JPH03502011A - トランジスタ動作を示す光信号処理装置 - 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】 トランジスタ動作を示す光信号処理装置本発明は、光信号処理に関する。

本発明の目的は、半導体における光あるいは光ビームの流量に対して容易な方法 にて影響を及ぼすことができる光信号処理装置を提供することである。

公知の光信号処理装置は非線形効果を利用しており、その欠点はかなり高レベル の入力が要求されること、及び／又は遅延である。

ファプリーペロ共振器あるいは超格子を利用した共振器はこの目的のために必要 とされ、それらは集積することが困難である。

さらに格子が使用される分布フィードパ・ツクトランジスタの動作を示す装置が 知られている。この装置もまた非線形効果に基づくものである。

さらに以下の従来技術が知ろれている。Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒ　Ｌｉｇｈｔｗａ ν・ｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　ｖｏｌ、ＬＴ−５，Ｎｏ、９．　１９８７９ 月、　ＩＥＥＥ、　　Ｊ、Ｈ，Ａｂｅｌｅｓ　ｅｔａｌ、　：Ｎｏｖｅｌ　Ｓｉ ｎｇｌｅ　ｑｕａｎｙｕｍ　ｗｅｌｌ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｖ ｉｃｅｄｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｃｉｔｏｎ　ｂｌｅａｃｈｉｎｇ　ｌ′１２９ ６−１３００頁；　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、　　Ｖｏｌ、２２ ．　　Ｎｏ、１８．１９８６　ｇ、　２ｇ　　Ｓ、Ｈ，Ｌｉｎ　ｅｔ　ａｌ、　 ：　ＧａＡｓ　ＰＩＮｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ　ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ−ｗ ａｖｅ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ａｔ　１．３μｓ″、　９３４−９３５頁：　Ａ ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　　ｖｏｌ、　　４ｇ、　　 Ｎｏ、　　１９．　５月　１２．１９８８゜Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｉｎ５ｔｉｔｕ ｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ＋　Ａ、　　Ａｌｐｉｎｇ　ｅｔ　ａｌ、　：　” Ｈｉｇｈｌｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｐｈａｓｅ　ｍｏｄｕ ｌａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、 　１２４３−１２４５頁；　ＥＰ−Ａ−０２０９１９０；　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、　　ｖｏｌ、　　５０．　　Ｎｏ、　　１５．　 ４月　１３．　１９８７．　　Ｔ、　　ｔ（ｉｒｏｓｈｉｍａ：Ｅｌｅｃｔｒｉ ｃ　ｆｉｅｌｄ　１ｎｄｕｃｅｄ　ｒ＋Ｊｒａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘ　ｃｈａ ｎｇｅｓ　１ｎＧａＡｓ−Ａ１ｘＧａ＋−Ｊｓ　ｇｕａｎｔｕｍ　ｔｅｌｌｓ″ 、　９６ｇ−１１１７０頁：　ＥＰ−Ａ−０２３３０１１；Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ ｆ　Ｌｉｇｈｔｔａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　ｖｏｌ、　　ＬＴ−５， Ｎｏ、　　１０．　１０月１９８７、　　Ｒ，Ｇ、　　Ｗａｌｋｅｒ：　８４ｇ ｈ−ｓｐｅｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　１ｎＧａ Ａｓ／ＧａＡｌＡｓ　ｓａｖｅｇｕｉｄｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ’、　　１４４４− １４５３頁さらに本発明の他の目的は、ピコ秒あるいはサブビフ秒代のスイ。

チング速度が達成可能な装置を提供することである。

さらに本発明の性質、詳細、及び特徴は、以下に説明する図面によって示される 本発明の装置の好ましい実施例の記述より明らかにされる。

第１図は第１の実施例における構造を示す概略図、第２図は第１図の構造による 帯域を示す図、第３図は第２の実施例における構造を示す図、第４図は第３図に 示す構造におけるＴＥモードに関して吸収及び反射係数とキャリアーの密度との 関係を示すグラフ、第５図は第３図に示す構造にお；する７Ｍモードに関する第 ４図に類似したグラフ、第６図は本発明の装置の第３の実施例における概略図、 第７図は第６図に示す実施例の斜視図、第８図は第６図に示す構造において異な る入射角度における吸収及び反射係数がキヂリアー密度の関数として図示された グラフ、第９図は本発明の装置の第４の実施例を示す図、第１０図：よ第４図に 示す構造の平面概略図である。

例えばｌ　ｃｍ’当たり３．１０”のドープされたシリコン原子を有するＡｌＧ ａＡｓ：Ｓ　Ｌ層は、第１図に示すＧ　ａ　Ａ　Ｓにてなる基板１上に配置され 、それによって接合領域３がＧａＡｓ基板内に形成される。ＧａＡｓの伝導帯と ＡｌＧａ、Ａｓとの間に存在する不連続面のため、電子はＡ］ＧａＡｓ物質より ＧａＡｓ基板へ移動し、それによって非常に高い移動度（ＨＥＭＴ）を有する電 子の２次元“ガス”が、ＡｌＧａＡｓ層に境するＧａＡｓ基板１の接合領域３内 に形成される。通ｉｉ端子が設けられるゲート４は、層上あるいはＡｌＧａＡｓ ：Ｓｉシート上に配列ゲート４に電圧が印加されないとき、光ビームは、一定の 条件下において“電子ガス“３が上記光に関して完全に鏡面あるいは反射面であ るので、さえぎられることなく第１図において左側（ソース）から右側（ドレイ ン）へ矢印しに示すようにチャンネル領域２を貫通して移送あるいは伝送するこ とができる、このことは接合領域３内の電子密度が可能な限り大きいことが重要 である。さらに、電子ガスのプラズマ周波数が、使用される光の波長より高いこ とが重要である。電子の移動度は、電子ガス内でのビームの消失を防ぐのに十分 高くなければならない。即ち、選択的にドープされたヘテロ接合が解（トランジ スタ動作あるいは光変調動作を言う）を規定する。

ゲート４に電圧が印加されることによって、電子ガスはゲート４の下の必要な領 域３内において空乏となり、よって接合領域３における反射する性質は減じ、よ ってソースからドレインへの光量も減じる。したがって、光に関するトランジス タ動作は、電界効果トランジスタに該当するゲート４を介して達成することがで きる。

第２図は、第１図に示す構造の周波帯を示しており、ここでＥｃは伝導帯のレベ ルでありＥＦはフェルミ準位を示す。

第３図に示す第２の実施例において、例えばドナーからのｇ由電子の消失を防ぐ １ないし１０μｍ厚のドープされていないＡｌｏｓＧａ。

２Ａｓの層６は、６０ｒ＋ｍ厚のＡｌＧａＡｓ：Ｓｉ（例えば３．１０１ａ／ｃ ｌＩｓ）のドープされた部分７を増加し、それによって図式的に描かれた領域９ が、半導体であり反射電子ガスを発生するＧａＡｓ基板８内に形成される。

光が層６を通過するとき、入射光における異なる偏光モードによって異なるであ ろう（第４図にはＴＥモード、第５図にはＴ、（Ｉモードが示される）が第３図 に示す構造は波長の関数として異なる吸収及び反射係数を呈する。両グラフにお いて、左下側にて始まる曲線は、反射係数を示し、一方、吸収係数は左上側から 右上側へ延在する曲線によって示されている。反射係数及び吸収係数の曲線間の 距離あるいは間隔は、第３図の構造に関する透過を決定する。第４図に示す曲線 と第５図に示す曲線は、マックスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）の方程式及び電子ガ スのプラズマ力学的性質に基づき計算された曲線と関係する。

ＴＥモードにおいて、波長が１０μｍにて十分に高い反射を得るために、１０” ／ｃ＋ｎ３の電子集中が要求される。波長が短くなればなるほど高い電子集中が 要求される。７Ｍモードにおいて、Ｒ値が５．１０　’　”／　ｃｍ３における ピークが１０μｍの：夜長において存在する。

