JP3083768B2 - Super lattice semiconductor device - Google Patents

Super lattice semiconductor device

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JP3083768B2
JP3083768B2 JP08286515A JP28651596A JP3083768B2 JP 3083768 B2 JP3083768 B2 JP 3083768B2 JP 08286515 A JP08286515 A JP 08286515A JP 28651596 A JP28651596 A JP 28651596A JP 3083768 B2 JP3083768 B2 JP 3083768B2
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直毅 大谷
和義 黒柳
典文 江上
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株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信研究所
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
The present invention relates to a superlattice semiconductor device having a diode type semiconductor element having a superlattice layer and performing an oscillating operation.

【0002】[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、レーザー光によ
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、レーザー光によるキャリア励起によって連続発振を
生じる。
2. Description of the Related Art A conventional superlattice semiconductor device having a diode-type semiconductor element using a superlattice structure and performing an oscillation operation includes a superlattice doped with impurities and a superlattice not doped with impurities. is there. In the former case, continuous oscillation occurs by carrier excitation by laser light or by applying a certain voltage to two electrodes sandwiching the semiconductor layer. In the latter, continuous oscillation is generated by carrier excitation by laser light.

【0003】[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、超格子材料として、格子定数
が等しい2種類の材料、主として量子井戸層にGaAs
が用いられ、障壁層にAlAsが用いられている。この
系では、X準位の取り得る範囲が障壁層の材料であるA
lAsで制限されているため、キャリアがΓ準位からX
準位に流れ込むことができる電圧であるΓ−Xミキシン
グ電圧が生じる電圧、すなわち発振に必要な電圧は、用
いる材料の固有の値によって決まってしまい、素子設計
上の制約が大きかった。また、光励起の場合には、用い
ることのできるレーザー光の波長がGaAsの吸収端で
制限されるという問題点があった。
In a conventional semiconductor oscillating device having a superlattice structure, two types of materials having the same lattice constant, mainly GaAs, are used as the superlattice material.
And AlAs is used for the barrier layer. In this system, the possible range of the X level is A, which is the material of the barrier layer.
1As, the carrier moves from the キ ャ リ ア level to X
The voltage at which the Γ-X mixing voltage that can flow into the level, that is, the voltage required for oscillation is determined by the intrinsic value of the material used, and the element design is greatly restricted. Further, in the case of optical excitation, there is a problem that the wavelength of a laser beam that can be used is limited by the absorption edge of GaAs.

【0004】本発明の目的は以上の問題点を解決し、発
振に必要な印加電圧を比較的自由に設定でき、かつ光励
起にあたって入射光の波長制限の少ない、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。
An object of the present invention is to provide a superlattice semiconductor device which solves the above-mentioned problems and which can set an applied voltage required for oscillation relatively freely and has a small limitation on the wavelength of incident light upon photoexcitation and which performs an oscillation operation. To provide.

【0005】[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
を備えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を
構成する少なくとも1対の障壁層と量子井戸層は、互い
に異なる格子定数を有する材料にてなり、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。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a superlattice semiconductor device having a superlattice structure in which barrier layers and quantum well layers are alternately stacked between two electrodes. A superlattice semiconductor device comprising a superlattice semiconductor element in which a second semiconductor layer, which is a semiconductor i-layer, is interposed between first and third semiconductor layers, respectively, constituting the superlattice structure. At least one pair of the barrier layer and the quantum well layer are made of materials having different lattice constants from each other, and one of the electrodes has an opening for injecting excitation light for exciting the superlattice semiconductor element. It is characterized by.

【0006】また、請求項2記載の超格子半導体装置
は、請求項1記載の超格子半導体装置において、上記超
格子半導体素子は、p−i−n型又はn−i−n型であ
ることを特徴とする。
The superlattice semiconductor device according to claim 2 is the superlattice semiconductor device according to claim 1, wherein the superlattice semiconductor element is a pin type or a pin type. It is characterized by.

【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
とが交互に積層されてなる超格子構造を有する第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n+−n-−n+型超格子半導体素子を備えた超格
子半導体装置であって、上記超格子構造を構成する少な
くとも1対の障壁層と量子井戸層は、互いに異なる格子
定数を有する材料にてなり、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。
Further, the superlattice semiconductor device according to claim 3 of the present invention has a second semiconductor layer having a superlattice structure in which barrier layers and quantum well layers are alternately stacked between two electrodes. A superlattice semiconductor device provided with an n + -n -- n + type superlattice semiconductor element in which the superlattice structure is sandwiched between first and third semiconductor layers, respectively. The pair of barrier layers and the quantum well layers are made of materials having different lattice constants from each other, and an opening is formed in one of the electrodes to allow excitation light for exciting the superlattice semiconductor element to enter. Features.

【0008】また、請求項4記載の超格子半導体装置
は、請求項1、2又は3記載の超格子半導体装置におい
て、上記量子井戸層はInGaAs又はGaAsにてな
り、上記障壁層はInAlAsにてなることを特徴とす
る。
The superlattice semiconductor device according to claim 4 is the superlattice semiconductor device according to claim 1, 2 or 3, wherein the quantum well layer is made of InGaAs or GaAs, and the barrier layer is made of InAlAs. It is characterized by becoming.

【0009】さらに、請求項5記載の超格子半導体装置
は、基板上に、請求項1、2、3又は4記載の複数個の
超格子半導体素子をアレイ状に形成し、上記複数個の超
格子半導体素子の各一方の電極を互いに接続するととも
に、上記複数個の超格子半導体素子の各他方の電極を互
いに接続したことを特徴とする。
Further, in a superlattice semiconductor device according to a fifth aspect, a plurality of superlattice semiconductor elements according to the first, second, third or fourth aspect are formed in an array on a substrate, and One electrode of each of the lattice semiconductor elements is connected to each other, and the other electrodes of the plurality of super lattice semiconductor elements are connected to each other.

