JPH0797688B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0797688B2
JPH0797688B2 JP62053134A JP5313487A JPH0797688B2 JP H0797688 B2 JPH0797688 B2 JP H0797688B2 JP 62053134 A JP62053134 A JP 62053134A JP 5313487 A JP5313487 A JP 5313487A JP H0797688 B2 JPH0797688 B2 JP H0797688B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、半導体装置に於いて、複数の量子井戸を調和
振動子形とすることに依り、ピーク電流とバレー電流の
比を大きく採ること、動作を高速化すること、量子効率
を大にすること、感度を大にすることを可能にしたもの
である。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、多重量子井戸（multiquantum well:MQW）を
利用する半導体装置の改良に関する。
〔従来の技術） 一般に、量子井戸（quantum well:QW）とは、その中に
閉じ込められた電子或いは正孔が量子効果を示す程度の
サイズをもつポテンシャルの井戸を意味し、その中には
高さを異にして量子準位が生成されている。例えば、二
つの量子井戸を近接して形成した場合、キャリヤは或る
確率で量子井戸間をトンネリングして移動することがで
きる。その場合、一方の井戸に於ける或る準位にあるキ
ャリヤのトンネル確率は、他方の井戸に前記一方の井戸
に於ける準位と同じレベルの準位があると大になり、そ
うでなければ小になる。理論的には、このような量子井
戸を多数配列し、両端間にバイアス電圧を印加した場
合、或るレベルのバイアス電圧で全ての量子井戸に同時
にトンネリングを発生させることができ、この現象を利
用すれば、負性抵抗素子、量子効率が高く且つ高速動作
が可能な半導体レーザ、感度が高く且つ高速動作可能な
フオト・ダイオードなどが得られるとされている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記したような半導体装置、即ち、負性抵抗素子など
は、量子井戸を用いていないか、用いているとしても単
一の量子井戸である為、種々の欠点がある。
例えば、負性抵抗素子の一種であるトンネル・ダイオー
ド、即ち、p+−n+ダイオードは高濃度のドーピングを行
うことが必要である為、その制御性が悪く、良好な再現
性が得られず、また、動作速度はｐ−ｎ再結合速度に支
配されるので高速化できない。同じく負性抵抗素子の範
疇に入る共鳴トンネル・ダイオードで単一の量子井戸を
有するもの、即ち、ダブル・バリヤを有するものに於い
ては、ピーク電流（共鳴点に於ける電流）とバレー電流
（非共鳴点に於ける電流）との比が小さい。
また、通常の半導体レーザでは、発光波長がエネルギ・
バンド・ギャップで制限されること、発光動作はｐ−ｎ
再結合速度に依存しているので低速であること、複数の
異なった準位間の遷移があるので半値幅や単色性がよく
ないこと、光変調の周波数はキャリヤの蓄積時間に支配
され高速化できないこと等の問題がある。
更にまた、フォト・ダイオードでは、バイアス電圧を充
分に高くしないと動作しないこと、動作速度がキャリヤ
のドリフト速度で決まるので高速化が困難であること等
の欠点がある。
前記した諸欠点は、理論的には量子井戸を多重化すると
解決できることが多いが、実際には、その多重量子井戸
を高い確率でキャリヤをトンネリングさせることは容易
でない。これは、量子井戸の数が増加する程、各量子井
戸に於ける量子準位を一致させることが困難になるから
である。
本発明は、キャリヤが高い確率でトンネリングし得る多
重量子井戸を備える半導体装置を提供しようとする。
〔問題点を解決するための手段〕
近年、量子井戸として二次曲線形のポテンシャルを有す
る、所謂、調和振動子形と呼ばれる量子井戸が知られて
いる。尚、以下、特に断りがない限り、キャリヤとして
