JPH05333388A - 半導体量子井戸構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】導波路層にしめる量子井戸層の割合を高め、導
波路として屈折率変化が大きく、低電圧化された半導体
量子井戸構造を得る。 【構成】量子井戸層２と電子蓄積層４との間に電界制御
層３を設け、該電界制御層３に上記電子蓄積層４と反対
のタイプのドーピングを行い、上記量子井戸層２に強い
電界がかからぬようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低電圧で小型の光変調
器や光スイッチを実現できる半導体量子井戸構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】光変調器や光スイッチの材料として、半
導体多重量子井戸（Ｍultiple Ｑuantum Ｗell；以下
ＭＱＷという）構造を用いたものがある。上記ＭＱＷ構
造は他の媒質に比べて比較的大きな屈折率の変化や吸収
係数の変化が得られるため、上記ＭＱＷを光導波路のコ
ア（他の領域よりも屈折率が高いために光が集中すると
ころ）や該コアの周囲に用いることによって、光スイッ
チや変調器を実現することができる。また、半導体材料
であるために、半導体レーザや半導体増幅器などの素子
とモノリシックに集積が可能であるという特徴があり、
これらの光デバイスの研究が進められている。

【０００３】ＭＱＷは波動関数が狭い量子井戸に閉じ込
められることから、通常のバルク構造にはない特殊な動
作を行う。まず、ＭＱＷに電界を印加した場合は、量子
閉じ込めシュタルク効果（Ｑuantum Ｃonfined Ｓtar
k Ｅffect；以下ＱＣＳＥという）と呼ばれる効果がお
こる。これは図６（ａ）に示す量子井戸が電界を印加す
ることによって（ｂ）のように傾き、波動関数が量子井
戸の低いエネルギー側に移動して、バンド端がより低い
エネルギーに変化することによってバンド端付近の吸収
が変化し、またこの時、吸収とＫramers＝Ｋronigの関
係にある屈折率もバルクなどに比べると大きく変化す
る。しかしながら、この効果は図７（ａ）に示すように
電界を印加する前に比べてバンド端Ｅgより低いエネル
ギーの領域においては吸収が増加するものの、バンド端
Ｅgより高いエネルギーの領域においては量子井戸内の
電子と正孔の波動関数の重なりが小さくなり、吸収が減
少してしまう。そこで図７（ｂ）に示すように、正の吸
収変化に起因する屈折率変化と負の吸収変化に起因する
屈折率変化が打ち消しあってしまうため、それ程大きな
屈折率の変化を得ることができない。そこで、さらに大
きな屈折率の変化を得るために、ＢＲＡＱＷＥＴ（Ｂar
rier，Ｒesovoir and Ｑuantum Ｗell Ｅlectron
Ｔransfer Ｓtructure）という構造が提案されてい
る。このバンド構造と層構成を図８（ａ），（ｂ）に示
す。図８において１は電流障壁層であり、アンドープＩ
nＡlＡs層１‐１、ｐ‐ＩnＡlＡs層１‐２、アンドープ
ＩnＡlＡs層１‐３からなる。２は量子井戸層であり、
アンドープＩnＧaＡs層の量子井戸からなる。５は電子
蓄積層であり、アンドープＩnＧaＡl層５‐１、ｎ‐Ｉn
ＧaＡlＡs層５‐２、アンドープＩnＧaＡlＡs層５‐３
からなる。上記量子井戸構造は量子井戸層２と電子蓄積
層５と電流障壁層からなっており、電圧の印加によって
量子井戸内の電子密度を変化させることができる。図９
を用いてその動作原理の説明を行う。

【０００４】図９（ａ）に示すように順方向に電圧を加
えると、電子蓄積層に蓄えられていた電子が量子井戸層
に注入され、量子井戸層の底から電子が蓄えられる。こ
こで、上記電子が量子井戸層に蓄えられるのに必要な時
間は、電子が電子蓄積層から量子井戸層までのごく僅か
な距離を移動するのに必要な時間にすぎないため、この
現象は非常に高速の現象である。また、ここで電流障壁
層は量子井戸から電子がトンネル現象によって流出して
しまうのを妨げる働きを持っている。

