CN1262022C - 发光闸流晶体管及自扫描型发光装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种发光效率好的发光闸流晶体管及自扫描型发光装置。该发光闸流晶体管备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层之间，插入用来使上述GaAs缓冲层和上述在它上面且与它相接的AlGaAs层的界面晶格匹配的层。

Description

发光闸流晶体管及自扫描型发光装置
技术领域
本发明涉及改善了发光效率的发光闸流晶体管、以及使用这样的发光闸流晶体管的自扫描型发光装置。
背景技术
在本申请人的日本专利特开平2-14584号公报中公开了面发光的发光闸流晶体管，另外在本申请人的特开平9-85985号公报中公开了端面发光的发光闸流晶体管。面发光闸流晶体管也好、端面发光闸流晶体管也好，其基本结构是相同的，例如在GaAs衬底上的GaAs缓冲层上使AlGaAs层(Al成分例如为0.35)连续地生长晶体。
图1是表示发光闸流晶体管的基本结构的简略剖面图。在图1中，10是p型GaAs衬底，在该衬底上依次层叠p型GaAs缓冲层12、p型AlGaAs层14、n型AlGaAs层16、p型AlGaAs层18、n型AlGaAs层20。在AlGaAs层20上设置阴极22，在AlGaAs层18上设置栅极24，在GaAs衬底的背面设置阳极26。
在该例中，在p型GaAs衬底上夹着缓冲层依次层叠p型层、n型层、p型层、n型层，但在n型GaAs衬底上夹着缓冲层依次层叠n型层、p型层、n型层、p型层的情况下，最上层的电极成为阳极，最下部的电极成为阴极。
本发明人在上述公报中公开了将这样构成的发光闸流晶体管排列成阵列状，在排列的这些发光闸流晶体管之间，通过保持适当的相互作用，能实现自扫描功能，作为光打印机用电源在安装上是简便的，能使发光元件的排列间距小，而且，能制作小型的自扫描型发光装置等。
在这样构成的发光闸流晶体管中，在GaAs缓冲层和该缓冲层上的AlGaAs层的界面上Al成分变化大，例如Al成分从0变化到0.35，所以由于该急剧变化，晶格常数的变化小时，在该界面上产生晶格混乱，或者能带产生大的变形。因此，界面上的晶格失配变大，产生位错。而且界面上能隙增大，由于形成结致使能带的变形增大。
鉴于上述情况，在GaAs衬底上夹着GaAs缓冲层生长形成AlGaAs层的发光闸流晶体管中，在GaAs缓冲层和AlGaAs层的界面上，伴随晶格失配而诱发晶格缺陷，另外由于不明确的杂质能级的形成等，例如由于阈值电流值、维持电流的增加，存在装置特性劣化的问题。另外由于这些界面附近的成为载流子消光杂质的缺陷的发生，还存在外部量子效率低、发光光量下降的问题。
另外，如图2所示，在n型AlGaAs层20上为了取得与阴极22的欧姆接触，有时形成n型GaAs层28。另外，在图2中，与图1相同的要素用相同的参照符号表示。这样，在现有的发光闸流晶体管中，为了与电极的欧姆接触的容易性、材料系统的简化，而将GaAs用于最上层材料。发光闸流晶体管的发光波长约为780nm，如果将GaAs层用于最上层，则其吸收端波长为约860nm，所以发出的光通过最上层28时引起吸收，发生光量下降。
为了减少由GaAs层28引起的光吸收量，虽然可以减薄GaAs层的厚度，但如果膜的厚度薄，还会发生以下问题。即，为了作成欧姆电极，需要使电极材料和GaAs合金化，但因热处理引起的原子的迁移距离大，电极材料的合金化区域到达作为GaAs层28的下层的AlGaAs层20。其结果，AlGaAs的结晶性混乱，成为光散射等的原因。
图3是表示297K时的n型GaAs层的吸收光谱的曲线图。纵轴表示吸收系数α，横轴表示光子能量。光的吸收量表示为：
1-e-αt                   (式中t为膜厚)
由该曲线图可知，对应于780nm波长的光的吸收系数约为1.5×104。假设膜厚t为0.02微米，如果利用上式简单地计算吸收量，则可知发光量下降3～4％。如果由于膜厚的起伏或合金化而产生原子排列的混乱、成分的变化等，则会引起吸收量的进一步下降。
图4表示在GaAs衬底10上有GaAs缓冲层12、在最上层还有GaAs层28的发光闸流晶体管。另外，在图4中与图1及图2相同的要素，用相同的参照符号表示。
一般说来，如图5所示，pnpn结构的发光闸流晶体管可以认为是衬底一侧的pnp晶体管44和与衬底相反一侧的npn晶体管46的组合。即，阳极相当于pnp晶体管44的发射极，阴极相当于npn晶体管46的发射极，栅极相当于npn晶体管46的基极。由各自的晶体管44、46的电流放大率的组合决定闸流晶体管的维持电流。即，为了减小维持电流，需要增大各晶体管的电流放大率α。由发射极注入效率γ、输送效率β、集电极结雪崩倍增率M、固有集电极效率α*的积给出电流放大率α。其中，为了增大发射极注入效率γ，发射极的杂质浓度被设计得比基极的杂质浓度高。
