CN114640023A - 半导体光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能将能量小于带隙能量的光放大的半导体光放大器。本实施方式的半导体光放大器1具备：第1端面R1；第2端面R2，与第1端面隔开配置；第1半导体区域10及第2半导体区域14，配置在第1端面与第2端面之间；活性层12，由第1半导体区域与第2半导体区域所夹地配置在第1端面与第2端面之间，以间接迁移型半导体形成，将输入光hνi的强度通过受激发射放大；第1电极16，连接在第1半导体区域；及第2电极18，连接在第2半导体区域，利用与第1电极的电位差，检测活性层中的载子密度变化。活性层具备在间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，通过经由所述能级的迁移，将能量小于带隙能量的光放大。

Description

半导体光放大器
技术领域
本实施方式涉及一种半导体光放大器。
背景技术
作为从可见光到近红外光用的受光元件，使用光电二极管(PD：Photo Diode)或对PD施加反向偏压，比PD更高感度且具有放大功能的雪崩光电二极管(APD：Avalanche PhotoDiode)。另一方面，光通信所使用的半导体光放大器(SOA：Semiconductor OpticalAmplifier)具备光放大功能，也作为受光元件动作。
[背景技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开平04-25824号公报
[专利文献2]日本专利特公昭62-44833号公报
[专利文献3]日本专利特开平03-96917号公报
[专利文献4]日本专利特公表2003-533896号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
PD或APD的受光波长由带隙间的电子迁移决定。也就是说，通过电子从能量稳定的状态迁移到高能状态，而由带隙宽度决定受光波长的上限。
另一方面，SOA使用例如InP、GaAs等构成半导体激光的直接迁移型半导体。因此，对于基板，无法使用硅(Si)等间接迁移型半导体。因此，基板的选择性少且高价。此外，由于SOA的受光波长也利用带隙间的电子迁移，所以依赖于带隙。
本实施方式提供一种能将能量小于带隙能量的光放大的半导体光放大器。
[解决问题的技术手段]
根据本实施方式的一方面，提供一种半导体光放大器，具备：活性层，以间接迁移型半导体形成，通过受激发射将输入光的信号强度放大；及检测电极，检测所述活性层中的载子密度变化；且所述活性层具备在所述间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
根据本实施方式的另一个方面，提供一种半导体光放大器，具备：活性层，以非晶质半导体形成，将输入光的信号强度通过受激发射放大；及检测电极，检测所述活性层中的载子密度变化；且所述活性层具备在所述非晶质半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述非晶质半导体的带隙能量的光放大。
根据本实施方式的另一方面，提供一种半导体光放大器，具备：第1端面；第2端面，与所述第1端面隔开配置；第1导电型的第1半导体区域，配置在所述第1端面与第2端面之间；与所述第1导电型为相反导电型的第2导电型的第2半导体区域，配置在所述第1端面与第2端面之间；活性层，由所述第1半导体区域与所述第2半导体区域所夹地配置在所述第1端面与第2端面之间，以间接迁移型半导体形成，将输入光的强度通过受激发射放大；第1电极，连接在所述第1半导体区域；及第2电极，连接在所述第2半导体区域，通过与所述第1电极的电位差，检测所述活性层中的载子密度变化；且所述活性层具备在所述间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
[发明的效果]
根据本实施方式，能提供一种能将能量小于带隙能量的光放大的半导体光放大器。
附图说明
图1(a)是第1实施方式的半导体光放大器的剖视图，图1(b)是第1实施方式的半导体光放大器的等效电路图。
图2是第1实施方式的半导体光放大器的热平衡状态的能带构造图。
图3是第1实施方式的半导体光放大器的顺向偏压状态的能带构造图。
图4(a)是第1实施方式的变化例1的半导体光放大器的剖视图，(b)是第1实施方式的变化例2的半导体光放大器的剖视图。
图5是第2实施方式的半导体光放大器的剖视图。
图6是第3实施方式的半导体光放大器的剖视图。
图7(a)是第3实施方式的半导体光放大器中，从受光端到输出端的光强度分布Ph的示意图，(b)是从受光端到输出端的电子数分布Nn的示意图。
图8是第4实施方式的半导体光放大器的剖视图。
图9(a)是第5实施方式的半导体光放大器的热平衡状态下的能带构造图，(b)是第5实施方式的半导体光放大器的剖视图。
图10(a)是直接迁移型(Direct Transition)半导体晶体的能带构造图，(b)是间接迁移型(Indirect Transition)半导体晶体的能带构造图。
