JP2013546161A - 発光およびレーザ半導体方法およびデバイス - Google Patents

発光およびレーザ半導体方法およびデバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、量子サイズ領域を含み、第２の導電型の半導体入力領域に隣接する第１の面を有する、第１の導電型の半導体活性領域を備え、活性領域および入力領域に対して電位が印加されたとき活性領域から発光をもたらすように動作可能な発光半導体構造体とともに使用するように適用可能である。発光半導体構造体の動作を向上させる方法であって、活性領域の第１の面に対向する第２の面に隣接して、第１の導電型の半導体補助層を含む半導体出力領域を提供するステップと、補助層を、第１の導電型の材料の少数キャリアに対する拡散距離が活性領域の半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離より実質的に短い半導体材料として提供するステップとを含む方法が提供される。

Description

本発明は、電気信号に応答して発光およびレーザ放射をもたらす方法およびデバイスに関する。本発明はまた、効率および速度が改善された半導体デバイスから発光およびレーザ放射をもたらす方法およびデバイスと、半導体発光デバイスからの光出力を増大させることとに関する。
本発明の背景の一部は、発光トランジスタおよび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開発にある。たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１および特許文献１２と、特許文献１３および特許文献１４とを参照することができる。以下の文献もまた参照することができる。すなわち、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８、非特許文献９および、非特許文献１０、非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３、非特許文献１４、非特許文献１５、非特許文献１６、非特許文献１７、非特許文献１８、非特許文献１９、非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献２２、非特許文献２３、非特許文献２４、非特許文献２５、非特許文献２６、非特許文献２７、非特許文献２８、非特許文献２９、非特許文献３０、非特許文献３１、非特許文献３２および非特許文献３３である。
米国特許第７，０９１，０８２号明細書 米国特許第７，２８６，５８３号明細書 米国特許第７，３５４，７８０号明細書 米国特許第７，５３５，０３４号明細書 米国特許第７，６９３，１９５号明細書 米国特許出願公開第２００５／００４０４３２号明細書 米国特許出願公開第２００５／００５４１７２号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２４０１７３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１３４９３９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００３４２２８号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２０２４８３号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２０２４８４号明細書 国際公開第２００５／０２０２８７号パンフレット 国際公開第２００６／０９３８８３号パンフレット
Light-Emitting Transistor: 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 Operation 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) The 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 AIGaAs/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) Bandwidth Extension By Trade-Off Of Electrical And Optical Gain In A Transistor Laser: Three-Terminal Control, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94, 013509 (2009) Tunnel Junction Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H. W. Then, C. H. Wu, and G. Walter Appl. Phys. Lett. 94, 041118 (2009) Electrical-Optical Signal Mixing And Multiplication (2→22 GHz) With A Tunnel Junction Transistor Laser, H. W. Then, C. H. Wu, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett.94, 101114 (2009) Scaling Of Light Emitting Transistor For Multigigahertz Optical Bandwidth, C. H. Wu, G. Walter, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94, 171101 (2009) Device Performance Of Light Emitting Transistors With C-Doped And Zn-Doped Base Layers, Huang, Y., Ryou, J.