JPH03242617A

JPH03242617A - 量子閉じ込めシュタルク効果素子

Info

Publication number: JPH03242617A
Application number: JP3850590A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Morita; 正彦森田; Takeo Suzuki; 健夫鈴木
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1990-02-21
Publication date: 1991-10-29

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］本発明は光シヤツター、光双安定素子など光と電界を利
用する能動素子のうち、シュタルク効果を使用する素子
に係るものである。

〔開示の概要〕

本発明は、異なるバンドギャップの層状物質より成る量
子井戸構造を有する化合物半導体に電界を印加すること
により生ずる励起子光吸収帯の波長シフト、吸収帯強度
の減少等の特性改良に関するもので、量子井戸層に２種
類の化合物半導体を用い、量子井戸のポテンシャル分布
を階段状とすることにより前記の波長シフト効果を増大
せしめるようにしたものである。

〔従来の技術〕

■−Ｖ族またはＩＩ　−ＩＶ族の元素間化合物を用いて
構成される量子井戸構造が、分子線エピタキシー法（Ｍ
ＢＥ）や金属有機化合物化学気相成長法（１，ｌ０ｃＶ
Ｄ）などの新しい物質合成ｌ去によって作り出されてい
る現在では、従来のバルク状半導体において低温時にの
み観測された励起子吸収帯が室温でも観測可能となり、
応用への道が開かれるようになった。すなわち励起子が
、幅（Ｌｗ）　１０ｎｍ程度の量子井戸層の厚み、およ
び同程度の厚みをもつ障壁層を交互に積層した多重量子
井戸（ＭＱＷ）構造の中では、２次元的自由度しか有せ
ず、界面に垂直な方向においては量子的に閉じ込められ
る結果、励起子軌道が垂直方向に向けて圧縮され、励起
子の束縛エネルギーが増大し、かつ縦形光学フォノンが
惹起する局所的高電界により励起子の解離する度合いが
減少する。

さらに幅り、が約１０ｎｍの量子井戸層に対し界面に垂
直な電界を印加する場合、量子井戸層は巨大な極性分子
の如く振舞う。すなわち伝導帯および価電子帯の量子エ
ネルギー（Ｎ＝１）は、例えば正孔に着目する場合、１
０ｍｅＶ程度の小さな値である反面、包絡波動関数はｌ
　Ｏｎｍ程度の大きな拡がりを有するため摂動を受は易
く、このためｌｏ’Ｖ／ｃｍ程度の電界の摂動による正
孔サブレベル（ミニバンド）の量子エネルギーが減少し
て零に達することがある。電界印加に伴うかかる量子閉
じ込めシュタルク効果（ＱＣ３Ｅ）はフランツ・ケルデ
イツシュ効果の如き等方性半導体における電界依存性バ
ンド端シフトよりも波長シフトが大きく、またシフト量
が励起子構成粒子の有効質量に比例し、量子井戸幅Ｌｗ
の４乗に比例し増大する。但しり、が大きくなるにつれ
、量子閉じ込め効果が弱まり、等方性半導体の性格を帯
びるようになり、シュタルク効果が減退し、無摂動時に
おける励起子帯の光吸収強度が減少する等の関係上、Ｌ
、を増加することによるシュタルクシフトの増加は光学
的応用の見地から言って改善とはいえない。

以上の如き量子的閉じ込め状態の中で起る励起子吸収帯
のシュタルクシフトを利用して光双安定素子（ＳＥＥＤ
）を製作する試みがなされてきた（例えばり、Ａ、Ｂ、
Ｍｉｌｌｅｒ、Ｄ、Ｓ、Ｃｈｅｍｌａ、　Ｔ、Ｃ，Ｄａ
ｍｅｎ、Ｔ、Ｈ。

