JPH0685375A - 半導体装置 - Google Patents
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- JPH0685375A JPH0685375A JP4357267A JP35726792A JPH0685375A JP H0685375 A JPH0685375 A JP H0685375A JP 4357267 A JP4357267 A JP 4357267A JP 35726792 A JP35726792 A JP 35726792A JP H0685375 A JPH0685375 A JP H0685375A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 効率的な新規高周波数変調手段を提供する。
【構成】 変調信号に応じて半導体本体の透明度を変調
する新規な手段からなる物品を提供する。本体は１個以
上の量子井戸（ＱＷ）を有し、変調機構はＱＷ内の自由
キャリア分布関数を変更することからなる。比較的短波
長の内部バンド輻射線（ＩＢＲ）について本体の透明度
を変化させるために比較的長波長の内部サブバンド輻射
線（ＩＳＢＲ）を使用する。変調信号はＱＷ全域に加え
られる電界であり、ＩＳＢＲ吸収はスターク効果により
同調させることができる。ＩＢＲを短時間で変調でき、
狭量（一般的に１０ｐｓ未満）のＩＢＲパルスを発生す
ることができる。
する新規な手段からなる物品を提供する。本体は１個以
上の量子井戸（ＱＷ）を有し、変調機構はＱＷ内の自由
キャリア分布関数を変更することからなる。比較的短波
長の内部バンド輻射線（ＩＢＲ）について本体の透明度
を変化させるために比較的長波長の内部サブバンド輻射
線（ＩＳＢＲ）を使用する。変調信号はＱＷ全域に加え
られる電界であり、ＩＳＢＲ吸収はスターク効果により
同調させることができる。ＩＢＲを短時間で変調でき、
狭量（一般的に１０ｐｓ未満）のＩＢＲパルスを発生す
ることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光輻射線の変調手段に
関し、特に、短光パルスの発生手段および、変調手段お
よび／またはパルス発生手段からなる半導体装置および
システム（以下、集合的に“半導体装置“と呼ぶ）の動
作方法に関する。
関し、特に、短光パルスの発生手段および、変調手段お
よび／またはパルス発生手段からなる半導体装置および
システム（以下、集合的に“半導体装置“と呼ぶ）の動
作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの技術分野（例えば、光データ処
理、光通信など）においては、所定の信号に応じて、光
輻射線（“持続波”（ＣＷ）輻射線を含む）を変調しな
ければならない。半導体出力の常用の変調方法はレーザ
駆動電流の変調からなる。この方法は、いわゆる電子−
光子共鳴（ＥＰＲ）周波数以下の周波数（一般的に、１
０ＧＨz 程度）の変調に使用できる。
理、光通信など）においては、所定の信号に応じて、光
輻射線（“持続波”（ＣＷ）輻射線を含む）を変調しな
ければならない。半導体出力の常用の変調方法はレーザ
駆動電流の変調からなる。この方法は、いわゆる電子−
光子共鳴（ＥＰＲ）周波数以下の周波数（一般的に、１
０ＧＨz 程度）の変調に使用できる。
【０００３】しかし、この常用方法は、前記のＥＰＲ周
波数よりもかなり高い変調周波数について、レーザ出力
を効果的に変調することができない。例えば、光通信シ
ステムでは更に一層高いビット伝送速度を指向する傾向
が明白であり、一層高い周波数（究極的には、ＥＰＲ周
波数以上の周波数）で光輻射線を変調する手段の開発が
求められている。
波数よりもかなり高い変調周波数について、レーザ出力
を効果的に変調することができない。例えば、光通信シ
ステムでは更に一層高いビット伝送速度を指向する傾向
が明白であり、一層高い周波数（究極的には、ＥＰＲ周
波数以上の周波数）で光輻射線を変調する手段の開発が
求められている。
【０００４】特に旧ソビエト連邦における最近の研究で
は、活性層に対して平行に加えられた電界によりレーザ
の活性層内の自由電子を加熱し、該活性層を通して横方
向電流を駆動することにより、ＥＰＲ周波数以上の周波
数（例えば、１００ＧＨz 程度またはこれ以上の周波
数）で、半導体ヘテロ結合レーザの光出力を変調できる
ことが報告されている。例えば、ブイ・ビー・ゴルフィ
ンケル(V.B.Gorfinkel)ら，“ソビエト フィジックス
セミコンダクター(Soviet Physics Semiconducto
r)”，Vol.２４（４）．１９９０年４月，４６６頁；エ
ス・エー・グーレヴィッチ(S.A.Gurevich)ら，“ジョイ
ント ソビエト−アメリカ ワークショップオン ザ
フィジックス オブ セミコンダクター レーザス(Joi
nt Soviet-America Workshop on the Physics of Semic
onductor Lasers)”，１９９１年５月２０日〜６月３
日，６７頁；およびブイ・ビー・ゴルフィンケル(V.B.G
orfinkel) ら，“インターナショナル ジャーナル オ
ブ インフラレッド アンド ミリメータ ウエーブ(I
nternational Journal of Infrared and Millimeter Wa
ves)”，１９９１年６月を参照されたい。
は、活性層に対して平行に加えられた電界によりレーザ
の活性層内の自由電子を加熱し、該活性層を通して横方
向電流を駆動することにより、ＥＰＲ周波数以上の周波
数（例えば、１００ＧＨz 程度またはこれ以上の周波
数）で、半導体ヘテロ結合レーザの光出力を変調できる
ことが報告されている。例えば、ブイ・ビー・ゴルフィ
ンケル(V.B.Gorfinkel)ら，“ソビエト フィジックス
セミコンダクター(Soviet Physics Semiconducto
r)”，Vol.２４（４）．１９９０年４月，４６６頁；エ
ス・エー・グーレヴィッチ(S.A.Gurevich)ら，“ジョイ
ント ソビエト−アメリカ ワークショップオン ザ
フィジックス オブ セミコンダクター レーザス(Joi
nt Soviet-America Workshop on the Physics of Semic
onductor Lasers)”，１９９１年５月２０日〜６月３
日，６７頁；およびブイ・ビー・ゴルフィンケル(V.B.G
orfinkel) ら，“インターナショナル ジャーナル オ
ブ インフラレッド アンド ミリメータ ウエーブ(I
nternational Journal of Infrared and Millimeter Wa
ves)”，１９９１年６月を参照されたい。
【０００５】前記の文献には、常用のポンピング接点の
他に、キャリア加熱用の接点を２個有するＡｌＧａＡｓ
−ＧａＡｓ別個閉じ込めヘテロ構造単一量子井戸（Ｑ
Ｗ）リッジレーザが開示されている。加熱接点に印加さ
れる電流パルスにより、周囲（格子）温度以上の約１０
０Ｋにまで自由キャリアの温度を上昇させ、レーザ出力
を変調することができる。
他に、キャリア加熱用の接点を２個有するＡｌＧａＡｓ
−ＧａＡｓ別個閉じ込めヘテロ構造単一量子井戸（Ｑ
Ｗ）リッジレーザが開示されている。加熱接点に印加さ
れる電流パルスにより、周囲（格子）温度以上の約１０
０Ｋにまで自由キャリアの温度を上昇させ、レーザ出力
を変調することができる。
【０００６】図１は前記のレーザにおける変調を模式的
に示す特性図である。曲線１１は通常の状態、すなわ
ち、自由キャリア温度が格子温度と等しいときのレーザ
放射を示す。加熱電流により格子温度以上に自由キャリ
ア温度が上昇すると、活性領域における損失が増大し、
レーザ動作は一層高い駆動電流に向かって移動を始め、
曲線１２が得られる。図から明らかなように、自由キャ
リア温度の変調はレーザ出力の変調を生じる。例えば、
一定の駆動電流値１３が印加された場合、レーザ出力は
０〜値１４の間に移すことができる。自由キャリア温度
は極めて迅速に上昇させることができ、また、格子温度
を極めて短時間内（例えば、１０-2ｓ程度の時間内）に
低下させるので、高変調周波数が原則的に可能になる。
に示す特性図である。曲線１１は通常の状態、すなわ
ち、自由キャリア温度が格子温度と等しいときのレーザ
