(57)【要約】【課題】既に達した速度を潜在的に越えることさえできる極めて高速で動作できるバイポーラトランジスタとその方法を提供することである。【解決手段】バイポーラトランジスタから制御可能な光放射を生成する方法及び素子が開示されている。また、以下の工程、つまりエミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタを提供し、電気信号とエミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するためにベース領域を適合させ、それによりベース領域のキャリア再結合寿命を削減する工程を含むバイポーラトランジスタの速度を増大させる方法も開示されている。【選択図】図１
2007503710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気入力信号を受信する入力ポート、前記入力信号により変調された電気信号を出力する電気出力ポート、及び前記入力信号により変調された光信号を出力する光出力ポートを有する素子において、
前記素子がコレクタ、ベース及びエミッタ領域を含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子を含み、
前記入力ポートが前記ベース領域と結合する電極を含み、前記電気出力ポートが前記コレクタ及びエミッタ領域と結合する電極を含み、及び前記光出力ポートが前記ベース領域との光結合を含むことを特徴とする素子。
【請求項２】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子が直接バンドギャップ半導体材料の領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
直接バンドギャップ半導体材料のコレクタ、ベース及びエミッタを含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造と、
前記トランジスタ構造の少なくとも一部分を取り囲む光共振空洞と、
前記トランジスタ構造からレーザ放射を引き起こすために電気信号と前記コレクタ、ベース及びエミッタ領域を結合する手段を含むことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
前記へテロジャンクショントランジスタの少なくとも一部分が層形状であり、及び前記光共振空洞が、前記構造の前記少なくとも一部分の層平面に対して横方向の空洞であることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項５】
前記へテロジャンクショントランジスタ構造の少なくとも一部分が層形状であり、及び前記光共振空洞が、前記構造の前記少なくとも一部分の層平面に対して縦方向の空洞であることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項６】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造が、ＩｎＰ基盤の素子を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項７】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造が、ＧａＡｓ基盤の素子を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項８】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造が、ＧａＮ基盤の素子を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザ。
【請求項９】
直接バンドギャップ半導体材料のコレクタ、ベース及びエミッタを含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造と、
前記ベース領域に配置される少なくとも１つの量子井戸と、
前記ベース領域における放射性再結合により前記素子から光放射を引き起こすために、電気信号と前記コレクタ、ベース及びエミッタ領域を結合する手段を含むことを特徴とする、制御可能な光放射を生成する半導体素子。
【請求項１０】
前記トランジスタ構造の少なくとも一部分を取り囲む光共振空洞を更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
前記電気信号を結合する手段が、コレクタ−エミッタ電圧を印加し、及び印加されたベース電流を用いて光出力を変調する手段を含むことを特徴とする、請求項９又は請求項１０に記載の素子。
【請求項１２】
直接バンドギャップ半導体材料のコレクタ、ベース及びエミッタ領域を含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子のアレイと、
前記素子のベース領域における放射性再結合により光放射を引き起こすために、電気信号を、前記素子の前記コレクタ、ベース及びエミッタ領域と結合される端子全域に印加する手段を含むことを特徴とするディスプレイ。
【請求項１３】
前記信号を印加する手段が、前記素子のベース電流を制御する信号を印加することにより前記アレイの個々の素子の光出力を変調することを含むことを特徴とする、請求項１２に記載のディスプレイ。
【請求項１４】
コレクタ、ベース及びエミッタ領域を含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子を提供し、
前記ベース領域における放射性再結合により光放射を引き起こすために、電気信号を、前記コレクタ、ベース及びエミッタ領域と結合される端子全域に印加し、及び
前記ベース領域から放射される光との光結合を提供する工程を含むことを特徴とする光電子工学方法。
【請求項１５】
前記電気信号を印加する工程が、コレクタ−エミッタ電圧を印加することと変調ベース電流を印加することにより光出力を変調することを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子を提供する工程が、直接バンドギャップ材料で形成される素子を提供することを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子を提供する工程が、間接バンドギャップ材料で形成される素子を提供することを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記光放射を引き起こすために電気信号を印加する工程が、印加されたベース電流に実質上比例する光放射を生成するベース電流を印加することを含むことを特徴とする、請求項１４から請求項１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタのベース領域に少なくとも１つの量子井戸層を提供することを含むことを特徴とする、請求項１４から請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタのベース領域に少なくとも１つの量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項１４から請求項１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
エミッタ、ベース及びコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するために前記ベース領域を適合させ、それにより前記ベース領域におけるキャリア再結合寿命を削減する工程を含むことを特徴とする、バイポーラトランジスタの速度を増大させる方法。
【請求項２２】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域内で、量子サイズ効果を示す層を提供することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子ドットの層を提供することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ベース領域に複数の量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、前記ベース領域の材料のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する材料の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項２３又は請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞内に配置することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞内に配置することを含むことを特徴とする、請求項２２又は請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を横方向の光空洞に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を縦方向の光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を、光学的放射が一部透過する反射器を含む光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を、完全に反射する光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項３５】
エミッタ領域とコレクタ領域の間に重くドープされたベース領域を有する間接バンドギャップ半導体材料のヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース及びコレクタ領域を結合させる電極を提供し、及び
自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するために前記ベース領域を適合させ、それにより前記ベース領域のキャリア再結合寿命を削減する工程を含むことを特徴とする、前記へテロジャンクションバイポーラトランジスタの速度を増大させる方法。
【請求項３６】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域内に、量子サイズ効果を示す層を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子ドット層を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記ベース領域に複数の量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、前記ベース領域の材料のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する材料の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７又は請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項３６又は請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を横方向の光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を縦方向の光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記ベース領域を適合させる工程が、光学的放射が一部透過する反射器を含む光空洞に前記ベース領域を配置することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
