JPH0480713A - Superlattice optical switch - Google Patents

Superlattice optical switch

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Publication number
JPH0480713A
JPH0480713A JP19446090A JP19446090A JPH0480713A JP H0480713 A JPH0480713 A JP H0480713A JP 19446090 A JP19446090 A JP 19446090A JP 19446090 A JP19446090 A JP 19446090A JP H0480713 A JPH0480713 A JP H0480713A
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JP
Japan
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superlattice
optical switch
superlattice layer
layer
time
Prior art date
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Application number
JP19446090A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuhiko Susa
須佐 信彦
Koji Nonaka
弘二 野中
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPH0480713A publication Critical patent/JPH0480713A/en
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Abstract

PURPOSE:To make the function of the optical switch sufficiently fast by providing a 1st and a 2nd electrode in a 1st and a 2nd semiconductor area at both-side positions opposed to a superlattice layer. CONSTITUTION:At both-side positions opposed to the superlattice layer 2, the p-type semiconductor area 6P and n-type semiconductor area 6N are arranged in contact with flanks 2c and 2d opposed to the superlattice layer 2, and the electrodes 7P and 7N are added in the semiconductor areas 6P and 6N respectively. In this case, the speed where a pair of an electrode and a positive hole which are coupled with each other with the coulomb force of a high electric field becomes a pair of an electron and a positive hole which are not coupled with the coulomb force is extremely fast and the rising time from the point of time when a resetting voltage is applied to the point of time when the high electric field is obtained can be made sufficiently short. Consequently, the function of the optical switch can be obtained sufficiently fast.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、化合物半導体でなる井戸層と他の化合物半導
体でなるバリア層とが順次交互に積層され且つ十分低い
キャリア濃度を有する超格子層を用いた超格子光スイッ
チに関する。
The present invention relates to a superlattice optical switch using a superlattice layer in which well layers made of a compound semiconductor and barrier layers made of another compound semiconductor are sequentially and alternately stacked and have a sufficiently low carrier concentration.

【従来の技術】[Conventional technology]

従来、第3図を伴って次に述べる超格子光スイッチが提
案されている。 すなわち、例えばGaAsでなる半導体基板1上に、例
えばGaAsでなり且つ例えば10nmの厚さを有する
井戸層3aと例えばAlGaAs系でなり且つ例えば1
0nmの厚さを有するバリア113bとが、それらによ
る対数でみて、例えば50〜200となるように、順次
交互にエピタキシャル成長法によって積層され、且つ例
えば1015cm−3以下のような十分低いキャリア濃
度を有する超格子1g2が形成されている。 また、半導体基板1に、超格子N2を外部に臨ませる窓
4が形成され、そして、超格子層2の半導体基板1側の
主面2a上に、窓4に臨む位置において、金属または誘
電体膜もしくは多層誘電体膜でなる反tlJlli!5
Aが配され、また、半導体基板1側とは反対側の主面2
b上に、反射114と対向して他の反射!!!5Bが配
されている。 以上が、従来提案されている超格子光スイッチの構成で
ある。 このような構成を有する超格子光スイッチによれば、超
格子層2内に、例えば半導体基板1側の外部から、反射
膜5Aを介して、超格子層2の井戸113aの励起子準
位に対応している波長を有する入力光L1を、第4図A
に示すように、時点t1までの間において、予定の強度
IBでバイアス光として入射させている状態から、その
入力光L1の強度を、時点t 及び12間において、予
定の強度I 分セット用光P、として増大させれば、超
格子Wj2内において、クーロン力で互に結合している
電子・正孔対でなる励起子が、時点t1までの間におい
て、はぼ一定量を保っていた状態から、時間t1から大
きく増加し、このため、超格子Ji2の入力光L1に対
する吸収係数が大きく減少し、それに応じて、超格子層
2内における入力光L1にもとずく光の強度が大きく増
大するとともに、それに応じて超格子層2の屈折率が高
い値に大きく変化する。 このため、反射膜5A及び5B間の距離と、超格子層2
のこのときの屈折率とによって決まる共振条件が満足さ
れることになり、第4図已に示すように、いままで、予
定の零の強度または図示のように十分低い強r!IIo
で、超格子層2から、反11g15Bを介して、外部に
出射していた出力光L2の強度が、予定の大きな強度1
6分増大し、よって、時点t1から、スイッチオンの状
態が得られる。 また、上述したようにして、スイッチオンの状態が得ら
れている状態から、入力光L1の強度を、第4図Aに示
すように、時点t3及びt4間(v#点t3及びt4間
のf[(t4−t3)は、通常、後述するスイッチオン
の状態からスイッチオフの状態が得られるまでの時間ま
たはそれよりわずかに長い時間である〉において、予定
の強度IBから、予定の強度1.だけリセット用光P、
として減少させれば、超格子層2内において、励起子が
、いままでの多くのmであった状態から、上述したスイ
ッチオンの状態が得られる場合とは逆に大きく減少し、
このため、超格子112の入力光L1に対する吸収係数
が大きく増大し、それ(応じて、超格子層2内における
入力光L1にもとすく先の強度が大きく減少するととも
に、それに応じて超格子層2の屈折率が低い値に大きく
変化する。 このため、上述したスイッチオンの状態のときの共振条
件が満足されない状態になり、出力光L2の強度が、時
点t4または第4図Bに示すように、その時点t4より
わずかに前の時点13′から、上述したスイッチオンの
状態が得られる時点tl@の強度に復帰し、よって、時
点t またはt ′から、スイッチオフの状態が得られ
る。 以上のことから、第3図に示す従来の超格子光スイッチ
によれば、光スイッチとしての機能を呈する。
Conventionally, a superlattice optical switch described below with reference to FIG. 3 has been proposed. That is, on a semiconductor substrate 1 made of, for example, GaAs, a well layer 3a made of, for example, GaAs and having a thickness of, for example, 10 nm and a well layer 3a made of, for example, AlGaAs system and having a thickness of, for example,
Barriers 113b having a thickness of 0 nm are sequentially and alternately stacked by epitaxial growth so that the logarithm thereof is, for example, 50 to 200, and has a sufficiently low carrier concentration, for example, 10 cm or less. A superlattice 1g2 is formed. Further, a window 4 that allows the superlattice N2 to be exposed to the outside is formed in the semiconductor substrate 1, and a metal or dielectric material is formed on the main surface 2a of the superlattice layer 2 on the semiconductor substrate 1 side at a position facing the window 4. Anti-tlJlli made of film or multilayer dielectric film! 5
A is arranged on the main surface 2 on the opposite side to the semiconductor substrate 1 side.
