JP4496364B2 - Semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体薄膜を有する半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor element having a semiconductor thin film.
材料の光可飽和吸収特性とは、材料の同一領域に弱い光を当てながら別に強い光を当てると、その材料の光の吸収係数が減少する特性をいう。この特性について図１を用いて説明する。 The light saturable absorption characteristic of a material refers to a characteristic that the light absorption coefficient of the material decreases when another strong light is applied to the same region of the material. This characteristic will be described with reference to FIG.
図１に示すように、弱い光である信号光パルス（図中（ａ））と強い光パルスである制御光パルス（図中（ｂ））をある材料の同じ場所に照射すると、信号光パルスと制御光パルスとが重なった期間だけ出力光パルス（図中（ｃ））が現れる。一方、それ以外の期間に出力パルスは現れない。即ちこれは、アンド回路の特性を有すると言え、この特性を用いて光−光スイッチ動作を行う半導体素子としての応用が考えられる。なおこの半導体素子を実現するためには、急峻に応答するだけでなく、できるだけ小さな制御光パルスで動作可能とすることが望まれている。 As shown in FIG. 1, when a signal light pulse ((a) in the figure) which is weak light and a control light pulse ((b) in the figure) which is a strong light pulse are irradiated to the same place of a certain material, the signal light pulse The output light pulse ((c) in the figure) appears only during the period in which the control light pulse overlaps. On the other hand, no output pulse appears in other periods. That is, it can be said that it has the characteristics of an AND circuit, and application as a semiconductor element that performs an optical-optical switch operation using this characteristic can be considered. In order to realize this semiconductor element, it is desired not only to respond steeply but also to operate with the smallest possible control light pulse.
一方、従来の光可飽和吸収特性は、強い光励起密度によって発生した高密度キャリアが状態密度を占有するために生じるバンドフィリング効果、高密度キャリアによって生じる多体効果であるバンドギャップのリノーマリゼーション効果、またはワニエ励起子に基づく位相空間フィリング効果等によって生じている。いずれの場合も、価電子帯から伝導帯の底に励起された電子が自然放出過程を経て正孔と再結合して元の状態に戻るために１ｎｓ程度の時間を要するという課題があった。 On the other hand, the conventional optical saturable absorption characteristics include a band filling effect that occurs because high density carriers generated by strong photoexcitation density occupy the density of states, a band gap renormalization effect that is a multi-body effect generated by high density carriers, Alternatively, it is caused by a phase space filling effect based on Wannier excitons. In either case, there is a problem that it takes about 1 ns for electrons excited from the valence band to the bottom of the conduction band to recombine with holes through the spontaneous emission process and return to the original state.
そこで、上記問題を解決して急峻な応答を実現すべく、キャリアトラップを導入して電子の寿命を減少させる試みがなされている。そのひとつとして、通常よりも低い温度で半導体薄膜をＭＢＥ成長させ（以下これによって成長した膜を単に「低温ＭＢＥ成長膜」という。）、その膜中に意図的に結晶欠陥を導入し、電子のトラップとして機能させる試みがなされている（例えば下記特許文献１参照）。なお更に、このような低温ＭＢＥ成長を行う際に、ドーパントとしてＢｅなどのアクセプタ不純物を導入し１ｐｓ程度の速い応答を実現することも可能となってきている。
半導体素子を実現するためには、上記のとおり速い応答だけでなくより小さな制御光パルスで動作可能とすること即ち駆動光電力の低減化が望まれており、その技術として、量子井戸構造エピタキシャル薄膜を形成する際に予め引っ張り歪みを導入し、駆動光電力を低減化する技術が特願２００３−２９７５４２号によって提案されている。 In order to realize a semiconductor device, it is desired not only to have a fast response as described above, but also to be able to operate with a smaller control light pulse, that is, to reduce driving optical power. Japanese Patent Application No. 2003-297542 has proposed a technique for introducing a tensile strain in advance when forming the film to reduce the driving optical power.
しかし、より一層の駆動光電力の低減化が必要である。さらに、量子井戸構造ではなく、偏波無依存性や波長帯域特性に優れているバルク的薄膜（最小の厚さが１００ｎｍ以上であって、電子の性質がバルク的である薄膜をいう。以下同じ。）を用いた半導体素子でも駆動光電力を低減化する必要であるが、この場合には上記特願２００３−２９７５４２号に記載の技術でさえ未解決である。 However, further reduction in driving optical power is necessary. Furthermore, it is not a quantum well structure but a bulk thin film excellent in polarization independence and wavelength band characteristics (a thin film having a minimum thickness of 100 nm or more and a bulk of electronic properties. The same applies hereinafter. .) Is also necessary to reduce the driving optical power, but in this case, even the technique described in Japanese Patent Application No. 2003-297542 is unsolved.
