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
ｍ-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 Ｚ
ｎ1-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 Ａ
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Ａｌ0.33Ｇ
ａ0.67Ａｓ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の
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Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａ
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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