JP2937460B2 - 量子井戸構造光素子 - Google Patents
量子井戸構造光素子Info
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は量子井戸構造光素子に関する。
近年、有機金属気相エピタキシー（MOVPE）技術、分
子線エピタキシー（MBE）技術などの薄膜結晶成長技術
の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急峻な組
成変化を持った良質な半導体ヘテロ接合界面が製作され
るようになった。これらのヘテロ接合によって形成され
るポテンシャル井戸構造、超格子構造では電子の波動性
に起因する特異な光学特性，電気特性を有しておりデバ
イス応用への研究が活発化している。このような電子の
波動性の顕在化する現象の中で最も代表的なものには量
子サイズ効果とトンネル効果がある。
子線エピタキシー（MBE）技術などの薄膜結晶成長技術
の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急峻な組
成変化を持った良質な半導体ヘテロ接合界面が製作され
るようになった。これらのヘテロ接合によって形成され
るポテンシャル井戸構造、超格子構造では電子の波動性
に起因する特異な光学特性，電気特性を有しておりデバ
イス応用への研究が活発化している。このような電子の
波動性の顕在化する現象の中で最も代表的なものには量
子サイズ効果とトンネル効果がある。
例えばトンネル効果をデバイスに応用した例として
は、共鳴トンネルダイオード，ホットエレクトロントラ
ンジスタがある。
は、共鳴トンネルダイオード，ホットエレクトロントラ
ンジスタがある。
また、量子井戸層を活性層とした量子井戸構造半導体
レーザは前述のような量子サイズ効果によって生じる高
い状態密度をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもの
で、従来のダブルヘテロ接合半導体レーザ比べ、（１）
低発振しきい電流、（２）温度安定性、（３）高い発光
効率、（４）緩和振動周波数の増大、（５）スペクトル
線幅、チャーピング低減など、多くの特徴を有している
ことが報告されている。これらの優れた特性は２次元平
面内に電子および正孔を局在させたために生じた量子力
学的効果による。
レーザは前述のような量子サイズ効果によって生じる高
い状態密度をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもの
で、従来のダブルヘテロ接合半導体レーザ比べ、（１）
低発振しきい電流、（２）温度安定性、（３）高い発光
効率、（４）緩和振動周波数の増大、（５）スペクトル
線幅、チャーピング低減など、多くの特徴を有している
ことが報告されている。これらの優れた特性は２次元平
面内に電子および正孔を局在させたために生じた量子力
学的効果による。
さらに量子サイズ効果を光素子に応用した例として、
電界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。これは量子
井戸構造が二次元的なバンド構造を有するため急峻な吸
収端をもち、また室温においても励起子が存在し電界効
果がバルクに比べて大きいことを利用しようとするもの
である。量子井戸構造に垂直に105V/cm程度の高電界印
加時にも励起子は解離せず、励起子吸収ピークは電界強
度の２乗に比例して長波長側にシフトする。このような
量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark
Effect）を応用した例としては、K.Wakita等が1987年
にジャーナル・オブ・クウォンタム・エレクトロニクス
誌QE−23巻2210−2215頁（K.Wakita et al.,IEEE J.Qua
ntum Electron.,QE−23,pp.2210−2215,1987）に報告し
た電界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。
電界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。これは量子
井戸構造が二次元的なバンド構造を有するため急峻な吸
収端をもち、また室温においても励起子が存在し電界効
果がバルクに比べて大きいことを利用しようとするもの
である。量子井戸構造に垂直に105V/cm程度の高電界印
加時にも励起子は解離せず、励起子吸収ピークは電界強
度の２乗に比例して長波長側にシフトする。このような
量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark
Effect）を応用した例としては、K.Wakita等が1987年
にジャーナル・オブ・クウォンタム・エレクトロニクス
誌QE−23巻2210−2215頁（K.Wakita et al.,IEEE J.Qua
