(57)【要約】【課題】単一準位と複数準位間のバンド間光学遷移が可能、かつ準位間エネルギー間隔や、各準位間の振動子強度が制御可能な半導体多層構造を提供する。【解決手段】バンドギャップ・エネルギーが異なる半導体層４，５を少なくとも２層以上積層した量子井戸層２と量子井戸層２の両側に積層する半導体障壁層３，３とからなり、量子井戸層２の半導体層４，５間のバンドギャップエネルギー差を制御し、且つ、量子井戸層のバンドギャップエネルギーがもっとも小さい半導体層の層厚を制御して、この半導体層の価電子帯の第１準位がこの半導体の量子井戸内に局在するようにし、且つ、この半導体の伝導帯の第１準位がこの半導体の量子井戸内に存在しないようにし、これらの準位の波動関数の空間形状を異ならせて振動子強度を小さくする。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の層厚と所定のバンドギャップ・エネルギーを有する半導体層を少なくとも２層以上積層した量子井戸層と、この量子井戸層の両側に積層する該量子井戸層よりもバンドギャップ・エネルギーが大きい半導体障壁層とからなることを特徴とする、単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造。
【請求項２】
前記所定の層厚と所定のバンドギャップ・エネルギーは、前記量子井戸層の価電子帯および伝導帯のどちらか一方の量子準位が、上記量子井戸層の２層以上の半導体層のうちの１層の量子井戸内に存在し、他方の量子準位が２層以上の量子井戸にまたがって存在するように制御することを特徴とする、請求項１に記載の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造。
【請求項３】
前記一方の量子準位を１層の量子井戸内に存在させ、かつ、他方の量子準位を２層以上の量子井戸にまたがって存在させるバンドギャップ・エネルギーと層厚の制御は、前記量子井戸層の隣り合う半導体層のバンドギャップ・エネルギーの差によって上記一方及び他方の量子井戸の閉じこめポテンシャルの深さを制御し、かつ、上記半導体層の層厚によって、上記一方の量子井戸内に上記一方の量子準位が存在し且つ上記他方の量子井戸内に量子準位が存在しないように制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造において、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパント、または、これらの両方をドープしたことを特徴とする、単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造。
【請求項５】
価電子帯量子井戸と伝導帯量子井戸の位置が半導体層の積層方向にずれていることを特徴とする、単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体と光との相互作用を利用する半導体フォトニクス素子に関するもので、とくに、単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光、すなわち光周波数領域の電磁波を利用した情報伝送や情報処理の技術が拡大の一途をたどっている。一般に電磁波に伝送あるいは処理すべき情報を付与するには、振幅あるいは強度変調、周波数変調、そして位相変調およびこれらの組み合わせが用いられる。
しかし、ペタ（１０１５）Ｈｚレベルの高周波電磁波である光領域では、位相の制御や検出のための技術が未だ十分には開発されていない。その一方で、例えば光ファイバー伝送の現場において、光ファイバー中の各種の非線形光学効果により伝送される光波の位相に歪みが生じ伝送品質を低下させることが課題になっており、光の位相の制御や検出のための技術が強く求められている。
【０００３】
光位相の制御と検出は、例えば、図１０に示すように、適切な媒質に光を照射して単一準位と複数準位の間に光学遷移を生じさせることによって行うことができる。例えば、ｔを時間、ｒを位置、Ωｋ　を光周波数とすれば、光波束Ｅ（ｒ、ｔ）は、
【数１】
2004111878.tif 000003
で表される。ただし、Ｅ（Ωｋ　）は、周波数Ωｋ　の光のフーリエ成分であり、Φ（Ωｋ　）は周波数Ωｋ　の光の位相成分であり、ｋは伝搬定数である。一方、媒質に光を照射して生ずる単一準位と複数準位の間の光学遷移による量子波束Ψ（Ｒ、ｔ）は、単一準位と複数準位間のエネルギー差に相当する周波数をωｋ　とすると、
【数２】
