JP4624540B2 - 量子半導体装置、波長多重化光信号受信装置、光メモリ装置 - Google Patents
量子半導体装置、波長多重化光信号受信装置、光メモリ装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に量子半導体装置に関する。
【０００２】
光通信技術では、光ファイバ中を伝送される光信号を検出するのにＰＩＮフォトダイオードなどの光検出器が使われているが、近年のトラヒックの増大に伴い、さらに高速で低消費電力、高感度の光検出器が要求されるようになっている。特に最近では増大する光トラヒックに対応するために、複数の波長の光信号成分を共通の光ファイバを介して伝送する波長多重光通信技術が使われ始めている。かかる波長多重光通信技術においては、異なった波長に対してチューニングが可能な光検出器が求められている。
【０００３】
また、情報処理の分野においては処理データ量の増大に伴い、高速で大容量のメモリが必要となるが、これを半導体メモリ装置で実現しようとすると、必要な高集積密度に対応して配線パターンが非常に複雑になり、歩留りの低下等、様々な問題が生じると考えられる。これに対し、微弱光で書き込みが可能な光半導体メモリは、前記半導体メモリ装置の問題点を解消できる手段として期待されている。
【０００４】
【従来の技術】
従来より、光検出にはｐｎ接合を有するフォトダイオードあるいはｐｉｎ接合を有するフォトダイオードが一般的に使われている。
【０００５】
図１は典型的な従来のｐｎ接合フォトダイオード１０の構成を示す。
【０００６】
図１を参照するに、フォトダイオード１０はｎ型ＩｎＰ基板１１上に構成されており、前記基板１１上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層１２と、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と、前記光吸収層１３中に形成されたｐ＋型ＩｎＧａＡｓ領域１３Ａとを含み、前記光吸収層１３上には前記ｐ＋型領域１３Ａに対応して電極１４が、また前記ＩｎＰ基板１１の下主面上には光学窓となる開口部１６Ａを形成されたリング状電極１６が形成される。さらに前記吸収層１３の露出表面はＳｉＮ等のパッシベーション膜１５により保護される。ｐｉｎ接合を有するフォトダイオードも類似した構成を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１のフォトダイオード１０はプレーナ型の構造であり、光電流を十分なＳ／Ｎ比で検出するためには実質的な受光面積にわたり光照射を受ける必要がある。すなわち、図１のフォトダイオード１０をはじめとするプレーナ型のフォトダイオードは感度が低いという問題点を有している。
【０００８】
図１のフォトダイオード１０においては、ｐ＋型領域１３Ａの面積を縮小することにより光電流の検出に要する光照射強度を減少させることができるはずであるが、かかる受光面積の縮小にはフォトリソグラフィー工程に伴う制約があり、このためプレーナ型のフォトダイオードでは検出感度が低くなるという問題点を回避できない。
【０００９】
また、情報処理の分野においては近年の処理データ量の急増に伴い、高速で大容量のメモリ装置が必要とされている。従来より高速大容量メモリ装置としてはＤＲＡＭやＳＲＡＭ等の高集積密度半導体メモリ装置が使われているが、今日の半導体メモリ装置では莫大な素子間を電気的に接続するために非常に複雑な配線パターンを使っており、これに伴い多層配線構造等の工程数を要する技術を使わざるを得ない状況が発生している。しかし、将来必要になるさらに大容量のメモリ装置では、このような従来の半導体メモリ装置を使った場合には信号の遅延や歩留りの低下等、様々な問題が生じると考えられる。このため、大量の情報を高速に搬送できる光信号により直接に書き込みが可能な半導体光メモリ装置が望まれている。
【００１０】
これに対し従来より、例えば特開平８−３２０４６号公報に記載されているように、量子ドットに特徴的な離散的エネルギ準位を利用した光電子集積素子が提案されている。前記提案によれば、プレーナ型構造中に多数の量子ドットを形成し、波長多重化光信号の光検出や光変調、あるいは出力を行う。
【００１１】
しかし、かかる従来の量子ドットを使った光信号処理装置では、個々の量子ドットを、対応する光信号成分の波長に同調するように形成する必要があるが、従来のパターニング技術により、所望の量子ドットを制御性良く、しかも歩留り良く形成することは困難である。またアレイを構成する多数の量子ドットを、それぞれのサイズに形成することは困難である。
【００１２】
そこで本発明は、上記の課題を解決した新規で有用な量子半導体装置を提供することを概略的課題とする。
【００１３】
本発明のより具体的な課題は、量子ドットを備えた量子半導体装置において、量子ドットのエネルギ準位を自在に制御できる構成を有する量子半導体装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の課題は、量子ドットを備えた量子半導体装置において、量子ドットのエネルギ準位を自在に制御することにより、入射光のエネルギスペクトルを分析するスペクトルアナライザを提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の課題は、波長多重化光信号中の選択された光信号成分を検出できる波長多重通信用光信号受信装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、一の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層と同じ導電型を有する第３の半導体層と、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層中に侵入するように形成され、前記第２の半導体層中、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面近傍に、前記界面から離間して位置する頂点と、前記頂点において収斂する複数のファセット面とにより画成された多角錐ピットと、前記多角錐ピット中において、前記複数のファセット面を連続的に覆う、前記第１の半導体層と同じ導電型のチャネル層と、前記多角錐ピット中において、前記チャネル層を覆うように形成された第１のバリア層と、前記多角錐ピット中において、前記第１のバリア層を覆うように形成されたホール蓄積層と、前記多角錐ピット中において、前記ホール蓄積層を覆うように形成された第２のバリア層と、前記多角錐ピット中において、前記第２のバリア層を覆うように形成されたキャップ層と、前記第３の半導体層上に形成された第１の電極と、前記第１の半導体層上に形成された、制御電圧印加用の第２の電極と、前記第２の半導体層上にショットキーコンタクトするように形成された第３の電極とを備え、前記ホール蓄積層に量子ドットが形成されていることを特徴とする光検出用の量子半導体装置により、解決する。
【００１７】
本発明によれば、前記ホール蓄積層中に、前記多角錐ピットの頂点に対応してキャリアを３次元的に閉じ込める量子ドットが形成されるが、前記第２の電極に制御電圧を印加することによりショットキーコンタクトに伴う空乏層の広がりが変化し、その結果量子ドットのサイズ、従って量子準位を任意に変化させることができる。
【００１８】
本発明において、前記第２の電極は、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層を露出するように形成されたコンタクトホール中に形成するのが好ましい。また前記第２の電極は、各々前記第２の半導体層にショットキーコンタクトする、複数のショットキー電極より構成することができる。前記複数のショットキー電極は、前記多角錐ピットに対して対称性をもって形成するのが好ましい。前記第１の半導体層は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ型化合物半導体基板よりなり、前記第２の半導体層は前記化合物半導体基板上にエピタキシャルに形成された非ドープ化合物半導体層よりなり、前記第３の半導体層は前記第２の半導体層上にエピタキシャルに形成されたｎ型化合物半導体層よりなり、前記チャネル層は前記第３の半導体層と、前記ファセット面において電気的に接続されるのが好ましい。前記ファセット面は（１１１）Ａ面よりなり、前記多角錐ピットは、前記（１１１）Ａ面により画成された正四面体形状を有するのが好ましい。また前記チャネル層は前記第１の半導体層と同じ導電型の半導体層よりなり、前記第１および第２のバリア層は前記チャネル層よりも実質的に大きいバンドギャップを有する非ドープ半導体層よりなるのが好ましい。さらに前記キャップ層上には、光学的に透明なパターンを光学窓として形成するのが好ましい。その際、前記第２の電極に別の光学窓を形成してもよい。
【００１９】
さらに、前記量子半導体装置を使い、これに前記第２の電極に制御電圧を供給する電圧源を組み合わせることにより、スペクトルアナライザを構成することが可能である。前記スペクトルアナライザにおいては、前記電圧源は、前記制御電圧を掃引する。さらに、前記量子半導体装置を使い、これに前記第２の電極に制御電圧を供給する電圧源を組み合わせることにより、波長多重化光信号受信装置を構成することが可能である。また、前記量子半導体装置を使い、さらに前記量子半導体装置に対応して、前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器を設けることにより、波長多重化光信号受信装置を構成することも可能である。
【００２０】
本発明はまた、前記請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子半導体装置を基板上に複数個配列することにより量子半導体アレイを形成し、前記量子半導体アレイ中の各々の量子半導体装置について、前記第２の電極に制御電圧を電圧源より供給することにより、波長多重化光信号受信装置を構成することが可能である。その際、前記複数の量子半導体装置として前記第２の電極中に光学窓を有するものを使い、さらに前記複数の量子半導体装置の各々に対応して、前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器を設けるように構成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による光検出器４０の構成を示す、それぞれ断面図および平面図である。
【００２２】
図２（Ａ）を参照するに、光検出器４０は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ＋型ＧａＡｓ基板２１上に構成されており、前記ＧａＡｓ基板２１上に形成された、Ｓｅによりキャリア密度が約５×１０１８ｃｍ−３にドープされた厚さが約０．１μｍのｎ＋ＧａＡｓ層２２と、前記ｎ＋型ＧａＡｓ層２２上に形成された厚さが約０．３μｍの非ドープＧａＡｓ層２３と、前記非ドープＧａＡｓ層２３上に形成された、Ｓｅによりキャリア密度が約５×１０１８ｃｍ−３にドープされた厚さが約０．１μｍのｎ＋ＧａＡｓ層２４とを含み、前記ＧａＡｓ層２４中には（１１１）Ａ面よりなるファセット面２５Ａで画成された正四面体形状のエッチピット２５が、前記ファセット面２５Ａが収斂するエッチピットの頂点２５Ｂが前記非ドープＧａＡｓ層２３中、前記ＧａＡｓ層２３とその下のＧａＡｓ層２２との界面近傍に位置するように形成される。
