JP2000101199A - 量子井戸構造及び半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 量子井戸構造における、井戸間のキャリア分
布を均一にする。 【解決手段】 井戸層１４ａと障壁層１４ｂの価電子帯
エネルギーの差を１０ｍｅＶ〜５０ｍｅＶにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、量子井戸構造及び
半導体素子に関し、より具体的には、半導体レーザ、光
増幅器、光スイッチ及び光変調器等の半導体光素子を含
む半導体素子の特性を改善できる量子井戸構造及びこれ
を備える半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信に用いられる半導体レーザでは、
変調帯域幅が大きいことが重要な性能の一つである。近
年では、これらの要求性能に応えるために、活性層に量
子井戸構造が導入された半導体レーザが用いられてい
る。多重量子井戸構造では、活性層を構成する量子井戸
層の層数を多くすると、発振しきい値における各量子井
戸層のキャリア密度が小さくなり、微分利得が向上して
変調帯域幅が大きくなること、及び等価的に障壁層のエ
ネルギー障壁が大きくなって温度特性が向上することな
どが理論的に指摘されている。

【０００３】しかし、多重量子井戸構造では、量子井戸
層の層数を増やしていくと、注入されたキャリァが多重
量子井戸層に均一に分布しなくなり、これがかえって変
調帯域幅を小さくしたり、温度特性を悪化させる現象を
生じさせることが知られている。このような現象は、一
般的に、有効質量の大きな正孔は障壁を乗り越えて隣の
井戸に移動する速度が遅いことに起因しており、特に、
井戸数が１０個程度以上の多重量子井戸構造で顕著にな
る。これは、通常の量子井戸構造では井戸層と障壁層の
価電子帯エネルギー差が室温の熱エネルギー（２５ｍｅ
Ｖ）よりかなり大きく、正孔が障壁を容易には越えられ
ないためである。従って、従来、多重量子構造で井戸数
を増やすことには限界があった。

【０００４】例えば、通常の量子井戸レーザにおける井
戸層と障壁層の価電子帯エネルギー差は、１．３ミクロ
ン帯及び１．５ミクロン帯のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系
では、９０ｍｅＶ、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰ系では５
５ｍｅＶ、０．７８〜０．６８ミクロン帯ＧａＡｓ／Ａ
ｌＧｓＡｓ系では１５０ｍｅＶである。

【０００５】これに対し、特開平９−２７０５６７号公
報に記載されるように、障壁層と井戸層の価電子帯のエ
ネルギー差を非常に小さくするという提案がある。上記
公報に記載の技術は、障壁層と井戸層の価電子帯エネル
ギーが相互にほぼ等しくなるように多重量子井戸を構成
するものである、その結果、多層の量子井戸構造であっ
ても、注入されたキャリアが各量子井戸層に均一に分布
する。また、正孔のエネルギー準位が量子化されなくな
るので、正孔に対するエネルギーバンド構造はバルク構
造と同様となる。その結果、バンド間遷移による光学利
得もバルク構造と同様に偏波依存性を有しない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載の技術では、障壁層と井戸層の価電子帯エネルギーが
相互にほぼ等しくなるように多重量子井戸を構成するの
で、正孔が井戸層だけでなく障壁層にも分布する。障壁
層に存在する正孔は光学利得に寄与しないので、このよ
うにした量子井戸構造の光学利得は、価電子帯エネルギ
ー差が大きい従来の量子井戸構造の光学利得より小さく
なってします。

【０００７】図９は、通常の量子井戸構造のバンド構造
を示し、図１０は、上記公報に記載の技術によるバンド
構造を示す。図１１は、図９及び図１０に示すバンド構
造で、同一条件の下で電圧を印加し、左側から正孔を、
右側から電子をそれぞれ注入したときの正孔分布を示
す。図１１で縦軸は正孔濃度を示し、横軸は量子移動構
造の厚み方向の距離を示す。図１１で、Ａは通常の量子
井戸構造における正孔分布を示し、Ｂは、上記公報に記
載の技術による量子井戸構造における正孔分布を示す。