2004111878.tif 000004
で表される。ただし、ｂｋ　は周波数ωｋ　に対応する量子波束のフーリエ成分であり、φｋ　は周波数ωｋ　の量子波束の位相成分であり、Ψｋ　（ｒ）は周波数ωｋ　の量子波の波動関数である。上記式１と式２から明らかなように、光の周波数Ωｋ　と量子波束の周波数ωｋ　を一致させれば、光波束の持つ位相成分Φ（Ωｋ　）を量子波束の位相成分φｋ　に書き込むことができる。この際重要なことは、単一準位から複数の準位へ、または、複数の準位から単一の準位への光学遷移が必要なことである。すなわち、複数の準位から複数の準位に光学遷移した場合には、その励起状態の量子準位の相関が失われ、位相情報を読み出せないためである。こうした単一準位から複数の準位へ、または、複数の準位から単一の準位への同時光学遷移を許容する媒質の例としては、色素分子やファンデアワールス結合分子があり、これらを用いた光位相の検出が実現されている（特許文献１）。しかしこれらの分子媒質では、測定あるいは制御の対象となる光パルスの中心波長やスペクトル幅に合わせて量子準位構造を設計することが困難であり、適切な媒質を見出すことが難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような媒質として半導体量子井戸構造を用いることができれば、測定あるいは制御の対象となる光パルスの中心波長やスペクトル幅に合わせて量子準位構造を設計することが可能であり、堅牢で小型、しかも量産に適合した素子を形成することができる。ここで半導体量子井戸構造とは、単一あるいは複数の異なる組成の半導体薄膜層を、これよりバンドギャップの大きい半導体層ではさんで形成される半導体多層構造である。
【０００５】
図１１に従来の単純な量子井戸のポテンシャル形状を示す。図のポテンシャル形状は、バンドギャップ・エネルギーの大きさＥｇａの半導体層ａを、これよりバンドギャップ・エネルギーが大きいバンドギャップ・エネルギーＥｇｂの半導体層ｂではさんだ多層構造により形成される。この際、バンドギャップ・エネルギーの差、ΔＥｇ＝Ｅｇｂ−Ｅｇａは、半導体層ａ，ｂの材料の組み合わせに固有な配分比（バンドオフセット比）で、伝導帯の差ΔＥｃと価電子帯の差ΔＥｖに配分される。これによって、伝導帯には電子の閉じ込めポテンシャルが、価電子帯には正孔の閉じ込めポテンシャルが形成され、これらの閉じ込めポテンシャルによって、伝導帯、価電子帯の各々に電子あるいは正孔が量子井戸の中に閉じ込められ局在することにより離散的な準位が形成される。
【０００６】
しかし、単純な量子井戸においては、よく知られた光学遷移に関する選択則のために、単一準位からは、単一準位のみへの遷移しか起こらない。例えば、価電子帯の第一準位からは伝導帯の第一準位への光学遷移のみが許容される。
より詳細には、価電子帯には、重い正孔（ｈｈ）のエネルギー帯と軽い正孔（ｌｈ）のエネルギー帯が存在し、伝導帯の一つの準位と価電子帯のｈｈ帯とｌｈ帯のそれぞれの対応する準位の間の光学遷移は許容される。しかし、ｈｈ帯準位とｌｈ帯準位のエネルギー準位間隔は主として媒質固有なものであるために大きく変えることは出来ない、すなわち設計制御が難しい。このために、単純な量子井戸は、本発明の意図する光位相の記録・制御のための媒質としては十分機能しない。
【０００７】
図１２は、他の従来例の単一準位から複数の準位に光学遷移する量子井戸構造を示す図である（非特許文献１）。この量子井戸構造は、二つの量子井戸からなる非対称結合量子井戸に電場を作用させるものであり、電場を調節することによって複数準位への励起比を変えることができるという利点を持つが、作製にあたり電極の取り付けや、その他、付加的な工程を必要とする。また、量子井戸同士が薄い障壁を介した結合をするだけでは、相互作用が小さく、伝導帯の２つの準位間エネルギーは大きくても約１０ｍｅＶに限られてしまい、上述した単一量子井戸と同様、準位間隔制御のフレキシビリティが狭い。
【０００８】
図１３は、もう一つの従来例の単一準位から複数の準位に光学遷移する量子井戸構造を示す図である（非特許文献２）。この量子井戸は、非対称階段型量子井戸構造を有しており、単一準位から複数準位への同時光学遷移を利用したＴＨｚ帯の電磁波発生に用いられた。この構造では、単一準位から複数終準位への同時光学遷移がある程度許容されるが、それぞれの終準位への光学遷移の振動子強度が大きく異なるため、光波の位相の検出や制御には適さない。
【０００９】
