JPH07261220A

JPH07261220A - 半導体光素子

Info

Publication number: JPH07261220A
Application number: JP6055699A
Authority: JP
Inventors: Koji Tominaga; 浩司冨永; Makoto Hosoda; 誠細田
Original assignee: ATR Optical and Radio Communications Research Laboratories
Current assignee: ATR Optical and Radio Communications Research Laboratories
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】【目的】障壁層が井戸層に比較して薄い超格子中にお
ける非線形電気光学吸収効果を利用した半導体光素子の
動作波長を、半導体基板との格子整合の制約無しに自由
に選択できることができる、ＳＥＥＤを利用した半導体
光素子を提供することにある。【構成】半導体基板上に形成され井戸層と障壁層とが
交互に形成された超格子構造の真性半導体層とが２つの
電極間に挟設され、非線形電気光学吸収効果を有するｐ
ｉｎダイオードを備えた半導体光素子において、障壁層
の厚さは井戸層の厚さよりも薄く設定され、半導体基板
と真性半導体層との間に、井戸層と同一の材料を有しそ
の組成比を各成長層毎に変化することによって半導体基
板の格子定数から真性半導体層の格子定数に変化するよ
うに形成された格子定数変換バッファ層と、井戸層と同
一の組成物であって、格子定数変換層よりも厚い厚さを
有し、格子定数を第２の格子定数に安定化するための格
子定数安定化バッファ層とを形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非線形電気吸収効果を
有するＳＥＥＤ（Self-Electro-optic Effect Device）
を用いた半導体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】障壁層が薄い超格子層中における非線形
電気光学吸収効果を利用した半導体光素子の１つとして
ワニエシュタルク型ＳＥＥＤがあるが、これまでワニエ
シュタルク型ＳＥＥＤは、例えば以下の文献に示すよう
に、ＧａＡｓ半導体基板上のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、Ｇａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓや、ＩｎＰ半導体基板上のＩｎ_0.53
Ｇａ_0.47Ａｓ／Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓなど半導体基板に
格子整合した超格子デバイスにおいて実現されている。（ａ）E.E.Mendez et al.,"Stark Localization in GaA
s-GaAlAs Superlatticesunder electric field",Physic
s Rev. Letter, Vol.60, 2426(1988年)。（ｂ）K.Kawashima et al.,"Transmission Self-Electr
o-Optic Effect DevicesBased on Wannier-Stark Local
ization in a GaAs/AlAs Superlattice", Japannese Jo
urnal of Applied Physics, Vol.31, 2682(1992年)。（ｃ）E.Bigan et al.,"Optimization of Optical Wave
guide Modulators Basedon Wannier-Stark Localzation
: An Experimental Study",IEEE Journal of Quantum
Electron, Vol.28, 214(1992年)。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、超格子層中の
井戸層及び／又は障壁層の厚さ及び／又は組成などを変
化することにより超格子の構造を変化することによっ
て、波長に対する光電流の特性においてスイッチング動
作の階段特性を得ることができる波長を、例えば７００
ｎｍから８５０ｎｍまでの波長の範囲で変化することが
でき、所定の動作波長選択性を得ることができる。しか
しながら、格子整合という制約があるため、上記階段特
性を得ることができる波長の範囲は比較的狭く、波長選
択の自由度は限られている。例えば、光源として高出力
で高品質なＮｄ：ＹＡＧレーザ（例えば、発振波長１．
０６μmを有する。）を利用することができないという
問題点があった。

【０００４】一つの試みとして、ＧａＡｓ半導体基板上
のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子系デバイスを利用する
ことが考えられ、井戸層よりも厚い障壁層を有するＱＣ
ＳＥ(Quantum Confinement Stark Effect)を利用した光
半導体素子を実現している例がある。しかしながら、半
導体基板と格子整合したＧａＡｓ障壁層が半導体基板に
格子整合しないＩｎＧａＡｓ井戸層に比較して薄くなる
ように構成したワニエシュタルク型ＳＥＥＤにおいて
は、格子不整合による歪が薄い障壁層に蓄積されるため
超格子の成長中に欠陥が生じてしまい、明確なワニエシ
ュタルク局在効果を確認することはできていない。これ
については、例えば、以下の文献に開示されている。 B.Pezeshki et al.,"Wannier-Stark localization in a
strained InGaAs/GaAssuperlattice", Applied Physic
s Letter, Vol.57, 2116(1990年)。

【０００５】本発明の目的は、障壁層が井戸層に比較し
て薄い超格子中における非線形電気光学吸収効果を利用
した半導体光素子の動作波長を、半導体基板との格子整
合の制約無しに自由に選択できることができる、ＳＥＥ
Ｄを利用した半導体光素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の光半導体素子は、所定の第１の格子定数を有する半
導体基板と、上記半導体基板上に形成され所定の第２の
格子定数を有しかつ井戸層と障壁層とが交互に所定の周
期数で積層形成されてなる超格子構造を有する真性半導
体層とが２つの電極間に挟設され、上記２つの電極間に
逆バイアス電圧を変化することによって光吸収端付近の
光透過率が変化して上記逆バイアス電圧に対して入射す
る入力光による光電流が変化する非線形電気光学吸収効
果を有するｐｉｎダイオードを備えた半導体光素子にお
いて、上記障壁層の厚さは上記井戸層の厚さよりも薄く
設定され、上記半導体基板と上記真性半導体層との間
に、上記井戸層と同一の材料を有し当該材料の組成比を
各成長層毎に変化することによって上記半導体基板側の
上記第１の格子定数から上記真性半導体層側の上記第２
の格子定数に変化するように形成され、上記第１の格子
定数を上記第２の格子定数に変換する格子定数変換バッ
ファ層と、上記井戸層と同一の組成物であって、上記格
子定数変換層よりも厚い厚さを有し、上記格子定数を上
記第２の格子定数に安定化するための格子定数安定化バ
ッファ層とを形成したことを特徴とする。