ntum Electron.,QE−23,pp.2210−2215,1987）に報告し
た電界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。
しかし、一般に量子井戸構造に垂直に電界が印加され
た場合では波動関数に対称性が失われ、第４図に示すよ
うに伝導帯の波動関数ψＣは印加電界に対して正電位側
に、価電子帯の波動関数ψＶは負電位側に移動する。ま
た、印加電界の増加とともに実効的なエネルギーギャッ
プは減少する。従って、波動関数ψC,ψＶの空間的な分
離によって遷移の確率を与える行列要素は減少するた
め、前述したような従来の量子井戸構造光素子において
は発光および吸収効率の低下が生じていた。
た場合では波動関数に対称性が失われ、第４図に示すよ
うに伝導帯の波動関数ψＣは印加電界に対して正電位側
に、価電子帯の波動関数ψＶは負電位側に移動する。ま
た、印加電界の増加とともに実効的なエネルギーギャッ
プは減少する。従って、波動関数ψC,ψＶの空間的な分
離によって遷移の確率を与える行列要素は減少するた
め、前述したような従来の量子井戸構造光素子において
は発光および吸収効率の低下が生じていた。
前述の課題を解決するために本発明が提供する手段
は、半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導体薄膜を
積層してなる量子井戸構造光素子において、井戸層と障
壁層の界面のうちの少なくとも一方の界面が、連続的に
禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用い
る。
は、半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導体薄膜を
積層してなる量子井戸構造光素子において、井戸層と障
壁層の界面のうちの少なくとも一方の界面が、連続的に
禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用い
る。
すなわち、本発明では井戸層と障壁層の界面が連続的
に禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用
い、波動関数の空間的な分離を抑えることによって遷移
確率を与える行列要素の減少を抑制し、量子井戸構造光
素子における発光および吸収効率の増大を図っている。
に禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用
い、波動関数の空間的な分離を抑えることによって遷移
確率を与える行列要素の減少を抑制し、量子井戸構造光
素子における発光および吸収効率の増大を図っている。
第３図は本発明の原理を説明する量子井戸構造の電界
印加時のエネルギー図である。電界印加時に波動関数ψ
C,ψＶは空間的に分離するが、本発明によれば、障壁層
との界面では禁制帯幅が連続的に変化しているため、電
界印加による実効的なエネルギーギャップの減少に伴
い、伝導帯の波動関数ψＣは前述の空間的分離を打消す
方向に移動する。
印加時のエネルギー図である。電界印加時に波動関数ψ
C,ψＶは空間的に分離するが、本発明によれば、障壁層
との界面では禁制帯幅が連続的に変化しているため、電
界印加による実効的なエネルギーギャップの減少に伴
い、伝導帯の波動関数ψＣは前述の空間的分離を打消す
方向に移動する。
この場合では、伝導帯のエネルギー不連続△ECが価電
子帯のエネルギー不連続△EVよりも小さく、正電位側の
禁制帯幅が連続的に変化する傾斜層としているが、伝導
帯のエネルギー不連続の方が大きい場合等では負電位側
の界面を傾斜層とした方が有効となる場合がある。
子帯のエネルギー不連続△EVよりも小さく、正電位側の
禁制帯幅が連続的に変化する傾斜層としているが、伝導
帯のエネルギー不連続の方が大きい場合等では負電位側
の界面を傾斜層とした方が有効となる場合がある。
本発明による第一の実施例を第１図を参照して詳細に
説明する。量子井戸構造の成長法としては有機金属気相
成長（MOVPE）法を用いた。
説明する。量子井戸構造の成長法としては有機金属気相
成長（MOVPE）法を用いた。
第１図（ａ）に本発明による量子井戸構造50のエネル
ギーバンド図を示す。障壁層51はInPであり、井戸層52
はInGaAs層（厚さ40Å）53および傾斜層54から構成さ
れ、傾斜層54は厚さ15Åでその組成は1.4μｍ組成InGaA
sPからInGaAsまで連続的に変化している。55,56はそれ
ぞれ井戸層の伝導帯，価電子帯の基底量子準位であり、
その禁制帯幅は0.85eV（波長換算で1.46μｍ）である。
ギーバンド図を示す。障壁層51はInPであり、井戸層52
はInGaAs層（厚さ40Å）53および傾斜層54から構成さ
れ、傾斜層54は厚さ15Åでその組成は1.4μｍ組成InGaA
sPからInGaAsまで連続的に変化している。55,56はそれ
