JPH02210332A - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
- Publication number
- JPH02210332A JPH02210332A JP1126239A JP12623989A JPH02210332A JP H02210332 A JPH02210332 A JP H02210332A JP 1126239 A JP1126239 A JP 1126239A JP 12623989 A JP12623989 A JP 12623989A JP H02210332 A JPH02210332 A JP H02210332A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- material layer
- layer
- thickness
- semiconductor device
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01716—Optically controlled superlattice or quantum well devices
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/218—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference using semi-conducting materials
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01783—Quantum wires
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01791—Quantum boxes or quantum dots
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔概要〕
非線型動作を行う光半導体装置に圓し、動作状態と非動
作状態の間の切換動作の高周波応答特性を向上すると共
に動作状態の持続時間が所望の値に設計可能な装置を提
供することを目的とし、 第１の禁制帯幅を有する第１の物質層と、該第１の禁制
帯幅よりも大きい第２の禁制帯幅を有し第１の物質層を
挟持するように設けられた第２の物質層と、該第１の物
＊＊及び第２の物質層よりなる構造部分の少なくとも一
の側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第３の禁
制帯幅を有する第３の物質層とよりなる１ｉｌｌｉ体を
少なくとも含み、 該第１の物質層はその中に２次元励起子の存在を許容す
る第１の厚さを右し、 該第２の物質層は第１の物質層中の電子の該第３の物質
層へのトンネリングを可能ならしめる第２の厚さを有し
、 該第３の物質層は、第３の物質層中に形成される電子の
量子準位のすべてのエネルギが、該第１の物質層中に形
成される電子の量子準位の少なくとも一つの準位のエネ
ルギ値と異なるように設定された第３の厚さを有し、該
第１の層の励起子準位に対応する光が入射されることに
よって屈折率が変化するように構成してなる。
作状態の間の切換動作の高周波応答特性を向上すると共
に動作状態の持続時間が所望の値に設計可能な装置を提
供することを目的とし、 第１の禁制帯幅を有する第１の物質層と、該第１の禁制
帯幅よりも大きい第２の禁制帯幅を有し第１の物質層を
挟持するように設けられた第２の物質層と、該第１の物
＊＊及び第２の物質層よりなる構造部分の少なくとも一
の側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第３の禁
制帯幅を有する第３の物質層とよりなる１ｉｌｌｉ体を
少なくとも含み、 該第１の物質層はその中に２次元励起子の存在を許容す
る第１の厚さを右し、 該第２の物質層は第１の物質層中の電子の該第３の物質
層へのトンネリングを可能ならしめる第２の厚さを有し
、 該第３の物質層は、第３の物質層中に形成される電子の
量子準位のすべてのエネルギが、該第１の物質層中に形
成される電子の量子準位の少なくとも一つの準位のエネ
ルギ値と異なるように設定された第３の厚さを有し、該
第１の層の励起子準位に対応する光が入射されることに
よって屈折率が変化するように構成してなる。
本発明は一般に光半導体装置に関し、特に非線型動作を
行う光半導体装置に関する。
行う光半導体装置に関する。
従来より、光・光スィッチ、光双安定装置、光・光メモ
リ等としての利用を目的とした非線型光学装置が研究さ
れている。かかる装置では装置の状態を動作光の照射及
び停止により動作状態と非動作状態の間で切換えること
により装置を通過する被動作光の伝送を１４１１１する
。例えば装置は動作状態で被動作光を通過させ、非動作
状態で遮断する。あるいはその逆でもよい。
リ等としての利用を目的とした非線型光学装置が研究さ
れている。かかる装置では装置の状態を動作光の照射及
び停止により動作状態と非動作状態の間で切換えること
により装置を通過する被動作光の伝送を１４１１１する
。例えば装置は動作状態で被動作光を通過させ、非動作
状態で遮断する。あるいはその逆でもよい。
かかる非線型光学装置では特に光論理装置への応用を目
的とした場合等多くの場合において動作状態と非動作状
態の間の切換動作の高周波応答特性が良好であることが
要求され、また動作持続時間を必要に応じて制御できる
ことが望まれる。
的とした場合等多くの場合において動作状態と非動作状
態の間の切換動作の高周波応答特性が良好であることが
要求され、また動作持続時間を必要に応じて制御できる
ことが望まれる。
まず、従来技術に係る非線型光学装置について説明する
。
。
第１８図を参照するに、従来の非線型光学装置の一の種
類においては禁制帯幅の小さな第１の物質、例えばガリ
ウムヒ素のｌ１Ｍ１が禁ｉｌｌ帯幅の大きな第２の物質
、例えばアルミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２に挟まれ
て積層されている積層体Ｍをもって構成されるいわゆる
超格子体をもって構成されている。
類においては禁制帯幅の小さな第１の物質、例えばガリ
ウムヒ素のｌ１Ｍ１が禁ｉｌｌ帯幅の大きな第２の物質
、例えばアルミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２に挟まれ
て積層されている積層体Ｍをもって構成されるいわゆる
超格子体をもって構成されている。
この非線型光学装置のバンドダイヤグラムは概略第１９
図に示す如くである。図において、ＥＦはフェルミレベ
ルであり、Ｅｖはｉｔｉｍ子帯、Ｅｃは伝導帯である。
図に示す如くである。図において、ＥＦはフェルミレベ
ルであり、Ｅｖはｉｔｉｍ子帯、Ｅｃは伝導帯である。
禁制帯幅の大きな第２の物質層１Ｍ２に挟まれた禁制帯
幅の小さな第１の物質ＩＷＭ１は量子井戸を形成し、か
かる量子井戸中においては一電子の吊子準位のエネルギ
△Ｅｎは近似的には禁制帯幅の小さな第１の物質の伝導
帯の底Ｅｃをエネルギの基準 として次式（１）で表わされる。
幅の小さな第１の物質ＩＷＭ１は量子井戸を形成し、か
かる量子井戸中においては一電子の吊子準位のエネルギ
△Ｅｎは近似的には禁制帯幅の小さな第１の物質の伝導
帯の底Ｅｃをエネルギの基準 として次式（１）で表わされる。
但し、
ｎは整数であり、
ｍは禁制帯幅の小さな第１の物質例えばガリウムヒ素中
の電子の有効質ｍであり、 ｈはブランク定数であり、 しは禁制帯幅の小さな第１の物質例えばガリウムヒ素の
層の層厚である。
の電子の有効質ｍであり、 ｈはブランク定数であり、 しは禁制帯幅の小さな第１の物質例えばガリウムヒ素の
層の層厚である。
上式で示されるように、上記の量子井戸中の電子の吊子
準位のエネルギは禁制帯幅の小さな第１の物質中での有
効質、１ｍと層厚りとに依存する。
準位のエネルギは禁制帯幅の小さな第１の物質中での有
効質、１ｍと層厚りとに依存する。
さらに、かかる量子井戸では上記の量子井戸のは子準位
から、式０、 但し、 μは電子とホールとの換ｎ質聞であり、ｋは禁制帯幅の
小さな第１の物質の誘電率であり、 ｈはブランク定数であり、 ｅは電子電荷である。
から、式０、 但し、 μは電子とホールとの換ｎ質聞であり、ｋは禁制帯幅の
小さな第１の物質の誘電率であり、 ｈはブランク定数であり、 ｅは電子電荷である。
をもって表される値だけ低エネルギ側に励起子準位が形
成される。励起子は電子とホールがクーロン相互作用に
より束縛された状態である。
成される。励起子は電子とホールがクーロン相互作用に
より束縛された状態である。
かかる構成の非線型光学装置においては、被動作光の波
長としてガリウムヒ素の超格子中の励起子準位とほぼ共
鳴する波長が選ばれ、この非線型光学装置を動作させる
動作光の波長としてこの助量子準位のエネルギ的な近傍
にある電子の量子準位に自由電子を励起しつる光の波長
、または、上記の量子準位に励起子を励起しうる光の波
長が選ばれる。
長としてガリウムヒ素の超格子中の励起子準位とほぼ共
鳴する波長が選ばれ、この非線型光学装置を動作させる
動作光の波長としてこの助量子準位のエネルギ的な近傍
にある電子の量子準位に自由電子を励起しつる光の波長
、または、上記の量子準位に励起子を励起しうる光の波
長が選ばれる。
次に、その動作原理を第１８及び第１９図を参照しなが
ら説明するに、励起子準位に対応する波長の被動作光が
矢印Ｉ！に示すように照射されている状態で動作光が矢
印１２に示すように照射されると付加的エネルギの供給
により自由電子あるいは励起子が励起される。かかる自
由電子は励起子を形成するホールの周囲でクーロン相互
作用を遮蔽するため、励起子の形成を阻害する。また、
動作光によって励起された励起子の存在によって被動作
光による励起子の形成も阻害され、その結果被動作光Ｌ
＋の励起子による吸収が減少し、透過率が上昇し、被動
作光１１の透過ａｌ（出力光量）が増大する。
ら説明するに、励起子準位に対応する波長の被動作光が
矢印Ｉ！に示すように照射されている状態で動作光が矢
印１２に示すように照射されると付加的エネルギの供給
により自由電子あるいは励起子が励起される。かかる自
由電子は励起子を形成するホールの周囲でクーロン相互
作用を遮蔽するため、励起子の形成を阻害する。また、
動作光によって励起された励起子の存在によって被動作
光による励起子の形成も阻害され、その結果被動作光Ｌ
＋の励起子による吸収が減少し、透過率が上昇し、被動
作光１１の透過ａｌ（出力光量）が増大する。
この動作速度は極めて速り５００フ工ムト秒以下である
から、上記の構成の非線型光学装置を使用すればその被
動作光１１の出力光量を動作光１２をもって制御して、
光・光スィッチ、光双安定装置、光・光メモリ等を実現
することができる。
から、上記の構成の非線型光学装置を使用すればその被
動作光１１の出力光量を動作光１２をもって制御して、
光・光スィッチ、光双安定装置、光・光メモリ等を実現
することができる。
なお、上記の現象は、超格子に限らずバルクのガリウム
と素等においても発現するが、室温においては熱的な励
起により励起子準位を明瞭に観測することができず、非
線型光学装置を製造することは現実に容易ではない。し
かし、励起子を二次元的に閉じ込める超格子構造を採用
すると室温においても励起子の準位が明瞭にＷＪｉ１１
シうるようになり、実用可能な非線型光学装置を製造す
ることができる。
と素等においても発現するが、室温においては熱的な励
起により励起子準位を明瞭に観測することができず、非
線型光学装置を製造することは現実に容易ではない。し
かし、励起子を二次元的に閉じ込める超格子構造を採用
すると室温においても励起子の準位が明瞭にＷＪｉ１１
シうるようになり、実用可能な非線型光学装置を製造す
ることができる。
バルク中での１Ｓ状態にお蔦ノる自由励起子の直径ｒは
次式■で表される。
次式■で表される。
但し、
μは電子及びホールの換算質■であり、εは誘電率であ
り、 ｈはブランク定数であり、 ｅは電気素量である。
り、 ｈはブランク定数であり、 ｅは電気素量である。
したがって、２次元励起層が存在するためには、第１の
物質の層厚はこのｒと同程度かこれより小さな値でなけ
ればならない。例えば、第１の物質として、ガリウムヒ
素を用いた場合、ｒはおよそ２８０人となる。
物質の層厚はこのｒと同程度かこれより小さな値でなけ
ればならない。例えば、第１の物質として、ガリウムヒ
素を用いた場合、ｒはおよそ２８０人となる。
第２０図に示す別の従来の非線型光学装置においては禁
制帯幅の小さな第１の物質、例えばガリウムヒ素のＩＦ
Ｍｌが禁制帯幅の大きな第２の物質、例えばアルミニウ
ムガリウムヒ素の層Ｍ２に挟まれて積層されている超格
子＠病体Ｍの両端に、二層化シリコン層と酸化アルミニ
ウム層との多Ｉ積層体等よりなる誘電体多１ｉ１１Ｅを
