JPH0442983A - 光半導体装置及びその製造方法 - 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】 ［概要］ 光半導体装置に係り、特に非線形動作を行なう光半導体
装置に関し、 ピーク強度の強い動作光又は被動作光に対しても、自由
電子又は励起子の励起による超格子層の屈折率の変化を
高速で行なうと共に、励起された自由電子を高速移送し
て超格子層の屈折率の始状態への回復を早くする高速動
作ができ、従って超短時間の光パルス列に対しても応答
することができる高周波応答特性に優れた光半導体装置
を提供することを目的とし、 入射した光により２次元励起子が励起される第１の量子
井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟むバリア層と、前
記バリア層をＯＬで前記第１の量子井戸層に隣接する第
２の量子井戸層とが周期的に形成されている超格子構造
を有する光半導体装置において、前記第２の量子井戸層
が互いにヘテロ接合する第１′Ｂｔび第２の半導体層を
有すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯の下端が前
記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位置するブ
ロークンギャップ型ヘテロ構造を形成１〜、前記第１の
半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸層の電子
基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第２の半導
体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正孔基底
準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第１の半導体層
の電子基底準位が前記第２の半導体層の正孔基底準位と
同準位、もしくは伝導帯ど価電子帯が重なり、前記第１
の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞわ。

前記バリア層を１−シネルして前記第２の量子井戸層に
移送されて、前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体
層ど前記第２の半導体層とのプロークンキャップ型ヘテ
ロ界面において再結合するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は光半導体装置に係り、特に非線形動作を行なう
光半導体装置に関する。

近年、光−光スィッチ、光双安定装置、光−光メモリの
開発が進めらり、ているが、特に１０−’〜１０−１２
秒のピコ秒領域から１Ｑ−１２秒以下のサブピコ秒領域
で作動する非線形光学装置の実現が要求されている６ ［従来の技術］ 従来の非線形光学装置として、例えばＧ　ａ　Ａ　ｓ／
ＡｊＡｓ超格子を誘電体多Ｎ膜鏡でサンドウィッチした
光共振器ＩＩ達のものが実現されている（　＾、Ｈｉｇ
ｕｓ　　ｅｔ　　ａｔ、、　　０ｎｅ−ｐｉｃｏｓｅｃ
ｏｎｄ　　ＮＯＲｇａｔｅ　　ａｔｒｏｏＩｌ　ｔｅｍ
ｐｅ「ａｔｕｒｅ　　ｗｉｔｈ　　ａ　　ＧａＡｓ−＾
ｌＧａＡｓ　　ｍｕｌ［ｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗ
ｅｌｌ　　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　　Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒ
ｏｔ　　ｅｔａｌｏｎ”、　Ａｐｐ　１．　ＰｈｙＳ、
Ｌｅｔｔ、４６（１９８５）７０）。

この従来の非線形光学装置の動作を、第９図を用いて説
明する。

第９図は、従来の非線形光学装置のＧａＡｓ／ＡｊＡｓ
超格子のエネルギへバンド図である。

例えばＧａＡｓからなる幅ＬＷＩの量子井戸２１どＡｊ
Ａｓからなるバリア２２とが交互に積層され、超格子構
造を形成している。いま、量子井戸２１の励起子準位近
傍の波長λの被動作光を入射して、共振条件ｍλ／２＝
ｎＬが成り立つようにすると、被動作光に対するＧ　ａ
　Ａ　Ｓ　／　Ａ　Ｆ　Ａ　Ｓ超格子の吸収率は極めて
小さくなり、被動作光は非線形光学装置を透過すること
になる。ここでｎは超格子の屈折率、■−は超格子の層
厚、ｍは整数であり、更にλは励起子の吸収ピークより
少Ｉ７ずれた波長である。

次いで、ｉ子弁戸２１に自由電子又は励起子を励起する
ような励起子の吸収ピークに合った波長の動作光を照射
すると、クーロン相互作用が自由電子によって遮蔽され
るため或いは動作光によって励起された励起子の存在の
ために励起子の形成が阻害されて、ＧａＡｓ／ＡｊＡｓ
超格子の屈折率が変化する。従って、共振条件が成り立
たなくなって被動作光の透過率が低減し、その結果、被
動作光は非線形光字装置を透過し敷くなる。

