JPH05218580A - 電界可変型偏光光素子 - Google Patents
電界可変型偏光光素子Info
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- JPH05218580A JPH05218580A JP32769791A JP32769791A JPH05218580A JP H05218580 A JPH05218580 A JP H05218580A JP 32769791 A JP32769791 A JP 32769791A JP 32769791 A JP32769791 A JP 32769791A JP H05218580 A JPH05218580 A JP H05218580A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は、データ通信装置に関して特に有用
で、且つ高感度偏光光検出器との組合せにおいてオプテ
ィカル・デジタル応用に非常に有用である、偏光をTM
モードとTEモードに高速に切換える光素子を提供す
る。 【構成】電極(22)によって量子井戸層(16)に垂
直に外部から印加された電界によってTEモードとTM
モードに切換え可能な偏光を有する歪み層の量子井戸
(QW)又は多重量子井戸(MQW)を持った半導体レ
ーザ・デバイス(10)である。偏光の切換えは、歪み
層の量子井戸に印加された電界によって誘導された価電
子バンドの反転による結果である。切換中は反転分布が
保持されるため、高速切換えが実現できる。
で、且つ高感度偏光光検出器との組合せにおいてオプテ
ィカル・デジタル応用に非常に有用である、偏光をTM
モードとTEモードに高速に切換える光素子を提供す
る。 【構成】電極(22)によって量子井戸層(16)に垂
直に外部から印加された電界によってTEモードとTM
モードに切換え可能な偏光を有する歪み層の量子井戸
(QW)又は多重量子井戸(MQW)を持った半導体レ
ーザ・デバイス(10)である。偏光の切換えは、歪み
層の量子井戸に印加された電界によって誘導された価電
子バンドの反転による結果である。切換中は反転分布が
保持されるため、高速切換えが実現できる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に光素子に関し、
特に出力放射の偏光を、外部から歪み量子井戸に垂直に
印加する電界によってTMモードとTEモードに切換え
可能であるレーザ・ダイオードのような光素子に関す
る。
特に出力放射の偏光を、外部から歪み量子井戸に垂直に
印加する電界によってTMモードとTEモードに切換え
可能であるレーザ・ダイオードのような光素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】米国特許第4612645号は、半導体
基板と、この基板上に半導体の第1被覆層を形成し、さ
らにこの第1被覆層上に半導体の活性層を形成して、こ
の活性層と第1被覆層間で接合面を形成するレーザ・デ
バイスを開示する。半導体の第2被覆層が活性層上に形
成され、且つこの第2被覆層上に半導体のキャップ層が
形成させられる。活性層は、TMモードの光利得を増加
させるために、接合面に直交する格子定数よりも十分に
大きな接合面に平行な格子定数を有する。その結果、第
1注入電流水準でレーザ・デバイスはTMモードで作動
し、第2注入電流水準でレーザ・デバイスはTEモード
で作動する。
基板と、この基板上に半導体の第1被覆層を形成し、さ
らにこの第1被覆層上に半導体の活性層を形成して、こ
の活性層と第1被覆層間で接合面を形成するレーザ・デ
バイスを開示する。半導体の第2被覆層が活性層上に形
成され、且つこの第2被覆層上に半導体のキャップ層が
形成させられる。活性層は、TMモードの光利得を増加
させるために、接合面に直交する格子定数よりも十分に
大きな接合面に平行な格子定数を有する。その結果、第
1注入電流水準でレーザ・デバイスはTMモードで作動
し、第2注入電流水準でレーザ・デバイスはTEモード
で作動する。
【0003】米国特許第4549300号は、2つの偏
光出力間の高速切換えに効果があるとされる半導体レー
ザ・デバイスを開示する。反射防止膜が反対側の端面に
備えられ、光システムが放射側端面に戻る放射光のため
に備えられている。光システムは戻り光の偏光面を制御
する素子を有する。
光出力間の高速切換えに効果があるとされる半導体レー
ザ・デバイスを開示する。反射防止膜が反対側の端面に
備えられ、光システムが放射側端面に戻る放射光のため
に備えられている。光システムは戻り光の偏光面を制御
する素子を有する。
【0004】米国特許第4644553号は、キャリア
を活性領域の側面から注入するために互いに反対の導電
型の半導体領域と活性領域が横方向に結合された半導体
デバイスを開示する。この手法は量子井戸型のレーザに
効果があるとされる。
を活性領域の側面から注入するために互いに反対の導電
型の半導体領域と活性領域が横方向に結合された半導体
デバイスを開示する。この手法は量子井戸型のレーザに
効果があるとされる。
【0005】米国特許第3301625号は、デバイス
を通過する光の特性を変更するために半導体デバイスの
空乏領域が調節される光変調器を開示する。
を通過する光の特性を変更するために半導体デバイスの
空乏領域が調節される光変調器を開示する。
【0006】次に述べる米国特許の全ては、一般にレー
ザ・デバイスに関する。米国特許第4509173号
は、並行構造体すなわち網目構造体が活性層付近のビー
ムの進行方向に位置する、位相固定半導体レーザ・デバ
イスを開示する。米国特許第4498179号は、一対