電子集中が最大に近付（のは、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ間の接合面にて得ること ができる。例えばＧａＡｓの帯域ギャップより高い光エネルギを有する、要求さ れる波長の発生源による完全な構造の照度は、深いドナーレベルを励起させ、電 子ホール対を形成し、これによってチャンネル内の電子密度が増加する。それに よって１０μｍより低い波長を有する光を変調することができるようになる。

さらに、電子がより小さい実効質量を有する半導体が使用可能となる。ＧａＡｓ −Ｇａ１ｎＳｂの強制層の例えばＣｄＴｅとＩｎＳｂ間のへテロ接合は、より小 さい実効電子質量とより高い電子密度を兼ね備え、プラズマ周波数と反射係数は 増加し、移動度が高まり、消失が減じる。

第６図及び第７図に示すように、より効率的な構造は、ドープされていないＧａ Ａｓ基板１１と、６０ｎｍ厚のＡｌＡｓ：Ｓｉ層と、３０ｎｍ厚のＧａＡｓ層１ ３と、その上に配置される６０ｒ＋ｍ厚のＡｌＡｓ：Ｓｉ層１４と、ドープされ ていないＧａＡｓ上の導波器１５と、を備えている。層１１と層１２との間に、 例えば１０ｎｍ厚にて図式的に示される電子ガス１６が形成され、一方、層１３ 内に例えば３０ｎｍ厚の電子ガスが、ＧａＡｓ導波器内に１０ｎｍ厚の電子ガス １７が形成される。

導波器上に制御ゲート１８が配置される。

このような二重へテロ接合構造は、Ｐｈｙｓｉｃａｌ　１１ｍ１ｔｓ　ｏｆ　ｈ ｅｔｅｒ。

５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ　ａ ｎｄ　ｐｏｓｓｉｂｌｉｔｉｅｓ　ｏｒ　ｎｏｖｅｌＱｕａｎｔｕ＋＋＋　ｆｉ ｅｌｄ−ｅｆＴｅｃｔ　ｄｅｖｉｃｅｓ″、ＩＥＥＥ　Ｊ、　ｏｆ　Ｑｕａ、　 Ｅｌ、　、ｖｏｌ、ＱＥ−２２、ｎｒ、９．１８４５−１８５２頁、１９８６　 ｏｆ　Ｈ，５ａｋａｋｉ　　の文献に記述されている。開示された二重へテロ接 合構造は、上述したものよりもより厚い電子ガスを設けている。この構造では、 反射係数が大きくなり、ＴＥ及び７Ｍモードに関する吸収（消失）係数は小さく なる（７Ｍモードにおいて反射ピークは広がり、それによって構成部分は電子密 度の変動に対する感度が鈍くなるであろう）。そのような二重へテロ接合をたく さん積み重ねることで、反射特性が良くなる。光の変調度は、ゲート電圧によっ て形成される空乏層の最大厚さによって決定される。即ち、例えば選択的にドー プされたＧ　ａＡ　ｓ　−Ａ　ＩＧ　ａＡＳ二重へテロ接合（３，１０”／ｃｍ ’）や厚さが例えばほぼ＋５０ｎｍであるという、ドーピング及び絶縁係数のよ うな物質の変数がそれに影響を及ぼす。最小ゲート長さにおいては一つの二重へ テロ接合のみが使用される（このような構造においては電子ガスの合計厚さはほ ぼ、）Ｑｒ＋ａ＋である）。複数の層が互いに重なり、そしてチセンネル内で光 が完全に変調されるとき、ゲート長さは増加する（光ガイド内における光ビーム の付加的な相反通路、複数の付加的な二重へテロ接合によるためである）。第８ 図において、入射角と反射曲線の勾配との関係は、電子密度の約５０％の増加が デバイスを“オフ”がら“オン”へ変化させるように、高い“相互コンダクタン ス”を有するトランジスタ動作、即ちゲート電圧の変化によって分割された光強 度における大きな変化を得ることができる可能性を示している。第４図に示す構 造において、３つの電子ガスの二つがゲート６１１域の外側にも延在している。

スイッチング速度は、ゲートの最も小さい二つの寸法、即ち長さと幅によって決 定される。例えば、波長が１０μｍで入射角度が８９度のときゲートの最小長さ はＱ、５ｍｍであるというように、選択された入射角をゲート長さに対して最小 値に決定した。スイッチング時間を短くすることは、上記幅寸法を短くすること で達成できる。波長が１０μｍであるとき、高さが１０μｍ、幅が１．５μｍ（ 理論的に）のＧａＡｓにおける光の波長は、選択された入射角度及び置換される 電子の数に飲存し、ｌ　ＯＯＧ　Ｈｚ−ｌＴ　Ｈｚのクロック周波数にて操作す ることができる。スイッチング速度は、電気的ゲートへの伝送線における遅延に より決定される。

第９図及び第１０図に示す、本発明の第４の実施例において、チャンネル領域は 、一部分に制御領域２７が存在するゲート領域２６を設けている。この制御領域 ２７は、例えば６０ｎｍ以上の厚さのドナーにてドープされる。接合領域より例 えば１０ｒ＋ａ＋の第１の層は、ドープされず、密度不足のため不十分な状態に て電子層を反射することになる。

光ビームがゲート領域２６を貫通し移送されたとき、接合領域２３の領域２８は 、この光ビームにより十分な反射係数を得ることができ、それによって光ビーム はゲート信号として作用する。又、電子層が十分な状態にて反射可能となる。即 ち、電子ガスに既に存在する光ビームによって付加された電子がゲート領域を貫 通して搬送され、それによって反射が７Ｍモードにおいて減少する。この２番目 の場合は反転した状態にて動作する。第１０図に示すように、矢印Ｇにて示す、 ゲートにおける光ビームは、該光ビームが十分に大きく、同一の連続するゲート 領域２６が不図示の方向において接続されるとき、−以上のゲート領域２６を制 御することができる。

完全な光スィッチに関して可能性のめる他の実施例においては、ＧａＡｓあるい はＩｎＳｂの上部伝導帯における帯域内の小さい値を利用している。例えばＧａ Ａｓにおいて０．３１ｅｖの波長あるいはそれ以下の光ビームが使用されたとき 、電子は上部へ小さい値にて搬送され、それによってプラズマ周波数は要素８に よって分割される。

それによって反射係数は無視可能な値になる。電子の緩和時間は、完全な光学回 路では非常に高速であることが可能であるように、約１ビフ秒という非常に短い ものである。スイッチング機構は反転方向において動作し、よって論理的応用が 可能となる。

さらに、電子ガスを含む半導体の帯域ギャップ波長と同じかあるいはそれより小 さい波長を有し、層構造に垂直に入射する光となるゲート信号として光ビームを 使用することで、完全な光学回路を達成することができる。電子を含んでいる半 導体が最も小さい帯域ギヤノブを有するとき、適切な波長のゲート信号は、例え ばドープされていないＡｌＡｓの導波器、及び例えばドープされていないＡｌＡ ｓバ、７フア層の１μｍ厚の導波器にて覆われにＧａ−Ａｓ基板、及びＧａＡｓ とＡｌＡｓ：Ｓｉとの間の二重へテロ接合によって分離されたバッファを有する 反射部分において、１Ｍモードにてトランジスタを“オフ“に切り替える既に存 在している電子ガス内で付加的な電子が形成可能である必要な最小の入力（μＷ ／μ謂りにて電子ホール対のみを形成する。本実施例はまた逆にも作用する。本 実施例において電子は空間に配置されていないが電子ホール対の形成及び消滅を 介してスイ。

