JPH08179387A

JPH08179387A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH08179387A
Application number: JP32325094A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Hirayama; 雄三平山; Genichi Hatagoshi; 玄一波多腰; Nobuo Suzuki; 信夫鈴木; Masahiro Yamamoto; 雅裕山本; Renii Jiyon; ジョン・レニー
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-12
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JP3566365B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光通信技術に十分対応できる高速応答の光スイ
ッチを提供すること。【構成】ＧａＮ井戸層１３とＡｌＮ障壁層とからなる量
子井戸構造を有する光スイッチであって、ＧａＮ井戸層
１３のバンド端エネルギーＥ_edgeが、ＧａＮ井戸層１３
のサブバンド間隔の相当する動作波長のエネルギーＥ_OP
の２倍よりも大きいことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サブバンド間遷移を利
用した光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、長距離大容量の光通信システムの
発展に伴い大容量の光交換システムや光情報処理システ
ムが必要となってきている。このようなシステムでは、
超高速で動作する光スイッチや光論理演算素子等の光素
子が必要である。

【０００３】光スイッチとしては、例えば、量子井戸構
造における励起子の電界下での光学特性を生かしたＳｅ
ｌｆ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ−Ｄｅｖｉｃｅ（Ｓ
ＥＥＤ）（アプライド・フィジクス・レターズ、４５巻
１３頁、１９８４）ものが知られている。

【０００４】しかしながら、ＳＥＥＤは、その動作速度
がＣＲ時定数に制限されるため、高速応答ができないと
いう問題があった。また、励起子を利用しているが、励
起子の寿命はナノ秒程度なので、いったん励起子が生成
されると、消滅するのに寿命程度の時間が必要であり、
時間応答をナノ秒以下にすることは困難であった。

【０００５】一方、フィジカル・レビュー・レターズ第
５９巻、第９号（１９８７）、１０１４〜１０１７頁に
記されているように、ＣＲ時定数によるスイッチング時
間の制限がない方法が提案されている。

【０００６】この方法では、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ量子井戸構造の価電子帯バンドの電子を伝導帯バ
ンドへ非共鳴光で励起し、その結果生じる仮想キャリア
が元になって生じる光非線形効果を用いている。仮想キ
ャリアの入射パルス光に対する応答は、ピコ秒以下の超
短時間で生じることが知られているため、超高速動作が
期待できる。

【０００７】しかしながら、この種の方法には以下のよ
うな問題がある。すなわち、非共鳴光が共鳴エネルギー
に近い場合は、フォノンを介して実励起が生じたり、実
励起が抑制される。したがって、離調エネルギーを大き
くすると、十分な仮想励起が起こらなくなるので、十分
な光非線形性が得られないという問題が生じる。

【０００８】このような問題を解決する方法として、キ
ャリアの緩和時間がバンド間遷移に比べて格段に速いサ
ブバンド間遷移を利用する方法が提案されている（Y.Hi
rayama他，Jap. J. Appl. Phys.、 Vol.33 pp890-895,
1994) 。

【０００９】具体的には、従来の光通信波長である１．
５μｍ帯で動作するサブバンド間遷移では、例えば、Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造が用いられる。この
量子井戸構造を図１６に示す。図中、１７１はＩｎＧａ
Ａｓ層を示し、１７２はＡｌＡｓ層を示している。

【００１０】バンド間遷移のエネルギー（バンド端エネ
ルギーＥ_edge）は０．８〜０．９ｅＶ程度であり、ま
た、動作波長に相当するエネルギーＥ_OPは０．８ｅＶよ
りも大きい。このため、バンド間吸収は起こらないよう
に思われるが、実際には、２つの光子が関与する過程で
ある２光子吸収が起きてしまう。

【００１１】また、半導体レーザの場合には、従来フェ
ルミ準位またはｋ空間におけるキャリアの分布に起因し
たスペクトルの広がりや、バンド間遷移に律速される応
答速度の限界があった。