の結合されたレーザ・キャビティを有し、一方のキャビ
ティが主の共振キャビティで、もう一方が偏光カプラを
有するガス・レーザを開示する。米国特許第44307
40号は、一般公式の、0<x<0.27である(Ga
xAl1−x)0.47In0.53に相当する活性層で構成す
る材料を有する半導体レーザの多数の実施例を述べてい
る。米国特許第4207122号は、GaSbに整合す
る格子面間隔を有するIn(Sb、As)から成る活性
領域を有する赤外線放射デバイスを開示する。
ザ・デバイスに関する。米国特許第4509173号
は、並行構造体すなわち網目構造体が活性層付近のビー
ムの進行方向に位置する、位相固定半導体レーザ・デバ
イスを開示する。米国特許第4498179号は、一対
の結合されたレーザ・キャビティを有し、一方のキャビ
ティが主の共振キャビティで、もう一方が偏光カプラを
有するガス・レーザを開示する。米国特許第44307
40号は、一般公式の、0<x<0.27である(Ga
xAl1−x)0.47In0.53に相当する活性層で構成す
る材料を有する半導体レーザの多数の実施例を述べてい
る。米国特許第4207122号は、GaSbに整合す
る格子面間隔を有するIn(Sb、As)から成る活性
領域を有する赤外線放射デバイスを開示する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、外
部から量子井戸の層に垂直に印加される電界によってT
Eモード(TE: Transverse Electric mode)とTMモー
ド(TM: TransverseMagnetic mode)の切換え可能な出力
放射の偏光を有する、歪み層の量子井戸半導体レーザ・
デバイスを提供することにある。
部から量子井戸の層に垂直に印加される電界によってT
Eモード(TE: Transverse Electric mode)とTMモー
ド(TM: TransverseMagnetic mode)の切換え可能な出力
放射の偏光を有する、歪み層の量子井戸半導体レーザ・
デバイスを提供することにある。
【0008】前述した米国特許第4612645号のデ
バイスは、注入電流の変化によって偏光を切換える。そ
の結果として、デバイスの反転分布の変化が生じること
になる。しかしながら、この反転分布の変化は、ある有
限の時間を要するので、切換え時間には制限が設けられ
る。
バイスは、注入電流の変化によって偏光を切換える。そ
の結果として、デバイスの反転分布の変化が生じること
になる。しかしながら、この反転分布の変化は、ある有
限の時間を要するので、切換え時間には制限が設けられ
る。
【0009】そのため、この発明の他の目的は、切換え
プロセスの間、効果的にデバイスの反転分布を保持し、
外部からの印加電界による非常に高速な偏光の切換えを
提供することにある。
プロセスの間、効果的にデバイスの反転分布を保持し、
外部からの印加電界による非常に高速な偏光の切換えを
提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明では、量子井戸の
層に外部から垂直に電界を印加することによって偏光の
TEモードとTMモードの切換えが、歪み層の量子井戸
(QW)又は多重量子井戸(MQW)の半導体レーザ・
デバイスによって実現できる。偏光の切換えは、歪み層
の量子井戸の電界によって誘導された価電子バンドの反
転による結果である。切換えプロセスの間、反転分布が
保持されるので非常に高速な切換えとなる。
層に外部から垂直に電界を印加することによって偏光の
TEモードとTMモードの切換えが、歪み層の量子井戸
(QW)又は多重量子井戸(MQW)の半導体レーザ・
デバイスによって実現できる。偏光の切換えは、歪み層
の量子井戸の電界によって誘導された価電子バンドの反
転による結果である。切換えプロセスの間、反転分布が
保持されるので非常に高速な切換えとなる。
【0011】すなわち、本発明は、第1半導体材料と、
この第1半導体材料内で形成される量子井戸領域を有す
る半導体光素子に関する。量子井戸領域は、量子井戸領
域を歪めるのに十分な量だけ第1半導体材料の格子定数
とは違う格子定数を有する第2半導体材料で構成され
る。歪められた量子井戸は、量子井戸領域内で生じた電
磁放射が、p−n接合から注入されたキャリアの再結合
によって生じた放射、すなわち、TM偏光を有するよう
に作用する。デバイスは、量子井戸領域全体に電界を印
加するために、さらに、電極を有する。電界は、量子井
戸領域内で生じた電磁放射が、電界が領域全体に印加さ
れる間、TE偏光を有するように、臨界値を越える大き
さになるように発生させられる。その結果、TMモード
とTEモードの高速切換えができる。
この第1半導体材料内で形成される量子井戸領域を有す
る半導体光素子に関する。量子井戸領域は、量子井戸領
域を歪めるのに十分な量だけ第1半導体材料の格子定数
とは違う格子定数を有する第2半導体材料で構成され
る。歪められた量子井戸は、量子井戸領域内で生じた電
磁放射が、p−n接合から注入されたキャリアの再結合
によって生じた放射、すなわち、TM偏光を有するよう
に作用する。デバイスは、量子井戸領域全体に電界を印
加するために、さらに、電極を有する。電界は、量子井
戸領域内で生じた電磁放射が、電界が領域全体に印加さ
れる間、TE偏光を有するように、臨界値を越える大き
さになるように発生させられる。その結果、TMモード
とTEモードの高速切換えができる。
【0012】例示する1実施例では、第1半導体材料は
AlAsSbで、特に、約x≧0.02であるAlAs
1−xSbxであり、且つ、第2半導体材料はGaAs
である。この実施例の場合、第1半導体材料と第2半導
体材料の格子定数の相違は少なくとも約0.3%であ
