JP4609688B2

JP4609688B2 - 磁気光学素子

Info

Publication number: JP4609688B2
Application number: JP2001187021A
Authority: JP
Inventors: 泰夫岡; 明宏村山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2003005241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体結晶に磁場または電場を印加して、その発光または吸収波長を切り替える磁気光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化社会の著しい進展につれて、大容量かつ超高速の光情報通信システムの構築は必要不可欠なものとなってきている。そのような社会的要請に対しては、短時間により多くの情報が伝送可能な、短波長の可視光や近紫外光を用いた光情報通信システムの開発が重要である。したがって、そのような短波長の可視光や近紫外光の発生や検出、あるいはそのオンオフや伝送路のスイッチ、さらにはその強度や偏光特性などの変調に係わる光学素子の開発は極めて重要である。
【０００３】
また、波長の異なるいくつかの光信号を同時に扱い、通信情報量を飛躍的に増大させる、いわゆる多重波長光通信に適用できる光学素子が必要である。
このような目的のために用いることができる材料は、短波長の可視光や近紫外光の波長域に対して強い吸収や発光特性を示す化合物半導体である。
【０００４】
しかしながら、可視域や近紫外域の波長の光に対して、そのような多種類の波長の光を高速で変調したり、波長の切り換えを行える光学素子は未だ開発されていない。また従来の光学素子は、高消光比の変調を行う場合には、大きな外部電場変化，外部磁場変化を与えなければならず、変調速度に限界がある。このため、原理的に新しい光学効果を有する材料の開発が強く望まれている。
例えばこのような材料として、化合物半導体中にＭｎなどの磁性元素を含む磁性半導体においては、外部磁場に対する電子スピンの反応が非常に大きく、いわゆる磁場による巨大ｇ値や巨大ゼーマン効果などの顕著な磁気光学効果を示すため、可視光に対する磁気光学素子材料として非常に有望と考えられている〔応用物理Ｖol. ７０，Ｎｏ．０２（２００１），ｐ３００〕。しかしながら外部磁場に対する磁気光学的反応は単調な磁場依存性を示し、光学的能動素子として必要不可欠な磁場や電界によるスイッチング特性は実現できていない。また磁場により発光や吸収強度が変化する現象は十分に解明されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、光通信用光学素子として今後必要になる、可視光や紫外光に対する高消光比の高速変調や高速波長スイッチング機能を有する、全く新しい動作原理に基づく磁気光学素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の磁気光学素子は、成分組成がＸＭｎＹで表され、ＸがＣｄ，Ｚｎ，Ｇａから選ばれる一種類以上の元素で、ＹがＳ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｏ，Ｎ，Ａｓから選ばれる一種類以上の元素であるドット状の半導体を備えており、この半導体に励起光を照射すると、磁場が印加されていない状態でＭｎ元素に基づく発光が生じ、磁場が印加されている状態で自由励起子に基づく発光が生じ、磁場の印加に応じて波長の異なる発光が生じることを特徴とする。
特に、ＸがＣｄ，Ｚｎから選ばれる一種類以上の元素であり、ＹがＳｅ元素である。
半導体は、緩衝層を有するＧａＡｓ基板上にＣｄＭｎＳｅの原子層を成長した後にＳｅを照射したままで成長の温度よりも高い温度で熱処理してなる。
また、半導体のＭｎの組成は、０．５ａｔ％以上、３０ａｔ％以下であることを特徴とする。
この構成によれば、印加磁場が小さい場合には、Ｍｎドープ化合物半導体のＭｎが発光し、印加磁場をしだいに大きくするとＭｎの発光がしだいに減少し、自由励起子の発光がしだいに増大し、印加磁場が十分大きくなると、自由励起子のみの発光となる。
このようにして、磁場や電場などにより、その発光や光吸収の強度を変調したり、主たる発光や光吸収の波長を切り換えることができる。
【０００７】
本発明の磁気光学素子は、二種類以上の波長の異なる発光や光吸収を示す半導体であり、この磁気光学素子に磁場や電場などを印加することにより、容易にその発光や光吸収の強度を変調したり、主たる発光や光吸収の波長を高速にスイッチングすることができるから、今後必要となる、可視域や近紫外域の複数の波長の光を多重して用いる多重波長大容量超高速光通信において、光変調素子、光スイッチング素子として好適に用いることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
本発明の磁気光学素子は、成分組成がＸＭｎＹ（ただしＸはＣｄ，Ｚｎ，Ｇａから選ばれる一種類以上の元素であり、ＹはＳ，Ｓｅ，Ｔｅ, Ｏ, Ｎ，Ａｓから選ばれる一種類以上の元素）で表され、Ｍｎ組成が、０．５ａｔ％以上、３０ａｔ％以下であるＭｎドープ化合物半導体からなり、結晶構造は、単結晶でも良くまた多結晶でも良く、もちろんエピタキシャル単結晶膜でも良い。本発明の磁気光学素子は、外部磁場に対するゼーマン効果などの磁気光学効果の磁場依存性の程度を表すｇ値が数十から数百にも及ぶいわゆる巨大磁気光学効果を示す磁性半導体である。巨大磁気光学効果を示す磁性半導体は可視光や紫外光に対して強い相互作用を有する。
【０００９】
本発明の磁気光学素子をエピタキシャル単結晶膜として構成した例を用いて説明する。
図１は本発明の磁気光学素子の構成を示す模式図である。
図において、磁気光学素子１は、励起光２として用いる光の波長に対してある程度透明な基板３上にエピタキシャル単結晶成長して構成されている。また、磁気光学素子１上には、劣化を防止するための保護膜４を有している。なお、使用目的に応じて偏光子５，６を磁気光学素子１の前後に配置しても良く、また、この構成例では、透過光２及び発光７を集光するためのレンズ８と、光検出器９を用いて透過光２及び発光７を検出する構成を示している。