-H., Dupuis, R.D., Dixon, F., Holonyak, N., Feng, M., Indium Phosphide & Related Materials, 2009 IPRM '09. IEEE International Conference, 10-14 May 2009, Pages 387 - 390 Tilted-Charge High Speed (7 GHz) Light Emitting Diode, G. Walter, C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94, 231125 (2009) 4.3 GHz Optical Bandwidth Light Emitting Transistor, G. Walter, C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94, 241101 (2009) Resonance-Free Frequency Response Of A Semiconductor Laser, M. Feng, H. W. Then, N. Holonyak, Jr., G. Walter, and A. James Appl. Phys. Lett. 95, 033509 (2009)
上に参照した特許、特許出願公開および発表論文に記載されているものを含む傾斜荷電（ｔｉｌｔｅｄ−ｃｈａｒｇｅ）発光デバイスでは、光出力、動作の応答時間（速度）、および製造の容易性を最大限にしようとすると、デバイス設計のトレードオフが発生する。
既存の傾斜荷電発光デバイスおよび方法のこれらのトレードオフおよび他の限界に対処することが、本発明の目的の中にある。
傾斜荷電デバイスの高速光学性能は、デバイスの活性領域（通常ベース領域）において荷電傾斜を維持するデバイスの能力によって決まる。（荷電傾斜は、ベース−コレクタ接合部またはベース−ドレイン接合部において初期値が小さいデバイスのエネルギー図における勾配によって特徴付けられる。この接合部に電荷蓄積がある場合、有利な荷電傾斜特性は存在しない。）荷電傾斜は、所望の光再結合（たとえば、量子井戸（複数可）、量子ドット等）の領域において再結合しない少数電荷が、より高速の二次機構（トランジスタのコレクタまたは傾斜荷電発光ダイオードのドレイン等）によって収集されるかまたは排出されることを確実にすることによって可能となる。デバイスの固有の高速性能は、走行時間τｔとしても知られる、このように二次機構にアクセスするために必要な時間によって制限される。
トランジスタ、すなわちエミッタ、ベースおよびコレクタを備える構造体は、材料研究に使用される優れたデバイスであり得る。エミッタゲインβ、すなわちベース電流Ｉｂに対するコレクタ電流Ｉｃの比の基準（β＝Ｉｃ／Ｉｂ）を、ベース走行時間にわたるベース再結合時間の比τＢ／τｔとしても与えることができる。したがって、同等の接合特性、同様の物理的寸法およびベース抵抗率であるトランジスタの場合、ベータが低いデバイスほど、通常、小さい（したがって高速な）ベース再結合寿命を示す。
本出願人は、ベース材料の再結合寿命を研究するためにトランジスタ技法を使用することにより、高濃度ドープ半導体材料の欠陥レベルを、ドーピング濃度、ガス流および成長温度等の成長変動を通して制御することができることを見出した。層における欠陥レベルを増大させることにより、その層の再結合速度が増大し、結果としてデバイスはβがはるかに低くなる。本出願人はまた、ＡｌＧａＡｓ等の合金の方が、ＧａＡｓ等の二成分系に比較した場合に、こうした再結合寿命の低減が起こりやすいことも分かった。（後に扱うように、半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離は、材料の欠陥密度に反比例する。）本出願人はまた、βが０．０１程度に低い（すなわち、ベース領域の単一パス内で少数キャリアの９９％が再結合した）トランジスタを達成することができることを見出し、それは、非常に高速の非発光性再結合材料が欠陥制御（ｄｅｆｅｃｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を介して可能であることを示す。重要なことには、欠陥の制御を、層の多数キャリア電気特性（抵抗率）を劣化させることなく行うことができる。この高速再結合特性は、特別設計の（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）高欠陥層（または特別設計の短拡散距離層）を、過剰な少数キャリアの収集／排出用の有効な二次機構として使用することができることを示す。また、傾斜荷電発光デバイスの設計における特別設計の高欠陥密度層（短拡散距離層）のうちの１つまたは複数と１つまたは複数の特別設計の低欠陥密度層（長拡散距離層）との組合せが、実質的な利点を提供することができる。
