JPH11212036A

JPH11212036A - 多重量子井戸光変調器

Info

Publication number: JPH11212036A
Application number: JP1595598A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yamanaka; 孝之山中; Takaaki Kakizuka; 孝明硴塚; Kiyoyuki Yokoyama; 清行横山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】変調された出射光の強度が飽和することがな
く、また、出射光の波長のシフトを抑制するができる半
導体量子井戸光変調器を提供する。【解決手段】障壁層Ｂの格子定数を量子井戸層Ｗの格
子定数より小さくし、障壁層Ｂの価電子帯頂上のエネル
ギー準位Ｅｖｂと前記量子井戸層Ｗの価電子帯の第１励
起エネルギー準位Ｅｖｈとの差が３０ｍｅＶより大きく
８０ｍｅＶより小さくしている。これによって、入射光
９により生成された電子・正孔が多重量子井戸３内に蓄
積されるのを防止している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界吸収型半導体
光変調器に関し、特に、量子井戸層と障壁層を交互に積
層した多重量子井戸を備えた多重量子井戸光変調器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や
有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の化合物半導
体極薄膜作成技術の進展によって、半導体多重量子井戸
や超格子構造が登場し、従来のバルク半導体に比べて、
オプトエレクトロニクス素子の著しい特性改良が可能と
なっている。このうち、多重量子井戸に電圧を印加する
と、多重量子井戸の吸収係数あるいは屈折率が変化する
電界吸収効果は、バルク半導体に比べ非常に顕著であ
り、この効果を利用して高速で低電圧駆動の光変調器を
作製することが可能である。

【０００３】従来のこのような多重量子井戸光変調器の
一例について説明すると、多重量子井戸変調器では、半
導体基板上に、入射光を多重量子井戸に閉じこめるため
のクラッド層を設け、さらに、量子井戸層と障壁層とを
交互に積層した多重量子井戸と、これをサンドイッチす
るクラッド層と、電極の材料とオーミック接触をとるた
めのコンタクト層が順次積層されている。そして、この
電極と、半導体基板背面に設けたもうひとつ電極との間
に電圧を印加すると、多重量子井戸に電界吸収効果が起
こり、入射光の強度が変調される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の多重量子井戸光変調器を高周波の変調電圧で駆動する
と、無変調状態に対応する出射光の強度が入射光の強度
より低くなり、さらに、入射光の強度が増大すると、出
射光の強度が飽和するという問題があった。そのため、
光ファイバで伝送できる光強度を大きくすることができ
なかった。

【０００５】また、上記した従来の多重量子井戸光変調
器で変調された出射光の波長がシフトするという問題が
あった。そのため、波長多重通信において、波長多重度
の向上の障害となっていた。

【０００６】そこで、本発明は、無変調状態に対応する
出射光の強度を飽和させず、また、出射光の波長シフト
を低減することができる多重量子井戸光変調器を提供す
ることを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１の多重量子井戸光変調器は、量子井戸層と
障壁層とを交互に積層した多重量子井戸を備え、前記多
重量子井戸に電圧を印加することにより、多重量子井戸
に入射する光の強度を変調する多重量子井戸光変調器で
あって、前記障壁層の格子定数は前記量子井戸層の格子
定数より小さく、前記障壁層の価電子帯頂上のエネルギ
ー準位と前記量子井戸層の価電子帯の第１励起エネルギ
ー準位との差を３０ｍｅＶより大きく８０ｍｅＶより小
さくしている。

【０００８】この請求項１の発明により、入射光により
生成された電子・正孔対のうちの正孔が多重量子井戸内
に過剰に蓄積されるのを防止している。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照しつつ説明する。図１は本発明の多重量子井戸光変調
器の斜視図である。

【００１０】図１によれば、本発明の多重量子井戸光変
調器においては、半導体基板１上に、クラッド層２、量
子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸３、
クラッド層４，コンタクト層５が順次積層されている。
そして、電極６と電極７との間に電圧を印加すると、そ
の印加電圧に応じて、多重量子井戸３のエネルギーギャ
ップが狭まり、吸収端が長波長にシフトする結果、入射
光９が変調される。