【０００７】また、請求項２記載の半導体光素子は、請
求項１記載の半導体光素子において、上記井戸層に対し
て応力が印加されるように上記井戸層及び上記障壁層の
組成が設定されたことを特徴とする。さらに、請求項３
記載の半導体光素子は、請求項２記載の半導体光素子に
おいて、上記井戸層に対して圧縮応力が印加されるよう
に上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定されたことを
特徴とする。また、請求項４記載の半導体光素子は、請
求項２記載の半導体光素子において、上記井戸層に対し
て引っ張り応力が印加されるように上記井戸層及び上記
障壁層の組成が設定されたことを特徴とする。さらに、
請求項５記載の半導体光素子は、請求項２記載の半導体
光素子において、上記井戸層に対して圧縮応力が印加さ
れかつ上記障壁層に対して引っ張り応力が印加され、上
記圧縮応力と上記引っ張り応力とが実質的に等しくなる
ように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定されたこ
とを特徴とする。またさらに、請求項６記載の半導体素
子は、請求項２記載の半導体光素子において、上記井戸
層に対して引っ張り応力が印加されかつ上記障壁層に対
して圧縮応力が印加され、上記引っ張り応力と上記圧縮
張り応力とが実質的に等しくなるように上記井戸層及び
上記障壁層の組成が設定されたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】以上のように構成された半導体光素子において
は、上記２つの電極間に逆バイアス電圧を変化すること
によって光吸収端付近の光透過率が変化して上記逆バイ
アス電圧に対して入射する入力光による光電流が変化す
る。すなわち、逆バイアス電圧を変化することによっ
て、スイッチング動作を実現することができる。そし
て、上記格子定数変換バッファ層は、上記第１の格子定
数を上記第２の格子定数に変換する。また、上記格子定
数安定化バッファ層は、上記格子定数を上記第２の格子
定数に安定化する。この場合、障壁層が井戸層に比較し
て薄い超格子中における非線形電気光学吸収効果を利用
した半導体光素子におけるスイッチング動作の動作波長
を、半導体基板との格子整合の制約無しにより広い範囲
にわたって自由に選択できることができる。本発明者の
実験によれば、上記動作波長を、従来例では７００ｎｍ
乃至８５０ｎｍの範囲で変化するのに対して、本発明の
構成では、７００ｎｍ乃至１１００ｎｍの範囲で変化さ
せることができる。

【０００９】また、好ましくは、上記井戸層に対して応
力が印加されるように上記井戸層及び上記障壁層の組成
が設定される。この場合において、以下の４つの好まし
い場合がある。

【００１０】（１）上記井戸層に対して圧縮応力が印加
されるように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定さ
れる。この結果、井戸層４２の価電子帯３２のバンド構
造が変化する。応力がなく無歪状態の場合（図３の
（ａ）参照。）と比較すると、重い正孔の準位は低いエ
ネルギー側に変化する（図３の（ｂ）参照。）一方、軽
い正孔の準位は高いエネルギー側に変化する（図３の
（ｃ）参照。）。従って、電子と軽い正孔による吸収の
エネルギー量（Ｅ１−ＬＨ１）と、電子と重い正孔によ
る吸収のエネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１）との間のエネル
ギー差をより大きく設定することができる。これによ
り、エネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１）と、エネルギー量
（Ｅ１−ＬＨ１）とを独立に利用した半導体光素子の光
源に求められる波長の単一性の制約がゆるくなる。言い
換えれば、広帯域な波長特性を有する発光ダイオード源
を用いてもよいという利点がある。

【００１１】（２）上記井戸層に対して引っ張り応力が
印加されるように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設
定される。この場合においては井戸層４２に引っ張り応
力が印加される。井戸層４２にかかる引っ張り応力の結
果、井戸層４２の価電子帯３２のバンド構造が変化す
る。応力がなく無歪状態の場合（図４の（ａ）参照。）
と比較すると、重い正孔の準位は高いエネルギー側に変
化する（図４の（ｂ）参照。）一方、軽い正孔の準位は
低いエネルギー側に変化する（図４の（ｃ）参照。）。
従って、上記組成値の大きさや井戸層４２の厚さを適当
に設定すれば、電子と軽い正孔による吸収のエネルギー
量（Ｅ１−ＬＨ１ａ）と、電子と重い正孔による吸収の
エネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１ａ）を一致させることがで
きる。これにより、光源の偏光モードに依存しない光素
子が実現できるという特有の利点がある。

