JP2012514870A - 発光並びにレーザ半導体素子および方法 - Google Patents

発光並びにレーザ半導体素子および方法 Download PDF

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Abstract

半導体発光素子は、エミッタとコレクタ領域の間のベース領域を有するヘテロ結合バイポーラ発光トランジスタと、エミッタ、ベース、およびコレクタ領域それぞれで、結合電気信号ためのエミッタ、ベース、およびコレクタ電極と、前記ベース領域の中に量子サイズ領域とを備え、前記ベース領域は、前記量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と、前記量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域を備え、前記第１と第２のベースサブ領域は非対称バンド構造を有する。２端子半導体構造から光放射を生み出すための方法は、第１の伝導型のエミッタ領域と、第１の伝導型の領域と反対に第２の伝導型のベース領域の間に第１の半導体接合、および前記ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を含む半導体構造を提供するステップと、前記ベース領域の間に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップと、前記エミッタ領域に結合されたエミッタ電極を提供するステップと、前記ベース領域と前記ドレイン領域に結合されたベース／ドレイン電極を提供するステップとを含み、前記半導体構造から光放射を得るため、前記エミッタおよび前記ベース／ドレイン電極に信号を印加する。
【選択図】図２０

Description

本発明は、電気信号に反応して、光放出およびレーザ放出を生成するための方法および素子に関する。本発明の１つの側面は、向上された効果で半導体トランジスタ素子から光放出およびレーザ放出を生成するための方法にも関する。本発明の他の側面は、２端子半導体素子から光放出およびレーザ放出を生成するための素子および方法に関する。
ここの背景技術の部分は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）として知られている素子の中で、高少数キャリア注入効果を達成するため広いバンドギャップ半導体の発展のためにある。これらのトランジスタ素子は、非常に速い速度で動作することができる。たとえば、ＩｎＰ ＨＢＴは、最近約５００ＧＨｚの速度での動作を示すことが実演された。
ここの背景技術の他の部分は、発光トランジスタとトランジスタレーザとして動作するヘテロ接合バイポーラトランジスタの発展のためにある。参照文献は、たとえば、米国特許番号７，０９１，０８２、７，２８６，５８３、７，３５４，７８０、および７，５３５，０３４、米国特許出願公開番号ＵＳ２００５／００４０４３２、ＵＳ２００５／００５４１７２、ＵＳ２００８／０２４０１７３、およびＵＳ２００９／０１３４９３９、ＰＣＴ国際出願公開番号ＷＯ／２００５／０２０２８７およびＷＯ／２００６／０９３８８３がある。参照文献は、以下の出版物にもある。Light Emission Transistors: Light Emission From InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and W. Hafez, Appl. Phys. Lett. 84, 151 (2004); Quantum-Well-Base Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84, 1952 (2004); Type-ll GaAsSb/lnP Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, M. Feng, N. Holonyak, Jr., B. Chu-Kung, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84, 4792 (2004); Laser Operation Of A Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 85, 4768 (2004); Microwave Operation And Modulation Of A Transistor Laser, R. Chan, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 86, 131114 (2005); Room Temperature Continuous Wave peration Of A Heterojunction Bipolar Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 87, 131103 (2005); Visible Spectrum Light-Emitting Transistors, F. Dixon, R. Chan, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M. Feng, X. B. Zhang, J. H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 88, 012108 (2006); Transistor Laser, N. Holonyak and M Feng, Spectrum, IEEE Volume 43, Issue 2, Feb. 2006; Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near Threshold, M. Feng, N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88, 063509 (2006); Collector Current Map Of Gain And Stimulated Recombination On The Base Quantum Well Transitions Of A Transistor Laser, R. Chan, N. Holonyak, Jr., A. James , and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88, 14508 (2006); Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser, G. Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 88, 232105 (2006); High-Speed (/spl ges/1 GHz) Electrical And Optical Adding, Mixing, And Processing Of Square-Wave Signals With A Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 18 Issue: 11 (2006); Graded-Base InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistors, B. F. Chu-Kung et al., Appl. Phys. Lett. 89, 082108 (2006); Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum Well GaAs/lnGaP/GaAs/lnGaAs Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., A. James, K. Cimino, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 89, 113504 (2006); Chirp In A Transistor Laser, Franz-Keldysh Reduction of The Linewidth Enhancement, G. Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., and M. Feng, Appl. Phys. Lett. 90, 091109 (2007); Photon-Assisted Breakdown, Negative Resistance, And Switching In A Quantum-Well Transistor Laser, A. James, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 90, 152109 (2007); Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a Transistor Laser, A. James, N. Holonyak, M. Feng, and G. Walter, Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 19 Issue: 9 (2007); Experimental Determination Of The Effective Minority Carrier Lifetime In The Operation Of A Quantum-Well n-p-n Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-Well Design And Doping; H.W. Then, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and C. H. Wu, Appl. Phys. Lett. 91 , 033505 (2007); Charge Control Analysis Of Transistor Laser Operation, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H. W. Then, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 91 , 053501 (2007); Optical Bandwidth Enhancement By Operation And Modulation Of The First Excited State Of A Transistor Laser, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 91 , 183505 (2007); Modulation Of High Current Gain (β>49) Light-Emitting InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Transistors, B. F. Chu-Kung, C. H. Wu, G. Walter, M. Feng, N. Holonyak, Jr., T. Chung, J. -H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 91, 232114 (2007); Collector Characteristics And The Differential Optical Gain Of A Quantum-Well Transistor Laser, H. W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 91 , 243508 (2007); Transistor Laser With Emission Wavelength at 1544 nm, F. Dixon, M. Feng, N. Holonyak, Jr., Yong Huang, X. B. Zhang, J. H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 93, 021111 (2008); Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar Transistor Laser Operation With An Auxiliary Base Signal, H.W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 93, 163504 (2008).
