JPS63220591A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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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】 〔概要〕 本発明は、半導体装置に於いて、複数の量子井戸を調和
振動子形とすることに依り、ピーク電流とバレー電流の
比を大きく採ること、動作を高速化すること、量子効率
を大にすること、感度を大にすることを可能にしたもの
である。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔ　ｕｍ
　　ｗｅ　ｌ　ｌ　：ＭＱＷ）を利用する半導体装置の
改良に関する。
〔従来の技術〕
一般に、量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ　　ｗｅｌｌ：　Ｑ
Ｗ）とは、その中に閉し込められた電子或いは正孔が量
子効果を示す程度のサイズをもつポテンシャルの井戸を
意味し、その中には高さを異にして量子準位が生成され
て０る。例えば、二つの量子井戸を近接して形成した場
合、キャリヤは成る確率で量子井戸間をトン不リングし
て移動することができる。その場合、一方の井戸に於け
る成る準位にあるキャリヤのトンネル確率は、他方の井
戸に前記一方の井戸に於ける準位と同しレベルの準位が
あると大になり、そうでなければ小になる。理論的には
、このような量子井戸を多数配列し、両端間にバイアス
電圧を印加した場合、成るレベルのバイアス電圧で全て
の量子井戸に同時にトン不リングを発生させることがで
き、この現象を利用すれば、負性抵抗素子、量子効率が
高く且つ高速動作が可能な半導体レーザ、感度が高く且
つ高速動作可能なフォト・グイオートなどが得られると
されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記したような半導体装置、即ち、負性抵抗素子などは
、量子井戸を用いていないか、用いているとしても単一
の量子井戸である為、種々の欠点がある。
例えば、負性抵抗素子の一種であるトンネル・ダイオー
ド、即ち、ｐ　＋　　ｎ＋ダイオ−１ζは高濃度のドー
ピングを行うことが必要である為、その制御性が悪く、
良好な再現性が得られず、また、動作速度はｐ−ｎ再結
合速度に支配されるので高速化できない。同じく負性抵
抗素子の範蛸に入る共鳴トンネル・ダイオードで華−の
量子井戸を有するもの、即ち、ダブル・バリヤを有する
ものに於いては、ピーク電流（共鳴点に於ける電流）と
バレー電流（非共鳴点に於ける電流）との比が小さい。
また、通常の半導体レーザでは、発光波長がエネルギ・
ハンド・ギヤツブで制限されること、発光動作はｐ−ｎ
再結合速度に依存しているので低速であること、複数の
異なった準位間の遷移があるので半値幅や単色性がよく
ないこと、光変調の周波数はキャリヤの蓄積時間に支配
され高速化できないこと等の問題がある。
更にまた、フォト・ダイオードでは、バイアス電圧を充
分に高くしないと動作しないこと、動作速度がキャリヤ
のドリフト速度で決まるので高速化が困難であること等
の欠点がある。
前記した諸欠点は、理論的には量子井戸を多重化すると
解決できることが多いが、実際には、その多重量子井戸
を高い確率でキャリヤをトンネリングさせることは容易
でない。これは、に子井戸の数が増加する程、各量子井
戸に於ける量子準位を一致させることが困難になるから
である。
本発明は、キャリヤが高い確率でトンネリングし得る多
重量子井戸を倫える半導体装置を提供しようとする。
〔問題点を解決するための手段〕
近年、量子井戸として二次曲線形のポテンシャルを有す
る、所謂、調和振動子形と呼ばれる量子井戸が知られて
いる。尚、以下、特に断りがない限り、キャリヤとして
電子を対象にする。
第１図は調和振動手形量子井戸のエネルギ・ハンド・ダ
イヤグラムを表している。
図に於いて、Ｅ、は伝導帯の底、ＥＬＯは量子井戸内の
基底量子準位、ＥＬＩ、Ｅｌ、、２・・・・は励起は子
準位、Ｅｌノは励起量子準位全体をそれぞれ示している
。
図からも判るように、調和振動子形ポテンシャルは、下
に凸である二次曲線形になっていて、ここに束３！ソさ
れる電子は、 Ｅｎ　＝　（ｎ　十＋Ａ）’ｈω ｎ：零または正の整数 右：ｈ／２π ｈニブランク定数 ω−（Ｋ／　ｍ　＊　）　Ｉ　／　２ に：このポテンシャルの２階微分 ｍ＊；有効質量 なる式で表されるエネルギ固有値を有する。そして、調
和振動手形量子井戸に於いては、量子準位はエネルギ的
に等間隔に生成される。
この量子井戸を二つ以」二条重化してバイアス電圧を印
加すると、成るバイアス条件で基底量子準位Ｐ　Ｌ及び
励起量子準位全体ＥＬが同時にトンネル状態となること
から、キャリヤは高い確率で一度に多数のバリヤをトン
ネリングで抜けることができ、その運動は極めて高速で
