JPH11109298A

JPH11109298A - 半導体素子

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Publication number: JPH11109298A
Application number: JP26759597A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Sawaki; 宣彦澤木
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: JP3751423B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】並の光強度でも充分な変調度とピコ秒の領域
での動作が得られ、単一の素子で複数の波長の光による
光の変調を可能にする半導体素子を提供する。【解決手段】ノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓクラッド
層３及び５は活性層となる単位構造を他の素子から分離
するためのポテンシャル障壁層で、電子と正孔が単位構
造からトンネル効果によって逃げることを防ぐ。量子化
された電子と正孔のエネルギー準位の異なる複数の量子
井戸層４ａ，４ｃ，４ｅを有し、これらの間に障壁層４
ｂ，４ｄを設け、これらのエネルギー準位のうちのいず
れかの量子井戸層のエネルギーに共鳴する光を入射し
て、その量子井戸層に電子と正孔を生じさせ、電子がエ
ネルギー準位の異なる他の量子井戸にトンネル効果によ
って移動することで生じる内部電界によって、複数のエ
ネルギー準位の多重共鳴を引き起こすことにより、全て
の量子井戸層におけるエネルギー準位の変化を起こさ
せ、複数の光の波長における光吸収率を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子に係
り、特に、光による光変調素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光通信、光情報処理等の分野
においては、高速の光信号処理装置が必要とされてい
る。特に、画像情報処理技術は、宇宙や医療等の分野で
各種の観測・評価手段として、その高信頼性と高精細化
及び高速化が望まれている。光通信の分野における光信
号の変調には、従来から半導体レーザの直接変調が用い
られているが、動作周波数は１０ギガヘルツ程度に停ま
っている。

【０００３】このため、並列処理などの技術の開発が必
要である。画像情報処理技術における、空間光変調器で
は、液晶を用いた光信号の並列変調が行われているが、
動作速度はマイクロ秒であり、動作温度、耐久性、処理
速度等の点で、半導体などの固体素子の利用が望まれて
いる。半導体量子井戸構造、超格子構造を利用する光信
号処理装置は高信頼性と、高速動作が期待され、また、
集積化も容易であることから、種々の素子が提案されて
いるが、変調度、動作速度、変調可能な光強度等の点で
難点がある。特に、光による光信号の変調を可能にする
素子には十分なものが提案されていない。

【０００４】また、単一量子井戸構造が形成される励起
子の吸収飽和現象を用いる変調素子では、光による光信
号の処理が可能である。量子井戸に十分な電子を供給す
るために、例えば、ＧａＡｓ量子井戸を用いる場合、光
強度として数ｋＷ／ｃｍ²程度での動作が可能である
が、特性波長が一つであるため、並列信号処理は不可能
である。次に、励起子の仮想準位の形成、すなわち、光
学的シュタルク効果を利用する変調素子は、用いる光の
波長には任意性があり、テラヘルツでの動作が実証され
ているが、光による電界を得るために、メガワット／ｃ
ｍ²もの光強度が必要である。

【０００５】並列光信号処理装置として特に注目されて
いる、電界による量子シュタルク効果を利用する素子
は、ＳＥＥＤ（Ｓｅｌｆ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ
−ＥｆｆｅｃｔＤｅｖｉｃｅ）と呼ばれる。この素子
は、入射光によって発生する光電流が外部回路（素子内
の量子井戸層とは別の領域に形成される等価的外部回路
を含む）に流れることによって、外部回路に接続された
抵抗に発生する電圧が量子井戸層に印加されることによ
り、量子井戸に誘起されるシュタルク効果を利用するも
のであるが、外部回路を利用するために、そのＣＲ時定
数の制限を受け、動作速度はナノ秒に停まっている。

