【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は量子井戸型発光素子に関し、より詳細には半導体ヘテロ構造で構成されている量子井戸型発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来より、半導体結晶を用いた代表的な発光素子の例として、
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)及びレーザ
(Laser)等が挙げられる。 発光ダイオード及びレーザは、半導体接合に順方向電圧を印加し、少数キャリアを注入すると接合部で多数キャリアとの再結合が起こり、
その際に放出される光を利用するものである。

【０００３】図５に従来の発光素子を示す。 半絶縁性の化合物半導体基板であるｐ ⁺ −ＧａＡｓ基板３１上にｐ
−Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓ層３２、ｐ ⁺ −ＧａＡｓ層３
３、ｎ−Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓ層３４及びｎ ⁺ −ＧａＡ
ｓ層３５が順次形成されている。 そして、オーミック電極として、ｐ ⁺ −ＧａＡｓ基板３１裏面にＡｕ／Ｚｎ電極３６、ｎ ⁺ −ＧａＡｓ層３５上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ電極３７がそれぞれ形成されている。

【０００４】このように形成された発光素子は、図６に示したように、活性層であるｐ ⁺ −ＧａＡｓ層３３に量子井戸が形成され、順方向の電圧を印加すると一定波長の光を放出する。 上記の発光素子をはじめとする半導体発光ダイオード及びレーザの発光波長は、通常、環境温度の変化あるいはデバイス電流レベルを変化させる以外は、ほとんど制御することができない２電極のデバイスである。

【０００５】本発明は、環境温度の変化あるいはデバイス電流レベルを変化させることなく発光波長を制御することができる量子井戸型発光素子を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なくともゲート層、量子井戸型コレクタ層及びエミッタ層を有し、前記ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層にそれぞれゲート電極、コレクタ電極及びエミッタ電極が形成され、かつ前記ゲート層とコレクタ層との間にバリア層が形成されている量子井戸型発光素子が提供される。

【０００７】本発明の量子井戸型発光素子は、少なくともゲート層、コレクタ層及びエミッタ層が形成されており、ダブルヘテロ構造を有している。 これらゲート層、
コレクタ層及びエミッタ層は、例えば、通常基板として用いられるＳｉ等の半導体基板、又はＧａＡｓ、ＩｎＰ
等の化合物半導体基板上に形成することができる。 また、この基板自身がゲート層等を形成していてもよい。
なお、この際、化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板を用い、このＧａＡｓ基板上にゲート層、コレクタ層及びエミッタ層を形成することが好ましい。

【０００８】例えば、ＧａＡｓ基板を用いた場合には、
ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層としては、ＧａＡ
ｓ層、ＡｌＧａＡｓ層等を用いることが好ましい。 また、ゲート層とコレクタ層との間にはバリア層が形成されており、ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層がＧａ
Ａｓ層、ＡｌＧａＡｓ層等の場合には、バリア層はＡｌ
ＧａＡｓ層が好ましい。 これらバリア層とコレクタ層との間、コレクタ層とエミッタ層との間には緩衝層、傾斜的な組成を有するグレイデッド層等を形成することができる。 ゲート層として、例えばｎ ⁺ −ＧａＡｓ層２を用いた場合には、ｎ型不純物濃度は約１×１０ ¹⁹ 〜２×１
０ ¹⁸ cm ^-3 、バリア層としてｎ- Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓ層を用いた場合にはｎ型不純物濃度は約１×１０ ¹⁶ 〜５×
１０ ¹⁷ cm ^-3 、コレクタ層としてｐ ⁺ −ＧａＡｓ層を用いた場合にはｐ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁹ 〜５×１０ ¹⁸
cm ^-3 、エミッタ層としてｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓ層を用いた場合にはｎ型不純物濃度は約１×１０ ¹⁶ 〜５×１
０ ¹⁷ cm ^-3が好ましい。 その場合、各ゲート層、バリア層、コレクタ層及びエミッタ層の膜厚としては特に限定されるものではないが、例えば、ゲート層の膜厚は約５
００〜１０００ｎｍ、バリア層の膜厚は約２００〜５０
０ｎｍ、コレクタ層の膜厚は量子効果を出すだけの膜厚、約２０ｎｍ以下、好ましくは約１０ｎｍ以下、エミッタ層の膜厚は約１００〜２００ｎｍが好ましい。

【０００９】また、本発明の量子井戸型発光素子において、ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層の各層上にはオーミック電極が形成されている。 この際の電極材料としては、通常電極として用いられるものであれば特に限定されるものではないが、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎを用いることができる。 コンタクト層へのオーミックコンタクトは、コレクタ電極直下の領域にｐ型不純物がイオン注入されていれば容易に形成することができる。

