JPH07109929B2 - 半導体デバイス - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体デバイスに関する。さらに詳細には、変
調ドープした量子井戸異種構造体を含む半導体デバイス
に関する。
調ドープした量子井戸異種構造体を含む半導体デバイス
に関する。
［従来技術の説明］ 光波通信、光学的演算及び光子スイッチングにおける光
学的処理用途に変調器等の高速高性能の光学及び光子装
置の必要が高まっている。変調ドープした量子井戸構造
体がかくなる用途に開発されてきてはいるが、これら要
求される構造体は比較的高いキャパシタンスを有するか
ら装置の動作速度が限定される。さらに該構造体に１つ
以上の量子井戸が含まれる場合では、上から下まで逐次
空乏状態にするために高電圧を要する。
学的処理用途に変調器等の高速高性能の光学及び光子装
置の必要が高まっている。変調ドープした量子井戸構造
体がかくなる用途に開発されてきてはいるが、これら要
求される構造体は比較的高いキャパシタンスを有するか
ら装置の動作速度が限定される。さらに該構造体に１つ
以上の量子井戸が含まれる場合では、上から下まで逐次
空乏状態にするために高電圧を要する。
［発明の概要］ 変調ドープした量子井戸異種構造体を半導体デバイス内
でカスケード状とし、前の量子井戸構造体上に動作電位
の際立った増加を及ぼすことなく屈折率または吸収係数
の変化といった光波信号を変調するための大なる光学的
効果を得ながら高速作動を達成する。名変調ドープした
量子井戸異種構造体は、効率的カスケードすなわち積層
のために無バイアス状態における異種構造の各端におい
て実質的に等しい境界状態を呈する。各量子井戸は障壁
層と結合していて漏れ電流を最小限にする。その結果、
各量子井戸は個別の電荷レザバーと結合している。この
態様はカスケード状異種構造体の速度に寄与する。従来
の量子井戸デバイスとは対照的に変調ドープしたカスケ
ード状量子井戸異種構造体は全スイッチング電位を減少
するように働くバイアス電位の存在下で実質的に同時空
乏となる。
でカスケード状とし、前の量子井戸構造体上に動作電位
の際立った増加を及ぼすことなく屈折率または吸収係数
の変化といった光波信号を変調するための大なる光学的
効果を得ながら高速作動を達成する。名変調ドープした
量子井戸異種構造体は、効率的カスケードすなわち積層
のために無バイアス状態における異種構造の各端におい
て実質的に等しい境界状態を呈する。各量子井戸は障壁
層と結合していて漏れ電流を最小限にする。その結果、
各量子井戸は個別の電荷レザバーと結合している。この
態様はカスケード状異種構造体の速度に寄与する。従来
の量子井戸デバイスとは対照的に変調ドープしたカスケ
ード状量子井戸異種構造体は全スイッチング電位を減少
するように働くバイアス電位の存在下で実質的に同時空
乏となる。
導波路構造に組込まれると、変調ドープしたカスケード
状量子井戸異種構造体は、光源用外部変調器のような導
波路素子として、または利得媒体に連結されて同調可能
レーザを生ずる内部キャビティ波長同調素子として、も
しくは直接変調光源の内部キャビティ変調器として、ま
たは光学的励起レーザとしても用いることができる。電
気的に誘起される光学特性変化が相対的に大きいため、
多重量子井戸構造体より短い導波路構造体を製作するこ
とで同じ光学的特性変化を得ることができる。
状量子井戸異種構造体は、光源用外部変調器のような導
波路素子として、または利得媒体に連結されて同調可能
レーザを生ずる内部キャビティ波長同調素子として、も
しくは直接変調光源の内部キャビティ変調器として、ま
たは光学的励起レーザとしても用いることができる。電
気的に誘起される光学特性変化が相対的に大きいため、
多重量子井戸構造体より短い導波路構造体を製作するこ
とで同じ光学的特性変化を得ることができる。
垂直光伝搬構造体において、変調ドープしたカスケード
状量子井戸異種構造体はその伝搬構造体が光学的読出
し、光学的変調、光学的ゲーティングに使用可能かつ光
学的相互連結、光学的スイチッング並びに光学的演算に
適用可能な十分に大きな位相−空間吸収クエンチング
（PAQ）効果を生み出すことができる。
状量子井戸異種構造体はその伝搬構造体が光学的読出
し、光学的変調、光学的ゲーティングに使用可能かつ光
学的相互連結、光学的スイチッング並びに光学的演算に
適用可能な十分に大きな位相−空間吸収クエンチング
（PAQ）効果を生み出すことができる。
本発明のその特徴と諸利益はいくつかの実施例添付図面
に基づく以下の詳細な説明より容易に理解されよう。
に基づく以下の詳細な説明より容易に理解されよう。
［実施例］ 図示する本発明の種々の模式的実施的は縮尺で製図した
ものではなく、かつ限定ではなく、単に図解を目的とし
たものである。図示する半導体層の模式的寸法は以下記
載の通りである。
ものではなく、かつ限定ではなく、単に図解を目的とし
たものである。図示する半導体層の模式的寸法は以下記
載の通りである。
本発明はオプトエレクトロニック集積回路に含まれうる
多くの興味深い代替デバイス構造体を提供するものであ
る。異なったデバイス構造体が数多可能であるが、少な
くとも頂面と底面を適当なクラッド領域で囲んだ導波領