チングが行なわれているとき、スイッチング時間は電子ホール対の発生している 時間及び再結合時間によってのみ決定され、その時間は数十ｘ　ｌ　Ｑ　　１６ 秒である。

最後に述べる形態は、いわゆる超格子と呼ばれ形成される複数のへテロ接合を積 み重ねることによってさらに改良したものである。

ここで、導波器において、傾斜した光に関する反射係数が約１と高く弱い光がチ ャンネル内にて消滅するように、ブラッグ反射あるいは構造的な干渉を得ること ができる。垂直に入射するゲート信号が電子ガス層内にて吸収のみが行なわれる とき、変調度が半導体内にてデバイ長によって決定される電気的ゲートを有する 実施例とは反対に、ゲート信号は完全な超格子を介して通過し、小さい帯域ギャ ップを有する物質内にて電子ホール対が形成される。ここで小さい帯域ギャップ を有する物質の反射率は変化し、それゆえにブラッグ及び／又は干渉特性がずれ 、よって反射係数が大きく減少する。

電子の実効質量が非常に小さい半導体を使用することで、チャンネル及びゲート 信号に関して同一の波長であってもチャンネル内にてより短い波長が使用可能と なる。例えば上述したＣｄＴｅとＩｎＳｂとの間のへテロ接合である電子ガスキ ャリアーが使用されるようなＩｎＳｂの構造であれば、この理論により２．４μ ｍあるいはこれより高いチャンネル波長を使用することが可能である。即ち、Ｉ ｎＳｂの帯域ギャップがほんのＯ，１７ｅｖ（７，３μｍの波長に相当する）で あるとき、反転可能で直列に接続可能な完全な光学スイッチング素子は、ＩｎＳ ｂを基板としたシステムに使用することができ、フェムト秒（ｆｓｅｃ）内にス イッチ動作が行なわれる。それゆえに、例えばＴＨｚの光クロックを有する光学 コンピユータのようにＴＨｚの範囲における帯域幅を有する光情報処理が達成さ れる。

上述したデバイスにより得られる信号処理特性は、以下のものである。

電子ガスを使用することで高速動作が達成される。

小さい反射率を有する物質内で光を導くことにより、小さく使用すること、非線 形効果は防ぐことができる。

入力消失が小さく記載した好ましい実施例は公知の半導体技術を使用することが できる。

さらに、本発明の詳細については、本発明者による添付した文献に記載されてい る。

光情報処理における二次元電子ガスの用途集積鏡光スイッチについての提案 導波器の下部で濃厚な２次元電子ガスを用いた光スィッチを提案する。

電子ガスの反射率を変調すると光出力を変調する。これは光学的にも電気的にも 行なえる。１０・６μ真波帯における■−■化合物技術により装置の実現性が予 告でき、低消費電力ｐ、ｓｅｃ　　（ピコ秒）スイッチングが期待できる。すべ ての光学情報処理はボテンシアルを有している。

今日の光学計算に関する研究は主として合理的な出力信号を得るのに、比較的高 パワーを有する、小さな非線形効果を扱った音響光学（ＡＯ）半導体の双安定性 に向けられている。従来の半導体においてはＦａｂｒｙ　Ｐｅｒｏｔ共振器が光 と物体の間に十分な関係（１ｎｔｅｒａｃｔ　１ｏｎ）を生成するために必要で あった。多体量子ウェル超格子構造においては超低電力レベルにおいて光学的双 安定性が観ｊすされるが、その技術は次第に複雑化している。平行処理の潜在カ ニま確立されつつあるけれども、その応用は未だ数年光のことであろう。

１つの代案は、分布フィードバックトランジスタであり、ここでは、光は集積さ れた導波器を進行し、物体との相互作用は格子の使用によって強化される。この 方式は所要電力密度は少ないが格子がサブマイクロメータの精度の格子が必要で あり、このトランジスタの製造は困難である。他のグループの装置は、自由キャ リアの注入による吸収率の変化または屈折率の変化を利用する。

ここに提案する装置は最高の反射率が得られ吸収率が最低となるように自由キャ リア特性を最適に利用する。この方法で集積化トランジスタを低電力で作動させ ることができ、かつリングラフィへの要求を緩和することができる。強い光−物 体相互作用でのみスイッチングが生じ得る通常の導波器を用いるよりはロスの多 い導波器が用いられ、スイッチングはそのロスを変調することにより得られる。

第１の提案　光変調器（電光トランジスタ）ストリップ導波器をこの導波器材料 よりも高いかまたは等しい屈折率の材料で作った基板上にこの導波器を配置する 。この構造ｌ；おいて案内された光ビームは基板に分散する。もし、ストリップ 導波器と基板との間に高濃度の電子ガスが存在するならば、この電子ガスはミラ ーとして作用し、光をストリップ内に留める。

そのような装置の実現性を推測するために、三層構造半導体１゜電子ガス（半導 体２に埋込まれている）半導体３が構成された。半導体の上面を進行する電磁平 面波用の電子ガスの反射特性が研究されのプラズマ周波数電子の移動度、ガス厚 ３Ｄ濃度、メディアの誘電定数、入射光の波長、入射角、ガスの伝達定数、吸収 定数（Ｒ，Ｔ。

Ａ）を示した。示されたものの中で最も重要なものは１図ａ、１図すに示すよう なＴＥ偏光入射と７Ｍ偏光入射との相違である。ここでＲ，Ｔ、Ａ係数は異なる 波長に対する係数を電子の体積密度として示している。曲線はＧａＡｓ中に埋設 されている１００人厚０電子ガスに対して、入射角８９°（０°が直角入射）に 対するものである。

一般には同じ電子ガス厚さに対してはＴＥ波がＴＭ波よりもよ（反射する。また 、電子ガスのプラズマ周波数とマツチする光の周波数の濃度においてＴＭ波の反 射にはピークがある。このピークは所定の波長において、最低の電子密度のもと て最良の反射を得るために用いることができる。ピークの幅は入射角および／ま たは電子層の厚さの減少とともに減少する。ピークの高さは電子の移動度によっ て主として決定され、最高の移動度では損失［Ｔ　＋　Ａ　］は最小となる。

前述の思考にもとづいて構成した光変調器を２図に示す。ここで７Ｍ入射波の種 々の角に対するＲ対電子濃度の関係を３図に示す。

変調ドープ２重バリアヘテロ構造兇、いわゆる２次元電子ガスの５００人厚０強 化移動度（±８０００ｃｘ’／Ｖｓ）が得られた。３・４電子層度、したがって Ｒは導波器の上面に置かれたショットキーゲートで変調される。単なる電子濃度 の±５０％の変更でノ・イｒＨｉｇｈＪ状態からローｒＬｏｗＪ状態に出力を変 えるので、この装置のスイッチングの速度は電子的対応部分（ＨＥＭＴ）の真性 速度よりも早いことを予測できる。このことはｐｓスイッチング時間に希望を与 えるものだ。

ここに提案した構造はＡＱＡｓ−ＧａＡｓ系のものであり、計算では高Ｒで１０ ．６μｌで７×１０１１ＣＩ！−３キヤリアが必要である。これはこの系におい て、変調ドーピングによって得られるものの限界を越えている。しかし、この系 は標準■−■族技術に属するから、示されたプロトタイプのものは、その材料で 容易に作成できる。１．４ｅＶの光の照射で装置はここで述べるような効果を得 る十分なキャリアを発生することができる。しかしながら、実用の装置において はより適した材料が必要であることが判っている。プラズマ周波数は有効質量と 電子濃度のみで決まるので、実用装置用材料を研究することは、正しい電子濃度 をもつ最低有効質量を研究することを意味する。たとえば仮借へテロ接合Ａｌ２ Ａ５−ＧａｌｎＡｓまたはＡ（Ａｓ−ＧａｌｎＳｂはより小さい電子有効質量で より大きな導電帯不連続を結合（より高い電子濃度を生成）する。非常によく期 待できる格子整合系ＣｄＴｅ−ＩｎＳｂかＣｄＴｅ−（ＩｎＳｂ＋１％ＣｄＴｅ ）であり、電子濃度はｌ　Ｑ　ＩＩＣ，−３、有効質量はＩｎＳｂでは０．０１ ４５ｍｏ、ＩｎＳｂ１％ＣｄＴｃでＯ，ＯＯ５ｍｏ、移動度は±８０．０００ｃ ｍ”／Ｖｓである。

