(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善された効率で２端子半導体素子から光放射を生成する方法であって、
少なくとも１つのドレイン層を備える半導体ドレイン領域、前記ドレイン領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域、および前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサであって、実質的に直線的な表面部分を有するエミッタメサを備える半導体エミッタ領域を含む層構造の半導体構造を提供するステップと、
前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供するステップと、
前記ベース領域の露出した表面上の第１の部分と前記ドレイン領域に連結されたさらなる部分とを有するベース／ドレイン電極を提供し、前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極を提供するステップと、
前記ベース領域から前記光放射を生成するため前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極に対して信号を印加するステップと、
前記ベース／ドレイン電極の前記第１の部分と前記エミッタ電極との間の領域内に前記光放射のための光学空洞を提供するステップと、
これらの領域の間で電圧分布の実質的な一様性のため、前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極を構成するステップであって、前記構成するステップは、線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース電極の前記第１の部分を提供するステップを含み、前記エミッタ電極は、前記エミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って提供され、前記ベース電極の前記第１の部分は、前記エミッタメサ表面部分の反対側近接の前記ベース領域表面の部分上に提供され、前記構成するステップは、前記対向する線形導電片の間の領域に合わせるように前記光学空洞を構成する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース／ドレイン電極の前記第１の部分を提供するステップは、実質的に同じ長さを有する前記導電片を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース／ドレイン電極の前記第１の部分を提供するステップは、異なる長さを有する前記導電片を提供するステップをさらに含み、前記片間のエミッタメサの表面は台形である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップは、少なくとも１つの量子井戸を提供するステップを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ベース領域の少なくとも部分を囲む光学共鳴空洞を提供するステップをさらに含み、前記光放射はレーザ放射を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
改善された効率で３端子半導体素子から光放射を生成する方法であって、
少なくとも１つのコレクタ層を備える半導体コレクタ領域、前記コレクタ領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域、および前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサであって、実質的に直線的な表面部分を有するエミッタメサを備える半導体エミッタ領域を含む層構造の半導体構造を提供するステップと、
前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供するステップと、
前記コレクタ領域上にコレクタ電極を提供し、前記ベース領域の露出した表面上にベース電極を提供し、前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極を提供するステップと、
前記ベース領域から光放射を得るため前記コレクタ、ベースおよびエミッタ電極に対して信号を印加するステップと、
前記ベース電極と前記エミッタ電極との間の領域内に前記光放射のための光学空洞を提供するステップと、
これらの領域の間で電圧分布の実質的な一様性のため、前記ベースとエミッタ電極を構成するステップであって、前記構成するステップは、線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース電極を提供するステップを含み、前記エミッタ電極は、前記エミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って提供され、前記ベース電極は、前記エミッタメサ表面部分の反対側近接の前記ベース領域表面の部分上に提供され、前記構成するステップは、前記対向する線形導電片の間の領域に合わせるように前記光学空洞を構成する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項７】
線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース電極を提供するステップは、実質的に同じ長さを有する前記導電片を提供するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
線形導電片を対向することで、前記エミッタ電極と前記ベース電極を提供するステップは、異なる長さを有する前記導電片を提供するステップをさらに含み、前記片間の前記エミッタメサの表面は台形である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す領域を提供するステップは、少なくとも１つの量子井戸を提供するステップを含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
電気信号に応答して光放射を生成する２端子発光半導体素子であって、
少なくとも１つのドレイン層を備える半導体ドレイン領域、前記ドレイン領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域、および前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサであって、実質的に直線的な表面部分を有するエミッタメサを備える半導体エミッタ領域を含む層構造の半導体構造であって、前記ベース領域は、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を含む、半導体構造と、
前記ベース領域の露出した表面上に接するフランジ部分と前記ドレイン領域に接するさらなる部分とを有するベース／ドレイン電極と、前記エミッタ領域の表面上のエミッタ電極であって、前記電気信号は、前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極に対して印加されて前記ベース領域から光放射を引き起こす、前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極と、
前記エミッタ電極および前記ベース／ドレインの前記フランジ部分間の領域内の前記光放射のための光学空洞と、を備え、
前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極は、前記電極間の領域内で電圧分布の実質的な一様性のため構成され、
前記エミッタ電極と前記ベース電極の前記フランジ部分は、線形導電片を対向することで提供され、前記エミッタ電極は、前記エミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って提供され、前記ベース電極の前記フランジ部分は、前記エミッタメサ表面部分の反対側近接の前記ベース領域表面の部分上に提供され、前記光学空洞は、前記対向する線形導電片の間の領域に合わせるように構成される、素子。
【請求項１１】
前記線形導電片は、実質的に同じ長さを有する、請求項１０に記載の素子。
【請求項１２】
前記対向する線形導電片は、異なる長さを有し、前記片間の前記エミッタメサの表面は台形である、請求項１０に記載の素子。
【請求項１３】
前記量子サイズ効果を示す領域は、少なくとも１つの量子井戸を備える、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１４】
前記ドレイン領域はｎ＋層とｐ＋層を備えるトンネル接合を備え、前記ｐ＋層は前記ベース領域に近接する、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の素子。
【請求項１５】
電気信号に応答して光放射を生成する３端子発光半導体素子であって、
少なくとも１つのコレクタ層を備える半導体コレクタ領域、前記コレクタ領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域、および前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサであって、実質的に直線的な表面部分を有するエミッタメサを備える半導体エミッタ領域を含む層構造の半導体構造であって、前記ベース領域は、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を含む、半導体構造と、
前記コレクタ領域上にコレクタ電極、前記ベース領域の露出した表面上にベース電極、及び前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極であって、前記電気信号は、前記コレクタ、ベースおよびエミッタ電極に対して印加されて前記ベース領域から光放射を引き起こす、前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極と、
前記ベース電極および前記エミッタ電極間の領域内に前記光放射のための光学空洞と、
を備え、
前記ベースおよびエミッタ電極は、前記電極間の領域で電圧分布の実質的な一様性を得るように構成され、
前記エミッタ電極と前記ベース電極は、線形導電片を対向することで提供され、前記エミッタ電極は、前記エミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って提供され、前記ベース電極は、前記エミッタメサ表面部分の反対側近接の前記ベース領域表面の部分上に提供され、前記光学空洞は、前記対向する線形導電片の間の領域に合わせるように構成される、素子。
【請求項１６】
前記対向する線形導電は実質的に同じ長さを有する、請求項１５に記載の素子。
【請求項１７】
前記対向する線形導電片は異なる長さを有し、前記片間のエミッタメサの表面は台形である、請求項１５に記載の素子。
【請求項１８】
量子サイズ効果を示す前記領域は、少なくとも１つの量子井戸を備える、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号に反応して、光放射およびレーザ放射を生成するための方法および素子に関する。本発明は、向上された効果で半導体素子から高周波数光放射およびレーザ放射を生成するための方法、および半導体発光素子から光出力を増加させる方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ここの背景技術の部分は、発光トランジスタとトランジスタレーザとして動作するヘテロ接合バイポーラトランジスタの発展のためにある。参照文献は、たとえば、米国特許番号７，０９１，０８２、７，２８６，５８３、７，３５４，７８０、７，５３５，０３４、および７，６９３，１９５、米国特許出願公開番号ＵＳ２００５／００４０４３２、ＵＳ２００５／００５４１７２、ＵＳ２００８／０２４０１７３、ＵＳ２００９／０１３４９３９およびＵＳ２０１０／００３４２２８、ＰＣＴ国際出願公開番号ＷＯ／２００５／０２０２８７、およびＷＯ／２００６／０９３８８３がある。参照文献は、以下の出版物にもある。
Light-Emitting Transistor: Light Emission From InGaP/GaAs Heterojunction
Bipolar Transistors, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and W. Hafez, Appl. Phys. Lett.
