HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung
wie einen optischen Modulator, einen optischen Schalter und
dergleichen, die einen nichtlinearen Effekt verwendet, wie
er durch Exzitonen in Halbleiterschichten derselben
hervorgerufen wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik:
In den letzten Jahren wurden optische
Halbleitervorrichtungen wie optische Modulatoren, optische, bistabile
Vorrichtungen und dergleichen in großem Umfang entwickelt, um
optische Nachrichtenübertragung mit superhoher Geschwindigkeit,
optisch-logische Schaltungen und dergleichen zu realisieren.
Von größerem Interesse als Einrichtung zum Erreichen dieser
Ziele kann eine Vorrichtungsstruktur genannt werden, die
einen Quantentrogeffekt verwendet, bei dem einige zehn bis
hunderte von zwei Arten sehr dünner Halbleiterschichten mit
verschiedenen Bandlücken abwechselnd zu einer
Quantentrogstruktur ausgebildet sind. Der Begriff Quantentrogstruktur,
wie er hier verwendet wird, betrifft eine
Dünnschichtstruktur, die aus abwechselnden Schichten aufgebaut ist, die aus
ersten Halbleiterschichten mit einer Dicke, die kleiner als
die de-Broglie-Wellenlänge von ungefähr 200 Å bis 300 Å für
Elektronen oder Löcher sind, und zweiten Halbleiterschichten
mit einer Bandlücke größer als derjenigen der ersten
Halbleiterschicht bestehen. In den letzten Jahren wurden
Epitaxiewachstumstechniken wie Molekularstrahlepitaxie (MBE),
metallorganische, chemische Abscheidung aus der Dampfphase
(MOCVD) usw. entwickelt, durch die eine derartige
Dünnschichtstruktur leicht hergestellt werden kann.
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Da jede Schicht in der Mehrquantentrogstruktur sehr kleine
Dicke aufweist, können sich Elektronen und Löcher in der
Mehrquantentrogschicht nicht frei in Dickenrichtung bewegen,
so daß sie eine starke Tendenz zeigen, zweidimensional in
der Ebene rechtwinklig zur Dickenrichtung eingegrenzt zu
sein. Darüber hinaus ist die Bindungsenergie eines Exzitons,
bei dem ein Elektron und ein Loch durch ihre
Coulomb-Anziehung aneinander gebunden sind, wegen der zweidimensionalen
Eingrenzung von Elektronen und Löchern erhöht, so daß
Exzitonen bei der bei Raumtemperatur vorliegenden Wärmeenergie
auftreten. Es wurden verschiedene optische
Halbleitervorrichtungen vorgeschlagen, die derartige bei Raumtemperatur
vorhandene Exzitonen verwenden, wozu ein optischer Modulator
unter Ausnutzung des elektrischen Feldeffekts gehört. Fig. 5
zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen optischen
Modulator unter Verwendung eines elektrischen Feldeffekts,
der wie folgt hergestellt wird: auf einem Substrat 60 aus
n-GaAs mit (100)-Ausrichtung werden aufeinanderfolgend eine
Schicht 61 aus n-Al0,3Ga0,7As, eine Mehrquantentrog(MQW =
multiple quantum-well)-Schicht (die aus abwechselnden
Schichten aus 50 undotierten GaAs-Trogschichten 62 mit einer
Dicke von jeweils 100 Å und 49 undotierten Al0,3Ga0,7As-
Sperrschichten 63 mit einer Dicke von jeweils 100 Å
besteht), eine Schicht 64 aus p-Al0,3Ga0,7As und eine Schicht
65 aus p-GaAs aufgewachsen. Dann wird der mittlere Abschnitt
sowohl des Substrats 60 aus n-GaAs als auch der Schicht 65
aus p-GaAs durch Photolithographie- und chemische
Ätztechniken kreisförmig mit einem Durchmesser von 200 um entfernt,
was zu kreisförmigen Fenstern 66 führt. Anschließend werden
eine n-seitige Elektrode 67 und p-seitige Elektrode 68 an
der Rückseite bzw. der Oberseite dieser Vorrichtung
ausgebildet,
mit Ausnahme der kreisförmigen Fenster.
