JPH06125141A - 半導体量子井戸光学素子 - Google Patents

半導体量子井戸光学素子

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JPH06125141A
JPH06125141A JP4328155A JP32815592A JPH06125141A JP H06125141 A JPH06125141 A JP H06125141A JP 4328155 A JP4328155 A JP 4328155A JP 32815592 A JP32815592 A JP 32815592A JP H06125141 A JPH06125141 A JP H06125141A
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quantum well
electric field
strain
layer
gaas
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Takeshi Cho
雄 張
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    • H01S5/3403—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブルーシフトの光吸収特性を保ちながら、で
きるだけ大きな光双安定効果を有するような歪み量子井
戸構造の半導体量子井戸光学素子を提供することにあ
る。 【構成】 主面が（１１１）面の化合物半導体基板上の
［１１１］方向に、格子定数ａとエネルギーバンドギャ
ップＥｇの異なる２種類の化合物半導体Ａ，Ｂ｛ａ
（Ａ）＞ａ（Ｂ），Ｅｇ（Ａ）＜Ｅｇ（Ｂ）｝を交互に
積層させ、Ａを井戸層としＢを障壁層とする歪み量子井
戸構造を形成した半導体量子井戸光学素子において、障
壁層Ｂは、該層Ｂにおける歪み緩和の臨界膜厚よりも厚
く形成され、結晶成長面に平行な方向に引張られるよう
に歪ませられており、井戸層Ａは、障壁層Ｂに閉じ込め
られた歪みの部分的な緩和によって、結晶成長面に平行
な方向に圧縮されるように歪ませられていることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光又は電気信号で光を
制御する光情報処理システムを構築するために不可欠な
非線形光学素子に係わり、特に化合物半導体の歪み量子
井戸又は超格子構造を利用した半導体量子井戸光学素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高効率，超高速の非線形光学素子
を実現するために、半導体量子井戸又は超格子構造を利
用した半導体量子井戸光学素子が研究開発されている。
半導体量子井戸又は超格子構造は、他の非線形材料（例
えば有機物非線形材料）と比べて、大きな非線形定数に
加えるに良好な電気性質を有するため、電気的な手段を
導入し更に一層光非線形性を増強したり、電子素子と非
線形光学素子を共存させることができる。
【０００３】最近、通常の［００１］方向に作成した量
子井戸非線形素子と異なり、［１１１］方向に互いに格
子定数の異なる２種類の化合物半導体で形成した歪み量
子井戸又は超格子構造が提案されている。この構造で
は、内部に格子不整合による圧電効果によって生じた大
きな電場（例えば、格子不整合が１％の場合に、この内
部電場の強さが約１０5 Ｖ／cm）が存在するために、量
子井戸構造に外部電場を印加すると、入射光に対して特
別な量子閉じ込めスタルク効果（Quantum Confined Sta
rk Effect : ＱＣＳＥ）、例えば印加電場による吸収ピ
ークのブルーシフトが観測された。
【０００４】図１８は、面方位（１１１）のＧａＡｓ基
板上にＧａＡｓ層，Ｉｎ1-x ＧａxＡｓ層を交互に成長
し、無歪みのＧａＡｓを障壁層、圧縮歪みを有するＩｎ
1-xＧａx Ａｓを井戸層とする歪み量子井戸構造を示す
（K.W.Goosen,et al, Appl.Phys.Lett.56(8),715(199
0)）。この歪み量子井戸構造においては、井戸層に閉じ
込める歪みの大きさ、即ち歪みによって生じた内部電場
の大きさ及び井戸層と障壁層との間におけるエネルギー
バンド・オフセット（量子井戸の深さ）は、井戸層中の
Ｉｎの組成により決定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で提案された［１１１］方向の歪み量子井戸構造では、
図１８に示されるように、格子不整合によって生じた歪
み、そして格子変形における圧電効果によって発生した
内部電場が井戸層にしか局在しない。そのため、僅かな
格子不整合であっても大きな内部電場が存在する。そし
て、内部電場の大きさ及びバンドオフセットが井戸層中
のＩｎの組成で完全に決定されることから、内部電場と
バンドオフセットを独立的に変化させることは不可能で
ある。
【０００６】また、変形ポテンシャル理論によれば、直
接遷移型の半導体は、圧縮歪みを受けるとエネルギーバ
ンドギャップが大きくなる。その結果、井戸層と障壁層
におけるバンド端の不連続の大きさ（バンドオフセッ
ト）、つまり量子井戸の深さが小さくなってしまう。こ
こで、量子閉じ込め効果を維持するために、バンドオフ
セット、つまりＩｎの組成を増大すると、歪みが大きく
なり内部電場も必要以上に大きくなりがちである。この
ように、内部電場及びバンドオフセット共に歪みの大き
さに強く依存するため、これらを互いに独立的に変化さ
せることは不可能である。
【０００７】以上の原因から、例えば最も代表的な非線
形光学素子であるＳＥＥＤ（SelfElectric Optic Effec
t Device）に応用した場合、量子井戸に外部電場が加え
られていない状態では、エキシントン遷移による光の吸
収が、内部電場のない量子井戸構造と比べてかなり弱く
