JP3260149B2 - 光学的可スイッチング装置 - Google Patents

光学的可スイッチング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は障壁層によって第２ポテ
ンシャル井戸から分離された第１ポテンシャル井戸を画
成するヘテロ構体を具え、この第２ポテンシャル井戸に
よって前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー
準位よりも低い電子エネルギーの電子エネルギー準位を
発生する光学的可スイッチング装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】この種の光学的可スイッチング装置は、
プロシーディングス オブ ハイ スピード エレクト
ロニクス インターナショナル コンファレンス１９８
６年の第１０１〜１０３頁にベー デボー等が発表した
論文“超高速光学変調器：二重井戸ＧａＡｓ／ＧａＡｌ
Ａｓ超格子”に記載されている。
【０００３】上記文献に記載されているように、第２ポ
テンシャル井戸を第１ポテンシャル井戸よりも広くし
て、第１ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー準位よ
りも電子エネルギーの低い電子エネルギー準位を生ぜし
め得るようにし、かつこれら第１および第２ポテンシャ
ル井戸は薄い障壁層を介して関連させるようにしてい
る。この比較的狭い第１ポテンシャル井戸は励起吸収が
外部光源または光学ビームによって極めて迅速にブリー
チまたは飽和し得る装置の光学的に活性な部分として用
いる。これがため、かかる装置は、励起子共振の波長で
通常吸収されるが、励起子吸収がブリーチまたは飽和さ
れる際、即ち、第１ポテンシャル井戸のエネルギー準位
が光発生キャリアにより充満される際にかかる光を伝送
する光学スイッチとして用いることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記文献に記載の装置
では、比較的広い第２ポテンシャル井戸は第１ポテンシ
ャル井戸に極めて密接して関連するとともに、代表的に
は１０ｐｓｅｃ以下の時間で過剰キャリアを迅速に捕捉
して励起子ブリーチを生ずる光学ビームがスイッチオフ
される際、またはそのパワー密度準位がブリーチを保持
するに充分な準位以下に減少する際に、励起子共振が再
生する定常準備状態に光学装置を迅速に復帰せしめるよ
うにしている。しかし、過剰キャリアが迅速に再結合す
るため、所望の励起子ブリーチを達成させるためには極
めて充分なパワー密度準位の光学ビームを必要とする。
例えば、光学計算または像或は光学データ処理に対し
て、かかる光学装置の大きな並列アレイを必要とする場
合にはかかる高パワー密度準位によって発生する大量の
熱を放散する問題が生じてくる。
【０００５】本発明の目的は上述した問題を解決し得る
ようにした光学的可スイッチング装置を提供せんとする
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は障壁層によって
第２ポテンシャル井戸から分離された第１ポテンシャル
井戸を画成するヘテロ構体を具え、この第２ポテンシャ
ル井戸によって前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エ
ネルギー準位よりも低い電子エネルギーの電子エネルギ
ー準位を発生する光学的可スイッチング装置において、
前記障壁層は前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エネ
ルギー準位よりも電子エネルギーの低く、第２ポテンシ
ャル井戸の最低電子エネルギー準位よりも電子エネルギ
ーの高い中間電子エネルギー準位を供給し得る間接遷移
型半導体材料により形成し、さらに、前記障壁層は前記
第１ポテンシャル井戸から第２ポテンシャル井戸への正
孔のトンネリングを禁止するに充分な厚さとして、入射
光ビームにより第１ポテンシャル井戸に発生した電子−
正孔対の正孔を第１ポテンシャル井戸に制限し、しかも
前記第１ポテンシャル井戸から前記障壁層により設けら
れた中間電子エネルギー準位を経て第２ポテンシャル井
戸に前記電子−正孔対の電子を容易に転送し得るように
したことを特徴とする。
【０００７】これがため、本発明光学的可スイッチング
装置では、第１ポテンシャル井戸から第２ポテンシャル
井戸への電子の転送は、障壁層によって供給される中間
電子エネルギー準位によって容易に行うが、この中間電
子エネルギー準位は第１ポテンシャル井戸から第２ポテ
ンシャル井戸への正孔の転送のための電位障壁を供給し
続け、従って電子−正孔対を良好に分離して再結合を禁
止する。
【０００８】従って、本発明光学的可スイッチング装置
によれば、前記ドボー等による論文に記載されている装
置に必要とされる高パワー密度準位を必要とすることな
く、励起子ブリーチまたは飽和を達成することができ
る。
【０００９】これがため、比較的低いパワー密度、例え
ば、１Ｗａｔｔ／ｃｍ2 の光学ビームをヘテロ構体に指
向させることによって、充分な電子−正孔対を発生させ
ることができ、中間電子エネルギー準位を経て転送され
た充分な電子は障壁層によって供給され、その結果ヘテ
ロ構体の少なくとも１励起子共振、通常第２ポテンシャ
ル井戸の電子−軽正孔（ｅ−ｌｈ）共振および電子−重
正孔（ｅ−ｈｈ）共振をブリーチする。励起子共振を復
元する電子−正孔の再結合は正孔が障壁層を経てトンネ
リングするに要する時間によって制御し、この時間は障
壁層の厚さの少なくとも１部分で決まり、代表的には約
０．５〜１μｓｅｃとする。
【００１０】本発明光学スイッチング装置は、上述した
光学的可スイッチング装置と、第１ポテンシャル井戸に
電子−正孔対を発生する波長を有する光学ビームを前記
ヘテロ構体に指向する手段と、励起子をブリーチするに
不充分な第１の比較的低いパワー密度と充分な電子−正
孔対を発生せしめる第２の比較的高いパワー密度との間
で光学ビームをスイッチングする前記指向手段によって
発生させた光学ビームのパワー密度を制御する手段とを
具え、電子を前記第１ポテンシャル井戸から前記第２ポ
テンシャル井戸に転送させて前記ヘテロ構体の少なくと
も１つの励起子共振のブリーチを生ぜしめ励起子共振の
エネルギーに等しいかまたはこれよりも大きなエネルギ
ーを有する光学ビームのヘテロ構体を経て伝送せしめる
ようにしたことを特徴とする。
【００１１】また、本発明方法は上述した光学的可スイ
ッチング装置の吸収を制御するに当たり、第１ポテンシ
ャル井戸に電子−正孔対を発生する波長を有する光学ビ
ームを前記ヘテロ構体に指向し、かつ、励起子をブリー
チするに不充分な第１の比較的低いパワー密度と充分な
電子−正孔対を発生せしめる第２の比較的高いパワー密
度との間で光学ビームをスイッチングするように光学ビ
ームのパワー密度を制御して、電子を前記第１ポテンシ
ャル井戸から前記第２ポテンシャル井戸に転送させて前
記ヘテロ構体の少なくとも１つの励起子共振のブリーチ
を生ぜしめ励起子共振のエネルギーに等しいかまたはこ
れよりも大きなエネルギーを有する光学ビームのヘテロ
構体を経て伝送せしめるようにしたことを特徴とする。
【００１２】これがため、かかる装置および方法を用い
る場合には、ヘテロ構造に入射する光学パワー密度を調
整することにより光ビームをヘテロ構体によってスイッ
チングまたは変調することができる。この可調整光学パ
ワー密度は、入射光学ビームをスイッチングし且つ変調
する個別制御の光学ビームによって得ることができ、ま
たそれ自体スイッチングする光学ビームによって得るこ
とができ、従って入力光学ビームの伝送をそれ自体のパ
ワー密度により制御する。
【００１３】かかる光学スイッチング装置は光学的な計
算または像処理の分野に適用することができ、特にかか
る光学装置の大きな並列アレイを必要とする場合に有利
である。その理由はスイッチングを行うに必要なパワー
