JP2001522527A

JP2001522527A - 半導体量子発振装置

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Publication number: JP2001522527A
Application number: JP54220998A
Authority: JP
Inventors: リ，ビンフイ
Original assignee: リ，ビンフイ
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 2001-11-13
Also published as: WO1998045882A1; CN1195895A; EP1009034A1; CN1117399C; US6472683B1; AU6493698A; EP1009034A4; CN1252167A

Abstract

(57)【要約】多重層半導体構造体と、上記構造体に電圧を供給するための手段とを備える新規なキャリヤ注入スキームにより、ブロッホ発振を発生する半導体量子発振装置。上記多重層構造体は、トンネル効果注入領域と、一組のトンネル効果注入領域の両側に位置し、それに隣接する一組の発振領域を備える。上記トンネル効果領域および上記一組の発振領域を横切って供給される電圧により、価電子は、上記トンネル効果領域内のバンド間トンネル効果により伝導バンド内に入り、電子およびホールが、それぞれ、上記一組の発振領域内に注入される。このようにして注入された電子およびホールは、量子発振運動を受け、遠赤外線放射を行う。本発明の装置は、ミリメートル波の上限と遠赤外線下限との間の電磁スペクトル資源の効率的利用に道を開くものである。

Description

【発明の詳細な説明】半導体量子発振装置発明の分野本発明は、量子効果半導体装置に関し、特に掛けられた電界に応じて電磁放射を行う半導体量子発振（ブロッホ発振）装置に関する。電磁放射の周波数は、最も高いマイクロ波周波数と最も低い赤外線周波数との間の周波数である。発明の背景本発明の基本的な物理的原理は、均一の電界内に置かれた結晶内の電子のダイナミックスである。６０年前、Ｆ．ブロッホ（Ｆ．ブロッホ、Ｚ・Ｐｈｙｓ．５２、５５５（１９２８）およびＣ．ツェナー（Ｃ．ツェナー、Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．１４５、５２３（１９３４））は、結晶内の電子が、ブロッホ関数からなる波の群れと表現することができ、散乱も起こらず、もっと高いエネルギー帯へのバンド間トンネル現象も起こらない場合には、電子は、掛けられた電界に応じてｋ空間内で周期的な運動を行うことを証明した。上記周期的運動の周波数はｅＦａ／ｈである。この場合、ｅは電子の電荷であり、Ｆは電界であり、ａは結晶定数であり、ｈはプランク定数である。ｋ空間内での電子の発振運動は、実際の空間内での周期的運動を伴う。均一な電界内での結晶内での電子のこの発振運動は、通常、ブロッホ発振（または、ツェナー発振、またはツェナー−ブロッホ発振、またはブロッホ−ツェナー発振）と呼ばれる。ブロッホ発振は、ブリュアン帯の境界における衝撃により加速された電子のブラッグ反射により起こる。この発振は、第一のブリュアン帯内の電子の周期的運動となる。電子運動の上記の説明は、ブロッホの波の群れのダイナミックスに基づいていて、通常、準古典的説明と呼ばれる。それ以後の理論的探求により、均一の電界内の結晶内の電子は、準結合ワニール−スターク状態からなる波の群れと、表現することもできることが分かった。この完全に量子機構的表現の場合、ブロッホ発振は、ワニール−スターク状態の量子干渉の特殊な場合のように思われる。ブロッホ発振の詳細な理論的分析については、Ｇ．バスタードおよびＦ．フェリーラ著の「ワニール−スターク量子化およびブロッホ発振装置」（１９８９年に、ニューヨークのプレナム社発行の、ＮＡＴＯＡＳＩシリーズの半導体の微小構造の分光学」を参照されたい。）ブロッホ発振を実際に起こすために、電子は、（ツェナー・トンネル効果とも呼ばれるバンド間トンネル効果を通して）もっと高いエネルギー帯に励起される前、または散乱を起こす前に、少なくとも一回の発振周期を完了していなければならない。バンド間トンネル効果の場合には、光子効果を無視すれば、その上部境界は、１電子理論近似に基づいて、強力なレベルのところに確立されている。上記近似により、電子が、バンドをトンネル効果により抜け出す前に、多数のブロッホ発振を行うことができることが証明されている。（Ａ．ネンシュウ（Ｎｅｎｃｉｕ）およびＧ．ニンシュウ（Ｎｉｎｃｉｕ）、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ａ１４、２８１７（１９８１））それ故、バンド間トンネル効果は、ブロッホ発振の実際の発生に、障害となるものであってはならない。散乱について説明すると、固体内での電子の散乱機構には二種類ある。光子散乱と不純物散乱である。散乱があるために、電界のすべての合理的な数値に対するブロッホ発振は、従来の固体内では観察することができないと、通常信じられている。（Ｇ．ホン・プレセンおよびＰ．トマス、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．４５、９１８５（１９９２））Ｐ．ロビンおよびＭ．Ｗ．ミューラ（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃ：（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｙｓ．１６、４５４７（１９８３））は、ブロッホ発振（彼らの論文では、コヒーレントなツェナー発振と呼ぶ）を研究して、準コヒーレントな電子だけが、ブロッホ発振を行うことを発見した。準コヒーレント電子は、小さなサイズｘを持ち、発振位置が予想できる古典的な電子である。応用面から見た場合、Ｌ．エサキおよびＲ．ツは、その米国特許（第３，６２６，３２８号）で、超格子構造を使用するブロッホ発振装置を提案した。この提案装置の出発点は、ブロッホ発振に必要な条件は、超格子構造体の場合には、もっと容易に満足させることができるに違いないという考え方である。通常のブリュアン帯の幅より遥かに狭い幅のミニブリュアン帯を超格子の方向に形成し、その結果、散乱プロセスが従来の固体より優れたものになるだろうという点で議論が行われる。本発明の目的は、ブロッホ発振の物理的原理に基づいて、高周波半導体超格子バルク発振装置を提供することである。現在に至るまで、提案の装置は実現していない。（１９９２年、スプリンガ・バーラグ発行の、Ｌ．エサキの、ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｅｓｏｓｃｏｐｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒｅの３ページ参照）Ｍ．Ｗ．ミューラ、Ｐ．ロビンおよびＤ．Ｉ．ロード（ＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＳｕｂｍｉｃｒｏｎｄｅｖｉｃｅＰｈｙｓｃｌｃｓ、Ｈ．Ｌ．Ｇｒｕｂｉｎ版、（ニューヨーク：プレナム社、１９８３）、２６１ページ）は、バルク半導体ブロッホ発振装置の概念を提案した。この装置の場合には、狭い禁止帯の幅の半導体から広い幅のギャップの半導体への、時間に依存する電子のバンド間トンネル効果が、注入スキームとして示唆されている。Ｐ．ロビンおよびＭ．Ｗ．ミューラ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１、２１８（１９８６））は、ブロッホ発振を実際に起こさせるには、電子を位相を合わせて注入しなければならないことに気がついた。彼らは、またブロッホ発振（彼らの論文では、ツェナー発振と呼ぶ）の散乱を定量的に分析し、ＧａＡｓのような半導体の極性散乱は、ブロッホ発振の周波数が、縦方向の光学的光子の最大周波数より大きい場合には、同調から外すことができることを指摘した。さらに、彼らは、バルク半導体でのブロッホ発振（ツェナー発振）についての第一の困難な問題は、それらを発生させることであることを発見した。