【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アハロノフ−ボーム効果（Ａｈａｒｏｎｏｖ−Ｂｏｈｍ効果、以下ＡＢ効果と略称する）による量子干渉を用いて励起子の吸収緩和時間すなわち寿命を制御する半導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速光スイッチング素子として、
量子井戸構造に光を照射することによって生成される励起子の光非線型性を用いた高速光半導体装置の研究が盛んに行われている。

【０００３】量子井戸構造においては、光励起キャリアの運動を２次元方向に制限できるため、室温においても励起子吸収を観測することができるが、生成された励起子が再結合緩和によって消滅するためにはナノ秒（ｎ
ｓ）オーダーの時間を要し、高速光スイッチング素子としては不充分である。 そのため、従来から、この励起子の吸収緩和時間を高速化するためのいくつかの方法が提案されている。

【０００４】図７は、従来の電子と正孔の再結合中心によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法の説明図であり、（Ａ）は点欠陥によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法、（Ｂ）は側壁の表面準位による電子と正孔の再結合によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法を示している。 この図において、２１はＧａＡｓ基板、２２
はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸、２３はイオン、２４は点欠陥、２５は多重量子井戸細線、２６は光、２７は励起子である。

【０００５】従来から知られていた、電子と正孔の再結合中心によって励起子吸収緩和時間を短縮する一つの方法としては、点欠陥によって電子と正孔を再結合させて励起子吸収緩和時間を短縮する方法がある。 この方法を図７（Ａ）によって説明すると、ＧａＡｓ基板２１の表面上にＧａＡｓの超薄膜層とＡｌＧａＡｓの超薄膜層を交互に成長してＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸２
２を形成する。

【０００６】そして、このＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸２２に、Ａｒ等の不活性なイオン２３を注入してＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸２２の中に点欠陥２４を形成する。 この点欠陥２４は、電子と正孔の再結合中心として作用し、励起子吸収緩和時間を短縮させる（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，４６，
７０１（１９８５）参照）。

【０００７】従来知られていた、電子と正孔の再結合中心によって励起子吸収緩和時間を短縮する他の方法としては、側壁の表面準位によって電子と正孔を再結合させて励起子吸収緩和時間を短縮する方法がある。 この方法を図７（Ｂ）によって説明すると、ＧａＡｓ基板２１の表面上にＧａＡｓの超薄膜層とＡｌＧａＡｓの超薄膜層を交互に成長してＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造を形成し、この多重量子井戸構造を、分離溝に相当する開口を有するエッチングマスクを用いて選択的にエッチングすることによって分割して複数のＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ多重量子井戸細線（または多重量子井戸箱）
２５を形成する。

【０００８】なお、励起子の発生を確保するため、Ｇａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸細線２５の大きさを、
２次元励起子のボーア半径よりも大きくする。 この例においては、エッチングによって形成された側壁には表面準位が形成され、この表面準位が励起子の電子と正孔の再結合中心として作用する。

【０００９】このＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸細線２５に光２６を入射すると励起子２７が形成されるが、この励起子２７が拡散によってＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ多重量子井戸細線２５の側壁まで移動すると、そこで側壁の表面準位によって電子と正孔が再結合し励起子は消滅する。 この方法によると、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ多重量子井戸細線２５またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
量子箱の寸法を選択することによって、励起子吸収緩和時間を調節することができる（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ． Ｌｅｔｔ． ，５９，１１１４（１９９１）参照）。

【００１０】図８は、従来の励起子の電子と正孔を除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法の説明図であり、（Ａ）は量子井戸層に生成された励起子の電子と正孔を障壁層をトンネリングさせて除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法、（Ｂ）
は電子親和力が小さくエネルギーギャップが大きいバリア層で形成された励起子を隣接する電子親和力が大きくエネルギーギャップが小さいバリア層に移送して除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法を示している。

【００１１】この図において、３１はＧａＡｓ基板、３
２はバリア層、３３は幅が狭い量子井戸層、３４は幅が広い量子井戸層、３５はバリア層、３６は量子井戸層、
３７は量子井戸層の幅が狭い多重量子井戸領域、３８は量子井戸層の幅が広い多重量子井戸領域、３９は励起子、４０は再結合中心である。

【００１２】従来の、励起子の電子と正孔を除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する一つの方法としては、幅が狭い（薄い）量子井戸層に生成された励起子の電子と正孔をその障壁層をトンネルさせて幅が広い（厚い）量子井戸層に移送して除去して励起子吸収緩和時間を短縮する方法がある。

【００１３】この方法においては、図８（Ａ）の上段に示されているように、ＧａＡｓ基板３１の上にバリア層３２を形成し、その上に幅が狭い（薄い）量子井戸層３
３を形成し、その上にバリア層３２を形成し、さらにその上に幅が広い（厚い）量子井戸層３４を形成するという工程を数回ないし数十回繰り返してＴＢＱ（Ｔｕｎｎ
ｅｌｉｎｇ Ｂｉ−Ｑｕａｍｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を形成する。 このようにして、バリア層３２を挟んで幅が狭い量子井戸層３３と幅が広い量子井戸層３４を交互に積層する。

