JPH02220025A

JPH02220025A - 光変調器

Info

Publication number: JPH02220025A
Application number: JP4212889A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nishi; 研一西; Takayoshi Anami; 隆由阿南
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1990-09-03
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JP2789644B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、低駆動電圧で高い消光比が得られ、半導体レ
ーザ等と集積が可能な光変調器に関する。

（従来の技術）半導体光変調器は、半導体レーザ等と集積化が可能で、
かつ高速変調時にもチャーピングが少ない点で注目され
ている。特に、膜厚が１００人程度の半導体量子井戸構
造を利用した構造が知られている。その−例は、出画ら
により、ジャパニーズ・ジャーナル、オブ・アプライド
・フィジックス（Ｊｐｎ、Ｊ。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、）　１９８３年２２巻Ｌ２２に
掲載されている様に、多層膜厚半導体に電界を印加する
事により、吸収端を長波長側にずらす、というものであ
る。

（発明が解決しようとする問題点）上述した従来の量子井戸構造では、吸収端の移動量と電
界の関係は量子井戸厚、有効質量等の関数であり、一般
に、設計自由度はあまり高くない。特に、より低電界で
高い消光比を得るためには、吸収端を低電界で大きく動
かす必要があるが、従来の構造では量子井戸厚を厚くす
るか、バイアス電界を常に印加しておく程度ｌ−か方法
がない。ここで、量子井戸厚は、あまり厚くしすぎると
量子サイズ効果自体が弱まるという問題があり、またバ
イアス電界を常に印加しておいても、変調時にかかる電
界が大きくなりすぎると、トンネリングによる吸収端の
エキシトン吸収ピークの広がりや、アバランシェ効果に
よる電流等の問題が生じる。

（問題点を解決するために手段）第１の本発明の光変調器は、ＩＩＩ　＋　Ｖ族化合物半
導体基板上の面方位（１１１）Ｂ面上にＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体が積層された構造であって、該構造は、積層
方向に電界を印加する手段を備え、電子の平均自由行程
程度以下の膜厚を有する半導体層を１層ないし多層具備
１．、前記半導体層の禁制帯幅は、積層方向に関して前
記基板から遠くなるにつれて単調に減少し、かつ格子不
整合による面内圧縮性の歪を有する事に特徴がある。

第２の本発明の光変調器は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
基板上の面方位（１１１）Ａ面上にＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体が積層された構造であって、該構造は、積層方向
に電界を印加する手段を備え、電子の平均自由行程程度
以下の膜厚を有する半導体層を１層ないし多層具備し、
前記半導体層の禁制帯幅は、積層方向に関して前記基板
から遠くなるにつれて単調に増加し、かつ格子不整合に
よる面内圧縮性の歪を有する事に特徴がある。

第３の本発明の光変調器は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
基板上の面方位（ＩＩＸ）Ｂ面上にＩＩＩ　−Ｖ族化合
物半導体が積層された構造であって、該構造は、積層方
向に電界を印加する手段を備え、電子の平均自由行程程
度以下の膜厚を有する半導体層を１層ないし多層具備し
、前記半導体層の禁制帯幅は、積層方向に関して前記基
板から遠くなるにつれて単調に増加し、かつ格子不整合
による面内引張性の歪を有する事に特徴がある。

第４の本発明の光変調器は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
基板上の面方位（１１１）Ａ面上にＩＩＩ　−Ｖ族化合
物半導体が積層された構造であって、該構造は、積層方
向に電界を印加する手段を備え、電子の平均自由行程程
度以下の膜厚を有する半導体層を１層ない（２多層具備
し、前記半導体層の禁制帯幅は、積層方向に関して前記
基板から遠くなるにつれて単調に減少し、かつ格子不整
合による面内引張性の歪を有する事に特徴がある。

（作用）以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。第２図は、
第１の発明による光変調器の、光導波部の一部のバンド
図である。ここで、量子井戸層１０２内の伝導帯下端１
１及び価電子帯上端１２は、積層方向に関して変化して
いる。これは、１つには、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の
（１１１）Ｂ基板上に積層した面内圧縮性の歪を有する
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体における積層方向と同一の方
向に電界を発生するピエゾエレクトリック効果による内
部電界により、もう１つは、積層方向に量子井戸層の禁
制帯幅が単調に減少してなる事による。ここで、この２
つの効果により、価電子帯上端１２の傾きは相加的に大
きくなる方向である。この方向は基板面方位、歪の方向
、及び禁制帯幅の変化する方向の設定により異なる。

一般に、電界印加による吸収端のシフトは、正孔波動関
数の変化に依る部分が大きい。そのため、上記の様に、
価電子帯上端１２が大きく傾いていると、あたかも積層
方向に大きなバイアス電界がかかっている様な状態であ
り、この状態で、積層方向に電界印加すると、吸収端は
大きく変化する。そのため、低電界で吸収端の大きなシ
フトが実現できる。しかも、トンネリングによるエキシ
ントン幅の広がりの問題は存在しない。

