JPH0772434A - 光・電子半導体素子 - Google Patents
光・電子半導体素子Info
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- JPH0772434A JPH0772434A JP6086864A JP8686494A JPH0772434A JP H0772434 A JPH0772434 A JP H0772434A JP 6086864 A JP6086864 A JP 6086864A JP 8686494 A JP8686494 A JP 8686494A JP H0772434 A JPH0772434 A JP H0772434A
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、Ｐ領域4 とＩ領域3 とＮ領域2 と
よりなるＰＩＮ構造を有し、その真性領域がバリアによ
って互いに分離され、活性層中で少なくとも１次元で局
部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造を含む光
ビームを変調する光・電子半導体素子の変調特性を改良
することを目的とする。 【構成】 局部化されたキャリアを有する量子化膜より
なる半導体構造Ｑ1 〜Ｑ20は例えば２個づつのグループ
Ｇ1 〜10で配列され、各グループはそれを構成する量子
化膜Ｑ1 ，Ｑ2 等の個々の量子化膜Ｑ1 ，Ｑ2 間のシュ
タルクラダー転移を可能にするバリアＣＢ10等によって
分離され、このような結合された量子化膜の個々のグル
ープＧ1 〜10は１つのグループＧ1 の量子化膜Ｑ2 と別
のグループＧ2 の量子化膜Ｑ3 との間のシュタルクラダ
ー転移を阻止する付加的なバリアＢ10によって互いに分
離されていることを特徴とする。
よりなるＰＩＮ構造を有し、その真性領域がバリアによ
って互いに分離され、活性層中で少なくとも１次元で局
部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造を含む光
ビームを変調する光・電子半導体素子の変調特性を改良
することを目的とする。 【構成】 局部化されたキャリアを有する量子化膜より
なる半導体構造Ｑ1 〜Ｑ20は例えば２個づつのグループ
Ｇ1 〜10で配列され、各グループはそれを構成する量子
化膜Ｑ1 ，Ｑ2 等の個々の量子化膜Ｑ1 ，Ｑ2 間のシュ
タルクラダー転移を可能にするバリアＣＢ10等によって
分離され、このような結合された量子化膜の個々のグル
ープＧ1 〜10は１つのグループＧ1 の量子化膜Ｑ2 と別
のグループＧ2 の量子化膜Ｑ3 との間のシュタルクラダ
ー転移を阻止する付加的なバリアＢ10によって互いに分
離されていることを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＰＩＮ構造を有する光ビ
ームを変調するための光・電子半導体素子に関し、その
光・電子半導体素子は、真性領域が活性層中で少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体
構造を含み、少なくとも１次元で局部化されたキャリア
を有する半導体構造の２つの隣接した活性層がそれぞれ
バリアによって分離され、活性層中で少なくとも１次元
で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造を通
って変調電界を生成するために制御電圧がＰＩＮ構造の
ｎ型ドープ層およびｐ型ドープ層を通って供給されるこ
とができる。
ームを変調するための光・電子半導体素子に関し、その
光・電子半導体素子は、真性領域が活性層中で少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体
構造を含み、少なくとも１次元で局部化されたキャリア
を有する半導体構造の２つの隣接した活性層がそれぞれ
バリアによって分離され、活性層中で少なくとも１次元
で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造を通
って変調電界を生成するために制御電圧がＰＩＮ構造の
ｎ型ドープ層およびｐ型ドープ層を通って供給されるこ
とができる。
【０００２】
【従来の技術】このような光・電気半導体素子は知られ
ており、光・電気半導体素子に供給される光ビームの強
度を変調するために使用されている。量子化膜は、それ
ぞれバリアによって互いに分離されている少なくとも１
次元で局部化されたキャリアを有する半導体構造として
使用される。量子化支持シュタルク（Stark ）効果は、
外部フィールドの効果から吸収エッジの領域（不連続
部）における光・電気半導体素子の吸収スペクトルの変
化を生じさせる光ビームの強度を変調するために使用さ
れる。吸収エッジの領域中の吸収を決定するエクサイト
ロンの多量のホールおよび電子からのエネルギの移動
は、元の吸収エッジのエネルギ範囲における強い吸収を
減少させ、上記のエクサイトロンのエネルギより下のエ
ネルギ範囲において別の吸収を行わせる。光・電気半導
体素子に進む光ビームの動作波長がこの後者の範囲に位
置された場合、光・電気半導体素子のｐおよびｎ層に与
えられる電界を変化することによって吸収および、また
は干渉縞的吸光を通して光ビームのフィールド依存性の
強度変調を実行することができる。
ており、光・電気半導体素子に供給される光ビームの強
度を変調するために使用されている。量子化膜は、それ
ぞれバリアによって互いに分離されている少なくとも１
次元で局部化されたキャリアを有する半導体構造として
使用される。量子化支持シュタルク（Stark ）効果は、
外部フィールドの効果から吸収エッジの領域（不連続
部）における光・電気半導体素子の吸収スペクトルの変
化を生じさせる光ビームの強度を変調するために使用さ
れる。吸収エッジの領域中の吸収を決定するエクサイト
ロンの多量のホールおよび電子からのエネルギの移動
は、元の吸収エッジのエネルギ範囲における強い吸収を
減少させ、上記のエクサイトロンのエネルギより下のエ
ネルギ範囲において別の吸収を行わせる。光・電気半導
体素子に進む光ビームの動作波長がこの後者の範囲に位
置された場合、光・電気半導体素子のｐおよびｎ層に与
えられる電界を変化することによって吸収および、また
は干渉縞的吸光を通して光ビームのフィールド依存性の
強度変調を実行することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】それぞれバリアによっ
て分離された多数の量子化膜が十分に大きい効果を得る
