JP2950801B2 - 超格子半導体装置 - Google Patents
超格子半導体装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超格子層を有する
ダイオード型半導体素子を備え、発振動作を行う超格子
半導体装置に関する。
ダイオード型半導体素子を備え、発振動作を行う超格子
半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超格子構造を用いたダイオード型半導体
素子を備え、発振動作を行う従来の超格子半導体装置に
は、不純物をドープした超格子と、不純物をドープしな
い超格子を用いたものがある。前者は、レーザ光による
キャリア励起や半導体層を挟む２つの電極にある一定の
電圧を印加することで連続発振を生じる。また、後者
は、レーザ光によるキャリア励起によって連続発振を生
じる。その発振周波数は励起光強度や直流バイアス電圧
を変化させることで調整できる。
素子を備え、発振動作を行う従来の超格子半導体装置に
は、不純物をドープした超格子と、不純物をドープしな
い超格子を用いたものがある。前者は、レーザ光による
キャリア励起や半導体層を挟む２つの電極にある一定の
電圧を印加することで連続発振を生じる。また、後者
は、レーザ光によるキャリア励起によって連続発振を生
じる。その発振周波数は励起光強度や直流バイアス電圧
を変化させることで調整できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】超格子構造を有する従
来の半導体発振素子では、励起光強度や直流バイアス電
圧を変化させることで発振周波数を調整できるが、その
調整できる周波数範囲は素子構造により制限されるとい
う問題点があった。また、超格子構造は数十ナノメート
ル程度の薄膜を有する微細構造であるため、作製された
素子の膜厚には設計値とのずれ、及び揺らぎが必ず生じ
る。従って素子の発振周波数が不安定であるという問題
点があった。
来の半導体発振素子では、励起光強度や直流バイアス電
圧を変化させることで発振周波数を調整できるが、その
調整できる周波数範囲は素子構造により制限されるとい
う問題点があった。また、超格子構造は数十ナノメート
ル程度の薄膜を有する微細構造であるため、作製された
素子の膜厚には設計値とのずれ、及び揺らぎが必ず生じ
る。従って素子の発振周波数が不安定であるという問題
点があった。
【０００４】本発明の目的は以上の問題点を解決し、周
波数の調整範囲が従来の素子より広く、かつ安定な発振
動作を行う超格子半導体装置を提供することにある。
波数の調整範囲が従来の素子より広く、かつ安定な発振
動作を行う超格子半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の超格子半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量
子井戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ
電子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２
の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟
設してなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を
介して、上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流
電圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、
一方の電極側から所定の励起光を用いて光注入を行って
キャリアを励起して動作させることにより、上記超格子
半導体素子において発振動作をさせることを特徴とす
る。
載の超格子半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量
子井戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ
電子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２
の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟
設してなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を
介して、上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流
電圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、
一方の電極側から所定の励起光を用いて光注入を行って
キャリアを励起して動作させることにより、上記超格子
半導体素子において発振動作をさせることを特徴とす
る。
【０００６】また、本発明に係る請求項２記載の超格子
半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のトン
ネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体層
をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してなる
超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介して、上
記超格子半導体素子に対して直流電圧の所定のバイアス
電圧を印加し、かつ、一方の電極側から交流信号で変調
された励起光を用いて光注入を行ってキャリアを励起し
て動作させることにより、上記超格子半導体素子におい
て発振動作をさせることを特徴とする。
半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のトン
ネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体層
をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してなる
超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介して、上
