JP3825498B2 - 光学変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置と半導体装置の動作モードに関する。特に、荷電励起子の光学特性を利用した光学変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学変調器は、伝搬された光学ビームの強度が、一層低い値と一層高い値の間で、印加電圧を制御することによって切り替えられる電気光学装置である。効率的な光学変調器は、透明状態に低い損失を同様に持っていて、透明状態及び不透明状態の間に大きいコントラストを有している必要がある。
【０００３】
米国特許４、８７２、７４４には、量子井戸層と、井戸層内のフリーキャリアの密度を変えるための電界効果トランジスタの形をとる手段を具備する光学変調器が、記載されかつ特許請求の範囲として請求されている。電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一般的な形態である。しかし、井戸層を含む領域を通って、光を導くために、構成されている。ゲート電極に印加されるバイアスは、装置を、伝播中の光に対して相対的に透明又は不透明にする。
【０００４】
不透明状態に光をより多く吸収するとしても、前述の米国特許による装置は、上記のように動作するときに、透明状態においていくらかの放射をまだ吸収する。これは、多数の不利益を有する。まず、不透明状態と透明状態の間でのコントラストが悪くなる。第２には、その結果として、光学入力ビームに一層高いパワーが要求される。透明状態の吸収は、集積光学回路におけるその使用を制限する不可欠な要素として装置を含むように形成することができるよりも、導波路の全体の長さを同様に制限する。
【０００５】
また、本発明は、入射光学ビーム（これ以降「制御ビーム」と称する）が電気信号を生成するのに使用されるか、又は、強度或いは装置を伝播する光学ビームの切換を制御するのに使用される光学活性半導体装置に関する。先の種類の装置は、もちろん、光学検出器であって、後の種類の装置は光学活性光学変調器である。
【０００６】
制御ビームを使って、伝播ビームを制御するか、又は切り替える原理は、例えば、米国特許４、８７２、７４４に記載されている。制御ビームは、量子井戸内での電子密度を変えると言われており、ゼロ又は低キャリア密度では、装置は相対的に通過ビームに対して不透明であり、一層高いキャリア密度では、相対的に透明である。しかし、このことが効果を奏するような具体的な手段が記述されていない。
【０００７】
量子井戸吸収帯の中に光子エネルギーを有する制御ビームが井戸内に過剰キャリアを生成して、そして、層の屈折率を変えるような別の装置が、米国特許４、６２６、０７５に記載されている。これは、量子井戸のバンドギャップより小さい光子エネルギーを有する伝播ビームの角度のふれを変える。それ故に、この種の装置は位相変調器として振る舞う。
【０００８】
Ｐ−Ｉ−Ｎ構造で導波路を有する光学活性半導体装置の別の形態は、米国特許４、７１６、４９９に記載されている。この装置では、制御ビームは順々に導波路のバイアス条件を変えることによって、伝播ビームを変調するために使われる光電圧を生成するために使われる。
【０００９】
更に、本発明は光学メモリ内の素子のような使用に相応しい双安定光学装置に関する。
【００１０】
その出力に双安定性を示す半導体装置は、米国特許４、７１６、４９９に開示されている。この装置はその双安定な振る舞いのための装置のバイアスを変えるのに、光電流の発生によっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の装置においては、不透明状態と透明状態の間でのコントラストが悪く、その結果として、光学入力ビームに一層高いパワーが要求される。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、新規な光学変調器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
【００１４】
本発明の第１局面に係る新たなモードでの装置の動作によって光学変調器に対する上記の不利益を克服することができ、この新たな動作モードは電界効果トランジスタが量子井戸を含む量子井戸層内のフリーキャリアの密度を変える配置における量子井戸層を具備する光学変調器の動作方法を提供する。この本発明の方法は、ゲート電極と装置の他の電気的なコンタクトとの間の可変バイアス電圧を印加し、ゲート電極に印加するバイアス電位を次のように変化させることを局面としている。変調器は、量子井戸層内のキャリア密度がゼロ又は無視できるときには入射光に対してほぼ透明であって、量子井戸層に有限のキャリアがあるときには、入射光に対して不透明となる。
【００１５】
本発明による方法は、更にこれ以降で述べる従来の装置と、新たな装置形態に適用できる。従来の装置は、量子井戸層へのソース及びドレイン・コンタクトの両方を有する。その場合は、ゲート電極に関連するバイアスが印加された装置の他の電気的なコンタクトはドレイン・コンタクトであっても良い。ソースとドレイン・コンタクトは同一の固定電位であっても良い。しかし、任意に、異なる固定電位をソースとドレイン・コンタクトの間に印加しても良い。
【００１６】
更に以下に述べる装置の新たな形態において、従来の装置で使用されるような一次ゲート又はリッジ構造の側方に関連する導波領域の他の側方に配置されたゲートが「バックゲート」構造として用いられる。言い換えれば、そのようなバックゲートは導波領域の基板側の上に置かれる。
【００１７】
これ故、透明状態での吸収が非常に減少されるので、本発明の方法は、従来の動作モードの不利益を克服する。この装置の透明状態での吸収は、２つの起源を有する。第一に、過剰電子が量子井戸層へ加えられるときに、残留価電子帯−導電帯吸収がある。第２に、量子井戸内の過剰電子は、内部及び相互導電帯遷移による吸収を受ける。本発明の第１の局面の方法では、透明状態は、量子井戸の無視できる過剰電子密度で形成され、透明状態の過剰電子によって内部及び相互導電帯吸収がほとんど除かれる。実に、内部及び相互導電帯吸収は、不透明状態のみが大きいので、透明／不透明コントラスト比が増加する。
【００１８】
更に、装置がゼロ電子密度では帯域端の中性励起子ラインより下の光子エネルギーで動作するので、透明状態における残留価電子帯−導電帯吸収は同様に減少する。ここで、量子井戸はほとんど透明である。
【００１９】
価電子帯から導電帯までの半導体の電子の光学励起により、物質のバンドギャップに等しいしきい値光子エネルギーで、連続的な光学遷移が行われる。このことは、それらの反対側の電荷による相互クーロン引力を感じるような価電子帯から出る導電帯と「正孔」内の電子であることが知られている。相互作用は、（中性）励起子と称される（１つの電子と一つの正孔から成る）電子−正孔境界状態を形成するように作用する。これらの中性励起子は、価電子帯−導電帯のしきい値エネルギーより下の光子エネルギーで吸収範囲の鋭い共鳴を生成する。
【００２０】
連続しきい値と最低のエネルギーの違いと、分離している励起子の遷移エネルギーは、それらの相互引力による電子及び正孔の結合エネルギーに近似的に等しい。半導体量子井戸層に対して、バンド間吸収しきい値（ゼロ電子密度で）は、第１の電子と正孔サブバンドの間に形成される（中性）切除による。
【００２１】
それは、量子井戸層へ過剰電子が加られることによって、中性励起子の遷移エネルギーの吸収が減少することは前述の米国特許４、８７２、７４４で、論じられている。吸収は、２つの主な構成要素、（１）基底状態の中性励起子、（２）連続遷移、を有する。連続吸収の減少は、導電帯の基底部への遷移が電子によって占有されるこれらの状態によって、ブロックされるという事実によっている。故に、電子フェルミエネルギーは増えるので、効果的な帯域端しきい値は一層高いエネルギー（Ｂｕｒｓｔｅｉｎ−Ｍｏｓｓ効果）に移る。
【００２２】
米国特許で述べたように、連続吸収が透明状態へのいくらかの残留吸収を残して、完全に除去されてはいない。実際に、この問題は、量子井戸層バンドギャップが、電子密度が増加し、一層高い遷移エネルギーへ有効な吸収端への移行の大部分をキャンセルするにつれて、より低いエネルギーに移行するので、従来のものより一層悪い。故に、「透明」状態の従来の光学変調器の吸収は実際に全く重要である。
【００２３】
従来の装置の透明状態の損失の別の要因は、このことはその文書では議論されていないが、内部及び相互導電帯吸収過程から起こる。この吸収は、同一又は一層高い条件バンド内の一層高いエネルギー状態の励起された導電帯の過剰電子によって引き起こされる。１０12ｃｍ-2の過剰電子密度は、米国特許４、８７２、７４４の従来の動作モードに従って透明状態を生成するために、必要であると評価されている。それは、１００オングストローム幅の量子井戸層内で１０18ｃｍ-3の３次元密度の相当する。Ａｄａｃｈｉ、 ”ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”、 （Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、 Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ、 １９９４、 ｐ４４１） は、ドープバルクＧａＡｓにおける吸収係数の相互−導電帯過程による吸収係数のプロットを与える。このプロットから、１０18ｃｍ-2に対する基本ギャップより下の吸収係数を概ね１０ｃｍ-1であると評価することができる。
【００２４】
いくらかの特別な理論か説明によって縛られないことを望むけれども、出願人は従来の動作モードと本発明との重要な違いが、２つあると考えている。まず、従来の装置は、振幅光学変調モードにおいて中性帯域端励起子のエネルギーで動作し、本発明の動作はこれ以下のエネルギーである。更に、従来のものによる動作に対して、透明及び不透明状態は量子井戸層内の有限かつ無視できる電子密度でそれぞれ形成される。本発明で、この状況は逆になる。
【００２５】
本発明による方法の１つのこれ以降の実施形態の説明は、集積電界効果トランジスタのショットキー・ゲートとドレインの間の電圧の印加が自由電子の密度を変え得る量子井戸層を含む中央領域を有する導波路から成る光学変調器に関する。導波路を通って伝搬する光は、過剰電子の空乏化時に、量子井戸の中性励起子の吸収より下のエネルギーを有するように選ばれる。故に、ショットキー・ゲートにバイアスが印加されると、量子井戸層には電子がなくなり、光は導波路を通って相対的にほとんど減衰がなく伝搬することができる。これは、装置の透明状態に相当する。過剰電子が量子井戸層へ加えられると、量子井戸層内の励起子の吸収に必要な光子エネルギーは、ゲート電圧を変えることによって、下げられ、光の吸収を増やし、装置を不透明状態に変える。
【００２６】
同様に、過剰電子が量子井戸層へ相互−及び内部−導電帯遷移（本発明における不透明状態）によって加えられると、上記のように、光吸収がいくらか増える。
【００２７】
同様に、過剰電子が量子井戸層へ加えられる時に、負の荷電励起子と称される、光励起電子と正孔は２つの電子と１つの正孔から成る境界コンプレックスを形成して、第２の過剰電子を結合できる。負の荷電励起子の遷移エネルギーは、励起子の電子／正孔コアへ第２の過剰電子の結合エネルギーに概ね等しい中性励起子のそれより低い。
【００２８】
図１は、量子井戸内の無視できるほど小さい（実線）及び有限な（破線）電子密度での量子井戸の吸収を示す。装置がゼロ電子密度の中性励起子のエネルギーより下の光子エネルギーで動作することがわかる。量子井戸層へ過剰電子を加えることは、吸収強度を中性励起子から取り除いて、負の荷電励起子に転送する。この励起子は、一層低いエネルギーとされ、動作光子エネルギーに近づけられる。故に、過剰電子を追加することは、動作光子エネルギーでの吸収を増加し、装置を不透明状態に変える。
【００２９】
故に、本発明の第１の局面による方法は、過剰電子を量子井戸に導入することによって、その吸収を増やしている。動作光子エネルギーは、量子井戸層の無視できる電子密度で（図１の実線）よく中性励起子共鳴の下になるように選ばれる。量子井戸層へ過剰電子（ゲート電圧を変えることによって）を加えることは、負の荷電励起子の形成を増し、動作光子エネルギー（図１の破線）での吸収を増やす。適当な動作光子エネルギーは、図１で「Ａ」でマークされる。
【００３０】
本発明の第１の局面による方法で、不透明状態への最も強い吸収を達成するために、光学変調器は（不透明状態で）電子密度で動作されるべきであり、ここにおいて、負の荷電励起子の吸収は最も強い。これは、以下のように評価可能な中位の電子密度で達成される。光子が過剰電子の付近で吸収されるときに、負の荷電励起子が形成される。それ故に過剰電子密度が増えるけれども、過剰電子が量子井戸層の増加した大きなエリアを覆うので、負の荷電励起子の吸収強度は、中性のそれを犠牲にして増える。負の荷電励起子のエリアの逆数から負の荷電励起子が量子井戸層のほとんど全てのエリアに形成され、かつ最大の吸収強度をそれ故に有するところで量子井戸平面で電子密度を概ね評価できる。
【００３１】
ＧａＡｓ量子井戸層の例と平面内の半径の荒い評価を負の荷電３次元の中性励起子の２倍であるとして、過剰電子におよそ３×１０10ｃｍ-2の密度を与える。これは、よりたくさんの詳述された理論的な分析、及び空間の不均一性によって電子の局部化の効果を考慮に入れることによって改良される場合がある不透明状態に対する最適の電子密度の荒い評価を与える。
【００３２】
負の荷電励起子の利用を可能にするために、井戸層で十分に低い電子密度を得るために、適切なゲートにバイアスを選ぶ従来の光学変調器で、本発明の動作のモードを実際に利用することができることがわかる。しかし、他の適切な構造が考えられる。
【００３３】
一般的に言えば、あらゆるヘテロ構造を使うことができ、そして、ドープ層から得られるキャリアによって、量子井戸層又は井戸又は活性層でいわゆる二次元電子ガスの誘導を許す、又は、井戸を含む領域を通って、光が伝播できる。任意に、アンドープスペーサー層はドープと量子井戸層との間に配置される。しかし、本発明が量子井戸層で一層低い電子密度によっているので、動作の従来の光学変調器のモードと比べてスペーサー層の存在が好ましい。それ故に、そのようなスペーサー層は例えば、３０〜１００ミリメートルの相対的に厚くても良い。
【００３４】
本発明の第１の局面の方法の議論が量子井戸層へ過剰電子を加えることによることであるが、同様にその代わりに過剰正孔を導入することによって、光学変調を達成することができることを注意すべきである。この場合は、量子井戸層の近くのドープ領域は電界効果トランジスタでドナーより好ましくはアクセプタの残余を含む。これは、よくゲート−ドレイン電圧経由で変えられるために、量子井戸層で過剰正孔の密度を促進する。また、動作光子エネルギーは量子井戸層（透明状態）の無視できる過剰正孔密度で帯域端励起子の遷移より小さくなるように選ばれる。ゲート−ドレイン電圧を変えることによって過剰正孔密度を増やすことにより、正の荷電励起子（２つの正孔と１つの電子の境界コンプレックス）が量子井戸層に形成される。これらは、中性励起子より低い遷移エネルギーを有していて、これにより、動作光子エネルギーでの量子井戸層の吸収を増やし、装置の不透明状態を形成する。もし、正孔の有効質量が電子のそれより大きければ（それは、ほとんどの半導体のケースである）、正の荷電励起子の第２の正孔の結合エネルギーは、第２の電子の負の荷電励起子のそれより大きいだろう。故に、過剰正孔で動作する装置は、過剰電子のそれより大きい透明／不透明コントラスト比を提供するかもしれない。
【００３５】
本発明の第１の局面の方法は、従来のもの、すなわち量子井戸層にコンタクトをとるソース及びドレイン領域を持つ電界効果トランジスタの形をとる装置、に従って装置を一般にすなわち使用する第１の実施形態に関して、以下に述べる。ゲートへ印加されるバイアス電圧が、透明及び不透明状態の間の切り替えを制御するように、ショットキー金属ゲート電極は、ソースとドレイン領域の間の量子井戸層の上に置かれる。井戸、スペーサー及びドープ層は、それぞれの被覆層の間に配置される。
【００３６】
上記のように、光学変調器の新たな形態において工夫がなされ、従来の装置によるモードか本発明の第１の局面の方法に係るモードで動作することができる。
【００３７】
この装置は、量子井戸層を含む光学導波領域と、導波領域の光学路を規定する導波構造と、量子井戸層でキャリア密度を変化させる導波領域より下に置かれたゲートと、前記ゲートに対する電気的なコンタクトと、少なくとも１つの他の電気的なコンタクトとを具備する光学変調器を提供する本発明の第２局面を構成する。
【００３８】
装置のこの新たな形態の導波構造は、光学導波領域の上に置かれたリッジから成る。しかし、導波構造の他の形態は同様に可能である。
【００３９】
本発明の第２の実施形態による装置において、ゲートのための電気的なコンタクトは導波領域で量子井戸層より下に侵入するくぼみに置かれる。その代わりに、高ドープ・バッファと基板層と構造の後方に作られたオーム接点の上のバックゲートを直接に成長させることができる。
【００４０】
本発明による光学変調器の２つの実施形態は、以下の通りである。これらの実施形態の一つで、前記少なくとも１つの他の電気的なコンタクトは量子井戸層へリッジのそれぞれどちらかの側で前記導波領域に電気的なコンタクトとなる、それぞれのソースとドレイン・コンタクトを有する。この装置で、リッジ領域の外側で量子井戸層のエリアを空乏化することは、フロント・ゲートがリッジの上に配置されるような前の形態と異なって、可能である。この利点を、以下に説明する。しかし、リッジの上に追加のゲートを形成することは可能である。そのような装置は、従来の構造の種類に匹敵するだろう。しかし、追加のバックゲートで匹敵するだろう。
【００４１】
それにもかかわらず、もしそのようなもっと遠い「フロント」ゲートがリッジの上に形成されれば、ソースとドレイン・コンタクトは不要である。そのような装置は、本発明の第２の局面に係る装置の第２の実施形態を構成する。以下に述べるようなこの実施形態の特定の形態において、ブリッジは導波領域の中へ広がり、エッチングされるくぼみ領域によって、境界をつけられる。これは、光学導波領域にキャリアがないような、リッジ端の外側でされる。もし装置がこの発明の第１の局面のモードで動作されれば、これは、有利である。もし装置が従来のモードに従って動作することができれば、より上部の被覆層内でエッチングが終わることは、一層良く、リッジの外側の量子井戸層のエリアがキャリアで占有されたままである。
【００４２】
バックゲート構造の利点は、フロント・ゲート装置（構造）と異なってキャリアのうち全ての量子井戸層を空乏化することができることである。もし装置が本発明の第１の局面のモードで動作すれば、これは、有利である。この理由は、フロントゲート装置に対してストライプの外側及び隣接する量子井戸のエリアが空乏化されないで、それ故に、装置が透明状態で、光の一部分を吸収する。透明状態のこの吸収は、損失を構成し、望ましくない。しかし、バックゲート装置で避けることができ、バックゲートの上の全ての量子井戸層は空乏化されるだろう。
【００４３】
上記のように、本発明の第２の局面による光学変調器は、従来の装置の動作モード、又は、本発明の第１の局面の方法によって定義された動作モードのどちらか一方で動作可能である。しかし、後者のモードの動作に対して特に有利である。
【００４４】
この基本的な光学変調器の構造に対する様々な変形は、可能であって、例えば、
（１） 実施形態で述べられた装置は、吸収係数が動作光子エネルギーにおいて変更されるところで、振幅変調を生成する。しかし、屈折率の小さい変更による位相変調の原理上で動作する装置を生成するのに、ここで概説した原理を同様に用いることができる。この場合は、一層小さい動作光子エネルギーが使われ、それは吸収損失を非常に減少させる量子井戸層の禁止帯のギャップの中にある。一方、そのような装置は一層長い装置の長さが、同等の変調を生成するのに要求されるという不利益を有する。これは、本発明の第２局面に係る装置と、本発明の第１局面の方法による動作に対して意図されるどのような光学変調器にも適用する。
【００４５】
（２） リッジ構造の上部の金属ショットキー・ゲートを採用するこれらの実施形態に対して、ショットキーゲートは構造の残りに沿ってエピタキシャル成長されたドープ半導体層によって置き換えられる。
【００４６】
（３） ドーパント原子を量子井戸層へ追加又はそれより上よりも下のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層内に置くことができる。
【００４７】
（４） アンドープスペーサー層を省略することができる。
【００４８】
（５） ｎ型の代わりにｐ型ドーパントを使うことができる。この場合は、過剰正孔は正の荷電励起子の形成を導くように、量子井戸層に供給される。