高速トランジスタの基礎は、その可能性として、ベースの中の多数キャリアの中の大きな構成を通して電子−ホールペアの再結合、ベースを通した少数キャリアの高速運搬、およびベース領域の外の未結合の少数キャリアを収集する収集機構（電気的コレクタ）を促進することである。これらのすべては、ベース領域の中の電荷保存キャパシタンスの高速充電および放電を支持する。
ヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＨＢＬＥＴ）の光学的動作は、上記の特許文献および出版物に記載されるように、ベースの中の埋め込まれた量子サイズの領域、たとえば非ドープの量子井戸（ＱＷ）の中で典型的に支配的に起こる、ベース領域の中の放射再結合要素に依存する。同時に、ベースの高くドープされた領域で支配的に起こる非放射再結合電流成分（Ｉｎｏｎ−ｒａｄ）とベースの中の放射再結合電流成分（Ｉｒａｄ）との和は、供給されたベース電流と等しい（Ｉｂ＝Ｉｎｏｎ−ｒａｄ＋Ｉｒａｄ）。
ベース領域の中のＱＷの追加は、効果的放射再結合中心の組み込みを可能とする。１次元の視点から、キャリアはＱＷの中に捕獲され、放射的に再結合されるまたは電気的コレクタの中にベースから一掃される。しかしながら、実際には捕獲されたキャリアはすぐに再結合せず、潜在的な電荷が量子井戸の中に作られる結果になる。量子井戸領域に集積されたキャリアは効果的な側面分散を通して再配分され、キャリアの拡散と再結合は横向きに発生し、素子の光学空洞から離れる。捕獲されたキャリアはまた、同時に、側面に進むようにベース領域の中で後ろに再熱化される。
ここの側面の目的は、発光トランジスタ（ＬＥＴ）とトランジスタレーザ（ＴＬ）の既存技術の制限、例えば、上記に記載された制限のタイプを克服することである。
ここの背景技術の他の部分は、ある応用のため２端子発光体の改良のために必要なことに関する。
高解像度デジタルビデオデータの転送と貯蔵のために増加する要求のため、高速通信リンクが、ＨＤＭＩ１．３および１．４、ＵＳＢ３．０、ディスプレイポート２．０およびＰＣＩ２．０のような標準を通し、商業市場にほとんど独占的に一度要求されたリンク速度で、消費者電気市場を横断し始める。しかしながら、増加するより速いデータ速度は、現在、新しいＨＤＭＩ１．４標準のため、〜６．８Ｇｂｐｓ／チャネルに近づいており、銅線を通した伝統的な伝送メディア上で複雑に製造する設計、技術を加える。結果は、増加する分厚さ、非審美的で、柔軟性のない消費者製品である。
ファイバベースの伝送リンクは、銅媒体リンクを置き換えることを開始してから長い、しかし、３０メートルより長い距離での非消費者市場が主である。消費者市場の大半がある、５メートルより短い距離で、光学解決に基づいたＶＣＳＥＬ（垂直空洞面発光レーザ）は、費用および電力消費でさえ競争することは不可能である。
トランジスタベースの転送機構の研究は、従来のダイオードレーザ素子より安く製造されまたは動作し、前途有望な量子井戸発光トランジスタ（ＱＷ−ＬＥＴ）およびトランジスタレーザ（ＴＬ）のような、電荷自然発生発光に傾いた高速（＞１ＧＨｚ）の新しいクラスの出現を導いた（たとえば、上記リストの特許文献および出版物参照）。不幸にも広く利用可能な低コスト高速ドライバＩＣとバイアス電気回路、および光製造設備がＬＥＤとレーザダイオードのような２端子素子のために作られた。従って、２端子素子から３端子素子への移行は、移行するための支援産業（たとえば、ＩＣ設計および製造施設）を要求し、移行は遅れ、ＱＷ−ＬＥＴとＴＬを実行するためのコストは増加する。
現存する半導体発光体またはレーザに存在する効果を有し、設計の単純さ、製造の容易さ、効果的な十分高速な光生成能力を備え、３端子半導体発光トランジスタまたはトランジスタレーザのある特性を有し、しかし、２端子操作を好むまたは要求する応用と両立する２端子半導体発光体またはレーザを考案することは、本発明の目的のうちである。
上記に述べたように、捕獲されたキャリアはすぐに再結合せず、（たとえば、ＬＥＴまたはＬＴ）の量子井戸の中に積み上げられた潜在的な電荷の結果となり、側面拡散を通し、キャリアの再分配を加速する。従ってキャリアの拡散と再結合は横向きに発生し、素子の光学空洞から離れる。捕獲されたキャリアはまた、同時に、側面に進むようにベース領域の中で後ろに再熱化される。
出願人は、上述した素子内での飽和行動と量子効果の減少を導く要素の主な１つはエミッタ側（後ろ拡散）へ戻る再熱化であると信じる。従って、ここでの１つの側面に従い、非対称ベース設計が、キャリアの後ろ拡散による非放射再結合要素を最小化するために働く。
本発明の第１の側面の形態によれば、方法は、発光トランジスタの動作を向上させるために説明され、以下のステップを含む。エミッタ、ベースおよびコレクタ半導体領域とベース領域の中の量子サイズ領域を含む発光トランジスタを提供すること、ベース領域は、前記量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と前記量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域を備え、非対称バンド構造で前記第１と第２のベースサブ領域を提供すること。本発明のこの形の実施形態の中で、非対称バンド構造で第１と第２のベースサブ領域を提供するステップは、第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供することを含む。この実施形態の１つの版では、第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供するステップは、段階的なバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供することを含む。段階的なバンドギャップの半導体材料は、前記エミッタの方向に次第にバンドギャップが増加することで持つことで段階的になる。この実施形態の他の版では、第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供するステップは、段のあるバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供することを含む。本実施形態のさらなる版では、第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供するステップは、段階的なおよび段のあるバンドギャップの半導体材料で第１のベースサブ領域を提供することを含む。
本発明の第１の側面の他の型によれば、半導体発光素子は、エミッタ、ベース、およびコレクタ領域それぞれで、結合電気信号ためのエミッタ、ベース、およびコレクタ電極と、ベース領域の量子サイズ領域とを備える、エミッタとコレクタ領域の間のベース領域を有するヘテロ結合バイポーラ発光トランジスタを提供する。ベース領域は、量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域を備え、第１と第２のベースサブ領域は非対称バンド構造を有する。共鳴光学空洞は、少なくともベース領域の部分を取り囲み、これによって素子はトランジスタレーザを構成する。本発明のこの型の実施形態の中で、ベース領域内の量子サイズ領域は、ベース領域内に少なくとも１つの量子井戸を含む。本発明のこの型の他の実施形態の中で、ベース領域内の量子サイズ領域は、ベース領域内に少なくとも１つの量子ドット層を含む。
次に本発明の第２の側面を扱う。
トランジスタは、ベース−エミッタ（ＢＥ）接合とコレクタ−ベース（ＣＥ）接合の２つの半導体接合を有する素子である。トランジスタとして動作するため、ＢＥ接合は、低いインピーダンス（順方向バイアス（図１７ａ参照）、典型的にＶＢＥ＞１．２Ｖ）であることが要求される。一方、コレクタ−ベース接合は、高いインピーダンス（（図１７ｂ参照）、典型的に０．８＞ＶＣＢ＞−５Ｖ）であることが要求される。共通コレクタ配置の元では、コレクタは一般的に接地され（０Ｖ）、ＶＥとＶＢは、図１８のようにトランジスタバイアスが維持されるように選択される（ＶＢＥ＞１．２Ｖおよび０．８＞ＶＣＢ＞−５Ｖ）。
