JP2956348B2 - 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置 - Google Patents
量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置Info
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- JP2956348B2 JP2956348B2 JP4101742A JP10174292A JP2956348B2 JP 2956348 B2 JP2956348 B2 JP 2956348B2 JP 4101742 A JP4101742 A JP 4101742A JP 10174292 A JP10174292 A JP 10174292A JP 2956348 B2 JP2956348 B2 JP 2956348B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は量子井戸を用いて光吸収
スペクトルを制御光により制御可能とすることによりキ
ャリア光の周波数変調、強度変調、スイッチング、フィ
ルタリング等の特性を変化させるようにした光吸収制御
半導体装置に関する。
スペクトルを制御光により制御可能とすることによりキ
ャリア光の周波数変調、強度変調、スイッチング、フィ
ルタリング等の特性を変化させるようにした光吸収制御
半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光集積回路用の光変調器として
は、LiNbO3基板に導波路を形成したものが知られてい
る。また、8nm のGaAs層と5nm のAlGaAs層とを８周期積
層した構造において、エキシトン吸収における電界効果
を利用した光変調器が提案されている（JJAP Vol.24 N
o.6 1985 pp.L442-L444 )。
は、LiNbO3基板に導波路を形成したものが知られてい
る。また、8nm のGaAs層と5nm のAlGaAs層とを８周期積
層した構造において、エキシトン吸収における電界効果
を利用した光変調器が提案されている（JJAP Vol.24 N
o.6 1985 pp.L442-L444 )。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、LiNbO3基板に
導波路を形成したものは、幾何光学的原理を用いた素子
で変調器を構成するもので、素子形状が大きくなるとい
う問題がある。又、エキシトン吸収における電界効果を
利用した装置では、ドナー、アクセプタレベル間の遷移
吸収特性における急峻性を変化させるものに過ぎない。
よって、急峻性が良くないので、変調効率も高くするこ
とはできない。また、使用波長範囲がこの吸収端付近に
限定されるという問題がある。本発明の目的は、全く新
しい原理に基づく光吸収特性を利用した効率の良い吸収
特性の急峻な、即ち、波長選択性の高い光吸収制御半導
体装置を実現することである。
導波路を形成したものは、幾何光学的原理を用いた素子
で変調器を構成するもので、素子形状が大きくなるとい
う問題がある。又、エキシトン吸収における電界効果を
利用した装置では、ドナー、アクセプタレベル間の遷移
吸収特性における急峻性を変化させるものに過ぎない。
よって、急峻性が良くないので、変調効率も高くするこ
とはできない。また、使用波長範囲がこの吸収端付近に
限定されるという問題がある。本発明の目的は、全く新
しい原理に基づく光吸収特性を利用した効率の良い吸収
特性の急峻な、即ち、波長選択性の高い光吸収制御半導
体装置を実現することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の第１の特徴は、光吸収スペクトル特性を変化で
きる光吸収制御半導体領域と、光吸収制御半導体領域の
少なくとも一方の端面の半導体層に対して、励起される
電子正孔対を分離させるエネルギー障壁を有して接合さ
れ、励起された電子、正孔により光吸収制御半導体領域
の各層に垂直に電界を印加させる光起電力半導体層とを
有しており、光吸収制御半導体領域は次の特徴を有す
る。バンドギャップの異なる異種半導体の接合により形
成され、エネルギーダイヤグラムにおいてエネルギー障
壁により囲まれた量子準位を有する少なくとも３つの量
子井戸から成り、各量子井戸の幅及び各障壁の幅は、各
量子井戸において伝導帯または価電子帯のいずれか一方
のバンドにおける量子準位が整合された共鳴状態におい
て各量子井戸における電子の波動関数が相互作用を有す
る程度に形成され、且つ、各量子井戸の幅及び物質は、
電界を印加しない状態又は適切な電界を接合に垂直に印
加した状態で、一方のバンドにおいてのみ、そのバンド
における各量子井戸における量子準位が整合された共鳴
状態となるように設定されている。そして、光起電力半
導体層に入射する制御光により発生される電圧により光
吸収制御半導体領域に印加される電界を制御させ、光吸
収制御半導体領域に入射するキャリア光を変調するよう
にした半導体装置である。
の発明の第１の特徴は、光吸収スペクトル特性を変化で
きる光吸収制御半導体領域と、光吸収制御半導体領域の
少なくとも一方の端面の半導体層に対して、励起される
電子正孔対を分離させるエネルギー障壁を有して接合さ
れ、励起された電子、正孔により光吸収制御半導体領域
の各層に垂直に電界を印加させる光起電力半導体層とを
有しており、光吸収制御半導体領域は次の特徴を有す
る。バンドギャップの異なる異種半導体の接合により形
成され、エネルギーダイヤグラムにおいてエネルギー障
壁により囲まれた量子準位を有する少なくとも３つの量
子井戸から成り、各量子井戸の幅及び各障壁の幅は、各
量子井戸において伝導帯または価電子帯のいずれか一方
のバンドにおける量子準位が整合された共鳴状態におい
て各量子井戸における電子の波動関数が相互作用を有す
る程度に形成され、且つ、各量子井戸の幅及び物質は、
電界を印加しない状態又は適切な電界を接合に垂直に印
加した状態で、一方のバンドにおいてのみ、そのバンド
における各量子井戸における量子準位が整合された共鳴
状態となるように設定されている。そして、光起電力半
導体層に入射する制御光により発生される電圧により光
吸収制御半導体領域に印加される電界を制御させ、光吸
収制御半導体領域に入射するキャリア光を変調するよう
にした半導体装置である。
【０００５】又、本発明の第２の特徴は、量子井戸を有
する半導体装置において、バンドギャップの異なる異種
半導体の接合により形成され、エネルギーダイヤグラム
においてエネルギー障壁により囲まれた量子準位を有す
る少なくとも３つの量子井戸から成り、各量子井戸の幅
及び各障壁の幅は、各量子井戸において伝導帯または価
電子帯のいずれか一方のバンドにおける量子準位が整合
された共鳴状態において各量子井戸における電子の波動
関数が相互作用を有する程度に形成され、且つ、各量子
井戸の幅及び物質は、電界を印加しない状態又は適切な
電界を接合に垂直に印加した状態且つ制御光の入射しな
い状態で、一方のバンドにおいてのみ、そのバンドにお
ける各量子井戸における量子準位が整合された共鳴状態
となるように設定されており、量子井戸に制御光を入射
させて電子正孔対を生成させ、電子と正孔の不平衡分布
により生じる電界により吸収スペクトルを変化させて、
量子井戸に入射するキャリア光を変調することを特徴と
する。
する半導体装置において、バンドギャップの異なる異種
半導体の接合により形成され、エネルギーダイヤグラム
においてエネルギー障壁により囲まれた量子準位を有す
る少なくとも３つの量子井戸から成り、各量子井戸の幅
及び各障壁の幅は、各量子井戸において伝導帯または価
電子帯のいずれか一方のバンドにおける量子準位が整合
された共鳴状態において各量子井戸における電子の波動
関数が相互作用を有する程度に形成され、且つ、各量子
井戸の幅及び物質は、電界を印加しない状態又は適切な
電界を接合に垂直に印加した状態且つ制御光の入射しな
い状態で、一方のバンドにおいてのみ、そのバンドにお
ける各量子井戸における量子準位が整合された共鳴状態
となるように設定されており、量子井戸に制御光を入射
させて電子正孔対を生成させ、電子と正孔の不平衡分布
により生じる電界により吸収スペクトルを変化させて、
量子井戸に入射するキャリア光を変調することを特徴と
する。
【０００６】又、本発明の第３の特徴は、第１の特徴に
加えて、光吸収制御半導体領域の少なくとも一方の端面
の半導体層又は光起電力半導体層に接合した光導波層を
設け、光導波層を伝搬するキャリア光が光吸収制御半導
体領域に漏れるように構成し、キャリア光を制御光で変
調することを特徴とする。
加えて、光吸収制御半導体領域の少なくとも一方の端面
の半導体層又は光起電力半導体層に接合した光導波層を
設け、光導波層を伝搬するキャリア光が光吸収制御半導
体領域に漏れるように構成し、キャリア光を制御光で変
調することを特徴とする。
【０００７】又、本発明の第４の特徴は、第２の特徴に
加えて、量子井戸の一方の端の半導体層に接合して光導
