JPH0743757A - 半導体量子井戸光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブルーシフトの光吸収特性を保ちながら、で
きるだけ大きな光非線形効果を有するような歪み量子井
戸構造の半導体量子井戸光学素子を提供する。 【構成】 化合物半導体からなる量子井戸又は超格子構
造を利用した半導体量子井戸光学素子において、主面が
（１１１）面のＧａＡｓ基板１０上に、ＧａＡｓ基板１
０より格子定数の大きなＩｎＧａＡｓ圧縮歪み層１１
と、ＧａＡｓ基板１０の格子定数と等しい二種類の化合
物半導体ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる量子井戸構造
１２とを、交互に積層したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光又は電気信号で光を
制御する光情報処理システムを構築するために不可欠な
非線形光学素子に係わり、特に化合物半導体からなる量
子井戸又は超格子構造を利用した半導体量子井戸光学素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率，超高速の非線形光学素子
を実現するために、半導体量子井戸又は超格子構造を利
用した半導体量子井戸光学素子が研究開発されている。
半導体量子井戸又は超格子構造は、他の非線形材料（例
えば有機物非線形材料）と比べて、大きな非線形定数に
加えるに良好な電気性質を有するため、電気的な手段を
導入し更に一層光非線形性を増強したり、電子素子と非
線形光学素子を共存させることができる。

【０００３】最近、通常の［１００］方向に作成した量
子井戸非線形素子と異なり、図１３に示すように、［１
００］基板上に量子井戸構造（真性領域ｉと呼ばれる）
とｎ型及びｐ型ドープ層を積み重ねた、いわゆるｎ−ｉ
−ｐ−ｉ構造が提案されている（D.S.McCallum et al,
J.Appl.Phys 70, 6891(1991)）。

【０００４】この構造では、ｎ及びｐ層中の不純物の一
部がイオン化されるため、空間電荷が形成される。その
結果、量子井戸領域ｉに対して、層に垂直な方向に内部
電界が印加される。この内部電界の印加により、エネル
ギーバンド構造は、熱平衡状態では、図１４（ａ）に示
すように大きく曲げられる。そのため、量子井戸におけ
る励起子吸収のピークは、無電界の場合と比較して長波
長側へレッドシフトする。

【０００５】この状態で光を照射すると、量子井戸内で
励起された電子及び正孔は、内部電界により、それぞれ
ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層へ分離される。これらの
光によって励起されたキャリアは、イオン化した不純物
を電気的に中性化するため、図１４（ｂ）に示すように
量子井戸中の電界強度は低下すると同時に、エネルギー
バンド構造はかなり平らになる。従って、量子井戸にお
ける励起子吸収のピークは、光を照射しない場合に比べ
て短波長側へブルーシフトする。

【０００６】そして、この吸収ピークのシフトにより、
吸収係数及び屈折率において変化が起きるわけである。
これを利用して、光変調器，光スイッチ，光メモリなど
のような光学素子への応用が考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造においては、内部電界の大きさがイ
オン化した空間電荷の密度、即ちｎ層とｐ層におけるド
ーピング濃度によって完全に決定される。周知のよう
に、半導体材料にドーピングできる不純物濃度には制限
があり（通常１０¹⁶〜１０¹⁹ｃｍ^-3）、半導体によって
は全くドーピングできない（例えばＧａＮ）、つまり
ｐ，ｎ層を形成できないこともあり得る。さらに、内部
電界が弱い（〜１０⁴ Ｖ／ｃｍ）ため、励起子吸収ピー
クのシフト量が小さく、あまり大きな非線形効果は期待
できない。

【０００８】以上の原因から、例えば代表的な非線形光
学素子である光スイッチに応用した場合、外部印加電界
による内部電界に対して制御できる範囲はかなり狭いた
め、屈折率の変化量が小さく、光がオン・オフする状態
での強度比は小さくなる。また、内部電界が弱いため、
外部印加電界が不安定な場合にその影響を受けやすく、
素子の安定性に欠けるだけではなく、制御できる光の波
長もかなり狭い範囲に限られてしまう。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、ブルーシフトの光吸収
特性を保ちながら、できるだけ大きな光非線形効果を有
するような歪み量子井戸構造の半導体量子井戸光学素子
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、化合物半導体からなる量子井戸又は超格子構造を
利用した半導体量子井戸光学素子において、主面が（１
１１）面の化合物半導体基板上に、基板とは格子定数の
異なる化合物半導体と、基板の格子定数と等しい二種類
の化合物半導体Ａ，Ｂからなる量子井戸又は超格子構造
とを、交互に積層してなることを特徴とする。