【００１４】このＴＢＱの概略的なバンド構造は図８
（Ａ）の下段に示されているが、幅が狭い量子井戸層３
３内には高い量子準位が形成され、幅が広い量子井戸層３４内には低い量子準位が形成される。 このＴＢＱの幅が狭い量子井戸層３３内で光吸収によって励起子が生成されると、その励起子は図に示されているように高いエネルギーレベルを示し、幅が広い量子井戸層３４において、これらのエネルギーレベルに対応するレベルはより低エネルギー側に表れる。 したがって、幅が狭い量子井戸層３３内に生成された励起子の電子はバリア層３２をトンネルによって通過して幅が広い量子井戸層３４へ移送されて除去されるため、励起子吸収緩和時間が短縮される（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５
８，２３９３（１９９１）参照）。

【００１５】従来知られている、励起子の電子と正孔を除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する他の方法としては、電子親和力が小さくエネルギーギャップが大きいバリア層で形成された励起子を隣接する電子親和力が大きくエネルギーギャップが小さいバリア層に移送して除去して励起子吸収緩和時間を短縮する方法がある。

【００１６】この方法においては、図８（Ｂ）の上段に示されているように、電子親和力が小さくエネルギーギャップが大きい第１の半導体層によって形成されたバリア層３５と、電子親和力が大きくエネルギーギャップが小さい第２の半導体層によって形成された量子井戸層３
６を積層して多重量子井戸構造を形成しており、この多重量子井戸構造内に、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７と、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８を形成する。

【００１７】そして、この多重量子井戸構造においては、図８（Ｂ）の下段の概略的なバンド構造図に示されているように、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７は、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８よりも高い励起子エネルギーを有している。

【００１８】幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７では、励起子３９を形成する電子および正孔のエネルギーが高く、これと比較して、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８では電子および正孔のエネルギーが低い。

【００１９】したがって、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７に光を入射して量子井戸層３６内に励起子を形成すると、この励起子はバリア層３５によって行動を制限されるため、２次元的な行動を行う。 そして、形成された励起子３９が拡散して幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８との界面に到達すると、この幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８に引き出され、エネルギー段差の存在によって幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７には戻らなくなる。

【００２０】このように、量子井戸層３６中の励起子は、一般にエネルギーの低い方に移動する性質をもっているため、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７中に光の照射によって形成された励起子は、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８に移動する。 このように、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７から励起子は消滅し、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８における励起子吸収は緩和される。

【００２１】なお、この多重量子井戸構造において、幅が広い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３８内に、
励起子を積極的に再結合させるための再結合中心４０を形成し、幅が狭い量子井戸層を有する多重量子井戸領域３７から移動してくる電子と正孔をここで再結合させることもできる。

【００２２】また、ＴＢＱの動作を高速化することを目的として、量子井戸構造に電界を印加して電子や正孔を引き抜く方法が提案されており、この方法によっても、
励起子吸収緩和時間を短縮することができる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の光半導体装置においては、励起子吸収緩和時間を短縮する目的は達成されるが、その設計された構造によって励起子吸収緩和時間は一定値に決まり、その励起子吸収緩和時間を外部から調節することはできなかった。 前記のＴ
ＢＱに電界を印加する方法では、励起子吸収緩和時間を電界の大小によって、構造によって決まるＴＢＱ本来の緩和時間から、それよりも短い時間へと変化させることはできるが、励起子の生成を安定に維持したままで、励起子吸収緩和時間を微細に精度よく調節することはできなかった。

【００２４】本発明は、励起子吸収緩和時間すなわち光スイッチング時間を外部から精度よく制御し、多方面への応用が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体装置においては、基板表面上に第１の化合物半導体層を形成し、第１の化合物半導体層の上に第１の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第２の化合物半導体層を形成し、第２の化合物半導体層の上に第２の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが大きい第３の化合物半導体層を形成した量子井戸構造において、量子井戸の幅が基板の場所によって異なり、幅が狭い量子井戸と幅が広い量子井戸層が交互に存在し、その結果、電子波または正孔波のチャネル数が異なる量子井戸が交互に連結して形成され、光を照射する幅が狭い量子井戸の両側に電子波または正孔波の伝播を制御する電子波干渉計または正孔波干渉計を形成した構成を採用した。

【００２６】この場合、幅が狭い第１の量子井戸、幅が広い第２の量子井戸、幅が狭い第３の量子井戸、幅が広い第４の量子井戸、幅が狭い第５の量子井戸からなる５
つの量子井戸をこの順序で形成することができる。

【００２７】またこの場合、第１の量子井戸と第２の量子井戸の両側の障壁層には第１の導電型の不純物をドープし、また、第４の量子井戸と第５の量子井戸の両側の障壁層には第１の導電型とは逆の第２の導電型の不純物をドープして電子波干渉計あるいは正孔波干渉計を形成し、第３の量子井戸には不純物をドープしないでアンドープにすることができる。

