JPH0346289A - Semiconductor device - Google Patents
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- JPH0346289A JPH0346289A JP18032089A JP18032089A JPH0346289A JP H0346289 A JPH0346289 A JP H0346289A JP 18032089 A JP18032089 A JP 18032089A JP 18032089 A JP18032089 A JP 18032089A JP H0346289 A JPH0346289 A JP H0346289A
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Landscapes
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- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
[産業上の利用分野)
本発明は半導体装置に係り、特に光コンピュータに代表
される光論理演算をはじめ、光通信、光計測等に用いる
光電子集積回路(OEIC)に用いて好適な半導体装置
に関する。
[従来の技術]
半導体レーザ(LD)、光検出器(Photodete
ctor)、発光ダイオード(LED)等の光デバイス
と電界効果トランジスタ(FET ; Field E
ffect Transistor)或は、ヘテロ接合
バイポーラトランジスタQIBT ;Heteroju
nction Bipolar Transistor
)等の電子デバイスを同一基板内に集積化する0EIC
(光電子集積回路)は、光通信用高速光信号/1!子信
号変換器として既に実用段階に達している(例えば、大
仲清司、辻井平明、柴田淳;半絶縁性InP基板上に集
積化した発光用光電子集積回路:f!子情報通信学会論
文誌CVol、 J71−CNo、5.pp、748−
754.1988年5月)。従来の0EICの現状と問
題点については、電子情報通信学会論文誌C; Vol
。
J71−CNo、5、光集積回路特集に詳しい。
化合物半導体の電子デバイスの超高速メモリや超高速ロ
ジック、或いは、超高速Siバイポーラメモリ(例えば
、永田穣、超高速バイポーラデバイス、培風館、198
5刊参照)などの超高速デバイスを用いたスーパーコン
ピュータでは、システムを構成する多数のSS1.MS
I、LSIの間の接続を金属による電気的な配線で実現
しているため、CR時定数に由来するチップ間遅延時間
がシステムの遅延時間の主要部分を決めていた。この遅
延時間を解決する試みとして光素子や光による接続技術
の検討も一部始まっている。また光ファイバー等を用い
た通信技術と従来側々の技術範躊に属していたコンピュ
ーターの技術とが、それぞれ固有な技術を融合させて、
より高度なシステムが求められはじめてきている。[Industrial Application Field] The present invention relates to a semiconductor device, and particularly relates to a semiconductor device suitable for use in an optoelectronic integrated circuit (OEIC) used for optical logic operations such as optical computers, optical communication, optical measurement, etc. . [Prior art] Semiconductor laser (LD), photodetector
ctor), light-emitting diodes (LEDs), and field-effect transistors (FETs; Field E
effect transistor) or heterojunction bipolar transistor QIBT;
nction Bipolar Transistor
0EIC that integrates electronic devices such as ) on the same substrate.
(Optoelectronic integrated circuit) is a high-speed optical signal for optical communication/1! It has already reached the practical stage as a child signal converter (for example, Seiji Ohnaka, Hiraaki Tsujii, Jun Shibata; Photoelectronic integrated circuit for light emission integrated on a semi-insulating InP substrate: f! Child Information and Communication Society Journal CVol, J71-CNo, 5.pp, 748-
754. May 1988). Regarding the current status and problems of conventional 0EIC, see IEICE Transactions C; Vol.
. Learn more about J71-CNo. 5, special feature on optical integrated circuits. Ultra-high-speed memory and ultra-high-speed logic of compound semiconductor electronic devices, or ultra-high-speed Si bipolar memory (for example, Jo Nagata, Ultra-high-speed bipolar devices, Baifukan, 198
In a supercomputer using ultra-high-speed devices such as the SS1. M.S.
Since the connection between the IC and the LSI is realized by metal electrical wiring, the inter-chip delay time derived from the CR time constant determines the main part of the system delay time. In an attempt to solve this delay time, some studies have begun on optical elements and connection technology using light. In addition, communication technology using optical fibers and computer technology, which had traditionally belonged to separate technology categories, have merged their respective unique technologies.
There is a growing demand for more sophisticated systems.
この様なコンピューター構築技術と通信技術の融合は、
新しいシステムの実現をもたらすが、これを実現するキ
イデバイスは、電子デバイスと光デバイスに夫々得意な
特性を活かした新しい概念の光電子融合IC1即ち、成
る程度以上(たとえば、数百、数千ゲート規模)の集積
規模をもつ光電子融合IC(OEIC/MSI/LSI
)であると考えられている。
しかしながら、このような光電子融合ICを従来の○E
IC技術で実現しようとしても、従来このような光デバ
イスとして半導体レーザーLED等を用いており、次の
ような問題点が生じていた。
1、従来の半導体レーザー、LEDのスイッチング速度
は、電子と正孔の再結合時間で本質的に制限されており
、10psec以下にすることができない、即ち、従来
の光デバイスは、スイッチング素子としてみたときに、
電子デバイス(FET、または、バイポーラトランジス
タ)のスイッチング時間に比べて−、二桁以上遅いため
、計算機応用の0EICとしては、超高速性の点で不適
格であった。
2、従来の半導体レーザーのしきい値電流Iihは、低
くても、mAのオーダーであり、半導体レーザーを趣動
している時の電流は10mAのオーダーにもなる。従っ
て消費電力、発熱の問題から半導体レーザーを多数集積
化することは不可能であった・
3、従来の半導体レーザーは、何等かの共振器を形成す
る必要があり、製造プロセスが極めて複雑になり、多数
の半導体レーザーの集積化には不向きであった。
4、光、電子デバイスの結晶構造が夫々異なるため、電
子デバイスの製造プロセスと光デバイスの製造プロセス
に互換性がなくなり、より高度な結晶品質が要求される
光デバイスを、信頼性が高く、歩留まりのよい素子とし
て形成することができないでいた。
この様な従来の0EICの問題点を解決する方向として
、
Zl、光素子を高速低消費電力にできる。
Z2.同一結晶構造かそれに近い構造で、電子、光デバ
イスを形成でき、両者ともに最高性能をだせる。
一方、新しい光電子融合デバイスの方向として、
A、一つの素子内で、トランジスタ的動作と発光または
受光動作を兼ね備えた新しいデバイス動作ができる。
B、トランジスタ自身が光の入出力機能をもつ新しいデ
バイス動作ができる。
C0構造が簡単で、従来のトランジスタと同じくらい容
易に作れる。
D、信号の伝達(人、出力)には光を、信号の増幅制御
には、電子(正孔)を利用する新しいデバイス動作がで
きる。
E、同一結晶構造により、A、 B、 C,Dを実現で
きる。
等の機能を有する新しい光電子融合デバイスが長いあい
だ待ち望まれていたが、具体的デバイス構造で実現され
てほこなかった。以上の様な新しい機能を有する光電子
融合デバイスを、第二世代の01EICと呼ぶこととす
ると、この新しい0EICの方向としては、
(1)同一結晶構造で光デバイスと電子デバイスを形成
でき、夫々のデバイスとして最高性能か。
それに近いものを実現できるもの、
(2)論理動作を行う個々の電子素子が同時に。
受光発光を行う、光と電子の完全に融合一体となった新
しい光電子融合デバイス、
の実現にあるということができよう。
本発明の目的は、この様な要求を満足させる第二世代の
0EICを実現させる光電子融合デバイスを提供するこ
とである。本発明の特徴は、上記A、B、 C,D、
Eを満足させるだけでなく、同一エピタキシャル層を用
いて上記の機能を有する電子デバイスと光デバイスをそ
れぞれ独立に最適化できる構造を提供し、極めて超高速
な電子デバイスと極めて低消費電力で超高速な光デバイ
スをそれぞれの目的とするデバイス性能を実現しながら
1歩留まりよく、成る程度以上の集積規模を有する光電
子融合IC作成することができる点にある。
この様な光電子融合ICを実現する場合、スピードを制
限しているのは、発光光デバイスである。
従来の光デバイスのスイッチング速度の限界を破る試み
として、山西等により、半導体発光装置(特開昭63−
181486)が提案されている。同発明の原理図を第
2図(a)、(b)に引用する。ここに開示されている
ように、コレクタ層120側のバンドギャップがベース
層100側のバンドギャップより広い通常のダブルヘテ
ロpnp型HBT(HeterojunctionBi
polar Transistor)のn型ベース領域
に、エミツタ層110側から正孔を適度に注入し、コレ
クタバイアスを印加して、ベース内の電子(第2図(b
)のA)と正孔(第2図(b)のB)を捕獲したままで
電子A及び正孔Bを空間的に分離することができ、更に
発光動作寿命を制御でき、ベース領域からの発光を極め
て高速に制御できることが開示されている。
しかしながら、この発明では、半導体発光装置を超高速
の電子デバイスHBTとしても用いるという技術思想或
いは、光デバイスと電子デバイスをモノリシックに集積
化するという技術思想がないため、バイポーラ−動作と
しては、正孔がベース領域の拡散に手間取り、遮断周波
数は、この発明では明示されていないが、かなり低いも
のと思われる。これは、通常のpnp型HBTのn型ベ
ース領域を単にn型GaAsまたは、AlGaAs層に
用いる事に起因する電子デバイスに特有な問題であり、
電子デバイスとの融合化や複合化を意図したO[EIC
で特に問題になる。この問題は、HBTと半導体レーザ
ーを同一素子で形成する)IBTレーザー(J、Kat
z他6名App1. Phys、 Lett、 37.