【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 主面が（１１１）面の化合物半導体基板上に、基板
より格子定数の大きな化合物半導体（圧縮歪み層）１
と、基板の格子定数と整合する二種類の化合物半導体
Ａ，Ｂからなる量子井戸又は超格子構造２とを交互に積
層したこと。 (2) 主面が（１１１）面の化合物半導体基板上に、基板
より格子定数の小さな化合物半導体（引張り歪み層）３
と、量子井戸又は超格子構造２とを交互に積層したこ
と。 (3) 主面が（１１１）面の化合物半導体基板上に、半導
体１，量子井戸又は超格子構造２，半導体１，半導体
３，量子井戸又は超格子構造２，半導体３を順次交互に
積層した構造（圧縮歪み層と引張り歪み層の両方を含
む）を単独で又は何度も繰り返した周期構造を用いたこ
と。

【００１２】

【作用】本発明によれば、主面が（１１１）面の化合物
半導体基板上に、基板の格子定数と異なる半導体材料を
積層した場合に、格子の不整合から生じた歪みによる圧
電効果により、歪み層内に大きな内部電界が発生する。
この内部電界の方向は、歪みの性格（圧縮歪みか引張り
歪みか）によって決定される。

【００１３】例えば、主面が（１１１）Ｂ面の化合物半
導体基板上に、基板より格子定数の大きな半導体を積層
した場合、基板表面と平行な方向に圧縮歪みが生じるた
め、基板から結晶表面に向かう内部電界が歪み層に発生
する。一方、（１１１）Ｂ面の基板上に、基板より格子
定数の小さな半導体を積層した場合は、基板表面と平行
な方向に引張り歪みが生じるため、内部電界の方向は逆
になる。

【００１４】また、内部電界の大きさは、歪みの大き
さ、即ち積層された半導体材料と基板との間における格
子不整合の大きさによって決定される。例えば、（１１
１）Ｂ面のＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ_1-x Ｐ_x を積層し
た場合に、僅か１％の歪みが存在するとしても、圧電効
果によって生じた内部電界の大きさは約２×１０⁵ Ｖ／
ｃｍと極めて大きい。言うまでもなく、ＧａＡｓ_1-x Ｐ
_x 中のＰ組成ｘを変えることによって、内部電界の大き
さを必要に応じて自由自在に制御することができる。

【００１５】また、ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造のように、量子
井戸構造に予め内部電界を持たせるのに不可欠なドーピ
ングプロセスが一切不要になったことも大きなメリット
である。これによって、例えば青色発光ダイオード材料
と期待されながら実用に至っていないＧａＮのようなｐ
型ドーピングが不可能な半導体材料でも、本発明によれ
ば使用可能となるわけである。

【００１６】本発明の量子構造を例えば、代表的な非線
形光学素子である光スイッチに応用した場合、内部電界
が強いため、入射光又は外部印加電界による励起子吸収
ピークのブルーシフト量が大きく、屈折率における変化
量はかなり大きいと考えられる。従って、オン・オフ状
態における透過光強度比は、従来のｎ−ｉ−ｐ−ｉ素子
と比べて極めて大きい。

【００１７】また、内部電界が強いため、外部印加電界
の不安定による影響を受けにくく、素子の安定性に優れ
るだけではなく、制御できる光の波長範囲がかなり広が
ると言うような利点もある。なお、格子整合系の量子井
戸又は超格子構造がそのまま活用できるため、素子作製
上にも大変有利である。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体量子井戸光学素子を説明するためのもので、［１１
１］方向の圧縮歪み層を含む量子構造を示している。

