(57)【要約】第１のモードでは発光トランジスタとして、また第２のモードでは高速電気的トランジスタとして、デバイスを提供しおよび動作させるための方法であって、第２の半導体タイプの半導体エミッタ領域と半導体コレクタ領域との間に第１の伝導性タイプの半導体ベース領域を提供するステップと、ベース領域内に量子サイズ領域を提供するステップと、量子サイズ領域とコレクタ領域との間のベース領域内にキャリア遷移領域を提供するステップと、少なくともキャリア遷移領域におけるキャリアの空乏を制御するために、ベース領域およびコレクタ領域に関して制御可能なバイアス電圧を印加するステップと、制御可能なバイアス信号に応じて、デバイスを発光トランジスタまたは高速電気的トランジスタとして動作させるために、エミッタ領域、ベース領域、およびコレクタ領域に関して信号を印加するステップとを含む方法。
2015529973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のモードでは発光トランジスタとして、また第２のモードでは高速電気的トランジスタとして、デバイスを提供しおよび動作させるための方法であって、
第２の半導体タイプの半導体エミッタ領域と半導体コレクタ領域の間に、第１の伝導性タイプの半導体ベース領域を提供するステップと、
前記ベース領域内に、量子サイズ領域を提供するステップと、
前記量子サイズ領域と前記コレクタ領域との間の前記ベース領域内に、キャリア遷移領域を提供するステップと、
少なくとも前記キャリア遷移領域におけるキャリアの空乏を制御するために、前記ベース領域およびコレクタ領域に関して制御可能なバイアス電圧を印加するステップと、
前記制御可能なバイアス信号に応じて、前記デバイスを発光トランジスタまたは高速電気的トランジスタとして動作させるために、前記エミッタ領域、ベース領域、およびコレクタ領域に関して信号を印加するステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記制御可能なバイアス信号を印加する前記ステップは、前記ベース領域とコレクタ領域との接合部を跨いで制御可能なバイアス電圧を印加するステップ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】
前記制御可能なバイアス電圧を印加する前記ステップは、前記デバイスを高速電気的トランジスタとして動作させるために、前記コレクタ領域、前記キャリア遷移領域、および前記ベース領域の一部においてキャリアを完全に空乏させるために、前記バイアス電圧を印加するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バイアス電圧を印加する前記ステップは、前記量子サイズ領域を前記空乏コレクタ領域にシフトさせるように動作することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ベース領域の前記空乏部分は、前記量子サイズ領域と、前記量子サイズ領域と前記キャリア遷移領域との間の前記ベース領域の前記一部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６】
前記ベース領域からの光放出を生成する発光トランジスタとして前記デバイスを動作させるために、前記バイアス電圧を除去するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記ベース領域を光共振キャビティ内に封入するステップをさらに備え、それによって、前記ベース領域からの光放出はレーザ放出を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ベース領域の前記一部は、前記量子サイズ領域を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース領域内に、量子サイズ領域を提供する前記ステップは、前記ベース領域内に、少なくとも１つの量子井戸を提供するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
第１の伝導性タイプの半導体ベース領域を提供する前記ステップは、ｐ型ベース領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
半導体ベース領域を提供する前記ステップは、前記キャリア遷移領域においてｐ型のドープが行われるよりも大量にｐ型のドープが行われる、前記エミッタ領域に隣接するベース領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ベース領域を提供する前記ステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、
前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、前記量子井戸と前記エミッタ領域との間の前記ベース領域の前記一部よりも大量にｐ型のドープが行われていないＧａＡｓ領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
前記ベース領域を提供する前記ステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、
前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、前記量子井戸と前記エミッタ領域との間の前記ベース領域の前記一部よりも大量にｐ型のドープが行われていないＧａＡｓ領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記ベース領域を提供する前記ステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、
前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを有しおよびｐ型のドープが行われた半導体材料の領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ベース領域を提供する前記ステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、
前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを有しおよびｐ型のドープが行われた半導体材料の領域を提供するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、ｐ型のＡｌＧａＡｓの領域を提供するステップ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】
発光トランジスタまたは高速電気的トランジスタとして動作させることができる半導体デバイスであって、
第２の半導体タイプの半導体エミッタ領域と半導体コレクタ領域との間の第１の伝導性タイプの半導体ベース領域と、
前記ベース領域内の量子サイズ領域と、
前記量子サイズ領域と前記コレクタ領域との間の前記ベース領域内のキャリア遷移領域と、
少なくとも前記キャリア遷移領域におけるキャリアの空乏を制御するために、前記ベース領域およびコレクタ領域に関して制御可能なバイアス電圧を印加するための電極と
を備え、
それによって、前記エミッタ領域、ベース領域、およびコレクタ領域に関して印加された信号は、前記制御可能なバイアス電圧に応じて、前記デバイスを発光トランジスタまたは高速電気的トランジスタとして動作させることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１８】
前記量子サイズ領域は、１または複数の量子井戸を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項１９】
第１の伝導性タイプの前記半導体ベース領域は、ｐ型ベース領域を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２０】
前記半導体ベース領域は、前記キャリア遷移領域においてｐ型のドープが行われるよりも大量にｐ型のドープが行われる、前記エミッタ領域に隣接するベース領域を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
前記ベース領域は、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を備え、前記キャリア遷移領域は、前記量子井戸と前記エミッタ領域との間の前記ベース領域の一部よりも大量にｐ型のドープが行われていないＧａＡｓ領域を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
前記ベース領域は、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を備え、前記キャリア遷移領域は、ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを有する、ｐ型のドープが行われた半導体材料の領域を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２３】
前記キャリア遷移領域は、ｐ型のＡｌＧａＡｓの領域を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の半導体デバイス。
【請求項２４】
第１のモードでは光学的傾斜電荷デバイスとして、また第２のモードでは高速電気的傾斜電荷デバイスとして、傾斜電荷デバイスを提供しおよび動作させるための方法であって、
第２の半導体タイプの半導体エミッタ領域と半導体コレクタ領域との間に、第１の伝導性タイプの半導体ベース領域を提供するステップと、
前記ベース領域内に、量子サイズ領域を提供するステップと、
前記量子サイズ領域と前記コレクタ領域との間の前記ベース領域内に、キャリア遷移領域を提供するステップと、
少なくとも前記キャリア遷移領域におけるキャリアの空乏を制御するために、前記ベース領域およびコレクタ領域に関して制御可能なバイアス電圧を印加するステップと、
前記制御可能なバイアス信号に応じて、前記デバイスを光学的傾斜電荷デバイスまたは高速電気的傾斜電荷デバイスとして動作させるために、前記エミッタ領域、ベース領域、およびコレクタ領域に関して信号を印加するステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記制御可能なバイアス信号を印加する前記ステップは、前記ベース領域とコレクタ領域との接合部を跨いで制御可能なバイアス電圧を印加するステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記制御可能なバイアス電圧を印加する前記ステップは、前記デバイスを高速電気的傾斜電荷デバイスとして動作させるために、前記コレクタ領域、前記キャリア遷移領域、および前記ベース領域の一部においてキャリアを完全に空乏させるために、前記バイアス電圧を印加するステップを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記バイアス電圧を印加する前記ステップは、前記量子サイズ領域を前記空乏コレクタ領域にシフトさせるように動作することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ベース領域からの光放出を生成する光学的傾斜電荷デバイスとして前記デバイスを動作させるために、前記バイアス電圧を除去するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスおよび方法の分野に関し、より詳細には、光学的および電気的動作について改善されたデュアルモード属性を示す傾斜電荷デバイスおよび方法に関する。
【０００２】
優先権の主張
２０１２年８月２日に出願された米国仮特許出願第６１／７４２０８２号からの優先権が主張され、この仮特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景に含まれるのは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ、これは電気的傾斜電荷デバイスである）と、発光トランジスタ、トランジスタレーザ、および傾斜電荷発光ダイオード（それぞれ、ＬＥＴ、ＴＬ、およびＴＣＬＥＤ、これらはすべて光学的傾斜電荷デバイスである）とに関する技術である。傾斜電荷デバイスは、エミッタ界面からコレクタ（または２端子デバイスの場合はドレイン）界面に向かって近似的に下降ランプ形状を有する、デバイスのベース領域におけるエネルギー線図の特徴からその名を得ている。これは、動的フロー内に存在するキャリアの傾斜電荷数を表し、「高速」キャリアは、再結合し、「低速」キャリアは、コレクタ（またはドレイン）を介して出て行く。
【０００４】
デバイスのベース領域における１または複数の量子サイズ領域を一般に利用する、光学的傾斜電荷デバイスおよび技法に関して、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、特許文献２４、特許文献２５、特許文献２６、特許文献２７、特許文献２８、特許文献２９、ならびに特許文献３０において参照される刊行物に対する参照が行われることができる。
【０００５】
出願人は、高速ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの高速電気的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＥＴＣＤ）のベース領域における量子井戸の効果について考察した。実験的研究は、大量の少数キャリア電荷がデバイスの量子井戸領域内に蓄積されることを示した。量子井戸を含むベース領域における増加された電荷蓄積は、その後、より低いカットオフ周波数（ｆt）およびより低い電気的利得帯域幅積という結果になった。
【０００６】
例えば、図２では、２つの高速デバイスの特徴が比較されている。第１のデバイスは、従来の高速電気的デバイスであり、この例では、図１に示されるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの、高速電気的傾斜電荷デバイスである。図１のデバイスの例では、層は、アンドープ基板１１０と、ｎ型サブコレクタ層１２０と、ｎ型コレクタ層１３０と、ｐ型ベース層１４０と、ｎ型エミッタ層１５０とを含む、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料である。１３１、１４１、および１５１に示される金属接点は、それぞれ、コレクタ電極、ベース電極、およびエミッタ電極を備え、これらの電極における電位は、それぞれ、ＶC、ＶB、およびＶEで示される。ＤＣバイアス範囲条件の例は、ＶBE＞１．２ボルト、および−２．５ボルト＜ＶBC＜０．５ボルトである。
【０００７】
この例の第２のデバイスは、デバイスのベース領域内に埋め込まれた２つの量子井戸（図示せず）の存在を除いて、同様である。第２のデバイスは、ベース領域の量子井戸において強化されたキャリア再結合を有する。この例のデバイスはともに、寸法が４．２ｕｍ×７．４ｕｍのエミッタメサを有し、４ｍＡの同じエミッタ電流を用いてバイアスされた。
【０００８】
図２は、２つのデバイスについて、周波数の関数としての電流利得のグラフを示している。カットオフ周波数（ｆc）は、ａｃ電流利得（βac＝ＩC／ＩB）が１に等しい周波数として定義される。この例の場合、量子井戸を有さない高速電気的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＥＴＣＤ）は、１０．４ＧＨｚのカットオフ周波数（ｆt）および０．２４ＧＨｚの３ｄＢ周波数を有する。他方、ベース領域内に埋め込まれた２つの量子井戸を含む高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）は、１．３ＧＨｚのみのｆtおよび０．４２ＧＨｚの３ｄＢ周波数を有する。高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）におけるカットオフ周波数ｆtの大幅な低減は、従来はＨＳ−ＥＴＣＤ（例えば、ドライバ、増幅器、または発振器）と関連付けられていた大部分の電気的適用例について、このデバイスを不適切なものにする。さらに、ＨＳ−ＯＴＣＤの電気的利得帯域幅積は、量子井戸再熱化効果のために、実質的に温度依存である。
【０００９】
図３は、高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）の光学帯域幅カットオフ（ｆoc）を示している。光学帯域幅カットオフ（ｆoc）は、光パワー対検出器パワー感度比が１である周波数として定義される。示されるように、上述の対応するＨＳ−ＯＴＣＤは、１．３ＧＨｚのみの電気的カットオフ周波数を有するにもかかわらず、約１０ＧＨｚの光学帯域幅カットオフ（ｆoc）を有する。
【００１０】
したがって、光学的デバイスおよび電気的デバイスの両方として高速傾斜電荷デバイスの潜在的な使用が、上述された効果によって実質的に制限されることは明らかである。本発明の目的には、先行技術のこれらの制限に対処すること、および発光トランジスタなどの高速傾斜電荷デバイスのデュアルモード動作のためのデバイスおよび技法を明らかにすることが含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７０９１０８２号明細書
【特許文献２】米国特許第７２８６５８３号明細書
【特許文献３】米国特許第７３５４７８０号明細書
【特許文献４】米国特許第７５３５０３４号明細書
【特許文献５】米国特許第７６９３１９５号明細書
【特許文献６】米国特許第７６９６５３６号明細書
【特許文献７】米国特許第７７１１０１５号明細書
【特許文献８】米国特許第７８１３３９６号明細書
【特許文献９】米国特許第７８８８１９９号明細書
【特許文献１０】米国特許第７８８８６２５号明細書
【特許文献１１】米国特許第７９５３１３３号明細書
【特許文献１２】米国特許第７９９８８０７号明細書
【特許文献１３】米国特許第８００５１２４号明細書
【特許文献１４】米国特許第８１７９９３７号明細書
【特許文献１５】米国特許第８１７９９３９号明細書
【特許文献１６】米国特許第８４９４３７５号明細書
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５／００４０４３２号明細書
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００５／００５４１７２号明細書
【特許文献１９】米国特許出願公開第２００８／０２４０１７３号明細書
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００９／０１３４９３９号明細書
【特許文献２１】米国特許出願公開第２０１０／００３４２２８号明細書
【特許文献２２】米国特許出願公開第２０１０／０２０２４８３号明細書
【特許文献２３】米国特許出願公開第２０１０／０２０２４８４号明細書
【特許文献２４】米国特許出願公開第２０１０／０２７２１４０号明細書
【特許文献２５】米国特許出願公開第２０１０／０２８９４２７号明細書
【特許文献２６】米国特許出願公開第２０１１／０１５０４８７号明細書
【特許文献２７】米国特許出願公開第２０１２／００６８１５１号明細書
【特許文献２８】ＰＣＴ国際特許公開第２００５／０２０２８７号パンフレット
【特許文献２９】ＰＣＴ国際特許公開第２００６／０９３８８３号パンフレット
【特許文献３０】米国特許出願公開第２０１２／００６８１５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、光学的および電気的動作について改善されたデュアルモード属性を示す傾斜電荷デバイスおよび方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、傾斜電荷デバイスにおいて、選択的に量子井戸電荷蓄積を低下させ、または排除し、温度依存を低下させ、再結合イベントを増加させるための技法およびデバイスを含む。
【００１４】
本発明の形態によれば、第１のモードでは発光トランジスタとして、また第２のモードでは高速電気的トランジスタとして、デバイスを提供しおよび動作させるための方法が説明され、方法は、第２の半導体タイプの半導体エミッタ領域と半導体コレクタ領域との間に、第１の伝導性タイプの半導体ベース領域を提供するステップと、前記ベース領域内に、量子サイズ領域を提供するステップと、前記量子サイズ領域と前記コレクタ領域との間の前記ベース領域内にキャリア遷移領域を提供するステップと、少なくとも前記キャリア遷移領域におけるキャリアの空乏を制御するために前記ベース領域およびコレクタ領域に関して制御可能なバイアス電圧を印加するステップと、前記制御可能なバイアス信号に応じて前記デバイスを発光トランジスタまたは高速電気的トランジスタとして動作させるために、前記エミッタ領域、ベース領域、およびコレクタ領域に関して信号を印加するステップとを含む。
【００１５】
本発明の実施形態では、前記制御可能なバイアス信号を印加するステップは、前記ベース領域とコレクタ領域の接合部とを跨いで制御可能なバイアス電圧を印加するステップを含む。制御可能なバイアス電圧の印加は、前記デバイスを高速電気的トランジスタとして動作させるために、前記コレクタ領域、前記キャリア遷移領域、および前記ベース領域の一部においてキャリアを完全に空乏させるために、前記バイアス電圧を印加するステップを含む。前記ベース領域の空乏部分は、前記量子サイズ領域と、前記量子サイズ領域と前記キャリア遷移領域との間の前記ベース領域の一部とを含む。
【００１６】
本発明の実施形態では、前記ベース領域を提供するステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、前記量子井戸と前記エミッタ領域との間の前記ベース領域の一部よりも大量にｐ型のドープが行われていないＧａＡｓ領域を提供するステップを含む。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、前記ベース領域を提供するステップは、ｐ型のドープが行われおよび量子井戸を有するＧａＡｓベース領域を提供するステップを含み、前記キャリア遷移領域を提供する前記ステップは、ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを有する、ｐ型のドープが行われた半導体材料の領域を提供するステップを含む。この実施形態の開示される形態では、キャリア遷移領域は、ｐ型のＡｌＧａＡｓの領域を備える。
【００１８】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と併せて読まれた場合に、以下の詳細な説明からより容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の形態をとる先行技術の高速電気的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＥＴＣＤ）の簡略化された断面図（実寸に比例せず）である。矢印は、一般にキャリアフローを示す。
【図２】図１のデバイスについての、またベース領域に埋め込まれた２つの量子井戸の存在を除いて同様である第２のデバイスについての、周波数の関数としての電流利得のグラフである。
【図３】図１および図２の例のデバイスの光学帯域幅カットオフ（ｆoc）を示す図である。光学帯域幅カットオフ（ｆoc）は、光パワー対検出器パワー感度比が１である周波数として定義される。
【図４】電圧結合メカニズム（領域（ｃ））を有するＨＳ−ＯＴＣＤの実施形態のエピ層構造を示す表である。エピ層は、ベース−コレクタ接合を跨いで−０．５Ｖの逆バイアス電圧が印加された場合に、層４ないし層１０が完全に空乏され、その結果、量子井戸をベース領域からコレクタ領域に効果的にシフトさせるように設計される。これは、ＨＳ−ＯＴＣＤが、動作をＨＳ−ＥＴＣＤ（より高い電流利得およびｆt）に切り換えることを可能にする。
【図５Ａ】図４の実施形態のＨＳ−ＯＴＣＤのエネルギー図である。電圧制御される結合メカニズムが、領域（ｃ）に存在する。結合強度は、結合距離（ＷVT）を変化させる外部バイアス（Ｖext）の印加によって変化させられる。結合距離の制御は、例えば、コレクタ接点に結合される外部抵抗の使用によって達成されることができる。
【図５Ｂ】完全空乏モードにおいてＨＳ−ＥＴＣＤとして動作するＨＳ−ＯＴＣＤのエネルギー図である。このモードでは、量子構造は、印加された電界によって完全に空乏され、今では、電気的コレクタ領域に存在する。
【図６】本発明の実施形態の動作のモードを説明する簡略断面図（実寸に比例せず）である。図６は、デバイスがＲＳ−ＯＴＣＤとして動作させられた場合のデュアルモードデバイスの動作を示している。太い横向き矢印は、ＱＷ領域における大きな再結合電流（および支配的な光学的再結合）を示しており、再結合電流の横分布も示している。より細い矢印は、ｐ型ベース領域における典型的な少数キャリア再結合を示している。
【図７】本発明の実施形態の動作のモードを説明する簡略断面図（実寸に比例せず）である。図７は、デバイスがＨＳ−ＥＴＣＤとして動作させられた場合のデュアルモードデバイスの動作を示している。
【図８】量子構造による電子の捕獲を強制するように機能し、温度安定性を改善する、変更された結合メカニズム（層６および層７）を有する、ＨＳ−ＯＴＣＤの実施形態のエピ層構造を示す表である。デバイスは、適切なベース−コレクタ逆バイアスが印加された場合に、ＨＳ−ＯＴＣＤからＨＳ−ＥＴＣＤに動作を切り換えることも可能である。
【図９】変更された結合メカニズムを有する図８に示すようなＨＳ−ＯＴＣＤのエネルギー図である。バンドギャップがより広い結合メカニズムは、電子の捕獲を量子構造内に押し込め、電気的コレクタに対する捕獲された電子の再熱化を防止する。その後、電子は、再結合または電圧制御される結合メカニズムを介して出て行く。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
先行技術の高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）では、デバイスの量子井戸（ＱＷ）内の捕獲された少数キャリアは、（ｉ）ＱＷにおける電子−ホール対再結合（τr）、および（ｉｉ）ＱＷからの再熱化（τth）の２つの経路を介して出て行く。本発明の特徴によれば、捕捉された（蓄積された）少数キャリアのための出口経路が導入され、量子井戸内の捕獲された電子は、デバイスの電気的コレクタに直接的に結合される。結合強度は、ベース−コレクタ接合への外部電圧の印加によって制御される。本発明の実施形態では、この結合メカニズムは、その領域における総ドーパントを調整することによって組み込まれる、ベース領域（図４の領域（ｃ））の電圧調節可能な部分的に空乏されたｐ型部分を使用して達成される。ベース−コレクタ接合を跨いで外部電圧が印加された場合、結合メカニズムは、結合距離（図５に示されるようなＷVT）を低減または増加させ、その結果、ＱＷ井戸エネルギー状態が空乏領域の連続状態により多く結合またはより少なく結合されることを可能にすることによって反応する。２つの領域のエネルギー状態の間のより強い結合は、量子井戸内から電気的コレクタの空乏領域までの電子の走行時間（τtu）を低減させる。
【００２１】
本発明の実施形態のエピ層が、図４の表に示されている。ｐ型ＧａＡｓ領域（ｃ）（層６、７）およびｎ型ＧａＡｓ領域（ａ）（層３）によって形成されるＰ−Ｎ接合の結果であるビルトイン電位が、領域（ｂ）の３００ｎｍ非ドープＧａＡｓ層（層５）および１２ｎｍ  ＩｎＧａＰエッチング停止（層４）を空乏させる。それに加えて、空乏領域は、領域（ａ）の層３の約１７ｎｍにも拡大する。領域（ｃ）は、外部バイアスが印加されない場合、層６が完全に空乏され、層７が部分的に空乏されるように設計される。領域（ｃ）の層７は、ｐドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3であり、領域（ａ）の層３のｎ型ドーピング濃度（Ｎｄ＝５×１０18ｃｍ-3）よりも低いドーピング濃度を有するように、意図的に設計される。
【００２２】
Ｐ領域およびＮ領域に入り込む全空乏幅（ＷPN）は、以下の関係によって与えられる（式１）。
【００２３】
【数１】
2015529973.tif 000003
【００２４】
ｐ型領域（ｃ）に入り込む全空乏幅（ＸRC）は、以下の関係によって与えられる（式２）。
【００２５】
【数２】
2015529973.tif 000004
【００２６】
ＰＮ領域空乏幅（ＷPN）を拡大または縮小するために、外部バイアス（Ｖext）が印加された場合（式１を参照）、領域（ｃ）の相対的により低いドーピングは、拡大または縮小が主に領域（ｃ）において発生することを強制する（式２を参照）。
【００２７】
図５Ａは、図４の実施形態のＨＳ−ＯＴＣＤのエネルギー図である。説明されるように、電圧制御される結合メカニズムが、領域（ｃ）に存在する。示されるように、結合強度は、結合距離（ＷVT）を変化させる外部バイアス（Ｖext）の印加によって変化させられる。結合距離の制御は、例えば、コレクタ接点に結合される外部抵抗の使用によって達成されることができる。捕獲時間を低減させるために、複数の量子構造の使用が行われることができる。
【００２８】
説明されるように、高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）が、実際的な高速電気的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＥＴＣＤ）として機能するために、先に説明された量子構造効果（電荷蓄積および再熱化）が、デバイスのベース領域から除去されなければならない。本発明のさらなる実施形態では、完全空乏モードで動作させられる場合に、ＨＳ−ＯＴＣＤがＨＳ−ＥＴＣＤに切り換わることを可能にすることによって、量子井戸効果は、実質的に排除される。
【００２９】
完全空乏モードでは、結合メカニズム（領域（ｃ））が完全に空乏され、空乏領域が領域（ｇ）の境界まで拡大される（図５Ｂのエネルギー図を参照）。図４に示される設計の場合、空乏モードは、−０．５Ｖ未満の小さいベース−コレクタ電圧（ＶBC）の印加によって達成される。
【００３０】
このモードの下では、量子井戸は、今は空乏領域（電気的コレクタ）に存在し、ホールが完全に空乏している（再結合プロセスが生じない）。この空乏された量子井戸におけるいずれの捕獲された電子も、印加された電界中で一掃され、量子構造における著しい電荷の蓄積を防止する。したがって、コレクタ走行時間に対する量子構造の影響は、無視可能である。ベース再結合は、今はベース領域における内部再結合によってのみ統制され、有効なベース幅は、約１５５ｎｍから９０ｎｍに狭められる。このベース狭小化の効果は、より高いａｃ電流利得（βac）という結果となり、ベース走行時間およびベース電荷蓄積の低減が原因となって、ｆtも改善する。デバイスが、ＨＳ−ＯＴＣＤからＨＳ−ＥＴＣＤに切り換えられ、図２に最初に示された応答曲線と実質的に同じになるので、ａｃ電流利得周波数応答が変化する。
【００３１】
図４の実施形態では、エピ層は、ホールの伝導が領域（ｇ）によって支配的にサポートされるようにも設計される。これは、ベース狭小化の効果に起因して、ベースシート抵抗が悪化しないことを保証するためである。例えば、１５５ｎｍ  ｐ型ベース領域は、ＨＳ−ＯＴＣＤとして動作させられた場合に、２２３．２オーム／スクエアの設計されたシート抵抗を有する。しかしながら、ベース幅が９０ｎｍまで低減させられる完全空乏モードで動作させられた場合、ベースシート抵抗は、２２３．９オーム／スクエアへの無視可能な変化（０．３％の変化）を示す。
【００３２】
本発明のさらなる特徴によれば、結合メカニズムは、傾斜電荷デバイスの（Ｖbc＝０における）デフォルト動作が、完全空乏モード（ＨＳ−ＥＴＣＤ動作）にすでにあるようにも設計される。その場合、ＨＳ−ＥＴＣＤからＨＳ−ＯＴＣＤへの切り換えは、相対的により正であるベースコレクタ電圧（Ｖbc＞０）の印加によって達成される。
【００３３】
図６および図７の簡略図は、説明される動作をさらに示している。これらの図に示される領域は、基板６１０と、サブコレクタ領域６２０と、コレクタ領域６３０と、１または複数の量子井戸６４２を有するベース領域部分６４０Ａ、６４０Ｂと、エミッタ領域６５０とを含む。ベース領域の下側部分（６４０Ａ）は、コレクタ領域に隣接する結合領域（例えば、図４の表の領域（ｃ）、図６および図７では別々に示されていない）を含む。図６は、高速光学的傾斜電荷デバイス（ＨＳ−ＯＴＣＤ）としての、このケースでは、発光トランジスタとしての動作を示している。ＤＣバイアス範囲条件の例は、ＶBE＞１．２ボルト、−０．５ボルト＜ＶBC＜０．５ボルトである。ＱＷ領域における太い横向き矢印は、大きな再結合電流（および支配的な光学的再結合）を示しており、再結合電流の横分布も示している。ベース領域のより細い矢印は、ｐ型領域における典型的な少数キャリア再結合を示している。
【００３４】
図７は、高速電気的傾斜電荷デバイスとしての動作を示している。上で説明されたように、このモードでは、捕捉された（蓄積された）少数キャリアのための出口経路が提供され、そのため、量子井戸内の捕獲された電子は、デバイスの電気的コレクタに直接的に結合される。量子井戸効果は、低減または排除され、さらに高速な動作が生じる。
【００３５】
先行技術では、ＨＳ−ＯＴＣＤのエミッタからの放出電子は、いくつかのルートを介してベース領域から出て行く。量子井戸によって捕獲されない電子は、ベースバルク領域における最低限の再結合しか起こさずに、ベース領域を横断して拡散する（ベース走行時間τb）。その後、捕獲された電子が再結合し、または量子井戸から再熱化した後に、電気的コレクタへの拡散が生じる。
【００３６】
本発明の実施形態では、説明された結合メカニズムを変更することによって、２つの出口経路（コレクタへの拡散および再熱化）が実質的に低減される。図８の表におけるエピ層構造および図９のエネルギー図への参照が行われることができる。領域（ｇ）と比べてより大きい伝導帯エネルギーを有する材料が、領域（ｃ）において使用されることができる（図８の層６および層７を参照）。例えば、ＧａＡｓがＡｌＧａＡｓによって置き換えられた場合、伝導帯エネルギーは、約１８７ｍｅＶだけ増加させられる。より大きなバンドギャップは、コレクタに対する再熱化を実質的に低減させるように機能する。これが、次に、デバイスの温度依存性を低減させる。また、量子構造（光学的コレクタ）による電子の捕獲を強制することを意図して、エネルギー障壁が、ベースを横断してコレクタに入り込むキャリアの拡散をブロックする。その後、量子井戸内の捕獲されたキャリアは、再結合し、または電圧制御される結合メカニズムを介して電気的コレクタに結合される。したがって、エネルギー障壁は、放出電子の大部分が光学的コレクタを介してベースから出て行くように、放出電子の進路を別ルートに変更する。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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