JP4820980B2 - ｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子及びレーザ素子 - Google Patents

ｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子及びレーザ素子 Download PDF

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Description

本発明は、外部印加電圧により、円偏光度（右回りと左回り）を高速で変調して、左回り円偏光と右回り円偏光を直接発光することができる円偏光発光半導体素子、及び、該素子の構造を共振器構造に構成した円偏光発光レーザ素子に関するものである。
現在、光の偏光や位相を扱う光学技術の発展が目覚しい。円偏光を得る最も一般的な従来方法は、発光ダイオードやレーザ等の外部光源から出力する光を、直線偏光子と波長板（λ／４板）に通して、円偏光状態を形成する方法である。しかし、この方法においては、左回り円偏光状態と右回り円偏光状態を切り替えるために、波長板を機械的に回転させなければならない。
それ故、円偏光状態を切り替える変調周波数が、波長板の機械的な回転の周波数に律速されてしまい、円偏光状態の変調（切り替え）を高速化するのには限界がある。また、この方法による円偏光状態の変調周波数は、数ｋＨｚ程度以下にとどまり、さらなる高速での変調は期待できない。
円偏光状態を高速に変調する他の従来方法は、光弾性変調器を用いる方法である。この方法においては、外部光源から出力する光を直線偏光子に通し、その後、光弾性変調器に入射する。光弾性変調器に交流電圧（通常、５０ｋＨｚ程度）を印加すると、光弾性変調器を透過する光に、交流電圧に同期して、右回り円偏光と左回り円偏光が交互に現れる。
この方法では、出力光の円偏光度（左回り、右回り）の変調周波数を、上記従来方法に比べて高くできるが、右回り円偏光と左回り円偏光を交互に現れるようにしかできず、右回り円偏光又は左回り円偏光を、任意のタイミングで形成することは原理的に不可能である。
また、上記いずれの従来方法においても、上記問題点があることに加え、外部に複数の光学素子（直線偏光子＋波長版、又は、直線偏光子＋光弾性変調器）を必要とするので、装置・機器の小型化には限界がある。さらに、光学素子（機器）は高価であり、光損失が大きい上、独立した検出器、又は、光源、変調器等の光学機器を複数個隣接して配列することも困難である。
このような問題点を背景に、円偏光を直接発する光源として、磁性体と半導体とを組み合わせた円偏光半導体レーザが提案されている（特許文献１〜３、参照）。
特許文献１には、「活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉｎ接合構造の半導体素子の上部又は下部又はその両方に磁性体電極を設け、該磁性体電極により活性領域にスピン偏極した電子又は正孔を注入するようにした光半導体素子」が開示されている。
上記素子を用いる光学装置では、磁性体電極上に、導体コイル（外部光学機器）を重ね合わせ、該導体コイルに電流パルスを流して磁性体電極の磁化の方向を切り替え、右回り円偏光と左回り円偏光を切り替えている。
特許文献２及び３には、同様に、「ヘテロ接合を形成する半導体層に、磁性体層を通してスピン偏極電子を注入して、スピン偏極キャリアを再結合させて円偏光を発信する光半導体装置」が開示されている。
この光半導体装置においては、外部磁場（外部機器）による磁性体の磁化反転によって円偏光を変調する。
しかし、上記いずれの円偏光発光半導体素子も、円偏光度の変調制御に外部磁場の変調を利用しているので、変調の高速化が困難である。
そこで、最近に至り、光半導体素子に直接電場を印加し円偏光状態を変調制御する試みが提案されている（非特許文献１及び２、参照）。しかし、この提案においても、円偏光度（右回り、左回り）を高速で変調制御するまでには至っていない。即ち、円偏光状態（左回り、右回り）を、外部電場により、直接、高速で変調制御する方法は提案されていない。
特許第２７０８０８５号公報 特表平９−５０１２６６号公報 米国特許５８７４７４９号明細書 Y.Ohno et al., "Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure", Nature 402(1999)790. R.Fiederling et al., "Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode", Nature 402(1999)787.