４図はＣｄＴｅ−ＩｎＳｂ系における７Ｍ入射波に関するＲ対電子濃度を示す。

（層構造は２図に示したものと同様）高Ｒは実際の２・２Ｘ　Ｉ　ＯＩ　ａｃ夏 り電子濃度で発生）第２の提案　全光学トランジスタ 全光スイッチングを行なうようにこの変調可能なミラー機構を用いて別の構成を 考案した。速度という点で有望なものは、有効質量スイッチングとも云うべきも のである。これはＧａＡｓやＩｎＳｂにある上部伝導帯の谷における、非常に高 い電子の有効質量にもとづく。

ＧａＡｓにおいて、４μｌまたはこれより短い波長の“ゲート”ビーム（０，３ １ｅＶ）が導波器に垂直方同に入射すると、ＯＮ状態のゲートは電子を上部釜へ 送り、プラズマ周波数を定数約８だけ低下させる。

我々の計算によれば！これによってＲからＯの間でスイ・ノチする。

電子の上部釜からまたは上部釜への解放時間はｌｐｓより小で、非常に小さく、 超高速全光スイ・７チを可能にする。このスイッチのもう１つの有効な利点は反 転状態で（ゲー）ＯＮ（Ｒ＝Ｑ）＝出力ＯＦＦおよびその逆）動作することであ る。こ４１により論理応用が可能となる。ＧａＡｓの重要な欠点は、２つの異な る波長をソース−ドレイン間とゲートビームとに使用しなければならないことで ある。（４μｍ波長では、ＴＭビークは５×ＩＯ”ｃｚ″３）である。

ＩｎＳｂ系では、状況は良好である。小さな有効質量でバンドギャソ［ブが小さ い程（０，１７ｅＶまたは７．３μ友）ソース−トルイン間とゲートビームとに 同一波長を用いて所望通りの設計が可能となる。ここで２つの光スイツチ機構が 用いられ得る。１つは緊張格子構造（ｓｔｒａｉｎｅｄ　１ａｔｔｉｃｅ　５ｔ ｒｕｃｔｕｒｅ）で、上述の有効質量スイッチングをｐｓ高速パワースイッチン グを行なわしめ得る。一方、７．３μｌまたはこれより短波長で電子ホール対の 作成と再結合とで低パワーサブｎｓスイッチを行なえる。

実際には空間欠乏層がどの光トランジスタにも形成されなかったので、もっと厚 い電子濃度層（バルクドーピングにより得られる）が、ゲートビームに対して層 が充分に透明であることを条件として、そして電子の移動度を大きくして散逸が 最小になるのを条件として用いられる。

結論 電子ガスのプラズマ周波数の光の周波数に対するマツチングのＴＭ偏光のより強 い効果が集積された可変調ミラーによって制限される導波器における変調光にも とづき、我々に光変調と光トランジスタの考えを与えた。

ｍ−ｖ族化合物半導体の選択ドープヘテロ接合との結合における反射ピークの狭 帯域性がｐｓオーダーのスイッチング動作とスイッチング時間を有効に短くする 希望を与える。

参考文献 Ｉ　　ＣＩＮＺＢＵＲＧ、　Ｖ、Ｌ、：　”Ｔｈｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　 ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓ　　ｉｎ　　ｐｌａｓｍａ ｌ′　（Ｐｅｒｇａｍｏｎ　　Ｐｒｅｓｓ、　　　１９７０）、　　　２ｎｄ　 　ｅｄｎ。

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貰、：　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ　　ｉｎ　　ｍｏｄｕｌａ ｔｉｏｎ　　ｄｏｐｅｄ　　ｓｅｍｉ−ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｈｅｔｅｒｏｊｕ ｎｃｔｉｏｎ　５ｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ”、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、、　１９７８．３３．　Ｉ）ｐ６６５−６６７４　　　　ＭＩＭｔｌ ＲＡ、　　Ｔ１．　　ＨＩＹＡＭＩＺＵ、　　Ｓ、、　　ＦＵＪＩｌ、　　３丁 、、　　ａｎｄ　　ＮＡＮＢｔｉ、　@Ｋ、： Ａ　ｎｅｖ　ｆｉｅｌｄ−ｅ４ｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　ｗｉｔｈ　５ ｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｄｏｐｅｄＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ＋−ｘＧａｘＡｓ　　ｈ ｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ″、　　　Ｊｐｎ、　　　Ｊ、　　Ａｐｐ、　　 　Ｐｈｙｓｌ、　１９８０．　ｐｐ、　Ｌ２２５〜２２７１図　異なる波長にお ける体積濃度対ＧａＡｓにおける２次元電子ガスの反射、伝送、吸収係数 ガス厚さ＝１００人　　電子の移動度＝　８０００ｃ＋ｏ’／Ｖｓａ　　ＴＥ入 射　　　　　ｂＴＭ入射 ２図　１０．６μｍ波長用の提案光変調器ガスの合計厚＝５００人、ミラーが導 波器外にあるので、２次元電子ガスは、スイッチ速度を早める１；めに長さ、輻 両方同に薄め可能 ３図　２図の構造に対して、異なる入射角についての反射率対ＮＳ関係 についてＲ対電子濃度 最大Ｒは２・２Ｘ１０１１ｃｍ３で起こる。

遠赤外領域における新規な光変調器と光トランジスタ：可変調ミラーへの提案 概要 遠赤外線の変調方法を提案する。

ＴＭ偏光された光を濃密自由電子ガス層へ入射させると、プラズマ共振に起因し て強い反射特性が生じる。電子濃度または電子の有効質量の変化は電子プラズマ 周波数を変調し、層の反射性を変える。

これによって、電子的または先約駆動のスイッチング装置として用いられる小型 の集積可能な、高速変調可能なミラーを提供する。

緒言 先年中、光変調器、光トランジスタ、光二安定素子等の研究がなされた。そこで は非線型効果がファブリペロ型構造に関して、従来の半導体素子ならびに多量ウ ェル（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ）につき研究された。光変 調はＰｏｃｋｌｅｓ効果、量制御Ｓ　ｔａｒｋ効果、ダイナミックバンドファイ リング等によって実証された。最近提案された新装置［１−２］においては、電 子ガスの反射特性は変調とトランジスタ動作とを行なうように変調される。

この考えは基板と同じか基板よりも低い屈折係数を有する導波器に光を案内する ことにある。光のとじ込めは導波器と基板との間の電子ガスミラー効果を用いて 行なわれる。電子の濃度や有効質量を変えることにより出力が変調される。（１ 図）電子をミラーとして使用することの問題は、良好な反射率を得るには充分な 厚さの非常に高い電子ガス濃度を要することである。第１に小さなドバイ長（Ｄ ｅｂｙｅ　ｌｅｎｇｔｈ）　　（即ち電子ガスの合計厚さに比して小さい）は可 能な変調を排除する。

しかも第１原理から直接的に得られる厳格なモデルでは、実際の装置を作成する 充分な反射性が充分な変調深さと関連づけられている窓が存在していることを示 している。

理論 ２つの他の誘電体（２図に示す導波器と基板）にはさまれた誘電体（たとえば半 導体）に埋められている自由電子ガスの（電磁波）につき反射、吸収、伝送［３ コの特性を描写するモデルが作られた。

マクスウェルの方程式と一般流体力学の微分方程式を組み合せて、光の周波数の 関数としての複素屈折率を作成する、よく知られている（Ｄｒｕｄｅ）分散関係 を得る。

ここでεｒ２゜は内部原子核の分極のみを考慮に入れた比誘電定数、εア２は自 由電子も考慮に入れた比誘電定数である。プラズマおよび吸収周波数は以下のよ うに定義される。

