JP4721493B2

JP4721493B2 - 波長の同調が可能な共鳴キャビティを備えた光学的半導体デバイスならびに光強度の変調への応用

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Publication number: JP4721493B2
Application number: JP2000202777A
Authority: JP
Inventors: ヴァランタン・オルティ; ニコラオ・ペレカノ
Original assignee: ザンティマ・エルエルシー
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: EP1067643B1; EP1067643A1; FR2796212A1; JP2001036191A; DE60037922D1; FR2796212B1; US6396083B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長の同調が可能な共鳴キャビティを備えた光学的半導体デバイスならびに光強度の変調への応用に関するものである。
【０００２】
このデバイスは、この明細書中においてはＶＣＳＥＬとも称する縦型発光レーザーといったようなまたはサイド発光レーザーといったようなコヒーレントな光源の形態で形成することができる、あるいは、この明細書中においてはＬＥＤとも称する発光ダイオードといったような縦型発光またはサイド発光の非コヒーレントな光源の形態で形成することができる。
【０００３】
本発明によるデバイスは、また、反射型または透過型で動作する光学変調器の形態で形成することができる。
【０００４】
本発明は、例えば光学的遠距離通信やすべての光学ネットワークや情報ディスプレイや分光学といったような様々な分野で使用される。
【０００５】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
縦型発光ダイオードにおいては、ダイオードの共鳴キャビティを規定するミラーが、キャビティ内に配置される活性領域およびスペーサを囲む層の成長軸に対して垂直に形成されることに注意されたい。スペーサ自身は、活性領域とキャビティミラーとの間に配置される。
【０００６】
このキャビティの長さは、１μｍの程度とすることができ、『マイクロキャビティ』と称される。より厚い共鳴キャビティの場合にはいくつかの光学モードが可能であるけれども、このタイプのマイクロキャビティにおいては、マイクロキャビティが薄いことのために、通常、単一の光学モードが選択される。
【０００７】
ＶＣＳＥＬタイプまたはＬＥＤタイプの縦型発光ダイオードは、以下の理由により、光学的遠隔通信市場において大きな可能性をもたらす。すなわち、
−製造が容易であること。そのため、多数の光放出器を有したマトリクスを作ることができる。
−光放出の電磁モードの品質が良好であること。
−光エレクトロニクス回路への集積化が容易であること。
【０００８】
温度変化によって同調可能な縦型発光レーザーダイオードは、明細書の最後に示した文献［１］によって既に公知である。このタイプのダイオードは、１秒程度というように非常に応答時間が遅く、同調可能範囲が狭い。
【０００９】
文献［２］は、また、変形可能な膜を使用することによって、同調可能とされた縦型発光ダイオードが開示されている。この場合、変形可能な膜は、電気的に制御されるとともに、ダイオードの共鳴キャビティの出力ミラーを形成している。この縦型発光ダイオードは、数十ナノメートルという同調可能性を有することができる。しかしながら、製造が容易ではなく、そのため、かなり高価である。さらに、変形可能な膜の使用のために、１μｓ程度というように応答時間が遅い。
【００１０】
文献［３］は、サイド発光ダイオードに関して、温度変化によって同調可能とされたレーザーダイオードが開示されている。このタイプのダイオードは、１秒程度というように応答時間が非常に遅く、また、同調可能範囲もかなり限られている。
【００１１】
文献［４］は、また、外部回折格子を使用することによって同調可能とされたサイド発光レーザーダイオードが開示されている。このタイプのダイオードの応答時間は、１ｍｓ程度であり、かさばるものであるとともに、非常に高価である。
【００１２】
さらに、文献［５］には、共鳴キャビティが活性領域と屈折率可変領域（位相シフター）と分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを備えているような同調可能サイド発光レーザーダイオードが開示されている。上記各領域は、基板上に一体化されている。
【００１３】
活性領域を電流が流れたときには、誘導放出効果が、かなり幅広い範囲にわたるゲインスペクトルでもって得られる。多数のキャビティモードが、この範囲内において利用可能である。それでもなお、ＤＢＲが波長λ_f においてただ１つの最大値を有していることにより、ただ１つのキャビティモードしか、実際には、レーザー放出をもたらすことができない。この構成においては、同調可能性は、電流をＤＢＲを通して流すことにより、得られる。これにより、プラズマ効果のためにＤＢＲの屈折率が変化し、そのため、λ_f がオフセットされる、すなわち、発光波長がオフセットされる（変更される）。
【００１４】
このオフセットにもかかわらず、キャビティモードは、実際には不変のままであり、したがって、発光は、あるモードから他のモードへと不連続的に移行する。屈折率可変領域は、この効果を防止するために使用され、ＤＢＲの電流によって独立に制御される。屈折率のこの変化は、キャビティモードをオフセットするに十分なものであり、よって、λ_f を変化させることができる。このことは、発光波長の連続的な変化を可能とする。
【００１５】
このタイプのダイオードの応答時間は、屈折率可変領域内におけるおよびＤＢＲ領域内における荷電キャリアの寿命に直接的に関連するものであって、約１ナノ秒に等しい。
【００１６】
しかしながら、このようなダイオードは、製造が容易ではなく、そのため、高価である。また、レーザー放出波長の制御のために３つの電流が必要であることにより（上記３つの領域について１つずつ）、レーザー放出波長制御のためには、複雑な電子制御手段を必要としてしまう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、製造が容易であってそのため文献［２］や［５］に開示されているデバイスよりも安価でありしかも１ナノ秒あるいはそれ以下といったような応答時間すなわち波長スイッチング時間を有しているような、波長の同調が可能な共鳴キャビティを備えた光学的半導体デバイスを提案することによって、上記欠点を克服することである。
