JPH01501988A - 量子井戸デバイスの光読み出し - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 量子井戸デバイスの光読み出し 生見更立ｉ見 本発明は半導体量子井戸デバイス、より具体的にはそれらの光学的特性を変えら れるこの型のデバイスに係る。

半導体量子井戸デバイスは、現在それらの光学的特性を変えられることが、従来 技術で知られている。たとえば、Ｄ　、　Ｓ　、　Ｃｈｅｍｌａ（ディー・シー ・ケムラ）らに１９８５年６月２５日に承認された特許第４，５２５，６８７号 を参照のこと、このケムラらの特許において、半導体デバイスは多数の量子井戸 構造をもち９、このデバイスは多数の量子井戸層間に異なる電位を印加すること により、その光学的特性を変えられると述べられている。その特許の第２５図に 示されているように、そのようなデバイスの７レイは、基板上に置くことができ １個々のデバイスはアレイ中のデバイスのそれぞれによる吸収を変えるために、 電位によって制御できる。

集積回路がますます大きくなるにつれ、そのような回路上に展開された情報を光 学的に読み出すことの可能性が、より望ましくなっていく、上で引用したケムラ らの特許中に述べられている型のデバイスは、回路中に展開させた情報を光学的 に読み出すための手段を形成する目的で、大規模な集積回路の適当な点に置くこ とができる。

上で引用したケムラらの特許中のデバイスは、そのようなデバイスを読み出すの に用いられる光源から、精密で安定な動作波長を必要とする。もし量子井戸層が それらの光学的特性を、必要な動作波長における厳重な許容度を要求することな く、電気的デバイスにより提供される情報に従って光学的特性を変えられるなら 、集積回路の設計に対する困難は少なくなる。

本１里立夏藝 本発明は、量子井戸層の光学的特性は量子井戸層中のキャリヤ密度を電気的に変 えることにより、著しく変えることができるという我々の発見に基づく。示され た具体的な実施例において、量子井戸層がＦＥＴの導電性チャネルとして働く電 界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が製作される。ゲート電圧を変えることにより、 ＦＥＴの状態は、ピンチオフの空のチャネル状態から、導電性の満ちたチャネル に変る。井戸中のキャリヤ密度が対応して変ることにより、量子井戸層の光学特 性が著しく変化する。

示される具体的な実施例において、ゲート電極は半導体表面上に金属を堆積させ ることにより製作され、量子井戸層の光学特性は、光源からの光ビームを基板構 造を通して投影し、金属ゲート電極から光ビームを反射させることにより決めら れる。その結果、光ビームは量子井戸層を２度通過し有利であり、それにより基 板構造から現れた後検出される光ビームに対する吸収効果が増す。

図面の簡単な説日 第１図は、本発明に従って作られる装置の概略を示す図； 第２図は、このデバイスに作られた電気的接続に沿って、第１図の概略の方向に 示した半導体デバイスの上面図； 第３図、第４図及び第５図は１本発明を説明するのに有用な曲線及びダイヤグラ ムである。

見亙皇■１ 荷電キャリヤが変調ドーピングにより、量子井戸層中に置けることは、現在当業 者には知られている。ドーピングのこの技術により、キャリヤを供給する不純物 からキャリヤを空間的に分離し、その結果、それらの電子輸送特性に対してよく 調べられている非常に移動度の高い材料が得られる。変調ドーピングのこの技術 は、高速選択ドープヘテロ構造トランジスタの開発に応用されてきた。