なる。従って、外部電場の変化（向きと大きさ）による
光吸収の変調又は光双安定性が通常の量子井戸素子より
も小さくなってしまう。
【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、ブルーシフトの光吸収
特性を保ちながら、できるだけ大きな光双安定効果を有
するような歪み量子井戸構造の半導体量子井戸光学素子
を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、次のような構成を採用している。
【００１０】即ち、本発明（請求項１）は、主面が（１
１１）面の化合物半導体基板上に、格子定数ａとエネル
ギーバンドギャップＥｇの異なる２種類の化合物半導体
Ａ，Ｂ｛ａ（Ａ）＞ａ（Ｂ），Ｅｇ（Ａ）＜Ｅｇ
（Ｂ）｝を交互に積層させ、Ａを井戸層としＢを障壁層
とする歪み量子井戸又は超格子構造を形成した半導体量
子井戸光学素子において、障壁層Ｂを、（井戸層Ａと障
壁層Ｂとの格子不整合の度合いに応じて）障壁層Ｂにお
ける歪み緩和の臨界膜厚よりも（２〜４倍に）厚く形成
することにより、結晶成長面に平行な方向に引張られる
ように歪ませ、井戸層Ａを、障壁層Ｂに閉じ込められた
歪みの部分的な緩和（８％以下）によって、結晶成長面
に平行な方向に圧縮されるように歪ませたことを特徴と
する。
【００１１】また、本発明（請求項２）は、主面が（１
１１）面の化合物半導体基板上に、該基板より格子定数
の小さい化合物半導体Ａと、該基板より格子定数の大き
い又は該基板と格子定数のほぼ等しい化合物半導体Ｂを
交互に積層させ、Ａを井戸層としＢを障壁層とする歪み
量子井戸又は超格子構造を形成した半導体量子井戸光学
素子において、井戸層Ａを、結晶成長面と平行方向の引
張り歪みが完全に閉じ込められるように、該層Ａにおけ
る歪み緩和の臨界膜厚よりも薄く形成し、かつ障壁層Ｂ
を、基板より格子定数の大きい場合には、結晶成長面と
平行方向の圧縮歪みが完全に閉じ込められるように、該
層Ｂにおける歪み緩和の臨界膜厚よりも薄く形成したこ
とを特徴とする。
【００１２】
【作用】本発明（請求項１）によれば、障壁層となる半
導体Ｂの厚みがＢの歪み緩和の臨界膜厚より２〜４倍程
度大きいため、Ｂに閉じ込められた引張り歪みがミスフ
ィット転位の発生により部分的に緩和された結果、井戸
層となる半導体Ａも成長面に平行な方向に圧縮されてし
まう。この井戸層にある圧縮歪みの大きさは、障壁層に
ある引張り歪みの緩和率を厚みと格子定数の差を調整す
ることによって設定し、自由自在に制御できる。つま
り、量子井戸の光学，電気的特性に決定的な影響を与え
る井戸層中の内部電場は、必要に応じて調節できる。
【００１３】言うまでもなく、歪み量子井戸の量子閉じ
込め効果を維持するために、歪み量子井戸構造にあるヘ
テロ界面の急峻性を保たなければならない。しかし、歪
みの緩和によって３次元（島状）の成長が起こり易くな
り、ヘテロ界面の急峻性が悪くなる恐れがある。許され
る最大の歪み緩和率（最大内部電場に対応）は、具体的
な物質の組み合わせと結晶成長条件（温度，圧力，混晶
の組成，層厚，向きなど）によるが、例えばＧａＡｓ／
ＧａＡｓＰ｛Ａ＝ＧａＡｓ，Ｂ＝ＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ
（００１）基板｝歪み量子井戸構造の場合は、それが約
８％である。つまり、障壁層に歪みを配分できるので、
同じ格子不整合に対する井戸層中の圧縮歪み及び内部電
場の大きさを、従来の井戸層だけが歪む量子井戸構造と
比べて約１０分の１程度以下に減少することができる。
【００１４】また、井戸層Ａにある歪み（内部電場）の
大きさを変えずに、障壁層Ｂの混晶比（組成）と層厚を
調整することによって、量子井戸のバンドオフセットを
変化させることもできる。つまり、歪み（内部電場）と
バンドオフセットを必要に応じて、独立的に調節できる
と言うことが、本発明で提案する歪み量子井戸構造にお
いて実現できる。なお、圧電効果によって生じた内部電
場の大きさと方向は、歪みの大きさと方向によるもので
ある。
【００１５】また、本発明（請求項２）によれば、井戸
層の引っ張り歪み、即ち内部電場の大きさは井戸層と障
壁層との格子不整合の程度によって決定される。このた
め、（請求項１の場合）と同様に、従来の量子井戸構造
でできなかった歪み（内部電場）とバンドオフセットを
独立に制御することが可能となる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。ここでは、従来の歪み量子井戸構造の欠点を一挙
に克服することのできる量子井戸構造（第１〜第３の実
施例））を説明し、続いてこれら新しい歪み量子井戸構
造に基づく新規な光デバイス（第４〜第１０の実施例）
を説明する。 （第１の実施例）
【００１７】図１は、本発明の第１の実施例に係わる
［１１１］方向の歪み量子井戸構造を示す。面方位が
（１１１）のＧａＡｓ基板１０上に、格子定数がＧａＡ
ｓより小さいが、エネルギーバンドギャップがＧａＡｓ
より大きいＧａＡｓ1-x Ｐx 層１１とＧａＡｓ層１２を
順次交互に積層させる。このとき、障壁層１１となるＧ
ａＡｓ1-x Ｐx の膜厚を、その歪み緩和の臨界膜厚より
も大きく（２〜４倍に）した。このため、引張り歪みの
一部がミスフィット転位により緩和され、その結果、井
戸層１２となるＧａＡｓも僅かながら層に平行な方向に
圧縮されてしまう。この圧縮歪みの大きさは、ＧａＡｓ
1-x Ｐx 障壁層１１に閉じ込められる引張り歪みの緩和
率によって決定される。
【００１８】ここで、歪み量子井戸構造においては、歪
みの緩和により量子井戸のヘテロ界面にミスフィット転
位が生じるため、量子井戸の電気，光学特性に悪い影響
を与える恐れがある。つまり、歪みの緩和には制限があ
るわけである。最大許容歪み緩和率は、各物質系におい
てかなりばらつきがあると考えられるが、本実施例に取
