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JPH03265827A - 量子井戸光学デバイス - Google Patents

量子井戸光学デバイス

Info

Publication number
JPH03265827A
JPH03265827A JP2412826A JP41282690A JPH03265827A JP H03265827 A JPH03265827 A JP H03265827A JP 2412826 A JP2412826 A JP 2412826A JP 41282690 A JP41282690 A JP 41282690A JP H03265827 A JPH03265827 A JP H03265827A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical device
quantum
layer
plane
energy
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.)
Pending
Application number
JP2412826A
Other languages
English (en)
Inventor
Claude Weisbuch
クロード・ベスブツシユ
Philippe Bois
フイリツプ・ボワ
Borge Vinter
ボルジユ・バンテ
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.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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 Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of JPH03265827A publication Critical patent/JPH03265827A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
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    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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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】
［０００１］
【産業上の利用分野】
本発明は量子井戸光学デバイス、特に光学及びオプトエ
レクトロニクス技術に適用可能な量子箱又は量子線を含
むデバイス、並びにこのデバイスの製造方法に係る。 ［０００２］
【発明が解決しようとする課題】
特に２μｍを越える長波長電磁波領域の光学及びオプト
エレクトロニックデバイスは半導体からまだほとんど製
造されていない。これは、格子の励起に強く結合するエ
ネルギ準位がほとんど存在しないためである。唯一の例
外は狭い禁止帯を有する半導体である。 ［０００３］
【課題を解決するための手段】
本発明は、エネルギ準位が他の半導体のマトリクスに挿
入された半導体材料から構成される量子箱及び線のディ
メンションにより自由に決定される新規類の光学及びオ
プトエレクトロ二ックデバイスを提案する。 ［０００４］ 超薄型半導体膜（≧２０ｎｍ）中の電子及び正孔のエネ
ルギ準位の量子化は現在周知である（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒｓ　　ａｎｄ　　ＳｅｍｉｍｅｔａｌｓＶｏ
ｌ　　２４．Ｒ，Ｄｉｎｇｌｅｌｉ、Ａｃａｄｅｍｉｃ
、Ｎｅｗ　　Ｙｏｒｋ１９８７に所収のＣ，Ｗｅ　ｉ　
５ｂａｃｈの論文”Ｆｕｎｄａｒｎｅｎｔａｌ　　Ｐｒ
ｏｐｅｒｔｉｅｓ　　ｏｆ　　ＩＩＩ−Ｖ　　Ｓｅｍ１
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　Ｔｗｏ　−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
ａｌ　　Ｑｕａｎｔｉｚｅｄ　　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
：ＴｈｅＢａｓｉｓ　　ｆｏｒ　　０ｐｔｉｃａｌ　　
ａｎｄ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”参照）。これは図１のａに
示され、半導体ＳＣ２の超薄層が２つの半導体ＳＣＩと
