JPH041617A - 積層構造 - Google Patents

積層構造

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JPH041617A
JPH041617A JP10245390A JP10245390A JPH041617A JP H041617 A JPH041617 A JP H041617A JP 10245390 A JP10245390 A JP 10245390A JP 10245390 A JP10245390 A JP 10245390A JP H041617 A JPH041617 A JP H041617A
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JP
Japan
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band
layer
conduction band
sub
semiconductor
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JP10245390A
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English (en)
Inventor
Takayoshi Anami
隆由 阿南
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NEC Corp
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NEC Corp
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Publication date
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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、光スィッチ、光交換、光双安定素子等に用い
られる光非線形材料に関するものである。
(従来の技術) 従来、光スィッチ、光交換、光双安定素子等に用いられ
る半導体光非線形材料として、比較的に小さなバンドギ
ャップを有し、バンドフィリング効果があるInSb、
 CdHgTe (アイイーイーイージャーナルオブカ
ンタムエレクトロニクス17巻312頁Miller 
et al、 IEEE J、 Quant、 Ele
ctron 17 (1981)312)や、自由エキ
シトンの非線形性を利用したGaAs (アブライドフ
イジツクスレターズ35巻451頁Gibbs et 
al、 Appl、 Phys、 Lett、 35 
(1979) 451)、束縛エキシトンを利用したC
dS、 Cd5e(アブライドフイジノクスレターズ4
4巻574頁Dagenais et al、 App
l。
Phys、 1ett、 44 (1984) 574
)、バイエキシI・ンを利用したCuC1(ソリッドス
テートコミュニケーション48巻705頁Levy e
t al 5olid 5tate Commun、 
48 (1983)705)、多重量子井戸中の室温エ
キシトンを利用したもの(アブライドフイジソクスレタ
ーズ41巻221頁Gibbs、 et al、 Ap
pl、 Phys、 Lett、 41 (1982)
 221)、多重量子井戸の伝導帯の2つのサブバンド
間遷移を用いた光非線形材料アブライドフイジツクスレ
ターズ46巻1156頁(West et al、 A
ppl、 Phys、 Lett、 46 (1985
)1156)などがあった。
上記、従来技術は、いずれも二準位系の光学遷移による
光非線形性を利用している。また量子井戸の三準位系の
光学遷移を用いたものとして、共鳴型光非線形構造(ア
ブライドフイジックスレターズ55巻1609頁Mor
rison et al、 Appl、 Phys、 
Lett、 55(1989) 1609)があった。
(発明が解決しようとする課題) これら非線形材料を用いる際、光双安定動作など素子動
作に必要な入射光強度を小さくするには、材料の光非線
形性を記述する三次の非線形分極lx のより大きな材
料が必要である。この点では、上記従来技術の量子井戸
の三準位系の光学遷移を用いた共鳴型光非線形構造は有
望である。
しかし、このバンド構造を作るには、量子井戸ポテンシ
ャルが十分深く、また量子井戸層を形成する半導体も禁
制帯幅のあまり大きくないものでなくてはならず、材料
設計の自由度は小さいという問題点があった。
(課題を解決するための手段) 本発明の積層構造は、電子のド・ブローイ波長程度の層
厚を有する半導体が、該半導体より大きな禁制帯幅を有
する、第1及び第2の絶縁体で挟まれた積層構造であっ
て、該半導体中に生じる伝導帯第1及び第2のサブバン
ド間の遷移エネルギーが、該半導体の伝導帯と価電子帯
の各第1サブバンド間の遷移エネルギーとほぼ同じであ
ることに特徴がある。
(作用) イ4科の非線形性を記述する三次の非線形分極率x(3
)は、アンチレゾナンス(antiresonance
)の項を無視できる適当な条件下では、次のように表現
できる。
X (ωニーω、ω、−〇)= ここで励起状態αとγは基底状態gから1光子吸収で遷
移可能な準位である。hω、g、 /zωl1g+ ’
ω。5はそれぞれ添字の準位間のエネルギー、hωは励
起エネルギーである。δは緩和周波数である。Po−よ
αとg状態間の遷移の双極子モーメントである。pr、
、p、a、 po−同様に添字の準位間の双極子モーメ
ントである。大きなX をうるには、この式かられかる
ように、Po、、 Pとが大きく、かつ共鳴エネルギー
の項h(ω。2−ω)とh(0111g−2ω)が小さ
くなるような準位qをpを選ぶことである。
以下では図を用いて本発明の作用について説明する。第
1図は本発明の積層構造によるバンド図である。図中の
g+ ar p+γは上記の準位と対応させた物である
。gは価電子帯の第1サブバンド11、α、γは伝導帯
の第1サブバンド12、pは伝導帯の第2サブバンド1
3にそれぞれ対応する。基底状態gと準位pとの間の遷
移は、一般には禁制遷移であり、2光子吸収で遷移可能
な準位である。
また、準位αからpへの遷移は、積層面に平行に入射し
た光(TM波)でのみ遷移可能であり、先導波路型の光
スィッチの非線形材料として用いることができる。更に
本発明では、電子のド・ブローイ波長程度の層厚の半導
体層に量子井戸を形成するバリア層が、絶縁体でできて
いる為、伝導帯不連続値が大きく、従って、伝導帯の第
2ザブバンドは十分量子井戸内に束縛された状態になっ
ており、遷移の双極子モーメン) P(1,も、バリア
層が半導体のものと比べて、大きなものとなっている。
また伝導17不連続値が大きいため、準位gと準位q、
γの遷移エネルギーがかなり大きくても、量子井戸層厚
の制御により、十分量子井戸内に束縛された共鳴準位(
3を井戸内に形成することができ、旧材設計の自由度が
大きくなっている。このように本発明のバンド構造は、
大きなX を得るための条件を満足しており、大きな光
非線形性を有する拐料である。
(実施例) 以下、図面を用いて本発明の実施例を発明する。第2図
は、本発明の第1の実施例の構造図を示したものである
。これは、MBE法により、5i(111)基板21の
上にフッ化カルシウム(CaF2)層22を約1000
人情層し、その上にGaAs層23を約27人情層し、
更にCaF2層24を100OA積層したものである。
Si基板21とCaF2層22.24の間はほぼ格子整
合(0,6%)しておりCaF2層は22.24とGa
As層23とは約3.7%の格子不整合がある。しかし
GaAs層23は臨界膜厚以下であり、欠陥は少ない。
臨界膜厚は材料と格子不整合の大きさにより決まる値で
ある。第3図は、本構造のバンド図を示したものである
。GaAs層厚を約27Aにとることにより、GaAs
層23の伝導帯の第1、第2サブバンド間エネルギhω
、。が、伝導帯第1及び価電子帯第1サブバンド間のエ
ネルギhω とはg ぼ等しく 2.25eVになっている。本発明の積層構
造により、GaAsのような比較的バンドギャップの大
きい半導体に対してもこのような、共鳴型のバンド構造
を形成することが出来る。
第4図は、本発明の第2の実施例の構造図である。これ
はMBE法によりInP(111)基板41上にSro
、83Bao1゜F2層42を約100OA積層し、そ
の上にIno、53Gao、4−tAS層43を約49
人情層し、更にsrO,83BaO,17F2層44を
約100OA積層したものである。この構造では、格子
定数はすべてInPに一致している。この構造でも共鳴
型のバンド構造を形成できその共鳴のエネルギーは、1
.12eVである。本実施例の積層構造に関し、4光波
混合の実験によりX の値は、通常のInGaAsとI
nPの量子井戸構造のものより約10倍はどおおきくな
ると見積もられる。
以上、実施例では、絶縁体としてアルカリ土類金属フッ
化物を用いたが、本発明は、旧材の種類、結晶成長方法
によって限定されるものではない。
(発明の効果) 本発明によれば、デバイス動作に必要な入射光強度や入
射パルス幅の小さい場合でも効果の大きな光非線形素子
が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明したバンド図、第2図は第
一の実施例による構造図、第3図は第一の実施例による
バンド図、第4図は第2の実施例による構造図である。 図において、11・・・価電子帯第一サブバンド、12
−、−伝導帯第一サブバンド、13・・・伝導帯第2サ
ブバンド、21・5i(111)基板、22−CaF2
層、23−GaAs層、24・・・CaF2層、3L−
CaF2層、32−GaAs層、33−CaF2層、3
4・・・価電子帯第一サブバンド、35・・、伝導帯第
一サブハンド、36・・・伝導帯第2サブバンド、41
・InP(111)基板、42”’Sro、53Bao
1□F2層、43−In。53Gao4゜As層、44
””0.83Ba0.17F2層である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  電子のド・ブローイ波長程度の層厚を有する半導体が
    、該半導体より大きな禁制帯幅を有する、第1及び第2
    の絶縁体で挟まれた積層構造であって、該半導体中に生
    じる伝導帯第1及び第2のサブバンド間の遷移エネルギ
    ーが、該半導体の伝導帯と価電子帯の各第1サブバンド
    間の遷移エネルギーとほぼ同じであることを特徴とする
    積層構造。
JP10245390A 1990-04-18 1990-04-18 積層構造 Pending JPH041617A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0583115A1 (en) * 1992-07-30 1994-02-16 International Business Machines Corporation Nonlinear optical device
US5437153A (en) * 1992-06-12 1995-08-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust purification device of internal combustion engine
US5450722A (en) * 1992-06-12 1995-09-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust purification device of internal combustion engine

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5450722A (en) * 1992-06-12 1995-09-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust purification device of internal combustion engine
EP0583115A1 (en) * 1992-07-30 1994-02-16 International Business Machines Corporation Nonlinear optical device

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