Ｗｏｏｄ、　Ｃ，Ａ、Ｂｕｒｒｕｓ、　Ｊｒ、　Ａ、Ｃ
，Ｇｏｓｓａｒｄ　ａｎｄ　Ｗ。

ＷｉｅｇａＩａｎｎ、　　”Ｔｈｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　
Ｗｅｌｌ　５ｅｌｆ−Ｅｌｅｃｔｉｏｏｐ−ｔｉｃ　　
Ｅｆｆｅｃｔ　　Ｄｅｖｉｃｅ：０ｐｔｏｅｌｅｔｒｏ
ｎｉｃ　　ｌ’１ｉｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ　　０ｓ
ｃｉｌｌａｔｉｏｎ、　　ａｎｄ　　５ｅｌｆ−Ｌｉｎ
ｅａｒｉｚｅｄ　　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ”　、ＩＥＥ
Ｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。

Ｖｏｌ、ＱＥ−２１，Ｎｏ、　９．　ｐｐ１４６２−１
４７６、１９８５）。例えばｍＶ族化合物半導体Ａ氾ｘ
Ｇａ　ｌ□Ａ、　（ｘ：０．３２）の障壁層の厚みを９
．８ｎｍとし、Ｇ、Ａ、量子井戸層の厚みを９．５ｒ＋
ｍとして、これらを交互に５０周期分積層したものを、
ｐおよびｎ形ドープ超格子（ＧａＣ２，８５ｎｍ。

Ａｌ２Ａｓ６．８５ｎｍ）にて上下に挾み、更にこれら
をｐおよびｎ形１　、Ｇ、、、Ａ、（Ｘ＝０．３２１層
により上下に挾んだ構造を半伝導性Ｇ、Ａ、基板上にＭ
ＢＥ成長した例が挙げられる。このようなｐ−Ｌ−ｎ多
重量子井戸ダイオード素子に対し励起子帯の吸収極大波
長に設定した単色光を入射し、素子を直流電源に負荷を
介して逆バイアスになるように接続する。入射光強度が
小さい状態においては素子に発生する光電流がわずかで
あるため、負荷抵抗による電圧降下が起らず、電圧の大
部分が素子に加わるため、シュタルクシフトが生じ、入
射光が素子を透過する。入射光の強度を増加させてゆく
につれ、透過光強度は当初は単調に増加するが途中から
素子に流れる光電流が増大し、負荷抵抗による電圧降下
が生じるため、ダイオードに加わる逆バイアス電圧が低
下し、結果としてシュタルクシフトが中断され、入射光
はゼロバイアス時の励起吸収帯の吸収により遮られ、透
過光が減少する。すなわち高電圧、低吸収から低電圧、
高吸収への双安定スイッチングが起ることになり、この
結果として入出力強度間の双安定特性が得られ、そのス
イッチングのオン、オフ比は大体２．１である。双安定
性におけるスイッチングのオン、オフ比を大きくしよう
とする試み６報告されており、そのためには５ＥＥＤを
導波路形に配置し、量子井戸層の界面に対し垂直な偏光
を側面より照射しなければならないため技術的な困難が
予想される（　Ｊ、　Ｓ、　Ｗｅｉｎｅｎ。

Ｄ、Ａ、Ｂ、Ｍｉｌｌｅｒ、　Ｄ、Ｓ、Ｃｈｅｍｌａ、
　Ｔ、Ｃ，Ｄａｍｅｎ、　Ｃ，Ａ。

Ｂｕｒｒｕｓ、丁、Ｈ，Ｗｏｏｄ、Ａ、Ｃ，Ｇｏｓｓａ
ｒｄ　　ａｎｄ　　Ｗ、Ｗｉｅｇｍａｎ”Ｓｔｒｏｎｇ
　Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ−３ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｆ
ｌｅｃｔｒ。

ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ＧａＡｇ／ＡｌＧａ、Ａ
ｇ　Ｑｕａｎｔｕｍ　ＷｅｌｌＷａｖｗｇｕｉｄｅｓ＋
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｒｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖ
ｏｌ、４７゜Ｎｏ、１１．ｐｐ１１４ｇ−１１５０，１
９８５）。しかしスイッチングのオン、オフ比として２
０：１という大きな値が得られている。