ブロッホ発振を実際に起こさせるための上記のすべての視点は、正しく、非常に洞察力の富んだものではあるが、彼らは、電子注入期間中、高速の極性散乱速度を解決するとはできないという結論に達した。彼らの提案したブロッホ発振装置は実現しなかった。その理由は、彼らの装置で提案された時間に依存するトンネル効果による電子注入スキームは実用的ではなく、その上、この電子注入スキームは、極性散乱を解決することができなかったからである。それ故、実際にブロッホ発振を行う際の最も重要な問題は、極性散乱を解決ですることができるばかりでなく、注入電子の位相を同じにすることができる、新しい電子注入スキームをどのようにして発見するかということである。その上、上記半導体ブロッホ発振装置の場合、伝導バンド内に電子についてだけ詳細に論じているが、他のタイプのキャリヤ、すなわち、値電子バンド内のホールにより、ブロッホ発振を実際に起こさせる方法については全然報告していない。発明の概要本発明の一つの目的は、キャリヤ（伝導バンド内の電子および価電子バンド内のホールを含む）を注入するための、一意のキャリヤ注入スキームを使用する、半導体ブロッホ発振装置を提供することである。上記キャリヤ注入スキームは、従来技術では未解決の高い極性散乱障害を克服するばかりでなく、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールの両方を注入する。上記目的を達成するために、本発明者たちは、ブロッホ発振を実際に発生するために必要な条件を広範にまた詳細に研究し、ブロッホ発振に関連する下記の事実を発見した。１）ドーピングされた半導体においては、真性半導体の全価電子バンド内の価電子は、伝導バンド内の電子および価電子バンド内の電子（ホールで示す）と比較すると、その散乱の程度は遥かに少ない。問題は、これら価電子が、光子散乱を経験すると、散乱を起こす唯一の方向は伝導バンドの方向であることである。何故なら、全価電子バンド内には他に使用できる状態がないからである。実際には、この種の散乱が起こる確率は非常に低い。何故なら、通常の半導体の禁止帯の幅は、通常、熱光子のエネルギーより極めて狭いからである。２）強力な電界内においては、真性（意図的にドーピングされていない）半導体の（波ベクトルｋがほとんどゼロに等しい）バンドの縁部の価電子を、バンド間トンネル・プロセスにより、伝導バンド内にまで励起することができ、その結果、伝導バンドおよび価電子バンド内に、それぞれ、自由電子および自由ホールを発生させることができる。１）で説明した発見に基づいて、全価電子バンド内のバンドの縁部の価電子は、バンド間トンネル効果が発生する前に、光子の散乱を経験する。それ故、バンド間トンネル・プロセス（直接バンド間トンネル効果）に光子が参加しないようにすれば、入手した自由電子および自由ホールは、光子の影響を受けない。波ベクトルがほとんどゼロに近い、バンドの縁部の価電子だけが、バンド間トンネル・プロセスに参加することを考慮に入れ、波ベクトルが光子を含まないトンネル・プロセスに対して保存されていることを考慮に入れると、バンド間トンネル効果が局部的に起こるようにすれば、コヒーレントな自由電子および自由ホールを入手することができる。３）（上記の）ブロッホ発振の散乱についての、Ｐ．ロビンおよびＭ．ミューラの分析に基づいて、光子の散乱をずらすためには、ブロッホ発振の周波数を縦方向の光学的（ＬＯ）光子の周波数より高くするため、１０００ＫＶ／センチ以上の電界が必要になる。散乱をずらすための、電界に対するこの要件は、半導体で直接バンド間トンネル効果を発生させる要件と一致する。４）種々のタイプの多重層構造を成長させるために、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属ＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ）、または原子層を制御することができる他の材料成長法が、広く使用されている。厚さ、組成および／または個々の各層の応力を制御することによって、全多重層に強い電界が掛かる場合には、多重層構造の内部に局部的に直接バンド間トンネル効果を起こさせることができる。バンド間トンネル効果が発生する領域は、コヒーレント電子およびコヒーレントなホールを入手するための、ブロッホ発振装置に対する注入領域として使用することができる。上記発見に基づいて、本発明は、その間にバンド間トンネル効果領域をサンドイッチ状に挟んでいる一組のキャリヤ発振領域と、多重層半導体構造体を横切って動作電圧を供給するための手段とを持つ、バンド間トンネル効果領域を形成する、ヘテロ接合材料の半導体の多重層構造を含む、半導体量子（ブロッホ）発振装置を提供する。多重層構造を横切って動作電圧が掛けられると、バンド間トンネル効果領域内にキャリヤのバンド間トンネル効果が発生し、キャリヤ発振領域内にコヒーレントなキャリヤが注入される。この装置は、一組のキャリヤ発振領域内に、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールを注入するために、直接（光子を含まない）バンド間トンネル効果（ツェナー・トンネル効果とも呼ばれる）を使用し、バンド間トンネル効果は、真性または意図的にドーピングされていない半導体の多重層構造に、局部的にだけ発生する。３００ＧＨｚ以上の周波数を持つ、電磁放射を発生するための、現存の二つまたは三つのターミナル半導体装置を使用して、実際の発振装置を組み立てるのは非常に難しい。一方、中央の赤外線（５〜８μｍ）の上のスペクトル領域に対して、電気的エネルギーを近赤外線レーザ類似の光学的エネルギーに、直接および効率的に変換することができる入手可能な固体の光源は存在しない。総体的にいえば、中赤外線からミリメートル以下の領域までのスペクトル領域内においては、効率的で軽量で高速の光学的ソースの開発がかなり熱心に求められている。ブロッホ発振の周波数は、このスペクトル領域をカバーする。それ故、本発明の半導体量子（ブロッホ）発振装置は、このスペクトル領域内の電磁資源を使用する、効率的な道を開くものである。図面の簡単な説明図１は、その内部でキャリヤ注入を行うために、直接バンド間トンネル効果が使用される、本発明の半導体量子発振装置の構造を示す図面である。図２は、バンド間トンネル効果の発生に対応する臨界電圧Ｖｃを示す、図１の半導体量子発振装置のＩ−Ｖ特性曲線である。図３は、図１の半導体量子発振装置の、バンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域に、適用することができる多重層半導体構造を示すエネルギー帯の図である。図４は、バンド間トンネル効果を発生させるために臨界電圧の供給が行われる状態を示す、図３のバンド間トンネル効果領域とキャリヤ発振構造体のエネルギー帯の図である。図５−図７は、図１の半導体量子発振装置の他の使用可能なバンド間トンネル効果領域構造体、およびキャリヤ発振領域構造体を示すエネルギー帯の図である。図８は、図３の構造体を修正した、図１の半導体量子発振装置のバンド間トンネル効果領域と二つのキャリヤ発振領域に適用することができる他の多重層半導体構造体を示すエネルギー帯の図である。図９は、その内部において、電子発振領域が超格子構造を含む、さらに他のバンド間トンネル効果領域とキャリヤ発振領域構造体のエネルギー帯の図である。図１０は、本発明の例示としての実施形態の断面図である。図１１は、図１０の例示としての装置のＩ−Ｖ特性曲線である。詳細な説明図１は、バンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域を含む、本発明の半導体量子発振装置の構造を示す図である。参照番号１００で示す装置全体は、バンド間トンネル効果注入領域１０２；バンド間トンネル効果注入領域１０２をサンドイッチ状に挟んでいる、二つのキャリヤ発振領域である、電子発振領域１０４、およびホール発振領域１０６；電子発振領域１０４およびその上に形成された対応する金属電極１１２に隣接する一つの接点領域１０８；ホール発振領域１０６およびその上に形成された対応する金属電極１１４に隣接するもう一つの接点領域１１０を含む。装置を動作させる際には、金属電極１１２および１１４に供給される正の電圧が、バンド間トンネル効果注入領域１０２、およびキャリヤ発振領域１０４および１０６内に強い電界を発生する。