波層を形成し、光導波層を伝搬するキャリア光が量子井
戸に漏れるように構成し、キャリア光を制御光で変調す
ることを特徴とする。又、本発明の第５の特徴は、光吸
収制御半導体装置において、少なくとも３つの量子井戸
は、厚さの異なる非対象３重量子井戸であることを特徴
とする。
加えて、量子井戸の一方の端の半導体層に接合して光導
波層を形成し、光導波層を伝搬するキャリア光が量子井
戸に漏れるように構成し、キャリア光を制御光で変調す
ることを特徴とする。又、本発明の第５の特徴は、光吸
収制御半導体装置において、少なくとも３つの量子井戸
は、厚さの異なる非対象３重量子井戸であることを特徴
とする。
【０００８】
【作用】本発明の第１の特徴に係る光吸収制御半導体領
域は次の作用を有する。光吸収制御半導体領域は、少な
くとも３重の量子井戸を有している。各量子井戸を構成
する物質を同一物質とした場合には、各量子井戸に形成
される量子準位はその量子井戸の幅に応じて変化する。
よって、３つの量子井戸の幅を適切に設計することによ
り、電界を印加しない状態で、各量子井戸の量子準位が
等しくならずに、最も準位の接近した量子準位が量子井
戸の配置順に増加又は減少し、且つ、接合に垂直方向に
電界を印加した時に、各量子井戸の近接した量子準位が
同一準位となるようにすることができる。電界をかけた
状態で、各量子井戸の量子準位が同一準位となり、しか
も、３つの量子井戸で、電子の波動関数が相互に重なっ
た状態となると、微小エネルギー差だけ分離した３つの
量子準位が、３つの量子井戸を連続的に接続した状態と
なる。この状態が共鳴状態である。このような共鳴状態
を一方のバンド、例えば、伝導帯側でのみ発生させて、
価電子帯では非共鳴状態とすることにより、光吸収係数
を飛躍的に増加させることができた。この時の光吸収
は、各量子井戸の価電子帯の量子準位（光吸収に主に寄
与する準位は基底準位）と、共鳴状態の伝導帯における
３つの各量子準位間の直接遷移による。
域は次の作用を有する。光吸収制御半導体領域は、少な
くとも３重の量子井戸を有している。各量子井戸を構成
する物質を同一物質とした場合には、各量子井戸に形成
される量子準位はその量子井戸の幅に応じて変化する。
よって、３つの量子井戸の幅を適切に設計することによ
り、電界を印加しない状態で、各量子井戸の量子準位が
等しくならずに、最も準位の接近した量子準位が量子井
戸の配置順に増加又は減少し、且つ、接合に垂直方向に
電界を印加した時に、各量子井戸の近接した量子準位が
同一準位となるようにすることができる。電界をかけた
状態で、各量子井戸の量子準位が同一準位となり、しか
も、３つの量子井戸で、電子の波動関数が相互に重なっ
た状態となると、微小エネルギー差だけ分離した３つの
量子準位が、３つの量子井戸を連続的に接続した状態と
なる。この状態が共鳴状態である。このような共鳴状態
を一方のバンド、例えば、伝導帯側でのみ発生させて、
価電子帯では非共鳴状態とすることにより、光吸収係数
を飛躍的に増加させることができた。この時の光吸収
は、各量子井戸の価電子帯の量子準位（光吸収に主に寄
与する準位は基底準位）と、共鳴状態の伝導帯における
３つの各量子準位間の直接遷移による。
【０００９】又、各量子井戸に形成される量子準位は、
その量子井戸を構成する物質によって変化させることが
できる。よって、量子井戸の幅を変化させる代わりに、
各量子井戸を構成する物質を異にして、適切な電界が印
加された時に、一方のバンドにおいてのみ共鳴状態が生
起するようにできる。更に、各量子井戸の幅と物質を異
にして、適切な電界が印加された時に、一方のバンドに
おいてのみ共鳴状態が生起するようにできる。
その量子井戸を構成する物質によって変化させることが
できる。よって、量子井戸の幅を変化させる代わりに、
各量子井戸を構成する物質を異にして、適切な電界が印
加された時に、一方のバンドにおいてのみ共鳴状態が生
起するようにできる。更に、各量子井戸の幅と物質を異
にして、適切な電界が印加された時に、一方のバンドに
おいてのみ共鳴状態が生起するようにできる。
【００１０】又、各量子井戸の物質を変化させた場合に
は、電界を印加しない状態で、一方のバンドにおいての
み、共鳴状態とすることができる。上記の共鳴状態は印
加された電界を変化させることにより、又は、無電界状
態で共鳴状態が発生している場合には、電界を印加する
ことにより、非共鳴状態とすることができる。
は、電界を印加しない状態で、一方のバンドにおいての
み、共鳴状態とすることができる。上記の共鳴状態は印
加された電界を変化させることにより、又は、無電界状
態で共鳴状態が発生している場合には、電界を印加する
ことにより、非共鳴状態とすることができる。
【００１１】このように接合に垂直な方向の電界を制御
することにより、ある吸収ピークを有する光吸収特性を
持たせることができる。この電界は光吸収制御半導体領
域に接合する光起電力半導体層に入射する制御光により
変化される。即ち、光起電力半導体層は、光吸収制御半
導体領域に対して、例えば、一端の半導体層と同一化合
物半導体で構成され、ＰＩ、ＮＩ、ＰＩＮ、ＰＮ、ＮＰ
接合を構成する。よって、制御光の入射により光吸収制
御半導体領域に光起電力による電界が印加される。この
光起電力電界が、又は、外部電源から印加されたバイア
ス電界にこの光起電力電界が加算された電界が、光吸収
制御半導体領域内に発生する。従って、制御光により電
界が変化し、電界により共鳴状態と非共鳴状態とが変化
して、吸収スペクトルが変化する。よって、この光吸収
制御半導体領域に入射するキャリア光は制御光によりス
ペクトルにおいて変調を受ける。
することにより、ある吸収ピークを有する光吸収特性を
持たせることができる。この電界は光吸収制御半導体領
域に接合する光起電力半導体層に入射する制御光により
変化される。即ち、光起電力半導体層は、光吸収制御半
導体領域に対して、例えば、一端の半導体層と同一化合
物半導体で構成され、ＰＩ、ＮＩ、ＰＩＮ、ＰＮ、ＮＰ
接合を構成する。よって、制御光の入射により光吸収制
御半導体領域に光起電力による電界が印加される。この
光起電力電界が、又は、外部電源から印加されたバイア
ス電界にこの光起電力電界が加算された電界が、光吸収
制御半導体領域内に発生する。従って、制御光により電
界が変化し、電界により共鳴状態と非共鳴状態とが変化
して、吸収スペクトルが変化する。よって、この光吸収
制御半導体領域に入射するキャリア光は制御光によりス
ペクトルにおいて変調を受ける。
【００１２】又、本発明の第２の特徴では、第１の特徴
と異なり光起電力半導体層が存在しない。３重量子井戸
は、制御光が存在しない状態で、所定の電界時に（零の
電界を含む）一方のバンドのみが共鳴状態をとるように
３重量子井戸の構造、物質が設計されている。この共鳴
状態で所定波長の制御光が入射すると、電子正孔対が生
成される。この時、共鳴状態にある一方のバンド（例え
ば、伝導帯）に遷移したキャリア（例えば、電子）は、
その量子準位が連続しているので、他の量子井戸にもト
ンネルできる。しかし、他のバンド（例えば、価電子
帯）のキャリア（例えば、正孔）は量子準位が連続して
いないので、１つの量子井戸に閉じ込められる。よっ
て、電子と正孔の分布に差が発生し、内部電界が発生す
る。この内部電界により共鳴状態が満たされなくなる。
即ち、制御光により共鳴状態と非共鳴状態とを制御する
ことが可能となる。
と異なり光起電力半導体層が存在しない。３重量子井戸
は、制御光が存在しない状態で、所定の電界時に（零の
電界を含む）一方のバンドのみが共鳴状態をとるように
３重量子井戸の構造、物質が設計されている。この共鳴
状態で所定波長の制御光が入射すると、電子正孔対が生
成される。この時、共鳴状態にある一方のバンド（例え
ば、伝導帯）に遷移したキャリア（例えば、電子）は、
その量子準位が連続しているので、他の量子井戸にもト
ンネルできる。しかし、他のバンド（例えば、価電子
帯）のキャリア（例えば、正孔）は量子準位が連続して
いないので、１つの量子井戸に閉じ込められる。よっ
て、電子と正孔の分布に差が発生し、内部電界が発生す
る。この内部電界により共鳴状態が満たされなくなる。
即ち、制御光により共鳴状態と非共鳴状態とを制御する
ことが可能となる。
【００１３】このように共鳴状態と非共鳴状態とが制御
される状態において、キャリア光が光吸収制御半導体領
域に入射すると、それぞれの状態の光吸収スペクトルに
基づいて光吸収を受ける。即ち、キャリア光のスペクト
ルが制御光によって変調される。この変調の意味は装置
の使用目的により異なる。例えば、キャリア光を制御光
により通過、遮断することができる。
される状態において、キャリア光が光吸収制御半導体領
域に入射すると、それぞれの状態の光吸収スペクトルに
基づいて光吸収を受ける。即ち、キャリア光のスペクト
ルが制御光によって変調される。この変調の意味は装置
の使用目的により異なる。例えば、キャリア光を制御光
により通過、遮断することができる。
【００１４】本発明の第３の特徴は、キャリア光を導く
光導波層が第１の特徴の光吸収制御半導体領域又は光起
電力半導体層に接合して設けられており、光導波層を伝
