JP3566365B2 - 光半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、サブバンド間遷移を利用した光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離大容量の光通信システムの発展に伴い大容量の光交換システムや光情報処理システムが必要となってきている。このようなシステムでは、超高速で動作する光スイッチや光論理演算素子等の光素子が必要である。
【０００３】
光スイッチとしては、例えば、量子井戸構造における励起子の電界下での光学特性を生かしたＳｅｌｆ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ−Ｄｅｖｉｃｅ（ＳＥＥＤ）（アプライド・フィジクス・レターズ、４５巻１３頁、１９８４）ものが知られている。
【０００４】
しかしながら、ＳＥＥＤは、その動作速度がＣＲ時定数に制限されるため、高速応答ができないという問題があった。また、励起子を利用しているが、励起子の寿命はナノ秒程度なので、いったん励起子が生成されると、消滅するのに寿命程度の時間が必要であり、時間応答をナノ秒以下にすることは困難であった。
【０００５】
一方、フィジカル・レビュー・レターズ第５９巻、第９号（１９８７）、１０１４〜１０１７頁に記されているように、ＣＲ時定数によるスイッチング時間の制限がない方法が提案されている。
【０００６】
この方法では、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の価電子帯バンドの電子を伝導帯バンドへ非共鳴光で励起し、その結果生じる仮想キャリアが元になって生じる光非線形効果を用いている。仮想キャリアの入射パルス光に対する応答は、ピコ秒以下の超短時間で生じることが知られているため、超高速動作が期待できる。
【０００７】
しかしながら、この種の方法には以下のような問題がある。すなわち、非共鳴光が共鳴エネルギーに近い場合は、フォノンを介して実励起が生じたり、実励起が抑制される。したがって、離調エネルギーを大きくすると、十分な仮想励起が起こらなくなるので、十分な光非線形性が得られないという問題が生じる。
【０００８】
このような問題を解決する方法として、キャリアの緩和時間がバンド間遷移に比べて格段に速いサブバンド間遷移を利用する方法が提案されている（Ｙ．Ｈｉｒａｙａｍａ他，Ｊａｐ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、 Ｖｏｌ．３３ ｐｐ８９０−８９５， １９９４） 。
【０００９】
具体的には、従来の光通信波長である１．５μｍ帯で動作するサブバンド間遷移では、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造が用いられる。この量子井戸構造を図１６に示す。図中、１７１はＩｎＧａＡｓ層を示し、１７２はＡｌＡｓ層を示している。
【００１０】
バンド間遷移のエネルギー（バンド端エネルギーＥｅｄｇｅ）は０．８〜０．９ｅＶ程度であり、また、動作波長に相当するエネルギーＥＯＰは０．８ｅＶよりも大きい。このため、バンド間吸収は起こらないように思われるが、実際には、２つの光子が関与する過程である２光子吸収が起きてしまう。
【００１１】
また、半導体レーザの場合には、従来フェルミ準位またはｋ空間におけるキャリアの分布に起因したスペクトルの広がりや、バンド間遷移に律速される応答速度の限界があった。
【００１２】
このような問題に対し、量子カスケードレーザのような新しいデバイスが研究されている（例えば、Ｒ．Ｆ．Ｋａｚａｒｉｎｏｖ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｓｕｒｉｓ： Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．，５（１９７１）ｐ．２０７、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ， Ｋ．Ｍｏｈａｍｍｅｄ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ２２（１９８６） ｐ．１８５３）。
【００１３】
量子カスケードレーザでは、一つの量子井戸のサブバンド準位と隣接する量子井戸のサブバンドとの間で形成された反転分布を利用してレーザ発振を行なっている。すなわち、半導体レーザの場合のように、電子と正孔の２種類のキャリアの再結合を用いるのではなく、１種類のキャリアの遷移を利用しているので、利得スペクトルは極めて狭くなり、これにより、発振線幅も狭くなる。また、サブバンド間の遷移であるため、応答速度も速い。
【００１４】
このようなレーザ発振原理を用いて、低温（９０ Ｋ）でのレーザ発振が報告されている（Ｊ．Ｆａｉｓｔ，Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２６４（１９９４） ｐ．５５３、Ｊ．Ｆａｉｓｔ，Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３０（１９９４） ｐ．８６５ ）。
【００１５】
しかしながら、レーザ発振に必要な反転分布を形成するには、極めて大きい注入電流（〜１Ａ）が要求されるという問題がある。さらに、サブバンド間遷移を利用してレーザ発振を行なっているので、以下のような問題がある。すなわち、量子井戸を構成する材料のバンド不連続値より大きいエネルギーに相当する波長のレーザ発振は不可能であるため、これまでの材料では、光通信で用いられる１．５５μｍ、１．３μｍ等の波長帯域でのレーザ発振は実現されていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く従来より種々の光半導体素子が提案されていたが、光通信技術に十分対応できる光半導体素子は実現されていなかった。
すなわち、ＳＥＥＤ等の光半導体素子とは異なり、ＣＲ時定数に動作速度が制限されない光半導体素子として、バンド間遷移を利用したものが提案されていたが、十分な光非線形性が得られないという問題があった。
【００１７】
このような問題を解決できる光半導体素子として、サブバンド間遷移を利用したものが提案されていたが、２光子吸収によりバンド間遷移が起こるという問題があった。さらに、サブバンド間遷移を利用した従来のレーザでは、光通信技術に必要な波長帯域のレーザ発振が得られないという問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、光通信技術に十分対応できる光半導体装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置（請求項１）は、基板上に形成された第１の半導体層と、この第１の半導体層とのバンドの位置が異なる第２の半導体層とからなる量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも１つを有する光スイッチまたは量子カスケードレーザを備えた光半導体装置であって、前記第１の半導体層の伝導帯および価電子帯の少なくとも一方は、２つ以上のサブバンドを有し、前記第１の半導体層のバンド端エネルギーは、前記第１の半導体層のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーの２倍よりも大きく、かつ前記サブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーが０．７５ｅＶ以上であり、前記第１の半導体層および第２の半導体層が窒化物半導体（Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ p （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｐ≦１））から形成されていることを特徴とする。
【００２０】
なお、本発明の好ましい実施態様は以下の通りである。
（１）上記発明（請求項１）において、第１の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方がウルツァイト型の結晶構造を有する。
【００２１】
また、本発明をレーザに適用した場合には、サブバンド間のエネルギー差が大きく、かつバンドギャップも大きい材料を用いることにより、光通信で用いられる波長帯での動作するサブバンド間遷移が可能なる。
