JPH10260381A - 半導体装置及びその使用方法 - Google Patents
半導体装置及びその使用方法Info
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- JPH10260381A JPH10260381A JP9066793A JP6679397A JPH10260381A JP H10260381 A JPH10260381 A JP H10260381A JP 9066793 A JP9066793 A JP 9066793A JP 6679397 A JP6679397 A JP 6679397A JP H10260381 A JPH10260381 A JP H10260381A
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長距離伝送に適した光パルスを形成すること
ができる半導体装置を提供する。 【解決手段】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れている。量子井戸層の厚さ及び量子井戸層と障壁層と
の界面における価電子帯のポテンシャル障壁の高さが、
量子井戸層内に生ずる電界の強さが零の状態において、
量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２
または３とするように選択されている。量子井戸積層構
造に、厚さ方向の電界を印加する電界印加手段を有す
る。
ができる半導体装置を提供する。 【解決手段】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れている。量子井戸層の厚さ及び量子井戸層と障壁層と
の界面における価電子帯のポテンシャル障壁の高さが、
量子井戸層内に生ずる電界の強さが零の状態において、
量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２
または３とするように選択されている。量子井戸積層構
造に、厚さ方向の電界を印加する電界印加手段を有す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に量子井戸構造を備えた半導体装置に関する。
し、特に量子井戸構造を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】狭いバンドギャップの半導体の薄層を広
いバンドギャップの半導体の層で挟むと量子井戸構造を
形成することができる。狭バンドギャップの半導体層を
量子井戸（ウェル）層と呼び、広バンドギャップの半導
体層を障壁（バリア）層と呼ぶ。狭バンドギャップの半
導体層と広バンドギャップの半導体層とを交互に積層す
ると、多重量子井戸構造が形成される。
いバンドギャップの半導体の層で挟むと量子井戸構造を
形成することができる。狭バンドギャップの半導体層を
量子井戸（ウェル）層と呼び、広バンドギャップの半導
体層を障壁（バリア）層と呼ぶ。狭バンドギャップの半
導体層と広バンドギャップの半導体層とを交互に積層す
ると、多重量子井戸構造が形成される。
【０００３】以下、多重量子井戸構造を用いた光変調器
の動作原理について説明する。図１１Ａは、量子井戸の
バンドエネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示
す。量子井戸層Ｌ２が障壁層Ｌ１とＬ３に挟まれてい
る。図中の折れ線ＥC は伝導帯端、ＥV は価電子帯端を
表し、破線ｅｌ0 は電子の基底準位、ｈｈ0 は重い正孔
（ヘビーホール）の基底準位を表す。
の動作原理について説明する。図１１Ａは、量子井戸の
バンドエネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示
す。量子井戸層Ｌ２が障壁層Ｌ１とＬ３に挟まれてい
る。図中の折れ線ＥC は伝導帯端、ＥV は価電子帯端を
表し、破線ｅｌ0 は電子の基底準位、ｈｈ0 は重い正孔
（ヘビーホール）の基底準位を表す。
【０００４】このような量子井戸構造に対し、バイアス
電界を印加しない状態においては、伝導帯の基底準位ｅ
ｌ0 にある電子の波動関数ｅｆ0 も価電子帯の基底準位
ｈｈ 0 にある重い正孔の波動関数ｈｆ0 も井戸層Ｌ２を
中心として対称に分布する。電子の波動関数ｅｆ0 のピ
ーク位置と正孔の波動関数ｈｆ0 のピーク位置とは一致
する。量子井戸構造に電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔
の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg 以上のエネルギの光を入射
すると、電子正孔対を生じ、光が吸収される。
電界を印加しない状態においては、伝導帯の基底準位ｅ
ｌ0 にある電子の波動関数ｅｆ0 も価電子帯の基底準位
ｈｈ 0 にある重い正孔の波動関数ｈｆ0 も井戸層Ｌ２を
中心として対称に分布する。電子の波動関数ｅｆ0 のピ
ーク位置と正孔の波動関数ｈｆ0 のピーク位置とは一致
する。量子井戸構造に電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔
の基底準位ｈｈ0 との差Ｅg 以上のエネルギの光を入射
すると、電子正孔対を生じ、光が吸収される。
【０００５】図１２Ａの曲線ａ0 は、図１１Ａの状態に
おける吸収係数αの波長依存性を示す。
おける吸収係数αの波長依存性を示す。
【０００６】図１１Ｂは、図１１Ａに示す量子井戸構造
に図において右向きのバイアス電界を印加した時のバン
ド構造を示す。電界印加によってバンド端が傾斜する。
量子井戸層Ｌ２のバンド端が右上がりに傾斜し、電子が
左側に、正孔が右側に偏って分布する。バンド端の傾斜
により、電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈ
ｈ0 との差Ｅg が減少し、吸収波長が低エネルギ側であ
る長波長側に移動（レッドシフト）する。
に図において右向きのバイアス電界を印加した時のバン
ド構造を示す。電界印加によってバンド端が傾斜する。
量子井戸層Ｌ２のバンド端が右上がりに傾斜し、電子が
左側に、正孔が右側に偏って分布する。バンド端の傾斜
により、電子の基底準位ｅｌ0 と重い正孔の基底準位ｈ
ｈ0 との差Ｅg が減少し、吸収波長が低エネルギ側であ
る長波長側に移動（レッドシフト）する。
【０００７】また、図１１Ａに示すように印加電界がな
い時にはピーク位置が一致していた電子と正孔の波動関
数は、図１１Ｂに示すように電界強度の増加と共に相互
に反対方向に移動し、その重なりが減少する。波動関数
の重なりが減少することは、吸収係数αの低下を意味す
る。従って、量子井戸構造に電界を印加すると、図１２
Ａにおいて曲線ａ0 が長波長側へ移動するとともに、そ
の高さが低くなる。
い時にはピーク位置が一致していた電子と正孔の波動関
数は、図１１Ｂに示すように電界強度の増加と共に相互
に反対方向に移動し、その重なりが減少する。波動関数
の重なりが減少することは、吸収係数αの低下を意味す
る。従って、量子井戸構造に電界を印加すると、図１２
Ａにおいて曲線ａ0 が長波長側へ移動するとともに、そ
の高さが低くなる。
【０００８】図１２Ａの曲線ａ1 は、図１１Ｂの状態に
おける吸収係数αの波長依存性を示す。波長λ0 よりも
長波長側で吸収係数αが立ち上がり、波長λ0 の光が吸
収される。このように、量子井戸構造への印加電界を制
御することにより、波長λ0の光の強度を変調すること
ができる。
おける吸収係数αの波長依存性を示す。波長λ0 よりも
長波長側で吸収係数αが立ち上がり、波長λ0 の光が吸
収される。このように、量子井戸構造への印加電界を制
御することにより、波長λ0の光の強度を変調すること
ができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】光変調器の印加電界変
化に対する屈折率の実数部の変化をΔｎ、屈折率の虚数
部の変化をΔｋとするとき、Δｎ／Δｋをチャープパラ
メータと呼ぶ。ここで、屈折率の虚数部の変化Δｋは、
光強度に対する吸収係数変化Δαと、Δｋ＝λΔα／４
πなる関係を有する。印加電界に変調をかけて光パルス
を発生させる場合、その時間変化する光強度をＳとする
と、波長変化Δλは、Δλ／λ2 ＝−（Δｎ／Δｋ×ｄ
Ｓ／ｄｔ）／（４πｃ0 Ｓ）で表される。ここで、ｃ0
は真空中の光の速度である。チャープパラメータが零で
ない場合、光強度の変調に伴い波長が変動する。
化に対する屈折率の実数部の変化をΔｎ、屈折率の虚数
部の変化をΔｋとするとき、Δｎ／Δｋをチャープパラ
メータと呼ぶ。ここで、屈折率の虚数部の変化Δｋは、
光強度に対する吸収係数変化Δαと、Δｋ＝λΔα／４
πなる関係を有する。印加電界に変調をかけて光パルス
を発生させる場合、その時間変化する光強度をＳとする
と、波長変化Δλは、Δλ／λ2 ＝−（Δｎ／Δｋ×ｄ
Ｓ／ｄｔ）／（４πｃ0 Ｓ）で表される。ここで、ｃ0
は真空中の光の速度である。チャープパラメータが零で
ない場合、光強度の変調に伴い波長が変動する。
【００１０】従来の電界吸収型光変調器では、印加電界
が弱く吸収が小さい透過状態において、このチャープパ
ラメータは大きな正の値であり、印加電界が強く吸収が
大きい非透過状態において負になる。すなわち、従来の
光変調器では、光強度がある程度大きくなる印加電界領
域のほとんどでチャープパラメータは正であり、光強度
が増加していく光パルスの立ち上がり時には、被変調光
の波長は一旦短波長側に動いてまた元に戻るといった動
きをする。また、光強度が減少していく光パルスの立ち
下がり時には、被変調光の波長は一旦長波長側に動いて
また元に戻るといった動きをする。つまり、光パルスの
強度が強い領域だけみると、立ち上がりから立ち下がり
にかけて被変調光の波長は短波長側から長波長側に動
く。
が弱く吸収が小さい透過状態において、このチャープパ
ラメータは大きな正の値であり、印加電界が強く吸収が
大きい非透過状態において負になる。すなわち、従来の
光変調器では、光強度がある程度大きくなる印加電界領
域のほとんどでチャープパラメータは正であり、光強度
が増加していく光パルスの立ち上がり時には、被変調光
の波長は一旦短波長側に動いてまた元に戻るといった動
きをする。また、光強度が減少していく光パルスの立ち
下がり時には、被変調光の波長は一旦長波長側に動いて
また元に戻るといった動きをする。つまり、光パルスの
強度が強い領域だけみると、立ち上がりから立ち下がり
にかけて被変調光の波長は短波長側から長波長側に動
く。
【００１１】光ファイバ通信に広く使われている石英系
単一モード光ファイバには、伝搬する光の波長により光
パルスの伝搬速度（群速度）が異なるといういわゆる分
散特性をもつ。最も伝搬損失の小さくなる波長は１．５
５μｍ近傍であるが、この波長域では波長が長いほど群
速度が遅くなるいわゆる異常分散特性をもつ。この光フ
ァイバを波長１．５５μｍ帯で用いる場合、従来の光変
調器では、前述したような波長変動があるので、長波長
側に動くパルスの立ち下がり部分の伝搬速度が、波長が
相対的に短波長側にあるパルスの立ち上がり部分に比べ
相対的に遅くなり、パルス幅が光ファイバ伝搬により広
がってしまう。その結果、変調速度を高速にしてパルス
幅を狭くするほど、また長距離伝搬させるほど、隣接し
た光パルスの識別を困難にし、伝送誤りを引き起こしや
すくなる。
単一モード光ファイバには、伝搬する光の波長により光
パルスの伝搬速度（群速度）が異なるといういわゆる分
散特性をもつ。最も伝搬損失の小さくなる波長は１．５
５μｍ近傍であるが、この波長域では波長が長いほど群
速度が遅くなるいわゆる異常分散特性をもつ。この光フ
ァイバを波長１．５５μｍ帯で用いる場合、従来の光変
調器では、前述したような波長変動があるので、長波長
側に動くパルスの立ち下がり部分の伝搬速度が、波長が
相対的に短波長側にあるパルスの立ち上がり部分に比べ
相対的に遅くなり、パルス幅が光ファイバ伝搬により広
がってしまう。その結果、変調速度を高速にしてパルス
幅を狭くするほど、また長距離伝搬させるほど、隣接し
た光パルスの識別を困難にし、伝送誤りを引き起こしや
すくなる。
【００１２】このような特性の光ファイバを波長１．５
５μｍ近傍で用いる場合、チャープパラメータは一般に
小さければ小さいほど望ましい。さらに、負のチャープ
パラメータを実現できれば、従来例とは逆に、光ファイ
バ伝搬により光パルスの幅を圧縮することができ、より
