JPH0799369A - 歪量子井戸構造素子及びそれを有する光デバイス - Google Patents

歪量子井戸構造素子及びそれを有する光デバイス

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Abstract

(57)【要約】 【目的】分布を持った歪量を有する歪量子井戸構造素子
及びそれを備えた半導体レーザなどの光デバイスであ
る。 【構成】半導体レーザなどの光デバイスの活性層３にお
いて、井戸層と障壁層を持つ歪量子井戸構造中の歪量に
分布を持たせる。電極７、１０によって外部より印加す
る電圧変化によって、量子井戸層中の遷移をＴＥが優勢
な状態とＴＭが優勢な状態間で切りかえることができる
様に、歪量子井戸構造のバンド構造が形成されている

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、歪量子井戸構造素子及
びそれを備えた半導体レーザなどの光デバイスに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、量子井戸に引張り歪を導入した歪
量子井戸構造を持つ活性層を有する半導体レーザはＴＭ
偏光で発振する特性を有していた。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例では、一度、歪量子井戸構造を形成すると、そ
のバンド構造が固定されてしまうために、発振光の偏光
方向を制御することは不可能であった。
【０００４】よって、本発明の目的は、上記の課題を解
決すべく、分布を持った歪量を有する歪量子井戸構造素
子及びそれを備えた半導体レーザなどの光デバイスを提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明による歪量子井戸
構造素子及びそれを備えた光デバイスでは、井戸層と障
壁層を持つ歪量子井戸構造中の歪量に分布を持たせ、外
部より印加する電圧によって、量子井戸層中の遷移をＴ
Ｅが優勢な状態とＴＭが優勢な状態間で切りかえること
ができる様に構成されている。
【０００６】より具体的には、本発明による歪量子井戸
構造素子は、基板と異なる格子定数の半導体結晶を含む
井戸層と障壁層を有する量子井戸構造を備え、基板と量
子井戸構造を構成する半導体結晶との格子定数の差の量
が、量子井戸構造を構成する障壁層と井戸層の範囲で変
化することを特徴とする。
【０００７】また、本発明による歪量子井戸構造素子を
備えた光デバイスは、基板と異なる格子定数の半導体結
晶を含み井戸層と障壁層を有し、基板と量子井戸構造を
構成する半導体結晶との格子定数の差の量が、量子井戸
構造を構成する障壁層と井戸層の範囲で変化する歪量子
井戸構造と；歪量子井戸構造へ電流を注入する電流注入
機構と；歪量子井戸構造へ逆電圧を印加する逆電圧印加
機構と；歪量子井戸構造へ電流注入機構或は逆電圧印加
機構と独立に電圧を印加する電圧印加機構を有すること
を特徴とする。
【０００８】上記構成において、更に具体的には、歪量
子井戸構造は、歪量子井戸構造を構成する微小領域が該
領域と同一の格子定数を持つ半導体基板上に成膜された
時に該領域が持つバンドギャップエネルギーが任意の２
つの値から成る様に、構成されている。また、格子定数
の差による歪量の変化が、単一の量子井戸構造を構成す
る２つの障壁層と井戸層の中で単調増加または単調減少
である。また、 格子定数の差による歪量の変化が、単
一の量子井戸構造の井戸層の中で単調増加または単調減
少である。また、歪量子井戸構造は、歪量子井戸構造を
構成する微小領域が該領域と同一の格子定数を持つ半導
体基板上に成膜された時に該領域が持つバンドギャップ
エネルギーが井戸層内で徐々に線形に変化する様に、構
成されている。また、格子定数の差は、単一の量子井戸
構造の井戸層内でのバンドギャップ変化が小さい方から
大きい方に線形に変化するときに、大きい方から小さい
方に変化する。また、歪量子井戸構造は、２つの障壁層
とその間の井戸層から成る単一量子井戸構造として構成
されている。また、歪量子井戸構造は、２つの障壁層と
