JP2962869B2 - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光の照射によって電子
の移動度を変化させる半導体装置に関する。本発明の半
導体装置は、光検出器あるいは光信号をゲートとして電
流のスイッチングを行なう光ゲートトランジスタなどに
用いられる。
の移動度を変化させる半導体装置に関する。本発明の半
導体装置は、光検出器あるいは光信号をゲートとして電
流のスイッチングを行なう光ゲートトランジスタなどに
用いられる。
【０００２】
【従来の技術】従来、光検出器として次の様なものが提
案されている。
案されている。
【０００３】第１に、降伏電圧以下に逆バイアスされた
ｐｎ接合が電磁放射を受けて電子・ホール対を生成しキ
ャリア数を変えて光電流を変調するｐｎ接合型フォトダ
イオードが使われている。
ｐｎ接合が電磁放射を受けて電子・ホール対を生成しキ
ャリア数を変えて光電流を変調するｐｎ接合型フォトダ
イオードが使われている。
【０００４】第２に、近年、赤外光の光検出器として提
案されているもので、量子井戸のサブバンド間遷移を用
いている光検出器がある。例えば、Applied Physics Le
tters vol.50,No.16,pp.1092-1094 で提案されている赤
外光検出器のエネルギーバンド図を図９及び図１０に示
す。この検出器において、先ず、図９に示される様に、
ドーピングされた多重量子井戸構造７０の井戸面に垂直
に、即ち図９の水平方向に電界を印加しておく。この光
検出器に量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーに等し
い光が照射されると、図１０の様に、基底状態から励起
状態に遷移したエレクトロンがトンネリングによってバ
リア層を通り抜け、ホットエレクトロン７１となって井
戸層間を流れる。その結果、赤外光、即ち上記サブバン
ド間遷移エネルギーに等しい光子エネルギーを有する光
の検出が可能となる。
案されているもので、量子井戸のサブバンド間遷移を用
いている光検出器がある。例えば、Applied Physics Le
tters vol.50,No.16,pp.1092-1094 で提案されている赤
外光検出器のエネルギーバンド図を図９及び図１０に示
す。この検出器において、先ず、図９に示される様に、
ドーピングされた多重量子井戸構造７０の井戸面に垂直
に、即ち図９の水平方向に電界を印加しておく。この光
検出器に量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーに等し
い光が照射されると、図１０の様に、基底状態から励起
状態に遷移したエレクトロンがトンネリングによってバ
リア層を通り抜け、ホットエレクトロン７１となって井
戸層間を流れる。その結果、赤外光、即ち上記サブバン
ド間遷移エネルギーに等しい光子エネルギーを有する光
の検出が可能となる。
【０００５】更に、Japanese Journal of Applied Phys
ics vol.21,NO.6,pp.L381〜L383において、電界効果ト
ランジスタの究極的な速度限界つまりソースからドレイ
ンに電子が遷移する時間よりも高速なスイッチングが行
なえるトランジスタとして、velocity modulation tran
sistor（ＶＭＴ）が提案されている。このトランジスタ
は、チャネル中に存在する電子数Ｎは殆ど一定に保った
まま、チャンネル内を走る電子の移動度つまり速度を、
ゲートに印加する電圧によって変えて、ソース・ドレイ
ン間の電流を変調する構造を有している。その為、キャ
リア数Ｎを変える時間、すなわち、ソース・ドレイン間
の電子のトランジットタイムに依らない高速な動作が可
能である。
ics vol.21,NO.6,pp.L381〜L383において、電界効果ト
ランジスタの究極的な速度限界つまりソースからドレイ
ンに電子が遷移する時間よりも高速なスイッチングが行
なえるトランジスタとして、velocity modulation tran
sistor（ＶＭＴ）が提案されている。このトランジスタ
は、チャネル中に存在する電子数Ｎは殆ど一定に保った
まま、チャンネル内を走る電子の移動度つまり速度を、
ゲートに印加する電圧によって変えて、ソース・ドレイ
ン間の電流を変調する構造を有している。その為、キャ
リア数Ｎを変える時間、すなわち、ソース・ドレイン間
の電子のトランジットタイムに依らない高速な動作が可
能である。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例には以下の如き問題点があった。
