(57)【要約】【課題】バルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供すること【解決手段】  可飽和吸収特性を示す半導体薄膜を有する半導体素子であって、この半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することを特徴とする。本発明者らは、可飽和吸収特性を示す半導体薄膜に加圧を行うことで、半導体薄膜に存在する結晶構造に歪みを与え、その歪みに応じて飽和励起光強度密度Ｉｓが変化することに想到し、半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することでバルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有することができ、これを用いて半導体素子を提供できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可飽和吸収特性を示す半導体薄膜を有する半導体素子であって、前記半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記加圧手段は、前記半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で添加されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】
前記半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有する請求項１記載の半導体素子。
【請求項５】
前記半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項６】
前記半導体薄膜は、多重量子井戸型構造の薄膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
【請求項７】
基板と、該基板上に配置される複数の光入力部と、該複数の光入力部から入力される光に基づいて光の透過、不透過を制御する半導体薄膜と、該半導体薄膜が光を透過した場合に光を外部に導く出力部と、該半導体薄膜を加圧する加圧手段と、を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
前記加圧手段は、前記半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧することを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項９】
前記半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で添加されていることを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有する請求項８記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなることを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記半導体薄膜は、多重量子井戸構造の薄膜であることを特徴とする請求項８記載の半導体薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜を有する半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の光可飽和吸収特性とは、材料の同一領域に弱い光を当てながら別に強い光を当てると、その材料の光の吸収係数が減少する特性をいう。この特性について図１を用いて説明する。
【０００３】
図１に示すように、弱い光である信号光パルス（図中（ａ））と強い光パルスである制御光パルス（図中（ｂ））をある材料の同じ場所に照射すると、信号光パルスと制御光パルスとが重なった期間だけ出力光パルス（図中（ｃ））が現れる。一方、それ以外の期間に出力パルスは現れない。即ちこれは、アンド回路の特性を有すると言え、この特性を用いて光−光スイッチ動作を行う半導体素子としての応用が考えられる。なおこの半導体素子を実現するためには、急峻に応答するだけでなく、できるだけ小さな制御光パルスで動作可能とすることが望まれている。
【０００４】
一方、従来の光可飽和吸収特性は、強い光励起密度によって発生した高密度キャリアが状態密度を占有するために生じるバンドフィリング効果、高密度キャリアによって生じる多体効果であるバンドギャップのリノーマリゼーション効果、またはワニエ励起子に基づく位相空間フィリング効果等によって生じている。いずれの場合も、価電子帯から伝導帯の底に励起された電子が自然放出過程を経て正孔と再結合して元の状態に戻るために１ｎｓ程度の時間を要するという課題があった。
【０００５】
