JPH07321414A - 電界吸収形多重量子井戸光制御素子 - Google Patents
電界吸収形多重量子井戸光制御素子Info
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- JPH07321414A JPH07321414A JP11531894A JP11531894A JPH07321414A JP H07321414 A JPH07321414 A JP H07321414A JP 11531894 A JP11531894 A JP 11531894A JP 11531894 A JP11531894 A JP 11531894A JP H07321414 A JPH07321414 A JP H07321414A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 量子井戸を用いて作製された変調器・スイッ
チ等に固有の問題を解決して、低電圧で動作し、広帯域
幅を持ち低挿入損失である高性能で小形の光制御素子を
実現する。 【構成】 電界吸収形多重量子井戸光制御素子は、障壁
層と伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される電子のエネ
ルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネルギと光学
フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子と正
孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界
を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差よりも小さ
い。
チ等に固有の問題を解決して、低電圧で動作し、広帯域
幅を持ち低挿入損失である高性能で小形の光制御素子を
実現する。 【構成】 電界吸収形多重量子井戸光制御素子は、障壁
層と伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される電子のエネ
ルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネルギと光学
フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子と正
孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界
を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差よりも小さ
い。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光変調や光スイッチ等
を行う光デバイスに関わり、特に超高速で低電圧駆動可
能な高光結合効率を持つ高性能で小形の光制御素子に関
するものである。
を行う光デバイスに関わり、特に超高速で低電圧駆動可
能な高光結合効率を持つ高性能で小形の光制御素子に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の結晶成長技術の進展により良好な
特性を持つ半導体多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑ
ｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：以下ＭＱＷと略す）構造が作
製され、その量子サイズ効果に基づく量子閉じ込めシュ
タクル効果を利用することによって従来のバルクを用い
た素子よりも高効率で小形の光変調器や光スイッチ等が
方向されている（例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−
Ｉ，Ｊ７４−Ｃ−Ｉ巻、ｐｐ．４１４−４２０）（図２
参照）。すなわち、図２において、波長１．５５μｍの
光に対し、電圧無印加時の光吸収係数が０であるのに対
して、−３Ｖの電圧印加によって光吸収係数は７５％と
なり、光吸収係数を制御して光のオン・オフが可能であ
る。これまで光伝送用に光ファイバの伝送損失の少ない
波長域で動作するＭＱＷ構造にはＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／
ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの組み合
わせが使われてきた。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系は
量子井戸としての効果は大きいものの、ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ系に比べてＡｌなどの化学的に
活性な元素を含んでいるため作りにくいという欠点があ
り、また、この材料を用いたレーザも特性は十分でな
く、レーザと変調器との集積化も技術的に困難な点が多
かった。
特性を持つ半導体多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑ
ｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：以下ＭＱＷと略す）構造が作
製され、その量子サイズ効果に基づく量子閉じ込めシュ
