JP3335963B2

JP3335963B2 - 非線形光半導体素子

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Publication number: JP3335963B2
Application number: JP27624999A
Authority: JP
Inventors: 信夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP2001100262A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サブピコ秒の超短
光パルスに応答する、光制御型半導体光変調器，光制御
型半導体光ゲートスイッチ，光制御型半導体光分岐スイ
ッチ，波長変換素子，モード同期レーザ，可変分散補償
素子などの非線形光半導体素子に係わり、特にサブバン
ド間遷移に基づく非線形光学応答を利用した非線形光半
導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】来るべきマルチメディア時代の基幹伝送
系においては、毎秒数百ギガ〜数テラビットの大量の情
報が光ファイバーを飛び交うことになる。このような情
報を自由に処理できる光ノードの実現には、光超短パル
スで制御される超高速光スイッチが必要である。目的が
周期的な光デマルチプレクシングであれば、デマルチプ
レクシングの周期で内部状態か元の状態に復帰する物理
現象を利用できる。しかし、信号光をビット単位でスイ
ッチングするためには信号１スロット分の時間内に元の
状態に復帰していなければならない。

【０００３】このようなビットモード動作可能な超高速
光スイッチの原理として、窒化物半導体量子井戸中のサ
ブバンド間遷移の利用が考えられている（例えば、特開
平８−８７０３８号公報，特開平８−２４０８２０号公
報，特開平８−２９７２６３号公報，特開平９−２２２
６１９号公報，或いは N.Suzuki and N.Iizuka, Japane
se Journal of Applied Physics, vol.36.pp.L1006-L10
08,1997年）。

【０００４】サブバンド間の緩和時間は、バンド間の緩
和時間と比べて３桁程度高速である。特に、窒化物半導
体の量子井戸構造を用いれば、光通信で必要な近赤外域
でのサブバンド間遷移を実現できる上、ＬＯフォノンと
電子の相互作用が大きいのでサブバンド間緩和時間をＧ
ａＡｓ系と比べて１桁以上速くできる。

【０００５】ＧａＮ系量子井戸構造におけるサブバンド
間緩和時間は、遷移波長１．５５μｍ，室温で約１００
ｆｓと短いので、そのサブバンド間吸収の飽和を利用す
れば、１Ｔｂ／ｓ程度の超高速繰り返しの光スイッチン
グ動作も可能となる。しかも、半導体を利用しているの
で、小型，軽量，安定な光スイッチを実現でき、量産化
が可能なことは言うまでもない。また、窒化物半導体は
特に強靭な半導体材料であり、光吸収による温度上昇に
対しても強い。

【０００６】このように、窒化物半導体量子井戸構造中
のサブバンド間遷移は超高速光スイッチに極めて魅力的
なデバイス原理である。しかし、近赤外域のサブバンド
間遷移を実現するためには深い量子井戸層が必要であ
る。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造では、障壁層にＡ
ｌ組成比ｘが０．８以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮを用いる必
要がある。この場合、ＧａＮ井戸層とＡｌＧａＮ障壁層
の間に大きな格子不整合（約２％）があるので、障壁層
を厚く積層することは極めて困難である。障壁層が薄い
と、隣接する井戸層の間にトンネリング結合が生じ、ミ
ニバンドが形成される。

【０００７】サファイヤｃ基板上にＧａＮ下地層を介し
て量子井戸構造を作製した場合を仮定すると、大きな格
子不整合に伴って、ピエゾ電気効果や自発分極による大
きなビルトイン電界（数ＭＶ／ｃｍ）が生じる。この結
果、井戸層から見て基板側の障壁層のポテンシャルは、
井戸層から離れるほど低くなっている。一方、井戸層の
基板側の界面はＡｌの拡散によりダレを生じやすく、障
壁層界面の井戸層側でもポテンシャルが低下する。