作为p型杂质的Zn的扩散速度非常快，在外延成膜过程中还扩散到n型半导体层中，补偿了n型杂质。因此，如果阳极层(GaAs层12及AlGaAs层14)中的Zn浓度比n型栅极层(AlGaAs层16)中的杂质Si的浓度大，则阳极层和栅极层的界面附近的Si基本上被补偿，晶体管的输送效率β下降。另外，存在作成非发光中心，导致发光效率下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在GaAs衬底上夹着GaAs缓冲层使AlGaAs层生长形成的发光闸流晶体管中，改善了发光效率的发光闸流晶体管。
本发明的另一个目的在于提供一种在将GaAs用于最上层材料的发光闸流晶体管中，改善了发光效率的发光闸流晶体管。
本发明的再一个目的在于提供一种在n型栅极层的杂质为Zn的发光闸流晶体管中，改善了发光效率的发光闸流晶体管。
本发明的再一个目的在于提供一种使用以上的发光闸流晶体管的自扫描型发光装置。
本发明提供一种发光闸流晶体管，其特征在于备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化，或者上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层中的Al的成分以连续增加的方式变化。
在这样的发光闸流晶体管中，由于上述AlGaAs层中的Al成分逐渐变化，所以能减少在GaAs缓冲层和AlGaAs层的界面上伴随晶格不一致的位错等晶格缺陷，另外能缓和界面上的能带的极端变形。
代替使Al成分逐渐变化的方法，可以考虑插入单一或多重量子阱、或使用翘曲层的翘曲超晶格结构等是有效的。这时通过作成满足高反射条件的量子阱层或超晶格层，利用量子阱层或超晶格层反射朝向衬底一侧的光，所以能期待提高出射光量。
另外，在Al的成分呈台阶状或连续变化的AlGaAs层中可能发生不适配位错的情况下，为了停止不适配位错的传播，也可以在AlGaAs层内设置量子阱层或翘曲超晶格结构。
如果采用本发明的第二种形态，则由于将吸收端波长比780nm短的材料、例如InGaP、InGaAsP、或AlGaInP作为最上层材料，所以能使最上层的光吸收消失。该材料最好相对于GaAs衬底晶格一致。这样，由于将在比发光闸流晶体管的发光波长短的波长区域具有吸收端的材料用于最上层，所以能消除最上层对出射光的吸收，能提高外部量子效率。
根据本发明的第三种形态，其特征在于：在pnpn结构的发光闸流晶体管中，至少使n栅极层附近的阳极层的局部杂质浓度比n栅极层的杂质浓度低。
pnpn结构的发光闸流晶体管例如在p型衬底上使p型的第一层、p型的第二层、n型的第三层、p型的第四层、n型的第五层、n型的第六层外延生长的情况下，这样的发光闸流晶体管是衬底一侧的pnp晶体管和与衬底相反一侧的npn晶体管的组合。
根据本发明，通过使第一层、第二层的杂质浓度在第三层的杂质浓度以下，限制杂质从第一层、第二层向第三层的扩散。另外，由于pnp晶体管的发射极-基极结呈异质结，所以即使发射极的杂质浓度比基极的杂质浓度低，发射极注入效率γ也几乎不受影响，能大致保持1。
另外如果采用本发明，通过将发光闸流晶体管作为发光元件用，能实现如下构成的自扫描型发光装置。
1.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过相互作用电阻，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔两个发光元件进行连接的方式与三条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化，或者上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层中的Al的成分以连续增加的方式变化。
2.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作用的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔一个发光元件进行连接的方式与两条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化，或者上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层中的Al的成分以连续增加的方式变化。