【０００５】また図９（ｂ）に示すように逆方向に電圧
を加えると、量子井戸層に蓄えられていた電子が電子蓄
積層の方に放出され、量子井戸層の電子の密度は非常に
小さくなる。つぎに、量子井戸内の電子密度が変化した
ときに起こる吸収変化および屈折率の変化について説明
する。図９（ｂ）に示すように逆方向に電圧を印加した
場合は、量子井戸内の電子は電子蓄積層に放出され、量
子井戸内には電子がほとんど存在していないため、この
状態では図９（ｄ）に示すようにＱＣＳＥと同じ形状の
吸収特性になる。つぎに、図９（ａ）の順方向に電圧を
印加した場合には、量子井戸の底に電子が蓄えられるた
め、バンド端付近のエネルギーにおいては荷電子帯の電
子が伝導帯に遷移することが禁止されるため、図９
（ｃ）に示すようにバンド端付近では吸収がなくなる
（透明化する）。ここでＱＣＳＥと大きく違う点は、Ｑ
ＣＳＥの方はバンド端以下のエネルギー領域において吸
収が増加するものの、バンド端以上のエネルギー領域に
おいては吸収が減少してしまい、効果が打ち消し合うの
に対し、ＢＲＡＱＥＴの方はバンド端以上のエネルギー
領域における吸収の減少だけが起こるため、効果が打ち
消されることなく非常に大きな屈折率変化を得ることが
できる。また、この構造は何層も積み重ねて作製するこ
とができるので、導波路として適用することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
造においては量子井戸内で非常に大きな屈折率変化が得
られるものの、量子井戸層の全体に占める割合が低いた
めに、導波路全体として見た場合は大きな屈折率変化が
得られないという問題があった。そこで、１つの周期に
含まれる井戸数を増やすことによって量子井戸が占める
割合を増すのが有効であるが、この場合の問題点を図１
０に示す。図１０（ａ）は量子井戸層の総数を増やした
場合に逆方向に電界を印加したときのバンド構造を示す
図である。ここで破線は電子の擬フェルミエネルギーを
示している。図に示したように量子井戸の層数を増して
いくと、電子蓄積層に近い領域の量子井戸はフェルミエ
ネルギーよりも低くなってしまう。すなわち、量子井戸
内に電子が詰まった状態になってしまい、図１０（ｂ）
に示す順方向の電界を印加した場合に吸収の変化を生じ
なくなってしまう。量子井戸内の電子をなくしてしまう
ためには、量子井戸層に高い電界を印加するかもしくは
量子井戸以外のアンドープ層の層厚を厚くするが、これ
らは全て素子の動作電圧が高くなることにつながるため
に、有効な方法とはなり得ない。

【０００７】本発明は、ＢＲＡＱＷＥＴ量子井戸構造の
欠点であった導波路層にしめる量子井戸層の割合が低い
という問題点を解決し、導波路として屈折率変化が大き
く、低電圧化をはかった半導体量子井戸構造を得ること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、エネルギー
ギャップが狭い半導体層の井戸層とエネルギーギャップ
が広い半導体層の障壁層とを交互に積層した量子井戸層
と、上記障壁層よりもエネルギーギャップが広い電流障
壁層と、該電流障壁層よりも狭く上記井戸層よりも広い
エネルギーギャップをもち、上記量子井戸層のドーピン
グ密度よりも高いドーピング密度をもつ電子蓄積層とを
有し、電圧印加または光照射により上記電子蓄積層の電
子が上記量子井戸層に流入または流出することによっ
て、上記井戸層の電子密度を変化できる半導体量子井戸
構造において、上記量子井戸層に強い電界がかからぬよ
うに、上記量子井戸層と上記電子蓄積層との間に電界制
御層を設け、該電界制御層に上記電子蓄積層と反対のタ
イプのドーピングを行うことにより達成される。

【０００９】

【作用】本発明は量子井戸層と電子蓄積層との間に電界
抑止をはかる電界制御層を設けて、電界が印加される領
域を限定することにより、従来のＢＲＡＱＷＥＴ構造に
おいて、量子井戸層に対し不必要に印加されていた電界
をなくし、素子の動作電圧を低減したことを特徴として
いる。特に、上記量子井戸層をＭＱＷで構成する場合に
は、動作電圧の低減効果が顕著になる。また、量子井戸
層に大きな電界をかけることがないために、電界印加に
よる吸収端の広がりを生じることがなく、素子の吸収に
よる損失を低減できることも特徴である。

【００１０】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による半導体量子井戸構造の一実施例
を示す層構成図、図２は本発明の半導体量子井戸構造に
電界を印加したときのバンド構造と擬フェルミエネルギ
ーを示す図で、（ａ）は順方向に電界印加の場合、
（ｂ）は逆方向に電界印加の場合を示す図、図３は本発
明の量子井戸層でのトンネル効果を促進させる障壁層を
示す図で、（ａ）は階段状の障壁層を設けた場合、
（ｂ）は薄い障壁層を設けた場合を示す図、図４は本発
明の半導体量子井戸構造を用いた導波路構造の一例を示
す図、図５は本発明の半導体量子井戸構造を用いた光ス
イッチおよび変調器の一例を示す図である。