本発明は、円偏光状態を、外部電場により、直接、高速で制御する方法が提案されていないことに鑑み、外部印加電圧により、円偏光度（右回りと左回り）を高速で変調して、円偏光を出力できる円偏光発光半導体素子、及び、該素子の構造を共振器構造に構成した円偏光発光レーザ素子を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、強磁性半導体と非磁性半導体で構成した結合量子井戸構造において発現する、磁性イオンのスピンと半導体中のキャリアスピンとの交換相互作用を利用すると、外部印加電界を変調することにより、円偏光度を直接変調できることを見出した。
また、外部印加電界の変調を高速化することにより、円偏光度の変調を高速化できることも見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１） 非磁性半導体層からなる量子井戸構造と、該構造の障壁層に隣接して、バンドギャップが該障壁層のバンドギャップより小さい磁性半導体層を備え、該量子井戸構造と該磁性半導体層を隔てる上記障壁層が薄く、上記非磁性半導体の量子井戸層におけるキャリアの波動関数と、上記磁性半導体層におけるキャリアの波動関数が結合していて、外部印加電界を、上記磁性半導体層のアップスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧と、上記磁性半導体層のダウンスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧を選択して印加することで、上記磁性半導体層に蓄えられたアップスピン正孔又はダウンスピン正孔を、上記障壁層を通して上記量子井戸構造に選択的に注入し、その結果起きる正孔・電子再結合発光の円偏光度（右回り、左回り）を、直接変調できることを特徴とするｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（２） 前記磁性半導体層が、非磁性半導体の障壁層で挟まれ量子井戸層を形成していることを特徴とする前記（１）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（３） 前記磁性半導体層が、強磁性半導体層であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（４） 前記非磁性半導体が、III−Ｖ族非磁性半導体又はII−VI族非磁性半導体であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（５） 前記III−Ｖ族非磁性半導体が、Ａ1-xＩｎxＡｓ1-yＳｂy（Ａ：Ａｌ、Ｇａのうちのいずれか１種又は２種）であることを特徴とする前記（４）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（６） 前記II−VI族非磁性半導体が、ＡＢ（Ａ：Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（４）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（７） 前記磁性半導体が、III−Ｖ族磁性半導体又はII−VI族磁性半導体であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（８） 前記III−Ｖ族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（７）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（９） 前記II−VI族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ｃｄ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（７）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
（１０） 非磁性半導体層からなる量子井戸構造と、該構造の障壁層に隣接して、バンドギャップが該障壁層のバンドギャップより小さい磁性半導体層を備え、かつ、共振器構造を備え、該量子井戸構造と該磁性半導体層を隔てる上記障壁層が薄く、上記非磁性半導体の量子井戸層におけるキャリアの波動関数と、上記磁性半導体層におけるキャリアの波動関数が結合していて、外部印加電界を、上記磁性半導体層のアップスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧と、上記磁性半導体層のダウンスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧を選択して印加することで、上記磁性半導体層に蓄えられたアップスピン正孔又はダウンスピン正孔を、上記障壁層を通して上記量子井戸構造に選択的に注入し、その結果起きる正孔・電子再結合発光の円偏光度（右回り、左回り）を、直接変調できることを特徴とするｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１１） 前記磁性半導体層が、非磁性半導体の障壁層で挟まれ量子井戸層を形成していることを特徴とする前記（１０）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１２） 