On b, another reflection opposite reflection 114! ! ! 5B is placed. The above is the configuration of the conventionally proposed superlattice optical switch. According to the superlattice optical switch having such a configuration, the exciton level of the well 113a of the superlattice layer 2 is entered into the superlattice layer 2 from, for example, from the outside on the semiconductor substrate 1 side via the reflective film 5A. The input light L1 having the corresponding wavelength is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the intensity of the input light L1 is changed from the state in which it is input as bias light at the scheduled intensity IB until time t1 to the setting light for the scheduled intensity I between times t and 12. P, the state in which excitons, which are electron-hole pairs that are bonded to each other by Coulomb force, in the superlattice Wj2 remains approximately constant until time t1. Therefore, the absorption coefficient of the superlattice Ji2 for the input light L1 decreases greatly, and the intensity of light based on the input light L1 in the superlattice layer 2 increases accordingly. At the same time, the refractive index of the superlattice layer 2 changes greatly to a high value accordingly. Therefore, the distance between the reflective films 5A and 5B and the superlattice layer 2
The resonance condition determined by the refractive index at this time is satisfied, and as shown in FIG. 4, until now the expected intensity of zero or the sufficiently low intensity r! IIo
Then, the intensity of the output light L2 that was emitted to the outside from the superlattice layer 2 via the anti-11g15B becomes the planned large intensity 1.
6 minutes, so that from time t1 a switched-on state is obtained. Furthermore, from the state where the switch is on as described above, the intensity of the input light L1 is changed between time points t3 and t4 (v# between points t3 and t4) as shown in FIG. 4A. f[(t4-t3) is usually the time from the switch-on state to the switch-off state, which will be described later, or a slightly longer time], from the planned intensity IB to the planned intensity 1. Only the reset light P,
If the number of excitons is reduced as
Therefore, the absorption coefficient of the superlattice 112 for the input light L1 increases greatly, and the intensity of the input light L1 in the superlattice layer 2 decreases greatly, and The refractive index of layer 2 changes significantly to a lower value.For this reason, the above-mentioned resonance condition in the switch-on state is not satisfied, and the intensity of the output light L2 changes to the point at time t4 or as shown in FIG. 4B. As such, from time 13', which is slightly before time t4, the intensity returns to the time tl @ at which the above-mentioned switched-on state is obtained, and therefore, from time t or t', the switched-off state is obtained. From the above, the conventional superlattice optical switch shown in FIG. 3 functions as an optical switch.

