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JPH07128622A - Semiconductor quantum well structure - Google Patents

Semiconductor quantum well structure

Info

Publication number
JPH07128622A
JPH07128622A JP5274692A JP27469293A JPH07128622A JP H07128622 A JPH07128622 A JP H07128622A JP 5274692 A JP5274692 A JP 5274692A JP 27469293 A JP27469293 A JP 27469293A JP H07128622 A JPH07128622 A JP H07128622A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum well
layer
well layer
electric field
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5274692A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kono
健治 河野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP5274692A priority Critical patent/JPH07128622A/en
Publication of JPH07128622A publication Critical patent/JPH07128622A/en
Pending legal-status Critical Current

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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
    • G02F1/017Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01725Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
    • 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
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    • G02F1/017Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01725Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
    • G02F1/01733Coupled or double quantum wells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低損失かつ低駆動電圧の半導体量子井戸構造
を提供することを目的とする。 【構成】 半導体量子井戸構造は、障壁層によって隔て
られた第一量子井戸層と第二量子井戸層とからなる結合
量子井戸と、該結合量子井戸内の波動関数とこの結合量
子井戸に隣接する隣接結合量子井戸内の波動関数との結
合を抑圧するようにして該結合量子井戸の両側に設けら
れた結合量子井戸外障壁層とからなる半導体量子井戸構
造において、少なくとも第一または第二量子井戸層内
に、第一量子井戸層内における正孔の存在確率を低滅さ
せるための少なくとも一つの量子井戸層内障壁層が設け
られている。
(57) [Abstract] [Purpose] An object is to provide a semiconductor quantum well structure with low loss and low driving voltage. A semiconductor quantum well structure has a coupled quantum well composed of a first quantum well layer and a second quantum well layer separated by a barrier layer, a wave function in the coupled quantum well, and adjacent to the coupled quantum well. At least a first or a second quantum well in a semiconductor quantum well structure including a coupled quantum well outer barrier layer provided on both sides of the coupled quantum well so as to suppress coupling with a wave function in an adjacent coupled quantum well At least one intra-quantum well layer barrier layer for reducing the existence probability of holes in the first quantum well layer is provided in the layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、低損失かつ低駆動電圧
の半導体量子井戸構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor quantum well structure having a low loss and a low driving voltage.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、量子井戸構造の井戸層面に垂直
な電界を印加することによって、伝導帯および価電子帯
内の量子準位が変化し、かつ波動関数の形が変化する結
果、量子井戸構造の光吸収スペクトルが電界印加によっ
て変化することが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, by applying an electric field perpendicular to the surface of a well layer of a quantum well structure, the quantum levels in the conduction band and the valence band are changed, and the shape of the wave function is changed. It is known that the light absorption spectrum of the structure changes with the application of an electric field.

【0003】図13および図14は、1つの矩形状量子
井戸層と2つのバリア層(障壁層)とからなる従来の多
重量子井戸(Multiple quantum Well;MQW)を構成す
る一単位のポテンシャル形状、電子の波動関数、正孔の
波動関数、およびエキシトンの遷移エネルギーを表すも
ので、図13は無電界(V=0)時の場合、図14は電
圧Vによる電界印加時(V≠0)の場合を示す。
FIGS. 13 and 14 show a potential shape of one unit constituting a conventional multiple quantum well (MQW) consisting of one rectangular quantum well layer and two barrier layers (barrier layers). FIG. 13 shows the wave function of electrons, the wave function of holes, and the transition energy of excitons. FIG. 13 shows a case of no electric field (V = 0) and FIG. 14 shows a case of applying an electric field by voltage V (V ≠ 0). Indicate the case.

【0004】これらの図において、参照符号1はInA
lAsからなる結合量子井戸外障壁層(以下、障壁層と
もいう)、2はi−InGaAlAsからなる量子井戸
層(以下、井戸層ともいう)である。また、これらの図
では伝導帯にある電子の波動関数および価電子帯にある
正孔の波動関数をそれぞれψelおよびψhhとし、さらに
電子のエネルギー準位および正孔(この図では重い正孔
のみを示す)のエネルギー準位をそれぞれEelおよびE
hhとし、この場合のエキシトンの遷移エネルギーをEex
とした。
In these figures, reference numeral 1 is InA.
A coupled quantum well outer barrier layer (hereinafter, also referred to as a barrier layer) made of 1As and 2 are quantum well layers (hereinafter, also referred to as well layers) made of i-InGaAlAs. In these figures, the wave functions of the electron in the conduction band and the wave function of the hole in the valence band are ψ el and ψ hh , respectively, and the energy level of the electron and the hole (in this figure, the heavy hole Energy levels of E el and E respectively
hh, and the exciton transition energy in this case is E ex
And

【0005】無電界時(v=0)の場合(図13)、伝
導帯の電子および価電子帯の正孔の各準位にともなう波
動関数ψelおよびψhhの描く曲線は、井戸層の中心に関
して対称性を有する。
In the absence of an electric field (v = 0) (FIG. 13), the curves drawn by the wave functions ψ el and ψ hh associated with the respective levels of the electron in the conduction band and the hole in the valence band are It has symmetry about the center.

【0006】障壁層1は一つの井戸層内の波動関数と他
の井戸層内の波動関数との結合を妨害する役割を持つ。
ここで、井戸層2の厚さWを9nmとし、障壁層1の厚
さを5nmとすると、光吸収スペクトルにおけるエキシ
トンによる急峻な吸収ピーク(以下、エキシトンの吸収
ピークともいう)の波長が1.44μmとなり、1.5
5μm波長帯での光の位相変調器や光スイッチへの適用
が可能となる。
The barrier layer 1 has a role of hindering the coupling between the wave function in one well layer and the wave function in another well layer.
Here, when the thickness W of the well layer 2 is 9 nm and the thickness of the barrier layer 1 is 5 nm, the wavelength of the steep absorption peak due to excitons (hereinafter, also referred to as exciton absorption peak) in the optical absorption spectrum is 1. 44 μm, 1.5
It can be applied to a phase modulator and an optical switch for light in the 5 μm wavelength band.

【0007】井戸層面に電界を印加した場合(V≠
0)、図14に示すように電子の波動関数ψelおよび正
孔の波動関数ψhhはポテンシャルが低い方へ集まる。ま
た、この時、電子のエネルギー準位Eelは低下し、正孔
のエネルギー準位Ehhは上昇する。その結果、電界印加
時のエキシトンの遷移エネルギーEexは無電界時のもの
よりも低下する。そのため、電界印加によりエキシトン
の吸収ピーク波長は長波長側へシフトする。図15は、
量子井戸(W=9nm)へ負の電圧Vを加えた際のエキ
シトンの吸収ピークシフト量を示すもので、縦軸が無電
界時の吸収ピーク波長から電界印加時の吸収ピーク波長
へのシフト量、横軸が電圧Vによる内部電界の強度であ
る。この図に示すように、エキシトンの吸収ピーク波長
は1.44μmから長波長側へシフトする。このような
現象は量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confied
Stark Effect; QCSE)と呼ばれる。
When an electric field is applied to the well layer surface (V ≠
0), as shown in FIG. 14, the electron wave function ψ el and the hole wave function ψ hh gather in the direction of lower potential. At this time, the energy level E el of the electron decreases and the energy level E hh of the hole increases. As a result, the exciton transition energy E ex when an electric field is applied is lower than that when no electric field is applied. Therefore, the exciton absorption peak wavelength is shifted to the long wavelength side by the electric field application. Figure 15 shows
The amount of exciton absorption peak shift when a negative voltage V is applied to the quantum well (W = 9 nm), and the vertical axis represents the amount of shift from the absorption peak wavelength when no electric field is applied to the absorption peak wavelength when an electric field is applied. The horizontal axis represents the strength of the internal electric field due to the voltage V. As shown in this figure, the exciton absorption peak wavelength shifts from 1.44 μm to the longer wavelength side. This phenomenon is called the quantum confined Stark effect (Quantum Confied
Stark Effect; QCSE).

【0008】図16は、無電界時(V=0)および負の
電圧を印加した場合(V≠0)における量子井戸の吸収
係数αと入射光の波長λとの関係を示すものである。正
孔には、TEモードの光を吸収する重い正孔(h)およ
びTMモードの光を吸収する軽い正孔(l)とがある
が、以下説明を簡単にするために単に重い正孔を正孔と
呼ぶこともある。図中、Hは重い正孔(h)の吸収係数
のピーク、Lは軽い正孔の吸収係数のピークである。電
圧を印加することによって、吸収ピークを含めたスペク
トル全体が長波長側へシフトする。
FIG. 16 shows the relationship between the absorption coefficient α of the quantum well and the wavelength λ of the incident light when there is no electric field (V = 0) and when a negative voltage is applied (V ≠ 0). The holes include a heavy hole (h) that absorbs TE mode light and a light hole (l) that absorbs TM mode light. It is also called a hole. In the figure, H is the peak of the absorption coefficient of heavy holes (h), and L is the peak of the absorption coefficient of light holes. By applying a voltage, the entire spectrum including the absorption peak shifts to the long wavelength side.

【0009】図17は、電界印加時(V≠0)における
量子井戸の吸収係数変化△α(図17の(a))および
屈折率変化△n(図17の(b))と入射光の波長との
関係を示すものである。ここで重要なことは、この吸収
係数変化△αは電界印加時において入射光の波長に応じ
て負の値となる場合と正の値となる場合とが生じること
である。一方、電界印加時の屈折率変化△nは、クラマ
ース・クローニッヒ(Kramers-Kronig)の関係にある。
つまり、図17の(b)に示す屈折率変化△nは吸収率
変化△αから、
FIG. 17 shows a change in absorption coefficient Δα ((a) of FIG. 17) and a change of refractive index Δn ((b) of FIG. 17) of the quantum well and incident light when an electric field is applied (V ≠ 0). It shows the relationship with the wavelength. What is important here is that this change in absorption coefficient Δα may take a negative value or a positive value depending on the wavelength of incident light when an electric field is applied. On the other hand, the refractive index change Δn when an electric field is applied has a relationship of Kramers-Kronig.
That is, the change Δn in the refractive index shown in FIG.