【０００８】電子の有効質量は正孔に比べて小さいの
で、伝導帯にポテンシャル障壁があっても各井戸にほぼ
均一に分布する。従って、正孔分布は実質的に光学利得
分布と同じになると考えられる。上記公報に記載の量子
井戸構造では、正孔を井戸内へ閉じ込めるためのポテン
シャルがほとんど無いにもかかわらず、障壁層より井戸
内の正孔分布が高くなっている。これは、伝導帯のポテ
ンシャルで井戸内に閉じ込められている電子のクーロン
力によって正孔が閉じ込められているからである。然し
ながら、クーロン力による閉じ込めは十分でなく、障壁
層にかなりの正孔が分布する。これが光学利得を小さく
する一因となる。その結果、この量子井戸構造を半導体
レーザに応用した場合、しきい値が増大する。

【０００９】本発明は、このような問題点を解決する量
子井戸構造及び半導体素子を提示することを目的とす
る。

【００１０】本発明はまた、井戸の層数が大きい場合に
も、ほぼ均一なキャリア分布が容易に得られ、更に光学
利得が大きい量子井戸構造及びこれを備える半導光素子
を提示することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、多重量子井
戸構造の井戸層と障壁層の価電子帯エネルギーの差を、
ゼロでない所定範囲内、具体的には、１０ｍｅＶ〜５０
ｍｅＶとした。

【００１２】注入したキャリアを各井戸層に均一に分布
させるためには、障壁（価電子帯のエネルギー差）は小
さい方がよい。障壁が５０ｍｅＶ以上であると、有効質
量の大きな正孔は容易には移動できず、正孔分布が井戸
間で不均一となる。他方、障壁がゼロに近いと、正孔の
井戸内への閉じ込めが不十分となり、光学利得が低下す
る。障壁をこれらの間の１０ｍｅＶ〜５０ｍｅＶとする
ことにより、正孔の移動が容易で、かつ井戸内への正孔
の閉じ込めも必要な程度に行われる。

【００１３】価電子帯のエネルギー差を１０〜５０ｍｅ
ＶｍｅＶにすることは、最近の結晶成長技術により十分
に実現可能である。一般的な格子整合系の材料の範囲で
は、動作波長に対応した量子井戸構造の井戸層及び障壁
層の組み合わせ、即ち価電子帯のエネルギー差は、ある
程度、限定される。しかし、井戸層及び障壁層が互いに
異なる格子定数を持つ歪量子井戸構造を用いることによ
り、所望の動作波長に対応し、かつ、価電子帯のエネル
ギー差を１０〜５０ｍｅＶに制御することは可能であ
る。また、１μｍ帯の材料系では、ＩｎＧａＡｓＰ井戸
層とＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層の組み合わせを用いること
で、ほぼ無歪みで所望の動作波長に対応し、かつ、価電
子帯のエネルギー差を１０〜５０ｍｅＶに制御できる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１５】図１は、半導体レーザに本発明を適用した
一実施例の斜視図を示す。素子長は３００μｍで、発振
波長は１．５５μｍである。ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、
ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層１２、量子井戸構造の活
性層１４、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１６、及び電
極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ層１８
が積層され、電流注入のための電極２０，２２がそれぞ
れ基板１０の下面及びキャップ層１８の上面に蒸着され
る。クラッド層１２、活性層１４、クラッド層１６及び
キャップ層１８の両側には、これらの層を挟み込むよう
にＩｎＰ半絶縁層２４，２４が配置されている。この埋
め込みストライプ構造により、横モードを制御でき、注
入電流を効率良く活性層１４に供給できる。

【００１６】活性層１４は、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層とＩ
ｎＧａＡｌＡｓ障壁層を交互に積層した多重量子井戸構
造になっている。層数は１０層である。図２は、活性層
１４のバンド構造を示す。横方向は、多重量子井戸層の
層方向である。１４ａがＩｎＧａＡｓＰからなる井戸
層、１４ｂがＩｎＧａＡｌＡｓからなる障壁層であり、
これらが交互に多数、積層されている。図２から分かる
ように、本実施例では、井戸層と障壁層の価電子帯エネ
ルギーを完全には一致させずに、３０ｍｅＶ程度に僅か
に差を設けている。

