專利名稱：發(fā)光閘流晶體管及自掃描型發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善了發(fā)光效率的發(fā)光閘流晶體管、以及使用這樣的發(fā)光閘流晶體管的自掃描型發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
在本申請人的日本專利特開平2-14584號公報中公開了面發(fā)光的發(fā)光閘流晶體管，另外在本申請人的特開平9-85985號公報中公開了端面發(fā)光的發(fā)光閘流晶體管。面發(fā)光閘流晶體管也好、端面發(fā)光閘流晶體管也好，其基本結(jié)構(gòu)是相同的，例如在GaAs襯底上的GaAs緩沖層上使AlGaAs層(Al成分例如為0.35)連續(xù)地生長晶體。


圖1是表示發(fā)光閘流晶體管的基本結(jié)構(gòu)的簡略剖面圖。在圖1中，10是p型GaAs襯底，在該襯底上依次層疊p型GaAs緩沖層12、p型AlGaAs層14、n型AlGaAs層16、p型AlGaAs層18、n型AlGaAs層20。在AlGaAs層20上設(shè)置陰極22，在AlGaAs層18上設(shè)置柵極24，在GaAs襯底的背面設(shè)置陽極26。
在該例中，在p型GaAs襯底上夾著緩沖層依次層疊p型層、n型層、p型層、n型層，但在n型GaAs襯底上夾著緩沖層依次層疊n型層、p型層、n型層、p型層的情況下，最上層的電極成為陽極，最下部的電極成為陰極。
本發(fā)明人在上述公報中公開了將這樣構(gòu)成的發(fā)光閘流晶體管排列成陣列狀，在排列的這些發(fā)光閘流晶體管之間，通過保持適當(dāng)?shù)南嗷プ饔茫軐崿F(xiàn)自掃描功能，作為光打印機用電源在安裝上是簡便的，能使發(fā)光元件的排列間距小，而且，能制作小型的自掃描型發(fā)光裝置等。
在這樣構(gòu)成的發(fā)光閘流晶體管中，在GaAs緩沖層和該緩沖層上的AlGaAs層的界面上Al成分變化大，例如Al成分從0變化到0.35，所以由于該急劇變化，晶格常數(shù)的變化小時，在該界面上產(chǎn)生晶格混亂，或者能帶產(chǎn)生大的變形。因此，界面上的晶格失配變大，產(chǎn)生位錯。而且界面上能隙增大，由于形成結(jié)致使能帶的變形增大。
鑒于上述情況，在GaAs襯底上夾著GaAs緩沖層生長形成AlGaAs層的發(fā)光閘流晶體管中，在GaAs緩沖層和AlGaAs層的界面上，伴隨晶格失配而誘發(fā)晶格缺陷，另外由于不明確的雜質(zhì)能級的形成等，例如由于閾值電流值、維持電流的增加，存在裝置特性劣化的問題。另外由于這些界面附近的成為載流子消光雜質(zhì)的缺陷的發(fā)生，還存在外部量子效率低、發(fā)光光量下降的問題。
另外，如圖2所示，在n型AlGaAs層20上為了取得與陰極22的歐姆接觸，有時形成n型GaAs層28。另外，在圖2中，與圖1相同的要素用相同的參照符號表示。這樣，在現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管中，為了與電極的歐姆接觸的容易性、材料系統(tǒng)的簡化，而將GaAs用于最上層材料。發(fā)光閘流晶體管的發(fā)光波長約為780nm，如果將GaAs層用于最上層，則其吸收端波長為約860nm，所以發(fā)出的光通過最上層28時引起吸收，發(fā)生光量下降。
為了減少由GaAs層28引起的光吸收量，雖然可以減薄GaAs層的厚度，但如果膜的厚度薄，還會發(fā)生以下問題。即，為了作成歐姆電極，需要使電極材料和GaAs合金化，但因熱處理引起的原子的遷移距離大，電極材料的合金化區(qū)域到達作為GaAs層28的下層的AlGaAs層20。其結(jié)果，AlGaAs的結(jié)晶性混亂，成為光散射等的原因。
圖3是表示297K時的n型GaAs層的吸收光譜的曲線圖?？v軸表示吸收系數(shù)α，橫軸表示光子能量。光的吸收量表示為1-e-αt(式中t為膜厚)由該曲線圖可知，對應(yīng)于780nm波長的光的吸收系數(shù)約為1.5×104。假設(shè)膜厚t為0.02微米，如果利用上式簡單地計算吸收量，則可知發(fā)光量下降3～4％。如果由于膜厚的起伏或合金化而產(chǎn)生原子排列的混亂、成分的變化等，則會引起吸收量的進一步下降。
圖4表示在GaAs襯底10上有GaAs緩沖層12、在最上層還有GaAs層28的發(fā)光閘流晶體管。另外，在圖4中與圖1及圖2相同的要素，用相同的參照符號表示。
一般說來，如圖5所示，pnpn結(jié)構(gòu)的發(fā)光閘流晶體管可以認(rèn)為是襯底一側(cè)的pnp晶體管44和與襯底相反一側(cè)的npn晶體管46的組合。即，陽極相當(dāng)于pnp晶體管44的發(fā)射極，陰極相當(dāng)于npn晶體管46的發(fā)射極，柵極相當(dāng)于npn晶體管46的基極。由各自的晶體管44、46的電流放大率的組合決定閘流晶體管的維持電流。即，為了減小維持電流，需要增大各晶體管的電流放大率α。由發(fā)射極注入效率γ、輸送效率β、集電極結(jié)雪崩倍增率M、固有集電極效率α*的積給出電流放大率α。其中，為了增大發(fā)射極注入效率γ，發(fā)射極的雜質(zhì)濃度被設(shè)計得比基極的雜質(zhì)濃度高。