【００２３】
前記エッチピット２５中においては、前記ファセット面２５Ａ上に、Ｓｅにより１×１０18ｃｍ−３のキャリア密度にドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓよりなるチャネル層２６が、前記エッチピット２５の頂点２５Ｂをも含めて前記ファセット面２５Ａを連続的に覆うように、典型的には１５ｎｍの厚さに形成されており、前記チャネル層２６上には非ドープＡｌＧａＡｓよりなる第１のバリア層４１が、典型的には２０ｎｍの厚さに形成されている。
【００２４】
前記第１のバリア層４１上には非ドープＧａＩｎＡｓよりなるホール蓄積層４２が、約１０ｎｍの厚さに形成され、さらに前記ホール蓄積層４２上には、前記バリア層４１と同様にＣによりｐ型にドープされたＡｌＧａＡｓよりなる第２のバリア層４３が約２０ｎｍの厚さに形成される。さらに前記第２のバリア層４３上にはｎ+型ＧａＡｓよりなるキャップ層４４が約１０ｎｍの厚さに形成される。
【００２５】
さらに本実施例では、前記ＧａＡｓ層２４上には、前記エッチピット２５中において前記キャップ層４４を露出する円形の開口部２９Ａを有するＳｉＯ2膜２９が形成されており、前記ＳｉＯ2膜２９上には、前記キャップ層４４を覆うように、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3・ＴｉＯ2）よりなる透明電極パターン４５が、光学窓を兼ねて形成されている。
【００２６】
後で説明するように、前記ｎ＋型ＧａＡｓ膜２４を覆うＳｉＯ2膜２９は前記エッチピット２５をウェットエッチング法により形成する際にマスクとして使われたＳｉＯ2膜であり、さらに前記ＧａＡｓ膜２４の表面を露出する開口部２９Ｂが形成され、前記開口部２９Ｂに対応して前記ＧａＡｓ膜２４とオーミックコンタクトするドレイン電極３１が形成されている。
【００２７】
図２（Ｂ）の平面図よりわかるように、前記ドレイン電極３１は、前記正四面体エッチピット２５の底面を構成する正三角形の各辺に対応して３つ形成されている。さらに、前記ＧａＡｓ基板２１の底面には、ソース電極３２が形成されている。
【００２８】
さらに本実施例の光検出器４０では図２（Ｂ）の平面図よりわかるように、前記正四面体エッチピット２５の各辺に対応して、図２（Ａ）に示すように前記非ドープＧａＡｓ層２３を露出するコンタクトホール２９Ｂが、前記ＳｉＯ2膜２９およびその下のｎ+型ＧａＡｓ層２４中に形成されており、前記コンタクトホール２９Ｂの各々には、前記露出されたＧａＡｓ層２３に対してショットキーコンタクトするＡｌあるいはＷ等のショットキー電極３１Ａが形成される。
【００２９】
ところで、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記ホール蓄積層４２中、前記エッチピット２５の頂部２５Ｂ近傍の領域にＩｎが濃集し、その結果前記Ｉｎ濃集領域において量子ドット４２Ａが形成される。かかるエッチピットにおけるＩｎの濃集の現象、およびこれに伴う量子ドットの形成については、例えば米国特許５，６５６，８２１号公報を参照。
【００３０】
図３は、本実施例の半導体光検出器４０のバンド構造図を示す。ただし図３のバンド構造図は、図２（Ａ）の断面図において、前記頂点２６を含むように前記基板２１に垂直に引いたラインに沿ったバンド構造図である。
【００３１】
図３を参照するに、本実施例では前記ｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層２６に隣接してｐ型ＡｌＧａＡｓバリア層４１が、またｎ型ＧａＡｓキャップ層４４に隣接してバリア層４３が形成されているため、前記チャネル層２６とバリア層４２の界面、および前記キャップ層４４と前記バリア層４３の界面に形成されるｐｎ接合に伴って、前記バリア層４１および４３の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが、前記チャネル層２６の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖに対して高エネルギ側にシフトしたバンド構造が得られる。
【００３２】
さらに前記バリア層４１およびバリア層４３の間に挟持されたホール蓄積層４２中には、前記エッチピット２５の頂点２５Ｂ近傍の領域４２Ａにおいて量子準位Ｌｅおよび量子準位Ｌｈにより特徴付けられる量子ドットが形成され、前記光学窓４５を介して入射する入射光により、前記量子ドットにおいては電子ホール対ｅ，ｈが光励起される。
【００３３】
そこで前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間に適当なバイアス電圧を印加しておくと、光励起された電子ｅは直ちに前記バリア層４１を乗り越えてチャネル層２６に落ち、前記頂点２５Ｂから前記ｎ+型ＧａＡｓ層２２までの間、前記非ドープＧａＡｓ層２３中を熱励起により通過し、さらに前記基板２１を通って電極３２により吸収される。そこで、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間において前記光励起電子に起因する光電流を検出することにより、入射光の検出が可能になる。すなわち、図２（Ａ），（Ｂ）の構成４０は、光検出器として機能する。
【００３４】
ところで、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記ショットキー電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記ショットキー電極とコンタクトする前記ＧａＡｓ層２３の表面において形成される空乏領域の広がりを、図２（Ａ）中に矢印で示したように制御することが可能になる。空乏領域においてはキャリアが排除されるため、かかる空乏領域の広がりを制御することにより前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさの制御が可能になる。すなわち、前記ショットキー電極３１Ａに印加される電圧を、前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさ、従って量子準位Ｌｅ，Ｌｈが、検出したい入射光の波長に同調するように制御することにより、複数の波長の光信号が多重化されて伝送される波長多重化光信号中から、所望のチャネルの光信号成分のみを抽出して検出することが可能になる。
【００３５】
その際、前記ショットキー電極３１Ａを、前記正四面体状のエッチピット２５に対して対称的に配設することにより、前記量子ドット４２Ａの大きさを対称性を維持しつつ変化させることができ、量子準位Ｌｅ，Ｌｈのスプリットを抑制することができる。一方、このように対称性をもって形成された複数のショットキー電極３１Ａにそれぞれ異なった制御電圧を印加することにより、必要に応じて前記量子ドット４２Ａの量子準位Ｌｅ，Ｌｈを複数の準位にスプリットさせることも可能である。
【００３６】
また、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記光励起されたホールｈは光検出の後、前記量子ドット４２Ａ中に安定に保持され蓄積される。すなわち、本実施例の半導体光検出器４０は、前記光学窓４５を介して情報を光書き込みする光メモリ装置としても機能することが可能である。
【００３７】
かかる光書き込みがなされた場合、前記光検出器４０では量子ドット４２Ａ中へのホールｈの蓄積に伴い、前記量子ドット４２Ａの伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが低エネルギ側にシフトする。これに伴い、前記ホール蓄積層４２を介して前記量子ドット４２Ａと熱平衡の関係にあるチャネル層２６の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖも低エネルギ側にシフトする。その結果、前記チャネル層２６中においてキャリア密度が増大し、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間に通電した場合に観測される電流値が増大する。換言すると、本実施例の光検出器４０では、先に説明した光検出の後、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間の電流を検出することにより、量子ドット４２Ａ中に保持されている情報を読み出すことも可能である。
【００３８】
さらに、本実施例の光検出器４０では、前記光学窓４５をＩＴＯなどの透明導電パターンとしておくことにより、前記光学窓４５を介して保持されている情報を消去することが可能になる。すなわち、前記光学窓４５を構成する透明電極パターンの電位を上昇させ、前記ホール蓄積層４２、特に量子ドット４２Ａに電子を、前記キャップ層４４の伝導帯Ｅｃを介して注入する。注入された電子は、蓄積されているホールと再結合し、その結果、情報の消去がなされる。かかる消去を行うことにより、前記光検出器４０は初期状態に復帰し、次の光検出に備える。
【００３９】
図４は、前記光検出器４０において前記制御電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記量子ドット４２Ａのサイズを入射光の波長に対して同調させ、その状態で前記光学窓４５を介して１ｐＷおよび１ｎＷのパワーの光パルスを照射した場合に前記電極３１と電極３２との間で検出される光電流を示す。
【００４０】
図４を参照するに、入射光ビームの強度が１ｐＷの場合には実質的な光電流の変化は見られないが、入射光ビームの強度が１ｎＷになった場合には、光パルスの照射に伴って光電流の値が階段状に増大しているのがわかる。かかる階段状の光電流の変化は入射光ビームが遮断されても保持され、前記量子ドット４２Ａ中にホールが保持されていることを示す。すなわち図４の結果は、前記光検出器４０は光メモリとしても機能することを示す。
【００４１】
図４において、各階段の立ち上がりに見られる光ビーム照射に伴う光電流の一時的増大は、前記入射光が前記チャネル層２６において電子ホール対の励起を生じた結果であり、本実施例の半導体光メモリ装置４０が、高速かつ高感度光検出器として機能することを実証している。
【００４２】
次に、本実施例の半導体光検出器４０の製造工程を、図５（Ａ）〜（Ｃ）および図６（Ｄ），（Ｅ）を参照しながら説明する。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し，説明を省略する。
【００４３】
図５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、前記ＧａＡｓ基板２１上にはＧａＡｓ層２２〜２４が積層されており、前記ＧａＡｓ層２２〜２４中に、頂点２５Ｂが非ドープＧａＡｓ層２３中においてｎ+型ＧａＡｓ層２２近傍に位置するように、ファセット２５Ａで画成された正四面体形状のエッチピット２５が、開口部２９Ａを有するＳｉＯ2膜２９をマスクに形成される。
【００４４】