り上げたＧａＡｓ／ＧａＡｓＰについては、［００１］
方向の成長で約８％であることが我々の実験で明かとな
っている（X.Zhang. Ph.D.Thesis, The University of
Tokyo,1992）。この値は、これまで報告された他の歪み
物質系における最大許容歪み緩和率と比べて約１０倍も
大きい。
【００１９】勿論［１１１］方向で成長した場合に、許
される最大歪み緩和率が［００１］方向での値に等しい
とは限らない。しかしながら、ＧａＡｓ基板１０上に
［１１１］方向に形成した、ＧａＡｓ1-x Ｐx 障壁層１
１が中心に歪むＧａＡｓ／ＧａＡｓ1-x Ｐx 歪み量子井
戸構造は、比較的に歪みの緩和に強いと言えよう。
【００２０】本実施例は、この特性を生かして井戸中の
歪み、即ち内部電場及びバンドオフセットを一定の範囲
内で独立かつ自由に調整できることを特徴とするＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ1-x Ｐx 歪み量子井戸構造である。その原
理は以下の通りである。
【００２１】ＧａＡｓ井戸層１２の圧縮歪みの大きさ
は、ＧａＡｓ1-x Ｐx 障壁層１１の引張り歪みの緩和率
によって決定される。後者はＧａＡｓ1-x Ｐx 膜厚とＰ
の組成に関与する。一方、ＧａＡｓとＧａＡｓ1-x Ｐx
との間のバンドオフセットは、ほぼＰ組成のみに決めら
れる。従って、例えＰの組成、つまりバンドオフセット
がかなり大きくなっていても、ＧａＡｓ1-x Ｐx の膜厚
を適当に減らすことにより、ＧａＡｓ1-x Ｐx 障壁層１
１の歪み緩和率が小さく抑えられるため、ＧａＡｓ井戸
層１２の歪み又は井戸中の内部電場の大きさは殆ど変化
しなくて済む。逆に、バンドオフセット（Ｐ組成）を変
えずに、ＧａＡｓ1-x Ｐx の膜厚を適当に増減すれば、
必要な歪み（内部電場）が得られる。つまり、上記のＧ
ａＡｓ基板１０上に形成したＧａＡｓ／ＧａＡｓ1-x Ｐ
x 歪み量子井戸構造において、歪みによって生じた内部
電場とバンドオフセットを独立的に変化させることが可
能である。
【００２２】なお、従来のＩｎ1-x Ｇａx Ａｓ／ＧａＡ
ｓ歪み量子井戸構造（Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓが井戸層）と
比べて、本実施例のＧａＡｓ／ＧａＡｓ1-x Ｐx 歪み量
子井戸構造（ＧａＡｓが井戸層）における光遷移の特徴
波長が室温で約０．８μｍであり、従来構造の１．２〜
１．５μｍより短い波長領域にある。
【００２３】このように本実施例によれば、主面が（１
１１）面のＧａＡｓ基板１０上にＧａＡｓ1-x Ｐx 障壁
層１１とＧａＡｓ井戸層１２を交互に積層して歪み量子
井戸構造を形成し、かつ障壁層１１を成長面と平行方向
の引張り歪みが部分的に緩和されるように歪み緩和の臨
界膜厚よりも厚く形成し、井戸層１２に成長面と平行方
向の圧縮歪みを与えることにより、内部電場とバンドオ
フセットを独立的に制御することができる。このため、
ブルーシフトの光吸収特性を保ちながら、従来構造では
得られない大きな光双安定効果を実現することが可能と
なる。 （第２の実施例）
【００２４】図２は、本発明の第２の実施例に係わる
［１１１］方向の歪み量子井戸構造を示す。面方位が
（１１１）のＧａＡｓ基板２０上に、格子定数がＧａＡ
ｓとほぼ同じＡｌ1-x Ｇａx Ａｓ層２１と格子定数がＧ
ａＡｓより小さいＧａＡｓ1-y Ｐy 層２２を順次交互に
積層させる。この実施例では、第１の実施例と違って、
ＧａＡｓ1-y Ｐy の膜厚がその歪み緩和の臨界膜厚より
小さいため、引張り歪みが完全にＧａＡｓ1-y Ｐy に閉
じ込められて、歪みの緩和がないわけである。ここで、
Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓ中のＡｌの組成及びＧａＡｓ1-y Ｐ
y 中のＰ組成を、ＧａＡｓ1-y Ｐy のバンドギャップ
が、いつまでもＡｌ1-x Ｇａx Ａｓのバンドギャップよ
りは大きくならないように調整したため、引張り歪みを
有するＧａＡｓ1-y Ｐy 層２２が井戸層となり、Ａｌ
1-x Ｇａx Ａｓ層２１が障壁層となる。
【００２５】このような歪み量子井戸構造においても、
量子井戸中の歪み又は内部電場とバンドオフセットを独
立かつ自由に制御することができる。その原理は以下の
通りである。
【００２６】ＧａＡｓ1-y Ｐy 井戸層２２中の引張り歪
み、即ち内部電場の大きさはＧａＡｓ1-y Ｐy とＡｌ
1-x Ｇａx Ａｓとの格子不整合の程度によって決定され
る。後者は、Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓの格子定数が殆どｘの
値によらないため、単にＧａＡｓ1-y Ｐy 中のＰ組成ｙ
に決められる。一方、ある歪み（内部電場）に対して、
Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓ中のＡｌ組成を増減することによっ
て、必要なＧａＡｓ1-yＰy とＡｌ1-x Ｇａx Ａｓとの
間のバンドオフセットが得られるわけである。つまり、
上記のＧａＡｓ基板２０上で形成したＧａＡｓ1-y Ｐy
／Ａｌ1-x ＧａxＡｓ歪み量子井戸構成において、内部
電場とバンドオフセットを独立かつ自由に制御すること
を、歪み緩和のない状態下でも実現できる。
【００２７】また、ＧａＡｓ1-y Ｐy が井戸層２２とな
るため、量子井戸構造における光遷移の特徴波長が、第
１の実施例よりも短く、室温で０．４〜０．８μｍの可
視光領域にすることが可能である。 （第３の実施例）
【００２８】図３は、本発明の第３の実施例に係わる
［１１１］方向の歪み量子井戸構造を示す。面方位が
（１１１）のＧａＡｓ基板３０上に、格子定数が共にＧ
ａＡｓより大きいが、バンドギャップが共にＧａＡｓよ
り小さいＩｎ1-x Ａｌx Ａｓ層３１とＩｎ1-y Ｇａy Ａ
