JP5090668B2 - 有効光電流発生能を増大させた量子井戸構造を有する半導体光変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、有効光電流発生能を増大させた量子井戸構造を有する半導体光変調器に関する。
半導体に基づく光変調器が、多くの異なる技術を利用して開発され、光通信用に光を変調するために使用されている。そのような半導体に基づく光変調器の一つは、電界吸収変調器と呼ばれている。一実施例では、半導体電界吸収光変調器が、1550ナノメートル（nm）の光を変調するのに使用され、長距離の光通信システムで利用されている。標準的な半導体電界吸収光変調器は、ウェハ処理技術を利用して製造される。一般的に、光変調器は、外部電気回路によって逆バイアスを受け、それによって入力光源が光変調器に結合されると、入力光は、光変調器の一つ又はそれより多い量子井戸によって光電流に変換される。光変調器内の量子井戸において光子が吸収され、その光子が光電流に変換される光の波長は、光変調器の層を製造するのに利用される材料及び光変調器に適用される電気的なバイアスに依存する。また、光変調器内の量子井戸において光子が吸収され、その光子が光電流に変換される光の波長は、量子閉じ込めシュタルク効果と呼ばれる効果によって影響を受ける。量子閉じ込めシュタルク効果は、変調器の量子井戸を形成するのに利用される材料の基底状態のサブバンドエネルギー分離が光変調器に適用される電気的な逆バイアスを利用して低減される現象である。サブバンドエネルギーの低減は、「電界効果」光変調器と呼ばれるものを生み出す。量子閉じ込めシュタルク効果を利用することによって、光変調器を動作させる際の速度は、従来の直接変調半導体レーザがデータを伝達可能な速度を大幅に上回る。
概して、量子井戸レーザを形成するのに利用される材料のバンドギャップは、各量子井戸層に挟まれている障壁層を形成するのに利用される材料のバンドギャップよりも小さい。光変調器が適切に電気的にバイアスされると、量子井戸に向けて方向付けられる入力光が吸収され、電荷キャリアが発生され、すなわち量子井戸の伝導帯に電子が、及び価電子帯に正孔が発生される。さらに電子-正孔対は、量子井戸から引き出され、光電流を発生する。量子井戸を形成するのに利用される材料及び、光変調器に適用される電気的なバイアスは、光変調器の量子井戸の吸収係数に大きな影響を及ぼす。吸収係数は、光を吸収し、電子-正孔対を発生する量子井戸の能力の尺度である。
量子井戸を形成するのに利用される材料及び、障壁層を形成するのに利用される材料は、光生成電子-正孔対を放出して光電流を発生する量子井戸層の能力に大きな影響を及ぼす。例えば量子井戸層と障壁層の接合における高いエネルギー障壁は、高い吸収係数を示す明瞭な量子状態をもたらす。しかしながら、また量子井戸層と障壁層の接合における高いエネルギー障壁は、電子-正孔対を引き出して大きな光電流が発生するのを困難にする。光生成キャリアが効率的に引き出されないのであれば、内部の電場によって、光変調器の反応速度が遅くなり、吸収係数が放射電力に対して飽和してしまうということが生じる。
したがって、大きな光出力において早い応答を維持し、飽和を最小とするとともに、高い吸収係数を示し、大きな光電流を発生する光変調器の提供が望まれている。
一実施形態において、本発明は、第１の導波路層、障壁層、その第１の導波路層と障壁層の間に挟まれている量子井戸層からなり、量子井戸層が、第１の導波路層及び障壁層の少なくとも一つのバンドギャップエネルギーと最小のバンドギャップエネルギーとの間で、量子井戸層のバンドギャップエネルギーが変化する傾斜組成を有する光変調器を提供する。
また本発明は、光電流を発生するための方法を提供し、その方法は、量子井戸構造のバンドギャップエネルギーが変化する傾斜組成をその量子井戸構造内で形成する少なくとも一つの組成を有する量子井戸構造を設け、量子井戸構造に光を向け、量子井戸構造内で光を電子-正孔対に変換し、量子井戸から電子-正孔対を引き出して光電流を発生することからなる。
有効光電流発生能力を増大するための量子井戸構造を有する半導体光変調器は、それぞれ量子井戸内の、伝導帯の電子及び価電子帯の正孔の波動関数のピークを実質上整列する。一実勢形態では、量子井戸構造は、傾斜したバンドギャップエネルギー分布を有する量子井戸層で形成されている。他の実施形態では、量子井戸構造は、量子井戸構造に隣接して配置されている傾斜組成を有する材料の付加的な層で形成されている。電子と正孔の波動関数の整列によって、量子井戸の吸収係数が増大する。量子井戸構造は、量子井戸と障壁層の界面において、高エネルギー障壁をもたらし、光生成キャリアの効率的な引き出しが大きな光電流をもたらすことを可能とする。
本発明は、光変調器に関し、より詳細には、第１の導波路層及び障壁層と、第１の導波路層と障壁層の間に挟まれている量子井戸層とからなり、量子井戸層が、最小のバンドギャップエネルギーと、第１の導波路層及び障壁層の少なくとも一つのバンドギャップエネルギーとの間で、バンドギャップエネルギーが変化する傾斜組成層を有する光変調器である。本願構成により、大きな光出力において早い応答を維持し、飽和を最小とするとともに、高い吸収係数を示し、大きな光電流を発生する光変調器を提供することが可能となる。
以下の図面を参照することによって、本発明をより理解することが可能となる。図面内の構成要素は、縮尺通りであることは必要でなく、代わりに本発明の原理を明確に示す際には強調される。さらに図面において、同様の参照番号は、いくつかの図面にわたって、対応する部分を示す。