ＳＣ３との間に配置されている。特別に選択された半導
体のエネルギ準位の構造を図１のｂに示す。層ＳＣ２に
おける電子（ＥＥ）及び正孔（Ｅ″　　　Ｅ’　　　）
の量子化エネルギ準位も示す。 １・　　２　　　　　　　１・　　　２［０００５］ 無限の深さのポテンシャル井戸を近似計算すると、連続
量子化エネルギ準位は伝導帯の底の上に配置され且つ数
１ ［０００６］
【数１】 ２　２２　　　キ　２ Ｅ＝ｎ７ｒ　ｈ／２ｍＬ （式中、ｎは準位の位数、ｈはブランク定数、ｍは粒子
（電子又は正孔）の有効質量、Ｌは膜ＳＣ２の厚さであ
る）［０００７］ により与えられる所謂閉じ込めエネルギに配置される。 ［０００８］ 膜の厚さによりエネルギ準位の差を自由に制御できるこ
とが認められよう。この能力は、波長の感受性範囲が膜
厚さによりＥｌ−Ｅ２遷移で調節されるような検出器で
使用される。 ［０００９］ 膜の厚さが十分に小さいならば井戸にはただ１つのエネ
ルギ準位しか存在せず、準位Ｅ２は材料ＳＣ１及びＳＣ
３の状態の連続において△Ｅｃの上に配置される。 ［００１０］ エネルギ準位の量子化の概念は３次元に直接拡大できる
。別の半導体に挿入される半導体の箱を考えれば十分で
ある。図１のｂに関して説明したように電子及び正孔の
エネルギ準位が立方体を構成する材料内の方が材料周囲
の材料に比較して低いならば、電子及び正孔の波動関数
は箱内で量子化される（図２）。 ［００１１］ この系の独自の点は、連続エネルギ準位が無限井戸の近
似計算で数２：［００１２］
【数２】 ［００１３］ （式中、正の整数ｎｘ、ｎｙ及びｎｚはｘ、　ｙ及びＺ
軸に沿う準位の位数であり、Ｌｘ、Ｌｙ及びＬｚはＸ、
ｙ及びＺ軸に沿う箱の厚さである）により与えられる点
にある。 ［００１４］ エネルギ準位Ｅｎｘ、ｎｙ、ｎ、ｚは、結晶の全フォノ
ンと桁違いであるか又は結晶の全フォノンよりも高いエ
ネルギから分離され得る。この場合、結晶のただ１つの
フォノンによる遷移を介してのエネルギ緩和は生じ得す
、励起状態の寿命は非常に長くなり、放射寿命程度とな
る。この状況は、膜に沿う電子の運動エネルギが数３： ［００１５］
【数３】 ［００１６］ （式中、ｋは面内に沿って自由な運動を描く電子の波動
ベクトルである）の型の連続エネルギ準位を与えるよう
な量子膜の状態と異なる［００１７］ 連続エネルギ準位により、図３に示すように格子のフォ
ノンが相互間の遷移を誘導し得るようなエネルギ準位が
常に存在する［００１８］ 本発明は、制限されたディメンションの量子井戸を含む
光学デバイスを製造できるようにするため、この状況を
使用するものである。 ［００１９］ 本発明は、電子伝導帯の底に対応する所定のポテンシャ
ルエネルギの光波に対して透過性の半導体材料層と、２
次元（量子線）又は３次元（量子箱又は量子点）に制限
され、透明半導体材料層よりも低い電位エネルギを伝導
帯の底に有する材料から構成されており、前述の伝導帯
の底の電位エネルギ値の間に含まれる対応するエネルギ
を有する少なくとも第１の原子エネルギ準位（基底準位
）及び第２の許容準位（励起準位）を有する少なくとも
１つの量子井戸と、第１の許容エネルギ準位の電子分布
を確保する手段とを含むことを特徴とする量子井戸光学
デバイスに係る。 ［００２０１ 本発明によると、制限されたディメンション（量子箱又
は線）の多数の井戸が使用される。 ［００２１］ 本発明はレーザの製造に適用され得る。したがって、量
子井戸光学デバイスは、層力（ｘｙｚ三面体のｘｙ面に
平行な主要面を有するように方向付けられ、量子井戸が
Ｘ方向に沿って方向付けられており、Ｘ方向に垂直な層
の面が光学キャビティを構成するように切除又は光学的
に処理されており、補助光源が主要面にほぼ垂直なポン
プ波を供給することを特徴とする。 ［００２２］ 本発明は更に、半導体透明材料層がｘｙｚ三面体のｘｙ
面に平行で且つ夫々同一の導電性型の電極を備える２つ
の主要面を有しており、構造の２つの面に電位差を加え
るためにこれらの電極に電圧発生器が接続されており、
Ｘ方向に垂直な層の面が光学キャビティを構成するよう
に切除又は処理されていることを特徴とする光学デバイ
スにも係る。 ［００２３］ 本発明は更に、透明半導体材料層の両側に配置された同
−導電性型の電極と、これらの電極に接続された電位差
検出器とを含むことを特徴とする光学デバイスのような
検出器にも係る。 ［００２４］ 本発明は更に、透明半導体材料層の両側に配置された同
−導電性型の電極と、電極に電位差を加える電圧源とを
含むことを特徴とする光学デバイスのような光変調器に
も係り、光ビームは層を伝搬してデバイスにより変調さ
れる。 ［００２５］ 最後に、本発明は第１段階として異なる禁止帯幅を有す
る２種類の材料の交互層を基板上に形成する段階と、第
２段階としてこれらの層に個々のエレメントをエッチす