このように、従来技術では、測定あるいは制御の対象となる光パルスの中心波長やスペクトル幅に合った量子準位構造を有し、かつ、光波の位相の検出や制御に適した単一準位と複数準位間のバンド間光学遷移が可能な量子井戸構造がないという課題がある。
【００１０】
【特許文献１】
特願平２００２−０８１７７９号明細書
【非特許文献１】
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．６６，ｐｐ．２０１（１９９１），ｖｏｌ．６８，ｐｐ．２２１６（１９９２），Ｋｏｈｌｅｒ　ｅｔ　ａｌ．
【非特許文献２】
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．７６（１９９６）４３９２，Ｂｏｎｖａｌｅｔ　ｅｔ　ａｌ．
【非特許文献３】
Ｍ．Ｋ．Ｋｅｌｌｙ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．４６，７６８（１９８５）
【００１１】
上記課題に鑑み本発明は、単一準位と複数準位間のバンド間光学遷移が可能であり、しかも準位間エネルギーや、各準位間の振動子強度が制御可能な半導体多層構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造は、所定の層厚と所定のバンドギャップ・エネルギーを有する半導体層を少なくとも２層以上積層した量子井戸層と、量子井戸層の両側に積層する量子井戸層よりもバンドギャップ・エネルギーが大きい半導体障壁層とからなることを特徴とする。
上記所定の層厚と所定のバンドギャップ・エネルギーは、量子井戸層の価電子帯または伝導帯のどちらか一方の量子準位が２層以上の半導体層のうちの１層の量子井戸内に存在し、他方の量子準位が２層以上の量子井戸にまたがって存在するように制御することを特徴とする。
また、一方の量子準位を１層の量子井戸内に存在させ、かつ、他方の量子準位を２層以上の量子井戸にまたがって存在させるバンドギャップ・エネルギーと層厚の制御は、量子井戸層の隣り合う半導体層のバンドギャップ・エネルギーの差によって一方及び他方の量子井戸の閉じ込めポテンシャルの深さを制御し、半導体層の層厚によって、一方の量子井戸内に一方の量子準位が存在し且つ他方の量子井戸内に量子準位が存在しないように制御することを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、量子井戸部分に局在する価電子帯の少なくとも一つの量子準位から伝導帯の少なくとも二つ以上の量子準位への、あるいは、価電子帯の少なくとも二つ以上の準位から伝導帯の一つの量子準位への、光学遷移が許容される量子井戸が実現できる。
ある準位ａからある準位ｂへの光学遷移の確率は光強度と振動子強度に比例する。振動子強度は、関与する二つの準位の包絡波動関数の重なり積分の絶対値の二乗に比例する。すなわち、ｘを位置座標、価電子帯の第ｍ番目の準位Ｅｖｍの包絡波動関数をψｖｍ（ｘ）、伝導帯の第ｎ番目の準位Ｅｃｎの包絡波動関数をψｃｎ（ｘ）とすれば、振動子強度Ｓは、次式３で表される。
【数３】
2004111878.tif 000005
【００１４】
従来技術で説明した図１１の単純な量子井戸の場合には、上記式３の重なり積分値は、ｍとｎが等しい場合にほぼ１であり、ｍとｎが異なる場合にはほぼ０に等しいために、ｍとｎが等しい場合にしか光学遷移が許されない、すなわち単一準位から複数準位への光学遷移は許容されないという選択則が得られる。
【００１５】
ところで、単一準位から複数準位への各々の光学遷移確率について、それらの総和が一定値をとるという総和則が成り立つことが知られている。つまり、価電子帯の準位ｍと伝導帯の準位ｍの振動子強度を１より小さくすることにより、また、価電子帯の準位ｍと伝導帯のｍとは異なる準位ｎの振動子強度を零より大きくすることによって、単一準位から複数準位への光学遷移が可能になる。この性質を利用することにより、価電子帯の準位ｍから伝導帯の準位ｍとｎとに同程度の振動子強度の遷移が許容される半導体多層構造を設計することが可能になる。すなわち、本発明の半導体多層構造では、価電子帯の第ｍ準位と伝導帯の第ｍ準位の波動関数の空間形状が異なるように設計されており、上記式３に基づいて、価電子帯の第ｍ準位と伝導帯の第ｍ準位の振動子強度を計算した場合に１に比べて小さくなるようにし、第ｍ準位と異なる準位ｎとの振動子強度も零にならないようにして、単一準位から複数準位への光学遷移を可能にしている。
【００１６】