【００２２】
すなわち、本発明をレーザに適用する場合は、上記発明において、第１の半導体層と第２の半導体層との伝導帯または価電子帯におけるバンド不連続値を少なくとも０．８ｅＶ以上とし、第１の半導体層のバンド端エネルギーが少なくとも１．６ｅＶ以上ある半導体材料を用いる。
【００２３】
【作用】
上述の如く、サブバンド間遷移では、バンド端エネルギーＥｅｄｇｅが動作波長に相当するエネルギーＥＯＰよりも大きく、バンド間吸収は起こらないように思われるが、実際には、２つの光子が関与する過程である２光子吸収が起きてしまうという問題があった。
【００２４】
そこで、本発明では、第１の半導体層のバンド端エネルギーＥｅｄｇｅを、サブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーＥｏｐの２倍よりも大きくしている。このようにすれば、バンド端エネルギーは２つの光子のエネルギーより大きいため、光子が吸収される確率が非常に小さくなる。
【００２５】
ここで、Ｅｏｐは光通信でよく用いられる材料や波長帯を考慮すれば、例えばＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓのバンドギャップである０．７５ｅＶ以上に設定する必要がある。特に０．８ｅＶ、つまり、１．５５μｍではファイバー中でのロスも少なく、エルビウムをドープしたファイバーアンプが使用できる領域であるため都合が良い。
【００２９】
また、窒化物半導体を用いた場合には、格子不整合の影響をあまり受けずに所望の高品質量子構造が得られるという効果もある。
さらに、本発明（請求項１）をレーザに適用し、かつ第１、第２の半導体層の材料として、バンド不連続値が大きい材料の組合わせを用いれば、光通信で用いられる波長帯で動作するサブバンド間遷移レーザが可能となる、このとき、バンド端エネルギー自身は十分大きいため（Ｅedge＞２ＥOP）、先に述べたように、２光子吸収過程等によるバンド間遷移の影響を除去できる。
【００３０】
【実施例】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。
【００３１】
図中、１１はサファイア基板を示しており、このサファイア基板１１上には、バッファ層としてのＧａＮ層１２が形成されている。このＧａＮ層１２上には、ＩｎＡｌＮクラッド層１５を介して、ＧａＮ量子井戸層１３とＡｌＮ第１障壁層１４とからなる量子井戸構造が形成されている。この量子井戸構造上には、ＩｎＡｌＮクラッド層１５を介して、ギャップ層としてのＧａＮ層１２が形成されている。
【００３２】
上記各層１２〜１５は、機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成され、ＧａＮ量子井戸層１３の厚さは１．７ｎｍ程度、ギャップ層としてのＧａＮ層１２の厚さは１μｍ程度である。
【００３３】
このような構成の光スイッチの吸収スペクトルを調べたところ、１４８３ｎｍに鋭い吸収特性を示することが分かった。これは図２のバンドダイヤグラムに示すように、伝導帯の１番目のサブバンドから２番目のサブバンドへの共鳴吸収によるものである。また、バンドギャップは十分大きいので２光子吸収はほとんど起こらない。
【００３４】
すなわち、ＧａＮ井戸層１３のバンド端エネルギーＥｅｄｇｅが、ＧａＮ井戸層１３のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーＥＯＰの２倍よりも大きいので、２光子吸収が起こる確率は非常に小さくなるからである。
【００３５】
この光スイッチに共鳴波長１４８３ｎｍ（８３６ｍｅＶ）より２ｍｅＶ高いエネルギーを持つ波長１４７９ｎｍ（８３８ｍｅＶ）の信号光をあてておき、波長１４８３ｎｍ（８３６ｍｅＶ）、パルス幅１ｐｓの共鳴パルス光を照射したときの信号光の変化の様子を調べた。
【００３６】
その結果、共鳴パルス光をあてている間だけ、信号光が吸収しやすくなり、信号光の出力強度が光スイッチに入射する前の５０％にまで減少することが分かった。また、この変化は共鳴光が消えると同時にもとに戻ることも確認した。
【００３７】
この現象は文献アプライド・フィジクス・レターズ第５１巻（１９８７）１６７０頁に述べられているステップ構造を持つ量子井戸のサブバンド間で実励起をした場合のサブバンド間エネルギーの増加と類似のものと考えられる。
【００３８】
すなわち、キャリアの励起によりサブバンド間のエネルギー差が増大し、吸収ピーク波長が短波長側にシフトした結果、信号光が吸収されたことによる。
また、超高速の応答が得られたのは。図２に示すように、２光子吸収が抑えられたことと、また、図３に示すように、ＧａＮ／ＡｌＮバンド構造においては、Γ点よりＡ点やＭ点のエネルギーが十分上にあるため、第２のサブバンド（２番目にエネルギー準位が高いサブバンド）に励起されたキャリアがＡ点やＭ点に滞留することなく、Γ点の第１のサブバンド（１番エネルギー準位が低い、つまり、基底準位のサブバンド）に緩和したためと考えられる。
【００３９】
かくして本実施例によれば、光通信に十分対応できる高速応答の光スイッチが得られる。したがって、このような光スイッチを用いれば、光信号の利点（例えば、高速、低クロストーク）を十分に生かした光通信システムや光情報処理システム等を構築できるようになる。
（第２の実施例）
図４は、本発明の第２の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。なお、図１の光半導体素子と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する（以下の図も同様）。
【００４０】
本実施例の光スイッチが第１の実施例のそれと異なる点は、量子井戸構造を左右非対称にしたことにある。
製造工程（製造方法）は第１の実施例のそれとほぼ同様であるが、ＩｎＡｌＮクラッド層１５をＧａＮ量子井戸層１３の片側に形成した。本実施例の光スイッチによれば、第１の実施例のそれよりも大きな６０％近い消光比が得られることを確認した。これは文献ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第６５巻（１９８９）４３７７頁に述べられているように、非対称構造により、シュタルクシフトがより大きくなったためと解される。
【００４１】
第１、第２の実施例では、吸収ピークの位置がキャリアの励起により変化することを利用したものであるが、屈折率の変化を利用することも有効である。
（第３の実施例）
図５は、本発明の第３の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。
【００４２】
本実施例の光スイッチが第１の実施例のそれと異なる点は、素子の上部と下部を金薄膜５１によりコーティングして、反射鏡を形成したことにある。
本実施例によれば、このように互いに平行な２枚の金薄膜５１からなる反射鏡で囲まれた量子井戸構造がエタロンとして働き、その透過ピーク位置は２枚の反射鏡間の光学距離で決まる。
【００４３】
このように光非線形をもつ媒質からなるエタロンを光スイッチに利用する原理は、例えば、アプライド・フィジクス・レターズ第４９巻（１９８６）７４９頁に述べられている。
【００４４】
本実施例では、エタロンの透過ピーク位置を波長１５５０ｎｍとして、共鳴吸収波長より長波長側の透明域に設定した。
このエタロンに透過域波長の１５５０ｎｍのポンプパルス光（幅１ｐｓ）をあてると、シュタルク効果により、サブバンド吸収ピークが短波長側に動くと同時に屈折率が減少し、２枚の反射鏡間の光学距離が減少しエタロンの透過スペクトルが短波長側にシフトする。
【００４５】
既に述べたようにサブバンド間遷移における非線形性、つまり、屈折率の変化量は、バンド間遷移に比べ非常に大きいため、エタロンの透過スペクトルも１６ｎｍと大きくシフトするのが観測された。また、幅１ｐｓのパルス光にも追随して非常に速く変化することも分かった。
【００４６】
したがって、オン信号として透過率の時間変動の激しい波長１５７０ｎｍの信号光を用い、オフ信号として１５４０ｎｍの信号光を用いることにより、高速にオン状態とオフ状態とを切り替えることができる光スイッチを実現できるようになる。さらに、このような非線形エタロンを使用して、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲといった論理素子を作ることも可能である。
（第４の実施例）