【００１２】（３）上記井戸層に対して圧縮応力が印加
されかつ上記障壁層に対して引っ張り応力が印加され、
上記圧縮応力と上記引っ張り応力とが実質的に等しくな
るように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定され
る。ここで、井戸層４２に印加される圧縮応力と、障壁
層４１に印加される引っ張り応力とが実質的に等しくな
るように、すなわち両応力がバランスしかつ上記井戸層
と上記障壁層のバンドギャップエネルギーの差が無歪超
格子のときのそれに比較して大きくなるように上記組成
値を設定することにより、振動子強度が大きくなるの
で、光吸収のピークが鋭くなるため、コントラスト比の
大きな半導体光素子を得ることができる。（４）上記井戸層に対して引っ張り応力が印加されかつ
上記障壁層に対して圧縮応力が印加され、上記引っ張り
応力と上記圧縮応力とが実質的に等しくなるように上記
井戸層及び上記障壁層の組成が設定される。ここで、井
戸層４２に印加される引っ張り応力と、障壁層４１に印
加される圧縮応力とが実質的に等しくなるように、すな
わち両応力がバランスしかつ上記井戸層と上記障壁層の
バンドギャップエネルギーの差が無歪超格子のときのそ
れに比較して大きくなるように上記組成値を設定するこ
とにより、振動子強度が大きくなるので、光吸収のピー
クが鋭くなるため、コントラスト比の大きな半導体光素
子を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例をＧａＡｓ半導体基
板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系ワニエシュタルク
型ＳＥＥＤについて説明する。本実施例のワニエシュタ
ルク型ＳＥＥＤは、図１に示すように、裏面に電極１１
が形成されたｎ−ＧａＡｓにてなるｎ型半導体基板１０
上に、以下の層が順次半導体基板１０から近接した側か
ら積層されて形成される。（ａ）ＧａＡｓにてなるｎ型半導体層２１、（ｂ）組成
値ｘがｎ型半導体層２１のＩｎの組成値０から次の格子
定数安定化バッファ層２３の組成値ｙ＝ｚｂ＝ｘｍａｘ
（ここで、ｘｍａｘはｘの最大値を示し、また、ｚｂは
次の格子定数バッファ層２３のＩｎの組成値である。）
までの範囲で、厚さ方向に線形的に変化するＩｎ_xＧａ
_1-xＡｓのｎ型半導体にてなる格子定数変換バッファ層
（以下、格子定数変換層という。）２２、（ｃ）Ｉｎ_y
Ｇａ_1-yＡｓのｎ型半導体にてなる格子定数安定化バッ
ファ層（以下、格子定数安定化層という。）２３、
（ｄ）Ｉｎ_y，Ａｌ_1-yＡｓにてなるｉ型半導体層２４、
（ｅ）図３及び図４に示すように、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓに
てなる障壁層４１と、Ｉｎ_y'Ｇａ_1-y'Ａｓにてなる井戸
層４２とが交互に例えば１００周期だけ積層形成されて
なる超格子構造（図１においてＳＬ（Super Lattices)
と示す。）のｉ型真性半導体層２５、ここで、ｙ＝ｚ
ｂ，ｙ’＝ｚｗであり、障壁層４１の厚さは井戸層４２
の厚さに比較して薄い。（ｆ）Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓにてな
るｉ型半導体層２６、（ｇ）Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓにてなる
ｐ型半導体層２７、（ｈ）ＧａＡｓにてなるｐ型半導体
層２８、（ｉ）電極１２。

【００１４】ここで、円環形状の電極１１，１２のその
中心部には、互いに対向する位置に光を通過させるため
の円形のスルーホール孔１１ｈ，１２ｈが形成され、電
極１１は可変直流電圧源１の正極が接続される一方、電
極１２は接地されて可変直流電圧源１の負極が接続され
る。すなわち、本実施例のＳＥＥＤは、ヘテロ接合型半
導体ｐｉｎ型ダイオードの構造を有しており、可変直流
電圧源１によって逆バイアス電圧が印加されている。ま
た、ｉ型真性半導体層２５は、障壁層４１の厚さが井戸
層４２よりもう薄く数原子層程度の厚さを有する短周期
の超格子構造からなり、特に、本実施例のＳＥＥＤは、
格子定数を変換するための格子定数変換層２２と、格子
定数を安定化するための格子定数安定化層２３とを備え
たことを特徴としている。

【００１５】当該ＳＥＥＤにおいては、可変直流電圧源
１を用いて電極１１，１２間に直流逆バイアス電圧を印
加することにより、ｐ型半導体層２７，２８とｎ型半導
体層２１，２２，２３及びｎ型半導体基板１０とを介し
て超格子構造のｉ型真性半導体層２５に対してその厚さ
方向に所定の電界を印加することができる。ここで、当
該逆バイアス電圧の電圧値を変化することにより、従来
例と同様に、いわゆる光吸収端付近の波長領域で光透過
率を変化させることができ、これによって、逆バイアス
電圧に対して入射する入力光による光電流の特性が変化
する。

【００１６】本実施例における各層の組成を要約すると
以下の通りである。（ａ）２１：ｎ−ＧａＡｓ。（ｂ）２２：ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ，ここで、ｘは０≦
ｘ≦ｚｂの範囲で厚さ方向で変化する。（ｃ）２３：ｎ−Ｉｎ_zbＧａ_1-zbＡｓ。（ｄ）２４：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ。（ｅ）２５の障壁層：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ；２５の
井戸層：ｉ−Ｉｎ_zwＧａ_1-zwＡｓ。（ｆ）２６：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ。（ｇ）２７：ｐ−Ｉｎ_zbＧａ_1-zbＡｓ。（ｈ）２８：ｐ−ＧａＡｓ。ここで、ｎ−はｎ型を示す一方、ｐ−はｐ型を示す。

