JPH05275812A - 半導体光変調素子 - Google Patents
半導体光変調素子Info
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- JPH05275812A JPH05275812A JP10068192A JP10068192A JPH05275812A JP H05275812 A JPH05275812 A JP H05275812A JP 10068192 A JP10068192 A JP 10068192A JP 10068192 A JP10068192 A JP 10068192A JP H05275812 A JPH05275812 A JP H05275812A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】量子井戸構造を用いて実際の光システム応用を
可能とした半導体光変調素子を提供することを目的とす
る。 【構成】ｎ型ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ系多重量子井戸構造２が形成され、この上にスト
ライプ状パターンをもってｐ型ＩｎＰ層３が形成され、
このｐ型ＩｎＰ層３が交差部に位置するようにｎ型Ｉｎ
Ｐ層による交差型導波路４が形成された光スイッチ素子
であって、多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層２
１に引っ張り歪み、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２に圧縮歪
みを与えて、波長シフトがなく、かつ偏波面依存性のな
い光スイッチングを可能としている。
可能とした半導体光変調素子を提供することを目的とす
る。 【構成】ｎ型ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ系多重量子井戸構造２が形成され、この上にスト
ライプ状パターンをもってｐ型ＩｎＰ層３が形成され、
このｐ型ＩｎＰ層３が交差部に位置するようにｎ型Ｉｎ
Ｐ層による交差型導波路４が形成された光スイッチ素子
であって、多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層２
１に引っ張り歪み、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２に圧縮歪
みを与えて、波長シフトがなく、かつ偏波面依存性のな
い光スイッチングを可能としている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、量子井戸構造を利用し
た半導体光変調素子に関する。
た半導体光変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体光変調素子として、量子井戸構造
を利用したものが提案されている。これは、量子井戸構
造に電界を印加することにより屈折率が変化する現象
（いわゆる電界印加効果）を利用する。この現象を利用
することにより、超小型で超高速動作可能な光スイッチ
素子等を作ることができる。しかしながら現在までのと
ころ、この量子井戸の電界印加効果を用いた光スイッチ
素子は実際のシステムに利用されるまでに至っていな
い。その一つの理由は、特性が入射光の偏波面に大きく
依存することにある。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系
の量子井戸構造では、ＴＥモードでの電界屈折率変化が
ＴＭモードでのそれより約２倍大きい。
を利用したものが提案されている。これは、量子井戸構
造に電界を印加することにより屈折率が変化する現象
（いわゆる電界印加効果）を利用する。この現象を利用
することにより、超小型で超高速動作可能な光スイッチ
素子等を作ることができる。しかしながら現在までのと
ころ、この量子井戸の電界印加効果を用いた光スイッチ
素子は実際のシステムに利用されるまでに至っていな
い。その一つの理由は、特性が入射光の偏波面に大きく
依存することにある。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系
の量子井戸構造では、ＴＥモードでの電界屈折率変化が
ＴＭモードでのそれより約２倍大きい。
【０００３】量子井戸構造では良く知られているよう
に、部分的に縮退が解けて軽い正孔帯と重い正孔帯の分
離が生じる。ＴＥモードに関する屈折率変化は重い正孔
帯と伝導帯間の遷移に対応し、ＴＭモードに関する屈折
率変化は軽い正孔帯と伝導帯間の遷移に対応するが、軽
い正孔帯と重い正孔帯のエネルギー準位が異なるため
に、上述のようなＴＥモードとＴＭモードでの屈折率変
化に差が生じるのである。
に、部分的に縮退が解けて軽い正孔帯と重い正孔帯の分
離が生じる。ＴＥモードに関する屈折率変化は重い正孔
帯と伝導帯間の遷移に対応し、ＴＭモードに関する屈折
率変化は軽い正孔帯と伝導帯間の遷移に対応するが、軽
い正孔帯と重い正孔帯のエネルギー準位が異なるため
に、上述のようなＴＥモードとＴＭモードでの屈折率変
化に差が生じるのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上のように量子井戸
構造を利用した光スイッチ素子は、偏波面依存性が大き
いために、実際のシステムへの応用が難しいという問題
があった。本発明はこの様な事情を考慮してなされたも
ので、実際の光システム応用を可能とする量子井戸構造
を用いた光変調素子を提供することを目的とする。
構造を利用した光スイッチ素子は、偏波面依存性が大き
いために、実際のシステムへの応用が難しいという問題
があった。本発明はこの様な事情を考慮してなされたも
ので、実際の光システム応用を可能とする量子井戸構造
を用いた光変調素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板に
多重量子井戸構造が形成され、かつこの多重量子井戸構
造の電界屈折率変化効果により導波特性が制御される導
波路が形成された半導体光変調素子において、多重量子
井戸構造が井戸層に歪みがあたえられた状態で井戸層と
障壁層が交互に積層された、所謂歪み多重量子井戸構造
を有することを基本とする。このような基本構造におい
て本発明は、無歪み状態で多重量子井戸が所望の組成波