【発明が解決しようとする課題] 第3図に示す従来の超格子光スイッチの場合、スイッチ
オンの状態が得られる時における、セット用光P が得
られる時点t1から、出力光L2が、予定の十分低い強
度■、から予定の強度IH分高い強度で得られる時点t
1′までの立上り時間(t  ’−t1)は、1p秒程
度のように比較的短い。 しかしながら、上述したスイッチオフ時における、リセ
ット用光P が得られる時点t3から、出力光L2が十
分低い強度■、で得られる状態に復帰する時点t また
は時点t ′までの立下り時間(t  ’−t3)が、
10n秒またはそれ以上というように、立上り時間(1
1t1)に比し、非常に長い。 それは、超格子層2内において、励起子がリセット用光
Prにもとずき、自然消滅することによって、励起子が
大きく減少することから、立下り時間が、励起子が自然
消滅する寿命によって、決められるからである。 従って、第3図に示す従来の超格子光スイッチの場合、
光スイッチとしての機能を十分高速に得ることができな
い、という欠点を有していた。 よって、本発明は、上述した欠点のない、新規な超格子
光スイッチを提案せんとするものである。 【課題を解決するための手段】 本発明による超格子光スイッチは、第3図で上述した従
来の超格子光スイッチの場合と同様に、■化合物半導体
でなる井戸層と他の化合物半導体でなるバリア層とが順
次交互に積層され且つ十分低いキャリア濃度を有する超
格子層と、その超格子層の相対向する主面上に配された
第1及び第2の反射膜とを有し、そして、■上記超格子
層内への上記第1の反1)1膜を介しての外部からの入
力光にもとすき、上記超格子層から上記第2の反射膜を
介しての外部への出力光が得られる構成を有する。 しかじな、がら、本発明による超格子光スイッチは、こ
のような構成を有する超格子光スイッチにおいて、■上
記超格子層の相対向する両側位置に、p型を有する第1
の半導体領域とn型を有する第2の半導体領域とが、上
記超格子層の相対向する側面とそれぞれ接して配され、
そして、■それら第1及び第2の半導体領域に第1及び
第2の電極がそれぞれ付されている。
[Problems to be Solved by the Invention] In the case of the conventional superlattice optical switch shown in FIG. The time point t when an intensity higher than the planned intensity IH is obtained from the sufficiently low intensity ■,
The rise time (t'-t1) to 1' is relatively short, such as about 1 p second. However, when the switch is turned off, the falling time (t' -t3) is
The rise time (1
It is very long compared to 1t1). In the superlattice layer 2, excitons are naturally annihilated based on the reset light Pr, and the number of excitons is greatly reduced. , because it can be determined. Therefore, in the case of the conventional superlattice optical switch shown in FIG.
It has the disadvantage that it cannot function as an optical switch at a sufficiently high speed. Therefore, the present invention seeks to propose a novel superlattice optical switch that does not have the above-mentioned drawbacks. [Means for Solving the Problems] The superlattice optical switch according to the present invention, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. A superlattice layer in which barrier layers are sequentially and alternately stacked and has a sufficiently low carrier concentration, and first and second reflective films disposed on opposing main surfaces of the superlattice layer, and , ■ Input light from the outside through the first anti-1) film into the superlattice layer, and input light from the superlattice layer to the outside through the second reflective film. It has a configuration that allows output light to be obtained. However, in the superlattice optical switch according to the present invention, in the superlattice optical switch having such a configuration:
a semiconductor region and a second semiconductor region having n-type are arranged in contact with opposing side surfaces of the superlattice layer, respectively,
and (2) first and second electrodes are attached to the first and second semiconductor regions, respectively.

【作用・効果】[Action/effect]

本発明による超格子光スイッチによれば、電源から、例
えば第2の電極を基準として、第1の電極に、入力電圧
を零の値で印加している状態、従って第1及び第2の電
極間の電圧が零である状態で、超格子層内に、第3図で
上述した従来の超格子光スイッチの場合と同様に、第1
の反射膜を介して、超格子層の井戸層の励起子単位に対
応している波長を有する入力光を、予定の強度でバイア
ス光として入射させている状態から、その入力光の強度
を、予定の時間だけ、予定の強度弁セット用光として増
大させれば、第3図で上述した従来の超格子光スイッチ
の場合と同様に、超格子層内において、クーロン力で亙
に結合している電子・正孔対でなる励起子が、はぼ一定
量を保っていた状態から、大きく増加し、このため、超
格子層の入力光に対する吸収係数が大きく減少し、それ
に応じて、超格子層内における入力光にもとずく光の強
度が大きく増大するとともに、それに応じて超格子層の
屈折率が高い値に大きく変化する。 このため、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの
場合と同様に、第1及び第2の反射股間の距離と、超格
子層のこのときの屈折率とによって決まる共振条件が満
足されることになり、いままで、予定の零の強度または
十分低い強度で、超格子層から、第2の反射膜を介して
、外部に出射していた出力光の強度が、予定の大きな強
度弁増大し、よって、第3図で上述した従来の超格子光
スイッチの場合と同様に、スイッチオンの状態が得られ
る。 しかしながら、本発明による超格子光スイッチの場合、
上述したようにして、スイッチオンの状態が得られてい
る状態から、上述した電源から、第2の電極を基準とし
て第1の電極に印加している入力電圧を、予定の時間だ
け、リセット用電圧として負の予定の値にすれば、超格
子層が空乏層化され、超格子層内に、そこにおける励起
子、従ってクーロン力で互に結合している電子・正孔対
を、クーロン力で互に結合していない電子・正孔対にな
らしめる高電界が生じ、このため、第3図で上述した従
来の超格子光スイッチの場合のように入力光の強度を予
定の時間だけリセット用光として減少させなくても、超
格子層内において、励起子が、第3図で上述した従来の
超格子光スイッチの場合と同様に、いままでの多くの量
であった状態から、上述したスイッチオンの状態が得ら
れる場合とは逆に大きく減少し、このため、超格子層の
入力光に対する吸収係数が大きく増大し、それに応じて
、超格子層内における入力光にもとずく光の強度が大き
く減少するとともに、それに応じて超格子層の屈折率が
低い値に大きく変化する。 このため、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの
場合と同様に、上述したスイッチオンの状態のときの共
振条件が満足されない状態になり、出力光が、上述した
スイッチオンの状態が得られる前における強度に復帰し
