JP5207381B2 - 結合量子井戸構造 - Google Patents

Description

本願発明は、本願発明は、伝導帯におけるサブバンド間遷移を利用するための半導体結合量子井戸構造に関する。

近年の結晶成長技術発展により、量子構造を用いたデバイスの研究開発が盛んに行われている。特に、最近の半導体結晶技術においては、数ナノオーダーのヘテロ界面形成が可能となっており、これにより、量子井戸におけるサブバンド間遷移の短波長化が進み、光通信波長帯におけるサブバンド間遷移も可能になってきている。また、光信号処理は、電気信号処理と比較して、伝送速度、信号間の干渉及び消費電力の観点において優れているので、従来の電気信号処理を用いたスイッチに代えて、光信号処理だけを用いるスイッチとして全光型スイッチの実用化が望まれている。

これまで、伝導帯におけるサブバンド間遷移を用い、サブバンド間及びバンド間における光吸収によって生じる吸収係数の変化を利用した全光型スイッチに関する動作確認され、また、この発展として、量子井戸構造の伝導帯におけるサブバンド間遷移とバンド間遷移の両方を利用した全光型スイッチに関する研究も進められている。（下記非特許文献１参照）

近年、ＧａＮ及び酸化物材料等の高バンドギャップ材料における伝導体と価電子帯のバンド間遷移を用いて紫外光における発光の研究も進んでいることから、赤外でのサブバンド遷移間との組み合わせにより、赤外制御光と紫外信号光による全光型スイッチなども可能であり、広い波長帯における全光型スイッチの実現も期待できる。

また、半導体量子井戸におけるサブバンド間遷移を用いた光素子においては、応答速度の観点において、バンド間遷移等を用いた半導体光素子と比較して優位な点がある。現在の量産化がされている半導体光素子は、主にバンド間遷移による吸収を利用したものが多いが、より高速な光スイッチ及び光変調の応答速度は、実励起キャリアのバンド間再結合時間（数ナノ秒）によりスイッチ・オフ時間が制限される。一方、半導体量子井戸構造の伝導帯におけるサブバンド間遷移は、緩和時間が数ピコ秒以下であり、バンド間遷移に比べて千倍以上のスイッチ・オフの高速化が可能であるという特徴を持っている。

しかしながら、現在光通信及び光記録用に半導体レーザとして使用されている材料系であるIII−Ｖ族半導体のＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ材料等を量子井戸層に用いて、光通信波長帯におけるサブバンド間遷移を得る場合は、結晶成長技術において困難な点がある。例えば、既に報告されているＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓの歪み量子井戸（ＧａＡｓ基板上）又は歪み量子障壁（ＩｎＰ基板上）においては、量子井戸の幅を数原子層程度と非常に狭くすることが要求される。

ここで、図２のような２つの量子準位（サブバンド：Ｅ１’、Ｅ２’）を持つ単一の量子井戸層を考える。このように、単一の量子井戸層を用いて、サブバンド間遷移波長を短くするためには、量子井戸幅を狭くする必要がある。このとき、Ｅ１’−Ｅ２’間のサブバンド間遷移の井戸幅依存性は、図３に示すようになる。即ち、井戸幅が狭くなるほどサブバンド間エネルギーは大きくなり、サブバンド間遷移波長は短くなる。

ところが、井戸幅の減少に伴って量子準位Ｅ１’、Ｅ２’が共に増大するため、近赤外域でのサブバンド間遷移を実現するには、Ｅ２’が障壁のエネルギー高さより低いことが要求される。このため、光通信の波長帯である１．５５μｍにおけるサブバンド間遷移を実現するためには極めて高い障壁高さを可能とするバンド不連続の大きな材料系が要求され、その実現が困難である。

このため、二つ以上の量子井戸を結合させた結合量子井戸のスピリットした準位を利用することにより、光通信の波長帯までのサブバンド間遷移波長の短波長化、なおかつ高速性・高非線形性を両立させる方法が吉田らにより提案され、図４に示すような、ＩｎＧａＡｓ井戸層、ＡｌＡｓＳｂ結合障壁層、ＡｌＡｓＳｂ外部障壁層を用いた結合量子井戸によって、サブバンド間遷移波長は、量子井戸間の強結合化により、１．５５μｍまで短波長化された。（下記特許文献１及び下記非特許文献２参照）