設けたファブリペロ共振器構造をもって構成されている
。
制帯幅の小さな第１の物質、例えばガリウムヒ素のＩＦ
Ｍｌが禁制帯幅の大きな第２の物質、例えばアルミニウ
ムガリウムヒ素の層Ｍ２に挟まれて積層されている超格
子＠病体Ｍの両端に、二層化シリコン層と酸化アルミニ
ウム層との多Ｉ積層体等よりなる誘電体多１ｉ１１Ｅを
設けたファブリペロ共振器構造をもって構成されている
。
この非線型光学装置のバンドダイヤグラムも概略第１９
図に示す如くである。
図に示す如くである。
この構成の非線型光学装置の動作原理は下記のとおりで
ある。動作光を入射しない状態で励起子の共鳴準位近傍
のある波長λの被動作光く第２０図に矢印１１をもって
示す）を入射した場合、第２０図に示すように、 共振条件 ｍλ／２＝ｎＬ 但し、 ｍは整数であり、 Ｌは１１１体Ｍの層厚であり、 ｎは積層体Ｍをもって構成される超格子の屈折率である
。
ある。動作光を入射しない状態で励起子の共鳴準位近傍
のある波長λの被動作光く第２０図に矢印１１をもって
示す）を入射した場合、第２０図に示すように、 共振条件 ｍλ／２＝ｎＬ 但し、 ｍは整数であり、 Ｌは１１１体Ｍの層厚であり、 ｎは積層体Ｍをもって構成される超格子の屈折率である
。
が成立していれば、上記構成の非線型光学装置の被動作
光■１に対する吸収率は極めて小さくなり、被動作光１
＋は上記構成の非線型光学装置を透過することになる。
光■１に対する吸収率は極めて小さくなり、被動作光１
＋は上記構成の非線型光学装置を透過することになる。
ここで、禁制帯幅の大きな第３の物質例えばアルミニウ
ム層素の層Ｍ２に挟まれた禁ｉｌｌ帯幅の小さな第１の
物質例えばガリウムヒ素の１５２Ｍ１の領域に形成され
る槽子井戸に自由電子または励起子を励起しうる波長動
作光Ｉｚ （第２１図に矢印１２をもって示す）を被
動作光ＩＩに加えて照射すると、先に説明したように自
由電子によりクーロン相互作用が遮蔽されるためあるい
は動作光によって励起された励起子の存在のために励起
子の形成が阻害され、超格子体Ｍの屈折率が変化して上
記の共振条件が成立しなくなる。その結果、被動作光１
＋に対する吸収率が大ぎくなり、被動作光１１は上記構
成の非線型光学装置を透過しにくくなり、動作光Ｉ２の
照射・非照射に応答して、被動作光ｆ１の透過・不透過
が１ｉ１１ｔＩｌされることになる。
ム層素の層Ｍ２に挟まれた禁ｉｌｌ帯幅の小さな第１の
物質例えばガリウムヒ素の１５２Ｍ１の領域に形成され
る槽子井戸に自由電子または励起子を励起しうる波長動
作光Ｉｚ （第２１図に矢印１２をもって示す）を被
動作光ＩＩに加えて照射すると、先に説明したように自
由電子によりクーロン相互作用が遮蔽されるためあるい
は動作光によって励起された励起子の存在のために励起
子の形成が阻害され、超格子体Ｍの屈折率が変化して上
記の共振条件が成立しなくなる。その結果、被動作光１
＋に対する吸収率が大ぎくなり、被動作光１１は上記構
成の非線型光学装置を透過しにくくなり、動作光Ｉ２の
照射・非照射に応答して、被動作光ｆ１の透過・不透過
が１ｉ１１ｔＩｌされることになる。
なＪ３、上記の方式の他、下２の種々な方式がありうる
。
。
（イ） 超格子体Ｍは動作光非照射時に上記の共振条件
を成立させず、不透過状態としておき、動作光の照射を
もって上記の共振条件を成立させ、超格子体Ｍを不透過
状態から透過状態に移行さ往る。
を成立させず、不透過状態としておき、動作光の照射を
もって上記の共振条件を成立させ、超格子体Ｍを不透過
状態から透過状態に移行さ往る。
（ロ） 上２の共振条件と不完全共振条件との間の移行
ではなく、完全非共振条件１ｍ＋１／２）λ／２＝ｎＬ
）と不完全非共振条件との間の移行を利用する（この方
式には、動作光の照射をもって上記の完全非共振条件を
成立させ、超格子体Ｍを透過状態から不透過状態に移行
させる方式と、動作光の照射をもって１２の完全非共振
条件を不成立状態に移行させ、超格子体Ｍを不透過状態
から透過状態に移行させる方式とがある。）。
ではなく、完全非共振条件１ｍ＋１／２）λ／２＝ｎＬ
）と不完全非共振条件との間の移行を利用する（この方
式には、動作光の照射をもって上記の完全非共振条件を
成立させ、超格子体Ｍを透過状態から不透過状態に移行
させる方式と、動作光の照射をもって１２の完全非共振
条件を不成立状態に移行させ、超格子体Ｍを不透過状態
から透過状態に移行させる方式とがある。）。
（ハ） 共振条件に近い非共振条件と、前者に比べて完
全非共振条件に近い非共振条件との間の移行を利用する
。
全非共振条件に近い非共振条件との間の移行を利用する
。
第２２図は第１８図にその構成を示すような、端面に鏡
が設けられておらず禁制帯幅の小さな第１の物質、例え
ばガリウムヒ素のｊｌｆＭｌを禁制帯幅の大きな第２の
物質、例えばアルミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２によ
り挟持した積層体Ｍよりなる超格子体のみをちって構成
された非線型光学装置において、パルス幅１００フェム
ト秒の動作光パルスを照射した場合の吸収率対時間の関
係を示すグラフである。吸収率が低下するのに要する時
間は０．４ピコ秒程度で十分に早いが、吸収率が回復す
るのに要する時間は非常に長い。これは、吸収率の回復
が超格子中の自由電子あるいは励起子の緩和時間によっ
てｉｌｌ限されるためであり、その結果非線型光学装置
の高周波追従性が劣化する。
が設けられておらず禁制帯幅の小さな第１の物質、例え
ばガリウムヒ素のｊｌｆＭｌを禁制帯幅の大きな第２の
物質、例えばアルミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２によ
り挟持した積層体Ｍよりなる超格子体のみをちって構成
された非線型光学装置において、パルス幅１００フェム
ト秒の動作光パルスを照射した場合の吸収率対時間の関
係を示すグラフである。吸収率が低下するのに要する時
間は０．４ピコ秒程度で十分に早いが、吸収率が回復す
るのに要する時間は非常に長い。これは、吸収率の回復
が超格子中の自由電子あるいは励起子の緩和時間によっ
てｉｌｌ限されるためであり、その結果非線型光学装置
の高周波追従性が劣化する。
第２３図は第２０図に示すような禁制帯幅の小さな第１
の物質、例えばガリウムヒ素のｆｆ１Ｍ１とその両側に
形成された禁１ｉＩＪ帯幅の大きな第２の物質例えばア
ルミニウムガリウムヒ素の廟Ｍ２とを構造９位として８
！１層された積層体Ｍよりなる超格子体の端面に反射Ｉ
Ｅを設けた構成の非線型光学芸δにおいて、パルス幅１
００フェムト秒の動作光パルスを照射した場合の光透過
率対時間の関係を示すグラフである。光透過率が低下す
るのに要する時間は１ピコ秒捏度で十分に速いが、光透
過率が回復するのに要する時間は非常に長い。これは、
上記と同様、光透過率の回復が超格子中の自由電子ある
いは励起子の緩和時間によって制限されるためであり、
この非線型光学装置が高周波をもって繰り返し使用され
ることを妨げ、高周波追従性を悪くしている。
の物質、例えばガリウムヒ素のｆｆ１Ｍ１とその両側に
形成された禁１ｉＩＪ帯幅の大きな第２の物質例えばア
ルミニウムガリウムヒ素の廟Ｍ２とを構造９位として８
！１層された積層体Ｍよりなる超格子体の端面に反射Ｉ
Ｅを設けた構成の非線型光学芸δにおいて、パルス幅１
００フェムト秒の動作光パルスを照射した場合の光透過
率対時間の関係を示すグラフである。光透過率が低下す
るのに要する時間は１ピコ秒捏度で十分に速いが、光透
過率が回復するのに要する時間は非常に長い。これは、
上記と同様、光透過率の回復が超格子中の自由電子ある
いは励起子の緩和時間によって制限されるためであり、
この非線型光学装置が高周波をもって繰り返し使用され
ることを妨げ、高周波追従性を悪くしている。
本発明の目的は、この欠点を解消し、動作状躬と非動作
状態との間の切換動作の高周波応答性を向上すると共に
動作持続時間が所望の値に設計可能な光半導体装置を捉
供することにある。
状態との間の切換動作の高周波応答性を向上すると共に
動作持続時間が所望の値に設計可能な光半導体装置を捉
供することにある。
〔課題を解決するための手段］
第１図は本発明による非線型動作を行う光半導体装置の
原理図である。第１図を参照するに、上記の目的は第１
の禁υノ帯幅（Ｅ１）を有する第１の物質層（Ｍ１）と
、該第１の禁制帯幅よりも大きい第２の禁制帯幅（Ｅａ
２）を有し第１の物質層を挟持するように設けられた第
２の物質層（Ｍ２）。と、該第１の物質層及び第２の物
質層よりなる構造部分（Ｍ１、Ｍ２）の少なくとも一の
側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第３の禁制
帯幅（Ｅｇ３）を有する第３の物質層（Ｍ３）とよりな
る積層体（Ｍ）を少なくとも含み、該第１の物質層はそ
の中に２次元励起子（ＬＥ）の存在を許容する第１の厚
さ（２１）を有し、該第２の物質層は第１の物質層中の
電子（ｅ）の該第３の物質層へのトンネリングを可能な
らしめる第２の厚さ（ｌ２）を有し、該第３の物質層は
、第３の物質層（Ｍ３）中に形成される電子の量子準位
のすべてのエネルギ値が、該第１の物質層中に形成され
る電子の信子準位の少なくとも一つの準位のエネルギ値
と異なるように設定された第３の厚さ（１１３）を有し
、該第１の開の励起子準位に対応する光が入射されるこ
とによって屈折率が変化する光半導体装置によって達成
される。
原理図である。第１図を参照するに、上記の目的は第１
の禁υノ帯幅（Ｅ１）を有する第１の物質層（Ｍ１）と
、該第１の禁制帯幅よりも大きい第２の禁制帯幅（Ｅａ
２）を有し第１の物質層を挟持するように設けられた第
２の物質層（Ｍ２）。と、該第１の物質層及び第２の物
質層よりなる構造部分（Ｍ１、Ｍ２）の少なくとも一の
側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第３の禁制
帯幅（Ｅｇ３）を有する第３の物質層（Ｍ３）とよりな
る積層体（Ｍ）を少なくとも含み、該第１の物質層はそ
の中に２次元励起子（ＬＥ）の存在を許容する第１の厚
さ（２１）を有し、該第２の物質層は第１の物質層中の
電子（ｅ）の該第３の物質層へのトンネリングを可能な
らしめる第２の厚さ（ｌ２）を有し、該第３の物質層は
、第３の物質層（Ｍ３）中に形成される電子の量子準位
のすべてのエネルギ値が、該第１の物質層中に形成され
る電子の信子準位の少なくとも一つの準位のエネルギ値
と異なるように設定された第３の厚さ（１１３）を有し
、該第１の開の励起子準位に対応する光が入射されるこ
とによって屈折率が変化する光半導体装置によって達成
される。
上記の構成において、積層体（Ｍ）の表面及び裏面に反
射鏡（Ｅｔ、Ｅ２）が配設されファブリペロ共振器が形
成されていると非線型光学装置としての信号対雑音比が
増加し、産業上の利用価値がさらに向上する。
射鏡（Ｅｔ、Ｅ２）が配設されファブリペロ共振器が形
成されていると非線型光学装置としての信号対雑音比が
増加し、産業上の利用価値がさらに向上する。
禁制帯幅の小さな第１の物質のＸＩ（Ｍ１）の材料とＩ
！糾帯幅の大きな第２の物質の層（Ｍ２）の材料との組
み合わせとしては、ガリウムヒ素とアルミニウムヒ素と
の組み合わせ、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ
素との組み合わせ、インジウムガリウムヒ素とインジウ
ムアルミニウムヒ素との組み合わせ等が可能であり、そ
の他でも、特許請求の範囲に記載された要件を満しうる
組み合わせであれば、さしつかえない。
！糾帯幅の大きな第２の物質の層（Ｍ２）の材料との組
み合わせとしては、ガリウムヒ素とアルミニウムヒ素と
の組み合わせ、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ
素との組み合わせ、インジウムガリウムヒ素とインジウ
ムアルミニウムヒ素との組み合わせ等が可能であり、そ
の他でも、特許請求の範囲に記載された要件を満しうる
組み合わせであれば、さしつかえない。
反射Ｉｔ （Ｅｔ 、 Ｅ２ ）の材料としては、金等
の金属透光性ｉｆ、または、二酸化シリコン、二酸化チ
タン、酸化アルミニウムの薄膜、もしくはこれらの誘電
体多層膜等の薄膜、またはガリウムヒ素、アルミニウガ
リウムムヒ素、アルミニウムヒ素等からなる半導体多層
膜等の薄膜が使用しうる。
の金属透光性ｉｆ、または、二酸化シリコン、二酸化チ
タン、酸化アルミニウムの薄膜、もしくはこれらの誘電
体多層膜等の薄膜、またはガリウムヒ素、アルミニウガ
リウムムヒ素、アルミニウムヒ素等からなる半導体多層
膜等の薄膜が使用しうる。
本発明によれば、第３の禁制帯幅を持つ物質例えばガリ
ウムヒ素１１Ｍ３の少なくとも一方の側が、禁制帯幅が
大きな第２の物質、例えばアルミニウムガリウムヒ素Ｊ
ＩＭ２を介して第１の禁制帯幅を持ちその層中に２次元
励起子が存在しつる厚さにｌを有する例えばガリウムヒ
素のｌｉ！Ｍ１と接しているので、第１の物質層ＭＩ中