なお被動作光を、非共振条件（ｍ＋１）λ／２ｎＬに選
び、動作光を照射することによって透過率の増加を図る
ようにする動作も可能である６しかし上記従来の非線形
光学装置においては、パルス幅］、０Ｏｆｓ（フェム１
−秒）の動作光パルスを照射した場合、光透過率が低下
するのに要する時間はｌｐｓ＜ピコ秒）以下程度と十分
に速いが、光透過率が回復するのに要する時間は非電に
長くなる。従って、このときの被動作光の透過率の時間
的変化を示すと、第１０図のグラフのようになる。即ち
、この光透過率の回復の遅延は、超格子中の自由電子或
いは励起その緩和時間によって制限されるためであり、
従ってこの非線形光７装！は高周波追従性を有すること
が妨げられる結果となる。

かかる問題を解決するために、幅の興なる量子井戸を交
互に形成した超格子構造を含む光共＠数補遺が提案され
ている（特願平１−１２６２３９号（平成元年５月１９
日出１１）？照）。

この提案された非線形光学装置の超格子構造のエネルギ
ーバンド図を第１１図に示す。

即ち、ＡｊＡｓからなるバリア２２を間に挟んで、Ｇａ
Ａｓからなる幅ＬＷＩの量子井戸２１と幅ＬＷ１より広
いＱＬＷ２を有する量子井戸２３とが交互に形成されて
いる。動作光照射による狭い幅り、１の量子井戸２１の
励起子の励起或いは自由電子の励起による超格子層の屈
折率の変化は、従来と同様に極めて高速である。また、
励起された自由電子はｆｔａ　Ｌ　−ｒの量子井戸２１
からより量子準位の低い＠Ｌ　Ｗ２の量子井戸２３ヘト
ンネルによって移送するため、超格子層の屈折率の飴状
態体への回復が極めて速い。

従って、励起子共鳴波長の動作光を照射した場合の被動
作光の透過率の時間的変化を示すと、第１２図（ａ）の
グラフのようになる。即ち透過率は急激に減少すると共
に、また再び急速に回復している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記提案された非線形光学装置においては
、バリア層をトンネルする時間より広い井戸における再
結合緩和時間が２桁以上長いため、動作光又は被動作光
の光パルスのピーク強度を強くしていった場合、幅の広
い量子井戸２３ヘトンネルした電子又は正孔が状態密度
を占有し、擬フエルミ準位が狭い量子井戸２１の励起子
準位と同程度になってしまうため、もはやトンネルでき
なくなり、第１２図（ｂ）に示されるように、始状態へ
の回復が例えば数ナノ秒〜数十ナノ秒程度と大きく遅れ
ることになる。

従って光パルスの時間間隔が短くなっていった場合、図
中の破線で示されるように、透過率の飴状態への回復を
待たずに、次の光パルスがやってくることになり、透過
率変化の差が減少するという問題があった。

そこで本発明は、ピーク強度の強い動作光又は被動作光
に対しても、自由電子又は励起子の励起による超格子層
の屈折率の変化を高速で行なうと共に、励起された自由
電子を高速移送して超格子層の屈折率の始状態への回復
を早くする高速動作ができ、従って超短時間の光パルス
列に対しても応答することができる高周波応答特性に優
れた光半導体装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は、入射した光により２次元励起子が励起され
る第１の量子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挾むバ
リア層と、前記バリア層を介して前記第１の量子井戸層
に隣接する第２の量子井戸層とが周期的に形成されてい
る超格子構造を有する光半導体装置において、前記第２
の量子井戸層が互いにヘテロ接合する第１及び第２の半
導体層を有すると共に、前記第１の半導体層の伝導帯の
下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位
置するブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成し、前記
第１の半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井戸層
の電子基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第２
の半導体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正
孔基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第１の半
導体層の電子基底準位が前記第２の半導体層の正孔基底
準位と同準位、もしくは伝導帯と価電子帯が重なり、前
記第１の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞ
れ前記バリア層をトンネルして前記第２の量子井戸層に
移送されて、前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体
層と前記第２の半導体層とのブロークンギャップ型ヘテ
ロ界面において再結合することを特徴とする光半導体装
置によって達成される。