【００１９】面方位が（１１１）ＢのＧａＡｓ基板１０
の上に、格子定数がＧａＡｓ基板１０より大きいＩｎＧ
ａＡｓ（圧縮歪み層）１１と、格子定数がＧａＡｓ基板
１０と整合するＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓからなるＡｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造１２とを、
順次交互に積層させる。このとき、ＩｎＧａＡｓ１１は
基板表面と平行な方向に圧縮歪みを受け、圧縮（compre
ssion ）領域ｃを形成する。

【００２０】一方、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造１２は、歪みを受けずに真性（intrinsic
）領域ｉを形成する。ここで、ＩｎＧａＡｓ１１の層
厚をその臨界膜厚より充分薄く選んであるため、歪みの
緩和によるミスフィット転位が発生せず、ＩｎＧａＡｓ
１１が弾性的に一様に歪んだ歪み層となっている。

【００２１】本実施例は、上記のｃ−ｉ構造を単独で又
は何度も繰り返したｃ−ｉ−ｃ−ｉ周期構造を用いるこ
とを特徴とする。図２は、図１の量子構造に対応するエ
ネルギーバンド図である。前記［作用］の項で詳しく説
明したように、層に平行な方向に圧縮歪みが生じるた
め、圧電効果により、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１０か
ら結晶表面に向かう内部電界が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ量子井戸又は超格子構造１２に印加されることにな
る。この内部電界の存在により、エネルギーバンド構造
は、熱平衡（光照射なし）状態では図２（ａ）に示すよ
うに大きく傾く。量子閉じ込めシュタルク効果（Quantu
m Confined Stark Effect ）により、量子井戸又は超格
子構造１２における励起子吸収ピークは、内部電界の無
い場合に比べて長波長側へレッドシフトする。

【００２２】ところが、上記のｃ−ｉ又はｃ−ｉ−ｃ−
ｉのような周期を持つ量子構造に光を照射すると、量子
井戸又は超格子構造１２より励起された電子及び正孔は
内部電界によって分離され、ＩｎＧａＡｓ１１に蓄積さ
れてゆく。これは内部電界を低下させることになり、従
ってエネルギーバンド構造の傾きは、図２（ｂ）に示す
ように小さくなる。その結果、量子井戸又は超格子構造
１２における励起子吸収ピークは、光を照射しない場合
に比べて短波長側へブルーシフトする。このブルーシフ
トにより、吸収係数そして屈折率に大きな変化を引き起
こす。

【００２３】このような特性を利用して本実施例のｃ−
ｉ又はｃ−ｉ−ｃ−ｉ構造を、例えば光スイッチに応用
した場合、外部電界の印加による屈折率の変化が大きい
ため、オン・オフ状態における透過光の強度比は、従来
のｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造に比較して遥かに高い。しかも、
内部電界が強いため、素子が外部印加電界の不安定によ
る影響を受けにくく、安定性に優れるだけではなく、制
御できる光の波長範囲もかなり広くなるわけである。

【００２４】また、ドーピングプロセスが不要になった
ため、技術的に成熟しているＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの
ような格子整合系量子井戸又は超格子構造及びｐ型ドー
ピングのできないＧａＮのような半導体材料をフル活用
することができる。さらに、ＩｎＧａＡｓ１１中のＩｎ
組成を変えることにより、歪みそして内部電界の大きさ
を必要に応じて自由自在に調整できることは言うまでも
ない大きなメリットである。 （実施例２）図３は、本発明の第２の実施例に係わる
［１１１］方向の圧縮歪み層を含む量子構造を示す模式
図である。面方位が（１１１）ＢのＧａＡｓ基板２０の
上に、格子定数がＧａＡｓと整合するＡｌＧａＡｓ及び
ＧａＡｓからなるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は
超格子構造２１と、格子定数がＧａＡｓより大きいＩｎ
ＧａＡｓ（圧縮歪み層）２２とを順次交互に積層させ
る。このとき、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超
格子構造２１は、歪みを受けずに真性領域ｉを形成す
る。

