JP2000221553A - 非線形光デバイス - Google Patents
非線形光デバイスInfo
- Publication number
- JP2000221553A JP2000221553A JP2720399A JP2720399A JP2000221553A JP 2000221553 A JP2000221553 A JP 2000221553A JP 2720399 A JP2720399 A JP 2720399A JP 2720399 A JP2720399 A JP 2720399A JP 2000221553 A JP2000221553 A JP 2000221553A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- quantum well
- layer
- multiple quantum
- barrier layer
- composition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
(57)【要約】
【課題】波長１．５５μｍのサブバンド間遷移を実現す
ることができ、かつ量子井戸構造における結晶性の劣化
を抑制することができ、電子の閉じ込め係数が高く十分
な強度のサブバンド間吸収を発現する。 【解決手段】 サファイア基板１１上にＧａＮバッファ
層１２を介してＧａＮ／Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ多重量子井戸
層１３を形成し、この多重量子井戸層１３でサブバンド
間遷移による光吸収層を構成した非線形光デバイスにお
いて、多重量子井戸層１３のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ障壁層の
Ａｌ組成ｘを基板側から表面側に向けて減少させてい
る。
ることができ、かつ量子井戸構造における結晶性の劣化
を抑制することができ、電子の閉じ込め係数が高く十分
な強度のサブバンド間吸収を発現する。 【解決手段】 サファイア基板１１上にＧａＮバッファ
層１２を介してＧａＮ／Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ多重量子井戸
層１３を形成し、この多重量子井戸層１３でサブバンド
間遷移による光吸収層を構成した非線形光デバイスにお
いて、多重量子井戸層１３のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ障壁層の
Ａｌ組成ｘを基板側から表面側に向けて減少させてい
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチ，光変
調器，波長変換素子などの非線形光デバイスに係わり、
特にサブバンド間遷移による光吸収層を構成する多重量
子井戸構造を備えた非線形光デバイスに関する。
調器，波長変換素子などの非線形光デバイスに係わり、
特にサブバンド間遷移による光吸収層を構成する多重量
子井戸構造を備えた非線形光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体レーザ，低損失光ファイ
バ，光ファイバ増幅器，高速集積回路などのオプトエレ
クトロニクス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビッ
トという大量の情報を長距離伝送することが可能となっ
ている。しかし、来るべきマルチメディア時代において
は、一般の末端利用者も高精細映像情報などの大量の情
報をリアルタイムで利用できることになるので、さらに
大容量の情報を伝送，処理できるインフラストラクチャ
の構築が必要になる。
バ，光ファイバ増幅器，高速集積回路などのオプトエレ
クトロニクス関連技術の発展により、毎秒１０ギガビッ
トという大量の情報を長距離伝送することが可能となっ
ている。しかし、来るべきマルチメディア時代において
は、一般の末端利用者も高精細映像情報などの大量の情
報をリアルタイムで利用できることになるので、さらに
大容量の情報を伝送，処理できるインフラストラクチャ
の構築が必要になる。
【０００３】光ファィバの広帯域性を活かして大容量の
情報伝送，処理を行うには、光周波数多重（光ＦＤＭ）
技術や光時分割多重（光ＴＤＭ）技術を用いるのが妥当
と考えられる。そこで、大規模で効率的な光ＦＤＭネッ
トワークや光ＴＤＭネットワークの実現に向けて、コン
パクトで高効率の波長変換素子、光制御型の超高速非線
形光スイッチなどの、新しい機能を有する光素子を開発
することが急務となっている。
情報伝送，処理を行うには、光周波数多重（光ＦＤＭ）
技術や光時分割多重（光ＴＤＭ）技術を用いるのが妥当
と考えられる。そこで、大規模で効率的な光ＦＤＭネッ
トワークや光ＴＤＭネットワークの実現に向けて、コン
パクトで高効率の波長変換素子、光制御型の超高速非線
形光スイッチなどの、新しい機能を有する光素子を開発
することが急務となっている。
【０００４】このような光素子として、電子のサブバン
ド間遷移に伴う光吸収を応用した非線形光デバイスが考
えられる。サブバンド間吸収を利用することにより、応
答速度を高く、かつ非線形性を大きくすることができ
る。この場合のサブバンド間吸収は、光通信で用いられ