プラズマ周波数ωｐは電子ｌ震度ｎｏ＋電子の有効質量ｍ＊、バ・ツクグラウン ド格子の誘電体定数εア２゜に依存し、吸収周波数（１／衝突時間）は安定移動 度μから推定される。反射係数と吸収係数がこの散乱関係から得みれたとき、電 子ガスのプラズマ周波数と電子の移動度との重要性が明らかになる。ここに示し たモデルは電子ガス厚、その濃度、媒体の誘電体定数、入射光ビームの波長、入 射角の役目を示す。粗く云えば厚い層とω〈ωｐに対しては反射係数は単一で（ （１）式の負性誘電率の故に）あり、ω〉ωｐに対しては反射率はゼロである。

より有益な事実が電子ガス層厚より薄い場合にＴＥと７Ｍ偏光入射の相違に表わ れる。（３図ａ、３図すに示す。）一般に同じ電子濃度に対してＴＥ波はＴＭ波 よりよく反射し、（金属テ観測される［４コ）電子ガスのプラズマ周波数が光の 周波数と整合するような電子濃度でＴＭ波の反射ピークがある。プラズマ周波数 は電子の有効質量と濃度のみにより定まるので、実際装置の研究は（電子フィー ルドによっては薄められることのない）電子ガスができるだけ高く、厚い研究を 含まず、むしろ、正しい電子濃度と関連して、最低の有効質量の研究にある。損 失（反射≠１）は最高の電子移動度と最高の入射角とで最小となる。

装置 ２種の装置がＴ　Ｍ偏光共振の利益を受けることができる。電子−光学的なもの では出力は電界によって変調することができ、−万全光的なものでは、余分な電 子ホール対が即ちバンドギャップ吸収が反射係数を低い状態に切換える。実際に は７Ｍピークは非常にせまり、（電子濃度で２〜３の係数である。）理想的にス イッチやインバータに適している。

電子−光彩式のものも、全光形式のものにも共通の問題は吸収損失と伝送損失で ある。これらに電子移動度に密接に関連しているので、電子工学的ＨＥＭＴのよ うな変調ドープヘテロジャンクシジン小厚の問題は多重バリアヘテロジャンクシ ョンを用いることにより解決できる。

Ｉ　Ｑ　ＩＩ−Ｉ　Ｑ　ＩＩＣ「３濃度領域における電子層の最大デプリート深 さは数百オングストロームのオーダであるので、光変調器としての一次的な“有 効な構造”は４図に示すごとくである。２重バリア構造は５００人電子厚を可能 にし、導波器電子ガスキャリアと基板同じ材料を使用すると寄生反射を最小にす ることができる。さらに３層の２次元電子ガス層のうちの下位２層は導波器外部 に続いているので、スイ、ノチング速度はゲート幅とゲート長のうちのより小さ な方に依存する。グレージング入射を用いることは、ゲートに光を通る光を完全 に消すために非常に長いゲート長が必要であるけｎども有用である。

ここに示した構造はＡｌ２Ａ５−ＧａＡｓ系であるが、計算によれば、約７　、 １０　”Ｃ１１−”のキャリアが高反射係数で必要で、これは、この系テ変調ド ーピングにより、得られるものの限界を越えている。論証用の原形（プロトタイ プ）のものは標準的なｆｉｒ−Ｖ族技術であるのでこれらの材料で作成できる。

１，４ｅＶの光を追加して照射することにより、ここで論じた効果を実証する与 えるだけのキャリアを充分生成することができる。１７かしながら、実用装置に おいてはもっと適した材料を用いる必要がある。ＡｆｆＡｓ　−１ｎＧａＡｓま たはＡ（Ａｓ−ｒｎＧａＳｂ仮想モルヒノクヘテロジャンクシジンは電子の実効 質量の小さいより大きな伝導帯バンドギャップ（したがって高電子濃度）を作成 する。

有効な格子整合システムはＣｄＴｅ−１ｎＳｂまたはＣｄＴｅ−（ＩｎＳｂ＋− １％ＣｄＴｅ）であり、その電子濃度は１０　”ＣＩｌ！−”’Ｑコれは８０、 　ＯＯＯｃｘ”／　Ｖ、ｓ　、の電子移動度と、ＩｎＳｂの場合は０．０１４ｍ 、、、Ｉｎ１％ＣｄＴｅの場合０．００５ｍｏとなる。５図は７Ｍ入射において 、ＣｄＴｅ−ＩｎＳｂ系における反射係数対電子濃度を示す。

（層構造は４図と同じ） バンドギャップが小さいと（０，１７ｅＶまたは１．３μ貫）でソース・ドレイ ンビームとゲートビームとに用いる波長に用いる構造を設計でき、ディジタル応 用に適した集積化可能な全光トランジスタの設計にも展望を開くものである。

結論 ７Ｍ偏光の電子ガスのプラズマ周波数の光の周波数（εγ、＝０）への整合につ いて効果で、変調可能なミラーにより制限される導波器内に光を制限することに もとづいて光変調器と光トランジスタを得る。

■−■化合物半導体での選択ドープヘテロジャンクシ３ンを組み合わせて反射ピ ークの狭さを用いることにより、ピコ秒τ−グーの光変調２光スイッチング時間 を実現する希望を生起させる。

参考文献 １図　１．Ｍ、Ｏ，Ｓ、　　（集積化光スィッチ）の概念２図　計算された構造 　（ＴＥ入射） ＩＦ５　　入射・反射波 ■層　前方及後方波とともに電子ガスを含むｍ層　伝送波 ３図　異なる入射角（０°＝正面入射）についてのＧａＡｓにおける電子体積濃 度の関数としての反射率Ｒ 波長＝１０．６μｍ　　　ｉａ壬子ガス厚５０ｎｍｔｎ”　＝０．０６７ｍ、　 　　μ＝　８０００ｃｍ’／　Ｖｓ３ａ：ＴＥ極　　　　　３ｂ：ＴＭ極 ４図　１０００μｍ最適化光変調器構造ガス合計厚は５０ｎｍである。

５図　ＴＭ極化についてのＩｎＳｂにおけるＲ及Ｔ対電子濃度（Ｃｍ−”）波長 ＝１０．６μｍ　　電子ガス層の厚さ＝５０ｒ＋＋ｎｍ”　＝０．０１４５ｍｏ 　　θ＝８０゜ｕ　＝　８００００ｃｍ’／Ｖｓ 最大反射は２　、２１０　”Ｃｍ−”で起こる。

半導体における光学プラズマ共振： 変調遠赤外線光に関する新たな概念 Ｍ、　Ｋｕｉｊｋ　＆　Ｒ，Ｖｏｕｎｃｋｘ。

Ｖｒｉｊｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ　Ｂｒｕｓｓｅｌ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　 Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ（ＴＯＮＡ−ＴＩ） Ｐ１ｃｉｎｌａａｎ２．１０５０　Ｂｒｕｓｓｅｌｓ、　Ｂｅｌｇｉｕｍ。

要約：変調遠赤外線光に関する新たな概念は、ｎ−ドープ半導体内の自由電子ガ スの薄層における“光子−プラズモン、プラズモン−光子”の相互作用に基づい たものが存在する。電子のプラズマ周波数におけるｐ−偏向の傾斜入射に関して 、高反射特性がプラズマ共振によって生じる。反射率における総ての定数（入射 角度、電子移動度、電子密度、届の厚さ等）の影響は論ぜられている。プラズマ 周波数、これゆえに反射率は、電子の実効質量あるいは密度の変化によって変調 することができる。このことは、これらは電気的あるいは光学的に駆動されるス イッチングデバイスあるいは周波数変調の一つの方法としても使用することがで きる、小型化、集積化、高速変調可能な鏡面を導く。