放射を示す。加熱電流により格子温度以上に自由キャリ
ア温度が上昇すると、活性領域における損失が増大し、
レーザ動作は一層高い駆動電流に向かって移動を始め、
曲線１２が得られる。図から明らかなように、自由キャ
リア温度の変調はレーザ出力の変調を生じる。例えば、
一定の駆動電流値１３が印加された場合、レーザ出力は
０〜値１４の間に移すことができる。自由キャリア温度
は極めて迅速に上昇させることができ、また、格子温度
を極めて短時間内（例えば、１０-2ｓ程度の時間内）に
低下させるので、高変調周波数が原則的に可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、加熱電力は唯
一、論理制御回路から得られるので、電流周波数による
自由キャリア加熱は望ましくない。更に、従来のデバイ
スでは、それらの大きな有効状態密度により、比較的大
きな電力が正孔により消失されていた。また、実際上
は、自由キャリアを均一に加熱することはしばしば困難
なので、性能は劣化される。従って、効率的な高周波数
変調手段の重要性に鑑み、少なくとも前記のような欠点
を殆ど有しない手段の開発が強く望まれている。
一、論理制御回路から得られるので、電流周波数による
自由キャリア加熱は望ましくない。更に、従来のデバイ
スでは、それらの大きな有効状態密度により、比較的大
きな電力が正孔により消失されていた。また、実際上
は、自由キャリアを均一に加熱することはしばしば困難
なので、性能は劣化される。従って、効率的な高周波数
変調手段の重要性に鑑み、少なくとも前記のような欠点
を殆ど有しない手段の開発が強く望まれている。
【０００８】用語および定義 本明細書で使用する幾つかの重要な用語について説明す
る。
る。
【０００９】本明細書における“量子井戸（ＱＷ）”と
は、第２の組成物の半導体領域間に挟まれた第１の組成
物の半導体領域であり、第１の組成物および第２の組成
物は、第１の組成物に付随するバンドギャップエネルギ
ーが第２の組成物に付随するバンドギャップエネルギー
未満になるように選択され、第１の組成物層の膜厚は、
少なくとも１種類のキャリアタイプ（電子または正孔）
について少なくとも一つの束縛状態エネルギーレベルが
該層に付随するように選択され、このエネルギーレベル
は対応する（古典的）バンドエッジ（場合により、伝導
または平衡バンドエッジ）と一致しない。
は、第２の組成物の半導体領域間に挟まれた第１の組成
物の半導体領域であり、第１の組成物および第２の組成
物は、第１の組成物に付随するバンドギャップエネルギ
ーが第２の組成物に付随するバンドギャップエネルギー
未満になるように選択され、第１の組成物層の膜厚は、
少なくとも１種類のキャリアタイプ（電子または正孔）
について少なくとも一つの束縛状態エネルギーレベルが
該層に付随するように選択され、このエネルギーレベル
は対応する（古典的）バンドエッジ（場合により、伝導
または平衡バンドエッジ）と一致しない。
【００１０】所定の半導体組成物に付随する“バンドギ
ャップエネルギー”は、平衡バンドエッジと伝導バンド
エッジとの間のエネルギー差である。通常の拡張によれ
ば、ＱＷに付随する“バンドギャップエネルギー”は、
ＱＷにおける最高エネルギー正孔状態と最低エネルギー
電子状態との間のエネルギー差である。
ャップエネルギー”は、平衡バンドエッジと伝導バンド
エッジとの間のエネルギー差である。通常の拡張によれ
ば、ＱＷに付随する“バンドギャップエネルギー”は、
ＱＷにおける最高エネルギー正孔状態と最低エネルギー
電子状態との間のエネルギー差である。
【００１１】“内部バンド輻射線（ＩＢＲ）”という用
語は、適当な半導体領域（一般的に、本発明によるデバ
イスの活性領域におけるＱＷ）に付随するバンドギャッ
プエネルギーに対応する電磁輻射線を意味する。
語は、適当な半導体領域（一般的に、本発明によるデバ
イスの活性領域におけるＱＷ）に付随するバンドギャッ
プエネルギーに対応する電磁輻射線を意味する。
【００１２】“内部サブバンド輻射線（ＩＳＢＲ）”と
いう用語は、本発明によるデバイスの活性領域内の適当
なＱＷにおける第１および第２の束縛状態エネルギー間
のエネルギー差に対応する（または対応させることがで
きる）波長の電磁輻射線を意味する。
いう用語は、本発明によるデバイスの活性領域内の適当
なＱＷにおける第１および第２の束縛状態エネルギー間
のエネルギー差に対応する（または対応させることがで
きる）波長の電磁輻射線を意味する。
【００１３】“自由キャリア分布関数”は、擬運動量，
位置および時間の関数である。この関数は、デバイス中
の所定の位置における、キャリアの濃度とそのエネルギ
ー分布の両方の特性を表示する。特に、キャリア濃度が
高い（例、１０17／ｃｍ3 以上）デバイス領域では、分
布関数は事実上、非平衡条件下であったとしても、フェ
ルミ分布関数に一致する。この場合、分布関数は擬フェ
ルミ順位および有効キャリア温度（格子温度は異なるこ
ともある）によりパラメータ表示される。
位置および時間の関数である。この関数は、デバイス中
の所定の位置における、キャリアの濃度とそのエネルギ
ー分布の両方の特性を表示する。特に、キャリア濃度が
高い（例、１０17／ｃｍ3 以上）デバイス領域では、分
布関数は事実上、非平衡条件下であったとしても、フェ
ルミ分布関数に一致する。この場合、分布関数は擬フェ
ルミ順位および有効キャリア温度（格子温度は異なるこ
ともある）によりパラメータ表示される。
【００１４】自由キャリア分布関数を“変更”するとい
うのは、一般的に、その形状を変えることを意味する。
フェルミ関数の場合、これは擬フェルミ順位またはキャ
リア温度あるいは両方の何れかに対応する。
うのは、一般的に、その形状を変えることを意味する。
フェルミ関数の場合、これは擬フェルミ順位またはキャ
リア温度あるいは両方の何れかに対応する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明は、光学的に透明な半導体本体の
新規な変調手段からなる半導体装置および該手段を有す
る半導体装置の動作方法を提供する。この新規な手段
は、内部サブバンド輻射線を吸収することにより、半導
体本体の所定領域（一般的に、ＱＷ）における自由キャ
リア分布関数を変更する手段からなる。
の手段として、本発明は、光学的に透明な半導体本体の
新規な変調手段からなる半導体装置および該手段を有す
る半導体装置の動作方法を提供する。この新規な手段
は、内部サブバンド輻射線を吸収することにより、半導
体本体の所定領域（一般的に、ＱＷ）における自由キャ
リア分布関数を変更する手段からなる。
【００１６】例えば、変調すべき輻射線は内部バンド輻
射線（ＩＢＲ）であるが、ＩＳＢＲの変調も可能であ
る。ＩＳＢＲの波長はＩＢＲの波長よりも長い。ＩＳＢ
Ｒは例えば、ＣＯ2 レーザ（λ〜１０μｍ）の輻射線で
あり、ＩＢＲは例えば、III-V族半導体レーザ（λは約
０．５〜５μｍの範囲内である）からの輻射線である。
従来の光変調およびスイッチングは一般的に、信号輻射
線の波長よりも短い波長のポンプ輻射線を必要とし、例
えば、短波長輻射線（ＩＢＲ）の変調を行うために長波
長輻射線（ＩＳＢＲ）を使用することは従来公知であ
る。
射線（ＩＢＲ）であるが、ＩＳＢＲの変調も可能であ
る。ＩＳＢＲの波長はＩＢＲの波長よりも長い。ＩＳＢ
Ｒは例えば、ＣＯ2 レーザ（λ〜１０μｍ）の輻射線で
あり、ＩＢＲは例えば、III-V族半導体レーザ（λは約
０．５〜５μｍの範囲内である）からの輻射線である。
従来の光変調およびスイッチングは一般的に、信号輻射
線の波長よりも短い波長のポンプ輻射線を必要とし、例
えば、短波長輻射線（ＩＢＲ）の変調を行うために長波
長輻射線（ＩＳＢＲ）を使用することは従来公知であ
る。
【００１７】更に詳細には、本発明の半導体装置（例、
光通信システムまたは光計算器システム）は、少なくと
も１個のＱＷを有する多層構造の半導体本体からなる。
ＱＷには、バンドギャップエネルギーおよびサブバンド
エネルギー差が付随し、半導体本体には格子温度が付随
する。第１の導電タイプ（例、電子）の自由キャリアは
ドーピングによりＱＷ内に存在するか、または、ＩＢＲ
吸収によりＱＷ内に発生させることができる。これらの
キャリアには、自由キャリア分布関数が付随する。
光通信システムまたは光計算器システム）は、少なくと
も１個のＱＷを有する多層構造の半導体本体からなる。
ＱＷには、バンドギャップエネルギーおよびサブバンド
エネルギー差が付随し、半導体本体には格子温度が付随
する。第１の導電タイプ（例、電子）の自由キャリアは
ドーピングによりＱＷ内に存在するか、または、ＩＢＲ
吸収によりＱＷ内に発生させることができる。これらの
キャリアには、自由キャリア分布関数が付随する。
【００１８】本発明の半導体装置はまた、半導体本体に
変調信号を供給する手段も有する。本発明の半導体装置
は更に、半導体本体に第１の波長（ＩＢＲ）の電磁輻射
線を供給する手段を有する。第１の波長はバンドギャッ
プエネルギーに対応して選択される。本発明の半導体装
置は更に、半導体本体に第２の波長（ＩＳＢＲ）の電磁
輻射線を供給する手段を有する。第２の波長は第１の波
長よりも長い。第２の波長は、自由キャリア分布関数が
変調信号に応じて変更可能であり、ＩＢＲが変調信号に
応じて変調されるように選択される。本発明の半導体装
置は、変調ＩＢＲ用の利用手段（例えば、所定の長さの
光ファイバまたは光検出器）も有する。
変調信号を供給する手段も有する。本発明の半導体装置
は更に、半導体本体に第１の波長（ＩＢＲ）の電磁輻射
線を供給する手段を有する。第１の波長はバンドギャッ
プエネルギーに対応して選択される。本発明の半導体装
置は更に、半導体本体に第２の波長（ＩＳＢＲ）の電磁
輻射線を供給する手段を有する。第２の波長は第１の波
長よりも長い。第２の波長は、自由キャリア分布関数が
変調信号に応じて変更可能であり、ＩＢＲが変調信号に
応じて変調されるように選択される。本発明の半導体装
置は、変調ＩＢＲ用の利用手段（例えば、所定の長さの
光ファイバまたは光検出器）も有する。
【００１９】好ましい実施例では、半導体本体はＱＷの
全域に電界を加えることができる接点手段を有する。こ
れにより、ＱＷに付随するサブバンドエネルギー差はス
ターク効果により“同調”させることができる。好まし
い接点手段は、適正にドープされたＱＷ（以下「接点Ｑ
Ｗ」と呼ぶ）からなる。この接点ＱＷは、デバイスの通
常の動作範囲内の印加電界値についてＩＳＢＲが接点Ｑ
Ｗに殆ど吸収されないように設計されている。
全域に電界を加えることができる接点手段を有する。こ
れにより、ＱＷに付随するサブバンドエネルギー差はス
ターク効果により“同調”させることができる。好まし
い接点手段は、適正にドープされたＱＷ（以下「接点Ｑ
Ｗ」と呼ぶ）からなる。この接点ＱＷは、デバイスの通
常の動作範囲内の印加電界値についてＩＳＢＲが接点Ｑ
Ｗに殆ど吸収されないように設計されている。
【００２０】前記の本発明の半導体装置では、自由キャ
リア分布関数を変更することにより半導体本体の透明度
が変化し、半導体本体に供給されるＩＢＲ（およびＩＳ
ＢＲ）の強度、ＩＳＢＲがＱＷに吸収されている時間の
長さなどのようなパラメータの選択に応じて、変調器の
ようなデバイスまたはパルス源のようなデバイスが得ら
れる。更に、この変調器はＩＢＲレーザの内部または外
部キャビティに包含させることができ、これにより、吸
収制御素子が形成される。
リア分布関数を変更することにより半導体本体の透明度
が変化し、半導体本体に供給されるＩＢＲ（およびＩＳ
ＢＲ）の強度、ＩＳＢＲがＱＷに吸収されている時間の
長さなどのようなパラメータの選択に応じて、変調器の
ようなデバイスまたはパルス源のようなデバイスが得ら
れる。更に、この変調器はＩＢＲレーザの内部または外
部キャビティに包含させることができ、これにより、吸
収制御素子が形成される。
【００２１】特に、比較的低強度のＩＢＲおよび／また
はＩＳＢＲおよび／または比較的短いＩＳＢＲ吸収時間
の場合、半導体本体内に生成された電子／正孔対の（所
定の格子温度における平衡数に対する）過剰数は比較的
小さく、その結果、ＩＳＢＲの吸収が止んだときに、Ｉ
ＢＲの比較的小さな“スパイク”だけが半導体本体から
放出される。変調ＩＢＲの所定の“ＯＮ”期間中の最大
強度は“ＯＮ”期間中の平衡強度を１０％未満だけ、一
般的には、５％未満あるいは場合によっては１％未満だ
け越える。スパイクは過剰な電子／正孔対の急速な再結
合により発生され、ＩＢＲにより刺激される。このよう
なモードでは、デバイスは概ね変調器のように機能す
る。
はＩＳＢＲおよび／または比較的短いＩＳＢＲ吸収時間
の場合、半導体本体内に生成された電子／正孔対の（所
定の格子温度における平衡数に対する）過剰数は比較的
小さく、その結果、ＩＳＢＲの吸収が止んだときに、Ｉ
ＢＲの比較的小さな“スパイク”だけが半導体本体から
放出される。変調ＩＢＲの所定の“ＯＮ”期間中の最大
強度は“ＯＮ”期間中の平衡強度を１０％未満だけ、一
般的には、５％未満あるいは場合によっては１％未満だ
け越える。スパイクは過剰な電子／正孔対の急速な再結
合により発生され、ＩＢＲにより刺激される。このよう
なモードでは、デバイスは概ね変調器のように機能す
る。
【００２２】これに対して、比較的高強度のＩＢＲおよ
び／またはＩＳＢＲおよび／または比較的長いＩＳＢＲ
吸収時間の場合、電子／正孔対の過剰数は比較的大き
く、その結果、ＩＳＢＲの吸収が止んだときに、相当な
ＩＢＲパルスが放出される。このパルス源のようなモー
ドでは、最大強度は平衡強度を１００％よりも多く、好
ましくは、１０倍以上。このパルスは極めて狭幅（例、
１０ｐｓ未満）である。このような極短パルスは様々な
科学分野および技術分野（例えば、ソリトン伝送）にお
いて興味を呼ぶものである。従って、本発明の半導体装
置はパルス発生器としても使用できる。
び／またはＩＳＢＲおよび／または比較的長いＩＳＢＲ
吸収時間の場合、電子／正孔対の過剰数は比較的大き
く、その結果、ＩＳＢＲの吸収が止んだときに、相当な
ＩＢＲパルスが放出される。このパルス源のようなモー
ドでは、最大強度は平衡強度を１００％よりも多く、好
ましくは、１０倍以上。このパルスは極めて狭幅（例、
１０ｐｓ未満）である。このような極短パルスは様々な
科学分野および技術分野（例えば、ソリトン伝送）にお
いて興味を呼ぶものである。従って、本発明の半導体装
置はパルス発生器としても使用できる。
【００２３】本発明の別の実施例は、ＱＷの全域に電界
を加える手段と、半導体本体にＩＳＢＲを供給する手段
からなる。半導体本体の透明度はスターク効果同調によ
り変化される。しかし、ＩＢＲは供給されず、ＩＳＢＲ
は、加えられた電気的変調信号に応じて変調される。変
調ＩＳＢＲは半導体本体から放射され、適当な利用手段
により利用される。
を加える手段と、半導体本体にＩＳＢＲを供給する手段
からなる。半導体本体の透明度はスターク効果同調によ
り変化される。しかし、ＩＢＲは供給されず、ＩＳＢＲ
は、加えられた電気的変調信号に応じて変調される。変
調ＩＳＢＲは半導体本体から放射され、適当な利用手段
により利用される。
【００２４】前記の半導体本体は独立型デバイスである
こともできるし、あるいは、適当な半導体レーザと共に
モノリシックに一体化させることもできる。ＱＷドーピ
ングレベルは企図されたデバイス機能に応じて選択され
る。例えば、半導体本体を変調器として使用する場合、
ＱＷドーピングレベルは１０12／ｃｍ2 程度が好適であ
る。他方、パルス発生器として使用する場合、少なくと
も或る場合には、かなり低いＱＷドーピングレベル（意
図的なドーピングを行わない場合を含む）が望ましい。
こともできるし、あるいは、適当な半導体レーザと共に
モノリシックに一体化させることもできる。ＱＷドーピ
ングレベルは企図されたデバイス機能に応じて選択され
る。例えば、半導体本体を変調器として使用する場合、
ＱＷドーピングレベルは１０12／ｃｍ2 程度が好適であ
る。他方、パルス発生器として使用する場合、少なくと
も或る場合には、かなり低いＱＷドーピングレベル（意
図的なドーピングを行わない場合を含む）が望ましい。
【００２５】本発明による半導体本体は概ね全ての直接
遷移形半導体材料（例、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓまたは
ＩｎＰのようなIII-V 族材料）に基づくことができる。
ＱＷ自由電子が比較的低い有効質量を有する材料系によ
れば、本発明により特に効率的なデバイスを得ることが
できる。ＩｎＧａＡｓＱＷにおける電子はＧａＡｓＱＷ
における有効質量よりもかなり低い有効質量を有する。