る。他の実施例では第1半導体材料は約x≧0.6であ
るGa1−xAlxSbであり、第2半導体材料はGa
Sbである。さらに他の実施例では第1半導体材料は約
0.9≧x≧0.55であるGaxIn1−xAsで、
第2半導体材料はInPである。
AlAsSbで、特に、約x≧0.02であるAlAs
1−xSbxであり、且つ、第2半導体材料はGaAs
である。この実施例の場合、第1半導体材料と第2半導
体材料の格子定数の相違は少なくとも約0.3%であ
る。他の実施例では第1半導体材料は約x≧0.6であ
るGa1−xAlxSbであり、第2半導体材料はGa
Sbである。さらに他の実施例では第1半導体材料は約
0.9≧x≧0.55であるGaxIn1−xAsで、
第2半導体材料はInPである。
【0013】
【実施例】本発明の光素子の構造と動作の詳細を述べる
前に、出力偏光の高速変化を生じさせる層の物理的メカ
ニズムを最初に述べる。
前に、出力偏光の高速変化を生じさせる層の物理的メカ
ニズムを最初に述べる。
【0014】図1A−図1Cに示すように、基本バンド
・ギャップ近辺に2つのバンドで構成するバルクのII
I−V族化合物半導体の価電子バンド構造がある。2つ
のバンドはゼロの波動ベクトル(k=0)においてスピ
ンが縮退し、それぞれ“重い”、“軽い”と名付けられ
た実効質量を有する。例えば、GaAsにおいて重い質
量は自由電子の質量の約1/2と考えられ、一方、軽い
質量は自由電子の質量の約1/10と考えられる。他の
材料においても同様に重い及び軽い質量を示す。これら
の材料で製作される量子井戸の波動ベクトルk=0にお
けるスピン縮退は、図1Aに示すように、軽い質量のバ
ンドのエネルギよりも、一般に大きい重い質量のエネル
ギによって量子寸法効果により破壊される。このバンド
のアライメントにおいて、量子井戸の基本光学遷移が、
伝導バンドと重い価電子バンド間に生ずる。電子とホー
ルの放射再結合によって放射され量子井戸面を伝播する
電磁放射は、量子井戸境界面に平行な電界で線形的に偏
光される(TE偏光)。
・ギャップ近辺に2つのバンドで構成するバルクのII
I−V族化合物半導体の価電子バンド構造がある。2つ
のバンドはゼロの波動ベクトル(k=0)においてスピ
ンが縮退し、それぞれ“重い”、“軽い”と名付けられ
た実効質量を有する。例えば、GaAsにおいて重い質
量は自由電子の質量の約1/2と考えられ、一方、軽い
質量は自由電子の質量の約1/10と考えられる。他の
材料においても同様に重い及び軽い質量を示す。これら
の材料で製作される量子井戸の波動ベクトルk=0にお
けるスピン縮退は、図1Aに示すように、軽い質量のバ
ンドのエネルギよりも、一般に大きい重い質量のエネル
ギによって量子寸法効果により破壊される。このバンド
のアライメントにおいて、量子井戸の基本光学遷移が、
伝導バンドと重い価電子バンド間に生ずる。電子とホー
ルの放射再結合によって放射され量子井戸面を伝播する
電磁放射は、量子井戸境界面に平行な電界で線形的に偏
光される(TE偏光)。
【0015】しかしながら、量子井戸が(001)結晶
方向に沿って一軸の圧縮応力を受けると、軽い及び重い
両方のサブバンドは、高いエネルギの方へシフトされる
のがわかる。重要なことには、このシフトは重いサブバ
ンドよりも軽いサブバンドの方が大きい。このように圧
縮応力が十分に大きい場合、図1Bに示すように元のバ
ンド位置状態を反転して、臨界応力(SC) を越えて
基本光学遷移が伝導バンドと軽い価電子バンド間に生じ
る。この場合、量子井戸面を伝播する電磁放射の電界
は、量子井戸の境界面に対し垂直に偏光される(TM偏
光)。
方向に沿って一軸の圧縮応力を受けると、軽い及び重い
両方のサブバンドは、高いエネルギの方へシフトされる
のがわかる。重要なことには、このシフトは重いサブバ
ンドよりも軽いサブバンドの方が大きい。このように圧
縮応力が十分に大きい場合、図1Bに示すように元のバ
ンド位置状態を反転して、臨界応力(SC) を越えて
基本光学遷移が伝導バンドと軽い価電子バンド間に生じ
る。この場合、量子井戸面を伝播する電磁放射の電界
は、量子井戸の境界面に対し垂直に偏光される(TM偏
光)。
【0016】前述後半の物理原理を活用して、外部から
印加する電界によって出力放射偏光をTMからTEに切
換え可能な量子井戸半導体レーザ・デバイスを提供する
ことができる。
印加する電界によって出力放射偏光をTMからTEに切
換え可能な量子井戸半導体レーザ・デバイスを提供する
ことができる。
【0017】このレーザ・デバイスは、応力が圧縮で、
電界の臨界値SC を越える大きさの応力を持つ、歪み
層の量子井戸を有する。直流の電界が無い場合は、図1
Bに例示するように出力放射はTMモードに偏光され
る。しかしながら、本発明による、外部から直流の電界
を量子井戸の境界面に垂直に印加すると、シュタルク効
果によって重いホール・サブバンド及び軽いホール・サ
ブバンドが高い方のエネルギにシフトされることがわか
る。重いホールの方が軽いホールのシフトより大きいの
で、各ホールの相互の分離は、電界の大きさが増加する
と共に減少する。図1Cから理解できるように、臨界電
界の闘値を越えると、重いホール・バンドは軽いホール
・バンドよりも高いエネルギに位置し、放出された放射
の偏光は、TMモードからTEモードに急激に切り変わ
る。このように、ある電界の大きさが臨界電界を越える
と、重いサブバンドと軽いサブバンドの分離は、出力放
射伝播のTEモードの回復に対応して図1Aに示される
応力の無い状態に効率的に置かれる。
電界の臨界値SC を越える大きさの応力を持つ、歪み
層の量子井戸を有する。直流の電界が無い場合は、図1
