(57)【要約】【課題】本発明は、結合量子井戸構造において、結合量子井戸の二つの井戸層の組成x及び厚さの範囲、結合層の組成y及び厚さの範囲を提供することを課題とする。【解決手段】結合量子井戸に形成される第１〜第４準位のサブバンド間遷移エネルギー及びバンド間遷移の第１バンド準位エネルギーが通信波長帯のエネルギー（0.8eV:1550nm帯）に制御された結合量子井戸構造であって、上記結合量子井戸構造の量子井戸層及び結合層はそれぞれInxGa1-xAs及びAlｙGa1-ｙAsからなり、量子井戸層・結合層の組成x、yの範囲は0.205≦x≦0.85、0≦y≦0.6であり、量子井戸層の膜厚は2nm以上4nm以下、結合層の膜厚は２原子層以上５原子層以下であることを特徴とする結合量子井戸構造。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合量子井戸に形成される第１〜第４準位のサブバンド間遷移エネルギー及びバンド間遷移の第１バンド準位エネルギーが通信波長帯のエネルギーに制御された結合量子井戸構造であって、上記結合量子井戸構造の量子井戸層及び結合層はそれぞれInxGa1-xAs及びAlｙGa1-ｙAsからなり、量子井戸層・結合層の組成x、yの範囲は0.205≦x≦0.85、0≦y≦0.6であり、量子井戸層の膜厚は2nm以上4nm以下、結合層の膜厚は２原子層以上５原子層以下であることを特徴とする結合量子井戸構造。
【請求項２】
上記半導体量子井戸構造は、InP基板上に作製されることを特徴とする請求項１に記載の結合量子井戸構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信波長帯用デバイスで使用される結合量子井戸構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信の情報量増大に伴い、電子デバイスでは動作が難しい超高速領域での全光デバイスの開発・実用化が特に望まれている。その要請を満たすデバイスとして、半導体量子井戸中で起るサブバンド間遷移を使用した物が、候補としてあげられる。このサブバンド間遷移は1-2 psec以下の超高速応答性があり、次世代の超高速全光デバイスへの適応が可能である。
【０００３】
サブバンド間遷移を用いたデバイスは、その吸収飽和特性を利用した物が今迄に開発されてきたが(非特許文献１)、さらに、サブバンド間遷移に伴うバンド間遷移吸収強度変調（特許文献１）や吸収飽和に伴う屈折率変調（非特許文献２）を使うものも新たに開発されてきている。
【０００４】
サブバンド間遷移の吸収飽和特性を利用したデバイスは、制御光の強度によって吸収飽和が起こるので信号光の強度を変調させる事ができる。しかし、吸収飽和によって減少していく光吸収を完全に無くすためには、強い制御光が必要である。さらに、現在報告されているデバイスでは強い制御光を利用しても残留光吸収があり、実用化には残留光吸収の改善が必要である。
【０００５】
一方で屈折率変調を利用するデバイスの中で、最近、サブバンド間遷移による光吸収が起らないTEモードの光に位相変調が起る効果が発見された（非特許文献３）。この位相変調は信号光に吸収を伴わない為、今までにある報告例のサブバンド間遷移を利用したデバイスより実用に適している。
【０００６】
本位相変調効果は報告当初プラズマ分散起因の屈折率変化が起源と考えられていたが(特許文献２)、最近になり、サブバンド間遷移に伴ってバンド間遷移波長が変化する事が位相変調の中で大きな寄与を持つ事がわかった（非特許文献４）。これは、サブバンド間遷移が励起される事により、量子井戸中のフェルミエネルギーが下がる為、バンド間遷移波長が変化する。この変化に伴って起る屈折率変化が位相変調に大きな寄与をしていた。ちなみに、本屈折率変化は物質の光吸収と屈折率の波長依存性を説明したクラマース・クローニッヒの関係で証明できる。この関係より、光吸収が発生しない波長においても屈折率の変化が起る事が説明できる。
【０００７】
上記バンド間遷移波長変化に伴う屈折率変化はクラマース・クローニッヒの関係より、光吸収変化が発生する波長に近い所で大きくなる事がわかる。従って、光通信に本サブバンド間遷移利用超高速全光デバイスを使用する場合には、そのデバイスに使われる半導体量子井戸のバンド間遷移波長が通信波長帯の1550nmになるべく近い必要がある。尚1550nmの光は光ファイバ通信で最も使われる波長である。
【０００８】
一般的に通信波長帯用デバイスで使用される材料で構成される半導体量子井戸において、バンド間遷移波長を1550nmにする事は容易であるが、サブバンド間遷移波長も同時に1550nmにする事は難しい。これは、サブバンド間遷移波長を1550nmにする場合、その量子井戸は極めて薄い井戸幅である必要があるからである。この結果、量子井戸内に形成される量子化エネルギーが大きくなり、そのバンド間遷移波長が短波になるからである。
【０００９】
上述の様に、サブバンド間遷移を利用した位相変調デバイスを起こさせるデバイスはサブバンド間遷移波長を通信波長帯に保ちながら、バンド間遷移波長を通信波長帯に近づける必要がある。
