JPS63137486A - 超格子光学的変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体超格子に関し、半導体超格子の電気光学
的変調器としての応用を提案するものである。

（従来の技術） 超格子とは、伝導帯の下限および価電子帯の上限におけ
る周期的な変化が半導体の軸の１つ（成長軸）に沿って
現れるような半導体構造のことである。

実際上、超格子は基板上における異なる２種類の層の周
期的な重なりによって形成され、異なる種類の層は異な
る方法でドープされた２つの異なる化合物などによって
構成される。

この結果、ポテンシャルの谷は伝導帯（電子の「凹み」
）と価電子帯（正孔の「突起」）の両方に現れる。

つまり、超格子は単結晶のように、各層の２次元面にお
いては実質上等方性の物質である。しかし超格子は、そ
の成長軸に平行な第３の次元に沿って著しく異方性であ
る。

この点に関連して、電子（または正孔）の波動間数がト
ンネル効果によって隣の量子（ポテンシャル）の谷に達
する電子（または正孔）について有意な確率を与えるか
どうかを決める超格子の特性、特に各層の厚さと組成に
依存して次のような状態が区別される： 確率が実質上ゼロの場合には、一連の結合されていない
量子の谷が存在する：　このような構造に「超格子」と
いう用語を適用できるかどうかは疑わしい； トンネル効果の確率が有意の場合には、真の意味での「
超格子」が存在する；及び トンネル効果の確率が非常に高い場合には、構造がその
成長軸に沿って、成長軸と直交する２方向に沿フてと同
じ挙動を示す傾向を生じ、こうした構造にも「超格子」
という用語を適用できるかどうか疑わしい。

現在、光フアイバ遠距離通信で使われる部品としての電
気光学的変調器に間する研究に力が注がれている。

最近発表されている結果のほとんどは、ＧａＡｓ−Ａｌ
ｘＧａ１−ｘＡｓの量子谷内への励起子（エクシトン；
電子−正孔対〉の基本遷移によって与えられる２次のシ
ュタルク効果を利用している（Ｄ、　Ａ、　Ｂ。

Ｍｉｌｌｅｒ、　ｊ、　Ｓ、νｅｉｎｅｒおよＵ　　Ｅ
ｌ、　Ｓ、　Ｃｈｅｍｌａによる論文「量子谷構造にお
ける線形光学的特性の電場依存性：導波管電子吸収およ
び和規則」、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎ
ｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＱＥ２２．１９８６
年９月、１８１６頁；更にり、　Ａ、　Ｂ、旧１１ｅ「
の論文「半導体量子釜における自己電気光学的効果を用
いた、　新規な光学的変調器と双安定装置」、５ｕｒｆ
ａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ、　１７４．２２１．１３８６参
＠）。

上記のシュタルク効果とは、次のように要約される：つ
まり、各層の平面と直角に電場が印加されると、光学的
な吸収しきい値が、印加電圧の平方に比例した量（一般
に数ミリ電子ボルト）だけ低いエネルギーの方にシフト
される。従って、吸収しきい値に近い波長を持つ光の透
過度を変化させるのに、電場を用いることができる。

この原理と各種の非線形特性を用いれば、光フアイバ遠
距離通信用の各種集積形オプトエレクトロニクス部品を
設計可能である。

ここで、次の２つの技術的特徴を認識しておくべきであ
る： エクシトン効果は広い禁止帯を持つ素材内ではるかに大
きいため、エクシトン共鳴の利用は実際上この種の部品
を０．８ミクロンレンジ（ＧａＡｓ素材に該当）に制限
するのに対し、はとんどの有利な「窓」は　１．３ミク
ロン、　１．５ミクロンおよび４ミクロンであると見ら
れる；および （低いエネ・ルギ一つまりスペクトルの赤色端の方へ向
かう）シフトの符号は、この種部品が常に「平常透明」
であることを意味し、これはエネルギー消費の点で不利
と見られる。

シュタルク効果は、　（周期的な構造という一般的な意
味での）超格子を先験的に必要とするものてないが、実
質上前記した第１のカテゴリー、すなわち一連の結合さ
れていない量子の谷という超格子に適用されていること
が理解されよう。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、超格子を電気光学的変調器として用いる異な
る方法に係わる。

