JPH08334801A - Quantum well structure having graded potential distribution and optical element formed by using this structure - Google Patents
Quantum well structure having graded potential distribution and optical element formed by using this structureInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体量子井戸構造に
係り、特に、半導体量子井戸構造を用いた光学素子に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor quantum well structure, and more particularly to an optical element using the semiconductor quantum well structure.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から半導体量子井戸構造は、レー
ザ、変調器をはじめとして様々なものに応用されてき
た。例えば、レーザにおける活性層の構造として、図５
に示すような単一量子井戸構造、図６に示すような多重
量子井戸構造、図７に示すようなＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
などが提案されている。図７のＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
は、量子井戸の両側にポテンシャルが曲線的に増加する
領域を形成し、電子を量子井戸に閉じ込め、ポテンシャ
ルが曲線的に増加する領域に光を閉じ込める構造であ
る。2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor quantum well structures have been applied to various things such as lasers and modulators. For example, as a structure of an active layer in a laser, as shown in FIG.
A single quantum well structure as shown in FIG. 6, a multiple quantum well structure as shown in FIG. 6, and a GRIN-SCH structure as shown in FIG. 7 have been proposed. The GRIN-SCH structure in FIG. 7 is a structure in which a region where the potential increases curvilinearly is formed on both sides of the quantum well, electrons are confined in the quantum well, and light is confined in the region where the potential curvilinearly increases.
【０００３】これらの量子井戸構造の提案は、おもにキ
ャリアの井戸内閉じ込め効率の向上、光閉じ込め係数の
向上、および、これらにともなうしきい値電流密度の低
減化の観点から提案されたものが主体である。These quantum well structures are mainly proposed from the viewpoints of improving the efficiency of confining carriers in the well, improving the optical confinement coefficient, and reducing the threshold current density accordingly. Is.
【０００４】また、量子閉じ込めシュタルク効果の光変
調器への応用も提案されている。例えば、Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４４，１６（１９８４）には、矩形
の多重量子井戸に逆方向バイアスを印加する光強度変調
器が提案されている。量子閉じ込めシュタルク効果は、
量子井戸に電場を印加すると、電場の強さに対応して、
吸収スペクトルがブロードになりながら低エネルギー側
にシフトする現象である。この光強度変調器は、量子閉
じ込めシュタルク効果を用いて、光の透過率を変化さ
せ、光の強度変調を行う。Also, application of the quantum confined Stark effect to an optical modulator has been proposed. For example, Appl. P
hys. Lett. 44, 16 (1984), an optical intensity modulator for applying a reverse bias to a rectangular multiple quantum well is proposed. The quantum confined Stark effect is
When an electric field is applied to the quantum well, it corresponds to the strength of the electric field,
This is a phenomenon in which the absorption spectrum becomes broad and shifts to the lower energy side. This light intensity modulator uses the quantum confined Stark effect to change the light transmittance and modulates the light intensity.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術においては、量子井戸内の電子と正孔との存在位置
を、外部電場によって積極的に制御しようとする量子井
戸構造は存在しない。However, in the prior art, there is no quantum well structure in which the positions of electrons and holes in the quantum well are positively controlled by an external electric field.
【０００６】本発明は、量子井戸内の電子と正孔との存
在位置を、外部電場によって制御することのできる新規
な量子井戸構造を提供することを目的とする。It is an object of the present invention to provide a novel quantum well structure in which the positions of electrons and holes in the quantum well can be controlled by an external electric field.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、井戸領域と、少なくとも一方向に
おいて、前記井戸領域を両側から挟むように配置され、
電子に対するポテンシャルが前記井戸領域よりも高い障
壁領域とを有し、前記井戸領域の少なくとも一部分は、
前記方向についての電子に対するポテンシャル分布およ
び正孔に対するポテンシャル分布のうち少なくとも一方
が、外部電場を印加されていない状態で、増加する構造
であることを特徴とする量子井戸構造が提供される。In order to achieve the above object, according to the present invention, the well region is arranged so as to sandwich the well region from both sides in at least one direction,
A barrier region having a higher potential for electrons than the well region, and at least a part of the well region is
There is provided a quantum well structure, wherein at least one of a potential distribution for electrons and a potential distribution for holes in the direction is a structure that increases in a state where an external electric field is not applied.
【０００８】上述のような量子井戸構造は、例えば、化
合物半導体の組成比を変化させることにより形成するこ
とができる。The quantum well structure as described above can be formed, for example, by changing the composition ratio of the compound semiconductor.