る段階とを含むことを特徴とする光学デバイスの製造方
法に係る。 ［００２６］ 本発明の種々の目的及び特徴は例示として与える以下の
説明及び図面に明示される。 ［００２７］
【実施例】
本発明の第１の実施態様は、量子箱の２つのエネルギ準
位Ｅ　　　及びＥｌ−１２（以下、Ｅｌ及びＥ２とする
）の間の遷移を使用するレーザに係る。 ［００２８］ 図４のａ及び図４のｂは本発明の量子箱のエネルギ図で
ある。 ［００２９］ 図４のａはこのような量子箱の伝導帯及びその帯間機能
を示す［００３０］ 図４のａの下部には材料１に組み込まれた量子箱２を示
す［００３１］ 図４のａに示すように、量子箱２の伝導帯の底に対応す
るエネルギは材料１の伝導帯の底よりも低い。 ［００３２］ 箱２の寸法は、２つの許容量子エネルギ準位が量子井戸
内、すなわち量子箱２と材料１の伝導帯の底のエネルギ
の間に含まれるように選択される［００３３］ 結晶マトリクスを形成する材料（材料２）の連続状態か
ら準位Ｅ２の電子の選択的捕獲により準位Ｅ　及びＥｌ
の間に反転分布が生じ、これらの電子はゆつくりと準位
Ｅ１に緩和する。 ［００３４］ マトリクスの状態の連続への励起は、所期の目的に応じ
て別の方法で実施することもできる。 ［００３５］ すなわち、この励起はＥ２−Ｅｌの差よりも大きいか又
は少なくともこれに等しいエネルギｈνを有する光ポン
プＦＰの波により生じ得る。 ［００３６］ 量子箱１が材料の一方（１又は２）をドープすることに
より電子を含む場合、任意の適当な光源を使用する光ポ
ンピングによりこれらの電子を連続状態に励起させるこ
とができる。電子はフォノンの迅速な放出によりレベル
２まで緩和する（図４のａ参照）。 ［００３７］ 図４のｂは、下部に示すデバイスの価電子帯（正孔準位
）及び伝導帯（電子準位）を示す。 ［００３８］ 帯間遷移により価電子状態から電子を励起させ、量子箱
及び／又は連続体の材料中に正孔を形成することもでき
る。これらの正孔は箱に存在する電子を基底状態Ｅ　で
再結合させ、したがって電子がこうして空にされた量子
箱の状態Ｅ２で捕獲されるや否や反転分布を生じる（図
４のｂ）。量子正孔に最初に電子が存在しないならば、
状態Ｅ２での捕獲に続いて逆転が生じる。 ［００３９］ このために、ＥＧ十Ｅ“　１＋ΔＥＣ以上のエネルギｈ
νのポンプ波ＦＰを使用して構造を励起する。 ［００４０］ 図５は本発明のダイオードレーザにより励起されるレー
ザの一例を示す。 【００４月 このレーザはポンプ波の波長において透過性の半導体材
料から作製されている。このレーザは、主要面がｘｙ面
に沿って配置された三面体ｘｙｚの形態の半導体材料層
１を含む。層１はＸ方向に平行な量子線２０，１〜２０
９ｍを含む。これらの線は相互間に電子結合が生じない
ように相互に離間されている。 ［００４２］ 量子線の材料は、伝導帯の底のエネルギが層１の材料の
エネルギよりも低くなるように選択される。 ［００４３］ 面１２及び１３はレーザの放射周波数で反射するように
切除又は処理されており、光キャビティを構成する。 ［００４４］ 面１２及び１３に対する量子線の方向は、面１２及び１
３の面に垂直となるように選択される。 ［００４５］ したがって、面１２及び１３に垂直な方向に発光ＦＥが
生じる。 ［００４６］ 本発明の好適実施態様によると、量子線２０．１〜２０
．ｍは面１０及び１１に平行な面に沿って配置されてい
る。ダイオードレーザ９により放出されたポンプビーム
ＦＰは、これらの量子線の面に対して垂直に受は取られ
る。 ［００４７］ 平行な量子線の数個の面を設けることができる。図５に
は線２０．１〜２０゜ｍ及び２０ｎ〜２０．ｐの２つの
面を示すが、この他の面を設けることもできる［００４
８］ 更に、本発明の好適実施態様によると、量子線２０．ｎ
〜２０．ｐ及び２０１〜２０４ｍはポンプ波ＦＰの方向
に関して互い違いに配置されており、こうして量子線の
最大数を励起することができる。 ［００４９］ 図６は、半導体材料層が量子箱を含むような本発明のレ
ーザを示す。この態様は図５の２０．１のような量子線
を２ｂ、１〜２ｂ、ｔのような量子箱の列に置き換える
ことにより得られる。 ［００５０］ 本発明の別の態様は電気励起式レーザに係る。 ［００５１］ このためには図７に示すように、半導体材料層１内に２
ｂ、１〜２ｂ、ｓ及び２ｂ、２〜２ｂ、ｔのような量子
箱の列を含む構造を作製する。これらの箱列は電極４及
び５の間で且つこれらの電極に対してほぼ垂直に配置さ
れる。 ［００５２］ 電極４及び５は同一の導電性型を有する。 ［００５３］ 図８に示すように、デバイスの側面１２及び１３は鏡を
形成してこうして光学キャビティを形成するように切除
又は処理される。 ［００５４］ 図９は、電圧発生器により電極４及び５間に電位差が印