ｓ層３２を順次交互に積層させ、量子井戸構造を形成す
る。この実施例でも第２の実施例と同様に、Ｉｎ1-x Ａ
ｌx ＡｓとＩｎ1-y ＧａyＡｓの膜厚が各自の歪み緩和
臨界膜厚より小さいため、圧縮歪みの緩和がない。ま
た、Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ中のＡｌ組成ｘ及びＩｎ1-y Ｇ
ａy Ａｓ中のＧａの組成ｙを、Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓのバ
ンドギャップがいつまでもＩｎ1-x Ａｌx Ａｓのバンド
ギャップより大きくならないように調整したため、共に
圧縮歪みを有するＩｎ1-x Ａｌx Ａｓ層３１が障壁層に
なり、Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓ層３２が井戸層になる。
【００２９】Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓ井戸層３２が完全に歪
むため、その横方向の格子定数がＧａＡｓの格子定数と
等しいわけである。従って、Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓ井戸層
３２に閉じ込められる圧縮歪み、即ち内部電場の大きさ
は、Ｉｎ1-y Ｇａy ＡｓとＧａＡｓとの間の格子不整
合、つまりｙに決定される。一方、あるｙに対してＩｎ
1-x Ａｌx Ａｓ中のＡｌの組成ｘを変化させることによ
って、Ｉｎ1-y Ｇａy ＡｓとＩｎ1-x Ａｌx Ａｓとの間
のバンドオフセットを調整することができる。つまり、
上記の［１１１］方向で形成したＩｎ1-y Ｇａy Ａｓ／
Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ歪み量子井戸構造においても、従来
の量子井戸構造でできなかった歪み（内部電場）とバン
ドオフセットを独立かつ自由に制御することが、歪み緩
和なしの状態で可能である。
【００３０】なお、Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓが井戸層３２と
なるため、量子井戸構造における光遷移の特徴波長が、
約１．２〜１．５μｍであり、従来の量子井戸構造にお
ける波長領域をカバーすることができる。 （第４の実施例）
【００３１】図４は、第１〜第３の実施例の歪み量子井
戸構造のいずれかを含む本発明の第４の実施例に係わる
光双安定素子の構成を示す。第１〜第３の実施例のいず
れかの量子井戸構造部４１がｎ型化合物半導体領域４
２，ｐ型化合物半導体領域４３で挟まれたヘテロ構造を
有する。具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎクラッド
層（ｎ領域）４２を成長し、その上に量子井戸４１を成
長し、さらにその上にｐクラッド層（ｐ領域）４３を成
長した構造である。そして、ｎ領域４２，ｐ領域４３間
に負荷抵抗Ｒを介して電源が接続されるものとなってい
る。
【００３２】前述のように、３種類の歪み量子井戸構造
における歪みの仕組み及び光遷移の特徴波長はそれぞれ
異なるが、その共通点としては、井戸層にバンドオフセ
ットと独立的に調整することのできる内部電場（以下Ｅ
i で表わす）が存在するということである。勿論、障壁
層が歪めば、障壁層にも内部電場が生じるわけである
が、障壁層に局在する内部電場は殆ど量子井戸構造の電
気，光学特性に影響を与えないため、これからは単に井
戸層にある内部電場Ｅi に注目し、本発明で提案した光
デバイスの動作原理を説明する。
【００３３】なお図５中の、（ａ）は無外部印加電場
（Ｅｅ＝０）の時のエネルギーバンド図、（ｂ）は内部
電場Ｅｉと同方向（順バイアス）外部電場Ｅｅが印加さ
れる時のエネルギーバンド図、（ｃ）は順バイアスが印
加される場合の光双安定素子の動作特性図である。また
図６中の、（ａ）は逆バイアス（｜Ｅｅ｜≦｜Ｅｉ｜）
が印加されるときのエネルギーバンド図、（ｂ）は逆バ
イアス（｜Ｅｅ｜＞｜Ｅｉ｜）が印加されるときのエネ
ルギーバンド図、（ｃ）は逆バイアスが印加される場合
の光双安定素子の動作特性図である。
【００３４】外部電場（以下Ｅe で表わす）が印加され
ていない量子井戸構造では、歪みによる内部電場が存在
するため、図５（ａ）に示すように、伝導帯及び価電子
帯の波動関数の絶対値は、井戸の中心に対して非対称で
ある。仮に、入射光の波長（入射光の光子エネルギー）
が、無外部印加電場時の励起子遷移ピーク波長（エネル
ギー）に一致するとする。量子井戸構造に、Ｅi と同方
向（順バイアス）Ｅeが加えられると、図５（ｂ）に示
すように、波動関数の形は、Ｅe ＝０の時よりも一層井
戸の中心に対して非対称となる。同時に、伝導帯の電子
準位（１ｅ）は相対的に低下し、価電子帯の重い正孔と
軽い正孔における量子準位（１ｈ，１ｌ、図中は１ｈの
みが表示されている）は、相対的に上昇する。その結
果、励起子における振動子強度が減少し、遷移ピークが
低エネルギー側にシフトする（レッドシフト）。
【００３５】この状態下で、入射光のパワーを増加させ
ると、光電流Ｉが増加し、結果として、負荷抵抗Ｒにか
かる電圧が降下するため、量子井戸構造に加わる順バイ
アス電場は減少する。順バイアスが減少すれば、励起子
の振動子強度が増大するため、量子井戸の光に対する吸
収そして光電流は、かえって増加する。この光電流の増
加は、抵抗Ｒにおける電圧降下を助長し、量子井戸への
送電圧は一層小さくなる。こうした正帰還を繰り返すこ
とにより、量子井戸構造は高電圧，低吸収の状態から一
気に低電圧，高吸収の状態へとスイッチする。
【００３６】図５（ｃ）は、上記のような順バイアスが
印加される場合に、量子井戸構造が光双安定素子として
の動作特性を有することを表わしている。本発明で提案
した歪み量子井戸構造を用いる光双安定素子は、従来の