厚み方向光入射形の５ＥＥＤには、外部回路の抵抗の代
りに光ダイオードを層厚方向にモノリシックに形成した
Ｄ−５ＥＥＤや、２個のＭＱＷ　ｐ−１−ｎダイオード
を並列状に配列し、回路的には直列に接続したＳ−３Ｅ
ＨＤなどの変形が提案もしくは試作がなされている。こ
のほかに入射光を素子内部ミラーにより反射させる方式
の反射形５ＥＥＤも考案されている。

ＭＱＷを用いて効率のよい光学変調器を作る提案もおこ
なわれている。特に光学ファイバー通信用の波長である
１、５５μｍに適合する電界光変調素子の変調度を最大
にするような量子井戸の設計が、ｌ１１−Ｖ族化合物の
障壁層／量子井戸層をそれぞれ１、、Ｇ、　、−、Ａ、
　、−、Ｐ、／Ｉ、、Ｐや１．、ｌ　、−、Ａ、／１．
、Ｇ、、−。

Ａｊ２　、Ａ、等の４元化合物半導体の組成比をパラメ
ータとしておこなわれている（Ｓ、Ｎｏｊｉｍａ　ａｎ
ｄＫ、Ｗａｋｉｔａ　＋Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏ
ｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　ＷｅｌｌＭａｔｅｒｉａｌｓ　ａ
ｎｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　Ｅｘｃｉｔｏｎ
ｉｃＷｌｅｃｔｉｏａｂｓｒｐｔｉｏｎ　　Ｅｆｆｅｃ
ｔｓ”　　、Ａｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　５３．　Ｎｏ、　２０．　ｐｐ１
９５ｇ−１９６０，１９８８）。

以上に述べた以外にも量子井戸を光学的機能素子に適用
する提案、試作が多数あり、今後の発展は素子の心臓部
ともいえる量子井戸のポテンシャルの形状１寸法ならび
に量子井戸層や障壁層に用いられる多元化合物半導体の
組成比、使用光波長に応じた化合物の組合せ等を如何に
合目的に設計し、選択するかにかかっている。しかしな
がら上記諸国的のために従来考えられてきた量子井戸の
形状のほとんどは対称な矩形ポテンシャルであり、かか
る形状を変形することにより矩形量子井戸使用の場合で
は考えられない新しい効果や高い効率を実現する試みが
なされている（例えばに、Ｎ１５ｈｉ　ａｎｄ　Ｔ、）
Ｉｉｒｏｓｈｉｍａ　　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ
Ｑｕａｎｔｕｍ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　５ｔａｌｋ　Ｅｆ
ｆｅｃｔ　ｉｎ　ａ　ｇｒａｄｅｄＧａｐ　Ｑｕａｎｔ
ｕｍ　Ｗｅｌｌ″Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ。

Ｖｏｌ、　５１．　Ｎｏ、　５．　ｐｐ３２０−３２２
．１９８７および石川車載。

多田邦雄“傾斜ポテンシャル量子井戸における量子閉じ
込めシュタルク効果”２７ａ−ＺＨ−４，第５０回応用
物理学会学術講廣会、　１９８９秋季）。この考案は矩
形ポテンシャル量子井戸の底部に一定のポテンシャル勾
配をつけることによりシュタルク効果の増大を図ること
を内容とするものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の素子には以下のような問題がある。

イ、従来形量子井戸利用素子の性能上の問題点前述の矩
形量子井戸を光シヤツター等の光変調素子として適用す
るに当って必要なことは、光のオン、オフスイッチング
に要する駆動電力を低く押えることである。いいかえれ
ば光の遮蔽に必要な吸収帯のシュタルクシフトの所定量
に対し、素子へ印加する必要のある電圧を軽減すること
が必要であり、同様なことは前述の５ＥＥＤ素子につい
てもいえる。シュタルクシフトの一例として、障壁層／
量子井戸層をそれぞれＡβ。８．Ｇ、。６．Ａ３／Ｇ、
Ａ、とする井戸層要約１０ｎｍの量子井戸層５０層を積
層して形成したノンドープな絶縁層約１μ■に対し、１
０’Ｖ／ｃＬ１１の電界を印加した時の励起子光吸収帯
のシフト量的１８ｍｅＶが挙げられる（Ｄ、Ｓ。