強い電界は、バンド間トンネル効果注入領域１０２内に直接（光子を含まない）バンド間トンネル効果を発生し、それにより、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールが、電子発振領域１０４、およびホール発振領域１０６内にそれぞれ注入される。注入されたコヒーレントな電子およびコヒーレントなホールは、電子発振領域内のコヒーレントなキャリヤと、結晶の周期的な電位との間の相互作用による発振領域内の強い電界に応じてブロッホ発振を起こす。電磁波出力は、掛けられた電界に対しで垂直であり、掛けられた電界の方向に沿って電界が偏光される。本発明の半導体量子発振装置は、エッジ・エミッション半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）に似ているが、その動作原理は全く異なる。それ故、通常の半導体注入レーザ類似の導波管タイプのファブリ・ペロー共振空洞を形成することにより、または放射エネルギーを装置に送り返して結合する他の技術を使用することにより、本発明の半導体量子発振装置をレーザとして動作させることができる。キャリヤのブロッホ発振の周波数は、下記式で表わすことができる。ｖ＝λ２πｅＦ／ｈｋ（１）ここで、ｅは電子の電荷であり、Ｆは電界であり、ｈはプランク定数であり、ｋは電界方向に沿ったブリュアン帯帯の直径であり、λは発振領域の詳細なエネルギー帯に関連する数字係数である。ＧａＡｓおよびいくつかの他の化合物半導体の場合には、伝導バンドの一番狭い部分は、ブリュアン帯の中心（Γ、ｋ＝０）に位置しているが、一方、伝導バンドは、また＜１００＞および＜１１１＞結晶方向に沿って衛星溝を持つ。電子運動の准古典的表現に基づいて、ブロッホ発振の周波数は、エネルギーのピークが一つしかない場合のための簡単な式（ｖ＝２πｅＦ／ｈｋ）により計算することができる。それ故、λは、実際のバンド構造体効果を説明するために導入される。現在のところ、バンド構造体が、ブロッホ発振の周波数にどのような影響を与えるかについては、ハッキリ分かっていないが、λの数値は１〜２であると予想されている。大部分の半導体の価電子バンドの場合には、サブピークが存在しないので、λの数値は１である。ＧａＡｓの場合、＜１００＞結晶方向に５×１０⁵Ｖ／センチの電界が掛けられた場合には、式（１）に基づいて、その電界は、ｈｖ／２７Ｒλミリ電子ボルトであると判断される。この場合、ブロッホ発振からの電磁放射は、遠赤外線領域内に存在するこを理解することができるだろう。図１の金属電極１１２および１１４は、本発明の半導体量子発振装置の外部の世界にアクセスするためのターミナルである。基本的には、金属電極１１２および１１４は、二つの機能を持つ。すなわち、一方の機能は、金属電極への供給電圧により、バンド間トンネル効果注入領域１０２、キャリヤ発振領域１０４および１０６内に装置が動作するのに必要な強い電界を発生することであり；他方の機能は、上記金属電極が、それぞれ、キャリヤ発振領域１０４および１０６から、位相のずれた電子および位相のずれたホールを収集するための二つのコレクタとして動作することである。ブロッホ発振を行うコヒーレントなキャリヤは、光子散乱のような位相変動散乱を経験すると、位相のずれを起こす。位相のずれたキャリヤにより形成された電流は、本発明の半導体量子発振装置１００に対して外部ターミナル電流を形成する。本発明の半導体量子発振装置１００の場合には、金属電極１１２および１１４に対して二つの要件があることを指摘しておくのは意味のあることである。上記要件は、電極１１２は、電子発振領域１０４内にコヒーレントでない電子を注入してはならないということと、また電極１１４は、ホール発振領域１０６にコヒーレントでないホールを注入してはならないといくことである。上記要件が満たされない場合には、電極から注入されたコヒーレントでないキャリヤが引き起こした電子雪崩れが、必要なバンド間トンネル効果の前に発生し、コヒーレントなキャリヤを注入することができなくなる。意図的にドーピングされていないキャリヤ発振領域１０４および１０６上に、金属電極１１２および１１４を直接蒸着しても、上記要件をすぐには満足させることはできない。何故なら、コヒーレントでないキャリヤを注入すると、逆バイアス・ショットキー・ダイオードのような現象が、起こる恐れがあるからである。金属電極からのコヒーレントでないキャリヤの注入を防止するために、接点金属とドーピングしていないキャリヤ発振領域との間に誘電層を挿入するのは実際には不可能である。その理由は、ドーピングしていない半導体と誘電層との間の界面上の表面がある状態にあり、上記界面上に電界が存在し、コヒーレントでないキャリヤがキャリヤ発振領域内に注入された場合、この表面状態がキャリヤ発生の中心として動作するからである。表面状態の密度をゼロに近くしてやれば、この方法でも実行することができるが、装置はパルス・モードでしか動作しない。接点電極からの、コヒーレントでないキャリヤの注入を防止する有効な手段は、キャリヤ発振領域と接点電極との間に接点領域を挿入する方法、すなわち、電子発振領域１０４と、金属電極１１２との間に接点領域１０８を挿入し、図１のホール発振領域１０６と金属電極１１４との間に接点領域１１０を挿入する方法である。好適には、金属電極１１２および１１４と半導体接点領域１０８および１１０との間の接点は、オーム抵抗を持つ接点であることが好ましい。オーム抵抗を持つ接点は、本発明の半導体量子発振装置にとって必要なものではないが、最良の結果が得られると信じられている。反対の導電率タイプのものが、半導体接点領域１０８および１１０に設置されている。すなわち、電子発振領域に隣接する接点領域１１２は、ｎタイプでドーピングされ、ホール発振領域に隣接する接点領域１１４は、ｐタイプでドーピングされている。要するに、本発明の半導体量子発振装置の好適な全体構造は、逆バイアスのＰ−Ｉ−Ｎダイオードに似ていて、独特な点は、１領域が一つのバンド間トンネル領域と、所定の組成と禁止帯の幅のプロファイルを持つ多重層半導体構造からなる二つのキャリヤ発振領域を含むことである。二つの半導体接点領域が、同じ誘電率タイプを持つもの（対応する構造体は、Ｎ−Ｉ−ＮまたはＰ−Ｉ−Ｐ）である場合には、コヒーレントでないキャリヤが接点電極から、キャリヤ発振領域内へ注入されるのを防止することはできない。図２は、図１の半導体量子発振装置１００のＩ−Ｖ特性曲線である。破壊電圧は、バンド間トンネル効果の発生に対応するが、この破壊電圧は臨界電圧Ｖｃで表わす。掛けた外部電圧が臨界電圧Ｖｃより低い場合には、装置には電流は流れない。図２のＩ−Ｖ特性曲線のこの部分が、セグメント２０１である。掛けた外部電圧が臨界電圧Ｖｃより高い場合には、キャリヤ発振領域１０４および１０６内に注入されたコヒーレントなキャリヤは、バンド間トンネル効果によりブロッホ発振を起こし、電磁放射を行う。ブロッホ発振を行いながら、コヒーレントなキャリヤの中のあるものは、散乱によりコヒーレントな位相を失い、位相がずれたキャリヤになる。接点領域１０８および１１０は、これら位相がずれたキャリヤを収集し、結果として得られる電流は、図２のセグメント２０２のように、装置１００のターミナル電流となる。半導体量子発振装置１００の場合には、コヒーレントなキャリヤおよびコヒーレントでないキャリヤの両方が含まれ、全体のキャリヤ・システム（キャリヤ全体）は、熱平衡から遠い状態になる。この特徴は、システムとしてのキャリヤが、ホスト結晶に対して熱平衡状態にある（電界が弱い場合）か、または熱平衡状態にあるが、ホスト結晶より温度が高い（電界が強い場合）かである、通常入手できる半導体装置からハッキリ異なるものであることである。半導体量子発振装置１００に対してキャリヤ・システムが非平衡状態であるので、装置のＩ−Ｖ特性曲線は、使用する測定方法により異なる。図２のセグメント２０２は、この装置のこの特性を反映させるために点線で表わしてある。さらに、ブロッホ発振中、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールは、空間内のあちこちに分散して分布し、そのため、空間電圧効果が発生する。半導体量子発振装置１００の、Ｉ−Ｖ特性に影響を与えるもう一つの要因は、装置内部に存在する光学的なフィールドである。