搬するキャリア光が光吸収制御半導体領域に漏れる。こ
の漏れたキャリア光が制御光により変調される。そし
て、光導波層を所定長だけ伝搬する間に全てのキャリア
光が変調される。
光導波層が第１の特徴の光吸収制御半導体領域又は光起
電力半導体層に接合して設けられており、光導波層を伝
搬するキャリア光が光吸収制御半導体領域に漏れる。こ
の漏れたキャリア光が制御光により変調される。そし
て、光導波層を所定長だけ伝搬する間に全てのキャリア
光が変調される。
【００１５】本発明の第４の特徴は、キャリア光を導く
光導波層が量子井戸の一方の端の半導体層に接合して設
けられており、光導波層を伝搬するキャリア光が光吸収
制御半導体領域に漏れる。この漏れたキャリア光が制御
光により変調される。そして、光導波層を所定長だけ伝
搬する間に全てのキャリア光が変調される。
光導波層が量子井戸の一方の端の半導体層に接合して設
けられており、光導波層を伝搬するキャリア光が光吸収
制御半導体領域に漏れる。この漏れたキャリア光が制御
光により変調される。そして、光導波層を所定長だけ伝
搬する間に全てのキャリア光が変調される。
【００１６】
【発明の効果】本発明の第１の特徴では、制御光を光起
電力半導体層に入射させて光起電力を発生させ、この光
起電力が非対称３重量子井戸の光吸収制御半導体領域に
印加されるように構成している。従って、キャリア光を
制御光により変調できる光−光変調装置が実現できる。
共鳴状態と非共鳴状態とは微小電界により制御できるの
で、変調効率は高い。
電力半導体層に入射させて光起電力を発生させ、この光
起電力が非対称３重量子井戸の光吸収制御半導体領域に
印加されるように構成している。従って、キャリア光を
制御光により変調できる光−光変調装置が実現できる。
共鳴状態と非共鳴状態とは微小電界により制御できるの
で、変調効率は高い。
【００１７】本発明の第２の特徴では、制御光の存在し
ない状態で非対称３重量子井戸の一方のバンドのみが共
鳴状態となるように構成している。そして、共鳴状態で
入射される制御光により電子正孔対を発生させて、一方
のバンドのみが共鳴状態にあることに起因する電子と正
孔の非対称分布を発生させて、この分布により内部電界
を発生させている。そして、この内部電界により共鳴状
態が非共鳴状態に変化するようにしている。従って、キ
ャリア光を制御光により変調できる光−光変調装置が実
現できる。又、内部電界の発生に要する時間は、制御光
により共鳴状態にあるバンドに励起されたキャリアがト
ンネル効果により他の量子井戸に移動する時間で決定さ
れるので、極めて短い。従って、極めて高速なキャリア
光の変調が可能となる。
ない状態で非対称３重量子井戸の一方のバンドのみが共
鳴状態となるように構成している。そして、共鳴状態で
入射される制御光により電子正孔対を発生させて、一方
のバンドのみが共鳴状態にあることに起因する電子と正
孔の非対称分布を発生させて、この分布により内部電界
を発生させている。そして、この内部電界により共鳴状
態が非共鳴状態に変化するようにしている。従って、キ
ャリア光を制御光により変調できる光−光変調装置が実
現できる。又、内部電界の発生に要する時間は、制御光
により共鳴状態にあるバンドに励起されたキャリアがト
ンネル効果により他の量子井戸に移動する時間で決定さ
れるので、極めて短い。従って、極めて高速なキャリア
光の変調が可能となる。
【００１８】この変調は、周波数変調（波長変調）、強
度変調、オンオフスイッチ、「０」、「１」の２値変
調、ＦＳＫ変調、フィルタリング等が可能である。
度変調、オンオフスイッチ、「０」、「１」の２値変
調、ＦＳＫ変調、フィルタリング等が可能である。
【００１９】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。第１実施例 図１は本実施例にかかる半導体装置の構成を示した斜視
図である。厚さ４５０μｍの半絶縁性のＧａＡｓ基板１
１３上に、ＭＢＥ法によるエピタキシャル成長により、
厚さ５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１１２を形成する。さ
らに、順次、ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．３）を
１００ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層を１０ｎｍ、ｉ
−ＧａＡｓを５ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを２ｎ
ｍ、ｉ−ＧａＡｓを１５ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ
を２ｎｍ、ｉ−ＧａＡｓを６ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓを１０ｎｍ、ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを１００ｎｍ
の厚さに形成して、それぞれ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層（光
起電力半導体層）１１１、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層２０、ｉ
−ＧａＡｓ層１９、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１８、ｉ−Ｇａ
Ａｓ層１７、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１６、ｉ−ＧａＡｓ層
１５、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層
（光起電力半導体層）１３を形成する。
明する。第１実施例 図１は本実施例にかかる半導体装置の構成を示した斜視
図である。厚さ４５０μｍの半絶縁性のＧａＡｓ基板１
１３上に、ＭＢＥ法によるエピタキシャル成長により、
厚さ５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１１２を形成する。さ
らに、順次、ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．３）を
１００ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層を１０ｎｍ、ｉ
−ＧａＡｓを５ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを２ｎ
ｍ、ｉ−ＧａＡｓを１５ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ
を２ｎｍ、ｉ−ＧａＡｓを６ｎｍ、ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x
Ａｓを１０ｎｍ、ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを１００ｎｍ
の厚さに形成して、それぞれ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層（光
起電力半導体層）１１１、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層２０、ｉ
−ＧａＡｓ層１９、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１８、ｉ−Ｇａ
Ａｓ層１７、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１６、ｉ−ＧａＡｓ層
１５、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層
（光起電力半導体層）１３を形成する。
【００２０】上記の多重層２０−１４により、３重量子
井戸構造が出来上がる。ｉ−ＧａＡｓ層１５が第１量子
井戸Ｑ１、ｉ−ＧａＡｓ層１７が第２量子井戸Ｑ２、ｉ
−ＧａＡｓ層１９が第３量子井戸Ｑ３であり、ｉ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１４、２０は両端の電位障壁Ｖｕ、Ｖｄであ
り、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１６、１８は各量子井戸を分離
する中間の電位障壁Ｖ１、Ｖ２である。
井戸構造が出来上がる。ｉ−ＧａＡｓ層１５が第１量子
井戸Ｑ１、ｉ−ＧａＡｓ層１７が第２量子井戸Ｑ２、ｉ
−ＧａＡｓ層１９が第３量子井戸Ｑ３であり、ｉ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１４、２０は両端の電位障壁Ｖｕ、Ｖｄであ
り、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１６、１８は各量子井戸を分離
する中間の電位障壁Ｖ１、Ｖ２である。
【００２１】次に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層１３の上に、ｉ