■　序論 自由電子が固体の絶縁定数を変化させることはよく知られている。

プラズマ周波数以下の光周波数に関して、このことは減衰波に相当する純粋に想 像上の反射率となる。そのような媒体層への入射光は、金属鏡面１のように全く 反射されてしまう。このことは半導体に関しても存在するが、この原則に基づく 高い反射率はプラズマ周波数より十分小さい周波数及び比較的厚い層にて発生す る。この情況では変調はむしろ困難である。しかしながら、光の周波数が電子ガ スのプラズマ周波数に一致したとき、プラズマ振動（プラズモン）は鏡のような １に近い反射係数を付与える。このプラズモン理論は、斜め入射における薄い金 属層上のｐ−偏向の伝達、反射、吸収の各係数の研究を始めた約２０年前より広 範囲にわたり発展している（評論参照り。光子−プラズモン、プラズモン−光子 の直接の変化は観察され、典型的な電磁気理論（そのような大きいプラズモンは 表面プラズモン３とは異なる）を利用し理解することができる。

この原理に基づくスイッチに関する考えは、図１に示されており、又、既に参考 文献４に提案され、ここでは１．Ｍ、○、Ｓ、（集積鏡光学スイッチ：！ｎｔｅ ｇｒａＬｅｄ　Ｍｉｒｒｏｒ　０ｐｔｉｃａｌ　５ｗ１ｔｃｈ）と呼ばれている 。

そのデバイスは、閉じ込められた光を保持するように、界面に電子ガスを有する 基板上に設けられた導波器にて構成される。しかしながら、電子ガスが減少した とき、鏡特性はなくなり光が導波器より離れる。鏡の変調は、電気的にあるいは 光学的のいずれかによってなされる。上記の提案されたデバイスは、存在するデ バイスより幾つかの有利な点を有している。即ち、小形で、ピコ抄成での動作、 単一であることによる集積が可能という点である。

それらの考えの元になる原理を理解するために、自由電子層上での光入射の反射 、伝送、及び吸収の各係数（Ｒ，Ｔ、及びＡと記す）は、■章で計算される。ｍ 章においては入射角、電子の移動度及び密度、層の厚さ及び偏光の影響が記述さ れている。最後にこの原理に基づいて電子光学変調器の設計がなされている。

■　反射、伝送、吸収の各係数の計算 ａ）　Ｄ　ｒｕｄｅ公式 真空内における薄い金属層の反射、伝送、吸収は、以前すり研究されている。我 々はこの計算を異なる絶縁定数（εｒ　Ｉ＋εｒｓ）の二つの絶縁体の間に挟ま れた同質的なｎ−ドープ半導体（電導電子ζ自由電子ガス）の構造をなすシステ ムへ拡張した。参考文献２より明確なように、典型的な電磁気理論が応用できる 。それゆえに、我々は、自由電子ガス（Ｄｒｕｄｅ公式’、Ｓ　Ｉ系による）に おける電磁気波に関する分散関係より始めた。

ここで、εｒｔｏは内部原子核の偏光のみを考慮した相対絶縁定数、εｒ、は自 由電子をも考慮した相対絶縁定数である。プラズマ及び吸収周波数は以下の式で 定義される。

プラズマ周波数ωｐは電子Ｖｅｎｏよりなり、実効電子質■ｍ＊及びバフフグラ ウンド格子の絶縁定数εｒｔｏ、吸収周波数（１／衝突時間）は定常状態移動度 μによって見積られる。初期電荷はｅによって表される。

ｂ）Ｓ−偏光光 我々は３つの層について考える。第１１は入射及び反射された波を含み、第３層 は伝送波を含み、第２層（４；Ｘ子ガスを有する）は（１）式に従う前方波、後 方波を含んでいる。図２にはＳ−偏光が示されている。

用語及び符号の定義 各平面波はその電場によって定義される。

一般的な方法による。境界の存在はそれを意味する。

ここでそれぞれのｋｚは以下にて表される。

両方の境界での電場及び磁場の一定状態を表し、以下の４つの式をｐ及びｑにつ いては以下のものに定義する。

（６）式を解くことで伝送及び反射について結論がでる。このことは以下のもの を生じる。

反射及び伝送係数はＰｏｙｎｔｉｎｇの法則に従い定義される。

もしｋｔが虚数ならば全内部反射（Ｔ　ｓ＝　Ｏ）である。

吸収係数（Ａｓ）は簡略化される。

Ａｓ＝１−Ｒｓ−Ｌ、　　　　　　　　　　（１０）Ｃ）Ｐ−偏光光 Ｐ−偏光光を考えた場合、Ｅ及びＢが交換される。Ｂはいまｙ軸に沿っており、 ＥはＸ２平面に存在する。同様の計算は同様の結果を生じるが、係数ｐ及びｑは 再度定義しなければならない。

いまＢ−場は可変であり、以下の式より導かれる。

反射及び伝送係数はそれぞれ以下のものである。

■　光学鏡スイッチの可能性 ａ）Ｓ−偏光光 （９）ないしく１０）式を使用し、反射、伝送、及び吸収の各係数（Ｒｓ、　Ｔ 　ｓ、及びＡｓ）をプロットする。Ｓ−偏光の場合が光周波数（ｙガロにＲｓ、 Ｔｓ、Ａｓを表示する。この表示は図３及び図４に関して同様である）の関数と してＲｓ、Ｔｓ、及びＡｓにて図３Ａに示されている。

周波数範囲は、マイクロ波領域より３μｍまでの赤外線領域までであり、よって 試料のプラズマ及び吸収周波数はこの範囲内となる。

このことを証明するために、８０度の入射角、３つの層において絶縁定数を１０ ．９、ｌ　ＯＨ＠−ｔ’を子／　Ｃｍ’の電子富度、０．０６７ｍ０の実効質量 、電子ガス層の厚さが５００オングストローム、８０００ｃｍ”／ＶＳの移動度 のそれぞれの値を選択した。この結果、プラズマ周波数は３．１０　”Ｈ２、吸 収周波数は５．１０１１Ｈｚを得た。

低周波数から高周波数まで予想されるので、プラズマ周波数においてＯまで減じ る高い反射がある。吸収は１（ＢｔＨ２より周波数が上がってから減少が始まる 。移動度、入射角、及び電子密度の効果も図３に示されている。

もし移動度が減じ、反射率が減少し、吸収が増加すれば、エネルギの比較的多く が電子ガス（図３Ｂ）を通過し伝送される。高い移動度ではほとんどなにも通過 することができない。反射率が減少し始めた際の周波数は、異なる移動度に関し て（はぼ）一定のままである。

入射角の減少は、反射率が下がり始めたところ（図３Ｃ）の周波数を除いて移動 度の減少とほぼ同じ結果となる。

異なる絶縁定数の層において、臨界角が存在し、臨界角は、良く知られた典型的 な二つの絶縁遷移のように最も外部の層によって決定される。電子ガスに起因す るこの結果は予期されるものである。

より低い電子密度に起因する効果は、さらに非常に小さい。電子密度の減少は、 反射が始まりμ波領域（図３Ｄ）に到達するまでにおいてプラズマ周波数及び波 長を短くする。

実効質量の低い（例えばｆｎｓｂ）結晶格子に関して、図の全体が右へ移動し、 赤外線スペクトルにおいてＳ−偏光波の反射が可能となる。入射角、電子密度、 層の厚さ、及び移動度の４つの変数の総てが高反射率を得るために十分高いこと に注意すべきである。それにも拘わらず結果となる小さいＤ　ｅｂｙｅ長はすべ ての変調可能性を除外する。

ｂ）Ｐ−偏光光 図３Ａにおける状態と同じ状態において、Ｐ−偏光に関する曲線をプロットした 。それらは二つの部分より構成されている（図４Ａ）。

左側部分はほぼＳ−偏光と同一であり、右側部分は共鳴ピークが重畳されている ところが異なる。低い周波数において、Ｓ　　（＝光と同じ挙動を得たが、反射 が少なく、吸収及び伝送が多くなった。（非常に高い電子密度を有し、図の左側 部分には可視光があり、Ｐ−反射にてより多くの吸収がある。即ち、このことは 片面が金属石と境する導波器の研究によってすでに述べられている−）移動度が 増加することは伝送を減少させ、非常に明らかに反射が増加する（図４Ｂ）。共 鳴ピークの存在は、それが同一場所に留どまりピーク幅を保有することより興味 深い。