電子を対象にする。
第１図は調和振動子形量子井戸のエネルギ・バンド・ダ
イヤグラムを表している。
図に於いて、Ecは伝導帯の底、EL0は量子井戸内の基底
量子準位、EL1,EL2・・・・は励起量子準位、ELは励起
量子準位全体をそれぞれ示している。
図からも判るように、調和振動子形ポテンシャルは、下
に凸である二次曲線形になっていて、ここに束縛される
電子は、 なる式で表されるエネルギ固有値を有する。そして、調
和振動子形量子井戸に於いては、量子準位はエネルギ的
に等間隔に生成される。
この量子井戸を二つ以上多重化してバイアス電圧を印加
すると、或るバイアス条件で基底量子準位PL及び励起量
子準位全体ELが同時にトンネル状態となることから、キ
ャリヤは高い確率で一度に多数のバリヤをトンネリング
で抜けることができ、その運動は極めて高速であって、
この場合の電流値は大きい。
これに対し、前記バイアス条件、即ち、共鳴バイアス条
件を僅かでも外れると、トンネル確率は急激に減少す
る。その理由は、一つのバリヤに於けるトンネル確率が
減少するのみでなく、そのようなバリヤを数多く貫通し
なければならないからである。
このようなことから、多重化された調和振動子形量子井
戸を備えた半導体装置に於いては、ピーク電流とバレー
電流との比を大きくすることができるものである。
また、発光に関しては、前記したように、量子準位の間
隔が全て同じであることから、全ての励起電子は誘導放
出の対象となり、従って、量子効率は極めて高くなり、
そして、電子の輸送はバリスティックに行われるので高
速であり、高周波の光変調をする場合に有効である。
第２図及び第３図は第１図について説明した調和振動子
形量子井戸を二つ（第２図）並設した場合及び三つ（第
３図）並設した場合を説明する為のエネルギ・バンド・
ダイグラムを表し、第１図に於いて用いた信号と同記号
は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、ｅは電子、PB1乃至PB4はバリヤ層、PW1乃
至PW3は井戸層をそれぞれ示している。
図から判るように、井戸層PW1乃至PW3に於ける量子準位
は全て等間隔に存在するので、適当なバイアス電圧を印
加すれば、それ等は必ず一致し、その場合には、電子ｅ
がバリヤをトンネリングすることができる。
第４図は第３図に見られるような三つの調和振動子形量
子井戸に於いて基底量子準位の遷移が連続して起こる場
合を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表
している。
図に於いて、矢印Ｆは電子ｅがトンネリングと励起準位
（ｎ≧１）の関係から準位間遷移を起こしていることを
示している。
前記したようなことから、本願発明に依る半導体装置に
於いては、 １ 一対の電極（例えば電極６、電極７）及び前記一対
の電極で挟まれた多重量子井戸構造（例えばバリヤ層
３、井戸層４）を有して負性抵抗特性を示す半導体デバ
イスであって、前記多重量子井戸構造は、キャリヤがト
ンネリング可能な程度の厚さを有する複数のバリヤ層及
び前記複数のバリヤ層に挟まれる位置に形成され前記バ
リヤ層に比較してエネルギ・バンド・ギャップが小さく
且つサブ・バンドが形成される程度の厚さを有する複数
の量子井戸層からなり、前記量子井戸層の各々は、前記
サブ・バンドの量子準位を等間隔にする為に二次曲線型
のポテンシャル（例えば図１乃至図３）をもつものであ
ることを特徴とするか、或いは、 ２ 一対のクラッド層（例えばクラッド層22、クラッド
層25）及び前記一対のクラッド層に挟まれた多重量子井
戸構造（例えばバリヤ層23、井戸層24）及び前記一対の
クラッド層のそれぞれに接続される一対の電極（例えば
電極29、電極30）をもち且つ前記量子井戸構造内に生成
されるサブ・バンド間のキャリヤの遷移を利用して発光
する半導体発光素子であって、前記多重量子井戸構造
は、キャリヤがトンネリング可能な程度の厚さを有する
複数のバリヤ層及び前記複数のバリヤ層に挟まれる位置
に形成され前記バリヤ層に比較してエネルギ・バンド・
ギャップが小さく且つサブ・バンドが形成される程度の
厚さを有する複数の量子井戸層からなり、前記量子井戸