前記磁性半導体層が、強磁性半導体層であることを特徴とする前記（１０）又は（１１）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１３） 前記非磁性半導体が、III−Ｖ族非磁性半導体又はII−VI族非磁性半導体であることを特徴とする前記（１０）〜（１２）のいずれかに記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１４） 前記III−Ｖ族非磁性半導体が、Ａ1-xＩｎxＡｓ1-yＳｂy（Ａ：Ａｌ、Ｇａのうちのいずれか１種又は２種）であることを特徴とする前記（１３）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１５） 前記II−VI族非磁性半導体が、ＡＢ（Ａ：Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（１３）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１６） 前記磁性半導体が、III−Ｖ族磁性半導体又はII−VI族磁性半導体であることを特徴とする前記（１０）〜（１５）のいずれかに記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１７） 前記III−Ｖ族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（１６）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
（１８） 前記II−VI族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ｃｄ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする前記（１６）に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
本発明の円偏光変調発光半導体素子及び円偏光変調発光レーザ素子において、円偏光度の変調周波数は、円偏光発光素子で約１００ＭＨｚに達し、円偏光発光レーザ素子では約１０ＧＨｚに達する。この変調周波数は、従来技術で可能な変調周波数（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）に比べ著しく高い。
また、従来技術では、円偏光状態を形成するのに少なくとも２つの外部光学素子（直線偏光子＋波長板、又は、直線偏光子＋光弾性変調器）を必要とするが、本発明の上記素子では、そのような外部光学素子（機器）を必要とせずに、左右の偏光状態を形成することができるので、光学装置を小型化できるとともに、さらに、他の半導体と集積化することもできる。
１）まず、円偏光変調発光半導体素子について説明する。
（１）素子構造
図１（ａ）〜（ｄ）に、本発明の円偏光変調発光半導体素子及び円偏光変調発光レーザ素子（本発明素子）において特徴とする４つの素子構造と、そのエネルギー準位構造を示す。
図１（ａ）及び（ｂ）に示す素子構造は、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ａ、バンドギャップの小さい非磁性半導体で形成する量子井戸層Ｂ、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ｃ、及び、バンドギャップが障壁層Ｃのバンドギャップより小さい磁性半導体で形成するバルク層Ｄ1（エネルギーは量子化されていない）から構成されている。
また、図１（ｃ）及び（ｄ）に示す素子構造は、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ａ、バンドギャップの小さい非磁性半導体で形成する量子井戸層Ｂ、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ｃ、バンドギャップが障壁層Ｃのバンドギャップより小さい磁性半導体で形成する量子井戸層Ｄ2（エネルギーは量子化されている）、及び、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ｅから構成されている。
なお、図１中、Ｆ〜Ｌは、エネルギー準位を示す。
上記４つの素子構造においては、バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成する障壁層Ａ、Ｃとバンドギャップの小さい非磁性半導体で形成する量子井戸層Ｂから構成される量子井戸構造と、該構造の障壁層に隣接して、バンドギャップが該障壁層のバンドギャップより小さい磁性半導体で形成する磁性半導体層Ｄ（バルク層Ｄ1又は量子井戸層Ｄ2）を有する点が共通する。この点が本発明素子の特徴である。
異なる点については、以下説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示す素子構造において、磁性半導体層Ｄは、障壁層によって挟まれておらず、量子井戸層を形成しない。上記層Ｄは、バルク層Ｄ1として機能する。
本発明素子では、磁性半導体の量子化準位が、アップスピンとダウンスピンでエネルギー分裂を起こしていることを利用するが、上記のように、磁性半導体が量子化準位を形成していない場合には、価電子帯の底におけるエネルギーが、アップスピンとダウンスピンでエネルギーが異なる（図中、Ｈ、Ｉ、参照）ことを利用する。