長を得るに必要な格子定数を持つ組成に対して、井戸層
と障壁層の一方に引っ張り歪みが入り、他方に圧縮歪み
が入る組成が与えられていることを特徴とする。
多重量子井戸構造が形成され、かつこの多重量子井戸構
造の電界屈折率変化効果により導波特性が制御される導
波路が形成された半導体光変調素子において、多重量子
井戸構造が井戸層に歪みがあたえられた状態で井戸層と
障壁層が交互に積層された、所謂歪み多重量子井戸構造
を有することを基本とする。このような基本構造におい
て本発明は、無歪み状態で多重量子井戸が所望の組成波
長を得るに必要な格子定数を持つ組成に対して、井戸層
と障壁層の一方に引っ張り歪みが入り、他方に圧縮歪み
が入る組成が与えられていることを特徴とする。
【０００６】
【作用】多重量子井戸構造の井戸層を障壁層に対して意
図的に格子不整合させることにより歪みを導入すると、
軽い正孔帯と重い正孔帯のエネルギー準位が歪みに応じ
てシフトする。例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の多重量
子井戸構造では、井戸層となるＩｎＧａＡｓ層に引っ張
り歪みが加わるように結晶成長時に僅かの格子不整合を
導入すると、ＴＥモードでの電界屈折率変化に寄与する
軽い正孔帯とＴＭモードでの電界屈折率変化に寄与する
重い正孔帯のエネルギー準位を等しくすることができ
る。この様な歪み多重量子井戸構造と導波路とを組み合
わせることにより、入射光の偏波面に依存しない光スイ
ッチ素子が得られる。
図的に格子不整合させることにより歪みを導入すると、
軽い正孔帯と重い正孔帯のエネルギー準位が歪みに応じ
てシフトする。例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の多重量
子井戸構造では、井戸層となるＩｎＧａＡｓ層に引っ張
り歪みが加わるように結晶成長時に僅かの格子不整合を
導入すると、ＴＥモードでの電界屈折率変化に寄与する
軽い正孔帯とＴＭモードでの電界屈折率変化に寄与する
重い正孔帯のエネルギー準位を等しくすることができ
る。この様な歪み多重量子井戸構造と導波路とを組み合
わせることにより、入射光の偏波面に依存しない光スイ
ッチ素子が得られる。
【０００７】ところで、バルクの組成波長が１．６５μ
m であるＩｎＧａＡｓを井戸層とし、ＩｎＰを障壁層と
するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重量子井戸を用いる場合、
光通信に利用される１．５５μm 波長帯を得るために
は、ＩｎＧａＡｓ井戸層の厚みを８〜１０nm程度に薄く
しなければならない。このような薄いＩｎＧａＡｓ井戸
層に、そのＩｎ組成比を減らして引っ張り歪みを導入す
ると、組成波長は１．５５μm より更に短波長側にシフ
トしてしまう。ＩｎＧａＡｓ井戸層を厚くすれば、波長
は長波長側に動くが、これを例えば３０nm以上に厚くす
ると、量子閉じ込め効果がなくなってしまう。更に歪み
を導入した層をある臨界厚み以上に厚くすると、結晶性
も劣化する。そこで本発明では、井戸層のみの組成選択
により必要な引っ張り歪みを導入する代わりに例えば、
井戸層にはＩｎＧａＡｓ、障壁層にはＩｎＧａＡｓＰを
用いて、井戸層には引っ張り歪みが入り、障壁層には圧
縮歪みが入るように、それぞれの組成を選択する。これ
により、結果的に大きな波長シフトを伴うことなく、井
戸層に実効的に大きな引っ張り歪みを導入することがで
きる。
m であるＩｎＧａＡｓを井戸層とし、ＩｎＰを障壁層と
するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重量子井戸を用いる場合、
光通信に利用される１．５５μm 波長帯を得るために
は、ＩｎＧａＡｓ井戸層の厚みを８〜１０nm程度に薄く
しなければならない。このような薄いＩｎＧａＡｓ井戸
層に、そのＩｎ組成比を減らして引っ張り歪みを導入す
ると、組成波長は１．５５μm より更に短波長側にシフ
トしてしまう。ＩｎＧａＡｓ井戸層を厚くすれば、波長
は長波長側に動くが、これを例えば３０nm以上に厚くす
ると、量子閉じ込め効果がなくなってしまう。更に歪み
を導入した層をある臨界厚み以上に厚くすると、結晶性
も劣化する。そこで本発明では、井戸層のみの組成選択
により必要な引っ張り歪みを導入する代わりに例えば、
井戸層にはＩｎＧａＡｓ、障壁層にはＩｎＧａＡｓＰを
用いて、井戸層には引っ張り歪みが入り、障壁層には圧
縮歪みが入るように、それぞれの組成を選択する。これ
により、結果的に大きな波長シフトを伴うことなく、井
戸層に実効的に大きな引っ張り歪みを導入することがで
きる。
【０００８】一方、同じＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系多重量
子井戸構造の井戸層に圧縮歪みを導入すると、ＴＥモー
ドとＴＭモードでの電界屈折率変化の差を一層大きくす
ることができる。この様に偏波面依存性を積極的に大き
くした歪み多重量子井戸構造をやはり導波路と組み合わ
せると、入射光から特定の直線偏光光を取り出すモード
フィルタとして用いることができる。この場合にも、井
戸層のみの組成選択により必要な圧縮歪みを導入する代
わりに、井戸層にはＩｎＧａＡｓ、障壁層にはＩｎＧａ
ＡｓＰを用いて、井戸層には圧縮歪みが入り、障壁層に
は引っ張り歪みが入るようにそれぞれの組成を選択す
る。これにより、結果的に大きな波長シフトを伴うこと
なく、井戸層に実効的に大きな圧縮歪みを導入すること
ができる。
子井戸構造の井戸層に圧縮歪みを導入すると、ＴＥモー
ドとＴＭモードでの電界屈折率変化の差を一層大きくす
ることができる。この様に偏波面依存性を積極的に大き
くした歪み多重量子井戸構造をやはり導波路と組み合わ
せると、入射光から特定の直線偏光光を取り出すモード
フィルタとして用いることができる。この場合にも、井
戸層のみの組成選択により必要な圧縮歪みを導入する代
わりに、井戸層にはＩｎＧａＡｓ、障壁層にはＩｎＧａ
ＡｓＰを用いて、井戸層には圧縮歪みが入り、障壁層に
は引っ張り歪みが入るようにそれぞれの組成を選択す
る。これにより、結果的に大きな波長シフトを伴うこと
なく、井戸層に実効的に大きな圧縮歪みを導入すること
ができる。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る光スイッチ
素子の平面図であり、図２はそのＡ―Ａ′断面図であ
