JPH09222588A

JPH09222588A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH09222588A
Application number: JP2825996A
Authority: JP
Inventors: Richiyaado Sawara; リチャード佐原; Manabu Matsuda; 松田　　学
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】長距離伝送に適したαパラメータを有する光
半導体装置を提供する。【解決手段】光を放出する発光手段と、前記発光手段
から放出された光の光路中に配置され、電子及び正孔に
対して３次元量子閉じ込めを行う量子箱と、前記量子箱
に電界を印加する電界印加手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置に関
し、特に印加電界によって光吸収強度を変化させて光変
調を行う光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】狭いバンドギャップの半導体の薄層を広
いバンドギャップの半導体の層で挟むと量子井戸構造を
形成することができる。単一の半導体薄層が電子と正孔
の両者に対する量子井戸を形成する場合をタイプＩの量
子井戸と呼ぶ。この場合、狭バンドギャップの半導体層
を井戸（ウェル）層と呼び、広バンドギャップの半導体
層を障壁（バリア）層と呼ぶ。狭バンドギャップの半導
体層と広バンドギャップの半導体層とを交互に積層する
と、タイプＩの多重量子井戸構造が形成される。

【０００３】また、電子に対する量子井戸を第１の半導
体層で形成し、隣接して正孔に対する量子井戸を第２の
半導体層で形成し、電子および正孔に対して障壁を形成
する第３の半導体層でサンドイッチした構造をタイプＩ
Ｉの量子井戸と呼ぶ。この場合、第１及び第２の半導体
層の積層構造を井戸層と呼び、第３の半導体層を障壁層
と呼ぶ。第１の半導体層、第２の半導体層、必要に応じ
て第３の半導体層を順次積層するとタイプＩＩの多重量
子井戸が形成される。

【０００４】タイプＩまたはタイプＩＩの量子井戸構造
の井戸層を傾斜バンドギャップ材料で形成し、プリバイ
アスの作用を持たせたグレーテッドバンドギャップ量子
井戸、複数のタイプＩの量子井戸層をキャリアがトンネ
ル可能な薄い障壁層を介して結合した結合量子井戸、結
合量子井戸で超格子を形成し、多数の井戸層に共通の状
態と単一井戸層のみに起因する状態を発生させた結合超
格子等も知られている。

【０００５】このような量子井戸構造ないし多重量子井
戸構造は種々の半導体装置に利用することができる。た
とえば、電子や正孔は井戸層においてより安定な状態と
なることを利用し、タイプＩの多重量子井戸構造を用い
た半導体レーザが製作されている。

【０００６】光通信の分野においては、光源および変調
器の重要性が高い。レーザ光源の駆動自体をオン／オフ
して出力光を変調することもできるが、出力波長の安定
性が悪く、いわゆるチャーピングが生じる。光波長を安
定に保持し、高速の変調を行うためには、レーザ光源を
連続発振させ変調器で変調を行うことが好ましい。量子
井戸構造を用いた変調器の開発が行なわれている。

【０００７】図１３Ａ、１３Ｂは、タイプＩの量子井戸
構造の例を示す。図１３Ａは、タイプＩの量子井戸のバ
ンドエネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示す。
ＩｎＰ基板上に、ｐ型層、量子井戸構造、ｎ型層が積層
され、ｐｉｎ構造を形成している。量子井戸構造内の障
壁層Ｌ１、Ｌ３は、Ｉｎ_0.73Ｇａ_0.27Ａｓ_0.49Ｐ_0.51で
形成され、ＩｎＰ基板に対し、−０．３１％の伸長歪を
有する。この障壁層Ｌ１の伝導帯のバンド端のエネルギ
位置は−８．１７３ｅＶであり、価電子帯のヘビーホー
ルのバンド端のエネルギ位置は−９．２２８ｅＶであ
り、ライトホールのバンド端のエネルギ位置は−９．２
０６ｅＶである。

【０００８】井戸層Ｌ２は、＋１．３２％の圧縮歪を有
するＩｎ_0.89Ｇａ_0.11Ａｓ_0.65Ｐ_0. ₃₅で形成され、伝導
帯のバンド端のエネルギ位置は−８．３４４ｅＶ、価電
子帯のヘビーホールのバンド端のエネルギ位置は−９．
１３８ｅＶ、ライトホールのバンド端のエネルギ位置は
−９．２２１ｅＶである。井戸層Ｌ２の厚さは、たとえ
ば９．０ｎｍである。なお、井戸層Ｌ２及びそれに隣接
する障壁層Ｌ１、Ｌ３の領域はノンドープである。

【０００９】なお、単一の井戸層のみを示したが、井戸
層Ｌ２と障壁層Ｌ１（Ｌ３）を交互に配置し、多重量子
井戸としてもよい。このような構成により、電子に対す
る量子井戸と正孔に対する量子井戸とが同一層内に形成
されるタイプＩの量子井戸構造が形成される。

【００１０】このようなｐｉｎ構造に対し、バイアス電
界を印加しない状態においては、伝導帯の電子の波動関
数も価電子帯の正孔の波動関数も井戸層Ｌ２を中心とし
て分布する。電子の波動関数のピークと正孔の波動関数
のピークとは一致する。量子井戸構造に井戸層Ｌ２のバ
ンドギャップに相当するエネルギの光子エネルギを有す
る光を入射すると、電子正孔対を生じ、光が吸収され
る。

【００１１】また、電子及び正孔を１次元方向にのみ閉
じ込めているため、バンド端近傍のエネルギ準位がほぼ
連続的に分布する。従って、井戸層Ｌ２のバンドギャッ
プに相当するエネルギ以上の光子エネルギを有する光に
対しても電子正孔対を生じ、光吸収強度が大きくなる。
従って、量子井戸構造に入射する光の波長を、井戸層Ｌ
２のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長から
徐々に短くしていくと、始めは光吸収強度がほぼ０であ
り、バンドギャップに相当する波長で立ち上がり、それ
よりも短い波長に対して大きな光吸収強度を示す。

【００１２】図１３Ｂは、図１３Ａに示す量子井戸構造
にバイアス電界を印加した時の波動関数の分布を示す。
電子および正孔は電界により力を受け、その波動関数の
分布を変化させる。

【００１３】図中、４段に分けて電界強度の極性および
強度の異なる４つの場合について電子および正孔の波動
関数の分布が示されている。図中、実線は電子の波動関
数を示し、点線は正孔（ヘビーホール）の波動関数を示
す。なお、図１３Ａに示すように、この量子井戸構造は
厚さ方向に関して対称的であり、波動関数の分布は正極
性の電界印加と負極性の電界印加に対し、対称的な形状
を示している。

【００１４】積層方向に沿って電界が印加されると、正
孔は電界方向に移動し、電子は電界と逆方向に移動す
る。このため、印加電界がない時にはピーク位置が一致
していた電子と正孔の波動関数は、電界強度の増加と共
に反対方向に移動し、その重なりが減少している。波動
関数の重なりが減少することは、光吸収強度の低下を意
味する。波動関数の重なりの２乗が、遷移確率すなわち
振動子強度に比例し、光吸収強度を表す。