タクル効果を利用することによって従来のバルクを用い
た素子よりも高効率で小形の光変調器や光スイッチ等が
方向されている（例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ−
Ｉ，Ｊ７４−Ｃ−Ｉ巻、ｐｐ．４１４−４２０）（図２
参照）。すなわち、図２において、波長１．５５μｍの
光に対し、電圧無印加時の光吸収係数が０であるのに対
して、−３Ｖの電圧印加によって光吸収係数は７５％と
なり、光吸収係数を制御して光のオン・オフが可能であ
る。これまで光伝送用に光ファイバの伝送損失の少ない
波長域で動作するＭＱＷ構造にはＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／
ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの組み合
わせが使われてきた。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系は
量子井戸としての効果は大きいものの、ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ系に比べてＡｌなどの化学的に
活性な元素を含んでいるため作りにくいという欠点があ
り、また、この材料を用いたレーザも特性は十分でな
く、レーザと変調器との集積化も技術的に困難な点が多
かった。
【０００３】一方、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系はレーザですでに実績があり、また、レーザとのモ
ノリシック集積化も比較的容易であるが、図３に示され
るようにエネルギバンドでの価電子帯におけるバンドオ
フセットΔＥv は大きく、逆に伝導帯バンドオフセット
ΔＥc は小さくて電子の閉じ込めは弱く、電界印加で容
易に量子サイズ効果が崩れ、また、正孔の質量が電子に
比べてはるかに重いこともあって、高光入力で正孔の蓄
積を生じ周波数応答特性が劣化するなど、量子井戸構造
の特徴が生かせないという問題があった。すなわち、量
子効果を際立たせるためには、大きなΔＥc を与えるＩ
ｎＰを用いて厚い障壁層とすれば電子の閉じ込めをよく
できるが、一方、光吸収に伴って発生する正孔には閉じ
込めが強すぎて障壁層を越えられず、井戸層に蓄積さ
れ、外部電界をシールドし変調特性を劣化させてしま
う。このため、価電子帯におけるバンドオフセットΔＥ
v を小さくして（従って伝導帯バンドオフセットΔＥc
も小さくなり）、量子効果をある程度犠牲にして上記の
問題を回避することが行われていた。
Ｐ系はレーザですでに実績があり、また、レーザとのモ
ノリシック集積化も比較的容易であるが、図３に示され
るようにエネルギバンドでの価電子帯におけるバンドオ
フセットΔＥv は大きく、逆に伝導帯バンドオフセット
ΔＥc は小さくて電子の閉じ込めは弱く、電界印加で容
易に量子サイズ効果が崩れ、また、正孔の質量が電子に
比べてはるかに重いこともあって、高光入力で正孔の蓄
積を生じ周波数応答特性が劣化するなど、量子井戸構造
の特徴が生かせないという問題があった。すなわち、量
子効果を際立たせるためには、大きなΔＥc を与えるＩ
ｎＰを用いて厚い障壁層とすれば電子の閉じ込めをよく
できるが、一方、光吸収に伴って発生する正孔には閉じ
込めが強すぎて障壁層を越えられず、井戸層に蓄積さ
れ、外部電界をシールドし変調特性を劣化させてしま
う。このため、価電子帯におけるバンドオフセットΔＥ
v を小さくして（従って伝導帯バンドオフセットΔＥc
も小さくなり）、量子効果をある程度犠牲にして上記の
問題を回避することが行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／
ＩｎＧａＡｓＰ系のＭＱＷ構造に代表される量子井戸を
用いて作製された変調器・スイッチ等に固有の上記問題
を解決して、低電圧で動作し、広帯域幅を持ち低挿入損
失である高性能で小形の光制御素子を実現することが本
発明の課題である。
ＩｎＧａＡｓＰ系のＭＱＷ構造に代表される量子井戸を
用いて作製された変調器・スイッチ等に固有の上記問題
を解決して、低電圧で動作し、広帯域幅を持ち低挿入損
失である高性能で小形の光制御素子を実現することが本
発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の電界吸収形多重量子井戸光制御素子におい
ては、障壁層と伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される
電子のエネルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネ
ルギと光学フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層
の電子と正孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が
所定の電界を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差よ
りも小さいことを特徴とする。
め、本発明の電界吸収形多重量子井戸光制御素子におい
ては、障壁層と伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される
電子のエネルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネ
ルギと光学フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層
の電子と正孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が
所定の電界を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差よ
りも小さいことを特徴とする。
【０００６】さらに前記多重量子井戸構造の両側を挾
み、そのバンドギャップエネルギが障壁層のそれと等し
いかそれよりも大きなクラッド層を持ち、互いに一方を
他方と異なる伝導形とし、外部から前記多重量子井戸構
造に垂直に電界を印加する構造としてる。
み、そのバンドギャップエネルギが障壁層のそれと等し
いかそれよりも大きなクラッド層を持ち、互いに一方を
他方と異なる伝導形とし、外部から前記多重量子井戸構
造に垂直に電界を印加する構造としてる。
【０００７】
【作用】本発明の構造では多重量子井戸構造のうち井戸
層中に形成される電子のエネルギ準位の深さを障壁層の
電子のエネルギ準位から測って励起子エネルギと光学フ
ォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子と正孔
の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界を
印加したときに略ゼロとなるエネルギ準位の深さよりも
小さくとっている。そのため外部印加電界で障壁層を越
えて電子が漏れる効果と量子閉じ込めシュタルク効果の
２つの効果を利用しており、従来の量子閉じ込めシュタ
ルク効果のみを利用する素子に比べ、小さな電界で大き
な吸収係数変化、屈折率変化が得られる。エネルギ準位
の深さが、励起子エネルギと光学フォノンエネルギの和
よりも小さいならば、電界を印加したときに井戸層に閉
じ込められている電子は障壁層を越えて漏れ出してしま
う。またエネルギ準位の深さが、井戸層の電子と正孔の
波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界を印
加したとき略ゼロとなるエネルギ準位の深さよりも大き
いと、電子と正孔からなる励起子が所定の電界を印加し
ても安定して存在することになり、素子の高周波特性に
悪影響を与える。さらに層に垂直に電圧を印加できるよ
うにするために設けられたＰ，Ｎの不純物の添加層はそ
の内部の多重量子井戸層より屈折率が小さく、バンドギ
ャップエネルギは大きくなっているため、かつ、その厚
さも５０ｎｍ以上あるため、光の伝搬損失は少なく、素
子の容量は大きくならず、高速応答が可能となる。
層中に形成される電子のエネルギ準位の深さを障壁層の
電子のエネルギ準位から測って励起子エネルギと光学フ
ォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子と正孔
の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界を
印加したときに略ゼロとなるエネルギ準位の深さよりも
小さくとっている。そのため外部印加電界で障壁層を越
えて電子が漏れる効果と量子閉じ込めシュタルク効果の
２つの効果を利用しており、従来の量子閉じ込めシュタ
ルク効果のみを利用する素子に比べ、小さな電界で大き
な吸収係数変化、屈折率変化が得られる。エネルギ準位
の深さが、励起子エネルギと光学フォノンエネルギの和
よりも小さいならば、電界を印加したときに井戸層に閉
じ込められている電子は障壁層を越えて漏れ出してしま
う。またエネルギ準位の深さが、井戸層の電子と正孔の
波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の電界を印
加したとき略ゼロとなるエネルギ準位の深さよりも大き
いと、電子と正孔からなる励起子が所定の電界を印加し
ても安定して存在することになり、素子の高周波特性に
悪影響を与える。さらに層に垂直に電圧を印加できるよ
うにするために設けられたＰ，Ｎの不純物の添加層はそ
の内部の多重量子井戸層より屈折率が小さく、バンドギ
ャップエネルギは大きくなっているため、かつ、その厚
さも５０ｎｍ以上あるため、光の伝搬損失は少なく、素
子の容量は大きくならず、高速応答が可能となる。
【０００８】本発明においては、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／
ＩｎＧａＡｓＰにおける量子効果を理論計算および実験
との対比によって改めて定量的に解析し、その問題の所
在を解明して対策を考案し変調器やスイッチ等の特性を
向上した。図４はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ
単一量子井戸構造に層に垂直に電界を加えたときその吸
収係数およびエネルギバンドがどのように変わるかを示
したものである。図において、Ｈは重い正孔のエネルギ
準位、Ｌは軽い正孔のエネルギ準位である。図４（ａ）
は井戸を挟む障壁層にも電界がかかってそのポテンシャ
ルの形状が三角形になり電子の波動関数が障壁層を漏れ
出ている場合、（ｂ）は井戸を挟む障壁層に電界がかか
らずそのポテンシャルの形状が変化しない場合を示す。
これまでは計算の簡単な図４（ｂ）のモデルしか考慮さ
れず、実験と理論との大幅な違いが問題になっていた。
本発明者らはモデル図４（ａ）に基づいて改めて計算