その間の井戸層から成る単一量子井戸構造を複数備えて
成る多重量子井戸構造として構成されている。また、歪
量子井戸構造へ電流を注入する電流注入機構を備え、半
導体レーザとして構成されている。また、デバイスの両
端面に反射防止膜が形成され、半導体光増幅器として構
成されている。また、逆電圧を印加する逆電圧印加機構
を備え、吸収型光変調器として構成されている。
【０００９】本発明の原理を、量子井戸構造を構成する
井戸層部を、バンドギャップに変化せずに格子定数が変
化する材料で構成し、その格子定数を基板より大きなも
のから基板より小さなものまで連続的に変化させている
具体的構造を用いて、説明する。
【００１０】格子定数が基板と異なるもので井戸層を構
成すると、井戸層部の格子に応力がかかり、そのバンド
構造が変化する。格子定数が基板より大きい部分では、
価電子帯の重い正孔のバンド端は、もとのバンド端（応
力がかかっていない状態）より低エネルギー側にシフト
し、価電子帯の軽い正孔のバンド端は、高エネルギー側
にシフトする。一方、格子定数が基板より小さい部分で
は、価電子帯の重い正孔のバンド端は、高エネルギー側
にシフトし、価電子帯の軽い正孔のバンド端は、もとの
バンド端より低エネルギー側にシフトする。伝導帯のバ
ンド構造の変形は上記重い正孔のバンド端の挙動と同様
となる。
【００１１】この結果、量子井戸構造のバンド構造は、
例えば、図７に示したように、重い正孔と軽い正孔で異
なる傾向を示す。バンドの形状が類似しているもの同士
での光学遷移確率が大きいので、図７の場合は、価電子
帯の軽い正孔と伝導帯間で遷移が支配的となりＴＭ光が
出力される。
【００１２】一方、外部より電界を印加し、図８のよう
にバンド形状を変形させると、価電子帯の重い正孔と伝
導帯間の遷移が寄与し、ＴＥ光が出力される。
【００１３】
【実施例１】図１は本発明の第１実施例の特徴を最もよ
く表す斜視図であり、同図において１は例えば半絶縁性
のＩｎＰ基板、２は例えば半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰか
らなるクラッド層、３は歪量子井戸から構成される活性
層、４は導電性の半導体からなる埋め込み層で例えばＰ
型ＩｎＧａＡｓＰからなる。また、５は埋め込み層４と
異なる導電型、ここではｎ型の半導体からなる埋め込み
層で例えばｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層、６は例えばＳｉＯ2
からなる絶縁膜、７、１０は活性層３へ電圧を印加する
ための電極、８、９は活性層３へ電流を注入するための
電極である。
【００１４】次に、活性層３の構成について説明する。
本実施例では、活性層３として、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
の導波路中に単一量子井戸構造が形成されているものを
用いた。単一量子井戸構造の領域は、図２に示したよう
に、片側の障壁からもう一方の障壁に向かって基板１と
の格子定数差が正の状態から負の状態にまで線形に変化
するように構成されている。さらに、この単一量子井戸
構造の各微小領域の歪みの影響がない状態でのバンドギ
ャップエネルギーは、各部分では、図５に示す関係にな
っているように形成されている。このような構成をＩｎ
xＧａ1-xＡｓyＰ1-yのｘとｙを制御して作製する。上記
の２つの関係（格子定数とバンドギャップエネルギーの
関係）を満たすように成膜すると図３に示したようなバ
ンド構造となる。
【００１５】次に本実施例の動作について説明する。
【００１６】第１電極７と第４電極１０間を短絡してお
き、第２電極８と第３電極９を用いて活性層３に電流注
入を行う。この電圧非印加状態では、活性層３内のバン
ド構造が図３に示すようになっているので、伝導帯と価
電子帯の軽い正孔の準位との間でおこる遷移が支配的と
なり、ＴＭ偏光の出力光を得ることができる。
【００１７】一方、第１電極７と第４電極１０の間に電
圧を印加することにより、単一量子井戸構造部分のバン
ド構造は、図４のように変化する。この状態では、伝導