る１．５５μｍ付近の波長で動作する必要がある。
ド間遷移に伴う光吸収を応用した非線形光デバイスが考
えられる。サブバンド間吸収を利用することにより、応
答速度を高く、かつ非線形性を大きくすることができ
る。この場合のサブバンド間吸収は、光通信で用いられ
る１．５５μｍ付近の波長で動作する必要がある。
【０００５】サブバンド間吸収については、ＩｎＰ基板
上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸層を用い
てこの波長での吸収が報告されている（J.H.Smet et a
l., Appl.Phys.Lett., Vol.64,pp986-987(1994)）。し
かしながら、この材料系の場合、サブバンド間遷移の緩
和時間が数ｐｓと比較的長く、将来的に要求されるであ
ろうＴｂ／ｓの信号に対応することは不可能である。そ
こで、緩和時間が約１００ｆｓと理論的に予測されてい
るＧａＮ系半導体を用いて量子井戸層を形成する必要が
ある。
上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸層を用い
てこの波長での吸収が報告されている（J.H.Smet et a
l., Appl.Phys.Lett., Vol.64,pp986-987(1994)）。し
かしながら、この材料系の場合、サブバンド間遷移の緩
和時間が数ｐｓと比較的長く、将来的に要求されるであ
ろうＴｂ／ｓの信号に対応することは不可能である。そ
こで、緩和時間が約１００ｆｓと理論的に予測されてい
るＧａＮ系半導体を用いて量子井戸層を形成する必要が
ある。
【０００６】しかるに、例えばサファイア基板上にＧａ
Ｎをバッファ層として成長したものの上に、ＧａＮを井
戸層に、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎを障壁層に用いて多重量子
井戸層を形成しようとした場合、井戸層厚とサブバンド
間吸収波長の関係はフラットバンド近似から計算される
ものとは大きく異なることが本発明者らの実験により分
かった。即ち、図４に示すように、井戸層が厚いときに
は実験により得られたサブバンド間吸収波長の実測値４
１は計算から予測される値４２よりも短くなり、一方井
戸層がある程度以上薄くなるとサブバンド間吸収波長の
実測値４１は一定となり、さらに薄くなると吸収は観測
されなくなってしまう。さらに重要なことは、最短のサ
ブバンド間遷移波長が約３μｍであり、計算上は可能な
光通信波長である１．５５μｍでの吸収が見られないこ
とである。
Ｎをバッファ層として成長したものの上に、ＧａＮを井
戸層に、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎを障壁層に用いて多重量子
井戸層を形成しようとした場合、井戸層厚とサブバンド
間吸収波長の関係はフラットバンド近似から計算される
ものとは大きく異なることが本発明者らの実験により分
かった。即ち、図４に示すように、井戸層が厚いときに
は実験により得られたサブバンド間吸収波長の実測値４
１は計算から予測される値４２よりも短くなり、一方井
戸層がある程度以上薄くなるとサブバンド間吸収波長の
実測値４１は一定となり、さらに薄くなると吸収は観測
されなくなってしまう。さらに重要なことは、最短のサ
ブバンド間遷移波長が約３μｍであり、計算上は可能な
光通信波長である１．５５μｍでの吸収が見られないこ
とである。
【０００７】サブバンド間遷移波長の更なる短波長化の
ためには障壁層のＡｌ組成を上げることが考えられる。
しかし、実際にはこのようにすると、量子井戸層の性質
が劣化することが本発明者らの実験により分かった。図
５に、障壁層及び井戸層の厚さがほぼ同じであるＡｌ
0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸層からのフォトル
ミネッセンス（ＰＬ）スペクトル５１とＡｌ0.85Ｇａ
0.15Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸層のＰＬスペクトル５２の
比較を示す。図から分かるように、Ａｌ組成が高い場合
には量子井戸層からの発光の強度は弱く、幅が広くな
る。これは、Ａｌ組成が大きくなり、ＧａＮとの格子定
数差が増大するために、障壁層の結晶性が悪化し、量子
井戸界面、特にＡｌＧａＮ上のＧａＮとの界面の平坦性
が悪化するためである。
ためには障壁層のＡｌ組成を上げることが考えられる。
しかし、実際にはこのようにすると、量子井戸層の性質
が劣化することが本発明者らの実験により分かった。図
５に、障壁層及び井戸層の厚さがほぼ同じであるＡｌ
0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸層からのフォトル
ミネッセンス（ＰＬ）スペクトル５１とＡｌ0.85Ｇａ
0.15Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸層のＰＬスペクトル５２の
比較を示す。図から分かるように、Ａｌ組成が高い場合
には量子井戸層からの発光の強度は弱く、幅が広くな
る。これは、Ａｌ組成が大きくなり、ＧａＮとの格子定
数差が増大するために、障壁層の結晶性が悪化し、量子