記超格子半導体素子に対して直流電圧の所定のバイアス
電圧を印加し、かつ、一方の電極側から交流信号で変調
された励起光を用いて光注入を行ってキャリアを励起し
て動作させることにより、上記超格子半導体素子におい
て発振動作をさせることを特徴とする。
【０００７】さらに、本発明に係る請求項３記載の超格
子半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層
が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のト
ンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体
層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してな
る超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介して、
上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流電圧を重
畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、一方の電
極側から交流信号で変調された励起光を用いて光注入を
行ってキャリアを励起して動作させることにより、上記
超格子半導体素子において発振動作をさせることを特徴
とする。
子半導体装置は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層
が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のト
ンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体
層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してな
る超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介して、
上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流電圧を重
畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、一方の電
極側から交流信号で変調された励起光を用いて光注入を
行ってキャリアを励起して動作させることにより、上記
超格子半導体素子において発振動作をさせることを特徴
とする。
【０００８】また、上記超格子半導体装置において、上
記超格子半導体素子は、好ましくは、ｐ−ｉ−ｎ型、ｎ
−ｉ−ｎ型、又はｎ+−ｎ-−ｎ+型である。さらに、上
記超格子半導体装置において、好ましくは、上記量子井
戸層はＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓにてなり、上記障壁層
はＩｎＡｌＡｓ又はＡｌＡｓにてなる。またさらに、上
記超格子半導体装置において、好ましくは、一方の電極
に、上記超格子半導体素子を励起するための励起光を入
射するための開口を形成する。
記超格子半導体素子は、好ましくは、ｐ−ｉ−ｎ型、ｎ
−ｉ−ｎ型、又はｎ+−ｎ-−ｎ+型である。さらに、上
記超格子半導体装置において、好ましくは、上記量子井
戸層はＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓにてなり、上記障壁層
はＩｎＡｌＡｓ又はＡｌＡｓにてなる。またさらに、上
記超格子半導体装置において、好ましくは、一方の電極
に、上記超格子半導体素子を励起するための励起光を入
射するための開口を形成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。
る実施形態について説明する。
【００１０】図１は、本発明に係る一実施形態である超
格子半導体素子１０を備えた超格子半導体装置を示す断
面図である。本実施形態の超格子半導体装置は、２つの
電極１１，１２間に、障壁層２１−０乃至２１−Ｎ（以
下、総称の符号として２１と付す。）と量子井戸層２２
−１乃至２２−Ｎ（以下、総称の符号として２２と付
す。）とが交互に積層されてなる超格子構造を有する真
性半導体ｉ層１５をそれぞれｎ型クラッド層１４及び１
６を介して挟設し、さらにｎ型キャップ層１３とｎ型バ
ッファ層１７を介して挟設するヘテロ接合ｎ−ｉ−ｎ型
ダイオード素子である超格子半導体素子１０を備え、電
極１１，１２間に直流電源３０及び交流電源３１によっ
てバイアス電圧を印加し、超格子構造を有する真性半導
体ｉ層１５にキャリアを励起するレーザ励起光は交流信
号で強度変調されたものを用いることを特徴としてい
る。ここで、バイアス電圧に交流電圧を重畳させること
と、レーザ励起光を交流信号で強度変調させることの、
少なくとも一方を実行することにより、当該超格子半導
体素子１０において発振動作を生じさせる。
格子半導体素子１０を備えた超格子半導体装置を示す断
面図である。本実施形態の超格子半導体装置は、２つの
電極１１，１２間に、障壁層２１−０乃至２１−Ｎ（以
下、総称の符号として２１と付す。）と量子井戸層２２
−１乃至２２−Ｎ（以下、総称の符号として２２と付
す。）とが交互に積層されてなる超格子構造を有する真
性半導体ｉ層１５をそれぞれｎ型クラッド層１４及び１
６を介して挟設し、さらにｎ型キャップ層１３とｎ型バ
ッファ層１７を介して挟設するヘテロ接合ｎ−ｉ−ｎ型
ダイオード素子である超格子半導体素子１０を備え、電
極１１，１２間に直流電源３０及び交流電源３１によっ
てバイアス電圧を印加し、超格子構造を有する真性半導
体ｉ層１５にキャリアを励起するレーザ励起光は交流信
号で強度変調されたものを用いることを特徴としてい
る。ここで、バイアス電圧に交流電圧を重畳させること
と、レーザ励起光を交流信号で強度変調させることの、
少なくとも一方を実行することにより、当該超格子半導
体素子１０において発振動作を生じさせる。
【００１１】従来技術の超格子半導体素子では、発振を
得るためにバイアス電圧に直流電源のみを用い、励起光
は時間一定強度であったが、本実施形態においては、バ
イアス用の電源に可変交流電源３１を併用し、励起光強
度は交流成分を重畳した信号で強度変調させる。本実施