高速の信号をより長距離伝搬させても伝送誤りを引き起
こしにくくできる。
５μｍ近傍で用いる場合、チャープパラメータは一般に
小さければ小さいほど望ましい。さらに、負のチャープ
パラメータを実現できれば、従来例とは逆に、光ファイ
バ伝搬により光パルスの幅を圧縮することができ、より
高速の信号をより長距離伝搬させても伝送誤りを引き起
こしにくくできる。
【００１３】本発明の目的は、長距離伝送に適した光パ
ルスを発生することができる半導体装置を提供すること
である。
ルスを発生することができる半導体装置を提供すること
である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸
層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成す
る障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくと
も２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量
子井戸層の厚さ及び前記量子井戸層と前記障壁層との界
面における価電子帯のポテンシャル障壁の高さが、量子
井戸層内に生ずる電界の強さが零の状態において、前記
量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２
または３とするように選択されている量子井戸積層構造
と、前記量子井戸積層構造に、厚さ方向の電界を印加す
る電界印加手段とを有する半導体装置が提供される。
と、電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸
層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成す
る障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくと
も２層の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量
子井戸層の厚さ及び前記量子井戸層と前記障壁層との界
面における価電子帯のポテンシャル障壁の高さが、量子
井戸層内に生ずる電界の強さが零の状態において、前記
量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子準位数を２
または３とするように選択されている量子井戸積層構造
と、前記量子井戸積層構造に、厚さ方向の電界を印加す
る電界印加手段とを有する半導体装置が提供される。
【００１５】量子井戸層にバイアス電圧を印加すると、
バンド端の傾きによりエネルギギャップが減少する。こ
れにより光の吸収端波長がレッドシフトする。このレッ
ドシフトを光変調器に利用することができる。バイアス
電圧を印加すると、量子井戸に閉じ込められた電子及び
正孔の波動関数が相互に反対方向に偏る。伝導帯の基底
準位にある電子の波動関数と価電子帯の高次準位にある
波動関数との重なり積分が、バイアス電圧の増加にとも
なって減少する領域がある。この領域を使用することに
より、量子井戸層のチャープパラメータを負にすること
ができる。
バンド端の傾きによりエネルギギャップが減少する。こ
れにより光の吸収端波長がレッドシフトする。このレッ
ドシフトを光変調器に利用することができる。バイアス
電圧を印加すると、量子井戸に閉じ込められた電子及び
正孔の波動関数が相互に反対方向に偏る。伝導帯の基底
準位にある電子の波動関数と価電子帯の高次準位にある
波動関数との重なり積分が、バイアス電圧の増加にとも
なって減少する領域がある。この領域を使用することに
より、量子井戸層のチャープパラメータを負にすること
ができる。
【００１６】本発明の他の観点によると、電子及び正孔
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正
孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少
なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層と
を含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子
帯側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在
する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方
の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の
他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導
体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して
前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状
態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域
にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する
基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底準位との間の
遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する
基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次の高次準位と
の間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下である半導体装置
が提供される。
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と、電子及び正
孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少
なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層と
を含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子
帯側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在
する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方
の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の
他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導
体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電圧を印加して
前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラットにした状
態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域
にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する
基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底準位との間の
遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する
基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次の高次準位と
の間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下である半導体装置
が提供される。
【００１７】この遷移波長の差が４０ｎｍ以下の領域
で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることによ
り、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることが
できる。
で、光の透過状態と非透過状態とを切り換えることによ
り、動作範囲内でチャープパラメータを負にすることが
できる。
【００１８】本発明の他の観点によると、電子及び正孔
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体
層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状
態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域
にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にあ
る電子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波
動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴
って減少する半導体装置が提供される。
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体
層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧を印加しない状
態から、ある逆バイアス電圧を印加した状態までの全域
にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にあ
る電子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波
動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴
って減少する半導体装置が提供される。
【００１９】量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電
子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波動関
数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って
減少する範囲で、光の透過状態と非透過状態とを切り換
えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負
にすることができる。
子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔との波動関
数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って
減少する範囲で、光の透過状態と非透過状態とを切り換
えることにより、動作範囲内でチャープパラメータを負
にすることができる。
【００２０】本発明の他の観点によると、電子及び正孔
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ
型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイア
ス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段であ
って、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２の
バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前
記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電
子帯側の正孔に対する基底準位との間の遷移波長と、前
記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電
子帯側の正孔に対する１次の高次準位との間の遷移波長
との差が４０ｎｍ以下である半導体装置が提供される。
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ
型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイア
ス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段であ
って、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２の
バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前
記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電
子帯側の正孔に対する基底準位との間の遷移波長と、前
記量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電
子帯側の正孔に対する１次の高次準位との間の遷移波長
との差が４０ｎｍ以下である半導体装置が提供される。
【００２１】第１のバイアス電圧印加状態を透過状態と
し、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とするこ
とにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にする
ことができる。
し、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とするこ
とにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にする
ことができる。
【００２２】本発明の他の観点によると、電子及び正孔
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ
型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイア
ス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段であ
って、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２の
バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前
記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子
帯側の１次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重
なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少す
る半導体装置が提供される。
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層とｐ
型半導体層との間に第１のバイアス電圧と第２のバイア
ス電圧のいずれかを選択的に印加する電圧印加手段であ
って、第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２の
バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前
記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子
帯側の１次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重
なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少す
る半導体装置が提供される。
【００２３】第１のバイアス電圧印加状態を透過状態と
し、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とするこ
とにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にする
ことができる。
し、第２のバイアス電圧印加状態を非透過状態とするこ
とにより、動作範囲内でチャープパラメータを負にする
ことができる。
【００２４】本発明の他の観点によると、電子及び正孔
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体
層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧を印加し
た状態から、該第１のバイアス電圧よりもより大きな逆
バイアス電圧である第２のバイアス電圧を印加した状態
までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電
子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底準
位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電
子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次の
高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下である
半導体装置の使用方法であって、前記量子井戸積層構造
に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して
該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧
を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記
半導体装置の使用方法が提供される。
に対して量子井戸を形成する量子井戸層と電子及び正孔
に対してポテンシャル障壁を形成する障壁層とが、少な
くとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層とを
含むように交互に積層され、前記量子井戸層の価電子帯
側に、正孔に対する基底準位と１次の高次準位が存在す
る量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層構造の一方の
面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸積層構造の他
方の面に接するｐ型半導体層とを有し、前記ｎ型半導体
層とｐ型半導体層との間に第１のバイアス電圧を印加し
た状態から、該第１のバイアス電圧よりもより大きな逆
バイアス電圧である第２のバイアス電圧を印加した状態
までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電
子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底準
位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電
子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次の
高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下である
半導体装置の使用方法であって、前記量子井戸積層構造
に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して
該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧
を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記
半導体装置の使用方法が提供される。
【００２５】使用範囲内において、チャープパラメータ
を負にすることができる。本発明の他の観点によると、
電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と
電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁
層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層
の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸
層の価電子帯側に、正孔に対する基底準位と１次の高次
準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層
構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸
積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、第
１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイア
ス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２のバ
イアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記
量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯
側の１次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重な
り積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する
半導体装置の使用方法であって、前記量子井戸積層構造
に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して
該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧
を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記
半導体装置の使用方法が提供される。
を負にすることができる。本発明の他の観点によると、
電子及び正孔に対して量子井戸を形成する量子井戸層と
電子及び正孔に対してポテンシャル障壁を形成する障壁
層とが、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層
の障壁層とを含むように交互に積層され、前記量子井戸
層の価電子帯側に、正孔に対する基底準位と１次の高次
準位が存在する量子井戸積層構造と、前記量子井戸積層
構造の一方の面に接するｎ型半導体層と、前記量子井戸
積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層とを有し、第
１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイア
ス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２のバ
イアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記
量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯
側の１次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重な
り積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する
半導体装置の使用方法であって、前記量子井戸積層構造
に光線束を入射し、前記第１のバイアス電圧を印加して
該光線束を透過させる状態と、前記第２のバイアス電圧
を印加して該光線束を吸収する状態とを切り換える前記
半導体装置の使用方法が提供される。
【００２６】使用範囲内において、チャープパラメータ
を負にすることができる。
を負にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例による変
調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜
視図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の表面の一部に回折格子
３が形成されている。この基板１の上に、ｎ型光ガイド
層２が成長され、その上に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ
１４および光変調器１５が分離領域１６を介在して形成
されている。