本発明の主な目的は、エクシトン共鳴で動作するのでな
く、従ってほぼ０．８ミクロンに位置する光波長の範囲
に制限されない構造を提供することにある。

また本発明は、制御電場の印加によって、吸収しきい値
が（似エネルギーの方に向かってでなく）高エネルギー
の方に向かってシフトされる構造を提供するものである
。

（問題点を解決するための手段） このため、本発明は： 相互にかなり強く結合された量子の谷を持つ超格子を形
成するのに適した半導体層の積み重ねを成長軸に沿って
備えた基板；および 前記超格子にその成長軸と平行にｆＩＩＩｖＩｉ電場を
印加するのに適した手段；の組合せからなる半導体電気
光学的部品を提供する。

制御電場をゼロから変化させていくことによって、超格
子の光学的吸収しきい値が変調される。

さらに、高エネルギー（つまりスペクトルの青色端）の
方に向かって、数ミリ電子ポル）　（ｍｅＶ）のシフト
が生じる。最初の重要な利点は、このことから得られる
；つまり本電気光学的部品は、制御電圧が印加されると
透明になる「平常不透明」の装置として使える。これは
、観測される効果がブルーシフトを示す事実に基づいて
いる。

別の利点は、本効果があらゆる種類の系（ここで「系」
という用語は超格子を構成する半導体、の性状を表すも
のとして使われている）、特に価電子帯の頂部と伝導帯
の底部間に低いエネルギーギャップを有する系で構成さ
れた超格子で現れることである。

一般に、超格子の各層は１０ナノメータのオーダーの厚
さで、各層毎の最も通例の値は４〜６ナノメータ（４０
〜６０オングストローム）である。

いわゆる　ＩＩＩ−Ｖ系では、前者がアルミニウム、ガ
リウムおよび／またはインジウムの合金、゛後者がリン
、ヒ素および／またはアンチモンの合金で形成され、こ
れらの合金は特に２成分または３成分合金である。

またいわゆるｌ　Ｉ−ＶＩ系では、積み重ね層が例えば
テルルの水銀および／またはカドミウムおよび／または
亜鉛との合金で形成さ、れる。

本発明の特定実施例では、超格子が　ｌ　ｎＡｓ−Ｇａ
Ｓｂの複数層で形成される。

本発明による部品は、制御電場の印加されていない平常
時にオフである電気光学的変調器として使用できる。

また本発明は： 量子の谷が相互に「共鳴トンネル効果」によってかなり
強く結合されたヘテロ構造を形成するのに適した半導体
層の積み重ねが成長軸の方向に沿フて被覆された基板か
ら成る超格子を作製する段階； 前記超格子に動作光を与える段階；さらに前記超格子に
その成長軸に沿って制御電場を印加する段階；からなる
電気光学的方法を提供する。

印加電場が２つの隣合う量子の谷間に、トンネル効果が
わずかに非共鳴となって、超格子のバンド構造を変化さ
せるような電位差を生じる。後で説明するように、この
超格子バンド構造の変化は、超格子に与えられる電磁放
射（つまり「光」）の吸収しきい値の高エネルギー側へ
のシフトすなわちブルーシフトを生じる。

この吸収しきい値の効果は、超格子の成長軸の方向に沿
ってだけでなく、その他の方向に沿フても現れる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照
した以下の詳細な説明から明かとなろう。

（実施例） 第１図において、超格子ＳＬは数分の１ミリ厚の基板Ｓ
を備えて成る。索材ＡとＢの交互層が、例えば分子ジェ
ットエビタクシ−によフて基板Ｓ上に成長され、これら
の層は２で表した成長軸に沿って成長される０図面は一
定の倍率でなく、超格子は約１００対の交互層ＡとＢか
ら成り、全ての層の総厚は約１ミクロンであるとする。

　　゛第２図は、Ａ層からＢ層へ等と移行する超格子内
における伝導帯と価電子帯の境界（それぞれＬＢＣとＬ
ＢＶ）の概略的様相を示す図である。第２図中のＹ軸は
エネルギーを表し、例えばミリ電子ボルトで与えられる
。