［作　用］ 本発明によれば、被動作光によって２次元励起子が形成
される第１の量子井戸層とバリア層を介して形成されて
いる第２の量子井戸層がブロークンギャップ型ヘテロ構
造を有しているため、第１の量子井戸層の量子準位から
電子又は正孔がバリア層をトンネルしてそれぞれ第２の
量子井戸層の第１又は第２の半導体層の量子準位へエネ
ルギー緩和り２、それら第１及び第２の半導体層のブロ
ークンギャップ型ヘテロ界面て′再結合する。

即ち、このブロークンギャップ型ヘテロ界面では電子ど
軽い正孔とが波動関数的に繋がっている７′：：め、電
子と正孔との再結合が極めて早く、従って第１の量子井
戸層から第２の量子井戸層へトンネルしてきた電子及び
正孔は瞬時に再結合することができる。

これにより、エネルギーの高い励起子準位を形成する第
１の量子井戸層における透過率の始状態への回復は、基
本的に電子又は正孔がバリア層をトンネルする時間と第
２の井戸層でのエネルギー緩和時間とに主に規定される
ことになり、低励起状態のみならず高励起状態下におい
ても、また超短時間パルス列に対ｌ−ても、第２の量子
井戸層での再結合時間による律速を大幅に改善すること
ができる。

［実施例］ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例による非線形光学装置を示す
断面図である。

被動作光によって２次元励起子が形成される厚さ４０人
のＩ　ｎ＋−ｘ　Ｇａｘ　Ａｓ＋−Ｙ　Ｓｂｙ　（Ｘ＝
ｙ＝０．５）量子井戸層１と、このＩ　ｎＧａＡｓ５ｂ
量子井戸層１を挟んで設けられている厚さ２５ＡのＡｊ
Ｓｂバリア層２と、このＡＩ！Ｓｂバリア層２を介して
Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｓｂ量子井戸層１に隣接するＩｎＡｓ
／ＧａＳｂ量子井戸層３とを１周期として８０周期積層
され、超格子構造を形成している。

そしてＩｎＡｓ／Ｇａ５ｂＪｉＬ子井戸層３においては
、厚さ１００ＡのＩ　ｎＡｓＡｓＦ３さ８０へのＧａＳ
ｂ層５とが超格子の積層方向に積層されており、これら
ＩｎＡｓ層４及びＧａＳｂ層５は互いにブロークンギャ
ップ型ヘテロ接合している。

更に、この超格子の両端には、厚さ１００ＡのＩｎ１−
Ｚ　ＡＪ　Ｚ　Ｓｂ　（ｚ＝０゜５）キャップ層６を介
してＡｕからなる厚さ２００へのミラー層７が設けられ
ている。

次に、第１図の非線形光学装置における超格子構造のエ
ネルギーバンド図を、第２図に示す。

破線１ａに示されるＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ量
子井戸１の電子の第１Ｊ量子化準位Ｅｅｌは、Ｅｅｌ−
２２９ｒｎｅｖであり、破線４ａに示されるＩ　ｎＡｓ
／　Ｇ　ａ　Ｓ　ｂ量子井戸３におけるＩ　ｎＡｓＡｓ
Ｆ３子の第１量子化準位Ｅｅｌよりエネルギー的に大き
い、同様に、破線１ｂに示されるＩ　ｎＧａＡｓ５ｂ量
子井戸１の正孔の第１量子化準位Ｅｈｌは、Ｅｈｌ＝３
０ｍｅｖであり、破線５ｂに示されるＩｎＡｓ／ＧａＳ
ｂ量子井戸３におけるＧａｒｂ層５の正孔の第１量子化
準位Ｅｈｌよりエネルギー的に大きい。

そしてＩ　ｎ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ｓ　ｂ　ｊＬ量子
井戸３おけるＩｎＡｓ層４の電子の第１量子化準位Ｅｅ
ｌとＧａＳｂ層５の正孔の第１量子化準位Ｅｈｌとは、
そのブロークンギャップ型ヘテロ接合界面において、Ｅ
ｅｌ＝Ｅｈｌもしくは伝導帯ど価電子帯が重なった状態
になっている。即ち、このブロークンギャップ型ヘテロ
界面では、電子と軽い正孔とか波動関数的に繋がってい
る。