変調ドープ量子井戸の光学特性は、あまり研究されていない、第５図に示されて いるように、量子井戸中にキャリヤを置くと、二次元のサブバンドをフェルミエ ネルギー準位Ｅｌまで満たすことになる。その結果、荷電キャリヤを持たない量 子井戸中に通常存在する光吸収が観測されず、第５図に示されるように起りうる 第１の吸収は吸収閾値Ｅｔに対応する。この吸収端のシフトは変調ドープＧ　ａ 　Ａ　ｓ量子井戸層中で観測され、　Ａ　、　Ｐ　１ｎｅｚｕｋ（エイ・ビンタ ック）らにより“Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　−（Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　）Ａｓヘテロ構造中の ２Ｄ電子プラズマの光プロセス”と題する論文、　Ｓｏ’ｌｉｄ　Ｓｔａ、ｔｅ 　Ｃｏｍｍ、ｓ　’（ソリッド・ステート・コミュニケーション）第５０巻、第 ８号、７３５−７３９頁（１９８４）に報告されている。吸収端のシフトのこの 全体的な振舞いは、むしろ荷電キャリヤが二次元サブバンドをフェルミ準位まで 満たしたという事実によって、完全に説明できる。その結果、キャリヤなしで量 子井戸中で通常起る任意の低エネルギー遷移は、荷電がサブバンドをフェルミ準 位まで完全に満たしているため、起すことができない０本発明に従うと、これら の荷電キャリヤは量子井戸層から押しやられ、少なくともその層の一部からは押 し出される。そのため荷電キャリヤがないときに量子井戸層中に通常存在するも のに対応する波長で、吸収が再び起る。

量子井戸層に荷電キャリヤを供給された半導体構造が。

第１図中に構造（１００）として示されている。この半導体構造において、エピ タキシャル層を分子線エピタキシープロセスを用いて、（１００）鉄ドープイン ジウムリン（Ｉｎｋ）基板（１０１）上に成長させた。第１図に示されるように 、基板（ｌ　Ｏ１）上に成長させた第１の層はアンドープのＡ　Ｑ　Ｉ　ｎ　Ａ 　ｓ緩衝層（１０２）である、この層は　３０００Ａの厚さに成長させる。緩衝 層（１０２）の最上部上に、Ｇ　ａ　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓを用いてアンドープ層（１ ０３）を１００Ａの厚さに成長させ、二次元電子ガスのための量子井戸導電性チ ャネルを形成させる。

この量子井戸層（１０３）に続いてＡ　Ｑ　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓがら成力■当り１． ２　Ｘ　Ｉ　Ｑ”原子までシリコンをドープしたＡＱ　Ｉ　ｎＡｓから成る層（ １０５）が形成される。量子井戸層（１０３）中の電子ガスは、スペーサＪＷ（ １０４）を通してドープ層（１０５）から移された電子により作られる。最後に Ａ　Ｑ　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓから成るアンドープ層（１０６）を１４ＯＡの厚さに成 長させ、１立方Ｃ凸り７ＸＩＯ”原子の量までシリコンをドープしたＧａＩｎＡ ｓのギャップ層（ｌ　Ｏ７）を、２００Ａの厚さまで成長させる。

４００℃及び４３０℃の２段階で領域（１１１）及び（１１２）中に蒸着したＡ 　ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕ電極を合金化することにより、ソース及びドレイン電 極を形成する。ソース及びドレイン領域間の５．４ミクロンの間隙中に中心をお く１．６ＸＩＯ０ミクロンのゲート電極（１０９）に加え、第２図に示されるよ うに、ショットキーゲートパターン（ｌ　Ｏ９）は２つのポンディングパッド（ ２１０）及び（２１１）を有する。

ゲート電極及び２個のポンディングパッドから成るこのパターンによりカバーさ れるエピタキシャル層は、３００ＡのＣｒとそれに続＜３０００ＡのＡｕから成 るショットキー金属の堆積に先立ち、遅い化学エッチを用いて２３０Ａだけくぼ ませる。第１図に示されるように。

このゲート電極は、従って層（１０６）と直接接触している。最後に、ウェハ上 に生成された電界効果トランジスタが、深いメサエッチにより分離される。この 最後の工程中、ボンディング用に使われるゲートパッド（２１０）と能動ゲート 電極（ｌ　Ｏ９）間に、エアブリッジも形成される。第２図中の第２のゲートパ ッド（２１１）は１００Ｘ１００ミクロンの大きさをもつ、このゲートは以下で 述べるような方式で光プローブに対する活性領域として働かせるため、ソース− ドレインメサの隣接した部分として残る。基板（１０１）の下側が研磨され、個 々のデバイスはプロセスウェハがら切断され、サファイヤプレート上にマウント される。なぜなら、デバイスはそれぞれ行なわれた実験で用いられたからである 。マウントの後、電界効果トランジスタデバイスは第４図に示されるような電流 電圧特性を示した。

