JPH08148701A - 歪曲成長層を利用した金属／半導体接合ショットキーダイオード光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高出力の光信号の動作から熱的な損傷なしに高
速に動作することが可能な金属／半導体接合ショットキ
ーダイオード光素子を提供する。 【構成】金属／半導体接合ダイオード素子において、半
導体層４と接合時にショットキー特性をもつ金属膜９と
の間の中間層に電気光吸収の特性をもつ多重量子の井戸
構造６、７を置いて金属層／多重量子層／半導体層とし
てダイオード層を構成し、前記ダイオード層は、電極、
熱伝導および鏡の役割をする金属膜９と多層半導体膜４
の鏡の間に共鳴および非共鳴の条件をもつ構造によって
単結晶基板を光学的な透明層とするために半導体の鏡層
およびダイオード構造層の一部或いは全部を歪曲層とし
て成長され、ダイオード層が成長された基板１の反対面
は、光学的な無反射膜１０として処理して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は歪曲成長層を利用した金
属／半導体接合ショットキーダイオード光素子に関する
もので、より詳細には化合物の半導体から電気光吸収の
効果をもつ多重量子の井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａ
ｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を金属／半導体接合ショット
キーダイオードの中間層として使用する光素子に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、光交換および通信システムの
ための核心的な素子として異種接合の化合物の半導体を
利用した光素子、特に非線形の電気−光吸収の効果を利
用した素子は素子の垂直の方向から光信号を処理するこ
とができるので、光信号の並列処理および素子の高密度
の集積化の長所をもっている。

【０００３】従来ピンダイオードに多重量子の井戸構造
を中間層として構成した光素子（特に、ｓｅｌｆ ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｄｅｖｉｃ
ｅ）はダイオードの副抵抗特性によって対称形に構成す
る場合、光論理機能のための光双安定特性を得ることが
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなピンダイオ
ード構造をもつ素子は、信号光による光電流の充電／放
電が素子の速度を主に決定する電子素子の特性をもって
おり、素子の信号処理の性能は動作信号光の強さに依存
するので、したがって高速の信号処理のための強い光の
強さに対して素子は吸収飽和の効果および熱的な効果に
よって大幅に影響を受けており、特に光双安定の特性の
ための素子の場合、熱的な問題による素子の性能の減退
は大変重要視される。

【０００５】また、厚い基板上に成長されたダイオード
層の上から信号光を入力するピンダイオード構造におい
ては素子の性能に致命的な熱の上昇による素子の性能減
退の問題を解決することが大変難しいのである。即ち、
ダイオード中間活性層から発生する局部的な熱の発生を
解消するためには熱源に大変近接な距離（数μｍ以内）
の近方に熱伝導度が優秀な熱解消膜が必要であるが、既
存のピン構造は上位電極層と鏡層による厚さと、また信
号光の入力のための素子の上部層を開放させなければな
らないので、効率的な熱解消法が大変難しいのである。

【０００６】このような問題を解決するためには素子か
ら発生する局部的な温度上昇を解消するための素子の道
具や冷却のための装置が必要である。

【０００７】しかし、従来のピンダイオードガリウム砒
素／Ａｌ_xＧａ_l-xＡｓ構造をもつ素子から、この問題を
解決するためには、入力光による局部的な熱源に対して
熱解消層を満たさなければならないが、これは製造工程
上に重要な問題を発生させてしまう。

【０００８】本発明は前記のような問題点を解決するた
めに案出したもので、本発明の目的は、高出力の光信号
の動作から熱的な損傷なしに高速に動作する、歪曲成長
層（Strained layer）を利用した金属／半導体接合ショ
ットキーダイオード光素子を提供することにある。

【０００９】より具体的には、既存に使用するガリウム
砒素の基板上に歪曲Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ膜として量子井戸
の構造を成長させて、金属／半導体ショットキーダイオ
ードを形成して金属膜による熱解消および鏡層の役割を
しており、ガリウム砒素の基板は動作波長に対して透明
層の役割をするようにする構造を製作することによっ
て、ｐ層或いはｎ層の成長および工程段階を除去するこ
とによって経済性および高性能の光論理素子を具現する
ことができる、上記のような金属／半導体接合ショット
キーダイオード光素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記のような目的を達成
するための本発明による歪曲成長層を利用した金属／半
導体接合ショットキーダイオード光素子の特徴は、半絶
縁性のガリウム砒素の基板上にガリウム砒素の鏡層とア
ルミニウム砒素の鏡層を周期的に成長し、その上に再び
ｎ+ 或いはｐ+ 半導体層を成長し前記の半導体層上に電
極および鏡役割のためのショットキー金属層を成長させ
るためにガリウム砒素の緩衝層を成長させた金属／半導
体接合ダイオード素子において、前記半導体層と接合時
にショットキー特性をもつ金属層の間の中間層に量子の
障壁層と量子の井戸層によって構成されて電気光吸収の
特性をもつ多重量子の井戸構造を置いて金属層／多重量
子層／半導体層としてダイオードを構成することによ
り、また前記ダイオードは電極、熱伝導および鏡の役割
をする金属層と多層半導体層の鏡の間に共鳴および非共
鳴条件をもつ構造として単結晶基板を光学的な透明層に
するために半導体鏡層およびダイオード構造層の一部或
いは全部を歪曲成長層によって構成することにより、ダ
イオード層が成長された基板の反対面は光学的な無反射
膜として処理して構成することにある。