サブバンド間遷移波長は量子井戸内に形成される量子準位間エネルギーで決定されるため、量子井戸幅が最も波長決定に寄与をする。一方、バンド間遷移波長は量子井戸材料のバンドギャップと量子井戸に形成される基底量子準位エネルギーの和で決定される。
【００１０】
バンド間遷移・サブバンド間遷移を共に通信波長帯にするためには、大きく分けて２つの方法が考えられる。
１番目の方法は、量子井戸材料をそのバンドギャップエネルギーと量子井戸の基底準位エネルギーを考慮して選定する事である。
もう一つの方法は量子井戸二つ以上をそれらの波動関数が重なるぐらい近接して作製する結合量子井戸を使う事である（非特許文献１）。この結合量子井戸の量子準位は結合する際にその結合強度に応じて結合・反結合準位として各々低い・高い二つのエネルギーに分離する。その結果、基底準位の分離した結合準位エネルギーは結合させていない量子井戸よりも下げることが可能である。
【００１１】
前述した方法を使い、位相変調効果が大きい量子井戸を作製する場合、現在サブバンド間遷移を1550nmに調整出来た報告例のある材料系の中で候補となる物はAlAsSbをバリア材料に、InGaAsを井戸材料に使用した系(AlAsSb/InGaAs系)だけである。この系以外の報告例のある材料では井戸材料のバンドギャップに対応する波長が通信波長帯よりも遥かに短い為、前述した２つの方法の中で１番目の方法が全く利用できないからである。
【００１２】
唯一の候補であるAlAsSb/InGaAs系において、今までにインターバンド遷移波長を通信波長帯にする試みは前述した２種類の方法が試されてきた(非特許文献５、６)。
非特許文献５ではAlAsSb/InGaAs系をInP基板上に格子整合系(AlAs0.49Sb0.51.In0.53Ga0.47As)で作製し、結合層をIn0.52Al0.48Asを採用している。この系ではIn0.52Al0.48AsのIn0.53Ga0.47Asに対するバンドオフセットが0.5eV程度と、それ以前までに試されていたAlAs結合層(非特許文献３)のおよそ1.5eVと比較して低いため、二つの量子井戸が強結合状態で作製される。しかし、この材料系はInP基板に格子整合して作製されなければいけない為、In0.53Ga0.47Asが井戸層として使用する必要がある。このIn0.53Ga0.47Asのバンドギャップ(0.73eV)は波長に換算すると1550nmよりも長波長(凡そ1700nm)ではあるが、強結合効果を利用してもバンド間遷移波長は1400nm程度までしか長波長化出来ていない。
一方非特許文献６では井戸材料にIn0.8Ga0.2Asを採用し、井戸材料のバンドギャップを0.5eV(換算波長2480nm)としている。このIn0.8Ga0.2AsはInP基板と格子不整合な為、良質な結合量子井戸を作製するためには歪補償を行う必要がある(非特許文献７)。非特許文献５ではその歪補償をAlAs結合層で行っている。この場合結合強度は弱くなってしまうため、非特許文献５ではそのAlAs結合層の厚みを2MLと極めて薄くして強結合化を試みている。しかし、その結合量子井戸のバンド間遷移波長も1400nm程度であり、更なる改善が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１２２８３２号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０２０６２１
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】鈴木信夫, 石川浩, 秋本良一, サブバンド間遷移による全光スイッチ, 光学誌, 特集「進展する超高速光通信用デバイスとその応用」vol. 35, No.1(2006).
【非特許文献２】W. S. Ravinovich, G. Beadie, and D. S. Katzer, "Intersubband x^3in coupled InGaAs-AlGaAs multiple quantum wells", vol. 34, 975(1998).
【非特許文献３】H. Tsuchida, T. Simoyama, H. Ishikawa, T. Mozume, M. Nagase, andJ. Kasaai, "Cross phase modulation-based wavelength conversion usingintersubband transition in InGaAs/AlAs/AlAsSb coupled quantum wells",Opt. Lett., vol.32, 751 (2007).
【非特許文献４】G.W. Cong, R. Akimoto, M. Nagase, T. Mozume, T. Hasama, and  H. Ishikawa, "Mechanism of Ultrafast Modulation of Refraction Index ofPhotoexcited InxGa1-xAs/AlAsySb1-y Quantum Well Waveguides",Phys. Rev. B, vol. 78, 075308(2008).