る。この光スイッチ素子は、多重量子井戸構造と交差型
（Ｘ型）導波路を組み合わせたもので、ｎ型ＩｎＰ基板
１、この上に形成された歪み多重量子井戸構造２、この
多重量子井戸構造２上にストライプ状パターンをもって
形成されたｐ型ＩｎＰ層３、このｐ型ＩｎＰ層３が交差
部に位置するようにｎ型ＩｎＰ層により形成された交差
型導波路４を有する。多重量子井戸構造２は、ノンドー
プ（ｉ型）とする。ｐ型ＩｎＰ層３および導波路４がパ
ターン形成された側の面は、ＳｉＯ2 膜５により覆われ
ている。このＳｉＯ2 膜５にはコンタクト窓が開けられ
て、ｐ型ＩｎＰ層３にコンタクトするｐ側電極６が形成
されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にはｎ側電極７が
形成されている。
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る光スイッチ
素子の平面図であり、図２はそのＡ―Ａ′断面図であ
る。この光スイッチ素子は、多重量子井戸構造と交差型
（Ｘ型）導波路を組み合わせたもので、ｎ型ＩｎＰ基板
１、この上に形成された歪み多重量子井戸構造２、この
多重量子井戸構造２上にストライプ状パターンをもって
形成されたｐ型ＩｎＰ層３、このｐ型ＩｎＰ層３が交差
部に位置するようにｎ型ＩｎＰ層により形成された交差
型導波路４を有する。多重量子井戸構造２は、ノンドー
プ（ｉ型）とする。ｐ型ＩｎＰ層３および導波路４がパ
ターン形成された側の面は、ＳｉＯ2 膜５により覆われ
ている。このＳｉＯ2 膜５にはコンタクト窓が開けられ
て、ｐ型ＩｎＰ層３にコンタクトするｐ側電極６が形成
されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にはｎ側電極７が
形成されている。
【００１０】歪み多重量子井戸構造２は、厚さ１０nm〜
１５nmのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ＜１）井戸層２１
と、厚さ１０nm〜１５nmのＩｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z
（０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１）障壁層２２が交互に、３０
〜４０周期積層形成されたものである。図２にはその積
層構造の拡大図が示してある。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸
層２１は、バンドギャップエネルギーが１．０３〜０．
７５ｅＶであり、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２
２はバンドギャップエネルギーが１．２４ｅＶである。
以下の説明では簡単に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１
をＩｎＧａＡｓ井戸層２１と表し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ
z Ｐ1-z 障壁層２２をＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２と表す
ことにする。
１５nmのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ＜１）井戸層２１
と、厚さ１０nm〜１５nmのＩｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z
（０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１）障壁層２２が交互に、３０
〜４０周期積層形成されたものである。図２にはその積
層構造の拡大図が示してある。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸
層２１は、バンドギャップエネルギーが１．０３〜０．
７５ｅＶであり、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２
２はバンドギャップエネルギーが１．２４ｅＶである。
以下の説明では簡単に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１
をＩｎＧａＡｓ井戸層２１と表し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ
z Ｐ1-z 障壁層２２をＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２と表す
ことにする。
【００１１】多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層
２１は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、−０．
２〜−０．５％ずれるように、組成比が設定されてい
る。これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１には引っ張り
歪みが与えられた状態となる。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
２は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、＋０．２
〜＋０．５％ずれるように、組成比が設定されている。
これにより、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層層２１には圧縮歪み
が与えられた状態となる。
２１は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、−０．
２〜−０．５％ずれるように、組成比が設定されてい
る。これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１には引っ張り
歪みが与えられた状態となる。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
２は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、＋０．２