しかしながら、出願人は、ＶＢ＝ＶＣ＝０（従って、ＶＣＢ＝０、図１９ａ参照）であり、従って、典型的な高速ＨＢＴ（例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴ）の中で高インピーダンス動作のため、０．８＞ＶＣＢ＞−５Ｖであるトランジスタ要求を満たしている特別な状況が存在することを注意する。この状況は、トランジスタ動作を維持しながら（図１９ｂ参照）、ベースおよびコレクタ電極は、（製造を通して素子上でまたは外部から）電気的に接続されることができること意味する。
トランジスタレーザは３端子であり、２ポート電子素子であり、第１の電気的入力は低インピーダンスで、電流（コレクタ電流として知られる）は、高インピーダンスの第２の電気的出力から引き出される。素子はまた光学出力ポートを有している（参考文献は、背景技術に記載された特許文献と出版物がある）。従来のトランジスタにおいて、低から高への電気的インピーダンス（またはレジスタンス）のこの移行はこの名前の由来である。つまり、「移行レジスタ素子」つまりトランジスタである。測定可能なコレクタ電流は、トランジスタの動作に決定的である。しかしながら、トランジスタレーザの高速動作を支持する主な要因（例えば、ＮＰＮトランジスタレーザの中で）は、トランジスタの高くドープされたベース領域の中で再結合しない注入電子の取りのぞきを助ける機構であり、これは、高インピーダンスコレクタ設計の利用によって達成される。
しかしながら、２つの電気的ポートを有することは、製造を複雑にし、生産とコストの両方に影響を与える。また、特定の用途に対して、１つの電気的出力ポートと光学出力のみが必要であり、または望ましい。
ここでの第２の側面によれば、発光トランジスタまたはトランジスタレーザの固有高速動作が、ドレインでコレクタ接合を置き換えることによって、２つの電極素子（つまり、１つの電気的出力ポート素子）で維持されることができる。このドレインは、素子のＮ−Ｐ（エミッタ−ベース）接合をなくすため、超過の電子を許す同じ目的を提供する。しかしながら、（これは、もはや超過電流が集められると言うよりもむしろ取り除かれるため、）これは、共通接点で非放射再結合に対して電子を流すことによって、この超過の電流の機能を取り除く。このドレインは、高インピーダンスモードで動作することを要求する。これは、ベースのＰ端子で共通バイアスを有することによって実現される。
本発明の第２の側面の型によれば、方法は、半導体構造から光放射を生み出すために説明され、以下のステップを含む。第１の伝導型のエミッタ領域と、前記第１の伝導型の領域と反対に第２の伝導型のベース領域の間に第１の半導体接合、および前記ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を含む半導体構造を提供すること、ベース領域の中に量子サイズ効果を示す領域を提供すること、エミッタ領域に結合されたエミッタ電極を提供すること、ベース領域とドレイン領域に結合されたベース／ドレイン電極を提供すること、前記半導体構造から光放射を得るため、エミッタおよびベース／ドレイン電極に信号を印加すること。
本発明の第２の側面のこの型の好ましい実施形態の中で、ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を提供するステップは、ベース領域に隣接するドレイン層とドレイン層に隣接するサブドレイン層として、ドレイン領域を提供することを含み、および、ベース領域とドレイン領域に結合したベース／ドレイン電極を提供する前記ステップは、ベース領域とサブドレイン層に結合したベース／ドレイン電極を提供することを含む。この実施形態の中で、半導体構造を提供するステップは、平面半導体層を提供することを含み、ベース／ドレイン電極を提供するステップは、ベース領域の周辺に接し、およびサブドレイン層と接する伝導性ベース／ドレイン接点を提供することを含む。また、この実施形態の中で、第１の伝導型のエミッタ領域と第２の伝導型のベース領域の間に第１の半導体接合を提供するステップは、ヘテロ接合として、第１の半導体接合を提供することを含む。第２の半導体接合は、ホモ接合またはヘテロ接合として提供される。
本発明の第２の側面の別の型によれば、半導体素子は、光放射を生産するために説明され、第１の伝導型のエミッタ領域と、前記第１の伝導型の領域と反対に第２の伝導型のベース領域との間に第１の半導体接合、ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を含む半導体構造、ベース領域の中の量子サイズ領域、エミッタ領域に結合されたエミッタ電極、およびベース領域とドレイン領域に結合されたベース／ドレイン電極を含み、前記エミッタおよびベース／ドレイン電極に印加された信号は、半導体構造のベースから光放射を生産する。
本発明の第２の側面の２端子素子は、素子が存在するダイオード電気回路と製造設備と両立することを可能とする一方、ＬＥＴとＴＬの高速トランジスタベースの転送機構を保持する。２端子素子として、これは、３端子素子より、製造と梱包することを安くする。例えば、これは、より少ないリソグラフィステップ、より少ない接着パッド、より少ない製造時間を要求し、高い生産性を提供する。
本発明のさらなる特徴と効果は、添付の図とともに行われた以下の詳細な記載から次第に明らかになる。
ベース電流の関数として、量子井戸ヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタからの測定された光子出力を示すグラフである。 熱化電流現象を理解する際に役立つ、ベース領域内の典型的な量子井戸に対するエネルギーバンド略図を示す。 量子井戸のコレクタ側上の第２のベースサブ領域の材料より大きいバンドギャップを有する、量子井戸のエミッタ側上の第１のベースサブ領域の材料とともに、ここの第１の側面のタイプ１配置に対するエネルギーバンド略図を示す。 第１のベースサブ領域の段階的な広さのバンドギャップ構造とともに、ここの第１の側面のタイプ２配置に対するエネルギーバンド略図を示す。 段のあるバンドギャップを有する第１のベースサブ領域とともに、ここの第１の側面のタイプ３配置に対するエネルギーバンド略図を示す。 段階的で段のあるバンドギャップを有する第１のベースサブ領域とともに、ここの第１の側面のタイプ４配置に対するエネルギーバンド略図を示す。 この例の中で、量子井戸と量子井戸の反対側に非対称バンド構造を有するベース領域を含むｎｐｎ発光トランジスタまたはトランジスタレーザである、ここの第１の側面の実施形態による素子のエネルギーバンド略図を示す。 深いＱＷ設計と同質ドープベース領域を有する、従来のＱＷヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＱＷ−ＨＢＬＥＴ）の断面図を示す（図は同一スケールでない）。 エミッタに向かうキャリアの再熱化を除去するまたは減少するための非対称ベース設計を有する、ここの第１の側面の実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴの断面図を示す。 エミッタ側に対するキャリアの再熱化を減少するための非対称ベース設計と捕獲されたキャリアの側面拡散を制限するため、1つまたはそれ以上の浅い量子井戸（ＱＷ）の使用を有する、ここの第１の側面のさらなる実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴ構造の断面図を示す。 本発明の第１の側面の実施形態による非対称ベースを有する、ＱＷ−ＨＢＬＥＴの基礎層構造の略図を示す。 エミッタ方向に次第に増加するバンドギャップを有することで段階的な第１のベースサブ領域を用いる、本発明の第１の側面の実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴの層構造のより詳細な例の表を示す。 共鳴空洞（ＲＣ）が提供され、ＱＷ−ＲＣＬＥＴと呼ばれる、ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有するＱＷ−ＨＢＬＥＴの層構造の例を示す表である。 ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有する、量子井戸垂直空洞トランジスタレーザ（ＱＷ−ＶＣＴＬ）の層構造の例を示す表である。 （反射エッジファセットを有することができる）エッジ発光設計を有し、ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有する、量子井戸ヘテロ接合バイポーラトランジスタレーザ（ＱＷ−ＨＢＴＬ）の層構造の例を示す表である。 トンネル接合コレクタを利用するために修正された、図１１のＱＷ−ＨＢＬＥＴの基礎層構造の部分切り抜き略図である。 単純化されたトランジスタＩ対ＶＢＥを表示する。 単純化されたトランジスタＩ対ＶＣＢを表示する。 共通コレクタ構成でのトランジスタの例を示す。 トランジスタ動作をまだ維持している特殊なバイアス状態での共通コレクタ構成でのトランジスタの例を示す。 トランジスタ動作を維持したまま、ベースとコレクタ端子が電気的に接続されたトランジスタ構成を示す。 本発明の方法の実施形態を実施する際に用いられる、本発明の第２の側面の実施形態による２接合発光ダイオードの断面図を示す。 左（ａ）において、２接合ダイオードの等価ＤＣ回路を示し、右（ｂ）において、ＩＥ対Ｖ特性を示す。第２の接合は、ベース層を主に伝導ホールとすることによって回路の全抵抗を減少するために機能し、電子はＮ型ドレインによって伝導される。 左（ａ）において、従来技術の単一接合ダイオードの等価ＤＣ回路を示し、右（ｂ）において、ＩＥ対Ｖ特性を示す。ベース層はホールと少数電子の両方の流れに関与する。 ここの第２の側面の実施形態での時間の関数として、光学出力（光学検出器電圧）のオシログラフ表示を示す。表示は、７０ｍＡのエミッタ電流で１５°Ｃで５Ｇｂｐｓ観察を示す。時間スケールは、区域ごと５０ピコ秒である。 ここの第２の側面の実施形態での時間の関数として、光学出力の他のオシログラフ表示を示す。表示は、１００ｍＡのエミッタ電流で１０．３１２５Ｇｂｐｓ観察を示す。時間スケールは、区域ごと２０ピコ秒である。 ここの第２の側面の他の実施形態の断面図を示す。
出願人は、放射再結合要素はベース電流と線形的に増加しないことを観測した。図１は、非放射再結合要素の増加を示すより高いベース電流で飽和挙動（線形カーブからの逸脱）を表すＱＷ−ＨＢＬＥＴからの測定された光子出力を示す。さらに出願人は、放射再結合要素は温度の強い関数であることも観測した。これらの観測はさらに、非放射再結合活動、従って大半のベース再結合は、電流密度と温度の両方の関数として増加することを示唆する。
ベース領域内の典型的な量子井戸に対するエネルギーバンド略図を示す図２を参照すると、熱化電流（Ｉｔｈｅｒｍａｌ）は、主に２つの変数、光子エネルギー（温度Ｔと比例する）およびキャリアが閉じこめられる障壁の高さ（Ｖ）に依存し、以下の関係が見られる。
Figure 2012514870
 ここで、ｑはクーロン電荷１．６×１０−１９Ｃであり、ｋはボルツマン定数である。量子井戸の中に捕獲されたキャリアは、光子の助けを通して量子井戸の外から熱化される。対称量子井戸（ΔＶ＝Ｖ１―Ｖ２＝０）では、ＱＷの各側から熱化されるキャリアの確率は等しく、Ｉｔｈｅｒｍａｌ１／Ｉｔｈｅｒｍａｌ２＝１となる。上記等式は、深いＱＷ（大きいＶ１、Ｖ２）は、全体として熱電流を減少することを示す。しかしながら、より深いＱＷは、素子の高速性能を非常に減少させる、電荷を保存するＱＷの能力も増加する。捕獲されたキャリアのよりよい閉じ込めのため、深いＱＷは捕獲されたキャリアの側面拡散に関して、より効果がある。他の極端で浅い井戸の使用は、高ゲイン素子を導くＱＷの再熱化の率と競争する、捕獲されたキャリアの再熱化の率を増加する。ここでの特徴によれば、第１のベースサブ領域での比較的高いバンドギャップは、エミッタ領域に対する再熱化されたキャリアの移動を制限するため、浅い井戸の使用に対して通常影響する、同時に起こる再熱化の問題なしに、１つまたはそれ以上の比較的浅いＱＷは、速度と高ゲインの効果を得るために役立つ。これらのキャリアはＱＷの中に戻る傾向がある。ここの実施形態の中で、非対称ベース特徴と同時に用いられた浅い井戸は、単独のエネルギー状態、つまり基底状態を有することに制限される。
図３は、コレクタ側上の第２のベースサブ領域の材料より大きいバンドギャップを有する、エミッタ側上の第１のベースサブ領域の材料を有するタイプ１配置を示す。この配置は、最も大きい可能性のあるＩｔｈｅｒｍａｌ１／Ｉｔｈｅｒｍａｌ２の比を提供する。しかしながら、最も大きいバンドギャップ材料は、キャリアの移動時間を減少する比較的低い移動性を有する。
図４は、タイプ２配置を示す。第１のベースサブ領域の段階的な広さのバンドギャップ構造は、キャリアの移動を助ける組み込みの場を可能とし、従って、より高いバンドギャップ材料のより低い固有移動性の衝撃を減少させる。段階的な場は、量子井戸の中に戻る第１のベースサブ領域の中の任意の再熱化されたキャリアを助ける。効果的な障壁の高さ（Ｖ１）は、段階的効果によるタイプ１構造の中のそれよりも低い。
図５は、段のあるバンドギャップを有する第１のベースサブ領域のタイプ３配置を示す。この例では、広いバンドギャップ材料が、非ドープまたは低ドープのバッファ層が成長された後、成長される。バッファ層は材料成長目的のために必要である。
図６は、段階的で段のあるバンドギャップを有する第１のベースサブ領域のタイプ４配置を示す。広いバンドギャップ材料が、非ドープまたは低ドープの段階的バッファ層が成長された後、成長される。段階的バッファ層は、再熱化されたキャリアが量子井戸の中に後ろに広がることを助け、バッファ層の中の再結合事象を最小化する。低ドープまたは非ドープ層は、この層の非放射再結合能力を最小化する。
図７を参照すると、量子井戸と量子井戸の反対側に非対称バンド構造を有するベース領域を含むｎｐｎ発光トランジスタまたはトランジスタレーザであるこの例の中に、ここの第１の側面の実施形態による素子のエネルギーバンド略図が示される。理想的状況下で。キャリアの熱化は、これが集められるコレクタ方向にのみにある。ベースの最も広いバンドギャップ領域は、価電子帯バンド不連続（ΔＶＶ）が、エミッタ内のホールの拡散を妨げるため、まだ０Ｖより大きいように選ばれる。ベースの段階的バンドギャップは、組み込まれた電場を通して、電気的および光学的（ＱＷ）コレクタに向かって電子が漂うことを助ける。これはまたコレクタに向かって組み込まれたホールが漂うことを助ける。
図８を参照すると、深いＱＷ設計と同質ドープベース領域を有する、従来のＱＷヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＱＷ−ＨＢＬＥＴ）が示される。例えば、参照文献は、背景技術の中で参照された特許文献と出版物がある。図８で、ベース領域８４０はエミッタ領域８５０とコレクタ領域８３０の間に配置され、ベース領域は量子井戸８４１を含む。コレクタ８３０の下に、ここの上にコレクタ電極８２６を有するサブコレクタ領域８２５がある。エミッタの上に、エミッタ閉じ込めと接点領域８６０、および酸化物定義開口部８５５がある。ベース領域は、その上にベース電極８４３を有し、エミッタ領域はその上にエミッタ電極８５３を有する。適切なバイアスと励起信号は、例えば、背景技術の中で参照された特許文献と出版物に記載されたように、電極に印加される。比較的深いＱＷは、捕獲されたキャリアが側面に広がることを助け、光学的空洞（この縦の空洞素子の網掛け領域８０２）から離れて再結合する。これに加え、側面に広がったキャリアとして（矢印参照）、キャリアは再熱化され、エミッタの方向（逆拡散）に再熱化されたキャリアは、ほとんど非放射再結合することを失われる。