Ｃｈｅｍｌａ、　Ｄ、　Ａ、　Ｂ、　Ｍｉ　Ｉ　ｌｅｒ
、　Ｐ、　Ｗ、　Ｓｍｉ　ｔｈ　　Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒ
Ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＧａＡ
ｇ／Ｇａ＋ｌＡ、　　ｍｕｌｔｉｐｌｅ（１ｕａｎｔｕ
ｍＷｅｌｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＋ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　
ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”０ｐｔｉｃａｌ　
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ３、Ｖｏｌ、２４．Ｎｏ、４．ｐ
ｐ５５６−５６４．１９８５）。この例より、シュタル
クシフト量Δνを素子に印加される電圧ｖ３で割ったシ
ュタルクシフト効率Δν／ＶＳなるものを定義すれば、
その値は約１．８ｍｅＶ／ｖｏｌｔであり、仮りにシュ
タルクシフト効率を高めることができるならば前記の目
的が達成できる。

もう一つの問題はシュタルクシフト応用素子に附随して
必要とされる入射光源強度の軽減についてである。５Ｅ
ＥＤ素子を駆動するためには波長幅が狭く強度が比較的
大きいレーザー光の如き光源を必要とし、前記の例によ
れば、１．６ｍＷでありこれを直径１００μｍの素子に
集光する際の単位面積当りの照射光強度は１６Ｗ／ｃｍ
”に相当する。半導体素子が高電界のもとにあるため、
光照射の結果多量の熱を発生するに止まらず、結晶性が
劣化しイオン性の中心等が作り出されるような場合、局
所的な絶縁破壊が生じる恐れがある。このため照射光量
はできる限り小さい方が望ましく、またエネルギーに関
する経済面あるいはレーザー光素子の代りに通常光の素
子で置き換えることなどによる利益などを考慮すれば一
層望ましいと言える。前記の例のような大きな照射光密
度を必要とする理由は、外部回路からの光電流と外部抵
抗の積より成る定量の正帰還を必要としているためであ
り、さらに負荷抵抗値Ｒと照射光強度Ｐの積の許容範囲
が、光応答Ｓ（光電流値／照射光強度）対素子印加電圧
Ｖヨの開の関数関係により狭い範囲に限定され、かつＰ
を減少しＲを増大すればスイッチング応答時間が長くな
るからである。

これにたいし、もしシュタルク効果率Δν／■３が大き
ければ駆動電圧■。を小さくでき、積ＰＲを小さくでき
るため、素子の性能を損うことなく照射光量を軽減する
ことが可能になり、前述の目的が達成できる。

ロ、傾斜ポテンシャル量子井戸案における問題点すでに述べたように、ポテンシャルの傾斜を量子井戸の
底に設定する提案がなされており、かかるモデルにもと
づく理論上のシュタルクシフトが見積られている。前記
モデルの障壁層／量子井戸層には、それぞれＡｊ２０．
８ＧａＯ４Ａ、／ＡＩ２．Ｇ、ｌ−、Ａ、が設定され、
ＡＩ２組成比Ｘを、厚みｌＯｎｍの量子井戸の底部に沿
いＯ≦Ｘ≦０．１５の間で直組状に変化させることによ
り、ポテンシャルの傾斜を実現するものである。また−
５〜＋８Ｘ　１０’Ｖ／ａｍの印加電界変化に伴うシュ
タルクシフト量ならびに励起子強度減少率はそれぞれ１
７．５６ｍｅＶ、　５９％であり、従来の矩形量子井戸
の場合の１３．６ｍｅＶ、４６％に比べて約１．３倍の
シフト量の改善が見積られている。