本発明に従うと、レーザ（１３０）のようなモノリシック光源からの光出力を、 ゲート電極下のＩｎＰ基板とエピタキシャル層を通して、ゲート電極の活性パッ ド（２１１）上に焦点をあわせる。この光はＣｒ　／　Ａ　ｕ電極から反射され 、硫化鉛光検出器（１３１）により検出される。ソース−ドレイン電位が、第２ 図中に示されるように、電位源（２２０）により供給され、ゲート電極及びソー ス電極間のソースにより供給される電位は、実験中質えられ、それによりゲート 電極（１０９）下の領域中の量子井戸層（１０３）中の荷電キャリヤの数が変え られる。第３図中に示された曲線は、光源（１３０）により供給される波長と電 位源（２２１）により供給されるゲート−ソース電圧（ΔＶ　ｇ　ｓ　）の両方 の関数として、検出器（１３１）により測定された反射ビームの強度変化の結果 である。この光強度の変化が第３図中の縦軸に沿って、ゲート−ソース電圧が変 化した時の吸収の変化（微分吸収）が示されている。第３図に示されるように、 ゲートソース電圧は−０，５ボルトから−０，２゜Ｏ，Ｏ，Ｓ　又は１ボルトに 変化し、光源（１３０）からの光の波長は、１０００ナノメータから１７００ナ ノメータまで変化した。更に、第３図に示されるように、ゲートソース電圧の各 値に対し、異なる光吸収が得られる。

ｎ２＝１　の励起子ピークの位置に約３パーセントの大きな微分吸収が明らかに 見られ、ｎ２＝２　の共鳴位置に幾分小さな変化が見られる＊　ｎｚ＝　ｌ　Ｉ Ｍｔ起子ピークに対応する波長で光源（１３０）を動作させることにより、光検 出器（１３１）により検出される光は、電界効果トランジスタの論理状態を決め るのに使うことができる。従って、この装置は光読み出し電界効果トランジスタ である。（１００）と示された型のデバイスは１回路中に存在する情報が光学的 に読み出せる手段を形成するため、非常に大規模な集積回路上の適当な点に置く ことができる。

第３図に示された吸収スペクトルの定性的な理解は、位相−空間充満及び禁制帯 の再規格化の効果を考えることにより得られる。Ｊ’１Ｊ（１０３）によりチャ ネル中にキャリヤが供給されるとともに、ｎ２＝１　の伝導帯サブレベルが徐々 にボビュレートされ、キャリヤはフェルミ分布に分布する。これらの占有状態は 、吸収には寄与することができず、従って吸収はその波長で凍結される。ゲート ソース電圧が１．０　ボルトから減少するにつれ、層（１０３）により供給され キャリヤチャネル中に存在するキャリヤの数は増加し、ｎ２＝１伝導サブレベル に対応する波長における吸収の凍結が、第３図に示されるように起る。従って、 ゲート電圧を変えることにより、量子井戸中のキャリヤ密度を連続的に変えるこ とができ。

量子井戸の吸収特性も変えられ、それによって電界効果トランジスタが光学的に 読み出される機構ができる。この変化を起す減少のため、実効位相−空間吸収凍 結（ＰＡＱ）と呼ぶことにした。

本発明について、量子井戸層がその荷電を変調ドーピングにより受ける場合の具 体例をあげて述べたが、荷電の量子的閉じ込めを実現する他の技術も、量子井戸 の直接ドーピングを含め用いることができることを理解すべきである、また１本 発明を定義するのに用いられている“量子井戸層”という用語は、単一のへテロ 界面を含むことを意味し、そこではキャリヤは静電引力とへテロ構造界面の組み 合わせにより、閉じ込められる。量子閉じ込めの他の技術を用いて作られる電界 効果トランジスタのいくつかの例は、Ｔ、Ｊ、Ｄｒｕｍｍｏｎｄ　（ティー・ジ ェイ・ドラモンド）らによる“変調ドープＧ　ａ　Ａ　ｓ　／（ＡＱ、Ｇａ）Ａ ｓヘテロ接合電界効果トランジスタ：Ｍ○ＤＦＥＴ”　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ 　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉ　ＥＥＥ　（プロシーディング・オブ・ザ・アイイーイーイ ー）第７４巻、第６号、１９８６年６月、７７３−８２２頁に述べられている。