3.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作用的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过相互作用电阻，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔两个传输元件的方式与三条时钟线相连，上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化，或者上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层中的Al的成分以连续增加的方式变化。
4.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔一个传输元件的方式与两条时钟线相连，上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：GaAs衬底；设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化，或者上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层中的Al的成分以连续增加的方式变化。
如果采用这样构成的自扫描型发光装置，则外部发光效率好，而且能实现谋求高精细化、小型化、低成本化的发光装置。
附图说明
图1是有缓冲层的现有的发光闸流晶体管的简略剖面图。
图2是将GaAs层用于最上层的现有的发光闸流晶体管的简略剖面图。
图3是表示图2所示的发光闸流晶体管中n型GaAs的吸收系数的曲线图。
图4是现有的发光闸流晶体管的简略剖面图。
图5是图4中的发光闸流晶体管的等效电路。
图6是表示本发明的第一实施例的图。
图7是表示本发明的第二实施例的图。
图8是表示发光闸流晶体管的特性评价电路的图。
图9是表示阈值电流的测定例的曲线图。
图10是表示维持电流的测定例的曲线图。
图11是表示本发明的第三实施例的图。
图12及图13表示本发明的第四实施例的图。
图14是表示本发明的第五实施例的图。
图15是表示InGaP的光致发光强度的曲线图。
图16是表示将In0.5Ga0.5P层的吸收光谱与GaAs进行比较的图。
图17是表示发光闸流晶体管的光输出功率测定电路的图。
图18是InGaAsP的成分图。
图19是表示AlGaInP的晶格常数和能隙的关系的曲线图。
图20是表示发光闸流晶体管的电流-光输出功率特性的图。
图21是表示本发明的第七实施例的图。
图22是自扫描型发光装置的第一基本结构的等效电路图。
图23是自扫描型发光装置的第二基本结构的等效电路图。
图24是自扫描型发光装置的第三基本结构的等效电路图。
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的实施例。
(第一实施例)
图6是表示解决了用图1说明的有缓冲层的现有的发光闸流晶体管的问题的本发明的一实施例的图。示出了在GaAs衬底10上一边使Al成分x呈台阶状地从0(GaAs)逐渐地增加到0.35，一边使AlxGa1-x As层外延生长的状态。另外，与GaAs、AlGaAs的导电类型(n型、p型)无关，外延生长的方法是相同的，所以在实施例的说明中不区分导电类型。
在GaAs衬底10上一边改变Al原料的供给量，使Al成分按照0、0.1、0.2、0.3、0.35这样的顺序变化，一边使AlGaAs层外延生长。即，依次使Al成分为0的GaAs层(缓冲层)12、Al成分为0.1的AlGaAs层50-1、Al成分为0.2的AlGaAs层50-2、Al成分为0.3的AlGaAs层50-3、Al成分为0.35的AlGaAs层50-4进行外延生长。
Al成分这样呈台阶状增加的4个AlGaAs层50-1、50-2、50-3、50-4相当于图1中的AlGaAs层14。在此情况下，GaAs缓冲层12～AlGaAs层50-4的全部膜的厚度由载流子的关闭效率设定。
以后的工序与图1中的现有例相同，使Al成分依次外延生长到0.35的AlGaAs层。
(第二实施例)
图7是表示解决了用图1说明的有缓冲层的现有的发光闸流晶体管的问题的本发明的第二个实施例的图。表示了在GaAs缓冲层12上一边使Al成分x从0连续地变化到0.35，一边使Alx Ga1-x As层外延生长。外延生长时，通过使Al和Ga的供给量的至少一者连续地变化，来实现这样的Al成分的变化。
这样处理后，在GaAs衬底10上的GaAs缓冲层12上形成Al成分从0连续地变化到0.35的AlGaAs层52-1，继续形成Al成分为0.35的AlGaAs层52-2。
这样的两个AlGaAs层52-1、52-2相当于图1中的AlGaAs层14。
在此情况下，GaAs缓冲层12～AlGaAs层52-2的全部膜的厚度由载流子的关闭效率设定。