【０００６】この素子は、通常、複数の量子井戸層を活
性層に有するが、量子井戸の厚さとしては同じ厚さの多
重量子井戸構造が用いられている。そのため、光による
光の変調には、二つの素子を回路によって接続し、入射
光に対する検知素子と信号光を変調する素子とを別々に
設けなければならないという難点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の各種の光信号処理装置は、それそれ難点を有してお
り、技術的に満足のいくものではなかった。本発明は、
上記問題点を解決し、並の光強度でも十分な変調度が得
られ、かつ、ピコ秒の領域での動作が得られ、単一の素
子で複数の波長の光による光の変調を可能にする半導体
素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体素子において、量子化された電子
と正孔のエネルギー準位の異なる複数の量子井戸層を有
し、これらの量子井戸層の間に障壁層を設け、前記量子
井戸層のエネルギー準位のうちのいずれかの量子井戸層
のエネルギーに共鳴する光を入射することによって、前
記量子井戸層に電子と正孔を生じさせ、電子がエネルギ
ー準位の異なる他の量子井戸層にトンネル効果によって
移動することにより生じる内部電界によって、複数のエ
ネルギー準位の多重共鳴を引き起こすことによって、全
ての量子井戸層におけるエネルギー準位の変化を起こさ
せ、予め設定された複数の光の波長における光吸収率を
変化させるように構成するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。本発明の半導体素子の
基本的な構造及び動作原理をＧａＡｓとＡｌ_xＧａ_1-X
Ａｓよりなる非対称多重量子井戸構造を用いた素子を例
として説明する。図１は本発明の実施例を示す非対称三
重量子井戸構造を用いた光変調素子の構造模式図であ
る。

【００１０】この図に示すように、この光変調素子は、
ｎ形ＧａＡｓ基板１上に、ｎ形ＧａＡｓバッファ層２、
ノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓクラッド層３、非対称多
重量子井戸層４、ノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓクラッ
ド層５、並びにｎ形ＧａＡｓキャップ層６を順次堆積さ
せた後、ｎ形ＧａＡｓ基板１の一部をリソグラフィーに
より除去し、電極７、８を上下に設けた構造を有してい
る。

【００１１】非対称多重量子井戸構造の例として、非対
称三重量子井戸構造を図２に示す。ここで、非対称多重
量子井戸層４を、厚さの異なる複数の量子井戸層４ａ，
４ｃ，４ｅとＡｌＧａＡｓよりなる薄い障壁層４ｂ，４
ｄとから構成することが特に重要である。また、ノンド
ープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓクラッド層３及び５は、活性層
となる単位構造を他の素子から分離するためのポテンシ
ャル障壁層で、電子と正孔が単位構造からトンネル効果
によって逃げることを防ぐ目的を有するものである。

【００１２】このために、この障壁層３及び５はある程
度の厚さを必要とする。例えば、図２の例では、２０ｎ
ｍ以上が必要である。４ａ，４ｃ，４ｅは、それぞれ厚
さの異なるノンドープＧａＡｓ量子井戸層であり、これ
らの間に、電子がトンネル効果によって、量子井戸層間
を移動できるだけの厚さのノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡ
ｓポテンシャル障壁層４ｂ，４ｄが挿入されている。

【００１３】ここで、三つのノンドープＧａＡｓ量子井
戸層４ａ，４ｃ，４ｅの厚さが、互いに異なることが特
に重量である。そして、このノンドープＧａＡｓ量子井
戸層４ａ，４ｃ，４ｅの厚さは、ともに電子のドブロー
イ波長以下である。図３は本発明の実施例を示す光変調
素子の基本構造部分のエネルギーバンド図である。

【００１４】それぞれのノンドープＧａＡｓ量子井戸層
には、それぞれの層厚に応じた電子と正孔のエネルギー
準位が形成される。図に示した例では、伝導帯Ｅ_Cに
は、ノンドープＧａＡｓ井戸層４ａ，４ｃ，４ｅの順に
エネルギーの高い準位が形成される。価電子帯Ｅ_Vにも
同様に、それぞれのノンドープＧａＡｓ量子井戸層４
ａ，４ｃ，４ｅに、正孔のエネルギー準位が形成され
る。

【００１５】その結果、電子と正孔の準位を利用する光
の吸収（励起子吸収）では、それぞれのノンドープＧａ
Ａｓ量子井戸層４ａ，４ｃ，４ｅで異なる特性波長を有
することになる。励起子には、同じ量子井戸層の電子と
正孔から構成される直接遷移形励起子３１と、異なる量
子井戸層の電子と正孔から構成される間接遷移形励起子
３２，３３とがある。

【００１６】図４は本発明の実施例を示す光変調素子の
電界を印加した場合の基本構造のエネルギーバンド図で
ある。電極７，８（図１参照）に電界を印加すると容易
に分かるように、図３で示した、三つの励起子３１，３
２，３３のエネルギーは変化するが、電界の大きさを調
節し、伝導帯Ｅ_Cの三つの電子準位が一致するようにす
ると、量子力学的効果によって三つの準位は共鳴状態に
入り、それぞれのノンドープＧａＡｓ量子井戸層４ａ，
４ｃ，４ｅのエネルギー準位の大きさの変化が強調され
る（エネルギー反交差現象）。

