JP2000138382A - 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 - Google Patents
量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法Info
- Publication number
- JP2000138382A JP2000138382A JP31570999A JP31570999A JP2000138382A JP 2000138382 A JP2000138382 A JP 2000138382A JP 31570999 A JP31570999 A JP 31570999A JP 31570999 A JP31570999 A JP 31570999A JP 2000138382 A JP2000138382 A JP 2000138382A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- thickness
- diode
- quantum
- wave interference
- 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
- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 最適構造の量子波干渉層をｐ層またはｎ層に
設けることにより、動作抵抗を著しく減少させたダイオ
ードの設計方法を提供する。 【解決手段】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードの、第１層と第２層の厚さの設計方法において、
量子波干渉層を有するダイオードを作製して動作抵抗を
測定する際、ダイオードの量子波干渉層の第２層の厚さ
を固定して第１層の厚さを変化させたダイオードをそれ
ぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第１層の厚さ
の範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層の第
１層の厚さを固定して第２層の厚さを変化させたダイオ
ードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第
２層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波干渉層
を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近となるよ
う、第１層と第２層の厚さを決定する。
設けることにより、動作抵抗を著しく減少させたダイオ
ードの設計方法を提供する。 【解決手段】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードの、第１層と第２層の厚さの設計方法において、
量子波干渉層を有するダイオードを作製して動作抵抗を
測定する際、ダイオードの量子波干渉層の第２層の厚さ
を固定して第１層の厚さを変化させたダイオードをそれ
ぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第１層の厚さ
の範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層の第
１層の厚さを固定して第２層の厚さを変化させたダイオ
ードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第
２層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波干渉層
を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近となるよ
う、第１層と第２層の厚さを決定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は動作抵抗を減少させ
た新規構造のダイオードに関する。
た新規構造のダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｎ接合のダイオードが知られて
いる。これらのダイオードは順方向電圧を印加する時に
流れる電流は、その順方向電圧がバンド電位差を越える
電圧から急激に増加する。この動作領域での電圧電流特
性の傾きが大きい程、ダイオードを各種の素子に応用す
る場合に都合が良い。しかし、この傾きは、半導体材料
により決定されており、変化させることはできなかっ
た。
いる。これらのダイオードは順方向電圧を印加する時に
流れる電流は、その順方向電圧がバンド電位差を越える
電圧から急激に増加する。この動作領域での電圧電流特
性の傾きが大きい程、ダイオードを各種の素子に応用す
る場合に都合が良い。しかし、この傾きは、半導体材料
により決定されており、変化させることはできなかっ
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＪＪＡＰ L
etters Vol.29,No.11(1990年) L1977-L1980に記載され
たように、クラッド層に多重量子井戸障壁を設けること
で、キャリアを反射させることが提案されている。しか
し、この文献では、キャリアの運動エネルギーをどのよ
うな値とするかは示唆がなく、この文献によって指摘さ
れた第１層と第２層との最適な厚さは、本発明者らが最
適とする厚さに対して１／４〜１／６である。この結
果、キャリアの反射の効果が十分ではないという問題が
残されている。
etters Vol.29,No.11(1990年) L1977-L1980に記載され
たように、クラッド層に多重量子井戸障壁を設けること
で、キャリアを反射させることが提案されている。しか
し、この文献では、キャリアの運動エネルギーをどのよ
うな値とするかは示唆がなく、この文献によって指摘さ
れた第１層と第２層との最適な厚さは、本発明者らが最
適とする厚さに対して１／４〜１／６である。この結
果、キャリアの反射の効果が十分ではないという問題が
残されている。
【０００４】そこで、本発明者らは、多重量子井戸構造
を光の多重反射における誘電体多層膜に対応させて、キ
ャリアの量子波が多重量子井戸構造により多重反射され
ると考えた。そして、この反射によりキャリアの通電時
のＶＩ特性を急峻とすることができる考え、量子波干渉
層の最適構造を創作した。従って、本発明の目的は、最
適構造の量子波干渉層をｐ層又はｎ層に設けることで、
動作抵抗を著しく減少させたダイオードを提供すること
である。
を光の多重反射における誘電体多層膜に対応させて、キ
ャリアの量子波が多重量子井戸構造により多重反射され
ると考えた。そして、この反射によりキャリアの通電時
のＶＩ特性を急峻とすることができる考え、量子波干渉
層の最適構造を創作した。従って、本発明の目的は、最
適構造の量子波干渉層をｐ層又はｎ層に設けることで、
動作抵抗を著しく減少させたダイオードを提供すること
