JPH04233518A

JPH04233518A - 半導体光制御装置

Info

Publication number: JPH04233518A
Application number: JP40915790A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1990-12-28
Publication date: 1992-08-21

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体を透過する光の偏
向や集光を制御する半導体光制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】透過光の偏向や集光を制御することがで
きる半導体光制御装置の従来例として図２５に示すもの
が知られている（特開昭６２−１０５１１７号公報）。同図（ａ）　は半導体光制御装置の断面図、同図（ｂ）
　は半導体光制御装置の半径方向の屈折率分布を示す図
である。

【０００３】図２５の半導体光制御装置は、積層された
ｐ型半導体層１００とｎ型半導体層１０２に固定焦点レ
ンズ１０４が接着されている。ｐ型半導体層１００には
電極１０６が設けられ、ｎ型半導体層１０２には電極１
０８が設けられている。電極１０６と電極１０８からｐ
型半導体層１００とｎ型半導体層１０２に電流を流して
ｐ型半導体層１００とｎ型半導体層１０２の屈折率を変
化させる。ｐ型半導体層１００とｎ型半導体層１０２の
屈折率が変化すると、ｐ型半導体層１００とｎ型半導体
層１０２の界面、ｎ型半導体層１０２と固定焦点レンズ
１０４の界面における屈折角が変化し、透過する光の軌
跡を変化させることができる。ｐ型半導体層１００とｎ
型半導体層１０２の屈折率が大きいと、光が図２５で実
線に示すような軌跡を描き、屈折率が小さいと、破線で
示すような軌跡を描く。

【０００４】しかしながら、この従来例では固定焦点レ
ンズと組み合わせなくてはならず、装置の小型化、軽量
化にとって不利であり、しかもコストアップとなるとい
う問題があった。また、この従来例では斜めに入射した
光だけを偏向や集光させることができ、入射光が平行光
の場合には、偏向や集光させることができないという問
題があっった。多くの光処理では、光源からの光を平行
光束とし、この平行光束に処理を加えて再び集光する処
理が行われるので、平行光に対しても偏向、集光させる
ことが必須であり、この従来例は実用的でなかった。

【０００５】このような従来技術の問題を解決するもの
として、図２６に示すような半導体光制御装置が本願発
明者により提案されている（特願平１−１８４７８２号
）。同図（ａ）　は半導体光制御装置の平面図、同図（
ｂ）　はＸ−Ｘ′線断面図、同図（ｃ）　は底面図であ
る。ｎ型ＩｎＰ基板１１０上にｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層１
１２、ｐ型ＩｎＰ層１１４が積層されている。ｐ型Ｉｎ
Ｐ層１１４上には中央の開口窓を挟んで２つの上部電極
１１６ａ、１１６ｂが相対して形成され、上部電極１１
６ａ、１１６ｂ間の開口窓部分に反射防止膜１１８が形
成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１１０底面には中央の開
口窓を挟んで２つの下部電極１２０ａ、１２０ｂが相対
して形成され、下部電極１２０ａ、１２０ｂ間の開口窓
部分に反射防止膜１２２が形成されている。

【０００６】上部電極１１６ａ、１１６ｂと下部電極１
２０ａ、１２０ｂからｐｎ接合に順方向電流を流すと、
上部電極１１６ａ、１１６ｂ直下で最もキャリア密度が
高く、中央で最もキャリア密度が小さくなるようなキャ
リア分布が生ずる。キャリア分布に応じて中央の屈折率
がより大きくなり、レンズと同様の集光作用が生ずる。注入電流値が大きくなるほど屈折率分布の差が大きくな
り、焦点距離が短くなり、可変焦点レンズが実現できる
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、提案さ
れた半導体光制御装置では、第１の問題点として、半導
体ｐｎ接合層に順方向の電流を流して光の屈折を制御す
るようにしているので、大電力を消費すると共に発熱量
が大きくなるという問題があった。また、第２の問題点
として、キャリアの発生と消滅を利用しているため、キ
ャリアの消滅時間により可変速度が決定され、ナノ秒オ
ーダーよりも高速に変化させることができないという問
題があった。

【０００８】さらに、第３の問題点として、静電容量の
非常に大きい順方向ｐｎ接合を有しているのでより一層
高速動作に不利であるという問題があった。さらに、第
４の問題点として、キャリアが接合に平行な方向に拡散
して消滅する過程で生じるキャリア分布を利用して屈折
率制御を行っているので、開口窓部分の幅がキャリアの
拡散長で決まる幅（拡散長のほぼ２倍）より広くなった
り狭くなったりすると、例えばレンズとしての集光特性
が劣化するという問題があった。