密度が低くＳＥＥＤのような既知の装置の並列アレイの
場合よりもアレイに発生する熱が少なく、従ってかかる
熱を消散する問題を低減するからである。
【００１４】本発明光学的可スイッチング装置の他の例
では、前記ヘテロ構体は高電子移動度半導体装置、例え
ば電界効果トランジスタの導通チャネル領域を形成し得
るようにする。この例では、第２ポテンシャル井戸によ
って高電子移動度半導体装置の導通チャネルを形成し、
導通チャネルの電子は適宜の光学ビームによって光学的
に発生した電子−正孔対の電子により供給され、この電
子によって第１ポテンシャル井戸から、第１および第２
ポテンシャル井戸を分離する障壁層により供給される中
間電子エネルギー準位を経て転送されるようになる。実
際上多くの第１および第２ポテンシャル井戸が存在する
ため、一連の並列導通チャネルが第２ポテンシャル井戸
によって得られ、これにより装置の電流搬送能力を増大
する。
【００１５】本発明光学的可スイッチング装置によって
ヘテロ構体が導通電荷キャリアを形成する高電子移動度
半導体装置を得る場合にはドーパント不純物による導通
電荷キャリアのスキャッタリングの可能性もいわゆる
“変調ドーピング”の現象を記載している例えば米国特
許願第４１６３２３７号明細書に開示されている場合よ
りも少ない。これがため、上記米国特許願第４１６３２
３７号明細書においては狭いバンドギャップポテンシャ
ル井戸を囲む広いバンドギャップ障壁層のドーピングに
よって狭いバンドギャップ材料ポテンシャル井戸に導通
を生ぜしめるようにする。導通電荷キャリアを発生する
ドーパント不純物から導通電荷キャリアを分離すること
によって導通電荷キャリアのスキャッタリングの可能
性、従って電子移動度の減少を低減する。しかし、ポテ
ンシャル井戸を囲む障壁層にドーパント不純物が存在す
ることによっても特に低温度においてポテンシャル井戸
に電荷キャリアのスキャッタリング、従って移動度の減
少を行うことができる。
【００１６】上記米国特許願第４１６３２３７号明細書
に記載の装置に比べ、本発明高電子移動度装置の導通チ
ャネル領域に対する電荷キャリアは、第１および第２ポ
テンシャル井戸を分離する障壁層によって発生する中間
電子エネルギー準位を経て第１ポテンシャル井戸から形
成する。従って、導通電荷キャリア源導通チャネルから
良好に分離することができ、従って導通電子のスキャッ
タリングの可能性を減少し、且つ第２ポテンシャル井戸
により形成した導通チャネルに沿う電荷移動度をさらに
改善することができる。
【００１７】更に、電子を電子−正孔対の光学的発生に
より第１ポテンシャル井戸に発生するため、ポテンシャ
ル井戸および障壁層の何れかを故意にドーピングする必
要はなく、従ってドーパント不純物により生じる導通電
子のスキャッタリングの可能性を著しく低減して各第２
ポテンシャル井戸により生じる導通チャネルにおける電
子移動度を著しく改善することができる。
【００１８】再び、比較的低いパワー密度、例えば１Ｗ
ａｔｔ／ｃｍ2 の光学ビームを用いて第１ポテンシャル
井戸に電子−正孔対を形成して障壁層により形成する中
間電子エネルギー準位を経て第２ポテンシャル井戸に充
分な電子を転送する。
【００１９】第１ポテンシャル井戸を比較的狭いポテン
シャル井戸として形成し、且つ第２ポテンシャル井戸を
比較的広いポテンシャル井戸として形成することにより
第１および第２ポテンシャル井戸の電子エネルギー準位
に差を生ぜしめることができる。かかる状況の下では、
第１および第２ポテンシャル井戸は同一材料で造ること
ができ、電子エネルギー準位は第１および第２ポテンシ
ャル井戸の各厚さを制御することによって得ることがで
きる。かかる場合には第１および第２ポテンシャル井戸
は砒化ガリウムの層を具え、障壁層は砒化アルミニウム
の層を具えることができる。従って、この場合第１ポテ
ンシャル井戸はその幅がほぼ３．５ｎｍ、代表的には
２．５ｎｍ以下となり、第２ポテンシャル井戸はその幅
が３．５ｎｍ、代表的には５ｎｍ以上となる。さらに、
或は又、第１および第２ポテンシャル井戸を障壁層によ
り囲まれた他の半導体材料の層によって形成し、第１ポ
テンシャル井戸の電子エネルギー準位よりも電子エネル
ギーが低い電子エネルギー準位の第２ポテンシャル井戸
内に形成し得るようにすることもできる。これがため達
成し得るエネルギー準位の差を著しく可撓性とすること
ができる。
【００２０】ヘテロ構体によって複数の第１および第２
ポテンシャル井戸を画成するのが有利である。このヘテ
ロ構体は各第２ポテンシャル井戸に対し、第２ポテンシ
ャル井戸から他の障壁層により分離された第３ポテンシ
ャル井戸を具えることができ、この第３ポテンシャル井
戸によって第２ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー
準位よりも電子エネルギーが低い電子エネルギー準位を
生ぜしめるとともに、この他の障壁層により第２ポテン
シャル井戸の最低電子エネルギーよりも電子エネルギー
が低く、且つ第３ポテンシャル井戸の最低電子エネルギ
ー準位よりも電子エネルギーが高い中間電子エネルギー
準位を設けて第２ポテンシャル井戸から第３ポテンシャ
ル井戸への正孔のトンネリングを禁止するに充分な厚さ
の他の障壁層により形成される中間電子エネルギー準位
を経て第２ポテンシャル井戸から第３ポテンシャル井戸
に電子を転送し得るようにする。かようにして、電子−
正孔対をさらに分離することもでき、且つこの分離によ
って充分な内部電子フィールドを誘起することができ、
これによりこの電子フィールド誘起エネルギー準位をシ
フトし、これによってヘテロ構体を、電子フィールド誘
起エネルギー準位のシフトにより適宜の光学ビームのヘ
テロ構体を経る伝送を制御する光学スイッチング装置と
して用いることができる。
【００２１】電子の転送を促進する第３ポテンシャル井
戸を設ける場合には、電子−正孔対の再結合をさらに禁
止することによって第１及び第２ポテンシャル井戸のみ
を有するヘテロ構体の場合よりも低いパワー密度で少な
くとも１つの励起子共振のブリーチによる光学ビームの
スイッチングを行うことができる。さらに、ヘテロ構体
が高電子移動度装置の導通チャネル領域を形成する場合
には電子−正孔対をもさらに分離する第３ポテンシャル
井戸を設けることによって導通チャネル電子のスキャッ
タリングの可能性をさらに低減することができる。
【００２２】
【実施例】図面につき本発明の実施例を説明する。図中
図１〜４および図６〜９は寸法、特に厚さを拡大して示
す。また図中同一部分には同一符号を付して示す。図１
〜３に示すように、本発明光学的可スイッチング装置１
は第２ポテンシャル井戸５から障壁層４により分離され
た第１ポテンシャル井戸３を画成するヘテロ構体２を具
え、第２ポテンシャル井戸によって第１ポテンシャル井
戸の最低電子エネルギー準位ｅ3 よりも電子エネルギー
の低い電子エネルギー準位ｅ5 （図１）を発生する。
【００２３】本発明によれば、障壁層４は、第１ポテン
シャル井戸３の最低電子エネルギー準位ｅ3 よりも電子
エネルギーＥe が低く、第２ポテンシャル井戸５の最低
電子エネルギー準位ｅ5 よりも電子エネルギーＥe が高
い中間電子エネルギー準位ｅ4 を発生するように形成
し、且つこの障壁層４は第１ポテンシャル井戸３への入
射電子ビームにより第１ポテンシャル井戸３に発生する
電子−正孔対の正孔を画定する第１ポテンシャル井戸３
から第２ポテンシャル井戸５への正孔のトンネリングを
禁止するに充分な厚さとし、しかも障壁層４によって供
給される中間電子エネルギー準位ｅ4 を経て第１ポテン
シャル井戸３から第２ポテンシャル井戸５に電子−正孔
対の電子を転送し得るようにする。
【００２４】これがため、かかる光学的可スイッチング
装置では、第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシャ
ル井戸５への電子の転送は障壁層４により形成された中
間電子エネルギー準位ｅ4 によって行う。しかし、この