−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ｙ＝０．２）を厚さ１〜３μｍ
に形成して、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１２を形成する。この
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１２が光導波層となる。このように
して、光起電力半導体層１１１（ｎ層）、光吸収制御半
導体領域Ａ（層１４〜層２０）、光起電力半導体層１３
（ｐ層）、光導波層１２が、順次、接合したエピタキシ
ャル膜構造が完成する。エピタキシャル膜構造は３重量
子井戸ＴＱＷをｉ層とみなせば、ｐｉｎ光起電力素子を
構成している。
−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ｙ＝０．２）を厚さ１〜３μｍ
に形成して、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１２を形成する。この
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１２が光導波層となる。このように
して、光起電力半導体層１１１（ｎ層）、光吸収制御半
導体領域Ａ（層１４〜層２０）、光起電力半導体層１３
（ｐ層）、光導波層１２が、順次、接合したエピタキシ
ャル膜構造が完成する。エピタキシャル膜構造は３重量
子井戸ＴＱＷをｉ層とみなせば、ｐｉｎ光起電力素子を
構成している。
【００２２】制御光は光導波層１２に対して垂直に入射
し、光起電力半導体層１３とｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４と
の接合面Ｃ１及びｉ−ＡｌＧａＡｓ層２０と光起電力半
導体層１１１との接合面Ｃ２に至る。この制御光は上記
の接合面でのみ価電子帯から伝導帯への直接遷移による
光吸収が行われる波長が選択されている。即ち、制御光
は、光導波層１２及び３重量子井戸ＴＱＷでは吸収され
ないような波長に選択されている。
し、光起電力半導体層１３とｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４と
の接合面Ｃ１及びｉ−ＡｌＧａＡｓ層２０と光起電力半
導体層１１１との接合面Ｃ２に至る。この制御光は上記
の接合面でのみ価電子帯から伝導帯への直接遷移による
光吸収が行われる波長が選択されている。即ち、制御光
は、光導波層１２及び３重量子井戸ＴＱＷでは吸収され
ないような波長に選択されている。
【００２３】一方、キャリア光は、光導波層１２を図１
のＺ軸方向の多重反射を繰り返しＸ軸方向に伝搬する。
この時、光吸収制御半導体領域Ａの厚さは光導波層１２
の厚さに比べて極めて薄いために、キャリア光は下層の
光吸収制御半導体領域Ａに漏れており、キャリア光の断
面強度分布は図１に示すようになる。この漏れたキャリ
ア光が光吸収制御半導体領域Ａにおいて吸収され、キャ
リア光が所定長の光導波層１２をＸ軸方向に伝搬する間
に完全に所望の変調を受ける。
のＺ軸方向の多重反射を繰り返しＸ軸方向に伝搬する。
この時、光吸収制御半導体領域Ａの厚さは光導波層１２
の厚さに比べて極めて薄いために、キャリア光は下層の
光吸収制御半導体領域Ａに漏れており、キャリア光の断
面強度分布は図１に示すようになる。この漏れたキャリ
ア光が光吸収制御半導体領域Ａにおいて吸収され、キャ
リア光が所定長の光導波層１２をＸ軸方向に伝搬する間
に完全に所望の変調を受ける。
【００２４】次に、光吸収制御半導体領域Ａにおける光
吸収機構について説明する。図２は、３重量子井戸に電
界が印加されていない状態（ＰＩＮ構造によるバンドの
傾斜はある。）でのエネルギーバンド図であり、図４は
光起電力半導体層１３、１１１を含めた装置全体のエネ
ルギーバンド図である。伝導帯及び価電子帯のそれぞれ
において、ＡｌＧａＡｓ層１４、１６、１８、２０から
成る電位障壁Ｖｕ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｄと、ＧａＡｓ層１
５、１７、１９から成る第１、第２、第３量子井戸Ｑ
１、Ｑ２、Ｑ３が形成されている。
吸収機構について説明する。図２は、３重量子井戸に電
界が印加されていない状態（ＰＩＮ構造によるバンドの
傾斜はある。）でのエネルギーバンド図であり、図４は
光起電力半導体層１３、１１１を含めた装置全体のエネ
ルギーバンド図である。伝導帯及び価電子帯のそれぞれ
において、ＡｌＧａＡｓ層１４、１６、１８、２０から
成る電位障壁Ｖｕ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｄと、ＧａＡｓ層１
５、１７、１９から成る第１、第２、第３量子井戸Ｑ
１、Ｑ２、Ｑ３が形成されている。
【００２５】第１量子井戸Ｑ１の伝導帯では、厚さ６ｎ
ｍに対応した準位の基底量子準位Lc１0 、第２量子井戸
Ｑ２の伝導帯では、厚さ１５ｎｍに対応した準位の基底
量子準位Lc２0 と第１励起量子準位Lc２1 、第３量子井
戸Ｑ３の伝導帯では、厚さ５ｎｍに対応した準位の基底
量子準位Lc３0 が形成される。又、第１量子井戸Ｑ１の
価電子帯では、厚さ６ｎｍに対応した準位の基底量子準
位Lv１0 、第２量子井戸Ｑ２の価電子帯では、厚さ１５
ｎｍに対応した準位の基底量子準位Lv２0 、第３量子井
戸Ｑ３の価電子帯では、厚さ５ｎｍに対応した準位の基
底量子準位Lv３0 が形成される。又、他の励起量子準位
は、光吸収に支配的でないので図示されていない。この
ように、量子井戸では、井戸の幅が薄くなると、電子は
ある離散的な準位に拘束される。尚、本実施例ではｐｉ
ｎ構造をとっているので、ｉ層に当たる光吸収制御半導
体領域Ａは、図示するように伝導帯と価電子帯とが傾斜
している。
ｍに対応した準位の基底量子準位Lc１0 、第２量子井戸
Ｑ２の伝導帯では、厚さ１５ｎｍに対応した準位の基底
量子準位Lc２0 と第１励起量子準位Lc２1 、第３量子井
戸Ｑ３の伝導帯では、厚さ５ｎｍに対応した準位の基底
量子準位Lc３0 が形成される。又、第１量子井戸Ｑ１の
価電子帯では、厚さ６ｎｍに対応した準位の基底量子準
位Lv１0 、第２量子井戸Ｑ２の価電子帯では、厚さ１５
ｎｍに対応した準位の基底量子準位Lv２0 、第３量子井
戸Ｑ３の価電子帯では、厚さ５ｎｍに対応した準位の基
底量子準位Lv３0 が形成される。又、他の励起量子準位
は、光吸収に支配的でないので図示されていない。この
ように、量子井戸では、井戸の幅が薄くなると、電子は
ある離散的な準位に拘束される。尚、本実施例ではｐｉ
ｎ構造をとっているので、ｉ層に当たる光吸収制御半導
体領域Ａは、図示するように伝導帯と価電子帯とが傾斜
している。
【００２６】この状態の時、３つの量子井戸Ｑ１、Ｑ
２、Ｑ３の伝導帯において、量子準位は同一準位をとっ
ていない（連続していない）。よって、各量子井戸間で
電子が中間障壁Ｖ１、Ｖ２を通ってドリフトできない。
即ち、光吸収は、第１量子井戸Ｑ１において、価電子帯
の量子準位Lv１0 と伝導帯の量子準位Lc１0 との間、第
２量子井戸Ｑ２において、価電子帯の量子準位Lv２0 と
伝導帯の量子準位Lc２0、Lc２1 との間、第３量子井戸
Ｑ３において、価電子帯の量子準位Lv３0 と伝導帯の量
子準位Lc３0 との間での直接遷移によるものである。即
ち、３つの量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は互いに相互作用
せず、それぞれの量子井戸の価電子帯、伝導帯中の量子
準位間のエネルギーを持った光が入射すると電子の価電
子帯から伝導帯への遷移がそれぞれ個別に起こる。よっ
て、この状態での光吸収係数は小さい。
２、Ｑ３の伝導帯において、量子準位は同一準位をとっ
ていない（連続していない）。よって、各量子井戸間で
電子が中間障壁Ｖ１、Ｖ２を通ってドリフトできない。
即ち、光吸収は、第１量子井戸Ｑ１において、価電子帯
の量子準位Lv１0 と伝導帯の量子準位Lc１0 との間、第
２量子井戸Ｑ２において、価電子帯の量子準位Lv２0 と
伝導帯の量子準位Lc２0、Lc２1 との間、第３量子井戸
Ｑ３において、価電子帯の量子準位Lv３0 と伝導帯の量
子準位Lc３0 との間での直接遷移によるものである。即
ち、３つの量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は互いに相互作用
せず、それぞれの量子井戸の価電子帯、伝導帯中の量子
準位間のエネルギーを持った光が入射すると電子の価電
子帯から伝導帯への遷移がそれぞれ個別に起こる。よっ
て、この状態での光吸収係数は小さい。
【００２７】ところが、図５に示すように、光導波層１
２を介して接合面Ｃ１及び接合面Ｃ２に垂直に制御光を
入射させると、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層（光起電力層のｐ
層）１３とｉ−ＡｌＧａＡｓ層（光吸収制御半導体領域
