JPH09102629A - 光学変調器及びその動作方法、半導体装置、光学素子並びに光学双安定方法 - Google Patents

光学変調器及びその動作方法、半導体装置、光学素子並びに光学双安定方法

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JPH09102629A JP10801596A JP10801596A JPH09102629A JP H09102629 A JPH09102629 A JP H09102629A JP 10801596 A JP10801596 A JP 10801596A JP 10801596 A JP10801596 A JP 10801596A JP H09102629 A JPH09102629 A JP H09102629A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 新規な光学変調器、半導体装置及び光学素子
を提供すること。 【解決手段】 本発明の光学変調器は、量子井戸層を含
む光学導波領域77と、前記導波領域の光学路を規定す
る導波構造83と、量子井戸層でキャリア密度を変更す
るために前記導波領域の下に位置するバックゲート75
と、前記バックゲートに対する電気的なコンタクト10
1及び少なくとも1つの他の電気的なコンタクト87と
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置と半導
体装置の動作モードに関する。特に、荷電励起子の光学
特性を利用した装置であって、光学変調器を含む光学装
置、光学検出器、及び双安定性を示す光学メモリに関す
る。
【0002】
【従来の技術】光学変調器は、伝搬された光学ビームの
強度が、一層低い値と一層高い値の間で、印加電圧を制
御することによって切り替えられる電気光学装置であ
る。効率的な光学変調器は、透明状態に低い損失を同様
に持っていて、透明状態及び不透明状態の間に大きいコ
ントラストを有している必要がある。
【0003】米国特許4、872、744には、量子井
戸層と、井戸層内のフリーキャリアの密度を変えるため
の電界効果トランジスタの形をとる手段を具備する光学
変調器が、記載されかつ特許請求の範囲として請求され
ている。電界効果トランジスタは、高電子移動度トラン
ジスタ(HEMT)の一般的な形態である。しかし、井
戸層を含む領域を通って、光を導くために、構成されて
いる。ゲート電極に印加されるバイアスは、装置を、伝
播中の光に対して相対的に透明又は不透明にする。
【0004】不透明状態に光をより多く吸収するとして
も、前述の米国特許による装置は、上記のように動作す
るときに、透明状態においていくらかの放射をまだ吸収
する。これは、多数の不利益を有する。まず、不透明状
態と透明状態の間でのコントラストが悪くなる。第2に
は、その結果として、光学入力ビームに一層高いパワー
が要求される。透明状態の吸収は、集積光学回路におけ
るその使用を制限する不可欠な要素として装置を含むよ
うに形成することができるよりも、導波路の全体の長さ
を同様に制限する。
【0005】また、本発明は、入射光学ビーム(これ以
降「制御ビーム」と称する)が電気信号を生成するのに
使用されるか、又は、強度或いは装置を伝播する光学ビ
ームの切換を制御するのに使用される光学活性半導体装
置に関する。先の種類の装置は、もちろん、光学検出器
であって、後の種類の装置は光学活性光学変調器であ
る。
【0006】制御ビームを使って、伝播ビームを制御す
るか、又は切り替える原理は、例えば、米国特許4、8
72、744に記載されている。制御ビームは、量子井
戸内での電子密度を変えると言われており、ゼロ又は低
キャリア密度では、装置は相対的に通過ビームに対して
不透明であり、一層高いキャリア密度では、相対的に透
明である。しかし、このことが効果を奏するような具体
的な手段が記述されていない。
【0007】量子井戸吸収帯の中に光子エネルギーを有
する制御ビームが井戸内に過剰キャリアを生成して、そ
して、層の屈折率を変えるような別の装置が、米国特許
4、626、075に記載されている。これは、量子井
戸のバンドギャップより小さい光子エネルギーを有する
伝播ビームの角度のふれを変える。それ故に、この種の
装置は位相変調器として振る舞う。
【0008】P−I−N構造で導波路を有する光学活性
半導体装置の別の形態は、米国特許4、716、499
に記載されている。この装置では、制御ビームは順々に
導波路のバイアス条件を変えることによって、伝播ビー
ムを変調するために使われる光電圧を生成するために使
われる。
【0009】更に、本発明は光学メモリ内の素子のよう
な使用に相応しい双安定光学装置に関する。
【0010】その出力に双安定性を示す半導体装置は、
米国特許4、716、499に開示されている。この装
置はその双安定な振る舞いのための装置のバイアスを変
えるのに、光電流の発生によっている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の装
置においては、不透明状態と透明状態の間でのコントラ
ストが悪く、その結果として、光学入力ビームに一層高
いパワーが要求される。
【0012】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、新規な光学変調器、半導体装置及び
光学素子を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。
【0014】本発明の第1局面に係る新たなモードでの
装置の動作によって光学変調器に対する上記の不利益を
克服することができ、この新たな動作モードは電界効果
トランジスタが量子井戸を含む量子井戸層内のフリーキ
ャリアの密度を変える配置における量子井戸層を具備す
る光学変調器の動作方法を提供する。この本発明の方法
は、ゲート電極と装置の他の電気的なコンタクトとの間
の可変バイアス電圧を印加し、ゲート電極に印加するバ
イアス電位を次のように変化させることを局面としてい
る。変調器は、量子井戸層内のキャリア密度がゼロ又は
無視できるときには入射光に対してほぼ透明であって、
量子井戸層に有限のキャリアがあるときには、入射光に
対して不透明となる。
【0015】本発明による方法は、更にこれ以降で述べ
る従来の装置と、新たな装置形態に適用できる。従来の
装置は、量子井戸層へのソース及びドレイン・コンタク
トの両方を有する。その場合は、ゲート電極に関連する
バイアスが印加された装置の他の電気的なコンタクトは
ドレイン・コンタクトであっても良い。ソースとドレイ
ン・コンタクトは同一の固定電位であっても良い。しか
し、任意に、異なる固定電位をソースとドレイン・コン
タクトの間に印加しても良い。
【0016】更に以下に述べる装置の新たな形態におい
て、従来の装置で使用されるような一次ゲート又はリッ
ジ構造の側方に関連する導波領域の他の側方に配置され
たゲートが「バックゲート」構造として用いられる。言
い換えれば、そのようなバックゲートは導波領域の基板
側の上に置かれる。
【0017】これ故、透明状態での吸収が非常に減少さ
れるので、本発明の方法は、従来の動作モードの不利益
を克服する。この装置の透明状態での吸収は、2つの起
源を有する。第一に、過剰電子が量子井戸層へ加えられ
るときに、残留価電子帯−導電帯吸収がある。第2に、
量子井戸内の過剰電子は、内部及び相互導電帯遷移によ
る吸収を受ける。本発明の第1の局面の方法では、透明
状態は、量子井戸の無視できる過剰電子密度で形成さ
れ、透明状態の過剰電子によって内部及び相互導電帯吸
収がほとんど除かれる。実に、内部及び相互導電帯吸収
は、不透明状態のみが大きいので、透明/不透明コント
ラスト比が増加する。
【0018】更に、装置がゼロ電子密度では帯域端の中
性励起子ラインより下の光子エネルギーで動作するの
で、透明状態における残留価電子帯−導電帯吸収は同様
に減少する。ここで、量子井戸はほとんど透明である。
【0019】価電子帯から導電帯までの半導体の電子の
光学励起により、物質のバンドギャップに等しいしきい
値光子エネルギーで、連続的な光学遷移が行われる。こ
のことは、それらの反対側の電荷による相互クーロン引
力を感じるような価電子帯から出る導電帯と「正孔」内
の電子であることが知られている。相互作用は、(中
性)励起子と称される(1つの電子と一つの正孔から成
る)電子−正孔境界状態を形成するように作用する。こ
れらの中性励起子は、価電子帯−導電帯のしきい値エネ
ルギーより下の光子エネルギーで吸収範囲の鋭い共鳴を
生成する。
【0020】連続しきい値と最低のエネルギーの違い
と、分離している励起子の遷移エネルギーは、それらの
相互引力による電子及び正孔の結合エネルギーに近似的
に等しい。半導体量子井戸層に対して、バンド間吸収し
きい値(ゼロ電子密度で)は、第1の電子と正孔サブバ
ンドの間に形成される(中性)切除による。
【0021】それは、量子井戸層へ過剰電子が加られる
ことによって、中性励起子の遷移エネルギーの吸収が減
少することは前述の米国特許4、872、744で、論
じられている。吸収は、2つの主な構成要素、(1)基
底状態の中性励起子、(2)連続遷移、を有する。連続
吸収の減少は、導電帯の基底部への遷移が電子によって
占有されるこれらの状態によって、ブロックされるとい
う事実によっている。故に、電子フェルミエネルギーは
増えるので、効果的な帯域端しきい値は一層高いエネル
ギー(Burstein−Moss効果)に移る。
【0022】米国特許で述べたように、連続吸収が透明
状態へのいくらかの残留吸収を残して、完全に除去され
てはいない。実際に、この問題は、量子井戸層バンドギ
ャップが、電子密度が増加し、一層高い遷移エネルギー
へ有効な吸収端への移行の大部分をキャンセルするにつ
れて、より低いエネルギーに移行するので、従来のもの
より一層悪い。故に、「透明」状態の従来の光学変調器
の吸収は実際に全く重要である。
【0023】従来の装置の透明状態の損失の別の要因
は、このことはその文書では議論されていないが、内部
及び相互導電帯吸収過程から起こる。この吸収は、同一
又は一層高い条件バンド内の一層高いエネルギー状態の
励起された導電帯の過剰電子によって引き起こされる。
1012cm-2の過剰電子密度は、米国特許4、872、
744の従来の動作モードに従って透明状態を生成する
ために、必要であると評価されている。それは、100
オングストローム幅の量子井戸層内で1018cm-3の3
次元密度の相当する。Adachi、 ”GaAs a
nd Related Materials”、 (W
orld Scientific、 Singapor
e、 1994、 p441) は、ドープバルクGa
Asにおける吸収係数の相互−導電帯過程による吸収係
数のプロットを与える。このプロットから、1018cm
-2に対する基本ギャップより下の吸収係数を概ね10c
-1であると評価することができる。
【0024】いくらかの特別な理論か説明によって縛ら
れないことを望むけれども、出願人は従来の動作モード
と本発明との重要な違いが、2つあると考えている。ま
ず、従来の装置は、振幅光学変調モードにおいて中性帯
域端励起子のエネルギーで動作し、本発明の動作はこれ
以下のエネルギーである。更に、従来のものによる動作
に対して、透明及び不透明状態は量子井戸層内の有限か
つ無視できる電子密度でそれぞれ形成される。本発明
で、この状況は逆になる。
【0025】本発明による方法の1つのこれ以降の実施
形態の説明は、集積電界効果トランジスタのショットキ
ー・ゲートとドレインの間の電圧の印加が自由電子の密
度を変え得る量子井戸層を含む中央領域を有する導波路
から成る光学変調器に関する。導波路を通って伝搬する
光は、過剰電子の空乏化時に、量子井戸の中性励起子の
吸収より下のエネルギーを有するように選ばれる。故
に、ショットキー・ゲートにバイアスが印加されると、
量子井戸層には電子がなくなり、光は導波路を通って相
対的にほとんど減衰がなく伝搬することができる。これ
