JPH02103021A - 量子井戸光デバイス - Google Patents

量子井戸光デバイス

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JPH02103021A
JPH02103021A JP63310295A JP31029588A JPH02103021A JP H02103021 A JPH02103021 A JP H02103021A JP 63310295 A JP63310295 A JP 63310295A JP 31029588 A JP31029588 A JP 31029588A JP H02103021 A JPH02103021 A JP H02103021A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は光デバイスの分野に係り、特に、自己電気光学
効果を利用した半導体量子井戸からなるデバイスに関す
る。
[従来技術の説明] 近年、量子井戸デバイスの開発が行われ、変調、検出お
よび光信号発生のような古典的な光通信システム機能が
提供されている。例えば、米国特許第4.525,88
7号参照。また、あるデバイスの非線形双安定性を利用
して、量子井戸デバイスをスイッチングシステムおよび
光コンピユーテイングの分野に拡張することも可能にな
った。後者の分野において、量子井戸デバイスは、AN
DやORゲートのような基本プール論理デバイス、S−
Rフリップフロップや並列処理のための論理デバイスア
レイのような複合メモリ及び処理デバイス、およびNX
Nスイッチングアレイのようなスイッチングデバイス、
として製造されている。
このような分野での量子井戸デバイスの改良は、一般に
5EEDデバイスと呼ばれる自己電気光学効果デバイス
の開発が中心を占めている。米国特許第4.548.2
44号を参照。5EEDデバイスの動作において、ダイ
オードの光エネルギーの吸収から生じる光電流はダイオ
ード両端の電圧を変化させ、これはまたダイオードの吸
収特性に変化を起こす。このダイオードは一般にはGa
As/AlGaAs系のp−1−n構造で、真性領域(
i)は1以上の量子井戸層からなる。ダイオードを抵抗
性負荷のような適当な電気的負荷と接続し、光信号の波
長をヘビーホールエキシトン共振波長に調整することで
、正帰還メカニズムを通じてスイッチング及び双安定動
作(ヒステリシス動作)が達成されうる。
提案されている5EEDデバイスにおいて、真性領域で
量子井戸を有するp−1−nダイオードは、“抵抗性“
負荷として用いられる普通のフォトダイオードと直列に
縦方向に集積される。1986年の応用物理レターズ(
AI)pI 、Phys、Lett、)第49巻第13
号第821−3頁を参照。2つダイオードは異なる波長
に反応し、負荷フォトダイオードは、もう1つのダイオ
ードの量子井戸で用いられる赤外波長にとっては透明体
で、赤外より短い波長には不透明体である。動作すると
き、負荷フォトダイオードに効率良く照射された制御光
ビームは、回路の負荷の抵抗値を変化させ、これによっ
て集積5EEDデバイスのスイッチング特性(速度とパ
ワー)に影響を与える。制御光ビームのほかに、入力赤
外光ビームが5EEDデバイスに導かれ、単一な赤外光
ビームがそのデバイスから出力される。
別の関連する開発では、対称5EEDデバイスが提案さ
れ、そこでは、直列に接続されている2つのp−1−n
ダイオードが、それぞれの真性領域で実質上同じ量子井
戸層を有するように製造される。1987年のレーザー
とエレクトロオブティクス国際会議(Conreren
ce on La5ers and Electoro
opt 1es)の論文ThT12を参照。それぞれの
フォトダイオードは互いに相手方に対して負荷として働
くため、この構造は対称と呼ばれている。この構造を光
S−Rフリップフロップのような双安定光メモリ素子に
することが提案されている。S−Rフリップフロップと
するとき、この構造は2つの入力と2つの出力を提供し
、全ての入力と出力の光の波長は同じである。
上述のデバイスが、異なる波長の2つの入力光信号を受
信することも、またこの2つの入力信号に応じて対応す
る異なる波長の2つの出力信号を生成することもできな
いことは当業者には明らかである(ここでは少なくとも
1つの出力信号が異なる波長の入力信号に関数的に関係
する)。例えば、第1波長の光信号によって伝搬される
情報が、上述の量子井戸デバイスを利用する任意のオプ
トエレクトロニック回路を通じて、第2波長の別の光信
号に完全に移されること及びその逆はできない。言換え
れば、上述のデバイスは双方向波長変換により双方向情
報伝送を行うことができない。
[発明の概要] 上記従来のデバイスの問題点は、自己電気光学効果を促
進するために直列に接続された量子井戸デバイスを用い
たオプトエレクトロニック回路による本発明の原理によ
って解決される。オプトエレクトロニック回路は2つの
入力信号を受取り、2つの出力信号を提供する。入力信
号とそれに対応する出力信号は同じ波長である。第1波
