JP3225802B2 - Nonlinear optical material and manufacturing method thereof - Google Patents

Nonlinear optical material and manufacturing method thereof

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JP3225802B2 JP21723095A JP21723095A JP3225802B2 JP 3225802 B2 JP3225802 B2 JP 3225802B2 JP 21723095 A JP21723095 A JP 21723095A JP 21723095 A JP21723095 A JP 21723095A JP 3225802 B2 JP3225802 B2 JP 3225802B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は3次の非線形光学効果を
利用した光デバイスの基礎をなす非線形光学材料とその
製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonlinear optical material which forms the basis of an optical device utilizing a third-order nonlinear optical effect, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、非線形光学材料は高速光スイッ
チ、高調波発生素子などの光デバイスとしての用途が考
えられている。特にその中核をなす半導体超格子、金属
微粒子、半導体微粒子または非線形光学特性を有する有
機化合物を用いた非線形光学材料については、より高性
能な材料の開発あるいはより改良された材料およびその
製造方法が注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, non-linear optical materials have been considered for use as optical devices such as high-speed optical switches and harmonic generation elements. In particular, with regard to the semiconductor superlattice, metal fine particles, semiconductor fine particles or non-linear optical materials using organic compounds having non-linear optical properties, which are the core, development of higher-performance materials or more improved materials and their manufacturing methods attract attention. Have been.

【0003】この分野における従来の技術としては、特
願平1−163056号公報に開示されている非線形光
学薄膜がある。この非線形光学薄膜は、基板上の互いに
分離された複数の微小領域に半導体超格子を設け、他の
領域を絶縁体の薄膜で埋め込んだ構成となっている。
As a conventional technique in this field, there is a nonlinear optical thin film disclosed in Japanese Patent Application No. 1-163056. This nonlinear optical thin film has a configuration in which a semiconductor superlattice is provided in a plurality of minute regions separated from each other on a substrate, and the other regions are embedded with a thin film of an insulator.

【0004】また、アプライド フィジックスA第47巻
347ペ−ジ(Appl. Phys. A, Vol.47, 347 1988)に記載
されている溶融法による金微粒子分散ガラスの作製法が
従来の技術として挙げられる。
Also, Applied Physics A Vol. 47
As a conventional technique, a method for producing a glass in which fine gold particles are dispersed by a melting method described on page 347 (Appl. Phys. A, Vol. 47, 347 1988) can be mentioned.

【0005】この方法は、従来のフィルタ−ガラスの作
製法と同様な溶融冷却法によるものであり、ガラスマト
リックス中に溶解した金をさらに熱処理することにより
金微粒子として析出させるものである。
[0005] This method is based on a melt-cooling method similar to the conventional method for producing a filter glass, in which gold dissolved in a glass matrix is further heat-treated to precipitate as gold fine particles.

【0006】また、ジャ−ナル オブ オプティカル
ソサエティ オブ アメリカ第73巻647ペ−ジ(J.
Opt. Soc. Am., Vol. 73 1983)に記載されているよう
に、CdSxSe1-xをホウケイ酸ガラスに分散したフィ
ルタ−ガラスを非線形光学材料に用いるものがある。こ
のフィルタ−ガラスは、ホウケイ酸ガラス原料とCdS
xSe1-xとを白金ルツボに入れ、1000℃程度以上の
温度で溶融し作製している。
[0006] Also, the Journal of Optical
Society of America Vol. 73, page 647 (J.
Opt. Soc. Am., Vol. 73 1983) uses a filter glass in which CdS x Se 1-x is dispersed in borosilicate glass as a nonlinear optical material. This filter glass is made of borosilicate glass raw material and CdS
x Se 1-x is put in a platinum crucible and melted at a temperature of about 1000 ° C. or more to produce it.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記の半導体超格子、
金属微粒子分散または半導体微粒子分散非線形光学材料
では、次のような課題がある。 (1)半導体超格子薄膜の場合:井戸層の厚みが一種類
の場合、その井戸層の厚みに対応した光を用いた場合に
のみ光信号処理が可能であり、多重信号処理をすること
はできない。また、II−VI族化合物半導体を非線形光学
材料として用いる場合にはGaAs単結晶基板を構造に
含んでいるため、光透過型のデバイスを作製することが
できない。 (2)金属微粒子分散ガラスの場合:溶融冷却法では溶
融できる金属の種類がかぎられている。また、ガラスへ
の金属の溶解度が小さいために10-6〜10-5容量%程度に
しか金属の分散量を上げることができない。また、3次
非線形光学感受率も10-13〜10-12esuと小さく実
用的に十分な非線形光学特性とはいえない。さらにガラ
ス中に分散された金属を微粒子として析出させるために
は1000℃以上の高温で熱処理しなければならない。
さらに、一種類の金属を分散した場合、その金属のプラ
ズモン吸収領域帯の光を用いた場合にのみ光信号処理が
可能であり、多重信号処理をすることはできない。 (3)半導体微粒子分散ガラスの場合:溶融冷却法では
溶融時に半導体の構成成分の一部が蒸発してしまい、半
導体の組成が変化するという問題がある。また、3次非
線形光学感受率も10-12〜10-11esuと小さく実用
的に十分な非線形光学特性とはいえない。さらに、一種
類の半導体を分散した場合、その半導体の吸収領域帯の
光を用いた場合にのみ3次の非線形光学特性が発現し光
信号処理が可能であるが、多重信号処理を行なうことは
できない。
The above-mentioned semiconductor superlattice,
Non-linear optical materials in which metal fine particles or semiconductor fine particles are dispersed have the following problems. (1) In the case of a semiconductor superlattice thin film: When the thickness of a well layer is one type, optical signal processing is possible only when light corresponding to the thickness of the well layer is used. Can not. Further, when a group II-VI compound semiconductor is used as a nonlinear optical material, a GaAs single crystal substrate is included in the structure, so that a light transmission type device cannot be manufactured. (2) In the case of metal fine particle dispersed glass: In the melt cooling method, the types of metals that can be melted are limited. Further, since the solubility of the metal in the glass is small, the amount of the metal dispersed can be increased only to about 10 −6 to 10 −5 volume%. In addition, the third-order nonlinear optical susceptibility is as small as 10 -13 to 10 -12 esu, and it cannot be said that the nonlinear optical characteristics are practically sufficient. Further, in order to precipitate the metal dispersed in the glass as fine particles, heat treatment must be performed at a high temperature of 1000 ° C. or more.
Furthermore, when one kind of metal is dispersed, optical signal processing can be performed only when light in the plasmon absorption region band of the metal is used, and multiplex signal processing cannot be performed. (3) In the case of semiconductor fine particle-dispersed glass: the melt cooling method has a problem that a part of the semiconductor constituents evaporates at the time of melting, and the composition of the semiconductor changes. In addition, the third-order nonlinear optical susceptibility is as small as 10 -12 to 10 -11 esu, which is not sufficient for practically sufficient nonlinear optical characteristics. Furthermore, when one kind of semiconductor is dispersed, a third-order nonlinear optical characteristic is manifested and optical signal processing is possible only when light in the absorption region band of the semiconductor is used. Can not.

【0008】本発明は、基板上に形成された井戸層と障
壁層からなる多重量子井戸構造において少なくとも2種
類以上の厚みの異なる井戸層を有することにより、複数
の異なる波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大
きな3次非線形光学感受率を有する非線形光学材料を提
供することを目的とする。
According to the present invention, a multiple quantum well structure formed of a well layer and a barrier layer formed on a substrate and having at least two or more types of well layers having different thicknesses enables a multiplex capable of responding to light of a plurality of different wavelengths. It is an object of the present invention to provide a nonlinear optical material having a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of signal processing.