前記ベース領域を適合させる工程が、完全に反射する光空洞内に前記ベース領域を配置することを含むことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項４９】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタに、重くドープされたｐ型ＩｎＰベース領域のドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項５０】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタに、重くドープされたｐ型ＩｎＧａＡｓＰベース領域のドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項５１】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタに、重くドープされたｐ型ＩｎＰベース領域のドープされていないＧａＡｓＳｂ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項５２】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタに、重くドープされたｐ型ＧａＡｓＳｂベース領域のドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項５３】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＧａＡｓトランジスタに、重くドープされたｐ型ＧａＡｓベース領域のドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項５４】
コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を有するヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
前記ベース領域の少なくとも１つの量子井戸と、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項５５】
前記少なくとも１つの量子井戸が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有することを特徴とする、請求項５４に記載の素子。
【請求項５６】
前記ベース領域の前記少なくとも１つの量子井戸が、前記ベース領域に、間隔をあけた複数の量子井戸を含むことを特徴とする、請求項５４に記載の素子。
【請求項５７】
前記複数の量子井戸が、それぞれおよそ１００オングストローム以下の厚さを有することを特徴とする、請求項５６に記載の素子。
【請求項５８】
前記ベース領域の周りに光空洞を更に含むことを特徴とする、請求項５４に記載の素子。
【請求項５９】
コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を有するヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
前記ベース領域の周りの光空洞を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項６０】
コレクタ領域とエミッタ領域間に重くドープされたベース領域を有する間接バンドギャップ半導体材料のヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するために前記ベース領域を適合させ、それにより前記ベース領域のキャリア再結合寿命を削減する手段を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項６１】
コレクタ領域とエミッタ領域の間にベース領域を有するバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
前記ベース領域に複数の間隔をあけた量子サイズ領域を含み、前記複数の量子サイズ領域の少なくともいくつかが異なる厚さを有することを特徴とする半導体素子。
【請求項６２】
前記量子サイズ領域が量子井戸であることを特徴とする、請求項６１に記載の素子。
【請求項６３】
前記量子サイズ領域が量子ドット領域であることを特徴とする、請求項６１に記載の素子。
【請求項６４】
前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子井戸であり、及び前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子ドット領域であることを特徴とする、請求項６１に記載の素子。
【請求項６５】
前記バイポーラトランジスタがヘテロジャンクションバイポーラトランジスタであることを特徴とする、請求項６１に記載の素子。
【請求項６６】
異なる厚さを有する前記複数の量子サイズ領域の前記少なくともいくつかが、少なくとも１０オングストロームごとに厚さが異なることを特徴とする、請求項６１に記載の素子。
【請求項６７】
異なる厚さを有する前記複数の量子井戸の前記少なくともいくつかが、少なくとも１０オングストロームごとに厚さが異なることを特徴とする、請求項６２に記載の素子。
【請求項６８】
前記複数の量子サイズ領域が、前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子サイズ領域と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子サイズ領域を含み、及び前記第１の量子サイズ領域が前記第２の量子サイズ領域より厚いことを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
【請求項６９】
前記複数の量子井戸が、前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子井戸と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子井戸を含み、及び前記第１の量子井戸が前記第２の量子井戸より厚いことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
【請求項７０】
前記第１の量子サイズ領域が、前記第２の量子サイズ領域より少なくとも１０オングストローム厚いことを特徴とする、請求項６８に記載の素子。
【請求項７１】
前記第１の量子井戸が、前記第２の量子井戸より少なくとも１０オングストローム厚いことを特徴とする、請求項６８に記載の素子。
【請求項７２】
前記ベース領域がｐ型半導体であることを特徴とする、請求項７０又は請求項７１に記載の素子。
【請求項７３】
前記ベース領域が大いにドープされたｐ型の間接バンドギャップ半導体であり、及び前記量子サイズ領域が、前記ベース領域の材料より広いバンドギャップ材料製であることを特徴とする、請求項７０に記載の素子。
【請求項７４】
前記ベース領域が大いにドープされたｐ型の間接バンドギャップ半導体であり、及び前記量子井戸が前記ベース領域の材料より広いバンドギャップ材料製であることを特徴とする、請求項７１に記載の素子。
【請求項７５】
前記量子サイズ領域が実質上ドープされないことを特徴とする、請求項７３に記載の素子。
【請求項７６】
前記量子井戸が実質上ドープされないことを特徴とする、請求項７４に記載の素子。
【請求項７７】
エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
前記ベース領域に、前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子サイズ領域と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子サイズ領域を提供することにより前記エミッタ領域から前記コレクタ領域へのキャリア輸送を促進するために前記ベース領域を適合させる工程を含み、及び前記第１の量子サイズ領域が前記第２の量子サイズ領域より厚いことを特徴とする、バイポーラ光放射トランジスタの動作を向上させる方法。
【請求項７８】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項７７に記載の方法。
【請求項８０】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子井戸と量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項７７に記載の方法。
【請求項８１】
前記バイポーラ光放射トランジスタを提供する工程が、ヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタを提供することを含むことを特徴とする、請求項７７に記載の方法。
【請求項８２】
エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラ光放射トランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
前記ベース領域に、厚さの異なるいくつかの間隔をあけた量子サイズ領域を提供することにより前記エミッタ領域からコレクタ領域へのキャリア輸送を促進するために前記ベース領域を適合させる工程を含み、及び
前記量子サイズ領域の厚さが、前記コレクタ付近の最も厚いものから前記エミッタ付近の最も薄いものまで格付けられることを特徴とする、バイポーラ光放射トランジスタの動作を向上させる方法。
【請求項８３】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８５】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、少なくとも１つの量子井戸と少なくとも１つの量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８６】
前記バイポーラ光放射トランジスタを提供する工程が、ヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタを提供することを含むことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８７】
コレクタ領域とエミッタ領域の間にベース領域を有するヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
前記ベース領域の複数の間隔をあけた量子サイズ領域を含み、前記複数の量子サイズ領域の少なくともいくつかが異なる厚さを有することを特徴とする、半導体光放射素子。
【請求項８８】
前記量子サイズ領域が量子井戸であることを特徴とする、請求項８７に記載の素子。
【請求項８９】
前記量子サイズ領域が量子ドット領域であることを特徴とする、請求項８７に記載の素子。
【請求項９０】
前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子井戸であり、及び前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子ドット領域であることを特徴とする、請求項８７に記載の素子。
【請求項９１】
前記異なる厚さを有する複数の量子サイズ領域の前記少なくともいくつかが、少なくとも１０オングストロームごとに厚さが異なることを特徴とする、請求項８７に記載の素子。
【請求項９２】