帯と価電子帯の重い正孔の準位との間でおこる遷移が支
配的となり、ＴＥ偏光の出力光を得ることができる。
【００１８】本実施例の第１の変形例として、単一量子
井戸構造部分を図６〜図８に示す構成とすることも可能
である。量子井戸構造を構成する各部のエネルギーバン
ドギャップが図５に示した関係になり、かつ格子定数の
関係が図６に示すようになるように成膜する。成膜後の
第１電極７と第４電極１０を短絡した電圧非印加状態で
のバンド構造を図７に示した。この電圧非印加状態で
は、伝導帯と価電子帯の軽い正孔の準位間での遷移が支
配的となり、ＴＭ偏光の出力が得られる。一方、第１電
極７と第４電極１０の間に電圧を印加することにより、
図８に示すバンド構造になると、伝導帯と価電子帯の重
い正孔の準位間での遷移が支配的となり、ＴＥ偏光の出
力が得られる。
【００１９】図９〜図１２に、本実施例の単一量子井戸
構造部分の他の変形を示す。図９は、図５に対応する図
で、バンドギャップエネルギーの関係を示してある。図
１０は導入する歪の変化傾向を示してある。図９、図１
０の関係を満たす半導体結晶を成膜し、第１電極７と第
４電極１０を短絡した電圧非印加状態でのバンド構造は
図１１のようになる。この電圧非印加状態で第２電極８
と第３電極９を用いて活性層３へ電流を注入すると、伝
導帯と価電子帯の重い正孔の準位間での遷移が支配的と
なりＴＥ偏光の出力が得られる。また、第１電極７と第
４電極１０間に電圧を印加して、バンド構造を図１２の
ようにすると、伝導帯と価電子帯の軽い正孔の準位間で
の遷移が支配的となり、ＴＭ偏光の出力が得られる。
【００２０】本実施例では、活性層３が単一量子井戸構
造から構成してある例を挙げて説明したが、本発明自体
は単一量子井戸構造に限られるものではなく、上述した
歪単一量子井戸を複数個用いた多重量子井戸構造にして
もよい。
【００２１】また、活性層３を構成する半導体材料とし
て、４元混晶ＩｎＧａＡｓＰを用いて実施例を説明した
が、本発明は、この材料に限定されるものではない。半
導体レーザを構成でき、格子定数とバンドギャップエネ
ルギーを独立に設定可能な半導体であれば、本発明に基
づいた歪量子井戸構造及び半導体レーザを構成できる。
【００２２】
【実施例２】本発明の歪量子井戸構造を、他のデバイス
構成で用いた場合を図１３、１４に示した。
【００２３】図１３のデバイスはＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ，２６巻，９号，１４８１頁−１４９１頁に記載の素
子を本発明に適用したものである。
【００２４】同図において、１は例えばＰ型ＩｎＰから
なる基板、２０は例えばＰ型ＩｎＰからなるバッファ
層、２１は例えばＰ型ＩｎＧａＡｓＰ層、２２は例えば
ノンドープのＩｎＰ層、２３はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層、
２４はＰ型ＩｎＧａＡｓＰ層、２５はＰ型ＩｎＰキャッ
プ層、２６はコレクタ電極、２７はエミッタ電極、２８
はベース電極である。活性層３は図２から図１２で示し
た歪量子井戸構造のうちのどれかの構造を持つ。
【００２５】図１４には、本素子への電気接続関係を示
している。すなわち、ベース電極２８と、コレクタ電極
２６間の電圧によって歪量子井戸構造に印加する電圧を
調整し、エミッタ電極２７とコレクタ電極２６によっ
て、歪量子井戸構造へ電流注入を行う。
【００２６】このように構成することにより、第１実施
例のように動作させることができる。
【００２７】本構成のように歪量子井戸構造に電圧の印
加を行い、バンド構造を変化させ、かつ量子井戸構造に
電流を注入して動作する構造に本発明の歪量子井戸構造
を導入することにより、電圧印加変化により、出力光の
偏光状態を切り変えるデバイスを構成することができ
る。
【００２８】以上、上記実施例では、半導体レーザに適
用した場合について説明したが、本発明の核となる歪量
子井戸構造は、他の光デバイスへ適用することも可能で
ある。例えば吸収型の光変調器、半導体光増幅器へ適用
できる。
【００２９】光増幅器の場合、例えば、図１、図１３の