加されるときのこのし−ザのエネルギ図を示す。 ［００５５］ 量子箱の列はトンネル効果により連通ずるように相互に
十分近接している。 ［００５６］ 図９は電子が共振トンネル効果により基底準位Ｅ　から
励起準位Ｅ２に移動すす ることにより箱から箱に伝搬するような移動の可能性を
示す。準位Ｅ２から連続又は別の状態Ｅ　への励起によ
る移動の確率は、Ｅ１準位への励起による確率よりも著
しく高いのでこうして反転分布が生じる。 ［００５７］ 電子をトンネル効果により広い量子井戸Ｑ１のような広
い準位から注入するこのデバイスの変形例を図１０に示
す。こうして図１０の下部のエネルギ図に示すように電
子の量子箱への有効なトンネル移動以前に注入電子から
高密度の電子を収集することができる。箱内の電子の熱
電子放出が準位２から準位１への緩和よりも迅速である
ならば、熱電子放出による電子移動は反転分布をもたら
すことが明記されよう。 ［００５８］ 本発明は光変調器の製造にも適用することができる。 ［００５９］ このために、既知技術ではできるだけ高い電気−光学係
数を有する材料を得るようにし、低電圧及び／又は小さ
いデバイス寸法により制御するようにしている［００６
０］ 本発明によると、量子線又は量子箱を使用して変調器（
例えば図１１に示す変調器）を作製する。これらの線又
は箱はディメンションの２又は３が電子のドブロイ波長
のオーダ（約２Ｏｎ、ｍ）となるように加工された半導
体材料から形成される。 ［００６１］ 図１１に示す変調器は、ｎ＋ドープされるか又はドープ
層により被覆された半絶縁の基板Ｓ上に、変調すべき波
長に対して透過性の半導体材料の層１であるを含む。 ［００６２］ 層］は層１の面に平行で且つ変調すべき光ビームの方向
に垂直に配置された量子線２．１〜２４２′　を含む。 同一の導電性型を有する電極４及び５は層１の各側に配
置され、電圧源Ｇが電極間に接続されている。変調すべ
き光束は層の面に平行（ビームＦＭ）又は垂直（ビーム
ＦＭ’　）に入射し、後者の場合、電極５は透明である
。 ［００６３］ 変調を改良するために、層１を光案内層Ｇ１及びＧ２の
間に挿入してもよい。 ［００６４］ このような構造の予想される利得は多数の特性による。 ［００６５］ 一量子状態密度は１又はゼロ次元系（図１２のａ、１２
のｂ）の特徴を有するので、電界により誘導される準位
が多少なりとも変化すると吸収スペクトル（図１２のＣ
１１２のｄ）に大きな効果を与える。 ［００６６］ −ゼロ次元系（量子箱）のエネルギ準位は不連続であり
、したがって、量子準位間の距離が光フォノンエネルギ
（Ｇ　ａ　Ａ　ｓで３６ｒｎｅＶ）を超えるや否やエネ
ルギ緩和効果は全フォノン遷移のために著しく遅くなり
、又は阻止されさえする。 ［００６７］ 一電荷転送は単純な系よりも長い距離で生じ、電界が印
加されるとより大きい電気的双極子即ち分極を生じるの
で、非対称（図１９）であるが又は量子線もしくは箱の
結合（図２０）のような電荷転送を可能にする系を使用
すると有利であり得る。 ［００６８］ この効果は、帯間遷移により機能する量子膜により作成
されるデバイス（例えばｏｐｔｉｃａｌ　　Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ　　２６−３６８．１９８７に所収のり、
Ａ、Ｂ、Ｍｉ　１１ｅｒの文献”Ｑｕａｎｔｕｍ　　ｗ
ｅｌｌｓ　　ｆｏｒ　　ｏｐｔｉｃａｌ　　ｉｎｆｏｒ
ｍａｔｉｏｎ　　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ’参照）に類似
の双安定光学又は電気光学デバイスで本発明を使用する
場合にも利用できる。 ［００６９］ 変調器は、（電界により生成される吸収率の変化により
）振幅又は（クラーマースークローニヒの関係式により
吸収に結び付けられる屈折率の変化により）位相を変調
するために使用され得る。 ［００７０］ 図１３は、量子井戸（線又は箱、例では量子箱）が強化
された非線形光学特性を有する非対称量子井戸の構造と
して形成されるような本発明の変形例を示す。 これらの特性は以下の文献に記載されている。 ［００７１］ Ｅ、Ｒｏｓｅｎｃｈｅｒ、Ｐ、Ｂｏｉｓ、Ｊ、Ｎａｇｌ
ｅ、Ｅ、Ｃｏ５ｔａｒｄ　　ａｎｄ　　Ｓ、Ｄｅｌａｉ
ｔｒｅ、Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｎｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔ
ｔｅｒ　　２５．１１５０　（１９８９）；Ｅ、Ｒｏｓ
ｅｎｃｈｅｒ、Ｐ、Ｂｏｉｓ、Ｊ、Ｎａｇｌｅ、ａｎｄ
　　Ｓ、Ｄｅｌａｉｔｒｅ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　　