【０００９】本発明の目的は、平行光に対しても偏向、
集光させることができ、しかも、上記問題点１乃至問題
点４を解決する半導体光制御装置、すなわち、消費電力
が小さく、窓の大きさが変化しても集光特性の劣化が大
きく、高速動作可能な半導体光制御装置を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】問題点１乃至問題点３を
解決するために、以下に述べる手段１を用いる。さらに
本発明の目的である偏向装置及び集光装置を実現するた
めに、手段１と手段２の組合わせ或いは手段１と手段３
の組合せを用いる。問題点４の解決のために手段５を用
いる。

【００１１】本発明で用いた手段とその原理を図１乃至
図７を用いて説明する。図１は本発明の手段１を示すも
ので、請求項１に係るものである。同図（ａ）は平面図
、同図（ｂ）　はＡ−Ａ′線断面図、同図（ｃ）　は底
面図である。手段１は、バンドギャップエネルギの異な
る２つの半導体層を交互に積層した多重量子井戸半導体
層１０を用い、多重量子井戸半導体層１０の上面には中
央の開口窓を挟んで２つの上部電極１２ａ、１２ｂを相
対して形成し、上部電極１２ａ、１２ｂ間の開口窓部分
に反射防止膜１４が形成されている。多重量子井戸半導
体層１０の下面には中央の開口窓を挟んで２つの下部電
極１６ａ、１６ｂを相対して形成し、下部電極１６ａ、
１６ｂ間の開口窓部分に反射防止膜１８が形成するもの
である。多重量子井戸半導体層１０は、バンドギャップ
エネルギの異なる２種類の半導体層が交互に積層され、
図１（ｄ）　に示すようなバンド構造をしている。

【００１２】以上の構造を用い、電極１２ａ、１２ｂと
電極１６ａ、１６ｂとの間に電圧を印加して多重量子井
戸半導体層１０の屈折率を制御し、多重量子井戸半導体
層１０を通過する光の屈折を制御する。なお、手段１の
必須条件は、開口窓（反射防止膜１４と１８の形成され
た部分）を有することであり、その形状は任意である。

【００１３】なお、図１に示した電極の配置及び開口窓
（反射防止膜１４と１８の形成された部分）の形状は、
請求項２に係る手段である手段２を示すものである。手
段２の特徴は図１のように開口窓（反射防止膜１４と１
８の形成された部分）を挟んで線対称に形成された２つ
の電極を有することである。このような手段を用いると
次のような原理で光の屈折が制御される。多重量子井戸
半導体層に電界を印加すると、Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｃｏｎ
ｆｉｎｅｄ　Ｓｔａｒｋ　Ｅｆｆｅｃｔ　と呼ばれる効
果により、入射光に対する屈折率が変化する。ＧａＡｌ
Ａｓ系半導体におけるこの効果については、（１）　Ｄ
．Ａ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ，　Ｄ．Ｓ．Ｃｈｅｍｅｌａ，
　Ｔ．Ｃ．Ｄａｍｅｎ，　Ａ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ，　
ａｎｄ　Ｗ．Ｗｉｅｇａｎｎ；　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，
　ｖｏｌ．８３２，　ｐ．１０４３，　１９８５、（２
）　Ｋ．Ｂ．Ｋａｈｅｎ　ａｎｄ　Ｊ．Ｐ．Ｌｅｂｕｒ
ｔｏｎ；　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．４９，　
ｐ．７３４，　１９８６　に記載されている。

【００１４】多重量子井戸半導体層に印加する電圧を変
えた場合の屈折率スペクトルを図２に示す。多重量子井
戸半導体層に電圧を印加していない場合（Ｖ＝０）のス
ペクトルに対して、電圧を印加すると（Ｖ＝Ｖ１　）ス
ペクトルのピークが左側にシフトする。さらに印加する
電圧を大きくすると（Ｖ＝Ｖ２　＞Ｖ１　）スペクトル
のピークがさらに左側にシフトする。このような屈折率
スペクトルのシフトを利用すると、多重量子井戸半導体
層に印加する電圧を変化することにより屈折率を変化さ
せることができる。例えば、入射光の波長をλ１　にす
ると、電圧を印加しない場合（Ｖ＝０）の屈折率に対し
て電圧を印加すると（Ｖ＝Ｖ１　又はＶ２　）屈折率が
小さくなる。また、入射光の波長をλ２　にすると、電圧を印加しな
い場合（Ｖ＝０）の屈折率に対して、印加電圧ＶをＶ１
　に上昇すると屈折率が大きくなるが、印加電圧ＶをＶ
２　まで上昇すると屈折率は逆に小さくなる。このよう
に入射光の波長を選択することにより屈折率を３％以上
変化させることができる。

