(57)【要約】本発明は、２種類のＩＩＩ族元素の窒化物材料間の量子閉じ込めによる、典型的には、ＧａＮ／ＡｌＮによる、サブバンド間遷移を備えた電気光学素子に関する。本発明は、前記素子を包含するデバイス又はシステム、並びに前記素子の製造方法にも関する。本発明によれば、前記素子（２）は１つ以上のＮドープされた量子井戸構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）を囲む少なくとも２つのいわゆる外側障壁層（ＢＬ０，ＢＬ３）を包含する少なくとも１つの活性領域（２３）を含み、前記量子井戸（１つ以上）は、各々が、少なくとも５単原子層の厚さの非意図的にドープされた２つの障壁領域（ＢＬ０，ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３）によって囲まれていることを特徴とする。
2013500505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の「Ｎ」ドープ量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）を囲む少なくとも２つのいわゆる外側障壁層（ＢＬ０，ＢＬ３）を包含する少なくとも１つの活性領域（２３）を含む型の、２種類のＩＩＩ族元素の窒化物タイプの材料間の量子閉じ込めによるサブバンド間遷移を用いた電気光学素子（２）であって、前記１つ以上の量子構造は、各々が、少なくとも５単原子層の厚さを備えた２つの非意図的にドープされた障壁領域（ＢＬ０，ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３）によって囲まれていることを特徴とする、前記電気光学素子。
【請求項２】
トンネル効果による電子の通過を阻止するのに充分な厚さを備えた、特に、少なくとも５単原子層の厚さを備えた、非意図的にドープされた障壁領域（ＢＬ１，ＢＬ２）によって一組ずつに分離された複数の連続する量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）を包含する少なくとも１つの活性領域（２３）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）の大部分が窒化ガリウムを含み、そして、障壁領域（ＢＬ０，ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３）の大部分が窒化アルミニウム及び／又はＡｌＧａＮを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の素子。
【請求項４】
前記素子（２）を１．０μｍより長い波長、特に、１．０μｍ〜１．７μｍの波長に同調させるように量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）の厚さを決定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の素子。
【請求項５】
電気光学吸収型変調器を製造するアーキテクチャを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の素子。
【請求項６】
電気光学位相変化型変調器を製造するアーキテクチャを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の素子。
【請求項７】
以下：
−電荷移動型変調器；又は
−光検出器、例えば、量子カスケード光検出器；又は
−電気光学エミッタ；又は
−電気光学スイッチ；
−又は電気的に制御されたバンドを備えた光学フィルタ；あるいは
−これらのタイプの機能の組み合わせ；
を製造するアーキテクチャを備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の素子。
【請求項８】
量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）が、障壁を形成する２次元層により各々が囲まれた量子井戸を形成する２次元層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の素子。
【請求項９】
量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）を形成する層の平面に垂直な光（４１，４２）の分極によって動作するように配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１０】
量子構造（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）が、「Ｎ」ドープＧａＮからなり、４〜６単原子層の厚さを有しており、そして、４単原子層を超える厚さを有する非意図的にドープされたＡｌＮからなる障壁層（ＢＬ０，ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３）によって分離されることを特徴とする、請求項４〜９のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１１】
活性領域（２３）が３つの量子井戸（ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３）を含むことを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１２】
活性領域（２３）が少なくとも０．４マイクロメートルの厚さを有する２つの閉じ込め層（２２，２４）によって囲まれており、そして、率コントラストによって導波路を形成するリッジ（２００）又はメサの形態の部分に配置されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の素子を少なくとも１つ含む、デバイス又はシステム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の素子又はデバイス又はシステムの製造方法であって、量子井戸を形成する構造の厚さを制御することによって吸収線のスペクトル位置及び／又は屈折率を調整する少なくとも１つの段階を含む、前記製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の素子を製造するように選択され、定義され及び組み合わせられた段階を含む、オプトエレクトロニクス素子又はデバイス又はシステムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、２種類のＩＩＩ族元素の窒化物タイプの材料間の量子閉じ込めによるサブバンド間遷移を用いた電気光学素子に関する。
【０００２】
本発明は更に、前記素子を含むデバイス又はシステム及び前記素子の製造方法に関する。
【０００３】
技術分野
本発明は、オプトエレクトロニクス及びフォトニクスの分野に、特に、光電気通信の分野及び集積回路における光クロスコネクトの分野にある。
【０００４】
オプトエレクトロニクスの分野は、光を処理又は生成する種々のタイプの素子、例えば、干渉法におけるような、量を測定する意図で光信号を発する素子、又は、電気通信の分野におけるような、光ファイバー内を伝送される調光を含む信号により通信する素子を含む。
【０００５】
システムが電気信号及び光に基づく信号の両方を用いる場合、電気光変換素子が必要である。
【０００６】
例えば、電気光変調器は、データを電気信号から光波へ移すことができる要素、例えば、電子的形態のデジタルデータを長距離伝送用の光ファイバー内を搬送されるデジタル光信号に転換する要素である。他の型のエミッタは通常の（非コヒーレントの）ダイオード又はレーザダイオードの形態を取ることができ、例えば、光源として働くことができる。
【０００７】
他のオプトエレクトロニクス素子は、その波長が電気的制御によって同調されて所定の波長を分離するか又はマルチバンド伝送からチャネルを抽出することができる光学フィルタであるか、電気的制御によって再構成することができる光ルーティング用デバイスであるか、あるいは、例えば、受信又は再伝送方式において光信号を電子信号に転換するための光検出器であることもできる。
【０００８】
現状技術
オプトエレクトロニクスの分野において、特に、ＩＩＩ族元素及びＶ族元素に基づく、半導体を組み合わせたナノメートル寸法を有する構造を用いて、使用される光波長と相互作用する電子のエネルギー準位の遷移に対応する量子構造を形成することが知られている。
【０００９】
これらの量子構造は種々の形態、例えば、障壁層を形成する２次元層と交互になった、量子井戸を形成する量子厚さの２次元層の形態を有することができる。また、例えば、実質的に円柱形をした、又は障壁を形成する材料内部に埋め込まれたナノワイアの形態でさえある、量子「箱」を含む構造も用いられる。
【００１０】
種々のタイプのオプトエレクトロニクス素子が同様の量子構造及び材料を用いている場合があること、及びこのようにして同じ技術が、例えば、電極に関して又は導波路（単数又は複数）に関して、活性領域を異なる位置に設けることによって複数のタイプの素子を製造することができることに留意すべきである。
【００１１】
ＩｎＰ−電気通信（ＮＩＲ）
電気通信の分野において、使用される波長は、近赤外（ＮＩＲ）範囲の、そしてより詳細には、８００ｎｍ〜１６００ｎｍのオーダーの、典型的には、１．５５μｍの波長である。
【００１２】
特に、電気通信の分野では、量子構造（例えば、量子井戸（ＱＷ）を形成する層）を形成するＩｎＧａＡｓＰ、及び、障壁構造に対するＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰの材料の対を用いることが知られている。量子井戸を形成する材料は、その禁制帯が障壁を形成する材料の禁制帯よりも狭くなるように選択される。
【００１３】
これらの材料を用いて、例えば、吸収によって動作するバンド間遷移を用いたバイポーラ電気光学変調器（すなわち、２つのタイプのキャリア：電子と正孔とを用いる）を製造する。前記変調器は、１つ以上の量子構造を含む活性領域を含む。活性領域に電位差を印加すると、この場合には光吸収の変化の形態で、この活性領域の光学的特性に変化が生じる。
【００１４】
電子信号を用いてこの電位差を制御することによって、そして、光源により与えられる一定した光をこの活性領域内に注入することによって、このように素子から出る光の強度を変調することができ、このようにして電気光学変調器を製造することができる。
【００１５】
光信号にわたって(en travers)この活性領域を位置させることによって、電気的に制御されたフィルタを製造することもできる。
【００１６】
現状技術において、この型の素子は、電子通信用途に対して最小である１０ｄＢから出発して強度コントラストを与えることができる。しかしながら、このコントラストを改善して、例えば、信号のデコーディングを促進するだけでなく、素子の大きさを縮小することができるようにもすることが有用である。得られる全コントラストは、変調が行われる長さに依存している。
【００１７】
更に、この型の素子は、波長１．３〜１．５５μｍで５０ｍｅＶのオーダーの半値幅（ＦＷＨＭ）を可能にする。このＦＷＨＭ値は、波長比Δλ／λ＝５％を与え、これは直接的に「チャープ」に影響を与え、そして、それゆえに単一の導波路内での複数の周波数チャネル間の分離の品質に影響を与える。
【００１８】
電圧の印加が活性領域の屈折の変化を生じさせ、そして、それゆえに光の伝送速度の変化を生じさせる構成において：電気光学変調器は、位相変化によって動作することもできる。このように、この活性領域内に一定した信号を注入することにより、電位差を制御することによってその位相を変調させることができる。前記位相変調器を、例えば、干渉計に組み込むことによって、位相変調、例えば、リング干渉計又はマッハツェンダー型干渉計を提供することができる。
【００１９】
現在、この型の素子は、１０−３（０．００１）のオーダーの屈折率の変化を可能にする。
【００２０】
これらの材料から出発して、サブバンド間（ＩＳＢ）遷移を用いたユニポーラ変調器も製造されてきた。しかしながら、それらは吸収によって動作するに過ぎず、そして、電気通信用途に対してはあまり有用でない波長（例えば、λ＝１０μｍ）で動作するに過ぎない。実際に、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ−オン−ＩｎＰ又はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓに基づくＩＳＢデバイスにおいて、最小波長はそれぞれλ＝３．５μｍ及びλ＝８μｍに限定される。
【００２１】
ＧａＮ−中赤外（ＭＩＲ）
１μｍ〜２０μｍのオーダーの、他の波長領域において、窒化物、及び特に材料ＧａＮを用いて、サブバンド間（ＩＳＢ）遷移を用いたユニポーラ素子を製造することが提案されている。
【００２２】
ＵＳ６，５９３，５８９は、特に、ＱＷ−ＢＬ（「量子井戸−障壁層」）対：ＧａＮ−ＡｌＮ又はＧａＮ−ＩｎＮ又はＩｎＧａＮ−ＧａＮを用いた、５．２μｍ付近の吸収により動作するユニポーラＩＳＢ変調器を記載している。前記公報は、厚さ４〜５ｎｍを有する量子井戸を形成する層を記載している。前記素子を、例えば、放送又は空中での検出に用いて、波長３〜５μｍ及び８〜１２μｍにおいて大気の透明電磁窓（fenetres de transparence atmospherique）を利用する。
【００２３】
提案された構成は１つ又は２つの量子井戸を含み、これらはトンネル効果によって透過可能となるように選択された２つの薄い障壁により分離されている。
【００２４】
より最近の研究では、電位差３０Ｖに対して波長１〜２．４μｍのＩＳＢを用いるユニポーラ素子に対するＧａＮの利用が進んでいる。ここで、できるだけ低い電圧を用いることができることによって、例えば、多くの電子装置に通常使用される供給電圧、多くの場合１２Ｖ又は更には１０Ｖ、及び、特に３Ｖと適合することができることが有用である。
【００２５】
このように、Ｎｅｖｏｕら（２００７年）（Appl. Phys. Lett. 90, 223511, 2007）及び Ｋｈｅｉｒｏｄｉｎら（２００８年）（IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, pp.1041-1135 May 1, 2008）は、ＧａＮ−ＡｌＮからなるＱＷ−ＢＬの材料対を用いて、それ自体が平坦な活性領域内に積層された平坦な層によって形成された結合量子井戸（ＣＱＷ）を各々が１つずつ含む２０周期の活性領域を用いることによる性能の改善について記載している。
【００２６】
この結合量子井戸は、３ｎｍ厚を有するリザーバと呼ばれる量子井戸層、それに続いて、トンネル効果によって透過されるのに充分に薄い１ｎｍ厚を有する障壁層、それに続いて、１ｎｍ厚を有する狭い量子井戸を形成する層によって構成される。
【００２７】
これらの研究はＩＳＢ遷移によってもたらされる速度性能を強調している。Ｋｈｅｉｒｏｄｉｎらは、或る井戸から他の井戸へのトンネル効果による電子の通過に要する時間が変調器の固有の速度に対する制限となっていることを指摘しており、そして変調器の活性領域の寸法を小さくすることによって、例えば、導波路内に直接にそれを挿入することによってこの特徴を改善することを提案している。
【００２８】
これらの技術はいくつかの欠点を有しており、すなわち、例えば、性能、エンジニアリングの柔軟性及び単純さ又はコンパクト性に関してそれらを改善する余地があるであろう。
【００２９】
更に、活性領域の寸法の縮小は、他の性能（例えば、強度コントラスト）に関して有害となることがあるインタラクション長さを低減することに関する。
【００３０】
更に、電気通信に関する装置及びネットワークの開発は、特に性能に関して、例えば、速度又はスペクトルコントラスト若しくは特異性又は周波数安定性に関して、並びにコンパクト性、設計の単純さ及び自由度及びインストレーション及び製造に関して、利用することのできるあらゆる改善を有用かつ有益なものにする。
【００３１】
本発明の目的は、現状技術の欠点の全て又は一部を克服する技術を提供し、そしてこれらの改善の全て又は一部を可能にすることである。
【００３２】
発明の開示
本発明は、２種類のＩＩＩ族元素の窒化物タイプの材料間の量子閉じ込めによるサブバンド間遷移を用いた電気光学素子を提案する。本発明によれば、この素子は１つ以上の「Ｎ」ドープ量子構造を囲む少なくとも２つのいわゆる外側障壁層を包含する少なくとも１つの活性領域を含む。
【００３３】
全ての実施態様において、この又はこれらの量子構造は、各々が、２つの非意図的にドープされた障壁領域によって各々が囲まれており、前記障壁領域は、トンネル効果による電子の通過を阻止するのに充分な厚さ、特に、４単原子層より大きい、すなわち、少なくとも５単原子層、又は少なくとも６若しくは８単原子層でさえある最小厚さを備えている。
【００３４】
単一の量子構造の場合には、前記量子構造は、非意図的にドープされかつこの最小の厚さを備えた２つの外側障壁層によって囲まれている。
【００３５】
単一の活性領域が複数の量子構造を含んでいる場合には、少なくとも２つ（及び有利には全て）の連続する量子構造は全てが「Ｎ」ドープされておりかつこの最小厚さを実装する非意図的にドープされた障壁領域によって一組ずつに分離される。
【００３６】
外側障壁の厚さは、素子全体の設計に、そして特に閉じ込め層の組成に依存する。４単層（monocouches）より大きいその厚さは有意により大きく（plus importante）なることもでき、そして、デバイスの動作電圧の範囲に影響を与える。
【００３７】
強制的でない特徴によれば、量子構造を分離する障壁層は、１又は２単原子の厚さの範囲内で、相互に等しい厚さであることができる。
【００３８】
別の強制的でない特徴によれば、これらの連続する量子構造は、１又は２単原子の厚さの範囲内で、相互に等しい厚さを備えている。
【００３９】
特定のタイプの実施態様において、本発明に係る素子は、非意図的にドープされた障壁領域によって一組ずつに分離された複数の連続する量子構造を包含する少なくとも１つの活性領域を含み、前記障壁領域は、トンネル効果による電子の通過を阻止するのに充分な厚さ、特に、少なくとも５単原子層の厚さを備えている。
【００４０】
例えば、吸収状態における吸収及びデバイスのコンパクト性を高めるために複数の量子構造が望ましい。全ては、素子の設計者によって望まれる性能、例えば、一方では、製造の単純さ及びコストと、他方では、素子の性能及び／又はコンパクト性との間の妥協に依存する。
【００４１】
有利には、本発明に係る素子において、量子構造はその大部分が窒化ガリウムを含み、そして、障壁領域はその大部分が窒化アルミニウム又はＡｌＧａＮを含む。
【００４２】
これらの材料は、例えば、ＧａＮ／ＡｌＮに対する伝導帯における電位の不連続性ΔＥｃ＝１．７５ｅＶによって、そして、誤差が１又は２単原子層以内の正確な層であって、かつ３単原子層まで低減することができる厚さを有する層を備えた構造を製造することを可能にする、少なくとも２００６年からの現状の技術力があるので、本発明の実施に特によく適している。
【００４３】
電気通信タイプの用途の場合には、この素子を１．０μｍ〜１．７μｍの間に含まれる波長に同調させるように、量子構造の厚さを決定する。
【００４４】
本発明の好ましい実施態様によると、電気光学変調器を製造するアーキテクチャに従って配置される前記素子が提案される。前記変調器を、吸収によって動作するように、例えば、得られるコントラストを優先して最適化するように、配置することができる。
【００４５】
屈折率の変調によって動作するように、例えば、位相変化に優先性を与えるように前記変調器を配置することもできる。
【００４６】
他の実施態様において、本発明に係る活性領域の構成を、特に、以下：
−電荷移動変調器；又は
−光検出器、例えば、量子カスケード光検出器；又は
−電気光学エミッタ；又は
−電気光学スイッチ；
−又は電気的に制御されたバンドを備えた光学フィルタ；あるいは
−これらのタイプの機能の組み合わせ；
を製造するアーキテクチャに従って配置される素子に用いることもできる。
【００４７】
本発明の適用分野は潜在的に極めて広い。例えば、電気通信に用いられる変換素子のほかに、本発明は、例えば、化学又は生物学用の再構成可能なチューナブルフィルタ、光ルーティング及び光センサの素子又はデバイス、並びに、吸収又は率の変化を利用する他の用途にも適用される。
【００４８】
例えば、中断又は許可することが望ましい導波路又はビーム内に活性領域を挿入することによりスイッチを製造することができる。
【００４９】
更に、このタイプの活性領域を用いて、活性領域に印加される電位差を調整することによって、そのフィルタリング波長が電気的に制御されるフィルタを製造することを見込むことができる。
【００５０】
特に、量子構造は、本質的に２次元の、特に平坦な、量子井戸を形成する層であることができる。これらの量子井戸の各々は、各側面が少なくとも１つの２次元の、特に平坦な障壁形成層によって囲まれている。
【００５１】
有利には、量子構造を形成する層の平面に対して、又は、これらの層の接平面に対して垂直な光の分極によって動作するように、前記素子を配置する。
【００５２】
典型的な実施態様において、本発明に係る電気光学変調器は、３つの連続する非結合量子井戸を包含する活性領域を含む。
【００５３】
例えば、電気通信タイプの周波数、より詳細には、スペクトル領域λ＝１．３μｍ〜λ＝１．５５μｍの周波数に同調される素子に対して、量子井戸は「Ｎ」ドープＧａＮからなり、そして、４〜６単原子層（すなわち、約１〜１．５ｎｍ）の厚さを有する。そして、これらの量子井戸層は、５又は６以上の単原子層の厚さを有する非意図的にドープされたＡｌＮからなる障壁層によって相互に分離される。
【００５４】
或る特徴によれば、前記素子の活性領域は、所定の厚さ、例えば、少なくとも０．４マイクロメートルの厚さを有する２つの閉じ込め層によって囲まれており、そして率のジャンプにより又は変化により導波路を形成するリッジ又はメサの形態の部分に配置される。
【００５５】
これらの閉じ込め層は、例えば、「ｎ」ドープＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる。前記閉じ込め層は、率のジャンプにより導波モードの光閉じ込めを確実にするものであり、そして電気的接触を形成するようにも用いられ、このようにして接触層の役割も果たす。
【００５６】
これら２つの閉じ込め（又は接触）層の１つは、その表面に、第一の極性を備えた１つ以上の電極を、例えば、活性領域とは逆側で、その外表面の大部分に単一の電極を、担持する。
【００５７】
他方の閉じ込め（又は接触）層は、その表面に、第二の極性を備えた１つ以上の電極を、例えば、導波路の軸の各側から延在する閉じ込め層の２つの肩部の表面に担持された同じ極性を備えた２つの電極を、担持する。
【００５８】
閉じ込め層と活性領域とによって形成された導波路を、例えば、半導体、例えば、ＩＩＩ族元素の窒化物（例えば、ＡｌＮ）からなる少なくとも１つのバッファ層上に配置することができる。このバッファ層はそれ自体が基板、例えば、サファイアによって担持されている。
【００５９】
例えば、導波路とは逆側のその表面上に第二の極性を備えた電極を担持する導電性基板を用いた、他の公知の構成を用いることもできる。
【００６０】
別の観点によれば、本発明は、本明細書に開示されるような素子の少なくとも１つを含むデバイス又はシステムを提案する。
【００６１】
オプトエレクトロニクス素子又はデバイス又はシステムの製造方法であって、選択され、配置され及び組み合わせられた当業者に公知の製造技術を用いて、本明細書に開示されるような素子を製造する製造段階を含む製造方法も提案される。
【００６２】
提供される利点
本発明に係る素子は、そして特に変調器は、概して、例えば、性能に関してだけでなく、エンジニアリングの単純化及び広い用途分野による非常に多くの利点を有している。
これらの利点は、特に、以下を含む：
【００６３】
より良好な強度コントラスト：
本発明によって提供される利点は、特に、周囲温度で、電位差７Ｖに対して約１４ｄＢで及び５Ｖに対して約１０ｄＢで、１．２μｍ〜１．６μｍ範囲のスペクトルバンドにおいて得られる、強度コントラストの改善を含む。比較によれば、１４ｄＢの値は１０−１５オーダーの検出エラー率を許容するのに対し、現状技術の１２ｄＢの値は１０−９オーダーのエラー率を与え、すなわち、１０の６乗倍の改善を可能にする。
【００６４】
より良好な率コントラスト：
位相変調によって動作する変調器の場合に、得られる屈折の変化はΔｎ＝１０−２（０．０１）のオーダーの変化であり、これは１０倍の改善を構成する。
【００６５】
変調「チャープ」の改善：
更に、吸収線に近い率変化の増大が得られ、このことは、特に変調の間のチャープを低減することによって、動作をより安定なものにする。
【００６６】
吸収線のより広いスペクトル幅：
得られるスペクトル特性は遷移０．９ｅＶに対して約１００ｍｅＶ、すなわち、λ＝１．３８μｍに改善され、これはΔλ／λ比約２５％を生じさせる。このスペクトル幅は、フランツ・ケルディシュ効果又は閉じ込めシュタルク効果に基づく電界吸収変調器と比べて特にはるかに大きい。このことは、例えば、チャネルの分離に関して、より良好な性能又はより容易なダウンストリーム処理を可能にする。
【００６７】
吸収線の位置の単純化された調整：
非結合量子井戸の単純化された構造は、活性領域のアーキテクチャの設計の自由度をより大きくすることができ、それゆえに仕様書に適合させることが容易である。量子井戸を形成する構造の厚さを制御することによって吸収線のスペクトル位置の調整を行う。各々が単一の連続領域（非結合井戸）のみを含んでおり現状技術（結合井戸）のような２つの結合した領域は含まないので、この領域の厚さの制御がより容易であり、そして、アセンブリの他の動作特性に与える追加の影響はより少ない。
【００６８】
従って、変調器又は検出器又はエミッタに対して、処理すべき波長に素子の構造を更により容易に同調させることができる。ＧａＮ／ＡｌＮ対に対して、４〜６単原子層、すなわち、１〜１．５ｎｍのＧａＮ厚さを用いることによって、ＩＳＢ遷移を範囲１．３μｍ〜１．５５μｍに同調させることができる。
【００６９】
より安定であり且つより管理容易である動作を可能にする、吸収線の位置の温度に対する低い感受性。
【００７０】
屈折率のエンジニアリング：
活性領域の層の、特に、量子構造についての、組成及び厚さを制御することによってこの率を調整することができる。
【００７１】
透明の広いスペクトル領域：
紫外から近赤外スペクトルの範囲の光束を使用又は処理することを可能にする。
【００７２】
光モードの閉じ込めの制御：
率コントラストによって実施され、性能及び例えば、回路の設計に対する、エンジニアリングの単純化を提供する。
【００７３】
屈折率の値：
２．２付近に位置し、非常にコンパクトな素子を製造することを可能にする。例えば、これは、例えばイメージング用の、多数の画素を備えたストリップを製造する可能性を包含していることができる。
【００７４】
電気的特徴：
本発明は、Δｎ／ΔＴに対して１０−５Ｋ−１のオーダーの、小さな熱効果を可能にする。本発明は抵抗率の低減も可能にし、１２Ｖ又は１０Ｖのオーダーの、あるいは、５Ｖ若しくは３Ｖでさえあるオーダーの電位差の使用を可能にする。このことは、これらの値より低い直流電圧が供給されることが多い、多くの電子装置内でのより容易かつ経済的な集積化を可能にする。
【００７５】
更に、本発明は、素子が、温度、光束及びイオン化照射に関して並びに機械的に充分な挙動を示すことを可能にする。
【００７６】
更に、用いられる材料は生体適合性を有しており、環境に関する観点から有害性は少ない。
【００７７】
ＩＳＢ遷移の使用について既に知られている利点に、言及した利点を付加することもできる。
【００７８】
固有の速さ：
これは、例えば、特に、ＬＯフォノンを介するＩＳＢ緩和速度：約０．１５ｐｓ〜０．４ｐｓによって得られる超高速の動作であり、例えば、Ｔｂｉｔ／ｓ速度で動作する全光学的スイッチ型の素子を見込むことができる。
【００７９】
これらの利点の全て又は一部は、変調器以外のバンド間遷移を用いた多くの電気光学素子、例えば、上記した素子にも当てはまる。
【００８０】
他の型の素子
文献ＪＰ２００５−２１５３９５及びＪＰ２００１−１０８９５０に記載のように、全光学的スイッチ又は変換素子を製造するために、量子井戸を形成するＧａＮの層の構造を、異なる機構による動作において及び異なる素子において用いることに留意されたい。
【００８１】
このように、文献ＪＰ２００５−２１５３９５は、全光学的スイッチ機能であって、電気光学的スイッチ機能ではない機能を実行する光導体を記載している。この全光学的スイッチは、より低いスイッチングエネルギーで動作する目的での、量子井戸を形成する半導体窒化物層の積み重ねを含む。
【００８２】
層の積み重ねは、光導波路を形成し且つ徐々に幅が減少していくリッジ又はメサの形態である。このリッジは、入力端から入力光を受け、そして、サブバンド間遷移によって制御され且つ入力光のエネルギーの作用下に可飽和吸収によって動作する光を、出力端から発する。
【００８３】
このタイプの素子は、一般的には、入力光信号から出力光信号を生成するのに用いられる。これは、例えば、光導体内で信号の形を再生すること、又は「トランスペアレントクロスコネクト」（ＯＸＴ）とも呼ばれる「フォトニッククロスコネクト」（ＰＸＣ）のリンクによって２つの光回路を相互に接続することを包含していることができる。
【００８４】
本明細書において記載した様々な光学的特徴をそれらの可能な全ての組み合わせに従って集積化する、本発明の種々の実施態様を予定している。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
本発明の他の特徴及び利点は、決して限定的でない実施態様の詳細な説明、及び添付の図面から明らかとなるであろう。
【図１】図１ａ及び１ｂは、ＡｌＮの障壁層によって分離された約２０周期のＧａＮの結合量子井戸層を用いる現状技術を示している。
【図２】ウエハを通して又はブルースター角で光源を受ける、本発明の実施態様における電気光学変調器の原理を示す図である。
【図３】図２の変調器のアーキテクチャを示す断面模式図である。
【図４】図２の変調器の活性領域のアーキテクチャを示す断面模式図である。
【図５】図５ａ及び５ｂは、図４の活性領域の厚さに依存するエネルギーの変化を示す動作図であり；図５ａは負の電位差の場合であり、及び、図５ｂは正の電位差の場合である。
【図６】ウエハ・イルミネーションモードにおける、図２の変調器の電極に印加された電位差に応じた強度コントラストの変化を示す曲線である。
【００８６】
図面の詳細な説明
図１ａ及び１ｂは、Ｎｅｖｏｕら（２００７年）（Appl. Phys. Lett. 90, 223511, 2007）及びＫｈｅｉｒｏｄｉｎら（２００８年）（IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, pp.1041-1135 May 1, 2008）によって記載された現状技術を示す。この文献は、活性領域に、ＡｌＮの障壁層によって分離された約２０周期のＧａＮの結合量子井戸層を用いる変調器を示している。
【００８７】
図１ｂは、２．７ｎｍのＡｌＮ障壁層（暗灰色）によって分離された約５組の結合量子井戸ＣＱＷを示す、活性領域の一部の断面写真である。これらの結合井戸ＣＱＷの各々は、いずれもがＧａＮからなる、厚さ３ｎｍを有する量子井戸リザーバＱＷＲ及び厚さ１ｎｍを有するｎドープ量子井戸ＱＷＮを含んでいる（薄灰色）。結合井戸ＣＱＷのこれらの組の各々の内部では、ＧａＮからなる２つの領域がＡｌＮからなる厚さ１ｎｍを有する結合障壁ＢＬＩ（暗灰色）によって分離されている。
【００８８】
図１ａは、波長（上部のスケール）の又は用いられる光のエネルギー（下部のスケール）に応じて得られる吸収（左側のスケール）を表すグラフである。
【００８９】
この図１ａ内の挿入は、これらの結合井戸ＣＱＷの一組の動作モードを表しており、種々の層に対して横断するその構造（下部のスケール）に応じたエネルギーの変化（左側のスケール）を表している。このように、のこぎりの歯のような変化の水平方向の分布は、結合井戸ＣＱＷのこの組の層の、すなわち、左から右へ：ＱＷＲ、次いでＢＬＩ、次いでＱＷＮと連続する、構造に対応している。
【００９０】
図２及び図３は、本発明の実施態様の例における電気光学変調器のアーキテクチャを模式的に表す図である。
【００９１】
前記変調器２の動作原理を図２に示す。この変調器は２つの閉じ込め領域２２と２４との間に導波路を形成する活性領域２３を含む。この活性領域は、第一の極性を備えた少なくとも１つの電極２６と、電圧を変化させることにより電気制御デバイス３によって制御される第二の極性を備えた少なくとも１つの電極（図では２つの要素２５１と２５２とに分割されている）とによって制御される。
【００９２】
１つの構成において、活性領域２３はウエハを通して光束４１を受ける。この光束は活性領域内に導かれ、そして出力光束４２として他端からそこを出て行く。
【００９３】
別の構成において、光束４１１はブルースター角４１０で上部閉じ込め層２４を貫いて入り、そして活性領域２３までそこを通り抜ける。次いで、この光束は活性領域を通って導かれそして出力光束４２としてそこから出て行く。
【００９４】
一方の電極２５１、２５２と他方の電極２６との間の電位差の効果の下に、活性領域２４は、所定の変調長さＬＭにわたって電気制御３に応じて変化する光吸収を示す。従って、そこを通過する光束は、電気制御３に従って変調された強度４２でそこから出て行く。
【００９５】
変調器の構成において、電気入力信号を受ける電気制御３を用いて、この同じ電気制御信号に応じて変調された光束４２を出口で得る。この変調を、レーザのような一定した光源から発生する入力光束４１に適用することができるか、又はそれ自体が既に信号を含んでいる光束４１に適用することができる。
【００９６】
電気制御３を入力光束４１の吸収のオンオフ制御として用い、そしてこのようにしてこの入力光束４１の減衰を又は遮断さえも得て、この入力光束４１に対するスイッチ又は制御フィルタを製造することもできる。
【００９７】
図３及び図４は、変調器２のこのアーキテクチャの例を更に詳細に示している。
【００９８】
当業者に公知の方法に従って、又は前掲の文献に記載された方法に従って、連続的な成長によってこのアーキテクチャを得る。
【００９９】
例えば、サファイアからなる基板２０上に、ＡｌＮの１μｍバッファ層２１を成長させる。
【０１００】
次いで、第一の閉じ込め層２２、又は、例えば、５．１０１８ｃｍ−３まで「ｎ」ドープされた接触層、例えば、厚さ０．５μｍを有するＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎの層を成長させる。
【０１０１】
次いで、図４に更に詳細に示した活性領域２３を、この第一の閉じ込め層２２の一部に、例えば、中央位置に作製する。
【０１０２】
１つの極性を備えた電極を形成する、導電性の又は金属製でさえある１つ以上の層２５１及び２５２を、第一の閉じ込め層２２の別の部分に、例えば、活性領域２２の周囲の２つの側面上に堆積させる。
【０１０３】
次いで、第二の閉じ込め層２４、又は、例えば、５．１０１８ｃｍ−３まで「ｎ」ドープされた接触層、例えば、厚さ０．５μｍを有するＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎの層を活性領域２３上に成長させる。
【０１０４】
別の極性を有する電極を形成する、導電性の又は金属製でさえある少なくとも１つの層２６を、第二の閉じ込め層２４上に堆積させる。
【０１０５】
図４は、垂直断面図により、活性領域２３の構造を更に詳細に示す。この活性領域を製造するために、以下の：
−少なくとも約３ｎｍのＡｌＮの第一の外側障壁層ＢＬ０；
−複数の量子層、ここでは、各々が４〜６単原子層、すなわち、約１〜１．５ｎｍの厚さを有する、等しい厚さのＧａＮからなる量子井戸ＱＷ１、ＱＷ２及びＱＷ３を形成する３つの層；
−量子井戸層ＱＷ１、ＱＷ２及びＱＷ３の間に、各々の後で且つ次の前に成長される障壁層、ここでは、典型的には３ｎｍの厚さを有するＡｌＮからなる２つの障壁層ＢＬ１及びＢＬ２；
−少なくとも約３ｎｍのＡｌＮの第二の外側障壁層ＢＬ３；
を連続的に成長させる。
【０１０６】
図５ａ及び５ｂは、３つの非結合量子井戸を用いた上記の実施態様での、本発明に係る変調器の動作を示す。下方へ向いているのこぎり歯状の３つのすき間は、量子層ＱＷ及び障壁層ＢＬに対し横切る方向に活性領域２３の寸法を表す横座標上では、量子井戸を形成するＧａＮの層ＱＷ１〜ＱＷ３の場所に位置する。
【０１０７】
図６は、ウエハ・イルミネーションモードにおいて、上記変調器の電極に印加された電位差に応じた、得られる強度コントラストの変化を示す。
【０１０８】
電位差＋７Ｖに対して得られるコントラストは１４ｄＢであり、これは現状技術と比べて有用な性能を構成することを理解することができる。１０．２ｄＢのコントラストは、絶対的な意味では性能が劣るが、ここではより低い電位差−５Ｖを用いて得られるものであり、このことはより低い電圧を必要とする素子（例えば、より低い供給電圧の素子）を製造することを可能にする。このように、電気回路に関する工学的制約と性能との間の良好な関係が得られる。特に、この電位差５Ｖは、小型電気器具並びに一般に集積素子及び回路の分野で極めて一般的な標準である供給電圧５Ｖに適合している。
【０１０９】
もちろん、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を超えることなくこれらの例示に対して多くの調整を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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