【００１８】
より詳細には、本発明の目的は、波長の同調が可能な共鳴キャビティを備えた光学的半導体デバイスであって、共鳴キャビティと、この共鳴キャビティを規定する２つのミラーと、を具備し、さらに、
−共鳴キャビティ内に配置されるとともに圧電性半導体層を含有した少なくとも１つの超格子と、
−超格子内に荷電キャリアを注入するための荷電キャリア注入第１手段と、
を具備し、
荷電キャリアが超格子内に注入されたときには、超格子の光学的特性（特に、屈折率）が変化するように構成されており、これにより、共鳴キャビティの共鳴モードにおける波長が変更される（オフセットされる）ようになっていることを特徴とするデバイスである。
【００１９】
この明細書においては、『圧電性』効果とは、広義の意味で理解されるべきである。つまり、歪みを有した半導体層内に電界が発生するという現象と、半導体層に歪みが導入されなくても（あるいは、印加されなくても）電界が発生し得るというウルツ鉱タイプの半導体層において見られる自発分極現象と、の双方を含有している。これに関してのさらなる情報については、文献［６］を参照することができる。
【００２０】
デバイスは、さらに、共鳴キャビティ内に配置されるとともに、内部に荷電キャリアが注入されたときには、放射を起こし得るよう構成された活性領域を具備することができる。
【００２１】
このような放射は、コヒーレントな放射（レーザー）とすることができ、また、非コヒーレントな放射とすることもできる。
【００２２】
本発明によるデバイスの第１の格別の実施形態においては、荷電キャリア注入第１手段は、活性領域内に荷電キャリアを注入しこれにより活性領域から光を放出させ得るよう構成されている。
【００２３】
第２の格別の実施形態においては、さらに、活性領域内に荷電キャリアを注入しこれにより活性領域から光を放出させ得るよう構成された荷電キャリア注入第２手段を具備している。
【００２４】
注入された荷電キャリアは、個別的に、ＳＲ−Ｐと称される、圧電性半導体層から形成された超格子内に注入される。
【００２５】
第１例においては、デバイス内に含有されている半導体層の成長軸に対してミラーが垂直とされた状態でデバイスがレーザー放射可能とされており、これにより、縦型放出タイプのレーザー放射が得られるようになっている。
【００２６】
第２例においては、デバイス内に含有されている半導体層の成長軸に対してミラーが垂直とされた状態でデバイスが非コヒーレント放射可能とされており、これにより、縦型放出タイプの非コヒーレント放射が得られるようになっている。
【００２７】
第３例においては、デバイス内に含有されている半導体層の成長軸に対してミラーが平行とされた状態でデバイスがレーザー放射可能とされており、これにより、サイド放出タイプのレーザー放射が得られるようになっている。
【００２８】
第４例においては、デバイス内に含有されている半導体層の成長軸に対してミラーが平行とされた状態でデバイスが非コヒーレント放射可能とされており、これにより、サイド放出タイプの非コヒーレント放射が得られるようになっている。
【００２９】
上記の第１例、第３例、および、第４例は、光学的遠隔通信への応用に好適であり、上記の第２例は、情報ディスプレイや分光学（ガスや汚染物質の検出）への応用に好適である。
【００３０】
荷電キャリア注入第１手段は、電気的手段とすることができる。
【００３１】
それに代えて、荷電キャリア注入第１手段は、光学的手段とすることができる。
【００３２】
圧電性半導体層は、ジンクブレンドタイプの結晶構造を有することができる。
【００３３】
それに代えて、圧電性半導体層は、ウルツ鉱タイプの結晶構造を有することができる。
【００３４】
本発明によるデバイスの格別な実施形態においては、デバイスは、共鳴キャビティ内に活性領域を備えておらず、その場合、光学的変調器を形成する。この変調器は、反射型のものともまた透過型のものともすることができ、キャビティ共鳴モードの変化を使用して入射光の変調を行うことができる。変調器の導通状態および非導通状態は、共鳴モードに依存する。この変調器は、光学的遠隔通信において、また、すべての光学ネットワーク応用において、好適に使用される。
【００３５】
本発明によるデバイスの変調速度は、数ナノメートルの程度の同調可能性においては１ＧＨｚよりも大きなものとすることができる。
【００３６】
本発明は、また、共鳴キャビティ内に活性領域を有したタイプの本発明による光学デバイスを備えてなる光強度変調デバイスに関するものであって、この場合、光強度変調デバイスは、先の光学デバイスに対して、活性領域を有してはいないものの圧電性半導体層から形成された超格子を有しているとともに１つまたは複数の同調可能な波長でもって共鳴することができる他の共鳴キャビティが、光学的に連結されることによって形成されている。
【００３７】
本発明は、また、共鳴キャビティ内に活性領域を有したタイプの本発明による光学デバイスを備えてなる光強度変調デバイスに関するものであって、この場合、光強度変調デバイスは、先の光学デバイスに対して、活性領域と圧電性半導体層から形成された超格子とのいずれか一方を有しているとともに１つまたは複数の固定波長でもって共鳴することができる他の共鳴キャビティが、光学的に連結されることによって形成されている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面を参照しつつ、単に開示の目的のためのものであって本発明を何ら制限するものではない以下の実施形態による例示によって、明瞭に理解されるであろう。
【００３９】
図１は、本発明によるデバイスの第１実施形態を概略的に示す図であって、このデバイスは、縦型発光である。
図２は、本発明によるデバイスの第２実施形態を概略的に示す図であって、このデバイスは、サイド発光である。
図３は、本発明によるサイド発光タイプのレーザーダイオードのゲインスペクトルを示す図である。
図４は、圧電性超格子の一部に関して、荷電キャリアが注入されたときのバンド構造の変化を示す図である。
図５は、圧電性超格子内に閉じ込められた量子レベルを示すバンド構造の図示である。
図６は、本発明によるデバイスの応答時間の各評価時における圧電性超格子の様子を図解的に説明するためのバンド構造の図示である。
図７は、量子井戸を有した圧電性超格子の２周期に対応したバンド構造の図示である。
図８は、２つの超格子材料に関して互いに異なる禁止帯を有した圧電性超格子の３周期に対応したバンド構造の図示である。