【００１１】図１において、１は電流障壁層であり、ア
ンドープＩnＡlＡs層１‐１、ｐ‐ＩnＡlＡs層１‐２、
アンドープＩnＡlＡs層１‐３からなっている。２は
（多重）量子井戸層であり、井戸層はＩnＧaＡs層、障
壁層はＩnＧaＡlＡs層からなる。３は本発明で導入した
電界制御層であり、アンドープＩnＧaＡlＡs層３‐１、
ｐ‐ＩnＧaＡlＡs層３‐２、アンドープＩnＧaＡlＡs層
３‐３からなる。また、４は電子蓄積層であり、ｎ‐Ｉ
nＧaＡlＡs層４‐１、アンドープＩnＧaＡlＡs層４‐２
とからなっている。上記構造は有機金属気相成長法や分
子線エピタキシャル法などの方法により構成することが
できる。

【００１２】図２（ａ）は、本発明の半導体量子井戸構
造に順方向に電圧を印加したときのバンド構造を示す図
である。図中の破線は擬フェルミエネルギーを示してい
る。１は電流障壁層、２は（多重）量子井戸層、３は電
界制御層、４は電子蓄積層を示し、順方向に電圧を印加
した場合には、上記電子蓄積層４の電子が量子井戸層２
に注入され、量子井戸の吸収が低減する（透明化が起こ
る）。

【００１３】図２（ｂ）は本発明の半導体量子井戸構造
に逆方向に電圧を印加したときの、バンド構造を示す図
である。図中の破線は擬フェルミエネルギーを示してい
る。１は電流障壁層、２は（多重）量子井戸層、３は電
界制御層、４は電子蓄積層を示している。図８に示した
ＢＲＡＱＷＥＴにおいては、電界がアンドープＩnＡlＡ
s層１‐３、量子井戸層２、アンドープＩnＧaＡlＡs層
５‐１にほぼ均一にかかっていたのに対して、本発明で
は電界制御層３においてほとんどの電気力線を終端させ
ているために、電圧は電界制御層３と電子蓄積層４との
間にかかり、量子井戸層２には全く電界がかからない
か、もしくは殆ど電界がかからないようにすることがで
きる。この結果、図に示すように逆方向に電圧を印加し
たときは、擬フェルミエネルギーが量子井戸層２よりも
低い位置にある。すなわち、量子井戸は電子がほとんど
ない状態にすることができる。

【００１４】上記の結果にもとづき、低い電圧を加える
だけで量子井戸内の電子の濃度を容易に変化させること
ができ、大きな屈折率の変化を得ることが可能である。

【００１５】電界制御層３を導入することによって生じ
る問題点は、電圧を順方向から逆方向に切り換えたとき
に、量子井戸層２に印加される電界強度が弱いために、
量子井戸層２に蓄えられた電子が電子蓄積層４に輸送さ
れるのに時間がかかってしまうことである。これは図３
（ａ）に示すように、徐々にエネルギーギャップが変化
するようにＩnＧaＡlＡs組成を変化させることによっ
て、量子井戸層２の障壁層の形状を階段状に形成する
か、もしくは図３（ｂ）に示すように障壁層のＩnＧaＡ
lＡs層の厚さを薄くすることによって、電子の障壁層の
トンネル効果を促進し高速化することができる。

【００１６】また、本実施例の説明では、電流障壁層１
をＩnＡlＡs、量子井戸層２をＩnＧaＡs／ＩnＧaＡlＡs
のＭＱＷ、電子蓄積層４をＩnＧaＡlＡsとして説明を行
ったが、上記電流障壁層をＩnＰ等で構成したり、また
は電子蓄積層をＩnＧaＡlＡsで構成するなど、他の半導
体材料を用いてもよいことはいうまでもない。

【００１７】本発明の半導体量子井戸構造は、ＩnＰや
ＩnＡlＡsなどの他の媒質よりも屈折率が高いため、上
記量子井戸構造を導波路のコアに用いることにより、図
４に示すように光導波路を構成することができる。ま
た、光導波路の層厚としては、上記半導体量子井戸構造
を数層積層することによって任意に設定できる。

【００１８】また、本発明の半導体量子井戸構造は、低
電圧で動作し、かつ小型に形成することができるので図
５に示すように、本発明の半導体量子井戸構造もしくは
光導波路構造を用いることによって、光スイッチや変調
器を実現することができる。

【００１９】

【発明の効果】上記のように本発明による半導体量子井
戸構造は、エネルギーギャップが狭い半導体層の井戸層
とエネルギーギャップが広い半導体層の障壁層とを交互
に積層した量子井戸層と、上記障壁層よりもエネルギー
ギャップが広い電流障壁層と、該電流障壁層よりも狭く
上記井戸層よりも広いエネルギーギャップをもち、上記
井戸層のドーピング密度よりも高いドーピング密度をも
つ電子蓄積層とを有し、電圧印加または光照射により上
記電子蓄積層の電子が上記量子井戸層に流入または流出
することによって、上記井戸層の電子密度を変化できる
半導体量子井戸構造において、上記量子井戸層に強い電
界がかからぬように、上記量子井戸層と上記電子蓄積層
との間に電界制御層を設け、該電界制御層に上記電子蓄
積層と反対のタイプのドーピングを行うことにより、低
電圧で大きな屈折率変化が得られるため、小型で低電圧
の光スイッチおよび変調器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体量子井戸構造の一実施例を
示す層構成図である。

【図２】本発明の半導体量子井戸構造に電界を印加した
ときのバンド構造と擬フェルミエネルギーを示す図で、
（ａ）は順方向に電界印加の場合、（ｂ）は逆方向に電
界印加の場合をそれぞれ示す図である。

【図３】本発明の量子井戸層でのトンネル効果を促進さ
せる障壁層を示す図で、（ａ）は階段状の障壁層を設け
た場合、（ｂ）は薄い障壁層を設けた場合をそれぞれ示
す図である。

【図４】本発明の半導体量子井戸構造を用いた光導波路
構造の一例を示す図である。

【図５】本発明の半導体量子井戸構造を用いた光スイッ
チおよび光変調器の一例を示す図である。

【図６】量子閉じ込めシュタルク効果による電子・正孔
の波動関数の偏りを示す図で、（ａ）は電界印加前を示
し、（ｂ）は電界印加後を示す図である。

【図７】上記量子閉じ込めシュタルク効果の電界印加時
における特性変化を示す図で、（ａ）は吸収係数の変化
を示す図、（ｂ）は屈折率の変化を示す図である。

【図８】ＢＲＡＱＷＥＴ量子井戸構造を説明する図で、
（ａ）はバンド構造を示す図、（ｂ）は層構成をそれぞ
れ示す図である。

【図９】ＢＲＡＱＷＥＴ量子井戸構造の動作を説明する
図で、（ａ）は順方向電圧印加時の電子を示す図、
（ｂ）は逆方向電圧印加時の電子を示す図、（ｃ）は順
方向電圧印加時の吸収特性を示す図、（ｄ）は逆方向電
圧印加時の吸収特性を示す図である。

【図１０】ＢＲＡＱＷＥＴ量子井戸構造の問題点を説明
する図で、（ａ）は逆方向電圧印加時のバンド構造を示
す図、（ｂ）は順方向電圧印加時のバンド構造を示す図
である。

【符号の説明】

１…電流障壁層 ２…量子井戸層 ３…電界制御層 ４…電子蓄積層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エネルギーギャップが狭い半導体層の井戸
   層とエネルギーギャップが広い半導体層の障壁層とを交
   互に積層した量子井戸層と、上記障壁層よりもエネルギ
   ーギャップが広い電流障壁層と、該電流障壁層よりも狭
   く上記井戸層よりも広いエネルギーギャップをもち、上
   記井戸層のドーピング密度よりも高いドーピング密度を
   もつ電子蓄積層とを有し、電圧印加または光照射により
   上記電子蓄積層の電子が上記量子井戸層に流入または流
   出することによって、上記井戸層の電子密度を変化でき
   る半導体量子井戸構造において、上記量子井戸層に強い
   電界がかからぬように、上記量子井戸層と上記電子蓄積
   層との間に電界制御層を設け、該電界制御層に上記電子
   蓄積層と反対のタイプのドーピングを行うことを特徴と
   する半導体量子井戸構造。
2. 【請求項２】上記量子井戸層に流入または流出する電子
   は、上記障壁層を階段状もしくは層厚を薄く形成したト
   ンネル現象により、促進されることを特徴とする請求項
   １記載の半導体量子井戸構造。
3. 【請求項３】上記請求項１または請求項２に記載した半
   導体量子井戸構造を、多層積層して作製したことを特徴
   とする光導波路構造。
4. 【請求項４】上記請求項１または請求項２に記載した半
   導体量子井戸構造を用いたことを特徴とする光スイッ
   チ。
5. 【請求項５】上記請求項１または請求項２に記載した半
   導体量子井戸構造を用いたことを特徴とする光変調器。