価電子帯と伝導帯の第ｍ準位の波動関数の空間形状を異ならせる方法は、量子井戸層をバンドギャップ・エネルギーの大きさの異なる半導体層を積層して実現できる。バンドギャップ・エネルギーの差ΔＥは、半導体層材料の組み合わせに固有な配分比（バンドオフセット比）で伝導帯の差ΔＥｃと価電子帯の差ΔＥｖに配分され、これによって、伝導帯には電子の閉じ込めポテンシャルが、価電子帯には正孔の閉じ込めポテンシャルが形成され、これらの閉じ込めポテンシャルによって、伝導帯、価電子帯の各々の量子井戸内に、電子あるいは正孔が閉じ込められることにより離散的な準位が形成される。この離散的準位エネルギー及び準位間隔エネルギーは量子井戸の半導体層の層厚及びバンドギャップ・エネルギーを制御することによって変化させることができる。さらに、ホールの有効質量は電子の有効質量よりも通常大きいので、半導体層の層厚を変化させた場合の価電子帯準位と伝導帯準位の変化の程度は伝導帯準位の方が価電子帯準位よりも大きい。この違いを利用すれば、量子井戸の半導体層の膜厚及びバンドギャップ・エネルギーを適切に制御することにより、価電子帯準位の波動関数は２層以上からなる量子井戸のうちの１層の量子井戸内に局在させ、伝導帯準位の波動関数は２層以上の量子井戸にまたがって存在させることが可能になり、価電子帯準位の波動関数と対応する伝導帯準位の波動関数の空間形状を顕著に異ならせることができる。このため、上記式３に基づいた振動子強度は１より小さくなり、従って、単一準位から複数準位への光学遷移が可能になる。
【００１７】
また、本発明の他の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造は、上記構成に加え、障壁層にｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパント、または、これらの両方をドープしたことを特徴とする。
この構成によれば、ドープした不純物のアクセプター効果、またはドナー効果によって、またはこれらの両方の効果によって、複数準位から複数準位への光学遷移がさらに抑制され、良好な、単一準位から複数準位または複数準位から単一準位への光学遷移が実現される。
【００１８】
また、本発明の他の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造は、価電子帯量子井戸と伝導帯量子井戸の位置が半導体層の層厚方向にずれていることを特徴とする。
この構成によれば、価電子帯及び伝導帯での第ｍ準位同士の波動関数の空間形状はほぼ同一であるが、層厚方向に位置がずれているために、波動関数同士の重なりが小さくなり、単一準位から複数準位への光学遷移が可能になる。この構造によれば、ずれ幅ｄを変えることにより、単一準位から複数準位への光学遷移確率を大きく制御できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の第１の実施の形態による量子井戸のエネルギー構造を示す図である。なお、多数の半導体層から構成される量子井戸層の説明は、２つの半導体層から構成される量子井戸層の説明と等価であるので、説明を解り易くするため、２つの半導体層からなる量子井戸層の場合について説明する。
本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の第１の実施の形態の量子井戸は、エネルギー構造が非対称階段型であるので、以下の説明において非対称階段型量子井戸と呼ぶ。
図において、本発明の非対称階段型量子井戸１は、量子井戸層２と量子井戸層２の両側に積層された半導体障壁層３とからなる。量子井戸層２はバンドギャップ・エネルギーの異なる半導体層４及び半導体層５を積層して構成される。半導体障壁層３のバンドギャップ・エネルギーは量子井戸層２の半導体層４及び半導体層５のバンドギャップ・エネルギーのいずれよりも大きい。量子井戸層２の半導体層４と半導体層５のバンドギャップ・エネルギーは、この図の場合、半導体層４のバンドギャップ・エネルギーがより小さいとして説明する。半導体層４の層厚をＬｓとし、量子井戸層２の全体の層厚をＬｂとする。
【００２０】
半導体層４及び半導体層５の伝導帯間に生ずる段差エネルギー、すなわち伝導帯段差エネルギーをＶｓｃ、半導体層４及び半導体層５の価電子帯間に生ずる段差エネルギー、すなわち、価電子帯段差エネルギーをＶｓｖとする。ＶｓｃとＶｓｖの和は半導体層４と半導体層５のバンドギャップ・エネルギー差ΔＥに等しく、ＶｓｃとＶｓｖのそれぞれの大きさは材料の組み合わせで決まるバンドオフセット比で分配される。バンドオフセット比はＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ系の半導体では約６／４である。同様に、半導体障壁層３と半導体層４及び半導体層５のバンドギャップエネルギーの差から定まる伝導帯段差エネルギー、及び価電子帯段差エネルギーをそれぞれ、Ｖｂｃ４、Ｖｂｃ５、及び、Ｖｂｖ４、Ｖｂｖ５とする。