【００１２】このような問題に対し、量子カスケードレ
ーザのような新しいデバイスが研究されている（例え
ば、R.F.Kazarinov and R.A.Suris: Sov.Phys.Semicon
d.,5(1971)p.207、F.Capasso, K.Mohammed and A.Y.Ch
o: IEEE J.Quantum Electron., 22(1986) p.1853）。

【００１３】量子カスケードレーザでは、一つの量子井
戸のサブバンド準位と隣接する量子井戸のサブバンドと
の間で形成された反転分布を利用してレーザ発振を行な
っている。すなわち、半導体レーザの場合のように、電
子と正孔の２種類のキャリアの再結合を用いるのではな
く、１種類のキャリアの遷移を利用しているので、利得
スペクトルは極めて狭くなり、これにより、発振線幅も
狭くなる。また、サブバンド間の遷移であるため、応答
速度も速い。

【００１４】このようなレーザ発振原理を用いて、低温
（90 K）でのレーザ発振が報告されている（J.Faist,F.
Capasso,D.L.Sivco,C.Sirtori,A.L.Hutchinson and A.
Y.Cho: Science, 264(1994) p.553、J.Faist,F.Capass
o,D.L.Sivco,C.Sirtori,A.L.Hutchinson and A.Y.Cho:
Electron. Lett., 30(1994) p.865 ）。

【００１５】しかしながら、レーザ発振に必要な反転分
布を形成するには、極めて大きい注入電流（〜１Ａ）が
要求されるという問題がある。さらに、サブバンド間遷
移を利用してレーザ発振を行なっているので、以下のよ
うな問題がある。すなわち、量子井戸を構成する材料の
バンド不連続値より大きいエネルギーに相当する波長の
レーザ発振は不可能でるため、これまでの材料では、光
通信で用いられる１．５５μｍ、１．３μｍ等の波長帯
域でのレーザ発振は実現されていない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来より種
々の光半導体素子が提案されていたが、光通信技術に十
分対応できる光半導体素子は実現されていなかった。す
なわち、ＳＥＥＤ等の光半導体素子とは異なり、ＣＲ時
定数に動作速度が制限されない光半導体素子として、バ
ンド間遷移を利用したものが提案されていたが、十分な
光非線形性が得られないという問題があった。

【００１７】このような問題を解決できる光半導体素子
として、サブバンド間遷移を利用したものが提案されて
いたが、２光子吸収によりバンド間遷移が起こるという
問題があった。さらに、サブバンド間遷移を利用した従
来のレーザでは、光通信技術に必要な波長帯域のレーザ
発振が得られないという問題があった。本発明は、上記
事情を考慮してなされたもので、その目的とするところ
は、光通信技術に十分対応できる光半導体装置を提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る光半導体装置（請求項１）は、基板
上に形成された第１の半導体層と、この第１の半導体層
とのバンドの位置が異なる第２の半導体層とからなる量
子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも１つを有す
る光半導体装置であって、前記第１の半導体層の伝導帯
および価電子帯の少なくとも一方は、２つ以上のサブバ
ンドを有し、前記第１の半導体層のバンド端エネルギー
は、前記第１の半導体層のサブバンド間隔のエネルギー
の２倍よりも大きく、かつ前記サブバンド間隔に相当す
る動作波長のエネルギーが０．７５ｅＶ以上であること
を特徴とする。

【００１９】また、本発明に係る他の光半導体装置（請
求項２）は、上記発明（請求項１）において、前記第１
の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方
は、そのバンド構造におけるΓ点を除いてエネルギーの
最も低い対称点のエネルギーが、エネルギー的に最も低
い第１番目のサブバンドレベルのエネルギーよりも大き
いことを特徴とする。

【００２０】なお、本発明の好ましい実施態様は以下の
通りである。（１）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方が
ウルツァイト型の結晶構造を有する。（２）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方が
窒化物半導体（Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎ_p （０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｐ≦１））
から形成されている。（３）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方が
Ｍｇ_x Ｃａ_y Ｃｄ_z Ｚｎ_1-x-y-z Ｓ_p Ｓｅ_q Ｔｅ_1-p-q
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦１−ｘ−
ｙ−ｚ≦１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦１−ｐ−ｑ
≦１）から形成されている。（４）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方が
Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｐ_p （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｐ≦１）からなる。（５）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層および第２の半導体のうち少なくとも一方が
ＣａＦ₂ 、ＣｏＳｉ₂ 、ＮｉＳｉ₂ およびＳｉＣのいず
れから形成されている。（６）上記発明（請求項１、請求項２）において、第１
の半導体層が間接遷移型の半導体から形成されている。（７）上記発明（請求項１、請求項２）において、量子
井戸がタイプIIの超格子から形成されている。

【００２１】また、本発明をレーザに適用した場合に
は、サブバンド間のエネルギー差が大きく、かつバンド
ギャップも大きい材料を用いることにより、光通信で用
いられる波長帯での動作するサブバンド間遷移が可能な
る。

【００２２】すなわち、本発明をレーザに適用する場合
は、上記発明において、第１の半導体層と第２の半導体
層との伝導帯または価電子帯におけるバンド不連続値を
少なくとも０．８ｅＶ以上とし、第１の半導体層のバン
ド端エネルギーが少なくとも１．６ｅＶ以上ある半導体
材料を用いる。

【００２３】

【作用】上述の如く、サブバンド間遷移では、バンド端
エネルギーＥ_edgeが動作波長に相当するエネルギーＥ_OP
よりも大きく、バンド間吸収は起こらないように思われ
るが、実際には、２つの光子が関与する過程である２光
子吸収が起きてしまうという問題があった。

【００２４】そこで、本発明では、第１の半導体層のバ
ンド端エネルギーＥedgeを、サブバンド間隔に相当する
動作波長のエネルギーＥopの２倍よりも大きくしてい
る。このようにすれば、バンド端エネルギーは２つの光
子のエネルギーより大きいため、光子が吸収される確率
が非常に小さくなる。

【００２５】ここで、Ｅ_opは光通信でよく用いられる材
料や波長帯を考慮すれば、例えばＩｎＰに格子整合する
ＩｎＧａＡｓのバンドギャップである０．７５ｅＶ以上
に設定する必要がある。特に０．８ｅＶ、つまり、１．
５５μｍではファイバー中でのロスも少なく、エルビウ
ムをドープしたファイバーアンプが使用できる領域であ
るため都合が良い。

【００２６】また、本発明（請求項２）のように、第１
の半導体層および第２の半導体層の少なくとも一方を、
バンド構造におけるΓ点を除いてエネルギーの最も低い
対称点のエネルギーが、エネルギー的に最も低い第１番
目のサブバンドレベルのエネルギーよりも大きくするこ
とが望ましい。

【００２７】これはサブバンドのエネルギーが大きい
と、Γ点以外の対称点でのエネルギーが相対的に低くな
る状況が起こり易くなるが、この場合には、例えば、２
番目に大きいサブバンドに励起されたキャリアが、障壁
層の例えばｘ点に落ち込んでしまう結果、緩和時間が長
くなり、高速動作ができない等の問題を生じるからであ
る。

【００２８】なお、本発明（請求項２）を実施するに
は、半導体層として特にウルツァイト型の結晶構造を有
する半導体層を用いるのが良い。これはウルツァイト型
の結晶構造を有する半導体では、Γ点と他の対称点との
エネルギー差が大きく離れており、最も近いＡ点やＭ点
でも、２．０ｅＶ以上離れているからである。

【００２９】また、窒化物半導体を用いた場合には、格
子不整合の影響をあまり受けずに所望の高品質量子構造
が得られるという効果もある。さらに、本発明（請求項
１、請求項２）をレーザに適用し、かつ第１、第２の半
導体層の材料として、バンド不連続値が大きい材料の組
合わせを用いれば、光通信で用いられる波長帯で動作す
るサブバンド間遷移レーザが可能となる、このとき、バ
ンド端エネルギー自身は十分大きいため（Ｅ_edge＞２Ｅ
_OP）、先に述べたように、２光子吸収過程等によるバン
ド間遷移の影響を除去できる。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。（第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図で
ある。

【００３１】図中、１１はサファイア基板を示してお
り、このサファイア基板１１上には、バッファ層として
のＧａＮ層１２が形成されている。このＧａＮ層１２上
には、ＩｎＡｌＮクラッド層１５を介して、ＧａＮ量子
井戸層１３とＡｌＮ第１障壁層１４とからなる量子井戸
構造が形成されている。この量子井戸構造上には、Ｉｎ
ＡｌＮクラッド層１５を介して、ギャップ層としてのＧ
ａＮ層１２が形成されている。

【００３２】上記各層１２〜１５は、機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により形成され、ＧａＮ量子井戸層１
３の厚さは１．７ｎｍ程度、ギャップ層としてのＧａＮ
層１２の厚さは１μｍ程度である。

【００３３】このような構成の光スイッチの吸収スペク
トルを調べたところ、１４８３ｎｍに鋭い吸収特性を示
することが分かった。これは図２のバンドダイヤグラム
に示すように、伝導帯の１番目のサブバンドから２番目
のサブバンドへの共鳴吸収によるものである。また、バ
ンドギャップは十分大きいので２光子吸収はほとんど起
こらない。

【００３４】すなわち、ＧａＮ井戸層１３のバンド端エ
ネルギーＥ_edgeが、ＧａＮ井戸層１３のサブバンド間隔
に相当する動作波長のエネルギーＥ_OPの２倍よりも大き
いので、２光子吸収が起こる確率は非常に小さくなるか
らである。

【００３５】この光スイッチに共鳴波長１４８３ｎｍ
（８３６ｍｅＶ）より２ｍｅＶ高いエネルギーを持つ波
長１４７９ｎｍ（８３８ｍｅＶ）の信号光をあててお
き、波長１４８３ｎｍ（８３６ｍｅＶ）、パルス幅１ｐ
ｓの共鳴パルス光を照射したときの信号光の変化の様子
を調べた。

【００３６】その結果、共鳴パルス光をあてている間だ
け、信号光が吸収しやすくなり、信号光の出力強度が光
スイッチに入射する前の５０％にまで減少することが分
かった。また、この変化は共鳴光が消えると同時にもと
に戻ることも確認した。

【００３７】この現象は文献アプライド・フィジクス・
レターズ第５１巻（１９８７）１６７０頁に述べられて
いるステップ構造を持つ量子井戸のサブバンド間で実励
起をした場合のサブバンド間エネルギーの増加と類似の
ものと考えられる。

【００３８】すなわち、キャリアの励起によりサブバン
ド間のエネルギー差が増大し、吸収ピーク波長が短波長
側にシフトした結果、信号光が吸収されたことによる。
また、超高速の応答が得られたのは。図２に示すよう
に、２光子吸収が抑えられたことと、また、図３に示す
ように、ＧａＮ／ＡｌＮバンド構造においては、Γ点よ
りＡ点やＭ点のエネルギーが十分上にあるため、第２の
サブバンド（２番目にエネルギー準位が高いサブバン
ド）に励起されたキャリアがＡ点やＭ点に滞留すること
なく、Γ点の第１のサブバンド（１番エネルギー準位が
低い、つまり、基底準位のサブバンド）に緩和したため
と考えられる。

【００３９】かくして本実施例によれば、光通信に十分
対応できる高速応答の光スイッチが得られる。したがっ
て、このような光スイッチを用いれば、光信号の利点
（例えば、高速、低クロストーク）を十分に生かした光
通信システムや光情報処理システム等を構築できるよう
になる。（第２の実施例）図４は、本発明の第２の実施例に係る
光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図で
ある。なお、図１の光半導体素子と対応する部分には図
１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する（以
下の図も同様）。