に励起された自由電子は短時間の優に禁制帯幅の大きな
第２の物質例えばアルミニウムガリウムヒ素層Ｍ２を通
って外側の第３の物質、例えばガリウムヒ素層Ｍ３中に
トンネリングする。その結果、励起子の形成を阻害する
自由電子がＩＩＭＩからすみやかに除去され、動作光パ
ルスＩ２の照射によって惹起された被動作光１＋の光透
過率の変化が短時間で元の状態に復帰する。
ウムヒ素１１Ｍ３の少なくとも一方の側が、禁制帯幅が
大きな第２の物質、例えばアルミニウムガリウムヒ素Ｊ
ＩＭ２を介して第１の禁制帯幅を持ちその層中に２次元
励起子が存在しつる厚さにｌを有する例えばガリウムヒ
素のｌｉ！Ｍ１と接しているので、第１の物質層ＭＩ中
に励起された自由電子は短時間の優に禁制帯幅の大きな
第２の物質例えばアルミニウムガリウムヒ素層Ｍ２を通
って外側の第３の物質、例えばガリウムヒ素層Ｍ３中に
トンネリングする。その結果、励起子の形成を阻害する
自由電子がＩＩＭＩからすみやかに除去され、動作光パ
ルスＩ２の照射によって惹起された被動作光１＋の光透
過率の変化が短時間で元の状態に復帰する。
ところで、この復帰に要する時間は上記のトンネリング
に要する時間によって決定され、かかるトンネリングは
超格子体Ｍを構成する物質の選択やそれらの層厚の選択
により制御することができるので、良好な高周波応答特
性を有する非線型光学装置や動作持続時間を制御しつる
非線型光学装置を実現することができる。
に要する時間によって決定され、かかるトンネリングは
超格子体Ｍを構成する物質の選択やそれらの層厚の選択
により制御することができるので、良好な高周波応答特
性を有する非線型光学装置や動作持続時間を制御しつる
非線型光学装置を実現することができる。
換言すれば、本実施例に係る光半導体装置においては動
作光Ｉ２の照射に応答して２次元励起子の存在を許容す
る厚さ１＋の禁制帯幅が小さな第１の物質層ＭＩ中で高
速度で自由電子または励起子が励起され、透過率が減少
する。動作光■２の照射が終了すると、励起されていた
自由電子および励起子のイオン化により発生していた自
由電子は第３の物質層１Ｍ３中に予め定められた長さの
短Ｉｆ間でトンネリングする。層Ｍ３は厚さｅｓをその
中に形成される電子の信子準位のすべてにおいてエネル
ギ値が第１の物質層Ｍｌ中に形成される電子の量子準位
の少くとも一つの準位のエネルギ値と異なるように選定
されている。すなわち、第１の物質層Ｍ１中の量子準位
と第３の物質層Ｍ３中の信子準位とが完全に一致するこ
とはなく、第１の物質層ＭＩ中の一の量子準位に対応し
て第３の物質層Ｍ３中に必ずそれよりも低い量子準位が
存在する。その結果、第１の物質層Ｍ１の一の量子準位
から第３の物質層１Ｍ３ヘトンネリングした電子はこの
低い量子準位にすみやかに落ちる。このため、上記の非
線型光学装置の透過率はこのトンネリングに要する時間
（禁制帯幅の大きな第２の物質の層の層厚、井戸層のＭ
Ｉ厚、禁制帯幅の大きな第２の物質層Ｍ２をなす半導体
の禁制帯幅等によって決定される。）によって予め決定
されている時間をもって動作光Ｉ２の照射がなされる前
の状態に復帰する。そのため、高周波応答性を向上しつ
る他、動作持続時間を所望の値に制御することもできる
。
作光Ｉ２の照射に応答して２次元励起子の存在を許容す
る厚さ１＋の禁制帯幅が小さな第１の物質層ＭＩ中で高
速度で自由電子または励起子が励起され、透過率が減少
する。動作光■２の照射が終了すると、励起されていた
自由電子および励起子のイオン化により発生していた自
由電子は第３の物質層１Ｍ３中に予め定められた長さの
短Ｉｆ間でトンネリングする。層Ｍ３は厚さｅｓをその
中に形成される電子の信子準位のすべてにおいてエネル
ギ値が第１の物質層Ｍｌ中に形成される電子の量子準位
の少くとも一つの準位のエネルギ値と異なるように選定
されている。すなわち、第１の物質層Ｍ１中の量子準位
と第３の物質層Ｍ３中の信子準位とが完全に一致するこ
とはなく、第１の物質層ＭＩ中の一の量子準位に対応し
て第３の物質層Ｍ３中に必ずそれよりも低い量子準位が
存在する。その結果、第１の物質層Ｍ１の一の量子準位
から第３の物質層１Ｍ３ヘトンネリングした電子はこの
低い量子準位にすみやかに落ちる。このため、上記の非
線型光学装置の透過率はこのトンネリングに要する時間
（禁制帯幅の大きな第２の物質の層の層厚、井戸層のＭ
Ｉ厚、禁制帯幅の大きな第２の物質層Ｍ２をなす半導体
の禁制帯幅等によって決定される。）によって予め決定
されている時間をもって動作光Ｉ２の照射がなされる前
の状態に復帰する。そのため、高周波応答性を向上しつ
る他、動作持続時間を所望の値に制御することもできる
。
また、本発明では第３の物質層中のホールの基底準位Ｌ
３’ と電子の基底準位Ｌ３との間のエネルギ差が第１
の物質層中のホールの準位Ｌ１’ と電子の準位Ｌ１と
の間のエネルギ差よりも実質的に大きくなるように物質
組成及び厚さを選定することにより、第３の物質ｗ！Ｉ
Ｍ３による被動作光の吸収を回避できる。また、かかる
構造の光半導体装置の前後に反射鏡を設けるとＳ／Ｎ比
がさらに向上する。
３’ と電子の基底準位Ｌ３との間のエネルギ差が第１
の物質層中のホールの準位Ｌ１’ と電子の準位Ｌ１と
の間のエネルギ差よりも実質的に大きくなるように物質
組成及び厚さを選定することにより、第３の物質ｗ！Ｉ
Ｍ３による被動作光の吸収を回避できる。また、かかる
構造の光半導体装置の前後に反射鏡を設けるとＳ／Ｎ比
がさらに向上する。
さらに、第１の物質層Ｍ１中のホールの準位１１’ と
第２の物質層Ｍ２の価電子帯上端との間のエネルギ差Ｅ
Ｈを小さく設定することにより自由電子よりもホールが
層Ｍ１から層Ｍ３へ電子と同程度に迅速にトンネリング
するように構成でき、これによりホールのＩＭｌへの滞
留及びそれに伴う空間電荷の形成、さらに自由電子のト
ンネリングを妨げるバンドの変形を回避することが可能
になる。
第２の物質層Ｍ２の価電子帯上端との間のエネルギ差Ｅ
Ｈを小さく設定することにより自由電子よりもホールが
層Ｍ１から層Ｍ３へ電子と同程度に迅速にトンネリング
するように構成でき、これによりホールのＩＭｌへの滞
留及びそれに伴う空間電荷の形成、さらに自由電子のト
ンネリングを妨げるバンドの変形を回避することが可能
になる。
また、本発明において第１．第２及び第３の物質層を障
子細線構造あるいはｍ子箱構造とすることにより、第３
の物質層中での被動作光により価電子帯から伝導帯への
電子の励起の遷移確率を抑制することができ、その結果
、第３の物質層による被動作光の吸収がざらに軽減でき
る。
子細線構造あるいはｍ子箱構造とすることにより、第３
の物質層中での被動作光により価電子帯から伝導帯への
電子の励起の遷移確率を抑制することができ、その結果
、第３の物質層による被動作光の吸収がざらに軽減でき
る。
本発明による非線型光学動作を行う光学装置を例えば半
導体多層膜鏡に使用することにより動作光のオンオフに
より反射率が制御される鏡を形成することができる。光
学装置の非線型動作の高周波応答性は非常に優れている
ため、かかる光学装置を使った半導体多ＷＩｓｍにおい
ても優れた高周波応答性が得られる。
導体多層膜鏡に使用することにより動作光のオンオフに
より反射率が制御される鏡を形成することができる。光
学装置の非線型動作の高周波応答性は非常に優れている
ため、かかる光学装置を使った半導体多ＷＩｓｍにおい
ても優れた高周波応答性が得られる。
以下、図面を参照しながら、本発明の二つの実施例に係
る光半導体装置についてさらに説明する。
る光半導体装置についてさらに説明する。
第２図は小さな禁制帯幅Ｅｇ１．Ｅｇ２を有する第１の
物質層Ｍ１及び第３の物質ＩＭ３としてともにガリウム
ヒ素（ＧａＡＳ）を使用し、大きな禁１１１１＠ＥＧ３
を有する第２の物質の岡Ｍ２としてアルミニウムガリウ
ムヒ素（Ａｅ Ｏ，５１Ｇａ０１４９Ａｓ）を使用した
本発明第１実施例による光半導体装置の構成を示す。層
Ｍ１とＭ３とは同じＧａＡｓよりなるため禁制帯幅Ｅａ
１とＥ（７３とは等しい。図中、禁制帯幅の小さな第１
の物質層Ｍ１は２次元励起子が存在しうるＥ！ｉとして
２８０Å以下とし、禁制帯幅の小さな第３の物質層Ｍ３
の層厚１１３は第１の物質層Ｍ１の層厚２１と異なる厚
さとすることとする。本実施例においては層Ｍ１の層厚
２１を４５人とし、層Ｍ３の層厚２３を９０人とする。
物質層Ｍ１及び第３の物質ＩＭ３としてともにガリウム
ヒ素（ＧａＡＳ）を使用し、大きな禁１１１１＠ＥＧ３
を有する第２の物質の岡Ｍ２としてアルミニウムガリウ
ムヒ素（Ａｅ Ｏ，５１Ｇａ０１４９Ａｓ）を使用した
本発明第１実施例による光半導体装置の構成を示す。層
Ｍ１とＭ３とは同じＧａＡｓよりなるため禁制帯幅Ｅａ
１とＥ（７３とは等しい。図中、禁制帯幅の小さな第１
の物質層Ｍ１は２次元励起子が存在しうるＥ！ｉとして
２８０Å以下とし、禁制帯幅の小さな第３の物質層Ｍ３
の層厚１１３は第１の物質層Ｍ１の層厚２１と異なる厚
さとすることとする。本実施例においては層Ｍ１の層厚
２１を４５人とし、層Ｍ３の層厚２３を９０人とする。
また、励起された自由電子および励起子がイオン化して
発生した自由電子を短時間で！・ンネリングさせる層（
禁制帯幅の大きな第２の物質の層Ｍ２）の層厚ｅ２は４
０人とする。かかるｅｌｌ造は例えば有機金属ＣＶＤ
（ＭＯＣＶＤ）あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
により形成すればよい。
発生した自由電子を短時間で！・ンネリングさせる層（
禁制帯幅の大きな第２の物質の層Ｍ２）の層厚ｅ２は４
０人とする。かかるｅｌｌ造は例えば有機金属ＣＶＤ
（ＭＯＣＶＤ）あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
により形成すればよい。
第３図は第２図の装置中の各部分に対応するバンド構造
図である。図中、層Ｍ１中の電子の準位をＬ１、層Ｍ３
中の電子の準位をＬ３、層Ｍ１中のホールの準位をＬ１
′、１１Ｍ３中のホールの準位をＬ３’であられす。以
下の説明ではこれらの準位は基底状態のものとするが、
本発明はこれに限定されるものではない。かかる重子井
戸構造中においては電子は伝導帯Ｅｃよりも上に離散的
量子準位を形成する。すなわち、準位Ｌ１、Ｌ３上に他
の励起準位（図示せず）が離散的に存在する。
図である。図中、層Ｍ１中の電子の準位をＬ１、層Ｍ３
中の電子の準位をＬ３、層Ｍ１中のホールの準位をＬ１
′、１１Ｍ３中のホールの準位をＬ３’であられす。以
下の説明ではこれらの準位は基底状態のものとするが、
本発明はこれに限定されるものではない。かかる重子井
戸構造中においては電子は伝導帯Ｅｃよりも上に離散的
量子準位を形成する。すなわち、準位Ｌ１、Ｌ３上に他
の励起準位（図示せず）が離散的に存在する。
第３の物質層Ｍ３はその中に形成される電子の量子準位
のすべてにおいて、エネルギ値が第１の物質層Ｍ１中の
１子の滑子準位のうち少くとも一の準位のエネルギ値と
異なるようにその層厚乏３を設定されている。量子準位
と層厚との間の近似的関係は前出の式（１）により与え
られる。図示の例では１Ｍｌ中の基底準位Ｌ１に対応し
て層Ｍ３中に準位Ｌ１よりも低い基底準位Ｌ３が形成さ
れる。
のすべてにおいて、エネルギ値が第１の物質層Ｍ１中の
１子の滑子準位のうち少くとも一の準位のエネルギ値と
異なるようにその層厚乏３を設定されている。量子準位
と層厚との間の近似的関係は前出の式（１）により与え
られる。図示の例では１Ｍｌ中の基底準位Ｌ１に対応し
て層Ｍ３中に準位Ｌ１よりも低い基底準位Ｌ３が形成さ
れる。
そこで、トンネル効果により物質層Ｍ２を通りぬけたエ
ネルギＬ１の電子ｅはこの基底準位Ｌ３にすみやかに落
込む。換言すれば、動作光■２の照射により準位Ｌ１に
励起されて励起子の形成を阻害する自由電子は物質層Ｍ
２をトンネリングしてそのさらに外側の物質層Ｍ３中の
基底準位にすみやかに落ちるため、動作光の照射を停止
すると短時間で自由電子が層Ｍ１から失われ、励起子の
形成が回復する。
ネルギＬ１の電子ｅはこの基底準位Ｌ３にすみやかに落
込む。換言すれば、動作光■２の照射により準位Ｌ１に
励起されて励起子の形成を阻害する自由電子は物質層Ｍ
２をトンネリングしてそのさらに外側の物質層Ｍ３中の
基底準位にすみやかに落ちるため、動作光の照射を停止
すると短時間で自由電子が層Ｍ１から失われ、励起子の
形成が回復する。
第４図は物質層Ｍ１からＭ３への物質層Ｍ２を通る自由
電子のトンネリングを説明する図である。
電子のトンネリングを説明する図である。
図中、縦軸はエネルギを、また横軸は各層中における電
子の状態密１食をあられす。この状態密度は光の吸収率
として観測される。また、式■であられされる励起子の
エネルギ準位を図中り、 Ｅで示す。
子の状態密１食をあられす。この状態密度は光の吸収率
として観測される。また、式■であられされる励起子の
エネルギ準位を図中り、 Ｅで示す。
量子井戸中においてはエネルギと共に状態密度がＭ数的