域を有する導波路構造体に主として焦点を絞り以下説明
する。変調ドープした量子井戸異種構造体を本発明の原
理に則りカスケード状とし、図示デバイスの導波領域を
実現する。図示の構造体は単なる図解を目的とし、限定
を意図したものではない。
多くの興味深い代替デバイス構造体を提供するものであ
る。異なったデバイス構造体が数多可能であるが、少な
くとも頂面と底面を適当なクラッド領域で囲んだ導波領
域を有する導波路構造体に主として焦点を絞り以下説明
する。変調ドープした量子井戸異種構造体を本発明の原
理に則りカスケード状とし、図示デバイスの導波領域を
実現する。図示の構造体は単なる図解を目的とし、限定
を意図したものではない。
第１図は少なくとも頂面と底面各々をクラッド領域11と
13で囲んだ導波領域12を有する半導体導波デバイスの斜
視図である。電位V0においてバイアスをかけるため電極
10と14に電気的接触が行われる。図示のごとく、電極は
被覆領域を介して半導体導波デバイスに接触する。平均
光子エネルギーｎωを有する光は導波領域の縦軸と平行
にデバイスと衝突する。
13で囲んだ導波領域12を有する半導体導波デバイスの斜
視図である。電位V0においてバイアスをかけるため電極
10と14に電気的接触が行われる。図示のごとく、電極は
被覆領域を介して半導体導波デバイスに接触する。平均
光子エネルギーｎωを有する光は導波領域の縦軸と平行
にデバイスと衝突する。
第１図の半導体導波デバイスよりなる種々の半導体層の
詳細を以下に述べるが、特に第４図より第８図を採用す
る。未だ知見に乏しいも拘らず、印加バイアス電位の変
化が吸収係数または屈折率に対応する変化を及ぼす結果
となることは一応理解できる。従って、半導体導波デバ
イスが高吸収状態と高透過状態との間を急速に切り替わ
り振幅即ち輝度変調が可能となる。このことは導波路に
おける光の平均光子エネルギー が変調ドープした量子井戸異種構造体の吸収バンドエッ
ジのエネルギーより大きい場合に特に有効である。同様
に、半導体導波デバイスの屈折率を変化させて、導波路
の有効光路長を増加または減少することもできる。一般
に、屈折率変化は周波数または位相変調に応用される。
このことは導波路における光の平均光子エネルギー が各変調ドープした量子井戸異種構造体の吸収バンドエ
ッジのエネルギーより低い場合に特に有効である。
詳細を以下に述べるが、特に第４図より第８図を採用す
る。未だ知見に乏しいも拘らず、印加バイアス電位の変
化が吸収係数または屈折率に対応する変化を及ぼす結果
となることは一応理解できる。従って、半導体導波デバ
イスが高吸収状態と高透過状態との間を急速に切り替わ
り振幅即ち輝度変調が可能となる。このことは導波路に
おける光の平均光子エネルギー が変調ドープした量子井戸異種構造体の吸収バンドエッ
ジのエネルギーより大きい場合に特に有効である。同様
に、半導体導波デバイスの屈折率を変化させて、導波路
の有効光路長を増加または減少することもできる。一般
に、屈折率変化は周波数または位相変調に応用される。
このことは導波路における光の平均光子エネルギー が各変調ドープした量子井戸異種構造体の吸収バンドエ
ッジのエネルギーより低い場合に特に有効である。
手短に上述したことから、本発明の原理に則り実現され
た半導体デバイスが光源の外部変調器のような導波路素
子として、又は利得媒体に連結されて同調可能レーザを
形成する内部キャビティ波長調整素子として、又は直接
変調される光源の内部キャビティ変調器として、さらに
また光学的励起レーザとして、導波路構造体内に組み込
むのに適していることは当業者にとり当然明白である。
垂直光伝搬構造体において、変調ドープしたカスケード
状量子井戸異種構造体はその伝搬構造体が光学的読出
し、光学的変調、光学的ゲーティングに使用可能かつ光
学的相互連結、光学的スイッチング並びに光学的演算に
適用可能な十分に大きな位相−空間吸収クエンチング
（PAQ）効果を生み出すことができる。
た半導体デバイスが光源の外部変調器のような導波路素
子として、又は利得媒体に連結されて同調可能レーザを
形成する内部キャビティ波長調整素子として、又は直接
変調される光源の内部キャビティ変調器として、さらに
また光学的励起レーザとして、導波路構造体内に組み込
むのに適していることは当業者にとり当然明白である。
垂直光伝搬構造体において、変調ドープしたカスケード
状量子井戸異種構造体はその伝搬構造体が光学的読出
し、光学的変調、光学的ゲーティングに使用可能かつ光
学的相互連結、光学的スイッチング並びに光学的演算に
適用可能な十分に大きな位相−空間吸収クエンチング
（PAQ）効果を生み出すことができる。
導波路の縦軸に沿って向けられる光を用い本発明の原理
に則りデバイスを作動することが望ましいが、光がデバ
イスの半導体層と垂直方向に衝突する際には半導体構造
は電気吸収変調器として主に作動しうるものと理解され
る。このような構成を第２図及び第３図双方に示す。
に則りデバイスを作動することが望ましいが、光がデバ
イスの半導体層と垂直方向に衝突する際には半導体構造
は電気吸収変調器として主に作動しうるものと理解され
る。このような構成を第２図及び第３図双方に示す。
第２図において、クラッド領域11と13の吸収バンドエッ