Ｌｅｔｔｅｒｓ　　２５．１０６３　（１９８９）。 ［００７２］ これらの特性は電磁輻射の検出及び光学処理に使用され
得る。これらの非対称量子井戸では、成長軸に沿って形
成された非対称ポテンシャルに加えて二重の横方向閉じ
込めを生成した。こうして完全に不連続なエネルギ準位
を有する単一方向に所謂非対称「超厚子」が得られ、そ
のエネルギ準位の間隔は成長パラメータ、材料の選択並
びに量子箱のディメンションＬ　　、Ｌ　　及びＬ　に
より調整されｘｙ　　　　　　ｚ 得る。 ［００７３］ 図１３に示すように、各量子箱は構造が伝導帯老中に図
１４に示すエネルギフロフィルを有するように材料２及
び材料３から形成される。 ［００７４］ 材料２は伝導帯の底に最低のエネルギを有しており、材
料１はより高いエネルギを有し且つ井戸の障壁を構成す
る。 ［００７５］ 量子井戸（箱）は井戸の最も狭い部分に位置する第１の
許容準位Ｅ１と、最も広い部分に位置する第２の許容準
位Ｅ２とを有する。 ［００７６］ 所与の励起波長の電磁輻射による照射時に、エネルギ差
がフォトンの波長にほぼ対応する場合、箱の基底状態Ｅ
１に含まれる電子は励起準位Ｅ２に移動する。 これらの２つの準位は、成長軸に沿って別々の重心を有
しており、構造中に電気的双極子が生成され、高い非線
形特性を招く。この双極子の寿命、したがって観察され
る効果の程度は、励起状態の寿命に直接結び付けられる
。単なる非対称井戸では、２Ｄ状態が他の中間方向に量
子化されず基底状態の輻射再結合しか許容されないので
、寿命は短い（約１ｐｓ）。励起状態の寿命はもっと長
く約１０ｎＳであり、非線形係数は１０５倍である。 ［００７７］ デバイスは電磁輻射の検出のために使用することができ
る。この場合、これらの双極子はこのような量子箱を含
むデバイスの端子で検出される。デバイスは検出器が装
着される同一導電性型の電極を備える。 ［００７８］ 第２調波の発生、ヘテロダイニング又はパラメータ増幅
のような数個のフォトンを含む方法に（仮想の）第３の
準位を加えることにより、このような構造の他の非線形
特性も使用することができる。 ［００７９］ これらの量子箱は非対称箱と同一の適用を有する双極子
を夫々構成する箱対により形成され得る。 ［００８０］ このデバイスは電磁輻射の検出に使用され得る。この場
合、デバイスは約４０μｍまでの波長で最適に作動する
。 ［００８１］ 量子膜に比較した量子箱の別の利点を以下に述べる。 ［００８２］ 入射光と双極子とを結合するために、量子膜の場合には
成長軸に平行な偏光が必ず必要である。即ち結合を最大
にするためにブルースター角で照射しなければならず、
この場合でさえ１％に過ぎない。 ［００８３］ 箱の場合、励起準位は実際に３重縮退準位である。した
がって、準位Ｅ１Ｘ、Ｅｌｙ及びＥ１２の差が３６ｍｅ
Ｖ（即ちフォノンＬＯのエネルギ）未満であるならば、
入射光の全偏光は光励起を可能にし、いずれの場合も電
子の一部は音響フォノン又は不純物の拡散によりＥ１２
準位まで緩和し、双極子はＺ軸に沿って有効に形成され
る。 ［００８４］ 最後に、別の適用として本発明の量子箱の構造は光電流
による電磁輻射の検出用装置としても使用され得る。図
１５はこのようなデバイスを示し、ドープされた基板Ｓ
上に同一材料でドープしたバッファ層を積層する。更に
量子箱構造の１又は複数の層を積層し、更に狭い禁止帯
の材料のドープ層を積層する。標準マイクロリソグラフ
ィ技術を使用することによりメサを形成し、基板にオー
ムコンタクトを備える。上層には検出すべき輻射に対し
て透過性のオームコンタクトを備える。これらの２つの
コンタクトは同一の導電性型を有する。デバイスの動作
を以下に述べる。コンタクト間に電圧を印加する。所与
の波長のフォトンはまず最初に量子箱の最低準位の電子
を、 一励起準位と基底準位とのエネルギ差が励起波長にほぼ
等しい場合は井戸のより高い準位、 −又は障壁材料の伝導帯の上に励起する。電子はその後
、印加電圧により生成される電界の影響下にトンネル効
果により井戸から出、外部回路で測定可能な電流を生成
する。 ［００８５］ ２次元量子井戸を使用する従来技術に比較して、本発明
の構造の利点を以下に述べる。 ［００８６］ 一電子は表面に平行な偏光の電磁界によってさえ励起さ
れ得、その結果、結合、したがって吸収を著しく増加す
ることができる。 ［００８７］ 結晶構造の振動との相互作用は、箱の完全に不連続な準
位の場合に別の井戸での電子の再捕獲を第１番目に許容
しないので、このような捕獲の確率は減少する［００８
８］ 量子箱又は線の製造はいくつかの方法で実施することが
できる。 ［００８９］ 図１６のａ　−ｄに示す手順によると、上述の説明中で
層１の材料に対応する材料と量子井戸２との交互層を基
板Ｓ上に堆積する（図１６のａ）。 ［００９０］ 次に、量子箱（又は線）のディメンションエレメントを