【0010】[0010]

【数1】 △n=λ2 /(2π2 )∫△α/(λ2 −λ′2 )dλ′ ・・・(1) として算出できる(式中、λは使用波長、λ′は積分変
数)。
[Formula 1] Δn = λ 2 / (2π 2 ) ∫ Δα / (λ 2 −λ ′ 2 ) dλ ′ (1) (where λ is the wavelength used and λ ′ is the integral variable).

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
量子井戸構造では、電界印加時における屈折率変化が小
さいという欠点がある。なぜなら、上記式(1)におい
て、△αは波長λ′に対して正および負の両方の値をと
るため、正および負の△αが互いに打ち消し合う結果、
得られる△nは極めて小さな値となる。例えば、実験的
に求めた値は、△n=10-3〜10-4である。したがっ
て、屈折率変化が小さいために、使用波長(1.55μ
m)にエキシトンの吸収ピーク波長を近づける必要があ
る(1.44μm程度)。さらに、電界印加によって吸
収スペクトルが長波長側へシフトするため、上記従来の
量子井戸構造を光位相変調器や光スイッチに適用した場
合、屈折率変化とともに吸収係数も増大し、その結果光
の挿入損失が増大するという問題が生じる。
However, the conventional semiconductor quantum well structure has a drawback that the change in the refractive index when an electric field is applied is small. This is because, in the above formula (1), since Δα takes both positive and negative values with respect to the wavelength λ ′, the positive and negative Δα cancel each other out,
The obtained Δn has an extremely small value. For example, the experimentally obtained value is Δn = 10 −3 to 10 −4 . Therefore, since the change in refractive index is small, the wavelength used (1.55 μm
It is necessary to bring the exciton absorption peak wavelength closer to m) (about 1.44 μm). Furthermore, since the absorption spectrum shifts to the long wavelength side when an electric field is applied, when the above-mentioned conventional quantum well structure is applied to an optical phase modulator or optical switch, the absorption coefficient increases as the refractive index changes, resulting in the insertion of light. The problem of increased loss arises.

【0012】また、従来から所望のエキシトンの吸収ピ
ーク波長を実現するために、InAlAs系では、3元
混晶であるInGaAsにAlをさらに加えて構成した
4元混晶であるInGaAlAsが用いられている。
Further, in order to realize a desired exciton absorption peak wavelength, InGaAlAs, which is a quaternary mixed crystal formed by further adding Al to InGaAs, which is a ternary mixed crystal, has conventionally been used. There is.

【0013】すなわち、大きなQCSEを得るために
は、量子井戸層を例えば9nm程度と厚くする必要があ
る。この場合、4元混晶ではAl含有量が8%程度で
1.44μmのエキシトンの吸収ピーク波長となる。3
元混晶であるInGaAsを用いて量子井戸を広げる
と、エキシトンの吸収ピーク波長が1.55μm以上の
長波長側に設定されるため、量子井戸の深さを低減する
必要が生じる。そのため、3元混晶であるInGaAs
の代わりに、Alを入れて量子井戸を浅くした4元混晶
のInGaAlAs量子井戸が使用されてきた。
That is, in order to obtain a large QCSE, it is necessary to make the quantum well layer as thick as about 9 nm. In this case, in the quaternary mixed crystal, when the Al content is about 8%, the exciton absorption peak wavelength is 1.44 μm. Three
If the quantum well is expanded by using InGaAs, which is the original mixed crystal, the exciton absorption peak wavelength is set to the long wavelength side of 1.55 μm or more, so that it is necessary to reduce the depth of the quantum well. Therefore, InGaAs which is a ternary mixed crystal
Instead of, a quaternary mixed crystal InGaAlAs quantum well in which Al is added to make the quantum well shallow has been used.

【0014】一方、電界印加によるエキシトンの吸収ピ
ーク波長の変動は量子井戸幅の4乗に比例することが知
られている(IEEE Journal of Qua
ntum Electron, Physical R
ev., vol.B32,pp.1043ー106
0,1985)。そのため、単に量子井戸の厚さを薄く
して短波長化を行うとQCSEが小さくなるので、駆動
電圧低減の観点から得策ではない。
On the other hand, it is known that fluctuations in the absorption peak wavelength of excitons due to application of an electric field are proportional to the fourth power of the quantum well width (IEEE Journal of Qua).
ntum Electron, Physical R
ev. , Vol. B32, pp. 1043-106
0,1985). Therefore, simply shortening the thickness of the quantum well to shorten the wavelength reduces the QCSE, which is not a good measure from the viewpoint of reducing the driving voltage.

【0015】したがって、厚い量子井戸を用いる場合
は、図18に示すように、上記4元混晶のAlの組成比
を調整し、所望のエキシトンの吸収ピーク波長が得られ
るようにする。この際、図からわかるように、Al組成
(%)はエキシトンの吸収ピーク波長の設定に大きく影
響するため、量子井戸層のAl含有量およびその全体組
成を正確に調整する必要がある。しかし、このような厳
格な組成制御はたいへん難しく、結晶の歩留まりに問題
があった。
Therefore, when a thick quantum well is used, as shown in FIG. 18, the Al composition ratio of the quaternary mixed crystal is adjusted so that a desired exciton absorption peak wavelength can be obtained. At this time, as can be seen from the figure, since the Al composition (%) has a great influence on the setting of the absorption peak wavelength of the exciton, it is necessary to accurately adjust the Al content of the quantum well layer and its overall composition. However, such strict composition control is very difficult, and there is a problem in crystal yield.

【0016】また、4元混晶は3元混晶よりも高品質結
晶の再現性が悪く、さらに、1.3μmにおいてエキシ
トン吸収ピーク波長を実現しようとすると、InAlA
s系では酸化しやすくかつ結晶品質を著しく劣化させる
Alの含有量が数10%と極めて多くなる。その結果、
明瞭なエキシトン吸収ピークが観測されなくなるという
実験的事実も確認されている。
Further, the quaternary mixed crystal is inferior in reproducibility of a high quality crystal to the ternary mixed crystal, and further, when it is attempted to realize the exciton absorption peak wavelength at 1.3 μm, InAlA
In the s type, the content of Al, which easily oxidizes and significantly deteriorates the crystal quality, is as large as several tens of percent. as a result,
The experimental fact that no clear exciton absorption peak is observed is also confirmed.

【0017】さらに、使用波長が1.55μmの場合に
おいて、InP系では、エキシトン吸収ピーク波長を
1.44μmに設定するために量子井戸層のみならず障
壁層にも4元混晶InGaAsPが用いられる。そのた
め、結晶成長の歩留まり、再現性に問題があった。ま
た、使用波長が1.3μmの場合では、量子井戸のポテ
ンシャルの深さを一層浅くし、伝導帯と価電子帯間のバ
ンドギャップを広くせねばならず、明瞭なエキシトン吸
収ピークが観測されなくなるとともに、電界を印加する
とすぐに吸収スペクトルがだれてしまうという欠点があ
った。
Further, when the wavelength used is 1.55 μm, in the InP system, in order to set the exciton absorption peak wavelength to 1.44 μm, quaternary mixed crystal InGaAsP is used not only in the quantum well layer but also in the barrier layer. . Therefore, there is a problem in yield and reproducibility of crystal growth. When the wavelength used is 1.3 μm, the potential of the quantum well must be made shallower and the band gap between the conduction band and the valence band must be widened, so that no clear exciton absorption peak can be observed. At the same time, there is a drawback that the absorption spectrum is blunted immediately when an electric field is applied.

【0018】以上説明した従来の量子井戸構造は、一つ
の量子井戸層とその両側に配置された2つの障壁層とか
らなる構造単位を有するものであったが、図19および
図20に示すような従来の非対称結合量子井戸も以下に
説明するような問題点を有する。
The conventional quantum well structure described above has a structural unit composed of one quantum well layer and two barrier layers arranged on both sides of the quantum well layer, as shown in FIGS. 19 and 20. The conventional conventional asymmetric coupling quantum well also has problems as described below.

【0019】図中、参照符号11は第一量子井戸層、1
2は第二量子井戸層、そして13は量子井戸層間の障壁
層である。この障壁層13は、その厚さBおよびその組
成によって第一量子井戸層11内の波動関数と第二量子
井戸層12内の波動関数との結合を調整する。図19で
は、第一量子井戸層11は第二量子井戸層12と厚さが
異なり、図20では第一量子井戸層11は第二量子井戸
層12と厚さのみならず深さも異なる。これらの図はそ
れぞれ異なる構成の非対称結合量子井戸を示している
が、どちらの場合も無電界時において正孔は第二量子井
戸層12に多く存在するが電界を印加することによって
正孔が第一量子井戸層11に移動するため大きな屈折率
変化が期待できる。しかし、これらの構造も前述した従
来例と同様の問題点を有する。
In the figure, reference numeral 11 is a first quantum well layer, 1
Reference numeral 2 is a second quantum well layer, and 13 is a barrier layer between the quantum well layers. The barrier layer 13 adjusts the coupling between the wave function in the first quantum well layer 11 and the wave function in the second quantum well layer 12 depending on its thickness B and its composition. In FIG. 19, the first quantum well layer 11 is different from the second quantum well layer 12 in thickness, and in FIG. 20, the first quantum well layer 11 is different from not only the thickness but also the depth in the second quantum well layer 12. Although these figures show asymmetrically coupled quantum wells having different configurations, in both cases, a large number of holes are present in the second quantum well layer 12 when no electric field is applied. Since it moves to the one quantum well layer 11, a large change in the refractive index can be expected. However, these structures also have the same problems as the above-mentioned conventional example.