【００４０】本実施例の光スイッチが第１の実施例のそ
れと異なる点は、量子井戸構造を左右非対称にしたこと
にある。製造工程（製造方法）は第１の実施例のそれと
ほぼ同様であるが、ＩｎＡｌＮクラッド層１５をＧａＮ
量子井戸層１３の片側に形成した。本実施例の光スイッ
チによれば、第１の実施例のそれよりも大きな６０％近
い消光比が得られることを確認した。これは文献ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジクス第６５巻（１９８
９）４３７７頁に述べられているように、非対称構造に
より、シュタルクシフトがより大きくなったためと解さ
れる。

【００４１】第１、第２の実施例では、吸収ピークの位
置がキャリアの励起により変化することを利用したもの
であるが、屈折率の変化を利用することも有効である。（第３の実施例）図５は、本発明の第３の実施例に係る
光半導体素子（光スイッチ）の素子構造を示す断面図で
ある。

【００４２】本実施例の光スイッチが第１の実施例のそ
れと異なる点は、素子の上部と下部を金薄膜５１により
コーティングして、反射鏡を形成したことにある。本実
施例によれば、このように互いに平行な２枚の金薄膜５
１からなる反射鏡で囲まれた量子井戸構造がエタロンと
して働き、その透過ピーク位置は２枚の反射鏡間の光学
距離で決まる。

【００４３】このように光非線形をもつ媒質からなるエ
タロンを光スイッチに利用する原理は、例えば、アプラ
イド・フィジクス・レターズ第４９巻（１９８６）７４
９頁に述べられている。

【００４４】本実施例では、エタロンの透過ピーク位置
を波長１５５０ｎｍとして、共鳴吸収波長より長波長側
の透明域に設定した。このエタロンに透過域波長の１５
５０ｎｍのポンプパルス光（幅１ｐｓ）をあてると、シ
ュタルク効果により、サブバンド吸収ピークが短波長側
に動くと同時に屈折率が減少し、２枚の反射鏡間の光学
距離が減少しエタロンの透過スペクトルが短波長側にシ
フトする。

【００４５】既に述べたようにサブバンド間遷移におけ
る非線形性、つまり、屈折率の変化量は、バンド間遷移
に比べ非常に大きいため、エタロンの透過スペクトルも
１６ｎｍと大きくシフトするのが観測された。また、幅
１ｐｓのパルス光にも追随して非常に速く変化すること
も分かった。

【００４６】したがって、オン信号として透過率の時間
変動の激しい波長１５７０ｎｍの信号光を用い、オフ信
号として１５４０ｎｍの信号光を用いることにより、高
速にオン状態とオフ状態とを切り替えることができる光
スイッチを実現できるようになる。さらに、このような
非線形エタロンを使用して、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲとい
った論理素子を作ることも可能である。（第４の実施例）図６は、本発明の第４の実施例に係る
光半導体素子（マッハ・ツェンダー型の干渉計）を上か
ら見た平面図ある。

【００４７】本実施例によれば、サファイア基板６１上
に形成したＧａＮ光導波路６２に入射した信号光は、２
つの経路に分岐する。その片側にはサブバンド間励起を
起こすためのＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３が形成さ
れている。

【００４８】したがって、このＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸
構造６３に共鳴パルス光を照射することにより、屈折率
変化を通して信号光の位相を変化させることができる。
この結果、再び合わさった信号光は強めあったり、弱め
あったりして出射光の強度が変化する。（第５の実施例）図７は、本発明の第５の実施例に係る
光半導体素子（方向性結合器）を上から見た平面図あ
る。

【００４９】本実施例によれば、方向性結合器の片側
に、ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸構造６３を設けているの
で、ポンプ光により伝搬定数を変化させることにより、
シグナル光の高速スイッチング動作を行なえる。

【００５０】第１〜第５の実施例では、半導体材料とし
てＧａＮ系の材料を用いているが、後に示す他の適当な
材料系でも同様な効果が期待できる。また、価電子帯で
サブバンド間励起を生じさせることによっても、超高速
光スイッチ動作を得ることもできる。（第６の実施例）図８は、本発明の第６の実施例に係る
光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造を
示すバンドダイアグラムである。

