JPH05224263A - 電子−光量子井戸デバイスを含む製品 - Google Patents

電子−光量子井戸デバイスを含む製品

Info

Publication number
JPH05224263A
JPH05224263A JP23623792A JP23623792A JPH05224263A JP H05224263 A JPH05224263 A JP H05224263A JP 23623792 A JP23623792 A JP 23623792A JP 23623792 A JP23623792 A JP 23623792A JP H05224263 A JPH05224263 A JP H05224263A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layers
product
quantum well
semiconductor
combination
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.)
Withdrawn
Application number
JP23623792A
Other languages
English (en)
Inventor
Federico Capasso
キャパソ フェデリコ
Alfred Y Cho
イー チョー アルフレッド
Carlo Sirtori
サートリ カルロ
Lawrence Camest West
カメスト ウエスト ローレンス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by American Telephone and Telegraph Co Inc filed Critical American Telephone and Telegraph Co Inc
Publication of JPH05224263A publication Critical patent/JPH05224263A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/01Devices 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 
    • G02F1/015Devices 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
    • G02F1/017Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01725Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3556Semiconductor materials, e.g. quantum wells
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/01Devices 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 
    • G02F1/015Devices 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
    • G02F1/017Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01716Optically controlled superlattice or quantum well devices
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/01Devices 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 
    • G02F1/015Devices 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
    • G02F1/017Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01725Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
    • G02F1/01733Coupled or double quantum wells
    • G02F1/01741Asymmetrically coupled or double quantum wells
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/37Non-linear optics for second-harmonic generation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL 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
    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices

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)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 3〜100μmのIR波長域において高速で
効率の高い変調器および狭帯域放射源を提供する。 【構成】 Inを含むか、またはこの目的に適した他の
半導体材料系でキャリヤのトンネリングが容易な薄い障
壁層203を挟む非対称な一対の量子井戸204と20
2とから成るヘテロエピタキシャル半導体層構造で、井
戸の外側にはトンネリングが不可能な幅の広い障壁を配
置する。またこの井戸構造は22,23,24で示す量
子化されたエネルギー準位E1 ,E2 ,E3をもつ。こ
の非対称量子井戸構造を半絶縁性半導体、例えばInP
の基板上に周期的に多数を層構成する。このMQW構造
の上下両面に半導体接触層を設け制御電界を印加する。
試料は狭い帯状にへき開する。ポンプ光は基板端面から
入射し基板とMQW層を通って反射を繰り返し、基板の
他の端面から出る。制御電界により△E12,△E23が変
化させて変調、SHGの同調、脱調を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明の分野 本発明は量子井戸半導体デバイスの分野に係る。
【0002】本発明の背景 量子井戸(QW)半導体デバイスはよく知られている。
(たとえば、エフ・キャパッソ(F.Capasso)、サイ
エンス(Science)、235巻、172頁を参照のこ
と)二次高調波発生(SHG)のような二次の非線形効
果が、非対称量子井戸に付随していることも、よく知ら
れている。たとえば、エム・エム・フェジャー(M.
M.Fejer)ら、フィジカル・レビュー・レターズ(
hysical Review Letters)、62巻、1041頁(1
989)を参照のこと。彼はAlGaAs/GaAsQ
W構造中のSHGを報告している。約10μmの波長の
ポンピング放射を用いたSHGに関心がもたれている。
なぜならば、約5μmの波長の放射に対しては、効率の
よい狭帯域光源がないからである。
【0003】SHGに用いられる従来技術のQW構造
は、アンドープの組成的に非対称の井戸を含む[たとえ
ば、エス・ジェイ・ビー・ユー(S.J.B.Yoo)
ら、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Ph
ysics Letters)、58巻、1724頁(1991)及
びイー・ローゼンシャー(E.Rosencher)ら、エレク
トロニクス・レターズ(Electronics Letters)、25
巻、1063頁(1989)を参照のこと]か印加電解
により導入された非対称とともに、組成的な非対称井戸
を含む(上で引用したエム・エム・フェジャー(M.