前記複数の量子サイズ領域が、前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子サイズ領域と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子サイズ領域を含み、及び前記第１の量子サイズ領域が前記第２の量子サイズ領域より厚いことを特徴とする、請求項８７に記載の方法。
【請求項９３】
前記第１の量子サイズ領域が、前記第２の量子サイズ領域より少なくとも１０オングストローム厚いことを特徴とする、請求項９２に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速の半導体素子と方法に関し、及び更に制御された光放射を生成し、及び同時に電気信号増幅ができる半導体素子と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これに関する背景の一部は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体といった直接バンドギャップ半導体に基づいた光発射の発達にある。光放出ダイオード及びレーザダイオードを含むこうした素子は、広く商業的に利用されている。
【０００３】
これに関する背景の別の一部は、ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）として知られる素子の高い少数キャリア注入効率を達成するための広いバンドギャップ半導体の発達にあり、それは１９４８年に最初に提案された（例えば、米国特許２，５６９，３７６を参照のこと；さらにはＨ．ＫｒｏｅｍｅｒによるＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｏｆ  Ｔｈｅ  ＩＲＥ、４５、１５３５−１５４４（１９５７年）の「Ｔｈｅｏｒｙ  Ｏｆ  Ａ  Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｆｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」を参照のこと）。これらのトランジスタ素子は、非常に高速で動作できる。ＩｎＰ  ＨＢＴは５００ＧＨｚ以上の速度での動作を示すことが最近明らかにされた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、既に達した速度を潜在的に越えることさえできる極めて高速で動作できるバイポーラトランジスタ素子とその方法を提供することである。さらに本発明の目的は、制御された光放射を生成する素子及び方法を提供すること及び光出力及び電気出力の同時制御ができる素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの側面は、ベース層からの光放射を示す直接バンドギャップへテロジャンクショントランジスタを含む。ベース電流の変調は、変調された光放射を生成する。ここで使用されるように、「光」は可視域内の又はその外側の光学的放射を意味する。
【０００６】
本発明の更なる側面は、光放射ＨＢＴの３つのポートの動作を含む。自然光放射及び電気信号出力は両方ともＨＢＴのベースに印加される信号により変調される。
【０００７】
本発明の別の側面は、トランジスタの速度を高めるために、バイポーラトランジスタ（例えばバイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）又はヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ））のベース層で役立つ誘導放射を取り入れることを含む。自然放射性再結合寿命は、バイポーラトランジスタ速度の本質的限界である。本発明の形状では、バイポーラトランジスタのベース層が、自然放射の不利益に対して誘導放射（又は誘導再結合）を強化するために適合され、それにより再結合寿命を削減し及びトランジスタ速度を増大させる。本発明のこの側面の形状では、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層、つまり好ましくはドープされていない又は軽くドープされた好ましくは量子井戸又は量子ドットの層が、バイポーラトランジスタのベース層に提供される。好ましくは、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層を含むベース層の少なくとも一部が大いにドープされ、及び前記少なくとも１つの層より広いバンドギャップ材料製である。少なくとも１つの量子井戸、又は量子ドットの層は、大いにドープされた材料の高いギャップ内で、誘導再結合を強化し及び放射性再結合寿命を削減する。二次元電子ガス（「２−ＤＥＧ」）は量子井戸又は量子ドット層のキャリア濃度を高め、それによりベース領域の可動性が改良される。ベース抵抗の改良により、ベース輸送時間の削減に付随してベース厚の削減が可能となる。速度におけるこれらの利点は、光放射が利用される高速バイポーラトランジスタで、及び／又は光放射が利用されない高速バイポーラトランジスタに適用できる。例えば間接バンドギャップ材料のヘテロジャンクションバイポーラトランジスタといった光放射バイポーラトランジスタ素子では、量子サイズ効果を示す１つ又はそれ以上の層の使用は、光放射を強化する及び素子の放射波長特性をカスタマイズする上でも有利である。
【０００８】
これに関する１つの好ましい実施形態では、量子サイズ効果を示す量子井戸層及び／又は量子ドット層は、好ましくはおよそ１００オングストローム以下の厚さを有する。
【０００９】
本発明の１つの実施形態によると、方法は、半導体素子から制御可能な光放射を生成するために、以下の工程、つまりコレクタ、ベース、及びエミッタ領域を含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供すること、及びベース領域の放射性再結合による光放射を引き起こすためにコレクタ、ベース、及びエミッタ領域と結合される端子全域の電気信号を印加することを含むと説明される。本実施形態の形状では、電気信号を印加する工程は、コレクタ−エミッタ電圧を印加する及び変調ベース電流を印加することにより光出力を変調することを含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態によると、素子は、電気入力信号を受信する入力ポート、入力信号により変調される電気信号を出力する電気出力ポート、及び入力信号により変調される光信号を出力する光出力ポートを有すると説明され、その素子はコレクタ、ベース、及びエミッタ領域を含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ素子を含み、入力ポートはベース領域と結合される電極を含み、電気出力ポートはコレクタ領域とエミッタ領域に結合される電極を含み、及び光出力ポートはベース領域との光結合を含む。
【００１１】
本発明の更なる実施形態によると、半導体レーザは、直接バンドギャップ材料のコレクタ、ベース、及びエミッタを含むヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ構造、トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞、及びトランジスタ構造からレーザ放射を引き起こすために電気信号とコレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段を含むと説明される。
【００１２】
本発明の別の実施形態によると、方法は、バイポーラトランジスタの速度を増大させるために、以下の工程、つまりエミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタを提供し、電気信号とエミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するためにベース領域を適合させ、それによりベース領域のキャリア再結合寿命を削減する工程を含むことであると説明される。本実施形態の形状では、自然放射の不利益に対する誘導放射を強化するためにベース領域を適合させる工程は、ベース領域において、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層、つまり好ましくはドープされていない又は軽くドープされた、好ましくは量子井戸及び／又は量子ドットの層を提供することを含む。
【００１３】
本発明の１つの側面によると、異なる厚さを有する複数の間隔をあけた量子サイズ領域（例えば量子井戸及び／又は量子ドット）がバイポーラトランジスタのベース領域に提供され及びベース領域を一定方向に通ってキャリア輸送を有利に進めるために使用される。例として、ベース領域には厚さの異なるいくつかの間隔をあけた量子サイズ領域が提供され、その量子サイズ領域の厚さはコレクタ付近の最も厚いものからエミッタ付近の最も薄いものまで格付けされる。注入電子は小さい井戸に捕捉され、次に大きい井戸にトンネルを掘り、そしてその後次に大きいトンネルを掘るなどを、コレクタに最も近い最大井戸で、最大井戸の最も下方状態へトンネルを掘る及び緩和するまで行い、そして再結合する。井戸の配置により、エミッタからコレクタへの一定方向のキャリア輸送が促進される。最大再結合及び最大光度はコレクタにできるだけ近い最大井戸から生じ、それは例えば光空洞などの理由で有利な位置にある。キャリアは、エネルギーの「下方」へ、つまりより厚い井戸に向かって拡散する。井戸のサイズが非対称であることにより、キャリア輸送の方向性と速度が改良される。光放射ＨＢＴのような実施形態では、光放射及び素子速度が両方とも向上する。
【００１４】
本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面と連動して取り上げられると以下の詳細な記述から更に容易に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態による素子を示し、及びそれは本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる。基板１０５が提供され、及び以下の層、つまりサブコレクタ１１０、コレクタ１３０、ベース１４０、エミッタ１５０、及びキャップ層１６０がその上に配置される。また、コレクタメタライゼーション（すなわち電極）１１５、ベースメタライゼーション１４５、及びエミッタメタライゼーション１６５も示されている。コレクタリード１１７、ベースリード１４７、及びエミッタリード１６７も示されている。本実施形態の形では、層はＭＯＣＶＤにより成長し、及びコレクタ層１３０は３０００オングストローム厚のｎ型ＧａＡｓ、ｎ＝２×１０１６ｃｍ−３を含み、ベース層１４０は６００オングストローム厚のｐ＋のカーボンでドープされ混合がグレードされたＩｎＧａＡｓ（１．４％Ｉｎ）、ｐ＝４．５×１０１９ｃｍ−３を含み、エミッタ層１５０は８００オングストローム厚のｎ型ＩｎＧａＰ、ｎ＝５×１０１７ｃｍ−３を含み、及びキャップ層は１０００オングストローム厚のｎ＋ＩｎＧａＡｓ、ｎ＝３×１０１９ｃｍ−３を含む。
【００１６】
本実施形態は、ｅビームで画定されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕエミッタコンタクト（１６５）、自己整列したエミッタエッチング処理、自己整列したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕベース金属堆積、ベース−コレクタエッチング処理、及びコレクタ金属堆積を含む製造工程手順を採用する。ビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基盤のエッチバック工程は、「バックエンド」製造のために（つまり、電極及びトランジスタの先端部の接触形成をするために）取り入れられる。