【００４９】
（６） 上部被覆層を省略することができる。又は、導波領域より小さい屈折率を持つ誘電体で替えることができる。大きいバックグラウンド不純物濃度を有するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ被覆層が使われれば、好ましい場合がある。
【００５０】
（７） 量子井戸層の質を改良するために、量子井戸層の前にここで概説されたＧａＡｓ構造のための短い周期の超格子構造（例えばＧａＡｓの５０周期（２５オングストローム）／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ （２５オングストローム）を成長させることができる。
【００５１】
変調器は分離している装置として使用するための外部の導波構造に使用中に組み入れられたり、光回路に統合される場合がある。光学論理素子を形成するために、それを他のもの電気回路と結び付けることができる。
【００５２】
ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどのようなエピタキシャル成長法が好ましいけれども、多数の異なった方法で、装置の半導体層を生成することができる。
【００５３】
本発明の第３局面に係る光学活性された半導体装置の新たな形態においては、所定のバンドギャップを有する半導体物質で形成された量子井戸層と、前記所定のバンドギャップよりも高いバンドギャップを有する半導体物質で形成された少なくとも１つの領域を具備し、少なくとも１つの領域が前記少なくとも１つの領域のバンドギャップよりも高い光子エネルギーを有する入射光ビームで照射されたときに、量子井戸層内の過剰キャリア密度が変化するような変調領域を有する光学動作半導体装置を提供する。これ以降に、光学活性光学変調器及び光学検出器の両方と、本発明の第３の局面に従った全てのものの実施形態を述べる。光学変調器は、動作の従来のモードで動作可能である。すなわち、ゼロ又は低いキャリア密度で伝播ビーム及び相対的に不透明であり、一層高いキャリア密度で相対的に透明であるように、制御ビームが量子井戸層で電気密度を変える。しかし、本発明によるこれらの光学変調器は異なったモードで動作することが同様に可能である。この異なったモードは、本発明の第１の局面で述べられている。量子井戸層のキャリア密度がゼロ又は無視できれば、変調器を伝播光に対してほぼ透明にし、量子井戸層に有限のキャリア密度があると、光に対してより不透明にし、これにより、透明／不透明のコントラスト比が上がる。
【００５４】
伝播ビームの強度を変調する代わりに、同様に制御ビームが伝播ビームの光子エネルギーで装置の屈折率を変えるように、装置を製作することができる。この方法では、装置は位相変調器として振る舞う。
【００５５】
発明の第３の局面の他の変形において、量子井戸層のゲート及びオーム接点、及び故に量子井戸内の電子密度、及び故に電子密度で導波路を通って移動するビームを変えるような制御により、光電圧を生成することができる。後者の装置において、光電圧が量子井戸層を横切る電界を変える点を除いて、本発明で、量子井戸層での電子密度を変更している。これは、米国特許４、７１６、４４９に記載された従来の動作に類似している。
【００５６】
強度（振幅）変調器である本発明による光学活性光学変調器は、導波領域を通って伝播する光ビームの強度を変調する動作の機構に関する２つの別のクラスに落ちる。これらのクラスの一つに対して、入射光ビーム（すなわち制御ビーム）は量子井戸層で過剰キャリア密度を減少させる機能を有する。変調器の他のクラスで、制御ビームは量子井戸層に過剰キャリア密度を増やす機能を有する。
【００５７】
以下に述べる光学活性光学変調器の実施形態において、装置の変調領域を通る光学路は、原理的には、どのような公知の光学導波構造が本発明に係るような検出器に採用されていても、ストライプ導波構造によって定義される。導波構造は、一緒に分配することが可能であり、伝播ビームは装置の上部表面に直角又は斜角で入射する。
【００５８】
本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第１のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸層内の過剰電子密度を減少するように機能すること、において、変調領域は、更に、第１のドープ層を具備する。しかし、好ましくは、変調領域が第２のドープ層を具備し、量子井戸層が第１及び第２のドープ層との間に置かれる。装置のこのクラスを例示するために記載された実施形態において、量子井戸層はそれぞれのスペーサー層によって第１及び第２のドープ層から分離される。この装置において、第１、及び第２のドープ層が、同じ導電型を有するようにドープされる。
【００５９】
発明の第３の局面による光学変調器の第２のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸層内の過剰キャリア密度を増加する機能を有すること、において、装置層構造が変調領域を横切る電界生成する。これは、それぞれ異なった導電型タイプの第１及び及び第２のドープ層の間に位置される変調領域によって達成することができる。第１及び第２に述べられた実施形態で、変調領域はこれらの第１及び第２のドープ層から第１及び第２のそれぞれの被覆層で分離される。しかし、同じ効果は、例えば、ｐ−ｉ−ｎ、ｎ−ｉ−ｐ、（ショットキー金属）ｉ−ｐ、（ショットキー金属）−ｉ−ｎ層構造又は、当業者に知られている他のどんな手段でも達成可能である。
【００６０】
本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第２のクラスを例示するために述べた実施形態において、第１及び第２のドープ層の一つは、ストライプ導波構造の一部を形成する。任意に、印加された電圧が導波領域を横切る電界を増やすのに使われても良いように、第１及び第２ドープ層へ、それぞれのオーム接点を作ることができる。このことは、以下でより詳細に説明するが、切換え時間を下げる利益を有する。導波領域の凹部に置かれたオーム接点によって、導波領域の基板側の上にあるドープ層は簡単にコンタクトをとることができる。下部ドープ領域が同じドーピングタイプの緩衝及び基板層上に成長されるのであれば、基板の後方を経由するオーム接点を作ることが可能である。
【００６１】
本発明の第３の局面による光学検出器で、入射光は量子井戸層での電気的なコンタクト（高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）における量子井戸層へのソースとドレインのオーム接点のように効果的に）である出力端末から電気信号を生成する機能を有する。そのような検出器の実施形態では、光ビームは、量子井戸層での過剰キャリア密度を減少させるように機能する。第１のドープ層を更に具備するが、２つのドープ層の間に位置された第２のドープ層と量子井戸層とを具備することが好ましい。２つのドープ層は、同じ導電型にドープされる。上記のように、量子井戸層はそれぞれのスペーサー層により２つのドープ層から分離される。
【００６２】
任意に、ゲート電極が、上部領域で電界を変えるか、増すために、（ソースとドレインのようなものの電気的なコンタクトの間の）構造の上に配置される。付加的に又は代わりに、下部領域の正面の間に同様の方法でバックゲート（すなわち、基板側）を形成できる。これは、本発明に係る変調に同様に任意に適用することができる。
【００６３】
上記の種類の光学検出器は、電気出力信号よりも光学信号を提供するような導波構造の内蔵することによる第２の光学ビームを使用する光の検出するように再構成しても良い。更に、構造は分離している装置として利用される場合がある。又は、イメージ発見目的のための配置に統合される場合がある。
【００６４】
双安定な新たな光学装置（コンタクトを有する必要がない）は、例えば米国特許４、７１６、４４９に記載された従来のそれから双安定性を生成するための動作の異なった機構に依存する。
【００６５】
本発明の第４の局面は、量子井戸層以上の高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層の間に配置される量子井戸層を含む光学路領域を具備する双安定光学素子を、供給し、それにより、光学路領域の光学ビームの吸収は、量子井戸層で過剰電子と正孔を生成し、双安定性を生成するために、光学路領域への吸収を変調する。
【００６６】
発明の第４の局面によるこの装置で、もし１つ以上の量子井戸層すなわち少なくとも２つの量子井戸層、が提供されれば、吸収は増すだろう。導波幾何学での装置について、光学路領域は最適のモードの伝播のための厚さを有していなくてはならない。そして、５〜５０、すなわち２０、の量子井戸層の回りに収容する。
【００６７】
本発明の第５の局面は、量子井戸層よりも、高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層で交互に繰り返す複数の量子井戸層を含み、光学路領域を伝播する光学ビームの出現する強度の双安定性を提供する光学路領域を具備する双安定な光学素子を提供する。
【００６８】
光の共鳴吸収は、構造内で光励起された電子と正孔を生成する。過剰キャリアは、双安定な振る舞いを生成して、物質の吸収を変調する。
【００６９】
本発明に係る装置に利用される動作モードは、吸収特性を変調するためにビームの共鳴吸収が過剰正孔及び電子を生成するように、条件（例えば、伝播ビームの光子エネルギー、量子井戸層のバンドギャップ、及びゲート層かオーム接点へ印加された電圧）が選ばれるように提供された量子井戸層を有する公知の種類の光学装置において、同様に使用されている。
【００７０】
本発明の第６の局面は、光学路領域が量子井戸層よりも高いバンドギャップの半導体物質のそれぞれの層間に配置された量子井戸層を具備する装置の光学路領域を伝播する光学ビームの出現強度における双安定性を供給する方法において、光学路領域の吸収を変調するために、光学路領域内の光学ビームの吸収が、量子井戸内の過剰電子と正孔を生成するような条件で装置を動作している。
【００７１】
光子エネルギー（中性励起子のそれに近いもの、又は荷電励起子のいずれか）で光を使って、２つのモード（以下に更に説明する）で本発明の光学要素を動作することができる。図１は、荷電励起子（動作光子エネルギーＡ）の光子エネルギー、又は、中性励起子（動作光子エネルギーＢ）のそれのいずれかで大きい吸収変化を達成することができることを示す。
【００７２】
以下に述べる本発明に係る双安定素子の好ましい実施形態で、導波構造は光学ビームのために光学路を規定するために、光学路領域を通じて提供される。この特定の実施形態は、ストライプ導波路であるが、当業者に知られている導波構造のどのような種類のものであっても良い。しかし、導波構造は全く無しで済まされても良いし、光学ビームは直角に又は傾いた角度に向けられていても良い吸収する基板の上で成長された構造の場合に、ウィンドウは当業者に知られている技術を使って、ビームの伝播のためにエッチングする必要があるだろう。
【００７３】
本発明によるあらゆる双安定光学装置は、光学ビームを発生させるか、見つけるための手段を含んでいても良い。
【００７４】
上記のように、双安定光学装置は、荷電励起子又は中性励起子のいずれかのエネルギー領域に相当又はその領域内の光子エネルギーを有する光源での２つの異なる光学モードで動作しても良い。
【００７５】
発明による双安定光学装置は、メモリ要素の光学アナログ、フリップフロップ、シフトレジスタ、或いは１以上の双安定な構成要素を利用する電子回路の他のどんな光学等価物として使っても良い。この場合に、例えば、メモリ要素、装置は、そのようなメモリ要素のアレイを具備しても良い。
【００７６】
本発明による双安定な要素の好ましい実施形態は、厚さで１５０オングストロームと１００オングストローム多層量子井戸領域がＧａＡｓとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．３３）層を互い違いにすることから成るＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ ヘテロ構造をそれぞれ使う。しかし、ＧｓＡｓ層は５０〜５００オングストロームとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ２０〜５００オングストロームの範囲の厚さを好ましくは有する。
【００７７】
双安定光学素子の望ましい実施形態において、光学モードが多層量子井戸層のいずれかの側の上に一層厚いＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層を配置することによって、光学モードが最も強い導波領域のちょうど中央領域に光学路領域を同様に制限することができるけれども、多層量子井戸層は光学路領域の全体の厚さを占める。導波領域は、およそ０．２〜１．０（μｍ）の全体の厚さを好ましくは有するが、一方、上部及び下部被覆層は好ましくは、０．５〜２（μｍ厚さ）のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓな間である。上部被覆層のおよそ０．３μｍを残すようにエッチングすると、リッジは、好ましくはおよそ１〜５μｍ幅である。
【００７８】
双安定光学素子の好ましい実施形態において、導波領域は０．５１μｍの厚さを有すし、２１Ａｌ0.33Ｇａ0.69Ａｓで点在させられる２０ＧａＡｓ井戸から成る。しかし、上記のように井戸の数と、導波領域（０．２〜１．０）（μｍ）の全体の厚さを保持するために、増えた最も外側の層の厚さは減らすことができる。
【００７９】
本発明の上記の全実施形態は、ＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ ヘテロ構造に基づいている。しかし、多数の異なった物質から層を形成することができる。それにもかかわらず、強い帯域端 励起子の共鳴を持つ物質が好ましく、例えば、ＩｎＰ／Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ／Ｉｎy Ａｌ1-y Ａｓ、ＩｎＰ／Ｉｎx Ａｌ1-x Ａｓ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ／Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｔｅ、ＣｄＴｅ／Ｃｄx Ｍｎ1-x Ｔｅ、ＺｎＳｅ／Ｚｎ1-x Ｍｎx Ｓｅ、Ｚｎ1-x Ｃｄx Ｓｅ／ＺｎＳｅ、ＺｎＳy Ｓｅ1-y ／Ｚｎ1-x Ｃｄx Ｓｅ、ＣｄＴｅ／Ｃｄ1-x Ｚｎx Ｔｅ、ＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ／ＧａＮ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ａｌy Ｇａ1-y Ｎなどがある。
【００８０】
疑問点の回避のために、本発明において、用語「光学」は、紫外線、可視、又は、赤外線周波数の電磁気照射を意味する。用語「光」の電磁気の放射に応じて解釈されることを意味する。
【００８１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００８２】
図２は、本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器１の第１の実施形態の基本構造を示す。変調器１は、導波領域５に位置された下部被覆層３を具備する。導波領域５の上には上部被覆層７がある。
【００８３】
上部被覆層７は、選択的に高くしたリッジ９を生成するためにエッチングされ、金属ショットキー・ゲート電極１３はリッジ９上に形成される。
【００８４】
それぞれ、リッジ９のいずれかの側の上に、量子井戸層で導波路の導波領域５で電気的なコンタクトを許可するために、上部被覆層７に突き刺さるドレインのオーム接点１７が従来の技術によって形成される。以下のより詳細に説明するが、光ビーム１９は、導波領域５の伝播領域２１を通って、ソースとドレインのオーム接点１５、１７と平行及びその間に、リッジ９及びショットキー・ゲートの真下に、移動する。入力面２３から離れた面（図示しない）から出るビーム１９の強度と位相の或いはそのいずれかは、印加ポテンシャルの手段に従って変調される。
【００８５】
図３に、導波領域５の層構造を示し、量子井戸の下の下部アンドープ障壁２５、又は、活性層２７を具備する。中央のアンドープ障壁、又は、スペーサー層２９（省略可）は、量子井戸層２７の上に位置され、ドープ（ｐ型かｎ型）層３１が中央アンドープ層２９の上に形成される。最後に、上部アンドープ障壁層３３（省略可）は、ドープ障壁層の上に位置される。
【００８６】
図４は、図３に示されるような、導波領域の構造詳細を含む、図２に示す構造のすべての層構成を示す。
【００８７】
しかし、図４は、図２の構造が基板３５に形成され、その上、緩衝層３７が、基板３５と下部被覆層３に挿入され、ＧａＡｓ層（１１）が上部被覆層（７）の後に成長にキャップする。
【００８８】
図４に示す各々の層の構成と厚さは、下記の表１に示すとおりである。
【００８９】
【表１】
【００９０】
完全な構造は、従来のエピタキシャル成長法を使って、製作される。量子井戸層２７の厚さは、鋭い励起子の共鳴を提供するように選ばれ、この特定のヘテロ構造では、３ｎｍから５０ｎｍまでのあらゆる厚さである。量子井戸層のキャリアは、ドープ障壁層３３によって当然導かれる。それ故に、スペーサー層２９の厚さとドープ障壁層３３においては、後者のドーピング濃度と同様に、電子密度を不透明状態における最大の吸収に対するゼロと値との間で変えることを可能にするように選ばれる。
【００９１】
図３を再び参照すると、導波構造５は、導波領域の平均屈折よりも小さい屈折率を有する被覆層３、７によって上部及び下部に挟まれた中央導波領域からなる。ＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓヘテロ構造に対して、ガイド中央領域でより大きい平均的なアルミニウム濃度（例えばｘ＝０．５）を有するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓの被覆領域３、７を構成することによって、これを達成することができる。最適な性能のために、中央領域の厚さは光学モードの最大の強度に十分に狭く（主要な光学モードのみが、量子井戸層２７でサポートされる）保たれるべきである。被覆層３、７は、導波領域から光学モードの重要な漏れを妨ぐように、十分に厚くすべきである。
【００９２】
導波領域の上及び導波領域の下の被覆層３、７は、層平面に垂直な方向の光学モードを制限する。図３は、成長方向と垂直な方向に、すなわち、ストライプ導波路と通常称される構造において、光学モードを閉じ込める１つの可能な方法を示す。ストライプ導波路を形成する処理ステップは、公知であり、詳細説明は省略する。しかし、当業者に知られている他のものの導波構造は、同様に本発明に適用可能である。
【００９３】
ストライプは、ホトリソグラフィのマスクを通じて、乾式又は湿気エッチングにを用いて上部被覆層７にエッチングされる。ストライプ領域内の屈折率が隣接するエッチング領域のそれより大きいので、光学モードは、ストライプ領域の下で制限される。ストライプは、約１〜５μｍ幅である。そして、エッチングの深さは上部被覆層７のおよそ０．３μｍがエッチング領域内に残るような深さである。
【００９４】
ショットキー金属コンタクト１３は、電界効果トランジスタのゲートとして振る舞うために、標準の技術を使うストライプの上部で、蒸着される。量子井戸層２７の電子ガスへの抵抗ソースとドレイン・コンタクト１５、１７は、電界効果トランジスタのソースとドレインを形成するストライプのいずれかの側の上に標準の技術を使って作られる。量子井戸層の電子密度は、装置のショットキーとドレイン・コンタクトの間に電圧を印加することによって変えられる。第２の（任意の）電圧は、同様に、量子井戸チャンネルに移動する電子のドリフト速度を増すように、ソースとドレインのオーム接点の間に供給される。このことは、ショットキーバイアスが量子井戸層を空乏化するように印加されて装置の速度を増すときに、オーム接点への量子井戸からの電子に対する遷移時間が減少する。最大ドリフト速度は、およそ３．５ｋＶ／ｃｍの電界に対するＧａＡｓで達成される。
【００９５】
図５は、本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器４１の第２の実施形態の一般概略図である。一般的に、図２及び３に示す装置に類似している。
【００９６】
ショットキー金属ゲート２３は、メサ領域４５の中央に形成され、ソース４７及びドレイン４９が詳細は後述する埋め込み量子井戸層へのオーム接点としてゲート４３の外側のメサ５４のいずれか端に形成される。