【００２１】
図２は、価電子帯正孔の第１準位と伝導帯電子の第１準位の量子井戸内の位置関係を示す図である。価電子帯正孔の第１準位をＥｖ１、伝導帯電子の第１準位、第２準位をＥｃ１、Ｅｃ２とする。
図２（ａ）は、半導体層４の層厚Ｌｓが小さい、または、伝導帯段差エネルギーＶｓｃ及び価電子帯段差エネルギーＶｓｖが小さい、またはその両方の場合を示しており、この場合には、価電子帯正孔の第１準位Ｅｖ１、及び、伝導帯電子の第１準位Ｅｃ１、Ｅｃ２は、Ｖｓｃ及びＶｓｖより高い位置にあり、これらの準位に対する包絡波動関数は、Ｖｓｖを閉じこめポテンシャルとする量子井戸幅Ｌｓの量子井戸６、及びＶｓｃを閉じこめポテンシャルとする量子井戸幅Ｌｂの量子井戸７の内部に局在していない。
図２（ｂ）は、半導体層４の層厚Ｌｓが大きい、または伝導帯段差エネルギーＶｓｃ及び価電子帯段差エネルギーＶｓｖが大きい、またはその両方の場合を示しており、この場合には、価電子帯正孔の第１準位Ｅｖ１はＶｓｖより低い位置にあり、伝導帯電子の第１準位Ｅｃ１はＶｓｃより低い位置にあり、これらの準位に対する包絡波動関数は、量子井戸６と量子井戸７にそれぞれ局在する。
図２（ａ）と図２（ｂ）のいずれの場合も、伝導帯と価電子帯に形成される包絡波動関数は量子井戸幅が等しい量子井戸内に局在しているため、同一の空間形状を有しており、上記式３で与えられる振動子強度はほぼ１に等しい。このため、図に示したように、実線で示した矢印の光学遷移のみが許容され、点線で示した光学遷移はほとんど生じない。すなわち、本発明の目的とする単一準位から複数準位への光学遷移は実質的に許容されない。
【００２２】
図２（ｃ）は、半導体層３の層厚Ｌｓが図２（ａ）と図２（ｂ）の場合の間にある、または価電子帯段差エネルギーＶｓｖ及び伝導帯段差エネルギーＶｓｃが図２（ａ）と（ｂ）の場合の間にある、またはその両方の場合を示しており、この場合には、価電子帯正孔の第１準位Ｅｖ１が量子井戸６に局在するが、伝導帯電子の第１準位Ｅｃ１は量子井戸７に存在せず、量子井戸幅をＬｂ、伝導帯段差エネルギーＶｂｃ４とＶｂｃ５を閉じこめポテンシャルとする量子井戸８に存在する。このため、価電子帯正孔の第１準位Ｅｖ１と伝導帯電子の第１準位Ｅｃ１に対応する包絡波動関数は空間形状が顕著に異なり、上記式３で与えられる振動子強度は顕著に１より小さくなる。従って、この場合には、本発明の目的である、単一準位と複数準位との間の光学遷移が許容される。
【００２３】
上記図２（ｃ）の説明では、価電子帯の準位が量子井戸６に局在し、伝導帯の準位が量子井戸７に局在しない場合を説明したが、その逆、すなわち、価電子帯の準位が量子井戸６に局在せず、伝導帯の準位が量子井戸７に局在する場合もあり得る。ただし、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの組み合わせなど現在多用されている量子井戸材料の場合、価電子帯の重い正孔の有効質量が、伝導帯電子の有効質量に比べて大きいため、図２（ｃ）に示した、価電子帯の準位が量子井戸６に局在し、伝導帯の準位が量子井戸７に局在しない状況がより実現しやすい。
【００２４】
このような多準位への遷移を可能にする階段型量子井戸形状の設計は、有効質量近似を用いた量子力学計算により量子井戸の準位エネルギーおよび包絡波動関数を求めることにより行うことができる。この設計の具体例を以下に示す。
図３は、価電子帯の第１準位エネルギーが価電子帯段差エネルギーＶｓｖに、及び、伝導帯第１準位エネルギーが伝導帯段差エネルギーＶｓｃに等しくなる量子井戸幅と段差エネルギーの関係を示す図である。横軸は量子井戸６の幅Ｌｓを示し、左側の縦軸は伝導帯段差エネルギーＶｓｃを示し、右側の縦軸は価電子帯段差エネルギーＶｓｖを示す。図において、下の曲線は、Ｅｖ１＝Ｖｓｖの関係を満たす曲線であり、各々の幅Ｌｓにおいて、価電子帯段差エネルギーＶｓｖがこの曲線より上にあれば、価電子帯の第１準位は量子井戸６内に存在する。上の曲線は、Ｅｃ１＝Ｖｓｃの関係を満たす曲線であり、各々の幅Ｌｓにおいて、伝導帯段差エネルギーＶｓｃがこの曲線より下にあれば、伝導帯の第１準位は量子井戸７内に存在しない。従って、半導体層４と半導体層５のバンドギャップ・エネルギー差から定まるＶｓｖとＶｓｃに対して、下の曲線と上の曲線の間の領域に入るようにＬｓを選択すれば、価電子帯の第１準位Ｅｖ１が量子井戸６に局在し、伝導帯の第１準位Ｅｃ１は量子井戸７に存在しない構造が実現できる。