更に、図示しないが、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ
　［；子弁戸１の電子の第１量子化準位Ｅｅｌは、Ａｌ
１Ｓｂバリア層２の間接遷移バンド端よりもエネルギー
的に小さくなっている。

次に、第３図を用いて動作を説明する。

動作光の照射によってＩ　ｎＧａＡｓＳｂ量子井戸層１
に励起されていた電子及び止孔は、その動作光照射後、
破線１ａ、１ｂに示されるＩ　ｎＧａＡ　ｓ　Ｓ　ｂ　
Ｊｉ量子井戸層の量子準位Ｅｅｌ、Ｅｈｌから、ＡｊＳ
ｂバリア層２をトンネルし、それぞれ破線４ａ、５ｂに
示されるＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸層３のＩｎＡｓ層
４の電子の第ｉｌ量子化準位ＥｅｌｌびＧａｒｂ層５の
正孔の第１量子化準位Ｅｈｌへと工、ネルギー緩和して
いく。そしてＩ　ｎＡｓＡｓＦ３子の第１量子化準位Ｅ
ｅｌとＧａＳｂ層５の正孔の第１量子化準位Ｅｈｌとが
Ｅｅｌ＝Ｅｈｌとなっているブロークンギャップ型ヘテ
ロ界面で瞬時に再結合する。

従って、例えばパルス幅１００ｆｓで励起子共鳴波長の
動作光を照射した場合の被動作光の透過率の時間的変化
を示すと、第４図のグラフのようになる。

例えば平均パワー１０μＷ、１００ＭＨｚの低励起状態
においては、第４図（ａ）に示されるように、透過率は
急激に減少すると共にまた再び急速に回復している。こ
れは、上記第１２図に示した提案例と同様な高速応答特
性である。

そして例えば平均パワーＩＱｍＷ、１００ＭＨｚの高励
起条件においても、第４図（ｂ）に示されるように、低
励起状態と同様の高速応答を示すことができる。従って
第４図（ｂ）に破線で示すように、例えばΔｔ＝１０ｐ
ｓ程度の超短時間のパルス列に対しても、十分に飴状態
への回復を図ることができる。

このように本実施例によれば、被動作光によって２次元
励起子が形成されるＩｎＧａＡｓＳｂ量子井戸層１に隣
接して、ブロークンギャップ型ヘテロ接合するＩｎＡｓ
層４及びＧａＳｂ層５からなるＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子
井戸層３を形成していることにより、Ｉ　ｎＧａＡｓＳ
ｂ量子井戸層１に励起されていた電子及び正孔が、Ｉｎ
Ａｓ／Ｇａ５ｂ量子井戸層３にト量子用してＩｎＡｓ層
４とＧａＳｂ層５とのブロークンギャップ型ヘテロ界面
で瞬時に再結合するため、低励起状態においてのみなら
ず高励起条件においても超高速動作を行なうことができ
る。従って、超短時間のパルス列に対しても、十分に始
状態への回復を図ることができ、高速応答性を実現する
ことができる。

次に、第１図に示す非線形光学装置の製造方法を、第５
図を用いて説明する。

例えばＩｎＡｓ＜００１）基板８の上に、ＭＢＥ成長法
を用い、厚さ１００人のＩｎＡｊＳｂ？ｒヤップ層６を
介して、厚さ２５人のＡｊＳｂバリア層２、厚さ４０Ａ
のＩ　ｎＧａＡｓＳｂ量子井戸層１、厚さ２５ＡのＡｊ
ｌＳｂバリア層２、厚さ１００人のＩ　ｎ　Ａ　ｓ層４
、厚さ８０へのＧａｒｂ層５を順に積層する。そしてＡ
ｊＳ、ｂバリア層２、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ
量子井戸層１．ＡｊＳｂバリア層２、ＩｎＡｓ層４、及
びＧａＳｂ層５を１周期として８０周期繰り返して積層
し、超格子構造を形成する。このとき、互いにブローク
ンギャップ型ヘテロ接合しているＩｎＡｓ層４及びＧａ
ｒｂ層５は、ＡｊＳｂバリア層２に対してＩｎＡｓ／Ｇ
ａＳｂ量子井戸層３を形成している。

