JPH06175173A - Nonlinear optical device - Google Patents

Nonlinear optical device

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JPH06175173A
JPH06175173A JP33027792A JP33027792A JPH06175173A JP H06175173 A JPH06175173 A JP H06175173A JP 33027792 A JP33027792 A JP 33027792A JP 33027792 A JP33027792 A JP 33027792A JP H06175173 A JPH06175173 A JP H06175173A
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JP
Japan
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material layer
electrons
holes
layer
optical device
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JP33027792A
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Japanese (ja)
Inventor
Tsuguo Inada
嗣夫 稲田
Shunichi Muto
俊一 武藤
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

PURPOSE:To enable high speed moving without decreasing an exciton absorption peak intensity and without damaging nonlinear optical properties by having almost the same tunneling time of hole as electrons and having strong confinement of electrons in an active layer. CONSTITUTION:The device is provided with a longitudinal structure pn type superlattice SL in which a first material layer A1, a second or third material layer A2 being a quantum well containing p type impurities, a fourth material layer B2 being a potential barrier only to electrons a first material layer A3, a second material layer A4 being an active layer of the quantum layer and having the thickness capable of existing of two dimensional excitons, a first material layer A5 and a second or third material layer A6 being a quantum well containing (n) type impurities are respectively laminated to form one cycle. Energy difference between a first quantum level of an electron and a first quantum level of a hole generated in the second or third material layer A2 and A6 is larger than the energy difference between the first quantum level of an electron and the first quantum level of a hole generated in the second material layer A4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、TBQ(tunnel
ing bi−quantum well:TBQ)構
造を有し、光・光スイッチ、光双安定装置、光・光メモ
リなどとして機能する非線型光学装置の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to TBQ (tunnel).
The present invention relates to improvement of a non-linear optical device having an ing bi-quantum well (TBQ) structure and functioning as an optical / optical switch, an optical bistable device, an optical / optical memory, or the like.

【0002】通常、この種の非線型光学装置は、動作光
の照射及び非照射に依って動作状態及び非動作状態を切
り換え、装置に入力される非動作光の伝送を制御するよ
うに作用するものであり、現在、その高速動作性及びS
/Nの向上などが要求されている。
[0002] Normally, this type of non-linear optical device operates so as to switch between an operating state and a non-operating state depending on irradiation and non-irradiation of operating light, and control transmission of non-operating light input to the device. Which is currently high speed operation and S
/ N is required to be improved.

【0003】[0003]

【従来の技術】一般に、非線型光学装置として半導体超
格子を用いたものが知られ、これは、二次元励起子の光
吸収及び回復に伴う非線型動作特性を利用するものであ
って、光の伝送を高速で制御することができる。
2. Description of the Related Art Generally, as a non-linear optical device, a device using a semiconductor superlattice is known, which utilizes a non-linear operation characteristic associated with light absorption and recovery of two-dimensional excitons. Can be controlled at high speed.

【0004】ところが、前記非線型光学装置に於いて
は、二次元励起子の生成は速いのであるが、回復時間が
電子と正孔の再結合時間に依存するので遅くなってしま
い、従って、全体としての動作は遅い方で決まってしま
う。
However, in the above-mentioned nonlinear optical device, although the two-dimensional excitons are produced quickly, the recovery time depends on the recombination time of electrons and holes, and hence the recovery time becomes slower. The operation as is decided by the slower one.

【0005】前記のような問題を解消しようとして、T
BQ構造をもった非線型光学装置が開発された(要すれ
ば、特願昭63−224547号を参照)。
In an attempt to solve the above problems, T
A non-linear optical device having a BQ structure has been developed (see Japanese Patent Application No. 63-224547, if necessary).

【0006】図5は従来のTBQ構造をもつ非線型光学
装置を解説する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムで
ある。図5に於いて、31,33,35,37は広い禁
制帯の材料からなる半導体層で生成された電位障壁、3
2及び36は狭い禁制帯の材料からなる厚い半導体層で
生成された広い量子井戸、34は狭い禁制帯の材料から
なる薄い半導体層で生成された狭い量子井戸、EV は価
電子帯の頂、EC は伝導帯の底、e1 は量子井戸内に於
ける電子の第一量子準位、h1 は量子井戸内に於ける正
孔の第一量子準位をそれぞれ示している。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining a non-linear optical device having a conventional TBQ structure. In FIG. 5, reference numerals 31, 33, 35, and 37 denote potential barriers generated in the semiconductor layer made of a material having a wide band gap.
2 and 36 are wide quantum wells formed by a thick semiconductor layer made of a narrow bandgap material, 34 is a narrow quantum well formed by a thin semiconductor layer made of a narrow bandgap material, and E V is the top of the valence band. , E C is the bottom of the conduction band, e 1 is the first quantum level of the electron in the quantum well, and h 1 is the first quantum level of the hole in the quantum well.

【0007】図5から判るように、この非線型光学装置
は、広い禁制帯の材料からなる半導体層で生成された電
位障壁33及び35で挟まれた狭い禁制帯の材料からな
る薄い半導体層で生成された狭い量子井戸34と、それ
等の両側に在って狭い禁制帯の材料からなる厚い半導体
層で生成された広い量子井戸32及び36とからなる構
成全体を一単位とするTBQ構造を含んでいる。
As can be seen from FIG. 5, this non-linear optical device is a thin semiconductor layer of a narrow bandgap material sandwiched by potential barriers 33 and 35 created by a semiconductor layer of a wide bandgap material. A TBQ structure in which the entire structure including the generated narrow quantum wells 34 and the wide quantum wells 32 and 36 formed on both sides of the narrow quantum wells 34 with thick semiconductor layers made of a material having a narrow forbidden band as one unit is adopted. Contains.

【0008】この非線型光学装置では、狭い量子井戸3
4をなす半導体層が実際の能動層として動作し、また、
広い量子井戸32及び36をなす半導体層が電子の捨て
場、即ち、非能動層として用いられる。
In this nonlinear optical device, the narrow quantum well 3
4 semiconductor layers act as actual active layers, and
The semiconductor layer forming the wide quantum wells 32 and 36 is used as a waste field of electrons, that is, as an inactive layer.

【0009】従って、この非線型光学装置に被制御光を
照射しておき、それより強力な制御光を照射することに
依って、被制御光の透過或いは非透過を制御するもので
あって、制御光に依って能動層である狭い量子井戸34
に生成された電子及び正孔のうちの電子は両側に在る電
位障壁33或いは35を容易にトンネリングして非能動
層である広い量子井戸32或いは36に移る。この現象
は、狭い量子井戸34内に於ける電子の第一量子準位e
1 に比較し、広い量子井戸32或いは36内の第一量子
準位e1 が低いことに原因がある。
Therefore, by irradiating the non-linear optical device with the controlled light and irradiating the control light with a stronger intensity, the transmission or non-transmission of the controlled light is controlled. Narrow quantum well 34 which is an active layer depending on control light
The electrons generated in the above and the electrons of the holes easily tunnel through the potential barriers 33 or 35 on both sides and move to the wide quantum well 32 or 36 which is an inactive layer. This phenomenon is caused by the first quantum level e of electrons in the narrow quantum well 34.
This is because the first quantum level e 1 in the wide quantum well 32 or 36 is lower than that in 1 .

