JP2667343B2

JP2667343B2 - ラテラル超格子素子

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Publication number: JP2667343B2
Application number: JP22715592A
Authority: JP
Inventors: 義昭矢澤; 博水田; 靖寛白木; 晋深津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-26
Filing date: 1992-08-26
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPH0677130A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、量子井戸構造を有する
半導体素子に係り、特に、膜厚方向と、ラテラル方向と
にキャリア閉じ込め構造を有するラテラル超格子素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】キャリアの運動が低次元の空間に制限さ
れた伝導構造では、キャリアの散乱が抑制されて実効的
な移動度が大幅に増加し、これをレ−ザ−ダイオ−ドに
応用すれば発振しきい値の低下、スペクトルの急俊化に
よる特性の向上が期待できること等が指摘されている。
このため、今日まで種々の方法により、１次元の運動の
自由度をもつ量子細線を形成する試みがなされてきた。
代表的な作成方法としては電子線、Ｘ線、荷電粒子線を
利用した微細加工技術を用いるもの、２次元のキャリア
系の上部に電極を形成して面内方向のポテンシャル変調
を加えることにより１次元のキャリア系を実現させる方
法等が提案されている。ここで電極に印加する電圧によ
って低次元のキャリアを実現する方法は、微細加工によ
る方法に比べて表面の加工損傷の影響がない、電圧によ
り同一素子上でキャリア閉じ込めの次元を変えることが
できるといった特徴があり、低次元キャリアを応用した
デバイスを開発する上で有利な点を備えている。

【０００３】バルク内の自由キャリアに、１次元的な閉
じ込めポテンシャルを加えて、２次元の運動の自由度を
有するキャリアを形成するには、バンドギャップの異な
る半導体薄膜を積層することによって実現できる。量子
化によるキャリアエネルギー準位間の差を顕著にするに
は、キャリアを閉じ込めた半導体層の厚さをド=ブロイ
波長程度以下にする必要がある。この程度の寸法精度が
要求される薄膜構造は、ほぼ原子層レベルでの成長膜厚
の制御が可能な、有機金属化学気相成長法(MOCVD)や、
分子線成長法(MBE)等の手法によって作製することが出
来る。

【０００４】この２次元の自由度を有するキャリアに、
電圧を印加することにより、閉じ込めの次元を１つ加え
て１次元の運動の自由度を有するキャリアを形成する構
造の中で代表的なものとしては、アプライドフィジックスレタ−ス５２号１３巻（１９８
８年）１０７１−１０７３頁に記載されている素子が知られている。この素子の構造
を図２に示す。この素子は、基板２１上に、２次元の自
由度を有するキャリア構造を不純物の変調ドープ構造層
２０により作製した後に、この構造の上に高濃度に不純
物をドープしたキャップ層２５と、ショットキー電極２
６を設けて、シャットキー電極２６をグレーティング状
に微細に加工したものである。変調ドープ構造層２０
は、ｎ型ドープ層２４と、スペーサ層２３と、チャネル
層２２とによって構成している。また、基板２１の裏面
には、オーミック電極２７を設けている。この素子は、
ショットキー電極２６とオーミック電極２７との間に電
圧を印加することにより、チャネル層２２内にポテンシ
ャルの変調をつけてキャリアに対して面内方向に拘束を
加えるものである。ショットキー電極に電圧が印加され
ると、チャネル層２２におけるポテンシャルが変動す
る。しかし、不純物を高濃度にドープしたキャップ層２
５の直下の領域は、キャップ層２５中のキャリアにより
変動が押さえられ、ショットキー電極２６の直下の領域
に比べて変動が少なくなる。したがって、変調ドーピン
グによる２次元電子ガスを、キャップ層２５の上部に設
けたグレーティング状のショットキー電極２６によっ
て、面内方向の閉じ込めを実現することができる。この
構造は、キャリアを閉じ込める領域を、加工によって規
定する構造ではないので、加工損傷の影響を受けにく
く、キャリアの量子的な閉じ込め効果を顕著に見ること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示した構造の素子は電圧によって面内方向の閉じ込めを
のためのポテンシャル変調を発生するうえで必ずしも効
率的でない。なぜなら、この構造においては、ショット
キー電極２６直下のキャップ層２５が完全に空乏化する
まで、チャネル層２２においては面内方向のポテンシャ
ル変調は得られず、電圧の絶対値を増加して、空乏層が
キャップ層を突き抜けてからはじめてチャネル層２２に
おいて面内方向のポテンシャル変調が発生する。従っ
て、０Ｖからチャネル層のポテンシャル変調が表れるま
での電圧は、電極下のキャップ層２５内から駆逐したキ
ャリアと、バランスしているためにチャネル層のポテン
シャル変調の増加には寄与できない。

【０００６】本発明は、電極に印加された電圧が効率的
にポテンシャル変調に寄与する構造を有するラテラル超
格子素子を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決する手段】上記目的を達成するために、本
発明の第１の態様によれば、導電性を有する基板と、前
記基板上に形成された厚さ方向に量子井戸構造を有する
量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層のキャリアをラ
テラル方向に閉じ込めるための電圧印加層とを有するラ
テラル超格子素子であって、前記電圧印加層は、前記量
子井戸構造層上に順に設けられた、不純物をドープされ
た半導体層と、複数本の細線状のショットキー電極とを
有し、前記ショットキー電極下の前記半導体層につい
て、前記半導体層の単位体積当たりのキャリア数に半導
体層の層厚を掛けた値は、前記ショットキー電極間の前
記半導体層について、前記半導体層の単位体積当たりの
キャリア数に半導体層の層厚を掛けた値より、小さいこ
とを特徴とするラテラル超格子素子が提供される。