(1980)、 211)にも共通で、)IBTとし
ての性能もレーザーとしての性能も中途半端になり、実
際上最適化しても使えない。
更に光デバイスとしてのダブルヘテロ型pnp型HBT
の最大の問題点としてはベース層に高濃度の不純物がド
ープされているために、ベース内に高電界を印加するこ
とが難しく、山西等の発光デバイスを効率良く実現する
ことは現実的には極めて困難であるという点が揚げられ
よう。この問題は、惠りの)IBTのベース層がドープ
された層によって形成されていることに由来する本質的
な欠点である。これはちょうど金属中に有限な電界を形
成できないことと同じ現象である。
ベース領域内のA1組戒を傾斜化(grading)す
ることにより、電子、正孔のいずれか一方にのみ有効電
界を与えるデバイスならば実現できるが、電子と正孔の
空間的分離を有効に制御することは難しい。すなわち、
ダブルヘテロ型pnp型HBTは電子デバイスとしても
、光デバイスとしても回避できない難点を抱えているこ
とに本発明者等は着目した。
その後、 Y、Kan et al、は、その論文、’
ThreeTerminal Light Emit
ting Device withFunctions
of Current Injection and
FieldControl’、 LC−5−7,pp
633−634 :ExtendedAbstract
s of the 20th(1988Interna
tional)Conference on 5oli
d 5tate Devices andMateri
als、 August 24−26.1988. K
aio PlazaHotel、 Tokyo、 JA
PANの中で、pnp型HBTのベース領域をn−Al
GaAs/アンドープGaAs/ n−AlGaAs構
造にすることで、特開昭63−181486号の発光デ
バイスの動作を実証している。この場合、発光している
時は、電子、正孔は量子井戸内GaAs領域に存在し、
発光していない時にはエミッタ側p−AlGaAs/n
−AlGaAs へテロ界面n−AlGaAs中に存在
することが示されている。このようなn型ベース層内に
アンドープ層を設けることで、通常のpnp型ダブルヘ
テロ接合HBTの上記欠点は一部回避されているようで
はあるが、充分なものではない。更に、Kan et
al、のデバイス構造は光デバイスの動作のみに着目さ
れており、電子デバイスとしては不備な点が存在する。
例えば、ベース領域エミッタ側のn−AlGaAs層が
厚すぎて、エミッタp−AlGaAs1lとのpn接合
でrrAIGaAs層内に中性領域が発生しく完全には
空乏化していない、エミッタ・ベース順バイアス時に著
しい)、このため電子デバイスとしての性能を著しく劣
化させる結果となっている(遮断周波数は5GHz程度
になる)、また、コレクタ側rrAIGaAsベース層
は電子デバイスとしては全く不要であり、これもデバイ
ス性能を低下させている。この事情は通常のpnpfl
BTの欠点と変わらない。
本発明者の一部は、既に、通常のpnp型HBTの電子
デバイスとしての問題点を解決するため、二次元状担体
を一層ないしは二層を、バイポラ−のベース層、或いは
、FETとの複合化に用いる電子デバイス(20EGH
BT)を提案している(Proceedingsof
the IEDM −International E
lectronDevices Meeting、 W
ashington D、C,、December 6
−9.1987. pp78−81.或いは、特開昭6
2−25455号、特開昭62−25454号、特開昭
62−199049号、特開昭63−236358号、
特開昭63−236359号等参照)。
ところが、これらの発明では光素子としての動作に関す
る記述はなされていなかった。This kind of fusion of computer construction technology and communication technology is
This will lead to the realization of a new system, and the key device to realize this is a new concept opto-electronic integrated IC1 that takes advantage of the characteristics that electronic devices and optical devices are good at. ) with an integrated scale of opto-electronic integrated ICs (OEIC/MSI/LSI)
) is believed to be. However, such opto-electronic integrated ICs cannot be used with conventional ○E.
Even if an attempt was made to realize this using IC technology, semiconductor laser LEDs and the like were conventionally used as such optical devices, resulting in the following problems. 1. The switching speed of conventional semiconductor lasers and LEDs is essentially limited by the recombination time of electrons and holes, and cannot be reduced to less than 10 psec. In other words, conventional optical devices are considered as switching elements. sometimes,
Compared to the switching time of an electronic device (FET or bipolar transistor), the switching time is more than two orders of magnitude slower, so it was unsuitable for ultra-high speed as an 0EIC for computer applications. 2. The threshold current Iih of a conventional semiconductor laser is on the order of mA at the lowest, and the current when the semiconductor laser is operating is on the order of 10 mA. Therefore, it was impossible to integrate a large number of semiconductor lasers due to power consumption and heat generation issues. 3. Conventional semiconductor lasers require the formation of some kind of resonator, making the manufacturing process extremely complicated. , it was not suitable for integrating a large number of semiconductor lasers. 4. Because the crystal structures of optical and electronic devices are different, the manufacturing processes for electronic devices and optical devices are not compatible, and optical devices that require higher crystal quality can be manufactured with high reliability and high yield. However, it has not been possible to form a device with good quality. In order to solve these problems of conventional 0EIC, it is possible to make the ZI optical element high-speed and low-power consumption. Z2. Electronic and optical devices can be formed with the same crystal structure or a structure close to it, and both can achieve the highest performance. On the other hand, the following are the directions for new optoelectronic integrated devices: A. A new device operation that combines transistor-like operation and light emitting or light receiving operation can be achieved within one element. B. A new device operation is possible in which the transistor itself has optical input/output functions. The C0 structure is simple and can be made as easily as conventional transistors. D. A new device operation that uses light for signal transmission (output) and electrons (holes) for signal amplification control is possible. E. With the same crystal structure, A, B, C, and D can be realized. A new optoelectronic fusion device with such functions has been long awaited, but no concrete device structure has been realized. If we call the opto-electronic convergence device with the above new functions the second generation 01EIC, the directions for this new 0EIC are: (1) It is possible to form an optical device and an electronic device with the same crystal structure; Is it the highest performance device? (2) Individual electronic elements that perform logical operations simultaneously. It can be said that the goal lies in the realization of a new opto-electronic fusion device that completely integrates light and electrons by receiving light and emitting light. An object of the present invention is to provide an optoelectronic fusion device that realizes a second generation 0EIC that satisfies such requirements. The features of the present invention are the above A, B, C, D,
In addition to satisfying E, we provide a structure that allows electronic devices and optical devices with the above functions to be independently optimized using the same epitaxial layer. The advantage is that it is possible to create an opto-electronic fusion IC with a high yield and an integration scale exceeding that of an optical device while achieving the desired device performance. When realizing such an opto-electronic integrated IC, what limits the speed is the light emitting device. In an attempt to break the switching speed limits of conventional optical devices, Yamanishi et al.
181486) has been proposed. The principle diagrams of the invention are shown in FIGS. 2(a) and 2(b). As disclosed herein, a normal double heterojunction PNP HBT (Heterojunction Bi
A moderate amount of holes are injected into the n-type base region of the polar transistor) from the emitter layer 110 side, and a collector bias is applied to inject electrons in the base (Fig. 2(b)
It is possible to spatially separate electrons A and holes B while still capturing A) in ) and holes (B in Fig. 2(b)). Furthermore, it is possible to control the light emission lifetime, and to reduce the amount of light emitted from the base region. It is disclosed that light emission can be controlled extremely quickly. However, this invention does not have the technical concept of using the semiconductor light emitting device as an ultra-high-speed electronic device HBT or the technical concept of monolithically integrating an optical device and an electronic device. However, it takes time to spread the base region, and the cutoff frequency is thought to be quite low, although it is not specified in this invention. This is a problem specific to electronic devices caused by simply using the n-type base region of a normal pnp-type HBT as an n-type GaAs or AlGaAs layer.
O[EIC] intended for integration and compounding with electronic devices.
becomes a particular problem. This problem is solved by the IBT laser (J, Kat
z and 6 others App1. Phys, Lett, 37.
(1980), 211), the performance as an IBT and as a laser becomes mediocre, and in practice it cannot be used even if optimized. Furthermore, double hetero type pnp type HBT as an optical device
The biggest problem with this is that the base layer is doped with a high concentration of impurities, making it difficult to apply a high electric field within the base, making it impractical to efficiently realize light-emitting devices such as Yamanishi's. It must be emphasized that this is extremely difficult. This problem is an essential drawback due to the fact that the base layer of the IBT is formed by a doped layer. This is the same phenomenon as the inability to form a finite electric field in metals. By grading the A1 set in the base region, it is possible to realize a device that applies an effective electric field only to either electrons or holes, but it is possible to effectively control the spatial separation of electrons and holes. It's difficult to do. That is,
The present inventors have noticed that the double-hetero type pnp type HBT has disadvantages that cannot be avoided both as an electronic device and as an optical device. Subsequently, Y.Kan et al., in their paper, '
ThreeTerminal Light Emit
ting Device with Functions
of Current Injection and
Field Control', LC-5-7, pp
633-634: Extended Abstract
s of the 20th (1988 Interna
tional)Conference on 5oli
d 5tate Devices and Materi
als, August 24-26.1988. K
aio Plaza Hotel, Tokyo, JA
In the PAN, the base region of the pnp HBT is made of n-Al.
By using a GaAs/undoped GaAs/n-AlGaAs structure, the operation of the light emitting device of JP-A-63-181486 has been demonstrated. In this case, when light is emitted, electrons and holes exist in the GaAs region within the quantum well,
When not emitting light, the emitter side p-AlGaAs/n
-AlGaAs has been shown to exist in the heterointerface n-AlGaAs. By providing an undoped layer in such an n-type base layer, the above-mentioned drawbacks of a normal pnp type double heterojunction HBT seem to be partially avoided, but this is not sufficient. Furthermore, Kan et
The device structure of al. focuses only on the operation of an optical device, and there are deficiencies as an electronic device. For example, if the n-AlGaAs layer on the emitter side of the base region is too thick, a neutral region is generated in the rrAIGaAs layer at the pn junction with the emitter p-AlGaAs11, and it is not completely depleted. ), which results in a significant deterioration of the performance of the electronic device (the cutoff frequency is approximately 5 GHz).Furthermore, the rrAIGaAs base layer on the collector side is completely unnecessary as an electronic device, and this also deteriorates the device performance. It is decreasing. This situation is normal pnpfl
It's no different from BT's shortcomings. Some of the inventors of the present invention have already attempted to solve the problems of ordinary pnp-type HBTs as electronic devices by combining one or two layers of two-dimensional carriers with a bipolar base layer or a composite with an FET. Electronic devices used for
BT)
the IEDM-International E
electronDevices Meeting, W
ashington D, C, December 6
-9.1987. pp78-81. Or, JP-A-6
2-25455, JP 62-25454, JP 62-199049, JP 63-236358,
(See Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-236359, etc.). However, these inventions do not describe the operation as an optical element.
