JP2657288B2 - Optical gate array - Google Patents

Optical gate array

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JP2657288B2
JP2657288B2 JP2295282A JP29528290A JP2657288B2 JP 2657288 B2 JP2657288 B2 JP 2657288B2 JP 2295282 A JP2295282 A JP 2295282A JP 29528290 A JP29528290 A JP 29528290A JP 2657288 B2 JP2657288 B2 JP 2657288B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、第1の光の2次元入力情報により第2の光
の2次元出力情報を制御する機能を有する光ゲートアレ
イに関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical gate array having a function of controlling two-dimensional output information of a second light by two-dimensional input information of a first light. .

[従来の技術] 従来、光ゲートアレイは、光情報処理や光信号処理の
キーデバイスとしてその開発が非常に望まれている。従
来、この種の素子としては、例えば文献「アプライド・
フィジックス・レターズ52巻,1419頁」に見られるよう
に同一半導体基板上に形成された2つの多重量子井戸
(MQW)pin型光変換器を外部電極により直列接続し、か
つその両端に定電圧源を接続した構成を有し、第1のpi
n型光変調器の光入力強度により、第2のpin型光変調器
に照射された光の透過光を変化させる機能を有する「シ
ンメトリック・シード(S−SEED)」と呼ばれる素子が
提案されている。この素子では、量子閉じ込めシュタル
ク効果(QCSE)により、一定バイアスされた光の透過光
をそれと同一波長の入力光により制御することができ
る。その構成および特性を第8図を用いて説明する。第
8図(a)に要部断面図で示すようにp−AlGaAs層101,
i−MQW層102,n−AlGaAs層103で構成されるMQW−pin構造
1001がip−AlGaAs絶縁層110を介してGaAs基板120上に積
層されている。第1のMQW−pin構造1001のn−AlGaAs層
103と第2のMQW−pin構造1002のp−AlGaAs層101とが絶
縁膜130を介して電極140により接続されている。なお、
150は定電圧源である。
[Prior Art] Conventionally, development of an optical gate array has been highly desired as a key device for optical information processing and optical signal processing. Conventionally, as an element of this type, for example, a document “Applied
As shown in "Physics Letters, Vol. 52, p. 1419", two multi-quantum well (MQW) pin-type optical converters formed on the same semiconductor substrate are connected in series by external electrodes, and a constant voltage source is connected to both ends thereof. And the first pi
An element called “Symmetric Seed (S-SEED)” having a function of changing the transmitted light of the light applied to the second pin type optical modulator according to the light input intensity of the n-type optical modulator has been proposed. ing. In this device, the transmitted light of light with a constant bias can be controlled by the input light having the same wavelength as that of the light by the quantum confined Stark effect (QCSE). The configuration and characteristics will be described with reference to FIG. As shown in the sectional view of the main part in FIG. 8 (a), the p-AlGaAs layer 101,
MQW-pin structure composed of i-MQW layer 102 and n-AlGaAs layer 103
100 1 is stacked on the GaAs substrate 120 via the ip-AlGaAs insulating layer 110. N-AlGaAs layer of first MQW-pin structure 100 1
103 and the second p-AlGaAs layer 101 of the MQW-pin structure 100 2 are connected by the electrode 140 via an insulating film 130. In addition,
150 is a constant voltage source.

このような構成において、第1のMQW−pin構造(光検
知部)1001に入射される入力光をPin,第2のMQW−pin構
造(光変調部)1002に入射されるバイアス光をPbias,そ
の透過光をPoutとすると、Pin−Pout特性には第8図
(b)に示す正論理型の双安定特性が表れる。
In such a configuration, a bias light is incident input light incident first MQW-pin structure (light detection unit) 100 1 P in, the second MQW-pin structure (light modulating unit) 100 2 Is P bias , and the transmitted light is P out, and a positive logic type bistable characteristic shown in FIG. 8B appears in the Pin-P out characteristic.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、前述した光ゲートアレイでは、次の4
つの問題があった。
[Problem to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned optical gate array, the following 4
There were two problems.

(1)光変調部の消光比が低いため、多段動作させるた
めには2本の入力光を用いて差動動作させる必要があ
り、第8図に示すように2個のpin構造で1ゲートを構
成する必要があった。
(1) Since the extinction ratio of the light modulator is low, it is necessary to perform differential operation using two input lights in order to perform multi-stage operation, and as shown in FIG. Had to be configured.

(2)光検知部の利得がなく、バイアス光と同程度の入
力光強度が必要であった。
(2) There is no gain of the light detection unit, and an input light intensity equivalent to that of the bias light is required.

(3)入力光をゼロにすると、オフ状態にリセットされ
るため、オン状態を保持するためには一定強度の光を常
に照射しておく必要があった。
(3) When the input light is set to zero, the light is reset to the off state. Therefore, in order to maintain the on state, it is necessary to constantly irradiate light of a constant intensity.

(4)S/N比向上の点から入力光とバイアス光との分離
が必要となり、高精度で複雑な光学系が必要とされた。
(4) Separation of input light and bias light is required from the viewpoint of improving the S / N ratio, and a highly accurate and complicated optical system is required.

したがって本発明の目的は、消光比が大きく、利得を
有し、構成が簡単でメモリ性を有する光ゲートアレイを
得ることにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical gate array having a large extinction ratio, a high gain, a simple configuration, and a memory property.

[課題を解決するための手段] このような課題を解決するために本発明による第1の
光ゲートアレイは、半導体基板上に第1の光を照射する
ことにより電気出力が変化する光検知部と、この電気出
力により第2の光の反射光強度が変化する機能を有しか
つ多重量子井戸(MQW)構造をi層に含み、多層反射構
造をp層またはn層に含むpin構造からなる光変調部と
が基板面に垂直方向に積層されかつそれらが2次元的に
配置され、前記光検知部と光変調部とが電気的に並列接
続されるような1枚の電極を設けたものである。
[Means for Solving the Problems] In order to solve such problems, a first optical gate array according to the present invention comprises a light detection unit whose electric output changes when a semiconductor substrate is irradiated with first light. And a pin structure having a function of changing the reflected light intensity of the second light by the electric output, including a multiple quantum well (MQW) structure in an i-layer, and including a multilayer reflection structure in a p-layer or an n-layer. A light modulating section and a light modulating section which are vertically stacked on the substrate surface and are two-dimensionally arranged, and provided with one electrode such that the light detecting section and the light modulating section are electrically connected in parallel. It is.

本発明による第2の光ゲートアレイは、第1の光ゲー
トアレイにおいて、1対の電極間に負荷抵抗と定電圧電
源とが接続され、かつ該負荷抵抗が同一半導体基板上に
形成された抵抗性薄膜としたものである。
According to the second optical gate array of the present invention, in the first optical gate array, a load resistor and a constant voltage power supply are connected between a pair of electrodes, and the load resistor is formed on the same semiconductor substrate. It was made into a conductive thin film.