作為p型雜質(zhì)的Zn的擴散速度非常快，在外延成膜過程中還擴散到n型半導(dǎo)體層中，補償了n型雜質(zhì)。因此，如果陽極層(GaAs層12及AlGaAs層14)中的Zn濃度比n型柵極層(AlGaAs層16)中的雜質(zhì)Si的濃度大，則陽極層和柵極層的界面附近的Si基本上被補償，晶體管的輸送效率β下降。另外，存在作成非發(fā)光中心，導(dǎo)致發(fā)光效率下降的問題。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一種在GaAs襯底上夾著GaAs緩沖層使AlGaAs層生長形成的發(fā)光閘流晶體管中，改善了發(fā)光效率的發(fā)光閘流晶體管。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種在將GaAs用于最上層材料的發(fā)光閘流晶體管中，改善了發(fā)光效率的發(fā)光閘流晶體管。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種在n型柵極層的雜質(zhì)為Zn的發(fā)光閘流晶體管中，改善了發(fā)光效率的發(fā)光閘流晶體管。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種使用以上的發(fā)光閘流晶體管的自掃描型發(fā)光裝置。
本發(fā)明的第一種形態(tài)的發(fā)光閘流晶體管的特征在于在p型及n型的AlGaAs層互相層疊在GaAs襯底上的GaAs緩沖層上的pnpn結(jié)構(gòu)發(fā)光閘流晶體管中，上述GaAs緩沖層上面的AlGaAs層中的Al的成分以臺階狀增加的方式變化，或者Al的成分以連續(xù)增加的方式變化。
在這樣的發(fā)光閘流晶體管中，由于上述AlGaAs層中的Al成分逐漸變化，所以能減少在GaAs緩沖層和AlGaAs層的界面上伴隨晶格不一致的位錯等晶格缺陷，另外能緩和界面上的能帶的極端變形。
代替使Al成分逐漸變化的方法，可以考慮插入單一或多重量子阱、或使用翹曲層的翹曲超晶格結(jié)構(gòu)等是有效的。這時通過作成滿足高反射條件的量子阱層或超晶格層，利用量子阱層或超晶格層反射朝向襯底一側(cè)的光，所以能期待提高出射光量。
另外，在Al的成分呈臺階狀或連續(xù)變化的AlGaAs層中可能發(fā)生不適配位錯的情況下，為了停止不適配位錯的傳播，也可以在AlGaAs層內(nèi)設(shè)置量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)。
如果采用本發(fā)明的第二種形態(tài)，則由于將吸收端波長比780nm短的材料、例如InGaP、InGaAsP、或AlGaInP作為最上層材料，所以能使最上層的光吸收消失。該材料最好相對于GaAs襯底晶格一致。這樣，由于將在比發(fā)光閘流晶體管的發(fā)光波長短的波長區(qū)域具有吸收端的材料用于最上層，所以能消除最上層對出射光的吸收，能提高外部量子效率。
根據(jù)本發(fā)明的第三種形態(tài)，其特征在于在pnpn結(jié)構(gòu)的發(fā)光閘流晶體管中，至少使n柵極層附近的陽極層的局部雜質(zhì)濃度比n柵極層的雜質(zhì)濃度低。
pnpn結(jié)構(gòu)的發(fā)光閘流晶體管例如在p型襯底上使p型的第一層、p型的第二層、n型的第三層、p型的第四層、n型的第五層、n型的第六層外延生長的情況下，這樣的發(fā)光閘流晶體管是襯底一側(cè)的pnp晶體管和與襯底相反一側(cè)的npn晶體管的組合。
根據(jù)本發(fā)明，通過使第一層、第二層的雜質(zhì)濃度在第三層的雜質(zhì)濃度以下，限制雜質(zhì)從第一層、第二層向第三層的擴散。另外，由于pnp晶體管的發(fā)射極-基極結(jié)呈異質(zhì)結(jié)，所以即使發(fā)射極的雜質(zhì)濃度比基極的雜質(zhì)濃度低，發(fā)射極注入效率γ也幾乎不受影響，能大致保持1。
另外如果采用本發(fā)明，通過將發(fā)光閘流晶體管作為發(fā)光元件用，能實現(xiàn)如下構(gòu)成的自掃描型發(fā)光裝置。
第一種結(jié)構(gòu)是這樣一種自掃描型發(fā)光裝置配置多個有發(fā)光動作用的閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件，通過相互作用電阻或具有單向?qū)щ娦缘碾姎庠?，將各發(fā)光元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個發(fā)光元件的控制電極上，將施加電壓或電流的多條布線連接在控制各發(fā)光元件的發(fā)光的電極上。