【００１１】

【作用】本発明においては、金属層が電極、熱発散層及
び鏡層として作用するものであり、さらに、前記金属層
と多層半導体層の鏡層との間の各層を、共鳴および非共
鳴条件を有する構造とすることで光学的に透明な層を形
成する。さらに、ダイオード層が成長された基板の反対
面が、光学的に無反射膜として作用する。

【００１２】本発明によれば、高出力の光信号が入力し
ても、その光信号を効率的に受け入れて、受け入れた光
信号により生じる熱を効率的に発散でき、よって、熱的
な損傷なしに高速に動作させることができる。さらに、
本発明では、その構造上の特徴により、従来のｐ層或い
はｎ層の成長およびそれに関連する工程段階を除去する
ことができるため、より経済性の高い、高性能の光論理
素子を具現することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による歪曲成長層（Strained l
ayer）を利用した金属／半導体接合ショットキーダイオ
ード光素子の望ましい一つの実施例に対して添付の図面
を参考して詳細に説明する。ここで、歪曲成長層とは、
通常のＭＢＥ（分子ビーム線エピタキシャル成長法）に
より成長された多数のエピタキシャル層等を光吸収が生
じないように成長された層のことを指す。

【００１４】図１は本発明から提示する金属／半導体接
合シヨットキーダイオード構造の一つの実施例を図示し
ているもので、図面に図示のように半絶縁性のガリウム
砒素の基板１上にガリウム砒素の鏡層２、アルミニウム
砒素の鏡層３（或いは歪曲Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ／Ｉｎ_yＡ
ｌ_l-yＡｓ）を、動作波長（λ：量子の井戸構造によっ
て決定）のλ／４ｎ_H、λ／４ｎ_Lの厚さにそれぞれ成長
させ、このガリウム砒素の鏡層／アルミニウム砒素の鏡
層の周期数は共鳴構造の条件により選択して反射率を決
定する。

【００１５】前記周期的な鏡層上に成長されるＮ+（或
いはＰ+）半導体層４は高濃度にドーピングされたアル
ミニウムガリウム砒素（Ａｌ_0.1Ｇａ_O.9Ａｓ層）（或い
は歪曲されたＩｎ_xＧａ_l-xＡｓ、ＧａＡｓ等）で形成
し、その上にｎ型ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）の拡散を
防止するためのドーピングされなかったガリウム砒素の
緩衝層５を一定の厚さ（Ｌｂ２）程形成する。

【００１６】真性領域はガリウム砒素の量子障壁層６と
インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ）の量子の
井戸層７とによって構成された多重量子の井戸構造から
なっており、その上に再びドービングされなかったガリ
ウム砒素の緩衝層８を一定の厚さ（Ｌｂ１）に形成し、
その上にショットキー電極層および鏡層のために金属層
９を形成した（上位鏡は半導体表面と金属の界面による
約９５％反射率をもつ）。

【００１７】このとき、全体共鳴器の厚さ（金属面から
半導体の鏡面まで厚さ）Ｌは、反射形の共鳴器が動作波
長（λ；ＧａＡｓ／Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ量子井戸の構造に
よって決定）から共鳴条件を満足するように調節する。

【００１８】また、ショットキー金属層（金、ニッケ
ル、白金等）と半導体間の電位（Ｖｂ１）はガリウム砒
素に対して約０．８Ｖ、ｎ−インジウムガリウム砒素に
対して約０．２Ｖ、ｐ−インジウムガリウム砒素に対し
て約０．６Ｖで光素子のためのダイオード構成時にこの
値が大きい場合有利であるが、一つの例としてガリウム
砒素／Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ量子の井戸構造を使用するとガ
リウム砒素の緩衝層（Ｌｂ１＋Ｌｂ２）と、障壁層の全
体の厚さに対する井戸層の全体の厚さの比を調節して最
適化することができる。ここで、障壁層の全体の厚さと
は、個々の障壁層６をすべて合わせて求められる全体の
厚さであり、井戸層の全体の厚さとは、個々の井戸層７
をすべて合わせて求められる全体の厚さである。