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Fig. 6 zeigt die Bandkanten, wenn ein elektrisches Feld an
den vorstehend genannten optischen Modulator angelegt wird,
und Fig. 7 zeigt Absorptionsspektren, wie sie erhalten
werden, wenn der optische Modulator durch das kreisförmige
Fenster mit Licht bestrahlt wird. Wenn an den pn-Übergang des
optischen Modulators eine geeignete Durchlaßspannung
angelegt wird, wird der Mehrquantentrog flach, wie in Fig. 6a
dargestellt, und die Wellenfunktionen sowohl der Elektronen
als auch der Löcher im Leitungsband und im Valenzband weisen
in der Mitte jeder der Trogschichten den Maximalwert auf, so
daß das Übergangsmatrixelement, wie es durch die folgende
Gleichung (1) repräsentiert wird, einen großen Wert
aufweist, was zu einer großen Übergangswahrscheinlichkeit
führt:
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< Ψc P Ψv> (1),
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wobei Ψc und Ψv die Wellenfunktionen von Elektronen bzw.
Löchern im ersten Quantenzustand sind und p der Momentoperator
ist. Demgegenüber sind dann, wenn eine Vorspannung in
Sperrichtung an den pn-Übergang angelegt wird, die Bandkanten
geneigt, wie in Fig. 6b dargestellt, und Ψc und Ψv sind in
zueinander entgegengesetzten Richtungen vorbelastet, so daß
die räumlichen Überlagerungen zwischen diesen
Wellenfunktionen klein werden. Daher weist das Matrixelement der
Gleichung (1) einen kleinen Wert auf, was zu einer Verringerung
der Übergangswahrscheinlichkeit führt. Gleichzeitig
verschieben sich die Quantenzustände Ec und Ev der Elektronen
und Löcher zur Seite geringerer Energie. Die in Fig. 7
reflektierten Absorptionsspektren spiegeln diese Wirkung
wider. Das in Fig. 7(a) dargestellte Absorptionsspektrum 1a
wird dann erhalten, wenn die Bänder flach sind, wie in Fig.
6a gezeigt, und es existiert ein scharfer Peak EH an der
Absorptionskante, entsprechend einem Exzitonenübergang von
Elektronen und schweren Löchern. Wenn dagegen eine
Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, verschiebt sich der
Absorptionspeak EH zur Seite geringerer Energie und seine Höhe
nimmt ab. Der zweite Absorptionspeak EL, der in jedem
Spektrum auftritt, entspricht einem Exzitonenübergang von
Elektronen und leichten Löchern.
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Der vorstehend genannte optische Modulator mit
Mehrquantentrog wird, wie in Fig. 7 dargestellt, durch eines der
kreisförmigen Fenster mit Licht einer der Energie hν
entsprechenden Wellenlänge bestrahlt, und die Intensität des vom
anderen kreisförmigen Fenster emittierten Lichts kann durch eine
angelegte Spannung moduliert werden. Im Fall der Fig. 6a und
7(a) wird das einfallende Licht beinahe ganz am
Absorptionspeak EH an der Bandkante absorbiert, so daß die Intensität
des emittierten Lichts klein ist. Im Fall der Fig. 6b und
7(b) verschiebt sich dagegen der Absorptionskantenpeak EH
zur Seite geringerer Energie, und seine Höhe nimmt ab, so
daß die Absorption für das einfallende Licht der Energie hν
deutlich verringert ist, was zu einer Zunahme der Intensität
des emittierten Lichts führt.