光双安定素子、例えばＳＥＥＤ（Self Electo-Optic Ef
fect Device ）と比べて、内部電場及びバンドオフセッ
トの大きさを、必要に応じて自由に制御できるため、
高，低印加電場の状態下での光における吸収比を自由自
在に調整できるという大きなメリットがあるわけであ
る。
【００３７】次に、量子井戸構造にＥi と逆方向（逆バ
イアス）Ｅe が印加される場合における、光双安定素子
の動作原理を説明する。仮に、入射光の波長（入射光の
光子エネルギー）が、Ｅe ＝−Ｅi の励起子遷移ピーク
波長（エネルギー）に一致するとする。量子井戸に逆バ
イアスＥe （仮に｜Ｅe ｜≦｜Ｅi ｜）が加えられる
と、図６（ａ）に示すように、波動関数の形は、Ｅe ＝
０の場合（図５（ａ））より井戸の中心に対して対称と
なる。同時に、伝導帯の電子準位（１ｅ）は相対的に上
昇し、価電子帯の重い正孔と軽い正孔における量子準位
（１ｈ，１ｌ、図中は１ｈのみが表示されている）は、
相対的に低下する。その結果、励起子における振動子強
度が増大し、遷移ピークが高エネルギー側にシフトする
（ブルーシフト）。
【００３８】この状態下で、入射光のパワーを増加させ
ると、光電流Ｉが増加し、負荷抵抗Ｒに電圧降下が増大
するため、量子井戸に加わる逆バイアスが減少する。逆
バイアスが減少すれば、励起子の振動子強度そして光に
対する吸収が減少する。にも拘らず、光電流が入力パワ
ーの増大に伴って増加する。この光電流の増加は、抵抗
Ｒにおける電圧降下を助長し、量子井戸への送電圧は一
層小さくなる。こうした正帰還を繰り返すことにより、
量子井戸構造は、高電圧，高吸収の状態から一気に低電
圧，低吸収の状態へとスイッチする。図６（ｃ）は、こ
のような逆バイアス（｜Ｅe ｜≦｜Ｅi ｜）が印加され
る場合に量子井戸構造が、光双安定素子としての動作特
性を表わしている。
【００３９】しかし、仮に歪み量子井戸構造に印加され
る逆バイアス電場の大きさが井戸層の内部電場よりも大
きい（｜Ｅe ｜＞｜Ｅi ｜）場合では、図６（ｂ）に示
すように量子井戸のエネルギーバンドは、Ｅe の増大に
つれて再び井戸の中心に対して非対称になる。この時の
光双安定素子の動作特性は、むしろ順バイアスが印加さ
れる場合（図５（ｃ））に類似する。即ち、高電圧，低
吸収の状態から一気に低電圧，高吸収の状態へとスイッ
チする。
【００４０】以上の記述より明らかなように、［１１
１］方向で形成した歪み量子井戸の井戸層にある内部電
場は、光双安定素子の核心となっている。本実施例は、
この内部電場を自由自在に制御できる歪み量子井戸構造
を用いることにより、光双安定素子の設計上に大きな自
由度をもたらしただけではなく、従来の量子井戸構造で
考えられないレッドシフトとブルーシフト特性を兼有す
る新規の光双安定素子の実現の可能性も示唆している。 （第５の実施例）
【００４１】図７は、第１〜第３の実施例の歪み量子井
戸構造のいずれかを含む本発明の第５の実施例に係わる
高消光比，高速応答の光学素子の構成を示す。第１〜第
３の実施例のいずれかの量子井戸構造部７１がｎ型化合
物半導体領域７２，ｐ型化合物半導体領域７３で挟まれ
たヘテロ構造を有する。具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板
上にｎクラッド層（ｎ領域）７２を成長し、その上に量
子井戸７１を成長し、さらにその上にｐクラッド層（ｐ
領域）７３を成長した構造である。そして、ｎ領域７
２，ｐ領域７３間に外部電場が印加されるものとなって
いる。
【００４２】このような構成において、仮に入射光の波
長（入射光の光子エネルギー）が、無印加電場時（Ｅe
＝０）の励起子遷移ピーク波長（エネルギー）に一致す
るとする。上記の量子井戸構造の井戸層に圧電効果によ
って生じた内部電場Ｅi が存在するため、量子井戸に逆
バイアスＥe （｜Ｅe ｜≦２｜Ｅi ｜）が加えられる
と、図６（ａ）に示すように、波動関数の形は、Ｅe ＝
０の場合（図５（ａ））より、井戸の中心に対して対称
となる。同時に、伝導帯の電子準位（１ｅ）は相対的に
上昇し、価電子帯の重い正孔と軽い正孔における量子準
位（１ｈ，１ｌ、図中は１ｈのみが表示されている）は
相対的に低下する。その結果、入射光に対して励起子遷
移による吸収が全くできず、つまり逆バイアス電場さえ
印加されれば、図８中の（ａ）に示すように（図中のＰ
o は光出力パワーを表わす）、量子井戸が入射光に対し
て、吸収のある状態から一気に透明な状態に変わる。よ
って、バイアス電場による高消光比，高速応答の光変調
素子が得られる。
【００４３】一方、量子井戸に順バイアス若しくは大き
な逆バイアス（｜Ｅe ｜＞２｜Ｅi｜）が加えられると
図５（ｂ）に示すように、波動関数の形は、Ｅe ＝０の
場合（図５（ａ））よりも一層井戸の中心に対して非対
称となり、と同時に励起子遷移ピークもレッドシフトす
る。その結果、入射光に対して励起子遷移による吸収が
弱いとは言え、再び起きてしまう。つまり、この場合に
は、入射光に対して、バイアス電場による変調効果が、
図８中の（ｂ）に示すように著しくなくなる。上記より
明らかなように、Ｅi 即ち歪みの大きささえ増加させれ
ば（従来の構造ではＥi ＝０若しくはＥｉを簡単に変更
できない）、本発明の光変調素子は、より広い電場範囲
で安定に作動できる。 （第６の実施例）
【００４４】本発明で提案した［１１１］方向で形成し
た歪み量子井戸構造からのもう一つの応用としては、外
部バイアス電場（方向と大きさ）によって波長選択範囲
を変調できる光フィルタである。このような［１１１］
歪み量子井戸構造を持つ光学フィルタの素子構成は前記
図４と同様である。
【００４５】各種波長を多数含む入射光に対して、励起
子遷移による光吸収が起こらないまま、上記の光フィル
タを透過できる光の最小波長をλmin とする。量子井戸
構造に内部電場Ｅi と同方向の順バイアス電場若しくは
内部電場よりも大きい逆バイアス電場Ｅe が加えられる