ために使用されなければならない既知の半導体素子の欠
点は、１つまたは少数の分離した量子化膜により行われ
ることができる供給された光ビームの強度の変化が少な
くとも実際には不十分なことである。しかしながら、こ
の量子化膜数はこれらの個々の量子化膜の既存の基本吸
収をそれぞれ生じさせて、不利な高い合計基本吸収率ま
で加算するため、半導体素子に供給される光ビームの望
ましくない基本的減衰がゼロフィールドの場合に発生す
る。既知の半導体素子の別の欠点は、高い変調フィール
ドが供給された光ビームを十分に変調するために必要と
されることである。
て分離された多数の量子化膜が十分に大きい効果を得る
ために使用されなければならない既知の半導体素子の欠
点は、１つまたは少数の分離した量子化膜により行われ
ることができる供給された光ビームの強度の変化が少な
くとも実際には不十分なことである。しかしながら、こ
の量子化膜数はこれらの個々の量子化膜の既存の基本吸
収をそれぞれ生じさせて、不利な高い合計基本吸収率ま
で加算するため、半導体素子に供給される光ビームの望
ましくない基本的減衰がゼロフィールドの場合に発生す
る。既知の半導体素子の別の欠点は、高い変調フィール
ドが供給された光ビームを十分に変調するために必要と
されることである。
【０００４】供給された光ビームの強度を変調するため
の光・電気半導体素子が知られており、それは薄いバリ
アによって分離されているだけの多数の量子化膜を有し
ている。このようにして得られた量子化膜の結合は結果
的にいわゆる超格子構造を生じさせ、量子化機構トンネ
ル効果のために量子化膜中で濃縮されたキャリアの非局
部化が超格子構造全体を横切って発生する。ゼロフィー
ルドの場合、超格子構造におけるキャリアのこれらの拡
大された状態は、電界効果のために少数の量子化膜中で
迅速に局部化される（シュタルク局部化）。電界によっ
て発生させられた非局部化されたキャリアの超格子構造
全体を横切るこの局部化は、ゼロフィールドの場合にソ
フトな吸収エッジの中央で強い吸収増加を生じさせ、ま
た吸収エッジの上方および下方範囲の吸収を減少させ
る。いわゆるシュタルクラダー転移のために、吸収の増
加は光・電気半導体素子の吸収関数の低いエネルギスペ
クトル範囲において発生し、量子化支持シュタルク効果
の場合より強い赤色シフトで現れる。
の光・電気半導体素子が知られており、それは薄いバリ
アによって分離されているだけの多数の量子化膜を有し
ている。このようにして得られた量子化膜の結合は結果
的にいわゆる超格子構造を生じさせ、量子化機構トンネ
ル効果のために量子化膜中で濃縮されたキャリアの非局
部化が超格子構造全体を横切って発生する。ゼロフィー
ルドの場合、超格子構造におけるキャリアのこれらの拡
大された状態は、電界効果のために少数の量子化膜中で
迅速に局部化される（シュタルク局部化）。電界によっ
て発生させられた非局部化されたキャリアの超格子構造
全体を横切るこの局部化は、ゼロフィールドの場合にソ
フトな吸収エッジの中央で強い吸収増加を生じさせ、ま
た吸収エッジの上方および下方範囲の吸収を減少させ
る。いわゆるシュタルクラダー転移のために、吸収の増
加は光・電気半導体素子の吸収関数の低いエネルギスペ
クトル範囲において発生し、量子化支持シュタルク効果
の場合より強い赤色シフトで現れる。
【０００５】シュタルク局部化の欠点は、シュタルクラ
ダー転移のためにゼロフィールドの場合に吸収エッジが
ぼやけてしまい、それは光・電気半導体素子に供給され
る光ビームの望ましくない基本的減衰を生じさせ、発振
強度のぼやけた分布のために変調のために使用される効
果を低下させることである。この不利な効果は、吸収エ
ッジの反対側に移動される光・電気半導体素子に供給さ
れる光ビームの動作波長の選択を強制する。しかしかな
がら、吸収エッジの真正面のエネルギ範囲から低いエネ
ルギへの動作波長の移動は、電界によって発生させられ
た吸収特性の変化が非常に迅速に減少する欠点を有す
る。これらの欠点をなくするために、本発明の目的は供
給された光ビームの変調が改良されることができるよう
な最初に述べられた種類の電子・光半導体素子を開発す
ることである。
ダー転移のためにゼロフィールドの場合に吸収エッジが
ぼやけてしまい、それは光・電気半導体素子に供給され
る光ビームの望ましくない基本的減衰を生じさせ、発振
強度のぼやけた分布のために変調のために使用される効
果を低下させることである。この不利な効果は、吸収エ
ッジの反対側に移動される光・電気半導体素子に供給さ
れる光ビームの動作波長の選択を強制する。しかしかな
がら、吸収エッジの真正面のエネルギ範囲から低いエネ
ルギへの動作波長の移動は、電界によって発生させられ
た吸収特性の変化が非常に迅速に減少する欠点を有す
る。これらの欠点をなくするために、本発明の目的は供
給された光ビームの変調が改良されることができるよう
な最初に述べられた種類の電子・光半導体素子を開発す
ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的は本発明によっ
て満足される本発明の半導体素子は、少なくとも１次元
で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造が２
以上のグループで配列され、１つのグループに対応した
少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する半導
体構造がバリアによって分離され、これが各グループの
個々の半導体構造間のシュタルクラダー転移を本質的に
可能にし、このようにして結合された半導体構造の個々
のグループは別のバリアによってそれぞれ分離され、そ
れらのバリアが１つのグループの半導体構造の活性層と
別のグループの活性層との間のシュタルクラダー転移を
本質的に阻止している。
て満足される本発明の半導体素子は、少なくとも１次元
で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体構造が２
以上のグループで配列され、１つのグループに対応した
少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する半導
体構造がバリアによって分離され、これが各グループの
個々の半導体構造間のシュタルクラダー転移を本質的に
可能にし、このようにして結合された半導体構造の個々
のグループは別のバリアによってそれぞれ分離され、そ
れらのバリアが１つのグループの半導体構造の活性層と
別のグループの活性層との間のシュタルクラダー転移を