M.Fejer)ら)。
【0004】イー・ローゼンシャー(E.Rosencher)
ら、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Ph
ysics Letters)、56(19)巻、1822頁(19
90)は光整流に適したQW構造を報告しており、構造
は中間の高さ(24nm Al.18Ga.82As)の厚い
障壁層により分離されたわずかに異なる厚さ(それぞれ
7及び5nm)の2つの(本質的にアンドープの)Ga
As量子井戸を含む。アール・ピー・ジー・カルナシリ
(R.P.G.Karunasili)ら、アイ・イーイーイー・
エレクトロン・デバイス・レターズ(IEEE Electr
on Device Letters)、11(5)巻、227頁は、
同調可能なIR変調器及び段差量子井戸を用いたスイッ
チを明らかにしている。
【0005】従来技術のQW構造に付随した欠点があ
る。たとえば、ある種の材料系においては、組成的に段
差をもつか、勾配をもつ中間組成の層を生成することが
困難で、一方電界で導入される非対称性は、比較的効率
が低い。
【0006】中間赤外領域における効率のよい放射源及
び変調器あるいは一方、特に速いスイッチングが可能な
デバイスの必要性という点で、Inを含むか他の半導体
系で容易に実現でき、一実施例ではIR放射の速い光源
として働かすことができ、他の実施例では高いオン/オ
フ比をもてるIR放射の速い変調器として働かすことが
できるQWデバイスを得ることが望ましい。本明細書は
そのようなデバイスを明らかにする。
【0007】本発明の要約 本発明は特許請求の範囲により規定される。広義には、
本発明に従う製品は、印加電界により大きな二次非線形
効果を示すように同調がとれ、異なる厚さの2つの強く
結合した量子井戸、典型的な場合、複数の量子井戸のそ
のような結合対を含むQW半導体デバイスを含む。本発
明に従うデバイスは、たとえば光変調器及び典型的な場
合ほぼ3−100μmの波長範囲における速い狭帯域I
R放射源の両方又は一方として働かせることができる。
【0008】本発明の著しい特徴は、非対称なヘテロエ
ピタキシャル半導体層の組合せを用いることである。そ
れは、順に第1の障壁層、厚さtw1の第1のQW層、厚
さtb の第2の障壁層、厚さtw2の第2のQW層及び第
3の障壁層を含む。層のそれぞれにはバンド端(場合に
よって、伝導帯端又は価電子帯端)が付随し、障壁層の
それぞれのバンド端はエネルギー的に、QW層のそれぞ
れのバンド端より“より高い”。“より高い”というの
は、可動荷電キャリヤに関するものと理解すべきであ
る。たとえば、適切な可動荷電キャリヤが正孔なら、対
応するバンド端は価電子帯端で、障壁層バンド端は当業
者には明らかなように、慣習的に負の方向に“より高
い”。
【0009】本発明に従う層の組合せにおいて、層の少
なくとも1つは、層の組合せのQW層の少なくとも1つ
に、可動荷電キャリヤを供給するのに適したドーパント
原子を含む。現在好ましい実施例において、可動荷電キ
ャリヤは電子である。なぜならば、ここで関心のあるほ
とんどの半導体材料において、電子は正孔より著しく低
い有効質量をもつからである。たとえば、ドーパントレ
ベルはほぼ1017−5×1018cm-3の範囲で、ドーパ
ント濃度は典型的な場合、第2高調波発生器より変調器
中で高い。
【0010】本発明に従う製品は、層の組合せを横切る
方向(すなわち垂直方向)に電界を印加する手段を含
み、更に(波長λの)電磁放射を層の組合せを含む半導
体基体に結合させるための手段を含む。当業者にはその
ような手段は周知である。
【0011】本発明の著しい特徴は、層の厚さtw1、t
w2 及びtbを、tw1>tw2 かつtb<20nm、典型的
な場合<10nm、好ましくは5<nmに選択すること
にある。更に、tb は可動荷電キャリヤは層の組合せの
1つのQWから他のQWへ容易にトンネルできるように
選択される。更に、tw1及びtw2は第1及び第2のQW
に、それぞれ可動荷電キャリヤに対する第1及び第2の
エネルギーレベルが付随し、第1及び第2のエネルギー
レベルは、それぞれE1及びE2だけ第1のQWバンド端
よりエネルギー的に高いように選択される。E2>E
1で、E2−E1=ΔE12はhνから、せいぜい0.3Δ
12だけ異なる(hはプランク定数で、ν=c/λ。こ
こでcは光速である)。後者の条件は中でもデバイスが
適度な印加電界で共振するよう同調できることを確実に
する。
【0012】第1及び第3の障壁層の厚さは、前記可動
荷電キャリヤがこれらの障壁層のいずれも本質的にトン
ネルできないように選択される。たとえば、それらの厚
さはトンネル確率が5%以下になるよう選択される。本
発明に従う層の組合せには、第1のエネルギー準位から
第2のエネルギー準位への可動荷電キャリヤの遷移に付
随した双極子マトリックス要素<Z12>が付随する。重
要なことは、tw1、tw2 及びtb は<Z12>が 0.3
nmより大きく、好ましくは0.5または1nm以上に
すらなるように選択される。<Z12>が小さな値の場合
は、1→2遷移の確率は、多くのデバイス中で用いるに
は低すぎる。
【0013】本発明に従う多くの製品において、上で述