上述したように、半導体材料における少数キャリアの拡散距離は、材料の欠陥密度に反比例する。本発明で採用するいくつかの層を説明するために、欠陥密度またはその反比例する拡散距離のいずれかを使用することができるが、拡散距離が、後続する説明および本発明の特許請求の範囲で主に使用される基準となる。しかしながら、全体を通して、逆の意味で採用する欠陥密度は、暗示された代替物であることが理解されよう。
本発明の一形態は、量子サイズ領域を含み、第２の導電型の半導体入力領域に隣接する第１の面を有する、第１の導電型の半導体活性領域を備え、前記活性領域および前記入力領域に対して電位が印加されたとき前記活性領域から発光をもたらすように動作可能な発光半導体構造体とともに使用するように適用可能である。前記発光半導体構造体の動作を向上させる方法であって、前記活性領域の前記第１の面に対向する第２の面に隣接して、前記第１の導電型の半導体補助層を含む半導体出力領域を提供するステップと、前記補助層を、前記第１の導電型の材料の少数キャリアに対する拡散距離が前記活性領域の半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離より実質的に短い半導体材料を含むものとして提供するステップとを含む方法が提供される。
本発明のこの形態の実施形態では、前記出力領域を提供するステップは、前記半導体補助層に隣接して前記第２の導電型の半導体ドレイン領域を提供することをさらに含む。
本発明のこの形態の別の実施形態では、前記出力領域を提供するステップは、前記半導体補助層に隣接して前記第２の導電型の半導体コレクタ領域を提供することをさらに含む。
また、本発明のこの形態の実施形態では、前記活性領域の前記第２の面に隣接して半導体補助層を含む前記出力領域を提供するステップは、前記活性領域の前記第２の面の半導体材料と実質的に同じ元素成分を有する半導体材料の前記補助層を提供することを含む。本発明の一実施形態では、前記半導体材料の両方が実質的にＧａＡｓであるが、それぞれ欠陥の密度は異なっている（したがって、少数キャリアに対する拡散距離が異なる）。
本発明の別の形態では、半導体構造体から発光をもたらす方法であって、第１の導電型であり相対的に長い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体ベース領域を、前記第１の導電型の領域とは反対の第２の導電型の半導体エミッタ領域と前記第２の導電型の半導体ドレイン領域との間に備える半導体構造体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との間に、前記第１の導電型であり相対的に短い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体補助領域を提供するステップと、前記ベース領域内に、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、前記ベース領域および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、前記エミッタ電極および前記ベース／ドレイン電極に対して信号を印加することにより、前記半導体構造体から発光を得るステップとを含む方法が示されている。
本発明のこの形態の実施形態では、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、前記補助領域および前記ドレイン領域に結合された前記ベース／ドレイン電極を提供することを含む。この実施形態では、第１の導電型はｐ型であり、第２の導電型はｎ型であり、前記半導体ベース領域を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型ベース領域を提供することを含み、前記補助層を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型材料を提供することを含む。
本発明のさらなる形態では、半導体構造体から発光をもたらす方法であって、第１の導電型であり相対的に長い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体ベース領域を、前記第１の導電型の領域とは反対の第２の導電型の半導体エミッタ領域と前記第２の導電型の半導体コレクタ領域との間に備えるトランジスタを提供するステップと、前記ベース領域と前記コレクタ領域との間に、前記第１の導電型であり相対的に短い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体補助領域を提供するステップと、前記ベース領域内に、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と、前記ベース領域に結合されたベース電極と、および前記コレクタ領域に結合されたコレクタ電極とを提供するステップと、前記エミッタ電極、前記ベース電極および前記コレクタ電極に対して信号を印加することにより、前記半導体構造体から発光を得るステップとを含む方法が示されている。