図９は、量子井戸から形成されるとともに圧電性超格子どうしの間に配置された活性領域を備えているような本発明による縦型発光ダイオードの一例に対応した伝導バンド構造の図示である。
図１０は、量子井戸および圧電性超格子から形成された活性領域であって相互分離した閉込を有したタイプのヘテロ構造からなる屈折率閉込構造内に含有された活性領域を備えているような本発明によるサイド発光ダイオードの一例に対応した伝導バンド構造の図示である。
【００４０】
本発明によるデバイスと、文献［２］に開示された公知デバイスと、を比較する。
【００４１】
本発明によるＶＣＳＥＬタイプのまたはＬＥＤタイプの縦型発光ダイオードは、文献［２］に開示された公知デバイスと比較して、製造プロセスがはるかに簡略なものであること、および、活性度において相違する動作原理のためにスイッチング速度がはるかに速いこと、において相違している。
【００４２】
さらに、本発明によるタイプのデバイスは、単一の制御電流を使用して動作することができる。このことは、光エレクトロニクスシステムへの本発明によるデバイスの組込を大幅に単純化させる。
【００４３】
このタイプのデバイスの同調可能性は、約１０μｍであって、応答時間は、１ナノ秒に等しい。
【００４４】
図１は、本発明による縦型発光半導体デバイスを示している。このデバイスは、Ｎタイプの半導体基板３上に形成された共鳴マイクロキャビティ２を備えている。共鳴マイクロキャビティ２は、基板に接触した状態でＮタイプ半導体材料から形成された下ミラー４と、Ｐタイプ半導体材料から形成された上ミラー６と、によって制限されている。デバイス内で生成された放射８は、上ミラー６を通して放出されるようになっている。自明なように、例えばＰタイプとＮタイプとをこの例とは逆にするといったように、他のドーピングの組合せを使用することができる。
【００４５】
マイクロキャビティ２は、１つまたは複数の量子井戸を有した活性領域１０（正のゲインを有した媒質）と、この活性領域１０の両側に設置されるとともに半導体材料から形成されたスペーサ１２と、を備えている。
【００４６】
さらに、以降「ＳＲ−Ｐ」と称される、圧電性半導体材料から形成された１つまたは複数の超格子が、スペーサ内に配置されている。例えば、活性領域１０と下ミラー４との間に、および／または、活性領域１０と上ミラー６との間に、配置されている。
【００４７】
活性領域１０は、必ずしもマイクロキャビティの中央に位置する必要はない。活性領域１０は、好ましくは、共鳴マイクロキャビティ２内に形成される静止電磁界が最小のところに配置される。これに代えて、活性領域は、マイクロキャビティ内において複数箇所に分散することができ、電磁界が極小となる複数箇所に配置することができる。
【００４８】
図１には、さらに、基板３に対して接触しているアース電極１６と、上ミラー６に対して接触しているとともに負の可変電圧源２０に対して接続された他の電極１８と、が示されている。負の可変電圧源２０は、図１に示すデバイスによって形成されたダイオードを直接的に（かつ可変的に）分極するために使用することができ、さらに、１つまたは複数のＳＲ−Ｐ内に荷電キャリアを注入するために使用することができる。
【００４９】
波長の同調が可能であるというこのデバイスの動作は、例えば Franz Keldysh効果や閉込量子 Stark効果といったような電気光学的半導体効果の使用を基礎としている。文献［７］には、この主題に関してのさらなる情報が記載されている。
【００５０】
各ＳＲ−Ｐ１４は、デバイス内のキャリアの存在によってデバイスの光学的特性（吸収係数、とりわけ、屈折率）が変化し得るように構成されている。この場合、発光を得るためにキャリアがマイクロキャビティ２内に注入されたときには、キャリアは、屈折率の変化を誘起することにより、活性領域１０およびＳＲ−Ｐ内に同時に分散する。
【００５１】
マイクロキャビティの応答がこの屈折率の変化範囲内である場合には、マイクロキャビティは、影響を受けて、共鳴波長がオフセットされる。
【００５２】
ＳＲ−Ｐが、ＳＲ−Ｐ内に注入されたキャリアが活性領域１０内における発光に関しても使用されるようなものであることにより、キャリア注入によって、一次的には、誘導放出を引き起こすことができ、二次的には、発光波長の連続的な変化を引き起こすことができる。したがって、単一電流による制御を行うことができる。
【００５３】
しかしながら、発光のために制御電流を使用し、かつ、ＳＲ−Ｐの光学的特性の変更のためにキャリアの光学的注入を使用することもできる。あるいは逆に、発光のためにキャリアの光学的注入を使用し、かつ、ＳＲ−Ｐの光学的特性の変更のために制御電流を使用することもできる。
【００５４】
レーザー発光が使用される場合には、波長の同調が可能なＶＣＳＥＬが得られる。自然放出が使用された場合には、波長の同調が可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）が得られる。
【００５５】
次に、本発明によるデバイスと、文献［５］に開示された公知デバイスと、を比較する。
【００５６】
本発明によるサイド放出タイプの発光半導体デバイスは、図２に概略的に示されている。このデバイスは、Ｎタイプの半導体基板２２と第１バリア層２４と活性層２６と第２バリア層２８とＰタイプの半導体層３０とを順に備えてなる半導体積層から構成されている。
【００５７】
ミラー３２，３４が、この積層の両端のそれぞれに形成されている。ミラー３２，３４は、積層の成長軸に対して平行に形成されており、デバイスの共鳴キャビティを規定している。ミラー３２は、活性層内において生成した光を反射することができるものであり、これに対して、ミラー３４は、透明性をも有したものであって、活性層内において生成した光の一部３６を透過させることができるものである。
【００５８】
積層は、さらに、バリア層２４内におよび／またはバリア層２８内に、少なくとも１つのＳＲ−Ｐ３８を備えている。電極４０が基板２２上に形成されており、この電極４０は、接地されている。さらなる電極４２が層３０上に形成されており、この電極４２は、負の可変電圧源４４に対して接続されている。負の可変電圧源４４は、図２に示すデバイスによって形成されたダイオードを直接的に（かつ可変的に）分極することができ、さらに、このデバイスの共鳴キャビティ内に荷電キャリアを注入することができる。
【００５９】
このようにして活性層２６内に注入された荷電キャリアは、発光を生成するとともに、ＳＲ−Ｐ内へも注入される。したがって、これら荷電キャリアは、ＳＲ−Ｐの光学的特性を変化させる。これにより、共鳴キャビティのモードの位置が変化する。