【０００９】[0009]
【作用】ここで、本発明の量子井戸構造において、簡単
な定量的な考察を行なう。一般に半導体量子井戸構造に
おける、エネルギー固有値及び波動関数は、有効質量近
似下におけるシュレディンガー方程式を解くことにより
求めることができる。このときのハミルトニアンは、Here, a simple quantitative consideration will be given to the quantum well structure of the present invention. In general, the energy eigenvalue and the wave function in the semiconductor quantum well structure can be obtained by solving the Schrodinger equation under the effective mass approximation. Hamiltonian at this time is
【００１０】[0010]
【数１】 [Equation 1]
【００１１】で表わされる。Ｖは、物質固有の量であ
る。（例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは、伝導帯に関して
は、室温で、ｘ＝０．３の時にはＶ＝１．０２４ｅＶ、
ｘ＝０の時にはＶ＝０．８１１ｅＶ程度である。但し、
このときのエネルギーの原点はフェルミレベルであ
る。） また、シュレディンガー方程式は、 ＨΦ＝λΦ である。ここでλは、系のエネルギー固有値、Φは、波
動関数である。It is represented by V is an amount specific to the substance. (For example, in Al x Ga 1-x As, regarding the conduction band, at room temperature, when x = 0.3, V = 1.024 eV,
When x = 0, V is about 0.811 eV. However,
The origin of energy at this time is the Fermi level. ) Moreover, the Schrodinger equation is HΦ = λΦ. Where λ is the energy eigenvalue of the system and Φ is the wave function.
【００１２】以上は、電場がかかっていない場合のシュ
レディンガー方程式であるが、この系において外部電場
がかかると、この電場によりハミルトニアンは先程の
（数１）にThe above is the Schrodinger equation when no electric field is applied. When an external electric field is applied in this system, the Hamiltonian becomes (Equation 1) due to this electric field.
【００１３】[0013]
【数２】 [Equation 2]
【００１４】を加えただけ変化する。It changes only by adding.
【００１５】よって、量子井戸構造を薄膜の積層で構成
し、電場の向きを製膜方向（ｚ）と同一にとるとすれ
ば、この系のハミルトニアンは、Therefore, if the quantum well structure is formed by stacking thin films and the direction of the electric field is the same as the film forming direction (z), the Hamiltonian of this system is
【００１６】[0016]
【数３】 (Equation 3)
【００１７】となる。## EQU1 ##
【００１８】上記（数３）のハミルトニアンをみると Ｖ＝−ｅＥｚ とすることにより、ポテンシャルの項を０にすることが
できる。Looking at the Hamiltonian of the above (Equation 3), the potential term can be made zero by setting V = -eEz.
【００１９】したがって、例えば、図１１のように、量
子井戸層の電子に対するポテンシャルが、 Ｖ＝ａｚ＋ｂ （ただしａ、ｂは定数）と空間的に線形に変化する量子
井戸構造を選択し、 ａ＝−ｅＥ となるような電圧Ｅを、量子井戸に垂直にかけた場合、
図１２（ａ）、（ｂ）のように、電圧をかける方向によ
り、井戸層の電子に対するポテンシャル分布および正孔
に対するポテンシャル分布のうちの一方が全く平担にな
る。また、この時、他方のポテンシャル分布は、平坦に
はならず、Ｖ字型になる。Therefore, for example, as shown in FIG. 11, a quantum well structure in which the potential of electrons in the quantum well layer changes spatially linearly with V = az + b (where a and b are constants) is selected, and a = When a voltage E such that −eE is applied vertically to the quantum well,
As shown in FIGS. 12A and 12B, depending on the direction in which the voltage is applied, one of the potential distribution for electrons and the potential distribution for holes in the well layer becomes completely flat. At this time, the other potential distribution is not flat but V-shaped.
【００２０】例えば、図１２（ａ）のように、井戸層の
電子に対するポテンシャル分布が平坦になるような向き
に電場をかけた場合、電子は、量子井戸層から障壁層へ
逃げる。このとき、正孔に対するポテンシャル分布は、
逆Ｖ字型になり、正孔は、逆Ｖ字型のポテンシャル分布
の先端部にたまる。For example, as shown in FIG. 12A, when an electric field is applied in such a direction that the potential distribution of electrons in the well layer becomes flat, the electrons escape from the quantum well layer to the barrier layer. At this time, the potential distribution for holes is
It becomes an inverted V shape, and holes accumulate at the tip of the inverted V shape potential distribution.
【００２１】また、例えば、図１２（ｂ）のように、井
戸層の正孔に対するポテンシャル分布が平坦になるよう
な向きに電場をかけた場合、正孔は、量子井戸層から障
壁層へ逃げる。このとき、電子に対するポテンシャル分
布は、Ｖ字型になり、電子は、Ｖ字型のポテンシャル分
布の先端部にたまる。Further, when an electric field is applied in such a direction that the potential distribution of holes in the well layer becomes flat as shown in FIG. 12B, the holes escape from the quantum well layer to the barrier layer. . At this time, the potential distribution for electrons becomes V-shaped, and the electrons accumulate at the tip of the V-shaped potential distribution.
【００２２】このように、量子井戸層の電子に対するポ
テンシャル分布が、Ｖ＝ａｚ＋ｂと空間的に線形に変化
する量子井戸構造に電場を加えることにより、図１２
（ａ）、（ｂ）のように、電子または正孔を電場の向き
によって選択的に井戸層にためることができる。また、
ここで、注目すべきことに、電子または正孔がたまる場
所は、図１２（ａ）、（ｂ）のように一方の障壁層との
境界に近い井戸層であり、この場所は、電子と正孔とで
一致している。よって、本発明では、量子井戸層の電子
に対するポテンシャル分布が、空間的に線形に増加する
量子井戸構造に、電場の向きをかえて電場をかけること
により、電子と正孔とを同一の空間に、電場の向きによ
り選択的に存在させることができる。As described above, by applying an electric field to the quantum well structure in which the potential distribution of electrons in the quantum well layer changes spatially linearly as V = az + b, FIG.
As in (a) and (b), electrons or holes can be selectively accumulated in the well layer depending on the direction of the electric field. Also,
Here, it should be noted that the place where electrons or holes accumulate is a well layer near the boundary with one barrier layer as shown in FIGS. 12A and 12B, and this place is It agrees with the hole. Therefore, in the present invention, by changing the direction of the electric field and applying an electric field to the quantum well structure in which the potential distribution of electrons in the quantum well layer increases linearly in space, electrons and holes are made to be in the same space. , Can be selectively present depending on the direction of the electric field.
【００２３】これに対し、従来の矩形のポテンシャル分
布の量子井戸構造に電圧を印加した場合には、図１３の
ように、電子と正孔とは、井戸の両端部にわかれて存在
するため、上述の本発明のように、電子と正孔とを同一
の空間に、電場の向きにより選択的に存在させることは
できない。On the other hand, when a voltage is applied to the conventional quantum well structure having a rectangular potential distribution, electrons and holes are present at both ends of the well as shown in FIG. As in the present invention described above, electrons and holes cannot be selectively present in the same space depending on the direction of the electric field.
【００２４】本発明は、図１１の量子井戸構造以外に、
図１等のように、外部電場を印加されていない状態で、
その少なくとも一部分に、各点に対するポテンシャルが
増加する構造の井戸領域の量子井戸構造を用いることに
より、電場によって、電子と正孔の存在位置を積極的に
制御することができる。The present invention is not limited to the quantum well structure shown in FIG.
As shown in Fig. 1, etc., in the state where no external electric field is applied,
By using a quantum well structure of a well region having a structure in which the potential with respect to each point increases in at least a part thereof, the positions where electrons and holes are present can be positively controlled by an electric field.
【００２５】[0025]
【実施例】以下、本発明の量子井戸構造を用いた一実施
例について説明する。EXAMPLE An example using the quantum well structure of the present invention will be described below.
【００２６】本実施例は、本発明の量子井戸構造を用い
た光強度変調器について説明する。In this embodiment, an optical intensity modulator using the quantum well structure of the present invention will be described.
【００２７】まず、本実施例の光強度変調器の構造につ
いて、図８を用いて説明する。First, the structure of the light intensity modulator of this embodiment will be described with reference to FIG.
【００２８】本実施例の光強度変調器は、図８に示すよ
うに、ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ+−ＧａＡｓエピタキ
シャルバッファ層２、ｎ+−ＡｌＧａＡｓエッチングス
トップ層３、ｎ+−ＡｌＧａＡｓ／ｎ+−ＧａＡｓ超格子
コンタクト層４を順に備えている。As shown in FIG. 8, the optical intensity modulator of this embodiment has an n + -GaAs epitaxial buffer layer 2, an n + -AlGaAs etching stop layer 3, and an n + -AlGaAs / on a GaAs substrate 1. An n + -GaAs superlattice contact layer 4 is provided in order.
【００２９】この超格子コンタクト層４の上には、ｉ−
ＡｌＧａＡｓ／ｉ−ＧａＡｓ超格子バッファ層５を介し
て、本発明の量子井戸構造で形成したｉ−ＡｌＧａＡｓ
／ｉ−ＧａＡｓ多重量子井戸層６が備えられている。On the superlattice contact layer 4, i-
I-AlGaAs formed in the quantum well structure of the present invention through the AlGaAs / i-GaAs superlattice buffer layer 5.
/ I-GaAs multiple quantum well layer 6 is provided.
【００３０】多重量子井戸層６の上には、ｉ−ＡｌＧａ
Ａｓ／ｉ−ＧａＡｓ超格子バッファ層７を介して、ｐ+
−ＡｌＧａＡｓ／ｐ+−ＧａＡｓ超格子コンタクト層
８、ｐ+−ＡｌＧａＡｓコンタクト層７、電極１０がさ
らに備えられている。On the multiple quantum well layer 6, i-AlGa is formed.
P + via the As / i-GaAs superlattice buffer layer 7
A -AlGaAs / p + -GaAs superlattice contact layer 8, a p + -AlGaAs contact layer 7, and an electrode 10 are further provided.
【００３１】また、基板１の裏面には、電極１１が備え
られている。An electrode 11 is provided on the back surface of the substrate 1.
【００３２】電極１０には、光を入射させるための窓１
２が設けられている。また、エッチングストップ層３の
一部と、エピタキシャルバッファ層２と、基板１と、電
極１１とには、窓１３が設けられている。A window 1 for making light incident on the electrode 10 is formed.
2 are provided. A window 13 is provided in a part of the etching stop layer 3, the epitaxial buffer layer 2, the substrate 1 and the electrode 11.
【００３３】ただし、コンタクト層４、８およびバッフ
ァ層５、７についてのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子
は、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とを繰り返し積層した
超格子からなることを表す。However, the AlGaAs / GaAs superlattice for the contact layers 4 and 8 and the buffer layers 5 and 7 means that the superlattice is formed by repeatedly laminating the AlGaAs layer and the GaAs layer.
【００３４】つぎに、多重量子井戸層６の構成につい
て、さらに説明する。Next, the structure of the multiple quantum well layer 6 will be further described.
【００３５】多重量子井戸層６は、図１のポテンシャル
構造の量子井戸構造を複数個繰返し積層したものであ
る。すなわち、図１の量子井戸層２１と障壁層２２とを
繰返し積層することによって形成されている。図１のよ
うに、量子井戸層２１の電子に対するポテンシャル分布
（すなわち、伝導帯の構造）は、量子井戸層２１の両端
部（障壁層と接している部分）が、中央部より低くなっ
ている。両端部と中央部の間の部分は、中央部のポテン
シャルと両端部のポテンシャルとを結んだ直線上にあ
る。このように、量子井戸層２１の電子に対するポテン
シャル分布は、山型に形成されている。一方、正孔に対
するポテンシャル分布（すなわち、価電子帯の構造）
は、中央部が低く、両端部の高い谷型に形成されてい
る。本実施例では、図１の形状の量子井戸構造を線形量
子井戸構造と呼ぶ。The multiple quantum well layer 6 is formed by repeatedly stacking a plurality of quantum well structures having the potential structure shown in FIG. That is, it is formed by repeatedly stacking the quantum well layer 21 and the barrier layer 22 of FIG. As shown in FIG. 1, the potential distribution of electrons in the quantum well layer 21 (that is, the structure of the conduction band) is lower at both ends (portions in contact with the barrier layer) of the quantum well layer 21 than at the central portion. . The portion between both ends and the center is on a straight line connecting the potential at the center and the potential at both ends. In this way, the potential distribution of electrons in the quantum well layer 21 is formed in a mountain shape. On the other hand, potential distribution for holes (ie, valence band structure)
Are formed in a valley shape having a low central portion and high both end portions. In this embodiment, the quantum well structure having the shape shown in FIG. 1 is called a linear quantum well structure.
【００３６】本実施例では、ｉ−ＡｌＧａＡｓ／ｉ−Ｇ
ａＡｓ系を用いて線形量子井戸構造を形成している。具
体的には、障壁層２２をＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓによって形
成した。井戸層２１は、両端部の障壁層２２と接する部
分をＧａＡｓ、中央部のポテンシャルの山の部分をＡｌ
0.07Ｇａ0.93Ａｓ、両端部と中央部の間を、Ａｌ組成ｘ
を直線的に連続して変化させたＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．
０７＜ｘ＜０．３）によって形成した。In this embodiment, i-AlGaAs / i-G
A linear quantum well structure is formed using the aAs system. Specifically, the barrier layer 22 was formed of Al 0.3 Ga 0.7 As. The well layer 21 is made of GaAs at the portions in contact with the barrier layers 22 at both ends and made of Al at the central potential peak portion.
0.07 Ga 0.93 As, Al composition x between both ends and the central part
Of Al x Ga 1-x As (0.
07 <x <0.3).
【００３７】本実施例では、基板１上に、エピタキシャ
ルバッファ層２からコンタクト層９の各層を形成するた
めに、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）または有機金属
気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いている。これらの方法
を用いることにより、Ａｌ組成ｘを直線的に連続して変
化する井戸層２１を容易に形成することができる。In this embodiment, in order to form each layer of the contact layer 9 from the epitaxial buffer layer 2 on the substrate 1, the molecular beam epitaxy method (MBE) or the metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD) is used. . By using these methods, the well layer 21 in which the Al composition x changes linearly and continuously can be easily formed.
【００３８】つぎに、本実施例の光強度変調器の動作に
ついて説明する。Next, the operation of the light intensity modulator of this embodiment will be described.
【００３９】電極１０、１１に電圧を印加し、基板１か
らコンタクト層９までの各層に、逆方向バイアスを印加
する。A voltage is applied to the electrodes 10 and 11, and a reverse bias is applied to each of the layers from the substrate 1 to the contact layer 9.
【００４０】多重量子井戸層６に電場がかかった場合の
ポテンシャル構造の変化と電子の波動関数を図３、図１
４に示す。ここでは、図１の線形量子井戸構造において
電子に対するポテンシャル分布の山の右側が、電場によ
って平坦になるように、電場の大きさを選んだ。本実施
例の線形量子井戸構造においては、７．７７×１０
6（Ｖ／ｍ）である。電場を印加すると、図３、図１４
のように、線形量子井戸構造の電子に対するポテンシャ
ル分布には、井戸層の左側（低電圧側）で谷が生じ、右
側（高電圧側）で平坦になる。図３に示すように、電場
が印加された線形量子井戸構造の電子の波動関数は、井
戸層の左側の谷に閉じ込められる形で、この位置で大き
な振幅をもつ。FIG. 3 and FIG. 1 show changes in the potential structure and electron wave functions when an electric field is applied to the multiple quantum well layer 6.
4 shows. Here, the magnitude of the electric field was selected so that the right side of the peak of the potential distribution for electrons in the linear quantum well structure of FIG. 1 is flattened by the electric field. In the linear quantum well structure of this embodiment, 7.77 × 10
6 (V / m). When an electric field is applied,
As described above, the potential distribution for electrons in the linear quantum well structure has a valley on the left side (low voltage side) of the well layer and is flat on the right side (high voltage side). As shown in FIG. 3, the electron wave function of the linear quantum well structure to which an electric field is applied has a large amplitude at this position in the form of being confined in the valley on the left side of the well layer.
【００４１】比較のために、図２のような従来の矩形の
量子井戸構造に、電場がかかった場合の、ポテンシャル
分布形状の変化と電子の波動関数を図４に示す。For comparison, FIG. 4 shows changes in potential distribution shape and electron wave functions when an electric field is applied to the conventional rectangular quantum well structure as shown in FIG.
【００４２】図２の量子井戸構造は、障壁層をＡｌ0.3
Ｇａ0.7Ａｓ、井戸層をＧａＡｓによって形成したもの
である。In the quantum well structure of FIG. 2, the barrier layer is made of Al 0.3.
Ga 0.7 As, and the well layer is made of GaAs.
【００４３】図３と図４とを比較するとわかるように、
本実施例の線形量子井戸構造は、従来の矩形の量子井戸
構造よりも、同じ大きさの電場で、井戸層内の左側（低
電圧側）部分で電子に対するポテンシャル分布（伝導帯
の構造）の傾斜が大きく、鋭角的な谷が形成される。ま
た、井戸層内の右側（高電圧側）部分では、本実施例の
線形量子井戸構造の方が、電子に対するポテンシャル分
布の傾斜が平坦である。そのため、本実施例の線形量子
井戸構造は、図３において、井戸層内の左側部分で電子
の閉じ込めが強い。As can be seen by comparing FIGS. 3 and 4,
The linear quantum well structure of the present embodiment has an electric field of the same magnitude as that of the conventional rectangular quantum well structure and has a potential distribution (conduction band structure) for electrons at the left side (low voltage side) in the well layer. The slope is large and sharp valleys are formed. In the right side (high voltage side) of the well layer, the linear quantum well structure of this example has a flatter potential distribution gradient for electrons. Therefore, in the linear quantum well structure of this embodiment, electrons are strongly confined in the left side portion of the well layer in FIG.
【００４４】具体的に、図３、図４において、二つ量子
井戸構造の電子の波動関数のピークエネルギーを比較す
ると、本実施例の線形量子井戸構造の方が従来の矩形の
量子井戸構造よりも高くなっている。また、ピークの位
置を比較すると、本実施例の線形量子井戸構造の方が、
従来の矩形の量子井戸構造よりも井戸層の左端部よりに
存在していることがわかる。Specifically, comparing the peak energies of the wave functions of the electrons of the two quantum well structures in FIGS. 3 and 4, the linear quantum well structure of this embodiment is better than the conventional rectangular quantum well structure. Is also getting higher. Further, comparing the peak positions, the linear quantum well structure of the present embodiment is
It can be seen that the quantum well structure is located closer to the left end of the well layer than the conventional rectangular quantum well structure.
【００４５】また、正孔に対するポテンシャル分布（価
電子帯）については、図１３と図１４とを比較するとわ
かるように、本実施例の線形量子井戸構造は、従来の矩
形の量子井戸構造よりも、井戸層の右側部分においてポ
テンシャル分布の傾斜が大きくなっている。また、井戸
層の左側部分においては、本実施例の線形量子井戸構造
の方が、ポテンシャル分布の傾斜が小さい。よって、本
実施例の量子井戸構造は、従来の矩形の量子井戸構造よ
りも、井戸層の右側部分で正孔の閉じ込めが強い。Regarding the potential distribution (valence band) for holes, as can be seen by comparing FIG. 13 and FIG. 14, the linear quantum well structure of this embodiment is better than the conventional rectangular quantum well structure. The slope of the potential distribution is large on the right side of the well layer. In the left side portion of the well layer, the gradient of the potential distribution is smaller in the linear quantum well structure of this embodiment. Therefore, the quantum well structure of this example has a stronger hole confinement in the right side portion of the well layer than the conventional rectangular quantum well structure.
【００４６】本実施例の線形量子井戸構造の正孔の波動
関数については図示していないが、本実施例の線形量子
井戸構造の方が従来の矩形の量子井戸構造よりも、重い
正孔及び軽い正孔の双方について、波動関数のピークエ
ネルギーが大きく、また、ピークの位置が、井戸層の右
側部分よりに存在している。Although the hole wave function of the linear quantum well structure of the present embodiment is not shown, the linear quantum well structure of the present embodiment has a larger number of holes and holes than the conventional rectangular quantum well structure. The peak energy of the wave function is large for both of the light holes, and the position of the peak exists in the right side portion of the well layer.
【００４７】従って、本実施例の線形量子井戸構造にお
ける電子と重い正孔の重なり積分、ならびに、電子と軽
い正孔の重なり積分は、図９、図１０に示すように、従
来の矩形の量子井戸構造よりも、小さな電場で小さくな
る。Therefore, the overlap integral of electrons and heavy holes and the overlap integral of electrons and light holes in the linear quantum well structure of the present embodiment are as shown in FIG. 9 and FIG. It becomes smaller with a smaller electric field than the well structure.