入射角を変化させたとき（図４Ｃ）、左側はＳ−反射のように変化する。またピ ークが同一場所に留どまるが、低い入射角ではピークの頂点は低くなり、ピーク の幅が狭くなる。このことは、通常の入射にあってはＳ−及びＰ−偏光は等しく 、曲線は一致する（このことは正しい。なぜなら公式（９）及び（１３）におい てそれぞれのｐ％ｑを交換することで通常入射では等しくなる。）という事実よ りなる。

これゆえにもしこのピークが使用されたなら、高い入射角変が採られる（〉６０ 度）。

プラズマ周波数（及びこれゆえに共鳴周波数）を変化させるには二つの方法があ る。即ち、電子密度を変化させる方法（図４Ｄ）と、実効質量を変化させる方法 である。ピークの幅は入射角によって影響を受けるだけでなく、考えている層（ 薄層では低いピーク反射率にて急峻な共鳴ピークとなる）によっても影響を受け る。

公式の解を求めることで、ピークはプラズマ周波数にて発生することが判る（こ こでεｒ、はＯに近付く）。そしてＫａ２　もまたＯに等しく、ｐｑは無限大に 近付く（式（１１）にてＰ−偏光に関する）。（ｌこのことは反射係数Ｒｐ＝１ となり、反射した光の位相が１８０度移相することになる（図５）。

反射が実際１に等しくならない理由は、εｒ、が摩擦のため正確に０にならない ためである。もし摩擦が０になれば、移動度は非常に高くなり、反射は極限の１ となる。このことは、もしプラズモンが格子振動の摩擦及び／又は不純物原子と の衝突によって電子に崩壊しなければ、プラズモン−光子遷移に引き続（、光子 −プラズモン遷移が起こることと同等である。

Ｓ−偏光に関して共鳴はない（プラズモンが存在しない）。実際、εｒ、が０に 等しければ、そのとき　　”ｘ）２”　”ｚ）２＝　Ｏである。

ｋト、−ｎ、Ｓｓｎθｉ、ｋｚ　　が純粋に虚数であるからであル（ｉ、ｅ、　 ｋ”、　ｓ＋　＋／−ｉり）、　　　。（１１）式は、無限大あるいはＯである ｐ及びｑ（Ｓ−偏光に関して）を生じず、よってＲｓが１になるという理由はな い。

ｃ）ｉｉ気−光変調に関する第１の提案第１の提案は、１０．６μｍ波長に関す るもので、■−■の技術に基づく。これは定常共鳴ピーク、電気的変調を利用す るものである。

リブ（ｒｉｂ）導波器（図６）は、導波器物質自身の屈折率より高いかあるいは 等しい屈折率を有する基板上に形成される（Ｓ−及びＰ−偏光の概念は厳密にい えばこの場合には適用できないけれども、入射ビームをかなり偏光することで導 波器の底部にて常にＰ−偏光を発生することができる））。

１０．６μｍの波長にて十分に反射を得るために密集した電子ガスが必要である 。これは同様に高移動度の利点を有する、いわゆる２次元電子ガス（＝２ＤＥＣ ”、ドープされたベテロ接合の変調を使用する）によって達成することができる 。

安定性を高め反射率を最大にする（より広い共鳴ピーク）ため、二重障壁のへテ ロ接合が選ばれる。即ち、図６の構造は、合計５００オングストロームの厚さに て３つの２−ＤＥＣを設けている。これはＧａＡｓにおいて電子的に空乏とする ことができるそのような密度を有する電子層のほぼ最大の厚さである。計算に使 用される変数は、３．１０’コＨ２の周波数、１０．９（全層）の相対絶縁定数 、約５００オングストロームの厚さ、０．０６７の実効質量、８０００ＣＯ１″ ／ＶＳの移動度、及び８０度の入射角（このような角度は導波器が適切な寸法で あるときのみ可能である）である。このような変数による結果は図７に示されて いる。７　、　ｌ　Ｏ”／　ｃ＋＋＋’の高い電子密度はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ ｓ系においては容易に得ることができない。より良い例は、低い実効質量及び高 いｎ−ドープ容量を有する１ｎＳｂである。この場合、我々の計算は２．　ｌ　 Ｏ”／ｃｍ”にてピークが現れることを予測している。鏡の反射率は、適切なゲ ートバイアスによって制御することができる。図７より判るように、２．３の因 子による密度の減少は、光を基板へ流すのに十分である。このことは“高相互フ ンダクタンス”ＦＥＴ（ｉｆｆ気的デートと光学的“ソースとドレイン”）とし てみなすことができる。電子が進行するのに必要な最大距離は、高速スイッチン グ特性のちととなるゲートの幅（高入射角にて動作するときその幅より通常は十 分小さい）のみであることに注意すべきである。波長が１０．６μｍに関する適 切な、幅が２μｍで高さが１０μｍであるリブ導波器において、デバイスのスイ ッチング速度は、５０パーセント近い電子密度の単なる変化が出力信号を高レベ ルより低レベルへ駆動することより、その（１μｍのゲート）電子対照物（ＨＥ ＭＴ）の速度より幾分速いことが予期される。このことはピコ抄成の時間にてス イ・ノチングができるという希望が生じる。

より薄い層及び／又はより小さい入射角を使用することは、狭い共鳴帯域に帰着 し、広帯域レーザ（周波数変調）の反射周波数を変調するという眺望を開くもの である。このことはコヒーレント光通信の代償となる（整調できる狭帯域レーザ に対抗するものとして）。

ｄ）全一光学変調 最初に全一光学変調を眺めたとき、二つの処理がある。一つは、もし十分な吸収 を得ることができるならば（ダイレクト帯域半導体において）、伝導帯遷移への 原子価（あるいはドナー）による電子生成によるものである。

二つめは、いわゆる“実効質量スイッチング４”と呼ばれるもので、これはＩｎ Ｓｂにおけるものと同様にＧａＡｓに存在する上部伝導帯谷（ｖａｌｌｅｙ）に おける非常に高い実効質量に基づくものである。上部谷における電子の実効質量 は、反射をＯにすることで（構成部分６０によって）増加する。これらの遷移は 典型的にピコ抄成にて起こる。

より洗練されたプラズマ効果に基づく他の方法は考えることができる。

■　結論 自由電子を有する薄層を通過する光の反射及び透過は、研究され、Ｓ−及びＰ− 偏光に関する異なる動作を示している。Ｐ−共鳴反射ピークは、魅力のある展望 をもたらす。このピークは二つの方法にて他の周波数に移行することができる。

即ち、電子の実効質量の変化と電子密度の変化である。将来、小形化され集積化 され高速化される電子−光学スイッチの原型が提案されている。全一光学変調を 達成する方法が示されている。

参考文献 １：　ｒ　　Ｃｈ＠ｎ、　　−Ｐユａｓａａ　　ｐｈｙｓｉｃｓ　　ａｎｄ　　 Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　　Ｆｕｓｉｏｎ”、　　Ｌｏｎｄｏ氏A　　Ｐｌｅｎｕ ｎ＋　　Ｐｒｅｓｓ　　１９８４゜ｒｗ、ｓｔｅｉｎｍａｎｎ、　Ｐｈｙｓ、Ｓ ｔｍｔ、Ｓｏｌ、、　ｖｏｌ　２Ｂ、　４３７．　）１６８゜ｉｎ？ｏｒ＝１ｃ ｉｏｎ　　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　：　　ａ　　ｐｒｏｐｏｓａｌ　　ｆｏｒ 　　ａｎ　　工ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　　５奄窒窒盾秩@　０ｐｔｉｃａｌ ５ｗ１ｔｃｈ、−，ｔｏ　ｂｅ　　ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ。