の端部障壁層Ｖｕ）１４とのｐｉ接合面Ｃ１及びｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層（光起電力層のｎ層）１１１とｉ−ＡｌＧ
ａＡｓ層（光吸収制御半導体領域の端部障壁層Ｖｄ）２
０とのｎｉ接合面Ｃ２において励起された電子、正孔分
布によりｐ−ＡｌＧａＡｓ層１３をｎ−ＡｌＧａＡｓ層
１１１に対して正とする方向に電界が発生する。この電
界が光吸収制御半導体領域Ａに印加されることになり光
吸収制御半導体領域Ａの伝導帯及び価電子帯の傾斜が緩
くなる。この結果、伝導帯の量子準位は連続して共鳴状
態となる。
２を介して接合面Ｃ１及び接合面Ｃ２に垂直に制御光を
入射させると、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層（光起電力層のｐ
層）１３とｉ−ＡｌＧａＡｓ層（光吸収制御半導体領域
の端部障壁層Ｖｕ）１４とのｐｉ接合面Ｃ１及びｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層（光起電力層のｎ層）１１１とｉ−ＡｌＧ
ａＡｓ層（光吸収制御半導体領域の端部障壁層Ｖｄ）２
０とのｎｉ接合面Ｃ２において励起された電子、正孔分
布によりｐ−ＡｌＧａＡｓ層１３をｎ−ＡｌＧａＡｓ層
１１１に対して正とする方向に電界が発生する。この電
界が光吸収制御半導体領域Ａに印加されることになり光
吸収制御半導体領域Ａの伝導帯及び価電子帯の傾斜が緩
くなる。この結果、伝導帯の量子準位は連続して共鳴状
態となる。
【００２８】３重量子井戸ＴＱＷの接合面に垂直な電界
を変化させると、図６の（ａ）に示すように、伝導帯に
おいて各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３における基底量子準
位Lc１0 、第１励起量子準位Lc２1 、基底量子準位Lc３
0 が同一準位をとる電界が存在する。逆に言えば、ある
電界の値に対して、３つの量子準位が同一準位をとって
整合するように、各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の幅が設
計されている。このとき、価電子帯では、図６の（ｂ）
に示すように、伝導帯で量子準位が整合される電界では
量子準位は整合しない。負の電界が印加された時に、３
つの量子井戸における価電子帯の量子準位が整合する。
このように、伝導帯でのみ各量子井戸の量子準位が整合
すると、各量子井戸の電子の波動関数は、相互作用を起
こすこととなり、中間障壁Ｖ１、Ｖ２を通って、電子は
任意の量子井戸における量子準位に存在し得る。この状
態で、３つの量子井戸の場合には、微小エネルギー差だ
け分離した３つの準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に別れる（縮退
が解けて３準位に分離する）。
を変化させると、図６の（ａ）に示すように、伝導帯に
おいて各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３における基底量子準
位Lc１0 、第１励起量子準位Lc２1 、基底量子準位Lc３
0 が同一準位をとる電界が存在する。逆に言えば、ある
電界の値に対して、３つの量子準位が同一準位をとって
整合するように、各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の幅が設
計されている。このとき、価電子帯では、図６の（ｂ）
に示すように、伝導帯で量子準位が整合される電界では
量子準位は整合しない。負の電界が印加された時に、３
つの量子井戸における価電子帯の量子準位が整合する。
このように、伝導帯でのみ各量子井戸の量子準位が整合
すると、各量子井戸の電子の波動関数は、相互作用を起
こすこととなり、中間障壁Ｖ１、Ｖ２を通って、電子は
任意の量子井戸における量子準位に存在し得る。この状
態で、３つの量子井戸の場合には、微小エネルギー差だ
け分離した３つの準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に別れる（縮退
が解けて３準位に分離する）。
【００２９】キャリア光の波長はこの共鳴状態において
価電子帯の量子準位と伝導帯の量子準位間で電子遷移を
可能とする波長に選択されている。キャリア光の光吸収
は、図３に示すように、第１量子井戸Ｑ１の価電子帯に
おける基底量子準位Lv１0 と、３つの量子井戸の伝導帯
に共通に広がった量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３間の直接遷
移ＴＥ１、ＴＥ２、ＴＥ３により起こる。よって、電子
は価電子帯から光吸収によりどの量子井戸の伝導帯の量
子準位にも遷移できる。このような状態が共鳴状態であ
る。この共鳴状態において、光吸収率は極めて大きくな
る。本発明者の観測では、同一物質の同一幅の２つの量
子井戸を有する半導体装置の光吸収係数に比べて、約１
００倍に向上した。
価電子帯の量子準位と伝導帯の量子準位間で電子遷移を
可能とする波長に選択されている。キャリア光の光吸収
は、図３に示すように、第１量子井戸Ｑ１の価電子帯に
おける基底量子準位Lv１0 と、３つの量子井戸の伝導帯
に共通に広がった量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３間の直接遷
移ＴＥ１、ＴＥ２、ＴＥ３により起こる。よって、電子
は価電子帯から光吸収によりどの量子井戸の伝導帯の量
子準位にも遷移できる。このような状態が共鳴状態であ
る。この共鳴状態において、光吸収率は極めて大きくな
る。本発明者の観測では、同一物質の同一幅の２つの量
子井戸を有する半導体装置の光吸収係数に比べて、約１
００倍に向上した。
【００３０】正確には、これら３つの量子準位Ｅ１、Ｅ
２、Ｅ３の共鳴条件は僅かに異なるため、３本の吸収ス
ペクトルが同時に観測されることは困難であり、電界の
大きさにより、吸収スペクトルにおける吸収ピークの波
長が変化する。即ち、光吸収に最も支配的な電子遷移を
僅かに印加電界の大きさを変化させることで、遷移ＴＥ
１、ＴＥ２、ＴＥ３のうちの任意の１つに選択すること
ができる。
２、Ｅ３の共鳴条件は僅かに異なるため、３本の吸収ス
ペクトルが同時に観測されることは困難であり、電界の
大きさにより、吸収スペクトルにおける吸収ピークの波
長が変化する。即ち、光吸収に最も支配的な電子遷移を
僅かに印加電界の大きさを変化させることで、遷移ＴＥ
１、ＴＥ２、ＴＥ３のうちの任意の１つに選択すること
ができる。
【００３１】図７は本実施例の光吸収制御半導体領域Ａ
に光を入射させて電子を励起させて励起電子に基づく光
導電率を、印加電圧と入射光の波長を変化させて測定し
た特性図である。この特性図は光吸収制御半導体領域Ａ
の光吸収スペクトルを表している。光吸収制御半導体領
域Ａの両端にかかる電圧を２．５Ｖから２．９Ｖまで変
化させた。２．５Ｖの時、７６０ｎｍに光導電率ピーク
Ｐ１が現れ、２．９Ｖの時、光導電率ピークＰ１が消失
し、７６５ｎｍに光導電率ピークＰ２が現れる。中間の
２．７Ｖでは、両光導電率ピークＰ１、Ｐ２が弱く観測
される。このように、わずか０．４Ｖの電圧の変化で、
光導電率ピークの波長、即ち、光吸収ピークの波長、あ
るピーク波長に注目した場合には、その吸収係数の強度
を制御できるという優れた特性が観測された。
に光を入射させて電子を励起させて励起電子に基づく光
導電率を、印加電圧と入射光の波長を変化させて測定し
た特性図である。この特性図は光吸収制御半導体領域Ａ
の光吸収スペクトルを表している。光吸収制御半導体領
域Ａの両端にかかる電圧を２．５Ｖから２．９Ｖまで変
化させた。２．５Ｖの時、７６０ｎｍに光導電率ピーク
Ｐ１が現れ、２．９Ｖの時、光導電率ピークＰ１が消失
し、７６５ｎｍに光導電率ピークＰ２が現れる。中間の
２．７Ｖでは、両光導電率ピークＰ１、Ｐ２が弱く観測
される。このように、わずか０．４Ｖの電圧の変化で、
光導電率ピークの波長、即ち、光吸収ピークの波長、あ
るピーク波長に注目した場合には、その吸収係数の強度
を制御できるという優れた特性が観測された。
【００３２】図１に示すキャリア光の断面強度分布から
理解されるように、レーザビームの一部が、この光吸収
特性を有する光吸収制御半導体領域Ａの量子井戸Ｑ１、
Ｑ２、Ｑ３に漏れる。従って、この光吸収特性を利用す
れば、図７のピークで示される波長成分をキャリア光の
スペクトルから消去することができる。これにより、キ
ャリア光のスペクトルは光吸収制御半導体領域Ａの電
界、即ち、制御光の強度により変化する。従って、キャ
リア光のスペトクルを制御光の強さにより変化させる変
調（フィルタリング、周波数変調、波長変調、ある波長
に注目すれば強度変調）が可能となる。特に、キャリア
光の波長を適当に選ぶことにより、通過状態と完全に吸
収されて伝搬しない状態、即ち、光スイッチ素子として
機能させることができる。
理解されるように、レーザビームの一部が、この光吸収
特性を有する光吸収制御半導体領域Ａの量子井戸Ｑ１、
Ｑ２、Ｑ３に漏れる。従って、この光吸収特性を利用す
れば、図７のピークで示される波長成分をキャリア光の