【0020】すなわち、図19に示した構造では、無電
界時では電子も正孔も第二量子井戸層12に多く存在す
るため、そのエキシトン吸収ピーク波長は第二量子井戸
層12の厚さによって決定される。従って、第二量子井
戸層12の厚さH2 を薄く設定せねばならず、またそれ
に伴って第一量子井戸層11の厚さH1 も薄く設定する
必要がある。その結果、QCSEは小さくなる。一方、
図20に示した構造では、第一の量子井戸層11と比べ
て第二の量子井戸層12の組成を短波長化に対応させる
必要がある。しかし、すでに述べたように組成制御はた
いへん難しく、結晶の歩留まりおよび再現性に問題があ
った。
That is, in the structure shown in FIG. 19, many electrons and holes are present in the second quantum well layer 12 when there is no electric field. Therefore, the exciton absorption peak wavelength depends on the thickness of the second quantum well layer 12. It is determined. Therefore, the thickness H 2 of the second quantum well layer 12 must be set thin, and accordingly, the thickness H 1 of the first quantum well layer 11 must also be set thin. As a result, QCSE becomes smaller. on the other hand,
In the structure shown in FIG. 20, it is necessary to make the composition of the second quantum well layer 12 shorter than that of the first quantum well layer 11. However, as described above, it is very difficult to control the composition, and there are problems in the crystal yield and reproducibility.

【0021】そこで、本発明の目的は、上記問題点を解
決し、大きなQCSE、すなわち大きな屈折率変化を得
るために、一般に難しい組成制御技術を用いることな
く、必要な量子井戸の厚さを実現するとともに、広い波
長範囲におけるシャープなエキシトン吸収ピーク波長を
有する低損失な半導体量子井戸構造を提供することであ
る。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and realize a required quantum well thickness in order to obtain a large QCSE, that is, a large refractive index change, without using a composition control technique which is generally difficult. In addition, it is to provide a low-loss semiconductor quantum well structure having a sharp exciton absorption peak wavelength in a wide wavelength range.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明にもとづく半導体量子井戸構造は、障壁層に
よって隔てられた第一量子井戸層と第二量子井戸層とか
らなる結合量子井戸と、結合量子井戸内の波動関数と結
合量子井戸に隣接する隣接結合量子井戸内の波動関数と
の結合を抑圧するようにして結合量子井戸の両側に設け
られた結合量子井戸外障壁層とからなる半導体量子井戸
構造において、少なくとも第一量子井戸層内に、第一量
子井戸層内における正孔の存在確率を低減させるための
少なくとも一つの量子井戸層内障壁層が設けられたこと
を特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a semiconductor quantum well structure according to the present invention is a coupled quantum well composed of a first quantum well layer and a second quantum well layer separated by a barrier layer. And a barrier layer outside the coupled quantum well provided on both sides of the coupled quantum well so as to suppress coupling between the wave function in the coupled quantum well and the wave function in the adjacent coupled quantum well adjacent to the coupled quantum well. In the semiconductor quantum well structure consisting of, at least one quantum well inner barrier layer for reducing the existence probability of holes in the first quantum well layer is provided in at least the first quantum well layer. To do.

【0023】好ましくは、上記量子井戸層間の障壁層お
よび量子井戸層内障壁層は結合量子井戸外障壁層と同一
バンドギャップの半導体材料からなる。
Preferably, the barrier layer between the quantum well layers and the barrier layer inside the quantum well layer are made of a semiconductor material having the same band gap as that of the barrier layer outside the coupled quantum well.

【0024】好ましくは、上記第一量子井戸層と第二量
子井戸層とは、同一バンドギャップの半導体材料からな
る。
Preferably, the first quantum well layer and the second quantum well layer are made of a semiconductor material having the same bandgap.

【0025】好ましくは、電子は無電界時および電界印
加時とも第一量子井戸層または第二量子井戸層の少なく
とも一方に多く存在し、一方正孔は無電界時では第二量
子井戸層よりも第一量子井戸層内に多く存在し、電界印
加時では正孔は第一量子井戸層から第二量子井戸層へ移
動するか、あるいは電子は無電界時および電界印加時と
も第一量子井戸層または第二量子井戸層の少なくとも一
方に多く存在し、一方正孔は無電界時では第一量子井戸
層よりも第二量子井戸層内に多く存在し、電界印加時で
は第二量子井戸層から第一量子井戸層へ移動する。
Preferably, a large number of electrons are present in at least one of the first quantum well layer and the second quantum well layer when no electric field is applied and when an electric field is applied, while holes are more than in the second quantum well layer when no electric field is applied. Many exist in the first quantum well layer, and holes move from the first quantum well layer to the second quantum well layer when an electric field is applied, or electrons are in the first quantum well layer both when there is no electric field and when an electric field is applied. Alternatively, a large number of holes are present in at least one of the second quantum well layers, while holes are more present in the second quantum well layer than in the first quantum well layer when no electric field is applied and from the second quantum well layer when an electric field is applied. Move to the first quantum well layer.

【0026】好ましくは、上記半導体量子井戸構造内の
ビルトイン電圧を打ち消す方向に電圧を印加することに
よって、電子は動かずに、第一量子井戸層から第二量子
井戸層または第二量子井戸構造から第一量子井戸層へ正
孔が移動する。
Preferably, by applying a voltage in a direction that cancels the built-in voltage in the semiconductor quantum well structure, electrons do not move and the first quantum well layer to the second quantum well layer or the second quantum well structure moves. The holes move to the first quantum well layer.

【0027】[0027]

【作用】本発明によれば、電界印加時に正孔の波動関数
ψhhのみが大きく動くために、ほぼ全波長領域において
吸収係数変化△αの符号が同一となる、もしくは電界印
加とともにエキシトンの吸収ピーク波長が短波長化す
る。そのため、従来の量子井戸構造にくらべて極めて大
きな屈折率変化△nを得ることができる、もしくは電界
印加時における光の吸収が減少する。さらに、大きなQ
CSEを実現するために必要な量子井戸層の厚さを確保
しつつ、結晶成長を変更することなく、結晶の組成より
も極めて制御性のよい厚さの制御により、量子井戸構造
内の障壁層の数およびその厚さを設定することによって
従来困難であった広い波長範囲にわたり、任意の波長に
おいてエキシトンの吸収ピークを再現性よく得ることが
できる。さらに、結晶の組成を簡単にすることができる
ため、結晶性、結晶の再現性を損なうことなくシャープ
なエキシトンの吸収ピークを実現することが可能であ
る。
According to the present invention, since only the wave function ψ hh of the hole largely moves when an electric field is applied, the sign of the absorption coefficient change Δα becomes the same in almost the entire wavelength region, or the exciton absorption occurs when the electric field is applied. The peak wavelength becomes shorter. Therefore, an extremely large refractive index change Δn can be obtained as compared with the conventional quantum well structure, or the absorption of light when an electric field is applied is reduced. Furthermore, big Q
The barrier layer in the quantum well structure is controlled by controlling the thickness of the quantum well layer, which is necessary to realize the CSE, while controlling the crystal growth without changing the crystal growth. The absorption peak of excitons can be obtained with good reproducibility at any wavelength over a wide wavelength range, which has been difficult in the past, by setting the number and the thickness thereof. Furthermore, since the composition of the crystal can be simplified, it is possible to realize a sharp exciton absorption peak without impairing the crystallinity and reproducibility of the crystal.

【0028】[0028]

【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。なお、同一参照符号は各図において同一の
ものを示す。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals indicate the same things in each drawing.

【0029】<実施例1>図1および図2は、本発明に
もとづく半導体量子井戸構造の一例の構成と、ポテンシ
ャル形状、電子の波動関数、正孔の波動関数、およびエ
キシトンの遷移エネルギーを説明するもので、図1は無
電界(V=0)時、図2は電界印加(V≠0)時の場合
を示している。
Example 1 FIG. 1 and FIG. 2 explain the structure of an example of a semiconductor quantum well structure according to the present invention, potential shape, electron wave function, hole wave function, and exciton transition energy. Therefore, FIG. 1 shows the case when there is no electric field (V = 0), and FIG. 2 shows the case when the electric field is applied (V ≠ 0).

【0030】これらの図に示した半導体量子井戸構造
は、第一量子井戸層3、第二量子井戸層4、および障壁
層1,7,8から構成される。第一量子井戸層3と第二
量子井戸層4とは結合して結合量子井戸を構成するが、
互いに第一の障壁層(量子井戸層間の障壁層)7によっ
て隔離されており、さらに第一量子井戸層3は第二の障
壁層(量子井戸層内障壁層)8よって2つのサブ量子井
戸層5,6に分割されている。
The semiconductor quantum well structure shown in these figures is composed of a first quantum well layer 3, a second quantum well layer 4, and barrier layers 1, 7, and 8. The first quantum well layer 3 and the second quantum well layer 4 are coupled to form a coupled quantum well,
They are separated from each other by a first barrier layer (barrier layer between quantum well layers) 7, and the first quantum well layer 3 is further divided into two sub-quantum well layers by a second barrier layer (barrier layer in the quantum well layer) 8. It is divided into 5 and 6.

【0031】また、図1中に電子および正孔の波動関数
をそれぞれψelおよびψhhとして示してある。
Further, in FIG. 1, wave functions of electrons and holes are shown as ψ el and ψ hh , respectively.