【００２８】またこの場合、第１の量子井戸と第２の量子井戸と第３の量子井戸と第４の量子井戸と第５の量子井戸を、それらの中心線が互いに１８０°より小さい角度で屈曲するように連結し、その結果一方向から光を照射した場合に特定の量子井戸のみにこの光が高強度で入射されるようにすることができる。

【００２９】またこの場合、第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層の間、および、第２の化合物半導体層と第３の化合物半導体層の間の双方または一方に第２
の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが大きいアンドープの化合物半導体層を形成してこの近傍のエネルギーバンド構造を調節することができる。

【００３０】またこの場合、障壁層に第１の導電型の不純物がドープされた第１の量子井戸を有する傾斜面と、
障壁層に第２の導電型の不純物がドープされた第５の量子井戸を有する傾斜面にバイアス電圧を印加するための電極を形成し、また、障壁層に第１の導電型の不純物がドープされた第２の量子井戸を有する平坦面の第３の化合物半導体層の上と、障壁層に第２の導電型の不純物がドープされた第４の量子井戸を有する平坦面の第３の化合物半導体層の上にゲート電極を形成することができる。

【００３１】そしてまた、本発明にかかる半導体装置の製造方法においては、第１の量子井戸を形成する傾斜面と、第２の量子井戸を形成する平坦面と、第３の量子井戸を形成する傾斜面と、第４の量子井戸を形成する平坦面と、第５の量子井戸を形成する傾斜面をこの順で交互に連続して有する段差基板上に、各量子井戸の障壁層の一方となる第１の化合物半導体層を成長する工程と、第１の化合物半導体層の、第１の量子井戸と、第２の量子井戸の障壁層の一方となる部分に第１の不純物をドープする工程と、第１の化合物半導体層の、第４の量子井戸と、第５の量子井戸の障壁層の一方となる部分に第１導電型とは逆の第２の不純物をドープする工程と、前記のように不純物をドープした第１の化合物半導体層の上に、第１の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第２の化合物半導体層を形成する工程と、第２の化合物半導体層の上に、第２の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが大きい第３の化合物半導体層を形成する工程と、該第３の化合物半導体層の、第１の量子井戸と、第２の量子井戸の障壁層の他方となる部分に第１
の不純物をドープする工程と、第３の化合物半導体層の、第４の量子井戸と、第５の量子井戸の障壁層の他方となる部分に第２の不純物をドープする工程を採用した。

【００３２】この場合、第１導電型の不純物および第２
導電型の不純物を集束イオンビーム（ＦＩＢ）注入法により注入し、ｐ型の不純物としてＢｅ ⁺⁺イオンを用い、
ｎ型の不純物としてＳｉ ⁺イオンを用いることができる。

【００３３】またこの場合、第１の化合物半導体層を成長する工程と第２の化合物半導体層を成長する工程の間、および、第２の化合物半導体層を成長する工程と第３の化合物半導体層を形成する工程の間の両方またはその一方に、第２の化合物半導体層よりもエネルギーギャップが大きいアンドープの化合物半導体層を形成する工程を加えることができる。

【００３４】

【作用】本発明の半導体装置においては、光照射による励起子は主に幅が狭い（薄い）第３の量子井戸に生成される。 そして、平坦面に形成される第２の量子井戸と第４の量子井戸は、傾斜面に形成されている第３の量子井戸よりも厚くなるため、第３の量子井戸の幅は第２の量子井戸および第４の量子井戸の幅より狭くなり、その結果、第３の量子井戸の量子準位は第２の量子井戸あるいは第４の量子井戸の量子準位より高くなる。 したがって、第３の量子井戸に生成された励起子は第２の量子井戸と第４の量子井戸に移動する。

【００３５】この際、第１の量子井戸領域および第５の量子井戸領域には電極が形成され、正および負のバイアス電圧が印加されているために、励起子は電子と正孔に分かれ、電子は電子波として正電位の電極に向かい、正孔は正孔波として負電位の電極に向かって移動するが、
本発明においては、この電子波と正孔波が正電位あるいは負電位の電極に向かって移動する量を外部から制御して、励起子吸収緩和時間を制御する点が最大の特徴である。

【００３６】このように、電子波と正孔波が正電位あるいは負電位の電極に向かって移動する量を制御する手段として、本発明の発明者が先に提案した半導体装置（特願平４−１３４８２２号明細書参照）の原理を用いた電子波干渉計と正孔波干渉計を用いる。 ここで、この電子波干渉計の概要を説明する。

【００３７】図９は、電子波干渉計の原理説明図であり、（Ａ）はその構成、（Ｂ）はそのＸＸ'線におけるバンドエネルギー図、（Ｃ）はそのＹＹ'線におけるバンドエネルギー図である。 この図において、４１は段差基板、４１ａ，４１ｃは傾斜面、４１ｂは平坦面、４２
は第１の半導体層、４３は第２の半導体層、４４は第３
の半導体層、４５はソース領域、４６はドレイン領域、
４７はソース電極、４８はドレイン電極、４９はゲート電極、５０，５１はｎ ⁺型不純物領域、Ｅ _cは伝導帯の下端、Ｅ _fはフェルミ準位、Ｅ ₀ ，Ｅ ₁は電子の二次元サブバンド、Ｄ ₁ ，Ｄ ₂ ，Ｄ ₃は電子の確率密度分布である。