なお、駆動光電力の低減化の尺度としては飽和励起光強度密度Ｉｓを用いることが有用である。飽和励起光強度密度Ｉｓとは、材料の光吸収係数αを入射光強度密度Ｉの関数として表した場合に、α=（α（０）+β）／２となる励起光強度密度Ｉをいう（図２参照）。なお光吸収係数αとは、入射光強度をＰ１、透過光強度をＰ２としたときにα＝−ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）にて計算されるものであり、入射光強度密度Ｉとは、入射光強度をその照射面積にて割ったものをいう。また，α（０）は入射光強度密度Ｉが０におけるαの極限値であり、βは入射光強度密度Ｉが無限大におけるαの極限値をいう。 Note that it is useful to use the saturation excitation light intensity density Is as a measure for reducing the driving optical power. The saturated excitation light intensity density Is refers to an excitation light intensity density I where α = (α (0) + β) / 2 when the light absorption coefficient α of the material is expressed as a function of the incident light intensity density I. (See FIG. 2). The light absorption coefficient α is calculated by α = −ln (P2 / P1) where the incident light intensity is P1 and the transmitted light intensity is P2, and the incident light intensity density I is the incident light intensity density I. The light intensity divided by the irradiation area. Α (0) is the limit value of α when the incident light intensity density I is 0, and β is the limit value of α when the incident light intensity density I is infinity.
そこで本発明は、上記課題を考慮し、バルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having optical saturable absorption characteristics with reduced driving optical power and a method for manufacturing the same, even for a bulk thin film.
上記目的を達成するために、本発明は、具体的には以下の手段を採用する。
まず、第一の手段として、可飽和吸収特性を示す半導体薄膜を有する半導体素子であって、この半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することを特徴とする。本発明者らは、可飽和吸収特性を示す半導体薄膜に加圧を行うことで、半導体薄膜に存在する結晶構造に歪みを与え、その歪みに応じて飽和励起光強度密度Ｉｓが変化することに想到し、半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することでバルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を提供できることに思い至った。なおここで加圧手段としては半導体薄膜を加圧する限りにおいて種々考えられるが、圧力を加える冶具を用いて半導体薄膜を加圧することも可能であり、また、半導体薄膜に応力を加えることができるよう応力を内在させた被覆層として配置することも可能である。即ち加圧する限りにおいて特段に制限はない。
またこの場合において、加圧手段は、半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧すること、半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で添加されていること、半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有すること、半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなること、半導体薄膜は、多重量子井戸構造の薄膜であることもそれぞれ望ましい。なお本明細書における多重量子井戸構造の薄膜とは、量子効果を得ることができる程度に薄い（厚さ３０ｎｍ以下の）層を複数積層してなる薄膜をいう。
また、第二の手段として、基板と、この基板上に配置される複数の光入力部と、複数の光入力部から入力される光に基づいて光の透過、不透過を制御する半導体薄膜と、半導体薄膜が光を透過した場合に光を外部に導く出力部と、半導体薄膜を加圧する加圧手段と、を有することを特徴とする。
またこの場合において、加圧手段は、前記半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧すること、半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが９×１０１８ｃｍ−３以下の濃度で添加されていること、半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有すること、半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなること、半導体薄膜は、多重量子井戸構造の薄膜であることも望ましい。
なお、この手段において半導体薄膜がバルクである場合は、加圧する方向と光を導入する方向とを異ならせても駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を実現することができるという利点を有する。
In order to achieve the above object, the present invention specifically adopts the following means.
First, as a first means, a semiconductor element having a semiconductor thin film exhibiting saturable absorption characteristics, characterized in that it has a pressurizing means for pressurizing the semiconductor thin film. The present inventors apply pressure to a semiconductor thin film exhibiting saturable absorption characteristics, thereby distorting the crystal structure existing in the semiconductor thin film and changing the saturation excitation light intensity density Is according to the distortion. The inventors have conceived that a semiconductor element having optical saturable absorption characteristics in which driving optical power is reduced can be provided even if a bulk thin film has a pressurizing means for pressurizing the semiconductor thin film. Various pressurization means can be considered here as long as the semiconductor thin film is pressurized, but it is also possible to pressurize the semiconductor thin film using a jig that applies pressure, and stress can be applied to the semiconductor thin film. It is also possible to arrange it as a coating layer containing stress. That is, there is no particular limitation as long as pressurization is performed.