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Bei einem solchen optischen Modulator hängt der
Modulationsindex für das emittierte Licht von der Höhe der
Absorptionskante auf der Seite höherer Energie des Peaks EH, wie in
Fig. 7 dargestellt, ab. Es existiert ein anderer
Absorptionspeak EL, der einem Exzitonenübergang von Elektronen und
leichten Löchern entspricht, und zwar auf der Seite höherer
Energie bezogen auf den Peak EH, so daß dann, wenn eine
Spannung an den optischen Modulator angelegt wird,
einfallendes Licht der Energie hν im Peak EL absorbiert wird. Es
wurde eine Halbleitervorrichtung unter Verwendung des
eindimensionalen Quanteneffekts vorgeschlagen, bei der der
Einfluß des Peaks EL verringert ist (T. Hayakawa et al., US-
Patentanmeldung mit der Seriennummer 159,797, entsprechend
EP-A-0 281 310, nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden
Anmeldung veröffentlicht). Als ein Beispiel dieser
Halbleitervorrichtung ist dort ein optischer Modulator offenbart,
der auf einem GaAs-Substrat mit (111)-Ausrichtung
hergestellt wird, wohingegen ein herkömmlicher optischer
Modulator auf einem GaAs-Substrat mit (100)-Ausrichtung
hergestellt wird. Fig. 8 vergleicht die
Photolumineszenz-Anregungsspektren von Mehrquantentrögen auf Substraten mit
(100)-Ausrichtung und (111)-Ausrichtung bei 77 K. Wie aus
dieser Figur erkennbar, wird dann, wenn der Mehrquantentrog
mit (111)-Ausrichtung verwendet wird, die energetische
Trennung zwischen den Peaks EH und EL groß, und die Höhe des
Peaks EH ist größer als diejenige des Peaks EL. Dies ist
aufgrund der Anisotropie des Bands für die schweren Löcher
in den Richtungen [100] und [111] der Fall. Das heißt, daß
die effektive Masse der schweren Löcher in der Richtung
[111] größer als in der Richtung [100] ist und daß die
Energieniveaus der schweren Löcher ausgehend vom Boden des
Quantentrogs nur leicht ansteigen, so daß sich der Peak EH zur
Seite niedrigerer Energie verschiebt, was zu einer Erhöhung
der energetischen Trennung zwischen den Peaks EH und EL
führt. Darüber hinaus ist dies der Fall, da die effektive
Masse der schweren Löcher in der Ebene (111) größer als in
der Ebene (100) ist, so daß die Zustandsdichte schwerer
Löcher innerhalb des Quantentrogs groß wird, was zu einem
Ansteigen der Übergangswahrscheinlichkeit führt. Die
Verwendung eines solchen Effekts ermöglicht es, die Höhe der
Absorptionskurve auf der Seite höherer Energie bezogen auf den
Peak EH zu erhöhen, so daß die Modulationsamplitude des
emittierten Lichts erhöht werden kann.
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Als typisches Beispiel für andere herkömmliche optische
Halbleitervorrichtungen kann eine optische, bistabile
Vorrichtung genannt werden, die Exzitonenpeaks verwendet, wie
eine Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem Effekt (SEED =
self-electrooptic effect device), wie von Miller et al.
vorgeschlagen, die im einzelnen im folgenden Artikel
beschrieben ist: D.A.B. Miller, D.S. Chemla, T.C. Damen, T.H. Wood,
C.A. Bvrrus, Tr, A.C. Gossard und W. Wigmann, "The quantum
well self-electrooptic effect device, optoelectronic
bistability and oscillation, and self-linearized modulation",
IEEE, J. Quantum Electron., Vol. QE-21, S. 1462(1985).
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Nachfolgend wird das Betriebsprinzip dieses optischen
Schalters kurz erläutert. Fig. 3 zeigt einen optischen Schalter,
in dem die in Fig. 5 dargestellte Mehrquantentrogvorrichtung
in Reihe mit einem externen Widerstand R geschaltet ist und
eine konstante Vorspannung in Sperrichtung zwischen die
beiden Seiten der Mehrquantentrogvorrichtung gelegt ist. Wenn
die Mehrquantentrogvorrichtung durch eines der kreisförmigen
Fenster mit Licht einer Photoenergie nahe der Bandlücke
zwischen den Bandkanten, wie sie vorliegt, wenn keine Spannung
angelegt ist, bestrahlt wird, ist der Absorptionskoeffizient
für einfallendes Licht dann, wenn Spannung angelegt ist,
wegen des Stark-Effekts des Quantentrogs klein, wie in den
Fig. 6 und 7 dargestellt. Eine Erhöhung der Intensität des
einfallenden Lichts führt zu einer Erhöhung des Photostroms,
der von der Absorption des einfallenden Lichts herrührt, so
daß, während der Spannungsabfall in bezug auf den externen
Widerstand R zunimmt, die an den Mehrquantentrog angelegte
Spannung abnimmt. Daher nähert sich das Absorptionsspektrum
des Mehrquantentrogs dann, wenn eine Spannung angelegt wird,
dem in Fig. 7(a) gezeigten Absorptionsspektrum 1a.
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Wenn zwischen der Energie des einfallenden Lichts und der
Exzitonenübergang-Energie für die Elektronen und schweren
Löcher Resonanz auftritt, steigt das Absorptionsvermögen des
Mehrquantentrogs an, und die Menge emittierten Lichts nimmt
schnell ab. Selbst wenn in diesem Zustand die Menge
einfallenden
Lichts verringert wird, wird die optische
Ausgangsleistung auf geringem Niveau gehalten, da von der
Exzitonenabsorption ein großer Photostrom herrührt, was zu einer
Hysterese führt, wie in Fig. 9 dargestellt. Bei dieser Art
optischen Schalters wird das EIN/AUS-Verhältnis der
bistabilen Ausgangsleistung durch die Tiefe der Absorptionskurve
auf der Seite höherer Energie bezogen auf den Peak EH, wie
in Fig. 7 dargestellt, bestimmt. Daher kann ein großes EIN/
AUS-Verhältnis für die bistabile Ausgangsleistung unter
Verwendung eines Quantentrogs mit (111)-Ausrichtung erhalten
werden.
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EP-A-0 311 445, welche Schrift nach dem Anmeldedatum dieser
Anmeldung veröffentlicht wurde, offenbart ein
Halbleiterlaser-Bauelement mit einer aktiven Schicht in Form eines
Mehrquantentrogs. Die aktive Schicht besteht aus
Quantentrogschichten aus GaAs und Sperrschichten aus Ga1-xAlxAs
(x = 0,5)
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In EP-A-0 311 445 ist die Verwendung eines Substrats, das
in die Richtung [111] ausgerichtet ist, nicht offenbart.
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EP-A-0 281 310, welche Schrift nach dem Prioritätsdatum
dieser Anmeldung veröffentlicht wurde und die keinen der in
dieser Anmeldung genannten Vertragsstaaten benennt,
offenbart einen Lichtmodulator unter Verwendung eines
elektrischen Feldeffekts, der auf die Ebene [111]B eines Substrats
aufgewachsen ist. Der Modulator verfügt über eine
Mehrquantentrogschicht aus Quantentrogschichten aus GaAs und
Sperrschichten aus Ga1-xAlxAs (x = 0,7).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die erfindungsgemäße optische Halbleitervorrichtung, die die
vorstehend erörterten und zahlreiche weitere Nachteile und
Mängel des Standes der Technik überwindet, weist eine
Quantentrogstruktur als aktiven Bereich auf, und sie zeigt für
Licht einer Energie nahe der Bandlücke zwischen den
zulässigen Energiebändern im aktiven Bereich einen nichtlinearen
optischen Effekt, wobei diese Quantentrogstruktur aus
abwechselnden Schichten aus mindestens einer ersten
Halbleiterschicht mit einer Dicke kleiner als der
de-Broglie-Wellenlänge von Elektronen oder Löchern, die im Quantentrog
eingeschlossen sind, und mindestens zwei Halbleiterschichten
mit einer Bandlücke, die größer als die der ersten
Halbleiterschicht ist, besteht, wobei die abwechselnden Schichten
entlang einer Kristallrichtung in der Zinkblendestruktur
ausgebildet sind; welche optische Halbleitervorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweiten
Halbleiterschichten vom Typ mit indirektem Übergang sind und daß die
Kristallrichtung die Richtung [111] ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die zweiten
Halbleiterschichten die Zusammensetzung AlxGa1-xAs (mit
0,45 < · ≤ 1) auf.
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Demgemäß ermöglicht die hier beschriebene Erfindung das
Erreichen des Ziels des Schaffens einer optischen
Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneten Eigenschaften, die den
Effekt des Exzitonenübergangs von Elektronen und schweren
Löchern verwendet, wie eines optischen Modulators mit hohem
Modulationsindex und eines optischen Schalters mit stabilen
Schalteigenschaften bei geringer Leistung, in der
Mehrquantentrog-Sperrschichten, die entlang einer Kristallrichtung
in der Zinkblendestruktur ausgebildet sind, vom Typ mit
indirektem Übergang sind, so daß der Einfluß der
Absorptionspeaks für den Exzitonenübergang der Elektronen und leichten
Löcher verringert ist, was zu ausgezeichneten
Bauelementeigenschaften führt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf die folgenden
Zeichnungen vom Fachmann besser verstanden werden, und ihre
zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden demselben daraus
deutlich:
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen,
absorbierenden optischen Modulator mit elektrischem
Feldeffekt, mit einem Querschnitt durch den Mehrquantentrog der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem
Effekt.
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Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen,
lasenden optischen Modulator mit elektrischem Feldeffekt.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau
einer Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem Effekt zeigt.
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die einen
erfindungsgemäßen optischen Schalter mit Totalreflexion zeigt.
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Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen herkömmlichen,
absorbierenden optischen Modulator mit elektrischem Feldeffekt.
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Fig. 6a und 6b sind schematische Diagramme, die die
Bandkanten für den Mehrkantentrog beim in Fig. 5 dargestellten
optischen Modulator für den Fall zeigen, daß ein elektrisches
Feld an den optischen Modulator angelegt ist.
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Fig. 7 zeigt Absorptionsspektren für den Mehrquantentrog des
in Fig. 5 gezeigten optischen Modulators für den Fall, daß
ein elektrisches Feld an den optischen Modulator angelegt
ist.
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Fig. 8 zeigt Anregungsspektren für Quantentröge mit (111)-
Ausrichtung und (100)-Ausrichtung.
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Fig. 9 ist eine Charakteristikkurve, die die optische
Bistabilität einer Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem
Effekt zeigt.
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Fig. 10 ist eine Charakteristikkurve, die die Beziehung
zwischen dem Al-Molenbruch (d. h. x) für die Sperrschichten
aus AlxGa1-xAs in einem Quantentrog mit (111)-Ausrichtung
und dem Peakintensitätsverhältnis IEN/EEL im
Anregungsspektrum des Quantentrogs mit (111)-Ausrichtung zeigt, wobei
der Peak EH dem Übergang von Elektronen und schweren Löchern
entspricht, während der Peak EL dem Übergang von Elektronen
und leichten Löchern entspricht.
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Fig. 11 ist ein Querschnitt durch den Schnittbereich des in
Fig. 4 dargestellten optischen Schalters mit Totalreflexion.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bei jeder Vorrichtung, die den Exzitonenübergang von
Elektronen und schweren Löchern nutzt, kann die energetische
Trennung zwischen den Peaks EH und EL, wie in Fig. 7
dargestellt, unter Verwendung eines Quantentrogs mit
(111)-Ausrichtung vergrößert werden. Um den Einfluß des Peaks EL
weiter zu verringern, ist es erwünscht, das
Intensitätsverhältnis zwischen den Peaks EH und EL zu erhöhen.
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Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen dem
Peakintensitätsverhältnis (d. h. IEM/IEL) und dem Al-Molenbruch für die
Sperrschichten, welche Beziehung aus
Photolumineszenz-Anregungsspektren für die Mehrquantentröge mit (111)-Ausrichtung für
verschiedene Al-Molenbrüche erhalten wird. Wie es aus dieser
Figur erkennbar ist, ist dann, wenn der Al-Molenbruch 0,45
oder mehr beträgt, das Verhältnis der Intensität des Peaks
EH zu derjenigen des Peaks EL deutlich erhöht. Wenn der Al-
Molenbruch für die Sperrschichten in diesem Bereich (d. h.
0,45 ≤ · ≤ 1) ausgewählt wird, können optische
Halbleitervorrichtungen mit extrem ausgezeichneten Eigenschaften
erhalten werden.
Beispiel 1
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, absorbierenden
optischen Modulator mit elektrischem Feldeffekt, der wie folgt
hergestellt wird: auf die Ebene eines n-GaAs-Substrats 10,
das unter einem Winkel von 0,5 Grad gegen die Ebene (111)
geneigt ist, werden aufeinanderfolgend durch
Molekularstrahlepitaxie oder dergleichen eine n-Al0,3Ga0,7As-Schicht
11, eine Mehrquantentrogschicht (die aus abwechselnden
Schichten aus neunundvierzig Trogschichten 12 aus
undotiertem GaAs mit einer Dicke von jeweils 100 Å und fünfzig
Sperrschichten 13 aus undotiertem AlAs mit einer Dicke von
jeweils 100 Å besteht), eine p-Al0,3Ga0,7As-Schicht 14 und
eine p-GaAs-Schicht 15 aufgewachsen.
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Dann wird durch Photolithographie- und chemische
Ätztechniken der Mittelbereich des n-GaAs-Substrats 10 und der p-
GaAs-Schicht 15 kreisförmig mit einem Durchmesser von 100 um
entfernt, und auf der Oberseite der p-GaAs-Schicht 15 und
der Rückseite des n-GaAs-Substrats 10 werden eine p-seitige
Elektrode 16 bzw. eine n-seitige Elektrode 17 angebracht.
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Der sich ergebende optische Modulator wird durch eines der
kreisförmigen Fenster hindurch mit monochromatischem Licht
bestrahlt, das von einer anderen Laserlichtquelle
abgestrahlt wird und eine Wellenlänge von 848 nm aufweist, und
die Intensität des durch das andere kreisförmige Fenster
emittierten Lichts wird durch das Anlegen einer Vorspannung
in Sperrichtung an die Mehrquantentrogschicht moduliert. Die
Wellenlänge des einfallenden Lichts entspricht der
Energielücke zwischen den Bandkanten der Mehrquantentrogschicht
ohne Spannung.
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Als Bezugsstandard wurde ein absorbierender optischer
Modulator mit elektrischem Feldeffekt mit einer
Mehrquantentrogschicht aus abwechselnden Schichten aus neunundvierzig
Trogschichten aus undotiertem GaAs und fünfzig Sperrschichten
aus undotiertem Al0,3Ga0,7As auf der Ebene (100) eines n-
GaAs-Substrats hergestellt, wie in Fig. 5 dargestellt, und
ein anderer absorbierender optischer Modulator mit
elektrischem Feldeffekt mit derselben Struktur wie in Fig. 5 wurde
auf der Ebene (111) eines n-GaAs-Substrats hergestellt.
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Im Ergebnis war die Modulationsamplitude des optischen
Modulators dieses Beispiels das Vierfache derjenigen des
optischen Modulators mit der Mehrquantentrogschicht mit
Sperrschichten aus Al0,3Ga0,7As über dem Substrat mit
(100)-Ausrichtung, und sie war das Doppelte derjenigen des optischen
Modulators mit der Mehrquantentrogschicht mit Sperrschichten
aus undotiertem Al0,3Ga0,7As auf dem Substrat mit
(111)-Ausrichtung.
Beispiel 2
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Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen, lasenden optischen
Modulator mit elektrischem Feldeffekt, der wie folgt
hergestellt wurde: auf einem n-GaAs-Substrat 20 mit
(111)-Ausrichtung wurden aufeinanderfolgend durch
Molekularstrahlepitaxie eine Schicht 21 aus n-Al0,75Ga0,25As, eine
Mehrquantentrogschicht (aus abwechselnden Schichten aus zehn
Trogschichten 22 aus undotiertem Al0,2Ga0,8As mit jeweils
einer Dicke von 100 Å und neun Sperrschichten 23 aus
undotiertem Al0,5Ga0,5As mit jeweils einer Dicke von 40 Å), eine
Schicht 24 aus p-A10,75Ga0,25As und eine Schicht 25 aus
p-GaAs aufgewachsen.
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Danach wurden die Halbleiter-Wachstumsschichten auf dem
Substrat aus n-GaAs selektiv durch eine reaktive Ionenstrahl-
Ätztechnik so geätzt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, daß
ein Laserschwingungsteil und ein Modulationsteil getrennt
voneinander ausgebildet wurden. Der Laserschwingungsteil und
der Modulationsteil wiesen eine Breite von 30 um und eine
Länge von 200 um auf. Danach wurden auf der Rückseite des
Substrats aus n-GaAs und der Oberseite der Schicht 25 des
Laserschwingungsteils und des Modulationsteils eine
n-seitige Elektrode 27 bzw. eine p-seitige Elektrode 28
ausgebildet.
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Das vom Laserschwingungsteil durch einen in Durchlaßrichtung
fließenden Strom emittierte Laserlicht wird, während es im
Modulationsteil geführt wird, durch das Anlegen einer
Vorspannung in Sperrichtung an denselben moduliert und vom
Modulationsteil abgestrahlt.
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Als Bezugsstandard wurde ein lasender optischer Modulator
mit elektrischem Feldeffekt mit einer anderen Struktur als
derjenigen von Fig. 2 wie folgt hergestellt: auf einem n-
GaAs-Substrat mit (111)-Ausrichtung wurden
aufeinanderfolgend durch Molekularstrahlepitaxie eine n-Al0,55Ga0,45As-
Schicht, eine Mehrquantentrogschicht (aus abwechselnden
Schichten aus zehn Trogschichten aus undotiertem GaAs mit
jeweils einer Dicke von 100 Å und neun Sperrschichten aus
undotiertem Al0,3Ga0,7As mit jeweils einer Dicke von 40 Å),
eine p-Al0,55Ga0,45As-Schicht und eine p-GaAs-Schicht
aufgewachsen. Danach wurde der optische Modulator auf dieselbe
Weise fertiggestellt wie beim vorstehend angegebenen
Beispiel von Fig. 2.
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Die Modulationsamplitude des optischen Modulators dieses
Beispiels wurde mit derjenigen des optischen Modulators nach
dem Bezugsstandard verglichen, und es zeigte sich, daß die
erstere das Doppelte der letzteren war. Dies ist der Fall,
da der Al-Molenbruch (d. h. x = 0,5) in der Mehrquantentrog-
Sperrschicht beim erfindungsgemäßen optischen Modulator
höher als beim optischen Modulator gemäß dem Bezugsstandard
ist, so daß der Exzitonenabsorptionseffekt durch Elektronen
und leichte Löcher verringert ist.
Beispiel 3
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit eigenem
elektrooptischem Effekt wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig.
1 und 3 erläutert. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird ein pin-
Bauelement mit derselben Mehrquantentrogstruktur wie beim
in Fig. 1 dargestellten Beispiel 1 mit einem Außenwiderstand
R mit einem Widerstandswert von 1 MΩ verbunden, und sie wird
auch mit einer Spannungsquelle mit einer Konstantspannung
von 20 Volt so verbunden, daß an die Mehrquantentrogschicht
dieses pin-Bauelements eine Vorspannung in Sperrichtung
angelegt wird.
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Wenn das Bauelement durch eines der kreisförmigen Fenster
mit Licht mit einer Wellenlänge von 855 nm bestrahlt wird,
zeigt das durch das andere kreisförmige Fenster emittierte
Licht eine bistabile Charakteristik, wie sie in Fig. 9
dargestellt ist.
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Als Bezugsstandard wurde eine Vorrichtung mit eigenem
elektrooptischem Effekt unter Verwendung des optischen
Modulators mit Mehrquantentrog mit den Sperrschichten aus
undotiertem Al0,3Ga0,7As, wie in Fig. 5 dargestellt,
hergestellt.
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Das EIN/AUS-Verhältnis der Ausgangsleistung im bistabilen
Zustand der Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem Effekt
bei diesem Beispiel war doppelt so groß wie bei der
Vorrichtung gemäß dem Bezugsstandard. Dies, da der AI-Molenbruch
(d. h. x = 0,5) in der Mehrquantentrog-Sperrschicht der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit eigenem elektrooptischem
Effekt größer als bei der Vorrichtung gemäß dem
Bezugsstandard ist, was zu schwacher Absorption beim Peak EL in Fig. 7
dargestellten Spektrum führt.
Beispiel 4
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Fig. 4 zeigt einen optischen Schalter mit Totalreflexion,
bei dem durch Ändern des Brechungsindex im Schnittbereich x
zwischen zwei optischen Wellenleitern einfallendes Licht L&sub1;
in einer gewünschten Richtung L&sub2; oder L&sub3; durchgestrahlt oder
reflektiert wird. Das Grundprinzip eines derartigen
optischen Schalters ist im einzelnen im folgenden Artikel
beschrieben: C. S. Tsai, B. Kim, F. R. El-Akkari, "Optical
channel waveguide switch and coupler using total internal
reflection", IEEE, J. Quantum Electron, Vol. QE-14, S. 513
(1978).
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Als Verfahren zum Ändern des Brechungsindex im
Schnittbereich x bei einem solchen optischen Schalter ist ein
Verfahren gut bekannt, bei dem eine Mehrquantentrogschicht im
Schnittbereich ausgebildet wird und der Brechungsindex der
Schicht durch die daran angelegte Spannung gesteuert wird.
Ein solches Verfahren ist im einzelnen im folgenden Artikel
beschrieben: N. Nagai, Y. Kan, M. Yamanishi und I. Suemune,
"Electroreflectance spectra and field induced variation in
refractive index of a GaAs/AlAs quantum well structure at
room temperature", Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 125, S. L640
(1986).