【００１５】なお、電界印加によって図１３Ａに示すバ
ンド構造は傾斜する。井戸層Ｌ２のバンドがたとえば右
下がりに傾斜すると電子は右側に、正孔は左側に偏って
分布する。したがって、電子正孔対を発生させるのに必
要なエネルギはバンドが傾いた分減少し、吸収光波長は
長波長側に移動（レッドシフト）する。

【００１６】図１４は、図１３Ａに示すタイプＩの量子
井戸構造の光吸収スペクトルの例を示す。横軸は波長を
単位ｎｍで表し、縦軸は入射光の減衰量を単位ｄＢで表
す。すなわち、縦軸は量子井戸構造の光吸収強度に対応
する。

【００１７】電界無印加時には、光吸収強度が波長約１
４８０ｎｍにおいて極大となり、波長が長くなるに従っ
て減少する。波長が１５６０ｎｍ以上の領域で光吸収強
度がほとんど０になる。波長が１４８０ｎｍより短くな
っても、比較的大きな光吸収強度を維持する。

【００１８】強さ−５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加する
と、吸収ピークが長波長側へシフトし、波長約１４９５
ｎｍ近傍に弱い吸収ピークが現れる。電界印加により電
子と正孔の波動関数の重なりが減少するため、吸収ピー
クの高さは低くなる。また、電界印加により、波長約１
５００ｎｍ以上の領域において、電界無印加時よりも光
吸収強度が増大する。この光吸収強度の変化を利用して
光変調を行うことができる。

【００１９】次に、図１５を参照して、αパラメータと
光パルス信号の最大伝送距離との関係について説明す
る。光パルス発生源のαパラメータは、

【００２０】

【数１】α＝Δθ／ΔＡｍ＝Δｎ／ΔＡｂと定義される。ここで、Δθは光パルスの位相変化、Δ
Ａｍは振幅の変化、Δｎは光変調器の屈折率の変化、Δ
Ａｂは光変調器の光吸収強度の変化を表す。

【００２１】図１５は、αパラメータと最大伝送距離と
の関係を示す。横軸はαパラメータを表し、縦軸は伝送
距離を単位ｋｍで表す。伝送媒体を分散係数１７ｐＳ／
ｎｍ／ｋｍの光ファイバ、光パルス信号の周波数を１０
Ｇｂ／ｓ、光パルス波形をガウシアン波形、パワーペナ
ルティを１ｄＢとした。

【００２２】αパラメータが約−１のとき、最大伝送距
離が最大値を示し、αパラメータを正の向きに大きくす
ると最大伝送距離が急激に短くなり、負の向きに大きく
すると徐々に短くなる。従って、長距離伝送を行うため
には、αパラメータを負にすることが好ましく、−２〜
０とすることがより好ましい。

【００２３】図１６は、図１４に示す特性を有する量子
井戸構造の、光吸収強度変化、屈折率変化、及びαパラ
メータの波長依存性を示す。横軸は波長を単位ｎｍで表
し、左縦軸は光吸収強度変化ΔＡｂを任意目盛りで表
し、右縦軸は屈折率変化Δｎとαパラメータを表す。図
中の実線は光吸収強度変化ΔＡｂを示し、記号■は屈折
率変化Δｎを示し、記号○はαパラメータを示す。屈折
率変化Δｎは、クラマースクローニッヒの式を用いて計
算したものである。

【００２４】長距離伝送を行うためには、光変調器の挿
入損失を少なくするために、光透過状態の時に光変調器
の光吸収強度がほぼ０であることが好ましい。従って、
図１４の特性を有する量子井戸構造を用いた光変調器
は、光吸収強度の観点から、１５６０ｎｍ以上の波長域
の光の変調に適している。しかし、図１６において、波
長１５６０ｎｍ以上の波長域でαパラメータが正になっ
ている。αパラメータの観点からは、この波長域は長距
離伝送に適さない。

【００２５】また、１５００〜１５３０ｎｍの波長域に
おいてαパラメータが負になるため、αパラメータの観
点からは、この光変調器は１５００〜１５３０ｎｍの波
長域の光の変調に適している。しかし、図１４からわか
るように、この波長域の光吸収強度が比較的大きいた
め、光吸収強度の観点からは、この光変調器は１５００
〜１５３０ｎｍの波長域の光の変調に適さない。このよ
うに、１次元閉じ込めを行うタイプＩの量子井戸構造を
用いた光変調器は、光吸収強度とαパラメータ共に長距
離伝送のために好適な値になる波長域を有しない。

【００２６】図１７Ａ、１７Ｂは、タイプＩＩの量子井
戸を示す。図１７Ａは、タイプＩＩの量子井戸のバンド
エネルギ分布を厚さ方向の位置の関数として示す。図に
おいて、障壁層Ｍ１、電子に対する井戸層Ｍ２、正孔に
対する井戸層Ｍ３、障壁層Ｍ４が積層し、タイプＩＩの
量子井戸構造を構成している。なお、障壁層Ｍ１側には
ｐ型層が連続し、障壁層Ｍ４側にはｎ型層が連続する。

【００２７】電子に対する井戸層を構成する層Ｍ２と正
孔に対する井戸層を構成する層Ｍ３は隣接して配置され
ており、その両側には障壁層Ｍ１、Ｍ４が配置されてい
る。なお、多重井戸構造とする場合には、層Ｍ１と層Ｍ
４は同一の層で構成される。

【００２８】たとえば、この量子井戸構造はＩｎＰ基板
上に形成され、層Ｍ１（Ｍ４）はＩｎ_0.73Ｇａ_0.27Ａｓ
_0.49Ｐ_0.51で形成された伸長歪−０．３１％の層であ
り、伝導帯のバンド端のエネルギ位置は−８．１７３ｅ
Ｖ、価電子帯のヘビーホールのバンド端のエネルギ位置
は−９．２２８ｅＶ、価電子帯のライトホールのバンド
端のエネルギ位置は−９．２０６ｅＶである。

【００２９】電子に対する井戸層Ｍ２は、たとえば厚さ
９．０ｎｍのＩｎＡｓ_0.43Ｐ_0.57で形成され、圧縮歪＋
１．３７％を有する。伝導帯のバンド端のエネルギ位置
は−８．２９５ｅＶ、価電子帯のヘビーホールのバンド
端のエネルギ位置は−９．２２０ｅＶ、価電子帯のライ
トホールのバンド端のエネルギ位置は−９．３０７ｅＶ
である。

【００３０】正孔に対する量子井戸を構成する層Ｍ３
は、たとえば厚さ１２．０ｎｍのＩｎ _0.53Ｇａ_0.47Ａｓ
_0.71Ｐ_0.29で形成され、伸長歪−１．０％を有する。こ
の層の伝導帯のバンド端のエネルギ位置は−８．１６９
ｅＶ、価電子帯のヘビーホールのバンド端のエネルギ位
置は−９．１７８ｅＶ、価電子帯のライトホールのバン
ド端のエネルギ位置は−９．１０５ｅＶである。