【００１７】
従来のＰＮ接合ダイオード動作に対して、再結合工程はｎ側から注入される電子とｐ側から注入される正孔の両方に基づき、それらは二分子再結合工程において、速度が制限されうる。ＨＢＴ光放射の場合、ベースの「正孔」濃度が非常に高いので、電子がベースに注入されるとき、電子は素早く（二分子）再結合する。ベース電流は、単に電荷不均衡を中和するために緩和を介して正孔を再供給する。ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に対して、ベース電流は７つの構成要素に分類できる。つまり、（１）エミッタ領域への正孔注入（ｉＢｐ）、（２）露出した外部ベース領域の表面再結合電流（ｉＢｓｕｒｆ）、（３）ベースオームコンタクト再結合電流（ｉＢｃｏｎｔ）、（４）空間電荷再結合電流（ｉＢｓｃｒ）、（５）ホール・ショックリー・リード工程（ＨＳＲ）によるバルクベース非放射性再結合電流（ｉＢＨＳＲ）、（６）バルクベース・オージェ（Auger）再結合電流（ｉＢＡｕｇ）、及び（７）バルクベース放射性再結合電流（ｉＢｒａｄ）である。
【００１８】
露出したベース領域上に棚状の突起の不動態化を伴う比較的効率的なＨＢＴに対して、表面再結合電流は著しく削減される。従って、ベース電流と再結合寿命は、主としてバルクＨＳＲ再結合、オージェ工程、及び放射性再結合として見積もられる。以下の方程式（１）で表されるベース電流は、
ｉＢ＝ｉＢＨＳＲ＋ｉＢＡＵＧ＋ｉＢｒａｄ＝ｑＡＥΔｎ／τｎ                （１）
として、中立ベース領域における過剰少数キャリアΔｎ、エミッタ領域ＡＥ、電荷ｑ及びベース再結合寿命τｎと関連している。全体的なベース再結合寿命τｎは、
τｎ＝（１／τＨＳＲ＋１／τＡＵＧ＋１／τｒａｄ）−１        （２）
として、ホール・ショックリー・リードτＨＳＲ、オージェτＡＵＧ、及び放射性再結合τｒａｄの個々の再結合構成要素と関連している。
【００１９】
ベース内の光放射強度ΔＩはｉＢｒａｄに比例し、及び下記の方程式（３）に示される中立ベース領域における固有のキャリア濃度を越えた多数正孔を伴う少数キャリア電子（ｎｐ−ｎｉ２）及び放射性再結合処理率Ｂに関連し、その際正孔濃度はベースドーパント濃度ＮＢに等しいと概算される。方程式（３）で表される放射性ベース電流は、
ｉＢｒａｄ＝ｑＡＥＢ（ｎｐ−ｎｉ２）＝ｑＡＥＢｎｐ＝ｑＡＥΔｎ（ＢＮＢ）＝ｑＡＥΔｎ／τｒａｄ                                            （３）
として、中立ベース領域内の過剰少数キャリアΔｎ、及びベース再結合寿命τｒａｄと関連している。
【００２０】
高速ＨＢＴに対して、ベース再結合寿命が全体の応答遅延時間の半分未満であることを予測することは容易である。従って、ベースにおける光学的再結合工程は、ＨＢＴの速度の少なくとも２倍の速さであるべきである。言い換えると、ＨＢＴ速度は極めて速く、そして制限されている。
【００２１】
図２は、素子レイアウトの上面図を示し、及び図３は、トランジスタの通常動作下で、ベース層からの光放射（白点）を伴う１×１６μｍ２で製造されたＨＢＴテスト素子のシリコンＣＣＤ顕微鏡からの図を示している。
【００２２】
通常のトランジスタ動作において、トランジスタの３つの端子のうちの１つが入力回路及び出力回路の両方に共通である。これにより、共通エミッタ（ＣＥ）、共通ベース（ＣＢ）、及び共通コレクタ（ＣＣ）として知られるおなじみの構造がもたらされる。共通端子（しばしば接地基準）は、残りの２つの端子の１つ又は別の１つと組むことができる。それぞれの対はポートと呼ばれ、及び任意の構造に対する２つの対は、２ポートネットワークと呼ばれる。２つのポートは通常入力ポート及び出力ポートとして識別される。図４に示されるこれに関する特徴によると、３番目のポート、つまり光出力ポートが提供され、及びそれは本発明の実施形態によるＨＢＴ光エミッタのベース層からの（再結合−放射線）放射に基づく。例えば共通エミッタ構造（図４を参照のこと）で動作する図１のＨＢＴに対して、電気信号が入力ポート（ポート１）に印加されるとき、ポート２で信号増幅を伴う電気出力が、及びポート３で光放射の信号変調を伴う光出力が同時に生じる。
【００２３】
図１、図２の素子のテスト版の共通エミッタ出力特性が図５に示されている。ＤＣベータゲインは、ｉｂ＝１ｍＡでβ＝１７である。ｉｂ＝０ｍＡ（ｉｃ＝０ｍＡ）に対して、シリコンＣＣＤ検知器を使用して光放射は観察されない。ｉｂ＝１ｍＡ（ｉｃ＝１７．３ｍＡ）に対して、弱い光放射がベース層から観察される。ｉｂ＝２ｍＡ（ｉｃ＝３３ｍＡ）に対して、より強い光放射が観察され、及びｉｂ＝４ｍＡ（ｉｃ＝５７ｍＡ）に対してはさらに強い光放射が観察される。トランジスタ動作におけるＨＢＴのベースの放射性再結合による自然発生的光放射ははっきりそれと分かる。
【００２４】
出力光変調テストが本実施形態に対して行われた。パターン発生器（テクトロニクス社の関数発生器）は、１Ｖのpeak-to-peak振幅を伴うＡＣ信号を生成する。バイアスティは、このＡＣ信号とＤＣ供給からの１．１ＶのＤＣバイアス電圧を結合する。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ  ＨＢＴターンオン電圧は、ＶＢＥ＝１．５Ｖである。ＨＢＴトランジスタの放射領域（ベース領域の空地）は、１μｍ×２μｍ未満である。小さい開口部からの光（大抵のＨＢＴの光はこのテストでは分かりにくい）は、２５μｍのコア径を持つマルチモード繊維探触子に結合される。光は２０ｄＢの線形増幅器を伴うＳｉ  ＡＰＤ検知器に送り込まれる。サンプリング・オシロスコープは入力変調信号と出力光信号の両方を表示する。光放射波長は、混合がグレードされたＩｎＧａＡｓベース（１．４％Ｉｎ）のためにおよそ８８５ｎｍである。図６は、ＨＢＴが１ＭＨｚ（図６Ａ）で変調されるとき及びさらに１００ＫＨｚ（図６Ｂ）で変調されるときの入力（下方トレース）基準及び出力（上方トレース）光波形を示している。出力信号は、１ＭＨｚのときに３７５μＶのpeak-to-peak振幅を有し、及び１００ＫＨｚのときに４００μＶのpeak-to-peak振幅を有する。これらのデータは、出力光信号が入力信号にトラックすることを示し、ＨＢＴがトランジスタ速度で動作する光放射トランジスタ（ＬＥＴ）であることをはっきりと示している。
【００２５】
ベース電流の関数として光放射強度ΔＩｏｕｔに正比例する出力peak-to-peak振幅Ｖｐｐが、図７に示されている。非線形動作はベータ圧縮によるものであるが、それは加熱及び素子形状が光放射（及び横方向のバイアス効果）に対して依然最適化されていないという事実のためである。それにもかかわらず、これらの測定、つまりΔＩｏｕｔ（光強度）対Δｉｂ（ｉｂ＝０ｍＡから５ｍＡ）により、３端子の制御可能な光源としてのＨＢＴが実証される。
【００２６】
当然のことながら、別の構造及び材料システムが、例として、ＧａＡｓ及びＧａＮ基盤のＨＢＴｓ、又は別の直接バンドギャップ材料システムを含み、使用できる。
【００２７】
ＧａＡｓＳｂは、（図８の下方に示されるように）ベース−コレクタ（又はエミッタ）接合点でのさらに有利なタイプＩＩバンドギャップ構成（正孔は密封され、電子は密封されていない）のために、ＩｎＰ  ＨＢＴｓのベースに対するＩｎＧａＡｓの代替案として提案される。（図８の下方に示されるように）タイプＩＩのＩｎＰ基盤のＨＢＴｓは大きい価電子帯の不連続を有するので、エミッタで優れた正孔遮断が存在する（Ｒ．Ｂｈａｔ、Ｗ．−Ｐ．Ｈｏｎｇ、Ｃ．Ｃａｎｅａｕ、Ｍ．Ａ．Ｋｏｚａ、Ｃ．−Ｋ．Ｎｇｕｙｅｎ、及びＳ．ＧｏｓｗａｍｉによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．の６８，６９５（１９９５）、Ｔ．ＭｃＤｅｒｍｏｔｔ、Ｅ．Ｒ．Ｇｅｒｔｎｅｒ、Ｓ．Ｐｉｔｔｍａｎ、Ｃ．Ｗ．Ｓｅａｂｕｒｙ、及びＭ．Ｆ．ＣｈａｎｇによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．の５８，１３８６（１９９６）を参照のこと）。全ＩｎＰコレクタのために、タイプＩＩのＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ  ＤＨＢＴｓ（ダブルＨＢＴｓ）はタイプＩのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ  ＤＨＢＴｓよりよい熱特性とそれより高い破壊電圧を有することが期待される。ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ  ＤＨＢＴｓは、３００ＧＨｚを越える遮断周波数に到達することが報告されている（Ｄｖｏｒａｋ、Ｃ．Ｒ．Ｂｏｌｏｇｎｅｓｉ、Ｏ．Ｊ．Ｐｉｔｔｓ、及びＳ．Ｐ．ＷａｔｋｉｎｓによるＩＥＥＥのＥｌｅｃ．Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．２２，３６１（２００１）を参照のこと）。図８はタイプＩＩのＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰダブルへテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）の帯域ダイアグラムを示しており、その物理的構造と動作は、上述の図１から図４のそれと似ている。この例では、光放射トランジスタが、通常のトランジスタ動作（コレクタが逆バイアス）で再結合−放射線信号を生成する３０ｎｍのｐ型ＧａＡｓＳｂベースを有する。
【００２８】
タイプＩＩのＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ  ＤＨＢＴは１２０×１２０μｍ２のエミッタ領域と電流ゲインβ＝３８で製造される。通常のトランジスタバイアス下では、光放射が、４ｅ１９ｃｍ−３でカーボンドープされた３０ｎｍのＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９のベース領域からλｐｅａｋ＝１６００ｎｍで中心となる波長で得られる。この例では、（ゲルマニウムＰＩＮ検知器の帯域により制限される）１０ｋＨｚでの信号変調を伴う増幅した電気出力及び光出力を同時に用いたタイプＩＩのＨＢＬＥＴ３ポート動作が示される。
【００２９】
本例の層構造は、半絶縁性の鉄ドープされたＩｎＰ基板上でＭＯＣＶＤにより成長する。ＨＢＬＥＴは、３×ｅ１６ｃｍ−３でＳｉドープされた１５０ｎｍのＩｎＰコレクタ、４ｅ１９ｃｍ−３でＣドープされた３０ｎｍのＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９ベース、５×１０１７ｃｍ−３でＳｉドープされた２０ｎｍのＩｎＰ、及び４０ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタコンタクトキャップ、ｎ＝２×１０１９ｃｍ−３を含む。ＤＨＢＴ素子は標準メサ工程を使用して製造される。図８に示されるように、タイプＩＩの光放射ＩｎＰ（ｎ）／ＧａＡｓＳｂ（ｐ＋）／ＩｎＰ（ｎ）ダブルへテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）のエネルギー帯域ダイアグラムは、モデル・ソリッド理論（Ｖ．ｄｅ  ＷａｌｌｅによるＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ３９，１８７１（１９８９））を使用して計算された。ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９ベース層に対するエネルギーギャップは、ＩｎＰコレクタ（又はエミッタ）とＧａＡｓＳｂベース間の伝導帯不連続ΔＥｖ＝０．１５ｅＶ及び価電子帯不連続ΔＥｖ＝０．５７ｅＶを伴う０．７２ｅＶである。図８のエネルギー帯域ダイアグラムは、ＤＨＢＴが、Ｖｅｂ＝０．７Ｖで順方向バイアスをかけられるエミッタ−ベース接合点及びＶｅｃ＝１．２Ｖで逆バイアスをかけられるエミッタ−コレクタ接合点を伴い、通常のトランジスタモード動作において共通エミッタ（Ｃ−Ｅ）構造であることを示している。