【００３８】この電子波干渉計においては、傾斜面４１
ａと平坦面４１ｂを有する段差基板４１の上に、第１の半導体層４２を成長し、この第１の半導体層４２の平坦部に集束イオンビーム法によりＳｉイオンを注入してｎ
⁺型不純物領域５０を形成し、再び、第１の半導体層４
２よりもエネルギーギャップが小さい第２の半導体層４
３と第２の半導体層４３よりエネルギーギャップが大きい第３の半導体層４４を順次成長し、この第３の半導体層４４の平坦部の底部に集束イオンビーム法によりＳｉ
イオンを注入してｎ ⁺型不純物領域５１を形成し、第３
の半導体層４４の両端にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着して、第３の半導体層４４と第２の半導体層４３と第１の半導体層４２と合金化して、ソース領域４５とドレイン領域４
６を形成し、このソース領域４５とドレイン領域４６にソース電極４７とドレイン電極４８を形成し、第３の半導体層４４の平坦部の上にゲート電極４９を形成して構成されている。

【００３９】この電子波干渉計においては、傾斜面のＸ
Ｘ'線におけるエネルギーバンドは、第２の半導体層４
３が薄いために、図９（Ｂ）に示されているように、第２の半導体層４３の全面にわたって電子の二次元サブバンドＥ ₀がフェルミ準位Ｅ _fの下に形成され、電子の存在確率密度分布Ｄ ₁は第２の半導体層４３の中央に集中する。

【００４０】また、ゲート電極４９の下の平坦面のＹ
Ｙ'線におけるエネルギーバンドは、第２の半導体層４
３が厚く、また、その上下の第１の半導体層４２にｎ ⁺
型不純物領域５０が形成され、第３の半導体層４４にｎ
⁺型不純物領域５１が形成されているために、図９
（Ｃ）に示されているように、エネルギーバンドの曲がりが急峻になり、第２の半導体層４３の第１の半導体層４２の側の界面近傍と、第３の半導体層４４の側の界面近傍の２か所において電子の二次元サブバンドＥ ₀ ，Ｅ
₁がフェルミ準位Ｅ _fの下に形成され、第２の半導体層４３の第１の半導体層４２側の界面近傍と、第３の半導体層４４側の界面近傍の２か所に局在した電子の確率密度分布Ｄ ₂ ，Ｄ ₃を有することになる。

【００４１】したがって、ソース電極４７とドレイン電極４８によって第２の半導体層４３を通して電流を流すと、電子波は第２の半導体層４３の傾斜面においては１
つのチャネルを通って伝播され、平坦面においては上下２つのチャネルを通って伝播されることになる。

【００４２】そして、第２の半導体層４３の平坦面の上に形成されたゲート電極４９に電圧を印加すると、このゲート電極４９からの距離の差によって、第２の半導体層４３を上下のチャネルに分かれて流れる電子波の位相に影響を与えるから、この電子波が傾斜面で合流する際に干渉を生じ、ゲート電極４９に印加する電圧によってドレイン電極４８に到達する電子波強度、すなわち、出力電流を制御することができる。

【００４３】上記の説明は、電子波干渉計に関するものであるが、第２の半導体層４３を上下から挟んでいる第１の半導体層４２と第３の半導体層４４のｎ ⁺型不純物領域５０とｎ ⁺型不純物領域５１をｐ ⁺型に代え、ゲート電極４９の極性を逆にすることによって正孔波干渉計を形成することができる。 また、先に本発明の発明者が提案した他の形式の量子干渉トランジスタによっても、
本発明の半導体装置において用いる電子波干渉計、正孔波干渉計を形成することができる。

【００４４】図１０は、電子波干渉計または正孔波干渉計のゲート電圧と励起子吸収緩和時間の関係図である。
この図の横軸は電子波干渉計または正孔波干渉計のゲート電圧（任意等間隔スケール）であり、縦軸は本発明の半導体装置の励起子吸収緩和時間（対数任意スケール）
である。

【００４５】この図に示されているように、本発明の半導体装置において、第１の量子井戸と第２の量子井戸で構成される正孔波干渉計、および、第４の量子井戸と第５の量子井戸で構成される電子波干渉計のゲート電圧を変えることによって励起子吸収緩和時間を周期的に変えることができる。