【0010】また、請求項6記載の超格子半導体装置
は、基板上に、請求項1、2、3又は4記載の複数個の
超格子半導体素子を行と列のマトリックス状に形成し、
上記複数個の超格子半導体素子の各一方の電極を各行毎
に互いに接続するとともに、上記複数個の超格子半導体
素子の各他方の電極を各列毎に互いに接続したことを特
徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a superlattice semiconductor device, wherein a plurality of superlattice semiconductor elements according to the first, second, third or fourth aspect are formed in a matrix of rows and columns on a substrate.
One electrode of each of the plurality of superlattice semiconductor elements is connected to each other for each row, and the other electrode of each of the plurality of superlattice semiconductor elements is connected to each other for each column.

【0011】さらに、請求項7記載の超格子半導体装置
は、請求項1、2、3又は4記載の超格子半導体装置に
おいて、基板上に、上記超格子半導体素子と、上記超格
子半導体素子から出力される発振信号を増幅して出力す
る増幅器を形成したことを特徴とする。
The superlattice semiconductor device according to claim 7 is the superlattice semiconductor device according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the superlattice semiconductor element and the superlattice semiconductor element are formed on a substrate. An amplifier for amplifying and outputting an output oscillation signal is formed.

【0012】[0012]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0013】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p型キャップ層13とn型
バッファ層17を介して挟設してなるヘテロ接合p−i
−n型ダイオード素子である超格子半導体素子10を備
えた超格子半導体装置であって、上記超格子構造を構成
する少なくとも1対の障壁層21と量子井戸層22は、
互いに異なる格子定数を有する材料にてなることを特徴
とする。
FIG. 1 is a sectional view showing a superlattice semiconductor device having a superlattice semiconductor element 10 according to an embodiment of the present invention. In the superlattice semiconductor device of this embodiment, the barrier layers 21-0 to 21-N (hereinafter, generically referred to as 21) and the quantum well layer 22 are provided between the two electrodes 11 and 12.
-1 to 22-N (hereinafter, generically referred to as 22) are alternately stacked on the intrinsic semiconductor i layer 15 having a superlattice structure, and the p-type cap layer 13 and the n-type buffer layer 17 are respectively formed. Heterojunction pi sandwiched between
A superlattice semiconductor device including the superlattice semiconductor element 10 which is an n-type diode element, wherein at least one pair of the barrier layer 21 and the quantum well layer 22 constituting the superlattice structure are:
It is characterized by being made of materials having mutually different lattice constants.

【0014】従来技術の超格子半導体素子では、発振を
得るために1V以上の逆バイアス電圧を印加することが
必要であったが、本実施形態においては、0V付近のバ
イアス電圧で実現する。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/cm3だけ注入されたn−G
aAs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2
×1018/cm3だけ注入されたn−GaAsにてなる
厚さ50nmのn型バッファ層17; (b)i−In0.2Al0.8Asにてなる厚さ5nmのi
型クラッド層16; (c)超格子構造を有する厚さ約300nmの真性半導
体i層(i−SL)15; (d)i−In0.2Al0.8Asにてなる厚さ5nmのi
型クラッド層14; (e)Beにてなるp型不純物イオンが例えば注入量5
×1018/cm3だけ注入されたp−GaAsにてなる
厚さ110nmのp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。 ここで、i型クラッド層14とp型キャップ層13とは
上述のように薄く形成されて、p型キャップ層13側か
ら入力される光を透過させる。
In the prior art superlattice semiconductor device, it was necessary to apply a reverse bias voltage of 1 V or more in order to obtain oscillation, but in the present embodiment, it is realized with a bias voltage near 0 V. As shown in FIG. 1, the superlattice semiconductor element 10 of the present embodiment has a flat plate-shaped electrode 12 made of Au on the back surface and n-type impurity ions made of Si, for example, at an implantation amount of 10 18 / cm 3. N-G injected
On an n-type semiconductor substrate 20 made of aAs and having a thickness of 300 μm, the following layers are sequentially laminated from the side close to the n-type semiconductor substrate 20. (A) An n-type impurity ion made of Si
A 50 nm thick n-type buffer layer 17 made of n-GaAs implanted by × 10 18 / cm 3 ; (b) a 5 nm thick i made of i-In 0.2 Al 0.8 As
(C) Intrinsic semiconductor i-layer (i-SL) 15 having a superlattice structure and having a thickness of about 300 nm; (d) i having a thickness of 5 nm and made of i-In 0.2 Al 0.8 As
Mold cladding layer 14; (e) p-type impurity ions of Be
A 110 nm-thick p-type cap layer 13 of p-GaAs implanted by × 10 18 / cm 3 ; and (f) a ring-shaped Au having an opening 11h penetrating in the thickness direction formed in the center. An electrode 11 consisting of Here, the i-type cladding layer 14 and the p-type cap layer 13 are formed to be thin as described above, and transmit light input from the p-type cap layer 13 side.

【0015】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i型クラッド層16に隣接するよう
に、GaAsにてなり18原子層の厚さ5nmの量子井
戸層22と、In0.2Al0.8Asにてなり18原子層の
厚さ5nmの障壁層21とを交互に、例えばN=30周
期(すなわち30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、負荷回路となる負荷抵抗32と、超
格子半導体素子10から出力される発振信号を電流増幅
して負荷抵抗32に出力する電流増幅器31とを介して
電極12に接続される。これによって、超格子半導体素
子10のの電極11,12間に所定の電界が印加される
ことになる。
The reason why the electrode 11 is formed into a ring shape is as follows.
After the above-mentioned lamination is performed, it is performed by a predetermined etching method. Further, the intrinsic semiconductor i layer 15, for example, as a quantum well layer 22-N is adjacent to the i-type cladding layer 16, a quantum well layer 22 of thickness 5nm of 18 atomic layers becomes at GaAs, an In 0.2 It is formed by alternately stacking 18 atomic layers of 5 nm thick barrier layers 21 of Al 0.8 As, for example, at N = 30 periods (ie, 30 pairs). The electrode 11 is connected to a variable DC power supply 30 having a reverse bias voltage Vb.
Are connected to the electrode 12 via a negative electrode and a positive electrode, a load resistor 32 serving as a load circuit, and a current amplifier 31 that current-amplifies an oscillation signal output from the superlattice semiconductor element 10 and outputs the amplified signal to the load resistor 32. . As a result, a predetermined electric field is applied between the electrodes 11 and 12 of the superlattice semiconductor element 10.