我々の上記発明のうち、特開昭63−236358号、
特開昭63−236359号では、第2図(c)、(d
)に示す様にベースである二次元電子ガス層(20EG
) 590 (同発明;第1図(b)、(c)で59に
対応している。430は20EG供給源であるn−Al
GaAs層、450は正孔注入のエミツタ層でp−Al
GaAs層で形成されている。430.450のpn接
合でn−AlGaAs層は空乏化するように結晶構造を
設計することが肝要である。)がAlGaAs障壁43
0.5OO1soo’にはさまれてアンドープGaAs
層420に形成されたpnp型HBTであるために1本
発明の課題を解決できるデバイス構造に近いことをみい
だした。すなわち、その本質的部分で山西等の半導体発
光装置の光デバイスの動作を実現できる。 つまり、ア
ンドープ層であるGaAs量子井戸内に、20EGとエ
ミッタ側から注入された正孔の波動関数(有限温度では
一般に、分布関数)の重なりをコレクタ電極からの電界
により制御することでほぼ理想的に山西等の発光デバイ
スを実現できることをみいだした。また、特開昭63−
236358号、特開昭63−236359号ではコレ
フタル型層は、p+−GaAs 410 (第2図(c
)、(d))で形成されているため、コレクタ層500
.500′の膜厚が大略300nm以下になると、ベー
ス・コレクタ領域420,500.500′で発生した
光の一部がp”GaAs層410内で吸収されてしまう
という若干の問題点があった。しかしこの点は、p−A
lGaAs層で置き換えることにより完全に解決するこ
とができる。更に、このようなデバイス構造にしても電
子デバイスとしての特性の劣化は全くない。すなわち、
電子デバイスとしても極めて高速であることを維持でき
る。
本発明の1局面によれば、同一エピタキシャル結晶より
なる半導体ダブルヘテロ接合界面に形成される二次元状
担体領域一個ないし二個を、電界効果トランジスタの能
動層、ヘテロバイポーラトランジスタのベース層、ヘテ
ロバイポーラトランジスタのコレクタ電極を通じてベー
ス領域に印加される電界を制御することによりこのベー
ス領域内の電子と正孔の波動関数の重なりを制御してこ
のベース領域での発光を制御する発光素子の活性層、及
び電界効果トランジスタの能動層を受光素子の活性層と
する素子群から選択される少なくとも2種の素子に共用
する半導体装置が提供される。
このような半導体装置は、前記発明(特開昭63−23
6358号、特開昭63−236359号)のコレフタ
ル+間に、p”−AIGaAsコレクタ層を設けること
で発光素子からの光の吸収をなくし、2次元電子ガス層
をINないしは2Mを、ヘテロ接合技術、或は、量子井
戸形成技術を用いて形成しく以後1本発明では、2次元
状担体と呼ぶ)、この2次元状担体を、 FETの能動
層、パイポラのベース層、電界効果型LEDの光放出層
、FET型受光素子等に、共通に用いる。
本発明の他の1局面によれば、単一基板上に形成されか
つダブルヘテロ接合構造を有する半導体積層体であって
上記ダブルヘテロ接合構造近傍に形成される2次元状担
体の単一ないしは複数の領域をそれぞれ発光領域及び能
動領域とする発光素子部と能動素子部とを含むものと、
上記2次元状担体とこれとは反対の導電型の担体との再
結合及び上記2次元状担体の移動をそれぞれ上記領域内
で制御するための手段とを有する半導体装置が提供され
る。
本発明の限定された1局面によれば、前記発光素子部と
能動素子部とは互いにvA縁されていることを特徴とす
る半導体装置が提供される。
本発明の他の限定された1局面によれば、前記発光素子
部を構成する半導体積層体は第1の導電型不純物を有す
る第1の半導体領域と、この第1の半導体領域とは反対
符号の第2の導電型不純物を有する第2の半導体領域と
、これら2つの半導体領域の間に位置しかつ上記第1の
半導体領域との接合界面にヘテロ接合面を形成する半導
体領域であって上記2次元状担体の移動度を阻害しない
という意味で実質的に導電型不純物を含まない第3の半
導体領域とを有し、この第3の半導体領域の内部であっ
て上記第1の半導体領域との接合界面近傍領域には上記
第1及び第3の半導体領域とのバンド端エネルギー値の
差異に基づき形成される前記2次元状担体の領域が存在
する半導体装置が提供される。
[作用]
さらに本発明を説明するために、1例として、GaAs
/AlGaAsヘテロ接合系を用いた場合のエネルギー
バンド図により本発明の本質的部分を説明する。第1図
(a)(b)及び(C)に2次元電子ガスを1層用いて
、本発明を実現した場合を示す。2次元電子ガス50を
15rv+程度の高純度GaAs層10に形成するため
のキャリヤ供給層型AlGaAs層4、アンドープAl
GaAs層5を配置する(変調ドープ量子井戸構造)。
更に、エミッタp−AlGaAs層3からの正孔注入電
流lOOを一時的に局在化させるための正孔にとっての
ポテンシャル障壁層p−AIGaAsJIF11、 p
”−AIGaAsコレクタ層12を形成する。この様に
、アンドープGaAs層よりもバンドギャップの広いp
+−AIGaAsコレクタ層12を用いる理由は、ベー
ス領域で、発生した光のコレクタ層での吸収を防ぐため
である。コレクタ層11.12の膜厚は発光領域10の
膜厚及びコレクタ層11.12のA1組成に応じて光の
吸収を防ぐように設計することが肝要である。これに対
して、エミツタ層に対応するA1組成の大きいp−Al
GaAs層3、電子デバイスとしては、n−AlGaA
s層4は完全に空乏化するように、エミッタベースのp
n接合を形成する様に、結晶仕様を決定することが肝要
である。
発光デバイスとしての動作は、エミッタ側から正孔10
0を適度に注入しくエミッタベース電圧Vbe=1.5
V、程度に印加すると、コレクタ電流密度Jcとして1
02から10’A/co+”の値が得られる。)、コレ
クタバイアスを印加することで、ベース内の電子(第■
図(b)の50)と正孔(第1図(b)の51)の波動
関数(有限温度では、一般に分布関数)の重なりを制御
できる。これにより、ベース領域での電子正孔の再結合
時間を極めて小さくでき、発光動作寿命を制御できるた
め、ベース領域からの発光を極めて高速に制御できる。
バイポーラ動作と発光動作の兼ね合いから第1図(c)
のバンド図で示す様に、A1組成の大きい正孔にとって
のポテンシャル障壁層p−AlGaAs層11′を挾ん
でやってもよい。pAIGaAsAlGaAs層11A
1組成、膜厚は、システム(m1品)仕様に応じて、バ
イポーラ動作と発光動作のスピードを最適にするように
設計することは、言うまでもない。
一方、光信号を電気信号に変換する受光素子の方は、A
lGaAsバッファー層付き2DEGFETのゲート領
域に光を照射することで、極めて高速な受光素子として
動作することが報告されている(T。
U鳳ada et al、 Summaries
of 6th ICUP(Internati
onal Conference of Ultrah
igh5peed Phenomena)、pP212
−213、或いは、梅田徳男、張吉夫;電子通信学会誌
Vo1.J68−C,No、12、pp1132−11
34:同Vo1. J68−C,No、4、pp263
−269等を参照)、この場合、受光素子としての高速
化と電子デバイスとしての高速化は、お互いに矛盾しな
い、特に、 p”−AIGaAsコレクタ層12に電位
を印加するすることで、光照射によりゲート領域2DE
G層に形成された電子正孔対のうち正孔をコレクタ電極
側に吸いだすことが可能となり、スイッチング特性の大
幅な改善がなされる。 p”−AIGaAsコレクタ層
12を用いることで、コレクタ抵抗の増加等の問題が予
想されるが、p”−GaAs層を薄く下部に形成したり
、膜厚、ドーピングレヴエルを最適化することで回避で
き、バイポーラトランジスタの性能を劣化させることは
ない。
また、2DEGは高純度層に形成されているため、発生
した正孔の移動度も大きくすることができ、より高速に
正孔を取り除くことができる。
本発明の最適な形態においては、上記第二世代の0EI
Cとしての光電子融合デバイスとしての特徴Zl、 Z
2、A、 B、 C及びDをもち、さらに、同一エビ構
造(結晶構造)で、平面形状、電極構造や形状を目的に
応じて設計でき、2DEGFET、2DEGHBT、超
高速発光素子、受光素子を七ノリシックに形成できる。
また、本発明の光電子融合デバイスは、p−AlGaA
s層3を除去し、A1組成の大きいn−AlGaAs層
20を選択成長等の方法で形成する(第1図(d))こ
とにより、半導体レーザ、LEDの活性層として、この
2次元電子ガス50を用いることもできる。、光デバイ
ス部分のA1組成の大きいn−AlGaAs層20.及
び、コレクタ層11.12を第1図(d)のような構造
にできるので、変調ドープsgw (単一量子井戸)レ
ーザやLEDの構成に好適である。
この様に、FETの能動層、バイポーラのベース層、H
BTタイプの超高速発光素子、受光素子を同一エビ構造
で形成できるため、或いは、通常の受光素子、半導体レ
ーザの活性層を同一エビ構造で形成できるため、第二世
代の0RICとして論理動作を行う個々の電子素子が同
時に受光発光を行う光と電子の完全に融合一体となった
新しいデバイス原理と構造を提供できるので、光るLS
Iという新しいシステムテクノロジーを提供できる。Among our above-mentioned inventions, JP-A No. 63-236358,
In JP-A No. 63-236359, Figs. 2(c) and (d)
), the two-dimensional electron gas layer (20EG
) 590 (same invention; corresponds to 59 in FIGS. 1(b) and (c). 430 is n-Al which is a 20EG supply source
The GaAs layer 450 is the emitter layer for hole injection and is made of p-Al
It is formed of a GaAs layer. It is important to design the crystal structure so that the n-AlGaAs layer is depleted at the 430.450 pn junction. ) is the AlGaAs barrier 43
Undoped GaAs sandwiched between 0.5OO1soo'
It has been found that since the pnp type HBT formed in the layer 420 is close to a device structure that can solve the problems of the present invention. That is, the operation of the optical device of the semiconductor light-emitting device of Yamanishi et al. can be realized using the essential part. In other words, by controlling the overlap of the wave functions (generally distribution functions at finite temperatures) of 20EG and holes injected from the emitter side in the GaAs quantum well, which is an undoped layer, by using the electric field from the collector electrode, an almost ideal state can be achieved. We discovered that it is possible to realize the light-emitting device of Yamanishi et al. Also, JP-A-63-
No. 236358 and JP-A No. 63-236359, the corephthal type layer is made of p+-GaAs 410 (Fig. 2(c)
), (d)), the collector layer 500
.. When the film thickness of 500' is approximately 300 nm or less, there is a slight problem that part of the light generated in the base/collector regions 420, 500, and 500' is absorbed within the p'' GaAs layer 410. However, this point is p-A
This problem can be completely solved by replacing it with an IGaAs layer. Furthermore, even with such a device structure, there is no deterioration in the characteristics of the electronic device. That is,
As an electronic device, it can maintain extremely high speed. According to one aspect of the present invention, one or two two-dimensional carrier regions formed at a semiconductor double heterojunction interface made of the same epitaxial crystal can be used as an active layer of a field effect transistor, a base layer of a heterobipolar transistor, or a base layer of a heterobipolar transistor. an active layer of a light emitting device that controls light emission in the base region by controlling the overlap of wave functions of electrons and holes in the base region by controlling an electric field applied to the base region through the collector electrode of the transistor; There is also provided a semiconductor device which is shared by at least two types of elements selected from the group of elements in which the active layer of the field effect transistor is the active layer of the light receiving element. Such a semiconductor device is disclosed in the above-mentioned invention (Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-23
6358, JP-A No. 63-236359), a p''-AIGaAs collector layer is provided between the corephthal+ to eliminate absorption of light from the light emitting element, and the two-dimensional electron gas layer is formed into an IN or 2M heterojunction. (hereinafter referred to as a two-dimensional carrier in the present invention), this two-dimensional carrier is used as an active layer of an FET, a base layer of a pipera, and a field-effect LED. Commonly used for light emitting layers, FET type light receiving elements, etc. According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laminate formed on a single substrate and having a double heterojunction structure, wherein the double heterojunction A light-emitting element portion and an active element portion each having a single region or a plurality of regions of a two-dimensional carrier formed near the structure as a light-emitting region and an active region;
There is provided a semiconductor device having means for controlling the recombination of the two-dimensional carrier with a carrier of an opposite conductivity type and the movement of the two-dimensional carrier within the region. According to one limited aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device characterized in that the light emitting element section and the active element section have a vA edge with each other. According to another limited aspect of the present invention, the semiconductor stack constituting the light emitting element portion includes a first semiconductor region having an impurity of a first conductivity type, and a first semiconductor region having an opposite sign. a second semiconductor region having a second conductivity type impurity, and a semiconductor region located between these two semiconductor regions and forming a heterojunction surface at a junction interface with the first semiconductor region, the semiconductor region having a second conductivity type impurity; a third semiconductor region that does not substantially contain conductivity type impurities in the sense that it does not inhibit the mobility of the two-dimensional carrier; A semiconductor device is provided in which a region of the two-dimensional carrier is formed in a region near the junction interface and is formed based on a difference in band edge energy value between the first and third semiconductor regions. [Operation] In order to further explain the present invention, as an example, GaAs
The essential part of the present invention will be explained using an energy band diagram when a /AlGaAs heterojunction system is used. FIGS. 1(a), 1(b) and 1(C) show a case where the present invention is realized using one layer of two-dimensional electron gas. Carrier supply layer type AlGaAs layer 4 for forming two-dimensional electron gas 50 in high purity GaAs layer 10 of about 15rv+, undoped Al
A GaAs layer 5 is arranged (modulation doped quantum well structure). Further, a potential barrier layer p-AIGaAs JIF11, p for temporarily localizing the hole injection current lOO from the emitter p-AlGaAs layer 3 is provided.