矩形量子井戸の変形としての傾斜ポテンシャル量子井戸
モデルに係る問題点は以下の通りである。

（１）、シュタルクシフト量の増加は従来形の場合に比
べ約２８％が見積られているが改善の度合いが小さい。

また電界の負の特定値を起点にとることにより回路が煩
雑となる。

（２）、現在のＭＢＥ、　ＭＯＣＶＤ等のように、化合
物半導体の成長面をシャッターあるいはバルブの開閉に
より断続的に成長担体ガスに露出させる方法に頼る限り
、組成を連続的に変化させることを特徴とする傾斜形量
子井戸を成長させることは極めて困難であり、これを半
ば断続的に実行する場合でも作業工程の煩雑さを免れず
、素子を大量に生産する際の障害となる。

以上の諸問題点を改善し、従来得られたよりち大きなシ
ュタルク効果率を実現する量子井戸構造を有する化合物
半導体素子を、既存の成長技術に依り、従来形の量子井
戸構造製作に要したのと同程度の技術的容易さで製作す
ることが本発明の目的である。

［課題を解決するための手段］本発明は、バンドギャップＥｇ１、価電子帯のボテンシ
ャルエネルギＥｖ１の第１の化合物半導体からなる障壁
層と、バンドギャップＥｇ２．価電子帯のポテンシャル
エネルギＥＶ２の第２の化合物半導体からなる深い量子
井戸層およびバンドギャップＥｇ３゜価電子帯のポテン
シャルエネルギＥｖｉの第３の化合物半導体からなる浅
い量子井戸層を含む量子井戸層とが、交互に積層された
多重量子井戸構造を有し、Ｅｇ２＜　Ｅｇｘ　＜　Ｅｇ
　ｌかつ１Ｅｖｚｌ　＜１ＥＶ３１　＜Ｅ、、ｌである
ことを特徴とする。

［作　用］先に詳述したように、シュタルク効果は励起子を構成す
る電子、正孔の有効質量に比例する。

■−Ｖ族のＧ、Ａ、についていえば、半導体内部におけ
る正孔の有効質量１は自由電子の質量ｍ０の０．４５倍
であり、電子の有効質量は０．０６６倍である。したが
って価電子帯の第１量子準位（量子数ｎ＝１）のシュタ
ルク効果を大ならしめるような量子井戸構造を考慮した
。無摂動時の粒子の位置（波動関数極大の位置）は矩形
量子井戸においては井戸中央にあり、電界を印加すると
正孔、電子はそれぞれ電界の方向および逆方向の障壁（
便宜上圧、負の壁と称する）へ向けて引き寄せられ、こ
の移動距離が大きいほどシュタルク効果は大きく、この
ことは量子井戸層の厚みにつれて同効果が増大すること
と軌を−にしている。それ故、シュタルクシフトにとり
望ましい状態とは無電界時において、あたかも印加しよ
うとする電界の方向と正反対の向きの電界が存在してい
るかのように、正孔の位置が井戸の中央部より“負の壁
”へと偏移していることである。かかる状態を作る目的
で、“負の壁”を起点とし、井戸層の厚さの方向に沿っ
て量子井戸の深さが階段状に増加するような領域を設定
した。この増加分をポテンシャル段と称する。

かかるモデルにつき本発明者がおこなった解析によれば
、正孔は前記量子井戸のポテンシャル段の底に拘束され
るが、印加電界の増大につれ離脱し、その後は“正の壁
”へ向い顕著な移動を開始する。他方、量子の振舞いは
これと逆であり、はとんど“負の壁”の近傍に停滞し続
けることが判明した。この正孔の移動により、矩形量子
井戸の場合に比べ、大きなシュタルク効果が見積られる
。