井戸界面、特にＡｌＧａＮ上のＧａＮとの界面の平坦性
が悪化するためである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｇａ
Ｎ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸構造を用いて波長１．５５
μｍのサブバンド間遷移を実現しようとしても、障壁層
のＡｌ組成が比較的小さいときにはサブバンド間遷移波
長が十分に短くならず、Ａｌ組成を大きくしようとする
と、量子井戸構造の品質が悪化するという問題があっ
た。
Ｎ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸構造を用いて波長１．５５
μｍのサブバンド間遷移を実現しようとしても、障壁層
のＡｌ組成が比較的小さいときにはサブバンド間遷移波
長が十分に短くならず、Ａｌ組成を大きくしようとする
と、量子井戸構造の品質が悪化するという問題があっ
た。
【０００９】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、波長１．５５μｍのサ
ブバンド間遷移を実現することができ、かつ量子井戸構
造における結晶性の劣化を抑制することができ、電子の
閉じ込め係数が高く十分な強度のサブバンド間吸収を発
現することが可能な非線形光デバイスを提供することに
ある。
ので、その目的とするところは、波長１．５５μｍのサ
ブバンド間遷移を実現することができ、かつ量子井戸構
造における結晶性の劣化を抑制することができ、電子の
閉じ込め係数が高く十分な強度のサブバンド間吸収を発
現することが可能な非線形光デバイスを提供することに
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。
するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１１】即ち本発明は、基板上に複数の窒化物半導
体層が積層され、この積層構造部中に、導波路の一部を
構成し、かつサブバンド間遷移による光吸収層を構成す
る多重量子井戸構造を備えた非線形光デバイスであっ
て、前記多重量子井戸構造の障壁層はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ
で構成され、かつこの障壁層の一部又は全部においてＡ
ｌの組成ｘが基板側から表面側に向けて減少しているこ
とを特徴とする。
体層が積層され、この積層構造部中に、導波路の一部を
構成し、かつサブバンド間遷移による光吸収層を構成す
る多重量子井戸構造を備えた非線形光デバイスであっ
て、前記多重量子井戸構造の障壁層はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ
で構成され、かつこの障壁層の一部又は全部においてＡ
ｌの組成ｘが基板側から表面側に向けて減少しているこ
とを特徴とする。
【００１２】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 基板は、サファイア，ＳｉＣ，又はＧａＮであるこ
と。 (2) 障壁層のＡｌ組成ｘは、表面側が０．４５以上であ
ること。 (3) 障壁層の厚さは、１．３〜５ｎｍであること。 (3) 井戸層はＩｎa Ａｌb Ｇａ1-a-b Ｎ（０≦ａ＜１，
０≦ｂ＜１）であること。
は次のものがあげられる。 (1) 基板は、サファイア，ＳｉＣ，又はＧａＮであるこ
と。 (2) 障壁層のＡｌ組成ｘは、表面側が０．４５以上であ
ること。 (3) 障壁層の厚さは、１．３〜５ｎｍであること。 (3) 井戸層はＩｎa Ａｌb Ｇａ1-a-b Ｎ（０≦ａ＜１，
０≦ｂ＜１）であること。
【００１３】（作用）ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸
構造には、ピエゾ効果や自発分極の影響で、他の半導体
材料の多重量子井戸構造に比べて非常に大きな内部電界
が発生している。この様子を模式的に図６に示す。障壁
層上部は電界の影響で三角ポテンシャルになっており、
第２サブバンド２２が形成されてもトンネル効果によ
り、ミニバンドが形成されてしまい、サブバンド間吸収
スペクトルは弱くかつ幅広なものになってしまう。ま
た、第２サブバンド２２がこの三角ポテンシャル領域に
存在するような状況では実効的な井戸幅が第１サブバン
ド２１に比べて広くなっており、従って井戸幅を狭くし
ていっても、第１サブバンド２１と第２サブバンド２２
とのエネルギー差はそれほど増大しない。
構造には、ピエゾ効果や自発分極の影響で、他の半導体
材料の多重量子井戸構造に比べて非常に大きな内部電界
が発生している。この様子を模式的に図６に示す。障壁
層上部は電界の影響で三角ポテンシャルになっており、
第２サブバンド２２が形成されてもトンネル効果によ
り、ミニバンドが形成されてしまい、サブバンド間吸収
スペクトルは弱くかつ幅広なものになってしまう。ま
た、第２サブバンド２２がこの三角ポテンシャル領域に
存在するような状況では実効的な井戸幅が第１サブバン
ド２１に比べて広くなっており、従って井戸幅を狭くし
ていっても、第１サブバンド２１と第２サブバンド２２
とのエネルギー差はそれほど増大しない。
【００１４】このような問題を回避するためには、第２