【0009】また、GaAs単結晶基板上に形成された
II−VI族化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる
多重量子井戸構造において、前記基板の一部を除去し、
除去した部分をガラス、セラミックスあるいはII−VI族
化合物半導体から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ
構造を有することにより、光透過型の構造で複数の異な
る波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大きな3
次非線形光学感受率を有する非線形光学材料を提供する
ことを目的とする。
Further, a GaAs single crystal substrate is formed.
In a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer made of a II-VI compound semiconductor, a part of the substrate is removed,
By having a structure in which the removed portion is buried with at least one selected from glass, ceramics or II-VI compound semiconductor, it is possible to perform multiple signal processing capable of responding to light of a plurality of different wavelengths in a light transmission type structure. Big three
It is an object of the present invention to provide a nonlinear optical material having the following nonlinear optical susceptibility.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第1の非線形光学材料は、基板上に形成さ
れた井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造において
少なくとも2種類以上の厚みの異なる井戸層を有し、井
戸層の厚さが電子および正孔の量子準位が形成され、か
つ電子および正孔が井戸層中に閉じ込められる領域にあ
る構成を備えた非線形光学材料である。
In order to achieve the above object, a first nonlinear optical material according to the present invention comprises at least two or more types of multi-quantum well structures formed of a well layer and a barrier layer formed on a substrate. A non-linear optical material having a structure in which well layers having different thicknesses are formed, and the thickness of the well layer is in a region where electron and hole quantum levels are formed and electrons and holes are confined in the well layer. is there.

【0011】また、本発明の第2の非線形光学材料は、
ZnSe単結晶基板上にII−VI族化合物半導体からなる
井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造において少な
くとも2種類以上の厚みの異なる井戸層を有する構成を
備えた非線形光学材料である。
Further, the second nonlinear optical material of the present invention comprises:
This is a nonlinear optical material having a structure in which at least two or more types of well layers having different thicknesses are provided in a multiple quantum well structure including a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer on a ZnSe single crystal substrate.

【0012】また、本発明の第3の非線形光学材料は、
GaAs単結晶基板上にGaAsバッファ層とII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造を順次積層した構造において少なくとも2種類
以上の厚みの異なる井戸層を有する構成を備えた非線形
光学材料である。
Further, a third nonlinear optical material of the present invention comprises:
In a structure in which a GaAs buffer layer, a well layer composed of a II-VI compound semiconductor, and a multiple quantum well structure composed of a barrier layer are sequentially laminated on a GaAs single crystal substrate, a structure having at least two or more types of well layers having different thicknesses is provided. Is a nonlinear optical material.

【0013】また、本発明の第4の非線形光学材料は、
GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合物半導
体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造に
おいて、前記基板の一部を除去し、除去した部分をガラ
ス、セラミックスあるいはII−VI族化合物半導体から選
ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を備えた非線形
光学材料である。
Further, the fourth nonlinear optical material of the present invention comprises:
In a multiple quantum well structure comprising a well layer and a barrier layer comprising a II-VI group compound semiconductor formed on a GaAs single crystal substrate, a part of the substrate is removed, and the removed part is replaced with glass, ceramic or II-VI. It is a nonlinear optical material having a structure embedded with at least one selected from group-compound semiconductors.

【0014】また、本発明の第5の非線形光学材料は、
GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合物半導
体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造に
おいて、少なくとも2種類以上の厚みの異なる井戸層を
有し、さらに、前記基板の一部を除去し、除去した部分
をガラス、セラミックスあるいはII−VI族化合物半導体
から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を備えた
非線形光学材料である。
Further, the fifth nonlinear optical material of the present invention comprises:
In a multiple quantum well structure formed of a group II-VI compound semiconductor well layer and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate, the multi-quantum well structure has at least two or more types of well layers having different thicknesses. A non-linear optical material having a structure in which a portion is removed and the removed portion is embedded with at least one selected from glass, ceramics, and II-VI compound semiconductors.

【0015】上記本発明の非線形光学材料において、多
重量子井戸構造の井戸層にZnSe、障壁層にZnMg
SSeを用いることが好ましい。また、ガラスまたはセ
ラミックスからなる埋め込み部分が、SiO2、Ti
2、Al23、SiNから選ばれる少なくとも1つで
あることが好ましい。また、II−VI族化合物半導体から
なる埋め込み部分が、ZnS、ZnSeから選ばれる少
なくとも1つであることが好ましい。
In the above-described nonlinear optical material of the present invention, ZnSe is used for the well layer having a multiple quantum well structure, and ZnMg is used for the barrier layer.
It is preferable to use SSe. The embedded portion made of glass or ceramic is made of SiO 2 , Ti
It is preferably at least one selected from O 2 , Al 2 O 3 , and SiN. Further, it is preferable that the buried portion made of the II-VI compound semiconductor is at least one selected from ZnS and ZnSe.

【0016】また、本発明の第1の非線形光学材料の製
造方法は、基板上に形成された井戸層と障壁層からなる
多重量子井戸構造において、少なくとも2種類以上の厚
みの異なる井戸層を原子層エピタキシー法により、障壁
層を分子線エピタキシー法により作製するという構成を
備えたものである。
Further, in the first method for manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention, in a multiple quantum well structure formed of a well layer and a barrier layer formed on a substrate, at least two or more kinds of well layers having different thicknesses are formed by atomization. The structure is such that a barrier layer is formed by a molecular beam epitaxy method by a layer epitaxy method.

【0017】また、本発明の第2の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法、ゾルーゲル法、あるいは化学気相成
長法から選ばれる1つの方法によりガラスまたはセラミ
ックスで埋め込んだ構造を備えたものである。
In a second method of manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention, there is provided a multi-quantum well structure comprising a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. It has a structure in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with glass or ceramic by one method selected from a sputtering method, a sol-gel method, and a chemical vapor deposition method.

【0018】また、本発明の第3の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法あるいは化学気相成長法から選ばれる
1つの方法によりII−VI族化合物半導体で埋め込んだ構
造を備えたものである。
The third method of manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention is directed to a multi-quantum well structure comprising a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. It has a structure in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with a II-VI group compound semiconductor by one method selected from a sputtering method and a chemical vapor deposition method.

【0019】[0019]

【作用】上記本発明の第1の非線形光学材料によれば、
基板上に形成された井戸層と障壁層からなる多重量子井
戸構造において少なくとも2種類以上の厚みの異なる井
戸層を有し、井戸層の厚さが電子および正孔の量子準位
が形成され、かつ電子および正孔が井戸層中に閉じ込め
られる領域にある構成を備えた非線形光学材料であるこ
とにより、光の応答波長の異なる、従って複数の異なる
波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大きな3次
非線形光学感受率を有する反射型のデバイスに適する非
線形光学材料を達成できる。
According to the first nonlinear optical material of the present invention,
In a multiple quantum well structure comprising a well layer and a barrier layer formed on a substrate, at least two or more types of well layers having different thicknesses are formed, and the thickness of the well layer forms quantum levels of electrons and holes, In addition, since the nonlinear optical material has a configuration in which electrons and holes are confined in the well layer, multiple signal processing capable of responding to light having different response wavelengths of light and thus responding to light of a plurality of different wavelengths is possible. A nonlinear optical material suitable for a reflection-type device having a large third-order nonlinear optical susceptibility can be achieved.

【0020】また、本発明の第2の非線形光学材料によ
れば、ZnSe単結晶基板上にII−VI族化合物半導体か
らなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造におい
て少なくとも2種類以上の厚みの異なる井戸層を有する
構成を備えた非線形光学材料であることにより、光の応
答波長の異なる、従って複数の異なる波長の光に応答で
きる多重信号処理の可能な大きな3次非線形光学感受率
を有する反射型のデバイスに適する非線形光学材料を達
成できる。
According to the second nonlinear optical material of the present invention, at least two or more kinds of thicknesses are provided in a multiple quantum well structure comprising a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer on a ZnSe single crystal substrate. Has a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of performing multiple signal processing capable of responding to light having different response wavelengths of light and thus responding to light of a plurality of different wavelengths. A non-linear optical material suitable for a reflective device can be achieved.

