JPS6344776A - 量子井戸を用いた半導体素子 - 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、組成の異なる薄膜からなる量子井戸を用いた
半導体素子に関する。

〔従来の技術〕

光フアイバーケーブルを媒体とする光通信によれば、通
信容量が従来の電線ケーブルを媒体とする電気通信に比
べて飛躍的にのびるのが特長である０通信技術や半導体
の製造技術等の進歩に伴い、この光通信が注目され、今
後の情報通信の主役となるべく脚光を浴びてきた。特に
光通信では、光信号の伝送、光信号の選択演算処理、電
気信号との変換等に使用される各種デバイスの開発が重
要な課題になり、その研究、開発が盛んに行われている
。

ところで、光信号の選択演算処理のための１デバイスと
して、入射する光の強さの変化に応して出力がヒステリ
シスループを搭く光双安定素子の出現が望まれ、その実
現のための研究が盛んに行われている。この光双安定素
子では、特に入射光が僅かでも大きな出力変化が得られ
、また、大きい出力が得られること、入力を高速で変化
させてもこれに出力が追随して速（応答できること等、
感度や応答速度等の応答性の良い素子の出現が望まれて
いる。

〔発明が解決しようとする間邪点〕

しかしながら、上記の如き入射する光の強さの変化に応
じて出力がヒステリシスループを描く光双安定素子は、
電気的な素子を使用しないものや量子井戸と抵抗とを組
み合わせたもの等、従来も幾つかはあったが、出力とし
て得られるパワーが少ない、応答性が悪い等、性能の面
や使用し易さで種々の問題を有し、光信号の処理を行う
のに満足できる素子はまだ開発されていないのが現状で
ある。

本発明は、上記の考察に基づくものであって、感度の優
れた応答性の良い光双安定素子が実現できる量子井戸を
用いた半導体素子を提供することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕 そのために本発明の量子井戸を用いた半導体素子は、組
成の異なる薄膜からなり特定の波長領域で光の吸収特性
が高吸収係数から低吸収係数に変移する量子井戸の光制
御層と、負性抵抗特性を有する非直線抵抗素子とを直列
にして電圧を印加し、光制御層における上記特定の波長
領域による光の入出力特性を制御することを特徴とする
ものであり、また、組成の異なるｙｉ膜からなり膜厚を
異にする複数の量子井戸における共鳴トンネル効果を用
いて非直線抵抗素子を実現したことを特徴とするもので
ある。

〔作用〕

本発明の量子井戸を用いた半導体素子では、量子井戸と
非直線抵抗素子とを直列にして電圧を印加するので、量
子井戸の光吸収特性が吸収領域から透過領域に変移する
境界の特定波長領域の光を入力すると、入力される光の
強さによって量子井戸と非直線抵抗素子における電圧分
担が変化し、量子井戸が吸収から透過へ、或いは透過か
ら吸収へ変移する。つまり量子井戸は、両端の電圧（電
界強度）に依存して吸収領域と透過領域との変移点がシ
フトし、非直線抵抗素子を直列に接続することによって
両端の電圧が入射光の強さに依存して変化する。また、
膜厚を異にする複数の量子井戸における共鳴トンネル効
果を用いることにより、抵抗変化が大きく良好な非直線
抵抗素子を得ることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明の量子井戸を用いた半導体素子の１実施
例を説明するための図、第２図は量子井戸の光吸収特性
を示す図、第３図は非直線抵抗素子の電圧−電流特性を
示す図、第４図は光双安定素子の入出力特性を示す図で
ある。

第１図において、１は電源、２と３は薄膜、４は非直線
抵抗素子を示す。本発明に用いられる量子井戸の構造は
、第１図に示すように例えば１膜２がこれと組成の異な
る薄膜３により挟み込まれた多重量子井戸である。この
量子井戸は、入射光に対する吸収特性が第２図のように
なり、成る波長以下の光に対して高い吸収係数をもつ。

この境界の波長は、例えば量子井戸を構成する薄膜２に
ＧａＡｓ、薄膜３にＡｌＧａＡｓを使用した場合には８
０００人程度１また薄膜３にＩｎＧａＡｓ、薄膜３にＩ
ｎＡｌＡｓを使用した場合には１．　５μ（ミクロン）
程度になり、材料により境界の波長を選ぶことができる
。また、この境界の波長は、電圧を加えると長波長側（
第２図図示実線から点′ｆｉＡ）にシフトするという特
性を有する。従って、電圧を制御することによって吸収
特性を変えることができる。特定の波長、例えば第２図
に示すλ、では、高い吸収係数をもつ状態と低い吸収係
数をもつ状態との切り換えが可能になる。

本発明に係る光双安定素子は、第１図の構成で示すよう
に原理としてこの量子井戸を利用したものであり、この
素子構造は、量子井戸を整流性のある接合、例えばＰＮ
接合やショットキ接合に組み込むと共に、これに負性抵
抗特性をもつ非直線抵抗素子４を接続し両端に電源１を
接続して一定の電圧Ｖ、を印加することによって、これ
らの相互作用でヒステリシス特性をもたらすようにした
ものである。ここで、入射光の方向は、図示の如く量子
井戸に対して直角にしてもよいが、水平にしてもよい。

また、単層の量子井戸であってもよい。

次に、第１図に示す光双安定素子の作用を説明する。ま
ず量子井戸の性質を説明すると、量子井戸は、入射光が
ない場合にはほとんど電流が流れないが、入射光がある
と光の吸収に応じて電流が流れ、従って、入射光の強さ
及び波長に応じて変わる。すなわち、第２図に示す吸収
特性において、吸収領域にある波長の光に対しては、光
を吸収した分だけ電流が流れることになり、吸収領域か
ら外れた領域の長波長の光に対しては、入射光が増減し
ても電流は僅かしか変化しない。

他方、非直線抵抗素子は、周知の如く第３図に示す電圧
−電流特性を有する。すなわち、成る電圧（図示す点）
までは電圧に比例して電流が増えてゆくが、図示す点を
越えると抵抗が急激に増大し逆に電圧に反比例するよう
に電流が減ってゆく。

そこで、上記の性質を有する量子井戸の光制御層及び非
直線抵抗素子を、第１図に示すように直列に接続して一
定の電圧■、を印加し、第２図に示す吸収特性をもつ量
子井戸に対し波長λ、を入射光として与えると、第４図
に示す入射光と出力光の関係が得られる。まず、入射光
がほとんど０の場合には、量子井戸は高抵抗状態にあっ
て電流が流れない。このとき、量子井戸の電圧■１はほ
ぼ電源電圧■、になり、非直線抵抗素子の電圧Ｖ２は０
になっている。また、この状態での量子井戸の吸収特性
は、電圧■１が高いため第２図の点線で示す特性となっ
ている。

次に、入射光を増やしてゆくと、量子井戸は吸収係数が
高い状態であるため、入射光が吸収され電流が増え、非
直線抵抗素子の電圧■２も高（なってゆく。この過程（
第３図及び第４図に示すａ→ｂ）では入射光が増えても
量子井戸での光の吸収により出力光はＯに近い状態が続
り。

しかし、入射光がさらに増えて非直線抵抗素子の電圧■
８が第３図に示すｂ点を越えると、非直線抵抗素子の抵
抗が急激に大きくなり′ｔＸ流は減少するがさらに非直
線抵抗素子の電圧■２が貰い点（第３図及び第４図に示
すｂ−ｄ）に遷移する。

このため、量子井戸の電圧Ｖ１が急激に低下して吸収特
性が第２図の点線から実線にシフトする。

従って、ここで量子井戸での吸収がなくなり、入力光は
ほとんど透過して出力光が急増することになる。

一旦上記の状態（第３図及び第４図に示すｄ）に遷移す
ると、非直線抵抗素子は高抵抗のままで、高電圧分担状
態を維持し、量子井戸は非吸収状態（透明状態）を維持
する。このため、入射光が減っても出力光は高出力状Ｌ
ｉ（第３図及び第４図に示すｄ）が続く。

しかし、入射光がさらに減って量子井戸における負荷抵
抗が増え非直線抵抗素子における分担電圧が低下（第３
図及び第４図に示すＣまで低下）すると、非直線抵抗素
子の抵抗が急激に小さくなフて電流が増え量子井戸の分
担電圧が高くなる。

このため、量子井戸の吸収特性が第２図の実線から点線
にシフトする。従って、ここで量子井戸が入射光を吸収
するようになり、出力光は低出力状ａ（第３図及び第４
図に示すａ）になる。

第５図は本発明に係る量子井戸を用いた半導体素子の他
の実施例で、光双安定素子に使用される非直線抵抗素子
に好適な例を示す図、第６図は２重障壁共鳴トンネルダ
イオードの動作を説明するための図、第７図は食性抵抗
特性を説明するための図、第８図は間隔を変えた３重障
壁共鳴トンネルダイオードの例を示す図であり、１１は
障壁を示す。

第５図に示す量子井戸を用いた半導体素子の例は、複数
の量子井戸における共鳴トンネル効果を用いて非直線抵
抗素子を実現したものであり、ＧａＡｓの薄膜とＡＩＣ
，ａＡｓの薄膜とを積層した構造の多重量子井戸により
非直線抵抗素子の共鳴トンネルダイオードを構成した例
である。この共鳴トンネルダイオードの作用を２重障壁
で説明すると、初めは大部分が第１の障壁で反射して１
部が透過するが、それも第２の障壁で反射する。ここで
第６図（１３）、伽）に示すように電圧を徐々に上げて
電流を流すと、２カ所で発生する反射が相互に打ち消す
ようになり電流が増え、位相が完全に弱め合う条件の時
、反射がＯになってしまい大きな電流Ｉ、が流れる。し
かし、それ以上の電圧になると、相互に打ち消す条件が
崩れ、電流が９、激に減る。

ところで、−Ｓに非直線抵抗素子は、第７図に示す電ａ
　Ｉ　＋　と電ｔＩｚとの差が大きいものが要求される
。しかし、上記の如き作用の障壁をもう１つ力Ｕえて３
重にした場合には、各障壁における共鳴条件が合わない
ため、第７図に示す電流１１はあまり大きくならない。

従って、華純に３重障壁にした共鳴トン茅ルダイオード
では、望ましい特性の非直線抵抗素子は得ろれない。

そこで、第５図に示す如き３重障壁共鳴トンネルダイオ
ードで第７図に示す電流■１　と電流■２との差が大き
くなるようにするためには、第８図に示す障壁の間隔Ｗ
、　、Ｗ、を、例えば障壁１１の厚さを２３人にした場
合、間隔Ｗ１を７１人、間隔Ｗ２を４８人のように変え
るとよい。つまり、障壁を透過した電子は加速されて波
長が短くなるから、この性質に着目し、これに対応させ
て間隔Ｗ２を間隔Ｗ１より短くする。通常、エネルギー
Ｅ一定数×（１／Ｗ）２で共鳴が起こるので、第１の障
壁を透過するとエネルギーＥが２倍になるとすると、上
記の間隔Ｗ、を７１人、間隔Ｗ２を４８人がその条件に
対応することになる。

上記の如き３重障壁共鳴トンネルダイオードを本発明に
係る光双安定素子に使うと、ＧａＡｓ系の多層薄膜素子
としてＭ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ＢｅａｍＥ
ｐｉｔａＸＶ　　ｉ分子線エタピキシー）法により一貫
製造できる。この場合、光の吸収／透過を制御する量子
井戸に対して、３重障壁共鳴トンネルダイオードが光を
透過するものであって、光に依存しないように、材料の
調整を必要とすることは勿論のことである。そのために
は、吸収開始波長を光制御層のそれよりも短くすればよ
い。その１例としては、第５図に示す薄膜のそれぞれに
ＡＩを加えてＧａＡｓ０層をＡ　ｌｌ１Ｇａ、−、Ａ　
３の層とし、ＡｌＧａＡｓの層をＡ　１　ｙ　Ｇ　ａ　
＋−ｙ　Ａ　３の層とすると共にＸ＜７の条件を満足す
るように組成を選択すればよい。

なお、本発明は、種々の変形が可能であり、上記実施例
に限定されるものではない。例えば上記実施例では、多
ＮＭの量子井戸を使用したが、多層でなくてもよく、光
の入射方向は膜に直角方向でなく水平方向であってもよ
い。また、本発明に係る量子井戸を用いた光双安定素子
を構成する非直線抵抗素子は、第５図ないし第８図によ
り説明した３重障壁共鳴トンネルダイオードでなく、他
の素子を用いてもよい。さらに、非直線抵抗素子は、上
述の如く光制御層と一体化構造としてもよいが、一体化
構造とせず、光制御層と電気的な接続回路を設けるよう
にしてもよい。量子井戸を構成する多層膜の組成も上記
実施例で示したＣａＡＳ系以外のものであってもよいこ
とはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、量子
井戸と非線形抵抗素子とを直列にして一定の電圧を印加
するだけでよいので、簡単な構造で光の入出力関係がヒ
ステリシスループを描（光双安定素子を提供することが
できる。また、上記の如き量子井戸構造を用いるので、
半導体基板上に共鳴トンネルダイオード、光制御層を順
次積層することによって光双安定素子を製造することが
できる。従って、集積化も容易にでき、光信号の記憶や
論理演算用の半導体素子として広く利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の量子井戸を用いた光双安定素子の１実
施例を説明するための図、第２図は量子井戸の光吸収特
性を示す図、第３図は非直線抵抗素子の電圧−電流特性
を示す図、第４図は光双安定素子の入出力特性を示す図
、第５図は本発明に係る量子井戸を用いた半導体素子の
他の実施例で、光双安定素子に使用される非直線抵抗素
子に好適な例を示す図、第６図は２重障壁共鳴トンネル
ダイオードの動作を説明するための図、第７図は負性抵
抗特性を説明するための図、第８図は間Ｖを変えた３重
障壁共鳴トンネルダイオードの例を示す図である。 １は電源、２．３と１１は薄膜、４は非直線抵抗素子。 出　願　人　　新技術開発事業団 代理人　弁理士　阿　部　龍　吉 第１図 ５ｇ、天人　　んｔ ェ　第３図 入力　（光ｆ）殊二）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）組成の異なる薄膜からなり特定の波長領域で光の
   吸収特性が高吸収係数から低吸収係数に変移する量子井
   戸の光制御層と、負性抵抗特性を有する非直線抵抗素子
   とを直列にして電圧を印加し、光制御層における上記特
   定の波長領域による光の入出力特性を制御することを特
   徴とする量子井戸を用いた半導体素子。
2. （２）多層膜による量子井戸を光制御層にしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の量子井戸を用いた
   半導体素子。
3. （３）組成の異なる薄膜からなり膜厚を異にする複数の
   量子井戸における共鳴トンネル効果を用いて非直線抵抗
   素子を実現したことを特徴とする量子井戸を用いた半導
   体素子。