層の各々は、前記サブ・バンドの量子準位を等間隔にす
る為に二次曲線型のポテンシャル（例えば図１乃至図
３）をもつものであることを特徴とする。
〔作用〕
斯かる手段を採ることに依り、トランジスタやトンネル
・ダイオードの負性抵抗特性に於けるピーク電流とバレ
ー電流の比を大きく採ることが可能になるから論理振幅
を大きくすることができ、また、それ等能動素子や半導
体レーザなど発光素子の動作を高速化したり、更にま
た、発光素子では量子効率が大であることから強力な光
放射を可能とし、受光素子では感度を大にすることなど
を容易に実現できる。
〔実施例〕
第５図は本発明一実施例である負性抵抗ダイオードの要
部切断側面図を表している。尚、フォト・ダイオードの
場合も同様な構成になる。
図に於いて、１はn+型GaAs基板、２はAlGaAsバッファ
層、３はAlGaAsバリヤ層、４はAlGaAs→GaAs→AlGaAs井
戸層、５はn+型GaAs電極コンタクト層、６及び７は電極
をそれぞれ示している。尚、バリヤ層３と井戸層４とで
調和振動子形量子井戸を形成していることは云うまでも
ない。
本実施例に於ける各部分の主要データを例示すると次の
通りである。
（１） 基板１について 不純物濃度:1×1018〔cm-3〕 （２） バッファ層２について ｘ値:0.3 厚さ:2000〔Å〕 （３） バリヤ層３について ｘ値:0.3 厚さ:100〔Å〕 層数:6 （４） 井戸層４について ｘ値:0.3→0.00→0.3（二次曲線型） 厚さ:200〔Å〕 層数:5 （５） 電極コンタクト層５について 厚さ:4000〔Å〕 不純物濃度:2×1018〔cm-3〕 （６） 電極６及び７について 材料:AuGe/Au 厚さ:200〔Å〕/3000〔Å〕 第６図は本発明に於ける他の実施例である半導体レーザ
の要部切断正面図を表している。
図に於いて、21はn+型GaAs基板、22はｎ型AlGaAsクラッ
ド層、23はAlGaAsバリヤ層、24はAlGaAs→GaAs→AlGaAs
井戸層、25はｎ型AlGaAsクラッド層、26はn+型GaAs電極
コンタクト層、27はｉ型AlGaAs埋め込み層、28はSiO2か
らなる絶縁膜、29は電極、30は電極をそれぞれ示してい
る。尚、バリヤ層23及び井戸層24は調和振動子形量子井
戸を成し、且つ、それが活性層となっている。
本実施例に於ける各部分の主要データを例示すると次の
通りである。
（１） 基板21について 不純物濃度:1×1018〔cm-3〕 （２） クラッド層22について 厚さ:2000〔Å〕 ｘ値:0.3 不純物濃度:1×1017〔cm-3〕 （３） バリヤ層23について ｘ値:0.3 厚さ100〔Å〕 層数:10 （４） 井戸層24について ｘ値:0.3→0.00→0.3 厚さ:2000〔Å〕 層数:9 （５） クラッド層25について 厚さ:2000〔Å〕 ｘ値:0.3 不純物濃度:1×1017〔cm-3〕 厚さ:4000〔Å〕 不純物濃度:2×1018〔cm-3〕 （７） 埋め込み層27について ｘ値:0.3 厚さ:11000〔Å〕 不純物濃度:1×1016〔cm-3〕 （８） 絶縁膜28について 厚さ:4000〔Å〕 （９） 電極29について 材料:AuGe/Au 厚さ:200〔Å〕/3000〔Å〕 （10） 電極30について 材料:AuGe/Au 厚さ:200〔Å〕/3000〔Å〕 第７図は調和振動子形量子井戸を構成する方法の一例を
説明する為の線図であって、（Ａ）は井戸層の深さ（横
軸）対ｘ値（縦軸）の関係を、また、（Ｂ）は同じく深
さ（横軸）対ポテンシャル（縦軸）の関係をそれぞれ表
している。
図から明らかなように、井戸層に於けるｘ値を二次曲線
に沿って変化させると、ポテンシャルは同じく二次曲線
を成すように変化し、調和振動子形となる。
第８図は調和振動子形量子井戸を構成する方法の他の一
例を説明する為の線図であって、（Ａ）は井戸層の深さ
（横軸）対ｘ値（縦軸）の関係を、また、（Ｂ）は同じ
く深さ（横軸）対ポテンシャル（縦軸）の関係をそれぞ
れ表している。
図から明らかなように、この場合、ｘ値は固定とし、ま
た、バリヤ層の厚さも一定とし、井戸層の厚さを変化さ