図１（ｃ）及び（ｄ）に示す素子構造においては、磁性半導体層Ｄは、障壁層Ｃ及びＥによって挟まれて、量子井戸層Ｄ2を形成する。そして、量子井戸層Ｄ2内では、量子化準位（図中、Ｋ、Ｌ、参照）が形成されている。即ち、磁性半導体は、量子井戸として機能する。
このように、磁性半導体が量子化準位を形成する場合は、量子化準位の分裂（図中、Ｋ、Ｌ、参照）を利用する。
また、図１（ａ）及び（ｃ）に示す素子構造においては、非磁性半導体で形成する量子井戸層Ｂと磁性半導体層Ｄ（バルク層Ｄ1又は量子井戸層Ｄ2）とを隔てる障壁層Ｃ（バンドギャップの大きい非磁性半導体からなる）が、図１（ｂ）及び（ｄ）に示す素子構造における障壁層Ｃに比べて、厚く構成されている。
上記障壁層Ｃの層厚が厚い場合には、非磁性半導体で形成する量子井戸層と磁性半導体層において波動関数の重なり又は結合がない。一方、上記障壁層Ｃの層厚が薄い場合には、上記両層において波動関数は結合している。
（２）素子構造の動作原理
ここで、図１（ｄ）に示す素子構造を例にとり、本発明素子の動作原理を説明する。図２（ａ）に、上記素子構造をとる本発明素子の一例（本発明素子例）を示し、図２（ｂ）及び（ｃ）に、そのエネルギー準位構造を示す。
本発明素子例は、基板（ｎ型）Ｑの上に、バッファ層（ｎ型）Ｒを介し、図１（ｄ）に示す素子構造を構成するＡ〜Ｅ層が積層され、さらに、非磁性半導体（ｐ型）で形成する障壁層Ｅの上に、コンタクト層Ｓが積層されている。そして、上記Ａ〜Ｅ層には、バッファ層（ｎ型）Ｒとコンタクト層Ｓを介し、電圧Ｖを印加できるように回路構成する。
ｐ型強磁性半導体からなる量子井戸層Ｄにおいては、磁性イオンのスピンと半導体中のキャリアスピンとの交換相互作用により、価電子帯が、上向きスピンと下向きスピン間にエネルギー分裂を起こしている（図中、Ｉ、Ｊ、参照）。
本発明素子例は、量子井戸層Ｄを構成する強磁性半導体のキューリ温度以下で使用する。キューリ温度は、これまでの報告によれば、１５０Ｋ程度及びそれ以下であるが、近年、さらに高いキューリ温度（例えば、室温以上）を持つ強磁性半導体が報告されている。本発明素子で使用する強磁性半導体は特定のものに限定されないので、本発明素子の動作は、必ずしも低温環境下だけに制限されない。
なお、強磁性半導体は、キューリ温度以下で自発磁化を有しているので、本発明素子の動作において、該素子に外部磁場を印加する必要はないが、より大きな円偏光度を得るために、動作時(又は動作前)に、外部磁場を適宜印加して着磁してもよい。
図２に示す本発明素子例では、量子井戸層Ｄは、量子井戸層Ｂに比べ、層厚が薄くなっており、量子井戸層Ｄにおける量子化準位（伝導帯Ｌ、価電子帯Ｉ、Ｊ）は、量子井戸層Ｂにおける量子化準位（伝導帯Ｍ、価電子帯Ｋ）より高くなっている。
量子化準位が上記関係にある素子に、順方向電圧Ｖを印加すると、ｎ型領域にある電子は、図２（ａ）中、Ａ→Ｅの方向へ移動し、ｐ型領域にある正孔は、Ｅ→Ａの方向へ移動するが、電子は、中央の障壁層Ｃによりブロックされるので、ｉ型非磁性半導体で形成する量子井戸層Ｂに蓄積され、一方、正孔は、ｐ型強磁性半導体で形成する量子井戸層Ｄに蓄積される。
そして、上記素子に、量子井戸層Ｂの量子化準位Ｋと、量子井戸層Ｄにおけるアップスピンをもつ正孔の量子化準位Ｉが一致するような電圧（Ｖ＝Ｖa）を印加すると、アップスピンを持つ正孔のみが、共鳴トンネル現象により量子井戸層Ｂに移動し、量子井戸層Ｂで再結合し、発光する（図２（ｂ）、参照）。
この時、光学選択則により、アップスピンを持つ電子とアップスピンを持つ正孔のみが再結合し、左回り円偏光（σ-）の発光が観測される。
さらに、量子井戸層Ｂの量子化準位Ｋと、量子井戸層Ｄのダウンスピンを持つ正孔に対する量子化準位Ｊが一致するような電圧（Ｖ＝Ｖb）を印加すると、ダウンスピンを持つ正孔のみが共鳴トンネル現象により、量子井戸層Ｂに注入され、再結合し、発光する（図２（ｃ）、参照）。
この時、光学選択則により、ダウンスピンを持つ電子とダウンスピンを持つ正孔のみが再結合し、右回り円偏光（σ+）の発光が観測される。
以上の原理により、電圧ＶaとＶｂの間で印加電圧を、所定の周波数で変調することにより、右回り円偏光（σ+）と左回り円偏光（σ-）を、上記周波数に従って変調できる。この点が、本発明素子における特徴的動作である。
（３）ここで、本発明素子で用いる半導体の材料について説明する。
ｐ型又はｎ型の非磁性半導体は、III−Ｖ族非磁性半導体又はII−VI族非磁性半導体が好ましい。特に、III−Ｖ族非磁性半導体としては、Ａ1-xＩｎxＡｓ1-yＳｂy（Ａ：Ａｌ、Ｇａのうちのいずれか１種又は２種）が好ましく、また、II−VI族非磁性半導体としては、ＡＢ（Ａ：Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）が好ましい。
ｐ型磁性半導体としては、III−Ｖ族磁性半導体が好ましい。特に、III−Ｖ族磁性半導体としては、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）が好ましい。
また、ｉ型磁性半導体は、III−Ｖ族磁性半導体又はII−VI族磁性半導体が好ましい。
特に、III−Ｖ族磁性半導体としては、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）が好ましい。
また、II−VI族磁性半導体としては、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ｃｄ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）が好ましい。