、よって、スイッチオフの状態が得られる。 以上のことから、本発明による超格子光スイッチによる
場合も、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの場
合と同様に、光スイッチとしての機能を呈する。 また、本発明による超格子光スイッチの場合、スイッチ
オンの状態が、第3図で上述した従来の超格子光スイッ
チの場合と同様に、セット用光にもとすき得られるので
、そのセット用光が得られる時点から、出力光が予定の
高い強度で得られる時点までの立上り時間が、第3図で
上)ホした従来の超格子光スイッチの場合と同様に比較
的短い。 しかしながら、本発明による超格子光スイッチの場合、
スイッチオンの状態から、スイッチオフの状態が得られ
るのが、励起子がリセット用光にもとずき自然消滅する
ことによって超格子層における励起子が大きく減少する
第3図で上述した従来の超格子光スイッチの場合とは異
なり、励起子従って、クーロン力で互に結合している電
子・正孔対が、第1の電極をtj準として第2の電極に
印加する入力電圧の負の予定の値であるリセット用電圧
にもとずく超格子層内における高電界によって、クーロ
ン力で互に結合していない電子・正孔対になることによ
って、超格子層において励起子が大きく減少し、そして
、この場合、高電界によってのクーロン力で互に結合し
ている電子・正孔対がクーロン力で互に結合していない
電子・正孔対になる速度は、極めて速く、また、リセッ
ト用電圧を印加した時点から高電界が得られる時点まで
の立上り時間は、十分短くさせることができる。 このため、スイッチオンの状態から、スイッチオフの状
態が得られるときの、出力光が予定の^い強度がスイッ
チオンの状態が得られる前の強度になるまでの立下り時
間を、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの場合
に比し格段的に短くすることができる。 よって、本発明による超格子光スイッチによれば、光ス
イッチとしての機能を、第3図で上述した従来の超格子
光スイッチの場合に比し十分高速に得ることができる。 【実施例11 次に、第1図を伴って、本発明による超格子光スイッチ
の実施例を述べよう。 第1図において、第3図との対応部分には同一符号を付
し詳細説明を省略する。 第1図に示す本発明による超格子光スイッチは、第3図
で上述した従来の超格子光スイッチの構成において、超
格子層2の相対向する両側位置に、p型を有する半導体
領域6Pと、n型を有する半導体領[6Nとが、超格子
層2の相対向する側面2C及び2dとそれぞれ接して配
され、また、半導体領域6P及び6Nに、電極7P及び
7Nがそれぞれ付されている。 なお、半導体領域6P及び6Nは、半導体基板1上に、
超格子層2よりも長いそれと同様の超格子層を形成し、
次で、その超格子層の両側部に対し、それら両側部内に
例えばZnでなるn型不純物及び例えばSi、Sなどで
なるn型不純物をそれぞれ導入させて後、またはその前
に、それ自体は公知の井戸層とバリア層との間の混晶化
処理を行うことによって形成することができる。 以上が、本発明による超格子光スイッチの実施例の構成
である。 このような構成を有する本発明による超格子光スイッチ
によれば、電源から、例えば電極7Nを基準として、電
極7Pに、抵抗を通じて、第2図Bにおいて時点t3前
で示すように、入力電圧Vを零の値で印加している状態
、従って電極7N及び7P間の電圧が零である状態で、
超格子層2内に、第3図で上述した従来の超格子光スイ
ッチの場合と同様に、半導体基板1側の外部から、反射
1!5Aを介して、超格子層2の井戸層3aの励起子単
位に対応している波長を有する入力光L1を、第4図A
に対応して第2図Aに示すように、時点t1までの間に
おいて、予定の強度I8でバイアス光として入射させて
いる状態から、その入力光L1の強度を、時点t1及び
12間において、予定の強度分セット用光P、として増
大させれば、第3図で上述した従来の超格子光スイッチ
の場合と同様に、超格子層内において、電子・正孔対が
クーロン力で結合している状態の励起子が、時点t1ま
での間において、はぼ一定量を保っていた状態から、時
点t1から大きく増加し、このため、超格子層2の入力
光L1に対する吸収係数が大きく減少し、それに応じて
、超格子層2内における入力光L1にもとすく光の強度
が大きく増大するとともに、それに応じて超格子層2の
屈折率が高い値に大きく変化する。 このため、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの
場合と同様に、反射膜5A及び5B間の距離と、超格子
層2のこのときの屈折率とによって決まる共振条件が満
足されることになり、第2図Cに示すように、いままで
、予定の零の強度または図示のように、十分低い強度で
、超格子層2から、反射1!5Bを介して、外部に出射
していた出力光L2の強度が、予定の大きな強度分増大
し、よって、第3図で上述した従来の超格子光スイッチ
の場合と同様に、時点t1から、スイッチオンの状態が
得られる。 しかしながら、第1図に示す本発明による超格子光スイ
ッチの場合も、上述したようにして、スイッチオンの状
態が得られている状態から、上述した電源から、電極7
Nを基準として電極7Pに印加している入力電圧■を、
第2図Bに示すように、時点t3及びt4間において、
リセット用電圧Pv′とじて負超格子層2のキャリア濃
度にもよるが、例えば1〜5Vの予定の値にすれば、半
導体領域6P、超格子層2及び半導体領域6Nによって
、超格子層2を「1」とするpin接合が構成されてお
り、そして、そのpin接合が逆バイアスされるので、
超格子層2が空乏層化され、超格子層2内に、そこにお
ける励起子、従ってクーロン力で互に結合している(そ
のエネルギは超格子層2の幅にもよるが、例えば15m
eV程度)電子・正孔対を、クーロン力で互に結合して
いない電子・正孔対にならしめる高電界(電子・正孔対
がクーロン力で他該に結合しているエネルギにもよるが
、例えば1 x 103V/cm 程度) カ生U、こ
のため、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの場
合のように入力光し1の強度を予定の時間だけリセット
用光Prとして減少させなくても、超格子層2内におい
て、励起子が、第3図で上述した従来の超格子光スイッ
チの場合と同様に、いままでの多くの量であった状態か
ら、上述したスイッチオンの状態が得られる場合とは逆
に大きく減少し、このため、超格子層2の入力光に対す
る吸収係数が大きく増大し、それに応じて、超格子層2
内における入力光L1にもとすく光の強度が大きく減少
するとともに、それに応じて超格子層2の屈折率が低い
値に大きく変化する。 このため、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの
場合と同様に、上述したスイッチオンの状態のときの共
振条件が満足されない状態になり、出力光L2が、時点
t4または第2図Cに示すように、その時点t4よりわ
ずか前の時点t3′から、上述したスイッチオンの状態
が得られる時点t1前における強度に復帰し、よって、
時点t またはt ′からスイッヂ第フの状態が得られ
る。 以上のことから、本発明による超格子光スイッチによる
場合も、第3図で上述した従来の超格子光スイッチの場
合と同様に、光スイッチとしての機能を呈する。 また、第1図に示す本発明による超格子光スイッチの場
合、スイッチオンの状態が、第3図で上述した従来の超
格子光スイッチの場合と同様に、セット用光にもとずき
得られるので、そのセット用光P が得られる時点t1
から、出力先L2が、予定の十分低い強度から、予定の
強度I 分高い強度で得られる時点t ′までの立上り
時間(t ′−11)が、第3図で上述した従来の超格
子光スイッチの場合と同様に比較的短い。 しかしながら、第1図に示す本発明による超格子光スイ
ッチの場合、スイッチオンの状態から、スイッチオフの
状態が得られるのが、励起子がリセット用光Prにもと
ずき自然消滅することによって超格子層2における励起
子が大きく減少する第3図で上述した従来の超格子光ス
イッチの場合とは異なり、励起子従って、クーロン力で
互に結合している電子・正孔対が、電極7Nを基準とし
て電極7Pに印加する入力電圧Vの負の予定の値である
リセット用電圧P。 にもとずく超格子層2内における高電界によって、クー
ロン力で互に結合していない電子・正孔対になることに
よって、超格子層2において励起子が大きく減少する。 そして、この場合、^電界によってのクーロン力で互に
結合している電子・正孔対がクーロン力で互に結合して
いない電子・正孔対になる速度は、極めて速い。 また、リセット電圧P、′を印加した時点t3から高電
界が得られる時点までの立上り時間は、上述したpin
接合の「1」を構成している超格子層2の半導体領域6
P及び6N間の長さを適当に短くするなどによって、p
1n接合の容量を十分小さくできるので、0.017D
ごよう程度となるように、十分短くさせることができる
。 従って、スイッチオンの状態から、スイッチオフの状態
が得られるまでの立下り時間(t4t )または(t 
 ’−t3)を、10p秒程度の第3図で上述した従来
の超格子光スイッチの場合に比し格段的に短くすること
ができる。 よって、第1図に示す本発明による超格子光スイッチに
よれば、光スイッチとしての機能を、第3図で上述した
従来の超格子光スイッチの場合に比し十分高速に得るこ
とができる。 なお、上述においては、超格子層2内に、入力光L1を
、半導体基板1側の外部から反射膜5Aを介して入射さ
せ、出力光L2を、超格子層2から、反射WA5Bを介
