(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された半導体からなる第１障壁層と、
前記第１障壁層の上に形成された直接遷移型の半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成された半導体からなる第２障壁層と、
前記基板の平面方向に対向して配置されて前記チャネル層を挟んで形成され、前記チャネル層にオーミック接続する第１電極および第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極で挟まれた領域を前記第１電極の側の第１領域および前記第２電極の側の第２領域とに２分割した前記第１領域の前記第２障壁層の上で前記第１電極の上部領域に接して形成され、前記第１領域の前記チャネル層に電界を印加する第１電界印加電極と
を備え、
前記第１電界印加電極に所定の電圧が印加されることで前記チャネル層の前記第１領域および前記第２領域でｐｎ接合が形成される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記チャネル層は、ｎ型およびｐ型のなかより選択された導電型を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第２領域の前記第２障壁層の上で前記第２電極の上部領域に接して形成され、前記第２領域の前記チャネル層に電界を印加する第２電界印加電極を備え、
前記チャネル層は、ｉ型を備えて構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１電極および前記第２電極が形成されている領域以外の前記第１電極と前記第２電極との対向方向に垂直な方向の前記チャネル層の対向する２つの断面に形成された反射手段より構成された共振器を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体などの直接遷移型の半導体を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、化合物半導体などの直接遷移型の半導体を用いることで、発光素子、受光素子、および半導体レーザなどの様々な半導体装置が開発されている。例えば、ＩｎＳｂを活性層に用いることで、波長５．２８μｍの発光が得られる発光素子が開発されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】G.R.Nash et al. , "InSb/AlInSb quantum-well light-emitting diodes", Applied Physics Letters, vol.88, 051107, 2006.
【非特許文献２】御子柴宣夫著、「半導体の物理」、株式会社培風館、p258-259、１９９１年改訂版。
【非特許文献３】M.Konig et al. , "The Quantum Spin Hall Effect: Theory and Experiment", Journal of the Physical Society of Japan, vol.77, no.3, 031007, 2008.
【非特許文献４】N.Goel et al. , "Ballistic transport in InSb mesoscopic structures", Physica E, vol.21, pp.761-764, 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、波長が１０μｍより長い遠赤外線を発光する発光素子，半導体レーザ、および受光する受光素子などが得られていないという問題がある。現在、波長が１０μｍより長い遠赤外領域の光源としては、電球などのフィラメントの熱輻射、高圧水銀灯、軌道放射光、炭酸ガスレーザによるアルコールガスの励起などがあるが、いずれも、巨大でかつ変換効率も悪い。
【０００５】
また、波長が１０μｍより長い遠赤外領域の光の検出は、ボロメータなど、熱放射を受けることによる抵抗変化の検出により行われている、感度が悪く応答速度も遅いという問題がある。また、波長が１０μｍより長い遠赤外線レーザは、炭酸ガスレーザにより励起するアルコールガスの発振により得られているが、大型で複雑な装置となるなど様々な問題がある。
【０００６】
従って、半導体装置により、遠赤外線を発光する発光素子や受光素子が実現できれば、上述したような問題が解消できるが、現在の半導体装置では、前述したように、例えば、遠赤外領域の光を扱うことができないなど、用途に限界があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、遠赤外領域の光を扱うことができるなど、直接遷移型の半導体を用いた半導体装置で新たな機能が発現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成された半導体からなる第１障壁層と、第１障壁層の上に形成された直接遷移型の半導体からなるチャネル層と、チャネル層の上に形成された半導体からなる第２障壁層と、基板の平面方向に対向して配置されてチャネル層を挟んで形成され、チャネル層にオーミック接続する第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極で挟まれた領域を第１電極の側の第１領域および第２電極の側の第２領域とに２分割した第１領域の第２障壁層の上で第１電極の上部領域に接して形成され、第１領域のチャネル層に電界を印加する第１電界印加電極とを備え、第１電界印加電極に所定の電圧が印加されることでチャネル層の第１領域および第２領域でｐｎ接合が形成される。
【０００９】
上記半導体装置において、チャネル層は、ｎ型およびｐ型のなかより選択された導電型を備えていればよい。また、第２領域の第２障壁層の上で第２電極の上部領域に接して形成され、第２領域のチャネル層に電界を印加する第２電界印加電極を備え、チャネル層は、ｉ型を備えて構成されているようにしてもよい。
【００１０】
上記半導体装置において、第１電極および第２電極が形成されている領域以外の第１電極と第２電極との対向方向に垂直な方向のチャネル層の対向する２つの断面に形成された反射手段より構成された共振器を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、第１領域の第２障壁層の上で第１電極の上部領域に接して形成され、第１領域のチャネル層に電界を印加する第１電界印加電極を備えるようにしたので、直接遷移型の半導体を用いて半導体装置で新たな機能が発現できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の一部構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、量子井戸構造に対する電界の印加による導電型の制御について説明する説明図である。
【図６】図６は、実施の形態１における半導体装置のチャネル層１０３におけるバンド状態を示すバンド図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１の実施例１における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、第１障壁層７０５−チャネル層７０６−第２障壁層７０７のバンド状態を示すバンド図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１の実施例２における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図１０】図１０は、チャネル層９０４のバンド状態を示すバンド図である。
【図１１】図１１は、第１障壁層９０３−チャネル層９０４−第２障壁層９０５のバンド状態を示すバンド図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１の実施例３における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図１３】図１３は、第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６におけるＧａＳｂ／ＩｎＡｓからなるヘテロ接合の状態を示す説明図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施例３における半導体装置の特性評価に用いた測定構成を示す斜視図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施例３における半導体装置の特性評価に用いた測定構成を示す平面図である。
【図１５】図１５は、実施例３の半導体装置におけるホール抵抗と電界印加電極への印加電圧との関係を示す特性図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の一部構成を示す平面図である。この半導体装置は、基板１０１の上に形成された半導体からなる第１障壁層１０２と、第１障壁層１０２の上に形成された直接遷移型の半導体からなるチャネル層１０３と、チャネル層１０３の上に形成された半導体からなる第２障壁層１０４とを備える。障壁層とチャネル層１０３とにより価電子帯および伝導帯ともに量子井戸構造が形成されている。
【００１５】
また、この半導体装置は、基板１０１の平面方向に対向して配置されてチャネル層１０３を挟んで形成され、チャネル層１０３にオーミック接続する第１電極１０５および第２電極１０６と、第１領域１５１における第２障壁層１０４の上で第１電極１０５の上部領域に接して形成され、第１領域１５１のチャネル層１０３に電界を印加する電界印加電極（第１電界印加電極）１０７とを備える。
【００１６】
なお、電界印加電極１０７は、例えば、絶縁層１０８の上に形成されていればよい。また、第１領域１５１は、第１電極１０５および第２電極１０６で挟まれた領域を２分割した一方の領域であり、第１電極側の領域である。また、第２電極側の領域が第２領域１５２となる。第１領域１５１および第２領域１５２により、第１電極１０５および第２電極１０６で挟まれた領域を、第１電極１０５の側および第２電極１０６の側に２分割している。第１領域１５１および第２領域１５２は、等分に形成されている必要はない。
【００１７】
本実施の形態における半導体装置は、電界印加電極１０７に所定の電圧が印加されることでチャネル層１０３の第１領域１５１および第２領域１５２でｐｎ接合が形成されるようにしたものである。
【００１８】
例えば、図３に示すように、電界印加電極１０７と第１電極１０５との間に、電界印加電極１０７の側が負となる電圧を印加すると、第１領域１５１のチャネル層１０３をｐ型とすることができる。ここで、チャネル層１０３がｎ型の状態となっていれば、電界が印加されていない第２領域１５２のチャネル層１０３は、ｎ型の状態を維持し、電界が印加された第１領域１５１のチャネル層１０３はｐ型となるので、これらの間にｐｎ接合が形成されるようになる。チャネル層１０３をｎ型の状態としておくことは、例えば、障壁層にドナーとなる不純物を導入しておくことで実現できる。
【００１９】
この状態で、第１電極１０５と第２電極１０６との間に、第１電極１０５の側が正となる電圧を印加すれば、チャネル層１０３のバンドギャップエネルギーに対応した発光が得られるようになる。言い換えると、図３を用いて説明した半導体装置により、発光ダイオードが構成できる。
【００２０】
また、図４に示すように、電界印加電極１０７と第１電極１０５との間に、電界印加電極１０７の側が負となる電圧を印加すると、上述同様に、ｎ型の半導体から構成された第１領域１５１のチャネル層１０３をｐ型とすることができる。この場合においても、チャネル層１０３の平面方向（第１電極１０５および第２電極１０６が対向する方向）にｐｎ接合が形成されるようになる。
【００２１】
この状態で、チャネル層１０３に、チャネル層１０３のバンドギャップエネルギー以上の光を照射すると、上記ｐｎ接合に光起電力が生じ、これを測定すれば、照射された光の強度を検出することができる。
【００２２】
上述では、電界印加電極１０７に負の電圧が印加された場合について説明したが、電界印加電極１０７に正の電圧を印加すれば、第１領域１５１をｎ型に反転させることができる。この場合、チャネル層１０３がｐ型の状態となっていればよい。このようにしても、チャネル層１０３の平面方向にｐｎ接合が形成できる。チャネル層１０３をｐ型の状態としておくことは、例えば、障壁層にアクセプタとなる不純物を導入しておくことで実現できる。
【００２３】
ここで、量子井戸構造に対する電界の印加による導電型の制御について説明する。
【００２４】
図５の（ａ）に示すように、第１障壁層５０１，チャネル層５０２，および第２障壁層５０３からなる量子井戸構造に、絶縁層５０４を介して形成した電界印加電極５０５で電界を印加する場合を考える。
【００２５】
まず、電界印加電極５０５に正の電圧を印加すると、絶縁層５０４を挟んだコンデンサ構造となっているので、電界印加電極５０５の側に正電荷が蓄積し、チャネル層５０２の側に負電荷が蓄積する。この結果、図５の（ｂ）に示すように、量子井戸構造のバンド全体がフェルミレベルより価電子帯の側に移動し、チャネル層５０２の伝導帯下端がフェルミレベルより低い状態となる。この状態では、フェルミレベルより下のチャネル層５０２の伝導帯下端に、電子５１１が蓄積されるようになる。この状態は、図５の（ｃ）に分散関係を示すように、ｎ型の状態となる。
【００２６】
一方、電界印加電極５０５に負の電圧を印加して量子井戸構造に電界を印加すると、電界印加電極５０５の側に負電荷が蓄積し、チャネル層５０２の側に正電荷が蓄積する。この結果、量子井戸構造のバンド全体がフェルミレベルより伝導帯の側に移動し、チャネル層５０２の価電子帯上端がフェルミレベルより高い状態となる。この状態では、フェルミレベルより上のチャネル層５０２の価電子帯上端に、正孔５１２が蓄積されるようになる。この状態は、図５の（ｃ）に分散関係を示すように、ｐ型の状態となる。
【００２７】
従って、図１を用いて説明した半導体装置において、チャネル層１０３をｎ型の状態としておき、電界印加電極１０７に負の電圧を印加すれば、図６に示すように、まず、第２領域１５２においては、チャネル層１０３は伝導帯下端がフェルミレベルより低く、ここに電子６０１が蓄積された状態であり、ｎ型の状態が維持される。これに対し、第１領域１５１においては、チャネル層１０３の価電子帯下端がフェルミレベルより上になりここに正孔６０２が蓄積され、ｐ型に反転する。この結果、チャネル層１０３の第１領域１５１と第２領域１５２との間に、ｐｎ接合が形成されるようになる。
【００２８】
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００２９】
［実施例１］
はじめに、実施例１について説明する。図７は、実施例１における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ＧａＡｓからなる基板７０１、ＡｌＳｂからなる層厚１０００ｎｍの半導体層７０２、Ａｌ0.09Ｉｎ0.91Ｓｂからなる層厚１０００ｎｍの半導体層７０３、ＡｌＩｎＳｂ／ＩｎＳｂ超格子からなる緩衝層７０４、Ａｌ0.09Ｉｎ0.91Ｓｂからなる層厚２０３０ｎｍの第１障壁層７０５、ＩｎＳｂからなる層厚２０ｎｍのチャネル層７０６、Ａｌ0.09Ｉｎ0.91Ｓｂからなる層厚１４０ｎｍの第２障壁層７０７、および第２障壁層７０７の表面を被覆するＩｎＳｂからなる層厚１ｎｍの酸化防止層７０８を備える。
【００３０】
上述した各層は、例えば、分子線エピタキシー法により形成（エピタキシャル成長）すればよい（非特許文献３参照）。半導体層７０２，半導体層７０３，および緩衝層７０４は、よく知られているように、第１障壁層７０５，チャネル層７０６，および第２障壁層７０７の結晶性向上のために設けている。また、酸化防止層７０８は、Ａｌを含む第２障壁層７０７の酸化を防止するために用いている。
【００３１】
なお、第１障壁層７０５は、Ｓｉをいわゆるデルタドープすることで導入して形成した不純物導入領域７０５ａを備える。Ｓｉは、ＡｌＩｎＳｂに対してドナーとなる不純物である。同様に、第２障壁層７０７は、Ｓｉをデルタドープすることで導入して形成した不純物導入領域７０７ａおよび不純物導入領域７０７ｂを備える。これらの不純物導入領域の形成により、チャネル層７０６がｎ型となる。
【００３２】
不純物導入領域７０５ａは、例えば、Ｓｉの濃度が１．５×１０12ｃｍ-2とされている。また、不純物導入領域７０７ａは、Ｓｉの濃度が１．５×１０12ｃｍ-2とされ、不純物導入領域７０７ｂは、Ｓｉの濃度が２×１０12ｃｍ-2とされている。また、不純物導入領域７０５ａは、例えば、チャネル層７０６と第１障壁層７０５との界面より３０ｎｍ離間して形成されている。これらの距離は、チャネル層７０６の電子に不純物散乱が生じない範囲である。また、不純物導入領域７０７ａは、チャネル層７０６と第２障壁層７０７との界面より３０ｎｍ離間して形成されている。
【００３３】
また、実施例１における半導体装置は、基板７０１の平面方向に対向して配置されてチャネル層７０６を挟んで形成され、チャネル層７０６にオーミック接続する第１電極７０９および第２電極７１０を備える。また、酸化防止層７０８の上に、Ａｌ2Ｏ3からなる層厚２０ｎｍの絶縁層７１１を備える。加えて、第１電極７０９および第２電極７１０で挟まれた領域を第１電極７０９の側の第１領域７５１および第２電極７１０の側の第２領域７５２とに２分割した第１領域７５１の第２障壁層７０７の上で第１電極７０９の上部領域に接して形成され、第１領域７５１のチャネル層７０６に電界を印加する電界印加電極７１２を備える。
【００３４】
第１電極７０９および第２電極７１０は、ＡｕＧｅＮｉ合金やＩｎから構成すればよい。これらは、蒸着により形成することができる。
【００３５】
また、絶縁層７１１は、トリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウムなどのアルミニウム原料および酸化剤ガスを交互に供給して１原子層ずつ酸化アルミニウムの層を形成する原子層成長法により形成すればよい。なお、例えば、上述した各電極を形成した後、絶縁層７１１を形成すればよい。各電極に超音波ハンダにより配線を接続することで、絶縁層７１１を破壊して電極−配線間の導通を取ることができる。
【００３６】
電界印加電極７１２は、下層をチタン層として上層を金層とした金属の２層構造から構成すればよい。例えば、電子ビーム蒸着により各金属材料を蒸着することで、電界印加電極７１２が形成できる。
【００３７】
この実施例１における半導体装置においても、電界印加電極７１２に所定の電圧を印加することで、チャネル層７０６の第１領域７５１をｐ型の状態とすることができる。この結果、この半導体装置においても、チャネル層７０６のｐ型に反転した第１領域７５１と、ｎ型の第２領域７５２とによりｐｎ接合が形成できる。
【００３８】
より詳細に説明すると、チャネル層７０６を構成するＩｎＳｂのバンドギャップエネルギーは、０．２３５ｅＶ（波長５．２８μｍ）であり、第１障壁層７０５および第２障壁層７０７を構成するＡｌＩｎＳｂのうちＡｌ濃度が最も高いＡｌＳｂのバンドギャップエネルギーは、２．３８６ｅＶ（波長５２０ｎｍ）である。従って、第１障壁層７０５−チャネル層７０６−第２障壁層７０７のバンド状態は、図８のバンド図で示すように変化する。本実施例の半導体装置では、チャネル層７０６の層厚や障壁層のＡｌ濃度を変化させることで、発光および受光における波長のピークを、５２０ｎｍ〜５．２８μｍで変化させることができる。
【００３９】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。図９は、実施例２における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ＣｄＺｎＴｅからなる基板９０１、ＣｄＴｅからなる半導体層９０２、Ｈｇ0.3Ｃｄ0.7Ｔｅからなる第１障壁層９０３、ＨｇＴｅからなるチャネル層９０４、Ｈｇ0.3Ｃｄ0.7Ｔｅからなる第２障壁層９０５を備える。
【００４０】
上述した各層は、例えば、分子線エピタキシー法により形成（エピタキシャル成長）すればよい（非特許文献４参照）。半導体層９０２は、よく知られているように、第１障壁層９０３，チャネル層９０４，および第２障壁層９０５の結晶性向上のために設けているバッファ層である。
【００４１】
なお、第１障壁層９０３は、ＨｇＣｄＴｅに対してドナーとなる不純物であるヨウ素を導入して形成した層厚９ｎｍ程度の不純物導入領域９０３ｂを備える（非特許文献３参照）。不純物導入領域９０３は、第１障壁層９０３の層厚方向の中央部に配置し、この上下の不純物が導入されていないアンドープ層９０３ａ，９０３ｃに挟まれた状態に形成する。このように構成することで、まず、不純物導入領域９０３ｂは、層厚１０ｎｍのアンドープ層９０３ｃにより、チャネル層９０４より離間させる。また、第１障壁層９０３の全厚に対して薄い不純物導入領域９０３ｂとすることで、第１障壁層９０３の全体としては障壁として機能させ、所望とする不純物濃度を実現している。
【００４２】
同様に、第２障壁層９０５は、ヨウ素を導入して形成した不純物導入領域９０５ｂおよび、アンドープ層９０５ａ，９０５ｃを備える。不純物導入領域９０５ｂは、層厚９ｎｍ程度とする。また、アンドープ層９０５ａは、層厚１０ｎｍ程度とする。これらの不純物導入領域の形成により、チャネル層９０４がｎ型となる。
【００４３】
また、実施例２における半導体装置は、基板９０１の平面方向に対向して配置されてチャネル層９０４を挟んで形成され、チャネル層９０４にオーミック接続する第１電極９０６および第２電極９０７を備える。また、第２障壁層９０５の上に、Ａｌ2Ｏ3からなる層厚２０ｎｍの絶縁層９０８を備える。加えて、第１電極９０６および第２電極９０７で挟まれた領域を第１電極９０６の側の第１領域９５１および第２電極９０７の側の第２領域９５２とに２分割した第１領域９５１の第２障壁層９０５の上で第１電極９０６の上部領域に接して形成され、第１領域９５１のチャネル層９０４に電界を印加する電界印加電極９０９を備える。
【００４４】
第１電極９０６および第２電極９０７は、ＡｕＧｅＮｉ合金やＩｎから構成すればよい。これらは、蒸着により形成することができる。
【００４５】
また、絶縁層９０８は、トリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウムなどのアルミニウム原料および酸化剤ガスを交互に供給して１原子層ずつ酸化アルミニウムの層を形成する原子層成長法により形成すればよい。なお、例えば、上述した各電極を形成した後、絶縁層９０８を形成すればよい。各電極に超音波ハンダにより配線を接続することで、絶縁層９０８を破壊して電極−配線間の導通を取ることができる。
【００４６】
電界印加電極９０９は、下層をチタン層として上層を金層とした金属の２層構造から構成すればよい。例えば、電子ビーム蒸着により各金属材料を蒸着することで、電界印加電極９０９が形成できる。
【００４７】
この実施例２における半導体装置においても、電界印加電極９０９に所定の電圧を印加することで、チャネル層９０４の第１領域９５１をｐ型の状態とすることができる。この結果、この半導体装置においても、チャネル層９０４のｐ型に反転した第１領域９５１と、ｎ型の第２領域９５２とによりｐｎ接合が形成できる。
【００４８】
より詳細に説明すると、井戸となるチャネル層９０４を構成するＨｇＴｅは、図１０の（ａ）に示すように、バルクの状態では価電子帯と伝導帯とが交差しており、バンドギャップはない状態である（波長無限大）。これに対し、ＨｇＣｄＴｅからなる障壁層でチャネル層９０４を挟む構成とすることで、図１０の（ｂ）に示すように、量子閉じ込めによりチャネル層９０４にバンドギャップを形成することができる。この状態を、図１１のバンド図に示す。
【００４９】
また、本実施例２においても、チャネル層９０４の層厚を変えることで、発光および受光における波長のピークを変化させることができる。ここで、本実施例２において、障壁層を構成するＨｇ0.3Ｃｄ0.7ＴｅのＨｇ組成を０としたＣｄＴｅのバンドギャップエネルギーは、１．６１ｅＶ（波長７７０ｎｍ）である。従って、実施例２に比較して、発光および受光における波長のピークの可変幅が広く、７７０ｎｍ〜無限大で、より長い波長（例えば遠赤外）の光の発光および受光が可能となる。長波長側の限界は、熱エネルギーがバンドギャップを超えることで決定され、室温（３００Ｋ）では４８μｍとなり、液体窒素温度（７７Ｋ）では１８７μｍとなり、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）では、３．４３ｍｍとなる。
【００５０】
［実施例３］
次に、実施例３について説明する。図１２は、実施例３における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、絶縁性のＧａＡｓからなる基板１２０１、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｓｂからなる層厚５００ｎｍの緩衝層１２０２、ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子からなる超格子緩衝層１２０３、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｓｂからなる層厚５０ｎｍの第１障壁層１２０４、ＧａＳｂからなる層厚８ｎｍの第１チャネル層１２０５、ＩｎＡｓからなる層厚８ｎｍの第２チャネル層１２０６、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｓｂからなる層厚３０ｎｍの第２障壁層１２０７、および第２障壁層１２０７の表面を被覆するＧａＳｂからなる層厚５ｎｍの酸化防止層１２０８を備える。
【００５１】
上述した各層は、例えば、分子線エピタキシー法により形成（エピタキシャル成長）すればよい（非特許文献４参照）。緩衝層１２０２および超格子緩衝層１２０３は、よく知られているように、第１障壁層１２０４，第１チャネル層１２０５，第２チャネル層１２０６，および第２障壁層１２０７の結晶性向上のために設けている。なお、超格子緩衝層１２０３は、例えば、ＡｌＳｂ／ＧａＳｂの各層を１０原子層ずつ５０周期積層させて形成すればよい。また、酸化防止層１２０８は、Ａｌを含む第２障壁層１２０７の酸化を防止するために用いている。
【００５２】
なお、第２障壁層１２０７は、Ｂｅをいわゆるデルタドープすることで導入して形成した不純物導入領域１２０７ａを備える。Ｂｅは、ＡｌＧａＳｂに対して浅いアクセプタとなる不純物であるこの不純物導入領域の形成により、第２チャネル層１２０６がｐ型となる。
【００５３】
不純物導入領域１２０７ａは、例えば、Ｂｅの濃度が５×１０11ｃｍ-2とされている。また、不純物導入領域１２０７ａは、例えば、第２チャネル層１２０６と第２障壁層１２０７との界面より５ｎｍ離間して形成されている。この距離は、第２チャネル層１２０６の電子に不純物散乱が生じない範囲である。
【００５４】
また、実施例３における半導体装置は、基板１２０１の平面方向に対向して配置されて第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６を挟んで形成され、第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６にオーミック接続する第１電極１２０９および第２電極１２１０を備える。また、酸化防止層１２０８の上に、Ａｌ2Ｏ3からなる層厚２０ｎｍの絶縁層１２１１を備える。
【００５５】
加えて、第１電極１２０９および第２電極１２１０で挟まれた領域を第１電極１２０９の側の第１領域１２５１および第２電極１２１０の側の第２領域１２５２とに２分割した第１領域１２５１の第２障壁層１２０７の上で第１電極１２０９の上部領域に接して形成され、第１領域１２５１の第２チャネル層１２０６に電界を印加する電界印加電極１２１２を備える。
【００５６】
第１電極１２０９および第２電極１２１０は、ＡｕＧｅＮｉ合金やＩｎから構成すればよい。これらは、蒸着により形成することができる。
【００５７】
また、絶縁層１２１１は、原子層成長法により形成すればよい。なお、例えば、上述した各電極を形成した後、絶縁層１２１１を形成すればよい。各電極に超音波ハンダにより配線を接続することで、絶縁層１２１１を破壊して電極−配線間の導通を取ることができる。
【００５８】
電界印加電極１２１２は、下層をチタン層として上層を金層とした金属の２層構造から構成すればよい。例えば、電子ビーム蒸着により各金属材料を蒸着することで、電界印加電極１２１２が形成できる。
【００５９】
この実施例３における半導体装置においても、電界印加電極１２１２に所定の電圧を印加することで、第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６の第１領域１２５１をｎ型の状態とすることができる。この結果、この半導体装置においても、第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６のｎ型に反転した第１領域１２５１と、ｐ型の第２領域１２５２とによりｐｎ接合が形成できる。
【００６０】
より詳細に説明する。第１チャネル層１２０５および第２チャネル層１２０６におけるＧａＳｂ／ＩｎＡｓからなるヘテロ接合では、これらの層厚が厚いなどの状態で閉じ込めがない場合、図１３の（ａ−１）および（ａ−２）に示すように、ＩｎＡｓの伝導帯下端ＣbeがＧａＳｂの価電子帯上端Ｖbeより０．１５ｅＶ低くなる。
【００６１】
上述した状態に対し、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓからなるヘテロ接合を薄くするなど閉じ込め状態とすることで、図１３の（ｂ−１）および（ｂ−２）に示すように、ＩｎＡｓの伝導帯下端ＣbeがＧａＳｂの価電子帯上端Ｖbeより高くなり、これらの間にバンドギャップが形成されるようになる。第１障壁層１２０４および第２障壁層１２０７を構成するＡｌＧａＳｂのＧａ組成がゼロであるＡｌＳｂのバンドギャップが２．３８６ｅＶ（波長５２０ｎｍ相当）であり、これらによる量子井戸構造とすることで、発光および受光における波長のピークを、上述したエネルギーの間（波長５２０ｎｍ〜無限大）で変化させることができる。長波長側の限界は、熱エネルギーがバンドギャップを超えることで決定され、室温（３００Ｋ）では４８μｍとなり、液体窒素温度（７７Ｋ）では１８７μｍとなり、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）では、３．４３ｍｍとなる。
【００６２】
次に、上述した実施例３の構成とした半導体装置の特性評価について説明する。この特性評価では、第１チャネル層１２０５の層厚を１０ｎｍとし、第２チャネル層１２０６の層厚を１５ｎｍとしている。なお、第２障壁層１２０７に、２．５×１０11ｃｍ-2のＢｅデルタドープを行っている。アクセプタ（ｐ型）のドープであるが、ドープ量が少なく、格子欠陥などがドナー（ｎ型）として働くので、電界が印加されていない状態ではチャネル層はｎ型のままである。
【００６３】
また、半導体装置を、図１４Ａの斜視図および図１４Ｂの平面図に示すように、平面視十字の形状とし、十字を構成する各辺の端部において、第１電極１２０９ａ−第２電極１２１０ａ、および第１電極１２０９ｂ−第２電極１２１０ｂの２つの組を形成する。また、これら電極の内側の十字の中央部に絶縁層１２１１および電界印加電極１２１２を形成する。この測定では、作製の便宜上、第１電極と第２電極との間の全域に電界印加電極を形成している。また、図１４Ａでは、電界印加電極を省略して示している。
【００６４】
上述した試料の半導体装置を作製し、第１電極１２０９ａ−第２電極１２１０ａの間の電圧Ｖを、第１電極１２０９ｂ−第２電極１２１０ｂの間に流れる電流Ｉで割った値でホール抵抗とし、このホール抵抗と電界印加電極１２１２への印加電圧ＶGとの関係を測定する。測定の結果、図１５に示すように、電界印加電極１２１２への印加電圧ＶGを−８Ｖから８Ｖまで掃引すると、−４．３Ｖ程度を境に、ホール抵抗が負の値より正の値に変化する。この結果より、電界印加電極１２１２への印加電圧により、ｐ型からｎ型へ反転させるなどの導電型の制御が可能であることがわかる。
【００６５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す構成図（断面図）である。この半導体装置は、基板１０１の上に形成された直接遷移型の半導体からなる第１障壁層１０２と、第１障壁層１０２の上に形成された直接遷移型の半導体からなるチャネル層１０３と、チャネル層１０３の上に形成された直接遷移型の半導体からなる第２障壁層１０４とを備える。障壁層で挟まれているチャネル層１０３により量子井戸構造が形成されている。
【００６６】
また、この半導体装置は、基板１０１の平面方向に対向して配置されてチャネル層１０３を挟んで形成され、チャネル層１０３にオーミック接続する第１電極１０５および第２電極１０６と、第１電極１０５および第２電極１０６で挟まれた領域を第１電極１０５の側の第１領域１５１および第２電極１０６の側の第２領域１５２とに２分割した第１領域１５１の第２障壁層１０４の上で第１電極１０５の上部領域に接して形成され、第１領域１５１のチャネル層１０３に電界を印加する電界印加電極（第１電界印加電極）１０７とを備える。また、電界印加電極１０７は、絶縁層１０８の上に形成されている。
【００６７】
上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。本実施の形態２では、まず、チャネル層１０３がｉ型になる状態とする。例えば、第１障壁層１０２，チャネル層１０３，および第２障壁層１０４を真性半導体から構成し、第１障壁層１０２，第２障壁層１０４に不純物導入領域を形成しない構成とすればよい。また、上述した構成に加え、第２領域１５２の第２障壁層１０４の上で第２電極１０６の上部領域に接して形成され、第２領域１５２のチャネル層１０３に電界を印加する電界印加電極（第２電界印加電極）１６０７を備える。
【００６８】
本実施の形態２における半導体装置は、電界印加電極１０７および電界印加電極１６０７に、各々所定の電圧が印加されることで、チャネル層１０３の第１領域１５１および第２領域１５２でｐｎ接合が形成されるようにしたものである。
【００６９】
例えば、電界印加電極１０７に負の電圧を印加し、電界印加電極１６０７に正の電圧を印加することで、第１領域１５１のチャネル層１０３をｐ型とし、第２領域１５２のチャネル層１０３をｎ型とすることができる。この結果、チャネル層１０３の平面方向（第１電極１０５および第２電極１０６が対向する方向）にｐｎ接合が形成されるようになる。また、電界印加電極１０７に正の電圧を印加し、電界印加電極１６０７に負の電圧を印加することで、第１領域１５１のチャネル層１０３をｎ型とし、第２領域１５２のチャネル層１０３をｐ型としてもよい。
【００７０】
この状態で、第１電極１０５と第２電極１０６との間に、第１電極１０５の側が正となる電圧を印加すれば、チャネル層１０３のバンドギャップエネルギーに対応した発光が得られるようになる。言い換えると、図１６を用いて説明した半導体装置により、発光ダイオードが構成できる。
【００７１】
また、チャネル層１０３に、チャネル層１０３のバンドギャップエネルギー以上の光を照射すると、上記ｐｎ接合に光起電力が生じ、これを測定すれば、照射された光の強度を検出することができる。
【００７２】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図１７を用いて説明する。図１７は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す斜視図である。この半導体装置は、基板（不図示）の上に形成された半導体からなる第１障壁層１７０１と、第１障壁層１７０１の上に形成された直接遷移型の半導体からなるチャネル層１７０２と、チャネル層１７０２の上に形成された半導体からなる第２障壁層１７０３とを備える。障壁層とチャネル層１７０２とにより、伝導帯および価電子帯ともに量子井戸構造が形成されている。
【００７３】
また、この半導体装置は、基板（不図示）の平面方向に対向して配置されてチャネル層１７０２を挟んで形成され、チャネル層１７０２にオーミック接続する第１電極１７０４および第２電極１７０５と、第１電極１７０４および第２電極１７０５で挟まれた領域を第１電極１７０４の側の第１領域１７５１および第２電極１７０５の側の第２領域１７５２とに２分割した第１領域１７５１の第２障壁層１７０３の上で第１電極１７０４の上部領域に接して形成され、第１領域１７５１のチャネル層１７０２に電界を印加する電界印加電極（第１電界印加電極）１７０７とを備える。また、電界印加電極１７０７は、絶縁層１７０６の上に形成されている。
【００７４】
上述した構成は、前述した実施の形態１と同様であり、電界印加電極１７０７に対する電圧印加で、チャネル層１７０２にｐｎ接合が形成されるようになる。
【００７５】
本実施の形態３では、第１電極１７０４および第２電極１７０５が形成されている領域以外の第１電極１７０４と第２電極１７０５との対向方向に垂直な方向のチャネル層１７０２の対向する２つの断面に、反射膜１７１１および反射膜１７１２を備える。反射膜１７１１および反射膜１７１２は、電界印加電極１７０７に対する電圧印加で形成されるチャネル層１７０２のｐｎ接合が延在する方向で、対向して配置されている。反射膜１７１１および反射膜１７１２は、例えば、蒸着により形成された金の膜から構成することができる。
【００７６】
なお、本例では、第１障壁層１７０１および第２障壁層１７０３も、チャネル層１７０２と同様に加工され、各々断面に、反射膜１７１１および反射膜１７１２が形成されている。この反射膜１７１１および反射膜１７１２は、チャネル層１７０２を挟んで対向して配置された反射手段であり、共振器を構成している。
【００７７】
本実施の形態３では、第１電極１７０４と第２電極１７０５との間に、第１電極１７０４の側が正となる電圧を印加すれば、チャネル層１７０２のバンドギャップエネルギーに対応した発光が得られるようになる。加えて、チャネル層１７０２に反射膜１７１１および反射膜１７１２からなる共振器を備えているので、レーザ発振が可能となる。
【００７８】
例えば、閃亜鉛鉱型の結晶構造は、劈開により原子レベルで平坦な（１１０）面を得ることができる。従って、このような結晶構造を持つ化合物半導体よりチャネル層１７０２を構成し、この［１−１０］方向に向かうｐｎ接合が、［１１０］方向に沿って形成されるようにし、（１１０）面を劈開してこの面に反射膜１７１１および反射膜１７１２を形成すればよい。
【００７９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、実施例３においては、チャネル層であるＧａＳｂとＩｎＡｓの層の積層順は、逆でもよい。また、チャネル層は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＩｎＡｓの３層構造としてもよい。また、第１障壁層，チャネル層，および第２障壁層を構成する半導体は、上述した各実施例で示した材料に限るものではなく、他の化合物半導体を用いるようにしてもよい。また、複数層のグラフェンの積層構造を利用してもよい。
【００８０】
また、上述では、発光および受光素子として説明したが、これに限るものではなく、本発明の半導体装置は、ダイオードとして用いてもよいことはいうまでもない。この用途の場合、ＳｉＧｅ／Ｓｉといった間接遷移型半導体のヘテロ構造を材料として用いることもできる。また、電界印加電極は、いわゆるショットキー接続した金属から構成してもよい。また、上述では、断面（端面）に反射膜を形成して共振器としてレーザとしたが、これに限るものではなく、外部共振器の構造としてもよい。
【００８１】
なお、電界印加電極は、チャネル層にオーミック接続する第１電極もしくは第２電極の上部領域に接して形成されていることが重要となる。これは、例えば、電界印加電極の形成領域と第１電極形成領域との間に、隙間がない状態である。例えば、第１領域に電界印加電極を形成する場合、電界印加電極の形成箇所と第１電極の形成箇所との間に間隙あると、チャネル層において、間隙の領域がｎ型、電界印加電極の領域がｐ型、第２領域がｎ型となり、ｎｐｎ構造となる。また、間隙の領域がｐ型、電界印加電極の領域がｎ型、第２領域がｐ型のｐｎｐ構造となる。このような構成では、第１電極と第２電極との間が絶縁状態となり、前述したような光素子を構成することができない。
【符号の説明】
【００８２】
１０１…基板、１０２…第１障壁層、１０３…チャネル層、１０４…第２障壁層、１０５…第１電極、１０６…第２電極、１０７…電界印加電極（第１電界印加電極）、１０８…絶縁層、１５１…第１領域、１５２…第２領域。
【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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図６】
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