通りであ
る。GaAs基板401がシリコン（Si）によってｎ+伝導性を
示す程度にドープされる。次いで、基板401上に、ｎ型
ドープAl0.3Ga0.7Asよりなるストップエッチ層402が、
約1.3μｍの厚さで成長する。ストップエッチ層402上に
は、真性、即ち、殆どアンドープで500A（オングストロ
ーム）厚のAl0.3Ga0.7Asバッファ層がエピタキシャル成
長させられる。バッファ層403上に成長させられる半導
体超格子404は、30A（オングストローム）厚のGaAs井戸
層と30A（オングストローム）厚のAl0.3Ga0.7As障壁層
が100周期で交互に積層されたものであり、全ての層が
アンドープの状態である。次に、アンドープ、即ち、真
性Al0.3Ga0.7As層405が半導体超格子404上に約500A厚さ
に成長させられる。領域406は、バッファ領域405上に0.
5μｍ厚のAl0.3Ga0.7As接触層として成長させられ、ベ
リリウム（Be）がドープされたｐ型の伝導性を示す。同
様に、キャップ層407もベリリウムによってドープされ
てｐ+型の伝導性を有しており、約0.3μｍ厚さである。
その後、1000A（オングストローム）厚さのｐ+型GaAsの
接触層408がキャップ層407上に成長させられる。その
後、上述された成長構造を有する基板よりなる試料が、
接触層408からストップエッチ層402までエッチングする
ことにより、200μｍ×200μｍ角のメサ状に処理され
る。その後、試料は、透明エポキシを用いてサファイア
基板上に接着され、アクセス孔がGaAs層401からストッ
プエッチ層402までエッチングすることにより形成され
る。この構造の総厚は、メサ状のところで約2.9μｍで
あり、隣接する領域においては、1.3μｍである。
E）成長技法によって作製される。第４図のデバイス
は、半導体デバイス102を置換しうるものである。第４
図に示されたデバイスの成長プロセスは以下の通りであ
る。GaAs基板401がシリコン（Si）によってｎ+伝導性を
示す程度にドープされる。次いで、基板401上に、ｎ型
ドープAl0.3Ga0.7Asよりなるストップエッチ層402が、
約1.3μｍの厚さで成長する。ストップエッチ層402上に
は、真性、即ち、殆どアンドープで500A（オングストロ
ーム）厚のAl0.3Ga0.7Asバッファ層がエピタキシャル成
長させられる。バッファ層403上に成長させられる半導
体超格子404は、30A（オングストローム）厚のGaAs井戸
層と30A（オングストローム）厚のAl0.3Ga0.7As障壁層
が100周期で交互に積層されたものであり、全ての層が
アンドープの状態である。次に、アンドープ、即ち、真
性Al0.3Ga0.7As層405が半導体超格子404上に約500A厚さ
に成長させられる。領域406は、バッファ領域405上に0.
5μｍ厚のAl0.3Ga0.7As接触層として成長させられ、ベ
リリウム（Be）がドープされたｐ型の伝導性を示す。同
様に、キャップ層407もベリリウムによってドープされ
てｐ+型の伝導性を有しており、約0.3μｍ厚さである。
その後、1000A（オングストローム）厚さのｐ+型GaAsの
接触層408がキャップ層407上に成長させられる。その
後、上述された成長構造を有する基板よりなる試料が、
接触層408からストップエッチ層402までエッチングする
ことにより、200μｍ×200μｍ角のメサ状に処理され
る。その後、試料は、透明エポキシを用いてサファイア
基板上に接着され、アクセス孔がGaAs層401からストッ
プエッチ層402までエッチングすることにより形成され
る。この構造の総厚は、メサ状のところで約2.9μｍで
あり、隣接する領域においては、1.3μｍである。
第４図に示された構造と同様の半導体デバイス501を用
いた実験では、デバイス501に対して７×103V/cmの電界
が印加された場合、25meVの“青方向偏移”が観測され
た。半導体デバイス501は、第５図に示されているよう
に、フォトダイオード502を負荷として有するように配
置されている。光束504は約755nm、即ち、1.6eVであ
る、半導体デバイス501の吸収帯端604Bに一致する波長6
03を有している。電源503によって約−15Vでバイアスさ
れているデバイスは、光束504に対して透明である。光
束504の強度が増加するにつれて、半導体デバイス501に
よって光電流が生成され、当該光電流が当該デバイスに
おける電圧降下を減少させる。半導体デバイス501にお
ける電圧降下が減少することによって、吸収帯端が、第
６図に示されているように、点604Bから点604Aにシフト