調器集積分布帰還型（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜
視図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の表面の一部に回折格子
３が形成されている。この基板１の上に、ｎ型光ガイド
層２が成長され、その上に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ
１４および光変調器１５が分離領域１６を介在して形成
されている。
【００２８】ＤＦＢレーザ１４は、回折格子３の上にｎ
型光ガイド層２、活性層４ａ、ｐ型光ガイド層５、ｐ型
クラッド層６、コンタクト層７ａを積層して形成されて
いる。光変調器１５は、ｎ型光ガイド層２の上に量子井
戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造４ｂを
積層し、その上にｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層
６、ｐ型コンタクト層７ｂを積層して形成されている。
型光ガイド層２、活性層４ａ、ｐ型光ガイド層５、ｐ型
クラッド層６、コンタクト層７ａを積層して形成されて
いる。光変調器１５は、ｎ型光ガイド層２の上に量子井
戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造４ｂを
積層し、その上にｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層
６、ｐ型コンタクト層７ｂを積層して形成されている。
【００２９】分離領域１６は、積層構造上面からコンタ
クト層７ａ、７ｂの中間の領域を除去した構造で実現さ
れている。
クト層７ａ、７ｂの中間の領域を除去した構造で実現さ
れている。
【００３０】なお、ＤＦＢレーザ１４、光変調器１５の
整列方向に沿うように幅約１〜３μｍの基板に達するメ
サ構造がエッチングで形成され、メサ構造の側面は半絶
縁性埋込半導体領域８によって埋め戻されている。ま
た、ＤＦＢレーザ１４のコンタクト層７ａ上にはｐ側電
極１０ａが形成され、光変調器１５のコンタクト層７ｂ
上にはｐ側電極１０ｂが形成されている。
整列方向に沿うように幅約１〜３μｍの基板に達するメ
サ構造がエッチングで形成され、メサ構造の側面は半絶
縁性埋込半導体領域８によって埋め戻されている。ま
た、ＤＦＢレーザ１４のコンタクト層７ａ上にはｐ側電
極１０ａが形成され、光変調器１５のコンタクト層７ｂ
上にはｐ側電極１０ｂが形成されている。
【００３１】また、ポリイミド領域９がｐ側電極１０ｂ
の周辺に形成され、その上に形成された配線層１１がｐ
側電極１０ｂと接続されている。基板１の裏面にはｎ側
電極１２が共通に形成されている。
の周辺に形成され、その上に形成された配線層１１がｐ
側電極１０ｂと接続されている。基板１の裏面にはｎ側
電極１２が共通に形成されている。
【００３２】このような構造は、基板上への選択エピタ
キシャル成長、選択エッチング、メサ埋込成長、ポリイ
ミド塗布、基板研磨、電極層堆積、パターニング、へき
開等の技術を用いて作製することができる。
キシャル成長、選択エッチング、メサ埋込成長、ポリイ
ミド塗布、基板研磨、電極層堆積、パターニング、へき
開等の技術を用いて作製することができる。
【００３３】このような構成において、ＤＦＢレーザ１
４は、単一波長の光を連続発振する。光変調器１５は、
ＤＦＢレーザ１４から発する光を選択的に吸収し、変調
した出力光を発生する。
４は、単一波長の光を連続発振する。光変調器１５は、
ＤＦＢレーザ１４から発する光を選択的に吸収し、変調
した出力光を発生する。
【００３４】次に、上記光変調器のチャープパラメータ
について説明する。量子井戸構造を有する光変調器によ
り変調すべき信号光の波長をλ0 、量子井戸構造に印加
されるバイアス電圧をＶ、波長λとバイアス電圧Ｖの関
数である吸収係数をα（λ，Ｖ）とすると、クラマース
・クローニッヒ（Kramers-Kronig）の関係式より、
について説明する。量子井戸構造を有する光変調器によ
り変調すべき信号光の波長をλ0 、量子井戸構造に印加
されるバイアス電圧をＶ、波長λとバイアス電圧Ｖの関
数である吸収係数をα（λ，Ｖ）とすると、クラマース
・クローニッヒ（Kramers-Kronig）の関係式より、
【００３５】
【数１】
【００３６】が得られる。ここで、Δα＝∂α（λ，
Ｖ）／∂Ｖ、Ｐ∫は主値積分を表す。式（１）を変形す
ると、
Ｖ）／∂Ｖ、Ｐ∫は主値積分を表す。式（１）を変形す
ると、
【００３７】
【数２】
【００３８】図１２Ａに示すように、信号光の波長λ0
は、フラットバンド状態における吸収係数ａ0 の立ち上
がり波長よりもやや長波長側に選ばれる。従って、バイ
アス電圧Ｖを増加すると、立ち上がり波長のレッドシフ
トにより信号波長λ0 における吸収係数αが増加する。
すなわち、光変調器の動作範囲においては、屈折率の虚
数部の変化Δｋ＝λ0 Δα／４πが正になる。このた
め、チャープパラメータΔｎ／Δｋの符号は、Δｎの符
号と同一になる。長距離伝送に適した光変調を行うため
には、前述のように光変調器の透過状態から非透過状態
までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすれ
ばよい。すなわち式（２）を負にすればよい。
は、フラットバンド状態における吸収係数ａ0 の立ち上
がり波長よりもやや長波長側に選ばれる。従って、バイ
アス電圧Ｖを増加すると、立ち上がり波長のレッドシフ
トにより信号波長λ0 における吸収係数αが増加する。
すなわち、光変調器の動作範囲においては、屈折率の虚
数部の変化Δｋ＝λ0 Δα／４πが正になる。このた
め、チャープパラメータΔｎ／Δｋの符号は、Δｎの符
号と同一になる。長距離伝送に適した光変調を行うため
には、前述のように光変調器の透過状態から非透過状態
までの範囲でチャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすれ
ばよい。すなわち式（２）を負にすればよい。
【００３９】式（２）の右辺第１項、第２項ともに、分
母は正である。従って、波長がλ0以下の範囲において
Δαの負の部分を多くし、波長がλ0 以上の範囲におい
てΔαの正の部分を多くすればよい。また、各項の分母
は、波長λ0 に近づくに従って小さくなるため、波長λ
0 近傍におけるΔαの値が式（２）の符号に大きく寄与
する。
母は正である。従って、波長がλ0以下の範囲において
Δαの負の部分を多くし、波長がλ0 以上の範囲におい
てΔαの正の部分を多くすればよい。また、各項の分母
は、波長λ0 に近づくに従って小さくなるため、波長λ
0 近傍におけるΔαの値が式（２）の符号に大きく寄与
する。
【００４０】図１２Ｂは、吸収係数αの変化率Δαの波
長依存性を示す。図１２Ａの曲線ａ 0 の状態、すなわち
透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると曲線ａ
0 がやや長波長側にシフトする。このときの吸収係数の
変化率Δαを、図１２Ｂの曲線ｂ0 で示す。すなわち、
吸収係数αの立ち上がり波長がレッドシフトすることに
より、信号波長λ0 よりもやや短波長側に大きなピーク
が現れる。同様に、図１２Ａの曲線ａ1 の状態、すなわ
ち非透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると、
吸収係数の変化率Δαは、図１２Ｂの曲線ｂ1 のように
なる。すなわち、信号波長λ0 よりもやや長波長側に大
きなピークが現れる。
長依存性を示す。図１２Ａの曲線ａ 0 の状態、すなわち
透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると曲線ａ
0 がやや長波長側にシフトする。このときの吸収係数の
変化率Δαを、図１２Ｂの曲線ｂ0 で示す。すなわち、
吸収係数αの立ち上がり波長がレッドシフトすることに
より、信号波長λ0 よりもやや短波長側に大きなピーク
が現れる。同様に、図１２Ａの曲線ａ1 の状態、すなわ
ち非透過状態において印加電圧Ｖを僅かに増加すると、
吸収係数の変化率Δαは、図１２Ｂの曲線ｂ1 のように
なる。すなわち、信号波長λ0 よりもやや長波長側に大
きなピークが現れる。
【００４１】透過状態に対応する曲線ｂ0 は、波長λ0
より短波長側において大きな正の値をとるため、式
（２）の第１項が第２項よりも大きくなる。このため、
チャープパラメータΔｎ／Δｋが正になる。非透過状態
に対応する曲線ｂ1 は、波長λ0より長波長側において
大きな正の値をとるため、式（２）の第２項が第１項よ
りも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／
Δｋが負になる。
より短波長側において大きな正の値をとるため、式
（２）の第１項が第２項よりも大きくなる。このため、
チャープパラメータΔｎ／Δｋが正になる。非透過状態
に対応する曲線ｂ1 は、波長λ0より長波長側において
大きな正の値をとるため、式（２）の第２項が第１項よ
りも大きくなる。このため、チャープパラメータΔｎ／
Δｋが負になる。
【００４２】透過状態におけるチャープパラメータΔｎ
／Δｋを負にするためには、図１２Ｂの波長λ0 よりも
短波長側において、曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率
Δαを大きな負の値にすればよいことがわかる。図１１
Ｂで説明したように、印加電圧Ｖを増加すると、電子の
波動関数と正孔の波動関数の重なりが少なくなるため、
吸収係数が減少する。ただしこの減少分は僅かであるた
め、図１２Ｂの曲線ｂ 0 で表される吸収係数変化率Δα
は殆ど負にならない。量子井戸層の電子の基底準位と正
孔の基底準位間の遷移のみでチャープパラメータΔｎ／
Δｋを負にすることは困難であることがわかる。
／Δｋを負にするためには、図１２Ｂの波長λ0 よりも
短波長側において、曲線ｂ0 で表される吸収係数変化率
Δαを大きな負の値にすればよいことがわかる。図１１
Ｂで説明したように、印加電圧Ｖを増加すると、電子の
波動関数と正孔の波動関数の重なりが少なくなるため、
吸収係数が減少する。ただしこの減少分は僅かであるた
め、図１２Ｂの曲線ｂ 0 で表される吸収係数変化率Δα
は殆ど負にならない。量子井戸層の電子の基底準位と正
孔の基底準位間の遷移のみでチャープパラメータΔｎ／
Δｋを負にすることは困難であることがわかる。
【００４３】本願発明者は、量子井戸層の価電子帯の正
孔に対する１次の高次準位（１次準位）もしくは２次の
高次準位（２次準位）と伝導帯の電子に対する基底準位
との間の遷移を考慮することにより、チャープパラメー
タΔｎ／Δｋを負にできることを見い出した。以下、正
孔の高次準位をも考慮した場合のチャープパラメータΔ
ｎ／Δｋについて考察する。
孔に対する１次の高次準位（１次準位）もしくは２次の
高次準位（２次準位）と伝導帯の電子に対する基底準位
との間の遷移を考慮することにより、チャープパラメー
タΔｎ／Δｋを負にできることを見い出した。以下、正
孔の高次準位をも考慮した場合のチャープパラメータΔ
ｎ／Δｋについて考察する。
【００４４】図２は、量子井戸層の価電子帯に重い正孔
に対する基底準位と１次準位が存在する場合のバンド構
造の一例を示す。障壁層Ｌ１とＬ３により量子井戸層Ｌ
２が挟まれている。例えば、量子井戸層Ｌ２の組成をＧ
ａ0.297 Ｉｎ0.703 Ａｓ0.79 4 Ｐ0.206 で形成し、障壁
層Ｌ１及びＬ３の組成をＧａ0.373 Ｉｎ0.627 Ａｓ0.
711 Ｐ0.289 とする。量子井戸層Ｌ２の厚さを９ｎｍと
すると、量子井戸層Ｌ２は、重い正孔に対する基底準位
ｈｈ0 と１次の高次準位ｈｈ1 を有する。このとき、重
い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と障壁層Ｌ１、Ｌ３の価
電子帯端とのエネルギ差（価電子帯実効障壁高さ）ΔＥ
v は３０ｍｅＶになる。なお、量子井戸層Ｌ２は、伝導
帯中に電子に対する基底準位ｅｌ0 を有する。
に対する基底準位と１次準位が存在する場合のバンド構
造の一例を示す。障壁層Ｌ１とＬ３により量子井戸層Ｌ
２が挟まれている。例えば、量子井戸層Ｌ２の組成をＧ
ａ0.297 Ｉｎ0.703 Ａｓ0.79 4 Ｐ0.206 で形成し、障壁
層Ｌ１及びＬ３の組成をＧａ0.373 Ｉｎ0.627 Ａｓ0.