し、実験事実と計算結果の良く合うことが確認できた。
そしてこの両者の差異は量子井戸そのものは同じでもこ
れを囲む障壁層の構成によって生ずることが明らかとな
った。すなわち、これまでの《従来の技術》で述べたよ
うな多重量子井戸構造では、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを
用いると必然的にヘテロ接合でのエネルギギャップ差が
小さいため、電界印加に伴い井戸を挟む障壁層にも電界
がかかってそのポテンシャルの形状が障壁層と井戸層の
界面近傍において三角形になって電子の波動関数が障壁
層を漏れ出て図４（ａ）に示す結果となる。
ＩｎＧａＡｓＰにおける量子効果を理論計算および実験
との対比によって改めて定量的に解析し、その問題の所
在を解明して対策を考案し変調器やスイッチ等の特性を
向上した。図４はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ
単一量子井戸構造に層に垂直に電界を加えたときその吸
収係数およびエネルギバンドがどのように変わるかを示
したものである。図において、Ｈは重い正孔のエネルギ
準位、Ｌは軽い正孔のエネルギ準位である。図４（ａ）
は井戸を挟む障壁層にも電界がかかってそのポテンシャ
ルの形状が三角形になり電子の波動関数が障壁層を漏れ
出ている場合、（ｂ）は井戸を挟む障壁層に電界がかか
らずそのポテンシャルの形状が変化しない場合を示す。
これまでは計算の簡単な図４（ｂ）のモデルしか考慮さ
れず、実験と理論との大幅な違いが問題になっていた。
本発明者らはモデル図４（ａ）に基づいて改めて計算
し、実験事実と計算結果の良く合うことが確認できた。
そしてこの両者の差異は量子井戸そのものは同じでもこ
れを囲む障壁層の構成によって生ずることが明らかとな
った。すなわち、これまでの《従来の技術》で述べたよ
うな多重量子井戸構造では、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを
用いると必然的にヘテロ接合でのエネルギギャップ差が
小さいため、電界印加に伴い井戸を挟む障壁層にも電界
がかかってそのポテンシャルの形状が障壁層と井戸層の
界面近傍において三角形になって電子の波動関数が障壁
層を漏れ出て図４（ａ）に示す結果となる。
【０００９】一般に電界吸収形変調器の性能指数は吸収
係数αの電界Ｆによる変化の割合Δα／ΔＦで示され
る。そこで図４（ａ）に示された現実の素子に近い構造
に対して性能指数を計算した。図５（ａ）はその結果で
あり、縦軸はΔα／ΔＦ、横軸は波長である。ここでは
波長１．５０μｍに励起子による吸収のピークがあると
し、井戸層の厚さを６ｎｍ、障壁層の組成をフォトルミ
ネッセンスの波長に換算して１．１μｍとした。電界強
度をパラメータとしたとき、８０ｋＶ／ｃｍの電界強度
で波長１．５２μｍで性能指数は最大となる（Δα／Δ
Ｆの絶対値そのものはこれより短波長に最大値を持つ
が、ここでは吸収係数そのものが大きすぎ反射係数の変
化を利用する場合を除いて一般には使えない）。
係数αの電界Ｆによる変化の割合Δα／ΔＦで示され
る。そこで図４（ａ）に示された現実の素子に近い構造
に対して性能指数を計算した。図５（ａ）はその結果で
あり、縦軸はΔα／ΔＦ、横軸は波長である。ここでは
波長１．５０μｍに励起子による吸収のピークがあると
し、井戸層の厚さを６ｎｍ、障壁層の組成をフォトルミ
ネッセンスの波長に換算して１．１μｍとした。電界強
度をパラメータとしたとき、８０ｋＶ／ｃｍの電界強度
で波長１．５２μｍで性能指数は最大となる（Δα／Δ
Ｆの絶対値そのものはこれより短波長に最大値を持つ
が、ここでは吸収係数そのものが大きすぎ反射係数の変
化を利用する場合を除いて一般には使えない）。
【００１０】一方、従来の単純化されたモデルでは図５
（ｂ）に示すように（ａ）に比べて鋭いピークはなく、
電界強度、波長ともに比較的緩やかな関数となってお
り、性能指数の最大を与える電界強度は（ａ）に比べ大
きな値で、波長はより長波長側になる。この傾向は他の
量子井戸厚についても同様であって、電子の波動関数が
障壁層を漏れ出てしまう現実の素子構造では（図５
（ａ）の場合）、ある電界強度を越えると急激に性能指
数は減少することがわたった。すなわち、量子閉じ込め
シュタルク効果（図５（ｂ）の場合）と電子の波動関数
が障壁層を漏れ出てしまう効果とが両方働いて新たな性
能指数の最適値を出現させている。そこで、この性能指
数を最大にする条件で素子を作製すれば、電界効果は効
率よく働き、低電圧で高性能の素子が実現できる。
（ｂ）に示すように（ａ）に比べて鋭いピークはなく、
電界強度、波長ともに比較的緩やかな関数となってお
り、性能指数の最大を与える電界強度は（ａ）に比べ大
きな値で、波長はより長波長側になる。この傾向は他の
量子井戸厚についても同様であって、電子の波動関数が
障壁層を漏れ出てしまう現実の素子構造では（図５
（ａ）の場合）、ある電界強度を越えると急激に性能指
数は減少することがわたった。すなわち、量子閉じ込め
シュタルク効果（図５（ｂ）の場合）と電子の波動関数
が障壁層を漏れ出てしまう効果とが両方働いて新たな性
能指数の最適値を出現させている。そこで、この性能指
数を最大にする条件で素子を作製すれば、電界効果は効
率よく働き、低電圧で高性能の素子が実現できる。
【００１１】他方、電界印加による障壁層のポテンシャ
ル形状の変化は素子の応答速度に密接に関係しているこ