して、半導体基板1側とは反対側に外部に出射させる場
合で説明したガ、入力光L1を、半導体基板1側とは反
対側の外部から反射g!5Bを介して入射させ、出力光
L2を、超格子層2から、反射膜5Aを介して、半導体
基板1側に外部に出射させるようにすることもできるこ
とは明らかであろう。 また、上述においては、超格子層2の井戸層3aがGa
ASでなり、バリア層3bがAIGaAS系でなるとき
、半導体基板1がGaAsでなり、このため、半導体基
板1自体が入力光L1に対して窓として作用しないこと
から、半導体基板1に窓4を設け、そして、反射膜5A
を、超格子層2の半導体基板1側の主面2a上に、窓4
に臨む位置において配した場合につき述べたが、超格子
層2を、InGaAs系でなる層とInAlAs系でな
る層とでなるもの、またはInPでなる層とInGaA
s系またはInGaAsP系でなる層とでなるものとす
るとき、半導体基板1を、このときの超格子層2に対し
て窓として作用するInPでなるものとすれば、半導体
基板1に窓を設けず、反射膜5Aを半導体基板1の超格
子層2側とは反対側に設けた構成とすることもできる。 さらに、半導体基板1をGaAsでなるものとするとき
、超格子層2をGaASでなる層とInGaAs系でな
る層とによるそれ自体は公知の歪超格子層とすれば、同
様に、半導体基板1に窓を設けず、反射膜5Aを半導体
基板1の超格子層側とは反対側に設けた構成とすること
もでき、その他、本発明の精神を脱することなしに、種
々の変型、変更をなし得るであろう。
According to the superlattice optical switch according to the present invention, a state in which an input voltage is applied from a power source to the first electrode with a value of zero, for example with the second electrode as a reference; With the voltage between the
From a state in which input light having a wavelength corresponding to the exciton unit of the well layer of the superlattice layer is incident as bias light at a predetermined intensity through the reflective film of the superlattice layer, the intensity of the input light is If the light is increased for a predetermined amount of time for a predetermined intensity valve setting, the light will be coupled to a large extent within the superlattice layer by the Coulomb force, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in Fig. 3. The number of excitons, which are made up of electron-hole pairs, increases significantly from a state where it was kept at a constant amount, and as a result, the absorption coefficient of the superlattice layer for input light decreases greatly, and accordingly, the superlattice The intensity of light based on the input light within the layer increases significantly, and the refractive index of the superlattice layer changes significantly to a high value accordingly. Therefore, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. 3, the resonance condition determined by the distance between the first and second reflection legs and the refractive index of the superlattice layer at this time is satisfied. This means that the intensity of the output light that has been emitted from the superlattice layer to the outside through the second reflective film at the planned zero intensity or sufficiently low intensity has changed to the planned large intensity valve. 3, and thus a switched-on state is obtained, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. However, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention,
From the state where the switch-on state has been obtained as described above, the input voltage applied to the first electrode from the above-mentioned power supply with the second electrode as a reference is applied for a scheduled time for reset purposes. If the voltage is set to a negative value, the superlattice layer becomes a depletion layer, and the excitons therein, and therefore the electron-hole pairs that are bonded to each other by the Coulomb force, are depleted by the Coulomb force. A high electric field is generated that forces the electron-hole pairs that are not bonded to each other, thereby resetting the intensity of the input light for a predetermined time, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in Figure 3. Even if the amount of excitons in the superlattice layer is not reduced, the amount of excitons in the superlattice layer changes from the previous large amount to the amount described above, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. As a result, the absorption coefficient of the superlattice layer for the input light increases greatly, and the light absorption coefficient of the input light in the superlattice layer increases accordingly. The intensity of the superlattice layer decreases significantly, and the refractive index of the superlattice layer changes significantly to a lower value accordingly. Therefore, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. 