【００４８】但し、電子と正孔の重なり積分は、However, the overlap integral of electrons and holes is
【００４９】[0049]
【数４】 [Equation 4]
【００５０】で与えられる。Is given by
【００５１】本実施例の光強度変調器は、量子閉じ込め
シュタルク効果により、図１５（ａ），（ｂ）のよう
に、電極１１、１２間の印加電圧の強度に応じて、窓１
２からの入射する光の吸収係数を変化させ、窓１３から
出射する光の強度を変化させるものである。量子閉じ込
めシュタルク効果は、量子井戸構造において、電場が量
子井戸構造に垂直に印加された場合、励起子吸収ピーク
が低エネルギー側にシフトする現象である。励起子吸収
ピークのシフト量は、電場が強いほど大きくなる。The optical intensity modulator according to the present embodiment uses the quantum confined Stark effect, as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), in accordance with the intensity of the applied voltage between the electrodes 11 and 12 in the window 1.
The absorption coefficient of the light incident from 2 is changed, and the intensity of the light emitted from the window 13 is changed. The quantum confined Stark effect is a phenomenon in which the exciton absorption peak shifts to a lower energy side when an electric field is applied perpendicularly to the quantum well structure in the quantum well structure. The exciton absorption peak shift amount increases as the electric field becomes stronger.
【００５２】上述のように、本実施例では、線形量子井
戸構造を用いているため、電子と正孔の波動関数の重な
り積分が、同じ大きさの電場を印加した従来の矩形の量
子井戸構造の重なり積分より小さい。量子井戸構造の重
なり積分が小さくなると、量子井戸構造の光吸収による
電子正孔対が形成されにくくなるため、量子井戸構造の
吸収強度のピークは小さくなる。一方、全吸収強度は、
重なり積分の変化に係らず保存されるので、図１５
（ｂ）に示すように、線形量子井戸構造の吸収強度分布
は、従来の矩形量子井戸構造の吸収強度分布に比べて、
吸収強度のピークが小さくなった分だけブロードにな
る。As described above, since the linear quantum well structure is used in this embodiment, the conventional rectangular quantum well structure in which the electric field of the same magnitude is applied to the overlap integral of the wave functions of electrons and holes is applied. Is less than the overlap integral of. When the overlap integral of the quantum well structure becomes small, it becomes difficult to form electron-hole pairs due to light absorption of the quantum well structure, and therefore the peak of the absorption intensity of the quantum well structure becomes small. On the other hand, the total absorption intensity is
Since it is saved regardless of the change of the overlap integral, FIG.
As shown in (b), the absorption intensity distribution of the linear quantum well structure is larger than that of the conventional rectangular quantum well structure.
The absorption peak becomes broader as the peak becomes smaller.
【００５３】よって、本実施例の光強度変調器は、従来
の矩形量子井戸構造を用いた光強度変調器と比較した場
合、従来よりも小さな印加電圧で動作が可能である。Therefore, the light intensity modulator of the present embodiment can operate with a smaller applied voltage than the conventional light intensity modulator when compared with the conventional light intensity modulator using the rectangular quantum well structure.
【００５４】このように、本実施例では、図１の線形量
子井戸構造を用いることにより、量子閉じ込めシュタル
ク効果による吸収強度の変化を小さな電場で顕著に得る
ことができる。従って、低電圧で駆動可能な光強度変調
器を得ることができる。このことは、光強度変調器を他
の光デバイスと集積化した場合に、他の光デバイスへ与
える電場の影響を小さくすることができるという効果が
ある。As described above, in the present embodiment, by using the linear quantum well structure shown in FIG. 1, a change in absorption intensity due to the quantum confined Stark effect can be remarkably obtained with a small electric field. Therefore, a light intensity modulator that can be driven at a low voltage can be obtained. This has the effect that when the light intensity modulator is integrated with another optical device, the influence of the electric field on the other optical device can be reduced.
【００５５】また、本実施例では、光強度変調器につい
て説明したが、量子閉じ込めシュタルク効果を用いた他
の素子についても、図１の線形量子井戸構造を用いるこ
とにより、素子の高性能化をはかることができる。例え
ば、量子閉じ込めシュタルク効果を用いた屈折率変調素
子に図１の構造を用いることができる。Although the optical intensity modulator has been described in the present embodiment, the performance of the device can be improved by using the linear quantum well structure shown in FIG. 1 for other devices using the quantum confined Stark effect. You can measure. For example, the structure of FIG. 1 can be used for a refractive index modulation element using the quantum confined Stark effect.
【００５６】また、上述の実施例では、図１のポテンシ
ャル構造の線形量子井戸構造によって量子閉じ込めシュ
タルク効果が顕著に得られる現象を用いた光学素子につ
いて述べたが、本実施例は、図１のポテンシャル構造に
限定されるものではない。例えば、図１１のようなポテ
ンシャル構造の量子井戸構造を用いることにより、電場
の向きを変えて印加することにより、図１２（ａ）、
（ｂ）に示すように、電子と正孔とを同一の空間に選択
的に存在させるという、電子および正孔の存在位置の積
極的な制御が可能である。Further, in the above-mentioned embodiment, the optical element using the phenomenon that the quantum confined Stark effect is remarkably obtained by the linear quantum well structure of the potential structure of FIG. 1 has been described. It is not limited to the potential structure. For example, by using a quantum well structure having a potential structure as shown in FIG. 11 and changing the direction of the electric field and applying the electric field, as shown in FIG.
As shown in (b), it is possible to positively control the existing positions of the electrons and holes by selectively allowing the electrons and holes to exist in the same space.
【００５７】上述の実施例では、ＡｌxＧａ1-xＡｓのＡ
ｌ組成ｘを連続的に変化させることにより、井戸層のポ
テンシャル分布を連続的に変化させたが、Ａｌ組成を段
階的に変化させることにより、井戸層のポテンシャル分
布を階段状に変化させ、全体として、ポテンシャルが増
加、減少するような構成にすることもできる。In the above-mentioned embodiment, A of Al x Ga 1-x As is used.
The potential distribution of the well layer was continuously changed by continuously changing the l composition x, but the potential distribution of the well layer was changed stepwise by changing the Al composition stepwise. As a result, the potential can be increased or decreased.
【００５８】[0058]
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、外部電
場によって、量子井戸内の電子と正孔との存在位置を、
制御することのできる新規な量子井戸構造を提供され
る。As described above, according to the present invention, the existence position of the electron and the hole in the quantum well is changed by the external electric field.
A novel controllable quantum well structure is provided.
【図１】本発明の一実施例の量子井戸構造の、外部電場
が印加されていない時の電子および正孔に対するポテン
シャル分布を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory view showing a potential distribution for electrons and holes in a quantum well structure of one embodiment of the present invention when an external electric field is not applied.
【図２】従来の単一量子井戸構造の伝導帯の構造を示す
説明図。FIG. 2 is an explanatory view showing a structure of a conduction band of a conventional single quantum well structure.
【図３】図２の量子井戸構造に電場を印加した場合の電
子に対するポテンシャル分布および波動関数を示すグラ
フ。FIG. 3 is a graph showing a potential distribution and a wave function for electrons when an electric field is applied to the quantum well structure of FIG.
【図４】従来の単一量子井戸構造に電場を印加した場合
の電子に対するポテンシャル分布および波動関数を示す
グラフ。FIG. 4 is a graph showing a potential distribution and a wave function for electrons when an electric field is applied to a conventional single quantum well structure.
【図５】従来の量子井戸構造の伝導帯の構造を示す説明
図。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a structure of a conduction band of a conventional quantum well structure.
【図６】従来の量子井戸構造の伝導帯の構造を示す説明
図。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a structure of a conduction band of a conventional quantum well structure.
【図７】従来の量子井戸構造の伝導帯の構造を示す説明
図。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a structure of a conduction band of a conventional quantum well structure.
【図８】本発明の一実施例の光強度変調器の構成を示す
断面図。FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of a light intensity modulator according to an embodiment of the present invention.
【図９】図１の量子井戸構造の電子と重い正孔の重なり
積分の電場依存特性を示すグラフ。9 is a graph showing electric field dependence characteristics of overlap integral of electrons and heavy holes in the quantum well structure of FIG.
【図１０】図１の量子井戸構造の電子と軽い正孔の重な
り積分の電場依存特性を示すグラフ。10 is a graph showing electric field dependence characteristics of overlap integral of electrons and light holes in the quantum well structure of FIG.
【図１１】本発明の量子井戸構造の一実施例の電子およ
び正孔に対するポテンシャル分布を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory view showing potential distributions for electrons and holes in one embodiment of the quantum well structure of the present invention.
【図１２】図１１の量子井戸構造に電場を印加した場合
の電子および正孔に対するポテンシャル分布を示す説明
図。12 is an explanatory diagram showing potential distributions for electrons and holes when an electric field is applied to the quantum well structure of FIG.
【図１３】従来の量子井戸構造に電場を印加した場合の
電子および正孔に対するポテンシャル分布を示す説明
図。FIG. 13 is an explanatory diagram showing potential distributions for electrons and holes when an electric field is applied to a conventional quantum well structure.
【図１４】（ａ），（ｂ）図１の量子井戸構造に電場を
印加した場合の電子および正孔に対するポテンシャル分
布を示す説明図。14A and 14B are explanatory views showing potential distributions for electrons and holes when an electric field is applied to the quantum well structure of FIG.
【図１５】（ａ），（ｂ）図１の量子井戸構造の光吸収
強度を表すグラフ。15 (a) and 15 (b) are graphs showing the light absorption intensity of the quantum well structure of FIG.
１…基板、２…エピタキシャルバッファ層、３…エッチ
ングストップ層、４、８…超格子コンタクト層、５、７
…超格子バッファ層、６…多重量子井戸層、１０、１１
…電極、１２、１３…窓。1 ... Substrate, 2 ... Epitaxial buffer layer, 3 ... Etching stop layer, 4, 8 ... Superlattice contact layer, 5, 7
... Superlattice buffer layer, 6 ... Multiple quantum well layer, 10, 11
... electrodes, 12, 13 ... windows.
