JPH0980362A

JPH0980362A - 光ゲート素子

Info

Publication number: JPH0980362A
Application number: JP23879595A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsuda; 裕之津田; Akira Hirano; 章平野; Akira Takahashi; 亮高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】可飽和吸収を用いた光ゲート素子において、
素子の温度上昇を低減し、高い繰り返し頻度で動作可能
にする。【解決手段】可飽和吸収体を用いた光ゲート素子を小
さなメサ状に形成し、周囲を高熱電導率材料で覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光信号１の反
射率を別の入射光信号２によって制御する可飽和吸収を
用いた光ゲート素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図５に示す。図中、２０１
は半導体基板、２０２は可飽和吸収特性を有する量子井
戸層、２０３は高反射ミラー、２０４は低反射ミラー、
２０５は位相調整層、２０６は低反射コーティングであ
る。このような素子の報告としては、“１．５５μｍ−
ＵｌｔｒａｆａｓｔＳｕｒｆａｃｅ−Ｒｅｆｌｅｃｔ
ｉｏｎＡｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇ
ＵｓｉｎｇＬｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒ
ｏｗｎＢｅ−ｄｏｐｅｄＳｔｒａｉｎｅｄＭＱＷ
ｓ”，Ｒ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｙ．Ｋａｗａｍｕｒ
ａ，ａｎｄＨ．Ｉｗａｍｕｒａ，２０ｔｈＥｕｒｏ
ｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＯｐｔｉｃａ
ｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｔｅｃｈｉｎｉｃａ
ｌＤｉｇｅｓｔＶｏｌｕｍｅ４，ｐｐ．１１３−
１１６（１９９４）がある。

【０００３】この量子井戸（可飽和吸収体）を用いた光
ゲート素子の動作メカニズムを、図６〜図９を参照し
て、説明する。量子井戸層２０２に吸収緩和時間よりも
短い光パルスを数ミクロン以下のスポットに集光して入
射すると、入射光パルスは効果的に量子井戸層２０２で
吸収される。励起キャリアによる位相空間充填が生じ、
クローン遮蔽効果により量子井戸の励起子吸収の状態密
度が減少し、吸収係数が減少する（図６）。すなわち、
光入射により吸収係数が非線形に減少する可飽和吸収特
性を示す（図７）。この場合の入出力特性を図８に示
す。光ゲート素子に、光ゲートの反射率を制御するポン
プ光と、光ゲート素子によって反射出力が制御されるプ
ローブ光とを同時に入射する。プローブ光はポンプ光に
比較して十分弱いとする。この場合の入出力波形を図９
に示す。可飽和吸収特性を反映して、素子は非線形な入
出力特性を持つので、ポンプ光エネルギーによってプロ
ーブ光に対する反射率を制御して、ゲート動作を行うこ
とができる。低反射ミラー２０４は、光入力が弱いと
き、該低反射ミラー２０４からの反射光と高反射ミラー
２０３からの反射光とが干渉して打ち消し合い、消光比
を高める役割を果たす。位相調整層２０５は、低反射ミ
ラー２０４からの反射光と高反射ミラー２０３からの反
射光とが打ち消し合うように、光路長を調整する層であ
る。

【０００４】しかしながら、従来の素子には、以下のよ
うな問題点がある。量子井戸層２０２での可飽和吸収が
素子動作に不可欠であるので、ゲート動作ごとに１．０
ｐＪ程度の光子エネルギーの吸収がある。例えば、ゲー
ト動作を１秒間あたり１０¹¹回行うと、発生キャリアは
熱に緩和するので、１００ｍＷの熱の発生が数ミクロン
の集光スポットに集中することになる。吸収領域の体積
が少ないので、局所的な温度上昇は２００℃以上である
と推定される。この温度上昇のため、励起子吸収のブリ
ーチング、吸収バンド端のレッドシフトで、線形の吸収
が増大し、可飽和吸収が抑圧されて、ゲート動作ができ
なくなる。また、成長温度以上の温度上昇が生じた場合
には、素子が破壊されることになる。