Bに例示するように出力放射はTMモードに偏光され
る。しかしながら、本発明による、外部から直流の電界
を量子井戸の境界面に垂直に印加すると、シュタルク効
果によって重いホール・サブバンド及び軽いホール・サ
ブバンドが高い方のエネルギにシフトされることがわか
る。重いホールの方が軽いホールのシフトより大きいの
で、各ホールの相互の分離は、電界の大きさが増加する
と共に減少する。図1Cから理解できるように、臨界電
界の闘値を越えると、重いホール・バンドは軽いホール
・バンドよりも高いエネルギに位置し、放出された放射
の偏光は、TMモードからTEモードに急激に切り変わ
る。このように、ある電界の大きさが臨界電界を越える
と、重いサブバンドと軽いサブバンドの分離は、出力放
射伝播のTEモードの回復に対応して図1Aに示される
応力の無い状態に効率的に置かれる。
【0018】理解できるように、このタイプの作用を実
施できる重要な材料の条件は、量子井戸の圧縮応力の実
現と、SC を越える大きさを有する圧縮応力である。
施できる重要な材料の条件は、量子井戸の圧縮応力の実
現と、SC を越える大きさを有する圧縮応力である。
【0019】図2Aには、本発明によって製作、作動さ
れた第1実施例の量子井戸半導体レーザ・デバイス10
が示されている。n+ GaAsの基板12が、約100
ミクロンの典型的な厚さで提供されている。基板12上
には、例えば、非ドープ(真性)の約x≧0.02であ
るAlAs1−xSbxがエピタキシャル成長され、障
壁及びバッファ層14とで合計の厚さが約1ミクロンで
ある。エピタキシャル成長は、例えば、分子線エピタキ
シ法(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 及び、金属有機
物化学気相成長方法(MOCVD: Metal-organic Chemical
Vapor Deposition)のような従来の成膜技術で実施する
ことができる。
れた第1実施例の量子井戸半導体レーザ・デバイス10
が示されている。n+ GaAsの基板12が、約100
ミクロンの典型的な厚さで提供されている。基板12上
には、例えば、非ドープ(真性)の約x≧0.02であ
るAlAs1−xSbxがエピタキシャル成長され、障
壁及びバッファ層14とで合計の厚さが約1ミクロンで
ある。エピタキシャル成長は、例えば、分子線エピタキ
シ法(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 及び、金属有機
物化学気相成長方法(MOCVD: Metal-organic Chemical
Vapor Deposition)のような従来の成膜技術で実施する
ことができる。
【0020】層14の成長プロセスは、層14が約20
00オングストローム(Å)の厚さに付着されてた後、
中断し、相当に薄い(100オングストローム )厚さ
のGaAsの量子井戸16が形成させられる。量子井戸
16は下部の層14よりも小さい格子定数を有すること
によって歪められる。電界の臨界値SC の大きさは、
量子井戸16の幅の関数である。ミクロン・オーダーの
典型的な幅のSC は、約4kbarで、xが約0.0
2における、約0.3%の格子不整合に相当する。
00オングストローム(Å)の厚さに付着されてた後、
中断し、相当に薄い(100オングストローム )厚さ
のGaAsの量子井戸16が形成させられる。量子井戸
16は下部の層14よりも小さい格子定数を有すること
によって歪められる。電界の臨界値SC の大きさは、
量子井戸16の幅の関数である。ミクロン・オーダーの
典型的な幅のSC は、約4kbarで、xが約0.0
2における、約0.3%の格子不整合に相当する。
【0021】単一のGaAs層を有する量子井戸16の
代わりに、量子井戸16は、各々の層の厚さが約100
オングストローム(Å)で、約x≧0.02であるGa
As/AlAs1−xSbxから成る複数の交互配置の
層を有するMQW領域として製作することができる。M
QW構造は、2つのMQW材料間の格子不整合により、
上記同様の圧縮されて歪んだ、歪み構成の働きを行な
う。
代わりに、量子井戸16は、各々の層の厚さが約100
オングストローム(Å)で、約x≧0.02であるGa
As/AlAs1−xSbxから成る複数の交互配置の
層を有するMQW領域として製作することができる。M
QW構造は、2つのMQW材料間の格子不整合により、
上記同様の圧縮されて歪んだ、歪み構成の働きを行な
う。
【0022】量子井戸16の製作後、さらにもう1つの
約x≧0.02である厚さが1ミクロンのAlAs
1−xSbxがエピタキシャル成長される。n+ 拡散領
域18が形成され、同様に、p+ 拡散領域20が形成さ
れる。拡散領域18及び20は、適切なドーパント種の
イオン注入によっても形成することができる。拡散領域
18及び20は、層の表面から約4000オングストロ
ーム(Å)の深さを有し、順方向にバイアスされた場
合、キャリアを量子井戸16に注入するために量子井戸
16と横方向に結合される。拡散領域18及び20の間
隔は、約50〜100ミクロンである。伝導電極22が
量子井戸16に垂直に電界を印加させるために、従来の
方法で層の表面に形成される。電界が電極22及び基板
12間に作用するようになり、基板12は作用中、一般
に共通電位に結合される。電極22は、電圧がゲート変
調デバイス作用に印加される従来の電界効果トランジス
タ(FET)のゲートと同様の働きをする。しかしなが
ら、従来のFET電流が変調されるのに対して、本発明
の光素子は、印加される“ゲート”の電圧が出力放射の
偏光をTMモードとTEモードに切換える。
約x≧0.02である厚さが1ミクロンのAlAs