【００１１】特に、本発明では、入射光９により生成さ
れた電子・正孔対のうちの正孔が多重量子井戸内に過剰
に蓄積されるのを防止するため、多重量子井戸３が従来
と異なっている。

【００１２】そこで、図２を参照して、本発明に好適な
多重量子井戸３について説明する。図２は本発明の多重
量子井戸光変調器の多重量子井戸３のエネルギーバンド
図である。

【００１３】まず、このエネルギーバンド図と入射光９
との関係を説明する。電極６と電極７間の電圧Ｖが零で
ある時には、量子井戸層Ｗの伝導帯の底のエネルギーＥ
ｃｗと量子井戸層Ｗの価電子帯の頂上のエネルギーＥｖ
ｗとのエネルギーギャップΔE ｇ（０）は、変調すべき
入射光９のエネルギーｈνより大きくなるようにしてお
く。そのためには、量子井戸層と障壁層の組成を調整す
ればよい。いいかえると、変調電圧が印加されていな
い時の多重量子井戸３の吸収端波長は、入射光９の波長
より短かく設定しているので、この状態では入射光９は
多重量子井戸３では吸収されない。

【００１４】ところが、電極６と電極７に電圧Ｖを印加
すると、上記エネルギーギャップは減少する。そして、
一定電圧以上では、ΔE ｇ（Ｖ）はｈνより小さくな
る。図２は、ΔE ｇ（Ｖ）がｈνより小さくなって、入
射光９エネルギーの吸収が起こり、井戸層Ｗ内で電子・
正孔対の生成が行われている状態を図示している。

【００１５】このように生成された電子・正孔対は、励
起子として振る舞うが、所定の寿命で分離し、印加され
ている電界により、互いに逆方向に走行して外部回路へ
流出する。

【００１６】ところで、半導体結晶中の正孔の有効質量
ｍ_hは電子の有効質量ｍ_eの３〜１５倍である。従っ
て、正孔は電子より量子井戸内に蓄積されやすい。ま
た、電子および正孔は量子井戸内に閉じこめられている
ので、対生成された電子・正孔対が励起子として安定に
存在し続けようとする。従って、高周波信号を変調して
いる最中の多重量子井戸３の井戸層Ｗ中には、電子や正
孔の蓄積、又は、励起子の蓄積が起こり、屈折率や吸収
率が、変調電圧Ｖを零に保持したままの非動作状態とは
異なっていると考えられる。

【００１７】このような考察に基づき、従来の半導体量
子井戸光変調器の欠点をなくすためには、対生成された
電子と正孔が、量子井戸層Ｗに蓄積することなく、外部
に流出すればよいことが分かる。この電子と正孔が外部
に流出する過程は、変調電圧Ｖが零である時、またはｐ
ｉｎ接合としての多重量子井戸３のビルトイン電圧程度
の小さい値である時は、熱励起による過程が支配的であ
る。

【００１８】そこで、まず、熱励起による正孔の寿命τ
_hを電子の寿命τ_eと同程度にして、正孔の過剰蓄積を
防止しておく必要がある。ところで、光変調器の場合
は、エネルギーギャップΔE ｇ（Ｖ）と入射光９エネル
ギーｈνとの差は小さいので、対生成された電子のエネ
ルギーＥｃｅと正孔のエネルギーＥｖｈについては、そ
れぞれ第１励起準位だけを考慮する。そして、伝導帯の
井戸の深さΔE ｃを（Ｅｃｂ−Ｅｃｅ）とする。ここ
に、Ｅｃｂは障壁層Ｂの伝導帯の底のエネルギーであ
り、Ｅｃｅは井戸層Ｗの伝導帯での第１励起準位であ
る。同様に、価電子帯の井戸深さΔE ｖを（Evh −Evb
）とする。ここに、Ｅｖｂは障壁層Ｂの価電子帯の頂
上のエネルギーであり、Ｅｖｈは井戸層Ｗの価電子帯で
の第１励起準位である。