【００３０】
１２０×１２０μｍ２のエミッタ領域を伴う記載されたタイプＩＩトランジスタの共通エミッタ出力特性、つまりコレクタ電流対コレクタ−エミッタ電圧（Ｉ−Ｖ）曲線が図９に示されている。ｄｃベータゲイン（β＝Δｉｃ／Δｉｂ）は、ｉｂ＝１ｍＡでβ＝５であり、ｉｂ＝３ｍＡでβ＝１６、ｉｂ＝５ｍＡでβ＝３８と増大する。トランジスタの測定されたガンメル（Gummel）プロットから、低いベース電流に対する理想的係数はおよそ１．９であり、それはベース−エミッタ空間電荷領域（ＳＣＲ）内の相当数のトラップを表す。高いベース電流に対する理想的係数は１．３であり、一旦ＳＣＲトラップがいっぱいになるとすぐに、更なる表面再結合を示す。小さい３０×３０μｍ２のエミッタＤＨＢＴに対して、ｄｃベータゲイン（β＝Δｉｃ／Δｉｂ）は、ｉｂ＝１ｍＡのときβ＝２５（大きい）である、というのは、ＳＣＲトラップの数がＤＨＢＴのエミッタ領域に比例するからである。１２０×１２０μｍ２のＨＢＴに対しては、電流ゲイン遮断周波数ｆｔが８００ＭＨｚで測定される。電力ゲイン遮断周波数ｆｍａｘは３００ＭＨｚである。０．８×８μｍ２のより小さいエミッタを伴う同一の層構造に対して、ＨＢＴ遮断周波数はｆｔ＝１８１ＧＨｚ及びｆｍａｘ＝１５２ＧＨｚである。
【００３１】
ベース電流は、表面再結合のために、１２０×１２０μｍ２といった大きいエミッタ領域のタイプＩＩのＤＨＢＴに対しては比較的小さい。そのため、ベース電流は主に、エミッタ−ベース空間電荷領域における非放射性ホール・ショックリー・リード（ＨＳＲ）再結合及びベース中立領域における放射性再結合として見積もられる。ＨＢＴのベース領域における放射工程に対して、光放射強度ΔＩは、放射性再結合ｉＢｒａｄを供給するベース電流の構成要素に比例し、それは中立ベース領域における過剰（注入された）少数キャリアΔｎ、電荷ｑ、エミッタ領域ＡＥに比例し、及び放射性再結合寿命τｒａｄに反比例する。共通エミッタ（Ｃ−Ｅ）タイプＩＩのＤＨＢＴ光放射に対して、ベース正孔濃度が非常に高いのでベースに注入される電子がすばやく（二分子的に）再結合する。ベース電流は、電荷不均衡を中和するために緩和を介して正孔を再供給するだけにすぎない。
【００３２】
ＨＢＬＥＴ光放射を検知するために、５×１０９Ｖ／Ｗの非常に高い応答力を持つ超高感度ゲルマニウムＰＩＮ検知器（Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のモデルＥ１−Ｌ）が使用された。図１０は、ベース電流の関数としての光放射強度（再結合放射）のほぼ直線の関係を示している。ＨＢＴとして動作する素子の光放射波長は、λｐｅａｋ＝１６００ｎｍ付近に中心があり、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘの帯間再結合遷移と一致する。格子整合された（ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９）のギャップ（Ｅｇ＝０．７２ｅＶ、λｐｅａｋ＝１７２２ｎｍ）から短い波長方向へのピーク光放射の移動は、ＩｎＰ格子定数に整合しない合金によるものとされる。広がった光放射は、主にＧａＡｓＳｂベース層の合金散乱のため１４５０ｎｍから１７５０ｎｍ伸びる。
【００３３】
１０ｋＨｚでＡＣ入力信号を生成するパターン発生器は、光出力変調のテストのために使用された。１２０×１２０μｍ２のＤＨＢＴ再結合放射は、ＪＦＥＴ前置増幅器と一体化したゲルマニウムＰＩＮ検知器に送り込まれた。その結合は、５×１０９Ｖ／Ｗの非常に高い応答力を有するが、もちろん測定を制限する（１０ｋＨｚ）１ｍｓから２ｍｓの遅い応答である。図１１は、４つのチャネル・サンプリング・オシロスコープからのトレースを示し、及び３つのポートの動作を図示している。一番上のトレース（ａ）は、１０ｋＨｚで変調された入力信号（ポート１）及び２番目のトレース（ｂ）はＩＢ＝２ｍＡ及びＶＣＥ＝２Ｖでバイアスされた（共通エミッタ）ＤＨＢＴを伴う出力電圧（ポート２）である。３番目のトレース（ｃ）は、１０ｋＨｚで変調された光出力信号（ポート３）を示している。これらのデータは、ＧａＡｓＳｂ合金ベース領域を伴い、共通エミッタ構造でバイアスされるタイプＩＩのＤＨＢＴの３つのポートの動作を示している。
【００３４】
図１２は、光の収集と方向性を高める反射カップ８２０と連動する３端子の光放射ＨＢＴ８１０の使用を示している。
【００３５】
図１３は、横方向のゲインが案内するレーザとして動作する、９２０で表される横方向の空洞内の３端子光放射ＨＢＴ９１０を示している。横方向の空洞は、例えば光放射領域上又はその近くの開裂された縁により画定される。
【００３６】
本発明の１つの側面は、トランジスタの速度を高めるために、バイポーラトランジスタ（例えば、バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）又はヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ））のベース層に利益をもたらす誘導放射を採用することを含む。自然放射再結合寿命は、バイポーラトランジスタ速度の本質的限界である。本発明の形状では、バイポーラトランジスタのベース層は、自然放射の損失に対して誘導放射（又は誘導再結合）を強化するために適合され、それにより再結合寿命が削減され及びトランジスタ速度が増大する。本発明の本側面の形では、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層、つまり好ましくはドープされない又は軽くドープされた、好ましくは量子井戸又は量子ドットの層が、バイポーラトランジスタのベース層に提供される。好ましくは、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層を含むベース層の少なくとも一部が大いにドープされ、及び前記少なくとも１つの層よりも広いバンドギャップ材料製である。少なくとも１つの量子井戸、又は量子ドットの層は、大いにドープされた材料の高いギャップ内で、誘導再結合を強化し及び放射性再結合寿命を削減する。二次元電子ガス（「２−ＤＥＧ」）は量子井戸又は量子ドット層のキャリア濃度を高め、それによりベース領域の移動性が改良される。ベース抵抗の改良により、ベース厚の削減が可能となり、付随してベース輸送時間が削減される。速度におけるこれらの利点は、光放射が利用される高速のバイポーラトランジスタで適用可能である、及び／又は光放射が利用されない高速のバイポーラトランジスタで適用可能である。例えば間接バンドギャップ材料のヘテロジャンクションバイポーラトランジスタといった光放射バイポーラトランジスタ素子において、量子サイズ効果を示す１つ又はそれ以上の層の使用は、光放射を強化する及び素子の放射波長特性をカスタマイズするのにも有益である。いくつかの実施形態では、ドープされた又は大いにドープされた量子サイズ領域もまた利用される。
【００３７】
図１４Ａは、図１の素子（又は他の実施形態）のベース領域１４０の１つ又はそれ以上の量子井戸１４１、１４２の使用を示し、これらの量子井戸は、改良された素子速度、変調特性に対する再結合工程を強化するために、及び／又は素子のスペクトル特性を調整するために動作する。本発明のこの形式の１つの好ましい実施形態では、量子井戸（及び／又はドット−下方参照のこと）は周囲のベース層（１４０）材料より低いバンドギャップ製であり及びドープされていない又は軽くドープされている（例えばおよそ１０１６ｃｍ−３以下）。周囲のベース層（１４０）材料は、大いにドープされる（例えば、ｐ型に対して少なくともおよそ１０１８ｃｍ−３又はｎ型に対して少なくともおよそ１０１７ｃｍ−３で均一ドープされる又はデルタドープされる）。１つの好ましい実施形態では、量子井戸（又はドット）層は、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する。
【００３８】
ここの他の場所に示されるように、反射器を伴う空洞が、光放射ＨＢＴの制御されたレーザ動作を得るために横方向（例えば図１３）又は縦方向（例えば図２７及び図２８）に利用できる。上述のように、誘導放射を強化することにより、再結合寿命が削減され、動作速度が増大する。必要に応じて、反射器（例えば図１３の反射器９２０、又は図２７及び図２８の反射層）は、（図１３の右側の反射器９２０の場合のように、部分的に反射する代わりに）完全に反射でき、反射器を通じて出力放射を取り除き及び誘導放射を強化するために利用できる反射放射を最大限にする。
【００３９】
図１４Ｂは、図１の素子（又は別の実施形態）のベース領域１４０の量子ドット１４３、１４４の１つ又はそれ以上の領域の使用を示し、これらの量子ドット領域は、改良された素子速度、変調特性に対する再結合工程を強化するために、及び／又は素子のスペクトル特性を調整するために動作する。
【００４０】
大いにドープされたｐ＋ベース内の軽くドープされた又はドープされていない量子井戸を伴う構造及び材料システムの例が図１５から図２２に示されている。図１５では、図１の領域及びメタライゼーションに対するのと同様の参照番号を有する領域及びメタライゼーションは、通常、量子井戸層である領域１４１を除いた構造に対応する。タイプＩのＩｎＰダブルへテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）の例は、以下の構成要素
１０５：半絶縁性ＩｎＰ基板
１１０：ｎ＋ＩｎＧａＡｓサブコレクタ
１１５：コレクタメタライゼーション
１３０：ｎ−ＩｎＰコレクタ
１４０：ｐ＋ＩｎＰベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓ  ＱＷ
１４７：ベースメタライゼーション
１５０：ｎ  ＩｎＰエミッタ
１６０：ｎ＋ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ
１６５：エミッタメタライゼーション
を有する。
この構造の例に対する帯域ダイアグラムは、ＶＢＥ＝．７Ｖ及びＶＢＣ＝．５Ｖでバイアスされ、図１６に示される。このタイプＩ構造（ＤＨＢＴ又はＳＨＢＴ）上の変形の例は、以下の構成要素
１３０：ｎ  ＩｎＧａＡｓＰコレクタ
１４０：ｐ＋ＩｎＧａＡｓＰベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓのＱＷ
１５０：ｎ  ＩｎＰエミッタ
を含む。
【００４１】
タイプＩＩのＩｎＰ  ＤＨＢＴの例は、以下の構成要素
１０５：半絶縁性のＩｎＰ基板
１１０：ｎ＋ＩｎＧａＡｓサブコレクタ
１１５：コレクタメタライゼーション
１３０：ｎ−ＩｎＰコレクタ
１４０：ｐ＋ＩｎＰベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓ  ＱＷ
１４７：ベースメタライゼーション
１５０：ｎ  ＩｎＰエミッタ
１６０：ｎ＋ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ
１６５：エミッタメタライゼーション
を有する。
この構造の例に対する帯域ダイアグラムは、ＶＢＥ＝．７Ｖ及びＶＢＣ＝．５Ｖでバイアスされ、図１７に示される。このタイプＩＩ構造（ＤＨＢＴ又はＳＨＢＴ）上の変形の例は、以下の構成要素
１３０：ｎ  ＩｎＰコレクタ
１４０：ｐ＋ＧａＡｓＳｂベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓ  ＱＷ