そして再び、厚さ１００人のＩｎＡｊＳｂキャップ層６
を形成した後、厚さ２００へのＡｕからなるミラー層７
を蒸着する（第５図（ａ）参照）。

更に裏面からＩ　ｎＡｓ基板８をエツチングにより除去
した後、ＩｎＡｊＳｂキャップ層６底面に２００へのミ
ラー層７を蒸着する（第５図（ｂ）参照）。

このようにして、ＡｊＳｂバリア層２を介して、Ｉ　ｎ
ＧａＡｓＳｂ量子井戸層１とブロークンギャップ型ヘテ
ロ接合するＩｎＡｓ層４及びＧａＳｂ層５からなるＩｎ
Ａｓ／ＧａＳｂ量子井戸層３とが隣接す゛る超格子の両
端にミラー層７を設けた光共振器を形成する。

次に、本発明の他の実施例について、第６図及び第７図
を用いて説明する。

第６図は本発明の他の実施例による非線形光学装置を示
す断面図、第７図（ａ）は第６図の非線形光学装置のＡ
−Ａ線断面における超格子構造のエネルギーバンド図、
第７図（ｂ）はＢ−Ｂ線断面における超格子構造のエネ
ルギーバンド図である。

厚さ２５ＡのＡｊｌＳｂバリア層２、厚さ４０人のＩ　
ｎＧａＡｓ　Ｓｂ量子井戸層１、厚さ２５へのＡＪＩＳ
ｂバリア層２、及び厚さ１００人のＩｎＡｓ　／　Ｇ　
ａ　Ｓ　ｂ量子井戸層１３を１周期とし８０周期積層さ
れ、超格子構造を形成している。そしてＩｎＡｓ／Ｇａ
Ｓｂ量子井戸層１３においては、超格子の積層方向と直
角な水平方向に幅１７４ＡのＩｎＡｓｎＡｓ層幅４７４
人のＧａｒｂ層１５とが周期的に形成され、互いにブロ
ークンギャップ型ヘテロ接合する量子細線となっている
。そしてこれら８０周期の超格子の両端は、ＩｎＡｊＳ
ｂキャップ層６を介してミラー層７が設けられ光弁振器
構造となっている。

即ち、上記第１図に示す非線形光学装置においては、Ａ
ｊ！ＳｂバリアＮ２を介してＩ　ｎＧａＡｓ５ｂ量子井
戸層１にｒ＃、接するＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸［３
の互いにブロークンギャップ型ヘテロ接合するＩ　ｎＡ
ｓ１４とＧａｒｂ層５とが、超格子の積層方向に沿って
積層され、ているのに対１２て、第６図に示される本実
施例による非線形光学装置の場合、ＡΩｓｂバリア層２
分介してＩｎＧａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ量子井戸層１に隣接
するＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸層１３の互いにブロー
クンギャップ型ヘテロ接合するＩ　ｎＡｓ層１４とＧａ
５ｈ層１５とは、量子細線として、超格子の積層方向と
直角な水平方向に周期的に形成されていることに特徴が
ある。

また、破線１４ａ、１５ｂに示されるＩｎＡｓ／　Ｇ　
ａ　Ｓ　ｂ量子井戸１３におけるＩｎＡｓｎＡｓ上電子
の第１量子化準位Ｅｅｌ及びＧａ５１〕層１５の正孔の
第１量子化準位Ｅｈｌは、それぞれ」−記第２図の破線
４ａ、５ｂに示されるＩ　ｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸３
におけるＩ　ｎＡ　ｓ層４の電子の第１ｆＬ子化準位Ｅ
ｅｌ及びＧ　ａ　Ｓ　ｂ　Ｎ５の正孔の第１ＪＬ子化準
位Ｅｈｌと同等である。