【００１０】
この磁気光学素子１を動作させるには、短波長の可視光や近紫外光である励起光２を照射しながら磁気光学素子１に磁場１０を印加する。磁場の方向は、図１に示した方向に限らず、使用目的に応じて種々の方向が可能である。
磁場を印加しない場合には、磁気光学素子１の巨大磁気光学効果によりＭｎ元素に基づく発光が生じる。磁場を印加した場合には、磁気光学素子１のバンド構造に基づく自由励起子の発光が生じる。このように磁場の印加、非印加によって発光波長が変化する。この磁場強度は後述するように十分小さいので、ナノ秒以下の速度でスイッチングできる。
【００１１】
本発明者らは、磁性半導体材料を詳細に検討した結果、その組成がＸＭｎＹ、ただし、ＸはＣｄ，Ｚｎ，Ｇａから選ばれる一つ以上の元素であり、また、ＹはＳ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｏ，Ｎ，Ａｓから選ばれる一つ以上の元素、で表される材料を用いることにより、二種類以上の波長の異なる発光や光吸収を観測し、さらに磁場や電場などにより、その発光や光吸収の強度を変調したり、発光や光吸収の波長が切り換え可能であることを見出した。またそのＭｎ組成を厳密に制御することにより、発光や光吸収の強度が、磁場により、２桁以上という極めて巨大かつ敏感に変化することも見出した。このような巨大な磁気光学効果は、極めて高効率の光変調素子に非常に適したものであることは明らかである。また、Ｍｎ組成が０．５ａｔ％未満の場合、このような磁気光学効果はそれほど顕著ではなく実用上不適であることを見いだした。また、Ｍｎ組成が３０ａｔ％を越えると、半導体層結晶構造の劣化を生じその光学特性が損なわれることを見いだした。
【００１２】
本発明で得られた光学特性は、磁性半導体中の電子スピンが関与する、例えば磁場に依存する発光や吸収、ファラデー効果やカー効果などの磁気光学効果を有する結晶に顕著に表れる。このような電子スピンを利用した光学素子の動作原理は、ここで示した半導体単層膜構造に限定されるものではなく、超格子構造や多層膜構造であればより大きな磁気光学効果が期待でき、またいわゆる量子細線や量子ドットなどの量子閉じ込め効果を持つ半導体微細構造の利用も有効である。
【００１３】
次に、本発明の実施例を示す。
図２は、実施例に用いた磁気光学素子１の構成を示す図である。
分子線エピタキシー装置を用いて、まず、ＧａＡｓ（１００）基板３上に、結晶成長を改善するための緩衝層２１として膜厚３５０ｎｍのＺｎＳｅを基板温度３００℃で成長させた。次に、基板の温度を２３０℃まで下げ、Ｃｄ_0.97Ｍｎ_0.03Ｓｅを７原子層成長させた。成長後Ｓｅを照射したまま、基板温度を３７０℃まで上昇させて１分間熱処理を行った。その後、基板の温度を３００℃まで下げて冷却した。上記工程によって、直径２．５ｎｍのＣｄ_0.97Ｍｎ_0.03Ｓｅドットを形成した。さらに、このドット上に、膜厚６０ｎｍのＺｎＳｅ保護膜を成長させた。
【００１４】
次に、上記した実施例の測定結果を示す。
図３は、波長３９０ｎｍ（３．１８ｅＶ）の固体レーザーにより光励起した場合の、発光スペクトルの磁場依存性を示す図である。図において横軸は発光のエネルギーを示し、縦軸は、各々の印加磁場強度における発光強度を示している。ここで、発光スペクトルの２．０９ｅＶのピークは、磁気光学素子１に含まれるＭｎ元素に基づく発光である。また、２．２２ｅＶのピークは磁気光学素子１の自由励起子の発光である。
図から明らかなように、外部磁場１０の増加と共に、自由励起子発光強度が増大し、Ｍｎに基づく発光は消滅することがわかる。これより直ちに、本発明の磁気光学素子１を用いれば、発光波長のスイッチングができることがわかる。また、この発光波長のスイッチングが生じる磁場強度は、４〜５Ｔ（テスラ）程度と小さいので、十分高速にスイッチングできることがわかる。
ここで示した発光は量子ドットから得られたものであるが、一般にこのような量子ドット構造では、そのドット中の励起子や電子の状態密度は高く、発光やレーザー素子としての効率は非常に高い。
【００１５】
このように、磁場により、極めて高速に、発光強度の変調や主たる発光波長のスイッチングを行える本発明の磁気光学素子は、半導体材料を詳細に検討し、特にそのＭｎ組成を厳密に制御することによって初めて実現できたものである。
【００１６】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、磁場や電場など、外部から容易に制御可能な方法により、光強度の変調や主たる発光波長のスイッチングを高速に行うことができる。したがって、可視光や紫外光を用いた将来の大容量超高速多重波長光通信における高速光波長スイッチング素子、または、高消光比光変調素子として使用すれば極めて有用である。
また、本発明の磁気光学素子は、半導体中の電子スピン光相互作用を利用するため、従来の半導体素子のように電流を流す必要が無く、低消費電力での作動が可能であり、著しい長寿命が期待できる。
また本磁気光学素子は、光通信のみならず、光コンピュータやスピンを用いた量子コンピュータへの利用も可能である。
また、現在すでに工業的に使用されている化合物半導体を母相半導体材料として用いるため、その工業化は極めて容易であり、また高い生産歩留まりが期待できる。
さらに、用いる半導体材料の組成や磁性元素の含有量を制御することにより、実用素子として要求される様々な動作特性に柔軟に対応できる。例えば発光波長を容易に選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気光学素子の構成を示す模式図である。
【図２】実施例に用いた磁気光学素子の構成を示す図である。
【図３】実施例に用いた磁気光学素子を波長３９０ｎｍ（３．１８ｅＶ）の固体レーザーにより光励起した場合の、発光スペクトルの磁場依存性を示す図である。
【符号の説明】
１磁気光学素子
２励起光、透過光
３基板
４保護膜
５，６偏向子
７発光
８集光レンズ
９光検出器
１０磁場
２１バッファ層

