(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造において、井戸層に、Ｉｎの組成ｘが０．５〜１．０のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで構成された層を備え、障壁層に、Ａｓの組成ｙが０．３〜０．７のＡｌ（Ｇａ）ＡｓｙＳｂ１−yで構成された層と、AlAsで構成された層とを備え、
前記AlAsを主成分とする層が前記井戸層とＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ障壁層との間に挿入されており、その膜厚が１nm〜５nmであることを特徴とする光素子用半導体多層構造。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＡｓで構成された層の膜厚が１nm〜３nmであり、前記Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂで構成された層の膜厚が３nm〜２０nmであり、前記井戸層と前記障壁層とで単一量子井戸層ないしは結合量子井戸層が構成され、前記単一量子井戸層ないしは結合量子井戸層の膜厚が少なくとも０．４μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の光素子用半導体多層構造。
【請求項３】
第１の障壁層と、
第１の井戸層と、
第２の障壁層と、
第２の井戸層と、
第３の障壁層と、
を備え、
前記第１の井戸層と前記第２の井戸層は、前記第２の障壁層を挟み、
前記第１の障壁層と前記第３の障壁層は、前記第１の井戸層と第２の井戸層とを挟み、
前記第１の障壁層と前記第２の障壁層は、前記第１の井戸層を挟み、
前記第２の障壁層と前記第３の障壁層は、前記第２の井戸層を挟み、
前記第１の井戸層は、Ｉｎの組成ｘが０．５〜１．０のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで構成された層を備え、
前記第２の井戸層は、Ｉｎの組成ｘが０．５〜１．０のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで構成された層を備え、
前記第１の障壁層は、Ａｓの組成ｙが０．３〜０．７のＡｌ（Ｇａ）ＡｓｙＳｂ１−ｙで構成された層と、ＡｌＡｓで構成された層とを備え、
前記第２の障壁層は、ＡｌＡｓで構成された層を備え、
前記第３の障壁層は、Ａｓの組成ｙが０．３〜０．７のＡｌ（Ｇａ）ＡｓｙＳｂ１−ｙで構成された層と、ＡｌＡｓで構成された層とを備え、
前記第１の障壁層のＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂで構成された層と前記第１井戸層との間には、前記第１障壁層の前記ＡｌＡｓで構成された膜厚が１nm〜５nmの層を備え、
前記第３障壁層のＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂで構成された層と前記第２井戸層との間には、前記第１障壁層の前記ＡｌＡｓで構成された膜厚が１nm〜５nmの層を備えていることを特徴とする光素子用半導体多層構造。
【請求項４】
前記ＩｎＰ基板上にコア層として配置された請求項１記載の光素子用半導体多層構造と、前記コア層を挟む上下に屈折率が３．１以下である材料からなるクラッド層とを有し、前記クラッド層の少なくとも一方がＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ層からなり、その最表面にキャップ層を有することを特徴とする光素子用半導体導波路構造。
【請求項５】
基板上に請求項２に記載の光素子用半導体多層構造をコアとして備え、前記基板と、前記光素子用半導体多層構造との間に、基板側クラッド層を備え、前記光素子用半導体多層構造の上には、表面側クラッド層を備え、
前記基板側クラッド層の膜厚が３μm以上あり、前記表面側のクラッド層の膜厚が２μm以上あり、前記コア層の膜厚が０．４μm以上であることを特徴とする光素子用半導体導波路構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光通信および光情報処理システムに用いる光素子用半導体多層構造に関係し，特に半導体量子井戸構造の伝導帯サブバンド間遷移を利用した広帯域光制御素子、およびこれに用いる半導体多層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，超高速時分割多重光通信システムや光情報処理システムへの適用をめざした全光・光制御素子に関する研究開発が活発に展開されている。なかでも、半導体を用いた光スイッチは、小型・軽量化が容易であり、半導体レーザ、光変調器等の半導体素子とのモノリシック集積化が可能であり、さらに超格子や量子井戸等の量子構造の採用により、光スイッチングの高効率化が可能になるという利点がある。
【０００３】