【００２５】
図４は、価電子帯段差エネルギー及び伝導帯段差エネルギーを固定し、量子井戸幅を変化させた場合の、価電子帯の第１準位から伝導帯の第１準位への光学遷移確率と、価電子帯の第１準位から伝導帯の第２準位への光学遷移確率を示す図である。左側の縦軸は価電子帯の第１準位から伝導帯の第１準位への光学遷移確率Ｐｖ１ｃ１を表し、右側の縦軸は価電子帯の第１準位から伝導帯の第２準位への光学遷移確率Ｐｖ１ｃ２を表す。Ｖｓｃ＝１００ｍＶ、Ｖｓｖ＝６６ｍＶの場合である。
図からわかるように、図３で示した下の曲線と上の曲線の間の領域に対応する量子井戸幅Ｌｓで、価電子帯の第１準位から伝導帯の第１準位への光学遷移確率Ｐｖ１ｃ１が減少し、価電子帯の第１準位から伝導帯の第２準位への光学遷移確率Ｐｖ１ｃ２が増大することがわかる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
上記のようにして、価電子帯の第１準位から伝導帯の第２準位への遷移が生じるようになると、価電子帯の第２準位から伝導帯の第１準位への遷移確率も大きくなり、価電子帯の第１準位から伝導帯の第１及び第２準位への遷移、価電子帯の第２準位から伝導帯の第１及び第２準位への遷移といった遷移が許容されるようになることが計算によりわかっている。具体的には、不純物を含まない純粋な半導体において価電子帯の準位はほぼ完全に占有されており、価電子帯の複数準位と伝導帯の複数準位間に光学遷移が生じるためである。
本発明の第２の実施の形態の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造は、上記した第１の実施の形態の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造に加え、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパント、または、これらの両方をドープし、上記の現象を抑制したことを特徴としている。
【００２７】
図５は、本発明の第２の実施の形態の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の作用を説明する図である。図５（ａ）はｐ型ドーパントが無い場合のバンドダイヤグラム及び光学遷移状態を示し、図５（ｂ）はｐ型ドーパントをドープした場合のバンドダイヤグラム及び光学遷移状態を示す。
図５（ａ）に示すように、不純物を含まない純粋な半導体においては価電子帯の準位はほぼ完全に占有されているので、中心エネルギーがＥｏに相当する光パルスを照射すると、図の矢印で示すように、価電子帯第１準位及び価電子帯第２準位から伝導帯第１準位及び伝導帯第２準位に光学遷移が起こるようになる。図５（ｂ）に示すように、ｐ型ドーパント９を障壁層にドープした場合には、価電子帯の第１準位にホール１０を存在させることができるので、図の矢印で示すように、価電子帯の第２準位のみから光学遷移を生じさせることができ、価電子帯の複数準位と伝導帯の複数準位間の光学遷移を抑制することができる。
【００２８】
図６は、本発明の第２の実施の形態の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の作用を説明する図である。図６（ａ）はｎ型ドーパントが無い場合のバンドダイヤグラム及び光学遷移状態を示し、図６（ｂ）はｎ型ドーパント１１を障壁層にドープした場合のバンドダイヤグラム及び光学遷移状態を示している。図５と同様に、ｎ型ドーパントをドープした場合には、伝導帯第１準位に電子１２を存在させることができるので、伝導帯第１準位への光学遷移が起きなくなり、図の矢印で示すように、伝導帯の第２準位へのみ光学遷移が可能になり、価電子帯の複数準位と伝導帯の複数準位間の光学遷移を抑制することができる。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
図７は、本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の第３の実施の形態の量子井戸エネルギー構造を示す図である。図に示すように、本発明の第３の実施の形態の量子井戸エネルギー構造は、価電子帯量子井戸と伝導帯量子井戸の位置が半導体層の積層方向にずれていることを特徴とする。この量子井戸構造を平行移動型量子井戸と呼ぶ。