である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多
重周期で積層した量子波干渉層を有するダイオードの、
第１層と第２層の厚さの設計方法において、量子波干渉
層をｐ層又はｎ層に有するダイオードを作製して動作抵
抗を測定する際、ダイオードの量子波干渉層の第２層の
厚さを固定して第１層の厚さを変化させたダイオードを
それぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第１層の
厚さの範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層
の第１層の厚さを固定して第２層の厚さを変化させたダ
イオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示
す第２層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波干
渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近となる
よう、第１層と第２層の厚さを決定することを特徴とす
る。
は、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多
重周期で積層した量子波干渉層を有するダイオードの、
第１層と第２層の厚さの設計方法において、量子波干渉
層をｐ層又はｎ層に有するダイオードを作製して動作抵
抗を測定する際、ダイオードの量子波干渉層の第２層の
厚さを固定して第１層の厚さを変化させたダイオードを
それぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第１層の
厚さの範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層
の第１層の厚さを固定して第２層の厚さを変化させたダ
イオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示
す第２層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波干
渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近となる
よう、第１層と第２層の厚さを決定することを特徴とす
る。
【０００６】請求項２に記載の発明は、第１層と第２層
の厚さが、いずれも20nm以下であることを特徴とする。
の厚さが、いずれも20nm以下であることを特徴とする。
【０００７】請求項３の発明は、第１層と第１層よりも
バンド幅の広い第２層とを多重周期で積層し、第１層と
第２層との間にそれらの厚さに比べて充分に薄く、エネ
ルギーバンドを急変させるδ層を有する量子波干渉層を
有するダイオードの、第１層と第２層とδ層の厚さの設
計方法において、量子波干渉層をｐ層又はｎ層に有する
ダイオードを作製して動作抵抗を測定する際、ダイオー
ドの量子波干渉層の第２層とδ層の厚さを固定して第１
層の厚さを変化させたダイオードをそれぞれ作製し、動
作抵抗の極小値付近を示す第１層の厚さの範囲を求める
作業と、ダイオードの量子波干渉層の第１層とδ層の厚
さを固定して第２層の厚さを変化させたダイオードをそ
れぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第２層の厚
さの範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層の
第１層と第２層の厚さを固定してδ層の厚さを変化させ
たダイオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近
を示すδ層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波
干渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近とな
るよう、第１層と第２層とδ層の厚さを決定することを
特徴とする。
バンド幅の広い第２層とを多重周期で積層し、第１層と
第２層との間にそれらの厚さに比べて充分に薄く、エネ
ルギーバンドを急変させるδ層を有する量子波干渉層を
有するダイオードの、第１層と第２層とδ層の厚さの設
計方法において、量子波干渉層をｐ層又はｎ層に有する
ダイオードを作製して動作抵抗を測定する際、ダイオー
ドの量子波干渉層の第２層とδ層の厚さを固定して第１
層の厚さを変化させたダイオードをそれぞれ作製し、動
作抵抗の極小値付近を示す第１層の厚さの範囲を求める
作業と、ダイオードの量子波干渉層の第１層とδ層の厚
さを固定して第２層の厚さを変化させたダイオードをそ
れぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す第２層の厚
さの範囲を求める作業と、ダイオードの量子波干渉層の
第１層と第２層の厚さを固定してδ層の厚さを変化させ
たダイオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近
を示すδ層の厚さの範囲を求める作業とにより、量子波
干渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小値付近とな
るよう、第１層と第２層とδ層の厚さを決定することを
特徴とする。
【０００８】請求項４に記載の発明は、第１層と第２層
の厚さがいずれも20nm以下であり、δ層の厚さが5nm以
下であることを特徴とする。
の厚さがいずれも20nm以下であり、δ層の厚さが5nm以
下であることを特徴とする。
【０００９】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４
のいずれか１項に記載の設計方法によって設計された量
子波干渉層をｐ層又はｎ層に有することを特徴とするダ
イオードである。
のいずれか１項に記載の設計方法によって設計された量
子波干渉層をｐ層又はｎ層に有することを特徴とするダ
イオードである。
【００１０】請求項６の発明は、キャリアの反射層とし
て機能する量子波干渉層を有することを特徴とするダイ
オードである。
て機能する量子波干渉層を有することを特徴とするダイ
オードである。
【００１１】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、２、５、６の発
明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を次に説明す
る。図１は、ｐ層に形成されたバンド幅の異なる層の多
重層構造の伝導帯を示している。少数キャリアである電
子がｐ層へ注入、即ち、図上左から右方向に伝導すると
する。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近
に存在する電子と考えられる。この電子の運動エネルギ
ーをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導す