形態の超格子半導体素子１０は、図１に示すように、裏
面に平板形状のＡｕからなる電極１２が形成され、Ｓｉ
にてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１０18／ｃｍ
3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００μｍ
のｎ型半導体基板２０上に、以下の各層が順次、ｎ型半
導体基板２０から近接した側から積層されて形成され
る。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１
０18／ｃｍ3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０17／ｃｍ3だけ注入されたｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
ｓにてなる厚さ５００ｎｍのｎ型クラッド層１６； （ｃ）上述の超格子構造を有する厚さ約６００ｎｍの真
性半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０17／ｃｍ3だけ注入されたｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
ｓにてなる厚さ２００ｎｍのｎ型クラッド層１４； （ｅ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18／ｃｍ3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる
厚さ１１０ｎｍのｎ型キャップ層１３；並びに、 （ｆ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。
得るためにバイアス電圧に直流電源のみを用い、励起光
は時間一定強度であったが、本実施形態においては、バ
イアス用の電源に可変交流電源３１を併用し、励起光強
度は交流成分を重畳した信号で強度変調させる。本実施
形態の超格子半導体素子１０は、図１に示すように、裏
面に平板形状のＡｕからなる電極１２が形成され、Ｓｉ
にてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１０18／ｃｍ
3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００μｍ
のｎ型半導体基板２０上に、以下の各層が順次、ｎ型半
導体基板２０から近接した側から積層されて形成され
る。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１
０18／ｃｍ3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０17／ｃｍ3だけ注入されたｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
ｓにてなる厚さ５００ｎｍのｎ型クラッド層１６； （ｃ）上述の超格子構造を有する厚さ約６００ｎｍの真
性半導体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０17／ｃｍ3だけ注入されたｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
ｓにてなる厚さ２００ｎｍのｎ型クラッド層１４； （ｅ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０18／ｃｍ3だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる
厚さ１１０ｎｍのｎ型キャップ層１３；並びに、 （ｆ）厚さ方向に貫通する開口１１ｈが中央部に形成さ
れたリング形状のＡｕからなる電極１１。
【００１２】なお、電極１１をリング形状にするのは、
上記の積層を行った後に所定のエッチング方法により行
われる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、例えば、量
子井戸層２２−Ｎがｎ型クラッド層１６に隣接するよう
に、ＧａＡｓにてなり１２原子層の厚さ３．４ｎｍの量
子井戸層２２と、ＡｌＡｓにてなり１８原子層の厚さ５
ｎｍの障壁層２１とを交互に、例えばＮ＝７５周期（す
なわち７５対）で積層されて形成される。そして、電極
１１は逆バイアス電圧Ｖｂの可変直流電源３０の負極及
び正極と、可変交流電源３１と、負荷回路となる負荷抵
抗３２を介して電極１２に接続される。これによって、
超格子半導体素子１０の電極１１，１２間に所定の電界
が印加されることになる。可変交流電源３１は、上述の
ように、その電圧を０に設定してもよい。
上記の積層を行った後に所定のエッチング方法により行
われる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、例えば、量
子井戸層２２−Ｎがｎ型クラッド層１６に隣接するよう
に、ＧａＡｓにてなり１２原子層の厚さ３．４ｎｍの量
子井戸層２２と、ＡｌＡｓにてなり１８原子層の厚さ５
ｎｍの障壁層２１とを交互に、例えばＮ＝７５周期（す
なわち７５対）で積層されて形成される。そして、電極
１１は逆バイアス電圧Ｖｂの可変直流電源３０の負極及
び正極と、可変交流電源３１と、負荷回路となる負荷抵
抗３２を介して電極１２に接続される。これによって、
超格子半導体素子１０の電極１１，１２間に所定の電界
が印加されることになる。可変交流電源３１は、上述の
ように、その電圧を０に設定してもよい。
【００１３】以上のように構成された超格子半導体装置
において、超格子半導体素子１０の両端の電極１１，１
２にバイアス電圧を印加すると、超格子に対して垂直な
方向に電界が印加され、加速された電子はトンネル効果
によって隣の量子井戸層２２に進むが、電流密度が十分
に高い場合、電子自身の持つ負の電荷によって空間電荷
効果を起こす。このとき電子の分布は超格子内部で不均
一になり、ある場所において電子密度が高くなりモノポ
ールを形成する。このモノポールが超格子内部の電界分
布を不均一として電界ドメインを形成する。モノポール
はやがて一方の電極方向に進み消失するが、新しいモノ
ポールが他方の電極からあらわれて電界ドメインを維持
する。このモノポールのサイクルに同期した周波数で電