[作用] 本発明による光ゲートアレイにおいては、i−MQW
層の厚さは、空乏層化し得る限度一杯まで厚くてある。
i−MQW層の障壁層の厚さを井戸層の半分以下に薄く
することにより、井戸層の総厚、すなわち実効的な吸収
長を長くしている。p層またはn層をDBR(ディスト
リビューテッド・ブラッグ・リフレクタ)構造とするこ
とにより、実効的な吸収長を2倍としている。これらの
構造上の特徴により、高コントラストが得られるので、
単一にpin構造で光三端子動作が可能となる。
[Operation] In the optical gate array according to the present invention, i-MQW
The thickness of the layer is so large that it can be depleted.
By reducing the thickness of the barrier layer of the i-MQW layer to half or less of the well layer, the total thickness of the well layer, that is, the effective absorption length is increased. By making the p-layer or the n-layer a DBR (Distributed Bragg Reflector) structure, the effective absorption length is doubled. These structural features provide high contrast,
A single pin structure enables optical three-terminal operation.

また、入力光とバイアス光とが半導体基板を境にそれ
ぞれ逆方向から入射され、出力光はバイアス光の反射光
として取り出されるため、入力光と出力光とは完全に分
離される。
In addition, the input light and the bias light are incident on the semiconductor substrate from opposite directions, respectively, and the output light is extracted as reflected light of the bias light, so that the input light and the output light are completely separated.

[実施例] 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明による光ゲートアレイの一実施例によ
る構成を示す断面図であり、同図(a)では光検知部が
pinフォトダイオード(以下PD型と呼ぶ)の場合を示し
ている。同図において、p+半導体基板1上にp層21,i層
22,n層23で形成されるフォトダイオード2および屈折率
の異なる2つの半導体薄層を交互に複数組積層した構造
からなるn−DBR層31,バンドギャップの異なる2つの半
導体薄層と交互に複数組積層した構造からなるi−MQW
層32,p層33からなるMQW変調器3を積層した構造であ
る。このMQW変調器3のp層33とp+半導体基板1とは絶
縁膜4を介して第1の電極5で接続されており、また、
フォトダイオード2のn層23からは第2の電極6が引き
出されている。これらの電極5,6間には図示されない
が、定電圧源と負荷抵抗とが接続される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical gate array according to an embodiment of the present invention.
The figure shows the case of a pin photodiode (hereinafter referred to as a PD type). In the figure, p layer 2 1, i layer on p + semiconductor substrate 1
2 2, n layer 2 3 consisting of a plurality of sets stacked structure of two alternating semiconductor thin layers having different photodiode 2 and the refractive index are formed by n-DBR layer 3 1, two semiconductor thin layers having different band gaps I-MQW consisting of a structure in which a plurality of sets are alternately stacked
The MQW modulator 3 having a layer 3 2, p layer 3 3 is a structure laminated. The p-layer 33 of the MQW modulator 3 and the p + semiconductor substrate 1 are connected by a first electrode 5 via an insulating film 4.
The second electrode 6 is drawn out from the n layer 2 3 of the photodiode 2. Although not shown, a constant voltage source and a load resistor are connected between these electrodes 5 and 6.

このような構成において、入力光Pinはp+半導体基板
1側からフォトダイオード2に入射され、出力光Pout
MQW変調器3に照射されたバイアス光Pbiasの反射光とし
て出射される。入力光Pinがp+半導体基板1で吸収され
る場合には、p+半導体基板1を部分的にエッチングする
ことにより、透過させる。
In such a configuration, the input light P in is incident to the photodiode 2 from the p + semiconductor substrate 1 side, the output light P out is
The light is emitted as reflected light of the bias light P bias applied to the MQW modulator 3. When the input light P in is absorbed by the p + semiconductor substrate 1, by partially etching the p + semiconductor substrate 1, and transmits.

第1図(b)は本発明による光ゲートアレイの他の実
施例による構成を示す断面図であり、同図(b)では光
検知部がヘテロフォトトランジスタ(以下HPT型と呼
ぶ)の場合を示している。同図において、n+半導体基板
1上にn−エミッタ層71,p−ベース層72,n−コレクタ層
73で形成されるHPT7および同図(a)と同様のMQW変調
器3が積層されている。この場合、光検知部の利得を大
きくするためにn−エミッタ層71にはp−ベース層72
りも大きなバンドギャップの半導体を用いている。ま
た、MQW変調器3のp層33とp+半導体基板1とは第1の
電極5で接続されており、また、HPT7のn−コレクタ層
73からは第2の電極6が引き出されている。
FIG. 1 (b) is a cross-sectional view showing the configuration of another embodiment of the optical gate array according to the present invention. Is shown. In the figure, n + semiconductor substrate 1 over the n- emitter layer 7 1, p-base layer 7 2, n- collector layer
7 3 HPT7 and FIG formed by (a) the same MQW modulator 3 are stacked. In this case, the n- emitter layer 71 in order to increase the gain of the optical detection unit uses a semiconductor band gap greater than p- base layer 7 2. The p-layer 33 of the MQW modulator 3 and the p + semiconductor substrate 1 are connected by a first electrode 5, and the n-collector layer of the HPT 7
From 7 3 are led out second electrode 6.

このような構成において、入力光Pinはp+半導体基板
1側からHPT7に入射され、出力光PoutはMQW変調器3に
照射されたバイアス光Pbiasの反射光として出射され
る。
In such a configuration, the input light P in is incident on the HPT 7 from the p + semiconductor substrate 1 side, and the output light P out is emitted as reflected light of the bias light P bias applied to the MQW modulator 3.

第1図(c)は本発明による光ゲートアレイのさらに
他の実施例による構成を示す断面図であり、同図(c)
では光検知部がpnpn構造の光サイリスタ(以下PNPN型と
呼ぶ)の場合を示している。同図において、n+半導体基
板1上に第1のn層81,第1のp層82,第2のn層83,第
2のp層84で形成されるサイリスタ8,サイリスタ8の第
2のp層84とMQW変調器3のn−DBR層31とを電気的に短
絡するためのp++層91,n++層92で形成されるトンネル接
合9および第1図(a)と同様のMQW変調器3が順次接
続されている。MQW変調器3のp層33とn型半導体基板
1とは第1の電極5で接続されており、また、サイリス
タ8の第1のp層84からは第2の電極6が引き出されて
いる。
FIG. 1 (c) is a cross-sectional view showing a configuration of an optical gate array according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 1 shows a case where the light detecting unit is an optical thyristor having a pnpn structure (hereinafter referred to as a PNPN type). In the figure, n + first n layer 8 1 on the semiconductor substrate 1, a first p-layer 8 2, the second n layer 8 3, the thyristor 8 is formed in the second p-layer 8 4, the thyristor 8 second p-layer 8 4 and MQW modulator 3 of n-DBR layer 3 1 and the electrically p ++ layer 9 1 for short-circuiting, a tunnel is formed by n ++ layer 9 2 joining 9 And the MQW modulator 3 similar to FIG. 1 (a) is sequentially connected. The p layer 3 3 and the n-type semiconductor substrate 1 of the MQW modulator 3 are connected by the first electrode 5 and second electrode 6 is drawn out from the first p-layer 8 4 of the thyristor 8 ing.