両端面に反射防止膜を形成することにより、進行波型光
増幅器として動作し、電圧印加変化によって、ＴＥ光に
対して利得を大きくしたり、ＴＭ光に対して利得を大き
くしたりすることができる。
【００３０】また、光変調器の場合、例えば、図１の第
２、第３電極８、９間の逆バイアス電圧の印加量を調整
することにより、吸収型の光変調器として動作させるこ
とが出来る。この状態で第１、第４電極７、１０に印加
する電圧変化で、ＴＥ光に対して動作させたり、ＴＭ光
に対して動作させることが可能となる。
【００３１】また、量子井戸構造中での歪の分布は上記
実施例に限らず、種々の形態が可能である。例えば、引
張り歪或は圧縮歪の内でのみ変化してもよい。要する
に、外部より印加する電圧によって、量子井戸層中の遷
移をＴＥが優勢な状態とＴＭが優勢な状態間で切りかえ
ることができる様に、歪量子井戸構造のバンド構造が形
成されていればよい。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、量子井戸構造中で
歪が、例えば、引張り歪から圧縮歪にまで、変化するよ
うにし、さらに、この歪量子井戸構造に、外部より電圧
を印加できる構造や電流を注入できる構造を形成するこ
とにより、電圧変化により、出力光の偏光状態を変化す
ることができる半導体レーザ等の光デバイスを形成する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したデバイスの第１実施例の斜視
図。
【図２】図１の活性層中の量子井戸構造の構成を説明す
るための格子定数差に関するグラフ図。
【図３】図１の活性層中の量子井戸構造の構成を説明す
るための電圧非印加時のバンド構造の図。
【図４】図１の活性層中の量子井戸構造の構成を説明す
るための電圧印加時のバンド構造の図。
【図５】図１の活性層中の量子井戸構造の構成を説明す
るためのバンドギャップエネルギーに関するグラフ図。
【図６】図１の活性層中の量子井戸構造の他の構成を説
明するための格子定数差に関するグラフ図。
【図７】図１の活性層中の量子井戸構造の他の構成を説
明するための電圧非印加時のバンド構造の図。
【図８】図１の活性層中の量子井戸構造の他の構成を説
明するための電圧印加時のバンド構造の図。
【図９】図１の活性層中の量子井戸構造の更に他の構成
を説明するためのバンドギャップエネルギーに関するグ
ラフ図。
【図１０】図１の活性層中の量子井戸構造の更に他の構
成を説明するための格子定数差に関するグラフ図。
【図１１】図１の活性層中の量子井戸構造の更に他の構
成を説明するための電圧非印加時のバンド構造の図。
【図１２】図１の活性層中の量子井戸構造の更に他の構
成を説明するための電圧印加時のバンド構造の図。
【図１３】本発明を実施したデバイスの第２実施例の斜
視図。
【図１４】図１３のデバイスの電気接続関係を示す図。
【符号の説明】
１ 基板 ２ クラッド層 ３ 活性層 ４、５ 埋め込み層 ６ 絶縁層 ７、８、９、１０ 電極 ２０ バッファ層 ２１、２４ Ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層 ２２ ｉ−ＩｎＰ層 ２３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層 ２５ Ｐ−ＩｎＰキャップ層 ２６ コレクタ層 ２７ エミッタ電極 ２８ ベース電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年１１月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年１２月２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【図５】
【図１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と異なる格子定数の半導体結晶を含
    む井戸層と障壁層を有する量子井戸構造を備え、該基板
    と該量子井戸構造を構成する半導体結晶の格子定数の差
    の量が、該量子井戸構造を構成する障壁層と井戸層の範