【００１９】そして選択された量子の井戸構造に対する
動作波長を決定するとこの波長に対して基板方向のすべ
ての層１〜８は、透明しなければならないので、基板上
の層はこの条件を満足するために基板構造に対して長波
長のバンドギャップをもつ歪曲層半導体を形成すること
によって可能である。

【００２０】無反射層１０は基板方向の信号光の入力に
対して、基板の表面が鏡役割（空気／半導体の反射率は
普通に３０％）をしないように被覆された無反射膜に形
成する。

【００２１】図２は真性領域にＭＱＷ構造を置いた金属
／半導体ダイオード構造から外部電圧のないときのフェ
ルミレベル（Ｅｆ）に対する半導体伝導帯域からのエネ
ルギーレベル（Ｅｃ）と半導体価電子帯域からのエネル
ギーレベル（Ｅｖ）を図示しているものである。中間
（量子）層IIのガリウム砒素の緩衝層とＧａＡｓ／Ｉｎ
_xＧａ_l-xＡｓ量子の井戸層はバックグラウンディングド
ーピング濃度が１．０×１０¹⁵／ｃｍ³以下に金属層Ｉ
と電極（半導体）層IIIとの間に位置する。

【００２２】中間層IIに存在する多重量子井戸の吸収変
化は素子動作による金属接合の空乏層の電界変化に依存
しており、金属／半導体界面からの電界の大きさは半導
体の方に行程線形的に減少しており、印加電圧のないと
き吸収を考慮した素子の吸収率を０とするためには、こ
の中間層に空乏領域の条件を考慮して設計する。

【００２３】一つの例として、ＧａＡｓ／Ｉｎ_xＧａ_l-x
Ａｓ量子井戸構造からλ＝１０６．４ｎｍ動作のための
５ｎｍガリウム砒素の障壁、１０ｎｍインジウムガリウ
ム砒素の井戸の場合、電界０．５×１０⁴Ｖ／ｃｍに対
して、吸収係数α＝５５００／ｃｍの値をもっており、
したがってインピーダンス整合条件を満足させるために
金属層の反射率９５％、半導体鏡の３０％と共鳴の厚さ
を仮定すると、大略１１０周期の量子の井戸周期数に素
子のオフ状態から反射率を０と作ることができる。

【００２４】図３は前記の図２の金属／半導体接合ダイ
オードから逆方向の電圧を印加するときバンド模型を図
示した。

【００２５】ショットキー特性によって逆方向の電圧に
対して空乏領域が広くなって中間層に位置した量子の井
戸構造はもっと大きい電界を受けるようになって光吸収
係数が大幅に減少されてしまう。

【００２６】図２の一つの例であるＧａＡｓ／Ｉｎ_xＧ
ａ_l-xＡｓの同一の場合に対して４×１０⁴Ｖ／ｃｍの電
界が印加されると量子井戸の吸収係数は２７００／ｃｍ
に大幅に低くなる。

【００２７】即ち、オフ状態から５５００／ｃｍの量子
井戸１１０周期に反射率０に存在した素子の状態は電圧
印加による吸収率の減少によってオン状態から大きい反
射率（１５％以上）を示す。

【００２８】図４は前記図２と図３から例示のＧａＡｓ
／Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ量子の井戸を本発明の構造に結合し
た場合に本発明の金属／半導体接合による空乏中間層の
電界変化が図２乃至図３から例示の大きさに量子の井戸
から吸収を変化させるか、下の式を利用して理論的に計
算した結果を図示した。

【００２９】

【数１】

【００３０】

【数２】

【００３１】

【数３】

【００３２】ここで、Ｗはダイオードによる空乏の厚さ
であり、Ｅ（ｘ）は距離ｘの函数として電界の大きさを
示しており、φ（ｘ）は電気ポテンシャルエネルギーで
あり、εｓは半導体の誘電常数（ガリウム砒素に対して
１３×８．８５×１０Ｅ^-14Ｆ／ｃｍ）であり、ｑは電
子の電荷量（１．６×１０Ｅ^-19Ｃ）であり、Ｖｂ１は
障壁電位、ＶＲは逆方向の印加電極、ＮＤはドーピング
濃度として一例の計算であって、ここでは１．０×１０
¹⁵／ｃｍ³としており、ｘは接合界面から半導体までの
距離、ΦＥＮは接合障壁の高さのエネルギーである。