711 Ｐ0.289 とする。量子井戸層Ｌ２の厚さを９ｎｍと
すると、量子井戸層Ｌ２は、重い正孔に対する基底準位
ｈｈ0 と１次の高次準位ｈｈ1 を有する。このとき、重
い正孔に対する基底準位ｈｈ0 と障壁層Ｌ１、Ｌ３の価
電子帯端とのエネルギ差（価電子帯実効障壁高さ）ΔＥ
v は３０ｍｅＶになる。なお、量子井戸層Ｌ２は、伝導
帯中に電子に対する基底準位ｅｌ0 を有する。
【００４５】図３Ａは、図２に示す量子井戸構造にバイ
アス電圧を印加したときの遷移波長とバイアス電圧との
関係の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで
表し、縦軸は遷移波長を単位ｎｍで表す。ここで、バイ
アス電圧０Ｖとは、外部印加電圧が０Ｖであり、ビルト
インポテンシャルのみが印加されていることを意味す
る。バイアス電圧を−１Ｖとした状態がフラットバンド
状態である。すなわち、逆バイアスとなる向きの電圧の
符号を正としている。
アス電圧を印加したときの遷移波長とバイアス電圧との
関係の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで
表し、縦軸は遷移波長を単位ｎｍで表す。ここで、バイ
アス電圧０Ｖとは、外部印加電圧が０Ｖであり、ビルト
インポテンシャルのみが印加されていることを意味す
る。バイアス電圧を−１Ｖとした状態がフラットバンド
状態である。すなわち、逆バイアスとなる向きの電圧の
符号を正としている。
【００４６】図３Ａ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈｈ0
間の遷移波長、破線は基底準位ｅｌ 0 と１次準位ｈｈ0
間の遷移波長を示す。バイアス電圧を増加すると、バン
ド端の傾きによりエネルギ準位差が減少して遷移波長が
長くなる。
間の遷移波長、破線は基底準位ｅｌ 0 と１次準位ｈｈ0
間の遷移波長を示す。バイアス電圧を増加すると、バン
ド端の傾きによりエネルギ準位差が減少して遷移波長が
長くなる。
【００４７】図３Ｂは、基底準位ｅｌ0 にある電子の波
動関数と重い正孔の各準位ｈｈ0 及びｈｈ1 にある正孔
の波動関数との重なり積分の計算結果を示す。横軸はバ
イアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は重なり積分の値を任
意目盛りで表す。図３Ｂ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈ
ｈ0 との波動関数の重なり積分、破線は基底準位ｅｌ 0
と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分を示す。
動関数と重い正孔の各準位ｈｈ0 及びｈｈ1 にある正孔
の波動関数との重なり積分の計算結果を示す。横軸はバ
イアス電圧を単位Ｖで表し、縦軸は重なり積分の値を任
意目盛りで表す。図３Ｂ中の実線は基底準位ｅｌ0 とｈ
ｈ0 との波動関数の重なり積分、破線は基底準位ｅｌ 0
と１次準位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分を示す。
【００４８】バイアス電圧を増加すると、基底準位ｅｌ
0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分の値は単調に減少
する。これは、図１１Ｂに示すように、波動関数のピー
ク位置が相互に反対方向にずれるためである。フラット
バンド状態、すなわちバイアス電圧が−１Ｖのとき、基
底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との重なり積分の値はほ
とんど零である。バイアス電圧を増加すると、これらの
重なり積分の値は増加し、あるバイアス電圧において極
大値を示し、その後減少する。
0 とｈｈ0 との波動関数の重なり積分の値は単調に減少
する。これは、図１１Ｂに示すように、波動関数のピー
ク位置が相互に反対方向にずれるためである。フラット
バンド状態、すなわちバイアス電圧が−１Ｖのとき、基
底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との重なり積分の値はほ
とんど零である。バイアス電圧を増加すると、これらの
重なり積分の値は増加し、あるバイアス電圧において極
大値を示し、その後減少する。
【００４９】次に、図３Ａの遷移波長の変化及び図３Ｂ
の重なり積分の変化から導かれる吸収係数α及び吸収係
数変化率Δαの波長依存性について、定性的に説明す
る。
の重なり積分の変化から導かれる吸収係数α及び吸収係
数変化率Δαの波長依存性について、定性的に説明す
る。
【００５０】図４Ａは、フラットバンド状態（バイアス
電圧が−１Ｖ）のときの吸収係数αの波長依存性を示
す。信号波長（被変調波長）λ0 よりもやや短波長側
で、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移による吸
収により吸収係数αが立ち上がる。フラットバンド状態
においては、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の波動
関数の重なり積分の値が零になるため、この準位間の遷
移による吸収は見られない。
電圧が−１Ｖ）のときの吸収係数αの波長依存性を示
す。信号波長（被変調波長）λ0 よりもやや短波長側
で、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移による吸
収により吸収係数αが立ち上がる。フラットバンド状態
においては、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の波動
関数の重なり積分の値が零になるため、この準位間の遷
移による吸収は見られない。
【００５１】図４Ｂは、バイアス電圧の変化に対する吸
収係数変化率Δαの波長依存性を示す。バイアス電圧を
増加すると、図３Ａに示すように、各準位間の遷移波長
が長波長側にシフトするとともに、図３Ｂに示すよう
に、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との波動関数の重
なり積分値が減少する。このため、図４Ａに示す吸収係
数αを表す曲線が長波長側にシフトすると共に、その高
さがやや低下する。従って、吸収係数変化率Δαは、吸
収係数αの立ち上がり波長近傍で正になり、それよりも
短波長側で絶対値の小さな値をとる。
収係数変化率Δαの波長依存性を示す。バイアス電圧を
増加すると、図３Ａに示すように、各準位間の遷移波長
が長波長側にシフトするとともに、図３Ｂに示すよう
に、基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との波動関数の重
なり積分値が減少する。このため、図４Ａに示す吸収係
数αを表す曲線が長波長側にシフトすると共に、その高
さがやや低下する。従って、吸収係数変化率Δαは、吸
収係数αの立ち上がり波長近傍で正になり、それよりも
短波長側で絶対値の小さな値をとる。
【００５２】式（２）の右辺第１項の積分計算におい
て、信号波長λ0 に近い領域の吸収係数変化率Δαが計
算結果に大きく寄与し、信号波長λ0 から遠く離れた短
波長領域の吸収係数変化率Δαの寄与率は小さい。ま
た、信号波長λ0 よりも短波長側において吸収係数変化
率Δαのとり得る負の値の絶対値は、吸収係数αの立ち
上がり波長近傍における正の値に比べて小さいため、積
分結果に大きく寄与しない。このため、式（２）の計算
結果は正になる。従って、チャープパラメータΔｎ／Δ
ｋも正になる。
て、信号波長λ0 に近い領域の吸収係数変化率Δαが計
算結果に大きく寄与し、信号波長λ0 から遠く離れた短
波長領域の吸収係数変化率Δαの寄与率は小さい。ま
た、信号波長λ0 よりも短波長側において吸収係数変化
率Δαのとり得る負の値の絶対値は、吸収係数αの立ち
上がり波長近傍における正の値に比べて小さいため、積
分結果に大きく寄与しない。このため、式（２）の計算
結果は正になる。従って、チャープパラメータΔｎ／Δ
ｋも正になる。
【００５３】図４Ｃは、フラットバンド状態からややバ
イアス電圧を印加した状態（透過状態）の吸収係数αの
波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや短波長側で
吸収係数αが立ち上がり、それよりも短波長側に、基底
準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1間の吸収による立ち上がり
が現れている。このときのバイアス電圧は、例えば図３
Ｂにおける基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との間の波
動関数の重なり積分結果が極大値をとる電圧よりもやや
大きな電圧とする。なお、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈ
ｈ1 間の吸収による立ち上がりよりもさらに短波長側に
現れている立ち上がりは、障壁層の吸収端に相当する。
イアス電圧を印加した状態（透過状態）の吸収係数αの
波長依存性を示す。信号波長λ0 よりもやや短波長側で
吸収係数αが立ち上がり、それよりも短波長側に、基底
準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1間の吸収による立ち上がり
が現れている。このときのバイアス電圧は、例えば図３
Ｂにおける基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との間の波
動関数の重なり積分結果が極大値をとる電圧よりもやや
大きな電圧とする。なお、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈ
ｈ1 間の吸収による立ち上がりよりもさらに短波長側に
現れている立ち上がりは、障壁層の吸収端に相当する。
【００５４】図４Ｄは、図４Ｃの状態におけるバイアス
電圧に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。
基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長のレ
ッドシフトによるピークが、信号波長λ0 よりもやや短
波長側に現れる。図４Ｃの状態からバイアス電圧を増加
すると、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と１次準
位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分値が減少する。この
ため、基底準位ｅｌ0と１次準位ｈｈ1 間の遷移による
吸収係数が減少する。従って、図４Ｄにおいて、基底準
位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長よりも短波長側
で、吸収係数変化率Δαが負になる。
電圧に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を示す。
基底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 との間の遷移波長のレ
ッドシフトによるピークが、信号波長λ0 よりもやや短
波長側に現れる。図４Ｃの状態からバイアス電圧を増加
すると、図３Ｂに示すように、基底準位ｅｌ0 と１次準
位ｈｈ1 との波動関数の重なり積分値が減少する。この
ため、基底準位ｅｌ0と１次準位ｈｈ1 間の遷移による
吸収係数が減少する。従って、図４Ｄにおいて、基底準
位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長よりも短波長側
で、吸収係数変化率Δαが負になる。
【００５５】この負の領域が大きくなると、式（２）の
右辺第１項の積分に大きく寄与し、Δｎが負になる。す
なわち、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすること
ができる。なお、２次準位も存在する場合においては、
バイアス電圧の増加に伴って基底準位ｅｌ0 と２次準位
ｈｈ2 間の遷移による吸収も減少するような電圧範囲で
使用すると、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にする
ことが容易になる。
右辺第１項の積分に大きく寄与し、Δｎが負になる。す
なわち、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にすること
ができる。なお、２次準位も存在する場合においては、
バイアス電圧の増加に伴って基底準位ｅｌ0 と２次準位
ｈｈ2 間の遷移による吸収も減少するような電圧範囲で
使用すると、チャープパラメータΔｎ／Δｋを負にする
ことが容易になる。
【００５６】図４Ｅは、図４Ｃの状態からさらにバイア
ス電圧を増加させ、基底準位ｅｌ0と基底準位ｈｈ0 と
の間の遷移波長が信号波長λ0 よりも長くなった状態
（非透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。図３
Ｂからわかるように基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間
の遷移確率がより小さくなるため、この遷移による吸収
係数αの立ち上がりはほとんど消失する。
ス電圧を増加させ、基底準位ｅｌ0と基底準位ｈｈ0 と
の間の遷移波長が信号波長λ0 よりも長くなった状態
（非透過状態）の吸収係数αの波長依存性を示す。図３
Ｂからわかるように基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間
の遷移確率がより小さくなるため、この遷移による吸収
係数αの立ち上がりはほとんど消失する。
【００５７】図４Ｆは、図４Ｅの状態におけるバイアス
電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を
示す。信号波長λ0 よりもやや長波長側に、基底準位ｅ