〜＋０．５％ずれるように、組成比が設定されている。
これにより、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層層２１には圧縮歪み
が与えられた状態となる。
【００１２】図３(a) 〜(e) は、この実施例の光スイッ
チ素子の製造工程を、図２の断面について示している。
ｎ型ＩｎＰ基板１に、例えばＭＢＥ法を利用して、Ｉｎ
ＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層が交互に積層さ
れた多重量子井戸構造２をエピタキシャル成長させ、引
続きその上にｐ型ＩｎＰ層３をエピタキシャル成長させ
る（(a) ）。このとき前述のようにＩｎＧａＡｓ井戸層
には引っ張り歪みが導入され、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層に
は圧縮歪みが導入されるように、それぞれの組成が選択
される。次にｐ型ＩｎＰ層３を例えばＳｉＯ2 マスクを
用いて選択エッチングして、これをストライプ状パター
ンに残す（(b) ）。次に、ｐ型ＩｎＰ層３の周囲に、導
波路として用いられるｎ型ＩｎＰ層４0 を、表面が平坦
になるように成長する（(c) ）。このｎ型ＩｎＰ層４0
の成長工程は例えば、ｐ型ＩｎＰ層３の表面に選択エッ
チングの際に用いたＳｉＯ2 等のマスクが形成された状
態で、露出している多重量子井戸構造２上に選択エピタ
キシャル成長を行えばよい。その後、ｎ型ＩｎＰ層４0
を選択エッチングして、図１に示すパターンの交差型導
波路４を形成する（(d) ）。最後に、表面をＳｉＯ2膜
５で覆い、ｐ型ＩｎＰ層３上にコンタクト孔を開けてｐ
側電極６を形成し、基板裏面にはｎ側電極７を形成する
（(e) ）。
チ素子の製造工程を、図２の断面について示している。
ｎ型ＩｎＰ基板１に、例えばＭＢＥ法を利用して、Ｉｎ
ＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層が交互に積層さ
れた多重量子井戸構造２をエピタキシャル成長させ、引
続きその上にｐ型ＩｎＰ層３をエピタキシャル成長させ
る（(a) ）。このとき前述のようにＩｎＧａＡｓ井戸層
には引っ張り歪みが導入され、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層に
は圧縮歪みが導入されるように、それぞれの組成が選択
される。次にｐ型ＩｎＰ層３を例えばＳｉＯ2 マスクを
用いて選択エッチングして、これをストライプ状パター
ンに残す（(b) ）。次に、ｐ型ＩｎＰ層３の周囲に、導
波路として用いられるｎ型ＩｎＰ層４0 を、表面が平坦
になるように成長する（(c) ）。このｎ型ＩｎＰ層４0
の成長工程は例えば、ｐ型ＩｎＰ層３の表面に選択エッ
チングの際に用いたＳｉＯ2 等のマスクが形成された状
態で、露出している多重量子井戸構造２上に選択エピタ
キシャル成長を行えばよい。その後、ｎ型ＩｎＰ層４0
を選択エッチングして、図１に示すパターンの交差型導
波路４を形成する（(d) ）。最後に、表面をＳｉＯ2膜
５で覆い、ｐ型ＩｎＰ層３上にコンタクト孔を開けてｐ
側電極６を形成し、基板裏面にはｎ側電極７を形成する
（(e) ）。
【００１３】この実施例の素子では、ｐ側電極６とｎ側
電極７間に所定のバイアス電圧を印加することにより、
多重量子井戸構造２での電界屈折率変化によって光スイ
ッチングが行われる。そしてこの実施例の場合、多重量
子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層に引っ張り歪みが与
えられている結果、この多重量子井戸構造２ではＴＥモ
ードの電界屈折率変化に影響する重い正孔帯とＴＭモー
ドの電界屈折率変化に影響する軽い正孔帯のエネルギー
レベルが同じになっている。これにより、入射光の偏波
面に依存しない光スイッチングができる。またこの実施
例の場合、井戸層の格子定数をＩｎＰのそれから大きく
ずらすことなく、井戸層と障壁層の格子定数をＩｎＰに
対して互いに逆方向に少しずつずらすことによって、相
対的に井戸層に大きな引っ張り歪みを導入しているか
ら、井戸層のみの組成を大きく変化させた場合と異な
り、波長シフトが小さい。すなわち長波長光通信用の
１．５５μm 帯での使用ができる。
電極７間に所定のバイアス電圧を印加することにより、
多重量子井戸構造２での電界屈折率変化によって光スイ
ッチングが行われる。そしてこの実施例の場合、多重量
子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層に引っ張り歪みが与
えられている結果、この多重量子井戸構造２ではＴＥモ
ードの電界屈折率変化に影響する重い正孔帯とＴＭモー
ドの電界屈折率変化に影響する軽い正孔帯のエネルギー
レベルが同じになっている。これにより、入射光の偏波
面に依存しない光スイッチングができる。またこの実施
例の場合、井戸層の格子定数をＩｎＰのそれから大きく
ずらすことなく、井戸層と障壁層の格子定数をＩｎＰに
対して互いに逆方向に少しずつずらすことによって、相
対的に井戸層に大きな引っ張り歪みを導入しているか
ら、井戸層のみの組成を大きく変化させた場合と異な
り、波長シフトが小さい。すなわち長波長光通信用の
１．５５μm 帯での使用ができる。
【００１４】次に本発明をモードフィルタに適用した実
施例を説明する。素子の基本構成は、上記実施例と同様
であるので図は省略する。モードフィルタの場合には、
上記実施例と逆に、多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ
井戸層２１に圧縮歪みを導入し、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２に引っ張り歪みを導入する。これも先の実施例と同
様に、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１，ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２の組成比を選んで、それらの格子定数をそれぞれＩ
ｎＰのそれに比べて正方向，負方向にずらすことにより
可能である。この様にすると、多重量子井戸構造の重い
正孔帯と軽い正孔帯のエネルギーレベルは、無歪の場合
に比べてより分離する。その結果、ＴＥモードの電界屈