図９は、エミッタに向かうキャリアの再熱化を除去するまたは減少するための非対称ベース設計を有する、ここの第１の側面の実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴ構造を示す。図９の中で、エミッタ領域８５０、コレクタ領域８３０、サブコレクタ８２５、エミッタ閉じ込めと接点領域８６０、酸化物定義開口部８５５、エミッタ電極８５３、ベース電極８４３、およびコレクタ電極８２６は。すべて図８の参照番号の要素と同じである。しかしながら、図９において、ベース９４０は、コレクタ側上の比較的狭いバンドギャップサブ領域９４７と比較して、エミッタ側上の比較的広いバンドギャップサブ領域９４８で提供される。図９の矢印（つまり、ベース上部サブ領域中のここでの欠如）は、逆拡散での現象を表す。上記で記載されたように、より高いバンドギャップのサブ領域は、段階的バンドギャップ半導体材料および／または段のあるバンドギャップ半導体材料を提供することによって、達成されることが好ましい。
図１０は、エミッタ側に対するキャリアの再熱化を制限するための非対称ベース設計と捕獲されたキャリアの側面の拡散を制限するため、1つまたはそれ以上の浅い量子井戸（ＱＷ）の使用を有する、ここの第１の側面のさらなる実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴ構造を示す。図１０の中で、同じ参照番号は、図８と図９の素子の同じ要素を示す。図１０の中で、図９のように、ベース領域（図１０で１０４０）は、ベースのコレクタ側上の比較的狭いバンドギャップサブ領域（図１０で１０４７）と比較して、ベースのエミッタ側上の比較的広いバンドギャップサブ領域（図１０で１０４８）を有する。しかしながら、この場合、上記に記載したように、より浅い量子井戸１０４１は、捕獲されたキャリアの側面の拡散を制限するため、ベースの中で用いられる（図１０の中の比較的短い横方向の矢印を参照）。
図１１は、本発明の第１の側面の実施形態による非対称ベースを有する、ＱＷ−ＨＢＬＥＴの基礎層構造を示す。この例の中で、ここでの原理は、ｐｎｐ素子にも適用できるが、素子はｎｐｎである。基盤１１０５（ドープまたは非ドープ）は、その上に易酸化性の開口部層を有するｎ型下部閉じ込め層１１１０、ｎ型コレクタ接点層１１２０、およびｎ型コレクタ層１１３０が堆積される。重くドープされたｐ型ベース領域１１４０は、量子井戸（ＱＷ）１１４１、および前に記載されたようにバンドギャップの非対称設計を有するサブ領域１１４７と１１４８を含む。ｎ型エミッタ１１５０、酸化開口部層を有するｎ型上部閉じ込め層（１１６０）、エミッタ接点層１１７０が示される。
図１２の表は、エミッタ方向に次第に増加するバンドギャップを有する段階的な第１のベースサブ領域を用いる、本発明の第１の側面の実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴの層構造のより詳細な例を示す。ＧａＡｓ基盤から上に向かって、ＱＷ−ＨＢＬＥＴのために用いられる水晶のエピタキシャル層は、３０００Åｎ型ドープＧａＡｓバッファ層（層１）、５００Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ閉じ込め層（層２），２１３Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓへの酸化バッファ層（層３），５９５Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性の開口部層（層４），他の２１３Å段階的なＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓへの酸化バッファ層（層５），５５７Åｎ型ＧａＡｓ接点層（層６と７）が続き，１２０ÅＩｎＧａＰエッチング停止層（層８），２８７１Å非ドープコレクタ層を含む。これらの層は、２つの非ドープの１１２ÅＩｎＧａＡｓ量子井戸（層１２から１６）を含む、１３５８Åのベース層（層１９から１８）と段階的なベースドーピング（層１７）を有する段階的なＡｌ０．００５Ｇａ０．９９５ＡＳからＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＡＳベース層が続く。
この後、ヘテロ接合エミッタは、５１１Åｎ型ｌｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層（層１９），２１３Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓへの酸化バッファ層（層２０），５９５Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性の開口部層（層２１），他の２１３Åの段階的なＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓへの酸化バッファ層（層２２），５００Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ閉じ込め層（層２３）を含む。これらの構造は、２０００ÅＧａＡｓ最上部接点層（層２４）で完了する。
ここの第１の側面の実施形態によるＱＷ−ＨＢＬＥＴ製造工程の例は、最初フォトリソグラフィステップで水晶の上に保護ＳｉＮ４をパターニングし、フロン１４（ＣＦ４）ガスで反応イオンエッチングによって実行される。最上部ｎ型ＧａＡｓ接点層（層２４）とＡｌＧａＡｓ（層２０から２３）は、ウェットエッチング（１：８：８０ Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）によって露出され、エミッタメサと形成し、ｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ広いギャップエミッタ層（層１９）を明らかにする。実例は、Ｎ２＋Ｈ２Ｏが供給された加熱炉で４２５℃で酸化され、エミッタメサの中に酸化物定義開口部を形成する側面酸化となる。実例は、７分間４２５℃で（Ｎ２で）焼きなましされ、保護ＳｉＮ４がプラズマ（ＣＦ４）エッチングによって除去される前に、ｐドーパントを再活性化する。エミッタ層（層１９）、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐは、ウェットエッチング（ＨＣｌ）を用いて除去され、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース接点層（層１８）を露出する。保護フォトレジスト（ＰＲ）層は、ベースメサの外形を描くため、形成される。層９から１８は、選択的エッチング（１０：１ Ｃ６Ｈ８Ｏ７：Ｈ２Ｏ２）を用いることによって除去され、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層（層８）がウェットエッチング（ＨＣｌ）を用いて除去され、重くドープされたｎ型ＧａＡｓサブコレクタ接点層（層７）が露出され、ベースメサを形成する。この後、ＰＲ窓は、エミッタメサとコレクタ材料上に形成され、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（７５０／１５０／１００００Å）の堆積が続き、エミッタ接点層（層２９）に接するｎ型金属とサブコレクタ接点層（層７）を形成する。金属を離昇する行程が次に続く。その後、他のＰＲ窓がベースメサ上に形成され、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（２５０／８０／１１００Å）が層１８上に堆積され、Ｐ型接点を形成する。金属を離昇するステップの後、実例は、３５０℃で焼きまなしされ、抵抗接点を形成する。その後、ポリイミドの層が与えられ、２７０℃で矯正され、素子の表面漏れ電流を減少する。シリコン窒化物の追加の層が、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）システムを用いることによって、ポリイミドの最上部上に堆積される。エミッタ、ベース、コレクタ金属に接点を作るための穴の開口ビアが、他のフォトリソグラフィステップを用いて定められる。エッチングマスクとして、フロン１４（ＣＦ４）ガスとＰＲを用いて、シリコン窒化物に誘電性の開口ビアが、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）システムで実行される。ＰＲは洗浄溶剤ではぎ取られる。酸素（Ｏ２）プラズマは、エッチングマスクとして動作するシリコン窒化物層でポリイミド層を除去するために用いられる。接点ビア製造ステップの後、他のフォトリソグラフィステップがＴｉ／Ａｕ（１５０Å／２．５μｍ）を堆積するため実行され、素子から接地−信号−接地（ＧＳＧ）高周波数プロービングパッドへの接点を形成する。