は、装置の透明状態に相当する。過剰電子が量子井戸層
へ加えられると、量子井戸層内の励起子の吸収に必要な
光子エネルギーは、ゲート電圧を変えることによって、
下げられ、光の吸収を増やし、装置を不透明状態に変え
る。
【0026】同様に、過剰電子が量子井戸層へ相互−及
び内部−導電帯遷移(本発明における不透明状態)によ
って加えられると、上記のように、光吸収がいくらか増
える。
【0027】同様に、過剰電子が量子井戸層へ加えられ
る時に、負の荷電励起子と称される、光励起電子と正孔
は2つの電子と1つの正孔から成る境界コンプレックス
を形成して、第2の過剰電子を結合できる。負の荷電励
起子の遷移エネルギーは、励起子の電子/正孔コアへ第
2の過剰電子の結合エネルギーに概ね等しい中性励起子
のそれより低い。
【0028】図1は、量子井戸内の無視できるほど小さ
い(実線)及び有限な(破線)電子密度での量子井戸の
吸収を示す。装置がゼロ電子密度の中性励起子のエネル
ギーより下の光子エネルギーで動作することがわかる。
量子井戸層へ過剰電子を加えることは、吸収強度を中性
励起子から取り除いて、負の荷電励起子に転送する。こ
の励起子は、一層低いエネルギーとされ、動作光子エネ
ルギーに近づけられる。故に、過剰電子を追加すること
は、動作光子エネルギーでの吸収を増加し、装置を不透
明状態に変える。
【0029】故に、本発明の第1の局面による方法は、
過剰電子を量子井戸に導入することによって、その吸収
を増やしている。動作光子エネルギーは、量子井戸層の
無視できる電子密度で(図1の実線)よく中性励起子共
鳴の下になるように選ばれる。量子井戸層へ過剰電子
(ゲート電圧を変えることによって)を加えることは、
負の荷電励起子の形成を増し、動作光子エネルギー(図
1の破線)での吸収を増やす。適当な動作光子エネルギ
ーは、図1で「A」でマークされる。
【0030】本発明の第1の局面による方法で、不透明
状態への最も強い吸収を達成するために、光学変調器は
(不透明状態で)電子密度で動作されるべきであり、こ
こにおいて、負の荷電励起子の吸収は最も強い。これ
は、以下のように評価可能な中位の電子密度で達成され
る。光子が過剰電子の付近で吸収されるときに、負の荷
電励起子が形成される。それ故に過剰電子密度が増える
けれども、過剰電子が量子井戸層の増加した大きなエリ
アを覆うので、負の荷電励起子の吸収強度は、中性のそ
れを犠牲にして増える。負の荷電励起子のエリアの逆数
から負の荷電励起子が量子井戸層のほとんど全てのエリ
アに形成され、かつ最大の吸収強度をそれ故に有すると
ころで量子井戸平面で電子密度を概ね評価できる。
【0031】GaAs量子井戸層の例と平面内の半径の
荒い評価を負の荷電3次元の中性励起子の2倍であると
して、過剰電子におよそ3×1010cm-2の密度を与え
る。これは、よりたくさんの詳述された理論的な分析、
及び空間の不均一性によって電子の局部化の効果を考慮
に入れることによって改良される場合がある不透明状態
に対する最適の電子密度の荒い評価を与える。
【0032】負の荷電励起子の利用を可能にするため
に、井戸層で十分に低い電子密度を得るために、適切な
ゲートにバイアスを選ぶ従来の光学変調器で、本発明の
動作のモードを実際に利用することができることがわか
る。しかし、他の適切な構造が考えられる。
【0033】一般的に言えば、あらゆるヘテロ構造を使
うことができ、そして、ドープ層から得られるキャリア
によって、量子井戸層又は井戸又は活性層でいわゆる二
次元電子ガスの誘導を許す、又は、井戸を含む領域を通
って、光が伝播できる。任意に、アンドープスペーサー
層はドープと量子井戸層との間に配置される。しかし、
本発明が量子井戸層で一層低い電子密度によっているの
で、動作の従来の光学変調器のモードと比べてスペーサ
ー層の存在が好ましい。それ故に、そのようなスペーサ
ー層は例えば、30〜100ミリメートルの相対的に厚
くても良い。
【0034】本発明の第1の局面の方法の議論が量子井
戸層へ過剰電子を加えることによることであるが、同様
にその代わりに過剰正孔を導入することによって、光学
変調を達成することができることを注意すべきである。
この場合は、量子井戸層の近くのドープ領域は電界効果
トランジスタでドナーより好ましくはアクセプタの残余
を含む。これは、よくゲート−ドレイン電圧経由で変え
られるために、量子井戸層で過剰正孔の密度を促進す
る。また、動作光子エネルギーは量子井戸層(透明状
態)の無視できる過剰正孔密度で帯域端励起子の遷移よ
り小さくなるように選ばれる。ゲート−ドレイン電圧を
変えることによって過剰正孔密度を増やすことにより、
正の荷電励起子(2つの正孔と1つの電子の境界コンプ
レックス)が量子井戸層に形成される。これらは、中性
励起子より低い遷移エネルギーを有していて、これによ
り、動作光子エネルギーでの量子井戸層の吸収を増や
し、装置の不透明状態を形成する。もし、正孔の有効質
量が電子のそれより大きければ(それは、ほとんどの半
導体のケースである)、正の荷電励起子の第2の正孔の
結合エネルギーは、第2の電子の負の荷電励起子のそれ
より大きいだろう。故に、過剰正孔で動作する装置は、
過剰電子のそれより大きい透明/不透明コントラスト比
を提供するかもしれない。
【0035】本発明の第1の局面の方法は、従来のも
の、すなわち量子井戸層にコンタクトをとるソース及び
ドレイン領域を持つ電界効果トランジスタの形をとる装
置、に従って装置を一般にすなわち使用する第1の実施
形態に関して、以下に述べる。ゲートへ印加されるバイ
アス電圧が、透明及び不透明状態の間の切り替えを制御
するように、ショットキー金属ゲート電極は、ソースと
ドレイン領域の間の量子井戸層の上に置かれる。井戸、
スペーサー及びドープ層は、それぞれの被覆層の間に配
置される。
【0036】上記のように、光学変調器の新たな形態に
おいて工夫がなされ、従来の装置によるモードか本発明
の第1の局面の方法に係るモードで動作することができ
る。
【0037】この装置は、量子井戸層を含む光学導波領
域と、導波領域の光学路を規定する導波構造と、量子井
戸層でキャリア密度を変化させる導波領域より下に置か
れたゲートと、前記ゲートに対する電気的なコンタクト
と、少なくとも1つの他の電気的なコンタクトとを具備
する光学変調器を提供する本発明の第2局面を構成す
る。
【0038】装置のこの新たな形態の導波構造は、光学
導波領域の上に置かれたリッジから成る。しかし、導波
構造の他の形態は同様に可能である。
【0039】本発明の第2の実施形態による装置におい
て、ゲートのための電気的なコンタクトは導波領域で量
子井戸層より下に侵入するくぼみに置かれる。その代わ
りに、高ドープ・バッファと基板層と構造の後方に作ら
れたオーム接点の上のバックゲートを直接に成長させる
ことができる。
【0040】本発明による光学変調器の2つの実施形態
は、以下の通りである。これらの実施形態の一つで、前
記少なくとも1つの他の電気的なコンタクトは量子井戸
層へリッジのそれぞれどちらかの側で前記導波領域に電
気的なコンタクトとなる、それぞれのソースとドレイン
・コンタクトを有する。この装置で、リッジ領域の外側
で量子井戸層のエリアを空乏化することは、フロント・
ゲートがリッジの上に配置されるような前の形態と異な
って、可能である。この利点を、以下に説明する。しか
し、リッジの上に追加のゲートを形成することは可能で
ある。そのような装置は、従来の構造の種類に匹敵する
だろう。しかし、追加のバックゲートで匹敵するだろ
う。
【0041】それにもかかわらず、もしそのようなもっ
と遠い「フロント」ゲートがリッジの上に形成されれ
ば、ソースとドレイン・コンタクトは不要である。その
ような装置は、本発明の第2の局面に係る装置の第2の
実施形態を構成する。以下に述べるようなこの実施形態
の特定の形態において、ブリッジは導波領域の中へ広が
り、エッチングされるくぼみ領域によって、境界をつけ
られる。これは、光学導波領域にキャリアがないよう
な、リッジ端の外側でされる。もし装置がこの発明の第
1の局面のモードで動作されれば、これは、有利であ
る。もし装置が従来のモードに従って動作することがで
きれば、より上部の被覆層内でエッチングが終わること
は、一層良く、リッジの外側の量子井戸層のエリアがキ
ャリアで占有されたままである。
【0042】バックゲート構造の利点は、フロント・ゲ
ート装置(構造)と異なってキャリアのうち全ての量子
井戸層を空乏化することができることである。もし装置
が本発明の第1の局面のモードで動作すれば、これは、
有利である。この理由は、フロントゲート装置に対して
ストライプの外側及び隣接する量子井戸のエリアが空乏
化されないで、それ故に、装置が透明状態で、光の一部
分を吸収する。透明状態のこの吸収は、損失を構成し、
望ましくない。しかし、バックゲート装置で避けること
ができ、バックゲートの上の全ての量子井戸層は空乏化
されるだろう。
【0043】上記のように、本発明の第2の局面による
光学変調器は、従来の装置の動作モード、又は、本発明
の第1の局面の方法によって定義された動作モードのど
ちらか一方で動作可能である。しかし、後者のモードの
動作に対して特に有利である。
【0044】この基本的な光学変調器の構造に対する様
々な変形は、可能であって、例えば、 (1) 実施形態で述べられた装置は、吸収係数が動作
光子エネルギーにおいて変更されるところで、振幅変調
を生成する。しかし、屈折率の小さい変更による位相変
調の原理上で動作する装置を生成するのに、ここで概説
した原理を同様に用いることができる。この場合は、一
層小さい動作光子エネルギーが使われ、それは吸収損失
を非常に減少させる量子井戸層の禁止帯のギャップの中
にある。一方、そのような装置は一層長い装置の長さ
が、同等の変調を生成するのに要求されるという不利益
を有する。これは、本発明の第2局面に係る装置と、本
発明の第1局面の方法による動作に対して意図されるど
のような光学変調器にも適用する。
【0045】(2) リッジ構造の上部の金属ショット
キー・ゲートを採用するこれらの実施形態に対して、シ
ョットキーゲートは構造の残りに沿ってエピタキシャル
成長されたドープ半導体層によって置き換えられる。
【0046】(3) ドーパント原子を量子井戸層へ追
加又はそれより上よりも下のAlx Ga1-x As層内に
置くことができる。
【0047】(4) アンドープスペーサー層を省略す
ることができる。
【0048】(5) n型の代わりにp型ドーパントを
使うことができる。この場合は、過剰正孔は正の荷電励
起子の形成を導くように、量子井戸層に供給される。
【0049】(6) 上部被覆層を省略することができ
る。又は、導波領域より小さい屈折率を持つ誘電体で替
えることができる。大きいバックグラウンド不純物濃度
を有するAlx Ga1-x As被覆層が使われれば、好ま
しい場合がある。
【0050】(7) 量子井戸層の質を改良するため
に、量子井戸層の前にここで概説されたGaAs構造の
ための短い周期の超格子構造(例えばGaAsの50周
期(25オングストローム)/Al0.3 Ga0.7 As
(25オングストローム)を成長させることができる。
【0051】変調器は分離している装置として使用する
ための外部の導波構造に使用中に組み入れられたり、光
回路に統合される場合がある。光学論理素子を形成する
ために、それを他のもの電気回路と結び付けることがで
きる。
【0052】MOVPE、MOCVD、MBEなどのよ
うなエピタキシャル成長法が好ましいけれども、多数の
異なった方法で、装置の半導体層を生成することができ
る。
【0053】本発明の第3局面に係る光学活性された半
導体装置の新たな形態においては、所定のバンドギャッ
プを有する半導体物質で形成された量子井戸層と、前記
所定のバンドギャップよりも高いバンドギャップを有す
る半導体物質で形成された少なくとも1つの領域を具備
し、少なくとも1つの領域が前記少なくとも1つの領域
のバンドギャップよりも高い光子エネルギーを有する入
