JPH04354170A - 半導体超格子構造 - Google Patents

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】この発明は、光通信・光情報シス
テムを構成する光交換機・光中継器などに利用可能な光
論理・光スイッチング動作を行う素子に用いる半導体材
料の超格子構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光透過特性に強い非線形性を持つ半導体
超格子は光通信・光情報システムを構成する機能デバイ
スとして期待されている。光スイッチなどの従来の光素
子に用いられていた半導体超格子は非線形性に寄与する
吸収飽和の回復時間（これは励起キャリアの再結合寿命
に対応し、数〜数＋ナノ秒かかる）が長く、応答速度の
向上を阻害していた。

【０００３】従来の超格子構造のポテンシャル構造を図
１に示す。２〜１０ｎｍ程度の量子井戸層ａ内にいくつ
かの量子準位が存在し、それに対応する状態密度が図２
に示すように階段状に連続に分布する。ｎ＝１は最低量
子準位を、ｎ＝２は第２の量子準位を示す。この単純な
構造の半導体超格子構造では量子準位に対応する励起子
吸収に共鳴する波長λｅｘの励起光を入射し、λｅｘ付
近における吸収係数の飽和による透過率や屈折率などの
光非線形効果を利用する。図３（ａ）および（ｂ）にこ
の従来の超格子構造の熱平衡状態の吸収スペクトルと励
起状態の吸収スペクトルを示す。ｎ１Ｈは重い正孔の光
吸収、ｎ１Ｌは軽い正孔の光吸収である。光励起状態に
おいては励起子の電界スクリーニング効果，バンドフィ
リング効果により、量子準位に対応する波長付近での半
導体の光吸収係数が大きく減少する。この光吸収係数の
変化やそれにともなう光屈折率の変化などの光非線形現
象を利用した光スイッチの応答において、その立ち上が
り時間は励起光によるキャリアの生成蓄積時間に依存し
、励起光強度を強くするとピコ秒程度の高速応答も可能
である。一方スイッチ立ち下がりは吸収飽和の回復時間
、すなわち生成した電子，正孔の再結合時間に依存し、
１０ナノ秒程度の低速な応答を余儀なくされていた。

【０００４】元来、井戸型ポテンシャルで記述される量
子井戸構造の量子準位は、その閉じ込め領域のサイズに
より異なる離散的な準位をもつ。一般的には量子効果が
支配的なサイズ（一辺１２ｎｍ以下）ではその量子閉じ
込めサイズが小さいほど最低量子準位が高いエネルギー
を示す。また、励起生成された電子，正孔対（励起子キ
ャリア）は薄い障壁層をトンネリング現象によって通過
し、当初励起された量子閉じ込め状態のエネルギー準位
から隣の異なる量子閉じ込め状態の準位に移行すること
ができる。そこでＴａｋｅｕｃｈｉ，Ｍｕｔａらは図４
にポテンシャル構造を示したように使用波長に対応する
共鳴ポテンシャルをもつ超格子層ａと、数ｎｍ程度の薄
い障壁層ｓを隔てて、ａより広い井戸幅のためａとは異
なる量子準位をもつ超格子層ｂを交互に設けてａ層から
ｂ層への高速のキャリアのトンネリングにより光非線形
吸収の回復を早める構造を提唱した（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．２８（１９８９）Ｌ１０９８）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５（ａ）および（ｂ
）にＴａｋｅｕｃｈｉらの提案の二重超格子構造の熱平
衡状態と励起状態の光吸収スペクトルを示す。ｎａ＝１
およびｎｂ＝１はそれぞれ超格子井戸ａおよびｂの最低
量子準位による励起子吸収、ｎａ＝２およびｎｂ＝２は
第２の量子準位による励起子吸収である。この光非線形
材料構造においてはａ層で生成したキャリアが障壁層ｓ
をトンネリングして、異なる量子準位に緩和するための
広い超格子井戸層ｂに遷移する。しかし、この２次元量
子井戸構造では状態密度は階段状につながっており、こ
のｂ層の超格子のエネルギー状態密度がａ層の最低量子
準位より低エネルギー側まで連続に延びており、その光
吸収がスイッチ利用波長である狭い量子井戸ａ層の励起
子準位を利用する波長まで影響を及ぼす。そのため、励
起信号光の入射により共鳴するａの準位の励起子吸収が
飽和した状態においてもその光波長領域においてはｂの
準位に起因する大きな光吸収率が残る。これにより、例
えばａの準位の励起子光吸収率の変化をスイッチとして
利用する場合、ｂに起因する光吸収が励起状態，熱平衡
状態のいずれにおいても変化せずに残るため、スイッチ
ｏｎ状態／ｏｆｆ状態強度比の劣化，ａの量子準位の励
起効率の低下，非線形に寄与しない光パワー吸収による
発熱などの悪影響を逃れ得なかった。