記従来例には以下の如き問題点があった。
【０００７】先ず、ｐｎ接合型フォトダイオードでは、
その応答時間がｐｎ接合の容量Ｃと負荷抵抗Ｒで決まる
ＣＲ時定数に依るので、高速な応答が困難である。
その応答時間がｐｎ接合の容量Ｃと負荷抵抗Ｒで決まる
ＣＲ時定数に依るので、高速な応答が困難である。
【０００８】一方、図９及び図１０の如き光検出器で
は、ホットエレクトロン化するのに予め量子井戸構造に
高電界を印加していなければならない為、トンネリング
によって生じる電流、いわゆる暗電流が多い。また、こ
の種の検出素子の応答速度は、究極的には光励起された
キャリアが量子井戸層間を突き抜けて電極に到達する時
間（トランジットタイム）で決定されており、約３０ｐ
ｓと見積もられている。
は、ホットエレクトロン化するのに予め量子井戸構造に
高電界を印加していなければならない為、トンネリング
によって生じる電流、いわゆる暗電流が多い。また、こ
の種の検出素子の応答速度は、究極的には光励起された
キャリアが量子井戸層間を突き抜けて電極に到達する時
間（トランジットタイム）で決定されており、約３０ｐ
ｓと見積もられている。
【０００９】また、ＶＭＴは前述の様に応答速度がトラ
ンジットタイムに依って制限されないが、エレクトロン
の移動度を変調するのにゲート電極に電圧を印加するこ
とを用いているので、ゲートキャパシタンスＣと電圧印
加電源抵抗とチャネル抵抗の直列抵抗Ｒに依って決まる
ＣＲ時定数に依って素子の応答時間が制限され、十分な
応答速度が得られなかった。
ンジットタイムに依って制限されないが、エレクトロン
の移動度を変調するのにゲート電極に電圧を印加するこ
とを用いているので、ゲートキャパシタンスＣと電圧印
加電源抵抗とチャネル抵抗の直列抵抗Ｒに依って決まる
ＣＲ時定数に依って素子の応答時間が制限され、十分な
応答速度が得られなかった。
【００１０】従って、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決し、光に対して電流が極めて高速に応答す
る半導体装置を提供することにある。
問題点を解決し、光に対して電流が極めて高速に応答す
る半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の目的は、
ソースとドレイン間に電子を流すチャネル構造と該チャ
ネル構造に光を入射する手段とを有する光半導体装置に
おいて、前記チャネル構造は、互いに異なる電子移動度
を有する量子井戸層とバリア層とから成る量子閉じ込め
構造によって形成され、且つ、前記量子井戸層は、第１
のサブバンド準位と、該第１のサブバンド準位よりも高
次の第２のサブバンド準位とを有し、前記チャネル構造
に、前記第１及び第２のサブバンド準位間のエネルギー
に等しいフォトンエネルギーを有する光を入射させるこ
とによって、第１のサブバンド準位にある電子を第２の
サブバンド準位に遷移させ、その後、第２のサブバンド
準位に遷移した電子が量子井戸層からバリア層に実空間
で遷移し、量子井戸層にある電子の数とバリア層にある
電子の数の割合が変化することを利用してチャネル構造
を流れる電子の移動度を変化させ、それによりソースと
ドレイン間の電流を変調することによって達成される。
このようなチャネル構造は、電子を２次元的に閉じ込め
る量子細線、或は電子を１次元的に閉じ込める量子井戸
や単一ヘテロ界面等によって形成される。
ソースとドレイン間に電子を流すチャネル構造と該チャ
ネル構造に光を入射する手段とを有する光半導体装置に
おいて、前記チャネル構造は、互いに異なる電子移動度
を有する量子井戸層とバリア層とから成る量子閉じ込め
構造によって形成され、且つ、前記量子井戸層は、第１
のサブバンド準位と、該第１のサブバンド準位よりも高
次の第２のサブバンド準位とを有し、前記チャネル構造
に、前記第１及び第２のサブバンド準位間のエネルギー
に等しいフォトンエネルギーを有する光を入射させるこ
とによって、第１のサブバンド準位にある電子を第２の
サブバンド準位に遷移させ、その後、第２のサブバンド
準位に遷移した電子が量子井戸層からバリア層に実空間
で遷移し、量子井戸層にある電子の数とバリア層にある
電子の数の割合が変化することを利用してチャネル構造
を流れる電子の移動度を変化させ、それによりソースと
ドレイン間の電流を変調することによって達成される。
このようなチャネル構造は、電子を２次元的に閉じ込め
る量子細線、或は電子を１次元的に閉じ込める量子井戸
や単一ヘテロ界面等によって形成される。
【００１２】こうした構成を有するので、装置の応答速
