(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層構造の化合物半導体からなり、ｐ−ＩｎＰクラッド層とｎ−ＩｎＰクラッド層との間にＩｎＧａＡｓＰでなる変調層が挟まれ、さらにその変調層とそのｐ−ＩｎＰクラッド層との間にはその変調層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するスペーサ層が設けられてなる電気吸収型光変調器において、
前記スペーサ層は、その電子親和力を低下させるＡｌを混入したＡｌＩｎＧａＡｓＰでなり、前記変調層の価電子帯端のエネルギーと前記スペーサ層の価電子帯端のエネルギーとの差であるΔＥｖが約０ｍｅＶとなるように前記スペーサ層の電子親和力を低下させたことを特徴とする電気吸収型光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の電気吸収型光変調器であって、
前記変調層のバンドギャップと前記スペーサ層のバンドギャップとの差であるΔＥｇは、１１０ｍｅＶ以上１２０ｍｅＶ以下であることを特徴とする電気吸収型光変調器。
【請求項３】
層構造の化合物半導体からなり、ｐ−ＩｎＰクラッド層とｎ−ＩｎＰクラッド層との間に、ＩｎＧａＡｓＰでなる井戸層とそのＩｎＧａＡｓＰでなる井戸層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する障壁層との繰り返しで構成される多重量子井戸構造の変調層が挟まれてなる電気吸収型光変調器において、
前記障壁層は、その電子親和力を低下させるＡｌを混入したＡｌＩｎＧａＡｓＰでなり、前記井戸層の価電子帯端のエネルギーと前記障壁層の価電子帯端のエネルギーとの差であるΔＥｖが３０ｍｅＶ以下となるように前記障壁層の電子親和力を低下させたことを特徴とする電気吸収型光変調器。
【請求項４】
請求項３に記載の電気吸収型光変調器であって、
前記井戸層のバンドギャップと前記障壁層のバンドギャップとの差であるΔＥｇは、１３０ｍｅＶ以上１４０ｍｅＶ以下であることを特徴とする電気吸収型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気吸収型光変調器に関し、特に、正孔のパイルアップを防止し高速動作を可能とした電気吸収型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体を用いた電気吸収型光変調器の構造は、変調したい光のエネルギーと同程度のエネルギーギャップを持つ真性半導体の変調層を、変調層よりも屈折率が低くエネルギーギャップが大きいｐ型とｎ型半導体のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を基本とする。そのようなpinダブルヘテロ構造に逆バイアスを印加し、フランツ-ケルディッシュ(F-K)効果や量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)により変調層の光吸収端を長波長側にシフトさせることによって光を吸収する。しかし、単純なダブルヘテロ構造では変調層とｐ-クラッド層の価電子帯側のバンド不連続により界面に正孔が蓄積（パイルアップ）し、大光量変調と高速動作の妨げとなる。この問題を回避するために変調層とｐ-クラッド層との間に両者の中間のバンドギャップを持つスペーサー層を挿入し、価電子帯側のバンド不連続を減少させて正孔のパイルアップを低減する試みがなされた。
【０００３】
そのような場合の変調層付近の積層構造を図１に示す。図１の積層構造は有機金属化学気相堆積法（MOCVD）や分子線エピタキシー法(MBE)などによって原子層オーダーの膜厚制御性の下で成長される。図１は変調層付近の抜粋であり、通常このような積層構造が適当な基板上に成長され、さらに材料によっては最表面に電極を形成するために高濃度にドープされたコンタクト層が成長される。（特許文献１，特許文献２，特許文献３  参照）
【０００４】
【特許文献１】
特許第２６７００５１号
【特許文献２】
特開平１１−６８１２５号公報
【特許文献３】
特開２０００−３０５０５５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
次に従来のスペーサー層の効果と問題点について述べる。