【００４６】このように、本発明の半導体装置によると、励起子を生成する第３の量子井戸とソース電極、ドレイン電極の間に電子波干渉計および正孔波干渉計を形成したため、この電子波干渉計および正孔波干渉計のゲート電極に印加する電圧によってソース電極やドレイン電極に到達できる電子波強度、すなわち電子の量や正孔波強度すなわち正孔の量を調節することによって、励起子吸収緩和時間、すなわち光スイッチング時間を広い範囲で精度よく制御することができ、光スイッチ装置の設計の自由度を高くすることができ、励起子吸収緩和時間の広範な制御を積極的に用いることによってニューロコンピュータ等の高機能情報処理装置の実用化に寄与することが期待される。

【００４７】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 （第１実施例）図１は、第１実施例の半導体装置の構成説明図である。 この図において、１はＧａＡｓ基板、
２，２ａは（１００）面、４は（１１１）面、５はＡｌ
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層、５ａはＡｌＡｓ層、５ｂ
はＡｌＧａＡｓ層、６はＡｌＧａＡｓ層、６ａ，８ａは第１の量子井戸の障壁層となる部分、６ｂ，８ｂは第２
の量子井戸の障壁層となる部分、６ｃ，８ｃは第３の量子井戸の障壁層となる部分、６ｄ，８ｄは第４の量子井戸の障壁層となる部分、６ｅ，８ｅは第５の量子井戸の障壁層となる部分、７はＧａＡｓ層、８はＡｌＧａＡｓ
層、９はＧａＡｓ層、９ａは第１の量子井戸の上部、９
ｂは第２の量子井戸の上部、９ｄは第４の量子井戸の上部、９ｅは第５の量子井戸の上部、１０ａはＡｕＧｅ／
Ａｕからなるソース電極、１０ｅはＡｕＧｅ／Ａｕからなるドレイン電極、１０ｂ，１０ｄはゲート電極である。 なお、この符号は、図２〜図６の符号と一致させたため一部に欠番がある。 この構成説明図によって、この実施例の半導体装置の構成を説明する。

【００４８】（１００）面２を有するＧａＡｓ基板１の表面に、（１００）面２，２ａと約５５°の角度をもつ（１１１）面４を有する段差を形成し、その上に、低屈折率層である例えば厚さが約６６．５ｎｍのＡｌＡｓ層５ａと、高屈折率層である例えば厚さが約６７．８ｎｍ
のＡｌＧａＡｓ層５ｂとを交互に成長させた所定波長の光に対して高い反射率を有する誘電体反射膜であるＡｌ
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層５を形成し、その上に、厚さが５０ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ層６を成長し、このＡ
ｌＧａＡｓ層６の第１の量子井戸の障壁層となる部分６
ａと第２の量子井戸の障壁層となる部分６ｂにライン状にＢｅ ⁺⁺を注入して高濃度のｐ ⁺型領域を形成し、第４
の量子井戸の障壁層となる部分６ｄと第５の量子井戸の障壁層となる部分６ｅにライン状にＳｉ ⁺を注入して高濃度のｎ ⁺型領域を形成し、その上に、ＧａＡｓ層７を平坦部で２５ｎｍ程度になるように成長する。 このとき、傾斜部では平坦部分の６５％程度の厚さになるため、１６ｎｍ程度成長する。

【００４９】さらにその上に、厚さ５０ｎｍ程度のＡｌ
ＧａＡｓ層８を成長し、第１の量子井戸の障壁層となる部分８ａと第２の量子井戸の障壁層となる部分８ｂにライン状にＢｅ ⁺⁺を注入して高濃度のｐ ⁺型不純物領域を形成し、第４の量子井戸の障壁層となる部分８ｄと第５
の量子井戸の障壁層となる部分８ｅにライン状にＳｉ ⁺
を注入して高濃度のｎ ⁺型不純物領域を形成する。

【００５０】そしてさらにその上に、ＧａＡｓ層９を成長し、第１の量子井戸の上部９ａと、第５の量子井戸の上部９ｅに、第１の量子井戸と、第５の量子井戸の間にバイアス電圧を印加するためのオーミックコンタクト用のＡｕＧｅ／Ａｕからなるソース電極１０ａとドレイン電極１０ｅを形成し、第２の量子井戸の上部９ｂと第４
の量子井戸の上部９ｄに、Ａｌを蒸着してゲート電極１
０ｂおよび１０ｄを形成する。

【００５１】この半導体装置において、傾斜面に形成されている第３の量子井戸にほぼ垂直に光を入射する。 このとき、第１の量子井戸と第５の量子井戸の表面と入射光の入射方向とは、ほぼ平行になるために、第１の量子井戸と第５の量子井戸への入射光量はほとんどゼロである。

【００５２】第２の量子井戸と第４の量子井戸の表面と入射光の入射方向とは鋭角であるために、第２の量子井戸と第４の量子井戸への入射光量は僅少である。 したがって、この半導体装置においては、特に、入射光を第３
の量子井戸のみに入射させるための集光手段や遮光手段を設ける必要がない。

【００５３】先ず、この半導体装置の第３の量子井戸の量子井戸層であるＧａＡｓ層７に光パルスを照射して励起子を生成する。 この励起子を構成する正孔は負電位が印加されているソース電極１０ａの方向に移送され、電子は正電位が印加されているドレイン電極１０ｅの方向に移送されるため消滅するが、励起子が生成されてから消滅するまでの時間が、ゲート電極１０ｂおよび１０ｄ
に印加される電圧によって異なる。

