【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非線形光学半導体装置に係り、特に、光の照射による遷移を生じた後に元の状態に復帰する時間を大幅に短縮させることができる非線形光学装置に関する。 近年、非線形光学半導体装置については、例えば特願平１−１２６２３９号で報告されたものがあり、ここでは、光ビームの入射に応じて透過率を変化させる非線形光学装置を記載している。 この公知の非線形光学装置は二次元量子井戸を形成し、この二次元量子井戸中には入射光を吸収する励起子が形成される。 二次元量子井戸中に光ビームが入射すると、励起子は電子とホールとに分解するか、あるいは同時に電子とホールとが励起され、装置の透過率が変化する。 そして、この透過率の変化に対応して装置の屈折率も変化する。

【０００２】さて、上記した非線形光学装置においては、二次元量子井戸中の励起子と相互作用をする制御光ビームを注入することにより、光透過率の制御を行うことができる。 例えば、強い制御光ビームを注入することにより、二次元量子井戸を光吸収の結果生じるか、あるいは励起子の分解の結果生じた電子及びホールで飽和させることができる。 これにより非線形光学装置は光吸収能力を失う。 換言すれば、非線形光学装置は不透明状態から透明状態へと遷移する。 これに対し、制御光ビームを遮断した場合は、量子井戸に蓄積している電子及びホールが散逸するのに時間が掛かるため、元の不透明状態が回復するのにかなりの時間が掛かるという問題があった。

【０００３】そこで、この問題を解決するため、即ち光ビームを遮断した場合の遷移前の状態への回復を促進するため、上記した特願平１−１２６２３９号では、所謂ＴＢＱ（双量子井戸）構造を提案している。 以下、具体的に図面を用いて従来技術を説明する。

【０００４】

【従来の技術】図２は従来のＴＢＱ構造の非線形光学半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示す図である。 図２に示す如く、ＴＢＱ構造は、大きなバンドギャップを有する一対のバリア層31、32により二次元的に形成された活性層33を含み、バリア層32は活性層33の上に形成され、一方、バリア層32と対向するバリア層31は活性層33の下に形成される。 その結果、活性層33中には電子の量子準位Ｅ１及びホールの量子準位Ｈ１が形成れる。 励起子は、励起子を構成する電子及びホールのクーロン相互作用のため、量子準位Ｅ１の近傍でやや低いエネルギーレベルに形成される。 バリア層31、32は前述した如く大きなバンドギャップを有する材料により形成され、二次元量子井戸を形成する。

【０００５】次に、バリア層32の上には別に二次元量子井戸を形成する層34が形成され、バリア層32と対向するバリア層31の下には別の二次元量子井戸を形成する層35
が形成される。 なお、層34はバリア層32及びバリア層32
と同等の大きなバンドギャップを有する別のバリア層36
によって形成され、同様に層35はバリア層31により形成される。

【０００６】ここで、層35及びバリア層34の厚さは活性層33よりも実質的に厚くされ、その結果電子の量子準位Ｅ１ａが、量子準位Ｅ１よりも実質的に低いレベルに形成される。 これに伴って、ホールの量子準位Ｈ１ａが量子準位Ｈ１よりも低いレベルに形成される。 このような従来のＴＢＱ構造の非線形光学半導体装置では、バリア層31及びバリア層32の厚さが実質的に薄くされているため、量子井戸層の活性層33中の準位Ｅ１に存在する電子はバリア層31、32をトンネリングすることにより量子井戸層の別の二次元量子井戸を形成する層34の準位Ｅ１ａ
に容易に逃げ出すことができる。 より具体的に説明すると、入射光あるいは制御光が照射されることにより電子が活性層33中で量子準位Ｈ１から量子準位Ｅ１に遷移した場合、電子はバリア層31、32を通ることにより層35及び層36に直ちに脱出する。 その際、入射光が遮断された後も電子が活性層33に滞留することがない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記したような従来のＴＢＱ構造の非線形光学半導体装置においては、入射光により電子のみならず、ホールも同時に活性層33で生成される。 ホールには質量が重いホールと質量が軽いホールが存在するが、通常、重いホールの準位Ｈ１は、軽いホールの準位よりもエネルギー的に低いため、励起されたほとんどのホールは重いホールの準位Ｈ１に入る。 そして、この重いホールは電子に比べて有効質量が７倍程度と極端に重いうえ、重いホールが通り抜けるには準位Ｈ１の障壁高さは高いため、バリア層3
1、32を通って層35及び層36に脱出するまでの時間は電子に比べてかなり遅くなる。 その結果、重いホールはバリア層31、32を通り抜け難くて活性層33中に蓄積し易く、活性層33での光吸収が低下したり飽和したりしてしまううえ、制御光ビームを遮断した後も量子井戸層の活性層33にホールが滞留することによって元の光学状態の回復が遅れしまうという問題があった。