とが本発明者らによって明らかになった。図６は電界強
度に対する電子と正孔の波動関数の重なり積分の幅の逆
数（寿命に相当）を図に示したものである。計算では障
壁層の組成はフォトルミネッセンスの波長に換算して
１．１μｍとし、井戸層厚Ｌz を１０ｎｍと６ｎｍとし
た。ともに電界強度８０ｋＶ／ｃｍに対して急激に電子
と正孔の波動関数の重なり積分の幅の逆数は減少してい
る。すなわち、電界強度８０ｋＶ／ｃｍを越えると電子
は漏れ出すことがわかる。
ル形状の変化は素子の応答速度に密接に関係しているこ
とが本発明者らによって明らかになった。図６は電界強
度に対する電子と正孔の波動関数の重なり積分の幅の逆
数（寿命に相当）を図に示したものである。計算では障
壁層の組成はフォトルミネッセンスの波長に換算して
１．１μｍとし、井戸層厚Ｌz を１０ｎｍと６ｎｍとし
た。ともに電界強度８０ｋＶ／ｃｍに対して急激に電子
と正孔の波動関数の重なり積分の幅の逆数は減少してい
る。すなわち、電界強度８０ｋＶ／ｃｍを越えると電子
は漏れ出すことがわかる。
【００１２】一方、この材料系で一番電子の閉じ込めの
強いＩｎＰを障壁層に用いた場合には、２００ｋＶ／ｃ
ｍの印加電界強度でも電子は閉じ込められており、量子
井戸と障壁層の間の電子のエネルギギャップ差が電子の
閉じ込めに敏感に反映することがわかる。この寿命は素
子の応答速度に関係しており、《従来の技術》で述べた
ようにあまり閉じ込めが強いと素子の応答速度は遅く、
高速に動作することが困難となる。従って、閉じ込めは
弱い方が高速動作には適するが、量子効果はかえって減
少し、また、動作する波長（性能指数が最大になる波
長）が短波長になるため、素子自身の吸収は大きくなる
ので、最適の量子井戸と障壁層の間の電子のエネルギギ
ャップ差が存在する。本発明では電界強度が８０ｋＶ／
ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍの範囲で丁度性能指数が最大
となるように量子井戸と障壁層の間の電子のエネルギギ
ャップ差を選んで吸収係数変化の大きくなるように図１
の構成を採用した。
強いＩｎＰを障壁層に用いた場合には、２００ｋＶ／ｃ
ｍの印加電界強度でも電子は閉じ込められており、量子
井戸と障壁層の間の電子のエネルギギャップ差が電子の
閉じ込めに敏感に反映することがわかる。この寿命は素
子の応答速度に関係しており、《従来の技術》で述べた
ようにあまり閉じ込めが強いと素子の応答速度は遅く、
高速に動作することが困難となる。従って、閉じ込めは
弱い方が高速動作には適するが、量子効果はかえって減
少し、また、動作する波長（性能指数が最大になる波
長）が短波長になるため、素子自身の吸収は大きくなる
ので、最適の量子井戸と障壁層の間の電子のエネルギギ
ャップ差が存在する。本発明では電界強度が８０ｋＶ／
ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍの範囲で丁度性能指数が最大
となるように量子井戸と障壁層の間の電子のエネルギギ
ャップ差を選んで吸収係数変化の大きくなるように図１
の構成を採用した。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
に説明する。
【００１４】図１は本発明の実施例である電界吸収形多
重量子井戸光制御素子を示し、図１（ａ）はその斜視
図、（ｂ）はバンドギャップ波長（λｇ）の分布を示す
図である。ｎ−ＩｎＰ基板１の上にＭＯＶＰＥ（有機金
属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル
法）により、厚さ０．３μｍのＩｎＰ層２、厚さ０．１
μｍのＩｎＧａＡｓＰ層３（組成はフォトルミネッセン
ス波長にして１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層４（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．１μｍ）、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層を井戸
層５、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成はフォトルミ
ネッセンス波長にして１．１μｍ）を障壁層６とする６
周期の多重量子井戸構造の上に厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層７（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層
８、厚さ０．５μｍのＩｎＧａＡｓキャップ層９を順に
成長した。次に所定のフォトワーク、エッチング、蒸着
操作を繰り返して図１に示すようにＰおよびＮ側に電極
１０，１１を形成する。１４はＳｉＯ2 パッシベーショ
ン膜である。ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層５とＩｎＧａＡ
ｓＰ障壁層６とは図６に示すような伝導帯エネルギバン
ドでのバンドオフセットを持つようになっており、その
バンドギャップエネルギ分布を井戸層中に形成される電
子のエネルギ準位の深さを障壁層の電子のエネルギ準位
から測って８０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャッ
プエネルギ差を持つような組成としており、外部印加電