スペクトルから消去することができる。これにより、キ
ャリア光のスペクトルは光吸収制御半導体領域Ａの電
界、即ち、制御光の強度により変化する。従って、キャ
リア光のスペトクルを制御光の強さにより変化させる変
調（フィルタリング、周波数変調、波長変調、ある波長
に注目すれば強度変調）が可能となる。特に、キャリア
光の波長を適当に選ぶことにより、通過状態と完全に吸
収されて伝搬しない状態、即ち、光スイッチ素子として
機能させることができる。
【００３３】光スイッチ素子として機能させた場合に
は、「０」、「１」の２値状態への光変調が可能とな
る。また、内部電界、即ち、制御光の強度を微小変化さ
せると吸収ピーク波長が変化することからＦＳＫ変調が
可能となる。尚、本実施例では、バイアス電圧を印加し
ていないが、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層１３と、ｎ−ＡｌＧａ
Ａｓ層１１１の間に適当なバイアス電圧を印加する様に
しても良い。このバイアス電圧の大きさ及び極性は、光
吸収制御半導体領域Ａの各層の厚さの構成及びバイアス
電圧印加時において、共鳴状態とするか非共鳴状態とす
るかによって異なる。バイアス電圧印加時に共鳴状態と
なる様に構成すれば制御光の入射により非共鳴状態に変
化でき、バイアス電圧印加時に共鳴状態付近の非共鳴状
態とすれば、制御光の入射により共鳴状態に変化させる
ことができる。
は、「０」、「１」の２値状態への光変調が可能とな
る。また、内部電界、即ち、制御光の強度を微小変化さ
せると吸収ピーク波長が変化することからＦＳＫ変調が
可能となる。尚、本実施例では、バイアス電圧を印加し
ていないが、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層１３と、ｎ−ＡｌＧａ
Ａｓ層１１１の間に適当なバイアス電圧を印加する様に
しても良い。このバイアス電圧の大きさ及び極性は、光
吸収制御半導体領域Ａの各層の厚さの構成及びバイアス
電圧印加時において、共鳴状態とするか非共鳴状態とす
るかによって異なる。バイアス電圧印加時に共鳴状態と
なる様に構成すれば制御光の入射により非共鳴状態に変
化でき、バイアス電圧印加時に共鳴状態付近の非共鳴状
態とすれば、制御光の入射により共鳴状態に変化させる
ことができる。
【００３４】第２実施例 本実施例は光吸収制御半導体領域Ａの構成を変化させた
ものである。図８は第２実施例にかかる光吸収制御半導
体領域Ａのエネルギーバンド構造図である。この実施例
では第１量子井戸Ｑ１、第２量子井戸Ｑ２、第３量子井
戸Ｑ３において、それぞれで異なる物質の半導体を用い
る。第１量子井戸Ｑ１はＧａＡｓ、第２量子井戸Ｑ２は
ＡｌＧａＡｓ、第３量子井戸Ｑ３はＩｎＧａＡｓ、障壁
Ｖｕ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｄは、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａ
Ａｓである。そして、各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の幅
を調節することで、無電界状態（ＰＩＮ接合によるバン
ドの傾斜は存在する）で、それぞれの量子井戸の伝導帯
においてのみ基底量子準位が一致（整合）するようにな
っている。価電子帯では量子準位を一致させない。この
ような構造においては、光起電力による電界が存在しな
い状態で、３つの量子井戸の伝導帯のみ共鳴状態とする
ことができる。伝導帯における共鳴状態では、整合した
量子準位は、微小エネルギー幅だけ離れた３つの量子準
位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に分離し、縮退の解けた状態とな
る。
ものである。図８は第２実施例にかかる光吸収制御半導
体領域Ａのエネルギーバンド構造図である。この実施例
では第１量子井戸Ｑ１、第２量子井戸Ｑ２、第３量子井
戸Ｑ３において、それぞれで異なる物質の半導体を用い
る。第１量子井戸Ｑ１はＧａＡｓ、第２量子井戸Ｑ２は
ＡｌＧａＡｓ、第３量子井戸Ｑ３はＩｎＧａＡｓ、障壁
Ｖｕ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｄは、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａ
Ａｓである。そして、各量子井戸Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の幅
を調節することで、無電界状態（ＰＩＮ接合によるバン
ドの傾斜は存在する）で、それぞれの量子井戸の伝導帯
においてのみ基底量子準位が一致（整合）するようにな
っている。価電子帯では量子準位を一致させない。この
ような構造においては、光起電力による電界が存在しな
い状態で、３つの量子井戸の伝導帯のみ共鳴状態とする
ことができる。伝導帯における共鳴状態では、整合した
量子準位は、微小エネルギー幅だけ離れた３つの量子準
位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３に分離し、縮退の解けた状態とな
る。
【００３５】このような構造においては、光吸収による
電子の直接遷移は、第１量子井戸Ｑ１の価電子帯におけ
る基底量子準位Lv１0 と各量子井戸の伝導帯に共通に広
がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３との間の遷移Ｔ
１1 、Ｔ１2 、Ｔ１3 と、第２量子井戸Ｑ２の価電子帯
における基底量子準位Lv２0 と各量子井戸の伝導帯に共
通に広がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３との間の
遷移Ｔ２1 、Ｔ２2 、Ｔ２3 と、第３量子井戸Ｑ３の価
電子帯における基底量子準位Lv３0 と各量子井戸の伝導
帯に共通に広がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３と
の間の遷移Ｔ３1 、Ｔ３2 、Ｔ３3 とがある。
電子の直接遷移は、第１量子井戸Ｑ１の価電子帯におけ
る基底量子準位Lv１0 と各量子井戸の伝導帯に共通に広
がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３との間の遷移Ｔ
１1 、Ｔ１2 、Ｔ１3 と、第２量子井戸Ｑ２の価電子帯
における基底量子準位Lv２0 と各量子井戸の伝導帯に共
通に広がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３との間の
遷移Ｔ２1 、Ｔ２2 、Ｔ２3 と、第３量子井戸Ｑ３の価
電子帯における基底量子準位Lv３0 と各量子井戸の伝導
帯に共通に広がった３つの量子準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３と
の間の遷移Ｔ３1 、Ｔ３2 、Ｔ３3 とがある。
【００３６】従って、準位の異なる３つの量子井戸Ｑ
１、Ｑ２、Ｑ３の価電子帯の量子準位からの遷移Ｔ１、
Ｔ２、Ｔ３に応じた３つの波長の光の吸収が起こる。よ
って、各量子井戸毎に、異なる波長で１本づつの光吸収
ピークを持つ吸収特性におけるピーク波長、ピーク波長
の吸収係数を、制御光の強度によって、変化させること
ができる。換言すれば、この装置は、一つの構造で同時
に３本の吸収線を持ち、それぞれ、わずかづつ異なる３
つの吸収線の切替えが制御光によって可能となる。
１、Ｑ２、Ｑ３の価電子帯の量子準位からの遷移Ｔ１、
Ｔ２、Ｔ３に応じた３つの波長の光の吸収が起こる。よ
って、各量子井戸毎に、異なる波長で１本づつの光吸収
ピークを持つ吸収特性におけるピーク波長、ピーク波長
の吸収係数を、制御光の強度によって、変化させること
ができる。換言すれば、この装置は、一つの構造で同時
に３本の吸収線を持ち、それぞれ、わずかづつ異なる３
つの吸収線の切替えが制御光によって可能となる。
【００３７】第３実施例 図９は第３実施例に係る光吸収制御半導体装置の構造を
示した断面図である。本実施例では、第１実施例おける
光起電力半導体層１３、１１１を形成していない。半絶
縁性基板１２０の上にｉ−ＧａＡｓ層１２１を５００ｎ
ｍの厚さに形成し、その上に、電極層としてのｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１２３を１００ｎｍの厚さに形成し、その上
に、第１実施例と同様な構造の非対称３重量子井戸ＴＱ
Ｗを形成し、その上に電極層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ
層１２４を２０ｎｍの厚さに形成し、その上にｉ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１２（光導波層）が形成されている。
示した断面図である。本実施例では、第１実施例おける
光起電力半導体層１３、１１１を形成していない。半絶
縁性基板１２０の上にｉ−ＧａＡｓ層１２１を５００ｎ