【０００５】その他の光素子、例えば、面発光レーザあ
るいは非線形エタロンにおいても、別の目的で、ピクセ
ル化ないし埋め込みが試みられてきたが、本発明は可飽
和吸収を用いた光ゲート素子に関する全く異なる目的の
ための発明であり、それらとはなんら関係ない発明であ
ることは言うまでもない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
背景の下になされたもので、集光スポットにおける可飽
和吸収を用いた光ゲート素子の温度上昇を低減した、高
繰り返しで動作可能な素子を実現することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、可飽和吸収体を用いた光ゲート素子を小さなメサ状
に形成し、周囲を高熱電導率材料を覆ったことを特徴と
する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態は、半
導体基板上に可飽和吸収特性を有する量子井戸層と高反
射ミラーとを少なくとも積層した光ゲート素子におい
て、素子周囲をエッチングし、周囲を高熱伝導率の材料
で埋め込んだことを特徴とする。

【０００９】かかる構成によって、素子の温度上昇を低
減することができ、高い繰り返し頻度での光ゲート動作
が可能となる。

【００１０】本発明の第２の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、基板に平行な素子断面形状を円形
としたことを特徴とする。

【００１１】本発明の第３の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、基板に平行な素子断面形状を多角
形としたことを特徴とする。

【００１２】前記第２、３の実施の形態によれば、素子
をメサ形状にしやすく、埋め込みが容易になる。

【００１３】本発明の第４の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、前記高熱伝導率材料を金属から構
成したことを特徴とする。

【００１４】このように金属から構成することにより、
高い熱伝導率を確保でき、素子の温度上昇を低減するこ
とが促進される。

【００１５】本発明の第５の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、前記高反射ミラーを金属から構成
したことを特徴とする。

【００１６】このように金属からミラーを形成すれば、
高い反射率を得ることができる。

【００１７】本発明の第６の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、前記高反射ミラー側をヒートシン
ク上に半田固定したことを特徴とする。

【００１８】このようにヒートシンクに熱的に接続する
ことにより、より効率的に素子の温度上昇を低減するこ
とができる。

【００１９】本発明の第７の実施の形態は、前記第１の
実施の形態において、前記量子井戸層中に光透過層を１
層以上設けたことを特徴とする。

【００２０】このように、量子井戸層に光透過層を設け
ることにより、光を吸収して発熱する量子井戸層を分割
し、熱の拡散を容易にすることができるので、素子の温
度上昇の低減をより一層促進することができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。

【００２２】（実施例１）図１に本発明の第１の実施例
を示す。図中、１０１はＩｎＰ半導体基板、１０２は可
飽和吸収特性を有する量子井戸層（２００℃で低温成長
したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層であ
り、ドーパントとしてＢｅが５×１０¹⁷個／ｃｍ³ 添加
されている。膜厚は通常４ミクロン程度である。）、１
０３はＡｕミラー兼埋め込み層（反射率は通常９０％以
上、厚みは通常５ミクロン以上）、１０４はＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰ−ＤＢＲ型低反射ミラー（反射率は通常１
〜２％）、１０５はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ位相調整層、
１０６は低反射コーティング、１０７はＩｎ半田、１０
８はＣｕヒートシンクである。

【００２３】また、図１のＡ−Ａ′の破線に沿う基板に
平行な平面での素子の断面図を、図２に示す。素子は円
柱状であり、周囲はＡｕにより覆われている。素子の半
径は、通常２ミクロン程度である。