そこで、上記問題を解決して急峻な応答を実現すべく、キャリアトラップを導入して電子の寿命を減少させる試みがなされている。そのひとつとして、通常よりも低い温度で半導体薄膜をＭＢＥ成長させ（以下これによって成長した膜を単に「低温ＭＢＥ成長膜」という。）、その膜中に意図的に結晶欠陥を導入し、電子のトラップとして機能させる試みがなされている（例えば下記特許文献１参照）。なお更に、このような低温ＭＢＥ成長を行う際に、ドーパントとしてＢｅなどのアクセプタ不純物を導入し１ｐｓ程度の速い応答を実現することも可能となってきている。
【特許文献１】特開平７−３６０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体素子を実現するためには、上記のとおり速い応答だけでなくより小さな制御光パルスで動作可能とすること即ち駆動光電力の低減化が望まれており、その技術として、量子井戸構造エピタキシャル薄膜を形成する際に予め引っ張り歪みを導入し、駆動光電力を低減化する技術が特願２００３−２９７５４２号によって提案されている。
【０００７】
しかし、より一層の駆動光電力の低減化が必要である。さらに、量子井戸構造ではなく、偏波無依存性や波長帯域特性に優れているバルク的薄膜（最小の厚さが１００ｎｍ以上であって、電子の性質がバルク的である薄膜をいう。以下同じ。）を用いた半導体素子でも駆動光電力を低減化する必要であるが、この場合には上記特願２００３−２９７５４２号に記載の技術でさえ未解決である。
【０００８】
なお、駆動光電力の低減化の尺度としては飽和励起光強度密度Ｉｓを用いることが有用である。飽和励起光強度密度Ｉｓとは、材料の光吸収係数αを入射光強度密度Ｉの関数として表した場合に、α=（α（０）+β）／２となる励起光強度密度Ｉをいう（図２参照）。なお光吸収係数αとは、入射光強度をＰ１、透過光強度をＰ２としたときにα＝−ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）にて計算されるものであり、入射光強度密度Ｉとは、入射光強度をその照射面積にて割ったものをいう。また，α（０）は入射光強度密度Ｉが０におけるαの極限値であり、βは入射光強度密度Ｉが無限大におけるαの極限値をいう。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題を考慮し、バルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、具体的には以下の手段を採用する。
まず、第一の手段として、可飽和吸収特性を示す半導体薄膜を有する半導体素子であって、この半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することを特徴とする。本発明者らは、可飽和吸収特性を示す半導体薄膜に加圧を行うことで、半導体薄膜に存在する結晶構造に歪みを与え、その歪みに応じて飽和励起光強度密度Ｉｓが変化することに想到し、半導体薄膜を加圧する加圧手段を有することでバルク的薄膜であっても、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を提供できることに思い至った。なおここで加圧手段としては半導体薄膜を加圧する限りにおいて種々考えられるが、圧力を加える冶具を用いて半導体薄膜を加圧することも可能であり、また、半導体薄膜に応力を加えることができるよう応力を内在させた被覆層として配置することも可能である。即ち加圧する限りにおいて特段に制限はない。
またこの場合において、加圧手段は、半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧すること、半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で添加されていること、半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有すること、半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなること、半導体薄膜は、多重量子井戸構造の薄膜であることもそれぞれ望ましい。なお本明細書における多重量子井戸構造の薄膜とは、量子効果を得ることができる程度に薄い（厚さ３０ｎｍ以下の）層を複数積層してなる薄膜をいう。
また、第二の手段として、基板と、この基板上に配置される複数の光入力部と、複数の光入力部から入力される光に基づいて光の透過、不透過を制御する半導体薄膜と、半導体薄膜が光を透過した場合に光を外部に導く出力部と、半導体薄膜を加圧する加圧手段と、を有することを特徴とする。
またこの場合において、加圧手段は、前記半導体薄膜を０Ｐａより大きく、１ＧＰａより小さい圧力で加圧すること、半導体薄膜は、Ｂｅ又はＣが９×１０１８ｃｍ−３以下の濃度で添加されていること、半導体薄膜は１００ｎｍ以上の厚さを有すること、半導体薄膜は、砒化インジウムガリウムを含んでなること、半導体薄膜は、多重量子井戸構造の薄膜であることも望ましい。
なお、この手段において半導体薄膜がバルクである場合は、加圧する方向と光を導入する方向とを異ならせても駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を実現することができるという利点を有する。
【発明の効果】
【００１１】