量子準位に対応して階段状に増加する。
量子準位に対応して階段状に増加する。
すなわち、図中にＳＬＩと配したｍ部は物質βＭ１中の
量子準位Ｌ１に対応する状態密度をあられし、８１３と
記した段部は物質層Ｍ３中の量子準位Ｌ３に対応する状
態密度をあられす。図示した状態密度は光吸収率の測定
にもとづくものであるため、物質層Ｍ１中における励起
子のエネルギ準位ＬＥに対応して吸収ピークＳＬＥが現
れている。
量子準位Ｌ１に対応する状態密度をあられし、８１３と
記した段部は物質層Ｍ３中の量子準位Ｌ３に対応する状
態密度をあられす。図示した状態密度は光吸収率の測定
にもとづくものであるため、物質層Ｍ１中における励起
子のエネルギ準位ＬＥに対応して吸収ピークＳＬＥが現
れている。
励起子準位は物質層Ｍ３においても存在するが（ＳＬＥ
’ ）、この準位は物質層ＭＩ中のものよりもはるかに
低い。さらに、状態密度は励起準位に対応してエネルギ
と共に段階状に増加する。
’ ）、この準位は物質層ＭＩ中のものよりもはるかに
低い。さらに、状態密度は励起準位に対応してエネルギ
と共に段階状に増加する。
かかる状態密度を有する構造では、励起子準位［Ｅ近傍
のエネルギを有し励起子の形成を阻害していた自由電子
ｅは物質層１１Ｌ２をトンネルするとまず物質ＩＭａ中
の同じエネルギ準位の状態に入り、次いでエネルギバン
ドに沿ってすみやかに基底準位Ｌ３に落ちる。なお、準
位１１．１３の上方に延在する一定幅の状態密度は量子
井戸に伴う２次バンド構造により形成さる状態に対応す
る。かかる構造では１１Ｍ２をトンネルした電子ｅを受
入れる十分な数の状態が存在する。
のエネルギを有し励起子の形成を阻害していた自由電子
ｅは物質層１１Ｌ２をトンネルするとまず物質ＩＭａ中
の同じエネルギ準位の状態に入り、次いでエネルギバン
ドに沿ってすみやかに基底準位Ｌ３に落ちる。なお、準
位１１．１３の上方に延在する一定幅の状態密度は量子
井戸に伴う２次バンド構造により形成さる状態に対応す
る。かかる構造では１１Ｍ２をトンネルした電子ｅを受
入れる十分な数の状態が存在する。
上記の層構成を有する非線型光学装置に、ガリウムヒ素
の超格子中の励起子準位し−Ｅとほぼ共鳴する例えば７
９０ｎｇｔの波長の光を矢印！ｌをもって図示する被動
作光りとして常温で照射した場合、動作光■２が照射さ
れていない状態においては被動作光■！に対する吸収率
が大きいため、出力光は極めて少ない。ここで、価電子
帯Ｅｖから伝導帯Ｅｃに自由電子あるいは励起子を励起
しつるようなエネルギｈν２の光（例えば同じ＜７９０
ｎａ＋ ）を動作光として矢印１２をもって示すように
照射すると、励起あるいは放出された自由電子により励
起子の形成が阻害され、第５図に示すように吸収率が減
少して出力光が増大する。
の超格子中の励起子準位し−Ｅとほぼ共鳴する例えば７
９０ｎｇｔの波長の光を矢印！ｌをもって図示する被動
作光りとして常温で照射した場合、動作光■２が照射さ
れていない状態においては被動作光■！に対する吸収率
が大きいため、出力光は極めて少ない。ここで、価電子
帯Ｅｖから伝導帯Ｅｃに自由電子あるいは励起子を励起
しつるようなエネルギｈν２の光（例えば同じ＜７９０
ｎａ＋ ）を動作光として矢印１２をもって示すように
照射すると、励起あるいは放出された自由電子により励
起子の形成が阻害され、第５図に示すように吸収率が減
少して出力光が増大する。
動作光■２の照射が終了すると、励起されていた自由電
子および励起子がイオン化することによって発生してい
た自由電子は、禁！ＩＩ帯幅の小さな第３の物質である
ガリウムヒ素のｌ１Ｍａ中に短時間でトンネリングする
ため、第５図に示すように吸収率は短時間で動作光１２
照射前の状態に復帰する。この動作復帰時間は層Ｍ１、
Ｍ２．Ｍ３の層厚及び材料の選択により従来技術の場合
の１／１００程度の短時間まで所望によりｖ制御しうる
。
子および励起子がイオン化することによって発生してい
た自由電子は、禁！ＩＩ帯幅の小さな第３の物質である
ガリウムヒ素のｌ１Ｍａ中に短時間でトンネリングする
ため、第５図に示すように吸収率は短時間で動作光１２
照射前の状態に復帰する。この動作復帰時間は層Ｍ１、
Ｍ２．Ｍ３の層厚及び材料の選択により従来技術の場合
の１／１００程度の短時間まで所望によりｖ制御しうる
。
第６図は本発明第１実施例による光半導体装置を使った
非線型光学装置を示す。この装置は光ファイバ８を介し
て入射される前記被動作光１１に対応した信号光の透過
を光ファイバ９を介して入射される前記動作光Ｉ２に対
応した制御光により・υ１１１１Ｌ、出力光を光ファイ
バ８ａに出力する。装置はＧａＡＳ基板１上に形成され
、厚さ約１μ嘗のＡ之ＧａＡｓクラッド層２及び同じく
厚さ約１μｌのＡ１１ＧａＡｓクラッド層４により上下
に挟持されると共にＡ［ＧａＡｓ１ｍ７により左右を挟
持された８！ｉＴａ部３を有する。この積層部３は前記
積層体Ｍに対応し、物質層Ｍ２に対応する厚さ４０＾の
１２ＧａＡｓ層と、物質層Ｍ１に対応する厚さ４５人の
（３ａＡｓ層と、物質層Ｍ３に対応するＧａＡｓ層とよ
りなる。各層はＧａＡＳ基板１に平行に積層され、Ａ２
ＧａＡ３ （Ｍ２）４ＯＡ／ＧａＡｓ （Ｍ１）４５人
／Ａｌ１ＧａＡｓ （Ｍ２）４ＯＡ／ＧａＡｓ （Ｍ３
）９０人を基本構造準位とする超格子構造を形成する。
非線型光学装置を示す。この装置は光ファイバ８を介し
て入射される前記被動作光１１に対応した信号光の透過
を光ファイバ９を介して入射される前記動作光Ｉ２に対
応した制御光により・υ１１１１Ｌ、出力光を光ファイ
バ８ａに出力する。装置はＧａＡＳ基板１上に形成され
、厚さ約１μ嘗のＡ之ＧａＡｓクラッド層２及び同じく
厚さ約１μｌのＡ１１ＧａＡｓクラッド層４により上下
に挟持されると共にＡ［ＧａＡｓ１ｍ７により左右を挟
持された８！ｉＴａ部３を有する。この積層部３は前記
積層体Ｍに対応し、物質層Ｍ２に対応する厚さ４０＾の
１２ＧａＡｓ層と、物質層Ｍ１に対応する厚さ４５人の
（３ａＡｓ層と、物質層Ｍ３に対応するＧａＡｓ層とよ
りなる。各層はＧａＡＳ基板１に平行に積層され、Ａ２
ＧａＡ３ （Ｍ２）４ＯＡ／ＧａＡｓ （Ｍ１）４５人
／Ａｌ１ＧａＡｓ （Ｍ２）４ＯＡ／ＧａＡｓ （Ｍ３
）９０人を基本構造準位とする超格子構造を形成する。
図示の非線型光学装置では信号光ないし被動作光１１は
第２図に示す場合と異り積層部３乃至積層体Ｍの各層に
平行に入射し、またａｉ１１御光ないし動作光Ｉ２は積
層体Ｍの各層に垂直に入射するが、本発明による光半導
体装置は物質層Ｍ１に入射する動作光Ｉ２による物質Ｉ
Ｍ１の透過率の変調にもとずくものであるため、被動作
光及び動作光を図中に示す信号光及びυＪｔｉ光のよう
に入射させても同様に動作する。換言すれば、第１図、
第２図において被動作光１１及び動作光■２の入射方向
は積層体Ｍの各層に垂直に限定されるものではなく、他
の方向であってもよい。
第２図に示す場合と異り積層部３乃至積層体Ｍの各層に
平行に入射し、またａｉ１１御光ないし動作光Ｉ２は積
層体Ｍの各層に垂直に入射するが、本発明による光半導
体装置は物質層Ｍ１に入射する動作光Ｉ２による物質Ｉ
Ｍ１の透過率の変調にもとずくものであるため、被動作
光及び動作光を図中に示す信号光及びυＪｔｉ光のよう
に入射させても同様に動作する。換言すれば、第１図、
第２図において被動作光１１及び動作光■２の入射方向
は積層体Ｍの各層に垂直に限定されるものではなく、他
の方向であってもよい。
第６図に示す非線型光学装置は以下のようにして形成で
きる。まず第７図（ａ）に示すような構造を基板層１上
にクラッド層２．超格子層３′及びクラッド層４をＭＯ
ＣＶＤにより順次堆積することにより形成する。ここで
、超格子層３′は前記のＡｅＧａＡｓ４０人／ＧａＡｓ
４５人／ＡｅＧａＡｓ４０人／ＧａＡ３９０八よりなる
構造単曽を例えば約１００周期分くりかえし堆積させる
ことにより形成される。
きる。まず第７図（ａ）に示すような構造を基板層１上
にクラッド層２．超格子層３′及びクラッド層４をＭＯ
ＣＶＤにより順次堆積することにより形成する。ここで
、超格子層３′は前記のＡｅＧａＡｓ４０人／ＧａＡｓ
４５人／ＡｅＧａＡｓ４０人／ＧａＡ３９０八よりなる
構造単曽を例えば約１００周期分くりかえし堆積させる
ことにより形成される。
次いで、クラッド層４の表面の一部をマスクして超格子
層３′の一部にＳｉをイオン注入し、超格子構造が消去
されたＡＥＧａＡｓ領域７を形成する（第７図（ｂ））
。前記の積層部３はこのようにして形成された一対の領
域７の間に形成され、ストライブ状の光導波路を形成す
る。さらに、クラッドｌｉ４の表面に窓６を有するよう
に金（ＡＵ＞等よりなる保護膜５を形成する。第６図に
おいて光ファイバ９より照射される制御光は窓６を通っ
てｍｓ部３に入射し、物質層１ＭＩの透過率変化を誘起
する。
層３′の一部にＳｉをイオン注入し、超格子構造が消去
されたＡＥＧａＡｓ領域７を形成する（第７図（ｂ））
。前記の積層部３はこのようにして形成された一対の領
域７の間に形成され、ストライブ状の光導波路を形成す
る。さらに、クラッドｌｉ４の表面に窓６を有するよう
に金（ＡＵ＞等よりなる保護膜５を形成する。第６図に
おいて光ファイバ９より照射される制御光は窓６を通っ
てｍｓ部３に入射し、物質層１ＭＩの透過率変化を誘起
する。
次に本発明による光半導体装置の第２実施例について説
明する。
明する。
第８図を参照するに、第２図と同様な構成を有スル超格
子？！Ｉ１体Ｍ（７）上下面ニ金ＪＩＩＩＥ＋ 、 Ｅ
２をそれぞれ２００人の厚さに設けることにより半透光
性の反１３１！ｉとして機能するファブリペロ共振器構
造が形成される。かかる光半導体装置に動作光を入射し
ない状態で励起子の共鳴準位近傍のある波長λの被動作
光を■１をもって図示するように入射した場合、従来技
術の項において説明したように、 共振条件 ｍλ／２＝ｎＬ 但し、 ｍは整数であり、 しは積層体Ｍの層厚であり、 ｎ１、を積層体Ｍをもって構成される超格子の屈折率で
ある。
子？！Ｉ１体Ｍ（７）上下面ニ金ＪＩＩＩＥ＋ 、 Ｅ
２をそれぞれ２００人の厚さに設けることにより半透光
性の反１３１！ｉとして機能するファブリペロ共振器構
造が形成される。かかる光半導体装置に動作光を入射し
ない状態で励起子の共鳴準位近傍のある波長λの被動作
光を■１をもって図示するように入射した場合、従来技
術の項において説明したように、 共振条件 ｍλ／２＝ｎＬ 但し、 ｍは整数であり、 しは積層体Ｍの層厚であり、 ｎ１、を積層体Ｍをもって構成される超格子の屈折率で
ある。
を成立させておく。この状態においては被動作光■１に
対する吸収率は極めて小さくなり、被動作光１１は上記
構成の非線型光学装置を透過することになる。
対する吸収率は極めて小さくなり、被動作光１１は上記
構成の非線型光学装置を透過することになる。
ここで、禁ｔＩＩＪ帯幅の大きな第２の物質例えばアル
ミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２に挟まれた禁制帯幅の
小さな第１の物質、例えばガリウムヒ素の１１Ｍ１の領
域に形成される量子井戸に自由電子を励起しつる波長ま
たは励起子を励起しうる波長の動作光を■２をもって図
示するように入射する。
ミニウムガリウムヒ素の１１Ｍ２に挟まれた禁制帯幅の
小さな第１の物質、例えばガリウムヒ素の１１Ｍ１の領
域に形成される量子井戸に自由電子を励起しつる波長ま
たは励起子を励起しうる波長の動作光を■２をもって図
示するように入射する。
すると、形成された自由電子によりクーロン相互作用が
遮蔽されるため励起子の形成が阻害され、超格子体Ｍの
屈折率が変化し、上記の共振条件が成立しなくなり、被
動作光■１に対する吸収率は大きくなる。この状態変化
を第９図に示す。明らかに、状態変化は高速である。
遮蔽されるため励起子の形成が阻害され、超格子体Ｍの
屈折率が変化し、上記の共振条件が成立しなくなり、被
動作光■１に対する吸収率は大きくなる。この状態変化
を第９図に示す。明らかに、状態変化は高速である。
ここで、動作光Ｉ２の照射を終了すると、励起されてい
た自由電子および励起子がイオン化することによって発
生していた自由電子は禁制帯幅の小さな第３の物質層Ｍ
３中に物質層Ｍ２を通って短時間でトンネリングするた
め、第５図に示すと同様に、光透過率は短時間で動作光
Ｉ２照射前の状態に復帰する。この動作復帰時間は上記
のとおり従来技術の場合の１／１００１！ｊ！ｌの短時
間まで、所望により制御しうる。
た自由電子および励起子がイオン化することによって発
生していた自由電子は禁制帯幅の小さな第３の物質層Ｍ
３中に物質層Ｍ２を通って短時間でトンネリングするた
め、第５図に示すと同様に、光透過率は短時間で動作光
Ｉ２照射前の状態に復帰する。この動作復帰時間は上記
のとおり従来技術の場合の１／１００１！ｊ！ｌの短時
間まで、所望により制御しうる。
次に、本発明の第３実施例について説明する。
まず、本発明第１実施例に係る第３図を参照するに、エ
ネルギｈν１の被動作光をかかる光半導体装置に入射さ