従って、上記第３図を用いて説明した動作と同様にして
、動作光の照射によってＩｎＧａＡｓＳｂ量子井戸層１
に励起された電子及び正孔は、破線１ａ、１ｂに示され
るＩ　ｎＧａＡｓ　Ｓｂ量子井戸層１の量子準位Ｅｅｌ
、Ｅｈｌから、ＡｊＳｂバリア層２をトンネルし、それ
ぞれ破線１４ａ、１５ｂに示されるＩ　ｎ　Ａ　ｓ　／
　Ｇ　ａ、　Ｓ　ｂ量子井戸層１３のＩｎＡｓｎＡｓ上
電子の第１量子化準位Ｅｅ１及びＧ　ａ　Ｓ　ｂ層１５
の正孔の第１量子化準位Ｅｈｌへとエネルギー緩和し、
そのブロークンギャップ型ヘテロ界面で瞬時に再結合す
る。

こうして、本実施例においても、上記第４図のグラフに
示される効果と同様の効果を奏することができる。

次に、第６図に示す非線形光学装置の製造方法を、第８
図を用いて説明する。

ＩｎＡｓ（００１）基板８表面を［１１０］方向に傾斜
角θ−０，５゛で傾斜させる。これにより、Ｉ　ｎ　Ａ
　ｓ基板８表面には段差ａ／２（ここで、ａは格子定数
とする。）及びスデップ長、０ζ３４７人力階段状の傾
斜面が形成される（第８図（ａ）参照）。

次いで、このＩ　ｎＡｓ基板８の傾斜面−Ｌに、ＭＢＥ
成長法を用いて、厚さ１００人のＩｎＡＪＩＳｂ−８ヤ
ソブ層６を介して、厚さ２５へのＡ、ｆ！Ｓｂバリア層
２、厚さ４０人のＩｎＧａＡｓＳｂ量子井戸層１、厚さ
２５人のＡｌＳｂバリア層２を・順に積層する。

続いて、ＡｊＳｂバリア層２上に、Ｉ　ｎ　Ａ　ｓ　、
／ＧａＳｂ量子井戸層１３を成長させる。このとき、Ｉ
ｎＡｓ基板８表面が０．５°傾斜しているために、１分
子層厚のステップ間隔は約３４７八となる。従って、ス
テップフローモードによって１７４人ごとにＩ　ｎＡｓ
層１４及びＧａＳｂ層１５層線５返し成長させることに
より、幅１７４人、厚さ１００人のＩ　ｎ　Ａ　ｓ層１
４からなる量子細線及びＧ　ａ　Ｓ　ｂ層１５からなる
量子細線を周期的に形成する。こうして、互いにプロー
クンギヤツブ型ペテロ接合しているＩｎＡｓｎＡｓ上Ｇ
ａ５ｂＪ＠１５とが量子細線どして周期的に配列された
厚さ１００人のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸層１３が形
成される。

なお、傾斜角やステップ炎内でのＩ　ｎ　Ａ　５層１４
とＧａＳｂ層１５層線５の比率は、これら２つの量子細
線の作るＩｎＡｓ／ＧａＳｂの量子化準位どＩ　ｎＧａ
Ａｓ　Ｓｂ量子井戸層１及びＡ、ｌｌＳｂバリア層２の
作るＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ　／　Ａ　ｊ　Ｓ
　ｂの量子化準位との兼ね合いで適当に選ぶことができ
る。

こうして、ＡｊＳｂバリア層２、Ｉ　ｎＧａＡｓ５ｂ量
子井戸層１、ＡＪＩＳｂバリアＮ２、及びＩｎＡｓｎＡ
ｓ上Ｇ　ａ　Ｓ　））層１５とが量子細線として周期的
に配列されたＩｎＡｓ／Ｇａ５ｂｊｉ子井戸層１３を１
周期として８０周期繰り返し積層１−５超格子ｔｌａ造
を形成する。そして再び、厚さ１００人のＩｎＡｊ！Ｓ
ｂキャップ層６を形成した後、厚さ２００人のＡｕから
なるミラー層７を蒸着するく第７図（−ｂ　）参照）。

更に、図示はしないが、裏面からＩｎＡｓ基板８をエツ
チングにより除去した後、ＩｎＡｊＳｂキャップ層６底
面に２００Ａのミラー層７を蒸着して、第５図に示すよ
うな先兵振器構造を形成する。