【００１５】図３（ａ）　に示すように、左右の上部電
極１２ａ、１２ｂと下部電極１６ａ、１６ｂ間に電圧を
印加すると、Ｂ−Ｂ′線に沿った電界強度が図３（ｂ）
　に示すようになる。入射光の波長をλ１　に選択すれ
ば、電界強度が大きいほど屈折率が低くなるので、電界
強度が０の場合の屈折率分布（図３（ｃ）　の破線）か
ら図３（ｃ）　で実線で示すような屈折率分布に変化し
、半導体光制御装置がシリンドリカルレンズの特性を示
す。

【００１６】図４は本発明の手段３を示すもので、請求
項３に係るものである。同図（ａ）　は平面図、同図（
ｂ）　はＣ−Ｃ′線断面図、同図（ｃ）　は底面図であ
る。手段３の特徴は図示のごとく多重量子井戸半導体層
１０の上面には円形の開口窓の周囲にドーナッツ形状の
上部電極１２を形成し、上部電極１２中央の円形の開口
窓部分に反射防止膜１４を形成し、多重量子井戸半導体
層１０の下面には円形の開口窓の周囲にドーナッツ形状
の下部電極１６を形成し、下部電極１６中央の円形の開
口窓部分に反射防止膜１８を形成することである。

【００１７】図５（ａ）　に示すように、ドーナッツ形
状の上部電極１２と下部電極１６間に電圧を印加すると
、Ｄ−Ｄ′線に沿った電界強度が図５（ｂ）　に示すよ
うになる。入射光の波長をλ１　に選択すれば、電界強
度が大きいほど屈折率が低くなるので、電界強度が０の
場合の屈折率分布（図５（ｃ）　の破線）から図５（ｃ
）　で実線で示すような屈折率分布に変化し、半導体光
制御装置が凸レンズの特性を示す。

【００１８】次に、問題点４を解決するための手段であ
る手段４と手段５について述べる。図１１（ａ）　は手
段４を示すもので、請求項４に係るものである。手段４
の特徴は、多重量子井戸半導体層１０の上下に第１の高
抵抗層２０と第２の高抵抗層２２を積層したことである
。図１２（ａ）　は手段５を示すもので、請求項５に係
るものである。手段５の特徴は、半導体基板２４上に第
３の高抵抗層２６と多重量子井戸半導体層１０を積層し
たことである。

【００１９】

【作用】このように本発明によれば上部電極と下部電極
により多重量子井戸半導体層に電界を印加することによ
り、多重量子井戸半導体層の屈折率を変化させて透過す
る光の屈折を制御することができる。図１に示す基本構
造の半導体光制御装置に対して、図６（ａ）　に示すよ
うに左側の上部電極１２ａと左側の下部電極１６ａ間に
可変電圧を印加するようにすると、印加電圧Ｖが０の場
合は透過光は直進するが、電圧が印加されると（Ｖ＝Ｖ
１　）図６（ｂ）　に示すように電圧の印加された左側
の屈折率が小さくなり、透過光が右側に偏向される。さ
らに大きな電圧Ｖ２　（＞Ｖ１　）が印加されると透過
光はさらに大きく右側に偏向される。このように印加電
圧を変化させることにより光の偏向角を自由に制御する
ことができる。

【００２０】また、図４に示す基本構造の半導体光制御
装置に対して、図７（ａ）　に示すように上部電極１２
と下部電極１６間に可変電圧を印加するようにすると、
印加電圧Ｖが０の場合は入射された平行光線束は直進す
るが、電圧が印加されると（Ｖ＝Ｖ１　）図７（ｂ）　
に示すように周辺の屈折率が小さくなって凸レンズの特
性を示して入射した平行光線束が集光する。さらに大き
な電圧Ｖ２　（＞Ｖ１　）が印加されると周囲の屈折率
がさらに小さくなって凸レンズの焦点距離が短くなり、
より近くに集光する。このように印加電圧を変化させる
ことにより集光位置を自由に制御することができる。

【００２１】第１１図（ａ）　の場合は開口窓が大きい
場合に良好な電界分布を形成する作用を有し、第１２図
（ａ）　の場合は開口窓が小さい場合に良好な電界分布
を形成する作用を有する。詳細は実施例で述べる。

【００２２】

【実施例】本発明の第１の実施例による半導体光制御装
置を図８を用いて説明する。同図（ａ）　は平面図、同
図（ｂ）　はＡ−Ａ′線断面図、同図（ｃ）　は底面図
である。本実施例による半導体光制御装置の多重量子井
戸半導体層１０は、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ層と１
０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ層を交互に２５０回繰り返して
積層されたものである。多重量子井戸半導体層１０は全
体が５μｍ厚であり、縦３０μｍで横５０μｍである。