折率変化とＴＭモードの電界屈折率変化の差がより大き
くなる。したがって所定の電界を印加した状態で例え
ば、ある端子からの入射自然光から特定の直線偏光光を
取り出し、或いは円偏光から直交する二つの直線偏光成
分（ＴＥモード波とＴＭモード波）を分離して取り出
す、といったことができる。
施例を説明する。素子の基本構成は、上記実施例と同様
であるので図は省略する。モードフィルタの場合には、
上記実施例と逆に、多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ
井戸層２１に圧縮歪みを導入し、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２に引っ張り歪みを導入する。これも先の実施例と同
様に、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１，ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２の組成比を選んで、それらの格子定数をそれぞれＩ
ｎＰのそれに比べて正方向，負方向にずらすことにより
可能である。この様にすると、多重量子井戸構造の重い
正孔帯と軽い正孔帯のエネルギーレベルは、無歪の場合
に比べてより分離する。その結果、ＴＥモードの電界屈
折率変化とＴＭモードの電界屈折率変化の差がより大き
くなる。したがって所定の電界を印加した状態で例え
ば、ある端子からの入射自然光から特定の直線偏光光を
取り出し、或いは円偏光から直交する二つの直線偏光成
分（ＴＥモード波とＴＭモード波）を分離して取り出
す、といったことができる。
【００１５】ここまでは、交差型導波路を用いた実施例
を説明したが、本発明は方向性結合型導波路を用いた場
合にも適用することができる。そのような実施例を以下
に説明する。
を説明したが、本発明は方向性結合型導波路を用いた場
合にも適用することができる。そのような実施例を以下
に説明する。
【００１６】図４は、その様な実施例に係る光スイッチ
素子の平面図であり、図５はそのＡ―Ａ′断面図であ
る。この光スイッチ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１１、この
上に形成された歪み多重量子井戸構造１２、この多重量
子井戸構造１２上にノードープ（ｉ型）のＩｎＰ層１３
ａ，１３ｂを介して、近接する平行なストライプ状パタ
ーンをもって形成されたｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１４ｂか
らなる方向性結合型光導波路を有する。多重量子井戸構
造１２は、ｉ型とする。光導波路を構成するｐ型ＩｎＰ
層１４ａ，１４ｂがパターン形成された側の面は、Ｓｉ
Ｏ2 膜１５により覆われている。このＳｉＯ2 膜１５に
はコンタクト窓が開けられて、ｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１
４ｂにそれぞれコンタクトするｐ側電極１６が形成され
ている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ側電極１７が
形成されている。
素子の平面図であり、図５はそのＡ―Ａ′断面図であ
る。この光スイッチ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１１、この
上に形成された歪み多重量子井戸構造１２、この多重量
子井戸構造１２上にノードープ（ｉ型）のＩｎＰ層１３
ａ，１３ｂを介して、近接する平行なストライプ状パタ
ーンをもって形成されたｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１４ｂか
らなる方向性結合型光導波路を有する。多重量子井戸構
造１２は、ｉ型とする。光導波路を構成するｐ型ＩｎＰ
層１４ａ，１４ｂがパターン形成された側の面は、Ｓｉ
Ｏ2 膜１５により覆われている。このＳｉＯ2 膜１５に
はコンタクト窓が開けられて、ｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１
４ｂにそれぞれコンタクトするｐ側電極１６が形成され
ている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ側電極１７が
形成されている。
【００１７】歪み多重量子井戸構造１２は、先の実施例
と同様に、厚さ１０nm〜１５nmのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
（０＜ｘ＜１）井戸層２１と、厚さ１０nm〜１５nmのＩ
ｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z （０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１）
障壁層２２が交互に、３０〜４０周期積層形成されたも
のである。図５にはその積層構造の拡大図が示してあ
る。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１は、バンドギャップ
エネルギーが１．０３〜０．７５ｅＶであり、Ｉｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２２はバンドギャップエネル
ギーが１．２４ｅＶである。以下の説明では簡単に、Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１をＩｎＧａＡｓ井戸層２１
と表し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２２をＩｎ
ＧａＡｓＰ障壁層２２と表すことにする。多重量子井戸
構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層２１は、その格子定数がＩ
ｎＰの格子定数から、−０．２〜−０．５％ずれるよう
に、組成比が設定されている。この組成比設定も先の実
施例と同様であり、これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層２
１には引っ張り歪みが与えられた状態となる。ＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層２２は、その格子定数がＩｎＰの格子定数