る電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖにより加
速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギーはＥ＋Ｖと
なる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１
層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速されて、第
２層Ｂにおける電子の運動エネルギーはＥに戻る。伝導
電子の運動エネルギーは、多重層構造のポテンシャルエ
ネルギーによりこのような変調を受ける。
明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を次に説明す
る。図１は、ｐ層に形成されたバンド幅の異なる層の多
重層構造の伝導帯を示している。少数キャリアである電
子がｐ層へ注入、即ち、図上左から右方向に伝導すると
する。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導帯の底付近
に存在する電子と考えられる。この電子の運動エネルギ
ーをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗに伝導す
る電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖにより加
速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギーはＥ＋Ｖと
なる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１
層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速されて、第
２層Ｂにおける電子の運動エネルギーはＥに戻る。伝導
電子の運動エネルギーは、多重層構造のポテンシャルエ
ネルギーによりこのような変調を受ける。
【００１２】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギーを用いて、次の
（１）、（２）式により求められる。 ＤW＝ｎWλW／４＝ｎWｈ/４[２ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2 …（１） ＤB＝ｎBλB／４＝ｎBｈ/４(２ｍBＥ)1/2 …（２）
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギーを用いて、次の
（１）、（２）式により求められる。 ＤW＝ｎWλW／４＝ｎWｈ/４[２ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2 …（１） ＤB＝ｎBλB／４＝ｎBｈ/４(２ｍBＥ)1/2 …（２）
【００１３】但し、ＤW、ＤBは第１層と第２層の厚さ、
λW、λBは第１層と第２層における電子の量子波長、ｈ
はプランク定数、ｍWは第１層におけるキャリアの有効
質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効質量、Ｅは
第２層に流入された、第２層の最低エネルギーレベル付
近におけるキャリアの運動エネルギー、Ｖは第１層に対
する第２層のバンド電位差、ｎW、ｎBは奇数である。即
ち、式（１）、（２）では第１層と第２層の厚さを、各
層における電子の量子波の波長の１／４とした。
λW、λBは第１層と第２層における電子の量子波長、ｈ
はプランク定数、ｍWは第１層におけるキャリアの有効
質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効質量、Ｅは
第２層に流入された、第２層の最低エネルギーレベル付
近におけるキャリアの運動エネルギー、Ｖは第１層に対
する第２層のバンド電位差、ｎW、ｎBは奇数である。即
ち、式（１）、（２）では第１層と第２層の厚さを、各
層における電子の量子波の波長の１／４とした。
【００１４】さらに、波の反射率Ｒは第２層Ｂ、第１層
Ｗにおける量子波の波数ベクトルをＫB，ＫWとする時、
次式で求められる。 Ｒ＝(｜ＫW｜−｜ＫB｜)／(｜ＫW｜＋｜ＫB｜) ＝[｛ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2−(ｍBＥ)1/2]／[｛ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2＋(ｍBＥ)1/2] ＝[１−｛ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2]／[１＋｛ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2] …（３）
Ｗにおける量子波の波数ベクトルをＫB，ＫWとする時、
次式で求められる。 Ｒ＝(｜ＫW｜−｜ＫB｜)／(｜ＫW｜＋｜ＫB｜) ＝[｛ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2−(ｍBＥ)1/2]／[｛ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2＋(ｍBＥ)1/2] ＝[１−｛ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2]／[１＋｛ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)｝1/2] …（３）
【００１５】又、ｍB＝ｍWと仮定すれば、反射率は次式
で表される。 Ｒ＝[１−｛Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)｝1/2]／[１＋｛Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)｝1/2] …（４）
で表される。 Ｒ＝[１−｛Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)｝1/2]／[１＋｛Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)｝1/2] …（４）
【００１６】Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)＝ｘとおけば、（４）式は次
式のように変形できる。 Ｒ＝(１−ｘ1/2)／(１＋ｘ1/2) …（５）
式のように変形できる。 Ｒ＝(１−ｘ1/2)／(１＋ｘ1/2) …（５）
【００１７】この反射率Ｒのｘに対する特性は図２のよ
うになる。
うになる。
【００１８】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲSは次
式で与えられる。 ＲS＝[(１−ｘS)／(１＋ｘS)]2 …（６）