解析は上記ポテンシャル段の深さを最適化する目的で、
Ａｉｒｙ形波動関数の多元方程式の境界条件下での解を
求めて行なった。計算のために設定した障壁層／量子井
戸の深い部分／固成い部分は、それぞれＡｊ２　Ｑ４Ｇ
、Ｏ，＠Ａ、７　Ｇ、Ａ、　／　ｌ　、Ｇ、、、Ａ、な
る系の厚みｌＯｎｍの量子井戸であり、Ｘ〜０．１にお
いて正孔および電子各々の１０’Ｖ／ｃｍにおけるシュ
タルクシフト量の和が最大となる結果が得られている。

前記の条件における伝導９価電子帯における障壁ポテン
シャルはそれぞれ３４０および１６７ｍｅＶであり、段
のポテンシャルはそれぞれ７７および３８ｍｅＶである
。また伝導帯におけるポテンシャル不連続の値ΔＥｃを
バンドギャップ差ΔＥ、の０．６７倍と仮定している。

電界をＩＯ’Ｖ／ｃｍに設定したときの励起子吸収帯の
シフトおよび吸収帯強度の減少率はそれぞれ２０．７ｍ
ｅＶ、　８２％であり、従来形の矩形量子井戸について
同様にして求めた１１．６ｍｅＶ、　６５％に比べ約２
倍近いシュタルク効果が見込まれている。さらに前記の
Ａ４２　Ｇ、Ａ、とＧ、Ａ、よりなる系の代りにＡＥ　
０．３２Ｇ−０，ａａＡ−／Ｉｏｏ、Ｇ−ｏ、　ａｅＡ
−７Ｇ−Ａ−なる系を採用することも可能であり、前記
ポテンシャル設定値はこれら二通りの化合物の系におい
て全く共通である。

本発明に係る、ポテンシャル段を量子井戸に含む新形量
子井戸構造を利用する素子は前述の傾斜量子井戸を利用
する場合と異なり、ＭＢＥおよびＭＯＣＶＤ法に共通な
、化合物半導体の組成を断続的モードで変化させる成長
方式に適合するものであり、従来形矩形量子井戸の成長
の工程にいささかの技術的困難さも付加するものではな
い。

〔実施例］以下、図面を参照して前述の設定にもとずく本発明の実
施例を詳細に述べる。

第１図（Ａ）は光伝導スペクトルに依り励起子帯のシュ
タルクシフトを測定する目的で製作したｐ−１−ｎ多重
量子井戸構造のダイオード１の構造を示し、同図ｆＢ）
　ｃ、ｔその中に含まれる本発明に係る量子井戸のポテ
ンシャルダイアグラム、さらに同図（Ｃ）比較のための
在来形量子井戸のポテンシャルダイアグラムである。

ダイオードの構成は以下の通りである。先ず半伝導性Ｇ
、Ａ、基板１１の上に、ＭＢＥ〆去により０，９　μｍ
の厚みのＧ、Ａ、層１２を成長させ、その上に同じ厚み
のＡ　Ｑ　ｏ、　ＩＺＧａＯ，ａａＡｓ層１３，０．２
４ｚｍの超格子層１４を順次成長させる。これら各層は
ｎ形ドーパントＳを各々１．５　ＸＩＯ”、１．５Ｘ１
０”および３Ｘ　１０”ｃｍ−”含んでいる。なおダイ
オード１に含まれる各超格子層は、いずれも３ｏｍのＧ
、Ａ、および？ｎｍのＡｌ２Ａ。

の交互層で構成されている。ダイオード１の中心部附近
においては、先ず３０周期のノンドープ超格子層１５（
厚み０．３μｍ）を形成し、その次にノンドープ多重量
子井戸１６を５０周期、厚さ１μｍに積層する。本発明
に係る量子井戸構造は既述したポテンシャル設定値に合
致するような化合物半導体の組み合せより成る深い部分
であるＩ。。

Ｇａｏ、　ｓＪｔ層２Ａ　（厚み３ｏｍ）と浅い部分で
あるＧ、Ａ。

２Ｂ　（厚み７ｏｍ）を含む量子井戸部分、ならびに１
゜ｚｚＧａ。６８Ａ８層１０ｒ＋ｍの障壁部分で２Ｃよ
り成っている。多重量子井戸層１６の上には厚さ０．３
μｍ。