3, the resonance condition in the switch-on state described above is not satisfied, and the output light is The intensity returns to that before it was obtained, and thus a switch-off condition is obtained. From the above, the superlattice optical switch according to the present invention also functions as an optical switch in the same way as the conventional superlattice optical switch described above in FIG. In addition, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention, the switch-on state can be obtained even for the setting light, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. The rise time from the time when light is obtained to the time when output light is obtained at a predetermined high intensity is relatively short, as in the case of the conventional superlattice optical switch shown in FIG. However, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention,
The switch-off state is obtained from the switch-on state in the conventional method described above in Figure 3, in which the excitons in the superlattice layer are greatly reduced by spontaneous annihilation based on the reset light. Unlike in the case of a superlattice optical switch, excitons and therefore electron-hole pairs that are coupled to each other by Coulomb forces are activated by the negative side of the input voltage applied to the second electrode with the first electrode as the tj quasi. Due to the high electric field in the superlattice layer based on the reset voltage, which is a predetermined value, the excitons in the superlattice layer are greatly reduced by forming electron-hole pairs that are not bonded to each other by Coulomb force. In this case, the speed at which electron-hole pairs that are bonded to each other by the Coulomb force due to the high electric field become electron-hole pairs that are not bonded to each other by the Coulomb force is extremely fast, and the reset The rise time from the time when the application voltage is applied to the time when a high electric field is obtained can be made sufficiently short. For this reason, the fall time for the output light to reach the expected intensity from the switch-on state when the switch-off state is obtained to the intensity before the switch-on state is obtained is shown in Figure 3. The length can be significantly shorter than that of the conventional superlattice optical switch described above. Therefore, according to the superlattice optical switch according to the present invention, the function as an optical switch can be obtained sufficiently faster than in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. Embodiment 11 Next, an embodiment of the superlattice optical switch according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, parts corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The superlattice optical switch according to the present invention shown in FIG. 1 has p-type semiconductor regions 6P on opposite sides of the superlattice layer 2 in the configuration of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. , n-type semiconductor regions [6N are arranged in contact with opposing side surfaces 2C and 2d of the superlattice layer 2, respectively, and electrodes 7P and 7N are attached to the semiconductor regions 6P and 6N, respectively. . Note that the semiconductor regions 6P and 6N are formed on the semiconductor substrate 1,
forming a superlattice layer similar to superlattice layer 2 which is longer than superlattice layer 2;
Next, after or before introducing an n-type impurity such as Zn and an n-type impurity such as Si or S into both sides of the superlattice layer, the superlattice layer itself is It can be formed by performing a known mixed crystal treatment between a well layer and a barrier layer. The above is the configuration of the embodiment of the superlattice optical switch according to the present invention. According to the superlattice optical switch according to the present invention having such a configuration, an input voltage V is applied from a power source to the electrode 7P, for example, with the electrode 7N as a reference, as shown before time t3 in FIG. 2B, through the resistor. is applied at a value of zero, and therefore the voltage between electrodes 7N and 7P is zero,
In the superlattice layer 2, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. The input light L1 having a wavelength corresponding to the exciton unit is shown in FIG.