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲSは次
式で与えられる。 ＲS＝[(１−ｘS)／(１＋ｘS)]2 …（６）
【００１９】ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そ
のためのＥ，Ｖの関係は Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギーＥ
は伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満
足され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５
２％以上となる。このような多重層構造により、ｐ層へ
流入される電子の量子波を効率良く反射させることがで
きる。
のためのＥ，Ｖの関係は Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギーＥ
は伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満
足され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５
２％以上となる。このような多重層構造により、ｐ層へ
流入される電子の量子波を効率良く反射させることがで
きる。
【００２０】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB／ＤWは次式で求められる。 ＤB／ＤW＝[ｍW／(ｍBｘ)]1/2 …（８）
の厚さに対する比ＤB／ＤWは次式で求められる。 ＤB／ＤW＝[ｍW／(ｍBｘ)]1/2 …（８）
【００２１】このような量子波干渉層をｐ層に形成した
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、ｐ層
に注入される電子の運動エネルギーが上記の量子波干渉
層の厚さの設計に用いられた運動エネルギーを大きく越
えるまでは、電子の反射が起こり電子による電流は流れ
ない。注入される電子の運動エネルギーが設定された運
動エネルギーを大きく越えると、反射していた電子が急
激に流れるようになる。この結果、ダイオードのＶＩ特
性が急峻となる。即ち、動作抵抗が低下する。
ダイオードにおいて、順方向に電圧を印加すると、ｐ層
に注入される電子の運動エネルギーが上記の量子波干渉
層の厚さの設計に用いられた運動エネルギーを大きく越
えるまでは、電子の反射が起こり電子による電流は流れ
ない。注入される電子の運動エネルギーが設定された運
動エネルギーを大きく越えると、反射していた電子が急
激に流れるようになる。この結果、ダイオードのＶＩ特
性が急峻となる。即ち、動作抵抗が低下する。
【００２２】又、価電子帯においても、エネルギーレベ
ルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバ
ンド電位差と異なること、第１層、第２層における正孔
の有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、電
子に対して反射率を高くするように設定された第１層と
第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる
条件にはならない。よって、上記の構造の量子波干渉層
は、電子だけを反射させ正孔を反射させないようにする
ことができる。
ルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバ
ンド電位差と異なること、第１層、第２層における正孔
の有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、電
子に対して反射率を高くするように設定された第１層と
第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる
条件にはならない。よって、上記の構造の量子波干渉層
は、電子だけを反射させ正孔を反射させないようにする
ことができる。
【００２３】又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔
の有効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計する
ことで、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電子
を透過させる層とすることもできる。
の有効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計する
ことで、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電子
を透過させる層とすることもできる。
【００２４】このような設計のために、量子波干渉層を
例えばｐ層に有するダイオードの、第１層と第２層の厚
さを変化させたものを作製し、動作抵抗の極小値付近を
とる第１層と第２層の厚さの最適化により、電子を反射
する量子波干渉層の第１層と第２層の厚さを設計するこ
とができる。同様に、量子波干渉層を例えばｎ層に有す
るダイオードの、第１層と第２層の厚さを変化させたも
のを作製し、動作抵抗の極小値付近をとる第１層と第２
層の厚さの最適化により、正孔を反射する量子波干渉層
の第１層と第２層の厚さを設計することができる。
例えばｐ層に有するダイオードの、第１層と第２層の厚
さを変化させたものを作製し、動作抵抗の極小値付近を
とる第１層と第２層の厚さの最適化により、電子を反射
する量子波干渉層の第１層と第２層の厚さを設計するこ
とができる。同様に、量子波干渉層を例えばｎ層に有す
るダイオードの、第１層と第２層の厚さを変化させたも
のを作製し、動作抵抗の極小値付近をとる第１層と第２
層の厚さの最適化により、正孔を反射する量子波干渉層
の第１層と第２層の厚さを設計することができる。
【００２５】このような量子波干渉層を有するダイオー
ドの動作抵抗の極小値付近をとる第１層と第２層の厚さ
の最適化には、量子波の波長程度とするため、40nm以下
の厚さで最適化することが望ましく、更には20nm以下が
望ましい。また、このように最適とされた第１層と第２
層の厚さの、各々奇数倍の厚さの第１層と第２層とを積
層した量子波干渉層を設計しても良い。
ドの動作抵抗の極小値付近をとる第１層と第２層の厚さ
の最適化には、量子波の波長程度とするため、40nm以下
の厚さで最適化することが望ましく、更には20nm以下が
望ましい。また、このように最適とされた第１層と第２
層の厚さの、各々奇数倍の厚さの第１層と第２層とを積
層した量子波干渉層を設計しても良い。
【００２６】上記のような電子の量子波干渉層をｐ層に
設け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、この
ダイオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、