場合では、図５（ｂ）と図６（ｂ）に示すように、波動
関数の形はＥe ＝０又はＥe ＝−Ｅi の時より、一層井
戸の中心に対して非対称となる。これと同時に、量子井
戸構造における励起子遷移ピークもレッドシフトする。
その結果、図９に示すように、λmin はバイアス電場の
大きさ（｜Ｅe｜）の増大と共に一方的に増大する。こ
の時の光フィルタの動作特性は、従来の内部電場のない
量子井戸構造からなる光素子に類似する。
【００４６】一方、本実施例の歪み量子井戸構造に、Ｅ
i より大きくならない逆バイアス電場Ｅe （｜Ｅe ｜≦
｜Ｅi ｜）が加えられている場合には、図６（ａ）に示
すように、波動関数の形はＥe ＝０の時よりは、井戸の
中心に対して対称となる。これと同時に、量子井戸構造
における励起子遷移ピークもブルーシフトする。そのた
め、図９に示すように、λmin はバイアス電場の大きさ
（｜Ｅe ｜）の増大につれて逆に減少する。
【００４７】つまり、本実施例で提案した［１１１］方
向の歪み量子井戸構造を組み込んだ光フィルタにおいて
は、外部バイアス電場の大きさと方向によって選択でき
る波長領域を自由に制御することが可能である。対照的
に、従来の素子は、バイアス電場の大きさのみに関係す
るだけではなく、バイアス電場の増大と共に、λminが
一方的に増大すると言う欠点がある。 （第７の実施例）
【００４８】この実施例は、印加電界の大きさのみなら
ず、方向によっても広い波長範囲に渡って、入射光強度
を高効率に変調させることのできる新型の光強度変調器
である。
【００４９】図１０は、図１〜図３に示す歪み量子井戸
のいずれかを含む第７の実施例に係わる光強度変調器の
構成を示す。具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎクラ
ッド層（ｎ領域）５２を成長し、その上に歪み量子井戸
構造５１を形成し、さらにその上にｐクラッド層（ｐ領
域）５３を成長した構造である。そして、ｎ領域５２と
ｐ領域５３との間に負荷抵抗Ｒを介して電源が接続され
るものとなっている。
【００５０】前述のように、図１〜図３に示す３種類の
歪み量子井戸構造において、歪みの仕組みや励起子遷移
による光吸収の特徴波長などはそれぞれ異なるが、その
共通点としては、量子井戸層にバンドオフセットと独立
的に調整することのできる内部電場が存在するというこ
とである。勿論、井戸層だけではなく障壁層も歪む場合
では、障壁層にも内部電場が生じるわけであるが、障壁
層に局在する内部電場は量子井戸構造の電気，光学特性
に殆ど影響を与えないため、以下では単に量子井戸層に
ある内部電場（Ｅｉで表わす）に注目し、本発明で提案
した光学素子の動作原理を説明する。
【００５１】図１１は、本実施例の光強度変調器の動作
原理図である。井戸層に歪み効果による内部電場（Ｅ
ｉ）が存在するために、量子井戸構造にＥｉと逆方向
（逆バイアス）の外部電界が加えられると（図中のＥ＜
０の場合に対応）、励起子遷移における吸収ピークが短
波長側にシフト（ブルーシフト）すると同時に、吸収係
数αも若干増大する。一方、仮に量子井戸構造にＥｉと
同方向（順バイアス）の外部電界が印加されると（図中
のＥ＞０の場合に対応）、励起子遷移における吸収ピー
クが長波長側にシフト（レッドシフト）すると同時に、
吸収係数αがかえって減少する。そのため、波長がそれ
ぞれλ1 ，λ2 （λ2 ＞λ1 ）である入射光のどちらに
対しても、印加電界の大きさ及び方向を適当に選択する
ことにより、極めて大きな吸収係数の変化Δα1 ，Δα
2 が得られるわけである。
【００５２】これに対し、図１２に示すように、従来型
のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造を含む光強度変
調器においては、井戸層に内部電場が存在しないため、
量子井戸構造にどの方向から外部電界を印加しても（図
中のＥ＞０ OR Ｅ＜０の場合に対応）励起子遷移におけ
る吸収ピークは、一方的に長波長側にシフト（レッドシ
フト）すると同時に、吸収係数も一方的に減少する。そ
の結果、波長がそれぞれλ1 ，λ2 である入射光のどち
らに対しても、印加電界による吸収係数の変化Δα1 ，
Δα2 は共に本実施例の光強度変調器と比べてかなり小
さい。
【００５３】図１３は、本実施例の光強度変調器を、波
長選択性の極めて高い光フィルタとして応用した場合の
変調特性を示す。波長がそれぞれλ1 ，λ2 、入力パワ
ーがそれぞれＰｉ（λ1 ），Ｐｉ（λ2 ）である入射光
に対して、出力光パワーＰｏ（λ1 ），Ｐｏ（λ2 ）が
矩形外部電界Ｅによって、正反対の振る舞いをしている
ように変調されていることが判る。つまり、外部電界Ｅ
が正である（Ｅ＞０）の場合には、ほぼλ1 の入射光の
みが出力される。一方、Ｅが負である（Ｅ＜０）の場合
には、ほぼλ2 の入射光のみが出力される。Ｅが正負交
互に加えられるため、λ1 とλ2 の入射光も交互に出力
（選択）されることになる。
【００５４】なお、図中に比較のため、同じ条件下での
従来型の量子井戸構造における出力パワーＰo'（λ1
），Ｐo'（λ2 ）も破線で示してある。Ｅの変化に拘
らず、Ｐo'（λ1 ），Ｐo'（λ2 ）は共に時間に殆ど依
存しないため、選択性がないことが明らかである。 （第８の実施例）
【００５５】この実施例は、内部電界の２倍に相当する
外部電界を逆方向に印加することによって、極めて大き
な屈折率変化（従来構造より数倍大きい）が得られるこ
とを特徴とする新型量子井戸光導波路である。
【００５６】図１４は、図１〜図３に示す歪み量子井戸
構造のいずれかを含む、印加電界によって光ビームを偏
向させることのできる光導波路のコア部分を示す。具体
的に、ｎ型ＧａＡｓ基板６０上に屈折率ｎ2 のクラッド
層６２を成長し、その上に屈折率ｎ1 の歪み量子井戸構
造６１を形成し、さらにその上に屈折率ｎ3 のｐクラッ