84, 151 (2004); Quantum-Well-Base Heterojunction Bipolar Light- Emitting
Transistor, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84, 1952
(2004); Type-ll GaAsSb/lnP Heterojunction Bipolar Light- Emitting Transistor,
M. Feng, N. Holonyak, Jr., B. Chu-Kung, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys.
Lett. 84, 4792 (2004); Laser Operation Of A Heterojunction Bipolar
Light-Emitting Transistor, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan,
Appl. Phys. Lett. 85, 4768 (2004); Microwave Operation And Modulation Of A
Transistor Laser, R. Chan, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and G. Walter, Appl.
Phys. Lett. 86, 131114 (2005); Room Temperature Continuous Wave Operation Of A
Heterojunction Bipolar Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., G. Walter,
and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 87, 131103 (2005); Visible Spectrum
Light-Emitting Transistors, F. Dixon, R. Chan, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M.
Feng, X. B. Zhang, J. H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 88, 012108
(2006); The Transistor Laser, N. Holonyak and M Feng, Spectrum, IEEE Volume 43,
Issue 2, Feb. 2006; Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near
Threshold, M. Feng, N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Appl.
Phys. Lett. 88, 063509 (2006); and Collector Current Map Of Gain And Stimulated
Recombination On The Base Quantum Well Transitions Of A Transistor Laser, R.
Chan, N. Holonyak, Jr., A. James , and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88, 14508
(2006); Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser, G.
Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 88,
232105 (2006); High-Speed (/spl ges/1 GHz) Electrical And Optical Adding,
Mixing, And Processing Of Square-Wave Signals With A Transistor Laser, M. Feng,
N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Photonics Technology
Letters, IEEE Volume: 18 Issue: 11 (2006); Graded-Base InGaN/GaN Heterojunction
Bipolar Light-Emitting Transistors, B. F. Chu-Kung et al., Appl. Phys. Lett.
89, 082108 (2006); Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum Well
AIGaAs/lnGaP/GaAs/lnGaAs Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., A. James,
K. Cimino, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 89, 113504 (2006); Chirp
In A Transistor Laser, Franz-Keldysh Reduction of The Linewidth Enhancement, G.
Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., and M. Feng, Appl. Phys. Lett. 90, 091109
(2007); Photon-Assisted Breakdown, Negative Resistance, And Switching In A 
Quantum-Well Transistor Laser, A. James, 
G.Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 90, 152109 (2007);
Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a Transistor Laser,
A. James, N. Holonyak, M. Feng, and G. Walter, Photonics Technology Letters,
IEEE Volume: 19 Issue: 9 (2007); Experimental Determination Of The Effective
Minority Carrier Lifetime In The Operation Of A Quantum-Well n-p-n
Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-Well
Design And Doping; H.W. Then, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and C. H. Wu, Appl.
Phys. Lett. 91 , 033505 (2007); Charge Control Analysis Of Transistor Laser
Operation, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H. W. Then, and G. Walter, Appl. Phys.
Lett. 91, 053501 (2007); Optical Bandwidth Enhancement By Operation And
Modulation Of The First Excited State Of A Transistor Laser, H. W. Then, M.
Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 91, 183505 (2007); Modulation Of
High Current Gain ([beta]>49) Light-Emitting InGaN/GaN Heterojunction Bipolar
Transistors, B. F. Chu- Kung, C. H. Wu, G. Walter, M. Feng, N. Holonyak, Jr.,
T. Chung, J.-H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 91 , 232114 (2007);
Collector Characteristics And The Differential Optical Gain Of A Quantum-Well
Transistor Laser, H. W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl.
Phys. Lett. 91 , 243508 (2007); Transistor Laser With Emission Wavelength at
1544 nm, F. Dixon, M. Feng, N. Holonyak, Jr., Yong Huang, X. B. Zhang, J. H.
Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 93, 021111 (2008); and Optical
Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar Transistor Laser Operation With
An Auxiliary Base Signal, H.W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr.
Appl. Phys. Lett. 93, 163504 (2008).
【０００３】