【０００８】この結果、井戸層の第２サブバンド（励起
サブバンド）に対する障壁高さは低下する。また、仮に
障壁層を厚く成長できても、実効的な障壁厚さは薄いま
まである。この事情は、井戸層間の障壁層のみならず、
最も基板側にある井戸層と下地ＧａＮ層との間の障壁層
についても同様である。

【０００９】第２サブバンドから形成されるミニバンド
は、エネルギーの広がりが大きいので吸収スペクトルは
広がるが、キャリアが井戸層に閉じ込められている限り
本質的な問題にはならない。問題は、井戸層の第２サブ
バンドと下地バルク層の３次元状態との間の結合であ
る。サブバンド間吸収により第２サブバンドに励起され
たキャリアが、トンネリングにより外側の厚いバルク層
にリークすると、元のキャリア分布に復帰するまでの回
復時間が長くなってしまう。その結果、吸収も弱まり、
スペクトルも広がってしまう。

【００１０】ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系等の薄い歪み障
壁層を有する他の材料系の量子井戸構造でも、ビルトイ
ン電界は小さいが、障壁高さが不十分でかつ障壁層を十
分厚く成長できないので、近赤外サブバンド間遷移を実
現しようとすると、同様の問題を生じる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、サブ
バンド間遷移に基づく非線形性を利用した近赤外域の非
線形光半導体素子では、量子井戸層の第２サブバンドに
励起されたキャリアを井戸層内に閉じ込められないため
に吸収が弱まったり回復時間が長くなったりするという
問題があった。

【００１２】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、サブバンド間遷移を利
用して近赤外域の領域で動作する光制御型の素子であっ
て、量子井戸層の第２サブバンドと外側のバルク層の結
合を抑制し、強いサブバンド間吸収と高速の吸収回復時
間を同時に実現し得る非線形光半導体素子を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。

【００１４】即ち本発明は、井戸層と障壁層を交互に積
層した半導体多重量子井戸構造のサブバンド間吸収の飽
和に基づく非線形光学応答を利用した非線形光半導体素
子において、前記多重量子井戸構造は、該構造に隣接す
る隣接層との境界部に、各井戸層の第２サブバンド（励
起サブバンド）のエネルギーが隣接層に向かって一旦減
少したのち上昇するように構成されたサブバンドエネル
ギー変調領域を有していることを特徴とする。

【００１５】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。

【００１６】(1) サブバンドエネルギー変調領域は複数
の井戸層を有してなり、構成する各層の厚さや組成やド
ーピングを変えることにより、第２サブバンドのエネル
ギーが井戸層により異なるように形成されており、且つ
極小となる井戸層を有していること。

【００１７】(2) 多重量子井戸構造は、ピエゾ電気効果
を有する材料の歪量子井戸からなること。

【００１８】(3) 多重量子井戸構造は、窒化物半導体か
らなること。

【００１９】(4) サブバンドエネルギー変調領域におい
て、第２サブバンドのエネルギーが極小になる井戸層よ
り多重量子井戸構造の中心部側における第２サブバンド
のエネルギーの変化より、隣接層側における第２サブバ
ンドのエネルギーの変化の方が大きいこと。

【００２０】(5) サブバンドエネルギー変調領域の少な
くとも一部が空乏化していること。

【００２１】(6) サブバンドエネルギー変調領域は、第
２サブバンドのエネルギーが極小になる井戸層より隣接
層側に２つ以上の井戸層を有し、その２つ以上の井戸層
の第１サブバンド（基底サブバンド）のエネルギーが隣
接層側で高くなっていること。

【００２２】なお、実際の多重量子井戸構造を構成する
層の厚さや組成には、通常、ある程度の揺らぎが存在す
る。ここでいう「厚さ」と「組成」は、平均的な厚さと
組成を指すものとする。また、「多重量子井戸構造」
は、井戸層のトンネリングによりミニバンドが形成され
た、いわゆる超格子層」の概念も含むものとする。もち
ろん、障壁層や井戸層の厚さ，組成が変調された結合量
子井戸構造等も含むものとする。