【００１７】まず、本実施例のＳＥＥＤの製造プロセス
について説明する。図１に示すように、ＧａＡｓにてな
る半導体基板１０にｎ型不純物イオンが注入量５×１０
¹⁷ｃｍ^-3で注入されてｎ型半導体基板となり、当該ｎ型
半導体基板１０の裏面に円環形状の電極１１がスルーホ
ール孔１１ｈを有して形成される。次いで、ｎ型半導体
基板１０上に、ｎ型不純物イオンが注入量５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3で注入されたＧａＡｓにてなる厚さ１００ｎｍのｎ
型半導体層２１が形成される。なお、以下に形成する半
導体層２１乃至２８の形成方法は、例えば、分子線エピ
タキシャル成長法、有機金属化学的気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法などの公知の方法を用いる。

【００１８】次いで、当該ｎ型半導体層２１上に、ｎ型
不純物イオンが注入量５×１０¹⁷ｃｍ^-3で注入されたＩ
ｎ_xＧａ_1-xＡｓにてなる厚さ２００ｎｍのｎ型半導体層
成る格子定数変換層２２が形成される。ここで、当該格
子定数変換層２２においては、格子定数を、下側のｎ型
半導体層２１と上側の格子定数安定化層２３との間でス
ムーズに変換するために、すなわち格子定数をスムーズ
に又は徐々に変化するために、組成値ｘがｎ型半導体層
２１の組成値０から次の格子定数安定化バッファ層２３
の組成値ｙ＝ｚｂ＝ｘｍａｘまでの範囲で、厚さ方向に
線形的に変化するように各成長層毎に変化させて積層成
長されて形成される。ここで、格子定数を増大させてい
るが、バンドギャップの観点からみると、格子定数変換
層２２は、バンドギャップを減少させるように変換する
作用を有する。

【００１９】本実施例において、半導体基板１０の格子
定数は約５．６６Åであるが、超格子構造の真性半導体
層２５の格子定数は約５．７０Åであるので、格子定数
変換層２２は格子定数を増大させるように構成されてい
る。ここで、組成値の最大値ｙ＝ｚｂ＝ｘｍａｘは好ま
しくは、０．０１から０．３までの範囲であり、より好
ましくは、０．１５である。なお、当該格子定数変換層
２２においては、格子定数又は組成値ｘを線形的に変化
させているが、本発明はこれに限らず、比較的小さいス
テップ量で階段状に変化させてもよい。

【００２０】さらに、当該格子定数変換層２２上に、ｎ
型不純物イオンが注入量５×１０¹⁷ｃｍ^-3で注入された
Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓにてなる厚さ８００ｎｍのｎ型半導体
層なる格子定数安定化層２３が形成される。当該格子定
数安定化層２３は、格子定数を安定化するためのｎ型半
導体層であって、ｉ型真性半導体層２５に対するバッフ
ァ層となる。ここで、格子定数安定化層２３の厚さは格
子定数を安定化させるために、格子定数変換層２２など
の他の各層の厚さに比較して厚く設定される。次いで、
当該格子定数安定化層２３上に、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓにて
なる厚さ１５ｎｍのｉ型半導体層２４が形成された後、
超格子構造を有するｉ型真性半導体層２５が形成され
る。当該ｉ型真性半導体層２５は、図３及び図４に示す
ように、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓにてなる厚さ１ｎｍの障壁層
４１と、Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓにてなる厚さ４．５ｎｍの井
戸層４２とが交互に例えば１００周期だけ積層形成され
てなる超格子構造を有する。

【００２１】なお、上記ｉ型真性半導体層２５において
は、ｉ型半導体層２４に接して上記井戸層４２が形成さ
れる一方、次のｉ型半導体層２６に接して上記井戸層４
２が形成される。本実施例においては、当該超格子構造
を有するｉ型真性半導体層２５の周期数は１００である
が、本発明はこれに限らず、好ましくは３０から１５０
までの範囲の周期数に設定してもよい。

【００２２】さらに、当該ｉ型真性半導体層２５上に、
Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓにてなる厚さ２０ｎｍのｐ型半導体層
２６が形成された後、当該ｉ型半導体層２６上に、ｐ型
不純物イオンが注入量１×１０¹⁸ｃｍ^-3で注入されたＩ
ｎ_yＧａ_1-yＡｓにてなる厚さ１００ｎｍのｐ型半導体層
２７が形成される。さらに、当該ｐ型半導体層２７上
に、ｐ型不純物イオンが注入量５×１０¹⁸ｃｍ^-3で注入
されたＧａＡｓにてなる厚さ１０ｎｍのｐ型半導体層２
８が形成された後、電極１１のスルーホール孔１１ｈに
対向するように形成されたスルーホール孔１２ｈを有す
る電極１２が上記ｐ型半導体層２８上に形成される。そ
して、電極１１は可変直流電圧源１の正極が接続される
一方、電極１２は接地されて可変直流電圧源１の負極が
接続される。なお、本実施例における上記ｎ型不純物又
はｐ型不純物の注入量は、上記に限定されず、好ましく
は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3乃至１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲にあ
ればよい。

