JP2002124697A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2002124697A
JP2002124697A JP2000314128A JP2000314128A JP2002124697A JP 2002124697 A JP2002124697 A JP 2002124697A JP 2000314128 A JP2000314128 A JP 2000314128A JP 2000314128 A JP2000314128 A JP 2000314128A JP 2002124697 A JP2002124697 A JP 2002124697A
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valley
layer
conduction band
quantum well
semiconductor device
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JP2000314128A
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Japanese (ja)
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Yusuke Matsukura
祐輔 松倉
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a detection/emission characteristics related to a semiconductor device which performs light detection/light emission by electron transition between different energy levels. SOLUTION: A semiconductor device is provided where light is absorbed or emitted by electron transition between different energy levels using a quantum well layer 4. The transition of electron at the quantum well layer 4 is performed at a conduction band X valley where the effective mass of electron is larger than at a conduction band Γ valley. By constituting the quantum well layer 4 with the X valley where an effective density of states is large, the intensity and coefficient of light absorption is raised for improved light detection/emission characteristics.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に赤外線光検出素子あるいは発光
素子を構成する半導体装置に適用して好適である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and is particularly suitable for application to a semiconductor device forming an infrared light detecting element or a light emitting element.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、量子井戸(量子箱)内に形成され
る量子準位間あるいは量子準位−連続準位間の電子(な
いしは正孔)の遷移による赤外線検出器(例えば量子井
戸赤外線検出器、Quantum-Well Infrared Photodetecto
r:QWIP)が用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an infrared detector (for example, a quantum well infrared detector) based on a transition of electrons (or holes) between quantum levels or between a quantum level and a continuous level formed in a quantum well (quantum box). Quantum-Well Infrared Photodetecto
r: QWIP).

【0003】このような量子井戸を用いた検出器では、
通常、アルミニウム・ガリウム・砒素(AlGaAs)
/ガリウム・砒素(GaAs)異種接合半導体材料系の
伝導帯Γ谷を用いて量子井戸形成のための電位障壁を形
成し、光強度に対応した電流を検出する。この場合、G
aAs層が井戸層、AlGaAs層が障壁層として機能
する。
In a detector using such a quantum well,
Normally aluminum gallium arsenide (AlGaAs)
A potential barrier for forming a quantum well is formed using a conduction band / valley of a heterojunction / gallium arsenide (GaAs) heterojunction semiconductor material system, and a current corresponding to light intensity is detected. In this case, G
The aAs layer functions as a well layer and the AlGaAs layer functions as a barrier layer.

【0004】伝導帯Γ谷では、AlGaAsのエネルギ
順位がGaAsのエネルギ順位よりも高くなる。光吸収
によりエネルギを得たGaAsのΓ谷の電子は、AlG
aAsのΓ谷へ励起し、ここで電子の移動が行われる。
[0004] In the conduction band valley, the energy order of AlGaAs is higher than that of GaAs. The electrons in the Γ valley of GaAs obtained energy by light absorption are AlG
Excited to the Γ valley of aAs, where electron transfer occurs.

【0005】従来、このように主として伝導帯Γ谷が用
いられてきたのは、歴史的な経緯として光吸収ないし発
光素子に価電子帯−伝導帯間の遷移が用いられてきてお
り、この場合、伝導帯Γ谷は価電子帯との間で運動量の
変化がないことによる。そして、伝導帯Γ谷が伝導帯各
谷のうちでもっともエネルギ的に低くなっているものを
直接遷移型半導体、それ以外を間接遷移型半導体とよ
び、直接遷移型半導体が光半導体素子には望ましいとさ
れてきた。
Conventionally, the conduction band valley has been mainly used as described above because the transition between the valence band and the conduction band has been used in light absorption or light emitting elements as a historical background. The conduction band valley is due to no change in momentum between the valence band and the valence band. The valley having the lowest conduction band among the valleys of the conduction band is referred to as a direct transition type semiconductor, and the rest is referred to as an indirect transition type semiconductor. The direct transition type semiconductor is desirable for an optical semiconductor device. And has been.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、量子井
戸構造を有する発光素子に伝導帯Γ谷を用いた場合、伝
導帯Γ谷は、それぞれの材料における伝導帯のなかで、
もっとも電子の有効質量が小さい伝導帯であるため、電
子のとりうる状態の密度(有効状態密度、電子の有効質
量の3/2乗に比例する)が小さい。これは、電子が光
吸収による遷移を起こす際に、始状態、終状態ともに相
対的に状態数が限られていることを意味している。従っ
て、量子井戸構造に伝導帯Γ谷を適用した場合には、有
効状態密度が小さいことから光吸収の強度を高くするこ
とができず、吸収係数を大きくすることができなかっ
た。
However, when a conduction band valley is used in a light emitting device having a quantum well structure, the conduction band valley is one of the conduction bands in each material.
Since the conduction band has the smallest effective mass of electrons, the density of states that electrons can take (effective state density, which is proportional to the 3/2 power of the effective mass of electrons) is small. This means that the number of states in both the start state and the end state is relatively limited when electrons cause transition due to light absorption. Therefore, when the conduction band valley is applied to the quantum well structure, the intensity of light absorption cannot be increased due to the small effective state density, and the absorption coefficient cannot be increased.