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Fig. 11 zeigt die Struktur der Mehrquantentrogschicht des
optischen Schalters dieses Beispiels, der wie folgt
hergestellt wird: auf die Ebene eines n-GaAs-Substrats 130, die
unter einem Winkel von 0,5 Grad gegen die Ebene (111)
geneigt ist, werden aufeinanderfolgend durch
Molekularstrahlepitaxie oder dergleichen eine n-Al0,6Ga0,4As-Schicht 131,
eine Mehrquantentrogschicht (aus abwechselnden Schichten aus
fünfzig Trogschichten 132 aus undotiertem GaAs mit jeweils
einer Dicke von 100 Å und neunundvierzig Sperrschichten 133
aus undotiertem Al0,6Ga0,4As mit einer Dicke von jeweils
200 Å), eine p-Al0,6Ga0,4As-Schicht 134 und eine p-GaAs-
Schicht 135 aufgewachsen. Dann werden auf der Rückseite des
n-GaAs-Substrats 130 und der Oberseite der p-GaAs-Schicht
135 eine n-seitige Elektrode 136 bzw. eine p-seitige
Elektrode 137 ausgebildet.
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Wenn an die Elektroden 136 und 137 keine Spannung angelegt
wird, wird einfallendes Licht L&sub1; in der Richtung L&sub2;
durchgelassen, wie in Fig. 4 dargestellt. Wenn an die
Mehrquantentrogschicht eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird,
nimmt der Brechungsindex im Schnittbereich zwischen den zwei
optischen Wellenleitern ab, so daß das einfallende Licht L&sub1;
in der Richtung L&sub3; totalreflektiert wird, wie in Fig. 4
dargestellt.
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Als Bezugsstandard wurde ein optischer Schalter mit
Totalreflexion mit als Mehrquantentrog-Sperrschichten verwendeten
Schichten aus undotiertem Al0,4Ga0,6As hergestellt. Der
optische Schalter dieses Beispiels hatte bei einer geringeren
angelegten Spannung einen höheren Reflexionsindex als der
optische Schalter gemäß dem Bezugsstandard. Dies, weil der
Einfluß des Peaks EL im in Fig. 7 dargestellten
Absorptionsspektrum verringert ist.
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Obwohl die vorstehend angegebenen Beispiele nur optische
Halbleitervorrichtungen offenbaren, bei denen AlxGa1-xAs-
Schichten (mit 0,45 < · ≤ 1, was heißt, daß diese Schichten
eine Zusammensetzung für indirekten Übergang aufweisen) als
Mehrquantentrog-Sperrschichten verwendet werden, besteht für
die Zusammensetzung der Sperrschichten keine Beschränkung
hierauf, sondern es können beliebige Sperrschichten vom Typ
mit indirektem Übergang in der Mehrquantentrogschicht
verwendet werden, die aus Schichten eines III-V-Halbleiters
besteht, die in der Richtung [111] gewachsen sind, um
denselben Quanteneffekt zu erzielen. Zum Beispiel kann die
Mehrquantentrogschicht aus (AlxGa1-x)0,51In0,49P-Schichten (mit
0 ≤ · ≤ 0,67) als Trogschichten und (Alx'Ga1-x')0,51In0,49P-
Schichten (mit 0 67 ≤ x' ≤ 1) als Sperrschichten bestehen,
wobei beide abwechselnd auf ein GaAs-Substrat mit
(111)-Ausrichtung aufgewachsen sind.
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Darüber hinaus können, wenn die Dicke jeder Schicht in der
Mehrquantentrogschicht
klein ist, selbst dann, wenn zwischen den
Gitterkonstanten eine Fehlanpassung besteht, Halbleiterkristall-
Schichten hoher Qualität erhalten werden. Daher kann zum
Erzielen desselben Quanteneffekts eine Mehrquantentrogschicht
verwendet werden, die aus abwechselnden Schichten aus
(AlxGa1-x) 0,47In0,53As-Schichten als Trogschichten und
(Alx'Ga1-x')y'In1-y'As-Schichten vom Typ mit indirektem
Übergang (d. h. Aly'In1-y'As mit 0,68 ≤ y' ≤ 1) als
Sperrschichten besteht, wobei die abwechselnden Schichten auf ein
InP-Substrat mit (111)-Ausrichtung aufgewachsen sind, wie
auch eine Mehrquantentrogschicht aus abwechselnden Schichten
aus AlxGa1-xSb-Schichten (mit · ≤ 0,2) als Trogschichten und
Alx'Ga1-x'Sb-Schichten (mit 0,2 ≤ x' ≤ 1) als
Sperrschichten, wobei die abwechselnden Schichten auf ein GaSb-Substrat
mit (111)-Ausrichtung aufgewachsen sind.
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Es ist selbstverständlich, daß für den Fachmann verschiedene
andere Modifizierungen erkennbar sind und von diesem leicht
vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der
Erfindung abzuweichen.