【００２３】以上のように構成された本実施例のワニエ
シュタルク型ＳＥＥＤにおいては、上記格子定数変換層
２２のＩｎの組成値ｘは０からｙ＝ｘｍａｘにリニアに
変化し、その上の格子定数安定化層２３よりも上の層で
は、Ｉｎの組成値は一定に設定している。この結果、Ｇ
ａＡｓ半導体基板１０とは格子定数の異なる格子定数変
換層２２が疑似的な半導体基板となり、その上にはＩｎ
_yＧａ_1-yＡｓの半導体層２７に格子整合したほとんど無
歪に近い系を成長することができる。すなわち、上記半
導体基板１０は所定の格子定数を有するが、当該格子定
数を格子定数変換層２２によって徐々に変化させかつ格
子定数安定化層２３によって安定化することによってほ
とんど無歪に近い状態でｉ型半導体層２４及びそれより
の上の半導体２５乃至２８に格子整合させている。

【００２４】本実施例において、組成値ｙ＝ｚｂ＝ｘｍ
ａｘを０．１５とするとＧａＡｓのｎ型半導体層２１と
Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓの格子定数安定化層２３との間の
格子不整合、すなわち２つの材料の間に生じる歪の割合
は約１％であり、一般に、Ｉｎの組成値ｙ’が大きくな
るにつれて、転位なしに成長可能な臨界膜厚は小さくな
る。この場合、臨界膜厚は３０ｎｍ程度となり、通常の
成長ではこれ以上の膜厚になると格子不整合による転位
が系全体に発生してしまう。しかしながら、図１の本実
施例の構造によれば、上記格子定数変換層２２に転位が
集中するため、格子定数安定化層２３より上には転位の
ない電気的光学的特性の良好な層の成長が可能となる。

【００２５】従来技術の項で説明した、従来例のＱＣＳ
ＥタイプのＳＥＥＤにおいては半導体基板１０に格子整
合したＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓにてなる障壁層と、半
導体基板１０に格子整合しないＩｎＧａＡｓにてなる井
戸層の組み合わせでもって転位の無い成長が可能であっ
た。なぜなら、超格子の成長の過程でＩｎＧａＡｓ井戸
層の後に比較的厚いＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓにてなる
障壁層を成長する際に、蓄積した歪を緩和しながら成長
が進むために、トータルで臨界膜厚を越えた厚さのＩｎ
ＧａＡｓの成長が可能となり、十分な光吸収の変化を得
るだけの厚さの素子を得ることができたからである。と
ころが一方、障壁層が薄い短周期超格子（例えばワニエ
シュタルク型ＳＥＥＤの超格子）を備えた従来例のＳＥ
ＥＤにおいては、障壁層の成長の際に歪の緩和が十分進
まず、歪が蓄積されながら成長が進むため臨界膜厚程度
で転位が発生し、十分な光吸収の変化を得るだけの厚さ
を成長することができなかった。

【００２６】図２に例として、組成値ｙ＝ｘｍａｘを
０．１５として作製した素子の光電流の波長依存性を示
す。図２の特性は、図１に示すように、所定の波長を有
する入射光をｐ型半導体層２８側からその表面に対して
垂直な方向で入射させたときに当該ｐｉｎ型ダイオード
に流れる光電流を測定したものである。すなわち、入射
光を吸収したとき光電流が流れる一方、吸収しないとき
光電流が流れない。図２の実験例では、約９３０ｎｍの
波長以上では、光吸収が生じず、入射光は当該ｐｉｎダ
イオードを通過して出射する。一方、約８７０ｎｍの波
長以下では、当該ｐｉｎダイオードによって光吸収が生
じ、出力光は入射光に比較して小さくなる。

【００２７】上記図２から明らかなように、ワニエシュ
タルク型ＳＥＥＤに特徴的なブルーシフト、すなわち逆
バイアス電圧を印加することことにより吸収端が短波長
側にシフトすることが観測されている。また、シュタル
ク階段準位による吸収も見られることから、半導体基板
１０と格子不整合が約１％あるにもかかわらず、良好な
短周期超格子構造を有する半導体層２５が形成されてい
ることがわかる。

【００２８】本発明に係る本実施例によれば、原理的に
組成値ｙ’＝ｚｍａｘは任意に選べるため、所望の動作
波長を有するＳＥＥＤの形成が可能である。また、上記
格子定数安定化層２３よりも上の層では、格子不整合が
無いため吸収層の厚さに制約が無く十分な吸収変化を得
ることが可能である。上記図２の実験例では、無バイア
ス時のミニバンドによる立ち上がり波長が約８９０ｎｍ
のときの例が示されているが、本発明者の実験によれ
ば、本実施例における組成値を種々に変化することによ
り、動作波長として７００ｎｍ乃至１１００ｎｍの動作
波長のＳＥＥＤを得ることができた。