図６は、本発明の第４の実施例に係る光半導体素子（マッハ・ツェンダー型の干渉計）を上から見た平面図ある。
【００４７】
本実施例によれば、サファイア基板６１上に形成したＧａＮ光導波路６２に入射した信号光は、２つの経路に分岐する。その片側にはサブバンド間励起を起こすためのＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３が形成されている。
【００４８】
したがって、このＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３に共鳴パルス光を照射することにより、屈折率変化を通して信号光の位相を変化させることができる。この結果、再び合わさった信号光は強めあったり、弱めあったりして出射光の強度が変化する。
（第５の実施例）
図７は、本発明の第５の実施例に係る光半導体素子（方向性結合器）を上から見た平面図ある。
【００４９】
本実施例によれば、方向性結合器の片側に、ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３を設けているので、ポンプ光により伝搬定数を変化させることにより、シグナル光の高速スイッチング動作を行なえる。
【００５０】
第１〜第５の実施例では、半導体材料としてＧａＮ系の材料を用いているが、後に示す他の適当な材料系でも同様な効果が期待できる。また、価電子帯でサブバンド間励起を生じさせることによっても、超高速光スイッチ動作を得ることもできる。
（第６の実施例）
図８は、本発明の第６の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００５１】
図８において、１、２、３、４はエネルギー準位を示しており、１は価電子帯の基底準位、２〜４は伝導帯のサブバンド準位を示している。また、ｈはプランク定数、ν４３はエネルギー準位４からエネルギー準位３に遷移したときに生じる光の振動数であり、ｈν４３はエネルギー準位４からエネルギー準位３に遷移したときに生じる光のエネルギーを示している。また、図８のνｘｙ、ｈνｘｙ（ｘ、ｙは自然数で、かつｘとｙは等しくない）および他の図のνｘｙ、ｈνｘｙも同様な意味である。
【００５２】
レーザ動作は、サブバンド準位４，３間に形成された反転分布を利用する。サブバンド準位２，３，４は上述したようにいずれも伝導帯におけるサブバンド準位であり、これらサブバンド準位２，３，４は、空間的には、図９に示すように位置されている。
【００５３】
サブバンド準位４，３間のエネルギー差が概略０．８ｅＶとなるように量子井戸層が設計されている。また、バンドギャップは１．６ｅＶ以上のエネルギー差があるように、量子井戸層、量子障壁層の材料が選ばれている。
【００５４】
量子井戸層と量子障壁層とのバンド不連続値は０．８ｅＶより十分大きいため、電子の熱的なオーバーフローを低減でき、これにより、高温、低電流でのレーザ動作が可能となる。
【００５５】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１０に示す。
図１０において、１０１はサファイア基板を示しており、このサファイア基板１０１上には、ｎ型ＧａＮバッファ層１０２を介して、ｎ側Ｔｉ／Ａｌ電極１０４が設けられたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３が形成されている。
【００５６】
このｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５が形成されており、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上には、ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１０６を介して、活性層１０７が形成されている。
【００５７】
この活性層１０７は、ＡｌＧａＮ障壁層１０８とＩｎＧａＮ井戸層とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト層１１０が形成されている。
【００５８】
活性層１０７上には、ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２が順次形成され、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１１３を介して、ｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極にコンタクトしている。
（第７の実施例）
図１１は、本発明の第７の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００５９】
本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材料として、間接遷移型の材料を用いた例である。この場合も、バンド間の再結合時間をサブバンド間の遷移時間に比べて長くできる。何故ならば、バンド間の遷移を生じるには大きな運動量の変化が必要となるためである。
【００６０】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１２に示す。これは材料としてＡｌＧａＰを用いた例である。
図１２において、１２２はｎ型ＧａＰ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｓｉ／Ａｕ電極が設けられている。また、ｎ型ＧａＰ基板１２２の表面にはｎ型ＧａＰバッファ層１２３が形成されており、このｎ型ＧａＰバッファ層１２３上には、ｎ型ＡｌＰクラッド層１２４、ＡｌＧａＰ光ガイド層１２５が順次形成されている。
【００６１】
このＡｌＧａＰ光ガイド層１２５上には、活性層１２６が形成されている。この活性層１２６は、ＡｌＰ障壁層１２７とＧａＰ量子井戸層１２８とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＡｌＧａＰ電子ドリフト層１２９が形成されている。
【００６２】
活性層１２６上には、ＡｌＧａＰ光ガイド層１３０、ｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１が順次形成されており、このｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１は、ｐ型ＧａＰコンタクト層１３２を介して、ｐ側Ｚｎ／Ａｕ電極１３３にコンタクトしている。
【００６３】
なお、このような構成の量子カスケードレーザはＳｉＣとダイヤモンドの組み合わせでも可能である。
（第８の実施例）
図１３は、本発明の第８の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００６４】
本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材料として、Ｓｉ上のＣａＦ２ とＣｏＳｉ２ を用いた例である。この場合、伝導帯のオフセットは１５ｅＶと非常に大きい。また、基板とほぼ格子整合することから、Ｓｉ電子デバイスとの集積も容易である。
（第９の実施例）
図１４は、本発明の第９の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００６５】
本実施例の特徴は、タイプＩＩ型の超格子を用いて量子井戸構造を構成したことにある。この場合も、直接再結合の確率を低減できるため、高性能のレーザが得られる。
【００６６】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１５に示す。
図１５において、１５２はｎ型ＧａＡｓ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｔｉ／Ａｕ電極１５１が設けられている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１５２の表面にはｎ型ＧａＡｓバッファ層１５３、ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１５４、ＺｎＳＳｅ光ガイド層１５５が順次形成されている。
【００６７】
このＺｎＳＳｅ光ガイド層１５５上には、活性層１５６が形成されている。この活性層１５６は、ＺｎＳＳｅ障壁層１５７とＺｎＴｅ量子井戸層とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＺｎＳｅ電子ドリフト層１５９が形成されている。