ド層６３を成長した層構造である（ｎ1 ＞ｎ2 ，ｎ3
）。そして、このように作成された導波路の上下両端
面に電極６４，６５を介して外部電源が接続されるもの
となっている。
【００５７】導波路（量子井戸構造）に電界を印加する
と、励起子遷移による光吸収ピーク波長がシフトするた
めに、ある波長の入力光に対して、量子井戸における吸
収係数が変わる。吸収係数と屈折率とは、クラマース・
クロニッヒ（Kramers-Kronig）式で関係付けられている
ため、量子井戸の屈折率は印加電界によって変調される
ことが明らかである。一般的に、屈折率の変化量Δｎ
は、印加電界Ｅ及び光吸収ピークのエネルギーシフト量
Δとは、Δｎ＝ｋＥ2 ／Δ2 （ｋは比例定数）のような
関係がある。
【００５８】従来のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構
造では、Δの絶対値はＥの絶対値（方向不問）の増大と
共に増大するために、上記の関係式から、あまり大きな
屈折率の変化量（Δｎ）が期待できないわけである。こ
れに対し、本発明の内部電場Ｅｉを有する歪み量子井戸
構造を含む光導波路においては、図１５に示すように、
光吸収ピークのシフト量Δは必ずしも印加電界の増大に
つれて一方的に増大しない。特に量子井戸構造に、内部
電界Ｅｉの２倍に相当する外部電界を逆方向から印加す
る場合（Ｅ＝−２Ｅｉ）に、光吸収ピークのエネルギー
ｈν3 は丁度無印加電界（Ｅ＝０）の場合の光吸収ピー
クのエネルギーｈν1 と等しい。つまり、Δｈ＝ｈν3
−ｈν1 ＝０、その結果、屈折率の変化量Δｎが極めて
大きい（通常の数倍以上に達する可能性がある）と考え
られる。
【００５９】この全く新しい特性を利用して、本実施例
の光導波路を高速かつ大角度の光ビーム偏向器に応用す
ることができる（図１４を参照）。矩形外部電界Ｅが光
導波路に印加される場合では、Ｅ＝０及びＥ＝−２Ｅｉ
の時に、出力光ビームはそれぞれビーム１とビーム２に
なるため、矩形外部電界Ｅによって出力光ビームは高速
に偏向される。なお、Ｅ＝０とＥ＝−２Ｅｉの時におけ
る屈折率の差Δｎが極めて大きいため、ビーム１とビー
ム２とのなす角（偏向角）θはかなり大きくなり、大角
度の光ビーム偏向器が得られるわけである。 （第９の実施例）この実施例は、消光比，安定性共に高
く、かつ動作波長が可変な光スイッチである。
【００６０】ＳＥＥＤに代表されるような従来の光双安
定素子（光スイッチ）素子では、消光比が低いだけでは
なく、動作に要求される印加電界の領域が狭いため、安
定性を欠き、またスイッチングされる光波長も限られて
いると言った欠点がある。これに対し、従来の量子井戸
構造の代わりに、図１〜図３に示す［１１１］方向で形
成した歪み量子井戸構造のいずれかを用いると、消光比
及び安定性共に高く、なおかつ動作波長の領域が可変な
光スイッチ素子を実現することができる。素子構成は前
記図１０と同様であるが、動作の原理は下記の通りであ
る。
【００６１】仮に無印加電界（Ｅ＝０）の時の歪み量子
井戸における励起子遷移の特徴波長をλ0 、歪み量子井
戸に存在する内部電界をＥｉとする。波長λがそれぞれ
λ＜λ0 ，λ＝λ0 ，λ＞λ0 の入射光に対して、歪み
量子井戸における吸収係数αが印加電界Ｅとは図１６に
示されるような関係にある。
【００６２】まず、図１６（ａ）に示すλ＜λ0 の場合
では、入射光子のエネルギーが，Ｅ＝０の時の歪み量子
井戸における特徴遷移エネルギーより大きいため、Ｅｉ
と逆方向にある値以下（｜Ｅ｜≦｜Ｅ1 ｜）の電界を印
加しても、光吸収が依然として起きる。しかし、この逆
バイアス電界を増大して、｜Ｅ1 ｜＜｜Ｅ｜＜｜Ｅ2｜
の領域に達すると、入射光子のエネルギーがついに量子
井戸の特徴遷移エネルギーを下回ってしまう結果、光吸
収が不可能となる（α＝０）。つまり、入射光がそのま
ま量子井戸を透過する。しかし、量子井戸における特徴
遷移エネルギーが、逆バイアス電界Ｅ＝−Ｅｉ時の値を
ピークに、減少に転じるため、光吸収がある時点（｜Ｅ
｜≧｜Ｅ2 ｜）から再び起きる。ここのＥ1 ，Ｅ2 及び
図１６（ｃ）中のＥ3 ，Ｅ4 は共に入射光の波長λによ
って完全に決められるものであり、歪み量子井戸構造自
体とは関係ない。
【００６３】上記と全く同様な考察をλ＝λ0 及びλ＞
λ0 の場合においても行い、吸収係数αと印加電界Ｅと
の関係がそれぞれ図１６（ｂ）（ｃ）になることが理解
できる。図１６より明らかなように、本実施例の光スイ
ッチ素子においては、入射光の波長に関係なく、光吸収
が全く起きない電界領域が存在するため、吸収係数の変
化量、つまり消光比が極めて高い。また、印加電界に若
干の振れがあっても吸収係数のαが変わらない領域（こ
れを安定動作できる領域という）は入射光の波長に強く
依存するが、量子井戸にある内部電界Ｅｉを適当に選択
することによって、いかなる波長の入射光に対しても必
要な安定動作領域を確保することができる。この点は、
本発明の歪み量子井戸構造において始めて可能となる特
徴的な事項である。即ち、本実施例の光スイッチ素子に
おいては、スイッチングされる光波長が可変なのであ
る。 （第１０の実施例）この実施例は、正負性抵抗を伴う高
いピーク／バレー比を有するフォトダイオードである。
【００６４】本発明で提案した［１１１］方向で形成し
た歪み量子井戸構造からのもう一つの応用としては、外
部バイアス電圧に対し、正負性抵抗を伴う高ピーク／バ
レー（光電流）比を有するフォトダイオードである。負
性抵抗は、ＳＥＥＤのような素子にも見られるが、図１
７（ａ）に示すように、光電流Ｉがバイアス電圧Ｖの増
大と共に一方的に減少するため、正性抵抗又はピークと
バレーが全く現れない。これに対し、図１〜図３に示す
歪み量子井戸構造のいずれかを用いたフォトダイオード
では、正負性抵抗が共に存在し、かつ光電流のピーク／
バレー比が非常に高い。このようなフォトダイオードの
素子構成は、量子井戸構造部分を除いて、通常のフォト