【0016】図2は、図1の超格子半導体素子10の真
性半導体i層15の厚さ方向の位置に対する準位エネル
ギーを示すエネルギーバンド図であり、図3は、図1の
超格子半導体素子10に対して逆バイアス電圧Vbを印
加したときの真性半導体i層15の各点における準位エ
ネルギーを示すエネルギーバンド図である。
FIG. 2 is an energy band diagram showing the level energy with respect to the position in the thickness direction of the intrinsic semiconductor i-layer 15 of the superlattice semiconductor device 10 of FIG. 1, and FIG. FIG. 10 is an energy band diagram showing level energies at respective points of the intrinsic semiconductor i-layer 15 when a reverse bias voltage Vb is applied to FIG.

【0017】図2及び図3において、Γは、量子井戸層
22において、波数ベクトルk=0又は(000)とな
るときの波数ベクトルk空間における伝導帯下端の点で
あり、Xは、障壁層21において、波数ベクトルk=
(100)となるときの波数ベクトルk空間における伝
導帯下端の点である。また、障壁層21がバルク型半導
体でないときの第1準位、第2準位、…のX点をそれぞ
れX1点、X2点、…と示す一方、量子井戸層22がバ
ルク型半導体でないときの第1準位、第2準位、…のΓ
点をそれぞれΓ1点、Γ2点、…と示している。ここ
で、X点を、2つの電極11及び12を結ぶ方向に対し
て平行であるz軸方向のXz点と、z軸方向に対して垂
直であるxy平面方向のXxy点とに分割して考える。
さらに、図2及び図3において、Γ2(0)は量子井戸
層22−0におけるΓ2点を示し、Γ2(1)は量子井
戸層22−1におけるΓ2点を示し、以下同様である。
Xz1(+1/2),Xz2(+1/2),Xxy1
(+1/2)はそれぞれ、障壁層21−0におけるXz
1点,Xz2点,Xxy1点を示し、Xz1(−1/
2),Xz2(−1/2),Xxy1(−1/2)はそ
れぞれ、障壁層21−1におけるXz1点,Xz2点,
Xxy1点を示し、以下同様である。
In FIGS. 2 and 3, Γ denotes a point at the lower end of the conduction band in the wave vector k space when the wave vector k = 0 or (000) in the quantum well layer 22, and X denotes a barrier layer. At 21, the wavenumber vector k =
This is the point at the bottom of the conduction band in the wave vector k-space when (100) is reached. The X points of the first level, the second level,... When the barrier layer 21 is not a bulk type semiconductor are shown as X1, X2,. 1st level, 2nd level, ...
Points are indicated as # 1 point, # 2 point, ... respectively. Here, the X point is divided into an Xz point in the z-axis direction parallel to the direction connecting the two electrodes 11 and 12 and an Xxy point in the xy plane direction perpendicular to the z-axis direction. Think.
2 and 3, Γ2 (0) indicates Γ2 point in the quantum well layer 22-0, Γ2 (1) indicates Γ2 point in the quantum well layer 22-1, and so on.
Xz1 (+ /), Xz2 (+ /), Xxy1
(+1/2) is the Xz in the barrier layer 21-0.
1 point, Xz2 point, Xxy1 point, and Xz1 (-1 /
2), Xz2 (-1/2), and Xxy1 (-1/2) are the Xz1 point, the Xz2 point, and the Xz1 point in the barrier layer 21-1, respectively.
Xxy1 point, and so on.

【0018】本実施形態の超格子半導体素子10におい
ては、超格子層である真性半導体i層15に、格子定数
が異なる材料の組み合わせを用いることにより生じる、
超格子中の歪みを利用する。例えば、GaAsの格子定
数は5.66である一方、In0.2Al0.8Asの格子定
数は5.74である。上記歪みの効果によって、量子井
戸層22のΓバンド端及び障壁層21のXバンド端を変
化させることができるので、Γ−Xミキシング電圧を自
由に設定でき、発振に必要な電圧の自由度を大きくする
ことが可能である。
In the superlattice semiconductor device 10 of this embodiment, the intrinsic semiconductor i-layer 15 which is a superlattice layer is formed by using a combination of materials having different lattice constants.
Utilize the strain in the superlattice. For example, the lattice constant of GaAs is 5.66, while the lattice constant of In 0.2 Al 0.8 As is 5.74. Since the 歪 み -band edge of the quantum well layer 22 and the X-band edge of the barrier layer 21 can be changed by the effect of the distortion, the Γ-X mixing voltage can be set freely, and the degree of freedom of the voltage required for oscillation can be reduced. It can be larger.

【0019】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、ある電界におい
て障壁層21のX準位と共鳴すると、一部の電子はX準
位に流れ込み、そこにトラップされる。本実施形態の超
格子半導体素子10では、超格子中の隣り合うΓ1準位
と各X準位、あるいはX準位同士が、0ボルト付近で交
差する(図3において、Pで示す。)。X準位にトラッ
プされた電子は、一般に緩和時間が長いため、そこから
抜け出すには長時間を要する。従って、X準位が他の準
位と共鳴する電圧では電子伝導が著しく阻害され、電子
のドリフト速度が急激に低下し、負性微分ドリフト速度
が実現される。負性微分ドリフト速度が実現される領域
では、電界ドメインの分布が不安定となり、振動を起こ
す。従って、その振動に同期した周波数で電流発振を生
じる。当該電流発振の発振信号は電流増幅器31によっ
て電流増幅されて負荷回路である負荷抵抗32に出力さ
れる。
In the superlattice semiconductor device configured as described above, the electrodes 11, 1 at both ends of the superlattice semiconductor element 10 are provided.
2 applies an electric field in a direction perpendicular to the superlattice, and the accelerated electrons travel to the adjacent quantum well layer 22 by the tunnel effect. , Some electrons flow into the X level and are trapped there. In the superlattice semiconductor device 10 of the present embodiment, the adjacent Γ1 level in the superlattice and each X level, or each X level, intersect near 0 volt (indicated by P in FIG. 3). An electron trapped at the X level generally has a long relaxation time, and it takes a long time to escape therefrom. Therefore, at a voltage at which the X level resonates with another level, electron conduction is significantly impaired, the electron drift speed drops sharply, and a negative differential drift speed is realized. In a region where the negative differential drift velocity is realized, the distribution of the electric field domain becomes unstable and causes oscillation. Therefore, current oscillation occurs at a frequency synchronized with the vibration. The oscillation signal of the current oscillation is amplified by the current amplifier 31 and output to the load resistor 32 which is a load circuit.