【0007】また、量子井戸構造を有する発光素子に伝
導帯Γ谷を用いた場合、GaAs層が井戸層、AlGa
As層が障壁層となるために、井戸層であるGaAs層
から光吸収によって励起/放出された電子は、移動度の
低いAlGaAs層中を走行することとなり、電子の移
動による電流密度が低くなってしまい、良好な検出特性
を得ることができないという問題が生じていた。
When a conduction band valley is used for a light emitting device having a quantum well structure, a GaAs layer is formed of a well layer and AlGa.
Since the As layer serves as a barrier layer, electrons excited / emitted by light absorption from the GaAs layer, which is a well layer, travel through the AlGaAs layer having low mobility, and the current density due to the movement of electrons decreases. As a result, there has been a problem that good detection characteristics cannot be obtained.

【0008】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたものであり、量子準位間あるいは量子準位−
連続準位間の電子(ないしは正孔)の遷移による赤外線
検出器において、電子の状態密度の高い伝導帯を用いて
大きな光吸収若しくは光放出を行わせるとともに、光吸
収によって励起/放出された電子を移動度の高い層で走
行させることにより、検出特性を向上させ信頼性を高め
ることを目的とする。
The present invention has been made in order to solve such a problem.
In an infrared detector based on the transition of electrons (or holes) between continuous levels, large light absorption or light emission is performed using a conduction band having a high electron state density, and electrons excited / emitted by light absorption are performed. It is an object of the present invention to improve detection characteristics and improve reliability by running a vehicle in a layer having high mobility.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、量子井戸構
造における電子の遷移において、電子のとり得る状態の
密度に着目し、有効状態密度の大きい伝導体谷で電子の
遷移を行うことにより光吸収又は光放出大きくすること
ができることを見い出した。
Means for Solving the Problems The present inventors pay attention to the density of states that electrons can take in the transition of electrons in a quantum well structure, and perform the transition of electrons in a conductor valley having a large effective state density. It has been found that light absorption or light emission can be increased.

【0010】本発明の半導体装置は、量子井戸層を用い
て異なるエネルギ準位間における電子の遷移により光吸
収又は光放出を行う半導体装置を対象とする。この半導
体装置では、前記量子井戸層における電子の遷移を伝導
帯Γ谷よりも電子の有効質量の大きい他の伝導帯谷で行
うようにしている。
The semiconductor device of the present invention is directed to a semiconductor device that absorbs or emits light by transition of electrons between different energy levels using a quantum well layer. In this semiconductor device, the electron transition in the quantum well layer is performed in another conduction band valley having an effective mass of electrons larger than the conduction band valley.

【0011】[0011]

【作用】本発明においては、従来用いられている伝導帯
Γ谷にかえて、電子の有効質量の大きい他の伝導帯谷
(例えば伝導帯X谷)を用いて量子井戸層を構成してい
るため、状態密度の高い伝導帯を用いて大きな光吸収な
いしは光放出を行うことが可能となる。更に、光吸収に
適用した場合には、信号としての電子の走行を、電子の
移動度が高く電子の有効質量が小さいΓ谷を走行させる
ことにより、大きな信号電流を取り出すことができる。
In the present invention, the quantum well layer is formed by using another conduction band valley having a large effective mass of electrons (for example, a conduction band X valley) instead of the conventional conduction band valley. Large light absorption or light emission can be performed using a conduction band having a high state density. Further, when the present invention is applied to light absorption, a large signal current can be taken out by running electrons as a signal in a valley where the electron mobility is high and the electron effective mass is small.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施
形態に係る光検出素子10の基本構成を示す模式図であ
る。また、図2は本実施形態に係る光検出素子10の原
理を説明するための模式図である。以下の説明では、G
aAs/AlGaAs系材料による量子井戸を用いた光
検出素子10を例にとって説明する。
An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a basic configuration of a photodetector 10 according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of the photodetector 10 according to the present embodiment. In the following description, G
The photodetector 10 using a quantum well of an aAs / AlGaAs-based material will be described as an example.

【0013】図1に示すように、本実施形態の光検出素
子10の基本構成は、GaAs基板1上に緩衝層2を介
してn−GaAs層3と、n−GaAs層3上に量子井
戸として機能するAlGaAs層とGaAs層が50周
期で形成された多重量子井戸層4(i−GaAs/n−
AlGaAs×50)が形成された構成である。多重量
子井戸層4上にはn−GaAs層5が形成されている。
As shown in FIG. 1, the basic structure of a photodetector 10 of the present embodiment is such that an n-GaAs layer 3 is provided on a GaAs substrate 1 via a buffer layer 2 and a quantum well is provided on the n-GaAs layer 3. Multiple quantum well layer 4 (i-GaAs / n-) in which an AlGaAs layer and a GaAs layer functioning as
AlGaAs × 50) is formed. On the multiple quantum well layer 4, an n-GaAs layer 5 is formed.