【００３３】この計算された結果から距離ｘによる全体
の大きさは線形的な関係をもっており距離により減少す
る。

【００３４】一般的に標準電圧である５Ｖ電圧の下でＷ
の空乏の厚さは２．５μｍ以上に大きくなり、また、電
界の強さも接合部から１．４×１０⁴Ｖ／ｃｍの大きい
電界が誘導される。また、外部の印加電圧ＶＲ＝０であ
る場合に内在電位によってｘ＝０から１．４×１０⁴Ｖ
／ｃｍに電界が誘導される。

【００３５】しかし距離ｘによる電界の大きさが線形的
に減少するので、実際多重量子井戸の吸収係数の変化を
効率的に利用するためには量子の井戸構造の位置とその
区間の間の電界を積分して設計しなければならない。

【００３６】一つの例として示しているＧａＡｓ／Ｉｎ
_xＧａ_l-xＡｓの場合に約１０ＫＶ／ｃｍ以下から５５０
０／ｃｍであり、４×１０⁴ＫＶ／ｃｍから２７００／
ｃｍに定常オフ条件とインピーダンス整合或いはインピ
ーダンス整合条件のための設計時に約厚さ２μｍ以下の
中間層の構成によって充分な効果を得ることができ、こ
れは本発明の金属（一例：Ａｕ）／半導体接合による空
乏の厚さに充分であるので、効率的に動作が可能である
ことを見せてやる。

【００３７】図５は前図から例示の金属／半導体接合の
中間層に一例である。ＧａＡｓ／Ｉｎ_xＧａ_l-xＡｓ多重
量子の井戸構造を使用して非対称の共鳴構造の設計時に
金属膜の反射率を９５％にするとき、半導体の鏡層の反
射率（Ｒｆ）および中間層の量子の井戸周期数（Ｎｑ
ｗ）を調節した場合にオン（ＯＶ）／オフ（５Ｖ）動作
時に素子の反射率差（ΔＲ）および反射率比（ＣＲ）の
計算結果である。

【００３８】即ち、半導体鏡層の反射率（Ｒｆ）を増加
させる場合に信号光の効率性増大として要求される量子
井戸数は減少するが、全体的な信号差の値は減少する。

【００３９】しかし半導体鏡の反射率を減少させてしま
うと全体的な信号差値は増加するが、反面に要求される
量子井戸数が増加されてもっと大きい動作電圧が必要に
なる。

【００４０】一つの例として９５％金属膜と１５％半導
体鏡の場合にインピーダンス整合条件に必要な量子の井
戸周期数は１５０周期数以上であるので、金属／半導体
接合の電界を図示の図４によるともっと大きい電圧が必
要であり、これはダイオードの降伏現象を誘発させる。

【００４１】したがって、この場合に量子の井戸周期数
をインピーダンス整合条件の一つである１００周期を選
択したら中間層の厚さは１．５μｍをもってダイオード
動作に適当であり、ΔＲ２０％、ＣＲ＝５の値を得るこ
とができる。

【００４２】同一にΔＲ、ＣＲおよび動作電圧、半導体
鏡の反射率等を調節することによって用途に適当な多様
な素子特性を得ることができるし、この値は特に動作光
からも金属膜の熱伝導効果として維持されることができ
て、従来のピン構造に比べて高速動作のための強いレー
ザー光の使用等にはずっと優秀な性能を発揮することが
できる長所をもっている。

【００４３】以上、上記実施例で説明したように、本発
明による金属／ｎ型（或いはｐ型）の半導体接合シヨッ
トキーダイオードを利用した光論理素子は： １）既存のＰＩＮ構造からｐ−ｔｙｐｅ（或いはｎ−ｔ
ｙｐｅ）電極層および上位の鏡層を除外し、その代わり
に薄いドーピング中間層とショットキー接合を形成する
金属膜を被覆した構造として、上位の金属膜を高い反射
率の鏡とし、既存ＰＩＮ構造の下位の鏡に該当する半導
体多層膜を低い反射鏡としており、ガリウム砒素の基板
底面を無反射処理して信号光を基板の方から入力させる
構造とする。

【００４４】２）光信号を基板の方から入力する光論理
素子構造を具現するためにガリウム砒素より長波長領域
の化合物半導体を利用した多重量子の井戸構造および中
間層内から位置を最適化することによって光論理構造お
よび電極層を形成しており（一例、ＧａＡｓ／Ｉｎ_xＧ
ａ_l-xＡｓ等）、この物質をガリウム砒素の基板の上か
ら歪曲層として形成した。