【0020】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が、本
実施形態においては、量子井戸層22にGaAsを用
い、障壁層21にInxAl(1-x)As(ここで、0<x
<1)を用いた構造を例にとると、障壁層21であるI
xAl(1-x)As層が、圧縮歪を受けることにより、そ
の中に存在する2種類のXバンド端(Xz点及びX
xy点)は分裂し、なおかつ、従来技術の超格子半導体素
子に用いられていた無歪の超格子よりそのバンド端が低
下する。この障壁層21中のX点のバンド端は、Inx
Al(1-x)As中のIn組成比x、量子井戸幅、障壁幅
によって変化させることができ、それに伴ってΓ準位及
びX準位の位置関係が変わるため、連続発振の生じる印
加電圧を自由に設定することが可能となる。
In the present invention, various materials can be used for the intrinsic semiconductor i-layer 15 which is a superlattice layer. In this embodiment, GaAs is used for the quantum well layer 22 and In x is used for the barrier layer 21. Al (1-x) As (where 0 <x
Taking the structure using <1) as an example, the barrier layer 21 of I
When the nx Al (1-x) As layer is subjected to compressive strain, two types of X band edges (X z point and X
(xy point) is split, and the band edge thereof is lower than that of the unstrained superlattice used in the conventional superlattice semiconductor device. The band edge of the point X in the barrier layer 21 is In x
It can be changed by the In composition ratio x, the quantum well width, and the barrier width in Al (1-x) As, and the positional relationship between the Γ level and the X level changes accordingly. Can be set freely.

【0021】本実施形態において、GaAsにてなる量
子井戸層22を用いているが、本発明はこれに限らず、
量子井戸層22の材料として、GaAsに代えてInx
Ga(1-x)As(0<x<1)を用いてもよい。この場
合、Inの組成比xを増加させることにより、バンドギ
ャップエネルギーを小さくすることができるので、より
長波長の励起光又はレーザー光で超格子半導体素子10
中のキャリアを励起でき、連続発振が可能になる。
In this embodiment, the quantum well layer 22 made of GaAs is used, but the present invention is not limited to this.
As the material of the quantum well layer 22, instead of GaAs, In x
Ga (1-x) As (0 <x <1) may be used. In this case, the bandgap energy can be reduced by increasing the composition ratio x of In, so that the superlattice semiconductor element 10 can be excited with longer wavelength excitation light or laser light.
The carrier inside can be excited and continuous oscillation becomes possible.

【0022】[0022]

【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4に、強度約5mWのアルゴンレーザーで光励起
したときの超格子半導体素子10に印加される逆バイア
ス電圧Vbに対する電流特性を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present inventor produced the superlattice semiconductor device of the embodiment shown in FIG. First, FIG. 4 shows a current characteristic with respect to a reverse bias voltage Vb applied to the superlattice semiconductor element 10 when optically excited by an argon laser having an intensity of about 5 mW.

【0023】図4から明らかなように、例えば、逆バイ
アス電圧Vbが−1.5V〜−0.3Vであって、電界
が比較的低いときには、電子は電界によって加速される
ため、電流が増加している。しかしながら、逆バイアス
電圧Vbが−0.3V以上になると、電流値は急激に減
少する。これは、電流値がドリフト速度にほぼ比例する
ためであり、すなわち、本実施形態の超格子半導体素子
は逆バイアス電圧−0.3V以上において負性微分ドリ
フト速度を示すことが分かる。
As is apparent from FIG. 4, for example, when the reverse bias voltage Vb is -1.5 V to -0.3 V and the electric field is relatively low, electrons are accelerated by the electric field, so that the current increases. doing. However, when the reverse bias voltage Vb becomes -0.3 V or more, the current value sharply decreases. This is because the current value is almost proportional to the drift speed, that is, the superlattice semiconductor device of the present embodiment shows a negative differential drift speed at a reverse bias voltage of −0.3 V or more.

【0024】図5に、図4と同一の励起条件で逆バイア
ス電圧Vbを変化させたときの光電流の時間的変化を示
す。なお、図5においては、逆バイアス電圧Vb毎に電
流のオフセットを変化させている。図5から明らかなよ
うに、逆バイアス電圧Vbが−0.3〜0.1Vの領域
で光電流が時間的に振動し、超格子半導体素子10が発
振していることがわかる。
FIG. 5 shows a temporal change of the photocurrent when the reverse bias voltage Vb is changed under the same excitation conditions as in FIG. In FIG. 5, the current offset is changed for each reverse bias voltage Vb. As is clear from FIG. 5, the photocurrent oscillates temporally in the region where the reverse bias voltage Vb is -0.3 to 0.1 V, and the superlattice semiconductor element 10 oscillates.

【0025】以上説明したように、本実施形態によれ
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p型キャップ層13とn型
バッファ層17を介して挟設してなるヘテロ接合p−i
−n型超格子半導体素子10を備えた超格子半導体装置
であって、上記超格子構造を構成する少なくとも1対の
障壁層21と量子井戸層22は、互いに異なる格子定数
を有する材料にてなるように構成したので、発振に必要
な印加電圧を比較的自由に設定でき、かつ光励起にあた
って入射光の波長制限の少ない、発振動作を行う超格子
半導体装置を提供することができる。例えば、バイアス
電圧を0V近傍に設定することにより、低電圧であって
低消費電力の超格子半導体装置を実現できる。本実施形
態では、歪の効果によってXバンド端を下げたことによ
り、極めて消費電力が小さい0ボルト前後での発振が得
られたことを示したが、障壁層21のInAlAsのI
n組成比や量子井戸層22及び障壁層21の幅などを変
化することによって任意の電圧値での発振を実現するこ
とが可能である。
As described above, according to the present embodiment, the intrinsic semiconductor i-layer having a superlattice structure in which the barrier layers 21 and the quantum well layers 22 are alternately stacked between the two electrodes 11 and 12. 15 each having a p-type cap layer 13 and an n-type buffer layer 17 interposed therebetween.
In a superlattice semiconductor device provided with an n-type superlattice semiconductor element 10, at least a pair of barrier layers 21 and quantum well layers 22 constituting the superlattice structure are made of materials having mutually different lattice constants. With such a configuration, it is possible to provide a superlattice semiconductor device which can relatively freely set an applied voltage required for oscillation and has a small limitation on the wavelength of incident light upon light excitation and performs an oscillation operation. For example, by setting the bias voltage near 0 V, a superlattice semiconductor device with low voltage and low power consumption can be realized. In the present embodiment, it was shown that the oscillation at about 0 volt with extremely low power consumption was obtained by lowering the X band edge due to the effect of the distortion.
By changing the n composition ratio, the width of the quantum well layer 22 and the width of the barrier layer 21, it is possible to realize oscillation at an arbitrary voltage value.