この効果は、第１の発明から第４の発明まですべてに共
通するものである。ここで、ピエゾエレクトリック効果
による内部電界と、禁制帯幅の変化によるバンド端の傾
きを、吸収端のシフト量を大きくするために、価電子帯
上端１２の傾きをより大きくするには、（１１１）Ｂ面
上の構造では、面内圧縮性歪を有し、かつ禁制帯幅が減
少しているか、面内引張性歪を有しかつ禁制帯幅が増加
している必要がある。これが第１及び第３の発明に対応
する。

（１１１）Ａ面上の構造では面内圧縮性歪を有しかつ禁
制帯幅が増加しているか、面内引張性歪を有し、かつ禁
制帯幅が減少している必要がある。これが第２及び第４
の発明に対応する。

また、（１１１）面上に積層されたＩＩＩ−Ｖ族半導体
においては、重い正孔の有効質量が（１００）面上の場
合と比べ増加する。そのため、電界印加による吸収端の
シフト量は、重い正孔と電子の間の遷移が吸収端を形成
する場合には（１００）面上に形成された場合と比べ増
加する。歪が存在する場合では、圧縮性の歪によれば重
い正孔のバンド端は軽い正孔のバンド端よりエネルギー
的に上に存在するので、上記の電界効果は更に上昇する
。従って、第１の発明及び第２の発明では、この正孔の
有効質量の増大によっても電界印加による吸収端のシフ
ト量は増大する。

（実施例）次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は第１の本発明の一実施例の模式的な斜視図であ
る。この多層構造は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法に
より製作するものである。これは、まず、（１１１）Ｂ
面で（１００）方向に１°傾斜したＳｎドープＩｎＰ基
板１００上に、２ｐｍ厚Ｓｉドープｎ型Ｉｎｏ５□Ａｌ
。、４８Ａｓバツフア一層１０１を積層し、次に１００
人厚ＩｎｘＧａ１−ＸＡ５（ｘは０．６から０．８まで
連続的に変化）量子井戸層１０２と５０人人厚Ｉｎｏ　
５２Ａ１ｏ　４ｓＡＳバリア層１０３を交互に１０周期
積層し、次に１．５１１ｍ厚Ｂｅドープｐ型Ｉｎ。、５
□Ａｌ、４８Ａｓクラッド層１０４．０．２ｐｍ厚Ｂｅ
ドープｐ型Ｉｎｏ、５３Ａ１ｏ、４゜ＡＳＳキャブ層１
０５を成長して多層構造を製作する。ここで、量子井戸
層１０２は、Ｉｎセルの温度を一定にし、Ｇａセルの温
度を減少させる事により、その混晶組成を連続的に変化
させ、積層方向にその禁制帯幅を減少させている。また
、格子不整合による面内圧縮性の歪が存在している。

この多層構造に対し、通常のフォトリソグラフィー法及
びエツチングにより幅３μｍのメサ部をクラッド層１０
４の途中まで形成し、さらに電極１０Ｇを形成する。

この構造の量子井戸層１０２バリア層１０３のバンド図
を第２図に示す。作用の項で述べた様に、伝導帯下端１
１と価電子帯上端１２は積層方向に関し変化している。

特に、価電子帯上端１２については、その形状は非常に
大きい電界が印加された場合と同様に変化している。本
実施例ではその電界強度は、おおよそ２００ｋＶ／ａｍ
に対応する。ここで、厳密には、量子井戸層１０２内で
、格子不整合による歪からピエゾエレクトリック効果で
生じる電界は異なり、各バンド端エネルギーは放物線的
に変化するが、図面では直線で近似している。

この構造の電極１０６内に逆バイアスを印加し、メサ部
の下部を導波する光の吸収特性を調べた所、第３図の様
に成る。特に波長１．９■１ｍ程度での透過光量比は、
電圧を０■から２ｖまで変化させた場合で約１０００：
１程度と非常に大きいものである。

次に、第２の本発明による一実施例について説明する。

この斜視図を第４図に示す。その構造は、第１の本発明
による実施例とほぼ同様であるが、基板は（１１１）Ａ
面で（１００）方向に１°傾斜したＳｎドープＩｎＰ基
板２００を用い、量子井戸層は、１００人厚ＩｎｘＧａ
１−ｘＡ５（Ｘは０．８から０．６まで連続的に変化）
量子井戸層２０１である。

本実施例においては、価電子帯上端の傾きは、電界強度
にしてやはり２００ｋＶ／ｃｍであるが、その方向は第
１の発明による実施例における場合と逆である。ここで
、本実施例においても、波長的１．９ｐｍで同様の電圧
印加で、高い消光比が得られる。

次に、第３の本発明による一実施例について説明する。

これは、第１の発明による実施例とほぼ同様であるが、
量子井戸層は、ｉｏｏ入厚■ｎｘＧａ１−ｘＡｓ（Ｘは
、０．４５から０．２５まで連続的に変化）量子井戸層
である。この量子井戸層は格子不整合による面内引張性
の歪を有する。