ジのエネルギー以下の平均光子エネルギーを有する光信
号22はデバイス半導体層上に垂直に衝突する。変調した
光信号23は半導体デバイスより出たあと素子24により利
用される。素子24としてはレンズ光ファイバー乃至光検
出器等でよい。半導体層に垂直な光信号の入出を可能と
するため、標準的環状リングの接点のような接点20と21
を設けるのが望ましい。光信号22の吸収は吸収材中の光
信号が横切る長さに事実上比例するから、第２図に示す
デバイスの吸収量は相対的に小さい。
ジのエネルギー以下の平均光子エネルギーを有する光信
号22はデバイス半導体層上に垂直に衝突する。変調した
光信号23は半導体デバイスより出たあと素子24により利
用される。素子24としてはレンズ光ファイバー乃至光検
出器等でよい。半導体層に垂直な光信号の入出を可能と
するため、標準的環状リングの接点のような接点20と21
を設けるのが望ましい。光信号22の吸収は吸収材中の光
信号が横切る長さに事実上比例するから、第２図に示す
デバイスの吸収量は相対的に小さい。
光信号が吸収される間の距離を有効に伸ばすため、デバ
イス半導体に対して垂直に進入する光信号がデバイスの
反対側で反射され吸収材を２度横切るように構成するこ
ともできる。このようなデバイス態様を第３図に示す。
平均光子エネルギー を有しクラッド領域11と13の透明領域にある光信号32は
デバイス半導体層上垂直に衝突する。この一度変調され
た光信号は吸収材を介して電極30により反射されて最終
的には変調された光信号33として出射する。本構成で
は、接点30はストライプ状接点として実施し、一方接点
31の形状は標準的環状リングとする。
イス半導体に対して垂直に進入する光信号がデバイスの
反対側で反射され吸収材を２度横切るように構成するこ
ともできる。このようなデバイス態様を第３図に示す。
平均光子エネルギー を有しクラッド領域11と13の透明領域にある光信号32は
デバイス半導体層上垂直に衝突する。この一度変調され
た光信号は吸収材を介して電極30により反射されて最終
的には変調された光信号33として出射する。本構成で
は、接点30はストライプ状接点として実施し、一方接点
31の形状は標準的環状リングとする。
導波路実施例を第１図より第３図に示したが、本発明が
２つのドープした接触層間にカスケード状変調ドープし
た量子井戸異種構造体を配設することにより実施できる
ことは当業者に明白である。第４図より第８図に示す例
では接触層をドープしたｎ形とする。
２つのドープした接触層間にカスケード状変調ドープし
た量子井戸異種構造体を配設することにより実施できる
ことは当業者に明白である。第４図より第８図に示す例
では接触層をドープしたｎ形とする。
第４図に示すように、第１図より第３図における導波路
領域12として適する半導体構造はカスケード状または相
互に積層した幾つかの変調ドープした量子井戸異種構造
体40と緩衝層47と48を含む。少なくとも１つの緩衝層、
即ち48を設けて半導体構造の周期的ｎ−ｉ−ｎシーケン
スを完全にする。緩衝層48は約１μｍの厚さに成長させ
ると共に約１×1018cm−３のSiドーピング濃度を有する
AlGaInAsよりなる。変調ドープした量子井戸異種構造体
40は層48上にエピタキシャル成長させる。
領域12として適する半導体構造はカスケード状または相
互に積層した幾つかの変調ドープした量子井戸異種構造
体40と緩衝層47と48を含む。少なくとも１つの緩衝層、
即ち48を設けて半導体構造の周期的ｎ−ｉ−ｎシーケン
スを完全にする。緩衝層48は約１μｍの厚さに成長させ
ると共に約１×1018cm−３のSiドーピング濃度を有する
AlGaInAsよりなる。変調ドープした量子井戸異種構造体
40は層48上にエピタキシャル成長させる。
各変調ドープした量子井戸異種構造体40は以下の順序で
成長させた半導体層よりなる:600A（オングストロー
ム）の厚さに成長させた真性Al0.48In0.52Asよりなる障
壁層46;約２×1012cm-2の濃度にｐ形ドーパント（Be）
を原子プレーナ層ドーピング（δドーピング）または従
来の均一ドーピングよりなるp+ドーピング層45;100Aの
厚さに成長させた真性Al0.48In0.52Asよりなる追加障壁
層44;約90Aの厚さに成長させたGa0.47In0.53Asのごとき
狭いバンドギャップ真性材よりなる量子井戸43;約100A
の厚さに成長させたAlGaInAsよりなる真性スペーサ層4
2;及び約１×1018cm-3の濃度にｎ形材料（Si）内ドープ
し約600Aの厚さに成長させたAlGaInAsよりなるレザバー
層。第５図と第７図のエネルギーバンド図に示すよう
に、変調ドープした量子井戸異種構造体40が異種構造体
の対向端において実質的に同じ境界状態を有するように
適切に設計され、１つの変調ドープした量子井戸異種構
造体が互いにカスケード状または積極可能となっている
半導体材料を含むことは明らかである。実施例におい
て、10個の変調ドープした量子井戸異種構造体をカスケ
ード状として半導体導波路デバイスの導波路領域12を形
成した。
成長させた半導体層よりなる:600A（オングストロー
ム）の厚さに成長させた真性Al0.48In0.52Asよりなる障
壁層46;約２×1012cm-2の濃度にｐ形ドーパント（Be）