【0021】また、本発明の第3の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上にGaAsバッファ層とII
−VI族化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多
重量子井戸構造を順次積層した構造において少なくとも
2種類以上の厚みの異なる井戸層を有する構成を備えた
非線形光学材料であることにより、光の応答波長の異な
る、従って複数の異なる波長の光に応答できる多重信号
処理の可能な大きな3次非線形光学感受率を有する反射
型のデバイスに適する非線形光学材料を達成できる。
According to the third nonlinear optical material of the present invention, the GaAs buffer layer and the II
-A non-linear optical material having a structure having at least two or more types of well layers having different thicknesses in a structure in which a multiple quantum well structure composed of a well layer composed of a group VI compound semiconductor and a barrier layer is sequentially laminated; A non-linear optical material suitable for a reflective device having a large third-order non-linear optical susceptibility capable of multi-signal processing capable of responding to light having different response wavelengths and thus a plurality of different wavelengths can be achieved.

【0022】また、本発明の第4の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合
物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸
構造において、前記基板の一部を除去し、除去した部分
をガラス、セラミックスあるいはII−VI族化合物半導体
から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を備えた
非線形光学材料であることにより、多重量子井戸構造を
保護できるばかりではなく、膜の機械的強度の大きく、
さらに大きな3次非線形光学感受率を有する光透過型の
デバイスに適する非線形光学材料を達成できる。
Further, according to the fourth nonlinear optical material of the present invention, in the multiple quantum well structure comprising a well layer made of II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate, Is a non-linear optical material having a structure in which a part is removed and the removed part is embedded with at least one selected from glass, ceramics, and II-VI compound semiconductors, so that the multi-quantum well structure can be protected. Rather, the mechanical strength of the membrane is large,
A non-linear optical material suitable for a light transmission type device having a higher third-order non-linear optical susceptibility can be achieved.

【0023】また、本発明の第5の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合
物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸
構造において、少なくとも2種類以上の厚みの異なる井
戸層を有し、さらに、前記基板の一部を除去し、除去し
た部分をガラス、セラミックスあるいはII−VI族化合物
半導体から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を
備えた非線形光学材料であることにより、多重量子井戸
構造を保護できるばかりではなく、膜の機械的強度の大
きく、さらに光の応答波長の異なる、従って複数の異な
る波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大きな3
次非線形光学感受率を有する光透過型のデバイスに適す
る非線形光学材料を達成できる。
Further, according to the fifth nonlinear optical material of the present invention, in the multiple quantum well structure comprising a well layer made of II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate, at least 2 It has a structure in which well layers having different thicknesses of different kinds or more are further removed, and a part of the substrate is removed, and the removed portion is buried with at least one selected from glass, ceramics or II-VI compound semiconductor. The nonlinear optical material not only protects the multi-quantum well structure, but also has a high mechanical strength of the film, and also enables multiple signal processing that can respond to light having different response wavelengths and, therefore, light having different wavelengths. Big 3
A non-linear optical material suitable for a light transmission type device having a non-linear optical susceptibility can be achieved.

【0024】また、多重量子井戸構造の井戸層にZnS
e、障壁層にZnMgSSeを用いるという本発明の好
ましい例によれば、ZnMgSSeは、GaAs単結晶
基板との格子整合性に優れ、またZnSeの大きな励起
子結合エネルギーと量子閉じ込め効果により、より大き
な3次非線形光学特性を有する非線形光学材料を実現す
ることが可能である。
The well layer of the multiple quantum well structure has ZnS
e. According to a preferred embodiment of the present invention in which ZnMgSSe is used for the barrier layer, ZnMgSSe has excellent lattice matching with a GaAs single crystal substrate, and has a larger exciton binding energy and a larger quantum confinement effect of ZnSe. It is possible to realize a nonlinear optical material having the following nonlinear optical characteristics.

【0025】また、ガラスまたはセラミックスからなる
埋め込み部分が、SiO2、TiO2、Al23、SiN
から選ばれる少なくとも1つであるという本発明の好ま
しい例によれば、このようなガラスまたはセラミックス
は化学的に安定であり、光学的に広い範囲で透明である
ので、大きな3次の非線形光学特性を有する非線形光学
材料を達成できる。
The buried portion made of glass or ceramic is made of SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , SiN
According to a preferred embodiment of the present invention in which the glass or ceramic is at least one selected from the group consisting of: Can be achieved.

【0026】次に本発明の第1の非線形光学材料の製造
方法は、基板上に形成された井戸層と障壁層からなる多
重量子井戸構造において、少なくとも2種類以上の厚み
の異なる井戸層を原子層エピタキシー法により、障壁層
を分子線エピタキシー法により作製する方法であるの
で、井戸層の半導体組成と構造を精密に制御することが
可能で、大きな3次の非線形光学特性を有する非線形光
学材料を容易に製造することができる。
Next, a first method for manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention is a method of manufacturing a multi-quantum well structure comprising a well layer and a barrier layer formed on a substrate, wherein at least two or more kinds of well layers having different thicknesses are formed by atomic atomization. Since the barrier layer is manufactured by the molecular beam epitaxy method by the layer epitaxy method, the semiconductor composition and structure of the well layer can be precisely controlled, and a nonlinear optical material having a large third-order nonlinear optical characteristic can be obtained. It can be easily manufactured.

【0027】また、本発明の第2の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法、ゾルーゲル法、あるいは化学気相成
長法から選ばれる1つの方法によりガラスまたはセラミ
ックスで埋め込んだ構造を作製する方法であるので、多
重量子井戸構造を保護できるばかりではなく、膜の機械
的強度の大きく、さらに複数の異なる波長の光に応答で
きる多重信号処理の可能な大きな3次非線形光学感受率
を有する光透過型のデバイスに適する非線形光学材料を
容易に製造することができる。
In a second method of manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention, there is provided a multi-quantum well structure comprising a well layer formed of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. This is a method in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with glass or ceramics by one method selected from a sputtering method, a sol-gel method, or a chemical vapor deposition method. Non-linear optical material suitable for light-transmitting devices that not only can protect the light but also have a large mechanical strength of the film and a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of multiplex signal processing capable of responding to light of a plurality of different wavelengths. Can be easily manufactured.

【0028】また、本発明の第3の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法あるいは化学気相成長法から選ばれる
1つの方法によりII−VI族化合物半導体で埋め込んだ構
造を作製する方法であるので、多重量子井戸構造を保護
できるばかりではなく、膜の機械的強度の大きく、さら
に複数の異なる波長の光に応答できる多重信号処理の可
能な大きな3次非線形光学感受率を有する光透過型のデ
バイスに適する非線形光学材料を容易に製造することが
できる。
Further, the third method for manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention is directed to a multi-quantum well structure comprising a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. This is a method of fabricating a structure in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with a II-VI group compound semiconductor by one method selected from a sputtering method or a chemical vapor deposition method. A nonlinear optical material suitable not only for protection but also for a light transmission type device having a large mechanical strength of the film and a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of processing multiple signals capable of responding to light of a plurality of different wavelengths. It can be easily manufactured.