【００１９】このΔE ｖ、ΔE ｃ、井戸幅Ｌ、温度Ｔ、
ボルツマン定数ｋ_Bを使うと、正孔の寿命τ_h、電子の
寿命τ_hはそれぞれ次の式で表される。

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】ここで、正孔の寿命τ_hを電子の寿命τ_e
に等しいと置くと、正孔の有効質量ｍ_h、電子の有効質
量ｍ_e、価電子帯の井戸深さΔE ｖ、および伝導帯の井
戸の深さΔE ｃとの関係式が次のように得られる。

【００２３】

【数３】

【００２４】この式の右辺は常に正であるから、（ΔE
ｃ−ΔE ｖ）は常に正でなければならない。従って、本
発明に好適な多重量子井戸３においては、価電子帯の井
戸深さΔE ｖは伝導帯の井戸の深さΔE ｃより小さくな
ければならない。

【００２５】さらに、ｍ_h／ｍ_eは３〜１５程度であ
る。また、Ｔを室温３００Ｋとしたｋ _BＴの値はエネル
ギー換算で約３０ｍｅＶである。さらに、励起子が室温
において存在可能とするためには電子の閉じ込めが必要
であり、その閉じ込めにはΔEｃを１００ｍｅＶ程度と
する必要がある。これらの条件から、価電子帯の井戸深
さΔE ｖの上限は、ｍ_h／ｍ_eが３の時には８４ｍｅＶ
となり、ｍ_h／ｍ_eが１５の時には５９ｍｅＶとなる。
従って、ΔE ｖの値は、好ましくは、８０ｍｅＶより小
さく、また、より好ましくは６０ｍｅＶより小さい。な
お、価電子帯の井戸深さΔE ｖの下限は、Ｔを室温３０
０Ｋとしたｋ_BＴの値のエネルギー換算値が３０ｍｅＶ
であるから、３０ｍｅＶである。

【００２６】従って、本発明では、価電子帯の井戸の深
さΔE ｖを３０〜８０ｍｅＶとしなければならない。以
上、本発明に好適な多重量子井戸３のエネルギーバンド
図について説明した。実際に本発明に好適な多重量子
井戸３の材料は、入射光９の波長に応じて選択すること
になる。

【００２７】たとえば、入射光９の波長を１．５５μｍ
としたときに好適な材料の一例としてＩｎＡｌＧａＡｓ
４元混晶があげられる。というのは、無歪み井戸層がＩ
ｎ₀．₅₃Ａｌ₀．₀Ｇａ₀．₄₇Ａｓであり、無歪み障壁
層がＩｎ₀．₅₂Ａｌ₀．₄₈Ｇａ₀．₀Ａｓである多重量
子井戸３の場合、伝導帯の井戸の深さΔE ｃは５００ｍ
ｅＶであり、価電子帯の井戸の深さΔE ｖは２００ｍｅ
Ｖであるから、ΔE ｃがΔE ｖより大きい。従って、各
層の組成比を変えて、ΔE ｖを上記所望の３０〜８０ｍ
ｅＶにすることができればよい。なお、ＩｎＧａＡｓＰ
４元混晶で多重量子井戸を形成すると、伝導帯の井戸の
深さΔE ｃより価電子帯の井戸深さΔEｖが大となり、
本発明には不適と考えられる。というのは、このような
材料の組成比を変化させても、ΔE ｃを上記所望の３０
〜８０ｍｅＶにすると同時に、ΔE ｃとΔE ｖの大小関
係を逆転させて（ΔE ｃ−ΔE ｖ）を正とするのは困難
と考えられるからである。