【００６８】
活性層１５６上には、ＺｎＳｅ光ガイド層１６０、ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１６１、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層１６２、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６３が順次形成され、このｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６３にはｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極が設けられている。
【００６９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。例えば、実施例では、動作波長を１５５０ｎｍ付近に設定したが光通信で用いられるもう一つの波長である１３００ｎｍ付近の領域でも良い。
【００７０】
また、同一基板上に多数の光半導体素子を集積化することも可能である。
また、上記実施例では、サブバンドとして完全な束縛状態のものを用いたが、サブバンドは擬束縛状態でも良い。
【００７１】
また、上記実施例では、量子井戸構造を用いた場合について説明したが、量子細線、量子箱を用いた場合についても適用できる。
また、上記実施例では、光スイッチ、干渉計、方向性結合器、レーザ（発光素子）等の光半導体素子の場合について説明したが、本発明は受光素子や光増幅器等の他の光半導体素子にも適用できる。
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。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、光通信に十分対応できる動作速度（応答速度）を有し、さらに、光通信で用いられる波長帯の光が得られる光半導体素子が得られ、したがって、このような光半導体素子を用いることにより、光信号の利点（例えば、高速、低クロストーク）を十分に生かした光通信システムや光情報処理システム等を構築できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図２】図１の光スイッチの動作原理を説明するためのバンドダイヤグラム
【図３】図１の光スイッチのΓ点と対称点の関係を示す図
【図４】本発明の第２の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図５】本発明の第３の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図６】本発明の第４の実施例に係るマッハ・ツェンダー型の干渉計を示す平面図
【図７】本発明の第５の実施例に係る方向性結合器を示す平面図
【図８】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図９】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーのポテンシャルを示す図
【図１０】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１１】本発明の第７の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１２】本発明の第７の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１３】本発明の第８の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１４】本発明の第９の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１５】本発明の第９の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１６】サブバンド間遷移を利用した従来の従来の半導体レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＧａＮ層
１３…ＧａＮ井戸層
１４…ＡｌＮ障壁層
１５…ＩｎＡｌＮ層
５１…金薄膜
６１…サファイア基板
６２…ＧａＮ導波路
６３…ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層
１０１…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧａＮバッファ層
１０３…ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４…ｎ側Ｔｉ／Ａｌ電極
１０５…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０６…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層
１０７…活性層
１０８…ＡｌＧａＮ障壁層
１０９…ＩｎＧａＮ井戸層
１１０…ＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト層
１１１…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層
１１２…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１１３…ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１４…ｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極
１２１…ｎ側Ｓｉ／Ａｕ電極
１２２…ｎ型ＧａＰ基板
１２３…ｎ型ＧａＰバッファ層
１２４…ｎ型ＡｌＰクラッド層
１２５…ＡｌＧａＰ光ガイド層
１２６…活性層
１２７…ＡｌＰ障壁層
１２８…ＧａＰ量子井戸層
１２９…ＡｌＧａＰ電子ドリフト層
１３０…ＡｌＧａＰ光ガイド層
１３１…ｐ型ＡｌＰクラッド層
１３２…ｐ型ＧａＰコンタクト層
１３３…ｐ側Ｚｎ／Ａｕ電極
１５１…ｎ側Ｔｉ／Ａｕ電極
１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板
１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層
１５６…活性層
１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層
１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板
１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層
１５６…活性層
１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層
１５８…ＺｎＴｅ量子井戸層
１５９…ＺｎＳｅ電子ドリフト層
１６０…ＺｎＳｅ光ガイド層
１６１…ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１６２…ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層
１６３…ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６４…ｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極
【産業上の利用分野】
本発明は、サブバンド間遷移を利用した光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離大容量の光通信システムの発展に伴い大容量の光交換システムや光情報処理システムが必要となってきている。このようなシステムでは、超高速で動作する光スイッチや光論理演算素子等の光素子が必要である。
【０００３】
光スイッチとしては、例えば、量子井戸構造における励起子の電界下での光学特性を生かしたＳｅｌｆ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ−Ｄｅｖｉｃｅ（ＳＥＥＤ）（アプライド・フィジクス・レターズ、４５巻１３頁、１９８４）ものが知られている。