【０００６】つまり、光励起による吸収効率の飽和を利
用する場合、ａとｂの２つの２次元量子井戸の状態密度
が重なっているため、ａとｂの両方の量子準位を励起し
てしまう。このため、以下のような問題があった。

【０００７】（１）可飽和吸収領域の吸収の飽和が起こ
るまでの光強度が大きく、しかも動作時の消費パワーが
大きく、熱の悪影響も大きくなる。

【０００８】（２）バンドフィリング効果として知られ
ているａに起因する吸収係数の光入射による変化量（約
３０００ｃｍ−１）はａとｂ全体の吸収係数の絶対量（
約２００００ｃｍ−１）に比して小さく、外部からのス
イッチング特性の制御性に乏しい。

【０００９】（３）ａの準位を光励起する場合ｂ領域の
準位も同時に励起してしまうため、ｂの準位が急激に励
起キャリアで占有されるためａ層からｂ層へのキャリア
のトンネリングが抑えられ、ａ，ｂという異なる量子準
位の超格子層を導入する効果が失われてしまう。

【００１０】（４）光入射パワーが大きい場合、ａから
ｂへ大量のキャリアがトンネリングしてｂ層に蓄積し、
ｂの準位が急激に占有されて（３）と同様に効果が失わ
れる。

【００１１】（５）さらに、トンネリングが容易な電子
に較べ正孔が取り残されて応答速度を律速してしまう。

【００１２】（５）の問題は半導体材料の組成を適当に
選び２つの井戸間の価電子帯のエネルギー差ΔＥｖを０
に近づけることにより解決できることは容易に想像でき
るが他の問題はこの構造では解決が困難であった。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記諸課題を解
決し、さらに光励起光応答の非線形性の効率が大きく、
吸収の影響が小さく、ｏｎ／ｏｆｆ比が大きく取れる量
子箱を用いることにより、高速で高消光比の光信号処理
素子に利用可能な半導体超格子構造を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、可飽和光吸収機能を有する半導体
材料において、第１の量子箱と、最低量子準位と第２の
量子準位の間に前記第１の量子箱の最低量子準位のエネ
ルギーが存在するような量子準位を構成する、体積が前
記第１の量子箱より大きな第２の量子箱を、障壁層を隔
てて交互に形成し、かつ前記第２の量子箱内に不純物が
注入されていることを特徴とする。

【００１５】

【作用】光非線形性を持つ半導体材料における前述の課
題を解決するために本発明が提供する手段である量子箱
構造のエネルギーバンド図を図６に示す。ａｎ１および
ａｎ２はそれぞれ量子箱ａの最低および第２の量子準位
、ｂｎ１およびｂｎ２はそれぞれ量子箱ｂの最低および
第２の量子準位である。本発明の超格子構造は励起光を
共鳴吸収して光吸収率の飽和効果を起こす可飽和吸収領
域たるａの量子箱と、その両側にａで生成したキャリア
がトンネリング可能な程度に薄い障壁層ｓ（２〜１０ｎ
ｍ）と、ａからトンネリングしてきたキャリアを電子正
孔再結合させる再結合領域たるｂの量子箱構造を有する
。

【００１６】量子箱構造においては、状態密度が離散的
であり、異なる量子準位間の光吸収率はほとんど重なら
ない。その量子準位のエネルギーはまた、２次元超格子
の場合と同様にその量子閉じ込めのサイズにより異なる
値を示し、サイズが大きいほど最低量子エネルギー準位
は低い。この量子準位を占有した励起子キャリアは通常
再結合寿命が１０ｎｓ程度と長く、占有された量子準位
はその励起キャリアが再結合して緩和するまで、他の励
起子キャリアがその準位を占めることができない（励起
子吸収の飽和）。しかし、半導体中に不純物を添加する
ことにより光非線形効果の効率はやや劣化するが、再結
合寿命を短くすることができる。