【００１７】これに伴い、伝導帯Ｅ_Cの電子波動関数の
形も変化し、それぞれのノンドープＧａＡｓ量子井戸層
４ａ，４ｃ，４ｅに局在していた波動関数の振幅が隣の
量子井戸層にまで侵入し、非局在状態になる。このよう
な、エネルギー反交差現象と波動関数の変化の相乗効果
によって、それぞれのノンドープＧａＡｓ量子井戸層４
ａ，４ｃ，４ｅに固有の光吸収スペクトルが変化する。
特に、励起子３１，３２，３３で示したような励起子の
吸収ピーク波長と、その吸収強度（光学的振動子強度）
が変化する。

【００１８】図５は本発明の実施例を示す光変調素子の
吸収率の極大を示す励起子エネルギーに対応する光の波
長とその波長における光吸収係数の大きさを示す振動子
強度の値が、外部電界によってどのように変化するかを
示す図である。つまり、図５（ａ）は非対称三重量子井
戸構造の三重反交差現象により得られる励起子波長エネ
ルギーの電界による変化を示し、図５（ｂ）は非対称三
重量子井戸構造の三重反交差現象により得られる励起子
吸収の吸収強度の電界による変化を示している。

【００１９】これらの図で、励起子３１，３２，３３に
ついて例示したように、ある特定の電界によって三重反
交差現象が得られ、この近傍で、極めて大きな特性波長
の変化が実現されることが分かる。量子力学的効果であ
る反交差現象が起こらない場合は、図５（ａ）におい
て、細い実線で示したように励起子３１の特性波長は、
電界によって変化しないが、量子力学的効果によってお
互いのエネルギー準位が反発し、太い実線で示したよう
に直接遷移形励起子３１の特性波長が変化することが重
要である。

【００２０】同様なことが他の量子井戸層の直接遷移形
励起子についても同時に起こる。外部電界によってエネ
ルギー準位が変化する効果は、量子閉じ込めシュタルク
効果と呼ばれ、古くから知られているが、多重量子井戸
構造における反交差現象も、シュタルク効果を上回るエ
ネルギー準位の変化が得られる量子効果としてから広く
知られた事実で、三重量子井戸構造では、既に、学術論
文として公表されている〔セミコンダクター・サイエン
ス・アンド・テクノロジーＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｖｏｌ．８（１９９３）ｐ．１８８１参照〕。

【００２１】本発明に係る半導体素子は、外部電界によ
って得られる三重反交差現象を、特定の量子井戸に共鳴
する光を入射することによって実現し、励起子の吸収ピ
ーク波長の変化を光変調器の原理として利用するもので
ある。一般的な三重反交差現象は、厚さが同じ複数の量
子井戸層からなる多重量子井戸構造によっても起こる
が、光によってこの現象を引き起こすためには、異なる
厚さを有する複数の量子井戸層からなる非対称多重量子
井戸構造としなければならない。その原理を以下に説明
する。

【００２２】図６は本発明の実施例を示す光変調素子の
基本構造に光が入射した場合に発生する電子と正孔の移
動を示す図である。つまり、図３に示したノンドープＧ
ａＡｓ量子井戸層４ａに共鳴する波長の光を照射した場
合を示している。この図に示すように、光照射によっ
て、ノンドープＧａＡｓ量子井戸層４ａには電子６２と
正孔６０が生成されるが、電子６２はトンネル効果によ
って容易に隣のノンドープＧａＡｓ量子井戸層４ｃおよ
び４ｅに遷移する。しかし、正孔６０はその有効質量が
大きいため、トンネル確率は極端に小さく、ノンドープ
ＧａＡｓ量子井戸層４ａに停まる。

【００２３】その結果、非対称量子井戸構造内に電子６
３，６４と正孔６０の空間的分離が起こり、内部電界が
発生する。活性層は全てノンドープであり、電気抵抗は
高いため、電界は比較的容易に非対称多重量子井戸構造
全体に行き渡る。その結果、図５で示したものと同様の
三重反交差現象が誘起され、全ての量子井戸層における
光吸収の特性波長と光吸収係数が変化する。

【００２４】このようにして、外部から電界を印加する
ことなく、図７に示すように、特定の量子井戸層に特有
の波長λ₁の光７１を照射することによって、素子に外
部電界を印加した場合と同様の効果を誘起させ、複数の
波長λ₂，λ₃を有する光７２_,７３における光吸収係
数を変化させることができる。本発明による半導体素子
で得られる光による光の変調を行う場合の変調度につい
て説明する。