【０００８】そこで本発明は、ホールをバリア層から速くトンネリングさせて活性層中でのホールの蓄積を生じ難くすることができ、活性層での光の吸収の低下及び飽和を生じさせることなく、光吸収の回復時間を大幅に短縮することができ、高速化を実現することができる非線形光学半導体装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による非線形光学半導体装置は上記目的達成のため、半導体量子井戸活性層を挟んで該半導体量子井戸活性層より小さい格子定数を有し、かつ該半導体量子井戸活性層より大きいバンドギャップを有する半導体バリア層が形成され、該半導体バリア層の両側に入射光により該半導体量子井戸活性層中に励起された電子及びホールがトンネル可能なバンドギャップを有し、かつ該半導体量子井戸活性層よりも厚膜の半導体層が形成されてなるものである。

【００１０】本発明に係る半導体量子井戸活性層には、
ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層等が挙げられ、また、半導体バリア層にはＩｎＡｌＧａＡｓＰ
層、ＩｎＧａＰ層等が挙げられ、また、半導体バリア層の両側に形成される半導体層には、ＡｌＧａＡｓ層、Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層等が挙げられる。 なお、
半導体量子井戸活性層／半導体バリア層／半導体バリア層両側の半導体層の好ましい組み合わせの態様には、Ａ
ｌＧａＡｓ層／ＩｎＧａＡｌＰ層／ＡｌＧａＡｓ層、Ｉ
ｎＧａＡｓ層／ＩｎＡｌＡｓ層／ＩｎＧａＡｓ層、Ｇａ
Ａｓ層／ＩｎＧａＰ層／ＧａＡｓ層等が挙げられる。

【００１１】本発明においては、本発明の特徴部分を有する非線形光学半導体装置に適用させることができ、例えばファブリーペロー共振器と合わせた高速光スイッチ、高速光変調器等に適用させることができる。

【００１２】

【作用】本発明では、後述する図１に示す如く、半導体バリア層２、３に基板並びにその他の層よりやや小さい格子定数を有する半導体層を用いて構成することにより、歪みの結果生じるバンド構造の変化を利用して、半導体量子井戸活性層１中に形成されるホールの量子準位のうち、軽いホールに対する基底準位ＬＨ１を重いホールに対する基底準位ＨＨ１よりもエネルギー的に低くすることができるので、半導体量子井戸活性層１中に蓄積するホールを重いホールではなく、軽いホールが多くなるようにすることができる。 このため、ホールの大部分を占める軽いホールに対するバリアの障壁高さを従来よりも低くすることができるので、ホールがバリア層２、
３を通り易くすることができる。 従って、光照射により励起されたホールが半導体バリア層２、３を通って両側の半導体量子井戸層４に脱出するまでの時間を短くすることができるので、元の光学状態への回復時間を短縮することができる。 しかも、半導体量子井戸活性層１に入射光により励起された電子とホールとは、共に短時間のうちにトンネリングにより広い半導体量子井戸層４に通り抜けさせることができるので、非線形光学装置としての応答時間も高速にすることができる。 即ち従来、重いホールが主であったものを、本発明では、軽いホールが主になるようにし、そのためには軽いホールに対する障壁も低くなっていることからトンネルもし易くなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。 図１は本発明の一実施例に則した非線形光学半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示す図である。 図１において、１はバンドギャップＥｇ１を有するＧａＡｓ等の半導体量子井戸活性層であり、２、３はこの半導体量子井戸活性層１を挟んで形成されたこの半導体量子井戸活性層１より小さな格子定数を有し、かつこの半導体量子井戸活性層１よりも大きなバンドギャップを有するＩｎ
ＧａＰ等の半導体バリア層であり、４はこの半導体バリア層３の両側に形成された入射光により半導体量子井戸活性層１中に励起された電子及びホールがトンネル可能なバンドギャップＥｇ１（半導体量子井戸活性層１と同じ）を有し、かつ半導体量子井戸活性層１よりも十分厚膜でＧａＡｓ等からなる半導体量子井戸層である。 次いで、半導体量子井戸活性層１及び半導体量子井戸層４は基板と同じ格子定数を有する半導体からなり、半導体バリア層２、３は各々バンドギャップＥｇ２ａ、Ｅｇ２ｂ
を有し、この半導体バリア層２、３は上記した半導体量子井戸活性層１だけでなく、半導体量子井戸層４及び基板よりも小さい格子定数を有する半導体から形成されている。 そして、本実施例の非線形光学装置は各層１〜４
を数十周期程度有する構造からなっている。 なお、Ｅｃ
は伝導帯であり、Ｅｖは価電子帯である。