【００５１】図８において、１、２、３、４はエネルギ
ー準位を示しており、１は価電子帯の基底準位、２〜４
は伝導帯のサブバンド準位を示している。また、ｈはプ
ランク定数、ν₄₃はエネルギー準位４からエネルギー準
位３に遷移したときに生じる光の振動数であり、ｈν₄₃
はエネルギー準位４からエネルギー準位３に遷移したと
きに生じる光のエネルギーを示している。また、図８の
ν_xy、ｈν_xy（ｘ、ｙは自然数で、かつｘとｙは等しく
ない）および他の図のν_xy、ｈν_xyも同様な意味であ
る。

【００５２】レーザ動作は、サブバンド準位４，３間に
形成された反転分布を利用する。サブバンド準位２，
３，４は上述したようにいずれも伝導帯におけるサブバ
ンド準位であり、これらサブバンド準位２，３，４は、
空間的には、図９に示すように位置されている。

【００５３】サブバンド準位４，３間のエネルギー差が
概略０．８eVとなるように量子井戸層が設計されてい
る。また、バンドギャップは１．６eV以上のエネルギー
差があるように、量子井戸層、量子障壁層の材料が選ば
れている。

【００５４】量子井戸層と量子障壁層とのバンド不連続
値は０．８eVより十分大きいため、電子の熱的なオーバ
ーフローを低減でき、これにより、高温、低電流でのレ
ーザ動作が可能となる。

【００５５】本実施例の量子カスケードレーザの具体的
な素子構造を図１０に示す。図１０において、１０１は
サファイア基板を示しており、このサファイア基板１０
１上には、ｎ型ＧａＮバッファ層１０２を介して、ｎ側
Ｔｉ／Ａｌ電極１０４が設けられたｎ型ＧａＮコンタク
ト層１０３が形成されている。

【００５６】このｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上に
は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５が形成されてお
り、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上には、Ｉｎ
ＡｌＧａＮ光ガイド層１０６を介して、活性層１０７が
形成されている。

【００５７】この活性層１０７は、ＡｌＧａＮ障壁層１
０８とＩｎＧａＮ井戸層とを複数積層してなる量子井戸
構造を有し、その上部にはＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト
層１１０が形成されている。

【００５８】活性層１０７上には、ＩｎＡｌＧａＮ光ガ
イド層１１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２が順次
形成され、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１２は、ｐ
型ＡｌＧａＮコンタクト層１１３を介して、ｐ側Ｎｉ／
Ａｕ電極にコンタクトしている。（第７の実施例）図１１は、本発明の第７の実施例に係
る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造
を示すバンドダイアグラムである。

【００５９】本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材
料として、間接遷移型の材料を用いた例である。この場
合も、バンド間の再結合時間をサブバンド間の遷移時間
に比べて長くできる。何故ならば、バンド間の遷移を生
じるには大きな運動量の変化が必要となるためである。

【００６０】本実施例の量子カスケードレーザの具体的
な素子構造を図１２に示す。これは材料としてＡｌＧａ
Ｐを用いた例である。図１２において、１２２はｎ型Ｇ
ａＰ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｓｉ／Ａｕ電
極が設けられている。また、ｎ型ＧａＰ基板１２２の表
面にはｎ型ＧａＰバッファ層１２３が形成されており、
このｎ型ＧａＰバッファ層１２３上には、ｎ型ＡｌＰク
ラッド層１２４、ＡｌＧａＰ光ガイド層１２５が順次形
成されている。

【００６１】このＡｌＧａＰ光ガイド層１２５上には、
活性層１２６が形成されている。この活性層１２６は、
ＡｌＰ障壁層１２７とＧａＰ量子井戸層１２８とを複数
積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＡｌＧ
ａＰ電子ドリフト層１２９が形成されている。