なお、上記２つの実施例においては、Ｉ　ｎＧａＡｓＳ
ｂ量子井戸層１の厚さは４０Ａであるが、この厚さは、
入射した光により２次元励起子が励起されると共に、Ｉ
ｎＧａＡｓＳｂ量子井戸１の電子の第１量子化準位Ｅｅ
ｌ及び正孔の第１量子化準位ＥｈｌがそれぞれＩｎＡｓ
／ＧａＳｂ量子井戸３．１３におけるＩ　ｎＡｓ層４．
１４の電子の第１量子化準位Ｅｅｌ及びＧａＳｂ層５．
１５の正孔の第１量子化準位Ｅｈｌよりエネルギー的に
大きく、またＩｎＧａＡｓＳｂ量子井戸１の電子の第１
量子化準位ＥｅｌがＡｊＳｂバリア層２の間接遷移バン
ド端よりもエネルギー的に小さくなるように選ばれてい
ればよい。

また、ブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成する２つ
の半導体層の材料としてはＩｎＡｓ／ＧａＳｂの組合せ
を用いたが、これら以外にも例えばＩ　ｎＡｓ／ＧａＡ
ｓ１−ｘ　Ｓｂｘを用いてもよい。

このときの超格子構造を製造する際にはＩｎＡｓ基板を
用いる。また、Ｉ　ｎ　Ａ　ｓ　１−ｖ　Ｓ　ｂ　Ｙ　
／　Ｇ　ａｓｂであってもよい。このときには、ＧａＳ
ｂ基板を用いる。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、入射した光により２次元
励起子が励起される第１の量子井戸層にバリア層を介し
て第２の量子井戸層が隣接され、この第２の量子井戸層
が互いにブロークンギャップ型ヘテロヘテロ接合する第
１及び第２の半導体層を有していることにより、第１の
量子井戸層に励起される電子及び正孔がそれぞれバリア
層をトンネルして第２の量子井戸層に移送されて、その
第１の半導体層と第２の半導体層とのブロークンギャッ
プ型ヘテロ界面において瞬時に再結合するため、低励起
状態のみならず高励起状態下においても、自由電子又は
励起子の励起による超格子層の屈折率の変化を高速で行
なうと共に、励起された自由電子を高速移送して超格子
層の屈折率の始状態への回復を早くすることができる。