を原子プレーナ層ドーピング（δドーピング）または従
来の均一ドーピングよりなるp+ドーピング層45;100Aの
厚さに成長させた真性Al0.48In0.52Asよりなる追加障壁
層44;約90Aの厚さに成長させたGa0.47In0.53Asのごとき
狭いバンドギャップ真性材よりなる量子井戸43;約100A
の厚さに成長させたAlGaInAsよりなる真性スペーサ層4
2;及び約１×1018cm-3の濃度にｎ形材料（Si）内ドープ
し約600Aの厚さに成長させたAlGaInAsよりなるレザバー
層。第５図と第７図のエネルギーバンド図に示すよう
に、変調ドープした量子井戸異種構造体40が異種構造体
の対向端において実質的に同じ境界状態を有するように
適切に設計され、１つの変調ドープした量子井戸異種構
造体が互いにカスケード状または積極可能となっている
半導体材料を含むことは明らかである。実施例におい
て、10個の変調ドープした量子井戸異種構造体をカスケ
ード状として半導体導波路デバイスの導波路領域12を形
成した。
前述のごとく１×1018cm-3の濃度でシリコンｎ形ドープ
したAlGaInAsよりなりドープした緩衝層47を上端カスケ
ード状変調ドープした量子井戸異種構造体上に約１μｍ
の厚さに成長させる。緩衝層47も導波路領域からクラッ
ド領域へ遷移手段を供する。
したAlGaInAsよりなりドープした緩衝層47を上端カスケ
ード状変調ドープした量子井戸異種構造体上に約１μｍ
の厚さに成長させる。緩衝層47も導波路領域からクラッ
ド領域へ遷移手段を供する。
変調ドープした量子井戸異種構造体40内のｐドープした
層45については、ｐ層が完全に空乏されホールによる自
由キャリア吸収を避け１つの変調ドープした量子井戸異
種構造体から次の構造体への電子、すなわち漏れ電流に
対するポテンシャル障壁を供する結果となることは留意
すべきである。その結果、変調ドープした量子井戸異種
構造体はエネルギー散逸を避ける。
層45については、ｐ層が完全に空乏されホールによる自
由キャリア吸収を避け１つの変調ドープした量子井戸異
種構造体から次の構造体への電子、すなわち漏れ電流に
対するポテンシャル障壁を供する結果となることは留意
すべきである。その結果、変調ドープした量子井戸異種
構造体はエネルギー散逸を避ける。
第５図及び第６図は半導体デバイスがバイアスをかけな
いかまたは逆バイアスをかけられた際の単一変調ドープ
した量子井戸異種構造体のエネルギーバンド図を示す。
第５図において、フェルミ準位（点線50）は量子井戸層
43の電子サブバンドnZ＝１より下に位置している。故
に、量子井戸は初期において空乏である。第６図に示す
ごとく外部バイアスがデバイスに加えられると、約−１
ボルトの変調ドープした量子井戸異種構造体40間のバイ
アス、フェルミ準位（点線60）は電子サブバンドnZ＝１
レベルよりも上昇して量子井戸層43を電子で満たした素
材の光学特性に大きな変化をもたらす。障壁層44と46に
形成されたポテンシャル障壁を介してp+ドープした層45
により少量の電流が漏れる。電子サブバンドレベルが満
たされると、吸収バンドエッジは「ブルーシフト」を受
け而して量子井戸層43における光子エネルギーが電子サ
ブバンドnZ＝１のエネルギーより小さいか等しい光の吸
収を止める。
いかまたは逆バイアスをかけられた際の単一変調ドープ
した量子井戸異種構造体のエネルギーバンド図を示す。
第５図において、フェルミ準位（点線50）は量子井戸層
43の電子サブバンドnZ＝１より下に位置している。故
に、量子井戸は初期において空乏である。第６図に示す
ごとく外部バイアスがデバイスに加えられると、約−１
ボルトの変調ドープした量子井戸異種構造体40間のバイ
アス、フェルミ準位（点線60）は電子サブバンドnZ＝１
レベルよりも上昇して量子井戸層43を電子で満たした素
材の光学特性に大きな変化をもたらす。障壁層44と46に
形成されたポテンシャル障壁を介してp+ドープした層45
により少量の電流が漏れる。電子サブバンドレベルが満
たされると、吸収バンドエッジは「ブルーシフト」を受
け而して量子井戸層43における光子エネルギーが電子サ
ブバンドnZ＝１のエネルギーより小さいか等しい光の吸
収を止める。
電子サブバンドnZ＝１において部分的に満たされている
量子井戸を有する異種構造体を設計することにより、バ
イアスポテンシャルを加えて吸収を誘起することは可能
である。
量子井戸を有する異種構造体を設計することにより、バ
イアスポテンシャルを加えて吸収を誘起することは可能
である。
障壁層の適切な設計により電子が伝導及び吸収過程に寄
与する唯一のキャリアとなる。的確な障壁設計の結果と
して、変調ドープした量子井戸異種構造体内の電荷キャ
リヤレザバー層をこれに近接した量子井戸の唯一の電荷
キャリヤ源とすることが可能である。障壁層を薄くする
ことにより、低印加ポテンシャルで同じ効果をもたらす
ことが可能である。しかし、異種構造体のキャパシタン
スと濡れ電流は増加することになる。
与する唯一のキャリアとなる。的確な障壁設計の結果と
して、変調ドープした量子井戸異種構造体内の電荷キャ
リヤレザバー層をこれに近接した量子井戸の唯一の電荷
キャリヤ源とすることが可能である。障壁層を薄くする
