JPS63292683A - 多重量子井戸負性抵抗素子及び双安定発光素子 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多重量子井戸構造を有する多重量子井戸負性抵
抗素子及び双安定発光素子に関するものである。

〈従来の技術） 近年、多重量子井戸構造を用いた素子の研究が盛んに行
われている。たとえば多重量子井戸構造を有する半導体
レーザは通常のダブルへテロ構造半導体レーザに比較し
低閾値の素子が得られるなどから注目されている。他方
、多重量子井戸構造では共鳴トンネル効果を利用するこ
とにより大きな負性抵抗特性を得られる可能性があり、
多重量子井戸構造半導体レーザを始めとする多重量子井
戸素子にこの真性抵抗特性を持たせれば様々な機能を有
する多重量子井戸素子を実現することが出来ると考えら
れる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、これまでの多重量子井戸構造を有する素
子においてはこの様な負性抵抗特性を合わせ持つものは
得られておらず限られた機能しか実現出来なかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、従来の多重
量子井戸構造を有する素子に共鳴トンネル効果を利用し
た負性抵抗特性を持たせた多重量子井戸負性抵抗素子及
び双安定発光素子を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段と作用）本発明は上記目
的を達成するために、厚さが４０　（Ｖ＋Ｚ）Å以上で
２００（ｙ十ｚ）Å以上のＩｎ　ｙ　Ｇａ　ｚ　ＡＪｌ
ｌ−Ｖ−ｚＡｓ　０．２＜ｙ＋ｚ＜０．８）バリア層と
、ｌ　ｎ　ｗ　Ｑａ　１−ｗ　Ａｓ　　０．２＜ｗ＜　
０．８）層との１０（Ｖ＋Ｚ）の整数部の数以上の数を
周期とする積層体を有することを特徴とし、多重量子井
戸構造を有する素子に共鳴トンネル効果を利用した負性
抵抗特性を持たせたものであり、従来の技術とは多重量
子井戸層の構成材料、バリア層厚、及び周期が異なる。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を説明する図であって、
図中、１はｎ形１ｎＰ基板、２はｎ形Ｉｎ　ｘ　Ａ　１
１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．５３、以下ＩｎＡｆＡｓ層と記
す）、３はバリア層となるＩｎ　ｙ　Ｇａ　ｚ　ＡＪｌ
　１−ｙ−ｚＡｓ層（Ｖ＝　０．５３　、ｚ−０１以下
Ｉｎ　ＡＪｌＡＳ層と記す）、４は量子井戸層となるＩ
ｎ　ｗ　Ｇａ　１−ｗ　ＡＳ層（ｗ　＝　０．５３、以
下ｉｎ　Ｑａ　ＡＳ層と記す）、５はＰ形ＩｎＡｆＡＳ
層、６はＰ形Ｉｎ　Ｇａ　ＡＳ電極層である。また７は
ｎ形Ａｕ　Ｑｅ　Ｎｉ　Ｎｉ極、８はＰ形ＡｕＺｎ電極
である。また９は外部電源、１０は負荷抵抗であり、こ
の場合５０Ωとしである。３のＩｎＡｆＡｓバリア層の
厚さは６０人、４の）ｎ　Ｑａ　Ａｓ量子井戸層の厚さ
は７０人とし、周期は１０周期としている。

この様な材料及び構造にした場合、 ＩｎＡＪｌＡｓバリア層内の有効質量が小さいためトン
ネル効果が生じ易く、かつ厚さが通常の多重量子井戸レ
ーザの場合より厚く、量子井戸数も多いため電圧印加に
より量子井戸間の結合がはずれることにより負性抵抗特
性が出現するようになる。

第２図は本発明の多重量子井戸素子で得られた電流−電
圧特性であり明確な負性抵抗特性を示している。このよ
うな特性が得られている場−合、第１図に示した様に負
荷抵抗を直列に接続することにより、電流−電圧特性が
第３図に示すようなヒステリシス特性を示すことはよく
知られている。さて第３図中、点ａでは注入電流密度が
高く多重量子井戸レーザは発振状態にあり、点すでは電
流密度が低く発振停止状態にあるため、光出力と電圧の
間にも第３図に示すようなヒステリシス特性が期待され
る。第４図は実際に得られたこの素子の先出カー電−圧
特性を示したものであり、明確なヒステリシス特性、す
なわち光出力に対する双安定特性が得られていることが
わかる゛。この場合の光出力のオン／オフ比は電圧Ｖｏ
　＝　２．５Ｖの点で３０：１ときわめて大きいもので
あ・つた。なお、第１図の構造において材料としてＧａ
　Ａｓ　／ＡｌＧａＡｓ系等、他の材料を用いた場合は
負性抵抗特性は得られず、またこの材料を用いた場合に
おいてもＩｎ　Ａ、ＪｌＡｓバリア層厚を４０　（ｙ＋
７）Å以上、２００　（Ｖ＋Ｚ）Å以上にした場合、あ
るいは、多重量子井戸層の周期を１０（ｙ十ｚ）の整数
部の数未満の周期にした場合は負荷抵抗特性は得られず
、第１図の材料及び構造にすることが必要である。以下
上記の条件について説明する。

先ず、バリア層厚を４０（ｙ＋Ｚ）大以上にするのは次
の理由による。すなわち、バリア層厚とサブバンドエネ
ルギー幅の関係は、よく知られたクローニヒペニーモデ
ル（ＳＣＩ−（ＩＦＦ著［Ｑｕａｎｔｕｍ　ｍｅｃｈａ
ｎｉｃｓ　Ｊ　（１９６８）　Ｐ　Ｐ　３７　）で計算
すると第５図のようになる。４０（ｙ＋ｚ）以下では１
０ｍｅＶ以上となることがわかる。エネルギー幅が１０
ｍｅＶ玖上にな６と共鳴状態を破ぶるのに１０’Ｖ／ｃ
ｍ以上の電界が必要となり、順方向バイアスでこの程度
の電・界を生じさせることは不可能であり、負性抵抗が
得られない。一般に、量子井戸に形成された量子単位間
のエネルギーが一致し、この量子準位間のトンネル確率
が１に近づいた状態を共鳴状態と呼んでいる。この場合
伝導帯内の電子は１つの量子井戸に局在せず全量子井戸
に広がっている。

又、バリア層厚を２００　（ｙ＋ｚ）Å以下にするのは
次の理由による。すなわち、バリア層厚とトンネル確率
の関係は、例えばＩＥＥＥ、Ｊ。

Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　Ｑ　Ｅ
　−１９、Ｐ　７９４（１９８３）の文献に用いられて
いる式を用いて計算すると第６図のようになる。トンネ
ル確率の式はとなる。ここで、ｄはバリア層厚、ｍ′は
電子の有効質量、Ｖｏは量子井戸深さ、Ｅは量子準位の
値、Ｋはブランク定数である。この場合、ｍＭ　−０，
０４１ｍ　Ｏ’　（ｍ　ｏは自由電子の質ｆｆｔ）、Ｖ
ｏは０．５　ｅＶ、　Ｅは０，１　ｅＶを用いて計算し
た。この結果、２００　（Ｖ＋Ｚ）以上ではトンネル確
率が１０〜５以下となり、これ以下のトンネル確率では
電流密度が１　Ａ　／　ｃｍ以下となりデバイス動作が
得られなくなる。

又、周期を１０（Ｖ＋Ｚ）の整数部の数以上にするのは
次の理由による。すなわち、この月利系におけるホット
キャリアの平均自由行程はおよそ１０（ｙ＋ｚ）周期分
の長さとなることが実験的に知られている（ＡＩＩＩ）
１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４８　（１９８６）Ｐ１７９
９）。すなわち、周期がこれ以下の値の場合は、キャリ
アはホットな状態で量子井戸層を飛び越すため、負性抵
抗が得られなくなる。

第７図は第２図の実施例であって、この場合は、第１図
にお（プる負荷抵抗１０が多重量子井戸構造素子内部に
集積された構造となっている点が第１図と異なる。図中
１〜９は第１図と同様であり、負荷抵抗となる１１は低
温度ドープ（この場合Ｐ−５Ｘ１０’　”　ｃｍ−３、
厚さ　０．２μｍ　、６０Ω）のＰ形ＩｎＧａＡＳ層と
なっている。この構造においても第４図に示すのど同様
の双安定特性を得ることが出来た。

第８図は本発明の第３図の実施例を説明する図であって
、構成は第１図と同様である。ただし、この場合は負荷
抵抗となる層として入射光によって抵抗の変化する半導
体層（この場合はフォトタイオード１２）を用いている
。この素子の場合、電圧Ｖｏは一定としておき、フォト
ダイオード１２に入射する光強度を変化させることによ
って負荷抵抗層の抵抗を増減させると、実効的に印加電
圧を変化させたのと同様の効果が生じ、光出力は双安定
性を示す。すなわちこの場合は光入力と光出力の間に双
安定動作が実現することになる。

第９図はフォトダイオード１２への光入力に対する光出
力の変化を測定した結果であり、光入力−光出力間に明
確な双安定特性が得られていることがわかる。

第１０図は本発明の第４の実施例であって、構成は第１
図と同様である。この場合は第３の実施例と異なり電圧
を一定にした状態で光を多重量子井戸層に入射した場合
を示している。この場合も、多重量子井戸層の抵抗が入
射光強度によって変化し、実効的に印加電圧を変化させ
たのと同様の効果が生じ、第９図に示したのと同様の光
入力−光出力間での双安定特性が得られた。

第１１図は本発明の第５図の実施例であって、構成は第
１図と同様である。ただし第１図では多重量子井戸素子
からの発光（波長１．５５μｍ）に対する双安定動作に
関するものであったのに対し、第１１図の場合は、多重
量子井戸素子に入射した光（波長１．５４μ１Ｔｌ）の
透過光に対づる双安定動作に関するもので゛ある。

透過光に関する双安定動作は次のように説明される。第
３図中、点ａでは注入電流密度が高いため、多重量子井
戸における励起子吸収ピークがスクリーニングにより減
少し、透過率が相対的に高くなっている。他方点１〕で
は注入電流密度が低くなっているため、スクリーニング
効果が小さく励起子吸収が増大し、透過率が相対的に低
下した状態となっている。すなわち、同一電圧において
点８１点すで透過率に関して２つの状態が得られ双安定
動作が可能となる。第１２図は、実際に得られた透過光
出力−電圧特性であり、透過光に対しても明確な双安定
動作が得られていることがわかる。この場合のオン／オ
フ化は１０：１であった。

なお、第１１図の場合は入力として電圧の場合を示した
が、実施例３，４の場合と同様、入力として光を用いた
動作も可能であることは言うまでもない。

（発明の効果） 以上説明した様に本発明によれば、従来の多重量子井戸
素子と異なり、負性抵抗特性を有していることから、多
重量子井戸層からの発光出力、あるいは透過光強度に関
した双安定動作等、従来の素子では実現出来なかった様
々な機能を実現出来るという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成説明図、第２
図は本発明の第１の実施例の多重量子井戸素子自身の電
流−電圧特性の一例を示す図、第３図は本発明の第１の
実施例の多重量子井戸素子に負荷抵抗を接続した場合の
電流−電圧特性の一例を示す図、第４図は本発明の第１
の実施例の光出力−電圧特性の一例を示す図、第５図は
本発明の第１の実施例のバリア層厚とサブバンドエネル
ギー幅の関係の一例を示す特性図、第６図は本発明の第
１の実施例のバリア層厚とトンネル確率の関係の一例を
示す特性図、第７図は本発明の第２の実施例を示す構成
説明図、第８図は本発明の第３の実施例を示す構成説明
図、第９図は本発明の第３の実施例の光出力−光入力特
性の一例を示す図、第１０図は本発明の第４の実施例を
示す構成説明図、第１１図は本発明の第５の実施例を示
す構成説明図、第１２図は第５の実施例の透過光強度−
電圧特性の一例を示す図である。 １・　ＩｎＰ基板、２　・ｎ形Ｉ　ｎ　ｘ　Ａｌ　１−
ＸＡＳ層、３・　ＩｎＡＪｌＡｓバリア層、 ４・・・Ｉｎ　Ｇａ　Ａｓ量子井戸層、５−Ｐ形Ｉｎ　
ＡｆＡＳ　層、６　・Ｐ形ｌｎ　Ｑａ　Ａ３層、７・・
・ｎ形電極、８・・・Ｐ形電極、９・・・外部電源、１
０・・・負荷抵抗、１１・・・負荷抵抗層となる低濃度
Ｐ形Ｉｎ　Ｇａ　Ａｓ層、１２・・・フォトダイオード
。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦Ｏ１２ 輩＃（Ｖｏｌｔ） 第２図 哉反（Ｖｏｌｔ） 第３図 覧氏（Ｖｏｌｔ） 第４図 光べ力（ｍＷ） 第９図 第川図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）厚さが４０（ｙ＋ｚ）Å以上で２００（ｙ＋ｚ）
   Å以下のＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｙ−ｚＡｓ（０．２＜ｙ
   ＋ｚ＜０．８）バリア層と、 ＩｎｗＧａ１−ｗＡｓ（０．２＜ｗ＜０．８）層との１
   ０（ｙ＋ｚ）の整数部の数以上の数を周期とする積層体
   を有することを特徴とする多重量子井戸負性抵抗素子。
2. （２）厚さが４０（ｙ＋ｚ）Å以上で２００（ｙ＋ｚ）
   Å以下のＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｙ−ｚＡｓ０．２＜ｙ＋
   ｚ＜０．８）バリア層と、ＩｎｗＧａ１−ｗＡｓ（０．
   ２＜ｗ＜０．８）層との１０（ｙ＋ｚ）の整数部の数以
   上の数を周期とする積層体を有する多重量子井戸負性抵
   抗素子と、該多重量子井戸負性抵抗素子に直列に抵抗が
   接続されていることを特徴とする双安定発光素子。