【００１７】図３は、本実施例の層方向での正孔分布で
あり、図１１に示す分布を測定したのと同じ条件で、左
側から正孔を、右側から電子を注入したとして計算し
た。層数は１０とした。横軸は多重量子井戸の層方向の
距離を示し、縦軸は、正孔濃度を示す。正孔分布は、図
１１の場合と同様に、光学利得分布を示すものと見做す
ことができる。

【００１８】図３と図１０を比較することにより、本実
施例では、正孔分布が従来の量子井戸構造（図９）の特
性（図１１のＡ）と比較して、ほぼ均一に分布している
ことが分かる。同時に、井戸層１４ａへの閉じ込めは、
特開平９−２７０５６７号公報に記載の量子井戸構造
（図９）の特性（図１１のＢ）と比較して十分大きいこ
とがわかる。以上より、価電子帯の障壁を３０ｍｅＶと
することにより、井戸の層数が多い場合にも、ほぼ均一
なキャリア分布が容易に得られ、さらに光学利得も低下
しない多重量子井戸構造を実現できる。

【００１９】図２及び図３では、障壁層と井戸層の価電
子帯のエネルギー差を約３０ｍｅＶとしたが、より一般
的には、１０ｍｅＶ〜５０ｍｅＶであれば、上述の作用
効果を享受できる。その理由は以下の通りである。注入
したキャリアを各井戸に均一に分布させるためには、障
壁（価電子帯のエネルギー差）は小さい方がよい。一般
の量子井戸構造は、上述したようにその障壁が５０ｍｅ
Ｖ以上であり、有効質量の大きな正孔にとって容易には
移動できないので、結果として、正孔分布は不均一にな
る。他方、特開平９−２７０５６７号公報に記載の多重
量子井戸構造のように、障壁がゼロに近いと、正孔の井
戸内への閉じ込めが不十分となるので、光学利得が低下
する。従って、これらの中間的な値である１０ｍｅＶ〜
５０ｍｅＶは、障壁の高さとして適当であり、正孔の移
動が容易であると共に、正孔を井戸内に適当な程度に閉
じ込めることができる。

【００２０】比較のために、活性層だけが従来の量子井
戸構造（図９）、特開平９−２７０５６７号公報に記載
の量子井戸構造（図１０）、及び本実施例の量子井戸構
造（図２）というように異なる半導体レーザを作製し、
それぞれについて、しきい値電流と、変調度が３ｄＢ低
下する変調帯域幅とを比較した。その比較結果を図１２
に示す。横軸は価電子帯エネルギー差、左縦軸はしきい
値電流、右縦軸は変調帯域幅をそれぞれ示す。従来の量
子井戸構造（図９）の半導体レーザは、価電子帯エネル
ギーさが６０ｍｅＶであり、しきい値電流が１８ｍＡ、
変調度が３ｄＢ低下する変調帯域幅が１０ＧＨｚであ
る。特開平９−２７０５６７号公報に記載の量子井戸構
造（図１０）の半導体レーザは、価電子帯エネルギー差
が０ｍｅＶであり、しきい値電流が２５ｍＡ、変調帯域
幅が１５ＧＨｚであった。これらに対し、本実施例の量
子井戸（図１０）の半導体レーザは、価電子帯エネルギ
ー差が３０ｍｅＶであり、しきい値電流が１９ｍＡと、
従来の量子井戸構造と同程度に低く、変調帯域幅は１４
ＧＨｚと高かった。

【００２１】半導体レーザの端面にＡＲコーティングを
施して端面反射率を低減することにより、半導体光増幅
器とすることができる。図４は、図１に示す半導体レー
ザの両端面にそれぞれＡＲコーティング２６，２８を接
着した半導体増幅器の斜視図を示す。図１と同じ構成要
素には同じ符号を付してある。即ち、両端面にそれぞれ
ＡＲコーティング２６，２８をコーティングすることに
より、反射率を低減し、レーザ発振を抑制して、光増幅
器として機能させてている。ＡＲコーティング２６，２
８以外の構造は、図１に示す多重量子井戸半導体レーザ
と全く同じである。