ことにより、低印加ポテンシャルで同じ効果をもたらす
ことが可能である。しかし、異種構造体のキャパシタン
スと濡れ電流は増加することになる。
上述の通り、本デバイスは結果として非常に高速動作が
できる。その理由は、電荷キャリヤ（電子）の移送距離
が、従来技術の変調ドープしたFETのようなかなり長い
ものではなく、数百オングストロームを移送されるだけ
だからである。異種構造体の今一つの利点はこれが相対
的に低いキャパシタンスを有することである。上記の用
に変調ドープした量子井戸異種構造体をカスケード状
（積層）とすると、連続異種構造体間の直列接続故にキ
ャパシタンスはさらに減少する。
できる。その理由は、電荷キャリヤ（電子）の移送距離
が、従来技術の変調ドープしたFETのようなかなり長い
ものではなく、数百オングストロームを移送されるだけ
だからである。異種構造体の今一つの利点はこれが相対
的に低いキャパシタンスを有することである。上記の用
に変調ドープした量子井戸異種構造体をカスケード状
（積層）とすると、連続異種構造体間の直列接続故にキ
ャパシタンスはさらに減少する。
デバイスに印加されるポテンシャル（V0）は各変調ドー
プした量子井戸異種構造体間に等しく分割されることに
留意すべきである。この結果、カスケード状に積層の各
変調ドープした量子井戸異種構造体は電気的バイアス信
号により実質的に同時制御が可能となりかつ対応する量
子井戸も同時空乏か充満となる。このような同時制御を
従来の多重量子井戸デバイスで行うためには、個々の量
子井戸に接続するために、このデバイスを通して複雑な
インタディジット電極構造を垂直に成長させることが必
要となる。量子井戸の大きさからして、この提案は事実
上実用に適さない。
プした量子井戸異種構造体間に等しく分割されることに
留意すべきである。この結果、カスケード状に積層の各
変調ドープした量子井戸異種構造体は電気的バイアス信
号により実質的に同時制御が可能となりかつ対応する量
子井戸も同時空乏か充満となる。このような同時制御を
従来の多重量子井戸デバイスで行うためには、個々の量
子井戸に接続するために、このデバイスを通して複雑な
インタディジット電極構造を垂直に成長させることが必
要となる。量子井戸の大きさからして、この提案は事実
上実用に適さない。
第７図と第８図は本発明の原理に則り設計された単一の
変調ドープした量子井戸異種構造体の異なったバイアス
ポテンシャル下でエネルギーバンド図を示す。異種構造
体の半導体層構造は第４図に示す構造に対して若干修正
してある。
変調ドープした量子井戸異種構造体の異なったバイアス
ポテンシャル下でエネルギーバンド図を示す。異種構造
体の半導体層構造は第４図に示す構造に対して若干修正
してある。
量子井戸層43は従前の隣接障壁層からさらに遠ざけら
れ、真性スペース層49が介在される。量子井戸層を障壁
層からさらに遠ざけて配設することにより、外部バイア
スに拘らず量子井戸層における電子サブバンドnZ＝１で
満たされる度合いを調整することが可能である。さら
に、p+ドーピング層45はシートあるいは原子層またはδ
ドーピング層としてよりむしろ均一にドープした従来の
Al0.48In0.52As層に近い形で示してある。このp+ドープ
した層の形が変化しているが、その層中のイオン化した
アクセプタからｐ形キャリヤ（ホール）が無くなること
が分かるであろう。
れ、真性スペース層49が介在される。量子井戸層を障壁
層からさらに遠ざけて配設することにより、外部バイア
スに拘らず量子井戸層における電子サブバンドnZ＝１で
満たされる度合いを調整することが可能である。さら
に、p+ドーピング層45はシートあるいは原子層またはδ
ドーピング層としてよりむしろ均一にドープした従来の
Al0.48In0.52As層に近い形で示してある。このp+ドープ
した層の形が変化しているが、その層中のイオン化した
アクセプタからｐ形キャリヤ（ホール）が無くなること
が分かるであろう。
δドープしたｎ形層を障壁層とインターフェース（層43
と44間のインターフェース；層49と44間のインターフェ
ース）で成長させてリザバー層におけるビルトインフィ
ールドを低減する可能性が考えられる。さらに１つ以上
の量子井戸層を現存の量子井戸層43の近傍に含ませる可
能性が考えられる。幾つかの量子井戸層の追加により各
変調ドープした量子井戸異種構造体による光学的効果を
増加させる一方で動作速度を減少させる可能性がある。
と44間のインターフェース；層49と44間のインターフェ
ース）で成長させてリザバー層におけるビルトインフィ
ールドを低減する可能性が考えられる。さらに１つ以上
の量子井戸層を現存の量子井戸層43の近傍に含ませる可
能性が考えられる。幾つかの量子井戸層の追加により各
変調ドープした量子井戸異種構造体による光学的効果を
増加させる一方で動作速度を減少させる可能性がある。
第９図は第１図の導波路構造の好適な実施例を示すため
のものである。半導体構造を半絶縁性FeドープしたInP
よりなる基板上に成長させる。クラッド層91は約２×10
18cm-3の濃度でドープした厚さ１μｍのAl0.48In0.52As
のｎ形層よりなり基板90上に成長させる。超格子99を層
91上に成長させて導波路領域とクラッド領域における変
調ドープした量子井戸異種構造体間に漸進的な遷移を与
える。超格子99は約２×1018cm-3の濃度でドープしたｎ
形である以下の層よりなる:AlGaInAs層92（50A（オング
ストローム））；Al0.48In0.52As層93（50A）;AlGaInAs
層94（100A）；Al0.48In0.52As層95（50A）;AlGaInAs層
96（200A）；及びAl0.48In0.52As層97（50A）。カスケ
ード状変調ドープした量子井戸異種構造体は緩衝層と共
に超格子99上に成長させる。次に超格子89は２×1018cm
-3の濃度でｎドープしたそれらの層と共に成長させる。
超格子89は以下の層よりなる；Al0.48In0.52As81（50
A）;AlGaInAs層82（200A）；Al0.48In0.52As83（50A）;
AlGaInAs層84（100A）；Al0.48In0.52As85（50A）；及
びAlGaInAs層86（50A）。上記超格子89は２×1018cm-3
の濃度でシリコンドープしたAl0.48In0.52As（２μｍ）
よりなるｎ形クラッド層87上に成長させる。最後に、高
ドープしたｎ形接点層88を成長させるが、これは５×10
18cm-3の濃度でシリコンドープしたAl0.48In0.52As（10
00A）よりなる。
のものである。半導体構造を半絶縁性FeドープしたInP
よりなる基板上に成長させる。クラッド層91は約２×10
18cm-3の濃度でドープした厚さ１μｍのAl0.48In0.52As
のｎ形層よりなり基板90上に成長させる。超格子99を層
91上に成長させて導波路領域とクラッド領域における変
調ドープした量子井戸異種構造体間に漸進的な遷移を与
える。超格子99は約２×1018cm-3の濃度でドープしたｎ
形である以下の層よりなる:AlGaInAs層92（50A（オング
ストローム））；Al0.48In0.52As層93（50A）;AlGaInAs
層94（100A）；Al0.48In0.52As層95（50A）;AlGaInAs層
96（200A）；及びAl0.48In0.52As層97（50A）。カスケ
ード状変調ドープした量子井戸異種構造体は緩衝層と共
に超格子99上に成長させる。次に超格子89は２×1018cm
-3の濃度でｎドープしたそれらの層と共に成長させる。
超格子89は以下の層よりなる；Al0.48In0.52As81（50
A）;AlGaInAs層82（200A）；Al0.48In0.52As83（50A）;
AlGaInAs層84（100A）；Al0.48In0.52As85（50A）；及
びAlGaInAs層86（50A）。上記超格子89は２×1018cm-3
の濃度でシリコンドープしたAl0.48In0.52As（２μｍ）
よりなるｎ形クラッド層87上に成長させる。最後に、高
ドープしたｎ形接点層88を成長させるが、これは５×10
18cm-3の濃度でシリコンドープしたAl0.48In0.52As（10
00A）よりなる。
カスケード状変調ドープした量子井戸異種構造体を個々
のドープした（接触される）半導体層により続く他のカ
スケード状変調ドープした量子井戸異種構造体で遮断す
る可能性が考えられる。
のドープした（接触される）半導体層により続く他のカ
スケード状変調ドープした量子井戸異種構造体で遮断す
る可能性が考えられる。
本質的に、本変調ドープした量子井戸異種構造体（ｎ−
ｉ−ｎ）は基本的半導体構築ブロックであって同じカス
ケード状配列における他の異種構造体と共に同時制御可
能と見なされる。基本的構築ブロック観念はレザバーと
量子井戸層が高障壁層で境界を接する少なくとも１つの
量子井戸層に実質的に近接する電荷キャリヤレザバーと
して実現される。カスケード状とすることは異種構造体
がその各端部において実質的に同一境界状態を呈する限
定より起こる。
ｉ−ｎ）は基本的半導体構築ブロックであって同じカス
ケード状配列における他の異種構造体と共に同時制御可
能と見なされる。基本的構築ブロック観念はレザバーと
量子井戸層が高障壁層で境界を接する少なくとも１つの
量子井戸層に実質的に近接する電荷キャリヤレザバーと
して実現される。カスケード状とすることは異種構造体
がその各端部において実質的に同一境界状態を呈する限
定より起こる。
上記デバイスは分子線エピタキシーや有機金属化学気相
成長のごとき気相エピタキシーといった標準的エピタキ
シャル処理技術により製作してもよい。上記本発明原理
に則りデバイスを実現するために半導体層成長、不純物
ドーピング、原子プレナー層またはデルタ不純物ドーピ
ング、フォトリソグラフィ及び接触金属処理を含む製造
技術は通常の当業者に既知であると思われる。
成長のごとき気相エピタキシーといった標準的エピタキ
シャル処理技術により製作してもよい。上記本発明原理
に則りデバイスを実現するために半導体層成長、不純物
ドーピング、原子プレナー層またはデルタ不純物ドーピ
ング、フォトリソグラフィ及び接触金属処理を含む製造
技術は通常の当業者に既知であると思われる。
素材系InGaAs/InGaAlAsはカスケード状変調ドープした
量子井戸異種構造体を有する電気的に制御される半導体
デバイスを製造するための記述であるが、他の素材組合
わせをGaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs、GaAs/AlAs、GaAsS
b/GaAlAsSb及びInGaAsP/InPといった他の半導体III−Ｖ
族から選択してもよい。これらの半導体系において、そ
の層は適当なGaAsまたはInP基板に格子整合してもよ
い。不整合は、基板材上の層の歪みが広がる場合に予想
される。最後に、デバイス構造の伸長もII−VI族とIV族
における半導体化合物において予想される。
量子井戸異種構造体を有する電気的に制御される半導体
デバイスを製造するための記述であるが、他の素材組合
わせをGaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs、GaAs/AlAs、GaAsS
b/GaAlAsSb及びInGaAsP/InPといった他の半導体III−Ｖ
族から選択してもよい。これらの半導体系において、そ
の層は適当なGaAsまたはInP基板に格子整合してもよ
い。不整合は、基板材上の層の歪みが広がる場合に予想
される。最後に、デバイス構造の伸長もII−VI族とIV族
における半導体化合物において予想される。
第１図は導波層にカスケード状変調ドープした量子井戸
異種構造体を組込んだ導波路デバイスの斜視図； 第２図と第３図はデバイス上にカスケード状変調ドープ
した量子井戸異種構造体の垂直方向に光が衝突する本発
明原理による半導体デバイスの断面図； 第４図はカスケード状変調ドープした量子井戸異種構造
体よりなる半導体層の断面図； 第５図より第８図は本発明の原理による可変バイヤスポ
テンシャル条件下における単一の変調ドープした量子井
戸異種構造体のエネルギー帯縦断面図； 第９図はカスケード変調ドープした量子井戸異種構造体
を含み第１図に示すものと類似の模式的導波路構造より
なる半導体層の断面図である。
異種構造体を組込んだ導波路デバイスの斜視図； 第２図と第３図はデバイス上にカスケード状変調ドープ
した量子井戸異種構造体の垂直方向に光が衝突する本発
明原理による半導体デバイスの断面図； 第４図はカスケード状変調ドープした量子井戸異種構造
体よりなる半導体層の断面図； 第５図より第８図は本発明の原理による可変バイヤスポ
テンシャル条件下における単一の変調ドープした量子井
戸異種構造体のエネルギー帯縦断面図； 第９図はカスケード変調ドープした量子井戸異種構造体
を含み第１図に示すものと類似の模式的導波路構造より
なる半導体層の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル エス．ケムラ アメリカ合衆国，07760 ニュージャージ ィ ラムソン，ロビン ロード 20 (56)参考文献 特開 昭63−177114（ＪＰ，Ａ)
Claims (8)
- 【請求項１】連続して成長させたエピタキシャル領域を
含む、少なくとも第１の変調ドープ構造を有し、電気信
号に応答して、供給された光信号に変化を起こさせる半
導体デバイスにおいて、 前記エピタキシャル領域が、 第１のドープ半導体領域と、 量子井戸領域とを有し、 前記第１のドープ半導体領域は、前記量子井戸領域に電
荷キャリアを提供するように構成され、 前記量子井戸領域からのキャリアの流れを実質的に阻止
する障壁領域と、 第２のドープ半導体領域とを有し、 前記第２のドープ半導体領域は、この第２のドープ半導
体領域の外端における伝導バンドと原子価バンドに関す
る境界状態を、前記第１のドープ半導体領域の外端にお
ける伝導バンドと原子価バンドに関する境界状態に実質
的に整合させるように構成され、 前記第１と第２のドープ半導体領域は、実質的に同じ導
電形であり、 前記障壁領域は、前記第１のドープ半導体領域に近接し
て配置された第１の非対称障壁と前記第２のドープ半導
体領域に近接して配置された第２の非対称障壁とを有
し、前記第１の非対称障壁は、前記第２の非対称障壁よ
りも低いバンドギャップエネルギーを有するように構成
され、 前記障壁領域は、実質的に真性であり、さらに、前記第
１と第２のドープ半導体領域の導電形と逆の導電形を有
する第３のドープ半導体領域を含む、 ことを特徴とする半導体デバイス。 - 【請求項２】前記変調ドープ構造が、前記第１のドープ
半導体領域と前記量子井戸領域との間にエピタキシャル
成長させた真性層をさらに含むことを特徴とする請求項
１記載の半導体デバイス。 - 【請求項３】連続して成長させたエピタキシャル領域を
含み、カスケード状に配置された、少なくとも第１と第
２の変調ドープ構造を有し、電気信号に応答して、供給
された光信号に変化を起こさせる半導体デバイスにおい
て、 前記エピタキシャル領域が、 第１のドープ半導体領域と、 量子井戸領域とを有し、 前記第１のドープ半導体領域は、前記量子井戸領域に電
荷キャリアを提供するように構成され、 前記量子井戸領域からのキャリアの流れを実質的に阻止
する障壁領域と、 第２のドープ半導体領域とを有し、 前記第２のドープ半導体領域は、この第２のドープ半導
体領域の外端における伝導バンドと原子価バンドに関す
る境界状態を、前記第１のドープ半導体領域の外端にお
ける伝導バンドと原子価バンドに関する境界状態に実質
的に整合させるように構成され、 前記第１と第２のドープ半導体領域は、実質的に同じ導