３０周期のノンドープ超格子層１７．さらにその上には
厚さ０，２μｍ、２０周期のｐ形超格子層１８．厚み０
．９μｍのｐ形ＡＩ２　ｏ、　３２Ｇ−０ａａＡ−１１
１９，厚み０．０２μｍのノンドープ超格子層２０がそ
れぞれ形成されている。前記ｐ形各層はそれぞれ２．４
　Ｘｌ０Ｉ８１．２　Ｘ　１０”ｃｍ−’のＢｅをドー
パントとして含んでいる。最後の層はＡｊ２　Ｇ、Ａ、
の劣化を防止するための保護膜として形成したものであ
る。

以上が、使用したｐ−１−ｎ多重量子井戸ダイオードで
あるが、このダイオードのｎ、ｐ両面にオーム性電極す
なわちＡｕ／Ｇｅ−Ｎｉ−Ａｕ電極２１．　Ａｕ／Ｚｎ
−Ａｕ電極２２をそれぞれ０．４．０．３５μｍの厚み
に蒸着した。具体的には、光照射側に幅０．２＋＋ｕｎ
、間隔０．３ｍｍ。

長さ５ｍｍのｐ形ストライブ電極１１本を形成し、ｎ形
電極は５ｏｍ四方の均一膜より成っている。さらにｐ形
電極の隣接ストライプ対毎にまとめて、端末をリード線
へ接続するようになっている。またダイオードのｐ、ｎ
電極にはそれぞれ負、正の直流電源２からの電圧を逆バ
イアス的に印加するようになっている。

一方、参照試料として、在来形の量子井戸構造を有し、
他は上述した実施例と全く同様のダイオードを作製した
。この参照試料の量子井戸は、Ｉ　ｎｏ、　ｌ　１Ｇａ
ｏ、　ａｓＡ１層１０ｏｍの量子井戸層３ＡとＡ（２ｏ
、５ｔＧａｏ、　ｓｓＡｇ層１０ｎｍの障壁層３Ｃから
成るものである。

照射光源には、ｔｏｏｗの沃素ランプから出る光を７０
Ｈ８の光セクターを通して断続化し、分光器を経て得ら
れた波長の分散半値幅２．６ｏｍ　（Ｆ＋ｍｅＶ）　、
強度６７〜９４μＷの単色光を０．２　ｘ　１．５ｍｍ
２に集光したものを用いている。

またダイオードに光を照射した時に発生する電流のうち
断続的な充電流成分のみを増幅した上、照射光の強度で
割った値を単色光の波長の関数として記録する。これが
光電場スペクトルであり、光電場の測定は常に室温の下
で行われる。

光伝導スペクトルは光吸収スペクトルと等価であるから
励起子吸収帯の光子エネルギーが前記スペクトルより得
られる。第２図は光伝導スペクトルの中の励起子吸収帯
エネルギーをｐ−１−ｎ多重量子井戸ダイオードの両端
に印加する電圧にたいしてプロットした特性図である。

図中、曲線Ａは本発明実施例の特性曲線、曲線Ｂは参照
試料の特性曲線である。印加電圧の上限はＩＩＶであり
、この値は電界にして約Ｉ　Ｘ　１０’ｃｍと見積られ
、従来のシュタルクシフトの実施例においても見ること
ができる標準的なバイアス値である。

前記の実施例によれば本発明に係る量子井戸構造を有す
るｐ−１−ｎ多重量子井戸ダイオードにおけるシュタル
クシフトは印加電圧１１■のとき４７．６ｍｅＶであり
、同時に測定した在来形量子井戸について印加電圧１１
Ｖのときに得られた１８．４ｍｅＶを２倍以上も上仰る
ものである。また本発明に係る量子井戸構造を応用した
素子におけるシュタルクシフト効率は４．３ｍｅＶ／ｖ
ｏｌｔであり、前記例の在来形量子井戸構造を応用した
素子における値約１、８ｍｅＶ／ｖｏｌｔを倍以上も上
回る性能をもつものである。なお、前記例の在来形量子
井戸構造を用いたｐ−１−ｎダイオードは本実施例のダ
イオードとは、量子井戸構造が異なる他はほとんど同一
であり、それ数比較の対象になりつるものである。