Correspondingly, as shown in FIG. 2A, from a state in which the input light L1 is input as bias light at a scheduled intensity I8 up to time t1, the intensity of the input light L1 is changed between time t1 and time 12 as follows. If the setting light P is increased by the planned intensity, electron-hole pairs will be coupled by Coulomb force within the superlattice layer, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in Fig. 3. The excitons in the state of , which had been kept at a constant amount up to time t1, greatly increase from time t1, and therefore the absorption coefficient of the superlattice layer 2 for the input light L1 decreases significantly. Accordingly, the intensity of the input light L1 in the superlattice layer 2 increases greatly, and the refractive index of the superlattice layer 2 changes to a high value accordingly. Therefore, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. 3, the resonance condition determined by the distance between the reflective films 5A and 5B and the refractive index of the superlattice layer 2 at this time is satisfied. Therefore, as shown in Fig. 2C, until now, the radiation has been emitted from the superlattice layer 2 to the outside via reflection 1!5B at the planned zero intensity or at a sufficiently low intensity as shown in the figure. The intensity of the output light L2, which had been in use, increases by a predetermined large amount of intensity, and therefore, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. 3, a switch-on state is obtained from time t1. However, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention shown in FIG.
The input voltage ■ applied to the electrode 7P with N as a reference,
As shown in FIG. 2B, between time points t3 and t4,
Although it depends on the carrier concentration of the negative superlattice layer 2 as the reset voltage Pv', if it is set to a predetermined value of 1 to 5V, for example, the superlattice layer 2 is A pin junction with ``1'' is configured, and the pin junction is reverse biased, so
The superlattice layer 2 is made into a depletion layer, and the excitons therein are coupled to each other by the Coulomb force (the energy depends on the width of the superlattice layer 2, for example, 15 m).
eV) A high electric field that transforms electron-hole pairs into electron-hole pairs that are not bonded to each other by Coulomb force (depending on the energy of electron-hole pairs that are bonded to others by Coulomb force) However, for example, about 1 x 103 V/cm), the voltage U is generated.For this reason, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in Fig. 3, the input light is inputted and the intensity of 1 is used as the reset light Pr for a scheduled time. Even without reducing the number of excitons in the superlattice layer 2, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. Contrary to the case where the on state is obtained, the absorption coefficient of the superlattice layer 2 for input light increases greatly, and accordingly, the absorption coefficient of the superlattice layer 2 increases.
The intensity of the input light L1 within the superlattice layer 2 decreases greatly, and the refractive index of the superlattice layer 2 changes significantly to a lower value accordingly. Therefore, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. As shown in C, from time t3', which is slightly before time t4, the intensity returns to the level before time t1 at which the above-mentioned switch-on state is obtained, and therefore,
From the instant t or t', the switch F state is obtained. From the above, the superlattice optical switch according to the present invention also functions as an optical switch in the same way as the conventional superlattice optical switch described above in FIG. In addition, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention shown in FIG. 1, the switch-on state is variable based on the setting light, as in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. Therefore, the time t1 when the setting light P is obtained
The rise time (t'-11) from the time t' at which the output destination L2 is obtained from the planned sufficiently low intensity to the planned intensity I higher than the conventional superlattice light described above in FIG. Relatively short as in the case of switches. However, in the case of the superlattice optical switch according to the present invention shown in FIG. 1, the switch-off state is obtained from the switch-on state due to the spontaneous annihilation of excitons based on the reset light Pr. Unlike the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. A reset voltage P is a predetermined negative value of the input voltage V to be applied to the electrode 7P with reference to 7N. Due to the high electric field in the superlattice layer 2 based on this, the excitons in the superlattice layer 2 are greatly reduced by forming electron-hole pairs that are not bonded to each other by Coulomb force. In this case, the speed at which electron-hole pairs that are bonded to each other by the Coulomb force caused by the electric field becomes an electron-hole pair that is not bonded to each other by the Coulomb force is extremely high. Furthermore, the rise time from the time point t3 when the reset voltage P,' is applied to the time point when a high electric field is obtained is determined by the above-mentioned pin
Semiconductor region 6 of superlattice layer 2 constituting junction "1"
By appropriately shortening the length between P and 6N, p
Since the capacitance of 1n junction can be made sufficiently small, 0.017D
It can be made sufficiently short so that it is about the size of a person's body. Therefore, the fall time from the switch-on state to the switch-off state is obtained (t4t) or (t
'-t3) can be significantly shorter than that of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. 3, which is about 10 psec. Therefore, according to the superlattice optical switch according to the present invention shown in FIG. 1, the function as an optical switch can be obtained sufficiently faster than in the case of the conventional superlattice optical switch described above in FIG. In the above description, the input light L1 is input into the superlattice layer 2 from the outside on the semiconductor substrate 1 side via the reflective film 5A, and the output light L2 is inputted from the superlattice layer 2 via the reflection WA5B. , the input light L1 is reflected from the outside on the side opposite to the semiconductor substrate 1. 5B, and the output light L2 can also be emitted from the superlattice layer 2 to the semiconductor substrate 1 side via the reflective film 5A. Furthermore, in the above description, the well layer 3a of the superlattice layer 2 is made of Ga.