次に図５（Ｃ）の工程において、前記エッチピット中に前記チャネル層２６がＭＯＶＰＥ法により１５ｎｍの厚さに形成され、さらに前記チャネル層２６上に前記バリア層４１、ホール蓄積層４２、バリア層４３およびキャップ層４４が、いずれもＭＯＶＰＥ法により、それぞれ２０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍおよび１０ｎｍの厚さに形成する。ただし前記チャネル層２６は先にも説明したようにＩｎＧａＡｓよりなり、１×１０18ｃｍ-3の濃度のＳｅによりｎ型にドープされている。これに対し前記バリア層４１，４３はＣによりｐ型にドープされたＡｌＧａＡｓよりなり、一方キャップ層４４はＧａＡｓよりなり、１×１０18ｃｍ-3の濃度のＳｅによりｎ型にドープされている。
【００４５】
図５（Ｃ）の工程では、さらに前記ＳｉＯ2膜２９中に前記ドレイン電極３１に対応して開口部が形成され、リフトオフ工程により、前記ＧａＡｓ層２４にオーミックコンタクトするように、ドレイン電極３１が形成される。
【００４６】
さらに図６（Ｄ）の工程においては、前記ＳｉＯ2膜２９中に前記コンタクトホール２９Ｂが、前記ｎ+型ＧａＡｓ層２４を貫通して前記非ドープＧａＡｓ層２３を露出するように形成され、前記コンタクトホール２９Ｂにおいて前記露出したＧａＡｓ層２３においてショットキーコンタクトするようにショットキー電極３１Ａがリフトオフ法により形成される。さらに図６（Ｅ）の工程において前記キャップ層４４上にＩＴＯ膜をパターニングすることにより、前記導電性光学窓４５が形成される。
［第２実施例］
図７は、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０を使った本発明の第２実施例による光多重化信号の受信装置１００の構成を示す。
【００４７】
図７を参照するに、前記受信装置１００においては前記光検出器４０に対して波長がλ1，λ2，・・・の光信号成分を含む波長多重化光信号が、入射光として入来する。前記光検出器４０は前記ドレイン電極３１およびソース電極３２に間に電流検出器１０２を介して接続された直流バイアス電源１０１によりバイアスされ、さらに前記ショットキー電極３１Ａには、電極３１Ａと３２との間に接続された可変直流電圧源１０５により、制御電圧が印加される。
【００４８】
そこで図７の受信装置１００では、前記制御電圧の値を制御して前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさを、波長がλ1，λ2，・・・の光信号成分を含む波長多重化光信号中の所望の光信号成分の波長に同調させることにより、前記所望の光信号成分を前記電流検出器１０２により検出することが可能になる。
【００４９】
前記電流検出器１０２は出力信号を信号処理回路１０２Ａに供給し、前記信号処理回路１０２Ａは前記電流検出器１０２の出力信号から前記光信号成分に対応する電気信号を抽出する。また前記信号処理回路１０２Ａは前記電流検出器１０２の出力信号からクロック信号を抽出し、抽出したクロック信号によりリセットスイッチ１０４を制御する。前記リセットスイッチはリセット電源１０３が形成するリセット電圧の前記透明電極パターン４５への印加を制御し、オンすることにより、前記透明電極パターン４５を介して前記量子ドット４２Ａ中に電子を注入し、前記量子ドット４２Ａ中に生じているホールの蓄積を解消する。
【００５０】
かかる構成により、波長多重化された入射光信号中の任意の光信号成分を、高速で検出することが可能になる。
【００５１】
図７の構成において、前記リセット電源１０３およびリセットスイッチ１０４は、信号処理回路１０２Ａからのクロック信号により駆動されるパルス発生器により実現することも可能である。
【００５２】
また図７の構成は、そのままで前記量子ドット４２Ａを記録媒体とする光メモリ装置としても使うことができる。
［第３実施例］
図８（Ａ），（Ｂ）は、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０を使った本発明の第３実施例によるスペクトルアナライザ１１０の構成を示す。ただし図３（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図８（Ａ）を参照するに、前記基板２１上には多数の多角錐ピット２５が形成されており、前記各々の多角錐ピット２５上には先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した光出器４０が形成され、その結果前記基板２１上には光検出アレイが形成されている。
【００５４】
前記複数の光検出器４０は図８（Ｂ）に示すように、前記光多重信号受信機１００と同様に直流バイアス電源１０１により共通にバイアスされ、光電流が電流検出器１０２により検出される。また前記複数の光検出器４０の制御電極３１Ａには、前記可変直流電源１０６により制御電圧が共通に印加され、前記透明電極パターン４５にはリセット電源１０３により、リセットスイッチ１０４を介してリセット電圧が共通に印加される。
【００５５】
さらに図８（Ｂ）の構成では、前記スペクトルアナライザ１１０はコントローラ１０７を含み、前記コントローラ１０７はスペクトル測定に先立って前記リセットスイッチ１０４を制御し、前記光検出器４０を初期化する。
【００５６】
さらに前記コントローラ１０７は前記可変直流電圧源１０６を制御して制御電圧を掃引させ、同時に前記信号処理回路１０２Ａを制御する。その結果、前記信号処理回路１０２Ａは図８（Ａ）のアレイ中において光電流を生成した光検出器４０の数（Ｎon）を、各制御電圧、したがって波長エネルギ毎に各光検出器４０の電流検出器１０２の出力信号に基づいてカウントし、全検出器の数（Ｎtot）に対する比（Ｎon／Ｎtot）の形で出力する。すなわち、前記信号処理回路１０２Ａの出力端子には、例えば図９で示すような入射光のエネルギスペクトルを表す出力信号が得られる。
［第４実施例］
図１０は、本発明の第４実施例による多波長受光装置１２０の構成を示す。ただし先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図１０を参照するに、本実施例では図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０において前記ソース電極３２を透明電極３２Ａに置き換えた構造４０Ａを可変波長フィルタとして使い、前記可変波長フィルタに対して先に図１で説明したフォトダイオード１０を協働させる。前記可変波長フィルタ４０Ａも、先に図８（Ａ）で説明したように基板２１上に多数配列されてアレイを形成する。
【００５８】
図１０の多波長受光装置１２０では図１１に詳細に示すように、前記可変波長フィルタ４０Ａにおいて前記ドレイン電極３１および前記バイアス電源１０１が省略されており、ソース電極３２Ａと制御電極３１Ａとの間に接続された前記可変直流電圧源１０５により前記制御電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記量子ドット４２Ａが所望の波長、例えば波長λ1に同調される。また、前記透明電極パターン４５Ａには前記直流電圧源１０４のリセット電圧が、リセットスイッチ１０４を介して印加される。
【００５９】
かかる構成の可変波長フィルタ４０Ａに波長λ1の光信号が入来すると電子ホール対が光励起され、量子ドット４２Ａには吸収飽和が生じる。この状態は光励起されたホールが量子ドット４２Ａに保持されることにより持続し、その結果、その後で入来する波長がλ1の光は吸収されることなく前記可変波長フィルタ４０Ａを通過する。
【００６０】
そこで図１０の多波長受光装置１２０では、前記波長λ1の光信号の入射の後、白色の弱いモニタ光を前記可変波長フィルタ４０Ａに照射し、前記可変波長フィルタ４０Ａを通過する光を前記可変波長フィルタ４０Ａの背後に配設したフォトダイオード１０により検出することにより、前記波長λ1の光信号を選択的に検出することが可能になる。
【００６１】
図１０に示すように前記フォトダイオード１０はバイアス電源１０１Ａを含むバイアス回路により逆バイアスが印加され、前記バイアス回路中に含まれる電流検出器１０２Ｂの出力が信号処理回路１０２Ａで処理されて出力される。
【００６２】
図１０の多波長受光装置１００では、前記可変波長フィルタ４０Ａへの波長λ1の光信号の入射は１ビットの情報の光書き込みと同じであり、また前記モニタ光を照射して行う光検出は前記書き込まれた１ビット情報の光読み出しと同じである。従って、図１０の多波長受光装置１００は、光メモリとしても使うことができる。
【００６３】
前記多波長受光装置１００を光メモリとして使う場合には、前記透明電極パターン４５Ａに前記リセットスイッチ１０４を介して電源１０３より消去電圧を印加することにより、前記書き込まれた情報を消去することが可能である。先にも説明した通り、前記電源１０３およびリセットスイッチ１０４は、パルス発生器により置き換えることも可能である。
【００６４】
図１１は、図１０の可変波長フィルタ４０Ａの構成を示す。
【００６５】
図１１よりわかるように、前記可変波長フィルタ４０Ａは図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０と同様な構成を有するが、先にも説明したようにソース電極３２が透明電極３２Ａに置き換えられ、さらに図２（Ａ），（Ｂ）のドレイン電極３１が省略されている。これに伴い、前記ＳｉＯ2膜２９中に開口部２９Ａは形成されない。
［第５実施例］
図１２は、図１０の波長多重化光信号受信装置に前記制御電圧源１０５および信号処理回路１０２Ａを制御する制御回路１０７を追加して、先に図８（Ａ），（Ｂ）で説明したようなスペクトルアナライザ１４０を構成した例を示す。
【００６６】
図１２を参照するに、前記制御回路１０７は前記制御電圧源１０５を制御して前記制御電極３１Ａに印加される制御電圧を掃引させる。その結果前記信号処理回路１０２Ａは先に図９で説明したようなスペクトルパターンに対応する出力信号を形成する。
【００６７】
本実施例のその他の特徴は先に説明した通りであり、説明を省略する。
［変形例］
図１３は、前記光検出器４０において前記透明電極パターン４５を省略した、本発明一変形例による光検出器４０Ｂの構成を示す。かかる光検出器４０Ｂにおいては、前記量子ドット４２Ａ中に蓄積したホールの電気的な消去はできないが、十分な時間をかければ蓄積したホールは熱的に励起された電子と再結合し、消滅する。
【００６８】
同様に、図１４は図１１（Ａ）の可変波長フィルタ４１Ａにおいて、前記透明電極パターン４５を省略した、本発明一変形例による可変波長フィルタ４０Ｃの構成を示す。先の光検出器４０Ｂと同様に、可変波長フィルタ４０Ｃにおいても量子ドット４２Ａ中に蓄積したホールを電気的に消去することはできないが、十分な時間をかければ蓄積したホールは電子と再結合して消滅する。
【００６９】
以上本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記）
（付記１） 一の導電型を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層と同じ導電型を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層中に侵入するように形成され、前記第２の半導体層中、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面近傍に、前記界面から離間して位置する頂点と、前記頂点において収斂する複数のファセット面とにより画成された多角錐ピットと、
前記多角錐ピット中において、前記複数のファセット面を連続的に覆う、前記第１の半導体層と同じ導電型のチャネル層と、