以上により、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
ＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハを基板（厚さ３００ｎｍ）とし、この上にＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶薄膜を、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比（Ｖ／III）を１０、温度を３８０℃又は５７０℃とする条件の下で１５００ｎｍの暑さの薄膜を分子線エピタキシャル成長（以下単に「ＭＢＥ成長」という）させた。なおドーピングに関しては、ノンドープもしくはＢｅ（ベリリウム）をドーパントとし、Ｂｅをドーパントとして用いた場合、その濃度は１×１０１８ｃｍ−３となるようにした。この半導体ウェーハは光通信の中心波長である１．５〜１．７μｍを中心とする広い波長帯域で動作し、かつピコ秒の動作速度を有する光可飽和吸収半導体であった。なお、作製した３種類の半導体混晶薄膜の膜厚、ドーパントの種類など各種データについては以下に示す。なお上記のＩｎＸＧａ１−ＸＡｓの半導体混晶薄膜はＸ＝０．４７、０．５３、０．７２の３種類を作成した。
【表１】
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次に、この半導体混晶薄膜の表面に対して垂直な方向から重さを加えながら飽和励起光強度密度Ｉｓを測定した。図３（ａ）に重さを加える際に用いた加重装置１の概略図を示す。
図３（ａ）に示す加重装置１は、先端を劈開した単一モードの光ファイバー２（コア径１０μｍφ、クラッド径１２５μｍφ、図３（ｂ）参照）を半導体混晶薄膜３の表面に対して垂直な方向から突き立てて重さを加えることができる装置であって、光ファイバー２は金属棒４により支持されている。そしてこの金属棒の上端には水ため５が置かれており、水ため内の水の量を変えることによって光ファイバー２の先端から半導体混晶薄膜に加えられる重さを調整することができる。
一方、半導体混晶薄膜３の裏側の基板面（光ファイバー２が突き立てられる面とは反対の面）には光パワーメータ６が配置されており、光ファイバー２内を伝播してきた光パルスのうち半導体混晶薄膜３を透過した光を計測することができる。そしてこの透過した光の量と半導体混晶薄膜３へ入射した光の量とに基づいて光吸収係数αを求め、更に、飽和励起光強度密度Ｉｓを求める。なお飽和励起光強度密度Ｉｓは、光吸収係数αをこの入射光強度Ｉに対して測定し、下記式でフィッティングすることにより求めることができる。また、本実施例で測定に用いる光は、それぞれｘ＝０．４７のとき１．５μｍ、ｘ＝０．５３のとき１．６μｍ、ｘ＝０．７２のとき１．７μｍとした。なお本実施例では、光は基板ＩｎＰ（３００μｍ）を透過することとなるが、ＩｎＰはこれら光の波長範囲では十分透明であると考えられ、その吸収は厚さと吸収係数から概ね３０％と見積もって測定した。
【数１】
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図４に本実施例で作製した３種類の半導体混晶薄膜の飽和励起光強度密度Ｉｓの荷重依存性を示す。図４で示すように、本実施例で作製したいずれの半導体混晶薄膜も、荷重０の状態から荷重が加わるにつれてＩｓが減少し、それぞれ所定の荷重で最小値を示した。なお本実施例で作製した半導体混晶薄膜はそれぞれ最小のＩｓを示した後、再び増加する傾向を示した。
なお、Ｉｓが最小になる荷重の値は半導体混晶薄膜の種類によって異なり、Ｘ＝０．４７の場合は４０ｇ重、Ｘ＝０．５３の場合は１５０ｇ重、Ｘ＝０．７２の場合は３００ｇ重であった。なおここで、光ファイバーの面積は上記径から１．２×１０−４ｃｍ2と求めることができ、それぞれの荷重をこの面積に基づいて計算すると、Ｘ＝０．４７の場合は３０ＭＰａ、０．５３のときは１２０ＭＰａ、０．７２のときは２４０ＭＰａとなった。本実施例の半導体混晶薄膜における最小のＩｓの値は荷重０の状態のＩｓに比べ１／２から１／１０程度となった。
なお半導体混晶薄膜が破壊しない範囲を考慮すると、望ましい圧力範囲としては０より大きく１ＧＰａ以下の範囲であることが望ましいといえる。またより具体的に、加えるべき荷重に関し、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓにおいてｘと最小のＩｓを示す圧力との関係を検討した。図５にその結果を示す。
図５の結果は、最小のＩｓを与える圧力がｘとともに直線的に増加する傾向を示しており、最小のＩｓを示す圧力はｘ＝１．０とした場合であっても、５００ＭＰａ以下となっている。よって０より大きく５００ＭＰａの範囲内とすることも荷重を加える範囲としてより望ましい。また、光通信の主たる波長は１．５〜１．７μｍの範囲であり、この半導体混晶薄膜を用いた半導体素子を実現するためにはｘは０．４から１．０の範囲に収めることが望ましく、それを考慮すると、図５の直線の範囲として、３０ＭＰａから５００ＭＰａの範囲としておくことがより望ましい。