図１および図２は、存在する傾斜荷電発光体、つまり上記の参照特許文献および出版物の中で記載される発光トランジスタ（ＬＥＴ）の例を図示する。ｎ＋ＧａＡｓサブコレクタ領域１０５は、その上に堆積されたｎ型ＧａＡｓコレクタ領域１１０を有し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）１２６を有するｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域１２０が続く。エミッタメサはベース上に堆積し、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１３０、ｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層１４０、およびｎ＋ＧａＡｓ金属被覆層１５０を含む。側面酸化物は慣習的に環状酸化物１４１を得るために使用され、中心開口部を形成する。コレクタ電極または接点金属化は１０７で示され、ベース接点金属化は１２２で示され、エミッタ接点金属化は１５２で示される。図２は、図１の金属化、つまり対向するコレクタ接点（共通接続、示されていない）、外部環状輪を含むベース接点１２２、および内部環状輪を含むエミッタ接点１５２の平面図を示す。
【０００４】
図１はまた、典型的な発光トランジスタ動作の中で、電子電流とホール電流の流れを示す矢印も有する。例えば、上記の参照文献で記載されたように、発光トランジスタ、トランジスタレーザおよびある種の２端子発光体は、（素子バンド図上で示されることが可能である）「傾いた」ベース荷電分布により、時々「傾斜荷電」素子として言及される。「傾いた」ベース荷電分布は、反転バイアスコレクタ接合での電荷「収集」で「競争」におけるをベース電子−ホール再結合を固定し、したがって、ピコ秒のオーダの効果的生存時間で（量子井戸によって援助された）ベース内の「早い」再結合のみを選択し（「フィルタリング」）、可能とする（参照文献は例えば上記に記載の文献で、２端子傾斜荷電発光体は、米国特許出願公開ＵＳ２０１０／００３４２２８の中で開示される）。
【０００５】
存在する傾斜荷電素子中で、酸化物で形成された開口部によって一部に定義された光学空洞または窓は、ベースおよびエミッタ接点の後ろに置かれる。傾斜荷電素子の高いバイアス薄板抵抗および大きい電流利得（エミッタ電流）により、ベースエミッタ接合を横切る電圧差は、酸化物開口部によって定義された端部に沿って最も大きくなる。これは、電流注入が電圧差が最も大きいところでもっと大きくなるため、（望ましい光出力の結果となる）再結合事象を酸化物開口部の周囲に沿って局所化することを強制する。接合電圧は光学空洞の中心に向かって減少する。この現象は図１および図２で示され、さらに、図３の簡単化された回路モデルの中で示された素子動作のモデリングから理解することができる。図３のなかで領域と接点は図１の参照番号と同じものに対応する。モデルの中で、３０７、３２０および３３０は、それぞれ、コレクタ、ベースおよびエミッタ抵抗を表し、３０８はコレクタ電流成分を表し、３４０はベース／エミッタ電圧の空間成分を表す。図１の中で最初に見られたように、電子伝導のための最も少ない抵抗の経路は酸化物開口部によって定義された端部に沿っている。図３のモデルの中で、これは、本質的にＶ３より大きいＶ４、本質的にＶ２より大きいＶ１の結果となる。これは、多くの再結合事象がベース層の端部により近く置かれ、ベース領域でおよびその近くで少ない原因となる（図２の光出力表現の略図参照）。
【０００６】
図４は、素子ベース電流（ｍＡ）の関数として、素子の検出された光出力を示すグラフである（μＡで検出器光電流）。より大きいエミッタ直径素子の光出力はより大きいベース電流入力で飽和する。光の飽和は量子井戸飽和に起因される。
【０００７】
図５の中で、異なるエミッタサイズ（したがって、開口部サイズ）に対して、光出力密度とエミッタ電流密度が、開口部周辺「領域」（図５の差し込み図で影付きの領域）に習慣的に正規化される。領域は光学空洞の中で一定の浅い貫通を仮定することによって決定される。結果は再結合が素子の端部に沿って局所化されることを示す。したがって、最大光出力は全光学空洞の領域よりむしろ酸化物開口部によって定義された活動周辺によって決定される。
【０００８】
図６は、本質的の同じである１０％と５０％の両方のパルス電流測定に対する光出力を示す様々なエミッタサイズに対するパルス電流測定を図示する。結果は、素子に対する光飽和が熱によって引き起こされなく、局所化された量子井戸飽和によって引き起こされることを示す。
【０００９】
図７は、図１の存在する素子の型の上面写真を示す。ここで、コレクタ（Ｃ）、ベース（Ｂ）およびエミッタ（Ｅ）金属化が表示され、光学空洞または窓は矢印によって示される。図の発光トランジスタは１０ｕｍエミッタメサと６ｕｍの光学空洞を定義した開口部を有する。光学空洞は、ベースとエミッタ接点（つまり、図１のようにそれらの上）の後ろに置かれる。この素子の活動周辺は約１８μｍである。同様に、図８は、存在する傾斜荷電発光ダイオードを示し、エミッタ（Ｅ）、およびベース／ドレイン（ＢＤ）金属化が表示され、素子は１０ｕｍエミッタメサと６ｕｍの光学空洞を定義した開口部を有する。光学空洞は、再度ベースとエミッタ接点の後ろに置かれる。再度、この素子の活動周辺は約１８μｍである。
【００１０】
上記に示されたように、素子の記載された型のなかに、光学窓または空洞がベースとエミッタ接点の後ろに置かれる。傾斜荷電素子の高いベース薄板抵抗および大きい電流利得（エミッタ電流）により、ベースエミッタ接合を横切る電圧差は、酸化物開口部によって定義された端子に沿って最も大きくなる。上記の説明のように、電流注入が電圧差が最も大きいところで最も大きいため、これは、（望ましい光学出力の結果となる）再結合事象を酸化物開口部の周辺に沿って局所化させる。接合電圧は、付随の損失と共に光学空洞の中心に向かって減少する。
【００１１】
本発明の側面の目的は、記載された傾斜荷電発光体のような存在する発光素子のこれらおよび他の制限を打ち負かすこと、および発光とレーザ半導体素子の光放射を改善することである。
【００１２】
本発明のさらなる側面の背景は次に扱われる。
【００１３】
直接ギャップＩＩＩ−Ｖ材料と、電子−ホール注入と再結合を使用する半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）とレーザは、表示および光波通信の多くの応用で何年も先導した。半導体レーザが典型的に長距離通信リンクに普及する一方、高い生産を産みだし、減少したドライバとフィードバック制御の重要な複雑さは、送信機の要素と電力消費から全コストを減少させるため、これらの閾値以下の操作として、高速自発光波送信機は、短距離光データ通信と光相互接続に対する魅力的な解である。共鳴空洞のような、正しい空洞設計と一緒に、９８０ｎｍで放射する自発光源は、２７％の高さと５ｎｍと同じくらい狭い放射スペクトル幅で外部量子効率（ηｅｘｔ）を達成することが示される(参照、J. J. Wierer, D. A. Kellogg, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 74, 926 (1999))。しかしながら、(発光ダイオードを)データに示された最も早い自然光源は、１．７ＧＨｚ（つまり、再結合生存時間が〜１００ｐｓ）のバンド幅を達成するため、１０％またはそれ以下に減少された内部量子効率で、７×１０１９ｃｍ−３と同じくらい高いｐドーピング使用する（参照、C. H. Chen, M. Hargis, J. M. Woodall, M. R. Melloch, J. S. Reynolds,
E. Yablonovitch and W. Wang, Appl. Phys. Lett. 74, 3140 (1999)）。特に、ＬＥＤまたはＲＣＬＥＤのような高効率自発素子は、１Ｇｂｉｔｓ／ｓより低い、自発光送信機（ＬＥＤおよびＲＣＬＥＤ）の実際の商業的応用に制限すると、１ＧＨｚより低いバンド幅で動作する。
【００１４】
高速ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）構造を利用したヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＨＢＬＥＴ）が、ＧＨｚの１０倍を超える速さで光源として潜在的に機能することが、事前に提案された（参照、see M. Feng, N. Holonyak, Jr., and W. Hafez, Appl. Phys. Lett. 84, 151 (2004); M. Feng, N. Holonyak, Jr., and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84, 1952 (2004); W. Snodgrass, B. R. Wu, K. Y. Cheng, and M. Feng, IEEE Intl. Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 663-666 (2007)）。室温で、トランジスタレーザの連続波動作は、特別な放射再結合中心（つまり、アンドープ量子井戸）がＨＢＬＥＴの重くドープされたベース領域の中に組み込まれることを実演する（参照、M. Feng, N. Holonyak, Jr., G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 87, 131 103 (2005)）。トランジスタの中の傾斜荷電の個体数の短いベース効果により、ＨＢＬＥＴのベース領域内の効果的な少数キャリア生存時間が、ドーピングを調整することおよびＱＷに組み込むことによって、サブ１００ｐｓに次第に減少されることができる（参照、H. W. Then, M. Feng, N. Holonyak, Jr, and C. H. Wu, "Experimental
determination of the effective minority carrier lifetime in the operation of a
quantum-well n-p-n heterojunction bipolar light- emitting transistor of varying
base quantum-well design and doping," Appl. Phys. Lett., vol. 91 , 033505,
2007; G. Walter, C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., "4.3
GHz optical bandwidth light emitting transistor," (submitted to Appl.