【００３１】図１７Ｂは、図１３Ｂと同様、印加電界に
対する波動関数の移動を示している。タイプＩＩの量子
井戸においては、電界を印加しない状態においても電子
の量子井戸の位置と正孔の量子井戸の位置が異なるた
め、電子と正孔の波動関数は離れて存在する。なお、両
量子井戸層の厚さが波動関数の拡がりと較べ、同等以下
である場合には、波動関数は障壁層に侵入して分布す
る。

【００３２】電子と正孔が互いに離れる方向の電界を印
加すると、図１７Ｂ中、上２段のグラフに示すように、
電子の波動関数と正孔の波動関数はさらに離れて分布す
る。これに対し、電子と正孔が近づく方向の電界を印加
すると、電子および正孔の波動関数は両井戸層の境界側
に偏り、さらに障壁層内に進入し、波動関数の重なりは
増大する。

【００３３】また、図１７Ａにおいて、バンド構造が左
下がりになるような電界を印加すると、電子の波動関数
と正孔の波度関数は離れるように分布する。この場合、
バンドの傾きに対応する分、遷移エネルギが減少し、遷
移波長は長波長側に移動（レッドシフト）する。

【００３４】また、電子の波動関数と正孔の波動関数が
近づく方向の（右下がりになる）電界を印加すると、境
界におけるバンドギャップは変化しないが、井戸層底部
のバンド端のエネルギに傾きが生じるため、波動関数の
分布が境界付近に集まり、実効的井戸幅が減少する作用
が生じる。遷移エネルギは僅か増加する。この遷移エネ
ルギの増加は、遷移波長の短波長化（ブルーシフト）と
なる。

【００３５】従来、量子井戸構造を光変調器に用いる場
合、電界印加による遷移波長のレッドシフトを利用して
いる。電界無印加時の光吸収端エネルギよりわずかに長
波長の光を入力光とする。電界印加によってレッドシフ
トが生じると光吸収端波長は長波長側に移動する。その
結果、透明領域であった入力光の波長が吸収領域の波長
となる。このように、電界印加により遷移波長をレッド
シフトさせ、電界印加時の光吸収を利用して光変調を行
うと、αパラメータが正になるため、この方法は長距離
伝送に適さない。

【００３６】電界無印加時の光吸収端エネルギより短波
長側の波長域は、電界無印加時及び電界印加時共に吸収
領域となるため、この波長域の光を被変調光として使用
することは好ましくない。

【００３７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、１次元
閉じ込めを行う量子井戸構造を用いた光変調器では、電
界印加により遷移波長をレッドシフトさせ、電界印加時
の光吸収を利用して光変調を行うため、αパラメータが
正になり長距離伝送に適さない。

【００３８】本発明の目的は、長距離伝送に適したαパ
ラメータを有する光半導体装置を提供することである。

【００３９】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、光を放出する発光手段と、前記発光手段から放出さ
れた光の光路中に配置され、電子及び正孔に対して３次
元量子閉じ込めを行う量子箱と、前記量子箱に電界を印
加する電界印加手段とを有する光半導体装置が提供され
る。

【００４０】量子箱内では、伝導帯と価電子帯にエネル
ギ準位が離散的に分布する。伝導帯のエネルギ準位と価
電子帯のエネルギ準位との差に等しいエネルギの光が入
射すると、電子正孔対が生成され光吸収が起こる。離散
的に分布するエネルギ準位に対応し、光吸収スペクトル
の吸収ピークも離散的に現れる。量子箱に電界を印加す
るとエネルギ準位間のエネルギ差が変動するため、吸収
ピークが長波長または短波長側へシフトする。

【００４１】量子箱に、吸収ピークのシフト範囲内の波
長域の光を入射し、電界強度を変化させると、入射光に
対する光吸収強度が変化する。この光吸収強度の変化を
利用して光変調を行うことができる。

【００４２】本発明の他の観点によると、電界無印加時
において、前記量子箱に閉じ込められた電子及び正孔の
各波動関数のピークを与える空間座標が３次元的に一致
し、前記発光手段から放出される波長の光に関して、前
記量子箱に電界を印加している時の前記量子箱による光
吸収強度が、電界を印加していない時の光吸収強度より
も小さい光半導体装置が提供される。

【００４３】電界無印加時に電子と正孔の波動関数のピ
ークが一致するため、遷移確率が高くなり光吸収強度が
大きくなる。電界を印加すると電子と正孔の波動関数の
ピークが反対方向に移動するため、波動関数の重なりが
少なくなり遷移確率が低くなる。このため、光吸収強度
が低下する。同時に、伝導帯及び価電子帯のバンド端が
傾斜するためエネルギギャップが狭くなり、吸収ピーク
が長波長側へ移動する。

【００４４】電界印加時の光吸収強度が電界無印加時の
光吸収強度よりも小さい波長域の光を被変調光とする
と、電界無印加時に非透過状態になり、電界印加時に透
過状態になる。

【００４５】本発明の他の観点によると、前記発光手段
により放出される光の波長が、前記量子箱による光吸収
スペクトルのピークのうち最も長波長側のピークに対応
する波長に、そのピークの半値幅の１／２を加えた波長
よりも短い光半導体装置が提供される。

【００４６】光変調器を長距離伝送用の光信号発生源と
して使用するためには、光変調器の透過状態における挿
入損失を少なくすることが望まれる。量子箱の光吸収ス
ペクトルには、離散的な吸収ピークが現れるため、最も
長波長側の吸収ピークよりも短波長側に、光吸収ピーク
の十分小さい波長域が存在する。

【００４７】また、吸収ピークに対応する波長にそのピ
ークの半値幅の１／２を加えた波長よりも短い波長域の
光に対しては、その吸収ピークを長波長側にシフトさせ
て光吸収強度を十分小さくすることができる。従って、
この波長域の光を被変調光とすることが可能である。

【００４８】本発明の他の観点によると、前記発光手段
により放出される光の波長が、前記量子箱に電界を印加
していない時における該量子箱の光吸収スペクトルのい
ずれかのピークの半値幅の範囲内の波長である光半導体
装置が提供される。

【００４９】電界無印加時の吸収ピークの半値幅の範囲
内の光に対して、電界無印加時に比較的大きな光吸収強
度を得ることができる。電界を印加すると吸収ピークが
シフトする。電界強度を適当に選択することにより、光
吸収強度を電界無印加時よりも小さくすることができ
る。

【００５０】本発明の他の観点によると、電界無印加時
において、前記量子箱に閉じ込められた電子及び正孔の
各波動関数のピークを与える空間座標が、前記電界印加
手段によって印加される電界の方向に関してずれてお
り、前記発光手段から放出される波長の光に関して、前
記量子箱に電界を印加している時の前記量子箱による光
吸収強度が、電界を印加していない時の光吸収強度より
も大きい光半導体装置が提供される。