これにより、ピーク強度の強い動作光又は被動作光に対
しても高速動作することができ、従って超短時間パルス
列に対しても応答することができる高周波応答特性を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による非線形光学装置を示す
断面図、 第２図は第１図の非線形光学装置のエネルギーバンド図
、 第３図は第１図の非線形光学装置の動作を説明するため
の図、 第４図は第１図の非線形光学装置の動作特性を示すグラ
フ、 第５図は第１図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第６図は本発明の他の実施例によるによる非線形光学装
置を示す断面図、 第７図は第６図の非線形光学装置のエネルギーバンド図
、 第８図は第６図の非線形光学装置の製造方法を示す図、 第９図は従来の非線形光学装置のエネルギーバンド図、 第１０図は第９図の非線形光学装置の動作特性を示すグ
ラフ、 第１１図は従来の非線形光字装置のエネルギーバンド図
、 第１２図は第１１図の非線形光学装置の動作特性を示す
グラフである。 図において、 １・・・・・・Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｓ　ｂ量子井
戸層、２・・・・・・ＡｊＳｂバリア層、 ３．１３・・−−−−１ｎＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸層、
４．１４”−・ＩｎＡｓ層、 ５．１５・−−−−−ＧａＳｂ層、 ６・・・・・・■ ｎＡＪＩ ｓｂキャップ層、 ７・・・・・・ミラー層、 ８・・・・・・　■ ｎＡｓ基板、 ２１． ２３・・・・・・量子井戸、 ２２・・・・・・バリア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入射した光により２次元励起子が励起される第１の
   量子井戸層と、前記第１の量子井戸層を挟むバリア層と
   、前記バリア層を介して前記第１の量子井戸層に隣接す
   る第２の量子井戸層とが周期的に形成されている超格子
   構造を有する光半導体装置において、 前記第２の量子井戸層が互いにヘテロ接合する第１及び
   第２の半導体層を有すると共に、前記第１の半導体層の
   伝導帯の下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端よ
   り下に位置するブロークンギャップ型ヘテロ構造を形成
   し、 前記第１の半導体層の電子基底準位が前記第１の量子井
   戸層の電子基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記
   第２の半導体層の正孔基底準位が前記第１の量子井戸層
   の正孔基底準位よりエネルギー的に低く、かつ前記第１
   の半導体層の電子基底準位が前記第２の半導体層の正孔
   基底準位と同準位、もしくは伝導帯と価電子帯が重なり
   、前記第１の量子井戸層に励起される電子及び正孔がそ
   れぞれ前記バリア層をトンネルして前記第２の量子井戸
   層に移送されて、前記第２の量子井戸層の前記第１の半
   導体層と前記第２の半導体層とのブロークンギャップ型
   ヘテロ界面において再結合する ことを特徴とする光半導体装置。 ２、請求項１記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
   の半導体層とが、前記第１の量子井戸層及び前記バリア
   層の積層方向に積層されていることを特徴とする光半導
   体装置。 ３、請求項１記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の前記第１の半導体層と前記第２
   の半導体層とが、前記第１の量子井戸層及び前記バリア
   層の積層方向に対して水平方向に周期的に形成されてい
   る ことを特徴とする光半導体装置。 ４、請求項３記載の装置において、 前記第２の量子井戸層の周期的に形成されている前記第
   １の半導体層と前記第２の半導体層とが、それぞれ量子
   細線である ことを特徴とする光半導体装置。 ５、請求項１乃至４記載のいずれかの装置において、 前記第１の量子井戸層と、前記バリア層と、前記第１及
   び第２の半導体層を有する前記第２の量子井戸層とが周
   期的に形成されている超格子の両側に、光学的鏡が設け
   られている ことを特徴とする光半導体装置。 ６、基板上に、第１のバリア層を介して、入射した光に
   より２次元励起子が励起される第１の量子井戸層を形成
   し、 前記第１の量子井戸層上に、第２のバリア層を形成し、 前記第２のバリア層上に、電子基底準位が前記第１の量
   子井戸層の電子基底準位よりエネルギー的に低い第１の
   半導体層と、正孔基底準位が前記第１の量子井戸層の正
   孔基底準位よりエネルギー的に低い第２の半導体層とを
   積層させることにより、前記第１の半導体層の伝導帯の
   下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下に位
   置するようにブロークンギャップ型ヘテロ接合している
   前記第１及び第２の半導体層からなる第２の量子井戸を
   形成し、 前記第１のバリア層、前記第１の量子井戸層、前記第２
   のバリア層、並びに積層された前記第１及び第２の半導
   体層を有する前記第２の量子井戸層を１周期として繰り
   返し積層することにより、超格子を形成し、 前記超格子上面に光学的鏡を設け、 前記基板をエッチング除去した後、前記超格子底面に光
   学的鏡を設ける ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 ７、表面を所定の角度に傾斜させた基板上に、第１のバ
   リア層を介して、入射した光により２次元励起子が励起
   される第１の量子井戸層を形成し、前記第１の量子井戸
   層上に、第２のバリア層を形成し、 前記第２のバリア層の傾斜した表面上に、電子基底準位
   が前記第１の量子井戸層の電子基底準位よりエネルギー
   的に低い第１の半導体層と、正孔基底準位が前記第１の
   量子井戸層の正孔基底準位よりエネルギー的に低い第２
   の半導体層とを、ステップフローモードによつて前記第
   １の量子井戸層及び前記バリア層の積層方向に対して水
   平方向に周期的に成長させ、前記第１の半導体層の伝導
   帯の下端が前記第２の半導体層の価電子帯の上端より下
   に位置するようにブロークンギャップ型ヘテロ接合して
   いる前記第１及び第２の半導体層の周期構造を有する第
   ２の量子井戸を形成し、前記第１のバリア層、前記第１
   の量子井戸層、前記第２のバリア層、並びに周期的に形
   成された前記第１及び第２の半導体層を有する前記第２
   の量子井戸層を１周期として繰り返し積層することによ
   り、超格子を形成し、 前記超格子上面に光学的鏡を設け、 前記基板をエッチング除去した後、露出した前記超格子
   底面に光学的鏡を設ける ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。