【００６０】
このことは、図３に概略的に図示されている。図３において、λ、Ｍ、Ｇ、および、Ｓは、それぞれ、発光波長、キャビティモード、ゲイン、および、ゲインスペクトルを示している。活性領域のゲインスペクトルが、キャビティモードの波長変化が重大であるような領域内に位置している場合には、光を放出しつつ発光モードの波長を連続的に制御することができる。
【００６１】
結局のところ、キャリアが注入されたときには、一次的に発光が起こり、二次的に発光モードのオフセットが起こる。
【００６２】
しかしながら、発光のために制御電流を使用し、かつ、ＳＲ−Ｐの光学的特性の変更のためにキャリアの光学的注入を使用することもできる。あるいは逆に、発光のためにキャリアの光学的注入を使用し、かつ、ＳＲ−Ｐの光学的特性の変更のために制御電流を使用することもできる。
【００６３】
図２のデバイスの応答時間は、約１ｎｓに等しく、このデバイスの同調可能範囲は、数ナノメートルである。
【００６４】
図２の同調可能デバイスは、独立的に使用することができる、あるいは、文献［５］における同調可能レーザーと同様に一体的に集積化された３ステージレーザーにおける構成部材として使用することができる。このデバイスは、同調可能デバイスのうちの最初の２ステージを代替することができる。換言すれば、活性領域と、上述のようにキャビティモードの波長のオフセットをもたらすという機能を有した屈折率可変領域と、を代替することができる。
【００６５】
一般に、ＳＲ−Ｐは、文献［５］のレーザーにおけるどのステージに導入したにしても、レーザー性能を向上させることができる。
【００６６】
本発明は、また、Fabry-Perot 型電気光学変調器や他のすべての光学的変調器の形成のために使用することができる。この場合、共鳴の変化は、反射光学信号または透過光学信号の変調のために使用され、変調器内の放出波長を変更することはない（活性領域が存在していない）。
【００６７】
電気光学的変調器は、光学的遠隔通信ネットワークにおいては極めて重要である。というのは、多重化信号の受信には、良好な波長選択性が必要であるからである。すべての光学的変調器は、光学的メモリや他の光学回路の形成のために使用される。
【００６８】
本発明に基づく変調器は、文献［８］に記載されたデバイスの代替である。この変調器は、図１および図２のデバイスと同じではあるものの、活性領域を備えてはいない。
【００６９】
さらに、透過型での動作においては、変調されるべき入射光（図２において符号３５Ｔで示されている）は、この光に対しては透過性をも有していなければならないミラー３２に向けて導入される。この場合には、符号３６は、変調された光に対応する。一方、反射型での動作においては、変調されるべき光３５Ｒは、ミラー３４に向けて導入される。この場合には、ミラー３２は、単なる反射体である。同様の動作は、図１のデバイスに対しても当てはまる。
【００７０】
変調器キャビティ内へのキャリア注入は、共鳴のオフセットだけを引き起こす。共鳴の変化は、変調器の『導通』状態と『非導通』状態とを決定するために使用される。したがって、変調は、電気的または光学的キャリア注入によって引き起こされる。特に、このことは、同じ成分を直接分極と光学的ポンピングとの双方に使用できることを意味している。
【００７１】
本発明による変調器の応答時間は、１ナノ秒以下へと短くすることができる。
【００７２】
実際には、層の光学的特性を変化させることができてキャビティのモード変更のために使用できるようなデバイスは公知である。しかしながら、公知デバイスのいずれにおいても、モードの波長を制御しつつ同時に発光を引き起こすような使用は行うことができない。
【００７３】
例えば、文献［８］には、電界を印加することによって光学的特性が変化するような層を備えたマイクロキャビティが記載されている。しかしながら、この公知デバイスは、本発明による波長同調可能な発光ダイオードの形成に対しては使用することができない。なぜなら、本発明によるダイオードは、レーザー効果を得るための荷電キャリアの注入を必要するものであって、この荷電キャリア注入と、共鳴の変更のための電界印加と、を同時に行わなければならないことになってしまうからである。荷電キャリアの注入が印加電界を相殺してしまいこれにより同調可能性が妨害されることを考慮すれば、このような動作は、文献［８］に記載された公知のマイクロキャビティでは不可能である。
【００７４】
また、『ｎｉｐｉｓ』と称されるデバイスが公知である。しかしながら、このデバイスにおいては、同一の注入電力密度においては、光学的特性の変化と発光効果とを同時に得ることはできない。したがって、『ｎｉｐｉ』タイプの構造は、後述するような波長可変の光放出器の形成には使用することができない。さらに、光変調の分野だけに応用分野が限定されている。
【００７５】
次に、本発明の動作原理について、より詳細に説明する。
【００７６】
本発明は、圧電効果の使用を基礎としている。ジンクブレンドタイプの結晶構造を有した半導体においては、圧電性層は、例えば＜１１１＞や＜２１１＞といったようにｎ×ｌ×ｍ≠０であるような高結晶性方位＜ｎ，ｌ，ｍ＞を有した基板上にエピタキシャル成長することによって得られた歪み層である。
【００７７】
文献［９］は、このタイプの層の平面内の２軸歪みが層の成長軸に沿って電界を生成することを記載している。
【００７８】
半導体内の圧電電界は、格子パラメータの中程度の不適合値に対しては、容易に１００ｋＶ／ｃｍを超えることができる（文献［１０］）。
【００７９】
本発明によって提案される構造は、例えば半導体基板といったような基板上に形成される。好ましい実施形態においては、本発明による構造は、同じ禁止帯を有した２つの異なるタイプの層が交互に繰り返された交互層から形成され、この場合、圧電的に生成された電界が、互いに逆向きとされる。このようにして得られた、圧電性半導体材料すなわちＳＲ−Ｐからなる超格子が、共鳴キャビティ内に備えられる。
【００８０】
図４は、このタイプのデバイスの一例を示している。価電子バンドおよび伝導バンドが、それぞれ、ＢＶおよびＢＣによって示されている。
【００８１】
図４においては、Ｅ₁ は、両バンド間の差の極小値を示しており、Ｅ₂ （Ｅ₁ よりも大きい）は、キャリアが注入されたときの両バンド間の差の極小値を示している。
【００８２】
荷電キャリアがデバイスの共鳴キャビティ内に注入されたときには、ＳＲ−Ｐの交互電界が、電子を一方の側においてホールを他方の側においてというようにして、２つの層の境界に集積された電子（−）およびホール（＋）を分離させる。このようにして形成された空間電荷電界は、構造内に存在している圧電電界を相殺し、ＳＲ−Ｐ層の吸収特性を変化させる。