【0032】第一量子井戸層3および第二量子井戸層4
の材料を、4元混晶であるInGaAlAsではなく3
元混晶であるInGaAsとする。そのため、結晶調製
が容易に達成され、かつその再現性も高い。
First quantum well layer 3 and second quantum well layer 4
The material of 3 is not quaternary mixed crystal, but InGaAlAs
The original mixed crystal is InGaAs. Therefore, crystal preparation is easily achieved, and its reproducibility is high.

【0033】障壁層1,7,8の材料は、結晶調製が容
易なInAlAsとする。
The material of the barrier layers 1, 7 and 8 is InAlAs, which is easy to prepare crystals.

【0034】この実施例では、各層の寸法を以下のよう
にした。
In this example, the dimensions of each layer were as follows.

【0035】サブ量子井戸層5の厚さW1 3.9n
m サブ量子井戸層6の厚さW2 3.9nm 第二量子井戸層4の厚さW3 3.6nm 第一障壁層7の厚さB1 2.4nm 第二障壁層8の厚さB2 1.2nm したがって、第二量子井戸層4(厚さ:W3 )よりも第
一量子井戸層3(厚さ:W1 +B2 +W2 )の方が厚
い。その結果、第一量子井戸層3内に量子井戸層内障壁
層8が存在するにも係わらず、電子および正孔は第一量
子井戸層3に多く存在する。この場合、電子のエネルギ
ー準位Eelと正孔のエネルギー準位Ehhとに依存したエ
キシトンのピーク波長は1.39μmとなる。
Sub-quantum well layer 5 thickness W 1 3.9 n
m Sub-quantum well layer 6 thickness W 2 3.9 nm Second quantum well layer 4 thickness W 3 3.6 nm First barrier layer 7 thickness B 1 2.4 nm Second barrier layer 8 thickness B 2 1.2 nm Therefore, the first quantum well layer 3 (thickness: W 1 + B 2 + W 2 ) is thicker than the second quantum well layer 4 (thickness: W 3 ). As a result, many electrons and holes are present in the first quantum well layer 3 even though the intra-quantum well barrier layer 8 is present in the first quantum well layer 3. In this case, the exciton peak wavelength depending on the electron energy level E el and the hole energy level E hh is 1.39 μm.

【0036】電界印加(V≠0)時において、電子の波
動関数ψelは無電界(V=0)時の場合とほとんど変わ
らないが、正孔の波動関数ψhhは厚さの厚い第一量子井
戸層3から厚さの薄い第二量子井戸層4側へシフトす
る。以下、これについて具体的に説明する。
When an electric field is applied (V ≠ 0), the electron wave function ψ el is almost the same as when there is no electric field (V = 0), but the hole wave function ψ hh is the thick first The quantum well layer 3 shifts to the side of the second quantum well layer 4 having a small thickness. Hereinafter, this will be specifically described.

【0037】図2は、12kV/cmの電界を印加した
場合の波動関数ψelおよびψhhを表している。
FIG. 2 shows the wave functions ψ el and ψ hh when an electric field of 12 kV / cm is applied.

【0038】電子は、その有効質量が小さいので、ポテ
ンシャルが傾いてもその波動関数ψelの形状はほとんど
変化しない。しかし、正孔はその有効質量が大きく、か
つ第一量子井戸層3に第二障壁層8が存在するため、正
孔は第一量子井戸層3において電子ほど安定には存在し
えない。このことは、正孔の存在確率を表す波動関数ψ
hhが第二障壁層付近にくびれを有しており、この部分で
の存在確率が低いことが示されていることから明かであ
る。そのために、12kV/cm程度と小さな電界を印
加すると、その波動関数ψhhのほとんどが第一量子井戸
層3から第二量子井戸層4側へ移動する。
Since the effective mass of the electron is small, the shape of the wave function ψ el of the electron hardly changes even if the potential is tilted. However, since holes have a large effective mass and the second barrier layer 8 exists in the first quantum well layer 3, holes cannot exist as stably as electrons in the first quantum well layer 3. This means that the wavefunction ψ that represents the existence probability of holes is
It is clear from the fact that hh has a constriction near the second barrier layer and the existence probability in this portion is low. Therefore, when a small electric field of about 12 kV / cm is applied, most of the wave function ψ hh of the electric field moves from the first quantum well layer 3 to the second quantum well layer 4 side.

【0039】エキシトンの吸収係数αは、電子と正孔の
波動関数の重なり積分の絶対値の2乗に比例する。すな
わち、式
The exciton absorption coefficient α is proportional to the square of the absolute value of the overlap integral of the electron and hole wave functions. That is, the formula

【0040】[0040]

【数2】 α∝|∫φel(z)φhh(z)dz|2 …(2) として表される。式中、zは量子井戸層の厚さ方向の座
標である。
[Expression 2] α∝ | ∫φ el (z) φ hh (z) dz | 2 (2) In the formula, z is a coordinate in the thickness direction of the quantum well layer.

【0041】この式(2)にもとづいて得られた電界印
加(0〜30kV/cm)時におけるエキシトン吸収ピ
ークのシフト量と、電子および正孔の波動関数の重なり
積分の絶対値を2乗して得た値とを図3に示す。図中、
実線はエキシトン吸収ピークシフト量の値、破線は重な
り積分の絶対値の2乗の値をプロットして得られた曲線
である。
The shift amount of the exciton absorption peak at the time of applying an electric field (0 to 30 kV / cm) obtained based on the equation (2) and the absolute value of the overlap integral of the wave functions of electrons and holes are squared. The obtained values are shown in FIG. In the figure,
The solid line is the value of the exciton absorption peak shift amount, and the broken line is the curve obtained by plotting the squared value of the absolute value of the overlap integral.

【0042】この図からわかるように、無電界時に0.
93程度であった重なり積分の絶対値の2乗の値は、電
界印加12kV/cmで0.05程度にまで減少する。
このことは、吸収係数αが大幅に小さくなることを示し
ている。この場合、図3に示したエキシトン吸収ピーク
の計算結果からわかるように、エキシトン吸収ピーク波
長の長波長側シフト(レッドシフト)量は0.005μ
m以下と極めて小さい。
As can be seen from this figure, when there is no electric field,
The value of the square of the absolute value of the overlap integral, which was about 93, decreases to about 0.05 when an electric field is applied of 12 kV / cm.
This indicates that the absorption coefficient α is significantly reduced. In this case, as can be seen from the calculation result of the exciton absorption peak shown in FIG. 3, the shift amount (red shift) on the long wavelength side of the exciton absorption peak wavelength is 0.005 μm.
It is extremely small as m or less.

【0043】したがって、無電界時(V=0)および電
界印加時(V≠0)の吸収スペクトルは、図4のように
なる。この図において、縦軸は吸収係数α、横軸は入射
光の波長λ(μm)である。また、無電界時(V=0)
の吸収スペクトルは実線、電界印加時(V≠0)の吸収
スペクトルは破線で示し、さらに軽い正孔の吸収ピーク
をL、重い正孔の吸収ピークをHで示した。
Therefore, the absorption spectra when no electric field is applied (V = 0) and when an electric field is applied (V ≠ 0) are as shown in FIG. In this figure, the vertical axis is the absorption coefficient α, and the horizontal axis is the wavelength λ (μm) of the incident light. When there is no electric field (V = 0)
Is shown by a solid line, the absorption spectrum when an electric field is applied (V ≠ 0) is shown by a broken line, the absorption peak of a light hole is shown by L, and the absorption peak of a heavy hole is shown by H.

【0044】図5は、電界印加時(V≠0)における
(a)吸収係数変化△αおよび(b)屈折率変化△nと
波長λ(μm)との関係を示すものである。この図から
明らかなように、本実施例の量子井戸構造では、図17
に示した従来例の場合とは異なり、入射波長に応じて△
αの値の符号が変わることはない。したがって、図5
(a)の△αの値を式(1)に代入して屈折率変化△n
を求めると図5(b)に示すようにその値は極めて大き
くなる(従来のものと比較すると約一桁改善される)。
FIG. 5 shows the relationship between (a) absorption coefficient change Δα and (b) refractive index change Δn and wavelength λ (μm) when an electric field is applied (V ≠ 0). As is clear from this figure, in the quantum well structure of the present embodiment, FIG.
Unlike the case of the conventional example shown in, Δ
The sign of the value of α never changes. Therefore, FIG.
Substituting the value of Δα in (a) into equation (1), the change in refractive index Δn
Then, the value becomes extremely large as shown in FIG. 5B (improved by about one digit compared with the conventional one).

【0045】以上説明したように、本実施例の半導体量
子井戸構造は、屈折率変化△nを従来に比べて極めて大
きくとることができるので、無電界時(V=0)のエキ
シトン吸収ピークを従来の量子井戸構造の場合と比較し
て、使用波長から短波長側へ十分離すことが可能とな
る。すなわち、使用波長が1.55μmの場合、エキシ
トンの吸収ピーク波長は従来のもので1.44μm程度
であったが、本実施例では1.40μm以下とすること
が可能である。したがって、無電界時(V=0)にエキ
シトンによる光の吸収を抑えることができ、また電界印
加時に吸収が極めて小さいため、使用波長においては従
来のものとは逆に、低損失化することとなる。
As described above, in the semiconductor quantum well structure of this embodiment, the change in refractive index Δn can be made extremely large as compared with the conventional one, so that the exciton absorption peak at the time of no electric field (V = 0). Compared to the case of the conventional quantum well structure, it becomes possible to sufficiently separate the used wavelength to the short wavelength side. That is, when the wavelength used is 1.55 μm, the absorption peak wavelength of excitons was about 1.44 μm in the conventional example, but it can be set to 1.40 μm or less in this embodiment. Therefore, it is possible to suppress the absorption of light by the excitons when there is no electric field (V = 0), and because the absorption is extremely small when an electric field is applied, it is possible to reduce the loss at the wavelength used, contrary to the conventional one. Become.