另外第二種結(jié)構(gòu)是這樣一種自掃描型發(fā)光裝置它由自掃描傳輸元件陣列和發(fā)光元件陣列構(gòu)成，上述自掃描傳輸元件陣列是這樣形成的，即，配置多個有傳輸動作用的閾值電壓或閾值電流的控制電極的傳輸元件，通過相互作用電阻或具有單向?qū)щ娦缘碾姎庠?，將各傳輸元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個傳輸元件的控制電極上，同時用電氣裝置將電源線路連接在各傳輸元件上，而且將時鐘線路連接在各傳輸元件上，上述發(fā)光元件陣列是配置了多個具有閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件而成的，用電氣裝置將上述發(fā)光元件陣列的各控制電極與上述傳輸元件的控制電極連接起來，設(shè)置了將發(fā)光用的電流注入各發(fā)光元件的線路。
如果采用這樣構(gòu)成的自掃描型發(fā)光裝置，則外部發(fā)光效率好，而且能實現(xiàn)謀求高精細化、小型化、低成本化的發(fā)光裝置。
附圖的簡單說明圖1是有緩沖層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的簡略剖面圖。
圖2是將GaAs層用于最上層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的簡略剖面圖。
圖3是表示圖2所示的發(fā)光閘流晶體管中n型GaAs的吸收系數(shù)的曲線圖。
圖4是現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的簡略剖面圖。
圖5是圖4中的發(fā)光閘流晶體管的等效電路。
圖6是表示本發(fā)明的第一實施例的圖。
圖7是表示本發(fā)明的第二實施例的圖。
圖8是表示發(fā)光閘流晶體管的特性評價電路的圖。
圖9是表示閾值電流的測定例的曲線圖。
圖10是表示維持電流的測定例的曲線圖。
圖11是表示本發(fā)明的第三實施例的圖。
圖12及圖13表示本發(fā)明的第四實施例的圖。
圖14是表示本發(fā)明的第五實施例的圖。
圖15是表示InGaP的光致發(fā)光強度的曲線圖。
圖16是表示將In0.5Ga0.5P層的吸收光譜與GaAs進行比較的圖。
圖17是表示發(fā)光閘流晶體管的光輸出功率測定電路的圖。
圖18是InGaAsP的成分圖。
圖19是表示AlGaInP的晶格常數(shù)和能隙的關(guān)系的曲線圖。
圖20是表示發(fā)光閘流晶體管的電流-光輸出功率特性的圖。
圖21是表示本發(fā)明的第七實施例的圖。
圖22是自掃描型發(fā)光裝置的第一基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。
圖23是自掃描型發(fā)光裝置的第二基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。
圖24是自掃描型發(fā)光裝置的第三基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。
實施本發(fā)明的最佳形態(tài)以下，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)
圖6是表示解決了用圖1說明的有緩沖層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的問題的本發(fā)明的一實施例的圖。示出了在GaAs襯底10上一邊使Al成分x呈臺階狀地從0(GaAs)逐漸地增加到0.35，一邊使AlxGa1-xAs層外延生長的狀態(tài)。另外，與GaAs、AlGaAs的導(dǎo)電類型(n型、p型)無關(guān)，外延生長的方法是相同的，所以在實施例的說明中不區(qū)分導(dǎo)電類型。
在GaAs襯底10上一邊改變Al原料的供給量，使Al成分按照0、0.1、0.2、0.3、0.35這樣的順序變化，一邊使AlGaAs層外延生長。即，依次使Al成分為0的GaAs層(緩沖層)12、Al成分為0.1的AlGaAs層50-1、Al成分為0.2的AlGaAs層50-2、Al成分為0.3的AlGaAs層50-3、Al成分為0.35的AlGaAs層50-4進行外延生長。
Al成分這樣呈臺階狀增加的4個AlGaAs層50-1、50-2、50-3、50-4相當(dāng)于圖1中的AlGaAs層1。在此情況下，GaAs緩沖層12～AlGaAs層50-4的全部膜的厚度由載流子的關(guān)閉效率設(shè)定。
以后的工序與圖1中的現(xiàn)有例相同，使Al成分依次外延生長到0.35的AlGaAs層。
(第二實施例)圖7是表示解決了用圖1說明的有緩沖層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的問題的本發(fā)明的第二個實施例的圖。表示了在GaAs緩沖層12上一邊使Al成分x從0連續(xù)地變化到0.35，一邊使AlxGa1-xAs層外延生長。外延生長時，通過使Al和Ga的供給量的至少一者連續(xù)地變化，來實現(xiàn)這樣的Al成分的變化。
這樣處理后，在GaAs襯底10上的GaAs緩沖層12上形成Al成分從0連續(xù)地變化到0.35的AlGaAs層52-1，繼續(xù)形成Al成分為0.35的AlGaAs層52-2。
這樣的兩個AlGaAs層52-1、52-2相當(dāng)于圖1中的AlGaAs層14。