一方で、量子井戸におけるサブバンド間遷移による光吸収を用いて光スイッチを作製する場合には、キャリア生成のために、量子井戸へのＳｉなどの不純物原子の高濃度ドーピングが必要となるが、例えば、下記特許文献２及び下記非特許文献１参照に示されたＩｎＧａＡｓ井戸層、ＡｌＡｓＳｂ外部障壁層を用いた材料系などでは、Ｓｉ原子の高濃度ドープによって量子井戸構成原子の相互拡散が起こり、へテロ界面での平坦性が失われるという問題もあった。このような解決法として、ＩｎＧａＡｓ井戸層、ＡｌＡｓＳｂ外部障壁層間へのＡｌＡｓ拡散防止層の挿入によるヘテロ界面の平坦性改善法や、結合障壁層としてＡｌＡｓＳｂ層の変わりにＡｌＡｓ層を用いることの提案がされ、良好なサブバンド間遷移吸収も観測されている。（下記特許文献２及び下記非特許文献３参照）

しかしながら、上記で示された結合量子井戸構造(図４)では、量子井戸間結合を強結合化によって、サブバンド間遷移波長を１．５５μｍまで短波長化するには、ＡｌＡｓＳｂあるいはＡｌＡｓ結合障壁層を４原子層までに減らし、ＩｎＧａＡｓ井戸層を２ｎｍまでに減らす必要があった。半導体結晶成長技術上から作製できる量子井戸構成層の膜厚減少には限界があり、量産性による歩留まりなども考えた場合、さらなる結合障壁層及び井戸層等の薄膜化は望ましいものではない。また、サブバンド間遷移のより広範囲の波長制御を行うためには、さらなる量子井戸間の強結合化が必要である。

一方で、最近、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸構造をコア層として用いた光導波路において、ＴＭ偏波のポンプ光を照射してサブバンド励起すると、サブバンド吸収がおこらないＴＥ偏波のプローブ光の位相が変調する、超高速の全光位相変調効果が土田らにより発見された。この位相変調効果とマッハツェンダー干渉計との組み合わせにより、光入力７ｐＪの低エネルギーで１６０ＧＨｚの全光のＤＥＭＵＸ動作を実現している。さらなる低エネルギー動作化には、位相変調効果増大が有効となる。（下記非特許文献４及び５参照）

一方、この位相変調効果は、量子井戸でのＥ−ｋ関係の非方物線性および高濃度キャリアの２次元プラズマ効果によって引き起こる巨大な屈折率変化に起因していることが、石川らにより明らかにされた。この原理から推測すれば、位相変調効果の増大には、量子井戸間の強結合化が有効となる。（下記非特許文献６及び７参照）
Ｎａｒｕｓｅ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， １７， （２００５） １７０１． Ｙｏｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， Ｅ８７−Ｃ， （２００４） １１３４−１１４１． Ｍｏｚｕｍｅ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ４２ （２００３） ５５００． Ｔｓｕｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ３２ （２００７） ７５１． Ａｋｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．，ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２００７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＥＣＯＣ， ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｓｈｉｋａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ， ３２ （２００７） ７５１． Ｎａｇａｓｅ ｅｔ ａｌ．， ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＩＰＲＭ， ２００７ ｐ． ５０２． 特開２０００−８９２７０号公報 特開２００３−３２９９８８号公報

上述のように、結合量子井戸を用いたサブバンド間遷移光スイッチの短波長化、及び、位相変調効果増大による低エネルギー動作化には、量子井戸間の強結合化が必要である。強結合化のためには、結合障壁層の膜厚を減少させる方法があるが、さらなる膜厚減少は、結晶成長技術において困難であり、また、量産性や歩留まりという点でも望ましくない。

