(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン／オフにより前記信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチにおいて、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成することを特徴とする面型光−光スイッチ。
【請求項２】
半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン／オフにより前記信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチの製造方法において、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成するステップと、前記半導体多重量子井戸構造薄膜を分子線エピタキシー法により成長させるステップを備えることを特徴とする面型光−光スイッチの製造方法。
【請求項３】
前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＢｅまたは他のｐ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されることを特徴とする請求項２記載の面型光−光スイッチの製造方法。
【請求項４】
前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＳｉまたは他のｎ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されることを特徴とする請求項２記載の面型光−光スイッチの製造方法。
【請求項５】
前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＢｅまたは他のｐ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で、さらにＳｉまたは他のｎ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されていることを特徴とする請求項２記載の面型光−光スイッチの製造方法。
【請求項６】
前記半導体多重量子井戸構造薄膜の量子井戸層と障壁層との間に、０．５％以上の圧縮性または伸張性の格子歪を含むことを特徴とする請求項２記載の面型光−光スイッチの製造方法。
【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・光情報処理システムを構成すると期待される光交換・光中継器などに利用可能な光論理・光スイッチ動作を行う光半導体装置に関するものである。より具体的には、半導体多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造薄膜の光非線形性を利用した面型光−光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の先行技術文献としては、以下のようなものがあった。
〔１〕特開平７−３２５２７５号
〔２〕特開平７−３６０６５号
〔３〕Ｒ．Ｊｉｎ，ｅｔ，ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６１（１５），１２  Ｏｃｔ．ｐ．１７４５（１９９２）
〔４〕Ｍ．Ｈ．Ｍｏｌｏｎｅｙ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６４（８），２１  Ｆｅｂ．ｐ．９９７（１９９４）
ＭＱＷ構造薄膜の光非線形性（強い光を照射することにより多量のキャリアが生じて、吸収係数の減少と屈折率の変化をもたらす効果）を利用した従来の光−光スイッチの構成は、屈折率変化を利用した分散型と吸収係数の減少（ブリーチング）効果を利用した吸収型がある。いずれもＭＱＷ構造薄膜を２枚の反射膜で挟んだ構造を持っている。
【０００３】
図８はＭＱＷ構造薄膜の光吸収スペクトルと屈折率スペクトルの光非線形性を示す図であり、図８（ａ）は横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に吸収係数（×１０4 ｃｍ-1）を、図８（ｂ）は横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に屈折率変化Δｎを示している。
【０００４】
分散型の光−光スイッチの場合、消光比を大きくとるためには、反射膜の反射率を大きくし、Ｑ値を高める必要があるが、それに伴い、信号波長の許容範囲が狭くなり、そのため、素子の作製が困難になる。そこで、信号波長に対する制約を緩和したのが、図９（ａ）に示される吸収型である。
【０００５】
その吸収型は、信号光Ｐｓ、制御光ＰｃともにＭＱＷ構造薄膜の基底量子準位のやや低いエネルギーに存在する励起子吸収ピークの波長に設定される。このとき、素子の両面には、反射防止膜が施されており、図９（ｂ）のグラフに示すように、制御光Ｐｃが照射されると、キャリアが励起され、信号光Ｐｓに対しブリーチングが生じ、信号光Ｐｓは透過するようになる。
【０００６】