【0029】[0029]

【実施例】以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

【0030】上記多重量子井戸構造を構成する井戸層と
障壁層に用いる半導体の組合せとしては、GaAs/A
xGa1-xAsやGaAs/AlAs等のIII−V族化
合物半導体を用いることができるが、ZnSe/ZnM
gSSe、ZnCdS/ZnSSe等のII−VI族化合物
半導体の方が大きな励起子結合エネルギーと量子閉じ込
め効果による大きな3次非線形光学特性を有する非線形
光学材料を実現することが可能であり好ましい。また、
異なる層厚を有する井戸層の数は多い程多種類の波長を
利用することができ好ましい。
The combination of the semiconductor used for the well layer and the barrier layer constituting the multiple quantum well structure is GaAs / A
III-V compound semiconductors such as l x Ga 1-x As and GaAs / AlAs can be used, but ZnSe / ZnM
Group II-VI compound semiconductors such as gSSe and ZnCdS / ZnSSe are preferable because they can realize a nonlinear optical material having a large exciton binding energy and a large third-order nonlinear optical characteristic due to a quantum confinement effect. Also,
It is preferable that the number of well layers having different layer thicknesses is large because various types of wavelengths can be used.

【0031】また、上記多重量子井戸構造の井戸層は、
量子閉じ込め効果が実現できる厚さである、これは半導
体の種類により異なるが、20nm以下が好ましい。
The well layer of the multiple quantum well structure has
The thickness is such that the quantum confinement effect can be achieved. This depends on the type of semiconductor, but is preferably 20 nm or less.

【0032】また、上記多重量子井戸構造を形成する単
結晶基板は、結晶性が高くかつ多重量子井戸構造と格子
整合しやすいGaAs、ZnSe、InP単結晶が好ま
しい。
The single crystal substrate forming the multiple quantum well structure is preferably a single crystal of GaAs, ZnSe, or InP which has high crystallinity and is easily lattice-matched with the multiple quantum well structure.

【0033】また、本実施例で形成する多重量子井戸構
造は、原子層エピタキシー法、分子線エピタキシー法あ
るいは有機金属分子線エピタキシー法によると構造の制
御性や結晶性の良好なものが作製でき好ましい。
The multiple quantum well structure formed in this embodiment is preferably formed by atomic layer epitaxy, molecular beam epitaxy, or metalorganic molecular beam epitaxy because a structure having good controllability and good crystallinity can be produced. .

【0034】また、本実施例で基板の一部を除去する方
法としては、酸やアルカリを用いる化学的な湿式エッチ
ング法を用いると多重量子井戸構造に損傷を与えること
なく基板のみを除去でき好ましい。
As a method of removing a part of the substrate in this embodiment, it is preferable to use a chemical wet etching method using an acid or an alkali because only the substrate can be removed without damaging the multiple quantum well structure. .

【0035】以下本発明の具体的実施例について説明す
る。 (実施例1)ZnSe単結晶基板上に通常の分子線エピ
タキシー装置を用い図1に示す断面構造を有するZnS
e井戸層/ZnMgSSe障壁層からなる多重量子井戸
構造を作製した。Zn、Se、Mg、ZnS原料をそれ
ぞれクラッカーセルに入れ分子線が発生する温度に加熱
し、セルのシャッターの開閉時間をコンピュータ制御す
ることにより、井戸層と障壁層を順次成形した。基板の
温度は、300℃で最も良好な特性を示す多重量子井戸
構造を作製できた。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. (Example 1) ZnS having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was formed on a ZnSe single crystal substrate using a normal molecular beam epitaxy apparatus.
A multiple quantum well structure composed of an e-well layer / ZnMgSSe barrier layer was manufactured. The Zn, Se, Mg, and ZnS raw materials were each placed in a cracker cell and heated to a temperature at which a molecular beam was generated, and the opening and closing time of the shutter of the cell was computer-controlled to form a well layer and a barrier layer sequentially. A multiple quantum well structure exhibiting the best characteristics at a substrate temperature of 300 ° C. was produced.

【0036】図1において、ZnSe単結晶基板1上に
まず30nmの厚さのZnMgSSe障壁層8を形成
し、次に20nmの厚さのZnSe井戸層3を形成し、
順次井戸層と障壁層8を繰り返し積層し井戸層4(10
nm)、井戸層5(7nm)、井戸層6(5nm)、井
戸層7(2nm)からなる多重量子井戸構造2を作製し
た。
In FIG. 1, first, a ZnMgSSe barrier layer 8 having a thickness of 30 nm is formed on a ZnSe single crystal substrate 1, and then a ZnSe well layer 3 having a thickness of 20 nm is formed.
The well layer and the barrier layer 8 are repeatedly laminated in order, and the well layer 4 (10
nm), a well layer 5 (7 nm), a well layer 6 (5 nm), and a well layer 7 (2 nm).

【0037】本実施例での多重量子井戸構造の12Kに
おけるフォトルミネッセンススペクトルを図2に示す。
図2において、縦軸はスペクトルの発光強度を相対値で
示し、横軸は測定波長を示している。420nm以下に
もZnMgSSe障壁層からの発光が見られるが、ここ
では5つの発光が見られ短波長側からそれぞれ発光9は
井戸層7(2nm)に起因すること、発光10は井戸層
6(5nm)に、発光11は井戸層5(7nm)に、発
光12は井戸層4(10nm)に、発光13は井戸層3
(20nm)に対応することがわかり、5つの異なる層
厚からなる井戸層が形成されていることがわかる。さら
にそれぞれの波長に対応するレーザを用いて反射型の配
置で3次非線形光学感受率を測定したところ1×10-3
〜8×10-3esuと大きな値を示すことがわかった。
FIG. 2 shows a photoluminescence spectrum at 12 K of the multiple quantum well structure in this embodiment.
In FIG. 2, the vertical axis represents the emission intensity of the spectrum as a relative value, and the horizontal axis represents the measurement wavelength. Although light emission from the ZnMgSSe barrier layer is observed even at 420 nm or less, here, five light emissions are observed, and light emission 9 is attributed to the well layer 7 (2 nm) from the short wavelength side, and light emission 10 corresponds to the well layer 6 (5 nm). ), Light emission 11 is in well layer 5 (7 nm), light emission 12 is in well layer 4 (10 nm), and light emission 13 is in well layer 3 (7 nm).
(20 nm), and well layers having five different layer thicknesses are formed. Further Measurement of the third-order nonlinear optical susceptibility in the reflection type disposed with laser corresponding to the respective wavelengths 1 × 10 -3
It was found to show a large value of 88 × 10 −3 esu.

【0038】(実施例2)ZnSe単結晶基板上に通常
の分子線エピタキシー装置を用い上記の第1の実施例と
同様な図1に示した断面構造を有するZnSe井戸層/
ZnMgSSe障壁層からなる多重量子井戸構造を作製
した。Zn、Se、Mg、ZnS原料をそれぞれクラッ
カーセルに入れ分子線が発生する温度に加熱し、セルの
シャッターの開閉時間をコンピュータ制御することによ
り、井戸層と障壁層を順次形成した。井戸層の成長時に
は、基板の温度を200℃としまずZnを蒸着後Seを
蒸着してZnSe単分子層を形成し、同様にZnとSe
の蒸着を繰り返しZnSe層を形成する原子層エピタキ
シーを用いた。障壁層の形成時には、基板温度を300
℃にして分子線エピタキシー法により形成した。本実施
例での多重量子井戸構造の12Kにおけるフォトルミネ
ッセンススペクトルは、図2に示したものと同じ位置に
5つの発光ピークを示し本実施例においても5つの異な
る層厚からなる井戸層が形成されていることがわかる。
また、本実施例では、図2と比較してピークの半値全幅
がより小さくなっていた。さらにそれぞれの波長に対応
するレーザを用いて反射型の配置で3次非線形光学感受
率を測定したところ4×10-3〜9×10-3esuと大
きな値を示すことがわかった。本実施例では、上記の第
1の実施例に比較して多重量子井戸構造の界面平坦性や
結晶性が高いことがわかった。これは、ZnSe井戸層
の形成に原子層エピタキシー法を用いたためであると考
えられる。
Example 2 A ZnSe well layer having a cross-sectional structure similar to that of the first embodiment shown in FIG. 1 was formed on a ZnSe single crystal substrate by using an ordinary molecular beam epitaxy apparatus.
A multiple quantum well structure including a ZnMgSSe barrier layer was manufactured. Zn, Se, Mg, and ZnS raw materials were each placed in a cracker cell and heated to a temperature at which a molecular beam was generated, and a well layer and a barrier layer were sequentially formed by computer-controlling the opening and closing time of a shutter of the cell. During the growth of the well layer, the temperature of the substrate was set to 200 ° C., Zn was first deposited, and then Se was deposited to form a ZnSe monomolecular layer.
Was used to form a ZnSe layer by atomic layer epitaxy. When forming the barrier layer, the substrate temperature is set to 300
C. and formed by molecular beam epitaxy. The photoluminescence spectrum at 12K of the multiple quantum well structure in the present embodiment shows five emission peaks at the same positions as those shown in FIG. You can see that it is.
Further, in the present embodiment, the full width at half maximum of the peak was smaller than in FIG. Further, when the third-order nonlinear optical susceptibility was measured in a reflection type arrangement using lasers corresponding to the respective wavelengths, it was found that the terrestrial nonlinear optical susceptibility showed a large value of 4 × 10 −3 to 9 × 10 −3 esu. In this example, it was found that the interface flatness and crystallinity of the multiple quantum well structure were higher than those of the first example. This is considered to be because the atomic layer epitaxy method was used to form the ZnSe well layer.