In this case, the pressurizing means pressurizes the semiconductor thin film at a pressure larger than 0 Pa and smaller than 1 GPa, and the semiconductor thin film is added with Be or C at a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or less. It is also desirable that the semiconductor thin film has a thickness of 100 nm or more, the semiconductor thin film contains indium gallium arsenide, and the semiconductor thin film is a thin film having a multiple quantum well structure. Note that a thin film having a multiple quantum well structure in this specification refers to a thin film formed by laminating a plurality of layers (thickness 30 nm or less) thin enough to obtain a quantum effect.
Further, as a second means, a substrate, a plurality of light input units arranged on the substrate, and a semiconductor thin film that controls transmission and non-transmission of light based on light input from the plurality of light input units, The semiconductor thin film includes an output unit that guides light to the outside when the semiconductor thin film transmits light, and a pressurizing unit that pressurizes the semiconductor thin film.
Further, in this case, the pressurizing means pressurizes the semiconductor thin film with a pressure larger than 0 Pa and smaller than 1 GPa, and the semiconductor thin film has Be or C added at a concentration of 9 × 10 18 cm −3 or less. In addition, it is desirable that the semiconductor thin film has a thickness of 100 nm or more, that the semiconductor thin film contains indium gallium arsenide, and that the semiconductor thin film has a multiple quantum well structure.
In this means, when the semiconductor thin film is bulky, it is possible to realize a semiconductor element having optical saturable absorption characteristics in which the driving optical power is reduced even if the pressurizing direction and the light introducing direction are different. It has the advantage of being able to.
以上により、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a semiconductor element having optical saturable absorption characteristics with reduced driving optical power and a method for manufacturing the same.
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail below.
ＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハを基板（厚さ３００ｎｍ）とし、この上にＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶薄膜を、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比（Ｖ／III）を１０、温度を３８０℃又は５７０℃とする条件の下で１５００ｎｍの暑さの薄膜を分子線エピタキシャル成長（以下単に「ＭＢＥ成長」という）させた。なおドーピングに関しては、ノンドープもしくはＢｅ（ベリリウム）をドーパントとし、Ｂｅをドーパントとして用いた場合、その濃度は１×１０１８ｃｍ−３となるようにした。この半導体ウェーハは光通信の中心波長である１．５〜１．７μｍを中心とする広い波長帯域で動作し、かつピコ秒の動作速度を有する光可飽和吸収半導体であった。なお、作製した３種類の半導体混晶薄膜の膜厚、ドーパントの種類など各種データについては以下に示す。なお上記のＩｎＸＧａ１−ＸＡｓの半導体混晶薄膜はＸ＝０．４７、０．５３、０．７２の３種類を作成した。
図３（ａ）に示す加重装置１は、先端を劈開した単一モードの光ファイバー２（コア径１０μｍφ、クラッド径１２５μｍφ、図３（ｂ）参照）を半導体混晶薄膜３の表面に対して垂直な方向から突き立てて重さを加えることができる装置であって、光ファイバー２は金属棒４により支持されている。そしてこの金属棒の上端には水ため５が置かれており、水ため内の水の量を変えることによって光ファイバー２の先端から半導体混晶薄膜に加えられる重さを調整することができる。
一方、半導体混晶薄膜３の裏側の基板面（光ファイバー２が突き立てられる面とは反対の面）には光パワーメータ６が配置されており、光ファイバー２内を伝播してきた光パルスのうち半導体混晶薄膜３を透過した光を計測することができる。そしてこの透過した光の量と半導体混晶薄膜３へ入射した光の量とに基づいて光吸収係数αを求め、更に、飽和励起光強度密度Ｉｓを求める。なお飽和励起光強度密度Ｉｓは、光吸収係数αをこの入射光強度Ｉに対して測定し、下記式でフィッティングすることにより求めることができる。また、本実施例で測定に用いる光は、それぞれｘ＝０．４７のとき１．５μｍ、ｘ＝０．５３のとき１．６μｍ、ｘ＝０．７２のとき１．７μｍとした。なお本実施例では、光は基板ＩｎＰ（３００μｍ）を透過することとなるが、ＩｎＰはこれら光の波長範囲では十分透明であると考えられ、その吸収は厚さと吸収係数から概ね３０％と見積もって測定した。
なお、Ｉｓが最小になる荷重の値は半導体混晶薄膜の種類によって異なり、Ｘ＝０．４７の場合は４０ｇ重、Ｘ＝０．５３の場合は１５０ｇ重、Ｘ＝０．７２の場合は３００ｇ重であった。なおここで、光ファイバーの面積は上記径から１．２×１０−４ｃｍ2と求めることができ、それぞれの荷重をこの面積に基づいて計算すると、Ｘ＝０．４７の場合は３０ＭＰａ、０．５３のときは１２０ＭＰａ、０．７２のときは２４０ＭＰａとなった。本実施例の半導体混晶薄膜における最小のＩｓの値は荷重０の状態のＩｓに比べ１／２から１／１０程度となった。
なお半導体混晶薄膜が破壊しない範囲を考慮すると、望ましい圧力範囲としては０より大きく１ＧＰａ以下の範囲であることが望ましいといえる。またより具体的に、加えるべき荷重に関し、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓにおいてｘと最小のＩｓを示す圧力との関係を検討した。図５にその結果を示す。
図５の結果は、最小のＩｓを与える圧力がｘとともに直線的に増加する傾向を示しており、最小のＩｓを示す圧力はｘ＝１．０とした場合であっても、５００ＭＰａ以下となっている。よって０より大きく５００ＭＰａの範囲内とすることも荷重を加える範囲としてより望ましい。また、光通信の主たる波長は１．５〜１．７μｍの範囲であり、この半導体混晶薄膜を用いた半導体素子を実現するためにはｘは０．４から１．０の範囲に収めることが望ましく、それを考慮すると、図５の直線の範囲として、３０ＭＰａから５００ＭＰａの範囲としておくことがより望ましい。
以上、荷重を加えることにより飽和励起光強度密度Ｉｓを下げることができ、荷重を加えていない場合に比べより一層駆動光電力の低減化を図ることができた。
なお、本実施例では、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比（Ｖ／III）を１０としているが、製膜条件や組成に応じて２〜２００と適宜調整することができる。また、ＭＢＥ膜を製膜する際の温度は、本実施例では３８０℃、５７０℃であるが、半導体混晶薄膜を生成することができる限りにおいて適宜調整が可能であり、具体的には、１５０℃〜５７０℃程度で適宜調整可能である。また、半導体混晶薄膜の厚さは特に限定はないが、吸収係数との関係から概ね２０００ｎｍ以下であることが好ましい。
A (100) -plane wafer of InP (indium phosphide) is used as a substrate (thickness: 300 nm), and a semiconductor mixed crystal thin film of In X Ga 1-X As (indium gallium arsenide) is formed thereon on the V group element and the III group element. A thin film having a heat of 1500 nm was subjected to molecular beam epitaxial growth (hereinafter simply referred to as “MBE growth”) under the conditions of a beam intensity ratio (V / III) of 10 and a temperature of 380 ° C. or 570 ° C. Regarding doping, when non-doped or Be (beryllium) was used as a dopant and Be was used as a dopant, the concentration was set to 1 × 10 18 cm −3 . This semiconductor wafer was an optically saturable absorber semiconductor operating in a wide wavelength band centered on 1.5 to 1.7 μm, which is the central wavelength of optical communication, and having an operation speed of picoseconds. Various data such as the film thickness of the three types of semiconductor mixed crystal thin films and the types of dopants are shown below. The above-mentioned In X Ga 1-X As semiconductor mixed crystal thin film was prepared in three types of X = 0.47, 0.53, and 0.72.
The weighting device 1 shown in FIG. 3A has a single-mode optical fiber 2 (core diameter 10 μmφ, clad diameter 125 μmφ, see FIG. 3B) whose tip is cleaved perpendicular to the surface of the semiconductor mixed crystal thin film 3. In this device, the optical fiber 2 is supported by a metal rod 4. A water 5 is placed at the upper end of the metal rod, and the weight applied to the semiconductor mixed crystal thin film from the tip of the optical fiber 2 can be adjusted by changing the amount of water in the water rod.
On the other hand, an optical power meter 6 is disposed on the substrate surface on the back side of the semiconductor mixed crystal thin film 3 (the surface opposite to the surface on which the optical fiber 2 is projected), and the semiconductor among the optical pulses propagated in the optical fiber 2. The light transmitted through the mixed crystal thin film 3 can be measured. Then, the light absorption coefficient α is obtained based on the amount of transmitted light and the amount of light incident on the semiconductor mixed crystal thin film 3, and further the saturation excitation light intensity density Is is obtained. The saturation excitation light intensity density Is can be obtained by measuring the light absorption coefficient α with respect to the incident light intensity I and fitting it with the following equation. The light used for measurement in this example was 1.5 μm when x = 0.47, 1.6 μm when x = 0.53, and 1.7 μm when x = 0.72. In this example, light passes through the substrate InP (300 μm), but InP is considered to be sufficiently transparent in the wavelength range of these lights, and its absorption is estimated to be approximately 30% from the thickness and absorption coefficient. Measured.
The value of the load at which Is is minimized differs depending on the type of semiconductor mixed crystal thin film. When X = 0.47, the load is 40 g, when X = 0.53, the load is 150 g, and when X = 0.72. The weight was 300 g. Here, the area of the optical fiber can be obtained as 1.2 × 10 −4 cm 2 from the above diameter, and when each load is calculated based on this area, 30 MPa, 0. When it was 53, it was 120 MPa, and when it was 0.72, it was 240 MPa. The minimum value of Is in the semiconductor mixed crystal thin film of this example was about 1/2 to 1/10 compared to Is in the state of no load.
In consideration of the range in which the semiconductor mixed crystal thin film does not break, it can be said that the desirable pressure range is preferably in the range of 0 to 1 GPa. More specifically, regarding the load to be applied, the relationship between x and the pressure indicating the minimum Is in In X Ga 1-X As was examined. FIG. 5 shows the result.
The result of FIG. 5 shows a tendency that the pressure giving the minimum Is increases linearly with x, and the pressure showing the minimum Is is 500 MPa or less even when x = 1.0. ing. Therefore, it is more preferable that the load is within a range of greater than 0 and 500 MPa. Further, the main wavelength of optical communication is in the range of 1.5 to 1.7 μm, and x is in the range of 0.4 to 1.0 in order to realize a semiconductor element using this semiconductor mixed crystal thin film. In view of this, it is more preferable that the range of the straight line in FIG.
As described above, the saturation excitation light intensity density Is can be reduced by applying a load, and the driving optical power can be further reduced as compared with the case where no load is applied.
In this embodiment, the beam intensity ratio (V / III) between the group V element and the group III element is 10, but can be appropriately adjusted to 2 to 200 according to the film forming conditions and composition. In addition, the temperature at which the MBE film is formed is 380 ° C. and 570 ° C. in this embodiment, but can be appropriately adjusted as long as a semiconductor mixed crystal thin film can be formed. It can be appropriately adjusted at about 150 ° C to 570 ° C. The thickness of the semiconductor mixed crystal thin film is not particularly limited, but is preferably about 2000 nm or less in relation to the absorption coefficient.
本実施例では、ＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハの基板上にＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶の超薄膜とＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（砒化インジウムアルミニウム）の半導体混晶の超薄膜とを相互に各１００層ＭＢＥ成長させて多重量子井戸構造の薄膜（以下単に「ＭＱＷ膜」という）とした点が主に実施例１と異なる。なお本実施例における半導体混晶薄膜の断面概略図について図６に示す。
具体的には、まず第一層としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶薄膜をＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハ上に３８０℃の条件下で７ｎｍ積層させた。Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比Ｖ／IIIは１０とした。更に、その層上にＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（砒化インジウムアルミニウム）の半導体混晶を７ｎｍ積層した。この積層温度は３８０℃、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比Ｖ／IIIは１０とした。そしてこれを各１００層（合計２００層）となるよう繰り返し、全体で１４００ｎｍの半導体薄膜とした。なお上記複数層積層した半導体混晶薄膜はＸ＝０．５３、０．７８の２種類作製し、そのそれぞれの詳細については以下の表２に示す。なお本実施例においてはいずれのＭＱＷ膜、いずれの層においてもドーパントは添加していない。
図７の結果においても、実施例１と同様、荷重が増加するに従いＩｓが減少し、その後再び上昇する傾向を示していた。
飽和励起光強度密度Ｉｓの最小となる値は、ｘ＝０．５３の場合は４０ｇ重、Ｘ＝０．７８の場合は２６０ｇ重であった。また実施例１と同様に、上記加重をファイバの面積で割った結果、Ｉｓの最小となる値の圧力はそれぞれ３０ＭＰａ、２１０ＭＰａであった。
従って、荷重を加えることにより飽和励起光強度密度Ｉｓを下げることができる一方、半導体混晶薄膜が破壊しない範囲を考慮すると、０より大きく１GPａ以下の範囲であることが望ましいといえる。また、実施例１と同様に、ｘの値と最小となるＩｓの値との関係を調べ、直線にて近似すると、ｘ＝１のときであっても約４００ＭＰａ以下となるため、０Ｐａより大きく４００ＭＰａ以下であることはより望ましい。
以上、本実施例により、加重をしていないものに比べより一層駆動光電力の低減化を図ることができた。
なお、本実施例で用いるＭＱＷの膜厚については、特に限定はないが、量子効果を得る必要から一層あたり３０ｎｍ以下であることが好ましく、また、吸収係数との関係から、一層辺り３０ｎｍ以下で合計約１００〜２００層の範囲がより望ましい。
なお、上記実施例１、実施例２では基板としてＩｎＰを用いているが、ＧａＡｓやその他の結晶を基板として用いても良い。
また、バルクの半導体混晶薄膜としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ及びＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓを用いているが、ＩｎｘＧａｚＡｌ１−ｘ−ｚＡｓやＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｚＰ１−ｚなど他の分子エピタキシャル成長させた膜でも可能である。またもちろん層毎にｘ、ｙ、ｚの組成を異ならせても実現可能である。
また、上記実施例ではバルクの半導体混晶膜、ＭＱＷ膜を用いているが、量子細線、量子ドットなどの低次元構造を有する分子エピタキシャル成長膜などにも応用できる。また、更に、上記実施例では価電子帯から伝導帯へのバンド間光吸収の場合について記載しているが、これに限定されることはなく、バンド内の量子準位間遷移による光吸収など他の機構による光吸収とその飽和現象にも等しく適用することができる。更に、上記実施例では加圧される場合のみを示しているが、可飽和吸収半導体薄膜が予め過度に荷重されているのと等しい状態にある場合、例えば２軸性引張り応力が加わるような状態でエピタキシャル成長をさせた場合などは加圧とは反対に引っ張り力を加えることになるが、そのような場合も本発明の一態様として有用である。
In this example, an In X Ga 1-X As (indium gallium arsenide) semiconductor mixed crystal ultra thin film and In y Al 1-y As (arsenide) are formed on a substrate of an InP (indium phosphide) (100) plane wafer. The ultra-thin semiconductor mixed crystal ultra-thin film of Indium Aluminum) is 100% MBE grown to make a thin film having a multiple quantum well structure (hereinafter simply referred to as “MQW film”), which is mainly different from the first embodiment. FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the semiconductor mixed crystal thin film in this example.
Specifically, first, as a first layer, an In X Ga 1-X As (indium gallium arsenide) semiconductor mixed crystal thin film is laminated on an InP (indium phosphide) (100) plane wafer at a temperature of 380 ° C. for 7 nm. I let you. The beam intensity ratio V / III between the group V element and the group III element was 10. Further, 7 nm of a semiconductor mixed crystal of In y Al 1-y As (indium aluminum arsenide) was stacked on the layer. The lamination temperature was 380 ° C., and the beam intensity ratio V / III between the group V element and the group III element was 10. This was repeated until there were 100 layers each (total of 200 layers) to obtain a semiconductor thin film having a total thickness of 1400 nm. The above-mentioned semiconductor mixed crystal thin film having a plurality of laminated layers was produced in two types of X = 0.53 and 0.78. In this embodiment, no dopant is added to any MQW film or any layer.
Also in the results of FIG. 7, as in Example 1, Is decreased as the load increased, and then increased again.
The minimum value of the saturation excitation light intensity density Is was 40 g when x = 0.53, and 260 g when X = 0.78. Further, as in Example 1, as a result of dividing the above weight by the area of the fiber, the pressures at which Is is minimized were 30 MPa and 210 MPa, respectively.
Therefore, the saturation excitation light intensity density Is can be lowered by applying a load. On the other hand, considering the range in which the semiconductor mixed crystal thin film does not break, it can be said that the range is preferably greater than 0 and less than or equal to 1 GPa. Further, as in Example 1, the relationship between the value of x and the minimum value of Is is examined, and when approximated by a straight line, even when x = 1, the pressure is about 400 MPa or less, so that it is larger than 0 Pa. More preferably, it is 400 MPa or less.
As described above, according to the present embodiment, the driving optical power can be further reduced as compared with the case where no weight is applied.
The film thickness of the MQW used in this example is not particularly limited, but is preferably 30 nm or less per layer because of the need to obtain a quantum effect, and in terms of the absorption coefficient, the thickness is 30 nm or less per layer. A total range of about 100 to 200 layers is more desirable.
In the first and second embodiments, InP is used as the substrate, but GaAs or other crystals may be used as the substrate.
Furthermore, although using the In X Ga 1-X As and In y Al 1-y As as a semiconductor mixed crystal thin film bulk, In x Ga z Al 1- x-z As and In x Ga 1-x As z Other molecular epitaxially grown films such as P 1-z are also possible. Of course, this can be realized even if the composition of x, y, and z is different for each layer.
In the above embodiment, a bulk semiconductor mixed crystal film or MQW film is used, but it can also be applied to a molecular epitaxial growth film having a low-dimensional structure such as a quantum wire or quantum dot. Furthermore, in the above embodiment, the case of interband light absorption from the valence band to the conduction band is described, but the present invention is not limited to this, and light absorption by transition between quantum levels in the band, etc. It is equally applicable to light absorption by other mechanisms and its saturation phenomenon. Furthermore, although only the case where it pressurizes is shown in the said Example, when it exists in the state equivalent to the saturable absorption semiconductor thin film being excessively loaded beforehand, for example, the state where biaxial tensile stress is added In the case where the epitaxial growth is carried out, a tensile force is applied opposite to the pressurization. Such a case is also useful as one embodiment of the present invention.
本実施例は、実施例１に記載の半導体混晶薄膜を用いた具体的な半導体素子についての例であって、光可飽和吸収特性を利用した光による光のスイッチングを可能とする半導体素子である。図８（ａ）にその構造を示す。
本実施例に係る半導体素子は、基板１０と、この基板１０の上に形成される導波路１１と、この導波路１１の一部として設けられる光可飽和吸収特性を示す半導体混晶薄膜１８と、この半導体混晶薄膜１８に対応して配置され、半導体混晶薄膜１８を加圧する被覆層１５と、を有して構成されている。
基板は、導波路１１を配置することができる基板であれば特に限定はなく、例えば
ＧａＡｓを用いることができる。
導波路１１は、第一の入力部１２、第二の入力部１３、半導体薄膜層１８、出力部１４とを有して構成されており、第一及び第二の入力部からは夫々強さの異なる光が入射される（図８（ａ）中の矢印参照）。なお出力部１４は、半導体混晶薄膜１８に入力される光に応じて光可飽和吸収特性を示し、光が透過した場合、この透過した光を外部へと導く。
半導体混晶薄膜１８は、第一及び第二の入力部と出力部との間に配置され、光可飽和吸収特性に基づいて光の透過、不透過を制御する。
被覆層１５は、半導体混晶薄膜１８を覆うように配置されており、しかもこの半導体薄膜層１８に圧力を加えるような構成となっている。具体的には熱収縮性の樹脂により形成され、熱収縮による応力により半導体混晶薄膜１８を加圧する。
本実施例では、半導体混晶薄膜１８に光が入射される方向と、圧力が加えられる方向とは９０度異なっているが、本実施例の半導体混晶薄膜１８は１００ｎｍ以上の十分な厚さを有しているバルク的薄膜であるため、異なった方向からの圧力であっても、低い飽和励起光強度密度Ｉｓ、即ち駆動光電力の低減化を達成することができている。
図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ−Ａを矢印方向から見た場合の断面図である。ここにおいて、導波路はコア層２１と、このコア層を狭持する第一及び第二のクラッド層１９、２０とを有して構成されており、光をこれらの間に生ずる屈折率差により閉じ込めて導く。半導体混晶薄膜１８は、第一の入力部及び第二の入力部の双方から光が入力された場合、光可飽和吸収特性を示し、強い制御光が入力されると信号光を透過させ、出力部１４側にその信号光を透過させる。なお具体的な構成としては第三及び第四のクラッド層１６、１７に狭持される構成となっており、出力側に光を導く。この半導体混晶薄膜は、具体的には、第一及び第二のクラッド層をエッチングにより除去し、第三のクラッド層を形成した後その上に形成することによって実現する。なお特に本実施例の場合、被覆層１５が半導体混晶薄膜１８を加圧しているため、加圧しない場合に比べ一層駆動光電力の低減化を図ることができる。
以上により、バルク的薄膜を用い、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を提供することができる。
なお、本実施例では、加圧手段として、被覆層１５を設けているが、半導体混晶薄膜を加圧することができればこれに限定されるわけではなく、例えばこの半導体素子全体を覆う絶縁膜を加圧手段として用いることも可能であり、種々の態様が考えられる。また、本実施例では、実施例１に記載の半導体混晶薄膜を用いて説明しているが、もちろん、実施例２に記載のＭＱＷ膜を用いて構成する態様も可能である。
This example is an example of a specific semiconductor element using the semiconductor mixed crystal thin film described in Example 1, and is a semiconductor element that enables switching of light by light using optical saturable absorption characteristics. is there. FIG. 8A shows the structure.