ｍの厚さに形成し、その上に、電極層としてのｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１２３を１００ｎｍの厚さに形成し、その上
に、第１実施例と同様な構造の非対称３重量子井戸ＴＱ
Ｗを形成し、その上に電極層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ
層１２４を２０ｎｍの厚さに形成し、その上にｉ−Ａｌ
ＧａＡｓ層１２（光導波層）が形成されている。
【００３８】ｉ−ＧａＡｓ層１２１の途中にシリコン原
子が１原子の厚さで面上にまばらにドープされたδドー
プ層１２２が形成されている。δドープ層１２２は３つ
の量子井戸の面に対して均一に電界を印加するための電
極の作用をする。しかも、このδドープ層１２２は、下
層のｉ−ＧａＡｓ層１２１ａの格子性状を乱さないた
め、その上に成長するｉ−ＧａＡｓ層１２１ｂ及びその
層１２１ｂ上に成長する層１２３、２０〜１４は、ｉ−
ＧａＡｓ層１２１ａの良質な結晶性を引き継いで成長す
るため、結晶性の高いものとなる。尚、δドープ層１２
２のシートキャリア濃度が１×１０11〜３×１０13cm-2
の範囲の時、約１層にＳｉをまばらにドープすることが
できる。又、δドープ層はｉ−ＧａＡｓ１２１層中に間
隔を隔てて複数形成しても良い。
子が１原子の厚さで面上にまばらにドープされたδドー
プ層１２２が形成されている。δドープ層１２２は３つ
の量子井戸の面に対して均一に電界を印加するための電
極の作用をする。しかも、このδドープ層１２２は、下
層のｉ−ＧａＡｓ層１２１ａの格子性状を乱さないた
め、その上に成長するｉ−ＧａＡｓ層１２１ｂ及びその
層１２１ｂ上に成長する層１２３、２０〜１４は、ｉ−
ＧａＡｓ層１２１ａの良質な結晶性を引き継いで成長す
るため、結晶性の高いものとなる。尚、δドープ層１２
２のシートキャリア濃度が１×１０11〜３×１０13cm-2
の範囲の時、約１層にＳｉをまばらにドープすることが
できる。又、δドープ層はｉ−ＧａＡｓ１２１層中に間
隔を隔てて複数形成しても良い。
【００３９】次に、光導波層１２の幅を３重量子井戸Ｔ
ＱＷの幅よりも狭くするように光導波層１２をエッチン
グしてｎ−ＡｌＧａＡｓ層１２４の一部を短冊状に露出
させる。さらに、層１４〜層１２１までを短冊状にエッ
チングしてｉ−ＧａＡｓ層１２１を露出させる。そし
て、露出したｎ−ＡｌＧａＡｓ層１２４上にＡｕを、露
出したｉ−ＧａＡｓ層１２１の上にＡｕＧｅ合金および
Ａｕの２層構造（それぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ）を真
空蒸着により形成し、水素および窒素雰囲気中で４００
℃２分間の合金化処理を施し、オーム性接触の電極１１
及び１２５得る。
ＱＷの幅よりも狭くするように光導波層１２をエッチン
グしてｎ−ＡｌＧａＡｓ層１２４の一部を短冊状に露出
させる。さらに、層１４〜層１２１までを短冊状にエッ
チングしてｉ−ＧａＡｓ層１２１を露出させる。そし
て、露出したｎ−ＡｌＧａＡｓ層１２４上にＡｕを、露
出したｉ−ＧａＡｓ層１２１の上にＡｕＧｅ合金および
Ａｕの２層構造（それぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ）を真
空蒸着により形成し、水素および窒素雰囲気中で４００
℃２分間の合金化処理を施し、オーム性接触の電極１１
及び１２５得る。
【００４０】キャリア光は第１実施例と同様に３重量子
井戸ＴＱＷに漏れ出ている。キャリア光の進行方向、制
御光の入射方向は第１実施例と同一である。又、本実施
例ではバイアス電圧が電極１１と電極１２５との間に印
加されており、電圧の印加された状態で、図１０に示す
ように、伝導帯のみが共鳴状態となっている。
井戸ＴＱＷに漏れ出ている。キャリア光の進行方向、制
御光の入射方向は第１実施例と同一である。又、本実施
例ではバイアス電圧が電極１１と電極１２５との間に印
加されており、電圧の印加された状態で、図１０に示す
ように、伝導帯のみが共鳴状態となっている。
【００４１】本実施例では制御光の波長は、第２量子井
戸Ｑ２の価電子帯における基底量子準位Lv２0 と伝導帯
における量子準位Ｅ２との間のエネルギー差に対応した
波長が選択されている。従って、制御光が入射していな
い状態では、伝導帯のみ共鳴状態にあるため、所定スペ
クトルの吸収特性による光吸収が大きくキャリア光は大
きな変調を受ける。「０」、「１」状態の変調を行う場
合にはキャリア光は遮断状態となる。
戸Ｑ２の価電子帯における基底量子準位Lv２0 と伝導帯
における量子準位Ｅ２との間のエネルギー差に対応した
波長が選択されている。従って、制御光が入射していな
い状態では、伝導帯のみ共鳴状態にあるため、所定スペ
クトルの吸収特性による光吸収が大きくキャリア光は大
きな変調を受ける。「０」、「１」状態の変調を行う場
合にはキャリア光は遮断状態となる。
【００４２】一方、制御光が３重量子井戸ＴＱＷに入射
した状態では、図１１に示すように、第２量子井戸Ｑ２
において制御光により、電子正孔対が生成される。この
時、価電子帯は共鳴状態でないため正孔は他の井戸に移
動できずに、第２量子井戸Ｑ２に局在する。これに対し
て、伝導帯は共鳴状態にあるため、電子は他の井戸に移
動できる。即ち、バイアス電圧によりドリフトする。よ
って、第２量子井戸Ｑ２にのみ正孔が分布することにな
るので、３重量子井戸ＴＱＷに内部電界が発生する。こ
れにより、伝導帯は共鳴状態でなくなり、キャリア光の
吸収が行われなくなる。即ち、キャリア光は通過状態と
なる。このように、制御光の強度に応じてキャリア光を
変調することが可能となる。
した状態では、図１１に示すように、第２量子井戸Ｑ２
において制御光により、電子正孔対が生成される。この
時、価電子帯は共鳴状態でないため正孔は他の井戸に移
動できずに、第２量子井戸Ｑ２に局在する。これに対し
て、伝導帯は共鳴状態にあるため、電子は他の井戸に移
動できる。即ち、バイアス電圧によりドリフトする。よ
って、第２量子井戸Ｑ２にのみ正孔が分布することにな
るので、３重量子井戸ＴＱＷに内部電界が発生する。こ
れにより、伝導帯は共鳴状態でなくなり、キャリア光の
吸収が行われなくなる。即ち、キャリア光は通過状態と
なる。このように、制御光の強度に応じてキャリア光を
変調することが可能となる。
【００４３】本実施例では、制御光により励起された電
子のトンネル効果による移動速度だけで応答性が決定さ
れ、従来のトランジスタのように静電容量の影響を受け
ないので、極めて高速の変調が可能となる。又、制御光
の波長はLv２0 とＥ１、Ｅ２間又はLc２0 とＥ１、Ｅ
２、Ｅ３間又はLv２0 とLc２0 間に対応した波長に選択
することもできる。
子のトンネル効果による移動速度だけで応答性が決定さ
れ、従来のトランジスタのように静電容量の影響を受け
ないので、極めて高速の変調が可能となる。又、制御光
の波長はLv２0 とＥ１、Ｅ２間又はLc２0 とＥ１、Ｅ
２、Ｅ３間又はLv２0 とLc２0 間に対応した波長に選択
することもできる。
【００４４】第４実施例 本実施例は、第１実施例の装置、第２実施例の装置又は
第３実施例の装置を集積化して構成した光ＩＣである。
光導波層１２を図１２に示すように構成する。光導波層
１２の所定の長さ部分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４部分が上
記実施例で構成された装置部分である。各部分に制御光
CL１、CL２、CL３、CL４を照射して、各部分においてキ
ャリア光を変調するものである。本ＩＣは、各部分は制
御光に対してゲートの機能を有しており、図１３に示す
等価回路の機能を有した光論理ＩＣとなる。
第３実施例の装置を集積化して構成した光ＩＣである。
光導波層１２を図１２に示すように構成する。光導波層
１２の所定の長さ部分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４部分が上
記実施例で構成された装置部分である。各部分に制御光
CL１、CL２、CL３、CL４を照射して、各部分においてキ
ャリア光を変調するものである。本ＩＣは、各部分は制
御光に対してゲートの機能を有しており、図１３に示す
等価回路の機能を有した光論理ＩＣとなる。
【００４５】このように、本実施例では制御光で直接キ
ャリア光を変調できるという効果がある。
ャリア光を変調できるという効果がある。
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る光吸収制御
半導体装置の構造を示した構造図。
半導体装置の構造を示した構造図。
【図２】第１実施例の装置の非共鳴状態における光吸収
機構を示した説明図。
機構を示した説明図。
【図３】第１実施例の装置の共鳴状態における光吸収機
構を示した説明図。
構を示した説明図。
【図４】制御光が入射しない時の第１実施例の装置のエ
ネルギーバンドの構造を示した説明図。
ネルギーバンドの構造を示した説明図。
【図５】制御光が入射した時の第１実施例の装置のエネ
ルギーバンドの構造を示した説明図。