度は、量子井戸内などで照射光によりキャリアが励起準
位にサブバンド間遷移する時間、キャリアが実空間或は
ｋ空間で遷移する時間、励起キャリアが基底準位に落ち
込む期間のみに依存する。そして、これらの遷移時間は
いずれもサブピコ秒程度である為、極めて高速の応答が
可能な光半導体装置が実現できる。
度は、量子井戸内などで照射光によりキャリアが励起準
位にサブバンド間遷移する時間、キャリアが実空間或は
ｋ空間で遷移する時間、励起キャリアが基底準位に落ち
込む期間のみに依存する。そして、これらの遷移時間は
いずれもサブピコ秒程度である為、極めて高速の応答が
可能な光半導体装置が実現できる。
【００１３】
【実施例】図１は、本発明の半導体装置の概略構成を示
す斜視図である。図１において、符号１は半導体基板を
示す。この基板１上には、複数の半導体層から成る量子
井戸構造のチャネル部２および半導体キャップ層１０が
形成されている。キャップ層１０の中央には、入射光３
の入射方向に沿って延びるリッジが形成されている。こ
のリッジは、入射光３を伝搬させる導波路として働く。
また、このリッジは、キャップ層１０を成長させた後、
キャップ層の一部をメサエッチングによって除去するこ
とによって形成される。
す斜視図である。図１において、符号１は半導体基板を
示す。この基板１上には、複数の半導体層から成る量子
井戸構造のチャネル部２および半導体キャップ層１０が
形成されている。キャップ層１０の中央には、入射光３
の入射方向に沿って延びるリッジが形成されている。こ
のリッジは、入射光３を伝搬させる導波路として働く。
また、このリッジは、キャップ層１０を成長させた後、
キャップ層の一部をメサエッチングによって除去するこ
とによって形成される。
【００１４】キヤップ層１０のリッジの両側には、ソー
ス電極６及びドレイン電極７がそれぞれ形成されてい
る。これらの電極の下部には、それぞれソース電極拡散
領域４及びドレイン電極拡散領域５が設けられている。
これらの電極拡散領域は、チャネル部２と電極とをコン
タクトさせる為のものである。これらの拡散領域４及び
５は、キャップ層１０上に電極を形成した後、この装置
を恒温槽に入れて加熱し、電極を形成する金属をキャッ
プ層１０、チャネル部２および基板１の一部に拡散させ
ることによって形成される。
ス電極６及びドレイン電極７がそれぞれ形成されてい
る。これらの電極の下部には、それぞれソース電極拡散
領域４及びドレイン電極拡散領域５が設けられている。
これらの電極拡散領域は、チャネル部２と電極とをコン
タクトさせる為のものである。これらの拡散領域４及び
５は、キャップ層１０上に電極を形成した後、この装置
を恒温槽に入れて加熱し、電極を形成する金属をキャッ
プ層１０、チャネル部２および基板１の一部に拡散させ
ることによって形成される。
【００１５】電極６及び７には、電圧源８が接続され、
この電圧源８によってソース−ドレイン間に電圧が印加
される。また、ソース−ドレイン間を流れる電流量は、
電流検出器９によって検知される。チャネル部２には、
光が入射される。この入射光３は、その偏光方向がチャ
ネル部を構成する半導体層の厚さ方向、即ち、基板１の
表面に垂直な方向と平行な直線偏光光である。
この電圧源８によってソース−ドレイン間に電圧が印加
される。また、ソース−ドレイン間を流れる電流量は、
電流検出器９によって検知される。チャネル部２には、
光が入射される。この入射光３は、その偏光方向がチャ
ネル部を構成する半導体層の厚さ方向、即ち、基板１の
表面に垂直な方向と平行な直線偏光光である。
【００１６】図２は、前記チャネル部２の構成の第１実
施例を示す伝導帯のエネルギーバンド図である。本実施
例においては、チャネル部２は、基板１上に半導体層１
１〜１５を順次成長させることによって形成される。こ
れらの半導体層の成長は、例えば分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）あるいは有機金属化学気相堆積法（ＭＯ−Ｃ
ＶＤ）などを用いて行なわれる。
施例を示す伝導帯のエネルギーバンド図である。本実施
例においては、チャネル部２は、基板１上に半導体層１
１〜１５を順次成長させることによって形成される。こ
れらの半導体層の成長は、例えば分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）あるいは有機金属化学気相堆積法（ＭＯ−Ｃ
ＶＤ）などを用いて行なわれる。
【００１７】図２において、符号１１および１５は、ド
ナーがドーピングされたｎ型（ｎ−）ＡｌxＧａ1-xＡｓ
バリア層を示す。また、符号１２及び１４は、不純物が