流発振を起こす。当該電流発振の発振信号は負荷回路で
ある負荷抵抗３２に出力される。
において、超格子半導体素子１０の両端の電極１１，１
２にバイアス電圧を印加すると、超格子に対して垂直な
方向に電界が印加され、加速された電子はトンネル効果
によって隣の量子井戸層２２に進むが、電流密度が十分
に高い場合、電子自身の持つ負の電荷によって空間電荷
効果を起こす。このとき電子の分布は超格子内部で不均
一になり、ある場所において電子密度が高くなりモノポ
ールを形成する。このモノポールが超格子内部の電界分
布を不均一として電界ドメインを形成する。モノポール
はやがて一方の電極方向に進み消失するが、新しいモノ
ポールが他方の電極からあらわれて電界ドメインを維持
する。このモノポールのサイクルに同期した周波数で電
流発振を起こす。当該電流発振の発振信号は負荷回路で
ある負荷抵抗３２に出力される。
【００１４】本発明においては、超格子層である真性半
導体ｉ層１５に様々な材料を用いることができる。また
超格子層の材料は、例えばＧａＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ
（ただし、０＜ｘ＜１）、ＡｌＡｓを用いて３種類以
上の組み合わせでもよい。
導体ｉ層１５に様々な材料を用いることができる。また
超格子層の材料は、例えばＧａＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ
（ただし、０＜ｘ＜１）、ＡｌＡｓを用いて３種類以
上の組み合わせでもよい。
【００１５】
【実施例】本発明者は、図１に示す実施形態の超格子半
導体素子を製作して実験を行った結果を以下に示す。ま
ず、図２に、強度約１５ｍＷのヘリウムネオンレーザ光
で光励起し、直流バイアス電圧を７．４Ｖに固定したと
きの超格子半導体素子１０に印加されるバイアス交流電
圧の振幅に対する発振周波数スペクトルを示す。変調に
用いる交流電圧の周波数は１４ＭＨｚである。図２の黒
い部分が振幅の大きい周波数成分に対応しており、交流
電圧振幅に対して太い直線が安定した発振状態を示す。
導体素子を製作して実験を行った結果を以下に示す。ま
ず、図２に、強度約１５ｍＷのヘリウムネオンレーザ光
で光励起し、直流バイアス電圧を７．４Ｖに固定したと
きの超格子半導体素子１０に印加されるバイアス交流電
圧の振幅に対する発振周波数スペクトルを示す。変調に
用いる交流電圧の周波数は１４ＭＨｚである。図２の黒
い部分が振幅の大きい周波数成分に対応しており、交流
電圧振幅に対して太い直線が安定した発振状態を示す。
【００１６】図２から明らかなように、交流電圧が零の
ときは発振周波数８．６ＭＨｚが得られている。交流振
幅が０．１Ｖから０．３Ｖの間ではカオス発振が見られ
る。しかし０．３Ｖから０．４４Ｖの間では交流印加電
圧の１／３の倍数の発振周波数をもつ電流発振が得られ
る。
ときは発振周波数８．６ＭＨｚが得られている。交流振
幅が０．１Ｖから０．３Ｖの間ではカオス発振が見られ
る。しかし０．３Ｖから０．４４Ｖの間では交流印加電
圧の１／３の倍数の発振周波数をもつ電流発振が得られ
る。
【００１７】更に交流振幅を増加させると各周波数ピー
クは分裂し、背景ノイズを伴うカオス発振を示す。０．
６Ｖから０．６７Ｖの間では交流印加電圧の１／４の倍
数の発振周波数をもつ電流発振が得られる。０．６７Ｖ
から０．６９Ｖの間は再び背景ノイズを伴うカオス発振
を示す。０．６９Ｖから０．７２Ｖの間では交流印加電
圧の１／５の倍数の発振周波数をもつ電流発振が得られ
る。０．７２Ｖから０．８Ｖの間は再び背景ノイズを伴
うカオス発振を示す。０．８Ｖ以上では発振は起こらな
い。
クは分裂し、背景ノイズを伴うカオス発振を示す。０．
６Ｖから０．６７Ｖの間では交流印加電圧の１／４の倍
数の発振周波数をもつ電流発振が得られる。０．６７Ｖ
から０．６９Ｖの間は再び背景ノイズを伴うカオス発振
を示す。０．６９Ｖから０．７２Ｖの間では交流印加電
圧の１／５の倍数の発振周波数をもつ電流発振が得られ
る。０．７２Ｖから０．８Ｖの間は再び背景ノイズを伴
うカオス発振を示す。０．８Ｖ以上では発振は起こらな
い。
【００１８】以上のように発振周波数は、バイアス電圧
の変調交流電圧の振幅を増加させると、変調信号の周波
数の分数倍となる安定した状態と不安定なカオス発振を
交互に繰り返す。これは変調交流電圧が零のときの素子
が示す発振モードと、変調信号のモードが同調するとき
に安定した発振を示し、両者が反発するときにはカオス
発振となる。変調信号に同調して得られた発振は、超格
子構造のずれに起因する発振周波数の揺らぎは起こらず
安定したものとなっている。安定した状態が複数存在す
ることから、安定状態を選択することで発振周波数を調
整することができる。例えば０．７Ｖでの発振周波数は
交流信号の周波数の１／５の周波数を基本波としてその
高調波の重ね合わせとなっている。従って、帯域通過フ
ィルタを用いれば、その周波数列の中から任意の周波数
成分を抽出できる。
の変調交流電圧の振幅を増加させると、変調信号の周波
数の分数倍となる安定した状態と不安定なカオス発振を
交互に繰り返す。これは変調交流電圧が零のときの素子
が示す発振モードと、変調信号のモードが同調するとき
に安定した発振を示し、両者が反発するときにはカオス
発振となる。変調信号に同調して得られた発振は、超格
子構造のずれに起因する発振周波数の揺らぎは起こらず
安定したものとなっている。安定した状態が複数存在す
ることから、安定状態を選択することで発振周波数を調
整することができる。例えば０．７Ｖでの発振周波数は
交流信号の周波数の１／５の周波数を基本波としてその
高調波の重ね合わせとなっている。従って、帯域通過フ
ィルタを用いれば、その周波数列の中から任意の周波数
成分を抽出できる。
【００１９】図３には図１に示す実施形態の超格子半導
体素子を製作して実験を行った結果を以下に示す。固体
レーザ光（波長６３５ｎｍ）で光励起し、直流バイアス
電圧を１．９Ｖに固定し、レーザ励起光を、直流電圧に
交流信号を重畳させた信号で強度変調させたときの超格
子半導体素子１０の発振周波数スペクトルを示す。固体
レーザの光強度は８ｍＷであるがレーザ駆動信号に交流
信号を加えることで、その周波数に同期した矩形状の出
力が得られる。交流信号１００ｍＶの増加がレーザ励起
光の交流成分の振幅約８０μＷの増加に対応する。変調