Phys. Lett.), 2009, supra）。実際、ＨＢＴの固有高速度に関わらず、ＨＢＬＥＴのマイクロ波性能は、外部の固有キャリア転送効果を含む因子と、従来の高速ＨＢＬ素子の中で存在しない、（酸化物開口部のような）光抽出特性を含む必要により、寄生電気容量によって制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の側面の目的は、既存の素子と技術のこのような制限に対処すること、および傾斜荷電発光素子と技術の動作を改良することである。３端子発光トランジスタと２端子傾斜荷電光発光体を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の側面の形態の中で、発光半導体素子は、ベース領域内にキャリア注入が一様に得られるために構成され、ベースとエミッタ電極間の光学空洞は、既存技術のように、素子のエミッタとベース（またはベース／ドレイン）電極間に電圧分布の有害な非一様を引き起こさない。
【００１７】
本発明のさらなる側面によれば、出願人はヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＬＥＴ）または傾斜荷電発光ダイオードの側面の拡大縮小が、電子的および光学的特性の両方を向上させることを発見した。例えば、固有トランジスタの高速再結合力学は、側面の外因性の「寄生状」ＲＣ荷電を減少するためエミッタ開口部を小さくすることによって、抑制されることができる。高速自発変調自発速度は、製造の容易さによる高生産性と信頼性、およびＬＥＴまたは傾斜荷電発光ダイオードの閾値のない操作と共に、光源に魅力的な代替え手段を、特に短距離光データ通信と相互接続の利用のため提供する。
【００１８】
本発明の第１の側面の形状によれば、方法は、向上された効果で２端子半導体素子から光放射を生産することを説明し、以下のステップ、少なくとも１つのドレイン層を備える半導体ドレイン領域、前記ドレイン領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域と、および前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサを備える半導体エミッタ領域とを含む層構造の半導体構造を提供する、前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供する、前記ベース領域の露出した表面上に第１の部分と、前記ドレイン領域と連結されたさらなる部分とを有するベース／ドレイン電極を提供し、前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極を提供する、前記ベース領域から光放射を得るため前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極に対して信号を印加する、および、これらの領域の間で電圧分布の実質的な一様性のため、前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極を構成することを含む。
【００１９】
本発明のこの形状の実施形態にの中で、前記電極間の前記エミッタメサの形状は、電極間の領域内の電圧分布の実質的一様性を促進するために構成される。この実施形態の形状の中で、エミッタメサは、本質的に直線的な表面部分を有し、前記電極を提供するステップは、エミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って前記エミッタ電極を提供すること、および前記エミッタメサ表面部分の反対側近接のベース領域表面の部分上に前記ベース／ドレイン電極の第１の部分を提供することを含む。エミッタメサ電極とベース／ドレイン電極の前記第１の部分は、線形導電片で対向することができる。
【００２０】
本発明の第１の側面の別な形状によれば、方法は、向上された効果で３端子半導体素子から光放射を生産するために提供され、以下のステップ、少なくとも１つのコレクタ層を備える半導体コレクタ領域、前記コレクタ領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域と、前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサを備える半導体エミッタ領域とを含む層構造の半導体構造を提供する、前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供する、前記コレクタ領域上にコレクタ電極を提供し、前記ベース領域の露出した表面上にベース電極を提供し、前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極を提供する、前記ベース領域から光放射を得るため前記コレクタ、ベースおよびエミッタ電極に対して信号を印加する、および、これらの領域の間で電圧分布の実質的な一様性のため、前記ベースとエミッタ電極を構成することを含む。
【００２１】
本発明のさらなる側面の第１の形状の実施形態によれば、方法は、高周波数電気入力信号成分の高周波数光学信号成分代表を生産することを説明し、以下のステップを、半導体エミッタと第２の半導体型のコレクタ領域との間に、第１の半導体型のベース領域を含む半導体トランジスタ構造を提供する、前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供する、前記エミッタ、ベースおよびコレクタ領域それぞれに結合したエミッタ、ベースおよびコレクタ電極を提供する、前記ベース領域から外部自発光放射を生産するため前記コレクタ、ベースおよびエミッタ電極に対して前記高周波数電気信号成分を含む信号を電気印加し、前記外部自発光放射は、前記量子サイズ領域による助けで、前記高周波数電気信号成分の前記高周波数光学信号成分代表を含む、前記ベースとエミッタ電極の間の領域内に、前記光放射のため、光学窓または空洞を提供する、および前記高周波数電気信号成分に関して光放射反応の速度を制御するため、前記光学窓または空洞の側面の大きさを拡大縮小すること含む。
【００２２】
本発明のこの側面の第１の形状によれば、方法は、さらに前記エミッタ領域上に配置された開口部を提供することを含み、および前記側面の大きさの拡大縮小は、前記開口部の大きさを拡大縮小することを含む。本実施形態の１つの版の中で、開口部は一般的に円で、直径が好ましくは約１０μｍ以下に、より好ましくは約５μｍ以下に拡大縮小される。他の版では、窓および空洞は実質的に、矩形であり、前記側面の大きさの拡大縮小は、窓または空洞を好ましくは約１０μｍ以下に、より好ましくは約５μｍ以下の線形の形で提供することを含む。本方法の実施形態の実際では、高周波数電気信号成分は少なくとも約２ＧＨｚの周波数を含む。
【００２３】
本発明のさらなる側面のさらなる形状の実施形態によれば、方法は、高周波数電気信号成分の高周波数光学信号成分代表を生産することを説明し、以下のステップ、少なくとも１つのドレイン層を備える半導体ドレイン領域と、前記ドレイン領域上に配置され、少なくとも１つのベース層を含む半導体ベース領域と、前記ベース領域の部分上に配置され、少なくとも１つのエミッタ層を含むエミッタメサを備える半導体エミッタ領域とを含む層構造の半導体構造を提供する、前記ベース領域上に量子サイズ効果を示す少なくとも１つの領域を提供する、前記ベース領域の露出した表面上に第１の部分と、前記ドレイン領域と連結されたさらなる部分とを有するベース／ドレイン電極を提供し、前記エミッタ領域の表面上にエミッタ電極を提供する、前記ベース領域から光放射を生産するため前記ベース／ドレインおよびエミッタ電極に対して信号を印加する、前記ベース／ドレイン電極と前記エミッタ電極の前記第１の部分間の領域内に、前記光放射のため、光学空洞または窓を提供する、前記高周波数電気信号成分に関して光放射の速度を制御するため、前記光学窓または空洞の側面の大きさを拡大縮小することを含む。
【００２４】
本発明のこの側面のさらなる形状の実施形態によれば、前記エミッタメサは、実質的に直線的な表面部分を有し、前記電極を提供するステップは、前記エミッタ電極をエミッタメサの前記表面部分の１つの側に沿って提供すること、および前記ベース／ドレイン電極の第１の部分を前記エミッタメサ表面部分の反対側近傍のベース領域表面の部分上に提供することを含む。この実施形態の中で、前記電極を提供するステップはさらに、前記エミッタ電極と前記ベース／ドレイン電極の前記第１の部分を線形導電片で対向して提供すること、および前記側面の大きさの拡大縮小は、窓または空洞を好ましくは約１０μｍ以下に、より好ましくは約５μｍ以下の線形の形で提供することを含む。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のさらなる特徴と効果は、添付の図とともに行われた以下の詳細な記載から次第に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】存在する傾斜荷電発光トランジスタ素子の例の断面表現である。