ドーピングされていないintrinsic （ｉ−）ＡｌxＧａ
1-xＡｓバリア層を示す。また、符号１３は、ＧａＡｓ
量子井戸層を示す。量子井戸層１３の厚さとバリア層１
１、１２、１４及び１５のＡｌの組成比ｘは、量子井戸
１３の第１サブバンドのエネルギーレベルがバリア層の
ｋ空間のＸバンドのエネルギーレベルよりも低い準位に
あり、第２サブバンドないし更なる高次のサブバンド準
位がバリア層のｋ空間のＸバンドのエネルギーレベルよ
りも高い準位にある様に設定されている。本実施例で
は、厚さ５０ÅのＧａＡｓのウェル層１３と、ドナーが
１０18ｃｍ-3の密度にドーピングされたＡｌＡｓバリア
層によって（すなわちｘ＝１）電子のチャネルとなる量
子井戸構造が構成されている。
ナーがドーピングされたｎ型（ｎ−）ＡｌxＧａ1-xＡｓ
バリア層を示す。また、符号１２及び１４は、不純物が
ドーピングされていないintrinsic （ｉ−）ＡｌxＧａ
1-xＡｓバリア層を示す。また、符号１３は、ＧａＡｓ
量子井戸層を示す。量子井戸層１３の厚さとバリア層１
１、１２、１４及び１５のＡｌの組成比ｘは、量子井戸
１３の第１サブバンドのエネルギーレベルがバリア層の
ｋ空間のＸバンドのエネルギーレベルよりも低い準位に
あり、第２サブバンドないし更なる高次のサブバンド準
位がバリア層のｋ空間のＸバンドのエネルギーレベルよ
りも高い準位にある様に設定されている。本実施例で
は、厚さ５０ÅのＧａＡｓのウェル層１３と、ドナーが
１０18ｃｍ-3の密度にドーピングされたＡｌＡｓバリア
層によって（すなわちｘ＝１）電子のチャネルとなる量
子井戸構造が構成されている。
【００１８】こうした構成において、図１に示す様に量
子井戸層の表面に垂直な方向に偏光した光で且つそのフ
ォトンエネルギーが基底準位（第１のサブバンド準位）
と高次のサブバンド準位（図２では第２サブバンドとし
て示されている）との間のエネルギーに等しい光が、リ
ッジ導波路に導かれてチャンネル部２に入射したとす
る。このとき、基底準位にあったエレクトロンは、一
部、光強度に依存したレートで高次準位に励起される。
しかし、バリア層１１、１２、１４及び１５のｋ空間の
Ｘバンドはこの井戸層１３の励起準位よりも低いレベル
にあるので、励起された電子はバンド間散乱によりおよ
そ数１００ｆｓ後に井戸層１３のｋ空間のΓバンドから
バリア層のＸバンドにフォノンと相互作用しつつ緩和す
る。こうしてエレクトロンはｋ空間を遷移しつつ実空間
を遷移して井戸層１３からバリア層１１、１２、１４及
び１５へと移動する。
子井戸層の表面に垂直な方向に偏光した光で且つそのフ
ォトンエネルギーが基底準位（第１のサブバンド準位）
と高次のサブバンド準位（図２では第２サブバンドとし
て示されている）との間のエネルギーに等しい光が、リ
ッジ導波路に導かれてチャンネル部２に入射したとす
る。このとき、基底準位にあったエレクトロンは、一
部、光強度に依存したレートで高次準位に励起される。
しかし、バリア層１１、１２、１４及び１５のｋ空間の
Ｘバンドはこの井戸層１３の励起準位よりも低いレベル
にあるので、励起された電子はバンド間散乱によりおよ
そ数１００ｆｓ後に井戸層１３のｋ空間のΓバンドから
バリア層のＸバンドにフォノンと相互作用しつつ緩和す
る。こうしてエレクトロンはｋ空間を遷移しつつ実空間
を遷移して井戸層１３からバリア層１１、１２、１４及
び１５へと移動する。
【００１９】ここで、井戸層１３における電子の有効質
量と、バリア層１１〜１５における電子の有効質量とは
異なっている。例えば、本実施例における有効質量は、
真空中の電子質量をｍ0としたとき、以下の様に表わさ
れる。 ウェル層における電子の有効質量 ｍΓn＝０．０６７ｍ0 バリア層における電子の有効質量 ｍＸn＝（０．８５−０．０７ｘ）ｍ0 従って、電子の移動度は、この有効質量の逆数比によっ
て変調を受ける。図３に、この様な電子の移動度の変化
による本実施例の電流変化を示す。
量と、バリア層１１〜１５における電子の有効質量とは
異なっている。例えば、本実施例における有効質量は、
真空中の電子質量をｍ0としたとき、以下の様に表わさ
れる。 ウェル層における電子の有効質量 ｍΓn＝０．０６７ｍ0 バリア層における電子の有効質量 ｍＸn＝（０．８５−０．０７ｘ）ｍ0 従って、電子の移動度は、この有効質量の逆数比によっ
て変調を受ける。図３に、この様な電子の移動度の変化
による本実施例の電流変化を示す。
【００２０】図３において、横軸は入射光の強度を、縦
軸はソース−ドレイン間の電流を夫々示す。このよう
に、本実施例では、入射光の光強度に応じて電子が井戸
層１３から、よりその中での有効質量が重くなるバリア
層に移動するので移動度が下がって、電流が図３の様に
変化することになる。
軸はソース−ドレイン間の電流を夫々示す。このよう
に、本実施例では、入射光の光強度に応じて電子が井戸
層１３から、よりその中での有効質量が重くなるバリア
層に移動するので移動度が下がって、電流が図３の様に
変化することになる。
【００２１】図４は、チャネル部の第２実施例を示す伝
導帯のエネルギーバンド図である。このチャネル部以外
は、図１の様に構成されている。
導帯のエネルギーバンド図である。このチャネル部以外
は、図１の様に構成されている。
【００２２】本実施例においては、チャネル部は、基板
１上に順次積層されたバリア層２１、量子井戸層２３及
びバリア層２５によって構成されている。ここで、バリ
ア層２１、２５のｋ空間のＸバンドはバリア層２１、２
５のｋ空間の中央部のΓバンドよりもエネルギー準位が
高く設定されている。すなわち、バリア層２１、２５も
直接遷移半導体で構成されている。第１サブバンドは井
戸層２３の中に存在している。
１上に順次積層されたバリア層２１、量子井戸層２３及
びバリア層２５によって構成されている。ここで、バリ
ア層２１、２５のｋ空間のＸバンドはバリア層２１、２
５のｋ空間の中央部のΓバンドよりもエネルギー準位が
高く設定されている。すなわち、バリア層２１、２５も
直接遷移半導体で構成されている。第１サブバンドは井
戸層２３の中に存在している。
【００２３】このとき、第１サブバンドとバリア層２
１、２５のΓバンドの最下端とのエネルギー差よりも大
きな光子エネルギーを持ち、偏光方向が量子井戸層の表
面に対して垂直な光が入射すると、変調ドーピング、即
ち電子が存在しないＡｌＧａＡｓ層２１、２５のみに不
純物がドープされＧａＡｓ層２３に電子が供給されてい
る構成によってウェル層２３に蓄積されていたエレクト
ロンは光励起され、一部はバリア層にも存在する様にな
る。
１、２５のΓバンドの最下端とのエネルギー差よりも大
きな光子エネルギーを持ち、偏光方向が量子井戸層の表
面に対して垂直な光が入射すると、変調ドーピング、即
ち電子が存在しないＡｌＧａＡｓ層２１、２５のみに不
純物がドープされＧａＡｓ層２３に電子が供給されてい
る構成によってウェル層２３に蓄積されていたエレクト
ロンは光励起され、一部はバリア層にも存在する様にな
る。
【００２４】ここで、井戸層及びバリア層における電子
の有効質量は、第１実施例と同様に、以下の様に表わさ
れる。 ウェル層における電子の有効質量 ｍn＝０．０６７ｍ0 バリア層における電子の有効質量 ｍn＝（０．０６７＋０．０８３ｘ）ｍ0 従って、バリア層２１、２５に遷移した電子はウェル層
２３に存在する電子よりも重い有効質量を持つことにな
り、光照射によって第１実施例と同様に移動度を変調す
ることが可能となる。こうしてソース・ドレイン間の電
流が変化する。
の有効質量は、第１実施例と同様に、以下の様に表わさ
れる。 ウェル層における電子の有効質量 ｍn＝０．０６７ｍ0 バリア層における電子の有効質量 ｍn＝（０．０６７＋０．０８３ｘ）ｍ0 従って、バリア層２１、２５に遷移した電子はウェル層
２３に存在する電子よりも重い有効質量を持つことにな
り、光照射によって第１実施例と同様に移動度を変調す
ることが可能となる。こうしてソース・ドレイン間の電
流が変化する。
【００２５】図５は、チャネル部の第３実施例を示す伝
導帯のエネルギーバンド図である。このチャネル部以外
は、第１図の様に構成されている。本実施例において
は、チャネル部は、基板１上に順次積層されたバリア層
３１、量子井戸層３３及びバリア層３５によって構成さ
れている。
導帯のエネルギーバンド図である。このチャネル部以外
は、第１図の様に構成されている。本実施例において
は、チャネル部は、基板１上に順次積層されたバリア層
３１、量子井戸層３３及びバリア層３５によって構成さ
れている。
【００２６】本実施例では、量子井戸層３３のＸバンド
の底が量子井戸層３３のΓバンドの底やバリア層３１、
３５のＸバンド及びΓバンドの底よりも低くなる様に設
定されており、こうして量子井戸構造をチャネルとした
トランジスタを構成している。このとき、第１実施例と
同様に、Ｘバンド内に形成される井戸３３の第１サブバ
ンドはバリア層３１、３５のＸバンド及びΓバンドより
も低くなっている。
の底が量子井戸層３３のΓバンドの底やバリア層３１、
３５のＸバンド及びΓバンドの底よりも低くなる様に設
定されており、こうして量子井戸構造をチャネルとした
トランジスタを構成している。このとき、第１実施例と