長の光信号によって伝搬される情報は第2波長の別の光
信号へ完全に伝送でき、その逆もできる。つまり、オプ
トエレクトロニック回路は双方向波長変換により双方向
情報伝送を行う。
このオプトエレクトロニック回路は、隣接量子井戸層の
光吸収係数あるいは屈折率を電気的に制御するために電
気的に直列に接続された量子井戸層を有する第1および
第2の素子からなる。それぞれの量子井戸層は、対応す
る異なる波長で所定の光応答特性を有する半導体材料か
らなる。
[実施例の説明] 第1図は本発明の原理による電気的に直列に配置された
2つの逆バイアスされた多層量子井戸ダイオードの概略
図を示す。ダイオード2は実質上波長λ1の光信号に応
答する量子井戸層を含む。
ダイオード4は実質上波長λ2の光信号に応答する量子
井戸層を含む。ダイオード2と4は電気リード線3によ
って直列に接続される。逆バイアス電圧は、電気リード
線1によってダイオード2に接続され、電気リード線5
によってダイオード4に接続された電源6によってそれ
らのダイオードに与えられる。
第1図に示されるオプトエレクトロニック回路は個別素
子を用いたハイブリッド回路として実現された。
ダイオード2はI nGaAs多層量子井戸p−ミーn
ダイオードとして形成され、量子井戸層はダイオードの
真性領域に設けられた。ダイオード2の製造方法は、1
987年の応用物理レターズ第50巻第15号第101
0−2頁に説明されている。このダイオード2は、In
GaAsR子井戸のヘビーホールエキシトン共振波長(
λl−1−1610nで同調可能なNaC1カラーセン
ターレーザによって照射された。
ダイオード4はGaAs多層量子井戸p−1−nダイオ
ードとして形成され、量子井戸層はダイオードの真性領
域に設けられた。ダイオード4のの製造方法は米国特許
第4.525,687号に説明されている。このダイオ
ード4は、GaASffi子井戸のヘビーホールエキシ
トン共振波長(λ2−850nrA)で同調可能な有機
色素レーザ(L D S 821)によって照射された
。有機色素レーザに対して一定の強度を保ちながら、カ
ラーセンターレーザの強度を強弱ることによって、ダイ
オード4からの出力の強度はダイオード2への入力の強
度の関数として変動することが観alされた。言換えれ
ば、波長λlの変調されたカラーセンターレーザビーム
によって伝搬された情報は、ダイオード4からの波長λ
2の出力ビームに完全に移された。この実験の結果は第
3図に示されている。
関連する実験では、カラーセンターレーザに対して一定
の強度を保ちながら、有機色素レーザの強度を強弱する
ことによって、ダイオード2からの出力の強度はダイオ
ード4への入力の強度の関数として変動することが観測
された。言換えれば、波長λ2の変調された有機色素レ
ーザビームによって伝搬された情報は、ダイオード2か
らの波長λ1の出力ビームに完全に移された。
明らかにこの実験の結果および上述の結果は、第1図と
第2図の単一オプトエレクトロニック回路が双方向波長
変換を有する双方向情報伝送が可能であることを示す。
第2図は、第1図のオプトエレクトロニック回路に含ま
れる典型的なデバイスの簡単な断面図を示す。第2図に
示される層はその大きさを示しているものではなく、単
に重要な活性層を表わし、基板のような他のものは省略
されていることは当業者によって理解されるだろう。
第2図に示されるように、ダイオード2はpi  、Q
子ミーフォトダイオード構造からなり、層21はnドー
プ1nP(厚さ1.0 μm)であり、真性領域22は
InGaAs井戸(厚さ100オングストローム)とl
nPバリア(厚さ100オングストローム)との複数の
交互層(約100ベア)を含んで量子井戸層を形成し、
層23はpドープInP(厚さ1.0μm)である。層
21には金属接触25を通じて、また層23には金属接
触24を通じて各々電気接触が得られる。同様に、ダイ
オード4はp−1−nu子井戸フォトダイオード構造か
らなり、層41はnドープAlGaAs (厚さ1.0
μm)であり、真性領域42はGaAs井戸(厚さ10
0オングストローム)とAlGaAsバリア(厚さ10
0オングストローム)との多数の交互層(約100ペア
)を含んで量子井戸層を形成し、層43はpドープAl
GaAs (厚さ1.0μm)である。層41には金属
接触45を通じて、また層43には金属接触44を通じ
て各々電気接触が得られる。20ボルトのバイアス電圧
は金属接触24(V−)と金属接触44(V+)に供給
され、逆バイアス状態が得られる。
ダイオードは金属接触25と44とをリード線3で接続
することにより直列構成とする。
動作中では、光ビーム30と31はそれぞれダイオード
2と4に入射する。ビーム30はλ1−lB10nmの
波長を有し、これはほぼI n G a A s / 
I n Pm量子井戸ヘビーホールエキシトン共振波長
に近い。同様に光ビーム31はλ22−850nの波長
を有し、これはほぼGaAs/AlGaAsj7子井戸
のヘビーホールエキシミー共振波長に近い。
光ビーム30が変調され、光ビーム31が一定の強度に