【００６２】活性層１２６上には、ＡｌＧａＰ光ガイド
層１３０、ｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１が順次形成
されており、このｐ型ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１は、
ｐ型ＧａＰコンタクト層１３２を介して、ｐ側Ｚｎ／Ａ
ｕ電極１３３にコンタクトしている。

【００６３】なお、このような構成の量子カスケードレ
ーザはＳｉＣとダイヤモンドの組み合わせでも可能であ
る。（第８の実施例）図１３は、本発明の第８の実施例に係
る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造
を示すバンドダイアグラムである。

【００６４】本実施例は、量子井戸層と量子障壁層の材
料として、Ｓｉ上のＣａＦ₂ とＣｏＳｉ₂ を用いた例で
ある。この場合、伝導帯のオフセットは１５ｅＶと非常
に大きい。また、基板とほぼ格子整合することから、Ｓ
ｉ電子デバイスとの集積も容易である。（第９の実施例）図１４は、本発明の第９の実施例に係
る光半導体素子（量子カスケードレーザ）のバンド構造
を示すバンドダイアグラムである。

【００６５】本実施例の特徴は、タイプII型の超格子を
用いて量子井戸構造を構成したことにある。この場合
も、直接再結合の確率を低減できるため、高性能のレー
ザが得られる。

【００６６】本実施例の量子カスケードレーザの具体的
な素子構造を図１５に示す。図１５において、１５２は
ｎ型ＧａＡｓ基板を示しており、その裏面にはｎ側Ｔｉ
／Ａｕ電極１５１が設けられている。また、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１５２の表面にはｎ型ＧａＡｓバッファ層１５
３、ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１５４、ＺｎＳＳｅ光ガ
イド層１５５が順次形成されている。

【００６７】このＺｎＳＳｅ光ガイド層１５５上には、
活性層１５６が形成されている。この活性層１５６は、
ＺｎＳＳｅ障壁層１５７とＺｎＴｅ量子井戸層とを複数
積層してなる量子井戸構造を有し、その上部にはＺｎＳ
ｅ電子ドリフト層１５９が形成されている。

【００６８】活性層１５６上には、ＺｎＳｅ光ガイド層
１６０、ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１６１、ｐ型ＺｎＳ
ｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層１６２、ｐ型ＺｎＴｅ
コンタクト層１６３が順次形成され、このｐ型ＺｎＴｅ
コンタクト層１６３にはｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極が設けられ
ている。

【００６９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、実施例では、動作波長を１５
５０ｎｍ付近に設定したが光通信で用いられるもう一つ
の波長である１３００ｎｍ付近の領域でも良い。

【００７０】また、同一基板上に多数の光半導体素子を
集積化することも可能である。また、上記実施例では、
サブバンドとして完全な束縛状態のものを用いたが、サ
ブバンドは擬束縛状態でも良い。

【００７１】また、上記実施例では、量子井戸構造を用
いた場合について説明したが、量子細線、量子箱を用い
た場合についても適用できる。また、上記実施例では、
光スイッチ、干渉計、方向性結合器、レーザ（発光素
子）等の光半導体素子の場合について説明したが、本発
明は受光素子や光増幅器等の他の光半導体素子にも適用
できる。その他、本発明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。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
通信に十分対応できる動作速度（応答速度）を有し、さ
らに、光通信で用いられる波長帯の光が得られる光半導
体素子が得られ、したがって、このような光半導体素子
を用いることにより、光信号の利点（例えば、高速、低
クロストーク）を十分に生かした光通信システムや光情
報処理システム等を構築できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光スイッチの素子
構造を示す断面図

【図２】図１の光スイッチの動作原理を説明するための
バンドダイヤグラム

【図３】図１の光スイッチのΓ点と対称点の関係を示す
図

【図４】本発明の第２の実施例に係る光スイッチの素子
構造を示す断面図

【図５】本発明の第３の実施例に係る光スイッチの素子
構造を示す断面図

【図６】本発明の第４の実施例に係るマッハ・ツェンダ
ー型の干渉計を示す平面図

【図７】本発明の第５の実施例に係る方向性結合器を示
す平面図

【図８】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレ
ーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム

【図９】本発明の第６の実施例に係る量子カスケードレ
ーのポテンシャルを示す図

【図１０】本発明の第６の実施例に係る量子カスケード
レーザの具体的な素子構造を素子断面図

【図１１】本発明の第７の実施例に係る量子カスケード
レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム

【図１２】本発明の第７の実施例に係る量子カスケード
レーザの具体的な素子構造を素子断面図

【図１３】本発明の第８の実施例に係る量子カスケード
レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム

【図１４】本発明の第９の実施例に係る量子カスケード
レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム

【図１５】本発明の第９の実施例に係る量子カスケード
レーザの具体的な素子構造を素子断面図

【図１６】サブバンド間遷移を利用した従来の従来の半
導体レーザのバンド構造を示すバンドダイアグラム

【符号の説明】

１１…サファイア基板１２…ＧａＮ層１３…ＧａＮ井戸層１４…ＡｌＮ障壁層１５…ＩｎＡｌＮ層５１…金薄膜６１…サファイア基板６２…ＧａＮ導波路６３…ＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸層１０１…サファイア基板１０２…ｎ型ＧａＮバッファ層１０３…ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４…ｎ側Ｔｉ／Ａｌ電極１０５…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１０７…活性層１０８…ＡｌＧａＮ障壁層１０９…ＩｎＧａＮ井戸層１１０…ＩｎＡｌＧａＮ電子ドリフト層１１１…ＩｎＡｌＧａＮ光ガイド層１１２…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１３…ｐ型ＧａＮコンタクト層１１４…ｐ側Ｎｉ／Ａｕ電極１２１…ｎ側Ｓｉ／Ａｕ電極１２２…ｎ型ＧａＰ基板１２３…ｎ型ＧａＰバッファ層１２４…ｎ型ＡｌＰクラッド層１２５…ＡｌＧａＰ光ガイド層１２６…活性層１２７…ＡｌＰ障壁層１２８…ＧａＰ量子井戸層１２９…ＡｌＧａＰ電子ドリフト層１３０…ＡｌＧａＰ光ガイド層１３１…ｐ型ＡｌＰクラッド層１３２…ｐ型ＧａＰコンタクト層１３３…ｐ側Ｚｎ／Ａｕ電極１５１…ｎ側Ｔｉ／Ａｕ電極１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層１５６…活性層１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層１５２…ｎ型ＧａＡｓ基板１５３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５４…ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１５５…ＺｎＳｅ光ガイド層１５６…活性層１５７…ＺｎＳＳｅ障壁層１５８…ＺｎＴｅ量子井戸層１５９…ＺｎＳｅ電子ドリフト層１６０…ＺｎＳｅ光ガイド層１６１…ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１６２…ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層１６３…ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６４…ｐ側Ｐｄ／Ａｕ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 27/15 Ｃ 8832−4Ｍ (72)発明者山本雅裕神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者ジョン・レニー神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された第１の半導体層と、こ
の第１の半導体層とのバンドの位置が異なる第２の半導
体層とからなる量子井戸、量子細線および量子箱の少な
くとも１つを有する光半導体装置であって、前記第１の半導体層の伝導帯および価電子帯の少なくと
も一方は、２つ以上のサブバンドを有し、前記第１の半導体層のバンド端エネルギーは、前記第１
の半導体層のサブバンド間隔に相当する動作波長のエネ
ルギーの２倍よりも大きく、かつ前記サブバンド間隔に
相当する動作波長のエネルギーが０．７５ｅＶ以上であ
ることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】前記第１の半導体層および前記第２の半導
体層の少なくとも一方は、バンド構造におけるΓ点を除
いてエネルギーの最も低い対称点のエネルギーが、エネ
ルギー的に最も低い第１番目のサブバンドレベルのエネ
ルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の
光半導体装置。