以上、荷重を加えることにより飽和励起光強度密度Ｉｓを下げることができ、荷重を加えていない場合に比べより一層駆動光電力の低減化を図ることができた。
なお、本実施例では、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比（Ｖ／III）を１０としているが、製膜条件や組成に応じて２〜２００と適宜調整することができる。また、ＭＢＥ膜を製膜する際の温度は、本実施例では３８０℃、５７０℃であるが、半導体混晶薄膜を生成することができる限りにおいて適宜調整が可能であり、具体的には、１５０℃〜５７０℃程度で適宜調整可能である。また、半導体混晶薄膜の厚さは特に限定はないが、吸収係数との関係から概ね２０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【実施例２】
【００１４】
本実施例では、ＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハの基板上にＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶の超薄膜とＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（砒化インジウムアルミニウム）の半導体混晶の超薄膜とを相互に各１００層ＭＢＥ成長させて多重量子井戸構造の薄膜（以下単に「ＭＱＷ膜」という）とした点が主に実施例１と異なる。なお本実施例における半導体混晶薄膜の断面概略図について図６に示す。
具体的には、まず第一層としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（砒化インジウムガリウム）の半導体混晶薄膜をＩｎＰ（燐化インジウム）の（１００）面ウェーハ上に３８０℃の条件下で７ｎｍ積層させた。Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比Ｖ／IIIは１０とした。更に、その層上にＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ（砒化インジウムアルミニウム）の半導体混晶を７ｎｍ積層した。この積層温度は３８０℃、Ｖ族元素とIII族元素のビーム強度比Ｖ／IIIは１０とした。そしてこれを各１００層（合計２００層）となるよう繰り返し、全体で１４００ｎｍの半導体薄膜とした。なお上記複数層積層した半導体混晶薄膜はＸ＝０．５３、０．７８の２種類作製し、そのそれぞれの詳細については以下の表２に示す。なお本実施例においてはいずれのＭＱＷ膜、いずれの層においてもドーパントは添加していない。
【表２】
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この結果作製した半導体混晶薄膜について、実施例１と同様な実験を行った。この結果を図７に示す。この実験に用いる光の波長は、ｘ＝０．５３のとき１．６μｍ、ｘ＝０．７２のとき１．７μｍであった。
図７の結果においても、実施例１と同様、荷重が増加するに従いＩｓが減少し、その後再び上昇する傾向を示していた。
飽和励起光強度密度Ｉｓの最小となる値は、ｘ＝０．５３の場合は４０ｇ重、Ｘ＝０．７８の場合は２６０ｇ重であった。また実施例１と同様に、上記加重をファイバの面積で割った結果、Ｉｓの最小となる値の圧力はそれぞれ３０ＭＰａ、２１０ＭＰａであった。
従って、荷重を加えることにより飽和励起光強度密度Ｉｓを下げることができる一方、半導体混晶薄膜が破壊しない範囲を考慮すると、０より大きく１GPａ以下の範囲であることが望ましいといえる。また、実施例１と同様に、ｘの値と最小となるＩｓの値との関係を調べ、直線にて近似すると、ｘ＝１のときであっても約４００ＭＰａ以下となるため、０Ｐａより大きく４００ＭＰａ以下であることはより望ましい。
以上、本実施例により、加重をしていないものに比べより一層駆動光電力の低減化を図ることができた。
なお、本実施例で用いるＭＱＷの膜厚については、特に限定はないが、量子効果を得る必要から一層あたり３０ｎｍ以下であることが好ましく、また、吸収係数との関係から、一層辺り３０ｎｍ以下で合計約１００〜２００層の範囲がより望ましい。
なお、上記実施例１、実施例２では基板としてＩｎＰを用いているが、ＧａＡｓやその他の結晶を基板として用いても良い。
また、バルクの半導体混晶薄膜としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ及びＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓを用いているが、ＩｎｘＧａｚＡｌ１−ｘ−ｚＡｓやＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｚＰ１−ｚなど他の分子エピタキシャル成長させた膜でも可能である。またもちろん層毎にｘ、ｙ、ｚの組成を異ならせても実現可能である。
