JPH10221663A

JPH10221663A - 量子井戸構造光変調器

Info

Publication number: JPH10221663A
Application number: JP9022918A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Matsui; 康浩松井; Satoko Kutsuzawa; 聡子沓沢; Shin Arataira; 慎荒平
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】量子井戸構造の吸収層を具える光変調器にお
いて、吸収端のブロードニングと、フォトキャリアのパ
イルアップとを、同時に抑制する。【解決手段】井戸層としてのＩｎＧａＡｓＰ層および
障壁層としてのＩｎＧａＡｌＡｓ層が交互に積層した量
子井戸層を吸収層として具えている。この量子井戸層の
価電子帯のエネルギ構造は、軽い正孔に対する障壁の高
さをΔＥ_L とし、重い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_H
としたときに、ΔＥ_L ＜ΔＥ_H となっている。また、軽
い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ₁ とし、重
い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ₂ とし、重
い正孔に対する障壁のエネルギ準位をＥ₃ としたとき
に、Ｅ₃ ＜Ｅ₁ ＜Ｅ₂ となっている。そして、ΔＥ_L を
ゼロとしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光通信に用いて
好適な超高速光変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体光変調器の構成、動作原理
および特性は、例えば、文献１「ＰＳＳＤ９３−１４
（１９９３），ｐｐ３７−４２」や文献２「ＯＰＴＯＲ
ＯＮＩＣＳ（１９８９），ｐｐ９６−１００」に開示さ
れている。半導体光変調器は、光吸収層の上下に、それ
ぞれクラッド層としてｐ型およびｎ型の半導体層を具え
るダイオード構造である（例えば文献２の図１）。そし
て、この光吸収層に逆電圧を印加することにより光吸収
層を通過する光が吸収される。半導体光変調器は、光吸
収層の構造に応じて、主として、次の２種類に分類され
ている。

【０００３】第１の光変調器は、光吸収層として半導体
バルク結晶を用いるタイプである。このタイプの光変調
器は、電界を印加することで吸収層のバンドギャップが
実効的に小さくなるポッケルス効果を利用して光の吸収
係数を変化させ、変調を行うものである。

【０００４】第２の光変調器は、光吸収層に量子井戸構
造を用いるタイプである。一般に、このタイプのもの
は、半導体多重量子井戸（ＭＱＷ）電界吸収型光変調器
と呼ばれている。この光変調器の場合には、電界の印加
に伴って生じる量子閉込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）
を利用する。この効果により吸収係数を変化させて光変
調を行う。このＭＱＷ電界吸収型光変調器の動作原理
は、文献１および文献２に記載されているように、バン
ドギャップを実効的に小さくすることで吸収係数を変化
させる。すなわち、光吸収層である量子井戸構造に電界
を印加すると、量子井戸層のエネルギポテンシャルが通
常状態より傾斜し、そして、量子井戸におけるエネルギ
準位が印加電界の大きさに井戸の幅を掛けた量だけ実質
的に低くなるので、バンドギャップが実効的に小さくな
る。

【０００５】このようなＱＣＳＥを用いた光変調器で
は、バンドギャップ近傍の波長に対応する吸収係数が電
界の印加に伴い急激に変化する。従って、高速な光変調
が可能である。この特色は、量子井戸構造のエネルギ準
位が量子化されており、すなわち、離散的になってお
り、この量子準位での状態密度が急激に変化するために
生じる。また、シート状の狭い領域にフォトキャリアと
して発生した電子および正孔が閉込められ、これらの間
のクーロン相互作用は通常より増大する。このため、発
生する励起子の結合エネルギは、室温で比較的安定に存
在できる程度の大きさになっている。よって、急峻な励
起子吸収ピークが吸収端に現れ、これが吸収係数の急激
な変化に寄与する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＭＱＷ
電界吸収型光変調器では、フォトキャリアのパイルアッ
プと吸収端のブロードニングとが生じてしまうといった
問題がある。

【０００７】光吸収により生じるフォトキャリアは、ひ
とつの井戸内に蓄積されてしまうことがあり、この現象
をパイルアップと呼ぶ。パイルアップが生じると、空間
電荷によるスクリーニングが発生し、印加電圧を実効的
に低減させてしまう。また、このスクリーニングによ
り、励起子の結合エネルギが減少し、室温励起子の解離
が起こる。更に、バンドフィリングによる吸収係数の低
下を招いてしまう。従って、パイルアップが起こると変
調特性が劣化してしまう。

【０００８】フォトキャリアのパイルアップを防止する
には、フォトキャリアが量子井戸から掃き出される時間
（掃出時間）を短くすることが必要である。掃出時間は
特に正孔に対して長く、その律則過程は熱的に正孔が井
戸内から障壁層に飛び出す時間で決まる。この時間を短
くするには、量子井戸のポテンシャルの深さを浅くする
ことが望ましいが、このことは、量子閉込め効果を低減
させることに等しい。量子閉込め効果が低減すると、吸
収端のブロードニングが生じてしまい、ＭＱＷ電界吸収
型光変調器の特色である急峻な吸収係数の変化が損なわ
れてしまう。従って、ブロードニングが生じると、消光
特性が劣化し、変調効率が低下してしまう。

【０００９】上述したように、パイルアップは掃出時間
が比較的長いときに発生し、ブロードニングは掃出時間
が比較的短いときに発生する。従って、単純に掃出時間
を調整しても、パイルアップまたはブロードニングのい
ずれか一方が解消されるだけで、両者を同時に解消する
ことができない。

【００１０】このように、パイルアップを抑制しようと
するとブロードニングが生じてしまい、これらを同時に
抑制できる構造を提供することが困難であった。

【００１１】従って、従来より、パイルアップとブロー
ドニングの両方が抑制されたＭＱＷ電界吸収型光変調器
の出現が望まれていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明の量子
井戸構造光変調器によれば、井戸層および障壁層が交互
に積層した半導体多重量子井戸層を具える電界吸収型光
変調器において、軽い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_L
とし、重い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_H としたとき
に、ΔＥ_L ＜ΔＥ_H となることを特徴とする。

【００１３】一般に、量子井戸内では光吸収に応じて、
電子と、有効質量が電子と同程度の軽い正孔（ライトホ
ールとも称する。）と、有効質量が電子の１０倍程度の
重い正孔（ヘビーホールとも称する。）とが発生する。
このように、有効質量が異なる２種類の正孔がフォトキ
ャリアとして発生する。

【００１４】ここで、電子やライトホールのように有効
質量が軽いキャリアは波動関数のしみ出しが大きく、従
って、隣の井戸内への移動はトンネリングによる移動が
支配的である。これらのキャリアに対しては、障壁を比
較的高くしないとブロードニングが生じてしまいやす
い。一方、ヘビーホールは有効質量が大きいために波動
関数のしみ出しが小さく、上述したように、熱的な励起
による飛出しで隣の井戸内に移動する。掃出時間は障壁
の高さで決まるが、ヘビーホールに起因する吸収端のブ
ロードニングは生じにくい。

【００１５】このように、有効質量の違いにより、キャ
リアは異なった特性を有する。従って、ライトホールと
ヘビーホールとに対して別々の障壁の高さを設定するこ
とにより、正孔のパイルアップと正孔に起因するブロー
ドニングとを同時に抑制することが可能になる。

【００１６】そして、軽い正孔に対する障壁の高さを重
い正孔に対する障壁の高さに比較して小さくしてあるた
め、軽い正孔のパイルアップを抑制し、重い正孔による
ブロードニングの発生を抑制できる。このように、各々
の障壁の高さを適当に設定することにより、正孔全体の
パイルアップとブロードニングの発生とを同時に抑制す
ることができる。尚、この発明の量子井戸構造光変調器
において、好ましくは、前記軽い正孔に対する障壁の高
さΔＥ_L をゼロにするのが良い。

【００１７】また、この発明の量子井戸構造光変調器に
おいて、好ましくは、前記軽い正孔に対する井戸の底の
エネルギ準位をＥ₁ とし、前記重い正孔に対する井戸の
底のエネルギ準位をＥ₂ とし、前記重い正孔に対する障
壁のエネルギ準位をＥ₃ としたときに、Ｅ₃ ＜Ｅ₁ ＜Ｅ
₂ となるようにするのが良い。

【００１８】このようにすると、軽い正孔のエネルギバ
ンドと重い正孔のエネルギバンドとの間で遷移が起きな
いので、変調に関係のない吸収を発生させなくて済む。

【００１９】また、この発明の量子井戸構造光変調器に
おいて、好ましくは、前記井戸層を、圧縮歪みを導入し
たＩｎＧａＡｓＰ層とし、前記障壁層を、伸張歪みを導
入したＩｎＧａＡｌＡｓ層とするのが良い。

【００２０】このように歪みを導入したＩｎＧａＡｓＰ
層とＩｎＧａＡｌＡｓ層とを用いれば、上述したエネル
ギ構造を有する量子井戸層を形成することができる。

【００２１】次に、この発明の量子井戸構造光変調器に
よれば、井戸層および障壁層が交互に積層した半導体多
重量子井戸層を具える電界吸収型光変調器において、軽
い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_L とし、重い正孔に対
する障壁の高さをΔＥ_H としたときに、ΔＥ_L ＞ΔＥ_H
となることを特徴とする。

【００２２】このように、重い正孔に対する障壁の高さ
を軽い正孔に対する障壁の高さに比較して小さくしてあ
るため、重い正孔のパイルアップを抑制し、軽い正孔に
よるブロードニングの発生を抑制できる。従って、各々
の障壁の高さを適当に設定して、正孔全体のパイルアッ
プとブロードニングの発生とを同時に抑制することがで
きる。尚、この発明の量子井戸構造光変調器において、
好ましくは、前記重い正孔に対する障壁の高さΔＥ_H を
ゼロにするのが良い。

【００２３】また、この発明の量子井戸構造光変調器に
おいて、好ましくは、前記軽い正孔に対する井戸の底の
エネルギ準位をＥ₁ とし、前記重い正孔に対する井戸の
底のエネルギ準位をＥ₂ とし、前記軽い正孔に対する障
壁のエネルギ準位をＥ₃ としたときに、Ｅ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ
₃ となるようにするのが良い。

【００２４】このようにすると、軽い正孔のエネルギバ
ンドと重い正孔のエネルギバンドとの間で遷移が起きな
いので、変調に関係のない吸収を発生させなくて済む。

【００２５】また、この発明の量子井戸構造光変調器に
おいて、好ましくは、前記井戸層を、伸張歪みを導入し
たＩｎＧａＡｓＰ層とし、前記障壁層を、圧縮歪みを導
入したＩｎＧａＡｌＡｓ層とするのが良い。

【００２６】このように歪みを導入したＩｎＧａＡｓＰ
層とＩｎＧａＡｌＡｓ層とを用いれば、上述したエネル
ギ構造を有する量子井戸層を形成することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明の構
成、配置関係および動作が理解できる程度に概略的に示
されており、また、以下に記載する数値条件等は単なる
一例に過ぎず、従って、この発明は、この実施の形態に
何ら限定されることがない。

【００２８】［第１の実施の形態］図１は、量子井戸構
造光変調器の量子井戸層におけるエネルギ構造を模式的
に示すグラフである。縦軸にエネルギ準位を取り、横軸
に位置を取って示している。量子井戸層は、井戸層と障
壁層とが交互に積層した層であり、井戸層にはポテンシ
ャル井戸が形成されている。

【００２９】図１において、伝導帯のバンド端ＣＢは、
井戸層内でエネルギが落ち込むポテンシャル井戸の構造
を有しており、これを実線で示している。伝導帯に形成
される井戸の深さは、障壁のエネルギ準位Ｅ₅ と井戸の
底のエネルギ準位Ｅ₄ との差（Ｅ₅ −Ｅ₄ ）で表され
る。

【００３０】また、図１に示すように、量子井戸層のエ
ネルギ構造は、軽い正孔に対する障壁の高さと重い正孔
に対する障壁の高さとが異なる構造の価電子帯を有して
いる。軽い正孔に対する価電子帯のバンド端ＬＨは、一
定のエネルギ状態を取り、これを一点破線で示してあ
る。重い正孔に対する価電子帯のバンド端ＨＨは、井戸
層においてエネルギが増大するポテンシャル井戸を形成
しており、これを実線で示してある。

【００３１】そして、図１に示すように、この量子井戸
層のエネルギ構造は、軽い正孔に対する障壁の高さをΔ
Ｅ_L とし、重い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_H とした
ときに、ΔＥ_L ＜ΔＥ_H となる構造を有している。すな
わち、軽い正孔が感じる井戸の深さに比べて、重い正孔
が感じる井戸の深さの方が大きい。

【００３２】ここで、障壁の高さは、井戸層に形成され
るポテンシャル井戸の底に相当するエネルギ準位と、障
壁層に形成されるバリアの高さに相当するエネルギ準位
との差すなわち井戸の深さのことである。例えば、図１
に示す重い正孔に対するバンド端ＨＨにおいて、井戸層
におけるエネルギ準位Ｅ₂ と障壁層におけるエネルギ準
位Ｅ₃ との差が、重い正孔に対する障壁の高さΔＥ_H に
相当している。尚、図１において、ΔＥ_L はゼロ（０ｅ
Ｖ）としてあるので、軽い正孔の井戸層におけるエネル
ギ準位と、軽い正孔の障壁層におけるエネルギ準位と
を、共にエネルギ準位Ｅ₁ で示してある。但し、ΔＥ_L
はゼロであることに限られず、ΔＥ_L ＜ΔＥ_H であれば
よい。

【００３３】そして、上述したように、軽い正孔に対す
る井戸の底のエネルギ準位をＥ₁ とし、重い正孔に対す
る井戸の底のエネルギ準位をＥ₂ とし、重い正孔に対す
る障壁のエネルギ準位をＥ₃ としたときに、この実施の
形態では、図１に示すように、Ｅ₃ ＜Ｅ₁ ＜Ｅ₂ となっ
ている。このようにすると、軽い正孔のエネルギバンド
と重い正孔のエネルギバンドとの間で遷移が起きないの
で、変調に関係のない吸収を発生させなくて済む。図１
において、ホールに対する障壁の高さ（Ｅ₂ −Ｅ₁ ）は
４０ｍｅＶである。

【００３４】次に、上述したエネルギ構造を有する量子
井戸層を具えた、この実施の形態の量子井戸構造光変調
器の構造につき説明する。図２は、量子井戸構造光変調
器の構成を示す図である。この構成例の光変調器は、井
戸層および障壁層が交互に積層した半導体多重量子井戸
層を、上述した量子井戸層として具える電界吸収型光変
調器である。

【００３５】図２に示すように、量子井戸構造光変調器
は、下部クラッド層としてｐ型ＩｎＰ層１０を具えてい
る。そして、ｐ型ＩｎＰ層１０の上側に上述したエネル
ギ構造を有する半導体多重量子井戸層（以下、量子井戸
層と略称する。）１２を具えている。また、更に量子井
戸層１２の上側には、上部クラッド層としてのｎ型Ｉｎ
Ｐ層１４が積層されている。

【００３６】図２（Ａ）に示す断面は、光導波部となる
量子井戸層１２を含む位置で光変調器を切った切り口を
示している。量子井戸層１２の両側方にはブロック層
（図示せず）が設けられていて、下側に設けられたｐ型
ＩｎＰ層１０と上側に設けられたｎ型ＩｎＰ層１４と共
に光が外部へ漏れないように構成している。また、量子
井戸層１２の光が入射する端面と透過した光が出射する
端面とに、反射防止膜としてのＡＲ層１６および１８が
それぞれ設けられている。そして、量子井戸層１２に電
界を印加するため、ｐ型ＩｎＰ層１０およびｎ型ＩｎＰ
層１４の表面に電極２０および２２がそれぞれ設けられ
ている。変調動作を行わせる際には、これら電極２０お
よび２２の間に、例えば交流電源を結合して、量子井戸
層１２に周期的に大きさが変化する電界を印加する。

【００３７】図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の実線Ｃで囲ん
だ領域を拡大して示す部分拡大図である。量子井戸層１
２は、井戸層としてのＩｎＧａＡｓＰ層２４と、障壁層
としてのＩｎＧａＡｌＡｓ層２６とを、それぞれ交互に
積層させたものである。そして、ＩｎＧａＡｓＰ層２４
には圧縮歪みを導入してあり、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６
には伸張歪みを導入してある。

【００３８】この実施の形態では、波長が１．５５μｍ
の光を変調する光変調器すなわち吸収端が１．５５μｍ
の量子井戸層を有する光変調器の構成につき、一例とし
て説明する。このような量子井戸層を実現するために
は、井戸層として、バンドギャップ波長が１．６〜１．
８μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いるのが適当である。例え
ば、井戸層をバンドギャップ波長が１．６μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層とするとき、井戸幅（井戸層の膜厚）を１０
ｎｍ程度に設計することにより、吸収端を１．５５μｍ
とすることができる。

【００３９】上述の井戸層に対して、どのようなバンド
ギャップ波長のＩｎＧａＡｌＡｓを障壁層として用いる
のが適当であるかは井戸層に導入する歪みと密接に関係
している。そして、この関係を基にして井戸層および障
壁層に導入する歪み量と障壁層のバンドギャップ波長と
を決定し、軽い正孔に対する障壁の高さがゼロになる量
子井戸層の構成を設計する。次に、図３を参照して、こ
の関係につき説明する。

【００４０】図３は、ＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャッ
プ波長とＩｎＧａＡｌＡｓ層のバンドギャップ波長との
関係を示すグラフである。図３のグラフには、横軸にＩ
ｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長を１．０μｍから
２．０μｍまで０．０５μｍごとに目盛って示してあ
り、縦軸にＩｎＧａＡｌＡｓ層のバンドギャップ波長を
０．６０μｍから１．８０μｍまで０．０５μｍごとに
目盛って示してある。

【００４１】バンド不連続量（障壁の高さ）をゼロにす
る障壁層のバンドギャップ波長と井戸層のバンドギャッ
プ波長との組合せは、ファンデルワールスの計算法を用
いることにより求めている。そして、その求めた組合せ
を、黒丸、白丸および三角の記号で、図３のグラフ中に
示してある。

【００４２】グラフ中の黒丸記号同士を順次に接続して
形成される曲線ａは、ＩｎＧａＡｓＰの格子不整合を０
％とした場合のバンドギャップ波長の組合せを表してい
る。また、白丸記号で形成される曲線ｂは、ＩｎＧａＡ
ｓＰの格子不整合を−０．５％とした場合のバンドギャ
ップ波長の組合せを表している。また、三角記号で形成
される曲線ｃは、ＩｎＧａＡｓＰの格子不整合を−１．
０％とした場合のバンドギャップ波長の組合せを表して
いる。そして、ＩｎＧａＡｓＰの格子不整合を補償する
ため、ＩｎＧａＡｌＡｓにも歪みを導入している。すな
わち、曲線ａ、曲線ｂおよび曲線ｃは、それぞれＩｎＧ
ａＡｌＡｓの格子不整合を０％、０．５％および１．０
％とした場合のバンドギャップ波長の組合せを示してい
る。尚、上述した格子不整合の正負の符号は、正の符号
が伸張を意味し、負の符号が圧縮を意味しているとす
る。

【００４３】図３の曲線ａによれば、井戸層としてバン
ドギャップ波長が１．６μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用
い、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓの両方に歪みを
導入しない場合には、障壁層としてバンドギャップ波長
が１．５２μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いればよいこ
とが分かる。しかしながら、この場合には、井戸層と障
壁層とのバンドギャップ波長が近接しているため、障壁
のポテンシャルの高さを十分に高く取ることができず不
適当である。

【００４４】次に、井戸層としてバンドギャップ波長が
１．６μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用い、ＩｎＧａＡｓＰ
に−０．５％の歪みを導入し、ＩｎＧａＡｌＡｓに０．
５％の歪を導入した場合には、障壁層としてバンドギャ
ップ波長が１．２５μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いれ
ばよいことが図３の曲線ｂから分かる。また、同じく井
戸層としてバンドギャップ波長が１．６μｍのＩｎＧａ
ＡｓＰ層を用い、ＩｎＧａＡｓＰに−１％の歪みを導入
し、ＩｎＧａＡｌＡｓに１％の歪を導入した場合には、
障壁層としてバンドギャップ波長が１．０９μｍのＩｎ
ＧａＡｌＡｓ層を用いればよいことが図３の曲線ｃから
分かる。これら２例の場合には、十分な高さのポテンシ
ャルが得られるため好適である。

【００４５】以上のことから、井戸層に−０．５％以下
の歪みを内在させ、および障壁層に０．５％以上の歪み
を内在させた歪み超格子をＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧ
ａＡｌＡｓで形成することにより、軽い正孔に対するバ
ンド不連続量をゼロとし、吸収端が１．５５μｍの光変
調器を構成することが可能である。

【００４６】尚、上述したように、各層に正負逆符号の
歪みを内在させて半導体超格子を形成する理由は、超格
子の平均的な歪み量をゼロとすることで、臨界膜厚（膜
厚の上限値）の制限を緩和するためである。理論的に
は、平均的な歪み量をゼロにすることにより臨界膜厚を
無限大にすることができる。図４は、１層当りの臨界膜
厚を、歪み量を変数として、マシューズの計算法で計算
した結果を示すグラフである。横軸に歪み量を０％から
３％まで０．１％ごとに目盛って示し、縦軸に臨界膜厚
を１０¹ Åから１０³ Åまで対数表示で示してある。

【００４７】図４の曲線ａで示すように、歪み量が０．
５％の膜に対する臨界膜厚は５０ｎｍである。また、歪
み量が１．０％の膜に対する臨界膜厚は２０ｎｍであ
る。上述した構成例における井戸層の膜厚は１０ｎｍ程
度であるから、この計算結果の臨界膜厚を超えていな
い。また、障壁層の膜厚も井戸層の膜厚と同程度にすれ
ば十分に機能し得る。従って、上述した構成例の量子井
戸層が実現可能であることが理解される。

【００４８】更に、平均的な歪み量をゼロにした場合の
効果（歪み補償効果）を実証する実験データを図５に示
す。尚、マシューズの計算法を用いると、ＩｎＧａＡｓ
ＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの歪み補償効果とＩｎＧａＡ
ｓの歪み補償効果とがほぼ等しくなることから、ＩｎＧ
ａＡｓを測定対象として用いている。

【００４９】図５のグラフは、Ｉｎの組成を格子整合時
の０．５３より大きくすることにより圧縮歪みを導入し
たＩｎＧａＡｓを井戸層とし、Ｉｎの組成を格子整合時
の０．５３より小さくすることにより伸張歪みを導入し
たＩｎＧａＡｓを障壁層として歪み超格子を成長させた
ときの評価結果である。各膜厚は、１０ｎｍに固定して
いる。超格子構造をＸ線回折法で観察すると、超格子を
構成する層の繰返し構造の周期に対応したＸ線回折角の
微細構造が得られる。そして、このＸ線回折角θのピー
クの角度幅（半値幅）と、マシューズの計算により得た
理論値とを比較することにより、形成した超格子の結晶
性を評価することができる。

【００５０】図５の横軸には、圧縮歪みを有するＩｎＧ
ａＡｓを構成するＩｎの組成を、０．５８から０．７２
まで０．００５ごとに目盛って示してある。図５の右側
縦軸には、Ｘ線回折角θの半値幅を、１０ｓｅｃから１
０００ｓｅｃまで対数表示で示してある。また、図５の
左側縦軸には、ＩｎＧａＡｓの転位密度を、１０³ ｃｍ
^-2から１０⁶ ｃｍ^-2まで対数表示で示してある。ＩｎＧ
ａＡｓの転位密度は、顕微鏡で観察することにより計測
した。グラフ中の白点は測定した回折角の半値幅のデー
タを示し、マシューズの計算法で得た曲線を破線ａで示
してある。また、グラフ中の黒点は測定した転位密度を
示しており、マシューズの計算法で得た曲線を実線ｂで
示してある。

【００５１】図５に示すように、圧縮歪みを導入したＩ
ｎＧａＡｓのＩｎ組成が増大するに従い、ＩｎＧａＡｓ
の転移密度が増大してゆくことが分かる。また、回折角
θの半値幅は、Ｉｎ組成の増加と共に増大してゆくこと
が分かる。これらの、増加率は、特に、Ｉｎ組成が０．
６３から０．６８の範囲で大きくなり、この範囲で結晶
性の劣化が大きい。そして、Ｉｎ組成が０．６８近傍に
おいて格子緩和が生じていることが分かっている。図５
に示すように、理論値と測定値とは良好に一致してい
る。そして、Ｉｎ組成を０．６８（１．０％の歪みを導
入することに相当する。）としたときの超格子は、全膜
厚が２００ｎｍ（２０ｎｍ×１０周期）まで成長するこ
とが確かめられている。従って、各層は、臨界膜厚をは
るかに超えた厚みまで形成されており、歪み補償効果が
有効であることが理解される。

【００５２】以上説明したようにして、図１に示したエ
ネルギ構造を有する量子井戸層が設計される。この実施
の形態では、量子井戸層１２を、ＩｎＧａＡｓＰ層２４
と、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６とを、交互に積層させて構
成している。ここでは、ＩｎＧａＡｓＰ層２４を５層と
し、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６を５層として構成してい
る。ＩｎＧａＡｓＰ層２４は、Ｉｎ_0.772 Ｇａ_0.228 Ａ
ｓ_0.803 Ｐ_0.192 を材料とした膜厚６ｎｍの層である。
また、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６は、Ｉｎ_0.386 Ｇａ
_0.464 Ａｌ_0.15Ａｓ₁ を材料とした膜厚１５ｎｍの層で
ある。上述のＩｎＧａＡｓＰ層２４のバンドギャップ波
長は１．７７μｍであり、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６のバ
ンドギャップ波長は１．１５μｍである。そして、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層２４のＩｎの組成を、格子整合時に比べ１
０％増やすことにより、圧縮歪みを導入してある。ま
た、ＩｎＧａＡｌＡｓ層２６のＩｎの組成を、格子整合
時に比べ１０％減らすことにより、伸張歪みを導入して
ある。このような構成の量子井戸層により、吸収端が
１．５５μｍの量子井戸光変調器を構成している。

【００５３】尚、このような構成の量子井戸層１２は、
膜厚の制御性に優れた有機金属気相成長法により作成さ
れる。この成長法によれば、１ｎｍ以下の膜厚を良好な
精度で制御することができる。上記ＩｎＧａＡｓＰ層２
４は、基板温度を６５０℃とし、原料ガスとして、トリ
メチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（Ｔ
ＥＧ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）およびホスフィン（ＰＨ
₃ ）を含む混合ガスを用いて形成される。また、上記Ｉ
ｎＧａＡｌＡｓ２６は、基板温度を６５０℃とし、原料
ガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニュウム
（ＴＭＡ）およびアルシン（ＡｓＨ₃ ）を含む混合ガス
を用いて形成される。尚、上記各元素において、Ｖ族元
素の元素数量と III族元素の元素数量との比（Ｖ族元素
の元素数量／ III族元素の元素数量）を５０〜２００の
値とするのが好適である。

【００５４】次に、量子井戸構造光変調器の特性につき
説明する。尚、所要に応じて、文献１および文献２に記
載の構成を挙げて、これらの対比を行う。

【００５５】先ず、吸収端のブロードニングの抑制に関
して対比を行う。文献１には、井戸層をＩｎＧａＡｓと
し障壁層をＩｎＡｌＡｓとした構成の量子井戸層（以
下、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層と略称する。）と、
井戸層をＩｎＧａＡｓとし障壁層をＩｎＧａＡｓＰとし
た量子井戸層（以下、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ層
と略称する。）とに関して行った計算結果が示されてい
る。

【００５６】このＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層につい
て、電子に対する障壁の高さを計算してみると、４５０
ｍｅＶである。これから、電子の掃出時間が５ｐｓ（ピ
コ秒）と計算される。掃出時間は、例えば、文献「IEE
E,J.Quantum Electron.,vol.24,p1524,1988」に記載さ
れているトンネル共鳴法を用いて計算する。従って、Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層の場合、電子のパイルアッ
プが生じやすい。また、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ
層について、電子に対する障壁の高さを計算してみる
と、５０ｍｅＶである。これから、電子の掃出時間が
０．１ｐｓと計算される。従って、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層の場合、電子による吸収端のブロードニン
グが大きい。

【００５７】次に、この実施の形態の量子井戸層１２
は、電子に対する障壁の高さ（図１のエネルギＥ₄ およ
びエネルギＥ₅ の差）が２２０ｍｅＶと計算される。ま
た、電子の掃出時間を計算すると０．３７ｐｓとなる。
このように、文献１の構成に比較して、量子井戸層１２
は、吸収端のブロードニングの抑制に対して優れた構造
を有している。

【００５８】続いて、フォトキャリアのパイルアップの
抑制に関して対比を行う。文献１のＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＡｌＡｓ層について、ホールに対する障壁の高さを計算
してみると、３００ｍｅＶとなる。これから、ホールの
掃出時間が２０ｎｓ（ナノ秒）と計算される。このよう
に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層の場合、ホールのパ
イルアップが生じやすい。また、文献１のＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＧａＡｓＰ層について、ホールに対する障壁の高
さを計算してみると、２００ｍｅＶとなる。これから、
ホールの掃出時間が３００ｐｓと計算される。このよう
に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ層の場合にも、ホー
ルのパイルアップが生じやすい。

【００５９】次に、この実施の形態の量子井戸層１２
は、ホールに対する障壁の高さ（図１のエネルギ準位Ｅ
₁ とエネルギ準位Ｅ₂ との差）は４０ｍｅＶと計算され
る。そして、ホールに対する掃出時間を計算すると０．
９ｐｓとなる。従って、文献１の構成に比較して、量子
井戸層１２は、フォトキャリアのパイルアップが小さい
構造を有している。

【００６０】［第２の実施の形態］第２の実施の形態の
構成は、第１の実施の形態の構成の量子井戸層のエネル
ギ構造と異なっている。この点だけが異なり、その他の
構成は第１の実施の形態と同様であるから、重複する説
明は省略する。

【００６１】図６は、第２の実施の形態の量子井戸層の
エネルギ構造を示す図である。図６に示すように、この
量子井戸層のエネルギ構造は、軽い正孔に対する障壁の
高さをΔＥ_L とし、重い正孔に対する障壁の高さをΔＥ
_H としたときに、ΔＥ_L ＞ΔＥ_H となる構造を有してい
る。すなわち、軽い正孔が感じる井戸の深さに比べて、
重い正孔が感じる井戸の深さの方が小さい。

【００６２】図６に示す軽い正孔に対するバンド端ＬＨ
において、井戸層におけるエネルギ準位Ｅ₁ と障壁層に
おけるエネルギ準位Ｅ₃ との差が、軽い正孔に対する障
壁の高さΔＥ_L に相当している。尚、図６において、Δ
Ｅ_H はゼロ（０ｅＶ）としてあるので、重い正孔の井戸
層におけるエネルギ準位と、重い正孔の障壁層における
エネルギ準位とを、共にエネルギ準位Ｅ₂ で示してあ
る。但し、ΔＥ_H はゼロであることに限られず、ΔＥ_L
＞ΔＥ_H であればよい。

【００６３】そして、上述したように、軽い正孔に対す
る井戸の底のエネルギ準位をＥ₁ とし、重い正孔に対す
る井戸の底のエネルギ準位をＥ₂ とし、軽い正孔に対す
る障壁のエネルギ準位をＥ₃ としたときに、この実施の
形態では、図６に示すように、Ｅ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ₃ となっ
ている。このようにすると、軽い正孔のエネルギバンド
と重い正孔のエネルギバンドとの間で遷移が起きないの
で、変調に関係のない吸収を発生させなくて済む。図６
において、ホールに対する障壁の高さ（Ｅ₁ −Ｅ₂ ）は
４０ｍｅＶである。

【００６４】次に、図７は、重い正孔に対する障壁の高
さがゼロになる量子井戸層を設計するために求めた、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長とＩｎＧａＡｌＡ
ｓ層のバンドギャップ波長との関係を示すグラフであ
る。図７は、第１の実施の形態で説明した図３に相当す
る図である。この実施の形態でも、吸収端が１．５５μ
ｍである光変調器を構成する場合につき説明する。そし
て、図７を参照して、障壁層のバンドギャップ波長と井
戸層に導入する歪みとを求める。

【００６５】図７のグラフには、横軸にＩｎＧａＡｓＰ
層のバンドギャップ波長を１．０μｍから１．７μｍま
で０．０２μｍごとに目盛って示してあり、縦軸にＩｎ
ＧａＡｌＡｓ層のバンドギャップ波長を０．６０μｍか
ら１．８０μｍまで０．０５μｍごとに目盛って示して
ある。

【００６６】第１の実施の形態と同様に、重い正孔に対
するバンド不連続量（障壁の高さ）をゼロにする障壁層
のバンドギャップ波長と井戸層のバンドギャップ波長と
の組合せを、ファンデルワールスの計算法を用いること
により求めている。そして、その求めた組合せを、黒
丸、白丸および三角の各記号で、図７のグラフ中に示し
てある。

【００６７】上述したようにＥ₁ ＞Ｅ₂ とするために
は、第１の実施の形態とは反対に、井戸層であるＩｎＧ
ａＡｓＰ層に伸張歪みを導入し、障壁層であるＩｎＧａ
ＡｌＡｓ層に圧縮歪みを導入する。グラフ中の黒丸記号
同士を接続して形成される曲線ａは、ＩｎＧａＡｓＰの
格子不整合を０％とした場合のバンドギャップ波長の組
合せを表している。また、白丸記号で形成される曲線ｂ
は、ＩｎＧａＡｓＰの格子不整合を０．５％とした場合
のバンドギャップ波長の組合せを表している。また、三
角記号で形成される曲線ｃは、ＩｎＧａＡｓＰの格子不
整合を１．０％とした場合のバンドギャップ波長の組合
せを表している。そして、ＩｎＧａＡｓＰの格子不整合
を補償するため、ＩｎＧａＡｌＡｓにも歪みを導入して
いる。すなわち、曲線ａ、曲線ｂおよび曲線ｃは、それ
ぞれＩｎＧａＡｌＡｓの格子不整合を０％、−０．５％
および−１．０％とした場合のバンドギャップ波長の組
合せを示している。

【００６８】図７のグラフによれば、ＩｎＧａＡｓＰと
ＩｎＧａＡｌＡｓの両方に歪みを導入しない場合には、
例えば、井戸層のバンドギャップ波長を１．６μｍとす
るとき、障壁層としてバンドギャップ波長が１．５μｍ
のＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いればよいことが分かる。し
かし、この場合には、井戸層および障壁層のバンドギャ
ップ波長が近接しているため、障壁のポテンシャルの高
さを十分に高く取ることができないので不適当である。

【００６９】次に、ＩｎＧａＡｓＰに０．５％の歪みを
導入し、およびＩｎＧａＡｌＡｓに−０．５％の歪を導
入した場合には、例えば、井戸層のバンドギャップ波長
を１．６μｍとするとき、障壁層としてバンドギャップ
波長が１．４μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いればよい
ことが分かる。また、ＩｎＧａＡｓＰに１％の歪みを導
入し、およびＩｎＧａＡｌＡｓに−１％の歪を導入した
場合には、例えば、井戸層のバンドギャップ波長を１．
６μｍとするとき、障壁層としてバンドギャップ波長が
１．３μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いればよいことが
分かる。これら２例の場合は、十分な高さのポテンシャ
ルが得られるため好適である。

【００７０】以上のことから、井戸層に０．５％以上の
歪みを内在させ、および障壁層に−０．５％以下の歪み
を内在させた歪み超格子をＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧ
ａＡｌＡｓで形成することにより、軽い正孔に対するバ
ンド不連続量をゼロとし、吸収端が１．５５μｍの光変
調器を構成することが可能である。

【００７１】以上説明したように、重い正孔に対するバ
ンド不連続量をゼロにした量子井戸層を構成することが
できる。但し、この構成例によれば、井戸層に伸張歪み
を導入するので、価電子帯頂上のバンドはｎ＝１（ｎは
量子数）の軽い正孔であり、このため吸収される光は、
ＴＭ波に偏波した光（偏波方向が井戸層に垂直な光）だ
けである。

【００７２】

【発明の効果】この発明の量子井戸構造光変調器によれ
ば、ライトホールとヘビーホールとに対して別々の障壁
の高さを設定することにより、正孔のパイルアップと正
孔に起因するブロードニングとを同時に抑制することが
可能になる。そして、軽い正孔に対する障壁の高さを重
い正孔に対する障壁の高さに比較して小さくしてあるた
め、軽い正孔のパイルアップを抑制し、重い正孔による
ブロードニングの発生を抑制できる。このように、各々
の障壁の高さを適当に設定することにより、正孔全体の
パイルアップとブロードニングの発生とを同時に抑制す
ることができる。従って、変調特性の劣化が従来のもの
より少ない。

【００７３】また、この発明の量子井戸構造光変調器に
よれば、重い正孔に対する障壁の高さを軽い正孔に対す
る障壁の高さに比較して小さくしてあるため、重い正孔
のパイルアップを抑制し、軽い正孔によるブロードニン
グの発生を抑制できる。よって、各々の障壁の高さを適
当に設定して、正孔全体のパイルアップとブロードニン
グの発生とを同時に抑制することができる。このよう
に、変調特性の劣化が従来のものより少ない変調器が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の量子井戸層のエネルギ構造
を示す図である。

【図２】量子井戸構造光変調器の構成を示す図である。

【図３】バンド不連続量をゼロとする障壁層および井戸
層の組合せを示す図である。

【図４】臨界膜厚と歪み量との関係を示す図である。

【図５】歪み補償の実験データを示す図である。

【図６】第２の実施の形態の量子井戸層のエネルギ構造
を示す図である。

【図７】バンド不連続量をゼロとする障壁層および井戸
層の組合せを示す図である。

【符号の説明】

１０：ｐ型ＩｎＰ層１２：量子井戸層１４：ｎ型ＩｎＰ層１６，１８：ＡＲ層２０，２２：電極２４：ＩｎＧａＡｓＰ層２６：ＩｎＧａＡｌＡｓ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】井戸層および障壁層が交互に積層した半
導体多重量子井戸層を具える電界吸収型光変調器におい
て、軽い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_L とし、重い正孔に
対する障壁の高さをΔＥ_H としたときに、ΔＥ_L ＜ΔＥ
_H となることを特徴とする量子井戸構造光変調器。
【請求項２】請求項１に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記軽い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ₁ と
し、前記重い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ
₂ とし、前記重い正孔に対する障壁のエネルギ準位をＥ
₃ としたときに、Ｅ₃ ＜Ｅ₁ ＜Ｅ₂ となることを特徴と
する量子井戸構造光変調器。
【請求項３】請求項１に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記軽い正孔に対する障壁の高さΔＥ_L をゼロにしたこ
とを特徴とする量子井戸構造光変調器。
【請求項４】請求項１に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記井戸層を、圧縮歪みを導入したＩｎＧａＡｓＰ層と
し、前記障壁層を、伸張歪みを導入したＩｎＧａＡｌＡ
ｓ層とすることを特徴とする量子井戸構造光変調器。
【請求項５】井戸層および障壁層が交互に積層した半
導体多重量子井戸層を具える電界吸収型光変調器におい
て、軽い正孔に対する障壁の高さをΔＥ_L とし、重い正孔に
対する障壁の高さをΔＥ_H としたときに、ΔＥ_L ＞ΔＥ
_H となることを特徴とする量子井戸構造光変調器。
【請求項６】請求項５に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記軽い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ₁ と
し、前記重い正孔に対する井戸の底のエネルギ準位をＥ
₂ とし、前記軽い正孔に対する障壁のエネルギ準位をＥ
₃ としたときに、Ｅ₁ ＞Ｅ₂ ＞Ｅ₃ となることを特徴と
する量子井戸構造光変調器。
【請求項７】請求項５に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記重い正孔に対する障壁の高さΔＥ_H をゼロにしたこ
とを特徴とする量子井戸構造光変調器。
【請求項８】請求項５に記載の量子井戸構造光変調器
において、前記井戸層を、伸張歪みを導入したＩｎＧａＡｓＰ層と
し、前記障壁層を、圧縮歪みを導入したＩｎＧａＡｌＡ
ｓ層とすることを特徴とする量子井戸構造光変調器。