し、それによって、波長603における半導体デバイス501
の吸収が最大となる。当該デバイスのヒステリシスルー
プ（履歴曲線）は、第７図に示されている。デバイスに
入射する光強度が低下する場合に通る逆方向経路におい
ては、透明状態へのスイッチングが正方向経路における
より低い光強度で起こる。双安定性は、入射光の幅広い
スペクトル範囲に亘って維持され、745nmから755nmにわ
たる範囲で殆ど一定である。
いた実験では、デバイス501に対して７×103V/cmの電界
が印加された場合、25meVの“青方向偏移”が観測され
た。半導体デバイス501は、第５図に示されているよう
に、フォトダイオード502を負荷として有するように配
置されている。光束504は約755nm、即ち、1.6eVであ
る、半導体デバイス501の吸収帯端604Bに一致する波長6
03を有している。電源503によって約−15Vでバイアスさ
れているデバイスは、光束504に対して透明である。光
束504の強度が増加するにつれて、半導体デバイス501に
よって光電流が生成され、当該光電流が当該デバイスに
おける電圧降下を減少させる。半導体デバイス501にお
ける電圧降下が減少することによって、吸収帯端が、第
６図に示されているように、点604Bから点604Aにシフト
し、それによって、波長603における半導体デバイス501
の吸収が最大となる。当該デバイスのヒステリシスルー
プ（履歴曲線）は、第７図に示されている。デバイスに
入射する光強度が低下する場合に通る逆方向経路におい
ては、透明状態へのスイッチングが正方向経路における
より低い光強度で起こる。双安定性は、入射光の幅広い
スペクトル範囲に亘って維持され、745nmから755nmにわ
たる範囲で殆ど一定である。
対称あるいは非対称量子井戸領域を用いたSEEDデバイス
とは異なり、本発明に係る半導体デバイスは改良された
キャリア掃出し特性を有している。本発明においては、
層に垂直な方向のキャリア移動度は、ホール（正孔）の
蓄積に起因する空間電荷形成によって制限されない。む
しろ、半導体超格子内に非局在化させられている拡張状
態に起因する、トンネリング及び熱イオン放出に対する
より低い実行障壁によって増強させられる。キャリアの
移動度は、対称SEEDにおけるものより５から10倍のオー
ダーで大きいと推定されており、スイッチングスピード
は従来技術に係るSEEDデバイスに比較して、およそ一桁
高速となる。さらに重要なことは、本発明に係る、半導
体超格子を用いたSEEDデバイスには、当該デバイスのバ
ンドギャップを特定のレーザー光源に対して設定しうる
という柔軟性がある。現時点では、最も信頼でき、かつ
発達しているレーザーに含まれるYAGあるいはYLFレーザ
ーに対応する1.06μｍ付近の波長で動作するSEEDデバイ
スは存在しない。InGaAsP/InP、InGaAlAs/InAlAsあるい
はGaSb/AlGaSb半導体超格子を用いた、バンド間遷移エ
ネルギーがそれぞれ1.06μｍ、1.33μｍ、1.55μｍに対
応するSEEDデバイスは、1.0から1.6μｍの間で動作しう
るものであり、Nd:YAG及びNd:YLFレーザーの範囲をカバ
ーする。
とは異なり、本発明に係る半導体デバイスは改良された
キャリア掃出し特性を有している。本発明においては、
層に垂直な方向のキャリア移動度は、ホール（正孔）の
蓄積に起因する空間電荷形成によって制限されない。む
しろ、半導体超格子内に非局在化させられている拡張状
態に起因する、トンネリング及び熱イオン放出に対する
より低い実行障壁によって増強させられる。キャリアの
移動度は、対称SEEDにおけるものより５から10倍のオー
ダーで大きいと推定されており、スイッチングスピード
は従来技術に係るSEEDデバイスに比較して、およそ一桁
高速となる。さらに重要なことは、本発明に係る、半導
体超格子を用いたSEEDデバイスには、当該デバイスのバ
ンドギャップを特定のレーザー光源に対して設定しうる
という柔軟性がある。現時点では、最も信頼でき、かつ
発達しているレーザーに含まれるYAGあるいはYLFレーザ
ーに対応する1.06μｍ付近の波長で動作するSEEDデバイ
スは存在しない。InGaAsP/InP、InGaAlAs/InAlAsあるい
はGaSb/AlGaSb半導体超格子を用いた、バンド間遷移エ
ネルギーがそれぞれ1.06μｍ、1.33μｍ、1.55μｍに対
応するSEEDデバイスは、1.0から1.6μｍの間で動作しう
るものであり、Nd:YAG及びNd:YLFレーザーの範囲をカバ
ーする。
本発明に係るデバイスにおいては、光束101が半導体デ
バイス102の電界が印加された場合及び印加されない場