動作抵抗を著しく低下させることができる。
設け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、この
ダイオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、
動作抵抗を著しく低下させることができる。
【００２７】〔請求項３、４の発明〕図３に示すよう
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギー
バンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて
十分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は
（７）式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バ
ンド電位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくな
る。ｘ値が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。この
δ層は、図３（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の
境界に設けられているが、片側の境界だけに設けても良
い。又、δ層は、図３（ａ）に示すように、境界に第２
層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底を有するバンドが
形成されるように設けているが、図３（ｂ）に示すよう
に、境界に第１層の底よりもさらに低い底を有するバン
ドを有するように形成しても良い。さらに、図３（ｃ）
に示すように、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギーレ
ベルを有し第１層Ｗよりも低いエネルギーレベルを有す
る２つのδ層を形成しても良い。このようにすること
で、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を
大きくすることができ、多重層に形成した場合に全体で
の量子波の反射率を大きくすることができる。
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギー
バンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて
十分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は
（７）式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バ
ンド電位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくな
る。ｘ値が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。この
δ層は、図３（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の
境界に設けられているが、片側の境界だけに設けても良
い。又、δ層は、図３（ａ）に示すように、境界に第２
層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底を有するバンドが
形成されるように設けているが、図３（ｂ）に示すよう
に、境界に第１層の底よりもさらに低い底を有するバン
ドを有するように形成しても良い。さらに、図３（ｃ）
に示すように、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギーレ
ベルを有し第１層Ｗよりも低いエネルギーレベルを有す
る２つのδ層を形成しても良い。このようにすること
で、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を
大きくすることができ、多重層に形成した場合に全体で
の量子波の反射率を大きくすることができる。
【００２８】このようなδ層の厚さの設計も、上述の第
１層、第２層の設計同様、量子波干渉層を例えばｐ層に
有するダイオードの、第１層と第２層との間のδ層の厚
さを変化させたものを作製し、動作抵抗の極小値付近を
とるδ層の厚さの最適化により、電子を反射する量子波
干渉層のδ層の厚さを設計することができる。
１層、第２層の設計同様、量子波干渉層を例えばｐ層に
有するダイオードの、第１層と第２層との間のδ層の厚
さを変化させたものを作製し、動作抵抗の極小値付近を
とるδ層の厚さの最適化により、電子を反射する量子波
干渉層のδ層の厚さを設計することができる。
【００２９】このような量子波干渉層の動作抵抗の極小
値付近をとる第１層と第２層の厚さの最適化には、量子
波の波長程度とするため、40nm以下の厚さで最適化する
ことが望ましく、更には20nm以下が望ましい。また、δ
層はそれら第１層と第２層の厚さより充分薄くする必要
があるため、10nm以下で最適化することが望ましく、更
には5nm以下が望ましい。また、このように最適とされ
た第１層と第２層の厚さの、各々奇数倍の厚さの第１層
と第２層とを積層した量子波干渉層を設計しても良い。
値付近をとる第１層と第２層の厚さの最適化には、量子
波の波長程度とするため、40nm以下の厚さで最適化する
ことが望ましく、更には20nm以下が望ましい。また、δ
層はそれら第１層と第２層の厚さより充分薄くする必要
があるため、10nm以下で最適化することが望ましく、更
には5nm以下が望ましい。また、このように最適とされ
た第１層と第２層の厚さの、各々奇数倍の厚さの第１層
と第２層とを積層した量子波干渉層を設計しても良い。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。
【００３１】〔第１実施例〕図４は量子波干渉層をｐ層
に形成したダイオードの断面図である。GaAsから成る基
板１０の上に、n-GaAsから成る厚さ0.3μm、電子濃度2
×1018/cm3のバッファ層１２が形成され、その上にn-Ga
0.51In0.49Pから成る厚さ0.1μm、電子濃度2×1018/cm3
のｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタ
クト層１４の上には、n-Al0.51In0.49Pから成る厚さ0.5
μm、電子濃度1×1018/cm3のｎ層１６が形成され、その
上にはAl0.51In0.49Pから成る厚さ0.6μmのｐ層１８が
形成されている。さらに、そのｐ層１８の中に量子波干
渉層である電子反射層２０が形成されている。尚、電子
反射層２０の入射端面側のｐ層１８ａは厚さ0.1μm、正
孔濃度1×1017/cm3であり、電子反射層２０の出射端面
側のｐ層１８ｂは厚さ0.5μm、正孔濃度1×1018/cm3で
ある。そして、ｐ層１８ｂの上にp-Ga0.51In0.49Pから
成る厚さ0.1μm、正孔濃度2×1018/cm3の第２ｐ形コン
タクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.1μm、正孔濃度2
×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成されてい
る。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2μmのAu/Geか
ら成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト層２４
の上には厚さ0.2μmのAu/Znから成る電極２８が形成さ
れている。尚、基板１０は、２インチ径の大きさであ
り、基板の主面は面方位(100)に対して15°方位[011]方
向にオフセットしている。
に形成したダイオードの断面図である。GaAsから成る基
板１０の上に、n-GaAsから成る厚さ0.3μm、電子濃度2
×1018/cm3のバッファ層１２が形成され、その上にn-Ga
0.51In0.49Pから成る厚さ0.1μm、電子濃度2×1018/cm3
のｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタ
クト層１４の上には、n-Al0.51In0.49Pから成る厚さ0.5
μm、電子濃度1×1018/cm3のｎ層１６が形成され、その
上にはAl0.51In0.49Pから成る厚さ0.6μmのｐ層１８が
形成されている。さらに、そのｐ層１８の中に量子波干
渉層である電子反射層２０が形成されている。尚、電子
反射層２０の入射端面側のｐ層１８ａは厚さ0.1μm、正
孔濃度1×1017/cm3であり、電子反射層２０の出射端面
側のｐ層１８ｂは厚さ0.5μm、正孔濃度1×1018/cm3で
ある。そして、ｐ層１８ｂの上にp-Ga0.51In0.49Pから
成る厚さ0.1μm、正孔濃度2×1018/cm3の第２ｐ形コン
タクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.1μm、正孔濃度2
×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成されてい
る。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2μmのAu/Geか
ら成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト層２４
の上には厚さ0.2μmのAu/Znから成る電極２８が形成さ
れている。尚、基板１０は、２インチ径の大きさであ
り、基板の主面は面方位(100)に対して15°方位[011]方
向にオフセットしている。
【００３２】このダイオードは、ガスソースＭＢＥ法に
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。
【００３３】電子反射層（量子波干渉層）２０は、図５
に示すように、第１層Ｗにp-Ga0.51In0.49P、第２層Ｂ
にp-Al0.51In0.49Pを用いた１５周期の多重量子構造で
あり、第１層Ｗと第２層Ｂの境界にp-Al0.33Ga0.33In
0.33Pから成るδ層が形成されている。厚さの条件は上
記した（１）、（２）式で決定され、最初の第２層Ｂ0
（ｐ層１８ａ）の厚さはキャリアのトンネル伝導を防止
できる程の厚さに設計されている。又、δ層の厚さは、
1.3nmである。図５のエネルギーダイヤグラムでは、ｎ
層１６とｐ層１８ａと電子反射層２０が図示されてい
る。図５（ａ）は電圧が印加されていない状態を示し、
（ｂ）は電圧Ｖが印加された状態を示している。このよ
うな構造とすることで、このダイオードに順方向に電圧
を印加すると、ｎ層１６からｐ層１８に注入された電子
は電子反射層２０により効果的に反射され、電子はｐ層
に注入されない。さらに、電圧を増加させて注入される
電子の運動エネルギーが電子反射層２０を設計した運動
エネルギーＥを大きく越えると、この電子反射層２０が
電子を反射しなくなり、電子を通過させるようになる。
この結果、ＶＩ特性は印加電圧があるしきい値を越える
と急峻に立ち上がる。
に示すように、第１層Ｗにp-Ga0.51In0.49P、第２層Ｂ
にp-Al0.51In0.49Pを用いた１５周期の多重量子構造で
あり、第１層Ｗと第２層Ｂの境界にp-Al0.33Ga0.33In
0.33Pから成るδ層が形成されている。厚さの条件は上
記した（１）、（２）式で決定され、最初の第２層Ｂ0
（ｐ層１８ａ）の厚さはキャリアのトンネル伝導を防止
できる程の厚さに設計されている。又、δ層の厚さは、
1.3nmである。図５のエネルギーダイヤグラムでは、ｎ
層１６とｐ層１８ａと電子反射層２０が図示されてい
る。図５（ａ）は電圧が印加されていない状態を示し、
（ｂ）は電圧Ｖが印加された状態を示している。このよ
うな構造とすることで、このダイオードに順方向に電圧
を印加すると、ｎ層１６からｐ層１８に注入された電子
は電子反射層２０により効果的に反射され、電子はｐ層
に注入されない。さらに、電圧を増加させて注入される
電子の運動エネルギーが電子反射層２０を設計した運動
エネルギーＥを大きく越えると、この電子反射層２０が
電子を反射しなくなり、電子を通過させるようになる。
この結果、ＶＩ特性は印加電圧があるしきい値を越える
と急峻に立ち上がる。
【００３４】又、価電子帯においても、多重量子井戸構
造が形成されるが、この構造では電子が効果的に反射さ
れるように第１層Ｗと第２層Ｂの厚さの条件が決定され
ているので、正孔はこの多重量子井戸構造では反射され
ない。よって、ｐ層１８ｂからの正孔はこの電子反射層
２０を通過して、ｎ層１６に達する。
造が形成されるが、この構造では電子が効果的に反射さ
れるように第１層Ｗと第２層Ｂの厚さの条件が決定され
ているので、正孔はこの多重量子井戸構造では反射され
ない。よって、ｐ層１８ｂからの正孔はこの電子反射層
２０を通過して、ｎ層１６に達する。
【００３５】第１層Ｗと第２層Ｂの厚さを各種変化させ
てＶＩ特性を測定した。第２層Ｂの厚さを７nmにして、
第１層Ｗの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定した。
第１層Ｗの厚さが５nmの時にＶＩ特性の傾き（動作抵
抗）は最小となった。次に、第１層Ｗの厚さを５nmにし
て、第２層Ｂの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定し
た。第２層Ｂの厚さが７nmの時に動作抵抗が最小となっ
た。このように、電子反射層２０は第１層Ｗの厚さを５
nm、第２層Ｂの厚さを７nmにする時にダイオードの動作
抵抗が最小となった。このダイオードの測定されたＶＩ
特性Ｂを図６、図７に示す。又、上記の実施例におい
て、電子反射層２０だけが存在しないダイオードを製造
し、そのＶＩ特性Ａも測定した。図６は、電流が急激に
立ち上がる前の領域を示している。本実施例のダイオー
ドの電流が従来形のダイオードに比べて電流が抑制され