【００８３】
ＳＲ−Ｐの特性が、閉じ込められた量子レベルがＳＲ−Ｐ内に存在するようなものである場合には、吸収の変化は、空間特性をタイプII遷移（空間的に間接的な遷移）とした状態での、閉込量子 Stark効果（ラインＢがＳＲ−Ｐ内の閉込エネルギーレベルを示している図５を参照されたい）の変化によるものである。
【００８４】
他方、ＳＲ−Ｐの特性が、閉じ込められたレベルがＳＲ−Ｐ内に存在しないようなものである場合には、吸収の変化は、閉込量子 Stark効果の変化によるものではなく、Franz-Keldysh 効果の変化によるものである。
【００８５】
いずれの場合においても、吸収係数の変化は、キャビティの屈折率の変化をもたらす。
【００８６】
キャビティがマイクロキャビティである場合には、通常、ただ１つの共鳴モードのみが存在する。このモードの波長を制御可能とするためには、キャリア注入によって引き起こされる屈折率変化が重要であるような範囲内であることが不可欠である。
【００８７】
キャビティがマイクロキャビティではなく多数のモードが存在する場合には、光学特性の変化範囲内に存在するすべてのモードが、オフセットされる。
【００８８】
共鳴位置の変化は、完全共鳴キャビティを仮定した場合には、以下の関係に基づく屈折率の変化に関係している。
【数１】

ここで、ｎはキャビティの平均屈折率であり、λは共鳴波長である。
【００８９】
実際のキャビティでは、キャビティを規定している両ミラー内に電磁界が侵入可能であって波長に対して光学特性（屈折率）を変化させ得ることが必要である。よって、マイクロキャビティの場合には、波長の変化は、理想値の約６０％である（文献［８］を参照されたい）。劈開面を有して形成されたキャビティの場合には、理想値の９０％程度となる。
【００９０】
よって、１％という屈折率変化は、マイクロキャビティに関するモードに関して、１．５μｍにおいては８ｎｍという同調可能性をもたらすことができる。この場合、屈折率の変化Δｎが、Kramers-Krobig関係式によって、吸収係数の変化Δαに関係していることを使用している。
【００９１】
かさばった材料における Franz-Keldysh効果の研究および複数量子井戸における閉込量子 Stark効果の研究により（文献［１１］、［１２］、［１３］を参照されたい）、雰囲気温度において、１００ｋＶ／ｃｍという電界強度に関しては、最大１％まで屈折率を変化させ得ることが示されている。
【００９２】
単純な平行平板キャパシタモデルを使用することにより、ＳＲ−Ｐ内において１００ｋＶ／ｃｍ程度の電界を得るために必要な荷電キャリア密度の大きさの程度は、６×１０¹¹ｃｍ^-2であると推定することができる。この程度の荷電キャリア密度は、利用可能な励起密度を使用して得ることができる。
【００９３】
したがって、キャリア注入は、マイクロキャビティの共鳴波長を連続的に制御するための一手段である。
【００９４】
さらに、誘導放出を伴う本発明の２つの応用において、発光波長をしたがって共鳴波長を、通常は高吸収係数を有した領域である屈折率変化最大領域上に配置することができないことは明らかである。すなわち、キャビティ共鳴は、吸収係数曲線の『テール』のところに配置しなければならない。このことは、屈折率の変化可能範囲を低減させ、したがって、同調可能範囲を低減させる。
【００９５】
同調可能光放出器を得るためには、レーザー効果と同調可能効果とが同じ注入キャリア密度でもって動作することが必要である。第１に、半導体内におけるレーザー効果は、１ｋＡ／ｃｍ² という程度の電流密度に対して得られる。第２に、ＳＲ−Ｐを帯電させるために必要なキャリア密度は、１ｃｍ² あたり６×１０¹¹個程度の電荷数である。これら２つの条件を満たすためには、ＳＲ−Ｐ内におけるキャリアの寿命は、数百ピコ秒の程度でなければならない。このような数値は、『ｎｉｐｉ』タイプの構造では不可能であるが、ＳＲ−Ｐでは可能である。
【００９６】
デバイスの『立ち上がり』時間（換言すれば、構造を『帯電』させるために必要な時間）は、両バンドの底に位置したキャリアの緩和時間（disexcitation time）に等しい。この時間は、緩和プロセスが本質的に非放射プロセスであってフォノンとの相互作用によって支配されるものであるものであることにより、１０ピコ秒の程度である。したがって、立ち上がり時間は、実質的にはゼロと言うことができる。
【００９７】
立ち下げ時間換言すれば電荷の放電に要する時間は、ＳＲ−Ｐの各『最小値』におけるキャリアの寿命の程度である。この寿命τは、以下の式によって与えられる。
【数２】

ここで、τ_r はＳＲ−Ｐの『極小値』におけるキャリアの放射寿命であり、τ_t は『極小値』を囲んでいるバリアを通ってのトンネル効果による散逸時間であり、τ_i はバリアを超えてのキャリアの熱的散逸時間である（図６参照）。
【００９８】
したがって、キャリアの寿命は、構造にかなり大きく依存する。構造の特性に応じて、τは、例えば、約１００ピコ秒〜１μｓにわたって変化する。τが１μｓとなるのは、電子とホールとが、大きなバリアによって空間的にかなり離れている場合である。このような状況は、超格子の周期が長い場合に見られる。
【００９９】
本発明の他の変形例においては、ＳＲ−Ｐ内に、例えばＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４（図７）といったような１つまたは複数の量子井戸を設けることができる。この場合には、キャビティ内にキャリアを注入することにより、主に閉込 Stark効果のために、量子井戸の吸収係数が変化する、これにより、屈折率が変化し、したがって、キャビティモードの波長にオフセットが引き起こされる。
【０１００】
図７に示す例を一般化すれば、複数の量子井戸を、電界内に配置することができる。
【０１０１】
次のようなさらなる変形例も考えられる。すなわち、（ａ）例えば、キャリア収集井戸を、ＳＲ−Ｐ内に配置すること。あるいは、（ｂ）ＳＲ−Ｐをなす２つの構成材料のそれぞれの禁止帯どうしを互いに異なるものとすること。あるいは、（ｃ）２つの材料を同じ禁止帯を有するものとしかつゼロではない価電子バンドオフセットを設けること（図８を参照されたい。図８において、Ｄ１およびＤ２は、それぞれ伝導バンドのオフセットおよび価電子バンドのオフセットを示している）。
【０１０２】
本質的なポイントは、キャリアの注入時に、電子−ホール対が局所的に分離されて、ＳＲ−Ｐ内に空間電荷電界を形成できることである。これにより、吸収特性が変化する。
【０１０３】
他の変形例において、２つの材料の禁止帯どうしの差が大きくかつＳＲ−Ｐの周期が短い場合には、圧電性井戸の場合と同様である、すなわち、圧電性を起源とする電界が形成される。キャリアが注入されたときには、キャリアは、井戸に集まり、圧電性電界を相殺する。これにより、吸収特性が変化し、層の屈折率が変化する。
【０１０４】
次に、本発明のいくつかの例について説明する。
【０１０５】
第１の例は、図９に概略的に示されており、この第１例は、縦型発光ダイオードに関するものである。ＳＲ−Ｐと、１つまたは複数の量子井戸からなる活性領域ＺＡとが、ダイオードの共鳴キャビティを規定する２つのブラッグミラーＭＢどうしの間に配置されている。この構成により、キャリアを注入することにより、発光が起こるようになっている。量子井戸は、構造全体の基底状態を形成しており、必ずしもマイクロキャビティの中央に位置する必要はない。しかしながら、量子井戸は、電磁界の１つまたは複数の『極小位置』に配置することができる。
【０１０６】
さらに、量子井戸は、活性領域のゲインスペクトルがマイクロキャビティモードに対する波長を有しておりさらにキャリアの注入時に屈折率変化が起こる場合の波長範囲内に位置しているようなものとされている。
【０１０７】
したがって、マイクロキャビティの共鳴モードを変更することにより、発光を得ることができる。レーザー発光の場合には、波長の同調が可能なＶＣＳＥＬが得られ、自然発光だけの場合には、同調可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）が得られる。
【０１０８】
活性領域内の量子井戸は、薄くかつ大きなバリアによって囲むことができ、閉込を増強して、レーザー発光を誘起するキャリアの散逸を防止することができる。
【０１０９】
第２例が図１０に概略的に図示されており、この第２例は、サイド発光ダイオードに関するものである。活性領域ＺＡは、ＳＣＨタイプの構造、換言すれば、活性領域を囲むバリアがＳＲ−Ｐを形成するような分離閉込ヘテロ構造内に、設置されている。活性領域の量子井戸は、構造全体の基底状態を形成している。活性領域のゲインスペクトルは、キャリアの注入時の屈折率変化が大きいような範囲内に位置している。
【０１１０】
この場合、キャリアが注入されたときには、ダイオードは、ゲインスペクトル内に含有された複数のモードで発光し、同時に、それらモードの波長が、注入キャリア密度の関数としてオフセットされる。
【０１１１】
第３例は、Fabry-Perot 変調器として使用される。この場合、スペーサがＳＲ−Ｐを備えて構成され、活性領域が設けられない。キャリアが注入されたときには、上述のようにして、キャビティの共鳴が変更される。
【０１１２】
発光ダイオードとは違って、変調器は、ＳＲ−Ｐ内のキャリア寿命とは無関係に動作することができる。この寿命は、変調器として要求されている応答時間だけによって、固定される。しかしながら、応答時間が励起密度と直接的に関係していることに注意された。応答時間は、感度を向上させたときには遅くなり、あるいは逆に、感度を低下させた場合には速くなる。
【０１１３】
発光キャビティの場合でも光学的変調器の場合でも、キャリアは、光学的にも電気的にも同等にうまく注入することができる。キャリアが光学的に注入される場合には、キャリアは、レーザーポンピングを使用して構造内に注入される。キャリアが電気的に注入される場合には、両ミラーのうちの一方をＮ型ドーピングとしかつ両ミラーのうちの他方をＰ型ドーピングとし、このようにして形成されたダイオードを直接的に分極することにより、キャリアを注入することができる。
【０１１４】
他の例においては、２つのキャビティが互いに連結される。第１キャビティが、同調可能な光を放出し、活性領域なしでＳＲ−Ｐだけからスペーサが構成されている第２キャビティが、１つまたは複数の同調可能波長において共鳴し、第１キャビティから放出される光を変調する。各キャビティに対して１つずつ合計で２つの制御電流が使用される。
【０１１５】
変形例においては、第１キャビティは、同調可能な共鳴キャビティであり、第２キャビティは、ＳＲ−Ｐまたは活性領域が存在しない単純なキャビティであって１つまたは複数の固定波長において共鳴する。この場合、第１キャビティからの光放出を制御することにより、放出光を、第２キャビティの共鳴と同じ波長とすることができる（『導通』状態）、あるいは、第２キャビティの共鳴波長とは異なる波長とすることができる（『非導通』状態）。いずれの場合においても、約１ＧＨｚで動作することができる単純な光変調システムが得られる。
【０１１６】
以下、本発明のより詳細な例について説明する。
【０１１７】
本発明のある１つの非常に興味深い特徴点は、任意の系統の半導体であっても適用できることである。使用する系統は、目的とする用途の関数として、要求される波長の関数として、また、利用可能な製造技術の関数として、選択される。
【０１１８】
使用される半導体は、ジンクブレンドタイプのまたはウルツ鉱タイプの結晶構造を有したIII−V族のまたはII−VI族の半導体とすることができる。ジンクブレンドタイプのヘテロ構造は、圧電効果を得るために、ｎ×ｌ×ｍ≠０であるような大きな結晶性指数（ｎ，ｌ，ｍ）を有した基板上に形成することができる。ウルツ鉱タイプのヘテロ構造においては、このヘテロ構造の結晶格子のｃ軸に沿って形成するだけで良い。
【０１１９】
例えば、以下の構造を使用することができる。
（i）遠隔通信において使用される波長（１．３μｍ〜１．５μｍ）で動作するとともにＩｎＰのために使用される技術に適したデバイスのために、ＩｎＰ基板上に形成されるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰヘテロ構造。
（ii）１．３μｍ〜１．５μｍで動作する構成要素のための上記ヘテロ構造の代替として、ＧａＡｓ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＮ／ＧａＩｎＡｓヘテロ構造。
（iii）０．８μｍ〜１μｍで動作する構成要素のために、ＧａＡｓ基板上に形成されるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓヘテロ構造。
（iv）０．３μｍ〜０．５μｍで動作する構成要素のために、サファイア基板上に形成されるＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮからなるウルツ鉱タイプのヘテロ構造。
（v）１．５μｍを超える波長で動作する構成要素のために、ＣｄＺｎＴｅ基板上に形成されるＣｄＨｇＴｅ／ＣｄＴｅヘテロ構造。
【０１２０】
本発明においては、ＳＲ−Ｐ構造をなす層内に電界を形成するために、例えばサファイア基板上のＩｎＧａＮ／ＧａＮをベースとしたシステムにおいて起こるような自然分極効果を利用することができる。電界の向きおよび強度は、層を形成する化合物の組成を変更することにより、制御することができる（文献［６］を参照されたい）。
【０１２１】
以下、１．５５μｍという波長で動作するＩｎＰ基板上のヘテロ構造の例について説明する。
【０１２２】
この例は、波長の同調が可能なＶＣＳＥＬを得るために使用される例である。このＶＣＳＥＬの共鳴キャビティは、ＩｎＰ（１１１）からなる基板上において密着してエピタキシャル成長される。ＶＣＳＥＬミラーは、例えばＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓから形成されてブラッグ反射体とされ、ウェハ溶融によってキャビティの各面に成膜される。これに関しては、文献［１４］にさらなる情報が記載されている。
【０１２３】
ＶＣＳＥＬのＳＲ−Ｐは、同じ禁止帯と同じ格子パラメータとを有した２つの層から構成されている。ここで、各層の圧電電界は、同じ強度とされ、かつ、互いに反対向きとされている。ＳＲ−Ｐ層をなす化合物に関しての圧電係数が定数であると仮定すれば、歪みによって圧電電界を得ることができ、この場合、これら圧電電界どうしは、絶対値が同じであって、符号が逆符号である。
【０１２４】
歪み状態がＩｎＰ基板の格子パラメータによって決定されるものと仮定すれば、次の表は、この条件が満足される例を示している。
【表１】

【０１２５】
この例においては、２元素材料の禁止帯幅（３００Ｋ）および格子パラメータは、文献［１５］を参照して決定された。曲線化も考慮しつつ２元素材料のパラメータ間において線形補間を使用した。ここで、ｂ_GaAsP ＝０．５ｅＶ（文献［１６］参照）、ｂ_GaInAs＝０．４７５ｅＶ（文献［１７］参照）、ｂ_GaInP ＝０．５ｅＶ（文献［１８］参照）、ｂ_InAsP ＝０．１ｅＶ（文献［１９］参照）、とした。ＩｎＰ基板の格子パラメータは、０．５８６８７ｎｍに等しい。
【０１２６】
この場合、ＳＲ−Ｐの周期ごとの歪みは、好ましくは補償される。これは、かなり厚い共鳴キャビティを形成する場合に有効である。各層に対しての臨界厚さは、７０ｎｍよりも大きく（文献［２０］参照）、この大きさの歪みに対しての圧電電界は、１００ｋＶ／ｃｍの程度である。各層の厚さは、約１００周期においては、１０ｎｍとすることができる。
【０１２７】
活性領域は、Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓからなる無歪みの量子井戸から構成することができ、厚さを６ｎｍとすることができる。この場合、禁止帯幅は、約１．５５μｍという波長の発光をもたらす大きさである。
【０１２８】
ＶＣＳＥＬを形成するために、ＳＲ−Ｐおよび活性領域を、マイクロキャビティ内に設けることができる。また、サイド放出型のレーザーダイオードを形成する場合にも、ＳＲ−Ｐおよび活性領域を、マイクロキャビティ内に設けることができる。
【０１２９】
次に、II−VI系材料から形成されるヘテロ構造の例について説明する。
【０１３０】
荷電キャリアの注入の関数としての禁止帯のオフセットを示すために、ＳＲ−ＰをこのタイプのII−VI材料から形成してこのタイプのＳＲ−Ｐの発光範囲を研究した。
【０１３１】
ＳＲ−Ｐは、Ｃｄ_0.88Ｚｎ_0.12Ｔｅ基板（２１１）上においてエピタキシャル成長を行うことにより形成した。このＳＲ−Ｐは、それぞれの厚さが１０ｎｍとされた、Ｃｄ_0.91Ｍｇ_0.09Ｔｅ層とＣｄ_0.88Ｚｎ_0.12Ｔｅ層とからなるパターンとされた。このパターンは、約１００回繰り返された。歪みによって引き起こされる電界は、この例においては、１００ｋＶ／ｃｍの程度である。
【０１３２】
上記において言及した参考文献を以下に列挙する。
［１］J.Talghader and J.S Smith, Appl. Phys. Lett. 66, 335 (1995)
［２］M.Larson and J.S Harris Jr, Appl. Phys. Lett. 68, 891 (1996)
［３］N. K Dutta, W.S. Hobson, J. Lopata and G.Zydzik, Appl. Phys. Lett.70, 1219 (1997)
［４］F. Faure, D. Le Guen, J.C. Simon and B. Landousies, Electron.Lett. 22, 795 (1986)
［５］S. Murata and I. Mito, Optical and Quantum Electronics 22, (1990),pages 1 to 15
［６］F. Bernardini, V. Fiorentini, D. Vanderbilt, Phys. Rev. B56(1997), R1024
［７］D.A.B. Miller et al., Phys. Rev. B32, 1043 (1985)
［８］R.H. Yan, R.J. Simes and L.A. Coldren, IEEE J. Quantum Electron.25, 2272 (1989)
［９］D.L. Smith and C. Mailhiot, Rev. Mod. Phys. 62, 173 (1990)
［１０］E. Anastassakis, Phys. Rev. B46, 4744 (1992)
［１１］G.H. Dolher, Opt. and Quant. Electr. 22, S121 (1990)
［１２］P. Michler, T. Lilienkamp, W. Ebeling, J. Gutoswtki, M.Behringer, M. Fehrer and D. Hommel, Appl. Phys. Lett. 72, 3320 (1998)
［１３］Guido Mula, N.T. Pelekanos, P. Gentile, N. Magnea and J.L.Pautrat, Appl. Phys. Lett. 70, 856 (1997)
［１４］D.I. Babic, K. Streubel, R.P. Mirin, N.M. Margarlit, J.E.Bowers, E.L. Hu, D.E. Mars, L. Yang and K. Carey, IEEE Phtonics Technol.Lett. 7, 1225 (1995)