【０００８】また、上記目的を達成するために、本発明
の第２の態様によれば、導電性を有する基板と、前記基
板上に、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構造
層と、前記量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向に
閉じ込めるための電圧印加層とを有するラテラル超格子
素子であって、前記電圧印加層は、不純物をドープされ
た半導体層と、複数本の細線状のショットキー電極とを
有し、前記ショットキー電極は、前記量子井戸構造層上
に設けられ、前記半導体層は、前記量子井戸構造層上の
前記ショットキー電極間にのみ設けられていることを特
徴とするラテラル超格子素子が提供される。

【０００９】また、本発明の第３の態様によれば、導電
性を有する基板と、前記基板上に、厚さ方向に量子井戸
構造を有する量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の
キャリアをラテラル方向に閉じ込めるための電圧印加層
とを有するラテラル超格子素子であって、前記電圧印加
層は、前記量子井戸構造層に異なる電圧を印加するため
の、複数本の細線状の第１のショットキー電極と、複数
本の細線状の第２のショットキー電極とを有し、前記第
１のショットキー電極と第２のショットキー電極は、交
互に配置されていることを特徴とするラテラル超格子素
子が提供される。

【００１０】

【作用】本発明の第１の態様のラテラル超格子におい
て、基板上に形成された量子井戸構造層は、厚さ方向に
量子井戸構造を有し、面内方向に２次元の自由度を有す
るキャリアを実現する。ショットキー電極と、導電性を
有する基板との間に、電圧が印加されると、ショットキ
ー電極直下の半導体層（以下キャップ層と称す）が、空
乏化され、量子井戸構造層のポテンシャルが変動する。
ショットキー電極間の半導体層は、不純物を高濃度にド
ープされているので、ショットキー電極間のキャップ層
直下の量子井戸層のポテンシャルの変動を押さえる。こ
れにより、量子井戸構造層には、ポテンシャルの高い部
分と低い部分とが形成され、キャリアをラテラル方向に
閉じ込める。

【００１１】この場合、本発明の第１の態様では、不純
物をドープされたキャップ層に含まれるキャリア数は、
ショットキー電極間の領域より、ショットキー電極下の
領域の方が少ない。したがって、ショットキー電極の電
圧のうち、ショットキー電極下のキャップ層の空乏化に
費やされる電圧は従来より小さく、電圧は効率的にポテ
ンシャル変調に寄与する。

【００１２】また、本発明の第２の態様のラテラル超格
子素子は、キャップ層が、ショットキー電極間にのみ設
けられているので、ショットキー電極の電圧は、キャッ
プ層の空乏化に費やされず、そのまま量子井戸構造層の
ポテンシャル変調に寄与する。したがって、面内方向の
ポテンシャルの変動の幅は従来の構造に比べて大きくな
り、より理想的な１次元キャリア系が形成できる。

【００１３】また、本発明の第３の態様のラテラル超格
子素子は、交互に配置された第１のショットキー電極と
第２のショットキー電極とで、異なる電圧を量子井戸構
造層に印加する。したがって、第３の態様では、従来の
ようにキャップ層を用いないので、キャップ層の不純物
濃度に印加電圧の変位が制限されず、任意の電圧を印加
することができる。これにより、効率良くポテンシャル
変調を形成することができる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００１５】まず、本発明の第１の実施例として、単一
量子井戸構造を有するラテテル超格子素子を図５に示
す。図５のように、本実施例のラテラル超格子素子は、
厚さ４００μｍのｎ−ＧａＡｓで構成した基板５１上
に、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構造層５
０を備えている。また、量子井戸構造層５０上には、量
子井戸構造層５０のキャリアをラテラル方向に閉じ込め
るために、厚さ３００オングストローム（以下、オング
ストロームをＡで示す）のＮｉ膜をグレーティング状に
加工したショットキー電極５６と、厚さ２００Ａのｎ+
−ＧａＡｓ膜（不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ~³）で構成し
たキャップ層５５とが配置されている。基板５１の裏面
には、Ａｕ−Ｇｅ合金膜で構成されたオーミック電極５
７が配置されている。

【００１６】ショットキー電極５６は、量子井戸構造層
５０上に、周期１０００Ａ、１本の電極幅５００Ａに形
成されている。キャップ層５５は、量子井戸構造層５０
上のショットキー電極５６の各電極間にのみ配置されて
いる。量子井戸構造層５０は、基板５１側から順に、厚
さ５００Ａのｉ−ＡｌＧａＡｓ膜で形成した障壁層５
２、厚さ５０Ａのｉ−ＧａＡｓ膜で形成した井戸層５
３、厚さ３００Ａのｉ−ＡｌＧａＡｓ膜で形成した障壁
層５４を積層して構成されている。

【００１７】つぎに第１の実施例のラテラル超格子の作
製プロセスを図９を用いて説明する。まず、図９（ａ）
のように、ｎ型のＧａＡｓ膜を基板５１として用意し、
基板上に、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）により、図
９（ｂ）のように、障壁層５２として不純物を添加しな
いＡｌＧａＡｓ膜、井戸層５３としてＧａＡｓ膜、障壁
層５４としてＡｌＧａＡｓ膜を積層して単一量子井戸を
形成する。基板裏面には、オーミック電極５７としてＡ
ｕ−Ｇｅ合金膜を蒸着法により形成する。