従来のバンド間遷移による吸収を利用した半導体光スイッチは、実励起キャリアのバンド間再結合時間（数ナノ秒）によりスイッチ・オフ時間が制限されることが問題となっていた。これに対して、半導体量子井戸構造の伝導帯サブバンド間遷移は、緩和時間が数ピコ秒以下であり、バンド間遷移に比べて千倍以上の高速化が可能である。このため、サブバンド間遷移の高速性を利用したスイッチの検討が精力的に進められており、我々も例えばエレクトロニクスレター３７巻（２００１年）第１２９頁から第１３１頁（Electronics Lett. 37, (2001)pp 129〜131）にはスイッチング速度の指標となる吸収回復時間０．６９psを、またホトニクステクノロジーレター１４巻（２００２年）第４９５頁から第４９７頁（Photonics Techn. Lett. 14 (2002) PP 495〜497）では、１ps間隔の制御光パルスによるＯＴＤＭ−ＤＥＭＵＸの模擬実験を報告しており、１Ｔｂ／ｓの超高速光通信システムでの動作見通しが得られている。しかし、このように高速性に優れたサブバンド間遷移を用いた光制御素子を実用化するには、解決しなければならない課題が多々存在するが、中でも信号光を制御する制御光のパワーを少なくとも２桁程度低減する事が重要である。
【０００４】
しかし、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂヘテロ構造では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造と異なり、サブバンド間吸収強度の増大を図るために不純物添加量を増大すると、構成元素の置換および相互拡散が促進されて構造が大幅に乱れることが明らかとなった。このため、ＩｎＧａＡｓ層とＡｌＡｓＳｂ層の間に界面層が形成され、吸収強度の低下を来していた。従来、この界面層が形成されるのを抑制して、急峻な界面を形成するために、量子井戸構造を形成する時に、例えばＡｌＡｓＳｂ層からＩｎＧａＡｓ層に成長を切り替えるときに、ＡｌＡｓＳｂ層の成長を終えた段階で一旦成長を中断し、砒素のみを基板表面に照射し、しかる後にＩｎＧａＡｓ層の成長を開始する、いわゆる界面終端法が採用されていた。しかし、この界面終端法により一定の改善が見られているが、十分な吸収強度を得るまでには至っていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のサブバンド間遷移を用いた光制御素子では、実用レベルよりも２桁程度大きな制御光パワーが必要であるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を考慮してなされたもので、その目的は、上記のサブバンド間遷移を利用して超高速で光変調あるいは光スイッチを行うことが出来、テラビット／秒以上の大容量光通信システムに対応可能な光制御素子、並びにこれを実現できる半導体多層構造を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では，以下のような構成を採用している。すなわち本発明は、光制御素子の基本構成要素となる多重量子井戸構造において、井戸層にＩｎの組成ｘが０．５〜１．０のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを、また障壁層にはＡｓの組成ｙが０．３〜０．７のＡｌ（Ｇａ）ＡｓｙＳｂ１−ｙおよびＡｌＡｓからなる複合障壁層を採用し、膜厚１nm以上のＡｌＡｓ層がＩｎＧａＡｓ井戸層とＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ障壁層との間に挿入されたことを特徴とする半導体多層構造を採用している。
【０００８】
サブバンド間吸遷移の吸収強度は、界面特性に大きく依存している。従来用いられていた、界面終端法では、一定の改善は見られるものの、未だ不十分なものであった。そこで、さらなる改善を目指して、ＩｎＧａＡｓ層とＡｌＡｓＳｂ層間にＡｌＡｓ層を挿入し、界面の急峻性改善を図った。多重量子井戸構造を用いて、サブバンド間吸収係数のＡｌＡｓ層膜厚依存性を調べた結果、０.６nmのＡｌＡｓ層を挿入した多場合には、顕著な改善は見られなかったが、１.０nmのＡｌＡｓ層を挿入することにより、おおよそ吸収係数が５倍大きい10,500cm-1が得らた。従って、膜厚１．０nm以上のＡｌＡｓ層を挿入することにより、ＩｎＧａＡｓ層とＡｌＡｓＳｂ層間の界面層の形成が抑制されて、吸収強度を大幅に増大させることが可能となる。
【０００９】
さて、サブバンド間遷移に伴う励起キャリアの緩和速度は、単一量子井戸の場合より、結合量子井戸の方が高速になる。従って、大容量の通信を必要とする場合には、よりキャリア緩和の高速化を図れる２個の量子井戸層からなる結合多重量子井戸構造において、井戸層にＩｎの組成ｘが０．５〜１．０のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを、また障壁層にはＡｓの組成ｙが０．３〜０．７のＡｌ（Ｇａ）ＡｓｙＳｂ１−ｙおよびＡｌＡｓを用い、隣り合うＩｎＧａＡｓ井戸層間の障壁層１にはＡｌＡｓ層ないしはＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ層を、また２個のＩｎＧａＡｓ井戸層を挟む障壁層２には、ＡｌＡｓ層とＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ層からなる複合障壁層を採用し、ＡｌＡｓ層がＩｎＧａＡｓ井戸層とＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ障壁層との間に挿入されたことを特徴とする半導体多層構造を採用するのが望ましい。
【００１０】
また、導波路構造における光の透過特性を見た場合、図９に示したように、基板側クラッド層を３μm、表面側クラッド層を２μm、クラッド層の屈折率が３．１、コア層を形成する量子井戸構造の膜厚が０．８μmの場合は、良好な光導波特性が得られるが、図１０に示したようにコア層を０．３μmとした場合は、良好な透過特性が得られない。また、基板側クラッド層の膜厚を３μmから２μmに薄くした場合にも、十分な透過特性が得られない（図１１）。さらに、クラッド層の屈折率を３．１５とした場合には、入射光は基板に漏れ、ほとんど導波路を伝搬しないことが分かる（図１２）。
【００１１】
以上の結果を鑑み、以下に本発明の望ましい実施形態を示す。
（１）ＩｎＧａＡｓ井戸層の膜厚が１〜３nm、ＡｌＡｓ障壁層の膜厚が１〜５nm、さらにＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ障壁層の膜厚が３〜２０nmである単一あるいは結合量子井戸層を積層した半導体多層構造の膜厚が、少なくとも０．４μm以上であること。
（２）ＩｎＰ基板と、コア層として、上記（１）記載の半導体多層構造を有し、これを挟む上下に屈折率が３．１以下である材料からなるクラッド層を有し、その少なくとも一方がＡｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ層からなり、さらにキャップ層を有する半導体導波路構造であること。
（３）基板側クラッド層の膜厚が３μm以上、表面側のクラッド層の膜厚が２μm以上、またコア層の膜厚が０．４μm以上である半導体導波路構造であること。
（４）該多重量子井戸構造の伝導帯のサブバンド間遷移エネルギーに共鳴する光を照射し、該サブバンド間遷移のエネルギーにおける光の吸収係数、屈折率、または光学利得を変化させる半導体光スイッチにおいて、上記の半導体多層構造、ないしは半導体導波路構造を用いたことを特徴とする光制御素子。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に関わる半導体多層構造の基本構成を示す概略図である。ＡｌＡｓ０．５５Ｓｂ０．４５障壁層１１、ＡｌＡｓ障壁層１２、およびＳｉを添加したＩｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓ井戸層１３から成る５層を基本単位として、これを８０組積層しコア層１を形成した。なお、Ｓｉの添加量は１ｘ１０１９ｃｍ３とした。また、井戸幅は１．８ｎｍ、ＡｌＡｓ障壁層は１．５ｎｍ、またＡｌＡｓＳｂ障壁層は５．５ｎｍとした。本構造の光パルス透過率のパルスエネルギー依存性を図２に示す。ここで入射光としては、量子井戸構造の伝導帯サブバンド間遷移エネルギーにほぼ等しい波長１．５５μmのパルス光（パルス幅１００ｆｓ）を用いた。また図２には、従来採用されていた構造であるＡｌＡｓ障壁層８２を有さないＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子井戸層構造を用いた半導体多層構造の光透過特性を併せて示した。図から明らかなように、本発明になる構造では、従来構造の場合に比べ、吸収飽和が起こり、透過率が高くなる入射光強度がおおよそ二桁低くなっており、本多層構造を光制御素子に適用した場合、消費パワーの２桁低減が可能となる。
【００１４】
次に、本発明の第二の実施形態に関わる半導体多層構造の基本構成を図３に示す。
【００１５】
幅の等しい２つのＩｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓ井戸層１３ａおよび１３ｂ、２つの井戸層の間のＡｌＡｓ障壁層１４、さらに２つの井戸層を挟むＡｌＡｓ０．５Ｓｂ０．５障壁層１１およびＡｌＡｓ障壁層１２から成る７層を基本単位とした結合量子井戸構造１を、８０組積層しコア層１を形成した。それぞれの膜厚は、井戸層１３ａ、１３ｂは２．３ｎｍ、ＡｌＡｓ障壁層１４は１．５ｎｍ、障壁層１１は５．５ｎｍ、さらに障壁層１２は１．７ｎｍとした。本構造の吸収スペクトルには図４に示したように２個の吸収ピークが観測され、短波長側のピークは１．５５μmであり、長波長側のピークは１．８μmである。パルス幅１００ｆｓの１．５５μmの光を照射したときの１．５５μmにおける吸収係数の過渡応答特性を図５に示した。この図からわかるように、吸収回復時間の半値幅は、多重量子井戸構造で２〜３ps、また結合多重量子井戸構造で１ps以下であり、共にテラビット級の光スイッチへの適用が可能である。
【００１６】
さて、導波路構造を採用することは、半導体レーザ、半導体光検出器等の他の半導体素子と集積化する上で好ましい。以下、本発明の第三の実施形態に関わる導波路構造を有する半導体多層構造の基本構成を図６に示す。半絶縁性ＩｎＰ基板２の上に、屈折率が３．１以下である材料からなるクラッド層３および前記第一ないしは第二の実施例に示した半導体多層構造から成るコア層１を順次積層し、さらにその上に、屈折率が３．１以下である材料からなる表面側クラッド層４およびキャップ層５を積層し、その後キャップ層５とクラッド層４の一部をエッチング除去し、光ガイド層（４ｂ、５ａ）が形成されている。
【００１７】
以下、より具体的な構成例について説明する。下部クラッド層３は、膜厚３μmのＡｌＡｓ０．５Ｓｂ０．５であり、コア層としては、上記の第二の実施例に示した結合多重量子井戸構造を採用した。すなわち、幅の等しい２つのＩｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓ井戸層１３ａおよび１３ｂ、２つの井戸層の間のＡｌＡｓ障壁層１４、さらに２つの井戸層を挟むＡｌＡｓ０．５Ｓｂ０．５障壁層１１およびＡｌＡｓ障壁層１２から成る７層を基本単位として、これを８０組積層した。それぞれの膜厚は、井戸層１３ａ、１３ｂは２．３ｎｍ、ＡｌＡｓ障壁層１４は１．５ｎｍ、障壁層１１は５．５ｎｍ、さらに障壁層１２は１．７ｎｍとした。上部クラッド層４は、膜厚２μmのＡｌＡｓ０．５Ｓｂ０．５であり、その上にＩｎＡｌＡｓキャップ層５を０．２μm積層した。その後、ＩｎＡｌＡｓキャップ層５とＡｌＡｓ０．５Ｓｂ０．５クラッド層４の一部をエッチング除去し、幅４μm、厚さ２μmのリッジ型導波路構造を形成した。本構造の１．５５μmにおける吸収飽和強度はおおよそ２００ｆＪが得られ、本構造を採用することにより、テラビット級の光信号スイッチング素子が実現可能となる。
【００１８】
以下、本発明になる半導体多層構造を採用した光制御素子の実施形態を、図７を用いて説明する。図７において光制御素子の基本構成としては、上記リッジ型導波路構造を採用した。図中６は制御光、７は信号光、７１は制御された信号光を示している。制御光６は、結合量子井戸構造１のサブバンド間遷移エネルギーに共鳴する波長であり、信号光７は、同じサブバンド間遷移エネルギー又は他のサブバンド間遷移エネルギーにほぼ等しい波長である。このような構成において、量子井戸層１３ａ、１３ｂにはｎ型不純物がドープされており、伝導帯のサブバンド（第１、第２）に電子が蓄積されている。ここに、光を照射することにより、低次なサブバンドから高次サブバンドに電子が励起され、サブバンド間光吸収が生じる。この制御光によるサブバンド間吸収に伴う、吸収係数、屈折率等を利用して、信号光を変調あるいはスイッチングすることが可能となり、テラビット級の光制御素子を実現できる。
【００１９】
なお、本実施例では光ガイド層付きの導波路構造を採用したが、図８ａに示したようなマルチパス導波路構造でも、また図８ｂのシングルパス導波路構造でも光制御素子を実現できることに変わりはない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にれば、全光学的な半導体光制御素子を構成する、量子井戸構造を、井戸層と異なる材料から構成される２種類の障壁層で構成し、井戸層に隣接する障壁層の膜厚を１nm以上とすることにより、量子井戸のサブバンド間遷移の吸収飽和強度を大幅に低減できるので、テラビット／秒以上の光通信システムに対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態に関わる半導体多層構造断面図。
【図２】実施形態の光パルス透過率のパルスエネルギー依存性を示す図。
【図３】第二の実施形態に関わる半導体多層構造断面図。
【図４】実施形態のサブバンド間光吸収スペクトル特性を示す図。
【図５】実施形態のサブバンド間光吸収係数の光パルス応答を示す図。
【図６】第三の実施形態に関わる半導体多層構造の基本構成を示す模式図。
【図７】一の実施形態に関わる半導体光制御素子の基本構成を示す模式図。
【図８】一の実施形態に関わる半導体光制御素子の基本構成を示す模式図。
【図９】導波路構造における光の透過特性を示す図。
【図１０】導波路構造における光の透過特性を示す図。
【図１１】導波路構造における光の透過特性を示す図。
【図１２】導波路構造における光の透過特性を示す図。
【符号の説明】
１：コア層（InGaAs/AlAs/AlAsSb 多重量子井戸層）
２：InP基板
３：AlAsSb 下部クラッド層
４：AlAsSb 上部クラッド層
５：InAlAs キャップ層
６： 制御光
７：信号光
８： InGaAs/AlAsSb 量子井戸層
９：（AlAs混晶比=0.56）
１１： AlAsSb障壁層
１２： AlAs障壁層
１３： InGaAs井戸層
１４： AlAs障壁層。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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