界が８０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍで障壁層を越
えて電子が漏れるように配置した構成としているため、
上記電界で素子の性能指数である、吸収係数αの電界Ｆ
による変化の割合Δα／ΔＦが最大となるようになって
いる。従って、通常の多重量子井戸構造におけるよりも
小さい電界で動作する。ＰおよびＮ不純物領域１２，１
３はその間に挟まれるノンドープ領域の厚さを５００〜
１５００ｎｍとなるようにしている。
重量子井戸光制御素子を示し、図１（ａ）はその斜視
図、（ｂ）はバンドギャップ波長（λｇ）の分布を示す
図である。ｎ−ＩｎＰ基板１の上にＭＯＶＰＥ（有機金
属気相成長法）またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル
法）により、厚さ０．３μｍのＩｎＰ層２、厚さ０．１
μｍのＩｎＧａＡｓＰ層３（組成はフォトルミネッセン
ス波長にして１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層４（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．１μｍ）、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層を井戸
層５、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成はフォトルミ
ネッセンス波長にして１．１μｍ）を障壁層６とする６
周期の多重量子井戸構造の上に厚さ０．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層７（組成はフォトルミネッセンス波長にして
１．０５μｍ）、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層
８、厚さ０．５μｍのＩｎＧａＡｓキャップ層９を順に
成長した。次に所定のフォトワーク、エッチング、蒸着
操作を繰り返して図１に示すようにＰおよびＮ側に電極
１０，１１を形成する。１４はＳｉＯ2 パッシベーショ
ン膜である。ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層５とＩｎＧａＡ
ｓＰ障壁層６とは図６に示すような伝導帯エネルギバン
ドでのバンドオフセットを持つようになっており、その
バンドギャップエネルギ分布を井戸層中に形成される電
子のエネルギ準位の深さを障壁層の電子のエネルギ準位
から測って８０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャッ
プエネルギ差を持つような組成としており、外部印加電
界が８０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍで障壁層を越
えて電子が漏れるように配置した構成としているため、
上記電界で素子の性能指数である、吸収係数αの電界Ｆ
による変化の割合Δα／ΔＦが最大となるようになって
いる。従って、通常の多重量子井戸構造におけるよりも
小さい電界で動作する。ＰおよびＮ不純物領域１２，１
３はその間に挟まれるノンドープ領域の厚さを５００〜
１５００ｎｍとなるようにしている。
【００１５】ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層およびＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合している
必要はなく、量子井戸層および障壁層との間に電子のエ
ネルギ準位の深さを障壁層の電子のエネルギ準位から測
って８０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャップエネ
ルギ差を持つような組成となっておりさえすればよい。
本実施例では圧縮歪が１．４％入っているが引っ張り応
力でもよい。
ＡｓＰ障壁層は必ずしもＩｎＰ基板に格子整合している
必要はなく、量子井戸層および障壁層との間に電子のエ
ネルギ準位の深さを障壁層の電子のエネルギ準位から測
って８０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャップエネ
ルギ差を持つような組成となっておりさえすればよい。
本実施例では圧縮歪が１．４％入っているが引っ張り応
力でもよい。
【００１６】以上はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系量子井戸構造に対する実施例を述べたが、本発明は
他のＭＱＷ構造、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のＭＱＷ構造にも
適用できることは言うまでもない。
Ｐ系量子井戸構造に対する実施例を述べたが、本発明は
他のＭＱＷ構造、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のＭＱＷ構造にも
適用できることは言うまでもない。
【００１７】
【発明の効果】本発明を適用するとノンドープ層の厚さ
を５００ｎｍから１５００ｎｍ程度に設定できるので量
子井戸層にかかる電界の強さを適当にでき、かつ、駆動
電圧は最大数Ｖで動作する。このとき素子容量はノンド
ープ層の厚さで規定でき、高速応答が可能である。ま
た、量子井戸内のエネルギ準位とこれに隣接する障壁層