1−xSbxがエピタキシャル成長される。n+ 拡散領
域18が形成され、同様に、p+ 拡散領域20が形成さ
れる。拡散領域18及び20は、適切なドーパント種の
イオン注入によっても形成することができる。拡散領域
18及び20は、層の表面から約4000オングストロ
ーム(Å)の深さを有し、順方向にバイアスされた場
合、キャリアを量子井戸16に注入するために量子井戸
16と横方向に結合される。拡散領域18及び20の間
隔は、約50〜100ミクロンである。伝導電極22が
量子井戸16に垂直に電界を印加させるために、従来の
方法で層の表面に形成される。電界が電極22及び基板
12間に作用するようになり、基板12は作用中、一般
に共通電位に結合される。電極22は、電圧がゲート変
調デバイス作用に印加される従来の電界効果トランジス
タ(FET)のゲートと同様の働きをする。しかしなが
ら、従来のFET電流が変調されるのに対して、本発明
の光素子は、印加される“ゲート”の電圧が出力放射の
偏光をTMモードとTEモードに切換える。
【0023】図2Bには、電界を活性量子井戸領域に印
加する代替方法が例示されている。特に、デバイス30
は、p+GaAsのコンタクト層44とn+GaAsの基
板32間に形成される垂直p−n接合を備える。この垂
直p−n接合は、出力放射の偏光を切換えるための十分
な大きさの電界を与えるために作動中、逆方向にバイア
スをかけられる。
加する代替方法が例示されている。特に、デバイス30
は、p+GaAsのコンタクト層44とn+GaAsの基
板32間に形成される垂直p−n接合を備える。この垂
直p−n接合は、出力放射の偏光を切換えるための十分
な大きさの電界を与えるために作動中、逆方向にバイア
スをかけられる。
【0024】詳細に説明すると、デバイス30は、約1
00ミクロンの厚さであるn+GaAsの基板32を有
する。基板32の上部層は約1ミクロンの厚さのn型A
lAsSbバッファ層34である。バッファ層34の上
部層は各々が100オングストローム(Å)の厚さの複
数の薄膜層38と40で構成する活性量子井戸領域36
である。薄膜層38は非ドープ(真性)のAlAsSb
から成り、薄膜層40は非ドープのGaAsから成る。
量子井戸領域36の上部層は厚さ約1ミクロンのp型A
lAsSb層である。層34及び42は活性量子井戸領
域を挟む被覆層として、従来の様態で活性量子井戸領域
から生ずる放射を閉じこめる役目を行なう。層42の上
部層はp+ GaAsのコンタクト層44である。n+拡
散46とp+拡散48は順方向にバイアスされた場合、
キャリアを活性領域に注入する働きをする水平p−n接
合を実現する。
00ミクロンの厚さであるn+GaAsの基板32を有
する。基板32の上部層は約1ミクロンの厚さのn型A
lAsSbバッファ層34である。バッファ層34の上
部層は各々が100オングストローム(Å)の厚さの複
数の薄膜層38と40で構成する活性量子井戸領域36
である。薄膜層38は非ドープ(真性)のAlAsSb
から成り、薄膜層40は非ドープのGaAsから成る。
量子井戸領域36の上部層は厚さ約1ミクロンのp型A
lAsSb層である。層34及び42は活性量子井戸領
域を挟む被覆層として、従来の様態で活性量子井戸領域
から生ずる放射を閉じこめる役目を行なう。層42の上
部層はp+ GaAsのコンタクト層44である。n+拡
散46とp+拡散48は順方向にバイアスされた場合、
キャリアを活性領域に注入する働きをする水平p−n接
合を実現する。
【0025】図2Aの実施例における、様々な材料の組
成は、量子井戸領域36で発生する放射がTM偏光を有
するように量子井戸領域36が歪められるよう、少なく
とも格子定数において0.3%の差になるように、選ば
れる。これに関してAlAsSbは、約x≧0.02で
あるAlAs1−xSbxの組成物である。基板32及
びコンタクト層44間に印加される逆方向のバイアス電
圧は、臨界値を越える大きさの電界を発生させるように
選択される。
成は、量子井戸領域36で発生する放射がTM偏光を有
するように量子井戸領域36が歪められるよう、少なく
とも格子定数において0.3%の差になるように、選ば
れる。これに関してAlAsSbは、約x≧0.02で
あるAlAs1−xSbxの組成物である。基板32及
びコンタクト層44間に印加される逆方向のバイアス電
圧は、臨界値を越える大きさの電界を発生させるように
選択される。
【0026】図2Cを参照する。本発明のさらに他の実
施例が例示されている。デバイス50は約100ミクロ
ンの厚さを有するn+InP の基板52を備える。基板
52の上部層はn+ InPのバッファ層54である。バ
ッファ層54の上部層は真性のInPを有する0.1ミ
クロンの厚さの薄膜層56である。薄膜層56の上部層
は例えば、各々が約100オングストロームの厚さを有
する10層の層60及び62から成る量子井戸領域58
である。層60は、約0.9≧x≧0.55であるGa
xIn1−xAsから成り、一方、層62はInPで構
成する。GaInAsの組成は量子井戸領域58内で必
要な歪み(SC) が生じるように、層60及び62間
の格子定数の差が少なくとも約0.3%になるように選
択される。量子井戸領域58の上部層は、厚さ約0.1
ミクロンの真性InP層64である。InP層56及び
64は量子井戸領域内で生ずる放射を閉じこめる被覆層
の役目を担う。上部層のコンタクト層66はp+ InP
である。n+及びp+拡散で形成する横方向にバイアスさ
れたp−n接合は図2Cのデバイス50には図示されて
いない。基板52とコンタクト層66間に印加された逆
方向のバイアス電位は、出力放射の偏光をTMモードか
らTEモードに切換えるための臨界値を越える電界の強