【００１８】また、ＡｌＧａＡｓ膜上にｎ型のＧａＡｓ
膜を積層して、キャップ層とする。ｎ型のＧａＡｓ膜の
全面に、フォトレジスト（ＰＭＭＡ：ポリメチルメタク
リレート）塗布して、電子線による直接描画により、グ
レーティング状のパターンを形成する（図９（ｃ））。
このフォトレジストをマスクとしてアルカリ系のエッチ
ャントにより、図９（ｄ）のようにキャップ層５５のｎ
型ＧａＡｓ層をエッチングする。そして、ショットキー
電極５６となるＮｉ膜を蒸着し、リフトオフ法により、
Ｎｉ膜をグレーティング状にパターンニングして素子を
完成させる。

【００１９】つぎに、比較例として、図３および図６
（ａ）のラテラル超格子素子について説明する。比較例
のラテラル超格子素子は、従来のようにキャップ層１５
５を、量子井戸構造層５０の全面に備えている。基板５
１、量子井戸構造層５０、オーミック電極５７は、第１
の実施例のラテラル超格子と同様の構成であるので、説
明を省略する。量子井戸構造層５０上には、量子井戸構
造層５０のキャリアをラテラル方向に閉じ込めるため
に、厚さ２００Ａのｎ+−ＧａＡｓ膜（不純物濃度１×
１０¹⁸ｃｍ~³）で構成したキャップ層１５５と、厚さ３
００ＡのＮｉ膜をグレーティング状に加工したショット
キー電極１５６とが順に積層されている。

【００２０】ここで図３を例にとってキャップ層１５５
の効果を考察して見る。図４は電極に印加する電圧に対
する単一量子井戸におけるポテンシャル変調の大きさ
を、キャップ層の不純物濃度をパラメータとしてシミュ
レーションにより求めたものである。５ｘ１０¹⁷ｃｍ~³
以下の不純物濃度では-２Ｖの印加電圧でもほとんどポ
テンシャル変調は生じない。不純物濃度を１ｘ１０¹⁸ｃ
ｍ~³以上の不純物濃度とすると-２.０Ｖの電圧のとき約
２５ｍＶの変調が得られることが分かる。このとき変調
の大きさの変化は印加電圧に対して線形でなく０Ｖから
-１.０Ｖまでは変調の変化は比較的小さく-１.０Ｖより
絶対値が大きくなると傾きはやや大きくなる。このよう
に、不純物濃度の高いキャップ層を設けることにより、
電圧印加時にキャップ層直下のポテンシャル変調が押さ
えられ、効果的にポテンシャル変調をつけることができ
る。

【００２１】つぎに、図６を用いて第１の実施例のラテ
ラル超格子素子の動作を、比較例のラテラル超格子素子
の動作と比較して説明する。図６（ａ）、図６（ｂ）に
示すように、比較例のラテラル超格子素子のキャップ層
１５５は、障壁層５４上の全面に形成されている。ショ
ットキー電極１５６は、キャップ層１５５上に形成され
ている。これに対し、第１の実施例のラテラル超格子素
子のキャップ層５６は、障壁層５４上のショットキー電
極５６間にのみ形成されている。これらショットキー電
極１５６および５６に、それぞれ−２Ｖを印加したとき
の、井戸層５３におけるポテンシャルの変調を図６
（ｃ）および（ｄ）に示す。図中には、電極１５６およ
び５６と、キャップ層５５の位置を示した。比較例のラ
テラル超格子素子では、ポテンシャルの変調の大きさが
約４０ｍＶであるのに対し、第１の実施例によるラテラ
ル超格子素子では、約７０ｍＶのポテンシャル振幅が得
られている。この大きなポテンシャル振幅により、井戸
層５３のキャリアは、面内方向に効果的に閉じ込めら
れ、自由度が１次元に制限される。

【００２２】このように、第１の実施例のラテラル超格
子素子において、大きなポテンシャル振幅が得られるの
は、第１にショットキー電極５６間に配置した不純物濃
度の高いキャップ層５５によりキャップ層５５直下のポ
テンシャルの変動が抑制される、第２にショットキー電
極の下から高濃度の不純物層が除かれたことにより、電
極５６直下のポテンシャルの変調が強調されるという２
つの作用によるものである。

【００２３】図６（ｅ）に、量子井戸層５３におけるポ
テンシャル変調の印加電圧依存性である。第１の実施例
のラテラル超格子素子では、ショットキー電極５６に印
加される電圧の絶対値が小さい範囲においても、大きな
ポテンシャル変調が得られている。また、第１の実施例
によるラテラル超格子素子において、正の電圧印加時に
もポテンシャル変調が表れているのは、電極５６と障壁
層５４との間に生ずるショットキー電位によるものであ
る。比較例のラテラル超格子素子において、ショットキ
ー電極１５６への負の印加電圧の絶対値が小さい領域で
は、ポテンシャル変調の増加率は小さく、絶対値が大き
くなるとポテンシャル変調の増加率が大きくなる。ショ
ットキー電極１５６への印加電圧が小さくキャップ層が
空乏化していない領域では、キャップ層における面内方
向の抵抗が低く、印加電圧の絶対値が大きい領域では、
電極直下のキャップ層を空乏化するためポテンシャルの
変化率が大きくなる。図６（ｅ）では示していないが、
従来型構造では印加電圧の絶対値を負の方向に増加する
と、ポテンシャル変調の増加率が増大するが、その絶対
値は、第１の実施例のラテラル超格子素子の構造におけ
るポテンシャル変調の大きさを越えることはない。