から、＋０．２〜＋０．５％ずれるように、組成比が設
定されている。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層層２
１には圧縮歪みが与えられた状態となる。
と同様に、厚さ１０nm〜１５nmのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ
（０＜ｘ＜１）井戸層２１と、厚さ１０nm〜１５nmのＩ
ｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z （０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１）
障壁層２２が交互に、３０〜４０周期積層形成されたも
のである。図５にはその積層構造の拡大図が示してあ
る。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１は、バンドギャップ
エネルギーが１．０３〜０．７５ｅＶであり、Ｉｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２２はバンドギャップエネル
ギーが１．２４ｅＶである。以下の説明では簡単に、Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ａｓ井戸層２１をＩｎＧａＡｓ井戸層２１
と表し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z 障壁層２２をＩｎ
ＧａＡｓＰ障壁層２２と表すことにする。多重量子井戸
構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層２１は、その格子定数がＩ
ｎＰの格子定数から、−０．２〜−０．５％ずれるよう
に、組成比が設定されている。この組成比設定も先の実
施例と同様であり、これにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層２
１には引っ張り歪みが与えられた状態となる。ＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層２２は、その格子定数がＩｎＰの格子定数
から、＋０．２〜＋０．５％ずれるように、組成比が設
定されている。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層層２
１には圧縮歪みが与えられた状態となる。
【００１８】図６(a) 〜(e) は、この実施例の光スイッ
チ素子の製造工程を、図５の断面について示している。
ｎ型ＩｎＰ基板１１に、例えばＭＢＥ法を利用して、Ｉ
ｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層が交互に積層
された多重量子井戸構造１２をエピタキシャル成長さ
せ、引続きその上にｉ型ＩｎＰ層１３，ｐ型ＩｎＰ層１
４を順次エピタキシャル成長させる（(a) ）。このとき
前述のようにＩｎＧａＡｓ井戸層には引っ張り歪みが導
入され、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層には圧縮歪みが導入され
るように、それぞれの組成が選択される。次にｐ型Ｉｎ
Ｐ層１４およびｉ型ＩｎＰ層１３をＳｉＯ2 マスク１８
を用いて選択エッチングして、これを近接して平行に走
る二つのストライプ状パターン１４ａ，１４ｂおよび１
３ａ，１３ｂに残す（(b) ）。これが方向性結合型光導
波路となる。次に、ＳｉＯ2 マスク１８を除去した後、
改めて光導波路が形成された面をＳｉＯ2 膜１５で覆
い、ｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１４ｂ上にコンタクト孔を開
けてｐ側電極１６を形成し、基板裏面にはｎ側電極１７
を形成する（(c) ）。
チ素子の製造工程を、図５の断面について示している。
ｎ型ＩｎＰ基板１１に、例えばＭＢＥ法を利用して、Ｉ
ｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層が交互に積層
された多重量子井戸構造１２をエピタキシャル成長さ
せ、引続きその上にｉ型ＩｎＰ層１３，ｐ型ＩｎＰ層１
４を順次エピタキシャル成長させる（(a) ）。このとき
前述のようにＩｎＧａＡｓ井戸層には引っ張り歪みが導
入され、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層には圧縮歪みが導入され
るように、それぞれの組成が選択される。次にｐ型Ｉｎ
Ｐ層１４およびｉ型ＩｎＰ層１３をＳｉＯ2 マスク１８
を用いて選択エッチングして、これを近接して平行に走
る二つのストライプ状パターン１４ａ，１４ｂおよび１
３ａ，１３ｂに残す（(b) ）。これが方向性結合型光導
波路となる。次に、ＳｉＯ2 マスク１８を除去した後、
改めて光導波路が形成された面をＳｉＯ2 膜１５で覆
い、ｐ型ＩｎＰ層１４ａ，１４ｂ上にコンタクト孔を開
けてｐ側電極１６を形成し、基板裏面にはｎ側電極１７
を形成する（(c) ）。
【００１９】この実施例の素子でも先の実施例と同様
に、ｐ側電極１６とｎ側電極１７間に所定のバイアス電
圧を印加することにより、多重量子井戸構造１２での電
界屈折率変化によって光スイッチングが行われる。そし
てこの実施例の場合、多重量子井戸構造１２のＩｎＧａ
Ａｓ井戸層に引っ張り歪みが与えられている結果、この
多重量子井戸構造１２ではＴＥモードの電界屈折率変化
に影響する重い正孔帯とＴＭモードの電界屈折率変化に
影響する軽い正孔帯のエネルギーレベルが同じになって
いる。これにより、入射光の偏波面に依存しない光スイ
ッチングができる。またこの実施例の場合、井戸層の格
子定数をＩｎＰのそれから大きくずらすことなく、井戸
層と障壁層の格子定数をＩｎＰに対して互いに逆方向に
少しずつずらすことによって、相対的に井戸層に大きな
引っ張り歪みを導入しているから、井戸層のみの組成を
大きく変化させた場合と異なり、波長シフトが小さい。
すなわち長波長光通信用の１．５５μm 帯での使用がで
きる。
に、ｐ側電極１６とｎ側電極１７間に所定のバイアス電
圧を印加することにより、多重量子井戸構造１２での電
界屈折率変化によって光スイッチングが行われる。そし