【００２５】図５に示したように、制御光としての入射
光の波長を一定とし、電界が印加されないときの特定の
励起子エネルギーと一致させておけば、光吸収の効率は
良く、反交差現象を起こすのに必要な光パワーは、簡単
な計算によって、数ｋＷ／ｃｍ²程度であることが示さ
れる。反交差現象が起こると、信号光として選ばれた、
他の波長の光の吸収係数も全ての量子井戸層における励
起子エネルギーの変化によって大きく変化する。

【００２６】吸収係数の変化は、原理的に励起子ピーク
のぼけの大きさと、反交差現象によって得られるエネル
ギーシフト量との関係で決まるが、前者が後者より小さ
ければ、原理的に吸収係数は、１００％の変調が可能で
ある（現実的には、他の吸収プロセス等のため８０〜９
０％となる）。次に、本発明の実施例を示す半導体素子
の動作速度について述べる。

【００２７】この半導体素子の動作速度は、素子に電界
を印加し、反交差現象を生起させる時間で制限される。
制御光入射後の電子と正孔が生成される時間は、不確定
性原理で決まる値であり、通常は無視できる。従って、
素子の応答速度は電子がトンネル効果で隣接する量子井
戸層に遷移する時間で決まる。量子井戸構造におけるト
ンネル遷移時間の値は設計によるが、図３に示した例で
は、１０〜１００ピコ秒が達成される。障壁層が薄い場
合には数ピコ秒が実現されている例もある。従って、液
晶で実現されている光による光の変調に比べて５桁以上
の改善が可能である。他方、類似の動作を期待している
ＳＥＥＤ素子では、外部回路を流れる光電流による帰還
作用を用いるため、回路のＣＲ時定数の制限によって、
数ナノ秒に停まり、２〜３桁の改善が見込まれる。

【００２８】また、動作そのものに寄与する電子の動き
は非対称多重量子井戸構造から外には無関係であり、高
い効率が得られるという利点がある。次に、図１に示し
た本発明の実施例を示す半導体素子の電極の効用につい
て述べる。以下、本素子を各種のシステムに応用する場
合、光による光の変調の効率、動作点などを制御する必
要が生じる場合がある。電極７及び８を用いて、素子の
単位構造にバイアス電界を印加しておけば、素子の動作
点を変化させることができる。すなわち、本基本構造を
平面上に並べ、平面光変調器として用いる場合には、そ
れぞれの基本構造の動作点を制御することによって、処
理すべき画像の形態に応じた制御システムを形成するこ
とができる。

【００２９】本素子の実施上の留意点を動作原理に基づ
いて述べる。（１）制御しようとする光の波長域は、量子井戸層に用
いる材料によって決まる。例えば、ＧａＡｓの場合に
は、エネルギーバンドギャップが約１．４ｅＶであり、
波長としては、量子井戸層の厚さによるが、８００ｎｍ
〜９００ｎｍの帯域がカバーできる（ガラスファイバー
適用波長域）。量子井戸層としてＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ_y
Ｐ_1-yを用いると、１．１〜１．５μｍの帯域（石英フ
ァイバー適用波長域）が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＰを用いる
と、６３０〜７００ｎｍの帯域（プラスティックファイ
バー適用波長域）がカバーできる。

【００３０】（２）一つの素子で制御可能な波長の数
（チャネル数）は、基本的には単位構造としての非対称
多重量子井戸構造を形成する量子井戸層の数によって決
まる励起子の数によって決まる。例えば、三重量子井戸
構造では三つの電子準位と、三つの正孔準位を用いるこ
とが可能で、３×３＝９チャネルの特性波長制御が可能
である。

【００３１】しかし、間接遷移形励起子の吸収ピークは
急峻ではない（ぼけが大きい）ことが多く、急峻なピー
クを有する直接遷移形励起子を利用するのが好ましく、
三重量子井戸構造では三つの波長を制御すると考えられ
るのが現実的である。（３）上記実施例では、ＧａＡｓ量子井戸層を有する基
本構造の基板としてＧａＡｓを用いる例を示したが、本
基本構造を空間光変調器に応用する場合には、基板ある
いはバッファ層、並びにキャップ層の材料として、活性
層よりエネルギーバンドギャップの大きなものを用いる
方が良いことは言うまでもない。これらの層での光吸収
が無視できないからである。例えば、これらの層にＩｎ
Ｐを用い、活性層の量子井戸層としてＩｎ_XＧａ_1-XＡ
ｓ_yＰ_1-yを用いると、このような弊害を取り除くこと
ができる。