前記多角錐ピット中において、前記チャネル層を覆うように形成された第１のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第１のバリア層を覆うように形成されたホール蓄積層と、
前記多角錐ピット中において、前記ホール蓄積層を覆うように形成された第２のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第２のバリア層を覆うように形成されたキャップ層と、
前記第１の半導体層上に形成された第１の電極と、
前記第２の半導体層上にショットキーコンタクトするように形成された第２の電極とを備えたことを特徴とする量子半導体装置。
（付記２） 前記第２の電極は、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層を露出するように形成されたコンタクトホール中に形成されることを特徴とする付記１記載の量子半導体装置。
【００７０】
（付記３） 前記第２の電極は、各々前記第２の半導体層にショットキーコンタクトする、複数のショットキー電極よりなることを特徴とする付記１または２記載の量子半導体装置。
（付記４） 前記複数のショットキー電極は、前記多角錐ピットに対して対称性をもって形成されていることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記５） 前記第１の半導体層は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ型化合物半導体基板よりなり、前記第２の半導体層は前記化合物半導体基板上にエピタキシャルに形成された非ドープ化合物半導体層よりなり、前記第３の半導体層は前記第２の半導体層上にエピタキシャルに形成されたｎ型化合物半導体層よりなり、前記チャネル層は前記第３の半導体層と、前記ファセット面において電気的に接続されることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７１】
（付記６） 前記ファセット面は（１１１）Ａ面よりなり、前記多角錐ピットは、前記（１１１）Ａ面により画成された正四面体形状を有することを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７２】
（付記７） 前記チャネル層は前記第１の半導体層と同じ導電型の半導体層よりなり、前記第１および第２のバリア層は前記チャネル層よりも実質的に大きいバンドギャップを有する非ドープ半導体層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７３】
（付記８） さらに前記キャップ層上には、光学的に透明なパターンが光学窓として形成されていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７４】
（付記９） 前記光学的に透明なパターンは、透明導電膜よりなることを特徴とする付記８記載の量子半導体装置。
【００７５】
（付記１０） さらに、前記第３の半導体層上に形成された第３の電極を有することを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記１１） 前記第２の電極は別の光学窓を形成することを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記１２） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源と、
前記制御電圧源を制御して、前記制御電圧を掃引させるコントローラとを備えたことを特徴とするスペクトルアナライザ。
【００７６】
（付記１３） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１２記載のスペクトルアナライザ。
【００７７】
（付記１４） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記１２または１３記載のスペクトルアナライザ。
【００７８】
（付記１５） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。
（付記１６） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１５記載の波長多重化光信号受信装置。
【００７９】
（付記１７） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記１５または１６記載の波長多重光信号受信装置。
【００８０】
（付記１８） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。
（付記１９） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１８記載の光メモリ装置。
【００８１】
（付記２０） さらに前記透明導電膜に消去電圧を印加する消去回路を有することを特徴とする付記１８または１９記載の光メモリ装置。
【００８２】
（付記２１） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源と、
前記制御電圧源を制御して前記制御電圧を掃引させるコントローラとを備えたことを特徴とするスペクトルアナライザ。
【００８３】
（付記２２） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２１記載のスペクトルアナライザ。
【００８４】
（付記２３） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記２１または２２記載のスペクトルアナライザ。
【００８５】
（付記２４） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。
（付記２５） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２４記載の波長多重化光信号受信装置。
【００８６】
（付記２６） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記２５または２６記載の波長多重化光信号受信装置。
【００８７】
（付記２７） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。
（付記２８） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２７記載の光メモリ装置。
【００８８】
（付記２９） さらに前記透明導電膜に消去電圧を印加する消去回路を有することを特徴とする付記２７または２８記載の光メモリ装置。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチピットの頂点に形成される量子ドットの実効的な大きさを、制御電極により形成された空乏領域の広がりを制御することにより制御でき、量子ドットのエネルギを所望の光波長に同調させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフォトダイオードの構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による光検出器の構成を示す図である。
【図３】図２の光検出器の原理を説明するバンド構造図である。
【図４】図２の光検出器の光検出効果を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２の光検出器の製造工程を示す図（その１）である。
【図６】（Ｄ）〜（Ｅ）は、図２の光検出器の製造工程を示す図（その２）である。
【図７】本発明の第２実施例による波長多重化光信号受信装置／光メモリ装置の構成を示す図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施例によるスペクトルアナライザの構成を示す図である。
【図９】図８のスペクトルアナライザの出力例を示す図である。
【図１０】本発明の第４実施例による波長多重化光信号受信装置／光メモリ装置の構成を示す図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は、図１０の構成で使われる可変波長光フィルタの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第５実施例によるスペクトルアナライザの構成を示す図である。
【図１３】本発明の一変形例による光検出器の構成を示す図である。
【図１４】本発明の一変形例による可変波長光フィルタの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ フォトダイオード
１１，２１ 基板
１２ バッファ層
１３ 光吸収層
１３Ａ ｐ型領域
１４，１６ 電極
１５ 絶縁膜
１６Ａ 開口部
２２，２４ ｎ＋型半導体層
２３ 非ドープ半導体層
２５ エッチピット
２５Ａ ファセット面
２５Ｂ エッチピット頂点
２６ チャネル層
２９ 絶縁膜マスク
２９Ａ マスク開口部
２９Ｂ コンタクトホール
３１Ａ 制御電極
３２ ソース電極
３２Ａ 透明ソース電極
４０，４０Ｂ 光検出器
４０Ａ，４０Ｃ 可変波長フィルタ
４１，４３ ｐ型バリア層
４２ ホール蓄積層
４２Ａ 量子ドット
４４ ｎ+型キャップ層
４５ 透明電極
１００，１３０ 波長多重光信号受信機／光メモリ装置
１０１ バイアス電圧源
１０２，１０２Ｂ 電流検出器
１０２Ａ 信号処理回路
１０３ リセット電圧源
１０４ リセットスイッチ
１０５ 制御電圧源
１０６ 掃引電圧源
１０７ 制御装置
１１０，１４０ スペクトルアナライザ
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に量子半導体装置に関する。
【０００２】
光通信技術では、光ファイバ中を伝送される光信号を検出するのにＰＩＮフォトダイオードなどの光検出器が使われているが、近年のトラヒックの増大に伴い、さらに高速で低消費電力、高感度の光検出器が要求されるようになっている。特に最近では増大する光トラヒックに対応するために、複数の波長の光信号成分を共通の光ファイバを介して伝送する波長多重光通信技術が使われ始めている。かかる波長多重光通信技術においては、異なった波長に対してチューニングが可能な光検出器が求められている。
【０００３】
また、情報処理の分野においては処理データ量の増大に伴い、高速で大容量のメモリが必要となるが、これを半導体メモリ装置で実現しようとすると、必要な高集積密度に対応して配線パターンが非常に複雑になり、歩留りの低下等、様々な問題が生じると考えられる。これに対し、微弱光で書き込みが可能な光半導体メモリは、前記半導体メモリ装置の問題点を解消できる手段として期待されている。
【０００４】
【従来の技術】
従来より、光検出にはｐｎ接合を有するフォトダイオードあるいはｐｉｎ接合を有するフォトダイオードが一般的に使われている。
【０００５】
図１は典型的な従来のｐｎ接合フォトダイオード１０の構成を示す。
【０００６】