合の吸収帯端の間に位置する波長を有していることが望
ましい。このことは、入射光が励起子吸収ピークの波長
に一致していなければならない、従来技術に係る“赤方
向偏移”型のSEEDデバイスの場合との相異点である。半
導体デバイス102は励起子共鳴ピークに依存していない
ため、当該デバイスに入射する光の動作波長範囲が広く
とれる。
バイス102の電界が印加された場合及び印加されない場
合の吸収帯端の間に位置する波長を有していることが望
ましい。このことは、入射光が励起子吸収ピークの波長
に一致していなければならない、従来技術に係る“赤方
向偏移”型のSEEDデバイスの場合との相異点である。半
導体デバイス102は励起子共鳴ピークに依存していない
ため、当該デバイスに入射する光の動作波長範囲が広く
とれる。
以上の記述は、電界が半導体超格子に対して垂直に印加
されており、かつ入射光も半導体超格子に対して垂直で
あるようなデバイスに関してなされるものである。光が
半導体超格子に対して平行でありうることも当業者には
理解されうることである。さらに、本明細書に記述され
ている具体例は、本発明の原理を例示するためのもので
あることにも留意されたい。他の配置も可能であるが、
それらは全て本発明の精神及びその範疇に含まれるもの
である。例えば、III-V族あるいはII-VI族から他の材料
系、具体的には、InGaAs/InGaAlAs、GaSb/AlGaSb、及び
InGaAsP/InP、等が選択されうる。
されており、かつ入射光も半導体超格子に対して垂直で
あるようなデバイスに関してなされるものである。光が
半導体超格子に対して平行でありうることも当業者には
理解されうることである。さらに、本明細書に記述され
ている具体例は、本発明の原理を例示するためのもので
あることにも留意されたい。他の配置も可能であるが、
それらは全て本発明の精神及びその範疇に含まれるもの
である。例えば、III-V族あるいはII-VI族から他の材料
系、具体的には、InGaAs/InGaAlAs、GaSb/AlGaSb、及び
InGaAsP/InP、等が選択されうる。
第１図は、本発明の原理に係る半導体超格子SEEDデバイ
スの具体例を示した図； 第２図は及び第３図は、本発明の具体例における、印加
される電界が相異なる場合のエネルギーバンド図を示し
た図； 第４図は、第１図に示されている半導体デバイスの断面
図； 第５図は、フォトダイオードを負荷として用いた場合の
本発明の具体例を示した図； 第６図は、第５図に示されている本発明の具体例におけ
る光エネルギーの関数としての吸収の相異なった電界が
印加された場合の変化を示した図；及び、 第７図は、第５図に示されているデバイスの動作特性を
示した図である。
スの具体例を示した図； 第２図は及び第３図は、本発明の具体例における、印加
される電界が相異なる場合のエネルギーバンド図を示し
た図； 第４図は、第１図に示されている半導体デバイスの断面
図； 第５図は、フォトダイオードを負荷として用いた場合の
本発明の具体例を示した図； 第６図は、第５図に示されている本発明の具体例におけ
る光エネルギーの関数としての吸収の相異なった電界が
印加された場合の変化を示した図；及び、 第７図は、第５図に示されているデバイスの動作特性を
示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キース ダブリュ．グーセン アメリカ合衆国，07747 ニュージャージ ィ マタワン バルモラル アームズ 29 (72)発明者 ジェン―ミン クオ アメリカ合衆国，08817 ニュージャージ ィ エジソン，メレディス ロード 43
Claims (9)
- 【請求項１】光に応答して光電流を生成する手段； 半導体領域を有する構造； 前記半導体領域の対抗する２面に形成された第１及び第
２半導体接触領域； 前記光電流に応答して、前記半導体領域の光吸収を、前
記光電流の変化に応じて変化させるよう電気的に制御す
る手段； よりなる半導体デバイスにおいて、 前記半導体領域が半導体超格子を有し、 前記半導体超格子が複数個の第１及び第２層を有し、 前記第１及び第２層が、それぞれ広バンドギャップ半導
体材料及び狭バンドギャップ半導体材料を有し、 前記第１層と前記第２層とが交互に配置され、 前記第１及び第２層が、前記半導体領域内のキャリアの
共鳴トンネリングを生ぜしめるほど充分に薄く、かつ、
前記第１及び第２半導体接触領域が互いに相異なった伝
導型を有することを特徴とする半導体デバイス。 - 【請求項２】前記光に応答して光電流を生成する手段が
前記半導体領域であることを特徴とする請求項１に記載
の半導体デバイス。 - 【請求項３】前記光電流に応答して光吸収を制御する手