The semiconductor element according to the present embodiment includes a substrate 10, a waveguide 11 formed on the substrate 10, a semiconductor mixed crystal thin film 18 having optical saturable absorption characteristics provided as a part of the waveguide 11, and The coating layer 15 is disposed to correspond to the semiconductor mixed crystal thin film 18 and pressurizes the semiconductor mixed crystal thin film 18.
The substrate is not particularly limited as long as the waveguide 11 can be disposed, and for example, GaAs can be used.
The waveguide 11 includes a first input unit 12, a second input unit 13, a semiconductor thin film layer 18, and an output unit 14, and each has strength from the first and second input units. Are incident (see arrows in FIG. 8A). The output unit 14 exhibits optical saturable absorption characteristics according to the light input to the semiconductor mixed crystal thin film 18, and guides the transmitted light to the outside when the light is transmitted.
The semiconductor mixed crystal thin film 18 is disposed between the first and second input portions and the output portion, and controls transmission and non-transmission of light based on optical saturable absorption characteristics.
The covering layer 15 is disposed so as to cover the semiconductor mixed crystal thin film 18 and is configured to apply pressure to the semiconductor thin film layer 18. Specifically, the semiconductor mixed crystal thin film 18 is formed of a heat-shrinkable resin, and pressurizes the semiconductor mixed crystal thin film 18 by stress due to the heat shrinkage.
In this embodiment, the direction in which light is incident on the semiconductor mixed crystal thin film 18 is different from the direction in which pressure is applied by 90 degrees, but the semiconductor mixed crystal thin film 18 in this embodiment has a sufficient thickness of 100 nm or more. Therefore, a low saturation excitation light intensity density Is, that is, a reduction in driving optical power can be achieved even under pressure from different directions.
FIG. 8B is a cross-sectional view when AA in FIG. 8A is viewed from the direction of the arrow. Here, the waveguide has a core layer 21 and first and second cladding layers 19 and 20 sandwiching the core layer, and light is generated by a difference in refractive index generated between them. Confine and guide. The semiconductor mixed crystal thin film 18 exhibits optical saturable absorption characteristics when light is input from both the first input section and the second input section, and transmits signal light when strong control light is input. The signal light is transmitted to the output unit 14 side. As a specific configuration, it is configured to be sandwiched between the third and fourth cladding layers 16 and 17 and guides light to the output side. Specifically, the semiconductor mixed crystal thin film is realized by removing the first and second clad layers by etching, forming a third clad layer, and forming the third clad layer thereon. In particular, in the case of the present embodiment, since the coating layer 15 pressurizes the semiconductor mixed crystal thin film 18, the driving optical power can be further reduced as compared with the case where the coating layer 15 is not pressurized.
As described above, a semiconductor element having optical saturable absorption characteristics using a bulk thin film and having reduced driving optical power can be provided.
In this embodiment, the covering layer 15 is provided as the pressurizing means. However, the present invention is not limited to this as long as the semiconductor mixed crystal thin film can be pressed. For example, an insulating film covering the entire semiconductor element is provided. It can also be used as a pressurizing means, and various modes are conceivable. In this example, the semiconductor mixed crystal thin film described in Example 1 is used for explanation, but of course, an embodiment in which the MQW film described in Example 2 is used is also possible.
１…加重装置、２…光ファイバー、３…半導体混晶薄膜、４…金属棒、５…水ため、６…光パワーメータ、１０…基板、１１…導波路、１２…第一の入力部、１３…第二の入力部、１４…出力部、１５…被覆層、１６…第三のクラッド層、１７…第四のクラッド層、１８…半導体混晶薄膜、１９…第一のクラッド層、２０…第二のクラッド層、２１…コア層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Weighting device, 2 ... Optical fiber, 3 ... Semiconductor mixed crystal thin film, 4 ... Metal rod, 5 ... For water, 6 ... Optical power meter, 10 ... Substrate, 11 ... Waveguide, 12 ... First input part, 13 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... 2nd input part, 14 ... Output part, 15 ... Covering layer, 16 ... 3rd cladding layer, 17 ... 4th cladding layer, 18 ... Semiconductor mixed-crystal thin film, 19 ... 1st cladding layer, 20 ... Second cladding layer, 21 ... core layer
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