【００２８】そこで、以下、図３乃至図５を参照しつ
つ、実際の材料設計について説明する。ここでは、Δ
E ｃがΔE ｖより大きいＩｎＡｌＧａＡｓ無歪み多重量
子井戸を例に取り、各層の組成比を変えて、ΔE ｖを上
記所望の３０〜８０ｍｅＶにすることができることを実
証する。

【００２９】目的とする多重量子井戸３の価電子帯の井
戸の深さΔE ｖは、無歪み多重量子井戸での値より小さ
くしなければならないため、障壁層Ｂに引張り歪みを与
えることとする。

【００３０】ここで、この引張り歪みと材料組成の関係
は知られているので、本発明においては、障壁層Ｂの引
張り歪み量が０．５％の一定値を維持するようＧａ、Ａ
ｌ、Ｉｎの組成比を変化させる。また、量子井戸層Ｗの
組成は不変（Ｉｎ₀．₅₃₁Ａｌ₀．₀₃₇Ｇａ₀．₄₃₂Ａ
ｓ）としている。そして、これらの条件下で、強結合近
似に基づくバンド構造計算を行った。

【００３１】図３は、伝導帯のバンド構造計算結果を示
すグラフである。図３によれば、第１励起準位Ｅｃｅと
障壁層Ｂの伝導帯の底のエネルギーＥｃｂとの差である
ΔＥｃはＧａ組成比の増大とともに減少している。特
に、Ｇａ組成比０．４の時、ΔＥｃは０．１２ｅＶであ
る。

【００３２】図４は、重い正孔に対する価電子帯のバン
ド構造計算結果を示すグラフである。図４によれば、
第１励起準位Ｅｖｈと障壁層Ｂの価電子帯の頂上のエネ
ルギーＥｖｂとの差であるΔＥｖはＧａ組成比の増大と
ともに減少している。特に、Ｇａ組成比０．４の時、Δ
Ｅｖは０．０４ｅＶである。正確には、Ａｌ組成比０．
１５２、Ｇａ組成比０．３９１の時、ΔＥｖは０．０３
４９ｅＶである。

【００３３】また、図５は、軽い正孔に対する価電子帯
のバンド構造計算結果を示すグラフである。図５によれ
ば、第１励起準位Ｅｖｈと障壁層Ｂの価電子帯の頂上の
エネルギーＥｖｂとの差であるΔＥｖはＧａ組成比の増
大とともに減少している。特に、Ｇａ組成比０．４の
時、ΔＥｖはほとんど０ｅＶである。正確には、Ａｌ組
成比０．１５２、Ｇａ組成比０．３９１の時、ΔＥｖは
０．０００７ｅＶである。

【００３４】従って、Ｇａ組成比０．４の時、電子と重
い正孔に対して、ΔE ｃ＞ΔE ｖという条件と３０ｍｅ
Ｖ＜ΔE ｖ＜８０ｍｅＶという条件が満たされる。な
お、本発明変調器の場合、重い正孔か軽い正孔のいずれ
かに対して上記の条件が満足されればよい。

【００３５】従って、電子と軽い正孔に対して、上記の
条件を満足させるには、図２乃至図４を参照すれば、Ｇ
ａ組成比を約０．３とするとよいことが分かる。以上説
明した通り、本発明変調器に好適な多重量子井戸３は特
定組成のＩｎＡｌＧａＡｓにより構成できることが、強
結合バンド構造計算により実証された。

【００３６】そこで、次には、上記の特定組成のＩｎＡ
ｌＧａＡｓによる多重量子井戸３を備えた多重量子井戸
光変調器を駆動してその特性を検討する。そのための多
重量子井戸光変調器の構成は、図１に示した通りであ
り、半導体基板１はｎ−ＩｎＰとした。そして、半導体
基板１の上に、ｎ−ＩｎＰのクラッド層２、ノンドープ
ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓの多重量子井戸
３、ｐ−ＩｎＰのクラッド層４，およびｐ−ＩｎＧａＡ
ｓのコンタクト層５が順次積層されている。