【００２９】以上の実施例において、組成値ｙ＝ｚｂ，
ｙ’＝ｚｗとしているが、本発明はこれに限らず、各層
２１乃至２８の膜厚がｙ≠ｚｂとｙ’≠ｚｗの少なくと
も一方を満足するように設定してもよい。この場合にお
いて、ｙ＝ｙ’とすると、以下の６通りの条件が存在し
て、超格子構造を有する真性半導体層２５内の井戸層４
２に対して圧縮応力と引っ張り応力とのうちの少なくと
も一方を印加すことができ、これによって、任意の歪超
格子を形成することができる。（ａ）ｚｗ＞ｙ＞ｚｂ（ｂ）ｚｗ＞ｙ＝ｚｂ（ｃ）ｚｗ＝ｙ＞ｚｂ（ｄ）ｚｗ＝ｙ＝ｚｂ（ｅ）ｚｗ＜ｙ＝ｚｂ（ｆ）ｚｗ＜ｙ＜ｚｂ

【００３０】さらに、本発明においてより好ましい実施
例である上記（ｂ）、（ｅ）及び（ｆ）又は（ａ）の場
合、並びに比較例である上記（ｄ）の場合について以下
に詳述する。（１）ｚｗ＞ｙ＝ｚｂこの場合においては、井戸層４２に圧縮応力が印加され
る。この結果、井戸層４２の価電子帯３２のバンド構造
が変化する。応力がなく無歪状態の場合（図３の（ａ）
参照。）と比較すると、重い正孔の準位は低いエネルギ
ー側に変化する（図３の（ｂ）参照。）一方、軽い正孔
の準位は高いエネルギー側に変化する（図３の（ｃ）参
照。）。従って、電子と軽い正孔による吸収のエネルギ
ー量（Ｅ１−ＬＨ１）と、電子と重い正孔による吸収の
エネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１）との間のエネルギー差を
より大きく設定することができる。これにより、エネル
ギー量（Ｅ１−ＨＨ１）と、エネルギー量（Ｅ１−ＬＨ
１）とを独立に利用した半導体光素子の光源に求められ
る波長の単一性の制約がゆるくなる。言い換えれば、広
帯域な波長特性を有する発光ダイオード源を用いてもよ
いという利点がある。

【００３１】（２）ｚｗ＜ｙ＝ｚｂこの場合においては井戸層４２に引っ張り応力が印加さ
れる。井戸層４２にかかる引っ張り応力の結果、井戸層
４２の価電子帯３２のバンド構造が変化する。応力がな
く無歪状態の場合（図４の（ａ）参照。）と比較する
と、重い正孔の準位は高いエネルギー側に変化する（図
４の（ｂ）参照。）一方、軽い正孔の準位は低いエネル
ギー側に変化する（図４の（ｃ）参照。）。従って、上
記組成値の大きさや井戸層４２の厚さを適当に設定すれ
ば、電子と軽い正孔による吸収のエネルギー量（Ｅ１−
ＬＨ１ａ）と、電子と重い正孔による吸収のエネルギー
量（Ｅ１−ＨＨ１ａ）を一致させることができる。これ
により、光源の偏光モードに依存しない光素子が実現で
きるという特有の利点がある。

【００３２】（３）ｚｗ＜ｙ＜ｚｂこの場合、井戸層４２に引っ張り応力が印加される一
方、障壁層４１に圧縮応力が印加される。ここで、井戸
層４２に印加される引っ張り応力と、障壁層４１に印加
される圧縮応力とが実質的に等しくなるように、すなわ
ち両応力がバランスしかつ上記井戸層と上記障壁層のバ
ンドギャップエネルギーの差が無歪超格子のときのそれ
に比較して大きくなるように上記組成値を設定すること
により振動子強度が大きくなるので、光吸収のピークが
鋭くなるため、コントラスト比の大きな半導体光素子を
得ることができる。

【００３３】（４）ｚｗ＞ｙ＞ｚｂこの場合、井戸層４２に圧縮応力が印加される一方、障
壁層４１に引っ張り応力が印加される。ここで、井戸層
４２に印加される圧縮応力と障壁層４１に印加される圧
縮応力とが実質的に等しくなるように、すなわち両応力
がバランスしかつ上記井戸層と上記障壁層のバンドギャ
ップエネルギーの差が無歪超格子のときのそれに比較し
て大きくなるように上記組成値を設定することにより振
動子強度が大きくなるので、光吸収のピークが鋭くなる
ため、コントラスト比の大きな半導体光素子を得ること
ができる。

【００３４】以上の実施例においては、ＧａＡｓ半導体
基板１０上のＩｎＧａＡｓ（井戸層）／ＩｎＡｌＡｓ
（障壁層）系超格子構造（以下、同様の形式で記す。）
を有する真性半導体層２５の一例について説明した。本
実施例においては、半導体基板１０が所定の格子定数Ａ
を有する一方、超格子構造を有する真性半導体層２５が
所定の格子定数Ｂを有するとしたときに、Ａ＜Ｂであ
る。すなわち、上記格子定数変換層２２によって格子定
数をＡから格子定数Ｂに大きくなるように変化して変換
する。しかしながら、本発明はこれに限らず、例えば、
ＧａＡｓ半導体基板上のＧａＡｓ_1-zＰ_z（井戸層）／Ａ
ｌ_wＧａ_1-wＡｓ_1-zＰ_z（障壁層）系超格子構造を有する
真性半導体層を備える場合などの他の材料系の場合にお
いては、Ａ＞Ｂである場合があり、上述と同様の構成
で、ほとんど無歪の状態である良好な短周期超格子構造
を有するＳＥＥＤを実現することができる。この場合
は、上記格子定数変換層２２によって格子定数をＡから
格子定数Ｂに小さくなるように変化して変換する。