せた場合、被動作光は第３の物質層Ｍ３中において価電
子帯Ｅｖ中の準位［−３′の電子を準位Ｌ３よりも高い
準位に励起すると共に準位１３’にホールを形成するに
十分なエネルギを有することがわかる。エネルギｈν２
の動作光が入射した場合も同様である。その結果、被動
作光■１が第３の物質層Ｍ３により吸収されてしまう不
都合が生じる。
ネルギｈν１の被動作光をかかる光半導体装置に入射さ
せた場合、被動作光は第３の物質層Ｍ３中において価電
子帯Ｅｖ中の準位［−３′の電子を準位Ｌ３よりも高い
準位に励起すると共に準位１３’にホールを形成するに
十分なエネルギを有することがわかる。エネルギｈν２
の動作光が入射した場合も同様である。その結果、被動
作光■１が第３の物質層Ｍ３により吸収されてしまう不
都合が生じる。
本実施例はかかる不都合を解決することを目的とし、第
１層、第２層および第３層の物質及びその層厚を適宜選
択して第９図に示すバンド構造を有する構成とする。
１層、第２層および第３層の物質及びその層厚を適宜選
択して第９図に示すバンド構造を有する構成とする。
第９図を参照するに、本実施例では第１の物質層１Ｍ１
中において価電子帯Ｅｖ上端近傍の準位１１’の電子を
伝導帯Ｅｃ中の基底状！ＩＬＩに励起すると共に電子の
励起に伴うホール準位１１’に形成するに要するエネル
ギΔＥ＋が第３の物質ｌＩＭａ中における対応する励起
エネルギ八Ｅ３よりも小さくなるように（八Ｅ＋＜ΔＥ
３）バンド構造を設計することにより、被動作光１１の
物質層１Ｍ３により吸収を回避する。ただし、第１の物
質層Ｍ１中の準位Ｌ１．Ｌ１’ は基底状態に対応する
必要は必ずしもないが第３の物質層Ｍ３中の準位 Ｌ３
．Ｌ３’は基底状態のものとする。かかるａｍにより被
動作光１１のエネルギでは物質層１Ｍ３中で準位Ｌ３’
からＬ３への励起を生ずることができなくなる。
中において価電子帯Ｅｖ上端近傍の準位１１’の電子を
伝導帯Ｅｃ中の基底状！ＩＬＩに励起すると共に電子の
励起に伴うホール準位１１’に形成するに要するエネル
ギΔＥ＋が第３の物質ｌＩＭａ中における対応する励起
エネルギ八Ｅ３よりも小さくなるように（八Ｅ＋＜ΔＥ
３）バンド構造を設計することにより、被動作光１１の
物質層１Ｍ３により吸収を回避する。ただし、第１の物
質層Ｍ１中の準位Ｌ１．Ｌ１’ は基底状態に対応する
必要は必ずしもないが第３の物質層Ｍ３中の準位 Ｌ３
．Ｌ３’は基底状態のものとする。かかるａｍにより被
動作光１１のエネルギでは物質層１Ｍ３中で準位Ｌ３’
からＬ３への励起を生ずることができなくなる。
さらに、第１の物質層１ＭＩ中の自由電子の層Ｍ３への
トンネリンクを可能ならしめるため、層Ｍ１中の電子の
基底準位Ｌ１のフェルミレベルＥＦから測ったエネルギ
Ｆ１がｍＭａ中の電子の基底準位Ｌ２のフェルミレベル
ＥＦから測ったエネルギＥ３よりも大であるように（Ｅ
ｌ ＞Ｅ３ ）バンド構造を設計する。本実施例ではこ
のために物質層１Ｍ３として物質層Ｍ１の禁制帯幅ＥＱ
１よりも大きな禁制帯幅ＥＱ３’を有する材料を使用す
る。
トンネリンクを可能ならしめるため、層Ｍ１中の電子の
基底準位Ｌ１のフェルミレベルＥＦから測ったエネルギ
Ｆ１がｍＭａ中の電子の基底準位Ｌ２のフェルミレベル
ＥＦから測ったエネルギＥ３よりも大であるように（Ｅ
ｌ ＞Ｅ３ ）バンド構造を設計する。本実施例ではこ
のために物質層１Ｍ３として物質層Ｍ１の禁制帯幅ＥＱ
１よりも大きな禁制帯幅ＥＱ３’を有する材料を使用す
る。
図示の例では第１の物質層Ｍ１として厚さ３５人のＧａ
Ａｓを使い、第２の物質層としては厚さ１７＾のＡ乏Ｇ
ａＡｓを使い、第３の物質層として厚さ９０ＡのＡ乏
Ｇａ ｓを使った。
Ａｓを使い、第２の物質層としては厚さ１７＾のＡ乏Ｇ
ａＡｓを使い、第３の物質層として厚さ９０ＡのＡ乏
Ｇａ ｓを使った。
０、ＩＳ Ｏ，８５
各層の形成にはＭＢＥ法を使い、ＧａＡＳ／Ａｌ１ＡＳ
層を約１００Ｗ１積層させた。
層を約１００Ｗ１積層させた。
本実施例においては被動作光の第３の物質層による透過
損失が大きく改善されると共に、吸起子共鳴波長での吸
収率の減少及び始状態への復帰が第１実施例の場合と同
じく高速でなされる。
損失が大きく改善されると共に、吸起子共鳴波長での吸
収率の減少及び始状態への復帰が第１実施例の場合と同
じく高速でなされる。
ざらに、本実施例においてはｗ４層体を構成する物質と
してより一般的にＧａＡｓ、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘＡｓ、
ＡｅＡｓ（１）組合セ、アルイｔ［）Ｍ １ 、 Ｍ
３としてｌ ｎＧａＡｓ、１１Ｍ２としＴ Ｉ ｎＡ乏
ＡＳ等の使用も可能である。
してより一般的にＧａＡｓ、Ａｌｘ Ｇａ１−ｘＡｓ、
ＡｅＡｓ（１）組合セ、アルイｔ［）Ｍ １ 、 Ｍ
３としてｌ ｎＧａＡｓ、１１Ｍ２としＴ Ｉ ｎＡ乏
ＡＳ等の使用も可能である。
次に、本発明の第４実ｔＩＩＡＶ１４を第１０図を参照
しながら説明する。第１０図中、既に説明した部分には
同一符号を付し、その説明を省略する。
しながら説明する。第１０図中、既に説明した部分には
同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施例では第９図に示す第３実施例構造の両端に鏡が
設けられ、第８図に示す第２実施例と同様な動作を行う
。本実施例においてもｆｆ１Ｍ１゜Ｍ２．Ｍ３の組成及
び厚層を第３実施例と同様に選定することにより、第３
の物質ＩＭ３により被動作光の吸収が回避される。
設けられ、第８図に示す第２実施例と同様な動作を行う
。本実施例においてもｆｆ１Ｍ１゜Ｍ２．Ｍ３の組成及
び厚層を第３実施例と同様に選定することにより、第３
の物質ＩＭ３により被動作光の吸収が回避される。
次に、本発明の第５実施例を説明する。
まず本発明第１の実施例に係る第３図のバンド構造図を
参照する。先にも説明及び図示したように、本発明によ
る非線型光学装置においては動作光停止後の物質層Ｍ１
の始状態への復帰が届Ｍ１中の自由電子の１１１Ｍ２を
介した物質層Ｍ３へのトンネリングにより促進される。
参照する。先にも説明及び図示したように、本発明によ
る非線型光学装置においては動作光停止後の物質層Ｍ１
の始状態への復帰が届Ｍ１中の自由電子の１１１Ｍ２を
介した物質層Ｍ３へのトンネリングにより促進される。
その際、電子の有効質量が軽いためトンネリングは容易
である。これに対し、自由電子の準位Ｌ１への励起後に
準位Ｌ１’ に残されるホールは有効質量が電子の約１
０倍と大きいため波動関数の拡がりが小さく、トンネル
効宋により物質層Ｍ２を通過することが困難である。そ
の結采、ホールは第１の物質層Ｍ１中に滞留し、電子と
ホールの分離によりｆｆＭｌ及びＭ３ｆＦＩに空ＷＡＮ
荷が形成されてしまう。
である。これに対し、自由電子の準位Ｌ１への励起後に
準位Ｌ１’ に残されるホールは有効質量が電子の約１
０倍と大きいため波動関数の拡がりが小さく、トンネル
効宋により物質層Ｍ２を通過することが困難である。そ
の結采、ホールは第１の物質層Ｍ１中に滞留し、電子と
ホールの分離によりｆｆＭｌ及びＭ３ｆＦＩに空ＷＡＮ
荷が形成されてしまう。
第１１Ｆｇ（ａ）は第３図のバンド構造と同様な構造を
示し、空間電荷が形成されていない場合に対応する。こ
れに対し、励起光によって極めて過剰に自由電子あるい
は励起子が励起された場合電子が多量に層Ｍ１からＭ３
へ優先的にトンネリングすると第１１図（ｂ）に示すよ
うに空間電荷の形成により１１１Ｍ３のエネルギが１１
１Ｍ１に対して上昇し、究極的には層Ｍ１中の電子の基
底準位Ｌ１と賢Ｍ３中の電子の基底準位Ｌ３とが等しく
なってしまう。この状態では物質層１Ｍ２を介した層Ｍ
１からＭ３への電子のトンネリングはもはや生じず、動
作光停止後の始状態への復帰時間が層Ｍ３を設けない従
来の装置のものと同程度に長くなってしまう。
示し、空間電荷が形成されていない場合に対応する。こ
れに対し、励起光によって極めて過剰に自由電子あるい
は励起子が励起された場合電子が多量に層Ｍ１からＭ３
へ優先的にトンネリングすると第１１図（ｂ）に示すよ
うに空間電荷の形成により１１１Ｍ３のエネルギが１１
１Ｍ１に対して上昇し、究極的には層Ｍ１中の電子の基
底準位Ｌ１と賢Ｍ３中の電子の基底準位Ｌ３とが等しく
なってしまう。この状態では物質層１Ｍ２を介した層Ｍ
１からＭ３への電子のトンネリングはもはや生じず、動
作光停止後の始状態への復帰時間が層Ｍ３を設けない従
来の装置のものと同程度に長くなってしまう。
本実施例では上記問題点を回避するため、物質ＩＭ１．
Ｍ２．Ｍ３の組成及び層厚を第１１図（Ｃ）に示すよう
に層Ｍ１とＭ２との間におけるホールのポテンシャルバ
リア、すなわち価電子帯Ｅｖの不連続ＥＨが対応する電
子のポテンシャルバリア、すなわち伝導帯Ｅｃの不連続
Ｅεよりも実質的に小さく、例えばＥＨがＥＥの約５分
の１乃至１０分の１程度になるように選定する。かかる
ａｎでは電子の層Ｍ２を通るトンネル確率よりもホール
のトンネル確率の方が大きい。そこで、まずホールが優
先的に物質層Ｍ２を通って１１Ｍ１からＭ３ヘトンネリ
ングし、その結果、第１１図（Ｃ）図に示ずように第１
１図（ｂ）図とは逆の、すなわち究極的には層Ｍ１とＭ
３でホールの準位Ｌ１’ 及びＬ３’ を等しくするよ
うな空間電荷が形成される。かかる状態ではｆｆ１Ｍ３
のポテンシャルは第９図（ａ＞の空間電荷が存在しない
場合に比べて低くなり、準位Ｌ３は準位Ｌ１よりも低い
状態に維持される。その結果、自由電子の層Ｍ１からＭ
３へのトンネリングが常時保証され、動作状態から非動
作状態への１１Ｎ帰時間が短く保たれる。
Ｍ２．Ｍ３の組成及び層厚を第１１図（Ｃ）に示すよう
に層Ｍ１とＭ２との間におけるホールのポテンシャルバ
リア、すなわち価電子帯Ｅｖの不連続ＥＨが対応する電
子のポテンシャルバリア、すなわち伝導帯Ｅｃの不連続
Ｅεよりも実質的に小さく、例えばＥＨがＥＥの約５分
の１乃至１０分の１程度になるように選定する。かかる
ａｎでは電子の層Ｍ２を通るトンネル確率よりもホール
のトンネル確率の方が大きい。そこで、まずホールが優
先的に物質層Ｍ２を通って１１Ｍ１からＭ３ヘトンネリ
ングし、その結果、第１１図（Ｃ）図に示ずように第１
１図（ｂ）図とは逆の、すなわち究極的には層Ｍ１とＭ
３でホールの準位Ｌ１’ 及びＬ３’ を等しくするよ
うな空間電荷が形成される。かかる状態ではｆｆ１Ｍ３
のポテンシャルは第９図（ａ＞の空間電荷が存在しない
場合に比べて低くなり、準位Ｌ３は準位Ｌ１よりも低い
状態に維持される。その結果、自由電子の層Ｍ１からＭ
３へのトンネリングが常時保証され、動作状態から非動
作状態への１１Ｎ帰時間が短く保たれる。
また、ホールの準位Ｌ１′ と１３’ とが等しくされ
るｉ電子の準位Ｌ３は１１に比較してより低く設定され
るので動作光停止後の層Ｍ１からの自由電子の除去は一
層促進される。
るｉ電子の準位Ｌ３は１１に比較してより低く設定され
るので動作光停止後の層Ｍ１からの自由電子の除去は一
層促進される。
かかる構造は例えば次のような組成及び層厚により実現
される。
される。
第１の物質層Ｍｌ ： １６！ｌ［（＝４６．９１Ｎ）
のＩｎ Ｇａ ＡＳ Ｏ，５３０，４７ 第２の物質層Ｍ２：９原子層（−・２６．４人厚）０．
３１ ０，６９ ０．８２５ｂＯ１１８のＩｎ
ＡＩｌ Ａｓ 第３の物質居Ｍ３：３０原子層（＝８７．９八属）の”
０．５３ ＧａＯ，４７ＡＳ これらの層は例えばＭＢＥやＭＯＣＶＤにより形成でき
る。
のＩｎ Ｇａ ＡＳ Ｏ，５３０，４７ 第２の物質層Ｍ２：９原子層（−・２６．４人厚）０．
３１ ０，６９ ０．８２５ｂＯ１１８のＩｎ
ＡＩｌ Ａｓ 第３の物質居Ｍ３：３０原子層（＝８７．９八属）の”
０．５３ ＧａＯ，４７ＡＳ これらの層は例えばＭＢＥやＭＯＣＶＤにより形成でき
る。
次に、本発明の第６実施例を説明する。
本発明の第３実施例に関連して説明したように、第３図
のバンド構造を有する装置では被ａ作光■１の第３の物
質層Ｍ３による吸収が問題になる。
のバンド構造を有する装置では被ａ作光■１の第３の物
質層Ｍ３による吸収が問題になる。
これはそのＷＡｉ３２明したように入射光１１．１２が
有するエネルギｈλ１．ｈλ２に起因して生じると共に
、更に励起された電子あるいはホールが励起状態で占有
し得る状態数ないし状態密度にも関係する。換言すれば
、電子あるいはホールが動作光あるいは被動作光により
物質層Ｍ３中で励起されてもかかる励起準位に対応する
状態が存在しなければ遷移は起らず、従って遷移に伴う
吸収も生じない。ところが、第４図にとめした状態！５
度より明らかなように、これまで説明した二次元の量子
井戸構造では状態密度はエネルギと共に段階的に増大し
、物質層Ｍ１から層Ｍ２を通ってトンネリングしてくる
電子ｅのエネルギには対応した実質的な大きさの状態密
度が階段状領域、例えば領域ＳＬ３に存在する。かかる
実質的な大きざの状態密度は電子ｅのエネルギ近傍に一
様に存在する。
有するエネルギｈλ１．ｈλ２に起因して生じると共に
