JPH04174585A - 量子井戸構造光素子 - Google Patents
量子井戸構造光素子Info
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- B82—NANOTECHNOLOGY
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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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。
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〕
本発明は量子井戸構造光素子に関する。
近年、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）技術、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ＞技術などの薄膜結晶成長
技術の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急峻
な組成変化を持った良質な半導体へテロ接合界面が製作
されるようになった。これらのへテロ接合によって形成
されるポテンシャル井戸構造、超格子構造では電子の波
動性に起因する特異な光学特性、電気特性を有しており
デバイス応用への研究が活発化している。このような電
子の波動性の顕在化する現象の中で最も代表的なものに
は量子サイズ効果とトンネル効果がある。
分子線エピタキシー（ＭＢＥ＞技術などの薄膜結晶成長
技術の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急峻
な組成変化を持った良質な半導体へテロ接合界面が製作
されるようになった。これらのへテロ接合によって形成
されるポテンシャル井戸構造、超格子構造では電子の波
動性に起因する特異な光学特性、電気特性を有しており
デバイス応用への研究が活発化している。このような電
子の波動性の顕在化する現象の中で最も代表的なものに
は量子サイズ効果とトンネル効果がある。
例えばトンネル効果をデバイスに応用した例としては、
共鳴トンネルダイオード、ホットエレクトロントランジ
スタがある。
共鳴トンネルダイオード、ホットエレクトロントランジ
スタがある。
また、量子井戸層を活性層とした量子井戸構造半導体レ
ーザは前述のような量子サイズ効果によって生じる高い
状態密度をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもので
、従来のダブルへテロ接合半導体レーザに比べ、（１）
低発振しきい電流、（２）温度安定性、（３）高い発光
効率、（４） １和振動周波数の増大、（５）スペクト
ル線幅、チャーピング低減など、多くの特徴を有してい
ることが報告されている。これらの優れた特性は２次元
平面内に電子および正孔を局在させたために生じた量子
力学的効果による。
ーザは前述のような量子サイズ効果によって生じる高い
状態密度をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもので
、従来のダブルへテロ接合半導体レーザに比べ、（１）
低発振しきい電流、（２）温度安定性、（３）高い発光
効率、（４） １和振動周波数の増大、（５）スペクト
ル線幅、チャーピング低減など、多くの特徴を有してい
ることが報告されている。これらの優れた特性は２次元
平面内に電子および正孔を局在させたために生じた量子
力学的効果による。
さらに量子サイズ効果を光素子に応用した例として、電
界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。これは量子井
戸構造が二次元的なバンド構造を有するため急峻な吸収
端をもち、丈な室温においても励起子が存在し電界効果
がバルクに比べて大きいことを利用しようとするもので
ある。量子井戸構造に垂直に１０５Ｖ／ｃｍ程度の高電
界印加時にも励起子は解離せず、励起子吸収ピークは電
界強度の２乗に比例して長波長側にシフトする。
界吸収形の多重量子井戸光変調器がある。これは量子井
戸構造が二次元的なバンド構造を有するため急峻な吸収
端をもち、丈な室温においても励起子が存在し電界効果
がバルクに比べて大きいことを利用しようとするもので
ある。量子井戸構造に垂直に１０５Ｖ／ｃｍ程度の高電
界印加時にも励起子は解離せず、励起子吸収ピークは電
界強度の２乗に比例して長波長側にシフトする。
このような量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕ
ｍＣｏｎｆｉｎｅｄ ５ｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）を応
用した例としては、Ｋ、Ｗａｋｉｔａ等が１９８７年に
ジャーナル・オブ・クラオンタム・エレクトロニクス誌