【0010】前記したところから明らかなように、この
非線型光学装置の回復時間は、狭い量子井戸34に生成
された電子が電位障壁33或いは35をトンネリングす
る時間に依って決まることになり、通常、0.5〔p
s〕〜500〔ps〕の程度にすることができ、極めて
高速であって、冒頭に記述した非線型光学装置に比較す
ると光の吸収能力を回復する時間は著しく短縮すること
ができた。
As is clear from the above description, the recovery time of this nonlinear optical device depends on the time taken for the electrons generated in the narrow quantum well 34 to tunnel the potential barrier 33 or 35, and is usually , 0.5 [p
s] to 500 [ps], which is extremely high speed, and the time for recovering the light absorbing ability can be remarkably shortened as compared with the nonlinear optical device described at the beginning.

【0011】ところが、この非線型光学装置では、電子
の捨場である非能動層、即ち、広い量子井戸32並びに
36をなす半導体層に於いても光吸収が生ずる旨の問題
があり、また、能動層、即ち、狭い量子井戸32及び3
6に於ける正孔の緩和が遅い旨の問題もある。
However, this non-linear optical device has a problem that light absorption occurs even in the non-active layer, which is a place where electrons are discarded, that is, in the semiconductor layers forming the wide quantum wells 32 and 36, and the active layer is active. Layers, ie narrow quantum wells 32 and 3
There is also a problem that the relaxation of holes in 6 is slow.

【0012】そこで、前記の諸問題を解消する為、縦構
造pn型超格子を用いた非線型光学装置が開発された
(要すれば、特願平2−411915号を参照)。図6
は縦構造pn型超格子を用いた非線型光学装置を説明す
る為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムある。
Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, a non-linear optical device using a vertical structure pn type superlattice has been developed (see Japanese Patent Application No. 2-411915, if necessary). Figure 6
Is an energy band diagram for explaining a non-linear optical device using a vertical structure pn type superlattice.

【0013】図6に於いて、C1は第一の禁制帯をもつ
第一の物質層、C2は第二の禁制帯をもつ第二の物質
層、C3は第一の禁制帯をもつ第一の物質層、C4は第
三の禁制帯をもつ第三の物質層、C5は第一の禁制帯を
もつ第一の物質層、C6は第四の禁制帯をもつ第四の物
質層、EV は価電子帯の頂、EC は伝導帯の底、Eg1
第一の物質層C1,C3,C5に於けるエネルギ・バン
ド・ギャップ、Eg2は第二の物質層C2に於けるエネル
ギ・バンド・ギャップ、Eg3は第三の物質層C4に於け
るエネルギ・バンド・ギャップ、Eg4は第四の物質層C
6に於けるエネルギ・バンド・ギャップ、e1 は電子の
第一量子準位、h1 は正孔の第一量子準位をそれぞれ示
している。
In FIG. 6, C1 is a first material layer having a first forbidden band, C2 is a second material layer having a second forbidden band, and C3 is a first material layer having a first forbidden band. Material layer, C4 is a third material layer having a third forbidden band, C5 is a first material layer having a first forbidden band, C6 is a fourth material layer having a fourth forbidden band, E V is the top of the valence band, E C is the bottom of the conduction band, E g1 is the energy band gap in the first material layers C1, C3, C5, and E g2 is in the second material layer C2. Energy band gap, E g3 is the energy band gap in the third material layer C4, E g4 is the fourth material layer C
6, the energy band gap, e 1 is the first quantum level of the electron, and h 1 is the first quantum level of the hole.

【0014】図6から明らかなように、この非線型光学
装置に於いては、キャリヤの捨場である非能動層である
第二の物質層C2及び第四の物質層C6は図5について
説明した非線型光学装置に比較して著しくワイド・バン
ド・ギャップ化してあり、そして、第三の物質層C4に
第一の物質層C3を介して接する第二の物質層C2にp
型不純物がドーピングされ、また、第一の物質層C5を
介して接する第四の物質層C6にn型不純物がドーピン
グされている。
As is apparent from FIG. 6, in this non-linear optical device, the second material layer C2 and the fourth material layer C6, which are inactive layers which are carriers for discarding, have been described with reference to FIG. Compared with the non-linear optical device, the band gap is remarkably widened, and the second material layer C2 is in contact with the third material layer C4 through the first material layer C3.
The fourth material layer C6, which is in contact with the first material layer C5 via the first material layer C5, is doped with the n-type impurity.

【0015】図6の非線型光学装置に於いては、第二の
物質層C2と第四の物質層C6とに不純物が添加された
ことに起因する内部電界に依って、第二の物質層C2、
第三の物質層C4、第四の物質層C6にそれぞれ生成さ
れる電子の第一量子準位のエネルギ・レベルが階段状に
傾斜して第二の物質層C2>第三の物質層C4>第四の
物質層C6となり、正孔の第一量子準位のエネルギ・レ
ベルも階段状に傾斜して第二の物質層C2<第三の物質
層C4<第四の物質層C6となる。
In the non-linear optical device of FIG. 6, the second material layer C2 is caused by an internal electric field resulting from the addition of impurities to the second material layer C2 and the fourth material layer C6. C2,
The energy levels of the first quantum levels of the electrons generated in the third material layer C4 and the fourth material layer C6 are inclined stepwise, and the second material layer C2> the third material layer C4> The fourth material layer C6 is formed, and the energy level of the first quantum level of holes is also graded in a stepwise manner so that the second material layer C2 <the third material layer C4 <the fourth material layer C6.

【0016】即ち、量子井戸をなす半導体材料の組成に
依存することなく、第三の物質層C4に生成された二次
元励起子の電子は第四の物質層C6に、また、正孔は第
二の物質層C2へと別々の層にトンネリングするような
エネルギ・バンド構造が生成されている。尚、第三の物
質層C4の電子と正孔の第一量子準位e1 及びh1 の間
のエネルギ差を第二の物質層C2及び第四の物質層C6
に於けるそれよりも大きくないようにし、主として第三
の物質層C4で光吸収が起こる構成になっている。
That is, the electrons of the two-dimensional excitons generated in the third substance layer C4 and the holes in the third substance layer C4 are independent of the composition of the semiconductor material forming the quantum well. Energy band structures have been created that tunnel into separate layers into the two material layers C2. The energy difference between the electron and hole first quantum levels e 1 and h 1 of the third material layer C4 is calculated as the second material layer C2 and the fourth material layer C6.
The light absorption is mainly made in the third material layer C4 so as not to be larger than that.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】図6について説明した
縦構造pn型超格子を用いた非線型光学装置は、能動層
である第三の物質層C4のみで光吸収が起こり、その第
三の物質層C4で光励起された電子と正孔はそれぞれ逆
方向に別々の井戸、即ち、第四の物質層C6と第二の物
質層C2とに逃がすようにしている為、電子と正孔のト
ンネリング時間を別個に制御することが可能となったの
である。
In the non-linear optical device using the vertical structure pn type superlattice described with reference to FIG. 6, light absorption occurs only in the third material layer C4 which is an active layer, and Since the electrons and holes photoexcited in the material layer C4 escape to the different wells in the opposite directions, that is, the fourth material layer C6 and the second material layer C2, the electrons and holes are tunneled. It became possible to control the time separately.