半導体発光デバイスの実施形態であって、量子サイズ領域を含む第１の導電型であり、第２の導電型の半導体入力領域に隣接する第１の面を有する半導体活性領域と、前記活性領域の前記第１の面に対向する第２の面に隣接する前記第１の導電型の半導体補助層を備える半導体出力領域であって、前記補助層は、前記第１の導電型の材料の少数キャリアに対する拡散距離が前記活性領域の半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離より実質的に短い半導体材料を備えている、半導体出力領域とを備え、前記活性領域および前記入力領域に対して電位を印加することにより、前記半導体構造体の活性領域から発光をもたらす、実施形態もまた示されている。一実施形態では、出力領域は、前記半導体補助層に隣接する前記第２の導電型の半導体ドレイン領域をさらに備え、別の実施形態では、出力領域は、前記半導体補助層に隣接する前記第２の導電型の半導体コレクタ領域をさらに備えている。
本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明からより容易に明らかとなろう。
改善された動作を得るために、特別設計の長拡散距離（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｌｏｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）（ＥＬＤＬ）層および特別設計の短拡散距離（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｓｈｏｒｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）（ＥＳＤＬ）層を採用する本発明の実施形態の動作を説明するのに有用な、傾斜荷電発光デバイスの層および領域の比例尺ではない簡易断面図である。 本発明の実施形態の動作を理解するために有用な図１のデバイスのタイプのエネルギーバンド図である。 本発明の実施形態による傾斜荷電発光デバイスの実施形態の層構造体（比例尺ではない）を示す断面図である。 本発明の実施形態による傾斜荷電発光デバイスの別の実施形態の層構造体（比例尺ではない）を示す断面図である。 本発明の実施形態による傾斜荷電発光デバイスのさらなる実施形態の層構造体（比例尺ではない）を示す断面図である。 本発明の実施形態による傾斜荷電発光デバイスの別の実施形態の層構造体（比例尺ではない）を示す断面図である。 本発明の実施形態による傾斜荷電発光デバイスのさらなる実施形態の層構造体（比例尺ではない）を示す断面図である。 処理温度の関数として少数キャリアの拡散距離の特性の例を示すグラフである。 少数キャリア拡散距離の関数としてエミッタ電流ゲインの例を示すグラフである。
半導体デバイスの材料における少数キャリアの拡散距離（Ｌ）は、
Figure 2013546161
として与えられ、式中、Ｄは、半導体におけるキャリア移動度によって決まる拡散係数であり、μは、
Figure 2013546161
で表され、式中、ｑは電荷であり、Ｔは温度であり、ｋはボルツマン定数である。キャリア移動度μは、多くの要素もあるが特に、ドーピング濃度、欠陥密度および半導体材料組成（たとえば、ＧａＡｓ対ＡｌＧａＡｓ（二成分対合金）またはＧａＡｓ対ＩｎＰ（異なる材料系）に依存する平均散乱時間に比例する。少数キャリア寿命τもまた、他の要素もあるが特に、自由キャリア濃度（ドーピング濃度に関連する）、欠陥エネルギーレベルおよび欠陥密度に依存する。少数キャリア拡散距離が短い領域では、少数キャリアは、単位距離当たりの多数キャリアとの再結合の可能性が高い。
傾斜荷電デバイスは、１つの極性の組み込まれた自由多数キャリアを含む活性領域を有し、この活性領域に対する１つの入力では、別の極性の１種の少数キャリアのみが注入され、活性領域にわたって拡散することができる。この活性領域は、多数キャリアの伝導と少数キャリアの再結合とを促進する特徴を有している。その領域の出力側では、その後、少数キャリアが、別個のより高速な機構により、収集され、排出され、消耗され、または再結合される。このフル機能の領域に、電気接点が結合される。
本発明の実施形態は、傾斜荷電デバイス、たとえば発光トランジスタ、傾斜荷電発光ダイオードまたはトランジスタレーザにおいて小数の拡散距離が短い層を採用する。本実施形態では、活性領域は、相対的に長い少数キャリア拡散距離（ＥＬＤＬ）を有するように特別設計のドープ層と、光再結合用の量子サイズ領域（複数可）とを備えている。好ましい実施形態では、特別設計の相対的に短い少数キャリア拡散距離（ＥＳＤＬ）層が、傾斜荷電デバイスの出力領域において、活性領域の後に設けられる。ＥＳＤＬ層およびＥＬＤＬ層は、導電型が同様であるように（たとえばｐ型材料）（直接または間接的に）ドープされる。
本発明の実施形態の技法により、より高速動作に対して小さい活性領域が好ましい状況において、多数キャリアの伝導度を、活性領域厚さを増大させることなく上昇させることができる。これにより、電気接点を確実に結合し、したがって多数キャリアを活性領域に輸送するのに必要な厚さを依然として有していながら、非常に小さい活性領域（たとえば約２５ｎｍ未満）を使用することも可能である。
図１の簡易図は、傾斜荷電発光半導体デバイスにおける特別設計の長拡散距離（ＥＬＤＬ）層および特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）層の有利な使用を示している。図１の図では、デバイスの入力領域はエミッタ１１０である。デバイスの活性領域は、特別設計の長拡散距離（ＥＬＤＬ）層１２１、１２３内の非ドープバリアかまたは低濃度ドープバリアの間に１つまたは複数の量子井戸１２２を含む。デバイスの出力領域は、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）層１３１および電気コレクタ１３２を含み、電気コレクタ１３２は、たとえば、発光トランジスタのコレクタかまたは傾斜荷電発光ダイオードのドレインであり得る。この傾斜荷電デバイスの活性領域は、豊富な組込みキャリア（たとえば高濃度ドープｐ型領域における正孔）と、少数キャリアが活性領域に注入される入力領域とを有している。出力領域では、少数キャリアが、活性領域より高速な機構を介して、消耗されかつ／または再結合されかつ／または収集される。以下に述べるように、電極を、２端子動作の場合は入力領域および出力領域に、３端子動作の場合は活性領域にも加えることができる。