【００３２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。（Ａ）量子井戸層に印加される電界として、制御光の吸
収によって生成された電子がトンネル効果によって隣の
量子井戸に遷移することによって誘起される内部電界を
利用しているので、光に対する応答が極めて高速にな
る。

【００３４】（Ｂ）厚さの異なる複数の量子井戸層を積
層する構造とすることによって、複数の特性吸収ピーク
を有する。よって、本素子は、単一の光によって複数の
波長の光の吸収率を同時に制御することが可能な多波長
変調素子として利用することができる。（Ｃ）本発明による基本構造は、光の波長程度の大きさ
の微細素子とすることが可能で、基本構造を平面上に並
べることによって、高精細な空間光変調器を構成するこ
とができる等、工業上多大な利益がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す非対称三重量子井戸構造
を用いた光変調素子の構造模式図である。

【図２】本発明の実施例を示す光変調素子の非対称三重
量子井戸構造部分の拡大図である。

【図３】本発明の実施例を示す光変調素子の基本構造部
分のエネルギーバンド図である。

【図４】本発明の実施例を示す光変調素子の電界を印加
した場合の基本構造のエネルギーバンド図である。

【図５】本発明の実施例の光変調素子の吸収率の極大を
示す励起子エネルギーに対応する光の波長とその波長に
おける光吸収係数の大きさを示す振動子強度の値が外部
電界によってどのように変化するかを示す図である。

【図６】本発明の実施例の光変調素子の基本構造に光が
入射した場合に発生する電子と正孔の移動を示す図であ
る。

【図７】本発明の実施例を示す基本構造を用いた光変調
素子の動作模式図である。

【符号の説明】

１ｎ形ＧａＡｓ基板２ｎ形ＧａＡｓバッファ層３，５ノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓクラッド層４非対称多重量子井戸層４ａ，４ｃ，４ｅそれぞれ厚さの異なるノンドープ
ＧａＡｓ量子井戸層４ｂ，４ｄノンドープＡｌ_xＧａ_1-XＡｓポテンシ
ャル障壁層６ｎ形ＧａＡｓキャップ層７，８電極３１，３２，３３励起子６０正孔６２，６３，６４電子７１，７２，７３光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子化された電子と正孔のエネルギー準
位の異なる複数の量子井戸層を有し、該量子井戸層の間
に障壁層を設け、前記量子井戸層のエネルギー準位のう
ちのいずれかの量子井戸層のエネルギーに共鳴する光を
入射して、前記量子井戸層に電子と正孔を生じさせ、電
子がエネルギー準位の異なる他の量子井戸層にトンネル
効果によって移動することにより生じる内部電界によっ
て、複数のエネルギー準位の多重共鳴を引き起こし、全
ての量子井戸層におけるエネルギー準位の変化を起こさ
せ、複数の光の波長における光吸収率を変化させるよう
に構成したことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】前記複数の量子井戸層の電子のエネルギ
ー準位が、外部から電界を印加することによって同時に
共鳴を起こすように構成された請求項１記載の半導体素
子。
【請求項３】前記障壁層の層厚を、電子がトンネル効
果により遷移し得る厚さとした請求項１又は２記載の半
導体素子。
【請求項４】前記量子井戸層がＧａＡｓからなり、前
記障壁層が、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（但し０＜ｘ≦１）か
らなる請求項１、２又は３記載の半導体素子。
【請求項５】前記量子井戸層がＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_y
Ｐ_1-y（但し０＜ｘ＜１，０＜ｙ≦１）からなり、前記
障壁層がＩｎＰからなる請求項１、２又は３記載の半導
体素子。
【請求項６】前記量子井戸層がＩｎ_XＧａ_1-xＰ（但
し０＜ｘ＜１）からなり、前記障壁層がＡｌ_xＧａ_1-x
Ｉｎ_yＰ_1-y（但し０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる
請求項１、２又は３記載の半導体素子。
【請求項７】複数の光吸収帯を有する請求項１乃至６
のうち何れか１項記載の半導体素子。
【請求項８】前記複数の量子井戸層を挟んで相対向す
る電極を設け、該電極を外部電源に接続し、前記電極に
より前記複数の量子井戸層に電界を印加することを可能
にする前記請求項１乃至７のうち何れか１項記載の半導
体素子。