【0026】<第1の変形例>以上の実施形態において
は、GaAs/InxAl(1-x)Asからなる超格子層を
有するp−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1及び表2に示すn−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1及び表2において、組成比はこれに限定されな
い。また、超格子層の組成も表3に示す材料を用いても
よい。表3において、組成比はこれに限定されない。以
上の変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果
を得ることができる。
<First Modification> In the above embodiment, the superlattice semiconductor device 10 is a pin type diode device having a superlattice layer made of GaAs / In x Al (1-x) As. Although described, the present invention is not limited to this, n-i-n-type superlattice semiconductor element or n + -n shown in Table 1 and Table 2 - may be -n + -type superlattice semiconductor element . In Tables 1 and 2, the composition ratio is not limited to this. The composition of the superlattice layer may be the material shown in Table 3. In Table 3, the composition ratio is not limited to this. Also in the above modified example, the same operation and effect as the above embodiment can be obtained.

【0027】[0027]

【表1】 n−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 n−GaAs 110nm 5×1018,Si クラッド層14 i−In0.2Al0.8As 5nm 半導体i層15 GaAs/ 5nm In0.2Al0.8As 5nm 周期N=30 クラッド層16 i−In0.2Al0.8As 5nm バッファ層17 n−GaAs 50nm 2×1018,Si 半導体基板20 n−GaAs 300μm 1018 ───────────────────────────────────[Table 1] Nin-type superlattice semiconductor device ─────────────────────────────────── layer Or substrate composition thickness impurity doping amount (/ cm 3 ), impurity ──────────────────────────────────キ ャ ッ プ cap layer 13 n-GaAs 110 nm 5 × 10 18 , Si cladding layer 14 i-In 0.2 Al 0.8 As 5 nm semiconductor i layer 15 GaAs / 5 nm In 0.2 Al 0.8 As 5 nm period N = 30 cladding layer 16 i-In 0.2 Al 0.8 As 5 nm buffer layer 17 n-GaAs 50 nm 2 × 10 18 , Si semiconductor substrate 20 n-GaAs 300 μm 10 18 ───────────────────────── ──────────

【0028】[0028]

【表2】 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-−In0.2Al0.8As 5nm 1×1017,Si 半導体i層15 n-−GaAs/ 5nm 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 5nm 1×1017,Si バッファ層17 n+−GaAs 50nm 2×1018,Si 半導体基板20 n+−GaAs 300μm 1018,Si ───────────────────────────────────[Table 2] n + −n −n + type superlattice semiconductor device ─────────────────────────────────層 Layer or substrate composition Thickness Impurity doping amount (/ cm 3 ), impurity ───────────────────────────────キ ャ ッ プ Cap layer 13 n + -GaAs 110 nm 5 × 10 18 , Si clad layer 14 n −In 0.2 Al 0.8 As 5 nm 1 × 10 17 , Si semiconductor i layer 15 n −GaAs / 5 nm 1 × 10 17 , Si n - -In 0.2 Al 0.8 As 5nm 1 × 10 17, Si cycle n = 30 cladding layer 16 n - -In 0.2 Al 0.8 As 5nm 1 × 10 17, Si buffer layer 17 n + -GaAs 50nm 2 × 10 18, Si semiconductor substrate 20 n + -GaAs 300μm 10 18, Si ───────── ─────────────────────────

【0029】[0029]

【表3】 超格子層の組成 ─────────────────────────────────── 量子井戸層22/ 組成比の例 当該例のときの格子定数 障壁層21 ─────────────────────────────────── GaAs/ 5.66/ AlxGa(1-x)Asy(1-y) x=0.5,y=0.6 5.58 ─────────────────────────────────── InxGa(1-x)Asy(1-y)/ x=0.8,y=0.85 5.95/ InP 5.87 ─────────────────────────────────── InAs/ 6.06/ InxGa(1-x)Asy(1-y) x=0.9,y=0.8 5.98 ─────────────────────────────────── InxGa(1-x)As/ x=0.7 5.94/ InyAl(1-y)As y=0.5 5.86 ─────────────────────────────────── (注1)0<x<1,0<y<1。 (注2)量子井戸層22の組成はキャップ層13及びバッファ層17に適用する ことができ、障壁層21の組成はクラッド層14,16に適用することができる 。[Table 3] Composition of superlattice layer ─────────────────────────────────── Quantum well layer 22 / composition Example of ratio Lattice constant in this example Barrier layer 21 ─────────────────────────────────── GaAs / 5.66 / Al x Ga (1- x) As y P (1-y) x = 0.5, y = 0.6 5.58 ──────────────────── ─────────────── In x Ga (1-x ) As y P (1-y) / x = 0.8, y = 0.85 5.95 / InP 5.87 ─── ──────────────────────────────── InAs / 6.06 / In x Ga (1-x) As y P ( 1-y) x = 0.9, y = 0.8 5.98 ─────────────────────────────────── In x Ga (1-x) A / X = 0.7 5.94 / In y Al (1-y) As y = 0.5 5.86 ─────────────────────────── ──────── (Note 1) 0 <x <1, 0 <y <1. (Note 2) The composition of the quantum well layer 22 can be applied to the cap layer 13 and the buffer layer 17, and the composition of the barrier layer 21 can be applied to the cladding layers 14 and 16.