【００９７】
メサ４５は、標準のホトリソグラフィを使って、マスクエリアを規定し、そして、量子井戸層より下の深さへ露光された半導体をエッチングすることによって、ウエハ５１上にに形成される。ホトリソグラフィは、量子井戸層に電子へのオーム接点４７、４９を形成するためにアニールされるメサ４５のいずれかの端でＮｉＧｅＡｕ金属を堆積するのに用いられる。
【００９８】
半透明のＡｕ層は、ショットキー・ゲート４３を形成するために、メサ４５の中央領域の上に蒸着させられる。上記のように、この装置は、導波構造を含まない。しかし、そのことは動作に対する変調器として理解することができる。導波構造は第１の実施形態の態様において同様に組み込まれるべきである。
【００９９】
メサ４５内の層構造の詳細を、図６に示す。
【０１００】
基板５１の上の成長の順序は、以下のようになっている。下部緩衝層５３、中間緩衝層５５、上部緩衝層５７、下部障壁層５９、量子井戸層６１、アンドープスペーサー層６３、ｎドープ層６５、及び最後はキャッピング層６７である。図６に示すような各々の層の構成と厚さを、以下の表２に示す。
【０１０１】
【表２】
【０１０２】
第１の実施形態のそれに似ているために、この第２実施形態の装置を参照することができる。特に、それは同様の量子井戸層、アンドープスペーサー及びドープ層を有する。層は、（１００）方向のＧａＡｓ基板の上の分子のビームエピタクシーによって成長させた。どの層も、故意にドープさせないで、２０００オングストロームのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ層に対してドープしている。図６の層厚さとドーピング濃度は、成長束密度レートから設定された基準値である。導波被覆層は、図６から省略される。しかし、動作電圧を変えても、光の吸収する特性に影響を与えない。バック障壁層の厚さは、第１の実施形態では一層薄い。しかし、同様の性能は一層厚いバック障壁層でのサンプルで得られた。
【０１０３】
オーム接点に関してショットキー・ゲートにバイアスを印加することによって、量子井戸層の過剰電子密度を変えることができる。負である印加ゲート電圧は、量子井戸層から全ての電子をほとんど空乏化するために必要である。
【０１０４】
図７は、同じ電位に保たれるソースドレイン・コンタクトに関連するゲートへ印加される異なった電圧でのこの構造上で測定される光ルミネッセンススペクトルを示す。スペクトルは、明瞭にするために垂直方向でオフセットされている。測定は、層にほぼ垂直に伝搬する入射及び放射光が取られた。これは、純粋な試験の目的対するものである。変調器のような動作は、第１の実施形態のように、組み込まれる導波構造と、指向性を有する入射ビームが必要である。入射光はＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ障壁のバンドギャップの下エネルギーであった。図７からゼロ−電子密度帯域端励起子のエネルギーより下の負の荷電励起子の形成、及び光学遷移強さの強化の証拠を演繹することができる。
【０１０５】
量子井戸層の最も小さい過剰電子密度に対応する最も低いゲートバイアス（すなわち−１．２４Ｖ）が、図７からわかり、スペクトルは中性励起子（図７のマークＸ）よる単一のピークによって支配される。過剰電子で量子井戸層を満たすようにゲートバイアスが増やされるので、中性励起子ラインは強度方向に傾き、負の荷電励起子（Ｘ- ）による明らかに一層低い遷移エネルギーへの同時に遷移が、スペクトル（−１．１３Ｖで）を強化し、最終的に支配することがわかる。
【０１０６】
本発明の第１の局面の方法は、一層大きいゲートバイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネルギーの近くで動作するように設計される。図７のスペクトルは、光子エネルギーを下げるために、負の荷電励起子の同時強化で、量子井戸層に過剰電子密度を増やすことは帯域端の中性励起子の吸収強度の消失を引き起こすことを説明している。更に、サンプルの上に記録される電気反射スペクトルは、中性及び負の荷電励起子に対して過剰電子密度を増やすことと質的に同様の振る舞いを示した。
【０１０７】
本発明の第１の局面は、一層大きいゲートバイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネルギーの近くの動作を提供する。
【０１０８】
中性に及び負の荷電励起子によるピークのシフトがあり、電子密度を増やすことと共に、エネルギーを下げたことは励起子を負の荷電ことは、図７から、明らかである。
【０１０９】
それが不透明体の吸収と透明状態の間でコントラストを増す傾向があるだろうので、このシフトは、有益である。
【０１１０】
図８〜図１０に戻って、光学変調器７１の新たな形態においての１つの実施形態のうち本発明の第２の局面に係る構造の詳細を示す。この装置は、バックゲート層７５以上で形成される下部被覆層７３（図８）から成る。バックゲート７５と下部被覆層７３は、それぞれ、０．１〜１．０μｍ、及び０．３〜１．０μｍ厚さである。バックゲート７５は、およそ１０18ｃｍ-3の不純物濃度へドープｎ型、又は、ｐ型のいずれかか一方である。そして、Ａｌw Ｇａ(1-w) Ａｓ又はＧａＡｓで形成される。その構造のショットキー・ゲート１３が省略されるけれども（しかし、任意に、図８〜図１０の装置に含むことができる）、基本的な構造が、図２に示す装置のそれと非常に似ていることがわかる。層の厚さは、図２〜４に示す装置と同じ又は似ている。
【０１１１】
下部被覆層７３の上に光学導波領域７７が形成され、後者の上には、上部被覆層７９が形成される。上部被覆層７９は、入射光ビーム８５に対する光学路８３を定義して、導波構造を完成するために、高くしたリッジ８１を生成するために、直接にリッジ８１の下に選択的にエッチングされる。リッジ８１のいずれかの側の上で、導波領域７７で量子井戸層との電気的なコンタクトを許可するために、上部被覆層７９に突き刺さるソースのオーム接点８７とドレインのオーム接点８９がそれぞれ形成される。
【０１１２】
導波領域７７の層構造を、図９に示す。それは、量子井戸の下の下部アンドープ障壁層９１、又は、活性層９３を具備する。中間アンドープ障壁又はスペーサー層９５は、量子井戸層９３の上部に、位置されている。ドープ（ｐ型かｎ型）障壁層９７は、中間障壁層９５の上部に形成され、上部アンドープ層９９はドープ障壁層９７の上部に位置されている。中間障壁層９５と上部アンドープ層９９はオプションである。
【０１１３】
電気的なコンタクトは、バックゲート７５へ上部被覆層７９と導波領域７７を通ってくぼみ１０５に置かれるコンタクトパッド１０３を有するオーム接点１０１によって、作られる。ゲートコンタクト１０１のくぼみを取ることは、導波領域７７で量子井戸層９３へショートを作るのを避ける。これは、量子井戸層９３のすぐ下の深さへ表面にリソグラフィックに規定されたマスクを通って、正孔をエッチングすることによって、なされる。その時、適当な金属は、エッチング領域の中で他の一層小さいリソグラフィックに規定されたマスクを通って領域上に堆積され、アニールされてバックゲート７５へオーム接点を形成する。ＧａＡｓのｎ型のバックゲートの問題に対して、適当なバックゲートの抵抗の金属はＮｉ−Ａｕ−Ｇｅである。
【０１１４】
浅いソースとドレインのオーム接点８７、８９に対する、バックゲート７５自身の中へ打ちつけないで装置を短絡することは、重要である。量子井戸内の電子ガスに対して、例えば、浅いオーム接点はＧｅ−Ａｕの堆積と次のアニーリングによって形成される。量子井戸層の１００オングストローム内のコンタクトにくぼみをつけた後に、Ｐｄ−Ｇｅの堆積とアニーリングによって浅いオーム接点を同様に形成することができる。量子井戸層へオーム接点を作る代わりの方法が、バックゲートへコンタクトを作るのを避ける間、Ｌｉｎｆｉｅｌｄ ｅｔ ａｌ、 Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． ａｎｄ Ｔｅｃｈ． Ｂ １２、 １２９０ （１９９４）で述べられている。
【０１１５】
図１０は、図９に示す導波領域７７の詳細を含んで、図８に示す構造のすべての層構成を示す。構造は、基板／緩衝層構造１０７の上に形成され、上部キャップ層１０９で完成されている。図１０に示す各々の層の構成と厚さは、以下の表３に示す。
【０１１６】
【表３】
【０１１７】
量子井戸層９３の中のキャリア密度は、バックゲート７５とドレインのオーム接点８９との間に電圧を印加することによって、制御される。故に、バックゲート７５は、量子井戸層でフロント・ゲート１３への同様の方法で図２〜４の装置でキャリア密度を変えるために使われる。
【０１１８】
この構造に対して、図２〜４の構造とは異なり、キャリアのうち量子井戸層の全てを空乏化することができる。ここで、ストライプより下の領域だけは空乏化される。もし装置が光子エネルギーＡ（図１参照）で動作すれば、これは、図２におけるストライプ（それが、空乏化されない）に隣接する量子井戸層のエリアが、装置が透明状態のときには、光の小さい破片を吸収するので、有利である。透明状態でのこの吸収は、損失を構成し、望ましくない。
【０１１９】
図１１、１２は、本発明の第２の局面に係る光学変調器の新たな形態においての他の実施形態の構造の詳細を示す。この装置で、全部の層構造は図１０に示されて、そして、表３に表にされている。それ故に、図１１、１２で使用される参照番号は、図１０と表３において括弧に示される。この装置１１１は、バックゲート層１１５の上部にで形成される下部被覆層１１３（図１１）を具備する。これらの層は、図８〜図１０の実施形態における相当する層と同じ厚さを有する。バックゲート１１５は、ＧａＡｓかＡｌw Ｇａ(1-w) Ａｓで形成されたｎ型、又は、ｐ型ドープのいずれかである。
【０１２０】
この装置は、図８〜図１０の実施形態における浅いソースとドレインのオーム接点は用いられないことが違うが、その代わりに、図２〜４に示すフロント・ゲート１１７が用いられることは同様である。下部被覆層１１３の上部には、光学導波領域１１９が形成され、後者の上部には、上部被覆層１２１が形成される。フロント・ゲート１１７は、リッジ１２３の上部のショットキー金属ゲートとして形成される。しかし、この場合は、リッジを生成するエッチングはリッジの外で量子井戸層の領域を空乏化するように、上部被覆層１２１を通って導波領域１１９の途中までとられる。その代わりに、エッチングは、リッジの外に量子井戸の領域にキャリアを残すように、上部被覆層で終えることができる。上部リッジ１２３は入射光ビーム１２７に対する光学路１２５を以降で直接に定義する。
【０１２１】
導波領域１１９の層構造は、図１２に示される。
【０１２２】
それは、下部被覆層１１３の上部の下部アンドープ障壁層１２９を具備する。
【０１２３】
下部障壁層１２９の上部に、量子井戸又は活性層１３１が形成される。
【０１２４】
中間アンドープ障壁スペーサー層１３３は、量子井戸層１３１の上部に、位置されている。
【０１２５】
ドープ（ｐ型かｎ型）障壁層１３５は、中間障壁層１３３の上部に形成される。
【０１２６】
上部アンドープ障壁層１３７は、ドープ障壁層１３５の上部に、位置され、上部被覆層１２１が形成される。
【０１２７】
中間層１３３と上部アンドープ層１３７は任意である。
【０１２８】
図１２から分かるように、リッジ１２を生成するエッチングは、ドープ障壁層１３５と上部障壁層１３７がリッジ１２３に完全に含まれるように、上部被覆層１２１、上部障壁層１３７及びドープ障壁層１３５、中間障壁層１３３の一部分にとられる。
【０１２９】
図８〜図１０の装置では、電気的なコンタクトは、バックゲート１１５へ導波領域１１９を通ってくぼみ１４３に置かれるコンタクトパッド１４１を有するオーム接点１３９によって、作られる。図８〜図１０の実施形態におけるバックゲートコンタクトに関する限り同じ方法で形成される。
【０１３０】
図１の光子エネルギーＡ（荷電励起子）で動作する装置で、導波路は、井戸内に全く（又は非常に少ない）過剰電子がないようにフロントとバックゲートの間の電圧を選択するときに。本質的に透明である。この光子エネルギーＡで、吸収は小さい。
【０１３１】
フロントとバックゲートの間に印加される電圧を変えることによって、過剰電子がリッジ低部の井戸の領域に導かれる。これは、光子エネルギーＡの吸収を増やし、その不透明状態へ装置を切り替える。
【０１３２】
光子エネルギーＢで装置を同様に動作することができる。そこで、量子井戸内の過剰電子なしで不透明であり、過剰電子が井戸へ加えられると、より透明である。
【０１３３】
図１３〜図１５は、本発明の第３の局面による光学活性光学変調器の第５の実施形態の構造を示す。光学変調器２０１は、下部被覆層２０５と上部被覆層２０７との間に置かれた導波領域２０３を具備する。この導波領域２０３は、特許請求の範囲の用語の「変調領域」を構成する。上部被覆層は、光学路２１１以降に定義するストライプ導波路として、機能を有するリッジ２０９を形成するために、導波領域２０３にエッチングされる。変調されるビーム２１３は、光学路２１１を通って伝播する。変調は、装置の上部、特にリッジ２０９の上部表面２１７、を照射するのに使用される印加入射制御ビーム２１５の手段によって行われる。任意に、リッジ外側の装置のエリアは、これらの領域で制御ビームの侵入を妨げるように、制御光に不透明な適当な物質で覆うことができる。
【０１３４】
導波領域２０３の詳細は、図１４でより詳細に示される。上部アンドープスペーサー層２２１と下部アンドープスペーサー２２３との間に置かれた量子井戸層２１９を具備する。上部ドープ障壁層２２５は、上部スペーサー層２２１の上部に位置されている。下部ドープ障壁層２２７は、下部スペーサー層２２３の下部に位置されている。任意に、下部ドープ障壁層２３１は、下部ドープ障壁２２７の下部に形成され、上部アンドープ障壁層２３３は、上部ドープ障壁層２２５の上部に形成されている。上部スペーサー、上部ドープ障壁及び上部アンドープ障壁層２２１、２２５、２２２は、「上部障壁領域」２２６を、下部スペーサー、下部ドープ障壁及び下部アンドープ障壁層２２３、２２７、２３１は「下部領域」２２８を構成する。
【０１３５】
使用において、制御ビーム２１５は、量子井戸層２１９障壁層２２５、２２７の物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有するように選ばれる．導波ビーム２１３は、井戸物質のバンドギャップの回りの一層低い光子エネルギーを有する。図１５に、成長の順での完全な層構造の詳細を示す。
【０１３６】
1 μmGaAs バッファ層２２９;
1 μｍAl0.5 Ga0.5 As導波被覆２０５;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁２３１;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（ｐ形5x1017cm-3）２２７;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（アンドープスペーサ）２２３;
20nmGaAs量子井戸層２１９;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープスペーサ）２２１;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（p-形5x1017cm-3）２２５;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁２３３;
1 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆２０７;
10nmGaAsキャップ２３５。
【０１３７】
リッジ２０９は、１〜５μｍ幅である。
【０１３８】
図１６は、制御ビーム２１５がどのように量子井戸層２１９内の過剰キャリア密度を変えるために使われるかを説明する。そして、導波ビームの吸収を変える。制御ビーム２１５のエネルギーは、エネルギーを物質のバンドギャップより大きくなるように選ばれる。しかし、導波被覆２０５のそれより小さく選ばれる。故に、制御光の大多数は量子井戸層の上部及び下部で、相対的に厚い障壁層で吸収される。
【０１３９】
図１６は、どのようにのイオン化されたアクセプタ２３７によって生成された内電界は光励起された電子２３９及び正孔２４０を空間的に分離する傾向があるか。井戸２１９のいずれかの障壁側のスペーサー領域２２１、２２３で光励起された電子は、量子井戸２１９内への内部電界によって掃出され、過剰正孔と再結合し、密度を低くする。一方、図１６に示すように、光励起された正孔は価電子帯の最大値へ向かって掃出される。これらの光励起された正孔のいくらかは、イオン化されたアクセプタと再結合する。従って、制御光の効果は、量子井戸層で過剰正孔密度を下げることである。量子井戸層の吸収（量子井戸層バンドギャップの回りのエネルギーで）が過剰正孔密度に非常に感度が良いので、導波ビームの伝播は、高低間の値で制御及び切り替えることができる。
【０１４０】
図１６が量子井戸層の近くにｐ型ドープ層によって、装置の動作を説明するが、ｎ型層を同様に使うことができるのは明かである。
【０１４１】
この場合は、障壁領域で光励起された正孔は量子井戸層の中へ掃出され、過剰電子と再結合して、密度を下げる。我々の調査は、ｐ型ドープ層を持つ構造が入射光に対して一層感度が良いことを示した。
【０１４２】
図１３〜図１５の装置は、ｐ型遠隔ドープ量子井戸を有しているが、この原理はｎ型遠隔ドープ量子井戸にも適用可能である。しかし、量子井戸の空乏化がｐ型遠隔ドープ量子井戸の場合に対する制御光ビームの低い強度に対して達成できることを発見した。これは、ｎ型構造に対する光励起された正孔よりも遠隔ｐ型ドーピングに対する井戸への一層効率的に掃出される光励起された電子によっても良い。
【０１４３】
上部領域２２６と下部領域２２８の層２２５及び２２７が、図１３〜図１５に示す装置に対してドープされるが、装置は、同様に上部層２２５のみががドープされていれば動作するだろう。その場合は、動作は上部障壁によって吸収される大多数の光によっている。しかし、制御光に対する感度が良いので、両側ドーピング構成が好ましい。
【０１４４】
上部及び下部障壁領域内にそれぞれ遠隔ドープしたいくつかの量子井戸のスタックで、装置を同様に作ることができた。
【０１４５】
いくらかの従来の変調器のように、量子井戸層２１９の過剰正孔密度は、電圧より制御の光学ビーム２１５で変えられる。従って、ゲートとオーム接点は、この装置については必要としないが、任意に含めることは可能である。リッジ２０９は、図１３で示した上部被覆層２０７又は導波層２０３のいずれか内の深さへエッチングすることができる。後者に対して、リッジ２０９は、量子井戸層２１９のエリアの過剰キャリアがないように、リッジ２０９の外側のドーパント原子の深さへエッチングされる。これは、荷電励起子に対応する相対的に一層低い図１の光子エネルギーＡで動作する時に、、透明状態のリッジの外側の吸収に対する吸収損失を減少する利点を有する。中性励起子（図１）に対応する相対的に一層高い光子エネルギーＢで動作する時、上部導波層だけまでエッチングすることは一層良いことである。
【０１４６】
制御ビーム２１５は、好ましくは、量子井戸層２１９の一様な空乏化を達成するように、リッジの上部表面２１７全体上に一様に入射すべきである。制御ビーム２１５の強度は、導波ビーム２１３の吸収の最大変化を達成する２つの有限な値の間で切り替えられるべきである。その代わりに、不透明状態の最適透明が、構造に入射する光なしで、達成されるように、スペーサー層厚さ、ドーパント濃度などを選ぶことができる。これは、導波ビーム２１３の最大の変調を達成するために、ゼロと有限の値との間で制御光の強度が変えられることを許容する。
【０１４７】
図１７は、制御ビーム（Ｐcontrol ）の強度の関数として、導波路（Ｐout ）を通って伝播するビームの強度の変化を示す概略図である。制御ビームの強度が低いとき、井戸の過剰キャリア密度は相対的に大きく、それ故に吸収プロファイルが図１に示す破線に似ていることである。光子エネルギーＡの吸収は、相対的に大きく、光子エネルギーＢで相対的に小さい。
【０１４８】
制御ビームの強度が増えるので、量子井戸層の過剰キャリア密度は、上記のように、減少する。ある制御ビーム強度に対して、過剰キャリア密度は最小であり、吸収プロファイルは図１の実線に似ている。光子エネルギーＡの吸収が減少すると、一方光子エネルギーＢのそれが増加する。これ故、図１７に概略を示すように、制御ビーム強度を増やすことは、光子エネルギーＡに導波路の伝播を増加する効果を有し、一方、光子エネルギーＢでその伝播を減少させる。
【０１４９】
そこで、光子エネルギーＡか光子エネルギーＢいずれかに導波路の伝播を切り替えるように、制御ビームの強度を変えることができる。
【０１５０】