さらに、図９（ｃ）に示すような反射型を採用することにより、光非線形特性の増強を図り、消光比を大きくすることができる。特に吸収型ではブリーチング特性は制御光Ｐｃの強度に対し急峻には変化しないため、信号光Ｐｓと制御光Ｐｃの強度に大きな違いがないと、大きな消光比は取れない。このため、ＭＱＷ構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜に関して、低反射膜と高反射膜の間隔が光学長にして（ｍ＋１／２）λ／２（ただし、ｍは整数、λは信号光波長）とし、低反射膜の反射率を、制御光Ｐｃが照射されていない時における高反射膜を備えたＭＱＷ構造薄膜の信号光Ｐｓに対する反射率とほぼ等しく設定して、信号光Ｐｓが低反射膜側から入射し高反射膜で反射され低反射膜側から出射する構造を採用して、干渉効果により大きな消光比を実現してきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したＭＱＷ構造薄膜の光非線形性を利用した従来の光−光スイッチでは、強い制御光Ｐｃが消えてから吸収係数の値がもとの大きな値に回復するまでの時間（吸収回復時間：τ）には１ピコ秒程度かかり、これを更に短縮することは困難であった。
【０００８】
また、１ピコ秒程度の応答性を実現するために、ＭＱＷ構造薄膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で用いられる通常の成長温度に比べて遙かに低温度で成長させる必要があり（上記した先行技術文献〔２〕参照）、そのため、製作された結晶内には格子欠陥などの結晶欠陥を多量に含んでしまう。このために結晶そのものの性質が長期安定性に欠けるという問題があった。
【０００９】
更に、Ｂｅなどのｐ型ドーパントを多量に添加し、成長後に６００℃程度の温度で数分間の熱処理を施す工程などが必要である（上記した先行技術文献〔２〕参照）。このように製造過程が複雑である上に、低温成長や熱処理など通常とは違う、あるいは確立されているとは言いがたい製作条件を用いなければならないので、歩留まり、再現性の上からも課題を残している。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、吸収回復時間を向上させて、極めて速い応答性を実現することができる面型光−光スイッチおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン／オフにより前記信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチにおいて、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕半導体多重量子井戸構造薄膜と、該半導体多重量子井戸構造薄膜を挟むように配設された低反射膜と高反射膜を有し、信号光が前記低反射膜側から入射し、前記高反射膜で反射されて前記低反射膜側から出射する構成をとり、制御光のオン／オフにより前記信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチの製造方法において、前記制御光および信号光の波長が、前記半導体多重量子井戸構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長と一致するように半導体多重量子井戸構造を構成するステップと、前記半導体多重量子井戸構造薄膜を分子線エピタキシー法により成長させるステップを備えることを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＢｅまたは他のｐ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔２〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＳｉまたは他のｎ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔２〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、前記半導体多重量子井戸構造薄膜にはＢｅまたは他のｐ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で、さらにＳｉまたは他のｎ型ドーパントが１種類またはそれ以上、１×１０17ｃｍ-3以上の濃度で添加されていることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔２〕記載の面型光−光スイッチの製造方法において、  前記半導体多重量子井戸構造薄膜の量子井戸層と障壁層との間に、０．５％以上の圧縮性または伸張性の格子歪を含むことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の構成図である。
【００１９】
本発明の実施例を化合物半導体の最も基本的な材料であるＧａＡｓとＡｌＡｓからなるＭＱＷ構造薄膜について示す。
【００２０】
図１に示すように、ＭＱＷ構造薄膜はＧａＡｓ基板１０上にＭＢＥ法を用いて通常用いられる成長温度である５６０℃の成長温度でＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエッチストップ層１１、（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ（１００周期）層１２、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓキャップ層１３を順次成長させた。（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ層１２にはドーパントは意図的に添加していない。
【００２１】
図２はその面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の波長に対する吸収スペクトルを示す図である。
【００２２】
ここでは、（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷの量子井戸層１２の厚さは１５ｎｍとしてある。成長後、化学エッチングによりＧａＡｓ基板１０をＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエッチストップ層１１まで除去した後、弱い光で測定した吸収スペクトルが図２に示されている。