【００５１】電界無印加時に電子と正孔の波動関数のピ
ーク位置がずれているため、遷移確率が比較的低くな
り、光吸収強度も小さい。波動関数のピーク位置が近づ
く向きに電界を印加すると、遷移確率が高くなり、光吸
収強度も大きくなる。

【００５２】本発明の他の観点によると、前記発光手段
により放出される光の波長が、前記量子箱に電界を印加
していない時における該量子箱の光吸収スペクトルの相
互に隣り合うピークの中間の波長である光半導体装置が
提供される。

【００５３】量子箱に、電子と正孔の波動関数のピーク
位置が近づく向きに電界を印加すると、吸収ピークの高
さが高くなると同時に、吸収ピークの中心波長が短波長
側へシフトする。被変調光の波長を電界無印加時の隣り
合う２つの吸収ピークの中間の波長とすると、電界無印
加時に透過状態になる。適当な強さの電界を印加して吸
収ピークを被変調光の波長域までシフトさせると、非透
過状態になる。

【００５４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例による変
調器集積分布帰還型レーザの一部破断斜視図を示す。ｎ
型ＩｎＰ基板１の表面の一部に回折格子３が形成されて
いる。この基板１の上に、ｎ型層２が成長され、その上
に分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ１４および光変調器１５
が分離領域１６を介在して形成されている。

【００５５】ＤＦＢレーザ１４は、回折格子３の上にｎ
型クラッド層２、活性層４ａ、ｐ型クラッド層５、ｐ型
層６、コンタクト層７ａを積層して形成されている。光
変調器１５は、ｎ型層２の上に量子箱を含む変調吸収層
４ｂを積層し、その上にｐ型層５、６、ｐ型コンタクト
層７ｂを積層して構成されている。

【００５６】分離領域１６は、積層構造上面からコンタ
クト層７ａ、７ｂの中間の領域を除去した構造で実現さ
れている。なお、ＤＦＢレーザ１４、光変調器１５の整
列方向に沿うように幅約１〜３μｍの基板に達するメサ
構造がエッチングで形成され、メサ構造の側面は半絶縁
性埋込ヘテロ領域８によって埋め戻されている。また、
ＤＦＢレーザ１４のコンタクト層７ａ上にはｐ側電極１
０ａが形成され、光変調器１５のコンタクト層７ｂ上に
はｐ側電極１０ｂが形成されている。

【００５７】また、ポリイミド領域９がｐ側電極１０ｂ
周辺に形成され、その上に形成された配線層１１がｐ側
電極１０ｂと接続されている。基板１の裏面にはｎ側電
極１２が共通に形成されている。

【００５８】このような構造は、基板上への選択エピタ
キシャル成長、選択エッチング、メサ埋込成長、ポリイ
ミド塗布、基板研磨、電極層堆積、パターニング、へき
開等の技術を用いて作製することができる。

【００５９】このような構成において、ＤＦＢレーザ１
４は、単一波長の光を連続発振する。光変調器１５は、
ＤＦＢレーザ１４から発する光を選択的に吸収し、変調
した出力光を発生する。

【００６０】次に、図２〜図８を参照して、本発明の第
１の実施例による光変調器について説明する。図２Ａ
は、第１の実施例による光変調器の変調吸収層４ｂ内に
含まれる複数の量子箱の１つを模式的に示す。量子箱
は、各面がｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に垂直な直方体形状を有
する。なお、図２Ａでは、直方体形状の量子箱を示す
が、その他の形状、例えば円筒状、球状、楕円球状等の
量子箱としてもよい。

【００６１】図２Ｂは、量子箱のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方
向のエネルギ準位図を示す。各軸方向共、量子箱内の伝
導帯の最低エネルギ準位がその周囲の最低エネルギ準位
よりも低く、電子に対して量子井戸を形成している。ま
た、量子箱内の価電子帯の最高エネルギ準位が、その周
囲の最高エネルギ準位よりも高く、正孔に対して量子井
戸を形成している。すなわち、量子箱は電子及び正孔に
対して３次元量子閉じ込めを行い、電界無印加時におい
て、閉じ込められた電子と正孔の波動関数のピークの３
軸の空間座標がすべて一致する。これは、タイプＩの量
子井戸層に類似する構成である。

【００６２】図２Ｃは、量子箱の光吸収スペクトルを示
す。量子箱内のエネルギ準位が離散的に分布するため、
入射光の波長に対して光吸収強度の吸収ピークも離散的
に分布する。波長λ₁における吸収ピークが量子箱の最
小のエネルギギャップに相当し、それよりも長波長側に
はピークが現れない。波長λ₁よりも短波長側に２番
目、３番目のエネルギギャップに相当する吸収ピークが
現れている。

【００６３】光変調器を構成する複数の量子箱がすべて
同じ大きさで、かつ結晶性が良好であれば、光吸収強度
の相互に隣り合う吸収ピークの間の光吸収強度は十分小
さくなる。

【００６４】参考のために、図２Ｄに電子及び正孔に対
して１次元量子閉じ込めを行う量子井戸層及び２次元量
子閉じ込めを行う量子細線の光吸収スペクトルを示す。
この場合には、バンド端近傍にエネルギ準位が一定の幅
をもってほぼ連続的に分布するため、離散的なピークが
現れず、光吸収強度が階段状に変化する。従って、光変
調器の挿入損失を小さくするためには、被変調光の波長
を、吸収端の波長よりも長くする必要がある。

【００６５】図２Ｃの場合には、光吸収スペクトルの吸
収ピークの両側で光吸収強度が小さくなっているため、
被変調光の波長を各吸収ピークの長波長側のみならず短
波長側に設定してもよい。後に、図６〜図８を参照して
説明する方法で作製した量子箱の光吸収スペクトルを測
定したところ、最も長波長側の吸収ピークと２番目の吸
収ピークのそれぞれに対応する波長の光のエネルギ差
は、約６０ｍｅＶであり、各吸収ピークの半値幅は約１
０ｍｅＶ程度であった。従って、２つの吸収ピークの間
に光吸収強度の十分小さい波長域が存在する。この波長
域の光を被変調光とすることができる。

【００６６】波長が短くなると、相互に隣接する吸収ピ
ーク間のエネルギ差が小さくなり、量子箱の周囲の材料
のバンドギャップに相当する波長よりも短波長側では、
エネルギ準位がほぼ連続的に存在するため、急峻な吸収
ピークが現れない。従って、なるべく長波長側の吸収ピ
ーク近傍の波長の光を被変調光とすることが好ましい。
量子箱の大きさを小さくすれば、光吸収スペクトルの相
互に隣接する吸収ピークに対応する波長の光のエネルギ
差を大きくすることができる。

【００６７】図３は、図２Ａに示す量子箱の光吸収スペ
クトルの最も長波長側の吸収ピークの計算結果を示す。
なお、量子箱の大きさを一辺１５ｎｍの立方体、量子箱
の材料をＧａ_0.415Ｉｎ_0.585Ａｓ_0.890Ｐ_0.110と
し、量子箱の周囲の材料をＧａ _0.146Ｉｎ_0.854Ａｓ
_0.318Ｐ_0.682とした。また、ピーク形状を半値幅２０
／ｅ²〔ｍｅＶ〕のガウシアン波形と仮定した。ここ
で、ｅは自然対数の底を表す。