タイプ■の超格子に間する第２図において、ポテンシャ
ルの谷は、伝導帯の境界ＬＢＣの凹みによって構成され
ていることが見られよう。対応した電荷キャリヤ、つま
り電子がこれらポテンシャルの谷を占めているのが好ま
しい。そこで図面には、各ポテンシャルの谷内に電子雲
ＧＥが示しである。これは単純化したもので、実際に超
格子内で電子が占めるエネルギーレベルは量子化されて
いる、すなわち伝導帯内に「サブバンド」が存在すると
言われている。

同じく、各々の価電子帯の谷内にも正の電荷キャリヤ、
つまり「正孔」の雲が存在し、これは図中価電子帯の「
突起」として現れている。これらの正孔雲はＧＨで表し
である。

超格子の禁止帯は、伝導及び価電子間基底サブバンド間
のギャップである。

「超格子」という用語は２つの意味を有する。

その１つとして、固有の特性に関係なく、第１図に示し
たような構造を表すのに使われる。

しかし最近の傾向としては、超格子の幾何形状及び物性
が連続する量子谷の各対間に共鳴トンネル効果の結合が
存在するような性状を持つ超格子に限って使われている
。

上記のような結合が存在しなければ、超格子でなく、一
連の量子の谷と呼ぶ方が適当であろう。

またかかる系は、２方向において全く一方性である一方
、残り２つの直角方向においては等方性であるため、ｉ
次元的である。

これに対し、超格子が（共鳴）トンネル効果によって相
互にかなり強く結合された量子の谷を持つ場合には、系
の次元が各谷間での共鳴トンネル効果による結合のため
、２と３の間となる。

この点の考察は後で行うが、２つの隣合う谷間の結合が
極めて強いと、系は２方向の移行に対して、その移行が
超格子ｍ朋の整数倍に等しい゛限り不変であるとだけこ
こでは述べておく。つまり、このような系は３次元的で
、同じく「超格子」という用語が当てはまるかどうか疑
わしい。

タイプＩとタイプＩＩの超格子間の差異は、第３Ａ及び
３Ｂ図に表しである。

タイプ■の超格子（第３　Ａ図）では、伝導帯境界ＬＢ
Ｃの量子の谷が価電子帯ＬＢＶの量子の谷（突起）と成
長軸方向２に沿ってほぼ同じレベルにある。

タイプＩＩの超格子（第３Ｂ図）では全く逆で、伝導帯
境界ＬＢＣの量子の谷（この場合にはＩ　ｎＡｓ素材中
にある）、が、正孔についての量子の谷（この場合には
ＧａＳｂ層中にある）に対して逆位相の関係となってい
る。

第３Ａおよび３Ｂ図は、電子の波動間数ＦＯＥと正孔の
波動間数ＦＯＲも示している。

これらの波動間数は、ｚ軸に沿って存在する電子（また
は正孔）の確率を表す、尚、これらの波動関数は純粋に
定性的に示しである。これに従えば、電子の存在確率は
伝導帯の谷で最大であることが明らかであろう。しかし
、波動間数ＦＯＥは６谷の両側に減衰していく裾野を持
ち、この裾野は各側の隣合う伝導帯の谷へ至る前に禁止
帯を通過している。

同じことが正孔の波動間数ＦＯＨにも当てはまるが、正
孔の質量が高いため、これに対応した波動間数ＦＯＲの
減衰裾野は一般に、電子の場合よりも急速に降下してい
ることが認められる。

第３Ａ図では、２つの波動間数ＦＯＥとＦＯＨが共に減
衰裾野を有すると見なされる。

第３Ｂ図では、これとは逆に上記の理由から、電子の波
動間数ＦＯＥだけが認知し得る減衰裾野を持ち、正孔の
波動関数ＦＯＲは実質上対応したポテンシャルの谷内に
制限されていると見なされる。

第４Ａ図は「疑似超格子」、すなわちポテンシャルの谷
が実質上相互に完全に結合されていない周期的な層の積
み重ねに関する。従って、波動間数ＦＯＥとＦ　ＯＨ！
、？事実上、それぞれ電子と正孔に間するポテンシャル
の谷内にだけ存在する。