２）次に、円偏光変調発光レーザ素子について説明する。
円偏光変調発光レーザ素子の素子構造は、円偏光変調発光半導体素子の素子構造と基本的に同じであり、該構造を共振器構造にすることで、レーザ発光を実現することができる。
レーザ発光は、面発光型及びストライプ発光型のどちらも可能であるが、より大きな円偏光度を持つレーザを発光するためには、素子構造を、強磁性半導体が面内磁化を有している場合（例えば、（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ）はストライプ発光型の素子構造（図３（ａ）、（ｂ）、参照）とし、強磁性半導体が垂直磁化を有している場合（例えば、（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ：Ｎ）は、面発光型の素子構造（図４（ａ）〜（ｃ）、参照）とするのが好ましい。
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。
本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
また、応用例を幾つか示したが、本発明素子の応用は、これら応用例に限定されるものではない。本発明は、その特徴（素子構造及び動作原理）を利用する限りにおいて、種々の応用が可能なものである。
（実施例１）円偏光変調発光半導体素子の作製
Ａ．成膜
分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓの上に、下記の手順に従って成膜を行った。
１．基板温度６００℃で、バッファ層として、厚さ２μｍのＳｎドープｎ−ＧａＡｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜。
２．基板温度６００℃で、厚さ５０ｎｍのＳｎドープｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜（障壁層）。
３．基板温度６００℃で、厚さ４ｎｍのノンドープＧａＡｓ層を成膜（量子井戸層）。
４．基板温度６００℃で、厚さ５ｎｍのノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層を成膜（障壁層）。
５．基板温度２１０℃で、厚さ５ｎｍの強磁性半導体（ｐ型）の（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ層（Ｍｎ濃度４％、キャリア濃度５×１０19／ｃｍ3）を成膜（量子井戸層）。
６．基板温度２１０℃で、厚さ２０ｎｍのＢｅドープｐ−ＡｌＧａＡｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜（障壁層）。
７．基板温度２１０℃で、厚さ１００ｎｍのＢｅドープｐ−ＧａＡｓ層（キャリア濃度５×１０19／ｃｍ3）を成膜（コンタクト層）。
Ｂ．加工
ＭＢＥ法で作製した上記素子構造を、（１１０）面をへき開面としてへき開した。素子長（Ｌ）は３００μｍ、幅（Ｗ）は２００μｍである。上部に、ｐ電極としてＴｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）を蒸着した。蒸着後、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面をＩＣホルダの銅電極上に、Ｉｎでマウントした。さらに、ｐ電極を、金線でＩＣホルダの端子に接続した。
Ｃ．円偏光出力の検出
（Ｃ-1）上記素子の強磁性半導体（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓのキューリ温度は１００Ｋであるので、該素子を液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却した。強磁性半導体は、キューリ温度以下で自発磁化を有している（容易化軸は面内）ので、素子に外部磁場を印加する必要はないが、より大きな円偏光度を得るために、動作時(又は動作前)に、磁場印加用の永久磁石を置いて、０．５5Ｔｅｓｌａ程度の磁場を印加して着磁してもよい。
図５（ａ）に、電流・電圧特性を、また、図５（ｂ）に、出力光強度の印加電圧依存性を示す。印加電圧Ｖａ＝０．７Ｖ、及び、Ｖｂ＝０．７１Ｖのそれぞれにおいて、極値が現れていることが解る。出力光の波長を、光スペクトラムアナライザーを用いて測定した結果、該波長は７７０ｎｍであった。
（Ｃ-2）次に、出力光の円偏光度の測定を行った。図６に、円偏光高速変調発光半導体素子からの出力光の円偏光度を検出するために構成した機器配列を示す。
出力光を、光学遅延軸を水平面に対し４５°傾けた光弾性変調器に通した後（λ／４遅延)、水平面に対し偏光角０に設定したグランレーザプリズム（直線偏光子）を通し、直線偏光とした後の光強度をホトダイオードで受光した。
光弾性変調器は、印加電圧を調整して、偏光角０の直線偏光が入射したときに、右回り・左回りの円偏光が５０ｋＨｚの周波数で交互に生じるように調整した。
ホトダイオードから生じた光電流は、電流・電圧増幅器（増幅率１０6Ｖ／Ａ）により電圧信号に変換・増幅した後、デジタルストレージオシロスコープ（入力インピーダンス１００ＭΩ）に入力した。
図７に、得られた出力光の波形を示す。円偏光度Ｐは、Ｉ+、Ｉ-を、それぞれ右回り円偏光、左回り円偏光の強度として、下記の式によって定義される。
Ｐ＝（Ｉ+−Ｉ-）／（Ｉ+＋Ｉ-）
図５（ｃ）に、円偏光度の印加電圧依存性を示す。円偏光度Ｐは、最大で２０％である。本素子を用いて、電流値を一定にし、電圧をＶａとＶｂの間で変調することにより、左回り円偏光と右回り円偏光の間で変調を行った。本素子において、円偏光度の最大変調周波数は、約１００ＭＨｚであった。
（実施例２）円偏光変調発光レーザ素子の作製
Ａ．成膜
分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓの上に、下記の手順に従って成膜を行った。
１．基板温度６００℃で、バッファ層として厚さ２μｍのＳｎドープｎ−ＧａＡｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜。
２．基板温度６００℃で、厚さ５０ｎｍのＳｎドープｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜。
３．基板温度６００℃で、厚さ５ｎｍのノンドープＧａＡｓ層を成膜。
４．基板温度６００℃で、厚さ５ｎｍのノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを成膜。
５．基板温度２１０℃で、厚さ５ｎｍの強磁性半導体（ｐ型）の（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ層（キャリア濃度５×１０19／ｃｍ3）を成膜。
６．基板温度２１０℃で、厚さ２０ｎｍのＢｅドープｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層（キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3）を成膜。
７．基板温度２１０℃で、厚さ１００ｎｍのＢｅドープｐ−ＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０19／ｃｍ3）を成膜。
Ｂ．加工
ＭＢＥ法で作製した上記素子構造の上部を、ホトリソグラフィで加工し、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓをストライプ状に残した。ストライプ幅（Ｓ）は１０μｍとした（図３（ｂ）、参照）。その後、同じくホトリソグラフィを用いて、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上に、ｐ電極として、Ｔｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（２０ｎｍ）を蒸着した。
次いで、素子構造を、ＧａＡｓの（１１０）へき開面に沿ってへき開した。素子長（Ｌ）は３００μｍ、幅（Ｗ）は２００μｍである。へき開面での反射率を上げるため、へき開面に、ＺｎＳとＭｇＦ2を交互に積層した誘電体多層膜を蒸着した。本素子における発信波長７７０ｎｍでの誘電体多層膜の反射率は約９８％である。
ｐ電極を、金線でＩＣホルダの端子に接続した。また、上記素子構造の裏面を、ＩＣホルダの銅電極（ｎ電極）上に、Ｉｎでマウントし、さらに、ｎ電極を、金線でＩＣソケットの端子に接続した。
Ｃ．円偏光出力の検出
図８に、出力レーザ光の波長を光スペクトラムアナライザーにより測定した結果を示す。順方向印加電圧０．７０Ｖの時、及び、０．７１Ｖの時に、レーザ発振が起きた。
図９に、印加電圧０．７０Ｖ及び０．７１Ｖの時のレーザ出力の順電流依存性を示す。印加電流を一定にして印加電圧を変調することにより、左回り・右回りの両円偏光度を変調することができた。最大変調周波数は約１０ＧＨｚであった。
以上、（実施例１）及び（実施例２）で説明したように、本発明素子は、円偏光変調光半導体素子として、実際に機能するものである。したがって、本発明素子の応用例として種々考えられるが、典型的な応用例を、以下に説明する。
（応用例１）光学異性体の存在比率の測定装置
本発明素子を用いて、図１０に示すような上記測定装置を構成できる。
光学異性体は、旋光度以外の物理的性質、化学的性質が同じであるため、光学異性体の存在比率を測定するためには、右回り・左回りの円偏光に対する吸収率の差を検出する必要がある。この時、上記吸収率の差を高感度で測定するためには、出力光の円偏光度を高速変調し、光学異性体を透過した光強度の変調成分を検出する方法が最も有用である（位相検波法）。
本発明素子は、出力光の偏光度を、外部印加電圧の変調により高速で変調できるので、位相検波法に従う測定装置に応用できる。
図１０に、Ｌ−グルタミン酸水溶液の光学異性体の存在比率を測定する測定装置の一構成を示す。
左回り円偏光と右回り円偏光を、被測定試料のＬ−グルタミン酸水溶液に照射する。Ｌ−グルタミン酸は、光学的異性体で、左回り円偏光を選択的に強く吸収する。
被測定試料を通過した円偏光をホトダイオードに入力し、出力電流を電流／電圧変換増幅器で増幅し、デジタルオシロスコープに入力する。
被測定試料のＬ−グルタミン酸水溶液は、１００ｍdegの円二色性を示すことが、別の測定で解かっているので、パーソナルコンピュータ（図示なし）で、被測定試料の円二色性を計算して一致性を確認する。一計算例で、約１００degの円二色性を得た。このように、本発明素子を用いることにより、光学異性の円二色性を高精度で測定できる。
（応用例２）エリプソメトリ装置