装置の動作に対する空間電荷効果および光学的フィールドのフィードバックの効果により、実際のＩ−Ｖ特性は図２のものよりもっと複雑になる。しかし、バンド間トンネル効果の発生に対応する臨界電圧は依然として存在し続ける。半導体量子発振装置１００の正常の動作の場合には、供給電圧は臨界電圧Ｖｃより高い。例示としての装置から得られたＩ−Ｖ特性については、本明細書の後半で図示し、説明する。本発明の半導体量子発振装置１００の能動領域は、バンド間トンネル効果注入領域１０２と、二つのキャリヤ発振領域１０４および１０６である。装置１００の能動領域をこのように分割するのは、説明の便宜のためだけである。実際には、バンド間トンネル効果領域１０２およびキャリヤ発振領域１０４および１０６は隣接していて、結合された場合、その個々の機能だけを実行することができる。これら三つの領域を図１の装置に対して全体として実現する方法については、エネルギー帯の図を参照しながら以下に説明する。領域１０２、１０４および１０６は、通常、所定の組成および禁止帯の幅のプロファイルを持つ、ドーピングしていない多重層半導体構造体、または真性の多重層半導体構造体から作られる。ドーピングしていない組成または真性の組成は、装置の能動領域用に必要なものである。ドーピングしていない構造体、または真性な構造体を使用した場合だけ、直接バンド間トンネル効果およびブロッホ発振を通して、コヒーレントなキャリヤ注入を行うのに必要な強い電界を得ることができる。下のバンドの図に示すエネルギー帯のギャップは、ブリュアン帯の中心（Γ点）での直接禁止帯のギャップであることを理解されたい。図３は、図１の半導体量子発振装置１００の、バンド間トンネル効果領域１０２およびキャリヤ発振領域１０４および１０６に対して適用することができる、多重層半導体ヘテロ接合構造体のエネルギー帯の図面である。図３の場合には、半導体の層３０１は、ＧａＡｌＡｓのような比較的広い禁止帯のギャップを持ち、ホール発振領域１０６として機能する。半導体層３０５は、ＧａＡｌＡｓのような比較的広い禁止帯のギャップを持ち、電子発振領域１０４として機能する。層３０１および３０５の場合には、最も狭い禁止帯のギャップは、直接的なものでも、間接的なものであってもよい。禁止帯の幅が直接的なものである場合には、アルミニウムの成分が０４５％以下であるＧａＡｌＡｓの場合のように、バンドを示す図は通常のもので、伝導バンドの縁部が、ブリュアン帯の中心のところで最も低い電子エネルギーに対応している。禁止帯の幅が間接的なものである場合には、アルミニウムの成分が０４５％以上であるＧａＡｌＡｓの場合のように、バンドの図面の伝導バンドの縁部は、依然としてブリュアン帯の中心のところの電子エネルギーに対応しているが、この場合には、上記エネルギーは伝導バンドの最低のエネルギーではない。また図３は、ＧａＡｓのような、比較的狭い禁止帯の幅を持つ、二つの半導体層３０２および３０４、およびＧａＡｌＡｓのように、比較的広い禁止帯の幅を持つもう一つの半導体層を示す。バリヤとしての層３０１および３０３、および薄い電位井戸としての層３０２により第一の量子井戸が形成される。また、バリヤとしての層３０３および３０５、および薄い電位井戸としての層３０４により第二の量子井戸が形成される。量子井戸は、少なくとも一つの別のエネルギー固有状態の電位井戸である。すなわち、許容エネルギー・レベルは連続していない。これが、許容エネルギーが連続している、通常の二重ヘテロ接合構造体の場合と全然異なる点である。量子井戸を形成する場合、井戸層は非常に薄いものでなければならないし、同時に、量子井戸層とバリヤ層との間にバンドの縁部のエネルギーの違いが存在しなければならない。二つの量子井戸層３０２および３０４によりサンドイッチ状に挟まれているバリヤ層３０３の場合には、その禁止帯の幅は、直接的なものでもよいし、間接的なものでもよい。しかし、その厚さは、結合された二重量子井戸を形成するために、二つの量子井戸が結合することができるように、十分薄いものでなければならない。（量子井戸については、例えば、（１）半導体井戸および超格子の特殊問題；ＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｔｒｏｎｉｃｓ、ＱＥ−２２巻、１９８６年９月；（２）Ｅ．Ｅ．メンデスおよびＫ．フォンクリツィング（１９８７）、量子井戸および超格子の物理学と応用、ＮＡＴＯＡＳＩシリーズ、シリーズＢ、物理学：１７０、プレナム社、ニューヨーク；（３）Ｃ．ワインバックおよびＢ．ビンタ、量子半導体構造、アカデミック・プレス社、１９９１年を参照されたい。）図３においては、層３０２、３０３および３０４からなる領域は、バンド間トンネル効果プロセスが行われるところで、「バンド間トンネル効果注入領域」と呼ぶことができる。層３０１および３０５は、それぞれ、ホール発振領域および電子発振領域としての働きをする。装置に外部電圧が供給されると、この電圧の大部分は、層３０１および３０５の両端部のところで電圧降下を起こし、図３のバンドの図面は傾斜する。上記電圧を上昇させると、量子井戸３０２の価電子バンドの縁部を量子井戸３０４の伝導バンドの縁部とほぼ同じにすることができる。このようになると、第一の量子井戸の価電子のエネルギー・レベルと、第二の量子井戸の伝導電子のレベルが結合する。この種の結合は、光子とは無関係の、共振バンド間トンネル効果により、量子井戸層３０４の伝導バンドに入る、量子井戸層３０２のバンドの縁部の価電子を発生する。層３０１および３０５は、量子井戸層３０２および３０４より大きな禁止帯の幅を持っているので、量子井戸層３０２および３０４の間でバンド間トンネル効果を起こさせるのに必要な電界用の、層３０１および３０５には、バンド間トンネル効果は起こらない。それ故、図３の構造体に対して、局郭的に発生するバンド間トンネル効果が実行される。バンド間トンネル効果により、量子井戸層３０４の伝導バンド内に入る電子は、さらに電子発振領域３０５内に注入される。何故なら、全構造体に強い電界が存在するからである。量子井戸層３０２の価電子バンドの縁部からのすべての注入電子は、ほとんどゼロに近い初期波ベクトルと、殆ど同じリアル空間位置を持っているので、これら電子は、古典的なコヒーレントな電子であり、ブロッホ発振に必要な条件に適合する。量子井戸層３０２のバンド間トンネル効果の後に残るホールは、古典的なコヒーレントなホールであり、ホール発振領域３０１内に注入される。これらの注入ホールもブロッホ発振に必要な条件に適合する。図４は、バンド間トンネル効果を発生させるために、臨界電圧が加えられた状態を示す、図３のバンド間トンネル効果領域、およびキャリヤ発振領域のエネルギー帯の図面である。この図に基づいて、臨界電界Ｅｃを定義することができる。本発明の半導体量子発振装置の動作の場合には、供給電圧により発生したバンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域内の電界は、直接バンド間トンネル効果を発生させるのに必要な臨界電界Ｅｃより高くなければならない。この臨界電界に対する供給電圧は図２に示す臨界電圧である。図３のバンド間トンネル効果注入領域およびキャリヤ発振領域の臨界電界は、下記式により推定することができる。Ｆｃ＝Ｅ_g／（ｄ_w1＋ｄ_w2＋ｄ_b）（２）ここで、Ｅ_gは二つの量子井戸層（例えば、３０２および３０４のような）の禁止帯の幅であり、ｄ_w1は第一の量子井戸層（例えば、３０２のような）の厚さであり、ｄ_w2は第二の量子井戸層（例えば、３０４のような）の厚さであり、ｄ_b は薄いバリヤ層（例えば、３０３のような）の厚さである。半導体エピタキシ技術を使用して、ＧａＡｓまたはシリコン基板上で成長した、ＧａＡｓ／ＧａＡＩＡｓおよびＧａＩｎＰ／ＧａＡｓヘテロ接合材料システムは、図３のバンド・プロファイルを持つ構造体を実際に形成するために使用される。さらに、ＩｎＰ基板上で成長した材料システム、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、またはＧａＳｂ、ＡＩＳｂまたはＺｎＴｅ基板の上で成長したＧａＳｂ／ＧａＡＩＳｂのような、他のヘテロ接合材料システムも使用することができる。