同様に、Ｘバンド内に形成される井戸３３の第１サブバ
ンドはバリア層３１、３５のＸバンド及びΓバンドより
も低くなっている。
【００２７】ＡｌＧａＡｓ系では、例えば、量子井戸３
３をＡｌＡｓ層にし、バリア層３１、３５をＡｌＧａＡ
ｓで構成しＡｌの混晶比を０．３程度以上にしたり、Ｇ
ａＡｓ層を４０Å程度以下とした所謂タイプＩＩの超格
子とすることによって、上記バンド構造が得られる。
３をＡｌＡｓ層にし、バリア層３１、３５をＡｌＧａＡ
ｓで構成しＡｌの混晶比を０．３程度以上にしたり、Ｇ
ａＡｓ層を４０Å程度以下とした所謂タイプＩＩの超格
子とすることによって、上記バンド構造が得られる。
【００２８】図６は第３実施例における照射光の光強度
とソース・ドレイン間電流の関係を示す。本実施例で
は、バリア層３１及び３５内における電子の有効質量が
井戸層３３内における電子の有効質量より小さいので、
光強度が増えるに従い移動度が大きくなる。その為、通
常のフォトダイオードと同様に光強度の増加につれてソ
ース・ドレイン間電流は増加する。
とソース・ドレイン間電流の関係を示す。本実施例で
は、バリア層３１及び３５内における電子の有効質量が
井戸層３３内における電子の有効質量より小さいので、
光強度が増えるに従い移動度が大きくなる。その為、通
常のフォトダイオードと同様に光強度の増加につれてソ
ース・ドレイン間電流は増加する。
【００２９】図７は、本実施例を光ゲートトランジスタ
に適用した例を示すブロック図である。図７において、
符号５８は図１のようなデバイスである。このデバイス
５８の電極間には、電流５９によって電圧が印加されて
いる。このデバイス５８には半導体レーザなどのレーザ
光源６１よりゲート光ＬGが照射される。この光ＬGをレ
ーザ駆動回路６０からレーザ光源に供給する電流ｉGで
変調することによって、デバイス５８のドレイン電流ｉ
Dが変調される。ゲート光ＬGをパルス幅１ｐｓ以下のパ
ルス光とすると、ドレイン電流ｉDをこの速度で変調す
ることができ、高速な電流変調器を実現することができ
る。
に適用した例を示すブロック図である。図７において、
符号５８は図１のようなデバイスである。このデバイス
５８の電極間には、電流５９によって電圧が印加されて
いる。このデバイス５８には半導体レーザなどのレーザ
光源６１よりゲート光ＬGが照射される。この光ＬGをレ
ーザ駆動回路６０からレーザ光源に供給する電流ｉGで
変調することによって、デバイス５８のドレイン電流ｉ
Dが変調される。ゲート光ＬGをパルス幅１ｐｓ以下のパ
ルス光とすると、ドレイン電流ｉDをこの速度で変調す
ることができ、高速な電流変調器を実現することができ
る。
【００３０】図８は、本発明の半導体装置を光通信シス
テムの光検出器として用いた例を説明するブロック図で
ある。図８において、符号６６は光信号を伝送する光フ
ァイバーである。この光ファイバー６６には、光ノード
６７1，６７2，・・・，６７nを夫々介して、複数のタ
ーミナル６８1，６８2，・・・，６８nが接続されてい
る。夫々のターミナルには、キーボード、表示素子など
を有する端末装置６９1，６９2，・・・，６９nが接続
されている。
テムの光検出器として用いた例を説明するブロック図で
ある。図８において、符号６６は光信号を伝送する光フ
ァイバーである。この光ファイバー６６には、光ノード
６７1，６７2，・・・，６７nを夫々介して、複数のタ
ーミナル６８1，６８2，・・・，６８nが接続されてい
る。夫々のターミナルには、キーボード、表示素子など
を有する端末装置６９1，６９2，・・・，６９nが接続
されている。
【００３１】各ターミナルは、変調回路６３及びレーザ
光源６２から成る光信号送信機を有している。また、各
ターミナルは、光検出器８０及び復調回路８１から成る
光信号受信機を有している。これら送信機及び受信機
は、端末装置６９1からの指令に基づいて制御回路６４
によって制御される。前記光検出器８０として、図１で
説明した様な本発明の電子波干渉デバイスを好適に用い
ることができる。
光源６２から成る光信号送信機を有している。また、各
ターミナルは、光検出器８０及び復調回路８１から成る
光信号受信機を有している。これら送信機及び受信機
は、端末装置６９1からの指令に基づいて制御回路６４
によって制御される。前記光検出器８０として、図１で
説明した様な本発明の電子波干渉デバイスを好適に用い
ることができる。
【００３２】本発明は、以上説明した実施例の他にも種
々の応用が可能である。例えば、実施例は、井戸層をバ
リア層でサンドイッチにしているが、単一のヘテロ界面
によって量子閉じ込めを行なった構成としてもよい。ま