【0030】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。
Note that the aperture 1 through which the excitation light is incident on the electrode 11
It is not necessary to form 1h. In this case, the excitation light is allowed to pass by forming the electrode 11 thin.

【0031】<第2の変形例>以上の実施形態において
は、超格子半導体素子10と、電流増幅器31とは別の
基板上に形成されているが、本発明はこれに限らず、超
格子半導体素子10と電流増幅器31(その増幅を行う
半導体素子)とを互いに近接して、同一の半導体基板又
は誘電体基板上に形成してもよい。これによって、超格
子半導体素子10と、電流増幅器31との間の伝送損失
を少なくすることができ、より高い周波数での発振を効
率的に増幅することができる。
<Second Modification> In the above embodiment, the superlattice semiconductor element 10 and the current amplifier 31 are formed on separate substrates, but the present invention is not limited to this. The semiconductor element 10 and the current amplifier 31 (semiconductor element for performing the amplification) may be formed close to each other on the same semiconductor substrate or dielectric substrate. Thereby, transmission loss between the superlattice semiconductor element 10 and the current amplifier 31 can be reduced, and oscillation at a higher frequency can be efficiently amplified.

【0032】<第3の変形例>以上の実施形態において
は、レーザー光等によるキャリア励起によって、連続発
振を得ることができるが、より長波長の光により発振を
得るためには、本実施形態の量子井戸層22にInを導
入した、InGaAs/InAlAsの組成を有する超
格子層を用いることが効果的である。この場合には、半
導体基板20にInP又はInAsの材料を用いる。ま
た、特に、光通信装置等で用いる1.3μm又は1.5
5μmの長波長の光による発振を得るためには、InG
aAsP/InPの組成を有する超格子層を用い、半導
体基板20にInPの材料を用いる。
<Third Modification> In the above embodiment, continuous oscillation can be obtained by carrier excitation with laser light or the like. It is effective to use a superlattice layer having an InGaAs / InAlAs composition in which In is introduced into the quantum well layer 22 of FIG. In this case, a material of InP or InAs is used for the semiconductor substrate 20. Further, in particular, 1.3 μm or 1.5 μm used in optical communication devices and the like.
In order to obtain oscillation by light having a long wavelength of 5 μm, InG
A superlattice layer having the composition of aAsP / InP is used, and the semiconductor substrate 20 is made of an InP material.

【0033】<第4の変形例>図6は、図1の超格子半
導体素子10と同様の超格子半導体素子10−11,1
0−12,10−21,10−22を4個用いて行と列
のマトリックス形状又はアレイ形状で構成したときの発
振回路の回路図であり、図7は、図6の発振回路の外観
を示す斜視図である。
<Fourth Modification> FIG. 6 shows a superlattice semiconductor element 10-11, 1 similar to the superlattice semiconductor element 10 of FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram of an oscillating circuit when the oscillating circuit of FIG. 6 is formed by using four 0-12, 10-21, and 10-22 in a matrix shape or an array shape of rows and columns. FIG.

【0034】図6及び図7に示すように、4個の超格子
半導体素子10−11,10−12,10−21,10
−22が行と列のマトリックス形状又はアレイ形状で、
例えば同一の誘電体基板(図示せず。)上に形成され
る。ここで、超格子半導体素子10−11及び10−1
2の各電極11は互いに第1の行のストリップ導体P1
によって接続され、超格子半導体素子10−21及び1
0−22の各電極11は互いに第2の行のストリップ導
体P2によって接続される。また、超格子半導体素子1
0−11及び10−21の各電極12は互いに第1の列
のストリップ導体N1によって接続され、超格子半導体
素子10−12及び10−22の各電極12は互いに第
2の列のストリップ導体N2によって接続される。な
お、ストリップ導体P1及びP2は、図7に示すよう
に、誘電体基板上のストリップ導体N1上に絶縁膜50
を介して形成される。ストリップ導体P1,P2とスト
リップN1,N2との間にはそれぞれ、図1と同様に、
電流増幅器(図示せず。)及び負荷抵抗(図示せず。)
とが接続される。
As shown in FIGS. 6 and 7, four superlattice semiconductor elements 10-11, 10-12, 10-21, and 10
-22 is a matrix or array of rows and columns,
For example, they are formed on the same dielectric substrate (not shown). Here, the superlattice semiconductor elements 10-11 and 10-1
2 are connected to the strip conductors P1 in the first row.
And superlattice semiconductor elements 10-21 and 1
The electrodes 11 of 0-22 are connected to each other by the strip conductors P2 in the second row. In addition, superlattice semiconductor element 1
The electrodes 12 of 0-11 and 10-21 are connected to each other by a strip conductor N1 in a first row, and the electrodes 12 of the superlattice semiconductor devices 10-12 and 10-22 are connected to each other in a strip conductor N2 of a second row. Connected by Note that, as shown in FIG. 7, the strip conductors P1 and P2 are formed on the insulating film 50 on the strip conductor N1 on the dielectric substrate.
Is formed through. Between the strip conductors P1, P2 and the strips N1, N2, respectively, as in FIG.
Current amplifier (not shown) and load resistance (not shown)
Are connected.