【0039】(実施例3)GaAs単結晶基板上に通常
の分子線エピタキシー装置を用い図3に示した断面構造
を有するGaAsバッファー層とZnSe井戸層/Zn
MgSSe障壁層からなる多重量子井戸構造を作製し
た。Zn、Se、Mg、ZnSおよびGaとAs原料に
用いた。膜の作製には接続された2つの真空チャンバー
を用い、最初にGaAs単結晶基板上にGaとAs原料
をそれぞれクラッカーセルに入れ分子線が発生する温度
に加熱し、1000nmのGaAsバッファー層を形成
した後、大気にはさらさずに次の真空チャンバーに移動
させ、Zn、Se、Mg、ZnS原料をそれぞれクラッ
カーセルに入れ分子線が発生する温度に加熱し、セルの
シャッターの開閉時間をコンピュータ制御することによ
り、井戸層と障壁層を順次成形した。基板の温度は、バ
ッファー層、多重量子井戸構造いずれの場合も300℃
で最も良好な特性を示す多重量子井戸構造を作製でき
た。
(Example 3) A GaAs buffer layer and a ZnSe well layer / Zn having the sectional structure shown in FIG. 3 were formed on a GaAs single crystal substrate by using a normal molecular beam epitaxy apparatus.
A multiple quantum well structure including a MgSSe barrier layer was manufactured. Zn, Se, Mg, ZnS, Ga and As were used as raw materials. Two connected vacuum chambers were used for film formation. First, Ga and As raw materials were each placed in a cracker cell on a GaAs single crystal substrate and heated to a temperature at which a molecular beam was generated to form a GaAs buffer layer of 1000 nm. After that, it is moved to the next vacuum chamber without exposing it to the atmosphere, Zn, Se, Mg, and ZnS raw materials are put into cracker cells and heated to the temperature at which molecular beams are generated, and the opening and closing time of the cell shutter is controlled by computer. Thereby, the well layer and the barrier layer were sequentially formed. The temperature of the substrate is 300 ° C. for both the buffer layer and the multiple quantum well structure.
Thus, a multiple quantum well structure exhibiting the best characteristics was produced.

【0040】図3において、GaAs単結晶基板1上に
まず1000nmのGaAsバッファー層14をさらに
30nmの厚さのZnMgSSe障壁層8を形成し、次
に20nmの厚さのZnSe井戸層3と形成し、順次井
戸層と障壁層8を繰り返し積層し井戸層4(10n
m)、井戸層5(7nm)、井戸層6(5nm)、井戸
層7(2nm)からなる多重量子井戸構造2を作製し
た。本実施例での多重量子井戸構造の12Kにおけるフ
ォトルミネッセンススペクトルは図2に示したものとほ
ぼ同じであり、本実施例においても5つの異なる層厚か
らなる井戸層が形成されていることがわかった。さらに
それぞれの波長に対応するレーザを用いて反射型の配置
で3次非線形光学感受率を測定したところ2×10-3
9×10-3esuと大きな値を示すことがわかった。ま
た、本実施例では、上記の第1の実施例に比較して多重
量子井戸構造の界面平坦性や結晶性が高いことがわかっ
た。これは、GaAsバッファー層のため基板表面の凹
凸が減少したことによるためであると考えられる。
In FIG. 3, a GaAs buffer layer 14 having a thickness of 1000 nm is further formed on a GaAs single crystal substrate 1, a ZnMgSSe barrier layer 8 having a thickness of 30 nm is formed, and a ZnSe well layer 3 having a thickness of 20 nm is formed. , A well layer and a barrier layer 8 are sequentially laminated to form a well layer 4 (10 n
m), a well layer 5 (7 nm), a well layer 6 (5 nm), and a well layer 7 (2 nm) were produced. The photoluminescence spectrum at 12K of the multiple quantum well structure in this embodiment is almost the same as that shown in FIG. 2, and it is understood that well layers having five different layer thicknesses are also formed in this embodiment. Was. Further Measurement of the third-order nonlinear optical susceptibility in the arrangement of the reflection type using the laser corresponding to the respective wavelength 2 × 10 -3 ~
It turned out to be as large as 9 × 10 −3 esu. Further, in this example, it was found that the interface flatness and crystallinity of the multiple quantum well structure were higher than those of the first example. This is presumably because the GaAs buffer layer reduced unevenness on the substrate surface.

【0041】なお本実施例では、基板をGaAsとした
が、ZnSeを基板に用いても同様の効果を得ることが
できる。
In this embodiment, the substrate is GaAs, but the same effect can be obtained by using ZnSe for the substrate.

【0042】(実施例4)上記の第3の実施例と同様な
方法により、GaAs単結晶基板上に通常の分子線エピ
タキシー装置を用い図3に示した断面構造を有するGa
Asバッファー層とZnSe井戸層/ZnMgSSe障
壁層からなる多重量子井戸構造を作製した。さらに、図
3に示した構造の多重量子井戸構造のGaAs単結晶基
板を硫酸系エッチャントを用いてエッチングして部分的
に除去した後、シリコンアルコキシドを原料とした化学
気相成長法により、SiO215で埋め込み図4に示し
た断面構造を有する非線形光学材料を作製した。図4に
おいて15以外の各番号は図3のものと同じ材料を示
す。本実施例での多重量子井戸構造の12Kにおけるフ
ォトルミネッセンススペクトルは図2に示したものとほ
ぼ同じであり、本実施例においても5つの異なる層厚か
らなる井戸層が形成されていることがわかった。さらに
それぞれの波長に対応するレーザを用いて光透過型の前
方入射型縮退4光波混合法による3次非線形光学感受率
を測定したところ3×10-3〜8×10-3esuと大き
な値を示すことがわかった。また、本実施例では、埋め
込みに用いる材料により、反射型の構成でも非線形光学
特性を測定できることがわかった。
(Embodiment 4) By a method similar to that of the above-described third embodiment, Ga having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 was formed on a GaAs single crystal substrate by using an ordinary molecular beam epitaxy apparatus.
A multiple quantum well structure composed of an As buffer layer and a ZnSe well layer / ZnMgSSe barrier layer was manufactured. Further, after the GaAs single crystal substrate having the multiple quantum well structure having the structure shown in FIG. 3 is partially removed by etching using a sulfuric acid-based etchant, SiO 2 is formed by a chemical vapor deposition method using silicon alkoxide as a raw material. In step 15, a non-linear optical material having a cross-sectional structure shown in FIG. 4, the numbers other than 15 indicate the same materials as those in FIG. The photoluminescence spectrum at 12K of the multiple quantum well structure in this embodiment is almost the same as that shown in FIG. 2, and it is understood that well layers having five different layer thicknesses are also formed in this embodiment. Was. Further, when the third-order nonlinear optical susceptibility was measured by a light transmission type forward-incidence degenerate four-wave mixing method using lasers corresponding to the respective wavelengths, a large value of 3 × 10 −3 to 8 × 10 −3 esu was obtained. It turned out to show. Further, in this example, it was found that the nonlinear optical characteristics can be measured even in the reflection type configuration, depending on the material used for embedding.

【0043】さらにチタンアルコキシドを用いてTiO
2あるいはアルミニウムアルコキシドを用いてAl23
を化学気相成長法により作製し、SiO215の代わり
に用いても上記とほぼ同等な特性を得ることができた。
また、スパッタ法により、SiO215の代わりにSi
Nを用いても上記とほぼ同等な特性を得ることができ
た。
Further, using titanium alkoxide to form TiO
2 or Al 2 O 3 using aluminum alkoxide
Was produced by a chemical vapor deposition method, and even when it was used in place of SiO 2 15, almost the same characteristics as above could be obtained.
Also, instead of SiO 2 15, Si was used by sputtering.
Even when N was used, almost the same characteristics as above could be obtained.

【0044】また、ソルーゲル法により、シリコンアル
コキシドを加水分解することにより、SiO215と同
等な特性をゆうする埋め込み部分を作製することができ
た。
Further, by hydrolyzing the silicon alkoxide by the sol-gel method, a buried portion having characteristics equivalent to those of SiO 2 15 could be produced.

【0045】(実施例5)上記の第4の実施例と同様な
方法により、GaAs単結晶基板上に通常の分子線エピ
タキシー装置を用いGaAsバッファー層と30nmの
厚さのZnMgSSe障壁層に挟ませた5nmの厚さの
ZnSe井戸層のみからなる単一井戸構造を作製した。
さらに、単一井戸構造のGaAs単結晶基板を硫酸系エ
ッチャントを用いてエッチングして部分的に除去した
後、シリコンアルコキシドを原料とした化学気相成長法
により、SiO2で埋め込んだ構成を有する非線形光学
材料を作製した。本実施例での単一井戸構造の12Kに
おけるフォトルミネッセンススペクトルは井戸層からの
1つの発光が434nmに見られた。さらに、434n
mのレーザを用いて光透過型の前方入射型縮退4光波混
合法による3次非線形光学感受率を測定したところ4×
10-3esuと大きな値を示すことがわかった。また、
本実施例では、埋め込みに用いる材料により、反射型の
構成でも非線形光学特性を測定できることがわかった。
(Embodiment 5) In the same manner as in the fourth embodiment, a GaAs buffer layer and a 30 nm thick ZnMgSSe barrier layer were sandwiched on a GaAs single crystal substrate using a normal molecular beam epitaxy apparatus. A single well structure consisting only of a 5 nm thick ZnSe well layer was fabricated.
Further, after a GaAs single crystal substrate having a single well structure is partially removed by etching using a sulfuric acid-based etchant, a non-linear structure having a structure embedded with SiO 2 by a chemical vapor deposition method using silicon alkoxide as a raw material. An optical material was produced. In the photoluminescence spectrum at 12 K of the single well structure in this example, one emission from the well layer was observed at 434 nm. In addition, 434n
When the third-order nonlinear optical susceptibility was measured by a light transmission type forward incidence degenerate four-wave mixing method using a laser of m
It was found to show a large value of 10 −3 esu. Also,
In this example, it was found that the nonlinear optical characteristics could be measured even in a reflective configuration, depending on the material used for embedding.

【0046】(実施例6)上記の第3の実施例と同様な
方法により、GaAs単結晶基板上に通常の分子線エピ
タキシー装置を用い図3に示した断面構造を有するGa
Asバッファー層とZnSe井戸層/ZnMgSSe障
壁層からなる多重量子井戸構造を作製した。さらに、図
3に示した構造の多重量子井戸構造のGaAs単結晶基
板を硫酸系エッチャントを用いてエッチングして部分的
に除去した後、ジエチルジンクと硫化水素を原料とした
化学気相成長法により、ZnS15で埋め込み図4に示
した断面構造を有する非線形光学材料を作製した。図4
において15以外の各番号は図3のものと同じ材料を示
す。本実施例での多重量子井戸構造の12Kにおけるフ
ォトルミネッセンススペクトルは第2図に示したものと
ほぼ同じであり、本実施例においても5つの異なる層厚
からなる井戸層が形成されていることがわかる。さらに
それぞれの波長に対応するレーザを用いて光透過型の前
方入射型縮退4光波混合法による3次非線形光学感受率
を測定したところ3×10-3〜7×10 -3esuと大き
な値を示すことがわかった。また、本実施例では、埋め
込みに用いる材料により、反射型の構成でも非線形光学
特性を測定できることがわかった。また、ジエチルジン
クとセレン化水素を原料とした化学気相成長法により、
ZnSの替わりにZnSeで埋め込み部分を形成するこ
とができた。
(Embodiment 6) The same as in the above third embodiment.
Method, a normal molecular beam epitaxy on a GaAs single crystal substrate.
Ga having the cross-sectional structure shown in FIG.
As buffer layer and ZnSe well layer / ZnMgSSe failure
A multiple quantum well structure composed of a wall layer was fabricated. Furthermore, the figure
GaAs single crystal base having a multiple quantum well structure having the structure shown in FIG.
The plate is partially etched using a sulfuric acid-based etchant.
After the removal, diethyl zinc and hydrogen sulfide were used as raw materials.
Embedded in ZnS15 by chemical vapor deposition
A nonlinear optical material having a cross-sectional structure was fabricated. FIG.
, Each number other than 15 indicates the same material as that of FIG.
You. In the present embodiment, the multi-quantum well structure at 12K is used.
The photoluminescence spectra are as shown in FIG.
Approximately the same, and in this embodiment also five different layer thicknesses
It can be seen that a well layer consisting of was formed. further
Before the light transmission type using laser corresponding to each wavelength
-Order nonlinear optical susceptibility by degenerate four-wave mixing method
3 × 10-3~ 7 × 10 -3esu and size
It turned out that it shows a suitable value. Also, in this embodiment,
Non-linear optics depending on the material used
It turned out that the characteristics could be measured. Also, diethylzine
Chemical vapor deposition using hydrogen and hydrogen selenide as raw materials
The buried portion may be formed of ZnSe instead of ZnS.
I was able to.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の第1の非線
形光学材料によれば、基板上に形成された井戸層と障壁
層からなる多重量子井戸構造において少なくとも2種類
以上の厚みの異なる井戸層を有し、井戸層の厚さが電子
および正孔の量子準位が形成され、かつ電子および正孔
が井戸層中に閉じ込められる領域にある構成を備えた非
線形光学材料であることにより、光の応答波長の異な
る、従って複数の異なる波長の光に応答できる多重信号
処理の可能な大きな3次非線形光学感受率を有する反射
型のデバイスに適する非線形光学材料を提供することが
できる。
As described above, according to the first nonlinear optical material of the present invention, at least two or more types of wells having different thicknesses in a multiple quantum well structure comprising a well layer and a barrier layer formed on a substrate. A non-linear optical material having a structure in which the quantum levels of electrons and holes are formed in the well layer and the thickness of the well layer is in a region where the electrons and holes are confined in the well layer. It is possible to provide a nonlinear optical material suitable for a reflection-type device having a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of performing multiple signal processing and capable of responding to light having different response wavelengths of light and a plurality of different wavelengths.