ルギーバンドの構造を示した説明図。
【図６】電界に対する量子レベルの変移の様子を理論に
より求めた結果を示す説明図で、図（ａ）は伝導帯のエ
ネルギー準位の電界依存性、図（ｂ）は価電子帯のエネ
ルギー準位の電界依存性を各々示す。
より求めた結果を示す説明図で、図（ａ）は伝導帯のエ
ネルギー準位の電界依存性、図（ｂ）は価電子帯のエネ
ルギー準位の電界依存性を各々示す。
【図７】光吸収制御半導体領域における印加電界を変化
させた時の光導電率の波長特性を測定した特性図。
させた時の光導電率の波長特性を測定した特性図。
【図８】第２実施例の装置に係る光吸収制御半導体領域
のエネルギーバンド構造を示した説明図。
のエネルギーバンド構造を示した説明図。
【図９】第３実施例の光吸収制御半導体装置の構成を示
した断面図。
した断面図。
【図１０】制御光が入射しない時の第３実施例の装置の
キャリア光の吸収機構を示した説明図。
キャリア光の吸収機構を示した説明図。
【図１１】制御光が入射した時の第３実施例の装置のキ
ャリア光の吸収機構を示した説明図。
ャリア光の吸収機構を示した説明図。
【図１２】第４実施例に係る光吸収制御半導体装置の構
成を示した斜視図。
成を示した斜視図。
【図１３】図１２に示す半導体装置の等価回路を示した
回路図。
回路図。
Ｑ１…第１量子井戸 Ｑ２…第２量子井戸 Ｑ３…第３量子井戸 Ｖｕ、Ｖｄ、Ｖ１、Ｖ２…電位障壁 Lc１0 …第１量子井戸の伝導帯の基底量子準位 Lc２0 …第２量子井戸の伝導帯の基底量子準位 Lc２1 …第２量子井戸の伝導帯の第１励起量子準位 Lc３0 …第３量子井戸の伝導帯の基底量子準位 １２…ｉ−ＡｌＧａＡｓ層（光導波層） １３…ｐ−ＡｌＧａＡｓ層（光起電力半導体層） １１１…ｎ−ＡｌＧａＡｓ層（光起電力半導体層） Ａ…光吸収制御半導体領域
Claims (5)
- 【請求項１】 バンドギャップの異なる異種半導体の接
合により形成され、エネルギーダイヤグラムにおいてエ
ネルギー障壁により囲まれた量子準位を有する量子井戸
を有する半導体装置において、 光吸収スペクトル特性を変化できる光吸収制御半導体領
域と、 光吸収制御半導体領域の少なくとも一方の端面の半導体
層に対して、励起される電子正孔対を分離させるエネル
ギー障壁を有して接合され、励起された電子、正孔によ
り前記光吸収制御半導体領域の各層に垂直に電界を印加
させる光起電力半導体層とを有し、 前記光吸収制御半導体領域は、バンドギャップの異なる
異種半導体の接合により形成され、エネルギーダイヤグ
ラムにおいてエネルギー障壁により囲まれた量子準位を
有する少なくとも３つの量子井戸から成り、各量子井戸
の幅及び各障壁の幅は、各量子井戸において伝導帯また
は価電子帯のいずれか一方のバンドにおける量子準位が
整合された共鳴状態において各量子井戸における電子の
波動関数が相互作用を有する程度に形成され、且つ、各
量子井戸の幅及び物質は、電界を印加しない状態又は適
切な電界を前記接合に垂直に印加した状態で、一方のバ
ンドにおいてのみ、そのバンドにおける各量子井戸にお
ける量子準位が整合された共鳴状態となるように設定さ
れており、 前記光起電力半導体層に入射する制御光により発生され
る電圧により前記光吸収制御半導体領域に印加される電
界を制御させ、前記光吸収制御半導体領域に入射するキ
ャリア光を変調する量子井戸を用いた光吸収制御半導体
装置。 - 【請求項２】 バンドギャップの異なる異種半導体の接
合により形成され、エネルギーダイヤグラムにおいてエ
ネルギー障壁により囲まれた量子準位を有する量子井戸
を有する半導体装置において、 バンドギャップの異なる異種半導体の接合により形成さ
れ、エネルギーダイヤグラムにおいてエネルギー障壁に
より囲まれた量子準位を有する少なくとも３つの量子井
戸から成り、各量子井戸の幅及び各障壁の幅は、各量子
井戸において伝導帯または価電子帯のいずれか一方のバ
ンドにおける量子準位が整合された共鳴状態において各
量子井戸における電子の波動関数が相互作用を有する程
度に形成され、且つ、各量子井戸の幅及び物質は、電界
を印加しない状態又は適切な電界を前記接合に垂直に印
加した状態且つ制御光の入射しない状態で、一方のバン
ドにおいてのみ、そのバンドにおける各量子井戸におけ
る量子準位が整合された共鳴状態となるように設定され
ており、 前記量子井戸に制御光を入射させて電子正孔対を生成さ
せ、電子と正孔の不平衡分布により生じる電界により吸
収スペクトルを変化させて、量子井戸に入射するキャリ
ア光を変調する量子井戸を用いた光吸収制御半導体装
置。 - 【請求項３】 前記光吸収制御半導体領域の少なくとも
一方の端面の半導体層又は前記光起電力半導体層に接合
した光導波層を設け、光導波層を伝搬するキャリア光が
前記光吸収制御半導体領域に漏れるように構成し、前記
キャリア光を前記制御光で変調することを特徴とする請
求項１に記載の光吸収制御半導体装置。 - 【請求項４】 前記量子井戸の一方の端の半導体層に接
合して光導波層を形成し、光導波層を伝搬するキャリア
光が前記量子井戸に漏れるように構成し、前記キャリア
光を前記制御光で変調することを特徴とする請求項２に
記載の光吸収制御半導体装置。 - 【請求項５】 前記少なくとも３つの量子井戸は、厚さ
の異なる非対象３重量子井戸であることを特徴とする請
求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光吸収制御
半導体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4101742A JP2956348B2 (ja) | 1992-03-26 | 1992-03-26 | 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置 |
| US08/022,631 US5416338A (en) | 1992-02-29 | 1993-02-25 | Semiconductor device with quantum well resonance states |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4101742A JP2956348B2 (ja) | 1992-03-26 | 1992-03-26 | 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05273609A JPH05273609A (ja) | 1993-10-22 |
| JP2956348B2 true JP2956348B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=14308704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4101742A Expired - Fee Related JP2956348B2 (ja) | 1992-02-29 | 1992-03-26 | 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2956348B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150053156A (ko) * | 2013-11-07 | 2015-05-15 | 삼성전자주식회사 | 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2737821B2 (ja) * | 1994-03-25 | 1998-04-08 | 古河電気工業株式会社 | 半導体光機能素子 |
| FR2973945B1 (fr) * | 2011-04-11 | 2013-05-10 | Centre Nat Rech Scient | Heterostructure semi-conductrice et cellule photovoltaïque comprenant une telle heterostructure |
-
1992
- 1992-03-26 JP JP4101742A patent/JP2956348B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150053156A (ko) * | 2013-11-07 | 2015-05-15 | 삼성전자주식회사 | 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 |
| KR102113256B1 (ko) * | 2013-11-07 | 2020-05-20 | 삼성전자주식회사 | 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05273609A (ja) | 1993-10-22 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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