てこの実施例の場合、多重量子井戸構造１２のＩｎＧａ
Ａｓ井戸層に引っ張り歪みが与えられている結果、この
多重量子井戸構造１２ではＴＥモードの電界屈折率変化
に影響する重い正孔帯とＴＭモードの電界屈折率変化に
影響する軽い正孔帯のエネルギーレベルが同じになって
いる。これにより、入射光の偏波面に依存しない光スイ
ッチングができる。またこの実施例の場合、井戸層の格
子定数をＩｎＰのそれから大きくずらすことなく、井戸
層と障壁層の格子定数をＩｎＰに対して互いに逆方向に
少しずつずらすことによって、相対的に井戸層に大きな
引っ張り歪みを導入しているから、井戸層のみの組成を
大きく変化させた場合と異なり、波長シフトが小さい。
すなわち長波長光通信用の１．５５μm 帯での使用がで
きる。
【００２０】多重量子井戸構造と方向性結合型導波路の
組み合わせによるモードフィルタにも本発明を適用する
ことができる。素子の基本構成は、上記実施例と同様で
あるので図は省略する。モードフィルタの場合には、上
記実施例と逆に、多重量子井戸構造１２のＩｎＧａＡｓ
井戸層２１に圧縮歪みを導入し、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２に引っ張り歪みを導入する。これも先の実施例と同
様に、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１，ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２の組成比を選んで、それらの格子定数をそれぞれＩ
ｎＰのそれに比べて正方向，負方向にずらすことにより
可能である。この様にすると、多重量子井戸構造の重い
正孔帯と軽い正孔帯のエネルギーレベルは、無歪の場合
に比べてより分離する。その結果、ＴＥモードの電界屈
折率変化とＴＭモードの電界屈折率変化の差がより大き
くなる。したがって所定の電界を印加した状態で例え
ば、ある端子からの入射自然光から特定の直線偏光光を
取り出し、或いは円偏光から直交する二つの直線偏光成
分（ＴＥモード波とＴＭモード波）を分離して取り出
す、といったことができる。
組み合わせによるモードフィルタにも本発明を適用する
ことができる。素子の基本構成は、上記実施例と同様で
あるので図は省略する。モードフィルタの場合には、上
記実施例と逆に、多重量子井戸構造１２のＩｎＧａＡｓ
井戸層２１に圧縮歪みを導入し、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２に引っ張り歪みを導入する。これも先の実施例と同
様に、ＩｎＧａＡｓ井戸層２１，ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２２の組成比を選んで、それらの格子定数をそれぞれＩ
ｎＰのそれに比べて正方向，負方向にずらすことにより
可能である。この様にすると、多重量子井戸構造の重い
正孔帯と軽い正孔帯のエネルギーレベルは、無歪の場合
に比べてより分離する。その結果、ＴＥモードの電界屈
折率変化とＴＭモードの電界屈折率変化の差がより大き
くなる。したがって所定の電界を印加した状態で例え
ば、ある端子からの入射自然光から特定の直線偏光光を
取り出し、或いは円偏光から直交する二つの直線偏光成
分（ＴＥモード波とＴＭモード波）を分離して取り出
す、といったことができる。
【００２１】以上ではＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系
の実施例を説明したが、本発明はこれに限られるもので
はなく、たとえばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系など他の半
導体材料系を用いて同様の光変調素子を得ることが可能
である。井戸層にはＩｎＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＰ
を用いることができる。
の実施例を説明したが、本発明はこれに限られるもので
はなく、たとえばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系など他の半
導体材料系を用いて同様の光変調素子を得ることが可能
である。井戸層にはＩｎＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＰ
を用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、歪み
多重量子井戸構造を用いることによって、入射光の偏波
面に依存しない光スイッチングやモードフィルタを得る
ことができる。
多重量子井戸構造を用いることによって、入射光の偏波
面に依存しない光スイッチングやモードフィルタを得る
ことができる。
【図１】本発明の一実施例に係る光スイッチ素子を示す
平面図。
平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ′断面図。
【図３】同実施例の製造工程を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施例に係る光スイッチ素子を示
す平面図。
す平面図。
【図５】図４のＡ−Ａ′断面図。
【図６】同実施例の製造工程を示す断面図。
１…ｎ型ＩｎＰ基板、２…ｉ型ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ歪み多重量子井戸構造、３…ｐ型ＩｎＰ層、４…
ｎ型ＩｎＰ導波路、５…ＳｉＯ2 膜、６…ｐ側電極、７
…ｎ側電極、１１…ｎ型ＩｎＰ基板、１２…ｉ型ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ歪み多重量子井戸構造、１３
（３ａ，３ｂ）…ｉ型ＩｎＰ層、１４（４ａ，４ｂ）…
ｐ型ＩｎＰ層、１５…ＳｉＯ2 膜、１６…ｐ側電極、１
７…ｎ側電極。
ＡｓＰ歪み多重量子井戸構造、３…ｐ型ＩｎＰ層、４…
ｎ型ＩｎＰ導波路、５…ＳｉＯ2 膜、６…ｐ側電極、７
…ｎ側電極、１１…ｎ型ＩｎＰ基板、１２…ｉ型ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ歪み多重量子井戸構造、１３
（３ａ，３ｂ）…ｉ型ＩｎＰ層、１４（４ａ，４ｂ）…
ｐ型ＩｎＰ層、１５…ＳｉＯ2 膜、１６…ｐ側電極、１