ぞれ井戸層の伝導帯，価電子帯の基底量子準位であり、
その禁制帯幅は0.85eV（波長換算で1.46μｍ）である。
第１図（ｂ）は上記の構造を用いた多重量子井戸光変
調器の断面図である。ｎ−InP半導体基板10上にｎ−InP
クラッド層20、量子井戸構造50、ｐ−InPクラッド層6
0、ｐ−InGaAsPコンタクト層70を成長後、幅約３μｍの
導波部をエッチングにより形成した後、高抵抗InP（Fe
ドープ）80によって埋め込んだ。
調器の断面図である。ｎ−InP半導体基板10上にｎ−InP
クラッド層20、量子井戸構造50、ｐ−InPクラッド層6
0、ｐ−InGaAsPコンタクト層70を成長後、幅約３μｍの
導波部をエッチングにより形成した後、高抵抗InP（Fe
ドープ）80によって埋め込んだ。
上記の構造により、低駆動電圧（２〜3V）で良好な減
衰比（15dB以上）の光変調器が得られた。
衰比（15dB以上）の光変調器が得られた。
本発明による第二の実施例を第２図を参照して説明す
る。
る。
第一の実施例と異なるのは、本実施例では電子と正孔
の有効質量の違いを利用して、伝導帯の基底量子準位が
傾斜層に位置し、価電子帯の基底量子準位が急峻な界面
に位置するようにしている点である。本実施例では価電
子帯の波動関数の電界による移動も第一の実施例のよう
な場合に比べ抑えられるため効果はさらに大きい。
の有効質量の違いを利用して、伝導帯の基底量子準位が
傾斜層に位置し、価電子帯の基底量子準位が急峻な界面
に位置するようにしている点である。本実施例では価電
子帯の波動関数の電界による移動も第一の実施例のよう
な場合に比べ抑えられるため効果はさらに大きい。
第２図に本発明による量子井戸構造150のエネルギー
バンド図を示す。障壁層151はInPであり、井戸層152はI
nGaAs層（厚さ40Å）153、第１の界面157および第２の
界面158、傾斜層154から構成され、傾斜層154は厚さ15
Åでの組成は1.42μｍ組成InGaAsPから1.55μｍ組成InG
aAsPまで連続的に変化している。155,156はそれぞれ井
戸層の伝導帯、価電子帯の基底量子準位であり、その禁
制帯幅は0.85eV（波長換算で1.46μｍ）である。
バンド図を示す。障壁層151はInPであり、井戸層152はI
nGaAs層（厚さ40Å）153、第１の界面157および第２の
界面158、傾斜層154から構成され、傾斜層154は厚さ15
Åでの組成は1.42μｍ組成InGaAsPから1.55μｍ組成InG
aAsPまで連続的に変化している。155,156はそれぞれ井
戸層の伝導帯、価電子帯の基底量子準位であり、その禁
制帯幅は0.85eV（波長換算で1.46μｍ）である。
上記の量子井戸構造を用い第一の実施例と同様な構造
の光変調器を作製したところ、低駆動電圧（〜2V）で良
好な減衰比（20dB以上）を有する優れた特性の光変調器
が得られた。
の光変調器を作製したところ、低駆動電圧（〜2V）で良
好な減衰比（20dB以上）を有する優れた特性の光変調器
が得られた。
上記実施例ではInP系半導体を用いた量子井戸構造光
素子を例に説明したが、多の半導体、例えばGaAs/GaAlA
s系半導体を用いた場合でも有効である。また光変調器
に限らず半導体レーザ，発光ダイオード等の発光素子に
も応用可能である。
素子を例に説明したが、多の半導体、例えばGaAs/GaAlA
s系半導体を用いた場合でも有効である。また光変調器
に限らず半導体レーザ，発光ダイオード等の発光素子に
も応用可能である。
以上述べてきたように、本発明によれば発光および吸
収効率の高い高性能な量子井戸構造光素子を得ることが
できる。
収効率の高い高性能な量子井戸構造光素子を得ることが
できる。
第１図は本発明の第一の実施例の説明図であり、第２図
は本発明の第二の実施例の説明図である。第３図は本発
明の作用の説明図、第４図は従来構造の説明図である。 図中、10はｎ−InP半導体基板、20はｎ−InPクラッド
層、50は量子井戸構造、51は障壁層、52は井戸層、53は
InGaAs層、54は傾斜層、55は伝導帯の基底量子準位、56
は価電子帯の基底量子準位、60はｐ−InPクラッド層、7
0はｐ−InGaAsPコンタクト層、150は量子井戸構造、151
は障壁層、152は井戸層、153はInGaAs層、154は傾斜
層、155は伝導帯の基底量子準位、156は価電子帯の基底
量子準位、157は第１の界面、158は第２の界面である。
は本発明の第二の実施例の説明図である。第３図は本発
明の作用の説明図、第４図は従来構造の説明図である。 図中、10はｎ−InP半導体基板、20はｎ−InPクラッド
層、50は量子井戸構造、51は障壁層、52は井戸層、53は
InGaAs層、54は傾斜層、55は伝導帯の基底量子準位、56
は価電子帯の基底量子準位、60はｐ−InPクラッド層、7
0はｐ−InGaAsPコンタクト層、150は量子井戸構造、151
は障壁層、152は井戸層、153はInGaAs層、154は傾斜