【0035】以上のように構成された発振回路におい
て、例えば、超格子半導体素子10−11のみに励起光
を入力したときは、ストリップ導体P1とストリップ導
体N1との間に、発振信号が出力され、また、例えば、
超格子半導体素子10−21のみに励起光を入力したと
きは、ストリップ導体P2とストリップ導体N1との間
に、発振信号が出力される。すなわち、超格子半導体素
子10を2次元のアレイ形状に配置することにより、超
格子半導体素子10の複数の開口11hによって形成さ
れる平面に対して入射する並列の光データを実空間で一
括処理して交流電気信号に変換することができる。この
発振回路では、素子数m×n(図6及び図7の例では、
m=2,n=2)を電極数(m+n)に減少させること
ができ、配線を簡単化できる。
In the oscillation circuit configured as described above, for example, when the excitation light is input only to the superlattice semiconductor element 10-11, an oscillation signal is output between the strip conductor P1 and the strip conductor N1. And, for example,
When the excitation light is input only to the superlattice semiconductor element 10-21, an oscillation signal is output between the strip conductor P2 and the strip conductor N1. That is, by arranging the superlattice semiconductor elements 10 in a two-dimensional array shape, parallel optical data incident on a plane formed by the plurality of openings 11h of the superlattice semiconductor elements 10 is collectively processed in real space. To convert it into an AC electric signal. In this oscillation circuit, the number of elements is m × n (in the examples of FIGS. 6 and 7,
m = 2, n = 2) can be reduced to the number of electrodes (m + n), and the wiring can be simplified.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る超格子
半導体装置によれば、2つの電極間に、障壁層と量子井
戸層とが交互に積層されてなる超格子構造を有する第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た超格子半導体装置
であって、上記超格子構造を構成する少なくとも1対の
障壁層と量子井戸層は、互いに異なる格子定数を有する
材料にてなり、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。ここで、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
り、上記量子井戸層は好ましくはInGaAs又はGa
Asにてなり、上記障壁層は好ましくはInAlAsに
てなる。
As described above in detail, according to the superlattice semiconductor device of the present invention, the second device having a superlattice structure in which barrier layers and quantum well layers are alternately stacked between two electrodes.
A superlattice semiconductor device comprising a superlattice semiconductor element in which the semiconductor layers are sandwiched between first and third semiconductor layers, respectively, comprising at least one pair of barrier layers constituting the superlattice structure; The quantum well layer is made of a material having a different lattice constant from each other, and forms an opening in one electrode through which excitation light for exciting the superlattice semiconductor element is incident. Here, the superlattice semiconductor element is preferably p
-In type, niin type, or n + -n -- n + type, and the quantum well layer is preferably made of InGaAs or Ga.
As, and the barrier layer is preferably made of InAlAs.

【0037】従って、発振に必要な印加電圧を比較的自
由に設定でき、かつ光励起にあたって入射光の波長制限
の少ない、発振動作を行う超格子半導体装置を提供する
ことができる。例えば、バイアス電圧を0V近傍に設定
することにより、低電圧であって低消費電力の超格子半
導体装置を実現できる。本実施形態では、歪の効果によ
ってXバンド端を下げたことにより、極めて消費電力が
小さい0ボルト前後での発振が得られたことを示した
が、障壁層21の例えばIn組成比や量子井戸層22及
び障壁層21の幅などを変化することによって任意の電
圧値での発振を実現することが可能である。
Therefore, it is possible to provide a superlattice semiconductor device which can relatively freely set an applied voltage required for oscillation and has a small limitation on the wavelength of incident light at the time of photoexcitation and performs an oscillation operation. For example, by setting the bias voltage near 0 V, a superlattice semiconductor device with low voltage and low power consumption can be realized. In the present embodiment, the X-band edge was lowered by the effect of the distortion, and thus it was shown that the oscillation at about 0 volt with very low power consumption was obtained. However, for example, the In composition ratio of the barrier layer 21 or the quantum well Oscillation at an arbitrary voltage value can be realized by changing the width and the like of the layer 22 and the barrier layer 21.

【0038】さらに、複数個の上記超格子半導体素子を
アレイ状に形成し、上記複数個の超格子半導体素子の各
一方の電極を互いに接続するとともに、上記複数個の超
格子半導体素子の各他方の電極を互いに接続してもよ
い。また、複数個の上記超格子半導体素子を行と列のマ
トリックス状に形成し、上記複数個の超格子半導体素子
の各一方の電極を各行毎に互いに接続するとともに、上
記複数個の超格子半導体素子の各他方の電極を各列毎に
互いに接続してもよい。従って、並列の光データを実空
間で一括処理して交流電気信号に変換することができ、
当該装置では、素子数に対する電極数を減少させること
ができ、配線を簡単化できる。
Further, a plurality of the superlattice semiconductor elements are formed in an array, and one electrode of each of the plurality of superlattice semiconductor elements is connected to each other. May be connected to each other. A plurality of the superlattice semiconductor elements are formed in a matrix of rows and columns, one electrode of each of the plurality of superlattice semiconductor elements is connected to each other in each row, and the plurality of superlattice semiconductor elements are connected to each other. The other electrodes of the elements may be connected to each other in each column. Therefore, the parallel optical data can be collectively processed in the real space and converted into an AC electric signal,
In this device, the number of electrodes with respect to the number of elements can be reduced, and wiring can be simplified.

【0039】またさらに、基板上に、上記超格子半導体
素子と、上記超格子半導体素子から出力される発振信号
を増幅して出力する増幅器を形成する。これによって、
上記超格子半導体素子と、上記増幅器との間の伝送損失
を少なくすることができ、より高い周波数での発振を効
率的に増幅することができる。また、当該装置を、大幅
に小型化することができる。
Further, the superlattice semiconductor element and an amplifier for amplifying and outputting an oscillation signal output from the superlattice semiconductor element are formed on the substrate. by this,
Transmission loss between the superlattice semiconductor element and the amplifier can be reduced, and oscillation at a higher frequency can be efficiently amplified. Further, the size of the device can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a superlattice semiconductor device including a superlattice semiconductor element 10 according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図1の超格子半導体素子10の真性半導体i
層15の厚さ方向の位置に対する準位エネルギーを示す
エネルギーバンド図である。
FIG. 2 shows an intrinsic semiconductor i of the superlattice semiconductor device 10 of FIG.
FIG. 9 is an energy band diagram showing a level energy with respect to a position in a thickness direction of a layer 15.

【図3】 図1の超格子半導体素子10に対して逆バイ
アス電圧Vbを印加したときの真性半導体i層15の各
点における準位エネルギーを示すエネルギーバンド図で
ある。
FIG. 3 is an energy band diagram showing a level energy at each point of an intrinsic semiconductor i-layer 15 when a reverse bias voltage Vb is applied to the superlattice semiconductor element 10 of FIG.

【図4】 図1の超格子半導体素子10に印加される逆
バイアス電圧Vbに対する電流特性を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing current characteristics with respect to a reverse bias voltage Vb applied to the superlattice semiconductor device 10 of FIG.