射光ビームで照射されたときに、量子井戸層内の過剰キ
ャリア密度が変化するような変調領域を有する光学動作
半導体装置を提供する。これ以降に、光学活性光学変調
器及び光学検出器の両方と、本発明の第3の局面に従っ
た全てのものの実施形態を述べる。光学変調器は、動作
の従来のモードで動作可能である。すなわち、ゼロ又は
低いキャリア密度で伝播ビーム及び相対的に不透明であ
り、一層高いキャリア密度で相対的に透明であるよう
に、制御ビームが量子井戸層で電気密度を変える。しか
し、本発明によるこれらの光学変調器は異なったモード
で動作することが同様に可能である。この異なったモー
ドは、本発明の第1の局面で述べられている。量子井戸
層のキャリア密度がゼロ又は無視できれば、変調器を伝
播光に対してほぼ透明にし、量子井戸層に有限のキャリ
ア密度があると、光に対してより不透明にし、これによ
り、透明/不透明のコントラスト比が上がる。
【0054】伝播ビームの強度を変調する代わりに、同
様に制御ビームが伝播ビームの光子エネルギーで装置の
屈折率を変えるように、装置を製作することができる。
この方法では、装置は位相変調器として振る舞う。
【0055】発明の第3の局面の他の変形において、量
子井戸層のゲート及びオーム接点、及び故に量子井戸内
の電子密度、及び故に電子密度で導波路を通って移動す
るビームを変えるような制御により、光電圧を生成する
ことができる。後者の装置において、光電圧が量子井戸
層を横切る電界を変える点を除いて、本発明で、量子井
戸層での電子密度を変更している。これは、米国特許
4、716、449に記載された従来の動作に類似して
いる。
【0056】強度(振幅)変調器である本発明による光
学活性光学変調器は、導波領域を通って伝播する光ビー
ムの強度を変調する動作の機構に関する2つの別のクラ
スに落ちる。これらのクラスの一つに対して、入射光ビ
ーム(すなわち制御ビーム)は量子井戸層で過剰キャリ
ア密度を減少させる機能を有する。変調器の他のクラス
で、制御ビームは量子井戸層に過剰キャリア密度を増や
す機能を有する。
【0057】以下に述べる光学活性光学変調器の実施形
態において、装置の変調領域を通る光学路は、原理的に
は、どのような公知の光学導波構造が本発明に係るよう
な検出器に採用されていても、ストライプ導波構造によ
って定義される。導波構造は、一緒に分配することが可
能であり、伝播ビームは装置の上部表面に直角又は斜角
で入射する。
【0058】本発明の第3の局面に係る光学活性光学変
調器の第1のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸
層内の過剰電子密度を減少するように機能すること、に
おいて、変調領域は、更に、第1のドープ層を具備す
る。しかし、好ましくは、変調領域が第2のドープ層を
具備し、量子井戸層が第1及び第2のドープ層との間に
置かれる。装置のこのクラスを例示するために記載され
た実施形態において、量子井戸層はそれぞれのスペーサ
ー層によって第1及び第2のドープ層から分離される。
この装置において、第1、及び第2のドープ層が、同じ
導電型を有するようにドープされる。
【0059】発明の第3の局面による光学変調器の第2
のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸層内の過剰
キャリア密度を増加する機能を有すること、において、
装置層構造が変調領域を横切る電界生成する。これは、
それぞれ異なった導電型タイプの第1及び及び第2のド
ープ層の間に位置される変調領域によって達成すること
ができる。第1及び第2に述べられた実施形態で、変調
領域はこれらの第1及び第2のドープ層から第1及び第
2のそれぞれの被覆層で分離される。しかし、同じ効果
は、例えば、p−i−n、n−i−p、(ショットキー
金属)i−p、(ショットキー金属)−i−n層構造又
は、当業者に知られている他のどんな手段でも達成可能
である。
【0060】本発明の第3の局面に係る光学活性光学変
調器の第2のクラスを例示するために述べた実施形態に
おいて、第1及び第2のドープ層の一つは、ストライプ
導波構造の一部を形成する。任意に、印加された電圧が
導波領域を横切る電界を増やすのに使われても良いよう
に、第1及び第2ドープ層へ、それぞれのオーム接点を
作ることができる。このことは、以下でより詳細に説明
するが、切換え時間を下げる利益を有する。導波領域の
凹部に置かれたオーム接点によって、導波領域の基板側
の上にあるドープ層は簡単にコンタクトをとることがで
きる。下部ドープ領域が同じドーピングタイプの緩衝及
び基板層上に成長されるのであれば、基板の後方を経由
するオーム接点を作ることが可能である。
【0061】本発明の第3の局面による光学検出器で、
入射光は量子井戸層での電気的なコンタクト(高電子移
動度トランジスタ(HEMT)における量子井戸層への
ソースとドレインのオーム接点のように効果的に)であ
る出力端末から電気信号を生成する機能を有する。その
ような検出器の実施形態では、光ビームは、量子井戸層
での過剰キャリア密度を減少させるように機能する。第
1のドープ層を更に具備するが、2つのドープ層の間に
位置された第2のドープ層と量子井戸層とを具備するこ
とが好ましい。2つのドープ層は、同じ導電型にドープ
される。上記のように、量子井戸層はそれぞれのスペー
サー層により2つのドープ層から分離される。
【0062】任意に、ゲート電極が、上部領域で電界を
変えるか、増すために、(ソースとドレインのようなも
のの電気的なコンタクトの間の)構造の上に配置され
る。付加的に又は代わりに、下部領域の正面の間に同様
の方法でバックゲート(すなわち、基板側)を形成でき
る。これは、本発明に係る変調に同様に任意に適用する
ことができる。
【0063】上記の種類の光学検出器は、電気出力信号
よりも光学信号を提供するような導波構造の内蔵するこ
とによる第2の光学ビームを使用する光の検出するよう
に再構成しても良い。更に、構造は分離している装置と
して利用される場合がある。又は、イメージ発見目的の
ための配置に統合される場合がある。
【0064】双安定な新たな光学装置(コンタクトを有
する必要がない)は、例えば米国特許4、716、44
9に記載された従来のそれから双安定性を生成するため
の動作の異なった機構に依存する。
【0065】本発明の第4の局面は、量子井戸層以上の
高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層の間に配
置される量子井戸層を含む光学路領域を具備する双安定
光学素子を、供給し、それにより、光学路領域の光学ビ
ームの吸収は、量子井戸層で過剰電子と正孔を生成し、
双安定性を生成するために、光学路領域への吸収を変調
する。
【0066】発明の第4の局面によるこの装置で、もし
1つ以上の量子井戸層すなわち少なくとも2つの量子井
戸層、が提供されれば、吸収は増すだろう。導波幾何学
での装置について、光学路領域は最適のモードの伝播の
ための厚さを有していなくてはならない。そして、5〜
50、すなわち20、の量子井戸層の回りに収容する。
【0067】本発明の第5の局面は、量子井戸層より
も、高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層で交
互に繰り返す複数の量子井戸層を含み、光学路領域を伝
播する光学ビームの出現する強度の双安定性を提供する
光学路領域を具備する双安定な光学素子を提供する。
【0068】光の共鳴吸収は、構造内で光励起された電
子と正孔を生成する。過剰キャリアは、双安定な振る舞
いを生成して、物質の吸収を変調する。
【0069】本発明に係る装置に利用される動作モード
は、吸収特性を変調するためにビームの共鳴吸収が過剰
正孔及び電子を生成するように、条件(例えば、伝播ビ
ームの光子エネルギー、量子井戸層のバンドギャップ、
及びゲート層かオーム接点へ印加された電圧)が選ばれ
るように提供された量子井戸層を有する公知の種類の光
学装置において、同様に使用されている。
【0070】本発明の第6の局面は、光学路領域が量子
井戸層よりも高いバンドギャップの半導体物質のそれぞ
れの層間に配置された量子井戸層を具備する装置の光学
路領域を伝播する光学ビームの出現強度における双安定
性を供給する方法において、光学路領域の吸収を変調す
るために、光学路領域内の光学ビームの吸収が、量子井
戸内の過剰電子と正孔を生成するような条件で装置を動
作している。
【0071】光子エネルギー(中性励起子のそれに近い
もの、又は荷電励起子のいずれか)で光を使って、2つ
のモード(以下に更に説明する)で本発明の光学要素を
動作することができる。図1は、荷電励起子(動作光子
エネルギーA)の光子エネルギー、又は、中性励起子
(動作光子エネルギーB)のそれのいずれかで大きい吸
収変化を達成することができることを示す。
【0072】以下に述べる本発明に係る双安定素子の好
ましい実施形態で、導波構造は光学ビームのために光学
路を規定するために、光学路領域を通じて提供される。
この特定の実施形態は、ストライプ導波路であるが、当
業者に知られている導波構造のどのような種類のもので
あっても良い。しかし、導波構造は全く無しで済まされ
ても良いし、光学ビームは直角に又は傾いた角度に向け
られていても良い吸収する基板の上で成長された構造の
場合に、ウィンドウは当業者に知られている技術を使っ
て、ビームの伝播のためにエッチングする必要があるだ
ろう。
【0073】本発明によるあらゆる双安定光学装置は、
光学ビームを発生させるか、見つけるための手段を含ん
でいても良い。
【0074】上記のように、双安定光学装置は、荷電励
起子又は中性励起子のいずれかのエネルギー領域に相当
又はその領域内の光子エネルギーを有する光源での2つ
の異なる光学モードで動作しても良い。
【0075】発明による双安定光学装置は、メモリ要素
の光学アナログ、フリップフロップ、シフトレジスタ、
或いは1以上の双安定な構成要素を利用する電子回路の
他のどんな光学等価物として使っても良い。この場合
に、例えば、メモリ要素、装置は、そのようなメモリ要
素のアレイを具備しても良い。
【0076】本発明による双安定な要素の好ましい実施
形態は、厚さで150オングストロームと100オング
ストローム多層量子井戸領域がGaAsとAlx Ga
1-x As(x=0.33)層を互い違いにすることから
成るGaAs/Alx Ga1-xAs ヘテロ構造をそれ
ぞれ使う。しかし、GsAs層は50〜500オングス
トロームとAlx Ga1-x As20〜500オングスト
ロームの範囲の厚さを好ましくは有する。
【0077】双安定光学素子の望ましい実施形態におい
て、光学モードが多層量子井戸層のいずれかの側の上に
一層厚いAlx Ga1-x As層を配置することによっ
て、光学モードが最も強い導波領域のちょうど中央領域
に光学路領域を同様に制限することができるけれども、
多層量子井戸層は光学路領域の全体の厚さを占める。導
波領域は、およそ0.2〜1.0(μm)の全体の厚さ
を好ましくは有するが、一方、上部及び下部被覆層は好
ましくは、0.5〜2(μm厚さ)のAl0.5 Ga0.5
Asな間である。上部被覆層のおよそ0.3μmを残す
ようにエッチングすると、リッジは、好ましくはおよそ
1〜5μm幅である。
【0078】双安定光学素子の好ましい実施形態におい
て、導波領域は0.51μmの厚さを有すし、21Al
0.33Ga0.69Asで点在させられる20GaAs井戸か
ら成る。しかし、上記のように井戸の数と、導波領域
(0.2〜1.0)(μm)の全体の厚さを保持するた
めに、増えた最も外側の層の厚さは減らすことができ
る。
【0079】本発明の上記の全実施形態は、GaAs/
Alx Ga1-x As ヘテロ構造に基づいている。しか
し、多数の異なった物質から層を形成することができ
る。それにもかかわらず、強い帯域端 励起子の共鳴を
持つ物質が好ましく、例えば、InP/Inx Ga1-x
As、Inx Ga1-x As/Iny Al1-y As、In