【００３７】ここで、多重量子井戸３は、上記の計算結
果に基づき、障壁層ＢのＧａ組成比約０．４とし、電子
と重い正孔の蓄積を抑制させることとした。より正確に
は、Ｉｎ₀．₅₃₁Ａｌ₀．₀₃₇Ｇａ₀．₄₃₂Ａｓの量子
井戸層１０ｎｍと、Ｉｎ₀． ₄₅₇Ａｌ₀．₁₅₂Ｇａ₀．
₃₉₁Ａｓの障壁層１０ｎｍを８対積層した多重量子井戸
３を形成した。このような本発明変調器により波長
１．５５μｍの入射光９を変調した。図６は高速変調
動作中における、入射光強度飽和特性を測定した結果の
グラフである。このグラフの縦軸は、変調電圧Ｖが零に
対応する出力光強度である。

【００３８】図６によると、本発明変調器では、出力光
強度は、無変調である故に、入力光強度と等しい。これ
に対して、従来の変調器では、変調電圧が零であるにも
かかわらず、出力光強度が飽和している。これは、対生
成された電子、正孔が外部回路に掃き出されることな
く、多重量子井戸３に蓄積されているからである。

【００３９】本発明では、このようなキャリアの蓄積を
防止した結果、出力光強度の飽和が見られなくなったの
である。図７は印加電界に対するチャープパラメータβ
を測定した結果のグラフである。このグラフの縦軸は次
式で定義されるチャープパラメータβである。

【００４０】

【数４】

【００４１】ここで、λは入射光９の波長、Δαは多重
量子井戸３による光吸収係数αの変化量、Δｎは多重量
子井戸３による屈折率ｎの変化量である。また、図７の
グラフの横軸は印加電界であり、ｐｉｎ接合としてのビ
ルトイン電圧は、多重量子井戸３に３０〜４０ｋＶ／ｃ
ｍのビルトイン電界を生じさせており、このビルトイン
電界において変調電圧ｖが零である。

【００４２】図７によると、本発明変調器ではチャープ
パラメータβが負の小さな値となっている。そのため、
出射光１０の波長のシフト量が小さい。これに対して、
従来の変調器では、チャープパラメータβは低電界で正
の大きな値となっている。そのため、出射光１０の波長
シフトが大きく、波長多重通信用の変調器としては適さ
ない。

【００４３】本発明では、多重量子井戸３のエネルギー
バンドに条件を課し、対生成した電子、正孔が多重量子
井戸３内に蓄積しないようにした結果、低電界でもチャ
ープパラメータβを負の小さな値にすることができたの
である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
無変調状態に対応する出射光強度を飽和させず、また、
出射光の波長シフトを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多重量子井戸光変調器の斜視図であ
る。

【図２】本発明に好適なエネルギーバンド図である。

【図３】本発明に好適な伝導帯のエネルギー準位を示す
グラフである。

【図４】本発明に好適な重い正孔に対する価電子帯のエ
ネルギー準位を示すグラフである。

【図５】本発明に好適な軽い正孔に対する価電子帯のエ
ネルギー準位を示すグラフである。

【図６】出射光強度の飽和特性を示すグラフである。

【図７】チャープパラメータβの印加電界依存性を示す
グラフである。

【符号の説明】

１半導体基板２、４クラッド層３多重量子井戸５コンタクト層６、７電極８ワイア９入射光１０出射光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸層と障壁層とを交互に積層した
多重量子井戸を備え、前記多重量子井戸に電圧を印加す
ることにより、多重量子井戸に入射する光の強度を変調
する多重量子井戸光変調器であって、前記障壁層の格子定数は前記量子井戸層の格子定数より
小さく、前記障壁層の価電子帯頂上のエネルギー準位と前記量子
井戸層の価電子帯の第１励起エネルギー準位との差が３
０ｍｅＶより大きく８０ｍｅＶより小さいことを特徴と
する多重量子井戸光変調器。