平行移動型量子井戸においては、価電子帯及び伝導帯の第ｍ準位の波動関数の空間形状はほぼ同一であるが、層厚方向に位置がずれているために、前記式３で与えられる振動子強度が小さくなり、単一準位から複数準位への光学遷移が可能になる。この構造によれば、ずれ幅ｄを変えることにより、単一準位から複数準位への光学遷移確率を大きく制御できる。
【００３０】
図８は、平行移動型量子井戸における多準位遷移確率をずれ幅を変数として計算した結果を示す図である。Ｐｖ１ｃ３は価電子帯第１準位Ｅｖ１から伝導帯第３準位Ｅｃ３への光学遷移確率である。図からわかるように、ずれ幅ｄを適切に選択することにより、価電子帯の第１準位から伝導帯の３個の準位にほぼ等確率で光学遷移させることができる。
【００３１】
次に、実施例を示す。
ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ半導体を用いて、本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造を作製し、評価を行ったところ、単一準位から複数準位への光学遷移が確認された。
図９は、作製した単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の詳細な構造を示す図である。
【００３２】
なお、図２で示した構造の非対称階段型量子井戸に層厚方向に電界を印加して、価電子帯及び伝導帯の量子井戸幅を変調することにより、単一準位から単一準位への光学遷移から単一準位から複数準位への光学遷移に切り替えることができ、またその逆も可能であるので、電界効果型光変調器として使用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、測定あるいは制御の対象となる光パルスの中心波長やスペクトル幅に合った量子準位構造を有し、かつ、光波の位相の検出や制御に適した単一準位と複数準位間のバンド間光学遷移が可能な量子井戸構造を提供することができる。従って、光領域の位相の制御や検出のための量子井戸として用いることができ、また、光ファイバー伝送の現場における光の位相の制御や検出のための量子井戸として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の第１の実施の形態による量子井戸のエネルギー構造を示す図である。
【図２】価電子帯正孔の第１準位と伝導帯電子の第１準位の量子井戸内の位置関係を示す図である。
【図３】価電子帯の第１準位エネルギーが価電子帯段差エネルギーＶｓｖに、そして伝導帯第１準位エネルギーが伝導帯段差エネルギーＶｓｃに等しくなる量子井戸幅と段差エネルギーの関係を示す図である。
【図４】価電子帯段差エネルギー及び伝導帯段差エネルギーを固定し、量子井戸幅を変化させた場合の、価電子帯の第１準位から伝導帯の第１準位への光学遷移確率と、価電子帯の第１準位から伝導帯の第２準位への光学遷移確率を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の作用を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の作用を説明する図である。
【図７】本発明の単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の第３の実施の形態による量子井戸エネルギー構造を示す図である。
【図８】平行移動型量子井戸における多準位遷移確率をずれ幅を変数として計算した結果を示す図である。
【図９】作製した単一準位と複数準位間の光学遷移が可能な半導体多層構造の詳細な構造を示す図である。
【図１０】光波束を量子波束に書き込む原理を示す図である。
【図１１】従来の単純な量子井戸のポテンシャル形状を示す図である。
【図１２】他の従来例の単一準位から複数の準位に光学遷移する量子井戸構造を示す図である。
【図１３】別の従来例の単一準位から複数の準位に光学遷移する量子井戸構造を示す図である。
【符号の説明】
１　　　非対称階段型量子井戸
２　　　　量子井戸層
３　　　半導体障壁層
４　　　半導体層
５　　　半導体層
６　　　量子井戸
７　　　量子井戸
８　　　量子井戸
９　　　ｐ型ドーパント
１０　　ホール
１１　　ｎ型ドーパント
１２　　電子
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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