ダイオードと同様であるが、その動作原理は下記の通り
である。
【００６５】仮に、逆バイアス電界Ｅが丁度歪み量子井
戸にある内部電界Ｅｉと等しい（Ｅ＝−Ｅｉ）時の励起
子遷移による光吸収の特徴波長をλ0 とする。また、フ
ォトダイオードに入射される光の波長λがいつまでもλ
0 より長くなるように、λ0即ちＥｉを調整済みだと仮
定する。この場合のフォトダイオードにおける光電流−
逆バイアス電流特性は図１７（ｂ）のようになることが
光吸収に対する考察から理解できる。図中のＶｉ＝Ｅｉ
Ｌｚ，Ｌｚが井戸幅であり、Ｖ1 ，Ｖ2 は入射光波長に
よって決定されるものである。
【００６６】図より明らかなように、Ｖ＜Ｖ1 の領域で
は、フォトダイオードが正性抵抗を示すが、Ｖ＞Ｖ2 の
領域では負性抵抗を示す。また、Ｖ1 ≦Ｖ≦Ｖ2 の領域
においては、光吸収が全く起きないため、光電流が極め
て小さい。その結果、Ｖ＝Ｖ1 ，Ｖ2 の時では、非常に
高いピーク／バレー（光電流）比が得られるわけであ
る。つまり、ある波長の入射光に対し、逆バイアス電圧
によって光電流を制御することができる。そのため、本
実施例のフォトダイオードは実質的に、効率の良いスイ
ッチの役割を果たしている。なお、本発明は上述した各
実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施することができる。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、歪
み量子井戸構造における内部電場とバンドオフセットを
必要に応じて、独立的に調節することができるため、ブ
ルーシフトの光吸収特性を保ちながら、できるだけ大き
な光双安定効果を有するような歪み量子井戸構造の半導
体量子井戸光学素子を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係わる［１１１］方向の歪み量
子井戸構造を示す図。
【図２】第２の実施例に係わる［１１１］方向の歪み量
子井戸構造を示す図。
【図３】第３の実施例に係わる［１１１］方向の歪み量
子井戸構造を示す図。
【図４】歪み量子井戸構造を含む第４の実施例に係わる
光双安定素子の構成を示す図。
【図５】第４の実施例におけるエネルギーバンド及び動
作特性を示す図。
【図６】第４の実施例におけるエネルギーバンド及び動
作特性を示す図。
【図７】歪み量子井戸構造を含む第５の実施例に係わる
光学素子の構成を示す図。
【図８】第５の実施例におけるバイアス電場による光出
力パワーの変調動作を示す図。
【図９】第６の実施例におけるバイアス電場による透過
最小波長の選択特性を示す図。
【図１０】第７の実施例に係わる光強度変調器の構造を
示す図。
【図１１】第７の実施例における光強度変調器の動作原
理を示す図。
【図１２】従来型の光強度変調器の動作原理を示す図。
【図１３】第７の実施例の光強度変調器を波長選択性の
極めて高い光フィルタとして応用した場合の変調特性を
示す図。
【図１４】第８の実施例に係わる光導波路の構造を示す
図。
【図１５】第８の実施例における歪み量子井戸のバンド
構造を示す図。
【図１６】第９の実施例に係わる光スイッチ素子におけ
る吸収係数の印加電界電界及び入射光波長に対する依存
性を示す図。
【図１７】第１０の実施例に係わるフォトダイオードの
光電流−逆バイアス電圧特性を示す図。
【図１８】従来の歪み量子井戸構造を示す図。
【符号の説明】
１０，２０，３０…ＧａＡｓ基板、 １１…ＧａＡｓ1-x Ｐx 障壁層、 １２…ＧａＡｓ井戸層、 ２１…Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓ障壁層、 ２２…ＧａＡｓ1-y Ｐy 井戸層、 ３１…Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ障壁層、 ３２…Ｉｎ1-y Ｇａy Ａｓ井戸層、 ４１，５１，６１，７１…量子井戸構造部 ４２，５２，６２，７２…ｎ型化合物半導体領域、 ４３，５３，６３，７３…ｐ型化合物半導体領域。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】主面が（１１１）面の化合物半導体基板上
    に、格子定数ａとエネルギーバンドギャップＥｇの異な
    る２種類の化合物半導体Ａ，Ｂ｛ａ（Ａ）＞ａ（Ｂ），
    Ｅｇ（Ａ）＜Ｅｇ（Ｂ）｝を交互に積層させ、Ａを井戸
    層としＢを障壁層とする歪み量子井戸又は超格子構造を
    形成した半導体量子井戸光学素子において、 前記障壁層Ｂは、結晶成長面と平行方向の引張り歪みが
    部分的に緩和されるように、該層Ｂにおける歪み緩和の
    臨界膜厚よりも厚く形成され、 前記井戸層Ａには、前記障壁層Ｂに閉じ込められた歪み
    の部分的な緩和によって、結晶成長面と平行方向の圧縮
    歪みが与えられていることを特徴とする半導体量子井戸
    光学素子。
  2. 【請求項２】主面が（１１１）面の化合物半導体基板上
    に、該基板より格子定数の小さい化合物半導体Ａと、該
    基板より格子定数の大きい又は該基板と格子定数のほぼ
    等しい化合物半導体Ｂを交互に積層させ、Ａを井戸層と
    しＢを障壁層とする歪み量子井戸又は超格子構造を形成
    した半導体量子井戸光学素子において、 前記井戸層Ａは、結晶成長面と平行方向の引張り歪みが
    完全に閉じ込められるように、該層Ａにおける歪み緩和
    の臨界膜厚よりも薄く形成され、 前記障壁層Ｂは、前記基板より格子定数の大きい場合に
    は、結晶成長面と平行方向の圧縮歪みが完全に閉じ込め
    られるように、該層Ｂにおける歪み緩和の臨界膜厚より
    も薄く形成されていることを特徴とする半導体量子井戸
    光学素子。
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