に用いる交流電圧の周波数は２３ＭＨｚである。図３の
黒い部分が振幅の大きい周波数成分に対応しており、振
幅に対して太い直線が安定した発振状態を示す。
体素子を製作して実験を行った結果を以下に示す。固体
レーザ光（波長６３５ｎｍ）で光励起し、直流バイアス
電圧を１．９Ｖに固定し、レーザ励起光を、直流電圧に
交流信号を重畳させた信号で強度変調させたときの超格
子半導体素子１０の発振周波数スペクトルを示す。固体
レーザの光強度は８ｍＷであるがレーザ駆動信号に交流
信号を加えることで、その周波数に同期した矩形状の出
力が得られる。交流信号１００ｍＶの増加がレーザ励起
光の交流成分の振幅約８０μＷの増加に対応する。変調
に用いる交流電圧の周波数は２３ＭＨｚである。図３の
黒い部分が振幅の大きい周波数成分に対応しており、振
幅に対して太い直線が安定した発振状態を示す。
【００２０】図３から明らかなように、レーザ駆動信号
の振幅を増加させていくと、１６０ｍＶから１９０ｍＶ
の間では背景ノイズを伴うカオス発振に変化し、１９０
ｍＶから２２０ｍＶよりレーザ駆動信号の周波数の１／
２倍の周波数を伴う安定した発振となる。２２０ｍＶか
ら２９０ｍＶの範囲では再びカオス発振となり、２９０
ｍＶから３２０ｍＶの範囲ではレーザ駆動信号の周波数
の１／３分周を伴う安定した発振となる。３２０ｍＶ以
上ではカオス発振が得られる。
の振幅を増加させていくと、１６０ｍＶから１９０ｍＶ
の間では背景ノイズを伴うカオス発振に変化し、１９０
ｍＶから２２０ｍＶよりレーザ駆動信号の周波数の１／
２倍の周波数を伴う安定した発振となる。２２０ｍＶか
ら２９０ｍＶの範囲では再びカオス発振となり、２９０
ｍＶから３２０ｍＶの範囲ではレーザ駆動信号の周波数
の１／３分周を伴う安定した発振となる。３２０ｍＶ以
上ではカオス発振が得られる。
【００２１】以上のように発振周波数は、レーザ励起光
の交流成分の振幅を増加させると、変調信号の周波数の
分数倍となる安定した状態と不安定なカオス発振を交互
に繰り返す。これは図２に示した例と類似しており、す
なわち、変調交流成分が零のときの素子が示す発振モー
ドと、変調信号のモードが同調するときに安定した発振
を示し、両者が反発するときにはカオス発振となる。
の交流成分の振幅を増加させると、変調信号の周波数の
分数倍となる安定した状態と不安定なカオス発振を交互
に繰り返す。これは図２に示した例と類似しており、す
なわち、変調交流成分が零のときの素子が示す発振モー
ドと、変調信号のモードが同調するときに安定した発振
を示し、両者が反発するときにはカオス発振となる。
【００２２】＜第１の変形例＞以上の実施例において
は、バイアス電圧に交流電圧を重畳させることと、レー
ザ励起光を交流信号で強度変調させることについて、実
験を行ったが、これら両方を実行することにより、発振
動作を生じさせるように構成してもよい。
は、バイアス電圧に交流電圧を重畳させることと、レー
ザ励起光を交流信号で強度変調させることについて、実
験を行ったが、これら両方を実行することにより、発振
動作を生じさせるように構成してもよい。
【００２３】＜第２の変形例＞以上の実施形態におい
て、超格子層の量子井戸層２２及び障壁層２１を構成す
るために、例えば、次の表に示す材料を用いてもよい。
て、超格子層の量子井戸層２２及び障壁層２１を構成す
るために、例えば、次の表に示す材料を用いてもよい。
【００２４】
【表１】 超格子層の材料の例 ─────────────────────────────────── 量子井戸層２２／障壁層２１ ─────────────────────────────────── ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌzＧａ(1-z)Ａｓ ＧａＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ1-yＰy Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y／ＩｎＰ ＩｎＡｓ／Ｉｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓ ＩｎxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ ＩｎzＧａ1-zＮ／ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ ＧａＰ／ＡｌＰ ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ ＩｎＳｂ／ＧａＳｂ Ｓｉ1-xＧｅx／Ｓｉ ＩｎxＧａ1-xＳｂ／ＩｎyＧａ1-yＡｓ ─────────────────────────────────── （注１）０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１。 ただし、ｘとｙは同時に０にはならない。 （注２）ｘ＜ｚかつ０＜ｚ≦１。
【００２５】＜第３の変形例＞以上の実施形態において
は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる超格子層を有するｎ−
ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０に
ついて述べているが、本発明はこれに限らず、表２及び
表３に示すｐ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子又はｎ+−ｎ-
−ｎ+型超格子半導体素子であってもよい。表２及び表
３において、組成比はこれに限定されない。クラッド層
は真性半導体であってもよい。
は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる超格子層を有するｎ−
ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０に
ついて述べているが、本発明はこれに限らず、表２及び
表３に示すｐ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子又はｎ+−ｎ-
−ｎ+型超格子半導体素子であってもよい。表２及び表
３において、組成比はこれに限定されない。クラッド層
は真性半導体であってもよい。
【００２６】