図１８〜２０は、本発明の第３の局面による光学活性光学変調器の第６の実施形態を示す図である。第５の実施形態のように、制御光学ビームは低い値と高い値の間の導波路を通って伝搬する第２のビームの伝播を切り替えるために使われる。第６の実施形態の変調器は、第５の実施形態のように、光励起された電子（又は、正孔）は量子井戸層の過剰キャリア密度を減少させるよりも、それを増やすことを除いて、第５の実施形態と同様の方法で動作する。
【０１５１】
図１８及び図１９を参照すると、下部被覆層２４５と上部被覆層２４７との間に配置される導波領域２４３を具備する光学変調器２４１が示されている。上部被覆層２４７は、ｐ型ドープ層２５１が上部に形成されたリッジ２４９を形成するために、エッチングされる。ドープｎ型層２５３は、下部被覆層２４５の下に形成される。リッジ２４９は、ビーム２５７を伝播するために、導波領域２４３を通って光学路２５５をその下に規定する。
【０１５２】
任意に、ｐ型層２５１及びｎ型層２５３へ電気的なコンタクトを提供することができる。後者の場合に、導波領域２４３と上部被覆層２４７を通ってくぼみ２６３に配置されると、コンタクトパッド２６１を有するオーム接点２５９の手段によって好ましくは影響される。もし下部ドープ領域がドープ緩衝及び基板層上に同様に成長できれば、基板の後方の面へ下部ドープ領域へのオーム接点を同様に作ることができる。
【０１５３】
伝播ビーム２５７は、リッジ２４９の上部でｐ型層２５１の上部表面を照射する印加制御ビーム２６５の手段によって、変調される。
【０１５４】
導波領域２４３の詳細を、図１９に示す。
【０１５５】
量子井戸層２６７は、下部アンドープ障壁層２６９と上部アンドープ障壁層２７１との間に配置されている。この装置の完全な層構造の詳細を、図２０に示す。成長の順序は以下の通りである。
【０１５６】
1 μmGaAs 障壁と基板層２７３;
1 μmGaAs バックゲート（ドープn 形1018cm-3）２５３;
0.5 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆層２４５;
300nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁層（アンドープ）２６９;
20nmGaAs量子井戸層２６７;
300nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープ）層２７１;
0.3 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆層２４７;
0.2 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆（ドープp 形1018cm-3）層２５１;
10nmGaAsキャップ層２７５。
【０１５７】
リッジ２４９は、１〜５μｍ幅である。そして、上部導波被覆層の０．２μｍを残すために、エッチングした。バックゲートは、同様に余分な光学閉じ込めを生成するｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓである。上部被覆層も、同様に、Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ導波領域よりも小さい屈折率の誘電物質で作ることができ、制御ビームに対して透明である。任意に、リッジ外側の装置エリアは、これらの領域内で制御ビームの侵入を妨げるように、制御光に対して適当な不透明な物質で覆うことができる。
【０１５８】
導波領域２４３を横切る（近似的に）一様な電界が存在するように、図１８に示すように、ｎ型ドープ２５３及びｐ型ドープ２５１領域が、量子井戸層２６７のいずれかの側から相対的に遠い位置に配置される。上記のように、ｎ型とｐ型領域２５１、２５３へは任意にオーム接点を作ることができ、電圧はこの電界を増やすようにこれらの間に印加されて、装置の切り替え速度が増加する。
【０１５９】
上部ドープ領域２５１をショットキーコンタクトとして振る舞う半透明のＡｕ層に替えることができ、一方、下部ドープ領域２５３をそのままにしておく。層は、十分に制御光のかなりの部分の伝搬を可能にするほど薄くすべきである。ショットキーコンタクトは、ｐ−ｉ−ｎ構造へ同様の方法における導波領域を横切る電界をもたらす。再び、ショットキー層とドープ下部領域２５３に電気的なコンタクトをとることができ、導波領域を横切る電界を増すために、それらの間に電圧を印加できる。
【０１６０】
制御ビーム２６５は、障壁層２６９、２７１の物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを持つように選ばれるが、導波被覆層２４５、２４７のそれより小さい。その光子エネルギーは、制御ビームエネルギーのほとんどが上部領域２７１で吸収されて、光励起された電子−正孔対を生成するように、十分に大きく選ばれる。導波領域を横切る電界は、１方向に加速される電子と他の方向の正孔でこれらの光励起キャリアを分離する図１８に示すｐ型及びｎ型層の配置に対して、上部の光励起電子は量子井戸内に掃出され、一方、正孔はｐ型層へ向かって掃出される。導波領域２４３の中の導電２７７及び価電子帯２７９の帯域端の空間の変化を示す図２１からこのことがわかる。上部障壁層２７１において光励起された電子２８１は、量子井戸層２６７の中へ勾配によって掃出される。光励起正孔２８３は、装置の前面へ向かって掃出される。
【０１６１】
それ故に、制御光ビーム２６５は量子井戸層２６７の中の過剰電子密度の増加させ、その帯域端の吸収スペクトルを変調する。量子井戸層２６７の帯域端吸収プロファイルのこの変化は、量子井戸層帯域端に近い光子エネルギーで導波路を通って伝搬する第２の光学ビーム２５７の伝搬の切り替えに使われる。
【０１６２】
図１８は、上部障壁２７１の光励起された電子が量子井戸層２６７（図２１）の中へ掃出されるような、ｐ型である上部ドープ領域と下部のそれがｎ型である構成を示す。しかし、ｎ型とｐ型の層の位置を交換することは、井戸２６７の中へ上部障壁層２７１の光励起された正孔が掃出されるように、電界の方向を反転する。電子が電界によって一層効率的に集められるので、前者の配置は、切り替え時間がより速くなる。
【０１６３】
図２２及び図２３は、本発明の第３局面に係る光学検出器２９１である実施形態を示す。量子井戸層２６７は、アンドープ下部スペーサー層２９５と上部アンドープスペーサー層２９７との間に配置される。上部アンドープスペーサー層２９７の上部にドープ上部障壁層２９９が配置される。下部ドープ障壁層３０１は、下部アンドープスペーサー層２９５の下方に配置される。全体の上記の構造の下方には、底アンドープ障壁層３０３が配置されている。そして、前述の構造の上には、キャッピング層３０７で覆われた上部アンドープ層３０５がある。
【０１６４】
ソースのオーム接点３０９は、量子井戸層２９３にコンタクトをとる。そして、それから離れて、ドレインのオーム接点３１１は量子ウェル層にコンタクトをとる。
【０１６５】
装置は、キャッピング層３０７の上部表面３１５を照射する入射光ビーム３１３での照明によって動作する。
【０１６６】
全体の層構造の詳細は、図２３に示され、成長の順序は以下の通りである。
【０１６７】
1 μmGaAs バッファ層および基板117;
0.5 μmAl 0.33Ga0.67As底部障壁103;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（ドープ5x1017cm-3）層101;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（アンドープスペーサ）層95;
30nmGaAs量子井戸層93;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープスペーサ）層97;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（ドープ5x1017cm-3）99;
100nmAl 0.33Ga0.67As頂部障壁（アンドープ）層105;
170 オングストロームGaAsキャップ層107 。
【０１６８】
これらの層は、有限のエリアのメサを形成するために、量子井戸層の下に延びるような深さのエッチングでエッチングされる。量子井戸層２９３へのオーム接点３０９、３１１は、従来の方法を使用したメサの上部及び反対側の端に形成される。
【０１６９】
（３１１）方向のＧａＡｓ基板の上で成長させたＧａＡｓ／Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓヘテロ構造のｐ型ドーパントとしてシリコンを使うことができる。その代わりに、当業者に知られているように、他のｐ型ドーパントは（１００）方向のＧａＡｓ基板の上で利用可能である。
【０１７０】
使用において、電圧は、ソースとドレインのオーム接点３０９、３１１の間に印加され、過剰キャリアを含む量子井戸層２９３を通る電流（Ｉ）を流す。図２４に示すように、構造に入射する光ビーム３１３は、構造内の障壁層３０３、３０１、２９５、２９７、２９９、３０５のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有する強度Ｐin' で構造に入射する光ビーム３１３は、量子ウェル層２９５内の過剰キャリア密度を減少させ、それ故、図２４に示すように、抵抗を増加させて、ソース−ドレイン間の電流を減少させる。これ故に、測定電流から構造の上部表面３１５に入射する光のレベルを決定することができる。
【０１７１】
任意に、構造にその上部障壁領域２９９に単独でドープすることができる。しかし、この場合は、装置が下部障壁領域３０１で吸収される光子に対する感度が同様に良いので、上部及び下部障壁領域２９９、３０１内の量子井戸領域に遠隔でドープすることは、望ましい。非対称ドープＧａＡｓ／Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓヘテロ構造に対して、アンドープ下部Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ障壁層は、（例えば）２．５ｎｍの厚さをそれぞれ持つＧａＡｓ及びＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ層を互い違いにする超格子に替えることができる。これは、量子井戸層の質を改良する。
【０１７２】
全く任意に下部とそのドーパントを省略することができる。この場合は、図２３に示す上部障壁層２９７、２９９、３０５とキャッピング層３０７によって続けられ、層構造は厚いＧａＡｓ層（例えば２ミクロン）から成る。
【０１７３】
いくつかの量子井戸層は、同様に、障壁（それぞれの中央部はドープされている）によって互いに分離された上部に配置されても良い。
【０１７４】
ソースとドレインのオーム接点３０９、３１１の回りのエリアは、標準の技術をによる不透明な物質によって、任意に覆うことができる。これは、コンタクトの動作を有効にする光を妨げるのに有利であり、第２に、障壁内の光励起キャリアによってソース−ドレイン間の平行な導電に対するパスを破壊する。
【０１７５】
統合された、又は、外部の回路（図示しない）によって電流を決定することができる。例えば、電圧は、装置と電源が直列に配置された抵抗で測定することができる。
【０１７６】
検出光は、物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有するべきである。装置は、領域で光励起電子−正孔対を分離する構造の内部電界によっている。電界は、井戸の大多数キャリアへの反対側の符号の光励起キャリアが井戸の中へ掃出される電界であり、それゆえ井戸で過剰キャリア密度を下げ、その抵抗を増やす。
【０１７７】
構造の上部へ半透明のショットキー・ゲートを任意に加えることができ、電圧は、上部障壁領域で電界を変えるか、又は増すように、それとドレインのオーム接点３１１の間に印加される。同様に、バックゲートを形成するために、ドープ領域の上で構造を成長させることができ、電圧は、下部障壁領域で電界を変調及び増すように、このバックゲートへのドレインとオーム接点の間の印加する。
【０１７８】
図２２及び図２３の構造は、光強度を検出する電気的手段を使用しているが、これは第２の光学ビームでも同様に達成可能である。この目的に対して、構造は、図１３及び図１４の装置のように、導波構造の中に配置できる。
【０１７９】
図２５〜図２７において、本発明の第７の実施形態に係る双安定光学素子が示されている。この装置４０１は、導波路リッジ４０９を形成するために選択的にエッチングされた下部被覆層４０５と上部被覆層４０７との間に配置された光学路領域（層）か「導波領域」４０３を具備する。リッジ４０９は、伝搬光ビーム４１０に対する光学路４０８を規定するストライプ導波路として機能する。
【０１８０】
図２６でより詳細に分かるように、光学路領域は、それぞれの障壁層４１３等で散在された複数の量子ウェル層４１１などを具備する。量子井戸層は、障壁層よりも小さい禁止帯の光学バンドギャップを有する。
【０１８１】
下部と上部被覆層４０５、４０７と、導波領域４０３を含む完全な層構造が、図２７に示されている。成長の順序は、ＧａＡｓ 基板／緩衝層構造４１５の上に１．０μｍＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの下部被覆層４０５が形成される。導波領域４０３は、ＧａＡｓ（１５０オングストローム）Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓの障壁層４１３で分散した１００（オングストローム）の量子井戸層４１１を互い違いにすることがある後者の上に、形成される。
【０１８２】
上部導波被覆層４０７は、深さ０．２μｍである５μｍの広いリッジを形成するためにエッチングされる０．５μｍＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る。エッチングは、同様に、最終エピ層である１００オングストロームＧａＡｓキャッピング層４１７を突き刺す。
【０１８３】
図２８及び図２９は、２つの異なる光子エネルギーに対して、入射ビーム（ Ｐin）の強度の関数として構造（Ｐout ）によって伝搬された光ビーム４１０（図２５参照）の概略図である。図２８に対して、光子エネルギーは、量子井戸層の荷電励起子、すなわち図１の動作エネルギーＡに近くなるように選ばれる。図２９に対して、光子エネルギーは、量子井戸層の中性励起子、すなわち図１の動作エネルギーＢに近くなるように選ばれる。
【０１８４】
まず、光子エネルギーが荷電励起子の近くにある図２８を、低入射パワー（図２８のポイントａ）で考えると、ウェルが相対的に少ない過剰キャリアを含み、それ故、吸収プロファイルが図１の実戦に似ているので、量子ウェル内の吸収は光子エネルギーＡは相対的に小さい。光強度が増すと、ウェル内で吸収される光子の密度及びそれ故光励起電子及び正孔が増加する。これらの光励起電子と正孔は、キャリアのバックグラウンド密度を形成する。結局、このバックグラウンドキャリア密度は図１で吸収スペクトルの形を変調するのに十分である。
【０１８５】
光励起電子−正孔対に対する過剰キャリアの結合による荷電励起子の生成は、光子エネルギーＡでの吸収を増やし、光励起されたバックグラウンドの平坦な高い密度の生成を導く。これ故に、システムは光子エネルギーＡでの吸収があがる状態に切り替え、図１の破線と構造落下（図２８のポイントｂ）によって伝搬された光の強度とが似ている。
【０１８６】
伝搬された光の強度は、入力強度（図２８のポイントｃ）を更に増やすが、急速には上がらない。もし入力強度が再び減少すれば、光子エネルギーＡで一層吸収する吸収状態は、一層低い入力パワーに対してサポートされる。入力されたパワーが減少すると、結局、不十分な電子と正孔は井戸で荷電励起子の存在をサポートする光励起され、システムは、光子エネルギーＡ（図２８のポイントｄ）で一層透明になるように切り替えられる。
【０１８７】
図２９に示すより異なった振る舞いを示す図２５に示すように、光子エネルギーＢで装置を同様に動作させることができる。この光子エネルギーで、低い入射光強度で吸収は相対的に大きい。入射の強度を増やすことは、伝搬強度のスーパーリニア増加を生成して、存在が中性励起子エネルギーＢの吸収を下げる傾向がある構造において光励起された電子と正孔の数を増やす。もし入射強度は再び減少すれば、システムは相対的に高い吸収状態、しかし、小さい入力パワーで、に再び戻る。
【０１８８】
図２８及び図２９において、入射強度がその前により高いか又はより低いかに依存してある入力パワーに対して構造は伝搬強度に対して２つの値を持つことができる。
【０１８９】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【０１９０】
【発明の効果】
上記のように本発明によればコントラスト比が良く、低い入力パワーで動作可能な光学変調器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中性と荷電励起子に対する吸収スペクトルを示す図。
【図２】 本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器の第１の実施形態の概略部分断面図。
【図３】 図２に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図４】 図２及び図３に示す変調器の層構造を示す図。
【図５】 第１の局面に係る光学変調器の第２の実施形態の概略平面図及び断面図。
【図６】 図５に示された変調器の層構造。
【図７】 異なるゲートバイアス電圧を図５及び６の装置に使用して得られる光ルミネッセンススペクトルを示す図。
【図８】 本発明の第２の局面に係る光学変調器の第３の実施形態の概略部分断面図。
【図９】 図８に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図１０】 図８及び図９に示された変調器の層構造及び図１１及び１２の変調器の第４の実施形態を示す図。
【図１１】 本発明の第２の局面に係る光学変調器の第４の実施形態の概略部分断面図。
【図１２】 図１１に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図１３】 本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第５の実施形態の部分の透視図。
【図１４】 図１３に示す装置の導波領域の詳細図。
【図１５】 図１３及び１４に示された装置の完全な層構造の詳細図。
【図１６】 図１３〜図１５に示された装置の動作を説明するための量子井戸層／層構造に対する導電帯と価電子帯プロファイルを示す図。
【図１７】 図１３〜図１５に示された装置のための中性及び荷電励起子モードの動作を示す図。
【図１８】 本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第６の実施形態の部分の透視図。
【図１９】 図１８に示す装置の導波領域を示す詳細図。
【図２０】 図１８及び図１９に示された装置の完全な層構造。
【図２１】 図１９及び図２０に示された装置の動作を説明するための量子井戸層／障壁層構造に対する導電帯と価電子帯プロファイルを示す図。
【図２２】 本発明の第３の局面に係る光学検出器の実施形態の部分の透視図。
【図２３】 完全な層構造の詳細図。
【図２４】 図２２及び図２３に示された装置に対する入射光強度の関数としてのソース−ドレイン電流を示す図。
【図２５】 本発明に係る双安定なの光学要素の第７の実施形態の部分の透視図。
【図２６】 図２５に示す要素に対する光学路領域の詳細図。
【図２７】 図２５及び図２６に示された完全な層構造。
【図２８】 荷電励起子モードでの図２５〜図２７に示された素子の双安定な動作を示す図。
【図２９】 中性励起子モードでの図２５〜図２７に示された要素に対する双安定な動作を示す図。
【符号の説明】
７１…光学変調器
７３…下部被覆層
７５…バックゲート層
７７…導波領域
７９…上部被覆層
８１…リッジ
８３…光学路
８７…オーム接点
８９…オーム接点
１０１…ゲートコンタクト
１０３…コンタクトパッド
１０５…くぼみ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置と半導体装置の動作モードに関する。特に、荷電励起子の光学特性を利用した光学変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学変調器は、伝搬された光学ビームの強度が、一層低い値と一層高い値の間で、印加電圧を制御することによって切り替えられる電気光学装置である。効率的な光学変調器は、透明状態に低い損失を同様に持っていて、透明状態及び不透明状態の間に大きいコントラストを有している必要がある。
【０００３】
米国特許４、８７２、７４４には、量子井戸層と、井戸層内のフリーキャリアの密度を変えるための電界効果トランジスタの形をとる手段を具備する光学変調器が、記載されかつ特許請求の範囲として請求されている。電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の一般的な形態である。しかし、井戸層を含む領域を通って、光を導くために、構成されている。ゲート電極に印加されるバイアスは、装置を、伝播中の光に対して相対的に透明又は不透明にする。
【０００４】
不透明状態に光をより多く吸収するとしても、前述の米国特許による装置は、上記のように動作するときに、透明状態においていくらかの放射をまだ吸収する。これは、多数の不利益を有する。まず、不透明状態と透明状態の間でのコントラストが悪くなる。第２には、その結果として、光学入力ビームに一層高いパワーが要求される。透明状態の吸収は、集積光学回路におけるその使用を制限する不可欠な要素として装置を含むように形成することができるよりも、導波路の全体の長さを同様に制限する。
【０００５】
また、本発明は、入射光学ビーム（これ以降「制御ビーム」と称する）が電気信号を生成するのに使用されるか、又は、強度或いは装置を伝播する光学ビームの切換を制御するのに使用される光学活性半導体装置に関する。先の種類の装置は、もちろん、光学検出器であって、後の種類の装置は光学活性光学変調器である。
【０００６】
制御ビームを使って、伝播ビームを制御するか、又は切り替える原理は、例えば、米国特許４、８７２、７４４に記載されている。制御ビームは、量子井戸内での電子密度を変えると言われており、ゼロ又は低キャリア密度では、装置は相対的に通過ビームに対して不透明であり、一層高いキャリア密度では、相対的に透明である。しかし、このことが効果を奏するような具体的な手段が記述されていない。
【０００７】
量子井戸吸収帯の中に光子エネルギーを有する制御ビームが井戸内に過剰キャリアを生成して、そして、層の屈折率を変えるような別の装置が、米国特許４、６２６、０７５に記載されている。これは、量子井戸のバンドギャップより小さい光子エネルギーを有する伝播ビームの角度のふれを変える。それ故に、この種の装置は位相変調器として振る舞う。
【０００８】
Ｐ−Ｉ−Ｎ構造で導波路を有する光学活性半導体装置の別の形態は、米国特許４、７１６、４９９に記載されている。この装置では、制御ビームは順々に導波路のバイアス条件を変えることによって、伝播ビームを変調するために使われる光電圧を生成するために使われる。
【０００９】
更に、本発明は光学メモリ内の素子のような使用に相応しい双安定光学装置に関する。
【００１０】
その出力に双安定性を示す半導体装置は、米国特許４、７１６、４９９に開示されている。この装置はその双安定な振る舞いのための装置のバイアスを変えるのに、光電流の発生によっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の装置においては、不透明状態と透明状態の間でのコントラストが悪く、その結果として、光学入力ビームに一層高いパワーが要求される。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、新規な光学変調器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
【００１４】
本発明の第１局面に係る新たなモードでの装置の動作によって光学変調器に対する上記の不利益を克服することができ、この新たな動作モードは電界効果トランジスタが量子井戸を含む量子井戸層内のフリーキャリアの密度を変える配置における量子井戸層を具備する光学変調器の動作方法を提供する。この本発明の方法は、ゲート電極と装置の他の電気的なコンタクトとの間の可変バイアス電圧を印加し、ゲート電極に印加するバイアス電位を次のように変化させることを局面としている。変調器は、量子井戸層内のキャリア密度がゼロ又は無視できるときには入射光に対してほぼ透明であって、量子井戸層に有限のキャリアがあるときには、入射光に対して不透明となる。
【００１５】
本発明による方法は、更にこれ以降で述べる従来の装置と、新たな装置形態に適用できる。従来の装置は、量子井戸層へのソース及びドレイン・コンタクトの両方を有する。その場合は、ゲート電極に関連するバイアスが印加された装置の他の電気的なコンタクトはドレイン・コンタクトであっても良い。ソースとドレイン・コンタクトは同一の固定電位であっても良い。しかし、任意に、異なる固定電位をソースとドレイン・コンタクトの間に印加しても良い。
【００１６】
更に以下に述べる装置の新たな形態において、従来の装置で使用されるような一次ゲート又はリッジ構造の側方に関連する導波領域の他の側方に配置されたゲートが「バックゲート」構造として用いられる。言い換えれば、そのようなバックゲートは導波領域の基板側の上に置かれる。
【００１７】
これ故、透明状態での吸収が非常に減少されるので、本発明の方法は、従来の動作モードの不利益を克服する。この装置の透明状態での吸収は、２つの起源を有する。第一に、過剰電子が量子井戸層へ加えられるときに、残留価電子帯−導電帯吸収がある。第２に、量子井戸内の過剰電子は、内部及び相互導電帯遷移による吸収を受ける。本発明の第１の局面の方法では、透明状態は、量子井戸の無視できる過剰電子密度で形成され、透明状態の過剰電子によって内部及び相互導電帯吸収がほとんど除かれる。実に、内部及び相互導電帯吸収は、不透明状態のみが大きいので、透明／不透明コントラスト比が増加する。
【００１８】
更に、装置がゼロ電子密度では帯域端の中性励起子ラインより下の光子エネルギーで動作するので、透明状態における残留価電子帯−導電帯吸収は同様に減少する。ここで、量子井戸はほとんど透明である。
【００１９】
価電子帯から導電帯までの半導体の電子の光学励起により、物質のバンドギャップに等しいしきい値光子エネルギーで、連続的な光学遷移が行われる。このことは、それらの反対側の電荷による相互クーロン引力を感じるような価電子帯から出る導電帯と「正孔」内の電子であることが知られている。相互作用は、（中性）励起子と称される（１つの電子と一つの正孔から成る）電子−正孔境界状態を形成するように作用する。これらの中性励起子は、価電子帯−導電帯のしきい値エネルギーより下の光子エネルギーで吸収範囲の鋭い共鳴を生成する。
【００２０】
連続しきい値と最低のエネルギーの違いと、分離している励起子の遷移エネルギーは、それらの相互引力による電子及び正孔の結合エネルギーに近似的に等しい。半導体量子井戸層に対して、バンド間吸収しきい値（ゼロ電子密度で）は、第１の電子と正孔サブバンドの間に形成される（中性）切除による。
【００２１】
それは、量子井戸層へ過剰電子が加られることによって、中性励起子の遷移エネルギーの吸収が減少することは前述の米国特許４、８７２、７４４で、論じられている。吸収は、２つの主な構成要素、（１）基底状態の中性励起子、（２）連続遷移、を有する。連続吸収の減少は、導電帯の基底部への遷移が電子によって占有されるこれらの状態によって、ブロックされるという事実によっている。故に、電子フェルミエネルギーは増えるので、効果的な帯域端しきい値は一層高いエネルギー（Ｂｕｒｓｔｅｉｎ−Ｍｏｓｓ効果）に移る。
【００２２】
米国特許で述べたように、連続吸収が透明状態へのいくらかの残留吸収を残して、完全に除去されてはいない。実際に、この問題は、量子井戸層バンドギャップが、電子密度が増加し、一層高い遷移エネルギーへ有効な吸収端への移行の大部分をキャンセルするにつれて、より低いエネルギーに移行するので、従来のものより一層悪い。故に、「透明」状態の従来の光学変調器の吸収は実際に全く重要である。
【００２３】
従来の装置の透明状態の損失の別の要因は、このことはその文書では議論されていないが、内部及び相互導電帯吸収過程から起こる。この吸収は、同一又は一層高い条件バンド内の一層高いエネルギー状態の励起された導電帯の過剰電子によって引き起こされる。１０12ｃｍ-2の過剰電子密度は、米国特許４、８７２、７４４の従来の動作モードに従って透明状態を生成するために、必要であると評価されている。それは、１００オングストローム幅の量子井戸層内で１０18ｃｍ-3の３次元密度の相当する。Ａｄａｃｈｉ、 ”ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”、 （Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、 Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ、 １９９４、 ｐ４４１） は、ドープバルクＧａＡｓにおける吸収係数の相互−導電帯過程による吸収係数のプロットを与える。このプロットから、１０18ｃｍ-2に対する基本ギャップより下の吸収係数を概ね１０ｃｍ-1であると評価することができる。
【００２４】
いくらかの特別な理論か説明によって縛られないことを望むけれども、出願人は従来の動作モードと本発明との重要な違いが、２つあると考えている。まず、従来の装置は、振幅光学変調モードにおいて中性帯域端励起子のエネルギーで動作し、本発明の動作はこれ以下のエネルギーである。更に、従来のものによる動作に対して、透明及び不透明状態は量子井戸層内の有限かつ無視できる電子密度でそれぞれ形成される。本発明で、この状況は逆になる。
【００２５】
本発明による方法の１つのこれ以降の実施形態の説明は、集積電界効果トランジスタのショットキー・ゲートとドレインの間の電圧の印加が自由電子の密度を変え得る量子井戸層を含む中央領域を有する導波路から成る光学変調器に関する。導波路を通って伝搬する光は、過剰電子の空乏化時に、量子井戸の中性励起子の吸収より下のエネルギーを有するように選ばれる。故に、ショットキー・ゲートにバイアスが印加されると、量子井戸層には電子がなくなり、光は導波路を通って相対的にほとんど減衰がなく伝搬することができる。これは、装置の透明状態に相当する。過剰電子が量子井戸層へ加えられると、量子井戸層内の励起子の吸収に必要な光子エネルギーは、ゲート電圧を変えることによって、下げられ、光の吸収を増やし、装置を不透明状態に変える。
【００２６】
同様に、過剰電子が量子井戸層へ相互−及び内部−導電帯遷移（本発明における不透明状態）によって加えられると、上記のように、光吸収がいくらか増える。
【００２７】
同様に、過剰電子が量子井戸層へ加えられる時に、負の荷電励起子と称される、光励起電子と正孔は２つの電子と１つの正孔から成る境界コンプレックスを形成して、第２の過剰電子を結合できる。負の荷電励起子の遷移エネルギーは、励起子の電子／正孔コアへ第２の過剰電子の結合エネルギーに概ね等しい中性励起子のそれより低い。
【００２８】
図１は、量子井戸内の無視できるほど小さい（実線）及び有限な（破線）電子密度での量子井戸の吸収を示す。装置がゼロ電子密度の中性励起子のエネルギーより下の光子エネルギーで動作することがわかる。量子井戸層へ過剰電子を加えることは、吸収強度を中性励起子から取り除いて、負の荷電励起子に転送する。この励起子は、一層低いエネルギーとされ、動作光子エネルギーに近づけられる。故に、過剰電子を追加することは、動作光子エネルギーでの吸収を増加し、装置を不透明状態に変える。
【００２９】
故に、本発明の第１の局面による方法は、過剰電子を量子井戸に導入することによって、その吸収を増やしている。動作光子エネルギーは、量子井戸層の無視できる電子密度で（図１の実線）よく中性励起子共鳴の下になるように選ばれる。量子井戸層へ過剰電子（ゲート電圧を変えることによって）を加えることは、負の荷電励起子の形成を増し、動作光子エネルギー（図１の破線）での吸収を増やす。適当な動作光子エネルギーは、図１で「Ａ」でマークされる。
【００３０】
本発明の第１の局面による方法で、不透明状態への最も強い吸収を達成するために、光学変調器は（不透明状態で）電子密度で動作されるべきであり、ここにおいて、負の荷電励起子の吸収は最も強い。これは、以下のように評価可能な中位の電子密度で達成される。光子が過剰電子の付近で吸収されるときに、負の荷電励起子が形成される。それ故に過剰電子密度が増えるけれども、過剰電子が量子井戸層の増加した大きなエリアを覆うので、負の荷電励起子の吸収強度は、中性のそれを犠牲にして増える。負の荷電励起子のエリアの逆数から負の荷電励起子が量子井戸層のほとんど全てのエリアに形成され、かつ最大の吸収強度をそれ故に有するところで量子井戸平面で電子密度を概ね評価できる。
【００３１】
ＧａＡｓ量子井戸層の例と平面内の半径の荒い評価を負の荷電３次元の中性励起子の２倍であるとして、過剰電子におよそ３×１０10ｃｍ-2の密度を与える。これは、よりたくさんの詳述された理論的な分析、及び空間の不均一性によって電子の局部化の効果を考慮に入れることによって改良される場合がある不透明状態に対する最適の電子密度の荒い評価を与える。
【００３２】
負の荷電励起子の利用を可能にするために、井戸層で十分に低い電子密度を得るために、適切なゲートにバイアスを選ぶ従来の光学変調器で、本発明の動作のモードを実際に利用することができることがわかる。しかし、他の適切な構造が考えられる。
【００３３】
一般的に言えば、あらゆるヘテロ構造を使うことができ、そして、ドープ層から得られるキャリアによって、量子井戸層又は井戸又は活性層でいわゆる二次元電子ガスの誘導を許す、又は、井戸を含む領域を通って、光が伝播できる。任意に、アンドープスペーサー層はドープと量子井戸層との間に配置される。しかし、本発明が量子井戸層で一層低い電子密度によっているので、動作の従来の光学変調器のモードと比べてスペーサー層の存在が好ましい。それ故に、そのようなスペーサー層は例えば、３０〜１００ミリメートルの相対的に厚くても良い。
【００３４】
本発明の第１の局面の方法の議論が量子井戸層へ過剰電子を加えることによることであるが、同様にその代わりに過剰正孔を導入することによって、光学変調を達成することができることを注意すべきである。この場合は、量子井戸層の近くのドープ領域は電界効果トランジスタでドナーより好ましくはアクセプタの残余を含む。これは、よくゲート−ドレイン電圧経由で変えられるために、量子井戸層で過剰正孔の密度を促進する。また、動作光子エネルギーは量子井戸層（透明状態）の無視できる過剰正孔密度で帯域端励起子の遷移より小さくなるように選ばれる。ゲート−ドレイン電圧を変えることによって過剰正孔密度を増やすことにより、正の荷電励起子（２つの正孔と１つの電子の境界コンプレックス）が量子井戸層に形成される。これらは、中性励起子より低い遷移エネルギーを有していて、これにより、動作光子エネルギーでの量子井戸層の吸収を増やし、装置の不透明状態を形成する。もし、正孔の有効質量が電子のそれより大きければ（それは、ほとんどの半導体のケースである）、正の荷電励起子の第２の正孔の結合エネルギーは、第２の電子の負の荷電励起子のそれより大きいだろう。故に、過剰正孔で動作する装置は、過剰電子のそれより大きい透明／不透明コントラスト比を提供するかもしれない。
【００３５】
本発明の第１の局面の方法は、従来のもの、すなわち量子井戸層にコンタクトをとるソース及びドレイン領域を持つ電界効果トランジスタの形をとる装置、に従って装置を一般にすなわち使用する第１の実施形態に関して、以下に述べる。ゲートへ印加されるバイアス電圧が、透明及び不透明状態の間の切り替えを制御するように、ショットキー金属ゲート電極は、ソースとドレイン領域の間の量子井戸層の上に置かれる。井戸、スペーサー及びドープ層は、それぞれの被覆層の間に配置される。
【００３６】
上記のように、光学変調器の新たな形態において工夫がなされ、従来の装置によるモードか本発明の第１の局面の方法に係るモードで動作することができる。
【００３７】
この装置は、量子井戸層を含む光学導波領域と、導波領域の光学路を規定する導波構造と、量子井戸層でキャリア密度を変化させる導波領域より下に置かれたゲートと、前記ゲートに対する電気的なコンタクトと、少なくとも１つの他の電気的なコンタクトとを具備する光学変調器を提供する本発明の第２局面を構成する。
【００３８】
装置のこの新たな形態の導波構造は、光学導波領域の上に置かれたリッジから成る。しかし、導波構造の他の形態は同様に可能である。
【００３９】
本発明の第２の実施形態による装置において、ゲートのための電気的なコンタクトは導波領域で量子井戸層より下に侵入するくぼみに置かれる。その代わりに、高ドープ・バッファと基板層と構造の後方に作られたオーム接点の上のバックゲートを直接に成長させることができる。
【００４０】
本発明による光学変調器の２つの実施形態は、以下の通りである。これらの実施形態の一つで、前記少なくとも１つの他の電気的なコンタクトは量子井戸層へリッジのそれぞれどちらかの側で前記導波領域に電気的なコンタクトとなる、それぞれのソースとドレイン・コンタクトを有する。この装置で、リッジ領域の外側で量子井戸層のエリアを空乏化することは、フロント・ゲートがリッジの上に配置されるような前の形態と異なって、可能である。この利点を、以下に説明する。しかし、リッジの上に追加のゲートを形成することは可能である。そのような装置は、従来の構造の種類に匹敵するだろう。しかし、追加のバックゲートで匹敵するだろう。
【００４１】
それにもかかわらず、もしそのようなもっと遠い「フロント」ゲートがリッジの上に形成されれば、ソースとドレイン・コンタクトは不要である。そのような装置は、本発明の第２の局面に係る装置の第２の実施形態を構成する。以下に述べるようなこの実施形態の特定の形態において、ブリッジは導波領域の中へ広がり、エッチングされるくぼみ領域によって、境界をつけられる。これは、光学導波領域にキャリアがないような、リッジ端の外側でされる。もし装置がこの発明の第１の局面のモードで動作されれば、これは、有利である。もし装置が従来のモードに従って動作することができれば、より上部の被覆層内でエッチングが終わることは、一層良く、リッジの外側の量子井戸層のエリアがキャリアで占有されたままである。
【００４２】
バックゲート構造の利点は、フロント・ゲート装置（構造）と異なってキャリアのうち全ての量子井戸層を空乏化することができることである。もし装置が本発明の第１の局面のモードで動作すれば、これは、有利である。この理由は、フロントゲート装置に対してストライプの外側及び隣接する量子井戸のエリアが空乏化されないで、それ故に、装置が透明状態で、光の一部分を吸収する。透明状態のこの吸収は、損失を構成し、望ましくない。しかし、バックゲート装置で避けることができ、バックゲートの上の全ての量子井戸層は空乏化されるだろう。
【００４３】
上記のように、本発明の第２の局面による光学変調器は、従来の装置の動作モード、又は、本発明の第１の局面の方法によって定義された動作モードのどちらか一方で動作可能である。しかし、後者のモードの動作に対して特に有利である。
【００４４】
この基本的な光学変調器の構造に対する様々な変形は、可能であって、例えば、
（１） 実施形態で述べられた装置は、吸収係数が動作光子エネルギーにおいて変更されるところで、振幅変調を生成する。しかし、屈折率の小さい変更による位相変調の原理上で動作する装置を生成するのに、ここで概説した原理を同様に用いることができる。この場合は、一層小さい動作光子エネルギーが使われ、それは吸収損失を非常に減少させる量子井戸層の禁止帯のギャップの中にある。一方、そのような装置は一層長い装置の長さが、同等の変調を生成するのに要求されるという不利益を有する。これは、本発明の第２局面に係る装置と、本発明の第１局面の方法による動作に対して意図されるどのような光学変調器にも適用する。
【００４５】
（２） リッジ構造の上部の金属ショットキー・ゲートを採用するこれらの実施形態に対して、ショットキーゲートは構造の残りに沿ってエピタキシャル成長されたドープ半導体層によって置き換えられる。
【００４６】
（３） ドーパント原子を量子井戸層へ追加又はそれより上よりも下のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層内に置くことができる。
【００４７】
（４） アンドープスペーサー層を省略することができる。
【００４８】
（５） ｎ型の代わりにｐ型ドーパントを使うことができる。この場合は、過剰正孔は正の荷電励起子の形成を導くように、量子井戸層に供給される。
【００４９】
（６） 上部被覆層を省略することができる。又は、導波領域より小さい屈折率を持つ誘電体で替えることができる。大きいバックグラウンド不純物濃度を有するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ被覆層が使われれば、好ましい場合がある。
【００５０】
（７） 量子井戸層の質を改良するために、量子井戸層の前にここで概説されたＧａＡｓ構造のための短い周期の超格子構造（例えばＧａＡｓの５０周期（２５オングストローム）／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ （２５オングストローム）を成長させることができる。
【００５１】
変調器は分離している装置として使用するための外部の導波構造に使用中に組み入れられたり、光回路に統合される場合がある。光学論理素子を形成するために、それを他のもの電気回路と結び付けることができる。
【００５２】
ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどのようなエピタキシャル成長法が好ましいけれども、多数の異なった方法で、装置の半導体層を生成することができる。
【００５３】
本発明の第３局面に係る光学活性された半導体装置の新たな形態においては、所定のバンドギャップを有する半導体物質で形成された量子井戸層と、前記所定のバンドギャップよりも高いバンドギャップを有する半導体物質で形成された少なくとも１つの領域を具備し、少なくとも１つの領域が前記少なくとも１つの領域のバンドギャップよりも高い光子エネルギーを有する入射光ビームで照射されたときに、量子井戸層内の過剰キャリア密度が変化するような変調領域を有する光学動作半導体装置を提供する。これ以降に、光学活性光学変調器及び光学検出器の両方と、本発明の第３の局面に従った全てのものの実施形態を述べる。光学変調器は、動作の従来のモードで動作可能である。すなわち、ゼロ又は低いキャリア密度で伝播ビーム及び相対的に不透明であり、一層高いキャリア密度で相対的に透明であるように、制御ビームが量子井戸層で電気密度を変える。しかし、本発明によるこれらの光学変調器は異なったモードで動作することが同様に可能である。この異なったモードは、本発明の第１の局面で述べられている。量子井戸層のキャリア密度がゼロ又は無視できれば、変調器を伝播光に対してほぼ透明にし、量子井戸層に有限のキャリア密度があると、光に対してより不透明にし、これにより、透明／不透明のコントラスト比が上がる。
【００５４】
伝播ビームの強度を変調する代わりに、同様に制御ビームが伝播ビームの光子エネルギーで装置の屈折率を変えるように、装置を製作することができる。この方法では、装置は位相変調器として振る舞う。
【００５５】
発明の第３の局面の他の変形において、量子井戸層のゲート及びオーム接点、及び故に量子井戸内の電子密度、及び故に電子密度で導波路を通って移動するビームを変えるような制御により、光電圧を生成することができる。後者の装置において、光電圧が量子井戸層を横切る電界を変える点を除いて、本発明で、量子井戸層での電子密度を変更している。これは、米国特許４、７１６、４４９に記載された従来の動作に類似している。
【００５６】
強度（振幅）変調器である本発明による光学活性光学変調器は、導波領域を通って伝播する光ビームの強度を変調する動作の機構に関する２つの別のクラスに落ちる。これらのクラスの一つに対して、入射光ビーム（すなわち制御ビーム）は量子井戸層で過剰キャリア密度を減少させる機能を有する。変調器の他のクラスで、制御ビームは量子井戸層に過剰キャリア密度を増やす機能を有する。
【００５７】
以下に述べる光学活性光学変調器の実施形態において、装置の変調領域を通る光学路は、原理的には、どのような公知の光学導波構造が本発明に係るような検出器に採用されていても、ストライプ導波構造によって定義される。導波構造は、一緒に分配することが可能であり、伝播ビームは装置の上部表面に直角又は斜角で入射する。
【００５８】
本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第１のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸層内の過剰電子密度を減少するように機能すること、において、変調領域は、更に、第１のドープ層を具備する。しかし、好ましくは、変調領域が第２のドープ層を具備し、量子井戸層が第１及び第２のドープ層との間に置かれる。装置のこのクラスを例示するために記載された実施形態において、量子井戸層はそれぞれのスペーサー層によって第１及び第２のドープ層から分離される。この装置において、第１、及び第２のドープ層が、同じ導電型を有するようにドープされる。
【００５９】
発明の第３の局面による光学変調器の第２のクラス、すなわち、制御ビームが量子井戸層内の過剰キャリア密度を増加する機能を有すること、において、装置層構造が変調領域を横切る電界生成する。これは、それぞれ異なった導電型タイプの第１及び及び第２のドープ層の間に位置される変調領域によって達成することができる。第１及び第２に述べられた実施形態で、変調領域はこれらの第１及び第２のドープ層から第１及び第２のそれぞれの被覆層で分離される。しかし、同じ効果は、例えば、ｐ−ｉ−ｎ、ｎ−ｉ−ｐ、（ショットキー金属）ｉ−ｐ、（ショットキー金属）−ｉ−ｎ層構造又は、当業者に知られている他のどんな手段でも達成可能である。
【００６０】
本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第２のクラスを例示するために述べた実施形態において、第１及び第２のドープ層の一つは、ストライプ導波構造の一部を形成する。任意に、印加された電圧が導波領域を横切る電界を増やすのに使われても良いように、第１及び第２ドープ層へ、それぞれのオーム接点を作ることができる。このことは、以下でより詳細に説明するが、切換え時間を下げる利益を有する。導波領域の凹部に置かれたオーム接点によって、導波領域の基板側の上にあるドープ層は簡単にコンタクトをとることができる。下部ドープ領域が同じドーピングタイプの緩衝及び基板層上に成長されるのであれば、基板の後方を経由するオーム接点を作ることが可能である。
【００６１】
本発明の第３の局面による光学検出器で、入射光は量子井戸層での電気的なコンタクト（高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）における量子井戸層へのソースとドレインのオーム接点のように効果的に）である出力端末から電気信号を生成する機能を有する。そのような検出器の実施形態では、光ビームは、量子井戸層での過剰キャリア密度を減少させるように機能する。第１のドープ層を更に具備するが、２つのドープ層の間に位置された第２のドープ層と量子井戸層とを具備することが好ましい。２つのドープ層は、同じ導電型にドープされる。上記のように、量子井戸層はそれぞれのスペーサー層により２つのドープ層から分離される。
【００６２】
任意に、ゲート電極が、上部領域で電界を変えるか、増すために、（ソースとドレインのようなものの電気的なコンタクトの間の）構造の上に配置される。付加的に又は代わりに、下部領域の正面の間に同様の方法でバックゲート（すなわち、基板側）を形成できる。これは、本発明に係る変調に同様に任意に適用することができる。
【００６３】
上記の種類の光学検出器は、電気出力信号よりも光学信号を提供するような導波構造の内蔵することによる第２の光学ビームを使用する光の検出するように再構成しても良い。更に、構造は分離している装置として利用される場合がある。又は、イメージ発見目的のための配置に統合される場合がある。
【００６４】
双安定な新たな光学装置（コンタクトを有する必要がない）は、例えば米国特許４、７１６、４４９に記載された従来のそれから双安定性を生成するための動作の異なった機構に依存する。
【００６５】
本発明の第４の局面は、量子井戸層以上の高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層の間に配置される量子井戸層を含む光学路領域を具備する双安定光学素子を、供給し、それにより、光学路領域の光学ビームの吸収は、量子井戸層で過剰電子と正孔を生成し、双安定性を生成するために、光学路領域への吸収を変調する。
【００６６】
発明の第４の局面によるこの装置で、もし１つ以上の量子井戸層すなわち少なくとも２つの量子井戸層、が提供されれば、吸収は増すだろう。導波幾何学での装置について、光学路領域は最適のモードの伝播のための厚さを有していなくてはならない。そして、５〜５０、すなわち２０、の量子井戸層の回りに収容する。
【００６７】
本発明の第５の局面は、量子井戸層よりも、高いバンドギャップ半導体物質のそれぞれの層で交互に繰り返す複数の量子井戸層を含み、光学路領域を伝播する光学ビームの出現する強度の双安定性を提供する光学路領域を具備する双安定な光学素子を提供する。
【００６８】
光の共鳴吸収は、構造内で光励起された電子と正孔を生成する。過剰キャリアは、双安定な振る舞いを生成して、物質の吸収を変調する。
【００６９】
本発明に係る装置に利用される動作モードは、吸収特性を変調するためにビームの共鳴吸収が過剰正孔及び電子を生成するように、条件（例えば、伝播ビームの光子エネルギー、量子井戸層のバンドギャップ、及びゲート層かオーム接点へ印加された電圧）が選ばれるように提供された量子井戸層を有する公知の種類の光学装置において、同様に使用されている。
【００７０】
本発明の第６の局面は、光学路領域が量子井戸層よりも高いバンドギャップの半導体物質のそれぞれの層間に配置された量子井戸層を具備する装置の光学路領域を伝播する光学ビームの出現強度における双安定性を供給する方法において、光学路領域の吸収を変調するために、光学路領域内の光学ビームの吸収が、量子井戸内の過剰電子と正孔を生成するような条件で装置を動作している。
【００７１】
光子エネルギー（中性励起子のそれに近いもの、又は荷電励起子のいずれか）で光を使って、２つのモード（以下に更に説明する）で本発明の光学要素を動作することができる。図１は、荷電励起子（動作光子エネルギーＡ）の光子エネルギー、又は、中性励起子（動作光子エネルギーＢ）のそれのいずれかで大きい吸収変化を達成することができることを示す。
【００７２】
以下に述べる本発明に係る双安定素子の好ましい実施形態で、導波構造は光学ビームのために光学路を規定するために、光学路領域を通じて提供される。この特定の実施形態は、ストライプ導波路であるが、当業者に知られている導波構造のどのような種類のものであっても良い。しかし、導波構造は全く無しで済まされても良いし、光学ビームは直角に又は傾いた角度に向けられていても良い吸収する基板の上で成長された構造の場合に、ウィンドウは当業者に知られている技術を使って、ビームの伝播のためにエッチングする必要があるだろう。
【００７３】
本発明によるあらゆる双安定光学装置は、光学ビームを発生させるか、見つけるための手段を含んでいても良い。
【００７４】
上記のように、双安定光学装置は、荷電励起子又は中性励起子のいずれかのエネルギー領域に相当又はその領域内の光子エネルギーを有する光源での２つの異なる光学モードで動作しても良い。
【００７５】
発明による双安定光学装置は、メモリ要素の光学アナログ、フリップフロップ、シフトレジスタ、或いは１以上の双安定な構成要素を利用する電子回路の他のどんな光学等価物として使っても良い。この場合に、例えば、メモリ要素、装置は、そのようなメモリ要素のアレイを具備しても良い。
【００７６】
本発明による双安定な要素の好ましい実施形態は、厚さで１５０オングストロームと１００オングストローム多層量子井戸領域がＧａＡｓとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．３３）層を互い違いにすることから成るＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ ヘテロ構造をそれぞれ使う。しかし、ＧｓＡｓ層は５０〜５００オングストロームとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ２０〜５００オングストロームの範囲の厚さを好ましくは有する。
【００７７】
双安定光学素子の望ましい実施形態において、光学モードが多層量子井戸層のいずれかの側の上に一層厚いＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層を配置することによって、光学モードが最も強い導波領域のちょうど中央領域に光学路領域を同様に制限することができるけれども、多層量子井戸層は光学路領域の全体の厚さを占める。導波領域は、およそ０．２〜１．０（μｍ）の全体の厚さを好ましくは有するが、一方、上部及び下部被覆層は好ましくは、０．５〜２（μｍ厚さ）のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓな間である。上部被覆層のおよそ０．３μｍを残すようにエッチングすると、リッジは、好ましくはおよそ１〜５μｍ幅である。
【００７８】
双安定光学素子の好ましい実施形態において、導波領域は０．５１μｍの厚さを有すし、２１Ａｌ0.33Ｇａ0.69Ａｓで点在させられる２０ＧａＡｓ井戸から成る。しかし、上記のように井戸の数と、導波領域（０．２〜１．０）（μｍ）の全体の厚さを保持するために、増えた最も外側の層の厚さは減らすことができる。
【００７９】
本発明の上記の全実施形態は、ＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ ヘテロ構造に基づいている。しかし、多数の異なった物質から層を形成することができる。それにもかかわらず、強い帯域端 励起子の共鳴を持つ物質が好ましく、例えば、ＩｎＰ／Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ／Ｉｎy Ａｌ1-y Ａｓ、ＩｎＰ／Ｉｎx Ａｌ1-x Ａｓ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ／Ｃｄx Ｚｎ1-x Ｔｅ、ＣｄＴｅ／Ｃｄx Ｍｎ1-x Ｔｅ、ＺｎＳｅ／Ｚｎ1-x Ｍｎx Ｓｅ、Ｚｎ1-x Ｃｄx Ｓｅ／ＺｎＳｅ、ＺｎＳy Ｓｅ1-y ／Ｚｎ1-x Ｃｄx Ｓｅ、ＣｄＴｅ／Ｃｄ1-x Ｚｎx Ｔｅ、ＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ／ＧａＮ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ａｌy Ｇａ1-y Ｎなどがある。
【００８０】
疑問点の回避のために、本発明において、用語「光学」は、紫外線、可視、又は、赤外線周波数の電磁気照射を意味する。用語「光」の電磁気の放射に応じて解釈されることを意味する。
【００８１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００８２】
図２は、本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器１の第１の実施形態の基本構造を示す。変調器１は、導波領域５に位置された下部被覆層３を具備する。導波領域５の上には上部被覆層７がある。
【００８３】
上部被覆層７は、選択的に高くしたリッジ９を生成するためにエッチングされ、金属ショットキー・ゲート電極１３はリッジ９上に形成される。
【００８４】
それぞれ、リッジ９のいずれかの側の上に、量子井戸層で導波路の導波領域５で電気的なコンタクトを許可するために、上部被覆層７に突き刺さるドレインのオーム接点１７が従来の技術によって形成される。以下のより詳細に説明するが、光ビーム１９は、導波領域５の伝播領域２１を通って、ソースとドレインのオーム接点１５、１７と平行及びその間に、リッジ９及びショットキー・ゲートの真下に、移動する。入力面２３から離れた面（図示しない）から出るビーム１９の強度と位相の或いはそのいずれかは、印加ポテンシャルの手段に従って変調される。
【００８５】
図３に、導波領域５の層構造を示し、量子井戸の下の下部アンドープ障壁２５、又は、活性層２７を具備する。中央のアンドープ障壁、又は、スペーサー層２９（省略可）は、量子井戸層２７の上に位置され、ドープ（ｐ型かｎ型）層３１が中央アンドープ層２９の上に形成される。最後に、上部アンドープ障壁層３３（省略可）は、ドープ障壁層の上に位置される。
【００８６】
図４は、図３に示されるような、導波領域の構造詳細を含む、図２に示す構造のすべての層構成を示す。
【００８７】
しかし、図４は、図２の構造が基板３５に形成され、その上、緩衝層３７が、基板３５と下部被覆層３に挿入され、ＧａＡｓ層（１１）が上部被覆層（７）の後に成長にキャップする。
【００８８】
図４に示す各々の層の構成と厚さは、下記の表１に示すとおりである。
【００８９】
【表１】
完全な構造は、従来のエピタキシャル成長法を使って、製作される。量子井戸層２７の厚さは、鋭い励起子の共鳴を提供するように選ばれ、この特定のヘテロ構造では、３ｎｍから５０ｎｍまでのあらゆる厚さである。量子井戸層のキャリアは、ドープ障壁層３３によって当然導かれる。それ故に、スペーサー層２９の厚さとドープ障壁層３３においては、後者のドーピング濃度と同様に、電子密度を不透明状態における最大の吸収に対するゼロと値との間で変えることを可能にするように選ばれる。
【００９１】
図３を再び参照すると、導波構造５は、導波領域の平均屈折よりも小さい屈折率を有する被覆層３、７によって上部及び下部に挟まれた中央導波領域からなる。ＧａＡｓ／Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓヘテロ構造に対して、ガイド中央領域でより大きい平均的なアルミニウム濃度（例えばｘ＝０．５）を有するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓの被覆領域３、７を構成することによって、これを達成することができる。最適な性能のために、中央領域の厚さは光学モードの最大の強度に十分に狭く（主要な光学モードのみが、量子井戸層２７でサポートされる）保たれるべきである。被覆層３、７は、導波領域から光学モードの重要な漏れを妨ぐように、十分に厚くすべきである。
【００９２】
導波領域の上及び導波領域の下の被覆層３、７は、層平面に垂直な方向の光学モードを制限する。図３は、成長方向と垂直な方向に、すなわち、ストライプ導波路と通常称される構造において、光学モードを閉じ込める１つの可能な方法を示す。ストライプ導波路を形成する処理ステップは、公知であり、詳細説明は省略する。しかし、当業者に知られている他のものの導波構造は、同様に本発明に適用可能である。
【００９３】
ストライプは、ホトリソグラフィのマスクを通じて、乾式又は湿気エッチングにを用いて上部被覆層７にエッチングされる。ストライプ領域内の屈折率が隣接するエッチング領域のそれより大きいので、光学モードは、ストライプ領域の下で制限される。ストライプは、約１〜５μｍ幅である。そして、エッチングの深さは上部被覆層７のおよそ０．３μｍがエッチング領域内に残るような深さである。
【００９４】
ショットキー金属コンタクト１３は、電界効果トランジスタのゲートとして振る舞うために、標準の技術を使うストライプの上部で、蒸着される。量子井戸層２７の電子ガスへの抵抗ソースとドレイン・コンタクト１５、１７は、電界効果トランジスタのソースとドレインを形成するストライプのいずれかの側の上に標準の技術を使って作られる。量子井戸層の電子密度は、装置のショットキーとドレイン・コンタクトの間に電圧を印加することによって変えられる。第２の（任意の）電圧は、同様に、量子井戸チャンネルに移動する電子のドリフト速度を増すように、ソースとドレインのオーム接点の間に供給される。このことは、ショットキーバイアスが量子井戸層を空乏化するように印加されて装置の速度を増すときに、オーム接点への量子井戸からの電子に対する遷移時間が減少する。最大ドリフト速度は、およそ３．５ｋＶ／ｃｍの電界に対するＧａＡｓで達成される。
【００９５】
図５は、本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器４１の第２の実施形態の一般概略図である。一般的に、図２及び３に示す装置に類似している。
【００９６】
ショットキー金属ゲート２３は、メサ領域４５の中央に形成され、ソース４７及びドレイン４９が詳細は後述する埋め込み量子井戸層へのオーム接点としてゲート４３の外側のメサ５４のいずれか端に形成される。
【００９７】
メサ４５は、標準のホトリソグラフィを使って、マスクエリアを規定し、そして、量子井戸層より下の深さへ露光された半導体をエッチングすることによって、ウエハ５１上にに形成される。ホトリソグラフィは、量子井戸層に電子へのオーム接点４７、４９を形成するためにアニールされるメサ４５のいずれかの端でＮｉＧｅＡｕ金属を堆積するのに用いられる。
【００９８】
半透明のＡｕ層は、ショットキー・ゲート４３を形成するために、メサ４５の中央領域の上に蒸着させられる。上記のように、この装置は、導波構造を含まない。しかし、そのことは動作に対する変調器として理解することができる。導波構造は第１の実施形態の態様において同様に組み込まれるべきである。
【００９９】
メサ４５内の層構造の詳細を、図６に示す。
【０１００】
基板５１の上の成長の順序は、以下のようになっている。下部緩衝層５３、中間緩衝層５５、上部緩衝層５７、下部障壁層５９、量子井戸層６１、アンドープスペーサー層６３、ｎドープ層６５、及び最後はキャッピング層６７である。図６に示すような各々の層の構成と厚さを、以下の表２に示す。
【０１０１】
【表２】
第１の実施形態のそれに似ているために、この第２実施形態の装置を参照することができる。特に、それは同様の量子井戸層、アンドープスペーサー及びドープ層を有する。層は、（１００）方向のＧａＡｓ基板の上の分子のビームエピタクシーによって成長させた。どの層も、故意にドープさせないで、２０００オングストロームのＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ層に対してドープしている。図６の層厚さとドーピング濃度は、成長束密度レートから設定された基準値である。導波被覆層は、図６から省略される。しかし、動作電圧を変えても、光の吸収する特性に影響を与えない。バック障壁層の厚さは、第１の実施形態では一層薄い。しかし、同様の性能は一層厚いバック障壁層でのサンプルで得られた。
【０１０３】
オーム接点に関してショットキー・ゲートにバイアスを印加することによって、量子井戸層の過剰電子密度を変えることができる。負である印加ゲート電圧は、量子井戸層から全ての電子をほとんど空乏化するために必要である。
【０１０４】
図７は、同じ電位に保たれるソースドレイン・コンタクトに関連するゲートへ印加される異なった電圧でのこの構造上で測定される光ルミネッセンススペクトルを示す。スペクトルは、明瞭にするために垂直方向でオフセットされている。測定は、層にほぼ垂直に伝搬する入射及び放射光が取られた。これは、純粋な試験の目的対するものである。変調器のような動作は、第１の実施形態のように、組み込まれる導波構造と、指向性を有する入射ビームが必要である。入射光はＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ障壁のバンドギャップの下エネルギーであった。図７からゼロ−電子密度帯域端励起子のエネルギーより下の負の荷電励起子の形成、及び光学遷移強さの強化の証拠を演繹することができる。
【０１０５】
量子井戸層の最も小さい過剰電子密度に対応する最も低いゲートバイアス（すなわち−１．２４Ｖ）が、図７からわかり、スペクトルは中性励起子（図７のマークＸ）よる単一のピークによって支配される。過剰電子で量子井戸層を満たすようにゲートバイアスが増やされるので、中性励起子ラインは強度方向に傾き、負の荷電励起子（Ｘ- ）による明らかに一層低い遷移エネルギーへの同時に遷移が、スペクトル（−１．１３Ｖで）を強化し、最終的に支配することがわかる。
【０１０６】
本発明の第１の局面の方法は、一層大きいゲートバイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネルギーの近くで動作するように設計される。図７のスペクトルは、光子エネルギーを下げるために、負の荷電励起子の同時強化で、量子井戸層に過剰電子密度を増やすことは帯域端の中性励起子の吸収強度の消失を引き起こすことを説明している。更に、サンプルの上に記録される電気反射スペクトルは、中性及び負の荷電励起子に対して過剰電子密度を増やすことと質的に同様の振る舞いを示した。
【０１０７】
本発明の第１の局面は、一層大きいゲートバイアスで見られる負の荷電励起子の光子エネルギーの近くの動作を提供する。
【０１０８】
中性に及び負の荷電励起子によるピークのシフトがあり、電子密度を増やすことと共に、エネルギーを下げたことは励起子を負の荷電ことは、図７から、明らかである。
【０１０９】
それが不透明体の吸収と透明状態の間でコントラストを増す傾向があるだろうので、このシフトは、有益である。
【０１１０】
図８〜図１０に戻って、光学変調器７１の新たな形態においての１つの実施形態のうち本発明の第２の局面に係る構造の詳細を示す。この装置は、バックゲート層７５以上で形成される下部被覆層７３（図８）から成る。バックゲート７５と下部被覆層７３は、それぞれ、０．１〜１．０μｍ、及び０．３〜１．０μｍ厚さである。バックゲート７５は、およそ１０18ｃｍ-3の不純物濃度へドープｎ型、又は、ｐ型のいずれかか一方である。そして、Ａｌw Ｇａ(1-w) Ａｓ又はＧａＡｓで形成される。その構造のショットキー・ゲート１３が省略されるけれども（しかし、任意に、図８〜図１０の装置に含むことができる）、基本的な構造が、図２に示す装置のそれと非常に似ていることがわかる。層の厚さは、図２〜４に示す装置と同じ又は似ている。
【０１１１】
下部被覆層７３の上に光学導波領域７７が形成され、後者の上には、上部被覆層７９が形成される。上部被覆層７９は、入射光ビーム８５に対する光学路８３を定義して、導波構造を完成するために、高くしたリッジ８１を生成するために、直接にリッジ８１の下に選択的にエッチングされる。リッジ８１のいずれかの側の上で、導波領域７７で量子井戸層との電気的なコンタクトを許可するために、上部被覆層７９に突き刺さるソースのオーム接点８７とドレインのオーム接点８９がそれぞれ形成される。
【０１１２】
導波領域７７の層構造を、図９に示す。それは、量子井戸の下の下部アンドープ障壁層９１、又は、活性層９３を具備する。中間アンドープ障壁又はスペーサー層９５は、量子井戸層９３の上部に、位置されている。ドープ（ｐ型かｎ型）障壁層９７は、中間障壁層９５の上部に形成され、上部アンドープ層９９はドープ障壁層９７の上部に位置されている。中間障壁層９５と上部アンドープ層９９はオプションである。
【０１１３】
電気的なコンタクトは、バックゲート７５へ上部被覆層７９と導波領域７７を通ってくぼみ１０５に置かれるコンタクトパッド１０３を有するオーム接点１０１によって、作られる。ゲートコンタクト１０１のくぼみを取ることは、導波領域７７で量子井戸層９３へショートを作るのを避ける。これは、量子井戸層９３のすぐ下の深さへ表面にリソグラフィックに規定されたマスクを通って、正孔をエッチングすることによって、なされる。その時、適当な金属は、エッチング領域の中で他の一層小さいリソグラフィックに規定されたマスクを通って領域上に堆積され、アニールされてバックゲート７５へオーム接点を形成する。ＧａＡｓのｎ型のバックゲートの問題に対して、適当なバックゲートの抵抗の金属はＮｉ−Ａｕ−Ｇｅである。
【０１１４】
浅いソースとドレインのオーム接点８７、８９に対する、バックゲート７５自身の中へ打ちつけないで装置を短絡することは、重要である。量子井戸内の電子ガスに対して、例えば、浅いオーム接点はＧｅ−Ａｕの堆積と次のアニーリングによって形成される。量子井戸層の１００オングストローム内のコンタクトにくぼみをつけた後に、Ｐｄ−Ｇｅの堆積とアニーリングによって浅いオーム接点を同様に形成することができる。量子井戸層へオーム接点を作る代わりの方法が、バックゲートへコンタクトを作るのを避ける間、Ｌｉｎｆｉｅｌｄ ｅｔ ａｌ、 Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． ａｎｄ Ｔｅｃｈ． Ｂ １２、 １２９０ （１９９４）で述べられている。
【０１１５】
図１０は、図９に示す導波領域７７の詳細を含んで、図８に示す構造のすべての層構成を示す。構造は、基板／緩衝層構造１０７の上に形成され、上部キャップ層１０９で完成されている。図１０に示す各々の層の構成と厚さは、以下の表３に示す。
【０１１６】
【表３】
量子井戸層９３の中のキャリア密度は、バックゲート７５とドレインのオーム接点８９との間に電圧を印加することによって、制御される。故に、バックゲート７５は、量子井戸層でフロント・ゲート１３への同様の方法で図２〜４の装置でキャリア密度を変えるために使われる。
【０１１８】
この構造に対して、図２〜４の構造とは異なり、キャリアのうち量子井戸層の全てを空乏化することができる。ここで、ストライプより下の領域だけは空乏化される。もし装置が光子エネルギーＡ（図１参照）で動作すれば、これは、図２におけるストライプ（それが、空乏化されない）に隣接する量子井戸層のエリアが、装置が透明状態のときには、光の小さい破片を吸収するので、有利である。透明状態でのこの吸収は、損失を構成し、望ましくない。
【０１１９】
図１１、１２は、本発明の第２の局面に係る光学変調器の新たな形態においての他の実施形態の構造の詳細を示す。この装置で、全部の層構造は図１０に示されて、そして、表３に表にされている。それ故に、図１１、１２で使用される参照番号は、図１０と表３において括弧に示される。この装置１１１は、バックゲート層１１５の上部にで形成される下部被覆層１１３（図１１）を具備する。これらの層は、図８〜図１０の実施形態における相当する層と同じ厚さを有する。バックゲート１１５は、ＧａＡｓかＡｌw Ｇａ(1-w) Ａｓで形成されたｎ型、又は、ｐ型ドープのいずれかである。
【０１２０】
この装置は、図８〜図１０の実施形態における浅いソースとドレインのオーム接点は用いられないことが違うが、その代わりに、図２〜４に示すフロント・ゲート１１７が用いられることは同様である。下部被覆層１１３の上部には、光学導波領域１１９が形成され、後者の上部には、上部被覆層１２１が形成される。フロント・ゲート１１７は、リッジ１２３の上部のショットキー金属ゲートとして形成される。しかし、この場合は、リッジを生成するエッチングはリッジの外で量子井戸層の領域を空乏化するように、上部被覆層１２１を通って導波領域１１９の途中までとられる。その代わりに、エッチングは、リッジの外に量子井戸の領域にキャリアを残すように、上部被覆層で終えることができる。上部リッジ１２３は入射光ビーム１２７に対する光学路１２５を以降で直接に定義する。
【０１２１】
導波領域１１９の層構造は、図１２に示される。
【０１２２】
それは、下部被覆層１１３の上部の下部アンドープ障壁層１２９を具備する。
【０１２３】
下部障壁層１２９の上部に、量子井戸又は活性層１３１が形成される。
【０１２４】
中間アンドープ障壁スペーサー層１３３は、量子井戸層１３１の上部に、位置されている。
【０１２５】
ドープ（ｐ型かｎ型）障壁層１３５は、中間障壁層１３３の上部に形成される。
【０１２６】
上部アンドープ障壁層１３７は、ドープ障壁層１３５の上部に、位置され、上部被覆層１２１が形成される。
【０１２７】
中間層１３３と上部アンドープ層１３７は任意である。
【０１２８】
図１２から分かるように、リッジ１２を生成するエッチングは、ドープ障壁層１３５と上部障壁層１３７がリッジ１２３に完全に含まれるように、上部被覆層１２１、上部障壁層１３７及びドープ障壁層１３５、中間障壁層１３３の一部分にとられる。
【０１２９】
図８〜図１０の装置では、電気的なコンタクトは、バックゲート１１５へ導波領域１１９を通ってくぼみ１４３に置かれるコンタクトパッド１４１を有するオーム接点１３９によって、作られる。図８〜図１０の実施形態におけるバックゲートコンタクトに関する限り同じ方法で形成される。
【０１３０】
図１の光子エネルギーＡ（荷電励起子）で動作する装置で、導波路は、井戸内に全く（又は非常に少ない）過剰電子がないようにフロントとバックゲートの間の電圧を選択するときに。本質的に透明である。この光子エネルギーＡで、吸収は小さい。
【０１３１】
フロントとバックゲートの間に印加される電圧を変えることによって、過剰電子がリッジ低部の井戸の領域に導かれる。これは、光子エネルギーＡの吸収を増やし、その不透明状態へ装置を切り替える。
【０１３２】
光子エネルギーＢで装置を同様に動作することができる。そこで、量子井戸内の過剰電子なしで不透明であり、過剰電子が井戸へ加えられると、より透明である。
【０１３３】
図１３〜図１５は、本発明の第３の局面による光学活性光学変調器の第５の実施形態の構造を示す。光学変調器２０１は、下部被覆層２０５と上部被覆層２０７との間に置かれた導波領域２０３を具備する。この導波領域２０３は、特許請求の範囲の用語の「変調領域」を構成する。上部被覆層は、光学路２１１以降に定義するストライプ導波路として、機能を有するリッジ２０９を形成するために、導波領域２０３にエッチングされる。変調されるビーム２１３は、光学路２１１を通って伝播する。変調は、装置の上部、特にリッジ２０９の上部表面２１７、を照射するのに使用される印加入射制御ビーム２１５の手段によって行われる。任意に、リッジ外側の装置のエリアは、これらの領域で制御ビームの侵入を妨げるように、制御光に不透明な適当な物質で覆うことができる。
【０１３４】
導波領域２０３の詳細は、図１４でより詳細に示される。上部アンドープスペーサー層２２１と下部アンドープスペーサー２２３との間に置かれた量子井戸層２１９を具備する。上部ドープ障壁層２２５は、上部スペーサー層２２１の上部に位置されている。下部ドープ障壁層２２７は、下部スペーサー層２２３の下部に位置されている。任意に、下部ドープ障壁層２３１は、下部ドープ障壁２２７の下部に形成され、上部アンドープ障壁層２３３は、上部ドープ障壁層２２５の上部に形成されている。上部スペーサー、上部ドープ障壁及び上部アンドープ障壁層２２１、２２５、２２２は、「上部障壁領域」２２６を、下部スペーサー、下部ドープ障壁及び下部アンドープ障壁層２２３、２２７、２３１は「下部領域」２２８を構成する。
【０１３５】
使用において、制御ビーム２１５は、量子井戸層２１９障壁層２２５、２２７の物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有するように選ばれる．導波ビーム２１３は、井戸物質のバンドギャップの回りの一層低い光子エネルギーを有する。図１５に、成長の順での完全な層構造の詳細を示す。
【０１３６】
1 μmGaAs バッファ層２２９;
1 μｍAl0.5 Ga0.5 As導波被覆２０５;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁２３１;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（ｐ形5x1017cm-3）２２７;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（アンドープスペーサ）２２３;
20nmGaAs量子井戸層２１９;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープスペーサ）２２１;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（p-形5x1017cm-3）２２５;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁２３３;
1 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆２０７;
10nmGaAsキャップ２３５。
【０１３７】
リッジ２０９は、１〜５μｍ幅である。
【０１３８】
図１６は、制御ビーム２１５がどのように量子井戸層２１９内の過剰キャリア密度を変えるために使われるかを説明する。そして、導波ビームの吸収を変える。制御ビーム２１５のエネルギーは、エネルギーを物質のバンドギャップより大きくなるように選ばれる。しかし、導波被覆２０５のそれより小さく選ばれる。故に、制御光の大多数は量子井戸層の上部及び下部で、相対的に厚い障壁層で吸収される。
【０１３９】
図１６は、どのようにのイオン化されたアクセプタ２３７によって生成された内電界は光励起された電子２３９及び正孔２４０を空間的に分離する傾向があるか。井戸２１９のいずれかの障壁側のスペーサー領域２２１、２２３で光励起された電子は、量子井戸２１９内への内部電界によって掃出され、過剰正孔と再結合し、密度を低くする。一方、図１６に示すように、光励起された正孔は価電子帯の最大値へ向かって掃出される。これらの光励起された正孔のいくらかは、イオン化されたアクセプタと再結合する。従って、制御光の効果は、量子井戸層で過剰正孔密度を下げることである。量子井戸層の吸収（量子井戸層バンドギャップの回りのエネルギーで）が過剰正孔密度に非常に感度が良いので、導波ビームの伝播は、高低間の値で制御及び切り替えることができる。
【０１４０】
図１６が量子井戸層の近くにｐ型ドープ層によって、装置の動作を説明するが、ｎ型層を同様に使うことができるのは明かである。
【０１４１】
この場合は、障壁領域で光励起された正孔は量子井戸層の中へ掃出され、過剰電子と再結合して、密度を下げる。我々の調査は、ｐ型ドープ層を持つ構造が入射光に対して一層感度が良いことを示した。
【０１４２】
図１３〜図１５の装置は、ｐ型遠隔ドープ量子井戸を有しているが、この原理はｎ型遠隔ドープ量子井戸にも適用可能である。しかし、量子井戸の空乏化がｐ型遠隔ドープ量子井戸の場合に対する制御光ビームの低い強度に対して達成できることを発見した。これは、ｎ型構造に対する光励起された正孔よりも遠隔ｐ型ドーピングに対する井戸への一層効率的に掃出される光励起された電子によっても良い。
【０１４３】
上部領域２２６と下部領域２２８の層２２５及び２２７が、図１３〜図１５に示す装置に対してドープされるが、装置は、同様に上部層２２５のみががドープされていれば動作するだろう。その場合は、動作は上部障壁によって吸収される大多数の光によっている。しかし、制御光に対する感度が良いので、両側ドーピング構成が好ましい。
【０１４４】
上部及び下部障壁領域内にそれぞれ遠隔ドープしたいくつかの量子井戸のスタックで、装置を同様に作ることができた。
【０１４５】
いくらかの従来の変調器のように、量子井戸層２１９の過剰正孔密度は、電圧より制御の光学ビーム２１５で変えられる。従って、ゲートとオーム接点は、この装置については必要としないが、任意に含めることは可能である。リッジ２０９は、図１３で示した上部被覆層２０７又は導波層２０３のいずれか内の深さへエッチングすることができる。後者に対して、リッジ２０９は、量子井戸層２１９のエリアの過剰キャリアがないように、リッジ２０９の外側のドーパント原子の深さへエッチングされる。これは、荷電励起子に対応する相対的に一層低い図１の光子エネルギーＡで動作する時に、、透明状態のリッジの外側の吸収に対する吸収損失を減少する利点を有する。中性励起子（図１）に対応する相対的に一層高い光子エネルギーＢで動作する時、上部導波層だけまでエッチングすることは一層良いことである。
【０１４６】
制御ビーム２１５は、好ましくは、量子井戸層２１９の一様な空乏化を達成するように、リッジの上部表面２１７全体上に一様に入射すべきである。制御ビーム２１５の強度は、導波ビーム２１３の吸収の最大変化を達成する２つの有限な値の間で切り替えられるべきである。その代わりに、不透明状態の最適透明が、構造に入射する光なしで、達成されるように、スペーサー層厚さ、ドーパント濃度などを選ぶことができる。これは、導波ビーム２１３の最大の変調を達成するために、ゼロと有限の値との間で制御光の強度が変えられることを許容する。
【０１４７】
図１７は、制御ビーム（Ｐcontrol ）の強度の関数として、導波路（Ｐout ）を通って伝播するビームの強度の変化を示す概略図である。制御ビームの強度が低いとき、井戸の過剰キャリア密度は相対的に大きく、それ故に吸収プロファイルが図１に示す破線に似ていることである。光子エネルギーＡの吸収は、相対的に大きく、光子エネルギーＢで相対的に小さい。
【０１４８】
制御ビームの強度が増えるので、量子井戸層の過剰キャリア密度は、上記のように、減少する。ある制御ビーム強度に対して、過剰キャリア密度は最小であり、吸収プロファイルは図１の実線に似ている。光子エネルギーＡの吸収が減少すると、一方光子エネルギーＢのそれが増加する。これ故、図１７に概略を示すように、制御ビーム強度を増やすことは、光子エネルギーＡに導波路の伝播を増加する効果を有し、一方、光子エネルギーＢでその伝播を減少させる。
【０１４９】
そこで、光子エネルギーＡか光子エネルギーＢいずれかに導波路の伝播を切り替えるように、制御ビームの強度を変えることができる。
【０１５０】
図１８〜２０は、本発明の第３の局面による光学活性光学変調器の第６の実施形態を示す図である。第５の実施形態のように、制御光学ビームは低い値と高い値の間の導波路を通って伝搬する第２のビームの伝播を切り替えるために使われる。第６の実施形態の変調器は、第５の実施形態のように、光励起された電子（又は、正孔）は量子井戸層の過剰キャリア密度を減少させるよりも、それを増やすことを除いて、第５の実施形態と同様の方法で動作する。
【０１５１】
図１８及び図１９を参照すると、下部被覆層２４５と上部被覆層２４７との間に配置される導波領域２４３を具備する光学変調器２４１が示されている。上部被覆層２４７は、ｐ型ドープ層２５１が上部に形成されたリッジ２４９を形成するために、エッチングされる。ドープｎ型層２５３は、下部被覆層２４５の下に形成される。リッジ２４９は、ビーム２５７を伝播するために、導波領域２４３を通って光学路２５５をその下に規定する。
【０１５２】