【００２３】
この試料の（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷの量子井戸層１２の厚さは通常よりやや厚く設定してあるために、吸収端に現れる重い正孔（ｈｈ）の励起子の吸収ピークと軽い正孔（ｌｈ）の励起子ピークは重なり、その結果、単一のピークのように見えている。ｎ＝１のピークは波長λ＝８５５ｎｍに現れ、ｎ＝２のピークは波長λ＝８１９ｎｍに現れている。
【００２４】
図３はこれらの波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を示す図である。
【００２５】
この図に示すように、上記した波長λ＝８５５ｎｍ、波長λ＝８１９ｎｍのレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果、波長λ＝８５５ｎｍではτ＝８０ピコ秒、波長λ＝８１９ｎｍではτ＝８ピコ秒と１桁の差異があることが実験的に示されている。
【００２６】
なお、図２には種々の波長のレーザー光を用いて測定した飽和励起光密度Ｉｓ（この値が小さいほど、弱い光でも光ブリーチングが起こることを示す光非線形性の大きさの尺度であり、後述する図７に詳述）を示しているが、ｎ＝１の波長に比べてｎ＝２の波長の近くではＩｓは約１桁大きくなっている。これはｎ＝２の付近では光ブリーチングが起こりにくいことを示してはいるが、吸収係数自体が大きいためにＩｓが大きく測定される見かけ上の効果も含まれている。
【００２７】
以下、本発明の他の実施例について説明する。
【００２８】
図４は本発明の第２実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の構成図である。
【００２９】
この実施例では、ＧａＡｓ基板１０上にＭＢＥ法を用いて通常用いられる成長温度である６００℃の成長温度でＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエッチストップ層１１、Ｂｅ−（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ（１００周期）層１２′、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓキャップ層１３を順次成長させた。Ｂｅ−（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ層１２′にはドーパントとしてＢｅを７．８×１０17ｃｍ-3の濃度で一様にドープしてある。
【００３０】
また、Ｂｅ−（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷのＧａＡｓ量子井戸層１２′の厚さは通常よく用いられる値に近い７ｎｍとしてある。成長後、化学エッチングによりＧａＡｓ基板１０をＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエッチストップ層１１まで除去した後、弱い光で測定した吸収スペクトルを図５に示す。
【００３１】
この試料はＢｅがドープしてあるために、吸収端に現れる重い正孔（ｈｈ）の励起子の吸収ピークと軽い正孔（ｌｈ）の励起子ピークは重なり、その結果、単一のピークのように見えている。ｎ＝１のピークは波長λ＝８２１ｎｍに現れ、ｎ＝２のピークは波長λ＝７４１ｎｍに現れている。
【００３２】
これらの波長を含むいくつかの波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を図６に示すが、波長λ＝８２１ｎｍとλ＝８００ｎｍではτ＝６０ピコ秒、波長λ＝７６０ｎｍとλ＝７４１ｎｍではτ＝０．３ピコ秒以下（測定装置の時間分解能が０．２ピコ秒）と２桁以上の差異があることがこの実験により示されている。
【００３３】
なお、図５には吸収回復時間τと測定波長λの関係を光吸収スペクトルに重ねて示してある。波長λが７８０ｎｍと８００ｎｍの間でτは急峻に変化していることを示している。
【００３４】
図７は光吸収係数（実際には光吸収係数と量子井戸層の全厚さの積αＬ）が入射する光の強度によって変化する様子を波長λ＝８２０ｎｍ（ｎ＝１の励起子吸収ピーク波長）と波長λ＝７４１ｎｍ（ｎ＝２の励起子吸収ピーク波長）について測定した結果を示す。αは入射光強度が強くなると共に減少するが、その様子は、
α＝α0 ／（１＋Ｉ／Ｉｓ）＋β
として記述できる。このときのＩｓは飽和励起光密度と呼ばれる。この値が小さいほど、弱い光でも光ブリーチングが起こることを示しており、光非線形性の大きさの尺度である。
【００３５】
図７はλ＝８２０ｎｍの場合、Ｉｓ＝５０μＪ／ｃｍ2 、λ＝７４１ｎｍの場合、Ｉｓ＝２８０μＪ／ｃｍ2 であることを示している。
【００３６】
図５には種々の波長λで測定したＩｓを光吸収スペクトルに重ねて示している。ここでもＩｓはｎ＝１の波長に比べてｎ＝２の波長の近くでは約１桁大きくなっている。これはｎ＝２の付近では光ブリーチングが起こりにくいことを示してはいるが、吸収係数自体が大きいためにＩｓが大きく測定される見かけ上の効果も含まれている。
【００３７】
以上に説明した通り、本発明は、ＭＱＷ構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長帯と制御光および信号光の波長が一致する様に設定することを特徴としており、ＭＱＷ構造の作製条件としてはＭＢＥ法における通常の成長条件を用いて作製する場合について記述したが、これにとどまることなく、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）やその他の方法を用いて作製しても同様の効果が得られることは記すまでもない。
【００３８】
更に、ＭＱＷ構造薄膜としてＢｅを７．８×１０17ｃｍ-3の濃度でドープした試料について記述したが、濃度はこれに限定されるものではなく、１×１０17ｃｍ-3以上であればよい。また、ドーパントとしてＢｅについて記述したが、これに限定されることはなく、その他のｐ型ドーパント、またはＳｉやその他のｎ型ドーパントを添加しても同様の効果が得られる。更には、単一種類のドーパントでなく、複数種類のドーパントを添加しても同様の効果が得られる。
【００３９】
上記したように、ｎ＝２の量子準位付近の波長帯では基底量子準位付近に比べると光ブリーチングが起こりにくい。このことは光スイッチング動作を行わせるためにはより大きな強度の制御光を必要とすることを意味する。この問題を回避するためには、歪量子井戸構造を採用する方法が有効である。ｎ＝１の量子準位の波長帯付近では、歪量子井戸構造は歪を含まない量子井戸構造に対してＩｓが小さいことが知られている（上記した先行技術文献〔３〕及び〔４〕参照）。高次の量子準位に相当する波長帯を用いることを特徴とする本発明においても、歪量子井戸構造を採用することによって、Ｉｓを低下させることができることは容易に考えが及ぶところである。
【００４０】
以上の説明においては、ＭＱＷ構造薄膜として化合物半導体の代表的な材料であるＧａＡｓとＡｌＡｓの組み合わせについて記述したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の半導体の組み合わせは当然のこと、化合物半導体以外の材料を用いたＭＱＷ構造薄膜にも適用できることは明らかである。
【００４１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は、制御光および信号光の波長がＭＱＷ構造薄膜の基底量子準位（ｎ＝１）ではなく、高次量子準位（ｎ≧２）に相当する波長となるように設定することにより、極めて速い応答速度を有する面型光−光スイッチを実現することができる。
【００４３】
すなわち、制御光により高次の量子準位に付随する励起子吸収ピークに共鳴的に励起された励起子は格子振動との衝突の結果、１００〜２００フェムト秒の時間以内に解離して電子−正孔プラズマとなり、更に、電子も正孔も同程度の時間以内にそれぞれの基底量子準位に緩和していく。
【００４４】
その結果、弱い信号光に対する吸収係数は制御光が切れてから、τ＝数１００フェムト秒以内に制御光が来る前の大きな吸収係数の値に回復する。このようにＭＱＷ構造薄膜について、その高次量子準位に付随する励起子吸収ピーク波長が信号光や制御光の波長と一致するかその近傍に来るように波長関係を構成した面型光−光スイッチは、τ＝１ピコ秒を切る短時間の応答速度を持つ。
【００４５】
そして、本発明に用いられるＭＱＷ構造薄膜は、ＭＢＥ法などにより通常の条件で成長できるので、材料特性の不安定性は全くなく、再現性に優れ、製造歩留まりが極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の構成図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の波長に対する吸収スペクトルを示す図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の所定の波長のレーザー光パルスを用いてポンプ−プローブ法を用いて吸収回復時間τを測定した結果の時間応答波形を示す図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の構成図である。
【図５】  本発明の第２実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の波長に対する特性図である。
【図６】  本発明の第２実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の信号光の時間応答波形を示す図である。
【図７】  本発明の第２実施例を示す面型光−光スイッチ（ＭＱＷ構造薄膜）の入射光強度に対する光吸収係数の特性図である。
【図８】  従来のＭＱＷ構造薄膜の光吸収スペクトルと屈折率スペクトルの光非線形性を示す図である。
【図９】  従来の吸収型ＭＱＷ構造薄膜素子の説明図である。
【符号の説明】
１０    ＧａＡｓ基板
１１    Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエッチストップ層
１２    （ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ（１００周期）層
１２′    Ｂｅ−（ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ）ＭＱＷ（１００周期）層
１３    Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓキャップ層
【図１】
0004076733.tif 000002
【図２】
0004076733.tif 000003
【図３】
0004076733.tif 000004
【図４】
0004076733.tif 000005
【図５】
0004076733.tif 000006
【図６】
0004076733.tif 000007
【図７】
0004076733.tif 000008
【図８】
0004076733.tif 000009
【図９】
0004076733.tif 000010