べたそうの組合せを含む半導体基体は、III−V半導
体基体で、層の組合せの材料は、3つの障壁層が等しい
組成をもち、2つのQW層も等しい組成をもつように選
択される。更に、本発明に従う製品においては、半導体
基体は典型的な場合単一組成の層を含まず、代りに多く
の(たとえば40かそれ以上もの)そのような組合せを
含む。典型的な場合、組合せは本質的に同一で、典型的
な場合周期的に分離されている。そのような周期的な構
造において、第1の障壁層は与えられた層の組合せ及び
その2つの隣接した組合せの1つにより構成されると考
えることができ、第3の障壁層は与えられた層の組合せ
及びその他の隣接した組合せにより構成されると考える
ことができる。当業者には明らかなように、この描像は
多くの層の組合せNを含む周期的構造の最も外側の2つ
の組合せを除くすべてについて成り立つ。例えば、量N
(tw1+tw2+tb)は0.5−1.5nmの範囲にあ
る。
【0014】(二次高調波放射源及びある種の変調器を
含む)本発明の多くの実施例において、tw1及びtw2
第1のQW層には、第1のQWバンド端よりE3>E2
け“高い”第3のエネルギー準位が付随するように選択
される。E3−E2=ΔE23はhνからせいぜい0.3Δ
23だけ異なる。この層の組合せには、それぞれ可動荷
電キャリヤの第2から第3(2→3)及び第3から第1
(3→1)エネルギー準位の光学的遷移を可能にする双
極子マトリックス要素<Z23>及び<Z31>が付随す
る。層の厚さは<Z23>及び<Z31>のそれぞれが0.
3nmより大きく、好ましくは0.5か1nmよりも大
きくなるように選択されることが望ましい。好ましい実
施例において、層構造は<Z12>、<23>及び<Z31
の積が積の数学的最大値の75%(好ましくは本質的に
100%)より大きくなり、それによって高効率SHG
が確実になるように選択される。上で述べた形の層の組
合せは、印加電界により、波長λの結合誘導放射と共振
させ、SHGが急速にスイッチオン又はオフさせること
ができる。別の実施例において、層構造は1→2遷移が
波長λの結合誘導放射と共振するかあるいははずすよう
に、電界同調させられる。そのような実施例は、波長λ
の放射の速い変調器として働かせることができる。更に
別の実施例において、デバイスは波長λpのポンピング
放射に従い、波長λの放射を変調することができる。そ
のような光学的に制御された変調器は、光論理ゲートと
して働かせることができる。本発明に従うデバイスの用
途には、狭帯域IR放射源及びIR放射の変調器の、た
とえば通信システムへの使用が含まれる。
【0015】いくつかの実施例の具体的な記述
【数1】
【0016】この表式において、nは電荷密度、eは電
子電荷、ε0 は誘電率、Γは準位の広がりのパラメー
タ、hはプランク定数、νは入射放射の周波数である。
【0017】もしΔE12=hν及びΔE31=2hνな
ら、二次の感受性は最大にできる。これはΔE12をΔE
23に等しくでき、hνを少なくともΔE12に等しくでき
れば実現できる。もし上の共振条件が満たされ、もし双
極子マトリックス要素の積が(与えられた材料系に対し
て)可能なその最大値をとるなら、感受性はその最高値
をもつ。多くの場合、この絶対的な最大値を達成するこ
とは望ましいが、本発明を実施するための条件ではな
い。
【0018】図1は本発明に従う周期的層構造10の例
のエネルギーレベルダイヤグラムの一部を概略的に描い
たもので、与えられた層の組合せ11と2つの隣接した
組合せ110及び111を示す。与えられた組合せはそ
れぞれ伝導帯端12、14及び16と価電子帯端17、
19及び21を有する第1、第2及び第3の障壁層を含
む。それはまた、それぞれ伝導帯端13及び15と価電
子帯端18及び20を有する第1及び第2のQW層を含
む。第1及び第3の障壁層は隣接した層の組合せで構成
され、等しい高さで示されたバンド端は、必ずしも等し
い高さでないと考えられる。また、本発明は層の組合せ
が上で述べた2つの量子井戸を含む製品で実施できるこ
とも理解されるであろう。
【0019】図2は本発明に従う層の組合せのエネルギ
ーレベルダイヤグラムの一部を概略的に示す。具体的に
は、図は第1、第2及び第3の障壁層201、203及
び205の伝導帯端と第1及び第2のQW層202及び
204の伝導帯端を示す。それはまた、それぞれ第1、
第2及び第3のエネルギーレベル22、23及び24
と、確率である波動関数25、26及び27の2乗を示
す。多くの場合有利ではあるが、図示されるように、レ
ベル24は層201又は203の一方又は両方の伝導帯
端の下にある必要はない。
【0020】具体的な実施例において、周期的QW構造
はMBEにより、半絶縁性(100)InP基板上に、
エピタキシャル成長させた。構造は相互に15nmのア
ンドープAlInAs障壁(第1及び第3の障壁層)で
分離された40周期の結合井戸からなる。アンドープ1
0nm GaInAsスペーサ層は多量子井戸構造をn
+400nm厚のGaInAs層から分離する。周期構
造の各周期は1.6nmアンドープAlInAsの第2
の障壁層により、2.8nmアンドープGaInAsの
第2のQWから分離されたSiドープ(n〜2×1017