【００２５】一方、ＩｎＧａＡｓ２２は、基板表面と平
行な方向に圧縮歪みを受け、圧縮領域ｃを形成する。こ
こで、ＩｎＧａＡｓ２２の層厚をその臨界膜厚より充分
薄く選んであるため、歪みの緩和によるミスフィット転
位が発生せず、ＩｎＧａＡｓ２２が弾性的に一様に歪ん
だ歪み層となっている。

【００２６】本実施例は上記のようなｉ−ｃ構造を単独
で、又は何度も繰り返したｉ−ｃ−ｉ−ｃ周期構造を用
いることを特徴とする。図３のｉ−ｃ−ｉ−ｃ量子構造
に対応するエネルギーバンド図は、第の１実施例のｃ−
ｉ−ｃ−ｉ量子構造におけるエネルギーバンド図（図
２）とよく似ていることが、前記［作用］の項で述べた
原理から明らかである。従って、本実施例のｉ−ｃ−ｉ
−ｃ量子構造は、第１の実施例のｃ−ｉ−ｃ−ｉ量子構
造における全てのデバイスに応用することができるわけ
であり、動作の原理も全く同様である。 （実施例３）図４は、本発明の第３の実施例に係わる
［１１１］方向の引張り歪み層を含む量子構造を示す模
式図である。面方位が（１１１）ＢのＧａＡｓ基板３０
の上に、格子定数がＧａＡｓより小さいＧａＡｓＰ（引
張り歪み層）３１と、格子定数がＧａＡｓと整合するＡ
ｌＧａＡｓ及びＧａＡｓからなるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ量子井戸又は超格子構造３２とを順次交互に積層させ
る。このとき、ＧａＡｓＰ３１は基板表面と平行な方向
に引張り歪みを受け、引張り（tension ）領域ｔを形成
する。

【００２７】一方、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造３２は、歪みを受けずに真性領域ｉを形成
する。ここで、ＧａＡｓＰ３１の層厚をその臨界膜厚よ
り充分薄く選んであるため、歪みの緩和によるミスフィ
ット転位が発生せず、ＧａＡｓＰ３１が弾性的に一様に
歪んだ歪み層となっている。

【００２８】本実施例は、上記のｔ−ｉ構造を単独で又
は何度も繰り返したｔ−ｉ−ｔ−ｉ周期構造を用いるこ
とを特徴とする。図５は、図４の量子構造に対応するエ
ネルギーバンド図である。前記［作用］の項で詳しく説
明したように、層に平行な方向に引張り歪みが生じるた
め、圧電効果により、結晶表面から基板に向かう内部電
界が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造
３２に印加されることになる。この内部電界の印加によ
り、エネルギーバンド構造は、熱平衡（光照射なし）状
態では図５（ａ）に示すように大きく傾く。量子閉じ込
めシュタルク効果により、量子井戸又は超格子構造３２
における励起子吸収ピークは、内部電界の無い場合に比
べて長波長側へレッドシフトする。

【００２９】ところが、上記のｔ−ｉ又はｔ−ｉ−ｔ−
ｉのような周期を持つ量子構造に光を照射すると、量子
井戸又は超格子構造３２より励起された電子及び正孔
は、内部電界によって分離されＧａＡｓＰ３１に蓄積さ
れてゆく。これは内部電界を低下させることになり、従
ってエネルギーバンド構造の傾きは、図５（ｂ）に示す
ように小さくなる。その結果、量子井戸又は超格子構造
３２における励起子吸収ピークは、光を照射しない場合
に比べて短波長側へブルーシフトする。このブルーシフ
トにより、吸収係数そして屈折率に大きな変化をもたら
す。