まず、スペーサー層を挿入する前のバンド構造を図２（ａ）に示す。変調層とｐ-クラッド層との界面において大きな価電子帯側のバンド不連続△ Evが存在している。このようなバンド構造を有する素子の変調層とｐ-クラッド層との界面には、光吸収によって生じた正孔が蓄積しやすい。そして蓄積した正孔は大光量変調と高速動作の妨げとなる。続いて、スペーサー層を挿入した場合のバンド構造を図２（ｂ）に示す。変調層で生じた正孔に対する障壁△Evが小さくなっており、上記の問題点が多少は解決されている。
【０００６】
ところで、素子作成のプロセスをほとんど変えることなくｃバンド帯（国際電気通信連合(ITU-T)規定の用語では1530〜1565nm光波長帯を指し、光通信帯域として最も実用例が多い帯域）の複数の動作波調に対応するためには、組成の変化によって基板と格子整合を保ったままエネルギーギャップを変えることができる４元化合物半導体InGaAsPを変調層として用いることが多い。例えば、InGaAsP/InGaAsP系ヘテロ接合の伝導帯のバンド不連続△Ec、価電子帯の不連続△EvはエネルギーギャップEgの差が両者に同程度に分配されるため同程度の値であり、価電子帯側バンド不連続を解消して正孔のパイルアップを防止するためには変調層とスペーサー層とのエネルギーギャップを十分近い値とする必要がある。しかし、バンドギャップの値を変調層のそれに近づけたスペーサー層により入力光が吸収され、無変調（０バイアス）時の透過光量損失が大きくなってしまう。また、大きな消光比も得られにくい。
【０００７】
変調層として多重量子井戸構造を用いた場合、例えば、InGaAsP/InGaAsP系ヘテロ接合の伝導帯のバンド不連続△Ec、価電子帯の不連続△EvはエネルギーギャップEgの差が両者に同程度に分配されるため同程度の値であり、価電子帯側バンド不連続を解消して正孔のパイルアップを防止するためには井戸層と障壁層とのエネルギーギャップを十分近い値とする必要がある。しかし、井戸層のエネルギーギャップの値を障壁層のそれに近づけた場合、井戸層内への電子の閉じ込めの程度が小さくなり、バイアス電圧印加によって励起子が壊れてしまい、QCSE（シュタルク効果）が薄れるため大きな消光比が得られない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明は、電気吸収型光変調器に設けたスペーサー層に電子親和力を低下させるような材料を混入することで十分大きなバンドギャップを有し、かつ△Evが十分小さいスペーサー層を実現する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明において実現され得るバンド構造を図２（ｃ）に示す。
△Evは正孔のパイルアップを引き起こさないように十分小さな値としている。さらに変調層のみで効率よく光吸収を行なえるようにスペーサー層のバンドギャップは十分大きな値としている。
このようなバンド構造を実現するための具体例を以下に述べる。
まずn-InP基板上にバッファ層を兼ねたn-InPをｎ-クラッド層として成長させる。その後に、InP基板と格子整合したInGaAsP変調層を成長させる。InGaAsP変調層はバルクまたは多重量子井戸構造とし、そのエネルギーギャップは変調したい光のエネルギー値に応じて設定する。なお、多重量子井戸のエネルギーギャップとは実効的なエネルギーギャップのことであり、励起子吸収による吸収端に対応する。続いて電子親和力を低下させるような材料としてAlを混入したAlInGaAsPスペーサー層を成長させる。その後にp-InPクラッド層を成長させる。
【００１０】
以下に、図２（ｃ）に示すようなバンド構造を実現するスペーサー層の組成について説明する。
一例として、変調層はエネルギーギャップが0.83eVのInGaAsP、スペーサー層は第III族元素に対するAlの割合を0.14としたAlInGaAsPを用いる場合について説明する。
InP基板と格子整合するようなAl0.14InGaAsPのバンドギャップは0.93eV〜1.27eVとなる。すなわち、変調層とスペーサー層とのエネルギーギャップ差△Egは0.10eV〜0.44eVとなる。ところで、バンド不連続の値を決定する要因の一つは材料の電子親和力である。アンダーソン則[A.R.Anderson,Solid State Electron.,5(1962)341]によると、伝導帯側のバンド不連続△Ecは、