傾斜荷電デバイスの速度を上昇させるために、走行時間τＴを最適化しなければならない。走行時間は、それが走行している領域の幅の二乗Ｗｔｒａｎｓｉｔ ２（拡散定数等の他の要素もあるが特に）に比例するため、ベース領域全体（Ｗｂａｓｅ＝Ｗｔｒａｎｓｉｔ）が概して薄くなる。したがって、たとえばｎ型エミッタを有する光学傾斜荷電デバイスでは、これにより、ｐ型ベース領域における正孔の伝導に対して横方向抵抗が比較的大きくなる（高抵抗率）。こうした大きい抵抗は、デバイスの動作を、エミッタメサの縁に沿った小さい領域に制限する傾向がある。図１に表すように、本発明の実施形態では、過剰な多数キャリアを収集／排出し除去する二次機構として作用する、低抵抗率ｐ型材料の特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）の補助層（１３１）を導入することにより、ｐ型領域全体（ベースを含む）の抵抗率を低下させながら、走行時間を維持することができる。これにより、走行幅を増大させることなくベース幅が有効に増大する（すなわち、Ｗｂａｓｅ＞Ｗｔｒａｎｓｉｔ）。ｐ型材料は、好ましくは、少なくとも１Ｅ１９ｃｍ−３のドーピング濃度（たとえば炭素ドーピング）を有している。その後、さらなる収集または排出機構を含めることができる。ｐ型エミッタおよびｎ型ベースを備えた光学傾斜荷電デバイスにも同じ原理を適用することができ、その場合、ＥＳＤＬ補助層のドーピング濃度は少なくとも１Ｅ１８ｃｍ−３であることが理解されよう。
図２は、図１の構造体の実施形態を特徴付けるタイプのエネルギーバンド図を示す。図２の例では、エミッタに隣接する領域１２１は、領域１２３より比較的バンドギャップが高い材料を採用して、非対称ベースを形成することができる（同時係属の特許文献１２を参照されたい）。先に示したように、層１２１の材料は、少数キャリアに対する特別設計の長拡散距離（ＥＬＤＬ）である。領域１２２は、非ドープバリアかまたは低濃度ドープバリアを含む１つまたは複数の量子井戸を含み、活性領域の層１２３の部分もまたＥＬＤＬである。補助層１３１は、バンドギャップが領域１２３と同様かまたはそれより低い、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）材料である。上述したように、相対的に短い拡散距離の（欠陥密度が高い）材料は、多数キャリアを収集／排出する二次機構として作用するため、領域１３１は、多数キャリア用の追加の低抵抗率経路（すなわち、増大したＷｂａｓｅ）を提供する役割を果たす一方で、走行幅Ｗｔｒａｎｓｉｔを実質的に増大させない。
たとえば金属酸化物化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）法による、半導体エピ層の成長には、ガス流速度、成長速度、成長温度および真空を含むいくつかの変量の正確な制御が必要である。成長後プロセスはまた、半導体の結果としての全体的な材料特性にも影響を与える可能性がある。本発明の一例では、半導体の成長温度を変化させる一方で他の変量を可能な限り一定に維持することにより、材料品質を調整しまたは最適化することができる。こうした調整により、図８に示すような拡散距離特性を有する典型的なエピ層がもたらされる。（少数キャリア拡散距離を測定するためにいくつかの既知の方法がある。上述した１つの方法は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体のベース領域として、研究された層を組み込むというものである。）図８は、温度変動の関数としてのｐ型ＧａＡｓ材料における少数キャリア（電子）の拡散距離のグラフである。結果としての材料は、およそ同じシート抵抗を有している。（この例では、約４Ｅ１９ｃｍ−３のドーパント濃度および約１６５Ω／ｓｑ．のシート抵抗がある。）
図８は、少数キャリアの材料の拡散距離を最大化するために、特定の条件の組に対して最適な成長温度が存在することを示している。この最適な温度からずらすことにより、材料のシート抵抗の変化をわずかにして、拡散距離を短縮することができる。この例では、特定の成長速度および真空設定に対して選択されたガス流速度でＭＯＣＶＤプロセスが使用され、成長温度は、所望の拡散距離特性を有するエピ層を得るように調整される。したがって、たとえば相対的に長い少数キャリア拡散距離のｐ型ＧａＡｓ半導体を得るために（適切な場合は、成長後ドーピングプロセスおよびアニーリングプロセスも採用することができることが理解される）、図８のグラフに示すように、得られる最大の拡散距離を実質的に得るために、約５８０℃の成長温度を使用することができる。これは、たとえば、図１の例のＥＬＤＬ層１２１、１２３を形成する方法であり得る。この例では、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）材料のエピ層を成長させることが望ましい場合、たとえば５５５℃または６０５℃の温度を使用して、得られる最大拡散距離の約半分である少数キャリアの拡散距離、すなわち、層１２１、１２３のＥＬＤＬ材料の拡散距離の約半分であるＥＳＤＬ材料（たとえば、図１の層１３１に対し）を得ることができる。好ましくは、ＥＳＤＬ材料は、材料の層厚さの約０．７倍未満である拡散距離を有し、ＥＬＤＬ材料は、材料の層厚さより大きい拡散距離を有する。