さを生じさせるように十分な大きさを与えられる。典型
的な電界の強さは、小電圧の逆方向のバイアスで容易に
実行できる約100kV/cmである。必要な実際の電
圧は、デバイスの量子井戸層の層数の関数である。
施例が例示されている。デバイス50は約100ミクロ
ンの厚さを有するn+InP の基板52を備える。基板
52の上部層はn+ InPのバッファ層54である。バ
ッファ層54の上部層は真性のInPを有する0.1ミ
クロンの厚さの薄膜層56である。薄膜層56の上部層
は例えば、各々が約100オングストロームの厚さを有
する10層の層60及び62から成る量子井戸領域58
である。層60は、約0.9≧x≧0.55であるGa
xIn1−xAsから成り、一方、層62はInPで構
成する。GaInAsの組成は量子井戸領域58内で必
要な歪み(SC) が生じるように、層60及び62間
の格子定数の差が少なくとも約0.3%になるように選
択される。量子井戸領域58の上部層は、厚さ約0.1
ミクロンの真性InP層64である。InP層56及び
64は量子井戸領域内で生ずる放射を閉じこめる被覆層
の役目を担う。上部層のコンタクト層66はp+ InP
である。n+及びp+拡散で形成する横方向にバイアスさ
れたp−n接合は図2Cのデバイス50には図示されて
いない。基板52とコンタクト層66間に印加された逆
方向のバイアス電位は、出力放射の偏光をTMモードか
らTEモードに切換えるための臨界値を越える電界の強
さを生じさせるように十分な大きさを与えられる。典型
的な電界の強さは、小電圧の逆方向のバイアスで容易に
実行できる約100kV/cmである。必要な実際の電
圧は、デバイスの量子井戸層の層数の関数である。
【0027】約0.3%の格子不整合に相当するSC
の値、約4kbarの基準を満足する他の材料の組成例
は、約x≧0.6であるGaSb/Ga1−xAlxS
bを有するが、必ずしもこれに制限されるとは限らな
い。
の値、約4kbarの基準を満足する他の材料の組成例
は、約x≧0.6であるGaSb/Ga1−xAlxS
bを有するが、必ずしもこれに制限されるとは限らな
い。
【0028】一般に、量子井戸の働きをする材料が図2
A〜図2Cの実施例同様にSC を越える一軸圧縮応力
を受けやすい、いずれの他の材料の組合せを用いること
ができる。
A〜図2Cの実施例同様にSC を越える一軸圧縮応力
を受けやすい、いずれの他の材料の組合せを用いること
ができる。
【0029】これらの代替材料は、MBEやMOCVD
のような従来の成膜方法によってエピタキシャル的な層
にすることができる。
のような従来の成膜方法によってエピタキシャル的な層
にすることができる。
【0030】量子的な例として、周囲が相当に厚い、約
x≧0.02であるAlAs1−xSbx層14で、歪
みポテンシャルが10meVである100オングストロ
ーム(Å)の厚さのGaAsの量子井戸16を有する構
造体における、計算された価電子バンドが図3A〜図3
Cに図示されている。電界の強さがゼロでは(図3
A)、高位層バンド(LH1)は、量子化(001)結
晶方向で軽い質量(〜0.08m0。 但しm0 は自由
電子の質量)であるが、量子井戸16の面においては質
量は重い。対照的に、第2の高位層バンド(HH2)は
量子化(001)結晶方向では重い質量であるが、量子
化(001)結晶方向の方向に対して垂直方向では軽い
質量である。
x≧0.02であるAlAs1−xSbx層14で、歪
みポテンシャルが10meVである100オングストロ
ーム(Å)の厚さのGaAsの量子井戸16を有する構
造体における、計算された価電子バンドが図3A〜図3
Cに図示されている。電界の強さがゼロでは(図3
A)、高位層バンド(LH1)は、量子化(001)結
晶方向で軽い質量(〜0.08m0。 但しm0 は自由
電子の質量)であるが、量子井戸16の面においては質
量は重い。対照的に、第2の高位層バンド(HH2)は
量子化(001)結晶方向では重い質量であるが、量子
化(001)結晶方向の方向に対して垂直方向では軽い
質量である。
【0031】電界により波動ベクトルk=0において、
2つのバンド間の距離は縮小する。図3Bにおいて電界
の強さが75kV/cmにおける2つのバンドは縮退し
ていることがわかる。図3Cに図示するようにこの電界
を越えると“HH”は電界の強さの関数としてバンド・
エッジのエネルギよりも高い。GaAsの価電子バンド
の複雑さを考慮にいれたこの予測は前述した定性的な説
明を裏付ける。さらに、図3A〜図3Cのグラフは必要
な応力と電界の強さが現在の製作方法で適当な、容易さ
で得ることができることを示す。さらに又、偏光の切換
えは、注入電流又はデバイスの反転分布の対応変化を必
要せずに実施することができる。このように従来の技術
で必要であった反転分布を変化させることは不用で、主
にデバイスのRCの時定数で制限することができる高速
切換えを実現する。
2つのバンド間の距離は縮小する。図3Bにおいて電界
の強さが75kV/cmにおける2つのバンドは縮退し
ていることがわかる。図3Cに図示するようにこの電界
を越えると“HH”は電界の強さの関数としてバンド・
エッジのエネルギよりも高い。GaAsの価電子バンド
の複雑さを考慮にいれたこの予測は前述した定性的な説
明を裏付ける。さらに、図3A〜図3Cのグラフは必要
な応力と電界の強さが現在の製作方法で適当な、容易さ
で得ることができることを示す。さらに又、偏光の切換
えは、注入電流又はデバイスの反転分布の対応変化を必
要せずに実施することができる。このように従来の技術
で必要であった反転分布を変化させることは不用で、主
にデバイスのRCの時定数で制限することができる高速
切換えを実現する。