【００３０】本実施例のｔ−ｉ−ｔ−ｉ量子構造は、第
１の実施例のｃ−ｉ−ｃ−ｉ又は第２の実施例のｉ−ｃ
−ｉ−ｃ量子構造と比較して、内部電界の方向及びエネ
ルギーバンド構造の傾きが正反対する以外、機能上はよ
く似ていることが明らかである。従って、ｔ−ｉ−ｔ−
ｉ量子構造は、ｃ−ｉ−ｃ−ｉ又はｉ−ｃ−ｉ−ｃ量子
構造と同様に、例えば光スイッチに応用した場合に、外
部電界の印加による屈折率の変化が大きいため、オン・
オフ状態における透過光の強度比は、従来のｎ−ｉ−ｐ
−ｉ構造に比べて遥かに高い。特に内部電界を形成する
のに、ドーピングプロセスが不要であるため、ｐ型ドー
ピングのできないＧａＮのようなワイドバンドギャップ
を有する半導体材料でも、本実施例のｔ−ｉ−ｔ−ｉ量
子構造に応用することができる。 （実施例４）図６は、本発明の第４の実施例に係わる
［１１１］方向の引張り歪み層を含む量子構造を示す模
式図である。面方位が（１１１）ＢのＧａＡｓ基板４０
の上に、格子定数がＧａＡｓと整合するＡｌＧａＡｓ及
びＧａＡｓからなるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造４１と、格子定数がＧａＡｓより小さいＧ
ａＡｓＰ（引張り歪み層）４２とを順次交互に積層させ
る。このとき、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超
格子構造４１は、歪みを受けずに真性領域ｉを形成す
る。

【００３１】一方、ＧａＡｓＰ４２は、基板表面と平行
な方向に引張り歪みを受け、引張り領域ｔを形成する。
ここで、ＧａＡｓＰ４２の層厚をその臨界膜厚より充分
薄く選んであるため、歪みの緩和によるミスフィット転
位が発生せず、ＧａＡｓＰ４２が弾性的に一様に歪んだ
歪み層となっている。

【００３２】本実施例は、上記のようなｔ−ｉ構造を単
独で、又は何度も繰り返したｉ−ｔ−ｉ−ｔ周期構造を
用いることを特徴とする。図６のｉ−ｔ−ｉ−ｔ量子構
造に対応するエネルギーバンド図は、第３の実施例のｔ
−ｉ−ｔ−ｉ量子構造におけるエネルギーバンド図（図
５）とよく似ていることが、前記［作用］の項で述べた
原理から明らかである。従って、本実施例のｉ−ｔ−ｉ
−ｔ量子構造は、第１，２，３実施例のｃ−ｉ−ｃ−
ｉ，ｉ−ｃ−ｉ−ｃ又はｔ−ｉ−ｔ−ｉ量子構造におけ
る全てのデバイスに応用することができるわけであり、
動作の原理も第３の実施例のｔ−ｉ−ｔ−ｉ量子構造と
全く同じである。 （実施例５）図７は、本発明の第５の実施例に係わる
［１１１］方向の圧縮歪み層と引張り歪み層両方を含む
量子構造を示す模式図である。面方位が（１１１）Ｂの
ＧａＡｓ基板５０の上に、格子定数がＧａＡｓより大き
いＩｎＧａＡｓ（圧縮歪み層）５１、格子定数がＧａＡ
ｓ基板と整合するＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓからなるＡ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造５２、Ｉ
ｎＧａＡｓ５１、格子定数がＧａＡｓより小さいＧａＡ
ｓＰ（引張り歪み層）５３、量子井戸又は超格子構造５
２、ＧａＡｓＰ５３を順次交互に積層させる。このと
き、基板表面と平行な方向に、ＩｎＧａＡｓ５１は圧縮
歪みを受けて圧縮領域ｃを形成し、ＧａＡｓＰ５３は引
張り歪みを受けて引張り領域ｔを形成する。

【００３３】一方、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造５２は、歪みを受けずに真性領域ｉを形成
する。ここで、ＩｎＧａＡｓ５１及びＧａＡｓＰ５３の
層厚は、それぞれの臨界膜厚より充分薄く選んであるた
め、歪みの緩和によるミスフィット転位が発生せず、Ｉ
ｎＧａＡｓ５１及びＧａＡｓＰ５３が弾性的に一様に歪
んだ歪み層となっている。