図１を参照するに、フォトダイオード１０はｎ型ＩｎＰ基板１１上に構成されており、前記基板１１上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層１２と、ｎ−型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と、前記光吸収層１３中に形成されたｐ＋型ＩｎＧａＡｓ領域１３Ａとを含み、前記光吸収層１３上には前記ｐ＋型領域１３Ａに対応して電極１４が、また前記ＩｎＰ基板１１の下主面上には光学窓となる開口部１６Ａを形成されたリング状電極１６が形成される。さらに前記吸収層１３の露出表面はＳｉＮ等のパッシベーション膜１５により保護される。ｐｉｎ接合を有するフォトダイオードも類似した構成を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１のフォトダイオード１０はプレーナ型の構造であり、光電流を十分なＳ／Ｎ比で検出するためには実質的な受光面積にわたり光照射を受ける必要がある。すなわち、図１のフォトダイオード１０をはじめとするプレーナ型のフォトダイオードは感度が低いという問題点を有している。
【０００８】
図１のフォトダイオード１０においては、ｐ＋型領域１３Ａの面積を縮小することにより光電流の検出に要する光照射強度を減少させることができるはずであるが、かかる受光面積の縮小にはフォトリソグラフィー工程に伴う制約があり、このためプレーナ型のフォトダイオードでは検出感度が低くなるという問題点を回避できない。
【０００９】
また、情報処理の分野においては近年の処理データ量の急増に伴い、高速で大容量のメモリ装置が必要とされている。従来より高速大容量メモリ装置としてはＤＲＡＭやＳＲＡＭ等の高集積密度半導体メモリ装置が使われているが、今日の半導体メモリ装置では莫大な素子間を電気的に接続するために非常に複雑な配線パターンを使っており、これに伴い多層配線構造等の工程数を要する技術を使わざるを得ない状況が発生している。しかし、将来必要になるさらに大容量のメモリ装置では、このような従来の半導体メモリ装置を使った場合には信号の遅延や歩留りの低下等、様々な問題が生じると考えられる。このため、大量の情報を高速に搬送できる光信号により直接に書き込みが可能な半導体光メモリ装置が望まれている。
【００１０】
これに対し従来より、例えば特開平８−３２０４６号公報に記載されているように、量子ドットに特徴的な離散的エネルギ準位を利用した光電子集積素子が提案されている。前記提案によれば、プレーナ型構造中に多数の量子ドットを形成し、波長多重化光信号の光検出や光変調、あるいは出力を行う。
【００１１】
しかし、かかる従来の量子ドットを使った光信号処理装置では、個々の量子ドットを、対応する光信号成分の波長に同調するように形成する必要があるが、従来のパターニング技術により、所望の量子ドットを制御性良く、しかも歩留り良く形成することは困難である。またアレイを構成する多数の量子ドットを、それぞれのサイズに形成することは困難である。
【００１２】
そこで本発明は、上記の課題を解決した新規で有用な量子半導体装置を提供することを概略的課題とする。
【００１３】
本発明のより具体的な課題は、量子ドットを備えた量子半導体装置において、量子ドットのエネルギ準位を自在に制御できる構成を有する量子半導体装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の課題は、量子ドットを備えた量子半導体装置において、量子ドットのエネルギ準位を自在に制御することにより、入射光のエネルギスペクトルを分析するスペクトルアナライザを提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の課題は、波長多重化光信号中の選択された光信号成分を検出できる波長多重通信用光信号受信装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、一の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層と同じ導電型を有する第３の半導体層と、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層中に侵入するように形成され、前記第２の半導体層中、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面近傍に、前記界面から離間して位置する頂点と、前記頂点において収斂する複数のファセット面とにより画成された多角錐ピットと、前記多角錐ピット中において、前記複数のファセット面を連続的に覆う、前記第１の半導体層と同じ導電型のチャネル層と、前記多角錐ピット中において、前記チャネル層を覆うように形成された第１のバリア層と、前記多角錐ピット中において、前記第１のバリア層を覆うように形成されたホール蓄積層と、前記多角錐ピット中において、前記ホール蓄積層を覆うように形成された第２のバリア層と、前記多角錐ピット中において、前記第２のバリア層を覆うように形成されたキャップ層と、前記第３の半導体層上に形成された第１の電極と、前記第１の半導体層上に形成された、制御電圧印加用の第２の電極と、前記第２の半導体層上にショットキーコンタクトするように形成された第３の電極とを備え、前記ホール蓄積層に量子ドットが形成されていることを特徴とする光検出用の量子半導体装置により、解決する。
【００１７】
本発明によれば、前記ホール蓄積層中に、前記多角錐ピットの頂点に対応してキャリアを３次元的に閉じ込める量子ドットが形成されるが、前記第２の電極に制御電圧を印加することによりショットキーコンタクトに伴う空乏層の広がりが変化し、その結果量子ドットのサイズ、従って量子準位を任意に変化させることができる。
【００１８】
本発明において、前記第２の電極は、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層を露出するように形成されたコンタクトホール中に形成するのが好ましい。また前記第２の電極は、各々前記第２の半導体層にショットキーコンタクトする、複数のショットキー電極より構成することができる。前記複数のショットキー電極は、前記多角錐ピットに対して対称性をもって形成するのが好ましい。前記第１の半導体層は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ型化合物半導体基板よりなり、前記第２の半導体層は前記化合物半導体基板上にエピタキシャルに形成された非ドープ化合物半導体層よりなり、前記第３の半導体層は前記第２の半導体層上にエピタキシャルに形成されたｎ型化合物半導体層よりなり、前記チャネル層は前記第３の半導体層と、前記ファセット面において電気的に接続されるのが好ましい。前記ファセット面は（１１１）Ａ面よりなり、前記多角錐ピットは、前記（１１１）Ａ面により画成された正四面体形状を有するのが好ましい。また前記チャネル層は前記第１の半導体層と同じ導電型の半導体層よりなり、前記第１および第２のバリア層は前記チャネル層よりも実質的に大きいバンドギャップを有する非ドープ半導体層よりなるのが好ましい。さらに前記キャップ層上には、光学的に透明なパターンを光学窓として形成するのが好ましい。その際、前記第２の電極に別の光学窓を形成してもよい。
【００１９】
さらに、前記量子半導体装置を使い、これに前記第２の電極に制御電圧を供給する電圧源を組み合わせることにより、スペクトルアナライザを構成することが可能である。前記スペクトルアナライザにおいては、前記電圧源は、前記制御電圧を掃引する。さらに、前記量子半導体装置を使い、これに前記第２の電極に制御電圧を供給する電圧源を組み合わせることにより、波長多重化光信号受信装置を構成することが可能である。また、前記量子半導体装置を使い、さらに前記量子半導体装置に対応して、前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器を設けることにより、波長多重化光信号受信装置を構成することも可能である。
【００２０】
本発明はまた、前記請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子半導体装置を基板上に複数個配列することにより量子半導体アレイを形成し、前記量子半導体アレイ中の各々の量子半導体装置について、前記第２の電極に制御電圧を電圧源より供給することにより、波長多重化光信号受信装置を構成することが可能である。その際、前記複数の量子半導体装置として前記第２の電極中に光学窓を有するものを使い、さらに前記複数の量子半導体装置の各々に対応して、前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器を設けるように構成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による光検出器４０の構成を示す、それぞれ断面図および平面図である。
【００２２】
図２（Ａ）を参照するに、光検出器４０は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ＋型ＧａＡｓ基板２１上に構成されており、前記ＧａＡｓ基板２１上に形成された、Ｓｅによりキャリア密度が約５×１０１８ｃｍ−３にドープされた厚さが約０．１μｍのｎ＋ＧａＡｓ層２２と、前記ｎ＋型ＧａＡｓ層２２上に形成された厚さが約０．３μｍの非ドープＧａＡｓ層２３と、前記非ドープＧａＡｓ層２３上に形成された、Ｓｅによりキャリア密度が約５×１０１８ｃｍ−３にドープされた厚さが約０．１μｍのｎ＋ＧａＡｓ層２４とを含み、前記ＧａＡｓ層２４中には（１１１）Ａ面よりなるファセット面２５Ａで画成された正四面体形状のエッチピット２５が、前記ファセット面２５Ａが収斂するエッチピットの頂点２５Ｂが前記非ドープＧａＡｓ層２３中、前記ＧａＡｓ層２３とその下のＧａＡｓ層２２との界面近傍に位置するように形成される。
【００２３】
前記エッチピット２５中においては、前記ファセット面２５Ａ上に、Ｓｅにより１×１０18ｃｍ−３のキャリア密度にドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓよりなるチャネル層２６が、前記エッチピット２５の頂点２５Ｂをも含めて前記ファセット面２５Ａを連続的に覆うように、典型的には１５ｎｍの厚さに形成されており、前記チャネル層２６上には非ドープＡｌＧａＡｓよりなる第１のバリア層４１が、典型的には２０ｎｍの厚さに形成されている。
【００２４】
前記第１のバリア層４１上には非ドープＧａＩｎＡｓよりなるホール蓄積層４２が、約１０ｎｍの厚さに形成され、さらに前記ホール蓄積層４２上には、前記バリア層４１と同様にＣによりｐ型にドープされたＡｌＧａＡｓよりなる第２のバリア層４３が約２０ｎｍの厚さに形成される。さらに前記第２のバリア層４３上にはｎ+型ＧａＡｓよりなるキャップ層４４が約１０ｎｍの厚さに形成される。
【００２５】
さらに本実施例では、前記ＧａＡｓ層２４上には、前記エッチピット２５中において前記キャップ層４４を露出する円形の開口部２９Ａを有するＳｉＯ2膜２９が形成されており、前記ＳｉＯ2膜２９上には、前記キャップ層４４を覆うように、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3・ＴｉＯ2）よりなる透明電極パターン４５が、光学窓を兼ねて形成されている。
【００２６】
後で説明するように、前記ｎ＋型ＧａＡｓ膜２４を覆うＳｉＯ2膜２９は前記エッチピット２５をウェットエッチング法により形成する際にマスクとして使われたＳｉＯ2膜であり、さらに前記ＧａＡｓ膜２４の表面を露出する開口部２９Ｂが形成され、前記開口部２９Ｂに対応して前記ＧａＡｓ膜２４とオーミックコンタクトするドレイン電極３１が形成されている。