本質的に阻止している。
【０００７】本発明によれば、低エネルギ範囲で光・電
気半導体素子の吸収エッジの不利なぼやけを生じさせる
シュタルクラダー転移がいくつかのバリアによって有効
に抑制される。結合された半導体構造のいくつかの分離
されたグループにおける光・電気半導体素子の少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体
層の本発明による構造は、分離されたグループにおける
少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する半導
体構造の数に本質的に等しい値にシュタルクラダー転移
を制限する利点がある。結合された半導体構造を持つ既
知の光・電気半導体素子において発生する吸収関数の長
波テールはそれによって明らかに抑制されるため、光・
電気半導体素子に供給される光ビームの基本的な減衰は
有効な方法で著しく減少される。ほとんどぼけのない転
移強度は非常に有効な効果になり、強度変調の効率が明
らかに改良される。さらに、この効果的な変調は、本発
明の光・電気半導体素子を使用する強度変調器のコンパ
クトな構成を可能にする利点がある。
気半導体素子の吸収エッジの不利なぼやけを生じさせる
シュタルクラダー転移がいくつかのバリアによって有効
に抑制される。結合された半導体構造のいくつかの分離
されたグループにおける光・電気半導体素子の少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有するＭ個の半導体
層の本発明による構造は、分離されたグループにおける
少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する半導
体構造の数に本質的に等しい値にシュタルクラダー転移
を制限する利点がある。結合された半導体構造を持つ既
知の光・電気半導体素子において発生する吸収関数の長
波テールはそれによって明らかに抑制されるため、光・
電気半導体素子に供給される光ビームの基本的な減衰は
有効な方法で著しく減少される。ほとんどぼけのない転
移強度は非常に有効な効果になり、強度変調の効率が明
らかに改良される。さらに、この効果的な変調は、本発
明の光・電気半導体素子を使用する強度変調器のコンパ
クトな構成を可能にする利点がある。
【０００８】本発明の有効な発展形態では、少なくとも
１次元で局部化されたキャリアを有する２つまたは３つ
の結合された半導体構造だけが残りのグループから分離
された各グループに含まれている。本発明のこの方法
は、シュタルクラダー転移のオーダーが本質的に１また
は２の最大であることを有効に達成する。本発明による
この構造は第２オーダーより高いシュタルクラダー転移
の不利な長波テールを大きく取り除くが、しかしながら
一方ではシュタルクラダー転移自身の利点、すなわち電
界効果下におけるそれらの迅速なシフトはそのままであ
る。本発明の別の発展的形態は請求項２乃至１２に記載
されている。本発明の詳細は、以下図面によって説明さ
れる実施例から理解されることができる。
１次元で局部化されたキャリアを有する２つまたは３つ
の結合された半導体構造だけが残りのグループから分離
された各グループに含まれている。本発明のこの方法
は、シュタルクラダー転移のオーダーが本質的に１また
は２の最大であることを有効に達成する。本発明による
この構造は第２オーダーより高いシュタルクラダー転移
の不利な長波テールを大きく取り除くが、しかしながら
一方ではシュタルクラダー転移自身の利点、すなわち電
界効果下におけるそれらの迅速なシフトはそのままであ
る。本発明の別の発展的形態は請求項２乃至１２に記載
されている。本発明の詳細は、以下図面によって説明さ
れる実施例から理解されることができる。
【０００９】
【実施例】光ビームの強度変調用の光・電気半導体素子
１の図１の構造例はピン構造を有し、したがって原則と
して適切な半導体材料からなるｎドープされた基体層
２、真性層３およびｐドープされた層４に分割されてい
る。ＩｎＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＳ
ｂまたはＩｎＳｂは、基体用の半導体材料として好まし
い。可変電圧電位はそれぞれコンタクト層として機能す
るｎドープされた基体層２およびｐドープされた基体層
４に与えられるため、真性層３は電界を形成する。
１の図１の構造例はピン構造を有し、したがって原則と
して適切な半導体材料からなるｎドープされた基体層
２、真性層３およびｐドープされた層４に分割されてい
る。ＩｎＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＳ
ｂまたはＩｎＳｂは、基体用の半導体材料として好まし
い。可変電圧電位はそれぞれコンタクト層として機能す
るｎドープされた基体層２およびｐドープされた基体層
４に与えられるため、真性層３は電界を形成する。
【００１０】光・電気半導体素子の真性層３において、
Ｍ＝20の、それぞれ少なくとも１次元で局部化されたキ
ャリアを有する半導体構造である活性層Ｑ1 乃至Ｑ20が
形成されている。活性層用の材料は、ＩｎＧａＡｓ，Ｉ
ｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓまたはＡｌ
x Ｇａ1-x Ａｓy Ｓｂ1-y であることが好ましい。しか
しながら、約 800乃至1700nmの波長を持つ光ビームに対
して好ましい上記の III−Ｖ族半導体材料の代わりに、
約 400乃至800nm の波長に対して好ましいII−VI族半導
体材料を使用することができる。エピタキシャル的に付
着されていることが好ましいこれらの活性層の幾何学的
な厚さは数ナノメータである。したがってそれは電子の
散乱長およびドブロイ波長下にある。
Ｍ＝20の、それぞれ少なくとも１次元で局部化されたキ
ャリアを有する半導体構造である活性層Ｑ1 乃至Ｑ20が
形成されている。活性層用の材料は、ＩｎＧａＡｓ，Ｉ
ｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓまたはＡｌ
x Ｇａ1-x Ａｓy Ｓｂ1-y であることが好ましい。しか
しながら、約 800乃至1700nmの波長を持つ光ビームに対
して好ましい上記の III−Ｖ族半導体材料の代わりに、
約 400乃至800nm の波長に対して好ましいII−VI族半導
体材料を使用することができる。エピタキシャル的に付
着されていることが好ましいこれらの活性層の幾何学的
な厚さは数ナノメータである。したがってそれは電子の