光電流発生能力を増大するための量子井戸構造を有する半導体光変調器は、インジウムリン（InP）系において、特にInP基板上にインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）を利用して製造される光変調器において実施されるように以下で開示する。しかしながら光電流発生能力を増大するための量子井戸構造を有する半導体光変調器は、アルミガリウムインジウムヒ素（AlGaInAs）のような他の材料を利用して製造されている装置において実施することもまた可能である。
図１Ａは、従来の半導体光変調器10の部分を示す概略線図である。この光変調器10には、導波路層14がその上に形成されているｐ型材料層12が含まれる。量子井戸層16は、導波路層14の上に形成されている。障壁層18は量子井戸層16の上に形成されている。もう一つの量子井戸層22が障壁層18の上に形成され、もう一つの導波路層26が量子井戸層22の上に形成されている。ｎ型材料層28が導波路層26の上に形成されている。光変調器10の層を形成する材料を、光変調器10の所望の動作特性によってインジウムリン系材料又は他の材料系から選択することができる。
量子井戸層16は量子井戸11を形成し、量子井戸層22は量子井戸14を形成する。この例示では、また導波路層14は、量子井戸11に対する障壁層として機能し、導波路層26は、量子井戸14に対する障壁層として機能する。導波路層14、量子井戸層16、障壁層18は、量子井戸構造20を形成する。障壁層18、量子井戸層22、導波路層26は、量子井戸構造22を形成する。量子井戸層16及び22の材料は、導波路層14及び26の材料並びに障壁層18の材料よりも低いバンドギャップを有する。二つの量子井戸構造を図１Ａに示すが、それよりも多い又は少ない数の量子井戸構造を光変調器10に形成することができる。
図１Ｂは、電気的な逆バイアスがかけられている図１Ａの光変調器10に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図15である。概して、光変調器10は電気的な逆バイアス下で動作する。伝導帯52の分布及び価電子帯54の分布は、距離とともにバンドエネルギーが変化することを示している。
示すこの例示では、量子井戸層16及び22の材料の伝導帯のエネルギーは、導波路層14、26及び障壁層18のエネルギーよりも低い。価電子帯分布は、一般的に、伝導帯分布の鏡像であり、量子井戸層16及び22の材料の価電子帯のエネルギーは、導波路層14、26及び障壁層18のエネルギーよりも高い。伝導帯及び価電子帯のエネルギーは、量子井戸層16と導波路層14と障壁層18の界面において急激に変化する。同様に伝導帯及び価電子帯のエネルギーは、量子井戸層22と導波路層26と障壁層18の界面において急激に変化する。
逆バイアスがかけられると、光変調器10は、量子井戸11及び14で、量子井戸構造20及び22に向けられる波長の光を電子-正孔対に変換する。例えば光の吸収によって、束縛電子62が伝導帯52の量子井戸11において発生し、束縛正孔64が価電子帯54の量子井戸11において発生する。大きな光出力での光吸収によって飽和しないように、また光変調器10の素早い応答のために、光生成電子及び正孔は、量子井戸から引き出され、端子（図示しないが、ｐ型材料層12及びｎ型材料層28と電気的に接触している）に向かって掃き出されなければならない。しかしながら引き出すためには、電子及び正孔が量子井戸層と隣接の障壁層の界面におけるエネルギー障壁に打ち勝つ必要があり、さらに周囲のｎ型層及びｐ型層に向かって適用される場の中で移動して、それぞれ端子において収集されて光電流とならなければならない。
伝導帯内の電子の波動関数を参照番号66で示し、価電子帯内の正孔の波動関数を参照番号68で示す。図１Ｂに示すように、電子の波動関数66のピークは、正孔の波動関数68のピークから、距離「ｄ」によって示されている。波動関数66と68のピーク間のこの変位は、量子井戸構造20及び22にわたる電場によって生じる。逆バイアスの結果として、伝導帯の電子分布は光変調器のｎ型側に向かって集中し、価電子帯の正孔分布は光変調器10のｐ型側に向かって集中する。電子及び正孔のこの集中を、波動関数66及び68のそれぞれのピークの間の変位に示す。電子と正孔の波動関数の間の空間的な重なりを記述する手段としての電子及び正孔の集中は、緩和され、それぞれの波動関数66及び68のピークがより接近して整列する場合に可能となる吸収係数よりも一層低い吸収係数を結果生じる。ピークのずれは光変調器10の吸収係数を制限する。
図２Ａは、本発明の実施形態により製造された半導体光変調器100の部分を示す概略的な線図である。光変調器100には、その上に導波路層104が形成されているｐ型材料層102が含まれる。量子井戸層106が導波路層104上に形成されている。本発明のこの実施形態では、量子井戸層106が、層の厚みにわたって一様ではない傾斜組成を有して形成されている。この例示では、量子井戸層106は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有し、量子井戸層-導波路層の界面において最小のバンドギャップエネルギーと、量子井戸層-障壁層の界面において障壁層108のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、量子井戸層106が、導波路層104から障壁層108に向かう方向で、線形に傾斜して増大するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。