【００４５】３）金属／ｎ型（金属／ｐ型）半導体間の
内在電位および外部電圧の印加によって、中間層に存在
する多重量子の井戸構造から電気光吸収の効果を量子の
井戸周期数、及び多重量子井戸構造から中間層内の各層
らの厚みを調節して最適化することによって光論理構造
および光変調の構造を具現することができ、−５Ｖ電圧
から適切に動作することができる。

【００４６】４）既存の光素子の構造からｐ型半導体
（ｎ型半導体）および上位の鏡層の成長工程を省略する
ことによって成長段階を単純化しており、また素子製作
工程を減らすことができて経済的な長所をもっている。

【００４７】５）金属膜層をショットキーダイオード中
間層と直接接合させることによって光素子の高速動作の
ために必要な大きい入力光から発生する光電流有機局部
的な温度上昇による素子の性能減退の問題を熱伝導度も
優秀な金属膜を中間層と密着させた構造を具現すること
によって優秀な熱損傷の解消効果を得ることができて、
素子の性能を素子がもつ物理的、電気回路的な限界に近
接させることによって既存構造に比べ優秀な素子性能を
得ることができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、高出力の光信号の動作
による熱的な損傷なしに高速に動作する歪曲成長層を利
用した金属／半導体接合ショットキーダイオード光素子
を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明から提示する金属／ｎ型（金属／ｐ型）
半導体接合光素子構造の一つの例を図示している断面
図。

【図２】印加電圧のないときの金属／ｎ型−半導体ショ
ットキー接合のブロック図および多重量子の井戸構造を
示す説明図。

【図３】逆方向の印加電圧が印加されるときの金属／ｎ
型−半導体ショットキー接合のブロック図および多重量
子の井戸構造を示す説明図。

【図４】図４（Ａ）は金属／ｎ型半導体の接合時に逆方
向の印加電圧時の電界と接合面からの距離との関係を示
すグラフ。図４（Ｂ）は金属／ｎ型半導体の接合時に逆
方向の印加電圧時の電位と接合面からの距離との関係を
示すグラフ。

【図５】本発明の一つの実施例を図示しているものとし
て金属−ガリウム砒素／インジウムガリウム砒素−ｎ電
極半導体ダイオードから鏡の９５％半導体金属膜に対し
て半導体鏡の反射率（Ｒｆ）および量子の井戸周期数に
よる５Ｖ動作電圧からの信号差（ΔＲ）および信号比
（ＣＲ）であって、図５（Ａ）は反射率が０．１５の場
合のグラフ。図５（Ｂ）は反射率が０．３の場合のグラ
フ。図５（Ｃ）は反射率が０．５の場合のグラフ。

【符号の説明】

１ ガリウム砒素の基板 ２ ガリウム砒素の鏡層 ３ アルミニウム砒素の鏡層 ４ 半導体層（ｎ+或いはｐ+） ５，８ ガリウム砒素の緩衝層 ６ 非ドーピング量子の障壁層 ７ 非ドーピング量子の井戸層 ９ ショットキー金属層 １０ 無反射層 Ｌ 共鳴器の厚さ １ｗ 量子の井戸層の厚さ １ｂ 量子障壁層の厚さ １ｂ１，１ｂ２ 緩衝層の厚さ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半絶縁性のガリウム砒素の基板上にガリ
   ウム砒素の鏡層とアルミニウム砒素の鏡層が多数周期的
   に成長されており、その上に再びｎ+ 或いはｐ+ 半導体
   層が成長され、前記の半導体層上に電極および鏡役割の
   ためのショットキー金属層を成長させるためにガリウム
   砒素の緩衝層を成長させた金属／半導体接合ダイオード
   素子において、 前記半導体層とショットキー金属膜との間の中間層に電
   気光吸収の特性をもつ多重量子の井戸構造を置いて金属
   層／多重量子層／半導体層によってダイオードを構成す
   ることを特徴とする歪曲成長層を利用した金属／半導体
   接合ショットキーダイオード光素子。
2. 【請求項２】 前記ダイオードは、 電極、熱伝導および鏡の役割をする金属膜と多層半導体
   膜との鏡の間に共鳴および非共鳴条件をもつ構造によっ
   て単結晶基板を光学的な透明層とするために、半導体の
   鏡層およびダイオードを構成する層の一部或いは全部を
   歪曲層によって成長することを特徴とする請求項１記載
   の歪曲成長層を利用した金属／半導体接合ショットキー
   ダイオード光素子。
3. 【請求項３】 前記ダイオードは、 当該ダイオードが成長された基板の反対面が光学的な無
   反射層によって処理されることを特徴とする請求項１記
   載の歪曲成長層を利用した金属／半導体接合ショットキ
   ーダイオード光素子。