のエネルギバンドギャップ差を素子性能指数が最大とな
るよう５０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャップエ
ネルギ差を持つような組成となっており、所定の外部印
加電界で閉じ込められていた電子が漏れ出すように配置
した構成としているため、小さな電界で大きな吸収係数
変化が得られる。また、量子井戸層の厚さを素子容量に
無関係にできるのでその膜厚を５００から１５００ｎｍ
と薄くして光ファイバとの結合効率をこれまでの素子に
比べ数倍良好にできる。
を５００ｎｍから１５００ｎｍ程度に設定できるので量
子井戸層にかかる電界の強さを適当にでき、かつ、駆動
電圧は最大数Ｖで動作する。このとき素子容量はノンド
ープ層の厚さで規定でき、高速応答が可能である。ま
た、量子井戸内のエネルギ準位とこれに隣接する障壁層
のエネルギバンドギャップ差を素子性能指数が最大とな
るよう５０ｍｅＶから１１０ｍｅＶのバンドギャップエ
ネルギ差を持つような組成となっており、所定の外部印
加電界で閉じ込められていた電子が漏れ出すように配置
した構成としているため、小さな電界で大きな吸収係数
変化が得られる。また、量子井戸層の厚さを素子容量に
無関係にできるのでその膜厚を５００から１５００ｎｍ
と薄くして光ファイバとの結合効率をこれまでの素子に
比べ数倍良好にできる。
【００１８】以上は吸収係数変化を利用した強度変調器
を対象にしたが、吸収係数変化は屈折率変化とクラマー
ス・クローニッヒの関係により結びつけられており、屈
折率変化を利用した位相変調器や、屈折率変化に伴う干
渉を利用した強度変調器にも本出願発明が適用できるこ
とは言うまでもない。
を対象にしたが、吸収係数変化は屈折率変化とクラマー
ス・クローニッヒの関係により結びつけられており、屈
折率変化を利用した位相変調器や、屈折率変化に伴う干
渉を利用した強度変調器にも本出願発明が適用できるこ
とは言うまでもない。
【図１】本発明を適用した実施例の電界吸収形多重量子
井戸光制御素子の概略構成を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はバンドギャップ波長の分布を示す図である。
井戸光制御素子の概略構成を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はバンドギャップ波長の分布を示す図である。
【図２】従来の量子閉じ込めシュタルク効果の説明を示
す図である。
す図である。
【図３】多重量子井戸構造のエネルギバンドを示す図で
あって、（ａ）はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ
多重量子井戸構造、（ｂ）はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
ｓ多重量子井戸構造を示す。
あって、（ａ）はＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＧａＡｓＰ
多重量子井戸構造、（ｂ）はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
ｓ多重量子井戸構造を示す。
【図４】単一量子井戸構造に垂直な方向に電界を印加し
たときのエネルギバンドの変化を示す図であって、
（ａ）は障壁層にも電界の印加された場合、（ｂ）は量
子井戸のみ電界の印加された場合を示す。
たときのエネルギバンドの変化を示す図であって、
（ａ）は障壁層にも電界の印加された場合、（ｂ）は量
子井戸のみ電界の印加された場合を示す。
【図５】電界の印加された場合の吸収係数αの電界Ｆに
よる変化の割合Δα／ΔＦが変化する様子を示す図で、
（ａ）は本発明の適用される電子の閉じ込めの弱い、障
壁層を漏れ出る場合、（ｂ）は従来の単純化された電子
の閉じ込めの強い場合で、パラメータは電界強度であ
る。
よる変化の割合Δα／ΔＦが変化する様子を示す図で、
（ａ）は本発明の適用される電子の閉じ込めの弱い、障
壁層を漏れ出る場合、（ｂ）は従来の単純化された電子
の閉じ込めの強い場合で、パラメータは電界強度であ
る。
【図６】電界強度に対する電子と正孔の波動関数の重な
り積分の半値幅の逆数（寿命に相当）を示した線図であ
る。
り積分の半値幅の逆数（寿命に相当）を示した線図であ
る。
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ＩｎＰクラッド層 ３ ＩｎＧａＡｓＰクラッド層 ４ ＩｎＧａＡｓＰクラッド層 ５ 多重量子井戸層 ６ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ７ ＩｎＧａＡｓＰクラッド層 ８ ＩｎＧａＡｓＰクラッド層 ９ ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０ Ｐ電極 １１ Ｎ電極 １２ Ｐ形不純物領域 １３ Ｎ形不純物領域 １４ ＳｉＯ2 層
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体層からなる井戸層と、井戸層より
大きなバンドギャップエネルギを持つ半導体からなる障
壁層を有する多重量子井戸構造からなる電界吸収形多重
量子井戸光制御素子において、 障壁層の伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される電子の
エネルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネルギと
光学フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子
と正孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の
電界を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差よりも小
さいことを特徴とする電界吸収形多重量子井戸光制御素
子。 - 【請求項２】 半導体層からなる井戸層と井戸層よりも
大きなバンドギャップエネルギを持つ半導体からなる障
壁層を有する多重量子井戸構造と、該多重量子井戸構造
の一方の面に接し、障壁層と同じかあるいは大きなバン
ドギャップエネルギを持ち、ｐ形にドーピングされたｐ
形半導体層と、該多重量子井戸層の他の面に接し、障壁
層と同じかあるいは大きなバンドギャップエネルギを持
ち、ｎ形にドーピングされたｎ形半導体層と、該多重量
子井戸層に電界を印加するための１対の電極とからなる
電界吸収形多重量子井戸光制御素子において、 障壁層の伝導帯エネルギ端と井戸層に形成される電子の
エネルギ準位とのエネルギ差が、励起子結合エネルギと
光学フォノンエネルギの和よりも大きく、井戸層の電子
と正孔の波動関数の重なり積分の半値幅の逆数が所定の
電界を印加したときに略ゼロとなるエネルギ差より小さ
いことを特徴とする電界吸収形多重量子井戸光制御素
子。 - 【請求項３】 前記多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ
またはＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とＩｎＧａＡｓＰ
からなる障壁層から構成されていることを特徴とする請
求項１または２記載の電界吸収形多重量子井戸光制御素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11531894A JPH07321414A (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 電界吸収形多重量子井戸光制御素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11531894A JPH07321414A (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 電界吸収形多重量子井戸光制御素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07321414A true JPH07321414A (ja) | 1995-12-08 |
Family
ID=14659637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11531894A Pending JPH07321414A (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 電界吸収形多重量子井戸光制御素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07321414A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100395764B1 (ko) * | 2001-02-16 | 2003-08-27 | 엘지전선 주식회사 | 온도보상형 수정 발진기용 바이패스 캐패시터 실장 방법 |
| JP2004294840A (ja) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | 電気吸収型光変調器 |
| JP2012118168A (ja) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Mitsubishi Electric Corp | 電界吸収型変調器及び光半導体装置 |
-
1994
- 1994-05-27 JP JP11531894A patent/JPH07321414A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100395764B1 (ko) * | 2001-02-16 | 2003-08-27 | 엘지전선 주식회사 | 온도보상형 수정 발진기용 바이패스 캐패시터 실장 방법 |
| JP2004294840A (ja) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | 電気吸収型光変調器 |
| JP4502588B2 (ja) * | 2003-03-27 | 2010-07-14 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気吸収型光変調器 |
| JP2012118168A (ja) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Mitsubishi Electric Corp | 電界吸収型変調器及び光半導体装置 |
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