た、実施例の様に１次元の量子閉じ込めを行なう場合に
限らず、２次元の量子閉じ込めを行なった量子井戸層、
いわゆる量子ライン構造の装置にも本発明を適用するこ
とができる。
々の応用が可能である。例えば、実施例は、井戸層をバ
リア層でサンドイッチにしているが、単一のヘテロ界面
によって量子閉じ込めを行なった構成としてもよい。ま
た、実施例の様に１次元の量子閉じ込めを行なう場合に
限らず、２次元の量子閉じ込めを行なった量子井戸層、
いわゆる量子ライン構造の装置にも本発明を適用するこ
とができる。
【００３３】更に、実施例ではデバイスをＡｌＡｓ及び
ＡｌＧａＡｓを用いて作製しているが、ＩｎＧａＡｓな
どの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いて作製してもよい。
また、本発明のデバイスは、ＺｎＭｎＳｅ、ＣｄＭｎＴ
ｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体或は、ＣｕＣｌなどのＩ−
ＶＩＩ族半導体を用いて作製することもできる。本発明
は、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、この様
な応用例を全て包含するものである。
ＡｌＧａＡｓを用いて作製しているが、ＩｎＧａＡｓな
どの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いて作製してもよい。
また、本発明のデバイスは、ＺｎＭｎＳｅ、ＣｄＭｎＴ
ｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体或は、ＣｕＣｌなどのＩ−
ＶＩＩ族半導体を用いて作製することもできる。本発明
は、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、この様
な応用例を全て包含するものである。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、光により量子井戸内の
サブバンド間遷移を生じさせ移動度を変調することでソ
ース・ドレイン間のコンダクタンスを制御するので、光
励起されたキャリアが電極間を遷移するトランジットタ
イムに制限されない高速の光信号の検出が可能となる。
更に、この素子をトランジスタとして見れば、通常のＦ
ＥＴの様にゲート駆動回路のＣＲ時定数によって制限さ
れない高速の電流スイッチングが可能となる。
サブバンド間遷移を生じさせ移動度を変調することでソ
ース・ドレイン間のコンダクタンスを制御するので、光
励起されたキャリアが電極間を遷移するトランジットタ
イムに制限されない高速の光信号の検出が可能となる。
更に、この素子をトランジスタとして見れば、通常のＦ
ＥＴの様にゲート駆動回路のＣＲ時定数によって制限さ
れない高速の電流スイッチングが可能となる。
【図１】本発明の第１実施例の概略構成図である。
【図２】第１実施例の量子井戸構造のバンド構造を示す
図である。
図である。
【図３】第１実施例の照射光の強度とソース・ドレイン
間電流の関係を示す図である。
間電流の関係を示す図である。
【図４】第２実施例の量子井戸構造のバンド構造を示す
図である。
図である。
【図５】第３実施例の量子井戸構造のバンド構造を示す
図である。
図である。
【図６】第３実施例の照射光の強度とソース・ドレイン
間電流の関係を示す図である。
間電流の関係を示す図である。
【図７】本発明の装置を光ゲートトランジスタとして用
いた例を示すブロック図である。
いた例を示すブロック図である。
【図８】本発明の装置を光通信システムの光検出器とし
て用いた例を示すブロック図である。
て用いた例を示すブロック図である。
【図９】従来の光検出器の検出原理を説明する為のエネ
ルギーバンド図である。
ルギーバンド図である。
【図１０】従来の光検出器の検出原理を説明する為のエ
ネルギーバンド図である。
ネルギーバンド図である。
１
半導体基板 ２
量子井戸構造層 ４
ソース電極拡散領域 ５
ドレイン電極拡散領域 ６
ソース電極 ７
ドレイン電極 ８
電圧源 ９
電流検出器 １０
キャップ層 １１，１２，１４，１５，２１，２５，３１，３５
バリア層 １３，２３，３３
井戸層 ５８
半導体装置 ５９
電源 ６０
レーザ駆動回路 ６１，６２
レーザ光源 ６３
変調回路 ６４
制御回路 ６６
光ファイバ ６８n
ターミナル ６７n
光ノード ６９n
端末 ８０
光検出器 ８１
復調回路
半導体基板 ２
量子井戸構造層 ４
ソース電極拡散領域 ５
ドレイン電極拡散領域 ６
ソース電極 ７
ドレイン電極 ８