"-AI GaAs collector layer 12 is formed. In this way, the p-type GaAs collector layer 12, which has a wider band gap than the undoped GaAs
The reason for using the +-AIGaAs collector layer 12 is to prevent light generated in the base region from being absorbed in the collector layer. It is important to design the thickness of the collector layer 11.12 in accordance with the thickness of the light emitting region 10 and the A1 composition of the collector layer 11.12 so as to prevent absorption of light. On the other hand, p-Al with a large A1 composition corresponding to the emitter layer
GaAs layer 3, as an electronic device, n-AlGaA
The emitter-based p layer 4 is completely depleted.
It is important to determine the crystal specifications so as to form an n-junction. In operation as a light emitting device, holes 10 are emitted from the emitter side.
Emitter base voltage Vbe = 1.5 with appropriate injection of 0
V, the collector current density Jc is 1
02 to 10'A/co+"), by applying a collector bias, the electrons in the base (
The overlap of the wave functions (generally distribution functions at a finite temperature) of the holes (51 in FIG. 1(b)) and the holes (51 in FIG. 1(b)) can be controlled. As a result, the recombination time of electrons and holes in the base region can be extremely shortened, and the light emission operation lifetime can be controlled, so that light emission from the base region can be controlled extremely quickly. Figure 1 (c) from the balance between bipolar operation and light emitting operation
As shown in the band diagram, a p-AlGaAs layer 11' may be used as a potential barrier layer for holes having a large Al composition. pAIGaAsAlGaAs layer 11A
It goes without saying that the composition and film thickness of M1 are designed to optimize the speed of bipolar operation and light emitting operation according to the specifications of the system (m1 product). On the other hand, the light receiving element that converts the optical signal into an electrical signal is
It has been reported that by irradiating the gate region of a 2DEGFET with an lGaAs buffer layer, it operates as an extremely high-speed light receiving element (T. Uhoda et al, Summaries
of 6th ICUP (International
onal Conference of Ultrah
igh5peed Phenomena), pP212
-213, or Norio Umeda, Yoshio Hari; Journal of the Institute of Electronics and Communication Engineers Vol. J68-C, No. 12, pp1132-11
34: Same Vol1. J68-C, No. 4, pp263
In this case, increasing the speed of the light receiving element and increasing the speed of the electronic device are consistent with each other.In particular, by applying a potential to the p''-AIGaAs collector layer 12, Gate area 2DE
Among the electron-hole pairs formed in the G layer, it becomes possible to suck out holes to the collector electrode side, resulting in a significant improvement in switching characteristics. By using the p''-AIGaAs collector layer 12, problems such as an increase in collector resistance are expected, but this can be solved by forming a thin p''-GaAs layer at the bottom and optimizing the film thickness and doping level. This can be avoided and does not degrade the performance of bipolar transistors. Furthermore, since 2DEG is formed in a high purity layer, the mobility of generated holes can also be increased, and holes can be removed more quickly. In an optimal form of the present invention, the second generation 0EI
Features as an opto-electronic fusion device as C Zl, Z
2, A, B, C, and D, and with the same shrimp structure (crystal structure), the planar shape, electrode structure, and shape can be designed according to the purpose, and can be used for 2DEGFETs, 2DEGHBTs, ultrahigh-speed light emitting devices, and light receiving devices. Can be formed into seven shapes. Further, the optoelectronic fusion device of the present invention has p-AlGaA
By removing the s-layer 3 and forming an n-AlGaAs layer 20 with a high A1 composition by a method such as selective growth (FIG. 1(d)), this two-dimensional electron gas can be used as the active layer of a semiconductor laser or LED. 50 can also be used. , an n-AlGaAs layer 20 with a large A1 composition in the optical device portion. Furthermore, since the collector layers 11 and 12 can have a structure as shown in FIG. 1(d), it is suitable for the structure of modulation doped SGW (single quantum well) lasers and LEDs. In this way, the active layer of FET, the base layer of bipolar, H
Because a BT type ultra-high-speed light emitting element and a light receiving element can be formed in the same structure, or a normal light receiving element and the active layer of a semiconductor laser can be formed in the same structure, it performs logical operation as a second generation 0RIC. We can provide a new device principle and structure that completely integrates light and electrons, where individual electronic elements simultaneously receive light and emit light.
We can provide a new system technology called I.
以下に、本発明を実施例を通じて更に詳しく説明する。
実施例1
2次元電子ガスを1層用いた場合の本発明の実施例を第
3図(a)、(b)及び(C)を用いて説明する。
この場合、単一量子井戸(SQw; Single Q
uantumWell)を活性層に用いた超高速発光装
置(A)と2DEGFET型の受光素子(D)、2DE
GHBT(C)及び2DECFET (B)を同じエビ
層を用いて形成した場合(第3図(a)、(b)、(C
))とSQv半導体レーザをも同一基板に形成した場合
(第3図(d))について説明する。
第3図(a)に示す様に、半絶縁性GaAs基板14上
に有機金属熱分解法(MOCVD;Metalorga
nic VaporPhase Epitaxy)を用
いて、結晶成長を行った。第3図(C)に示すエビ構造
の具体例は、p”GaGaAs3513(を10 X
10”cm−”含有し、厚さ600nm)、p”−Al
xGa1−xAsN 12(A1組成Xは0.4で、0
.35からO,Sに選ぶと良い。Mg濃度は、4 X
10”cm−’含有している。
5 X 10”am−’以上に選んぶと良い。厚さは3
00nmだが、1100nから11000nの範囲で設
計するのが好ましい。)、アンドープ又は、p−Aly
Gat−yAsMll(A1組成yは、0.4で、0.
15から0.50の範囲で選んぶと良い。Mgのドーピ
ングレヴエルはI XIO”Cl1l−’で、5 X
10”cm−”以下に選ぶと良い。厚さは、150nm
で、1100nから300nmの範囲で選ぶと良い、)
、アンドープGaAs層10は、15nm(厚さは、1
0nmから30niの間で用いると好ましい。ドーピン
グレヴエルは、n型であれ、P型であれ、5 X 10
”cm−”以下に選ぶ。)の厚さである。このドーピン
グレヴエルは主に、ベース・コレクタ領域に有効に電界
が印加でき、電子と正孔の分布関数の重なりを有効る。
アンドープA1□Ga1−zAsN5は2次元電子ガス
50の移動度を劣化させないように、導入したもので、
膜厚は2■である。0から7nmの範囲で用いる。
n−AluGa、−uAs層4は、A1組組成上して0
.25、膜厚として30nm、 Seのドーピングレヴ
エルとして2X10”cm−’を選んでいる。A111
fAuは0.24から0.45の範囲、膜厚は15nm
から45n+mの範囲、Seのドーピングレヴエルとし
て1から8 X 10”cm−’の範囲で選択する。p
型A1vGal−vAs層3は、A1組組成上して0.
40、膜厚として300nm、 Mgのドーピングレヴ
エルとして4 X 101′am−3を選ぶ、 AI組
戒Vは0.30から0.45の範囲、膜厚は150nm
から450nmの範囲、Mgのドーピングレヴエルとし
て1.0から20.OX 10”am−3の範囲で選ぶ
。最後に、エミッタ電極のノンアロイオーミック特性を
よくするために、p4+−GaAsiil、 2を50
n讃形成する。そのとき、1のMgのドーピングレヴエ
ルは、2 X 102o102oであった。2のMgの
ドーピングレヴエルは、4 X 10”cm−3であっ
た。P型GaAs/AlGaAsのドーパントとしては
、C(カーボン)を用いてもよい。その場合、MOMB
E(有機金属ソースを用いたMBE)法により、2X1
0”Qm−”までドープすることが、可能となる。C(
カーボン)を用いた場合、拡散係数がMgに比べて、5
X 10”cm−’以上の高濃度領域で、2桁から4桁
小さく、加熱工程を経たのちも安定でpn接合の劣化が
ない。結晶構造を決定する場合、2次元電子ガス50を
供給するn型AlGaAs層4は、完全に空乏化する様
に膜厚、ドーピングレヴエルを設計することが肝要であ
る。
以下、第3図(b)、(C)に本発明の光電子融合半導
体装置の製造プロセスを説明する。但し、高速動作の障
害になる寄生容量の効果を防ぐため、p+−AToGa
ニーxAs層12にウェハ面内選択的に、酸素を注入し
た基板上に11から上の半導体層を形成した場合につい
て説明するが、酸素が注入された半絶縁性AlGaAs
領域12’は必ずしも必要ない。
超高速発光装置(A)、2DEGFET型受光素子(D
)、と2DEGHBT(C)及び2DEGFET(B)
は、平面バタン形状の違いを除き、全く同一プロセスで
形成できる点ための合わせマークを形成後、FET/バ
イポーラ/発光、受光素子/半導体レーザ部分以外をメ
サエッチング除去しく1solation領域の確保)
、 Sin。
を用いて、間部分の平坦化を行った1次に、2DEGH
BT (C)のエミッタ電極30、超高速発光装置(A
)のエミッタ電極30’あるいは、 2DEGFET(
B)及び、受光素子(D)ノケート電極37.37’
ft ルWSi/W ta:。
300nmスパッタ被着した。このとき、20EGHB
Tのエミッタ電極の寸法は、1μmX10μ思であった
。このエミッタ寸法は、(0,2から5.0μm) X
(0,2から2000μm)の範囲で選ぶと良い、ゲ
ート電極の寸法は、0.5μta X 100μ■であ
った。ゲート寸法は、(0,2から5.0μm) X
(0,2から2000μ−の範囲で選ぶ。エミッタ電極
30.30’あるいは、ゲート電極37.37′をホト
レジスト被着後、加工した。レジスト除去後、エミッタ
電極30.30′とゲート電極37.37′をマスクに
して、FET(B)及び受光素子(D)のゲート領域以
外の部分、バイポーラ(C)及び発光素子(A)のベー
スコレクタ領域、或いは、半導2、及び3を除去した。
つぎに、Sin、を100rv被着後、選択的にドライ
エツチングを行い、側壁Sin。
38を形成し、MOCVDのn”−GaAs選択成長を
用いて、SLを8 X 10”ca−”含有するn+領
域24を形成した。
膜厚は、300niであった。次に半導体レーザ部分の
Sin□を選択的に、除去し、MOCVDのn+−Al
wGa、 +@As選択成長を用いて、Siを8 X
10”cn+−3含有するn+領域20を形威した。A
1組成りとして、0.45.膜厚として、500nn+
、 Siのドーピングレヴエルとして、2 X 10”
am−”を選んでいる。A1組成りは0.40から0.
55の範囲、膜厚は300nmから11000nの範囲
、Siのドーピングレヴエルとして1から8×101c
13の範囲で選ぶ、さらに、半導体レーザのn型層への
オーミック特性を良くするために、MOCVDのn+−
GaAs選択成長を用いて、Siを8 X 10”am
−’含有するn+領域22を形威した。膜厚は、50n
■であった。
次に、全面に、 Sin、を110ni被着し、半導体
レーザ部分のSin、を選択的に除去し、BH(埋込ヘ
テロ構造)構造の半導体レーザを形成するため、高抵抗
のAlqGa、−qAs層23をN0CVDで形威した
。このとき、活性層領域の幅、ストライプ幅は典型的な
値として、0.5から3.0μmである0次に、全面に
。
Sin、を110ni被着し、リフトオフ法により20
EGFET(B)、受光素子のソースドレイン電極、3
5.36.35′、36′、バイポーラ(C)、発光素
子(A)のベース電極31.31’、半導体レーザのn
型層へのオーミック電極34をAuGe/Ni/Auで
形成した0次に。
20EGFET (B)及び、受光素子(D)の基板バ
イアス電極40′、40更に、2DEGHBT (C)
、発光素子(A)のコレクタ電極32.32′、半導
体レーザのp型層へのオーミック電極33を形成するた
めAuZn/Auを被着アロイした。素子間分離、素子
間配線は通常と同様な方法でおこなった。即ち、トレン
チ45を形威し、図には示されていないが、平坦化プロ
セスの後、目的に応じた配線をAu/Moを用いて行っ
た。通常の集積回路との違いは1発光素子(A)のコレ
クタ電極32′に入力された電気信号が光41に変換さ
れ、光導波路や光ファイバを用いてチップ外やチップ内
の受光素子(D)のソースドレイン間に集光し、ソース
ドレイン電流を制御し、光信号を電気信号に変換する。
勿論、受光素子1よ、チップ外から送られてきた光信号
を受けて電気信号に変換する役割もできる。主として、
メモリ動作や論理動作は、20EGFET (B)と2
0EGHBT(C)を用いて形成する0発光素子(A)
は電気的のみならず光学的にも他の素子と絶縁しておく
ことは言うまでもない、又、発光方向は基板裏面方向で
もよくその場合、基板14゜p”−GaAs13、発光
通路は光の吸収をさけるためくり抜いておく必要がある
。この時、20EGFET (B)のゲート長は0.5
μLゲ一ト幅は10μ■であった。
FET部分のp型層12.13への制御電極40′は目
的に応じて形成する。製造工程の説明で詳述しなかった
が、2DEGHBT型発光素子(第3図A)と2DEG
FET型受光素子(第3図D)は、発光が基板から垂直
に効率良くでるように、また受光効率を良くするために
、平面形状を円形にしている。即ち、エミッタ電極30
’の内円の半径は、50μmで、幅は、5μmである。
光41はこの内円のなかから、面内垂直方向にだされる
a p”−GaAs、1.2、での光の吸収をなくすた
めにこの円内のp”−GaAs、工、2は取り除いても
良い、受光素子(D)のゲート電極37′の内円の半径
はlOμ量で、幅は0.5μlである。ソース電極35
′の半径は8.5μLドレイン電極36′の半径は11
.5μ重であり、ソース(ドレイン)ゲート間間隔は1
.5μmであった0発光素子は円形でなく、電極を櫛形
構造にして効率をあげてもよい。このような2DEGF
ET (B)や2DEGFET型受光素子(第3図D)
は。
n+−GaAs層24が極めて低い抵抗を有するために
、ソースゲート抵抗R8tが下がり素子特性は極めて良
好である。事実、FETとしては、相互コンダクタンス
G、は400m5/mm、遮断周波数fTとして45G
Hzかえられた。また受光素子としては1psecの応
答が可能となり、基板バイアス電極40により発生した
正孔を吸いだすときは0.1psecの応答が可能とな
った0本実施例のバイポーラトランジスタは、コレクタ
電流密度Jc = 10’A/c+*”のとき、遮断周
波数fTとして160GHz、電流増幅率hF2は20
00であった。またpnp型HBτとして極めて高いf
Tが実現されている理由は、ベース層が30nmと極め
て薄くデバイス構造にしであるためである。この半絶縁
性AlGaAs領域12′を用いない構造では、fTと
して90GHz、電流増幅率hrEは200であった。
超高速発光素子(A)としては、消費電力500μVス
イッチング速度1 psecの超高速低消費電力の発光
スイッチを形成できた。このとき、数百数千値の発光素
子を同一チップに形成できるようになる。この様に光素
子、電子素子ともに最高性能を実現できることに、本発
明の妙味がある。
本発明の実施例のように、AlGaAsコレクタ層11
.12の合計膜厚はA1組成が0.3の場合大略300
nm以上にする必要がある。これは発光領域10の膜厚
が薄いため両側に光が漏れてしまい、その滲み出し光が
p”−GaAs層13へ到達しないようにするためであ
る。このようにすることで、発光素子からの光がp”−
GaAs層13で吸収されなくなる。
本実施例の半導体レーザはその活性層が変調ドープMQ
W構造となっているため1通常のDHレーザに比べて低
キャリヤ密度で発振し、かつ高速性に1mAと従来のB
Hレーザの約175の低しきい値電流で発振した。更に
、共振器長を100μm、かつ端面を高反射率化すると
約500μAと極めて低いしきい値電流を得た。さらに
、光出力5mW時の緩和振動周波数は、30から50G
Hzと極めて高く、世界に類のない高性能を得ることが
できた。また、本実施例では、埋込層として高抵抗層を
用いているため寄生容量が低く (lpsec)、実際
の変調時におけるロールオフの問題は全く無いことがわ
かった。 この様に、本発明の半導体レーザは、低消費
電力でかつ高速性に優れているため、光電子集積回路の
光源として極めて優れたものである。第3図(d)では
、発光受光素子は記載しなかったが、当然集積化できる
。本実施例では、光素子と電子デバイスが平面内に別々
に形成した例を示したが、発光素子を2DEGHBTと
して、2DEGHBTを発光素子として用いることも可
能であり、また、20EGFETを受光素子として、受
光素子を20EGFETとして用いることも可能であり
、第二世代の0EICとしての上記、Zl、 Z2、A
、 B、 C,D更にはEの要素を実現することができ
る。
実施例2
2次元電子ガスを2層用いた場合の本発明の1実施例を
第4図(a)、(b)及び(e)を用いて説明する。半
導体レーザとしては、変調ドープ多重量子井戸構造(M
DMQ%f ; Modulation Doped
MultipleQuantum Well、今の場合
2個の量子井戸構造)を用いた場合に対応する。実施例
1と異なる部分のみを強調して説明する。
半#@縁性GaAs基板14上に分子線エピタキシー(
Molecular Bease Epitaxy ;
MBE)を用いて、結晶成長を行った。第4図(C)
に示すエビ構造の具体例は、p”−GaAs層13(B
eを4 X 10”cm−’含有し、厚さ600nII
)、P”−AlxGal−xAsM12(A1組組成は
0.4で、通常0.35から0.4に選ぶ、Be濃度は
、4 X 10”cm−’含有している。5X10”c
m−3以上に選ぶ。厚さ600nmだが、500nmか
ら11000nの範囲で設計すると良い、)、アンドー
プ又は、p−AlyGai−yAs層11(At組組成
は、0.25で、0.15から0.45の範囲で選んぶ
、BeのドーピングレヴエルはI X 101014a
’で、5X 10110l7’以下に選ぶ。厚さは25
0n+iで、50nmから300nmの範囲で選ぶ。)
、アンドープGaAs層10は、20nm(厚さは、1
0ngrから30nmの間で用いると良い。
ドーピングレヴエルはn型であれ、p型であれ、5X
10”c++−3以下に選ぶ)の厚さである。
n−AlzGa、−zAs層8は、A1組成2として0
.25、膜厚として8nm、 Siのドーピングレヴエ
ルとして2 X 10”cm−’を選んでいる。A1組
成2は0.24から0.30の範囲、膜厚は5rvから
12nmの範囲、Siのドーピングレヴエルとして1か
ら8 X 10”cm−’の範囲で選ぶと良い、アンド
ープAlzGal−zAsM9.7.5は2次元電子ガ
ス50.50′の移動度を劣化させないように導入した
もので、膜厚は2nmである。Oから7nmの範囲が好
ましい、アンドープGaAs層6はIons(厚さは1
0nmから30on朧の間が良い。ドーピングレヴエル
はn型であれ、p型であれ、5 X 101sc+++
−”以下に選ぶ)の厚さであるe n−AluGal−
uAs層4は、A1組組成上して0.25、膜厚として
30nm、 Siのドーピングレヴエルとして2 X
10”cm−’を選んでいる。A1組組成は0.24か
ら0.30の範囲、膜厚は15r+n+から45nmの
範囲、SLのドーピングレヴエルとしてIから8×10
”cm−’の範囲で選ぶと良い。p−AlvGa、−v
As層3は、A1組成りとして0,40、膜厚として3
00nm、 Beのドーピングレヴエルとして4 X
10”a1’を選ぶと良い。A1組成Vは0.30から
0.45の範囲、膜厚は150rvから450nmの範
囲、Beのドーピングレヴエルとして1から20 X
10”c+*−’の範囲が好ましい、最後にエミッタ電
極のノンアロイオーミック特性をよくするために、p”
−GaAs 1.2を50nm形威した。
そのとき、1のBeのドーピングレヴエルは2×10″
Qell−’であった。2のBeのドーピングレヴエル
は4×10”cm−’であった。(P型GaAs/Al
GaAsのドーパントとしては、C(カーボン)を用い
てもよい。その場合、 MOMBE(有機金属ソースを
用いたMBE)法により、 2X10”c+s−’まで
ドープすることが可能となる。C(カーボン)を用いた
場合、拡散係数がBeに比べて、5 X 10”cm−
3以上の高濃度領域で、2桁から4桁小さく、加熱工程
を経たのちも安定かつpn接合の劣化がない0次に素子
作成の主要プロセスを説明する。
結晶構造を決定する場合、2次元電子ガス、50.50
′を供給するn型AlGaAs層4.8は、完全に空乏
化するように膜厚、ドーピングレヴエルを設計すること
が肝要である。
この様な結晶構造を形成した後、リソグラフィ工程を進
めるための合わせマークを形成後、FET/バイポーラ
/発光受光素子/半導体レーザを、実施例1と同様に形
成した。以下では、実施例1との製造工程に関して事な
る部分のみを記載する。半導体レーザ部分の形成は、S
in、を選択的に除去し、MOCVDのn+−AlwG
a、−wAs選択戒長製出いて、Siを8X 10”c
m−’含有するn+領域20を形成した。 A1組成り
として0.45.膜厚として500nm、 Siのドー
ピングレヴエルとして2 X 10”cm−’を選んで
いる。A1組成りは0.40から0.55の範囲、膜厚
は300nmから11000nの範囲、Siのドーピン
グレヴエルとして1から8 X 10”am−’の範囲
が好ましい。さらに半導体レーザのn型層へのオーミッ
ク特性を良くするために、MOCVDのn”−GaAs
選択成長を用いて、Slを8×10″1c11含有する
n+領域22を形成した。膜厚は50nmであった。B
H(埋込ヘテロ構造)構造の半導体レーザの形成工程は
実施例1と同様である。
次に、FETのゲート電極37を形成するため、該当部
分のn+−GaAs層24を選択的に除去し、さらにA
lGaAs層4.5、GaAs層6を除去し、ゲート電
極37としてA1を500n鳳リフトオフ法により形成
した。
このとき、ゲート長は0.5μLゲ一ト幅は100μ重
であった。バイポーラのコレクタ電極32、及び半導体
レーザのP型層へのオーミック電極33を、AuZn/
Auを用いて形成した。FET部分のp型層12.13
への制御電極は目的に応じてバイポーラのコレクタ電極
32の形成工程で形成してもよい。本実施例の半導体レ
ーザはその活性層が変調ドープMQw構造となっている
ため、実施例1と同様に極めて高性能である0本実施例
では、FET部分のゲート構造が、ショットキー型を採
用した例を説明したが必ずしも必要ではない、即ち、p
n接合を用いて、JFET型にしてもよい、この場合、
バイポーラのエミッタ電極を形成する工程でゲート部分
を形成できるという長所がある。特に、大電流を流した
いパワーFETとして用いる場合には有効である。
以上の説明では発光素子と受光素子の作成は省いたが、
容易に類推できるように実施例1と同様にFET/バイ
ポーラの形成の場合と同一プロセスで実現できる0本実
施例では2DEGが2個(2個の量子井戸)場合を説明
したが、3個以上になると半導体レーザとしては有効だ
が、バイポーラ/FETとしては性能を落してしまい実
用上の価値はあまりない。
なお、上記実施例においては光デバイスと電子デバイス
との複合素子について説明した。しかし。
本発明は光素子単体としては電子と正孔との波動関数の
重なりを制御するに適した構成を提供するものであり、
またそのような光素子と組合せて特に好適な光・電子複
合素子の構成を提供するものである。
また、以上の実施例では、半導体レーザとして埋込ヘテ
ロ構造と2DEGFET及び2DEGHBTとの同一ベ
ース(チャンネル)コレクタ層を用いての光電子複流側
の目的が計算機応用やLocal Area NetW
ork (LAN)等で、LSI間の入出力インターフ
ェースに関するものであるために長距離の光伝送を扱わ
ないので、GaAs/AlGaAs系のレーザが適して
おり、また、電子デバイスについてもコスト信頼性、技
術の習熟度の点からもGaAs系が優れているからであ
る。半導体レーザの構造としては、BH槽構造他にも、
C3P(Channeled 5ubstrate P
lanar La5er)レーザ、 TJS(Tran
sverse Junction 5tripe La
5er)レーザ等が、2DEGFET、2DEGHBT
とモノリシックに集積化できることは、実施例1.2と
同様である。長距離の光伝送を扱う通信関連への応用の
場合は、InPn型半導体レーザえば、 DFBレーザ
、DBRレーザ等)の方が適している。この場合でも、
本発明の光電子複合構造が有効であることは言を待たな
い。
又本実施例では、光デバイスとして半導体レーザの場合
のみを示したが、2次元状担体をLEDの活性層にして
用いてもよい、 FETとしての性能を低温(例えば、
77K)でのみ期待する場合には、2次元正孔ガスを用
いて本発明を構成してもよい。
その場合には実施例1.2において、n型半導体層をp
型半導体層に、p型半導体層をn型半導体層に、入れ替
えればよい、勿論、電子デバイスのうちでFETのみ、
バイポーラのみを光デバイスと集積化してもよい。
また、上記実施例ではすべて、コレクタが基板側に形成
され、エミッタが表面側に形成されている例について記
述した。しかしながら、この構成は必ずしも必須ではな
く、基板上のエビ結晶の順序を全く逆転させて、エミツ
タ層、ベース層、コレクタ層の順番で結晶成長すること
も可能である。
この場合、デバイス構造は頭な構成は省略するが。
容易に分かるように2DEGFETは、2DEG(2次
元電子ガス)下に、キャリア供給層が存在する所謂逆H
EMT ()Iigh Electron Mobil
ity Transistor)構造として形成できる
。この場合、変調ドープMQIllレーザはコレクタ層
11を1100n程度残し、よりA1組成の大きいn−
AlGaAs層を再成長させることで上記4施側と同様
な方法により形成できる。
【発明の効果1
本発明によれば、同一エピタキシャル層を用いて電子デ
バイス(FET、 Bipolar等)と光デバイス(
発光素子、受光素子、半導体レーザ、光検出器等)をそ
れぞれ同時に最適化する構造を提供できるので、
1)同一エビ構造でありながら、電子デバイスと光デバ
イス夫々の最適構造をシステム、デバイスの設計者に提
供できる。
2)同一デバイス構造で、光素子としても電子素子とし
ても動作できる。
3)集積化に適し、信頼性が高く、歩留まりの高い光電
子融合集積回路を実現できる。
という効果を奏する。Hereinafter, the present invention will be explained in more detail through Examples. Example 1 An example of the present invention in which one layer of two-dimensional electron gas is used will be described with reference to FIGS. 3(a), (b), and (C). In this case, a single quantum well (SQw; Single Q
Ultrafast light-emitting device (A) using 2DEGFET-type light-receiving element (D), 2DEGFET type light-receiving element (D),
When GHBT (C) and 2DECFET (B) are formed using the same shrimp layer (Fig. 3 (a), (b), (C
)) and an SQv semiconductor laser are also formed on the same substrate (FIG. 3(d)). As shown in FIG. 3(a), metal organic pyrolysis (MOCVD) is applied on a semi-insulating GaAs substrate 14.
Crystal growth was performed using a nic VaporPhase Epitaxy. A specific example of the shrimp structure shown in FIG. 3(C) is p"GaGaAs3513 (10
10"cm-", thickness 600nm), p"-Al
xGa1-xAsN 12 (A1 composition X is 0.4, 0
.. It is best to choose from 35 to O or S. The Mg concentration is 4
It contains 10"cm-'. It is better to choose 5 x 10"am-' or more. The thickness is 3
00nm, but it is preferable to design within the range of 1100n to 11000n. ), undoped or p-Aly
Gat-yAsMll (A1 composition y is 0.4, 0.
It is best to choose between 15 and 0.50. The doping level of Mg is IXIO"Cl1l-', 5X
It is best to choose 10"cm-" or less. Thickness is 150nm
So, it is best to choose between 1100n and 300nm.)
, the undoped GaAs layer 10 has a thickness of 15 nm (the thickness is 1
It is preferable to use between 0 nm and 30 ni. Doping level, whether n-type or p-type, is 5 x 10
Select "cm-" or less. ) thickness. This doping level mainly allows an effective electric field to be applied to the base-collector region and makes it possible to effectively overlap the distribution functions of electrons and holes. The undoped A1□Ga1-zAsN5 was introduced so as not to deteriorate the mobility of the two-dimensional electron gas 50.
The film thickness is 2cm. It is used in the range of 0 to 7 nm. The n-AluGa, -uAs layer 4 has a composition of A1 group 0.
.. 25, the film thickness is 30 nm, and the Se doping level is 2X10"cm-'. A111
fAu ranges from 0.24 to 0.45, film thickness is 15 nm
to 45n+m, and the Se doping level is selected in the range of 1 to 8 x 10"cm.p.
The type A1vGal-vAs layer 3 has a composition of A1 group 0.
40. The film thickness is 300 nm, the Mg doping level is 4 x 101'am-3, the AI group V is in the range of 0.30 to 0.45, and the film thickness is 150 nm.
to 450 nm, Mg doping level from 1.0 to 20. OX in the range of 10"am-3.Finally, in order to improve the non-alloy ohmic characteristics of the emitter electrode, 50% of p4+-GaAsil, 2 is selected.
Form n. At that time, the doping level of 1 Mg was 2×102o102o. The doping level of Mg in No. 2 was 4 x 10"cm-3. C (carbon) may be used as a dopant for P-type GaAs/AlGaAs. In that case, MOMB
By E (MBE using organometallic source) method, 2X1
It becomes possible to dope up to 0"Qm-". C(
When using carbon), the diffusion coefficient is 5 compared to Mg.
In the high concentration region of X 10"cm-' or more, it is two to four orders of magnitude smaller, stable even after the heating process, and there is no deterioration of the pn junction. When determining the crystal structure, two-dimensional electron gas 50 is supplied. It is important to design the thickness and doping level of the n-type AlGaAs layer 4 so that it is completely depleted.Hereinafter, FIGS. The manufacturing process will be explained.However, in order to prevent the effect of parasitic capacitance that becomes an obstacle to high-speed operation, p+-AToGa
A case will be described in which the semiconductor layers 11 and above are formed on a substrate in which oxygen is selectively implanted into the knee xAs layer 12 within the wafer plane.
Region 12' is not necessarily required. Ultra high speed light emitting device (A), 2DEGFET type light receiving element (D
), and 2DEGHBT (C) and 2DEGFET (B)
After forming alignment marks, which can be formed by the same process except for the difference in the flat panel shape, mesa-etch the parts other than the FET/bipolar/light emitting and photodetector/semiconductor laser parts to secure a 1-solation area)
, Sin. 2DEGH
Emitter electrode 30 of BT (C), ultrafast light emitting device (A
) emitter electrode 30' or 2DEGFET (
B) and light receiving element (D) nocate electrode 37.37'
ft LeWSi/Wta:. 300 nm sputter deposited. At this time, 20EGHB
The dimensions of the emitter electrode of T were 1 μm×10 μm. This emitter dimension is (0.2 to 5.0 μm)
The dimensions of the gate electrode, which are preferably selected in the range of (0.2 to 2000 μm), were 0.5 μta x 100 μm. Gate dimensions are (0.2 to 5.0 μm)
(Choose in the range of 0.2 to 2000 μ-. Emitter electrode 30.30' or gate electrode 37.37' was processed after photoresist was applied. After removing the resist, emitter electrode 30.30' and gate electrode 37.37' were processed. Using 37' as a mask, parts other than the gate regions of the FET (B) and light receiving element (D), the base collector regions of the bipolar (C) and light emitting element (A), or semiconductors 2 and 3 were removed. Next, after depositing Sin for 100 rv, selective dry etching was performed to form a side wall Sin. The n+ region 24 was formed to have a film thickness of 300 ni.Next, the Sin□ in the semiconductor laser portion was selectively removed and MOCVD n+-Al
wGa, +@As selective growth was used to grow Si to 8X
20 n+ regions containing 10"cn+-3 were formed.A
As one composition, 0.45. Film thickness: 500n+
, as doping level of Si, 2 X 10”
am-” is selected.The A1 composition is from 0.40 to 0.
55, film thickness ranges from 300nm to 11000n, Si doping level from 1 to 8×101c
Furthermore, in order to improve the ohmic characteristics to the n-type layer of the semiconductor laser, the n+-
GaAs selective growth was used to grow Si into 8 x 10” am
-' containing n+ region 22 was demonstrated. The film thickness is 50n
■It was. Next, 110 ni of Sin was deposited on the entire surface, and the Sin in the semiconductor laser portion was selectively removed to form a BH (buried heterostructure) structure semiconductor laser. Layer 23 was formed by N0CVD. At this time, the width of the active layer region and the stripe width are typically 0.5 to 3.0 μm, and the width is 0.0 μm, and the stripe width is 0.5 μm to 3.0 μm. 110 ni of Sin was deposited, and 20 ni was deposited using the lift-off method.
EGFET (B), source drain electrode of light receiving element, 3
5.36.35', 36', bipolar (C), base electrode 31.31' of light emitting element (A), n of semiconductor laser
The 0-order ohmic electrode 34 to the mold layer is formed of AuGe/Ni/Au. 20EGFET (B), substrate bias electrodes 40' and 40 of the light receiving element (D), and 2DEGHBT (C)
, AuZn/Au was deposited and alloyed to form the collector electrodes 32 and 32' of the light emitting element (A) and the ohmic electrode 33 to the p-type layer of the semiconductor laser. Isolation between elements and wiring between elements were performed in the same manner as usual. That is, the trench 45 was formed, and after a planarization process (not shown in the figure), wiring was performed using Au/Mo according to the purpose. The difference from a normal integrated circuit is that the electrical signal input to the collector electrode 32' of one light emitting element (A) is converted into light 41, and the light receiving element (D ), the light is focused between the source and drain, the source-drain current is controlled, and the optical signal is converted into an electrical signal. Of course, the light receiving element 1 can also play the role of receiving optical signals sent from outside the chip and converting them into electrical signals. mainly,
Memory operation and logic operation are performed using 20EGFET (B) and 2
0 light emitting device (A) formed using 0EGHBT (C)
Needless to say, it should be insulated from other elements not only electrically but also optically.Also, the light emitting direction may be toward the back surface of the substrate. It is necessary to hollow out the gate to avoid
The μL gate width was 10μ. A control electrode 40' to the p-type layer 12.13 of the FET portion is formed depending on the purpose. Although not detailed in the explanation of the manufacturing process, the 2DEGHBT type light emitting element (Fig. 3A) and the 2DEGHBT type light emitting element (Fig. 3A)
The FET type light-receiving element (FIG. 3D) has a circular planar shape so that the light emitted from the substrate is efficiently emitted perpendicularly and in order to improve the light-receiving efficiency. That is, the emitter electrode 30
The radius of the inner circle of ' is 50 μm and the width is 5 μm. The light 41 is emitted from within this inner circle in the in-plane vertical direction.In order to eliminate the absorption of light by a p''-GaAs,1.2, the p''-GaAs, 2, within this circle is The radius of the inner circle of the gate electrode 37' of the light receiving element (D), which may be removed, is lOμ, and the width is 0.5μl. Source electrode 35
'The radius of the drain electrode 36' is 8.5μL, the radius of the drain electrode 36' is 11
.. 5μ thick, and the distance between source (drain) and gate is 1
.. The 0-light-emitting element, which had a diameter of 5 μm, may have a comb-shaped electrode instead of a circular shape to improve efficiency. 2DEGF like this
ET (B) and 2DEGFET type photodetector (Figure 3D)
teeth. Since the n+-GaAs layer 24 has extremely low resistance, the source gate resistance R8t is reduced and the device characteristics are extremely good. In fact, as a FET, the mutual conductance G is 400 m5/mm, and the cutoff frequency fT is 45 G.
The Hz was changed. In addition, the bipolar transistor of this embodiment is capable of a 1 psec response as a light receiving element, and a 0.1 psec response when sucking holes generated by the substrate bias electrode 40. 10'A/c+*'', cutoff frequency fT is 160GHz, current amplification factor hF2 is 20
It was 00. Also, extremely high f as a pnp type HBτ
The reason why T is achieved is that the base layer is extremely thin, at 30 nm, and is close to the device structure. In this structure not using the semi-insulating AlGaAs region 12', fT was 90 GHz and current amplification factor hrE was 200. As the ultra-high-speed light-emitting element (A), an ultra-high-speed, low-power light-emitting switch with a power consumption of 500 μV and a switching speed of 1 psec was formed. At this time, it becomes possible to form light emitting elements with hundreds or thousands of values on the same chip. The beauty of the present invention lies in the fact that it is possible to achieve the highest performance of both the optical element and the electronic element. As in the embodiment of the present invention, the AlGaAs collector layer 11
.. The total film thickness of 12 is approximately 300 when the A1 composition is 0.3.
It is necessary to make it more than nm. This is to prevent light from leaking to both sides because the film thickness of the light emitting region 10 is thin and from reaching the p''-GaAs layer 13. The light of p”-
It is no longer absorbed by the GaAs layer 13. The semiconductor laser of this example has an active layer doped with modulation MQ.
Because it has a W structure, it oscillates at a lower carrier density than a normal DH laser, and has a high speed of 1 mA compared to a conventional B laser.
The H laser oscillated at a low threshold current of about 175. Furthermore, when the resonator length was set to 100 μm and the end faces were made to have high reflectance, an extremely low threshold current of about 500 μA was obtained. Furthermore, the relaxation oscillation frequency when the optical output is 5 mW is from 30 to 50 G.
Hz, and was able to obtain high performance that is unparalleled in the world. Further, in this example, since a high resistance layer is used as the buried layer, the parasitic capacitance is low (lpsec), and it was found that there is no problem of roll-off during actual modulation. As described above, the semiconductor laser of the present invention has low power consumption and is excellent in high speed, so it is extremely excellent as a light source for optoelectronic integrated circuits. Although the light emitting and receiving elements are not shown in FIG. 3(d), they can of course be integrated. In this example, an example was shown in which an optical element and an electronic device were formed separately within a plane, but it is also possible to use a 2DEGHBT as a light emitting element, and a 2DEGHBT as a light emitting element, or a 20EGFET as a light receiving element. It is also possible to use the light receiving element as a 20EGFET, and the above Zl, Z2, A as the second generation 0EIC
, B, C, D, and even E elements can be realized. Example 2 An example of the present invention in which two layers of two-dimensional electron gas are used will be described with reference to FIGS. 4(a), (b), and (e). As a semiconductor laser, a modulation doped multiple quantum well structure (M
DMQ%f ; Modulation Doped
This corresponds to the case where a Multiple Quantum Well (in this case two quantum well structures) is used. Only the parts different from the first embodiment will be emphasized and explained. Molecular beam epitaxy (
Molecular Bease Epitaxy;
Crystal growth was performed using MBE). Figure 4 (C)
A specific example of the shrimp structure shown in FIG.
4 x 10"cm-' and thickness 600nII
), P"-AlxGal-xAsM12 (A1 group composition is 0.4, usually selected from 0.35 to 0.4, Be concentration is 4 X 10"cm-' contains 5X10"c
Choose m-3 or more. The thickness is 600 nm, but it is best to design it in the range of 500 nm to 11000 nm), the undoped or p-AlyGai-yAs layer 11 (the At group composition is 0.25, and the thickness should be selected in the range of 0.15 to 0.45). , the doping level of Be is I X 101014a
', select 5X 10110l7' or less. The thickness is 25
0n+i, selected in the range of 50 nm to 300 nm. )
, the undoped GaAs layer 10 has a thickness of 20 nm (the thickness is 1
It is preferable to use between 0 ngr and 30 nm. The doping level is 5X whether it is n-type or p-type.
The thickness of the n-AlzGa, -zAs layer 8 is selected to be less than 10"c++-3).
.. 25, the film thickness is 8 nm, and the Si doping level is 2 x 10" cm. The A1 composition 2 is in the range of 0.24 to 0.30, the film thickness is in the range of 5 rv to 12 nm, Undoped AlzGal-zAsM9.7.5, which is preferably selected as a doping level in the range of 1 to 8 x 10"cm-', is introduced so as not to degrade the mobility of the two-dimensional electron gas 50.50'. The film thickness is 2 nm. The undoped GaAs layer 6 is preferably in the range of 7 nm from O.
A value between 0 nm and 30 on is good. The doping level is 5 X 101sc+++ whether it is n-type or p-type.
−” thickness of e n-AluGal−
The uAs layer 4 has an A1 composition of 0.25, a film thickness of 30 nm, and a Si doping level of 2X.
10"cm-' is selected. The composition of A1 group is in the range of 0.24 to 0.30, the film thickness is in the range of 15r+n+ to 45nm, and the doping level of SL is 8×10 from I.
It is best to choose within the range of "cm-'. p-AlvGa, -v
The As layer 3 has an A1 composition of 0.40 and a film thickness of 3.
00nm, Be doping level 4X
It is better to choose 10"a1'. A1 composition V is in the range of 0.30 to 0.45, film thickness is in the range of 150rv to 450nm, Be doping level is 1 to 20X
A range of 10"c++-' is preferable. Finally, in order to improve the non-alloy ohmic characteristics of the emitter electrode, p"
- GaAs 1.2 was formed into a 50 nm film. At that time, the doping level of 1 Be is 2×10''
It was Qell-'. The doping level of Be in No. 2 was 4×10"cm-' (P-type GaAs/Al
C (carbon) may be used as a dopant for GaAs. In that case, it is possible to dope up to 2X10"c+s-' by the MOMBE (MBE using an organometallic source) method. When C (carbon) is used, the diffusion coefficient is 5X10 compared to Be. ”cm-
The main process of creating a zero-order element in a high concentration region of 3 or more, which is two to four orders of magnitude smaller, stable even after a heating process, and without deterioration of the pn junction will be explained. When determining the crystal structure, two-dimensional electron gas, 50.50
It is important to design the film thickness and doping level of the n-type AlGaAs layer 4.8 that supplies .' to be completely depleted. After forming such a crystal structure and forming alignment marks for proceeding with the lithography process, FET/bipolar/light emitting/receiving element/semiconductor laser were formed in the same manner as in Example 1. In the following, only the parts different from those in the manufacturing process of Example 1 will be described. The semiconductor laser part is formed by S
selectively removing in, MOCVD n+-AlwG
a, -w As selected Kaicho product, Si 8X 10”c
An n+ region 20 containing m-' was formed. 0.45 as A1 composition. The film thickness is 500 nm, and the Si doping level is 2 x 10" cm. The A1 composition is in the range of 0.40 to 0.55, the film thickness is in the range of 300 nm to 11000 nm, and the Si doping level is 2 x 10" cm. A range of 1 to 8 x 10"am-' is preferred. Furthermore, in order to improve the ohmic characteristics of the n-type layer of the semiconductor laser, MOCVD n''-GaAs
An n+ region 22 containing 8×10″1c11 of Sl was formed using selective growth.The film thickness was 50 nm.B
The process for forming a semiconductor laser having an H (buried heterostructure) structure is the same as in the first embodiment. Next, in order to form the gate electrode 37 of the FET, the corresponding portion of the n+-GaAs layer 24 is selectively removed, and then the A
The GaAs layer 4.5 and the GaAs layer 6 were removed, and a gate electrode 37 was formed using A1 using a 500 nm lift-off method. At this time, the gate length was 0.5 μL and the gate width was 100 μL. The bipolar collector electrode 32 and the ohmic electrode 33 to the P-type layer of the semiconductor laser are made of AuZn/
It was formed using Au. P-type layer 12.13 of FET part
The control electrode may be formed in the step of forming the bipolar collector electrode 32 depending on the purpose. Since the semiconductor laser of this example has an active layer having a modulation-doped MQw structure, it has extremely high performance like Example 1. In this example, the gate structure of the FET part adopts a Schottky type. Although we have explained an example in which p
It may be a JFET type using an n junction, in this case,
An advantage is that the gate portion can be formed in the process of forming the bipolar emitter electrode. This is particularly effective when used as a power FET in which a large current needs to flow. In the above explanation, the creation of the light-emitting element and the light-receiving element was omitted, but
For easy analogy, it can be realized by the same process as in Example 1 for forming FET/bipolar. In this example, the case where there are two 2DEGs (two quantum wells) is explained, but three or more 2DEGs can be realized by the same process. In this case, it is effective as a semiconductor laser, but as a bipolar/FET, its performance deteriorates and it has little practical value. In the above embodiments, a composite element including an optical device and an electronic device was described. but. The present invention provides a configuration suitable for controlling the overlap of the wave functions of electrons and holes as a single optical element.