【0014】本実施形態の光検出素子10においては、
AlGaAs層におけるAlの組成比を、AlxGa
(1-x)Asのxで表した場合、組成比xを例えば0.8
程度の値として、AlGaAs層とGaAs層を組み合
わせている。図2(a)は、本実施形態に係る光検出素
子10の伝導帯の運動量−エネルギの分散関係を示した
特性図である。半導体材料は、その構成原子格子配置の
周期性を起源とした、電子の運動量とエネルギ間の分散
関係を持っている。この分散関係は、格子配置の周期性
を起源としているから、その格子の空間的な対称性を反
映していくつかの「谷」を持っている。これが、Γ,
X,Lといった谷である。図2(a)及び図2(b)で
は、これらの谷のうちΓ谷とX谷を示している。本実施
形態に係る光検出素子10では、特にX谷に着目し、A
lGaAs層の伝導帯のX谷のエネルギがΓ谷よりも低
くなるように構成し、更に、AlGaAs層の伝導帯の
X谷のエネルギが、多重量子井戸層4中のGaAs層の
伝導帯のX谷のエネルギよりも低くなるように構成して
いる。これにより、AlGaAs層とGaAs層の双方
の伝導帯のX谷によって量子井戸を形成することができ
る。
In the photodetector 10 of the present embodiment,
The composition ratio of Al in the AlGaAs layer is expressed as Al x Ga
(1-x) When represented by x of As, the composition ratio x is, for example, 0.8
As a value of the degree, an AlGaAs layer and a GaAs layer are combined. FIG. 2A is a characteristic diagram illustrating a dispersion relationship between the momentum and the energy of the conduction band of the photodetector 10 according to the present embodiment. Semiconductor materials have a dispersion relationship between electron momentum and energy due to the periodicity of the constituent atomic lattice arrangement. Since this dispersion relation originates from the periodicity of the lattice arrangement, it has some "valleys" reflecting the spatial symmetry of the lattice. This is Γ,
The valleys are X and L. FIGS. 2A and 2B show a Γ valley and an X valley among these valleys. In the photodetector 10 according to the present embodiment, focusing on the X valley,
The energy of the X valley of the conduction band of the lGaAs layer is configured to be lower than that of the Γ valley, and the energy of the X valley of the conduction band of the AlGaAs layer is set to be lower than that of the conduction band of the GaAs layer in the multiple quantum well layer 4. It is configured to be lower than the valley energy. Thereby, a quantum well can be formed by the X valleys of the conduction bands of both the AlGaAs layer and the GaAs layer.

【0015】そして、本実施形態の光検出素子10で
は、X谷で量子井戸を形成するために、AlGaAs中
のAl組成比をGaAsに対して大きくすることによ
り、AlGaAsのX谷のエネルギをGaAsのX谷の
エネルギよりも小さくしている。
In the photodetector 10 of this embodiment, the energy of the X valley of AlGaAs is increased by increasing the Al composition ratio in AlGaAs with respect to GaAs in order to form a quantum well in the X valley. Is smaller than the energy of the X valley.

【0016】図3(a)は、Al組成比により伝導帯の
X谷のエネルギとΓ谷のエネルギの大小関係がAlGa
As層中のAl組成比に依存していることを示す特性図
である。
FIG. 3A shows that the relationship between the energy of the X valley and the energy of the Γ valley in the conduction band is represented by AlGa according to the Al composition ratio.
It is a characteristic view showing that it depends on the Al composition ratio in the As layer.

【0017】S.Adachi,J.Appl.Phys.Vol.58,No.3,R1(19
85)ならびに、そこに引用されたH.J.Lee,L.Y.Juravel,a
nd J.C.Woolley,Phys.Rev.B21,659(1980)によれば、A
lxGa1−xAs系材料における各主要伝導谷エネル
ギギャップのAl組成x依存性は、室温において、 Γ:1.425+1.155x+0.37x2 X:1.911+0.005x+0.245x2 L:1.734+0.574x+0.055x2 となる。図3(a)は、この依存性と、異種接合形成時
の伝導帯不連続量=バンドギャップ差×0.57という
仮定を用いて、GaAsのΓ谷の底を基準とした各谷の
底のエネルギの関係を示している。
S. Adachi, J. Appl. Phys. Vol. 58, No. 3, R1 (19
85) and HJLee, LYJuravel, a quoted there
According to nd JC Woolley, Phys. Rev. B21, 659 (1980), A
Al composition x dependency of each major conduction valley energy gap in lxGa1-xAs based material, at room temperature, Γ: 1.425 + 1.155x + 0.37x 2 X: 1.911 + 0.005x + 0.245x 2 L: 1.734 + 0.574x + 0 the .055x 2. FIG. 3A shows the bottom of each valley based on the bottom of the Γ valley of GaAs using this dependency and the assumption that the conduction band discontinuity at the time of forming a heterogeneous junction = the band gap difference × 0.57. FIG.