【０００４】
しかしながら、ＳＥＥＤは、その動作速度がＣＲ時定数に制限されるため、高速応答ができないという問題があった。また、励起子を利用しているが、励起子の寿命はナノ秒程度なので、いったん励起子が生成されると、消滅するのに寿命程度の時間が必要であり、時間応答をナノ秒以下にすることは困難であった。
【０００５】
一方、フィジカル・レビュー・レターズ第５９巻、第９号（１９８７）、１０１４〜１０１７頁に記されているように、ＣＲ時定数によるスイッチング時間の制限がない方法が提案されている。
【０００６】
この方法では、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の価電子帯バンドの電子を伝導帯バンドへ非共鳴光で励起し、その結果生じる仮想キャリアが元になって生じる光非線形効果を用いている。仮想キャリアの入射パルス光に対する応答は、ピコ秒以下の超短時間で生じることが知られているため、超高速動作が期待できる。
【０００７】
しかしながら、この種の方法には以下のような問題がある。すなわち、非共鳴光が共鳴エネルギーに近い場合は、フォノンを介して実励起が生じたり、実励起が抑制される。したがって、離調エネルギーを大きくすると、十分な仮想励起が起こらなくなるので、十分な光非線形性が得られないという問題が生じる。
【０００８】
このような問題を解決する方法として、キャリアの緩和時間がバンド間遷移に比べて格段に速いサブバンド間遷移を利用する方法が提案されている（Ｙ．Ｈｉｒａｙａｍａ他，Ｊａｐ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、 Ｖｏｌ．３３ ｐｐ８９０−８９５， １９９４） 。
【０００９】
具体的には、従来の光通信波長である１．５μｍ帯で動作するサブバンド間遷移では、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造が用いられる。この量子井戸構造を図１６に示す。図中、１７１はＩｎＧａＡｓ層を示し、１７２はＡｌＡｓ層を示している。
【００１０】
バンド間遷移のエネルギー（バンド端エネルギーＥｅｄｇｅ）は０．８〜０．９ｅＶ程度であり、また、動作波長に相当するエネルギーＥＯＰは０．８ｅＶよりも大きい。このため、バンド間吸収は起こらないように思われるが、実際には、２つの光子が関与する過程である２光子吸収が起きてしまう。
【００１１】
また、半導体レーザの場合には、従来フェルミ準位またはｋ空間におけるキャリアの分布に起因したスペクトルの広がりや、バンド間遷移に律速される応答速度の限界があった。
【００１２】
このような問題に対し、量子カスケードレーザのような新しいデバイスが研究されている（例えば、Ｒ．Ｆ．Ｋａｚａｒｉｎｏｖ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｓｕｒｉｓ： Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．，５（１９７１）ｐ．２０７、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ， Ｋ．Ｍｏｈａｍｍｅｄ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ２２（１９８６） ｐ．１８５３）。
【００１３】
量子カスケードレーザでは、一つの量子井戸のサブバンド準位と隣接する量子井戸のサブバンドとの間で形成された反転分布を利用してレーザ発振を行なっている。すなわち、半導体レーザの場合のように、電子と正孔の２種類のキャリアの再結合を用いるのではなく、１種類のキャリアの遷移を利用しているので、利得スペクトルは極めて狭くなり、これにより、発振線幅も狭くなる。また、サブバンド間の遷移であるため、応答速度も速い。
【００１４】
このようなレーザ発振原理を用いて、低温（９０ Ｋ）でのレーザ発振が報告されている（Ｊ．Ｆａｉｓｔ，Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２６４（１９９４） ｐ．５５３、Ｊ．Ｆａｉｓｔ，Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ ａｎｄ Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３０（１９９４） ｐ．８６５ ）。
【００１５】
しかしながら、レーザ発振に必要な反転分布を形成するには、極めて大きい注入電流（〜１Ａ）が要求されるという問題がある。さらに、サブバンド間遷移を利用してレーザ発振を行なっているので、以下のような問題がある。すなわち、量子井戸を構成する材料のバンド不連続値より大きいエネルギーに相当する波長のレーザ発振は不可能であるため、これまでの材料では、光通信で用いられる１．５５μｍ、１．３μｍ等の波長帯域でのレーザ発振は実現されていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く従来より種々の光半導体素子が提案されていたが、光通信技術に十分対応できる光半導体素子は実現されていなかった。
すなわち、ＳＥＥＤ等の光半導体素子とは異なり、ＣＲ時定数に動作速度が制限されない光半導体素子として、バンド間遷移を利用したものが提案されていたが、十分な光非線形性が得られないという問題があった。
【００１７】
このような問題を解決できる光半導体素子として、サブバンド間遷移を利用したものが提案されていたが、２光子吸収によりバンド間遷移が起こるという問題があった。さらに、サブバンド間遷移を利用した従来のレーザでは、光通信技術に必要な波長帯域のレーザ発振が得られないという問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、光通信技術に十分対応できる光半導体装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置（請求項１）は、基板上に形成された第１の半導体層と、この第１の半導体層とのバンドの位置が異なる第２の半導体層とからなる量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも１つを有する光スイッチまたは量子カスケードレーザを備えた光半導体装置であって、前記第１の半導体層の伝導帯および価電子帯の少なくとも一方は、２つ以上のサブバンドを有し、前記第１の半導体層のバンド端エネルギーは、前記第１の半導体層のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーの２倍よりも大きく、かつ前記サブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーが０．７５ｅＶ以上であり、前記第１の半導体層および第２の半導体層が窒化物半導体（Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ p （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｐ≦１））から形成されていることを特徴とする。
【００２０】
なお、本発明の好ましい実施態様は以下の通りである。
（１）上記発明（請求項１）において、第１の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方がウルツァイト型の結晶構造を有する。
【００２１】
また、本発明をレーザに適用した場合には、サブバンド間のエネルギー差が大きく、かつバンドギャップも大きい材料を用いることにより、光通信で用いられる波長帯での動作するサブバンド間遷移が可能なる。
【００２２】
すなわち、本発明をレーザに適用する場合は、上記発明において、第１の半導体層と第２の半導体層との伝導帯または価電子帯におけるバンド不連続値を少なくとも０．８ｅＶ以上とし、第１の半導体層のバンド端エネルギーが少なくとも１．６ｅＶ以上ある半導体材料を用いる。
【００２３】
【作用】
上述の如く、サブバンド間遷移では、バンド端エネルギーＥｅｄｇｅが動作波長に相当するエネルギーＥＯＰよりも大きく、バンド間吸収は起こらないように思われるが、実際には、２つの光子が関与する過程である２光子吸収が起きてしまうという問題があった。
【００２４】
そこで、本発明では、第１の半導体層のバンド端エネルギーＥｅｄｇｅを、サブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーＥｏｐの２倍よりも大きくしている。このようにすれば、バンド端エネルギーは２つの光子のエネルギーより大きいため、光子が吸収される確率が非常に小さくなる。
【００２５】
ここで、Ｅｏｐは光通信でよく用いられる材料や波長帯を考慮すれば、例えばＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓのバンドギャップである０．７５ｅＶ以上に設定する必要がある。特に０．８ｅＶ、つまり、１．５５μｍではファイバー中でのロスも少なく、エルビウムをドープしたファイバーアンプが使用できる領域であるため都合が良い。
【００２９】
また、窒化物半導体を用いた場合には、格子不整合の影響をあまり受けずに所望の高品質量子構造が得られるという効果もある。
さらに、本発明（請求項１）をレーザに適用し、かつ第１、第２の半導体層の材料として、バンド不連続値が大きい材料の組合わせを用いれば、光通信で用いられる波長帯で動作するサブバンド間遷移レーザが可能となる、このとき、バンド端エネルギー自身は十分大きいため（Ｅedge＞２ＥOP）、先に述べたように、２光子吸収過程等によるバンド間遷移の影響を除去できる。
【００３０】
【実施例】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。
【００３１】
図中、１１はサファイア基板を示しており、このサファイア基板１１上には、バッファ層としてのＧａＮ層１２が形成されている。このＧａＮ層１２上には、ＩｎＡｌＮクラッド層１５を介して、ＧａＮ量子井戸層１３とＡｌＮ第１障壁層１４とからなる量子井戸構造が形成されている。この量子井戸構造上には、ＩｎＡｌＮクラッド層１５を介して、ギャップ層としてのＧａＮ層１２が形成されている。
【００３２】
上記各層１２〜１５は、機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成され、ＧａＮ量子井戸層１３の厚さは１．７ｎｍ程度、ギャップ層としてのＧａＮ層１２の厚さは１μｍ程度である。
【００３３】
このような構成の光スイッチの吸収スペクトルを調べたところ、１４８３ｎｍに鋭い吸収特性を示することが分かった。これは図２のバンドダイヤグラムに示すように、伝導帯の１番目のサブバンドから２番目のサブバンドへの共鳴吸収によるものである。また、バンドギャップは十分大きいので２光子吸収はほとんど起こらない。
【００３４】
すなわち、ＧａＮ井戸層１３のバンド端エネルギーＥｅｄｇｅが、ＧａＮ井戸層１３のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーＥＯＰの２倍よりも大きいので、２光子吸収が起こる確率は非常に小さくなるからである。
【００３５】
この光スイッチに共鳴波長１４８３ｎｍ（８３６ｍｅＶ）より２ｍｅＶ高いエネルギーを持つ波長１４７９ｎｍ（８３８ｍｅＶ）の信号光をあてておき、波長１４８３ｎｍ（８３６ｍｅＶ）、パルス幅１ｐｓの共鳴パルス光を照射したときの信号光の変化の様子を調べた。
【００３６】
その結果、共鳴パルス光をあてている間だけ、信号光が吸収しやすくなり、信号光の出力強度が光スイッチに入射する前の５０％にまで減少することが分かった。また、この変化は共鳴光が消えると同時にもとに戻ることも確認した。
【００３７】
この現象は文献アプライド・フィジクス・レターズ第５１巻（１９８７）１６７０頁に述べられているステップ構造を持つ量子井戸のサブバンド間で実励起をした場合のサブバンド間エネルギーの増加と類似のものと考えられる。
【００３８】
すなわち、キャリアの励起によりサブバンド間のエネルギー差が増大し、吸収ピーク波長が短波長側にシフトした結果、信号光が吸収されたことによる。
また、超高速の応答が得られたのは。図２に示すように、２光子吸収が抑えられたことと、また、図３に示すように、ＧａＮ／ＡｌＮバンド構造においては、Γ点よりＡ点やＭ点のエネルギーが十分上にあるため、第２のサブバンド（２番目にエネルギー準位が高いサブバンド）に励起されたキャリアがＡ点やＭ点に滞留することなく、Γ点の第１のサブバンド（１番エネルギー準位が低い、つまり、基底準位のサブバンド）に緩和したためと考えられる。
【００３９】
かくして本実施例によれば、光通信に十分対応できる高速応答の光スイッチが得られる。したがって、このような光スイッチを用いれば、光信号の利点（例えば、高速、低クロストーク）を十分に生かした光通信システムや光情報処理システム等を構築できるようになる。
（第２の実施例）
図４は、本発明の第２の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。なお、図１の光半導体素子と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する（以下の図も同様）。
【００４０】
本実施例の光スイッチが第１の実施例のそれと異なる点は、量子井戸構造を左右非対称にしたことにある。
製造工程（製造方法）は第１の実施例のそれとほぼ同様であるが、ＩｎＡｌＮクラッド層１５をＧａＮ量子井戸層１３の片側に形成した。本実施例の光スイッチによれば、第１の実施例のそれよりも大きな６０％近い消光比が得られることを確認した。これは文献ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第６５巻（１９８９）４３７７頁に述べられているように、非対称構造により、シュタルクシフトがより大きくなったためと解される。
【００４１】
第１、第２の実施例では、吸収ピークの位置がキャリアの励起により変化することを利用したものであるが、屈折率の変化を利用することも有効である。
（第３の実施例）
図５は、本発明の第３の実施例に係る光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図である。
【００４２】
本実施例の光スイッチが第１の実施例のそれと異なる点は、素子の上部と下部を金薄膜５１によりコーティングして、反射鏡を形成したことにある。
本実施例によれば、このように互いに平行な２枚の金薄膜５１からなる反射鏡で囲まれた量子井戸構造がエタロンとして働き、その透過ピーク位置は２枚の反射鏡間の光学距離で決まる。
【００４３】
このように光非線形をもつ媒質からなるエタロンを光スイッチに利用する原理は、例えば、アプライド・フィジクス・レターズ第４９巻（１９８６）７４９頁に述べられている。
【００４４】
本実施例では、エタロンの透過ピーク位置を波長１５５０ｎｍとして、共鳴吸収波長より長波長側の透明域に設定した。
このエタロンに透過域波長の１５５０ｎｍのポンプパルス光（幅１ｐｓ）をあてると、シュタルク効果により、サブバンド吸収ピークが短波長側に動くと同時に屈折率が減少し、２枚の反射鏡間の光学距離が減少しエタロンの透過スペクトルが短波長側にシフトする。
【００４５】
既に述べたようにサブバンド間遷移における非線形性、つまり、屈折率の変化量は、バンド間遷移に比べ非常に大きいため、エタロンの透過スペクトルも１６ｎｍと大きくシフトするのが観測された。また、幅１ｐｓのパルス光にも追随して非常に速く変化することも分かった。
【００４６】
したがって、オン信号として透過率の時間変動の激しい波長１５７０ｎｍの信号光を用い、オフ信号として１５４０ｎｍの信号光を用いることにより、高速にオン状態とオフ状態とを切り替えることができる光スイッチを実現できるようになる。さらに、このような非線形エタロンを使用して、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲといった論理素子を作ることも可能である。
（第４の実施例）
図６は、本発明の第４の実施例に係る光半導体素子（マッハ・ツェンダー型の干渉計）を上から見た平面図ある。
【００４７】
本実施例によれば、サファイア基板６１上に形成したＧａＮ光導波路６２に入射した信号光は、２つの経路に分岐する。その片側にはサブバンド間励起を起こすためのＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３が形成されている。
【００４８】
したがって、このＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３に共鳴パルス光を照射することにより、屈折率変化を通して信号光の位相を変化させることができる。この結果、再び合わさった信号光は強めあったり、弱めあったりして出射光の強度が変化する。
（第５の実施例）
図７は、本発明の第５の実施例に係る光半導体素子（方向性結合器）を上から見た平面図ある。
【００４９】
本実施例によれば、方向性結合器の片側に、ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３を設けているので、ポンプ光により伝搬定数を変化させることにより、シグナル光の高速スイッチング動作を行なえる。
【００５０】
第１〜第５の実施例では、半導体材料としてＧａＮ系の材料を用いているが、後に示す他の適当な材料系でも同様な効果が期待できる。また、価電子帯でサブバンド間励起を生じさせることによっても、超高速光スイッチ動作を得ることもできる。
（第６の実施例）
図８は、本発明の第６の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００５１】
図８において、１、２、３、４はエネルギー準位を示しており、１は価電子帯の基底準位、２〜４は伝導帯のサブバンド準位を示している。また、ｈはプランク定数、ν４３はエネルギー準位４からエネルギー準位３に遷移したときに生じる光の振動数であり、ｈν４３はエネルギー準位４からエネルギー準位３に遷移したときに生じる光のエネルギーを示している。また、図８のνｘｙ、ｈνｘｙ（ｘ、ｙは自然数で、かつｘとｙは等しくない）および他の図のνｘｙ、ｈνｘｙも同様な意味である。
【００５２】
レーザ動作は、サブバンド準位４，３間に形成された反転分布を利用する。サブバンド準位２，３，４は上述したようにいずれも伝導帯におけるサブバンド準位であり、これらサブバンド準位２，３，４は、空間的には、図９に示すように位置されている。
【００５３】
サブバンド準位４，３間のエネルギー差が概略０．８ｅＶとなるように量子井戸層が設計されている。また、バンドギャップは１．６ｅＶ以上のエネルギー差があるように、量子井戸層、量子障壁層の材料が選ばれている。
【００５４】
量子井戸層と量子障壁層とのバンド不連続値は０．８ｅＶより十分大きいため、電子の熱的なオーバーフローを低減でき、これにより、高温、低電流でのレーザ動作が可能となる。
【００５５】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１０に示す。
図１０において、１０１はサファイア基板を示しており、このサファイア基板１０１上には、ｎ型ＧａＮバッファ層１０２を介して、ｎ側Ｔｉ／Ａｌ電極１０４が設けられたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３が形成されている。
【００５６】
このｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５が形成されており、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上には、ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１０６を介して、活性層１０７が形成されている。
【００５７】
この活性層１０７は、ＡｌＧａＮ障壁層１０８とＩｎＧａＮ井戸層とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト層１１０が形成されている。
【００５８】
活性層１０７上には、ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２が順次形成され、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１１３を介して、ｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極にコンタクトしている。
（第７の実施例）
図１１は、本発明の第７の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００５９】
本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材料として、間接遷移型の材料を用いた例である。この場合も、バンド間の再結合時間をサブバンド間の遷移時間に比べて長くできる。何故ならば、バンド間の遷移を生じるには大きな運動量の変化が必要となるためである。
【００６０】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１２に示す。これは材料としてＡｌＧａＰを用いた例である。
図１２において、１２２はｎ型ＧａＰ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｓｉ／Ａｕ電極が設けられている。また、ｎ型ＧａＰ基板１２２の表面にはｎ型ＧａＰバッファ層１２３が形成されており、このｎ型ＧａＰバッファ層１２３上には、ｎ型ＡｌＰクラッド層１２４、ＡｌＧａＰ光ガイド層１２５が順次形成されている。
【００６１】
このＡｌＧａＰ光ガイド層１２５上には、活性層１２６が形成されている。この活性層１２６は、ＡｌＰ障壁層１２７とＧａＰ量子井戸層１２８とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＡｌＧａＰ電子ドリフト層１２９が形成されている。
【００６２】
活性層１２６上には、ＡｌＧａＰ光ガイド層１３０、ｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１が順次形成されており、このｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１は、ｐ型ＧａＰコンタクト層１３２を介して、ｐ側Ｚｎ／Ａｕ電極１３３にコンタクトしている。
【００６３】
なお、このような構成の量子カスケードレーザはＳｉＣとダイヤモンドの組み合わせでも可能である。
（第８の実施例）
図１３は、本発明の第８の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００６４】
本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材料として、Ｓｉ上のＣａＦ２ とＣｏＳｉ２ を用いた例である。この場合、伝導帯のオフセットは１５ｅＶと非常に大きい。また、基板とほぼ格子整合することから、Ｓｉ電子デバイスとの集積も容易である。
（第９の実施例）
図１４は、本発明の第９の実施例に係る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【００６５】
本実施例の特徴は、タイプＩＩ型の超格子を用いて量子井戸構造を構成したことにある。この場合も、直接再結合の確率を低減できるため、高性能のレーザが得られる。
【００６６】
本実施例の量子カスケードレーザの具体的な素子構造を図１５に示す。
図１５において、１５２はｎ型ＧａＡｓ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｔｉ／Ａｕ電極１５１が設けられている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１５２の表面にはｎ型ＧａＡｓバッファ層１５３、ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１５４、ＺｎＳＳｅ光ガイド層１５５が順次形成されている。
【００６７】
このＺｎＳＳｅ光ガイド層１５５上には、活性層１５６が形成されている。この活性層１５６は、ＺｎＳＳｅ障壁層１５７とＺｎＴｅ量子井戸層とを複数積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＺｎＳｅ電子ドリフト層１５９が形成されている。
【００６８】
活性層１５６上には、ＺｎＳｅ光ガイド層１６０、ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１６１、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層１６２、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６３が順次形成され、このｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６３にはｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極が設けられている。
【００６９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。例えば、実施例では、動作波長を１５５０ｎｍ付近に設定したが光通信で用いられるもう一つの波長である１３００ｎｍ付近の領域でも良い。
【００７０】
また、同一基板上に多数の光半導体素子を集積化することも可能である。
また、上記実施例では、サブバンドとして完全な束縛状態のものを用いたが、サブバンドは擬束縛状態でも良い。
【００７１】
また、上記実施例では、量子井戸構造を用いた場合について説明したが、量子細線、量子箱を用いた場合についても適用できる。
また、上記実施例では、光スイッチ、干渉計、方向性結合器、レーザ（発光素子）等の光半導体素子の場合について説明したが、本発明は受光素子や光増幅器等の他の光半導体素子にも適用できる。
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。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、光通信に十分対応できる動作速度（応答速度）を有し、さらに、光通信で用いられる波長帯の光が得られる光半導体素子が得られ、したがって、このような光半導体素子を用いることにより、光信号の利点（例えば、高速、低クロストーク）を十分に生かした光通信システムや光情報処理システム等を構築できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図２】図１の光スイッチの動作原理を説明するためのバンドダイヤグラム
【図３】図１の光スイッチのΓ点と対称点の関係を示す図
【図４】本発明の第２の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図５】本発明の第３の実施例に係る光スイッチの素子構造を示す断面図
【図６】本発明の第４の実施例に係るマッハ・ツェンダー型の干渉計を示す平面図
【図７】本発明の第５の実施例に係る方向性結合器を示す平面図
【図８】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図９】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーのポテンシャルを示す図
【図１０】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１１】本発明の第７の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１２】本発明の第７の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１３】本発明の第８の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１４】本発明の第９の実施例に係る量子カスケードレーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【図１５】本発明の第９の実施例に係る量子カスケードレーザの具体的な素子構造を素子断面図
【図１６】サブバンド間遷移を利用した従来の従来の半導体レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＧａＮ層
１３…ＧａＮ井戸層
１４…ＡｌＮ障壁層
１５…ＩｎＡｌＮ層
５１…金薄膜
６１…サファイア基板
６２…ＧａＮ導波路
６３…ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層
１０１…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧａＮバッファ層
１０３…ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４…ｎ側Ｔｉ／Ａｌ電極
１０５…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０６…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層
１０７…活性層
１０８…ＡｌＧａＮ障壁層
１０９…ＩｎＧａＮ井戸層
１１０…ＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト層
１１１…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層
１１２…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１１３…ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１４…ｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極
１２１…ｎ側Ｓｉ／Ａｕ電極
１２２…ｎ型ＧａＰ基板
１２３…ｎ型ＧａＰバッファ層
１２４…ｎ型ＡｌＰクラッド層
１２５…ＡｌＧａＰ光ガイド層
１２６…活性層
１２７…ＡｌＰ障壁層
１２８…ＧａＰ量子井戸層
１２９…ＡｌＧａＰ電子ドリフト層
１３０…ＡｌＧａＰ光ガイド層
１３１…ｐ型ＡｌＰクラッド層
１３２…ｐ型ＧａＰコンタクト層
１３３…ｐ側Ｚｎ／Ａｕ電極
１５１…ｎ側Ｔｉ／Ａｕ電極
１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板
１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層
１５６…活性層
１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層
１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板
１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層
１５６…活性層
１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層
１５８…ＺｎＴｅ量子井戸層
１５９…ＺｎＳｅ電子ドリフト層
１６０…ＺｎＳｅ光ガイド層
１６１…ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１６２…ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層
１６３…ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６４…ｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極
Claims (1)
- 基板上に形成された第１の半導体層と、この第１の半導体層とのバンドの位置が異なる第２の半導体層とからなる量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも１つを有する光スイッチまたは量子カスケードレーザを備えた光半導体装置であって、
前記第１の半導体層の伝導帯および価電子帯の少なくとも一方は、２つ以上のサブバンドを有し、前記第１の半導体層のバンド端エネルギーは、前記第１の半導体層のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーの２倍よりも大きく、かつ前記サブバンド間隔に相当する動作波長のエネルギーが０．７５ｅＶ以上であり、
前記第１の半導体層および第２の半導体層が窒化物半導体（Ｉｎ x Ｇａ y Ａｌ 1-x-y Ｎ p （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｐ≦１））から形成されていることを特徴とする光半導体装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP32325094A JP3566365B2 (ja) | 1994-12-26 | 1994-12-26 | 光半導体装置 |
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