現在では、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）および他の方法による、上記ヘテロ接合システムの中の任意のもの成長させる方法は、当業者なら周知のものである。例えば、Ｌ．Ｌ．チャンおよびＫ．プルグ、ｅｄｓ、分子線エピタキシおよびヘテロ接合、プロク．エリス、１９８３夏期スクール、マルチナス・ニジョフ、１９８５；およびＪ．Ｃｒｙｓ．Ｇｒｏｗｔｈ掲載の関連論文を参照されたい。図５は、図１の半導体量子発振装置のバンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域に適用することができる、他の多重層半導体ヘテロ接合のエネルギー帯の図面である。図５の構造体は、図３の構造体に非常によく似ていて、唯一の違いは、図３の結合二重量子井戸の代わりに、もっと厚い一つの量子井戸が使用されていることである。図３の薄いバリヤ層３０３の代わりには、上記二つの量子井戸層が形成されているのと同じ材料の層３０２、３０３および３０４が、厚い量子井戸を形成し；図５の構造体が作られる。供給電圧による強い電界の作用により、量子井戸層５０２の場合には、層５０１との界面に近い領域のところの価電子バンドの縁部を層５０３との界面のところの伝導バンドの縁部と整合させることができる。（図１と一致させるために、電界方向は、層５０３から層５０１の方向を指しているものと仮定し、この場合、５０１および５０３は、それぞれ、ホール発振領域および電子発振領域を形成し、量子井戸層５０２は、バンド間トンネル効果注入領域を形成するものと仮定する。）同じ量子井戸層に対する、価電子バンドと伝導バンドとの間のこのバンドの縁部の整合により、原子価状態ど伝導状態との間に強力な結合が形成され、量子井戸層５０２にバンド間トンネル効果が発生する。直接バンド間トンネル効果を受けた電子は、最初、ｋ空間（ｋ＝０）内の価電子バンドの縁部、およびリアル空間内のホール発振領域との界面に近い領域のところに位置しているので、これらの電子は、古典的なコヒーレントな電子であり、ブロッホ発振に必要な条件に適合する。コヒーレントな電子は、電子発振領域５０３に注入され、ブロッホ発振を起こす。直接バンド間トンネル効果の後で、量子井戸層５０２の残ったホールも、古典的なコヒーレントなキャリヤで、ブロッホ発振に必要な条件に適合する。上記ホールは、ホール発振領域５０１内に注入され、そこでブロッホ発振を起こす。図５の構造体も、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＳｂ／ＧａＡｌＳｂ、または他の半導体ヘテロ接合システムを使用して実行することができる。図６は、図１の半導体量子発振装置の、バンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域に対して使用することができる、さらに他の半導体構造体を示す、エネルギー帯の図面である。この構造体は、タイプIIのバンド整合の二つのヘテロ接合を含む、三つの半導体層６０１、６０２および６０３を備える。可能なヘテロ接合のバンド整合については、例えば、ジョン・ウイリおよびその息子社の、１９９０年のＭ．ズゼ版「高速半導体装置」の２０ページを参照されたい。層６０２の場合には、禁止帯の幅は、直接的なものでもよいし、間接的なものでもよいが、ホール量子井戸を形成するため、十分薄いものでなければならない。図１と一致させるために、供給電圧による電界は、層６０３から層６０１の方を向いているものと仮定する。層６０３は、電子発振領域として動作し、層６０１は、ホール発振領域として動作する。電界の力により、層６０１との界面の近くの領域のところの量子井戸層６０２の価電子バンドの縁部を、層６０２との界面の近くの領域のところの、層６０３の伝導バンドの縁部と整合させることができる。ぞの後で、量子井戸層の価電子は、直接バンド間トンネル効果により、電子発振領域（層６０３）内に注入され、残ったホールは、ホール発振領域（層６０１）内に注入される。上記の注入された電子およびホールも、ブロッホ発振に必要な条件に適合し、それぞれ、二つのキャリヤ発振領域内でブロッホ発振を起こす。図６の多重層半導体ヘテロ接合構造体は、例えば、ＩｎＰ基板上で成長させたＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合システムを使用して、実行することができる。このシステムのバンド整合は、より高い原子価縁部を持つＡｌＩｎＡｓとのタイプII整合である。それ故、ＡｌＩｎＡｓは、量子井戸層６０２に対して使用することができ、ＩｎＰは、二つの発振領域６０１および６０３に対して使用することができる。II−VI化合物ＺｅＴｅとＣｄＳｅとの間のバンド整合も、タイプII整合である。この材料システムの場合には、より高い価電子バンド縁部を持つＺｎＴｅを量子井戸層６０２に対して使用することができ、ＣｄＳｅを二つのキャリヤ発振領域に対して使用することができる。図７は、図１の半導体量子発振装置の、バンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域に対して使用することができる、さらに他の多重層半導体ヘテロ接合構造体を示す、エネルギー帯の図面である。図７の構造体は、五つの半導体層を備える。すなわち、層７０１、７０３および７０５は、ＩｎＰのような同じ半導体材料からできていて；層７０２は、ＩｎＧａＡｓのような、他の半導体材料からできていて；層７０４は、ＡｌＩｎＡｓのような、さらに他の半導体材料からできている。この構造体の場合には、７０２と７０１との間（および７０２と７０３との間）のバンド整合は、タイプＩの整合であり、第一の量子井戸は、井戸層としての７０２により形成される。７０４と７０３との間（および７０４と７０５との間）のバンド整合は、タイプIIの整合であり、第二のホール量子井戸は、井戸層としての７０４により形成される。第二の量子井戸内のホール井戸の深さは、第一の量子井戸のそれよりも浅いものでなければならない。電界が層７０５から層７０１の方向を向いていると仮定した場合、７０１はホール発振領域として動作し；７０５は電子発振領域として動作し；７０２、７０３および７０４は、一緒にバンド間トンネル効果領域として動作する。強力な電界の作用により、７０１との界面の近くの領域のところの、第一の量子井戸層７０２の価電子バンドの縁部の電子は、直接のバンド間トンネル効果により、層７０３に入ることができ、伝導電子となる。これら電子は、薄いバリヤ層７０４を通して、もう一つのトンネル効果（バンド間トンネル効果）により、電子発振領域７０５内に注入される。量子井戸層７０２に残ったホールは、価電子バンドバンド間トンネル効果により、ホール発振領域７０１内に注入される。上記の注入された電子およびホールも、ブロッホ発振に必要な条件に適合し、それぞれ、二つのキャリヤ発振領域内で発振を起こす。この構造体の場合、層７０３は、７０２から７０４への価電子のバンド間のトンネル効果による移動の確率を増大するために、薄い伝導バンド・バリヤを形成するために使用され、この目的のために、層７０３の厚さも非常に薄いものでなければならない。図３および図５−図７の多重層半導体ヘテロ接合構造体のキャリヤ発振領域は、一つの均一な半導体層だけを含む。実際には、このキャリヤ発振領域も、各層が必ずしも均一でない、いくつかの半導体層を含むようにすることができる。（例えば、キャリヤ発振領域を配合傾斜層にすることもできる。）バンド間トンネル効果注入領域および二つのキャリヤ発振領域を含む、全多重層半導体ヘテロ接合構造体に対する唯一の要件は、この構造体が、バンド間トンネル効果注入領域内で最初発生する、直接バンド間トンネル効果をサポートすることだけである。図８は、バンド間トンネル効果注入領域、および二つのキャリヤ発振領域に対して、使用することができる多重層半導体ヘテロ接合構造体である。この構造体の場合には、電子発振領域は、二つの半導体層８０６および８０７を備え、ホール発振領域も、二つの半導体層８０１および８０２を備える。この構造体は、また図３の構造体類似の、バンド間トンネル効果注入領域として、結合二重量子井戸を使用する。これら二つの量子井戸層は８０３および８０５であり、薄くて、電子が貫通することができるバリヤ層が８０４である。