保たれるとき、光ビーム33はダイオード4から出射し
、波長λ2で光ビーム30の変調情報を帯びる。また、
光ビーム31が変調され、光ビーム30が一定の強度に
保たれるとき、光ビーム32はダイオード2から出射し
て、波長λ1で光ビーム31の変調情報を帯びる。
GaAs/AlGaAs及びI n G a A s 
/ InPの量子井戸デバイスの組合わせについて述べ
たが、他のタイプの量子井戸の組合わせが可能であるこ
とは当業者によって理解されうる。例えば、他の波長で
の変調変換を実現するために、InGaAs/InP、
GaAs/AlGaAs、GaSb/GaAlSb及び
InGaAs/InPなどのような■−v族半導体化合
物の量子井戸の組合せが第2図に示された量子井戸層と
置換えることができる。実際のヘビーホールエキシトン
共振波長は、デバイスの製造過程に用いられる特定のモ
ル分率(0≦X≦1. 0≦y≦1)によって変化し、
それぞれの化合物に存在する波長範囲はほぼ次の通りで
ある。
rn、Ga1−xAs、PH−、/TnP      
  1.1−1.6μmGaAs/Al、Ga1−、ノ
\s                     0.
82−0.867+mGaSb/GaxAt、−xSb
           1.4−1.37+mIn0.
47Ga0.53ノ\j/Tn0.48AIO,52A
S            1.3  1.(57+m
これらおよび他の化合物を含むデバイスは個別、ハイブ
リッド又は集積されたものでよい。■−■族化合物の基
本的なp−1−n量子井戸構造の製造技術は技術文献か
らよく知られており、ここでは繰返さない。
第3図は、ダイオード4からの波長λ2の光信号の出力
強度を、ダイオード2からの波長λ1の光信号の入力強
度の関数として示したグラフである。これらの結果を得
るための実験的構成および手順は、前述の第1図の説明
のところで述べた。
第4図は本発明の原理を用いる集積半導体回路の断面図
を示す。半導体へテロ構造を作るための標準エピタキシ
ャル成長技術、標準フォトリソグラフィ、さまざまなメ
サ構造を決めるためのマスキングとエツチング技術、お
よび接触を形成するためのアロイング技術を用いること
によって、第4図に示される集積回路を形成することが
可能である。
第4図に示されるように、この集積回路は、lnP基板
100上に成長された2つの直列多層量子井戸フォトダ
イオードからなる。基板100は興味のある動作波長に
は透明体で、°従ってデバイスの活性層への光のアクセ
スが可能である。ダイオード200と400はエピタキ
シャルp型層、真性領域及びn型層からなる。ドーピン
グ濃度は一般に1017と1018cI−1ノ範囲にあ
る。
ダイオード200では、nドープ層201が厚さ約1μ
mのInGaAsPであり、真性領域202が約100
ペアの薄い(100オングストローム)InGaAs井
戸層及びInGaAsPバリア層からなり、nドープ層
203が厚さ約1μmのInGaAsPである。InG
aAsP (2〜1.3μm)とInGaAs (λ〜
1.5μm)との両方は格子がInPにマツチするよう
に選ばれる。電源への接続のため、合金接触210はn
ドープ層201−内に形成される。金の相互接続バッド
301を通じてダイオード200からダイオード400
への相互接続のため、合金接触211はnドープ層20
3内に形成される。ダイオード200は波長1.5μm
の入力光ビーム300に反応する。波長1.5μmの光
ビーム320はダイオード200からの出力である。
ダイオード400では、nドープ層401が厚さ1μm
のInPであり、真性領域402が約100ペアの薄い
(100オングストローム)InGaAsP井戸層及び
InPバリア層からなり、nドープ層403が厚さ約1
μmのInPである。InGaAsP(2〜1.3μm
)は格子がInPにマツチするように選ばれる。電源へ
の接続のため、合金接触410はnドープ層403内に
形成される。金の相互接続パッド301を通じてダイオ
ード400からダイオード200への相互接続のため、
合金接触411はnドープ層401内に形成される。ダ
イオード400は波長1.3μmの入力光ビーム310
に反応する。
波長1.3μmの光ビーム330はダイオード400か
らの出力である。
なお、オプトエレクトロニック回路は導波モードに用い
られることができ、真性領域での層の数の減少およびバ
イアス電源の除去は可能である。このような導波路構造
では、層の厚さを適当にして製造することで、フォトダ
イオード間の縦結合を有する反共振反射光導波路をもた
らすことができることも理解できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の原理によるオプトエレクトロニック回
路の概略図、 第2図は第1図に示された回路に用いられた半導体層の
断面図、 第3図は第1図の回路のヒステリシスを示す光強度のグ
ラフ、 第4図は本発明の原理を用いる集積回路の断面図である
。 1.3.5・・・電気リード線 2.4,200.400・・・ダイオード21.23.