両ラインＬＢＣとＬＢＶ間の最小距離はｄ６で表してあ
り、ここでは簡単化のため、ヘテロ構造の禁止帯ギャッ
プに等しいものとする。

このような構造に２軸に沿って電場が印加されると、エ
ネルギーレベルが２軸に沿って徐々にシフトするように
、静電位エネルギーが結晶場に対して加えられる。従っ
て、両ラインＬＢＣとＬＢＶは第４Ｂ図に示すように傾
斜した形状となる。この結果、電子の波動間数ＦＯＥは
正孔の波動間数ＦＯＨに対し、ｚ軸方向に沿ってややず
れる。これが、前記下シュタルク効果の根拠である。こ
れは、各量子谷内における波動間数の非対′称性に基づ
いていることが明らかであろう。シュタルク効果の２次
的特性は、まず波動間数の変位つまり誘゛導効果があっ
て、これがエネルギーレベルに変化をもたらすという事
実に起因している。

また第４Ｂ図から、両ラインＬＢＣとＬＢＶ間の最小距
離ｄｂが波動間数による重み付けで、第４ａ図に示した
最小距離はｄ６より小さくなっていることも明らかであ
ろう。

言い換えれば、電場が存在すると、禁止帯のギャップが
電場め存在しないときの値と比べて減少する。

上記は、遷移がバンド間のものであると仮定し、また電
子と正孔間におけるエクシトン結合の存在を無視した、
量子閉じ込めシュタルク効果の極めて簡略化した説明で
ある。実際には、エクシトン効果が事態をもっと複雑に
する。しかし定性的に言えば、上記の説明は正しい。

シュタルク効果の最終的な結果が、光子エネルギーを間
数とした吸収係数のグラフである第４Ｃ図に示してあり
、以下のことを示している：まずエクレトン吸収のビー
クＰＡが生じ、その後にエネルギーしきい値Ｅ、からの
連続吸収が続く。クーロン力の相互作用がその連続吸収
に影響を及ぼし、一定の値へ降下する前に点線で示した
ビークＥａ　で連続吸収が始まるように成す。

電場が存在すると、第４０図中の矢印Ｆで示したように
、吸収しきい値Ｅ、及びビークＰＡの赤色（つまり低エ
ネルギー）の方に向かうレッドシフトが生じる。

このシフトは印加電場（つまり電圧）の平方に比例し、
量子の谷の深さに応じて増大する。

次に、上記の点に関して更に詳しく説明する。

量子閉じ込めシュタルク効果におけるエクシトン共鳴の
利用は、この種部品、を実際上０．８ミクロンの波長範
囲（ＧａＡｓ素材）に制限する一方、光透過にとって最
も有利とみられる窓は　１゜３ミクロン、１．５ミクロ
ンおよび４ミクロンである。

吸収しきい値の低エネルギ一つまりスペクトルの赤色端
の方に向かうレッドシフトの符号は、そのような部品が
平常「オン」　（すなわち光透過状態）であることを示
し、通例部品は作動状態よりも停止状態に留まることが
多いので、これはエネルギー消費の点で好ましくないこ
とが明らかであろう。

同じく非常に概略化した形で、第３Ａ図は本発明によっ
て使われる超格子の特性を示している。

本発明は「小ギャップ」の素材、すなわち伝導帯及び価
電子帯両墳界ＬＢＣ，ＬＢＶ間の最小ギャップが小さい
素材に適用されるのが好ましいが、これに限定されるも
のでない。

第４Ａ〜４０図の場合と異なり、両波動量数ＦＯＥとＦ
ＯＲは減衰裾野を有することが明らかであろう。すなわ
ち、一連の隣合う量子の谷が、共鳴トンネル効果として
知られるトンネル効果によってかなり強く結合されてい
る。

このような超格子に電場を加えると、トンネル効果の共
鳴は減少つまり除去される傾向を示し、超格子のバンド
巾を狭めることが認めろでいる。

すなわち、超格子のバンド巾は各々の量子谷間での共鳴
トンネル結合に基づいているといえる。

その共鳴が減少すれば、同じくバンド巾も狭くなる。

トンネル効果の結合が存在しないと、電子および正孔の
とり得るエネルギーレベルは離散的になる。例えば、第
３Ｂ図において、伝導帯の量子の谷で電子が取り得る第
１のエネルギーレベルはＥｌに形成される。