【００２２】図４に示す半導体光増幅器の利得は、従来
の量子井戸構造（図９）の半導体光増幅器と同程度に高
く、変調帯域は１５ＧＨｚと高い。価電子帯障壁が３０
ｍｅＶと比較的小さいので、正孔の量子化が弱まり、バ
ンド構造がバルクに近くなる。その結果、従来の量子井
戸半導体光増幅器と比較して、利得の偏波依存性が小さ
くなる。

【００２３】本発明は、光スイッチにも適用できる。図
５は、本発明を適用したＸ光スイッチの実施例の斜視図
を示す。導波路層を本発明による多重量子井戸構造とす
ることを除いては、一般のＸ導波型光スイッチと同じ構
造になっている。即ち、ｎ型ＩｎＰ基板３０上の全面に
ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３２及び図１に示す実施
例と同様の多重量子井戸構造からなる導波路層３４を積
層する。そして、導波路層３４の上面に、ｐ型ＩｎＰか
らなるクラッド層３６及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる
電極接触層３８を積層しこれらをＸ字状にエッチングし
て、リッジ導波構造とする。更に、基板３０の底面に電
極４０を蒸着し、Ｘ字状リッジの交差点の片側領域に電
極４２を形成する。

【００２４】導波路層３４のバンド構造を図６に示す。
導波路層３４は、ＩｎＧａＡｓＰからなる５０層の量子
井戸層３４ａと、ＩｎＧａＡ１Ａｓからなる４９層の障
壁層３４ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造からな
る。井戸層３４ａと障壁層３４ｂの価電子帯のエネルギ
ー差は１０ｍｅＶ程度である。

【００２５】このような構造で、Ｘの一端面の導波路層
３４に図５に符号４４で示すように光を入力する場合を
想定する。例えば、電極４２にキャリアを注入していな
いときには、その入力光は導波路層をリッジ導波構造に
案内されて直進し、符号４６に示すように出力する。電
極４２にキャリアを注入すると、電極４２の下部の導波
路層３４の屈折率がプラズマ効果により減少し、伝搬し
てきた光がここで反射されて、符号４８に示すように、
別の端面から出力される。即ち、電極４２へのキャリア
の注入の有無により入力光４４の出射口を切り換えるこ
とができる。

【００２６】この種の光スイッチにとって、電流注入に
よって導波路層３４の屈折率が大きく変化することが重
要であり、そのためには量子井戸層数を多くする必要が
ある。先に説明した実施例と同様の理由により、導波路
層３４では、量子井戸層３４ａの層数を多くしても、注
入キャリア（電子および正孔）が各井戸層３４ａにほぼ
均一に注入され、同時に、井戸へのキャリアの閉じ込め
も十分大きくなる。即ち、上述のように層数の多い多重
量子井戸構造を導波路層３４に用いることができ、その
効果、導波路層３４全体の屈折率変化が大きくなり、動
作電流を低減でき、交差角を大きくとれる。

【００２７】図７は、本発明の多重量子移動構造を適用
した電気吸収型光変調器の実施例の斜視図を示す。基本
的な構造は、図４に示す実施例と基本的に同じあるが、
活性層１４の代わりに、吸収層５０が設けられる。図４
と同じ構成要素には同じ符号を付してある。逆バイアス
状態の吸収層５０のバンド構造を図８に示す。吸収層５
０は、ＩｎＧａＡｓＰからなる１０層の井戸層５０ａ
と、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる９層の障壁層５０ｂとを
交互に積層した多重量子井戸構造からなる。井戸層５０
ａと障壁層５０ｂの価電子帯エネルギーの差は２０ｍｅ
Ｖであり、素子長は１００μｍ、吸収層５０のＰＬ波長
は１．４８μｍである。