P/Inx Al1-x As、Inx Ga1-x As/GaA
s、GaInP/AlGaInP、CdTe/Cdx
1-x Te、CdTe/Cdx Mn1-x Te、ZnSe
/Zn1-x Mnx Se、Zn1-x Cdx Se/ZnS
e、ZnSy Se1- y /Zn1-x Cdx Se、CdTe
/Cd1-x Znx Te、GaN/AlN、GaN/Al
x Ga1-x N、Inx Ga1-x N/GaN、Inx Ga
1-x N/Aly Ga1-y Nなどがある。
【0080】疑問点の回避のために、本発明において、
用語「光学」は、紫外線、可視、又は、赤外線周波数の
電磁気照射を意味する。用語「光」の電磁気の放射に応
じて解釈されることを意味する。
【0081】
【発明の実施の形態】図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。
【0082】図2は、本発明の第1の局面に係る動作に
対する光学変調器1の第1の実施形態の基本構造を示
す。変調器1は、導波領域5に位置された下部被覆層3
を具備する。導波領域5の上には上部被覆層7がある。
【0083】上部被覆層7は、選択的に高くしたリッジ
9を生成するためにエッチングされ、金属ショットキー
・ゲート電極13はリッジ9上に形成される。
【0084】それぞれ、リッジ9のいずれかの側の上
に、量子井戸層で導波路の導波領域5で電気的なコンタ
クトを許可するために、上部被覆層7に突き刺さるドレ
インのオーム接点17が従来の技術によって形成され
る。以下のより詳細に説明するが、光ビーム19は、導
波領域5の伝播領域21を通って、ソースとドレインの
オーム接点15、17と平行及びその間に、リッジ9及
びショットキー・ゲートの真下に、移動する。入力面2
3から離れた面(図示しない)から出るビーム19の強
度と位相の或いはそのいずれかは、印加ポテンシャルの
手段に従って変調される。
【0085】図3に、導波領域5の層構造を示し、量子
井戸の下の下部アンドープ障壁25、又は、活性層27
を具備する。中央のアンドープ障壁、又は、スペーサー
層29(省略可)は、量子井戸層27の上に位置され、
ドープ(p型かn型)層31が中央アンドープ層29の
上に形成される。最後に、上部アンドープ障壁層33
(省略可)は、ドープ障壁層の上に位置される。
【0086】図4は、図3に示されるような、導波領域
の構造詳細を含む、図2に示す構造のすべての層構成を
示す。
【0087】しかし、図4は、図2の構造が基板35に
形成され、その上、緩衝層37が、基板35と下部被覆
層3に挿入され、GaAs層(11)が上部被覆層
(7)の後に成長にキャップする。
【0088】図4に示す各々の層の構成と厚さは、下記
の表1に示すとおりである。
【0089】
【表1】
【0090】完全な構造は、従来のエピタキシャル成長
法を使って、製作される。量子井戸層27の厚さは、鋭
い励起子の共鳴を提供するように選ばれ、この特定のヘ
テロ構造では、3nmから50nmまでのあらゆる厚さ
である。量子井戸層のキャリアは、ドープ障壁層33に
よって当然導かれる。それ故に、スペーサー層29の厚
さとドープ障壁層33においては、後者のドーピング濃
度と同様に、電子密度を不透明状態における最大の吸収
に対するゼロと値との間で変えることを可能にするよう
に選ばれる。
【0091】図3を再び参照すると、導波構造5は、導
波領域の平均屈折よりも小さい屈折率を有する被覆層
3、7によって上部及び下部に挟まれた中央導波領域か
らなる。GaAs/Alx Ga1-x Asヘテロ構造に対
して、ガイド中央領域でより大きい平均的なアルミニウ
ム濃度(例えばx=0.5)を有するAlx Ga1-x
sの被覆領域3、7を構成することによって、これを達
成することができる。最適な性能のために、中央領域の
厚さは光学モードの最大の強度に十分に狭く(主要な光
学モードのみが、量子井戸層27でサポートされる)保
たれるべきである。被覆層3、7は、導波領域から光学
モードの重要な漏れを妨ぐように、十分に厚くすべきで
ある。
【0092】導波領域の上及び導波領域の下の被覆層
3、7は、層平面に垂直な方向の光学モードを制限す
る。図3は、成長方向と垂直な方向に、すなわち、スト
ライプ導波路と通常称される構造において、光学モード
を閉じ込める1つの可能な方法を示す。ストライプ導波
路を形成する処理ステップは、公知であり、詳細説明は
省略する。しかし、当業者に知られている他のものの導
波構造は、同様に本発明に適用可能である。
【0093】ストライプは、ホトリソグラフィのマスク
を通じて、乾式又は湿気エッチングにを用いて上部被覆
層7にエッチングされる。ストライプ領域内の屈折率が
隣接するエッチング領域のそれより大きいので、光学モ
ードは、ストライプ領域の下で制限される。ストライプ
は、約1〜5μm幅である。そして、エッチングの深さ
は上部被覆層7のおよそ0.3μmがエッチング領域内
に残るような深さである。
【0094】ショットキー金属コンタクト13は、電界
効果トランジスタのゲートとして振る舞うために、標準
の技術を使うストライプの上部で、蒸着される。量子井
戸層27の電子ガスへの抵抗ソースとドレイン・コンタ
クト15、17は、電界効果トランジスタのソースとド
レインを形成するストライプのいずれかの側の上に標準
の技術を使って作られる。量子井戸層の電子密度は、装
置のショットキーとドレイン・コンタクトの間に電圧を
印加することによって変えられる。第2の(任意の)電
圧は、同様に、量子井戸チャンネルに移動する電子のド
リフト速度を増すように、ソースとドレインのオーム接
点の間に供給される。このことは、ショットキーバイア
スが量子井戸層を空乏化するように印加されて装置の速
度を増すときに、オーム接点への量子井戸からの電子に
対する遷移時間が減少する。最大ドリフト速度は、およ
そ3.5kV/cmの電界に対するGaAsで達成され
る。
【0095】図5は、本発明の第1の局面に係る動作に
対する光学変調器41の第2の実施形態の一般概略図で
ある。一般的に、図2及び3に示す装置に類似してい
る。
【0096】ショットキー金属ゲート23は、メサ領域
45の中央に形成され、ソース47及びドレイン49が
詳細は後述する埋め込み量子井戸層へのオーム接点とし
てゲート43の外側のメサ54のいずれか端に形成され
る。
【0097】メサ45は、標準のホトリソグラフィを使
って、マスクエリアを規定し、そして、量子井戸層より
下の深さへ露光された半導体をエッチングすることによ
って、ウエハ51上にに形成される。ホトリソグラフィ
は、量子井戸層に電子へのオーム接点47、49を形成
するためにアニールされるメサ45のいずれかの端でN
iGeAu金属を堆積するのに用いられる。
【0098】半透明のAu層は、ショットキー・ゲート
43を形成するために、メサ45の中央領域の上に蒸着
させられる。上記のように、この装置は、導波構造を含
まない。しかし、そのことは動作に対する変調器として
理解することができる。導波構造は第1の実施形態の態
様において同様に組み込まれるべきである。
【0099】メサ45内の層構造の詳細を、図6に示
す。
【0100】基板51の上の成長の順序は、以下のよう
になっている。下部緩衝層53、中間緩衝層55、上部
緩衝層57、下部障壁層59、量子井戸層61、アンド
ープスペーサー層63、nドープ層65、及び最後はキ
ャッピング層67である。図6に示すような各々の層の
構成と厚さを、以下の表2に示す。
【0101】
【表2】
【0102】第1の実施形態のそれに似ているために、
この第2実施形態の装置を参照することができる。特
に、それは同様の量子井戸層、アンドープスペーサー及
びドープ層を有する。層は、(100)方向のGaAs
基板の上の分子のビームエピタクシーによって成長させ
た。どの層も、故意にドープさせないで、2000オン
グストロームのAl0.33Ga0.67As層に対してドープ
している。図6の層厚さとドーピング濃度は、成長束密
度レートから設定された基準値である。導波被覆層は、
図6から省略される。しかし、動作電圧を変えても、光
の吸収する特性に影響を与えない。バック障壁層の厚さ
は、第1の実施形態では一層薄い。しかし、同様の性能
は一層厚いバック障壁層でのサンプルで得られた。
【0103】オーム接点に関してショットキー・ゲート
にバイアスを印加することによって、量子井戸層の過剰
電子密度を変えることができる。負である印加ゲート電
圧は、量子井戸層から全ての電子をほとんど空乏化する
ために必要である。
【0104】図7は、同じ電位に保たれるソースドレイ
ン・コンタクトに関連するゲートへ印加される異なった
電圧でのこの構造上で測定される光ルミネッセンススペ
クトルを示す。スペクトルは、明瞭にするために垂直方
向でオフセットされている。測定は、層にほぼ垂直に伝
搬する入射及び放射光が取られた。これは、純粋な試験
の目的対するものである。変調器のような動作は、第1
の実施形態のように、組み込まれる導波構造と、指向性
を有する入射ビームが必要である。入射光はAl0.33
0.67As障壁のバンドギャップの下エネルギーであっ
た。図7からゼロ−電子密度帯域端励起子のエネルギー
より下の負の荷電励起子の形成、及び光学遷移強さの強
化の証拠を演繹することができる。
【0105】量子井戸層の最も小さい過剰電子密度に対
応する最も低いゲートバイアス(すなわち−1.24
V)が、図7からわかり、スペクトルは中性励起子(図
7のマークX)よる単一のピークによって支配される。
過剰電子で量子井戸層を満たすようにゲートバイアスが
増やされるので、中性励起子ラインは強度方向に傾き、
負の荷電励起子(X- )による明らかに一層低い遷移エ
ネルギーへの同時に遷移が、スペクトル(−1.13V
で)を強化し、最終的に支配することがわかる。
【0106】本発明の第1の局面の方法は、一層大きい
ゲートバイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネル
ギーの近くで動作するように設計される。図7のスペク
トルは、光子エネルギーを下げるために、負の荷電励起
子の同時強化で、量子井戸層に過剰電子密度を増やすこ
とは帯域端の中性励起子の吸収強度の消失を引き起こす
ことを説明している。更に、サンプルの上に記録される
電気反射スペクトルは、中性及び負の荷電励起子に対し
て過剰電子密度を増やすことと質的に同様の振る舞いを
示した。
【0107】本発明の第1の局面は、一層大きいゲート
バイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネルギーの
近くの動作を提供する。
【0108】中性に及び負の荷電励起子によるピークの
シフトがあり、電子密度を増やすことと共に、エネルギ
ーを下げたことは励起子を負の荷電ことは、図7から、
明らかである。
【0109】それが不透明体の吸収と透明状態の間でコ
ントラストを増す傾向があるだろうので、このシフト
は、有益である。
【0110】図8〜図10に戻って、光学変調器71の
新たな形態においての1つの実施形態のうち本発明の第
2の局面に係る構造の詳細を示す。この装置は、バック
ゲート層75以上で形成される下部被覆層73(図8)
から成る。バックゲート75と下部被覆層73は、それ
ぞれ、0.1〜1.0μm、及び0.3〜1.0μm厚
さである。バックゲート75は、およそ1018cm-3
不純物濃度へドープn型、又は、p型のいずれかか一方
である。そして、Alw Ga(1-w) As又はGaAsで
形成される。その構造のショットキー・ゲート13が省
略されるけれども(しかし、任意に、図8〜図10の装
置に含むことができる)、基本的な構造が、図2に示す
装置のそれと非常に似ていることがわかる。層の厚さ
は、図2〜4に示す装置と同じ又は似ている。
【0111】下部被覆層73の上に光学導波領域77が
形成され、後者の上には、上部被覆層79が形成され
る。上部被覆層79は、入射光ビーム85に対する光学
路83を定義して、導波構造を完成するために、高くし
たリッジ81を生成するために、直接にリッジ81の下
に選択的にエッチングされる。リッジ81のいずれかの
側の上で、導波領域77で量子井戸層との電気的なコン
タクトを許可するために、上部被覆層79に突き刺さる
ソースのオーム接点87とドレインのオーム接点89が
それぞれ形成される。
【0112】導波領域77の層構造を、図9に示す。そ
れは、量子井戸の下の下部アンドープ障壁層91、又
は、活性層93を具備する。中間アンドープ障壁又はス
ペーサー層95は、量子井戸層93の上部に、位置され
ている。ドープ(p型かn型)障壁層97は、中間障壁
層95の上部に形成され、上部アンドープ層99はドー
プ障壁層97の上部に位置されている。中間障壁層95
と上部アンドープ層99はオプションである。
【0113】電気的なコンタクトは、バックゲート75
へ上部被覆層79と導波領域77を通ってくぼみ105
に置かれるコンタクトパッド103を有するオーム接点
101によって、作られる。ゲートコンタクト101の
くぼみを取ることは、導波領域77で量子井戸層93へ
ショートを作るのを避ける。これは、量子井戸層93の
すぐ下の深さへ表面にリソグラフィックに規定されたマ
スクを通って、正孔をエッチングすることによって、な
される。その時、適当な金属は、エッチング領域の中で
他の一層小さいリソグラフィックに規定されたマスクを
通って領域上に堆積され、アニールされてバックゲート
75へオーム接点を形成する。GaAsのn型のバック
ゲートの問題に対して、適当なバックゲートの抵抗の金
属はNi−Au−Geである。
【0114】浅いソースとドレインのオーム接点87、
89に対する、バックゲート75自身の中へ打ちつけな
いで装置を短絡することは、重要である。量子井戸内の
電子ガスに対して、例えば、浅いオーム接点はGe−A
uの堆積と次のアニーリングによって形成される。量子
井戸層の100オングストローム内のコンタクトにくぼ
みをつけた後に、Pd−Geの堆積とアニーリングによ
って浅いオーム接点を同様に形成することができる。量
子井戸層へオーム接点を作る代わりの方法が、バックゲ
ートへコンタクトを作るのを避ける間、Linfiel
d et al、 J. Vac. Sci. and
Tech. B 12、 1290(1994)で述
べられている。
【0115】図10は、図9に示す導波領域77の詳細
を含んで、図8に示す構造のすべての層構成を示す。構
造は、基板/緩衝層構造107の上に形成され、上部キ
ャップ層109で完成されている。図10に示す各々の
層の構成と厚さは、以下の表3に示す。
【0116】
【表3】
【0117】量子井戸層93の中のキャリア密度は、バ
ックゲート75とドレインのオーム接点89との間に電
圧を印加することによって、制御される。故に、バック
ゲート75は、量子井戸層でフロント・ゲート13への
同様の方法で図2〜4の装置でキャリア密度を変えるた
めに使われる。
【0118】この構造に対して、図2〜4の構造とは異
なり、キャリアのうち量子井戸層の全てを空乏化するこ
とができる。ここで、ストライプより下の領域だけは空
乏化される。もし装置が光子エネルギーA(図1参照)
で動作すれば、これは、図2におけるストライプ(それ
が、空乏化されない)に隣接する量子井戸層のエリア
が、装置が透明状態のときには、光の小さい破片を吸収
するので、有利である。透明状態でのこの吸収は、損失
を構成し、望ましくない。
【0119】図11、12は、本発明の第2の局面に係
る光学変調器の新たな形態においての他の実施形態の構
造の詳細を示す。この装置で、全部の層構造は図10に
示されて、そして、表3に表にされている。それ故に、
図11、12で使用される参照番号は、図10と表3に
おいて括弧に示される。この装置111は、バックゲー
ト層115の上部にで形成される下部被覆層113(図
11)を具備する。これらの層は、図8〜図10の実施
形態における相当する層と同じ厚さを有する。バックゲ
ート115は、GaAsかAlw Ga(1-w) Asで形成
されたn型、又は、p型ドープのいずれかである。
【0120】この装置は、図8〜図10の実施形態にお
ける浅いソースとドレインのオーム接点は用いられない
ことが違うが、その代わりに、図2〜4に示すフロント
・ゲート117が用いられることは同様である。下部被
覆層113の上部には、光学導波領域119が形成さ
れ、後者の上部には、上部被覆層121が形成される。
フロント・ゲート117は、リッジ123の上部のショ
ットキー金属ゲートとして形成される。しかし、この場
合は、リッジを生成するエッチングはリッジの外で量子
井戸層の領域を空乏化するように、上部被覆層121を
通って導波領域119の途中までとられる。その代わり
に、エッチングは、リッジの外に量子井戸の領域にキャ
リアを残すように、上部被覆層で終えることができる。
上部リッジ123は入射光ビーム127に対する光学路
125を以降で直接に定義する。
【0121】導波領域119の層構造は、図12に示さ
れる。
【0122】それは、下部被覆層113の上部の下部ア
ンドープ障壁層129を具備する。
【0123】下部障壁層129の上部に、量子井戸又は
活性層131が形成される。
【0124】中間アンドープ障壁スペーサー層133
は、量子井戸層131の上部に、位置されている。
【0125】ドープ(p型かn型)障壁層135は、中
間障壁層133の上部に形成される。
【0126】上部アンドープ障壁層137は、ドープ障
壁層135の上部に、位置され、上部被覆層121が形
成される。
【0127】中間層133と上部アンドープ層137は
任意である。
【0128】図12から分かるように、リッジ12を生
成するエッチングは、ドープ障壁層135と上部障壁層
137がリッジ123に完全に含まれるように、上部被
覆層121、上部障壁層137及びドープ障壁層13
5、中間障壁層133の一部分にとられる。
【0129】図8〜図10の装置では、電気的なコンタ
クトは、バックゲート115へ導波領域119を通って
くぼみ143に置かれるコンタクトパッド141を有す
るオーム接点139によって、作られる。図8〜図10
の実施形態におけるバックゲートコンタクトに関する限
り同じ方法で形成される。
【0130】図1の光子エネルギーA(荷電励起子)で
動作する装置で、導波路は、井戸内に全く(又は非常に
少ない)過剰電子がないようにフロントとバックゲート
の間の電圧を選択するときに。本質的に透明である。こ
の光子エネルギーAで、吸収は小さい。
【0131】フロントとバックゲートの間に印加される
電圧を変えることによって、過剰電子がリッジ低部の井
戸の領域に導かれる。これは、光子エネルギーAの吸収
を増やし、その不透明状態へ装置を切り替える。
【0132】光子エネルギーBで装置を同様に動作する
ことができる。そこで、量子井戸内の過剰電子なしで不
透明であり、過剰電子が井戸へ加えられると、より透明
である。
【0133】図13〜図15は、本発明の第3の局面に
よる光学活性光学変調器の第5の実施形態の構造を示
す。光学変調器201は、下部被覆層205と上部被覆
層207との間に置かれた導波領域203を具備する。
この導波領域203は、特許請求の範囲の用語の「変調
領域」を構成する。上部被覆層は、光学路211以降に
定義するストライプ導波路として、機能を有するリッジ
209を形成するために、導波領域203にエッチング
される。変調されるビーム213は、光学路211を通
って伝播する。変調は、装置の上部、特にリッジ209
の上部表面217、を照射するのに使用される印加入射
制御ビーム215の手段によって行われる。任意に、リ
ッジ外側の装置のエリアは、これらの領域で制御ビーム
の侵入を妨げるように、制御光に不透明な適当な物質で
覆うことができる。
【0134】導波領域203の詳細は、図14でより詳
細に示される。上部アンドープスペーサー層221と下
部アンドープスペーサー223との間に置かれた量子井
戸層219を具備する。上部ドープ障壁層225は、上
部スペーサー層221の上部に位置されている。下部ド
ープ障壁層227は、下部スペーサー層223の下部に
位置されている。任意に、下部ドープ障壁層231は、
下部ドープ障壁227の下部に形成され、上部アンドー
プ障壁層233は、上部ドープ障壁層225の上部に形
成されている。上部スペーサー、上部ドープ障壁及び上
部アンドープ障壁層221、225、222は、「上部
障壁領域」226を、下部スペーサー、下部ドープ障壁
及び下部アンドープ障壁層223、227、231は
「下部領域」228を構成する。
【0135】使用において、制御ビーム215は、量子
井戸層219障壁層225、227の物質のバンドギャ
ップより大きい光子エネルギーを有するように選ばれ
る.導波ビーム213は、井戸物質のバンドギャップの
回りの一層低い光子エネルギーを有する。図15に、成
長の順での完全な層構造の詳細を示す。
【0136】1 μmGaAs バッファ層229;1 μmAl
0.5 Ga0.5 As導波被覆205;100nmAl 0.33Ga0.67As下
部障壁231;100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁(p形5x1
017cm-3)227;100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁(アン
ドープスペーサ)223;20nmGaAs量子井戸層219;10
0nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁(アンドープスペーサ)2
21;100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁(p-形5x1017c
m-3)225;100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁233;1
μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆207;10nmGaAsキャップ
235。
【0137】リッジ209は、1〜5μm幅である。
【0138】図16は、制御ビーム215がどのように
量子井戸層219内の過剰キャリア密度を変えるために
使われるかを説明する。そして、導波ビームの吸収を変
える。制御ビーム215のエネルギーは、エネルギーを
物質のバンドギャップより大きくなるように選ばれる。
しかし、導波被覆205のそれより小さく選ばれる。故
に、制御光の大多数は量子井戸層の上部及び下部で、相
対的に厚い障壁層で吸収される。
【0139】図16は、どのようにのイオン化されたア
クセプタ237によって生成された内電界は光励起され
た電子239及び正孔240を空間的に分離する傾向が
あるか。井戸219のいずれかの障壁側のスペーサー領
域221、223で光励起された電子は、量子井戸21
9内への内部電界によって掃出され、過剰正孔と再結合
し、密度を低くする。一方、図16に示すように、光励
起された正孔は価電子帯の最大値へ向かって掃出され
る。これらの光励起された正孔のいくらかは、イオン化
されたアクセプタと再結合する。従って、制御光の効果
は、量子井戸層で過剰正孔密度を下げることである。量
子井戸層の吸収(量子井戸層バンドギャップの回りのエ
ネルギーで)が過剰正孔密度に非常に感度が良いので、
導波ビームの伝播は、高低間の値で制御及び切り替える
ことができる。
【0140】図16が量子井戸層の近くにp型ドープ層
によって、装置の動作を説明するが、n型層を同様に使
うことができるのは明かである。
【0141】この場合は、障壁領域で光励起された正孔
は量子井戸層の中へ掃出され、過剰電子と再結合して、
密度を下げる。我々の調査は、p型ドープ層を持つ構造
が入射光に対して一層感度が良いことを示した。
【0142】図13〜図15の装置は、p型遠隔ドープ
量子井戸を有しているが、この原理はn型遠隔ドープ量
子井戸にも適用可能である。しかし、量子井戸の空乏化
がp型遠隔ドープ量子井戸の場合に対する制御光ビーム
の低い強度に対して達成できることを発見した。これ
は、n型構造に対する光励起された正孔よりも遠隔p型
ドーピングに対する井戸への一層効率的に掃出される光
励起された電子によっても良い。
【0143】上部領域226と下部領域228の層22
5及び227が、図13〜図15に示す装置に対してド
ープされるが、装置は、同様に上部層225のみががド
ープされていれば動作するだろう。その場合は、動作は
上部障壁によって吸収される大多数の光によっている。
しかし、制御光に対する感度が良いので、両側ドーピン
グ構成が好ましい。
【0144】上部及び下部障壁領域内にそれぞれ遠隔ド
ープしたいくつかの量子井戸のスタックで、装置を同様
に作ることができた。
【0145】いくらかの従来の変調器のように、量子井
戸層219の過剰正孔密度は、電圧より制御の光学ビー
ム215で変えられる。従って、ゲートとオーム接点
は、この装置については必要としないが、任意に含める
ことは可能である。リッジ209は、図13で示した上
部被覆層207又は導波層203のいずれか内の深さへ
エッチングすることができる。後者に対して、リッジ2
09は、量子井戸層219のエリアの過剰キャリアがな
いように、リッジ209の外側のドーパント原子の深さ
へエッチングされる。これは、荷電励起子に対応する相
対的に一層低い図1の光子エネルギーAで動作する時
に、、透明状態のリッジの外側の吸収に対する吸収損失
を減少する利点を有する。中性励起子(図1)に対応す
る相対的に一層高い光子エネルギーBで動作する時、上
部導波層だけまでエッチングすることは一層良いことで
ある。
【0146】制御ビーム215は、好ましくは、量子井
戸層219の一様な空乏化を達成するように、リッジの
上部表面217全体上に一様に入射すべきである。制御
ビーム215の強度は、導波ビーム213の吸収の最大
変化を達成する2つの有限な値の間で切り替えられるべ
きである。その代わりに、不透明状態の最適透明が、構
造に入射する光なしで、達成されるように、スペーサー
層厚さ、ドーパント濃度などを選ぶことができる。これ
は、導波ビーム213の最大の変調を達成するために、
ゼロと有限の値との間で制御光の強度が変えられること
を許容する。
【0147】図17は、制御ビーム(Pcontrol )の強
度の関数として、導波路(Pout )を通って伝播するビ
ームの強度の変化を示す概略図である。制御ビームの強
度が低いとき、井戸の過剰キャリア密度は相対的に大き
く、それ故に吸収プロファイルが図1に示す破線に似て
いることである。光子エネルギーAの吸収は、相対的に
大きく、光子エネルギーBで相対的に小さい。
【0148】制御ビームの強度が増えるので、量子井戸
層の過剰キャリア密度は、上記のように、減少する。あ
る制御ビーム強度に対して、過剰キャリア密度は最小で
あり、吸収プロファイルは図1の実線に似ている。光子
エネルギーAの吸収が減少すると、一方光子エネルギー
Bのそれが増加する。これ故、図17に概略を示すよう
に、制御ビーム強度を増やすことは、光子エネルギーA
に導波路の伝播を増加する効果を有し、一方、光子エネ
ルギーBでその伝播を減少させる。
【0149】そこで、光子エネルギーAか光子エネルギ
ーBいずれかに導波路の伝播を切り替えるように、制御
ビームの強度を変えることができる。
【0150】図18〜20は、本発明の第3の局面によ
る光学活性光学変調器の第6の実施形態を示す図であ
る。第5の実施形態のように、制御光学ビームは低い値
と高い値の間の導波路を通って伝搬する第2のビームの
伝播を切り替えるために使われる。第6の実施形態の変
調器は、第5の実施形態のように、光励起された電子
(又は、正孔)は量子井戸層の過剰キャリア密度を減少
させるよりも、それを増やすことを除いて、第5の実施
形態と同様の方法で動作する。
【0151】図18及び図19を参照すると、下部被覆
層245と上部被覆層247との間に配置される導波領
域243を具備する光学変調器241が示されている。
上部被覆層247は、p型ドープ層251が上部に形成
されたリッジ249を形成するために、エッチングされ
る。ドープn型層253は、下部被覆層245の下に形
成される。リッジ249は、ビーム257を伝播するた
めに、導波領域243を通って光学路255をその下に
規定する。
【0152】任意に、p型層251及びn型層253へ
電気的なコンタクトを提供することができる。後者の場
合に、導波領域243と上部被覆層247を通ってくぼ
み263に配置されると、コンタクトパッド261を有
するオーム接点259の手段によって好ましくは影響さ
れる。もし下部ドープ領域がドープ緩衝及び基板層上に
同様に成長できれば、基板の後方の面へ下部ドープ領域
へのオーム接点を同様に作ることができる。
【0153】伝播ビーム257は、リッジ249の上部
でp型層251の上部表面を照射する印加制御ビーム2
65の手段によって、変調される。
【0154】導波領域243の詳細を、図19に示す。
【0155】量子井戸層267は、下部アンドープ障壁
層269と上部アンドープ障壁層271との間に配置さ
れている。この装置の完全な層構造の詳細を、図20に
示す。成長の順序は以下の通りである。
【0156】1 μmGaAs 障壁と基板層273;1 μmGaAs
バックゲート(ドープn 形1018cm-3)253;0.5 μmA
l 0.5 Ga0.5 As導波被覆層245;300nmAl 0.33Ga0.67A
s下部障壁層(アンドープ)269;20nmGaAs量子井戸層
267;300nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁(アンドープ)
層271;0.3 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆層247;0.
2 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆(ドープp 形1018cm-3
層251;10nmGaAsキャップ層275。
【0157】リッジ249は、1〜5μm幅である。そ
して、上部導波被覆層の0.2μmを残すために、エッ
チングした。バックゲートは、同様に余分な光学閉じ込
めを生成するn型Al0.5 Ga0.5 Asである。上部被
覆層も、同様に、Al0.33Ga0.67As導波領域よりも
小さい屈折率の誘電物質で作ることができ、制御ビーム
に対して透明である。任意に、リッジ外側の装置エリア
は、これらの領域内で制御ビームの侵入を妨げるよう
に、制御光に対して適当な不透明な物質で覆うことがで
きる。
【0158】導波領域243を横切る(近似的に)一様
な電界が存在するように、図18に示すように、n型ド
ープ253及びp型ドープ251領域が、量子井戸層2
67のいずれかの側から相対的に遠い位置に配置され
る。上記のように、n型とp型領域251、253へは
任意にオーム接点を作ることができ、電圧はこの電界を
増やすようにこれらの間に印加されて、装置の切り替え
速度が増加する。
【0159】上部ドープ領域251をショットキーコン
タクトとして振る舞う半透明のAu層に替えることがで
き、一方、下部ドープ領域253をそのままにしてお
く。層は、十分に制御光のかなりの部分の伝搬を可能に
するほど薄くすべきである。ショットキーコンタクト
は、p−i−n構造へ同様の方法における導波領域を横
切る電界をもたらす。再び、ショットキー層とドープ下
部領域253に電気的なコンタクトをとることができ、
導波領域を横切る電界を増すために、それらの間に電圧
を印加できる。
【0160】制御ビーム265は、障壁層269、27
1の物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを
持つように選ばれるが、導波被覆層245、247のそ
れより小さい。その光子エネルギーは、制御ビームエネ
ルギーのほとんどが上部領域271で吸収されて、光励
起された電子−正孔対を生成するように、十分に大きく
選ばれる。導波領域を横切る電界は、1方向に加速され
る電子と他の方向の正孔でこれらの光励起キャリアを分
離する図18に示すp型及びn型層の配置に対して、上
部の光励起電子は量子井戸内に掃出され、一方、正孔は
p型層へ向かって掃出される。導波領域243の中の導
電277及び価電子帯279の帯域端の空間の変化を示
す図21からこのことがわかる。上部障壁層271にお
いて光励起された電子281は、量子井戸層267の中
へ勾配によって掃出される。光励起正孔283は、装置
の前面へ向かって掃出される。
【0161】それ故に、制御光ビーム265は量子井戸
層267の中の過剰電子密度の増加させ、その帯域端の
吸収スペクトルを変調する。量子井戸層267の帯域端
吸収プロファイルのこの変化は、量子井戸層帯域端に近
い光子エネルギーで導波路を通って伝搬する第2の光学
ビーム257の伝搬の切り替えに使われる。
【0162】図18は、上部障壁271の光励起された
電子が量子井戸層267(図21)の中へ掃出されるよ
うな、p型である上部ドープ領域と下部のそれがn型で
ある構成を示す。しかし、n型とp型の層の位置を交換
することは、井戸267の中へ上部障壁層271の光励
起された正孔が掃出されるように、電界の方向を反転す
る。電子が電界によって一層効率的に集められるので、
前者の配置は、切り替え時間がより速くなる。
【0163】図22及び図23は、本発明の第3局面に
係る光学検出器291である実施形態を示す。量子井戸
層267は、アンドープ下部スペーサー層295と上部
アンドープスペーサー層297との間に配置される。上
部アンドープスペーサー層297の上部にドープ上部障
壁層299が配置される。下部ドープ障壁層301は、
下部アンドープスペーサー層295の下方に配置され
る。全体の上記の構造の下方には、底アンドープ障壁層
303が配置されている。そして、前述の構造の上に
は、キャッピング層307で覆われた上部アンドープ層
305がある。
【0164】ソースのオーム接点309は、量子井戸層
293にコンタクトをとる。そして、それから離れて、
ドレインのオーム接点311は量子ウェル層にコンタク
トをとる。
【0165】装置は、キャッピング層307の上部表面
315を照射する入射光ビーム313での照明によって
動作する。
【0166】全体の層構造の詳細は、図23に示され、
成長の順序は以下の通りである。
【0167】1 μmGaAs バッファ層および基板117;0.5
μmAl 0.33Ga0.67As底部障壁103;100nmAl 0.33Ga0.67As
下部障壁(ドープ5x1017cm-3)層101;100nmAl 0.33Ga
0.67As下部障壁(アンドープスペーサ)層95;30nmGaAs
量子井戸層93;100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁(アンド
ープスペーサ)層97;100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁
(ドープ5x1017cm-3)99;100nmAl 0.33Ga0.67As頂部障
壁(アンドープ)層105;170 オングストロームGaAsキャ
ップ層107 。
【0168】これらの層は、有限のエリアのメサを形成
するために、量子井戸層の下に延びるような深さのエッ
チングでエッチングされる。量子井戸層293へのオー
ム接点309、311は、従来の方法を使用したメサの
上部及び反対側の端に形成される。
【0169】(311)方向のGaAs基板の上で成長
させたGaAs/Al0.33Ga0.67Asヘテロ構造のp
型ドーパントとしてシリコンを使うことができる。その
代わりに、当業者に知られているように、他のp型ドー
パントは(100)方向のGaAs基板の上で利用可能
である。
【0170】使用において、電圧は、ソースとドレイン
のオーム接点309、311の間に印加され、過剰キャ
リアを含む量子井戸層293を通る電流(I)を流す。
図24に示すように、構造に入射する光ビーム313
は、構造内の障壁層303、301、295、297、
299、305のバンドギャップより大きい光子エネル
ギーを有する強度Pin' で構造に入射する光ビーム31
3は、量子ウェル層295内の過剰キャリア密度を減少
させ、それ故、図24に示すように、抵抗を増加させ
て、ソース−ドレイン間の電流を減少させる。これ故
に、測定電流から構造の上部表面315に入射する光の
レベルを決定することができる。
【0171】任意に、構造にその上部障壁領域299に
単独でドープすることができる。しかし、この場合は、
装置が下部障壁領域301で吸収される光子に対する感
度が同様に良いので、上部及び下部障壁領域299、3
01内の量子井戸領域に遠隔でドープすることは、望ま
しい。非対称ドープGaAs/Al0.33Ga0.67Asヘ
テロ構造に対して、アンドープ下部Al0.33Ga0.67
s障壁層は、(例えば)2.5nmの厚さをそれぞれ持
つGaAs及びAl0.33Ga0.67As層を互い違いにす
る超格子に替えることができる。これは、量子井戸層の
質を改良する。
【0172】全く任意に下部とそのドーパントを省略す
ることができる。この場合は、図23に示す上部障壁層
297、299、305とキャッピング層307によっ
て続けられ、層構造は厚いGaAs層(例えば2ミクロ
ン)から成る。
【0173】いくつかの量子井戸層は、同様に、障壁
(それぞれの中央部はドープされている)によって互い
に分離された上部に配置されても良い。
【0174】ソースとドレインのオーム接点309、3
11の回りのエリアは、標準の技術をによる不透明な物
質によって、任意に覆うことができる。これは、コンタ
クトの動作を有効にする光を妨げるのに有利であり、第
2に、障壁内の光励起キャリアによってソース−ドレイ
ン間の平行な導電に対するパスを破壊する。
【0175】統合された、又は、外部の回路(図示しな
い)によって電流を決定することができる。例えば、電
圧は、装置と電源が直列に配置された抵抗で測定するこ
とができる。
【0176】検出光は、物質のバンドギャップより大き
い光子エネルギーを有するべきである。装置は、領域で
光励起電子−正孔対を分離する構造の内部電界によって
いる。電界は、井戸の大多数キャリアへの反対側の符号
の光励起キャリアが井戸の中へ掃出される電界であり、
それゆえ井戸で過剰キャリア密度を下げ、その抵抗を増
やす。
【0177】構造の上部へ半透明のショットキー・ゲー
トを任意に加えることができ、電圧は、上部障壁領域で
電界を変えるか、又は増すように、それとドレインのオ
ーム接点311の間に印加される。同様に、バックゲー
トを形成するために、ドープ領域の上で構造を成長させ
ることができ、電圧は、下部障壁領域で電界を変調及び
増すように、このバックゲートへのドレインとオーム接
点の間の印加する。
【0178】図22及び図23の構造は、光強度を検出
する電気的手段を使用しているが、これは第2の光学ビ
ームでも同様に達成可能である。この目的に対して、構
造は、図13及び図14の装置のように、導波構造の中
に配置できる。
【0179】図25〜図27において、本発明の第7の
実施形態に係る双安定光学素子が示されている。この装
置401は、導波路リッジ409を形成するために選択
的にエッチングされた下部被覆層405と上部被覆層4
07との間に配置された光学路領域(層)か「導波領
域」403を具備する。リッジ409は、伝搬光ビーム
410に対する光学路408を規定するストライプ導波
路として機能する。
【0180】図26でより詳細に分かるように、光学路
領域は、それぞれの障壁層413等で散在された複数の
量子ウェル層411などを具備する。量子井戸層は、障
壁層よりも小さい禁止帯の光学バンドギャップを有す
る。
【0181】下部と上部被覆層405、407と、導波
領域403を含む完全な層構造が、図27に示されてい
る。成長の順序は、GaAs 基板/緩衝層構造415
の上に1.0μmAl0.5 Ga0.5 Asの下部被覆層4
05が形成される。導波領域403は、GaAs(15
0オングストローム)Al0.33Ga0.67Asの障壁層4
13で分散した100(オングストローム)の量子井戸
層411を互い違いにすることがある後者の上に、形成
される。
【0182】上部導波被覆層407は、深さ0.2μm
である5μmの広いリッジを形成するためにエッチング
される0.5μmAl0.5 Ga0.5 Asから成る。エッ
チングは、同様に、最終エピ層である100オングスト
ロームGaAsキャッピング層417を突き刺す。
【0183】図28及び図29は、2つの異なる光子エ
ネルギーに対して、入射ビーム(Pin)の強度の関数と
して構造(Pout )によって伝搬された光ビーム410
(図25参照)の概略図である。図28に対して、光子
エネルギーは、量子井戸層の荷電励起子、すなわち図1
の動作エネルギーAに近くなるように選ばれる。図29
に対して、光子エネルギーは、量子井戸層の中性励起
子、すなわち図1の動作エネルギーBに近くなるように
選ばれる。
【0184】まず、光子エネルギーが荷電励起子の近く
にある図28を、低入射パワー(図28のポイントa)
で考えると、ウェルが相対的に少ない過剰キャリアを含
み、それ故、吸収プロファイルが図1の実戦に似ている
ので、量子ウェル内の吸収は光子エネルギーAは相対的
に小さい。光強度が増すと、ウェル内で吸収される光子
の密度及びそれ故光励起電子及び正孔が増加する。これ
らの光励起電子と正孔は、キャリアのバックグラウンド
密度を形成する。結局、このバックグラウンドキャリア
密度は図1で吸収スペクトルの形を変調するのに十分で
ある。
【0185】光励起電子−正孔対に対する過剰キャリア
の結合による荷電励起子の生成は、光子エネルギーAで
の吸収を増やし、光励起されたバックグラウンドの平坦
な高い密度の生成を導く。これ故に、システムは光子エ
ネルギーAでの吸収があがる状態に切り替え、図1の破
線と構造落下(図28のポイントb)によって伝搬され
た光の強度とが似ている。
【0186】伝搬された光の強度は、入力強度(図28
のポイントc)を更に増やすが、急速には上がらない。
もし入力強度が再び減少すれば、光子エネルギーAで一
層吸収する吸収状態は、一層低い入力パワーに対してサ
ポートされる。入力されたパワーが減少すると、結局、
不十分な電子と正孔は井戸で荷電励起子の存在をサポー
トする光励起され、システムは、光子エネルギーA(図
28のポイントd)で一層透明になるように切り替えら
れる。
【0187】図29に示すより異なった振る舞いを示す
図25に示すように、光子エネルギーBで装置を同様に
動作させることができる。この光子エネルギーで、低い
入射光強度で吸収は相対的に大きい。入射の強度を増や
すことは、伝搬強度のスーパーリニア増加を生成して、
存在が中性励起子エネルギーBの吸収を下げる傾向があ
る構造において光励起された電子と正孔の数を増やす。
もし入射強度は再び減少すれば、システムは相対的に高
い吸収状態、しかし、小さい入力パワーで、に再び戻
る。
【0188】図28及び図29において、入射強度がそ
の前により高いか又はより低いかに依存してある入力パ
ワーに対して構造は伝搬強度に対して2つの値を持つこ
とができる。
【0189】本発明は、上記の発明の実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で
種々変形して実施できるのは勿論である。
【0190】
【発明の効果】上記のように本発明によればコントラス
ト比が良く、低い入力パワーで動作可能な光学変調器、
半導体装置及び光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 中性と荷電励起子に対する吸収スペクトルを
示す図。
【図2】 本発明の第1の局面に係る動作に対する光学
変調器の第1の実施形態の概略部分断面図。
【図3】 図2に示す変調器の導波領域導波構造の概略
断面図。
【図4】 図2及び図3に示す変調器の層構造を示す
図。
【図5】 第1の局面に係る光学変調器の第2の実施形
態の概略平面図及び断面図。
【図6】 図5に示された変調器の層構造。
【図7】 異なるゲートバイアス電圧を図5及び6の装
置に使用して得られる光ルミネッセンススペクトルを示
す図。
【図8】 本発明の第2の局面に係る光学変調器の第3
の実施形態の概略部分断面図。
【図9】 図8に示す変調器の導波領域導波構造の概略
断面図。
【図10】 図8及び図9に示された変調器の層構造及
び図11及び12の変調器の第4の実施形態を示す図。
【図11】 本発明の第2の局面に係る光学変調器の第
4の実施形態の概略部分断面図。
【図12】 図11に示す変調器の導波領域導波構造の
概略断面図。
【図13】 本発明の第3の局面に係る光学活性光学変
調器の第5の実施形態の部分の透視図。
【図14】 図13に示す装置の導波領域の詳細図。
【図15】 図13及び14に示された装置の完全な層
構造の詳細図。
【図16】 図13〜図15に示された装置の動作を説
明するための量子井戸層/層構造に対する導電帯と価電
子帯プロファイルを示す図。
【図17】 図13〜図15に示された装置のための中
性及び荷電励起子モードの動作を示す図。
【図18】 本発明の第3の局面に係る光学活性光学変
調器の第6の実施形態の部分の透視図。
【図19】 図18に示す装置の導波領域を示す詳細
図。
【図20】 図18及び図19に示された装置の完全な
層構造。
【図21】 図19及び図20に示された装置の動作を
説明するための量子井戸層/障壁層構造に対する導電帯
と価電子帯プロファイルを示す図。
【図22】 本発明の第3の局面に係る光学検出器の実
施形態の部分の透視図。
【図23】 完全な層構造の詳細図。
【図24】 図22及び図23に示された装置に対する
入射光強度の関数としてのソース−ドレイン電流を示す
図。
【図25】 本発明に係る双安定なの光学要素の第7の
実施形態の部分の透視図。
【図26】 図25に示す要素に対する光学路領域の詳
細図。
【図27】 図25及び図26に示された完全な層構
造。
【図28】 荷電励起子モードでの図25〜図27に示
された素子の双安定な動作を示す図。
【図29】 中性励起子モードでの図25〜図27に示
された要素に対する双安定な動作を示す図。
【符号の説明】
71…光学変調器 73…下部被覆層 75…バックゲート層 77…導波領域 79…上部被覆層 81…リッジ 83…光学路 87…オーム接点 89…オーム接点 101…ゲートコンタクト 103…コンタクトパッド 105…くぼみ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 9524256.6 (32)優先日 1995年11月28日 (33)優先権主張国 イギリス(GB)

Claims (57)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】量子井戸層を含む光学導波領域と、 前記導波領域の光学路を規定する導波構造と、 量子井戸層でキャリア密度を変更するために前記導波領
    域の下に位置するバックゲートと、 前記バックゲートに対する電気的なコンタクト及び少な
    くとも1つの他の電気的なコンタクトと、を具備するこ
    とを特徴とする光学変調器。
  2. 【請求項2】 前記導波構造は導波領域の上部のリッジ
    を具備することを特徴とする請求項1記載の光学変調
    器。
  3. 【請求項3】 前記バックゲートに対する電気的なコン
    タクトは導波領域のくぼみ領域配置されていることを特
    徴とする請求項1記載の光学変調器。
  4. 【請求項4】 前記バックゲートは高ドープ緩衝層及び
    基板層上に形成され、前記ゲートに対する電気的なコン
    タクトは導波構造の基板側上に配置されることを特徴と
    する請求項1記載の光学変調器。
  5. 【請求項5】 前記少なくとも1つの他の電気的なコン