遷移形半導体材料（例、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓまたは
ＩｎＰのようなIII-V 族材料）に基づくことができる。
ＱＷ自由電子が比較的低い有効質量を有する材料系によ
れば、本発明により特に効率的なデバイスを得ることが
できる。ＩｎＧａＡｓＱＷにおける電子はＧａＡｓＱＷ
における有効質量よりもかなり低い有効質量を有する。
【００２６】本発明は前記のような半導体装置の動作方
法を提供する。この方法は、第１の波長の電磁輻射線と
変調信号を半導体本体に供給することからなる。第１の
波長はバンドギャップエネルギーに対応するように選択
される。従って、輻射線はＩＢＲである。この方法は更
に、第１の波長よりも長い第２の波長の輻射線（ＩＳＢ
Ｒ）を供給することからなる。第２の波長は、ＱＷ内の
自由キャリア分布が変調信号に応じて変化され、ＩＢＲ
が変調信号に応じて変調されるように選択される。変調
ＩＢＲは半導体本体から放射され、変調ＩＢＲ利用手段
に供給される。
法を提供する。この方法は、第１の波長の電磁輻射線と
変調信号を半導体本体に供給することからなる。第１の
波長はバンドギャップエネルギーに対応するように選択
される。従って、輻射線はＩＢＲである。この方法は更
に、第１の波長よりも長い第２の波長の輻射線（ＩＳＢ
Ｒ）を供給することからなる。第２の波長は、ＱＷ内の
自由キャリア分布が変調信号に応じて変化され、ＩＢＲ
が変調信号に応じて変調されるように選択される。変調
ＩＢＲは半導体本体から放射され、変調ＩＢＲ利用手段
に供給される。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明について更
に詳細に説明する。
に詳細に説明する。
【００２８】適当な手段によりＩＳＢＲ強度を変調し、
これにより、ＱＷ内の自由キャリア（例、電子）分布関
数を変更し、その結果、ＩＢＲに対する半導体本体の透
明度を変調する（これにより、ＩＢＲはＩＳＢＲ変調に
応じて変調される）ことができるが、このようなやり方
は好ましいアプローチではない。好ましい方法は、半導
体本体に加えられる電気的変調信号によりＩＳＢＲの吸
収を変化させることにより得られる変調と共に、概ね連
続波（ＣＷ）のＩＳＢＲ（比較的長いＩＳＢＲパルスを
含む）を使用することからなる。
これにより、ＱＷ内の自由キャリア（例、電子）分布関
数を変更し、その結果、ＩＢＲに対する半導体本体の透
明度を変調する（これにより、ＩＢＲはＩＳＢＲ変調に
応じて変調される）ことができるが、このようなやり方
は好ましいアプローチではない。好ましい方法は、半導
体本体に加えられる電気的変調信号によりＩＳＢＲの吸
収を変化させることにより得られる変調と共に、概ね連
続波（ＣＷ）のＩＳＢＲ（比較的長いＩＳＢＲパルスを
含む）を使用することからなる。
【００２９】本発明による好ましい半導体本体２０の模
式的構成を図２に示す。符号２１は半導体基板（例、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＰ）を示す。２１１は導電性半導体
層、２２は基板の多重ＱＷ活性領域、２５およ２６は活
性領域の全域に変調電界を加えることを容易にする接点
手段をそれぞれ示す。領域２２はＱＷ２３と障壁層２４
からなる。半導体組成物は、多層構造体が少なくともＩ
ＢＲ２７用の導波路を形成するように選択される。
式的構成を図２に示す。符号２１は半導体基板（例、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＰ）を示す。２１１は導電性半導体
層、２２は基板の多重ＱＷ活性領域、２５およ２６は活
性領域の全域に変調電界を加えることを容易にする接点
手段をそれぞれ示す。領域２２はＱＷ２３と障壁層２４
からなる。半導体組成物は、多層構造体が少なくともＩ
ＢＲ２７用の導波路を形成するように選択される。
【００３０】ＩＢＲ２７は一般的に、多層構造体のリッ
ジ状部分に付随する長手方向に沿って、多層構造体中に
入射される。ＩＳＢＲ２８も多層構造体の活性領域に入
射される。一般的に、この入射方向は長手方向に対して
垂直な方向である。好ましくは、ＩＳＢＲは単一モード
であり、ＴＭ偏光されている。活性（コア）領域は例え
ば、変調ドープされている。しかし、ＱＷの直接ドーピ
ングも可能である。変調ドーピングは当業者に周知であ
る。領域２９１および２９２は領域２２よりも低い実効
屈折率を有する。従って、領域２９１および２９２は導
波路構造体のクラッド領域を形成する。この構造体につ
いては図５で更に説明する。
ジ状部分に付随する長手方向に沿って、多層構造体中に
入射される。ＩＳＢＲ２８も多層構造体の活性領域に入
射される。一般的に、この入射方向は長手方向に対して
垂直な方向である。好ましくは、ＩＳＢＲは単一モード
であり、ＴＭ偏光されている。活性（コア）領域は例え
ば、変調ドープされている。しかし、ＱＷの直接ドーピ
ングも可能である。変調ドーピングは当業者に周知であ
る。領域２９１および２９２は領域２２よりも低い実効
屈折率を有する。従って、領域２９１および２９２は導
波路構造体のクラッド領域を形成する。この構造体につ
いては図５で更に説明する。
【００３１】図３はＱＷ２３と隣接する障壁層領域２４
に関するエネルギーレベルの関連部分を示す模式的な線
図である。符号３３および３４はそれぞれＱＷおよび障
壁領域の（古典的）伝導帯エッジを示す。また、符号３
５および３６は対応する価電子帯エッジを示す。符号３
７および３８は最低および次の高束縛電子エネルギーレ
ベルを示し、符号３９は最高束縛正孔エネルギーレベル
を示し、符号４０はＱＷ内の電子に付随する擬フェルミ
エネルギーレベルを示す。ＩＢＲは３９と３７の間の遷
移に付随し、ＩＳＢＲは３７と３８の間の遷移に付随す
る。
に関するエネルギーレベルの関連部分を示す模式的な線
図である。符号３３および３４はそれぞれＱＷおよび障
壁領域の（古典的）伝導帯エッジを示す。また、符号３
５および３６は対応する価電子帯エッジを示す。符号３
７および３８は最低および次の高束縛電子エネルギーレ
ベルを示し、符号３９は最高束縛正孔エネルギーレベル
を示し、符号４０はＱＷ内の電子に付随する擬フェルミ
エネルギーレベルを示す。ＩＢＲは３９と３７の間の遷
移に付随し、ＩＳＢＲは３７と３８の間の遷移に付随す
る。
【００３２】図１に示された状態に類似して、例えば、
ＩＳＢＲの吸収によりＱＷ内の電子ガスを加熱すること
により、自由キャリア吸収関数を変更すると、ＩＢＲの
損失が増大（すなわち、ＩＢＲに関する多層構造の透明
度が減少）し、電子を加熱しない場合の出力に比べて、
光出力が低くなる。
ＩＳＢＲの吸収によりＱＷ内の電子ガスを加熱すること
により、自由キャリア吸収関数を変更すると、ＩＢＲの
損失が増大（すなわち、ＩＢＲに関する多層構造の透明
度が減少）し、電子を加熱しない場合の出力に比べて、
光出力が低くなる。
【００３３】ＩＳＢＲは、活性領域２２の全域に電界が
加えられない場合、ＩＳＢＲが活性領域に殆ど吸収され
ないように選択される。更に、ＩＳＢＲは、活性領域の
全域に適当な電界が加えられたときに、ＩＳＢＲの吸収
が起こり、その結果、例えば、ＱＷ内の電子の加熱によ
り電子分布関数が変更され、そして、ＩＢＲの吸収が増
大するように選択される。
加えられない場合、ＩＳＢＲが活性領域に殆ど吸収され
ないように選択される。更に、ＩＳＢＲは、活性領域の
全域に適当な電界が加えられたときに、ＩＳＢＲの吸収
が起こり、その結果、例えば、ＱＷ内の電子の加熱によ
り電子分布関数が変更され、そして、ＩＢＲの吸収が増
大するように選択される。
【００３４】ＱＷの全域に電界を加えると図４に示すよ
うに、エネルギーバンドが傾斜することは当業者に周知
である。図４に模式的に図示されているように、この傾
斜は、関連する２個のサブバンド（例、電子レベル３７
´および３８）間のエネルギー差を変化させる（一般的
に、減少するように変化させる）ことができる。これが
本発明の好ましい実施例で利用されるスターク効果同調
である。
うに、エネルギーバンドが傾斜することは当業者に周知
である。図４に模式的に図示されているように、この傾
斜は、関連する２個のサブバンド（例、電子レベル３７
´および３８）間のエネルギー差を変化させる（一般的
に、減少するように変化させる）ことができる。これが
本発明の好ましい実施例で利用されるスターク効果同調
である。
【００３５】前記のように、本発明のデバイスは輻射線
変調器として（好ましくは、ＩＢＲの変調器として、ま
た、ＩＳＢＲの変調器として）機能するばかりか、ＩＢ
Ｒの極短パルス源としても機能することができる。これ
について下記に更に説明する。説明の便宜のために、自
由キャリアの“加熱”について説明する。
変調器として（好ましくは、ＩＢＲの変調器として、ま
た、ＩＳＢＲの変調器として）機能するばかりか、ＩＢ
Ｒの極短パルス源としても機能することができる。これ
について下記に更に説明する。説明の便宜のために、自
由キャリアの“加熱”について説明する。
【００３６】２個のレベルを有するシステムでは、上方
レベルにおけるキャリア数はキャリア温度の関数であ
り、上方レベルにおける最大キャリア数はキャリア温度
の上昇により増大する。従って、本発明の構造体におけ
るＩＳＢＲの吸収によるキャリアの加熱は上方レベルに
おけるキャリア数の増大を生じる。ＩＳＢＲの吸収が止
むと直ぐに、キャリア温度は格子温度にまで戻る。この
格子温度にまで戻る速度は、過剰数の電子および正孔が
所定のＩＢＲレベルおよび周囲温度に対応する定常状態
値に戻る速度よりも遥かに速い。
レベルにおけるキャリア数はキャリア温度の関数であ
り、上方レベルにおける最大キャリア数はキャリア温度
の上昇により増大する。従って、本発明の構造体におけ
るＩＳＢＲの吸収によるキャリアの加熱は上方レベルに
おけるキャリア数の増大を生じる。ＩＳＢＲの吸収が止
むと直ぐに、キャリア温度は格子温度にまで戻る。この
格子温度にまで戻る速度は、過剰数の電子および正孔が
所定のＩＢＲレベルおよび周囲温度に対応する定常状態
値に戻る速度よりも遥かに速い。
【００３７】この非静止状態はＩＢＲにより刺激される
高電子−正孔再結合を生じ、ＩＢＲの極短パルスの発生
を可能にする。このようなパルスは様々な科学分野で有
用であるが、例えば、光通信（例、ソリトンシステム）
においても有用である。この場合、変調器からＩＢＲレ
ーザまでの帰還は一般的に小さいので、ＩＢＲのモード
内容は変更されない。従って、単一モードＩＢＲの極短
パルスは前記のようにして発生させることができる。
高電子−正孔再結合を生じ、ＩＢＲの極短パルスの発生
を可能にする。このようなパルスは様々な科学分野で有
用であるが、例えば、光通信（例、ソリトンシステム）
においても有用である。この場合、変調器からＩＢＲレ
ーザまでの帰還は一般的に小さいので、ＩＢＲのモード
内容は変更されない。従って、単一モードＩＢＲの極短
パルスは前記のようにして発生させることができる。
【００３８】しかし、前記の構造体をＩＢＲレーザの光
学的キャビティ内に包含させると、構造体とレーザ自体
との間で帰還メカニズムが発生する。この場合、構造体
がＩＳＢＲを吸収するとき、ＩＢＲレーザにおける同じ
ポンピング電流値で、一層大きな電子および正孔蓄積が
活性レーザ領域内に起こり、その結果、追加的な損失メ
カニズムが生じる。ＩＳＢＲ吸収が止むと直ぐに、レー
ザ内の過剰な電子および正孔は誘導放出過程で再結合
し、極めて強力な短パルスが生じる。主に、このパルス
発生モードは、ＩＢＲの単一モード特性が必要ない用途
で使用される。
学的キャビティ内に包含させると、構造体とレーザ自体
との間で帰還メカニズムが発生する。この場合、構造体
がＩＳＢＲを吸収するとき、ＩＢＲレーザにおける同じ
ポンピング電流値で、一層大きな電子および正孔蓄積が
活性レーザ領域内に起こり、その結果、追加的な損失メ
カニズムが生じる。ＩＳＢＲ吸収が止むと直ぐに、レー
ザ内の過剰な電子および正孔は誘導放出過程で再結合
し、極めて強力な短パルスが生じる。主に、このパルス
発生モードは、ＩＢＲの単一モード特性が必要ない用途
で使用される。
【００３９】図５は２個の非ドープＱＷ領域５０および
５１からなる本発明の好ましい実施例の模式的斜視図で
ある。以下、５０および５１のＱＷを“接点ＱＷ”と呼
ぶ。
５１からなる本発明の好ましい実施例の模式的斜視図で
ある。以下、５０および５１のＱＷを“接点ＱＷ”と呼
ぶ。
【００４０】接点ＱＷの組成および厚さは、通常の動作
条件下で、ＩＳＢＲが領域５０および５１に殆ど吸収さ
れないように選択される。すなわち、接点ＱＷは、ＩＳ
ＢＲに対応するエネルギーが接点ＱＷに付随する内部サ
ブバンド分離エネルギーよりも低くなるように設計され
る。更に、ＴＭ偏光はコアＱＷにおいてＩＳＢＲの最大
吸収をもたらし、同時に、接点ＱＷにおいて最小吸収を
もたらすので、単一モードＴＭ偏光（すなわち、ＱＷの
平面内の磁気ベクトルおよびＱＷの平面に対して垂直な
電気的ベクトル）ＩＳＢＲを供給することが好ましい。
従って、ＩＳＢＲ供給手段は出力を適正に偏光する手段
と適当なＩＳＢＲ源（例、ＣＯ2 レーザ）の単一モード
を選択する手段からなる。
条件下で、ＩＳＢＲが領域５０および５１に殆ど吸収さ
れないように選択される。すなわち、接点ＱＷは、ＩＳ
ＢＲに対応するエネルギーが接点ＱＷに付随する内部サ
ブバンド分離エネルギーよりも低くなるように設計され
る。更に、ＴＭ偏光はコアＱＷにおいてＩＳＢＲの最大
吸収をもたらし、同時に、接点ＱＷにおいて最小吸収を
もたらすので、単一モードＴＭ偏光（すなわち、ＱＷの
平面内の磁気ベクトルおよびＱＷの平面に対して垂直な
電気的ベクトル）ＩＳＢＲを供給することが好ましい。
従って、ＩＳＢＲ供給手段は出力を適正に偏光する手段
と適当なＩＳＢＲ源（例、ＣＯ2 レーザ）の単一モード
を選択する手段からなる。
【００４１】図５において、符号５２および５３は接点
手段を示す。このような手段は公知の方法（例、拡散ま
たはイオン注入など）により製造できる。接点手段５２
は、金属接点領域におけるＩＳＢＲの吸収を最小にする
ために、狭い横方向延長部を有することが好ましい。
手段を示す。このような手段は公知の方法（例、拡散ま
たはイオン注入など）により製造できる。接点手段５２
は、金属接点領域におけるＩＳＢＲの吸収を最小にする
ために、狭い横方向延長部を有することが好ましい。
【００４２】一般的に、活性領域２２は領域５４および
５５よりも大きな屈折率を有する。従って、構造体は、
コアに相当する２２およびクラッドに相当する５４およ
び５５と共に、ＩＢＲ用の導波路を形成することが望ま
しい。ＩＳＢＲ電界の小部分しかクラッド層５４および
５５を越えて領域５１および５０内に延びないように、
ＩＳＢＲが殆どコア領域に閉じ込められるように、多層
構造を設計することが望ましい。コア領域におけるＩＳ
ＢＲの強度は適当な反射構造体を用いることにより高め
ることができる。反射器と多層誘電体ミラーは公知であ
る。
５５よりも大きな屈折率を有する。従って、構造体は、
コアに相当する２２およびクラッドに相当する５４およ
び５５と共に、ＩＢＲ用の導波路を形成することが望ま
しい。ＩＳＢＲ電界の小部分しかクラッド層５４および
５５を越えて領域５１および５０内に延びないように、
ＩＳＢＲが殆どコア領域に閉じ込められるように、多層
構造を設計することが望ましい。コア領域におけるＩＳ
ＢＲの強度は適当な反射構造体を用いることにより高め
ることができる。反射器と多層誘電体ミラーは公知であ
る。
【００４３】図７および図８は、ＩｎＧａＡｓＱＷにお
ける、ＱＷ内の三種類の電子濃度に関する、電子温度の
関数として、相対吸収係数（ｇT ／ｇ300 ）の関係を示
す特性曲線図である。全てのケースにおいて、格子温度
は３００Ｋの一定とした。この特性曲線から明らかなよ
うに、相対吸収係数は電子濃度の増大につれて急速に増
大する。このことは、効率的な変調の可能性を示す。
ける、ＱＷ内の三種類の電子濃度に関する、電子温度の
関数として、相対吸収係数（ｇT ／ｇ300 ）の関係を示
す特性曲線図である。全てのケースにおいて、格子温度
は３００Ｋの一定とした。この特性曲線から明らかなよ
うに、相対吸収係数は電子濃度の増大につれて急速に増
大する。このことは、効率的な変調の可能性を示す。
【００４４】図９はパルス発生器様の特性を示す本発明
のデバイスに対する“入力”の一例を示す模式図であ
る。図示されているように、ＩＢＲおよびＩＳＢＲの両
方ともＣＷであり、（電気的）変調信号はバイナリー形
である。図１０は本発明の発生器から放出されたＩＢＲ
強度を示す。ＩＢＲ入力強度は、自己誘導透明性のため
に、殆ど全てのＩＢＲが半導体本体を通して伝送される
のに、十分な大きさであると思われる。従って、非ゼロ
平衡強度１００が存在する。
のデバイスに対する“入力”の一例を示す模式図であ
る。図示されているように、ＩＢＲおよびＩＳＢＲの両
方ともＣＷであり、（電気的）変調信号はバイナリー形
である。図１０は本発明の発生器から放出されたＩＢＲ
強度を示す。ＩＢＲ入力強度は、自己誘導透明性のため
に、殆ど全てのＩＢＲが半導体本体を通して伝送される
のに、十分な大きさであると思われる。従って、非ゼロ
平衡強度１００が存在する。
【００４５】変調電圧を突然に“ＯＦＦ”すると、半導
体本体におけるＩＳＢＲ吸収の急激な低下が起こる。発
生された非平衡電子／正孔分布は、再結合により、格子
温度に付随する値に向かって急速に弛緩し、狭幅なパル
ス１０１を放出する。変調電界が再びかけられると、Ｉ
ＳＢＲ吸収は再び急速に増大し、半導体本体内に追加Ｉ
ＢＲ吸収（“くぼみ”１０２で表される）を生じる。半
導体本体の透明度が回復されるやいなや、システムは別
の“放電”に備える。
体本体におけるＩＳＢＲ吸収の急激な低下が起こる。発
生された非平衡電子／正孔分布は、再結合により、格子
温度に付随する値に向かって急速に弛緩し、狭幅なパル
ス１０１を放出する。変調電界が再びかけられると、Ｉ
ＳＢＲ吸収は再び急速に増大し、半導体本体内に追加Ｉ
ＢＲ吸収（“くぼみ”１０２で表される）を生じる。半
導体本体の透明度が回復されるやいなや、システムは別
の“放電”に備える。
【００４６】本発明の半導体装置は様々な形状をとるこ
とができる。例えば、光相互接続を有する電子組立体ま
たは副組立体、光データ処理装置および光通信システム
などにすることができる。本発明の光通信システムの一
例を図６に示す。レーザ６１はＩＢＲ６２を放出する。
このＩＢＲ６２は変調器６３に入射する。ＣＯ2 レーザ
６４はＩＳＢＲ６５を放出する。このＩＳＢＲ６５から
単一モードを選択し、ＴＭ偏光し、そして、必要に応じ
て線合焦させる。これらの作業は全てコンディショナー
６７により行われる。
とができる。例えば、光相互接続を有する電子組立体ま
たは副組立体、光データ処理装置および光通信システム
などにすることができる。本発明の光通信システムの一
例を図６に示す。レーザ６１はＩＢＲ６２を放出する。
このＩＢＲ６２は変調器６３に入射する。ＣＯ2 レーザ
６４はＩＳＢＲ６５を放出する。このＩＳＢＲ６５から
単一モードを選択し、ＴＭ偏光し、そして、必要に応じ
て線合焦させる。これらの作業は全てコンディショナー
６７により行われる。
【００４７】状態調節されたＩＳＢＲ６６は、概ね図５
に示されたように、変調器６３の活性領域に入射され
る。電気的変調信号６３１を変調器６３に加えるとＩＢ
Ｒが変調され、その結果、変調ＩＢＲ６２１が変調器６
３から出てくる。変調ＩＢＲは必要に応じて光ファイバ
６８に送入され、光ファイバ６８を通して検出器６９に
伝送される。検出器出力６９１は適当な応答手段（図示
されていない）に入力することができる。
に示されたように、変調器６３の活性領域に入射され
る。電気的変調信号６３１を変調器６３に加えるとＩＢ
Ｒが変調され、その結果、変調ＩＢＲ６２１が変調器６
３から出てくる。変調ＩＢＲは必要に応じて光ファイバ
６８に送入され、光ファイバ６８を通して検出器６９に
伝送される。検出器出力６９１は適当な応答手段（図示
されていない）に入力することができる。
【００４８】図１１に別の実施例１１０を示す。輻射線
源１０１はＣＷＩＳＢＲ１０２を放出する。この輻射線
は本発明による変調器１０３に入射し、電気的変調信号
１０４に応じて変調される。変調ＩＳＢＲ１０２１は変
調器１０３から放出され、利用手段１０５に入射され
る。
源１０１はＣＷＩＳＢＲ１０２を放出する。この輻射線
は本発明による変調器１０３に入射し、電気的変調信号
１０４に応じて変調される。変調ＩＳＢＲ１０２１は変
調器１０３から放出され、利用手段１０５に入射され
る。
【００４９】次に、具体例を挙げて本発明を例証する。
【００５０】概ね図５に示されるような半導体本体を次
のようにして作製した。常用の半絶縁ＧａＡｓ基板ウエ
ハ上に連続的に次の各層を形成した。変調ドープト多重
ＱＷ下部接点領域（１０段からなる。各段は６．５ｎｍ
の非ドープトＧａＡｓＱＷ，１５ｎｍの非ドープトＡｌ
0.35Ｇａ0.65Ａｓスペーサ，１０ｎｍのＳｉドープトＡ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓスペーサからなる。後の三層は隣接
するＱＷを分離する障壁層を構成する。）；ドープされ
ていない厚さ２μｍのＡｌＡｓ下部クラッド層；変調ド
ープト多重ＱＷコア領域（３０段からなる。各段は前記
と同様な構成を有する。但し、ＱＷ層の膜厚は８．２μ
ｍである。）；ドープされていない厚さ２μｍのＡｌＡ
ｓ上部クラッド層および下部接点領域と同一の上部接点
領域。
のようにして作製した。常用の半絶縁ＧａＡｓ基板ウエ
ハ上に連続的に次の各層を形成した。変調ドープト多重
ＱＷ下部接点領域（１０段からなる。各段は６．５ｎｍ
の非ドープトＧａＡｓＱＷ，１５ｎｍの非ドープトＡｌ
0.35Ｇａ0.65Ａｓスペーサ，１０ｎｍのＳｉドープトＡ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓスペーサからなる。後の三層は隣接
するＱＷを分離する障壁層を構成する。）；ドープされ
ていない厚さ２μｍのＡｌＡｓ下部クラッド層；変調ド
ープト多重ＱＷコア領域（３０段からなる。各段は前記
と同様な構成を有する。但し、ＱＷ層の膜厚は８．２μ
ｍである。）；ドープされていない厚さ２μｍのＡｌＡ
ｓ上部クラッド層および下部接点領域と同一の上部接点
領域。
【００５１】ドーピングレベルを選択し、ＱＷ内で約
１．５×１０12電子／ｃｍ2 の濃度を生成した。多層構
造体はＭＢＥにより成長させた。層成長が完了した後、
図５に示されるように、幅５μｍのリッジを常用のリソ
グラフィおよびエッチングすることにより形成し、上部
および下部接点領域にドーパントを内部拡散させること
により狭幅なｎ+ 領域を形成し、そして、常用のＡｕ／
Ｇｅメタライゼーションをｎ+ 領域上に形成した。
１．５×１０12電子／ｃｍ2 の濃度を生成した。多層構
造体はＭＢＥにより成長させた。層成長が完了した後、
図５に示されるように、幅５μｍのリッジを常用のリソ
グラフィおよびエッチングすることにより形成し、上部
および下部接点領域にドーパントを内部拡散させること
により狭幅なｎ+ 領域を形成し、そして、常用のＡｕ／
Ｇｅメタライゼーションをｎ+ 領域上に形成した。
【００５２】劈開して長さ１００μｍの半導体本体を形
成した後、ＧａＡｓＱＷレーザから放出された約０．８
μｍのＣＷ輻射線を前記構造体のコア領域に縦方向から
入射させた。ＣＯ2 レーザから放出された単一モードＴ
Ｍ偏光輻射線を横方向からコア領域に入射させた。ＡＣ
変調電圧を２個の金属接点から印加した。デバイスは予
期した通りに動作した。放出された０．８μｍの輻射線
はＡＣ変調電圧に応じた変調を示した。
成した後、ＧａＡｓＱＷレーザから放出された約０．８
μｍのＣＷ輻射線を前記構造体のコア領域に縦方向から
入射させた。ＣＯ2 レーザから放出された単一モードＴ
Ｍ偏光輻射線を横方向からコア領域に入射させた。ＡＣ
変調電圧を２個の金属接点から印加した。デバイスは予
期した通りに動作した。放出された０．８μｍの輻射線
はＡＣ変調電圧に応じた変調を示した。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
一層高い周波数（究極的には、ＥＰＲ周波数以上の周波
数）で光輻射線を変調することができる。また、本発明
のデバイスは、自由キャリア分布関数を変更することに
より半導体本体の透明度が変化し、半導体本体に供給さ
れるＩＢＲ（およびＩＳＢＲ）の強度、ＩＳＢＲがＱＷ
に吸収されている時間の長さなどのようなパラメータの
選択に応じて、変調器として、あるいは、パルス発生器
として使い分けることができる。
一層高い周波数（究極的には、ＥＰＲ周波数以上の周波
数）で光輻射線を変調することができる。また、本発明
のデバイスは、自由キャリア分布関数を変更することに
より半導体本体の透明度が変化し、半導体本体に供給さ
れるＩＢＲ（およびＩＳＢＲ）の強度、ＩＳＢＲがＱＷ