今”ｉｌａ、ｔｅｎｔ　　ｐｅｎｄｉｎｇ、　　Ｍｏ、１ｄｅｒ：　　Ｒ，Ｖｏ ｕｎｃｋｘ、　　ｐｔｏｐｒｉｅｔｏｘ：　　工ＨΣＣ，Ｔ■■@　Ｈ＆ｑ’ａ ＠Ｉ　　１７ｔｈ　　ｊｕｎｅ１９ｇＢ、　ｍ誦−ホ＋　　８１１０１５εｌ。

Ｓ　丁、Ｓ、Ｍｏ５ｓ、　　、Ｇ、Ｊ、Ｉ！ｕｒｚｅ工１．　　ｉｌ、ＥＩＬｉ ｓ、　　”５ａｓａｉｃｏｎｄｕｅｔｏｒ　　ｏｐｔｏ−ｅ撃■モ狽窒盾獅奄モ 刀|、Ｌｏｎｄｏｎ ｇｕｚｔｅＴニジｏｒｔｈｓ、１９７３゜τ１丁ａｋａｎｏ、　　Ｊ、）ｌａｍ ａｓａｋｉ、　　工ＥＥＥ　　Ｊ　　ｏｆ　　０ｕａｎ、Ｅｌ、、　　ｖｏｌ　 　ａ、　　Ｎｏ　　２D　　ｆｅｂｒ　　１９７２゜ ７ｔ、λ、Ｊ、Ｍａｚｅａｔｉｌｉ、　Ｂｅ１ｌ　５ｙｓｔ、イｃｈ、Ｊ、、　 ｖｏ１４１１．　ｐｐ　２０７１−２１０２．５ｅｐｔ　１X６９゜ ’　　Ｒ，Ｄｉｒ、ｇｌｅ、　　Ｈ，Ｌ、Ｓｔｏｒｍｅｘ、　　入、Ｃ，Ｇｏｓ ｓａｒ４　　賀ｊｌｉ町−通ｎｎ、　　λｐｐｌ　　Ｐｈｙ刀A！、ａｔｔ、　 　ｖｏｌ　　３３゜ ６６５．１９り＠。

図の説明 図１　：　　Ｉ　、Ｍ、　Ｏ，Ｓ、（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍｉｒｒｏｒ　０ ｐｔｉｃａｌ　５ｗ１ｔｃｈ）設計の原理。

図２：　電子ガス層上の反射。

一層Ｉ：　入射及び反射波（Ｓ−偏光）。

一層ＩＩ：　　電子ガスにて充満され波Ａ（前方）及び波Ｂ（後方）を含む。

一層■：　搬送波。

図３：　Ｓ−偏光による光周波数に対する自由電子ガス層における反射、搬送及 び吸収。

３、Ａ　　概略。

３、Ｂ　　移動度の変化　ａ：μ＝１０００ｃｍ”／Ｖｓｂ二μ＝　１００００ ｃｏ＋”／Ｖ　ｓｃ：μ＝ｉｏ００００ｃｍ”／Ｖｓ ３、Ｃ角度の変化　　ａ：θ＝８０度 ｂ：θり７５度 Ｃ：θ＝４５度 ３、Ｄ　　密度の変化　　ａ：ｙ１０＝　１　、１０　”／　ｃｍ’図４：　Ｐ −偏光による光周波数に対する自由電子ガス層における反射、搬送及び吸収。

４、Ａ　　概略。

４、Ｂ　　移動度の変化　ａ：　ｕ　”　ｌｏｏｏｃｍ’／Ｖ　ｓｂ二μｍ　１ ００００ｃｍ！／Ｖ　ｓ Ｃ：μ＝　ｉｏ００００ｃｍ’／Ｖ　Ｂ４、ｃ　　角度の変化　　ａ：θ＝８０ 度ｂ：θり７５度 Ｃ：θ＝４５度 ４、Ｄ　　密度の変化　　ａ：ｎｏ＝　１　、１０　”／　Ｃｍ’ｂ：ｎｏ＝　 ３　、１０　”／　ａｍ３ｃ：ｎｏ＝　１．１０　”／　ｃｌｌ１３図５：　プ ラズマ周波数（高移動度にて）におけるＰ−偏光に関する場の位置：　Ｒ＝１、 Ｂ′、Ｂ１　は反対相である。

図６：　　ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ技術における１Ｍ、ｏ、ｓ、に関する最初の 提案。ガスの合計厚さは５００オングストロームである。

２ＤＥＧは長さ及び幅方向の両方に配置することができる。

図７：５００オングストロームの厚さにおける密度、８ＤＯＯｃが／Ｖｓの移動 度、８０度の入射角、１０．９の相対絶縁定数、及び０．０６７ｍ０の実効質量 に対して図６の構造に関するへ、１、〜図１ 図２ 図３．Ａ 図３．８ 図３．Ｄ 図４．Ａ 図４．８ 図４．Ｃ 図４．Ｄ 図５ 図６ 図７ 謳 国＠調査報告 ＋＝−−−電ｎ＝暑Ａｓ＊＝ｍ−ＭＰｃＴ／Ｅｉ’８９１００６９３−２−国際 調査報告　　　ＥＰ　８９００６９３

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）光導体チャンネルと、上記チャンネルと該チャンネルと対となる基板との 間の接合領域と、上記基板及び／又は上記チャンネルと対となるゲート領域と、 上記接合領域の光反射特性がそこで制御可能なような上記接合領域と、を備えた トランジスタ動作を示す光信号処理装置。
2. （２）上記接合領域は電圧にて制御される電気端子を備えた請求項１記載のトラ ンジスタ動作を示す光信号処理装置。
3. （３）上記チャンネルはＡｌＧａＡｓ：Ｓｉを備えた請求項１あるいは２記載の トランジスタ動作を示す光信号処理装置。
4. （４）チャンネルの少なくとも一部分はほとんどドープされていない、請求項３ 記載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置。
5. （５）上記接合領域は電圧によって制御するための電気的端子を備えた、請求項 １ないし４記載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置。
6. （６）上記接合領域は第２の光導体チャンネルによって上記接合領域と対となる ことができる、請求項３ないし５記載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置 。
7. （７）上記接合領域は上記第２のチャンネルを介して同様のデバイスの第２の接 合領域と対となることができる、請求項６記載のトランジスタ動作を示す光信号 処理装置。
8. （８）上記チャンネルはドープされていないＧａＡｓにてなり、上記基板はＧａ Ａｓにてなり、上記接合領域はＧａＡｓとＡｌＡｓ：Ｓｉとのヘテロ接合構造を 有する、請求項１ないし７記載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置。
9. （９）上記チャンネルはドープされていないＡｌＡｓにてなり、上記基板は１μ ｍ厚のドープされていないＡｌＡｓ層を有し、チャンネルと基板との間の上記接 合領域はＧａＡｓとＡｌＡｓ：Ｓｉの二重ヘテロ接合を有する、請求項１ないし ８記載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置。
10. （１０）上記チャンネルはドープされていないＳｄＴｅにてなり、上記基板はＣ ｄＴｅを有し、チャンネルと基板との間の上記接合領域はＩｎＳｂと例えばＳｌ がドープされたＳｄＴｅとの間に二重ヘテロ接合を有する、請求項１ないし９記 載のトランジスタ動作を示す光信号処理装置。
11. （１１）ゲート領域と接合領域との間の結合は、例えばＧａＡｓでは１．４ｅｖ でＩｎＳｂでは０．１７ｅｖという最も小さい帯域ギャップを有する半導体内で 一対の電子ホールを形成可能な波長値と同じあるいはそれより小さい波長を有す る入射光ビームによって形成される、請求項１及び、３ないし１０記載のトラン ジスタ動作を示す光信号処理装置。
12. （１２）鏡あるいは反射材あるいは表面として電子ガスより鏡を使用する光学デ バイス。
13. （１３）電子ガスはＨＥＭＴである請求項１２記載の光学デバイス。