JP2000021671A - Manufacture of magneto-optical device and the device - Google Patents

Manufacture of magneto-optical device and the device

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JP2000021671A
JP2000021671A JP10190688A JP19068898A JP2000021671A JP 2000021671 A JP2000021671 A JP 2000021671A JP 10190688 A JP10190688 A JP 10190688A JP 19068898 A JP19068898 A JP 19068898A JP 2000021671 A JP2000021671 A JP 2000021671A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a magneto-optical device, using magneto-optical effect, which can be integrated with a semiconductor optical device by forming a magnetic body particulate/semiconductor compound material and stacking the compound material on a semiconductor substrate by combining a crystal growing method, which has strong non-balance growth conditions and a heat treatment after the growth and the magnet-optical device. SOLUTION: On a semiconductor substrate 1, a magnetic mixed crystal semiconductor 3 is formed through epitaxial growth across a semiconductor layer 2, and a heat treatment is carried out in or after the epitaxial growth to form a magnetic body particulate/semiconductor compound material 4, having ferromagnetic particulates embedded in the semiconductor. This process is repeated to form a multilayered heterostructure which includes a magnetic body particulate/semiconductor compound structure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性体微粒子/半
導体複合材料を用いた磁気光学装置(磁気光学デバイ
ス)の製造方法及びその磁気光学装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a magneto-optical device (magneto-optical device) using a magnetic fine particle / semiconductor composite material and a magneto-optical device thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば本願発明者の提案にかかる以下に開示されるよう
なものがあった。 〔1〕田中 雅明、林 稔晶、西永 頌、島田 宏“II
I-V 族希薄磁性半導体GaMnAsのエピタキシャル成
長と磁性・電気伝導特性”日本応用磁気学会誌、21,
pp.393−396(1997). 〔2〕T.Hayashi,M.Tanaka,T.N
ishinaga and H.Shimada“Ga
MnAs:New III-V Based Diluted
Magnetic Semiconductors
Grown by Molecular Beam E
pitaxy”J.of Crystal Growt
h 175/176,pp.1063−1068(19
97). 〔3〕Masaaki Tanaka“Epitaxi
al Ferromagnetic Thin Fil
ms and Heterostructures o
f Mn−based Metallic and S
emiconducting Compounds o
n GaAs”,Instituteof Elect
rical Engineers of Japan,
MAG97−189,pp.31−38,Ryukyu
University,November 199
7.〔田中 雅明“磁性体/半導体ハイブリッド構造の
形成とその物性”電気学会マグネティクス研究会、MA
G−97−189,pp.31−38,琉球大学、19
97年11月〕 上記論文〔1〕及び〔2〕には、いずれも磁性半導体
(GaMn)Asの製造方法、その構造評価、電気伝
導、磁気的性質等について述べている。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques in such a field include:
For example, there has been a proposal disclosed by the present inventors as disclosed below. [1] Masaaki Tanaka, Minoru Hayashi, Akira Nishinaga, Hiroshi Shimada “II
Epitaxial growth and magnetic and electric conduction characteristics of Group IV diluted magnetic semiconductor GaMnAs "Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, 21,
pp. 393-396 (1997). [2] T.I. Hayashi, M .; Tanaka, T .; N
ishinaga and H .; Shimada "Ga
MnAs: New III-V Based Diluted
Magnetic Semiconductors
GROWN BY MOLECULAR BEAM E
pitxy "J. of Crystal Growth
h 175/176 pp. 1063-1068 (19
97). [3] Masaaki Tanaka "Epitaxi
al Ferromagnetic Thin Film
ms and Heterostructures o
f Mn-based Metallic and S
emiconing Compounds o
n GaAs ", Institute of Select
Rikal Engineers of Japan,
MAG97-189, pp. 31-38, Ryukyu
University, November 199
7. [Masaaki Tanaka “Formation of Magnetic / Semiconductor Hybrid Structure and Its Physical Properties” IEICE Magnetics Research Group, MA
G-97-189, pp. 31-38, University of the Ryukyus, 19
November 1997] Both the above-mentioned papers [1] and [2] describe a method of manufacturing a magnetic semiconductor (GaMn) As, its structure evaluation, electric conduction, magnetic properties, and the like.

【0003】また、上記論文〔3〕には、磁性半導体
(GaMn)As/非磁性半導体(AlAs)からなる
超格子の製造法、構造評価、電気伝導、磁気的性質につ
いて述べている。
In addition, the above-mentioned paper [3] describes a method of manufacturing a superlattice composed of a magnetic semiconductor (GaMn) As / a non-magnetic semiconductor (AlAs), a structure evaluation, electric conduction, and magnetic properties.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本願発明者は、上記し
たような磁性半導体(GaMn)As/非磁性半導体
(AlAs)からなる超格子を更に発展させて、磁性体
微粒子/半導体複合材料を用いた磁気光学装置を開発し
た。本発明は、上記状況に鑑みて、強い非平衡成長条件
を有する結晶成長法と成長後の熱処理を組み合わせるこ
とにより、磁性体微粒子/半導体複合材料を形成し、こ
の複合材料を半導体基板上に積層することにより、半導
体光デバイスと集積化が可能な磁気光学効果を用いた磁
気光学装置の製造方法及びその磁気光学装置を提供する
ことを目的とする。
The inventor of the present application has further developed a superlattice composed of a magnetic semiconductor (GaMn) As / non-magnetic semiconductor (AlAs) as described above to use a magnetic fine particle / semiconductor composite material. Was developed. In view of the above situation, the present invention forms a magnetic fine particle / semiconductor composite material by combining a crystal growth method having a strong non-equilibrium growth condition and a heat treatment after growth, and laminates this composite material on a semiconductor substrate. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magneto-optical device using a magneto-optical effect that can be integrated with a semiconductor optical device, and a magneto-optical device thereof.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕磁気光学装置の製造方法において、半導体基板上
に半導体層を介して、磁性混晶半導体をエピタキシャル
成長させる工程と、前記エピタキシャル成長中または成
長後に熱処理することにより、半導体中に強磁性微粒子
が埋め込まれた磁性体微粒子/半導体複合材料を形成す
る工程とを施すようにしたものである。
According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a magneto-optical device, comprising: a step of epitaxially growing a magnetic mixed crystal semiconductor on a semiconductor substrate via a semiconductor layer; And performing a heat treatment during or after the epitaxial growth to form a magnetic fine particle / semiconductor composite material in which ferromagnetic fine particles are embedded in a semiconductor.

【0006】〔2〕上記〔1〕記載の磁気光学装置の製
造方法において、前記エピタキシャル成長は、強い非平
衡成長条件を有する結晶成長法による。 〔3〕上記〔2〕記載の磁気光学装置の製造方法におい
て、前記結晶成長法は、低温成長分子線エピタキシー法
である。 〔4〕上記〔1〕記載の磁気光学装置の製造方法におい
て、前記エピタキシャル成長によって、半導体中に大量
の磁性イオンを固溶させるようにしたものである。
[2] In the method of manufacturing a magneto-optical device according to the above [1], the epitaxial growth is performed by a crystal growth method having strong non-equilibrium growth conditions. [3] In the method for manufacturing a magneto-optical device according to the above [2], the crystal growth method is a low-temperature growth molecular beam epitaxy method. [4] The method for manufacturing a magneto-optical device according to [1], wherein a large amount of magnetic ions are dissolved in the semiconductor by the epitaxial growth.

【0007】〔5〕上記〔1〕記載の磁気光学装置の製
造方法において、前記磁性体微粒子の大きさは、磁性イ
オンの濃度と熱処理温度によって制御可能にするように
したものである。 〔6〕上記〔5〕記載の磁気光学装置の製造方法におい
て、前記磁性体微粒子/半導体複合材料は、半導体と強
磁性体の性質を併せ持ち、室温での磁気・磁気光学特性
を制御可能である。
[5] In the method for manufacturing a magneto-optical device according to the above [1], the size of the magnetic fine particles can be controlled by the concentration of magnetic ions and the heat treatment temperature. [6] In the method for manufacturing a magneto-optical device according to the above [5], the magnetic fine particle / semiconductor composite material has properties of a semiconductor and a ferromagnetic material, and can control the magneto-optical characteristics at room temperature. .

【0008】〔7〕磁気光学装置において、屈折率の低
い半導体層と屈折率の高い半導体光導波路層の界面ある
いは導波路層中に、磁性体微粒子/半導体複合材料を有
する磁気光学層を挿入し、その屈折率差によって、光は
半導体光導波路層に閉じ込められ、導波路になるが、強
い磁気光学効果をもつ前記磁性体微粒子/半導体複合材
料を有する磁気光学層によって、ファラデー効果を生成
するようにしたものである。
[7] In the magneto-optical device, a magneto-optical layer having a magnetic fine particle / semiconductor composite material is inserted at an interface between a semiconductor layer having a low refractive index and a semiconductor optical waveguide layer having a high refractive index or in the waveguide layer. Due to the refractive index difference, light is confined in the semiconductor optical waveguide layer and becomes a waveguide, but the Faraday effect is generated by the magneto-optical layer having the magnetic fine particles / semiconductor composite material having a strong magneto-optical effect. It was made.

【0009】〔8〕磁気光学装置において、屈折率の低
い半導体層と屈折率の高い半導体光導波路層の界面に、
磁性体微粒子/半導体複合材料を有する磁気光学層を挿
入し、その屈折率差によって、光は半導体光導波路層に
閉じ込められ、導波路になるが、強い磁気光学効果をも
つ前記磁性体微粒子/半導体複合材料を有する磁気光学
層を半導体レーザの出力側導波路に接続させて集積化さ
せ、磁場によって波長可変な半導体発光素子からなる。
磁場によって発光波長を可変な半導体素子は、例えば半
導体レーザの活性層付近に、磁性体微粒子/半導体複合
材料を挿入することによって、この層のもつ大きな磁気
光学効果を通して外部磁場で発振波長を変えることがで
きるようにしたものである。
[8] In the magneto-optical device, at the interface between the semiconductor layer having a low refractive index and the semiconductor optical waveguide layer having a high refractive index,
A magneto-optical layer having a magnetic fine particle / semiconductor composite material is inserted, and light is confined in the semiconductor optical waveguide layer due to the difference in refractive index to become a waveguide, but the magnetic fine particle / semiconductor having a strong magneto-optical effect A magneto-optical layer having a composite material is connected to an output-side waveguide of a semiconductor laser to be integrated, and is made of a semiconductor light emitting element whose wavelength is tunable by a magnetic field.
For a semiconductor device whose emission wavelength can be varied by a magnetic field, for example, by inserting magnetic fine particles / semiconductor composite material near the active layer of a semiconductor laser, the oscillation wavelength can be changed by an external magnetic field through the large magneto-optical effect of this layer. Is made possible.

【0010】本発明によれば、上記したように、強い非
平衡成長条件を有する結晶成長法と成長後のアニールを
組み合わせることにより、磁性体微粒子/半導体複合材
料を形成することができる。この複合材料を用いて半導
体と集積化することにより、磁気光学効果を用いたデバ
イス、高性能非相反光デバイス等の新規な磁気光学デバ
イスが得られることを見出した。特に、磁性微粒子を任
意の位置に含む半導体ヘテロ構造により設計自由度の大
きい磁気光学デバイスが可能となったものである。これ
らの新規デバイスは室温において動作可能で、従来の半
導体光デバイスとも集積化が可能であるなど、これまで
にない特徴を有している。
According to the present invention, as described above, a magnetic fine particle / semiconductor composite material can be formed by combining a crystal growth method having strong non-equilibrium growth conditions with annealing after growth. It has been found that a new magneto-optical device such as a device using the magneto-optical effect and a high-performance non-reciprocal optical device can be obtained by integrating the composite material with a semiconductor. In particular, a magneto-optical device having a high degree of freedom in design has been made possible by a semiconductor heterostructure including magnetic fine particles at an arbitrary position. These new devices have unprecedented features such as being operable at room temperature and being able to be integrated with conventional semiconductor optical devices.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の実
施例を示す磁性体微粒子/半導体複合材料を用いた磁気
光学デバイスの製造工程断面図である。 (1)まず、図1(a)に示すように、半導体基板1上
に半導体層2を介して、磁性混晶半導体3をエピタキシ
ャル成長させる。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a magneto-optical device using a magnetic fine particle / semiconductor composite material according to an embodiment of the present invention. (1) First, as shown in FIG. 1A, a magnetic mixed crystal semiconductor 3 is epitaxially grown on a semiconductor substrate 1 via a semiconductor layer 2.

【0012】ここで、磁性混晶半導体層のエピタキシャ
ル成長は、強い非平衡成長条件を有する結晶成長法(例
えば、低温成長分子線エピタキシー法)による。つま
り、強い非平衡成長条件を有する結晶成長法(例えば、
低温成長分子線エピタキシー法)によって、Si,Ga
As,InP,InGaAsなどの半導体中に大量の磁
性イオン(Fe,Mn,Co,Niなど)を固溶させ
る。
Here, the epitaxial growth of the magnetic mixed crystal semiconductor layer is performed by a crystal growth method having a strong non-equilibrium growth condition (for example, a low temperature growth molecular beam epitaxy method). That is, a crystal growth method having strong non-equilibrium growth conditions (for example,
Si, Ga by low-temperature growth molecular beam epitaxy)
A large amount of magnetic ions (Fe, Mn, Co, Ni, etc.) are dissolved in a semiconductor such as As, InP, InGaAs or the like.

【0013】このような、強い非平衡成長条件を用いる
と、固溶限界(約0.01%程度)を越える濃度の大量
の磁性イオン(数%)を半導体中に混入させた新しい混
晶半導体を作製することが可能である。 (2)次に、成長中または成長後にアニール(熱処理)
することにより、図1(b)に示すように、半導体基板
1及び半導体層2上に磁性体微粒子/半導体複合材料4
を形成する。
Under such strong non-equilibrium growth conditions, a new mixed crystal semiconductor in which a large amount of magnetic ions (several%) having a concentration exceeding the solid solution limit (about 0.01%) is mixed in the semiconductor. Can be produced. (2) Next, annealing (heat treatment) during or after growth
As a result, as shown in FIG. 1B, the magnetic fine particles / semiconductor composite material 4 is formed on the semiconductor substrate 1 and the semiconductor layer 2.
To form

【0014】この熱処理によって、半導体中に単独の原
子(またはイオン)として存在した磁性元素は、半導体
の一部の構成元素を取り込んで強磁性化合物の微粒子と
なる。すなわち、半導体中に強磁性微粒子が埋め込まれ
た磁性体微粒子−半導体複合材料系が作製できる。強磁
性微粒子の大きさは、元々の磁性イオンの濃度と熱処理
温度(300℃〜800℃)によって制御できる。例え
ばGaAs−MnAs微粒子から成る複合材料系の場
合、1nm程度から数μm程度まで可変である。
By this heat treatment, the magnetic element existing as a single atom (or ion) in the semiconductor becomes a fine particle of a ferromagnetic compound by taking in some of the constituent elements of the semiconductor. That is, a magnetic fine particle-semiconductor composite material system in which ferromagnetic fine particles are embedded in a semiconductor can be produced. The size of the ferromagnetic fine particles can be controlled by the original concentration of magnetic ions and the heat treatment temperature (300 ° C. to 800 ° C.). For example, in the case of a composite material system composed of GaAs-MnAs fine particles, it can be varied from about 1 nm to about several μm.

【0015】上記した図1(a),図1(b)に示すよ
うなプロセスを繰り返すことによって、図1(c)に示
すような磁性体微粒子を任意の位置に含む多層の複合材
料を形成することもできる。このようにして製造された
磁性体微粒子/半導体複合材料を用いた磁気光学デバイ
スの結晶性と磁気的特性について説明する。
By repeating the process shown in FIGS. 1A and 1B, a multilayer composite material containing magnetic fine particles at an arbitrary position as shown in FIG. 1C is formed. You can also. The crystallinity and magnetic characteristics of a magneto-optical device using the magnetic fine particles / semiconductor composite material manufactured in this manner will be described.

【0016】図2は本発明の磁気光学デバイスの複合構
造中における半導体と磁性体微粒子の単結晶性を示すX
線回折スペクトル特性図である。この図において、横軸
は2θ(θはX線の入射角度)、縦軸はX線回折強度
(相対単位)である。この図から明らかなように、複合
構造中における半導体と磁性体微粒子は、両方ともに良
好な単結晶性を保っていることが明らかである。
FIG. 2 is a graph showing the single crystallinity of the semiconductor and the magnetic fine particles in the composite structure of the magneto-optical device of the present invention.
It is a line diffraction spectrum characteristic view. In this figure, the horizontal axis is 2θ (θ is the incident angle of X-rays), and the vertical axis is X-ray diffraction intensity (relative unit). As is clear from this figure, it is clear that both the semiconductor and the magnetic fine particles in the composite structure maintain good single crystallinity.

【0017】また、磁性体微粒子−半導体複合材料系
は、アニール(熱処理)の温度や時間を変えることによ
って、飽和磁化の値が大きくなり、磁気的特性を大幅に
変えることができる。図3は本発明の実施例を示す磁性
混晶半導体(GaAs)Mnの熱処理前、およびMnA
s磁性体微粒子の熱処理後の室温における磁化特性の一
例を示す図である。
In the magnetic fine particle-semiconductor composite material system, the value of the saturation magnetization is increased by changing the temperature and time of annealing (heat treatment), so that the magnetic characteristics can be significantly changed. FIG. 3 shows an embodiment of the present invention before and after heat treatment of a magnetic mixed crystal semiconductor (GaAs) Mn and MnA.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of magnetization characteristics at room temperature after heat treatment of s-magnetic fine particles.

【0018】この図から明らかなように、MnAs磁性
体微粒子の熱処理により、磁化特性の向上を図ることが
できる。また、磁気光学効果も大きく変えることができ
る。図4は本発明の実施例を示すGaAsマトリックス
中に埋め込まれたMnAs磁性体微粒子の磁気円2色性
(magnetic circular dichro
ism,MCD)のスペクトルを示す図である。ここ
で、横軸は光子エネルギー(eV)、縦軸はMCD(m
deg)である。
As is apparent from this figure, the heat treatment of the MnAs magnetic fine particles can improve the magnetization characteristics. Further, the magneto-optical effect can be greatly changed. FIG. 4 shows magnetic circular dichroism (Magnetic circular dichroic) of MnAs magnetic fine particles embedded in a GaAs matrix showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of ism, MCD). Here, the horizontal axis is photon energy (eV), and the vertical axis is MCD (m
deg).

【0019】この図に示すように、反射光を用いて測定
した磁気円2色性(MCD)のスペクトルを比べてみる
と、スペクトル形状、強度ともに大きく変化している。
したがって、製造条件を変えることにより、構造を変え
ることのみならず、室温における磁気的特性および磁気
光学効果を変える(制御する)ことが可能になる。
As shown in the figure, comparing the spectra of magnetic circular dichroism (MCD) measured using the reflected light, both the spectral shape and the intensity greatly change.
Therefore, by changing the manufacturing conditions, it is possible not only to change the structure, but also to change (control) the magnetic properties and the magneto-optical effect at room temperature.

【0020】このように、半導体と強磁性体の性質を併
せ持ち、室温での磁気・磁気光学特性を制御可能である
ことが、この材料系の特徴である。これに対して、従来
の磁性半導体では、強磁性転移温度が低いために、室温
で磁気・磁気光学特性を制御するとはできなかった。次
に、ヘテロ構造を利用した新しい磁気光学デバイスにつ
いて説明する。
As described above, it is a characteristic of this material system to have both the properties of a semiconductor and a ferromagnetic material and to be able to control the magnetic and magneto-optical properties at room temperature. On the other hand, in the conventional magnetic semiconductor, since the ferromagnetic transition temperature is low, it is not possible to control the magneto-optical characteristics at room temperature. Next, a new magneto-optical device using a heterostructure will be described.

【0021】従来の非磁性の半導体材料では、原子レベ
ルでの膜厚制御性をもつ分子線エピタキシーなど結晶成
長技術を用いて、超格子・ヘテロ構造を作製することが
できる。上記の磁性体微粒子−半導体複合材料系は、き
わめて結晶性が良好であり、エピタキシャル成長を用い
て作製しているので、容易にヘテロ構造や超格子を作製
し、室温で磁性が強く現れる半導体ヘテロ構造を形成す
ることができる。
In a conventional non-magnetic semiconductor material, a superlattice / heterostructure can be manufactured by using a crystal growth technique such as molecular beam epitaxy having a film thickness controllability at an atomic level. The above-mentioned magnetic fine particle-semiconductor composite material system has extremely good crystallinity, and is manufactured using epitaxial growth. Therefore, a heterostructure or a superlattice can be easily manufactured, and a semiconductor heterostructure in which magnetism strongly appears at room temperature. Can be formed.

【0022】その半導体ヘテロ構造の作製方法は、ま
ず、低温分子線エピタキシーのような非平衡結晶成長を
用いて、非磁性半導体と磁性混晶半導体から成るヘテロ
構造を成長させ、続いて熱処理すると磁性混晶半導体の
部分だけに磁性微粒子が形成される。磁性微粒子は結晶
中を拡散して動くことはないので、この方法によって、
磁性微粒子を任意の位置に含む半導体ヘテロ構造が形成
される。
The method for fabricating the semiconductor heterostructure is as follows. First, a heterostructure composed of a nonmagnetic semiconductor and a magnetic mixed crystal semiconductor is grown using non-equilibrium crystal growth such as low-temperature molecular beam epitaxy. Magnetic fine particles are formed only in the portion of the mixed crystal semiconductor. Since the magnetic fine particles do not diffuse and move in the crystal,
A semiconductor heterostructure containing magnetic fine particles at an arbitrary position is formed.

【0023】これによって、もともと非磁性材料で構成
されていた半導体ヘテロ構造の世界に、磁性(あるいは
スピンの効果)という新たな自由度をもたらす(しかも
室温において)ことが可能になり、様々なデバイス応用
が可能になる。以下、かかる磁性体微粒子/半導体複合
材料系を用いたデバイス応用例について説明する。
As a result, a new degree of freedom of magnetism (or spin effect) can be brought to the world of a semiconductor heterostructure originally made of a nonmagnetic material (at room temperature), and various devices can be provided. Application becomes possible. Hereinafter, a device application example using such a magnetic fine particle / semiconductor composite material system will be described.

【0024】磁性体微粒子−半導体複合材料系(Fer
romagnetic Particles−Semi
conductor Hybrid Material
s,ここでは簡単のためFP−Sと称す)を用いたデバ
イス応用例をいくつか示す。 (1)導波路構造をもつファラデー回転素子 図5は本発明の実施例を示す導波路構造をもつファラデ
ー回転素子の模式図であり、図5(a)はその基本構造
の断面図、図5(b)はその変形例を示す断面図であ
る。
Magnetic fine particles-semiconductor composite material (Fer
romantic Particles-Semi
conductor Hybrid Material
s, here simply referred to as FP-S for simplicity). (1) Faraday rotator having a waveguide structure FIG. 5 is a schematic view of a Faraday rotator having a waveguide structure according to an embodiment of the present invention. FIG. (B) is a sectional view showing a modified example thereof.

【0025】図5(a)に示すように、屈折率の低い半
導体層11(例えばAlGaAs)、屈折率の高い半導
体光導波路層13(例えばGaAs、InGaAs)の
界面に、FP−S(例えば、GaAs−MnAs)層1
2を挿入する。屈折率差によって、光は半導体導波路層
13に閉じ込められ、14に示すような光の強度分布も
つ導波路になるが、強い磁気光学効果をもつFP−S層
12の影響によって、ファラデー効果が生じる。FP−
S層12を屈折率の低い半導体層11と屈折率の高い半
導体光導波路層13の界面に挿入することによって、損
失の増大を防いだ構造となっている。
As shown in FIG. 5A, FP-S (eg, GaAs) is formed at the interface between the semiconductor layer 11 (eg, AlGaAs) having a low refractive index and the semiconductor optical waveguide layer 13 (eg, GaAs, InGaAs) having a high refractive index. GaAs-MnAs) layer 1
Insert 2. Due to the refractive index difference, light is confined in the semiconductor waveguide layer 13 and becomes a waveguide having a light intensity distribution as shown in 14, but the Faraday effect is reduced by the influence of the FP-S layer 12 having a strong magneto-optical effect. Occurs. FP-
By inserting the S layer 12 at the interface between the semiconductor layer 11 having a low refractive index and the semiconductor optical waveguide layer 13 having a high refractive index, a structure in which an increase in loss is prevented.

【0026】また、図5(b)に示すように、屈折率の
低い半導体光導波路層13の中に非常に薄い(数nm程
度)のFP−S層12A,12B,12C,12D,…
を数層挿入する。光は半導体光導波路層13中に閉じ込
められ、図5(a)と同様に、14に示す光の強度分布
を持つ導波路になるが、強い磁気光学効果を持つFP−
S層の影響でファラデー効果が生じる。各FP−S層の
厚さを非常に薄くすることによって損失を防ぎ、導波路
中に数層用いることによって、ファラデー効果を大きく
する構造となっている。
As shown in FIG. 5 (b), very thin (about several nm) FP-S layers 12A, 12B, 12C, 12D,.
Is inserted several layers. Light is confined in the semiconductor optical waveguide layer 13 and becomes a waveguide having a light intensity distribution shown in FIG. 14 as in FIG.
The Faraday effect occurs due to the influence of the S layer. The loss is prevented by making the thickness of each FP-S layer very thin, and the Faraday effect is increased by using several layers in the waveguide.

【0027】この導波路構造をもつファラデー回転素子
の特長は、半導体基板上に形成した磁性体を含む導波路
であり、従来の半導体光デバイスとの整合性に優れてい
ること、各層の膜厚、組成、磁性体の濃度など設計自由
度が大きいこと、室温でも大きなファラデー効果が期待
できることなどである。 (2)光アイソレータ 図6は本発明の実施例を示す光デバイスと同一基板上に
集積化した光アイソレータを示す斜視図であり、図6
(a)はそのリッジ導波型デバイスの斜視図、図6
(b)はその埋込み型導波型デバイスの斜視図である。
The features of the Faraday rotator having this waveguide structure are a waveguide including a magnetic material formed on a semiconductor substrate, and have excellent matching with a conventional semiconductor optical device, and a thickness of each layer. The degree of freedom in design, such as the composition, composition, and concentration of the magnetic substance, is large, and a large Faraday effect can be expected even at room temperature. (2) Optical Isolator FIG. 6 is a perspective view showing an optical isolator integrated on the same substrate as the optical device according to the embodiment of the present invention.
(A) is a perspective view of the ridge waveguide device, and FIG.
(B) is a perspective view of the embedded waveguide device.

【0028】これらの図に示すように、半導体レーザ2
1A,21Bなど光デバイスと同一基板20A,20B
上で集積化した半導体レーザ21A,21Bの出力側導
波路に接続させたファラデー回転素子からなる導波路型
光アイソレータ22A,22Bを設ける。このように、
半導体基板上に小型の光アイソレータを作製することが
できる。
As shown in these figures, the semiconductor laser 2
Same substrate 20A, 20B as optical device such as 1A, 21B
Waveguide-type optical isolators 22A and 22B composed of Faraday rotators connected to the output waveguides of the semiconductor lasers 21A and 21B integrated above are provided. in this way,
A small optical isolator can be manufactured over a semiconductor substrate.

【0029】従来は、アイソレータは、半導体レーザと
全く別個の部品であったが、この実施例によれば、集積
化することにより、コンパクトになるとともに、コスト
を下げることができる。 (3)磁場によって波長可変な半導体発光デバイス 図7は本発明の実施例を示す磁場によって波長可変な半
導体発光デバイスの模式図である。なお、上記した実施
例と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説
明は省略する。
Conventionally, the isolator is a component completely separate from the semiconductor laser. However, according to this embodiment, the integration can be downsized and the cost can be reduced. (3) Semiconductor Light Emitting Device Variable in Wavelength by Magnetic Field FIG. 7 is a schematic view of a semiconductor light emitting device variable in wavelength by a magnetic field according to an embodiment of the present invention. Note that the same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0030】この図に示すように、半導体レーザの活性
層31付近に、FP−S層32を埋め込むことにより、
磁気光学効果を通して発振波長を制御することが可能と
なる。半導体レーザの発光は、導波路を伝搬するが、そ
の際にFP−S層32の影響を受け、FP−S層32の
磁化に比例して波長がシフトする。FP−S層32の磁
化は、印加した磁場によって連続的に変えることが可能
なので、レーザの発振波長を外部磁場で制御することが
できる。すなわち波長可変な半導体レーザができる。
As shown in this figure, by embedding the FP-S layer 32 near the active layer 31 of the semiconductor laser,
The oscillation wavelength can be controlled through the magneto-optical effect. The light emission of the semiconductor laser propagates through the waveguide, but is affected by the FP-S layer 32 at that time, and the wavelength shifts in proportion to the magnetization of the FP-S layer 32. Since the magnetization of the FP-S layer 32 can be continuously changed by the applied magnetic field, the oscillation wavelength of the laser can be controlled by an external magnetic field. That is, a semiconductor laser having a variable wavelength can be obtained.

【0031】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。 (A)機能の複合化を図ることができる。つまり、磁性
体と半導体という全く異なる材料の特性を組み合わせる
ことができる。その磁性体微粒子/半導体複合材料は、
磁性体と半導体両方の機能を合わせ持つ。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. (A) The functions can be combined. That is, characteristics of completely different materials such as a magnetic material and a semiconductor can be combined. The magnetic particles / semiconductor composite material
It has both functions of magnetic material and semiconductor.

【0033】(B)結晶性が良好である。つまり、全て
単結晶からなる材料系であり、構造欠陥が少ない。 (C)原子レベルでの構造制御性を有する。つまり、膜
厚、微粒子サイズなど構造パラメータを原子レベルで制
御可能である。 (D)各種のデバイス応用が可能である。つまり、半導
体と集積化が可能な磁気光学効果を用いたデバイス、高
性能非相反光デバイスへの応用が可能である。特に、半
導体ヘテロ構造と組み合わせることにより、この複合材
料系の設計自由度が大幅に拡大される。
(B) Good crystallinity. That is, it is a material system composed entirely of single crystals and has few structural defects. (C) Structural control at the atomic level. That is, structural parameters such as film thickness and fine particle size can be controlled at the atomic level. (D) Various device applications are possible. That is, it can be applied to a device using a magneto-optical effect that can be integrated with a semiconductor and a high-performance non-reciprocal optical device. In particular, by combining with a semiconductor heterostructure, the design flexibility of this composite material system is greatly expanded.

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

【図1】本発明の実施例を示す磁性体微粒子/半導体複
合材料を用いた磁気光学デバイスの製造工程断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a magneto-optical device using a magnetic fine particle / semiconductor composite material according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の磁気光学デバイスの複合構造中におけ
る半導体と磁性体微粒子の単結晶性を示すX線回折スペ
クトル特性図である。
FIG. 2 is an X-ray diffraction spectrum characteristic diagram showing single crystallinity of a semiconductor and magnetic fine particles in a composite structure of the magneto-optical device of the present invention.

【図3】本発明の実施例を示す磁性混晶半導体(GaA
s)Mnの熱処理前、およびMnAs磁性体微粒子の熱
処理後の室温における磁化特性の一例を示す図である。
FIG. 3 shows a magnetic mixed crystal semiconductor (GaAs) showing an embodiment of the present invention.
s) An example of magnetization characteristics at room temperature before heat treatment of Mn and after heat treatment of MnAs magnetic fine particles.

【図4】本発明の実施例を示すGaAsマトリックス中
に埋め込まれたMnAs磁性体微粒子の磁気円2色性
(MCD)のスペクトルを示す図である。
FIG. 4 is a view showing a magnetic circular dichroism (MCD) spectrum of MnAs magnetic fine particles embedded in a GaAs matrix showing an example of the present invention.

【図5】本発明の実施例を示す導波路構造をもつファラ
デー回転素子の模式図である。
FIG. 5 is a schematic view of a Faraday rotator having a waveguide structure according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例を示す光デバイスと同一基板上
に集積化した光アイソレータを示す斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing an optical isolator integrated on the same substrate as the optical device according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例を示す磁場によって波長可変な
半導体発光デバイスの模式図である。
FIG. 7 is a schematic view of a semiconductor light emitting device that can be tuned by a magnetic field according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 半導体層 3 磁性混晶半導体 4,32 磁性体微粒子/半導体複合材料 11 屈折率の低い半導体層 12,12A〜12D,32 FP−S層 13 屈折率の高い半導体光導波路層 14 導波路における光の強度分布 20A,20B 同一基板 21A,21B 半導体レーザ 22A,22B 導波路型光アイソレータ 31 半導体レーザの活性層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Semiconductor layer 3 Magnetic mixed crystal semiconductor 4, 32 Magnetic fine particle / semiconductor composite material 11 Semiconductor layer with low refractive index 12, 12A-12D, 32 FP-S layer 13 Semiconductor optical waveguide layer with high refractive index 14 Conduction Light intensity distribution in wave path 20A, 20B Same substrate 21A, 21B Semiconductor laser 22A, 22B Waveguide optical isolator 31 Active layer of semiconductor laser