【0032】本発明は、バルクのIII−V族の材料に
ついて述べたが、隣接する材料の層の間の格子不整合が
量子井戸領域内でTM偏光を有する出力放射を放射させ
るのに十分な圧縮歪みを与えるバルクのIV族及びII
−VI族のような他の材料についても又、応用できる。
このように本発明は数例の実施例について特に図示し、
説明したが、この分野の専門家は、本発明の趣旨、及び
範囲内で内容の変更ができることがわかる。
ついて述べたが、隣接する材料の層の間の格子不整合が
量子井戸領域内でTM偏光を有する出力放射を放射させ
るのに十分な圧縮歪みを与えるバルクのIV族及びII
−VI族のような他の材料についても又、応用できる。
このように本発明は数例の実施例について特に図示し、
説明したが、この分野の専門家は、本発明の趣旨、及び
範囲内で内容の変更ができることがわかる。
【0033】
【発明の効果】本発明の光素子は、偏光をTMモードと
TEモードに高速に切換える能力を有し、データ通信装
置に関して特に有用で、且つ高感度偏光光検出器との組
合せにおけるオプティカル・デジタル応用では非常に有
用である。
TEモードに高速に切換える能力を有し、データ通信装
置に関して特に有用で、且つ高感度偏光光検出器との組
合せにおけるオプティカル・デジタル応用では非常に有
用である。
【図1A】伝導バンドに対する量子井戸の第1の重いホ
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力が無く且つ電界がゼロの場合のエネルギ・
バンド図である。
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力が無く且つ電界がゼロの場合のエネルギ・
バンド図である。
【図1B】伝導バンドに対する量子井戸の第1の重いホ
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力は存在するが電界がゼロの場合のエネルギ
・バンド図である。
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力は存在するが電界がゼロの場合のエネルギ
・バンド図である。
【図1C】伝導バンドに対する量子井戸の第1の重いホ
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力、及び相当な大きさの電界が印加された場
合のエネルギ・バンド図である。
ール及び軽いホールのサブバンドにおいて、量子井戸領
域全体に応力、及び相当な大きさの電界が印加された場
合のエネルギ・バンド図である。
【図2A】本発明によって製作、作用された歪み層のQ
Wレーザ・ダイオードの実施例の断面拡大図である。
Wレーザ・ダイオードの実施例の断面拡大図である。
【図2B】本発明によって製作、作用された歪み層のQ
Wレーザ・ダイオードの他の実施例の断面拡大図であ
る。
Wレーザ・ダイオードの他の実施例の断面拡大図であ
る。
【図2C】本発明によって製作、作用された歪み層のQ
Wレーザ・ダイオードのさらに他の実施例の断面拡大図
である。
Wレーザ・ダイオードのさらに他の実施例の断面拡大図
である。
【図3A】電界の強さがゼロである、10meVの歪み
ポテンシャル(4kbar)におけるGaAsのQWの
価電子バンドのエネルギ分布図である。
ポテンシャル(4kbar)におけるGaAsのQWの
価電子バンドのエネルギ分布図である。
【図3B】電界の強さが75kV/cmである、10m
eVの歪みポテンシャル(4kbar)におけるGaA
sのQWの価電子バンドのエネルギ分布図である。
eVの歪みポテンシャル(4kbar)におけるGaA
sのQWの価電子バンドのエネルギ分布図である。
【図3C】電界の強さが100kV/cmである、10
meVの歪みポテンシャル(4kbar)におけるGa
AsのQWの価電子バンドのエネルギ分布図である。
meVの歪みポテンシャル(4kbar)におけるGa
AsのQWの価電子バンドのエネルギ分布図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドヨル・アン 大韓民国ソウル市、ジョングロ・ク、サム チャン・ドン35−149番地
Claims (27)
- 【請求項1】第1半導体材料と第2半導体材料を有し、
上記第2半導体材料の格子定数が、量子井戸領域内で生
じた電磁放射がTM偏光を有するように量子井戸領域を
歪ませるのに十分な量だけ上記第1半導体材料の格子定
数と差がある、量子井戸領域と、 電界が量子井戸領域全体に印加中、上記量子井戸領域内
で生じた電磁放射がTE偏光を有する闘値を越える大き
さの上記電界を、量子井戸領域全体に印加する手段、と
を有する半導体光素子。 - 【請求項2】上記第1半導体材料がAlAsSb、且つ
上記第2半導体材料がGaAsである請求項1記載の半
導体光素子。 - 【請求項3】上記第1半導体材料が、x≧0.02であ
るAlAs1−xSbx、且つ上記第2半導体材料がG
aAsである請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項4】上記第1半導体材料がGaAlSb、且つ
上記第2半導体材料がGaSbである請求項1記載の半
導体光素子。 - 【請求項5】上記第1半導体材料が、x≧0.06であ
るGa1−xAlxSb、且つ上記第2半導体材料がG
aSbである請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項6】上記第1半導体材料がGaInAs、且つ
上記第2半導体材料がInPである請求項1記載の半導
体光素子。 - 【請求項7】上記第1半導体材料が、0.9≧x≧0.