【００２７】
図２（Ｂ）の平面図よりわかるように、前記ドレイン電極３１は、前記正四面体エッチピット２５の底面を構成する正三角形の各辺に対応して３つ形成されている。さらに、前記ＧａＡｓ基板２１の底面には、ソース電極３２が形成されている。
【００２８】
さらに本実施例の光検出器４０では図２（Ｂ）の平面図よりわかるように、前記正四面体エッチピット２５の各辺に対応して、図２（Ａ）に示すように前記非ドープＧａＡｓ層２３を露出するコンタクトホール２９Ｂが、前記ＳｉＯ2膜２９およびその下のｎ+型ＧａＡｓ層２４中に形成されており、前記コンタクトホール２９Ｂの各々には、前記露出されたＧａＡｓ層２３に対してショットキーコンタクトするＡｌあるいはＷ等のショットキー電極３１Ａが形成される。
【００２９】
ところで、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記ホール蓄積層４２中、前記エッチピット２５の頂部２５Ｂ近傍の領域にＩｎが濃集し、その結果前記Ｉｎ濃集領域において量子ドット４２Ａが形成される。かかるエッチピットにおけるＩｎの濃集の現象、およびこれに伴う量子ドットの形成については、例えば米国特許５，６５６，８２１号公報を参照。
【００３０】
図３は、本実施例の半導体光検出器４０のバンド構造図を示す。ただし図３のバンド構造図は、図２（Ａ）の断面図において、前記頂点２６を含むように前記基板２１に垂直に引いたラインに沿ったバンド構造図である。
【００３１】
図３を参照するに、本実施例では前記ｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層２６に隣接してｐ型ＡｌＧａＡｓバリア層４１が、またｎ型ＧａＡｓキャップ層４４に隣接してバリア層４３が形成されているため、前記チャネル層２６とバリア層４２の界面、および前記キャップ層４４と前記バリア層４３の界面に形成されるｐｎ接合に伴って、前記バリア層４１および４３の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが、前記チャネル層２６の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖに対して高エネルギ側にシフトしたバンド構造が得られる。
【００３２】
さらに前記バリア層４１およびバリア層４３の間に挟持されたホール蓄積層４２中には、前記エッチピット２５の頂点２５Ｂ近傍の領域４２Ａにおいて量子準位Ｌｅおよび量子準位Ｌｈにより特徴付けられる量子ドットが形成され、前記光学窓４５を介して入射する入射光により、前記量子ドットにおいては電子ホール対ｅ，ｈが光励起される。
【００３３】
そこで前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間に適当なバイアス電圧を印加しておくと、光励起された電子ｅは直ちに前記バリア層４１を乗り越えてチャネル層２６に落ち、前記頂点２５Ｂから前記ｎ+型ＧａＡｓ層２２までの間、前記非ドープＧａＡｓ層２３中を熱励起により通過し、さらに前記基板２１を通って電極３２により吸収される。そこで、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間において前記光励起電子に起因する光電流を検出することにより、入射光の検出が可能になる。すなわち、図２（Ａ），（Ｂ）の構成４０は、光検出器として機能する。
【００３４】
ところで、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記ショットキー電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記ショットキー電極とコンタクトする前記ＧａＡｓ層２３の表面において形成される空乏領域の広がりを、図２（Ａ）中に矢印で示したように制御することが可能になる。空乏領域においてはキャリアが排除されるため、かかる空乏領域の広がりを制御することにより前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさの制御が可能になる。すなわち、前記ショットキー電極３１Ａに印加される電圧を、前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさ、従って量子準位Ｌｅ，Ｌｈが、検出したい入射光の波長に同調するように制御することにより、複数の波長の光信号が多重化されて伝送される波長多重化光信号中から、所望のチャネルの光信号成分のみを抽出して検出することが可能になる。
【００３５】
その際、前記ショットキー電極３１Ａを、前記正四面体状のエッチピット２５に対して対称的に配設することにより、前記量子ドット４２Ａの大きさを対称性を維持しつつ変化させることができ、量子準位Ｌｅ，Ｌｈのスプリットを抑制することができる。一方、このように対称性をもって形成された複数のショットキー電極３１Ａにそれぞれ異なった制御電圧を印加することにより、必要に応じて前記量子ドット４２Ａの量子準位Ｌｅ，Ｌｈを複数の準位にスプリットさせることも可能である。
【００３６】
また、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０では、前記光励起されたホールｈは光検出の後、前記量子ドット４２Ａ中に安定に保持され蓄積される。すなわち、本実施例の半導体光検出器４０は、前記光学窓４５を介して情報を光書き込みする光メモリ装置としても機能することが可能である。
【００３７】
かかる光書き込みがなされた場合、前記光検出器４０では量子ドット４２Ａ中へのホールｈの蓄積に伴い、前記量子ドット４２Ａの伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが低エネルギ側にシフトする。これに伴い、前記ホール蓄積層４２を介して前記量子ドット４２Ａと熱平衡の関係にあるチャネル層２６の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖも低エネルギ側にシフトする。その結果、前記チャネル層２６中においてキャリア密度が増大し、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間に通電した場合に観測される電流値が増大する。換言すると、本実施例の光検出器４０では、先に説明した光検出の後、前記ドレイン電極３１とソース電極３２との間の電流を検出することにより、量子ドット４２Ａ中に保持されている情報を読み出すことも可能である。
【００３８】
さらに、本実施例の光検出器４０では、前記光学窓４５をＩＴＯなどの透明導電パターンとしておくことにより、前記光学窓４５を介して保持されている情報を消去することが可能になる。すなわち、前記光学窓４５を構成する透明電極パターンの電位を上昇させ、前記ホール蓄積層４２、特に量子ドット４２Ａに電子を、前記キャップ層４４の伝導帯Ｅｃを介して注入する。注入された電子は、蓄積されているホールと再結合し、その結果、情報の消去がなされる。かかる消去を行うことにより、前記光検出器４０は初期状態に復帰し、次の光検出に備える。
【００３９】
図４は、前記光検出器４０において前記制御電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記量子ドット４２Ａのサイズを入射光の波長に対して同調させ、その状態で前記光学窓４５を介して１ｐＷおよび１ｎＷのパワーの光パルスを照射した場合に前記電極３１と電極３２との間で検出される光電流を示す。
【００４０】
図４を参照するに、入射光ビームの強度が１ｐＷの場合には実質的な光電流の変化は見られないが、入射光ビームの強度が１ｎＷになった場合には、光パルスの照射に伴って光電流の値が階段状に増大しているのがわかる。かかる階段状の光電流の変化は入射光ビームが遮断されても保持され、前記量子ドット４２Ａ中にホールが保持されていることを示す。すなわち図４の結果は、前記光検出器４０は光メモリとしても機能することを示す。
【００４１】
図４において、各階段の立ち上がりに見られる光ビーム照射に伴う光電流の一時的増大は、前記入射光が前記チャネル層２６において電子ホール対の励起を生じた結果であり、本実施例の半導体光メモリ装置４０が、高速かつ高感度光検出器として機能することを実証している。
【００４２】
次に、本実施例の半導体光検出器４０の製造工程を、図５（Ａ）〜（Ｃ）および図６（Ｄ），（Ｅ）を参照しながら説明する。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し，説明を省略する。
【００４３】
図５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、前記ＧａＡｓ基板２１上にはＧａＡｓ層２２〜２４が積層されており、前記ＧａＡｓ層２２〜２４中に、頂点２５Ｂが非ドープＧａＡｓ層２３中においてｎ+型ＧａＡｓ層２２近傍に位置するように、ファセット２５Ａで画成された正四面体形状のエッチピット２５が、開口部２９Ａを有するＳｉＯ2膜２９をマスクに形成される。
【００４４】
次に図５（Ｃ）の工程において、前記エッチピット中に前記チャネル層２６がＭＯＶＰＥ法により１５ｎｍの厚さに形成され、さらに前記チャネル層２６上に前記バリア層４１、ホール蓄積層４２、バリア層４３およびキャップ層４４が、いずれもＭＯＶＰＥ法により、それぞれ２０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍおよび１０ｎｍの厚さに形成する。ただし前記チャネル層２６は先にも説明したようにＩｎＧａＡｓよりなり、１×１０18ｃｍ-3の濃度のＳｅによりｎ型にドープされている。これに対し前記バリア層４１，４３はＣによりｐ型にドープされたＡｌＧａＡｓよりなり、一方キャップ層４４はＧａＡｓよりなり、１×１０18ｃｍ-3の濃度のＳｅによりｎ型にドープされている。
【００４５】
図５（Ｃ）の工程では、さらに前記ＳｉＯ2膜２９中に前記ドレイン電極３１に対応して開口部が形成され、リフトオフ工程により、前記ＧａＡｓ層２４にオーミックコンタクトするように、ドレイン電極３１が形成される。
【００４６】
さらに図６（Ｄ）の工程においては、前記ＳｉＯ2膜２９中に前記コンタクトホール２９Ｂが、前記ｎ+型ＧａＡｓ層２４を貫通して前記非ドープＧａＡｓ層２３を露出するように形成され、前記コンタクトホール２９Ｂにおいて前記露出したＧａＡｓ層２３においてショットキーコンタクトするようにショットキー電極３１Ａがリフトオフ法により形成される。さらに図６（Ｅ）の工程において前記キャップ層４４上にＩＴＯ膜をパターニングすることにより、前記導電性光学窓４５が形成される。
［第２実施例］
図７は、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０を使った本発明の第２実施例による光多重化信号の受信装置１００の構成を示す。
【００４７】
図７を参照するに、前記受信装置１００においては前記光検出器４０に対して波長がλ1，λ2，・・・の光信号成分を含む波長多重化光信号が、入射光として入来する。前記光検出器４０は前記ドレイン電極３１およびソース電極３２に間に電流検出器１０２を介して接続された直流バイアス電源１０１によりバイアスされ、さらに前記ショットキー電極３１Ａには、電極３１Ａと３２との間に接続された可変直流電圧源１０５により、制御電圧が印加される。