【００２３】（作用）本発明によれば、多重量子井戸構
造のサブバンドエネルギー変調領域においては、第２サ
ブバンドに励起されたキャリアの一部が第２サブバンド
のエネルギーが極小となる井戸層へと順次導かれ、エネ
ルギーを失っていく。また、その間に大部分のキャリア
は第１サブバンドに緩和する。第２サブバンドが極小に
なる井戸層の隣接層側では、隣桜する井戸層の第２ポテ
ンシャルのエネルギーが高いため、第２サブバンドのキ
ャリアの隣接層側への移動が抑制される。従って、多重
量子井戸構造においてサブバンド間光吸収により第２サ
ブバンドに励起されたキャリアの隣接層への漏れ出し
は、ほぼ完全に抑制される。

【００２４】多重量子井戸構造にピエゾ電気効果，自発
分極等による大きなビルトイン電界が存在している場
合、井戸層を挟む障壁層のうち一方のポテンシャルは、
井戸層から離れるに伴って低下するので、エネルギーの
高いサブバンドに対する実効的な障壁厚さは非常に薄く
なっている。従って、障壁層を厚くしても、高エネルギ
ーのキャリアの多重量子井戸構造から隣接するバルク層
への漏れ出しが避けられない。本発明は、このような場
合でもキャリアの漏れ出しを防止することができる。

【００２５】多重量子井戸構造に伝導帯バンド不連続の
大きな窒化物半導体を利用することで、光通信で使われ
る近赤外域（波長１．５５μｍ帯）のサブバンド間遷移
が容易に実現される。また、窒化物半導体におけるサブ
バンド間緩和時間は約１００ｆｓ、サブバンド内緩和時
間やミニバンド内緩和時間は数十ｆｓと短いので、超高
速の非線形光応答が可能となる。さらに、サブバンド内
緩和時間が短いのに対応して、元々の均一な吸収波長帯
域幅も広くとれる。

【００２６】第２サブバンドが極小になる井戸層の多重
量子井戸構造中心部側の第２サブバンドのエネルギー変
化より隣接層側の第２サブバンドのエネルギーの変化が
大きいと、高い運動エネルギーを持ったキャリアに対し
ても、漏れ出しを有効に防止することができる。

【００２７】多重量子井戸構造と隣接層の境界部に空乏
化領域がある場合、高いエネルギーを持った励起キャリ
アが隣接層に漏れ出したのちエネルギーを失うと、空乏
化領域のポテンシャルに邪魔されて多重量子井戸構造に
戻ってこられなくなる。このような場合でも、第２サブ
バンドのエネルギーが極小となる井戸層の隣接層側にお
いて、第１サブバンドのエネルギーも第２サブバンドの
エネルギーも、隣接層に近づくに従って高くなっていく
ように設定されていれば、第１サブバンドを介したキャ
リアの漏れ出しも防止することができる。

【００２８】窒化物半導体からなる結合多重量子井戸構
造を他の材料、例えばＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧ
ａＡｓＰ層や石英系光集積回路等、他の材料系からなる
積層構造と一体化することにより、受動光導波路，光増
幅器や半導体レーザ等の他の光半導体素子等と集積化す
ることができ、超高速光パルスに対しても安定な様々な
機能を実現することができる。

【００２９】かくして本発明の非線形光半導体素子によ
れば、量子井戸層の第２サブバンドから外側のバルク層
への結合が抑制され、強いサブバンド間吸収と高速の吸
収回復時間を同時に実現することが可能となる。

【００３０】

【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。

【００３１】（実施形態）図１は、本発明の一実施形態
に係わる光ゲートスイッチアレイの素子構造断面を模式
的に示す図である。

【００３２】この光ゲートスイッチアレイは、サファイ
ヤ基板１上に形成された窒化物半導体非線形光導波路２
のアレイから構成されている。非線形光導波路２は、サ
ファイヤ基板１上に、ｎ型ＧａＮ下地層３を介して、ｎ
型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸構造４とｎ
型ＧａＮキャップ層５が順次積層された構造を有してお
り、メサ状に加工されている。各ＧａＮ層３，５のＳｉ
ドーピング密度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。なお、図
では便宜上２組の光導波路のみ記したが、もっと多数の
光導波路を集積しても構わない。

【００３３】図２は、本実施形態の光ゲートスイッチを
構成する多重量子井戸構造４の主要部と基板側界面付近
の伝導帯バンド構造を、模式的に示す図である。図３
は、本実施形態の光ゲートスイッチを構成する多重量子
井戸構造４の主要部と基板と反対側の界面付近の伝導帯
バンド構造を、模式的に示す図である。

【００３４】多重量子井戸構造４の主要部は、７モノレ
ーヤのＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ障壁層６と、６モノレーヤの
Ｓｉドープ（キャリア密度〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3）ＧａＮ
井戸層７が２００層積層されてなる。

【００３５】多重量子井戸構造４の基板側の端には、図
２に示すように、第１のサブバンドエネルギー変調領域
８が設けられている。第１のサブバンドエネルギー変調
領域８には、多重量子井戸構造４の側から、それぞれ厚
さ７モノレーヤのＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ障壁層６と交互
に、７モノレーヤ，８モノレーヤ，１０モノレーヤ，１
２モノレーヤ，７モノレーヤの計５層のＧａＮ井戸層２
１，２２，２３，２４，２５が設けられている。即ち、
多重量子井戸構造４から下地層３に向かって、井戸幅は
一旦広くなったのち、狭くなるようになっている。

【００３６】一方、多重量子井戸構造４の基板と反対側
の端には、図３に示すように、第２のサブバンドエネル
ギー変調領域９が設けられている。多重量子井戸構造４
の側からそれぞれ厚さ７モノレーヤのＡｌ_0.8Ｇａ_0.2
Ｎ／ＧａＮ障壁層６と交互に、７モノレーヤ，８モノレ
ーヤ，１０モノレーヤ，８モノレーヤ，７モノレーヤの
計５層のＧａＮ井戸層３１，３２，３３，３４，３５が
設けられている。即ち、多重量子井戸構造４からキャッ
プ層５に向かって、井戸幅は一旦広くなったのち、狭く
なるようになっている。

【００３７】なお、通常のＭＯＣＶＤ（有機金属気相成
長法）でＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ障壁層６の上にＧａＮを積
層した場合、Ａｌの拡散により界面だれ（組成グレーテ
ィッド層）を生じることが多い。ここでは、２〜３モノ
レーヤ程度の界面だれが存在するものと仮定する。逆
に、ＧａＮ上にＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ｎ障壁層６を積層した
界面は、だれが比較的小さい。実際には多少の界面だれ
があるかも知れないが、本発明の本質には影響しないの
で、ここでは無視して考えることにする。

【００３８】多重量子井戸構造４には、第１サブバンド
（基底サブバンド）Ｅ₁₀と第２サブバンド（励起サブバ
ンド）Ｅ₂₀の２つのサブバンドが形成される。

【００３９】光の無い状態では電子はほとんど全てが第
１サブバンドＥ₁₀に分布している。電子は障壁層をトン
ネルできるので、一部の電子がキャップ層５から下地層
３へと移動し、多重量子井戸構造４の大部分の領域で
は、移動した電荷の空間電荷電界により各井戸層７のフ
ェルミレベルＥ_Fが（従って第１サブバンドＥ₁₀が）ほ
ぼ平坦に揃うように再配置する。ピエゾ電気効果や自発
分極によるビルトイン電界と空間電荷電界が平衡し、井
戸層７と障壁層６には逆向きの大きな電界がかかった状
態になっている。各井戸層７は障壁層６を介したトンネ
リングにより結合しており、各サブバンドはエネルギー
の広がったミニバンドを形成している。

【００４０】界面だれとビルトイン電界のため、実効的
な障壁高さの低下と障壁厚の減少が生じており、第２サ
ブバンド（ミニバンド）Ｅ₂₀は、障壁層６のピークに近
いエネルギー位置に、△Ｅ₂₀＝１００ｍｅＶ程度の幅を
持って形成されている。ここで、Ｅ₂₀はミニバンドの中
心をもって定義するものとする。

【００４１】下地層３の第１のサブバンドエネルギー変
調領域８との界面には、蓄積層が形成されている。第１
のサブバンドエネルギー変調領域８の井戸層２１，２
２，２３，２４，２５やＧａＮ下地層３でも、井戸層７
に第１サブバンドＥ₁₀やフェルミレベルＥ_Fがほぼ揃う
ようにキャリアが再配置する。しかし、第２サブバンド
は隣接する井戸層と共鳴しないので、それぞれ井戸層毎
に異なるエネルギー位置Ｅ₂₁，Ｅ₂₂，Ｅ₂₃，Ｅ₂₄，Ｅ₂₅
に第２サブバンドを形成する。このときの隣接する井戸
層の第２サブバンドのエネルギーの大小関係はＥ₂₀＞Ｅ
₂₁＞Ｅ₂₂＞Ｅ₂₃＞Ｅ₂₄＜Ｅ₂₅〜Ｅ₂₀となっている。（こ
こで、不等号は電子の熱的な励起が起こらない程度のエ
ネルギー差があることを表すものとする。以下も同
じ。）キャップ層５の多重量子井戸構造４側の部分と、
第２のサブバンドエネルギー変調領域９の少なくとも一
部は、空乏化領域となる。場合によっては、多重量子井
戸構造４の主要部の第２のサブバンドエネルギー変調領
域９の近傍まで、空乏化領域が及ぶこともある。第２の
サブバンドエネルギー変調領域９の空乏化領域では、フ
ェルミレベルＥ_Fは一定になっていない。各井戸層３
１，３２，３３，３４，３５の第１サブバンドＥ₁₁，Ｅ
₁₂，Ｅ₁₃，Ｅ₁₄，Ｅ₁₅も、少なくともキャップ層５側で
はミニバンドを形成しない。ここでは、井戸層３３まで
は多重量子井戸構造４の主要部の第１ミニバンドに共
鳴，結合しているものとする。各サブバンドのエネルギ
ーは、Ｅ₂₀＞Ｅ₃₁＞Ｅ₃₂＞Ｅ₃₃＜Ｅ₃₄＜Ｅ₃₅，Ｅ₁₅＞Ｅ
₁₄＞Ｅ ₁₀，およびＥ₃₃＞Ｅ₁₄の関係を満たしている。

【００４２】図４は、この光ゲートスイッチアレイを用
いた光スイッチの構成を模式灼に示す図である。

【００４３】この光ゲートスイッチを構成する光導波路
２の入力側には、光ファイバー１１を介して、信号光を
分岐するための光分岐器１２、信号光と制御光を合波す
るための光合波器１３が接続されている。波長１．６５
μｍの制御光パルスの半値全幅は３００ｆｓ、１．５５
μｍの信号光パルス幅の半値全幅は１００ｆｓである。
第２サブバンドのエネルギー広がりが大きいので、どち
らの波長の光パルススペクトルも、サブバンド間吸収の
帯域に含まれる。いずれの光パルスも、非線形光導波路
２をＴＭモード（サブバンド間遷移にアクティブ）で伝
搬するように偏波制御されている。

【００４４】強い制御光パルスが入射していない状態で
は、信号光は非線形光導波路２のサブバンド間吸収によ
りほぼ完介に吸収され、出力されない。信号光は弱いの
で、吸収の飽和は起こらない。一方、強い制御光パルス
が入射されたポートでは、第１サブバンドＥ₁₀の電子の
約半分が第２サブバンドＥ₂₀に励起され、サブバンド間
吸収が飽和する。この状態で入射した信号光パルスは、
非線形光導波路２がほぼ透明な状態になっているので出
力される。非線形光導波路２で吸収しきれなかった制御
光は、光ファイバー１１を介して接続された波長フィル
ター１４により除かれる。

【００４５】この吸収飽和の回復時間は、ＬＯフォノン
散乱による励起サブバンドＥ₂₀から基底サブバンドＥ₁₀
へのサブバンド間緩和時間と、主として電子−電子散乱
（熱化過程）やＬＯフォノン散乱により生じるサブバン
ド内緩和過程に支配されている。ＧａＮでは波長１．５
５μｍにおけるサブバンド間緩和時間が約１００ｆｓで
あり、さらに１０ｆｓオーダー（キャリア密度やキャリ
アのエネルギー分布により変動する）のサブバンド内緩
和を８回から９回繰り返すことにより、元のキャリア分
布に復帰する。従って、制御光パルス幅を考慮しても、
１ｐｓ以内に吸収が回復する。

【００４６】多重量子井戸構造４の下地層３の近傍で
は、第２サブバンドＥ₂₀に励起された電子の一部が、第
１のサブバンドエネルギー変調領域８において、よりエ
ネルギーの低い第２サブバンドＥ₂₁，Ｅ₂₂，Ｅ₂₃，Ｅ₂₄
へと導かれ、順次エネルギーを失っていく。また、その
間に大部分の電子は第１サブバンドＥ₁₀に緩和する。Ｅ
₂₅はＥ₂₄より十分にポテンシャルが高いので、井戸層２
４の第２サブバンドＥ₂₄から井戸層２５の第２サブバン
ドＥ₂₅に入る電子は殆どない。従って、量子井戸内のサ
ブバンド間吸収で第２サブバンドＥ₂₀に励起された電子
の下地層３への漏れ出しは、ほほ完全に抑制される。

【００４７】ここで、（Ｅ₂₅₋Ｅ₂₄）が（Ｅ₂₃−Ｅ₂₄）
より十分に大きいことが好ましい。もし、井戸層２３の
第２サブバンドから井戸層２４の第２サブバンドにトン
ネルしてきた電子がＥ₂₅より高いか同程度のエネルギー
を持っていたとすると、そのまま井戸層２５の第２サブ
バンドにトンネルしてしまう可能性があるからである。
同じ理由で、バルク層側に向けて、井戸層を何層かかけ
て徐々に広げてエネルギーを十分に減衰させておき、急
激に薄くするのが好ましい。

【００４８】なお、広い井戸層で３番目以上の高次サブ
バンドが形成される場合、この高次サブバンドを介して
のリークが起こらないように留意する必要がある。

【００４９】一方、多重量子井戸構造４のキャップ層５
の近傍では、第２サブバンドＥ₂₀に励起された電子の一
部が、第２のサブバンドエネルギー変調領域９におい
て、よりエネルギーの低い第２サブバンドＥ₃₁，Ｅ₃₂，
Ｅ₃₃へと導かれ、順次エネルギーを失っていく。また、
その間に大部分の電子は第１サブバンドＥ₁₀に緩和す
る。Ｅ₃₄はＥ₃₃より十分にポテンシャルが高いので、井
戸層３３の第２サブバンドＥ₃₃から井戸層３４の第２サ
ブバンドＥ₃₄に入る電子は殆どない。

【００５０】本質的なのは井戸層の幅ではなく、サブバ
ンドのエネルギー位置である。空乏層などでフェルミレ
ベルが変化する場合は、同じ井戸幅でもサブバンドのエ
ネルギー位置を変えることができる。列えば、井戸層３
４と井戸層３５の井戸幅を同じにしても、Ｅ₁₄＜Ｅ₁₅と
Ｅ₃₃＜Ｅ₃₄＜Ｅ₃₅の両者が満たされていればよい。

【００５１】なお、第１のサブバンドエネルギー変調領
域８の場合と同様な理由で、（Ｅ₃₄−Ｅ₃₃）＞（Ｅ₃₂−
Ｅ₃₃）であることが望まれる。同じ理由で、バルク層側
に向けて、井戸幅を何層かかけて徐々に広げてエネルギ
ーを十分に減衰させておき、急激に薄くするのが好まし
い。高次サブバンドに関する留意点についても同様であ
る。

【００５２】空乏化領域のある側では、一旦バルク層へ
漏れたキャリアがすぐ戻ってこられる可能性は殆どない
ので、下地層側よりキャリア漏れの特性への影響が深刻
である。従って、第１サブバンドを介したキャリア漏れ
に対しても、十分な対策が必要である。井戸層３３の第
２サブバンドＥ₃₃の電子の一部は井戸層３４の第１のサ
ブバンドＥ₁₄にも緩和できる。しかし、Ｅ₁₅＞Ｅ₁₄＞Ｅ
₁₀なので、Ｅ₁₄に緩和した電子はＥ₁₀に緩和するだけ
で、井戸層３５には入らない。即ち、第２サブバンドの
エネルギーが極小となる井戸の外側に連続して２層以
上、第１サブバンドも第２サブバンドも外側に向かって
エネルギーが高くなっている領域が設けられていること
が必要である。

【００５３】これらの条件を満たせば、多重量子井戸構
造内のサブバンド間吸収で第２サブバンドＥ₂₀に励起さ
れた電子のキャップ層５への漏れ出しは、ほほ完全に抑
制される。

【００５４】このように、本実施形態の光ゲートスイッ
チアレイでは、多重量子井戸構造４の第２サブバンドＥ
₂₀からＧａＮ下地層３やＧａＮキャップ層５への電子の
漏れ出しが断ち切られ、吸収強度の低下や、バルク層へ
のキャリア漏れ出しによる遅い応答成分の発生が抑制さ
れる。この結果、繰り返し１Ｔｂ／ｓでもパターン効果
を生じず、任意のパターンで超高速のスイッチングを行
うことができる非線形光半導体素子が実現される。

【００５５】（変形例）変形例として、外側に向かって
ポテンシャルの下げ上げを複数回繰り返してもよい。ま
た、隣接するいくつかの量子井戸のポテンシャルを同じ
にしてもよい。

【００５６】ビルトイン電界を有する多重量子井戸構造
では、電界分布が障壁層の厚さにも依存し、サブバンド
のエネルギーは電界に依存している。また、ビルトイン
電界の有無に拘わらず、障壁層の厚さを変えると井戸層
間の結合の程度が変わる。従って、障壁層厚さを変える
ことによっても、ある程度サブバンドのエネルギーを制
御することができる。

【００５７】また、井戸層や障壁層の組成を変えること
によっても、サブバンドのエネルギーを変えることがで
きる。さらに、各層のドーピングの種類や量を変えるこ
とによっても、サブバンドのエネルギーを変えることが
できる。

【００５８】本発明は、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系，Ａ
ｌＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ系など、様々な材料系に適用
可能である。本発明は、窒化物半導体のように大きなビ
ルトイン電界が存在する場合に、特に効果が大きい。ま
た、サブバンド間緩和時間が短い窒化物半導体を使った
場合に、特に高速の応答が得られる。窒化物半導体でも
基板の選択によっては、ビルトイン電界を生じない。ビ
ルトイン電界の無い多重量子井戸構造では、下地層側と
キャップ層側の区別はないが、各層のドーピングや組成
の設定によっては非対称性が生じる。また、基板や成長
方法によっては、下地層とキャップ層側で電界の向きが
逆になる。

【００５９】実施形態においては伝導帯量子井戸におけ
る電子のサブバンド間遷移を考えてきたが、本発明は価
電子帯量子井戸における正孔のサブバンド間遷移につい
ても適用可能である。また、異なるバンドに属するサブ
バンドが混在する場合についても、応用が可能である。
多重量子井戸構造は、全体がドーピングされていても、
井戸層の全部ないし一部のみがドーピングされていて
も、或いは障壁層の全部ないし一部がドーピングされて
いてもよい。下地層やキャップ層の少なくとも一部はド
ーピングされていなくてもよい。また、下地層やキャッ
プ層は、多重量子井戸構造とは異なる構造の超格子層で
代用することもできる。さらに、キャップ層が無く、多
重量子井戸構造が最も上部に形成されている場合もあり
うる。

【００６０】この他にも、多重量子井戸構造の主要部の
構造，光導波路の構造，デバイス形態，使用波長，微調
整用電極の付加，集積化等、本実施形態は種々の変形が
可能である。

【００６１】また、実施形態では非線形光半導体素子と
して光ゲートスイッチの例を説明したが、これに限ら
ず、制御光により信号光の出力パワーないし位相が変化
する光制御素子（光強度変調器，光位相変調器等）に適
用することができる。さらに、制御光パルスにより信号
光の出力先が変化する光ルーティング素子（デジタル光
非線形スイッチ，干渉計型光スイッチ，方向性結合器型
光スイッチ等）、信号光パルスと励起光パルスとが入力
されたときに信号光とも励起光とも異なる波長の光パル
スが出力される波長変換素子、モード同期レーザの可飽
和吸収部、制御光パワーにより信号光に対する波長分散
の大きさが変化する可変波長分散補償素子等の各種の非
線形光半導体素子に適用することが可能である。

【００６２】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【００６３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、サ
ブバンド間吸収に基づく非線形光学応答を利用した超高
速非線形光半導体素子において、量子井戸層の第２サブ
バンドから外側のバルク層への電子のリークが抑制さ
れ、強いサブバンド間吸収と高速の吸収回復時間を同時
に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる光ゲートスイッチ
アレイの素子構造断面を模式的に示す図。

【図２】同実施形態の光ゲートスイッチアレイにおける
多重量子井戸構造の基板側界面付近の伝導帯バンド構造
を模式的に示す図。

【図３】同実施形態の光ゲートスイッチアレイにおける
多重量子井戸構造の基板と反対側の界面付近の伝導帯バ
ンド構造を模式的に示す図。

【図４】同実施形態の光ゲートスイッチアレイを用いた
光スイッチの構成を模式的に示す図。

【符号の説明】

１…サファイヤ基板２…非線形光導波路３…ＧａＮ下地層４…ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造５…ＧａＮキャップ層６…ＡｌＧａＮ障壁層７，２１，〜，２５，３１，〜，３５…ＧａＮ井戸層８…第１のサブバンドエネルギー変調領域９…第２のサブバンドエネルギー変調領域１１…光ファイバー１２…光分岐器１３…光合波器１４…光フィルター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 G02F 1/017 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】井戸層と障壁層を交互に積層した半導体多
重量子井戸構造のサブバンド間吸収の飽和に基づく非線
形光学応答を利用した非線形光半導体素子において、前記多重量子井戸構造は、該構造に隣接する隣接層との
境界部に、各井戸層の第２サブバンドのエネルギーが隣
接層に向かって一旦減少したのち上昇するように構成さ
れたサブバンドエネルギー変調領域を有していることを
特徴とする非線形光半導体素子。
【請求項２】前記多重量子井戸構造は、ピエゾ電気効果
を有する材料の歪量子井戸からなることを特徴とする請
求項１記載の非線形光半導体素子。
【請求項３】前記サブバンドエネルギー変調領域におい
て、第２サブバンドのエネルギーが極小になる井戸層よ
り多重量子井戸構造の中心部側における第２サブバンド
のエネルギーの変化より、隣接層側における第２サブバ
ンドのエネルギーの変化の方が大きいことを特徴とする
請求項１記載の非線形光半導体素子。
【請求項４】前記サブバンドエネルギー変調領域は、少
なくとも一部が空乏化しており、且つ第２サブバンドの
エネルギーが極小になる井戸層より隣接層側に２つ以上
の井戸層を有し、その２つ以上の井戸層の第１サブバン
ドのエネルギーが隣接層側で高くなっていることを特徴
とする請求項１記載の非線形光半導体素子。