【0018】然しながら、電子と正孔の障壁層トンネリ
ング時間を同程度とするには、有効質量が大きい正孔に
対する障壁層を電子に対する障壁層に比較して極端に薄
くすることが必要であるが、正孔に対する障壁層が薄く
なると、能動層と正孔の捨場である量子井戸間に於ける
電子の波動関数のカップリングが強くなり、能動層に於
ける励起子吸収ピーク強度が低下する旨の問題が起こ
る。
However, in order to make the barrier layer tunneling times of electrons and holes comparable, it is necessary to make the barrier layer for holes having a large effective mass extremely thin as compared with the barrier layer for electrons. When the barrier layer for holes becomes thinner, the coupling of the electron wave function between the active layer and the quantum well, which is a hole waste field, becomes stronger, and the exciton absorption peak intensity in the active layer decreases. Problems occur.

【0019】本発明は、簡単な手段を採ることに依り、
正孔の障壁層トンネリング時間は電子の障壁層トンネリ
ング時間と遜色がないように、しかも、能動層に於ける
電子の閉じ込めを強力に行って励起子吸収ピーク強度の
低下がないように、即ち、二次元励起子に起因する非線
型光学性を損なうことなく高速動作を可能にしようとす
る。
The present invention relies on taking simple measures,
The hole barrier layer tunneling time is comparable to the electron barrier layer tunneling time, and moreover, the electrons are strongly confined in the active layer so that the exciton absorption peak intensity does not decrease. We aim to enable high-speed operation without impairing the nonlinear optical properties due to two-dimensional excitons.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理を解
説する為の非線型光学装置を表す要部斜面図であり、ま
た、図2は図1に見られる非線型光学装置のエネルギ・
バンド・ダイヤグラムである。
FIG. 1 is a perspective view of a main part of a nonlinear optical device for explaining the principle of the present invention, and FIG. 2 is an energy diagram of the nonlinear optical device shown in FIG.・
It is a band diagram.

【0021】図に於いて、1は基板、2はエッチング停
止層、SLは縦構造pn型超格子、A1は第一の禁制帯
をもつ第一の物質層、A2は第二又は第三の禁制帯をも
つ第二又は第三の物質層、A3は第一の禁制帯をもつ第
一の物質層、A4は第二の禁制帯をもつ第二の物質層、
A5は第一の禁制帯をもつ第一の物質層、A6は第二又
は第三の禁制帯をもつ第二又は第三の物質層、B1及び
B2は第四の禁制帯をもち且つ電子に対してのみ障壁と
して作用する第四の物質層、Dは欠陥層、e1は電子の
第一量子準位、h1 は正孔の第一量子準位をそれぞれ示
し、第二又は第三の物質層A2にはBeなどp型不純物
がドーピングされ、そして、第二又は第三の物質層A6
にはSiなどn型不純物がドーピングされている。
In the figure, 1 is a substrate, 2 is an etching stop layer, SL is a vertical structure pn type superlattice, A1 is a first material layer having a first forbidden band, and A2 is a second or third layer. A second or third material layer having a forbidden band, A3 is a first material layer having a first forbidden band, A4 is a second material layer having a second forbidden band,
A5 is a first material layer having a first forbidden band, A6 is a second or third material layer having a second or third forbidden band, and B1 and B2 have a fourth forbidden band and are electrons. A fourth material layer acting only as a barrier against only, D is a defect layer, e 1 is a first quantum level of an electron, h 1 is a first quantum level of a hole, and the second or third The material layer A2 is doped with p-type impurities such as Be, and the second or third material layer A6 is formed.
Is doped with an n-type impurity such as Si.

【0022】欠陥層Dは溝に代替することができ、何れ
にせよ、それ等と縦構造pn型超格子SLとの界面で
は、キャリヤの再結合速度が大きく、従って、そこでは
キャリヤの再結合が盛んに行われるので、キャリヤの捨
場である第二又は第三の物質層A2及びA6に蓄積され
るキャリヤは少なくなる。
The defect layer D can be replaced by a groove, and in any case, at the interface between them and the vertical structure pn type superlattice SL, the recombination velocity of carriers is large, and therefore, there is a recombination of carriers there. Therefore, less carriers are accumulated in the second or third material layer A2 and A6, which is a waste place for carriers.

【0023】前記ドーピングは、第二又は第三の物質層
A2或いは第二又は第三の物質層A6に均一に行って良
いのは勿論であるが、各物質層A2或いはA6の中心部
分にプレーナ・ドーピングすることもでき、そのように
した場合、第一の物質層A1や第四の物質層B1、又
は、第一の物質層A3や第四の物質層B2、或いは、第
一の物質層A5のそれぞれに対して成長時に不純物拡散
の虞が少なく、そして、均一ドーピングに比較して高濃
度のドーピングが可能であることから、大きな内部電界
を得るのに有利である。
Of course, the doping may be performed uniformly on the second or third material layer A2 or the second or third material layer A6, but the central portion of each material layer A2 or A6 may be planarized. It can also be doped, in which case the first material layer A1 or the fourth material layer B1 or the first material layer A3 or the fourth material layer B2 or the first material layer It is advantageous to obtain a large internal electric field because there is little risk of impurity diffusion during growth of each of A5 and high-concentration doping is possible as compared with uniform doping.

【0024】図1及び図2に見られる非線型光学装置
は、第一の物質層A1から第二又は第三の物質層A6ま
でを一周期とし、これを順次折り返したかたちで連続さ
せた構成の超格子からなっている。
The non-linear optical device shown in FIGS. 1 and 2 has a structure in which the first material layer A1 to the second or third material layer A6 are set as one cycle and are continuously folded in a continuous manner. It consists of a super lattice.

【0025】また、第二又は第三の物質層A2と第二又
は第三の物質層A6とに不純物が添加されたことに起因
する内部電界に依って、第二又は第三の物質層A2、第
二の物質層A4、第二又は第三の物質層A6にそれぞれ
生成される電子の第一量子準位e1 のエネルギ・レベル
は階段状に傾斜し、第二又は第三の物質層A2>第三の
物質層A4>第二又は第三の物質層A6、となり、正孔
の第一量子準位h1 のエネルギ・レベルも階段状に傾斜
し、第二又は第三の物質層A2<第三の物質層A4<第
二又は第三の物質層A6、となる。
Further, due to the internal electric field resulting from the addition of impurities to the second or third material layer A2 and the second or third material layer A6, the second or third material layer A2 , The energy level of the first quantum level e 1 of electrons generated in the second material layer A4 and the second or third material layer A6 respectively is stepwise inclined, A2> third material layer A4> second or third material layer A6, and the energy level of the first quantum level h 1 of holes also inclines stepwise. A2 <third material layer A4 <second or third material layer A6.

【0026】前記したところから明らかであるが、第二
の物質層A4は量子井戸からなる能動層として、また、
第二又は第三の物質層A2は能動層である第二の物質層
A4に生成された正孔を逃がす為の量子井戸として、第
二又は第三の物質層A6は能動層である第二の物質層A
4に生成された電子を逃がす為の量子井戸としてそれぞ
れ機能するものである。
As is apparent from the above description, the second material layer A4 is an active layer composed of quantum wells,
The second or third material layer A2 is a quantum well for releasing holes generated in the second material layer A4 which is an active layer, and the second or third material layer A6 is a second active layer. Material layer A
4 function as quantum wells for releasing the electrons generated in 4.