【００２８】この実施例では、井戸層５０ａと障壁層５
０ｂの間の正孔に対する障壁が小さいので、正孔の移動
速度が大きくなり、また量子井戸界面での正孔の蓄積効
果が小さい。その結果、変調帯域が高くなり、また動作
電圧を低減できる。

【００２９】以上の説明では、ＩｎＰ及びＧａＡｓなど
の半導体基板を用いた例を説明したが、本発明の量子井
戸構造及び半導体光素子は、上記実施例の構成にのみ限
定されるものではなく、他の素子にも容易に適用でき
る。実施例として埋込み構造型の半導体光素子を、例を
挙げて説明したが、本発明は、かかる素子構造に限ら
ず、リッジ構造など他の素子構造を有する半導体光素子
にも適用できる。

【００３０】また、半導体レーザ、光スイッチ及び変調
器の実施例を説明したが、本発明は、発光ダイオード及
び受光素子、更には高速トランジスタ等の電子デバイス
にも容易に応用でき、上記実施例の構成から種々の修正
及び変更を施した量子井戸構造及び半導体光素子も、特
許請求の範囲に規定される範囲に含まれる限り、本発明
の技術的範囲に含まれる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、光学利得を低下させるこなく、正
孔の注入効率低下に起因するキャリアの不均一分布を改
善できる。これにより、多重量子井戸構造の井戸数を増
加させることができる。例えば、半導体レーザでは変調
帯域幅の増大と温度特性の向上が可能になる。光増幅器
では、利得の偏波依存性が小さくなる。光変調器では、
変調帯域を高くでき、動作電圧を低減できる。

【００３２】更には、正孔のエネルギー準位の量子化が
弱いので、偏波依存性の低い半導体光素子を容易に実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した半導体レーザの一実施例の
斜視図である。

【図２】 活性層１４のバンド構造である。

【図３】 図１に示す実施例の層方向での正孔分布であ
る。

【図４】 半導体増幅器の実施例の斜視図である。

【図５】 本発明を適用したＸ光スイッチの実施例の斜
視図である。

【図６】 導波路層３４のバンド構造である。

【図７】 本発明を適用した電気吸収型光変調器の実施
例の斜視図である。

【図８】 逆バイアス状態の吸収層５０のバンド構造で
ある。

【図９】 通常の量子井戸構造のバンド構造である。

【図１０】 特開平９−２７０５６７号公報に記載の発
明によるバンド構造である。

【図１１】 図９及び図１０に示すバンド構造で、同一
条件の下で、左側から正孔を、右側から電子をそれぞれ
注入したときの正孔分布である。

【図１２】 本実施例と従来例の比較結果を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０：ｎ型ＩｎＰ基板 １２：クラッド層 １４：活性層 １４ａ：井戸層 １４ｂ：障壁層 １６：クラッド層 １８：キャップ層 ２０，２２：電極 ２４：ＩｎＰ半絶縁層 ２６，２８：ＡＲコーティング ３０：ｎ型ＩｎＰ基板 ３２：クラッド層 ３４：導波路層 ３４ａ：量子井戸層 ３４ｂ：障壁層 ３６：クラッド層 ３８：電極接触層 ４０：電極 ４２：電極 ４４：入力光 ４６，４８：出力光 ５０：吸収層 ５０ａ：井戸層 ５０ｂ：障壁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 AA13 BA01 CA05 DA16 DA22 EA07 HA14 HA15 2K002 AA02 AB09 BA06 BA08 CA13 CA22 GA10 HA17 HA26 5F073 AA74 CA12 CA15 EA14 EA29

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の井戸層及び障壁層を備える量子井
   戸構造であって、当該井戸層と当該障壁層の価電子帯エ
   ネルギーの差がゼロでない所定範囲内の値をとることを
   特徴とする量子井戸構造。
2. 【請求項２】 当該井戸層と当該障壁層の価電子帯エネ
   ルギーの差が１０ｍｅＶ乃至５０ｍｅＶである請求項１
   に記載の量子井戸構造。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の量子井戸構造を
   有する半導体素子。