【0046】さらに、従来の量子井戸構造を方向性結合
型スイッチ(多重量子井戸コアの厚さ0.4μm、電極
長(すなわち、相互作用長)1.2mm)に適用した場
合、光スイッチングを生じさせるために、110kV/
cm程度の電界印加が必要とされる。しかし、本実施例
においては、わずか12kV/cmの電界印加によって
大きな屈折率変化△αを得ることができる。したがっ
て、本発明の半導体量子井戸構造によって導波路型光ス
イッチの駆動電圧を大幅に低減させることが可能とな
る。
Further, when the conventional quantum well structure is applied to a directional coupling type switch (thickness of multiple quantum well core 0.4 μm, electrode length (ie, interaction length) 1.2 mm), optical switching occurs. 110kV /
An electric field of about cm is required to be applied. However, in this embodiment, a large refractive index change Δα can be obtained by applying an electric field of only 12 kV / cm. Therefore, the semiconductor quantum well structure of the present invention can significantly reduce the drive voltage of the waveguide type optical switch.

【0047】なお、無電界時(V=0)のエキシトンの
吸収ピーク波長を長波長化したい場合は、各量子井戸層
(特にサブ量子井戸5、6)の厚さを厚くするか、各障
壁層の厚さを薄くすればよい。逆に、エキシトンの吸収
ピーク波長を短波長化したい場合は、各量子井戸層(特
にサブ量子井戸5,6)の厚さを薄くするか、各障壁層
の厚さを厚くすればよい。そのような変形例を以下説明
する。
When it is desired to make the absorption peak wavelength of excitons in the absence of an electric field (V = 0) longer, the thickness of each quantum well layer (particularly, the sub-quantum wells 5 and 6) is increased or each barrier is increased. The layer thickness may be reduced. On the contrary, when it is desired to shorten the absorption peak wavelength of the excitons, the thickness of each quantum well layer (particularly, the sub-quantum wells 5 and 6) may be reduced or the thickness of each barrier layer may be increased. Such modifications will be described below.

【0048】図6は半導体量子井戸構造の一例と伝導帯
のポテンシャル形状とを説明するためのもので、(a)
は図1に示した半導体量子井戸構造と同一の構造を有す
るが、各層の厚さは図1の実施例と異なっている。すな
わち、 サブ量子井戸層5の厚さW1 2.0nm サブ量子井戸層6の厚さW2 3.5nm 第二量子井戸層4の厚さW3 2.5nm 第一障壁層7の厚さB1 2.5nm 第二障壁層8の厚さB2 X nm である(Xは変数)。そして、第二障壁層8の厚さB2
に応じたエキシトンの吸収ピーク波長(μm)を計算
し、その結果を図7にプロットした(図中、実線で描か
れた曲線)。
FIG. 6 is a view for explaining an example of the semiconductor quantum well structure and the potential shape of the conduction band.
Has the same structure as the semiconductor quantum well structure shown in FIG. 1, but the thickness of each layer is different from that of the embodiment shown in FIG. That is, the thickness of the sub-quantum well layer 5 W 1 2.0 nm, the thickness of the sub-quantum well layer 6 W 2 3.5 nm, the thickness of the second quantum well layer 4 W 3 2.5 nm, the thickness of the first barrier layer 7. B 1 2.5 nm is the thickness B 2 X nm of the second barrier layer 8 (X is a variable). Then, the thickness B 2 of the second barrier layer 8
The exciton absorption peak wavelength (μm) was calculated according to the above, and the result was plotted in FIG. 7 (curve drawn by a solid line in the figure).

【0049】図6(b)は、第一量子井戸層3のなか
に、2つの量子井戸層内障壁層8,10が存在する場合
を示すもので、各層の寸法を サブ量子井戸層5の厚さW1 2.0nm サブ量子井戸層6の厚さW2 3.5nm サブ量子井戸層9の厚さW4 2.5nm 第二量子井戸層4の厚さW3 3.0nm 第一障壁層7の厚さB1 2.0nm 第二障壁層8の厚さB2 X nm 第三障壁層10の厚さB3 X nm (すなわ
ち、B2 =B3 ) とした。
FIG. 6B shows a case where two quantum well inner barrier layers 8 and 10 are present in the first quantum well layer 3, and the dimensions of each layer are the same as those of the sub quantum well layer 5. Thickness W 1 2.0 nm Thickness of sub quantum well layer 6 W 2 3.5 nm Thickness of sub quantum well layer 9 W 4 2.5 nm Thickness of second quantum well layer 4 W 3 3.0 nm First barrier The thickness of the layer 7 was B 1 2.0 nm, the thickness of the second barrier layer 8 was B 2 X nm, and the thickness of the third barrier layer 10 was B 3 X nm (that is, B 2 = B 3 ).

【0050】そして、第二および第三障壁層7,8の厚
さB2 ,B3 に応じたエキシトンの吸収ピーク波長(μ
m)を計算し、その結果を図7にプロットした(図中、
破線で描かれた曲線)。
Then, the absorption peak wavelength (μ) of the exciton corresponding to the thicknesses B 2 and B 3 of the second and third barrier layers 7 and 8
m) was calculated and the result was plotted in FIG. 7 (in the figure,
Curve drawn with a broken line).

【0051】図7から明らかなように、第二障壁層8の
厚さを厚くすることによって、エキシトン吸収ピーク波
長の短波長化が達成されることがわかる。また、第一量
子井戸層内に複数の障壁層(第二および第三障壁層8,
10)を設けることによって、さらに一層短波長化が達
成され、また障壁層が一つの場合と比較して容易に広い
波長範囲のエキシトン吸収ピーク波長を実現することが
できる。なお、短波長化は、サブ量子井戸層5,6の厚
さや第二量子井戸層4の厚さを薄くするか、もしくは第
二障壁層8の厚さをさらに厚くしたりしてもよい。
As is apparent from FIG. 7, by increasing the thickness of the second barrier layer 8, the exciton absorption peak wavelength can be shortened. In addition, a plurality of barrier layers (second and third barrier layers 8,
By providing 10), the wavelength can be further shortened, and the exciton absorption peak wavelength in a wide wavelength range can be easily realized as compared with the case where there is one barrier layer. In order to shorten the wavelength, the thickness of the sub quantum well layers 5 and 6 and the thickness of the second quantum well layer 4 may be reduced, or the thickness of the second barrier layer 8 may be further increased.

【0052】<実施例2>図8は、本発明にもとづく半
導体量子井戸構造の一構成例と、無電界(V=0)時に
おけるポテンシャル形状、電子の波動関数、正孔の波動
関数、およびエキシトンの遷移エネルギーとを示す。
<Embodiment 2> FIG. 8 is a structural example of a semiconductor quantum well structure according to the present invention, a potential shape in the absence of an electric field (V = 0), an electron wave function, a hole wave function, and And the transition energy of excitons.

【0053】この図に示した半導体量子井戸構造は実施
例1と同様で、かつ各層の材料も同じである。しかし、
第二量子井戸層4の厚さが異なる。すなわち、この実施
例では、各層の寸法を以下のようにした(括弧内は実施
例1の値である)。
The semiconductor quantum well structure shown in this figure is the same as that of the first embodiment, and the material of each layer is also the same. But,
The thickness of the second quantum well layer 4 is different. That is, in this embodiment, the dimensions of each layer are as follows (the values in the parentheses are the values of the first embodiment).

【0054】 サブ量子井戸層5の厚さW1 3.9nm (3.9nm) サブ量子井戸層6の厚さW2 3.9nm (3.9nm) 第二量子井戸層4の厚さW3 4.5nm (3.6nm) 第一障壁層7の厚さB1 2.4nm (2.4nm) 第二障壁層8の厚さB2 1.2nm (1.2nm) 実施例1と同様に第二量子井戸層4(厚さ:W3 )より
も第一量子井戸層3(厚さ:W1 +B2 +W2 )の方が
厚いが、第一量子井戸層3の厚さに対する第二量子井戸
層4の厚さの比は、実施例1よりも実施例2のほうが少
し大きくなる。したがって、無電界(V=0)時におけ
る正孔の第一量子井戸層3内での存在確率は実施例1の
場合よりも一層大きくなる。この実施例では、電子のエ
ネルギー準位Eelと正孔のエネルギー準位Ehhとの差に
依存したエキシトン吸収ピーク波長は1.39μmとな
る。
Sub-quantum well layer 5 thickness W 1 3.9 nm (3.9 nm) Sub-quantum well layer 6 thickness W 2 3.9 nm (3.9 nm) Second quantum well layer 4 thickness W 3 4.5 nm (3.6 nm) Thickness B 1 of the first barrier layer 7 2.4 nm (2.4 nm) Thickness B 2 of the second barrier layer 8 1.2 nm (1.2 nm) As in Example 1. Although the first quantum well layer 3 (thickness: W 1 + B 2 + W 2 ) is thicker than the second quantum well layer 4 (thickness: W 3 ), The thickness ratio of the quantum well layer 4 in Example 2 is slightly larger than that in Example 1. Therefore, the existence probability of holes in the first quantum well layer 3 at the time of no electric field (V = 0) is much larger than that in the first embodiment. In this example, the exciton absorption peak wavelength depending on the difference between the electron energy level E el and the hole energy level E hh is 1.39 μm.

【0055】電界印加(V≠0)時において、電子の波
動関数ψelは無電界(V=0)時の場合とほとんど変わ
らないが、正孔の波動関数ψhhは厚さの薄い第二量子井
戸層4から厚さの厚い第一量子井戸層3側へシフトす
る。以下、これについて具体的に説明する。
When the electric field is applied (V ≠ 0), the electron wave function ψ el is almost the same as when there is no electric field (V = 0), but the hole wave function ψ hh is the second thin function. It shifts from the quantum well layer 4 to the side of the thick first quantum well layer 3. Hereinafter, this will be specifically described.

【0056】図9は、5.3kV/cmの電界を印加し
た場合の波動関数ψelおよびψhhを表している。
FIG. 9 shows the wave functions ψ el and ψ hh when an electric field of 5.3 kV / cm is applied.

【0057】電子はその有効質量が小さいので、実施例
1と同様に、ポテンシャルが傾いてもその波動関数の形
状はほとんど変化しない。一方、正孔はその有効質量が
大きく、しかも電界印加(5.3kV/cm)によっ
て、存在場所が狭い第一量子井戸層3よりも第二量子井
戸層4の方がポテンシャルが低下する結果、図9に示す
ように正孔の波動関数ψhhは第二量子井戸層4から第一
量子井戸層3側へシフトする。
Since the effective mass of electrons is small, the shape of the wave function thereof hardly changes even if the potential is tilted, as in the first embodiment. On the other hand, holes have a large effective mass, and due to the applied electric field (5.3 kV / cm), the potential of the second quantum well layer 4 is lower than that of the first quantum well layer 3 where the existence location is narrow, As shown in FIG. 9, the hole wave function ψ hh shifts from the second quantum well layer 4 to the first quantum well layer 3 side.

【0058】図10は、電界印加(0〜30kV/c
m)時におけるエキシトンの吸収ピークシフト量と、電
子および正孔の波動関数の重なり積分の絶対値を2乗し
て得た値とをプロットしたものである。図中、実線はエ
キシトンの吸収ピークシフト量の値、破線は重なり積分
の絶対値の2乗の値をプロットして得られた曲線であ
る。この図からわかるように、無電界時に0.2程度で
あったであった重なり積分の絶対値の2乗の値は、電界
印加5.3kV/cmで0.87程度にまで増加する。
一方、エキシトンの吸収ピーク波長は、図3に示した実
施例と異なり電界印加とともに、はじめ短波長側へシフ
ト(ブルーシフト)し、その後は電界強度の増加ととも
に長波長側へシフトする。
FIG. 10 shows the applied electric field (0 to 30 kV / c).
It is a plot of the absorption peak shift amount of excitons at time m) and the value obtained by squaring the absolute value of the overlap integral of the wave functions of electrons and holes. In the figure, the solid line is the curve of the exciton absorption peak shift amount, and the broken line is the curve obtained by plotting the square of the absolute value of the overlap integral. As can be seen from this figure, the squared value of the absolute value of the overlap integral, which was about 0.2 when there was no electric field, increases to about 0.87 when the electric field is applied at 5.3 kV / cm.
On the other hand, the absorption peak wavelength of excitons, unlike the embodiment shown in FIG. 3, first shifts to the short wavelength side (blue shift) when an electric field is applied, and then shifts to the long wavelength side as the electric field strength increases.

【0059】したがって、本実施例における無電界時
(V=0)および電界印加時(V≠0)の吸収係数αの
波長依存性は、図11のようになる。図中、無電界時
(V=0)の吸収スペクトルは実線、電界印加時(V≠
0)の吸収スペクトルは破線で示し、さらに軽い正孔の
吸収ピークをL、重い正孔の吸収ピークをHで示した。
その結果、吸収係数の変化△αは図12のようになる。
Therefore, the wavelength dependence of the absorption coefficient α in the present embodiment when there is no electric field (V = 0) and when an electric field is applied (V ≠ 0) is as shown in FIG. In the figure, the absorption spectrum when there is no electric field (V = 0) is a solid line, and when an electric field is applied (V ≠
The absorption spectrum of (0) is shown by a broken line, and the absorption peak of a light hole is shown by L and the absorption peak of a heavy hole is shown by H.
As a result, the change Δα in absorption coefficient is as shown in FIG.

【0060】図12は、電界印加時(V≠0)における
(a)吸収係数変化△αおよび(b)屈折率変化△nを
示すものである。この図から明らかなように、屈折率変
化△αはほぼ全波長領域において正となり、符号が反転
することはない。したがって、実施例1と同様に、図1
2(a)の△αの値を式(1)に代入して屈折率変化△
nを求めると図12(b)に示すようにその値は極めて
大きくなる(従来のものと比較すると約一桁改善され
る)。
FIG. 12 shows (a) absorption coefficient change Δα and (b) refractive index change Δn when an electric field is applied (V ≠ 0). As is clear from this figure, the refractive index change Δα is positive in almost all wavelength regions, and the sign is not inverted. Therefore, as in the first embodiment, FIG.
Substituting the value of Δα in 2 (a) into equation (1), the change in refractive index Δ
When n is calculated, the value becomes extremely large as shown in FIG. 12B (improved by about one digit as compared with the conventional one).

【0061】この実施例では、電界を印加するとエキシ
トンの吸収ピーク波長が長波長側へシフトするために、
使用波長領域(ここでは1.55μmとする)において
損失の増加が懸念されるが、すでに述べたように屈折率
変化△nを従来に比べて極めて大きくとることができる
ので、無電界時(V=0)のエキシトン吸収ピークを従
来の量子井戸構造の場合と比較して、使用波長から短波
長側へ十分離すことが可能となる。すなわち、使用波長
が1.55μmの場合、エキシトン吸収ピーク波長は従
来のもので1.44μm程度であったが、本実施例では
1.38μm以下とすることが可能である。したがっ
て、電界印加時(V≠0)においてもエキシトンによる
光の吸収を抑えることができる。
In this embodiment, since the absorption peak wavelength of excitons shifts to the long wavelength side when an electric field is applied,
There is a concern that the loss will increase in the operating wavelength range (here, 1.55 μm), but as described above, the change Δn in the refractive index can be made extremely large as compared with the conventional one, so that there is no electric field (V The exciton absorption peak of (= 0) can be sufficiently separated from the used wavelength to the short wavelength side as compared with the case of the conventional quantum well structure. That is, when the wavelength used is 1.55 μm, the exciton absorption peak wavelength was about 1.44 μm in the conventional case, but it can be set to 1.38 μm or less in this embodiment. Therefore, even when an electric field is applied (V ≠ 0), absorption of light by excitons can be suppressed.

【0062】なお、図15(従来例の場合)と図10
(本実施例の場合)とを比較すれば明らかなように、従
来の量子井戸構造と比較して本実施例では低い強度の電
界を印加することにより吸収を生じさせることができる
ので、エキシトンの吸収ピークを逆に使用波長に近い波
長(例えば、1.50μm)に設定すれば、駆動電圧が
きわめて低い強度変調器を実現することも可能である。
Note that FIG. 15 (case of the conventional example) and FIG.
As is clear from comparison with (in the case of this embodiment), absorption can be caused by applying an electric field of lower intensity in this embodiment compared to the conventional quantum well structure, so that the exciton of On the contrary, if the absorption peak is set to a wavelength close to the used wavelength (for example, 1.50 μm), it is possible to realize an intensity modulator having an extremely low driving voltage.

【0063】以上説明したように、本発明の特徴は電界
印加時に正孔の波動関数のみを大きくシフトさせること
である。従って、これは実現されれば、例えば第1障壁
層7の厚さB1 と第2障壁層の厚さB2 とを等しくす
る、あるいはサブ量子井戸層5の厚さW1 とサブ量子井
戸層6の厚さW2 とを異ならしめるなど、第一量子井戸
層の厚さ、サブ量子井戸層の厚さ、あるいは第二量子井
戸層の厚さ、さらに各障壁層の厚さを限定することな
く、各層の厚さを任意に設定することが可能である。
As described above, the feature of the present invention is that only the wave function of holes is significantly shifted when an electric field is applied. Therefore, this is when it is realized, for example, the thickness B 1 of the first barrier layer 7 is equal to the thickness B 2 of the second barrier layer, or the thickness W 1 and the sub-quantum well sub-quantum well layer 5 The thickness of the first quantum well layer, the thickness of the sub-quantum well layer, the thickness of the second quantum well layer, and the thickness of each barrier layer are limited by making the thickness W 2 of the layer 6 different. Without this, the thickness of each layer can be arbitrarily set.

【0064】また、上記第一の実施例では、無電界時に
は、電子、正孔とも第一量子井戸層に存在し、電界印加
時には正孔が第二量子井戸層に移動した。一方、第二の
実施例では、無電界時には電子は第一量子井戸層に、正
孔は第二量子井戸層に存在し、電界印加時には、正孔が
第一量子井戸層に移動した。さらに、第二量子井戸層を
もう少し広くすると、無電界時には、電子および正孔の
両方が第二量子井戸層に存在し、電界を印加すると正孔
が第一量子井戸に移動する場合を実現できる。あるい
は、無電界時には、電子が第二量子井戸層に、正孔は第
一量子井戸層に存在し、電圧を印加することによって正
孔を第二量子井戸層に移動させることも可能である。こ
れらの場合、すべてにおいてほぼ全波長領域で吸収係数
の変化△αは同一符号であり、その符号は反転しない。
したがって、大きな屈折率変化を得るることが可能であ
る。
In the first embodiment, both electrons and holes were present in the first quantum well layer when there was no electric field, and the holes moved to the second quantum well layer when an electric field was applied. On the other hand, in the second example, the electrons existed in the first quantum well layer and the holes existed in the second quantum well layer when there was no electric field, and the holes moved to the first quantum well layer when the electric field was applied. Furthermore, if the second quantum well layer is made slightly wider, both electrons and holes are present in the second quantum well layer when there is no electric field, and holes can move to the first quantum well when an electric field is applied. . Alternatively, when there is no electric field, electrons exist in the second quantum well layer and holes exist in the first quantum well layer, and it is possible to move the holes to the second quantum well layer by applying a voltage. In all of these cases, the change Δα of the absorption coefficient in almost all wavelength regions has the same sign, and the sign is not inverted.
Therefore, it is possible to obtain a large change in the refractive index.