ｌ0と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長のレッドシフトによ
るピークが現れている。基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ
1 間の遷移による吸収係数αの減少率が僅かであるた
め、この遷移波長よりも短波長側の領域において吸収係
数変化率Δαの負の絶対値が小さくなっている。式
（２）の右辺第２項が支配的になり、Δｎが負になる。
このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
電圧の変化に対する吸収係数変化率Δαの波長依存性を
示す。信号波長λ0 よりもやや長波長側に、基底準位ｅ
ｌ0と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長のレッドシフトによ
るピークが現れている。基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ
1 間の遷移による吸収係数αの減少率が僅かであるた
め、この遷移波長よりも短波長側の領域において吸収係
数変化率Δαの負の絶対値が小さくなっている。式
（２）の右辺第２項が支配的になり、Δｎが負になる。
このため、チャープパラメータΔｎ／Δｋが負になる。
【００５８】図４Ｄ及び４Ｆに示すように、透過状態及
び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ
／Δｋを負にすることができる。
び非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ
／Δｋを負にすることができる。
【００５９】上記考察からわかるように、透過状態及び
非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／
Δｋを負にするためには、下記のような構成とすること
が好ましい。
非透過状態の両方において、チャープパラメータΔｎ／
Δｋを負にするためには、下記のような構成とすること
が好ましい。
【００６０】第１に、量子井戸層の価電子帯側の正孔に
対する量子準位数を２または３にする。量子準位数が４
以上の深い量子井戸では、電界印加時における電子と正
孔の波動関数の重なり積分の変化が小さい。このため、
チャープパラメータが負になりにくい。また、３次以上
の高次準位による吸収は、ぼやけてバルク状の吸収と変
わらなくなるので、チャープパラメータを負にしにくく
なる。
対する量子準位数を２または３にする。量子準位数が４
以上の深い量子井戸では、電界印加時における電子と正
孔の波動関数の重なり積分の変化が小さい。このため、
チャープパラメータが負になりにくい。また、３次以上
の高次準位による吸収は、ぼやけてバルク状の吸収と変
わらなくなるので、チャープパラメータを負にしにくく
なる。
【００６１】第２に、フラットバンド状態からある逆バ
イアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ
0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１
次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が、ある値以下である
ことが好ましい。この差が大きくなりすぎると、図４Ｄ
において、吸収係数変化率Δαの負の領域が信号波長λ
0 から遠ざかり、式（２）の積分結果への寄与率が低下
するためである。この遷移波長の差は、後述するように
４０ｎｍ以下となるように構成することが好ましい。
イアス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ
0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と１
次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が、ある値以下である
ことが好ましい。この差が大きくなりすぎると、図４Ｄ
において、吸収係数変化率Δαの負の領域が信号波長λ
0 から遠ざかり、式（２）の積分結果への寄与率が低下
するためである。この遷移波長の差は、後述するように
４０ｎｍ以下となるように構成することが好ましい。
【００６２】また、量子井戸層の価電子帯に２次準位ｈ
ｈ2 が存在する場合には、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈ
ｈ2 との間の遷移による吸収係数の減少により、チャー
プパラメータΔｎ／Δｋを負値化することが期待され
る。このためには、フラットバンド状態からある逆バイ
アス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0
と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次
準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が、ある値以下であるこ
とが好ましい。後述するように、この差を６０ｎｍ以下
とすることが好ましい。
ｈ2 が存在する場合には、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈ
ｈ2 との間の遷移による吸収係数の減少により、チャー
プパラメータΔｎ／Δｋを負値化することが期待され
る。このためには、フラットバンド状態からある逆バイ
アス印加状態までの全領域にわたって、基底準位ｅｌ0
と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次
準位ｈｈ2 間の遷移波長との差が、ある値以下であるこ
とが好ましい。後述するように、この差を６０ｎｍ以下
とすることが好ましい。
【００６３】なお、光変調器として使用する際には、基
底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位
ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ
以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを
切り換えることが好ましい。また、基底準位ｅｌ0 と基
底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位
ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下となるような
範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが
好ましい。
底準位ｅｌ0 と基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位
ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０ｎｍ
以下となるような範囲内で、透過状態と非透過状態とを
切り換えることが好ましい。また、基底準位ｅｌ0 と基
底準位ｈｈ0 間の遷移波長と基底準位ｅｌ0 と２次準位
ｈｈ2 間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下となるような
範囲内で、透過状態と非透過状態とを切り換えることが
好ましい。
【００６４】第３に、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1
との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加
に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切
り換えて使用することが好ましい。通常、量子井戸構造
を有する光変調器は逆バイアス状態で使用するため、電
圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲
にわたって、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動
関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減
少するような構成とすることが好ましい。
との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加
に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切
り換えて使用することが好ましい。通常、量子井戸構造
を有する光変調器は逆バイアス状態で使用するため、電
圧無印加状態からある逆バイアス印加状態までの全範囲
にわたって、基底準位ｅｌ0 と１次準位ｈｈ1 との波動
関数の重なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減
少するような構成とすることが好ましい。
【００６５】同様に、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2
との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加
に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切
り換えて使用することが好ましい。また、電圧無印加状
態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたっ
て、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重
なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するよ
うな構成とすることが好ましい。
との波動関数の重なり積分結果が、バイアス電圧の増加
に伴って減少する範囲内で透過状態と非透過状態とを切
り換えて使用することが好ましい。また、電圧無印加状
態からある逆バイアス印加状態までの全範囲にわたっ
て、基底準位ｅｌ0 と２次準位ｈｈ2 との波動関数の重
なり積分結果が、バイアス電圧増加に伴って減少するよ
うな構成とすることが好ましい。
【００６６】次に、図５Ａ、５Ｂ〜９Ａ、９Ｂを参照し
て、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δ
ｋ及び消光比の変化について説明する。
て、バイアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δ
ｋ及び消光比の変化について説明する。
【００６７】図５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ及び９Ａは、バ
イアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋの変
化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表
し、縦軸はチャープパラメータΔｎ／Δｋを表す。図５
Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ及び９Ｂは、バイアス電圧に対す
る消光比の変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧
を単位Ｖで表し、縦軸は消光比をバイアス電圧が−１Ｖ
の場合を基準とし、単位ｄＢで表す。なお、バイアス電
圧を−１Ｖにした状態がフラットバンド状態に相当す
る。
イアス電圧に対するチャープパラメータΔｎ／Δｋの変
化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧を単位Ｖで表
し、縦軸はチャープパラメータΔｎ／Δｋを表す。図５
Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ及び９Ｂは、バイアス電圧に対す
る消光比の変化の計算結果を示す。横軸はバイアス電圧
を単位Ｖで表し、縦軸は消光比をバイアス電圧が−１Ｖ
の場合を基準とし、単位ｄＢで表す。なお、バイアス電
圧を−１Ｖにした状態がフラットバンド状態に相当す
る。
【００６８】各図とも、量子井戸層及び障壁層をＧａＩ
ｎＡｓＰで形成した場合のＴＥモード動作、すなわち重
い正孔の寄与率が１／２、軽い正孔の寄与率が１／６の
場合の計算結果である。量子井戸層の歪量は０．５％、
障壁層の歪量は−０．３％、障壁層の厚さは５．１ｎ
ｍ、量子井戸層が７層、バイアス電圧無印加時の吸収端
波長（吸収係数αの変曲点に対応する波長）が１４９０
ｎｍ、信号波長が１５５０ｎｍとなるような構成とし
た。また、エトキシ強度は実験との整合をとるため理論
値の０．４倍と仮定した。結晶性の向上によるエトキシ
強度の増大はチャープパラメータを負にする傾向を強め
る。
ｎＡｓＰで形成した場合のＴＥモード動作、すなわち重
い正孔の寄与率が１／２、軽い正孔の寄与率が１／６の
場合の計算結果である。量子井戸層の歪量は０．５％、
障壁層の歪量は−０．３％、障壁層の厚さは５．１ｎ
ｍ、量子井戸層が７層、バイアス電圧無印加時の吸収端
波長（吸収係数αの変曲点に対応する波長）が１４９０
ｎｍ、信号波長が１５５０ｎｍとなるような構成とし
た。また、エトキシ強度は実験との整合をとるため理論
値の０．４倍と仮定した。結晶性の向上によるエトキシ
強度の増大はチャープパラメータを負にする傾向を強め
る。
【００６９】図５Ａ及び５Ｂは量子井戸層の厚さが６ｎ
ｍ、図６Ａ及び６Ｂは７．５ｎｍ、図７Ａ及び７Ｂは９
ｎｍ、図８Ａ及び８Ｂは１０．５ｎｍ、図９Ａ及び９Ｂ
は１２ｎｍの場合である。また、各図の短破線は、量子
井戸層における価電子帯の基底準位と障壁層の価電子帯
端の準位との差（価電子帯の実効障壁高さ）ΔＥV が７
０ｍｅＶの場合、長破線は６０ｍｅＶ、二点鎖線は５０
ｍｅＶ、一点鎖線は４０ｍｅＶ、実線は３０ｍｅＶの場
合を示す。
ｍ、図６Ａ及び６Ｂは７．５ｎｍ、図７Ａ及び７Ｂは９
ｎｍ、図８Ａ及び８Ｂは１０．５ｎｍ、図９Ａ及び９Ｂ