ているのが理解される。又、ＶＩ特性Ａ−ＶＩ特性Ｂを
表した特性がＣである。約２Ｖで最大の電流抑制が実現
されていることが理解される。この約２Ｖを印加した時
に第２層を越える程度のエネルギーが第１層と第２層の
厚さの設計に用いられたｐ層に注入される電子の運動エ
ネルギーＥに対応していると考えられる。図７は直線目
盛りで表されたＶＩ特性である。本実施例のダイオード
の動作抵抗は、従来のダイオードの動作抵抗に比べて１
／４に低下した。
てＶＩ特性を測定した。第２層Ｂの厚さを７nmにして、
第１層Ｗの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定した。
第１層Ｗの厚さが５nmの時にＶＩ特性の傾き（動作抵
抗）は最小となった。次に、第１層Ｗの厚さを５nmにし
て、第２層Ｂの厚さを各種変化させてＶＩ特性を測定し
た。第２層Ｂの厚さが７nmの時に動作抵抗が最小となっ
た。このように、電子反射層２０は第１層Ｗの厚さを５
nm、第２層Ｂの厚さを７nmにする時にダイオードの動作
抵抗が最小となった。このダイオードの測定されたＶＩ
特性Ｂを図６、図７に示す。又、上記の実施例におい
て、電子反射層２０だけが存在しないダイオードを製造
し、そのＶＩ特性Ａも測定した。図６は、電流が急激に
立ち上がる前の領域を示している。本実施例のダイオー
ドの電流が従来形のダイオードに比べて電流が抑制され
ているのが理解される。又、ＶＩ特性Ａ−ＶＩ特性Ｂを
表した特性がＣである。約２Ｖで最大の電流抑制が実現
されていることが理解される。この約２Ｖを印加した時
に第２層を越える程度のエネルギーが第１層と第２層の
厚さの設計に用いられたｐ層に注入される電子の運動エ
ネルギーＥに対応していると考えられる。図７は直線目
盛りで表されたＶＩ特性である。本実施例のダイオード
の動作抵抗は、従来のダイオードの動作抵抗に比べて１
／４に低下した。
【００３６】〔第２実施例〕図８に示すように、ｎ層１
６にも正孔反射層３０が設けられている。正孔の量子波
入射端面のｎ層１６ａはトンネル電流を阻止するに十分
な厚さがある。この正孔反射層３０も電子反射層２０と
構造的には同一である。正孔を効果的に反射させるため
に、第１層Ｗの厚さは1.0nmであり、第２層Ｂの厚さは
1.2nmである。このように電子反射層２０と正孔反射層
３０とを形成することで、電子反射層２０と正孔反射層
３０が形成されていないダイオードに比べて、約１／６
の動作抵抗の低下が得られた。
６にも正孔反射層３０が設けられている。正孔の量子波
入射端面のｎ層１６ａはトンネル電流を阻止するに十分
な厚さがある。この正孔反射層３０も電子反射層２０と
構造的には同一である。正孔を効果的に反射させるため
に、第１層Ｗの厚さは1.0nmであり、第２層Ｂの厚さは
1.2nmである。このように電子反射層２０と正孔反射層
３０とを形成することで、電子反射層２０と正孔反射層
３０が形成されていないダイオードに比べて、約１／６
の動作抵抗の低下が得られた。
【００３７】上記実施例では、δ層を形成している。こ
のδ層により反射率を著しく向上させることができる
が、効果は低下するがδ層がない多重量子井戸構造でも
良い。又、上記実施例では、量子波干渉層をGa0.51In
0.49PとAl0.51In0.49Pとの多重層で構成したが、４元系
のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y≦1の任意の値)で組成比を異
にして形成しても良い。さらに、量子波干渉層は、他の
III族-V族化合物半導体、II族-VI族化合物半導体、Si/G
e、その他の異種半導体の多重接合で構成することが可
能である。
のδ層により反射率を著しく向上させることができる
が、効果は低下するがδ層がない多重量子井戸構造でも
良い。又、上記実施例では、量子波干渉層をGa0.51In
0.49PとAl0.51In0.49Pとの多重層で構成したが、４元系
のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y≦1の任意の値)で組成比を異
にして形成しても良い。さらに、量子波干渉層は、他の
III族-V族化合物半導体、II族-VI族化合物半導体、Si/G
e、その他の異種半導体の多重接合で構成することが可
能である。
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】第２層におけるキャリアの運動エネルギーの第
１層における運動エネルギーに対する比ｘに対する反射
率Ｒの関係を示した特性図。
１層における運動エネルギーに対する比ｘに対する反射
率Ｒの関係を示した特性図。
【図３】本発明の概念を説明するための説明図。
【図４】本発明の具体的な一実施例に係るダイオードの
構造を示した断面図。
構造を示した断面図。
【図５】その実施例に係るダイオードのエネルギーダイ
ヤグラム。
ヤグラム。
【図６】その実施例に係るダイオードのＶＩ特性の測定
図。
図。
【図７】その実施例に係るダイオードのＶＩ特性の測定
図。
図。
【図８】他の実施例に係るダイオードの構造を示した断
面図。
面図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｐ層 ２０…電子反射層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 ３０…正孔反射層
Claims (6)
- 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有するダイ
オードの、前記第１層と前記第２層の厚さの設計方法に
おいて、 前記量子波干渉層をｐ層又はｎ層に有するダイオードを
作製して動作抵抗を測定する際、 前記ダイオードの前記量子波干渉層の前記第２層の厚さ
を固定して前記第１層の厚さを変化させた前記ダイオー
ドをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す前記
第１層の厚さの範囲を求める作業と、 前記ダイオードの前記量子波干渉層の前記第１層の厚さ
を固定して前記第２層の厚さを変化させた前記ダイオー
ドをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近を示す前記
第２層の厚さの範囲を求める作業とにより、 前記量子波干渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小
値付近となるよう、前記第１層と前記第２層の厚さを決
定することを特徴とするダイオードを構成する量子波干
渉層の設計方法。 - 【請求項２】 前記第１層と前記第２層の厚さが、いず
れも20nm以下であることを特徴とする請求項１に記載の
ダイオードを構成する量子波干渉層の設計方法。 - 【請求項３】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層し、前記第１層と前記第２層と
の間にそれらの厚さに比べて充分に薄く、エネルギーバ
ンドを急変させるδ層を有する量子波干渉層を有するダ