【0027】さて、図1及び図2に見られる非線型光学
装置と図6に見られる非線型光学装置とを比較すると、
量子井戸からなる能動層である第二の物質層A4(図6
で第三の物質層C4に相当)及び第二の物質層A4に生
成された正孔を逃がす為の量子井戸である第二の物質層
A2(図6で第二の物質層C2に相当)の間に電子及び
正孔の両方に対して障壁の働きをする第一の物質層A3
(図6で第一の物質層C3に相当)を設ける構成につい
ては同様であるが、図1及び図2に見られる非線型光学
装置では、第一の物質層A3に対し、電子のみに対する
障壁として作用する第四の物質層B2を付加した点が顕
著に相違している。
Now, comparing the non-linear optical device shown in FIGS. 1 and 2 with the non-linear optical device shown in FIG.
The second material layer A4 (FIG. 6) which is an active layer composed of quantum wells.
Corresponds to the third material layer C4) and the second material layer A2 (corresponding to the second material layer C2 in FIG. 6) which is a quantum well for releasing holes generated in the second material layer A4. First material layer A3 that acts as a barrier to both electrons and holes during
The structure for providing (corresponding to the first material layer C3 in FIG. 6) is the same, but in the nonlinear optical device shown in FIGS. 1 and 2, the first material layer A3 is provided with a barrier against only electrons. A significant difference is that a fourth material layer B2 acting as the above is added.

【0028】この第四の物質層B2を形成したことに依
って、量子井戸からなる能動層である第二の物質層A4
及び正孔を逃がす為の量子井戸である第二の物質層A2
の間に於ける電子の波動関数のカップリングは弱めら
れ、第二の物質層A4に於ける電子の閉じ込めは強力に
なる。
Due to the formation of the fourth material layer B2, the second material layer A4 which is an active layer composed of quantum wells is formed.
And a second material layer A2 which is a quantum well for releasing holes
The coupling of the electron's wave function during the period is weakened, and the confinement of the electron in the second material layer A4 becomes strong.

【0029】前記したところから、本発明に依る非線型
光学装置に於いては、(1)第一の禁制帯をもち電子と
正孔に対し電位障壁として作用し正孔が充分にトンネリ
ング可能な厚さを有する第一の物質層A1(例えばアン
ドープIn0.52Al 0.48As層)及び前記第一の物質層
A1に隣接して形成され且つ第四の禁制帯をもつと共に
電子に対してのみ電位障壁として作用する第四の物質層
B1(例えばアンドープ(GaAs0.51Sb0.49
x (In0.52Al0.48As)1-x 層)及び前記第四の物
質層B1に隣接して形成され且つ第二或いは第三の禁制
帯をもつと共にp型不純物がドーピングされ電子と正孔
に対する量子井戸として作用する第二或いは第三の物質
層A2(例えばp型In0.53Ga0.47As層)及び前記
第二或いは第三の物質層A2に隣接して形成され且つ第
四の禁制帯をもつと共に電子に対してのみ電位障壁とし
て作用する第四の物質層B2(例えばアンドープ(Ga
As0.51Sb0.49x (In0.52Al0.48As)
1-x 層)及び前記第四の物質層B2に隣接して形成され
且つ第一の禁制帯をもつと共に電子と正孔に対して電位
障壁として作用し正孔が充分にトンネリング可能な厚さ
を有する第一の物質層A3(例えばアンドープIn0.52
Al0.48As層)及び前記第一の物質層A3に隣接して
形成され且つ第二の禁制帯をもつと共に電子と正孔に対
する量子井戸として作用する能動層であって二次元励起
子が存在し得る厚さを有する第二の物質層A4(例えば
アンドープIn0.53Ga0.47As層)及び前記第二の物
質層A4に隣接して形成され且つ第一の禁制帯をもつと
共に電子と正孔に対して電位障壁として作用し電子が充
分にトンネリング可能な厚さを有する第一の物質層A5
(例えばアンドープIn0.52Al0.48As層)及び前記
第一の物質層A5に隣接して形成され且つ第二或いは第
三の禁制帯をもつと共にn型不純物がドーピングされ電
子及び正孔に対する量子井戸として作用する第二或いは
第三の物質層A6(例えばp型In0.53Ga0.47As
層)の各物質層が積層されて一周期をなす縦構造pn型
超格子を備え、且つ、前記した第二或いは第三の物質層
A2及び第二或いは第三の物質層A6にそれぞれ生成さ
れる電子と正孔の第一量子準位間のエネルギ差が前記し
た第二の物質層A4に生成される電子と正孔の第一量子
準位間のエネルギ差に比較して大であることを特徴とす
るか、或いは、
From the above, the non-linear type according to the present invention
In the optical device, (1) electron with the first forbidden band
It acts as a potential barrier against holes and the holes are fully tunneled.
Of a first material layer A1 (eg
Dope In0.52Al 0.48As layer) and the first material layer
Is formed adjacent to A1 and has a fourth forbidden band
Fourth material layer that acts as a potential barrier only for electrons
B1 (eg undoped (GaAs0.51Sb0.49)
x(In0.52Al0.48As)1-xLayer) and the fourth object
Second or third forbidden formed adjacent to the quality layer B1
Electrons and holes that have a band and are doped with p-type impurities
Second or third material acting as a quantum well for
Layer A2 (eg p-type In0.53Ga0.47As layer) and the above
Formed adjacent to the second or third material layer A2 and
It has a forbidden band of four and acts as a potential barrier only for electrons.
The fourth material layer B2 (for example, undoped (Ga)
As0.51Sb0.49)x(In0.52Al0.48As)
1-xLayer) and adjacent to the fourth material layer B2
And has a first forbidden band and potential for electrons and holes
Thickness that acts as a barrier and allows tunneling of holes
A first material layer A3 (eg undoped In)0.52
Al0.48As layer) and adjacent to the first material layer A3
Is formed and has a second forbidden band and pairs with electrons and holes.
Two-dimensional excitation that is an active layer acting as a quantum well
A second material layer A4 having a thickness in which the child may be present (eg
Undoped In0.53Ga0.47As layer) and the second object
Is formed adjacent to the texture layer A4 and has a first forbidden band
Both act as potential barriers for electrons and holes, and
First material layer A5 having a thickness capable of tunneling
(For example, undoped In0.52Al0.48As layer) and the above
Is formed adjacent to the first material layer A5 and
It has three forbidden bands and is doped with n-type impurities
Second or acting as a quantum well for children and holes
Third material layer A6 (eg p-type In0.53Ga0.47As
Vertical structure pn type in which each material layer of
A second or third material layer as described above, which comprises a superlattice
A2 and the second or third material layer A6, respectively.
The difference in energy between the first quantum levels of electrons and holes
The first quantum of electrons and holes generated in the second material layer A4
It is characterized in that it is large compared to the energy difference between levels.
Or