【図２】図１の素子の接点または電極の平面図である。
【図３】図１の素子の関係する動作の回路モデル表現である。
【図４】異なったエミッタ直径ＤＥの素子に対するベース電流の関数として、（検出器光電流での）光出力を示すグラフである。
【図５】異なったエミッタ直径ＤＥの素子に対する端部密度上のエミッタ電流の関数として、正規化された光出力密度のグラフを示す。差し込み図は、正規化された開口部周辺領域とし、発光領域の表現を示す。領域は光学空洞の中の一定の浅い貫通を仮定することによって決定される。
【図６】各曲線で１０％と５０％のパルス電流点を示す、様々なエミッタサイズ（μｍ）の素子に対するエミッタ電流の関数として光電流の測定を示す。
【図７】図１の存在する素子の型の上面写真である。コレクタ（Ｃ）、ベース（Ｂ）およびエミッタ（Ｅ）の金属化が表示され、光学空洞が矢印によって示される。
【図８】本出願と同じ代理人が割り当てられた２０１０年１月７日に出願された対応するＵＳ特許出願１２／６５５、８０６の中に記載された型の傾斜荷電発光ダイオードの上面写真である。
【図９】本発明の実施形態による、および本発明の方法の実施形態が実際に使用される向上された傾斜荷電発光トランジスタの例の断面図である。
【図１０】図９の実施形態の素子動作の回路モデルを示す。
【図１１】本発明の実施形態の中で使われる対向するベースとエミッタ接点または電極片を示す。
【図１２】１０μｍ×１０μｍタイプ２光学空洞設計を有する傾斜荷電発光トランジスタの上面写真を示す。
【図１３】図７（太線）および図１２（点線）の中で示された素子に対する発光トランジスタ光出力（検出器光電流）対エミッタ電流を示す。
【図１４】本発明の実施形態による２接合傾斜荷電発光ダイオードの簡単化された断面図である。
【図１５】図１４の素子の上面写真を示す。エミッタ（Ｅ）とベース／ドレイン（ＢＤ）金属化が表示され、光学空洞が矢印によって示される。
【図１６】図１５の素子の例の半導体層を示す表である。
【図１７】図１５と図１６の素子のＩ−Ｖ特性を示す。
【図１８】素子の基板底部から計測された図１５と図１６の素子の光学光出力Ｌ−Ｉ特性を示す。差し込み図は、不定の単位での出力光スペクトルである。
【図１９】それぞれ、３．２、５、および７ＧＨｚの−３ｄＢ周波数ｆ３ｄｂを示す、バイアス電流ＩＥ＝４０、５０、およぶ６０ｍＡでの図１５と図１６の素子の光出力反応を示す。
【図２０】素子のドレイン領域としてトンネル接合を利用する本発明の実施形態の簡単化された断面図を示す。
【図２１】本発明の改良の実施形態が利用された素子の簡単化された断面図を示す。
【図２２】グラフ（ａ）で図２１の素子のコレクタＩ−Ｖ特性を、グラフ（ｂ）で図２１の素子の光出力特性を示す。光放射は大面積光検出器で素子の底部から測定される。
【図２３】グラフ（ａ）、グラフ（ｂ）それぞれで、バイアスＩＢ＝２ｍＡとＶＢＣ〜０Ｖ（反転バイアスＢＣ接合のための条件）でＢＣとＥＣｒｆ入力への共通コレクタＨＢＬＥＴ素子の光反応を示す。
【図２４】ＤＡ〜６μｍと０ボルトＶＢＣを有するＨＢＬＥＴのＥＣ入力ポート変調に対するＩＢの関数としてのＦ３ｄＢ（ＧＨｚ）を示すプロットである。差し込み図は、ＩＢの関数としての光出力（マイクロワットの検出器出力）を示す。
【図２５】（ａ）ＤＡ＝５ｕｍと（ｂ）ＤＡ＝１３μｍのエミッタサイズの例に対するＨＢＬＥＴコレクタＩＶ特性を示す。
【図２６】ＤＡ＝５μｍ、ＤＡ＝８μｍおよびＤＡ＝１３μｍのこの例の３つの素子に対して、ＶＢＣ＝０Ｖでベース電流ＩＢの関数として（底部から測定された）ＨＢＬＥＴ光学光出力を示す。差し込み図は、波長の関数として任意の単位で光スペクトルを示す。
【図２７】ＤＡ＝５μｍ、ＤＡ＝８μｍおよびＤＡ＝１３μｍのこの例の３つの素子に対して、ＶＢＣ＝０Ｖで周波数の関数として正規化された反応のプロットを示す。
【図２８】ＤＡ＝５μｍ、ＤＡ＝８μｍおよびＤＡ＝１３μｍのこの例の３つの素子に対して、ベース電流の関数として光バンド幅のプロットを示す。
【図２９】本発明の実施形態が使用された傾斜荷電発光ダイオードの簡略化された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図９は、本発明の第１の側面の実施形態による向上された傾斜荷電発光トランジスタ素子の図である。ここの素子は、ここの背景技術に記載された特許および出版物の中で例として記載されたようなＩＩＩ−Ｖ半導体層を堆積するための従来の半導体堆積技術および素子組み立ておよび完了技術を例として使用することで組み立てられる。底部から上に、素子は、ｎ＋サブコレクタ層９０５、ｎ型コレクタ領域９１０、および量子井戸９２６を含むｐ＋ベース領域９２０を含む。エミッタメサはｎ型エミッタ層９３０およびｎ＋エミッタ金属被覆９５０を含む。本例の中で素子はｎｐｎ傾斜荷電発光トランジスタであるが、ここの原理はｐｎｐ素子にも適用可能であると理解すべきである。コレクタ電極または接点金属化は、９０７で表される。ベース接点は９２２で表され、エミッタ接点は９５２で表される。
【００２８】
図９の実施形態で光学空洞はエミッタとベース電極の間に効果的に置かれる。エミッタ抵抗（ＲＥ）は、エミッタ電流とベース電流比（β＋１）に関して調整され、電子伝導による電圧低下は、反対方向から横に伝導するホールとしてのベース電流による電圧低下と等しい。これはより一様な電圧低下をベース−エミッタ接合に生じさせる結果となる。エミッタ抵抗は薄板抵抗の変化によっておよびエミッタメサの形状（図１１以下）の変化によって調節することもできる。
【００２９】
図１０は、図９の実施形態の素子動作の回路モデルを示す。図１０の中で、領域と接点は、図９の参照番号と対応する。モデルの中で、１００７、１０２０、および１０３０は、それぞれコレクタ、ベースおよびエミッタ抵抗を表し、１００８はコレクタ電流成分を表し、１０４０はベース／エミッタ電圧の空間成分を表す。図の中で見られるように、ベース−エミッタ接合に生じる電圧低下は、実質的に一様に作られ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４は近似的に同じになる。これは、再結合事象が光学空洞内で近似的に一様であることを意味する。
【００３０】
ベースとエミッタ接合に生じる本質的に対称な電圧低下は、薄板抵抗とエミッタメサの形状を調節すること、例えば、（この場合露出されたエミッタメサによって定義された）光学窓または空洞の形状を使用することによって、望ましい抵抗を得て、達成されることができる。例えば、図１１（ａ）および１１（ｂ）の図表は、対向するベースとエミッタ接点または電極片、および影が付けられた領域として、生成された光が放射される露出されたエミッタメサを示す。図１１（ａ）の「タイプ２」素子と比較して、図１１（ｂ）の「タイプ１」素子は、より大きいエミッタ抵抗とより小さいベース抵抗を示す。
【００３１】
図１２は、１０μｍ×１０μｍ「タイプ２」光学空洞または窓設計を有する傾斜荷電発光トランジスタの上面写真を示す。一様な光放射を得るための近似的に対称な電圧分布は、ＲＢ＝（β＋１）ＲＥと設計することによって達成される。この素子の活動周辺は１０μｍである。
【００３２】
図１３は、図７（太線−存在する素子）および図１２（点線−ここの実施形態の例）の中で示された素子に対する発光トランジスタ光出力（検出器光電流）対エミッタ電流を示す。ここの分布設計構造は、存在する設計（図７）の１８μｍの周辺の約半分である１０μｍの活動周辺（図１２）を有するにもかかわらず、光飽和に到達する前に約２倍大きいエミッタ電流注入の能力があることが分かる。これは、光学窓または空洞のより大きい効果的な領域が、ここの分布設計の結果として、再結合に関係することを示す。
【００３３】
図１４と図１５は、エミッタとべース／ドレイン間に置かれた光学空洞と調節されたエミッタ抵抗を有する、ここの実施形態の分布設計特徴を有する２端子傾斜荷電発光ダイオードを示す。図１４の中でｐ型ベース領域１４４０は、故意でなくドープされたｎ型ドレイン領域１４３３とｎ型エミッタ領域１４５０の間に配置され、前記エミッタとベース領域の間での第１の半導体接合とベース領域とドレイン領域の間の第２の半導体接合がある。ベース領域１４４０は、例えば、１またはそれ以上の量子井戸または１またはそれ以上の量子ドット領域のような、量子サイズ領域１４４１を含む。ドレイン１４３３の下はｎ型サブドレイン１４３４である。エミッタの上は、エミッタ金属被覆および接点領域１４６０である。エミッタ領域は、エミッタ接点１４５３の形で、これに接続されたエミッタ電極を有する。ベース／ドレイン電極は、ベースとドレイン領域に接続される。ベース／ドレイン電極は、この実施形態ではベース領域とサブドレイン領域の上堆積された金属性接点１４７０である。図１４に示されるように、正のバイアス電圧１４９１はエミッタ接点１４５３に関してベース／ドレイン接点１４７０に与えられ、ＡＣ電圧１４９２もこれらの接点に関して与えられる。図１４の素子の中の電子とホールの流れは、図の中の矢印によって示される。量子井戸によって助けられたベース領域内の再結合は光放射の結果となる。この素子が２接合レーザダイオード、２接合共鳴空洞発光ダイオード、または２接合垂直空洞トランジスタレーザとして機能することを可能とするため、導波と空洞の配置はこの構成に加えることができる（例えば、典型的な上部および下部に、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、光学共鳴空洞を得るため図１４の素子の中に提供することができる。）。放射再結合は、図１４の中１４８５で表されたように活動光学領域の中で最適化される。図１５の上面写真から、エミッタとベース／ドレイン金属化、および図１４の素子の光学空洞または窓の範囲が見られる。