cm-3)6.4nmGaInAsのQWを含む。具体的
には、組成はAl0.48In0.52As及びGa0.47In
0.52Asである。本発明の具体的な実施例において、E
1、E2及びE3 はそれぞれ92、228及び334me
Vで、ゼロ印加電界において、それぞれ136及び10
6meVの間隔ΔE12 及びΔE23 を与えている。
【0021】次に、上の多層構造は、円状メサ(350
μm径)に加工された。2つのn+GaInAs層にオ
ーム性接触が形成され、試料は狭い帯にへき開した。へ
き開した端面はポンピングビーム用に二経路の導波路を
作るため、45゜に研磨した。ポンピングビームは研磨
した端面の1つに垂直に構造に入射した後、超格子を横
切り、メサの最上面で反射され、再び多層を通過する。
ポンピング放射を層構造に結合するための上述の手段
は、例として示しただけで、当業者には他の結合装置が
容易に考えられるであろう。
【0022】図9は本発明に従うデバイス90の例を概
略的に示す。ここで、91は低導電率の半導体基板を、
92及び94は高導電率の半導体接触層を、93は上で
述べたような周期的層構造を、95及び96は93にバ
イアス電圧を印加しやすくするメタライゼーション層を
さす。(波長λの)放射97は図示されたように91に
入り、デバイスから出る前に、93を貫くいくつかの経
路を作る。たとえば、放射97は波長λ/2の二次高調
波とともに、波長λの放射を含む、図示されていない周
知の手段により分離できる。当業者には認識されるであ
ろうように、入射ビーム97はその電界ベクトルが、層
構造93に垂直な好ましくは大きな成分をもち、基板が
波長λ及びλ/2の放射に対して本質的に透明でなけれ
ばならないように、偏光される。
【0023】本発明の実施例の吸収スペクトル(=−l
og10透明)が図3に示されている。この図で1107
及び1921cm-1のピークは、それぞれ1→2及び1
→3遷移による。図4はDC電界を印加しない場合及び
デバイスに4ボルトを印加した場合の上の実施例につい
て、ポンピングパワー(λ=10.6μm)の関数とし
て、二次高調波パワーのデータを示す。印加電界の正の
極性は、厚い井戸に対して薄い量子井戸を“下げる”電
界の方向に対応する。適切な電界を印加すると、SHG
が大きく増す。データはポンピングパワーに対する二次
の依存性をもつ。SHGの共鳴を増す手段は、本発明に
従う適切なデバイスは、1→2及び2→3遷移はエネル
ギーの相対する方向に、2つの井戸の中心間の電位降下
に少なくともほぼ等しい大きさだけ、強くシュタルクシ
フトするという事実である。その結果、ΔE12=ΔE23
の条件は層構造に電界を印加することにより得られる。
好ましい実施例において、典型的な場合、hνの±10
%以内でΔE12〜hνとなるようなΔE12の値に対し
て、等号が得られる。変調器の場合、適切な条件はhν
=ΔE12であることが認識されるであろう。
【0024】図5は上で述べた実施例の場合について、
ΔE12、ΔE23及びΔE31の計算されたバイアス電界依
存性を示す。図からわかるように、ΔE12及びΔE23
比較的強くバイアス電界に依存し、一方ΔE31は依存性
が比較的弱い。これは本発明の適切な実施例の重要な特
徴で、放射の効率のよい変調、SHGの同調及び脱同調
及び恐らく他の非線形効果を容易にする。
【0025】上で述べた特徴は、第1及び第3の状態は
本質的に厚い井戸によって閉じ込められ、一方第2の状
態は本質的に薄い井戸によって閉じ込められるという事
実による(図2参照)。一次近似の範囲内で、井戸中心
に対する量子井戸の基底状態エネルギーは、井戸を横切
る電位降下が基底状態エネルギーに比べ小さい限り、電
界には依存しない。従って、電界が増すにつれ、第1及
び第3のエネルギーレベルは厚い井戸の中心に近づき、
一方第2のエネルギーレベルは薄い井戸の中心に近づ
く。正味の効果は、1→3遷移のエネルギーが電界に弱
く依存し、一方1→2及び2→3の遷移のエネルギー
は、中心間の電位降下に本質的に等しい量だけシフトす
る。この議論は本発明のデバイスの物理の理解を助ける
ためのもので、制限することを意図したものではない。
【0026】上で述べたように、適切な遷移の双極子マ
トリックス要素(<Z12>、<Z23>、<Z31>)は、
比較的大きい(>0.3nm、好ましくは>0.5又は
1.0nm)ことが通常望ましい。また、典型的な場
合、マトリックス要素の積は大きく、積の数学的最大値
の少なくとも75%、好ましくは数学的最大値の本質的
に100%であることが望ましい。マトリックス要素の
計算及びそれらの積を最大にする方法は、知られてい
る。上で述べた実施例において、マトリックス要素の計
算された値は、それぞれ1.54、2.23及び1.2
1nmであった。
【0027】本発明に従うデバイスは、任意の適切な半
導体系で実施できる。たとえば、AlGaAs/GaA
s又は好ましくはAlInAs/GaInAsのような
Inを含む系のようなIII−V系で実施できる。後者
は電子の有効質量が低いため、前者より利点を有する。
本発明を実施するのに有用な他のIII−V半導体系の
例は、AlxGa1-xSb/GaSb、InP/GaIn
As及びHg1-xCdxTe/Hg1-yCdyTeである。
【0028】図6は本発明の一実施例、すなわち光変調
器61を概略的に描いたものである。波長λ(たとえば
106μm)の放射は図示されていない手段により、6
1に結合されそれを貫いて伝搬する。光DC電圧62が
共振条件(hν=ΔE12)付近のデバイスをバイアスす
るために印加され、変調電圧63(たとえば波形630
をもつ)がデバイスを共振させたり、はずしたりし、6
4の波形640が63により決まるように、(波長λ)
の出力ビーム64のスイッチングが行われる。
【0029】上の型の変調器は、第1及び第2のエネル
ギーレベルのみを必要としたが、本発明に従うもう1つ
の変調器は、第1、第2及び第3のエネルギーレベルを
必要とし、更に波長が異なり、ビームの1つのフォトン
エネルギーがΔE12に等しく、他方のビームのそれがΔ
23に等しいように選択された2つの入力ビームを必要
とする。少なくとも原理的には、この変調器は電界の同
調をとるための手段は必要ないことが理解されるであろ
う。しかし、実際的な理由により、所望の共振条件がバ
イアス電圧の助けで満たされるように、そのような手段
を設けることが、典型的な場合望ましい。当業者は第2
のビームの減衰は、第2のエネルギーレベル中のキャリ
ヤ数に依存することを認識するであろう。この数は、も
し第1のビームがオフなら本質的にゼロで、もし第1の
ビームがオンなら高くすることができる。この変調器は
従って全光論理ゲートとして働かすことができる。たと
えば、ゲートの出力は第1のビーム放射が“低”(すな
わちオフ)で、第2のビーム入力放射が“高”(すなわ
ちオン)の時のみ、“高”(すなわち、第2のビーム出
力ビームは、何らかの閾値以上になる)となる。
【0030】論理動作用には、ΔE12はΔE23に等しく
なく、第2の状態の第1のポピュレーションを通して、
第2のビームを独立に制御できるようにすることが一般
に望ましい。しかし、この実施例において、1つの論理
ゲートの出力は、同一の論理ゲートを制御することがで
きない。本発明に従う適切なデバイスにおいて、エネル
ギー差ΔE12及びΔE23は、DCバイアスによって逆に
できる。従って、本発明の論理ゲートは、たとえばΔE
12及びΔE23を有するデバイスを交互に変えることによ
り、直列にすることができる。
【0031】図7は本発明の別の実施例、すなわちIR
放射源71を概略的に描いたものである。波長λ(たと
えば10.6μm)のポンピング放射は、図示されてい
ない手段により71に結合され、それを貫いて伝搬す
る。共振に近いデバイスをバイアス刷るため、必要に応
じてDC電圧72が印加され、スイッチング電圧73
(たとえば波形730を有する)はデバイスを共振状態
に入れたり出したりし、その結果波長λ/2の二次高調
波をオン及びオフにスイッチする。出力ビーム74はポ
ンピング放射と二次高調波放射の両方を含む。ビーム7
4が73によって波形740が決まる波長λ/2の放射
から成るように、前者はフィルタ75により除去され
る。量χ(2)/α(2ν) は二次高調波発生器の尺度で
あることが認識されよう。ここで、α(2ν)は二次高
調波に対する吸収係数である。α(2ν)は第1のエネ
ルギーレベル中のキャリヤ数に依存するから、数を比較
的低く、たとえば<5×1017cm-3に保つことが通常
望ましい。
【0032】図8はいくつかのポンピング波長について
の、バイアス電圧の関数としての二次の感受性を示す。
ピークはΔE12=hνに対応し、最高のピークは更にほ
ぼΔE23=hνを満たす。データは上で述べたようなデ
バイスから得た。データから、約4meV/10kV・
cm-1のシュタルクシフト値が導かれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う層構造の一部について、伝導帯及
び価電子帯端を概略的に示す図、
【図2】本発明に従う層構造の一部の伝導帯端とエネル
ギー準位と波動関数を概略的に示す図、
【図3】波数の関数として、本発明に従うデバイスの例
の吸収のデータを示す図、
【図4】ポンピングパワーの関数として、本発明に従う
デバイスの例により放出される二次高調波パワーのデー
タを示す図、
【図5】ΔE12、ΔE23及びΔE13のバイアス電圧依存
性の計算例の結果を示す図、
【図6】本発明の製品の具体例、すなわち変調器を概略
的に示す図、
【図7】別の実施例、すなわち二次高調波放射源を概略
的に示す図、
【図8】いくつかのポンピング放射源について、バイア
ス電圧の関数として、本発明に従う層構造の二次の感受
性に関するデータの例を示す図、
【図9】本発明に従う製品の例を概略的に描いた図であ
る。
【符号の説明】
10 周期的層構造 11 層の組合せ 12,13,14,15,16 伝導帯端 17,18,19,20,21 価電子帯端 22 第1のエネルギーレ
ベル 23 第2のエネルギーレ
ベル 24 第3のエネルギーレ
ベル 25,26,27 波動関数 61 光変調器 62 光DC電圧 63 変調電圧 64 出力ビーム 71 IR放射源 72 DC電圧 73 スイッチング電圧 74 出力ビーム 74’ ビーム 75 フィルタ 90 デバイス 91 半導体基板 92 半導体接触層 93 周期的構造 94 半導体接触層 95,96 メタライゼーション