この構造体の場合には、層８０２および層８０６の厚さおよび禁止帯の幅を調整することにより、電子共振トンネル効果による、直接バンド間トンネル効果の確率を改善することができる。ある特定の装置に場合には、キャリヤ発振領域を一つにすることもできる。これは、一方のキャリヤ（電子またはホールの）発振領域の厚さを各ブロッホ発振の空間的な振幅より薄くすることにより、実現することができる。極端な例の場合には、キャリヤ発振領域は、超格子構造体を含む複数の層を備える。図９は、図１のバンド間トンネル効果領域および二つのキャリヤ発振領域に対して使用することができる、もう一つの多重層半導体ヘテロ構造体を示す、エネルギー帯の図面である。この構造体の場合には、電子発振領域は、超格子構造体９０５を備え、ホール発振領域は、均一半導体層９０１を備え、バンド間トンネル効果注入領域は、層９０２、９０３および９０４を含む結合二重量子井戸構造体である。超格子構造体９０５は、異なる禁止帯の幅の二つの半導体材料を含み、ｄという周期を持つ。バンド間トンネル効果注入領域内で直接バンド間トンネル効果を発生させるために、超格子構造体の比較的狭い禁止帯の幅材料の禁止帯の幅は、二つの量子井戸層９０２および９０４の禁止帯の幅より狭くてはいけない。超格子を含む上記二つの材料の間のエネルギー帯のズレ、およびその厚さが、超格子のサブバンド構造体を決定し、重要な装置設計パラメータとなる。超格子に関連するミニ・ブリュアン帯は、バルク半導体のブリュアン帯より小さいので、超格子を同じ電界に対するキャリヤ発振領域として使用することにより、より高い周波数の電磁放射を得ることができる。半導体量子発振装置の場合、バンド間トンネル効果注入領域内において、直接バンド間トンネル効果をもっと容易に発生させる目的で、エネルギー帯構造体を調整するために、歪を使用することもできる。図３−図９のエネルギー帯の図は、価電子バンドの頂部に対する、重いホール価電子バンド（Ｊ＝３／２、ｍｚ＝３／２）および軽いホール価電子バンド（Ｊ＝３／２、ｍｚ＝１／２）の間に違いはない。このことは、多重層半導体ヘテロ接合構造体内に歪が存在しない場合に適している。この場合、重いホール価電子バンドおよび軽いホール価電子バンドは、バンドの縁部で退化する。歪はこの退化を除去する。二本の軸方向に歪を持つ半導体層の場合には、軽いホール価電子バンドが、最高の価電子バンドになり；二本の軸方向に圧縮歪を持つ半導体の場合には、重いホール価電子バンドが、最高の価電子バンドになる。選択の規則に基づいて、ブリュアン帯の中心においては、軽いホール価電子バンドだけが、電界の下で伝導バンドと結合する。その結果、直接バンド間トンネル効果は、軽いホール価電子バンドを最高の価電子バンドとして持つことにより、改善される。この目的にために、バンド間トンネル効果注入領域内で、直接バンド間トンネル効果プロセスをもっと容易に発生させるため、歪多重層ヘテロ接合構造体を成長させるために、半導体歪層エピタキシ技術を使用することができる。バンド間トンネル効果注入領域およびキャリヤ発振領域の場合には、例えば、シリコン基板上で成長させた、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合材料システムを使用することにより、全構造体に、二本の軸方向に引張歪を与えることができる。同じ構造体の場合、ＩｎＰ基板上で成長させたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ材料を使用する場合には、ＩｎＧａＡｓのＩｎの成分をＩｎＰを含む格子整合成分より若干少なく調整することにより（０．５３）、量子井戸層の一方、または両方に、二本の軸方向に引張り歪を与えることができる。半導体のエピ層の二本の軸方向の歪は、水圧圧縮分力と軸方向の引張り分力とを重ね合わせたものに等しく、軸方向の引張り分力は、掛けられた電界に平行な、エピタキシ成長方向を向いている。それ故、装置の完成品の場合でも、掛けた電界方向に沿って、外部からの軸方向の応力を掛けることにより、依然として、直接トンネル効果をもっと容易に起こさせることができる。歪んだ層を使用して、直接バンド間トンネル効果をもっと容易に起させることができる他に、半導体量子発振装置の性能を改善するもう一つの方法は、上記装置を液体窒素温度、または、さらには液体ヘリュウム温度のような低温で、動作させることである。低温においては、結晶発振が弱くなり、その結果、光子の密度が小さくなる。このことは、直接バンド間トンネル効果に有利なばかりでなく、ブロッホ発振を発生しながら、コヒーレントなキャリヤの弾性外散乱も少なくする。図１０は、本発明の半導体量子発振装置として使用することができる一つの装置の一例の断面図である。この実施形態の場合には、装置の全構造体は、ＭＢＥ等を使用して、シリコン基板上に成長させたGaＡｓ／ＧａＡｌＡｓヘテロ接合材料からできている。シリコンを基板として使用することにより、装置構造体に対して、二本の軸方向に引張り歪を起こしている状態が発生する。バンド間トンネル効果に対する歪の影響については、すでに説明した。装置構造体に対する欠陥を少なくするために、厚いバッファ層の成長が最初に行われ、その後で、材料の成長を終了させるために、バッファ層上で装置構造体の成長が行われる。装置処理は、メサ・タイプのフォトダイオードの製造に類似していて、写真製版、湿式化学エッチング、誘電フィルム蒸着、金属蒸発、剥離および合金形成および他のステップを含む。この図の場合、ｕは、層の成長過程で意図的なドーパントの添加を行わなかったという意味での、ドーピングされていない状態を意味し；ｎおよびｐを含む上の添え字＋は、重度のドーピングを意味する。バンド間トンネル効果領域は、二つのドーピングされていないＧａＡｓ層と、ドーピングされていない薄いＧａＡｌＡｓ層とを含み、これら三つの層は、結合二重量子井戸構造体を形成する。量子井戸層を形成している上記二つのＧａＡｓ層は、両方とも、約１００オングストロームの厚さを持つ。二つの量子井戸構造体の一つの縁部を形成する、薄いＧａＡｌＡｓ層は、５０オングストロームの厚さを持ち、０．２のアルミニウムの成分を含む。他の二つのドーピングされていない層は、ＧａＡｌＡｓを含み、二つのキャリヤ発振領域を形成している、二つの量子井戸構造体の他の縁部を形成する。両方の層は、２０００オングストロームの厚さを持ち、０．４のアルミニウム成分を含む。図１０の場合には、ｎタイプの接点領域は、ｎタイプのＧａＡｌＡｓ層と、重度にドーピングされたｎタイプのＧａＡｓ層からできていて；、対応する接点電極、すなわち、コヒーレントでない電子コレクタは、重度にドーピングされたｎタイプのＧａＡｓ層上に形成されたオーム接点である。ｎタイプの接点領域は、ｐタイプのＧａＡｌＡｓ層からできていて、重度にドーピングされたｐタイプのＧａＡｓ層であり；対応する接点電極、すなわち、コヒーレントでないホール・コレクタは、重度にドーピングされたｐタイプのＧａＡｓ層である。重度にドーピングされたＧａＡｓ層を接点領域内で使用するのは、接点電極の品質を改善するためである。ｎタイプのＧａＡｌＡｓ層も、ｐタイプのＧａＡｌＡｓ層も、２０００オングストロームの厚さを持ち、０．４のアルミニウム成分を含み、上記二つのドーピングされていないＧａＡｌＡｓ層と同じように、二つのキャリヤ発振領域を形成している。ｎタイプおよびｐタイプのＧａＡｌＡｓ層の主な機能は、上記二つの接点電極からの、コヒーレントでないキャリヤの注入を防止することである。バンド間トンネル効果注入領域、および二つのキャリヤ発振領域内の強力な電界は、本発明の半導体量子発振装置の動作に必要なものである。電界は接点領域内の空間電荷により発生するので、空間電荷領域を二つのドーピングしたＧａＡｌＡｓ層に閉じこめることにより、上記機能をうまき実行することができる。図１０の特定の例示としての実施形態の場合には、ｄ_w1＝ｄ_w2＝１００であり、ｄ_b＝５０オングストロームであり、ＧａＡｓ量子井戸層の禁止帯の幅Ｅ_g＝１．４２（室温）である。式（２）により計算した臨界電界は、Ｆ_c＝５．６８×１０⁵Ｖ／センチである。この大きさの電界を発生するために、Ｆ_cεε₀／ｑ＝３．６×１０¹²／ｃｍ²の面電荷が必要である。二つのドーピングされたＧａＡｌＡｓ層は、５×１０¹⁷／ｃｍ²のドーピング密度が必要なので、結果として得られる空間電荷領域の厚さは、約７００オングストロームである。