Furthermore, the present invention provides a structure of a particularly suitable opto-electronic composite device in combination with such an optical device. In addition, in the above embodiments, the purpose of the photoelectron double flow side using a buried heterostructure and the same base (channel) collector layer of 2DEGFET and 2DEGHBT as a semiconductor laser is computer application or Local Area NetW.
ork (LAN), etc., since it is related to the input/output interface between LSIs and does not handle long-distance optical transmission, GaAs/AlGaAs lasers are suitable. This is because GaAs is superior in terms of technical proficiency. In addition to the BH tank structure, semiconductor laser structures include
C3P(Channeled 5ubstrate P
lanar La5er) laser, TJS (Tran
sverse Junction 5tripe La
5er) Laser etc. are 2DEGFET, 2DEGHBT
As in Example 1.2, it can be monolithically integrated. For communication-related applications that handle long-distance optical transmission, InPn semiconductor lasers (such as DFB lasers and DBR lasers) are more suitable. Even in this case,
It goes without saying that the optoelectronic composite structure of the present invention is effective. In addition, in this example, only the case of a semiconductor laser is shown as an optical device, but a two-dimensional carrier may also be used as an active layer of an LED.
77K), the present invention may be configured using a two-dimensional hole gas. In that case, in Example 1.2, the n-type semiconductor layer is
It is only necessary to replace the p-type semiconductor layer with the n-type semiconductor layer. Of course, among electronic devices, only FETs
Only bipolar devices may be integrated with optical devices. Furthermore, in all of the above embodiments, examples have been described in which the collector is formed on the substrate side and the emitter is formed on the surface side. However, this configuration is not necessarily essential, and it is also possible to completely reverse the order of the shrimp crystals on the substrate and grow the crystals in the order of the emitter layer, base layer, and collector layer. In this case, the initial configuration of the device structure will be omitted. As can be easily seen, the 2DEGFET is a so-called inverted H type in which a carrier supply layer exists below the 2DEG (two-dimensional electron gas).
EMT ()Iigh Electron Mobile
ity transistor) structure. In this case, in the modulation-doped MQIll laser, the collector layer 11 is left with about 1100n, and the n-
By re-growing the AlGaAs layer, it can be formed by the same method as in the above-mentioned fourth method. Effect of the invention 1 According to the present invention, electronic devices (FET, Bipolar, etc.) and optical devices (
Since we can provide a structure that simultaneously optimizes each of the light-emitting element, light-receiving element, semiconductor laser, photodetector, etc.), we can: 1) design systems and devices that optimize the structure of each electronic device and optical device, even though they have the same structure; can be provided to people. 2) The same device structure can operate as both an optical device and an electronic device. 3) It is possible to realize an opto-electronic integrated integrated circuit that is suitable for integration, has high reliability, and has a high yield. This effect is achieved.
第1図(a)、(b)、(c)及び(d)は、本発明の
光電子複合素子の動作原理を説明するためのエネルギー
バンド図、第2図(a)、(b)、 (c)及び(d)
は、従来発明を説明するためのエネルギーバンド図、第
3図(a)、 (b)、 (c)及び(d)及び、第4
図(a)、(b)及び(c)は、本発明の光電子複合素
子の実施例を説明するための図である。
符号の説明
1.13.410”・p”−GaAs、2”・p−Ga
As、3−・−p−AIGaAs、4.4’、8,43
0−−−n−AIGaAs、5,7,9−−−アンドー
プAlGaAs、6.10,420−−−アンドープG
aAs、11,11′、500.500””P(P−)
−AIGaAs、 12.450・・・p”−AIGa
As、14−−−半絶縁性GaAs基板、°5o、50
’、590・・・2次元電子ガス、51・・・局在正孔
、4■・・・発光線、30.30′、140・・・エミ
ッタ電極、31゜31′、130・・・ベース電極、3
2.32’、150・・・コレクタ電極、基板バイアス
電極、40.40′、33・・・p型電極、34・・・
n型電極、35.35′・・・ソース電極、36.36
′・・・ドレイン電極、37.37′・・・ゲート電極
、2o、21”n−AlGaAs、22.21”n”−
GaAs、23−−−高抵抗AlGaAs。
名
/
図
1−μ
/
$/図
(す
(b)
//I7
/Iσ
/20
t3督
ネ
図
(d)
′″f−E7(Bノ
パイホーラ (c)
〒4県り博°°(す
1、lf、I!I
(c−)FIGS. 1(a), (b), (c), and (d) are energy band diagrams for explaining the operating principle of the optoelectronic composite device of the present invention, and FIGS. 2(a), (b), ( c) and (d)
are energy band diagrams for explaining the conventional invention, Figures 3 (a), (b), (c) and (d), and Figure 4.
Figures (a), (b), and (c) are diagrams for explaining embodiments of the optoelectronic composite device of the present invention. Explanation of symbols 1.13.410"・p"-GaAs, 2"・p-Ga
As, 3-.-p-AIGaAs, 4.4', 8,43
0---n-AIGaAs, 5,7,9---undoped AlGaAs, 6.10,420---undoped G
aAs, 11,11', 500.500""P(P-)
-AIGaAs, 12.450...p''-AIGa
As, 14---semi-insulating GaAs substrate, °5o, 50
', 590...Two-dimensional electron gas, 51...Localized hole, 4■...Emission line, 30.30', 140...Emitter electrode, 31°31', 130...Base electrode, 3
2.32', 150...Collector electrode, substrate bias electrode, 40.40', 33...p-type electrode, 34...
N-type electrode, 35.35'...source electrode, 36.36
'...Drain electrode, 37.37'...Gate electrode, 2o, 21"n-AlGaAs, 22.21"n"-
GaAs, 23--high resistance AlGaAs. name / Figure 1-μ / $ / figure (su (b) //I7 /Iσ /20 t3 reunification figure (d) ′''f-E7 (B Nopai Hola (c) ,lf,I!I (c-)
Claims (1)
ロ接合界面に形成される二次元状担体領域一個ないし二
個を、電界効果トランジスタの能動層、ヘテロバイポー
ラトランジスタのベース層、ヘテロバイポーラトランジ
スタのコレクタ電極を通じてベース領域に印加される電
界を制御することによりこのベース領域内の電子と正孔
の波動関数の重なりを制御してこのベース領域での発光
を制御する発光素子の活性層、及び電界効果トランジス
タの能動層を受光素子の活性層とする素子群から選択さ
れる少なくとも2種の素子に共用することを特徴とする
半導体装置。 2、請求項1に記載の半導体装置において、前記同一エ
ピタキシャル結晶の一部分を選択的に除去し、上記二次
元状担体一個ないし二個の領域を発光素子の活性層に共
用して形成されていることを特徴とする半導体装置。 3、第1の導電型不純物を有する第1の半導体領域と、
この第1の半導体領域とは反対の第2の導電型不純物を
有する第2の半導体領域と、これら2つの半導体領域の
間に位置しかつ上記第1の半導体領域との接合界面にヘ
テロ接合面を形成する半導体領域であって上記二次元状
担体の移動度を阻害しないという意味で実質的に導電型
不純物を含まない第3の半導体領域と、この第3の半導
体領域に外部から担体を供給するための担体供給手段と
、上記第1及び第2の半導体領域間に外部から電界を印
加するための電界印加手段とを有し、上記第3の半導体
領域の内部であって上記第1の半導体領域との接合界面
近傍領域には上記第1及び第3の半導体領域のバンド端
エネルギー値の差異に基づき形成される前記二次元状担
体の領域が存在し、上記電界印加手段による印加電界を
変化することにより上記第3の半導体領域内の電子と正
孔の波動関数の重なりを可変として上記第3の半導体領
域におけるそれらキャリアの再結合確率を変化するよう
にしたことを特徴とする半導体装置。[Claims] 1. One or two two-dimensional carrier regions formed at the semiconductor double heterojunction interface made of the same epitaxial crystal can be used as the active layer of a field effect transistor, the base layer of a heterobipolar transistor, or the base layer of a heterobipolar transistor. an active layer of the light emitting device, which controls light emission in the base region by controlling the overlap of wave functions of electrons and holes in the base region by controlling an electric field applied to the base region through the collector electrode of the light emitting device; A semiconductor device characterized in that the active layer of a field effect transistor is shared by at least two types of elements selected from a group of elements in which the active layer of a light receiving element is used. 2. In the semiconductor device according to claim 1, a portion of the same epitaxial crystal is selectively removed, and one or two regions of the two-dimensional carrier are formed in common as an active layer of a light emitting element. A semiconductor device characterized by: 3. a first semiconductor region having a first conductivity type impurity;
A second semiconductor region having impurities of a second conductivity type opposite to that of the first semiconductor region, and a heterojunction located between these two semiconductor regions and at the junction interface with the first semiconductor region. a third semiconductor region that does not substantially contain conductivity type impurities in the sense that it does not inhibit the mobility of the two-dimensional carrier; and a carrier is supplied from the outside to the third semiconductor region. a carrier supply means for applying an electric field from the outside between the first and second semiconductor regions; In the vicinity of the junction interface with the semiconductor region, there is a region of the two-dimensional carrier formed based on the difference in band edge energy values of the first and third semiconductor regions, and the region of the two-dimensional carrier is formed based on the difference in band edge energy values of the first and third semiconductor regions, and A semiconductor device characterized in that by changing the overlap of the wave functions of electrons and holes in the third semiconductor region, the probability of recombination of carriers in the third semiconductor region is changed. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18032089A JPH0346289A (en) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18032089A JPH0346289A (en) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0346289A true JPH0346289A (en) | 1991-02-27 |
Family
ID=16081151
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18032089A Pending JPH0346289A (en) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | Semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0346289A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2362261A (en) * | 1999-11-16 | 2001-11-14 | Toshiba Res Europ Ltd | A photon source |
US7019333B1 (en) | 1999-11-16 | 2006-03-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photon source |
-
1989
- 1989-07-14 JP JP18032089A patent/JPH0346289A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2362261A (en) * | 1999-11-16 | 2001-11-14 | Toshiba Res Europ Ltd | A photon source |
GB2362261B (en) * | 1999-11-16 | 2002-08-21 | Toshiba Res Europ Ltd | A photon source |
US7019333B1 (en) | 1999-11-16 | 2006-03-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photon source |
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