图11是捕获、再耦合过程的各电子迁移的说明图。
图12(a)是光激发过程的示意性说明图，(b)是定域能级的捕获与再耦合过程的示意性说明图。
图13是表示2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体的晶格常数与带隙能量、光波长的关系的图。
图14是将各半导体晶体作为受光元件构成时的受光波长频带的例子。
图15(a)是金刚石晶体中的氮N-空位对(金刚石NV中心)的晶体构造的示意性构造图，(b)是金刚石晶体中的氮N-空位对(金刚石NV中心)的能级的示意图。
图16(a)是具有硅Si空位缺陷的4H-SiC或6H-SiC的pn接合的能带构造图与能级的说明图，(b)是具有硅Si空位缺陷的4H-SiC或6H-SiC的pn接合的光致发光(PL：Photoluminescence)与电致发光(EL：Electroluminescence)的测定结果(能量与波长依存性)。
图17(a)是4H-SiC中的双空位缺陷(Divacancy：双空位)的晶体构造图，(b)是具有双空位缺陷的4H-SiC的pn接合的光致发光(PL)的测定结果(波长依存性)。
图18(a)是非晶Si中的Er3+(铒离子)形成的能级的说明图，(b)是非晶Si中形成的Er3+(铒离子)的光致发光(PL)的测定结果(波长依存性)。
图19是GaP中添加Cd、Cd-O及S的能级说明图。
具体实施方式
接着，参照附图，针对实施方式进行说明。以下说明的附图的记载中，对同一或类似部分标注同一或类似符号。附图为示意性的附图。此外，以下所示的实施方式例示用来将技术性思想具体化的装置或方法，并未特定零件的材质、形状、构造、配置等。实施方式可施加各种变更。
(第1实施方式)
(半导体光放大器)
第1实施方式的SOA1的剖面构造如图1(a)所示，等效电路如图1(b)所示。
第1实施方式的SOA1以间接迁移型半导体形成，具备：将输入光hνi的信号强度通过受激发射放大的活性层(AL)12、及检测活性层12中的载子密度变化的检测电极(16、18)。
活性层12具备在间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷。通过经由所述能级的迁移，将能量小于间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
第1实施方式的SOA1如图1(b)所示，使实现受激发射的阈值电流以上的顺向电流I导通，在所述状态下，使输入光hνi入射到活性层12中，输出放大的相干的输出光hνo。图1(b)中，活性层12中的箭头是示意性表示输入光hνi在Z方向逐渐被放大的情况。此处，通过检测SOA1的主电极(16、18)之间的电压Vo，能电检测活性层12中的载子密度变化。
此外，第1实施方式的SOA1具备第1端面R1、第2端面R2、n型第1半导体区域10、p型第2半导体区域14、活性层12、第1电极16及第2电极18。
将从第1端面R1朝向第2端面R2的方向定义为Z方向，将与第1端面R1平行且从第1半导体区域10朝向第2半导体区域14的方向定义为X方向，将与Z方向及X方向垂直的方向定义为Y方向。
第2端面R2与第1端面R1在Z方向隔开距离Z1配置。n型第1半导体区域10配置在第1端面R1与第2端面R2之间。p型第2半导体区域14也配置在第1端面R1与第2端面R2之间。
活性层12由第1半导体区域10与第2半导体区域14所夹地配置在第1端面R1与第2端面R2间。活性层12以间接迁移型半导体形成，将输入光hνi的信号强度通过受激发射放大。
第1电极16连接在第1半导体区域10。第2电极18连接在第2半导体区域14。第2电极18可通过与第1电极16的电压Vo，检测活性层12中的载子密度变化。
活性层12具备在间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷。
第1实施方式的SOA1能通过经由能级的迁移，将能量小于间接迁移型半导体的带隙的光放大。
此外，第1实施方式SOA1也可具备：配置在第1端面R1的第1无反射涂膜20；及配置在第2端面R2的第2无反射涂膜22。
第1半导体区域10、第2半导体区域14及活性层12也可在Z方向上条状延伸。
活性层12具有将输入光hνi的信号强度放大的光放大介质。光放大介质为用来实现受激发射的介质，具有用来实现反转分布的点缺陷。
(半导体光放大器的特性_增益与光输出的饱和)
第1实施方式的SOA1中，如图1(a)所示，与半导体激光同样，使用活性区域构造，通过电流注入而注入电子与电洞，从高电子能量的激发能级的传导带向低能级的价电子带迁移，由此能实现光放大。
活性层12为p型或n型半导体层，为包含发光再耦合中心的层。发光再耦合中心通过点缺陷导入。例如，在活性层12中，形成着由发光再耦合中心形成的能级(省略图示)。
第1实施方式的SOA1中，通过利用由发光再耦合中心形成的能级间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
存在：从激发能级迁移到基态能级而将光放大的受激发射、相反的吸收光，从基态能级迁移到激发能级的吸收、不存在光的状态下，根据与场零点振动的相互作用，从激发能级迁移到基态能级的自然发射。
图1(b)中，如果将Z＝0的光的输入功率设为Pin，将Z＝Z1＝L1的输出功率设为Pout，那么输入光hνi一边在活性层12中传播一边通过受激发射被放大，输出功率Pout表示如下。
Pout＝Pin·EXP(∫0 L1ξgdZ) (1)
此处，ξ为表示将传播的光的功率限制在活性层12的比例的光限制系数。
g为将每单位长度的光的功率放大的比例，为注入电子密度与波长的函数。由于注入电子密度为场函数，所以增益系数g也为场函数。尤其增益系数g相对于Z均一时，表示如下。
Pout＝Pin·exp(ξgL1) (2)
此处，增益系数g＞0时，光强度指数函数性增大，发生光的放大。体型半导体中，增益系数g相对于注入电子密度N，近似性表示如下。
g＝A(N-Ng) (3)
此处，Ng为产生正增益所需的电子密度，A为比例常数。放大率(增益G)以下式的分贝(dB)单位表示。
G＝Pout/Pin＝exp(ξgL1)＝10ξgL1/In(10)(dB) (4)
以上讨论为增益系数g相对于空间固定的情况，但如果使输入功率Pin增加，那么输出功率Pout变得极大，受激发射剧烈，电子密度减少。结果，与增益系数g减少，输入功率Pin较小时相比，增益减少(增益饱和)。
活性层12中的发光再耦合中心能通过电子束照射或离子注入而形成。发光再耦合中心例如通过与空位、稀土类离子、杂质原子的复合缺陷等形成。
第1实施方式的SOA1中，能通过对活性层12注入载子，对发光再耦合中心注入电流而实现光放大。
通过对发光再耦合中心注入电流，在活性层12中实现受激发射，通过入射光hνi的入射产生光放大。能利用电检测光放大介质12的载子密度变化的方法，电压检测此时的载子消耗。
根据第1实施方式的SOA1，通过利用发光再耦合中心形成的能级间的迁移进行光放大，即使能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
根据第1实施方式的SOA1，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能受光，也能作为能量小于带隙能量的长波长光的受光元件动作。
此处，发光再耦合中心是指活性层12的带隙中形成能级的点缺陷(内因性、外因性点缺陷)中，通过电性、光学性激发而发光的点缺陷。内因性点缺陷是称为空位(vacancy)或反位缺陷的化合物的复合缺陷等。此外，外因性缺陷为源自杂质的缺陷。以下实施方式的半导体光放大器的说明中也同样。
―端面反射的抑制―
第1实施方式的SOA1为行波型放大器。第1实施方式的SOA1具备使法布里-珀罗激光器的两端谐振的无镜面构造。
为了抑制端面反射，第1实施方式的SOA1也可在端面具备无反射涂膜。
第1导体区域10、活性层12及第2半导体区域14可如图1(a)所示，具备第1端面R1，在第1端面R1具备无反射涂膜20。
此外，第1半导体区域10、活性层12及第2半导体区域14也可如图1(a)所示，具备与第1端面R1对向的第2端面R2，在第2端面R2具备无反射涂膜22。
无反射涂层20、22具备单层多层介电层。作为介电层的材料，能应用例如氧化硅膜(SiOx)或氮化硅膜(SiNx)。
此外，在第1半导体区域10连接着第1电极(En)16，在第2半导体区域14连接着第2电极(Ep)18。
―能带构造―
(热平衡状态)
第1实施方式的半导体光放大器的热平衡状态的能带构造如图2所示。
活性层12为p型或n型半导体层，为包含发光再耦合中心的层，在活性层12中，形成着由发光再耦合中心形成的能级Et1、Et2。
第1实施方式的SOA1中，通过利用能级Et1、Et2间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
根据第1实施方式的SOA1，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能受光，也能作为能量小于带隙能量的长波长光的受光元件动作。
第1实施方式的SOA1中，通过发光再耦合中心，在活性层(AL)12的能带中形成着能级Et1、Et2。此外，p+型半导体层14及n+型半导体层10均为简并型半导体。
在热平衡状态下，如图2所示，费米能级EF配置在第2半导体区域14的价电子带，且配置在第1半导体区域10的传导带。
(顺向偏压状态)
第1实施方式的SOA1的顺向偏压状态下的能带构造如图3所示。通过施加顺向偏压电位qV，第1半导体区域10的费米能级EFC相对于第2半导体区域14的费米能级EFV足够深，且在传导带上升。在低于第1半导体区域10的费米能级EFC的能级，填充到与传导带EC之间的电子形成反转分布。在高于第2半导体区域14的费米能级EFV的能级，填充到与价电子带EV之间的电洞也形成反转分布。
在低于第1半导体区域10的费米能级EFC的能级，填充到与传导带EC之间的电子容易迁移到价电子带EV，与在高于第2半导体区域14的费米能级EFV的能级，填充到与价电子带EV之间的电洞再耦合。此时，利用能级Et1、Et2之间的迁移通过受激发射进行光放大，由此，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
例如，如果对Si的带隙中导入成为1.5μm带的发光再耦合中心的缺陷，那么能以Si实现能在1.5μmm带受光的受光元件。
(第1实施方式的变化例)
图4(a)是第1实施方式的变化例1的SOA1的剖视图。
第1端面RS1与第2端面RS2互相平行且相对于由X轴与Y轴形成的X-Y平面倾斜。
第1实施方式的变化例1的SOA1具备倾斜端面，由此能抑制端面反射。
第1实施方式的变化例1的SOA1具备倾斜端面，由此与法布里-珀罗激光器的两端谐振无镜面的构造同样，实现行波型光放大器。其它构造与第1实施方式同样。
图4(b)是第1实施方式的变化例2的SOA1的剖视图。
为抑制端面反射，第1实施方式的变化例2的SOA1也可在活性层12的第2端面R2附近具备窗区域30。窗区域30为将相干光放大的输出光hνo透过输入光hνi的介质。
第1实施方式的变化例2的SOA1通过在活性层12的第2端面R2附近具备窗区域30，而与法布里-珀罗激光器的两端谐振无镜面的构造同样，实现行波型光放大器。其它构成与第1实施方式同样。
(第2实施方式)
图5是第2实施方式的SOA1的剖视图。
第2实施方式的SOA1中，第2电极18具备分割成2个的第2电极181、182。第1电极16设为固定电位，例如接地电位。如果在第2电极181与第1电极16之间、第2电极182与第1电极16之间流动顺向电流，设为能实现光放大的状态下，入射输入光hνi，那么在活性层12中因受激发射产生光放大。如果入射输入光hνi，那么在活性层12中在Z方向产生载子分布偏差，载子分布变化。结果，在活性层12中产生电位差。在Z方向上增益增大，能获得相干的放大的输出光hνo。由于活性层12的载子密度改变，所以能检测电位差作为第2电极181、182之间的电变化。其它构成与第1实施方式同样。
活性层12为p型或n型半导体层，为包含发光再耦合中心的层。发光再耦合中心通过点缺陷导入。
第2实施方式的SOA1中，通过利用能级间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
根据第2实施方式的SOA1，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能受光，也能作为能量小于带隙能量的长波长光的受光元件动作。
第2实施方式的SOA1能提供利用发光再耦合中心的光放大的半导体受光元件及半导体光放大器。
(第3实施方式)
图6是第3实施方式的SOA1的剖视图。
第3实施方式的SOA1中，第2电极18具备分割成3个的第2电极181、182、183。第1电极16设为固定电位，例如接地电位。
电流分割电路26连接在恒定电流源J。以使第2电极181与第1电极16之间、第2电极182与第1电极16之间、第2电极183与第1电极16之间导通的电流密度相等的方式，分割成3个的第2电极181、182、183连接在电流分割电路26。如果将第2电极181的电位设为Vref，将第2电极182的电位设为Vsig，将第2电极183的电位设为Vm，那么作为第2电极181、182之间的电变化，将电位Vsig、Vref输入到比较器24，由此能获得差动检测出的电压Vo。
如果在第2电极181与第1电极16之间、第2电极182与第1电极16之间、第2电极183与第1电极16之间流动顺向电流，设为能实现光放大的状态下，入射输入光hνi，那么在活性层12中因受激发射产生光放大。如果入射输入光hνi，那么在活性层12中在Z方向上产生载子分布偏差，载子分布变化。结果，在活性层12中产生电位差。在Z方向上增益增大，能获得相干的放大的输出光hνo。由于活性层12的载子密度改变，所以作为第2电极181、182之间的电变化，将电位Vsig、Vref输入到比较器24，由此能获得差动检测出的电压Vo。其它构造与第1实施方式同样。
第3实施方式的SOA1中，通过利用能级间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
根据第3实施方式的SOA1，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能受光，也能作为能量小于带隙能量的长波长光的受光元件动作。
第3实施方式的SOA1能提供利用发光再耦合中心的光放大的半导体受光元件及半导体光放大器。
第3实施方式的SOA1中，从受光端到输出端的光强度分布Ph示意性如图7(a)所示。此外，从受光端到输出端的电子数分布Nn示意性如图7(b)所示。从受光端到输出端的光强度分布Ph通过伴随受激发射的光放大，在Z方向上逐渐增大。另一方面，通过伴随受激发射的光放大，随着光强度分布Ph的增大，载子(电子)因再耦合而损耗，所以电子数分布Nn在Z方向上逐渐减少。
(第4实施方式)
图8是第4实施方式的SOA1的剖视图。