【００２４】このように、本発明の第１の実施例によれ
ば、ショットキー電極５６直下にキャップ層５５が配置
されていないので、印加した電圧を効率よく量子井戸部
のポテンシャル変調に寄与させることができる。したが
って、ショットキー電極５６に低電圧を印加した場合に
も、量子井戸構造層５０に大きなポテンシャル振幅を形
成することができる。これにより、低印加電圧で、井戸
層５３のキャリアを効果的にラテラル方向に閉じ込める
ことが可能になり、低印加電圧で量子井戸幅の狭いラテ
ラル超格子が実現できる。

【００２５】また、図５に示した第１の実施例のラテラ
ル超格子素子ではショットキー電極５６とキャップ層５
５との間から、障壁層５４が露出される。障壁層５４
は、Ａｌの組成の大きなＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層で構成され
ているため、酸化が進行しやすい。したがって、図５の
ような第１の実施例のラテラル超格子素子の構造におい
て、障壁層５４の酸化によって素子の特性が経時的に変
化するのを防止するために、素子全体をパッケージング
したり、保護膜を設けて、障壁層５４を保護する構造を
形成することができる。

【００２６】例えば、第１の実施例のラテラル超格子素
子のショットキー電極５６およびキャップ層５５の下層
に保護膜５９を設けた素子の構造を図７（ａ）に示す。
保護膜５９としては、膜厚１００ＡのＳｉＯ₂膜を用い
た。ＳｉＯ₂膜は、高い抵抗を有するので、キャップ層
５５およびショットキー電極５６の下層に設けても、量
子井戸構造層５０に異なる電位を印加することができ
る。図７（ａ）のラテラル超格子素子を製造する場合に
は、図９において、障壁層５４を成膜した後に、ＳｉＯ
₂膜をＣＶＤ法で形成し、その後、ショットキー電極５
６およびキャップ層５５を形成する。この構造におい
て、保護膜の材質としては、高抵抗膜であればＳｉＯ₂
膜に限られず、種々のものを用いることができる。例え
ばＡｌ₂Ｏ₃膜やＳｉ₃Ｎ₄膜等を用いることができる。

【００２７】また、例えば、第１の実施例のラテラル超
格子素子に保護膜を設けた別の素子の構造を図７（ｂ）
に示す。この構造は、製造プロセスにおいて、キャップ
層５５を形成後に、保護膜５８として厚さ１００ＡのＳ
ｉＯ₂膜を形成する。つぎに、ショットキー電極５６が
障壁層５４と接する部分のみＳｉＯ₂膜をフォトリソグ
ラフィーで取り除く。その後、上述の製造プロセスと同
様、ショットキー電極５６を形成する。これにより、キ
ャップ層５５とショットキー電極５６との間の障壁層５
４上には、保護膜５８が配置されるので、障壁層５４が
露出されることがなく、ラテラル超格子素子の経時劣化
を防止することができる。

【００２８】つぎに本発明の第２の実施例のラテラル超
格子を図１３を用いて説明する。

【００２９】第２の実施例のラテラル超格子は、ショッ
トキー電極直下のキャップ層が、ショットキー電極間の
キャップ層より薄く形成されていることを特徴とする素
子である。図１３のように、第２の実施例のラテラル超
格子素子は、厚さ４００μｍのｎ−ＧａＡｓで構成した
基板７１上に、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井
戸構造層７０を備えている。また、量子井戸構造層７０
上には、量子井戸構造層７０のキャリアをラテラル方向
に閉じ込めるために、キャップ層７５ａ、７５ｂと、厚
さ３００ＡのＮｉ膜をグレーティング状に加工したショ
ットキー電極７６とが配置されている。基板７１の裏面
には、Ａｕ−Ｇｅ合金膜で構成されたオーミック電極７
７が配置されている。

【００３０】キャップ層７５は、厚さ１５０Ａの低不純
物濃度のｎ+−ＧａＡｓ膜（不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ~
³）からなる低濃度キャップ層７５ａと、厚さ２００Ａ
の高不純物濃度のｎ+−ＧａＡｓ膜（不純物濃度１×１
０¹⁸ｃｍ~³）からなる高濃度キャップ層７５ｂで構成さ
れている。低濃度キャップ層７５ａは、量子井戸構造層
７０の全面に構成されている。この低濃度キャップ層７
５ａの上に、グレーティング状のショットキー電極７６
を形成し、ショットキー電極７６の間にのみ高濃度キャ
ップ層７５ｂが配置されている。したがって、ショット
キー電極７６間では、キャップ層７５は、低濃度キャッ
プ層７５ａと高濃度キャップ層７５ｂの２層から構成さ
れるため膜厚が厚い。ショットキー電極７５直下では、
キャップ層は低濃度キャップ層７５ａのみから構成され
るため膜厚が薄い。ショットキー電極７６は、周期１０
００Ａ、１本の電極幅５００Ａに形成されている。

【００３１】量子井戸構造層７０は、基板７１側から順
に、厚さ５００Ａのｉ−Ａｌ_xＧａ₁ _-xＡｓ膜（０≦ｘ≦
１）で形成した障壁層７２、厚さ５０Ａのｉ−Ａｌ_yＧ
ａ_1-yＡｓ膜（０≦ｙ≦１，ｙ≦ｘ）で形成した井戸層
７３、厚さ３００Ａのｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ膜（０≦ｘ
≦１）で形成した障壁層７４を積層して構成されてい
る。

【００３２】つぎに第２の実施例のラテラル超格子素子
の製造方法について説明する。第２の実施例のラテラル
超格子素子の製造方法は、図９に示した第１のラテラル
超格子素子の製造方法と、ほぼ同様であるが、図７
（ｂ）において、キャップ層７５となるｎ+−ＧａＡｓ
膜を、不純物濃度の低いｎ+−ＧａＡｓ膜と、不純物濃
度の高いｎ+−ＧａＡｓ膜の２層に分けて形成する。そ
して、図９（ｄ）において、キャップ層７５をエッチン
グする場合に、ｎ+−ＧａＡｓ膜の不純物濃度によって
エッチング速度のことなるエッチャントを用いて、上層
の不純物濃度の高いｎ+−ＧａＡｓ膜のみをエッチング
する。他の工程は、第１の実施例と同様であるので説明
を省略する。

【００３３】つぎに第２の実施例のラテラル超格子の動
作を説明する。ショットキー電極７６とオーミック電極
７７との間に電圧を印加すると、ショットキー電極７６
直下の低濃度キャップ層７５ａが空乏化され、電極５６
直下の量子井戸構造層７０がポテンシャルの変調され
る。このとき、ショットキー電極７６の直下のキャップ
層７５は、ショットキー電極７６間に比較して、膜厚が
薄く、かつ、不純物濃度が低く形成されているので、空
乏化するのに必要な電圧は、図３に示した比較例より小
さい。また、ショットキー電極７６間には、不純物濃度
が高い高濃度キャップ層７５ｂが配置されているので、
高濃度キャップ層７５ｂ直下のポテンシャルの変動が抑
制される。従って、電極７６直下のポテンシャルの変調
が強調され、低印加電圧で、従来より効果的に変調を形
成することができる。

【００３４】また、第２の実施例のラテラル超格子素子
では、キャップ層７５の低濃度キャップ層７５が、障壁
層７４の全面を覆っているので、障壁層７４が酸化する
恐れがない。これにより、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓを障壁層に
用いた場合でも表面にＡｌの組成が大きな層が露出する
ことなく、素子の特性の変化を防止することができる。
さらに、第２の実施例のラテラル超格子素子の製造プロ
セスは、エッチング速度が不純物濃度に依存するエッチ
ャントを用いることにより、エッチングの回数を増やす
ことなく、第１の実施例と同様に製造することができ
る。したがって、製造効率を低下させることなく、経時
劣化を防ぎ、かつ、ポテンシャル変調効率に向上させた
ラテラル超格子素子を実現することができる。

【００３５】つぎに、本発明の第３の実施例のラテラル
超格子素子を図１を用いて説明する。

【００３６】第３の実施例のラテラル超格子素子は、第
１の実施例のラテラル超格子素子と同様に、厚さ４００
μｍのｎ−ＧａＡｓで構成した基板１１上に、厚さ方向
に量子井戸構造を有する量子井戸構造層１０を備えてい
る。また、量子井戸構造層１０上には、量子井戸構造層
１０のキャリアをラテラル方向に閉じ込めるために、厚
さ３００ＡのＮｉ膜をグレーティング状に加工したショ
ットキー電極１６と、厚さ２００Ａのｎ+−ＧａＡｓ膜
（不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ~³）で構成したキャップ層
１５とが配置されている。基板１１の裏面には、Ａｕ−
Ｇｅ合金膜で構成されたオーミック電極１７が配置され
ている。ショットキー電極１６は、量子井戸構造層１０
上に、周期１０００Ａ、１本の電極幅５００Ａに形成さ
れている。キャップ層１５は、量子井戸構造層１０上の
ショットキー電極１６の各電極間にのみ配置されてい
る。

【００３７】第３に実施例において、量子井戸構造層１
０は、基板１１側から順に、厚さ５０００Ａのｉ−Ｇａ
Ａｓ膜で形成したチャネル層１２、厚さ１００Ａのｉ−
ＡｌＧａＡｓ膜で形成したスペーサ層１３、厚さ５００
Ａのｎ−ＡｌＧａＡｓ膜で形成したｎ型ドープ層１４を
積層した、変調ドープ構造により構成されている。

【００３８】ショットキー電極１６に電圧を印加した場
合、量子井戸構造層１０にポテンシャル振幅が形成さ
れ、チャネル層１２のキャリアをラテラル方向に閉じ込
める。ショットキー電極１６とキャップ層１５の作用
は、第１の実施例のラテラル超格子素子と同様であるの
で説明を省略する。

【００３９】つぎに本発明の第４の実施例のラテラル超
格子素子を図１２を用いて説明する。

【００４０】第４の実施例のラテラル超格子素子は、図
１２のように、厚さ４００μｍのｎ−ＧａＡｓで構成し
た基板１２１上に、厚さ方向に量子井戸構造を有する量
子井戸構造層１２０を備えている。また、量子井戸構造
層１２０上には、量子井戸構造層１２０のキャリアをラ
テラル方向に閉じ込めるために、厚さ３００ＡのＮｉ膜
をグレーティング状に加工した第１のショットキー電極
１２６と、同様に厚さ３００ＡのＮｉをグレーティング
状に加工した第２のショットキー電極１２５とが配置さ
れている。第１のショットキー電極１２６は、量子井戸
構造層１２０上に、周期１０００Ａ、１本の電極幅５０
０Ａに形成されている。第２のショットキー電極１２５
は、量子井戸構造層１２０上の第１のショットキー電極
１２６の各電極間に、第１ショットキー電極１２６と交
互に配置されている。第１のショットキー電極１２６と
第２のショットキー電極１２５とは、電気的に非接触で
ある。基板１２１の裏面には、Ａｕ−Ｇｅ合金膜で構成
されたオーミック電極１２７が配置されている。

【００４１】量子井戸構造層１２０は、基板１２１側か
ら順に、厚さ５００Ａのｉ−ＡｌＧａＡｓ膜で形成した
障壁層１２２、厚さ５０Ａのｉ−ＧａＡｓ膜で形成した
井戸層１２３、厚さ３００Ａのｉ−ＡｌＧａＡｓ膜で形
成した障壁層１２４を積層して構成されている。

【００４２】第４の実施例のラテラル超格子を動作させ
る場合には、第１のショットキー電極１２６と、第２の
ショットキー電極１２５とに、それぞれ異なる電位を与
え、量子井戸構造層１２０にポテンシャル変調を形成す
る。

【００４３】本実施例においては、キャップ層を用いて
いないので、従来のようにキャップ層を空乏化させる必
要がなく、かつ、電位差がキャップ層の不純物濃度に左
右されることがないので、任意の振幅のポテンシャル変
調を形成することができる。

【００４４】つぎに、上述の第１、第２、第３、第４の
実施例のラテラル超格子素子の光学特性を測定する方法
を図８を用いて説明する。図８には、第１の実施例のラ
テラル超格子素子を例として示している。まず、基板５
１上に量子井戸構造層５０、基板５１裏面にオーミック
電極５７を図８（１）のように形成する。量子井戸構造
層５０の中央部の領域にグレ−ティング状のキャップ層
５５とショットキー電極５６を図８（２）のように形成
する。電極５６とキャップ層５５が形成された領域以外
の部分を、図８（３）のように導電性の遮光膜８１で覆
う。遮光膜８１とショットキー電極５６とは、電気的に
接触させて導通させる。ここで導電性遮光膜８１として
は、金属あるいは金属酸化膜を用いる。最後に、導電性
の遮光膜８１と、オーミック電極５７に電圧を印加でき
るように、パッケージングしてボンディング等によって
ワイヤを接続する。

【００４５】ここで、遮光膜８１とオーミック電極５７
との間に電圧を印加すると、量子井戸構造中にポテンシ
ャル変調が形成される。これにより、ラテラル方向にも
量子井戸が形成され、通常の伝導バンドと価電子バンド
とは異なる離散的な準位が形成される。ショットキー電
極５６側から、図８（４）のように、素子に光を照射す
ると、ショットキー電極５６の間から量子井戸構造層に
吸収される。電子は、量子井戸中に形成された準位に励
起され、再結合する際に発光する。量子井戸中に形成さ
れた準位によるバンドギャップは、通常のバンドギャッ
プより広く、発光される光の波長は短くなる。本実施例
のラテラル超格子素子は、低印加電圧でもポテンシャル
の振幅が大きいので、井戸幅が小さく、より離散的な準
位を形成している。したがって、本実施例のラテラル超
格子素子から発光される光の波長は、等しい大きさの電
圧を印加した場合の従来のラテラル超格子素子の発光光
より短い。したがって、上述の各実施例のラテラル超格
子を製造した後、発光光の波長を調べることにより、ポ
テンシャルが効率的に形成され、井戸幅の狭い量子井戸
が形成されているかどうかを確認することができる。

【００４６】従来の、１次元のキャリア系については、
例えばフォトルミネッセンスといった試料からの発光に
よって、キャリア閉じ込めの状態を評価することが多い
が、図８（４）のような構造では、ショットキーゲート
５６により１次元の伝導系になった場所だけが遮光膜で
覆われておらず、周辺の２次元キャリア系の影響を受け
ることなく光学的な特性を評価することができる。

【００４７】本発明を用いた第５の実施例のスイッチン
グ素子を図１０、図１１を用いて説明する。本実施例の
スイッチング素子は、第１の実施例のラテラル超格子素
子と同様に、基板５１上に量子井戸構造層５０、基板５
１裏面にオーミック電極５７を図１０（ａ）のように有
している。量子井戸構造層５０の上には、キャップ層５
５が配置され、キャップ層５５の中央部の領域はグレ−
ティング状に加工され、キャップ層と交互にグレーティ
ング状にショットキー電極５６が配置されている。ショ
ットキー電極５６のグレーティングの線に沿った方向の
両端には、ショットキー電極５６に非接触な位置に、キ
ャップ層と量子井戸構造層にＳｉが拡散されて、ソース
１０１とドレイン１０２が設けられている。