本願発明は、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、サブバンド間遷移光スイッチの短波長化、及び、位相変調効果増大による低エネルギー動作化に重要な強結合を有する結合量子井戸構造を実現すること、また、この実現のために有効な結合障壁層の薄膜化による方法を回避することで、生産性に優れた結合量子井戸構造を提供することにある。

上記課題を解決するために本願発明は、次のような構成を採用している。
すなわち、本願発明は、サブバンド間遷移を用いた光素子において、２つ以上の量子井戸層１５ａ、１５ｂ間に、外部障壁層１３よりも低いエネルギー障壁を持つ結合障壁層１６を配置した結合量子井戸構造を、ＩｎＰ等の半導体基板１１上に設けることを特徴とする（図５）。

ここで、本願発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
（１）単結晶基板は、半導体基板又はサファイア基板等の量子井戸形成可能な基板である。
（２）量子井戸を隔てる結合障壁層のエネルギー障壁の高さは、できるだけ低くし、このエネルギー障壁層の高さは、サブバンド間遷移に利用する量子準位よりも低くなっていても構わない。

（３）量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓからなり、結合障壁層は、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、又はＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓからなり、外部障壁層は、ＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ又はＡｌＧａＡｓＳｂからなる。
（４）上記（３）において、伝導帯における全てのサブバンド間のエネルギー差は、３６ｍｅＶ以上である。

（５）量子井戸層は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなり、結合障壁層は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮからなる。
（６）上記（５）において、伝導帯における全てのサブバンド間のエネルギー差は、８８ｍｅＶ以上である。

これまで、量子井戸間結合を強結合化する方法として、図４に示されるような結合量子井戸構造において、結合障壁層の薄膜化を利用していた。２つの量子井戸を結合させると、各々の量子井戸では２つであったサブバンドは４つ（Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４）になる。サブバンド間遷移波長は、結合障壁層の厚さに依存し、層厚が薄くするほどＥ_１−Ｅ_４遷移によるサブバンド間遷移波長（λ_１−４）は短波長化が可能になる（図６の破線参照）。

しかし、このような結合量子井戸構造の結合障壁層の薄膜化による強結合化は、結晶成長技術上から限界がある。また、量子井戸及び結合障壁層の膜厚ゆらぎによるサブバンド間遷移吸収スペクトルの広がりは、膜厚が薄いほど影響を受けやすい。吸収スペクトルの広がりは、吸収スペクトルのピーク波長における吸収係数を減少させるため、光スイッチの低エネルギー動作化の妨げの要因にもなる。

そこで、本願発明者らは、この問題を解決し、量子井戸間結合を強くできる量子井戸構造として、図１のような結合量子井戸構造を考えた。即ち、結合量子井戸構造における結合障壁層として、より低いエネルギー障壁を持つ障壁層を使用する。

これにより、結合障壁層を厚くしても量子井戸間の結合を強くすることができる。結合の強度は、結合障壁層の高さ（ΔＥ_ｃ２）、幅（Ｃ_ｂ）、結合障壁層での電子の有効質量に依存する。結合障壁層のエネルギー障壁（ΔＥ_ｃ２）よりも高いエネルギーにおいて、電子波が結合障壁層に対して反射するのは、量子力学の特有現象である。図６には、ＩｎＧａＡｓ井戸層、ＡｌＡｓＳｂ障壁層およびＩｎＡｌＡｓ結合障壁層からなる結合量子井戸でのサブバンド間遷移波長の結合量子井戸層厚さの依存性を示す。励起準位（Ｅ_４およびＥ_３）よりも低いエネルギー障壁を持つＩｎＡｌＡｓ結合障壁層を用いても、結合障壁層の幅によってサブバンド間遷移波長が変化していくことが確認できる。