層、155は伝導帯の基底量子準位、156は価電子帯の基底
量子準位、157は第１の界面、158は第２の界面である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−2684（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−45995（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−220591（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−142710（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−88322（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−88687（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−137779（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導
体薄膜を積層してなる量子井戸構造光素子において、前
記量子井戸構造の井戸層の禁制帯幅を一定とし、井戸層
と障壁層の界面のうちの一方の界面に、連続的に組成の
変化する半導体層を挿入して、連続的に禁制帯幅の変化
する傾斜界面を設けたことを特徴とする量子井戸構造光
素子。 - 【請求項２】請求項１記載の量子井戸構造光素子におい
て、前記界面の一部の禁制帯幅が連続的に変化すること
を特徴とする量子井戸構造光素子。 - 【請求項３】請求項１記載の量子井戸構造光素子におい
て、量子井戸構造に印加される電界の正電位側の界面の
禁制帯幅が連続的に変化することを特徴とする量子井戸
構造光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223290A JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223290A JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04174585A JPH04174585A (ja) | 1992-06-22 |
| JP2937460B2 true JP2937460B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=17906543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30223290A Expired - Lifetime JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2937460B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0888434A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ，及びその製造方法 |
| JP3904947B2 (ja) * | 2002-03-01 | 2007-04-11 | 三菱電機株式会社 | 光変調器 |
| WO2004048085A1 (ja) | 2002-11-25 | 2004-06-10 | Three Bond Co., Ltd. | 積層構造体 |
| JP6320138B2 (ja) * | 2014-04-10 | 2018-05-09 | 三菱電機株式会社 | 電界吸収型半導体光変調器 |
| JP7405554B2 (ja) * | 2019-10-01 | 2023-12-26 | 旭化成株式会社 | 紫外線発光素子 |
| GB2612308A (en) * | 2021-10-26 | 2023-05-03 | Airbus Sas | Electro-absorption modulator |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS622684A (ja) * | 1985-06-28 | 1987-01-08 | Nec Corp | 半導体レ−ザ |
| JPH01142710A (ja) * | 1987-11-30 | 1989-06-05 | Nec Corp | 傾斜型量子井戸構造の製造方法 |
-
1990
- 1990-11-07 JP JP30223290A patent/JP2937460B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04174585A (ja) | 1992-06-22 |
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