【００４８】ショットキー電極５６とオーミック電極５
７との間に、電圧を印加すると、量子井戸構造層５０に
は、図１１に示すように電流の流れる方向に沿って、第
１の実施例と同様に、従来より急峻なポテンシャルが形
成され、ラテラル方向に量子細線が形成される。従っ
て、ラテラル方向にキャリアの取り得るエネルギーは量
子化される。この状態で、ショットキー電極５６の間の
キャップ層５５に変調した光を照射すると、ソース１０
２、ドレイン１０１間に流れる電流が制御される。ポテ
ンシャルが急峻であるので、ラテラル方向にキャリアを
閉じ込める量子井戸の大きさが小さくなり、キャリアが
井戸に閉じ込められて、離散的な準位を形成する。量子
化された準位の間隔が大きくなると、許容される散乱に
よる状態の変化が限定され、キャリアが散乱される確率
は減少する。電子の実質的な移動度が向上し、従来のラ
テラル超格子素子を利用したスイッチング素子より、ス
イッチング速度が速くなる。

【００４９】また、急峻なポテンシャルが形成されてい
るため、ホールと電子とが空間的に分離される。したが
って、一個のフォトンが入射した場合、ソース１０２と
ドレイン１０１間に流れる電流が大きくなる。これによ
り高速で高感度な、光励起によるスイッチング素子を実
現できる。また、本実施例に用いたラテラル超格子で
は、低い印加する電圧で、基板面内方向にキャリアの量
子的閉じ込めポテンシャルを効率的に形成することがで
きる。これにより閉じ込めポテンシャルを小さな電圧で
形成できるため、本構造をスイッチング素子に応用する
ことにより高速で低消費電力のスイッチング素子を実現
することができる。

【００５０】上述の第１の実施例で示した製造プロセス
において、フォトレジストを露光するために電子線によ
る直接描画法を用いたが、フォトマスクを通した紫外線
照射法を用いることをもちろん可能である。また、上述
では量子井戸構造層やキャップ層等の半導体層を成膜す
るのに、ＭＢＥ法を用いたが、有機金属気相成長法を
（ＭＯＣＶＤ法）を用いて成長させることもできる。

【００５１】また、上述の各実施例において、ラテラル
超格子素子や、スイッチング素子を完成させた後、素子
の応用の用途に応じて、保護膜または遮光膜あるいは反
射防止膜等をさらに堆積させて使用する。

【００５２】また、第２の実施例では、キャップ層７５
の膜厚をショットキー電極下では薄く、ショットキー電
極間では厚く形成することにより、ショットキー電極下
の空乏化すべきキャリア数を減少させているが、これに
限らず、キャップ層の厚さは一定で、不純物濃度の小さ
いキャリア層をショットキー電極下に配置しても同様の
効果が得られる。

【００５３】

【発明の効果】本発明のラテラル超格子素子では、低い
印加電圧によって、基板面内方向にキャリアの量子的閉
じ込めポテンシャルを効率的に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第３の実施例によるラテラル超格子素
子の断面図。

【図２】従来例によるラテラル超格子素子の断面図。

【図３】従来技術を単一量子井戸を適用したラテラル超
格子素子の断面図。

【図４】図３の構造におけるポテンシャル変調の、キャ
ップ層の不純物濃度への依存性を示すグラフ。

【図５】本発明の第１の実施例の単一量子井戸を用いた
ラテラル超格子素子の断面図。

【図６】（ａ）（ｂ）図３に示した従来技術を用いた比
較例と、図５の本実施例の素子との構成を比較する断面
図。（ｃ）（ｄ）比較例と本実施例の基板面内方向のポ
テンシャル変調形成の効率を比較するグラフ。（ｅ）比
較例と本実施例において、印加電圧に対するポテンシャ
ル変調を比較するグラフ。