同じく、価電子帯で正孔が取り得る第１のエネルギーレ
ベルはＨｌに形成される。これらのエネルギーレベルＥ
１とＨｌは、超格子内の全ての量子谷について等しい。

量子の谷を相互に結合するトンネル効果が「共鳴」と呼
ばれるのは、このためである。

共鳴トンネル効果の結果として、上記のエネルギーレベ
ルが許容可能な状態バンドとなる。言い換えれば、Ｅｌ
とＨｌを中心としである程度の許容可能な変化ＤＥＩと
ＤＨＩがそれぞれ存在する。

超格子に関するこうした一般的な考察は、１９８５年８
月３０日に提出された仏国特許出願第８５１２９７０号
で既に展開されている。この先行出願の記述内容は、該
当の箇所でここに含まれるものとする。

かかる構１に電場を加えると（第５Ａ図）、量子レベル
自らがそれぞれの谷内で異なるエネルギーを形成する結
果、トンネル効果はもはや共鳴しなくなる。これは、バ
ンド巾ＤＥＩとＤＨＩが狭まる一方、１次の近似として
、量子の谷のエネルギー値ＥｌとＨｌに実質上変化は生
じないことを意味する。何故なら、これらのエネルギー
値は、ここで考慮しているような狭い谷では非常に小さ
い２次の項を介してのみ電場に依存しているからである
。

このように、はぼ固定値へとエネルギーバンドを狭める
ことから、注目すべき結果が得られる；つまり禁止帯の
ギャップが増大する。

すなわち本発明によれば、新規な効果に基づく新たな応
用が超格子について得られ、超格子特に光学的変調器に
ついてはるかに一般的で且つ満足し得る応用を与えるこ
とができる。

次に第６図に簡単に触れれば、同図はｚ軸に沿った周期
的な移行に対して不変な構造に間する。

電場の影響が電子を正孔から分離する傾向を示せば、フ
ランツ−ケルディジ：Ｌ　（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｉｓ
ｈ）効果として知られる現象が得られ、これはｚ軸に沿
った空間における電子および正孔の存在確率のずれ（つ
まり波動間数ＦＯＥとＦＯＨ）に依存する。この結果、
電場を印加したとき伝導帯及び価電子帯画境界ＬＢＣ，
ＬＢＶが傾斜して現れるとすれば、禁止帯の巾が印加電
場によって減゛少され、従って電子または正孔の存在確
率の間の平均的分離に関してレッドシフトが生じること
が理解されよう。

ここで、本発明による新規な効果は、ある点では両立可
能だが、全く逆方向に生じることもある２つの電気光学
的効果の間として現れることが明らかであろう： 相互に結合されていない一連の量子の谷によって構成さ
れた疑似超格子の場合、量子閉じ込めシュタルク効果は
レッドシフトされる吸収しきい値を生じる；　２軸に直
角な２次元において等方性だが、ｚ軸に沿っては連続性
が存在しないため、系は考慮対象の現象に対して次元が
２である；考慮対象の現象に関し移行しても系が不変で
あるような、つまり電場を印加しても電子を正孔から分
離するだけで、１つの量子の谷から隣の量子の谷へほぼ
完全に自由にジャンプ自在であるもう１つの極端なケー
スの場合には、フランツ−ケルディシュ効果が発生し、
これもレッドシフトされる吸収しきい値を生じる；現象
はｚ軸に直角な２方向に沿ってと同じように２軸に沿っ
ても現れるので、系の次元は３である； これに対し、量子の谷が相互にかなり強く結合されてい
るが完全には結合されていない本発明では、発明に基づ
く新規な効果が吸収しきい値のブルーシフト（つまり高
エネルギーの方に向かってのシフト）という形で現れ：
　また系の次元は２と３の間に位置することが認められ
ている。