マスキングによりエッチする（図１６のｂ）。８０Ｘ８
０ｎｍ程度のエレメントをエッチすることが可能である
。電子的な観点からみて、このような幾何学的セクショ
ンは約２０〜３０ｎｒｎの量子箱に対応する。 ［００９１］ 最後に、層１と同一材料のデポジットを形成しく図１６
のＣ）、必要に応じて構造をプレーナ化する（図１６の
ｄ）。 ［００９２］ 図１７のａ及び図１７のｂに示す別の手順によると、基
板をエッチすることによりエレメントＧ１を形成する（
図１７のａ）。 ［００９３］ 次に、エッチした基板に選択的成長（図１７のｂ）を行
い、２つの異なる方法、即ち成長の指向性により成長方
向と、非対称形をエッチすることにより成長に垂直な方
向とに異方性を形成する。この成長方法はＡｐｐｌｉｅ
ｄ　　Ｐｈｙｓｌｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、５３．２６
２８　　（１９８８）に所収のＹ、Ｄ、Ｇａ１ｅｕｃｈ
ｅｔ、Ｐ、Ｒｏｅｎｔｇｅｎ及びＶ、Ｇｒａｆの論文に
より記載されてし）る。次に必要に応じて上記手順と同
様に構造をプレーナ化する。 ［００９４］ 最後に、図１８に示す手順に従い、プレーナ界面Ｔ上で
３次元核形成により量子箱を形成することもできる。核
形成手順はＡｐｐｌｉｅｄ　　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ、４７．１０９９　　（１９８５）に所収（７）
Ｌ、ＧｏｌｄｓｔｅｉｎＦ、Ｇｌａｓ、Ｊ、Ｙ、Ｍａｒ
ｚｉｎ、Ｍ、Ｎ、Ｃｈａｒａｓｓｅ及びＧ、　Ｌｅ　　
Ｒｏｕｘの論文に記載されている。 ［００９５］ この方法は、成長中に流量を変えることにより成長方向
で非対称性を容易に得ことができる。箱間の距離が２つ
の相互に隣接する量子箱の間の波動関数の非局在化を可
能にするに十分に小であるならば結合した量子箱が得ら
れる。表面■に２．１のような量子箱を形成後、基板と
同一材料のデポジットを形成する。別の表面ＩＩ（破線
で示す）が得られ、この表面に更に量子箱（例えば２．
２）を形成し、以下同様である。 ［００９６］ 簡略にするために、図面では量子箱をすべて立方体によ
り示しな。特徴的寸法が電子のドブロイ波長程度又はそ
れ以下である限りどのような形も許容できる。 ［００９７］ 活性材料は非常に多様な種類であり得、例えば１■、Ｉ
ＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ又はＩＶ−ＶＩであり得る。電子
が量子化される箱（又は線）における正孔の局在化は不
可欠ではない。しかしながら、正孔は箱の周囲の材料に
局在化され得る。これは使用される材料に依存する。こ
れはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ材料対で達せられる。 ［００９８］ 以上の説明は活性粒子が電子であるような構造に関する
ものであるが、Ｎ型でなくＰ型ドーピングを使用するこ
とにより活性粒子が正孔であるような同様の構造を設計
することも可能である。 ［００９９］ 自明のことながら、以上の説明は非限定的な例であり、
本発明の範囲内で他の種々の変形例を予想することがで
きる。材料の数及び種類並びに製造方法は単に説明のた
めに示したな過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 量子箱の機能の説明図である。
【図２】 量子箱の機能の説明図である。
【図３】 量子箱の機能の説明図である。
【図４】 本発明の光励起のための量子箱の機能を示す説明図であ
る。
【図５】 光励起式量子線レーザの実施態様を示す説明図である。
【図６】 光励起式量子箱レーザの実施態様を示す説明図である。
【図７】 電気励起式レーザの実施態様を示す説明図である。
【図８】 電気励起式レーザの実施態様を示す説明図である。
【図９】 図７及び図８に示すレーザ゛のエネルギ図である。
【図１０】 図７及び図８に示すレーザの変形例及びそのエネルギ図
を示す説明図である。
【図１１】 量子線変調器の実施態様を示す説明図である。
【図１２】 ａ及びｂは量子線及び箱の状態密度を示す説明図であり
、ｃ　−ｆは量子線及び井戸内の屈折率及び吸収率に及
ぼす電界の効果を示す曲線である。
【図１３】 光起電力検出用非対称量子箱デバイスの説明図及び部分
拡大図である。
【図１４】 光起電力検出用非対称量子箱デバイスの説明図である。
【図１５】 量子井戸式複写光電流検出器を示す説明図である。
【図１６】 本発明のデバイスの製造方法の一例を示す説明図である
。
【図１７】 本発明のデバイスの他の製造方法を示す説明図である。
【図１８】 核形成による本発明のデバイスの製造方法の一例を示す
説明図である。
【図１９】 非対称量子箱を示す説明図である。
【図２０】 結合した量子箱及び線を示す説明図である。
【符号の説明】
１　半導体材料層 ２．２０．２１　　量子井戸 ９　補助光源
【書類芯】
図 面
【図１】
【図２】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１−３】 Ｚ ａＡｓ
【図１４】
【図１５】 ［３ａＡｓ ａＡｓ
【図１６】 ａ
【図１−８】
【図１９】 【図２０１

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子伝導帯の底に対応する所定の電位エネ
    ルギの光波に対して透過性の半導体材料層と、２次元（
    量子線）又は３次元（量子箱又は量子点）に制限され、
    透明半導体材料層よりも低い電位エネルギを伝導帯の底
    に有する材料から構成されており、前記伝導帯の底の電
    位エネルギ値の間に含まれる対応するエネルギを有する
    少なくとも１つの許容エネルギ準位（基底準位）及び第
    ２の許容準位を有する少なくとも１つの量子井戸と、第
    １の許容エネルギ準位の電子分布を確保する手段とを含
    むことを特徴とする量子井戸光学デバイス。
  2. 【請求項２】前記電子分布を確保する手段が、箱又は箱
    の周囲の材料のＮ型又はＰ型ドーピングであることを特
    徴とする請求項１に記載の量子井戸光学デバイス。
  3. 【請求項３】前記電子分布を確保する手段が、箱のギャ
    ップよりも高いエネルギを有する電子及び正孔を生成す
    るポンピングビームを含むことを特徴とする請求項１に
    記載の量子井戸光学デバイス。
  4. 【請求項４】２又は３次元に制限された数個の量子井戸
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の量子井戸光学
    デバイス。
  5. 【請求項５】前記量子井戸がその電子結合を阻止するた
    めに十分な距離を相互に隔てて配置されていることを特
    徴とする請求項１に記載の量子井戸光学デバイス。
  6. 【請求項６】前記層がｘｙ面に平行であり、このｘｙ面
    に平行な数個の量子線を含むことを特徴とする請求項４
    に記載の量子井戸光学デバイス。
  7. 【請求項７】相互に平行に配置された量子線の数個の面
    を含むことを特徴とする請求項６に記載の量子井戸光学
    デバイス。
  8. 【請求項８】一方の面の前記量子線が、三面体ｘｙｚの
    ｚ方向に関して他方の面の量子井戸に対して互い違いに
    配置されていることを特徴とする請求項７に記載の量子
    井戸光学デバイス。
  9. 【請求項９】前記層がｘｙ面に平行であり、ｘｙ面に平
    行な線に沿つて整列された数個の量子箱を含むことを特
    徴とする請求項４に記載の光学デバイス。
  10. 【請求項１０】ｘｙ面に平行な面に配置された量子箱の
    数個の平行列を含むことを特徴とする請求項９に記載の
    光学デバイス。
  11. 【請求項１１】量子箱の数個の平行な面を含むことを特
    徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
  12. 【請求項１２】１つの面の前記箱が、ｘｙｚ面体のｚ方
    向に関して隣接する面の箱に対して互い違いに配置され
    ていることを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイ
    ス。
  13. 【請求項１３】前記半導体材料層が第１の屈折率を有し
    ており、且つ第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有
    する材料の２つの層の間に配置されていることを特徴と
    する請求項１に記載の光学デバイス。
  14. 【請求項１４】前記層がｘｙｚ三面体のｘｙ面に平行な
    主要面を有するように方向付けられ、前記量子井戸がｘ
    方向に沿って方向付けられており、ｘ方向に垂直な前記
    層の面が光学キャビティを構成するように切除又は光学
    的に処理されており、補助光源が主要面にほぼ垂直なポ
    ンプ波を供給することを特徴とする請求項１に記載の量
    子井戸光学デバイス。
  15. 【請求項１５】前記補助光源により供給されるポンプ波
    のエネルギが第１の許容準位と第２の許容準位との間の
    エネルギ差よりも大きいことを特徴とする請求項１２に
    記載の量子井戸光学デバイス。
  16. 【請求項１６】前記補助光源により供給されるポンプ波
    の波長が、箱を構成する半導体の帯間（伝導帯−価電子