【００２３】多重量子井戸半導体層１０上面には２０μ
ｍの間隔を隔てて上部電極１２ａ、１２ｂが相対して形
成されている。各上部電極１２ａ、１２ｂは幅が１０μ
ｍ、長さが２０μｍである。上部電極１２ａ、１２ｂ間
にはＳｉＮの反射防止膜１４が形成されている。多重量
子井戸半導体層１０下面には２０μｍの間隔を隔てて下
部電極１６ａ、１６ｂが相対して形成されている。各下
部電極１６ａ、１６ｂは幅が１０μｍ、長さが２０μｍ
である。下部電極１６ａ、１６ｂ間にはＳｉＮの反射防
止膜１８が形成されている。

【００２４】なお、上部電極１２ａ、１２ｂは平行な間
隔が形成されれば、いかなる形状でもよい。また、下部
電極１６ａ、１６ｂは透過光を遮ることなく平行な間隔
が形成されればいかなる形状でもよい。上部電極１２ａ
、１２ｂと下部電極１６ａ、１６ｂの間に約２５Ｖの電
圧を印加すると、多重量子井戸半導体層１０の上部電極
１２ａ、１２ｂ、下部電極１６ａ、１６ｂの直近では約
５Ｅ４Ｖ／ｃｍの電界が印加され、中央に近くなるほど
電界強度が低下し、中央では１Ｅ４Ｖ／ｃｍ未満となる
電界分布が形成される。このような電極分布により、電
極直下より中央の屈折率が約３％低くなり、約９０μｍ
の焦点距離の凸型シリンドリカルレンズが形成される。したがって、印加電圧を０〜２５Ｖに変化させれば、焦
点距離が０〜９０μｍに変化する凸型シリンドリカルレ
ンズが実現できる。

【００２５】このように本実施例によれば印加電圧を変
化させることにより光の屈折を制御することができる。従来のようにキャリアの生成と消滅を利用することなく
印加電圧を変化することにより制御するので、低消費電
力で動作可能であり、高速動作が可能となる。なお、上
部電極１２ａ、１２ｂの一方と下部電極１６ａ、１６ｂ
の一方に電圧を印加すると、電界分布が左右非対称とな
り透過光が偏向する。印加電圧を制御することにより透
過光の偏向角を制御することができる。したがって、２
つの半導体光制御装置を９０°回転した状態で重ね合わ
せ、それぞれ印加電圧を制御すれば、透過光をＸ、Ｙ方
向の任意の方向に偏向させることができる。

【００２６】本発明の第２の実施例による半導体光制御
装置を図９を用いて説明する。同図（ａ）　は平面図、
同図（ｂ）　はＣ−Ｃ′線断面図、同図（ｃ）　は底面
図である。第１の実施例による半導体光制御装置と同一
の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本
実施例の半導体光制御装置は上部電極１２と下部電極１
６がドーナッツ形状をしており、反射防止膜１４と反射
防止膜１８が円形形状である点に特徴がある。ドーナッ
ツ形状の上部電極１２と下部電極１６は幅が約２μｍで
内径が約５μｍである。

【００２７】上部電極１２と下部電極１６の間に電圧を
印加すると、多重量子井戸半導体層１０の上部電極１２
と下部電極１６直下の周囲より中央の屈折率が低くなり
、凸型レンズが形成される。したがって、印加電圧を変
化させれば、焦点距離が変化する凸レンズが実現できる
。本実施例の半導体光制御装置を導波路間に配置すれば
、導波路間の光結合を制御するスイッチとして動作させ
ることができる。例えば、図１０に、本実施例の半導体
光制御装置を光スイッチとして用いた並列光交換機を示
す（後藤他、光交換技術の動向、電子通信学会誌、６８
−１２（１９８５）１３３３、１２）。半導体レーザ５
０から光を光分枝部５２により分枝し、分枝した光をロ
ッドレンズ５４により平行光線束にして光ゲートアレイ
５６を入射する。光ゲートアレイ５６を透過した光はロ
ッドレンズ５８により集光され、光合成部６０により合
成して光検出器６２により検出される。この並列光交換
機の光ゲートアレイ５６を、本実施例による半導体光制
御装置をマトリックス状に配列することにより構成する
。半導体光制御装置に印加する電圧を制御することによ
り光ゲートアレイ５６を構成する各光スイッチをオンオ
フする。このように本実施例の半導体光制御装置を用い
れば高速動作可能な並列光交換機を実現できる。