【００３４】本実施例は、上記のようなｃ−ｉ−ｃ−ｔ
−ｉ−ｔ量子構造を単独で又は何度も繰り返した周期構
造を用いることを特徴とする。図８は、図７のｃ−ｉ−
ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造に対応するエネルギーバンド図
である。前記［作用］の項で説明したように、主面が
（１１１）ＢのＧａＡｓ基板５０上にＧａＡｓより格子
定数の大きいＩｎＧａＡｓ５１を積層した場合、層に平
行な方向に圧縮歪みが生じるため圧電効果により、Ｇａ
Ａｓ基板５０から結晶表面に向かう内部電界がＩｎＧａ
Ａｓ５１に挟まれるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造５２に印加されることになる。同じよう
に、逆方向の内部電界が引張り歪みを有するＧａＡｓＰ
５３に挟まれるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超
格子構造５２に印加されることになる。

【００３５】これら内部電界の印加によりエネルギーバ
ンド構造は、熱平衡（光照射なし）状態では図８（ａ）
に示すように大きく曲がってしまう。量子閉じ込めシュ
タルク効果により、量子井戸又は超格子構造における励
起子吸収ピークは、内部電界のない場合に比べて長波長
側へレッドシフトする。

【００３６】ところが、上記ｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量
子構造に光を照射すると、量子井戸又は超格子構造５２
における励起された電子及び正孔は、内部電界によって
分離され、歪み層となるＩｎＧａＡｓ５１及びＧａＡｓ
Ｐ５３に蓄積されてゆく。これはかえって、内部電界を
低下させてしまう。従って、エネルギーバンド構造は図
８（ｂ）に示すように比較的に平らになる。その結果、
量子井戸又は超格子構造５２における励起子吸収ピーク
は、光を照射しない場合に比べて短波長側へブルーシフ
トする。このブルーシフトにより、吸収係数そして屈折
率に大きな変化をもたらす。

【００３７】これを利用して本実施例では、第１〜４実
施例の量子構造と同様に、新規な非線形光学素子、例え
ば光スイッチや光変調器，光メモリ等を作製することが
できる。

【００３８】図７，８を図１３，１４と比べて本実施例
のｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造は、構成上はもとよ
り、動作機構（内部電界の形成機構）上も、従来のｎ−
ｉ−ｐ−ｉ構造と全く異なることが明らかである。唯一
共通しているところは、真性領域となる量子井戸又は超
格子構造に内部電界が印加されていると言うことであ
る。

【００３９】前記［問題点］項で説明したように、従来
のｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造では、ドーピングプロセス上の制
限により、内部電界の大きさが小さく、実用レベルまで
に到達することが極めて困難である。特に、ＧａＮのよ
うな非常に重要な青色発光材料は、ｐ型ドーピングがで
きないため、ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造を形成することが不可
能である。

【００４０】これに対して、本実施例のｃ−ｉ−ｃ−ｔ
−ｉ−ｔ量子構造においては、内部電界を形成するの
に、ドーピングプロセスは全く不要になったため、ドー
ピングに伴う全ての制限が存在しない。しかも、内部電
界の大きさ及び方向は、格子の不整合による歪みの大き
さ及び方向を変えることにより、必要に応じて自由自在
に制御することができる。

【００４１】例えばＧａＡｓ−（１１１）Ｂ基板上に、
ＧａＡｓＰを積層した場合に、僅か１％の格子不整合
（歪み）であっても、内部電界の大きさは約２×１０⁵
Ｖ／ｃｍと、従来のｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造より１０倍以上
も大きい。特に、ＧａＮのような半導体材料は本発明の
ｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造に応用できることが言
うまでもない。さらに、技術的に成熟している格子整合
系のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造を
フル活用できるため、デバイスの作製は比較的に容易に
行えることが期待できる。