【0065】上記実施例1および2では、InAlAs
系について説明したが、本発明はこれに限定されること
なくその他のInP系、InGaAsP系、あるいはG
aAs系、AlGaA系等を用いることが可能である。
また、TEモード光を変調する重い正孔のみについて説
明したが、もちろんこれに限定されることなく軽い正孔
の吸収ピークを用いて、TMモードの光を変調すること
も可能である。また、ここで述べた実施例では、電界印
加時に厚さの厚い第一の量子井戸層から厚さの薄い第二
の量子井戸層に正孔の波動関数が移動する場合には、エ
キシトン吸収ピーク波長が長波長化し、逆に厚さの薄い
第二の量子井戸から厚さの厚い第一の量子井戸に正孔の
波動関数が移動する場合には、エキシトン吸収ピーク波
長が一たん短波長化した後に長波長化したが、第一量子
井戸層、サブ量子井戸層、第二量子井戸層、第一障壁
層、第二障壁層等の厚さによっては、短波長化と長波長
化が上記の例とは逆に起こりうる場合もあることはもち
ろんである。さらに、第二の量子井戸層内に障壁層を設
けることにより、エキシトンの吸収ピーク波長を短波長
化したり、正孔が移動するための電圧を低くするなども
可能である。
In Examples 1 and 2 above, InAlAs
Although the system has been described, the present invention is not limited to this, and other InP, InGaAsP, or G
It is possible to use aAs system, AlGaA system, or the like.
Further, only the heavy hole that modulates the TE mode light has been described, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to modulate the TM mode light by using the absorption peak of the light hole. Further, in the example described here, when the wave function of holes moves from the thick first quantum well layer to the thin second quantum well layer when an electric field is applied, the exciton absorption peak When the wavelength becomes longer and the wave function of the hole moves from the thin second quantum well to the thick first quantum well, the exciton absorption peak wavelength becomes shorter. However, depending on the thickness of the first quantum well layer, the sub-quantum well layer, the second quantum well layer, the first barrier layer, the second barrier layer, etc. Of course, there may be cases where the opposite of the above example occurs. Further, by providing a barrier layer in the second quantum well layer, it is possible to shorten the absorption peak wavelength of excitons or lower the voltage for moving holes.

【0066】さらに、例えば第一実施例において、第二
量子井戸層の厚さを第一量子井戸のサブ量子井戸層の厚
さにほぼ等しくしておく(W1 =W2 =W3 )と、半導
体内部のビルトイン電圧(例えば、InP系の場合は
0.8V程度)で正孔の移動を生じさせることができ
る。この場合は、半導体量子井戸構造を結晶の成長した
時点で、図2に示すようにすでに正孔が移動しているわ
けであるから、重なり積分の絶対値の2乗の値は小さ
い。そこで、ビルトイン電圧を打ち消す方向に外部から
電圧を印加すれば、図1に示すように正孔が第一量子井
戸3に戻り、その結果、重なり積分の絶対値の2乗の値
が大きくなる。この場合には、ほぼ全波長領域において
吸収係数変化△αが正となり、やはり大きな屈折率変化
を起こすことができる。
Furthermore, for example, in the first embodiment, the thickness of the second quantum well layer is made substantially equal to the thickness of the sub quantum well layer of the first quantum well (W 1 = W 2 = W 3 ). The holes can be moved by a built-in voltage inside the semiconductor (for example, about 0.8 V in the case of InP type). In this case, since the holes have already moved as shown in FIG. 2 when the crystal grows in the semiconductor quantum well structure, the square value of the absolute value of the overlap integral is small. Therefore, when a voltage is applied from the outside in the direction of canceling the built-in voltage, holes return to the first quantum well 3 as shown in FIG. 1, and as a result, the squared absolute value of the overlap integral increases. In this case, the absorption coefficient change Δα becomes positive in almost all wavelength regions, and a large change in the refractive index can be caused.

【0067】このように、ビルトイン電圧により、半導
体量子井戸構造を結晶成長した時点で、正孔の移動を事
前に生じさせたのち、外部から、それを打ち消す方向に
電圧を印加することにより正孔を元の位置に戻して、屈
折率変化△nを得る方法は、本発明の第2の実施例の場
合にも適用できる。この場合には、正孔は図9の状態か
ら図8の状態になり、ほぼ全波長領域において吸収係数
変化△αが負の値となり、やはり大きな屈折率変化を起
こすことが可能となる。なお、上記の説明においては、
正孔,電子とも基底レベル間の遷移を用いて説明した
が、高次のレベル間における遷移を考慮しても同様の効
果を得ることができる。
As described above, when the semiconductor quantum well structure is crystal-grown by the built-in voltage, holes are caused to move in advance, and then a voltage is applied from the outside in the direction of canceling the holes. The method of returning to the original position to obtain the refractive index change Δn can be applied to the case of the second embodiment of the present invention. In this case, the holes change from the state of FIG. 9 to the state of FIG. 8, and the absorption coefficient change Δα has a negative value in almost the entire wavelength region, and it is possible to cause a large change in the refractive index. In the above description,
Although both holes and electrons have been described by using the transition between the ground levels, the same effect can be obtained by considering the transition between the higher levels.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上説明したように、本発明にもとづく
半導体量子井戸構造によれば、、電界印加時に正孔の波
動関数のみが大きく動くため、ほぼ全波長域において吸
収係数変化△αの符号が等しくなる。その結果、従来の
量子井戸に比べてきわめて大きな屈折率変化△nを得る
ことができる。すなわち、エキシトン吸収ピークを使用
波長から短波長側に遠く離すことができるので、無電界
時における光の吸収損失が低い。また、第一の量子井戸
層に障壁層を入れても第一の量子井戸全体の厚さがQC
SEを支配する。したがって、大きなQCSEを実現す
るために必要な量子井戸の厚さを確保しつつ、結晶組成
を変更することなく、組成よりもきわめて制御性のよい
厚さを制御することにより、量子井戸内の障壁層の厚さ
および数を設定すれば従来困難であった広い波長範囲に
わたり任意の波長においてエキシトン吸収ピークを再現
性よく得ることができる。さらに、結晶の組成を簡単に
できるため、結晶性、結晶の再現性を損なうことなく、
シャープなエキシトン吸収ピークを実現できる効果があ
る。
As described above, according to the semiconductor quantum well structure according to the present invention, only the wave function of holes largely moves when an electric field is applied, and therefore, the sign of the absorption coefficient change Δα in almost the entire wavelength range. Are equal. As a result, it is possible to obtain an extremely large change in refractive index Δn as compared with the conventional quantum well. That is, since the exciton absorption peak can be far away from the used wavelength to the short wavelength side, the light absorption loss in the absence of an electric field is low. Even if a barrier layer is provided in the first quantum well layer, the total thickness of the first quantum well is QC.
Dominate the SE. Therefore, while ensuring the thickness of the quantum well required to realize a large QCSE, the thickness in the quantum well is controlled by controlling the thickness that is extremely controllable than the composition without changing the crystal composition. By setting the thickness and number of layers, it is possible to reproducibly obtain an exciton absorption peak at an arbitrary wavelength over a wide wavelength range, which has been difficult in the past. Furthermore, since the composition of the crystal can be simplified, without impairing the crystallinity and reproducibility of the crystal,
It has the effect of achieving a sharp exciton absorption peak.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にもとづく半導体量子井戸構造の一実施
例におけるポテンシャル形状、電子の波動関数、正孔の
波動関数、およびエキシトンの遷移エネルギーを説明す
る図である(無電界時)。
FIG. 1 is a diagram illustrating a potential shape, an electron wave function, a hole wave function, and exciton transition energy in an example of a semiconductor quantum well structure according to the present invention (when no electric field is applied).

【図2】本発明にもとづく半導体量子井戸構造の一実施
例におけるポテンシャル形状、電子の波動関数、正孔の
波動関数、およびエキシトンの遷移エネルギーを説明す
る図である(電界印加時)。
FIG. 2 is a diagram illustrating a potential shape, an electron wave function, a hole wave function, and exciton transition energy in an example of a semiconductor quantum well structure according to the present invention (when an electric field is applied).

【図3】エキシトンの吸収ピークシフト量の電圧依存性
と、電子および正孔の波動関数の重なり積分の絶対値を
2乗して得られた値の電界依存性とを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the voltage dependence of the exciton absorption peak shift amount and the electric field dependence of the value obtained by squaring the absolute value of the overlap integral of the wave functions of electrons and holes.

【図4】無電界時(V=0)および電界印加時(V≠
0)の吸収スペクトルを表す図である。
FIG. 4 shows no electric field (V = 0) and no electric field applied (V ≠).
It is a figure showing the absorption spectrum of 0).

【図5】電界印加時(V≠0)における(a)吸収係数
変化△αおよび(b)屈折率変化△nを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing (a) absorption coefficient change Δα and (b) refractive index change Δn when an electric field is applied (V ≠ 0).

【図6】図1に示した半導体量子井戸構造の変形例と伝
導帯のポテンシャル形状を説明するためのもので、
(a)は第一量子井戸層内に一つの量子井戸層内障壁層
が存在する場合、(b)は第一量子井戸層内に2つの量
子井戸層内障壁層が存在する場合を示す図である。
6 is a view for explaining a modification of the semiconductor quantum well structure shown in FIG. 1 and a potential shape of a conduction band,
FIG. 3A is a diagram showing one quantum well layer barrier layer in the first quantum well layer, and FIG. 6B is a diagram showing two quantum well layer barrier layers in the first quantum well layer. Is.