Claims (10)
前記井戸領域を両側から挟むように配置され、電子に対
するポテンシャルが前記井戸領域よりも高い障壁領域と
を有し、 前記井戸領域の少なくとも一部分は、前記方向について
の電子に対するポテンシャル分布および正孔に対するポ
テンシャル分布のうち少なくとも一方が、外部電場を印
加されていない状態で、増加する構造であることを特徴
とする量子井戸構造。1. A well region and in at least one direction,
And a barrier region arranged so as to sandwich the well region from both sides and having a potential for electrons higher than that of the well region, wherein at least a part of the well region has a potential distribution for electrons in the direction and a potential for holes. A quantum well structure characterized in that at least one of the distributions has a structure that increases in the state where an external electric field is not applied.
電場を印加されていない状態で、前記ポテンシャル分布
が減少する構造の部分をさらに有することを特徴とする
量子井戸構造。2. The quantum well structure according to claim 1, wherein the well region further has a portion having a structure in which the potential distribution is reduced in a state where an external electric field is not applied.
が増加する構造の部分は、一定の割合でポテンシャルが
増加していることを特徴とする量子井戸構造。3. The quantum well structure according to claim 1, wherein the portion of the structure where the potential distribution increases has the potential increasing at a constant rate.
が減少する構造の部分は、一定の割合でポテンシャルが
減少していることを特徴とする量子井戸構造。4. The quantum well structure according to claim 2, wherein the potential of the portion of the structure where the potential distribution is reduced is reduced at a constant rate.
方向について、中央部の電子に対するポテンシャルが、
両端部の電子に対するポテンシャルよりも高いことを特
徴とする量子井戸構造。5. The well region according to claim 2, wherein a potential for electrons in a central portion in the direction is
Quantum well structure characterized by higher potential for electrons at both ends.
より形成された量子井戸構造を有する半導体素子であっ
て、 前記量子井戸構造は、井戸領域と、少なくとも一方向に
おいて、前記井戸領域を両側から挟むように配置され、
電子に対するポテンシャルが前記井戸領域より高い障壁
領域とを有し、 前記井戸領域の少なくとも一部分は、前記方向について
の電子に対するポテンシャル分布および正孔に対するポ
テンシャル分布のうち少なくとも一方が、増加するよう
に組成が変化していることを特徴とする半導体素子。6. A semiconductor device having a quantum well structure formed by changing a composition ratio of a compound semiconductor, wherein the quantum well structure is formed from both sides of the well region in at least one direction. It is arranged so as to sandwich it,
A barrier region having a higher potential for electrons than the well region, and at least a portion of the well region has a composition such that at least one of a potential distribution for electrons and a potential distribution for holes in the direction increases. A semiconductor device characterized by being changed.
に、前記ポテンシャル分布が減少するように組成が変化
している部分を有することを特徴とする半導体素子。7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the well region further has a portion whose composition changes so as to reduce the potential distribution.
記量子井戸構造に電場を印加するための電場印加部を有
することを特徴とする半導体素子。8. The semiconductor device according to claim 6, further comprising an electric field applying section for applying an electric field to the quantum well structure in the direction.
前記井戸領域を両側から挟むように配置され、電子に対
するポテンシャルが前記井戸領域よりも高い障壁領域と
を備える量子井戸構造部と、 前記量子井戸構造部に、前記方向について電場を印加す
るための電場印加部と、 前記量子井戸構造部に光を入射させるための光入射部と
を有し、 前記井戸領域の少なくとも一部分は、前記方向について
の電子に対するポテンシャル分布および正孔に対するポ
テンシャル分布のうち少なくとも一方が、外部電場を印
加されていない状態で、増加する構造であることを特徴
とする光学素子。9. The well region and at least one direction,
An electric field for applying an electric field in the direction to the quantum well structure part, which is arranged so as to sandwich the well region from both sides and includes a barrier region having a higher potential for electrons than the well region. An application unit and a light incident unit for making light incident on the quantum well structure unit, and at least a part of the well region is at least one of a potential distribution for electrons and a potential distribution for holes in the direction. , An optical element having a structure that increases in the state where an external electric field is not applied.
場を印加されていない状態で、前記ポテンシャル分布が
減少する構造の部分をさらに有することを特徴とする光
学素子。10. The optical element according to claim 9, wherein the well region further includes a portion having a structure in which the potential distribution is reduced in the state where no electric field is applied.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7137774A JPH08334801A (en) | 1995-06-05 | 1995-06-05 | Quantum well structure having graded potential distribution and optical element formed by using this structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7137774A JPH08334801A (en) | 1995-06-05 | 1995-06-05 | Quantum well structure having graded potential distribution and optical element formed by using this structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08334801A true JPH08334801A (en) | 1996-12-17 |
Family
ID=15206531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7137774A Pending JPH08334801A (en) | 1995-06-05 | 1995-06-05 | Quantum well structure having graded potential distribution and optical element formed by using this structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08334801A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170047708A1 (en) * | 2015-08-12 | 2017-02-16 | Finisar Corporation | Wavefunction deconfinement electro-absorption modulator |
-
1995
- 1995-06-05 JP JP7137774A patent/JPH08334801A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170047708A1 (en) * | 2015-08-12 | 2017-02-16 | Finisar Corporation | Wavefunction deconfinement electro-absorption modulator |
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