電圧源 ９
電流検出器 １０
キャップ層 １１，１２，１４，１５，２１，２５，３１，３５
バリア層 １３，２３，３３
井戸層 ５８
半導体装置 ５９
電源 ６０
レーザ駆動回路 ６１，６２
レーザ光源 ６３
変調回路 ６４
制御回路 ６６
光ファイバ ６８n
ターミナル ６７n
光ノード ６９n
端末 ８０
光検出器 ８１
復調回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10
Claims (8)
- 【請求項１】 ソースとドレイン間に電子を流すチャネ
ル構造と該チャネル構造に光を入射する手段とを有する
光半導体装置において、前記チャネル構造は、互いに異
なる電子移動度を有する量子井戸層とバリア層とから成
る量子閉じ込め構造によって形成され、且つ、前記量子
井戸層は、第１のサブバンド準位と、該第１のサブバン
ド準位よりも高次の第２のサブバンド準位とを有し、前
記チャネル構造に、前記第１及び第２のサブバンド準位
間のエネルギーに等しいフォトンエネルギーを有する光
を入射させることによって、第１のサブバンド準位にあ
る電子を第２のサブバンド準位に遷移させ、その後、第
２のサブバンド準位に遷移した電子が量子井戸層からバ
リア層に実空間で遷移し、量子井戸層にある電子の数と
バリア層にある電子の数の割合が変化することを利用し
てチャネル構造を流れる電子の移動度を変化させ、それ
によりソースとドレイン間の電流を変調することを特徴
とする光半導体装置。 - 【請求項２】 前記量子閉じ込め構造が電子を１次元的
に閉じ込める量子井戸によって形成されている請求項１
記載の光半導体装置。 - 【請求項３】 前記量子閉じ込め構造が電子を１次元的
に閉じ込める単一ヘテロ界面によって形成されている請
求項１記載の光半導体装置。 - 【請求項４】 前記量子閉じ込め構造が電子を２次元的
に閉じ込める量子細線によって形成されている請求項１
記載の光半導体装置。 - 【請求項５】 電子がｋ空間での遷移を介して実空間で
遷移する様に構成されている請求項１記載の光半導体装
置。 - 【請求項６】 前記量子閉じ込め構造がＡｌＧａＡｓ系
の材料で形成されている請求項１記載の光半導体装置。 - 【請求項７】 当該光半導体装置は光検出器として構成
されている請求項１記載の光半導体装置。 - 【請求項８】 当該光半導体装置は光ゲートトランジス
タとして構成されている請求項１記載の光半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145633A JP2962869B2 (ja) | 1990-05-23 | 1991-05-21 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-133581 | 1990-05-23 | ||
| JP13358190 | 1990-05-23 | ||
| JP3145633A JP2962869B2 (ja) | 1990-05-23 | 1991-05-21 | 光半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04226087A JPH04226087A (ja) | 1992-08-14 |
| JP2962869B2 true JP2962869B2 (ja) | 1999-10-12 |
Family
ID=26467904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3145633A Expired - Fee Related JP2962869B2 (ja) | 1990-05-23 | 1991-05-21 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2962869B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR970000963B1 (ko) * | 1992-12-22 | 1997-01-21 | 재단법인 한국전자통신연구소 | 광게이트를 갖는 진공 트랜지스터 및 그 제조방법 |
-
1991
- 1991-05-21 JP JP3145633A patent/JP2962869B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04226087A (ja) | 1992-08-14 |
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