、更に励起された電子あるいはホールが励起状態で占有
し得る状態数ないし状態密度にも関係する。換言すれば
、電子あるいはホールが動作光あるいは被動作光により
物質層Ｍ３中で励起されてもかかる励起準位に対応する
状態が存在しなければ遷移は起らず、従って遷移に伴う
吸収も生じない。ところが、第４図にとめした状態！５
度より明らかなように、これまで説明した二次元の量子
井戸構造では状態密度はエネルギと共に段階的に増大し
、物質層Ｍ１から層Ｍ２を通ってトンネリングしてくる
電子ｅのエネルギには対応した実質的な大きさの状態密
度が階段状領域、例えば領域ＳＬ３に存在する。かかる
実質的な大きざの状態密度は電子ｅのエネルギ近傍に一
様に存在する。
しかも、この状態密度の大きさは基底準位Ｌ３における
状態密度と同一である。かかるバンド構造においては入
射光■１あるいはＩ２が照射された場合、励起された電
子が電子ｅのエネルギ近傍の状態に遷移する遷移確率が
高くなり、したがって物質層Ｍ３による入射光１１．１
２の吸収が生じやすい。
状態密度と同一である。かかるバンド構造においては入
射光■１あるいはＩ２が照射された場合、励起された電
子が電子ｅのエネルギ近傍の状態に遷移する遷移確率が
高くなり、したがって物質層Ｍ３による入射光１１．１
２の吸収が生じやすい。
ところで、かかる光半導体装置において各物質層の構造
を第１２図に示すように状態密度ｇ（Ｅ）が一の吊子準
位、例えばＬ３からエネルギＥと共に急速に減少するよ
うに設計できれば、入射光■１あるいはＩ２のエネルギ
ｈν＋、ｈν２により物質層Ｍ３における価電子帯Ｅｖ
のホール準位Ｌ３’から対応する励起準位Ｅｒ１．：電
子が励起されてもかかる電子が励起状態で占有し得る状
態の数が極めて限られるため、実際に電子が励起状態に
遷移する遷移確率は低くなり、物質ＩＪＭ３による入射
光１１．１２の大規模な吸収は生じない。
を第１２図に示すように状態密度ｇ（Ｅ）が一の吊子準
位、例えばＬ３からエネルギＥと共に急速に減少するよ
うに設計できれば、入射光■１あるいはＩ２のエネルギ
ｈν＋、ｈν２により物質層Ｍ３における価電子帯Ｅｖ
のホール準位Ｌ３’から対応する励起準位Ｅｒ１．：電
子が励起されてもかかる電子が励起状態で占有し得る状
態の数が極めて限られるため、実際に電子が励起状態に
遷移する遷移確率は低くなり、物質ＩＪＭ３による入射
光１１．１２の大規模な吸収は生じない。
一方、層Ｍ１から１Ｍ２を通って層Ｍ３にトンネリング
する電子ｅがｆｆＭ３ゆで最初に占有する状態数も同様
に小さいが、状１密度が太線で示したようにエネルギの
低下と共に急速に増大するのでトンネリングによるＩＭ
Ｉからの電子ｅの除去が妨げられることはない。
する電子ｅがｆｆＭ３ゆで最初に占有する状態数も同様
に小さいが、状１密度が太線で示したようにエネルギの
低下と共に急速に増大するのでトンネリングによるＩＭ
Ｉからの電子ｅの除去が妨げられることはない。
このようにして、第１２図に示す状態密度を有する構造
を物質層Ｍ１及びＭ３について形成できれば物質ｍＭ３
による被動作光１１の吸収損失を大きく低減できる。な
お、第１２図中、Ｅｈはホールのエネルギを示す。
を物質層Ｍ１及びＭ３について形成できれば物質ｍＭ３
による被動作光１１の吸収損失を大きく低減できる。な
お、第１２図中、Ｅｈはホールのエネルギを示す。
次に第１２図に示す状態密度を実現する構造及びその形
成方法について説明する。
成方法について説明する。
第１２図の状態密度はいわゆる量子井戸綱線構造により
実現できる。第１３図はかかるｍ子月戸綱線禍造を有す
る本発明第６実施例による非線型光学装置を示す概略図
である。図中、物質層Ｍｌ。
実現できる。第１３図はかかるｍ子月戸綱線禍造を有す
る本発明第６実施例による非線型光学装置を示す概略図
である。図中、物質層Ｍｌ。
Ｍ３は紙面に垂直に延在して量子ｓｒｓを形成し、物質
層Ｍ２は層Ｍ１とＭ３の間を充填する。物質層Ｍ１．Ｍ
３としては第１実施例の場合と同じくＧａＡｓが使え、
また物質層１Ｍ２としてはＡ２ＧａＡＳが使える。また
被動作光１１の伝播方向に沿って測った層Ｍ１．Ｍ２．
Ｍ３の厚さは第１実施例の場合と同様にされる。かかる
構造は、例えば第１４図（ａ）に示すような（１００）
面に対して（０１１’）又は（０１１）方向に１．５５
°傾き、入射光１１の方向に直交する方向に測ったステ
ップ間隔が３７原子層（１Ｇ４．７八）とされた段階状
面を有するＧａＡＳ基板１上にＡｅＧａＡＳＩｌｌｏｏ
を３９，６人を形成した後その上部にｆｆＭ２を形成す
るＡ［ＧａＡｓを５７３１原子層成長させ、次いで第１
４図（ｂ）に示すように１１Ｍ３を形成するＧａＡＳを
３２／３７原子層成長させ、さらに上記の過程を３２回
くりかえすことにより段縁部を除き１Ｍ２で側面を囲ま
れたＨＭ３を第１４図（Ｃ）に示すように形成し、さら
に第１４図（ｄ）に示すようにこのようにして形成され
た構造上に層Ｍ２を形成するＡ之ＧａＡｓを５／３７原
子層成長させてステップ間隔が３７原子層の階段状面を
新たに形成し、次に第１４図（ｅ）の段階でＡ２ＧａＡ
≦を先の第１４図（ａ）の段階と同じ＜ ５／３７原子
層成長させ、さらに第１４図（ｆ）の段階で層Ｍ１を形
成するＧａＡｓを先の第１４図（ｂ）の段階と同じ＜
３２／３７原子層成長させ、第１４図（ｅ）〜（ｆ）の
段階を１６回くりかえして第１４図（Ｑ）に示すように
段織部を除き層Ｍ２で側面を囲まれた物質ＩＭＩを形成
し、このようにして形成された構造上に次の物質層Ｍ２
を第１４図（ｈ）で示すように所定の厚さで成長させ、
さらに段階（ａ）〜（ｈ）を必要に応じてくりかえすこ
とにより形成できる。このような化合物半導体層の成長
はＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥにより実行できる。
層Ｍ２は層Ｍ１とＭ３の間を充填する。物質層Ｍ１．Ｍ
３としては第１実施例の場合と同じくＧａＡｓが使え、
また物質層１Ｍ２としてはＡ２ＧａＡＳが使える。また
被動作光１１の伝播方向に沿って測った層Ｍ１．Ｍ２．
Ｍ３の厚さは第１実施例の場合と同様にされる。かかる
構造は、例えば第１４図（ａ）に示すような（１００）
面に対して（０１１’）又は（０１１）方向に１．５５
°傾き、入射光１１の方向に直交する方向に測ったステ
ップ間隔が３７原子層（１Ｇ４．７八）とされた段階状
面を有するＧａＡＳ基板１上にＡｅＧａＡＳＩｌｌｏｏ
を３９，６人を形成した後その上部にｆｆＭ２を形成す
るＡ［ＧａＡｓを５７３１原子層成長させ、次いで第１
４図（ｂ）に示すように１１Ｍ３を形成するＧａＡＳを
３２／３７原子層成長させ、さらに上記の過程を３２回
くりかえすことにより段縁部を除き１Ｍ２で側面を囲ま
れたＨＭ３を第１４図（Ｃ）に示すように形成し、さら
に第１４図（ｄ）に示すようにこのようにして形成され
た構造上に層Ｍ２を形成するＡ之ＧａＡｓを５／３７原
子層成長させてステップ間隔が３７原子層の階段状面を
新たに形成し、次に第１４図（ｅ）の段階でＡ２ＧａＡ
≦を先の第１４図（ａ）の段階と同じ＜ ５／３７原子
層成長させ、さらに第１４図（ｆ）の段階で層Ｍ１を形
成するＧａＡｓを先の第１４図（ｂ）の段階と同じ＜
３２／３７原子層成長させ、第１４図（ｅ）〜（ｆ）の
段階を１６回くりかえして第１４図（Ｑ）に示すように
段織部を除き層Ｍ２で側面を囲まれた物質ＩＭＩを形成
し、このようにして形成された構造上に次の物質層Ｍ２
を第１４図（ｈ）で示すように所定の厚さで成長させ、
さらに段階（ａ）〜（ｈ）を必要に応じてくりかえすこ
とにより形成できる。このような化合物半導体層の成長
はＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥにより実行できる。
以上に説明した量子細線の形成方法を拡張して第１及び
第３の物質層１Ｍ１及びＭ３が３次元的に物質層Ｍ２に
より囲まれている量子箱を形成した場合のエネルギ状態
布ｒ！１図を第１５図に、またかかる量子箱の概略図を
第１６図に示す。この場合には状態密度はエネルギ軸上
に実質的な幅を有さないため入射光１１．１２の入射に
応じて物質層Ｍ３中で電子が価電子帯から励起されても
対応する励起状態が１１１Ｍ３中に存在せず、従ってか
かる励起に対応する遷、移は生じない。このため物質層
Ｍ３による被動作光の吸収損失がざらに低減される。か
かる量子箱は例えば以下のように°して形成される。ま
ず１子ｔＩａ線の場合と同じ＜ （ｏｉ１）又は（０１
１）方向に１．５５°傾くと共にさらに［０１Ｇ）方向
にも２．２度傾いて延在し階段状（１００）面より構成
された階段状傾斜面を有するＧａＡＳＭ板を形成し、か
かる階段状の（１Ｇ０）面上にＡ２ＧａＡｓ層を量子ｍ
線の場合と同じく３９．６への幅で形成し、次いで先に
説明した量子綱線の形成過程と同じ過程を実行する。た
だし、その際の原子層の成長はＧａＡｓについて１回当
り（３２／３７ ） ２（＝１０２４／１３６９ ）分
数原子層、またＡｅＧａＡ９にライては１回当り（（３
７）２− （３２）２１／ （３７）２ ＝３４５／１
３１５９分数原子層に相当する数の原子をＭｔ積させる
ことにより行う。これは惜子細線形成時の原子層成長が
−ｈ向（１次元）であったのに対し、量子箱形成時には
原子層成長は二方向（２次元）で生じることに対応する
。すなわち、各階段状（１０Ｇ）面はその４辺のうち隣
接する２辺がより段位の高い一対の別の（１００）面と
の間の段差面により画成され、また隣接する他の２辺が
より段位の低い一対の別の（１００）の面との間の段差
面により画成されるため、原子層の成長は前者の隣接す
る２辺から２次元的に行われ、その結果第１４図（ａ）
〜（ｂ）と実質的に同一の過程により第１６図に示すよ
うな量子箱が形成される。なお、第１６図中物質層Ｍ２
は図面をわかりやすくするため省略しである。
第３の物質層１Ｍ１及びＭ３が３次元的に物質層Ｍ２に
より囲まれている量子箱を形成した場合のエネルギ状態
布ｒ！１図を第１５図に、またかかる量子箱の概略図を
第１６図に示す。この場合には状態密度はエネルギ軸上
に実質的な幅を有さないため入射光１１．１２の入射に
応じて物質層Ｍ３中で電子が価電子帯から励起されても
対応する励起状態が１１１Ｍ３中に存在せず、従ってか
かる励起に対応する遷、移は生じない。このため物質層
Ｍ３による被動作光の吸収損失がざらに低減される。か
かる量子箱は例えば以下のように°して形成される。ま
ず１子ｔＩａ線の場合と同じ＜ （ｏｉ１）又は（０１
１）方向に１．５５°傾くと共にさらに［０１Ｇ）方向
にも２．２度傾いて延在し階段状（１００）面より構成
された階段状傾斜面を有するＧａＡＳＭ板を形成し、か
かる階段状の（１Ｇ０）面上にＡ２ＧａＡｓ層を量子ｍ
線の場合と同じく３９．６への幅で形成し、次いで先に
説明した量子綱線の形成過程と同じ過程を実行する。た
だし、その際の原子層の成長はＧａＡｓについて１回当
り（３２／３７ ） ２（＝１０２４／１３６９ ）分
数原子層、またＡｅＧａＡ９にライては１回当り（（３
７）２− （３２）２１／ （３７）２ ＝３４５／１
３１５９分数原子層に相当する数の原子をＭｔ積させる
ことにより行う。これは惜子細線形成時の原子層成長が
−ｈ向（１次元）であったのに対し、量子箱形成時には
原子層成長は二方向（２次元）で生じることに対応する
。すなわち、各階段状（１０Ｇ）面はその４辺のうち隣
接する２辺がより段位の高い一対の別の（１００）面と
の間の段差面により画成され、また隣接する他の２辺が
より段位の低い一対の別の（１００）の面との間の段差
面により画成されるため、原子層の成長は前者の隣接す
る２辺から２次元的に行われ、その結果第１４図（ａ）
〜（ｂ）と実質的に同一の過程により第１６図に示すよ
うな量子箱が形成される。なお、第１６図中物質層Ｍ２
は図面をわかりやすくするため省略しである。
かかる方法により形成された吊子箱の（０１１）断面及
び（０１１）断面は吊子ａｍの場合と同じになる。
び（０１１）断面は吊子ａｍの場合と同じになる。
次に、本発明による光半導体装置を使った半導体多層鏡
Ｍ鏡について説明する。第１４図はかかる半導体多層膜
鏡を示す。半導体多層膜鏡は入射する被動作光の波長の
１／４に等しい層厚を有する第１の屈折率の第１の半導
体層１０と、同じく被動作光１１の波長の１／４の層厚
を有する第２の屈折率の第２の半導体層１１の交互積層
により形成され、屈折率が不連続な第１及び第２の廟の
境界面で反射される光を他の同様な境界面で反射され半
波良の整数倍の光路差を有する他の反射光と干渉させる
ことにより強い反射光を形成する。各半導体１１１０．
１１の層厚は実際には通過する光の速度、換言すれば屈
折率に応じて増減され、層厚が実効的に正確に１／４波
長となるように設定される。
Ｍ鏡について説明する。第１４図はかかる半導体多層膜
鏡を示す。半導体多層膜鏡は入射する被動作光の波長の
１／４に等しい層厚を有する第１の屈折率の第１の半導
体層１０と、同じく被動作光１１の波長の１／４の層厚
を有する第２の屈折率の第２の半導体層１１の交互積層