図１３の表は、共鳴空洞（ＲＣ）が提供され、ＱＷ−ＲＣＬＥＴと呼ばれる、ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有するＱＷ−ＨＢＬＥＴの層構造の例を示す。分散ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）の鏡は、ＨＢＬＥＴに加えられ、光抽出を助ける共鳴空洞を形成する。最上部の鏡反射は、共鳴空洞発光トランジスタを形成するため、１％から９５％まで変化することができる。構造は、基盤を通して光抽出を可能とする最下部ＤＢＲより、最上部ＤＢＲがより多くの反射を有するところに変えることができる。
図１４の表は、ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有する、量子井戸垂直空洞トランジスタレーザ（ＱＷ−ＶＣＴＬ）の層構造の例を示す。最上部ＤＢＲの鏡ペアの数は共鳴垂直空洞トランジスタレーザの中で発生する誘導放射を可能とするため、増加される。最上部鏡の反射性は９０％から９９．５％まで変化する。同様に、ＤＢＲ鏡構成は、最下部を通して光抽出のため変えることができる。
図１５の表は、（反射エッジファセットを有することができる）エッジ発光設計を有し、ここの第１の側面の原理による非対称ベース設計を有する、量子井戸ヘテロ接合バイポーラトランジスタレーザ（ＱＷ−ＨＢＴＬ）の層構造の例を示す。層４と２１の厚さは、導波路効果を可能とするため、３０００Ａまで増加される。
図１６は、素子のコレクタの代わりにトンネル接合１６３０が利用される図１１の素子の変形を示す。参照文献は、例えば、ＨＢＬＴのなかでコレクタとしてトンネル接合を利用するものに関して、Tunnel Junction Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H.W. Then, CH. Wu, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 94, 04118 (2009)がある。図１６で、トンネル接合１６３０のｐ＋層１６３１は、ベースサブ領域１１４７に隣接し、トンネル接合１６３０のｎ＋層１６３２は、ｎ型コレクタ接点層に隣接する。非対称ベースの特徴は前に記載されたとおりである。
ここの第２の側面に関して、出願人は、発光トランジスタまたはトランジスタレーザの固有高速動作は、コレクタ接合をドレインで置き換えることによって、２端子素子（単一電気入力ポート素子）に維持されることを見つけ出した。ドレインは、素子のＮ−Ｐ（エミッタ−ベース）接合を抜け出る超過電子を可能とする同じ目的のため役に立つ。しかしながら、これは、共通接点で非放射再結合に向かう電子を失うことによって、（これは、もはや集められると言うよりもむしろ取り除かれる超過電流であるため、）この超過電流の機能は取り除かれる。ドレインは高インピーダンスモードで動作することが要求される。これは、ベースのＰ端子で共通バイアスを有することによって達成される。
図２０を参照し、本発明の方法の実施形態を実施する際に用いられる、本発明の第２の側面の実施形態による素子が示される。素子は、例えばＩＩＩ−Ｖ半導体層を堆積するための従来の半導体堆積技術、およびここの背景技術にリストされた特許文献および出版物に記載された素子製造および仕上げ技術で製造される。この実施形態の中で、ｐ型ベース領域７４０は、故意ではなく、ドープされたｎ型ドレイン領域７３３とｎ型エミッタ領域７５０の間に堆積され、この結果、前記エミッタとベース領域の間に第１の半導体接合、ベース領域とドレイン領域の間に第２の半導体接合ができる。ベース領域７４０は、例えば、1つまたはそれ以上の量子井戸または1つまたはそれ以上量子ドットのような、量子サイズ領域７４１を含む。ドレイン７３３の下にｎ型サブトレイン７３４がある。エミッタの上に、エミッタクラッドおよび接点領域７６０と酸化物定義開口部７５５がある。エミッタ領域は、エミッタ接点７５３の形で、ここに結合されたエミッタ電極を有する。ベース／ドレイン電極はベースおよびドレイン領域と結合される。図２０の実施形態で、ベース／ドレイン電極は、ベース領域とサブドレイン領域の周辺上に堆積した金属接点７７０である。図２０で示されたように、正のバイアス電圧７９１が、エミッタ接点７５３に関して、ベース／ドレイン接点７７０に印加される。ＡＣ電圧７９２もまたこれらの接点に関して印加される。
図２０の中で素子の電子とホールの流れは図の中の矢印によって示される。ベース領域の中の再結合は、量子井戸の助けで、発光の結果となる。導波管と空洞の配置が、この素子が２接合レーザダイオード、２接合共鳴空洞発光ダイオードまたは２接合垂直空洞トランジスタレーザとして機能できるように、この構成に加えることができる。（例えば、典型的な上部および下部分散ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）は図２０の素子に、光学共鳴空洞を得るために提供することができる。）放射再結合は、図２０で７８５で表される活性光学領域で最適化される。
図２０の素子は、ダイオードのＤＣ電気的特徴を有するため、ダイオードとして記述することもできる。このＤＣ等価回路は図２１ａの中で示され、そのＩ−Ｖ電気的特性は図２１ｂの中で示される。第２の接合は、ベース層に主にホールを伝導することを可能とすることによって、回路の全抵抗を減少する機能を有し、電子はＮ型ドレインによって伝導される。ダイオードは、ＮＰ接合の組み込み領域によって定められたターンオン電圧を所有する。完全なターンオン抵抗は、Ｒ＝ＲＥ＋ＲＢ１／／ＲＤと等価である。従来技術の単一接合ダイオードのための等価回路は、ドレインなしで、図２２ａに示され、対応するＩ−Ｖ特性は図２２ｂで示される。ベース層は、ホールと少数電子の両方の流れに関与する。電気的特性は、同じターンオン電圧を維持する。しかしながら、単一接合ダイオードのための完全なターンオン抵抗は、より大きく、Ｒ＝ＲＥ＋ＲＢ２によって表される。重くドープされたＰ型ベース層は、電子と導電ホールを側面に拡散するため、ＲＢ２≠ＲＢ１であることに注意すべきである。ドレイン層の欠如で、従来技術の単一接合ダイオードの超過電子（少数キャリア）は、それが再結合を補償するため、抵抗ベース領域を通し、大きなホール電流を伝導させ、ベース層を通して側面に移動するように、ベースの中の活性光学空洞領域から離れた再結合を通して除去される。再結合は活性光学空洞から離れているため、従来技術の素子のホールベース電流は、役に立つ放射再結合の生成に最適に使用されない。ベースの中で再結合しない電子は、正の接点端子に最終的に拡散し再結合する。電子は側面に移動することが可能なため、これは電子が分配し、またＰ型ベース領域の中の全電荷も分配する領域を増加させる。これは、結果として遅い速度を有する従来技術の素子で、比較的大きい荷電蓄積電気容量を導く。
ここの第２の側面の２接合ダイオードの中で、ベース層は、主にホールの側面の導電性のみに関与する。最小抵抗経路の電子は、比較的薄いベース（例えば、１３０ｎｍ）を通り、ドレイン層に速く拡散する。これは、再結合を活性光学領域に最適に閉じ込められること、従って側面への導電性ホールの効率的利用を可能とする。電子はベース層の外に速く拡散するため、これは、より小さい荷電蓄積電気容量を導く。より小さい電気容量と抵抗の組み合わせは、素子速度とＲＣ時定数積との間の相関により高速動作のため非常に有益である。