Claims

成分組成がＸＭｎＹで表され、ＸがＣｄ，Ｚｎ，Ｇａから選ばれる一種類以上の元素であり、ＹがＳ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｏ，Ｎ，Ａｓから選ばれる一種類以上の元素である、ドット状の半導体を備えており、
上記半導体に励起光を照射すると、磁場が印加されていない状態ではＭｎ元素に基づく発光が生じ、磁場が印加されている状態では自由励起子に基づく発光が生じ、磁場の印加に応じて波長の異なる発光が生じる、磁気光学素子。
成分組成がＸＭｎＹで表され、ＸがＣｄ，Ｚｎから選ばれる一種類以上の元素であり、ＹがＳｅ元素である、ドット状の半導体を備えており、
上記半導体に励起光を照射すると、磁場が印加されていない状態ではＭｎ元素に基づく発光が生じ、磁場が印加されている状態では自由励起子に基づく発光が生じ、磁場の印加に応じて波長の異なる発光が生じる、磁気光学素子。
前記半導体は、緩衝層を有するＧａＡｓ基板上にＣｄＭｎＳｅの原子層を成長した後にＳｅを照射したままで成長の温度よりも高い温度で熱処理してなる、請求項２に記載の磁気光学素子。
前記半導体のＭｎの組成は、０．５ａｔ％以上、３０ａｔ％以下である、請求項１又は２に記載の磁気光学素子。