散乱長およびドブロイ波長下にある。
【００１１】説明を簡単にするために、以下図１に示さ
れた少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する
半導体構造は、キャリアが膜平面に直交する方向で１次
元で発生する量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20であると仮定する。
しかしながら、量子化膜の代わりに２次元で局部化され
たキャリアを形成する量子化ワイヤ、または３次元で局
部化されたキャリアを有する量子化ドットを使用するこ
とも可能である。上記の説明の簡明化のために、以降の
説明の普遍性を制限せずに、“量子化膜”は“少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有する半導体構造”
と置換する。しかしながら、それに以下の影響はまた
“必要な変更を加えて”量子化ワイヤおよび量子化ドッ
トに適用することが明らかに指摘される。同様に、図１
に示されたＭ＝20の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20の構造は単な
る一例に過ぎない。それどころか、光・電気半導体素子
を使用する目的および達成されるべき効果の大きさの関
数として、ほぼ20個の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20が提供され
ることができる。
れた少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有する
半導体構造は、キャリアが膜平面に直交する方向で１次
元で発生する量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20であると仮定する。
しかしながら、量子化膜の代わりに２次元で局部化され
たキャリアを形成する量子化ワイヤ、または３次元で局
部化されたキャリアを有する量子化ドットを使用するこ
とも可能である。上記の説明の簡明化のために、以降の
説明の普遍性を制限せずに、“量子化膜”は“少なくと
も１次元で局部化されたキャリアを有する半導体構造”
と置換する。しかしながら、それに以下の影響はまた
“必要な変更を加えて”量子化ワイヤおよび量子化ドッ
トに適用することが明らかに指摘される。同様に、図１
に示されたＭ＝20の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20の構造は単な
る一例に過ぎない。それどころか、光・電気半導体素子
を使用する目的および達成されるべき効果の大きさの関
数として、ほぼ20個の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20が提供され
ることができる。
【００１２】図１において認められることができるよう
に、真性層３の20個の量子化膜Ｑ1乃至Ｑ20は２つの量
子化膜Ｑ1 ，Ｑ20等の10個の量子化膜グループＧ1 乃至
Ｇ10に分離され、ここにおいて個々の量子化膜のグルー
プＧ1 乃至Ｇ10はそれぞれバリアＢ1 乃至Ｂ11によって
分離されている。この例において、それぞれ２つの量子
化膜Ｑ1 乃至Ｑ20を有する個々の量子化膜グループＧ1
乃至Ｇ10を分離するバリアＢ1 乃至Ｂ11は、個々の量子
化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の分離が確保されることがで
きるように、すなわちキャリアのシュタルクラダー転移
が真性層３中の電界の効果の下に個々の量子化膜グルー
プＧ1 乃至Ｇ10の間で発生することができるように構成
されることが重要である。量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ
10のこの分離は、各量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の量
子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20中で局部化されたキャリアが量子機
構トンネル効果のために隣接した量子化膜グループＧ1
乃至Ｇ10中に拡散することができないように、十分に厚
いバリアＢ1 乃至Ｂ11を選択することによって得られ
る。しかしながら、バリア材料を選択することによっ
て、１つの量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10のキャリアの
隣接した量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10中への量子機構
拡散運動を阻止することも可能である。バリアＢ1 乃至
Ｂ11は、量子化膜グループのキャリアの量子機構波関数
の十分に小さい重なりだけが隣接したグループの対応し
た波関数と共に発生するか、或は全く生じないように、
量子機構的な意味において十分に厚いことだけが重要で
ある。
に、真性層３の20個の量子化膜Ｑ1乃至Ｑ20は２つの量
子化膜Ｑ1 ，Ｑ20等の10個の量子化膜グループＧ1 乃至
Ｇ10に分離され、ここにおいて個々の量子化膜のグルー
プＧ1 乃至Ｇ10はそれぞれバリアＢ1 乃至Ｂ11によって
分離されている。この例において、それぞれ２つの量子
化膜Ｑ1 乃至Ｑ20を有する個々の量子化膜グループＧ1
乃至Ｇ10を分離するバリアＢ1 乃至Ｂ11は、個々の量子
化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の分離が確保されることがで
きるように、すなわちキャリアのシュタルクラダー転移
が真性層３中の電界の効果の下に個々の量子化膜グルー
プＧ1 乃至Ｇ10の間で発生することができるように構成
されることが重要である。量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ
10のこの分離は、各量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の量
子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20中で局部化されたキャリアが量子機
構トンネル効果のために隣接した量子化膜グループＧ1
乃至Ｇ10中に拡散することができないように、十分に厚
いバリアＢ1 乃至Ｂ11を選択することによって得られ
る。しかしながら、バリア材料を選択することによっ
て、１つの量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10のキャリアの
隣接した量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10中への量子機構
拡散運動を阻止することも可能である。バリアＢ1 乃至
Ｂ11は、量子化膜グループのキャリアの量子機構波関数
の十分に小さい重なりだけが隣接したグループの対応し
た波関数と共に発生するか、或は全く生じないように、
量子機構的な意味において十分に厚いことだけが重要で
ある。
【００１３】反対に、各量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10
の２つの量子化膜Ｑ1 およびＱ2 、Ｑ3 およびＱ4 、…
Ｑ19およびＱ20の間に配置された別のバリアＣＢ1 乃至
ＣＢ10は、量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10に属した量子
化膜が結合されるように、すなわち個々の量子化膜Ｑ1
乃至Ｑ20におけるキャリアの局部化が除去されるように
構成され、これはゼロフィールドの場合に量子化膜グル
ープＧ1 乃至Ｇ10の２つの結合された量子化膜Ｑ1 乃至
Ｑ10によって形成される超格子構造の全体的な長さＬに
わたって本質的にキャリアの非局部化を発生させる。量
子化膜内転移に加えて、量子化膜間転移すなわちシュタ
ルクラダー転移は、量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の結
合された量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20間において発生すること
も可能であり、ここで図１に示された構造において、本
質的に第１オーダーのシュタルクラダー転移、すなわち
量子化膜グループの一方の量子化膜から他方の量子化膜
への転移だけが発生することができる。
の２つの量子化膜Ｑ1 およびＱ2 、Ｑ3 およびＱ4 、…
Ｑ19およびＱ20の間に配置された別のバリアＣＢ1 乃至
ＣＢ10は、量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10に属した量子
化膜が結合されるように、すなわち個々の量子化膜Ｑ1
乃至Ｑ20におけるキャリアの局部化が除去されるように
構成され、これはゼロフィールドの場合に量子化膜グル
ープＧ1 乃至Ｇ10の２つの結合された量子化膜Ｑ1 乃至
Ｑ10によって形成される超格子構造の全体的な長さＬに
わたって本質的にキャリアの非局部化を発生させる。量
子化膜内転移に加えて、量子化膜間転移すなわちシュタ
ルクラダー転移は、量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の結
合された量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20間において発生すること
も可能であり、ここで図１に示された構造において、本
質的に第１オーダーのシュタルクラダー転移、すなわち
量子化膜グループの一方の量子化膜から他方の量子化膜
への転移だけが発生することができる。
【００１４】一例として、図２は説明された構造と20個
の結合された量子化膜からなる超格子構造の吸収スペク
トルの比較を示す。両構造中の個々の量子化膜の幾何学
的な厚さはほぼ等しいように選択されたことが指摘され
なければならない。さらに、超格子構造の量子化膜間の
結合は、量子化膜グループの２つの量子化膜の間の結合
と本質的に同じ寸法であって、量子機構的に薄いバリア
によって分離されている。
の結合された量子化膜からなる超格子構造の吸収スペク
トルの比較を示す。両構造中の個々の量子化膜の幾何学
的な厚さはほぼ等しいように選択されたことが指摘され
なければならない。さらに、超格子構造の量子化膜間の
結合は、量子化膜グループの２つの量子化膜の間の結合
と本質的に同じ寸法であって、量子機構的に薄いバリア
によって分離されている。
【００１５】図２において、横軸は電子ボルト（ｅＶ）
の光エネルギ、およびそれによって光・電気素子に供給
される光ビームの波長を示す。縦軸は、ランダムな単位
で測定された光電流を示す。光電流曲線10は、それぞれ
２つの結合された量子化膜を持つ説明された10個の分離
した量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10から結果的に生じた
吸収関数を表す。図２の光電流曲線20は、20個の結合さ
れた量子化膜からなる超格子構造の吸収関数を示す。光
電流曲線20によって表された吸収関数の明らかにソフト
なプロセスが容易に認められることができる。それは超
格子構造のいくつかの量子機構的に薄いバリアにわたる
電子励起の結果、したがって第１オーダーのシュタルク
ラダー転移より高い結果である。
の光エネルギ、およびそれによって光・電気素子に供給
される光ビームの波長を示す。縦軸は、ランダムな単位
で測定された光電流を示す。光電流曲線10は、それぞれ
２つの結合された量子化膜を持つ説明された10個の分離
した量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10から結果的に生じた
吸収関数を表す。図２の光電流曲線20は、20個の結合さ
れた量子化膜からなる超格子構造の吸収関数を示す。光
電流曲線20によって表された吸収関数の明らかにソフト
なプロセスが容易に認められることができる。それは超
格子構造のいくつかの量子機構的に薄いバリアにわたる
電子励起の結果、したがって第１オーダーのシュタルク
ラダー転移より高い結果である。
【００１６】図２において光電流曲線10によって明らか
に示されているように、10個の分離した量子化膜グルー
プＧ1 乃至Ｇ10中の20個の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20の与え
られた構造によって１つのバリアを通った転移だけが可
能であり、したがって量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の
２つの量子化膜の間に配置されたバリアＣＢ1 乃至ＣＢ
10を通った転移だけが可能であるため、この長波テール
は説明された量子化膜構造の吸収スペクトルでは発生し
ない。その結果、本質的に量子化膜グループの分離した
量子化膜の間で第１オーダーのシュタルクラダー転移だ
けが発生し、以下に説明される（図３および図４）光ス
ペクトルおよび吸収または伝送スペクトルにおいて約0.