に吸収されている時間の長さなどのようなパラメータの
選択に応じて、変調器として、あるいは、パルス発生器
として使い分けることができる。
【図１】従来のレーザの出力特性を模式的に示す特性図
である。
である。
【図２】本発明による半導体本体の一例を模式的に示す
斜視図である。
斜視図である。
【図３】ＱＷと隣接する障壁層領域に関するエネルギー
レベルの関連部分を示す模式的線図である。
レベルの関連部分を示す模式的線図である。
【図４】ＱＷと隣接する障壁層領域に関するエネルギー
レベルの関連部分を示す模式的線図である。
レベルの関連部分を示す模式的線図である。
【図５】本発明による半導体本体の別の例を模式的に示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図６】本発明による半導体装置の使用例を示す模式的
構成図である。
構成図である。
【図７】相対吸収係数対自由キャリア温度の関係を示す
特性図である。
特性図である。
【図８】相対吸収係数対自由キャリア温度の関係を示す
特性図である。
特性図である。
【図９】本発明によるパルス発生器に対する入力を示す
模式図であり、（ａ）はＩＢＲ強度と時間の関係、
（ｂ）はＩＳＢＲ強度と時間の関係、（ｃ）は変調信号
と時間の関係を示す。
模式図であり、（ａ）はＩＢＲ強度と時間の関係、
（ｂ）はＩＳＢＲ強度と時間の関係、（ｃ）は変調信号
と時間の関係を示す。
【図１０】図９の入力に対応する伝送ＩＢＲを示す模式
図である。
図である。
【図１１】本発明による半導体装置の別の使用例を示す
模式的構成図である。
模式的構成図である。
２０ 半導体本体 ２１ 基板 ２１１ 導電性半導体層 ２２ 多重ＱＷ活性領域 ２３ ＱＷ ２４ 障壁層 ２５ 接点手段 ２６ 接点手段 ２７ ＩＢＲ ２８ ＩＳＢＲ ３３ 伝導帯エッジ ３４ 伝導帯エッジ ３５ 価電子帯エッジ ３６ 価電子帯エッジ ３７ 最低束縛電子エネルギー ３８ 高束縛電子エネルギー ３９ 最高束縛電子エネルギー ５０ 接点ＱＷ ５１ 接点ＱＷ ５２ 接点手段 ５３ 接点手段 ６２ ＩＢＲ ６５ ＩＳＢＲ ６８ 光ファイバ ６３１ 電気的変調信号 ６９１ 検出器出力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 セルゲイ ルーリ アメリカ合衆国 08807 ニュージャージ ー ブリッジウォーター、パペン ロード 907
Claims (9)
- 【請求項１】 量子井戸（ＱＷ、２３）を有する多層構
造体（２２）からなり、前記ＱＷは、バンドギャップエ
ネルギーおよびサブバンドエネルギー差を有し、前記Ｑ
Ｗ内の第１の導電タイプの自由キャリアは、自由キャリ
ア分布関数に関係し、格子温度が付随する半導体本体
（２０）において、 （ｘ） 半導体本体に変調信号を供給する手段（２５、
２６）と、 （ａ） 半導体本体に第１の波長の電磁輻射線（“内部
バンド輻射線”即ち“ＩＢＲ”，２７）を供給する手段
と、 前記第１の波長は、前記バンドギャップエネルギーに対
応して選択され、 （ｂ） 半導体本体に、第１の波長よりも長い第２の波
長の電磁輻射線（“内部サブバンド輻射線”即ち“ＩＳ
ＢＲ”，２８）を供給する手段と， 前記第２の波長の選択は、ＩＳＢＲにより自由キャリア
分布関数を変調信号に応じて変更させることができ、前
記変調信号に応じてＩＢＲが変調され、変調ＩＢＲが半
導体本体から放出されるように、なされ、 （ｃ） 変調ＩＢＲ利用手段（６９）と、 を有することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 前記変調信号供給手段は、ＱＷ全域に電
界を加えることができる接点手段（２５，２６）からな
り、サブバンドエネルギー差はスターク効果により変化
することを特徴とする請求項１の半導体装置。 - 【請求項３】 前記第２の波長は、印加電界の第１所定
値においてＩＳＢＲがＱＷ内に殆ど吸収されず、第２所
定値においてＩＳＢＲがＱＷ内に吸収されるように選択
されることを特徴とする請求項２の半導体装置。 - 【請求項４】 前記接点手段は、少なくとも１個の接点
ＱＷ（５０，５１）からなり、 前記接点ＱＷの組成および厚さは、前記ＩＳＢＲが接点
ＱＷ内に殆ど吸収されないように決定されることを特徴
とする請求項２の半導体装置。 - 【請求項５】 前記ＩＳＢＲ供給手段は、偏光およびモ
ード選択手段（６７）からなり、 半導体本体に供給されるＩＳＢＲは、概ね単一モードで
あり、ＱＷの平面に対して概ね垂直な電気的ベクトルと
共に線状に偏光されており、 前記偏光は、“ＴＭ”偏光であることを特徴とする請求
項１の半導体装置。 - 【請求項６】 前記変調信号供給手段は、ＩＳＢＲ変調
手段からなり、 自由キャリア分布関数は、自由キャリア温度を特徴とす
る概ねフェルミ−ダィラック形であり、 分布関数の変更は、自由キャリア温度を格子温度以上に
上昇させることを特徴とする請求項１の半導体装置。 - 【請求項７】 半導体本体は、多層構造のＱＷからな
り、 自由キャリアは、電子であり、 半導体本体は、直接遷移形半導体材料からなり、 前記直接遷移形半導体材料は、III-V 族半導体材料であ
ることを特徴とする請求項１の半導体装置。 - 【請求項８】 半導体本体はドープされており、 第１の導電タイプの自由キャリアは、ＱＷ内に存在する
ことを特徴とする請求項１の半導体装置。 - 【請求項９】 量子井戸（ＱＷ）（２３）を有し、前記
ＱＷは、バンドギャップエネルギーおよびサブバンドエ
ネルギー差を有し、第１の導電タイプの自由キャリアが
ＱＷ内に存在するようにドープされており、前記自由キ
ャリアは、自由キャリア分布関数が関係し、格子温度が
付随する半導体装置において、 （ｘ） 前記半導体本体に変調信号を供給する手段と、 （ａ） 前記変調信号供給手段は、スターク効果により
サブバンドエネルギー差を変化させることができるよう
にＱＷの全域に電界を加えることができる接点手段（５
２，５３）からなり； （ｂ） 半導体本体に内部サブバンド輻射線（ＩＳＢ
Ｒ，６５）を供給する手段と、 （ｃ） 変調ＩＳＢＲ利用手段とを有し、 前記自由キャリア分布関数は、変調信号に応じて変更可
能で、 前記ＩＳＢＲは、変調信号に応じて変調され、 この変調ＩＳＢＲが、半導体本体から放出されるよう
に、ＩＳＢＲの波長は選択され、印加電界の第１所定値
において、ＩＳＢＲがＱＷ内に殆ど吸収されず、その第
２所定値において、ＩＳＢＲがＱＷ内に吸収されるよう
に、ＩＳＢＲの波長は選択されることを特徴とする半導
体装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/814,745 US5300789A (en) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | Article comprising means for modulating the optical transparency of a semiconductor body, and method of operating the article |
| US814745 | 1991-12-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0685375A true JPH0685375A (ja) | 1994-03-25 |
| JPH0777277B2 JPH0777277B2 (ja) | 1995-08-16 |
Family
ID=25215903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4357267A Expired - Fee Related JPH0777277B2 (ja) | 1991-12-24 | 1992-12-24 | 半導体装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5300789A (ja) |
| EP (1) | EP0549132B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0777277B2 (ja) |