【0018】図3(a)に示すように、Al組成比x=
0.4近傍を境界として、Γ谷とx谷のエネルギの大小
関係が逆転する。本実施形態の光検出素子10では、A
l組成比x=0.8のAlGaAs層を用いているた
め、図3(a)に示すようにX谷のエネルギをΓ谷のエ
ネルギよりも大幅に小さくすることができ、その差を
0.5eV程度確保することができる。
As shown in FIG. 3A, the Al composition ratio x =
With the vicinity of 0.4 as a boundary, the magnitude relationship between the energies of the Γ valley and the x valley is reversed. In the photodetector 10 of the present embodiment, A
Since the AlGaAs layer having the l composition ratio x = 0.8 is used, the energy of the X valley can be made much smaller than the energy of the Γ valley as shown in FIG. About 5 eV can be secured.

【0019】一方、図2(b)は、比較のため従来型の
量子井戸においてGaAs層のΓ谷を井戸層、AlGa
As層のΓ谷を障壁層として、伝導帯の運動量−エネル
ギの分散関係を示した特性図である。ここでは、xは
0.3程度の値であり、図2(b)に示すように、Γ谷
のエネルギが他の伝導帯谷のエネルギよりも低くなる。
この場合、AlGaAs層とGaAs層の双方の伝導帯
のΓ谷によって量子井戸が形成される。
On the other hand, FIG. 2B shows, for comparison, the valley of the GaAs layer in the conventional quantum well and the AlGa in the GaAs layer.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a dispersion relationship between momentum and energy of a conduction band with a valley of an As layer as a barrier layer. Here, x is a value of about 0.3, and as shown in FIG. 2B, the energy of the Γ valley is lower than the energy of the other conduction band valleys.
In this case, a quantum well is formed by the valleys of the conduction bands of both the AlGaAs layer and the GaAs layer.

【0020】量子井戸ないしは量子箱のサブバンド間遷
移を用いる場合、井戸層ならびに障壁層ともに伝導帯
(若しくは価電子帯)同士であるから、同じ伝導帯谷を
用いる限り、遷移の際に運動量変化は伴わない。従っ
て、サブバンド間遷移を用いる場合には、伝導帯Γ谷以
外の谷を用いることが可能である。従って、本実施形態
のようにAlGaAs層とGaAs層の伝導帯のΓ谷に
よって量子井戸を形成することが可能となる。
When a transition between subbands of a quantum well or a quantum box is used, the conduction band (or valence band) is used for both the well layer and the barrier layer. Therefore, as long as the same conduction band valley is used, the momentum change during the transition is small. Not accompanied. Therefore, when the inter-subband transition is used, it is possible to use a valley other than the conduction band valley. Therefore, a quantum well can be formed by the valley of the conduction band of the AlGaAs layer and the GaAs layer as in the present embodiment.

【0021】図3(b)は、上記S.Adachiの論文にまと
められた、周知の各主要伝導谷電子有効質量のAl組成
x依存性を元に作製した、有効状態密度のAl組成依存
性を示す模式図である。図3(b)に示すように、Al
GaAs層の伝導体X谷における有効状態密度は、Γ谷
の有効状態密度よりも大きい。このため、本実施形態の
光検出素子10にように、伝導体X谷による量子井戸を
形成することにより、光吸収の強度、吸収係数を大きく
することが可能となり、光検出特性を大幅に向上させる
ことが可能となる。また、図3(b)に示すように、各
伝導谷において有効状態密度のAl組成依存性は低く、
X谷においても組成比xに対する有効状態密度の変化は
少ない。従って、AlGaAs層中のAlの組成比xを
大きくしても、X谷における有効状態密度を高く維持す
ることができる。
FIG. 3 (b) shows the dependency of the effective state density on the Al composition x, which is based on the well-known dependence of the effective electron mass of each of the main conduction valleys on the Al composition x, summarized in the above-mentioned S. Adachi paper. FIG. As shown in FIG.
The effective state density in the conductor X valley of the GaAs layer is larger than the effective state density in the Γ valley. For this reason, by forming a quantum well by the conductor X valley as in the photodetector 10 of the present embodiment, it becomes possible to increase the intensity of light absorption and the absorption coefficient, thereby greatly improving the photodetection characteristics. It is possible to do. Further, as shown in FIG. 3B, the dependence of the effective state density on the Al composition is low in each conduction valley.
Even in the X valley, the change in the effective state density with respect to the composition ratio x is small. Therefore, even if the composition ratio x of Al in the AlGaAs layer is increased, the effective state density at the X valley can be maintained high.