段が、前記半導体領域の層面に垂直に電界を印加するこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。 - 【請求項４】前記光電流に応答して光吸収を制御する手
段が、前記第１及び第２半導体接触領域への電気的接点
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバ
イス。 - 【請求項５】光束を、前記半導体領域の層面に対して実
質的に垂直に導く手段を更に有することを特徴とする請
求項１に記載の半導体デバイス。 - 【請求項６】前記光束が、実質的に、前記半導体超格子
の吸収帯端近傍の光子エネルギーを有することを特徴と
する請求項１に記載の半導体デバイス。 - 【請求項７】前記半導体超格子が、GaAs/GaAlAs系から
選択された化合物よりなることを特徴とする請求項１に
記載の半導体デバイス。 - 【請求項８】前記半導体超格子が、InGaAlAs/InAlAs系
から選択された化合物よりなることを特徴とする請求項
１に記載の半導体デバイス。 - 【請求項９】前記半導体超格子が、InGaAsP/InP系から
選択された化合物よりなることを特徴とする請求項１に
記載の半導体デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US31688789A | 1989-02-28 | 1989-02-28 | |
| US316887 | 1989-02-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02262133A JPH02262133A (ja) | 1990-10-24 |
| JPH0743490B2 true JPH0743490B2 (ja) | 1995-05-15 |
Family
ID=23231137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2035063A Expired - Lifetime JPH0743490B2 (ja) | 1989-02-28 | 1990-02-15 | 半導体デバイス |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0385638A2 (ja) |
| JP (1) | JPH0743490B2 (ja) |
| KR (1) | KR900013660A (ja) |
| CA (1) | CA2006682A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT1273064B (it) * | 1994-03-22 | 1997-07-04 | Cselt Centro Studi Lab Telecom | Dispositivo per l'elaborazione ottica di radiazioni luminose |
| JPH07261220A (ja) * | 1994-03-25 | 1995-10-13 | Atr Koudenpa Tsushin Kenkyusho:Kk | 半導体光素子 |
| CN111200030B (zh) * | 2018-11-19 | 2022-08-16 | 紫石能源有限公司 | 太阳能电池与其制作方法 |
-
1989
- 1989-12-27 CA CA002006682A patent/CA2006682A1/en not_active Abandoned
-
1990
- 1990-02-15 JP JP2035063A patent/JPH0743490B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1990-02-21 EP EP90301834A patent/EP0385638A2/en not_active Withdrawn
- 1990-02-26 KR KR1019900002405A patent/KR900013660A/ko not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2006682A1 (en) | 1990-08-31 |
| JPH02262133A (ja) | 1990-10-24 |
| EP0385638A2 (en) | 1990-09-05 |
| KR900013660A (ko) | 1990-09-06 |
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