サブバンド２２が三角ポテンシャル領域には存在しない
ように障壁を高くしてやればよい。このためにはＡｌ組
成を高くする必要がある。しかし、Ａｌ組成を高くする
と、ＧａＮとの格子定数差が大きくなるために、結晶性
が悪化しやすくなる上に、一般的にＡｌＧａＮ上のＧａ
Ｎとの界面も悪くなる。
サブバンド２２が三角ポテンシャル領域には存在しない
ように障壁を高くしてやればよい。このためにはＡｌ組
成を高くする必要がある。しかし、Ａｌ組成を高くする
と、ＧａＮとの格子定数差が大きくなるために、結晶性
が悪化しやすくなる上に、一般的にＡｌＧａＮ上のＧａ
Ｎとの界面も悪くなる。
【００１５】そこで本発明は、障壁層のＡｌ組成を一定
にはせず、各障壁層中で変化させることでこの問題を解
決する。つまり、例えばＡｌＧａＮ障壁層において、基
板側から表面側に向かってＡｌ組成を０．８５から０．
６５に連続的に減少するように形成する。このようにす
ると、もしこの多重量子井戸構造に電界がかかっていな
ければ、障壁層のエネルギーは上部（表面側）に行くに
従って減少し、第２サブバンド２２は三角ポテンシャル
部に形成されてしまう。しかし、実際には上述のよう
に、ピエゾ効果や自発分極のために、多重量子井戸構造
には電界が発生しており、障壁層のエネルギーは図７に
示すようにＡｌ組成が上部に行くに従って減少しても、
ポテンシャルエネルギーの減少は抑制される。
にはせず、各障壁層中で変化させることでこの問題を解
決する。つまり、例えばＡｌＧａＮ障壁層において、基
板側から表面側に向かってＡｌ組成を０．８５から０．
６５に連続的に減少するように形成する。このようにす
ると、もしこの多重量子井戸構造に電界がかかっていな
ければ、障壁層のエネルギーは上部（表面側）に行くに
従って減少し、第２サブバンド２２は三角ポテンシャル
部に形成されてしまう。しかし、実際には上述のよう
に、ピエゾ効果や自発分極のために、多重量子井戸構造
には電界が発生しており、障壁層のエネルギーは図７に
示すようにＡｌ組成が上部に行くに従って減少しても、
ポテンシャルエネルギーの減少は抑制される。
【００１６】従って、第２サブバンド２２は三角ポテン
シャル中には形成されず、閉じ込め効率が高くなり、強
いサブバンド間吸収が実現できる。また、井戸幅を小さ
くしたときにサブバンド間エネルギーの増大が顕著にな
る。しかも、障壁層の平均のＡｌ組成は一律にＡｌ組成
を０．８５とした場合に比べて小さいので、格子定数差
も比較的小さくでき、結晶性の悪化も抑制できる。さら
に、ＡｌＧａＮ上部のＧａＮに接する部分のＡｌ組成は
小さいので、その上に形成されるＧａＮとの界面の質の
悪化も防ぐことができる。
シャル中には形成されず、閉じ込め効率が高くなり、強
いサブバンド間吸収が実現できる。また、井戸幅を小さ
くしたときにサブバンド間エネルギーの増大が顕著にな
る。しかも、障壁層の平均のＡｌ組成は一律にＡｌ組成
を０．８５とした場合に比べて小さいので、格子定数差
も比較的小さくでき、結晶性の悪化も抑制できる。さら
に、ＡｌＧａＮ上部のＧａＮに接する部分のＡｌ組成は
小さいので、その上に形成されるＧａＮとの界面の質の
悪化も防ぐことができる。
【００１７】このように本発明では、ＡｌＧａＮ障壁層
のＡｌ組成を下部から上部、即ち基板側から表面側に向
かって小さくなるように変化させることにより、波長
１．５５μｍのサブバンド間遷移を実現するために障壁
層のＡｌ組成を大きくしても結晶性の劣化を抑制するこ
とができ、電子の閉じ込め効率が高く、十分な強度のサ
ブバンド間吸収を発現させることが可能となる。
のＡｌ組成を下部から上部、即ち基板側から表面側に向
かって小さくなるように変化させることにより、波長
１．５５μｍのサブバンド間遷移を実現するために障壁
層のＡｌ組成を大きくしても結晶性の劣化を抑制するこ
とができ、電子の閉じ込め効率が高く、十分な強度のサ
ブバンド間吸収を発現させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
形態によって説明する。
【００１９】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる非線形光デバイスの構成を模式的に
示す斜視図である。
の実施形態に係わる非線形光デバイスの構成を模式的に
示す斜視図である。
【００２０】サファイア基板１１の上に、厚さ２μｍの
ＧａＮバッファ層１２，多重量子井戸層１３が順次積層
されている。多重量子井戸層１３は、Ｓｉを４×１０18
ｃｍ -3ドープした厚さ１．５ｎｍのＧａＮ井戸層と、基
板側（下部）のＡｌ組成が０．８５で表面側（上部）の
Ａｌ組成が０．６５になるように連続的に変化している
厚さが１．５ｎｍのＡｌＧａＮ障壁層と、を３０組積層
することで構成されている。このような結晶成長層が幅
１μｍ、高さ１μｍの光導波路１４を形成している。こ
の導波路１４が２本、交差する形になっており、この交
差部及びその周辺を除いては、多重量子井戸層１３が除
去されている。
ＧａＮバッファ層１２，多重量子井戸層１３が順次積層
されている。多重量子井戸層１３は、Ｓｉを４×１０18
ｃｍ -3ドープした厚さ１．５ｎｍのＧａＮ井戸層と、基
板側（下部）のＡｌ組成が０．８５で表面側（上部）の
Ａｌ組成が０．６５になるように連続的に変化している
厚さが１．５ｎｍのＡｌＧａＮ障壁層と、を３０組積層
することで構成されている。このような結晶成長層が幅
１μｍ、高さ１μｍの光導波路１４を形成している。こ
の導波路１４が２本、交差する形になっており、この交
差部及びその周辺を除いては、多重量子井戸層１３が除
去されている。
【００２１】このような素子構造は、次のようにして作
成することができる。まず、サファイア基板１１上に、
常圧ＣＶＤ法により、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）と
アンモニアガスを用いてＧａＮバッファ層１２を成長す
る。次いで、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加
え、ＴＭＡの流量を徐々に下げ、逆にＴＭＧの流量を徐
々に上げていくことで、Ａｌ組成が徐々に減少している
ようなＡｌＧａＮ障壁層を成長する。次いで、ＴＭＧの
流量を一定に保ち、ＧａＮ井戸層を成長する。このサイ
クルを更に２９回繰り返した後、最上層のＡｌＧａＮ障
壁層を成長することにより、多重量子井戸層１３の形成
を終了する。
成することができる。まず、サファイア基板１１上に、
常圧ＣＶＤ法により、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）と
アンモニアガスを用いてＧａＮバッファ層１２を成長す
る。次いで、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加
え、ＴＭＡの流量を徐々に下げ、逆にＴＭＧの流量を徐
々に上げていくことで、Ａｌ組成が徐々に減少している
ようなＡｌＧａＮ障壁層を成長する。次いで、ＴＭＧの
流量を一定に保ち、ＧａＮ井戸層を成長する。このサイ
クルを更に２９回繰り返した後、最上層のＡｌＧａＮ障
壁層を成長することにより、多重量子井戸層１３の形成
を終了する。
【００２２】次いで、上記のＭＯＣＶＤ成長基板上にＣ
ＶＤ法を用いてＳｉＯ2 を堆積し、フォトリソグラフィ
により導波路部分のパターニングを行い、不要なＳｉＯ
2 を除去した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）に
より、高さ１μｍの導波路１４を一部交差するように例
えば２本形成する。そして、残ったＳｉＯ2 を除去した
後、再度ＣＶＤ法でＳｉＯ2 を堆積する。上記と同様に
フォトリソグラフィにより、導波路１４の交差部及びそ
の周辺のみＳｉＯ2 を残し、他は除去する。その後、Ｒ
ＩＥによりＳｉＯ2 をマスクとして、多重量子井戸層１
３の一部をエッチングにより除去する。残ったＳｉＯ2
を除去すれば、前記図１に示す素子構造が得られる。
ＶＤ法を用いてＳｉＯ2 を堆積し、フォトリソグラフィ
により導波路部分のパターニングを行い、不要なＳｉＯ
2 を除去した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）に
より、高さ１μｍの導波路１４を一部交差するように例
えば２本形成する。そして、残ったＳｉＯ2 を除去した
後、再度ＣＶＤ法でＳｉＯ2 を堆積する。上記と同様に
フォトリソグラフィにより、導波路１４の交差部及びそ
の周辺のみＳｉＯ2 を残し、他は除去する。その後、Ｒ
ＩＥによりＳｉＯ2 をマスクとして、多重量子井戸層１
３の一部をエッチングにより除去する。残ったＳｉＯ2
を除去すれば、前記図１に示す素子構造が得られる。
【００２３】このように本実施形態では、ＧａＮ／Ａｌ
ＧａＮ多重量子井戸層１３におけるＡｌＧａＮ障壁層の
Ａｌ組成を基板側から表面側に向かって０．８５から
０．６５に連続的に減少させているので、障壁層のポテ
ンシャルエネルギーは前記図７に示すように、三角ポテ
ンシャルではなくほぼ一定となる。このため、閉じ込め
効率が高くなり、強いサブバンド間吸収が実現できる。
ＧａＮ多重量子井戸層１３におけるＡｌＧａＮ障壁層の
Ａｌ組成を基板側から表面側に向かって０．８５から
０．６５に連続的に減少させているので、障壁層のポテ
ンシャルエネルギーは前記図７に示すように、三角ポテ
ンシャルではなくほぼ一定となる。このため、閉じ込め
効率が高くなり、強いサブバンド間吸収が実現できる。
【００２４】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係わる非線形光デバイスにおける模式的な
バンド構成を示す図である。
の実施形態に係わる非線形光デバイスにおける模式的な
バンド構成を示す図である。
【００２５】先に説明した第１の実施形態では、多重量
子井戸層１３におけるＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成を一
定の割合で変化させていたが、本実施形態では、例えば
ＡｌＧａＮ障壁層の厚さを２ｎｍとし、初めの１ｎｍに
おいてＡｌ組成を０．８５から０．７５まで変化させ、
次の１ｎｍにおいて０．４５まで変化させる。
子井戸層１３におけるＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成を一
定の割合で変化させていたが、本実施形態では、例えば
ＡｌＧａＮ障壁層の厚さを２ｎｍとし、初めの１ｎｍに
おいてＡｌ組成を０．８５から０．７５まで変化させ、
次の１ｎｍにおいて０．４５まで変化させる。
【００２６】本実施形態の場合、第２サブバンド２２は
実効的な井戸幅が広がった部分に位置するが、障壁層の
Ａｌ組成が大きい部分が十分な厚さを持っているので、
電子がトンネルで散逸することはない。一方、実効井戸
幅が広い部分に位置することにより、サブバンド間エネ
ルギーは井戸幅揺らぎの影響を受け難くなるという利点
がある。
実効的な井戸幅が広がった部分に位置するが、障壁層の
Ａｌ組成が大きい部分が十分な厚さを持っているので、
電子がトンネルで散逸することはない。一方、実効井戸
幅が広い部分に位置することにより、サブバンド間エネ
ルギーは井戸幅揺らぎの影響を受け難くなるという利点
がある。
【００２７】（第３の実施形態）図３は、本発明の第３
の実施形態に係わる非線形光デバイスにおける模式的な
バンド構成を示す図である。
の実施形態に係わる非線形光デバイスにおける模式的な
バンド構成を示す図である。
【００２８】本実施形態においては、障壁層の厚さを３
ｎｍとし、初めの２ｎｍはＡｌ組成を０．７５と一定に
し、次の１ｎｍで０．５５まで下げる。このようにする
と、初めの部分のＡｌ組成が比較的小さいので、第２サ
ブバンド２２は実効的な井戸幅が広くなる部分に形成さ
れる。従来例とは異なり、その後においてＡｌ組成を下
げているために、多重量子井戸層中の平均のＡｌ組成は
それほど増大せず、良好な結晶性を保ったまま障壁層の
厚さを厚くできる。その結果、電子のトンネリングが抑
制され、十分なサブバンド間吸収を維持できる。また、
第２サブバンド２２が実効井戸幅の広い部分に位置する
ため、第２の実施形態と同様に、サブバンド間エネルギ
ーは井戸幅揺らぎの影響を受け難くなる。
ｎｍとし、初めの２ｎｍはＡｌ組成を０．７５と一定に
し、次の１ｎｍで０．５５まで下げる。このようにする
と、初めの部分のＡｌ組成が比較的小さいので、第２サ
ブバンド２２は実効的な井戸幅が広くなる部分に形成さ
れる。従来例とは異なり、その後においてＡｌ組成を下
げているために、多重量子井戸層中の平均のＡｌ組成は
それほど増大せず、良好な結晶性を保ったまま障壁層の
厚さを厚くできる。その結果、電子のトンネリングが抑
制され、十分なサブバンド間吸収を維持できる。また、
第２サブバンド２２が実効井戸幅の広い部分に位置する
ため、第２の実施形態と同様に、サブバンド間エネルギ
ーは井戸幅揺らぎの影響を受け難くなる。
【００２９】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では、基板としてサファ
イアを用いたが、これに限らずＳｉＣやＧａＮを用いる
ことができる。
されるものではない。実施形態では、基板としてサファ
イアを用いたが、これに限らずＳｉＣやＧａＮを用いる
ことができる。
【００３０】また、障壁層のＡｌ組成は適宜変更できる
が、結晶成長の再現性や制御性を考慮し、組成変化を最
小限にするという観点から、表面側で０．４５以上にす
ることが望ましい。また、障壁層の厚さの下限は、第２
サブバンドが三角ポテンシャル部に形成されない場合で
もトンネリング効果が大きく寄与してしまうような厚さ
で規定され、それは１．３ｎｍである。また、障壁層の
厚さの上限は、良好な結晶性が維持できる厚さで規定さ
れる。即ち、井戸層と障壁層との間には大きな格子定数
差があるために、厚い障壁層を用いた場合には結晶性が
劣化し、このためにサブバンド間遷移が実現できなくな
る。本発明者らの実験によれば、障壁層の厚さを５ｎｍ
以下にすれば十分なサブバンド吸収を観測することがで
きた。
が、結晶成長の再現性や制御性を考慮し、組成変化を最
小限にするという観点から、表面側で０．４５以上にす
ることが望ましい。また、障壁層の厚さの下限は、第２
サブバンドが三角ポテンシャル部に形成されない場合で
もトンネリング効果が大きく寄与してしまうような厚さ
で規定され、それは１．３ｎｍである。また、障壁層の
厚さの上限は、良好な結晶性が維持できる厚さで規定さ
れる。即ち、井戸層と障壁層との間には大きな格子定数
差があるために、厚い障壁層を用いた場合には結晶性が
劣化し、このためにサブバンド間遷移が実現できなくな
る。本発明者らの実験によれば、障壁層の厚さを５ｎｍ
以下にすれば十分なサブバンド吸収を観測することがで
きた。
【００３１】また、井戸層は必ずしもＧａＮに限るもの
ではなく、ＡｌＧａＮ障壁層よりもバンドギャップが狭
いものであればよく、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＮやＩｎ
ＧａＮを用いることも可能である。
ではなく、ＡｌＧａＮ障壁層よりもバンドギャップが狭
いものであればよく、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＮやＩｎ
ＧａＮを用いることも可能である。
【００３２】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
で、種々変形して実施することができる。
【００３３】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、サ
ブバンド間遷移による光吸収層を構成する多重量子井戸
構造を備えた非線形光デバイスにおいて、多重量子井戸
構造のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ障壁層の一部又は全部において
Ａｌの組成ｘを基板側から表面側に向けて減少させるこ
とにより、波長１．５５μｍのサブバンド間遷移を確実
に実現することができ、かつ量子井戸構造における結晶
性の劣化を抑制することができ、電子の閉じ込め係数が
高く十分な強度のサブバンド間吸収を発現することが可
能となる。
ブバンド間遷移による光吸収層を構成する多重量子井戸
構造を備えた非線形光デバイスにおいて、多重量子井戸
構造のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ障壁層の一部又は全部において
Ａｌの組成ｘを基板側から表面側に向けて減少させるこ
とにより、波長１．５５μｍのサブバンド間遷移を確実
に実現することができ、かつ量子井戸構造における結晶
性の劣化を抑制することができ、電子の閉じ込め係数が
高く十分な強度のサブバンド間吸収を発現することが可
能となる。
【図１】第１の実施形態に係わる非線形光デバイスの素
子構造を示す斜視図。
子構造を示す斜視図。
【図２】第２の実施形態における多重量子井戸のバンド
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
【図３】第３の実施形態における多重量子井戸のバンド
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
【図４】サブバンド間吸収波長と井戸層厚との関係を示
す図。
す図。
【図５】Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸とＡ
ｌ0.85Ｇａ0.15Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のＰＬスペクト
ルを示す図。
ｌ0.85Ｇａ0.15Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のＰＬスペクト
ルを示す図。
【図６】Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のバ
ンド構造を示す模式図。
ンド構造を示す模式図。
【図７】障壁層のＡｌ組成を０．８５から０．６５に連
続的に変化させたときのバンド構造を示す模式図。
続的に変化させたときのバンド構造を示す模式図。
１１…サファイア基板 １２…ＧａＮバッファ層 １３…ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸構造 １４…光導波路 ２１…第１サブバンド ２２…第２サブバンド ４１…実験で得られたサブバンド間吸収波長 ４２…サブバンド間吸収波長の計算値 ５１…Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のフォ
トルミネッセンススペクトル ５２…Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のフォ
トルミネッセンススペクトル
トルミネッセンススペクトル ５２…Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸のフォ
トルミネッセンススペクトル
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に複数の窒化物半導体層が積層さ
れ、この積層構造部中に、導波路の一部を構成し、かつ
サブバンド間遷移による光吸収層を構成する多重量子井
戸構造を備えた非線形光デバイスであって、 前記多重量子井戸構造の障壁層はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０
≦ｘ＜１）で構成され、かつこの障壁層の一部又は全部
においてＡｌの組成ｘが基板側から表面側に向けて減少
していることを特徴とする非線形光デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2720399A JP2988934B1 (ja) | 1999-02-04 | 1999-02-04 | 非線形光デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2720399A JP2988934B1 (ja) | 1999-02-04 | 1999-02-04 | 非線形光デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2988934B1 JP2988934B1 (ja) | 1999-12-13 |
| JP2000221553A true JP2000221553A (ja) | 2000-08-11 |
Family
ID=12214551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2720399A Expired - Fee Related JP2988934B1 (ja) | 1999-02-04 | 1999-02-04 | 非線形光デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2988934B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6810176B2 (en) | 2000-08-07 | 2004-10-26 | Rosemount Inc. | Integrated transparent substrate and diffractive optical element |
-
1999
- 1999-02-04 JP JP2720399A patent/JP2988934B1/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6810176B2 (en) | 2000-08-07 | 2004-10-26 | Rosemount Inc. | Integrated transparent substrate and diffractive optical element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2988934B1 (ja) | 1999-12-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7015498B2 (en) | Quantum optical semiconductor device | |
| JP3672678B2 (ja) | 量子半導体装置およびその製造方法 | |
| KR100689782B1 (ko) | 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| US8415655B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| JP2008066730A (ja) | 変動周期変動組成超格子およびそれを含むデバイス | |
| JPH0878786A (ja) | 歪量子井戸の構造 | |
| JPWO2003025263A1 (ja) | 窒化物半導体基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体光素子 | |
| KR20040018324A (ko) | 반도체 소자 | |
| JP2003115642A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
| US20040062282A1 (en) | Semiconductor optical modulator and laser with optical modulator | |
| JP5207381B2 (ja) | 結合量子井戸構造 | |
| JPH09106946A (ja) | 半導体装置，及び半導体レーザ，並びに高電子移動度トランジスタ装置 | |
| JPS63208296A (ja) | 半導体装置 | |
| JPH09266352A (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP2988934B1 (ja) | 非線形光デバイス | |
| JPH0650366B2 (ja) | 光変調器 | |
| JP2922160B2 (ja) | 非線形光デバイス | |
| JP4072107B2 (ja) | 半導体光変調器及び光変調器付きレーザ | |
| US20050116243A1 (en) | Semiconductor laser device and its manufacturing method | |
| JP2950799B2 (ja) | 非線形光デバイス | |
| JP2000332290A (ja) | 窒化物半導体素子およびその製造方法 | |
| JP2013093425A (ja) | 量子半導体装置及びその製造方法 | |
| JPH0794822A (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP3455500B2 (ja) | 半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法 | |
| JP2954203B1 (ja) | 光導波素子の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081008 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081008 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091008 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 11 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101008 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Year of fee payment: 12 Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111008 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |