JP2708085B2 - 光半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学並列コンピュー
タ、光ニューラルネットワークコンピュータ、及び光通
信システムに利用できる光半導体素子に関する。
タ、光ニューラルネットワークコンピュータ、及び光通
信システムに利用できる光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は従来の基本的な半導体レーザ構造
の例を示す図であり、４１、４５は電極、４２はｎ層、
４３は活性層、４４はｐ層を示す。
の例を示す図であり、４１、４５は電極、４２はｎ層、
４３は活性層、４４はｐ層を示す。
【０００３】光を放射する半導体レーザ構造は、図７に
示すようにキャリア（電子と正孔）の再結合が生ずる活
性層４３を挟んでｎ層４２とｐ層４４を配置し、その外
側の電極４１、４５に電圧を印加するように構成されて
いる。そして、図示上方または下方から光の入出力を行
う場合には、ｎ層４２とｐ層４４の上下に反射器を配置
し、図示横方向から光の入出力を行う場合には、ｎ層４
２とｐ層４４の図示左右両側に反射器を配置している。
反射器は、端面に光反射膜を付着したり、平坦な端面を
形成することにより構成される。
示すようにキャリア（電子と正孔）の再結合が生ずる活
性層４３を挟んでｎ層４２とｐ層４４を配置し、その外
側の電極４１、４５に電圧を印加するように構成されて
いる。そして、図示上方または下方から光の入出力を行
う場合には、ｎ層４２とｐ層４４の上下に反射器を配置
し、図示横方向から光の入出力を行う場合には、ｎ層４
２とｐ層４４の図示左右両側に反射器を配置している。
反射器は、端面に光反射膜を付着したり、平坦な端面を
形成することにより構成される。
【０００４】量子井戸レーザ、面発光レーザ、及び関連
した微小光共振器及び光変調器などの光半導体素子は、
近年、集中的に研究されている〔J. Jewell et. al., I
EEEJournal of Quantum Electronics QE-27, 1332(199
1)] 。
した微小光共振器及び光変調器などの光半導体素子は、
近年、集中的に研究されている〔J. Jewell et. al., I
EEEJournal of Quantum Electronics QE-27, 1332(199
1)] 。
【０００５】レーザ光の信号制御要素としては、強度、
周波数、偏光等があり、目的によって、レーザ光の偏光
やその変調を行う必要が生じる。偏光の変調により情報
の伝送を行うには、その情報を偏光方向としてコード化
し、そのために例えば論理状態「１」は左円偏光された
光に、論理状態「０」は右円偏光された光にそれぞれ対
応させるか、あるいはその逆に対応させればよい。
周波数、偏光等があり、目的によって、レーザ光の偏光
やその変調を行う必要が生じる。偏光の変調により情報
の伝送を行うには、その情報を偏光方向としてコード化
し、そのために例えば論理状態「１」は左円偏光された
光に、論理状態「０」は右円偏光された光にそれぞれ対
応させるか、あるいはその逆に対応させればよい。
【０００６】ところで、スピン偏極された電子を強磁性
材料のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＮｉ合金電極からＡｌ2 Ｏ
3 トンネル障壁を介して超伝導状態のＡｌに注入できる
ことが〔P. M. Tedrow and R. Meservey, Phys. Rev. L
ett. 26, 191 (1971); Phys.Rev. B7, 318 (1973); J.
S. Moodera and R. Meservey, Phys. Rev. B29, 2943
(1984); R. Meservey, P. M. Tedrow and P. Fulde, Ph
ys. Rev. Lett. 25, 1270 (1970)] に紹介されており、
また、真空中でスピン偏極された電子をＧａＡｓに注入
できることが[Ph. Brechet, M. Campbell, G. Lampel,
and D. Paget,in Proceedings of the Nineteenth Inte
rnational Conference on Physics ofSemiconductors,
(1988), edited by W. Zawadski (Institute of Physic
s, Polish Academy of Science, Warsaw, 1988), Vol.
2, p.1369 ] 、[B. Fromme, G.Baum, D. Glockel, and
W. Raith, Phys. Rev. B40, 12 312 (1989)] に紹介さ
れている。また、スピン偏極された電子の注入に関する
理論的説明は、 [M. B.Stearns, J. Magnetism and Mag
netic Materials 5, 167 (1977)] に記載されている。
Ａｌに注入したスピン偏極された電子のスピン緩和は、
[M. Johnson andR. H. Silsbee, Rhys. Rev. B35, 4959
(1987), and Rhys. Rev. B37, 5326 (1988)]に研究報
告されている。また、キャリア密度の変調の代わりにス
ピン配向の回転を信号として利用する電界効果トランジ
スタと同様な構造の素子が、[Supriyo Datta and Biswa
jit Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990)] に提案
されている。これら及びその他の提案に対する評論が、
[G. A. Prinz, Science 250,1092 (1990) ]に記載され
ている。
材料のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＮｉ合金電極からＡｌ2 Ｏ
3 トンネル障壁を介して超伝導状態のＡｌに注入できる
ことが〔P. M. Tedrow and R. Meservey, Phys. Rev. L
ett. 26, 191 (1971); Phys.Rev. B7, 318 (1973); J.
S. Moodera and R. Meservey, Phys. Rev. B29, 2943
(1984); R. Meservey, P. M. Tedrow and P. Fulde, Ph
ys. Rev. Lett. 25, 1270 (1970)] に紹介されており、
また、真空中でスピン偏極された電子をＧａＡｓに注入
できることが[Ph. Brechet, M. Campbell, G. Lampel,
and D. Paget,in Proceedings of the Nineteenth Inte
rnational Conference on Physics ofSemiconductors,
(1988), edited by W. Zawadski (Institute of Physic
s, Polish Academy of Science, Warsaw, 1988), Vol.
2, p.1369 ] 、[B. Fromme, G.Baum, D. Glockel, and
W. Raith, Phys. Rev. B40, 12 312 (1989)] に紹介さ
れている。また、スピン偏極された電子の注入に関する
理論的説明は、 [M. B.Stearns, J. Magnetism and Mag
netic Materials 5, 167 (1977)] に記載されている。
Ａｌに注入したスピン偏極された電子のスピン緩和は、
[M. Johnson andR. H. Silsbee, Rhys. Rev. B35, 4959
(1987), and Rhys. Rev. B37, 5326 (1988)]に研究報
告されている。また、キャリア密度の変調の代わりにス
ピン配向の回転を信号として利用する電界効果トランジ
スタと同様な構造の素子が、[Supriyo Datta and Biswa
jit Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990)] に提案
されている。これら及びその他の提案に対する評論が、
[G. A. Prinz, Science 250,1092 (1990) ]に記載され
ている。
【０００７】最近、超高真空状態（ＵＨＶ）において、
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の強磁性Ｎｉ探針よりト
ンネル効果でＧａＡｓのバルク結晶にスピン偏極された
電子を注入することが行われ、これにより円偏光された
光を放射できることが判った〔S. F. Alvarado, P. Ren
aud, Phys. Rev. Lett. 68, 1387 (1992) 〕。
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の強磁性Ｎｉ探針よりト
ンネル効果でＧａＡｓのバルク結晶にスピン偏極された
電子を注入することが行われ、これにより円偏光された
光を放射できることが判った〔S. F. Alvarado, P. Ren
aud, Phys. Rev. Lett. 68, 1387 (1992) 〕。
【０００８】ただし、大気中で、スピン偏極された電子
をバルク半導体や量子井戸または量子細線に注入するこ
とに関しては、まだ報告がない。（走査トンネル顕微鏡
による電子の注入は、超高真空中で行う必要があり、し
かも不安定であると報告されている）。
をバルク半導体や量子井戸または量子細線に注入するこ
とに関しては、まだ報告がない。（走査トンネル顕微鏡
による電子の注入は、超高真空中で行う必要があり、し
かも不安定であると報告されている）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】発明者の知る範囲で
は、特に面発光レーザから直接的に偏光された光を放射
する方法、または偏光を変調する方法は、従来開示され
ていなかった。これは、従来の半導体レーザと異なり、
面発光レーザは、図７に示したように光の放射方向と垂
直な軸に対して対称な構造を持つためである。
は、特に面発光レーザから直接的に偏光された光を放射
する方法、または偏光を変調する方法は、従来開示され
ていなかった。これは、従来の半導体レーザと異なり、
面発光レーザは、図７に示したように光の放射方向と垂
直な軸に対して対称な構造を持つためである。
【００１０】円偏光ビームは、直線偏光子に続いて１／
４波長板をビーム内に配置することにより、非偏光ビー
ムから得ることができる。また、円偏光された光の偏光
方向を選択的に検出するには、１／４波長板に続いて直
線偏光子を通常検出器の前に配置すればよいが、この方
法では、いくつかの高価な光学部品を必要とし、大きな
光損失があり、さらに偏光方向の切り替えが容易にはで
きない。その上、独立した検出器、または放射器もしく
は変調器を複数近接して配列することも簡単にはできな
い。
４波長板をビーム内に配置することにより、非偏光ビー
ムから得ることができる。また、円偏光された光の偏光
方向を選択的に検出するには、１／４波長板に続いて直
線偏光子を通常検出器の前に配置すればよいが、この方
法では、いくつかの高価な光学部品を必要とし、大きな
光損失があり、さらに偏光方向の切り替えが容易にはで
きない。その上、独立した検出器、または放射器もしく
は変調器を複数近接して配列することも簡単にはできな
い。
【００１１】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、特定の偏光方向を持つ円偏光された光を選択的に
検出し、放射し又は変調することができる光半導体素子
を提供することを目的とするものである。
って、特定の偏光方向を持つ円偏光された光を選択的に
検出し、放射し又は変調することができる光半導体素子
を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】そのために本発明は、活
性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導体
素子の上部又は下部又はその両方に磁性体電極を設け、
該磁性体電極により活性領域にスピン偏極した電子又は
正孔を注入するように構成したことを特徴とし、また、
活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導
体素子を縦横に複数個配列し、各半導体素子の上部又は
下部又はその両方に磁性体電極を設け、該磁性体電極に
より活性領域にスピン偏極した電子又は正孔を注入する
ように構成したことを特徴とするものである。
性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導体
素子の上部又は下部又はその両方に磁性体電極を設け、
該磁性体電極により活性領域にスピン偏極した電子又は
正孔を注入するように構成したことを特徴とし、また、
活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導
体素子を縦横に複数個配列し、各半導体素子の上部又は
下部又はその両方に磁性体電極を設け、該磁性体電極に
より活性領域にスピン偏極した電子又は正孔を注入する
ように構成したことを特徴とするものである。
【００１３】さらに、半導体素子は、広いバンドギャッ
プを持ち正孔を注入するｐ型ドープ層と狭いバンドギャ
ップを持ちキャリアの再結合が生ずるアンドープ層と広
いバンドギャップを持ち電子を注入するｎ型ドープ層と
からなる２重ヘテロ構造又は量子井戸構造からなり、あ
るいは異なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広
いバンドギャップを持つｐ型ドープ・スタック層と１つ
以上の量子井戸を含み狭いバンドギャップを持つ活性層
と異なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広いバ
ンドギャップを持つｎ型ドープ・スタック層とにより構
成し、ｐ型ドープ層対及びｎ型ドープ層対の各周期の厚
さを量子井戸の発光波長の１／２とし、中間の活性層の
厚さを量子井戸の発光波長と等しくして光学的微小共振
器を構成したことを特徴とする。さらに、磁性体電極上
に導体コイルを重ね合わせて形成し、該導体コイルに電
流パルスを流して磁性体電極の磁化の方向を切り替える
ように構成したことを特徴とするものである。
プを持ち正孔を注入するｐ型ドープ層と狭いバンドギャ
ップを持ちキャリアの再結合が生ずるアンドープ層と広
いバンドギャップを持ち電子を注入するｎ型ドープ層と
からなる２重ヘテロ構造又は量子井戸構造からなり、あ
るいは異なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広
いバンドギャップを持つｐ型ドープ・スタック層と１つ
以上の量子井戸を含み狭いバンドギャップを持つ活性層
と異なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広いバ
ンドギャップを持つｎ型ドープ・スタック層とにより構
成し、ｐ型ドープ層対及びｎ型ドープ層対の各周期の厚
さを量子井戸の発光波長の１／２とし、中間の活性層の
厚さを量子井戸の発光波長と等しくして光学的微小共振
器を構成したことを特徴とする。さらに、磁性体電極上
に導体コイルを重ね合わせて形成し、該導体コイルに電
流パルスを流して磁性体電極の磁化の方向を切り替える
ように構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】本発明の光半導体素子では、活性領域を有する
ｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導体素子の上部又は
下部又はその両方に磁性体電極を設けたので、磁性体電
極の磁化方向を制御することにより活性領域に特定の向
きにスピン偏極した電子又は正孔を注入することがで
き、特定の偏光方向を持つ光を選択的に検出し、放射し
又は変調することができる。また、磁性体電極を有する
面発光レーザ構造を複数個マトリックス状に形成するこ
とにより、多数の光ビームの偏光の並列変調が可能にな
り、光学的並列処理及び情報伝送が可能になる。
ｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導体素子の上部又は
下部又はその両方に磁性体電極を設けたので、磁性体電
極の磁化方向を制御することにより活性領域に特定の向
きにスピン偏極した電子又は正孔を注入することがで
き、特定の偏光方向を持つ光を選択的に検出し、放射し
又は変調することができる。また、磁性体電極を有する
面発光レーザ構造を複数個マトリックス状に形成するこ
とにより、多数の光ビームの偏光の並列変調が可能にな
り、光学的並列処理及び情報伝送が可能になる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明に係る光半導体素子の１実施例を示
す図であり、１、６は電極、２は磁性体電極、３はｎ
層、４は活性層、５はｐ層を示す。
する。図１は本発明に係る光半導体素子の１実施例を示
す図であり、１、６は電極、２は磁性体電極、３はｎ
層、４は活性層、５はｐ層を示す。
【００１６】図１において、ｎ層３、活性層４、ｐ層５
により、２重ヘテロ構造または量子井戸構造からなる半
導体素子を構成している。磁性体電極２は、この半導体
素子の上に形成したものであり、スピン偏極された電子
（または正孔）を活性層４に注入し、特定の偏光された
光を優先的に放射、吸収、または反射するように構成し
たものである。
により、２重ヘテロ構造または量子井戸構造からなる半
導体素子を構成している。磁性体電極２は、この半導体
素子の上に形成したものであり、スピン偏極された電子
（または正孔）を活性層４に注入し、特定の偏光された
光を優先的に放射、吸収、または反射するように構成し
たものである。
【００１７】主要な機能層のうちｐ層５は、広いバンド
ギャップを持ち、正孔を注入するｐ型ドープ層であり、
活性層４は、電子と正孔の再結合が生じる狭いバンドギ
ャップのアンドープ層であり、ｎ層３は、広いバンドギ
ャップを持ち、電子を注入するｎ型ドープ層である。磁
性体電極２は、これらの構成の上部に磁性体材料からな
る電極を形成したものであるが、下部、またはその両方
に形成してもよい。そして、光を放射する半導体素子で
は、素子の動作中、スピン偏極したキャリアを光放射構
造の再結合領域である活性層４に注入することによっ
て、偏光した光を放射する。
ギャップを持ち、正孔を注入するｐ型ドープ層であり、
活性層４は、電子と正孔の再結合が生じる狭いバンドギ
ャップのアンドープ層であり、ｎ層３は、広いバンドギ
ャップを持ち、電子を注入するｎ型ドープ層である。磁
性体電極２は、これらの構成の上部に磁性体材料からな
る電極を形成したものであるが、下部、またはその両方
に形成してもよい。そして、光を放射する半導体素子で
は、素子の動作中、スピン偏極したキャリアを光放射構
造の再結合領域である活性層４に注入することによっ
て、偏光した光を放射する。
【００１８】また、上記光半導体素子において、ｐ層５
を異なる屈折率を持つ層の対の周期構造からなる広いバ
ンドギャップのｐ型ドープ・スタック層とし、活性層４
を狭いバンドギャップ材料からなる１つ以上の量子井戸
が挿入されたアンドープ層とし、それに続くｎ層３を異
なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広いバンド
ギャップのｎ型ドープ・スタック層とし、さらに、ｐ型
及びｎ型層の各層対の周期を、中央の量子井戸からの放
射光の波長の半分に等しく、活性層の厚さを、中央の量
子井戸の放射光の１波長分に等しくすれば、この構造
は、中央の量子井戸の放射光に共振する光学共振器を形
成する。この面発光レーザ構造の一方または両方の面上
に、磁性体材料の電極層を形成し、スピン偏極したキャ
リアを注入すると、量子力学的選択則により、注入され
たキャリアのスピン配向に応じて放射光も偏光される。
を異なる屈折率を持つ層の対の周期構造からなる広いバ
ンドギャップのｐ型ドープ・スタック層とし、活性層４
を狭いバンドギャップ材料からなる１つ以上の量子井戸
が挿入されたアンドープ層とし、それに続くｎ層３を異
なる屈折率をもつ層の対の周期構造からなる広いバンド
ギャップのｎ型ドープ・スタック層とし、さらに、ｐ型
及びｎ型層の各層対の周期を、中央の量子井戸からの放
射光の波長の半分に等しく、活性層の厚さを、中央の量
子井戸の放射光の１波長分に等しくすれば、この構造
は、中央の量子井戸の放射光に共振する光学共振器を形
成する。この面発光レーザ構造の一方または両方の面上
に、磁性体材料の電極層を形成し、スピン偏極したキャ
リアを注入すると、量子力学的選択則により、注入され
たキャリアのスピン配向に応じて放射光も偏光される。
【００１９】ｎ層３、活性層４、ｐ層５からなる半導体
層は、ガリウムひ素やアルミニウムひ素、インジウムひ
素などの異なる III族及びＶ族の化合物を用いたエピタ
キシャル層、或いは硫化亜鉛、硫化セレン、硫化カドミ
ウム亜鉛、硫化セレンカドミウムなどの異なるII族及び
VI族の化合物を用いたエピタキシャル層であり、元素の
組み合わせや組成を変えてバンドギャップ及び屈折率の
必要な調整を行う。
層は、ガリウムひ素やアルミニウムひ素、インジウムひ
素などの異なる III族及びＶ族の化合物を用いたエピタ
キシャル層、或いは硫化亜鉛、硫化セレン、硫化カドミ
ウム亜鉛、硫化セレンカドミウムなどの異なるII族及び
VI族の化合物を用いたエピタキシャル層であり、元素の
組み合わせや組成を変えてバンドギャップ及び屈折率の
必要な調整を行う。
【００２０】また、光変調器の場合には、磁化された電
極による特定のスピン配向のキャリアの注入により、素
子の光吸収率または反射率を変調する。これにより、透
過または反射された光ビームの偏光を変調できる。
極による特定のスピン配向のキャリアの注入により、素
子の光吸収率または反射率を変調する。これにより、透
過または反射された光ビームの偏光を変調できる。
【００２１】光検出器の場合には、光で励起される電子
及び正孔を夫々捕集するｐ型ドープ及びｎ型ドープ半導
体層の一方または両方に磁性体電極を付着して検出器応
答の強さが入射光の偏光の方向で決まるように構成し、
応答特性の変更は、電極層の磁化の方向を切り替えるこ
とにより行う。
及び正孔を夫々捕集するｐ型ドープ及びｎ型ドープ半導
体層の一方または両方に磁性体電極を付着して検出器応
答の強さが入射光の偏光の方向で決まるように構成し、
応答特性の変更は、電極層の磁化の方向を切り替えるこ
とにより行う。
【００２２】本発明の原理及び動作を以下に説明する。
本発明は、バルク半導体及び量子井戸内の光学遷移に関
し、特に光の偏光と電子のスピン状態との間の選択性に
大きく依拠している。したがって、ここでは、まず、半
導体における光学遷移の偏光特性を説明し、次に、半導
体における磁性体電極の動作を説明する。
本発明は、バルク半導体及び量子井戸内の光学遷移に関
し、特に光の偏光と電子のスピン状態との間の選択性に
大きく依拠している。したがって、ここでは、まず、半
導体における光学遷移の偏光特性を説明し、次に、半導
体における磁性体電極の動作を説明する。
【００２３】図２は伝導帯と価電子帯との間でのスピン
に依存した光学遷移を説明するための図、同（ａ）は重
い正孔の価電子帯の場合、同（ｂ）は軽い正孔の価電子
帯の場合である。図３は磁性体電極からスピン偏極され
た電子を注入する原理を説明するための図である。
に依存した光学遷移を説明するための図、同（ａ）は重
い正孔の価電子帯の場合、同（ｂ）は軽い正孔の価電子
帯の場合である。図３は磁性体電極からスピン偏極され
た電子を注入する原理を説明するための図である。
【００２４】電子及び正孔には、位置及び運動の自由度
の他にスピン自由度をもっている。スピンには、量子化
の軸に対して２つの配向があり、この方向は、結晶構造
や外部条件により決まる。
の他にスピン自由度をもっている。スピンには、量子化
の軸に対して２つの配向があり、この方向は、結晶構造
や外部条件により決まる。
【００２５】図２に示すように、電子のスピン配向には
−１／２と＋１／２とがあり重い正孔のスピン配向には
−３／２と＋３／２、軽い正孔の配向には−１／２と＋
１／２とがある。そして、量子力学的選択則により重い
正孔の場合には図２（ａ）に示すように−１／２スピン
の電子と−３／２スピンの重い正孔との間、または＋１
／２スピンの電子と＋３／２スピンの重い正孔との間だ
けで再結合してそれぞれσ+ （右）とσ- （左）の円偏
光が得られる。これに対して軽い正孔の場合には、図２
（ｂ）に示すように例えば−１／２スピンの電子は−１
／２スピンの軽い正孔との間で再結合して←→の直線偏
光が得られると同時に、＋１／２スピンの軽い正孔との
間で再結合してσ+ の円偏光も同時に得られる。
−１／２と＋１／２とがあり重い正孔のスピン配向には
−３／２と＋３／２、軽い正孔の配向には−１／２と＋
１／２とがある。そして、量子力学的選択則により重い
正孔の場合には図２（ａ）に示すように−１／２スピン
の電子と−３／２スピンの重い正孔との間、または＋１
／２スピンの電子と＋３／２スピンの重い正孔との間だ
けで再結合してそれぞれσ+ （右）とσ- （左）の円偏
光が得られる。これに対して軽い正孔の場合には、図２
（ｂ）に示すように例えば−１／２スピンの電子は−１
／２スピンの軽い正孔との間で再結合して←→の直線偏
光が得られると同時に、＋１／２スピンの軽い正孔との
間で再結合してσ+ の円偏光も同時に得られる。
【００２６】すなわち、多くのバルク半導体及び量子井
戸において、偏光は、特定の電子スピン状態のみと関係
する。−３／２、＋３／２のスピン配向で示す重い正孔
の価電子帯と−１／２、＋１／２のスピン配向で示す伝
導帯との間の遷移は、それぞれ一方の関係しか生じず完
全に円偏光された光σ+ またはσ- によってのみ実現さ
れる。そこで量子井戸に垂直な円偏光を入射することに
より、特定の向きにスピン偏極された電子を価電子帯か
ら伝導帯へ励起させることができ、そのスピン状態は、
１５０ピコ秒のオーダで持続することがわかっている
〔T. C. Damen, Luis Vina, J. E. Cunningham, Jagdee
p Shah, L. J. Sham, Phys. Rev. Lett. 67, 3432 (199
1)〕。理論的には、重い正孔と電子の再結合のみが優先
的に生じる量子井戸において井戸面に垂直に入射する光
の場合、１００％のスピン偏極が得られる。この偏極比
は、バルク半導体においては低下する。本発明は、これ
らの事実を用いて、量子井戸における量子力学的選択則
と磁性体電極とを組み合わせることにより、一つには偏
光に依存する検出器を構成し、特定のスピン配向の電子
を選択的に検出するものである。
戸において、偏光は、特定の電子スピン状態のみと関係
する。−３／２、＋３／２のスピン配向で示す重い正孔
の価電子帯と−１／２、＋１／２のスピン配向で示す伝
導帯との間の遷移は、それぞれ一方の関係しか生じず完
全に円偏光された光σ+ またはσ- によってのみ実現さ
れる。そこで量子井戸に垂直な円偏光を入射することに
より、特定の向きにスピン偏極された電子を価電子帯か
ら伝導帯へ励起させることができ、そのスピン状態は、
１５０ピコ秒のオーダで持続することがわかっている
〔T. C. Damen, Luis Vina, J. E. Cunningham, Jagdee
p Shah, L. J. Sham, Phys. Rev. Lett. 67, 3432 (199
1)〕。理論的には、重い正孔と電子の再結合のみが優先
的に生じる量子井戸において井戸面に垂直に入射する光
の場合、１００％のスピン偏極が得られる。この偏極比
は、バルク半導体においては低下する。本発明は、これ
らの事実を用いて、量子井戸における量子力学的選択則
と磁性体電極とを組み合わせることにより、一つには偏
光に依存する検出器を構成し、特定のスピン配向の電子
を選択的に検出するものである。
【００２７】一方、偏光された光を放射する素子を構成
するためには逆の手順を用いればよい。すなわちスピン
偏極された電子が量子井戸に注入されたならば、量子井
戸面に垂直な円偏光された光が放射される。図２（ａ）
に示すようにスピンが−１／２の電子を注入したとき、
放射された電子は、１００％σ+ 円偏光になる。
するためには逆の手順を用いればよい。すなわちスピン
偏極された電子が量子井戸に注入されたならば、量子井
戸面に垂直な円偏光された光が放射される。図２（ａ）
に示すようにスピンが−１／２の電子を注入したとき、
放射された電子は、１００％σ+ 円偏光になる。
【００２８】磁化した材料（例えば、ニッケル薄膜）に
おいては、電子のバンドのエネルギーは、スピンに大幅
に依存する（スピン分裂は、数電子ボルトに及ぶ）。図
３に示すように逆向きのスピンを持つ電子は磁性体のフ
ェルミ面において大きく異なる密度を有するので、フェ
ルミ面の電子は、ほぼ一方のスピン配向になっていると
考えてよい。金属の電極から半導体に電子を注入する
際、これら電子は、金属のフェルミ面付近から注入され
るので、注入の確率は、スピンに強く依存し、結果的に
磁化された金属からはスピン偏極された電子を半導体に
注入することができる。しかも、磁性体電極の磁化を切
り替えると、図３において、＋１／２と−１／２とが逆
になるので、逆向きスピンの電子を注入して同時に放射
される光の偏光方向を切り替えることができる。
おいては、電子のバンドのエネルギーは、スピンに大幅
に依存する（スピン分裂は、数電子ボルトに及ぶ）。図
３に示すように逆向きのスピンを持つ電子は磁性体のフ
ェルミ面において大きく異なる密度を有するので、フェ
ルミ面の電子は、ほぼ一方のスピン配向になっていると
考えてよい。金属の電極から半導体に電子を注入する
際、これら電子は、金属のフェルミ面付近から注入され
るので、注入の確率は、スピンに強く依存し、結果的に
磁化された金属からはスピン偏極された電子を半導体に
注入することができる。しかも、磁性体電極の磁化を切
り替えると、図３において、＋１／２と−１／２とが逆
になるので、逆向きスピンの電子を注入して同時に放射
される光の偏光方向を切り替えることができる。
【００２９】磁性体電極に鉄またはニッケルの如き適切
な材料及び製作技術を用いることにより、注入電子に対
して４０％から１００％のスピン偏極が可能である。ス
ピン偏極された電子の注入は、磁性体電極のキュリー温
度以下の温度で可能である。このキュリー温度は、典型
的には、２００℃から７００℃の間である。したがっ
て、スピン偏極された電子の注入による素子の動作は、
必ずしも低温度環境だけに制限されない。
な材料及び製作技術を用いることにより、注入電子に対
して４０％から１００％のスピン偏極が可能である。ス
ピン偏極された電子の注入は、磁性体電極のキュリー温
度以下の温度で可能である。このキュリー温度は、典型
的には、２００℃から７００℃の間である。したがっ
て、スピン偏極された電子の注入による素子の動作は、
必ずしも低温度環境だけに制限されない。
【００３０】図４は磁性体電極の上に導電性薄膜のコイ
ルを形成した例を示す図であり、図４（ａ）はスピン偏
極用電極の上面を示し、図４（ｂ）は断面図を示す。
ルを形成した例を示す図であり、図４（ａ）はスピン偏
極用電極の上面を示し、図４（ｂ）は断面図を示す。
【００３１】面発光半導体レーザ構造の場合、上記のよ
うに磁性体電極をレーザ構造上に形成することにより、
円偏光された光の放射を達成でき、その磁性体電極の磁
化方向を切り替えることにより、円偏光の方向を切り替
えることができる。その磁化の方向を切り替える１つの
方法は、図４に示すように導電性薄膜のコイル１１を磁
性体電極１４上に形成し、絶縁層１３によりこのコイル
１１を磁性体電極１４から電気的に絶縁することであ
り、そのため例えばＳｉＯ2 の絶縁層１３によりコイル
１１から磁性体電極１４を分離している。このような導
電性薄膜のコイル１１は、リソグラフィ法等で電極の上
に作製することができる。コイルに短い電流パルスを流
すことによって注入される電子のスピン偏極が切り替え
られ、その配向は、電流パルスが逆方向になるまで維持
される。
うに磁性体電極をレーザ構造上に形成することにより、
円偏光された光の放射を達成でき、その磁性体電極の磁
化方向を切り替えることにより、円偏光の方向を切り替
えることができる。その磁化の方向を切り替える１つの
方法は、図４に示すように導電性薄膜のコイル１１を磁
性体電極１４上に形成し、絶縁層１３によりこのコイル
１１を磁性体電極１４から電気的に絶縁することであ
り、そのため例えばＳｉＯ2 の絶縁層１３によりコイル
１１から磁性体電極１４を分離している。このような導
電性薄膜のコイル１１は、リソグラフィ法等で電極の上
に作製することができる。コイルに短い電流パルスを流
すことによって注入される電子のスピン偏極が切り替え
られ、その配向は、電流パルスが逆方向になるまで維持
される。
【００３２】図５はマトリクス配列した本発明に係る光
半導体素子の実施例を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図、１８は光半導体素子、１９は基板を示
す。基板１９の上に例えば縦横１０００×１０００の光
半導体素子１８を配列すると、複数の並列光ビームの偏
光の変調を行ったり、偏光の方向が同時に検出できる半
導体素子を構成できる。光半導体素子１８は、それぞれ
が図１で説明したものであり、このように磁性体電極を
有する面発光レーザ構造をマトリックス状に形成するこ
とにより、光学的並列処理及び情報伝送が可能になる。
半導体素子の実施例を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図、１８は光半導体素子、１９は基板を示
す。基板１９の上に例えば縦横１０００×１０００の光
半導体素子１８を配列すると、複数の並列光ビームの偏
光の変調を行ったり、偏光の方向が同時に検出できる半
導体素子を構成できる。光半導体素子１８は、それぞれ
が図１で説明したものであり、このように磁性体電極を
有する面発光レーザ構造をマトリックス状に形成するこ
とにより、光学的並列処理及び情報伝送が可能になる。
【００３３】図６は本発明に係る磁性体電極を介したス
ピン偏極キャリアの注入による面発光半導体レーザの実
施例を示す断面図であり、２１はガリウムひ素基板、２
２はｐ型ドープＧａＡｓ層、２３は金／インジウム電
極、２４はｐ型ドープ・スタック層、２５はアンドープ
のＧａＡｓ層、２６はアンドープのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａ
ｓ層、２７はアンドープのＧａＡｓ層、２８はｎ型ドー
プスタック層、２９はｎ型ドープＧａＡｓ層、３０は磁
性体電極層、３１は金電極層を示す。
ピン偏極キャリアの注入による面発光半導体レーザの実
施例を示す断面図であり、２１はガリウムひ素基板、２
２はｐ型ドープＧａＡｓ層、２３は金／インジウム電
極、２４はｐ型ドープ・スタック層、２５はアンドープ
のＧａＡｓ層、２６はアンドープのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａ
ｓ層、２７はアンドープのＧａＡｓ層、２８はｎ型ドー
プスタック層、２９はｎ型ドープＧａＡｓ層、３０は磁
性体電極層、３１は金電極層を示す。
【００３４】図６に示す面発光半導体レーザは、ＭＯＣ
ＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 法を
用いて、半絶縁性ガリウムひ素基板２１上に次の層を堆
積させることで形成する。すなわち、ｐ型ドープＧａＡ
ｓ層２２（２００ｎｍ）、誘電体反射器を形成する３３
周期のｐ型ドープ層対２４を順次積層する。層対の各周
期の厚さは、このレーザの放射光の波長の半分に等し
く、各層対は、１つのｐ型ドープＧａＡｓ層（６１．３
ｎｍ）２４ａと１つのｐ型ドープＡ１Ａｓ層（７０．２
ｎｍ）２４ｂとから構成されている。さらに、下側のｐ
型ドープ反射器２４の次には、アンドープのＧａＡｓ層
（１１８．６ｎｍ）２５、アンドープのＩｎ0.2 Ｇａ
0.8 Ａｓ層（８ｎｍ）２６、アンドープのＧａＡｓ層
（１１８．６ｎｍ）２７が続いて積層される。これらの
層２５、２６及び２７の全体の厚さは、このレーザの放
射光の１波長分に相当する。Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層２
６は量子井戸層で、ここで、レーザ光放射及び増幅が行
われる。これら活性層の次に、３０周期からなるスタッ
ク層２８を続けて積層し上部誘電体反射器を形成する。
各周期は、ｎ型ドープのＧａＡｓ層（６１．３ｎｍ）２
８ａ及びｎ型ドープのＡ１Ａｓ層（７０．２ｎｍ）２８
ｂから構成されている。そして、誘電体反射器層２８の
次に、ｎ型ドープのＧａＡｓ電極接続用バッファ層２９
が続き、更に、磁性体ニッケル電極層（１０００ｎｍ）
３０、金電極層（５００ｎｍ）３１が続く。この金電極
層は、ボンディングにより外部回路と電気的に接続され
る。
ＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 法を
用いて、半絶縁性ガリウムひ素基板２１上に次の層を堆
積させることで形成する。すなわち、ｐ型ドープＧａＡ
ｓ層２２（２００ｎｍ）、誘電体反射器を形成する３３
周期のｐ型ドープ層対２４を順次積層する。層対の各周
期の厚さは、このレーザの放射光の波長の半分に等し
く、各層対は、１つのｐ型ドープＧａＡｓ層（６１．３
ｎｍ）２４ａと１つのｐ型ドープＡ１Ａｓ層（７０．２
ｎｍ）２４ｂとから構成されている。さらに、下側のｐ
型ドープ反射器２４の次には、アンドープのＧａＡｓ層
（１１８．６ｎｍ）２５、アンドープのＩｎ0.2 Ｇａ
0.8 Ａｓ層（８ｎｍ）２６、アンドープのＧａＡｓ層
（１１８．６ｎｍ）２７が続いて積層される。これらの
層２５、２６及び２７の全体の厚さは、このレーザの放
射光の１波長分に相当する。Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層２
６は量子井戸層で、ここで、レーザ光放射及び増幅が行
われる。これら活性層の次に、３０周期からなるスタッ
ク層２８を続けて積層し上部誘電体反射器を形成する。
各周期は、ｎ型ドープのＧａＡｓ層（６１．３ｎｍ）２
８ａ及びｎ型ドープのＡ１Ａｓ層（７０．２ｎｍ）２８
ｂから構成されている。そして、誘電体反射器層２８の
次に、ｎ型ドープのＧａＡｓ電極接続用バッファ層２９
が続き、更に、磁性体ニッケル電極層（１０００ｎｍ）
３０、金電極層（５００ｎｍ）３１が続く。この金電極
層は、ボンディングにより外部回路と電気的に接続され
る。
【００３５】活性層２５、２６及び２７全体の厚さは、
Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層２６からなる量子井戸層の組成
及び厚さと誘電体反射器２４及び２８の特性周波数とに
より決まるレーザ放射波長に正確に一致するように選択
される。
Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層２６からなる量子井戸層の組成
及び厚さと誘電体反射器２４及び２８の特性周波数とに
より決まるレーザ放射波長に正確に一致するように選択
される。
【００３６】ＭＯＣＶＤの成長の後、反応性イオンエッ
チングを用いて、レーザとなる部分を残してエッチング
し、光学共振器内に光を導く柱状構造を形成する。電極
層２３及び３１にボンディングすることにより、面発光
レーザ素子を構成できる。
チングを用いて、レーザとなる部分を残してエッチング
し、光学共振器内に光を導く柱状構造を形成する。電極
層２３及び３１にボンディングすることにより、面発光
レーザ素子を構成できる。
【００３７】上記のように本発明に係る半導体素子は、
薄膜の磁性体電極（例えば、ニッケルもしくは鉄または
他の磁性体合金）を、半導体レーザ、変調器または検出
器などのｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造上に形成するも
のである。磁性体電極は、放射光の偏光を決定する量子
力学的選択則を活用して、偏光された光を放射するよう
に、スピン偏極した電子（または正孔）を注入するもの
である。
薄膜の磁性体電極（例えば、ニッケルもしくは鉄または
他の磁性体合金）を、半導体レーザ、変調器または検出
器などのｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造上に形成するも
のである。磁性体電極は、放射光の偏光を決定する量子
力学的選択則を活用して、偏光された光を放射するよう
に、スピン偏極した電子（または正孔）を注入するもの
である。
【００３８】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能であり、他の応用に
も容易に拡張できる。すなわち、微小共振器光学変調器
や光学スイッチ、光学分離器及び偏光された光を放射す
る量子細線レーザなどが考えられる。
るものではなく、種々の変形が可能であり、他の応用に
も容易に拡張できる。すなわち、微小共振器光学変調器
や光学スイッチ、光学分離器及び偏光された光を放射す
る量子細線レーザなどが考えられる。
【００３９】特に、面発光レーザは、光ファイバ通信シ
ステム、光及び電気を混合利用したコンピュータシステ
ム、光メモリシステム、磁気光学的メモリシステム、並
列光学信号処理システム、光ニューラルコンピュータ、
及び光相互接続に利用できる。
ステム、光及び電気を混合利用したコンピュータシステ
ム、光メモリシステム、磁気光学的メモリシステム、並
列光学信号処理システム、光ニューラルコンピュータ、
及び光相互接続に利用できる。
【００４０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、磁性体電極をレーザ構造に用いて面発光量子
井戸レーザから円偏光された光を放射させることができ
る。そして、磁性体電極の磁化方向を切り換えることに
より円偏光の方位（左円偏光又は右円偏光）を変調し、
情報を伝送して処理することができる。また、磁性体電
極を有する面発光レーザ構造を複数個マトリックス状に
形成することにより、多数の光ビームの偏光の並列変調
が可能になり、光学的並列処理及び情報伝送が可能にな
る。
によれば、磁性体電極をレーザ構造に用いて面発光量子
井戸レーザから円偏光された光を放射させることができ
る。そして、磁性体電極の磁化方向を切り換えることに
より円偏光の方位（左円偏光又は右円偏光）を変調し、
情報を伝送して処理することができる。また、磁性体電
極を有する面発光レーザ構造を複数個マトリックス状に
形成することにより、多数の光ビームの偏光の並列変調
が可能になり、光学的並列処理及び情報伝送が可能にな
る。
【００４１】さらに、本発明に基づき磁性体電極を有す
る偏光検出器及び検出器アレイを形成できる。偏光検出
器は、例えば右円偏光の輝度成分に比例した信号を発生
する。また、磁性体電極の上部に形成したコイルに電流
パルスを流すことにより、電極の磁化を切り換えて検出
器の感度を左円偏光された光に切り換えるように構成す
ることができる。
る偏光検出器及び検出器アレイを形成できる。偏光検出
器は、例えば右円偏光の輝度成分に比例した信号を発生
する。また、磁性体電極の上部に形成したコイルに電流
パルスを流すことにより、電極の磁化を切り換えて検出
器の感度を左円偏光された光に切り換えるように構成す
ることができる。
【００４２】従来の技術として、直線偏光子及び１／４
波長板を用いても、円偏光を有する発光素子及び光検出
器を構成することができる。しかし、これらの光学部品
は、高価で場所をとり光損失も大きく、偏光方向を簡単
には切り換えることができず、アレイに統合するのが困
難である。磁性体電極を基本とした本発明は、これら全
ての点で効果が期待できる。
波長板を用いても、円偏光を有する発光素子及び光検出
器を構成することができる。しかし、これらの光学部品
は、高価で場所をとり光損失も大きく、偏光方向を簡単
には切り換えることができず、アレイに統合するのが困
難である。磁性体電極を基本とした本発明は、これら全
ての点で効果が期待できる。
【図１】 本発明の光半導体素子の１実施例を示す図で
ある。
ある。
【図２】 伝導帯と価電子帯との間での光学遷移を説明
するための図で、（ａ）は重い正孔の価電子帯の場合、
（ｂ）は軽い正孔の価電子帯の場合である。
するための図で、（ａ）は重い正孔の価電子帯の場合、
（ｂ）は軽い正孔の価電子帯の場合である。
【図３】 磁性体電極からスピン偏極された電子を注入
する原理を説明するための図である。
する原理を説明するための図である。
【図４】 磁性体電極の上に導電性薄膜のコイルを形成
した例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図で
ある。
した例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図で
ある。
【図５】 マトリクス配列した本発明に係る光半導体素
子の実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面
図である。
子の実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面
図である。
【図６】 本発明に係る磁性体電極を介したスピン偏極
キャリアの注入による面発光半導体レーザの実施例を示
す断面図である。
キャリアの注入による面発光半導体レーザの実施例を示
す断面図である。
【図７】 従来の基本的なレーザ構造の例を示す図であ
る。
る。
１、６…電極、２…磁性体電極、３…ｎ層、４…活性
層、５…ｐ層
層、５…ｐ層
Claims (5)
- 【請求項１】 活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ
接合構造の半導体素子の上部又は下部又はその両方に磁
性体電極を設け、該磁性体電極により活性領域にスピン
偏極した電子又は正孔を注入するように構成したことを
特徴とする光半導体素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の光半導体素子において、
半導体素子は、広いバンドギャップを持ち正孔を注入す
るｐ型ドープ層と狭いバンドギャップを持ちキャリアの
再結合が生ずるアンドープ層と広いバンドギャップを持
ち電子を注入するｎ型ドープ層とからなる２重ヘテロ構
造又は量子井戸構造からなることを特徴とする光半導体
素子。 - 【請求項３】 請求項１記載の光半導体素子において、
半導体素子は、異なる屈折率をもつ層の対の周期構造か
らなる広いバンドギャップを持つｐ型ドープ・スタック
層と１つ以上の量子井戸を含み狭いバンドギャップを持
つ活性層と異なる屈折率をもつ層の対の周期構造からな
る広いバンドギャップを持つｎ型ドープ・スタック層と
により構成し、ｐ型ドープ層対及びｎ型ドープ層対の各
周期の厚さを量子井戸の発光波長の１／２とし、中間の
活性層の厚さを量子井戸の発光波長と等しくして光学的
微小共振器を構成したことを特徴とする光半導体素子。 - 【請求項４】 請求項１記載の光半導体素子において、
磁性体電極上に導体コイルを重ね合わせて形成し、該導
体コイルに電流パルスを流して磁性体電極の磁化の方向
を切り替えるように構成したことを特徴とする光半導体
素子。 - 【請求項５】 活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ
接合構造の半導体素子を縦横に配列し、各半導体素子の
上部又は下部又はその両方に磁性体電極を設け、該磁性
体電極により活性領域にスピン偏極した電子又は正孔を
注入するように構成したことを特徴とする光半導体素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5046486A JP2708085B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5046486A JP2708085B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06260725A JPH06260725A (ja) | 1994-09-16 |
| JP2708085B2 true JP2708085B2 (ja) | 1998-02-04 |
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ID=12748541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5046486A Expired - Lifetime JP2708085B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2708085B2 (ja) |
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-
1993
- 1993-03-08 JP JP5046486A patent/JP2708085B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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| JPH06260725A (ja) | 1994-09-16 |
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