層 97 放射、入射ビーム 97’ 放 射 110,11 組合せ 201,203,205 障壁層 202,204 QW層 630,640,730,740 波 形
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェデリコ キャパソ アメリカ合衆国 07090 ニュージャーシ ィ,ウエストフィールド,ウエストブルッ ク ロード 42 (72)発明者 アルフレッド イー チョー アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ,サミット,ケネス コート 11 (72)発明者 カルロ サートリ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ,サミット,ヒルサイド アヴェニュー 2 (72)発明者 ローレンス カメスト ウエスト アメリカ合衆国 08510 ニュージャーシ ィ,クラークスバーグ,クウェイル ヒル 4

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 順に a)第1の半導体障壁層; b)厚さtw1 の第1の半導体量子井戸層; c)厚さtb の第2の半導体障壁層; d)厚さtw2 の第2の半導体量子井戸層;及び e)第3の半導体障壁層; を含み、前記層のそれぞれにはバンド端が付随し、前記
    障壁層のそれぞれのバンド端は、前記量子井戸層のそれ
    ぞれのバンド端より高く、前記層の少なくとも1つは、
    前記量子井戸層の少なくとも1つに、可動荷電キャリヤ
    を供給するのに適したドーパント原子を含む層の組合せ
    を含むヘテロエピタキシャル半導体基体を含む製品にお
    いて、 f)製品は前記層間に電界を印加するための手段を含
    み、更に波長λの電磁放射を半導体基体に結合させるた
    めの手段を含み; g)tw1 > tw2 及び tb <20nm; h)tb は前記可動荷電キャリヤが前記第1及び第2の
    量子井戸間でトンネルできるように選択され、tw1
    びtw2 は、第1及び第2の量子井戸に付随して、可動
    荷電キャリヤに対するそれぞれ第1及び第2のエネルギ
    ーレベルが存在し、第1及び第2のエネルギーレベル
    は、第1の量子井戸バンド端より、それぞれ大きさE1
    及びE2だけエネルギー的に高く、E2>E1であり、E2
    −E1ほΔE12はhνからせいぜい0.3ΔE12だけ異
    なり、ここでhはプランク定数でν=c/λであり、c
    は光速で、 i)第1及び第3の障壁層の厚さは、本質的に前記可動
    荷電キャリヤが前記第1及び第3の障壁層をトンネルで
    きないように選択され; j)前記層の組合せに付随して双極子マトリックス要素
    <Z12>があり、それは可動荷電キャリヤの第1から第
    2のエネルギーレベルへの光学的遷移に付随し、tw1
    w2 及びtb は更に、<Z12>が0.3nmより大きく
    なるように選択されることを特徴とする製品。
  2. 【請求項2】 半導体基体はIII−V半導体で、ドー
    パント原子は可動荷電キャリヤは電子で、バンド端は伝
    導帯端、前記第1、第2及び第3の障壁層の伝導帯端は
    エネルギー的に本質的に等しく、前記第1及び第2の量
    子井戸層の伝導帯端がエネルギー的に本質的に等しく、
    b 10nmであるように選択される請求項1記載の
    製品。
  3. 【請求項3】 半導体基体は本質的に周期的な複数の前
    記層の組合せを含む請求項2記載の製品。
  4. 【請求項4】 与えられた前記層の組合せに対し、tw1
    及びtw2 は第1の量子井戸層に付随して、可動電子に
    対する第3のエネルギーレベルがあり、第3のエネルギ
    ーレベルはエネルギー的に第1の量子井戸バンド端よ
    り、大きさE3だけ高く、E3>E2で、E3−E2=ΔE
    23はhνからせいぜい0.3ΔE23だけ異なるように選
    択される請求項3記載の製品。
  5. 【請求項5】 与えられた層の組合せに付随して、更に
    双極子マトリックス要素<Z23>及び<Z31>があり、
    それらはそれぞれ第2から第3及び第3から第1へのエ
    ネルギーレベルへの電子遷移に付随し、tw1、tw2及び
    b は<Z23>及び<Z31>のそれぞれが約0.3nm
    より大きくなるように選択される請求項4記載の製品。
  6. 【請求項6】 tw1、tw2及びtb は<Z12>、<Z23
    >及び<Z32>の積は、前記積の数学的最大値の75%
    より大きくなるように選択される請求項5記載の製品。
  7. 【請求項7】 tw1、tw2及びtb は<Z12>、<Z23
    >及び<Z31>の積は前記積の数学的最大値に本質的に
    等しいように選択される請求項6記載の製品。
  8. 【請求項8】 λはほぼ3−100μmの範囲にあり、
    w1及びtw2は第1の量子井戸に付随して、可動荷電キ
    ャリヤに対する第3のエネルギーレベルがあり、第3の
    エネルギーレベルはエネルギー的に第1の量子井戸バン
    ド端より、大きさE3 だけ高く、E3>E2で、E3−E2
    =ΔE23はhνからせいぜい0.3ΔE23だけ異なるよ
    うに選択され、製品は波長λ/2の電磁放射源として用
    いるのに適している請求項1記載の製品。
  9. 【請求項9】 λはほぼ3−100μmの範囲にあり、
    製品は波長λの放射の変調器として用いるのに適してい
    る請求項1記載の製品。
  10. 【請求項10】 波長λ’の第2の電磁放射を、半導体
    基体中に結合するための手段が含まれ、λ及びλ’の両
    方がほぼ3−100μmの範囲にあり、λはλ’とは異
    なり、tw1及びtw2は第1の量子井戸に付随して、可動
    荷電キャリヤに対する第3のエネルギーレベルがあり、
    第3のエネルギーレベルは第1の量子井戸バンド端より
    エネルギー的に、大きさE3 だけ高く、E3>E2で、E
    3−E2=ΔE23はhν’からせいぜい0.3ΔE23だけ
    異なり、ここでλ’=c/λ’であるように選択され、
    製品は第2の電磁放射の変調用に適している請求項1記
    載の製品。
  11. 【請求項11】 層の組合せは前記2つの量子井戸層と
    前記3つの障壁層を構成する請求項1記載の製品。
  12. 【請求項12】 与えられた層の組合せは、前記2つの
    量子井戸層と前記3つの障壁層を構成し、前記与えられ
    た組合せは下部及び上部の隣接した組合せを有し、前記
    第1及び第3の障壁層の一方は与えられた組合せとその
    下部の隣接した組合せの間に構成され、前記第1及び第
    3の障壁層の他方は、与えられた組合せとその上部の隣
    接した組合せの間に構成される請求項3記載の製品。
JP23623792A 1991-09-05 1992-09-04 電子−光量子井戸デバイスを含む製品 Withdrawn JPH05224263A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US75527591A 1991-09-05 1991-09-05
US755275 1996-11-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH05224263A true JPH05224263A (ja) 1993-09-03

Family

ID=25038460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23623792A Withdrawn JPH05224263A (ja) 1991-09-05 1992-09-04 電子−光量子井戸デバイスを含む製品

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0532204A1 (ja)
JP (1) JPH05224263A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016507790A (ja) * 2013-03-15 2016-03-10 ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションNorthrop Grumman Systems Corporation 非線形光周波数変換のための分散熱システム

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5539206A (en) * 1995-04-20 1996-07-23 Loral Vought Systems Corporation Enhanced quantum well infrared photodetector
US6054718A (en) * 1998-03-31 2000-04-25 Lockheed Martin Corporation Quantum well infrared photocathode having negative electron affinity surface
KR101638973B1 (ko) * 2010-01-22 2016-07-12 삼성전자주식회사 광변조기 및 그 제조 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2637092B1 (fr) * 1988-05-11 1991-04-12 Thomson Csf Modulateur d'onde electromagnetique a puits quantiques couples, et application a un detecteur d'onde electromagnetique

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016507790A (ja) * 2013-03-15 2016-03-10 ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションNorthrop Grumman Systems Corporation 非線形光周波数変換のための分散熱システム

Also Published As

Publication number Publication date
EP0532204A1 (en) 1993-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3866836B2 (ja) 非線形光学装置
US5079774A (en) Polarization-tunable optoelectronic devices
Liu et al. Piezoelectric field-enhanced second-order nonlinear optical susceptibilities in wurtzite GaN/AlGaN quantum wells
JPH03265827A (ja) 量子井戸光学デバイス
JP2698394B2 (ja) 非線形光学素子
US5559613A (en) Photorefractive device with quantum wells
Odoh et al. A review of semiconductor quantum well devices
US5481397A (en) Quantum well structures
Kenari et al. Optical properties of two dimensional fractal shaped nanostructures: Comparison of Sierpinski triangles and Sierpinski carpets
Fox Optoelectronics in quantum well structures
Bouscher et al. Semiconductor–superconductor optoelectronic devices
Miller et al. Electric field dependence of optical properties of semiconductor quantum wells: Physics and applications
JP2634825B2 (ja) 光半導体装置
JPH05224263A (ja) 電子−光量子井戸デバイスを含む製品
Rahmani et al. Investigation of the Third-Order Nonlinear Optical Susceptibilities and Nonlinear Refractive Index In Pbs/Cdse/Cds Spherical Quantum Dot
Darabi et al. Numerical analysis of an optoelectronic integrated device composed of coupled periodic MQW phototransistor and strained-QW laser diode
Khurgin et al. Coulomb enhancement of the third-order nonlinearities in the mesoscopic semiconductor structures
Fafard et al. Miniband formation in asymmetric double-quantum-well superlattice structures
Cooper et al. Laser diodes in piezoelectric quantum‐well structures
Peter et al. Effects of external perturbations on light absorption by light/heavy hole excitons in a semi-parabolic quantum well
Spandonide et al. Simultaneous effects of intense laser and static electric fields on the oscillator strength in an impurity doped disc-like quantum dot
JP3138831B2 (ja) 半導体非線型光学装置
Qoraboyev et al. Theoretical study of the mechanisms of absorption of semiconductor spherical quantum dots in the framework of quantum mechanics
EP2760050B1 (en) Method of initialising a hole spin in a quantum-dot device
Rosencher Semiconductor heterostruct ures: a quantum Lego for the infrared

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 19991130