上で述べたことは、本発明の一実施例である０本発明の精神と視点を離れること なく、当業者には多くの変形が考えられるであろう０本発明について、ＩｎＧａ ＡＱＡｓ材料系を用いる実施例と関連づけて述べてきたが、本発明が他の材料系 にも等しく適用できることは、当業者には明らかなはずである０本発明全体が量 子井戸中のキャリヤ密度の変化は、その光学的特性に著しい変化を生じうるとい う発見に基づいている。吸収効果を増すため、複数の量子井戸を半導体構造中に 用いることができる。加えて、キャリヤ密度の変化を起させるため、電界効果ト ランジスタ以外のデバイスを用いることもできる。

事実１本発明を実施するためには必ずしも電界効果トランジスタ全体は必要でな く、量子井戸層中の荷電密度を変えるために、任意の２個の電極を用いてよいこ とが、当業者には明らかなはずである。また、吸収特性の変化は、屈折率のよう な他の特性の変化があるときにのみ起りうろことが当業者には明らかなはずであ る。従って。

本発明は、屈折率の変化を起すために用いてもよく、屈折率の変化は光強度の振 幅変化を検出する手段以外の手段により検出できる。吸収の変化はここで述べた 実施例中の量子井戸壁を通すより、導波路として働く量子井戸に沿って光ビーム を投影することにより、増すことができる。

ＦＩＧ、ル −ザ　光検出器 ＦＩＧ、２ Ｊｏｏｏ　２２００　２４００　３１；Ｄｏ　２Ｂ００波長（ｎす ＦＩＧ、４ ＶＢ２（広゛ルト） 国際調査報告 Ｓ＾　１９ａ２７

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １． 荷電キャリヤを有する少なくとも１つの量子井戸層、前記荷電キャリヤを 供給するため、前記少なくとも１つの量子井戸層に本質的に近接したドープ半導 体層、前記電気信号に応答して前記量子井戸層中の荷電キャリヤの密度を変える ための手段及びあらかじめ決められた波長を有し、前記半導体構造中の前記量子 井戸層に光を向けるよう配置された光源を含む電気信号の変化を検出するための 光装置において、あらかじめ決められた波長における光の変化を検出するための 手段は、光が前記量子井戸層を通過した後、それが検出されるよう配置されるこ とを特徴とする光装置。
2. ２．　請求の範囲第１項に記載された光装置において、前記半導体構造は吏に前 記ドープ半導体層及び前記量子井戸層間にエピタキシャル成長させた障壁層を含 むことを特徴とする光装置。
3. ３．　請求の範囲第１項に記載された光装置において、荷電キャリヤの密度を変 化させるための手段は、前記２個の電極間の電位の変化が、前記量子井戸層の少 なくとも一領域中の荷電キャリヤの数の変化を起すよう、前記半導体構造上に配 置された少なくとも２個の電極を含むことを特徴とする光装置。
4. ４．　請求の範囲第３項に記載された光装置において、前記少なくとも２個の電 極は、電界効果トランジスタ構造のゲート及びソース電極として働き、前記ゲー ト電極は前記あらかじめ決められた波長において光を反射することのできる材料 で作られることをことを特徴とする光装置。
5. ５．　請求の範囲第４項に記載された光装置において、前記光源は前記ゲート電 極から反射されるよう、前記量子井戸層を通して光を向けるように配置され、前 記あらかじめ決められた波長における光の変化を検出するための前記手段は、前 記ゲート電極から反射されるよう光を受けるように配置されることを特徴とする 光装置。