【図7】図6の第二および第三障壁層の厚さに応じたエ
キシトンの吸収ピーク波長(μm)を計算し、その結果
をプロットした図である。
7 is a diagram in which an absorption peak wavelength (μm) of excitons according to the thicknesses of the second and third barrier layers in FIG. 6 is calculated, and the result is plotted.

【図8】本発明にもとづく半導体量子井戸構造の第二実
施例の構成と、無電界(V=0)時におけるポテンシャ
ル形状、電子の波動関数、正孔の波動関数、およびエキ
シトンの遷移エネルギーを説明するための図である。
FIG. 8 shows the configuration of the second embodiment of the semiconductor quantum well structure according to the present invention, and the potential shape, electron wave function, hole wave function, and exciton transition energy when there is no electric field (V = 0). It is a figure for explaining.

【図9】電界を印加した場合の波動関数ψelおよびψhh
の振舞いを説明するための図である。
FIG. 9 Wave functions ψ el and ψ hh when an electric field is applied
FIG. 6 is a diagram for explaining the behavior of the.

【図10】エキシトン吸収ピークシフト量の電界依存性
と、電子および正孔の波動関数の重なり積分の絶対値を
2乗して得られた値の電界依存性とを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing the electric field dependence of the exciton absorption peak shift amount and the electric field dependence of the value obtained by squaring the absolute value of the overlap integral of the wave functions of electrons and holes.

【図11】無電界時(V=0)および電界印加時(V≠
0)の吸収係数αの波長依存性を説明するための図であ
る。
FIG. 11 shows no electric field (V = 0) and no electric field applied (V ≠).
It is a figure for demonstrating the wavelength dependence of absorption coefficient (alpha) of 0).

【図12】図11の電界印加時(V≠0)における
(a)吸収係数変化△αおよび(b)屈折率変化△nを
示す図である。
12 is a diagram showing (a) absorption coefficient change Δα and (b) refractive index change Δn when an electric field is applied (V ≠ 0) in FIG. 11.

【図13】従来のMQW構造構成単位のポテンシャル形
状、電子の波動関数、正孔の波動関数、およびエキシト
ンの遷移エネルギーを説明するための図である(無電界
時の場合)。
FIG. 13 is a diagram for explaining a potential shape, a wave function of an electron, a wave function of a hole, and a transition energy of excitons of a conventional MQW structural constituent unit (in the case of no electric field).

【図14】従来のMQW構造構成単位のポテンシャル形
状、電子の波動関数、正孔の波動関数、およびエキシト
ンの遷移エネルギーを説明するための図である(電界印
加時の場合)。
FIG. 14 is a diagram for explaining a potential shape, a wave function of an electron, a wave function of a hole, and a transition energy of excitons of a conventional MQW structural unit (when an electric field is applied).

【図15】従来の量子井戸(W=9nm)のエキシトン
吸収ピークシフト量の電界依存性を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing the electric field dependence of the exciton absorption peak shift amount of a conventional quantum well (W = 9 nm).

【図16】無電界時(V=0)および電界印加時(V≠
0)における従来の量子井戸の吸収係数αと入射光波長
との関係を示す図である。
FIG. 16 is a diagram when no electric field is applied (V = 0) and when an electric field is applied (V ≠).
It is a figure which shows the relationship between the absorption coefficient (alpha) of the conventional quantum well and incident light wavelength in (0).

【図17】電界印加時(V≠0)における従来の量子井
戸の(a)吸収係数変化△αおよび(b) 屈折率変化△
nと入射光の波長との関係を示す図である。
FIG. 17 shows (a) a change in absorption coefficient Δα and (b) a change in refractive index Δ of a conventional quantum well when an electric field is applied (V ≠ 0).
It is a figure which shows the relationship between n and the wavelength of incident light.

【図18】従来の量子井戸におけるAl含有量とエキシ
トンの吸収ピーク波長との関係を説明するための図であ
る。
FIG. 18 is a diagram for explaining the relationship between the Al content and the absorption peak wavelength of excitons in a conventional quantum well.

【図19】従来の非対称結合量子井戸の一例を説明する
ための図である。
FIG. 19 is a diagram for explaining an example of a conventional asymmetrically coupled quantum well.

【図20】従来の非対称結合量子井戸の第二の例を説明
するための図である。
FIG. 20 is a diagram for explaining a second example of a conventional asymmetrically coupled quantum well.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 InAlAsからなる結合量子井戸外障壁層 2 i−InGaAlAsからなる量子井戸層 3 第一量子井戸層 4 第二量子井戸層 5 サブ量子井戸層 6 サブ量子井戸層 7 量子井戸層間の障壁層(第一障壁層) 8 量子井戸層内障壁層(第二障壁層) 9 サブ量子井戸層 10 量子井戸層内障壁層(第三障壁層) 1 Coupling quantum well outer barrier layer made of InAlAs 2 Quantum well layer made of i-InGaAlAs 3 First quantum well layer 4 Second quantum well layer 5 Sub-quantum well layer 6 Sub-quantum well layer 7 Barrier layer between quantum well layers (first One barrier layer) 8 Quantum well layer barrier layer (second barrier layer) 9 Sub-quantum well layer 10 Quantum well layer barrier layer (third barrier layer)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 障壁層によって隔てられた第一量子井戸
層と第二量子井戸層とからなる結合量子井戸と、前記結
合量子井戸内の波動関数と前記結合量子井戸に隣接する
隣接結合量子井戸内の波動関数との結合を抑圧するよう
にして前記結合量子井戸の両側に設けられた結合量子井
戸外障壁層とからなる半導体量子井戸構造において、 少なくとも前記第一量子井戸層内に、前記第一量子井戸
層内における正孔の存在確率を低減させるための少なく
とも一つの量子井戸層内障壁層が設けられたことを特徴
とする半導体量子井戸構造。
1. A coupled quantum well comprising a first quantum well layer and a second quantum well layer separated by a barrier layer, a wave function in the coupled quantum well and an adjacent coupled quantum well adjacent to the coupled quantum well. In a semiconductor quantum well structure consisting of a coupled quantum well outer barrier layer provided on both sides of the coupled quantum well so as to suppress coupling with a wave function in the inside, at least in the first quantum well layer, the first quantum well layer, A semiconductor quantum well structure, wherein at least one barrier layer in a quantum well layer is provided for reducing the probability of existence of holes in one quantum well layer.
【請求項2】 請求項1記載の半導体量子井戸構造にお
いて、前記量子井戸層間の障壁層および前記量子井戸層
内障壁層は、前記結合量子井戸外障壁層と同一バンドギ
ャップの半導体材料からなることを特徴とする半導体量
子井戸構造。
2. The semiconductor quantum well structure according to claim 1, wherein the barrier layer between the quantum well layers and the barrier layer inside the quantum well layer are made of a semiconductor material having the same band gap as that of the outside barrier layer of the coupled quantum well. Semiconductor quantum well structure characterized by.
【請求項3】 請求項1または2記載の半導体量子井戸
構造において、 前記第一量子井戸層と前記第二量子井戸層とは、同一バ
ンドギャップの半導体材料からなることを特徴とする半
導体量子井戸構造。
3. The semiconductor quantum well structure according to claim 1, wherein the first quantum well layer and the second quantum well layer are made of a semiconductor material having the same bandgap. Construction.
【請求項4】 請求項1ないし3のいずれか一項記載の
半導体量子井戸構造において、 電子は、無電界時および電界印加時とも、前記第一量子
井戸層または前記第二量子井戸層の少なくとも一方に多
く存在し、さらに正孔は、無電界時では前記第二量子井
戸層よりも前記第一量子井戸層内に多く存在し、電界印
加時では前記正孔は前記第一量子井戸層から前記第二量
子井戸層へ移動することを特徴とする半導体量子井戸構
造。
4. The semiconductor quantum well structure according to claim 1, wherein electrons are present in at least the first quantum well layer or the second quantum well layer both in the absence of an electric field and in the application of an electric field. There are many holes on one side, more holes are present in the first quantum well layer than the second quantum well layer when no electric field is applied, and the holes are present from the first quantum well layer when an electric field is applied. A semiconductor quantum well structure, wherein the semiconductor quantum well structure moves to the second quantum well layer.
【請求項5】 請求項1ないし3のいずれか一項記載の
半導体量子井戸構造において、 電子は、無電界時および電界印加時とも、前記第一量子
井戸層または前記第二量子井戸層の少なくとも一方に多
く存在し、さらに正孔は、無電界時では前記第一量子井
戸層よりも前記第二量子井戸層内に多く存在し、電界印
加時では前記第二量子井戸層から前記第一量子井戸層へ
移動することを特徴とする半導体量子井戸構造。
5. The semiconductor quantum well structure according to claim 1, wherein electrons are present in at least one of the first quantum well layer and the second quantum well layer when no electric field is applied and when an electric field is applied. There are more holes on one side, and more holes are present in the second quantum well layer than in the first quantum well layer when no electric field is applied, and from the second quantum well layer when the electric field is applied. A semiconductor quantum well structure characterized by moving to a well layer.
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれか一項記載の
半導体量子井戸構造において、 前記半導体量子井戸構造内のビルトイン電圧を打ち消す
方向に電圧を印加することによって、電子は動かずに、
前記第一量子井戸層から前記第二量子井戸層または前記
第二量子井戸構造から前記第一量子井戸層へ正孔が移動
することを特徴とする半導体量子井戸構造。
6. The semiconductor quantum well structure according to claim 1, wherein electrons are not moved by applying a voltage in a direction that cancels a built-in voltage in the semiconductor quantum well structure.
A semiconductor quantum well structure, wherein holes move from the first quantum well layer to the second quantum well layer or from the second quantum well structure to the first quantum well layer.
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