［１５］Jacques I. Pankove, Optical Processes in Semiconductors, DoverPublications Inc., New York 1971
［１６］J. Appl. Phys. 84, 3696 (1998)
［１７］J. Appl. Phys. 69, 827 (1991)
［１８］Phys. Rev. B 6, 1301 (1972)
［１９］J. Appl. Phys. 80, 846 (1996)
［２０］K.W. Gossen, E.A. Caridi, T.Y. Chang, J.B. Stark, D.A.B. Millerand R.A. Morgan, Appl. Phys. Lett. 56, 715 (1990)
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるデバイスの第１実施形態を概略的に示す図であって、このデバイスは、縦型発光である。
【図２】本発明によるデバイスの第２実施形態を概略的に示す図であって、このデバイスは、サイド発光である。
【図３】本発明によるサイド発光タイプのレーザーダイオードのゲインスペクトルを示す図である。
【図４】圧電性超格子の一部に関して、荷電キャリアが注入されたときのバンド構造の変化を示す図である。
【図５】圧電性超格子内に閉じ込められた量子レベルを示すバンド構造の図示である。
【図６】本発明によるデバイスの応答時間の各評価時における圧電性超格子の様子を図解的に説明するためのバンド構造の図示である。
【図７】量子井戸を有した圧電性超格子の２周期に対応したバンド構造の図示である。
【図８】２つの超格子材料に関して互いに異なる禁止帯を有した圧電性超格子の３周期に対応したバンド構造の図示である。
【図９】量子井戸から形成されるとともに圧電性超格子の中に配置された活性領域を備えているような本発明による縦型発光ダイオードの一例に対応した伝導バンド構造の図示である。
【図１０】量子井戸および圧電性超格子から形成された活性領域であって相互分離した閉込を有したタイプのヘテロ構造からなる屈折率閉込構造内に含有された活性領域を備えているような本発明によるサイド発光ダイオードの一例に対応した伝導バンド構造の図示である。
【符号の説明】
２共鳴キャビティ
４ミラー
６ミラー
１０活性領域
１４ＳＲ−Ｐ（超格子）
２０可変電圧源（荷電キャリア注入第１手段）
２６活性領域
３２ミラー
３４ミラー
３８ＳＲ−Ｐ（超格子）
４４可変電圧源（荷電キャリア注入第１手段）

Claims

波長の同調が可能な共鳴キャビティを備えた光学的半導体デバイスであって、
共鳴キャビティ（２）と、この共鳴キャビティを規定する２つのミラー（４，６；３２，３４）と、を具備し、
さらに、
−前記共鳴キャビティ内に配置されるとともに圧電性半導体層を含有した少なくとも１つの超格子（１４，３８）と、
−前記超格子内に荷電キャリアを注入するための荷電キャリア注入第１手段（２０，４４）と、
−前記共鳴キャビティ内に配置されるとともに、内部に前記荷電キャリアが注入されたときには、放射を起こし得るよう構成された活性領域（１０，２６）と、を具備し、
前記荷電キャリアが前記超格子内に注入されたときには、前記超格子の光学的特性が変化するように構成されており、これにより、前記共鳴キャビティの共鳴モードにおける波長が変更されるようになっており、
前記荷電キャリア注入第１手段が、前記活性領域（１０，２６）内に前記荷電キャリアを注入しこれにより前記活性領域から光を放出させ得るよう構成されていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記デバイス内に含有されている前記半導体層の成長軸に対して前記ミラー（４，６）が垂直とされた状態で前記デバイスがレーザー放射可能とされており、これにより、縦型放出タイプのレーザー放射が得られるようになっていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記デバイス内に含有されている前記半導体層の成長軸に対して前記ミラー（４，６）が垂直とされた状態で前記デバイスが非コヒーレント放射可能とされており、これにより、縦型放出タイプの非コヒーレント放射が得られるようになっていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記デバイス内に含有されている前記半導体層の成長軸に対して前記ミラー（３２，３４）が平行とされた状態で前記デバイスがレーザー放射可能とされており、これにより、サイド放出タイプのレーザー放射が得られるようになっていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記デバイス内に含有されている前記半導体層の成長軸に対して前記ミラー（３２，３４）が平行とされた状態で前記デバイスが非コヒーレント放射可能とされており、これにより、サイド放出タイプの非コヒーレント放射が得られるようになっていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記荷電キャリア注入第１手段（２０，４４）が、電気的手段とされていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記荷電キャリア注入第１手段が、光学的手段とされていることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記圧電性半導体層が、ジンクブレンドタイプの結晶構造を有していることを特徴とするデバイス。
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記圧電性半導体層が、ウルツ鉱タイプの結晶構造を有していることを特徴とするデバイス。
請求項１に記載されたデバイスを備えてなる光強度変調デバイスであって、
活性領域を有してはいないものの圧電性半導体層から形成された超格子を有しているとともに１つまたは複数の同調可能な波長でもって共鳴することができる他の共鳴キャビティが、光学的に連結されることによって形成されていることを特徴とするデバイス。
請求項１に記載されたデバイスを備えてなる光強度変調デバイスであって、
活性領域と圧電性半導体層から形成された超格子とのいずれか一方を有しているとともに１つまたは複数の固定波長でもって共鳴することができる他の共鳴キャビティが、光学的に連結されることによって形成されていることを特徴とするデバイス。