【００２４】素子の動作メカニズムは従来の技術と同様
である。しかしながら、本発明では光ゲート素子の最大
繰り返し周波数は画期的に向上する。低温成長したＢｅ
ドープの可飽和吸収体の吸収緩和時間はサブピコ秒から
数十ピコ秒の範囲にあり、熱による温度上昇がなけれ
ば、原理的に最大１００ＧＨｚ程度までのゲート動作が
期待できる。しかしながら、従来の技術の問題点で挙げ
たように、温度上昇のため繰り返し周波数を高くするこ
とができない。従来の技術では、素子の熱抵抗は、２０
００℃／Ｗ程度と推定される。一般に、素子の温度が２
０℃以上上昇すると、励起子のブリーチングと吸収端の
レッドシフトのために、光ゲート動作の消光比および透
過率が低下し、素子の動作が不十分となる。すなわち、
素子でのエネルギー消費量は１０ｍＷ以下とする必要が
あるので、ゲートあたりの消費エネルギーを１ｐＪとす
れば、最大繰り返し周波数は高々１０ＧＨｚである。

【００２５】ところが、本発明によれば、素子周囲を高
熱伝導率の材料で覆われているので、素子の熱抵抗は従
来の技術の１／２〜１／５になると推定されている。す
なわち、素子でのエネルギー消費量の上限が２〜５倍に
なり、最大繰り返し周波数は２０〜５０ＧＨｚとなる。
素子半径をさらに小さくし、１ミクロン程度とすれば、
熱抵抗は１／４〜１／１０になると推定されている。す
なわち、４０〜１００ＧＨｚ程度までの動作を行うこと
ができるようになる。

【００２６】次に、本発明の光ゲート素子の作製方法を
簡単に説明する。

【００２７】（１）ガスソース分子線エピタキシー法
で、量子井戸層などの半導体層を形成する。III 族元素
ソースとしてＩｎ，Ｇａ，Ａｌ（各メタル）を用い、Ｖ
族元素ソースとしてＡｓＨ₃ ガスを用いる。分子線エピ
タキシー法は周知の技術である。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡ
ｌＡｓ多重量子井戸層１０２は２００℃で低温成長しド
ーパントとしてＢｅを２×１０¹⁷個／ｃｍ³ 添加する。

【００２８】（２）ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ層を一層ずつ
選択エッチングし、素子の厚みを調整する。厚みは、バ
ンド端よりも長波長の光を照射して干渉効果を測定する
か、エリプソメータなどで、測定する。

【００２９】（３）塩素ガスを用いるドライエッチング
装置あるいはエタンを用いるドライエッチング装置等
で、周囲をエッチングし、メサ状に加工する。

【００３０】（４）Ａｕミラー兼埋め込み層１０３を、
蒸着法およびメッキ法で、作製する。

【００３１】（５）チップに分割し、Ｉｎ半田１０７で
ヒートシンクに固定する。

【００３２】（６）裏面を研磨し、低反射コーティング
１０６を施す。

【００３３】本実施例では、多重量子井戸層の結晶材料
として、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系について説明し
たが、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ（Ｇａ）ＡｌＡｓ系、ＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪超格子
系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ歪超格子系でも、同
様の効果が実現できることは言うまでもない。結晶成長
法は、本実施例の説明に用いたガスソース分子線エピタ
キシー法以外にも通常の分子線エピタキシー法、ＣＢＥ
法、ＭＯＶＰＥ法等を用いることもできる。また、高反
射ミラー材料と高熱伝導率埋め込み材料が異なる材料で
あっても良いことは言うまでもないし、比較的熱伝導率
の高いＩｎＰ等の半導体、あるいはその他の高熱伝導材
料を用いることができるのは言うまでもない。また、半
田材料としてＡｕＳｎ，ＰｂＳｎ等他の材料を用いて良
いことは言うまでもない。また、メサ形成にウエットエ
ッチング法を用いても良いことは言うまでもない。本発
明の主旨は、可飽和吸収体を用いた光ゲート素子を小さ
なメサ状に形成し、周囲を高熱伝導率材料で覆うことに
あり、同様の主旨で同様の構成を実現する発明は、本発
明に包含される。