【００４８】
そこで図７の受信装置１００では、前記制御電圧の値を制御して前記量子ドット４２Ａの実効的な大きさを、波長がλ1，λ2，・・・の光信号成分を含む波長多重化光信号中の所望の光信号成分の波長に同調させることにより、前記所望の光信号成分を前記電流検出器１０２により検出することが可能になる。
【００４９】
前記電流検出器１０２は出力信号を信号処理回路１０２Ａに供給し、前記信号処理回路１０２Ａは前記電流検出器１０２の出力信号から前記光信号成分に対応する電気信号を抽出する。また前記信号処理回路１０２Ａは前記電流検出器１０２の出力信号からクロック信号を抽出し、抽出したクロック信号によりリセットスイッチ１０４を制御する。前記リセットスイッチはリセット電源１０３が形成するリセット電圧の前記透明電極パターン４５への印加を制御し、オンすることにより、前記透明電極パターン４５を介して前記量子ドット４２Ａ中に電子を注入し、前記量子ドット４２Ａ中に生じているホールの蓄積を解消する。
【００５０】
かかる構成により、波長多重化された入射光信号中の任意の光信号成分を、高速で検出することが可能になる。
【００５１】
図７の構成において、前記リセット電源１０３およびリセットスイッチ１０４は、信号処理回路１０２Ａからのクロック信号により駆動されるパルス発生器により実現することも可能である。
【００５２】
また図７の構成は、そのままで前記量子ドット４２Ａを記録媒体とする光メモリ装置としても使うことができる。
［第３実施例］
図８（Ａ），（Ｂ）は、図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０を使った本発明の第３実施例によるスペクトルアナライザ１１０の構成を示す。ただし図３（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図８（Ａ）を参照するに、前記基板２１上には多数の多角錐ピット２５が形成されており、前記各々の多角錐ピット２５上には先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した光出器４０が形成され、その結果前記基板２１上には光検出アレイが形成されている。
【００５４】
前記複数の光検出器４０は図８（Ｂ）に示すように、前記光多重信号受信機１００と同様に直流バイアス電源１０１により共通にバイアスされ、光電流が電流検出器１０２により検出される。また前記複数の光検出器４０の制御電極３１Ａには、前記可変直流電源１０６により制御電圧が共通に印加され、前記透明電極パターン４５にはリセット電源１０３により、リセットスイッチ１０４を介してリセット電圧が共通に印加される。
【００５５】
さらに図８（Ｂ）の構成では、前記スペクトルアナライザ１１０はコントローラ１０７を含み、前記コントローラ１０７はスペクトル測定に先立って前記リセットスイッチ１０４を制御し、前記光検出器４０を初期化する。
【００５６】
さらに前記コントローラ１０７は前記可変直流電圧源１０６を制御して制御電圧を掃引させ、同時に前記信号処理回路１０２Ａを制御する。その結果、前記信号処理回路１０２Ａは図８（Ａ）のアレイ中において光電流を生成した光検出器４０の数（Ｎon）を、各制御電圧、したがって波長エネルギ毎に各光検出器４０の電流検出器１０２の出力信号に基づいてカウントし、全検出器の数（Ｎtot）に対する比（Ｎon／Ｎtot）の形で出力する。すなわち、前記信号処理回路１０２Ａの出力端子には、例えば図９で示すような入射光のエネルギスペクトルを表す出力信号が得られる。
［第４実施例］
図１０は、本発明の第４実施例による多波長受光装置１２０の構成を示す。ただし先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図１０を参照するに、本実施例では図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０において前記ソース電極３２を透明電極３２Ａに置き換えた構造４０Ａを可変波長フィルタとして使い、前記可変波長フィルタに対して先に図１で説明したフォトダイオード１０を協働させる。前記可変波長フィルタ４０Ａも、先に図８（Ａ）で説明したように基板２１上に多数配列されてアレイを形成する。
【００５８】
図１０の多波長受光装置１２０では図１１に詳細に示すように、前記可変波長フィルタ４０Ａにおいて前記ドレイン電極３１および前記バイアス電源１０１が省略されており、ソース電極３２Ａと制御電極３１Ａとの間に接続された前記可変直流電圧源１０５により前記制御電極３１Ａに制御電圧を印加することにより、前記量子ドット４２Ａが所望の波長、例えば波長λ1に同調される。また、前記透明電極パターン４５Ａには前記直流電圧源１０４のリセット電圧が、リセットスイッチ１０４を介して印加される。
【００５９】
かかる構成の可変波長フィルタ４０Ａに波長λ1の光信号が入来すると電子ホール対が光励起され、量子ドット４２Ａには吸収飽和が生じる。この状態は光励起されたホールが量子ドット４２Ａに保持されることにより持続し、その結果、その後で入来する波長がλ1の光は吸収されることなく前記可変波長フィルタ４０Ａを通過する。
【００６０】
そこで図１０の多波長受光装置１２０では、前記波長λ1の光信号の入射の後、白色の弱いモニタ光を前記可変波長フィルタ４０Ａに照射し、前記可変波長フィルタ４０Ａを通過する光を前記可変波長フィルタ４０Ａの背後に配設したフォトダイオード１０により検出することにより、前記波長λ1の光信号を選択的に検出することが可能になる。
【００６１】
図１０に示すように前記フォトダイオード１０はバイアス電源１０１Ａを含むバイアス回路により逆バイアスが印加され、前記バイアス回路中に含まれる電流検出器１０２Ｂの出力が信号処理回路１０２Ａで処理されて出力される。
【００６２】
図１０の多波長受光装置１００では、前記可変波長フィルタ４０Ａへの波長λ1の光信号の入射は１ビットの情報の光書き込みと同じであり、また前記モニタ光を照射して行う光検出は前記書き込まれた１ビット情報の光読み出しと同じである。従って、図１０の多波長受光装置１００は、光メモリとしても使うことができる。
【００６３】
前記多波長受光装置１００を光メモリとして使う場合には、前記透明電極パターン４５Ａに前記リセットスイッチ１０４を介して電源１０３より消去電圧を印加することにより、前記書き込まれた情報を消去することが可能である。先にも説明した通り、前記電源１０３およびリセットスイッチ１０４は、パルス発生器により置き換えることも可能である。
【００６４】
図１１は、図１０の可変波長フィルタ４０Ａの構成を示す。
【００６５】
図１１よりわかるように、前記可変波長フィルタ４０Ａは図２（Ａ），（Ｂ）の光検出器４０と同様な構成を有するが、先にも説明したようにソース電極３２が透明電極３２Ａに置き換えられ、さらに図２（Ａ），（Ｂ）のドレイン電極３１が省略されている。これに伴い、前記ＳｉＯ2膜２９中に開口部２９Ａは形成されない。
［第５実施例］
図１２は、図１０の波長多重化光信号受信装置に前記制御電圧源１０５および信号処理回路１０２Ａを制御する制御回路１０７を追加して、先に図８（Ａ），（Ｂ）で説明したようなスペクトルアナライザ１４０を構成した例を示す。
【００６６】
図１２を参照するに、前記制御回路１０７は前記制御電圧源１０５を制御して前記制御電極３１Ａに印加される制御電圧を掃引させる。その結果前記信号処理回路１０２Ａは先に図９で説明したようなスペクトルパターンに対応する出力信号を形成する。
【００６７】
本実施例のその他の特徴は先に説明した通りであり、説明を省略する。
［変形例］
図１３は、前記光検出器４０において前記透明電極パターン４５を省略した、本発明一変形例による光検出器４０Ｂの構成を示す。かかる光検出器４０Ｂにおいては、前記量子ドット４２Ａ中に蓄積したホールの電気的な消去はできないが、十分な時間をかければ蓄積したホールは熱的に励起された電子と再結合し、消滅する。
【００６８】
同様に、図１４は図１１（Ａ）の可変波長フィルタ４１Ａにおいて、前記透明電極パターン４５を省略した、本発明一変形例による可変波長フィルタ４０Ｃの構成を示す。先の光検出器４０Ｂと同様に、可変波長フィルタ４０Ｃにおいても量子ドット４２Ａ中に蓄積したホールを電気的に消去することはできないが、十分な時間をかければ蓄積したホールは電子と再結合して消滅する。
【００６９】
以上本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記）
（付記１） 一の導電型を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層と同じ導電型を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層中に侵入するように形成され、前記第２の半導体層中、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面近傍に、前記界面から離間して位置する頂点と、前記頂点において収斂する複数のファセット面とにより画成された多角錐ピットと、
前記多角錐ピット中において、前記複数のファセット面を連続的に覆う、前記第１の半導体層と同じ導電型のチャネル層と、
前記多角錐ピット中において、前記チャネル層を覆うように形成された第１のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第１のバリア層を覆うように形成されたホール蓄積層と、
前記多角錐ピット中において、前記ホール蓄積層を覆うように形成された第２のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第２のバリア層を覆うように形成されたキャップ層と、
前記第１の半導体層上に形成された第１の電極と、
前記第２の半導体層上にショットキーコンタクトするように形成された第２の電極とを備えたことを特徴とする量子半導体装置。
（付記２） 前記第２の電極は、前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層を露出するように形成されたコンタクトホール中に形成されることを特徴とする付記１記載の量子半導体装置。
【００７０】
（付記３） 前記第２の電極は、各々前記第２の半導体層にショットキーコンタクトする、複数のショットキー電極よりなることを特徴とする付記１または２記載の量子半導体装置。
（付記４） 前記複数のショットキー電極は、前記多角錐ピットに対して対称性をもって形成されていることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記５） 前記第１の半導体層は（１１１）Ｂ面を主面とするｎ型化合物半導体基板よりなり、前記第２の半導体層は前記化合物半導体基板上にエピタキシャルに形成された非ドープ化合物半導体層よりなり、前記第３の半導体層は前記第２の半導体層上にエピタキシャルに形成されたｎ型化合物半導体層よりなり、前記チャネル層は前記第３の半導体層と、前記ファセット面において電気的に接続されることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７１】
（付記６） 前記ファセット面は（１１１）Ａ面よりなり、前記多角錐ピットは、前記（１１１）Ａ面により画成された正四面体形状を有することを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７２】
（付記７） 前記チャネル層は前記第１の半導体層と同じ導電型の半導体層よりなり、前記第１および第２のバリア層は前記チャネル層よりも実質的に大きいバンドギャップを有する非ドープ半導体層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７３】
（付記８） さらに前記キャップ層上には、光学的に透明なパターンが光学窓として形成されていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
【００７４】
（付記９） 前記光学的に透明なパターンは、透明導電膜よりなることを特徴とする付記８記載の量子半導体装置。
【００７５】
（付記１０） さらに、前記第３の半導体層上に形成された第３の電極を有することを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記１１） 前記第２の電極は別の光学窓を形成することを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の量子半導体装置。
（付記１２） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源と、
前記制御電圧源を制御して、前記制御電圧を掃引させるコントローラとを備えたことを特徴とするスペクトルアナライザ。
【００７６】
（付記１３） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１２記載のスペクトルアナライザ。
【００７７】
（付記１４） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記１２または１３記載のスペクトルアナライザ。
【００７８】
（付記１５） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。
（付記１６） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１５記載の波長多重化光信号受信装置。
【００７９】
（付記１７） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記１５または１６記載の波長多重光信号受信装置。
【００８０】
（付記１８） 付記１０記載の量子半導体装置と、
前記前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。
（付記１９） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記１８記載の光メモリ装置。
【００８１】
（付記２０） さらに前記透明導電膜に消去電圧を印加する消去回路を有することを特徴とする付記１８または１９記載の光メモリ装置。
【００８２】
（付記２１） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源と、
前記制御電圧源を制御して前記制御電圧を掃引させるコントローラとを備えたことを特徴とするスペクトルアナライザ。
【００８３】
（付記２２） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２１記載のスペクトルアナライザ。
【００８４】
（付記２３） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記２１または２２記載のスペクトルアナライザ。
【００８５】
（付記２４） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。
（付記２５） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２４記載の波長多重化光信号受信装置。
【００８６】
（付記２６） さらに前記透明導電膜にリセット電圧を印加するリセット回路を有することを特徴とする付記２５または２６記載の波長多重化光信号受信装置。
【００８７】
（付記２７） 付記１１に記載の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第３の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。
（付記２８） 前記量子半導体装置は、基板上において他の同一構成の量子半導体装置と共にアレイを形成することを特徴とする付記２７記載の光メモリ装置。
【００８８】
（付記２９） さらに前記透明導電膜に消去電圧を印加する消去回路を有することを特徴とする付記２７または２８記載の光メモリ装置。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチピットの頂点に形成される量子ドットの実効的な大きさを、制御電極により形成された空乏領域の広がりを制御することにより制御でき、量子ドットのエネルギを所望の光波長に同調させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフォトダイオードの構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による光検出器の構成を示す図である。
【図３】図２の光検出器の原理を説明するバンド構造図である。
【図４】図２の光検出器の光検出効果を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２の光検出器の製造工程を示す図（その１）である。
【図６】（Ｄ）〜（Ｅ）は、図２の光検出器の製造工程を示す図（その２）である。
【図７】本発明の第２実施例による波長多重化光信号受信装置／光メモリ装置の構成を示す図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第３実施例によるスペクトルアナライザの構成を示す図である。
【図９】図８のスペクトルアナライザの出力例を示す図である。
【図１０】本発明の第４実施例による波長多重化光信号受信装置／光メモリ装置の構成を示す図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は、図１０の構成で使われる可変波長光フィルタの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第５実施例によるスペクトルアナライザの構成を示す図である。
【図１３】本発明の一変形例による光検出器の構成を示す図である。
【図１４】本発明の一変形例による可変波長光フィルタの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ フォトダイオード
１１，２１ 基板
１２ バッファ層
１３ 光吸収層
１３Ａ ｐ型領域
１４，１６ 電極
１５ 絶縁膜
１６Ａ 開口部
２２，２４ ｎ＋型半導体層
２３ 非ドープ半導体層
２５ エッチピット
２５Ａ ファセット面
２５Ｂ エッチピット頂点
２６ チャネル層
２９ 絶縁膜マスク
２９Ａ マスク開口部
２９Ｂ コンタクトホール
３１Ａ 制御電極
３２ ソース電極
３２Ａ 透明ソース電極
４０，４０Ｂ 光検出器
４０Ａ，４０Ｃ 可変波長フィルタ
４１，４３ ｐ型バリア層
４２ ホール蓄積層
４２Ａ 量子ドット
４４ ｎ+型キャップ層
４５ 透明電極
１００，１３０ 波長多重光信号受信機／光メモリ装置
１０１ バイアス電圧源
１０２，１０２Ｂ 電流検出器
１０２Ａ 信号処理回路
１０３ リセット電圧源
１０４ リセットスイッチ
１０５ 制御電圧源
１０６ 掃引電圧源
１０７ 制御装置
１１０，１４０ スペクトルアナライザ
Claims (9)
- 一の導電型を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層と同じ導電型を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層中に、前記第２の半導体層中に侵入するように形成され、前記第２の半導体層中、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面近傍に、前記界面から離間して位置する頂点と、前記頂点において収斂する複数のファセット面とにより画成された多角錐ピットと、
前記多角錐ピット中において、前記複数のファセット面を連続的に覆う、前記第１の半導体層と同じ導電型のチャネル層と、
前記多角錐ピット中において、前記チャネル層を覆うように形成された第１のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第１のバリア層を覆うように形成されたホール蓄積層と、
前記多角錐ピット中において、前記ホール蓄積層を覆うように形成された第２のバリア層と、
前記多角錐ピット中において、前記第２のバリア層を覆うように形成されたキャップ層と、
前記第１の半導体層上に形成された第１の電極と、
前記第２の半導体層上にショットキーコンタクトするように形成された、制御電圧印加用の第２の電極とを備え、
前記ホール蓄積層に量子ドットが形成されていることを特徴とする光検出用の量子半導体装置。 - 前記第２の電極は、各々前記第２の半導体層にショットキーコンタクトする、複数のショットキー電極よりなることを特徴とする請求項１記載の光検出用の量子半導体装置。
- 前記複数のショットキー電極は、前記多角錐ピットに対して対称性をもって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光検出用の量子半導体装置。
- さらに、前記第３の半導体層上に形成された第３の電極を有することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の光検出用の量子半導体装置。
- 前記第２の電極は別の光学窓を形成することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の光検出用の量子半導体装置。
- 請求項４記載の光検出用の量子半導体装置と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。 - 請求項４記載の光検出用の量子半導体装置と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続されたバイアス電圧源と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に前記バイアス電圧源に直列に接続された電流検出回路と、
前記第２の電極に制御電圧を供給する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。 - 請求項４に記載の光検出用の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第２の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする波長多重化光信号受信装置。 - 請求項４に記載の光検出用の量子半導体装置と、
前記量子半導体装置を通過した入力光を検出する光検出器と、
前記第２の電極に制御電圧を印加する制御電圧源とを備えたことを特徴とする光メモリ装置。
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