７…ｎ側電極。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年６月１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】多重量子井戸構造２のＩｎＧａＡｓ井戸層
２１は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、−０．
２〜−０．５％ずれるように、組成比ｘがｘ＝０．５０
３〜０．４６０の範囲に設定されている。これにより、
ＩｎＧａＡｓ井戸層２１には引っ張り歪みが与えられた
状態となる。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２は、その格子定
数がＩｎＰの格子定数から、＋０．２〜＋０．５％ずれ
るように、組成比ｙ，ｚが、ｙ＝０．８８０〜０．９２
３、ｚ＝０．３２７２に設定されている。これにより、
ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２には圧縮歪みが与えられた状
態となる。ちなみに、上述した組成範囲での各層の歪み
度と、バルク状態でのバンドギャップＥg およびこれに
対応する波長λg をまとめて示せば、次のようになる。 井戸層：Ｉｎx Ｇａ1-XＡｓ ｘ 歪み度 バルクＥg バルク波長λg ０．５０３ −０．２％ ０．７６eV １．５９μm ０．４９０ −０．３％ ０．７９４eV １．５６μm ０．４７０ −０．４％ ０．８２eV １．５２μm ０．４６０ −０．５％ ０．８３eV １．５０μm 障壁層：Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z ，ｚ＝０．３２７２ ｙ 歪み度 バルクＥg バルク波長λg ０．８８０ ０．２％ １．０５１eV １．１８μm ０．８９５ ０．３％ １．０４４eV １．１９μm ０．９０９ ０．４％ １．０３６eV １．２０μm ０．９２３ ０．５％ １．０２９eV １．２１μｍ
２１は、その格子定数がＩｎＰの格子定数から、−０．
２〜−０．５％ずれるように、組成比ｘがｘ＝０．５０
３〜０．４６０の範囲に設定されている。これにより、
ＩｎＧａＡｓ井戸層２１には引っ張り歪みが与えられた
状態となる。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２は、その格子定
数がＩｎＰの格子定数から、＋０．２〜＋０．５％ずれ
るように、組成比ｙ，ｚが、ｙ＝０．８８０〜０．９２
３、ｚ＝０．３２７２に設定されている。これにより、
ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２２には圧縮歪みが与えられた状
態となる。ちなみに、上述した組成範囲での各層の歪み
度と、バルク状態でのバンドギャップＥg およびこれに
対応する波長λg をまとめて示せば、次のようになる。 井戸層：Ｉｎx Ｇａ1-XＡｓ ｘ 歪み度 バルクＥg バルク波長λg ０．５０３ −０．２％ ０．７６eV １．５９μm ０．４９０ −０．３％ ０．７９４eV １．５６μm ０．４７０ −０．４％ ０．８２eV １．５２μm ０．４６０ −０．５％ ０．８３eV １．５０μm 障壁層：Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓz Ｐ1-z ，ｚ＝０．３２７２ ｙ 歪み度 バルクＥg バルク波長λg ０．８８０ ０．２％ １．０５１eV １．１８μm ０．８９５ ０．３％ １．０４４eV １．１９μm ０．９０９ ０．４％ １．０３６eV １．２０μm ０．９２３ ０．５％ １．０２９eV １．２１μｍ
Claims (1)
- 【請求項１】 第１導電型の半導体基板と、この基板上
に形成された井戸層と障壁層が交互に積層された多重量
子井戸構造と、前記半導体基板上に形成された、前記量
子井戸構造の電界屈折率変化効果により導波特性が制御
される導波路とを備え、無歪み状態で前記多重量子井戸
構造が所望の組成波長を得るに必要な格子定数を持つ組
成に対して、井戸層と障壁層の一方に引っ張り歪みが入
り、他方に圧縮歪みが入る組成が与えられていることを
特徴とする半導体光変調素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10068192A JPH05275812A (ja) | 1992-03-26 | 1992-03-26 | 半導体光変調素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10068192A JPH05275812A (ja) | 1992-03-26 | 1992-03-26 | 半導体光変調素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05275812A true JPH05275812A (ja) | 1993-10-22 |
Family
ID=14280496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10068192A Pending JPH05275812A (ja) | 1992-03-26 | 1992-03-26 | 半導体光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05275812A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0873530A4 (ja) * | 1995-03-30 | 1998-10-28 |
-
1992
- 1992-03-26 JP JP10068192A patent/JPH05275812A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0873530A4 (ja) * | 1995-03-30 | 1998-10-28 | ||
| EP0873530A1 (en) * | 1995-03-30 | 1998-10-28 | Bell Communications Research, Inc. | Birefringence-free semiconductor waveguide |
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