以后的工序与图1中的现有例相同，使Al成分依次外延生长到0.35的AlGaAs层。
如以上这样的第一实施例及第二实施例所示，通过使Al成分逐渐变化，能降低在GaAs缓冲层和AlGaAs层的界面上伴随晶格不一致的位错等晶格缺陷，另外能缓和界面上的能带的极端变形。因此减轻了对装置特性的影响。
用以下方法测定了第一或第二实施例的发光闸流晶体管的阈值电流、维持电流、光输出功率。如图8所示，将闸流晶体管60的阳极62、阴极64、栅极66连接在稳流电源68及稳压电源70上，使稳流电源68的输出电流Ik变化，测定了发光闸流晶体管的阴极电压Vk和栅极电流Ig。图9中示出了测定数据的典型例。在图9中，求出栅极电流Ig从增加变为减少之前最大的电流，将它作为阈值电流。另一方面，同样一边使稳流电源68的输出电流Ik(等于发光闸流晶体管60的阴极电流)变化，一边测定了阴极电压Vk。图10中示出了特性的典型例。将阴极电压超过一定值(例如0.2V)的点定义为维持电流。通过电阻将栅极连接在阳极上，用光电二极管测定将输出电流Ik设定为适当的值(例如13mA)时的光输出功率，获得了光输出功率。测定15～20个第一或第二实施例的发光闸流晶体管，与图1中的现有的发光闸流晶体管进行了比较，阈值电流平均减少了约20％，维持电流平均减少了约5％。光输出功率平均增加了约10％。
(第三实施例)
图11是表示解决了用图1说明的有缓冲层的现有的发光闸流晶体管的问题的本发明的第三个实施例的图，在GaAs衬底10上的GaAs缓冲层12上形成量子阱层72，与图1中的现有结构一样，在该量子阱层72上使AlGaAs层14、AlGaAs层16、…外延生长。这样的量子阱层具有与第一及第二实施例的Al成分呈台阶状增加的AlGaAs层及Al成分连续变化的AlGaAs层同样的作用，能降低在GaAs缓冲层和AlGaAs层的界面上伴随晶格不一致的位错等晶格缺陷，另外能缓和界面上的能带的极端变形。
本实施例中的量子阱层也可以不在GaAs缓冲层12和AlGaAs层14的界面上，而设置在AlGaAs层14内。另外，即使用翘曲超晶格结构，也能获得同样的效果。
(第四实施例)
在使上述的第一及第二实施例的Al成分呈台阶状或连续地变化的AlGaAs层上起因于晶格不一致而发生的不适配位错在该AlGaAs层中传播而传播到上层，有可能对闸流晶体管的特性产生影响。以下说明降低且停止这样的晶格失配位错的传播的实施例。
在图12所示的实施例中，在图6的结构中，将量子阱层或翘曲超晶格结构74设置在AlGaAs层50-4内。因此，能停止不适配位错的传播。
在图13所示的实施例中，在图7的结构中，将量子阱层或翘曲超晶格结构76设置在AlGaAs层52-2内。因此，能停止不适配位错的传播。
(第五实施例)
图14是解决了用图2说明的将GaAs层用于最上层的现有的发光闸流晶体管的问题的本发明的发光闸流晶体管的简略剖面图。其结构虽然与图2中的现有例相同，但将最上层的GaAs层换成了由相对于GaAs衬底晶格一致的InGaP构成的层80。
在In1-x Gax P的情况下，所谓与GaAs晶格一致，是指成分x约为0.5时。InGaP生长时使用了MOCVD。作为In原料使用了三甲铟(TMI)，Ga原料中使用了三甲镓(TMG)，P原料中使用了磷化氢。生长条件依赖于所使用的反应炉的结构，为了获得所希望的成分x＝0.5，需要利用条件。在采用减压生长法的情况下，生长温度为600～700℃。III族原料供给摩尔比(TMG/TMI)由与混晶比(x/1-x)成比例的摩尔比决定。用硒作为获得n型InGaP用的掺杂剂，硒的原料中使用了硒化氢。
为了评价光学特性，在GaAs衬底上使单层的InGaP生长，作为测定试样。图15表示在室温下测定的In0.5Ga0.5P的光致发光强度。发光中心波长约为660nm。图16表示将相同的In0.5Ga0.5P层的吸收光谱与GaAs(图3)比较。In0.5Ga0.5P的吸收端波长约为650nm(0.9eV)，780nm的波长的光的吸收系数为10cm-1以下，与GaAs的1.5×104cm-1相比，获得了非常小的值。
将最上层的阴极层作为上述InGaP层，制作了发光闸流晶体管。InGaP层的生长方法与上述的相同，除此之外的制造工序与已经公开的使用GaAs层的情况相同。另外，为了使阴极与InGaP层欧姆接触，将AuGeNi用于阴极的材料。
为了测定光输出功率，如图17所示连接发光闸流晶体管。发光闸流晶体管82的栅极84通过电阻86与阳极88连接，将稳流电源92连接在阳极88和阴极90之间，利用光电二极管测定了在一定的阴极电流(例如10mA)下的光输出功率。
所获得的光输出功率比使用GaAs层的发光闸流晶体管时的典型值平均增加了约3％。由此可知In0.5Ga0.5P层的吸收小到可忽视的程度。