それ故、その中に空間電荷を閉じこめるためには、これら二つの層の厚さとしては、２０００オングストロームが適当である。ブロッホ発振の空間振幅は、下記式により表わすことができる。Ｌ＝ΔＥ／ｅＦ（３）ここで、ｅは電子の電荷、Ｆは電界、ΔＥは、電界方向の電子発振領域の伝導バンド幅、またはホール発振領域の価電子バンド幅である。接点領域内の不純物によるブロッホ発振の散乱を防止する目的で、キャリヤ発振領域は、ブロッホ発振を発振領域内に閉じ込めるために、式（３）で計算した空間振幅より、厚い厚さを持つように設計しなければならない。ＧａＡｓおよび他の通常の半導体材料の場合、伝導バンドのバンド幅、または＜１００＞方向に沿った価電子バンドのバンド幅は、通常、２〜４ｅＶである。５．６８×１０⁵Ｖ／センチの電界の場合には、式（３）により計算した空間振幅は、４００〜８００オングストロームである。例示としての装置の２０００オングストロームという発振領域の厚さが、適当な厚さであることが理解できるだろう。図１１は、図１０の構造を持つ、ある典型的な装置のトランジスタ曲線トレーサ（ＱＴ−１２）を使用して、実験により得たＩ−Ｖ特性曲線である。試験するこの装置の二つの電極は、それぞれ、装置のエミッタ・ターミナルおよびコレクタ・ターミナルに接続している。ベース・ターミナルは使用しない。液体窒素温度での測定も行われ、得られたＩ−Ｖ特性曲線は、図１０に類似しているが、ピーク電流は約３００Ａ／ｃｍ²ともっと高い。図２のＩ−Ｖ曲線そのままの臨界電圧が存在し、その臨界電圧の数値が約２０ボルトであることを理解することができるだろう。バンド間トンネル効果注入領域および二つのキャリヤ発振領域の全部の厚さ、および直接バンド間トンネル効果を発生するのに必要な臨界電界に基づいて、臨界電圧を推定することができる。臨界電界Ｆ_c＝５．６８×１０⁵Ｖ／センチの場合には、バンド間トンネル効果注入領域、および二つのキャリヤ発振領域（全部の厚さが４５００オングストローム）の両端の間の電圧降下は、２４．１ボルトである。ＧａＡｓ（Ｅ_g＝１．４２）の禁止帯の幅にほぼ等しい固有電位降下が、平衡状態にあるのを考慮した場合の、推定臨界電圧は２２．７ボルトである。実験により得られた臨界電圧が、推定電圧とよく一致しているのを理解することができるだろう。図１１のＩ−Ｖ曲線の注目すべき特徴は、二つの追加セグメント、すなわち、負のセグメント３およびセグメント４があるということである。図２のＩ−Ｖ曲線は、これら二つのセグメントを持たない。測定を行いながら、（全波整流正弦波である）供給電圧のピーク値が増大すると、ピーク電流ｊｐ、およびセグメント４の幅もそれに従って増大することが分かる。この特徴は、本発明の半導体量子発振装置が、動作原理の点で現在入手できるすべての半導体装置と異なること、およびバンド間トンネル効果により注入されたキャリヤの、ブロッホ発振が実際に起こることを証明している。すでに説明したとおり、二つの発振領域内に注入されたコヒーレントな電子、およびコヒーレントなホールは、ブロッホ発振を行っている間熱電流に貢献しない。それ故、図１１の正の抵抗セグメント３、および負の抵抗セグメント４は、発振領域内の位相のずれた電子およびホールに関連づけなければならない。発振を行っている間、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールは、熱電流に直接貢献しないが、これら電流およびホールは、明らかに空間電荷効果により、装置のＩ−Ｖ曲線に影響を与える。図１１に負の抵抗セグメント３およびゼロ電流セグメント４が存在し、それらが供給電圧に依存しているということは、下記の事実に直接関連している。電子全体およびホール・アンサンブルの両方が、熱平衡から遠い準オーダ状態にあり、ブロッホ発振が行われている間、電子およびホールが空間内に局部的に分散しているので、空間電荷効果が発生する。本発明の半導体量子発振装置上記説明は、所定の禁止帯の幅および組成プロファイルを持つ、多重層半導体ヘテロ接合構造体を使用して、バンド間トンネル効果注入領域および二つのキャリヤ発振領域を実行する方法を詳細に記述している。所与のすべての構造体は、例示としてのものであって、本発明の範囲を制限するものでないことを指摘しておきたい。当業者なら、開示の半導体量子発振装置を、他のタイプの禁止帯の幅プロファイルおよび／または他の半導体ヘテロ接合材料システムを使用して実施することができることを理解することができるだろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年１１月１０日（１９９８．１１．１０）【補正内容】請求の範囲１．少なくとも一つの半導体層を含むバンド間トンネル効果領域（１０２）と、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）の一方の側面に隣接する少なくとも一つの半導体層を含む、電子発振領域（１０４）と、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）の他方の側面に隣接する少なくとも一つの半導体層を含む、ホール発振領域（１０６）と、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）から遠い方の側面上の前記電子発振領域（１０４）に隣接するｎタイプの導電率の少なくとも一つの半導体層を含むｎタイプのの接点領域（１０８）と、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）から遠い側面上の前記ホール発振領域（１０６）に隣接するｐタイプの導電率の少なくとも一つの半導体層を含むｐタイプの接点領域と、前記ｎタイプの接点領域（１０８）上に形成された電子コレクタ（１１２）と、前記ｐタイプの接点領域（１１０）に形成されたホール・コレクタ（１１４）とを備える、ブロッホ発振を発生することができる半導体量子発振装置であって、前記バンド間トンネル効果領域、電子発振領域およびホール発振領域を構成する前記すべての半導体層が真性半導体材料でできていて、前記電子コレクタ（１１２）およびホール・コレクタ（１１４）が、それぞれ、前記電子発振領域（１０４）内にコヒーレントでない電子を収集し、前記ホール発振領域（１０６）内にコヒーレントでないホールを収集し、それにより、前記電子コレクタ（１１２）と前記ホール・コレクタ（１１４）との間に正の極性の適当な動作電圧を供給した場合に、バンド間トンネル効果が前記バンド間トンネル効果領域（１０２）内に発生し、前記バンド間トンネル効果により、それぞれ、コヒーレントな電子およびコヒーレントなホールが、電子発振領域（１０４）およびホール発振領域（１０６）内に注入され、前記の注入されたコヒーレントな電子およびホールが、それぞれ、前記電子発振領域およびホール発振領域内で量子発振（ブロッホ発振）を受け、それにより、遠赤外線（テラヘルツ）を発生することを特徴とする半導体量子発振装置。２．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域(１０２)、電子発振領域（１０４）およびホール発振領域（１０６）を含む、ドーピングされていない全部の真性部分が、所定の組成と禁止帯の幅のプロファイルを持つ半導体ヘテロ接合材料を含む半導体量子発振装置。３．請求項２に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）を形成する半導体ヘテロ接合材料の前記多重層構造体が、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓまたはＧａＳｂ／ＧａＡｓＳｂから選択した半導体ヘテロ接合材料システムの中の一つからできている半導体量子発振装置。４．請求項２に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域(１０２)、電子発振領域（１０４）およびホール発振領域（１０６）を形成する半導体ヘテロ接合材料の前記多重層構造体が、薄くて、電子が貫通することができるバリヤ層と、前記薄くて、電子が貫通することができるバリヤ層を間に挟んでいる一組の量子井戸層と、前記一組の量子井戸層を少なくとも一つの半導体層でサンドイッチ状に挟んでいる一組のバリヤ層とを備える半導体量子発振装置。