１５０：ｎ  ＩｎＰエミッタ
を含む。
この構造の例に対する帯域ダイアグラムは、ＶＢＥ＝．７Ｖ及びＶＢＣ＝．５Ｖでバイアスされ、図１８に示される。
【００４２】
タイプＩのＧａＡｓ  ＳＨＢＴ又はＤＨＢＴの例は、以下の構成要素
１３０：ｎ  ＧａＡｓコレクタ
１４０：ｐ＋ＧａＡｓベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓ  ＱＷ
１５０：ＩｎＧａＰエミッタ
又は
１３０：Ｎ  ＧａＡｓコレクタ
１４０：ｐ＋ＧａＡｓベース
１４１：ベース内のドープされていないＩｎＧａＡｓ  ＱＷ
１５０：ＡｌＧａＡｓエミッタ
を含む。例えばＧａＮに基づく素子といった別の材料システムもまた使用できる。
【００４３】
図１９、図２０及び図２１は、ベース内のＨＢＴの量子井戸に対する更なる帯域ダイアグラムを示している。
【００４４】
図１９は、ＩｎＰエミッタとコレクタ及びＩｎＧａＡｓサブコレクタを伴うＨＢＴに対する構造及び帯域ダイアグラムを示している。ベース領域は（正孔の再結合を強化する）ドープされていないＧａＡｓＳｂ量子井戸及び（電子の再結合を強化する）ｐ＋ＩｎＧａＡｓ量子井戸を含む重くドープされた（ｐ＋）ＧａＡｓＳｂを含む。
【００４５】
図２０は、再びＩｎＰエミッタとコレクタ及びＩｎＧａＡｓサブコレクタを伴うＨＢＴに対する構造及び帯域ダイアグラムを示している。ベース領域は２つのドープされていないＧａＡｓＳｂ量子井戸と２つのｐ＋ＩｎＧａＡｓ量子井戸を含む重くドープされた（ｐ＋）ＧａＡｓＳｂを含む。図２１（再びベース以外は同一構造を有する）では、ベース領域は、２つの干渉するドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を伴う３つのｐ＋ＩｎＰ量子井戸を含む。異なる井戸構成に加え、異なる井戸サイズを取り入れることもできる。
【００４６】
上述したように、１つ又はそれ以上の量子井戸は、ＨＢＴのベース領域で役立つために取り入れられる。以下の例示は、電子トラップとして動作する２つの薄いＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（ｘ＝８５％）量子井戸（ＱＷｓ）を伴う光放射トランジスタのギガヘルツ動作（理想的な状況に対しては、テラヘルツ動作に近くなることが期待されるが）を示し、従ってＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ  ＨＢＴのＧａＡｓベース層に埋め込まれたＱＷ−コレクタ再結合放射線源として役立つ。
【００４７】
重くドープされたベース内の２つの薄いＩｎＧａＡｓ量子井戸を伴う光放射トランジスタ、つまりＩｎＧａＰ（ｎ）／ＧａＡｓ（ｐ＋）／ＧａＡｓ（ｎ）単一へテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＳＨＢＴ）の帯域ダイアグラムが図２２に示され、及びその層構造はダイアグラム及び上述の及び後に続く記述から明らかである。通常のトランジスタモード動作の共通エミッタ構造において、ベース−エミッタジャンクションは順方向バイアスされ、及びベース−コレクタジャンクションは逆バイアスされる。２つの異なる波長でのベースからの光放射は、ＧａＡｓベース及びＩｎＧａＡｓ  ＱＷｓの両方を含む帯間再結合遷移に対して期待される。本例示の素子に対する層構造は、ＭＢＥにより成長し、及びｎ＝２×１０１６ｃｍ−３である６００ÅのＧａＡｓコレクタ、ｐ＝４×１０１９ｃｍ−３であり、３００ÅのカーボンドープされたＧａＡｓベースに埋め込まれた２つの５０ÅのＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（ｘ＝８５％）量子井戸（ＱＷｓ）、ｎ＝５×１０１７ｃｍ−３である３００ÅのＩｎＧａＰエミッタ、３００ÅのＧａＡｓエミッタキャップ、及びｎ＝３×１０１９ｃｍ−３である３００ÅのＩｎＧａＡｓエミッタコンタクトキャップを含む。コレクタの下では、ブラッグ反射器に分配された小さい９周期の６２１Å  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ＋７２５Å  Ａｌ０．９５Ｇａ０．１５Ａｓは、再結合放射の縦方向の漏れを助長するために含まれた。
【００４８】
共通エミッタ（Ｃ−Ｅ）ＨＢＴ光放射に対して、ベース正孔濃度が非常に高いので、電子がベースに注入されるとき、電子は素早く（二分子で）再結合する。ベース電流は、電荷不均衡を中和するために緩和を介して正孔を再供給するだけである。表面再結合のせいでベース電流は４５μｍ径のＨＢＴに対して比較的小さい。そのため、ベース電流は主にバルク・ホール・ショックリー・リード（ＨＳＲ）再結合、オージェ工程、及び放射性再結合として見積もられる。ＨＢＴのベース領域の放射工程に対して、光放射強度ΔＩは放射性再結合ｉＢｒａｄを供給するベース電流の成分に比例し、放射性再結合ｉＢｒａｄは中立ベース領域の過剰少数キャリアΔｎ、電荷ｑ、エミッタ領域ＡＥに比例し、放射性再結合寿命τｒａｄに反比例する（Ｍ．Ｆｅｎｇ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ、及びＷ．ＨａｆｅｚによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４，１５１，２００４年１月５日）。
【００４９】
図２３（ａ）は４５μｍ径ＨＢＴの上面レイアウトを示し、及び図２３（ｂ）は電荷結合素子検知器を搭載した顕微鏡を介して、ベースの空地のベース層からエミッタ領域への明らかな誘導光放射（再結合放射）を伴う同一ＨＢＴの図を示している。順方向バイアスは、単にＨＢＴの光放射開口部を明らかにするするために、エミッタ−ベース（Ｅ−Ｂ）接合点上で個々に（データは示されず）使用された。誘導光放射が、コレクタ−ベース（Ｃ−Ｂ）接合点の逆バイアス動作下ではコレクタ領域に対してベースの空地で見られないことも明らかである、なぜならＨＢＴコレクタ接合点付近の任意の電子が一掃され、及びベースの正孔と再結合する時間を有しないからである。言い換えると、ＨＢＴ光はＥ−Ｂベース領域で観察され、Ｃ−Ｂ領域では観察されない。図２４は、ベース電流の関数としての出力光放射強度（再結合放射）のほぼ直線状の関係を実証している。本例示において、ＬＥＴからの光放射の３１％未満が収集されうる、というのは多モード・ファイバー径が２５μｍ径だからである。ＱＷベースＨＢＴに対して、共通エミッタＤＣ電流ゲインベータ（β＝ΔＩＣ／ΔＩＢ）はβ＝１３．５（ＩＢ＝３ｍＡ、ＩＣ＝４０．５ｍＡ）であり、及び対応する共通ベースＤＣ電流ゲインアルファ（α＝ΔＩＣ／ΔＩＥ）は大体０．９３である。
【００５０】
ＨＢＴとして動作する素子の光放射波長（図２５を参照のこと）は、ＧａＡｓの帯間再結合遷移に対しては９１０ｎｍ付近に集中し、及びＩｎＧａＡｓ  ＱＷ遷移に対しては９６０ｎｍ付近に集中する。ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ  ＱＷｓの両方に対する（ギャップＥｑから）長い波長方向へのピーク光放射の移行は、重くドープされたｐ型ベース（ＮＡ＝４×１０１９ｃｍ−３）の成長の間に起こるドナー不純物の底部の状態（ＮＤ＞４×１０１８ｃｍ−３）に起因する。光放射はＩｎＧａＰエミッタからｐ型ＧａＡｓベースへのホットエレクトロン注入のために８２５ｎｍから９１０ｎｍまで伸び、及び続く緩和及び再結合により長い波長放射が生じる。
【００５１】
パターン発生器は、光出力変調テストに対して１ＧＨｚでＡＣ入力信号を生成した。ＨＢＴ光は、多モードファイバー探触子内で２５μｍのコア径と結合し、及び光のごく少量だけを捕捉する。その光は、２０ｄＢの線形増幅器を装備するシリコンアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）に送り込まれる。線形増幅器を伴うＡＰＤの３ｄＢ帯域幅は７００ＭＨｚであった。４５μｍ径のＨＢＴに対して、電流ゲイン遮断周波数ｆｔが１．６ＧＨｚで測定された。電力ゲイン遮断周波数ｆｍａｘは５００ＭＨｚであった。図２６は、４つのチャネル・サンプリング・オシロスコープからのトレースを示し及び３つのポートの動作を示している。一番上のトレース（ａ）は０．５Ｖのpeak-to-peak振幅を伴う１ＧＨｚで変調された入力信号（ポート１）であり、及び２番目のトレース（ｂ）はＩＢ＝３ｍＡでバイアスされた共通エミッタのＨＢＴとコレクタ−エミッタ（ＣＥ）バイアスＶＣＥ＝２．５Ｖを伴う０．１７Ｖのpeak-to-peak出力電圧振幅（ポート２）である。３番目のトレース（ｃ）は、１ｍＶのpeak-to-peak振幅を伴う１ＧＨｚで変調された光出力信号（ポート３）を示している。ＬＥＴの光出力は電力ゲイン遮断周波数ｆｍａｘより速く変調され、及び実際、ＨＢＴの電流ゲイン遮断周波数ｆｔよりも速い、というのは、ベース再結合工程はＨＢＴの前方への輸送時間の遅延時間よりもかなり短いからである。この例により、ＨＢＴベース再結合の量子井戸が強化され、共通エミッタバイアス構造における量子井戸ＨＢＴの高速の３つのポートの動作が確立される。
【００５２】
図２７は、ＨＢＴのベース領域からの光放射を採用する本発明の実施形態による垂直空洞表面放射レーザを示している。基板１１０５が提供され、及び以下他の層、つまりＤＢＲ反射層１１０８、サブコレクタ１１１０、コレクタ１１３０、遷移層１１３３、ベース１１４０、エミッタ１１５０、エミッタキャップ層１１６０及び先端ＤＢＲ反射層１１６８がその上に提供される。またコレクタメタライゼーション１１１５、ベースメタライゼーション１１４５及びエミッタメタライゼーション１１６５も示されている。コレクタリード１１１７、ベースリード１１４７、及びエミッタリード１１６７もまた示されている。本実施形態の形では、層はＭＯＣＶＤにより成長し、基板１１０５は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、サブコレクタ１１１０はｎ＋ＩｎＧａＡｓであり、コレクタ１１３０はｎ  ＩｎＰであり、ベース１１４０は量子井戸を伴うｐ＋ＩｎＧａＡｓ層であり、エミッタ１１５０はｎ型ＩｎＰであり及びエミッタキャップ１１６０はｎ＋ＩｎＧａＡｓである。また、遷移層はｎ型の四つ一組の遷移層、例えばＩｎＧａＡｓＰである。本実施形態では、反射層１１０８及び１１６８は、半波長といった適切な距離により間隔をあけた多層ＤＢＲ反射層である。動作において、従来通り、３端子モードに適用された信号を用い、ベース電流の変調により変調された光放射が生成され、この場合垂直に放射されたレーザ光が矢印１１９０で表される。上述のように、別の構造及び材料システムが、例として、ＧａＡｓ及びＧａＮ基盤のＨＢＴｓ、又は別の直接バンドギャップ材料システムを含み、使用されることを理解されたい。また、ベース層１１４０には、他の場所で記載されたように、量子井戸又は量子ドット層が提供されうる。
【００５３】
図２８は、コレクタのできるだけ近くにブラッグ反射器を有し、及びＤＢＲｓ間の下方ギャップ吸収層の干渉を取り除く垂直空洞表面放射レーザの更なる実施形態を示している。特に、図２８（対応する要素に対して図１に似た参照番号を有する）では、下方ＨＢＲが１１１で示され、及び上方ＤＢＲが１４３で示されている。矢印１９０はＶＣＳＥＬの光定在波を表している。ＤＢＲ１４１は沈着したＳｉ−ＳｉＯ２ブラッグ反射器でありうる。更なる反射器がエミッタ１５０の上に提供される。また、ベース層１４０には、別の場所に記載されたように、量子井戸又は量子ドット層が提供される。
【００５４】
図２９は、光放射ＨＢＴｓのアレイ１３３１、１３３２、１３４１などを使用するディスプレイ１３１０を示している。光出力強度は既に記載されたように制御できる。非常に高速な動作が、いくつかの素子からの有用な光放射を用いて、又は用いずに達成されうる。これら要素の素子及びアレイは、集積光学及び電子工学システムで採用されうる。