【００３４】（実施例２）図３に本発明の第２の実施例
の構成の説明図を示す。本実施例が前記第１の実施例と
異なる点は、メサ形状が円形でなく長方形であることで
ある。かかる形状では、第１の実施例に比較して熱抵抗
が大きくなるが、メサの幅を１ミクロン程度にすれば、
従来の素子よりも熱抵抗を１／２以下にすることが可能
である。本実施例の特徴は、エッチングに異方性がある
場合、長方形の長辺が順メサ形状になり、短辺が逆メサ
形状になるようにして埋め込みを容易にすることにあ
る。

【００３５】前記第１および第２の実施例において、メ
サ形状を円形および長方形としたが、その他の多角形形
状であっても良いことは言うまでもない。

【００３６】（実施例３）図４に本発明の第３の実施例
の構成の説明図を示す。第１の実施例と異なるのは、量
子井戸層中にＩｎＰの光透過層１０９を設けている点で
ある。一般に、光ゲート素子の消光比を高くするために
は、膜厚を厚くする必要がある。このため、層の中心部
で発生した熱は、外部に拡散しにくい。そこで、本実施
例では、光を吸収して発熱する量子井戸層を分割し、熱
の拡散を容易にするために、光を透過する層を量子井戸
層１０２中に設ける構成である。付加される光透過層１
０９は量子井戸層１０２に積層可能であれば、ＩｎＰ以
外の材料でも良い。また、本実施例では、光透過層を１
層設けているが、複数層設けても良いことは言うまでも
ない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、可飽和
吸収を利用した光ゲート素子の温度上昇を低減し、高繰
り返しでの光ゲート動作を可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明するもので、本発
明に係る光ゲート素子の断面構成図である。

【図２】図１のＡ−Ａ′線に沿う断面構成図である。

【図３】本発明の第２の実施例を説明するもので、本発
明に係る光ゲート素子の要部の断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例を説明するもので、本発
明に係る光ゲート素子の断面構成図である。

【図５】従来の光ゲート素子の構成および作用を説明す
る模式図である。

【図６】従来の光ゲート素子の特性を説明するためのも
ので、波長を変数とした場合の量子井戸吸収係数の変化
を示すグラフである。

【図７】従来の光ゲート素子の特性を説明するためのも
ので、ポンプパルスエネルギーを変数とした場合の吸収
係数の変化を示すグラフである。

【図８】従来の光ゲート素子の特性を説明するためのも
ので、ポンプパルスエネルギーを変数とした場合の反射
率の変化を示すグラフである。

【図９】従来の光ゲート素子の特性を説明するためのも
ので、時間（ｐｓ）を変数とした場合のポンプ光強度、
プローブ光強度、および反射プローブ光強度の各変化を
同時に示すグラフである。

【符号の説明】

１０１ＩｎＰ半導体基板１０２低温成長ＢｅドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
ｓ多重量子井戸層１０３Ａｕミラー兼埋め込み層１０４ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ−ＤＢＲ型低反射ミラ
ー１０５ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ位相調整層１０６低反射コーティング１０７Ｉｎ半田１０８Ｃｕヒートシンク１０９ＩｎＰ光透過層２０１半導体基板２０２可飽和吸収特性を有する量子井戸層２０３高反射ミラー２０４低反射ミラー２０５位相調整層２０６低反射コーティング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に可飽和吸収特性を有する
量子井戸層と高反射ミラーとを少なくとも積層した光ゲ
ート素子において、素子周囲をエッチングし、周囲を高熱伝導率の材料で埋
め込んだことを特徴とする光ゲート素子。
【請求項２】前記基板に平行な素子断面形状が円形で
あることを特徴とする請求項１に記載の光ゲート素子。
【請求項３】前記基板に平行な素子断面形状が多角形
であることを特徴とする請求項１に記載の光ゲート素
子。
【請求項４】前記高熱伝導率材料が金属であることを
特徴とする請求項１に記載の光ゲート素子。
【請求項５】前記高反射ミラーが金属で構成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光ゲート素子。
【請求項６】前記高反射ミラー側をヒートシンク上に
半田固定したことを特徴とする請求項１に記載の光ゲー
ト素子。
【請求項７】前記量子井戸層中に光透過層が１層以上
設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光ゲ
ート素子。