【非特許文献５】M. Nagase, R. Akimoto, T. Simoyama, G. W. Cong, T. Mozume, T. Hasama, and H. Ishikawa, “Enhancement of all-optical cross phase modulation in InGaAs/AlAsSb coupled double quantum wells using InAlAs coupling barriers” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 20 2183(2008)
【非特許文献６】S. Gozu.T. Mozume. and H. Ishikawa, “Molecular beam epitaxy of AlAsSb/AlAs/InGaAs coupled double quantum wells with extremely thin AlAs center barrier” J. Cryst. Growth, to be published, doi:10.1016/j.jcrysgro.2008.10.026
【非特許文献７】T.Mozume, J. Kasai, N. Georgiev, T. Simoyama, A. V. Gopal, and H. Yoshida,“Ultralow Intersubband Absorption Saturation Intensity at Communication Wavelength Achieved in Novel Strain Compensated InGaAs/AlAs/AlAsSb Quantum Wells Grown by Molecular Beam Epitaxy”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 42 5500(2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように、サブバンド間遷移波長を通信波長帯に保ちつつ、バンド間遷移波長を通信波長帯に制御するのは既存の方法では困難がある。
本発明は、サブバンド間遷移波長を通信波長帯に保ちつつ、過去の報告例に比べて通信波長帯にまで自由に制御できる結合量子井戸構造を得るために、本発明に係る結合量子井戸構造は、最下層はAlAsSb、AlAsあるいはAlAsSb/AlAs障壁層で構成され、その上に第一InxGa1-xAs井戸層、AlyGa1-yAs結合層、第二InxGa1-xAs井戸層、最上層に最後にAlAsSb、AlAsあるいはAlAs/AlAsSb障壁層となる層構造を取るとともに、このような結合量子井戸の二つの井戸層の組成x及び厚さの範囲、結合層の組成y及び厚さの範囲を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、次のような結合量子井戸構造を提供する。
（１）結合量子井戸に形成される第１〜第４準位のサブバンド間遷移エネルギー及びバンド間遷移の第１バンド準位エネルギーが通信波長帯のエネルギー（0.8eV:1550nm帯）に制御された結合量子井戸構造であって、上記結合量子井戸構造の量子井戸層及び結合層はそれぞれInxGa1-xAs及びAlｙGa1-ｙAsからなり、量子井戸層・結合層の組成x、yの範囲は0.205≦x≦0.85、0≦y≦0.6であり、量子井戸層の膜厚は2nm以上4nm以下、結合層の膜厚は２原子層以上５原子層以下であることを特徴とする結合量子井戸構造。
（２）上記結合量子井戸構造は、InP基板上に作製されることを特徴とする（１）に記載の結合量子井戸構造。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明である組成エリアで結合量子井戸を作製することにより、相互位相変調効率の大きな結合量子井戸構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る結合量子井戸構造の模式図
【図２】最適なAl、In組成マップ及びInGaAsの臨界膜厚
【図３】実際に作製した結合量子井戸の組成
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明に係る結合量子井戸構造の模式図である。図１の中で、組成x、y及びInGaAs井戸とAlGaAs結合層の膜厚が自由に変更可能なパラメータとなる。この中で組成x、yを任意の値にした場合、サブバンド間遷移波長を1550nmにする要請から膜厚が一意に決定される。そして、一意に決定された構造よりバンド間遷移波長も一意決定される。
【００２０】
図２は、この組成x、yによって一意に決定されるバンド間遷移波長を計算し、通信波長帯になった組成エリアを示したものである。
量子井戸層・結合層の組成x、yの範囲は、0.205≦x≦0.85、0≦y≦0.6である。
本エリア内で一意に決まる構造は、量子井戸層の膜厚は2nm以上4nm以下、結合層の膜厚は２原子層以上５原子層以下である。
【００２１】
なお図２の実線・点線内に組成を決定すれば一意に決まる構造において、サブバンド間遷移・バンド間遷移波長を共に通信波長帯にすることができる。一方、これらの組成エリアの中で一意に決まる構造の中で製造上問題になるエリアがある。本結合量子井戸はInP基板上に作製されるため、InP半導体と作製される半導体の格子定数が大きく異なる場合、良質な製造が難しくなる臨界膜厚(Critical layer thickness: CLT)が薄くなっていく。
【００２２】
本構造の中でCLTを超えてしまうのはInGaAs量子井戸である。そのCLTを□マーク付き線で図２に示した。結合量子井戸は二つのInGaAs井戸を含むため、CLTが8nm以上である必要がある。
本CLTの限界及び、サブバンド間遷移・バンド間遷移波長を供に通信波長帯にする事が出来るエリアを考慮すると、最適エリアは図２の中で実線に囲まれたエリアとなる。本エリアで決定される組成範囲内で結合量子井戸を作製すれば高い相互位相変調効率を得る事が出来る。
【００２３】
図３は本エリア設定の適切さを説明する為に、実際に作製された結合量子井戸の組成x、yを示した。○印で表示するエリア内の結合量子井戸の組成x、y及び×印で表示するエリア外の結合量子井戸の組成x、yについて、それぞれの相互位相変調効率を表１に示した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１に示したとおり、本発明に係る組成エリア内で結合量子井戸構造を作製すると、相互位相変調効率の増大に寄与することが明らかである。従って、本発明で規定される組成エリアは大きな意味を持つ。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る結合量子井戸構造は、相互位相変調を利用した多種の超高速全光デバイスへの応用が可能である。例えば位相変調効果を利用した波長変換素子や干渉系と組み合わせる事によって、全光―光スイッチの実現が見込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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