【0022】本実施形態では、本発明を光検出素子10
に適用した態様を例示しているが、光吸収と光放出は逆
過程であり、本質的には同じであるから、光発光素子に
おいても有効状態密度の高い伝導体X谷を用いることに
より、発光効率を向上させることができる。
In this embodiment, the present invention is applied to the photodetector 10
However, light absorption and light emission are reverse processes and are essentially the same, so even in a light-emitting element, by using a conductor X valley having a high effective state density, Luminous efficiency can be improved.

【0023】光吸収の場合には、上記量子井戸ないしは
量子箱の基底準位にあらかじめ電子が存在することが必
要となる。従って、量子井戸ないしは量子箱を構成す
る、状態密度の大きな伝導帯谷は、各主要伝導谷のなか
でエネルギ的に最低のものであるほうがよい。図1
(a)、図3(a)及び図3(b)に示すように、Al
GaAs中のAl組成比を増加させてX谷を使用するこ
とによって、有効状態密度を大きくするとともにエネル
ギを最小限に小さくすることが可能となる。この場合、
図3(a)に示すように、量子井戸ないしは量子箱とな
る層のAl組成xは、おおむねx>0.4以上であるこ
とが必要であり、それ以上であれば必要に応じて組成比
xを任意に設定して多重量子井戸層4を形成することが
できる。
In the case of light absorption, it is necessary that electrons exist in the ground level of the quantum well or quantum box in advance. Therefore, the conduction band valley having a large density of states, which constitutes a quantum well or a quantum box, is preferably the lowest in energy among the main conduction valleys. FIG.
(A), as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), Al
By using the X valleys by increasing the Al composition ratio in GaAs, it is possible to increase the effective state density and minimize the energy. in this case,
As shown in FIG. 3A, the Al composition x of the layer to be a quantum well or a quantum box needs to be approximately x> 0.4 or more. The multiple quantum well layer 4 can be formed by setting x as desired.

【0024】発光素子、特にレーザの場合には、上位準
位に対して電子を注入してその電子数を、下位準位の電
子数よりも大きく(反転分布)することが必要である。
この場合、量子井戸層がエネルギ的に最低な伝導帯谷で
構成されていない場合には、反転分布を形成する前に、
エネルギ的に安定な他の伝導帯谷へと緩和してしまうこ
とが考えられる。従って、発光素子においても光吸収素
子の場合と同様、量子井戸ないしは量子箱となる層のA
l組成xは、おおむねx>0.4以上であることが必要
であり、それ以上であれば必要に応じて組成比xを任意
に設計することが可能である。
In the case of a light emitting element, particularly a laser, it is necessary to inject electrons into the upper level and make the number of electrons larger (inversion distribution) than the number of electrons in the lower level.
In this case, if the quantum well layer is not constituted by the conduction band valley having the lowest energy, before forming the population inversion,
It is conceivable that the energy is relaxed to another conduction band valley which is stable in terms of energy. Therefore, in the light emitting element, as in the case of the light absorbing element, the A of the layer serving as the quantum well or the quantum box is used.
The l composition x needs to be approximately x> 0.4 or more, and if it is more than x, the composition ratio x can be arbitrarily designed as needed.

【0025】このように構成された本実施形態の光検出
素子10において、光の検出は、上下のn−GaAs層
3及びn−GaAs層5間に電位差を与え、多重量子井
戸層4に光を照射した際にn−GaAs層3及びn−G
aAs層5間に流れる電流を検出することにより行う。
In the photodetector 10 of the present embodiment thus configured, light is detected by applying a potential difference between the upper and lower n-GaAs layers 3 and the n-GaAs layer 5 and applying light to the multiple quantum well layer 4. Is irradiated, the n-GaAs layer 3 and the n-G
This is performed by detecting a current flowing between the aAs layers 5.

【0026】ここで双方の伝導帯X谷によって形成され
た量子井戸に光が入射したとする。図1(a)及び図1
(c)に示すように、サブバンド間ないしはサブバンド
−連続準位間のエネルギ差に相当する波長の光に対して
選択的に光吸収、すなわち電子の遷移が発生する。図中
では簡単のためGaAs層の伝導帯X谷の底からAlG
aAs層の伝導帯X谷への励起のように示しているが、
勿論、井戸層内のエネルギは閉じ込めのために閉じ込め
方向に対して離散的になっている。
Here, it is assumed that light enters a quantum well formed by both conduction band X valleys. FIG. 1A and FIG.
As shown in (c), light absorption, that is, electron transition occurs selectively for light having a wavelength corresponding to the energy difference between subbands or between a subband and a continuous level. In the figure, for the sake of simplicity, the AlG starts from the bottom of the conduction band X valley of the GaAs layer.
Although it is shown as excitation to the conduction band X valley of the aAs layer,
Of course, the energy in the well layer is discrete with respect to the direction of confinement due to confinement.