ここの第２の側面の例示的実施形態で、第２の接合として、ホモ接合を利用し、エミッタ領域はｎ型ＩｎＧａＰであり、ベース領域は、非ドープのＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する重くドープされたｐ型ＧａＡｓであり、ドレイン領域は軽くドープされたｎ型ＧａＡｓであり、そして、サブドレイン層は、ｎ型ＧａＡｓである。第２の接合としてヘテロ接合を有する実施形態で、ベースは例えば、ＧａＡｓ量子井戸を有するＡｌＧａＡｓであることができる。また、ｎｐｎの実施形態を示したが、ｐｎｐ実施形態も実施可能である。
４５０ｕｍ空洞長２接合レーザダイオードは、セ氏１５で製造およびテストされた。素子が５Ｇｂｉｔｓ（図２３）および１０Ｇｂｉｔｓ（図２４）で動作可能なことが実演される。
これとともにデータも出願された同時係属出願を参照して、とりわけ、量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域、量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域含むベース領域を使用し、第１および第２のベースサブ領域が非対称バンド構造、つまり第１のベースサブ領域が比較的高いバンドギャップ半導体であり、第２のベースサブ領域が比較的低いバンドギャップ半導体であることの効果が開示された。これを行うことによって、量子サイズ領域からエミッタ領域へのキャリアの再熱化が減少する。従って、例えば、図２０の実施形態の中で、量子井戸７４１の反対側のベースサブ領域は、これらの技術であることができる。
図２５は、ドレイン層としてトンネル接合を利用するここの他の実施形態を示す。参照文献は、例えば、Tunnel Junction Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H.W. Then, CH. Wu, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 94, 04118 (2009)がある。図９の中で、トンネル接合のｐ＋層２５３０は、ベース７４０に隣接し、トンネル接合のｎ＋層２５３１は、ｎ型接点層２５３４に隣接する。
７３３ ｎ型ドレイン領域
７３４ ｎ型サブトレイン
７４０ ｐ型ベース領域
７４１ 量子サイズ領域
７５０ ｎ型エミッタ領域
７５３ エミッタ接点
７５５ 酸化物定義開口部
７６０ エミッタクラッドおよび接点領域
７７０ 金属接点
７９１ 正のバイアス電圧
７９２ ＡＣ電圧
８０２ 網掛け領域
８２５ サブコレクタ領域
８２６ コレクタ電極
８３０ コレクタ領域
８４０ ベース領域
８４１ 量子井戸
８４３ ベース電極
８５０ エミッタ領域
８５３ エミッタ電極
８５５ 酸化物定義開口部
８６０ エミッタ閉じ込めと接点領域
９４０ ベース
９４７ 比較的狭いバンドギャップサブ領域
９４８ 比較的広いバンドギャップサブ領域
１０４０ ベース領域
１０４１ より浅い量子井戸
１０４７ 比較的狭いバンドギャップサブ領域
１０４８ 比較的広いバンドギャップサブ領域
１１０５ 基盤
１１１０ ｎ型下部閉じ込め層
１１２０ ｎ型コレクタ接点層
１１３０ ｎ型コレクタ層
１１４０ ｐ型ベース領域
１１４１ 量子井戸（ＱＷ）
１１４７、１１４８ サブ領域
１１５０ ｎ型エミッタ
１１６０ 酸化開口部層を有するｎ型上部閉じ込め層
１１７０ エミッタ接点層
１６３０ トンネル接合
１６３１ ｐ＋層
１６３２ ｎ＋層
２５３０ トンネル接合のｐ＋層
２５３１ トンネル接合のｎ＋層
２５３４ ｎ型接点層

Claims (50)

  1. 発光トランジスタの動作を向上させるための方法は、
    エミッタ、ベースおよびコレクタ半導体領域と、ベース領域の中に量子サイズ領域を含む発光トランジスタを提供するステップと、前記ベース領域は、前記量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と、前記量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域を備え、
    非対称バンド構造で前記第１と第２のベースサブ領域を提供するステップと、
    を含む。
  2. 非対称バンド構造で前記第１と第２のベースサブ領域を提供するステップは、前記第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供することを含む請求項１の方法。
  3. 前記第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供するステップは、段階的なバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供することを含む請求項２の方法。
  4. 段階的なバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供するステップは、前記エミッタの方向に次第にバンドギャップが増加することで段階的である材料で前記第１のベースサブ領域を提供することを含む請求項３の方法。
  5. 前記第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供するステップは、段のあるバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供することを含む請求項２の方法。
  6. 前記第２のベースサブ領域の半導体材料より高いバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供するステップは、段階的なおよび段のあるバンドギャップの半導体材料で前記第１のベースサブ領域を提供することを含む請求項２の方法。
  7. 前記ベース領域の中に量子サイズ領域を提供するステップは、前記ベース領域の中に少なくとも１つの量子井戸を提供することを含む請求項１から６のいずれかの方法。
  8. 前記ベース領域の中に量子サイズ領域を提供するステップは、前記ベース領域の中に少なくとも１つの量子ドット層を提供することを含む請求項１から６のいずれかの方法。
  9. 前記ベース領域の中に量子サイズ領域を提供するステップは、単一エネルギー状態を有する少なくとも１つの浅い量子井戸を提供することを含む請求項１から６のいずれかの方法。
  10. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学空洞を提供することをさらに含む請求項１から６のいずれかの方法。
  11. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学共鳴空洞を提供することをさらに含み、前記発光トランジスタはトランジスタレーザである請求項１から６のいずれかの方法。
  12. 半導体発光素子は、
    エミッタとコレクタ領域の間にベース領域を有するヘテロ結合バイポーラ発光トランジスタと、
    エミッタ、ベース、およびコレクタ領域のそれぞれで、結合電気信号ためのエミッタ、ベース、およびコレクタ電極と、
    前記ベース領域の量子サイズ領域と
    を備え、
    前記ベース領域は、前記量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と、前記量子サイズ領域のコレクタ側上に第２のベースサブ領域を備え、
    前記第１と第２のベースサブ領域は非対称バンド構造を有する。
  13. 前記第１のベースサブ領域は比較的高いバンドギャップ半導体であり、前記第２のベースサブ領域は比較的低いバンドギャップ半導体であり、前記量子サイズ領域から前記エミッタ領域へのキャリアの再熱化が減少される請求項１２の素子。
  14. 前記第１のベースサブ領域は段階的なバンドギャップの半導体材料を備える請求項１３の素子。
  15. 前記段階的なバンドギャップの半導体材料は、前記エミッタの方向に次第にバンドギャップが増加することで段階的である請求項１４の素子。
  16. 前記第１のベースサブ領域の半導体材料は、段のあるバンドギャップの半導体材料を備える請求項１３の素子。
  17. 前記第１のベースサブ領域の半導体材料は、段階的なおよび段のあるバンドギャップの半導体材料を備える請求項１３の素子。
  18. 前記ベース領域の中の前記量子サイズ領域は、前記ベース領域の中に少なくとも１つの量子井戸を備える請求項１２から１７のいずれかの素子。
  19. 前記ベース領域の中の前記量子サイズ領域は、前記ベース領域の中に少なくとも１つの量子ドット層を備える請求項１２から１７のいずれかの素子。
  20. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学共鳴空洞をさらに備え、前記発光トランジスタはトランジスタレーザである請求項１２から１７のいずれかの素子。
  21. 前記トランジスタレーザは、垂直空洞トランジスタレーザである請求項１２から１７のいずれかの素子。
  22. 前記トランジスタレーザは、端部発光トランジスタレーザである請求項１２から１７のいずれかの素子。
  23. 前記コレクタ領域は、ｎ＋層とｐ＋層を備えるトンネル接合を備え、前記ｐ＋層は前記ベース領域に隣接する請求項１２から１７のいずれかの素子。
  24. 半導体構造から光放射を生み出すための方法は、
    第１の伝導型のエミッタ領域と、前記第１の伝導型の領域と反対に第２の伝導型のベース領域との間に第１の半導体接合、および前記ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を含む半導体構造を提供するステップと、
    前記ベース領域の中に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップと、
    前記エミッタ領域に結合されたエミッタ電極を提供するステップと、
    前記ベース領域と前記ドレイン領域に結合されたベース／ドレイン電極を提供するステップと、
    前記半導体構造から光放射を得るため、前記エミッタおよび前記ベース／ドレイン電極に信号を印加するステップと、
    を含む。
  25. 前記ベース領域と前記ドレイン領域との間に前記第２の半導体接合を提供するステップは、前記ベース領域に隣接するドレイン層と前記ドレイン層に隣接するサブドレイン層として、前記ドレイン領域を提供することを含み、および、前記ベース領域と前記ドレイン領域に結合したベース／ドレイン電極を提供するステップは、前記ベース領域と前記サブドレイン層に結合したベース／ドレイン電極を提供することを含む請求項２４の方法。
  26. 前記半導体構造を提供するステップは、平面半導体層を提供することを含み、前記ベース／ドレイン電極を提供するステップは、前記ベース領域の周辺に接し、前記サブドレイン層と接する伝導性ベース／ドレイン接点を提供することを含む請求項２５の方法。
  27. 前記第１の伝導型のエミッタ領域と前記第２の伝導型のベース領域との間に第１の半導体接合を提供するステップは、ヘテロ接合として、前記第１の半導体接合を提供することを含む請求項２４から２６のいずれかの方法。
  28. 前記ベース領域とドレイン領域との間に前記第２の半導体接合を提供するステップは、ホモ接合として、前記第２の半導体接合を提供することを含む請求項２７の方法。
  29. 前記ベース領域とドレイン領域との間に前記第２の半導体接合を提供するステップは、ヘテロ接合として、前記第２の半導体接合を提供することを含む請求項２７の方法。
  30. 前記第１の伝導型はｎ型であり、前記第２の半導体型はｐ型である請求項２４から２９のいずれかの方法。
  31. 前記第１の伝導型はｐ型であり、前記第２の半導体型はｎ型である請求項２４から２９のいずれかの方法。
  32. 前記第１の伝導型の前記エミッタ領域と、前記第２の伝導型のベース領域との間に第１の半導体接合を提供するステップは、前記ベース領域に重くドープされたｐ型を提供することを含む請求項２４から３０のいずれかの方法。
  33. 前記ベース領域の中に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップは、前記ベース領域に少なくとも１つの量子井戸を提供することを含む請求項２４から２３のいずれかの方法。
  34. 前記ベース領域の中に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップは、前記ベース領域に少なくとも１つの量子ドット層を提供することを含む請求項２４から３２のいずれかの方法。
  35. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学空洞をさらに提供することを含む請求項２４から３４のいずれかの方法。
  36. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学共鳴空洞をさらに提供することを含み、前記光放射はレーザ発光である請求項２４から３４のいずれかの方法。
  37. 前記エミッタ領域に結合されたエミッタ電極を提供するステップは、エミッタクラッドを介し前記エミッタ領域と結合されたエミッタ接点を提供することを含む請求項２３から３６のいずれかの方法。
  38. 前記半導体構造から光放射を得るため、前記エミッタおよびベース／ドレイン電極に信号を印加するステップは、正のバイアス電圧を、前記エミッタ電極に関して、前記ベース／ドレイン電極に印加し、前記電極に関して、ＡＣ電圧もまた印加することを含む請求項３０の方法。
  39. 前記半導体構造から光放射を得るため、前記エミッタおよびベース／ドレイン電極に信号を印加するステップは、正のバイアス電圧を、前記エミッタ電極に関して、前記ベース／ドレイン電極に印加し、前記電極に関して、１ＧＨｚより大きい周波数を有するＡＣ電圧もまた印加することを含む請求項３８の方法。
  40. 前記ドレイン層を提供するステップは、故意ではなく、ドープされたドレイン層を提供することを含む請求項２４から３９のいずれかの方法。
  41. 前記ベース領域は、前記量子サイズ領域のエミッタ側上に第１のベースサブ領域と、前記量子サイズ領域のドレイン側上に第２のベースサブ領域を備え、前記第１と第２のベースサブ領域は非対称バンド構造を有する請求項２４から４０のいずれかの方法。
  42. 前記第１のベースサブ領域は比較的高いバンドギャップ半導体材料を備え、前記第２のベースサブ領域は比較的低いバンドギャップ半導体材料を備え、前記量子サイズ領域から前記エミッタ領域へのキャリアの再熱化が減少される請求項４１の方法。
  43. ｎ＋層とｐ＋層を備えるトンネル接合として前記ドレイン領域を提供することをさらに備え、前記ｐ＋層は前記ベース領域に隣接する請求項３０の方法。
  44. 光放射を生産するための半導体素子は、
    第１の伝導型のエミッタ領域と、前記第１の伝導型の領域と反対に第２の伝導型のベース領域との間に第１の半導体接合、および前記ベース領域とドレイン領域との間に第２の半導体接合を含む半導体構造と、
    前記ベース領域の中の量子サイズ領域と、
    前記エミッタ領域に結合されたエミッタ電極と、
    前記ベース領域と前記ドレイン領域に結合されたベース／ドレイン電極
    とを備え、前記エミッタおよびベース／ドレイン電極に印加された信号は、前記半導体構造のベースから光放射を生産する。
  45. 前記ドレイン領域は前記ベース領域に隣接するドレイン層と前記ドレイン層に隣接するサブドレイン層を含み、前記ベース／ドレイン電極は前記ベース領域と前記サブドレイン層に結合される請求項４４の素子。
  46. 前記半導体構造は、平面半導体層を含み、前記ベース／ドレイン電極は、前記ベース領域の周辺に接し、前記サブドレイン層と接する伝導性ベース／ドレイン接点を含む請求項４５の素子。
  47. 前記第１の半導体接合は、ヘテロ接合を備える請求項４４から４６のいずれかの素子。
  48. 前記第２の半導体接合は、ホモ接合を備える請求項４７の素子。
  49. 前記第２の半導体接合は、ヘテロ接合を備える請求項４７の素子。
  50. 前記ベース領域の少なくとも部分に閉じこめられた光学共鳴空洞をさらに含み、前記素子は半導体レーザである請求項４４から４９のいずれかの素子。
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