本発明素子を、エリプソメトリ装置に応用することができる（図１１、参照）。エリプソメトリ装置では、光源からの光を直線偏光子により直線偏光して、試料に、斜めに入射し、その反射光の楕円率を測定するが、この方法では、少なくとも、三つの外部光学素子（機器）を必要とする（図１１（ａ）、参照）ので、装置全体の小型化には限界がある。
しかし、本発明素子を用いると、図１１（ｂ）に示すように、必要な光学素子（機器）は、直線偏光子一つであるので、装置全体を大幅に小型化できる。
（応用例３）高速光通信用光源
既存の光通信網では、光強度の強弱を信号の０、１に対応させて通信を行う。通信の多重化を実現するため、偏光の自由度を用いることが考えられるが、従来技術では、右回り・左回りの円偏光度を、外部の光学素子（機器）で制御しなければならず、光源の小型化、さらに、高速化も困難である。
本発明素子は、外部電圧を高速で変調することにより、右回り円偏光、左回り円偏光を高速で変調できるので、本発明素子を光源として用いることにより、既存の光通信網において、多重化高速通信を達成できる。
（応用例４）ナノ構造磁気メモリの磁区構造の観察
左回り円偏光と右回り円偏光では、試料表面の垂直磁化の方向に対応して反射率が異なるので、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などの表面の磁区構造を直接観察するための小型光源として用いることができる。
本発明によれば、外部印加電圧により、右回り・左回りの円偏光度を、高速で制御することがきる。即ち、外部印加電圧の周波数を変調して、出力光の偏光度を高速で変調制御することができる。
また、本発明は、外部の光学素子（機器）を必要としないので、光学装置を小型化できるとともに、さらに、半導体と集積化することもできる。
したがって、本発明は、光学技術だけでなく、生産技術、情報通信技術、スペクトロスコピー、ナノテクノロジー、量子操作技術を基盤とする先端技術産業における利用可能性が極めて大きいものである。
本発明素子の素子構造と、そのエネルギー準位構造を示す図である。 図１（ｄ）に示す素子構造を基礎とする本発明素子例を示す図である。（ａ）は素子構造を示し、（ｂ）及び（ｃ）は動作原理を示す。）は素子構造を示し、（ｂ）及び（ｃ）は動作原理を示す。 本発明のストライプ発光型レーザ素子（強磁性半導体が面内磁化している）の一例を示す図である。 本発明のストライプ発光型レーザ素子（強磁性半導体が面内磁化している）の他の例を示す図である。 本発明の面発光型レーザ素子（強磁性半導体が垂直磁化している）の一例を示す図である。 本発明の面発光型レーザ素子（強磁性半導体が垂直磁化している）の他の例を示す図である。 本発明の面発光型レーザ素子（強磁性半導体が垂直磁化している）の上面を示す図である。 本発明の特電流・電圧特性を示す図である。 本発明の出力光強度の印加電圧依存性を示す図である。 本発明の円偏光度の印加電圧依存性を示す図である。 円偏光度を検出する機器配列例を示す図である。 出力光の波形を示す図である。 出力レーザ光の波長を光スペクトラムアナライザーにより測定した結果を示す図である。 レーザ出力の順電流依存性を示す図である。 本発明素子を用いた光学異性体の存在比率の測定装置の構成例を示す図である。 エリプソメトリ装置の構成例を示す図である。（ａ）は、従来の構成例を示し、（ｂ）は、本発明素子を用いた構成例を示す。
符号の説明
Ａ 障壁層（バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成される層）
Ｂ 量子井戸層（バンドギャップの小さい非磁性半導体で形成される層）
Ｃ 障壁層（バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成される層）
Ｄ 磁性半導体層（バンドギャップの小さい磁性半導体で形成される層）
Ｄ1 バルク層（エネルギーは量子化されていない）
Ｄ2 量子井戸層（エネルギーは量子化されている）
Ｅ 障壁層（バンドギャップの大きい非磁性半導体で形成される層）
Ｆ〜Ｍ エネルギー準位
Ｑ 基板（ｎ型）
Ｒ バッファ層（ｎ型）
Ｓ コンタクト層

Claims (18)

  1. 非磁性半導体層からなる量子井戸構造と、該構造の障壁層に隣接して、バンドギャップが該障壁層のバンドギャップより小さい磁性半導体層を備え、該量子井戸構造と該磁性半導体層を隔てる上記障壁層が薄く、上記非磁性半導体の量子井戸層におけるキャリアの波動関数と、上記磁性半導体層におけるキャリアの波動関数が結合していて、外部印加電界を、上記磁性半導体層のアップスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧と、上記磁性半導体層のダウンスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧を選択して印加することで、上記磁性半導体層に蓄えられたアップスピン正孔又はダウンスピン正孔を、上記障壁層を通して上記量子井戸構造に選択的に注入し、その結果起きる正孔・電子再結合発光の円偏光度（右回り、左回り）を、直接変調できることを特徴とするｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  2. 前記磁性半導体層が、非磁性半導体の障壁層で挟まれ量子井戸層を形成していることを特徴とする請求項１に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  3. 