JP2911546B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
光半導体装置及びその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［概要］ 光半導体装置に係り、特に非線形動作を行なう光半導
体装置に関し、 ピーク強度の強い動作光又は被動作光に対しても、自
由電子又は励起子の励起による超格子層の屈折率の変化
を高速で行なうと共に、励起された自由電子を高速移送
して超格子層の屈折率の始状態への回復を早くする高速
動作ができ、従って超短時間の光パルス列に対しても応
答することができる高周波応答特性に優れた光半導体装
置を提供することを目的とし、 入射した光により２次元励起子が励起される第１の量
子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟むバリア層と、
前記バリア層を介して前記第１の量子井戸層に隣接する
第２の量子井戸層とが周期的に形成されている超格子構
造を有する光半導体装置において、前記第２の量子井戸
層が互いにヘテロ接合する第１及び第２の半導体層を有
すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯の下端が前記
第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位置するブロ
ークンギャップ型ヘテロ構造を形成し、前記第１の半導
体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸層の電子基底
準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第２の反動体層
の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正孔基底準位
よりエネルギー的に低く、前記第１の量子井戸層に励起
される電子及び正孔がそれぞれ前記バリア層をトンネル
して前記第２の量子井戸層に移送されて、前記第２の量
子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２の半導体層と
のブロークンギャップ型ヘテロ界面において再結合する
ように構成する。
体装置に関し、 ピーク強度の強い動作光又は被動作光に対しても、自
由電子又は励起子の励起による超格子層の屈折率の変化
を高速で行なうと共に、励起された自由電子を高速移送
して超格子層の屈折率の始状態への回復を早くする高速
動作ができ、従って超短時間の光パルス列に対しても応
答することができる高周波応答特性に優れた光半導体装
置を提供することを目的とし、 入射した光により２次元励起子が励起される第１の量
子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟むバリア層と、
前記バリア層を介して前記第１の量子井戸層に隣接する
第２の量子井戸層とが周期的に形成されている超格子構
造を有する光半導体装置において、前記第２の量子井戸
層が互いにヘテロ接合する第１及び第２の半導体層を有
すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯の下端が前記
第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位置するブロ
ークンギャップ型ヘテロ構造を形成し、前記第１の半導
体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸層の電子基底
準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第２の反動体層
の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正孔基底準位
よりエネルギー的に低く、前記第１の量子井戸層に励起
される電子及び正孔がそれぞれ前記バリア層をトンネル
して前記第２の量子井戸層に移送されて、前記第２の量
子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２の半導体層と
のブロークンギャップ型ヘテロ界面において再結合する
ように構成する。
［産業上の利用分野］ 本発明は光半導体装置に係り、特に非線形動作を行な
う光半導体装置に関する。
う光半導体装置に関する。
近年、光−光スイッチ、光双安定装置、光−光メモリ
の開発が進められているが、特に10-9〜10-12秒のピコ
秒領域から10-12以下のサブピコ秒領域で作動する非線
形光学装置の実現が要求されている。
の開発が進められているが、特に10-9〜10-12秒のピコ
秒領域から10-12以下のサブピコ秒領域で作動する非線
形光学装置の実現が要求されている。
［従来の技術］ 従来の非線形光学装置として、例えばGaAs/AlAs超格
子を誘電体多層膜鏡でサンドウィッチした光共振器構造
のものが実現されている（A.Migus et al.,One−picose
cond NOR gate at room temperature with a GaAs−AlG
aAs multiple−quantum−well nonlinear Fabry−Perot
etalon",Appl.Phys.Lett.46（1985）70）。
子を誘電体多層膜鏡でサンドウィッチした光共振器構造
のものが実現されている（A.Migus et al.,One−picose
cond NOR gate at room temperature with a GaAs−AlG
aAs multiple−quantum−well nonlinear Fabry−Perot
etalon",Appl.Phys.Lett.46（1985）70）。
この従来の非線形光学装置の動作を、第９図を用いて
説明する。
説明する。
第９図は、従来の非線形光学装置のGaAs/AlAs超格子
のエネルギーバンド図である。
のエネルギーバンド図である。
例えばGaAsからなる幅LW1の量子井戸21とAlAsからな
るバリア22とが交互に積層され、超格子構造を形成して
いる。いま、量子井戸21の励起子準位近傍の波長λの被
動作光を入射して、共振条件ｍλ/2＝nLが成り立つよう
にすると、被動作光に対するGaAs/AlAs超格子の吸収率
は極めて小さくなり、被動作光は被線形光学装置を透過
することになる。ここでｎは超格子の屈折率、Ｌは超格
子の層厚、ｍは整数であり、更にλは励起子の吸収ピー
クより少しずれた波長である。
るバリア22とが交互に積層され、超格子構造を形成して
いる。いま、量子井戸21の励起子準位近傍の波長λの被
動作光を入射して、共振条件ｍλ/2＝nLが成り立つよう
にすると、被動作光に対するGaAs/AlAs超格子の吸収率
は極めて小さくなり、被動作光は被線形光学装置を透過
することになる。ここでｎは超格子の屈折率、Ｌは超格