【００４２】また、本実施例のｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ
量子構造には方向が正反対の２種類の内部電界が存在す
るため、第１〜４の実施例（内部電界の方向は１つしか
ない）の量子構造で考えられない新規な非線形光学素子
（詳細は第７実施例を参照）を実現することが可能とな
る。 （実施例６）図９は、本発明の第６の実施例に係わる
［１１１］方向の圧縮歪み層と引張り歪み層両方を含む
量子構造を示す模式図である。面方位が（１１１）Ｂの
ＧａＡｓ基板６０の上に、格子定数がＧａＡｓより小さ
いＧａＡｓＰ（引張り歪み層）６１、格子定数がＧａＡ
ｓ基板と整合するＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓからなるＡ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造６２、Ｇ
ａＡｓＰ６１、格子定数がＧａＡｓより大きいＩｎＧａ
Ａｓ（圧縮歪み層）６３、量子井戸又は超格子構造６
２、ＩｎＧａＡｓ６３を順次交互に積層させる。このと
き、基板表面と平行な方向に、ＧａＡｓＰ６１は引張り
歪みを受けて引張り領域ｔを形成し、ＩｎＧａＡｓ６３
は圧縮歪みを受けて圧縮領域ｃを形成する。

【００４３】一方、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又
は超格子構造６２は、歪みを受けずに真性（intrinsic
）領域ｉを形成する。ここで、ＧａＡｓＰ６１及びＩ
ｎＧａＡｓ６３の層厚は、それぞれの臨界膜厚より充分
薄く選んであるため、歪みの緩和によるミスフィット転
位が発生せず、ＧａＡｓＰ６１及びＩｎＧａＡｓ６３が
弾性的に一様に歪んだ歪み層となっている。

【００４４】本実施例は、上記のｔ−ｉ−ｔ−ｃ−ｉ−
ｃ量子構造を単独で又は何度も繰り返した周期構造を用
いることを特徴とする。図９のｔ−ｉ−ｔ−ｃ−ｉ−ｃ
量子構造に対応するエネルギーバンド図は、第５の実施
例のｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造におけるエネルギ
ーバンド図（図８）とよく似ていることが、前記［作
用］の項で述べた原理から明らかである。従って、本実
施例のｔ−ｉ−ｔ−ｃ−ｉ−ｃ量子構造は、第１〜５実
施例の各量子構造における全てのデバイスに応用するこ
とができるわけであり、動作の原理も第５の実施例のｃ
−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造と全く同じである。 （実施例７）図１０は、第５，６の実施例の歪み量子構
造のいずれかを含む本発明の第７の実施例に係わる光ス
イッチの構成を示す図である。ｎ型ＧａＡｓ（１１１）
基板の上にｎグリッド層（ｎ領域）７２を成長し、その
上に第５，６の実施例の量子構造のいずれか（量子構造
７１）を成長し、さらにその上にｐグリッド層（ｐ領
域）７３を成長した構造である。そして、ｎ領域７２、
ｐ領域７３間に外部矩形電界が印加されるものとなって
いる。

【００４５】第５，６実施例で述べたように、ｃ−ｉ−
ｃ−ｔ−ｉ−ｔ又はｔ−ｉ−ｔ−ｃ−ｉ−ｃ歪み量子構
造を用いる場合、格子不整合による圧電効果によって方
向の正反対の２種類の内部電界が、ｉ領域となるＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸又は超格子構造に印加される
ことになる。仮に、図１０の量子構造に入射される光の
波長が、外部電界Ｅ＝０の時の励起子遷移における吸収
ピークと一致するとする。

【００４６】量子構造にＥ≠０の外部電界を印加する
と、量子井戸にある外部電界と同方向の内部電界がさら
に増強されるため、それが印加される量子井戸における
励起子吸収ピークは、図１１中のＡに示すように長波長
側へレッドシフトする。一方、量子井戸にある外部電界
と逆方向の内部電界が若干低下されるため、それが印加
される量子井戸における励起子吸収ピークは、図１１中
のＢに示すように短波長側へブルーシフトする。

【００４７】その結果、Ｅ＝０の時に殆ど吸収された
（量子構造に透過せず）入射光は、Ｅ≠０の外部電界の
印加により、（吸収係数が低下されるため）ほぼ吸収無
しの状態で、量子構造を透過できるようになる。

【００４８】図１２は、（＋）の矩形外部電界が、量子
構造に印加される場合（（−）の矩形外部電界でも同
様）の光スイッチング特性を示す。（ａ）は入力パワー
Ｐin、（ｂ）は出力パワーＰout 、（ｃ）は矩形外部印
加電界Ｅを示している。この図より明らかなように、波
長がλ、入力パワーがＰin（一定）の入射光に対して、
出力パワーＰout が矩形外部印加電界Ｅによって、高い
消光比を有する矩形状に変調されてゆく。つまり、本実
施例の光スイッチにおける効率が極めて高いわけであ
る。