イオードの、前記第１層と前記第２層と前記δ層の厚さ
の設計方法において、 前記量子波干渉層をｐ層又はｎ層に有するダイオードを
作製して動作抵抗を測定する際、 前記ダイオードの前記量子波干渉層の前記第２層と前記
δ層の厚さを固定して前記第１層の厚さを変化させた前
記ダイオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近
を示す前記第１層の厚さの範囲を求める作業と、 前記ダイオードの前記量子波干渉層の前記第１層と前記
δ層の厚さを固定して前記第２層の厚さを変化させた前
記ダイオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近
を示す前記第２層の厚さの範囲を求める作業と、 前記ダイオードの前記量子波干渉層の前記第１層と前記
第２層の厚さを固定して前記δ層の厚さを変化させた前
記ダイオードをそれぞれ作製し、動作抵抗の極小値付近
を示す前記δ層の厚さの範囲を求める作業とにより、 前記量子波干渉層を有するダイオードの動作抵抗が極小
値付近となるよう、前記第１層と前記第２層と前記δ層
の厚さを決定することを特徴とするダイオードを構成す
る量子波干渉層の設計方法。 - 【請求項４】 前記第１層と前記第２層の厚さがいずれ
も20nm以下であり、前記δ層の厚さが5nm以下であるこ
とを特徴とする請求項３に記載のダイオードを構成する
量子波干渉層の設計方法。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
記載の設計方法によって設計された量子波干渉層をｐ層
又はｎ層に有することを特徴とするダイオード。 - 【請求項６】 キャリアの反射層として機能する量子波
干渉層を有することを特徴とする請求項５に記載のダイ
オード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31570999A JP2000138382A (ja) | 1999-11-05 | 1999-11-05 | 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31570999A JP2000138382A (ja) | 1999-11-05 | 1999-11-05 | 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9123482A Division JP3014340B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | 量子波干渉層を有したダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000138382A true JP2000138382A (ja) | 2000-05-16 |
Family
ID=18068605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31570999A Pending JP2000138382A (ja) | 1999-11-05 | 1999-11-05 | 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000138382A (ja) |
-
1999
- 1999-11-05 JP JP31570999A patent/JP2000138382A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4644378A (en) | Semiconductor device for generating electromagnetic radiation | |
| JP3014339B2 (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子 | |
| US4365260A (en) | Semiconductor light emitting device with quantum well active region of indirect bandgap semiconductor material | |
| TW202046588A (zh) | 半導體雷射二極體 | |
| EP0188080B1 (en) | Light-emitting semiconductor device having a super lattice | |
| US6664561B2 (en) | Light-receiving device with quantum-wave interference layers | |
| JPH0629612A (ja) | 表面放出型半導体レーザの製造方法と、その方法で得られるレーザ | |
| JP3014340B2 (ja) | 量子波干渉層を有したダイオード | |
| JP3014341B2 (ja) | 量子波干渉層を有したダイオード | |
| JP3014364B2 (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子 | |
| JP2000138382A (ja) | 量子波干渉層を有したダイオ―ド及びダイオ―ドを構成する量子波干渉層の設計方法 | |
| JPS6083389A (ja) | 面発光レ−ザ発振装置 | |
| JP3442668B2 (ja) | 量子波干渉層を有した電界効果トランジスタ | |
| JP3377950B2 (ja) | 量子波干渉層を有する発光素子 | |
| JP3014389B2 (ja) | 量子波干渉層を有した受光素子 | |
| JP2019036727A (ja) | 半導体レーザーダイオード | |
| JP2000114601A (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子及び半導体素子を構成する量子波干渉層の設計方法 | |
| JP2000133655A (ja) | 量子波干渉層を有するトランジスタ | |
| JP3617129B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP3014363B2 (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子 | |
| JP2001068793A (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子 | |
| JP2000124443A (ja) | エネルギバンド急変層を有した半導体素子 | |
| JP2000106474A (ja) | 量子波干渉層を有した半導体素子及び半導体素子を構成する量子波干渉層の設計方法 | |
| JP3014361B2 (ja) | 量子波干渉層を有した可変容量素子 | |
| CN116670839A (zh) | 混合应变多量子阱超辐射发光二极管 |