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JPH0760892B2 - pnpn optical thyristor - Google Patents
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JPH0760892B2 - pnpn optical thyristor - Google Patents

pnpn optical thyristor

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JPH0760892B2
JPH0760892B2 JP2853987A JP2853987A JPH0760892B2 JP H0760892 B2 JPH0760892 B2 JP H0760892B2 JP 2853987 A JP2853987 A JP 2853987A JP 2853987 A JP2853987 A JP 2853987A JP H0760892 B2 JPH0760892 B2 JP H0760892B2
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type
base layer
quantum well
type base
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は画像処理や光コンピュータ等に必要とされる半
導体光メモリとして使用されるpnpn光サイリスタに関す
る。
The present invention relates to a pnpn optical thyristor used as a semiconductor optical memory required for image processing, optical computers and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光双安定機能を有する半導体光メモリは、これからの光
交換や並列情報処理システムを構成する際に不可欠なキ
ー・デバイスである。この様な機能を備えたデバイスと
して、第3図に示した様な構造を持ったpnpn光サイリス
タが知られている。このpnpn光サイリスタはジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Appli
ed Physics)誌、第59巻、第596ページ〜第600ページ、
1986年に報告されており、サイリスタの非線形電流−電
圧特性を利用して順方向の導通状態時に発光を生じさせ
るもので光メモリ機能を実現できる。p形アノード層17
とn形カソード層11の禁制帯幅はn形ベース層33の禁制
帯幅よりも大きくなるようにしてあるので、サイリスタ
の順方向導通時にキャリアはn形ベース層33中に閉じ込
められ、この部分で発光が生じる。従って、非導通状態
にバイアスしておいて、トリガ光をあてて導通状態にす
ることにより、トリガ光照射を止めても発光状態を保つ
ことができ、光メモリとして使用できる。
A semiconductor optical memory having an optical bistable function is a key device indispensable for future optical switching and parallel information processing systems. A pnpn optical thyristor having a structure as shown in FIG. 3 is known as a device having such a function. This pnpn optical thyristor is a journal of applied physics.
ed Physics), Volume 59, Pages 596-600,
It was reported in 1986 that an optical memory function can be realized by utilizing the non-linear current-voltage characteristic of a thyristor to generate light emission in the forward conduction state. p-type anode layer 17
Since the forbidden band width of the n-type cathode layer 11 is larger than the forbidden band width of the n-type base layer 33, carriers are confined in the n-type base layer 33 during forward conduction of the thyristor. Emits light. Therefore, by biasing to the non-conducting state and applying the trigger light to bring it into the conducting state, the light emitting state can be maintained even when the irradiation of the trigger light is stopped, and it can be used as an optical memory.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

このような従来のpnpn光サイリスタの発光領域はメサエ
ッチングによって限定される構造となっているが、光メ
モリの並列情報処理への応用上、素子サイズを微細化し
ていくと信頼性上の問題が発生する。メサ側壁にポリイ
ミドや誘電体からなるパッシベーション膜をつけて保護
しても長期的な信頼性を確保することは期待できない。
The light emitting area of such a conventional pnpn optical thyristor has a structure that is limited by mesa etching. However, due to application to parallel information processing of optical memory, miniaturization of the element size causes reliability problems. To do. Even if a passivation film made of polyimide or a dielectric material is attached to the side wall of the mesa for protection, long-term reliability cannot be expected.

本発明の目的は微細化しても信頼性の損われないpnpn光
サイリスタを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a pnpn optical thyristor which does not lose reliability even when miniaturized.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明のpnpn光サイリスタは、n型半導体基板の表面に
形成され所定の禁制帯幅のn型カソード層と、前記n型
カソード層を順次に被覆して設けられこれより禁制帯幅
の狭いp型ベース層およびn型ベース層と、これらのベ
ース層を被覆しこれらより禁制帯幅の広いp型アノード
層とを有するpnpn光サイリスタにおいて、前記n型ベー
ス層が前記p型ベース層を順次に被覆するn型半導体層
および多重量子井戸層を含み、前記多重量子井戸層が前
記p型アノード層から前記n型半導体層にかけて形成さ
れ前記p型ベース層と離れているp型拡散領域による無
秩序化領域で区画された発光領域であるというものであ
る。
The pnpn optical thyristor of the present invention is provided on the surface of an n-type semiconductor substrate and has an n-type cathode layer having a predetermined forbidden band width and sequentially covering the n-type cathode layer. In a pnpn optical thyristor having a p-type base layer and an n-type base layer, and a p-type anode layer covering these base layers and having a wider forbidden band than these, the n-type base layer and the p-type base layer are sequentially arranged. Disordering by a p-type diffusion region including an n-type semiconductor layer and a multi-quantum well layer covering the multi-quantum well layer formed from the p-type anode layer to the n-type semiconductor layer and separated from the p-type base layer. That is, it is a light emitting region divided into regions.

〔作用〕[Action]

多重量子井戸層は不純物拡散やイオン注入により無秩序
化されて禁制帯幅も増大する。
The multiple quantum well layer is disordered by impurity diffusion and ion implantation, and the band gap is also increased.

pnpn光サイリスタの導通時にn型ベース層に注入された
キャリアは無秩序化されていない量子井戸中に効率良く
緩和し発光が生じる。発光部は、メサエッチング方式の
場合のように、製造工程中に外気にさらされることがな
いので信頼性が向上する。結晶成長は一回で済む。無秩
序化領域の屈折率が発光部である多重量子井戸層の屈折
率よりも低くなるような材料を用いれば光を発光部に閉
じ込めることもできる。
The carriers injected into the n-type base layer during conduction of the pnpn optical thyristor are efficiently relaxed in the non-disordered quantum well to generate light. Unlike the case of the mesa etching method, the light emitting portion is not exposed to the outside air during the manufacturing process, so that the reliability is improved. Crystal growth only needs to be done once. Light can be confined in the light emitting portion by using a material whose refractive index in the disordered region is lower than that of the multiple quantum well layer which is the light emitting portion.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の第1の実施例の主要部を示す半導体チ
ップの断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip showing a main part of the first embodiment of the present invention.

この実施例はn型半導体基板10の表面に形成され所定の
禁制帯幅のn型カソード層11(Al0.4Ga0.6As層)と、n
型カソード層11を順次に被覆して設けられこれより禁制
帯幅の狭いp型ベース層(Al0.2Ga0.8As層)およびn型
ベース層と、これらのベース層を被覆してこれらより禁
制帯幅の広いp型アノード層17(Al0.4Ga0.6As層)とを
有するpnpn光サイリスタにおいて、前述のn型ベース層
がp型ベース層17を順次に被覆するn型Al0.2Ga0.8As層
13−1および多重量子井戸層16を含み、多重量子井戸層
16がp型アノード層17からn型Al0.2Ga0.8As層13−1に
かけて形成されp型ベース層12と離れているp型のZn拡
散領域19による無秩序化領域で区画された発光領域であ
るというものであり、この無秩序化領域は多重量子井戸
層16とZn拡散領域19の重なった部分である。
In this embodiment, an n-type cathode layer 11 (Al 0.4 Ga 0.6 As layer) formed on the surface of an n-type semiconductor substrate 10 and having a predetermined band gap, and n
P-type base layer (Al 0.2 Ga 0.8 As layer) and n-type base layer, which are formed by sequentially coating the cathode cathode layer 11 and have a narrower forbidden band, and these base layers are coated to form a forbidden band. In a pnpn optical thyristor having a wide p-type anode layer 17 (Al 0.4 Ga 0.6 As layer), an n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer in which the aforementioned n-type base layer sequentially covers the p-type base layer 17 is formed.
13-1 and a multiple quantum well layer 16, including a multiple quantum well layer
Reference numeral 16 denotes a light emitting region which is formed from the p-type anode layer 17 to the n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 13-1 and is partitioned by the disordered region by the p-type Zn diffusion region 19 which is separated from the p-type base layer 12. This disordered region is the overlapping portion of the multiple quantum well layer 16 and the Zn diffusion region 19.

次に、この実施例の製造方法について説明する。Next, the manufacturing method of this embodiment will be described.

GaAs(不純物濃度N=2×1018km-3)からなるn型半導
体基板10上にSiドープのAlνGa1-νAs(ν=0.4,厚さd
=2μm,N=2×1018cm-3)をエピタキシャル成長させ
てn型カソード層11を形成し、次にBeドープのAlxGa1-x
As(x=0.2,d=5nm,N=1×1019cm-3)をエピタキシャ
ル成長させてp型ベース層12を形成する。
On the n-type semiconductor substrate 10 made of GaAs (impurity concentration N = 2 × 10 18 km -3 ), Si-doped AlνGa 1- νAs (ν = 0.4, thickness d
= 2 μm, N = 2 × 10 18 cm −3 ) to form an n-type cathode layer 11 by epitaxial growth, and then Be-doped Al x Ga 1- x
As (x = 0.2, d = 5 nm, N = 1 × 10 19 cm −3 ) is epitaxially grown to form the p-type base layer 12.

次に、n型ベース層を形成する。このn型ベース層はn
型Al0.2Ga0.8As層13−1,多重量子井戸層16,n型Al0.2Ga
0.8As層13−2よりなっている。まず厚さ0.6μm,不純物
濃度1×1017cm-3のn型Al0.2Ga0.8As層13−1を成長さ
せ、次に、n型GaAs層14(d=5nm,N=1×1017cm-3
とn型AlwGa1-wAs層15(w=0.2,d=5nm,N=1×1017cm
-3)とを交互に7周期積層して多重量子井戸層16を形成
し、最後にn型Al0.2Ga0.8As層3−2(d=0.1μm,N=
1×1017cm-3)を形成する。
Next, the n-type base layer is formed. This n-type base layer is n
Type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 13-1, multiple quantum well layer 16, n-type Al 0.2 Ga
It consists of 0.8 As layer 13-2. First, an n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 13-1 having a thickness of 0.6 μm and an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 is grown, and then an n-type GaAs layer 14 (d = 5 nm, N = 1 × 10 17). cm -3 )
And n-type Al wGa 1- wAs layer 15 (w = 0.2, d = 5 nm, N = 1 × 10 17 cm
-3 ) and 7 cycles are alternately laminated to form a multiple quantum well layer 16, and finally, an n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 3-2 (d = 0.1 μm, N =
1 × 10 17 cm −3 ) is formed.

次にAlxGa1-xAs(x=0.4,d=0.5μm,N=2×1018c
m-3)を成長させてp型アノード層17を形成し、次にp
型GaAs(d=0.4μm,N=2×1018cm-3)を成長させてp
型アノード層17を形成し、次にp型GaAs(d=0.2μm,N
=2×1018cm-3)を成長させてアノードコンタクト層18
を形成する。
Next, AlxGa 1- xAs (x = 0.4, d = 0.5 μm, N = 2 × 10 18 c
m −3 ) to form a p-type anode layer 17 and then p −
Type GaAs (d = 0.4 μm, N = 2 × 10 18 cm -3 ) was grown and p
-Type anode layer 17 is formed, and then p-type GaAs (d = 0.2 μm, N
= 2 × 10 18 cm -3 ) and the anode contact layer 18
To form.

次にZnを選択的に多重量子井戸層16より深く拡散させZn
拡散領域19を形成する。(Zn拡散処理を受けない多重量
子井戸層16の表面の面積は10μmφの円形であり、第1
図の破線で示した矢印の方向から発光出力が得られ
る。) 最後にアノード電極20,カソード電極21を形成する。
Next, Zn is selectively diffused deeper than the multiple quantum well layer 16 and Zn
A diffusion region 19 is formed. (The surface area of the multiple quantum well layer 16 which is not subjected to Zn diffusion treatment is a circle of 10 μmφ,
The light emission output is obtained in the direction of the arrow indicated by the broken line in the figure. ) Finally, the anode electrode 20 and the cathode electrode 21 are formed.

拡散処理を受け、量子井戸構造が消失した無秩序化領域
では、Alの平均組成はX=0.1となる。n型GaAs層14か
ら横方向(層方向)に見た場合、Zn拡散領域19のところ
でX=0.1に相当するAlGaAsのヘテロ障壁が存在するこ
とになる。X=0.1のAlGaAsの禁制帯幅はGaAsの禁制帯
幅より約125meV大きい。サイリスタ導通後の順方向導通
状態ではキャリアはn型GaAs層14の量子井戸内に緩和
し、又、横方向にも閉じ込められることになる。
In the disordered region in which the quantum well structure has disappeared due to the diffusion treatment, the average composition of Al is X = 0.1. When viewed in the lateral direction (layer direction) from the n-type GaAs layer 14, a hetero barrier of AlGaAs corresponding to X = 0.1 exists at the Zn diffusion region 19. The forbidden band width of AlGaAs at X = 0.1 is about 125 meV larger than that of GaAs. In the forward conduction state after the thyristor conduction, the carriers are relaxed in the quantum well of the n-type GaAs layer 14 and are also confined in the lateral direction.

発光出力としては100mAで数100μWの出力が得られた。As the light emission output, an output of several 100 μW was obtained at 100 mA.

第2図は本発明の第2の実施例の主要部を示す半導体チ
ップの斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view of a semiconductor chip showing a main part of the second embodiment of the present invention.

この実施例は端面方向に光を取り出す構造となってい
る。層構造は第1の実施例と殆んど同じである。この例
ではメサ幅は12μm、長手方向の長さ100μmである。
選択拡散を行なった後、メサ加工を施す。拡散処理をし
ない多重量子井戸層16の幅は約2μmである。
In this embodiment, light is extracted in the end face direction. The layer structure is almost the same as that of the first embodiment. In this example, the mesa width is 12 μm and the length in the longitudinal direction is 100 μm.
After performing selective diffusion, mesa processing is performed. The width of the multiple quantum well layer 16 not subjected to the diffusion process is about 2 μm.

なお、Zn拡散領域19の端面に便宜上平行斜線を施してあ
る。
Note that the end faces of the Zn diffusion region 19 are hatched in parallel for convenience.

この実施例はメサストライプ構造になっいるが、発光領
域は、Zn拡散領域19によって区画されていて、メサエッ
チング工程で影響を受け難いようになっている。
Although this embodiment has a mesa stripe structure, the light emitting region is partitioned by the Zn diffusion region 19 so that it is not easily affected by the mesa etching process.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は無秩序化領域で多重量子井
戸層が区画された発光領域を有していて、この発光領域
が露出していないので、製造工程上も外気にされされる
こもなく、信頼性の高い微細なpnpn光サイリスタが得ら
れるという効果がある。
As described above, the present invention has the light emitting region in which the multiple quantum well layers are divided by the disordered region, and since the light emitting region is not exposed, it is not exposed to the outside air in the manufacturing process, The effect is that a highly reliable fine pnpn optical thyristor can be obtained.

特にAlGaAs/GaAs系のような酸化され易い半導体材料を
使用したpnpn光サイリスタ又は半導体光メモリにおいて
この効果は著しい。
Especially, this effect is remarkable in a pnpn optical thyristor or a semiconductor optical memory using a semiconductor material such as AlGaAs / GaAs which is easily oxidized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の第1の実施例の主要部を示す半導体チ
ップの断面図、第2図は本発明の第2の実施例の主要部
を示す半導体チップの斜視図、第3図は従来例の主要部
を示す半導体チップの断面図である。 10……n型半導体基板、11……n型カソード層、12……
n型ベース層、13−1,13−2……n型Al0.2Ga0.8As層、
14……n型GaAs層、15……n型AlwGa1-wAs層、16……多
重量子井戸層、17……p型カソード層、18……アノード
コンタクト層、19……Zn拡散領域、20……アノード電
極、21……カソード電極、22……酸化シリコン膜、31…
…p型半導体基板、32……p型バッファ層、33……n型
ベース層、34……カソードコンタクト層。
1 is a sectional view of a semiconductor chip showing a main part of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a semiconductor chip showing a main part of a second embodiment of the present invention, and FIG. It is sectional drawing of the semiconductor chip which shows the principal part of a prior art example. 10 ... n-type semiconductor substrate, 11 ... n-type cathode layer, 12 ...
n-type base layer, 13-1, 13-2 ... n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer,
14 ... n-type GaAs layer, 15 ... n-type Al wGa 1- wAs layer, 16 ... multiple quantum well layer, 17 ... p-type cathode layer, 18 ... anode contact layer, 19 ... Zn diffusion region, 20 …… Anode electrode, 21 …… Cathode electrode, 22 …… Silicon oxide film, 31…
... p-type semiconductor substrate, 32 ... p-type buffer layer, 33 ... n-type base layer, 34 ... cathode contact layer.

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 33/00 A Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI technical display location H01L 33/00 A

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】n型半導体基板の表面に形成され所定の禁
制帯幅のn型カソード層と、前記n型カソード層を順次
に被覆して設けられこれより禁制帯幅の狭いp型ベース
層およびn型ベース層と、これらのベース層を被覆しこ
れらより禁制帯幅の広いp型アノード層とを有するpnpn
光サイリスタにおいて、前記n型ベース層が前記p型ベ
ース層を順次に被覆するn型半導体層および多重量子井
戸層を含み、前記多重量子井戸層が前記p型アノード層
から前記n型半導体層にかけて形成され前記p型ベース
層と離れているp型拡散領域による無秩序化領域で区画
された発光領域であることを特徴とするpnpn光サイリス
タ。
1. An n-type cathode layer formed on the surface of an n-type semiconductor substrate and having a predetermined forbidden band width, and a p-type base layer having a narrower forbidden band formed by sequentially covering the n-type cathode layer. And a n-type base layer and a p-type anode layer that covers these base layers and has a wider band gap than these.
In the optical thyristor, the n-type base layer includes an n-type semiconductor layer and a multiple quantum well layer that sequentially cover the p-type base layer, and the multiple quantum well layer extends from the p-type anode layer to the n-type semiconductor layer. A pnpn optical thyristor, which is a light emitting region defined by a disordered region formed by a p-type diffusion region separated from the p-type base layer.
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JPS63196084A JPS63196084A (en) 1988-08-15
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