JPH0856059A - 電磁波デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来できなかった電磁波（光）の進行波的増
巾が簡単に実現できる電磁波デバイスを提供する。 【構成】 半導体結晶１に電磁波入射手段２と電磁波を
出射する手段３とが組合わされる。外部静磁界４には通
常電極石などが使用される。半導体に附された電極５，
６間にはキャリヤ加速電圧が加えられる。加速の方向は
電子、正孔によって異なるが、電磁波進行方向と、キャ
リヤ走行方向とを一致させる。少くともその方向の成分
を有するようになされる。７，８間にはキャリヤの流れ
によってこれと直交する方向にホール電圧が発生するの
で、これを補償する電圧を必要により加える。入射電磁
波の周波数は半導体結晶１の光学フォノン周波数の近傍
に設定され、内部で増巾された電磁波を取出すようにな
されており、特に所定の条件式において、ｋの複素解即
ち増幅波を与えるように該周波数が選ばれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願は、電磁波を半導体中で増巾
せんとする電磁波デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本願でいう電磁波とは、原理的には広い
範囲にまたがるものであるが、特に好ましく適用される
のは半導体結晶の光学フォノン周波数附近であり、主と
して近赤外ないし赤外領域であるので、以下これについ
て例示することにする。

【０００３】米国特許５，０２０，０６４号（特願昭６
３−２１５，８１７号）に提案した電磁波デバイスで
は、プラズマ周波数ないしサイクロトロン周波数のよう
な集団運動を利用し、これと集団的な相互作用をさせる
可能性を示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般に、電磁
波（光）は、自由電子ないし半導体中の自由キャリヤ
（電子、正孔）等とはエネルギー的に相互作用しないの
で、半導体内自由キャリヤによって電磁波を増巾するこ
とはできない。唯一の解決例は、上記既提案である。本
願はこれとは別に新しい解決案を提示するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願は前記特許の電磁波
デバイスを改良したものであって、本願においては、半
導体内の光学フォノン振動数を利用しようとするもので
ある。光学フォノンは半導体結晶内において、特別の有
極性振動波を生じることが知られているので、このよう
な集団模型モデルとは電磁波は相互作用することが可能
なのである。もちろん、このような発明は、従来全く存
在せず、きわめて新規性に富む発明というべきである。

【０００６】しかも、この発明によって、従来できなか
った電磁波（光）の進行波的増巾が簡単に実現できるこ
とは、画期的な実用上の進歩というべきである。

【０００７】

【作用】本発明の原理を概説すれば、次のようである。

【０００８】光学フォノン周波数においては、一般に入
射電磁波に対して共振が起るために、周波数分散が発生
しうる。このため、通常の赤外光吸収スペクトルにおい
ても、残留線と称せられる異常が起り、反射率が高くな
ることが知られている。

【０００９】ただし、従来の知識では、そこまでに止ま
り、これが特段の活性素子としての作用を持つことは知
られていない。

【００１０】本願発明においては、これら光学フォノン
による原子振動波形が格子の空間電荷波でもあることに
注目し、これとコヒーレントに同期しうる波と相互作用
させる。

【００１１】この波は、当該周波数附近であって、位相
整合条件をつくり出せる空間電荷波であることが必要で
ある。

【００１２】位相整合条件は、光学フォノン周波数附近
において格子波の従う方程式から波動の位相速度を計算
し、これと一致するような電磁波の位相速度と合致する
条件を求めればよい。

【００１３】このときの電磁波は、電気的相互作用を起
すためには、空間電荷波でなくてはならない。通常の電
磁波は横波であって進行方向に位相整合はできないた
め、縦波成分を有する必要がある。これは、進行方向に
対して横磁界を設定することで可能となる。電磁波の進
行方向に対して横方向に静磁界を設けた配置をフォーク
ト配置と称し、電磁波は縦波成分を持ち、従って空間電
荷波となりうる。このことは公知であるが、このような
波とフォノン波との相互作用により増巾解を得ること
が、本発明の新規性に属するのである。

【００１４】本発明が適用されるための構成要件をのべ
ると、半導体結晶は縦光学フォノンと横光学フォノンの
それぞれの周波数を示すことが必要で、そのためには有
極性イオン結晶であることが必要である。具例的には二
元以上の化合物半導体であればよく、ＧａＡｓ、ＩｎＳ
ｂ、ＣｄＳ等がその例である。

【００１５】これらは、当然そのエネルギーギャップで
きまる吸収端を有するが、問題の電磁波に対して吸収端
が高周波側にあることが必要で、さもないと不透明にな
ってしまうが、一般に光学フォノン周波数は、その意味
で透明領域にあるのでその心配はない。

【００１６】また別に、キャリヤ密度に基因するプラズ
マ周波数によって吸収ないし反射が起こることがある。
これを避けるためにはプラズマ周波数を光学フォノン周
波数より低くすることが必要で、これはキャリヤ密度を
過大にしないことで容易に達成される。一般に本提案に
よる増幅利得は大きくできるので、この損失を上回るよ
うにすることもできる。

【００１７】また、キャリヤの半導体結晶中における散
乱は、実用上有害な効果をもたらすので、散乱は少いほ
うがよい。そのためには材料の易動度が高いこと、また
低温で動作させること、不純物が少いことが好ましい。
ただし、光学フォノン周波数においては、散乱時間は通
常小さく、それほど致命的妨害とはならない。

【００１８】

【実施例】本発明の概念的構成を図１に示す。

【００１９】１は半導体結晶で、これに電磁波入射手段
２と電磁波出射手段３とが組合わされる。４は外部静磁
界で通常電極石などが使用される。５，６は、半導体に
附された電極であって、この間にキャリヤ加速電圧を加
える。加速の方向は電子、正孔によって異なるが、電磁
波進行方向と、キャリヤ走行方向とを一致させる。少く
ともその方向の成分を有するようになされる。もちろ
ん、入射電磁波を吸収妨害しない位置形状が工夫され
る。７，８は、上記のようなキャリヤの流れによって、
これと直交する方向にホール電圧が発生する。この電圧
は本発明に不要のものであるから、これを補償するため
に横電圧を加える。ただし、有限の寸法の結晶において
は上記ホール電界は端面に界面電荷を生じ、上記ホール
電界を打消して、キャリヤはふたたびもとの正しい方向
に走るので、７，８は不可欠なものではない。

【００２０】また、当然これらの装置は導波管形状中に
収容設置することもでき、種々の変形が可能である。理
論的検討の結果、増幅された波を得るための条件として
は、次の永年方程式に集約される。

【００２１】 ｛Ｋω² −ω_p ² −（ｋｃ）² ｝・｛Ｋ（ω−ｋｖ）²
−ω_p ² ｝＝Ｋω_c ² ・｛Ｋω² −（ｋｃ）² ｝ これは、ｋについての方程式として、次の形式に書け
る。

【００２２】 ｋ⁴ −（２ω／βｃ）・ｋ³ −［［１／ｃ² −１／
｛（βｃ）² Ｋ｝］・（Ｋω² −ω_p ² ）＋ω_c ² ／
（βｃ）² ］・ｋ² ＋［２ω／｛ｃ² （βｃ）｝］・
（Ｋω² −ω_p ² ）・ｋ−［１／｛ｃ² （βｃ）² ｝］
・｛（Ｋω² −ω_p ² ）² −Ｋ² ω_c ² ω² ｝＝０ ただし、ｋは合成電磁波の波数、ωはその角周波数、ｃ
は真空中光速度、β＝ｖ／ｃであり、ｖは自由キャリヤ
の走行速度、ω_p ＝（ｑ² ｎ／εｍ）^1/2 で、ｑは単位
電荷、ｎはキャリヤ密度、εは誘電率、ｍはキャリヤ有
効質量 ω_c ＝ｑＢ／ｍ、Ｂは静磁束密度、Ｋ＝（ω² −
ω_l ² ）／（ω² −ω_t ² ）で、ω_l 、ω_t はそれぞれ
光学フォノン周波数のうち縦光学フォノン周波数、横光
学フォノン周波数である。

【００２３】上式は本発明者の発見になるものである。
波動方程式から得られる解とは、もし実数のωに対して
複素数のｋが得られたとき、その虚部は内部を伝搬する
波動の増巾（または減衰）をあらわすものとなることは
よく知られている。この増巾ないし減衰波は、それぞれ
別の方向に走るので、そのうち増巾方向を判別してその
方向に増巾電磁波を取り出すことができる。

【００２４】この方程式は、もしｋ＝１と仮定すると、
本発明者の研究報告Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７５，ｎ
ｏ．５．１９９４ ｐ．２３４８に示した式において衝
突散乱を除いた式、すなわち （ω² −ｋ² ｃ² −ω_p ² ）・｛１−ω_p ² ／（ω−ｋ
ｖ）² ｝＝｛ω_c ² ・（ω² −ｋ² ｃ² ）｝／（ω−ｋ
ｖ）² と一致することから、基本的に前特許との類似性がある
こと（ただし、常にω_lとω_t とは等しくないので、ｋ
＝１はありえないことで、本願は本質的に場合が異なる
が）、したがって前特許より高度の新しい効果であるこ
とがわかる。

【００２５】この意味は、光学フォノン周波数附近で
は、特別の誘電率分散を示すことがよく知られている。
したがってこの附近では半導体中の電磁波の速度もいろ
いろに変化するので、キャリアの走行速度と速度整合条
件を満足させることが可能で、それが本願の特徴であ
る。通常は縦波とのみ相互するのであるが、ここでは縦
光学フォノンと横光学フォノンとが組合さっているの
で、結果は複雑となるのである。

【００２６】本願で示した方程式は解析解を有しないの
で、その結果を簡単に表示するこはできないため、クレ
ーム（特許請求の範囲）においては原式で示した。しか
し、その大略の傾向は、具体的な数値によって調べるこ
とができる。

【００２７】数値例についてもおのおのの数値の大小関
係によって種々の場合が発生し、単純でなく、以下に示
すのも一例にすぎない。上記方程式が本発明者の主張す
る範囲で、そのなかに条件を満足する周波数が複数個存
在することが計算の結果示される。ごく概括的には、当
然ω_t またはω_l の附近に限定される、ある特性周波数
である。

【００２８】また、ω_c とβとが小さい場合には比較的
簡単になるので、その場合の式を示せば、 ω_± ＝［（ω_l ² ＋ω_p ² ＋ω_c ² ）±｛（ω_p ² ＋
ω_p ² ＋ω_c ² ）² −４（ω_p ² ω_t ² ＋ω
_c ² ω_l ² ）｝^1/2 ］／２ と定義すれば、ｋ、ωの関係は図２に示したようにな
り、ｋが複素数を与えるのはω₊ またはω_- の近傍にあ
ることがわかる。要するに、ω₊ またはω_- の附近で、
それにω_p 、ω_c 、ω_l 、ω_t が複雑に組み合わされた
表示である。この４つの特性周波数の組合せで決まるの
であるが、多くの場合、ω_l 、ω_t などのフォノン周波
数の近傍にあることもわかる。しかし、きわめて複雑な
様相を呈するので簡略な表現や定義が困難であり、上記
のような方程式で定義する方法を採ったのである。

【００２９】

【発明の効果】以上概説したように、本発明は、光と半
導体内電子との相互作用によって、光（電磁波）を進行
波増巾せしめるものであり、このような簡便な装置にお
いて増巾できることは、画期的な利便性を提供するもの
である。特に進行波タイプであり、一方向性の増幅なの
でアイソレーターも不要であり、入出力結合によって発
振器とすることもできる。また、電界その他の物理パラ
メータを変化させることによって、光変調器ないし光ス
イッチとすることもできる。

【００３０】また、入射光と、物理パラメータ（半導体
に加える電界、磁界など）との相関器として使用するこ
ともでき、これらは常識的な変調手段を加えることで当
然実現可能であり、出力は変調ないし相関波形が得られ
る。これらは本発明の広範な応用可能性を立証するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による電磁波デバイスの斜視
図である。

【図２】波数ｋと角周波数ωとの関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…半導体結晶、２…電磁波入射手段、３…電磁波出射
手段、４…外部静磁界、５，６…電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁波（光）の入射進行方向と並行して
   半導体内の自由キャリヤ加速電界が印加され、また該進
   行方向および偏波面に対して直交する方向に磁界が印加
   されてあり、かつ入射電磁波の周波数が該半導体材料の
   光学フォノン周波数の近傍に設定され、これにより内部
   で増巾された電磁波を取出すようになされた半導体装置
   において、特に次の条件式において、ｋの複素解を与え
   るように該周波数が選ばれてあることを特徴とする電磁
   波デバイス。 ｋ⁴ −（２ω／βｃ）・ｋ³ −［［１／ｃ² −１／
   ｛（βｃ）² Ｋ｝］・（Ｋω² −ω_p ² ）＋ω_c ² ／
   （βｃ）² ］・ｋ² ＋［２ω／｛ｃ² （βｃ）｝］・
   （Ｋω² −ω_p ² ）・ｋ−［１／｛ｃ² （βｃ）² ｝］
   ・｛（Ｋω² −ω_p ² ）² −Ｋ² ω_c ² ω² ｝＝０ ただし、ｋは波数、ωは角周波数、ｃは真空中光速、β
   ＝ｖ／ｃで、ｖはキャリヤ走行速度、ω_p ＝（ｑ² ｎ／
   εｍ）^1/2 で、プラズマ角周波数。ｑ、ｎ、ε、ｍはそ
   れぞれ単位電荷、キャリヤ密度、媒質誘電率、キャリヤ
   質量である。ω_c ＝ｑＢ／ｍでサイクロトロン角周波数
   である。Ｂは磁束密度。Ｋ＝（ω² −ω_l ² ）／（ω²
   −ω_t ² ）で、ω_l 、ω_t は縦光学フォノン、横光学フ
   ォノン周波数である。