【0030】(2)前記(1)に於いて、第四の物質層
B2及び第一の物質層A3の位置を入れ替え第一の物質
層A3と第二或いは第三の物質層A2を且つ第四の物質
層B2と第二の物質層A4をそれぞれ隣接させてなるこ
とを特徴とするか、或いは、
(2) In the above (1), the positions of the fourth substance layer B2 and the first substance layer A3 are exchanged, and the first substance layer A3 and the second or third substance layer A2 are formed. The fourth material layer B2 and the second material layer A4 are adjacent to each other, or

【0031】(3)前記(1)或いは(2)に於いて、
第四の物質層B1と第一の物質層A1との位置を入れ替
え第一の物質層A1と第二或いは第三の物質層A2を且
つ第四の物質層B1と第二の物質層A4をそれぞれ隣接
させてなることを特徴とするか、或いは、
(3) In the above (1) or (2),
The positions of the fourth material layer B1 and the first material layer A1 are exchanged, and the first material layer A1 and the second or third material layer A2 and the fourth material layer B1 and the second material layer A4 are replaced. Characterized by being adjacent to each other, or

【0032】(4)前記(1)或いは(2)或いは
(3)に於いて、第二或いは第三の物質層A2から正孔
を且つ第二或いは第三の物質層A6から電子をそれぞれ
除去する為に縦構造pn型超格子をライン状或いは網目
状に区分すると共に前記縦構造pn型超格子の表面側か
ら裏面側にまで達して再結合中心の作用をする欠陥層
(例えば欠陥層D)が形成されてなることを特徴とする
か、或いは、
(4) In the above (1), (2) or (3), holes are removed from the second or third material layer A2 and electrons are removed from the second or third material layer A6. In order to achieve this, the vertical structure pn-type superlattice is divided into lines or meshes, and a defect layer (for example, the defect layer D) that acts from the front surface side to the back surface side of the vertical structure pn-type superlattice to act as a recombination center. ) Is formed, or

【0033】(5)前記(1)或いは(2)或いは
(3)に於いて、第二或いは第三の物質層A2から正孔
を且つ第二或いは第三の物質層A6から電子をそれぞれ
除去する為に縦構造pn型超格子をライン状或いは網目
状に区分すると共に前記縦構造pn型超格子の表面側か
ら裏面側にまで達して再結合中心の作用をする溝が形成
されてなることを特徴とするか、或いは、
(5) In the above (1), (2) or (3), holes are removed from the second or third material layer A2 and electrons are removed from the second or third material layer A6. In order to achieve this, the vertical structure pn-type superlattice is divided into lines or meshes, and a groove is formed from the front surface side to the back surface side of the vertical structure pn-type superlattice to act as a recombination center. Or

【0034】(6)前記(1)或いは(2)或いは
(3)或いは(4)或いは(5)に於いて、縦構造pn
型超格子の表面及び裏面に半導体多層膜或いは誘電体膜
などからなる光学ミラー(例えば半導体多層膜ミラー3
及び4)が形成されてなることを特徴とする。
(6) In the above (1) or (2) or (3) or (4) or (5), the vertical structure pn
Type superlattice formed on the front surface and the back surface of the optical mirror including a semiconductor multilayer film or a dielectric film (for example, the semiconductor multilayer film mirror 3
And 4) are formed.

【0035】[0035]

【作用】前記手段を採ることに依り、本発明の非線型光
学装置では、正孔と電子の両方に対して作用すべき障壁
に於いて、正孔に対する障壁の厚さを正孔のトンネリン
グ時間が電子のそれに匹敵する程度に充分に薄くして
も、電子に対する障壁は実質的に充分に厚くすることが
できるので、量子井戸からなる能動層である第二の物質
層A4に生成された電子は強力に閉じ込められ、そこで
の電子の波動関数が同じく第二の物質層A4で生成され
た正孔を逃がす為の量子井戸である第二又は第三の物質
層A2とカップリングすることを抑止することができ、
従って、前記正孔のトンネリング確率を電子なみにした
としても、励起子ピーク強度の低下を招来することは皆
無であり、二次元励起子に起因する非線型光学性を損な
うことなく高速動作させることができる。
According to the above-mentioned means, in the non-linear optical device of the present invention, in the barrier to act on both holes and electrons, the thickness of the barrier for holes is determined by the tunneling time of holes. Is sufficiently thin to be comparable to that of electrons, the barrier for electrons can be made substantially thick enough, so that electrons generated in the second material layer A4, which is an active layer composed of quantum wells, are generated. Is strongly confined, and prevents the electron wave function there from coupling with the second or third material layer A2 which is also a quantum well for escaping holes generated in the second material layer A4. You can
Therefore, even if the tunneling probability of the holes is made to be similar to that of electrons, it does not lead to a decrease in exciton peak intensity, and high-speed operation without impairing the nonlinear optical property due to the two-dimensional excitons. You can

【0036】[0036]

【実施例】図1及び図2について説明した非線型光学装
置の構成を実施例として具体化した場合の主要なデータ
を例示して解説する。尚、図2には、縦構造pn型超格
子について(一周期分+二層分)が示されているので、
その全てについて説明してある。
EXAMPLES Main data when the configuration of the non-linear optical device described with reference to FIGS. 1 and 2 is embodied as examples will be described by way of example. 2 shows a vertical structure pn type superlattice (one cycle + two layers),
All of them are explained.

【0037】(1) 第一の物質層A1について 材料:アンドープIn0.52Al0.48As 厚さ:1.17〔nm〕 (2) 第四の物質層B1について 材料:アンドープ(GaAs0.51Sb0.49x (In
0.52Al0.48As)1-x 厚さ:2.94〔nm〕
(1) Regarding the first material layer A1 Material: Undoped In 0.52 Al 0.48 As Thickness: 1.17 [nm] (2) About the fourth material layer B1 Material: Undoped (GaAs 0.51 Sb 0.49 ) x (In
0.52 Al 0.48 As) 1-x Thickness: 2.94 [nm]

【0038】(3) 第二又は第三の物質層A2につい
て 材料:p型In0.53Ga0.47As又はp型(In0.53
0.47As)y (In0. 52Al0.48As)1-y 厚さ:2.94〔nm〕 ドーピング:層の中心部分にBeを1×1012〔cm-2
としてプレーナ・ドーピング (4) 第四の物質層B2について 材料:アンドープ(GaAs0.51Sb0.49x (In
0.52Al0.48As)1-x 厚さ:2.94〔nm〕
(3) Second or Third Material Layer A2 Material: p-type In 0.53 Ga 0.47 As or p-type (In 0.53 G
a 0.47 As) y (In 0. 52 Al 0.48 As) 1-y thickness: 2.94 [nm] Doping: the Be 1 × 10 12 in the center portion of the layer [cm -2]
(4) Regarding the fourth material layer B2 Material: Undoped (GaAs 0.51 Sb 0.49 ) x (In
0.52 Al 0.48 As) 1-x Thickness: 2.94 [nm]

【0039】(5) 第一の物質層A3について 材料:アンドープIn0.52Al0.48As 厚さ:1.17〔nm〕 (6) 第二の物質層A4について 材料:アンドープIn0.53Ga0.47As 厚さ:4.50〔nm〕(5) First Material Layer A3 Material: Undoped In 0.52 Al 0.48 As Thickness: 1.17 [nm] (6) Second Material Layer A4 Material: Undoped In 0.53 Ga 0.47 As Thickness : 4.50 [nm]

【0040】(7) 第一の物質層A5について 材料:アンドープIn0.52Al0.48As 厚さ:4.11〔nm〕 (8) 第二又は第三の物質層A6について 材料:n型In0.53Ga0.47As又はn型(In0.53
0.47As)y (In0. 52Al0.48As)1-y 厚さ:3.52〔nm〕 ドーピング:層の中心部分にSiを1×1012〔cm-2
としてプレーナ・ドーピング
(7) First material layer A5 Material: undoped In 0.52 Al 0.48 As Thickness: 4.11 [nm] (8) Second or third material layer A6 Material: n-type In 0.53 Ga 0.47 As or n type (In 0.53 G
a 0.47 As) y (In 0. 52 Al 0.48 As) 1-y thickness: 3.52 nm, doping: 1 × the Si in the central portion of layer 10 12 [cm -2]
As planar doping

【0041】(9) 第一の物質層A5について 材料:アンドープIn0.52Al0.48As 厚さ:4.11〔nm〕 (10) 第二の物質層A4について 材料:アンドープIn0.53Ga0.47As 厚さ:4.50〔nm〕(9) First Material Layer A5 Material: Undoped In 0.52 Al 0.48 As Thickness: 4.11 [nm] (10) Second Material Layer A4 Material: Undoped In 0.53 Ga 0.47 As Thickness : 4.50 [nm]

【0042】(11) 超格子の積層周期数について A1,B1,A2,B2,A3,A4,A5,A6を一
周期とし且つA6で折り返して50周期 尚、超格子は、A1とB1を入れ替え、また、B2とA
3を入れ替えて、B1,A1,A2,A3,B2,A
4,A5,A6とすることもできる。 (12) 基板1について 材料:InP
(11) Stacking period number of superlattice A1, B1, A2, B2, A3, A4, A5, A6 are set as one period and folded back at A6 for 50 periods. In the superlattice, A1 and B1 are interchanged. , Again, B2 and A
Replace 3, replace B1, A1, A2, A3, B2, A
It can also be 4, A5, A6. (12) About Substrate 1 Material: InP

【0043】(13) 欠陥層Dについて 幅:例えば0.5〔μm〕 本数:平面の占有面積が100〔μm〕×100〔μ
m〕である縦構造pn型超格子に対して25〔本〕 (溝の場合も幅及び本数ともに同じ)
(13) Regarding the defect layer D Width: eg 0.5 [μm] Number: The occupied area of the plane is 100 [μm] × 100 [μ
m] for vertical structure pn superlattice 25 [pieces] (same width and number of grooves)

【0044】前記実施例は、従来から多用されている半
導体装置の製造技術を適用し、極めて容易に作成するこ
とができる。 (1) 例えば分子線エピタキシャル成長(molec
ular beam epitaxy:MBE)法、或
いは、有機金属化学気相堆積(metalorgani
c chemical vapour deposit
ion:MOCVD)法など適宜の化合物半導体結晶成
長法を適用することに依り、基板1上にエッチング停止
層2と縦構造pn型超格子SLを積層成長させる。
The above-described embodiment can be manufactured extremely easily by applying the semiconductor device manufacturing technique which has been widely used in the past. (1) For example, molecular beam epitaxial growth (molec
ultra beam epitaxy (MBE) method or metalorganic chemical vapor deposition (metalorgani)
c chemical vapor deposit
(ion: MOCVD) method, an appropriate compound semiconductor crystal growth method is applied to stack and grow the etching stop layer 2 and the vertical structure pn type superlattice SL on the substrate 1.

【0045】(2) 例えば化学気相堆積(chemi
cal vapor deposition:CVD)
法を適用することに依り、例えばSiO2 からなる保護
膜を形成する。
(2) For example, chemical vapor deposition (chemi)
cal vapor deposition: CVD)
By applying the method, a protective film made of, for example, SiO 2 is formed.

【0046】(3) リソグラフィ技術に於けるレジス
ト・プロセスを適用することに依ってレジスト膜を形成
してから、必要に応じて光ビーム、電子ビーム、集束イ
オン・ビームなどに依るライン状或いは網目状の露光を
行って現像する。
(3) A resist film is formed by applying a resist process in the lithography technique, and then a line shape or a mesh shape depending on a light beam, an electron beam, a focused ion beam, etc., if necessary. Exposure and develop.

【0047】(4) エッチング・ガスとしてCHF3
系ガスを用いた反応性イオン・エッチング(react
ive ion etching:RIE)法を適用す
ることに依り、前記レジスト膜をマスクとしてSiO2
からなる保護膜のパターニングを行う。
(4) CHF 3 as etching gas
Reactive Ion Etching (react)
By applying the ive ion etching (RIE) method, SiO 2 is used with the resist film as a mask.
The protective film made of is patterned.

【0048】(5) SiO2 からなる保護膜をマスク
として、Si或いはBeのイオンを注入し、ライン状の
欠陥層D或いは網目状の欠陥層Dを形成する。尚、前記
(2)乃至(4)のプロセスを経ることなく、集束イオ
ン・ビームを用いて、積層表面にSiイオンやBeイオ
ンで直接描画しても良い。
(5) Using the protective film made of SiO 2 as a mask, Si or Be ions are implanted to form a line-shaped defect layer D or a mesh-shaped defect layer D. The focused ion beam may be used to directly draw Si ions or Be ions on the surface of the stacked layers without going through the processes (2) to (4).

【0049】(6) リソグラフィ技術に於けるレジス
ト・プロセス並びにエッチャントをHBr系エッチング
液とするウエット・エッチング法を適用することに依っ
て、InPからなる基板1の背面エッチングを行う。こ
のエッチングは、エッチング停止層2で自動的に停止す
るので、基板1が厚くても何らの困難もない。尚、この
ようなエッチングを行うのは、入射する光の損失を低減
させる為であることは云うまでもない。
(6) The backside etching of the substrate 1 made of InP is performed by applying a resist process in the lithography technique and a wet etching method using an etchant as an HBr-based etching solution. Since this etching is automatically stopped by the etching stop layer 2, there is no difficulty even if the substrate 1 is thick. Needless to say, such etching is performed to reduce the loss of incident light.

【0050】以上の説明は、欠陥層Dを形成する場合の
工程について行ったのであるが、溝Dを形成する場合に
は、前記工程(6)に於いて、同じくSiO2 からなる
保護膜をマスクとし、エッチング・ガスをCl系ガスと
するRIE法を適用することに依って縦構造pn型超格
子SLの選択的エッチングを行って溝Dを完成させれば
良い。
Although the above description has been made with respect to the step of forming the defect layer D, in the case of forming the groove D, a protective film also made of SiO 2 is similarly formed in the step (6). The trench D may be completed by selectively etching the vertical structure pn type superlattice SL by applying the RIE method using the mask as the mask and the etching gas as the Cl-based gas.

【0051】図3は図1及び図2について説明した非線
型光学装置をエタロン素子として応用した実施例を表す
要部斜面図であり、図1及び図2に於いて用いた記号と
同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとす
る。図に於いて、3及び4は半導体多層膜ミラーを示
し、具体的には、例えばInAlAs層とInGaAs
層との繰り返し多層積層膜、又は、GaAs層とAlA
s層との繰り返し多層積層膜からなっている。尚、ミラ
ーとしては、半導体多層膜ミラーの代わりに誘電体膜ミ
ラーを用いることもできる。
FIG. 3 is a perspective view of an essential part showing an embodiment in which the non-linear optical device described with reference to FIGS. 1 and 2 is applied as an etalon element. The same symbols as those used in FIGS. They represent the same part or have the same meaning. In the figure, 3 and 4 denote semiconductor multilayer film mirrors, specifically, for example, InAlAs layer and InGaAs.
Repetitive multi-layer laminated film with layers or GaAs layer and AlA
It is composed of a repeating multilayer film including an s layer. As the mirror, a dielectric film mirror may be used instead of the semiconductor multilayer film mirror.

【0052】図4は本発明実施例に依って得られた静的
な光吸収特性を表す線図であり、縦軸には光吸収率(任
意スケール)を、また、横軸には波長〔nm〕をそれぞ
れ採ってある。図には、本発明に依るものの特性線AB
1と、参考の為、従来の技術に依るものの特性線AB2
とを示してあり、特性線AB1には、特性線AB2に比
較し、明瞭な二次元励起子ピークが存在することを看取
できる。
FIG. 4 is a diagram showing the static light absorption characteristics obtained according to the embodiment of the present invention, in which the vertical axis represents the light absorption rate (arbitrary scale) and the horizontal axis represents the wavelength [! nm] respectively. The figure shows the characteristic line AB according to the invention.
1 and the characteristic line AB2, which is based on the conventional technique for reference.
It can be seen that the characteristic line AB1 has a clear two-dimensional exciton peak as compared with the characteristic line AB2.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明の非線型光学装置に於いては、電
子と正孔に対し電位障壁として作用する第一の物質層A
1及びp型不純物がドーピングされ電子と正孔に対する
量子井戸として作用する第二或いは第三の物質層A2及
び電子に対してのみ電位障壁として作用する第四の物質
層B2及び電子と正孔に対して電位障壁として作用する
第一の物質層A3及び電子と正孔に対する量子井戸とし
て作用する能動層であって二次元励起子が存在し得る厚
さを有する第二の物質層A4及び電子と正孔に対して電
位障壁として作用する第一の物質層A5及びn型不純物
がドーピングされ電子及び正孔に対する量子井戸として
作用する第二或いは第三の物質層A6の各物質層が積層
されて一周期をなす縦構造pn型超格子を備え、且つ、
前記した第二或いは第三の物質層A2及び第二或いは第
三の物質層A6にそれぞれ生成される電子と正孔の第一
量子準位間のエネルギ差が前記した第二の物質層A4に
生成される電子と正孔の第一量子準位間のエネルギ差に
比較して大になっている。
In the non-linear optical device of the present invention, the first material layer A which acts as a potential barrier against electrons and holes.
A second or third material layer A2 doped with 1 and p-type impurities and acting as a quantum well for electrons and holes, and a fourth material layer B2 acting as a potential barrier only for electrons and electrons and holes. On the other hand, a first material layer A3 that acts as a potential barrier and a second material layer A4 that acts as a quantum well for electrons and holes and has a thickness such that two-dimensional excitons can exist and electrons. The first material layer A5 that acts as a potential barrier for holes and the second or third material layer A6 that is doped with n-type impurities and acts as a quantum well for electrons and holes are stacked. A vertical structure pn-type superlattice forming one cycle, and
The energy difference between the first quantum levels of electrons and holes generated in the second or third material layer A2 and the second or third material layer A6, respectively, is equal to that in the second material layer A4. It is large compared to the energy difference between the first quantum levels of generated electrons and holes.

【0054】前記構成を採ることに依り、本発明の非線
型光学装置では、正孔と電子の両方に対して作用すべき
障壁に於いて、正孔に対する障壁の厚さを正孔のトンネ
リング時間が電子のそれに匹敵する程度に充分に薄くし
ても、電子に対する障壁は実質的に充分に厚くすること
ができるので、量子井戸からなる能動層である第二の物
質層A4に生成された電子は強力に閉じ込められ、そこ
での電子の波動関数が同じく第二の物質層A4で生成さ
れた正孔を逃がす為の量子井戸である第二又は第三の物
質層A2とカップリングすることを抑止することがで
き、従って、前記正孔のトンネリング確率を電子なみに
したとしても、励起子ピーク強度の低下を招来すること
は皆無であり、二次元励起子に起因する非線型光学性を
損なうことなく高速動作させることができる。
By adopting the above-mentioned structure, in the non-linear optical device of the present invention, in the barrier to act on both holes and electrons, the thickness of the barrier for holes is set to the tunneling time of holes. Is sufficiently thin to be comparable to that of electrons, the barrier for electrons can be made substantially thick enough, so that electrons generated in the second material layer A4, which is an active layer composed of quantum wells, are generated. Is strongly confined, and prevents the electron wave function there from coupling with the second or third material layer A2 which is also a quantum well for escaping holes generated in the second material layer A4. Therefore, even if the tunneling probability of the holes is made to be similar to that of electrons, it does not cause a decrease in exciton peak intensity and impairs the nonlinear optical property due to the two-dimensional excitons. Not fast It can be created.

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

【図1】本発明の原理を解説する為の非線型光学装置を
表す要部斜面図である。
FIG. 1 is a perspective view of a main part of a nonlinear optical device for explaining the principle of the present invention.

【図2】図1に見られる非線型光学装置のエネルギ・バ
ンド・ダイヤグラムである。
2 is an energy band diagram of the non-linear optical device seen in FIG. 1. FIG.

【図3】図1及び図2について説明した非線型光学装置
をエタロン素子として応用した実施例を表す要部斜面図
である。
FIG. 3 is a perspective view of a principal part showing an example in which the nonlinear optical device described with reference to FIGS. 1 and 2 is applied as an etalon element.

【図4】本発明実施例に依って得られた静的な光吸収特
性を表す線図である。
FIG. 4 is a diagram showing static light absorption characteristics obtained according to an example of the present invention.

【図5】従来のTBQ構造をもつ非線型光学装置を解説
する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining a non-linear optical device having a conventional TBQ structure.

【図6】縦構造pn型超格子を用いた非線型光学装置を
説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムある。
FIG. 6 is an energy band diagram for explaining a non-linear optical device using a vertical structure pn type superlattice.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 エッチング停止層 SL 縦構造pn型超格子 A1 第一の禁制帯をもつ第一の物質層 A2 第二又は第三の禁制帯をもつ第二又は第三の物質
層 A3 第一の禁制帯をもつ第一の物質層 A4 第二の禁制帯をもつ第二の物質層 A5 第一の禁制帯をもつ第一の物質層 A6 第二又は第三の禁制帯をもつ第二又は第三の物質
層 B1 第四の禁制帯をもち且つ電子に対してのみ障壁と
して作用する第四の物層 B2 第四の禁制帯をもち且つ電子に対してのみ障壁と
して作用する第四の物層 D 欠陥層 e1 電子の第一量子準位 h1 正孔の第一量子準位
1 Substrate 2 Etch Stop Layer SL Vertical Structure pn Superlattice A1 First Material Layer with First Forbidden Band A2 Second or Third Material Layer with Second or Third Forbidden Band A3 First Forbidden Band First material layer with band A4 Second material layer with second forbidden band A5 First material layer with first forbidden band A6 Second or third with second or third forbidden band Material layer B1 A fourth object layer having a fourth forbidden band and acting as a barrier only to electrons B2 A fourth object layer having a fourth forbidden band and acting as a barrier only to electrons D Defect layer e 1 electron first quantum level h 1 hole first quantum level

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第一の禁制帯をもち電子と正孔に対し電位
障壁として作用し正孔が充分にトンネリング可能な厚さ
を有する第一の物質層A1及び前記第一の物質層A1に
隣接して形成され且つ第四の禁制帯をもつと共に電子に
対してのみ電位障壁として作用する第四の物質層B1及
び前記第四の物質層B1に隣接して形成され且つ第二或
いは第三の禁制帯をもつと共にp型不純物がドーピング
され電子と正孔に対する量子井戸として作用する第二或
いは第三の物質層A2及び前記第二或いは第三の物質層
A2に隣接して形成され且つ第四の禁制帯をもつと共に
電子に対してのみ電位障壁として作用する第四の物質層
B2及び前記第四の物質層B2に隣接して形成され且つ
第一の禁制帯をもつと共に電子と正孔に対して電位障壁
として作用し正孔が充分にトンネリング可能な厚さを有
する第一の物質層A3及び前記第一の物質層A3に隣接
して形成され且つ第二の禁制帯をもつと共に電子と正孔
に対する量子井戸として作用する能動層であって二次元
励起子が存在し得る厚さを有する第二の物質層A4及び
前記第二の物質層A4に隣接して形成され且つ第一の禁
制帯をもつと共に電子と正孔に対して電位障壁として作
用し電子が充分にトンネリング可能な厚さを有する第一
の物質層A5及び前記第一の物質層A5に隣接して形成
され且つ第二或いは第三の禁制帯をもつと共にn型不純
物がドーピングされ電子及び正孔に対する量子井戸とし
て作用する第二或いは第三の物質層A6の各物質層が積
層されて一周期をなす縦構造pn型超格子を備え、且
つ、前記した第二或いは第三の物質層A2及び第二或い
は第三の物質層A6にそれぞれ生成される電子と正孔の
第一量子準位間のエネルギ差が前記した第二の物質層A
4に生成される電子と正孔の第一量子準位間のエネルギ
差に比較して大であることを特徴とする非線型光学装
置。
1. A first material layer A1 and a first material layer A1 which have a first forbidden band, act as a potential barrier against electrons and holes, and have a thickness capable of sufficiently tunneling holes. A fourth material layer B1 formed adjacently and having a fourth forbidden band and acting as a potential barrier only against electrons, and a second or third material layer B1 formed adjacently to the fourth material layer B1. A second or third material layer A2 which has a forbidden band and is doped with p-type impurities and acts as a quantum well for electrons and holes, and is formed adjacent to the second or third material layer A2. A fourth material layer B2 having four forbidden bands and acting as a potential barrier only for electrons, and a fourth forbidden band formed adjacent to the fourth material layer B2 and having electrons and holes. Acts as a potential barrier against holes A first material layer A3 having a sufficiently tunnelable thickness and an active layer formed adjacent to the first material layer A3 and having a second forbidden band and acting as a quantum well for electrons and holes. And a second material layer A4 having a thickness such that two-dimensional excitons can exist, and a second forbidden band formed adjacent to the second material layer A4, and having a first forbidden band and for electrons and holes. Is formed adjacent to the first material layer A5 and the first material layer A5 having a thickness that allows electrons to tunnel sufficiently by acting as a potential barrier and has a second or third forbidden band and n A vertical structure pn-type superlattice in which each material layer of the second or third material layer A6, which is doped with a type impurity and acts as a quantum well for electrons and holes, is stacked to form one cycle; Second or third material layer Second material layer A the energy difference between the first quantum level of 2 and the second or the third of electrons and holes generated respectively material layer A6 has the
4. A non-linear optical device having a large energy difference between the first quantum level of electrons and holes generated in 4.
【請求項2】第四の物質層B2及び第一の物質層A3の
位置を入れ替え第一の物質層A3と第二或いは第三の物
質層A2を且つ第四の物質層B2と第二の物質層A4を
それぞれ隣接させてなることを特徴とする請求項1記載
の非線型光学装置。
2. The positions of the fourth material layer B2 and the first material layer A3 are exchanged, and the first material layer A3 and the second or third material layer A2 and the fourth material layer B2 and the second material layer A2 are replaced. The nonlinear optical device according to claim 1, wherein the material layers A4 are adjacent to each other.
【請求項3】第四の物質層B1と第一の物質層A1との
位置を入れ替え第一の物質層A1と第二或いは第三の物
質層A2を且つ第四の物質層B1と第二の物質層A4を
それぞれ隣接させてなることを特徴とする請求項1或い
は請求項2記載の非線型光学装置。
3. The positions of the fourth material layer B1 and the first material layer A1 are exchanged, and the first material layer A1 and the second or third material layer A2 and the fourth material layer B1 and the second material layer A1 are replaced. 3. The non-linear optical device according to claim 1 or 2, wherein the material layers A4 are made adjacent to each other.
【請求項4】第二或いは第三の物質層A2から正孔を且
つ第二或いは第三の物質層A6から電子をそれぞれ除去
する為に縦構造pn型超格子をライン状或いは網目状に
区分すると共に前記縦構造pn型超格子の表面側から裏
面側にまで達して再結合中心の作用をする欠陥層が形成
されてなることを特徴とする請求項1或いは請求項2或
いは請求項3記載の非線型光学装置。
4. A vertical structure pn-type superlattice is divided into lines or meshes for removing holes from the second or third material layer A2 and electrons from the second or third material layer A6, respectively. The defect layer is formed so as to reach from the front surface side to the back surface side of the vertical structure pn type superlattice and act as a recombination center. Non-linear optical device.
【請求項5】第二或いは第三の物質層A2から正孔を且
つ第二或いは第三の物質層A6から電子をそれぞれ除去
する為に縦構造pn型超格子をライン状或いは網目状に
区分すると共に前記縦構造pn型超格子の表面側から裏
面側にまで達する溝が形成されてなることを特徴とする
請求項1或いは請求項2或いは請求項3記載の非線型光
学装置。
5. A vertical structure pn-type superlattice is divided into lines or meshes for removing holes from the second or third material layer A2 and electrons from the second or third material layer A6, respectively. The non-linear optical device according to claim 1, 2 or 3, further comprising a groove extending from the front surface side to the back surface side of the vertical structure pn type superlattice.
【請求項6】縦構造pn型超格子の表面及び裏面に半導
体多層膜或いは誘電体膜などからなる光学ミラーが形成
されてなることを特徴とする請求項1或いは請求項2或
いは請求項3或いは請求項4或いは請求項5記載の非線
型光学装置。
6. An optical mirror made of a semiconductor multilayer film or a dielectric film is formed on the front surface and the back surface of the vertical structure pn type superlattice. The nonlinear optical device according to claim 4 or 5.
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