子の層厚、ｍは整数であり、更にλは励起子の吸収ピー
クより少しずれた波長である。
次いで、量子井戸21に自由電子又は励起子を励起する
ような励起子の吸収ピークに合った波長の動作光を照射
すると、クーロン相互作用が自由電子によって遮蔽され
るため或いは動作光によって励起された励起子の存在の
ために励起子の形成が阻害されて、GaAs/AlAs超格子の
屈折率が変化する。従って、共振条件が成り立たなくな
って被動作光の透過率が低減し、その結果、被動作光は
非線形光学装置を透過し難くなる。
ような励起子の吸収ピークに合った波長の動作光を照射
すると、クーロン相互作用が自由電子によって遮蔽され
るため或いは動作光によって励起された励起子の存在の
ために励起子の形成が阻害されて、GaAs/AlAs超格子の
屈折率が変化する。従って、共振条件が成り立たなくな
って被動作光の透過率が低減し、その結果、被動作光は
非線形光学装置を透過し難くなる。
なお被動作光を、非共振条件（ｍ＋１）λ/2＝nLに選
び、動作光を照射することによって透過率の増加を図る
ようにする動作も可能である。
び、動作光を照射することによって透過率の増加を図る
ようにする動作も可能である。
しかし上記従来の非線形光学装置においては、パルス
幅100fs（フェムト秒）の動作光パルスを照射した場
合、光透過率が低下するのに要する時間は1ps（ピコ
秒）以下程度と十分に速いが、光透過率が回復するのに
要する時間は非常に長くなる。従って、このときの被動
作光の透過率の時間的変化を示すと、第10図のグラフの
ようになる。即ち、この光透過率の回復の遅延は、超格
子中の自由電子或いは励起子の緩和時間によって制限さ
れるためであり、従ってこの非線形光学装置は高周波追
従性を有することが妨げられる結果となる。
幅100fs（フェムト秒）の動作光パルスを照射した場
合、光透過率が低下するのに要する時間は1ps（ピコ
秒）以下程度と十分に速いが、光透過率が回復するのに
要する時間は非常に長くなる。従って、このときの被動
作光の透過率の時間的変化を示すと、第10図のグラフの
ようになる。即ち、この光透過率の回復の遅延は、超格
子中の自由電子或いは励起子の緩和時間によって制限さ
れるためであり、従ってこの非線形光学装置は高周波追
従性を有することが妨げられる結果となる。
かかる問題を解決するために、幅の異なる量子井戸を
交互に形成した超格子構造を含む光共振器構造が提案さ
れている（特願平１−126239号（平成元年５月19日出
願）参照）。
交互に形成した超格子構造を含む光共振器構造が提案さ
れている（特願平１−126239号（平成元年５月19日出
願）参照）。
この提案された非線形光学装置の超格子構造のエネル
ギーバンド図を第11図に示す。
ギーバンド図を第11図に示す。
即ち、AlAsからなるバリア22を間に挟んで、GaAsから
なる幅Lw1の量子井戸21と幅Lw1より広い幅Lw2を有する
量子井戸23とが交互に形成されている。動作光照射によ
る狭い幅Lw1の量子井戸21の励起子の励起或いは自由電
子の励起による超格子層の屈折率の変化は、従来と同様
に極めて高速である。また、励起された自由電子は幅L
w1の量子井戸21からより量子準位の低い幅Lw2の量子井
戸23へトンネルによって移送するため、超格子層の屈折
率の始状態体への回復が極めて速い。
なる幅Lw1の量子井戸21と幅Lw1より広い幅Lw2を有する
量子井戸23とが交互に形成されている。動作光照射によ
る狭い幅Lw1の量子井戸21の励起子の励起或いは自由電
子の励起による超格子層の屈折率の変化は、従来と同様
に極めて高速である。また、励起された自由電子は幅L
w1の量子井戸21からより量子準位の低い幅Lw2の量子井
戸23へトンネルによって移送するため、超格子層の屈折
率の始状態体への回復が極めて速い。
従って、励起子共鳴波長の動作光を照射した場合の被
動作光の透過率の時間的変化を示すと、第12図（ａ）の
グラフのようになる。即ち透過率は急激に減少すると共
に、また再び急速に回復している。
動作光の透過率の時間的変化を示すと、第12図（ａ）の
グラフのようになる。即ち透過率は急激に減少すると共
に、また再び急速に回復している。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記提案された非線形光学装置において
は、バリア層をトンネルする時間より広い井戸における
再結合緩和時間が２桁以上長いため、動作光又は被動作
光の光パルスのピーク強度を強くしていった場合、幅の
広い量子井戸23へトンネルした電子又は正孔が状態密度
を占有し、擬フェルミ準位が狭い量子井戸21の励起子準
位と同程度になってしまうため、もはやトンネルできな
くなり、第12図（ｂ）に示されるように、始状態への回
復が例えば数ナノ秒〜数十ナノ秒程度と大きく遅れるこ
とになる。
は、バリア層をトンネルする時間より広い井戸における
再結合緩和時間が２桁以上長いため、動作光又は被動作
光の光パルスのピーク強度を強くしていった場合、幅の
広い量子井戸23へトンネルした電子又は正孔が状態密度
を占有し、擬フェルミ準位が狭い量子井戸21の励起子準
位と同程度になってしまうため、もはやトンネルできな
くなり、第12図（ｂ）に示されるように、始状態への回
復が例えば数ナノ秒〜数十ナノ秒程度と大きく遅れるこ
とになる。
従って光パルスの時間間隔が短くなっていった場合、
図中の破線で示されるように、透過率の始状態への回復
を待たずに、次の光パルスがやってくることになり、透
過率変化の差が減少するという問題があった。
図中の破線で示されるように、透過率の始状態への回復
を待たずに、次の光パルスがやってくることになり、透
過率変化の差が減少するという問題があった。
そこで本発明は、ピーク強度の強い動作光又は被動作
光に対しても、自由電子又は励起子の励起による超格子
層の屈折率の変化を高速で行なうと共に、励起された自
由電子を高速移送して超格子層の屈折率の始状態への回
復を早くする高速動作ができ、従って超短時間の光パル
ス列に対しても応答することができる高周波応答特性に
優れた光半導体装置を提供することを目的とする。
光に対しても、自由電子又は励起子の励起による超格子
層の屈折率の変化を高速で行なうと共に、励起された自
由電子を高速移送して超格子層の屈折率の始状態への回
復を早くする高速動作ができ、従って超短時間の光パル
ス列に対しても応答することができる高周波応答特性に
優れた光半導体装置を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 上記課題は、入射した光により２次元励起子が励起さ
れる第１の量子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟む
バリア層と、前記バリア層を介して前記第１の量子井戸
層に隣接する第２の量子井戸層とが周期的に形成されて
いる超格子構造を有する光半導体装置において、前記第