【００３５】なお、ＧａＡｓ半導体基板上のＧａＡｓ
_1-zＰ_z（井戸層）／Ａｌ_wＧａ_1-wＡｓ_1-zＰ_z（障壁層）
系超格子構造を有する真性半導体層を備えるＳＥＥＤの
場合の各層の組成は、図１の構成に対応して以下の通り
である。（ａ）２１：ｎ−ＧａＡｓ。（ｂ）２２：ｎ−ＧａＡｓ_1-zＰ_z，ここで、組成値ｚは
０≦ｚ≦ｚｂの範囲で厚さ方向で変化する。（ｃ）２３：ｎ−ＧａＡｓ_1-zbＰ_zb。（ｄ）２４：ｉ−Ａｌ_wＧａ_1-wＡｓ_1-zbＰ_zb。（ｅ）２５の障壁層：ｉ−Ａｌ_wＧａ_1-wＡｓ_1-zbＰ_zb；
２５の井戸層：ｉ−ＧａＡｓ_1-zbＰ_zb。（ｆ）２６：ｉ−Ａｌ_wＧａ_1-wＡｓ_1-zbＰ_zb。（ｇ）２７：ｐ−ＧａＡｓ_1-zbＰ_zb。（ｈ）２８：ｐ−ＧａＡｓ。

【００３６】また、ＧａＡｓ半導体基板１０上に限ら
ず、例えばＩｎＰにてなる半導体基板上においても、上
記実施例の構造と同様に、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（井戸層）
／Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓ（障壁層）系超格子構造を有するＳ
ＥＥＤを実現することができる。この場合の各層の組成
は図１の構成に対応して以下の通りである。（ａ）２１：ｎ−ＩｎＰ。（ｂ）２２：ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ，ここで、組成値ｘ
は０．０３≦ｘ≦ｚｂの範囲で又はｚｂ≦ｘ≦０．５３
の範囲で厚さ方向で変化する。（ｃ）２３：ｎ−Ｉｎ_zbＧａ_1-zbＡｓ。（ｄ）２４：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ。（ｅ）２５の障壁層：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ；２５の
井戸層：ｉ−Ｉｎ_zwＧａ_1-zwＡｓ。（ｆ）２６：ｉ−Ｉｎ_zbＡｌ_1-zbＡｓ。（ｇ）２７：ｐ−Ｉｎ_zwＧａ_1-zwＡｓ。（ｈ）２８：ｐ−ＩｎＰ。

【００３７】この場合においては、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ
（井戸層）／Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓ（障壁層）に表記したと
きの組成値ｘ≒ｙ＞０．５３のときに格子定数は半導体
基板の格子定数Ａ＝約５．８７Å＜真性半導体層の格子
定数Ｂであるので、格子定数変換層によって格子定数を
Ａから格子定数Ｂに大きくなるように変化して変換す
る。一方、組成値ｘ≒ｙ＜０．５３で格子定数はＡ＞Ｂ
となり、この場合、格子定数変換層によって格子定数を
Ａから格子定数Ｂに小さくなるように変化して変換す
る。上記いずれの場合も良好な短周期超格子構造を有す
るＳＥＥＤを得ることができ、動作波長の選択がより広
い範囲にわたって自由にできるという特有の利点があ
る。

【００３８】本発明は、特に、例えばワニエシュタルク
型ＳＥＥＤなどの比較的短い周期の超格子構造を有する
ｉ型真性半導体層２５を備えたＳＥＥＤに適用すること
ができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、所
定の第１の格子定数を有する半導体基板と、上記半導体
基板上に形成され所定の第２の格子定数を有しかつ井戸
層と障壁層とが交互に所定の周期数で積層形成されてな
る超格子構造を有する真性半導体層とが２つの電極間に
挟設され、上記２つの電極間に逆バイアス電圧を変化す
ることによって光吸収端付近の光透過率が変化して上記
逆バイアス電圧に対して入射する入力光による光電流が
変化する非線形電気光学吸収効果を有するｐｉｎダイオ
ードを備えた半導体光素子において、上記障壁層の厚さ
は上記井戸層の厚さよりも薄く設定され、上記半導体基
板と上記真性半導体層との間に、上記井戸層と同一の材
料を有し当該材料の組成比を各成長層毎に変化すること
によって上記半導体基板側の上記第１の格子定数から上
記真性半導体層側の上記第２の格子定数に変化するよう
に形成され、上記第１の格子定数を上記第２の格子定数
に変換する格子定数変換バッファ層と、上記井戸層と同
一の組成物であって、上記格子定数変換層よりも厚い厚
さを有し、上記格子定数を上記第２の格子定数に安定化
するための格子定数安定化バッファ層とを形成してい
る。これによって、障壁層が井戸層に比較して薄い超格
子中における非線形電気光学吸収効果を利用した半導体
光素子におけるスイッチング動作の動作波長を、半導体
基板との格子整合の制約無しにより広い範囲にわたって
自由に選択できることができる。