    帯）遷移エネルギと、箱の材料と箱の周囲の材料との帯
    不連続性と、正孔の閉じ込めエネルギとの和よりも大き
    いことを特徴とする請求項１４に記載の量子井戸光学デ
    バイス。
  17. 【請求項１７】前記半導体透明材料層がｘｙｚ三面体の
    ｘｙ面に平行で夫々同一の導電性型の電極を備える２つ
    の主要面を有しており、構造に電位差を加えるためにこ
    れらの電極に電圧発生器が接続されており、ｘ方向に垂
    直な層の面が光学キャビティを構成するように切除又は
    処理されていることを特徴とする請求項１に記載の光学
    デバイス。
  18. 【請求項１８】ｘｙ面に平行な面内に配置された数個の
    量子井戸を含むことを特徴とする請求項１７に記載の光
    学デバイス。
  19. 【請求項１９】前記電極の一方に平行な量子層を含んで
    おり、前記発生器が他方の電極に印加される電位に対し
    て負の電位を該電極に印加することを特徴とする請求項
    １７に記載の光学デバイス。
  20. 【請求項２０】前記量子層を構成する材料が前記量子井
    戸の材料と同様であることを特徴とする請求項１９に記
    載の光学デバイス。
  21. 【請求項２１】透明半導体材料層の両側に配置された同
    一導電性型の電極と、該電極に接続された電位差検出器
    とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイ
    ス。
  22. 【請求項２２】透明半導体材料層の各側に配置された電
    極と、該電極に電位差を加える電圧源とを含んでおり、
    デバイスにより変調するために光ビームを層に伝搬する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  23. 【請求項２３】対で結合された数個の量子井戸を含んで
    おり、２つの結合井戸が相互の電気結合を可能にする距
    離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項２１
    又は２２に記載の光学デバイス。
  24. 【請求項２４】各井戸が相互に積み重ねられた２種類の
    材料を含んでおり、該材料の伝導帯の底のエネルギが２
    種類の材料で異なることを特徴とする請求項２１又は２
    ２に記載の光学デバイス。
  25. 【請求項２５】各井戸が相互に積み重ねられた２種類の
    材料を含んでおり、該材料の伝導帯の底のエネルギが２
    種類の材料で異なることを特徴とする請求項１に記載の
    光学デバイス。
  26. 【請求項２６】第１段階として異なる禁止帯幅を有する
    ２種類の材料の交互層を基板上に形成する段階と、第２
    段階として前記層に個々のエレメントをエッチする段階
    とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイ
    スの製造方法。
  27. 【請求項２７】最大の禁止帯幅を有する材料にほぼ等し
    い禁止帯幅の材料を使用して得られた構造をプレーナ化
    する段階を含むことを特徴とする請求項２６に記載の光
    学デバイスの製造方法。
  28. 【請求項２８】半導体材料の基板上に同一材料の少なく
    とも１つのエレメントを作製する段階と、相互に異なる
    禁止帯を有する交互に配置された半導体材料をこの基板
    のエレメント上に選択的に成長させる段階と、場合によ
    り広い禁止帯幅の材料を使用して構造をプレーナ化する
    段階とを含むことを特徴とする請求項２６に記載の光学
    デバイスの製造方法。
  29. 【請求項２９】交互段階として、広い禁止帯幅の基板の
    片面に狭い禁止帯幅の半導体材料の粒子を核形成する段
    階と、基板材料と同一の材料を使用してプレーナ化する
    段階とを含むことを特徴とする請求項２６に記載の光学
    デバイスの製造方法。
  30. 【請求項３０】第１段階として異なる禁止帯幅の少なく
    とも３種の材料の交互層を作製する段階を含むことを特
    徴とする請求項２６に記載の光学デバイスの製造方法。
  31. 【請求項３１】材料の一方をＰ又はＮ型にドープする少
    なくとも１つの段階を含むことを特徴とする請求項２６
    に記載の光学デバイスの製造方法。
  32. 【請求項３２】３種の材料の少なくとも１種をＰ又はＮ
    型にドープする１つの段階を含むことを特徴とする請求
    項３０に記載の光学デバイスの製造方法。
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