55であるGaxIn1−xAs、且つ上記第2半導体
材料がInPである請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項8】上記第1半導体材料と上記第2半導体材料
の格子定数の差が少なくとも約0.3%である請求項1
記載の半導体光素子。 - 【請求項9】上記量子井戸領域の下部に基板をさらに有
する請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項10】上記基板がGaAs又はInPである請
求項9記載の半導体光素子。 - 【請求項11】上記第1半導体材料の厚さが約1ミクロ
ンで、且つ上記第2半導体材料の厚さが約100オング
ストローム(Å)である請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項12】キャリアを上記量子井戸領域に注入する
ために付着されたp−n接合をさらに有する請求項1記
載の半導体光素子。 - 【請求項13】電界を上記量子井戸領域の1つ、又はそ
れ以上の面に垂直に印加するための印加手段が、付着さ
れた電極手段を有する請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項14】電界を上記量子井戸領域の1つ、又はそ
れ以上の面に垂直に印加するための印加手段が、付着さ
れたp−n接合を有する請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項15】上記量子井戸領域が、各々の一対の層の
間に上記第1半導体材料の層を挟んだ、複数の上記第2
半導体材料の層を有する請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項16】上記闘値の大きさが、電磁放射の偏光を
TM偏光モードからTE偏光モードに切換えるために量
子井戸領域内で重いホール・バントが軽いホール・バン
ドよりも高いエネルギを有するのに、十分な大きさであ
る請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項17】基板と、 上記基板の表面上に付着させられた第1半導体材料と、 量子井戸領域内で生じた電磁放射が、TM偏光を有する
ように量子井戸領域を圧縮して歪ませるのに十分な量だ
け、第1半導体材料の格子定数と差がある、格子定数を
有する第2半導体材料の少なくとも1つの層を有する、
第1半導体材料の隣に形成させられた量子井戸領域と、 電磁放射の偏光をTM偏光からTE偏光に切換えするた
めの十分な大きさを有する電界を少なくとも量子井戸領
域の1つの層の全体に垂直に印加する手段、とを有する
半導体レーザ。 - 【請求項18】上記第1半導体材料がAlAsSb、且
つ上記第2半導体材料がGaAsである請求項17記載
の半導体レーザ。 - 【請求項19】上記第1半導体材料がGaAlSb、且
つ上記第2半導体材料がGaSbである請求項17記載
の半導体レーザ。 - 【請求項20】上記第1半導体材料がInP、且つ上記
第2半導体材料がGaInAsである請求項17記載の
半導体レーザ。 - 【請求項21】上記第1半導体材料と上記第2半導体材
料の格子定数の差が少なくとも0.3%である請求項1
7記載の半導体レーザ。 - 【請求項22】キャリアを上記量子井戸領域の1つ、又
はそれ以上の層の側面に注入するために、付着させられ
たp−n接合をさらに有する請求項17記載の半導体レ
ーザ。 - 【請求項23】電界を上記量子井戸領域の1つ、又はそ
れ以上の層全体に垂直に印加するための印加手段が、付
着させられた電極を有する請求項17記載の半導体レー
ザ。 - 【請求項24】電界を上記量子井戸領域の1つ、又はそ
れ以上の層全体に垂直に印加するための印加手段が、付
着させられたp−n接合を有する請求項17記載の半導
体レーザ。 - 【請求項25】上記量子井戸領域が、上記第1半導体材
料と上記第2半導体材料のそれぞれの層を含む複数の層
を有し、上記第2半導体材料がGaAs、GaSb、且
つ、0.9≧x≧0.55であるGaxIn1−xAs
の群から選択された、請求項17記載の半導体レーザ。 - 【請求項26】上記量子井戸領域が、上記第1半導体材
料と上記第2半導体材料のそれぞれの層を含む複数の層
を有し、上記第1半導体材料が、x≧0.02であるA
lAs1−xSbx、x≧0.6であるGa1−xAl
xSb、及びInPの群から選択された、請求項17記
載の半導体レーザ。 - 【請求項27】電界の臨界値(SC) を越える大きさ
の一軸圧縮応力を受ける1つ又はそれ以上の量子井戸を
有する半導体レーザを提供するステップと、 TM偏光を有する電磁放射を生じさせるために半導体レ
ーザを動作させるステップと、 半導体レーザにTE偏光を有する電磁放射を生じさせる
ために、闘値の大きさよりも大きい電界を1つ又はそれ
以上の量子井戸に垂直に印加するステップ、とを有する
半導体レーザを動作させる方法。
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