あって、この場合の電流値は大きい。
これに対し、前記バイアス条件、即ち、共鳴バイアス条
件を僅かでも外れると、トンネル確率は急激に減少する
。その理由は、一つのバリヤに於りるトンネル確率が減
少するのみでなく、そのようなバリヤを数多く貫通しな
げればならないからである。
このようなことから、多重化された調和振動手形量子井
戸を備えた半導体装置に於いては、ピーク電流とハレー
電流との比を大きくすることができるものである。
また、発光に関しては、前記したように、量子準位の間
隔が全て同じであることから、全ての励起電子は誘導放
出の対象となり、従って、量子効率は極めて高くなり、
そして、電子の輸送はバリステインクに行われるので高
速であり、高周波の光変調をする場合に有効である。
第２図及び第３図は第１図について説明した調和振動子
形間子井戸を二つ（第２図）並設した場合及び三つ（第
３図）並設した場合を説明する為のエネルギ・バンド・
ダイヤグラムを表し、第１図に於いて用いた記号と同記
号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、ｅは電子、ＰＢＩ乃至ＰＢ４ばバリヤ層、
ＰＷＩ乃至ＰＷ３は井戸層をそれぞれ示している。
図から判るように、井戸層ＰＷＩ乃至ＰＷ３に於ける量
子準位は全て等間隔に存在するので、適当なバイアス電
圧を印加すれば、それ等は必ず一致し、その場合には、
電子ｅがバリヤをトンネリングすることができる。
第４図は第３図に見られるような三つの調和振動手形量
子井戸に於いて基底量子準位の遷移が連続して起こる場
合を説明する為のエネルギ・ハンド・ダイヤグラムを表
している。
図に於いて、矢印Ｆは電子ｅがトンネリングと励起準位
（ｎ≧１）の関係から準位間遷移を起こしていることを
示している。
前記したようなことから、本発明に依る半導体装置に於
いては、複数の調和振動手形量子井戸を備えた構成にな
っている。
〔作用〕
斯かる手段を採ることに依り、トランジスタやトンネル
・ダイオードの負性抵抗特性に於けるピーク電流とハレ
ー電流の比を大きく採ることが可能になるから論理振幅
を大きくすることができ、また、それ等能動素子や半導
体レーザなど発光素子の動作を高速化したり、更にまた
、発光素子では量子効率が大であることから強力な光放
射を可能とし、受光素子では感度を大にすることなどを
容易に実現できる。
〔実施例〕
第５図は本発明一実施例である負性抵抗ダイオードの要
部切断側面図を表している。尚、フォト・ダイオードの
場合も同様な構成になる。
図に於いて、■はｎ＋型ＧａＡＳ基板、２はＡｎＧ　ａ
　Ａ　ｓ　バッファ層、３ばＡ　ＩＩ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ
　バリヤ層、４はＡ＃ＧａＡｓ−＋ＧａＡｓ４ＡＡＧａ
Ａｓ井戸層、５はｎ＋型ＧａＡｓ電極コンタクト層、６
及び７は電極をそれぞれ示している。尚、バリヤ層３と
井戸層４とで調和振動手形量子井戸を形成していること
は云うまでもない。
本実施例に於ける各部分の主要データを例示すると次の
通りである。
（１）基板１について 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０ＩＯ（ｃｍ−’）（２）バ
ッファ層２について Ｘ値：０．３ 厚さ＝２０００　〔入〕 （３）バリヤ層３について Ｘ値：０．３ 厚さ：１００　　Ｃ人〕 層数：６ （４）井戸層４について Ｘ値：Ｑ、３−０．００−０．３　　（二次曲線型）厚
さ：２００Ｃ人〕 層数：５ （５）電極コンタクト層５について 厚さ：４０００　　（人〕 不純物濃度：　２　Ｘ　１０　”　（ｃｍ−３）（６）
電極６及び７について 材料：　Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕ 厚さ＝２００　〔人）／３０００（人〕第６図は本発明
に於ける他の実施例である半導体レーザの要部切断正面
図を表している。
図に於いて、２１はｎ＋型ＧａＡｓ基板、２２はｎ型Ａ
ＡＧａＡｓクラッド層、２３は／ｌｊ！ＧａＡｓバリヤ
層、２４はＡｌｌＧａＡｓ−＋ＧａＡｓ−＋ＡＡＧａＡ
ｓ井戸層、２５はｎ型Ａｊ！ＧａＡｓクラッド層、２６
はｎ＋型ＧａＡｓ電極コンタク１一層、２７ばｉ型Ａβ
ＧａＡｓ埋め込み層、２８はＳｉＯ２からなる絶縁膜、
２９ば電極、３０は電極をそれぞれ示している。尚、バ
リヤ層２３及び井戸層２４は調和振動手形量子井戸を成
し、且つ、それが活性層となっている。
本実施例に於ける各部分の主要データを例示すると次の
通りである。
（」）基板２１について 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０Ｉ８（ｃｍ−３〕（２）　
　クラッド層２２について 厚さ：２００Ｄ　　Ｃ人） Ｘ値：０．３ 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　Ｉ　０１７［ｃｍ”’）（３）
　　バリヤＮ２３について ｘ（ｉ：０．３ 厚さ：１００Ｃ人〕 層数：１０ （４）井戸層２４について Ｘ値：０．３−０．００−０．３ 厚さ：２００Ｃ２０ ０Ｃ：９ （５）　　クラッド層２５について 厚さ：２００ＯＣ人〕 Ｘ値：０．３ 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ１２（ｃｍ３）＋６１　
　電極コンタク１一層２６について厚さ：４０００　　
Ｃ人〕 不純物濃度：　２　Ｘ　１０”　　（ｃｍ−’、］（７
）埋め込み層２７について Ｘイ直　：　０　、　３ 厚さ：１１０００（人〕 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１０１６　（ｃｍ−’）（８）
絶縁膜２８について 厚さ：４ｏｏｏ　　Ｃ人〕 （９）電極２９について 材料：　Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕ 厚さ：２００Ｃ人）／３０００（人〕 ０ω　電極３０について 材料：ＡｕＧｅ／Ａｕ 厚さ：２０ＯＣ人）／３０００Ｃ人〕 第７図は調和振動手形量子井戸を構成する方法の一例を
説明する為の線図であって、（Ａ）４；を井戸層の深さ
く横軸）対Ｘ（直（縦軸）の関係を、また、（Ｂ）は同
しく深さく横軸）対ポテンシャル（縦軸）の関係をそれ
ぞれ表している。
図から明らかなように、井戸層に於＋ＪるＸ値を二次曲
線に沿って変化させると、ポテンシャルは同じく二次曲
線を成すように変化し、調和振動子形となる。
第８図は調和振動手形量子井戸を構成する方法の他の一
例を説明する為の線図であって、（Ａ）は井戸層の深さ
く横軸）対Ｘ稙（縦軸）の関係を、また、（Ｂ）は同じ
く深さく横軸）対ポテンシャル（縦軸）の関係をそれぞ
れ表している。
図から明らかなように、この場合、Ｘ値は固定とし、ま
た、バリヤ層の厚さも一定とし、井戸層の厚さを変化さ
せることで、実効的に調和振動子形ポテンシャルを生成
させている。
本発明は、前記実施例の外、種々の半導体装置に実施す
ることが可能であり、例えば、ホット・エレクトロン・
トランジスタ（ｈｏｔ　　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　ｔｒａ
ｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＴ）に於けるエミッタ・ベース間
のバリヤとして調和振動手形量子井戸を介挿して緒特性
を向上させることが可能であり、また、材料もＡβＧａ
Ａｓに変えてＩｎＰ若しくはＩｎＡｆｆＡｓを、そして
、ＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓをそれぞれ通用し得る
ものである。
〔発明の効果〕
本発明は、半導体装置に於いて、複数の量子井戸を調和
振動子形とする構成を採っている。
これに依り、トランジスタやトンイ、ル・ダイオードの
負性抵抗特性に於けるピーク電流とバレー電流の比を大
きく採ることが可能になるから論理振幅を大きくするこ
とができ、また、それ等の能動素子や半導体レーザなと
発光素子の動作を高速化したり、更にまた、発光素子で
は量子効率が犬であることから強力な光放射を可能とし
、受光素子では感度を大にすることができる。
【図面の簡単な説明】 第１図は調和振動手形量子井戸のエネルギ・ハンＩ・・
ダイヤグラム、第２図は調和振動手形量子井戸が二つの
場合のエネルギ・ハンド・ダイヤグラム、第３図は調和
振動手形量子井戸が三つの場合のエネルギ・ハンド・ダ
イヤグラム、第４Ｍは準位間遷移を説明する為のエネル
ギ・ハンド・ダイヤグラム、第５図は本発明一実施例の
要部切断側面間、第６図は本発明に於ける他の実施例の
要部切断正面図、第７図はＸ値を連続的に変化させて調
和振動手形量子井戸を得ることを説明する為の線図、第
８図はＸ値を実効的に変えて調和振動手形量子井戸を得
ることを説明する為の線図をそれぞれ表している。 図に於いて、Ｅｃは伝導帯の底、ＥＬＯば量子井戸内の
基底量子準位、Ｅｌ、、１．Ｅｌ２・・・・は励起量子
準位、Ｅ　Ｌは励起量子準位全体、ｅは電子、Ｐ）３１
乃至ＰＢ４はバリヤ層、ｐｗｉ乃至１）　Ｗ　３は井戸
層をそれぞれ示している。 特許出願人　　　冨士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司 代理人弁理士　　渡　邊　弘　− 第１図 第２図 第３図 実施例の要部切断側面図 第６図 深さ ×＠を連続的に変える実施例を 説明する為の線図 第７図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 複数の調和振動子形量子井戸を備えてなる半導体装置。
JP62053134A 1987-03-10 1987-03-10 半導体装置 Expired - Fee Related JPH0797688B2 (ja)

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