【0048】また、本発明の第2の非線形光学材料によ
れば、ZnSe単結晶基板上にII−VI族化合物半導体か
らなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造におい
て少なくとも2種類以上の厚みの異なる井戸層を有する
構成を備えた非線形光学材料であることにより、光の応
答波長の異なる、従って複数の異なる波長の光に応答で
きる多重信号処理の可能な大きな3次非線形光学感受率
を有する反射型のデバイスに適する非線形光学材料を提
供することができる。
According to the second nonlinear optical material of the present invention, at least two or more kinds of thicknesses are provided in a multiple quantum well structure comprising a well layer composed of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer on a ZnSe single crystal substrate. Has a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of performing multiple signal processing capable of responding to light having different response wavelengths of light and thus responding to light of a plurality of different wavelengths. A nonlinear optical material suitable for a reflective device can be provided.

【0049】また、本発明の第3の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上にGaAsバッファ層とII
−VI族化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多
重量子井戸構造を順次積層した構造において少なくとも
2種類以上の厚みの異なる井戸層を有する構成を備えた
非線形光学材料であることにより、光の応答波長の異な
る、従って複数の異なる波長の光に応答できる多重信号
処理の可能な大きな3次非線形光学感受率を有する反射
型のデバイスに適する非線形光学材料を提供することが
できる。
Further, according to the third nonlinear optical material of the present invention, the GaAs buffer layer and the II
-A non-linear optical material having a structure having at least two or more types of well layers having different thicknesses in a structure in which a multiple quantum well structure composed of a well layer composed of a group VI compound semiconductor and a barrier layer is sequentially laminated; It is possible to provide a nonlinear optical material suitable for a reflection-type device having a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of performing multiple signal processing capable of responding to light having different response wavelengths and thus a plurality of different wavelengths.

【0050】また、本発明の第4の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合
物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸
構造において、前記基板の一部を除去し、除去した部分
をガラス、セラミックスあるいはII−VI族化合物半導体
から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を備えた
非線形光学材料であることにより、多重量子井戸構造を
保護するばかりではなく、膜の機械的強度の大きく、さ
らに大きな3次非線形光学感受率を有する光透過型のデ
バイスに適する非線形光学材料を提供することができ
る。
According to the fourth nonlinear optical material of the present invention, in the multiple quantum well structure comprising a well layer made of a group II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate, Is a nonlinear optical material having a structure in which a part of the structure is removed and the removed part is embedded with at least one selected from glass, ceramics, and II-VI compound semiconductors, thereby protecting the multiple quantum well structure. Instead, it is possible to provide a nonlinear optical material which is suitable for a light transmission type device having a large mechanical strength of the film and a large third-order nonlinear optical susceptibility.

【0051】また、本発明の第5の非線形光学材料によ
れば、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族化合
物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子井戸
構造において、少なくとも2種類以上の厚みの異なる井
戸層を有し、さらに、前記基板の一部を除去し、除去し
た部分をガラス、セラミックスあるいはII−VI族化合物
半導体から選ばれる少なくとも1つで埋め込んだ構造を
備えた非線形光学材料であることにより、多重量子井戸
構造を保護するばかりではなく、膜の機械的強度の大き
く、さらに光の応答波長の異なる、従って複数の異なる
波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大きな3次
非線形光学感受率を有する光透過型のデバイスに適する
非線形光学材料を提供することができる。
Further, according to the fifth nonlinear optical material of the present invention, in the multiple quantum well structure comprising a well layer made of II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate, at least 2 It has a structure in which well layers having different thicknesses of different kinds or more are further removed, and a part of the substrate is removed, and the removed portion is buried with at least one selected from glass, ceramics or II-VI compound semiconductor. Non-linear optical material not only protects the multiple quantum well structure, but also enables high mechanical strength of the film, and multiple signal processing that can respond to light with different response wavelengths and thus multiple different wavelengths. It is possible to provide a nonlinear optical material suitable for a light transmission type device having a very large third-order nonlinear optical susceptibility.

【0052】また、多重量子井戸構造の井戸層にZnS
e、障壁層にZnMgSSeを用いるという本発明の好
ましい例によれば、ZnMgSSeは、GaAs単結晶
基板との格子整合性に優れ、またZnSeの大きな励起
子結合エネルギーと量子閉じ込め効果により、より大き
な3次非線形光学特性を有する非線形光学材料を提供す
ることができる。
The well layer of the multiple quantum well structure has ZnS
e. According to a preferred embodiment of the present invention in which ZnMgSSe is used for the barrier layer, ZnMgSSe has excellent lattice matching with a GaAs single crystal substrate, and has a larger exciton binding energy and a larger quantum confinement effect of ZnSe. A nonlinear optical material having the following nonlinear optical characteristics can be provided.

【0053】また、ガラスまたはセラミックスからなる
埋め込み部分が、SiO2、TiO2、Al23、SiN
から選ばれる少なくとも1つであるという本発明の好ま
しい例によれば、このようなガラスまたはセラミックス
は化学的に安定であり、光学的に広い範囲で透明である
ので、大きな3次の非線形光学特性を有する非線形光学
材料を提供することができる。
The embedded portion made of glass or ceramic is made of SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , SiN
According to a preferred embodiment of the present invention in which the glass or ceramic is at least one selected from the group consisting of: Can be provided.

【0054】次に本発明の第1の非線形光学材料の製造
方法は、基板上に形成された井戸層と障壁層からなる多
重量子井戸構造において、少なくとも2種類以上の厚み
の異なる井戸層を原子層エピタキシー法により、障壁層
を分子線エピタキシー法により作製する方法であるの
で、井戸層の半導体組成と構成を精密に制御することが
可能で、大きな3次の非線形光学特性を有する非線形光
学材料を容易に提供することができる。
Next, according to the first method for manufacturing a nonlinear optical material of the present invention, in a multiple quantum well structure formed of a well layer and a barrier layer formed on a substrate, at least two or more types of well layers having different thicknesses are atomized. Since the barrier layer is formed by the molecular beam epitaxy method by the layer epitaxy method, it is possible to precisely control the semiconductor composition and the configuration of the well layer, and to obtain a nonlinear optical material having a large third-order nonlinear optical characteristic. Can be easily provided.

【0055】また、本発明の第2の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法、ゾルーゲル法、あるいは化学気相成
長法から選ばれる1つの方法によりガラスまたはセラミ
ックスで埋め込んだ構造を作製する方法であるので、多
重量子井戸構造を保護でき、また膜の機械的強度の大き
い、さらに複数の異なる波長の光に応答できる多重信号
処理の可能な大きな3次非線形光学感受率を有する光透
過型のデバイスに適する非線形光学材料を容易に提供す
ることができる。
Further, the second method for manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention is directed to a multi-quantum well structure comprising a well layer made of II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. This is a method in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with glass or ceramics by one method selected from a sputtering method, a sol-gel method, or a chemical vapor deposition method. Optical material suitable for light-transmitting type devices having a large third-order nonlinear optical susceptibility capable of protecting multiple layers and having a large mechanical strength of the film and capable of responding to light of a plurality of different wavelengths and capable of performing multiple signal processing. Can be provided.

【0056】また、本発明の第3の非線形光学材料の製
造方法は、GaAs単結晶基板上に形成されたII−VI族
化合物半導体からなる井戸層と障壁層からなる多重量子
井戸構造において、前記基板の一部を除去し、除去した
部分をスパッタ法あるいは化学気相成長法から選ばれる
1つの方法によりII−VI族化合物半導体で埋め込んだ構
造を作製する方法であるので、多重量子井戸構造を保護
でき、また膜の機械的強度の大きい、さらに複数の異な
る波長の光に応答できる多重信号処理の可能な大きな3
次非線形光学感受率を有する光透過型のデバイスに適す
る非線形光学材料を容易に提供することができる。
Further, the third method of manufacturing a nonlinear optical material according to the present invention is directed to a multi-quantum well structure comprising a well layer made of a II-VI compound semiconductor and a barrier layer formed on a GaAs single crystal substrate. This is a method of fabricating a structure in which a part of the substrate is removed and the removed part is buried with a II-VI group compound semiconductor by one method selected from a sputtering method or a chemical vapor deposition method. Large 3 that can be protected, has high mechanical strength of the film, and can respond to light of a plurality of different wavelengths and can perform multiple signal processing.
A non-linear optical material suitable for a light transmission type device having a non-linear optical susceptibility can be easily provided.

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

【図1】本発明の実施例における非線形光学材料の概略
断面図
FIG. 1 is a schematic sectional view of a nonlinear optical material according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例における非線形光学材料の発光
スペクトルを示す図
FIG. 2 is a diagram showing an emission spectrum of a nonlinear optical material in an example of the present invention.

【図3】本発明の実施例における非線形光学材料の概略
断面図
FIG. 3 is a schematic sectional view of a nonlinear optical material according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例における非線形光学材料の概略
断面図
FIG. 4 is a schematic sectional view of a nonlinear optical material according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 多重量子井戸構造 3、4、5、6、7 井戸層 8 障壁層 9、10、11、12、13 井戸層からの発光 14 GaAsバッファー層 15 埋め込み部分 Reference Signs List 1 substrate 2 multiple quantum well structure 3, 4, 5, 6, 7 well layer 8 barrier layer 9, 10, 11, 12, 13 light emission from well layer 14 GaAs buffer layer 15 embedded portion

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 任田 隆夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−27283(JP,A) 特開 昭63−177131(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/355 501 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takao Nita 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-5-27283 (JP, A) JP-A-63 -177131 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/355 501 JICST file (JOIS)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板と、前記基板上に形成され井戸層と障
壁層が交互に複数層積層された多重量子井戸構造の層を
有する非線形光学材料であって、複数の前記井戸層が少
なくとも2種類以上の異なる厚みを有すること、およ
び、前記井戸層の材料としてZnSe、前記障壁層の材
料としてZnMgSSeを用いることを特徴とする非線
形光学材料。
A non-linear optical material comprising a substrate and a layer having a multiple quantum well structure formed on the substrate and having a plurality of alternately stacked well layers and barrier layers, wherein the plurality of well layers are at least two layers. to have more kinds of different thicknesses, Oyo
And ZnSe as a material of the well layer and a material of the barrier layer.
A nonlinear optical material characterized by using ZnMgSSe as a material.
【請求項2】井戸層の厚さが電子および正孔の量子準位
が形成され、かつ電子および正孔が井戸層中に閉じ込め
られる領域の厚さであることを特徴とする請求項1記載
の非線形光学材料。
2. The method according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is the thickness of a region in which quantum levels of electrons and holes are formed and the electrons and holes are confined in the well layer. Nonlinear optical material.
【請求項3】基板がZnSe単結晶基板またはGaAs
単結晶基板上にGaAsバッファ層を設けた基板である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の非線形光学
材料。
3. The substrate is a ZnSe single crystal substrate or GaAs.
3. The nonlinear optical material according to claim 1, wherein the substrate is a substrate having a GaAs buffer layer provided on a single crystal substrate.
【請求項4】GaAs単結晶基板と、前記GaAs単結
晶基板上に形成されたII-VI族化合物半導体からなる井
戸層と障壁層が積層された多重量子井戸構造の層を有す
る非線形光学材料であって、前記基板の一部をその表面
から除去し、除去した部分をガラス、セラミックスまた
はII-VI族化合物半導体から選ばれる少なくとも1つの
材料で埋め込んだこと、および、前記井戸層の材料とし
てZnSe、前記障壁層の材料としてZnMgSSeを
用いることを特徴とする非線形光学材料。
4. A nonlinear optical material having a GaAs single crystal substrate, and a layer having a multiple quantum well structure in which a well layer and a barrier layer each composed of a II-VI compound semiconductor formed on the GaAs single crystal substrate are stacked. A part of the substrate is removed from the surface, and the removed part is embedded with at least one material selected from glass, ceramics, and II-VI compound semiconductors ; and
ZnSe, and ZnMgSSe as a material of the barrier layer.
Nonlinear optical material, which comprises using.
【請求項5】井戸層と障壁層が複数層積層され、複数の
前記井戸層が少なくとも2種類以上の異なる厚みを有す
ることを特徴とする請求項4に記載の非線形光学材料。
5. The nonlinear optical material according to claim 4, wherein a plurality of well layers and barrier layers are stacked, and the plurality of well layers have at least two or more different thicknesses.
【請求項6】一部が表面から除去された基板に埋め込ま
れる材料としてSiO2、TiO2、Al23、SiN、
ZnS、ZnSeから選ばれる少なくとも1つを用いる
ことを特徴とする請求項4または5記載の非線形光学材
料。
6. A material to be embedded in a substrate partially removed from the surface is SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , SiN,
ZnS, nonlinear optical materials Motomeko 4 or 5, wherein you characterized by using at least one selected from ZnSe.
【請求項7】基板上に、ZnSeを用いた井戸層とZn
MgSSeを用いた障壁層を交互に複数層積層して多重
量子井戸構造の層を形成する工程を有し、かつ複数の前
記井戸層が少なくとも2種類以上の異なる厚みを有する
非線形光学材料の製造方法であって、前記井戸層を原子
層エピタキシー法により、前記障壁層を分子線エピタキ
シー法により形成することを特徴とする非線形光学材料
の製造方法。
7. A substrate, the well layer and Zn using ZnSe
A method of manufacturing a nonlinear optical material having a step of forming a layer of a multiple quantum well structure by alternately laminating a plurality of barrier layers using MgSSe , and wherein the plurality of well layers have at least two or more different thicknesses A method for manufacturing a nonlinear optical material, wherein the well layer is formed by atomic layer epitaxy and the barrier layer is formed by molecular beam epitaxy.
【請求項8】GaAs単結晶基板上に、ZnSeを用い
井戸層とZnMgSSeを用いた障壁層からなる多重
量子井戸構造の層を形成する工程と、前記基板の一部を
表面から除去し、除去した部分をガラスまたはセラミッ
クスにより埋め込む工程とを有する非線形光学材料の製
造方法であって、前記ガラスまたはセラミックスをスパ
ッタ法、ゾル−ゲル法、または化学気相成長法から選ば
れる1つの方法により埋め込むことを特徴とする非線形
光学材料の製造方法。
8. Use of ZnSe on a GaAs single crystal substrate
Forming a layer having a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer using ZnMgSSe, and removing a part of the substrate from the surface and embedding the removed part with glass or ceramics. A method for producing a material, wherein the glass or ceramic is embedded by one method selected from a sputtering method, a sol-gel method, and a chemical vapor deposition method.
【請求項9】GaAs単結晶基板上に、ZnSeを用い
井戸層とZnMgSSeを用いた障壁層からなる多重
量子井戸構造の層を形成する工程と、前記基板の一部を
表面から除去し、除去した部分をII-VI族化合物半導体
により埋め込む工程とを有する非線形光学材料の製造方
法であって、前記II-VI族化合物半導体をスパッタ法ま
たは化学気相成長法から選ばれる1つの方法により埋め
込むことを特徴とする非線形光学材料の製造方法。
9. A method using ZnSe on a GaAs single crystal substrate.
Forming a layer having a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer using ZnMgSSe , and removing a portion of the substrate from the surface and embedding the removed portion with a II-VI compound semiconductor. A method for producing a nonlinear optical material, comprising: embedding the II-VI group compound semiconductor by one method selected from a sputtering method and a chemical vapor deposition method.
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