任意に、ｐ型層２５１及びｎ型層２５３へ電気的なコンタクトを提供することができる。後者の場合に、導波領域２４３と上部被覆層２４７を通ってくぼみ２６３に配置されると、コンタクトパッド２６１を有するオーム接点２５９の手段によって好ましくは影響される。もし下部ドープ領域がドープ緩衝及び基板層上に同様に成長できれば、基板の後方の面へ下部ドープ領域へのオーム接点を同様に作ることができる。
【０１５３】
伝播ビーム２５７は、リッジ２４９の上部でｐ型層２５１の上部表面を照射する印加制御ビーム２６５の手段によって、変調される。
【０１５４】
導波領域２４３の詳細を、図１９に示す。
【０１５５】
量子井戸層２６７は、下部アンドープ障壁層２６９と上部アンドープ障壁層２７１との間に配置されている。この装置の完全な層構造の詳細を、図２０に示す。成長の順序は以下の通りである。
【０１５６】
1 μmGaAs 障壁と基板層２７３;
1 μmGaAs バックゲート（ドープn 形1018cm-3）２５３;
0.5 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆層２４５;
300nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁層（アンドープ）２６９;
20nmGaAs量子井戸層２６７;
300nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープ）層２７１;
0.3 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆層２４７;
0.2 μmAl 0.5 Ga0.5 As導波被覆（ドープp 形1018cm-3）層２５１;
10nmGaAsキャップ層２７５。
【０１５７】
リッジ２４９は、１〜５μｍ幅である。そして、上部導波被覆層の０．２μｍを残すために、エッチングした。バックゲートは、同様に余分な光学閉じ込めを生成するｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓである。上部被覆層も、同様に、Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ導波領域よりも小さい屈折率の誘電物質で作ることができ、制御ビームに対して透明である。任意に、リッジ外側の装置エリアは、これらの領域内で制御ビームの侵入を妨げるように、制御光に対して適当な不透明な物質で覆うことができる。
【０１５８】
導波領域２４３を横切る（近似的に）一様な電界が存在するように、図１８に示すように、ｎ型ドープ２５３及びｐ型ドープ２５１領域が、量子井戸層２６７のいずれかの側から相対的に遠い位置に配置される。上記のように、ｎ型とｐ型領域２５１、２５３へは任意にオーム接点を作ることができ、電圧はこの電界を増やすようにこれらの間に印加されて、装置の切り替え速度が増加する。
【０１５９】
上部ドープ領域２５１をショットキーコンタクトとして振る舞う半透明のＡｕ層に替えることができ、一方、下部ドープ領域２５３をそのままにしておく。層は、十分に制御光のかなりの部分の伝搬を可能にするほど薄くすべきである。ショットキーコンタクトは、ｐ−ｉ−ｎ構造へ同様の方法における導波領域を横切る電界をもたらす。再び、ショットキー層とドープ下部領域２５３に電気的なコンタクトをとることができ、導波領域を横切る電界を増すために、それらの間に電圧を印加できる。
【０１６０】
制御ビーム２６５は、障壁層２６９、２７１の物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを持つように選ばれるが、導波被覆層２４５、２４７のそれより小さい。その光子エネルギーは、制御ビームエネルギーのほとんどが上部領域２７１で吸収されて、光励起された電子−正孔対を生成するように、十分に大きく選ばれる。導波領域を横切る電界は、１方向に加速される電子と他の方向の正孔でこれらの光励起キャリアを分離する図１８に示すｐ型及びｎ型層の配置に対して、上部の光励起電子は量子井戸内に掃出され、一方、正孔はｐ型層へ向かって掃出される。導波領域２４３の中の導電２７７及び価電子帯２７９の帯域端の空間の変化を示す図２１からこのことがわかる。上部障壁層２７１において光励起された電子２８１は、量子井戸層２６７の中へ勾配によって掃出される。光励起正孔２８３は、装置の前面へ向かって掃出される。
【０１６１】
それ故に、制御光ビーム２６５は量子井戸層２６７の中の過剰電子密度の増加させ、その帯域端の吸収スペクトルを変調する。量子井戸層２６７の帯域端吸収プロファイルのこの変化は、量子井戸層帯域端に近い光子エネルギーで導波路を通って伝搬する第２の光学ビーム２５７の伝搬の切り替えに使われる。
【０１６２】
図１８は、上部障壁２７１の光励起された電子が量子井戸層２６７（図２１）の中へ掃出されるような、ｐ型である上部ドープ領域と下部のそれがｎ型である構成を示す。しかし、ｎ型とｐ型の層の位置を交換することは、井戸２６７の中へ上部障壁層２７１の光励起された正孔が掃出されるように、電界の方向を反転する。電子が電界によって一層効率的に集められるので、前者の配置は、切り替え時間がより速くなる。
【０１６３】
図２２及び図２３は、本発明の第３局面に係る光学検出器２９１である実施形態を示す。量子井戸層２６７は、アンドープ下部スペーサー層２９５と上部アンドープスペーサー層２９７との間に配置される。上部アンドープスペーサー層２９７の上部にドープ上部障壁層２９９が配置される。下部ドープ障壁層３０１は、下部アンドープスペーサー層２９５の下方に配置される。全体の上記の構造の下方には、底アンドープ障壁層３０３が配置されている。そして、前述の構造の上には、キャッピング層３０７で覆われた上部アンドープ層３０５がある。
【０１６４】
ソースのオーム接点３０９は、量子井戸層２９３にコンタクトをとる。そして、それから離れて、ドレインのオーム接点３１１は量子ウェル層にコンタクトをとる。
【０１６５】
装置は、キャッピング層３０７の上部表面３１５を照射する入射光ビーム３１３での照明によって動作する。
【０１６６】
全体の層構造の詳細は、図２３に示され、成長の順序は以下の通りである。
【０１６７】
1 μmGaAs バッファ層および基板117;
0.5 μmAl 0.33Ga0.67As底部障壁103;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（ドープ5x1017cm-3）層101;
100nmAl 0.33Ga0.67As下部障壁（アンドープスペーサ）層95;
30nmGaAs量子井戸層93;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（アンドープスペーサ）層97;
100nmAl 0.33Ga0.67As上部障壁（ドープ5x1017cm-3）99;
100nmAl 0.33Ga0.67As頂部障壁（アンドープ）層105;
170 オングストロームGaAsキャップ層107 。
【０１６８】
これらの層は、有限のエリアのメサを形成するために、量子井戸層の下に延びるような深さのエッチングでエッチングされる。量子井戸層２９３へのオーム接点３０９、３１１は、従来の方法を使用したメサの上部及び反対側の端に形成される。
【０１６９】
（３１１）方向のＧａＡｓ基板の上で成長させたＧａＡｓ／Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓヘテロ構造のｐ型ドーパントとしてシリコンを使うことができる。その代わりに、当業者に知られているように、他のｐ型ドーパントは（１００）方向のＧａＡｓ基板の上で利用可能である。
【０１７０】
使用において、電圧は、ソースとドレインのオーム接点３０９、３１１の間に印加され、過剰キャリアを含む量子井戸層２９３を通る電流（Ｉ）を流す。図２４に示すように、構造に入射する光ビーム３１３は、構造内の障壁層３０３、３０１、２９５、２９７、２９９、３０５のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有する強度Ｐin' で構造に入射する光ビーム３１３は、量子ウェル層２９５内の過剰キャリア密度を減少させ、それ故、図２４に示すように、抵抗を増加させて、ソース−ドレイン間の電流を減少させる。これ故に、測定電流から構造の上部表面３１５に入射する光のレベルを決定することができる。
【０１７１】
任意に、構造にその上部障壁領域２９９に単独でドープすることができる。しかし、この場合は、装置が下部障壁領域３０１で吸収される光子に対する感度が同様に良いので、上部及び下部障壁領域２９９、３０１内の量子井戸領域に遠隔でドープすることは、望ましい。非対称ドープＧａＡｓ／Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓヘテロ構造に対して、アンドープ下部Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ障壁層は、（例えば）２．５ｎｍの厚さをそれぞれ持つＧａＡｓ及びＡｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓ層を互い違いにする超格子に替えることができる。これは、量子井戸層の質を改良する。
【０１７２】
全く任意に下部とそのドーパントを省略することができる。この場合は、図２３に示す上部障壁層２９７、２９９、３０５とキャッピング層３０７によって続けられ、層構造は厚いＧａＡｓ層（例えば２ミクロン）から成る。
【０１７３】
いくつかの量子井戸層は、同様に、障壁（それぞれの中央部はドープされている）によって互いに分離された上部に配置されても良い。
【０１７４】
ソースとドレインのオーム接点３０９、３１１の回りのエリアは、標準の技術をによる不透明な物質によって、任意に覆うことができる。これは、コンタクトの動作を有効にする光を妨げるのに有利であり、第２に、障壁内の光励起キャリアによってソース−ドレイン間の平行な導電に対するパスを破壊する。
【０１７５】
統合された、又は、外部の回路（図示しない）によって電流を決定することができる。例えば、電圧は、装置と電源が直列に配置された抵抗で測定することができる。
【０１７６】
検出光は、物質のバンドギャップより大きい光子エネルギーを有するべきである。装置は、領域で光励起電子−正孔対を分離する構造の内部電界によっている。電界は、井戸の大多数キャリアへの反対側の符号の光励起キャリアが井戸の中へ掃出される電界であり、それゆえ井戸で過剰キャリア密度を下げ、その抵抗を増やす。
【０１７７】
構造の上部へ半透明のショットキー・ゲートを任意に加えることができ、電圧は、上部障壁領域で電界を変えるか、又は増すように、それとドレインのオーム接点３１１の間に印加される。同様に、バックゲートを形成するために、ドープ領域の上で構造を成長させることができ、電圧は、下部障壁領域で電界を変調及び増すように、このバックゲートへのドレインとオーム接点の間の印加する。
【０１７８】
図２２及び図２３の構造は、光強度を検出する電気的手段を使用しているが、これは第２の光学ビームでも同様に達成可能である。この目的に対して、構造は、図１３及び図１４の装置のように、導波構造の中に配置できる。
【０１７９】
図２５〜図２７において、本発明の第７の実施形態に係る双安定光学素子が示されている。この装置４０１は、導波路リッジ４０９を形成するために選択的にエッチングされた下部被覆層４０５と上部被覆層４０７との間に配置された光学路領域（層）か「導波領域」４０３を具備する。リッジ４０９は、伝搬光ビーム４１０に対する光学路４０８を規定するストライプ導波路として機能する。
【０１８０】
図２６でより詳細に分かるように、光学路領域は、それぞれの障壁層４１３等で散在された複数の量子ウェル層４１１などを具備する。量子井戸層は、障壁層よりも小さい禁止帯の光学バンドギャップを有する。
【０１８１】
下部と上部被覆層４０５、４０７と、導波領域４０３を含む完全な層構造が、図２７に示されている。成長の順序は、ＧａＡｓ 基板／緩衝層構造４１５の上に１．０μｍＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの下部被覆層４０５が形成される。導波領域４０３は、ＧａＡｓ（１５０オングストローム）Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ａｓの障壁層４１３で分散した１００（オングストローム）の量子井戸層４１１を互い違いにすることがある後者の上に、形成される。
【０１８２】
上部導波被覆層４０７は、深さ０．２μｍである５μｍの広いリッジを形成するためにエッチングされる０．５μｍＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓから成る。エッチングは、同様に、最終エピ層である１００オングストロームＧａＡｓキャッピング層４１７を突き刺す。
【０１８３】
図２８及び図２９は、２つの異なる光子エネルギーに対して、入射ビーム（ Ｐin）の強度の関数として構造（Ｐout ）によって伝搬された光ビーム４１０（図２５参照）の概略図である。図２８に対して、光子エネルギーは、量子井戸層の荷電励起子、すなわち図１の動作エネルギーＡに近くなるように選ばれる。図２９に対して、光子エネルギーは、量子井戸層の中性励起子、すなわち図１の動作エネルギーＢに近くなるように選ばれる。
【０１８４】
まず、光子エネルギーが荷電励起子の近くにある図２８を、低入射パワー（図２８のポイントａ）で考えると、ウェルが相対的に少ない過剰キャリアを含み、それ故、吸収プロファイルが図１の実戦に似ているので、量子ウェル内の吸収は光子エネルギーＡは相対的に小さい。光強度が増すと、ウェル内で吸収される光子の密度及びそれ故光励起電子及び正孔が増加する。これらの光励起電子と正孔は、キャリアのバックグラウンド密度を形成する。結局、このバックグラウンドキャリア密度は図１で吸収スペクトルの形を変調するのに十分である。
【０１８５】
光励起電子−正孔対に対する過剰キャリアの結合による荷電励起子の生成は、光子エネルギーＡでの吸収を増やし、光励起されたバックグラウンドの平坦な高い密度の生成を導く。これ故に、システムは光子エネルギーＡでの吸収があがる状態に切り替え、図１の破線と構造落下（図２８のポイントｂ）によって伝搬された光の強度とが似ている。
【０１８６】
伝搬された光の強度は、入力強度（図２８のポイントｃ）を更に増やすが、急速には上がらない。もし入力強度が再び減少すれば、光子エネルギーＡで一層吸収する吸収状態は、一層低い入力パワーに対してサポートされる。入力されたパワーが減少すると、結局、不十分な電子と正孔は井戸で荷電励起子の存在をサポートする光励起され、システムは、光子エネルギーＡ（図２８のポイントｄ）で一層透明になるように切り替えられる。
【０１８７】
図２９に示すより異なった振る舞いを示す図２５に示すように、光子エネルギーＢで装置を同様に動作させることができる。この光子エネルギーで、低い入射光強度で吸収は相対的に大きい。入射の強度を増やすことは、伝搬強度のスーパーリニア増加を生成して、存在が中性励起子エネルギーＢの吸収を下げる傾向がある構造において光励起された電子と正孔の数を増やす。もし入射強度は再び減少すれば、システムは相対的に高い吸収状態、しかし、小さい入力パワーで、に再び戻る。
【０１８８】
図２８及び図２９において、入射強度がその前により高いか又はより低いかに依存してある入力パワーに対して構造は伝搬強度に対して２つの値を持つことができる。
【０１８９】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【０１９０】
【発明の効果】
上記のように本発明によればコントラスト比が良く、低い入力パワーで動作可能な光学変調器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中性と荷電励起子に対する吸収スペクトルを示す図。
【図２】 本発明の第１の局面に係る動作に対する光学変調器の第１の実施形態の概略部分断面図。
【図３】 図２に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図４】 図２及び図３に示す変調器の層構造を示す図。
【図５】 第１の局面に係る光学変調器の第２の実施形態の概略平面図及び断面図。
【図６】 図５に示された変調器の層構造。
【図７】 異なるゲートバイアス電圧を図５及び６の装置に使用して得られる光ルミネッセンススペクトルを示す図。
【図８】 本発明の第２の局面に係る光学変調器の第３の実施形態の概略部分断面図。
【図９】 図８に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図１０】 図８及び図９に示された変調器の層構造及び図１１及び１２の変調器の第４の実施形態を示す図。
【図１１】 本発明の第２の局面に係る光学変調器の第４の実施形態の概略部分断面図。
【図１２】 図１１に示す変調器の導波領域導波構造の概略断面図。
【図１３】 本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第５の実施形態の部分の透視図。
【図１４】 図１３に示す装置の導波領域の詳細図。
【図１５】 図１３及び１４に示された装置の完全な層構造の詳細図。
【図１６】 図１３〜図１５に示された装置の動作を説明するための量子井戸層／層構造に対する導電帯と価電子帯プロファイルを示す図。
【図１７】 図１３〜図１５に示された装置のための中性及び荷電励起子モードの動作を示す図。
【図１８】 本発明の第３の局面に係る光学活性光学変調器の第６の実施形態の部分の透視図。
【図１９】 図１８に示す装置の導波領域を示す詳細図。
【図２０】 図１８及び図１９に示された装置の完全な層構造。
【図２１】 図１９及び図２０に示された装置の動作を説明するための量子井戸層／障壁層構造に対する導電帯と価電子帯プロファイルを示す図。
【図２２】 本発明の第３の局面に係る光学検出器の実施形態の部分の透視図。
【図２３】 完全な層構造の詳細図。
【図２４】 図２２及び図２３に示された装置に対する入射光強度の関数としてのソース−ドレイン電流を示す図。
【図２５】 本発明に係る双安定なの光学要素の第７の実施形態の部分の透視図。
【図２６】 図２５に示す要素に対する光学路領域の詳細図。
【図２７】 図２５及び図２６に示された完全な層構造。
【図２８】 荷電励起子モードでの図２５〜図２７に示された素子の双安定な動作を示す図。
【図２９】 中性励起子モードでの図２５〜図２７に示された要素に対する双安定な動作を示す図。
【符号の説明】
７１…光学変調器
７３…下部被覆層
７５…バックゲート層
７７…導波領域
７９…上部被覆層
８１…リッジ
８３…光学路
８７…オーム接点
８９…オーム接点
１０１…ゲートコンタクト
１０３…コンタクトパッド
１０５…くぼみ
Claims (8)
- 量子井戸層を含む光学導波領域と、
前記導波領域の光学路を規定する導波構造と、
量子井戸層でキャリア密度を変更するために前記導波領域の下に位置し、量子井戸内のキャリア密度がゼロ又は無視できるときには入射光に対してほぼ透明であり、量子井戸内で制限されたキャリア濃度があるときはより不透明であるようにバイアス電位が印加されるバックゲートと、
前記バックゲートに対する電気的なコンタクト及び少なくとも１つの他の電気的なコンタクトと、
を具備することを特徴とする光学変調器。 - 前記導波構造は導波領域の上部のリッジを具備することを特徴とする請求項１記載の光学変調器。
- 前記バックゲートに対する電気的なコンタクトは導波領域のくぼみ領域配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学変調器。
- 前記バックゲートは高ドープ緩衝層及び基板層上に形成され、前記ゲートに対する電気的なコンタクトは導波構造の基板側上に配置されることを特徴とする請求項１記載の光学変調器。
- 前記少なくとも１つの他の電気的なコンタクトは、電気的なコンタクトを前記導波領域内の少なくとも１つの量子井戸層に行うそれぞれソースとドレインコンタクトを具備することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学変調器。
- 前記ソース及びドレインコンタクトはそれぞれ前記リッジのいずれかの側上の前記導波領域における少なくとも１つの量子井戸層に電気的なコンタクトをとることを特徴とする請求項５記載の光学変調器。
- 前記少なくとも１つの他の電気的なコンタクトは、前記導波構造上に配置された更なるゲートを具備することを特徴とする請求項１記載の光学変調器。
- 前記導波構造は、前記導波領域内に延びるくぼみ領域で囲まれたリッジであることを特徴とする請求項７記載の光学変調器。
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