第4实施方式的SOA1中，第2电极18具备分割成多个的第2电极181、182、1831、1832、1833、……、183n-1、183n。第1电极16设为固定电位，例如接地电位。第2电极181、182、1831、1832、1833、……、183n-1、183n与第3实施方式同样，也可与连接在恒定电流源J的电流分割电路连接。也可以使第2电极181与第1电极16之间、第2电极182与第1电极16之间、第2电极1831、1832、1833、……、183n-1、183n与第1电极16之间导通的电流密度相等的方式，将分割的第2电极181、182、1831、1832、1833、……、183n-1、183n连接在电流分割电路。能获得差动检测出的电压Vo，作为第2电极181、182之间的电变化。
如果在第2电极181与第1电极16之间、第2电极182与第1电极16之间、第2电极1831、1832、1833、……、183n-1、183n与第1电极16之间流动顺向电流，设为能实现光放大的状态下，入射输入光hνi，那么在活性层12中因受激发射产生光放大。如果入射输入光hνi，那么在活性层12中在Z方向上产生载子分布偏差，载子分布变化。结果，在活性层12中产生电位差。在Z方向上增益增大，能获得相干的放大的输出光hνo。由于活性层12的载子密度改变，所以作为第2电极181、182之间的电变化，将电位差输入到比较器，由此能获得差动检测出的电压Vo。其它构造与第1实施方式同样。
第2实施方式的SOA1中，通过利用能级间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量小的长波长光，也能实现光放大。
(第5实施方式)
图9(a)是第5实施方式的SOA1的热平衡状态下的能带构造。此外，图9(b)是第5实施方式的SOA1的剖视图。
第5实施方式的SOA1以间接迁移型半导体形成，具备：将输入光hνi的信号强度通过受激发射放大的活性层(AL)120；及检测活性层120中的载子密度的检测电极(16、18)。
活性层120具备在间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷。通过经由所述能级的迁移，将能量小于间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
第5实施方式的SOA1与图1(b)同样，使实现受激发射的阈值电流以上的顺向电流I导通，在所述状态下，使输入光hνi入射到活性层120中并输出放大的相干的输出光hνo。此处，利用检测SOA1的主电极(16、18)之间的电压Vo，能电检测活性层12中的载子密度变化。
此外，第5实施方式的SOA1具备第1端面R1、第2端面R2、n型第1半导体区域100、p型第2半导体区域140、活性层120、第1电极16及第2电极18。
此处，活性层120具备比第1半导体区域100及第2半导体区域140窄的带隙。
第2端面R2与第1端面R1在Z方向隔开距离Z1而配置。n型第1半导体区域100配置在第1端面R1与第2端面R2之间。p型第2半导体区域140也配置在第1端面R1与第2端面R2之间。
活性层120由第1半导体区域100与第2半导体区域140所夹地配置在第1端面R1与第2端面R2之间。活性层120以间接迁移型半导体形成，将输入光hνi的信号强度通过受激发射放大。
第1电极16连接在第1半导体区域100。第2电极18连接在第2半导体区域140。第2电极18能通过与第1电极16的电压Vo，检测活性层120中的载子密度变化。
活性层120具备在间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷。
此外，第5实施方式的SOA1也可具备配置在第1端面R1的第1无反射涂膜20、及配置在第2端面R2的第2无反射涂膜22。
活性层120具有将输入光hνi的信号强度放大的光放大介质。光放大介质是用来实现受激发射的介质，具有用来实现反转分布的点缺陷。
第5实施方式的SOA1如图9(a)所示，使用与半导体激光相同的包含双异质结的活性区域构造，通过电流注入而注入电子与电洞，从电子能量较高的激发能级的传导带向低能级的价电子带迁移，由此能实现光放大。
活性层120为p型或n型半导体层，为包含发光再耦合中心的层。发光再耦合中心通过点缺陷导入。例如，在活性层120中，形成着由发光再耦合中心形成的能级Et1、Et2(省略图示)。
第5实施方式的SOA1中，也通过利用能级Et1、Et2之间的迁移进行光放大，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
图9(b)中，如果将Z＝0的光的输入功率设为Pin，将Z＝Z1＝L1的输出功率设为Pout，那么输入光hνi一边在活性层120中传播一边通过受激发射放大，输出功率Pout与(1)式同样地表示。
第5实施方式的SOA1中，由于活性层12具备窄于第1半导体区域100及第2半导体区域140的带隙，所以光限制效率较高。
第5实施方式的SOA1能通过经由能级的迁移，将能量小于间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
(直接迁移型与间接迁移型)
直接迁移型(Direct Transition)半导体晶体的能带构造如图10(a)所示。此外，间接迁移型(Indirect Transition)半导体晶体的能带构造如图10(b)所示。