另外，作为最上层的材料，在使用In1-x Gax As1-y Py的情况下，由于使用吸收端能量大的一侧的成分x、y，能使吸收系数小。为了说明这种情况，图18中示出了In1-x Gax As1-y Py的成分图。实线表示等能隙Eg线，虚线表示等晶格常数线。如果根据该成分图，则表示吸收端能量为1.6eV的线100相对于约780nm的发光波长。另外，晶格常数5.65埃相对于GaAs的晶格常数。因此，从该状态图可知，由于使用比具有与GaAs的晶格常数相等的晶格常数的成分中用黑点表示的点102的能量高的一侧的成分，所以能使吸收系数小。
另外，作为最上层的材料，在使用Alx Gay In1-x-y P的情况下，需要选择各自的成分x、y，以便与GaAs晶格一致。图19是表示AlGaInP的晶格常数和能隙的关系的曲线图。纵轴表示晶格常数，横轴表示能隙Eg。图中，斜线部分104是能取得Alx Gay In1-x-y P的成分范围，但其中与GaAs晶格一致的是用实线表示的成分。在该成分中，由于能隙相对于780nm的波长是足够大的值，所以能推断吸收系数比GaAs小很多。
(第六实施例)
说明解决了用图4说明的现有的发光闸流晶体管的问题的本发明的发光闸流晶体管的实施例。
在图4所示的发光闸流晶体管的结构中，制作了只使p型GaAs层12、p型AlGaAs层14的浓度变化的发光闸流晶体管。表1中示出了衬底及各层的化合物、膜厚、杂质、杂质浓度。
表1
  层   材料   膜厚(nm)   杂质                  杂质浓度(原子/cm3)
  No.1   No.2   No.3   No.4
  层28   GaAs   30   Si   3×1018   3×1018   3×1018   3×1018
  层20   Al0.3Ga0.7As   500   Si   3×1018   3×1018   3×1018   3×1018
  层18   Al0.13Ga0.87As   800   Zn   1×1017   1×1017   1×1017   1×1017
  层16   Al0.13Ga0.87As   200   Si   1×1018   1×1018   1×1018   1×1018
  层14   Al0.3Ga0.7As   500   Zn   2×1017   2×1018   5×1017   1×1018
  层12   GaAs   500   Zn   2×1017   2×1018   5×1017   1×1018
  衬底10   GaAs   Zn
衬底10由GaAs构成，杂质是Zn。缓冲层12由厚度为500nm的GaAs构成，杂质是Zn。阳极层14由厚度为500nm的Al0.3Ga0.7As构成，杂质是Zn。n型栅极层16由厚度为200nm的Al0.13Ga0.87As构成，杂质是Si。p型栅极层18由厚度为800nm的Al0.13Ga0.87As构成，杂质是Zn。阴极层20由厚度为500nm的Al0.3Ga0.7As构成，杂质是Si。欧姆接触层28由厚度为30nm的GaAs构成，杂质是Si。
杂质浓度如表1所示，制作了No.1、No.2、No.3、No.4共4种。在表1所示的No.1、No.2、No.3、No.4中，4个层16、18、20、28的杂质浓度相同。即，层16的Si杂质浓度为1×1018/cm3、层18的Zn杂质浓度为1×1017/cm3、层20的Si杂质浓度为3×1018/cm3、层28的Si杂质浓度为3×1018/cm3。
另一方面，在No.1中，使层12、14中的Zn杂质浓度为2×1017/cm3。在No.2中，使层12、14中的Zn杂质浓度为2×1018/cm3。在No.3中，使层12、14中的Zn杂质浓度为5×1017/cm3。在No.4中，使层12、14中的Zn杂质浓度为1×1018/cm3。
可知，在No.2、No.4的情况下，层12、14中的杂质浓度不会在层16的Si杂质浓度以下。
对于具有以上的No.1～No.4的杂质浓度的发光闸流晶体管，研究了它的电流-光输出功率特性。图20中示出了所获得的电流-光输出功率特性。在层12、14中的Zn浓度比层16的Si浓度低很多的No.1的发光闸流晶体管中，发光量为最高。另外，在No.3的发光闸流晶体管中，发光量为次高。可是，在层12、14中的Zn浓度与层16的Si浓度相同、或比层16的Si浓度低的No.4、No.2的发光闸流晶体管中，发光量依次变低。由此可知，如果将层12、14中的Zn浓度设定得比层16的Si浓度低，则杂质从层12、14向层16的扩散受到了限制，结果发光效率不会下降。
(第七实施例)
在第六实施例中，如果使层12、14中的杂质浓度比层16的杂质浓度低，则表现出有效，但如果使层12、14中的杂质浓度低，则这些层的电阻增大，对闸流晶体管的性能有影响。为了避免这一点，如图21所示，在第七实施例中制作了将层14分割成两个层14-1、14-2的发光闸流晶体管。设定各层的杂质浓度(设定浓度)如表2所示。在分割的第二层中，只是上层14-2的杂质浓度低，为2×1016/cm3，下层14-1为2×1018/cm3。其他层的浓度与第六实施例相同。
利用二次离子质量分析法评价了生长后的各层的杂质浓度，将其结果(实际测量浓度)示于表2中。根据评价结果可知，上层14-2的杂质浓度比设定浓度(2×1016/cm3)高，变为4×1017/cm3。这是因为在上层14-2的生长中Zn从下层14-1扩散的缘故。
这样构成的发光闸流晶体管的电流-光输出功率特性与第六实施例的No.1大致相同。因此表现出如果层14中在层16附近的部分中的杂质浓度低则有效。
表2
  层   材料   膜厚(nm)   杂质      杂质浓度(原子/cm3)
  设定浓度   实际测量浓度
  层28   GaAs   30   Si   3×1018   3×1018
  层20   Al0.3Ga0.7As   500   Si   3×1018   3×1018
  层18   Al0.13Ga0.87As   800   Zn   1×1017   1×1017
  层16   Al0.13Ga0.87As   200   Si   3×1018   3×1018
  层14-2   Al0.3Ga0.7As   100   Zn   2×1016   4×1017
  层14-1   Al0.3Ga0.7As   400   Zn   2×1018   2×1018
  层12   GaAs   500   Zn   2×1018   2×1018
  衬底10   GaAs
在以上的两个实施例中，虽然给出了使用p型衬底的情况，但在n型衬底的情况，只要使阳极层的杂质浓度比n型栅极层的杂质浓度低即可。另外，这里虽然说明了容易引起扩散的杂质Zn，但本发明即使对于其他种类的杂质同样有效。即，也能适用于第五、六层的n型杂质浓度。
(第八实施例)
说明能使用以上的发光闸流晶体管的自扫描型发光装置的3种基本结构。
图22是自扫描型发光装置的第一种基本结构的等效电路图。作为发光元件使用端面发光闸流晶体管…T-2、T-1、T0、T+1、T+2、…，在这些发光闸流晶体管中，设有各个栅极…G-2、G-1、G0、G+1、G+2、…。电源电压VGK通过负载电阻RL加在各个栅极上。另外，相邻的栅极为了进行相互作用，通过电阻RI导电性地连接。另外，3条传输时钟(Φ1、Φ2、Φ3)线路分别每隔3个元件(重复地)连接在发光元件的阳极上。
说明该自扫描型发光元件阵列的工作情况，首先传输时钟Φ3呈高电平，发光闸流晶体管T0导通。这时根据发光闸流晶体管的特性，栅极G0下降到零伏附近。假设电源电压VGK为5伏，由负载电阻RL、相互作用电阻RI构成的电路决定发光闸流晶体管的栅压。而且，靠近发光闸流晶体管T0的闸流晶体管的栅压最低，以下随着远离闸流晶体管T0的栅压V(G)依次上升。将它如下表示。
V(G0)＜V(G+1)＝V(G-1)＜V(G+2)＝V(G-2)………(1)
通过适当地选择负载电阻RL、相互作用电阻RI的值，能设定这些栅压的差。
如下式所示，可知发光闸流晶体管的导通电压VoN只比栅压V(G)高出pn结的扩散电压Vdif的大小。
VoN＝V(G)+Vdif………(2)
因此，如果将加在阳极上的电压设定得比该导通电压VoN高，则该发光闸流晶体管导通。
于是该发光闸流晶体管呈导通状态，使下一个传输时钟Φ1呈高电平。该传输时钟Φ1虽然同时加在发光闸流晶体管T+1和T-2上，但如果将传输时钟Φ1的高电平的电压值VH设定在以下范围内，则能只使发光闸流晶体管T+1导通。
V(G-2)+Vdif＞VH＞V(G+1)+Vdif………(3)
这时发光闸流晶体管T0、T+1同时导通。然后如果使时钟Φ3呈低电平，则发光闸流晶体管T0截止，能进行导通状态的传输。
根据上述的原理，如果将传输时钟Φ1、Φ2、Φ3的高电平电压设定得重复地按顺序互相一个个地减小，则发光闸流晶体管的导通状态能依次传递。这样处理，能实现本发明的自扫描型发光装置。
图23是自扫描型发光装置的第二种基本结构的等效电路图。该自扫描型发光装置使用二极管作为发光闸流晶体管的栅极之间的导电性连接方法。即，用二极管…D-2、D-1、D0、D+1、…代替图22所示电路中的相互作用电阻RI。由于二极管具有单向导电性，所以传输时钟线路有两条即可，两条传输时钟(Φ1、Φ2)线路分别每隔一个元件连接在发光元件的阳极上。
说明该自扫描型发光装置的工作情况，首先传输时钟Φ2呈高电平，发光闸流晶体管T0导通。这时根据发光闸流晶体管的特性，栅极G0下降到零伏附近。假设电源电压VGK为5伏，根据负载电阻RL、二极管D的电路，决定各发光闸流晶体管的栅压。而且，靠近发光闸流晶体管T0的闸流晶体管的栅压最低，以下随着远离发光闸流晶体管T0的栅压依次上升。
由于二极管特性的单向性、非对称性，所以使电压下降的效果只朝向发光闸流晶体管T0的右方起作用。即设定栅极G+1相对于G0沿二极管的正向电压升高Vdif，再设定栅极G+2相对于G+1沿二极管的正向电压升高Vdif。另一方面，由于二极管D-1呈反偏压，所以电流不流过二极管D-1，因此发光闸流晶体管T0左侧的发光闸流晶体管T-1的栅极G-1与电源电压VGK等电位。
下一个传输时钟Φ1被加在最接近的发光闸流晶体管T+1、T-1、然后发光闸流晶体管T+3及T-3等上，其中导通电压最低的闸流晶体管是T+1，闸流晶体管T+1的导通电压约为(G+1的栅压+Vdif)，但它约为Vdif的2倍。其次导通电压低的闸流晶体管是T+3，约为Vdif的4倍。发光闸流晶体管T-1和T-3的导通电压约为(VGK+Vdif)。
由上所述，如果将传输时钟Φ1的高电平电压设定在Vdif的2倍至Vdif的4倍之间，则能只将发光闸流晶体管T+1导通，能进行传输动作。
图24是自扫描型发光装置的第三种基本结构的等效电路图。该自扫描型发光装置是使传输部40和发光部42分离的结构。传输部40的电路结构与图23所示的电路结构相同，传输部40的发光闸流晶体管…T-1、T0、T+1、T+2、…在该实施例中作为传输元件用。
发光部42由写入用发光元件…L1、L0、L+1、L+2、…构成，这些发光元件的栅极连接在传输元件…T-1、T0、T+1、T+2、…的栅极…G-1、G0、G+1…上。写入信号Sin加在写入用发光元件的阳极上。
以下，说明该自扫描型发光装置的工作情况。现在，假设传输元件T0呈导通状态，栅极G0的电压比电源电压VGK低，几乎为零伏。因此，如果写入信号Sin的电压在pn结的扩散电位Vdif(约1伏)以上，则能使发光元件L0呈发光状态。
与此不同，栅极G-1约5伏，栅极G+1约1伏。因此，发光元件L1的写入电压约6伏，发光元件L+1的写入信号的电压约2伏。因此，只有写入发光元件L0中的写入信号Sin的电压在约1～2伏的范围内。如果发光元件L0导通，即呈发光状态，则写入信号Sin的电压被固定在约1伏，所以能防止选择另一发光元件的错误。
发光强度由写入信号Sin中流的电流量决定，用任意的强度都能写入图像。另外，为了将发光状态传送给下一个元件，需要使写入信号Sin的电压暂时为零伏，使发光的元件暂时截止。
工业上利用的可能性
如果采用本发明，则能提供改善了发光效率的发光闸流晶体管。另外，如果采用本发明，则由于通过发光元件阵列化而增加自扫描功能，可提供提高了外部发光效率的自扫描型发光装置。

Claims (16)

1.一种发光闸流晶体管，其特征在于备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层的上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化。
2.根据权利要求1所述的发光闸流晶体管，其特征在于：在上述多个AlGaAs层的最上层内插入量子阱层或翘曲超晶格结构。
3.根据权利要求1所述的发光闸流晶体管，其特征在于：在上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层内插入量子阱层或翘曲超晶格结构。
4.一种发光闸流晶体管，其特征在于备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层的上面且与它相接的AlGaAs层的Al成分向上以连续增加的方式变化。
5.根据权利要求4所述的发光闸流晶体管，其特征在于：在上述多个AlGaAs层的最上层内插入量子阱层或翘曲超晶格结构。
6.根据权利要求4所述的发光闸流晶体管，其特征在于：在上述GaAs缓冲层上面的且与它相接的AlGaAs层内插入量子阱层或翘曲超晶格结构。
7.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过相互作用电阻，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔两个发光元件进行连接的方式与三条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化。
8.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过相互作用电阻，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔两个发光元件进行连接的方式与三条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层的Al成分向上以连续增加的方式变化。
9.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔一个发光元件进行连接的方式与两条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化。
10.一种自扫描型发光装置，它是这样构成的：排列多个有用于发光动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各发光元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个发光元件的控制电极上，同时通过电气装置把电源线分别连接在各发光元件的上述控制电极上，且使各发光元件以每隔一个发光元件进行连接的方式与两条时钟线相连，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层的Al成分向上以连续增加的方式变化。
11.根据权利要求9或10所述的自扫描型发光装置，其特征在于：
上述具有单向导电性的电气元件是二极管。
12.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，
上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过相互作用电阻，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔两个传输元件的方式与三条时钟线相连，
上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，
用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化。
13.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，
上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过相互作用电阻，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔两个传输元件的方式与三条时钟线相连，
上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，
用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层的Al成分向上以连续增加的方式变化。
14.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，
上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔一个传输元件的方式与两条时钟线相连，
上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，
用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层由多个AlGaAs层构成，这些AlGaAs层中的Al成分向上以台阶状增加的方式变化。
15.一种自扫描型发光装置，它由自扫描传输元件阵列和发光元件阵列构成，
上述自扫描传输元件阵列是这样形成的，即，排列多个有用于传输动作的阈值电压或阈值电流的控制电极的传输元件，通过具有单向导电性的电气元件，将各传输元件的上述控制电极连接在位于其附近的至少一个传输元件的控制电极上，同时用电气装置将电源线路分别连接在各传输元件的上述控制电极上，而且使各传输元件以每隔一个传输元件的方式与两条时钟线相连，
上述发光元件阵列由排列了多个具有阈值电压或阈值电流的控制电极的发光元件构成，
用电气装置将上述发光元件阵列的各控制电极与上述传输元件的控制电极连接起来，设置了将发光用的电流加在各发光元件上的线路，该自扫描型发光装置的特征在于：
上述发光元件是发光闸流晶体管，且备有：
GaAs衬底；
设置在上述GaAs衬底上的GaAs缓冲层；以及
设置在上述GaAs缓冲层上的、由第一导电型及第二导电型的AlGaAs层交互层叠而成的4个层，
在上述GaAs缓冲层和在它上面且与它相接的AlGaAs层的Al成分向上以连续增加的方式变化。
16.根据权利要求14或15所述的自扫描型发光装置，其特征在于：
上述具有单向导电性的电气元件是二极管。
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