【００２８】本発明の第３の実施例による半導体光制御
装置を図１１に示す。第２の実施例による半導体光制御
装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。なお、本実施例以降の説明では、第２の実施例
と同様のドーナッツ型電極の半導体光制御装置について
説明するが、第１の実施例と同様の平行型電極の半導体
光制御装置についても同種の実施例が適用できる。

【００２９】本実施例の半導体光制御装置は、図１１（
ａ）　に示すように、多重量子井戸半導体層１０上面に
高抵抗の上部イントリンシック層２０が形成され、この
上部イントリンシック層２０上面に上部電極１２と反射
防止膜１４が形成されている。また、多重量子井戸半導
体層１０下面に高抵抗の下部イントリンシック層２２が
形成され、この下部イントリンシック層２２下面に下部
電極１６と反射防止膜１８が形成されている。

【００３０】本実施例は開口窓が大きい半導体光制御装
置に有効である。開口窓が大きい場合、多重量子井戸半
導体層１０の厚さ方向に電界の分布に不均一が生ずる。すなわち、図１１（ｃ）　における多重量子井戸半導体
層１０の中央のＥ−Ｅ′線における電界は、図１１（ｄ
）　に示すように、上部電極１２直下から中央部分に向
かって緩やかに低下する分布をしているが、上部電極１
２側のＦ−Ｆ′線における電界は、図１１（ｄ）　に示
すように、上部電極１２直下近くで急激に低下する分布
をしている。このように、図１１（ｃ）　の半導体光制御装置では多
重量子井戸半導体層１０の厚さ方向で電界の分布が不均
一となり収差が大きくなる。

【００３１】本実施例による半導体光制御装置では多重
量子井戸半導体層１０の上下面に上部イントリンシック
層２０と下部イントリンシック層２２を設け、周辺部分
から中央部分に向かって緩やかに低下する電界分布の領
域のみに多重量子井戸半導体層１０が位置するようにし
ている。したがって、多重量子井戸半導体層１０のＧ−
Ｇ′線における電界も、Ｈ−Ｈ′線における電界も、図
１１（ｂ）　に示すように、ほとんど同じ分布となり、
多重量子井戸半導体層１０の厚さ方向における電界を均
一にすることができる。

【００３２】本発明の第４の実施例による半導体光制御
装置を図１２に示す。第２の実施例による半導体光制御
装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。本実施例の半導体光制御装置は、図１２（ａ）
　に示すように、電気伝導度の高い半導体基板２４上に
高抵抗のイントリンシック層２６が形成され、このイン
トリンシック層２０上面に多重量子井戸半導体層１０が
形成されている。半導体基板２４の底面に下部電極１６
と反射防止膜１８が形成されている。

【００３３】本実施例は開口窓が小さい半導体光制御装
置に有効である。開口窓が小さい場合、多重量子井戸半
導体層１０の周辺部分と中央部分における電界強度の差
が大きい電界分布が得られない。すなわち、図１２（ｃ
）　のように電気伝導度の高い半導体基板２４を用いる
と半導体基板２４が全面電極になり、この半導体基板２
４上面に直接多重量子井戸半導体層１０を形成すると、
多重量子井戸半導体層１０のＩ−Ｉ′線における電界は
、図１２（ｂ）　に示すように、中央部分が十分に低下
しない。

【００３４】本実施例による半導体光制御装置では半導
体基板２４上にイントリンシック層２６を介して多重量
子井戸半導体層１０を形成し、上部電極１２に近接した
領域のみに多重量子井戸半導体層１０が位置するように
している。したがって、多重量子井戸半導体層１０のＪ
−Ｊ′線における電界は、図１２（ｂ）に示すように、
中央部分が十分に低下して理想的な電界分布に近い分布
が得られる。したがって、収差の小さい良好な凸レンズ
の特性を有する半導体光制御装置を実現することができ
る。

【００３５】本発明の第５の実施例による半導体光制御
装置を図１３に示す。第２の実施例による半導体光制御
装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。本実施例の半導体光制御装置は、図１３（ａ）
　に示すように、不純物半導体層２７を介して上部電極
１２が形成されていることを特徴としている。不純物半
導体層２７は、厚さが０．１〜１μｍ厚で、ドナー濃度
又はアクセプタ濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３と高濃度であり
、多重量子井戸半導体層１０にオーミックコンタクトさ
れている。

【００３６】このように本実施例によれば多重量子井戸
半導体層に上部電極をオーミックコンタクトすることが
できる。なお、上部電極１２を不純物半導体層２７全面
に形成することなく、図１３（ｂ）　に示すように、全
面に反射防止膜１４を形成し、ボンディングパッド近傍
の不純物半導体層２７上部のみにコンタクトホールを形
成し、その部分のみに上部電極１２を形成するようにし
てもよい。リード接続用のボンディングパッドのパター
ンと上部電極１２のパターンを別にすることができる。

【００３７】本発明の第６の実施例による半導体光制御
装置を図１４に示す。第２の実施例による半導体光制御
装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。本実施例の半導体光制御装置は、図１４に示す
ように、多重量子井戸半導体層１０上面にイントリンシ
ック層２８を形成し、このイントリンシック層２８表面
にドーナッツ形状の不純物拡散層３０を形成し、この不
純物拡散層３０上に上部電極１２を形成している。

【００３８】このように本実施例によれば多重量子井戸
半導体層に上部電極をオーミックコンタクトすることが
できる。また、上部電極のパターンを不純物拡散により
形成するので、製造が容易である。本発明の第７の実施
例による半導体光制御装置を図１５に示す。第５の実施
例による半導体光制御装置と同一の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

【００３９】本実施例の半導体光制御装置は、図１５に
示すように、多重量子井戸半導体層１０上面にドーナッ
ツ形状のｐ型半導体層２７を形成し、多重量子井戸半導
体層１０下面にｎ型半導体層３２を形成することにより
、ｐ型半導体層２７と多重量子井戸半導体層１０とｎ型
半導体層３２とによりｐ−ｉ−ｎ接合を形成している。ｎ型半導体層３２は、厚さが０．１〜１μｍ厚で、ドナ
ー濃度又はアクセプタ濃度が５Ｅ１７ｃｍ−３以上であ
ることが望ましい。

【００４０】このように本実施例によればｐ−ｉ−ｎ接
合に逆バイアスを印加することにより電圧印加時のリー
ク電流を低減することができる。本発明の第８の実施例
による半導体光制御装置を図１６に示す。第６の実施例
による半導体光制御装置と同一の構成要素には同一の符
号を付して説明を省略する。

【００４１】本実施例の半導体光制御装置は、図１６に
示すように、多重量子井戸半導体層１０上面のイントリ
ンシック層２８表面にドーナッツ形状のｐ型不純物拡散
層３０を形成し、多重量子井戸半導体層１０下面にｎ型
半導体層３２を形成することにより、ｐ型不純物拡散層
３０と多重量子井戸半導体層１０とｎ型半導体層３２と
によりｐ−ｉ−ｎ接合を形成している。

【００４２】このように本実施例によればｐ−ｉ−ｎ接
合に逆バイアスを印加することにより電圧印加時のリー
ク電流を低減することができると共に、上部電極のパタ
ーンを不純物拡散により形成するので、製造が容易であ
る。本発明の第９の実施例による半導体光制御装置を図
１７に示す。第２の実施例による半導体光制御装置と同
一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００４３】本実施例の半導体光制御装置は、図１７に
示すように、ＩｎＰ基板３４上に多重量子井戸半導体層
１０を形成している点に特徴がある。ＩｎＰ基板３４は
ドナー濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型であり、１００〜
３００μｍ厚である。素子形成後はＩｎＰ基板３４を適
当な厚さにまで研磨して薄くする。このように本実施例
によればＩｎＰ基板上に半導体光制御装置を形成するの
で、多数の素子を形成することができ、２次元アレイ構
造の半導体光制御装置も容易に実現することができる。

【００４４】本発明の第１０の実施例による半導体光制
御装置を図１８に示す。第８の実施例による半導体光制
御装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。本実施例の半導体光制御装置は、図１８に示
すように、第８の実施例による半導体光制御装置のｎ型
半導体層３２をｎ型ＩｎＰ基板３４としたものである。ＩｎＰ基板３４はドナー濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型
であり、１００〜３００μｍ厚である。素子形成後はＩ
ｎＰ基板３４を適当な厚さにまで研磨して薄くする。こ
のように本実施例によればＩｎＰ基板上に半導体光制御
装置を形成するので、多数の素子を形成することができ
、２次元アレイ構造の半導体光制御装置も容易に実現す
ることができる。また、ｐ−ｉ−ｎ接合が形成されるの
で電圧印加時のリーク電流を低減することができる。

【００４５】本発明の第１１の実施例による半導体光制
御装置を図１９に示す。第９の実施例による半導体光制
御装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。本実施例の半導体光制御装置は、図１９に示
すように、ＩｎＰ基板３４の開口窓部分が多重量子井戸
半導体層１０に達するまで除去されている。反射防止膜
１８は多重量子井戸半導体層１０下面に直接形成されて
いる。

【００４６】このような本実施例によればＩｎＰ基板に
おける光吸収を全くなくすことができる。本発明の第１
２の実施例による半導体光制御装置を図２０に示す。第
９の実施例による半導体光制御装置と同一の構成要素に
は同一の符号を付して説明を省略する。

【００４７】本実施例の半導体光制御装置は、図２０に
示すように、多重量子井戸半導体層１０をＩｎＰ基板３
４に達するまで上部電極１２の大きさでメサ形状にエッ
チングしたものである。このような本実施例によれば電
極容量を低減して光束応答可能な半導体光制御装置が実
現できる。

【００４８】本発明の第１３の実施例による半導体光制
御装置を図２１に示す。第９の実施例による半導体光制
御装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。本実施例の半導体光制御装置は、図２１に示
すように、上部電極１２の周囲に素子を分離するために
ＩｎＰ基板３４に達する溝３６を形成したものである。

【００４９】このような本実施例によれば電極容量を低
減して光束応答可能な半導体光制御装置が実現できる。本発明の第１４の実施例による半導体光制御装置を図２
２に示す。第１２の実施例による半導体光制御装置と同
一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００５０】本実施例の半導体光制御装置は、図２２に
示すように、第１２の実施例において上部電極１２の大
きさでメサ形状になるようにエッチング除去した部分を
、高抵抗半導体又はポリイミド等の有機物からなる埋込
み層３８により埋込んで表面を平坦にしたものである。このように本実施例によればメサ形状の素子部分を保護
して素子の信頼性を向上させることができる。

【００５１】本発明の第１５の実施例による半導体光制
御装置を図２３に示す。第１３の実施例による半導体光
制御装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明
を省略する。本実施例の半導体光制御装置は、図２３に
示すように、第１３の実施例において上部電極１２の周
囲に形成された溝３６を、高抵抗半導体又はポリイミド
等の有機物からなる埋込み層４０により埋込んで表面を
平坦にしたものである。

【００５２】このように本実施例によれば溝部表面を保
護して素子の信頼性を向上させることができる。本発明
の第１６の実施例による半導体光制御装置を図２４に示
す。第９の実施例による半導体光制御装置と同一の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００５３】本実施例の半導体光制御装置は、図２４に
示すように、ＩｎＰ基板３４の底面に凸レンズ状の加工
をしたことに特徴がある。ＩｎＰ基板３４上面に、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層／ＩｎＧａＡｓ層の繰返しからなる多重量
子井戸半導体層１０が形成されている。多重量子井戸半
導体層１０上面には直径が２０μｍで幅が１０μｍの上
部電極１２が形成され、ＩｎＰ基板３４の底面には直径
が６０μｍで幅が１０μｍの下部電極１６が形成されて
いる。ＩｎＰ基板３４の底面には直径が５０μｍで厚み
が２０μｍで局率半径が約１５０μｍのレンズ状凸部４
２が形成されている。

【００５４】ＩｎＰ基板３４の底面にレンズ状凸部を形
成する方法について説明する。まず、ＩｎＰ基板３４上
に有機ゴム系のフォトレジストで円形パターンを形成し
、その後、１００〜２００℃で加熱処理する。円形のレ
ジスト層が熱処理によりとけて表面が丸くなる。これを
イオンミーリングすると、レジスト層の表面形状に応じ
てレジスト層とＩｎＰ基板が均一にエッチングされ、レ
ジスト層の表面形状がそのままＩｎＰ基板３４の底面に
転写される。

【００５５】このように本実施例ではあらかじめＩｎＰ
基板３４の底面にレンズ状凸部が形成されているので、
電圧が印加されていない場合でも焦点距離が約１００μ
ｍとなる。そして電圧が印加されると、多重量子井戸半
導体層のレンズ作用が付加され、約５０μｍの焦点距離
とある。本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能
である。

【００５６】上記実施例では波長λ１の入射光を用いた
が、入射光の波長をλ２にすれば、印加電圧により半導
体光制御装置を凹レンズにも凸レンズにもすることがで
きる。

【００５７】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、上部電極
と下部電極により多重量子井戸半導体層に電界を印加し
て、多重量子井戸半導体層の屈折率を変化させるように
しているので、平行光に対しても偏向、集光させること
ができ、しかも、消費電力が小さく、高速動作可能な半
導体光制御装置を実現することにある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体光制御装置を示す図である
。

【図２】多重量子井戸半導体層への印加電圧を変化させ
た場合の吸収スペクトルと屈折率スペクトルを示すグラ
フである。

【図３】本発明による半導体光制御装置の基本原理を示
す図である。

【図４】本発明による半導体光制御装置を示す図である
。

【図５】本発明による半導体光制御装置の基本原理を示
す図である。

【図６】本発明による半導体光制御装置の動作を示す図
である。

【図７】本発明による半導体光制御装置の動作を示す図
である。

【図８】本発明の第１の実施例による半導体光制御装置
を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施例による半導体光制御装置
を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例の半導体光制御装置を
光スイッチとして用いた並列光交換機を示す図である。

【図１１】本発明の第３の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１２】本発明の第４の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１３】本発明の第５の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１４】本発明の第６の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１５】本発明の第７の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１６】本発明の第８の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１７】本発明の第９の実施例による半導体光制御装
置を示す図である。

【図１８】本発明の第１０の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図１９】本発明の第１１の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２０】本発明の第１２の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２１】本発明の第１３の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２２】本発明の第１４の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２３】本発明の第１５の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２４】本発明の第１６の実施例による半導体光制御
装置を示す図である。

【図２５】従来の半導体光制御装置を示す図である。

【図２６】従来の半導体光制御装置を示す図である。

【符号の説明】

１０…多重量子井戸半導体層１２ａ、１２ｂ…上部電極１４…反射防止膜１６ａ、１６ｂ…下部電極１８…反射防止膜２０…上部イントリンシック層２２…下部イントリンシック層２４…半導体基板２６…イントリンシック層２７…ｐ型半導体層２８…イントリンシック層３０…不純物拡散層３２…ｎ型半導体層３４…ＩｎＰ基板３６…溝３８…埋込み層４０…埋込み層４２…レンズ状凸部５０…半導体レーザ５２…光分枝部５４…ロッドレンズ５６…光ゲートアレイ５８…ロッドレンズ６０…光合成部６２…光検出器１００…ｐ型半導体層１０２…ｎ型半導体層１０４…固定焦点レンズ１０６、１０８…電極１１０…ｎ型ＩｎＰ基板１１２…ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層１１４…ｐ型ＩｎＰ層１１６ａ、１１６ｂ…上部電極１１８…反射防止膜１２０ａ、１２０ｂ…下部電極１２２…反射防止膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　バンドギャップエネルギの異なる２つ
の半導体層を交互に積層した多重量子井戸半導体層と、
前記多重量子井戸半導体層の第１の面に形成され、開口
窓を有する第１の電極と、前記多重量子井戸半導体層の
第２の面に形成され、開口窓を有する第２の電極と、前
記第１の電極及び前記第２の電極の開口窓内の前記多重
量子井戸半導体層の表面に形成され、光の反射を防止す
る反射防止膜とを有し、前記第１の電極と第２の電極を
前記多重量子井戸半導体層に電界を印加する手段として
用い、電界により前記多重量子井戸半導体層の屈折率を
変化させ、前記多重量子井戸半導体層を透過する光の屈
折を制御することを特徴とする半導体光制御装置。
【請求項２】　　請求項１記載の半導体光制御装置にお
いて、前記第１の電極は、前記開口窓を挟んで線対称に
形成された２つの電極を有し、前記第２の電極は、前記
開口窓を挟んで線対称に形成された２つの電極を有して
いることを特徴とする半導体光制御装置。
【請求項３】　　請求項１記載の半導体光制御装置にお
いて、前記第１の電極は、前記開口窓が円形のドーナッ
ツ形状であり、前記第２の電極は、前記開口窓が円形の
ドーナッツ形状であることを特徴とする半導体光制御装
置。
【請求項４】　　請求項１乃至３のいずれかに記載の半
導体光制御装置において、前記多重量子井戸半導体層の
第１の面と前記第１の電極との間に第１の高抵抗層を挿
入し、前記多重量子井戸半導体層の第２の面と前記第２
の電極との間に第２の高抵抗層を挿入し、前記第１の高
抵抗層と前記第２の高抵抗層を介して前記多重量子井戸
半導体層に電圧を印加することにより前記多重量子井戸
半導体層の厚さ方向における電界を均一にしたことを特
徴とする半導体光制御装置。
【請求項５】　　請求項１乃至３のいずれかに記載の半
導体光制御装置において、電気伝導度の高い半導体基板
と、前記半導体基板上に形成された第３の高抵抗層とを
更に有し、前記第３の高抵抗層上に前記多重量子井戸半
導体層が形成され、前記半導体基板の底面に前記第２の
電極が形成され、前記第１の電極と、前記第２の電極と
から前記半導体基板及び前記第３の高抵抗層を介して前
記多重量子井戸半導体層に電圧を印加することを特徴と
する半導体光制御装置。