【００５４】次の光パルスを入射するとき励起子が存在すると、この光によって励起子が生成されずエネルギーを消費しないため、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層によって反射される。 次の光パルスを入射するとき励起子が存在していないか、あるいは先の光の入射によって励起子が生成されても既に消滅している場合は、この入射光によって励起子が生成されるためにエネルギーを消費し、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層によって反射される光は存在しなくなる。

【００５５】この半導体装置の入射光に対する反射光の有無を、光信号の２つの状態に対応させることによって、光スイッチング、光演算素子を構成することができ、しかも、この励起子の吸収緩和時間を外部からゲート電極に印加する電圧によって制御することができるため、前記のように設計の自由度を高め、またこの励起子の吸収緩和時間の制御性を積極的に用いることによって多機能の情報処理を実行することができる。

【００５６】以上説明した半導体装置は、入射光がＡｌ
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層によって反射される現象を利用するものであったが、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層を用いないで、入射光が第３の量子井戸を透過するか透過しないかの２つの状態によって演算等の情報処理を行うこともできる。

【００５７】（第２実施例）図２、図３、図４、図５
は、第２実施例の半導体装置の製造工程説明図であり、
（Ａ）〜（Ｈ）は各工程を示している。 この図において、１はＧａＡｓ基板、２，２ａは（１００）面、３はレジストパターン、４は（１１１）面、５はＡｌＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓミラー層、５ａはＡｌＡｓ層、５ｂはＡｌ
ＧａＡｓ層、６はＡｌＧａＡｓ層、６ａ，８ａは第１の量子井戸の障壁層となる部分、６ｂ，８ｂは第２の量子井戸の障壁層となる部分、６ｃ，８ｃは第３の量子井戸の障壁層となる部分、６ｄ，８ｄは第４の量子井戸の障壁層となる部分、６ｅ，８ｅは第５の量子井戸の障壁層となる部分、７はＧａＡｓ層、８はＡｌＧａＡｓ層、９
はＧａＡｓ層、９ａは第１の量子井戸の上部、９ｂは第２の量子井戸の上部、９ｄは第４の量子井戸の上部、９
ｅは第５の量子井戸の上部、１０ａ，１０ｅはＡｕＧｅ
／Ａｕからなる電極、１０ｂ，１０ｄはゲート電極である。 この工程説明図によって、第２実施例の半導体装置の製造方法を説明する。

【００５８】第１工程（図２（Ａ）参照） （１００）面２を有するＧａＡｓ基板１の表面に、光露光によりラインアンドスペースのレジストパターン３を形成する。

【００５９】第２工程（図２（Ｂ）参照） レジストパターン３をエッチングマスクにしてＧａＡｓ
基板１を燐酸（Ｈ ₃ ＰＯ ₄ ）：過酸化水素（Ｈ ₂ Ｏ ₂ ）
＝１：１０のエッチング液によって、１１℃でウェットエッチングを行う。 このエッチング工程によって、（１
１１）面４が現れ、順メサ状に形成される。 このとき（１１１）面４はエッチングされた後の（１００）面２
ａに対して約５５°の角度をもつ。 その後、レジストパターン３を除去する。

【００６０】第３工程（図３（Ｃ）参照） この図３（Ｃ）から後は、５つの量子井戸を形成する部分のみに着目して図示されている。 第１工程から第３工程までの工程によって（１００）面と（１１１）面が５
つ連続する段差が形成されたＧａＡｓ基板１の上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等を用いて、低屈折率層であるＡｌＡｓ層５ａと、高屈折率層であるＡｌＧａＡ
ｓ層５ｂとを交互に成長して、高屈折率層と低屈折率層の積層構造による誘電体反射膜を形成する。

【００６１】このＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層５
は、所定波長の光に対して高い反射率を有する。 ＡｌＧ
ａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層５内の、低屈折率層であるＡ
ｌＡｓ層の厚さは例えば約６６．５ｎｍであり、高屈折率層であるＡｌＧａＡｓ層の厚さは例えば約６７．８ｎ
ｍである。 ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層５の上にＡ
ｌＧａＡｓ層６を５０ｎｍ程度成長する。 ここで一旦成長を中断する。

【００６２】第４工程（図３（Ｄ）参照） 成長を中断した後、このＧａＡｓ基板１を超高真空中で集束イオンビーム注入装置に移動し、ＡｌＧａＡｓ層６
のうち、第１の量子井戸の障壁層となる部分６ａと第２
の量子井戸の障壁層となる部分６ｂに、Ｂｅ集束イオンビームを用いてライン状にＢｅ ⁺⁺を注入して高濃度のｐ
⁺型領域を形成する。 このとき、第１の量子井戸の障壁層となる部分６ａでのｐ型ドーピング量が１×１０ ¹⁸ ｃ
ｍ ^-3程度、第２の量子井戸の障壁層となる６ｂでのｐ型ドーピング量が１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3程度になるようにドーズ量と注入時間を調整する。