【００４０】また、請求項３記載の半導体光素子におい
ては、上記井戸層に対して圧縮応力が印加されるように
上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定される。これに
よって、上述のように、電子と軽い正孔による吸収のエ
ネルギー量（Ｅ１−ＬＨ１）と、電子と重い正孔による
吸収のエネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１）との間のエネルギ
ー差をより大きく設定することができる。これにより、
エネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１）と、エネルギー量（Ｅ１
−ＬＨ１）とを独立に利用した半導体光素子の光源に求
められる波長の単一性の制約がゆるくなる。言い換えれ
ば、広帯域な波長特性を有する発光ダイオード源を用い
てもよいという特有の利点がある。

【００４１】さらに、請求項４記載の半導体光素子にお
いては、上記井戸層に対して引っ張り応力が印加される
ように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定される。
これによって、井戸層４２にかかる引っ張り応力の結
果、井戸層４２の価電子帯３２のバンド構造が変化し、
上述のように、電子と軽い正孔による吸収のエネルギー
量（Ｅ１−ＬＨ１ａ）と、電子と重い正孔による吸収の
エネルギー量（Ｅ１−ＨＨ１ａ）を一致させることがで
きる。これにより、光源の偏光モードに依存しない光素
子が実現できるという特有の利点がある。

【００４２】また、請求項５記載の半導体光素子におい
ては、上記井戸層に対して圧縮応力が印加されかつ上記
障壁層に対して引っ張り応力が印加され、上記圧縮応力
と上記引っ張り応力とが実質的に等しくなるように上記
井戸層及び上記障壁層の組成が設定される。これによっ
て、振動子強度が大きくなるので、光吸収のピークが鋭
くなるため、コントラスト比の大きな半導体光素子を得
ることができるという特有の利点がある。

【００４３】また、請求項６記載の半導体光素子におい
ては、上記井戸層に対して引っ張り応力が印加されかつ
上記障壁層に対して圧縮応力が印加され、上記引っ張り
応力と上記圧縮応力とが実質的に等しくなるように上記
井戸層及び上記障壁層の組成が設定される。これによっ
て、振動子強度が大きくなるので、光吸収のピークが鋭
くなるため、コントラスト比の大きな半導体光素子を得
ることができるという特有の利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例であるＳＥＥＤを用い
た光半導体素子の縦断面図である。

【図２】図１の半導体光素子における波長に対する光
電流特性を示すグラフである。

【図３】図１の半導体素子におけるｉ型真性半導体層
内の井戸層に圧縮応力が印加される第１の条件のときの
厚さ方向の距離に対するエネルギー準位を示すグラフで
ある。

【図４】図１の半導体素子におけるｉ型真性半導体層
内の井戸層に引っ張り応力が印加される第２の条件のと
きの厚さ方向の距離に対するエネルギー準位を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１…可変直流電圧源、１０…ｎ型半導体基板、１１，１２…電極、２１…ｎ型半導体層、２２…格子定数変換バッファ層、２３…格子定数安定化バッファ層、２４…ｉ型半導体層、２５…超格子構造のｉ型真性半導体層、２６…ｉ型半導体層、２７…ｐ型半導体層、２８…ｐ型半導体層、３１…伝導帯、３２…価電子帯、４１…障壁層、４２…井戸層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の第１の格子定数を有する半導体基
板と、上記半導体基板上に形成され所定の第２の格子定
数を有しかつ井戸層と障壁層とが交互に所定の周期数で
積層形成されてなる超格子構造を有する真性半導体層と
が２つの電極間に挟設され、上記２つの電極間に逆バイ
アス電圧を変化することによって光吸収端付近の光透過
率が変化して上記逆バイアス電圧に対して入射する入力
光による光電流が変化する非線形電気光学吸収効果を有
するｐｉｎダイオードを備えた半導体光素子において、上記障壁層の厚さは上記井戸層の厚さよりも薄く設定さ
れ、上記半導体基板と上記真性半導体層との間に、上記井戸層と同一の材料を有し当該材料の組成比を各成
長層毎に変化することによって上記半導体基板側の上記
第１の格子定数から上記真性半導体層側の上記第２の格
子定数に変化するように形成され、上記第１の格子定数
を上記第２の格子定数に変換する格子定数変換バッファ
層と、上記井戸層と同一の組成物であって、上記格子定数変換
層よりも厚い厚さを有し、上記格子定数を上記第２の格
子定数に安定化するための格子定数安定化バッファ層と
を形成したことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】上記井戸層に対して応力が印加されるよ
うに上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定されたこと
を特徴とする請求項１記載の半導体光素子。
【請求項３】上記井戸層に対して圧縮応力が印加され
るように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定された
ことを特徴とする請求項２記載の半導体光素子。
【請求項４】上記井戸層に対して引っ張り応力が印加
されるように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定さ
れたことを特徴とする請求項２記載の半導体光素子。
【請求項５】上記井戸層に対して圧縮応力が印加され
かつ上記障壁層に対して引っ張り応力が印加され、上記
圧縮応力と上記引っ張り応力とが実質的に等しくなるよ
うに上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定されたこと
を特徴とする請求項２記載の半導体光素子。
【請求項６】上記井戸層に対して引っ張り応力が印加
されかつ上記障壁層に対して圧縮応力が印加され、上記
引っ張り応力と上記圧縮張り応力とが実質的に等しくな
るように上記井戸層及び上記障壁層の組成が設定された
ことを特徴とする請求項２記載の半導体光素子。