JPH01262523A - 光半導体素子 - Google Patents

光半導体素子

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JPH01262523A
JPH01262523A JP63092509A JP9250988A JPH01262523A JP H01262523 A JPH01262523 A JP H01262523A JP 63092509 A JP63092509 A JP 63092509A JP 9250988 A JP9250988 A JP 9250988A JP H01262523 A JPH01262523 A JP H01262523A
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JP
Japan
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type semiconductor
well
recessed part
layer
semiconductor layer
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JP63092509A
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English (en)
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Mitsuru Sugawara
充 菅原
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 n型半導体層とp型半導体層の間に、障壁層と井戸層が
交互に積層されて量子井戸構造を形成する超格子を有し
てなり、該超格子が吸収する光の吸収ピークの波長が逆
バイアスにより変化する光半導体素子に関し、 逆バイアス電圧が小さくとも上記波長の変化が大きくな
るようにすることを目的とし、井戸層の伝導帯底がn型
半導体層の側で部分的により低くなる凹部、及び井戸層
の価電子帯頂がp型半導体層の側で部分的により高くな
る凹部、の少な(とも何れか一方の凹部を有するように
構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、n型半導体層とp型半導体層の間に、障壁層
と井戸層が交互に積層されて量子井戸構造を形成する超
格子を有してなり、該超格子が吸収する光の吸収ピーク
の波長が逆バイアスにより変化する光半導体素子に関す
る。
光通信システムの高速化の要請に伴い、半導体レーザか
ら連続的に発するレーザ光を電気信号により高速で変調
する外部光変調器が要求されている。
上記光半導体素子は、レーザ光の波長に対して上記吸収
ピークの波長を合わせたり外したりすることにより上記
変調を行い得るものであり、変調対象の波長に対する光
吸収係数を大きく変化させ得る特徴を有している。
〔従来の技術〕
第4図は、上述した光半導体素子の従来例の要部側面図
である。
同図において、1はn−1nPのn形半導体層、2はp
−TnPのp形半導体層、3はn形半4体層l及びp形
半導体層2の間の超格子である。
超格子3は、障壁層4と井戸層5が交互に積層されて、
第5図のエネルギ・バンド構造図の(alに示されるよ
うな量子井戸構造を形成している。障壁層4は厚さ10
0人のn−1nP、井戸層5は厚さ100人のn −1
nGaAs (またはn −1nGaAs P )であ
り、積層数は200人を周期にして50〜100周期程
度である。
この量子井戸構造において、井戸層5の厚さが100人
程変態下であることから、井戸中の電子とホールは、積
層方向の運動が制限されてエネルギ準位が量子化される
。そして井戸中に存在する励起子は、圧縮されて強いク
ーロン引力を受けるために束縛エネルギが増加し、室温
においても安定に存在する。
そこで超格子3が吸収する光の吸収スペクトルは、例え
ば第6図の実線のようになる。このスペクトルでは明瞭
な吸収ピークP1、P2、P3が観察され、吸収ピーク
の波長が特定される。
この素子に逆バイアスを加えると、エネルギ・バンド構
造図は、電界已によって第5図の(a)から(b)に変
わる。そして井戸の底に形成される三角形のポテンシャ
ルによって、量子化されたエネルギ準位は低下する。電
界Eは励起子を分離する方向に作用するが、ポテンシャ
ル障壁によって電子・ホール共に井戸内に閉じ込められ
、高電界においても励起子は存在する。
このことから、上記光吸収スペクトルにおける吸収ピー
クP1〜P3のエネルギは、電界Eの印加により低エネ
ルギ側にシフトして、光吸収スペクトルは第6図の実線
から破線のように変化し、吸収ピークP1〜P3の波長
は長波長側に移動する。このエネルギ・シフトは、主と
して、三角形のポテンシャルの形成による実効的なバン
ド・ギャップの縮小度合と、電子またはホールの波動関
数の分布が所定のポテンシャル障壁側に引き寄せられる
度合によって決り、それぞれの度合が大きくなるに従い
大きくなる。
第6図から判るように、破線の状態における吸収ピーク
P3を先に述べた変調対象の波長に合わせると、光吸収
係数は、実線の状態と破線の状態との間で太き(変化す
る。このことが、本素子を外部光変調器として使用し得
る所以である。
本素子を外部光変調器として使用する場合には、実線の
状態から破線の状態に変わる際の吸収ピークP3の波長
の変化Aは、大きい方が好都合である。
この波長の変化Aが小さすぎると、実線の状態における
光吸収係数の低下が不充分となり良好な特性が得られな
くなる。
第7図は、障壁層がInP、井戸層がInGaAsで、
周M(障壁層の厚さ十井戸層の厚さ)を200人にして
積層数を50周期にした場合のエネルギ・シフト特性図
であり、横軸は井戸層の厚さ、パラメータは逆バイアス
の電圧である。エネルギ・シフI−は、井戸層の厚さが
太き(なる程大きくなり、また、逆バイアス電圧が大き
くなる程大きくなっている。
然し、井戸層の厚さは、それを大きくし過ぎると励起子
が電界によって分離されてしまい光吸収係数が著しく低
下するので、100人程変調制限される。上記従来例の
素子で井戸層5の厚さを100人にしたのはこのことに
基づいている。
そしてそのようにしても、実用上必要な波長の変化Aに
対応するエネルギ・シフトがlOmeV程度以上である
ことから、逆バイアス電圧は、少なくともIOV程度以
上にする必要がある。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、10 G Hz以上の高速で動作する外
部光変調器として用いる場合、印加できる逆バイアス電
圧は駆動回路の性能によって制約され、最大で約3v程
度である。このためIOV程度以上を必要とする従来例
は、上記のような高速に使用国費である欠点がある。
そこで本発明は、n型半導体層とp型半導体層の間に、
障壁層と井戸層が交互に積層されて量子井戸構造を形成
する超格子を有してなり、該超格子が吸収する光の吸収
ピークの波長が逆バイアスにより変化する光半導体素子
において、逆バイアス電圧が小さくとも上記波長の変化
(第6図における波長の変化A)が大きくなるようにす
ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
第1図は本発明の原理を示すエネルギ・バンド構造図で
あり、(a)及び(b)はそれぞれ先に説明した第5図
の(al及び<biに対応する。図中、第4図及び第5
図に示される符号と同一符号は同一対象物を示し、6は
超格子3に相当する超格子、7は井戸層5に相当する井
戸層、である。
上記目的は、井戸層7の伝導帯底Ecがn型半導体層1
の側で部分的により低(なる凹部8、及び井戸層7の価
電子帯頂εVがp型半導体層2の側で部分的により高く
なる凹部9、の少なくとも何れか一方の凹部を有する本
発明の光半導体素子によって達成される。
〔作 用〕
逆バイアスにより電界Eが印加された状態を示す第1図
(b)において、上記凹部8を有する場合には、光吸収
によって量子井戸の伝立帯に生成された電子の波動関数
の分布は、凹部8の存在によってn形半導体11例のポ
テンシャル障壁の方に引き寄せられる度合が大きくなる
。従って、凹部8を有しない場合より先に述べたポテン
シャル・シフトが大きくなり、凹部を有しない場合には
不足であると見られる逆バイアス電圧を印加した際にも
、第6図における波長の変化Aの必要量を確保すること
が可能になる。
また上記凹部9を有する場合には、同じく価電子帯に生
成されたホールの波動関数の分布は、凹部9の存在によ
ってp形半導体層2側のポテンシャル障壁の方に引き寄
せられる度合が大きくなる。
従って、この場合も上記と同様になる。
更に、四部8及び9を有する場合には、上記二つの場合
のそれぞれの作用が重畳されて一層有利になる。
〔実施例〕
以下本発明の実施例について第2図及び第3図を用いて
説明する。第2図は実施例の要部側面図、第3図は実施
例のエネルギ・バンド構造図(al (bi、であり、
全図を通じ同一符号は同一対象物を示す。
第2図に示す実施例は、第4図で述べた従来例の超格子
3を超格子6に変えたものである。
超格子6は、障壁層4と井戸層7が交互に積層されて、
第3図のエネルギ・バンド構造図の(a)に示されるよ
うな量子井戸構造を形成している。従来例の超格子3と
比較すると、井戸層7のみが異なっている。
即ち、第3図の(alの部分拡大である(b)に示すよ
うに、障壁層4は従来例と同じく厚さ100人のn−I
nPであり、井戸層7は、厚さが従来例と同じ<100
人であるが、厚さ70人のIn xGaI−xAS y
 P 1−y(x=0.28、y =0.6)の主井戸
層7aと、厚さ30人のInxGa、、(^s (x 
=0.53)の副井戸層7bからなる2層構成をなし、
副井戸層7bがn形半専体筋1の側になっている。
そして、同図には伝導帯底Ec及び価電子帯頂Eνにお
ける各層間のエネルギ差が示されるが、井戸層7の伝導
帯底Ecには副井戸層7bにより深さ0.08eVの凹
部8が形成されている。
この実施例に従来例の場合と同様に逆バイアスを加える
と、第3図(blの伝導帯底Ecは第1図(blの伝導
帯底Ecのようになり、先に述べた作用により先に述べ
たポテンシャル・シフトは従来例の場合より大きくなる
。その際、価電子帯頂Evには副井戸開7bにより形成
される凹部9aを有するが、逆バイアスにより主井戸層
7aとp形半導体層2側の障壁層4が三角形のポテンシ
ャルを形成して、ホールが主井戸層7a内に分布するの
で、凹部9aの影ツは極めて少ない。
本発明者は、上記実施例に3■の逆バイアスを印加した
際のエネルギ・シフトが、従来例に同じ逆バイアスを印
加した際のエネルギ・シフトより約1o11eν大きく
なることを確認した。このことは、本実施例が10 G
 Hz以上の高速で動作する外部変調器として使用し得
ることを意味する。
なお、上記実施例で、主井戸層7aと副弁戸開7bとの
配置を入れ換えて、井戸層7の価電子帯頂Eνに第1図
に示される凹部9が形成されるようにしても同様な結果
が得られ、更に、井戸層を3層構成にして第1図に示す
凹部8及び9の両方を設けるようにすれば、−i良好な
結果が得られることは容易に類推されよう。
また、実施例は、障壁層4にInPを、井戸層7にIn
GaAs P及びInGaAsを用い、それぞれの厚さ
を特定しであるが、上述の説明から明らかなように本発
明の原理はエネルギ・バンド構造の形態によるものであ
ることから、本発明は、使用する半轟体及びその厚さが
実施例に限定されるものではない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明の構成によれば、n型半導体
層とp型半導体層の間に、障壁層と井戸層が交互に積層
されて量子井戸構造を形成する超格子を有してなり、該
超格子が吸収する光の吸収ピークの波長が逆バイアスに
より変化する°光半導体素子において、逆バイアス電圧
が小さくとも上記波長の変化が大きくなるようにするこ
とができて、当該素子を例えば10 G Hz以上の高
速で動作する外部変調器として使用可能にさせる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を示すエネルギ・バンド構造図、 第2図は実施例の要部側面図、 第3図は実施例のエネルギ・バンド構造図、第4図は従
来例の要部側面図、 第5図は従来例のエネルギ・バンド構造図、第6図は光
吸収のスペクトル図、 第7図は一従来例のエネルギ・シフト特性図、である。 図において、 1はn形半導体層、 2はp形半導体層、 3.6は超格子、 4は障壁層、 5.7は井戸層、 7aは主井戸層、 7bは副弁戸開、 Eは電界、 P1〜P3は光吸収ピーク、 AはP3の波長の変化、 である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  n型半導体層(1)とp型半導体層(2)の間に、障
    壁層(4)と井戸層(7)が交互に積層されて量子井戸
    構造を形成する超格子(6)を有してなり、該超格子(
    6)が吸収する光の吸収ピークの波長が逆バイアスによ
    り変化する光半導体素子において、井戸層(7)の伝導
    帯底(Ec)がn型半導体層(1)の側で部分的により
    低くなる凹部(8)、及び井戸層(7)の価電子帯頂(
    Ev)がp型半導体層(2)の側で部分的により高くな
    る凹部(9)、の少なくとも何れか一方の凹部を有する
    ことを特徴とする光半導体素子。
JP63092509A 1988-04-14 1988-04-14 光半導体素子 Pending JPH01262523A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2005096463A1 (ja) * 2004-03-30 2008-02-21 日本電気株式会社 面発光レーザおよびその駆動方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS623220A (ja) * 1985-06-28 1987-01-09 Nec Corp 光変調器
JPS6285227A (ja) * 1985-10-09 1987-04-18 Tokyo Inst Of Technol 光回路機能素子

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