【図７】（ａ）（ｂ）本発明の第１の実施例ラテラル超
格子素子に保護膜を設けた素子の断面図。

【図８】第１、第２、第３の実施例の素子の光学特性を
測定するための測定方法示す説明図。

【図９】図５に示したラテラル超格子素子の作製プロセ
スを示す説明図。

【図１０】（ａ）第１の実施例のラテラル超格子素子用
いたスイッチング素子の斜視図。（ｂ）（ａ）図のｂ−
ｂ断面図。

【図１１】図１０のスイッチング素子の量子井戸構造層
における基板面内方向のポテンシャル変調を示す説明
図。

【図１２】本発明の第４の実施例のラテラル超格子素子
の断面図

【図１３】本発明の第２の実施例のラテラル超格子素子
の断面図。

【符号の説明】

１０、５０、７０、１２０…量子井戸構造層、１１、２
１、５１、７１、１０１、１２１…基板、１２、５２、
７２、１２２…障壁層、１３、５３、７３、１２３…井
戸層、１４、５４、７４、１２４…障壁層、１５、２
５、５５、７５、１５５…キャップ層、１６、２６、５
６、７６、１５６…ショットキー電極、１７、５７、７
７、１２７…オーミック電極、５８、５９…保護膜、１
０１ドレイン、１０２…ソース、１２６…第１のショッ
トキー電極、１２５…第２のショットキー電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 29/812 29/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性を有する基板と、前記基板上に形成
された厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構造層
と、前記量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向に閉
じ込めるための電圧印加層とを有するラテラル超格子素
子であって、前記電圧印加層は、前記量子井戸構造層上に順に設けら
れた、不純物をドープされた半導体層と、複数本の細線
状のショットキー電極とを有し、前記ショットキー電極下の前記半導体層について、前記
半導体層の単位体積当たりのキャリア数に半導体層の層
厚を掛けた値は、前記ショットキー電極間の前記半導体
層について、前記半導体層の単位体積当たりのキャリア
数に半導体層の層厚を掛けた値より、小さいことを特徴
とするラテラル超格子素子。
【請求項２】請求項１において、前記ショットキー電極
下の前記半導体層の層厚は、前記ショットキー電極間の
前記半導体層の層厚より、薄く形成されていることを特
徴とするラテラル超格子素子。
【請求項３】請求項１において、前記半導体層は、第１
の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層された第１
の半導体層より不純物濃度の高い第２の半導体層とから
構成され、前記第２の半導体層は、前記ショットキー電極間にのみ
配置されていることを特徴とするラテラル超格子素子。
【請求項４】導電性を有する基板と、前記基板上に、厚
さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構造層と、前記
量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向に閉じ込める
ための電圧印加層とを有するラテラル超格子素子であっ
て、前記電圧印加層は、不純物をドープされた半導体層と、
複数本の細線状のショットキー電極とを有し、前記ショットキー電極は、前記量子井戸構造層上に設け
られ、前記半導体層は、前記量子井戸構造層上の前記ショット
キー電極間にのみ設けられていることを特徴とするラテ
ラル超格子素子。
【請求項５】請求項４において、前記ショットキー電極
と前記半導体層との間隙の前記量子井戸構造層を被覆す
るための保護層をさらに有することを特徴とするラテラ
ル超格子素子。
【請求項６】請求項４において、前記量子井戸構造層と
前記電圧印加層との間に、さらに、高抵抗層を有するこ
とを特徴とするラテラル超格子。
【請求項７】導電性を有する基板と、前記基板上に、厚
さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構造層と、前記
量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向に閉じ込める
ための電圧印加層とを有するラテラル超格子素子であっ
て、前記電圧印加層は、前記量子井戸構造層に異なる２つの
電圧を印加するための、複数本の細線状の第１のショッ
トキー電極と、複数本の細線状の第２のショットキー電
極とを有し、前記第１のショットキー電極と第２のショットキー電極
は、交互に配置されていることを特徴とするラテラル超
格子素子。
【請求項８】請求項１、４または７において、前記量子
井戸構造層は、量子井戸層と、前記量子井戸層を挟む、
前記量子井戸層よりバンドギャップの大きな障壁層とを
有することを特徴とするラテラル超格子素子。
【請求項９】請求項１、４または７において、前記量子
井戸構造層は、ノンドープの半導体層と、不純物をドー
プした半導体層とを積層した変調ドープ構造を有するこ
とを特徴とするラテラル超格子素子。
【請求項１０】半導体によって形成された、ソース領域
と、ドレイン領域と、前記ソース領域とドレイン領域と
の間に配置された、光強度に応じて、キャリアの伝導度
が変化するチャネル領域とを有する光学的伝導度変調素
子であって、前記チャネル領域は、導電性の基板層と、前記基板層上
に設けられた、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井
戸構造層と、前記量子井戸構造層のキャリアをラテラル
方向に閉じ込めるための電圧印加層とを有し、前記電圧印加層は、前記量子井戸構造層上に順に設けら
れた、不純物をドープされた半導体層と、複数本の細線
状のショットキー電極とを有し、前記ショットキー電極下の前記半導体層について、前記
半導体層の単位体積当たりのキャリア数に半導体層の層
厚を掛けた値は、前記ショットキー電極間の前記半導体
層について、前記半導体層の単位体積当たりのキャリア
数に半導体層の層厚を掛けた値より、小さいことを特徴
とする光学的伝導度変調素子。
【請求項１１】光源と、前記光源が発した光信号を伝送
する光ファイバと、前記光ファイバの伝送した光信号を
受光する受光素子とを有する光通信システムにおいて、前記受光素子は、導電性の基板層と、前記基板層上に設
けられた、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構
造層と、前記量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向
に閉じ込めるための電圧印加層とを有し、前記電圧印加層は、前記量子井戸構造層上に順に設けら
れた、不純物をドープされた半導体層と、複数本の細線
状のショットキー電極とを有し、前記ショットキー電極下の前記半導体層について、前記
半導体層の単位体積当たりのキャリア数に半導体層の層
厚を掛けた値は、前記ショットキー電極間の前記半導体
層について、前記半導体層の単位体積当たりのキャリア
数に半導体層の層厚を掛けた値より、小さいことを特徴
とする光通信システム。
【請求項１２】入力されたデータを処理するための複数
個の電子回路部と、前記複数の電子回路部間で信号を送
受信するための、電気信号を光信号に変換する発光素子
と、前記光信号を伝送する光ファイバと、前記光ファイ
バの伝送した光信号を受光する受光素子とを有する光コ
ンピュータにおいて、前記受光素子は、導電性の基板層と、前記基板層上に設
けられた、厚さ方向に量子井戸構造を有する量子井戸構
造層と、前記量子井戸構造層のキャリアをラテラル方向
に閉じ込めるための電圧印加層とを有し、前記電圧印加層は、前記量子井戸構造層上に順に設けら
れた、不純物をドープされた半導体層と、複数本の細線
状のショットキー電極とを有し、前記ショットキー電極下の前記半導体層について、前記
半導体層の単位体積当たりのキャリア数に半導体層の層
厚を掛けた値は、前記ショットキー電極間の前記半導体
層について、前記半導体層の単位体積当たりのキャリア
数に半導体層の層厚を掛けた値より、小さいことを特徴
とするラテラル超格子素子。