When the barrier layer 3b is made of AIGaAS, the semiconductor substrate 1 is made of GaAs, and therefore the semiconductor substrate 1 itself does not act as a window for the input light L1. and reflective film 5A.
A window 4 is formed on the main surface 2a of the superlattice layer 2 on the semiconductor substrate 1 side.
In the above case, the superlattice layer 2 is formed of an InGaAs-based layer and an InAlAs-based layer, or an InP layer and an InGaA layer.
If the semiconductor substrate 1 is made of InP that acts as a window for the superlattice layer 2, then the semiconductor substrate 1 is provided with a window. First, the reflective film 5A may be provided on the side of the semiconductor substrate 1 opposite to the superlattice layer 2 side. Furthermore, when the semiconductor substrate 1 is made of GaAs, and the superlattice layer 2 is a well-known strained superlattice layer consisting of a layer made of GaAS and a layer made of InGaAs, the semiconductor substrate 1 It is also possible to have a configuration in which the reflective film 5A is provided on the side opposite to the superlattice layer side of the semiconductor substrate 1 without providing a window, and various other modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. will be able to do it.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明による超格子光スイッチの実施例を示
す路線的断面図である。 第2図は、その動作の説明に供する図である。 第3図は、従来の超格子光スイッチを示す路線的断面図
である。 第4図は、その動作の説明に供する図である。 1・・・・・・・・・・・・・・・半導体基板2・・・
・・・・・・・・・・・・超格子層2a、2b・・・超
格子層2の主面 2C12d・・・超格子層2の側面 3b・・・・・・・・・・・・バリア層4・・・・・・
・・・・・・・・・窓 5A、5B・・・・・・反射膜 6P、6N・・・・・・半導体領域 7P、7N・・・・・・電極 Ll・・・・・・・・・・・・・・・入力光L2・・・
・・・・・・・・・・・・出力光第1図 第3図
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a superlattice optical switch according to the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation. FIG. 3 is a sectional view showing a conventional superlattice optical switch. FIG. 4 is a diagram for explaining the operation. 1... Semiconductor substrate 2...
......Superlattice layers 2a, 2b...Main surface 2C12d of superlattice layer 2...Side surface 3b of superlattice layer 2...・Barrier layer 4...
...... Window 5A, 5B... Reflective film 6P, 6N... Semiconductor region 7P, 7N... Electrode Ll... ......Input light L2...
・・・・・・・・・Output light Figure 1 Figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化合物半導体でなる井戸層と他の化合物半導体でなるバ
リア層とが順次交互に積層され且つ十分低いキャリア濃
度を有する超格子層と、上記超格子層の相対向する主面
上に配された第1及び第2の反射膜とを有し、 上記超格子層内への上記第1の反射膜を介しての外部か
らの入力光にもとずき、上記超格子層から上記第2の反
射膜を介しての外部への出力光が得られる超格子光スイ
ッチにおいて、上記超格子層の相対向する両側位置に、
p型を有する第1の半導体領域とn型を有する第2の半
導体領域とが、上記超格子層の相対向する側面とそれぞ
れ接して配され、 上記第1及び第2の半導体領域に第1及び第2の電極が
それぞれ付されていることを特徴とする超格子光スイッ
チ。
1. A superlattice layer in which a well layer made of a compound semiconductor and a barrier layer made of another compound semiconductor are sequentially and alternately stacked and have a sufficiently low carrier concentration, and a superlattice layer on opposing main surfaces of the superlattice layer. and a first and second reflective film arranged in the superlattice layer, based on input light from the outside through the first reflective film into the superlattice layer. In the superlattice optical switch in which output light to the outside is obtained through the second reflective film, at opposing positions of the superlattice layer,
A first semiconductor region having p-type and a second semiconductor region having n-type are disposed in contact with opposing side surfaces of the superlattice layer, and a first semiconductor region is provided in the first and second semiconductor regions. and a second electrode, respectively.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008535265A (en) * 2005-04-01 2008-08-28 メアーズ テクノロジーズ, インコーポレイテッド Semiconductor device having a superlattice having a region defining a semiconductor junction

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008535265A (en) * 2005-04-01 2008-08-28 メアーズ テクノロジーズ, インコーポレイテッド Semiconductor device having a superlattice having a region defining a semiconductor junction

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