JPH09179080A

JPH09179080A - 光デバイス

Info

Publication number: JPH09179080A
Application number: JP34051995A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Susa; 信彦須佐; Eiichi Kuramochi; 栄一倉持
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】低エネルギーで動作する高性能な光デバイス
（光強度変調器、光位相変調器、光スイッチ又はモード
ロックレーザ等）を提供することを課題とする。【解決手段】 III −Ｖ族化合物半導体の（３１１）面
基板３１上に、該基板よりバンドギャップが小さく、か
つ異なる格子定数を有するIII −Ｖ族化合物半導体をエ
ピタキシャル成長させることにより形成した円盤状の半
導体と、これを包み込むエネルギーバンドギャップが大
きくかつ格子定数が円盤状半導体と異なるクラッド層で
構成された、微細島構造３３を動作層にし、この微細島
構造に電子あるいは正孔のいずれか一方、あるいは両方
のキャリアを注入して動作させてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低エネルギーで動
作する高性能な光デバイス（光強度変調器、光位相変調
器、光スイッチ又はモードロックレーザ等）を提供する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】キャリアを半導体動作層に注入して吸収
係数や屈折率を変化させ、種々の光デバイスを動作させ
る動作層としては、従来厚さ１０ｎｍ程度でバンドギャ
ップの小さい層（量子井戸層と呼ばれる）をバンドギャ
ップの大きい層（バリア層と呼ばれる）で挟んだ、いわ
ゆる２次元量子井戸と呼ばれる半導体微細構造が用いら
れてきた。この量子井戸はバルク（３次元）よりは小さ
な注入キャリア濃度で大きな吸収係数および屈折率変化
が生ずるため種々の光デバイスの高性能化に貢献してき
た。

【０００３】バルク（３次元）と２次元量子井戸を比較
した場合、図２（ａ）に示すように次元が下がるに従っ
て状態密度が急峻になり、注入キャリアが効果的に１つ
のエネルギー状態を占有することになる。この結果、占
有されたエネルギーに対応する光吸収が起こらなくな
る。従って、状態密度が急峻になると少ないキャリア濃
度で大きな吸収係数変化や屈折率変化が生ずることにな
る。

【０００４】また、励起子吸収を利用する場合、２次元
量子井戸ではバルク（３次元）と比較して狭い空間に励
起子が閉じ込められるため密度が高くなり、励起子同士
の相互作用により励起子が解離しやすくなる。すなわ
ち、電子および正孔を量子井戸に高濃度注入すると励起
子の吸収ピークが飽和する（＝吸収係数が減少する）。
従って、状態密度が占有された場合と同様のことが起こ
る。

【０００５】しかし、動作層をバルクから量子井戸にか
えても、図２（ｂ）の例に示すようにバルクと比較して
高々数倍の吸収係数変化しか得られなかった。

【０００６】さらに、急峻な状態密度を得るために０次
元の半導体極微細構造として量子箱などがこれまで検討
されて来た。これらの量子箱を光デバイスに応用する場
合、半導体による量子閉じ込め構造では閉じ込めポテン
シャルが有限なため量子箱間に有限の厚さの障壁層を配
置する必要がある。このため量子井戸に比べて充填率お
よび光閉じ込め率が低下する。これらの欠点を補うため
面内での量子箱密度を出来るだけ高めるとともに、厚さ
方向にも多層化する必要がある。

【０００７】従来、この種の量子箱の作製法として電子
ビームとエッチングなどによるリソグラフィーあるいは
基板にリソグラフィーでピット（穴）をあけ、その上に
エピタキシャル成長を行ってきた。このような方法で
は、一個一個の量子箱の寸法の均一性が悪いため急峻
な状態密度が得られなかったこと、リソグラフィー
した後エピタキシャル成長するため、あるいは多層化の
ため複数回のエピタキシャル成長をするため界面に非発
光再結合中心が多数発生し高性能な光デバイスの実現を
困難にしていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来に
おいては、（１）動作層をバルク（３次元）から２次元
量子井戸に変えても、図２（ａ）に示すごとく状態密度
が急峻になる度合いは低い。このため、キャリアを注入
して大きな吸収係数変化（従って大きな屈折率変化）を
得ようとしても改善の度合いは図２（ｂ）の例に示すよ
うに高々数倍であった。

【０００９】（２）さらに急峻な状態密度を得るため、
０次元の半導体極微細構造として量子箱などがこれまで
検討されて来た。しかし、従来のこの種の量子箱の作製
法では、一個一個の量子箱の寸法の均一性が悪いため
急峻な状態密度が得られなかったこと、リソグラフィ
ーした後エピタキシャル成長するため、あるいは多層化
のため複数回のエピタキシャル成長をするため界面に非
発光再結合中心が発生し高性能な光デバイスの実現を困
難にしていた。

【００１０】本発明は、上記問題に鑑み、状態密度を急
峻にし小さな注入キャリア密度で大きな吸収係数および
屈折率変化を得て、種々の光デバイスの高性能化を図る
ことを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、約直径５０ｎ
ｍ以下で寸法の均一性に優れ面内密度も大きくでき、し
かも一回の結晶成長で多層化が可能な、従って界面の非
発光再結合中心が発生しない０次元の半導体極微細構造
として（ｎ１１）面（ｎ＝２，３，４，５，６，７）基
板上に形成された微細島構造（厳密には０次元ではなく
擬０次元と呼ぶべきであるがここでは０次元という）を
動作層に導入することにより、大きな吸収係数および屈
折率変化を実現でき、光デバイスの高性能化を図ること
を知見した。係る知見に基づく本発明にかかる光デバイ
スは、III −Ｖ族化合物半導体の（ｎ１１）面（ｎ＝
２，３，４，５，６，７）基板上に、該基板よりバンド
ギャップが小さく、かつ異なる格子定数を有するIII −
Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させることによ
り形成した円盤状の半導体と、これを包み込むエネルギ
ーバンドギャップが大きくかつ格子定数が円盤状半導体
と異なるクラッド層で構成された、微細島構造を動作層
にし、この微細島構造に電子あるいは正孔のいずれか一
方、あるいは両方のキャリアを注入して動作させてなる
ことを特徴とする。

【００１２】上記光デバイスにおいて、円盤状の半導体
の形状が直径５〜１００ｎｍ、厚さ１〜５０ｎｍである
ことを特徴とする。

【００１３】また、光デバイスが光強度変調器、光位相
変調器、光スイッチ又はモードロックレーザのいずれか
であることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１５】本発明は、電子または正孔のいずれか一
方、または両方を動作層に注入し、この結果生ずる吸収
係数変化、あるいは屈折率の変化を利用して動作させる
種々の光デバイスにおいて、半導体極微細構造としてこ
れまでの方法で作製した電子箱にない下記〜に示す
優れた特性を有する（ｎ１１）面（ここで、ｎは２，
３，４，５，６，７とする。）基板上に作製した微細島
構造を動作層に導入することにより、注入キャリア密度
が小さくても大きな吸収係数変化や屈折率変化を生ぜし
めることにより、低エネルギーで動作し、高性能な光強
度変調器、光位相変調器、光スイッチおよびモードロッ
クレーザを提供するものである。リソグラフィーが不要で結晶成長中に自己形成出来る
こと。量子効果が発現する直径１００ｎｍ以下で寸法の均一
性に優れ、さらに面内密度が高いこと、また、微細島構
造の直径も制御出来ること。一回の結晶成長で多層化が可能なため作製が比較的容
易で界面の非発光再結合中心の発生が防がれること。

【００１６】まず、III −Ｖ族化合物半導体材料として
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系について、本
発明の実施の形態を説明する。本発明における半導体基
板としては（ｎ１１）面（ｎ＝２，３，４，５，６，
７）を用いれば良いが、中でも良好な結果を与える（３
１１）面基板を例に上げて以下の実施の形態を説明す
る。

【００１７】図１にＧａＡｓ（３１１）基板上に作製し
たＩｎＧａＡｓ微細島構造の断面の模式図を示す。エピ
タキシャル成長でＧａＡｓ基板１１上に下から順にＡｌ
ＧａＡｓクラッド１２，ＩｎＧａＡｓ微細島構造１３，
ＡｌＧａＡｓ層１４を成長させている。ここで、ＩｎＧ
ａＡｓ微細島構造１３のＩｎＧａＡｓはＧａＡｓ基板１
１のＧａＡｓより格子定数が大きく、Ｉｎ組成により異
なるが均一に２次元薄膜として成長させた場合膜中に大
きな圧縮歪が存在する。よって、ＩｎＧａＡｓとＡｌＧ
ａＡｓを成長後、一時成長を中断すると膜中の歪が緩和
するため、図１に示すように、該ＩｎＧａＡｓ部分はＡ
ｌＧａＡｓクラッド１２に包まれた円盤状の微細島構造
１３を形成することとなる。この円盤状の微細島構造１
３の形状はＩｎ組成（歪の大きさ）によるが、おおよそ
直径５〜１００ｎｍ（好ましくは５〜５０ｎｍ）、厚さ
１〜５０ｎｍ程度である。さらに、この上にＡｌＧａＡ
ｓ層１４をエピタキシャル成長させると溝が埋まり図１
のように表面がほぼフラットな形状が得られる。

【００１８】この微細島構造の優れた点はリソグラフ
ィーが不要で結晶成長中に自己形成出来ること、量子
効果が発現する直径１００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ）
以下で寸法の均一性に優れ、さらに面内密度が高いこ
と、また、微細島構造の直径も制御出来ること、一回
の結晶成長で多層化が可能なため作製が比較的容易で界
面の非発光再結合中心の発生が防がれることである。

【００１９】次に、このようにして得られた微細島構造
（直径１０ｎｍ、高さ１０ｎｍ、Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ）の状態密度の例を図２（Ａ）
に示す。また、比較のためにバルクと量子井戸（厚さ１
０ｎｍ）の状態密度も合わせて示す。同図に示すよう
に、量子井戸と比較して微細島構造では状態密度が急峻
になっていることが明らかである。図２（Ｂ）は微細島
構造において注入キャリア密度と吸収係数の変化の関係
の例を図示したものである。ここで、吸収係数はピーク
の値である。微細島構造では状態密度の急峻性を反映し
て量子井戸より１桁以上大きな吸収係数変化を生ずる。
この大きな吸収係数変化を利用して光強度変調器などの
高性能な光デバイスが得られる。また、このような大き
な吸収係数の変化はクラマース・クローニッヒの関係式
でも良く知られているように大きな屈折率変化を生じ、
これを利用した高性能なマッハツエンダー型の光強度変
調器、および光位相変調器が得られる。

【００２０】次に、キャリア濃度をパラメータにした吸
収係数と光エネルギーの関係を図３（Ａ）と（Ｂ）に示
す。図３（Ａ）は量子井戸、同（Ｂ）図は微細島構造に
ついての値である。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、
微細島構造については入射光エネルギーの許容幅が狭く
なるものの、吸収係数の絶対値と変化量ともに量子井戸
より大きい。

【００２１】これまで述べたように、光を照射してキャ
リアを生成すると吸収係数が減少する。このことは、微
細島構造が過飽和吸収体として働くことを意味する。

【００２２】図４に微細島構造と量子井戸についての光
強度と光吸収率（任意単位：吸収係数に比例）の関係を
示す。図４に示すように、微細島構造は量子井戸と比較
して約２桁低い光強度で吸収飽和が起こり始めている。
これは、吸収体として働いていた微細島構造が光照射に
より等価的に透明に近づくことを意味するが、微弱な光
照射でも透明になる利点がある。従って、微細島構造を
過飽和吸収体として用いると、制御光を照射することに
より光信号に対してゲートとして働く光スイッチやモー
ドロックＬＤなど微弱光で動作する種々の光デバイスが
出来る。

【００２３】〔具体的なデバイス構造〕以上説明した原
理に基づき、微細島構造を種々の光デバイスに応用する
ことが出来る。上記微細島構造からなる動作層にキャリ
アを注入するには、電界効果による方法、外部光
（制御光）照射、ｐｎ接合を利用する方法等がある。

【００２４】以下、順に具体的なデバイス構造について
説明する。

【００２５】図５（Ａ）は電界効果によりＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ界面に電子を誘起するタイプの構造で、メサ
型形状により光導波路を形成しており、図５（Ｂ）はエ
ネルギーバンド図である。例えば図５中、符号２１はｐ
⁺−ＧａＡｓ、２２はＧａＡｓ層、２３はＩｎＧａＡｓ
微細島構造、２４はｉ−ＡｌＧａＡｓ層、２５はｎ⁺−
ＧａＡｓ層、２６，２７は電極及びＬは入射光を各々図
示した場合について説明する。同図に示すように、ｉ−
ＡｌＧａＡｓ層２４は絶縁層として働いている。ここ
で、微細島構造２３から電子の拡散距離内に誘起される
電子は、該微細島構造２３に捕らえられるため、微細島
構造がない場合（すなわち量子井戸）より１０倍以上電
子密度が高くなる。これに加えて状態密度が急峻になる
効果が加わるから吸収係数の減少量は、図２（Ｂ）に示
した以上になる。しかし、実際は微細島構造の空間占有
率（充填率）は１より小さく、高々０．２程度なので、
実際は図２（Ｂ）に示した値をわずかに上回ることにな
る。

【００２６】図６は外部から光を照射して（＝制御
光）、動作層の微細島構造にキャリアを注入するタイプ
のデバイスである。例えば図６中、符号３１はＡｌＧａ
Ａｓ、３２はＧａＡｓ層、３３は微細島構造、３４はＡ
ｌＧａＡｓ層を各々図示した場合について説明する。前
述した図５で示した電界効果形光デバイスのエネルギー
バンド図（図５（Ｂ））から明らかなように、制御光の
波長は微細島構造３３を包み込むＧａＡｓ層３２に吸収
され、電子・正孔対が生成される波長で良く、必ずしも
ＩｎＧａＡｓ微細島構造３３に吸収される必要はない。
一方、信号光の波長は微細島構造３３内で吸収される波
長を選ぶ必要がある。図５でも述べたように、制御光に
より生成された電子・正孔対は拡散して微細島構造３３
に捕獲され、その濃度は高くなる。よって、該微細島構
造３３にキャリアが捕獲されると吸収係数が低下するた
め信号光が透過する。

【００２７】図７（Ａ）はｐｎ接合を利用して微細島構
造に電子・正孔を注入する構造である。図７（Ｂ）は電
界を加えた場合のエネルギーバンド図である。例えば図
７中、符号４１はｎ⁺−ＧａＡｓ、４２はｎ⁺−ＡｌＧ
ａＡｓ層、４３はＧａＡｓ層、４４はＩｎＧａＡｓ微細
島構造、４５はｐ⁺−ＡｌＧａＡｓ層、４６はｐ⁺−Ｇ
ａＡｓ層、４７，４８は電極を各々図示したものであ
る。なお、動作原理はこれまで説明したと同様であるか
ら省略する。

【００２８】〔具体的な光デバイスの構成例〕以上説明
した種々のキャリア注入方法を用いることにより、例え
ば光強度変調器、光位相変調器、光スイッチ、モードロ
ックＬＤ等の光デバイスが実現できる。

【００２９】図８は、図５〜図７で説明したいずれかの
構造を用いてマッハツエンダー型の光強度変調器を構成
した実施例である。図８中、符号５１は光導波路、５２
は制御光，電界印加或いはキャリア注入により屈折率を
変化させる部分を図示する。図８の屈折率変化部分５２
に図５〜図７のいずれかの素子を挿入して光強度変調器
を構成している。分岐した一方の屈折率を変えることに
より合流部分の光の干渉状態を変え強度変調を起こさせ
ている。もちろん、微細島構造にキャリアを注入した時
のみ信号光を透過あるいは消滅させることが出来るた
め、時分割多重通信方式（ＴＤＭ）の複合器としても利
用可能である。

【００３０】図８では光導波路が双股に分岐していた
が、もちろん、屈折率変化部分５２を有する１本の導波
路の場合でも光強度変調器、光位相変調器を作ることが
可能である。

【００３１】図９は制御光で微細島構造にキャリアを注
入し、過飽和吸収を生じさせ信号光を反射させる光スイ
ッチの実施例である（制御光が無い場合は微細島構造で
吸収され反射はない）。図９中、符号６１はｎ⁺−Ｇａ
Ａｓ基板、６２はＤＢＲ層、６３はＧａＡｓ層、６４は
微細島構造、６５はＡｌＧａＡｓ層、６６はｐ⁺−Ｇａ
Ａｓ層、６７，６８は電極を各々を図示する。図９中の
電極６７，６８は必ずしも必要ではないが、微細島構造
６４に電界を加え、制御光の効率（＝島構造中のキャリ
ア密度）を変える際に必要となる。なお、電界効果（図
５）やｐｎ接合によるキャリア注入（図７）を利用する
構造ももちろん可能である。

【００３２】図１０（Ａ）及び図１１は微細島構造をレ
ーザの活性層に取り込んだ微細島構造ＬＤと過飽和吸収
体としての微細島構造とを結び付けた素子の実施例であ
る。図１０中、符号７１は微細島構造レーザ（ＬＤ）、
７２は過飽和吸収体及び７３が電極を各々図示する。端
面はレーザの反射鏡を形成している。制御光がなくＬＤ
への注入電流が小さい時（すなわち発光強度が弱いと
き）は、微細島構造は吸収体として働きレーザ発振しな
い。注入電流を増加させると微細島構造の空準位は満た
され透明な状態になりレーザ発振する。この様子を図１
０（Ｂ）に示す。バイアス電流を図１０（Ｂ）に示す値
に固定し制御光を照射すると微細島構造は透明になるた
め発振する。一度レーザ発振すると制御光をオフしても
発振は持続する。この動作は光スイッチとして利用され
る。

【００３３】過飽和吸収体としては従来量子井戸が用い
られて来たが、２桁ほど低い制御光強度で透明になる微
細島構造を用いるとスイッチ動作が弱い制御光強度で実
現できる。なお、図１０（Ａ）の構造で制御光を使わな
いと微細島構造が過飽和吸収体として働きバッシブなモ
ードロックレーザとして働く。

【００３４】図１１の構成は、図１０と原理的には同じ
であるが、微細島構造からなる過飽和吸収体に電極がつ
いている。図１１中、符号７１は微細島構造レーザ（Ｌ
Ｄ）、７２は過飽和吸収体、７３が電極、７４は微細構
造及び７５は電極を各々図示する。微細島構造７４に電
界を印加すると、キャリアが微細島構造７４から掃き出
されるため吸収飽和がおきにくくなる。したがって、電
界をオン・オフするとアクティブなモードロックレーザ
になる。また、光スイッチとして利用可能である。よっ
て、これまでの量子井戸を用いたこの種の素子より１桁
以上低い光強度で動作する。

【００３５】なお、図１１の構造で過飽和吸収体部分に
電界効果型やｐｎ接合からのキャリア注入の構造を用い
ることも可能である。

【００３６】以上の実施例では（３１１）面基板を用い
たが、優れた特性の微細島構造が得られる（ｎ１１）面
（ｎ＝２，３，４，５，６，７）の基板を用いれば本発
明の効果が得られる。また、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓを例に上げたが、他の材料系例えばＩｎＰ
／ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓなどのように歪が発生
する材料の組み合わせならば本発明が適応できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、従来法で作製され
た量子箱に見られない優れた特性を有する（ｎ１１）面
（ｎ＝２，３，４，５，６，７）基板上に形成された微
細島構造を用いると、寸法の均一性が良いため状態密度
が急峻に出来、多層化が可能であることから充填率およ
び光閉じ込め率を向上出来、さらにリソグラフィーが不
要な結晶成長中の自己形成で作製出来るため界面再結合
による損失が低減出来るため、低注入キャリア濃度で動
作する電界効果型、光照射型、ｐｎ接合によるキ
ャリア注入型の光強度変調器光位相変調器光スイ
ッチモードロックＬＤが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＡｓ（３１１）面基板上に形成したＩｎＧ
ａＡｓ微細島構造図である。

【図２】（Ａ）はバルク、量子井戸、微細島構造の状態
密度、（Ｂ）はバルク、量子井戸、微細島構造における
キャリア濃度と吸収係数の変化図である。

【図３】（Ａ）は量子井戸における光エネルギーと吸収
係数、（Ｂ）は微細島構造における吸収係数と光エネル
ギーを示す図である。

【図４】量子井戸と微細島構造における光強度と光吸収
率（任意スケール）を示す図である。

【図５】電界効果型光デバイスの（Ａ）は断面模式図、
（Ｂ）はエネルギーバンドを示す図である。

【図６】制御光照射型光デバイスの（Ａ）は断面模式図
であり、（Ｂ）はエネルギーバンドを示す図である。

【図７】ｐｎ接合によるキャリア注入型光デバイスの
（Ａ）は断面模式図であり、（Ｂ）はエネルギーバンド
を示す図である。

【図８】マッハツエンダー型光強度変調器の模式図であ
る）

【図９】制御光で動作する光スイッチ図示である。

【図１０】制御光で動作する光スイッチ、モードロック
ＬＤ（（Ａ）は断面模式図、（Ｂ）は電流と光出力の関
係））図である。

【図１１】電界を印加することにより動作する光スイッ
チ、モードロックＬＤの模式図である。

【符号の説明】

１１ＧａＡｓ基板１２ＡｌＧａＡｓクラッド１３ＩｎＧａＡｓ微細島構造１４ＡｌＧａＡｓ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 III −Ｖ族化合物半導体の（ｎ１１）面
（ｎ＝２，３，４，５，６，７）基板上に、該基板より
バンドギャップが小さく、かつ異なる格子定数を有する
III −Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させるこ
とにより形成した円盤状の半導体と、これを包み込むエ
ネルギーバンドギャップが大きくかつ格子定数が円盤状
半導体と異なるクラッド層で構成された、微細島構造を
動作層にし、この微細島構造に電子あるいは正孔のいずれか一方、あ
るいは両方のキャリアを注入して動作させてなることを
特徴とする光デバイス。
【請求項２】請求項１記載の光デバイスにおいて、円
盤状の半導体の形状が直径５〜１００ｎｍ、厚さ１〜５
０ｎｍであることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】請求項１又は記載の光デバイスにおい
て、光デバイスが光強度変調器、光位相変調器、光スイ
ッチ又はモードロックレーザのいずれかであることを特
徴とする光デバイス。