電形であり、 前記障壁領域は、前記第１のドープ半導体領域に近接し
て配置された第１の非対称障壁と前記第２のドープ半導
体領域に近接して配置された第２の非対称障壁とを有
し、前記第１の非対称障壁は、前記第２の非対称障壁よ
りも低いバンドギャップエネルギーを有するように構成
される、 ことを特徴とする半導体デバイス。 - 【請求項４】前記第１と第２の変調ドープ構造のうちの
少なくも一つが、前記第１のドープ半導体領域と前記量
子井戸領域との間にエピタキシャル成長させた真性層を
さらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体デバ
イス。 - 【請求項５】前記第１と第２の変調ドープ構造のうちの
少なくとも一つが、前記障壁領域と前記量子井戸領域と
の間にエピタキシャル成長させた第２の真性層をさらに
含むことを特徴とする請求項４記載の半導体デバイス。 - 【請求項６】前記障壁領域は、実質的に真性であり、さ
らに、前記第１と第２のドープ半導体領域の導電形と逆
の導電形を有する第３のドープ半導体領域を含むことを
特徴とする請求項３記載の半導体デバイス。 - 【請求項７】前記変調ドープ構造が、前記第１のドープ
半導体領域と前記量子井戸領域との間にエピタキシャル
成長させた真性層をさらに含むことを特徴とする請求項
６記載の半導体デバイス。 - 【請求項８】前記量子井戸領域が、第１と第２の量子井
戸層と、この第１と第２の量子井戸層を分割する幅広の
バンドギャップ障壁層とを含むことを特徴とする請求項
１または３記載の半導体デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/322,958 US5008717A (en) | 1989-03-03 | 1989-03-03 | Semiconductor device including cascaded modulation-doped quantum well heterostructures |
| US322958 | 1989-03-03 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02272785A JPH02272785A (ja) | 1990-11-07 |
| JPH07109929B2 true JPH07109929B2 (ja) | 1995-11-22 |
Family
ID=23257193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2051575A Expired - Fee Related JPH07109929B2 (ja) | 1989-03-03 | 1990-03-02 | 半導体デバイス |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5008717A (ja) |
| EP (1) | EP0385685B1 (ja) |
| JP (1) | JPH07109929B2 (ja) |
| CA (1) | CA2007829C (ja) |
| DE (1) | DE69015228T2 (ja) |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ATE131289T1 (de) * | 1989-09-04 | 1995-12-15 | British Telecomm | Quantumfilm-strukturen. |
| US5140386A (en) * | 1991-05-09 | 1992-08-18 | Raytheon Company | High electron mobility transistor |
| US5210428A (en) * | 1991-11-01 | 1993-05-11 | At&T Bell Laboratories | Semiconductor device having shallow quantum well region |
| JPH05152677A (ja) * | 1991-11-28 | 1993-06-18 | Nec Corp | 半導体レーザ装置 |
| FR2692374B1 (fr) * | 1992-06-15 | 1994-07-29 | France Telecom | Procede et dispositif de modulation et d'amplification de faisceaux lumineux. |
| US5436756A (en) * | 1992-09-30 | 1995-07-25 | At&T Bell Laboratories | Suppressed photocurrent, quantum well optical modulation device |
| DE4313488A1 (de) * | 1993-04-24 | 1994-10-27 | Sel Alcatel Ag | Optoelektronisches Halbleiterbauelement |
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