は１２ｎｍの場合である。また、各図の短破線は、量子
井戸層における価電子帯の基底準位と障壁層の価電子帯
端の準位との差（価電子帯の実効障壁高さ）ΔＥV が７
０ｍｅＶの場合、長破線は６０ｍｅＶ、二点鎖線は５０
ｍｅＶ、一点鎖線は４０ｍｅＶ、実線は３０ｍｅＶの場
合を示す。
【００７０】価電子帯の実効障壁高さΔＥV が４０ｍｅ
Ｖより小さいときは、量子井戸層の厚さが７．５ｎｍと
９ｎｍの構成において、バイアス電圧無印加状態から逆
バイアス印加状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ
／Δｋが負になっている。バイアス電圧が０Ｖ近傍にお
ける消光比は−１〜−３ｄＢ程度であり、透過状態に対
応する。また、バイアス電圧を増加させると消光比の絶
対値が増加し、非透過状態になる。バイアス電圧を制御
することにより、透過状態と非透過状態とを切り換える
ことができる。
Ｖより小さいときは、量子井戸層の厚さが７．５ｎｍと
９ｎｍの構成において、バイアス電圧無印加状態から逆
バイアス印加状態までの範囲でチャープパラメータΔｎ
／Δｋが負になっている。バイアス電圧が０Ｖ近傍にお
ける消光比は−１〜−３ｄＢ程度であり、透過状態に対
応する。また、バイアス電圧を増加させると消光比の絶
対値が増加し、非透過状態になる。バイアス電圧を制御
することにより、透過状態と非透過状態とを切り換える
ことができる。
【００７１】透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋ
が負になるような構成の場合について、図３Ａに示すバ
イアス電圧に対する遷移波長の変化を調査した。その結
果、フラットバンド状態から逆バイアス印加状態までの
全域にわたって、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の
基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ 0
と価電子帯の１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０
ｎｍ以下であった。また、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価
電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準
位ｅｌ0 と価電子帯の２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との
差が６０ｎｍ以下であった。
が負になるような構成の場合について、図３Ａに示すバ
イアス電圧に対する遷移波長の変化を調査した。その結
果、フラットバンド状態から逆バイアス印加状態までの
全域にわたって、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価電子帯の
基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準位ｅｌ 0
と価電子帯の１次準位ｈｈ1 間の遷移波長との差が４０
ｎｍ以下であった。また、伝導帯の基底準位ｅｌ0 と価
電子帯の基底準位ｈｈ0 間の遷移波長と伝導帯の基底準
位ｅｌ0 と価電子帯の２次準位ｈｈ2 間の遷移波長との
差が６０ｎｍ以下であった。
【００７２】この結果からわかるように、透過状態と非
透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋを共に負にす
るためには、各遷移波長が上述の条件を満たすような構
成とすることが好ましい。
透過状態のチャープパラメータΔｎ／Δｋを共に負にす
るためには、各遷移波長が上述の条件を満たすような構
成とすることが好ましい。
【００７３】図１０Ａ及び１０Ｂは、実際に作製した量
子井戸構造のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比
のバイアス電圧依存性を示す。作製した量子井戸構造
は、図５Ａ〜９Ｂの場合と同様の構成を有し、量子井戸
層の厚さが９ｎｍのものである。なお、量子井戸層の組
成は、Ｇａ0.299 Ｉｎ0.701 Ａｓ0.798 Ｐ0.202 であ
り、障壁層の組成はＧａ0.357 Ｉｎ0.643 Ａｓ0.678 Ｐ
0.322 である。
子井戸構造のチャープパラメータΔｎ／Δｋ及び消光比
のバイアス電圧依存性を示す。作製した量子井戸構造
は、図５Ａ〜９Ｂの場合と同様の構成を有し、量子井戸
層の厚さが９ｎｍのものである。なお、量子井戸層の組
成は、Ｇａ0.299 Ｉｎ0.701 Ａｓ0.798 Ｐ0.202 であ
り、障壁層の組成はＧａ0.357 Ｉｎ0.643 Ａｓ0.678 Ｐ
0.322 である。
【００７４】図１０Ａに示すように、バイアス電圧０．
３Ｖ以上の範囲においてチャープパラメータΔｎ／Δｋ
が負になっている。また、図１０Ｂに示すように、バイ
アス電圧０Ｖ近傍で消光比がほとんど０ｄＢであり、バ
イアス電圧を増加させると、消光比の絶対値が増加して
いる。従って、例えば、バイアス電圧０．３〜０．５Ｖ
程度を印加した状態を透過状態とし、バイアス電圧２Ｖ
以上を印加した状態を非透過状態とする光変調器として
使用することができる。
３Ｖ以上の範囲においてチャープパラメータΔｎ／Δｋ
が負になっている。また、図１０Ｂに示すように、バイ
アス電圧０Ｖ近傍で消光比がほとんど０ｄＢであり、バ
イアス電圧を増加させると、消光比の絶対値が増加して
いる。従って、例えば、バイアス電圧０．３〜０．５Ｖ
程度を印加した状態を透過状態とし、バイアス電圧２Ｖ
以上を印加した状態を非透過状態とする光変調器として
使用することができる。
【００７５】この光変調器は、透過状態から非透過状態
までの全範囲において、負のチャープパラメータΔｎ／
Δｋを有する。このため、長距離伝送に適した光変調を
行うことが可能になる。
までの全範囲において、負のチャープパラメータΔｎ／
Δｋを有する。このため、長距離伝送に適した光変調を
行うことが可能になる。
【００７６】上記実施例では、ＧａＩｎＡｓＰを用いた
量子井戸構造の場合を説明した。その他、量子井戸層を
ＧａＡｌＩｎＡｓで形成し障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形
成した場合、量子井戸層をＧａＩｎＡｓＰで形成し障壁
層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合、量子井戸層と障
壁層を共にＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合について
も、量子井戸層の厚さ、価電子帯実効障壁高さΔＥV を
変化させてチャープパラメータΔｎ／Δｋを計算した。
その結果、価電子帯の高次準位の数、基底準位間の遷移
波長と、基底準位と高次準位間の遷移波長との差に関し
て、ＧａＩｎＡｓＰを用いた場合と同様の結論が得られ
た。
量子井戸構造の場合を説明した。その他、量子井戸層を
ＧａＡｌＩｎＡｓで形成し障壁層をＧａＩｎＡｓＰで形
成した場合、量子井戸層をＧａＩｎＡｓＰで形成し障壁
層をＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合、量子井戸層と障
壁層を共にＧａＡｌＩｎＡｓで形成した場合について
も、量子井戸層の厚さ、価電子帯実効障壁高さΔＥV を
変化させてチャープパラメータΔｎ／Δｋを計算した。
その結果、価電子帯の高次準位の数、基底準位間の遷移
波長と、基底準位と高次準位間の遷移波長との差に関し
て、ＧａＩｎＡｓＰを用いた場合と同様の結論が得られ
た。
【００７７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
透過状態から非透過状態までの範囲で負のチャープパラ
メータΔｎ／Δｋを有する光変調器に使用される半導体
装置が提供される。このため、波長分散を有する光ファ
イバを用いる場合においても長距離伝送を可能にするこ
とができる。
透過状態から非透過状態までの範囲で負のチャープパラ
メータΔｎ／Δｋを有する光変調器に使用される半導体
装置が提供される。このため、波長分散を有する光ファ
イバを用いる場合においても長距離伝送を可能にするこ
とができる。
【図１】本発明の実施例における変調器集積分布帰還型
（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図である。
（ＭＩＤＦＢ）レーザの一部破断斜視図である。
【図２】本発明の実施例による量子井戸構造を構成する
量子井戸のエネルギバンド図である。
量子井戸のエネルギバンド図である。
【図３】図３Ａは、図２に示す量子井戸の遷移波長とバ
イアス電圧との関係、図３Ｂは、電子の波動関数と正孔
の波動関数との重なり積分とバイアス電圧との関係を示
すグラフである。
イアス電圧との関係、図３Ｂは、電子の波動関数と正孔
の波動関数との重なり積分とバイアス電圧との関係を示
すグラフである。
【図４】図２に示す量子井戸の吸収係数αと吸収係数変
化率Δαを、バイアス電圧ごとに示すグラフである。
化率Δαを、バイアス電圧ごとに示すグラフである。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚
さを６ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ
及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラ
フである。
さを６ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ
及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラ
フである。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚
さを７．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／
Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示す
グラフである。
さを７．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／
Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示す
グラフである。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚
さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ
及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラ
フである。
さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δｋ
及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグラ
フである。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚
さを１０．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ
／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示
すグラフである。
さを１０．５ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ
／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示
すグラフである。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ量子井戸層の厚
さを１２ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δ
ｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグ
ラフである。
さを１２ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ／Δ
ｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の計算結果を示すグ
ラフである。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ量子井戸
層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ
／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の実測結果を示
すグラフである。
層の厚さを９ｎｍとした場合のチャープパラメータΔｎ
／Δｋ及び消光比のバイアス電圧依存性の実測結果を示
すグラフである。
【図１１】量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図１２】図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれ図１１に
示す量子井戸構造の吸収係数α及び吸収係数変化率Δα
の波長依存性を示すグラフである。
示す量子井戸構造の吸収係数α及び吸収係数変化率Δα
の波長依存性を示すグラフである。
１ ｎ型半導体基板 ２ ｎ型光ガイド領域 ３ 分布帰還用回折格子 ４ａ レーザ活性層 ４ｂ 量子井戸構造 ５ ｐ型光ガイド領域 ６ ｐ型クラッド領域 ７ ｐ型コンタクト領域 ８ 半絶縁性埋込領域 ９ ポリイミド領域 １０ ｐ側電極 １１ 配線 １２ ｎ側電極 １４ ＤＦＢレーザ １５ 光変調器 １６ 分離領域
Claims (13)
- 【請求項１】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の厚さ及び前記量子井戸層と前記障
壁層との界面における価電子帯のポテンシャル障壁の高