半导体晶体的能带构造为晶体固有的构造，能分类成直接迁移型与间接迁移型。直接迁移型晶体是在k空间中垂直迁移占优势的晶体，是作为发光二极管或激光二极管用有效的能带。相对于此，从间接迁移型晶体进行发光的情况下，由于包含水平迁移，所以对于发光不必要的能量也就是热或声音也发生变化，不适于进行效率良好的发光。然而，直接迁移型半导体中，由于根据频带间的迁移决定波长，所以无波长选择性。
本实施方式的SOA1中，通过对包含间接迁移型晶体的活性层中导入成为发光再耦合中心的点缺陷，利用经由能级的迁移进行光放大，即使为能量小于活性层的带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
(捕获、再耦合过程的各电子迁移)
图11表示捕获、再耦合过程的各电子迁移。
电子与电洞直接再耦合的情况、在定域能级捕获一个的情况或另一个也被捕获而再耦合的情况，所述任一种情况均以某些形式伴随能量的发射。所述能量发射的形态分成以下3类：(1)发射光的过程、(2)发射声子的非发光过程、(3)将能量转移到其它电子迁移的非发光过程。
图11中，(A)、(B)表示发射光的直接再耦合过程。能带间的直接再耦合是成为发光中心的发光过程。
图11中，(C)、(D)、(E)为定域能级Et成为发光中心的发光过程，在发射充分大于声子能量的迁移能量的情况下产生。图11的(C)、(D)、(E)的发光过程在定域能级Et捕获一个载子(例如电子)后，在能级Et捕获另一个载子(电洞)，结果，在定域能级Et中进行两个载子的再耦合。所述定域能级Et为发光再耦合中心。
图11中，(F)为施体能级ED与受体EA作为定域能级成为发光中心的发光过程。作为所述定域能级的施体能级ED与受体EA也为发光再耦合中心。
本实施方式的SOA1中，由于利用经由能级的迁移进行光放大，所以应用图11的(C)～(F)中的任一个或它们的的组合的发光过程。
(光激发过程与定域能级的捕获与再耦合过程)
图12(a)示意性表示价电子带EV与传导带EC之间的光激发过程。在激发状态下，在传导带EC分布着过量电子，在价电子带EV分布着过量电洞。图12(b)为说明定域能级Et的捕获与再耦合的图。(A)表示从传导带EC向定域能级Et的电子的捕获过程。(B)表示从定域能级Et向传导带EC的电子的发射过程。(C)表示从价电子带EV向定域能级Et的电洞的捕获过程。(D)表示从定域能级Et向价电子带EV的电洞的发射过程。
(2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体)
图13是表示2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体的晶格常数与带隙能量、光波长的关系的图。虚线为2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体的间接迁移型晶体的例子。实线为直接迁移型晶体的例子。
本实施方式的SOA1中，作为包含间接迁移型晶体的活性层，能应用图13所示的2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体的间接迁移型晶体。
本实施方式的SOA1中，作为活性层，利用图13所示的2元系、3元系及4元系III-V族半导体晶体的间接迁移型晶体，导入成为发光再耦合中心的点缺陷，利用经由能级的迁移进行光放大，由此，即使为能量小于活性层的带隙能量的长波长光，也能实现光放大。
(受光波长频带的例子)
实施方式的SOA1能提供利用发光再耦合中心的光放大的半导体受光元件及半导体光放大器。
根据实施方式的SOA1，即使为能量小于带隙能量的长波长光，也能受光，也能作为能量小于带隙能量的长波长光的受光元件动作。
图14表示根据将各种半导体晶体作为受光元件构成时的频带间迁移决定的受光波长频带的例子。图14中，Si、GaAsP、GaP为间接迁移型半导体晶体。Si的情况下，受光波长频带为约0.18μm～约1.1μm。GaAsP的情况下，受光波长频带为约0.3μm～约0.7μm。GaP的情况下，受光波长频带为约0.18μm～约0.5μm。
本实施方式的SOA1中，对活性层导入成为发光再耦合中心的点缺陷，利用经由能级的迁移进行光放大，由此，即使为能量小于活性层的带隙能量的长波长光，也能实现受光及光放大。
(金刚石晶体)
金刚石晶体中的氮N-空位对(金刚石NV中心)的晶体构造的示意性构造如图15(a)所示，金刚石晶体中的氮N-空位对(金刚石NV中心)的能级如图15(b)所示。
实施方式的半导体光放大器中，间接迁移型半导体也可具备金刚石晶体。此处，点缺陷具备所述金刚石晶体中相邻的氮原子N与空位V成对的缺陷。
金刚石晶体中的氮N-空位对(金刚石NV中心)为金刚石晶体中相邻的氮原子N与空位V成对的缺陷。零声子线(不经由热交换的发光迁移)为637nm。通过光激发进行受激发射(光放大)。
(制作方法)
点缺陷通过对金刚石晶体离子注入N离子，以600℃以上进行热处理而形成。此外，点缺陷也可对金刚石晶体离子注入N离子，以电子束照射导入空位缺陷后，通过热处理而形成。此外，点缺陷也可对金刚石晶体离子注入N离子，照射飞秒激光导入空位后，以脉冲激光局部进行热处理而形成。
(SiC晶体)
具有硅Si空位缺陷的6H-SiC的pn接合的能带构造与能级如图16(a)所示。此外，具有硅Si空位缺陷的6H-SiC的光致发光(PL)与电致发光(EL)的测定结果(能量与波长依存性)如图16(b)所示。
实施方式的半导体光放大器中，间接迁移型半导体也可具备SiC晶体。此处，点缺陷具备SiC晶体中的Si位点的Si原子被去除而成为空位的缺陷。此外，SiC晶体具备4H-SiC或6H-SiC。
6H-SiC的Si空位缺陷为Si位点的Si原子被去除而成为空位的缺陷。零声子束为1.4eV(887nm)。以BB所示的频带间迁移发光波长为400nm。D1为其它种类缺陷的发光，发光波长为550nm。VSi表示Si空位缺陷的发光。发光波长为950nm。
(制作方法)
能通过以剂量1018/cm2照射加速电压0.9MeV的电子束，形成Si空位缺陷。此外，能通过中子束照射、质子(H+)的离子注入、或飞秒激光照射而形成。
(4H-SiC的双空位缺陷)
4H-SiC中的双空位缺陷(Divacancy)的晶体构造如图17(a)所示。此外，具有双空位缺陷的4H-SiC的pn接合的20K的光致发光(PL)的测定结果(波长依存性)如图17(b)所示。双空位缺陷为相邻的Si位点与C位点这两个位点成为空位的缺陷。零声子束为1.2eV-1.4eV(1034nm-1129nm)。
实施方式的半导体光放大器中，间接迁移型半导体也可具备4H-SiC晶体。此处，点缺陷具备4H-SiC晶体中相邻的Si位点与C位点这两个位点成为空位的双空位缺陷。
(制作方法)
双空位缺陷能通过对4H-SiC照射加速电压2MeV，剂量5×1012cm-2～1×1015cm-2的电子束后，在氩(Ar)氛围下实施30分钟750℃的热处理而形成。
(非晶Si)
非晶Si中的Er3+(铒离子)形成的能级如图18(a)所示。此外，非晶Si中形成的Er3+(铒离子)的光致发光(PL)的测定结果(波长依存性)如图18(b)所示。
实施方式的半导体光放大器具备：活性层，以非晶质半导体形成，将输入光的信号强度通过受激发射放大；及检测电极，检测活性层中的载子密度变化。活性层具备在非晶质半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，通过经由能级的迁移，将能量小于非晶质半导体的带隙能量的光放大。
非晶质半导体也可具备非晶硅Si。此处，点缺陷例如通过添加在非晶Si中的Er3+(铒粒子)导入。
光放大介质具有形成在非晶质半导体的带隙中的发光再耦合中心。
光再耦合中心具备在非晶质半导体的带隙中形成能级的点缺陷。
点缺陷在光放大介质中实现反转分布。
实施方式的半导体光放大器中，非晶质半导体也可具备非晶Si。此处，缺陷通过Er3+(铒粒子)导入到非晶Si中。
(非晶Si中的Er3+(铒粒子)的发光波长)
零声子束为1.2eV-1.4eV(1034nm-1129nm)。
能由200kW/cm2以上的强烈的光激发进行受激发射。此外，也已确认能电驱动。
(制作方法)
点缺陷在形成氢氧化非晶硅时，通过硅与铒的共溅射而形成。
(GaP)
GaP中添加Cd、Cd-O及S的能级如图19所示。
实施方式的半导体光放大器中，间接迁移型半导体也可具备GaP晶体。此处，点缺陷具备GaP晶体中添加镉(Cd)、镉(Cd)-氧(O)及S的复合缺陷。
镉(Cd)-氧(O)的复合缺陷中，能获得施体能级ED与受体EA作为定域能级成为发光再耦合中心，能获得输出光hνo(RED：红)。
镉(Cd)-硫黄(S)的复合缺陷中，能获得施体能级ED与受体EA作为定域能级成为发光再耦合中心，能获得输出光hνo(GREEN：绿)。
[其它实施方式]
如上所述，虽对若干个实施方式进行了记载，但形成发明的一部分的论述及附图是例示性的，不应理解为限定性。本领域技术人员由所述发明明了各种替代实施方式、实施例及运用技术。
如此，本实施方式中，包含此处未记载的各种实施方式等。
[产业上的能利用性]
本实施方式的半导体光放大器能应用在飞行时间(TOF：time of flight)测距传感器系统、3维感测系统、光通信、车载传感器、NV中心磁传感器、蛋白质物质的构造解析、细胞内测量、心磁测量、脑磁测量、霍耳元件、超导量子干涉元件(SQID：SuperconductingQuantum Interface Device：超导量子接口器件)等广泛的领域。
[符号说明]
1 半导体光放大器
10、100 第1半导体区域
12、120 活性层(AL)
14、140 第2半导体区域
16 第1电极
18、181、182、183、1831、1832、1833、……、183n-1、183n 第2电极
20、22、200、220 无反射涂膜
24 比较器
26 电流分割电路
30 窗区域
R1、RS1 第1端面
R2、RS2 第2端面
hνi 输入光
hνo 输出光
I 导电电流
Ph 光强度
Nn 电子数
Vo 电压
Vref、Vsig、Vm 电位
L1 SOA的长度
Ec 传导带
Ev 价电子带
Eg 带隙能量
EF、EFC、EFV 费米能级
Et、Et1、Et2 能级。

Claims (20)

1.一种半导体光放大器，具备：
活性层，以间接迁移型半导体形成，通过受激发射将输入光的信号强度放大；及
检测电极，检测所述活性层中的载子密度变化；且
所述活性层具备在所述间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，
通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
2.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷具备空位缺陷。
3.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷具备复合缺陷。
4.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷由添加到所述间接迁移型半导体的杂质形成。
5.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述间接迁移型半导体具备金刚石晶体，
所述点缺陷具备所述金刚石中相邻的氮原子与空位成对的缺陷。
6.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述间接迁移型半导体具备SiC晶体，
所述点缺陷具备所述SiC晶体中的Si位点的Si原子被去除而成为空位的缺陷。
7.根据权利要求6所述的半导体光放大器，其中所述SiC晶体具备4H-SiC或6H-SiC。
8.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述间接迁移型半导体具备4H-SiC晶体，
所述点缺陷具备所述4H-SiC晶体中相邻的Si位点与C位点这两个位点成为空位的缺陷。
9.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其中所述间接迁移型半导体具备GaP晶体，
所述点缺陷具备所述GaP晶体中的镉与氧的复合缺陷。
10.一种半导体光放大器，具备：
活性层，以非晶质半导体形成，将输入光的信号强度通过受激发射放大；及
检测电极，检测所述活性层中的载子密度变化；且
所述活性层具备在所述非晶质半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，
通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述非晶质半导体的带隙能量的光放大。
11.根据权利要求10所述的半导体光放大器，其中所述非晶质半导体具备非晶Si，所述点缺陷通过Er3+(铒离子)导入到所述非晶Si中。
12.一种半导体光放大器，具备：
第1端面；
第2端面，与所述第1端面隔开配置；
第1导电型的第1半导体区域，配置在所述第1端面与第2端面之间；
与所述第1导电型为相反导电型的第2导电型的第2半导体区域，配置在所述第1端面与第2端面之间；
活性层，由所述第1半导体区域与所述第2半导体区域所夹地配置在所述第1端面与第2端面之间，以间接迁移型半导体形成，将输入光的强度通过受激发射放大；
第1电极，连接在所述第1半导体区域；及
第2电极，连接在所述第2半导体区域，通过与所述第1电极的电位差，检测所述活性层中的载子密度变化；且
所述活性层具备在所述间接迁移型半导体的带隙中形成能级的成为再耦合中心的点缺陷，
通过经由所述能级的迁移，将能量小于所述间接迁移型半导体的带隙能量的光放大。
13.根据权利要求12所述的半导体光放大器，其中所述第2电极具备多个分割电极。
14.根据权利要求12或13所述的半导体光放大器，其中所述活性层具备窄于所述第1半导体区域及所述第2半导体区域的带隙。
15.根据权利要求12到14中任一权利要求所述的半导体光放大器，具备：
第1无反射涂膜，配置在所述第1端面；及
第2无反射涂膜，配置在所述第2端面；且
所述第1半导体区域、所述第2半导体区域及所述活性层从所述第1端面朝所述第2端面方向条状延伸。
16.根据权利要求15所述的半导体光放大器，其中所述第1端面与所述第2端面互相平行且从所述第1端面朝所述第2端面方向倾斜。
17.根据权利要求12到15中任一权利要求所述的半导体光放大器，其中所述活性层在所述第2端面附近具备窗区域。
18.根据权利要求12到15中任一权利要求所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷具备空位缺陷。
19.根据权利要求12到15中任一权利要求所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷具备复合缺陷。
20.根据权利要求12到15中任一权利要求所述的半导体光放大器，其中所述点缺陷由添加到所述间接迁移型半导体的杂质形成。
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