により形成され、屈折率が不連続な第１及び第２の廟の
境界面で反射される光を他の同様な境界面で反射され半
波良の整数倍の光路差を有する他の反射光と干渉させる
ことにより強い反射光を形成する。各半導体１１１０．
１１の層厚は実際には通過する光の速度、換言すれば屈
折率に応じて増減され、層厚が実効的に正確に１／４波
長となるように設定される。
本発明による半導体多層膜！膜鏡では一方の層、例えば
層１１に第２図に示す構成の光半導体装置を使用する。
層１１に第２図に示す構成の光半導体装置を使用する。
ただし、第２図中第１の物質層１Ｍ１を２次元励起子の
存在を許容する厚さ３５人のＧａＡｓとし、第２の物質
層１Ｍ２を厚さ１７人のＡｌ１ＡＳとし、さらに第３の
物質層Ｍ３を厚さ９０八Ｇａ ＡＳとした。かか
る構成 のΔｆ１０．１５ ０．８５ によれば、第３の物質層Ｍ３中における最も低い励起子
準位が第１の物ｉ層Ｍ１中における最も低い励起子準位
よりも大きくなり、また第１の物質層Ｍ１中の電子の最
も低い量子準位が第３の物質層Ｍ３中の電子の最も低い
量子学位よりも高くなる。かかる構造は例えばＭＢＥ法
により形成できる。ざらに、第１の半導体層１０は同様
にＭＢＥ法によりＡｆｌＡＳにより形成し、第１及び第
２の半導体層１０及び１１を交互に２０層積層させた。
存在を許容する厚さ３５人のＧａＡｓとし、第２の物質
層１Ｍ２を厚さ１７人のＡｌ１ＡＳとし、さらに第３の
物質層Ｍ３を厚さ９０八Ｇａ ＡＳとした。かか
る構成 のΔｆ１０．１５ ０．８５ によれば、第３の物質層Ｍ３中における最も低い励起子
準位が第１の物ｉ層Ｍ１中における最も低い励起子準位
よりも大きくなり、また第１の物質層Ｍ１中の電子の最
も低い量子準位が第３の物質層Ｍ３中の電子の最も低い
量子学位よりも高くなる。かかる構造は例えばＭＢＥ法
により形成できる。ざらに、第１の半導体層１０は同様
にＭＢＥ法によりＡｆｌＡＳにより形成し、第１及び第
２の半導体層１０及び１１を交互に２０層積層させた。
この場合、第１の半導体層１０の屈折率が第２の半導体
層１１の屈折率よりも低くなる。
層１１の屈折率よりも低くなる。
非動作時には第２の半導体層１１中の物質層Ｍ１中に形
成される励起子準位とほぼ共鳴する波長の光が被動作光
１１としては入射され例えば半導体層１０及び１１によ
り反射されて強い反射光が形成される。動作時にはこの
励起子準位を励起し得る波長あるいは量子準位に自由電
子を励起し得る波長の動作光■２がさらに照射され、そ
の結果、励起子の形成が先に説明したように阻害され、
層１１の被動作光１１に対する屈折率が変化する。
成される励起子準位とほぼ共鳴する波長の光が被動作光
１１としては入射され例えば半導体層１０及び１１によ
り反射されて強い反射光が形成される。動作時にはこの
励起子準位を励起し得る波長あるいは量子準位に自由電
子を励起し得る波長の動作光■２がさらに照射され、そ
の結果、励起子の形成が先に説明したように阻害され、
層１１の被動作光１１に対する屈折率が変化する。
このため半導体１１０及び１１からの反射光の干渉が成
立しなくなり、鏡の反射率が変化する。
立しなくなり、鏡の反射率が変化する。
本発明による半導体多層鏡では層１１中の第１の物質層
Ｍ１を接続する第２の物質層Ｍ２に隣接して先に説明し
た特徴を有する第３の物質層が設けられているため、動
作状態から非動作状態ないし始状態への復帰が迅速なり
、しかも第３の物質層による被動作光１１の吸収が減少
する。
Ｍ１を接続する第２の物質層Ｍ２に隣接して先に説明し
た特徴を有する第３の物質層が設けられているため、動
作状態から非動作状態ないし始状態への復帰が迅速なり
、しかも第３の物質層による被動作光１１の吸収が減少
する。
なお、被動作光の波長は非動作時に半導体層ｉｏ、１ｉ
からの反射光の間に強め合う干渉が成立せず動作時に成
立するように選んでもよい。
からの反射光の間に強め合う干渉が成立せず動作時に成
立するように選んでもよい。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明はその
要旨内において種々の変形が可能であり、本発明からこ
れらを排除するものではない。
要旨内において種々の変形が可能であり、本発明からこ
れらを排除するものではない。
以上に説明した様に、本発明の光半導体装置によれば、
被動作光と相互作用する励起子が形成される第１の物質
層の少くとも一の側に、動作光の照射により形成され前
記励起子の形成を阻害する自由電子のトンネリングを許
容する層厚の大ぎな禁制帯幅を有する第２物質層を介し
て前記自由電子よりも実質的に低い吊子井戸準位を有す
る第３の物質層を設けたため、動作光の照射停止に伴い
第１の物質層中の自由電子は速やかに第３の物質層中へ
移動し、光学装Ｕはその状態を動作状態から非動作状態
に速やかに回復させる。
被動作光と相互作用する励起子が形成される第１の物質
層の少くとも一の側に、動作光の照射により形成され前
記励起子の形成を阻害する自由電子のトンネリングを許
容する層厚の大ぎな禁制帯幅を有する第２物質層を介し
て前記自由電子よりも実質的に低い吊子井戸準位を有す
る第３の物質層を設けたため、動作光の照射停止に伴い
第１の物質層中の自由電子は速やかに第３の物質層中へ
移動し、光学装Ｕはその状態を動作状態から非動作状態
に速やかに回復させる。
第１図は本発明による光半導体装置の原理図、第２図は
本発明第１実施例の構成を示す図、第３図は本発明第１
実施例に対応するバンド構造図、 第４図は第２図中、物質層Ｍ１と物質層Ｍ３の状態密度
を示す図、 第５図は本発明第１実施例による光半導体装置において
動作非動作状態間の遷移時間の短縮効果を示す図、 第６図及び第７図は第２図の光半導体装置を使った非線
型光半導体装置の構成及びその製造過程を示す図、 第８図は本発明第２実施例の構成を示す図、第９図は本
発明第３実施例の構成及びバンド構造を示す図、 第１０図は本発明第４実施例の構成及びバンド構造を示
す図、 第１１図はトンネリングによる空間電荷の形成とバンド
の変形、及び本発明第５実施例を示す図、第１２図は本
発明第６実施例における状態ｖ！！度を示す図、 第１３図は本発明第６実施例の構成図、第１４図は第１
１図に示す構造の形成過程を示す図、 第１５図は本発明第６実施例の一変形例における状態密
度を示す図、 第１６図は第１５図の状態密痘を実現するのに使われる
量子箱を示す斜視図、 第１７図は本発明による光半導体５Ａ冒を使用した半導
体多層膜鏡の構成を示す図、 第１８図は従来技術による光半導体装置の構成図、 第１９図は第１８図装置のバンド構造図、第２０図及び
第２１図は従来技術による別の光半導体装置の構造及び
動作を説明する図、第２２図及び第２３図は従来技術に
よる光半導体装置の動作特性図である。 図において、 Ｍｌは第１の物質層、 Ｍ２は第２の物質層、 Ｍ３は第３の物質層、 ２１は第１の物質層の厚さ、 ２２は第２の物質層の厚さ、 之３は第３の物質層の厚さ。 ＥＱｌは第１の物質層の禁１１Ｊ帯幅、Ｅ（７２は第２
の物質層の禁制帯幅、 Ｅｃ３は第３の物質層の禁制帯幅、 Ｅｃは伝導帯、 Ｅｖは価電子帯、 Ｌ１、Ｌ３は電子ｍ子準位、 １１’ 、Ｌ３’はホール量子準位、 ＥＥ、ＥＨはエネルギバリア、 Ｅ１、Ｅ２は鏡、 １１は被動作光、 Ｉ２は動作光、 Ｍは積層体、 ＬＥは励起子エネルギ準位、 ｅは電子、 １０．１１は半導体層 を示す。 本発明の原理図 第１図 本発明第１実施例の構成を示す図 ′／ｓ２ 因 本発明第２実施例の構成を示す図 第８因 吸収率（状態密度） 吸収′ｓ（状態密度） 狭い量子井戸 広い量子井戸 物質層Ｍ１と物質層Ｍ３の状態密度を示す図第４図 本発明第１実施例に対応するバンド構造図第３図 ０．０ 時 間 （ピコ秒） 第１実施例の効果確認図 第 図 本発明第１実施例による光半導体装置を使用したデバイ
スの構成を示す斜視同 第６ 図 本発明第３実施例の構成図と模式的なバンド構造図第９
図 第６図のデバイスの形成方法を示す図 本発明第４実施例の構成図と模式的彦バンド構造図第１
０図 ａｌ ｆｂｌ ｃｌ 空間電荷の無い場合 電子のトンネル確率が高い場合 正孔のトンネル確率が高い場合（本発明Ｍ５実施例）↑ 本発明第６実施例構成図 第１３図 本発明第６実施例構造の形成過程を示す固溶１４１１１
！ｉ（その−） 第１４図 （その二） 第１５図の状態密度を実現するのに使われる量子箱を示
す斜視図 第１６図 本発明による光学装置を使用した半導体多層膜鏡の構成
図 第１７図 本発明第６実施例の一変形例における状態密度固溶１５
図 従来技術による非線形光学装置の構成図第１８図 従来技術による非線形光学装置のバンド構造図第１９ｒ
ｌＡ
本発明第１実施例の構成を示す図、第３図は本発明第１
実施例に対応するバンド構造図、 第４図は第２図中、物質層Ｍ１と物質層Ｍ３の状態密度
を示す図、 第５図は本発明第１実施例による光半導体装置において
動作非動作状態間の遷移時間の短縮効果を示す図、 第６図及び第７図は第２図の光半導体装置を使った非線
型光半導体装置の構成及びその製造過程を示す図、 第８図は本発明第２実施例の構成を示す図、第９図は本
発明第３実施例の構成及びバンド構造を示す図、 第１０図は本発明第４実施例の構成及びバンド構造を示
す図、 第１１図はトンネリングによる空間電荷の形成とバンド
の変形、及び本発明第５実施例を示す図、第１２図は本
発明第６実施例における状態ｖ！！度を示す図、 第１３図は本発明第６実施例の構成図、第１４図は第１
１図に示す構造の形成過程を示す図、 第１５図は本発明第６実施例の一変形例における状態密
度を示す図、 第１６図は第１５図の状態密痘を実現するのに使われる
量子箱を示す斜視図、 第１７図は本発明による光半導体５Ａ冒を使用した半導
体多層膜鏡の構成を示す図、 第１８図は従来技術による光半導体装置の構成図、 第１９図は第１８図装置のバンド構造図、第２０図及び
第２１図は従来技術による別の光半導体装置の構造及び
動作を説明する図、第２２図及び第２３図は従来技術に
よる光半導体装置の動作特性図である。 図において、 Ｍｌは第１の物質層、 Ｍ２は第２の物質層、 Ｍ３は第３の物質層、 ２１は第１の物質層の厚さ、 ２２は第２の物質層の厚さ、 之３は第３の物質層の厚さ。 ＥＱｌは第１の物質層の禁１１Ｊ帯幅、Ｅ（７２は第２
の物質層の禁制帯幅、 Ｅｃ３は第３の物質層の禁制帯幅、 Ｅｃは伝導帯、 Ｅｖは価電子帯、 Ｌ１、Ｌ３は電子ｍ子準位、 １１’ 、Ｌ３’はホール量子準位、 ＥＥ、ＥＨはエネルギバリア、 Ｅ１、Ｅ２は鏡、 １１は被動作光、 Ｉ２は動作光、 Ｍは積層体、 ＬＥは励起子エネルギ準位、 ｅは電子、 １０．１１は半導体層 を示す。 本発明の原理図 第１図 本発明第１実施例の構成を示す図 ′／ｓ２ 因 本発明第２実施例の構成を示す図 第８因 吸収率（状態密度） 吸収′ｓ（状態密度） 狭い量子井戸 広い量子井戸 物質層Ｍ１と物質層Ｍ３の状態密度を示す図第４図 本発明第１実施例に対応するバンド構造図第３図 ０．０ 時 間 （ピコ秒） 第１実施例の効果確認図 第 図 本発明第１実施例による光半導体装置を使用したデバイ
スの構成を示す斜視同 第６ 図 本発明第３実施例の構成図と模式的なバンド構造図第９
図 第６図のデバイスの形成方法を示す図 本発明第４実施例の構成図と模式的彦バンド構造図第１
０図 ａｌ ｆｂｌ ｃｌ 空間電荷の無い場合 電子のトンネル確率が高い場合 正孔のトンネル確率が高い場合（本発明Ｍ５実施例）↑ 本発明第６実施例構成図 第１３図 本発明第６実施例構造の形成過程を示す固溶１４１１１
！ｉ（その−） 第１４図 （その二） 第１５図の状態密度を実現するのに使われる量子箱を示
す斜視図 第１６図 本発明による光学装置を使用した半導体多層膜鏡の構成
図 第１７図 本発明第６実施例の一変形例における状態密度固溶１５
図 従来技術による非線形光学装置の構成図第１８図 従来技術による非線形光学装置のバンド構造図第１９ｒ
ｌＡ
Claims (9)
- （１）第１の禁制帯幅（Ｅｇ１）を有する第１の物質層
（Ｍ１）と、該第１の禁制帯幅よりも大きい第２の禁制
帯幅（Ｅｇ２）を有し第１の物質層を挟持するように設
けられた第２の物質層（Ｍ２）と、該第１の物質層及び
第２の物質層よりなる構造部分（Ｍ１、Ｍ２）の少なく
とも一の側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第
３の禁制帯幅（Ｅｇ３）を有する第３の物質層（Ｍ３）
とよりなる積層体（Ｍ）を少なくとも含み、 該第１の物質層はその中に２次元励起子（ＬＥ）の存在
を許容する第１の厚さ（ｌ１）を有し、該第２の物質層
は第１の物質層中の電子（ｅ）の該第３の物質層へのト
ンネリングを可能ならしめる第２の厚さ（ｌ２）を有し
、 該第３の物質層は、第３の物質層（Ｍ３）中に形成され
る電子の量子準位のすべてのエネルギ値が、該第１の物
質層中に形成される電子の量子準位の少なくとも一つの
準位のエネルギ値と異なるように設定された第３の厚さ
（ｌ３）を有し、該第１の層の励起子準位に対応する光