２の量子井戸層が互いにヘテロ接合する第１及び第２の
半導体層を有すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯
の下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に
位置するブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成し、前
記第１の半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸
層の電子基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第
２の反動体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の
正孔基底準位よりエネルギー的に低く、前記第１の量子
井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞれ前記バリア
層をトンネルして前記第２の量子井戸層に移送されて、
前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層とのブロークンギャップ型ヘテロ界面におい
て再結合することを特徴とする光半導体装置によって達
成される。
れる第１の量子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟む
バリア層と、前記バリア層を介して前記第１の量子井戸
層に隣接する第２の量子井戸層とが周期的に形成されて
いる超格子構造を有する光半導体装置において、前記第
２の量子井戸層が互いにヘテロ接合する第１及び第２の
半導体層を有すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯
の下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に
位置するブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成し、前
記第１の半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸
層の電子基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第
２の反動体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の
正孔基底準位よりエネルギー的に低く、前記第１の量子
井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞれ前記バリア
層をトンネルして前記第２の量子井戸層に移送されて、
前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層とのブロークンギャップ型ヘテロ界面におい
て再結合することを特徴とする光半導体装置によって達
成される。
［作用］ 本発明によれば、被動作光によって２次元励起子が形
成される第１の量子井戸層とバリア層を介して形成され
ている第２の量子井戸層がブロークンギャップ型ヘテロ
構造を有しているため、第１の量子井戸層の量子準位か
ら電子又は正孔がバリア層をトンネルしてそれぞれ第２
の量子井戸層の第１又は第２の半導体層の量子準位へエ
ネルギー緩和し、それら第１及び第２の半導体層のブロ
ークンギャップ型ヘテロ界面で再結合する。
成される第１の量子井戸層とバリア層を介して形成され
ている第２の量子井戸層がブロークンギャップ型ヘテロ
構造を有しているため、第１の量子井戸層の量子準位か
ら電子又は正孔がバリア層をトンネルしてそれぞれ第２
の量子井戸層の第１又は第２の半導体層の量子準位へエ
ネルギー緩和し、それら第１及び第２の半導体層のブロ
ークンギャップ型ヘテロ界面で再結合する。
即ち、このブロークンギャップ型ヘテロ界面では電子
と軽い正孔とが波動関数的に繋がっているため、電子と
正孔との再結合が極めて早く、従って第１の量子井戸層
から第２の量子井戸層へトンネルしてきた電子及び正孔
は瞬時に再結合することができる。
と軽い正孔とが波動関数的に繋がっているため、電子と
正孔との再結合が極めて早く、従って第１の量子井戸層
から第２の量子井戸層へトンネルしてきた電子及び正孔
は瞬時に再結合することができる。
これにより、エネルギーの高い励起子準位を形成する
第１の量子井戸層における透過率の始状態への回復は、
基本的に電子又は正孔がバリア層をトンネルする時間と
第２の井戸層でのエネルギー緩和時間とに主に規定され
ることになり、低励起状態のみならず高励起状態下にお
いても、また超短時間パルス列に対しても、第２の量子
井戸層での再結合時間による律速を大幅に改善すること
ができる。
第１の量子井戸層における透過率の始状態への回復は、
基本的に電子又は正孔がバリア層をトンネルする時間と
第２の井戸層でのエネルギー緩和時間とに主に規定され
ることになり、低励起状態のみならず高励起状態下にお
いても、また超短時間パルス列に対しても、第２の量子
井戸層での再結合時間による律速を大幅に改善すること
ができる。
［実施例］ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説
明する。
明する。
第１図は本発明の一実施例による非線形光学装置を示
す断面図である。
す断面図である。
被動作光によって２次元励起子が形成される厚さ40Å
のIn1-XGaXAs1-YSbY（ｘ＝ｙ＝0.5）量子井戸層１と、
このInGaAsSb量子井戸層１を挟んで設けられている厚さ
25ÅのAlSbバリア層２と、このAlSbバリア層２を介して
InGaAsSb量子井戸層１に隣接するInAs/GaSb量子井戸層
３とを１周期として80周期積層され、超格子構造を形成
している。
のIn1-XGaXAs1-YSbY（ｘ＝ｙ＝0.5）量子井戸層１と、
このInGaAsSb量子井戸層１を挟んで設けられている厚さ
25ÅのAlSbバリア層２と、このAlSbバリア層２を介して
InGaAsSb量子井戸層１に隣接するInAs/GaSb量子井戸層
３とを１周期として80周期積層され、超格子構造を形成
している。
そしてInAs/GaSb量子井戸層３においては、厚さ100Å
のInAs層４と厚さ80ÅのGaSb層５とが超格子の積層方向
に積層されており、これらInAs層４及びGaSb層５は互い
にブロークンギャップ型ヘテロ接合している。更に、こ
の超格子の両端には、厚さ100ÅのIn1-ZAlZSb（ｚ＝0.
5）キャップ層６を介してAuからなる厚さ200Åのミラー
層７が設けられている。
のInAs層４と厚さ80ÅのGaSb層５とが超格子の積層方向
に積層されており、これらInAs層４及びGaSb層５は互い
にブロークンギャップ型ヘテロ接合している。更に、こ
の超格子の両端には、厚さ100ÅのIn1-ZAlZSb（ｚ＝0.