障壁層４は第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシャ
ル井戸５への正孔の転送は禁止する。これがため、電子
および正孔を良好に分離するとともにその再結合を禁止
する。その理由はこれが障壁層４を経てトンネリングし
第２ポテンシャル井戸５に到達する正孔に依存するから
である。
【００２５】従って、図１〜７につき以下に説明する例
では、ポテンシャル井戸３および５に電子−正孔対を光
学的に発生するに好適なエネルギーおよび波長の光学ビ
ームをヘテロ構体２に入射すると、光学的に発生した電
子は第２ポテンシャル井戸５に転送されるようになる。
この第２ポテンシャル井戸５に転送された電子の数が電
子エネルギー準位ｅ5 を充満するに充分な高さである場
合には対応する励起子共振がブリーチされるようにな
る。第１ポテンシャル井戸３または第２ポテンシャル井
戸５に残存する光学的に発生した電子−正孔対が迅速に
再結合し得るも、障壁層４により発生すした中間電子エ
ネルギー準位ｅ4 を経て第１ポテンシャル井戸３から第
２ポテンシャル井戸５に転送された電子は第１ポテンシ
ャル井戸３に残存するその対応光学発生正孔から分離さ
れるようになる。これら分離された電子および正孔の再
結合は、正孔が障壁層４を経てトンネリングするに要す
る時間、後述するようにマイクロ秒の単位に時間で行わ
れるようになる。
【００２６】分離された電子および正孔は容易に再結合
し得ないため、比較的低いパワー密度、代表的には１Ｗ
／ｃｍ2 の光学ビームが充分な電子を第２ポテンシャル
井戸５に転送して電子エネルギー準位ｅ5 を充満するに
は充分であり、従って少なくとも第２ポテンシャル井戸
５の電子−重正孔（ｅ−ｈｈ）励起子共振および電子−
軽正孔（ｅ−ｌｈ）励起子共振をブリーチするには充分
であり、その結果励起子共振に等しいかまたはこれより
も大きなエネルギーの波長を有する光学ビームをヘテロ
構体２に伝送せしめ得るようにする。
【００２７】これがため、光学的可スイッチング装置は
後述するように光学ビームがヘテロ構体２を通過するの
を制御する光学スイッチとして用いることができる。光
学ビームの伝送を行い得る励起子共振のブリーチを達成
するために比較的低いパワー密度のみを必要とする事実
によって、例えば高い光学パワー密度が熱放散の問題を
生じる光学てき計算または像処理のために用いるに特に
好適な光学的可スイッチング装置を得ることができる。
【００２８】図３は第１ポテンシャル井戸３および第２
ポテンシャル井戸５を同一材料で造るとともに第２ポテ
ンシャル井戸５を第１ポテンシャル井戸３よりも広くし
て第１ポテンシャル井戸３の最低電子エネルギー準位ｅ
3 よりも電子エネルギーが低い電子エネルギー準位ｅ5
を発生し得るようにした本発明光学的可スイッチング装
置の１例の断面図である。図３に示す光学的可スイッチ
ング装置を画成するヘテロ構体２を、１〜１００ｎｍの
比較的薄い層を形成するに好適な通常の層順次成長技
術、例えば分子ビームエピタキシヤル（ＭＢＥ）技術ま
たは金属有機蒸気相エピタキシヤル（ＭＯＶＰＥ）技術
その他の関連する方法を用いて、基板６上に成長させ
る。この例では、基板６は半−絶縁単結晶砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）基板とするが、他の好適なIII-V 族半導体
基板、例えば燐化インジウム（ＩｎＰ）またはアンチモ
ン化ガリウム（ＧＡＳｂ）基板を用いることもできる。
【００２９】図３には示さないが、砒化ガリウムのエピ
タキシヤル層を基板６上に通常のように成長させて、次
のヘテロ構体の構造を改善する。このバッファ層に次い
で、間接ギャップ材料の障壁層７、本例では意図的にド
ープしない砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）を成長させ
る。
【００３０】次いで、本例では意図的にドープしない砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）をの直接バンドギャップ材料の
薄い層を成長させて第１ポテンシャル井戸３を形成す
る。この第１ポテンシャル井戸３はその厚さを代表的に
は３．５ｎｍ以下および１．９ｎｍ、一般に２．５ｎｍ
とする。次に、障壁層４を再び間接バンドギャップ材
料、本例では意図的にドープしない砒化アルミニウム
（ＡｌＡｓ）の層として本例では８ｎｍの厚さに形成
し、その後本例では意図的にドープしない砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）で形成される第２ポテンシャル井戸５を形
成し、その厚さを代表的には３．５ｎｍ以上、好適には
５ｎｍとする。次いで、再び意図的にドープしない砒化
アルミニウムの最終障壁層８を設けてヘテロ構体２を形
成する。この最終障壁層８はその厚さを代表的にはほぼ
１０ｎｍとする。
【００３１】図１は図３に示すヘテロ構体のエネルギー
バンドダイアグラムを線図的に示し、ここにＥc はヘテ
ロ構体２の伝導帯を示し、Ｅv はヘテロ構体の価電子帯
を示す。また、矢印Ｅe は電子エネルギーを増大する方
向を示し、矢印Ｅh は正孔エネルギーを増大する方向を
示す。この場合、単一正孔エネルギー準位ｈ3 、ｈ5 の
みが示されているがこれらエネルギー準位の各々は軽い
正孔および重たい正孔準位を表わし、重たい正孔エネル
ギー準位は各々の場合低い正孔エネルギーである。
【００３２】図１から明らかなように、ＧａＡｓの第１
ポテンシャル井戸３はＡｌＡｓ障壁層４および７を有す
るタイプ の構体を形成し、即ちＧａＡｓ第１ポテンシ
ャル井戸３の最低電子エネルギー準位ｅ3 はその電子エ
ネルギーを間接ギャップＡｌＡｓ障壁層４のＸ最小値よ
りも高くする。これがため、第１ポテンシャル井戸３が
正孔を形成するように作用するも、第１ポテンシャル井
戸内の電子はＡｌＡｓ障壁層４のＸ最小値により形成さ
れた中間電子エネルギー準位ｅ4 に迅速に転送されるよ
うになる。
【００３３】第１ポテンシャル井戸３よりも幅の広いＧ
ａＡｓ第２ポテンシャル井戸５は障壁層４および８の中
間電子エネルギー準位ｅ4 よりも電子エネルギーが低い
電子エネルギー準位ｅ5 を有する。従って、低い第２ポ
テンシャル井戸は電子および正孔の双方を画定するよう
に作用する。
【００３４】図１および図３は１つの第１ポテンシャル
井戸３および１つの第２ポテンシャル井戸５のみより成
るものとしてヘテロ構体２を示すが、実際には障壁層４
と同様の障壁層によって分離された多くの第１及び第２
ポテンシャル井戸３及び５が存在する。
【００３５】図４は光学的可スイッチング装置１０の変
形を１部切欠断面図で示す。図４に示す変形光学的可ス
イッチング装置１０では、ヘテロ構体２０に複数の第１
及び第２ポテンシャル井戸３及び５を設け、各第１ポテ
ンシャル井戸３は２つの第２ポテンシャル井戸５完に位
置させるとともに障壁層４によって第２ポテンシャル井
戸５から分離する。
【００３６】図３に示す例では第１ポテンシャル井戸３
は片側にのみ第２ポテンシャル井戸５を設けるが、障壁
層７は障壁層４とは異なる材料で形成することができる
ため、障壁層７は第１ポテンシャル井戸３’よりも電子
エネルギーが低い電子エネルギー準位を呈さず、これに
より障壁層７に電子が転送されるのを禁止する。或は
又、図３に示すヘテロ構体２を変形して第１ポテンシャ
ル井戸３の他の側で障壁層４により第１ポテンシャル井
戸３から分離された他の第２ポテンシャル井戸５を設け
ることができる。
【００３７】図３及び図４に示すように、光学的可スイ
ッチング装置１または１０の基板６に窓６０を設けて光
が光学的可スイッチング装置を伝搬し得るようにする。
【００３８】上述したように本発明光学的可スイッチン
グ装置１または１０によって光学的に発生した電子−正
孔対の電子を第１ポテンシャル井戸３から障壁層４によ
り形成された中間電子エネルギー準位ｅ4 を経て第２ポ
テンシャル井戸５に転送するが、光学的に発生した電子
−正孔対の正孔は第１ポテンシャル井戸３に残存させる
ようにする。
【００３９】これがため、第１ポテンシャル井戸３の電
子−重正孔（ｅ−ｈｈ）励起子共振に等しいかまたはこ
れよりも大きなエネルギーｈνに等価の適宜の波長（上
述した構体に対しては７５０ｎｍの波長）の光学ビーム
がヘテロ構体２または２０に入射する場合には、第１ポ
テンシャル井戸３に電子−正孔対が発生する。第２ポテ
ンシャル井戸５が第１ポテンシャル井戸３よりも広く、
低い電子エネルギー準位を呈するため、入射光学ビーム
によっても第２ポテンシャル井戸５に電子−正孔対を光
学的に発生する。通常は光学的に発生した電子および正
孔は比較的迅速に再結合し、これは第２ポテンシャル井
戸５に発生した光学発生電子−正孔対に対する場合であ
る。
【００４０】しかし、上述したように障壁層４によって
第１ポテンシャル井戸３の最低電子エネルギー準位ｅ4
よりも電子エネルギーが低い電子エネルギー準位 e3 を
呈するとともに第１ポテンシャル井戸３から障壁層４に
より発生した中間電子エネルギー準位ｅ4 を経て第２ポ
テンシャル井戸５に光学的に発生した電子を転送し得る
ようにする。
【００４１】しかし、障壁層４の最低正孔エネルギー準
位ｈ4 は第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシャル
井戸５に正孔がトンネリングするのを禁止するに充分な
厚さとし、従って第１ポテンシャル井戸３に発生する光
学発生正孔は第１ポテンシャル井戸３に残存したままと
なる。これがため、転送された電子はその対応する光学
的に発生した正孔から分離され、これら電子および正孔
の再結合時間は正孔が第１ポテンシャル井戸３から第２
ポテンシャル井戸５にトンネリングするに要する時間に
よって表わすことができる。この時間は障壁層４の厚さ
によって少なくとも部分的に決まり、障壁層の厚さが８
ｎｍの上述した材料系に対してはその再結合時間は代表
的には０．５〜数μｓｅｃとすることができる。
【００４２】障壁層４をＡｌＡｓで造り、ポテンシャル
井戸３および５をＧａＡｓで造る上述した例では、障壁
層の厚さを８ｎｍとする。一般に、材料系に依存し、障
壁層４の厚さは少なくとも２．５ｎｍとする必要があ
り、何れにしても、第１ポテンシャル井戸から第２ポテ
ンシャル井戸に正孔をトンネリングするのを禁止するに
充分な厚さとする。
【００４３】第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシ
ャル井戸５に転送された電子は正孔と容易に再結合し得
ないため、高密度の電子が第２ポテンシャル井戸５に比
較的容易に確立され、代表的には１Ｗａｔｔ／ｃｍ2 の
低いパワー密度のみが入射光学ビームに必要となり、従
って第２ポテンシャル井戸５の少なくとも電子−重正孔
（ｅ−ｈｈ）励起子共振および電子−軽正孔（ｅ−ｌ
ｈ）励起子共振をブリーチせしめる第１ポテンシャル井
戸３に転送し、従って第２ポテンシャル井戸５の励起子
共振にエネルギー項が等価の波長の光学ビームをヘテロ
構体２または２０に伝送せしめるに充分せしめるように
する。また、第１ポテンシャル井戸３の電子−重正孔励
起子共振をブリーチすることもできる。しかし、第１ポ
テンシャル井戸３もその電子−軽正孔励起子共振にエネ
ルギー項が等価かまたはこれよりも大きな波長を吸収す
ることもできる。
【００４４】図２ａおよび図２ｂは適宜の波長およびパ
ワー密度の入射光学ビームが図３または図４に示される
ヘテロ構体２または２０の吸収スペクトルに及ぼす影響
を線図的に示すエネルギーｈν（電子ボルトｅＶ）対吸
収率αの関係を線図的に示す。
【００４５】図２ａは光学ビーム（または不充分なパワ
ー密度の光学ビーム）がヘテロ構体２または２０に入射
しない場合のヘテロ構体２または２０の吸収スペクトル
を示す。この図から明らかなように、このスペクトルに
は４つの主吸収ピークがあり、即ち、ピークＡおよびＢ
は第２ポテンシャル井戸５の電子−重正孔（ｅ−ｈｈ）
励起子共振および電子−軽正孔（ｅ−ｌｈ）励起子共振
であり、ピークＣおよびＤは第１ポテンシャル井戸３の
電子−重正孔（ｅ−ｈｈ）励起子共振および電子−軽正
孔（ｅ−ｌｈ）励起子共振である。図示のように、ピー
クＣおよびＤは高エネルギーにあり、ピークＡおよびＢ
よりも幾分広い。その理由は第１ポテンシャル井戸３が
第２ポテンシャル井戸５よりも狭いからである。
【００４６】図２ｂは適宜の波長およびパワー密度の光
学ビームがヘテロ構体２または２０に入射して上述した
ように励起子のブリーチを行う場合の状態を示す。図２
ａおよび図２ｂを比較した所から明らかなように、ピー
クＡ、ＢおよびＣはず２ａにおける場合よりも図２ｂに
おいて充分小さく、従ってこのピークのエネルギーに等
価の波長でのヘテロ構体２または２０の吸収が著しく減
少されるようになる。第１ポテンシャル井戸３の、他の
ピークＡ、ＢおよびＣよりも著しく高いエネルギーの電
子−重正孔励起子共振ピークＤに及ぼす影響は僅かであ
る。
【００４７】図５ａおよび図５ｂは図３または図４に示
すヘテロ構体２または２０と同様のヘテロ構体である実
施した低温度の実験結果を示し、この場合ヘテロ構体２
または２０は白色光源により頂面、即ち、ヘテロ構体の
層に平行でない面から照射し、且つ６３０ｎｍの波長お
よび可変パワー密度のポンプ光学ビームをもヘテロ構体
に照射する。ヘテロ構体２または２０を透過した光はス
ペクトル計を用いて監視し、且つ、図２ａおよび図２ｂ
はそれぞれ第２ポテンシャル井戸５の電子−重正孔およ
び電子軽正孔励起子共振ピークＡおよびＢのエネルギー
範囲に対し、および第１ポテンシャル井戸３の電子−重
正孔ピークＣに対するエネルギーｈν（電子ボルトｅ
Ｖ）対吸収率（１−ｔ、ここにｔは透過率）のグラフを
示す。第１ポンプ３の電子軽正孔に対する励起子共振ピ
ークは上述したように充分高いエネルギー（即ち、充分
低い波長）にあり、図示しない。実線曲線ａ、鎖線曲線
ｂおよび点線曲線ｃは曲線ａからパワー密度を増大した
ポンプビームに対する吸収スペクトルを示し、ポンプビ
ームをスイッチオフ（零パワー密度）する曲線ａからポ
ンプ密度が１００Ｗａｔｔ／ｃｍ2 の曲線ｃにパワー密
度を増大するポンプビームに対する吸収スペクトルを示
す。
【００４８】図５ａおよび図５ｂから明らかなように、
共振ピークＡ、ＢおよびＣはポンプビームのパワー密度
が増大するにつれて小さくなり、高エネルギーに僅かに
シフトする。この影響は第２ポテンシャル井戸５の電子
−重正孔励起子共振（ｅ−ｈｈ）に対して最も顕著とな
る。
【００４９】本発明光学的可スイッチング装置は例えば
像処理または光学計算に用いる光学スイッチとして適用
するとともに図３および図４はそれぞれ光学的可スイッ
チング装置１および１０、可制御パワー密度の光学ビー
ム源５０およびスイッチ可能または光学ビーム源５０に
より制御される他の光学ビーム源６０を具える光学スイ
ッチ装置１００および１００ａをそれぞれ示す。光学ビ
ーム源５０および６０は好適な波長および出力パワー密
度のパルスまたは連続波（ｃｗ）レーザによって構成す
ることができる。これらレーザは染料（ダイ）レーザま
た所望の低パワー密度のため、半導体レーザとすること
ができる。
【００５０】光学ビーム源５０を選択して第１ポテンシ
ャル井戸３に必要な電子を供給するに充分なエネルギ
ー、即ち、第１ポテンシャル井戸３のｅ−ｈｈ励起子共
振のエネルギーにエネルギー項が等しいかまたはこれよ
りも大きなエネルギーの少なくとも波長または波長範囲
を供給する。他の光学ビーム源６０によって第２ポテン
シャル井戸５のｅ−ｈｈまたはｅ−ｌｈ共振にエネルギ
ー項が等価の波長を発生する。光学ビーム源５０の出力
パワー密度は制御自在とする。
【００５１】図３または図４に示す装置を用いる場合に
は、光学ビーム源５０によって発生された光学ビームＯ
は光学ビームの波長または波長範囲がヘテロ構体２また
は２０の適宜のエネルギー準位間のエネルギーギャップ
に等しいかまたはこれよりも大きなエネルギーに等価と
なるヘテロ構体２または２０によって吸収する。特に、
動作光学ビームＯの波長または波長範囲を適宜選択し
て、第１ポテンシャル井戸３の電子−重正孔励起子共振
にエネルギー項が等しいかまたこれよりも大きくなるよ
うにし、これはこの例では第１および第２ポテンシャル
井戸３および５がそれぞれ２．５ｎｍおよび５ｎｍとな
る上述したヘテロ構体２または２０に対し動作光学ビー
ムＯの波長が代表的には７５０ｎｍとなることを意味す
る。
【００５２】図３または図４に示す光学スイッチング装
置の作動に当たり、光学ビーム源５０の光学ビームＯの
出力パワー密度は励起子ブリーチを生じるに充分な第１
準位と励起子ブリーチを生じるに充分な１Ｗａａｔ／ｃ
ｍ2 の第２準位との間でスイッチングされ、従って図２
ａおよび図２ｂ並びに図５ａおよび図５ｂに示すグラフ
につき上述した所から明らかなように光学ビームＯの第
１パワー密度準位で、第２ポテンシャル井戸５のｅ−ｈ
ｈまたはｅ−ｌｈ励起子共振ピークＡまたはＢに他の光
学ビーム源の光学ビームＸの充分な吸収が発生する。し
かし、第２高パワー密度準位では光学ビームＯにより発
生する光学発生電子−正孔対の充分な電子が障壁層４に
より発生した中間電子エネルギー準位ｅ5 に転送されて
第２ポテンシャル井戸の少なくともｅ−ｈｈ励起子ピー
クＡおよび通常ｅ−ｌｈ励起子ピークＢをブリーチし、
従って光学ビームＸのヘテロ構体２または２０による吸
収を著しく減少するようになる。これがため、光学ビー
ムＯによってヘテロ構体２または２０により伝達された
光学ビームＸの部分Ｘ’の強度を制御または変調する。
光学ビームＯを用いて例えば光学論理スイッチの場合の
ように光学ビームＯを単にスイッチングするか、または
符号化されたデータを光学ビームＤに光学的に重畳し得
るようにする。
【００５３】作動ビーム源５０によって波長の適宜の範
囲の光学ビームＯを発生する場合には光学ビームＯを用
いて光学装置を経る自体の伝送を制御し、且つ他の光学
ビーム源５０を省略することができる。
【００５４】何れの場合にもかかる光学スイッチング装
置は光学メモリ装置または像或はデータ処理装置に用い
るに好適である。
【００５５】本発明光学的可スイッチング装置を用いる
ことにより第１ポテンシャル井戸３の光学的に発生した
電子−正孔対の電子はエネルギー準位ｅ3 から間接ギャ
ップ障壁層４によって発生した低い中間エネルギー準位
ｅ4 に、従って第２ポテンシャル井戸５に迅速に転送さ
れるが、光学的に発生した正孔は第１ポテンシャル井戸
３に残存した儘となる。これがため、光学的に発生した
電子および正孔発生する分離されて光学その他の手段に
より再結合されるのを禁止する。光学的に発生した電子
および正孔の再結合が禁止されると云うことは、断面図
ポテンシャル井戸５のｅ−ｈｈおよび可能なｅ−ｌｈ励
起子共振ピークＡおよびＢが比較的低いパワー密度準
位、代表的には１Ｗａｔｔ／ｃｍ2 で達成し得る、従っ
て光学ビーム源１００の所望の出力パワー密度準位をＳ
ＥＥＤのような従来の装置と比較して減少させることが
できる。これがため、比較的低いパワー半導体レーザを
用いることができ、且つ光学ビーム源５０を同一の基板
６に集積化することができ、これは多くのスイッチを並
列に必要とする光学メモリまたは像或はデータ処理装置
の光学スイッチとして用いる必要のある場合に特に有利
である。また、励起子ブリーチを生ぜしめるに要するパ
ワー密度準位が減少すると云う事実によって光学的可ス
イッチング装置内に生ずる熱を減少し、これはかかる熱
の発散に生じる問題を低減する。
【００５６】上述したように、電子および正孔の再結
合、従って励起子吸収ピークのブリーチ発生前の強度へ
の復帰は電子が障壁層４を経てトンネリングされるに要
する時間に依存し、この時間は、障壁層の厚さに依存す
る。代表的には障壁層の厚さおよび上述した材料系に対
してはこの時間は数μｓｅｃとすることができる。所望
の用途に依存し、かかるスイッチング時間は許容でき、
または著しく低くするこことができる。しかし、光学装
置のスイッチング時間は障壁層の厚さを変更することに
より所望の用途に対して調整することができる。
【００５７】図３または図４につき上述した例では光学
ビームＯが光学装置１に入射してヘテロ構体２または２
０の層を横切る場合でも、これら層に沿って光学ビーム
を指向させることができ、この場合には基板に窓６０を
形成し、する必要はない。また、作動波長で通過する材
料の基板６を形成することもできる。
【００５８】図６は図７に一部切欠断面図で線図的に示
される本発明による変形光学的可スイッチング装置を１
０ｂのエネルギーバンドダイアグラムを示す。
【００５９】図６から明らかなように、変形光学的可ス
イッチング装置のヘテロ構体２００によって第２ポテン
シャル井戸５から他の障壁層４ａにより分離された第３
ポテンシャル井戸９を形成する。このヘテロ構体２００
は上述した慣例の成長技術を用いて形成するため、上述
した他の障壁層４ａによって第２ポテンシャル井戸５の
最低電子エネルギー準位ｅ5aよりも電子エネルギーが低
い他の中間電子エネルギー準位ｅ4aを形成し、第３ポテ
ンシャル井戸９によって低い電子エネルギー準位ｅ9 を
形成する。
【００６０】外側障壁層７および８はそれぞれ障壁層４
および４ａと同一材料で形成し得るとともにその厚さを
１０ｎｍ以上とする。図３につき上述したように、障壁
層７は第１ポテンシャル井戸３ａよりも高い最低電子エ
ネルギー準位を呈する他の材料で造ることもでき、従っ
て障壁層７への電子の転送を禁止し得るようにする。或
は又、第３ポテンシャル井戸９の中心に対し対称となる
ようにヘテロ構体２００を形成することができる。
【００６１】また、ヘテロ構体２００は砒化ガリウム基
板６に設けることができ、且つ第１、第２および第３ポ
テンシャル井戸３ａ、５ａおよび９が同一材料であり、
且つ厚さを増大して必要なエネルギー準位を得るように
形成することができる。上述した例では、ポテンシャル
井戸３ａ、５ａおよび９を砒化ガリウムで造ることがで
きる。所望の電子エネルギー準位を得るためには、障壁
層４および４ａを砒化アルミニウムおよび例えば砒化ガ
リウムアルミニウム（ＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ）、（ここに
Ｘ＞０．４５）、例えばＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓで造り、
かかる材料系では障壁層４および４ａをほぼ８ｎｍの厚
さとし、ポテンシャル井戸３ａ、５ａおよび９それぞれ
２．５ｎｍ、３．５ｎｍおよび５．０ｎｍとすることが
できる。
【００６２】かかる構体では、第１ポテンシャル井戸３
ａの適宜の光学ビームにより光学的に発生した電子は障
壁層４の中間電子エネルギー準位ｅ4、第２ポテンシャ
ル井戸５ａの電子エネルギー準位ｅ5aおよび他の障壁層
４ａの他の中間電子エネルギー準位ｅ4aを経て第３ポテ
ンシャル井戸９に迅速に転送されるが、対応する正孔は
第１ポテンシャル井戸３ａに残存した儘となる。この場
合には電子および正孔の分離はさらに増大し、図３およ
び図４に示す光学装置１および１０により達成した場合
よりも充分に低いパワー密度準位で第３ポテンシャル井
戸９のｅ−ｈｈおよび可能にはｅ−ｌｈ励起子共振のブ
リーチを行うことができる。正孔が第３ポテンシャル井
戸９をトンネリングするに要する時間は増大し、従って
励起子共振がこの光学ビームＯのパワー密度の減少後そ
の完全な強度に復帰するに要する時間も増大する。
【００６３】図７に示す変形光学スイッチング装置は図
３および図４につき上述した所と同様に作動するが光学
ビームＤは第３ポテンシャル井戸９の励起子共振ピーク
の領域の波長を発生し、光学ビームＯのパワー密度に依
存し光学ビームＤのスイッチングを行う。
【００６４】図４の場合には複数のポテンシャル井戸３
ａ、５ａおよび９を設けることができるため、構体は例
えば第３ポテンシャル井戸９を中心として対称となる。
【００６５】本発明光学装置を用いて電子および正孔の
分離を行うことにより光学装置内に内部電界を誘起し、
これにより電子および正孔の分離および数が充分である
場合には構体の適宜の吸収ピークの近くの波長を有する
光学ビームのスイッチングを制御するに充分なエネルギ
ー準位のシフト（いわゆる光学量子規定されたスターク
効果）を誘起する。かかる電界は例えば３つのポテンシ
ャル井戸３ａ、５ａおよび９を設けた図７の場合に顕著
である。この際のスイッチング時間が長い場合でも、縦
続接続された電子エネルギー準位を有する一連の４つ以
上のポテンシャル井戸および障壁層を設けることにより
材料系に依存してかかる効果を増強することができる。
【００６６】図８は本発明光学的可スイッチング半導体
装置１０ｃの他の例を示す。本例では光学的可スイッチ
ング半導体装置１０ｃは高電子移動度トランジスタ（Ｈ
ＥＭＴ）としての高電子移動度半導体装置を具え、ヘテ
ロ構体２ｃによってＨＥＭＴ１０ｃの導通チャネル領域
を形成する。
【００６７】ＨＥＭＴ１０ｃの導通チャネル領域を形成
するヘテロ構体２ｃは、図１に示すヘテロ構体２と同一
のエネルギーバンドダイアグラムを有し、従って図３お
よび図８を比較した所から明らかなように、ヘテロ構体
２ｃを基板６に対し反転して障壁層８を基板６の第２ポ
テンシャル井戸５の前に設ける点以外は図３に示すヘテ
ロ構体２と同一とする。
【００６８】さらに、図８には基板６上にエピタキシヤ
ルバッファ層６ｂを示す。このエピタキシヤルバッファ
層６ｂは上述したようにエピタキシヤル真性砒化ガリウ
ム層とする。しかし、特に図示しないが、未ドープ超格
子バッファ層を設け、さらにエピタキシヤル成長砒化ガ
リウム層をも設ける。この超格子バッファ層は例えばＡ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ合金（ここにＸ＝０．２５）と等価の
組成を有するように選択された砒化ガリウム層および砒
化アルミニウム層の交互の層で構成することができる。
かかるバッファ層を設ける場合にはそれぞれバッファ層
およびエピタキシヤル層６ｂの厚さをほぼ０．５μｍと
することができる。その他のすべての点、即ち、材料の
導電型および層の厚さの点では、図８に示すヘテロ構体
２ｃは図１および図３に示すヘテロ構体２と同一であ
る。
【００６９】障壁層７上には、ほぼ１０ｎｍ〜３０ｎｍ
の厚さを有し、１導電型、即ち、本例ではｎ導電型の不
純物でほぼ１．５×１０18原子／ｃｍ3 のドーパント濃
度にドープされた砒化ガリウムのキャップ層１１を設け
る。
【００７０】入力および出力、即ち、ソースおよびドレ
イン領域２１および２２は１導電型、本例ではｎ導電型
のドーパントを表面から導通チャネル領域２の端部に局
部拡散して第２ポテンシャル井戸５内に延在するように
して形成する。これらドーパントは好適にドープされた
金属合金、例えば表面に設けられた適宜のドーパントを
有する金の合金から導入する。従って次のソース電極お
よびドレイン電極２３および２４によって良好なオーム
接点を構成するため、ソース領域およびドレイン領域２
１および２２のドープに用いる金上に他の金を堆積する
ことができる。ニッケル５重量％を含有する共融ＡｕＧ
ｅ合金のような好適な合金を用いてソース電極およびド
レイン電極２１および２２を形成する。
【００７１】好適なマスクおよび選択エッチングにより
形成された凹部２５はソース電極凹部ドレイン電極２３
および２４間に設けて微細な障壁層７の区域７０を露出
する。光学ビーム源５０によって後述するように、露出
区域７０に指向された適宜の光学ビームＯを発生する。
【００７２】図８はヘテロ構体２を１つの第１ポテンシ
ャル井戸３および１つの第２ポテンシャル井戸５のみよ
り成るものとして示したが、実際には障壁層４と同様の
障壁層によって分離された多くの第１および第２ポテン
シャル井戸３および５を設けて導通チャネル領域２の電
流搬送容量を増大させることができる。また、各第２ポ
テンシャル井戸５は２つの第１ポテンシャル井戸３間に
障壁層により分離されて形成して電子を両第１ポテンシ
ャル井戸３から第２ポテンシャル井戸５に転送すること
ができる。図４に示すヘテロ構体２０を用いて図８に示
す導通チャネル領域と同様のＨＥＭＴの導通チャネル領
域を形成する。
【００７３】正孔の有効質量が電子の有効質量よりも著
しく大きく、且つ正孔のトンネリングの確率は障壁層４
をトンネリングする電子の確率よりも著しく少ないこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の明らかであ
る。
【００７４】図８に示す装置の作動に当たり、適宜の電
圧がソース領域２１およびドレイン領域２２間に印加さ
れ、且つ光学ビーム源５０によって導通チャネル領域２
の層に垂直に示す凹部７０に入射する第１ポテンシャル
井戸３の電子−重正孔（ｅ−ｈｈ）励起子共振に等しい
かまたはこれよりも大きなエネルギーｈνに等価の適宜
の波長（上述した構体に対しては７５０ｎｍ）の光学ビ
ームＯを発生すると、第１ポテンシャル井戸３に電子−
正孔対が発生する。
【００７５】図１および図７につき上述したように、光
学的に発生した電子は第１ポテンシャル井戸３から障壁
層４により発生した中間電子エネルギー準位ｅ4 を経て
第２ポテンシャル井戸５に転送されるようになる。障壁
層４は充分に厚く、上述した例では８ｎｍとし、第１ポ
テンシャル井戸３に発生した光学発生正孔を第２ポテン
シャル井戸５へのトンネリングを禁止し得るようにし、
従って光学的に発生した正孔は第１ポテンシャル井戸３
に残存した儘となる。
【００７６】これがため、転送された電子はその対応す
る光学的に発生した正孔から分離され、第２ポテンシャ
ル井戸５に導通チャネルを形成するとともにソース領域
２０およびドレイン領域２１間に印加電圧を保持する。
光学ビームＯがスイッチオフする際にＨＥＭＴが等しい
か導通状態に復帰するに要する時間は光学的に発生した
電子および正孔の再結合に要する時間に依存し、これは
正孔が第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシャル井
戸５にトンネリングするに要する時間によって表わすこ
とができる。
【００７７】第１ポテンシャル井戸３から第２ポテンシ
ャル井戸５に転送された電子は正孔と迅速に再結合し得
ないため、高密度の電子が第２ポテンシャル井戸５に比
較的容易に確立され得るようになり、従って代表的には
１Ｗａｔｔ／ｃｍ2 の低いパワー密度のみが充分な電子
を発生させるために入射光学ビームに必要となり、これ
により第２ポテンシャル井戸５によって生じる導電チャ
ネルに沿って電子流を発生する。
【００７８】電子は電子−正孔対の光学的発生により第
１ポテンシャル井戸３に発生するため、ポテンシャル井
戸３および５または障壁層４、７および８のいずれの任
意のドーピングも必要でなくなり、従ってドーパント不
純物により生じる導通電子のスキャッタリングの可能性
が著しく減少し、従って第２ポテンシャル井戸５によっ
て生じる導通チャネルの電子移動度が著しく改善される
ようになる。
【００７９】高電子移動度装置１０ｃの電流処理能力は
第２ポテンシャル井戸５の数に依存する。しかし、上述
した材料系では構体の層に垂直な吸収係数が極めて小さ
いため、多数の第１および第２ポテンシャル井戸を設け
て導通チャネルを多数の並列第２ポテンシャル井戸５に
よって発生し、これにより電流処理能力を増大する必要
がある。
【００８０】上述したように、分離された電子および正
孔の再結合に要する時間は正孔を第１ポテンシャル井戸
３から第２ポテンシャル井戸５にトンネリングするに要
する時間によって表わすことができる。この時間は障壁
層４の厚さにより少なくとも部分的に決まり、障壁層の
厚さが８ｎｍの上述した材料系に対しては再結合時間は
代表的には０．５〜数μｓｅｃとなる。従って、光学ビ
ームＯがスイッチオフされる際、ＨＥＭＴが非導通状態
に復帰する時間はこの再結合により少なくとも部分的に
決まるようになる。このスイッチングオフ時間は、これ
がＨＥＭＴのスイッチングオンおよび導通を行い得るよ
うにするために、光学ビームＯから高いパワー密度を必
要とするも、障壁層の厚さを最小で２．５ｎｍまで減少
することにより短縮することできる。
【００８１】図８に示す光学的にスイッチングされたＨ
ＥＭＴは、例えば像処理または光学的計算に用いる光学
スイッチとして用いることができる。光学ビーム源５０
は、上述した光学ビーム源のうちの任意のものとするこ
とができ、かつ第１ポテンシャル井戸３に必要な電子を
発生させるに充分なエネルギーおよび第１ポテンシャル
井戸３のｅ−ｈｈ励起子共振のエネルギーに等しいかま
たはこれよりも大きなエネルギーを有する少なくとも波
長または波長範囲の光学ビーム源Ｏを発生するように選
択する。
【００８２】図９は本発明による光学的に活性化したＨ
ＥＭＴ１０ｄの第２例を一部切り欠き断面で示す。図３
から明らかなように、ＨＥＭＴ１０ｄのヘテロ構体２０
ｄは他の障壁層４ａによって第２ポテンシャル井戸５ａ
から分離された他のポテンシャル井戸９を形成し、かつ
図９と図６および７との比較から明らかなように、ヘテ
ロ構体２０ｄは、ヘテロ構体２０ｃがヘテロ構体２と対
応する場合と同様にヘテロ構体２０と対応する。即ち、
特にヘテロ構体２０ｄはヘテロ構体２０と同様とする
が、基板に対しては反転させるようにする。これがた
め、図６に示すエネルギーバンドダイアグラムはヘテロ
構体２０ｄおよびヘテロ構体２０に適用することができ
る。
【００８３】その他の点では、図９に示すＨＥＭＴ１０
は図８に示すＨＥＭＴと同様とする。かかる構体では、
適宜の光学ビームＯ’により第１ポテンシャル井戸３に
光学的に発生した電子は障壁層４の中間電子エネルギー
準位ｅ5a、第２ポテンシャル井戸３ａの電子エネルギー
準位ｅ5aおよび他の障壁層４ａの中間電子エネルギー準
位ｅ4aを経て第３ポテンシャル井戸９に迅速に転送する
が、関連する正孔は第１ポテンシャル井戸３ａに保持さ
れた儘となる。この場合には電子および正孔の分離はさ
らに増大し、かつ導通電子の移動度に著しい影響を与え
るスキャッタリングの可能性をさらに低減する。
【００８４】図９に示す変更ＨＥＭＴは図８につき上述
した所と同様に作動する。正孔が第３ポテンシャル井戸
９にトンネリングするに要する時間、従ってＨＥＭＴの
スイッチング時間は増大する。図１の場合に複数のポテ
ンシャル井戸３ａ、５ａおよび９を設ける。タメ、構体
は第３ポテンシャル井戸９に対し対称となる。
【００８５】本発明装置はＡｌＡｓ障壁層およびＧａＡ
ｓポテンシャル井戸を形成するように記載されている
が、障壁層に用いる材料が必要な電子エネルギー準位を
呈し得る場合には他のIII-V 族半導体材料を用いること
ができる。
【００８６】上述した配列において層の厚さを調整する
ことにより、第１および第２ポテンシャル井戸３および
５並びに所望に応じ第３ポテンシャル井戸９の電子エネ
ルギー準位を種々に相違させることができるが、例えば
第２ポテンシャル井戸に対しＩｎＧａＡｓを用いて、層
の厚さを変化させることにより、およびこれに加えて種
々の材料の組み合わせを用いることができる。
【００８７】また、第１ポテンシャル井戸に使用する材
料を直接ギャップ材料とする場合には、他の半導体材料
を用いることができ、例えばII−VI半導体材料を用いる
か、または種々の型の半導体材料の組み合わせを用いる
ことができる。さらに、本発明は可制御導通状態チャネ
ル領域を有する他の半導体装置に適用することができ
る。
【００８８】本発明は上述した例にのみ限定されるもの
ではなく、要旨を変更しない範囲内で種々の変形、また
は変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光学的可スイッチング装置のエネルギー
バンドダイアグラムを示す説明図である。
【図２】（ａ）は充分なパワー密度の入射光学ビームの
影響を示す本発明光学的可スイッチング装置の吸収スペ
クトルの一部分を線図的に示す説明図であり、 （ｂ）は充分なパワー密度の入射光学ビームの影響を示
す本発明光学的可スイッチング装置の吸収スペクトルの
一部分を線図的に示す説明図である。
【図３】本発明光学スイッチング装置の第１例の構成を
示す断面図である。
【図４】図３に示す光学スイッチング装置の変形例の構
成を示す断面図である。
【図５】（ａ）は入射光学パワー密度の種々の準位の本
発明光学的可スイッチング装置の吸収スペクトルに与え
る影響を示す説明図であり、 （ｂ）は入射光学パワー密度の種々の準位の本発明光学
的可スイッチング装置の吸収スペクトルに与える影響を
示す説明図である。
【図６】本発明光学的可スイッチング装置の他の例のエ
ネルギーバンドダイアグラムを示す説明図である。
【図７】図６に示すエネルギーバンドダイアグラムを有
する光学的可スイッチング装置（断面で示す）を用いる
本発明光学スイッチング装置の他の例の構成を示す説明
図である。
【図８】光学ビーム源と組合わせた本発明高電子移動度
半導体層装置を具える光学的可スイッチング装置の第１
例を示す位置部切り欠き断面図である。
【図９】光学ビーム源と組合わせた本発明高電子移動度
半導体層装置を具える光学的可スイッチング装置の第２
例を示す位置部切り欠き断面図である。
【符号の説明】
１ 光学的可スイッチング装置 ２ ヘテロ構体 ２ｃ ヘテロ構体 ３ 第１ポテンシャル井戸 ３ａ 第１ポテンシャル井戸 ４ 障壁層 ４ａ 障壁層 ５ 第２ポテンシャル井戸 ５ａ 第２ポテンシャル井戸 ６ 基板 ６ｂ ７ 障壁層 ８ 最終障壁層 ９ 第３ポテンシャル井戸 １０ 光学的可スイッチング装置 １０ｄ ＨＥＭＴ １１ キャップ層 ２０ ヘテロ構体 ２０ｄ ヘテロ構体 ２１ ソース領域 ２２ ドレイン領域 ２３ ソース電極 ２４ ドレイン電極 ２５ 凹部 ５０ 光学ビーム源 ６０ 光学ビーム源 ７０ 露出区域 １００ 光学ビーム源 １００ａ 光学ビーム源 ２００ ヘテロ構体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔ ｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 ジェフリー ジェイムス ハリス イギリス国 ウエスト サセックス ハ イワーズ ヒース ルーカステツ アベ ニュー 33 (72)発明者 ジョン ウィルフレッド オートン イギリス国 サセックス クローレイ コプソーン キッメッド ５ (56)参考文献 特開 平２−154222（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−210332（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−270035（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158882（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−818（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−134437（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−44776（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2227571（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/29 - 3/02 G02F 1/015 - 1/025 H01L 27/14 - 27/15 H01L 31/14

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 障壁層によって第２ポテンシャル井戸か
    ら分離された第１ポテンシャル井戸を画成するヘテロ構
    体を具え、この第２ポテンシャル井戸によって前記第１
    ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー準位（e3）より
    も低い電子エネルギーの電子エネルギー準位（e5）を発
    生する光学的可スイッチング装置において、前記障壁層
    は前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー準位
    （e3）よりも電子エネルギーの低く、第２ポテンシャル
    井戸の最低電子エネルギー準位（e5）よりも電子エネル
    ギーの高い中間電子エネルギー準位（e4）を供給し得る
    間接遷移型半導体材料により形成し、さらに、前記障壁
    層は前記第１ポテンシャル井戸から第２ポテンシャル井
    戸への正孔のトンネリングを禁止するに充分な厚さとし
    て、入射光ビームにより第１ポテンシャル井戸に発生し
    た電子−正孔対の正孔を第１ポテンシャル井戸に制限
    し、しかも前記第１ポテンシャル井戸から前記障壁層に
    より設けられた中間電子エネルギー準位（e4）を経て第
    ２ポテンシャル井戸に前記電子−正孔対の電子を容易に
    転送し得るようにしたことを特徴とする光学的可スイッ
    チング装置。
  2. 【請求項２】 前記第１ポテンシャル井戸は比較的幅狭
    とするとともに前記第２ポテンシャル井戸は比較的幅広
    とし、かつ前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エネル
    ギー準位（e3）よりも電子エネルギーが低い電子エネル
    ギー準位（e5）を提供することを特徴とする請求項１に
    記載の光学的可スイッチング装置。
  3. 【請求項３】 前記第１および第２ポテンシャル井戸は
    同一の半導体材料の層によって形成するようにしたこと
    を特徴とする請求項２に記載の光学的可スイッチング装
    置。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２ポテンシャル井戸は
    砒化アルミニウムの層を具えることを特徴とする請求項
    ３に記載の光学的可スイッチング装置。
  5. 【請求項５】 前記第１ポテンシャル井戸はその幅を
    ３．５ｎｍ以下とし、前記第２ポテンシャル井戸はその
    幅を３．５ｎｍ以上とし、前記障壁層はその幅を２．５
    ｎｍ以上としたことを特徴とする請求項４に記載の光学
    的可スイッチング装置。
  6. 【請求項６】 前記第１ポテンシャル井戸はその幅を
    ２．５ｎｍとし、前記第２ポテンシャル井戸はその幅を
    ５ｎｍとし、前記障壁層はその幅を８ｎｍとしたことを
    特徴とする請求項５に記載の光学的可スイッチング装
    置。
  7. 【請求項７】 前記第１および第２ポテンシャル井戸は
    障壁層により囲まれた異なる種々の半導体材料で形成し
    て前記第１ポテンシャル井戸の最低電子エネルギー準位
    （e3）よりも低い電子エネルギーの電子エネルギー準位
    （e5）の第２ポテンシャル井戸内に容易に設け得るよう
    にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学
    的可スイッチング装置。
  8. 【請求項８】 前記ヘテロ構体によって複数の第１およ
    び第２ポテンシャル井戸を画成するようにしたことを特
    徴とする請求項１〜７の何れかの項に記載の光学的可ス
    イッチング装置。
  9. 【請求項９】 各第２ポテンシャル井戸に関する限りで
    は、前記ヘテロ構体は第２ポテンシャル井戸から他の障
    壁層によって分離された第３ポテンシャル井戸を具え、
    第３ポテンシャル井戸によって前記第２ポテンシャル井
    戸の最低電子エネルギー準位（e5a）よりも電子エネル
    ギーが低い電子エネルギー準位（e9）を発生し、前記他
    の障壁層は前記第２ポテンシャル井戸の最低電子エネル
    ギー準位（e5a）よりも電子エネルギーが低く、第３ポ
    テンシャル井戸の最低電子エネルギー準位（e9）よりも
    電子エネルギーが高い中間電子エネルギー準位（e4a）
    を供給し得るように形成して前記第２ポテンシャル井戸
    から第３ポテンシャル井戸に正孔がトンネリングするの
    を禁止するに充分な厚さの前記他の障壁層を経て前記第
    ２ポテンシャル井戸から前記第１ポテンシャル井戸に電
    子を転送せしめ得るようにしたことを特徴とする請求項
    １〜８の何れかの項に記載の光学的可スイッチング装
    置。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９の何れかの項に記載の光
    学的可スイッチング装置と、第１ポテンシャル井戸に電
    子−正孔対を発生する波長を有する光学ビームを前記ヘ
    テロ構体に指向する手段と、励起子をブリーチするに不
    充分な第１の比較的低いパワー密度と充分な電子−正孔
    対を発生せしめる第２の比較的高いパワー密度との間で
    光学ビームをスイッチングする前記指向手段によって発
    生させた光学ビームのパワー密度を制御する手段とを具
    え、電子を前記第１ポテンシャル井戸から前記第２ポテ
    ンシャル井戸に転送させて前記ヘテロ構体の少なくとも
    １つの励起子共振のブリーチを生ぜしめ励起子共振のエ
    ネルギーに等しいかまたはこれよりも大きなエネルギー
    を有する光学ビームのヘテロ構体を経て伝送せしめるよ
    うにしたことを特徴とする光学スイッチング装置。
  11. 【請求項１１】 前記励起子共振のエネルギーに等しい
    かまたはこれよりも大きなエネルギーを有する他の光学
    ビームを指向する手段をさらに具えるようにしたことを
    特徴とする請求項１０に記載の光学スイッチング装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜９の何れかの項に記載の光
    学的可スイッチング装置の吸収を制御するに当たり、第
    １ポテンシャル井戸に電子−正孔対を発生する波長を有
    する光学ビームを前記ヘテロ構体に指向し、かつ、励起
    子をブリーチするに不充分な第１の比較的低いパワー密
    度と充分な電子−正孔対を発生せしめる第２の比較的高
    いパワー密度との間で光学ビームをスイッチングするよ
    うに光学ビームのパワー密度を制御して、電子を前記第
    １ポテンシャル井戸から前記第２ポテンシャル井戸に転
    送させて前記ヘテロ構体の少なくとも１つの励起子共振
    のブリーチを生ぜしめ励起子共振のエネルギーに等しい
    かまたはこれよりも大きなエネルギーを有する光学ビー
    ムのヘテロ構体を経て伝送せしめるようにしたことを特
    徴とする光学的可スイッチング装置の吸収を制御する方
    法。
  13. 【請求項１３】 励起子共振のエネルギーに等しいかま
    たはこれよりも大きなエネルギーを有する他の光学ビー
    ムをヘテロ構体に指向するようにしたことを特徴とする
    請求項１２に記載の光学的可スイッチング装置の吸収を
    制御する方法。
  14. 【請求項１４】 前記ヘテロ構体は高電子移動度半導体
    装置の導通チャネル領域を形成することを特徴とする請
    求項１〜９の何れかの項に記載の光学的可スイッチング
    装置。
  15. 【請求項１５】 前記第１ポテンシャル井戸に電子−正
    孔対を光学的に発生せしめる光学ビームを供給する光学
    ビーム源をさらに具えることを特徴とする請求項１に記
    載の光学的可スイッチング装置。
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