が入射されることによって屈折率が変化することを特徴
とする光半導体装置。 - （２）該第１の厚さ（ｌ１）は伝導帯（Ｅｃ）及び価電
子帯（Ｅｖ）にそれぞれ電子及びホールの量子井戸準位
（Ｌ１、Ｌ１′）が形成されるように設定され、 該第３の厚さ（ｌ３）は、伝導帯（Ｅｃ）及び価電子帯
（Ｅｖ）にそれぞれ電子及びホールの別の量子井戸準位
（Ｌ３、Ｌ３′）が形成され、しかも該第３の物質層中
における電子の一の量子井戸準位（Ｌ３）が第１の物質
層（Ｍ１）中における電子の一の量子井戸準位（Ｌ１）
よりも実質的に小さくなるように設定されることを特徴
とする請求項１記載の光半導体装置。 - （３）該第１及び第３の物質層（Ｍ１、Ｍ３）は第３の
物質層（Ｍ３）中における電子の基底量子井戸準位（Ｌ
３）とホールの基底量子井戸準位（Ｌ３′）との間のエ
ネルギ差が第１の物質層（Ｍ１）中における電子の一の
量子井戸準位（Ｌ１）とホールの一の量子井戸準位との
間のエネルギ差よりも実質的に大きくなるように組成及
び厚さ（ｌ１、ｌ２）を設定されたことを特徴とする請
求項２記載の光半導体装置。 - （４）該第１及び第２の物質層（Ｍ１、Ｍ２）は該第１
の物質層（Ｍ１）中のホールの量子井戸準位（Ｌ１′）
と第２の物質層（Ｍ２）の価電子帯（Ｅｖ）上端とのエ
ネルギ差（Ｅ＿Ｈ）が第１の物質層中のホールの第２の
物質層を通る第３の物質層（Ｍ３）へのトンネリングが
促進されるように低減されていることを特徴とする請求
項２記載の光半導体装置。 - （５）該エネルギ差（Ｅ＿Ｈ）は第２の物質層（Ｍ２）
の伝導帯（Ｅｃ）下端と第１の物質層（Ｍ１）中の電子
の量子井戸準位（Ｌ１）とのエネルギ差（Ｅ＿Ｅ）の約
１／５以下とされたことを特徴とする請求項４記載の光
半導体装置。 - （６）該積層体（Ｍ）は第１、第２及び第３の物質層（
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）間の各境界面に直交して延在する一
対の側面により画成され、該側面に接して該第２の物質
層（Ｍ２）と同一の物質よりなる層が設けられているこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。 - （７）該積層体（Ｍ）は、第１、第２及び第３の物質層
（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）間の各境界面に直交して延在する
一対の第１の側面と、該第１の側面に直交して延在する
一対の第２の側面とにより画成され、該側面に接して該
第２の物質層（Ｍ２）と同一の物質よりなる層が設けら
れていることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導
体装置。 - （８）該積層体（Ｍ）の前面および裏面に反射手段が配
設されてなることを特徴とする請求項１乃至７のうちい
ずれか一項記載の光半導体装置。 - （９）第１の屈折率を有する第１の光学層（１０）と、 第２の屈折率を有する第２の光学Ｅ（１１）とをくりか
えし積層した積層構造を有し、 第１及び第２の光学層のうちの一方が、 第１の禁制帯幅（Ｅｇ１）を有する第１の物質層（Ｍ１
）と、該第１の禁制帯幅よりも大きい第２の禁制帯幅（
Ｅｇ２）を有し第１の物質層を挟持するように設けられ
た第２の物質層（Ｍ２）と、該第１の物質層及び第２の
物質層よりなる構造部分（Ｍ１、Ｍ２）の少なくとも一
の側に設けられ該第２の禁制帯幅よりも小さい第３の禁
制帯幅（Ｅｇ３）を有する第３の物質層（Ｍ３）とより
なる積層体（Ｍ）を少なくとも含み、 該第１の物質層はその中に２次元励起子（ＬＥ）の存在
を許容する第１の厚さ（ｌ１）を有し、該第２の物質層
は第１の物質図中の電子（ｅ）の該第３の物質層へのト
ンネリングを可能ならしめる第２の厚さ（ｌ２）を有し
、 該第３の物質層は、第３の物質層（Ｍ３）中に形成され
る電子の量子準位のすべてのエネルギ値が、該第１の物
質層中に形成される電子の量子準位の少くとも一つの準
位のエネルギ値と異なるように設定された第３の厚さ（
ｌ３）を有することを特徴とする光半導体装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP89116667A EP0358229B1 (en) | 1988-09-09 | 1989-09-08 | Semiconductor optical device having a non-linear operational characteristic |
| DE1989628996 DE68928996T2 (de) | 1988-09-09 | 1989-09-08 | Optische Halbleitervorrichtung mit nichtlinearer Betriebscharakteristik |
| EP95111439A EP0686866B1 (en) | 1988-09-09 | 1989-09-08 | Semiconductor optical device having a non-linear operational characteristic |
| DE1989625853 DE68925853T2 (de) | 1988-09-09 | 1989-09-08 | Optische Halbleitervorrichtung mit nichtlinearer Betriebscharakteristik |
| US07/758,857 US5175739A (en) | 1988-09-09 | 1991-09-12 | Semiconductor optical device having a non-linear operational characteristic |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63-224547 | 1988-09-09 | ||
| JP22454788 | 1988-09-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02210332A true JPH02210332A (ja) | 1990-08-21 |
| JP2719189B2 JP2719189B2 (ja) | 1998-02-25 |
Family
ID=16815503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1126239A Expired - Fee Related JP2719189B2 (ja) | 1988-09-09 | 1989-05-19 | 光半導体装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0686866B1 (ja) |
| JP (1) | JP2719189B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5216261A (en) * | 1990-12-20 | 1993-06-01 | Fujitsu Limited | Non-linear optical device having an improved rate for recovery |
| US5569934A (en) * | 1990-10-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical device with an asymmetric dual quantum well structure |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1995034642A1 (en) * | 1994-06-15 | 1995-12-21 | Kirin Beer Kabushiki Kaisha | Novel transferase and amylase, process for producing the enzymes,use thereof, and gene coding for the same |
-
1989
- 1989-05-19 JP JP1126239A patent/JP2719189B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1989-09-08 EP EP95111439A patent/EP0686866B1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5569934A (en) * | 1990-10-27 | 1996-10-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical device with an asymmetric dual quantum well structure |
| US5216261A (en) * | 1990-12-20 | 1993-06-01 | Fujitsu Limited | Non-linear optical device having an improved rate for recovery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0686866A1 (en) | 1995-12-13 |
| JP2719189B2 (ja) | 1998-02-25 |
| EP0686866B1 (en) | 1999-05-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5175739A (en) | Semiconductor optical device having a non-linear operational characteristic | |
| JP2928532B2 (ja) | 量子干渉光素子 | |
| TW202332049A (zh) | 磊晶氧化物材料、結構及裝置 | |
| WO1984003363A1 (en) | Nonlinear optical apparatus | |
| JPS6346788A (ja) | 超格子構造体 | |
| US5937118A (en) | Quantum synthesizer, THz electromagnetic wave generation device, optical modulation device, and electron wave modulation device | |
| JPH03203267A (ja) | 光駆動量子化装置 | |
| US5444802A (en) | Optical switch | |
| JPH02210332A (ja) | 光半導体装置 | |
| EP0358229B1 (en) | Semiconductor optical device having a non-linear operational characteristic | |
| JPH0442983A (ja) | 光半導体装置及びその製造方法 | |
| JPH04167484A (ja) | 光半導体装置 | |
| JPH08236854A (ja) | ユニポーラ半導体レーザ | |
| JP3138831B2 (ja) | 半導体非線型光学装置 | |
| JPH09179080A (ja) | 光デバイス | |
| JP2902367B2 (ja) | 光変調器 | |
| JP2008141166A (ja) | フォトニック結晶を有する構造体及びそれを用いた面発光レーザ | |
| JP3550540B2 (ja) | 光制御素子 | |
| JPH025028A (ja) | 非線形光方向性結合器 | |
| JP4590645B2 (ja) | 光−光スイッチング方法、光−光スイッチング素子およびその製造方法 | |
| JPH043125A (ja) | 非線形光学素子 | |
| JPH0434420A (ja) | 非線型光学装置 | |
| Thompson et al. | The effects of surface acoustic waves on the optical properties of AlGaAs-GaAs quantum-well structures | |
| JP2004103952A (ja) | 励起子を用いた量子論理素子および量子論理演算方法 | |
| JP2526939B2 (ja) | 導波型光双安定素子及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081114 Year of fee payment: 11 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |