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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
するために本発明は次のような構成を採用している。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
形態によって説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、種々変形して実施することができる。
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。
子構造を示す斜視図。
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
す図。
l0.85Ga0.15N/GaN多重量子井戸のPLスペクト
ルを示す図。
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。
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 |