さが、量子井戸層内に生ずる電界の強さが零の状態にお
いて、前記量子井戸層の価電子帯側の正孔に対する量子
準位数を２または３とするように選択されている量子井
戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造に、厚さ方向の電界を印加する電
界印加手段とを有する半導体装置。 - 【請求項２】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と、電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
とを有し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電
圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラ
ットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状
態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底
準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次
の高次準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下であ
る半導体装置。 - 【請求項３】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に
対する２次の高次準位が存在し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電
圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラ
ットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状
態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底
準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する２次
の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下であ
る請求項２に記載の半導体装置。 - 【請求項４】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に
対する２次の高次準位が存在し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧
を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した
状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側
の基底準位にある電子と価電子帯側の２次の高次準位に
ある正孔との間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイ
アス電圧の増加に伴って減少する請求項２に記載の半導
体装置。 - 【請求項５】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁
を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と
少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
とを有し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧
を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した
状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側
の基底準位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位に
ある正孔との波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス
電圧の増加に伴って減少する半導体装置。 - 【請求項６】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に
対する２次の高次準位が存在し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に順バイアス電
圧を印加して前記量子井戸積層構造のバンド構造をフラ
ットにした状態から、ある逆バイアス電圧を印加した状
態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底
準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の
電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する２次
の高次準位との間の遷移波長との差が６０ｎｍ以下であ
る請求項５に記載の半導体装置。 - 【請求項７】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に
対する２次の高次準位が存在し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間にバイアス電圧
を印加しない状態から、ある逆バイアス電圧を印加した
状態までの全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側
の基底準位にある電子と価電子帯側の２次の高次準位に
ある正孔との間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイ
アス電圧の増加に伴って減少する請求項５に記載の半導
体装置。 - 【請求項８】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成す
る量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障壁
を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層と
少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
と、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイア
ス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加
する電圧印加手段であって、第１のバイアス電圧を印加
した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態まで
の全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に
対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する基底準位と
の間の遷移波長と、前記量子井戸層の伝導帯側の電子に
対する基底準位と価電子帯側の正孔に対する１次の高次
準位との間の遷移波長との差が４０ｎｍ以下である半導
体装置。 - 【請求項９】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に
対する２次の高次準位が存在し、 前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバ
イアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記
量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子
帯側の正孔に対する基底準位との間の遷移波長と、前記
量子井戸層の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子
帯側の正孔に対する２次の高次準位との間の遷移波長と
の差が６０ｎｍ以下である請求項８に記載の半導体装
置。 - 【請求項１０】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成
する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
と、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイア
ス電圧と第２のバイアス電圧のいずれかを選択的に印加
する電圧印加手段であって、第１のバイアス電圧を印加
した状態から、第２のバイアス電圧を印加した状態まで
の全域にわたって、前記量子井戸層の伝導帯側の基底準
位にある電子と価電子帯側の１次の高次準位にある正孔
との間の波動関数の重なり積分の値が、逆バイアス電圧
の増加に伴って減少する半導体装置。 - 【請求項１１】 前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔
に対する２次の高次準位が存在し、 前記第１のバイアス電圧を印加した状態から、第２のバ
イアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前記
量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子帯
側の２次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重な
り積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少する
請求項１０に記載の半導体装置。 - 【請求項１２】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成
する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
とを有し、 前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に第１のバイア
ス電圧を印加した状態から、該第１のバイアス電圧より
もより大きな逆バイアス電圧である第２のバイアス電圧
を印加した状態までの全域にわたって、前記量子井戸層
の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔
に対する基底準位との間の遷移波長と、前記量子井戸層
の伝導帯側の電子に対する基底準位と価電子帯側の正孔
に対する１次の高次準位との間の遷移波長との差が４０
ｎｍ以下である半導体装置の使用方法であって、 前記量子井戸積層構造に光線束を入射し、前記第１のバ
イアス電圧を印加して該光線束を透過させる状態と、前
記第２のバイアス電圧を印加して該光線束を吸収する状
態とを切り換える前記半導体装置の使用方法。 - 【請求項１３】 電子及び正孔に対して量子井戸を形成
する量子井戸層と電子及び正孔に対してポテンシャル障
壁を形成する障壁層とが、少なくとも１層の量子井戸層
と少なくとも２層の障壁層とを含むように交互に積層さ
れ、前記量子井戸層の価電子帯側に、正孔に対する基底
準位と１次の高次準位が存在する量子井戸積層構造と、 前記量子井戸積層構造の一方の面に接するｎ型半導体層
と、 前記量子井戸積層構造の他方の面に接するｐ型半導体層
とを有し、 第１のバイアス電圧を印加した状態から、該第１のバイ
アス電圧よりもより大きな逆バイアス電圧である第２の
バイアス電圧を印加した状態までの全域にわたって、前
記量子井戸層の伝導帯側の基底準位にある電子と価電子
帯側の１次の高次準位にある正孔との間の波動関数の重
なり積分の値が、逆バイアス電圧の増加に伴って減少す
る半導体装置の使用方法であって、 前記量子井戸積層構造に光線束を入射し、前記第１のバ
イアス電圧を印加して該光線束を透過させる状態と、前
記第２のバイアス電圧を印加して該光線束を吸収する状
態とを切り換える前記半導体装置の使用方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06679397A JP3921268B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 半導体光変調器 |
| KR1019980006941A KR100299090B1 (ko) | 1997-03-19 | 1998-03-03 | 반도체장치및그사용방법 |
| US09/035,330 US6437361B1 (en) | 1997-03-19 | 1998-03-05 | Semiconductor device and method of using the same |
| DE69832748T DE69832748T2 (de) | 1997-03-19 | 1998-03-19 | Potentialtopf-Halbleiterbauelement |
| EP98302089A EP0866505B1 (en) | 1997-03-19 | 1998-03-19 | Quantum well semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06679397A JP3921268B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 半導体光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10260381A true JPH10260381A (ja) | 1998-09-29 |
| JP3921268B2 JP3921268B2 (ja) | 2007-05-30 |
Family
ID=13326111
Family Applications (1)
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