ＱＥ−２３巻２２１０−２２１５頁（に、１１１ａｋｉ
ｔａ ｅｔ ａｌ、、ＩＥＥＥ Ｊ、ＱｕａｎｔｕｍＥ
ｌｅｃｔｒｏｎ、 、ＱＥ−２３，ｐｐ、２２１０−２
２１５．１９８７）に報告した電界吸収形の多重量子井
戸光変調器がある。
ｍＣｏｎｆｉｎｅｄ ５ｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ）を応
用した例としては、Ｋ、Ｗａｋｉｔａ等が１９８７年に
ジャーナル・オブ・クラオンタム・エレクトロニクス誌
ＱＥ−２３巻２２１０−２２１５頁（に、１１１ａｋｉ
ｔａ ｅｔ ａｌ、、ＩＥＥＥ Ｊ、ＱｕａｎｔｕｍＥ
ｌｅｃｔｒｏｎ、 、ＱＥ−２３，ｐｐ、２２１０−２
２１５．１９８７）に報告した電界吸収形の多重量子井
戸光変調器がある。
しかし、一般に量子井戸構造に垂直に電界が印加された
場合では波動関数の対称性が失われ、第４図に示すよう
に伝導帯の波動関数ψＣは印加電界に対して正電位側に
、価電子帯の波動関数ψ、は負電位側に移動する。また
、印加電界の増加とともに実効的なエネルギーギャップ
は減少する。
場合では波動関数の対称性が失われ、第４図に示すよう
に伝導帯の波動関数ψＣは印加電界に対して正電位側に
、価電子帯の波動関数ψ、は負電位側に移動する。また
、印加電界の増加とともに実効的なエネルギーギャップ
は減少する。
従って、波動関数ψＣ２ψ９の空間的な分離によって遷
移の確率を与える行列要素は減少するため、前述したよ
うな従来の量子井戸構造光素子においては発光および吸
収効率の低下が生じていた。
移の確率を与える行列要素は減少するため、前述したよ
うな従来の量子井戸構造光素子においては発光および吸
収効率の低下が生じていた。
前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導体薄膜を積層
してなる量子井戸構造光素子において、井戸層と障壁層
の界面のうち少なくとも一方の界面が、連続的に禁制帯
幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用いる。
半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導体薄膜を積層
してなる量子井戸構造光素子において、井戸層と障壁層
の界面のうち少なくとも一方の界面が、連続的に禁制帯
幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用いる。
すなわち、本発明では井戸層と障壁層の界面が連続的に
禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用い、
波動関数の空間的な分離を抑えることによって遷移確率
を与える行列要素の減少を抑制し、量子井戸構造光素子
における発光および吸収効率の増大を図っている。
禁制帯幅の変化する傾斜層である量子井戸構造を用い、
波動関数の空間的な分離を抑えることによって遷移確率
を与える行列要素の減少を抑制し、量子井戸構造光素子
における発光および吸収効率の増大を図っている。
第３図は本発明の詳細な説明する量子井戸構造の電界印
加時のエネルギー図である。電界印加時に波動関数ψＣ
１ψ、は空間的に分離するが、本発明によれば、障壁層
との界面では禁制帯幅が連続的に変化しているため、電
界印加による実効的なエネルギーギャップの減少に伴い
、伝導帯の波動関数ψＣは前述の空間的分離を打消す方
向に移動する。
加時のエネルギー図である。電界印加時に波動関数ψＣ
１ψ、は空間的に分離するが、本発明によれば、障壁層
との界面では禁制帯幅が連続的に変化しているため、電
界印加による実効的なエネルギーギャップの減少に伴い
、伝導帯の波動関数ψＣは前述の空間的分離を打消す方
向に移動する。
この場合では、伝導帯のエネルギー不連続△ＥＣが価電
子帯のエネルギー不連続△Ｅｖよりも小さく、正電位側
の禁制帯幅が連続的に変化する傾斜層としているが、伝
導帯のエネルギー不連続の方が大きい場合等では負電位
側の界面を傾斜層とした方が有効となる場合がある。
子帯のエネルギー不連続△Ｅｖよりも小さく、正電位側
の禁制帯幅が連続的に変化する傾斜層としているが、伝
導帯のエネルギー不連続の方が大きい場合等では負電位
側の界面を傾斜層とした方が有効となる場合がある。
本発明による第一の実施例を第１図を参照して詳細に説
明する。量子井戸構造の成長法としては有機金属気相成
長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた。
明する。量子井戸構造の成長法としては有機金属気相成
長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた。
第１図（ａ）に本発明による量子井戸構造５０のエネル
ギーバンド図を示す。障壁層５１はＩｎＰであり、井戸
層５２はＩｎＧａＡｓ層（厚さ４０人）５３および傾斜
層５４がら構成され、傾斜層５４は厚さ１５人でその組
成は１，４μｍ組成組成ｎＧａＡｓＰからＩ ｎＧａＡ
ｓまで連続的に変化している。５５．５６はそれぞれ井
戸層の伝導帯１価電子帯の基底量子準位であり、その禁
制帯幅は０．８５ｅＶ（波長換算で１．４６μｍ）であ
る。
ギーバンド図を示す。障壁層５１はＩｎＰであり、井戸
層５２はＩｎＧａＡｓ層（厚さ４０人）５３および傾斜
層５４がら構成され、傾斜層５４は厚さ１５人でその組
成は１，４μｍ組成組成ｎＧａＡｓＰからＩ ｎＧａＡ
ｓまで連続的に変化している。５５．５６はそれぞれ井
戸層の伝導帯１価電子帯の基底量子準位であり、その禁
制帯幅は０．８５ｅＶ（波長換算で１．４６μｍ）であ
る。
第１図（ｂ）は上記の構造を用いた多重量子井戸光変調
器の断面図である。ｎ−１ｎＰ半導体基板１０上にｎ−
１ｎＰクラッド層２０、量子井戸構造５０、ｐ−１ｎＰ
クラッド層６０、ｐ−１ｎＧａＡｓＰコンタクト層７０
を成長後、幅約３μｍの導波部をエツチングにより形成
した後、高抵抗ＩｎＰ（Ｆｅドープ）８０によって埋め
込んだ。
器の断面図である。ｎ−１ｎＰ半導体基板１０上にｎ−
１ｎＰクラッド層２０、量子井戸構造５０、ｐ−１ｎＰ
クラッド層６０、ｐ−１ｎＧａＡｓＰコンタクト層７０
を成長後、幅約３μｍの導波部をエツチングにより形成
した後、高抵抗ＩｎＰ（Ｆｅドープ）８０によって埋め
込んだ。
上記の構造により、低駆動電圧（２〜３Ｖ）で良好な減
衰比（１５ｄＢ以上）の光変調器が得られた。
衰比（１５ｄＢ以上）の光変調器が得られた。
本発明による第二の実施例を第２図を参照して説明する
。
。
第一の実施例と異なるのは、本実施例では電子と正孔の
有効質量の違いを利用して、伝導帯の基底量子準位が傾
斜層に位置し、価電子帯の基底量子準位が急峻な界面に
位置するようにしている点である。本実施例では価電子
帯の波動関数の電界による移動も第一の実施例のような
場合に比べ抑えられるため効果はさらに大きい。
有効質量の違いを利用して、伝導帯の基底量子準位が傾
斜層に位置し、価電子帯の基底量子準位が急峻な界面に
位置するようにしている点である。本実施例では価電子
帯の波動関数の電界による移動も第一の実施例のような
場合に比べ抑えられるため効果はさらに大きい。
第２図に本発明による量子井戸構造１５０のエネルギー
バンド図を示す。障壁層１５１は１ｎＰであり、井戸層
１５２はＩｎＧａＡｓ層（厚さ４０人＞１５３、第１の
界面１５７および第２の界面１５８、傾斜層１５４から
精成され、傾斜層１５４は厚さ１５人での組成は１．４
２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰから１．５５μｍ組成Ｉ組成
ＧａＡｓＰまで連続的に変化している。１５５．１５６
はそれぞれ井戸層の伝導帯、価電子帯の基底量子準位で
あり、その禁制帯幅は０８５ｅ〜′（波長換算で１．４
６μｍ）である。
バンド図を示す。障壁層１５１は１ｎＰであり、井戸層
１５２はＩｎＧａＡｓ層（厚さ４０人＞１５３、第１の
界面１５７および第２の界面１５８、傾斜層１５４から
精成され、傾斜層１５４は厚さ１５人での組成は１．４
２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰから１．５５μｍ組成Ｉ組成
ＧａＡｓＰまで連続的に変化している。１５５．１５６
はそれぞれ井戸層の伝導帯、価電子帯の基底量子準位で
あり、その禁制帯幅は０８５ｅ〜′（波長換算で１．４
６μｍ）である。
上記の量子井戸構造を用い第一の実施例と同様な構造の
光変調器を作製したところ、低駆動電圧（〜２Ｖ）で良
好な減衰比＜２０ｄＢ以上）を有する優れた特性の光変
調器が得られた。
光変調器を作製したところ、低駆動電圧（〜２Ｖ）で良
好な減衰比＜２０ｄＢ以上）を有する優れた特性の光変
調器が得られた。
上記実施例ではＩｎＰ系半導体を用いた量子井戸構造光
素子を例に説明したが、他の半導体、例えばＧａＡｓ／
ＧａＡｌＡｓ系半導体を用いた場合でも有効である。ま
た光変調器に限らす半導体レーザ、発光ダイオード等の
発光素子にも応用可能である。
素子を例に説明したが、他の半導体、例えばＧａＡｓ／
ＧａＡｌＡｓ系半導体を用いた場合でも有効である。ま
た光変調器に限らす半導体レーザ、発光ダイオード等の
発光素子にも応用可能である。
以上述べてきたように、本発明によれば発光および吸収
効率の高い高性能な量子井戸構造光素子を得ることがで
きる。
効率の高い高性能な量子井戸構造光素子を得ることがで
きる。
第１図は本発明の第一の実施例の説明図であり、第２図
は本発明の第二の実施例の説明図である。第３図は本発
明の詳細な説明図、第４図は従来構造の説明図である。 図中、１０はｎ−ＩｎＰ半導体基板、２０はｎ−ＩｎＰ
クラッド層、５０は量子井戸構造、５１は障壁層、５２
は井戸層、５３はＩ ｎＧａＡｓ層、５４は傾斜層、５
５は伝導帯の基底量子準位、５６は価電子帯の基底量子
準位、６０はｐ −ＩｎＰクラッド層、７０はｐ−１ｎ
Ｇ、ａＡｓＰコンタクト層、１５０は量子井戸構造、１
５１は障壁層、１５２は井戸層、１５３はＩ ｎＧａＡ
ｓ層、１５４は傾斜層、１５５は伝導帯の基底量子準位
、１５６は価電子帯の基底量子準位、１５７は第１の界
面、１５８は第２の界面である。
は本発明の第二の実施例の説明図である。第３図は本発
明の詳細な説明図、第４図は従来構造の説明図である。 図中、１０はｎ−ＩｎＰ半導体基板、２０はｎ−ＩｎＰ
クラッド層、５０は量子井戸構造、５１は障壁層、５２
は井戸層、５３はＩ ｎＧａＡｓ層、５４は傾斜層、５
５は伝導帯の基底量子準位、５６は価電子帯の基底量子
準位、６０はｐ −ＩｎＰクラッド層、７０はｐ−１ｎ
Ｇ、ａＡｓＰコンタクト層、１５０は量子井戸構造、１
５１は障壁層、１５２は井戸層、１５３はＩ ｎＧａＡ
ｓ層、１５４は傾斜層、１５５は伝導帯の基底量子準位
、１５６は価電子帯の基底量子準位、１５７は第１の界
面、１５８は第２の界面である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に、量子井戸構造を含む半導体薄膜を
積層してなる量子井戸構造光素子において、前記量子井
戸構造の井戸層と障壁層の界面のうち少なくとも一方の
界面が、連続的に禁制帯幅の変化する傾斜層であること
を特徴とする量子井戸構造光素子。 ２、請求項１記載の量子井戸構造光素子において、前記
界面の一部の禁制帯幅が連続的に変化することを特徴と
する量子井戸構造光素子。 ３、請求項１記載の量子井戸構造光素子において、量子
井戸構造に印加される電界の正電位側の界面の禁制帯幅
が連続的に変化することを特徴とする量子井戸構造光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223290A JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223290A JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04174585A true JPH04174585A (ja) | 1992-06-22 |
| JP2937460B2 JP2937460B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=17906543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30223290A Expired - Lifetime JP2937460B2 (ja) | 1990-11-07 | 1990-11-07 | 量子井戸構造光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2937460B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0702439A1 (en) * | 1994-09-19 | 1996-03-20 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and fabricating method thereof |
| KR100500097B1 (ko) * | 2002-03-01 | 2005-07-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 광변조기 |
| US7425370B2 (en) | 2002-11-25 | 2008-09-16 | Three Bond Co., Ltd. | Laminated structural body |
| JP2015200854A (ja) * | 2014-04-10 | 2015-11-12 | 三菱電機株式会社 | 電界吸収型半導体光変調器 |
| JP2021057528A (ja) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | 旭化成株式会社 | 紫外線発光素子 |
| GB2612308A (en) * | 2021-10-26 | 2023-05-03 | Airbus Sas | Electro-absorption modulator |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS622684A (ja) * | 1985-06-28 | 1987-01-08 | Nec Corp | 半導体レ−ザ |
| JPH01142710A (ja) * | 1987-11-30 | 1989-06-05 | Nec Corp | 傾斜型量子井戸構造の製造方法 |
-
1990
- 1990-11-07 JP JP30223290A patent/JP2937460B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP2937460B2 (ja) | 1999-08-23 |
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