【００１７】本発明においては上記特性を利用し、飽和
吸収領域ａ（一辺の長さ２〜６ｎｍ程度の大きさをもつ
）と、生成したキャリアがトンネル通過可能な程度の厚
み（２〜１０ｎｍ）を持つ障壁層ｓと、それにより隔て
られたａよりやや大きいトンネル緩和領域ｂ（一辺４〜
１２ｎｍ程度の大きさをもつ）を半導体結晶内で量子箱
構造とし、互いに囲む如く形成する。さらに、ａ層の量
子箱としての特性はたもったまま、ｂ層（光非線形動作
には寄与せずａ層から移行してくる励起子キャリアの再
結合を促進する）のみを不純物による再結合中心等を添
加するなどして短い緩和時間（１００ピコ秒程度）に制
御することによって、高い光非線形定数と速い回復時間
を同時に達成することを特徴とする。これにより、（１
）量子箱構造の効果により２次元量子井戸層よりさらに
光非線形性が増し動作パワーが小さくなる。その量子箱
の状態密度に起因する離散的な光吸収スペクトルにより
、（２）ａ領域の量子準位の光吸収の非線形性を用いる
ときｂ領域では励起光が吸収されないため熱の発生が小
さく、ｏｎ／ｏｆｆ比も著しく改善される。一方、（３
）ａの量子準位は選択的に励起することができ、（４）
ｂ領域の緩和時間を早くしたことによりａからｂへのト
ンネリング後のｂ領域でのキャリアの蓄積に起因するト
ンネル確率の低下は解消される。また、再結合中心とし
て不純物を添加する代わりに格子不整合による歪や、量
子箱表面の処理による表面再結合の促進によっても同様
の効果が得られることは言うまでもない。

【００１８】

【実施例】以下に図を参照して本発明の一実施例を説明
する。

【００１９】図７は本実施例の概念図である。

【００２０】本実施例は、一例としてＩｎＰ基板１上に
、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法によって、順にＩｎ０．
４７Ｇａ０．５３Ａｓ量子井戸構造の量子井戸層ｂ（約
４〜１２ｎｍ），Ｉｎ０．４８Ａｌ０．５２Ａｓバリア
層ｓ（トンネル時間を早くするため１０ｎｍ以下にする
），ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造の可飽和吸収領域ａ（ｂ
層よりサイズを小さく設定、約２〜６ｎｍ），ＩｎＡｌ
Ａｓバリア層ｓを単位として、これを１単位または複数
単位積層し、さらにＩｎＧａＡｓ量子井戸構造の量子井
戸層ｂを、最後にＩｎＡｌＡｓキャップ層ｋを成長する
。

【００２１】２種類の量子井戸の関係は、量子箱ｂの寸
法を量子箱ａの寸法より僅かに大きくすることにより領
域ｂ（不純物注入等でキャリア緩和時間を高速サブナノ
秒に設定しておく）の図８（ｂ）に示す励起子吸収ピー
ク波長ｂｎ１が、可飽和吸収領域ａの励起子吸収ピーク
波長ａｎ１よりも低エネルギー側にずれるように設定す
る。量子箱ａおよびｂの体積をＶａ　およびＶｂ　とす
ると、Ｖａ　＜Ｖｂ　＜１，０００ｎｍ３　である。

【００２２】次に量子箱を形成するため、まずキャップ
層ｋ，量子井戸層ａとｂとの間のバリア層ｓを表面から
エッチングする。より詳しくは、電子ビーム露光により
作成した一辺が４〜２０ｎｍ程度の升目状微細パターン
をマスクとしてＲＩＥ，ＲＩＢＥ等のドライエッチング
により、升目状に量子井戸層をのこしてバリア層と同程
度の幅の溝に彫り込むことにより量子箱を形成する。そ
の後、彫り込んだ溝にバリア領域ｓと同様の組成を持っ
たバリア層を再成長により形成する。これにより、あら
かじめ結晶成長していた上下方向のバリア層とともに量
子井戸ａおよびｂの周囲をバリア層ｓで箱状に包み込み
、２種類の量子箱構造とその周囲を囲む障壁層の構造を
持つ半導体超格子構造が形成される。

【００２３】量子箱を形成する手法として他に、逆メサ
状にエッチングした台形状の基板、または周囲を酸化膜
で保護して結晶成長可能な表面サイズを限定した基板上
にＭＯＣＶＤで膜成長する方法があり、このよういにし
ても上述した超格子構造が得られる。