在此情況下，GaAs緩沖層12～AlGaAs層52-2的全部膜的厚度由載流子的關(guān)閉效率設(shè)定。
以后的工序與圖1中的現(xiàn)有例相同，使Al成分依次外延生長到0.35的AlGaAs層。
如以上這樣的第一實施例及第二實施例所示，通過使Al成分逐漸變化，能降低在GaAs緩沖層和AlGaAs層的界面上伴隨晶格不一致的位錯等晶格缺陷，另外能緩和界面上的能帶的極端變形。因此減輕了對裝置特性的影響。
用以下方法測定了第一或第二實施例的發(fā)光閘流晶體管的閾值電流、維持電流、光輸出功率。如圖8所示，將閘流晶體管60的陽極26、陰極64、柵極66連接在穩(wěn)流電源68及穩(wěn)壓電源70上，使穩(wěn)流電源68的輸出電流Ik變化，測定了發(fā)光閘流晶體管的陰極電壓Vk和柵極電流Ig。圖9中示出了測定數(shù)據(jù)的典型例。在圖9中，求出柵極電流Ig從增加變?yōu)闇p少之前最大的電流，將它作為閾值電流。另一方面，同樣一邊使穩(wěn)流電源68的輸出電流Ik(等于發(fā)光閘流晶體管60的陰極電流)變化，一邊測定了陰極電壓Vk。圖10中示出了特性的典型例。將陰極電壓超過一定值(例如0.2V)的點定義為維持電流。通過電阻將柵極連接在陽極上，用光電二極管測定將輸出電流Ik設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?例如13mA)時的光輸出功率，獲得了光輸出功率。測定15～20個第一或第二實施例的發(fā)光閘流晶體管，與圖1中的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管進行了比較，閾值電流平均減少了約20％，維持電流平均減少了約5％。光輸出功率平均增加了約10％。
(第三實施例)圖11是表示解決了用圖1說明的有緩沖層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的問題的本發(fā)明的第三個實施例的圖，在GaAs襯底10上的GaAs緩沖層12上形成量子阱層72，與圖1中的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)一樣，在該量子阱層72上使AlGaAs層14、AlGaAs層16、…外延生長。這樣的量子阱層具有與第一及第二實施例的Al成分呈臺階狀增加的AlGaAs層及Al成分連續(xù)變化的AlGaAs層同樣的作用，能降低在GaAs緩沖層和AlGaAs層的界面上伴隨晶格不一致的位錯等晶格缺陷，另外能緩和界面上的能帶的極端變形。
本實施例中的量子阱層也可以不在GaAs緩沖層12和AlGaAs層14的界面上，而設(shè)置在AlGaAs層14內(nèi)。另外，即使用翹曲超晶格結(jié)構(gòu)，也能獲得同樣的效果。
(第四實施例)在使上述的第一及第二實施例的Al成分呈臺階狀或連續(xù)地變化的AlGaAs層上起因于晶格不一致而發(fā)生的不適配位錯在該AlGaAs層中傳播而傳播到上層，有可能對閘流晶體管的特性產(chǎn)生影響。以下說明降低且停止這樣的晶格失配位錯的傳播的實施例。
在圖12所示的實施例中，在圖6的結(jié)構(gòu)中，將量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)74設(shè)置在AlGaAs層50-4內(nèi)。因此，能停止不適配位錯的傳播。
在圖13所示的實施例中，在圖7的結(jié)構(gòu)中，將量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)76設(shè)置在AlGaAs層52-2內(nèi)。因此，能停止不適配位錯的傳播。
(第五實施例)圖14是解決了用圖2說明的將GaAs層用于最上層的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的問題的本發(fā)明的發(fā)光閘流晶體管的簡略剖面圖。其結(jié)構(gòu)雖然與圖2中的現(xiàn)有例相同，但將最上層的GaAs層換成了由相對于GaAs襯底晶格一致的InGaP構(gòu)成的層80。
在In1-xGaxP的情況下，所謂與GaAs晶格一致，是指成分x約為0.5時。InGaP生長時使用了MOCVD。作為In原料使用了三甲銦(TMI),Ga原料中使用了三甲鎵(TMG),P原料中使用了磷化氫。生長條件依賴于所使用的反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)，為了獲得所希望的成分x=0.5，需要利用條件。在采用減壓生長法的情況下，生長溫度為600～700℃。Ⅲ族原料供給摩爾比(TMG/TMI)由與混晶比(x/1-x)成比例的摩爾比決定。用硒作為獲得n型InGaP用的摻雜劑，硒的原料中使用了硒化氫。
為了評價光學(xué)特性，在GaAs襯底上使單層的InGaP生長，作為測定試樣。圖15表示在室溫下測定的In0.5Ga0.5P的光致發(fā)光強度。發(fā)光中心波長約為660nm。圖16表示將相同的In0.5Ga0.5P層的吸收光譜與GaAs(圖3)比較。In0.5Ga0.5P的吸收端波長約為650nm(0.9eV),780nm的波長的光的吸收系數(shù)為10cm-1以下，與GaAs的1.5×104cm-1相比，獲得了非常小的值。