41.43・・・層 22.42,202・・・真性領域 24.25,44.45・・・金属接触30.31.3
2.33,320.330・・・光ビーム100・・・
基板 201.401−−−n−ドープ層 203.403・・・p−ドープ層 210.211,410,411・・・合金接触30Q
、3LO・・・人力光ビーム 301・・・パッド 出 願 人:アメリカン テレフォン アンドテレグラ
フ カムバニ 入7!I鍾双 χノ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)量子井戸領域を含む第1手段及び量子井戸領域を
    含む第2手段を有する量子井戸光デバイスにおいて、 第1手段は、第2手段の量子井戸領域の光吸収又は屈折
    率を電気的に制御するために、第2手段と電気的に直列
    に接続され、 第2手段は、第1手段による電気的制御に応答して、前
    記光吸収又は屈折率を変化させ、 第1手段の前記量子井戸領域は、第一の波長で所定の光
    応答特性を有する半導体材料を含み、第2手段の前記量
    子井戸領域は、第二の波長で所定の光応答特性を有する
    半導体材料を含み前記第一及び第二の波長は相互に異な
    る、 ことを特徴とする量子井戸光デバイス。
  2. (2)第1手段はp−i−nダイオードを含み、第2手
    段はp−i−nダイオードを含むことを特徴とする請求
    項1に記載の量子井戸光デバイス。
  3. (3)前記半導体材料はIII−V族から選択されること
    を特徴とする請求項2に記載の量子井戸光デバイス。
  4. (4)第1手段の前記量子井戸領域の半導体材料はAl
    GaAs/GaAs系から選択された化合物からなり、
    第2手段の前記量子井戸領域の半導体材料はInGaA
    s/InP系から選択された化合物からなることを特徴
    とする請求項3に記載の量子井戸光デバイス。
  5. (5)第1手段の前記量子井戸領域の半導体材料はIn
    GaAs/InGaAsP系から選択された化合物から
    なり、第2手段の前記量子井戸領域の半導体材料はIn
    GaAsP/InP系から選択された化合物からなるこ
    とを特徴とする請求項3に記載の量子井戸光デバイス。
  6. (6)第2手段は、第1手段の量子井戸領域の光吸収あ
    るいは屈折率を電気的に制御することを特徴とする請求
    項1に記載の量子井戸光デバイス。
  7. (7)第1手段はp−i−nダイオードを含み、第2手
    段はp−i−nダイオードを含むことを特徴とする請求
    項6に記載の量子井戸光デバイス。
  8. (8)前記半導体材料はIII−V族から選択されること
    を特徴とする請求項7に記載の量子井戸光デバイス。
  9. (9)第1手段の前記量子井戸領域の半導体材料はAl
    GaAs/GaAs系から選択された化合物からなり、
    第2手段の前記量子井戸領域の半導体材料はInGaA
    s/InP系から選択された化合物からなることを特徴
    とする請求項8に記載の量子井戸光デバイス。
  10. (10)第1手段の前記量子井戸領域の半導体材料はI
    nGaAs/InGaAsP系から選択された化合物か
    らなり、第2手段の前記量子井戸領域の半導体材料はI
    nGaAsP/InP系から選択された化合物からなる
    ことを特徴とする請求項8に記載の量子井戸光デバイス
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