本実施例においては、量子井戸層内での価電子帯上端１
２の傾きは第２の発明による実施例と、その大きさ向き
ともほぼ同一である。また、波長的１．２μｍで、約２
■の電圧印加で消光比と１−で約５００：１と高いもの
が得られる。ここで、正孔有効質量が第１及び第２の発
明による実施例と比べ減少しているので、消光比も若干
減少する。

次に第４の本発明による一実施例について説明する。こ
れは、第２の発明による実施例とほぼ同様であるが、量
子井戸層は、１００に享のｎ、Ｇａ１−、Ａｓ（ｘは、
０．２５から０．４５まで連続的に変化）量子井戸層で
ある。

本実施例においては、量子井戸層内での価電子帯上端１
２の傾きは、第１の発明による実施例と、その大きさ、
向きともほぼ同一である。また、波長１．２ｐｍで、約
２ｖの電圧印加で消光比として約５００：１と高いもの
が得られる。

以上、ここでは各発明に対し１つの実施例について述べ
たが、本発明は、他の半導体結晶成長方法、例えば気相
成長法でもよく、また、材料も、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ系以外の、例えばｒｎＧａＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡ
ｓ系、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ系等他のものでも良い。但
し、負のピエゾ係数を持つ事から、ｌｌｌ−、Ｖ族化合
物半導体である事が必要である。

（発明の効果）以上説明ｊ−たように、本発明は、格子不整合により歪
を有する量子井戸層を（１１１）ＩＩＩ−Ｖ族半導族基
導体基板上し、かつ、禁制帯幅を、その面方位、また歪
の向きによって選択した方向に変化させることにより、
低電圧で駆動でき、高い消光比が得られる光変調器が得
られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１の本発明の一実施例の模式的な斜視図、
第２図は本発明を説明するためのバンド図、第３図は本
発明の光変調器が導波する光の吸収特性を示す図、第４
図は第２の本発明の一実施例の模式的な斜視図である。図において、１００・Ｓｎドープ（１１１）Ｂ　ＩｎＰ基板、１０１
・ＳｉドープＩｎｏ、５２Ａ１ｏ、、１ｓＡＳバツフア
一層、１０２−ＩｎｘＧａ１−ＸＡｓ量子井戸層（ｘ；
０．６→０．８）、１０３−Ｉｎ。、６□Ａｌ、４８Ａ
ｓバリア層、１０４−ＢｅドープＩｎｏ、５２Ａ１ｏ、
４８Ａ８クラッド層、１０５−ＢｅドープＩｎｏ、５３
Ｇａｏ、、５ｖＡ８キャップ層、１０６−・・電極、１
１・・・伝導帯下端、１２・・・価電子帯上端、２００
・・・Ｓｎドープ（１１１）Ａ　ＩｎＰ基板、２０１・
Ｉｎ　Ｇａ１−ＸＡｓ量子井戸層（ｘ；０．６→０．８
）である。

Claims

【特許請求の範囲】１）III−Ｖ族化合物半導体基板上の面方位（１１１）
Ｂ面上にIII−Ｖ族化合物半導体が積層された構造であ
って、該構造は、積層方向に電界を印加する手段を備え
、電子の平均自由行程程度以下の膜厚を有する半導体層
を１層ないし多層具備し、前記半導体層の禁制帯幅は、
積層方向に関して前記基板から遠くなるにつれて単調に
減少し、かつ格子不整合による面内圧縮性の歪を有する
事を特徴とする光変調器。２）III−Ｖ族化合物半導体基板上の面方位（１１１）
Ａ面上にIII−Ｖ族化合物半導体が積層された構造であ
って、該構造は、積層方向に電界を印加する手段を備え
、電子の平均自由行程程度以下の膜厚を有する半導体層
を１層ないし多層具備し、前記半導体層の禁制帯幅は、
積層方向に関して前記基板から遠くなるにつれて単調に
増加し、かつ格子不整合による面内圧縮性の歪を有する
事を特徴とする光変調器。３）III−Ｖ族化合物半導体基板上の面方位（１１１）
Ｂ面上にIII−Ｖ族化合物半導体層が積層された構造で
あって、該構造は、積層方向に電界を印加する手段を備
え、電子の平均自由行程程度以下の膜厚を有する半導体
層を１層ないし多層具備し、前記半導体層の禁制帯幅は
、積層方向に関して前記基板から遠くなるにつれて単調
に増加し、かつ格子不整合による面内引張性の歪を有す
る事を特徴とする光変調器。４）III−Ｖ族化合物半導体基板上の面方位（１１１）
Ａ面上にIII−Ｖ族化合物半導体層が積層された構造で
あって、該構造は、積層方向に電界を印加する手段を備
え、電子の平均自由行程程度以下の膜厚を有する半導体
層を１層ないし多層具備し、前記半導体層の禁制帯幅は
、積層方向に関して前記基板から遠くなるにつれて単調
に減少し、かつ格子不整合による面内引張性の歪を有す
る事を特徴とする光変調器。