【0027】この際、上述したように伝導体X谷での有
効質量が大きいため、光吸収の強度ないしは吸収係数を
増大させることが可能となる。そして、GaAs層の伝
導帯X谷はエネルギ的にΓ谷よりも遥かに(0.5eV
程度)高いために、エネルギ的には不安定であり、結晶
のフォノンとの相互作用により遷移した電子はGaAs
層の伝導帯Γ谷に緩和してくることになる。
At this time, as described above, since the effective mass at the conductor X valley is large, the intensity of light absorption or the absorption coefficient can be increased. The conduction band X valley of the GaAs layer is much energetically (0.5 eV
), The energy is unstable in terms of energy, and electrons that have transitioned due to interaction with phonons of the crystal are GaAs.
The conduction band of the layer will relax to the valley.

【0028】伝導体Γ谷においては、図1(c)に示す
ように、このように構成された量子井戸の両端に電極等
を形成して、電界を与えると、電子はドリフト運動を起
こして電流となり、電流値から光検出を行うことができ
る。GaAs層の伝導帯Γ谷に緩和してきた電子は、電
子を移動度の高いGaAs層の伝導帯Γ谷を走行するた
め、電流密度を大きくすることが可能となる。従って、
光検出により励起した電子による信号電流を大きくする
ことが可能となり、微弱な光に対しても高精度に検出を
行うことが可能となる。
In the conductor Γ valley, as shown in FIG. 1C, when electrodes and the like are formed at both ends of the quantum well configured as described above and an electric field is applied, electrons drift. It becomes a current, and light can be detected from the current value. The electrons that have relaxed to the conduction band valley of the GaAs layer travel through the conduction band valley of the GaAs layer having high mobility, so that the current density can be increased. Therefore,
It becomes possible to increase the signal current due to the electrons excited by the light detection, and it is possible to detect even weak light with high accuracy.

【0029】GaAs層の伝導帯Γ谷では、GaAsΓ
谷のエネルギがAlGaAsΓ谷のそれに比べて低いた
め、従来どおりAlGaAs層は電位障壁となるが、A
lGaAs層の膜厚を、量子井戸を形成できる程度(数
nm程度)の厚さとすることにより、トンネル現象によ
り電子がAlGaAs層中を透過することが可能とな
る。従って、AlGaAs層が、電子の走行、すなわち
電流の伝導に障害となることはない。
In the conduction band {valley} of the GaAs layer, GaAs
Since the energy of the valley is lower than that of the AlGaAsΓ valley, the AlGaAs layer functions as a potential barrier as in the related art.
By setting the thickness of the lGaAs layer to such a thickness that a quantum well can be formed (about several nm), electrons can be transmitted through the AlGaAs layer by a tunnel phenomenon. Therefore, the AlGaAs layer does not hinder electron traveling, that is, current conduction.

【0030】一方、図2(b)に示すような従来型の量
子井戸では、電子の走行は移動度の低い伝導体Γ谷で行
われるため、特に光強度が小さい場合の検出を精度良く
行うことはできない。
On the other hand, in the conventional quantum well as shown in FIG. 2B, electrons travel in a conductor valley with low mobility, so that detection is particularly accurately performed when the light intensity is low. It is not possible.

【0031】このように、本実施形態に係る光検出素子
10では、光吸収による電子の励起を電子の有効状態密
度の大きい伝導体X谷で行い、多重量子井戸層4中のト
ンネル電流による電子の走行を、電子の移動度の高い伝
導帯Γ谷で行うことができるため、多重量子井戸層4中
の電子の励起と電子の移動のそれぞれに適した伝導体谷
を機能に応じて使い分けることができる。従って、従来
型の伝導帯Γ谷を用いた量子井戸と比較して光検出を高
精度に行うことが可能となる。
As described above, in the photodetector 10 according to the present embodiment, electrons are excited by light absorption in the conductor X valley having a large effective state density of electrons, and electrons are excited by the tunnel current in the multiple quantum well layer 4. Can be performed in the conduction band valley where the electron mobility is high. Therefore, a conductor valley suitable for each of the excitation of electrons and the movement of electrons in the multiple quantum well layer 4 is used properly according to the function. Can be. Therefore, light detection can be performed with higher precision as compared with a conventional quantum well using a conduction band valley.