【００６３】次いで、ＡｌＧａＡｓ層６のうち、第４の量子井戸の障壁層となる部分６ｄと第５の量子井戸の障壁層となる部分６ｅに、Ｓｉ集束イオンビームを用いてライン状にＳｉ ⁺を注入して高濃度のｎ ⁺型領域を形成する。 このとき、第５の量子井戸の障壁層となる部分６
ｅでのｎ型不純物量が１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3程度、第４の量子井戸の障壁層となる部分６ｄでのｎ型ドーピング量が１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3程度になるように、ドーズ量と注入時間を調整する。 なお、第３の量子井戸の障壁層となる部分６ｃには不純物を注入しない。

【００６４】第５工程（図４（Ｅ）参照） その後、再び、このＧａＡｓ基板１を超高真空中で成長室に戻し、ＭＢＥ法を用いてＧａＡｓ層７を平坦部で２
５ｎｍ程度成長する。 このとき、傾斜部では平坦部分の６５％程度の厚さになるため、１６ｎｍ程度成長することになる。 さらにその上に、厚さ５０ｎｍ程度のＡｌＧ
ａＡｓ層８を成長する。 ここでまた成長を中断し、Ｇａ
Ａｓ基板１を超高真空中で集束イオンビーム注入装置に移動する。

【００６５】第６工程（図４（Ｆ）参照） 次いで、ＡｌＧａＡｓ層８のうち、第１の量子井戸の障壁層となる部分８ａと第２の量子井戸の障壁層となる部分８ｂに、Ｂｅ集束イオンビームを用いてライン状にＢ
ｅ ⁺⁺を注入して高濃度のｐ ⁺型不純物領域を形成する。
このとき、第１の量子井戸の障壁層となる部分８ａでのｐ型ドーピング量が１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3程度、第２の量子井戸の障壁層となる部分８ｂでのｐ型ドーピング量が１
×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3程度になるようにドーズ量と注入時間を調整する。

【００６６】次いで、ＡｌＧａＡｓ層８のうち、第４の量子井戸の障壁層となる部分８ｄと第５の量子井戸の障壁層となる部分８ｅに、Ｓｉ集束イオンビームを用いてライン状にＳｉ ⁺を注入して高濃度のｎ ⁺型不純物領域を形成する。 このとき、第５の量子井戸の障壁層となる部分８ｅでのｎ型不純物量が１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3程度、第４の量子井戸の障壁層となる部分８ｄでのｎ型ドーピング量が１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3程度になるように、ドーズ量と注入時間を調整する。 なお、第３の量子井戸の障壁層となる部分８ｃには不純物を注入しない。

【００６７】第７工程（図５（Ｇ）参照） その後、このＧａＡｓ基板１を超高真空中で成長室に戻し、ＭＢＥ法を用いて前工程において形成したＡｌＧａ
Ａｓ層８の上にＧａＡｓ層９を成長する。

【００６８】第８工程（図５（Ｈ）参照） その後、ＧａＡｓ層９のうち、第１の量子井戸の上部９
ａと、第５の量子井戸の上部９ｅに、第１の量子井戸と、第５の量子井戸の間にバイアス電圧を印加するためのオーミックコンタクト用のＡｕＧｅ／Ａｕからなる電極１０ａと１０ｅを形成する。

【００６９】これらのＡｕＧｅ／Ａｕからなる電極１０
ａ，１０ｅの形成方法としては、まず、ＧａＡｓ層９のうち第１の量子井戸となる９ａと第５の量子井戸となる９ｅの上にＡｕＧｅを２０ｎｍ程度、さらにＡｕを３０
０ｎｍ程度蒸着した後に、４５０℃の温度に１分間程度加熱して合金化し、ＧａＡｓ層７に達するアロイ領域を形成することにより、第１の量子井戸と第５の量子井戸にそれぞれオーミック電極を形成する。

【００７０】また、ＧａＡｓ層９のうち、第２の量子井戸の上部９ｂと第４の量子井戸の上部９ｄには、Ａｌを蒸着してゲート電極１０ｂおよび１０ｄを形成する。

【００７１】（第３実施例）図６は、第３実施例の半導体装置の構成説明図である。 この図における符号は、１
１，１２がノンドープＡｌＧａＡｓ層であるほかは図１
において同符号を付して説明したものと同様である。 この実施例の半導体装置は、ＡｌＧａＡｓ層６とＧａＡｓ
層７の間にノンドープＡｌＧａＡｓ層１１を挿入し、Ｇ
ａＡｓ層７とＡｌＧａＡｓ層８の間にノンドープＡｌＧ
ａＡｓ層１２を挿入した点が第１実施例の半導体装置と異なるだけで他の構成は同じである。