將最上層的陰極層作為上述InGaP層，制作了發(fā)光閘流晶體管。InGaP層的生長方法與上述的相同，除此之外的制造工序與已經(jīng)公開的使用GaAs層的情況相同。另外，為了使陰極與InGaP層歐姆接觸，將AuGeNi用于陰極的材料。
為了測定光輸出功率，如圖17所示連接發(fā)光閘流晶體管。發(fā)光閘流晶體管82的柵極84通過電阻86與陽極88連接，將穩(wěn)流電源92連接在陽極88和陰極90之間，利用光電二極管測定了在一定的陰極電流(例如10mA)下的光輸出功率。
所獲得的光輸出功率比使用GaAs層的發(fā)光閘流晶體管時的典型值平均增加了約3％。由此可知In0.5Ga0.5P層的吸收小到可忽視的程度。
另外，作為最上層的材料，在使用In1-xGaxAs1-yPy的情況下，由于使用吸收端能量大的一側(cè)的成分x、y，能使吸收系數(shù)小。為了說明這種情況，圖18中示出了In1-xGaxAs1-yPy的成分圖。實線表示等能隙Eg線，虛線表示等晶格常數(shù)線。如果根據(jù)該成分圖，則表示吸收端能量為1.6eV的線100相對于約780nm的發(fā)光波長。另外，晶格常數(shù)5.65埃相對于GaAs的晶格常數(shù)。因此，從該狀態(tài)圖可知，由于使用比具有與GaAs的晶格常數(shù)相等的晶格常數(shù)的成分中用黑點表示的點102的能量高的一側(cè)的成分，所以能使吸收系數(shù)小。
另外，作為最上層的材料，在使用AlxGayIn1-x-yP的情況下，需要選擇各自的成分x、y，以便與GaAs晶格一致。圖19是表示AlGaInP的晶格常數(shù)和能隙的關(guān)系的曲線圖?？v軸表示晶格常數(shù)，橫軸表示能隙Eg。圖中，斜線部分104是能取得AlxGayIn1-x-yP的成分范圍，但其中與GaAs晶格一致的是用實線表示的成分。在該成分中，由于能隙相對于780nm的波長是足夠大的值，所以能推斷吸收系數(shù)比GaAs小很多。
(第六實施例)說明解決了用圖4說明的現(xiàn)有的發(fā)光閘流晶體管的問題的本發(fā)明的發(fā)光閘流晶體管的實施例。
在圖4所示的發(fā)光閘流晶體管的結(jié)構(gòu)中，制作了只使p型GaAs層12、p型AlGaAs層14的濃度變化的發(fā)光閘流晶體管。表1中示出了襯底及各層的化合物、膜厚、雜質(zhì)、雜質(zhì)濃度。
表1

襯底10由GaAs構(gòu)成，雜質(zhì)是Zn。緩沖層12由厚度為500nm的GaAs構(gòu)成，雜質(zhì)是Zn。陽極層14由厚度為500nm的Al0.3Ga0.7As構(gòu)成，雜質(zhì)是Zn。n型柵極層16由厚度為200nm的Al0.13Ga0.87As構(gòu)成，雜質(zhì)是Si。p型柵極層18由厚度為800nm的Al0.13Ga0.87As構(gòu)成，雜質(zhì)是Zn。陰極層20由厚度為500nm的Al0.3Ga0.7As構(gòu)成，雜質(zhì)是Si。歐姆接觸層28由厚度為30nm的GaAs構(gòu)成，雜質(zhì)是Si。
雜質(zhì)濃度如表1所示，制作了No.1、No.2、No.3、No.4共4種。在表1所示的No.1、No.2、No.3、No.4中，4個層16、18、20、28的雜質(zhì)濃度相同。即，層16的Si雜質(zhì)濃度為1×1018/cm3、層18的Zn雜質(zhì)濃度為1×1017/cm3、層20的Si雜質(zhì)濃度為3×1018/cm3、層28的Si雜質(zhì)濃度為3×1018/cm3。
另一方面，在No.1中，使層12、14中的Zn雜質(zhì)濃度為2×1017/cm3。在No.2中，使層12、14中的Zn雜質(zhì)濃度為2×1018/cm3。在No.3中，使層12、14中的Zn雜質(zhì)濃度為5×1017/cm3。在No.4中，使層12、14中的Zn雜質(zhì)濃度為1×1018/cm3。
可知，在No.2、No.4的情況下，層12、14中的雜質(zhì)濃度不會在層16的Si雜質(zhì)濃度以下。
對于具有以上的No.1～No.4的雜質(zhì)濃度的發(fā)光閘流晶體管，研究了它的電流-光輸出功率特性。圖20中示出了所獲得的電流-光輸出功率特性。在層12、14中的Zn濃度比層16的Si濃度低很多的No.1的發(fā)光閘流晶體管中，發(fā)光量為最高。另外，在No.3的發(fā)光閘流晶體管中，發(fā)光量為次高。可是，在層12、14中的Zn濃度與層16的Si濃度相同、或比層16的Si濃度低的No.4、No.2的發(fā)光閘流晶體管中，發(fā)光量依次變低。由此可知，如果將層12、14中的Zn濃度設(shè)定得比層16的Si濃度低，則雜質(zhì)從層12、14向?qū)?6的擴散受到了限制，結(jié)果發(fā)光效率不會下降。
(第七實施例)在第六實施例中，如果使層12、14中的雜質(zhì)濃度比層16的雜質(zhì)濃度低，則表現(xiàn)出有效，但如果使層12、14中的雜質(zhì)濃度低，則這些層的電阻增大，對閘流晶體管的性能有影響。為了避免這一點，如圖21所示，在第七實施例中制作了將層14分割成兩個層14-1、14-2的發(fā)光閘流晶體管。設(shè)定各層的雜質(zhì)濃度(設(shè)定濃度)如表2所示。在分割的第二層中，只是上層14-2的雜質(zhì)濃度低，為2×1016/cm3，下層14-1為2×1018/cm3。其他層的濃度與第六實施例相同。