【0032】以上、通常良く用いられるAlGaAs/
GaAs系半導体の場合を例にとって説明したが、本実
施形態は、従来用いらていたΓ谷より有効状態密度が大
きな伝導帯谷を用いて、光吸収ないし光放出を行うこと
を特徴としている。従って、GaAs/AlGaAs系
以外の材料を用いた場合でも、上記の効果が得られるも
のであれば構わない。また、主に光吸収によって説明を
行ったが、光吸収と光放出はそれぞれ互いの逆過程であ
って本質的には同じであるから、光放出のための量子井
戸ないしは量子箱を、例えば伝導帯X谷を用いて構成し
て、状態密度の大きいことを利用した発光素子も、本発
明の範疇に含まれる。
As described above, AlGaAs /
Although the case of a GaAs-based semiconductor has been described as an example, the present embodiment is characterized in that light absorption or light emission is performed using a conduction band valley having a larger effective state density than a conventionally used valley. Therefore, even if a material other than the GaAs / AlGaAs system is used, any material can be used as long as the above effects can be obtained. Although the description has been made mainly by light absorption, light absorption and light emission are mutually opposite processes and are essentially the same, and therefore, a quantum well or quantum box for light emission, A light-emitting element formed using a band X valley and utilizing a large state density is also included in the scope of the present invention.

【0033】次に、図4を参照しながら、本実施形態に
係る光検出素子10の具体的な構成及びその製造方法に
ついて説明する。
Next, a specific configuration of the photodetector 10 according to the present embodiment and a method of manufacturing the same will be described with reference to FIG.

【0034】先ず、図4(a)に示すように、例えば通
常のGaAs(100)面方位基板11上に、例えばト
リメチルガリウム、アルシン、トリメチルアルミニウム
を用いた通常の有機金属気相成長法などを用いて、例え
ば緩衝層12、第1のn−GaAs層13を成長する。
引き続いて、例えば膜厚50nm程度のi−GaAs層
と膜厚3nm程度のn−AlGaAs(Al組成0.
8)層を1周期とする多重量子井戸(MQW:multi quantu
m-well)層14を、例えば50周期成長する。その後、
第2のn−GaAs層15を成長して結晶成長を完了す
First, as shown in FIG. 4A, a normal metalorganic vapor phase epitaxy method using, for example, trimethylgallium, arsine, and trimethylaluminum on a normal GaAs (100) plane substrate 11 is performed. For example, the buffer layer 12 and the first n-GaAs layer 13 are grown.
Subsequently, for example, an i-GaAs layer having a thickness of about 50 nm and n-AlGaAs (Al composition of about 0.3 nm) having a thickness of about 3 nm.
8) Multi quantum well (MQW) with one layer as one cycle
The m-well) layer 14 is grown, for example, for 50 periods. afterwards,
The second n-GaAs layer 15 is grown to complete the crystal growth

【0035】次に、図4(b)に示すように、例えば通
常のリソグラフィ技術と例えば4塩化珪素と6弗化硫黄
ガスを用いたドライエッチング技術を用いて光結合のた
めの光結合部分16を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the optical coupling portion 16 for optical coupling is formed using, for example, a normal lithography technique and a dry etching technique using, for example, silicon tetrachloride and sulfur hexafluoride gas. To form

【0036】次に、図4(c)に示すように、例えば通
常のリソグラフィ技術と4塩化珪素ガスを用いたドライ
エッチング技術を用いて隣接素子間の半導体部分を第1
のn−GaAs層13の表面が露出するまでエッチング
除去するメサエッテングを行う。これにより、隣接する
素子間が分離される。
Next, as shown in FIG. 4C, the semiconductor portion between the adjacent elements is first formed using, for example, a normal lithography technique and a dry etching technique using silicon tetrachloride gas.
Is performed until the surface of the n-GaAs layer 13 is exposed. As a result, adjacent elements are separated.

【0037】次に、図4(d)に示すように、例えば通
常のリソグラフィ技術と真空蒸着法を用いて、例えばA
uGe/Niオーミック電極17,18を形成する。こ
れにより、光検出素子10が完成する。
Next, as shown in FIG. 4D, for example, by using a normal lithography technique and a vacuum deposition method,
The uGe / Ni ohmic electrodes 17 and 18 are formed. Thereby, the photodetector 10 is completed.

【0038】なお、この製造工程は、本実施形態の光検
出素子10の本質的な部分についての構成を例示したも
のであり、例えば光結合器形成工程の制御性向上に必要
なエッチング停止層など、付加的な結晶層を含んでいて
も構わない。
This manufacturing process exemplifies the configuration of an essential part of the photodetector 10 of the present embodiment, and includes, for example, an etching stop layer necessary for improving the controllability of the photocoupler forming process. However, an additional crystal layer may be included.

【0039】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、伝導帯Γ谷よりも有効状態密度の大きいX谷を用い
て量子井戸を形成することにより、光吸収又は光放出を
増大させた光検出素子、光放出素子を形成することが可
能となる。
As described above, according to the present embodiment, the quantum well is formed by using the X valley having a larger effective state density than the conduction band Γ valley, thereby increasing the light absorption or light emission. A detection element and a light emitting element can be formed.