【００３４】
図１４の実施形態の例のため（参照、Walter, Wu, Then, Feng, and Holonyak, Applied Physics Letters, 94, 231125 (June, 2009)）、２接合傾斜荷電発光ダイオードを作るために用いられた水晶のエピタキシャル層は、基板の上から、３０００Åｎ型ドープＧａＡｓバッファ層、５００Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ閉じこめ層、２１３Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓまでの酸化バッファ層、５９５Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性開口物層および他の２１３Å段階的なＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓまでの酸化バッファ層を含む。５５７Åｎ型ＧａＡｓ接触層、１２０ÅＩｎＧａＰエッチング停止層および２８７１Åアンドープ「ドレイン」層は上から成長される。「ドレイン」層は、１３５８Åベース層のちょうど下にあり、これは、２つのアンドープ１１２ÅＩｎＧａＡｓ量子井戸と３ｘ１０１９ｃｍ−３の平均ドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ層とを含む。ヘテロ構造エミッタは、５１１Åｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層、２１３Å段階的Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓまでの酸化バッファ層、５９５Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性開口物層、他の２１３Å段階的Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓまでの酸化バッファ層および５００Å段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ閉じこめ層を含む。この構造は、２０００ÅＧａＡｓ上面接点層で完了される。開口部層はオプションである。参照は図１６の表で作られ、ここの最後の行は図１５の図表に関連した層の記載を示す。
【００３５】
２接合傾斜荷電ＬＥＤは、最初ウェットエッチングステップを行うことによってエミッタおよびベース−「ドレイン」メサを作成し、続いて、分離エッチングによってサブ「ドレイン」から基板を作成することで製造される。金属化ステップは、要求される電極接点を提供するために行われる。完全なＬＥＤは、２つの電極：（ａ）エミッタ層の接点および（ｂ）ベースと「ドレイン」層を横切る他、のみを含む（図１５参照）。ベース−「ドレイン」は、共通接点金属化をベースに拡張することで得られる共通のポテンシャル（ゼロポテンシャル差）によって維持される反転組み込み場で、ｐ−ｎ接合を形成する。ゼロベース−「ドレイン」ポテンシャル差は、ベース−「ドレイン」境界でベース荷電個体数密度がないことを確実にし、動的「傾斜」エミッタから「ドレイン」までの個体数を、上記で最初に記載されたベースの中に達成する。「ドレイン」層は３端子ＨＢＬＥＴの中のコレクタと同様な役割を行う。超過少数キャリアがベース（ＩＤ）から除去され、ベースから「ドレイン」への「一掃」を、ベース−「ドレイン」ｐ−ｎ接合での組み込み場によって可能とする。ベース推移時間内に再結合を行わない、エミッタから「ドレイン」への推移のベースキャリアは除去され、「流される」。これは、ベース内の「遅い」荷電の集積を妨げることによって、傾斜荷電ＬＥＤの速い変調を可能とする。傾斜荷電ＬＥＤは、ＨＢＬＥＴの高速光変調特性を保持する。
【００３６】
傾斜荷電ＬＥＤは、簡単な操作でより速い、通常の２端子素子としてバイアスされる。外面的に傾斜荷電ＬＥＤは、ｐ−ｎ接合ダイオードのそれと似ている電気Ｉ−Ｖ特性を示す（図１７参照）。ベースと「ドレイン」は金属化され一様なポテンシャルであるため、「ターンオン」電圧はエミッタ−ベースポテンシャル差によって決定される。図１８に示されたＬ−ＩＥ光出力特性は、素子の（基板からの）底部放射から得られる。組み込み図の広い放射放出スペクトル（ＦＷＨＭ〜９６ｎｍ）は、ＬＥＤが自発再結合で動作することを示す。スペクトルのピークは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸の基底状態推移（１．２４ｅＶ）に対応するλ＝１０００ｎｍで起こる。内部「トランジスタ」利得β＝ＩＤ／ＩＢとして１０ｍＡを過ぎるＩＥでの光出力飽和は、ベース内の（再結合）電流ＩＢ＝ＩＥ／（β＋１）が飽和する結果として増加する。光抽出効率は、半導体ＧａＡｓ−気体境界から単一の脱出円錐を仮定することで、約１．４％のみであるため、この例に対する光出力は、低マイクロワット範囲内である。素子の光反応を得るため、光出力は素子頂上放射からファイバを通して集められ、１２ＧＨｚｐ−ｉ−ｎ光測定器をＡｇｉｌｅｎｔＮ５２３０Ａネットワーク分析器に接続し測定された。ＩＥ＝４０、５０および６０ｍＡに対する荷電傾斜ＬＥＤの光反応は図１９に示される。データはＨ（ｆ）＝Ａ０／（１＋ｊｆ／ｆ３ｄＢ）、ｆ３ｄＢ＝１／（２πτＢ）の形の単一ポール反応にすばらしい適合を示す。この例に対してａ−３ｄＢバンド幅、ＩＥ＝６０ｍＡで、効率τＢ＝２３ｐｓに対応する７ＧＨｚのｆ３ｄＢが得られた。
【００３７】
図２０は、ドレイン領域としてトンネル接合を利用するここの別の実施形態を示す。参照は、例えば、Tunnel Junction Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H.W. Then, CH. Wu, and G Walter, Appl. Phys Lett. 94, 04118 (2009)にある。図２０で、図１４の参照番号のものは、図１４の要素と対応する。図２０で、トンネル接合のｐ＋層１９３０は、ベース１４４０と隣接し、トンネル接合のｎ＋層１９３１はｎ型サブドレイン層１４３４と隣接する。
【００３８】
本発明のさらなる側面は以下に記載される。本発明のこの側面の実施形態の例のため、ヘテロ接合バイポーラ発光ダイオード（ＨＢＬＥＴ）に用いられた水晶のエピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤを使用して作られ、３０００Åｎ型重ドープＧａＡｓバッファ層を含み、５００Åｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．６０Ａｓ層、段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓまでの酸化バッファ層、６００Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性層、底部金属被覆層で終了する段階的なＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓまでの酸化バッファ層が続く。これらの層は、５５７Åｎ型サブコレクタ層、１２０ÅＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層、２８７１ÅアンドープＧａＡｓコレクタ層、および
【数１】
0005789597.tif 000002
２つの１１２ÅＩｎＧａＡｓ量子井戸含む、１３５８Å平均ｐドープ３ｘ１０１９ｃｍ−３のＡｌＧａＡｓ／ＧｓＡＳ段階的ベース層（活動層）とを含む。エピタキシャルＨＢＴＬ構造は上部金属被覆の成長で完成する。この層は、５１１Åｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ広ギャップエミッタ層、段階的なＡｌ０．３０Ｇａ０．７０ＡｓからＡｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓまでの酸化バッファ層、６００Åｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化性層および段階的なＡｌ０．９０Ｇａ０．１０ＡｓからＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓまでの酸化バッファ層と５００Åｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層を含む。最後に、ＨＢＴＬ構造は、２０００Å重ドープｎ型ＧａＡｓ接点層で閉じられる。様々な標準のエッチングと接点金属化ステップの後、ここの第１の例の完全な素子は、〜６μｍの直径の酸化開口部ＤＡを１０μｍエミッタメサ上に有する。
【００３９】
図２１の中に、素子の簡単化された断面図とその上面図を示す。ｎ＋ＧａＡｓサブコレクタ領域２１０５は、この上に堆積されたｎ型ＧａＡｓコレクタ領域２１１０を有し、1つまたはそれ以上のアンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）を有するｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域２１２０が続く。エミッタメサはベース上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２１３０、およびｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層２１４０、およびｎ＋ＧａＡｓ金属被膜層２１５０を含む。側面酸化物は中心開口部を形成するために使用される。コレクタ接点金属化は２１０７で示され、ベース接点金属化は２１２２で示され、エミッタ接点金属化は２１５２で示される。
【００４０】
コレクタＩ−Ｖと光出力特性はそれぞれ図２２（ａ）と図２２（ｂ）で示される。素子は、例えばＩＢ＝２ｍＡとＶＣＥ＝２Ｖで、３０（または３０ｄＢ）と同じくらい高い電流利得β（＝ΔＩＣ／ΔＩＢ）を表す。図３（ｂ）の光放射は、広領域光検出器で素子の底部から計測される。ＧａＡｓ−空気表面から単一の脱出円錐の光抽出効率は、通常の入射に対するフレネル反射損失を仮定すると、近似的に１．４％である（参照：M. G. Craford, High Brightness Light Emitting Diodes, Semiconductors
and Semimetals, Vol. 48, Academic Press, San Diego, CA, p. 56 (1997)）。光出力の広いスペクトル特性（グラフ（ｂ）の差し込み図参照；ＦＷＨＭ＝７６ｎｍ）は、ＨＢＬＥＴ動作の自発再結合の幅の指標である。この例のＨＢＬＥＴは共鳴空洞を組み込まなく、共鳴空洞の使用は実質的に光出力抽出を増加することが理解される。
【００４１】
ｒｆ入力としてＢＣポートを有する共通コレクタＨＢＬＥＴの動作は、自発電子−光出力変換およびＥＣ出力ポートで電気出力利得を可能とする。この３端子性質により、この構成の中で、素子は、ＢＣポートで自発電気出力利得を提供しないにもかかわらず、その光出力は、ＥＣポートでの変調信号を入力することに反応する。ｒｆ入力としてのＥＣポートを配置することは、最大パワー移動に対してより調和のとれた入力インピーダンス（５０Ω標準）の効果を有する。ＢＣポート出力インピーダンスは一般に反転バイアスＢＣ接合のため、ＥＣ入力インピーダンスより高く、高入力インピーダンスは回路性能を最大化するため望ましく、効果がある。
【００４２】
ここの例の中で、光反応は、バンド幅≧１２ＧＨｚの高速ｐ−ｉ−ｎ光検出器と５０−ＧＨｚ電子スペクトル分析器で測定された。周波数生成器（０．０５−２０ＧＨｚ）は素子に入力信号を与えるために使用される。バイアスＩＢ＝２ｍＡとＶＢＣ〜０Ｖ（反転バイアスＢＣ接合のための条件）でＢＣとＥＣｒｆ入力変調への共通コレクタＨＢＬＥＴ素子の光反応が、それぞれ図２３（ｂ）と図２３（ａ）で示される。両方の場合で、−３ｄＢ、ｆ３ｄＢでの反応バンド幅は、４．３ＧＨｚである。図２４で、ｆ３ｄＢがＩＢが１から２ｍＡに増加するとき、２．８から４．３ＧＨｚに向上することが見られる。光出力と反応バンド幅は、光出力（差し込みのプロット参照）が飽和と熱により劣化するＩＢ＝２ｍＡまで示される。
【００４３】
光反応Ｈ（ｆ）は、
【数２】
0005789597.tif 000003
のように表せ、Ａ０は電子光変換効率であり、ｆ３ｄＢは−３ｄＢでのバンド幅である。ｆ３ｄＢは、関係
【数３】
0005789597.tif 000004
によって、（自発再結合が欠けており、しかし望ましくない寄生ＲＣ荷電時間を含む）有効ベースキャリア再結合生存時間τＢに関係する。従って、４．３ＧＨｚのｆ３ｄＢに対する値は、３７ｐｓのτＢに対応する。サブ−１００ｐｓ再結合速度は、２重ヘテロ接合（ＤＨ）ｐ−ｉ−ｎ発光ダイオードの中で簡単に達成されない。なぜなら電子（ｎｃｍ−３）とホール（ｐｃｍ−３）の等しい数の密度が、荷電の中性を保存するため中性アンドープ活動領域の中に注入されるためである。従って、非常に高い注入レベルと、同等に高電荷個体数（Ｉｉｎｊｅｃｔ／ｑ＝Ｂｒａｄ・ｎ・ｐ・Ｖｏｌ＝ｎ・Ｖｏｌ／τＢから）が、高再結合速度を達成するため、要求される。ＨＢＬＥＴで、ホールはベースの中でｐドープによって組み入れられ、抵抗ベース電流によって再供給され、一方（少数キャリア）電子はヘテロ接合エミッタから注入される。さらに、２重ヘテロ接合ｐ−ｉ−ｎダイオードの中の荷電「山積」条件に反対して、力学「傾斜」荷電流条件は、ベース再結合と競争のなかで電気的コレクタ（反転バイアスＢＣ接合）でトランジスタのベースの中で維持される。「傾斜」ベース個体数のため、電流の流れは、荷電分布で傾きの関数であり、高電流密度は要求する極端な荷電密度なしで可能である。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）ｎ−ｐ−ｎ構造は、したがって、２重ヘテロ接合ｐ−ｉ−ｎ構造に対して、（どのように荷電を扱うかに関し）固有の効果を所有する。
【００４４】
したがって、ここのＨＢＬＥＴの中で観測された３７ｐｓキャリア生存時間は、自発再結合が「速く」なることができ、より速い変調速度は望ましくない寄生をさらに減少することによって可能になることを示す。さらに、レーザ素子の中で典型的に観測される緩和振動の欠如と、レーザ反応の傾きの１０毎の−４０ｄＢと対比した３ｄＢバンド幅を超え１０毎の−２０ｄＢのより少ない信号減衰傾斜により、ＨＢＬＥＴは、短距離光データ通信のため付随する効果を有し、４．３Ｇｂ／ｓよりはるかに高いデータレートで潜在的に配備される。
【００４５】
ここのさらなる例の中で、素子は、ｎ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層（図１の開口部層１４０）の選択的側面酸化物によって達成される５μｍ、８μｍおよび１３μｍのエミッタ開口部幅を除いて、前に記載されたように製造される。５μｍ（プロット（ａ））および１３μｍ（プロット（ｂ））の開口部幅とＶＢＣ＝０（つまり、ベースとコレクタが短絡される）を有するＨＢＬＥＴに対するコレクタＩ−Ｖ特性は図２５で示される。図２６は、対応する光学光出力特性Ｌ−ＩＢを３つの素子のそれぞれの底部側から計測して示す。比較可能なベース電流ＩＢで、５μｍ開口部を有する素子は、１３μｍ素子より２．４倍高い電流利得を達成する。しかしながら、１３μｍＨＢＬＥＴは２．４倍高い光出力を生成する。素子を過度に熱することによる高バイアス状態（ＶＣＥ≧２Ｖ）での電流利得βと光出力飽和は、半絶縁基板上で、任意の温度制御なしで動作される。全再結合放射がより大きい素子で増加する一方、放射再結合のほんの一部は固有トランジスタベース領域内で起こる。これらの実施形態で使用された「輪」状の形状により、真性固有トランジスタベースは、ＤＡ／２に比例する半径と同心の、およびｔによって示される固有素子幅（活動端部）の範囲に及ぶ。従って、全（外部および固有）再結合に対する固有ベース再結合の比は大まかに、開口部幅ＤＡに反比例、したがって単純な比〜πＤＡｔ／π（ＤＡ／２）２＝４ｔ／ＤＡによって見積もられる。素子開口部サイズＤＡが減少すると、注入キャリアのより大きい比が、増加的に固有トランジスタベース領域（つまり、より高い４ｔ／ＤＡ）に閉じ込められ、より高い電流密度と高められた電流利得の結果となる。しかしながら、より大きい側面形状（つまりより大きいＤＡ、従ってより小さい４ｔ／ＤＡ）で、外部ベース（放射または非放射）再結合に対するキャリア寄与は増加し、低いβと相応して高い光出力の結果となる。素子の典型的光スペクトル（図２６の差し込み図）は、７６ｎｍのＦＷＨＭを示し、素子が自発再結合内で動作することを実演する。これらの例に対するＧａＡｓ−空気表面から単一の脱出円錐の光抽出は、非常に非効率である。通常の入射に対するフレネル反射損失を仮定すると、抽出効率は、１．４％と評価される（参照、W. Snodgrass, B. R. Wu, K. Y. Cheng, and M. Feng, IEEE Intl.
Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 663-666 (2007）。
【００４６】
図２７に、ＨＢＬＥＴは、ＶＢＣ＝０ＶでＥＣポートに加えられたｒｆ入力で共通コレクタ構成で動作する。この構成の中で、素子は、同時出力電気利得を提供しないが、ＥＣ入力インピーダンスＺＥＣは最大パワー移動に対してソースインピーダンス（５０Ω標準）によく調和する。この例の中で光反応は、再度１２ＧＨｚのｐ−ｉ−ｎ光検出器と５０−ＧＨｚ電子スペクトル分析器で測定された。２０ＧＨｚまでの周波数一掃生成器が、また素子に入力信号を与えるために使用される。図２７は、それぞれ開口部サイズＤＡ＝５、８、１３μｍのＨＢＬＥＴによって達成された４．３、２．８および１．８ＧＨｚの最大バンド幅光反応を示す。放射再結合のより大きい比が、コレクタＩ−Ｖ特性（図２５）と光Ｌ−ＩＢ特性（図２６）から引き出される観測と一致するキャリアの固有再結合速度がより速いＨＢＬＥＴの固有ベースに閉じ込められるため、より高いバンド幅は、より小さい開口部を使用することによって達成される。様々な開口部サイズ（図２８）のＨＢＬＥＴに対する光バンド幅対バイアスベース電流ＩＢのプロットは、バイアス電流（ＩＢ従ってＩＥ）が増加すると光バンド幅内で増加を示す。最大バンド幅は、図２５と図２６から明らかなように光および電気特性が熱により飽和を始めるところで達成される。
【００４７】
刺激再結合の欠如で、−３ｄＢ周波数を表すｆ３ｄＢで単純極移動関数Ｈ（ｆ）として、光反応を単純に表すことができる。値ｆ３ｄＢは、ｆ３ｄＢ＝１／（２πτＢ）によって、外部ベースキャリア再結合生存時間τＢに関係する。従って、３７ｐｓの外部τＢは、（ＤＡ＝５μｍの素子に対して）値ｆ３ｄＢ＝４．３ＧＨｚから推論される。一方、８８ｐｓのτＢは１３−μｍの開口部素子に対して得られる。従って、側面外部再結合は、素子の光バンド幅を制限する同等な寄生状ＲＣ荷電時間を形成する。従って、側面拡大縮小によって、素子の性能は、固有トランジスタベースから由来するまたは広がる放射再結合のみを送り込むキャリアを（高電流密度による）「チャネリングすること」と（より小さい開口部による）「制限すること」によって向上される。素子構造の中に一定の（寄生）側面端部の存在により、３７ｐｓの得られたτＢは、まだ外的に支配または制限される。これは、固有トランジスタベース再結合生存時間が３７ｐｓよりもっと速くなることができることを示し、より高い自発光バンド幅でさえ可能になることを示す。
【００４８】
上記の図１４−１６で、線形エミッタと導電片と対向するベース電極または接点との間にその光学窓または空洞として非円（例えば矩形）の範囲を有する２端子傾斜荷電発光ダイオードの実施形態が開示される。記載されたように、この構造は、活動領域内に注入されるキャリアの一様性を促進する効果と効果的光出力を有する。上記記載の拡大縮小の効果はこの構造にも適用可能である。参照は図２９の簡略化された断面図で行われる。その中で、ｎ＋ＧａＡｓサブドレイン２９０５は、その上に堆積されたｎ型ドレイン領域２９１０を有し、1つまたはそれ以上のＩｎＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）を有するｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域２９２０が続く。エミッタメサは、ベース上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２９３０、および光学ｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層２９４０、およびｎ＋ＧａＡｓ金属被膜層２９５０を含む。エミッタ電極金属は２９５２で示され、ベース／ドレイン電極金属は２９６０で示される。線形ベースとエミッタ電極間の同様な構造は３端子発光トランジスタまたはレーザトランジスタにも使用することができる。再度、上記に記載された拡大縮小の効果はこれらの素子構造にも適用可能である。
【００４９】
本発明は、本発明の概念と範囲を当業者に気づかせる特別の好ましい実施形態に従って記載された。例えば、適切な反射体が外部自発光放射の抽出を促進するため使用することができる。自発放射ＬＥＴおよびダイオードが記載された箇所で、適切な反射共鳴装置をを利用することは理解できる。記載された特徴から利益になるトランジスタレーザとダイオードレーザも考えられる。
【符号の説明】
【００５０】
１０５  ｎ＋ＧａＡｓサブコレクタ領域
１０７  コレクタ電極または接点金属化
１１０  ｎ型ＧａＡｓコレクタ領域
１２０  ｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域
１２２  ベース接点金属化
１２６  ｎ型ＩｎＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）
１３０  ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層
１４０  ｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層
１４１  環状酸化物
１５０  ｎ＋ＧａＡｓ金属被覆層
１５２  エミッタ接点金属化
３０７  コレクタ抵抗
３０８  コレクタ電流成分
３２０  ベース抵抗
３３０  エミッタ抵抗
３４０  ベース／エミッタ電圧の空間成分
９０５  ｎ＋サブコレクタ層
９０７  コレクタ電極または接点金属化
９１０  ｎ型コレクタ領域
９２０  ｐ＋ベース領域
９２２  ベース接点
９２６  量子井戸
９３０  ｎ型エミッタ層
９５０  ｎ＋エミッタ金属被覆
９５２  エミッタ接点
１００７  コレクタ抵抗
１００８  コレクタ電流成分
１０２０  ベース抵抗
１０３０  エミッタ抵抗
１０４０  ベース／エミッタ電圧の空間成分
１４３３  ｎ型ドレイン領域
１４３４  ｎ型サブドレイン
１４４０  ｐ型ベース領域
１４４１  量子サイズ領域
１４５０  ｎ型エミッタ領域
１４５３  エミッタ接点
１４６０  エミッタ金属被覆および接点領域
１４７０  金属性接点
１４９１  正のバイアス電圧
１４９２  ＡＣ電圧
１９３０  ｐ＋層
１９３１  ｎ＋層
２１０５  ｎ＋ＧａＡｓサブコレクタ領域
２１０７  コレクタ接点金属化
２１１０  ｎ型ＧａＡｓコレクタ領域
２１２０  ｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域
２１２２  ベース接点金属化
２１３０  ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層
２１４０  ｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層
２１５０  ｎ＋ＧａＡｓ金属被膜層
２１５２  エミッタ接点金属化
２９０５  ｎ＋ＧａＡｓサブドレイン
２９１０  ｎ型ドレイン領域
２９２０  ｐ＋ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓベース領域
２９３０  ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層
２９４０  光学ｎ型ＡｌＧａＡｓ開口部層
２９５０  ｎ＋ＧａＡｓ金属被膜層
２９５２  エミッタ電極金属
２９６０  ベース／ドレイン電極金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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