JP2962869B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JP2962869B2 JP3145633A JP14563391A JP2962869B2 JP 2962869 B2 JP2962869 B2 JP 2962869B2 JP 3145633 A JP3145633 A JP 3145633A JP 14563391 A JP14563391 A JP 14563391A JP 2962869 B2 JP2962869 B2 JP 2962869B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】

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)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
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