JPS6390180A - 半導体装置 - 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〕 本発明は化合物半導体のヘテロ接合により形成される量
子井戸構造を有する半導体装置に関する。

特に、該構造の井戸層内にドナー及びアクセプタが空間
的に不均一にドーピングされた構造に関する。

〔従来の技術〕

化合物半導体の量子井戸構造は、多重量子井戸型半導体
レーザの活性層や、電界による複素屈折率の高速変調を
利用した光スィッチ等に応用されている（ｒ半導体超格
子の物理と応用Ｊ日本物理学会編、培風館昭和５９年）
。これらに用いられた構造は第３図（ａ）に示したよう
に、バンドギャップで差の異なる化合物半導体のヘテロ
接合からなり、伝導帯のバンド不連続ΔＥｃ及び価電子
帯のバンド不連続ΔＥＶがそれぞれ伝導帯の電子と、価
電子帯の正孔に対するポテンシャル障壁を形成している
。第３図（ｂ）は同一の半導体に周期的にドナーとこの
セプタをドーピングしたいわゆるドーピング超格子で、
第３図に模式的に示した如く、電子と正孔が空間的に分
離されている。

この系では、光吸収によって伝導帯の電子数及び価電子
帯の正孔数が変化すると、電気的中性条件をみたすべく
ポテンシャル障壁の形がセルフコンシステントに変化す
る。そのため、量子レベルが入射励起光の強度により順
次変化するために、Ｌ　、　Ｌ　、　Ｃｈａｎｇ他「シ
ンセティックモジュレーテッドストラクチャー」、アカ
デミツク　プレス刊。

１９８５年、第２４１頁（”　Ｓ　ｙｎｔｈｅｔｉｃＭ
ｏｄｕｌａｔｅｄ　　５ｔｒａｃｔ、ｕｒｅ”　　、　
　Ａｃａｄｅｍｉｃ　　Ｐｒｅｓｓ。

（１９８５）ｐ、２４１）に示されるように光吸収係数
発光スペクトルが外部光でチューニングできることにな
る。第３図（ｃ）は、同図（ｂ）において電子、正孔に
対するポケット量子井戸をつけ加えた例である。

第３図（ａ）の例では、量子井戸全体に外部電界を印加
すると、同図（ａ）の右側に示されるように電子波動関
数と正孔の波動関数が逆方向にシフトして、外部光に対
する複素屈折率応答が変化するが、第３図（ｂ）の例に
比べると井戸内に閉じこめられている電子正孔の量子レ
ベルは余り変化しないために、波長のチューニング特性
といえるほどの変化はない。。

〔間頭点を解決するための手段〕

本発明の目的は、従来の組成型量子井戸とドーピング型
量子井戸の特徴をかねそなえた。すなわち、空間的に不
均一にドープされた半導体結晶を。

この結晶よりも禁制帯幅が大きくかつ、伝導帯および価
電子帯でのバンド不連続性が説結晶内に障壁を形成する
ような第２の半導体ではさんだ新しい量子井戸構造を導
入なことにより達成される。

〔作用〕

本発明の基本的作用を説明する概念図を第１図（、）に
示した。ここに示した例では、井戸層がｌコのｐ　／　
ｎ接合からなりたっており、面側がΔＥｃ、ΔＥＶの大
きいアンドープヘテロ障壁層ではさまれている。伝導帯
の電子は、井戸層のｎ型ドープ領域に、価電子帯の正孔
は、井戸層のＰ型ドープ領域に、それぞれ量子レベルを
つくって閉じこめられることになる。井戸内の電気的中
性条件は同図に示したイオン化ドナー、アクセプターと
自由電子、正孔のバランスで満たされ、井戸層のポテン
シャルはポアソン方程式とシュレジンガ一方程式をセル
フコンシステントに解くことにより求められる。多重量
子井戸の場合の近似的なポテンシャル分布を第１図（ｂ
）に示した。ここで、エネルギーＥ１の光の入射により
、正孔の基底準位から伝導帯に上がった電子は、電子の
基底準位に緩和するが、このレベルから価電子帯に発光
遷移（エネルギーＥ２〉Ｅｌ）しようとしても価電子帯
がつまっているために遷移できず、その結果井戸層内に
は大量の電子と正孔が空間的に分離された状態でたまる
ことになる。それによって井戸層内のポテンシャルは再
び電気的条件をみたすようセルフコンシステントに変化
し、電子、正孔の量子レベルも大きく変化することにな
る。

このように、本発明の量子井戸では、第３図に示した２
つのタイプの量子井戸の特徴が共にとりこまれた結果、
より設計自由度が、拡大された非線形光−光相互作用機
能を実現できるようになる。

〔実施例〕

以下、本発明の内容を実施例に基づいて説明する。第１
図（ａ）の量子井戸構造の１例として、ＩｎＰを障壁層
とし、井戸層に、ＩｎＰに格子整合したＩ　ｎ　０．５
３Ｇａ　０．４７Ａｓのｐ　／　ｎ接合を用いた例を、
ＩｎＧａＡｓＰの４元系を作製可能な減圧ＭＯＣＶＤ装
置で結晶成長した。さらに、ＩｎＰに格子整合したＩｎ
０．ｓ　２　Ａ　Ｑ　０．４　ＲＡｓを障壁層とし、井
戸層に同じく Ｉ　ｎ　０．ｓ　３Ｇａ　０．ａ　７　Ａｓのｐ　／　
ｎ接合を用いた例を、ＭＢＥ装置で作製した。どちらの
場合も第２図（ａ）に示したような光−光変調検出器の
作製を目標とし、ｎ−ＩｎＰ基板上にアンドープＩｎＰ
（又はＩ　ｎＡ　Ｑ　Ａｓ）のクラッド２を１μｍ、本
発明の量子井戸構造３　：　ＩｎＰ／　（ｐ／ｎ）Ｉｎ
ＧａＡｓＰＩ　ｎ　Ｐ又はＩｎＧＡｓＰ　（ｐ／ｎ）Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＡＱＡｓを１μｍ、アンドープＩｎＰ
（又はＩ　ｎＡ　Ｑ　Ａｓ）のクラッド４を１μｍ成長
したのち、基板のＩｎＰの一部を除去した。

量子井戸層に対して、垂直方向又は平行方向に入射光（
波長λ、）モニター検出光（波長λＧ）を入射させる配
置で、λ、の入射光強度をかえながら、λ。の光の透過
強度及び位相シフトを観測した１位相検出はマイケルソ
ン型の干渉検出方式を用いた。（第２図（、）の下の模
式図参照）波長λ、として、第１図（ｂ）に示した井戸
内ｐ型領域中の正孔基底準位から伝導帯への励起エネル
ギーＥ、に等しいものを選び、検出光の波長λ２として
第１図（ｂ）の井戸内へ型領域中の電子基底準位から価
電子帯への遷移エネルギーＥＣに等しいものを選んでお
いた。入射光強度の増大と共に。

井戸内に電子、正孔が空間分離されて蓄積される結果、
量子準位がシフトして、波長λ２でみた量子井戸の複素
屈折率は連続的に変化してゆき、透過光の減衰率でみて
も１位相シフトでみても同様の高感度で入射光の有無を
検出できることがわかった。入射光をパルスレーザとし
たときの応答速度は、従来のＧａＡｓ／ＧａＡＱＡｓ系
量子井戸に電界を印加したタイプの光スィッチの速度と
同等以上であった。これは、本発明の量子井戸において
は、λ、の光で伝導帯に励起された電子が、高濃度のイ
オン化不純物の散乱と、内部電界勾配により速やかに基
底準位に緩和することを示している。

この他部２図（ｂ）のように、従来のドーピング超格子
の例と同様に、量子井戸内のｎ”ｐ層に独立にｐ”ｎ型
オーミック電極をとることによって、光検出層を作成で
きることを確認した。

以上はＩｎＰ基板上のＩ　ｎＰ、ＩｎＧａＡｓ。

ＩｎＡＱＡｓを用いた量子井戸の例を示したが、本発明
の内容は材料については何ら制限を設けていないことは
明らかである。

また、井戸内も単一のｐ／ｎ接合だけでなく、必要に応
じてｐ、ｎ、ｉ層等を一部に付は加えることにより、よ
り微妙な量子準位変調効果を期待できる。場合によって
は、井戸内にごく低いヘテロ障壁層をつくることにより
、電子正孔の空間分離をより効果的にすることも可能で
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、正孔と電子を分離した状態で量子井戸
層内に閉じこめられるので、強い非線形性を有する新機
能光素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の量子井戸構造を示す図、第２図は、本
発明の実施例としてのｒ　ｎＰ／　（ｐ／ｎ）ＩｎＧａ
Ａｓ／Ｉ　ｎＰ構造を示す図、第３図は従来の代表的な
２種の量子井戸構造を示す図である。 １１りノＴ；（１ ２工Ｘの；角関に 第２の 第３目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空間的に不均一にドープされた半導体結晶を、この
   結晶よりもバンドギャップが大きく、かつ伝導帯および
   価電子帯でのバンド不連続性が前者の半導体結晶に対し
   て障壁層となるような第２の半導体結晶のヘテロ接合で
   はさむことにより形成された量子井戸構造を有する半導
   体装置。 ２、上記量子井戸構造の井戸層が単一のｐｎ接合からな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
   装置。 ３、上記量子井戸構造の井戸層を、ＩｎＰ基板に格子整
   合したＧａ＿０＿．＿４＿７Ｉｎ＿０＿．＿５＿３Ａｓ
   とし、障壁層をＩｎＰ又は、ＩｎＰに格子整合した Ａｌ＿０＿．＿４＿８Ｉｎ＿０＿．＿５＿２Ａｓとした
   ものとする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。