    タクトは、電気的なコンタクトを前記導波領域内の少な
    くとも1つの量子井戸層に行うそれぞれソースとドレイ
    ンコンタクトを具備することを特徴とする請求項1又は
    請求項2記載の光学変調器。
  6. 【請求項6】 前記ソース及びドレインコンタクトはそ
    れぞれ前記リッジのいずれかの側上の前記導波領域にお
    ける少なくとも1つの量子井戸層に電気的なコンタクト
    をとることを特徴とする請求項2に従属する場合の請求
    項6記載の光学変調器。
  7. 【請求項7】 前記少なくとも1つの他の電気的なコン
    タクトは、前記導波構造上に配置された更なるゲートを
    具備することを特徴とする請求項1記載の光学変調器。
  8. 【請求項8】 前記導波構造は、前記導波領域内に延び
    るくぼみ領域で囲まれたリッジであることを特徴とする
    請求項7記載の光学変調器。
  9. 【請求項9】 ゲート電極を含むように構成された量子
    井戸層内のフリーキャリアの密度を変える配置における
    量子井戸層を具備する光学変調器の動作方法において、
    前記動作方法は、 デバイスのゲート電極と他の電気的なコンタクトの間に
    可変バイアス電位を印加するステップと、 変調器が、量子井戸内のキャリア密度がゼロ又は無視で
    きるときには入射光に対してほぼ透明であり、量子井戸
    内で制限されたキャリア濃度があるときはより不透明で
    あるようにゲート電極に印加するバイアス電位を変える
    ステップと、を具備することを特徴とする光学変調器の
    動作方法。
  10. 【請求項10】 前記入射光の光子エネルギーは荷電励
    起子の吸収プロファイルの範囲内であることを特徴とす
    る請求項9記載の光学変調器の動作方法。
  11. 【請求項11】 装置の前記他の電気的なコンタクト
    は、それぞれソース及びドレインコンタクトの1つであ
    ることを特徴とすることを特徴とする請求項9記載の光
    学変調器の動作方法。
  12. 【請求項12】 前記光学変調器のゲートは、高ドープ
    緩衝及び基板層に形成され、ゲートに対する電気的なコ
    ンタクトは、構造の基板側上に配置されることを特徴と
    する請求項11記載の光学変調器の動作方法。
  13. 【請求項13】 前記リッジ上に配置されたゲート電極
    を更に具備することを特徴とする請求項12記載の光学
    変調器の動作方法。
  14. 【請求項14】 前記リッジ上に前記ゲート電極を配置
    しないことを特徴とする請求項12記載の光学変調器の
    動作方法。
  15. 【請求項15】 ソース及びドレインコンタクトは、同
    一の固定電位に保持されることを特徴とする請求項9記
    載の光学変調器の動作方法。
  16. 【請求項16】 固定電位差はソース及びドレイン・コ
    ンタクトを横切るように印加されることを特徴とする請
    求項9記載の光学変調器の動作方法。
  17. 【請求項17】 前記光学変調器は請求項7又は請求項
    8に係る光学変調器であることを特徴とする請求項9記
    載の光学変調器の動作方法。
  18. 【請求項18】 所定のバンドギャップを有する半導体
    物質からなる量子井戸層と、少なくとも1つの障壁領域
    が1つの障壁領域のバンドギャップよりも高い光子エネ
    ルギーを有する入射光ビームで照射されるときに、前記
    量子井戸内の過剰キャリア密度が変化するような前記所
    定のバンドギャップより高いバンドギャップを有する半
    導体物質からなる量子井戸層と、を具備することを特徴
    とする光学的に動作可能な半導体装置。
  19. 【請求項19】 変調された入射光の光子エネルギーは
    荷電励起子の吸収プロファイルの範囲内であることを特
    徴とする請求項18記載の半導体装置。
  20. 【請求項20】 変調領域は、入力信号が伝搬光ビーム
    の強度を変調するように、量子井戸のバンドギャップに
    近いか又はそれより少ない光子エネルギーを有する伝搬
    光学ビームを伝搬するようにことを特徴とする半導体装
    置。
  21. 【請求項21】 入射光ビームは前記量子井戸層内のキ
    ャリア密度を減少させるように機能することを特徴とす
    る請求項20記載の半導体装置。
  22. 【請求項22】 少なくとも1つの障壁領域は第1ドー
    プ障壁層を具備することを特徴とする請求項21記載の
    半導体装置。
  23. 【請求項23】 少なくとも1つの障壁領域は、第2ド
    ープ障壁層を更に具備し、量子井戸層は前記第1及び第
    2ドープ障壁層の間に配置されることを特徴とする請求
    項22記載の半導体装置。
  24. 【請求項24】 量子井戸層は第1及び第2ドープ障壁
    層からそれぞれスペーサー層によって分離されることを
    特徴とする請求項23記載の半導体装置。
  25. 【請求項25】 1以上のゲート電極を更に具備するこ
    とを特徴とする請求項18から請求項24のいずれか1
    項に記載の半導体装置。
  26. 【請求項26】 前記変調領域へのソース及びドレイン
    コンタクトを更に具備することを特徴とする請求項25
    記載の半導体装置。
  27. 【請求項27】 入射光ビームは前記量子井戸層内のキ
    ャリア密度を増やすように機能することを特徴とする請
    求項20記載の半導体装置。
  28. 【請求項28】 変調領域を横切る電界を生じるような
    層構造を更に具備することを特徴とする請求項27記載
    の半導体装置。
  29. 【請求項29】 前記変調領域は第1及び第2ドープ層
    の間に配置されることを特徴とする請求項28記載の半
    導体装置。
  30. 【請求項30】 変調領域に対する上部及び下部被覆層
    を更に具備することを特徴とする請求項18記載の半導
    体装置。
  31. 【請求項31】 前記変調領域はストライプ導波構造に
    よって規定された光学路を具備することを特徴とする請
    求項18記載の半導体装置。
  32. 【請求項32】 前記第1及び第2ドープ層の1つは前
    記ストライプ導波構造の一部分を形成することを特徴と
    する請求項30記載の半導体装置。
  33. 【請求項33】 それぞれの電気的なコンタクトは前記
    第1及び第2ドープ層に提供されることを特徴とする請
    求項32記載の半導体装置。
  34. 【請求項34】 前記第1及び第2ドープ層の1つは導
    波領域のくぼみに配置された変調領域と電気的なコンタ
    クトの基板側上に配置されることを特徴とする請求項3
    3記載の半導体装置。
  35. 【請求項35】 前記装置の上部表面に入射する伝搬ビ
    ームが前記変調領域を通過することを特徴とする請求項
    18記載の半導体装置。
  36. 【請求項36】 入射光ビームは変調領域の抵抗を変更
    するように機能することを特徴とする請求項18記載の
    半導体装置。
  37. 【請求項37】 入射光ビームは前記量子井戸層内のキ
    ャリア密度を減少させるように機能することを特徴とす
    る請求項36記載の半導体装置。
  38. 【請求項38】 少なくとも1つの障壁領域は第1ドー
    プ障壁層を具備することを特徴とする請求項36又は請
    求項37記載の半導体装置。
  39. 【請求項39】 少なくとも1つの障壁領域は、第2ド
    ープ障壁層を更に具備し、量子井戸層は前記第1及び第
    2ドープ障壁層の間に配置されることを特徴とする請求
    項38記載の半導体装置。
  40. 【請求項40】 量子井戸層は第1及び第2ドープ障壁
    層からそれぞれスペーサー層によって分離されることを
    ことを特徴とする請求項39記載の半導体装置。
  41. 【請求項41】 ゲート電極を更に具備することを特徴
    とする請求項36から請求項40のいずれか1項に記載
    の半導体装置。
  42. 【請求項42】 前記変調領域へのソース及びドレイン
    コンタクトを更に具備することを特徴とする請求項40
    記載の半導体装置。
  43. 【請求項43】 前記変調領域は複数の量子井戸層を具
    備することを特徴とする請求項18記載の半導体装置。
  44. 【請求項44】 請求項18記載の半導体装置でアレイ
    を構成したことを特徴とする半導体装置。
  45. 【請求項45】 入力光ビームが前記変調領域を通過し
    て伝搬する第2のビームを変調し、この第2のビームが
    光学検出出力信号として振る舞うことを特徴とする請求
    項18記載の半導体装置。
  46. 【請求項46】 量子井戸層よりも高いバンドギャップ
    半導体物質のそれぞれの障壁層間に配置された量子井戸
    層を含む光学路領域を具備し、光学路領域内の光学ビー
    ムの吸収が量子井戸内に過剰電子と過剰正孔を生成し、
    それにより双安定性を生成する光学路内の吸収を変調す
    ることを特徴とする双安定な光学素子。
  47. 【請求項47】光学路領域を通過して伝搬する光学ビー
    ムの強度内の双安定性を提供する量子井戸層よりも高い
    バンドギャップ半導体物質のそれぞれの障壁層間に配置
    された複数の量子井戸層を含む光学路領域を具備するこ
    とを特徴とする双安定な光学素子。
  48. 【請求項48】 変調された入射光の光子エネルギーは
    荷電励起子の吸収プロファイルの範囲内であることを特
    徴とする請求項46又は請求項47記載の光学素子。
  49. 【請求項49】 前記光学路領域は、5から50の量子
    井戸層を具備することを特徴とする請求項47記載の光
    学素子。
  50. 【請求項50】 光学路領域はそれぞれの上部と下部の
    被覆領域の間に配置されることを特徴とする請求項46
    又は請求項47記載の光学素子。
  51. 【請求項51】 前記導波構造は光学路領域を通る光学
    ビームに対する光学路を規定することを特徴とする請求
    項50記載の光学素子。
  52. 【請求項52】 光学ビームを供給する光源を更に具備
    することを特徴とする請求項46又は請求項47記載の
    光学素子、
  53. 【請求項53】 光学ビームを供給する光源を更に具備
    し、前記ビームを量子井戸層にほぼ垂直又は斜めの角度
    で入射することを特徴とする請求項46又は請求項47
    記載の光学素子。
  54. 【請求項54】 前記光源は、帯電された励起子のエネ
    ルギー領域内又はそれに相当する光子エネルギーである
    ような波長を有することを特徴とする請求項52又は請
    求項53記載の光学素子。
  55. 【請求項55】 前記光源は、中性励起子のエネルギー
    領域内又はそれに相当する光子エネルギーであるような
    波長を有することを特徴とする請求項52又は請求項5
    3記載の光学素子。
  56. 【請求項56】 光学ビームの強度を検出する光学検出
    器を更に具備することを特徴とする請求項46又は請求
    項47記載の光学素子。
  57. 【請求項57】 光学路領域が量子井戸層よりも高いバ
    ンドギャップの半導体物質のそれぞれの障壁層間に配置
    された量子井戸層を具備する装置の光学路領域を通過し
    て伝搬する光学ビームの強度内の双安定性を提供する方
    法において、 光学路領域内の光学ビームの吸収が光学路領域内の吸収
    を変調するための量子井戸層内の過剰電子及び過剰正孔
    を生成するような条件で装置を動作させることを特徴と
    する光学双安定性を提供する方法。
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