【００４９】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、主にＧａＡｓ（１１
１）Ｂ基板，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ量子井戸の場合について具体的に述べた
が、材料系としてはこれらに限られることはなく、Zinc
-blendタイプの全てのIII −Ｖ族半導体（１１１）面上
に形成される圧縮歪み層，引張り歪み層又はその組み合
わせ及び基板と格子整合する量子井戸又は超格子構造を
含む全ての半導体量子井戸光学素子に、本発明を適用す
ることができる。

【００５０】また、真性領域ｉに、基板と格子整合する
量子井戸又は超格子構造ではなく、本発明者らの２つの
特許（特願平４−２２５７７０号。特願平４−３２８１
５５号）に述べるような基板と格子非整合する、つまり
歪み量子井戸構造を取り入れることもできる。さらに、
ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板に代えて、ＧａＡｓ（１１
１）Ａ基板を用いてもよい。この場合、発生する内部電
場の向きが逆になるが、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板と同
様の効果を生じることは明らかである。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施すること
ができる。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、基
板とは格子定数の異なる化合物半導体と、基板の格子定
数と等しい二種類の化合物半導体からなる量子井戸又は
超格子構造とを交互に積層することにより、自由に制御
できる強い内部電界を有する半導体量子井戸構造を実現
することができるため、ブルーシフトの光吸収特性を保
ちながら、できるだけ大きな光非線形効果を有するよう
な歪み量子井戸構造の半導体量子井戸光学素子を実現す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる［１１１］方向の圧縮歪
み層を含む量子構造を示す模式図。

【図２】図１のｃ−ｉ−ｃ−ｉ量子構造に対応するエネ
ルギーバンド図。

【図３】第２の実施例に係わる［１１１］方向の圧縮歪
み層を含む量子構造を示す模式図。

【図４】第３の実施例に係わる［１１１］方向の圧縮歪
み層を含む量子構造を示す模式図。

【図５】図４のｔ−ｉ−ｔ−ｉ量子構造に対応するエネ
ルギーバンド図。

【図６】第４の実施例に係わる［１１１］方向の引張り
歪み層を含む量子構造を示す模式図。

【図７】第５の実施例に係わる［１１１］方向の圧縮歪
み層と引張り歪み層の両方を含む量子構造を示す模式
図。

【図８】図７のｃ−ｉ−ｃ−ｔ−ｉ−ｔ量子構造に対応
するエネルギーバンド図。

【図９】第６の実施例に係わる［１１１］方向の圧縮歪
み層と引張り歪み層の両方を含む量子構造を示す模式
図。

【図１０】歪み量子構造を含む第７の実施例に係わる光
スイッチの構成を示す模式図。

【図１１】図１０の光スイッチの動作原理図。

【図１２】図１０の光スイッチにおけるスイッチング特
性図。

【図１３】従来の半導体量子井戸光学素子の構造を示す
模式図。

【図１４】図１３のｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造に対応するエネ
ルギーバンド図。

【符号の説明】

１０，２０，３０，４０，５０，６０…ＧａＡｓ（１１
１）Ｂ基板 １１，２２，５１，６３…ＩｎＧａＡｓ圧縮歪み層 １２，２１，３２，４１，５２，６２…ＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓ量子井戸構造 ３１，４２，５３，６１…ＧａＡｓＰ引張り歪み層 ７１…歪み量子構造部 ７２…ｎ型化合物半導体領域 ７３…ｐ型化合物半導体領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体量子井戸又は超格子構造を利用した
   半導体量子井戸光学素子において、 主面が（１１１）面の化合物半導体基板上に、基板とは
   格子定数の異なる化合物半導体と、基板の格子定数と等
   しい二種類の化合物半導体からなる量子井戸又は超格子
   構造とを、交互に積層してなることを特徴とする半導体
   量子井戸光学素子。