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(a)半導体基板上に半導体層を介して、
磁性混晶半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
(b)前記エピタキシャル成長中または成長後に熱処理
することにより、半導体中に強磁性微粒子が埋め込まれ
た磁性体微粒子/半導体複合材料を形成する工程とを施
すことを特徴とする磁気光学装置の製造方法。
(A) a semiconductor substrate having a semiconductor layer interposed therebetween;
A step of epitaxially growing a magnetic mixed crystal semiconductor;
(B) forming a magnetic fine particle / semiconductor composite material in which ferromagnetic fine particles are embedded in a semiconductor by performing a heat treatment during or after the epitaxial growth.
【請求項2】 請求項1記載の磁気光学装置の製造方法
において、前記エピタキシャル成長は、強い非平衡成長
条件を有する結晶成長法によることを特徴とする磁気光
学装置の製造方法。
2. The method for manufacturing a magneto-optical device according to claim 1, wherein said epitaxial growth is performed by a crystal growth method having a strong non-equilibrium growth condition.
【請求項3】 請求項2記載の磁気光学装置の製造方法
において、前記結晶成長法は、低温成長分子線エピタキ
シー法であることを特徴とする磁気光学装置の製造方
法。
3. The method of manufacturing a magneto-optical device according to claim 2, wherein said crystal growth method is a low-temperature growth molecular beam epitaxy method.
【請求項4】 請求項1記載の磁気光学装置の製造方法
において、前記エピタキシャル成長によって、半導体中
に大量の磁性イオンを固溶させることを特徴とする磁気
光学装置の製造方法。
4. The method of manufacturing a magneto-optical device according to claim 1, wherein a large amount of magnetic ions are dissolved in a semiconductor by the epitaxial growth.
【請求項5】 請求項1記載の磁気光学装置の製造方法
において、前記磁性体微粒子の大きさは、磁性イオンの
濃度と熱処理温度によって制御可能にすることを特徴と
する磁気光学装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a magneto-optical device according to claim 1, wherein the size of the magnetic fine particles can be controlled by the concentration of magnetic ions and a heat treatment temperature. .
【請求項6】 請求項5記載の磁気光学装置の製造方法
において、前記磁性体微粒子/半導体複合材料は、半導
体と強磁性体の性質を併せ持ち、室温での磁気・磁気光
学特性を制御可能であることを特徴とする磁気光学装置
の製造方法。
6. The method of manufacturing a magneto-optical device according to claim 5, wherein the magnetic fine particle / semiconductor composite material has properties of a semiconductor and a ferromagnetic material, and can control the magneto-optical characteristics at room temperature. A method for manufacturing a magneto-optical device, comprising:
【請求項7】 屈折率の低い半導体層と屈折率の高い半
導体光導波路層の界面あるいは導波路層中に、磁性体微
粒子/半導体複合材料を有する磁気光学層を挿入し、そ
の屈折率差によって、光は半導体光導波路層に閉じ込め
られ、導波路になるが、強い磁気光学効果をもつ前記磁
性体微粒子/半導体複合材料を有する磁気光学層によっ
て、ファラデー効果を生成することを特徴とする磁気光
学装置。
7. A magneto-optical layer having magnetic fine particles / semiconductor composite material is inserted at an interface between a semiconductor layer having a low refractive index and a semiconductor optical waveguide layer having a high refractive index or in a waveguide layer, and the difference in the refractive index is determined. Wherein the light is confined in the semiconductor optical waveguide layer and becomes a waveguide, but the Faraday effect is generated by the magneto-optical layer having the magnetic fine particles / semiconductor composite material having a strong magneto-optical effect. apparatus.
【請求項8】 屈折率の低い半導体層と屈折率の高い半
導体光導波路層の界面に、磁性体微粒子/半導体複合材
料を有する磁気光学層を挿入し、その屈折率差によっ
て、光は半導体光導波路層に閉じ込められ、導波路にな
るが、強い磁気光学効果をもつ前記磁性体微粒子/半導
体複合材料を有する磁気光学層を半導体レーザの出力側
導波路に接続させて集積化させ、磁場によって波長可変
な半導体発光素子からなることを特徴とする磁気光学装
置。
8. A magneto-optical layer having a magnetic fine particle / semiconductor composite material is inserted at an interface between a semiconductor layer having a low refractive index and a semiconductor optical waveguide layer having a high refractive index. The magneto-optical layer containing the magnetic fine particles / semiconductor composite material having a strong magneto-optical effect is confined in the waveguide layer and becomes a waveguide. A magneto-optical device comprising a variable semiconductor light emitting element.
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