図９は、ベース厚さが１００ｎｍでありシート抵抗が約１６５Ω／ｓｑ．であるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴのエミッタ電流ゲインが、拡散距離の関数としていかに変化するかを示す。これは、拡散距離が長い材料ほど、比例して高いβ、したがって少数キャリアの再結合が少ないことを示すことを論証している。
図３は、底面発光に対する、ｐ型の特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）補助層を採用する傾斜荷電発光ダイオードの実施形態を示す。この例では、非ドープＧａＡｓ基板３１０の上で、最初にＧａＡｓバッファ層３１５が成長する。このバッファ層を、非ドープ層かまたはｐ型の特別設計の長拡散距離層とすることができる。次に、バッファ層の上で、ドレインとしての役割を果たす、ｐ型のＧａＡｓの特別設計の短拡散距離層（ＥＳＤＬ）３２０が成長する。次に、特別設計の長拡散距離層３３０として、ｐ型のＧａＡｓベース２領域３３０が成長する。非ドープバリア層または低濃度ドープバリア層を含む単一のまたは複数の量子井戸領域３４０が成長する。この例では、量子井戸（複数可）はＧａＡｓバリアを含むＩｎＧａＡｓである。そして、ＧａＡｓのｐ型ＥＬＤＬ層を含むベース１領域として、ベース領域が完成する。ベース１領域は、ベース２領域よりバンドギャップが大きくても大きくなくてもよい（対称ベース領域対非対称ベース領域、ここでもまた同時係属の特許文献１２を参照されたい。）そして、相対的にバンドギャップの大きいＩｎＧａＰまたはＩｎＡｌＧａＰのｎ型エミッタ３７０が成長し、その後、コンタクト層および任意選択的な酸化可能なＡｌＧａＡｓ層を含むｎ型エミッタクラッド層３８０が成長して、電気的閉込め開口部が形成される。そして、ｐ型ベース領域の露出面においてＴｉ−Ｐｔ−ＡｕまたはＡｕＧｅが金属化して、ｐ型ベース材料に対するコンタクト３５２を形成する。この後、エミッタメサに、光を下方に反射するミラーとしても機能するＡｕＧｅコンタクトメタライゼーション３８２が続く。最後に、その後、薄化したＧａＡｓ基板に、コリメートレンズまたは集束レンズ３０５が成形されるかまたは取り付けられる。デバイスは、順バイアス状態下で動作し、そこでは、ベースバイアス電圧ＶＢおよびエミッタバイアス電圧ＶＥは、ＶＢＥ＞ＥＱＷであるようにバイアスがかけられ、ＥＱＷは量子井戸のエネルギーギャップである。この構造体に、部分ＤＢＲ空洞または完全ＤＢＲ空洞を組み込むことも可能である。本発明の本実施形態および他の実施形態を、適切な共振光空洞を提供することにより、レーザとして動作させることも可能である。
図４を参照すると、上面発光のために、ｐ型の特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）を採用する傾斜荷電発光ダイオードの実施形態が示されている。この実施形態では、層３１０、３１５、３２０、３４０、３１５、３２０、３４０、３５０および３７０ならびにコンタクト３５２を、図３の同様の参照数字のそれらの対応するものと同様とすることができる。上面発光の場合、本実施形態では、ｎ型エミッタクラッド層４８０において環状酸化領域４８３によって画定される酸化物開口部を採用する。光を上方に反射するために、底部分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＤＢＲ）４１２が使用される。任意選択的な上部ＤＢＲ（自発動作の場合は低抵抗率でありレーザ動作の場合は高抵抗率）を、共振空洞設計に対してエミッタクラッド層４８０に組み込むことができる。エミッタコンタクトメタライゼーション４８２は、環状リングの形態である。そして、上面に、コリメートレンズまたは集束レンズが成形されるかまたは取り付けられる。この場合もまた、動作を順バイアスモードとすることができる。
図５は、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）補助／ドレイン領域と高インピーダンスコレクタとをともに組み込んだ３端子発光トランジスタの形態の傾斜荷電デバイスの実施形態を示す。この実施形態では、デバイスは、非ドープＧａＡｓ基板５１０、コンタクト５２２を有するｎ型サブコレクタ５２０、高インピーダンス（非ドープ）コレクタ５２５およびｐ型ＥＳＤＬ補助／ドレイン層５４０を備えている。層３３０、３４０、３５０、３７０および３８０ならびにコンタクト３５２および３８２を、図３の同様の参照数字のそれらの対応するものと同様とすることができる。デバイスを、共通ベース、共通コレクタまたは共通エミッタモードで動作させることができる。