図７は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＡｌＡｓＳｂ外部障壁層、ＡｌＡｓ拡散防止層からなる結合量子井戸において、結合障壁層にＡｌＡｓ層及びＩｎＡｌＡｓ層を用いた場合のサブバンド間遷移による吸収スペクトルの測定結果の比較を示している。吸収スペクトルでは、二つの波長で吸収ピークが観測されているが、２μｍ以下の吸収ピークは、Ｅ_４−Ｅ_１間でのサブバンド間遷移によるもので、２μｍ以上の長波長側の吸収ピークは、Ｅ_３−Ｅ_２間でのサブバンド間遷移によるものである。エネルギー障壁の低いＩｎＡｌＡｓ層を用いることで、井戸幅（ｗ）を２．２ｎｍにて、サブバンド間遷移（Ｅ_４−Ｅ_１遷移）波長が１．３７μｍまで短波長化していることを確認した。また、光通信波長帯の波長１．５３μｍにおいて、サブバンド間遷移（Ｅ_４−Ｅ_１遷移）を得るためには、井戸幅（ｗ）を２．７ｎｍまで増加できることがわかった。一方、従来のＡｌＡｓ層を用いた場合（図７挿入図）と比較すると、井戸幅（ｗ）を２．５ｎｍにて、サブバンド間遷移（Ｅ_４−Ｅ_１遷移）波長は１．７７μｍであり、１．５５μｍでサブバンド遷移を得るにはさらなる井戸幅減少が必要である。これは、より低いエネルギー障壁（ΔＥ_ｃ２）を用いることが、サブバンド間遷移の短波長化、すなわち、強結合化に有利であることを示す結果である。また、従来のＡｌＡｓ層と比較して、ＩｎＡｌＡｓ層を用いた場合、スペクトル幅の狭い吸収スペクトルが得られることも確認した。

一方、ＴＭポンプ光によるＴＥプローブ光に対する位相変調効果は、その屈折率変化によって、マッハツェンダー型干渉計との組み合わせによる超高速な光スイッチ、ＤＦＢ構造との組み合わせによる波長選択性スイッチや双安定動作が期待できる。これらの実用化のためには、低エネルギーでの動作が重要とあり、位相変調効果の増大が重要となる。

この位相変調効果は、量子井戸のＥ−ｋ関係の非方物線性と高濃度キャリアによるプラズマ効果によって生じる屈折率変化Δｎによって説明でき、下記の式で与えられる。

ここで、ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）およびＮ_ｓ，ｉは、量子準位Ｅ_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）における電子の有効質量およびシートキャリア密度、ｅは電子の素電荷、ε_０は真空中の誘電率、ωは電子の角周波数、ｑは電磁波の波数である。
上式に示すように、Δｎの増加のためには、Ｎ_ｓ，ｉの増加、ｍ_ｉの減少が有効である。

図８に、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸構造において、結合障壁層をＡｌＡｓ及びＩｎＡｌＡｓとした場合の屈折率変化Δｎの変化の比較示す。量子井戸へのドーピング濃度は、１×１０^１９（ｃｍ^−３）とした。結合障壁層の障壁エネルギーΔＥ_ｃ２を低くし、強結合化するほどΔｎが増加することを確認した。

これは、主に、３つの効果によって説明できる。１つ目は、強結合によって量子準位エネルギーＥ_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）が低下し、これに伴い、ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）が減少することに起因した効果であり、２つ目は、量子準位のスピリットが増大し、Ｅ_２のエネルギーレベルが増加したためＮ_ｓ，２のシートキャリア密度が減少し、Ｎ_ｓ，１のシートキャリア密度が増加したことによる効果である。３つ目は、強結合化によって、井戸幅が増加したことによってシートキャリア密度が増加したためである。

また、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子構造では、Ｉｎ組成などの制御により、バンドギャップの制御が可能であるが、バンドギャップの減少は、量子井戸間の非方物線性の増加させるため、上記の効果をさらに増大することも可能となる。

また、図９に示すように、量子井戸へのドーピング濃度の増加は、式（１）のＮ_ｓｉを全体的に増加させることができるので、位相変調効果の増大には有効である。

結合量子井戸構造をコア層とした導波路（メサ幅０．８μｍ）に対して、ＴＭ光で励起したときに生じるＴＥの位相シフト量を測定した（図１０）。ＡｌＡｓ障壁層を用いた場合の０．４７４ｐＪ／ｒａｄの位相シフト量に対して、ＩｎＡｌＡｓ障壁層を用いた場合は、０．７５１ｐＪ／ｒａｄの位相シフト量となり、図８で理論予測した屈折率変化の比と同等であることを確認した。