【0040】また、光検出素子として構成した場合に
は、GaAs層のX谷へ励起した電子を、移動度の大き
いGaAs層のΓ谷へ緩和させることにより、検出の際
の感度を高めることができ、微弱な光に対しても精度良
く光検出を行うことが可能となる。
In the case of a photodetecting element, the electrons excited to the X valley of the GaAs layer are relaxed to the valley of the GaAs layer having a high mobility, so that the sensitivity at the time of detection can be increased. As a result, it is possible to accurately detect light even with weak light.

【0041】なお、本実施形態ではAlGaAs/Ga
As系半導体を用いた態様について説明したが、既に述
べたような同様の効果が得られれば、他の材料の組み合
わせを用いても構わない。従って、結晶作製技術が許す
範囲において、原理的には任意の材料の組み合わせにお
いて、適当な電子の運動量とエネルギ間の分散関係を持
つものであれば、本発明に適用することが可能である。
すなわち、基板上に連続して結晶成長可能な任意の半導
体材料系であれば、伝導体Γ谷以外の伝導体谷を用いて
電子の遷移を行うことで本発明に適用することができ
る。
In this embodiment, AlGaAs / Ga
Although the embodiment using the As-based semiconductor has been described, other combinations of materials may be used as long as the same effects as described above can be obtained. Therefore, in principle, any combination of materials having a proper dispersion relationship between electron momentum and energy can be applied to the present invention within the range permitted by the crystal production technology.
That is, any semiconductor material that can continuously grow a crystal on a substrate can be applied to the present invention by performing electron transition using a conductor valley other than the conductor valley.

【0042】また、上述の実施形態では、光検出素子を
説明したが、例えば上記説明のうちの2つのn一GaA
s層のうち一方をp−GaAsとすることにより、pn
接合を用いた発光素子となすことも可能である。
In the above-described embodiment, the photodetector has been described.
By making one of the s layers p-GaAs, pn
It is also possible to form a light emitting element using a junction.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、光吸収又は光放出の特
性の更なる向上を達成することができ、高精度に光吸収
又は光放出を行うことのできる半導体装置を提供するこ
とが可能となる。
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of achieving further improvement in light absorption or light emission characteristics and capable of performing light absorption or light emission with high precision. Becomes

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る光検出素子の基本構
成を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a photodetector according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態に係る光検出素子の原理を
説明するための模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of a photodetector according to one embodiment of the present invention.

【図3】伝導谷Γ,X,LのAl組成依存性を示す特性
図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the dependence of conduction valleys Γ, X, and L on Al composition.

【図4】本発明の一実施形態に係る光検出素子の製造方
法を工程順に示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a method for manufacturing a photodetector according to an embodiment of the present invention in the order of steps.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2,12 緩衝層 3,5 n−GaAs層 4,14 多重量子井戸層 10 光検出素子 11 GaAs(100)面方位基板 13 第1のn−GaAs層 15 第2のn−GaAs層 16 光結合部分 17 AuGe/Niオーミック電極 Reference Signs List 1 GaAs substrate 2, 12 buffer layer 3, 5 n-GaAs layer 4, 14 multiple quantum well layer 10 photodetector 11 GaAs (100) plane orientation substrate 13 first n-GaAs layer 15 second n-GaAs layer 16 Optical coupling part 17 AuGe / Ni ohmic electrode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 量子井戸層を用いて異なるエネルギ準位
間における電子の遷移により光吸収又は光放出を行う半
導体装置であって、 前記量子井戸層における電子の遷移を伝導帯Γ谷よりも
電子の有効質量の大きい他の伝導帯谷で行うことを特徴
とする半導体装置。
1. A semiconductor device that performs light absorption or light emission by transition of electrons between different energy levels using a quantum well layer, wherein the transition of electrons in the quantum well layer is performed by an electron rather than a conduction band Γ valley. A semiconductor device having another effective conduction mass having a large effective mass.
【請求項2】 前記量子井戸層が、AlGaAs層を井
戸層、GaAs層を障壁層として構成されていることを
特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said quantum well layer comprises an AlGaAs layer as a well layer and a GaAs layer as a barrier layer.
【請求項3】 前記AlGaAs層中のAl組成比が
0.4以上であることを特徴とする請求項2に記載の半
導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein an Al composition ratio in said AlGaAs layer is 0.4 or more.
【請求項4】 前記他の伝導帯谷が伝導帯X谷であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said another conduction band valley is a conduction band X valley.
【請求項5】 前記AlGaAs層の伝導体X谷から前
記GaAs層の伝導帯X谷へ励起させた電子を前記Ga
As層の伝導帯Γ谷へ緩和させて前記量子移動層中を移
動させることにより、前記光吸収による検出電流を得る
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
5. An electron excited from a conductor X valley of the AlGaAs layer to a conduction band X valley of the GaAs layer.
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the detection current is obtained by the light absorption by relaxing the As layer to the conduction band Γ valley and moving through the quantum transfer layer. 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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