せることで、実効的に調和振動子形ポテンシャルを生成
させている。
本発明は、前記実施例の外、種々の半導体装置に実施す
ることが可能であり、例えば、ホット・エレクトロン・
トランジスタ（hot electron transistor:HET）に於
けるエミッタ・ベース間のバリヤとして調和振動子形量
子井戸を介挿して諸特性を向上させることが可能であ
り、また、材料もAlGaAsに変えてInP若しくはInAlAs
を、そして、GaAsに代えてInGaAsをそれぞれ適用し得る
ものである。
〔発明の効果〕
本発明は、半導体装置に於いて、複数の量子井戸を調和
振動子形とし、その量子井戸内に生成されるサブ・バン
ドの量子準位を等間隔にする為、二次曲線型のポテンシ
ャルをもつ構成にしてある。
これに依り、トランジスタやトンネル・ダイオードの負
性抵抗特性に於けるピーク電流とバレー電流の比を大き
く採ることが可能になるから論理振幅を大きくすること
ができ、また、それ等の能動素子や半導体レーザなど発
光素子の動作を高速化したり、更にまた、発光素子では
量子効率が大であることから強力な光放射を可能とし、
受光素子では感度を大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は調和振動子形量子井戸のエネルギ・バンド・ダ
イヤグラム、第２図は調和振動子形量子井戸が二つの場
合のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第３図は調和振
動子形量子井戸が三つの場合のエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラム、第４図は準位間遷移を説明する為のエネルギ
・バンド・ダイヤグラム、第５図は本発明一実施例の要
部切断側面図、第６図は本発明に於ける他の実施例の要
部切断正面図、第７図はｘ値を連続的に変化させて調和
振動子形量子井戸を得ることを説明する為の線図、第８
図はｘ値を実効的に変えて調和振動子形量子井戸を得る
ことを説明する為の線図をそれぞれ表している。 図に於いて、Ecは伝導帯の底、EL0は量子井戸内の基底
量子準位、EL1,EL2・・・・は励起量子準位、ELは励起
量子準位全体、ｅは電子、PB1乃至PB4はバリヤ層、PW1
乃至PW3は井戸層をそれぞれ示している。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一対の電極及び前記一対の電極で挟まれた
    多重量子井戸構造を有して負性抵抗特性を示す半導体デ
    バイスであって、 前記多重量子井戸構造は、キャリヤがトンネリング可能
    な程度の厚さを有する複数のバリヤ層及び前記複数のバ
    リヤ層に挟まれる位置に形成され前記バリヤ層に比較し
    てエネルギ・バンド・ギャップが小さく且つサブ・バン
    ドが形成される程度の厚さを有する複数の量子井戸層か
    らなり、 前記量子井戸層の各々は、前記サブ・バンドの量子準位
    を等間隔にする為に二次曲線型のポテンシャルをもつも
    のであること を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】一対のクラッド層及び前記一対のクラッド
    層に挟まれた多重量子井戸構造及び前記一対のクラッド
    層のそれぞれに接続される一対の電極をもち且つ前記量
    子井戸構造内に生成されるサブ・バンド間のキャリヤの
    遷移を利用して発光する半導体発光素子であって、 前記多重量子井戸構造は、キャリヤがトンネリング可能
    な程度の厚さを有する複数のバリヤ層及び前記複数のバ
    リヤ層に挟まれる位置に形成され前記バリヤ層に比較し
    てエネルギ・バンド・ギャップが小さく且つサブ・バン
    ドが形成される程度の厚さを有する複数の量子井戸層か
    らなり、 前記量子井戸層の各々は、前記サブ・バンドの量子準位
    を等間隔にする為に二次曲線型のポテンシャルをもつも
    のであることを特徴とする半導体装置。
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