このような構成において、入力光Pinはp+半導体基板
1側からサイリスタ8に入射され、出力光PoutはMQW変
調器3に照射されたバイアス光Pbiasの反射光として出
射される。
In such a configuration, the input light P in is incident to the thyristor 8 from p + semiconductor substrate 1 side, the output light P out is emitted as reflected light of the irradiated bias light P bias the MQW modulator 3.

第1図(d)は本発明による光ゲートアレイの他の実
施例による構成を示す断面図であり、同図(d)では同
図(c)のトンネル接合9の代わりにp+層101,n+層102
で形成されるインタコネクト層10と電極5,6とを用いて
サイリスタ8とMQW変調器3とを短絡させたものであ
る。
FIG. 1 (d) is a cross-sectional view showing the configuration of another embodiment of the optical gate array according to the present invention. In FIG. 1 (d), the p + layer 10 1 is used instead of the tunnel junction 9 of FIG. , n + layer 10 2
The thyristor 8 and the MQW modulator 3 are short-circuited by using the interconnect layer 10 and the electrodes 5 and 6 formed by the above.

第1図(a)〜(d)に示す光ゲートアレイは、内部
に負荷抵抗を含まないため、1個1個の光ゲートアレイ
に個別に外部抵抗を接続した後、1個の定電圧源に接続
される。
Since the optical gate arrays shown in FIGS. 1 (a) to 1 (d) do not include a load resistance inside, one external voltage resistor is individually connected to each optical gate array, and then one constant voltage source is connected. Connected to.

一方、第1図(e),(f)に示す光ゲートアレイ
は、負荷抵抗をモノリシックに形成した素子であり、変
調器,抵抗層に形成された1対の電極が全てのアレイ構
成素子について共通に接続されている。第1図(e)は
半導体基板1とHPT7の間にコンタクト層74を介してn-
からなる抵抗性エピタキシャル膜11を用いた例であり、
第1図(f)は半絶縁性基板1A上に形成した抵抗性蒸着
膜12を用いた例である。
On the other hand, the optical gate array shown in FIGS. 1 (e) and 1 (f) is an element in which a load resistance is formed monolithically, and a pair of electrodes formed in a modulator and a resistance layer are used for all array elements. Connected in common. An example using a resistive epitaxial film 11 made of a layer, - Fig. 1 (e) is n via the contact layer 7 4 between the semiconductor substrate 1 and HPT7
FIG. 1 (f) shows an example using a resistively deposited film 12 formed on a semi-insulating substrate 1A.

第1図(e),(f)において、第3の電極13はMQW
変調器3のp層33のオーミック電極、第4の電極14はHP
T7のn−エミッタ層71に接続されたコンタクト層74のオ
ーミック電極、第5の電極15は第3の電極13と第4の電
極14とを接続するための電極、第6の電極16はMQW変調
器3のn層31およびHPT7のn−コレクタ層73から引き出
したオーミック電極、第7の電極17はアレイ構成素子の
第6の電極16相互を接続するための電極、第8の電極18
はアレイ構成素子の抵抗性エピタキシャル膜11を通して
形成された電極相互を接続するための電極であり、第7
の電極17と第8の電極18との間には定電圧源が接続され
る。なお、同図(f)において、半絶縁性基板1A上に形
成した抵抗性蒸着膜12は第5の電極15と第8の電極18と
の間に接続される。
In FIGS. 1 (e) and 1 (f), the third electrode 13 is an MQW
P layer 3 3 ohmic electrodes of the modulator 3, the fourth electrode 14 HP
Connected contact layer 7 4 ohmic electrodes n- emitter layer 71 of the T7, the fifth electrode 15 is an electrode for connecting the third electrode 13 and fourth electrode 14, the sixth electrode 16 electrodes for ohmic electrodes drawn from the n-layer 3 1 and HPT7 of n- collector layer 7 third MQW modulator 3, the electrode 17 of the seventh connecting the sixth electrode 16 mutual array configuration device, eighth Electrodes 18
Reference numeral 7 denotes an electrode for connecting electrodes formed through the resistive epitaxial film 11 of the array constituent element.
A constant voltage source is connected between the third electrode 17 and the eighth electrode 18. In FIG. 1F, the resistively deposited film 12 formed on the semi-insulating substrate 1A is connected between the fifth electrode 15 and the eighth electrode 18.

以下、第1図(a)〜(f)に説明した構成におい
て、各層の伝導型を全て反転させた構成また、半導体基
板上に変調器,光検知部の順に積層し、光の入出力方向
を逆にしたものでも可能である。
Hereinafter, in the configuration described with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (f), the conductivity type of each layer is all inverted, and a modulator and a photodetector are stacked in this order on a semiconductor substrate to form a light input / output direction. The reverse is also possible.

第2図は本発明による光ゲートアレイの等価回路を示
したものである。同図(a)はPD型の場合であり、MQW
変調器3とフォトダイオード2とが極性を揃えて並列に
接続されており、さらにその両端には上記抵抗性エピタ
キシャル膜11または抵抗性蒸着膜12からなる負荷抵抗19
と定電圧源20とが接続されている。ここではMQW変調器
3およびフォトダイオード2とも逆バイアスされてい
る。同図(b)はHPT型の場合であり、MQW変調器3とヘ
テロフォトトランジスタ7とが並列に接続されおり、さ
らにその両側に負荷抵抗19と定電圧源20とが接続されて
いる。ここではMQW変調器は逆バイアスされ、ヘテロフ
ォトトトランジスタ7は順バイアスされている。同図
(c)はPNPN型の場合であり、MQW変調器3とサイリス
タ8とが並列に接続されており、さらにその両端に負荷
抵抗19と定電圧源20とが接続されている。ここではMQW
変調器3は逆バイアスされ、サイリスタ8は順バイアス
されている。
FIG. 2 shows an equivalent circuit of the optical gate array according to the present invention. FIG. 7A shows the case of the PD type, and the MQW
The modulator 3 and the photodiode 2 are connected in parallel with the same polarity, and a load resistance 19 made of the resistive epitaxial film 11 or the resistive vapor deposition film 12 is provided at both ends.
And the constant voltage source 20 are connected. Here, the MQW modulator 3 and the photodiode 2 are also reverse-biased. FIG. 2B shows a case of the HPT type, in which the MQW modulator 3 and the hetero phototransistor 7 are connected in parallel, and further, a load resistor 19 and a constant voltage source 20 are connected on both sides thereof. Here, the MQW modulator is reverse-biased, and the hetero-photo transistor 7 is forward-biased. FIG. 4C shows a case of the PNPN type, in which the MQW modulator 3 and the thyristor 8 are connected in parallel, and further, a load resistor 19 and a constant voltage source 20 are connected to both ends thereof. Here MQW
The modulator 3 is reverse biased and the thyristor 8 is forward biased.

次に本発明による光ゲートアレイの動作原理と特性と
を第3図より第7図を用いて説明する。
Next, the operation principle and characteristics of the optical gate array according to the present invention will be described with reference to FIGS.

第3図はMQW−pin変調器の動作原理を説明する図であ
る、同図(a)は、同図(b)に示すMQW−pin変調器3
に逆バイアス電圧Vを印加したときのi層の吸収スペク
トルの変化を示す。量子閉じ込シュタルク効果(QCSE)
により、吸収端付近に現れる励起子吸収ピークが逆バイ
アス電圧Vの増加とともに長波長側にシフトする。ここ
で吸収端、すなわち逆バイアス印加時(V=VR)の励起
子吸収波長をλ1,ゼロバイアス時(V=0)の励起子吸
収波長をλとする。これらの波長における光出力Pout
の強度の電圧依存性を第3図(c)に示す。同図(c)
に示すように波長λの場合、逆バイアス電圧Vの増加
とともに光出力Poutの強度は減少し、波長λの場合は
逆に増加する。以上のようにMQW−pin変調器3の光出力
強度は逆バイアス電圧により変化させることができ、そ
の増減の方向は動作波長により選択できる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operating principle of the MQW-pin modulator. FIG. 3A shows the MQW-pin modulator 3 shown in FIG.
3 shows the change in the absorption spectrum of the i-layer when the reverse bias voltage V is applied. Quantum confined Stark effect (QCSE)
As a result, the exciton absorption peak appearing near the absorption edge shifts to the longer wavelength side as the reverse bias voltage V increases. Here, the absorption edge, that is, the exciton absorption wavelength when a reverse bias is applied (V = V R ) is λ 1 , and the exciton absorption wavelength when a zero bias is applied (V = 0) is λ 2 . Optical output P out at these wavelengths
FIG. 3 (c) shows the voltage dependence of the intensity of the above. Figure (c)
For the wavelength lambda 1 as shown in the intensity of the light output P out with increasing reverse bias voltage V decreases, in the case of wavelength lambda 2 is increased to the contrary. As described above, the light output intensity of the MQW-pin modulator 3 can be changed by the reverse bias voltage, and the direction of increase or decrease can be selected by the operating wavelength.

第4図は本発明による光ゲートアレイを一般化した等
価回路を示したものである。同図において、MQW変調器
3に印加する電圧をVとすると、電圧Vと光検知器(例
えばフォトダイオード2)の光電流IPDとの関係は次の
式で表される。
FIG. 4 shows an equivalent circuit generalizing the optical gate array according to the present invention. In the drawing, when the voltage applied to the MQW modulator 3 and V, the relationship between the photocurrent I PD voltage V and a light detector (for example, a photodiode 2) is expressed by the following equation.

V=VB−R(IPD+IMOD) =V0−R・IPD ただし、V0=VB−R・IMOD ここで、VBはバイアス電源の電圧,Rは負荷抵抗の抵抗
値,IMODは変調器の光電流である。
V = V B -R (I PD + I MOD) = V 0 -R · I PD however, where V 0 = V B -R · I MOD, V B is a voltage of the bias power supply, R represents the load resistance resistance , I MOD is the photocurrent of the modulator.

また、電圧V0は光検知器が暗状態(IPD=0)の場合
におけるMQW変調器3の電圧である。この式から電流IPD
に比例して電圧Vは減少することがわかる。
The voltage V 0 is the voltage of the MQW modulator 3 when the light detector is in a dark state (I PD = 0). From this equation, the current I PD
It can be seen that the voltage V decreases in proportion to.

第5図は光検知器がフォトダイオードまたはフォトト
ランジスタの場合、光入力Pinの増加とともにMQW変調器
3の光出力Poutがどのように変化するかを説明するため
の図である。同図(a)は実線がフォトダイオード(F
D)のI−V特性,破線がフォトトランジスタ(HPT)の
I−V特性であり、同図(b)はMQW変調器のPout−V
特性である。同図に示すように光入力PinがP0=PよりP
1,P2,・・・,P5と増加するに伴って電流IPDは光入力Pin
に比例して増加する。これに伴い、フォトダイオードの
動作点は負荷抵抗Rに対応する負荷直線L上をW0,W1,
W2,・・・,W5と矢印方向に連続的に移動するため、電圧
VはV0,V1,V2,・・・,V5と減少する。フォトダイオード
とMQW変調器とは並列接続されているので、フォトダイ
オードの電圧がそのままMQW変調器の印加電圧となる。
第3図で説明したようにMQW変調器3の電圧Vが減少す
れば光出力Poutは増加する。
FIG. 5 is a diagram for explaining how the optical output P out of the MQW modulator 3 changes with an increase in the optical input Pin when the optical detector is a photodiode or a phototransistor. In FIG. 3A, the solid line indicates the photodiode (F
The I-V characteristic of D), the broken line is the I-V characteristic of the phototransistor (HPT), FIG. (B) The MQW modulator P out -V
It is a characteristic. P light input P in is from P 0 = P as shown in FIG.
1, P 2, ···, current with the increase and P 5 I PD is light input P in
Increase in proportion to Accordingly, the operating point of the photodiode is represented by W 0 , W 1 ,
W 2, ···, W 5 and for continuously moving in the direction of the arrow, the voltage V is V 0, V 1, V 2, · · ·, decreases as V 5. Since the photodiode and the MQW modulator are connected in parallel, the voltage of the photodiode directly becomes the applied voltage of the MQW modulator.
As described with reference to FIG. 3, if the voltage V of the MQW modulator 3 decreases, the optical output P out increases.

以上より、PD型,HPT型の光入出力特性は第7図
(a),(b)に示すようなゲート特性が現れる。スイ
ッチングが起こる光入力Pinの強度は、光検知部で発生
する電流と負荷抵抗との積が定電圧源の電圧と同オーダ
となる領域である。ここで(VB〜IPD・R)動作波長が
吸収端の場合はオアとなり、励起子波長の場合はノアと
なる。
As described above, the gate characteristics as shown in FIGS. 7A and 7B appear in the light input / output characteristics of the PD type and the HPT type. The intensity of the light input P in which switching takes place is an area where the product of the current generated by the light detecting unit and the load resistance is the voltage the same order of the constant voltage source. Here, if the operating wavelength (V B to I PD · R) is the absorption edge, it becomes OR, and if it is the exciton wavelength, it becomes NOR.

第6図は光検知器が光サイリスタの場合、光入力Pin
の増加のとともにMQW変調器の光出力Poutがどのように
変化するかを説明する図である。同図(a)は光サイリ
スタのI−V特性,同図(b)は変調器の光出力Pout
V特性である。光入力PinがP0=0よりP1,P2と増加する
に伴い、光サイリスタの耐圧が減少する。これに伴い、
サイリスタの動作点は負荷抵抗Rに対応する負荷直線L
上をW2からW3に矢印方向に向かって不連続に移動し、電
圧はVHからVLに急減に減少する。サイリスタとMQW変調
器とは並列接続されているので、サイリスタの電圧がそ
のままMQW変調器の印加電圧となる。第3図で説明した
ようにMQW変調器3の電圧が急激に減少すれば、光出力P
outは急激に増加する。
Figure 6 if the light detector of the optical thyristor, an optical input P in
FIG. 7 is a diagram for explaining how the optical output P out of the MQW modulator changes with an increase in. 2A shows the IV characteristic of the optical thyristor, and FIG. 2B shows the optical output P out − of the modulator.
It is a V characteristic. As the light input P in is increased and P 1, P 2 from P 0 = 0, the breakdown voltage of the optical thyristor is reduced. Along with this,
The operating point of the thyristor is the load straight line L corresponding to the load resistance R.
The move discontinuously in the arrow direction from W 2 to W 3 above, the voltage decreases abruptly from V H to V L. Since the thyristor and the MQW modulator are connected in parallel, the voltage of the thyristor becomes the applied voltage of the MQW modulator as it is. As described with reference to FIG. 3, if the voltage of the MQW modulator 3 decreases rapidly, the optical output P
out increases rapidly.

ここで光入力Pinを再びゼロとしても動作点はW3のま
まなので、光出力Poutは高出力状態を保持する。初期状
態に戻すには、定電圧源を切るかもしくはサイリスタ部
を短絡させれば良い。
Here, since the operating point even zero light input P in again remains at W 3, the optical output P out holds a high output state. To return to the initial state, the constant voltage source may be turned off or the thyristor section may be short-circuited.

以上より、PNPN型の光入出力特性は第7図(c)に示
すようにメモリ性を有するゲート特性が現れる。スイッ
チングが起こる光入力Pinの強度は、サイリスタのスイ
ッチングが生ずる点である。動作波長が吸収端の場合は
オアとなり、励起出力波長の場合はノアとなる。
As described above, the PNPN optical input / output characteristic has a gate characteristic having a memory characteristic as shown in FIG. 7 (c). The intensity of the light input P in which switching takes place is that the switching of the thyristor occurs. When the operating wavelength is the absorption edge, the result is OR, and when the operating wavelength is the excitation output wavelength, the result is NO.

次に本発明による光ゲートアレイのMQW−pin構造にお
いて、高コントラストを得るための改良点をAlGaAs/GaA
s系を例として説明する。
Next, in the MQW-pin structure of the optical gate array according to the present invention, an improvement point for obtaining a high contrast is described as AlGaAs / GaA.
The s-system will be described as an example.

まず、第1にMQW−i層の残留キャリア濃度を通常値
よりも2桁程度低い10-14cm-3に低減化することによ
り、ゼロバイアス時で空乏化し得る最大i層厚を従来の
4倍の4μmに伸ばし、この値を光ゲートアレイに適用
した。
First, by reducing the residual carrier concentration of the MQW-i layer to 10 -14 cm -3, which is about two orders of magnitude lower than the normal value, the maximum i-layer thickness that can be depleted at zero bias can be reduced. The value was extended to 4 μm, and this value was applied to the optical gate array.

第2にAlGaAs障壁層の厚さを従来の1/2の50Åとする
ことにより、i−MQW層に含まれる井戸層の総数を1.5倍
近く増加させた。すなわちi−MQW層の厚さを4μmと
した場合、従来のMQW構造(障壁層100Å,井戸層100
Å)では200周期であるが、本発明に係わる構造(障壁
層50Å,井戸層100Å)では270周期が可能である。
Second, the total number of well layers included in the i-MQW layer was increased by about 1.5 times by reducing the thickness of the AlGaAs barrier layer to 50 ° which is 1/2 of the conventional thickness. That is, when the thickness of the i-MQW layer is 4 μm, the conventional MQW structure (barrier layer 100 #, well layer 100
In (ii), the period is 200, but in the structure according to the present invention (barrier layer 50 °, well layer 100 °), 270 periods are possible.

第3にn−AlAs層(715Å)とn−Al0.3Ga0.7As層(6
29Å)とを交互に25周期積層させたDBR(ディストリビ
ューテッド・ブラッグ・リフレクタ)構造とすることに
より、実効的な吸収長を2倍とした。
Third, an n-AlAs layer (715 °) and an n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (6
29Å) and a DBR (Distributed Bragg Reflector) structure in which 25 periods are alternately stacked to double the effective absorption length.

以上により、従来の30倍以上の消光比(100:1)を得
ることができる。なお、これらの改良点はInGaAs/InP,I
nAlAs/InGaAs,GaAs/InGaAsなどの他の材料系にも適用で
きる。
As described above, it is possible to obtain an extinction ratio (100: 1) of 30 times or more as compared with the conventional case. These improvements are based on InGaAs / InP, I
It can be applied to other material systems such as nAlAs / InGaAs and GaAs / InGaAs.

[具体例] PD型,HPT型,PNPN型素子をGaAs/AlGaAs系で実現した例
を下記(1)から(3)に説明し、特にHPT型素子につ
いて他の材料系、すなわちGaAs/InGaAs系,InGaAs/InAlA
s系,InGaAs/InP系で実現した例を下記(4)から(6)
に説明する。最後にGaAs/AlGaAs系HPT型素子について抵
抗性薄膜をモノリシック積層した例を下記(7),
(8)に説明する。
[Specific examples] Examples in which the PD, HPT, and PNPN devices are realized by the GaAs / AlGaAs system are described in (1) to (3) below. In particular, the HPT device is made of another material, that is, a GaAs / InGaAs system. , InGaAs / InAlA
Examples realized in s-system and InGaAs / InP-system are shown in (4) to (6) below.
Will be described. Finally, examples of monolithic lamination of resistive thin films for GaAs / AlGaAs-based HPT devices are given in (7) below.
This will be described in (8).

(1)GaAs/AlGaAs系PD型素子 第1図(a)に示すようにZnドープGaAs基板上にp−
Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μm),i−GaAs層(厚さ4μ
m),n−Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μm)で形成されるp
inフォトダイオード構造と、n−AlAs層(厚さ629Å)
とn−Al0.3Ga0.7As層(厚さ715Å)とを交互に25周期
積層させた構造のn−DBR層,アンドープGaAs層(厚さ1
00Å)とアンドープAl0.3Ga0.7As層(厚さ50Å)とを交
互に270周期積層させた構造のi−MQW層,p−Al0.3Ga0.7
As層(厚さ0.5μm),p+−GaAs層(厚さ0.1μm)で形
成されるMQW−pin構造とを分子線エピタキシャル成長に
より積層した。p型,n型ドーパントにはそれぞれBe,Si
を用いた。
(1) GaAs / AlGaAs-based PD element As shown in FIG.
Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm), i-GaAs layer (thickness 4 μm)
m), p formed by n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm)
in photodiode structure and n-AlAs layer (629mm thick)
N-DBR layer and undoped GaAs layer (thickness: 1) having a structure in which an n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness: 715 °) is alternately stacked for 25 periods.
00Å) and an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 50Å) are alternately stacked for 270 periods, i-MQW layer, p-Al 0.3 Ga 0.7
An MQW-pin structure formed of an As layer (thickness 0.5 μm) and ap + -GaAs layer (thickness 0.1 μm) was laminated by molecular beam epitaxial growth. Be and Si are the p-type and n-type dopants, respectively.
Was used.

成長ウエハより1.5cm角のチップを切り出した。その
中央部の1cm角の範囲にわたって100μm角,200μmピッ
チで50×50のマトリックス状にメサ分割し、ビット構成
素子を形成した。なお、pinフォトダイオードのn層部
分は選択エッチングにより露出させており、その広さは
100μm×40μmである。p−GaAsキャップ層の表面に
は80μm×20μmのAuZnNiオーミック電極(厚さ1000
Å),露出したn層には80μm×40μmのAuGeNi電極
(厚さ1000Å),メサエッチングにより露出した基板表
面にはAuZnNiオーミック電極(厚さ1000Å)を形成し
た。ビット構成素子の側面をSiN膜により絶縁し、P−G
aAsキャップ上および基板表面のAuZnNiオーミック電極
相互を接続するために第1のCr/Au電極を形成した。ま
た、n層上に形成されたAuZnNi電極上に第2のCr/Au電
極を形成した。受光部のp−GaAs層と素子の裏側のGaAs
基板とをそれぞれ選択エッチングにより剥離した後、Si
O2/TiO2多層反射防止膜を形成した。
1.5 cm square chips were cut out from the grown wafer. The mesa was divided into a 50 × 50 matrix at a pitch of 100 μm square and 200 μm over a central area of 1 cm square to form bit components. The n-layer portion of the pin photodiode is exposed by selective etching, and its width is
It is 100 μm × 40 μm. An 80 μm × 20 μm AuZnNi ohmic electrode (thickness: 1000 μm) is formed on the surface of the p-GaAs cap layer.
Iv) An AuGeNi electrode (thickness: 1000 mm) of 80 μm × 40 μm was formed on the exposed n-layer, and an AuZnNi ohmic electrode (thickness: 1000 mm) was formed on the exposed substrate surface by mesa etching. Insulate the sides of the bit component with SiN film,
A first Cr / Au electrode was formed to connect the AuZnNi ohmic electrodes on the aAs cap and on the substrate surface. Further, a second Cr / Au electrode was formed on the AuZnNi electrode formed on the n-layer. P-GaAs layer on the light-receiving part and GaAs on the back side of the device
After peeling off the substrate by selective etching,
An O 2 / TiO 2 multilayer antireflection film was formed.

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光,バ
イアス光ともに860nmの半導体レーザ光を用いた。入力
光は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を
0〜5mWの範囲で変化させた。バイアス光として強度1mW
のレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み素子表面
の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強度をパワ
ーメータにより測定した。第7図(a)に示すように光
入力Pin=1mWのとき、Pin−Pout特性には正論理型ゲー
ト特性が現れ、消光比(PoutH/PoutL)は100:1,応答速
度は10nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. 860 nm semiconductor laser light was used for both input light and bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate was varied the intensity of the input light P in a range of 0~5MW. 1mW intensity as bias light
Was narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less and made incident on the light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured with a power meter. When light input P in = 1 mW as shown in FIG. 7 (a), P in the -P out characteristics appear positive logic gate characteristics, the extinction ratio (P out H / P out L ) is 100: 1 And the response speed was 10ns.

(2)GaAs/AlGaAs系HPT型素子 第1図(b)に示すようにSiドープGaAs基板上にn−
Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μm),p−GaAs層(厚さ0.2μ
m),n−GaAs層(厚さ2μm)で形成されるHPT構造
と、n−AlAs層(厚さ629Å)とn−Al0.3Ga0.7As層
(厚さ715Å)とを交互に25周期積層させた構造のn−D
BR層,アンドープGaAs層(厚さ100Å)とアンドープAl
0.3Ga0.7As層(厚さ50Å)とを交互に270周期積層させ
た構造のi−MQW層,p−Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μ
m),p+−GaAs層(厚さ0.1μm)で形成されるMQW−pin
構造とを分子線エピタキシャル成長により積層した。他
の構成は第1図(a)と同様である。
(2) GaAs / AlGaAs based HPT type device As shown in FIG.
Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm), p-GaAs layer (thickness 0.2 μm)
m), and HPT structure formed by n-GaAs layer (thickness: 2μm), n-AlAs layer (thickness 629A) and n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 715A) and alternately 25 period stacking the N-D of the structure
BR layer, undoped GaAs layer (100mm thick) and undoped Al
I-MQW layer and p-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm) having a structure in which 0.3 Ga 0.7 As layers (thickness: 50 °) are alternately stacked for 270 periods.
m), MQW-pin formed of p + -GaAs layer (0.1 μm thick)
The structure was laminated by molecular beam epitaxial growth. Other configurations are the same as those in FIG.

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光,バ
イアス光ともに860nmの半導体レーザ光を用いた。入力
光は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を
0〜100μWの範囲で変化させた。バイアス光として強
度1mWのレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み、
素子表面の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強
度をパワーメータにより測定した。第7図(a)に示す
ように光入力Pin=10μWのとき、Pin−Pout特性に正論
理型ゲート特性が現れ、消光比(PoutH/PoutL)は100:
1,応答速度は50nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. 860 nm semiconductor laser light was used for both input light and bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate was varied the intensity of the input light P in a range of 0~100MyuW. A laser beam with an intensity of 1 mW is narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less as bias light,
The light was made incident on the light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured by a power meter. When light input P in = 10 .mu.W as shown in FIG. 7 (a), P in -P out characteristics appeared positive logic gate characteristics, the extinction ratio (P out H / P out L ) is 100:
1.The response speed was 50ns.

(3)GaAs/AlGaAs系PNPN型素子 第1図(b)に示すようにSiドープGaAs基板上にn−
Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μm),p−GaAs層(厚さ0.2μ
m),n−GaAs層(厚さ2μm),p−Al0.3Ga0.7As層(厚
さ1μm)で形成されるPNPN構造と、n−AlAs層(厚さ
629Å)とn−Al0.3Ga0.7As層(厚さ715Å)とを交互に
25周期積層させた構造のn−DBR層,アンドープGaAs層
(厚さ100Å)とアンドープAl0.3Ga0.7As層(厚さ50
Å)とを交互に270周期積層させた構造のi−MQW層,p−
Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5μm),p+−GaAs層(厚さ0.1
μm)で形成されるMQW−pin構造とを分子線エピタキシ
ャル成長により積層した。他の構成は第1図(a)と同
様である。
(3) GaAs / AlGaAs PNPN type device As shown in FIG.
Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm), p-GaAs layer (thickness 0.2 μm)
m), an n-GaAs layer (2 μm in thickness), a PNPN structure formed of a p-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (1 μm in thickness), and an n-AlAs layer (thickness)
629Å) and the n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 715Å) alternately
An n-DBR layer, an undoped GaAs layer (thickness 100 mm) and an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 50
Å) and i-MQW layer, p-
Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5 μm), p + -GaAs layer (thickness 0.1
μm) and an MQW-pin structure formed by molecular beam epitaxy. Other configurations are the same as those in FIG.

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光,バ
イアス光ともに860nmの半導体レーザ光を用いた。入力
光は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を
0〜100μWの範囲で変化させた。バイアス光として強
度1mWのレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み、
素子表面の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強
度をパワーメータにより測定した。第7図(b)に示す
ように光入力Pin=10μWのとき、Pin−Pout特性にはメ
モリ性を有する正論理型ゲート特性が現れ、消光比(P
outH/PoutL)は100:1,応答速度10nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. 860 nm semiconductor laser light was used for both input light and bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate was varied the intensity of the input light P in a range of 0~100MyuW. A laser beam with an intensity of 1 mW is narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less as bias light,
The light was made incident on the light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured by a power meter. When light input P in = 10 .mu.W as shown in FIG. 7 (b), positive logic gate characteristics appeared to have a memory effect in the P in -P out characteristics, the extinction ratio (P
out H / P out L) was 100: 1, and the response speed was 10 ns.

(4)GaAs/InGaAs系HPT型素子 SiドープGaAs基板上にn−Al0.3Ga0.7As層(厚さ0.5
μm),p−GaAs層(厚さ0.2μm),n−GaAs層(厚さ2
μm)で形成されるHPT構造と、n−AlAs層(厚さ758
Å)とn−GaAs層(厚さ629Å)を交互に25周期積層さ
せた構造のn−DBR層,アンドープIn0.15Ga0.85As層
(厚さ100Å)とアンドープGaAs層(厚さ100Å)とを交
互に100周期積層させた構造のi−MQW層,p+−GaAs層
(厚さ0.5μm)で形成されるMQW−pin構造とを分子線
エピタキシャル成長により積層した。素子構成は上記
(1)と同様である。
(4) GaAs / InGaAs based HPT type element An n-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 0.5
μm), p-GaAs layer (thickness 0.2 μm), n-GaAs layer (thickness 2
μm) and an n-AlAs layer (thickness 758).
Å) and n-GaAs layer (thickness 629Å) are alternately stacked for 25 periods. An n-DBR layer, undoped In 0.15 Ga 0.85 As layer (thickness 100Å) and undoped GaAs layer (thickness 100Å) An i-MQW layer having a structure alternately stacked for 100 periods and an MQW-pin structure formed by a p + -GaAs layer (thickness: 0.5 μm) were stacked by molecular beam epitaxial growth. The element configuration is the same as (1).

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光には
850nmの半導体レーザ光をバイアス光には1050nmのチタ
ンドープサファイアレーザ光をそれぞれ用いた。入力光
は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を0
〜100μWの範囲で変化させた。バイアス光として強度1
mWのレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み、素子
表面の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強度を
パワーメータにより測定した。Pin−Pout特性には正論
理型ゲート特性が現れ、消光比(PoutH/PoutL)は10:1,
応答速度は50nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. For input light
A semiconductor laser beam of 850 nm was used, and a titanium-doped sapphire laser beam of 1050 nm was used as bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate, the intensity of the input light P in 0
It was changed in the range of 100100 μW. Intensity 1 as bias light
A laser beam of mW was narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less, made incident on a light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured by a power meter. Positive logic gate characteristics appear in the Pin- Pout characteristics, and the extinction ratio ( PoutH / PoutL ) is 10: 1,
The response speed was 50 ns.

(5)InGaAs/InAlAs系HPT型素子 SiドープInP基板上にn−In0.52Al0.48As層(厚さ0.5
μm),p−In0.53Ga0.47As層(厚さ0.2μm),n+−In
0.53Ga0.47As層(厚さ2μm)で形成されるHPT構造
と、n−In0.52Al0.48As層(厚さ1225Å)とn−In0.52
(Al0.25Ga0.750.48As層(厚さ1120Å)とを40周期交
互に積層させた構造からなるn−DBR層,アンドープIn
0.53Ga0.47As井戸層(厚さ70Å)とアンドープIn0.52Al
0.48As障壁層(厚さ50Å)とを250周期交互に積層させ
た構造からなるi−MQW層,p−In0.52Al0.48Asクラッド
層(厚さ0.5μm),p+−In0.53Ga0.47Asキャップ層(厚
さ0.1μm)で形成されるMQW−pin構造とをMBEにより積
層した。素子構成は、光入力部のInP基板のエッチング
を省略した他は、上記(1)と同様である。
(5) InGaAs / InAlAs-based HPT device An n-In 0.52 Al 0.48 As layer (thickness 0.5
μm), p-In 0.53 Ga 0.47 As layer (thickness 0.2 μm), n + -In
HPT structure formed of 0.53 Ga 0.47 As layer (2 μm thickness), n-In 0.52 Al 0.48 As layer (1225 mm thick) and n-In 0.52
(Al 0.25 Ga 0.75 ) 0.48 As layer (1120 mm thick) n-DBR layer consisting of 40 layers alternately laminated, undoped In
0.53 Ga 0.47 As well layer (70 mm thick) and undoped In 0.52 Al
An i-MQW layer having a structure in which a 0.48 As barrier layer (thickness of 50 °) is alternately stacked for 250 periods, a p-In 0.52 Al 0.48 As cladding layer (0.5 μm thick), p + -In 0.53 Ga 0.47 As An MQW-pin structure formed by a cap layer (thickness: 0.1 μm) was laminated by MBE. The element configuration is the same as the above (1) except that the etching of the InP substrate of the light input section is omitted.

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光,バ
イアス光ともに1520nmの半導体レーザ光を用いた。入力
光は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を
0〜100μWの範囲で変化させた。バイアス光として強
度1mWのレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み、
素子表面の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強
度をパワーメータにより測定した。Pin−Pout特性には
正論理型ゲート特性が現れ、消光比(PoutH/PoutL)は2
5:1,応答速度は50nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. A semiconductor laser light of 1520 nm was used for both input light and bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate was varied the intensity of the input light P in a range of 0~100MyuW. A laser beam with an intensity of 1 mW is narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less as bias light,
The light was made incident on the light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured by a power meter. Positive logic gate characteristics appear in the Pin- Pout characteristics, and the extinction ratio ( PoutH / PoutL ) is 2
5: 1, the response speed was 50 ns.

(6)InGaAs/InP系HPT型素子 SiドープInP基板上にn−InP層(厚さ0.5μm),p−I
n0.53Ga0.47As層(厚さ0.2μm),n−In0.53Ga0.47As層
(厚さ2μm)で形成されるHPT構造と、n−InP層(厚
さ1222Å)とn−In0.63Ga0.37As0.800.20層(厚さ11
30Å)とを40周期交互に積層させた構造からなるn−DB
R層,アンドープIn0.53Ga0.47As井戸層(厚さ80Å)と
アンドープInP障壁層(厚さ50Å)とを230周期交互に積
層させた構造からなるi−MQW層,p−InPクラッド層(厚
さ0.5μm),p+−In0.53Ga0.47Asキャップ層(厚さ0.1
μm)で形成されるMQW−pin構造とをガスソースMBE法
を用いて成長した。素子構成は、光入力部のInP基板の
エッチングを省略した他は、上記(1)と同様である。
(6) InGaAs / InP-based HPT device An n-InP layer (0.5 μm thick), p-I on a Si-doped InP substrate
HPT structure formed of n 0.53 Ga 0.47 As layer (0.2 μm thickness) and n-In 0.53 Ga 0.47 As layer (2 μm thickness), n-InP layer (1222 mm thick) and n-In 0.63 Ga 0.37 As 0.80 P 0.20 layer (thickness 11
N-DB with a structure in which 30 cycles are alternately stacked for 40 cycles
R-layer, undoped In 0.53 Ga 0.47 As well layer (thickness 80 Å) and undoped InP barrier layer (thickness 50 Å) are alternately stacked for 230 periods i-MQW layer, p-InP cladding layer (thickness 0.5 μm), p + -In 0.53 Ga 0.47 As cap layer (thickness 0.1
μm) was grown using a gas source MBE method. The element configuration is the same as the above (1) except that the etching of the InP substrate of the light input section is omitted.