利用二次離子質(zhì)量分析法評價了生長后的各層的雜質(zhì)濃度，將其結(jié)果(實際測量濃度)示于表2中。根據(jù)評價結(jié)果可知，上層14-2的雜質(zhì)濃度比設(shè)定濃度(2×1016/cm3)高，變?yōu)?×1017/cm3。這是因為在上層14-2的生長中Zn從下層14-1擴散的緣故。
這樣構(gòu)成的發(fā)光閘流晶體管的電流-光輸出功率特性與第六實施例的No.1大致相同。因此表現(xiàn)出如果層14中在層16附近的部分中的雜質(zhì)濃度低則有效。
表2

在以上的兩個實施例中，雖然給出了使用p型襯底的情況，但在n型襯底的情況，只要使陽極層的雜質(zhì)濃度比n型柵極層的雜質(zhì)濃度低即可。另外，這里雖然說明了容易引起擴散的雜質(zhì)Zn，但本發(fā)明即使對于其他種類的雜質(zhì)同樣有效。即，也能適用于第五、六層的n型雜質(zhì)濃度。
(第八實施例)說明能使用以上的發(fā)光閘流晶體管的自掃描型發(fā)光裝置的3種基本結(jié)構(gòu)。
圖22是自掃描型發(fā)光裝置的第一種基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。作為發(fā)光元件使用端面發(fā)光閘流晶體管…T-2、T-1、T0、T+1、T+2、…，在這些發(fā)光閘流晶體管中，設(shè)有各個柵極…G-2、G-1、G0、G+1、G+2、…。電源電壓VGK通過負載電阻RL加在各個柵極上。另外，相鄰的柵極為了進行相互作用，通過電阻R1導(dǎo)電性地連接。另外，3條傳輸時鐘(Φ1、Φ2、Φ3)線路分別每隔3個元件(重復(fù)地)連接在發(fā)光元件的陽極上。
說明該自掃描型發(fā)光元件陣列的工作情況，首先傳輸時鐘Φ3呈高電平，發(fā)光閘流晶體管T0導(dǎo)通。這時根據(jù)發(fā)光閘流晶體管的特性，柵極G0下降到零伏附近。假設(shè)電源電壓VGK為5伏，由負載電阻RL、相互作用電阻R1構(gòu)成的電路決定發(fā)光閘流晶體管的柵壓。而且，靠近發(fā)光閘流晶體管T0的閘流晶體管的柵壓最低，以下隨著遠離閘流晶體管T0的柵壓V(G)依次上升。將它如下表示。
V(G0)＜V(G+1)=V(G-1)＜V(G+2)=V(G-2)………(1)通過適當(dāng)?shù)剡x擇負載電阻RL、相互作用電阻R1的值，能設(shè)定這些柵壓的差。
如下式所示，可知發(fā)光閘流晶體管的導(dǎo)通電壓VON只比柵壓V(G)高出pn結(jié)的擴散電壓Vdif的大小。
VONV(G)+Vdif………(2)因此，如果將加在陽極上的電壓設(shè)定得比該導(dǎo)通電壓VON高，則該發(fā)光閘流晶體管導(dǎo)通。
于是該發(fā)光閘流晶體管呈導(dǎo)通狀態(tài)，使下一個傳輸時鐘Φ1呈高電平。該傳輸時鐘Φ1雖然同時加在發(fā)光閘流晶體管T+1和T-2上，但如果將傳輸時鐘Φ1的高電平的電壓值VH設(shè)定在以下范圍內(nèi)，則能只使發(fā)光閘流晶體管T+1導(dǎo)通。
V(G-2)+Vdif＞VH＞V(G+1)+Vdif………(3)這時發(fā)光閘流晶體管T0、T+1同時導(dǎo)通。然后如果使時鐘Φ3呈低電平，則發(fā)光閘流晶體管T0截止，能進行導(dǎo)通狀態(tài)的傳輸。
根據(jù)上述的原理，如果將傳輸時鐘Φ1、Φ2、Φ3的高電平電壓設(shè)定得重復(fù)地按順序互相一個個地減小，則發(fā)光閘流晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)能依次傳遞。這樣處理，能實現(xiàn)本發(fā)明的自掃描型發(fā)光裝置。
圖23是自掃描型發(fā)光裝置的第二種基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。該自掃描型發(fā)光裝置使用二極管作為發(fā)光閘流晶體管的柵極之間的導(dǎo)電性連接方法。即，用二極管…D-2、D-1、D0、D+1、…代替圖22所示電路中的相互作用電阻R1。由于二極管具有單向?qū)щ娦?，所以傳輸時鐘線路有兩條即可，兩條傳輸時鐘(Φ1、Φ2)線路分別每隔一個元件連接在發(fā)光元件的陽極上。
說明該自掃描型發(fā)光裝置的工作情況，首先傳輸時鐘Φ2呈高電平，發(fā)光閘流晶體管T0導(dǎo)通。這時根據(jù)發(fā)光閘流晶體管的特性，柵極G0下降到零伏附近。假設(shè)電源電壓VGK為5伏，根據(jù)負載電阻RL、二極管D的電路，決定各發(fā)光閘流晶體管的柵壓。而且，靠近發(fā)光閘流晶體管T0的閘流晶體管的柵壓最低，以下隨著遠離發(fā)光閘流晶體管T0的柵壓依次上升。
由于二極管特性的單向性、非對稱性，所以使電壓下降的效果只朝向發(fā)光閘流晶體管T0的右方起作用。即設(shè)定柵極G+1相對于G0沿二極管的正向電壓升高Vdif，再設(shè)定柵極G+2相對于G+1沿二極管的正向電壓升高Vdif。另一方面，由于二極管D-1呈反偏壓，所以電流不流過二極管D-1，因此發(fā)光閘流晶體管T0左側(cè)的發(fā)光閘流晶體管T-1的柵極G-1與電源電壓VGK等電位。
下一個傳輸時鐘Φ1被加在最接近的發(fā)光閘流晶體管T+1、T-1、然后發(fā)光閘流晶體管T+3及T-3等上，其中導(dǎo)通電壓最低的閘流晶體管是T+1，閘流晶體管T+1的導(dǎo)通電壓約為(G+1的柵壓+Vdif)，但它約為Vdif的2倍。其次導(dǎo)通電壓低的閘流晶體管是T+3，約為Vdif的4倍。發(fā)光閘流晶體管T-1和T-3的導(dǎo)通電壓約為(VGK+Vdif)。
由上所述，如果將傳輸時鐘Φ1的高電平電壓設(shè)定在Vdif的2倍至Vdif的4倍之間，則能只將發(fā)光閘流晶體管T+1導(dǎo)通，能進行傳輸動作。
圖24是自掃描型發(fā)光裝置的第三種基本結(jié)構(gòu)的等效電路圖。該自掃描型發(fā)光裝置是使傳輸部40和發(fā)光部42分離的結(jié)構(gòu)。傳輸部40的電路結(jié)構(gòu)與圖23所示的電路結(jié)構(gòu)相同，傳輸部40的發(fā)光閘流晶體管…T-1、T0、T+1、T+2、…在該實施例中作為傳輸元件用。
發(fā)光部42由寫入用發(fā)光元件…L-1、L0、L+1、L+2、…構(gòu)成，這些發(fā)光元件的柵極連接在傳輸元件…T-1、T0、T+1、T+2、…的柵極…G-1、G0、G+1…上。寫入信號Sin加在寫入用發(fā)光元件的陽極上。
以下，說明該自掃描型發(fā)光裝置的工作情況?，F(xiàn)在，假設(shè)傳輸元件T0呈導(dǎo)通狀態(tài)，柵極G0的電壓比電源電壓VGK低，幾乎為零伏。因此，如果寫入信號Sin的電壓在pn結(jié)的擴散電位Vdif(約1伏)以上，則能使發(fā)光元件L0呈發(fā)光狀態(tài)。
與此不同，柵極G-1約5伏，柵極G+1約1伏。因此，發(fā)光元件L-1的寫入電壓約6伏，發(fā)光元件L+1的寫入信號的電壓約2伏。因此，只有寫入發(fā)光元件L0中的寫入信號Sin的電壓在約1～2伏的范圍內(nèi)。如果發(fā)光元件L0導(dǎo)通，即呈發(fā)光狀態(tài)，則寫入信號Sin的電壓被固定在約1伏，所以能防止選擇另一發(fā)光元件的錯誤。
發(fā)光強度由寫入信號Sin中流的電流量決定，用任意的強度都能寫入圖像。另外，為了將發(fā)光狀態(tài)傳送給下一個元件，需要使寫入信號Sin的電壓暫時為零伏，使發(fā)光的元件暫時截止。
工業(yè)上利用的可能性如果采用本發(fā)明，則能提供改善了發(fā)光效率的發(fā)光閘流晶體管。另外，如果采用本發(fā)明，則由于通過發(fā)光元件陣列化而增加自掃描功能，可提供提高了外部發(fā)光效率的自掃描型發(fā)光裝置。
權(quán)利要求
1．一種發(fā)光閘流晶體管，其特征在于備有GaAs襯底；設(shè)置在上述GaAs襯底上的GaAs緩沖層；以及設(shè)置在上述GaAs緩沖層上、第一導(dǎo)電型及第二導(dǎo)電型的AlGaAs層交互層疊的4個層，上述GaAs緩沖層上面的AlGaAs層由多個AlGaAs層構(gòu)成，這些多個AlGaAs層中的Al成分向上以臺階狀增加的方式變化。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)被插入上述多個AlGaAs層的最上層內(nèi)。
3．一種發(fā)光閘流晶體管，其特征在于備有GaAs襯底；設(shè)置在上述GaAs襯底上的GaAs緩沖層；以及設(shè)置在上述GaAs緩沖層上、第一導(dǎo)電型及第二導(dǎo)電型的AlGaAs層交互層疊的4個層，上述GaAs緩沖層上面的AlGaAs層中的Al成分向上以連續(xù)增加的方式變化。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)被插入上述GaAs緩沖層上面的AlGaAs層內(nèi)。
5．一種發(fā)光閘流晶體管，其特征在于備有GaAs襯底；設(shè)置在上述GaAs襯底上的GaAs緩沖層；以及設(shè)置在上述GaAs緩沖層上、第一導(dǎo)電型及第二導(dǎo)電型的AlGaAs層交互層疊的4個層，量子阱層或翹曲超晶格結(jié)構(gòu)被插入上述GaAs層和上面的AlGaAs層之間、或上述上面的AlGaAs層內(nèi)。
6．一種發(fā)光閘流晶體管，其特征在于備有襯底；設(shè)置在上述襯底上、第一導(dǎo)電型及第二導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層交互層疊的4個層，上述4個層中射出光的最上層由從InGaP、InGaAsP、以及AlGaInP構(gòu)成的群中選擇的材料構(gòu)成。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于上述選出的材料的成分，選擇為使晶格與上述發(fā)光閘流晶體管的襯底的材料晶格一致。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于上述襯底的材料是GaAs。
9．一種發(fā)光閘流晶體管，其特征在于備有p型的陽極層；與上述p型的陽極層相接形成的n型的柵極層；與上述n型的柵極層相接形成的p型的柵極層；以及與上述p型的柵極層相接形成的n型的陰極層，至少使n柵極層附近的陽極層的局部的雜質(zhì)濃度比n柵極層的雜質(zhì)濃度低。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于上述陽極層的雜質(zhì)是Zn。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光閘流晶體管，其特征在于上述陽極層的雜質(zhì)是Zn，上述n型的柵極層的雜質(zhì)是Si。
12．一種自掃描型發(fā)光裝置，它是這樣構(gòu)成的排列多個有用于發(fā)光動作的閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件，通過相互作用電阻，將各發(fā)光元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個發(fā)光元件的控制電極上，將施加電壓或電流的多條布線連接在控制各發(fā)光元件的發(fā)光的電極上，該自掃描型發(fā)光裝置的特征在于上述發(fā)光元件是權(quán)利要求1至11中的任意一項所述的發(fā)光閘流晶體管。
13．一種自掃描型發(fā)光裝置，它是這樣構(gòu)成的排列多個有用于發(fā)光動作用的閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件，通過具有單向?qū)щ娦缘碾姎庠?，將各發(fā)光元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個發(fā)光元件的控制電極上，將施加電壓或電流的多條布線連接在控制各發(fā)光元件的發(fā)光的電極上，該自掃描型發(fā)光裝置的特征在于上述發(fā)光元件是權(quán)利要求1至11中的任意一項所述的發(fā)光閘流晶體管。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的自掃描型發(fā)光裝置，其特征在于上述具有單向性的電氣元件是二極管。
15．一種自掃描型發(fā)光裝置，它由自掃描傳輸元件陣列和發(fā)光元件陣列構(gòu)成，上述自掃描傳輸元件陣列是這樣形成的，即，排列多個有用于傳輸動作用的閾值電壓或閾值電流的控制電極的傳輸元件，通過相互作用電阻，將各傳輸元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個傳輸元件的控制電極上，同時用電氣裝置將電源線路連接在各傳輸元件上，而且將時鐘線路連接在各傳輸元件上，上述發(fā)光元件陣列由排列了多個具有閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件構(gòu)成，用電氣裝置將上述發(fā)光元件陣列的各控制電極與上述傳輸元件的控制電極連接起來，設(shè)置了將發(fā)光用的電流加在各發(fā)光元件上的線路，該自掃描型發(fā)光裝置的特征在于上述發(fā)光元件是權(quán)利要求1至11中的任意一項所述的發(fā)光閘流晶體管。
16．一種自掃描型發(fā)光裝置，它由自掃描傳輸元件陣列和發(fā)光元件陣列構(gòu)成，上述自掃描傳輸元件陣列是這樣形成的，即，排列多個有用于傳輸動作的閾值電壓或閾值電流的控制電極的傳輸元件，通過具有單向?qū)щ娦缘碾姎庠?，將各傳輸元件的上述控制電極連接在位于其附近的至少一個傳輸元件的控制電極上，同時用電氣裝置將電源線路連接在各傳輸元件上，而且將時鐘線路連接在各傳輸元件上，上述發(fā)光元件陣列由排列了多個具有閾值電壓或閾值電流的控制電極的發(fā)光元件構(gòu)成，用電氣裝置將上述發(fā)光元件陣列的各控制電極與上述傳輸元件的控制電極連接起來，設(shè)置了將發(fā)光用的電流加在各發(fā)光元件上的線路，該自掃描型發(fā)光裝置的特征在于上述發(fā)光元件是權(quán)利要求1至11中的任意一項所述的端面發(fā)光閘流晶體管。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的自掃描型發(fā)光裝置，其特征在于上述具有單向性的電氣元件是二極管。
全文摘要
提供一種發(fā)光效率好的發(fā)光閘流晶體管。根據(jù)本發(fā)明,在p型及n型的AlGaAs層交互層疊在GaAs襯底上的GaAs緩沖層上的pnpn結(jié)構(gòu)發(fā)光閘流晶體管中,特征在于GaAs緩沖層上面的AlGaAs層中的Al的成分呈臺階狀增加的變化,或者Al的成分呈連續(xù)增加的變化。
文檔編號H01L33/00GK1320279SQ00801728
公開日2001年10月31日 申請日期2000年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月23日
發(fā)明者駒場信幸, 大野誠治 申請人:日本板硝子株式會社