【００２４】次に、本実施例の光非線形材料の動作，作
用について説明する。比較のために従来例の２次元超格
子構造と本実施例の量子箱構造の状態密度をそれぞれ図
８（ａ）および（ｂ）に示した。従来例が連続な状態密
度を持つため、吸収飽和の量子準位ａｎ１を励起すると
き、同時にかなりの比率でｂの準位ｂｎ１，ｂｎ２等を
励起してしまうのに対し、本実施例の量子箱構造におい
ては量子準位が離散的であるため目的の量子状態ａｎ１
等のみを選択的に励起できる。次に図９（ａ）および（
ｂ）にそれぞれ熱平衡状態および励起状態の吸収係数の
波長依存性を示した。本実施例の非線形材料では、図９
中の矢印に示されているように、量子箱ａへの信号光の
入射が無いときは図中ａｎ１の波長近傍のみ励起子の吸
収係数が大きい。一方量子箱ｂに起因する共鳴吸収波長
ｂｎ１，ｂｎ２はａの共鳴吸収ａｎ１，ａｎ２とはずれ
ていて、ａに共鳴するエネルギーをもつ光は吸収しない
。可飽和吸収領域ａへの入射光を大きくしていくと量子
閉じ込め電界スクリーニング効果により励起子吸収ピー
クが飽和し、透過率が著しく増加する。一方、入射光が
減少すると、ｂの量子準位にキャリアがトンネリングし
て速やかにａの励起子吸収が回復し、透過率が減少する
。

【００２５】本実施例の超格子構造を可飽和吸収領域に
適用した双安定レーザを図１０に示す。帰還をかけてレ
ーザー発振させるための共振器を構成するミラー４とそ
の間に電流を注入して発光させる利得領域２と本発明の
超格子構造を用いた可飽和吸収領域３とから成る。５は
電極分離層、６は駆動電源である。本構造をレーザーの
可飽和吸収領域として用いると、共振器内損失が増減す
るため発振閾値が変化するとともに双安定特性がより顕
著となる。量子箱閉じ込め励起子による吸収飽和過程の
光感度は他の超格子に比べて大きいうえ、バックグラウ
ンド吸収が小さいため、低パワーで高いｏｎ／ｏｆｆ比
の動作がおこなえ、吸収係数の変化が大きいことから素
子の小型化が実現可能である。吸収飽和の回復は高速な
ので素子動作が高速化できる。

【００２６】以上はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系につ
いて述べたものだが、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系，ＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰ系，ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪超格子系
においても同様の作用・効果を得ることが可能である。

【００２７】また、量子箱ほど顕著な効果ではないが、
量子細線構造でａ，ｂを構成しても同様の作用，改善を
得ることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
効率，低閾値の光非線形材料である半導体超格子構造に
おいて、使用波長に励起子の共鳴ピークを持つようなサ
イズの量子箱構造ａ（一辺２〜８ｎｍ程度）で活性層を
構成し、その周囲を薄い障壁層ｓ（１〜１０ｎｍ程度）
を隔ててさらに低いエネルギーの共鳴準位と速い緩和時
間を持つ大きいサイズの異なる量子箱ｂで取り囲んだ構
造により、きわめて光非線形効果が大きく、コントラス
トも良く、しかも高速な応答を得ることができる。

【００２９】本発明はこれにより従来問題になってきた
高いコントラストと高速性が両立できない、非線形に寄
与しない無駄な吸収が多いという二つの基本的な問題点
を解決することができる。

【００３０】本素子は空間分割光交換，並列光情報処理
の論理動作素子，基本演算素子，光増幅素子に応用でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例のポテンシャル構造図である。

【図２】従来例の超格子構造の状態密度図である。

【図３】従来例の光吸収スペクトル図である。

【図４】第２の従来例のポテンシャル構造図である。

【図５】第２の従来例の光吸収スペクトル図である。

【図６】本発明実施例のポテンシャル構造図である。

【図７】本発明の超格子構造の概念図である。

【図８】第２の従来例の状態密度と本発明実施例の状態
密度を比較して示す図である。

【図９】本発明実施例の光吸収スペクトル図である。

【図１０】本発明による半導体超格子構造を利用した双
安定レーザーの概念図である。

【符号の説明】

１　　基板 ２　　電流注入発光領域 ３　　可飽和吸収領域 ４　　共振器ミラー ５　　電極分離層 ６　　駆動電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　可飽和光吸収機能を有する半導体材料
   において、第１の量子箱と、最低量子準位と第２の量子
   準位の間に前記第１の量子箱の最低量子準位のエネルギ
   ーが存在するような量子準位を構成する、体積が前記第
   １の量子箱より大きな第２の量子箱を、障壁層を隔てて
   交互に形成し、かつ前記第２の量子箱内に不純物が注入
   されていることを特徴とする半導体超格子構造。