    囲で変化することを特徴とする歪量子井戸構造素子。
  2. 【請求項２】 ２つの障壁層とその間の井戸層から成る
    単一量子井戸構造として構成されていることを特徴とす
    る請求項１記載の歪量子井戸構造素子。
  3. 【請求項３】 ２つの障壁層とその間の井戸層から成る
    単一量子井戸構造を複数備えて成る多重量子井戸構造と
    して構成されていることを特徴とする請求項１記載の歪
    量子井戸構造素子。
  4. 【請求項４】 基板と異なる格子定数の半導体結晶を含
    む井戸層と障壁層を有する量子井戸構造を備え、該基板
    と該量子井戸構造を構成する半導体結晶の格子定数の差
    の量が、該量子井戸構造を構成する障壁層と井戸層の範
    囲で変化する歪量子井戸構造と；該歪量子井戸構造へ電
    流を注入する電流注入機構と；該歪量子井戸構造へ逆電
    圧を印加する逆電圧印加機構と；該歪量子井戸構造へ該
    電流注入機構、逆電圧印加機構と独立に電圧を印加する
    電圧印加機構を有することを特徴とする光デバイス。
  5. 【請求項５】 前記歪量子井戸構造は、該歪量子井戸構
    造を構成する微小領域が該領域と同一の格子定数を持つ
    半導体基板上に成膜された時に該領域が持つバンドギャ
    ップエネルギーが任意の２つの値から成る様に、構成さ
    れていることを特徴とする請求項４記載の光デバイス。
  6. 【請求項６】 前記格子定数の差による歪量の変化が、
    単一の量子井戸構造を構成する２つの障壁層と井戸層の
    中で単調増加または単調減少であることを特徴とする請
    求項４記載の光デバイス。
  7. 【請求項７】 前記格子定数の差による歪量の変化が、
    単一の量子井戸構造の井戸層の中で単調増加または単調
    減少であることを特徴とする請求項４記載の光デバイ
    ス。
  8. 【請求項８】 前記歪量子井戸構造は、該歪量子井戸構
    造を構成する微小領域が該領域と同一の格子定数を持つ
    半導体基板上に成膜された時に該領域が持つバンドギャ
    ップエネルギーが井戸層内で徐々に線形に変化する様
    に、構成されていることを特徴とする請求項４記載の光
    デバイス。
  9. 【請求項９】 前記格子定数の差は、単一の量子井戸構
    造の井戸層内でのバンドギャップ変化が小さい方から大
    きい方に線形に変化するときに、大きい方から小さい方
    に変化することを特徴とする請求項８記載の光デバイ
    ス。
  10. 【請求項１０】 前記歪量子井戸構造は、２つの障壁層
    とその間の井戸層から成る単一量子井戸構造として構成
    されていることを特徴とする請求項４記載の光デバイ
    ス。
  11. 【請求項１１】 前記歪量子井戸構造は、２つの障壁層
    とその間の井戸層から成る単一量子井戸構造を複数備え
    て成る多重量子井戸構造として構成されていることを特
    徴とする請求項４記載の光デバイス。
  12. 【請求項１２】 歪量子井戸構造へ電流を注入する電流
    注入機構を備え、半導体レーザとして構成されているこ
    とを特徴とする請求項４記載の光デバイス。
  13. 【請求項１３】 デバイスの両端面に反射防止膜が形成
    され、半導体光増幅器として構成されていることを特徴
    とする請求項４記載の光デバイス。
  14. 【請求項１４】 逆電圧を印加する逆電圧印加機構を備
    え、吸収型光変調器として構成されていることを特徴と
    する請求項４記載の光デバイス。
  15. 【請求項１５】 井戸層と障壁層を持つ歪量子井戸構造
    中の歪量に分布を持たせ、外部より印加する電圧によっ
    て、量子井戸層中の遷移をＴＥが優勢な状態とＴＭが優
    勢な状態間で切りかえることができる様に、該歪量子井
    戸構造のバンド構造が形成されていることを特徴とする
    歪量子井戸構造素子。
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