第７図は、本発明に基づく効果の間接的な実験結果の表
示である。

前記の仏国特許出願第８５１２９７０号でも、同じ図が
第５図として使われている。

この図は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子（それぞれ３ナノ
メータと５ナノメータの層厚を持つ）を、第１に連続波
のクリプトンレーザで、第２に音響光学的変調器を備え
且つ持続時間が約２０ナノ秒で、パルス毎に１５０ナノ
ジユールのエネルギーを持つ短いパルスを発するアルゴ
ンレーザで、それぞれ励起したときに得られるルミネセ
ンスを示し、連続励起は８０ミリワツトで行った。

第７図は、連続波の励起ＣＷに基づくルミネセンス曲線
が約２７０　ｍｅＶを中心とした１つのスペクトルライ
ンからなり、励起レベルが高くなると飽和する傾向のあ
る低エネルギー側を含むことを示している。

超格子を短いパルスで励起すると、曲線ＰＥが得られ、
高エネルギー側へ全体的にシフトすることを実証してい
る。図中ライン（曲線ＣＷでは破線、曲線ＰＥでは実線
）で結ばれた小円は、真性再結合によるルミネセンスス
ペクトルの理論的に得られた各点を表す。これら理論的
曲線の低エネルギー側でのカットは、超格子の禁止帯ギ
ャップによるもので、超格子をパルス励起した場合の方
が広い。

前記仏国特許出願では、上記のシフトを説明するのに様
々な効果、特にキャリヤの空間的分離に伴う周期的なバ
ンドの湾曲という既知の減少が指摘されている。

しかし、この効果は実際に生じる変化の量を説明するの
に不十分であることが認められている。

先行の仏国特許出願は、一時的な光誘起効果が超格子の
両端を横切って現れる電圧の形で存在することを論理的
に導いている（事実これが同特許出願の主題を構成して
いる）。

しかし今では、関連のある様々な効果をもつと正確に定
量化できるようになった。その結果、上記したように、
ブルーシフトは本発明による新規な効果の寄与を反映し
ており、光誘起の電圧が超格子の禁止ギャップを変化さ
せていることが明かとなった。

かかる認識に基づいて行った理論的および実験的検討の
結果を、第８および８Ａ図に示す。

第８図は、゛４ナノメータの厚さを持ち、同じく４ナノ
メータの厚さのバリヤで相互に分離された１６個の量子
の谷に間し、基本素材はＧ５Ａｓである。

これは１５個のバリヤで相互に分離された１６個の量子
の谷からなる構造を与え、これに１ｃｍ当りＯ１２及び
４キロボルトの電場が順次印加された。これらの値は、
構造の両端子間における最大７２ミリボルトの電圧に対
応するので、非常に低い。計算は、第５Ａ図のポテンシ
ャルに対する近似として第５Ｂ図のポテンシャルを用い
、何れの場合にせよ上記の厚さ及び電場では無視可能な
量子閉じ込めシュタルク効果に寄与する小さい項を無視
することによって行った。

ゼロの電場では、曲線ＣＡＯが超格子の構造を表す１５
のレベルを持った段階構造を有する。

この段階構造は、構造における対称的及び非対称的機能
の様々な可能性を考慮すれば、正孔と電子について存在
するｎ２個の組合せ状態のうち、ｎ個の状態だけが光学
的吸収に寄与していることを示している。

またここでは、電子に間し減衰裾野を有する波動関数だ
けが有意で、正孔はそれらの高い有効質量のため減衰裾
野を持たないと仮定しであることも認識されるべきであ
る。

次に電場を加えると、今度はｎ２個の段が存在するので
曲線の離散的外見（階段状）が大きく和らげられ、これ
は電場によって対称性が壊されることによる。この結果
、曲線ＣＡ２は、低エネルギーにおける吸収ゼロと電場
ゼロで得られるのと近い高エネルギーにおける飽和吸収
との間で連続状に見える変化を与える。

電場を更に高め、１ｃｍ当り４キロボルトに高めると、
この結果得られる曲線ＣＡ４は細かい離散的な構造を保
持しつつも大きい離散的な構造を生じ、これはフランツ
−ケルディツシュ効果が現れ始めていることを表す。