【００１４】本実施例では、半導体バリア層２、３は、
他の層を形成する半導体層よりも本来の格子定数が小さいために、その層の厚さが十分に薄い範囲では他の層に格子整合し、ヘテロ界面に沿った方向では他の半導体層と同じ格子定数になり、ヘテロ界面に垂直な方向では逆に格子定数は本来の値より更に小さくなっている。 このような、二軸性引っ張り応力の基では、一般に、３−５
族化合物半導体のバンド構造は図１に示す如く変化する。 ここで注目すべき大きな変化は、応力を受けていない場合には、価電子帯の重いホールと軽いホールのバンドは縮退しているが、二軸性引っ張り応力により、その縮退がとけて、ヘテロ界面に垂直な方向に軽い質量を有するホールのバンドが、同じ方向に重い質量を有するホールのバンドよりエネルギー的に低くなるということである。

【００１５】その結果、半導体バリア層２、３に挟まれた半導体量子井戸活性層１中に形成されるホールの量子準位のうち、軽いホールに対する基底準位ＬＨ１を重いホールに対する基底準位ＨＨ１よりエネルギー的に低くすることができ、光照射により励起されたホールを主にこの軽いホールのバンドに収容し、層Ａ１に高速にトンネリングさせることができる。

【００１６】ここで、本実施例の各層の層厚は次の通りである。 ＧａＡｓ半導体量子井戸活性層１を６ｎｍとし、ＩｎＧａＰ半導体バリア層２を５ｎｍとし、ＩｎＧ
ａＰ半導体バリア層３を５ｎｍとし、ＧａＡｓ半導体量子井戸層４を５０ｎｍとする。 なお、半導体バリア層２、３を構成するＩｎｘＧａ _1-X Ｐの組成はＧａＡｓに対して格子定数が小さくなるようにＩｎの組成ｘを０．
２とし、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓ基板上に上記の構造を２０周期成長した。

【００１７】このように、本実施例では、半導体バリア層２、３に基板並びにその他の層よりやや小さい格子定数を有する半導体層を用いて構成することにより、歪みの結果生じるバンド構造の変化を利用して、半導体量子井戸活性層１中に形成されるホールの量子準位のうち、
軽いホールに対する基底準位ＬＨ１を重いホールに対する基底準位ＨＨ１よりもエネルギー的に低くすることができるので半導体量子井戸活性層１中に蓄積するホールを重いホールではなく、軽いホールが多くなるようにすることができる。 このため、軽いホールに対するバリアの障壁高さを従来よりも低くすることができるので、特に軽いホールをバリア層２、３を通り易くすることができる。 従って、光照射により励起されたホールが半導体バリア層２、３を通って両側の半導体量子井戸層４に脱出するまでの時間を短くすることができるので、元の光学状態への回復時間を短縮することができる。 しかも、
半導体量子井戸活性層１に入射光により励起された電子とホールとは、共に短時間のうちにトンネリングにより広い半導体量子井戸層４に通り抜けさせることができるので、非線形光学装置としての応答時間も高速にすることができる。

【００１８】なお、上記実施例では、ＧａＡｓ基板上に成長したＧａＡｓ／ＩｎＧａＰの組み合わせを行う場合について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばＧａＡｓ／ＩｎＡｌ（Ｇａ）Ｐ、Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＰ基板に格子整合する組み合わせとしてＩｎＧａＡｓ／（Ｉｎ）ＡｌＡｓ等の組み合わせを行う場合であってもよく、この場合も上記実施例と同様の効果を得ることができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ホールをバリア層から速くトンネリングさせて活性層中でのホールの蓄積を生じ難くすることができ、活性層での光の吸収の低下及び飽和を生じさせることなく光吸収の回復時間を大幅に短縮させることができ、高速化を実現することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に則した非線形光学半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示す図である。

【図２】従来例の非線形光学半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体量子井戸活性層 ２、３ 半導体バリア層 ４ 半導体量子井戸層