5）キャップ層６を介してAuからなる厚さ200Åのミラー
層７が設けられている。
次に、第１図の非線形光学装置における超格子構造の
エネルギーバンド図を、第２図に示す。
エネルギーバンド図を、第２図に示す。
破線1aに示されるInGaAsSb量子井戸１の電子の第１量
子化準位Ee1は、Ee1＝229mevであり、破線4aに示される
InAs/GaSb量子井戸３におけるInAs層４の電子の第１量
子化準位Ee1よりエネルギー的に大きい。同様に、破線1
bに示されるInGaAsSb量子井戸１の正孔の第１量子化準
位Eh1は、Eh1＝30mevであり、破線5bに示されるInAs/Ga
Sb量子井戸層３におけるGaSb層５の正孔の第１量子化準
位Eh1よりエネルギー的に大きい。
子化準位Ee1は、Ee1＝229mevであり、破線4aに示される
InAs/GaSb量子井戸３におけるInAs層４の電子の第１量
子化準位Ee1よりエネルギー的に大きい。同様に、破線1
bに示されるInGaAsSb量子井戸１の正孔の第１量子化準
位Eh1は、Eh1＝30mevであり、破線5bに示されるInAs/Ga
Sb量子井戸層３におけるGaSb層５の正孔の第１量子化準
位Eh1よりエネルギー的に大きい。
そしてInAs/GaSb量子井戸３におけるInAs層４の電子
の第１量子化準位Ee1とGaSb層５の正孔の第１量子化準
位Eh1とは、そのブロークンギャップ型ヘテロ接合界面
において、Ee1＝Eh1もしくは伝導帯と価電子帯が重なっ
た状態になっている。即ち、このブロークンギャップ型
ヘテロ接合界面では、電子と軽い正孔とが波動関数的に
繋がっている。
の第１量子化準位Ee1とGaSb層５の正孔の第１量子化準
位Eh1とは、そのブロークンギャップ型ヘテロ接合界面
において、Ee1＝Eh1もしくは伝導帯と価電子帯が重なっ
た状態になっている。即ち、このブロークンギャップ型
ヘテロ接合界面では、電子と軽い正孔とが波動関数的に
繋がっている。
更に、図示しないが、InGaAsSb量子井戸１の電子の第
１量子化準位Ee1は、AlSbバリア層２の間接遷移バンド
端よりもエネルギー的に小さくなっている。
１量子化準位Ee1は、AlSbバリア層２の間接遷移バンド
端よりもエネルギー的に小さくなっている。
次に、第３図を用いて動作を説明する。
動作光の照射によってInGaAsSb量子井戸層１に励起さ
れていた電子及び正孔は、その動作光照射後、破線1a,1
bに示されるInGaAsSb量子井戸層１の量子準位Ee1、Eh1
から、AlSbバリア層２をトンネルし、それぞれ破線4a、
5bに示されるInAs/GaSb量子井戸層３のInAs層４の電子
の第１量子化準位Ee1及びGaSb層５の正孔の第１量子化
準位Eh1へとエネルギー緩和していく。そしてInAs層４
の電子の第１量子化準位Ee1とGaSb層５の正孔の第１量
子化準位Eh1とがEe1＝Eh1となっているブロークンギャ
ップ型ヘテロ界面で瞬時に再結合する。
れていた電子及び正孔は、その動作光照射後、破線1a,1
bに示されるInGaAsSb量子井戸層１の量子準位Ee1、Eh1
から、AlSbバリア層２をトンネルし、それぞれ破線4a、
5bに示されるInAs/GaSb量子井戸層３のInAs層４の電子
の第１量子化準位Ee1及びGaSb層５の正孔の第１量子化
準位Eh1へとエネルギー緩和していく。そしてInAs層４
の電子の第１量子化準位Ee1とGaSb層５の正孔の第１量
子化準位Eh1とがEe1＝Eh1となっているブロークンギャ
ップ型ヘテロ界面で瞬時に再結合する。
従って、例えばパルス幅100fsで励起子共鳴波長の動
作光を照射した場合の被動作光の透過率の時間的変化を
示すと、第４図のグラフのようになる。
作光を照射した場合の被動作光の透過率の時間的変化を
示すと、第４図のグラフのようになる。
例えば平均パワー10μＷ、100MHzの低励起状態におい
ては、第４図（ａ）に示されるように、透過率は急激に
減少すると共にまた再び急速に回復している。これは、
上記第12図に示した提案例と同様な高速応答特性であ
る。
ては、第４図（ａ）に示されるように、透過率は急激に
減少すると共にまた再び急速に回復している。これは、
上記第12図に示した提案例と同様な高速応答特性であ
る。
そして例えば平均パワー10mW、100MHzの高励起条件に
おいても、第４図（ｂ）に示されるように、低励起状態
と同様の高速応答を示すことができる。従って第４図
（ｂ）に破線で示すように、例えばΔｔ＝10ps程度の超
短時間のパルス列に対しても、十分に始状態への回復を
図ることができる。
おいても、第４図（ｂ）に示されるように、低励起状態
と同様の高速応答を示すことができる。従って第４図
（ｂ）に破線で示すように、例えばΔｔ＝10ps程度の超
短時間のパルス列に対しても、十分に始状態への回復を
図ることができる。
このように本実施例によれば、被動作光によって２次
元励起子が形成されるInGaAsSb量子井戸層１に隣接し
て、ブロークンギャップ型ヘテロ接合するInAs層４及び
GaSb層５からなるInAs/GaSb量子井戸層３を形成してい
ることにより、InGaAsSb量子井戸層１に励起されていた
電子及び正孔が、InAs/GaSb量子井戸層３にトンネルし
てInAs層４とGaSb層５とのブロークンギャップ型ヘテロ
界面で瞬時に再結合するため、低励起状態においてのみ
ならず高励起条件においても超高速動作を行なうことが
できる。従って、超短時間のパルス列に対しても、十分
に始状態への回復を図ることができ、高速応答性を実現
することができる。
元励起子が形成されるInGaAsSb量子井戸層１に隣接し
て、ブロークンギャップ型ヘテロ接合するInAs層４及び
GaSb層５からなるInAs/GaSb量子井戸層３を形成してい
ることにより、InGaAsSb量子井戸層１に励起されていた
電子及び正孔が、InAs/GaSb量子井戸層３にトンネルし
てInAs層４とGaSb層５とのブロークンギャップ型ヘテロ
界面で瞬時に再結合するため、低励起状態においてのみ
ならず高励起条件においても超高速動作を行なうことが
できる。従って、超短時間のパルス列に対しても、十分
に始状態への回復を図ることができ、高速応答性を実現
することができる。
次に、第１図に示す非線形光学装置の製造方法を、第
５図を用いて説明する。
５図を用いて説明する。
例えばInAs（001）基板８の上に、MBE成長法を用い、
厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を介して、厚さ25ÅのA
lSbバリア層２、厚さ40ÅのInGaAsSb量子井戸層１、厚
さ25ÅのAlSbバリア層２、厚さ100ÅのInAs層４、厚さ8
0ÅのGaSb層５を順に積層する。そしてAlSbバリア層
２、InGaAsSb量子井戸層１、AlSbバリア層２、InAs層