障壁層108が量子井戸層106上に形成されている。傾斜組成を有するもう一つの量子井戸層112が、障壁層108上に形成され、導波路層104と同様の構造のもう一つの導波路層116が、量子井戸層112上に形成されている。この例示では、量子井戸層112は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有するが、量子井戸層106の厚みと異なる厚みとすることも可能である。量子井戸層112は、量子井戸層-障壁層の界面において最小のバンドギャップエネルギーと、量子井戸層-導波路層の界面において導波路層116のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、量子井戸層112が、障壁層108から導波路層116に向かう方向で、線形に傾斜して増大するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。さらに量子井戸層106と導波路層104の界面における最小のバンドギャップエネルギーを、量子井戸層112と障壁層108の界面における最小のバンドギャップエネルギーと異なるものとすることができる。
ｎ型材料層118が導波路層116上に形成されている。光変調器100の層を形成する材料を、光変調器100の所望の波長及び動作特性によって、インジウムリン系材料又は他の材料系から選択することができる。さらに光変調器100の層を、有機金属気相エピタキシー（OMVPE）法、有機金属気相成長（MOCVD）法、分子線エピタキシー（MBE）法、他の公知の処理技術のような公知の半導体処理技術を利用して形成可能である。
この例示では、また導波路層104は量子井戸110に対する障壁層として機能し、導波路層116は量子井戸114に対する障壁層として機能する。導波路層104、量子井戸層106、障壁層108は、量子井戸構造120を形成する。障壁層108、量子井戸層112、導波路層116は、量子井戸構造122を形成する。量子井戸構造120及び122は、それぞれ量子井戸110及び114を画定する。二つの量子井戸構造を図２Ａに示すが、それよりも多い又は少ない数の量子井戸構造を光変調器100に形成することができる。
量子井戸層106の合金材料には、導波路層104及び障壁層108と同じ組成のものが含まれるが、その組成は、導波路層104のバンドギャップエネルギーに対して量子井戸層106のバンドギャップエネルギーを小さくするように調節される。この実施形態において、量子井戸層106の合金組成は、導波路層104からの距離に伴い次第に変化し、導波路層104からの距離が増大するにつれて、量子井戸層106のバンドギャップエネルギーは結果大きくなる。また合金組成を多段階式に変化させることも可能である。同様に量子井戸層112の合金材料には、導波路層116及び障壁層108と同じ組成のものが含まれるが、その組成は、障壁層108のバンドギャップエネルギーに対して量子井戸層112のバンドギャップエネルギーを小さくするように調節される。この実施形態では、量子井戸層112の合金組成は、障壁層108からの距離に伴い次第に変化し、障壁層108からの距離が増大するにつれて、量子井戸層112のバンドギャップエネルギーは結果大きくなる。
量子井戸層106及び112の傾斜組成は、それぞれ量子井戸110及び114の形状を変化させ、量子井戸構造120及び122からの光生成キャリアの引き出しが強化され、吸収係数が増大される。量子井戸層106及び112の組成に対して適用される傾斜は、伝導帯及び価電子帯の量子井戸110及び114のエネルギー分布を変化させ、それによって伝導帯及び価電子帯の電子及び正孔がそれぞれ、量子井戸106と導波路層104の界面、及び量子井戸層112と障壁層108の界面に集中し、それらの領域での電子-正孔対の形成が促進される。これは、従来の光変調器と比較して、電子の波動関数と正孔の波動関数のピーク間の距離「ｄ」を結果小さくする。
この例示では、1550 nmの波長において動作するように設計されている変調器を示す。ｐ型層102の材料はインジウムリン（InP）であり、導波路層104の材料は、例示的な組成In0.85Ga0.15As0.33P0.67を有するインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）である。量子井戸層106の材料は、InxGa1-xAsyP1-yであり、ここで0＜ｘ＜1及び0＜ｙ＜1であり、インジウムの割合ｘ及びヒ素の割合ｙは、量子井戸層の厚みにわたって変化する。この例示では、インジウムの割合は、導波路層104からの距離に伴い次第に増大し、またヒ素の割合は導波路層104からの距離に伴い次第に減少する。この例示では、量子井戸層106と導波路層104の界面において、インジウムの割合は約0.61であり、ヒ素の割合は約0.84である。量子井戸層106と障壁層108の界面において、インジウムの割合は、約0.85の最大にまで次第に増大し、ヒ素の割合は約0.33にまで次第に減少する。ここで、組成の値ｘは、材料内の全てのIII族原子（この例示では、インジウムに加えてガリウム）の濃度に対する材料内のインジウム原子の濃度の比として画定される。同様に組成の値ｙは、材料内の全てのＶ族原子（この例示では、ヒ素に加えてリン）の濃度に対する材料内のヒ素原子の濃度の比として画定される。例えば１％の割合のリンは、平均して、材料中のあらゆる100のＶ族原子中に、リンが１原子存在するということを意味する。InGaAs0.99P0.01（リンの割合が0.01であり、ヒ素の割合が0.99であるInGaAsP）では、材料中の全てのＶ族原子が、平均して、１つのリン原子と99のヒ素原子からなる。
障壁層108の材料は、In0.85Ga0.15As0.33P0.67である。量子井戸層112の材料及び製造は、概して、量子井戸層106の材料及び製造と同様である。導波路層116の材料はIn0.85Ga0.15As0.33P0.67であり、ｎ型層118の材料はInPである。
また上述の光変調器100の製造を、アルミニウムインジウムガリウムヒ素（AlInGaAs）系材料を利用して製造される光変調器に適用することができる。またAlInGaAs系材料は、InPに格子整合し、1300〜1550 nmの波長の通信帯域で動作するように設計されている変調器で利用可能である。