△Ec＝χe1−χe2                                （１）
である。ここで、χe1とχe2はそれぞれスペーサー層と変調層の電子親和力となる。したがって、
△Ev＝△Eg−△Ec＝△Eg−χe1＋χe2           （２）
となる。化合物半導体の電子親和力の値は第III族元素種によって概ね決定され、その値はAlAs,AlPについては〜3.5eVであり、第III族元素がGaやInである場合4.07ev〜4.9eVである（Milnes.A.G. and Feucht.D.L. :“Heterojunctions and Metal-Semiconductor Junctions”Academic(1972)）。Egや電子親和力の値は組成に対し、ともにベガードの法則によって見積もることができる。
【００１１】
一例としてEg＝0.83eVでInP基板に格子整合するIn0.65Ga0.35As0.74P0.26の電子親和力をベガードの法則によって見積もると、4.55eVとなる。正孔のパイルアップを引き起こさないような十分小さな△Evと、変調層のみで効率よく光吸収を行えるような十分大きなバンドギャップの値を同時に実現し得るようなスペーサー層Al0.14In1-0.14-xGaxAsyP1-yは、その組成をｘ＝0.32,ｙ＝0.97とした場合が適当である。このときのバンドギャップを見積もると0.94eVとなる。同様に電子親和力を見積もると4.44eVとなる。したがって、△Egは110meVとなり、（１）式および（２）式より、△Ecと△Evはそれぞれ110meV、〜0meVとなる。また、スペーサー層としてAlInGaAsPを用いることによって、△Evを大きくすることなく△Ecのみを変化させることも可能である。例えば、スペーサー層をAl0.14In1-0.14-xGaxAsyP1-yとし、その組成をｘ＝0.32,ｙ＝0.99とした場合、△Ecと△Evはそれぞれ120meV、〜0meVとなる。
【００１２】
このようなAlInGaAsPスペーサー層を用いた場合の変調層とスペーサー層との界面のバンド構造の詳細図を図３に示す。図３（ａ）は禁制帯の中央付近にあると考えられる真性フェルミ準位が一致するように描いてある。しかし実際は電子親和力の違いによって図３（ｂ）に示すようにバンドは曲がっていると考えられる。このような価電子帯バンド構造により特開平１１−６８１２５号公報におけるグレーデッド層と同様の正孔パイルアップ防止効果を、組成を少しずつ変化させながら成長することなく単一組成の一層で容易に実現することができるといえる。しかも実際の光変調器においては変調時に逆バイアスを印加するため、図３（ｃ）に示すように正孔にとってのポテンシャル障壁は全く存在しないこととなる。
以上の通り、変調層としてInGaAsP、スペーサー層としてAlInGaAsPを用いることによって、△Evを正孔のパイルアップを引き起こさないような十分小さな値とし、さらに変調層のみで効率よく光吸収を行えるようにバンドギャップ差を十分大きな値とすることが可能である。
【００１３】
（実施例２）
従来のスペーサー層によっては、４元化合物半導体で変調層を構成した素子に限らず、スぺーサー層と変調層との価電子帯端のエネルギー差△Ev→０を達成しつつ同時に両者それぞれのバンドギャップEgの大きさの差である△Eg→大をも確保する電気吸収型変調器は実現されていない。スペーサー層のEgを十分大きくして光吸収をなくした場合、従来の変調器ではどうしても多少の△Ev＞０が生じていた。
実施例２においては、スペーサー層の電子親和力に初めて着目し、スペーサー層に電子親和力を低減する作用のあるAlを混入するという新規な手段によって、ほぼ完全に△Ev→０とすることを初めて可能にするものである。このようにスペーサー層と変調層との価電子帯端のエネルギー差については、通常これを０近傍にまで十分低減することが求められる。
【００１４】
（実施例３）
量子井戸構造でなる電気吸収型光変調器においては、井戸層と障壁層の価電子帯端のエネルギー差△Evは、量子閉じ込めシュタルク効果を担保するため、励起子（電子とともに構成する重い正孔）を井戸内に離散的に存在する狭いエネルギーバンドであるサブバンド内に閉じ込めるに必要な適宜の△Ev＞０の大きさを有することが好ましい。（なお、サブバンド幅が狭いということは換言すれば離散化が十分であるということであり、サブバンド幅が広いということは閉じ込めが十分でないということである。）
そこで実施例３では常温程度の熱振動によって井戸層内の励起子が障壁を越えてしまわない程度の△Evの値を選ぶことを提案している。
実施例においては、室温でのkT〜25meVであるため
（１）．井戸内に適度な量の正孔を閉じ込めておくために〜25meV程度は必要、
（２）．離散化した正孔のエネルギーレベルは図２を参照して価電子帯端から数meV程度の（１）＋（２）で△Ev〜30meVとしている。
通常のInGaAsP／InGaAsP系の多重量子井戸構造の問題点は、そのバンド構造において図４（ａ）に示すように、井戸層と障壁層との界面において大きな価電子帯側のバンド不連続△Evが存在していることである。このようなバンド構造を有する多重量子井戸構造をもつ変調層の井戸層には、光吸収によって生じた正孔が蓄積しやすい。そして蓄積した正孔は大光量変調と高速動作の妨げとなる。
【００１５】
実施例３において実現され得るバンド構造を図４（ｂ）に示す。
△Evは正孔のパイルアップを引き起こさないように十分小さな値としている。実施例３では従来技術の問題点を解決するために、多重量子井戸構造の障壁層に電子親和力を低下させるような材料を混入することで△Evを小さくし、消光比を減少させることなく正孔のパイルアップが少ない多重量子井戸構造を実現する。多重量子井戸構造におけるサブバンド形成の様子を説明するKronig-Pennyモデルの重要な結果の一つは電子や正孔の波数k、井戸層の厚さLz、障壁層の厚さLbを用いて次式で表される。
【数１】
0004502588.tif 000002
【００１６】
井戸層を10nm、障壁層を７nmとしたInGaAsP／InGaAsP系の多重量子井戸構造の障壁の高さを変化させたときのサブバンドの広がりの様子を上式から計算し、図５に示す。
図より、例えば障壁の高さが100meVであるとき、電子のサブバンドは10meV程度の広がりをもつが、重い正孔のサブバンドの広がりは殆どないことが分かる。換言すると、重い正孔の量子井戸への閉じ込めの程度は電子に比べると大きいと言える。このようなサブバンドの広がりの程度の差は有効質量（InGaAsPにおける重い正孔の有効質量は電子の有効質量の10倍程度である。）に起因しており、障壁の高さが同じ場合には重い正孔の閉じ込めの程度は電子のそれに比べて強いこととなる。重い正孔に対する障壁高さは室温におけるkBT〜25meV（ただし、kB：ボルツマン定数、T：絶対温度）程度あれば十分である。
このようなバンド構造を実現するための具体例を以下に述べる。
まず、n-InP基板上にバッファ層を兼ねたn-InPをnクラッド層として成長させる。その後に、InP基板と格子整合したInGaAsP系多重量子井戸構造変調層を成長させる。なお、多重量子井戸構造の励起子吸収による吸収端に対応する実効的なエネルギーギャップは変調したい光のエネルギー値に応じて設定する。このときの多重量子井戸構造の障壁層は電子親和力を低下させるような材料としてAlを混入したAlInGaAsPとする。多重量子井戸構造の変調層を成長させた後にp-InPクラッド層、続いてp-InGaAsPコンタクト層を成長させる。
【００１７】
以下に図３（ｂ）に示すようなバンド構造を実現する多重量子井戸構造の組成について説明する。
例として、井戸層はエネルギーギャップが0.83eVのInGaAsP、障壁層はIII族元素に対するAlの割合を0.14としたAlInGaAsPを用いる場合について説明する。
InP基板と格子整合するようなAl0.14InGaAsPのバンドギャップは0.93eV〜1.27eVとなる。すなわち、多重量子井戸構造の井戸層と障壁層とのエネルギーギャップ差△Egは0.10eV〜0.44eVとなる。ところで、バンド不連続の値を決定する要因の一つは材料の電子親和力である。アンダーソン則[A.R.Anderson,Solid State Electron.,5(1962)341]によると、伝導帯側のバンド不連続△Ecは
△Ec＝χe1−χe2                                （６）
である。ここで、χe1とχe2はそれぞれ井戸層と障壁層の電子親和力となる。したがって、
△Ev＝△Eg−△Ec＝△Eg−χe1＋χe2               （７）
となる。化合物半導体の電子親和力の値は第III族元素種によって概ね決定され、その値はAlAs,AlPについては〜3.5eVであり、第III族元素がGaやInである場合4.07ev〜4.9eVである（Milnes.A.G. and Feucht.D.L. :“Heterojunctions and Metal-Semiconductor Junctions”Academic(1972)）。一例としてEg＝0.83eVでInP基板に格子整合するIn1-xGaxAsyP1-yの電子親和力をベガードの法則によって見積もると、4.55eVとなる。正孔のパイルアップを引き起こさないような十分小さな△Evを実現し得るような障壁層Al0.14In1-0.14-xGaxAsyP1-yは、その組成をｘ＝0.29,ｙ＝0.93とした場合が適当である。このときのバンドギャップを見積もると0.96eVとなる。同様に電子親和力を見積もると4.45eVとなる。したがって、△Egは130meVとなり、（４）式および（５）式より、△Ecと△Evがそれぞれ100meV、30meVとなる。また、障壁層としてAlInGaAsPを用いることによって、△Evを大きくすることなく△Ecのみを変化させることも可能である。例えば、障壁層をAl0.14In1-0.14-xGaxAsyP1-yとし、その組成をｘ＝0.29、ｙ＝0.92とした場合、△Ecと△Evはそれぞれ110meV、30meVとなる。
以上の通り、多重量子井戸構造の井戸層としてInGaAsP、障壁層としてAlInGaAsPを用いることによって、結晶性を低下させる原因となるような歪を導入することなく、△Evを正孔のパイルアップを引き起こさないような十分小さな値とすることができる。
【００１８】
（実施例４）
四元化合物半導体以外の化合物半導体でなる層にさらに電子親和力を調整する第III族元素を混入する場合においては、格子歪みを生じさせずにエネルギーギャップを所望に調整することが不可能となっている。
実施例４において、組成を適宜に選ぶことで、格子整合も担保しつつ△Evを所望に調整することである。（ただし積極的に格子歪みを生じさせて利用する電気吸収型光変調器も存在する。）
上記の説明において、第III族の元素であれば電子親和力を低減する調整作用が存するが、その作用の量的な大きさにおいて、現在までに分かっている中ではAlが最適である。
【００１９】
【発明の効果】
（１）正孔のパイルアップが防止されたことによって、素子に印加された電圧変化に対する変調層内の電界強度変化の追従性が向上するため、従来の電気吸収型光変調器に比べて高速動作が可能となる。正孔のパイルアップが防止されたことによる他の利点としては、変調層に正孔が飽和しないため、従来の電気吸収型光変調器に比べて挿入できる光量を増加させることができる。また、スペーサー層で光が吸収されることが無くなるため、無変調（０バイアス）時の透過光損失を減少させることができる。
（２）多重量子井戸構造をもつ変調層の井戸層における正孔のパイルアップが防止されたことによって、素子に印加された電圧変化に対する変調層内の電界強度変化の追従性が向上するため、従来の電気吸収型光変調器に比べて高速動作が可能となる。また、多重量子井戸構造における正孔のパイルアップが起こりにくい構造となったことで変調層で正孔の飽和が起きにくく従来の電気吸収型光変調器に比べて挿入できる光量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気吸収型光変調器の変調層部分の積層構造を示す図。
【図２】電気吸収型光変調器の変調層部分のバンド構造を示す図。
【図３】変調層とスペーサー層との界面のバンド構造を示す図。
【図４】多重量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図。
【図５】  Kronig-Pennyモデルにより計算したサブバンド広がりと障壁高さとの関係を示す図。
【図１】
0004502588.tif 000003
【図２】
0004502588.tif 000004
【図３】
0004502588.tif 000005
【図４】
0004502588.tif 000006
【図５】
0004502588.tif 000007