４、及びGaSb層５を１周期として80周期繰り返して積層
し、超格子構造を形成する。このとき、互いにブローク
ンギャップ型ヘテロ接合しているInAs層４及びGaSb層５
は、AlSbバリア層２に対してInAs/GaSb量子井戸層３を
形成している。
厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を介して、厚さ25ÅのA
lSbバリア層２、厚さ40ÅのInGaAsSb量子井戸層１、厚
さ25ÅのAlSbバリア層２、厚さ100ÅのInAs層４、厚さ8
0ÅのGaSb層５を順に積層する。そしてAlSbバリア層
２、InGaAsSb量子井戸層１、AlSbバリア層２、InAs層
４、及びGaSb層５を１周期として80周期繰り返して積層
し、超格子構造を形成する。このとき、互いにブローク
ンギャップ型ヘテロ接合しているInAs層４及びGaSb層５
は、AlSbバリア層２に対してInAs/GaSb量子井戸層３を
形成している。
そして再び、厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を形成
した後、厚さ200ÅのAuからなるミラー層７を蒸着する
（第５図（ａ）参照）。更に裏面からInAs基板８をエッ
チングにより除去した後、InAlSbキャップ層６底面に20
0Åのミラー層７を蒸着する（第５図（ｂ）参照）。
した後、厚さ200ÅのAuからなるミラー層７を蒸着する
（第５図（ａ）参照）。更に裏面からInAs基板８をエッ
チングにより除去した後、InAlSbキャップ層６底面に20
0Åのミラー層７を蒸着する（第５図（ｂ）参照）。
このようにして、AlSbバリア層２を介して、InGaAsSb
量子井戸層１とブロークンギャップ型ヘテロ接合するIn
As層４及びGaSb層５からなるInAs/GaSb量子井戸層３と
が隣接する超格子の両端にミラー層７を設けた光共振器
を形成する。
量子井戸層１とブロークンギャップ型ヘテロ接合するIn
As層４及びGaSb層５からなるInAs/GaSb量子井戸層３と
が隣接する超格子の両端にミラー層７を設けた光共振器
を形成する。
次に、本発明の他の実施例について、第６図及び第７
図を用いて説明する。
図を用いて説明する。
第６図は本発明の他の実施例による非線形光学装置を
示す断面図、第７図（ａ）は第６図の非線形光学装置の
Ａ−Ａ線断面における超格子構造のネルギーバンド図、
第７図（ｂ）はＢ−Ｂ線断面における超格子構造のエネ
ルギーバンド図である。
示す断面図、第７図（ａ）は第６図の非線形光学装置の
Ａ−Ａ線断面における超格子構造のネルギーバンド図、
第７図（ｂ）はＢ−Ｂ線断面における超格子構造のエネ
ルギーバンド図である。
厚さ25ÅのAlSbバリア層２、厚さ40ÅのInGaAsSb量子
井戸層１、厚さ25ÅのAlSbバリア層２、及び厚さ100Å
のInAs/GaSb量子井戸層13を１周期とし80周期積層さ
れ、超格子構造を形成している。そしてInAs/GaSb量子
井戸層13においては、超格子の積層方向と直角な水平方
向に幅174ÅのInAs層14と幅174ÅのGaSb層15とが周期的
に形成され、互いにブロークンギャップ型ヘテロ接合す
る量子細線となっている。そしてこれら80周期の超格子
の両端は、InAlSbキャップ層６を介してミラー層７が設
けられ光共振器構造となっている。
井戸層１、厚さ25ÅのAlSbバリア層２、及び厚さ100Å
のInAs/GaSb量子井戸層13を１周期とし80周期積層さ
れ、超格子構造を形成している。そしてInAs/GaSb量子
井戸層13においては、超格子の積層方向と直角な水平方
向に幅174ÅのInAs層14と幅174ÅのGaSb層15とが周期的
に形成され、互いにブロークンギャップ型ヘテロ接合す
る量子細線となっている。そしてこれら80周期の超格子
の両端は、InAlSbキャップ層６を介してミラー層７が設
けられ光共振器構造となっている。
即ち、上記第１図に示す非線形光学装置においては、
AlSbバリア層２を介してInGaAsSb量子井戸層１に隣接す
るInAs/GaSb量子井戸層３の互いにブロークンギャップ
型ヘテロ接合するInAs層４とGaSb層５とが、超格子の積
層方向に沿って積層されているのに対して、第６図に示
される本実施例による非線形光学装置の場合、AlSbバリ
ア層２を介してInGaAsSb量子井戸層１に隣接するInAs/G
aSb量子井戸層13の互いにブロークンギャップ型ヘテロ
接合するInAs層14とGaSb層15とは、量子細線として、超
格子の積層方向と直角な水平方向に周期的に形成されて
いることに特徴がある。
AlSbバリア層２を介してInGaAsSb量子井戸層１に隣接す
るInAs/GaSb量子井戸層３の互いにブロークンギャップ
型ヘテロ接合するInAs層４とGaSb層５とが、超格子の積
層方向に沿って積層されているのに対して、第６図に示
される本実施例による非線形光学装置の場合、AlSbバリ
ア層２を介してInGaAsSb量子井戸層１に隣接するInAs/G
aSb量子井戸層13の互いにブロークンギャップ型ヘテロ
接合するInAs層14とGaSb層15とは、量子細線として、超
格子の積層方向と直角な水平方向に周期的に形成されて
いることに特徴がある。
また、破線14a、15bに示されるInAs/GaSb量子井戸層1
3におけるInAs層14の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb
層15の正孔の第１量子化準位Eh1は、それぞれ上記第２
図の破線4a、5bに示されるInAs/GaSb量子井戸３におけ
るInAs層４の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb層５の
正孔の第１量子化準位Eh1と同等である。
3におけるInAs層14の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb
層15の正孔の第１量子化準位Eh1は、それぞれ上記第２
図の破線4a、5bに示されるInAs/GaSb量子井戸３におけ
るInAs層４の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb層５の
正孔の第１量子化準位Eh1と同等である。
従って、上記第３図を用いて説明した動作と同様にし
て、動作光の照射によってInGaAsSb量子井戸層１に励起
された電子及び正孔は、破線1a、1bに示されるInGaAsSb
量子井戸層１の量子準位Ee1、Eh1から、AlSbバリア層２
をトンネルし、それぞれ破線14a、15bに示されるInAs/G
aSb量子井戸層13のInAs層14の電子の第１量子化準位Ee1
及びGaSb層15の正孔の第１量子化準位Eh1へとエネルギ
ー緩和し、そのブロークンギャップ型ヘテロ界面で瞬時
に再結合する。
て、動作光の照射によってInGaAsSb量子井戸層１に励起
された電子及び正孔は、破線1a、1bに示されるInGaAsSb
量子井戸層１の量子準位Ee1、Eh1から、AlSbバリア層２
をトンネルし、それぞれ破線14a、15bに示されるInAs/G
aSb量子井戸層13のInAs層14の電子の第１量子化準位Ee1
及びGaSb層15の正孔の第１量子化準位Eh1へとエネルギ
ー緩和し、そのブロークンギャップ型ヘテロ界面で瞬時
に再結合する。
こうして、本実施例においても、上記第４図のグラフ
に示される効果と同様の効果を奏することができる。
に示される効果と同様の効果を奏することができる。
次に、第６図に示す非線形光学装置の製造方法を、第
８図を用いて説明する。
８図を用いて説明する。
InAs（001）基板８表面を［110］方向に傾斜角θ＝0.
5°で傾斜させる。これにより、InAs基板８表面には段
差a/2（ここで、ａは格子定数とする。）及びステップ
長ｌ≒347Åの階段状の傾斜面が形成される（第８図
（ａ）参照）。
5°で傾斜させる。これにより、InAs基板８表面には段
差a/2（ここで、ａは格子定数とする。）及びステップ
長ｌ≒347Åの階段状の傾斜面が形成される（第８図
（ａ）参照）。
次いで、このInAs基板８の傾斜面上に、MBE成長法を
用いて、厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を介して、厚
さ25ÅのAlSbバリア層２、厚さ40ÅのInGaAsSb量子井戸
層１、厚さ25ÅのAlSbバリア層２を順に積層する。
用いて、厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を介して、厚
さ25ÅのAlSbバリア層２、厚さ40ÅのInGaAsSb量子井戸
層１、厚さ25ÅのAlSbバリア層２を順に積層する。
続いて、AlSbバリア層２上に、InAs/GaSb量子井戸層1
3を成長させる。このとき、InAs基板８表面が0.5°傾斜
しているために、１分子層厚のステップ間隔は約347Å
となる。従って、ステップフローモードによって174Å
ごとにInAs層14及びGaSb層15を繰り返し成長させること
により、幅174Å、厚さ100ÅのInAs層14からなる量子細
線及びGaSb層15からなる量子細線を周期的に形成する。
こうして、互いにブロークンギャック型ヘテロ接合して
いるInAs層14とGaSb層15とが量子細線として周期的に配
列された厚さ100ÅのInAs/GaSb量子井戸層13が形成され
る。
3を成長させる。このとき、InAs基板８表面が0.5°傾斜
しているために、１分子層厚のステップ間隔は約347Å
となる。従って、ステップフローモードによって174Å
ごとにInAs層14及びGaSb層15を繰り返し成長させること
により、幅174Å、厚さ100ÅのInAs層14からなる量子細
線及びGaSb層15からなる量子細線を周期的に形成する。
こうして、互いにブロークンギャック型ヘテロ接合して
いるInAs層14とGaSb層15とが量子細線として周期的に配
列された厚さ100ÅのInAs/GaSb量子井戸層13が形成され
る。
なお、傾斜角やステップ長内でのInAs層14とGaSb層15
との幅の比率は、これら２つの量子細線の作るInAs/GaS
bの量子化準位とInGaAsSb量子井戸層１及びAlSbバリア
層２の作るInGaAsSb/AlSbの量子化準位との兼ね合いで
適当に選ぶことができる。
との幅の比率は、これら２つの量子細線の作るInAs/GaS
bの量子化準位とInGaAsSb量子井戸層１及びAlSbバリア
層２の作るInGaAsSb/AlSbの量子化準位との兼ね合いで
適当に選ぶことができる。
こうして、AlSbバリア層２、InGaAsSb量子井戸層１、
AlSbバリア層２、及びInAs層14とGaSb層15とが量子細線
として周期的に配列されたInAs/GaSb量子井戸層13を１
周期として80周期繰り返し積層し、超格子構造を形成す
る。そして再び、厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を形
成した後、厚さ200ÅのAuからなるミラー層７を蒸着す
る（第７図（ｂ）参照）。
AlSbバリア層２、及びInAs層14とGaSb層15とが量子細線
として周期的に配列されたInAs/GaSb量子井戸層13を１
周期として80周期繰り返し積層し、超格子構造を形成す
る。そして再び、厚さ100ÅのInAlSbキャップ層６を形
成した後、厚さ200ÅのAuからなるミラー層７を蒸着す
る（第７図（ｂ）参照）。
更に、図示はしないが、裏面からInAs基板８をエッチ
ングにより除去した後、InAlSbキャップ層６底面に200
Åのミラー層７を蒸着して、第５図に示すような光共振
器構造を形成する。
ングにより除去した後、InAlSbキャップ層６底面に200
Åのミラー層７を蒸着して、第５図に示すような光共振
器構造を形成する。
なお、上記２つの実施例においては、InGaAsSb量子井
戸層１の厚さは40Åであるが、この厚さは、入射した光
により２次元励起子が励起されると共に、InGaAsSb量子
井戸１の電子の第１量子化準位Ee1及び正孔の第１量子
化順位Eh1がそれぞれInAs/GaSb量子井戸３、13における
InAs層４、14の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb層
５、15の正孔の第１量子化準位Eh1よりエネルギー的に
大きく、またInGaAsSb量子井戸１の電子の第１量子化準
位Ee1がAlSbバリア層２の間接遷移バンド端よりもエネ
ルギー的に小さくなるように選ばれていればよい。
戸層１の厚さは40Åであるが、この厚さは、入射した光
により２次元励起子が励起されると共に、InGaAsSb量子
井戸１の電子の第１量子化準位Ee1及び正孔の第１量子
化順位Eh1がそれぞれInAs/GaSb量子井戸３、13における
InAs層４、14の電子の第１量子化準位Ee1及びGaSb層
５、15の正孔の第１量子化準位Eh1よりエネルギー的に
大きく、またInGaAsSb量子井戸１の電子の第１量子化準
位Ee1がAlSbバリア層２の間接遷移バンド端よりもエネ
ルギー的に小さくなるように選ばれていればよい。
また、ブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成する２
つの半導体層の材料としてはInAs/GaSbの組合せを用い
たが、これら以外にも例えばInAs/GaAs1-XSbXを用いて
もよい。このときの超格子構造を製造する際にはInAs基
板を用いる。また、InAs1-YSbY/GaSbであってもよい。
このときには、GaSb基板を用いる。
つの半導体層の材料としてはInAs/GaSbの組合せを用い
たが、これら以外にも例えばInAs/GaAs1-XSbXを用いて
もよい。このときの超格子構造を製造する際にはInAs基
板を用いる。また、InAs1-YSbY/GaSbであってもよい。
このときには、GaSb基板を用いる。
［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、入射した光により２次
元励起子が励起される第１の量子井戸層にバリア層を介
して第２の量子井戸層が隣接され、この第２の量子井戸
層が互いにブロークンギャップ型ヘテロヘテロ接合する
第１及び第２の半導体層を有していることにより、第１
の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞれバリ
ア層をトンネルして第２の量子井戸層に移送されて、そ
の第１の半導体層と第２の半導体層とのブロークンギャ
ップ型ヘテロ界面において瞬時に再結合するため、低励
起状態のみならず高励起状態下においても、自由電子又
は励起子の励起による超格子層の屈折率の変化を高速で
行なうと共に、励起された自由電子を高速移送して超格
子層の屈折率の始状態への回復を早くすることができ
る。
元励起子が励起される第１の量子井戸層にバリア層を介
して第２の量子井戸層が隣接され、この第２の量子井戸
層が互いにブロークンギャップ型ヘテロヘテロ接合する
第１及び第２の半導体層を有していることにより、第１
の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞれバリ
ア層をトンネルして第２の量子井戸層に移送されて、そ
の第１の半導体層と第２の半導体層とのブロークンギャ
ップ型ヘテロ界面において瞬時に再結合するため、低励
起状態のみならず高励起状態下においても、自由電子又
は励起子の励起による超格子層の屈折率の変化を高速で
行なうと共に、励起された自由電子を高速移送して超格
子層の屈折率の始状態への回復を早くすることができ
る。
これにより、ピーク強度の強い動作光又は被動作光に
対しても高速動作することができ、従って超短時間パル
ス列に対しても応答することができる高周波応答特性を
実現することができる。
対しても高速動作することができ、従って超短時間パル
ス列に対しても応答することができる高周波応答特性を
実現することができる。
第１図は本発明の一実施例による非線形光学装置を示す
断面図、 第２図は第１図の非線形光学装置のエネルギーバンド
図、 第３図は第１図の非線形光学装置の動作を説明するため
の図、 第４図は第１図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フ、 第５図は第１図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第６図は本発明の他の実施例によるによる非線形光学装
置を示す断面図、 第７図は第６図の非線形光学装置のエネルギーバンド
図、 第８図は第６図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第９図は従来の非線形光学装置のエネルギーバンド図、 第10図は第９図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フ、 第11図は従来の非線形光学装置のエネルギーバンド図、 第12図は第11図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フである。 図において、 １……InGaAsSb量子井戸層、２……AlSbバリア層、３、
13……InAs/GaSb量子井戸層、４、14……InAs層、５、1
5……GaSb層、６……InAlSbキャップ層、７……ミラー
層、８……InAs基板、21、23……量子井戸、22……バリ
ア。
断面図、 第２図は第１図の非線形光学装置のエネルギーバンド
図、 第３図は第１図の非線形光学装置の動作を説明するため
の図、 第４図は第１図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フ、 第５図は第１図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第６図は本発明の他の実施例によるによる非線形光学装
置を示す断面図、 第７図は第６図の非線形光学装置のエネルギーバンド
図、 第８図は第６図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第９図は従来の非線形光学装置のエネルギーバンド図、 第10図は第９図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フ、 第11図は従来の非線形光学装置のエネルギーバンド図、 第12図は第11図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フである。 図において、 １……InGaAsSb量子井戸層、２……AlSbバリア層、３、
13……InAs/GaSb量子井戸層、４、14……InAs層、５、1
5……GaSb層、６……InAlSbキャップ層、７……ミラー
層、８……InAs基板、21、23……量子井戸、22……バリ
ア。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−180036（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−74327（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−87125（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−210332（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 G02F 1/35
Claims (7)
- 【請求項１】入射した光により２次元励起子が励起され
る第１の量子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟むバ
リア層と、前記バリア層を介して前記第１の量子井戸層
に隣接する第２の量子井戸層とが周期的に形成されてい
る超格子構造を有する光半導体装置において、 前記第２の量子井戸層が互いにヘテロ接合する第１及び
第２の半導体層を有すると共に、前記第１の半導体層の
伝導体の下端が前記第２の半導体層の価電子体の上端よ
り下に位置するブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成
し、 前記第１の半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井
戸層の電子基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記
第２の半導体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層
の正孔基底準位よりエネルギー的に低く、 前記第１の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれ
ぞれ前記バリア層をトンネルして前記第２の量子井戸層
に移送されて、前記第２の量子井戸層の前記第１の半導
体層と前記第２の半導体層とのブロークンギャップ型ヘ
テロ界面において再結合する ことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】請求項１記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層とが、前記第１の量子井戸層及び前記バリア
層の積層方向に積層されている ことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項３】請求項１記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層とが、前記第１の量子井戸層及び前記バリア
層の積層方向に対して水平方向に周期的に形成されてい
る ことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項４】請求項３記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の周期的に形成されている前記第
１の半導体層と前記第２の半導体層とが、それぞれ量子
細線である ことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装
置において、 前記第１の量子井戸層と、前記バリア層と、前記第１及
び第２の半導体層を有する前記第２の量子井戸層とが周
期的に形成されている超格子の両側に、光学的鏡が設け
られている ことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項６】基板上に、第１のバリア層を介して、入射
した光により２次元励起子が励起される第１の量子井戸
層を形成し、 前記第１の量子井戸層上に、第２のバリア層を形成し、 前記第２のバリア層上に、電子基底準位が前記第１の量
子井戸層の電子基底準位よりエネルギー的に低い第１の
半導体層と、正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正
孔基底準位よりエネルギー的に低い第２の半導体層とを
積層させることにより、前記第１の半導体層の伝導体の
下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位
置するようにブロークンギャップ型ヘテロ接合している
前記第１及び第２の半導体層からなる第２の量子井戸を
形成し、 前記第１のバリア層、前記第１の量子井戸層、前記第２
のバリア層、並びに積層された前記第１及び第２の半導
体層を有する前記第２の量子井戸層を１周期として繰り
返し積層することにより、超格子を形成し、 前記超格子上面に光学的鏡を設け、 前記基板をエッチング除去した後、前記超格子底面に光
学的鏡を設ける ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】表面を所定の角度に傾斜させた基板上に、
第１のバリア層を介して、入射した光により２次元励起
子が励起される第１の量子井戸層を形成し、 前記第１の量子井戸層上に、第２のバリア層を形成し、 前記第２のバリア層の傾斜した表面上に、電子基底準位
が前記第１の量子井戸層の電子基底準位よりエネルギー
的に低い第１の半導体層と、正孔基底準位が前記第１の
量子井戸層の正孔基底準位よりエネルギー的に低い第２
の半導体層とを、ステップフローモードによって前記第
１の量子井戸層及び前記バリア層の積層方向に対して水
平方向に周期的に成長させ、前記第１の半導体層の伝導
体の下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下
に位置するようにブロークンギャップ型ヘテロ接合して
いる前記第１及び第２の半導体層の周期構造を有する第
２の量子井戸を形成し、 前記第１のバリア層、前記第１の量子井戸層、前記第２
のバリア層、並びに周期的に形成された前記第１及び第
２の半導体層を有する前記第２の量子井戸層を１周期と
して繰り返し積層することにより、超格子を形成し、 前記超格子上面に光学的鏡を設け、 前記基板をエッチング除去した後、露出した前記超格子
底面に光学的鏡を設ける ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14789790A JP2911546B2 (ja) | 1990-06-06 | 1990-06-06 | 光半導体装置及びその製造方法 |
| EP91401487A EP0461042B1 (en) | 1990-06-06 | 1991-06-06 | High speed optosemiconductor device having multiple quantum wells |
| US07/711,548 US5160993A (en) | 1990-06-06 | 1991-06-06 | High speed optosemiconductor device having multiple quantum wells |
| DE69112288T DE69112288T2 (de) | 1990-06-06 | 1991-06-06 | Hochgeschwindigkeitsoptohalbleitervorrichtung mit mehrfachen Quantentöpfen. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14789790A JP2911546B2 (ja) | 1990-06-06 | 1990-06-06 | 光半導体装置及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0442983A JPH0442983A (ja) | 1992-02-13 |
| JP2911546B2 true JP2911546B2 (ja) | 1999-06-23 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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