前記磁性半導体層が、強磁性半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  4. 前記非磁性半導体が、III−Ｖ族非磁性半導体又はII−VI族非磁性半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  5. 前記III−Ｖ族非磁性半導体が、Ａ1-xＩｎxＡｓ1-yＳｂy（Ａ：Ａｌ、Ｇａのうちのいずれか１種又は２種）であることを特徴とする請求項４に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  6. 前記II−VI族非磁性半導体が、ＡＢ（Ａ：Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項４に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  7. 前記磁性半導体が、III−Ｖ族磁性半導体又はII−VI族磁性半導体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  8. 前記III−Ｖ族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項７に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  9. 前記II−VI族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ｃｄ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項７に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子。
  10. 非磁性半導体層からなる量子井戸構造と、該構造の障壁層に隣接して、バンドギャップが該障壁層のバンドギャップより小さい磁性半導体層を備え、かつ、共振器構造を備え、該量子井戸構造と該磁性半導体層を隔てる上記障壁層が薄く、上記非磁性半導体の量子井戸層におけるキャリアの波動関数と、上記磁性半導体層におけるキャリアの波動関数が結合していて、外部印加電界を、上記磁性半導体層のアップスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧と、上記磁性半導体層のダウンスピンエネルギー準位が、上記量子井戸構造をなす上記非磁性半導体層の価電子帯のエネルギー準位と一致する電圧を選択して印加することで、上記磁性半導体層に蓄えられたアップスピン正孔又はダウンスピン正孔を、上記障壁層を通して上記量子井戸構造に選択的に注入し、その結果起きる正孔・電子再結合発光の円偏光度（右回り、左回り）を、直接変調できることを特徴とするｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  11. 前記磁性半導体層が、非磁性半導体の障壁層で挟まれ量子井戸層を形成していることを特徴とする請求項１０に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  12. 前記磁性半導体層が、強磁性半導体層であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  13. 前記非磁性半導体が、III−Ｖ族非磁性半導体又はII−VI族非磁性半導体であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  14. 前記III−Ｖ族非磁性半導体が、Ａ1-xＩｎxＡｓ1-yＳｂy（Ａ：Ａｌ、Ｇａのうちのいずれか１種又は２種）であることを特徴とする請求項１３に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  15. 前記II−VI族非磁性半導体が、ＡＢ（Ａ：Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項１３に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  16. 前記磁性半導体が、III−Ｖ族磁性半導体又はII−VI族磁性半導体であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  17. 前記III−Ｖ族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項１６に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
  18. 前記II−VI族磁性半導体が、Ａ1-xＢxＣ（Ａ：Ｃｄ、Ｈｇのうちのいずれか１種又は２種、Ｂ：Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのいずれか１種又は２種以上、Ｃ：Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうちのいずれか１種又は２種以上）であることを特徴とする請求項１６に記載のｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光レーザ素子。
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