つまり、超格子（ここでは１５個のバリヤに制限されて
いる）に電場を加えれると、吸収しきい値に少量の変化
（数ミリ電子ボルト）を生じ、この変化は高エネルギー
の方に向かって起きることが示されてＩ；）る。

第８図の曲線は、電荷が空間的に分離されていないタイ
プＩの超格子を与えるＧａＡｓ形構造に間する。

しかし、本発明はタイプＩＩの超格子にも当てはまる。

素材の固有厚は、一連の量子の谷が相互にかなり強く結
合されるように選択されるべきである。

当業者であれば、例えば次の文献に記されているように
、かかる結合の評価方法を理解できよう：ａ）　Ｇ、　
Ｂａ５ｔａｒｄ、　Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　８２４．５
６９３（１９８１）および８２５．７５８４（１９Ｂ２
）。

ｂ　）　Ｐ、　Ｖｏｉｓｉｎ、　Ｇ、　Ｂａ５ｔａｒｄ
、　Ｍ、　Ｖｏｏｓ、　　ｒ包絡関数近似における超格
子での光学的選択規則」、Ｐｈｙｓ、Ｒｅ、Ｖｏｌ、２
９，９３５頁、　１９８４年。

第８Ａ図は、電場パラメータ「ｆ」を高めていった場合
における、光子エネルギーに間するパラメータ「ニブシ
ロン」を関数とした４１周期のＧａＡｓ／Ａ　ｌＧａＡ
ｓ超格子の規格化した吸収を示す。

電場がｆ＝０からｆ＝４へ増大するのに伴うブルーシフ
トが明らかに見て取れよう（曲線ｆ＝３の大きい段を参
照されたい、残りの段は使用単位において全吸収のわず
か１０％を占めるに過ぎない）。

一定の光子エネルギーにおける吸収係数の周期的な振動
も、例えばバンドエツジに近い「ニブシロンＪ＝０．９
で、電場の逆関数の形で認められ本発明は、谷及びバリ
ヤの厚さが充分に小さいと仮定している。

しかし、素材の厚さは小さ過ぎてはならない。

さもないと、フランツ−シュタルク効果が支配的になっ
てしまう。

３０〜５０オングストロームの範囲内の素材厚が適切で
あると措定され、これは１０分の数ミリ電子ボルトの巾
である伝導帯のサブバンドに対応する。

勿論前述したように、本発明の効果はＧａＡｓ系に限定
されない。その他数多くの素材の２成分あるいは３成分
合金、特にＩＩＩ−Ｖ半導体、より正確にはＩ　Ｉ　Ｉ
Ａ−ＶＡ半導体、さもなければＩＩ−ＶＩ素材、特に＋
　１８−ＶＩＡ素材、更にはＩＶ−ＩＶ　（ＩＶＡ−Ｉ
ＶＡ）またはＩＶ−ＶＩ　（ＩＶＡ−ＶＩＡ）　素材ニ
モ適用Ｌｉ　得ル。

変調すべき光波長が０．８ミクロンに対応していれば、
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子が適切だが、例えばＣｄ
Ｔｅ／ＺｎＴｅなどその他の超格子も使える。

１．５ミクロンレンジおよび１．３ミクロンレンジの波
長の場合には、次のものが使うことができる：　ＧａＳ
ｂ／ＡｌＳｂ　、さもなければＩ　ｎＧａＡｓ／　Ｉ　
ｎＰまたは１ｎＧａＡｓ／Ａｔ　ＩｎＡｓｔ。

４ミクロンレンジでの変調器（ヨー素を含むガラスファ
イバ）の場合には、上記のように動作する　ｌ　ｎＡｓ
／ＧａＳｂ超格子が特に有利である。

第９図は、本発明による装置を示す。

光源ＬＥ（例えばレーザとそこから導かれた光ファイバ
）からの光が、結合レンズＤｏを介して超格子ＳＬの一
端に与えられる。

この一端は透明な接触層ＤＣ１例えばＵＨＦ蒸着で形成
された半透明の金属電極、もしくは超格子の成長中に設
けられた高ドープ半導体の微細層・　を備えている。

他端では、上記接触層と同様な別の透明な接触ＦＩＤＳ
が基板上に設けられている。

制御および電圧源ＳｖＣが調整か能名制御電圧を発生し
、これが両接触層ＤＣとＤＳ間に印加される。

超格子を２軸に沿って通過する光が、下流側の光ファイ
バを随意に備えたセンサＣＬによフて検出される。

変形として、光は成長軸２と直角に超格子を通過しても
よい。この場合には、接触層を透明にしなくともよい。

また、共通の基板上で、発光体（随意に超格子を含み得
る）と本発明による変調器の両方を結合させることもで
きる。

勿論、本発明は上記の実施例に制限されない。

本発明は、前述した周期的な超格子だけでなく、トンネ
ル効果によって強く結合された量子の谷、あるいはかか
る量子の谷の複数群を有する任意の種類のへテロ構造に
も適用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超格子の一般的な構造を示す概略斜視図；第２
図は超格子の成長軸に沿フて伝導帯と価電子帯が如何に
変化するかを示す図；第３Ａ図はタイプＩの超格子の特
別な場合における第２図と同様な図だが、電子および正
孔に当てはまる波動関数も示す；第３Ｂ図は第３Ａ図と
同等の図だが、タイプＩＩの超格子に関する；第４Ａ及
び４Ｂ図は第２及び３図と同様な２つの簡略化図で、量
子閉じ込めシュタルク効果として知られる現象を示す：
第４Ｃ図は上記シュタルク効果に基づく、エネルギーを
間数として吸収を示すグラフ；第５Ａおよび５Ｂ図は第
２および３図と同様な図で、本発明による効果を示す；
第６図はフランツ−ケルディツシュ効果として知られる
現象を観測し得る異なる状態での第２および３図と同様
な図；第７図は放射光子のエネルギーを間数として吸収
を示し、本発明による効果の実験的証明を構成するグラ
フ；第８図および８Ａ図はエネルギーを間数として吸収
を示し、本発明による効果の更なる証明を構成するグラ
フ；　および第９図は本発明を実施しに装置を示す。 Ａ、Ｂ−・・半導体層、Ｓ・・φ基板、ＳＬ・・・超格
子、ＬＥ・・・光源、ＳｖＣΦ中・制御電場印加手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相互にかなり強く結合された量子の谷を持つ超格子
   を形成するのに適した半導体層（Ａ、Ｂ）の積み重ねを
   成長軸に沿って備えた基板（Ｓ）：および 前記超格子にその成長軸と平行に制御電場を印加するの
   に適した手段（ＳＶＣ）：の組合せからなることを特徴
   とする半導体電気光学的部品。 ２、前記半導体層の厚さが１０ナノメータのオーダであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
   電気光学的部品。 ３、前記積み重ね層（Ａ、Ｂ）がIII−Ｖ半導体で形成
   され、特に前者がアルミニウム、ガリウムおよびインジ
   ウム間の合金、後者がリン、ヒ素およびアンチモン間の
   合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１または
   ２項の何れか１項記載の半導体電気光学的部品。 ４、前記超格子がＩｎＡｓ−ＧａＳｂの複数層で形成さ
   れているあることを特徴とする特許請求の範囲第１から
   ３項の何れか１項記載の半導体電気光学的部品。 ５、前記積み重ね層（Ａ、Ｂ）がII−VI素材、特にテル
   ルの水銀および／またはカドミウムおよび／または亜鉛
   との合金、あるいはテルル化鉛または錫等のIV−VI素材
   で形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   または２項の何れか１項記載の半導体電気光学的部品。 ６、前記特許請求の範囲何れか１項記載の半導体電気光
   学的部品を用いた電気光学的変調器。 ７、前記変調器が制御電場の印加されていない平常時に
   不透明であることを特徴とする特許請求の範囲第６項記
   載の電気光学的変調器。 ８、量子の谷が相互にかなり強く結合されたヘテロ構造
   を形成するのに適した半導体層（Ａ、Ｂ）の積み重ねが
   成長軸の方向に沿って被覆された基板（Ｓ）から成る超
   格子を作製する段階； 前記超格子に動作光を与える段階；さらに 前記超格子にその成長軸に沿って制御電場（Ｅ）を印加
   する段階；ことからなることを特徴と、する電気光学的
   方法。