量子井戸間の強結合化は、結合量子井戸の結合障壁層のエネルギー障壁の高さが低くするほど有効であるが、一方で、結合障壁層を低くすると、光学双極子モーメントは減少し、光吸収係数が減少する。これは、結合状態が大きくなると波動関数が変化し、特に基底準位と励起準位の重なりが小さくなり、結合障壁層がない場合は、非常に小さくになるためである。つまり、結合障壁層のない、井戸層幅の広い、単一量子井戸の第１準位と第４準位によるサブバンド間遷移において充分な光吸収を得ることができなくなる。

また、結合量子井戸においては、全てのサブバンド間のエネルギー差を井戸層材料における縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーより大きく（ＩｎＧａＡｓ系及びＧａＡｓ系においては３６ｍｅＶ以上、ＩｎＧａＮ系及びＧａＮ系においては８８ｍｅ以上）なるように構造設計することにより、全光スイッチ等に用いる場合、吸収回復を高速化することが可能であり、Ｅ_４−Ｅ_３間及びＥ_２−Ｅ_１間のエネルギー差が吸収回復速度を決定する（上記非特許文献２参照）。このエネルギー差は、結合障壁のエネルギー高さ及び厚みによって制御でき、単一量子井戸のＥ_１−Ｅ_４によるサブバンド間遷移を用いた場合には、量子準位間のエネルギー差の制御性が低下してしまう。この意味においても結合障壁層の存在は、重要な意味をなす。

以上詳述したように本願発明によれば、サブバンド間遷移するための結合量子井戸構造において、２つ以上の量子井戸層の間に挟まれた結合障壁層にできるだけ低いエネルギー障壁ΔＥ_ｃ２をもたせることで、量子井戸間結合の強い、且つ、生産性に優れた結合量子井戸構造の作製が可能になる。

本願発明に係る結合量子井戸構造の伝導帯のエネルギーバンド構造を示す図 単一量子井戸のエネルギーバンド構造を示す図 単一量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーの井戸幅依存性を示す図 従来の結合２重量子井戸の伝導帯のエネルギーバンド構造を示す図 本願発明に係る結合量子井戸構造の基本構成を示す模式図 結合量子井戸構造の結合障壁層幅依存性を示す図 結合障壁層の異なる結合量子井戸サブバンド間光吸収スペクトルの比較を示す図 ＴＭ偏光よりサブバンドを励起した場合に生じる屈折率変化図 屈折率変化のドーピング依存性を示す図 屈折率変化による位相シフト量の測定結果を示す図

以下に、本願発明を実施するための最良の形態を説明する。

図５は、本願発明の一実施例に係わる結合障壁構造の基本構成を示す模式図である。結合量子井戸構造は、半導体基板１１の上に２つの量子井戸層１５（１５ａ、１５ｂ）、これらの井戸層１５に挟まれた結合障壁層１６及び井戸層１５の両側の外部障壁層１３（１３ａ、１３ｂ）から形成され、この結合量子井戸構造が一つ以上形成されている。この結合量子井戸構造の両側には、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ又はＡｌＡｓＳｂ等から成るバッファ層１２及びクラッド層１７が設けられている。

各層１２、１３、１４、１５、１６及び１７は、化合物半導体からなり、例えば、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の成長法によって連続成長することにより形成される。また、結合量子井戸構造の伝導帯のエネルギーバンドは、前記図１に示したようになる。量子井戸（２ａ及び２ｂ）と外部障壁層（３ａ及び３ｂ）とのバンドオフセットをΔＥ_ｃ１であり、量子井戸（２ａ及び２ｂ）と結合障壁層（１）とのバンドオフセットをΔＥ_ｃ２である。強い結合状態を得るために、ΔＥ_ｃ２は励起準位（Ｅ_４あるいはＥ_３）よりも低くし、遷移双極子の低下を防ぐために、ΔＥ_ｃ２は基底準位（Ｅ_２あるいはＥ_１）よりも大きくしている。ここで、Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４は伝導体サブバンドでの量子準位を示している。

このような構成において、量子井戸層２ａ、２ｂにはｎ型不純物がドープされており、伝導帯の低次のサブバンド（主に第１、第２）に電子が蓄積されている。ここに光を照射することによって、低次なサブバンドから高次のサブバンドに電子が励起されサブバンド間光吸収が生じる。このとき、許容遷移であるＥ_１−Ｅ_２、Ｅ_２−Ｅ_３、Ｅ_１−Ｅ_４等のサブバンド間遷移に対応した吸収ピークを持つサブバンド間光吸収スペクトルが得られる。

許容遷移であるＥ_１−Ｅ_２、Ｅ_２−Ｅ_３、Ｅ_１−Ｅ_４等のサブバンド間遷移に対応した吸収ピークは、井戸層、結合障壁層等の量子井戸構成層の種類および層厚によって変化する。井戸層を薄膜化すると、すべての量子準位が高エネルギー側にシフトするため、外部障壁層が充分に高いことが必要となってしまう。それに対し、結合障壁層の薄膜化及びエネルギー障壁の低下を行うと、Ｅ_１とＥ_３は、低エネルギーにシフトするのに対し、Ｅ_２とＥ_４は、高エネルギー側にシフトする。これにより、結合障壁層の薄膜化及びエネルギー障壁の低下は、例えば、Ｅ_１−Ｅ_４によるサブバンド間遷移の短波長化を可能にし、光通信帯での波長制御を容易にする。

結合障壁層のエネルギー障壁を低下させる方法としては、材料の変更が有効であり、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系結合量子井戸においては、結合障壁層として、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＡｌＡｓＳｂ層等を用い、そのIII族組成比及びＶ族組成比を変化していくことにより障壁低下が可能であり、ＧａＮ／ＡｌＮ系結合量子井戸においては、結合障壁層としてＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を用い、そのIII族元素組成比を変化することにより障壁低下が可能であり、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系結合量子井戸においては、結合障壁層として、ＩｎＡｌＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層等を用いることで障壁の低下が可能である。また、バンドギャップも制御する場合、井戸層の組成変化が必要となるが、これに伴う歪は、結合障壁層のIII族元素組成比の制御によって補償できる。

上記サブバンド間遷移吸収は、高速な光吸収係数及び屈折率の変化を実現する。光吸収係数の変化は、量子井戸構造の伝導帯におけるサブバンド間遷移のみを利用した、あるいは、サブバンド間遷移とバンド間遷移の両方を利用した高速全光型スイッチに有効である。また、屈折率の変化は、たとえば、ＴＭポンプ光によるＴＥプローブ光に対する位相変調効果は、マッハツェンダー型干渉計との組み合わせによる全光型スイッチや、ＤＦＢ構造を持つ導波路との組み合わせによる波長選択性スイッチや双安定動作などの実現を可能にする。

次に、本実施例の結合量子井戸構造のより具体的な構成例について説明しておく。図５は、同構成例の結合量子井戸構造を示す断面である。半導体基板１１は半絶縁性ＩｎＰであり、各層は基板１１上にＡｌＡｓＳｂバッファ層１２を形成した上に成長形成されている。結合量子井戸構造を構成する量子井戸層１５ａ、１５ｂは、キャリア濃度約１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ型Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓであり、その井戸幅は、２．２ｎｍから２．７ｎｍである。各量子井戸層１５ａ及び１５ｂ間の結合障壁層１６は、ノンドーブのＩｎＡｌＡｓであり、その幅は、約１．１ｎｍである。

このとき、図７に示すように、従来のＡｌＡｓを結合障壁層として用いた場合と、低エネルギー障壁であるＩｎＡｌＡｓを結合障壁層として用いた場合とを比較すると、Ｅ_２とＥ_３とによるサブバンド間遷移による吸収ピーク波長は、長波長側に移行し、Ｅ_１とＥ_４による吸収ピーク波長は、比較的容易に短波長化する。井戸幅および結合障壁層を２．７ｎｍ、４ＭＬｓとしたとき、１．５５μｍでの吸収係数は、６００ｃｍ^−１以上であり、全光スイッチ等への応用には充分な値が得られている。また、この値は、量子井戸へのドーピング濃度増大などによって最適設計できる。

このように本実施例によれば、２つの以上の量子井戸層２ａ、２ｂ間に、外部障壁層(３ａ、３ｂ)よりも低いエネルギー障壁を持つ結合障壁層１ａを配置した結合量子井戸構造を、ＩｎＰ等の化合物半導体基板に設けることで、量子井戸構成層において、より広い膜厚を用いて、サブバンド間遷移を短波長化することができる。

なお、本願発明は、上述した実施例に限定されるものではない。本実施例においては、二つの量子井戸層で、井戸幅を等しくしたが、これはダイポールモーメントが適切な値をとる限り、３つ以上の量子井戸からなり、異なる井戸幅を持つ結合量子井戸構造にしてもよい。

前記基板、量子井戸層、結合障壁層等の材料は、仕様に応じて適宜変更可能である。例えば、量子井戸層としてＧａＡｓを用いた場合、結合障壁層は、ＩｎＡｌＡｓに限らず、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。また、量子井戸層にＧａＮ又はＩｎＧａＮを用いた場合、結合障壁層としてＡｌＮ又はＡｌＧａＮを用いることができる。また、今回は、半導体材料の量子構造により説明したが、酸化物材料等を用いた量子構造に対しても適用することができる。

本願発明の結合量子井戸構造は、伝導帯におけるサブバンド間遷移を用い、サブバンド間及びバンド間における光吸収による、屈折率の変化した高速な光スイッチに用いることができる。たとえば、量子井戸間の強結合化によって効率的に屈折率を増大できるため、マッハツェンダー干渉型全光スイッチ、ＤＦＢ構造との組み合わせによる波長選択性スイッチや双安定素子などの低エネルギー化などに利用可能である。

Claims (5)

1. 半導体結合量子井戸構造において、量子井戸層の間に該量子井戸層及び外部障壁層におけるバンドオフセット（ΔＥ_c1）より小さいバンドオフセット（ΔＥ_c2）を持つ結合障壁層を配置した結合量子井戸構造を基板上に少なくとも１つ設け、該小さいバンドオフセット（ΔＥ_c2）は、複数の励起準位（Ｅ₄及びＥ₃）のいずれか一方より小さく、複数の基底準位（Ｅ₂及びＥ₁）のいずれか一方よりも大きくなるバンド構造を持ち、
   上記複数の励起準位（Ｅ ₄ 及びＥ ₃ ）のいずれか一方と上記複数の基底準位（Ｅ ₂ 及びＥ ₁ ）のいずれか一方とのサブバンド間遷移波長が光通信波長帯であること、
   を特徴とする半導体結合量子井戸構造。
2. 上記半導体結合量子井戸構造において、上記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓから成り、上記結合障壁層は、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓから成り、上記外部障壁層は、ＡｌＡｓ又はＡｌＡｓＳｂから成り、前記結合量子井戸構造の伝導帯における全てのサブバンド間のエネルギー差が３６ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体結合量子井戸構造。
3. 上記半導体結合量子井戸構造において、上記量子井戸層は、ＧａＮから成り、上記結合障壁層は、ＡｌＧａＮから成り、上記外部障壁層は、ＡｌＮからなり、前記結合量子井戸構造の伝導帯における全てのサブバンド間のエネルギー差が８８ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体結合量子井戸構造。
4. 光素子であって、上記半導体結合量子井戸構造に入射される制御光は、１つのサブバンド間遷移エネルギーに共鳴し、該半導体結合量子井戸構造に入射される信号光は、該サブバンド間遷移エネルギー又はバンド間遷移エネルギーに共鳴することを特徴とする請求項１に記載の半導体結合量子井戸構造を用いた光素子。
5. 光素子であって、上記半導体結合量子井戸構造に入射される制御光は、１つのサブバンド間遷移エネルギーに共鳴し、前記半導体結合量子井戸構造に入射される信号光は、屈折率変化によって位相又は波長制御されることを特徴とする請求項１に記載の半導体結合量子井戸構造を用いた光素子。

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