9 ｅＶでピークＰ1 の近くに現れる。約0.91ｅＶおよび
0.95ｅＶの２つの別のピークＰ2 ，Ｐ3 は量子化支持さ
れたシュタルク効果によって発生させられた量子化膜内
転移を表す。さらに、光電流曲線10の強い構造は、吸収
強度のエネルギ分布に直接比例する発振強度の分布が光
電流曲線20に比較して示された光・電気素子１中で明ら
かに小さいことを示し、これは20個の結合された量子化
膜からなる超格子構造を表す。
に示されているように、10個の分離した量子化膜グルー
プＧ1 乃至Ｇ10中の20個の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20の与え
られた構造によって１つのバリアを通った転移だけが可
能であり、したがって量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10の
２つの量子化膜の間に配置されたバリアＣＢ1 乃至ＣＢ
10を通った転移だけが可能であるため、この長波テール
は説明された量子化膜構造の吸収スペクトルでは発生し
ない。その結果、本質的に量子化膜グループの分離した
量子化膜の間で第１オーダーのシュタルクラダー転移だ
けが発生し、以下に説明される（図３および図４）光ス
ペクトルおよび吸収または伝送スペクトルにおいて約0.
9 ｅＶでピークＰ1 の近くに現れる。約0.91ｅＶおよび
0.95ｅＶの２つの別のピークＰ2 ，Ｐ3 は量子化支持さ
れたシュタルク効果によって発生させられた量子化膜内
転移を表す。さらに、光電流曲線10の強い構造は、吸収
強度のエネルギ分布に直接比例する発振強度の分布が光
電流曲線20に比較して示された光・電気素子１中で明ら
かに小さいことを示し、これは20個の結合された量子化
膜からなる超格子構造を表す。
【００１７】したがって、２つの光電流曲線10および20
の比較は、超格子構造において生じた第１のオーダーよ
り高いシュタルクラダー転移によって発生させられる吸
収の長波テールは示された構造中に存在しないことを直
接的に示している。したがって、光・電気素子１に供給
される光ビームを変調するために、第１のオーダーのシ
ュタルクラダー転移（0.88乃至0.9 ｅＶ）に先行するエ
ネルギ範囲において、換言すると超格子構造中で発生す
るような高度に分離する基本吸収を生じさせずに、ピー
クＰ1 の前にその動作波長を直接位置させることが可能
である。
の比較は、超格子構造において生じた第１のオーダーよ
り高いシュタルクラダー転移によって発生させられる吸
収の長波テールは示された構造中に存在しないことを直
接的に示している。したがって、光・電気素子１に供給
される光ビームを変調するために、第１のオーダーのシ
ュタルクラダー転移（0.88乃至0.9 ｅＶ）に先行するエ
ネルギ範囲において、換言すると超格子構造中で発生す
るような高度に分離する基本吸収を生じさせずに、ピー
クＰ1 の前にその動作波長を直接位置させることが可能
である。
【００１８】図３は、図２の光電流曲線10、および変調
電界の適用（以下参照）から結果的に得られる光・電気
素子１の吸収係数または光電流のΔαの変化を表した微
分曲線11を含む。この例において、左側の縦軸は103 cm
-1の単位で吸収係数を示し、右側の縦軸はランダムな単
位で光電流を示す。左側および右側の縦軸の単位間の関
係は、右側の縦軸の１つの単位が約104 cm-1に対応する
ように選択された。
電界の適用（以下参照）から結果的に得られる光・電気
素子１の吸収係数または光電流のΔαの変化を表した微
分曲線11を含む。この例において、左側の縦軸は103 cm
-1の単位で吸収係数を示し、右側の縦軸はランダムな単
位で光電流を示す。左側および右側の縦軸の単位間の関
係は、右側の縦軸の１つの単位が約104 cm-1に対応する
ように選択された。
【００１９】図４は、光・電気素子１に供給された光ビ
ームの伝送強度の変化を示し、横軸においてｅＶ単位で
表されている。図４の縦軸は、伝送された光ビームの強
度ΔＩおよびその強度Ｉの変化の負の商のパーセンテー
ジを示し、これは前記の光・電気半導体素子１の層２，
４に与えられたΔＵ＝±１Ｖの変調電圧から得られる。
ここにおいて、“ゼロフィールド”概念は欠落している
外部変調電界の場合および小さい外部変調フィールドの
場合の両者を含み、後者の場合には光・電気半導体素子
１に供給された光ビームの減衰が各適用に対して無視で
きることに留意すべきである。
ームの伝送強度の変化を示し、横軸においてｅＶ単位で
表されている。図４の縦軸は、伝送された光ビームの強
度ΔＩおよびその強度Ｉの変化の負の商のパーセンテー
ジを示し、これは前記の光・電気半導体素子１の層２，
４に与えられたΔＵ＝±１Ｖの変調電圧から得られる。
ここにおいて、“ゼロフィールド”概念は欠落している
外部変調電界の場合および小さい外部変調フィールドの
場合の両者を含み、後者の場合には光・電気半導体素子
１に供給された光ビームの減衰が各適用に対して無視で
きることに留意すべきである。
【００２０】変調された伝送ΔＩ／Ｉのこのスペクトル
から、図２および図３の光電流曲線10で示されているよ
うに長波吸収が約0.865 乃至約0.88ｅＶのエネルギ範囲
でこの変調電界の効果によって生成され、これはゼロフ
ィールドの場合には存在しないことが認められることが
できる。この吸収の増加は、吸収曲線を示した図３にお
いて認めることができる。示されたエネルギ範囲におけ
るこの吸収の増加は商関数−ΔＩ／Ｉの上昇路によって
図４において表されており、それは伝送率の減少を示
す。
から、図２および図３の光電流曲線10で示されているよ
うに長波吸収が約0.865 乃至約0.88ｅＶのエネルギ範囲
でこの変調電界の効果によって生成され、これはゼロフ
ィールドの場合には存在しないことが認められることが
できる。この吸収の増加は、吸収曲線を示した図３にお
いて認めることができる。示されたエネルギ範囲におけ
るこの吸収の増加は商関数−ΔＩ／Ｉの上昇路によって
図４において表されており、それは伝送率の減少を示
す。
【００２１】変調電界は３つのピークＰ1 乃至Ｐ3 の間
で転移強度の再分布を生じさせるため、転移強度および
それによる吸収強度の再分布度は 0.8ｅＶ乃至0.89ｅＶ
のエネルギ範囲で発生し、量子化膜間転移、それ故１つ
の量子化膜グループの２つの隣接した量子化膜の間のシ
ュタルクラダー転移によって伝送または吸収スペクトル
において生成されるピークＰ1 は強度を失い、これは量
子化膜内転移に有効である。この再分布は、フィールド
と共に増加するキャリアのシュタルク局部化状態により
発生する。
で転移強度の再分布を生じさせるため、転移強度および
それによる吸収強度の再分布度は 0.8ｅＶ乃至0.89ｅＶ
のエネルギ範囲で発生し、量子化膜間転移、それ故１つ
の量子化膜グループの２つの隣接した量子化膜の間のシ
ュタルクラダー転移によって伝送または吸収スペクトル
において生成されるピークＰ1 は強度を失い、これは量
子化膜内転移に有効である。この再分布は、フィールド
と共に増加するキャリアのシュタルク局部化状態により
発生する。
【００２２】したがって、図３および４のスペクトル
は、説明されたグループ化された超格子構造が光・電気
半導体素子１に供給される光ビームの強度を変調するの
に都合良く適している。第１オーダーの転移にシュタル
クラダー転移を制限することによって、予測されない有
害な基本吸収を生じさせる高いオーダーのこのような量
子化膜間転移によって生成される長波吸収テールは低い
エネルギ範囲では発生しない。変調電界の影響下におい
て、吸収エッジの前に位置された吸収強度の小さいエネ
ルギへの迅速な再分布が発生してあるエネルギ範囲で有
効な吸収を生じさせ、ゼロフィールドの場合にはこのよ
うな吸収は発生しない。
は、説明されたグループ化された超格子構造が光・電気
半導体素子１に供給される光ビームの強度を変調するの
に都合良く適している。第１オーダーの転移にシュタル
クラダー転移を制限することによって、予測されない有
害な基本吸収を生じさせる高いオーダーのこのような量
子化膜間転移によって生成される長波吸収テールは低い
エネルギ範囲では発生しない。変調電界の影響下におい
て、吸収エッジの前に位置された吸収強度の小さいエネ
ルギへの迅速な再分布が発生してあるエネルギ範囲で有
効な吸収を生じさせ、ゼロフィールドの場合にはこのよ
うな吸収は発生しない。
【００２３】したがって、光・電気半導体素子１の量子
化膜の示された構造は、入来した光ビームに対する量子
化膜“ヘテロ”構造の屈折率の変化によりクラマース・
クローニヒの関係式から生じる吸収係数におけるフィー
ルド依存性変化を有効に可能にする。したがって、示さ
れた光・電気半導体素子により吸収および干渉の両効果
により入来した光ビームの強度変調を行うことができ
る。これは、結果的に本発明の光・電気半導体素子１の
入口範囲を広くする。吸収変調器または位相変調器にお
いて光・電気半導体素子１を使用することが可能であ
る。このような特別な構造はマッハ・ツェンダー（ヘテ
ロダイン）干渉計または方向性結合器を含むことが可能
である。
化膜の示された構造は、入来した光ビームに対する量子
化膜“ヘテロ”構造の屈折率の変化によりクラマース・
クローニヒの関係式から生じる吸収係数におけるフィー
ルド依存性変化を有効に可能にする。したがって、示さ
れた光・電気半導体素子により吸収および干渉の両効果
により入来した光ビームの強度変調を行うことができ
る。これは、結果的に本発明の光・電気半導体素子１の
入口範囲を広くする。吸収変調器または位相変調器にお
いて光・電気半導体素子１を使用することが可能であ
る。このような特別な構造はマッハ・ツェンダー（ヘテ
ロダイン）干渉計または方向性結合器を含むことが可能
である。
【００２４】結果的に、量子化膜グループにおける２つ
の量子化膜の前述の構造はそれに限定されるものではな
いことに留意しなければならない。所望される目的に応
じて、量子化膜グループ中の３つ以上の量子化膜を結合
することも可能であり、その場合吸収スペクトルの重要
な部分に貢献する転移は量子化膜グループの量子化膜の
数の最大オーダーを有する。光・電気半導体素子１の真
性層３の全ての量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10が、同数
の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20を有する必要もない。上記の説
明から、当業者は所望の使用に対して図１に示された実
施例の構造を修正する多数の可能性を認識することがで
きる。
の量子化膜の前述の構造はそれに限定されるものではな
いことに留意しなければならない。所望される目的に応
じて、量子化膜グループ中の３つ以上の量子化膜を結合
することも可能であり、その場合吸収スペクトルの重要
な部分に貢献する転移は量子化膜グループの量子化膜の
数の最大オーダーを有する。光・電気半導体素子１の真
性層３の全ての量子化膜グループＧ1 乃至Ｇ10が、同数
の量子化膜Ｑ1 乃至Ｑ20を有する必要もない。上記の説
明から、当業者は所望の使用に対して図１に示された実
施例の構造を修正する多数の可能性を認識することがで
きる。
【図１】構造例の断面図。
【図２】ゼロフィールドの場合の光電流スペクトル特性
図。
図。
【図３】変調された電界中の光電流スペクトル特性図。
【図４】供給された光ビームの伝送スペクトル特性図。
Claims (12)
- 【請求項１】 ＰＩＮ構造を有し、その真性領域が活性
層中で少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有す
るＭ個の半導体構造を含み、２つの隣接した活性層は全
てバリアによって分離され、変調電界を生成するための
制御電圧がＰＩＮ構造のｎ型層およびｐ型層を通ってＭ
個の半導体構造を横切って供給可能である光ビームを変
調するための光・電子半導体素子において、 少なくとも１次元で局部化されたキャリアを有するＭ個
の半導体構造は２以上のグループで配列され、１つのグ
ループにおける半導体構造が各グループの個々の半導体
構造間におけるシュタルクラダー転移を本質的に可能に
するバリアによって分離され、このような結合された半
導体構造の個々のグループは１つのグループの半導体構
造の活性層と別のグループの活性層との間のシュタルク
ラダー転移を本質的に阻止する付加的なバリアによって
互いに分離されていることを特徴とする光・電子半導体
素子。 - 【請求項２】 光・電気半導体素子の真性領域の前記分
離されたグループの少なくとも１つは２または３個の活
性層を含んでいる請求項１記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項３】 光・電気半導体素子の真性領域の全ての
グループは２または３個のみの活性層を含んでいる請求
項２記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項４】 活性層の厚さはナノメータの範囲である
請求項１記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項５】 活性層は半導体基体上にエピタキシャル
的に付着されている請求項４記載の光・電気半導体素
子。 - 【請求項６】 光・電気半導体素子に供給された光ビー
ムの動作波長は、極小または弱い外部変調フィールドの
存在時に本質的に僅かな吸収だけが発生する小さいエネ
ルギ帯域中にある請求項１記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項７】 光ビームの動作波長は、第１オーダーの
シュタルクラダー転移によって発生させられた光・電気
半導体素子の光電流スペクトルのピークのエネルギ帯域
中にある請求項６記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項８】 活性層は量子化膜、量子化ワイヤまたは
量子化ドットとして構成されている請求項１記載の光・
電気半導体素子。 - 【請求項９】 半導体基体はＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＡ
ｓ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂまたはＩｎＳｂから
形成されている請求項１記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項１０】 少なくとも１つの層はＩｎＧａＡｓ，
ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＡｓまたはＡｌx Ｇａ1-x Ａｓy Ｓｂ1-yからなり、
或は層の１つはII−VI族半導体材料から形成されている
請求項１記載の光・電気半導体素子。 - 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれか１項記載
の光・電気半導体素子を具備している吸収変調器。 - 【請求項１２】 請求項１乃至１０のいずれか１項記載
の光・電気半導体素子を具備している位相変調器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4313488A DE4313488A1 (de) | 1993-04-24 | 1993-04-24 | Optoelektronisches Halbleiterbauelement |
| DE4313488.2 | 1993-04-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0772434A true JPH0772434A (ja) | 1995-03-17 |
Family
ID=6486300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6086864A Pending JPH0772434A (ja) | 1993-04-24 | 1994-04-25 | 光・電子半導体素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
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