図２Ｂは、「平坦バンド」状態と呼ばれる零又は適度な正の電気的なバイアスがかけられた状態の、図２Ａの光変調器100に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図150である。
傾斜バンドギャップエネルギー分布を有する量子井戸を、伝導帯152及び価電子帯154内に参照番号110で示す。今や、伝導帯152の電子162及び価電子帯154の正孔164は、量子井戸110のｐ側に集中している。相応して、電子の波動関数166のピークは、量子井戸層106と導波路層104の界面付近において、正孔の波動関数168のピークと接近して整列し、波動関数166と168のピーク間の距離は実質上縮まっている。これにより、光生成キャリア間の空間的な重なりが結果としてより大きくなり、より大きな吸収係数及びより大きな消光比が結果得られる。消光比は、変調器の「on」状態と「off」状態の間の光吸収の比である。
また量子井戸層106及び112の傾斜エネルギー分布が、量子井戸110及び114から電子-正孔対を引き出す能力を強化する。量子井戸110の傾斜エネルギー分布は、電子162に対するより低いエネルギー障壁をもたらし、したがって光変調器100の応答を最大とし、飽和効果を制限する。
図３Ａは、電気的な逆バイアスをかけた状態の、図２Ａに示す半導体光変調器100の部分を示す概略的な線図である。半導体光変調器100は、図３Ｂのエネルギーバンドの線図150に対する参照として示され、その説明を繰り返すことはしない。
図３Ｂは、電気的な逆バイアスをかけた状態の、図３Ａに示す光変調器100に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図155である。
作動中、電気的な逆バイアスは、光変調器100に量子閉じ込めシュタルク効果を及ぼすように適用される。上述のように、量子閉じ込めシュタルク効果は、光変調器100の量子井戸110及び114を形成するのに利用される材料のサブバンドエネルギー分離が、光変調器100に適用される電気的な逆バイアスを利用してシフトされる現象である。所定の逆バイアス電圧を適用する場合、サブバンドエネルギー分離のシフトが十分であるならば、特定の波長の光が、光変調器100によって吸収されて光電流に変換される。サブバンドエネルギー分離のシフトは、適用される逆バイアス電圧に比例して変化する。光変調器100が吸収する光のエネルギーは吸収限界と呼ばれる。電気的な逆バイアスを増大させることにより、光変調器の吸収限界に対応するエネルギーが低くなる。バンドギャップの縁部をシフトすることにより、「電界効果」と呼ばれる効果が生じる。電界効果光変調器は、毎秒40〜50ギガビット（Gb/sec）の程度の速度で動作可能である。
傾斜バンドギャップエネルギー分布を有する量子井戸を、伝導帯152及び価電子帯154内に参照番号110で示す。上述したように、伝導帯の電子162及び価電子帯の正孔164は、量子井戸110のｐ側に集中している。相応して、電子の波動関数166のピークは、正孔の波動関数168のピークと接近して整列し、波動関数166と168のピーク間の距離は実質上縮まっている。これにより、光生成キャリア間の空間的な重なりが結果としてより大きくなり、より大きな吸収係数及びより大きな消光比が結果得られる。
また量子井戸層106及び112の傾斜エネルギー分布は、量子井戸110及び114から電子を引き出すのに必要とされるエネルギーを小さくする。量子井戸110の傾斜エネルギー分布は、量子井戸110及び114の電子162に対するより低いエネルギー障壁をもたらし、したがって光変調器100により発生可能な光電流を最大とし、光変調器100が動作可能な速度を最大とする。量子井戸層が対向する方向で傾斜する代替的な実施形態では、量子井戸層106と障壁層108の界面におけるバンドギャップエネルギーが、価電子帯の導波路層104と量子井戸層106の界面におけるバンドギャップエネルギーよりも価電子帯においてより高く、さらに量子井戸110及び114から正孔を引き出すのに必要とされるエネルギーが低くなる。
図４Ａは、本発明の代替的な実施形態により製造された半導体光変調器200の部分を示す概略的な線図である。光変調器200には、その上に導波路層204が形成されているｐ型材料層202が含まれている。量子井戸層206が導波路層204上に形成されている。本発明のこの実施形態では、量子井戸層206が、層の厚みにわたって一様ではない傾斜組成を有して形成されている。この例示では、量子井戸層206は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有し、量子井戸層-導波路層の界面において導波路層204のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーと、量子井戸層-障壁層の界面において最小のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、量子井戸層206が、導波路層204から障壁層208に向かう方向で、線形に傾斜して減少するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。
障壁層208が量子井戸層206上に形成されている。もう一つの傾斜組成量子井戸層212が、障壁層208上に形成され、導波路層204と同様の構造のもう一つの導波路層216が、量子井戸層212上に形成されている。この例示では、量子井戸層212は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有するが、量子井戸層206の厚みと異なる厚みとすることも可能である。量子井戸層212は、量子井戸層-障壁層の界面において障壁層208のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーと、量子井戸層-導波路層の界面において最小のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、量子井戸層212が、障壁層208から導波路層216に向かう方向で、線形に傾斜して減少するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。さらに量子井戸層206と障壁層208の界面における最小のバンドギャップエネルギーを、量子井戸層212と導波路層216の界面における最小のバンドギャップエネルギーと異なるものとすることができる。
ｎ型材料層218が導波路層216上に形成されている。光変調器200の層を形成する材料を、光変調器100と同じ材料群から選択することができる。さらに光変調器200の層を、光変調器100を形成するのに利用したのと同様の技術を利用して形成することができる。
この例示では、また導波路層204は量子井戸210に対する障壁層として機能し、導波路層216は量子井戸214に対する障壁層として機能する。導波路層204、量子井戸層206、障壁層208は、量子井戸構造220を形成する。障壁層208、量子井戸層212、導波路層216は、量子井戸構造222を形成する。量子井戸構造220及び222は、それぞれ量子井戸210及び214を画定する。二つの量子井戸構造を図４Ａに示すが、それよりも多い又は少ない数の量子井戸構造を光変調器200に形成することができる。
量子井戸層206の合金材料には、導波路層204及び障壁層208と同じ組成のものが含まれるが、その組成は、障壁層208のバンドギャップエネルギーに対して量子井戸層206のバンドギャップエネルギーを小さくするように調節される。この実施形態において、量子井戸層206の合金組成は、導波路層204からの距離に伴い次第に変化し、導波路層204からの距離が増大するにつれて、量子井戸層206のバンドギャップエネルギーは結果小さくなる。また合金組成を多段階式に変化させることも可能である。同様に量子井戸層212の合金材料には、導波路層216及び障壁層208と同じ組成のものが含まれるが、その組成は、導波路層216のバンドギャップエネルギーに対して量子井戸層212のバンドギャップエネルギーを小さくするように調節される。この実施形態では、量子井戸層212の合金組成は、障壁層208からの距離に伴い次第に変化し、障壁層208からの距離が増大するにつれて、量子井戸層212のバンドギャップエネルギーは結果小さくなる。
傾斜組成量子井戸層206及び208は、それぞれ量子井戸210及び214の形状を変化させ、量子井戸構造220及び222から光生成キャリアの引き出しが強化され、吸収係数が増大される。量子井戸層206及び212の組成に対して適用される傾斜は、伝導帯及び価電子帯の量子井戸210及び214のエネルギー分布を変化させ、それによって伝導帯及び価電子帯の電子及び正孔がそれぞれ、量子井戸206と障壁層208の界面、及び量子井戸層212と導波路層216の界面に集中し、それらの領域での電子-正孔対の形成が促進される。図４Ａに示す実施形態における量子井戸層206及び212の材料の傾斜によって、それぞれの量子井戸層206及び212のｎ型側に向かうキャリアの集中が起こる。これは、従来の井戸型光変調器と比較して、電子の波動関数と正孔の波動関数のピーク間の距離を結果小さくする。
図４Ａに示す例示では、層の材料を図２Ａに示す光変調器100の対応する層と同じ材料とすることができ、その詳細は繰り返さない。この例示では、量子井戸層206のインジウムの割合は導波路層204からの距離に伴い次第に減少し、量子井戸層206のヒ素の割合は導波路層204からの距離に伴い次第に増大する。この例示では、量子井戸層206と導波路層204の界面において、インジウムの割合は約0.85であり、ヒ素の割合は約0.33である。量子井戸層206と障壁層208の界面において、インジウムの割合は、約0.61にまで次第に減少し、ヒ素の割合は約0.84にまで次第に増大する。量子井戸層212の材料及び製造を、量子井戸層206の材料及び製造と同様とすることができる。
図４Ｂは、零又は適度な正の電気的なバイアスがかけられた状態の、図４Ａの光変調器200に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図250である。
傾斜バンドギャップエネルギー分布を有する量子井戸を、伝導帯252及び価電子帯254内に参照番号210で示す。伝導帯252の電子262及び価電子帯254の正孔264は、量子井戸210のｎ側に集中している。相応して、電子の波動関数266のピークは、量子井戸層206と障壁層208の界面付近において、正孔の波動関数268のピークと接近して整列し、波動関数266と268の間の距離は実質上縮まっている。これにより、光生成キャリア間の空間的な重なりが結果としてより大きくなり、より大きな吸収係数及びより大きな消光比が結果得られる。
また量子井戸層206及び212の傾斜エネルギー分布が、量子井戸210及び214から正孔を引き出す能力を強化する。量子井戸210の傾斜エネルギー分布は、量子井戸210及び214のｐ型側に向かう正孔262に対するより低いエネルギー障壁をもたらし、したがって光変調器200の応答を改善し、飽和効果を制限する。
図５Ａは、電気的な逆バイアスがかけられた状態の、図４Ａの半導体光変調器200の部分を示す概略的な線図である。半導体光変調器200は、図５Ｂのエネルギーバンドの線図255に対する参照として示され、その説明を繰り返すことはしない。
図５Ｂは、電気的な逆バイアスをかけた状態の、図５Ａに示す光変調器200に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図255である。
上述のように、作動中、電気的な逆バイアスは、光変調器200に量子閉じ込めシュタルク効果を及ぼすように適用される。傾斜バンドギャップエネルギー分布を有する量子井戸を、伝導帯252及び価電子帯254内に参照番号210で示す。この実施形態では、伝導帯の電子262及び価電子帯の正孔264は、量子井戸210のｎ側に集中している。相応して、電子の波動関数266のピークは、正孔の波動関数268のピークと接近して整列し、波動関数266と268のピーク間の距離は実質上縮まっている。これにより、光生成キャリア間の空間的な重なりが結果としてより大きくなり、より大きな吸収係数及びより大きな消光比が結果得られる。
また量子井戸層206及び212の傾斜エネルギー分布は、量子井戸210及び214から正孔を引き出すのに必要とされるエネルギーを小さくする。量子井戸210の傾斜エネルギー分布は、量子井戸210及び214のｐ型側に向かう正孔264に対するより低いエネルギー障壁をもたらし、したがって光変調器200により発生可能な光電流を最大とする。
図６Ａは、本発明の他の実施形態により製造された半導体光変調器300の部分を示す概略的な線図である。光変調器300には、その上に導波路層304が形成されているｐ型材料層302が含まれている。本発明のこの実施形態では、傾斜組成層325が導波路層304上に形成され、組成が一定な固定組成層306が傾斜組成層325上に形成されている。傾斜組成層325及び固定組成層306は量子井戸層330を形成する。この例示では、固定組成層306は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有する。傾斜組成層325は、層の厚みにわたって一様ではない合金組成を有して形成されている。この例示では、傾斜組成層325は、おおよそ１〜10ナノメートル（nm）の厚みを有し、傾斜組成層-固定組成層の界面において最小のバンドギャップエネルギーと、傾斜組成層-導波路層の界面において導波路層304のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、傾斜組成層325が、導波路層304から固定組成層306に向かう方向で、線形に傾斜して減少するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。さらに「固定」なる用語は、プロセス変動などによる組成のわずかな変化を排除するものではない。
障壁層308が固定組成層306上に形成されている。もう一つの傾斜組成量子井戸層327が、障壁層308上に形成され、一つの固定組成層312が、傾斜組成層327上に形成されている。傾斜組成層327及び固定組成層312が、量子井戸層334を形成している。導波路層304と同様の構造のもう一つの導波路層316が、固定組成層312上に形成されている。この例示では、固定組成層312は、おおよそ５〜10ナノメートル（nm）の厚みを有するが、固定組成層306の厚みと異なる厚みとすることも可能である。
傾斜組成層327は、傾斜組成層-固定組成層の界面において最小のバンドギャップエネルギーと、傾斜組成層-障壁層の界面において障壁層308のバンドギャップエネルギーに近づく最大のバンドギャップエネルギーとを有する。この例示では、傾斜組成層327が、障壁層308から固定組成層312に向かう方向で、線形に傾斜して減少するバンドギャップエネルギーを有するが、他の傾斜もまた利用可能である。さらに傾斜組成層306と固定組成層306の界面における最小のバンドギャップエネルギーを、傾斜組成層327と固定組成層312の界面における最小のバンドギャップエネルギーと異なるものとすることができる。
ｎ型材料層318が導波路層316上に形成されている。光変調器300の層を形成する材料を、光変調器300の所望の動作特性によって、インジウムリン系材料又は他の材料系から選択することができる。さらに光変調器300の層を、上述のように、公知の半導体処理技術を利用して形成することができる。
この例示では、また導波路層304は量子井戸層330に対する障壁層として機能し、導波路層316は量子井戸層334に対する障壁層として機能する。導波路層304、量子井戸層330、障壁層308は、量子井戸構造320を形成する。障壁層308、量子井戸層334、導波路層316は、量子井戸構造322を形成する。量子井戸構造320は量子井戸310を画定し、量子井戸構造322は量子井戸314を画定する。二つの量子井戸構造を図６Ａに示すが、それよりも多い又は少ない数の量子井戸構造を光変調器300に形成することができる。
固定組成層306及び312の合金材料は、導波路層304、316及び障壁層308のバンドギャップエネルギーに対して固定組成層306、312のバンドギャップエネルギーを小さくする組成からなる。この実施形態において、固定組成層306、312は、一定のバンドギャップエネルギーを結果生じる固定された組成を有する。傾斜組成層325は、導波路層304及び障壁層308と同様の要素から形成されるが、その合金組成は、導波路層304及び障壁層308のバンドギャップエネルギーに対して傾斜組成層325のバンドギャップエネルギーが小さくなるように次第に変化する。この実施形態では、傾斜組成層325は、導波路層304からの距離が増大するに伴い、インジウムの濃度が次第に減少し、ヒ素の濃度が次第に増大するInGaAsPを利用して形成され、導波路層304からの距離が増大するに伴い、傾斜組成層325のバンドギャップエネルギーが結果として小さくなる。また合金組成を多段階式に変化させることも可能である。同様に、傾斜組成層327は、導波路層316及び障壁層308と同じ要素から形成されるが、その合金組成は、導波路層316及び障壁層308のバンドギャップエネルギーに対して傾斜組成層327のバンドギャップエネルギーが小さくなるように次第に変化する。この実施形態では、傾斜組成層327は、障壁層308からの距離が増大するに伴い、インジウムの濃度が次第に減少し、ヒ素の濃度が次第に増大するInGaAsPを利用して形成され、障壁層308からの距離が増大するに伴い、傾斜組成層327のバンドギャップエネルギーが結果として小さくなる。
傾斜組成層325及び327は、それぞれ量子井戸310及び314の形状を変化させ、量子井戸構造320及び322から光生成電荷担体の引き出しが強化され、吸収係数が増大され、同時に明瞭な量子井戸310及び314がもたらされる。傾斜組成層325及び327に適用される傾斜は、伝導帯及び価電子帯の固定組成層-傾斜組成層の界面におけるエネルギー分布を変化させ、それによって伝導帯及び価電子帯の電子及び正孔がそれぞれ、明瞭な量子井戸310及び314において発生され、同時に固定組成層-形成組成層の界面においてエネルギー障壁が低くなり、それによって正孔を量子井戸310及び314から容易に引き出すことが可能となる。代替的な実施形態では、傾斜組成層325及び327の傾斜方向を反転させることによって、光変調器300からの電子の引き出しを改善することができる。
示す例示では、ｐ型層302、導波路層304及び316、障壁層308は、上述した光変調器100及び200のそれぞれの層と同様である。
一つの例示では、固定組成層306及び312の材料はIn0.61Ga0.39As0.84P0.16である。傾斜組成層325の材料は、InxGa1-xAsyP1-yであり、ここで0＜ｘ＜1及び0＜ｙ＜1であり、インジウムの含有量ｘ及びヒ素の含有量ｙは、傾斜組成層の厚みにわたって変化する。この例示では、導波路層304からの距離の増大に伴って、インジウムの割合は次第に減少し、またヒ素の割合は次第に増大する。この例示では、傾斜組成層325と固定組成層306の界面において、インジウムの含有量は約0.7であり、ヒ素の含有量は約0.7である。傾斜組成層325と導波路層304の界面において、インジウムの含有量は約0.85にまで増大し、ヒ素の含有量は約0.33にまで減少する。
また上述の光変調器300の製造は、アルミニウムインジウムガリウムヒ素（AlInGaAs）系材料を利用して製造される光変調器に適用することができる。またAlInGaAs系材料は、InPに格子整合し、1300〜1350 nmの波長の通信帯域で動作するように設計されている変調器で利用可能である。
傾斜組成層327の材料は、傾斜組成層325の材料と同様とすることができる。
図６Ｂは、電気的な逆バイアスをかけられた状態の、図６Ａに示す光変調器300に対する伝導帯分布及び価電子帯分布を示すエネルギーバンドの線図355である。
上述のように、作動中、電気的な逆バイアスは、光変調器300に量子閉じ込めシュタルク効果を及ぼすように適用される。量子井戸エネルギー分布を、伝導帯352及び価電子帯354内に参照番号310で示す。傾斜組成層のエネルギー分布は、明瞭な量子井戸310及び314をもたらし、依然、キャリアの量子井戸310及び314からの引き出しを容易にし、それによって光変調器300は、迅速な変調が可能となり、最小の飽和で動作する。
傾斜組成層325及び327の傾斜エネルギー分布は、量子井戸310及び314のｐ型側に向かう正孔364に対してより低いエネルギー障壁をもたらし、したがって光変調器300の応答が最大となり、飽和効果が制限される。代替的な実施形態では、傾斜組成層325及び327の傾斜方向を反転させることによって、量子井戸310及び314のｎ型側に向かう電子362に対してより低いエネルギー障壁がもたらされ、上記と同様の利点がもたらされる。
図７は、光変調器の量子井戸において、光を吸収し、次にキャリアを引き出すことによって光電流を発生させる方法を示す流れ図400である。特定の操作を流れ図400に開示するが、そのような操作は例示である。本発明の実施形態は、種々の他の操作又は流れ図400に列挙されている操作の変形を実施するのに適合されている。さらに流れ図400内の操作は、記載するのと異なる順序で実施することもできる。ブロック402において、傾斜組成量子井戸構造が設けられる。ブロック404において、光が光変調器内で吸収される。ブロック406において、電子-正孔対が光変調器の傾斜量子井戸構造において発生される。ブロック408において、キャリアが、傾斜量子井戸構造から効率的に引き出される。
本開示は、例示的な実施形態を利用して詳細に本発明を記載する。しかしながら添付の特許請求の範囲の記載により画定される本発明が、記載した厳格な実施形態に制限されないことが理解されなければならない。
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１． 第１の導波路層（104）及び障壁層（108）と、
前記第１の導波路層（104）と前記障壁層（108）の間に挟まれている量子井戸層（106）とからなり、
前記量子井戸層（106）が、最小のバンドギャップエネルギーと、前記第１の導波路層（104）及び前記障壁層（108）の少なくとも一つのバンドギャップエネルギーとの間で、前記量子井戸層（106）のバンドギャップエネルギーが変化する傾斜組成層を有する光変調器（100）。
前記第１の導波路層（104）と前記障壁層（108）の間に挟まれている量子井戸層（106）とからなり、
前記量子井戸層（106）が、最小のバンドギャップエネルギーと、前記第１の導波路層（104）及び前記障壁層（108）の少なくとも一つのバンドギャップエネルギーとの間で、前記量子井戸層（106）のバンドギャップエネルギーが変化する傾斜組成層を有する光変調器（100）。
２． 前記量子井戸層（106）の材料が、前記第１の導波路層（104）及び前記障壁層（108）の材料と同じ要素を含む１項記載の光変調器（100）。
３． 少なくとも一つの要素の割合が前記量子井戸層（106）にわたって傾斜し、前記少なくとも一つの要素の割合が前記障壁層（108）に向かって増大し、少なくとも一つの別の要素の割合が前記量子井戸層（106）にわたって傾斜し、前記少なくとも一つの別の要素の割合が前記障壁層（108）に向かって減少する２項記載の光変調器（100）。
４． 少なくとも一つの要素の割合が前記量子井戸層（106）にわたって傾斜し、前記少なくとも一つの要素の割合が前記障壁層（108）に向かって減少し、少なくとも一つの別の要素の割合が前記量子井戸層（106）にわたって傾斜し、前記少なくとも一つの別の要素の割合が前記障壁層（108）に向かって増大する２項記載の光変調器（100）。
５． 前記第１の導波路層がインジウムリン（InP）からなり、前記量子井戸層（106）がインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）からなる２項記載の光変調器（100）。
６． 前記量子井戸層（106）がインジウムガリウムヒ素リン（InxGa1-xAsyP1-y）からなり、0≦ｘ≦1及び0≦ｙ≦1である５項記載の光変調器（100）。
７． 電気的な逆バイアスが前記量子井戸層（106）にわたって適用されると、伝導帯の電子（162）の分布が、前記量子井戸層（106）の価電子帯の正孔（164）の分布と実質上整列する６項記載の光変調器（100）。
８． 前記量子井戸層（106）が、In0.61Ga0.39As0.84P0.16とIn0.85Ga0.15As0.33P0.67の間で変動する漸進的な組成を有する７項記載の光変調器（100）。
９． 前記量子井戸層（106）が、さらに
傾斜組成層（325）及び固定傾斜層（306）からなり、該傾斜組成層（325）が前記第１の導波路層（304）と該固定傾斜層（306）の間に挟まれ、該傾斜組成層（325）が、前記第１の導波路層（304）のバンドギャップエネルギーと該固定組成層（306）のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有している１項に記載の光変調器（100）。
傾斜組成層（325）及び固定傾斜層（306）からなり、該傾斜組成層（325）が前記第１の導波路層（304）と該固定傾斜層（306）の間に挟まれ、該傾斜組成層（325）が、前記第１の導波路層（304）のバンドギャップエネルギーと該固定組成層（306）のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有している１項に記載の光変調器（100）。
１０． 前記傾斜組成層（325）の材料が、前記第１の導波路層（304）及び前記固定組成層（306）の材料と同じ要素を含む９項記載の光変調器（100）。
１０２ ｐ型材料
１０４、１１６ 導波路層
１０６、１１２ 量子井戸層
１０８ 障壁層
１１８ ｎ型材料
１５０ 伝導帯
１５４ 価電子帯
２０２ ｐ型材料
２０４、２１６ 導波路層
２０６、２１２ 量子井戸層
２０８ 障壁層
２１８ ｎ型材料
２５０ 伝導帯
２５４ 価電子帯
３０２ ｐ型材料
３０４、３１６ 導波路層
３０６、３１２ 固定組成層
３０８ 障壁層
３１８ ｎ型材料
３２５、３２７ 傾斜組成層
３５２ 伝導帯
３５４ 価電子帯
１０４、１１６ 導波路層
１０６、１１２ 量子井戸層
１０８ 障壁層
１１８ ｎ型材料
１５０ 伝導帯
１５４ 価電子帯
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３０２ ｐ型材料
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３０８ 障壁層
３１８ ｎ型材料
３２５、３２７ 傾斜組成層
３５２ 伝導帯
３５４ 価電子帯
Claims (2)
- 光変調器であって、
第１の導波路層及び障壁層と、
前記第１の導波路層と前記障壁層との間に挟まれた量子井戸層と、
ｎ型及びｐ型材料層であって、該ｎ型材料層と該ｐ型材料層との間に、前記第１の導波路層及び前記障壁層を挟む、ｎ型及びｐ型材料層
とを備え、
最小のバンドギャップエネルギーと、前記第１の導波路層及び前記障壁層のうちの少なくとも１つのバンドギャップエネルギーとの間において前記量子井戸層のバンドギャップエネルギーを変動させる傾斜組成を、前記量子井戸層が有し、
前記量子井戸層がInxGa1-xAsyP1-yを含み、ここで、0≦ｘ≦1及び0≦ｙ≦1であり、更にここで、インジウムの含有量ｘ及びヒ素の含有量ｙは、前記量子井戸層の厚みにわたって変化し、
前記量子井戸層の前記傾斜組成は、前記第１の導波路層及び前記障壁層のうちの前記少なくとも１つのバンドギャップエネルギーに対して前記量子井戸層のバンドギャップエネルギーが小さくなるように調整されており、且つ、前記量子井戸層が前記ｎ型材料層側に近づくにつれて該量子井戸層のバンドギャップエネルギーが前記最小のバンドギャップエネルギーへと漸減するように調整されており、及び、
電気的な逆バイアスが前記量子井戸層にわたって印加される場合には、伝導帯の電子の波動関数の分布のピークが、前記量子井戸層内の価電子帯の正孔の波動関数の分布のピークとほぼ整列することからなる、光変調器。 - 前記量子井戸層が、In0.61Ga0.39As0.84P0.16とIn0.85Ga0.15As0.33P0.67の間の範囲にわたる漸進的な組成を有する、請求項１に記載の光変調器。
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