本発明における量子井戸層の深い部分の厚みｄｌ、およ
び戊い部分の厚みｄ２を変化させて、その影響を調べた
。深い部分の厚みｄｌは全厚（ｄｌ＋ｄ２）に対して、
０．２ｆｄ、＋ｄ２１≦ｄ１５０．４（ｄｌ＋ｄｚ）で
あることが望ましく、ｄ、がこれより小さいと量子井戸
層界面での数分子層の凹凸の影響を受け、励起子帯の幅
が拡がるおそれがあり、一方ｄ２がこの範囲を越えると
零電界において、励起子構成粒子が量子井戸内で片寄る
効果が減少する。また（ａ＋＋ｄ２）は１０ｎｍ≦（ｄ
ｌ＋ｄ２）≦２０ｎｍの範囲内にあることが望ましく、
量子井戸層の厚みがこれより小さいとシュタルク効果が
相対的に弱まり、またこれより大きいと零電界における
励起子の光吸収強度が減する。

〔発明の効果１以上説明したように、本発明によればシュタルクシフト
効率の向上の結果、量子閉じ込めシュタルク効果を応用
する光学機能素子の性能を損わぬまま消費電力を節約す
ることが可能になる。さらに５ＥＥＤ素子においては消
費電力の軽減化のほかに、使用する光源の光強度の軽減
化をもたらし、その結果素子の寿命を延長し、スイッチ
ング時定数を短縮することができる。

更に本発明の量子井戸構造利用シュタルク素子は在来の
矩形量子井戸と同じ矩形ポテンシャルより成る簡単な構
造をなしているため、ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどの既成の
多層化合物半導体成長法を利用し、在来形の量子井戸構
造利用素子を製作するのと同程度に容易な作業工程で製
作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の量子井戸ならびに従来の量子井戸の多
重層を含むｐ−１−ｎダイオード構造およびそのポテン
シャル分布を示す図、第２図は本発明に係る量子井戸および従来の形量子井戸
の多重層を含むｐ−１−ｎダイオードにおける励起子光
子エネルギーの光電場スペクトルにより観測したシフト
量の印加重厚依存性を示す特性図である。２１・・・ｎ形オーミック電極、２２・・・ｐ形オーミック電極。

Claims

【特許請求の範囲】１）バンドギャップＥｇ＿１、価電子帯のポテンシャル
エネルギＥｖ＿１の第１の化合物半導体からなる障壁層
と、バンドギャップＥｇ＿２、価電子帯のポテンシャル
エネルギＥｖ＿２の第２の化合物半導体からなる深い量
子井戸層およびバンドギャップＥｇ＿３、価電子帯のポ
テンシャルエネルギＥｖ＿３の第３の化合物半導体から
なる浅い量子井戸層を含む量子井戸層とが、交互に積層
された多重量子井戸構造を有し、Ｅｇ＿２＜Ｅｇ＿３＜
Ｅｇ＿１かつ｜Ｅｖ＿２｜＜｜Ｅｖ＿３｜＜｜Ｅｖ＿１
｜であることを特徴とする量子閉じ込めシュタルク効果
素子。２）前記深い量子井戸層の厚みをｄ＿１、前記浅い量子
井戸層の厚みをｄ＿２とした時、０．２（ｄ＿１＋ｄ＿
２）≦ｄ＿１≦０．４（ｄ＿１＋ｄ＿２）であることを
特徴とする請求項１に記載の量子閉じ込めシュタルク効
果素子。３）１０ｍｍ≦（ｄ＿１＋ｄ＿２）≦２０ｍｍであるこ
とを特徴とする請求項２に記載の量子閉じ込めシュタル
ク効果素子。