【００５５】
図３０Ａでは、バイポーラトランジスタ（例えば図１のヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタ）のベース領域１４０は、コレクタ領域１３０に比較的近接した第１の比較的厚い量子井戸３０４１と、エミッタ領域１５０に比較的近接した第２の比較的薄い量子井戸３０４２を含む。井戸形状のグレーディングは、エミッタからコレクタへのキャリア輸送を促進するのに使用される。（レーザダイオードのＡｌＡｓ障壁と交互に起こるＧａＡｓ井戸に対する段階的なエネルギーギャップに関しては、１９８４年Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ「Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｏｆ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」１−１８ページのＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋによる「Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ａｎｄ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  Ｌａｓｅｒｓ：  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ」を参照のこと）。量子井戸領域３０４１及び／又は３０４２は、代案として量子ドット領域でありうる、又は１つが量子井戸領域でありもう１つが量子ドット領域でありうる。領域３０４１及び３０４２はまた、必要に応じて、異なる構成を有することもできる。また、量子井戸（及び／又は量子ドット領域）間の間隔は、厚さ及び／又は構成の点で異なる。本発明のこの形状は、ベース領域１４０が間隔をあけた量子井戸３０４６、３０４７、３０４８及び３０４９を含む図３０Ｂに示される実施形態からさらに理解される。本実施形態の例では、コレクタに最も近い量子井戸３０４６は８０オングストローム厚であり、次の量子井戸（３０４７）は４０オングストローム厚、次の量子井戸（３０４８）は２０オングストローム厚、及び（エミッタ１５０に最も近い）量子井戸３０４９は１０オングストローム厚である。本例示では、量子井戸間の間隔又は障壁およそ５オングストロームから５０オングストローム間の範囲にあり、及び必ずしも全て同じというわけではない。注入電子は小さい井戸に捕捉され、次に大きい井戸にトンネルを掘り、そしてその後次に大きいトンネルを掘るなどを、コレクタに最も近い最大井戸で、最大井戸の最も下方状態へトンネルを掘る及び緩和するまで行い、そして再結合する。井戸の配置により、エミッタからコレクタへの一定方向のキャリア輸送が促進される。最大再結合及び最大光度はコレクタにできるだけ近い最大井戸から生じ、それは例えば光空洞などの理由で有利な位置にある。キャリアは、エネルギーの「下方」へ、つまりより厚い井戸に向かって拡散する。井戸のサイズが非対称であることにより、キャリア輸送の方向性と速度が改良される。光放射ＨＢＴのような実施形態では、光放射及び素子速度が両方とも向上する。すでに述べたように、任意の又は全ての量子井戸は量子ドット領域でありうる、及び／又は他の量子井戸（又はドット）領域以外の異なる構成で作られる。また、その他の多数の井戸が使用されうる及びベース領域内のいくつかの量子井戸（又は場合によってはドット領域）がベース領域内の他の量子井戸と同一の厚さを有しうることを理解されたい。
【００５６】
これに関する原理はまた、重くドープされたベース領域、及び随意的にベース領域と結合する光学ポートを伴うＨＢＴの（Ｇｅ及びＳｉといった）間接バンドギャップ材料への適用をも潜在的に有する。生成された光は、通常、これに関する直接バンドギャップＨＢＴ光エミッタにより生成される光より強度が低い。しかし、再結合を強化するために１つ又はそれ以上の量子井戸及び／又は１つ又はそれ以上の量子ドット領域を有する素子を含む様々なアプリケーションに対するＧｅ−Ｓｉシステムのこの光を生成する及び結合する機能を有することは有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態による及び本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる素子の、実物大ではない簡略化された断面図である。
【図２】本発明の実施形態に対する図１の素子のレイアウトの上面図である。
【図３】本発明の実施形態によるテスト素子のＣＣＤ顕微鏡から見た図である。
【図４】本発明の実施形態による３つのポートの素子の簡略化された概略図である。
【図５】テスト素子の共通エミッタ出力特性のグラフであり、及び観察された光放射も示している。
【図６】オシロスコープトレース６Ａ及び６Ｂを含み、それぞれテスト素子に対する入力基準光波形及び出力変調された光波形を示している。
【図７】テスト素子に対するベース電流の関数としての光出力を示すグラフである。
【図８】通常のトランジスタ動作（逆バイアスのコレクタ）で再結合−放射信号を生成する３０ｎｍのｐ型ＧａＡｓＳｂベースを伴う、タイプＩＩ  ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰダブルへテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）、光放射トランジスタ（ＬＥＴ）のダイアグラム及び帯域ダイアグラムである。
【図９】図８のタイプＩＩトランジスタ（エミッタ領域は１２０×１２０μｍ２）の共通エミッタ出力特性、つまりコレクタ電流対コレクタ−エミッタ電圧（Ｉ−Ｖ曲線）を示している。
【図１０】ほぼ線形動作を示すＬ−Ｉ特性を伴う、ベース領域の関数としての図８のタイプＩＩ  ＤＨＢＴの光放射強度（再結合放射）のグラフである。差込図は様々なベース電流でのｐ型ＧａＡｓＳｂベースからの再結合放射の波長を示している。
【図１１】共通エミッタ構造でバイアスされた図８のタイプＩＩ  ＤＨＢＴの３つのポート、（ａ）１０ｋＨｚ入力信号（一番上のトレース、ポート１）、（ｂ）増幅出力信号（真ん中のトレース、ポート２）、及び（ｃ）１０ｋＨｚで変調された光出力（一番下のトレース、ポート３）の動作を示している。
【図１２】光反射器を含む本発明の実施形態を示している。
【図１３】本発明の実施形態によるレーザ素子を示している。
【図１４】１つ又はそれ以上の量子井戸又は量子ドット領域を取り入れた本発明の実施形態による素子の一部を示している。
【図１５】本発明の実施形態による、及び本発明の方法の実施形態を実施する際に使用できる素子の、実物大ではない簡略化された断面図である。
【図１６】図１５の素子の例示に対するエネルギー帯域ダイアグラムである。
【図１７】本発明の実施形態による別の素子の例示に対するエネルギー帯域ダイアグラムである。
【図１８】本発明の実施形態による更なる素子の例示に対するエネルギー帯域ダイアグラムである。
【図１９】本発明の実施形態による、複数の量子井戸を伴う更なる素子に対するエネルギー帯域及びエネルギー構造のダイアグラムである。
【図２０】本発明の実施形態による、複数の量子井戸を伴う更なる素子に対するエネルギー帯域及びエネルギー構造のダイアグラムである。
【図２１】本発明の実施形態による、複数の量子井戸を伴う更なる素子に対するエネルギー帯域及びエネルギー構造のダイアグラムである。
【図２２】電子捕捉を助長するため及び再結合放射を強化するためにｐ型ＧａＡｓベースに埋め込まれた２つの５０ÅＩｎＧａＡｓ  ＱＷｓを伴う、量子井戸（ＱＷ）ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＱＷ  ＨＢＴ）、光放射トランジスタ（ＬＥＴ）のダイアグラム及び帯域ダイアグラムである。
【図２３】（ａ）は図２２のＱＷ  ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ  ＨＢＴのレイアウトのＣＣＤ上面画像である。（ｂ）は電流バイアス（通常のトランジスタ動作、ＩＢ＝１ｍＡ）の共通エミッタ構造のＱＷ  ＨＢＴ光放射のＣＣＤ上面画像である。
【図２４】ベース電流の関数として図２２のＱＷ  ＨＢＴの光出力強度（電力）を示し、それは電流とともにほぼ直線状に増大することを実証している。ＤＣベータ（β＝Ｉｃ／Ｉｂ）もまた示され、及びベース電流が増大するにつれ７から１３への変化が見られる。
【図２５】図２２及び図２３のｐ型ＧａＡｓベースの帯間再結合及びＱＷ  ＨＢＴのベースＩｎＧａＡｓ量子井戸による放射波長の、ＩＢが１ｍＡ、２ｍＡ及び３ｍＡであるときのグラフを示している。
【図２６】共通エミッタ構造でバイアスされた図２２及び図２３のＱＷ  ＨＢＴの３つのポートの動作、つまり（ａ）１ＧＨｚ入力信号（一番上のトレース、ポート１）、（ｂ）増幅出力信号（真ん中のトレース、ポート２）及び（ｃ）１ＧＨｚで変調された光出力（一番下のトレース、ポート３）の動作を示している。
【図２７】本発明の実施形態による縦方向の空洞表面放射レーザの、実物大ではない簡略化された断面図である。
【図２８】本発明の更なる実施形態による縦方向の空洞表面放射レーザの、実物大ではない簡略化された断面図である。
【図２９】本発明の実施形態によるアレイの簡略図である。
【図３０】本発明の実施形態による、及び本発明の方法の実施形態を実施する際に使用できる素子の、実物大ではない切欠断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０５  基板
１１０  サブコレクタ
１１１  下方ＨＢＲ
１１５  コレクタメタライゼーション
１１７  コレクタリード
１３０  コレクタ
１４０  ベース
１４１  量子井戸
１４２  量子井戸
１４３  量子ドット
１４４  量子ドット
１４５  ベースメタライゼーション
１４７  ベースリード
１５０  エミッタ
１６０  キャップ層
１６５  エミッタメタライゼーション
１６７  エミッタリード
１９０  ＶＣＳＥＬの光学定在波
８１０  ３端子の光放射ＨＢＴ
８２０  反射カップ
９１０  ３端子の光放射ＨＢＴ
９２０  反射器
１１０５  基板
１１０８  ＤＢＲ反射層
１１１０  サブコレクタ
１１１５  コレクタメタライゼーション
１１１７  コレクタリード
１１３０  コレクタ
１１３３  遷移層
１１４０  ベース
１１４５  ベースメタライゼーション
１１４７  ベースリード
１１５０  エミッタ
１１６０  エミッタキャップ層
１１６５  エミッタメタライゼーション
１１６７  エミッタリード
１１６８  先端ＤＢＲ反射層
１１９０  垂直に放射されたレーザ光
１３１０  ディスプレイ
１３３１  光放射ＨＢＴｓのアレイ
１３３２  光放射ＨＢＴｓのアレイ
１３４１  光放射ＨＢＴｓのアレイ
３０４１  量子井戸領域
３０４２  量子井戸領域
３０４６  量子井戸
３０４８  量子井戸
３０４９  量子井戸
【図１】
2007503710.tif 000003
【図２】
2007503710.tif 000004
【図３】
2007503710.tif 000005
【図４】
2007503710.tif 000006
【図５】
2007503710.tif 000007
【図６】
2007503710.tif 000008
【図７】
2007503710.tif 000009
【図８】
2007503710.tif 000010
【図９】
2007503710.tif 000011
【図１０】
2007503710.tif 000012
【図１１】
2007503710.tif 000013