図６は、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）層を含む傾斜荷電発光ダイオードの実施形態を示す。この実施形態では、ベース２層３３０、バッファ領域３４０を含む量子井戸、ベース１層３５０、エミッタ層３７０、エミッタレーディング（ｌａｄｉｎｇ）３８２およびエミッタコンタクトとともに、非ドープＧａＡｓ基板３１０および底部コリメートレンズまたは集束レンズ３０５を、図３の実施形態の同様の参照数字のそれらの対応するものと同様とすることができる。本実施形態では、基板の上にｎ型サブドレイン層６２０が成長し、その後非ドープドレイン層６２２が成長する。ドレイン層６２２の上に補助ドレイン層６２５が堆積し、それは特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）層として成長する。上述したようなさらなる層の堆積が実施され、図示するようにメサが形成される。そして、エミッタコンタクト３８２およびベース／ドレインコンタクト３９２に対してメタライゼーションが形成され、それは、ベース層３５０およびサブドレイン層６２０のそれぞれの棚と接触する環状上部および下部と、介在する層の周縁と接触する側部とを有している。
図７は、特別設計の短拡散距離（ＥＳＤＬ）層が組み込まれた別の傾斜荷電発光ダイオードの実施形態を示す。全体的な構成および層構造は、図６の実施形態のものに（対応する要素を示す同様の参照数字によって示されるように）類似しているが、図７の実施形態は、図６のドレイン層６２２の代りにトンネル接合部７２２を有している。トンネル接合部７２２は、高濃度ドープ（ｎ＋＋）領域７２４に隣接する高濃度ドープ（ｐ＋＋）領域７２３を含む。（トンネル接合部を採用する傾斜荷電発光デバイスの説明に対して、特許文献１１を参照することができる）。動作時、ＥＳＤＬ補助ドレイン層６２５は、（細くなっている矢印幅によって図に表されているように）ベース−ドレイン電子電流の流れを低減することによりトンネル接合部を横切るアバランシェ電流を低減する役割を果たす。

Claims (23)

  1. 量子サイズ領域を含み、第２の導電型の半導体入力領域に隣接する第１の面を有する、第１の導電型の半導体活性領域を備え、前記活性領域および前記入力領域に対して電位が印加されたとき前記活性領域から発光をもたらすように動作可能な発光半導体構造体とともに使用される、前記発光半導体構造体の動作を向上させる方法であって、前記活性領域の前記第１の面に対向する第２の面に隣接して、前記第１の導電型の半導体補助層を含む半導体出力領域を提供するステップと、前記補助層を、前記第１の導電型の材料の少数キャリアに対する拡散距離が前記活性領域の半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離より実質的に短い半導体材料を含むものとして提供するステップとを含むことを特徴とする方法。
  2. 前記出力領域を提供する前記ステップは、前記半導体補助層に隣接して前記第２の導電型の半導体ドレイン領域を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記出力領域を提供する前記ステップは、前記半導体補助層に隣接して前記第２の導電型の半導体コレクタ領域を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記コレクタ領域に他の領域に対して電位を印加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記活性領域の前記第２の面に隣接して半導体補助層を含む前記出力領域を提供する前記ステップは、前記活性領域の前記第２の面の半導体材料と実質的に同じ元素成分を有する半導体材料の前記補助層を提供することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記活性領域の前記第２の面と実質的に同じ元素成分を有する半導体材料の前記補助層を提供する前記ステップは、実質的にＧａＡｓとして前記半導体材料の両方を提供することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 光共振空洞に前記活性領域を配置するステップをさらに含み、前記発光がレーザ放射であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 半導体構造体から発光をもたらす方法であって、
    第１の導電型であり相対的に長い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体ベース領域を、前記第１の導電型の領域とは反対の第２の導電型の半導体エミッタ領域と前記第２の導電型の半導体ドレイン領域との間に備える半導体構造体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との間に、前記第１の導電型であり相対的に短い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体補助領域を提供するステップと、
    前記ベース領域内に、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、
    前記ベース領域および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、
    前記エミッタ電極および前記ベース／ドレイン電極に対して信号を印加することにより、前記半導体構造体から発光を得るステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  9. ベース／ドレイン電極を提供する前記ステップは、前記ベース領域、前記補助領域および前記ドレイン領域に結合された前記ベース／ドレイン電極を提供することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記補助領域と前記ドレイン領域との間に非ドープ半導体領域を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記第１の導電型はｐ型であり、前記第２の導電型はｎ型であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記半導体ベース領域を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型ベース領域を提供することを含み、前記補助層を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型材料を提供することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  14. 前記半導体ベース領域を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１８／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｎ型ベース領域を提供することを含み、前記補助層を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１８／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｎ型材料を提供することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記半導体ベース領域を提供する前記ステップは、前記エミッタ領域に隣接する前記量子サイズ領域の側に第１のベース領域部分を提供することと、前記補助領域に隣接する前記量子サイズ領域の側に第２のベース領域部分を提供することとを含み、前記第１のベース領域部分は、前記第２のベース領域部分よりバンドギャップが高い半導体材料として提供されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  16. 量子サイズ効果を示す前記領域を提供する前記ステップは、少なくとも１つの量子井戸を提供することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  17. 前記ドレイン領域とともにトンネル接合部を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  18. 半導体構造体から発光をもたらす方法であって、
    第１の導電型であり相対的に長い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体ベース領域を、前記第１の導電型の領域とは反対の第２の導電型の半導体エミッタ領域と前記第２の導電型の半導体コレクタ領域との間に備えるトランジスタを提供するステップと、
    前記ベース領域と前記コレクタ領域との間に、前記第１の導電型であり相対的に短い少数キャリア拡散距離特性を有する半導体補助領域を提供するステップと、
    前記ベース領域内に、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と、前記ベース領域に結合されたベース電極と、および前記コレクタ領域に結合されたコレクタ電極とを提供するステップと、
    前記エミッタ電極、前記ベース電極および前記コレクタ電極に対して信号を印加することにより、前記半導体構造体から発光を得るステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  19. 前記第１の導電型はｐ型であり、前記第２の導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 前記半導体ベース領域を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型ベース領域を提供することを含み、前記補助層を提供する前記ステップは、少なくとも約１０１９／ｃｍ３の平均ドーピング濃度を有するｐ型材料を提供することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 量子サイズ領域を含む第１の導電型であり、第２の導電型の半導体入力領域に隣接する第１の面を有する半導体活性領域と、
    前記活性領域の前記第１の面に対向する第２の面に隣接する前記第１の導電型の半導体補助層を備える半導体出力領域であって、前記補助層は、前記第１の導電型の材料の少数キャリアに対する拡散距離が前記活性領域の半導体材料の少数キャリアに対する拡散距離より実質的に短い半導体材料を備えている、半導体出力領域と、
    を具備し、
    前記活性領域および前記入力領域に対して電位を印加することにより、前記半導体構造体の前記活性領域から発光をもたらすことを特徴とする半導体発光デバイス。
  22. 前記出力領域は、前記半導体補助層に隣接する前記第２の導電型の半導体ドレイン領域をさらに備えていることを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。
  23. 前記出力領域は、前記半導体補助層に隣接する前記第２の導電型の半導体コレクタ領域をさらに備えていることを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。
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