５．請求項４に記載の半導体量子発振装置において、前記一組の量子井戸層および前記薄くて、電子が貫通することができるバリヤ層が、前記バンド間トンネル効果領域（１０２）を形成し、前記一組のバリヤ層が、それぞれ、前記一組のキャリヤ発振領域（１０）および（１０６）を形成している半導体量子発振装置。６．請求項４に記載の半導体量子発振装置において、前記一組のバリヤ層の少なくとも一方が、半導体超格子構造体を含む半導体量子発振装置。７．請求項４に記載の半導体量子発振装置において、前記ｎタイプの接点領域（１０８）から遠い方の前記一組の量子井戸相違の一方が、二本の軸方向の引張り応力を受ける半導体量子発振装置。８．請求項１に記載の前記半導体量子発振装置からなる半導体遠赤外線レーザが、遠赤外線放射用の共振空洞を形成するための手段を含む半導体量子発振装置。【手続補正書】【提出日】平成１２年１０月６日（２０００．１０．６）【補正内容】（１）「請求の範囲」を別紙の通り訂正する。（２）明細書第１０頁第２１行目及び第１１頁第３行目の「導電率タイプ」を「導電タイプ」と訂正する。請求の範囲１．半導体ヘテロ接合材料の多重層構造体と、前記多重層構造を横切って動作電圧を印加するための手段とを含む半導体量子発振装置であって、前記多重層構造体が、バンド間トンネル効果領域と、その間に前記バンド間トンネル効果領域をはさむ一組のキャリア発振領域を形成し、かつ前記動作電圧がバンド間トンネル効果領域においてキャリアのバンド間トンネル効果を誘起し、かつコヒーレントなキャリアをキャリア発振領域に注入する半導体量子発振装置。２．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記半導体ヘテロ接合材料が真性半導体材料である半導体量子発振装置。３．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記一組のキャリア発振領域が電子発振領域とホール発振領域を含む半導体量子発振装置。４．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記動作電圧を印加するための手段が、その間に前記キャリア発振領域をはさむ、一組の半導体接点領域を含む半導体量子発振装置。５．請求項４に記載の半導体量子発振装置において、前記一組の半導体接点領域がｎタイプの導電性およびｐタイプの導電性をもつ半導体発振装置。６．請求項４に記載の半導体量子発振装置において、前記動作電圧を印加するための手段が、前記一組の半導体接点領域をはさむ一組の金属電極をさらに含む半導体発振装置。７．請求項６に記載の半導体量子発振装置において、前記一組の金属電極の各金属電極がオーミック接触によって前記一組の半導体接点領域の一つの接点領域に接続されている半導体発振装置。８．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリア発振領域は、前記動作電圧によって生成された前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリア発振領域を横切る電界が少なくとも直接バンド間トンネル効果を誘起するために必要とされる臨界電界と等しくなるような組成とバンドギャップ・プロファイルを持つ半導体量子発振装置。９．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、遠赤外線放射用の共振空洞を含む半導体量子発振装置。１０．真性半導体ヘテロ接合材料の多重層構造体と、前記多重層構造を横切って動作電圧を印加するための電圧手段とを含む半導体量子発振装置であって、前記多重層構造体が、バンド間トンネル効果領域と、その間に前記バンド間トンネル効果領域をはさむ一組のキャリア発振領域を形成し、前記一組のキャリア発振領域が、電子発振領域とホール発振領域を含み、前記電圧手段が、前記キャリア発振領域をはさむ一組の半導体接点領域と前記一組の半導体接点領域をはさむ一組の金属電極を含み、かつ前記動作電圧が、バンド間トンネル効果領域においてキャリアのバンド間トンネル効果を誘起し、かつコヒーレントなキャリアをキャリア発振領域に注入することを特徴とする半導体量子発振装置。１１．半導体量子発振装置にブロッホ発振を発生させるための方法であって、バンド間トンネル効果領域と、その間に前記バンド間トンネル効果領域をはさむ一組のキャリア発振領域を形成する、半導体ヘテロ接合材料の多重層構造体を提供するステップと、動作電圧を前記多重層構造を横切って印加し、前記動作電圧が前記バンド間トンネル効果領域のキャリアのバンド間トンネル効果を誘起し、かつコヒーレントなキャリアが前記キャリア発振領域に注入されるステップと、含む方法。１２．半導体量子発振装置にブロッホ発振を発生させるための方法であって、バンド間トンネル効果領域と、その間に前記バンド間トンネル効果領域をはさむ一組のキャリア発振領域を形成する、半導体ヘテロ接合材料の多重層構造体を提供するステップと、コヒーレントなキャリアを前記発振領域に注入し、それによってブロッホ発振が前記キャリア発振領域で起こるステップと、を含む方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．半導体ヘテロ接合材料の多重層構造体と、前記多重層構造体に動作電圧を供給する手段とを備える半導体量子発振装置であって、前記多重層構造体が、バンド間トンネル効果領域と、その間に前記バンド間トンネル効果領域をサンドイッチ状に挟んでいる一組のキャリヤ発振領域（電子発振領域とホール発振領域）を形成し、動作電圧を供給するための前記手段が、前記バンド間トンネル効果領域、および前記一組のキャリヤ発振領域の両端部にある電圧を加え、前記バンド間トンネル効果領域内に、バンド間トンネル効果を発生し、前記バンド間トンネル効果が、それぞれ、前記電子発振領域およびホール発振領域内に、コヒーレントな電子とコヒーレントなホールとを注入し、前記の注入されたコヒーレントな電子およびホールが、領域発振を受け、遠赤外線放射を行うことを特徴とする半導体量子発振装置。２．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、動作電圧を供給するための前記手段が、前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリヤ発振領域をサンドイッチ状に挟んでいる一組の接点電極を含み、前記接点電極を通して動作電圧を供給する半導体量子発振装置３．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリヤ発振領域を形成している、半導体ヘテロ接合材料の前記多重層構造体が、所定の組成および禁止帯の幅のプロファイルを持つ半導体量子発振装置。４．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリヤ発振領域を形成している、半導体ヘテロ接合材料の前記多重層構造体が、意図的にではなくドーピングされた真性半導体からなる半導体量子発振装置。５．請求項１に記載の半導体量子発振装置において、前記バンド間トンネル効果領域が、結合二重量子井戸構造体の外側の境界を形成している、二つの対向外部バリヤ領域と、前記一組のキャリヤ発振領域を形成している、前記二つの対向外部バリヤ領域を持つ前記結合二重量子井戸構造体を含む半導体量子発振装置。６．請求項５に記載の半導体量子発振装置において、動作電圧を供給するための前記手段が、前記バンド間トンネル効果領域および前記一組のキャリヤ発振領域をサンドイッチ状に挟んでいる二つの接点電極を含み、前記二つの接点電極を通して前記動作電圧を供給する半導体量子発振装置７．請求項６に記載の半導体量子発振装置において、前記二つの接点電極が、さらに、ｎタイプの導電率を持つ前記半導体接点領域を含む前記接点電極に接続している正の極の電圧ターミナルを含む、異なる導電率の二つの半導体接点領域を含む半導体量子発振装置。８．請求項５に記載の半導体量子発振装置において、前記一組のキャリヤ発振領域の少なくとも一方が超格子構造体を含む半導体量子発振装置。９．請求項１に記載の前記半導体量子発振装置の半導体遠赤外線レーザが、遠赤外線放射用の共振空洞を形成するための手段を含む半導体量子発振装置。