【図１２】
2007503710.tif 000014
【図１３】
2007503710.tif 000015
【図１４】
2007503710.tif 000016
【図１５】
2007503710.tif 000017
【図１６】
2007503710.tif 000018
【図１７】
2007503710.tif 000019
【図１８】
2007503710.tif 000020
【図１９】
2007503710.tif 000021
【図２０】
2007503710.tif 000022
【図２１】
2007503710.tif 000023
【図２２】
2007503710.tif 000024
【図２３】
2007503710.tif 000025
【図２４】
2007503710.tif 000026
【図２５】
2007503710.tif 000027
【図２６】
2007503710.tif 000028
【図２７】
2007503710.tif 000029
【図２８】
2007503710.tif 000030
【図２９】
2007503710.tif 000031
【図３０】
2007503710.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月9日(2005.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラへテロジャンクショントランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するために前記ベース領域を適合させ、それにより前記ベース領域のキャリア再結合寿命を削減する工程を含むことを特徴とする、ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタの速度を増大させる方法。
【請求項２】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域内で、量子サイズ効果を示す層を提供することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に量子ドットの層を提供することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域に複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ベース領域に複数の量子井戸を提供する工程が、およそ１００オングストローム以下の厚さを有する複数の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記ベース領域に量子井戸を提供する工程が、前記ベース領域の材料のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する材料の量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を光空洞に配置することを更に含むことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が前記ベース領域を横方向の光空洞内に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域が縦方向の層構造で提供され、及び前記ベース領域を適合させる工程が前記ベース領域を縦方向の光空洞内に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を、光学的放射が一部透過する反射器を含む光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記ベース領域を適合させる工程が、前記ベース領域を、完全に反射する光空洞に配置することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたベース領域にドープされていない量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたベース領域にドープされていない量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタを提供することを含み、及び前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたｐ型ＩｎＰベース領域にドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタを提供することを含み、及び前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたｐ型ＩｎＧａＡｓＰベース領域にドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタを提供することを含み、及び前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたｐ型ＩｎＰベース領域にドープされていないＧａＡｓＳｂ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＩｎＰトランジスタを提供することを含み、及び前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたｐ型ＧａＡｓＳｂベース領域にドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタを提供する工程が、ＧａＡｓトランジスタを提供することを含み、及び前記ベース領域を適合させる工程が、重くドープされたｐ型ＧａＡｓベース領域にドープされていないＩｎＧａＡｓ量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項２２】
前記ベース領域との光結合を含む光出力ポートを提供することを更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項２３】
コレクタ、及びエミッタ領域間に重くドープされたベース領域を有する直接バンドギャップ半導体材料のヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
自然放射の不利益に対して誘導放射を強化するために前記ベース領域を適合させ、それにより前記ベース領域のキャリア再結合寿命を削減する手段を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項２４】
前記ベース領域を適合させる手段が、前記ベース領域内で、量子サイズ効果を示す層を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の素子。
【請求項２５】
前記素子が光放射ベース領域を有し、及び前記ベース領域を適合させる手段が前記ベース領域を含む光空洞を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の素子。
【請求項２６】
前記ベース領域を適合させる手段が、ドープされていない量子井戸を伴う重くドープされたベース領域を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の素子。
【請求項２７】
前記ベース領域を適合させる手段が、ドープされていない量子井戸を伴う重くドープされたベース領域を含むことを特徴とする、請求項２５に記載の素子。
【請求項２８】
前記ベース領域に結合される光出力ポートを更に含むことを特徴とする、請求項２５又は請求項２７に記載の素子。
【請求項２９】
コレクタ領域とエミッタ領域の間にベース領域を有するヘテロジャンクションバイポーラトランジスタと、
電気信号と前記コレクタ、ベース、及びエミッタ領域を結合する手段と、
前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子サイズ領域と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子サイズ領域を含む前記ベース領域の複数の量子サイズ領域を含み、前記第１の量子サイズ領域が前記第２の量子サイズ領域より厚いことを特徴とする半導体光放射素子。
【請求項３０】
前記量子サイズ領域が量子井戸であることを特徴とする、請求項２９に記載の素子。
【請求項３１】
前記量子サイズ領域が量子ドット領域であることを特徴とする、請求項２９に記載の素子。
【請求項３２】
前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子井戸であり、及び前記量子サイズ領域の少なくとも１つが量子ドット領域であることを特徴とする、請求項２９に記載の素子。
【請求項３３】
前記第１の量子サイズ領域が、前記第２の量子サイズ領域より少なくとも１０オングストローム厚いことを特徴とする、請求項２９に記載の素子。
【請求項３４】
前記量子サイズ領域が実質上ドープされていないことを特徴とする、請求項２９に記載の素子。
【請求項３５】
エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するバイポーラトランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
前記ベース領域に、前記コレクタ領域に比較的近接した第１の量子サイズ領域と前記エミッタ領域に比較的近接した第２の量子サイズ領域を提供することにより前記エミッタ領域から前記コレクタ領域へのキャリア輸送を促進するために前記ベース領域を適合させる工程を含み、及び前記第１の量子サイズ領域が前記第２の量子サイズ領域より厚いことを特徴とする、ヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタの動作を向上させる方法。
【請求項３６】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記量子サイズ領域を提供する工程が量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記量子サイズ領域を提供する工程が量子井戸及び量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を有するヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタを提供し、
電気信号と前記エミッタ、ベース、及びコレクタ領域を結合する電極を提供し、及び
前記ベース領域に、厚さの異なるいくつかの間隔をあけた量子サイズ領域を提供することにより前記エミッタ領域からコレクタ領域へのキャリア輸送を促進するために前記ベース領域を適合させる工程を含み、及び
前記量子サイズ領域の厚さが、前記コレクタ付近の最も厚いものから前記エミッタ付近の最も薄いものまで格付けられることを特徴とする、ヘテロジャンクションバイポーラ光放射トランジスタの動作を向上させる方法。
【請求項４０】
前記量子サイズ領域を提供する工程が量子井戸を提供することを含むことを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記量子サイズ領域を提供する工程が量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記量子サイズ領域を提供する工程が、少なくとも１つの量子井戸及び少なくとも１つの量子ドット領域を提供することを含むことを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【国際調査報告】
2007503710.tif 000033
2007503710.tif 000034