【図5】 図1の超格子半導体素子10を備えた発振回
路の電流発振波形を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a current oscillation waveform of an oscillation circuit including the superlattice semiconductor device 10 of FIG.

【図6】 図1の超格子半導体素子10を4個用いてマ
トリックス形状又はアレイ形状で構成したときの発振回
路の回路図である。
6 is a circuit diagram of an oscillating circuit when four superlattice semiconductor elements 10 of FIG. 1 are configured in a matrix or array shape.

【図7】 図6の発振回路の外観を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view illustrating an appearance of the oscillation circuit of FIG. 6;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,10−11,10−12,10−21,10−2
2…超格子半導体素子、 11,12…電極、 13…p型キャップ層、 14…i型クラッド層、 15…超格子構造を有する真性半導体i層、 16…i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…電流増幅器、 32…負荷抵抗。
10,10-11,10-12,10-21,10-2
Reference numeral 2: superlattice semiconductor element, 11, 12: electrode, 13: p-type cap layer, 14: i-type cladding layer, 15: intrinsic semiconductor i-layer having a superlattice structure, 16: i-type cladding layer, 17: n-type Buffer layer, 20: n-type semiconductor substrate, 21-0 to 21-N: barrier layer, 22-0 to 22-N: quantum well layer, 30: variable DC power supply, 31: current amplifier, 32: load resistance.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江上 典文 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 5番地 株式会社エイ・ティ・アール環 境適応通信研究所内 (56)参考文献 特開 平8−172241(JP,A) 特開 平7−28104(JP,A) 特開 平8−116074(JP,A) 特開 平4−296059(JP,A) 特開 平2−130933(JP,A) 特開 平9−260691(JP,A) 特開 平9−36390(JP,A) 特開 昭49−29590(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 29/06 H01L 31/10 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Norifumi Egami, Inventor No. 5, Sanraya, Inaya, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto 5 -172241 (JP, A) JP-A-7-28104 (JP, A) JP-A-8-116074 (JP, A) JP-A-4-296059 (JP, A) JP-A-2-130933 (JP, A) JP-A-9-260691 (JP, A) JP-A-9-36390 (JP, A) JP-A-49-29590 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 29/06 H01L 31/10 JICST file (JOIS)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
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た超
格子半導体装置であって、 上記超格子構造を構成する少なくとも1対の障壁層と量
子井戸層は、互いに異なる格子定数を有する材料にてな
り、 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
る超格子半導体装置。
1. A second semiconductor layer which is an intrinsic semiconductor i-layer having a superlattice structure in which a barrier layer and a quantum well layer are alternately stacked between two electrodes, respectively, as a first and a third semiconductor. A superlattice semiconductor device comprising a superlattice semiconductor element sandwiched between layers, wherein at least one pair of barrier layers and quantum well layers constituting the superlattice structure have materials having different lattice constants from each other. A superlattice semiconductor device, characterized in that an opening is formed in one of the electrodes for receiving excitation light for exciting the superlattice semiconductor element.
【請求項2】 上記超格子半導体素子は、p−i−n型
又はn−i−n型であることを特徴とする請求項1記載
の超格子半導体装置。
2. The superlattice semiconductor device according to claim 1, wherein said superlattice semiconductor element is a pin type or a pin type.
【請求項3】 2つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
が交互に積層されてなる超格子構造を有する第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n+−n-−n+型超格子半導体素子を備えた超格子
半導体装置であって、 上記超格子構造を構成する少なくとも1対の障壁層と量
子井戸層は、互いに異なる格子定数を有する材料にてな
り、 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
る超格子半導体装置。
3. A second semiconductor layer having a superlattice structure in which barrier layers and quantum well layers are alternately stacked between two electrodes, with the first and third semiconductor layers interposed therebetween. A superlattice semiconductor device comprising an n + -n -- n + -type superlattice semiconductor element, wherein at least one pair of barrier layers and quantum well layers constituting the superlattice structure have different lattice constants from each other. A superlattice semiconductor device, characterized in that an opening for receiving excitation light for exciting the superlattice semiconductor element is formed in one of the electrodes.
【請求項4】 上記量子井戸層はInGaAs又はGa
Asにてなり、上記障壁層はInAlAsにてなること
を特徴とする請求項1、2又は3記載の超格子半導体装
置。
4. The quantum well layer is made of InGaAs or Ga.
The superlattice semiconductor device according to claim 1, 2 or 3, wherein the barrier layer is made of InAlAs.
【請求項5】 基板上に、請求項1、2、3又は4記載
の複数個の超格子半導体素子をアレイ状に形成し、上記
複数個の超格子半導体素子の各一方の電極を互いに接続
するとともに、上記複数個の超格子半導体素子の各他方
の電極を互いに接続したことを特徴とする超格子半導体
装置。
5. A plurality of superlattice semiconductor elements according to claim 1, 2, 3, or 4 are formed in an array on a substrate, and one electrodes of the plurality of superlattice semiconductor elements are connected to each other. And the other electrodes of the plurality of superlattice semiconductor elements are connected to each other.
【請求項6】 基板上に、請求項1、2、3又は4記載
の複数個の超格子半導体素子を行と列のマトリックス状
に形成し、上記複数個の超格子半導体素子の各一方の電
極を各行毎に互いに接続するとともに、上記複数個の超
格子半導体素子の各他方の電極を各列毎に互いに接続し
たことを特徴とする超格子半導体装置。
6. A plurality of superlattice semiconductor elements according to claim 1, 2, 3 or 4 are formed on a substrate in a matrix of rows and columns, and each one of said plurality of superlattice semiconductor elements is formed. A superlattice semiconductor device, wherein electrodes are connected to each other for each row, and the other electrodes of the plurality of superlattice semiconductor elements are connected to each other for each column.
【請求項7】 基板上に、上記超格子半導体素子と、上
記超格子半導体素子から出力される発振信号を増幅して
出力する増幅器を形成したことを特徴とする請求項1、
2、3又は4記載の超格子半導体装置。
7. The superlattice semiconductor element and an amplifier for amplifying and outputting an oscillation signal output from the superlattice semiconductor element are formed on a substrate.
5. The superlattice semiconductor device according to 2, 3, or 4.
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