【００１０】また、ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層の各層に注入されているｐ型又はｎ型の不純物はデバイスの寄生容量の減少するとともに、デバイスの量子井戸が形成された活性層、つまり、コレクタ層に光及び電流を閉じ込めるために利用することができる。

【００１１】上記のような構造を有する量子井戸型発光素子において、ゲート電極とコレクタ電極との間にバイアス電圧を印加することによって、コレクタ層のエネルギー準位の位置を変調させて発光波長を制御することができる。 つまり、シュタルク効果を利用することにより、コレクタ層に形成されている量子井戸のエネルギー準位の位置を変調させて発光波長を制御するものである。 この際、ゲート電極とコレクタ電極との間に印加するバイアス電圧は、量子井戸が形成されるコレクタ層の膜厚、組成等により適宜変化させることができ、特に限定されるものではないが、例えば、コレクタ層の膜厚が２０ｎｍ以下の場合、０．５〜５Ｖ程度印加する。 このバイアス電圧の印加により、発光波長を制御することができる。 なお、ゲート電極とコレクタ電極との間に印加するバイアス電圧を大きくすれば、発光波長は短波長化し、バイアス電圧を小さくすれば、発光波長は長波長化する。

【００１２】また、本発明による量子井戸型発光素子の発光波長の制御方法は、光通信系にも応用することができる。 つまり、情報を光信号に暗号化するため、光信号を周波数変調して用いることが可能である。

【００１３】

【作用】本発明の量子井戸型発光素子は、少なくともゲート層、量子井戸型コレクタ層及びエミッタ層を有し、
前記ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層にそれぞれゲート電極、コレクタ電極及びエミッタ電極が形成され、
かつ前記ゲート層とコレクタ層との間にバリア層が形成されている。 つまり、本発明の量子井戸型発光素子は、
多層半導体ヘテロ構造における２つの広いエネルギーギャップ半導体層（エミッタ層及びゲート層）の間に、狭いエネルギーギャップ半導体量子井戸層（コレクタ層）
が形成されており、このコレクタ層がデバイスの活性層となっている。 従って、まず、バイアス電圧がエミッタ電極とコレクタ電極に印加され、電荷キャリアがエミッタ層から、コレクタ層であるエネルギーが量子化された量子井戸に注入される。 電荷キャリアはコレクタ層において、バンド再結合するために放射バンドを変遷する。
そして、量子井戸において、半導体層の劈開面を通して所定の波長の光を放射する。

【００１４】ゲート層はコレクタ層における量子井戸のエネルギー準位を変化させる。 つまり、量子井戸からの発光波長を変調させることである。 バイアス電圧がゲート電極とコレクタ電極との間に印加されると、ゲート層とコレクタ層との間に電界が発生して、電界はコレクタ層を貫通し、量子井戸の形状が歪む。 このように、量子化されたエネルギー準位の位置が、印加されたゲート−
コレクタバイアスによって変化する。

【００１５】

【実施例】本発明に係る量子井戸型発光素子を説明する。 実施例１ まず、量子井戸型発光素子の構成を図１に基づいて説明する。 半絶縁性の化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板１を用いる。 ＧａＡｓ基板１上にｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層２、ｎ−Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓバリア層３、ｐ ⁺ −Ｇ
ａＡｓコレクタ層４、ｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓエミッタ層５及びｎ ⁺ −ＧａＡｓ層６が順次形成されている。
そして、オーミック電極として、ｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層２上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉで形成されたゲート電極７、
ｐ ⁺ −ＧａＡｓ層４上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成されたコレクタ電極８及びｎ ⁺ −ＧａＡｓ層６上にＡｕ／Ｇｅ
／Ｎｉで形成されたエミッタ電極９がそれぞれ形成されている。

【００１６】ｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層２のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁸ cm ^-3であり、例えば、その膜厚は５０
０ｎｍである。 ｎ- Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓバリア層３のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁶ cm ^-3であり、例えば、その膜厚は２００ｎｍである。 ｐ ⁺ −ＧａＡｓコレクタ層４のｐ型不純物濃度は約２×１０ ¹⁹ cm ^-3 、その膜厚は約５ｎｍである。 ｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓエミッタ層５
のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁶ cm ^-3 、その膜厚は約１
００ｎｍである。 ｎ ⁺ −ＧａＡｓ層６のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁸ cm ^-3であり、その膜厚は２００ｎｍである。

【００１７】このように構成される量子井戸型発光素子のエネルギーバンド図を図２にしめす。 この実施例において、バイアス電圧がエミッタ電極９とコレクタ電極８
との間に印加されると、電荷キャリアがエミッタ層５から、コレクタ層４であるエネルギーが量子化された量子井戸に注入される。 電荷キャリアはコレクタ層４において、バンド再結合するために放射バンドを変遷する。 そして、量子井戸において、半導体層の劈開面を通して所定の波長の光を放射する。 また、ゲート電極７とコレクタ電極８との間にバイアス電圧が印加されると、コレクタ層４における量子井戸のエネルギー準位を変化させ、
量子井戸からの発光波長を変調させる。

【００１８】実施例２ 半絶縁性の化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板１１を用いる。 ＧａＡｓ基板１１上にｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層１２、ｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓバリア層１３、ｐ ⁺ −
ＧａＡｓコレクタ層１４、ｐ ⁺ −Ａｌ _X Ｇａ _1-X Ａｓグレイデッド層１５、ｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓエミッタ層１６及びｎ ⁺ −ＧａＡｓ層１７が順次形成されている。 そして、オーミック電極として、ｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層１２上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉで形成されたゲート電極１８、ｐ ⁺ −Ａｌ _X Ｇａ _1-X Ａｓグレイデッド層１５
上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成されたコレクタ電極１９及びｎ ⁺ −ＧａＡｓ層１７上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉで形成されたエミッタ電極２０がそれぞれ形成されている。

【００１９】ｎ ⁺ −ＧａＡｓゲート層１２のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁸ cm ^-3であり、ｎ-Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5
Ａｓ層１３のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁶ cm ^-3である。 ｐ ⁺ −ＧａＡｓコレクタ層１４のｐ型不純物濃度は約２×１０ ¹⁹ cm ^-3 、その膜厚は約５ｎｍである。 ｐ ⁺ −
Ａｌ _X Ｇａ _1-X Ａｓグレイデッド層１５のｐ型不純物濃度は約２×１０ ¹⁹ cm ^-3であり、その膜厚は５０ｎｍである。 また、このｐ ⁺ −Ａｌ _X Ｇａ _1-X Ａｓグレイデッド層１５層はコレクタ層１４とエミッタ層１６との間に位置し、エミッタ層１６側からコレクタ層１４にかけて、
Ｘが０．２５から０．２０に傾斜的に変化している。 このグレイデッド層１５はコレクタ層１４の一部として機能し、コレクタ層１４の抵抗を減少し、電荷キャリアがコレクタ層１４である量子井戸に注入されるのを容易にすることによって、コレクタ層１４である活性層以外での電荷キャリアの再結合を防止する。 ｎ−Ａｌ _0.5 Ｇａ
_0.5 Ａｓエミッタ層１６のｎ型不純物濃度は約５×１０
¹⁶ cm ^-3 、その膜厚は約１０ｎｍである。 ｎ ⁺ −ＧａＡｓ
層１７のｎ型不純物濃度は約５×１０ ¹⁸ cm ^-3である。

【００２０】このように構成される量子井戸型発光素子のエネルギーバンド図を図４にしめす。 この実施例においても、ゲート電極１８とコレクタ電極１９との間にバイアス電圧が印加されると、コレクタ層１４における量子井戸のエネルギー準位を変化させ、量子井戸からの発光波長を変調させる。

【００２１】

【発明の効果】本発明に係る量子井戸型発光素子によれば、少なくともゲート層、量子井戸型コレクタ層及びエミッタ層を有し、前記ゲート層、コレクタ層及びエミッタ層にそれぞれゲート電極、コレクタ電極及びエミッタ電極が形成され、かつ前記ゲート層とコレクタ層との間にバリア層が形成されているので、ゲート層とコレクタ層との間にバイアス電圧を印加することにより、シュタルク効果によって、コレクタ層である量子井戸のエネルギー準位を変化させ、量子井戸からの発光波長を変調させることができる。

【００２２】また、発光波長を変調させても、コレクタ−エミッタ電圧を固定することができるので、エミッタ電流は一定となり、高操作速度が可能となる。 さらに、
ゲート−コレクタ間には、逆方向バイアス又は低順方向バイアスのいづれかを印加するので、ゲート電流は非常に小さくなり、この量子井戸型発光素子を光通信系に用いた場合には、シュタルク効果によって、光信号を周波数変調することによって、低いインプット信号電流及び高操作速度を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る量子井戸型発光素子の発光波長の制御方法で用いる量子井戸型発光素子を示す要部の概略断面図である。

【図２】図１における量子井戸型発光素子のエネルギーバンド図である。

【図３】本発明に係る量子井戸型発光素子の発光波長の制御方法で用いる別の量子井戸型発光素子を示す要部の概略断面図である。

【図４】図３における量子井戸型発光素子のエネルギーバンド図である。 ある。

【図５】従来の量子井戸型発光素子を示す要部の概略断面図である。

【図６】図５における量子井戸型発光素子のエネルギーバンド図である。

【符号の説明】

２、１２ ゲート層 ３、１３ バリア層 ４、１４ コレクタ層 ５、１６ エミッタ層 ７、１８ ゲート電極 ８、１９ コレクタ電極 ９、２０ エミッタ電極