【００７２】この場合、ＡｌＧａＡｓ層６の第１の量子井戸の障壁層となる部分６ａと第２の量子井戸の障壁層となる部分６ｂにライン状にＢｅ ⁺⁺を注入して高濃度のｐ ⁺型領域を形成し、第４の量子井戸の障壁層となる部分６ｄと第５の量子井戸の障壁層となる部分６ｅにライン状にＳｉ ⁺を注入して高濃度のｎ ⁺型領域を形成した後に、ノンドープＡｌＧａＡｓ層１１を厚さ１０ｎｍ程度成長し、その上にＧａＡｓ層７を成長する。

【００７３】また、ノンドープＡｌＧａＡｓ層１２については、ＧａＡｓ層７を成長した後、ＡｌＧａＡｓ層を６０ｎｍ程度成長し、イオン注入の際に５０ｎｍ程度の深さまでイオンが入るようにし、イオンが到達しなかった残りの１０ｎｍ程度をノンドープＡｌＧａＡｓ層１２
を残すことによって形成する。

【００７４】この実施例において、ＡｌＧａＡｓ層６とＧａＡｓ層７の間にノンドープＡｌＧａＡｓ層１１を挿入し、ＧａＡｓ層７とＡｌＧａＡｓ層８の間にノンドープＡｌＧａＡｓ層１２を挿入することによって、電子波干渉計および正孔波干渉計となる部分のエネルギーバンド構造を調整することができる。

【００７５】この実施例においては、ノンドープＡｌＧ
ａＡｓ層１１とノンドープＡｌＧａＡｓ層１２を挿入した例を説明したが、この層を挿入する目的が電子波干渉計および正孔波干渉計となる部分のエネルギーバンド構造を調整することであるから、調整するエネルギーバンド構造によっては、ノンドープＡｌＧａＡｓ層１１とノンドープＡｌＧａＡｓ層１２の一つを省略することもあり得る。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると電子波および正孔波の量子干渉効果を利用することにより、励起子吸収緩和時間、光スイッチング時間の広い範囲の精密な制御を可能にし、その結果、光スイッチング時間を一つの半導体装置において変化させることが可能になり、ニューロコンピュータ等多方面への応用技術分野において寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体装置の構成説明図である。

【図２】第２実施例の半導体装置の製造工程説明図（１）であり、（Ａ），（Ｂ）は各工程を示している。

【図３】第２実施例の半導体装置の製造工程説明図（２）であり、（Ｃ），（Ｄ）は各工程を示している。

【図４】第２実施例の半導体装置の製造工程説明図（３）であり、（Ｅ），（Ｆ）は各工程を示している。

【図５】第２実施例の半導体装置の製造工程説明図（４）であり、（Ｇ），（Ｈ）は各工程を示している。

【図６】第３実施例の半導体装置の構成説明図である。

【図７】従来の電子と正孔の再結合中心によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法の説明図であり、（Ａ）は点欠陥によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法、
（Ｂ）は側壁の表面準位による電子と正孔の再結合によって励起子吸収緩和時間を短縮する方法を示している。

【図８】従来の励起子の電子と正孔を除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法の説明図であり、（Ａ）は量子井戸層に生成された励起子の電子と正孔を障壁層をトンネリングさせて除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法、（Ｂ）は電子親和力が小さくエネルギーギャップが大きいバリア層で形成された励起子を隣接する電子親和力が大きくエネルギーギャップが小さいバリア層に移送して除去することによって励起子吸収緩和時間を短縮する方法を示している。

【図９】電子波干渉計の原理説明図であり、（Ａ）はその構成、（Ｂ）はそのＸＸ'線におけるバンドエネルギー図、（Ｃ）はそのＹＹ'線におけるバンドエネルギー図である。

【図１０】電子波干渉計または正孔波干渉計のゲート電圧と励起子吸収緩和時間の関係図である。

【符号の説明】

１ ＧａＡｓ基板 ２，２ａ （１００）面 ３ レジストパターン ４ （１１１）面 ５ ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー層 ５ａ ＡｌＡｓ層 ５ｂ ＡｌＧａＡｓ層 ６ ＡｌＧａＡｓ層 ６ａ，８ａ 第１の量子井戸の障壁層となる部分 ６ｂ，８ｂ 第２の量子井戸の障壁層となる部分 ６ｃ，８ｃ 第３の量子井戸の障壁層となる部分 ６ｄ，８ｄ 第４の量子井戸の障壁層となる部分 ６ｅ，８ｅ 第５の量子井戸の障壁層となる部分 ７ ＧａＡｓ層 ８ ＡｌＧａＡｓ層 ９ ＧａＡｓ層 ９ａ 第１の量子井戸の上部 ９ｂ 第２の量子井戸の上部 ９ｄ 第４の量子井戸の上部 ９ｅ 第５の量子井戸の上部 １０ａ ＡｕＧｅ／Ａｕからなるソース電極 １０ｅ ＡｕＧｅ／Ａｕからなるドレイン電極 １０ｂ，１０ｄ ゲート電極 １１，１２ ノンドープＡｌＧａＡｓ層