【００６８】電界無印加時には、波長１５５０ｎｍを中
心とする吸収ピークが現れる。図２Ａのｚ軸方向に電界
を印加しその強さを徐々に増加させると、吸収ピークの
中心波長が長波長側にシフト（レッドシフト）するとと
もに、吸収ピークの高さが低くなる。レッドシフトする
のは、量子箱のバンドギャップが小さくなるためであ
る。また、吸収ピークの高さが低くなるのは電子と正孔
の波動関数の重なりが少なくなるためである。

【００６９】図４は、図３に示す光吸収スペクトルにお
いて、印加電界を−１５０ｋＶ／ｃｍから−１００ｋＶ
／ｃｍに変化させたときの光吸収強度の変化及びαパラ
メータを示す。横軸は波長を単位ｎｍで表し、左縦軸は
光吸収強度の変化を任意目盛りで表し、右縦軸はαパラ
メータを表す。図中の実線は光吸収強度を示し、記号■
はαパラメータを示す。

【００７０】波長が１５８０ｎｍ以下及び１６４０〜１
７００ｎｍの領域でαパラメータが負になっている。例
えば、被変調光の波長を１５５０ｎｍとすると、強さ−
１５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時が透過状態、電界
無印加時が非透過状態になる。このときのαパラメータ
は図４に示すように約−１．１である。

【００７１】図５は、被変調光の波長を１５５０ｎｍと
したときの電界強度に対する光吸収強度とαパラメータ
の変化を示す。横軸は電界強度を単位ｋＶ／ｃｍで表
し、左縦軸は光吸収強度を任意目盛りで表し、右縦軸は
αパラメータを表す。図中の実線は光吸収強度を示し、
記号■はαパラメータを示す。なお、αパラメータは、
電界強度を変化させたときの光吸収強度及び屈折率の変
化により定まるため、計算した電界強度の２点の中心位
置にプロットしている。

【００７２】図４で説明したように、電界強度が−１５
０ｋＶ／ｃｍから−１００ｋＶ／ｃｍに変化する時のα
パラメータが負になっている。このときの光吸収強度は
比較的小さく、例えば印加電界を−１５０ｋＶ／ｃｍと
した時を透過状態に対応させることができる。電界強度
が−５０ｋＶ／ｃｍから０ｋＶ／ｃｍに変化する時のα
パラメータは約＋０．８である。この時の光吸収強度は
大きく、例えば電圧無印加時を非透過状態に対応させる
ことができる。

【００７３】このように、透過状態時のαパラメータが
負になるため、長距離伝送に適している。また、透過状
態の光吸収強度も図３に示すように非常に小さく長距離
伝送に適している。なお、非透過状態時のαパラメータ
が正になるが、この時には光パルス信号が出力されない
ため、信号伝送上の問題はない。

【００７４】量子井戸層または量子細線で構成した光変
調器の場合には、前述のように挿入損失を小さくするた
めに被変調光の波長を光吸収スペクトルの吸収端よりも
長くする必要がある。これに対し、量子箱で構成した光
変調器の場合には、例えば図３で説明したように、被変
調光の波長を電界無印加時の吸収端（図３では約１６５
０ｎｍ）よりも短波長とすることができる。

【００７５】また、量子箱で構成した光変調器は、光吸
収強度が最大になる時すなわち電子と正孔の波動関数の
重なりが最大になる状態の時に非透過状態になる。これ
に対し、１次元量子閉じ込めを行うタイプＩの量子井戸
層を用いる場合には、量子井戸層に電界を印加している
状態、すなわち電子と正孔の波動関数の重なりが少なく
なり光吸収強度が小さい状態を非透過状態としている。
従って、量子箱を用いることにより量子井戸層を用いる
場合に比べて、非透過状態の時の減衰量を大きくするこ
とができる。このため、光変調器を小型化することが可
能になる。

【００７６】量子箱をレーザダイオードとして用いる場
合には、電子と正孔が量子箱に捕獲されるまでに比較的
長時間を必要とすることが大きな問題になる。しかし、
電界吸収による電子正孔対の生成プロセスは十分速いた
め、レーザダイオードの場合のような捕獲時間による動
作速度の制限はない。

【００７７】上述の例では、被変調光の波長を１５５０
ｎｍとしたが、その他の波長としてもよい。例えば、電
界を印加したときの光吸収強度が電界無印加時の光吸収
強度よりも小さくなる波長域から選択してもよい。図３
の場合を例にとると、波長１６００ｎｍ以下の波長域に
おいて、強さ−１５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時の
光吸収強度が電界無印加時の光吸収強度よりも小さい。
図４に示すように、この波長域において、αパラメータ
は負になるかまたは正になる場合であっても０．２以下
と比較的小さくなるため長距離伝送に適している。

【００７８】また、被変調光の波長を電界無印加時の光
吸収スペクトルの最も長波長側の吸収ピークに対応する
波長に、その吸収ピークの半値幅の１／２を加えた波長
よりも短い波長域から選択してもよい。図３の場合を例
にとると、波長１５８５ｎｍ以下の波長域に相当する。

【００７９】図３では、光吸収スペクトルの最も長波長
側の吸収ピークのレッドシフトを利用する場合を示した
が、他の吸収ピークのレッドシフトを利用してもよい。
この場合、透過状態と非透過状態とにおける十分な光吸
収強度の差を確保するために、被変調光の波長を電界無
印加時の吸収ピークの半値幅の範囲内の波長とすること
が好ましい。

【００８０】次に、図６〜図８を参照して、図２Ａに示
す量子箱を作製する方法を説明する。図６は、量子箱を
含む半導体積層構造を示す。ＧａＡｓ基板３１上にＧａ
Ａｓバッファ層３２、散点状に配置された量子箱３５を
有するＩｎＧａＡｓ層３３、及びＧａＡｓキャップ層３
４がそれぞれエピタキシャル成長されている。量子箱を
含む半導体積層構造は、このように量子箱３５を有する
層（以下、「量子箱層」と呼ぶ）３３が、バッファ層３
２とキャップ層３４との間に挟まれた構造を有する。

【００８１】図７は、図６に示す半導体積層構造を形成
するための減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装
置の概略を示す。ただし、結晶成長は、原料交互供給で
行う。なお、ＡＬＥ（原子層エピタキシャル成長）で行
ってもよい。反応容器４０の下方にガス流路４５が開口
し、ガス流路４５から反応容器４０内に反応ガスが導入
される。反応容器４０内に導入された反応ガスは反応容
器４０の上方に設けられたガス排気管４４から外部に排
気される。

【００８２】反応容器４０内にはサセプタ４１が配置さ
れ、ガス流路４５の開口部に対向する位置に基板３１が
保持される。反応容器４０の周囲にはサセプタ４１を取
り囲むように高周波コイル４２が配置されており、サセ
プタ４１及び基板３１を高周波加熱することができる。

【００８３】ガス流路５０からガス供給系にキャリアガ
ス及びパージガスとしてＨ₂ガスが供給される。ガス流
路５０から分岐したＨ₂ガス、及びガス流路５０から分
岐しＴＭＩＤＭＥＡ（トリメチルインジウムジメチルエ
チルアミンアダクト）をバブリングしたＨ₂ガスがそれ
ぞれマスフローコントローラＭＦＣを通してガス流路５
１に供給される。

【００８４】同様に、ガス流路５０から分岐したＨ₂ガ
ス、及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）をバブリングし
たＨ₂ガスがそれぞれマスフローコントローラＭＦＣを
通してガス流路５２に供給される。

【００８５】ガス流路５１、５２はガス切り換えバルブ
５５の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ５
５の出力側は、反応容器４０に反応ガスを供給するため
のガス流路４５及び排気用ガス流路５７に接続されてい
る。ガス切り換えバルブ５５でガス流路を切り換えるこ
とにより、ガス流路４５にＴＭＩＤＭＥＡを含んだＨ ₂
ガスあるいはＴＭＧを含んだＨ₂ガス、またはその両方
を供給することができる。また、両方のガスを排気用ガ
ス流路５７に排気することもできる。

【００８６】ガス流路５０から分岐したＨ₂ガスがマス
フローコントローラＭＦＣを介してガス流路５３に供給
される。また、ガス流路５０から分岐したＨ₂ガス、及
びＡｓＨ₃（アルシン）がそれぞれマスフローコントロ
ーラＭＦＣを通してガス流路５４に供給される。

【００８７】ガス流路５３、５４はガス切り換えバルブ
５６の入力側に接続されている。ガス切り換えバルブ５
６の出力側は、ガス切り換えバルブ５５と同様にガス流
路４５及び排気用ガス流路５８に接続されている。ガス
切り換えバルブ５６でガス流路を切り換えることによ
り、ガス流路４５にパージ用Ｈ₂ガスあるいはＡｓＨ₃
とＨ₂の混合ガスを供給することができる。

【００８８】次に、図７に示す減圧ＭＯＣＶＤ装置を使
用して図６に示す積層構造を形成する方法について説明
する。まず、ＧａＡｓ基板３１をサセプタ４１上に保持
する。パージガスとしてＨ₂ガスを流しながら高周波コ
イル４２でサセプタ４１を加熱し、基板温度を４６０℃
とする。なお、反応容器４０内の圧力が２０００Ｐａと
なるように排気量を制御する。

【００８９】基板温度が４６０℃となったところでＴＭ
Ｇを含むＨ₂ガスを流量２５ｓｃｃｍ、ＡｓＨ₃とＨ₂
の混合ガスを流量１００ｓｃｃｍの条件で供給し、厚さ
１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層３２をＭＯＣＶＤで堆
積する。

【００９０】次に、ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ及びＡｓＨ
₃を時間的に切り換えて供給し、厚さ７ｎｍのＩｎＧａ
Ａｓ量子箱層３３を堆積する。図８は、ＴＭＩＤＭＥ
Ａ、ＴＭＧ及びＡｓＨ₃の供給のタイムチャートを示
す。まず、Ｈ₂ガスを０．５秒間流し反応容器４０内を
パージする。続いて、ＴＭＩＤＭＥＡをバブリングした
Ｈ₂ガスを流量２００ｓｃｃｍの条件で１．０秒間、続
いてＴＭＧをバブリングしたＨ₂ガスを流量３５ｓｃｃ
ｍの条件で０．１秒間供給する。Ｈ₂ガスを０．５秒間
供給し反応容器４０内をパージする。続いて、ＡｓＨ₃
とＨ₂の混合ガスを流量４００ｓｃｃｍの条件で１０秒
間供給する。

【００９１】上記ガス供給シーケンスを１サイクルとし
てガス供給を１２サイクル繰り返す。続いて、ＧａＡｓ
バッファ層３２の形成と同一の条件で厚さ１００ｎｍの
ＧａＡｓキャップ層３４を堆積する。なお、有機金属材
料として他の原料ガスを用いることも可能である。

【００９２】ＴＭＩＤＭＥＡ、ＴＭＧ、及びＡｓＨ₃を
時間的に分割して供給すると、通常、形成されるＩｎＧ
ａＡｓは各構成元素の原料ガスの供給時間等によって特
定されるＩｎ組成となる。

【００９３】ＧａＡｓバッファ層の上にＩｎＧａＡｓを
堆積する場合に、全面にＩｎ組成が均一のＩｎＧａＡｓ
層が形成されるとすると、格子不整合のためＩｎＧａＡ
ｓ層に面内方向の歪が発生する。このようにＩｎＧａＡ
ｓ層全面に歪が発生するよりも、広い領域で下地のＧａ
Ａｓバッファ層と格子定数がほぼ整合するＩｎ組成の少
ない領域が形成され、局所的にＩｎ組成の多い領域が散
点状に形成される方が歪エネルギが低くなると考えられ
る。また、このＩｎ組成が多い領域が球状に近いほど歪
エネルギが低くなると考えられる。

【００９４】上記のような理由から、図６に示すように
Ｉｎ組成の少ない領域の中にＩｎ組成の多い島状領域が
散点状に形成されると考えられる。上記条件で積層構造
を形成したところ、直径約１０ｎｍの島状領域が形成さ
れた。このＩｎ組成の多い島状領域は、周囲のＩｎ組成
の少ない領域及び上下のＧａＡｓバッファ層及びＧａＡ
ｓキャップ層に比べてエネルギギャップが小さいため、
キャリアに対して３次元的な量子井戸として働く。

【００９５】図８では、Ｉｎ原料、Ｇａ原料、Ａｓ原料
をこの順番で供給する場合について示したが、その他の
順番で供給してもよい。例えば、Ｇａ原料とＩｎ原料を
供給する順番を逆にしてもよい。また、Ｉｎ原料の供給
とＧａ原料の供給の間にさらにＡｓ原料を供給してもよ
い。

【００９６】また、図８では、Ｇａ原料の供給からＡｓ
原料の供給への切替え時及びＡｓ原料の供給からＩｎ原
料の供給への切替え時にパージ用の水素ガスを供給する
場合について示したが、他の原料切り替え時にパージ用
の水素ガスを供給してもよい。

【００９７】また、ガス供給サイクルの繰り返し回数は
１２回に限らない。なお、ガス供給サイクルを６回以上
繰り返すことが好ましく、さらには１０〜２４回繰り返
すことが好ましい。

【００９８】また、量子箱層の成長温度を４６０℃とす
る場合について説明したが、その他の温度としてもよ
い。成長温度の好適な範囲は２５０℃〜６００℃、より
好適な範囲は４２０℃〜５００℃である。

【００９９】次に、図９〜図１１を参照して、本発明の
第２の実施例による光変調器について説明する。図９Ａ
は、第２の実施例による光変調器の変調吸収層４ｂに含
まれる複数の量子箱の１つを模式的に示す。電子に対し
て３次元量子閉じ込めを行う量子箱Ｑｅと、正孔に対し
て３次元量子閉じ込めを行う量子箱Ｑｈがｚ軸方向に並
んで配置されている。図９Ａでは、量子箱Ｑｅ、Ｑｈが
直方体形状の場合を示しているがその他の形状でもよ
い。

【０１００】図９Ｂ及び図９Ｃは、それぞれ量子箱Ｑｅ
及びＱｈを横切る位置におけるｘ軸及びｙ軸方向に関す
るエネルギ準位図を示す。図９Ｄは、ｚ軸方向に関する
エネルギ準位図を示す。量子箱Ｑｅの伝導帯のエネルギ
準位はその周囲のエネルギ準位よりも低いため、量子箱
Ｑｅ内に電子が閉じ込められる。量子箱Ｑｅの価電子帯
のエネルギ準位はその周囲のエネルギ準位よりも低い
（正孔に対してはエネルギ準位が高い）ため、量子箱Ｑ
ｅ内に正孔は閉じ込められない。同様に、量子箱Ｑｈ内
には、正孔が閉じ込められ、電子は閉じ込められない。

【０１０１】図９Ｄに示すように、量子箱Ｑｅと量子箱
Ｑｈのｚ軸方向の位置がずれている。従って、量子箱Ｑ
ｅに閉じ込められた電子の波動関数と量子箱Ｑｈに閉じ
込められた正孔の波動関数とは、ｚ軸方向に関するピー
クの位置を異にする。量子箱ＱｅとＱｈは、ｚ軸方向に
関して、タイプＩＩの量子井戸構造に類似する。

【０１０２】図１０は、図９Ａの量子箱にｚ軸方向の電
界を印加した時の光吸収スペクトルの最も長波長側の吸
収ピークの計算結果を示す。すなわち、量子箱Ｑｅの伝
導帯の最低エネルギ準位と量子箱Ｑｈの価電子帯の最高
エネルギ準位との間の遷移に対応する吸収吸収ピークで
ある。この吸収ピークよりも短波長側には、他のエネル
ギ準位間の遷移に対応する吸収ピークが現れる。

【０１０３】なお、量子箱ＱｅとＱｈのｘ軸及びｙ軸方
向の長さを１５ｎｍ、量子箱Ｑｅのｚ軸方向の長さを９
ｎｍ、量子箱Ｑｈのｚ軸方向の長さを４．５ｎｍとし、
量子箱Ｑｅの材料をＧａ_0.084Ｉｎ_0.916Ａｓ_0.652Ｐ
_0.348、量子箱Ｑｈの材料をＧａ_0.708Ｉｎ_0.292Ａｓ
_0.769Ｐ_0.231、量子箱の周囲の材料をＧａ_0.573Ｉｎ
_0.427Ａｓ_0.774Ｐ_0.226とした。また、吸収ピークの
形状は、図３の場合と同様に半値幅２０／ｅ²ｍｅＶの
ガウシアン波形と仮定した。

【０１０４】２番目の吸収ピークは、図１０に示す１番
目の吸収ピークから十分離れた位置に現れるため、１番
目の吸収ピークの短波長側に光吸収強度の十分小さな波
長域が存在する。

【０１０５】電界無印加時には、波長約１６２５ｎｍを
中心とした弱い吸収ピークが現れる。量子箱に閉じ込め
られた電子及び正孔の波動関数の重なりが大きくなる向
き（ｚ軸の正の向き）の電界を印加して、その強さを徐
々に大きくすると、吸収ピークの中心波長が短波長側に
シフト（ブルーシフト）し、その高さが高くなる。

【０１０６】吸収ピークの高さが高くなるのは、電子と
正孔の波動関数の重なりが大きくなり遷移確率が高くな
ったためである。吸収ピークの中心波長がブルーシフト
するのは、伝導帯及び価電子帯のバンド端が傾きエネル
ギギャップが大きくなったためである。

【０１０７】電界無印加時の１番目の吸収ピークの短波
長側に光吸収強度の十分小さな波長域が存在するため、
この波長域の光、例えば波長１５５０ｎｍの光を被変調
光とすることができる。

【０１０８】図１１は、被変調光の波長を１５５０ｎｍ
としたときの、光吸収強度及びαパラメータを電界強度
に関して示す。横軸は電界強度を単位ｋＶ／ｃｍで表
し、左縦軸は光吸収強度を任意目盛りで表し、右縦軸は
αパラメータを表す。図中の実線は光吸収強度を示し、
記号■はαパラメータを示す。

【０１０９】電界強度を０ｋＶ／ｃｍから５０ｋＶ／ｃ
ｍに変化させたときのαパラメータは約−０．５であ
る。この時の光吸収強度は比較的小さく、例えば電界無
印加時の状態を透過状態に対応させることができる。電
界強度を１００ｋＶ／ｃｍから１５０ｋＶ／ｃｍに変化
させたときのαパラメータは約＋０．２である。この時
の光吸収強度は比較的大きく、例えば強さ１５０ｋＶ／
ｃｍの電界を印加した状態を非透過状態に対応させるこ
とができる。

【０１１０】このように、透過状態におけるαパラメー
タが負になるため、長距離伝送に適している。第２の実
施例による光変調器の場合には、第１の実施例による光
変調器の場合とは異なり、電界を印加している時に非透
過状態になる。従って、電界を印加している時に量子箱
内に電子正孔対が生成される。生成された電子と正孔
は、印加されている電界によって移動し、量子箱内から
速やかに除去される。このように、第２の実施例による
光変調器では、生成した電子正孔対を効率的に量子箱内
から除去することができる。

【０１１１】図１１では、被変調光の波長を１５５０ｎ
ｍとした場合を示したが、その他の波長としてもよい。
例えば、電界無印加時に相互に隣り合う吸収ピークの中
間の波長域としてもよい。適当な強さの電界を印加する
と吸収ピークがブルーシフトして被変調光に対する光吸
収強度が大きくなり、非透過状態になる。

【０１１２】上記第２の実施例では、最も長波長側の吸
収ピークのブルーシフトを利用した場合を説明したが、
その他の吸収ピークのブルーシフトを利用してもよい。
２番目以降の吸収ピークのブルーシフトを利用するため
には、２番目以降の吸収ピークとその次の吸収ピークと
の間のエネルギ差をなるべく大きくすることが好まし
い。

【０１１３】吸収ピーク間のエネルギ差を大きくするた
めには、量子箱の大きさを小さくすればよい。しかし、
図９Ａにおいて量子箱のｚ軸方向の長さを短くすると電
界印加時の吸収ピークのブルーシフト量が少なくなって
しまう。従って、ｘｙ面内の大きさを小さくすることが
好ましい。

【０１１４】次に、図１２Ａ〜１２Ｃを参照して、図９
Ａに示す量子箱を作製する方法を説明する。図１２Ａに
示すように、ＩｎＰ基板６１の表面上に、例えばＭＯＣ
ＶＤにより、バリア層６２、正孔用量子箱層６３、電子
用量子箱層６４、バリア層６５を堆積する。バリア層６
２及び６５はＧａ_0.573Ｉｎ_0.427Ａｓ_0.774Ｐ_0.226
からなる層である。正孔用量子箱層６３は、Ｇａ_0.708
Ｉｎ_0.292Ａｓ_0.769Ｐ_0.23 ₁からなる厚さ４．５ｎｍ
の層である。電子用量子箱層６４は、Ｇａ_0.084Ｉｎ
_0.916Ａｓ_0.652Ｐ_0.348からなる厚さ９ｎｍの層であ
る。

【０１１５】バリア層６５の表面上に、電子ビーム露光
を用いてＳｉＯ₂からなるマスクパターン６６を形成す
る。マスクパターン６６は、例えば一辺の長さが１０〜
５０ｎｍの矩形形状を有する。

【０１１６】図１２Ｂに示すように、マスクパターン６
６をエッチングマスクとしてバリア層６５からバリア層
６２までの積層構造をエッチングする。エッチングは、
例えばエッチングガスとしてＣ₂Ｈ₆とＨ₂の混合ガス
またはＣＨ₄とＨ₂の混合ガスを用いたリアクティブイ
オンエッチング（ＲＩＥ）により行う。このようにし
て、バリア層６２ａ、正孔用量子箱６３ａ、電子用量子
箱６４ａ、バリア層６５ａ及びマスクパターン６６から
なるメサ６７が形成される。

【０１１７】図１２Ｃに示すように、ＭＯＣＶＤによ
り、マスクパターン６６の表面上には成長せず、ＩｎＰ
基板６１の表面上にのみ成長する条件で、バリア層６２
ａ及び６５ａと同一組成のバリア層６７を堆積する。バ
リア層６７の上面が少なくとも電子用量子箱６４ａの上
面よりも高くなるような構成とする。

【０１１８】このようにして、上下をバリア層６２ａと
６５ａ、側方をバリア層６７で囲まれた図９Ａに示す量
子箱を形成することができる。以上実施例に沿って本発
明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものでは
ない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能
なことは当業者に自明であろう。

【０１１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
３次元量子閉じ込めを行う量子箱で光変調器を構成する
ことにより、長距離伝送に適したαパラメータを有し、
かつ透過状態のときの挿入損失の少ない光変調器を得る
ことができる。連続発光する光源とこの光変調器とを組
み合わせて、長距離伝送に適した光半導体装置を作製す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による変調器集積分布帰還型レ
ーザの一部破断斜視図である。

【図２】図２Ａは、本発明の第１の実施例による光変調
器を構成する量子箱を模式的に表した図、図２Ｂは量子
箱のエネルギ準位図、図２Ｃは、量子箱の光吸収スペク
トルを表すグラフ、図２Ｄは、従来の量子井戸層の光吸
収スペクトルを表すグラフである。

【図３】図２Ａに示す量子箱の光吸収スペクトルの最も
長波長側の吸収ピークを表すグラフである。

【図４】図２Ａに示す量子箱の光吸収強度の変化及びα
パラメータを波長に関して表すグラフである。

【図５】図２Ａに示す量子箱の光吸収強度及びαパラメ
ータを電界強度に関して表すグラフである。

【図６】量子箱を有する半導体積層構造を示す断面図で
ある。

【図７】図６に示す半導体積層構造を形成するための減
圧ＭＯＣＶＤ装置を表す図である。

【図８】図６に示す半導体積層構造を形成するための反
応ガスの供給タイムチャートである。

【図９】図９Ａは、本発明の第２の実施例による光変調
器を構成する量子箱を模式的に表した図、図９Ｂ〜９Ｄ
は量子箱のエネルギ準位図である。

【図１０】図９Ａに示す量子箱の光吸収スペクトルの最
も長波長側の吸収ピークを表すグラフである。

【図１１】図９Ａに示す量子箱の光吸収強度及びαパラ
メータを電界強度に関して表すグラフである。

【図１２】図９Ａに示す量子箱の製造方法を説明するた
めの積層構造の一部破断斜視図である。

【図１３】従来のタイプＩの量子井戸構造を説明するた
めのエネルギバンド図、及び波動関数を表すグラフであ
る。

【図１４】従来のタイプＩの量子井戸構造の光吸収スペ
クトルを表すグラフである。

【図１５】光パルス信号発生源のαパラメータと最大伝
送距離との関係を示すグラフである。

【図１６】従来のタイプＩの量子井戸構造の光吸収強度
変化、屈折率変化、及びαパラメータを波長に関して表
したグラフである。

【図１７】従来のタイプＩＩの量子井戸構造を説明する
ためのエネルギバンド図、及び波動関数を表すグラフで
ある。

【符号の説明】

１半導体基板２ｎ型領域３分布帰還用回折格子４ａレーザ活性層４ｂ変調吸収層６、７ｐ型領域８半絶縁性埋込領域９ポリイミド領域１０ｐ側電極１１配線１２ｎ側電極１４ＤＦＢレーザ１５光変調器１６分離領域３１基板３２バッファ層３３量子箱層３４キャップ層３５量子箱４０反応容器４１サセプタ４２高周波コイル４４ガス排気管４５、５０、５１、５２、５３、５４ガス流路５５、５６ガス切り換えバルブ５７、５８排気用ガス流路６１ＩｎＰ基板６２、６５、６７バリア層６３正孔用量子箱層６４電子用量子箱層６６マスクパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を放出する発光手段と、前記発光手段から放出された光の光路中に配置され、電
子及び正孔に対して３次元量子閉じ込めを行う量子箱
と、前記量子箱に電界を印加する電界印加手段とを有する光
半導体装置。
【請求項２】電界無印加時において、前記量子箱に閉
じ込められた電子及び正孔の各波動関数のピークを与え
る空間座標が３次元的に一致し、前記発光手段から放出される波長の光に関して、前記量
子箱に電界を印加している時の前記量子箱による光吸収
強度が、電界を印加していない時の光吸収強度よりも小
さい請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】前記発光手段により放出される光の波長
が、前記量子箱による光吸収スペクトルのピークのうち
最も長波長側のピークに対応する波長に、そのピークの
半値幅の１／２を加えた波長よりも短い請求項１または
２に記載の光半導体装置。
【請求項４】前記発光手段により放出される光の波長
が、前記量子箱に電界を印加していない時における該量
子箱の光吸収スペクトルのいずれかのピークの半値幅の
範囲内の波長である請求項１または２に記載の光半導体
装置。
【請求項５】電界無印加時において、前記量子箱に閉
じ込められた電子及び正孔の各波動関数のピークを与え
る空間座標が、前記電界印加手段によって印加される電
界の方向に関してずれており、前記発光手段から放出される波長の光に関して、前記量
子箱に電界を印加している時の前記量子箱による光吸収
強度が、電界を印加していない時の光吸収強度よりも大
きい請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項６】前記発光手段により放出される光の波長
が、前記量子箱に電界を印加していない時における該量
子箱の光吸収スペクトルの相互に隣り合うピークの中間
の波長である請求項５に記載の光半導体装置。