また、上記実施例ではバルクの半導体混晶膜、ＭＱＷ膜を用いているが、量子細線、量子ドットなどの低次元構造を有する分子エピタキシャル成長膜などにも応用できる。また、更に、上記実施例では価電子帯から伝導帯へのバンド間光吸収の場合について記載しているが、これに限定されることはなく、バンド内の量子準位間遷移による光吸収など他の機構による光吸収とその飽和現象にも等しく適用することができる。更に、上記実施例では加圧される場合のみを示しているが、可飽和吸収半導体薄膜が予め過度に荷重されているのと等しい状態にある場合、例えば２軸性引張り応力が加わるような状態でエピタキシャル成長をさせた場合などは加圧とは反対に引っ張り力を加えることになるが、そのような場合も本発明の一態様として有用である。
【実施例３】
【００１５】
本実施例は、実施例１に記載の半導体混晶薄膜を用いた具体的な半導体素子についての例であって、光可飽和吸収特性を利用した光による光のスイッチングを可能とする半導体素子である。図８（ａ）にその構造を示す。
本実施例に係る半導体素子は、基板１０と、この基板１０の上に形成される導波路１１と、この導波路１１の一部として設けられる光可飽和吸収特性を示す半導体混晶薄膜１８と、この半導体混晶薄膜１８に対応して配置され、半導体混晶薄膜１８を加圧する被覆層１５と、を有して構成されている。
基板は、導波路１１を配置することができる基板であれば特に限定はなく、例えば
ＧａＡｓを用いることができる。
導波路１１は、第一の入力部１２、第二の入力部１３、半導体薄膜層１８、出力部１４とを有して構成されており、第一及び第二の入力部からは夫々強さの異なる光が入射される（図８（ａ）中の矢印参照）。なお出力部１４は、半導体混晶薄膜１８に入力される光に応じて光可飽和吸収特性を示し、光が透過した場合、この透過した光を外部へと導く。
半導体混晶薄膜１８は、第一及び第二の入力部と出力部との間に配置され、光可飽和吸収特性に基づいて光の透過、不透過を制御する。
被覆層１５は、半導体混晶薄膜１８を覆うように配置されており、しかもこの半導体薄膜層１８に圧力を加えるような構成となっている。具体的には熱収縮性の樹脂により形成され、熱収縮による応力により半導体混晶薄膜１８を加圧する。
本実施例では、半導体混晶薄膜１８に光が入射される方向と、圧力が加えられる方向とは９０度異なっているが、本実施例の半導体混晶薄膜１８は１００ｎｍ以上の十分な厚さを有しているバルク的薄膜であるため、異なった方向からの圧力であっても、低い飽和励起光強度密度Ｉｓ、即ち駆動光電力の低減化を達成することができている。
図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ−Ａを矢印方向から見た場合の断面図である。ここにおいて、導波路はコア層２１と、このコア層を狭持する第一及び第二のクラッド層１９、２０とを有して構成されており、光をこれらの間に生ずる屈折率差により閉じ込めて導く。半導体混晶薄膜１８は、第一の入力部及び第二の入力部の双方から光が入力された場合、光可飽和吸収特性を示し、強い制御光が入力されると信号光を透過させ、出力部１４側にその信号光を透過させる。なお具体的な構成としては第三及び第四のクラッド層１６、１７に狭持される構成となっており、出力側に光を導く。この半導体混晶薄膜は、具体的には、第一及び第二のクラッド層をエッチングにより除去し、第三のクラッド層を形成した後その上に形成することによって実現する。なお特に本実施例の場合、被覆層１５が半導体混晶薄膜１８を加圧しているため、加圧しない場合に比べ一層駆動光電力の低減化を図ることができる。
以上により、バルク的薄膜を用い、駆動光電力を低減化した光可飽和吸収特性を有する半導体素子を提供することができる。
なお、本実施例では、加圧手段として、被覆層１５を設けているが、半導体混晶薄膜を加圧することができればこれに限定されるわけではなく、例えばこの半導体素子全体を覆う絶縁膜を加圧手段として用いることも可能であり、種々の態様が考えられる。また、本実施例では、実施例１に記載の半導体混晶薄膜を用いて説明しているが、もちろん、実施例２に記載のＭＱＷ膜を用いて構成する態様も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光可飽和吸収特性を説明する図。
【図２】飽和励起光強度密度Ｉｓを説明する図。
【図３】実施例１、２において用いた加重装置の概略図。
【図４】実施例１における半導体混晶薄膜におけるＩｓを示す図。
【図５】実施例１におけるＩｓの最小値を示す圧力とｘとの関係図。
【図６】実施例２における半導体混晶薄膜の断面を示す図。
【図７】実施例２における半導体混晶薄膜におけるＩｓを示す図。
【図８】実施例３における半導体素子を示す概略図。
【符号の説明】
【００１７】
１…加重装置、２…光ファイバー、３…半導体混晶薄膜、４…金属棒、５…水ため、６…光パワーメータ、１０…基板、１１…導波路、１２…第一の入力部、１３…第二の入力部、１４…出力部、１５…被覆層、１６…第三のクラッド層、１７…第四のクラッド層、１８…半導体混晶薄膜、１９…第一のクラッド層、２０…第二のクラッド層、２１…コア層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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