| DE (1) | DE69225056T2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5486946A (en) * | 1994-12-21 | 1996-01-23 | Motorola | Integrated electro-optic package for reflective spatial light modulators |
| US5784157A (en) * | 1995-11-21 | 1998-07-21 | The Research Foundation Of State University Of New York | Method and apparatus for identifying fluorophores |
| FR2741483B1 (fr) * | 1995-11-21 | 1998-01-02 | Thomson Csf | Dispositif optoelectronique a puits quantiques |
| SE505753C2 (sv) * | 1996-01-11 | 1997-10-06 | Imc Ind Mikroelektronikcentrum | Strukturer för temperatursensorer och infraröddetektorer |
| US5784188A (en) * | 1996-02-13 | 1998-07-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Inc. | Electro-absorption optical modulator and method for fabricating the same |
| JPH10189749A (ja) * | 1996-12-27 | 1998-07-21 | Toshiba Corp | 半導体集積回路装置、半導体集積回路装置の多電源供給方法、半導体集積回路装置の多電源供給プログラムを記録した機械読み取り可能な記録媒体 |
| FR2763705A1 (fr) * | 1997-05-23 | 1998-11-27 | Schlumberger Ind Sa | Filtre optique comprenant une structure a multipuits quantiques |
| AU2001290729A1 (en) * | 2000-09-08 | 2002-03-22 | The Texas A And M University System | Infrared generation in semiconductor lasers |
| DE10227168A1 (de) * | 2002-06-18 | 2004-01-15 | Infineon Technologies Ag | Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, Verfahren zur optischen Signalübertragung und optischer Modulator |
| DE102005004582A1 (de) * | 2005-01-26 | 2006-07-27 | Philipps-Universität Marburg | III/V-Halbleiter |
| WO2010048484A2 (en) * | 2008-10-24 | 2010-04-29 | The Regents Of The University Of California | Optical spectral concentrator, sensors and optical energy power systems |
| FR2948816B1 (fr) * | 2009-07-30 | 2011-08-12 | Univ Paris Sud | Dispositifs electro-optiques bases sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions isb. |
| KR101733257B1 (ko) * | 2009-11-05 | 2017-05-24 | 가부시키가이샤 니콘 | 포커스 테스트 마스크, 포커스 계측 방법, 노광 장치, 및 노광 방법 |
| CN101894876B (zh) * | 2010-06-04 | 2011-12-07 | 中国科学院半导体研究所 | 量子级联探测器结构 |
| JP5742344B2 (ja) * | 2011-03-20 | 2015-07-01 | 富士通株式会社 | 受光素子、光受信器及び光受信モジュール |
| EP4062212B1 (en) * | 2019-11-22 | 2024-10-09 | RTX BBN Technologies, Inc. | Hetergenous integration and electro-optic modulation of iii-nitride photonics on a silicon photonic platform |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4894526A (en) * | 1987-01-15 | 1990-01-16 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Infrared-radiation detector device |
| FR2619936B1 (fr) * | 1987-09-01 | 1989-12-01 | Thomson Csf | Modulateur pour onde electromagnetique, a puits quantiques, et utilisation de ce modulateur comme polariseur |
| US5023685A (en) * | 1988-06-06 | 1991-06-11 | Bethea Clyde G | Quantum-well radiation-interactive device, and methods of radiation detection and modulation |
| FR2655434B1 (fr) * | 1989-12-05 | 1992-02-28 | Thomson Csf | Dispositif optique a puits quantiques et procede de realisation. |
| US5075749A (en) * | 1989-12-29 | 1991-12-24 | At&T Bell Laboratories | Optical device including a grating |
-
1991
- 1991-12-24 US US07/814,745 patent/US5300789A/en not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-11-23 EP EP92310676A patent/EP0549132B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-11-23 DE DE69225056T patent/DE69225056T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1992-12-24 JP JP4357267A patent/JPH0777277B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
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| JPH0777277B2 (ja) | 1995-08-16 |
| DE69225056T2 (de) | 1998-07-30 |
| US5300789A (en) | 1994-04-05 |
| EP0549132A2 (en) | 1993-06-30 |
| EP0549132B1 (en) | 1998-04-08 |
| DE69225056D1 (de) | 1998-05-14 |
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