JPH03191579A - オプトエレクトロニクス・デバイス - Google Patents

オプトエレクトロニクス・デバイス

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JPH03191579A
JPH03191579A JP2217256A JP21725690A JPH03191579A JP H03191579 A JPH03191579 A JP H03191579A JP 2217256 A JP2217256 A JP 2217256A JP 21725690 A JP21725690 A JP 21725690A JP H03191579 A JPH03191579 A JP H03191579A
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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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体のオプトエレクトロニクス・デバイス
に関するものであり、きりわけ、キャリヤ注入の効率及
び波長同調の改良された量子井戸を何する半導体のオプ
トエレクトロニクス番デバイスに関するものである。
Ｂ、従来の技術及びその課題 レーザ、発光ダイオード、及び、光検出器といったオプ
トエレクトロニクス・デバイスは、通信７ステム、外科
用器具、及び、各ａ？Ｉ！子装置を含む広範囲の用途に
有効である。半導体のオプトエレクトロニクス・デバイ
スは、半導体材料における電荷キャリヤの励起と再結合
に基づくものである。こうした半導体オプトエレクトロ
ニクス番デバイスの１つが、半導体材料の薄層、すなわ
ち、量子井戸の活性領域が、量子井戸に注入される電荷
キャリヤのソースとしての働きをする別の半導体の層の
間にはさまれている、量子井戸デバイスである。クラッ
ド注入層は、バンド嗜ギャップが活性層よりも広り、量
子井戸層は、サイズのユ子化効果によって活性層に離散
的エネルギ準位を形成するため、ごく薄く作られている
。光の放出または吸収のため、活性領域の伝導バンドと
価電子バンドの間に量子遷移が生じる。１つのクラッド
層から活性領域に電子が注入され、もう１つのクラッド
層から活性領域にホールが注入される。電子とホールは
、活性領域で再結合し、電磁放射線を放出する。
こうしたデバイスの効率を改良する技法の開発には、多
大の関心が寄せられてきた。その関心の中心をなすのは
、量子井戸へのキャリヤ注入及び量子井戸内での再結合
の効率を増すことと、波長の同調が行なえるようにする
ことであった。さらに、光通信に対する現在の関心事で
ある、１．３μ−〜Ｉθμ腸の波長における効率のよい
デバイスの動作を可能にするのも望ましい。
探究されている量子井戸の発光テクノロジにおいて最近
開発されたものの１つが、超格子領域における共振トン
ネル作用である。共振トンネル作用の場合、超格子活性
領域のミニバンドとクラッド注入層におけるエネルギ準
位とのアライメントがとれ、キャリヤが注入層からバリ
ヤ層を通り抜けて、単一エネルギ準位のコレクタ層に達
する。
Ｈｅ１ｍ他により、１９８９年のＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｒ
ｅｖｌｅｎＬｅｔｔｅｒｓ第６３巻（＋）には、半導体
超格子からの副バンド間における放出を生じさせる順次
共振トンネル作用が開示されている。Ｙｕｈ他によす、
１９８７年のＡｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、第５
１巻（Ｉ８）には、活性領域が２つのミニ副バンドによ
って形成され、上方のミニ副バンドは、エミッタ領域の
ミニ副バンドとアライメントがとれ、下方のミニ副バン
ドは、コレクタ領域のミニ副バンドとアライメントがと
れるようになっている、バンドのアライメントがとれた
超格子レーザが開示されている。キャリヤ注入について
は明らかに改良されるが、人工のミニバンドのアライメ
ントがとれるようにするには、極めて精密でなければな
らない超格子層の形成に大きく依存することになる。
Ｃ３課題を解決するための手段 本発明は、効率のよいキャリヤ注入と、広範囲の波長に
対するカスタム化を実現する新規の方法が得られるよう
にする、半導体層のバンド・エネルギの独特な関係を有
する、半導体の量子井戸にヨルオプトエレクトロニクス
・デバイスを提供することを目的としたものである。該
オプトエレクトロニクス・デバイスは、薄いトンネル作
用領域とポテンシャル障壁の両方または一方によって活
性領域から隔てられた、クラッド電極層の間にはさまれ
ている量子井戸活性領域によって形成される。例えば、
このオプトエレクトロニクス・デバイスは、３層、４層
、または、５層の半導体材料から構成することができる
。量子井戸活性領域には、サイズ量子化効果によって形
成された少なくとも２つの電子状態が含まれている。動
作バイアス電圧下において、各エネルギ状態は、電極の
−方における禁止領域に存在し、同時に、もう一方の電
極の許容領域にも存在する。該状態の一方は、一方の電
極の伝導バンドに存在し、もう一方の状態は、もう一方
の電極の価電子バンドに存在する。
本発明のオプトエレクトロニクス・デバイスは、電磁エ
ネルギの放出または吸収に適合する。従って、層の形成
に用いられる各種材料のバンド・エネルギの関係に従っ
て、結果として得られる構造は、近赤外線から遠赤外線
までの光を放出したり、あるいは、吸収したりすること
ができる。活性領域の場合、エネルギ状態は、伝導バン
ドと価電子バンドのいずれかにおいて間隔があけられる
。光学遷移、放出、または、吸収が、対をなすエネルギ
状態の間で発生する。２つの状態間におけるエネルギ差
が、放出または吸収される電磁エネルギの周波数を決め
る。光遷移が伝導バンドに生じる場合、その遷移は、電
子状態の間におけるものである。光遷移が価電子バンド
に生じる場合、その遷移は、ホール状態の間におけるも
のである。
バイアスを加えられた発光デバイスの場合、高位の電子
状態は、エミッタ電極の伝導バンドに存在し、同時に、
コレクタ電極のバンド・ギャップにも存在する。低位の
電子状態は、エミッタ電極のバンド・ギャップと、コレ
クタ電極の価電子バンドに同時に存在する。光を放出す
るため、該構造には順バイアスがかけられ、キャリヤが
、エミッタ電極から活性領域の高位のエネルギ状態にな
るまで注入される。そのエネルギ準位は、コレクタ層の
バンド・ギャップに存在するので、これらのキャリヤが
、その高エネルギ準位のコレクタ電極に直接移動するこ
とはできない。キャリヤは、低位のエネルギ状態に緩和
し、それによって、２つの状態のエネルギ差に反比例し
た波長で光が放出されることになる。コレクタ領域の価
電子バンドに存在する低エネルギ準位において、キャリ
ヤが通過して、コレクタ層に到達する。該低エネルギ準
位は、エミッタ電極のバンド・ギャップに存在するので
、キャリヤは、エミッタ電極に戻れない。
光検出デバイスの場合、バンド・エツジ構成は動作バイ
アス電圧下において発光デバイスと同じになる。しかし
ながら、平衡状態において、光検出デバイスのフェルミ
準位は、クラッド電極のどちらかのバンド・ギャップ内
になければならないという点で、材料要件は相違がある
。フェルミ準位のアライメントにおけるこの相違で、光
検出デバイスに負バイアスを加えることができるように
する必要が生じる。動作負バイアス下においては、コレ
クタから量子井戸における低位のエネルギ状態に注入さ
れるエネルギーバンド構成により、電子の経路が制限さ
れる。適正な波長範囲内における光の吸収によって、低
位状態の電子は高エネルギ準位に励起され、エミッタに
流れることになる。
該デバイスは、３つ以上の異なる材料を用いて、ポリタ
イプのへテロ構造を形成する、タイプＩとタイプ■のト
ンネル・ヘテロ接合の両方または一方の組合せによって
実現することができる。これらの実施例の場合、クラッ
ド電極の一方または両方と活性領域の間に薄いトンネル
障壁が設けられ、キャリヤは、トンネル作用によって量
子井戸に注入される。もう１つの実施例の場合、該デバ
イスは、キャリヤ注入が、電極と活性領域の界面の一方
または両方において、ポテンシャル障壁を介して行なわ
れる、タイプＩとタイプ■のヘテロ接合の両方または一
方による組合せによって実現される。
本発明のデバイスの動作には少数キャリヤが関係しない
ので、本発明のデバイスは、従来の半導体発光デバイス
及びレーザ・ダイオードに用いられる順バイアスのｐｎ
接合の少数キャリヤ注入に比べて効率のよい動作を行な
う。さらに、本発明は、従来の共振トンネル機構とはま
るで異なっている。本発明は、効率のよいキャリヤ注入
をより容易に実現することができ、また、広範囲の波長
に対するカスタム化を容易にするシステムを提供するも
のである。さまざまな既知の技法を用いて、量子井戸に
おけるエネルギ状態の間隔を変え、発光または吸光にと
って所望の波長が得られるようにすることが可能である
。
Ｄ、実施例 ここで図面を参照すると、第１ａ図及び第１ｂ図には、
本発明の発光デバイスに関するエネルギーバンドの概要
が示されている。第１ａ図及び第１ｂ図に示す概要は、
第３ａ図及び第３ｂ図の場合と同様、一般的な性質のも
のであり、発明の基本概念を明らかにしようとするもの
である。全ての層に関するバンド・エツジが示されてい
るわけではなく、その構造について重要な領域について
のみ示されている。図示されていないバンドΦエツジは
、特定の材料について異なる可能性があるが、図示のエ
ツジに関する一般的な関係について説明する。また、全
ての図が５層デバイスについて示したものであるが、当
該技術の熟練者には明らかなように、エネルギ・バンド
の概要は、３層及び４Ｊｉｌデバイスの場合と同様であ
り、電極の一方または両方に関するエネルギ・バンドは
、シフトして、障壁層のない活性領域に隣接している。
ここで、第１ａ図を参照すると、第１のクラッド電極１
４と第２のクラッド電極１Ｂの間にはさまれた量子井戸
領域にから構成される、平衡状態の５層発光デバイス１
０が示されている。電極１４は、トンネル障壁Ｉ８によ
って量子井戸領域１２から分離されており、電極１６は
、トンネル障壁２０によって量子井戸領域！２から分離
されている。量子井戸領域！２には、サイズ量子化効果
によって複数のエネルギ状態が形成される。離散的エネ
ルギ準位を形成するのに必要なキャリヤの閉じ込めを行
なうには、トンネル障壁１８及び２０は、活性領域１２
のバンド書ギャップより広いバンドやギャップを備えな
ければならない。第１ａ図に示すように、２つのエネル
ギ状態Ｅ１及びＥｔが形成される。当然ではあるが、エ
ネルギ状１１１　Ｅ　Ｉ及びＢｅは層＋２の伝導バンド
とａＮ子バンドのいずれかに形成されるので、活性領域
１２のバンド・エツジは示されていない。エネルギ状態
が伝導バンドにある場合、伝導バンド・エツジは、Ｅｌ
　未満になる。一方、エネルギ状態が価電子バンドにあ
る場合、価電子バンド・エツジは、Ｅｔを超える。
障壁層Ｉ８及び２０は、トンネル障壁であり、従って、
バンド・ギャップを十分に広くして、層が絶縁体のよう
な働きをするようにし、また、十分に薄くして、キャリ
ヤが層を通り抜けることができるようにしなければなら
ない。第１ａ図に示す図示実施例の場合、平衡状態また
は非バイアス状態において、発光デバイスは、エネルギ
状態Ｅ、が電極１４のバンド・ギャップに存在し、同時
に、電極！６の価電子バンドにも存在することによって
形成される。エネルギ状態Ｅ２は、同時に電極１４の伝
導バンドと電極Ｉ６のバンド・ギャップに存在する。Ｅ
ｌとＥｔの両方とも、電極１４と１６の許容領域にしか
存在しないような、交替案としての平衡状態のバンドΦ
エツジ構成も可能である。
第１ｂ図に示すように、適正な順バイアス電圧ｖｂが加
えられると、すなわち、電極１４に対して正のバイアス
が電極Ｉ６に加えられると、バンドのアライメントがと
れて、電子が、層１４の伝導層から層！８を通り抜け、
エネルギ状態Ｅ１に達する。
エネルギ状１１１　Ｅ　ｔは層１Ｇのバンドｅギャップ
に存在するので、状態Ｅ、の電子が通り抜けて直接層Ｉ
６に達することはできない。矢印２２は、＋４からＩ２
へのトンネル作用を表わしている。量子井戸＋２におい
て、矢印２４で示すように、電子は状態Ｅ、にまで緩和
する。この緩和の結果、エネルギｈｖの矢印２６で表わ
された電磁放射線の放出が生じる。放出される光の波長
は、エネルギ差Ｅ２　　Ｅｌに反比例する。次に、状態
Ｅ＋　の再結合電子は、矢印２８で示すように、層２０
を通り抜けて、電極層１６に達する。状態Ｅ１は、層！
４のバンドｅギャップに存在しており、電子が通り抜け
てｌｌｌＩ４に戻るのを阻止するため、これが、状ｍＥ
Ｉ　を去る電子にとって唯一の経路である。こうして、
本発明に従って、バンドのアライメントをとることで形
成されたデバイスによって、極めて効率のよいキャリヤ
注入及び光遷移が可能になる。
第２図の図示実施例の場合、本発明は、３つ以上の異な
る材料を用いて、ポリタイプのへテロ構造を形成するタ
イプＩとタイプＨのトンネル接合を組合わせることによ
って、実現される。ポリタイプのへテロ構造については
、１９８１年のｊｐ、　Ｊ。
ｏｆ　Ａｐｐｌ、　Ｐｂｙｓ、　２０　（７）において
、Ｅｓａｋｌ他によって、初めて開示された。タイプ■
のトンネル接合により、平衡状態において、エミッタの
伝導バンドは、エネルギが、コレクタのｉ電子バンドよ
りも高位になる。また、タイプ■のトンネル接合は、エ
ミッタの価電子バンドよりも高エネルギを何するコレク
タの伝導バンドによって形成されている。これに対し、
タイプ■のトンネル接合の場合、エミッタの伝導バンド
は、コレクタの価電子バンドに比べてエネルギが低位に
なるか、あるいは、代りに、コレクタの伝導バンドが、
エミッタの価電子バンドに比べてエネルギが低位になる
。
タイブエのトンネル接合の例が、ＩｎＡｓ−Ａｌ５ｂ−
１ｎＡｓである。タイプＨのトンネル接合の例が、Ｉｎ
Ａｓ−Ａｌ５ｂ−ＧａＳｂである。これらのトンネル接
合は、両方とも、結晶格子に適合性があり、分子ビーム
Φエビタクシのような最近の堆積技法によってありきた
りのやり方で形成することができる。第２図には、これ
ら２つのトンネル接合と材料構造の集積化が示されてい
る。電極１４、トンネル障壁１８、及び、活性領域１２
は、それぞれ、ＩｎＡｓ−Ａ　ｌ５ｂ−１ｎＡｓから構
成される。タイプＩのトンネル接合をなす。
同時に、量子井戸領域＋２、障壁層２Ｇ、及び、電極！
６は、それぞれ、ＩｎＡｓ−Ａ　１ｓｂ−ＧａＳｂから
構成される、タイプ■のトンネル接合をなす。例えば、
５層発光デバイス１０は、タイプＩとタイプ■のトンネ
ル接合の組合せによって形成される。各層の伝導バンド
Ｅｃと価電子バンドＥｖとのアライメントから明らかな
ように、タイプＩとタイプＨのトンネル接合との組合せ
によって、第１ｂ図に示す状態の実現が可能になる。当
該技術の熟練者には明らかなように、タイプＩとタイプ
■のヘテロ接合とトンネル接合を形成することができる
他の材料系を組み合わせることによって、本発明のバン
ド・エツジ構成が得られることになり、次に、こうした
他の材料系の利用について考察する。
第２図は、＋４（ｍ’の直流バイアス下において計算さ
れたバンド図である。活性層＋２は、１５０オングスト
ロームの厚さを有するものとして示され、障壁層！８及
び２０は、それぞれ、２０オングストロームの厚さを有
するものとして示されている。当然明らかなように、こ
れらの厚さは、単なる例にしかすぎない。層１４にはｎ
ドーピングが施され、層１６にはｐドーピングが施され
ている。厚さの場合と同様、ｆｉ＋４について示された
５　Ｘ　１０”ｃｒ”のドーピング濃度及び層■６につ
いて示されたｌＸｌ０”Ｑｍ−”のドーピング濃度も、
単なる例にしかすぎない。　１４０ｍＶのバイアス電圧
ｖｂ下で、Ｅ２　　Ｅｌのエネルギ差が０．ｌ２ｅＹに
等しい場合、対応する発光は、１０μ簡の範囲内である
。上述の　ＩｎＡｓ、　ＧａＳｂ。
及び、ＡｌＳｂ、　　またはそれらと適合する他の半導
体の合金を含むことのできる材料の組合せ、及び、層の
厚さを適正に選択することによって、発光は、短い波長
と長い波長の両方に拡張することができる。従って、５
０オングストロームの　ＩｎＡｓの量子井戸領域１２、
及び、キャリヤの注入層１４としてのＡｌＧａ　ＡｓＳ
ｂを用いることによって、約１．８μ■の発光が可能に
なる。
以上で、本発明の望ましい実施例の説明を終えたが、基
本構造に関するいくつかの変更が可能である。実施例の
１つでは、第２図のものと同様の構造が与えられている
が、活性層■２としてＩｎＡｓの代りにＧａＳｂが用い
られている。材料の構造は、ｎ−１ｎＡｓ／　ＡｌＳｂ
／　ＧａＳｂ／　ＡｌＳｂ／　ｐ−（ｉａＳｂである。
この実施例の場合、２つのエネルギ状態ＥＩ及びＥ２は
、活性領域の価電子バンド内に存在するので、ＧａＳｂ
のホール状態の間で光遷移が生じることになる。
このデバイスにバイアスを印加すると、高エネルギ準位
Ｅ１の電極１Ｂから活性領域１２にホールが供給され、
次に、ホールは、低エネルギ準位Ｅｆまで緩和して、状
態間のエネルギ差に反比例した電磁エネルギを放射する
。次に、ホールは、エネルギ準位Ｅ２の電極１４に集め
られる。
もう１つのバリエージ日ンでは、少なくとも１つの接合
が、タイプ■のへテロ接合とタイプ■のトンネル接合の
いずれかである。、２層、３層、または、４層構造によ
って実本発明を実施することができる。タイプ■のへテ
ロ接合は、トンネル作用層が存在しない点を除けば、タ
イプ■のトンネル接合について上述のものと同じバンド
・エツジ相殺要件を有している。例えば、第２図の構造
ニオイテ、Ａ　Ｉ　５ｂｌｔｌ壁Ｊｉ！　＋８ヲ除去す
ると、ＡｌＳｂ層２０と　ＩｎＡｓ層１２との界面に形
成された蓄積層における量子状態間に、光遷移を発生す
ることになる。
同様に、第２図の構造においてＡｌＳｂ層を除去すると
、１ｎＡｓ［Ｉ２とＧａＳｂ層ＩＢの界面に光遷移が発
生する。第２図の構造において、両方のＡｌＳｂ障壁層
１８及び２０を除去すると、ＩｎＡｓｆｆ１２とＧａＳ
ｂ層１６の界面に形成された蓄積層における量子状態間
に、光遷移を発生することになる。トンネル層が除去さ
れると、電極と活性領域の界面で曲がるバンドによって
形成される三角形のポテンシャル障壁によって、キャリ
ヤが閉じ込められる。
本発明のもう１つの実施例では、厚さがゼロのポテンシ
ャル障壁を形成することによって、電池と量子井戸の間
にトンネル作用を生じさせることができる。１９８９年
８月のＩ　ＢＭ　Ｔｅｃｈ、　Ｂｕｌ、第３２巻第３Ｂ
号において、１．　Ｃｈａｎｇ及びＥ、　Ｍｅｎｄｅｚ
によって示されているように、所定のへテロ構造の間の
厚さがゼロのポテンシャル障壁によって、２次元系にト
ンネル作用を生じさせることができる。
この概念は、本発明の３層及び４層デバイスを実現する
１つの方法である。
もう１つの実施例には、層１４及びＩ６に多層構造を利
用して、クラッド層の屈折率に操作を加えて、これを増
し、放出される放射線に対して先導操作が施されて、例
えば、低しきい値のレーザ動作が可能になるようにする
ことが含まれる。また、電極層１４及び１Ｂとして短期
間の超俗子の利用することも可能である。このシステム
の場合、超俗子について、その１つが、Ｅ２のエネルギ
位置にミニ・ギャップを有しく第１図参照）、Ｅｌのエ
ネルギ位置にミニ・バンドを打しており、これに対し、
もう１つはＥ−とミニ・ギャップを有し、Ｅ２にミニ書
バンドををしているという形をとるように設計が施され
る。
光検出器は、同じ基本原理を用いて構成することができ
る。第３ａ図及び第３ｂ図には、検出器のバンド図が示
されているが、第３ａ図はバイアスが印加されておらず
、第３ｂ図は、動作時、すなわち、バイアス印加時のも
のである。第１図の発光デバイスの場合と同様、第３図
に示す検出器３０は、該検出器の５層実施例であり、量
子井戸領域３２が、電極３４及び３６とトンネル障壁３
８及び４０によって隔てられている。留意すべきは、第
１図の発光構造とは材料の要件に違いがあるという点で
ある。光検出の場合、平衡状態にある該構造のフェルミ
準位は、該構造に対する負バイアスの印加を可能ならし
めるため、層３４と層３Ｂのいずれかのバンド・ギャッ
プに存在しなければならない。第３（ｂ）図に示すよう
に、負バイアス電圧が印加されている場合、状態Ｅ１は
電極３Ｂの価電子バンド及び電極３４のバンド・ギャッ
プに存在し、一方、状態Ｅ２は電極３６のバンド・ギャ
ップ及び層３４の伝導バンドに存在する。
第３ｂ図に示すように、適正な直流負バイアス電圧が印
加されると、バンドの構成によって、層３Ｂの電子は層
４０を通り抜けて、状態Ｅ、に達し、エネルギＥｘ−Ｅ
＋の光を吸収して、状態Ｅ　２に励起される。次に、電
子は、状態Ｅ２から層３８を通り抜けて層３４に達する
。発光デバイスの場合と同様、電子が電極３４に達する
のに利用し得る経路は、矢印４８で表わされた適正なエ
ネルギを有するフォトンの吸収を伴う、矢印４２．４４
、及び、４６で表わされた経路に制限される。これは、
状態Ｅ、が、３６から３４へ直接通り抜けるのを防止す
る電極３４のバンド・ギャップに存在し、また、エネル
ギ状態Ｅ２が、電子が通り抜けて３６に戻るのを妨げる
層３Ｂのバンド拳ギャップに存在するためである。明ら
かに、動作状態すなわちバイアス状態の場合、エネルギ
状態Ｅ、及びＥ２は、両方とも、一方の電極のバンド・
ギャップと、もう一方の電極の許容領域に、同時に存在
する。
光検出デバイスに関する本発明の実施は、タイプＩとタ
イプＨのトンネル接合の組合せによっても可能である。
第４図に示す実施例の場合、光検出器３０は、Ａ１１ｎ
　ＡｌＳｂ層３４、ＡｌＳｂ層３８．１ｎＡｓ層３２、
ＡｌＳｂ層４０、及び、ＧａＳｂ層３６層上６て形成さ
れる。
図示のように、基底エネルギ状態Ｅ＋が、Ａｌ１ｎ　Ａ
ｌＳｂ　７１３４のバンドｅギャップに存在し、同時に
、Ｅ。
が、ＧａＳｂ層３８のバンド・ギャップに存在する。電
子は、ＧａＳｂ層３６層側６子バンドからＥｌ　に供給
されるが、Ａ１１ｎ　ＡｌＳｂ　ａ３４のバンドφギャ
ップによってブロックされる。発光デバイスの場合と同
様、次に、本発明のバンド・エツジが得られる他の材料
系について考察する。
第４図のエネルギ・バンドの概要は、８０オングストロ
ームの量子井戸３２と、２０オングストロームのトンネ
ル障壁３８及び４０に、　４００ｍＶのバイアス電圧が
印加された状態について計算したバンドを表わすもので
ある。この場合、Ｅ２−Ｅｌは、０．３４５ｅＶであり
、対応する吸収波長は３．５９μｍである。
発光デバイスに関して既述の構造における同様のバリエ
ーションは、光検出デバイスにもあてはまる。例えば、
光検出デバイスは、上述のように、タイプＩとタイプ■
のヘテロ接合と、タイプＩとタイプ■のトンネル接合と
の各種組合せからなる３層及び４層構造によって形成す
ることができる。
Ｅ０発明の効果 本発明によれば、バンド間においてではなく、量子井戸
の許容バンドの１つにおける離散的エネルギ状態間にお
いて、光遷移が発生する。エネルギ状態のこうした利用
と、層のバンドに関する独特なアライメントによって、
キャリヤ注入の効率を大幅に改良することが可能になる
。さらに、放出と吸収の波長は、所望の波長を得るのに
必要な離散的エネルギ準位が生じるように、材料系及び
厚さを選択することによって簡単にカスタム化すること
ができる。
さらに、本発明のオプトエレクトロニクス・デバイスは
、構造の界面に垂直な適度な磁界を印加することによっ
て、異なる波長に同調することができる。磁界は、２つ
の磁気準位（ランダウ準位）間における発光と吸光を可
能にすることによって、デバイスの同調性が得られるよ
うにする。さらに、磁界の存在によって、電子状態の密
度に特異性が生じ、該デバイスの効率が向上する。
さらに、量子井戸における電子状態の次元数を２次元か
ら１次元またはゼロ次元に減少することによって、電子
状態の密度に特異性を生じさせて、同様に性能を向上さ
せることも可能である。こうした次元数の減少は、従来
のりソグラフィの技法によって、量子ワイヤまたは量子
ドツトを作ることで可能になる。
本発明の概念の実現によって、用いることのできる材料
系にある程度の制限が加えられることになるが、外部で
発生する応力またはひずみの加わった層のへテロ構造を
利用することによって、適合する材料の範囲を拡大する
ことが可能である。
最後に、該デバイスの活性領域に第３の電気端子を挿入
することによって、自由度が増し、デバイスの性能の最
適化に貢献することになる。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図及び第１ｂ図は、本発明の発光デバイスのエネ
ルギ争バンドに関する概要を示す図である。第１ａ図に
は平衡状態が示されており、第１ｂ図にはバイアス状態
が示されている。 第２図は、バイアス状態にある本発明の発光デバイスの
特定の実施例に関するエネルギ・バンドの概要を示す図
である。 第３ａ図及び第３ｂ図は、本発明の光検出デバイスに関
するエネルギ・バンドの概要を示す図である。第３ａ図
には平衡状態が示されており、第３ｂ図にはバイアス状
態が示されている。 第４図は、バイアス状態にある本発明の光検出デバイス
の特定の実施例に関するエネルギ・バンドの概要を示す
図である。 １０・・・発光デバイス、！２・・・量子井戸領域１４
・・・第１のクラッド電極 １６・・・第２のクラッド電極 ＋８．２０・・・トンネル障壁、３０・・・光検出デバ
イス３２・・・量子井戸領域、３４．３Ｇ・・・電力３
８．４Ｇ・・・トンネル障壁 出願人　インターナシロナル争ビジネスマシーンズ・コ
ーボレーシｅン

Claims (43)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた
    、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及び
    価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第１
    の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた、対応
    するバンド・エッジによって形成された伝導及び価電子
    エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の領域と、 前記第１の領域と第２の領域の間にはさまれ、バイアス
    電圧下で、少なくとも２つのエネルギ状態を有し、少な
    くとも前記エネルギ状態のうち第１のエネルギ状態が、
    前記第１と第２の領域のうちの一方のバンド・ギャップ
    内に存在し、同時に、前記第１と第２の領域のうちの他
    方の前記許容エネルギ・バンドの１つに存在する、半導
    体材料の量子井戸活性領域と、 から構成されるオプトエレクトロニクス・デバイス。
  2. （２）前記バイアス電圧下で、前記エネルギ状態のうち
    少なくとも第２の状態が、前記第１と第２の領域のうち
    の一方のバンド・ギャップ内に存在し、同時に、前記第
    １と第２の領域のうちのもう一方の許容エネルギ・バン
    ドの１つに存在するということを特徴とする、請求項（
    １）に記載のオプトエレクトロニクス素デバイス。
  3. （３）前記第１と第２のエネルギ状態の一方が、前記第
    １と第２の領域のうちの一方の伝導バンドに存在し、前
    記第１と第２のエネルギ状態のもう一方が、前記第１と
    第２の領域のうちのもう一方の価電子バンドに存在する
    ということを特徴とする、請求項（２）に記載のオプト
    エレクトロニクス・デバイス。
  4. （４）前記第１の領域と前記量子井戸領域の間に配置さ
    れた第１のトンネル障壁、及び、前記第２の領域と前記
    量子井戸領域の間に配置された第２のトンネル障壁がさ
    らに含まれていることを特徴とする、請求項（２）に記
    載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  5. （５）前記第１と第２のトンネル障壁が、それぞれ、前
    記量子井戸領域のバンド・ギャップより広いバンド・ギ
    ャップを備えていて、キャリヤを閉じ込め、絶縁体とし
    て働く半導体材料の層から成ることと、前記第１と第２
    の障壁が、キャリヤが通り抜けるのを可能ならしめるの
    に十分な薄さを有していることを特徴とする、請求項（
    ４）に記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  6. （６）前記第１の領域と前記量子井戸領域の間に配置さ
    れたトンネル障壁が、さらに含まれることを特徴とする
    、請求項（２）に記載のオプトエレクトロニクス・デバ
    イス。
  7. （７）前記トンネル障壁が、前記量子井戸領域のバンド
    ・ギャップより広いバンド・ギャップを備えていて、キ
    ャリヤを閉じ込め、絶縁体として働く半導体材料の層か
    ら成ることと、前記トンネル障壁が、キャリヤが通り抜
    けるのを可能ならしめるのに十分な薄さを有しているこ
    とを特徴とする、請求項（６）に記載のオプトエレクト
    ロニクス。 デバイス。
  8. （８）前記第２の領域と前記量子井戸領域の間に配置さ
    れたトンネル障壁が、さらに含まれることを特徴とする
    、請求項（２）に記載のオプトエレクトロニクス・デバ
    イス。
  9. （９）前記トンネル障壁が、前記量子井戸領域のバンド
    ・ギャップより広いバンド・ギャップを備えていて、キ
    ャリヤを閉じ込め、絶縁体として働く半導体材料の層か
    ら成ることと、前記トンネル障壁が、キャリヤが通り抜
    けるのを可能ならしめるのに十分な薄さを有しているこ
    とを特徴とする、請求項（８）に記載のオプトエレクト
    ロニクス・デバイス。
  10. （１０）前記少なくとも２つのエネルギ状態が、前記量
    子井戸領域の伝導バンドと価電子バンドの一方に存在す
    るということを特徴とする、請求項（２）、（４）、（
    ６）、または（８）に記載のオプトエレクトロニクス・
    デバイス。
  11. （１１）前記第１の領域、前記第１のトンネル障壁、及
    び、前記量子井戸領域が、タイプ I のトンネル結合を
    形成することと、前記量子井戸領域、前記第２のトンネ
    ル障壁、及び、第２の領域が、タイプIIのトンネル接合
    を形成することを特徴とする、請求項（４）に記載のオ
    プトエレクトロニクス・デバイス。
  12. （１２）前記トンネル障壁のそれぞれが、ゼロ厚さのポ
    テンシャル障壁によって形成されることを特徴とする、
    請求項（４）、（６）、または（８）に記載のオプトエ
    レクトロニクス・デバイス。
  13. （１３）前記オプトエレクトロニクス・デバイスに十分
    なバイアスを印加し、前記量子井戸領域における前記第
    １のエネルギ状態と前記第２のエネルギ状態の間で電磁
    エネルギの放出と吸収の一方を生じさせる手段がさらに
    含まれていることを特徴とする、請求項（２）または（
    ３）に記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  14. （１４）前記活性領域、及び前記第１の領域と前記第２
    の領域の少なくとも一方が、タイプIIのヘテロ接合を形
    成することを特徴とする、請求項（３）の記載のオプト
    エレクトロニクス・デバイス。
  15. （１５）前記第１の領域がＩｎＡｓ、前記第２の領域が
    ＧａＳｂ、前記活性領域がＩｎＡｓとＧａＳｂの一方で
    あることを特徴とする、請求項（３）に記載のオプトエ
    レクトロニクス・デバイス。
  16. （１６）前記第１の領域、前記障壁領域、及び前記活性
    領域が、タイプ I とタイプIIのトンネル接合の一方を
    形成することを特徴とする、請求項（６）に記載のオプ
    トエレクトロニクス・デバイス。
  17. （１７）前記活性領域、前記障壁領域、及び、前記第２
    の領域が、タイプ I とタイプIIのトンネル接合の一方
    を形成するということを特徴とする。請求項（８）に記
    載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  18. （１８）前記第１の領域、前記障壁領域、前記活性領域
    、及び、前記第２の領域が、それぞれ、ＩｎＡｓ／Ａｌ
    Ｓｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂと、それぞれ、ＩｎＡｓ／Ａ
    ｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＧａＳｂの一方であることを特徴と
    する、請求項（１６）に記載のオプトエレクトロニクス
    ・デバイス。
  19. （１９）前記第１の領域、前記活性領域、前記障壁層、
    及び、前記第２の領域が、それぞれ、ＩｎＡｓ／ＩｎＡ
    ｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂと、それぞれ、ＩｎＡｓ／Ｇａ
    Ｓｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂの一方であることを特徴とす
    る、請求項（１７）に記載のオプトエレクトロニクス・
    デバイス。
  20. （２０）前記第１の領域、前記第１の障壁層、前記活性
    領域、前記第２の障壁層、及び、前記第２の領域が、そ
    れぞれ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／Ｇ
    ａＳｂであることを特徴とする、請求項（１１）に記載
    のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  21. （２１）前記第１の領域、前記第１の障壁層、及び、前
    記活性層が、タイプIIのトンネル接合を形成することと
    、前記活性領域、前記第２の障壁層、及び、前記第２の
    領域が、タイプ I のトンネル接合を形成することを特
    徴とする、請求項（４）に記載のオプトエレクトロニク
    ス・デバイス。
  22. （２２）前記第１の領域、前記第１の障壁層、前記活性
    領域、前記第２の障壁層、及び第２の領域が、それぞれ
    、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ
    であることを特徴とする、請求項（２１）に記載のオプ
    トエレクトロニクス・デバイス。
  23. （２３）前記第１と第２のエネルギ状態が、前記活性領
    域の伝導バンド内に存在することと、前記オプトエレク
    トロニクス・デバイスには、前記オプトエレクトロニク
    ス・デバイスにバイアスを印加し、前記第１と第２のエ
    ネルギ状態の高位の方とほぼ同じエネルギ準位の前記第
    １の領域から前記活性領域に電子が供給されるようにす
    る手段がさらに含まれていることと、前記電子が、前記
    エネルギ状態の低位の方まで緩和し、それによって、高
    位のエネルギ状態と低位のエネルギ状態の差とほぼ同じ
    エネルギに反比例した電磁エネルギを放出することと、
    前記電子が、前記エネルギ状態の低位の方とほぼ同じエ
    ネルギ準位の前記第２の領域によって集められることを
    特徴とする、請求項（２）、（４）、（６）、または（
    ８）に記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  24. （２４）前記第１と第２のエネルギ状態が前記活性領域
    の価電子バンド内に存在することと、前記オプトエレク
    トロニクス・デバイスに、前記オプトエレクトロニクス
    ・デバイスにバイアスを印加し、前記第１と第２のエネ
    ルギ状態のうち高位の方とほぼ同じエネルギ準位の前記
    第１の領域から前記活性領域にホールが供給されるよう
    にする手段がさらに含まれていることと、前記ホールが
    、前記エネルギ状態の低位の方まで緩和し、それによっ
    て、高位のエネルギ状態と低位のエネルギ状態の差とほ
    ぼ同じエネルギに反比例した電磁エネルギを放出するこ
    とと、前記ホールが、前記エネルギ状態の低位の方とほ
    ぼ同じエネルギ準位の前記第２の領域によって集められ
    ることを特徴とする、請求項（２）、（４）、（６）、
    または（８）に記載の半導体発光デバイス。
  25. （２５）平衡状態下で、フェルミ準位が、前記第１と第
    ２の領域の一方におけるバンド・ギャップに存在するこ
    とを特徴とする、請求項（２）に記載のオプトエレクト
    ロニクス・デバイス。
  26. （２６）前記第１の領域が、ＡｌＩｎ〜ＡｓＳｂであり
    、前記第２の領域及び前記活性領域が、ＩｎＡｓとＧａ
    Ｓｂの一方であることを特徴とする、請求項（２５）に
    記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  27. （２７）平衡状態下で、フェルミ準位が、前記第１と第
    ２の領域の一方におけるバンド・ギャップに存在すると
    いうことを特徴とする、請求項（６）に記載のオプトエ
    レクトロニクス・デバイス。
  28. （２８）前記第１の領域、前記障壁層、前記活性層、及
    び、前記第２の領域が、それぞれ、ＡｌＩｎＡｌＳｂ／
    ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂと、それぞれ、ＡｌＩｎ
    ＡｌＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＧａＳｂの一方である
    ことを特徴とする、請求項（２７）に記載のオプトエレ
    クトロニクス・デバイス。
  29. （２９）平衡状態下で、フェルミ準位が、前記第１と第
    ２の領域の一方におけるバンド・ギャップに存在してい
    ることを特徴とする、請求項（８）に記載のオプトエレ
    クトロニクス・デバイス。
  30. （３０）前記第１の領域、前記活性領域、前記障壁層、
    及び、前記第２の領域が、それぞれ、ＡｌＩｎＡｌＳｂ
    ／ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂと、それぞれ、ＡｌＩ
    ｎＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂの一方であ
    ることを特徴とする、請求項（２９）に記載のオプトエ
    レクトロニクス・デバイス。
  31. （３１）平衡状態で、フェルミ準位が、前記第１と第２
    の領域の一方に存在することを特徴とする、請求項（４
    ）に記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  32. （３２）前記第１の領域、前記第１の障壁層、前記活性
    領域、前記第２の障壁層、及び、前記第２の領域が、そ
    れぞれ、ＡｌＩｎＡｌＳｂ／ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓ／Ａｌ
    Ｓｂ／ＧａＳｂであることを特徴とする、請求項（３１
    ）に記載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  33. （３３）前記第１の領域、前記第１の障壁層、前記活性
    領域、前記第２の障壁層、及び、前記第２の領域が、Ａ
    ｌＩｎＡｌＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／Ｇａ
    Ｓｂであることを特徴とする、請求項（３１）に記載の
    オプトエレクトロニクス・デバイス。
  34. （３４）前記第１と第２のエネルギ状態が、前記活性領
    域の伝導バンドに存在することと、前記オプトエレクト
    ロニクス・デバイスに、前記オプトエレクトロニクス・
    デバイスに逆バイアスを印加し、前記第１と第２のエネ
    ルギ状態の低位の方とほぼ同じエネルギ準位の前記第２
    の領域から前記活性領域に電子が供給されるようにする
    手段が含まれていることと、前記電子が、高位のエネル
    ギ状態と低位のエネルギ状態の差とほぼ同じエネルギに
    反比例した電磁エネルギの吸収によって、前記エネルギ
    状態の高位の方まで励起されることと、前記電子が、前
    記エネルギ状態の高位の方とほぼ同じエネルギ準位の前
    記第１の領域によって集められることを特徴とする、請
    求項（２５）、（２７）、（２９）、または（３１）に
    記載の半導体光検出デバイス。
  35. （３５）前記第１と第２のエネルギ状態が、前記活性領
    域の価電子バンド内に存在することと、前記オプトエレ
    クトロニクス・デバイスには、前記オプトエレクトロニ
    クス・デバイスに逆バイアスを印加し、前記第１と第２
    のエネルギ状態の低位の方とほぼ同じエネルギ準位の前
    記第２の領域から前記活性領域にホールが供給されるよ
    うにする手段がさらに含まれることと、前記ホールが、
    高位のエネルギ状態と低位のエネルギ状態の差とほぼ同
    じエネルギに反比例した電磁エネルギの吸収によって、
    前記エネルギ状態の高位の方まで励起されるということ
    と、前記ホールが、前記エネルギ状態の高位の方とほぼ
    同じエネルギ準位の前記第１の領域によって集められる
    ということを特徴とする、請求項（２５）、（２７）、
    （２９）、または（３１）に記載の半導体光検出デバイ
    ス。
  36. （３６）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられ
    た、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及
    び価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第
    １の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた、対応
    するバンド・エッジによって形成された伝導及び価電子
    エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の領域と、 前記第１の領域と第２の領域の間にはさまれ、少なくと
    も２つのエネルギ状態を有する半導体材料の量子井戸活
    性領域と、 前記第１の領域と前記量子井戸領域の間に配置された第
    １のトンネル障壁領域、及び、前記第２の領域と前記量
    子井戸領域の間に配置された第２のトンネル障壁領域と
    から構成され、 タイプ I とタイプIIのトンネル接合の組合せによって
    形成されているオプトエレクトロニクス・デバイス。
  37. （３７）前記第１の領域、前記第１のトンネル障壁、及
    び、前記量子井戸領域が、タイプ I のトンネル接合を
    形成することと、前記量子井戸領域、前記第２のトンネ
    ル障壁、及び、前記第２の領域が、タイプIIのトンネル
    接合を形成することを特徴とする、請求項（３６）に記
    載のオプトエレクトロニクス・デバイス。
  38. （３８）前記第１の領域、前記第１の障壁層、及び、前
    記活性領域が、タイプIIのトンネル接続を形成すること
    と、前記活性領域、前記第２の障壁層、及び、前記第２
    の領域が、タイプ I のトンネル接合を形成することを
    特徴とする、請求項（３６）に記載のオプトエレクトロ
    ニクス・デバイス。
  39. （３９）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられ
    た、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及
    び価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第
    １の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた伝導及
    び価電子エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の
    領域と、 前記第１と第２の領域の間にはさまれ、少なくとも２つ
    のエネルギ状態を有する量子井戸活性領域と、 前記第１の領域と前記活性領域の間にはさまれたトンネ
    ル障壁とから構成され、 前記第１の領域、前記トンネル障壁及び前記活性領域が
    、タイプ I のトンネル接合を形成し、前記活性領域及
    び前記第２の領域が、タイプIIのヘテロ接続を形成して
    いるオプトエレクトロニクス・デバイス
  40. （４０）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられ
    た、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及
    び価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第
    １の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた、対応
    するバンド・エッジによって形成された伝導及び価電子
    エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の領域と、 前記第１と第２の領域の間にはさまれ、少なくとも２つ
    のエネルギ状態を有する半導体材料の量子井戸活性領域
    と、 前記第１の領域と前記活性領域の間にはさまれたトンネ
    ル障壁とから構成され、 前記トンネル障壁及び前記活性領域がタイプIIのトンネ
    ル接合を形成しているオプトエレクトロニクス・デバイ
    ス。
  41. （４１）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられ
    た、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及
    び価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第
    １の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた、対応
    するバンド・エッジによって形成される伝導及び価電子
    エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の領域と、 前記第１と第２の領域の間にはさまれ、少なくとも２つ
    のエネルギ状態を有する量子井戸活性領域と、 前記第２の領域と前記活性領域の間にはさまれたトンネ
    ル障壁とから構成され、 前記第１の領域及び前記活性領域がタイプIIのヘテロ接
    合を形成し、前記活性領域、前記トンネル障壁及び前記
    第２の領域がタイプ I のトンネル接合を形成している
    オプトエレクトロニクス・デバイス。
  42. （４２）エネルギのバンド・ギャップによって隔てられ
    た、対応するバンド・エッジによって形成された伝導及
    び価電子許容エネルギ・バンドを有する半導体材料の第
    １の領域と、 エネルギのバンド・ギャップによって隔てられた、対応
    するバンド・エッジによって形成される伝導及び価電子
    エネルギ・バンドを有する半導体材料の第２の領域と、 前記第１と第２の領域の間にはさまれ、少なくとも２つ
    のエネルギ状態を有する半導体材料の量子井戸活性領域
    と、 前記第２の領域と前記活性領域の間に配置されたトンネ
    ル障壁とから構成され、 前記活性領域、前記トンネル障壁及び前記第２の領域が
    タイプIIのトンネル接合を形成しているオプトエレクト
    ロニクス・デバイス。
  43. （４３）前記第１と第２の領域にバイアス電圧を印加し
    て、前記エネルギ状態のうち第１の状態が、前記第１と
    第２の領域の一方におけるバンド・ギャップに存在し、
    また、前記第１と第２の領域のもう一方における前記許
    容エネルギ・バンドの１つに同時に存在するようにし、
    かつ、前記エネルギ状態のうち第２の状態が、前記第１
    と第２の領域の一方におけるバンド・ギャップに存在し
    、また、前記第１と第２の領域のもう一方における許容
    エネルギ・バンドの１つに同時に存在するようにして、
    第１のエネルギ状態が第１と第２の領域の一方における
    伝導バンドに存在し、第２のエネルギ状態が第１と第２
    の領域のもう一方における価電子バンドに存在するよう
    にする手段が、さらに含まれていることと、前記バイア
    ス電圧によって、前記量子井戸領域における前記第１と
    第２のエネルギ状態の間に、電磁エネルギの放出と吸収
    の一方が生じるということを特徴とする、請求項（３９
    ）、（４０）、（４１）、または（４２）に記載のオプ
    トエレクトロニクス・デバイス。
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