【表２】 ｐ−ｉ−ｎ型超格子半導体素子 ─────────────────────────────────── 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （／ｃｍ3），不純物 ─────────────────────────────────── キャップ層１３ ｐ−ＧａＡｓ １１０ｎｍ ２×１０18，Ｂｅ クラッド層１４ ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ ２００ｎｍ ５×１０17，Ｂｅ 半導体ｉ層１５ ＧａＡｓ／ ３．４ｎｍ ＡｌＡｓ ５ｎｍ 周期Ｎ＝７５ クラッド層１６ ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ ５００ｎｍ ５×１０17，Ｓｉ バッファ層１７ ｎ−ＧａＡｓ ２００ｎｍ １０18，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ−ＧａＡｓ ３００μｍ １０18 ───────────────────────────────────
【００２７】
【表３】 ｎ+−ｎ-−ｎ+型超格子半導体素子 ─────────────────────────────────── 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （／ｃｍ3），不純物 ─────────────────────────────────── キャップ層１３ ｎ+−ＧａＡｓ １１０ｎｍ ５×１０18，Ｓｉ クラッド層１４ ｎ-−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ ２００ｎｍ １×１０17，Ｓｉ 半導体ｉ層１５ ｎ-−ＧａＡｓ／ ３．４ｎｍ １×１０17，Ｓｉ ｎ-−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ ５ｎｍ １×１０17，Ｓｉ 周期Ｎ＝３０ クラッド層１６ ｎ-−Ｉｎ0.2Ａｌ0.8Ａｓ ５００ｎｍ ５×１０17，Ｓｉ バッファ層１７ ｎ+−ＧａＡｓ ２００ｎｍ １０18，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ+−ＧａＡｓ ３００μｍ １０18，Ｓｉ ───────────────────────────────────
【００２８】なお、電極１１に励起光を入射する開口１
１ｈを形成しなくてもよく、その場合は、電極１１を薄
く形成することにより、励起光を通過させる。
１ｈを形成しなくてもよく、その場合は、電極１１を薄
く形成することにより、励起光を通過させる。
【００２９】以上説明したように、本発明に係る実施形
態によれば、２つの電極１１，１２間に、障壁層２１と
量子井戸層２２とが交互に積層されてなる超格子構造を
有する真性半導体ｉ層１５をそれぞれｎ型クラッド層１
４及び１６を介して挟設し、さらにｎ型キャップ層１３
とｎ型バッファ層１７を介して挟設するヘテロ接合ｎ−
ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０を
備え、電極１１，１２間に直流電源３０及び交流電源３
１によってバイアス電圧を印加し、及び／又は、超格子
構造を有する真性半導体ｉ層１５にキャリアを励起する
レーザ励起光は交流信号で強度変調されたものを用いて
いる。従って、バイアス交流電圧の振幅及び／又は励起
光の駆動信号の交流信号の振幅を選択することにより、
発振周波数を比較的自由に設定でき、かつ発振周波数を
安定に維持できる超格子半導体装置を提供することがで
きる。例えば、交流電圧の振幅を増加させることによ
り、発振周波数が交流信号の周波数の１／ｍ倍の高調波
の組み合わせ（ここで、ｍは３、４、５）に設定するこ
とが可能であり、その周波数は交流電圧の周波数によっ
て定まるために、周波数変動が従来より少ない超格子半
導体装置を実現できる。
態によれば、２つの電極１１，１２間に、障壁層２１と
量子井戸層２２とが交互に積層されてなる超格子構造を
有する真性半導体ｉ層１５をそれぞれｎ型クラッド層１
４及び１６を介して挟設し、さらにｎ型キャップ層１３
とｎ型バッファ層１７を介して挟設するヘテロ接合ｎ−
ｉ−ｎ型ダイオード素子である超格子半導体素子１０を
備え、電極１１，１２間に直流電源３０及び交流電源３
１によってバイアス電圧を印加し、及び／又は、超格子
構造を有する真性半導体ｉ層１５にキャリアを励起する
レーザ励起光は交流信号で強度変調されたものを用いて
いる。従って、バイアス交流電圧の振幅及び／又は励起
光の駆動信号の交流信号の振幅を選択することにより、
発振周波数を比較的自由に設定でき、かつ発振周波数を
安定に維持できる超格子半導体装置を提供することがで
きる。例えば、交流電圧の振幅を増加させることによ
り、発振周波数が交流信号の周波数の１／ｍ倍の高調波
の組み合わせ（ここで、ｍは３、４、５）に設定するこ
とが可能であり、その周波数は交流電圧の周波数によっ
て定まるために、周波数変動が従来より少ない超格子半
導体装置を実現できる。
【００３０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る請求項
１記載の超格子半導体装置によれば、２つの電極間に、
障壁層と量子井戸層が交互に積層されてなる超格子構造
を有しかつ電子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層
である第２の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層
を介して挟設してなる超格子半導体素子を備え、上記２
つの電極を介して、上記超格子半導体素子に対して直流
電圧に交流電圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加
し、かつ、一方の電極側から所定の励起光を用いて光注
入を行ってキャリアを励起して動作させることにより、
上記超格子半導体素子において発振動作をさせる。
１記載の超格子半導体装置によれば、２つの電極間に、
障壁層と量子井戸層が交互に積層されてなる超格子構造
を有しかつ電子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層
である第２の半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層
を介して挟設してなる超格子半導体素子を備え、上記２
つの電極を介して、上記超格子半導体素子に対して直流
電圧に交流電圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加
し、かつ、一方の電極側から所定の励起光を用いて光注
入を行ってキャリアを励起して動作させることにより、
上記超格子半導体素子において発振動作をさせる。
【００３１】また、本発明に係る請求項２記載の超格子
半導体装置によれば、２つの電極間に、障壁層と量子井
戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子
のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半
導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設し
てなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介し
て、上記超格子半導体素子に対して直流電圧の所定のバ
イアス電圧を印加し、かつ、一方の電極側から交流信号
で変調された励起光を用いて光注入を行ってキャリアを
励起して動作させることにより、上記超格子半導体素子
において発振動作をさせる。
半導体装置によれば、２つの電極間に、障壁層と量子井
戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子
のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半
導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設し
てなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介し
て、上記超格子半導体素子に対して直流電圧の所定のバ
イアス電圧を印加し、かつ、一方の電極側から交流信号
で変調された励起光を用いて光注入を行ってキャリアを
励起して動作させることにより、上記超格子半導体素子
において発振動作をさせる。
【００３２】さらに、本発明に係る請求項３記載の超格
子半導体装置によれば、２つの電極間に、障壁層と量子
井戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電
子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の
半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設
してなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介
して、上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流電
圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、一
方の電極側から交流信号で変調された励起光を用いて光
注入を行ってキャリアを励起して動作させることによ
り、上記超格子半導体素子において発振動作をさせる。
子半導体装置によれば、２つの電極間に、障壁層と量子
井戸層が交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電
子のトンネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の
半導体層をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設
してなる超格子半導体素子を備え、上記２つの電極を介
して、上記超格子半導体素子に対して直流電圧に交流電
圧を重畳させた所定のバイアス電圧を印加し、かつ、一
方の電極側から交流信号で変調された励起光を用いて光
注入を行ってキャリアを励起して動作させることによ
り、上記超格子半導体素子において発振動作をさせる。
【００３３】従って、本発明によれば、バイアス交流電
圧の振幅及び／又は励起光の駆動信号の交流信号の振幅
を選択することにより、発振周波数を比較的自由に設定
でき、かつ発振周波数を安定に維持できる超格子半導体
装置を提供することができる。例えば、交流電圧の振幅
を増加させることにより、発振周波数が交流信号の周波
数の１／ｍ倍の高調波の組み合わせ（ここで、ｍは３、
４、５）に設定することが可能であり、その周波数は交
流電圧の周波数によって定まるために、周波数変動が従
来より少ない超格子半導体装置を実現できる。
圧の振幅及び／又は励起光の駆動信号の交流信号の振幅
を選択することにより、発振周波数を比較的自由に設定
でき、かつ発振周波数を安定に維持できる超格子半導体
装置を提供することができる。例えば、交流電圧の振幅
を増加させることにより、発振周波数が交流信号の周波
数の１／ｍ倍の高調波の組み合わせ（ここで、ｍは３、
４、５）に設定することが可能であり、その周波数は交
流電圧の周波数によって定まるために、周波数変動が従
来より少ない超格子半導体装置を実現できる。
【図１】 本発明に係る一実施形態である超格子半導体
素子１０を備えた超格子半導体装置を示す断面図であ
る。
素子１０を備えた超格子半導体装置を示す断面図であ
る。
【図２】 図１の超格子半導体素子１０に印加される交
流電圧の振幅に対する発振周波数スペクトルを示すグラ
フである。
流電圧の振幅に対する発振周波数スペクトルを示すグラ
フである。
【図３】 図１の超格子半導体素子１０に入射されるレ
ーザ励起光の駆動信号に含まれる交流信号の振幅に対す
る発振周波数スペクトルを示すグラフである。
ーザ励起光の駆動信号に含まれる交流信号の振幅に対す
る発振周波数スペクトルを示すグラフである。
１０…超格子半導体素子、 １１，１２…電極、 １３…ｎ型キャップ層、 １４…ｎ型クラッド層、 １５…超格子構造を有する真性半導体ｉ層、 １６…ｎ型クラッド層、 １７…ｎ型バッファ層、 ２０…ｎ型半導体基板、 ２１−０乃至２１−Ｎ…障壁層、 ２２−０乃至２２−Ｎ…量子井戸層、 ３０…可変直流電源、 ３１…可変交流電源、 ３２…負荷抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−125215（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−260691（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−135505（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 31/00 H03B 7/06
Claims (6)
- 【請求項１】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のトン
ネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体層
をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してなる
超格子半導体素子を備え、 上記２つの電極を介して、上記超格子半導体素子に対し
て直流電圧に交流電圧を重畳させた所定のバイアス電圧
を印加し、かつ、一方の電極側から所定の励起光を用い
て光注入を行ってキャリアを励起して動作させることに
より、上記超格子半導体素子において発振動作をさせる
ことを特徴とする超格子半導体装置。 - 【請求項２】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のトン
ネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体層
をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してなる
超格子半導体素子を備え、 上記２つの電極を介して、上記超格子半導体素子に対し
て直流電圧の所定のバイアス電圧を印加し、かつ、一方
の電極側から交流信号で変調された励起光を用いて光注
入を行ってキャリアを励起して動作させることにより、
上記超格子半導体素子において発振動作をさせることを
特徴とする超格子半導体装置。 - 【請求項３】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層が
交互に積層されてなる超格子構造を有しかつ電子のトン
ネル効果を有する真性半導体ｉ層である第２の半導体層
をそれぞれ第１と第３の半導体層を介して挟設してなる
超格子半導体素子を備え、 上記２つの電極を介して、上記超格子半導体素子に対し
て直流電圧に交流電圧を重畳させた所定のバイアス電圧
を印加し、かつ、一方の電極側から交流信号で変調され
た励起光を用いて光注入を行ってキャリアを励起して動
作させることにより、上記超格子半導体素子において発
振動作をさせることを特徴とする超格子半導体装置。 - 【請求項４】 上記超格子半導体素子は、ｐ−ｉ−ｎ
型、ｎ−ｉ−ｎ型、又はｎ+−ｎ-−ｎ+型であることを
特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子
半導体装置。 - 【請求項５】 上記量子井戸層はＩｎＧａＡｓ又はＧａ
Ａｓにてなり、上記障壁層はＩｎＡｌＡｓ又はＡｌＡｓ
にてなることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つ
に記載の超格子半導体装置。 - 【請求項６】 一方の電極に、上記超格子半導体素子を
励起するための励起光を入射するための開口を形成した
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の
超格子半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9250332A JP2950801B2 (ja) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | 超格子半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9250332A JP2950801B2 (ja) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | 超格子半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1197739A JPH1197739A (ja) | 1999-04-09 |
| JP2950801B2 true JP2950801B2 (ja) | 1999-09-20 |
Family
ID=17206348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9250332A Expired - Fee Related JP2950801B2 (ja) | 1997-09-16 | 1997-09-16 | 超格子半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2950801B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9913950D0 (en) | 1999-06-15 | 1999-08-18 | Arima Optoelectronics Corp | Unipolar light emitting devices based on iii-nitride semiconductor superlattices |
| JP4173716B2 (ja) * | 2002-10-21 | 2008-10-29 | 三菱電機株式会社 | 導波路型フォトダイオードおよびその製造方法 |
| CN103000740B (zh) * | 2012-11-28 | 2015-09-09 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法 |
-
1997
- 1997-09-16 JP JP9250332A patent/JP2950801B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1197739A (ja) | 1999-04-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |