JPH0736064A - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体装置の製造方法

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JPH0736064A
JPH0736064A JP18052093A JP18052093A JPH0736064A JP H0736064 A JPH0736064 A JP H0736064A JP 18052093 A JP18052093 A JP 18052093A JP 18052093 A JP18052093 A JP 18052093A JP H0736064 A JPH0736064 A JP H0736064A
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亮 高橋
Yuichi Kawamura
裕一 河村
Hidetoshi Iwamura
英俊 岩村
Toshiaki Kagawa
俊明 香川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御光の照射によって励起されたキャリアの
寿命を極めて短くすることのできる光半導体装置を得る
製造方法を提供する。 【構成】 光非線形材料を150℃〜400℃で成長さ
せて量子井戸層を構成し、さらにこの低温成長中にドー
パントとしてp型元素またはBeを添加し、さらにま
た、この量子井戸層の成長後にアニール処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】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
の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1に光非線形材料として半導体量子井
戸層1を用いて、高反射膜2で挟んだ共振型光スイッチ
の構造図を、図2に動作の原理図を示す。この構造の光
スイッチにおいては、制御光パルス3の照射されない状
態では、共振器の透過スペクトルは、図2の実線とな
り、信号光パルス4は透過されない。これに対し、制御
光パルス3が照射されると、量子井戸層1の屈折率が変
化するため、共振ピークは点線で示したようにシフト
し、そのため、信号光4は透過するようになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記共振器型光スイッ
チを例として説明したように、従来の光スイッチ動作機
能をもつ全ての光半導体装置においては、制御光を照射
させることによりキャリアを励起し、材料の屈折率を変
化させ、その結果、光スイッチ動作が行われる。この時
に励起されるキャリアの寿命は、数ナノ秒と長い。その
ため、従来の光半導体装置では制御光の照射以前の状態
への回復が遅くなり、高速なスイッチ動作が困難とな
る。従って、従来の光半導体装置において、高速な光ス
イッチ動作をさせるには、励起されたキャリアの寿命を
極めて短くすることが必要になる。これが、本発明が解
決しようとする課題である。すなわち、本発明の課題
は、制御光の照射によって励起されたキャリアの寿命を
極めて短くすることのできる光半導体装置を得るための
製造方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明方法の第1の特徴
は、光非線形材料として通常の成長温度より低い温度、
すなわち、150℃〜400℃で成長させた量子井戸層
を用いることにある。
【0005】また、本発明方法の第2の特徴は、前記量
子井戸層の低温成長中にドーパントとしてp型元素また
はBeを添加することにある。
【0006】さらに、本発明方法の第3の特徴は、前記
量子井戸層の低温成長後、アニール処理を施すことにあ
る。
【0007】
【作用】従来、ガスソース分子線エピタキシー(MB
E)装置では、量子井戸層の成長を500℃程度で行
う。このとき、励起されたキャリアは、発光再結合過程
が支配的となるため、得られた光半導体装置は、レーザ
等の発光デバイスへの応用に極めて有用である。しか
し、その反面、発光再結合過程によるキャリア寿命は、
極めて長く、数〜数十ナノ秒であるため、この光半導体
装置では、初期状態への回復が遅くなり、高速スイッチ
の作成が困難である。
【0008】これに対し、本発明でのように、温度を下
げて、150℃〜400℃で成長を行うと、深い準位に
再結合中心が形成されると考えられ、そのためキャリア
の寿命は100ピコ秒程度まで高速化される。この量子
井戸層の成長を150℃未満で行なうと、励起子による
吸収の波長変化が生じないと思われる。そのため、成長
温度として利用し難い。また、成長温度が400℃を越
えると、キャリア寿命が長くなり始めるため、400℃
を越える成長温度も利用できない。また、成長中にp型
元素またはBeを導入すると、キャリア寿命は1ピコ秒
程度まで低減することが可能となる。さらに、成長後の
量子井戸層を500℃程度の温度でアニール処理を施す
と、ドープされたアクセプタが活性化し、低温成長中に
発生したキャリアを補償するため、極めて高抵抗な量子
井戸層とすることができる。よって、この量子井戸層を
上記光半導体装置の光非線形材料として用いれば、極め
て高速な全光型光スイッチの作成が可能となる。
【0009】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0010】(実施例1)本発明において目的とする光
半導体装置に好適に用いることのできる量子井戸層を分
子線エピタキシー法により成長させた。用いた装置は、
周知の分子線エピタキシー装置であり、下記の成長条件
にて行なった。なお、アクセプタとしては、Beをドー
プした。
【0011】 (i) III 族ソース : In、Ga、Al(メタ
ル) (ii) V 族ソース : AsH3 ガス(流量2cc
m) (iii) 成長中の真空度 : 1. 3×10-5Torr (iv) 基板回転速度 : 20rpm (v) 成長速度 : 2. 6μm/h (vi) 成長温度 : 200℃ 前記のようにして、ガスソース分子線エピタキシー装置
により200℃で成長され、アクセプタとしてBeをド
ープしたInGaAs/InAlAs量子井戸層の透過
率変化を、ポンプ・プローブ法により測定した例を、図
3に示す。この吸収回復時間は、キャリア寿命を反映し
ており、量子井戸層は数ピコ秒で初期状態へ回復するこ
とを意味している。
【0012】前記と同様の条件で、成長温度のみを15
0℃,200℃,300℃,400℃,600℃と変化
させ、量子井戸層を成長させた。各温度により成長させ
た量子井戸層のキャリア寿命を測定したところ、図4の
結果が得られた。図から明らかなように、成長温度が4
00℃を越えると、キャリア寿命が長くなり始めるの
で、成長温度は400℃以下が好ましい。また、150
℃近傍では、キャリア寿命の値に問題はないが、150
℃未満になると、励起子による吸収の波長変化が生じな
くなる可能性が大きいので、150℃未満での成長は避
けるべきである。
【0013】次に、Beドープ量の変化が、キャリア寿
命に及ぼす影響について調べるために、前記と同様の条
件で、Beドープ量のみをドープ量0cm-3から約8c
-3まで4通りに変化させて量子井戸層を成長させ、そ
れぞれのキャリア寿命を測定した。その結果を図5に示
す。なお、比較のために、成長温度500℃において成
長させた量子井戸層のドープ量変化に対するキャリア寿
命の変化も図5に合わせて示した。図から明らかなよう
に、200℃での成長では、Beをドープすることによ
って、キャリア寿命が急激に短くなることがわかる。
【0014】したがって、上記Beドープ低温成長量子
井戸層を、前記の共振型光スイッチに、その光非線形材
料として用いると、従来デバイスより3桁程度高速な光
スイッチを作成することが可能となる。
【0015】(実施例2)前記と同様にして、Beドー
プ低温成長量子井戸層を構成し、この量子井戸層を、光
導波路として、図6に示す構造の光スイッチを形成し
た。また、図7には、この光スイッチの原理の説明図を
示す。この光スイッチは、図に示すように、InP層
5,6間に光導波路となるInGaAs/InAlAs
量子井戸層7を形成した構造であり、光導波路である量
子井戸層7の一部に回折格子8が形成されている。この
ように、この光スイッチの光導波路の一部には回折格子
8が形成されているため、ブラッグ波長に一致した光信
号のみを反射させる。今、信号光パルス9の波長をこの
ブラッグ波長に合わせておくと、出力光は、図7に示す
ように、ゼロの状態となる(実線)。そのとき、励起パ
ルス10をこの回折格子8へ照射し、キャリアを励起す
ると、回折格子8部分の屈折率が変化するため、ブラッ
グ波長も点線で示したようにシフトする。そのため、入
力光は透過状態へ移行し、出力光が得られるようにな
る。回折格子8部分はBeドープ低温成長量子井戸層7
で形成されているため、上記したように、励起されたキ
ャリアは、高速に消滅する。そのため、量子井戸層7
は、素早く初期状態へ緩和し、その結果、高速な光スイ
ッチが可能となる。
【0016】(実施例3)図8に示すように、実施例1
と同様のBeドープ低温成長量子井戸層7を光導波路と
するマッハツェンダ型光スイッチを形成した。図中、1
1,12はInP層であり、13はリッジである。図に
示したように、光導波路は途中で分岐し、その後再び結
合するマッハツェンダ干渉計を構成しているため、励起
光パルス14が照射されない状態では、合波した信号光
パルス15の位相は一致しており、そのため、そのまま
出力される。分岐した光導波路の一方に励起光パルス1
4を照射し、キャリアを励起すると、その部分の屈折率
が変化し、光学的光路長が変わる。図9に示すように、
そのときの変化量ΔnL(Δn:屈折率の変化量、L:
励起光照射部の長さ)が信号光の半波長に一致するよう
に調整すると、合波した信号光の位相は逆相となるた
め、信号光は出力されないようになる。光導波路部分は
Beドープ低温成長量子井戸層7で形成されているた
め、上記したように励起されたキャリアは迅速に消滅
し、素早く初期状態へ緩和して高速な光スイッチが可能
となる。
【0017】なお、上記実施例では、結晶の材料として
InGaAs/InAlAs系について述べてきたが、
InGaAs/In(Ga)AlAs系,AlGaAs
/GaAs系,InGaAs/GaAs歪超格子系,I
nGaAs/InGaAsP歪超格子系においても同様
の効果が実現できることは言うまでもない。
【0018】また、上記実施例では、ガスソース分子線
エピタキシー法により製造を行なったが、本発明は、通
常の分子線エピタキシー法にも適用できるのはもちろん
である。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明方法は、光
非線形材料として、非線形性が大きく、極めて高速に緩
和するp型元素またはBeをドープした低温成長量子井
戸層を用いて光半導体装置を構成するものであり、上記
したように励起されたキャリアは高速に消滅するため、
素早く初期状態へ緩和し、高速な光スイッチが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の共振型光スイッチの構成図である。
【図2】従来の共振型光スイッチの原理を説明するグラ
フである。
【図3】本発明の実施例を説明するためのもので、ポン
プ・プローブ法によるBeドープ低温成長量子井戸層の
可飽和吸収回復時間の測定結果を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例を説明するためのもので、本発
明方法により構成した光半導体装置における量子井戸層
の成長温度とその励起キャリアとの関係を示すグラフで
ある。
【図5】本発明を説明するためのもので、量子井戸層へ
のBeドープ量と量子井戸層の励起後の初期状態への緩
和時間(キャリア寿命)との関係を示すグラフである。
【図6】本発明方法により形成した回折格子を有する導
波路型光スイッチの構成図である。
【図7】本発明方法により形成した回折格子を有する導
波路型光スイッチの原理を説明するグラフである。
【図8】本発明方法により形成したマッハツェンダ型光
スイッチの構成図である。
【図9】本発明方法により形成したマッハツェンダ型光
スイッチの原理を説明するグラフである。
【符号の説明】
5,6 InP層 7 InGaAs/InAlAs量子井戸層 8 回折格子 9 信号光パルス 10 励起光パルス 11,12 InP層 13 リッジ 14 励起光パルス 15 信号光パルス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 香川 俊明 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に量子井戸層を積層させて
    活性層とする光半導体装置の製造方法において、前記量
    子井戸層を150℃から400℃で成長させることを特
    徴とする光半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記量子井戸層にドーパントとしてp型
    元素またはBeを添加することを特徴とする請求項1に
    記載の光半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記量子井戸層を形成後に、アニール処
    理を行う工程を含むことを特徴とする請求項1または2
    に記載の光半導体装置の製造方法。
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