第1のCr/Au電極と第2のCr/Au電極との間に負荷抵抗
(10KΩ)と定電圧源(30V)とを接続した。入力光,バ
イアス光ともに1550nmの半導体レーザ光を用いた。入力
光は基板の裏面より入射させ、その入力光Pinの強度を
0〜100μWの範囲で変化させた。バイアス光として強
度1mWのレーザ光をスポット径20μm以下に絞り込み、
素子表面の光入出力部に入射させ、その反射光Poutの強
度をパワーメータにより測定した。Pin−Pout特性には
正論理型ゲート特性が現れ、消光比(PoutH/PoutL)は2
0:1,応答速度は50nsであった。
A load resistance (10 KΩ) and a constant voltage source (30 V) were connected between the first Cr / Au electrode and the second Cr / Au electrode. Semiconductor laser light of 1550 nm was used for both input light and bias light. Input light is incident from the rear surface of the substrate was varied the intensity of the input light P in a range of 0~100MyuW. A laser beam with an intensity of 1 mW is narrowed down to a spot diameter of 20 μm or less as bias light,
The light was made incident on the light input / output unit on the element surface, and the intensity of the reflected light P out was measured by a power meter. Positive logic gate characteristics appear in the Pin- Pout characteristics, and the extinction ratio ( PoutH / PoutL ) is 2
0: 1, the response speed was 50 ns.

(7)第1図(e)に示す構成の素子をGaAs/AlGaAs系
で作製した。基板とHPTのn−エミッタ層との間にn-AlG
aAs層,n+−GaAs層を挿入した他は上記(2)と同様であ
る。この構成においては、上記(2)と同様の光入出力
特性が得られた。
(7) An element having the structure shown in FIG. 1 (e) was manufactured using a GaAs / AlGaAs system. N - AlG between the substrate and the n-emitter layer of the HPT
This is the same as the above (2) except that an aAs layer and an n + -GaAs layer are inserted. In this configuration, light input / output characteristics similar to the above (2) were obtained.

(8)第1図(f)に示す構成の素子をGaAs/AlGaAs系
で作製した。基板に半絶縁性基板,基板とHPTのn−エ
ミッタ層との間にn+−GaAs層を挿入した他は上記(2)
と同様である。抵抗性薄膜は多結晶シリコン膜で形成し
た。この構成においては、上記(2)と同様の光入出力
特性が得られた。
(8) A device having the structure shown in FIG. 1 (f) was manufactured using a GaAs / AlGaAs system. (2) except that a semi-insulating substrate is used as the substrate, and an n + -GaAs layer is inserted between the substrate and the n-emitter layer of the HPT.
Is the same as The resistive thin film was formed of a polycrystalline silicon film. In this configuration, light input / output characteristics similar to the above (2) were obtained.

[発明の効果] 以上、説明したように本発明による光ゲートアレイに
よれば、高消光比のMQW−pin構造を用いることにより、
単一のpin構造で光ゲートを構成できる。また、光検知
部がフォトトランジスタまたはサイリスタである素子で
は高利得の光三端子動作が可能であり、さらに光検知部
がサイリスタの場合はメモリ機能を有する。入力光およ
びバイアス光は基板を境にそれぞれ反対側から照射され
るので、入出力光間の分離が良く、S/N比が高い。この
ような構成により、本発明による光ゲートアレイを用い
れば、光の2次元情報間の多段論理演算を簡単な構成で
高速にかつ精度良く行うことができるという極めて優れ
た効果が得られる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the optical gate array of the present invention, by using the MQW-pin structure having a high extinction ratio,
An optical gate can be configured with a single pin structure. Also, an element in which the photodetector is a phototransistor or a thyristor can perform high-gain three-terminal operation, and has a memory function when the photodetector is a thyristor. Since the input light and the bias light are radiated from opposite sides of the substrate, the separation between the input and output light is good and the S / N ratio is high. With such a configuration, when the optical gate array according to the present invention is used, an extremely excellent effect that a multi-stage logical operation between two-dimensional information of light can be performed at high speed and with high accuracy with a simple configuration can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(a)〜(f)は本発明に係わる光ゲートアレイ
素子の構成を示す要部断面図、第2図(a)〜(c)は
等価回路を示す図、第3図は光変調部の特性を示す図、
第4図は等価回路を示す図、第5図はPD型素子,HPT型素
子の動作原理を説明する図、第6図はpnpn型素子の動作
原理を説明する図、第7図は光入出力特性を示す図、第
8図は従来素子の構成を説明する図である。 1……半導体基板、1A……半絶縁性基板、2……フォト
ダイオード(PD)、3……MQW変調器、4……絶縁膜、
5……第1の電極、6……第2の電極、7……ヘテロフ
ォトトランジスタ(HPT)、8……サイリスタ、9……
トンネル接合、10……インタコネクト層、11……エピタ
キシャル膜、12……抵抗蒸着膜、13……第3の電極、14
……第4の電極、15……第5の電極、16……第6の電
極、17……第7の電極、18……第8の電極、19……負荷
抵抗、20……定電圧源。
1 (a) to 1 (f) are cross-sectional views of main parts showing the configuration of an optical gate array element according to the present invention, FIGS. 2 (a) to 2 (c) are diagrams showing equivalent circuits, and FIG. A diagram showing the characteristics of the modulation unit,
FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit, FIG. 5 is a diagram for explaining the operating principle of the PD-type and HPT-type devices, FIG. 6 is a diagram for explaining the operating principle of the pnpn-type device, and FIG. FIG. 8 is a diagram showing output characteristics, and FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of a conventional element. 1 ... semiconductor substrate, 1A ... semi-insulating substrate, 2 ... photodiode (PD), 3 ... MQW modulator, 4 ... insulating film,
5 first electrode, 6 second electrode, 7 heterophototransistor (HPT), 8 thyristor, 9
Tunnel junction, 10 interconnect layer, 11 epitaxial film, 12 resistance deposited film, 13 third electrode, 14
... Fourth electrode, 15 ... Fifth electrode, 16 ... Sixth electrode, 17 ... Seventh electrode, 18 ... Eighth electrode, 19 ... Load resistance, 20 ... Constant voltage source.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の光の2次元入力情報により2次元出
力情報を制御する光ゲートアレイにおいて、半導体基板
上に第1の光を照射することにより電気出力が変化する
光検知部と、前記電気出力により第2の光の反射光強度
が変化する機能を有しかつ多重量子井戸構造をi層に含
み、多層反射構造をp層またはn層に含むpin構造から
なる光変調部とが基板面に垂直方向に積層されかつそれ
らが2次元的に配置され、前記光検知部と光変調部とが
電気的に並列接続されるような1対の電極を有すること
を特徴とする光ゲートアレイ。
1. An optical gate array for controlling two-dimensional output information based on two-dimensional input information of a first light, wherein a light detection unit whose electric output changes by irradiating the first light onto a semiconductor substrate; A light modulator having a function of changing the reflected light intensity of the second light by the electric output, including a multiple quantum well structure in the i-layer, and a pin structure including the multilayer reflection structure in the p-layer or the n-layer; An optical gate having a pair of electrodes stacked vertically in a substrate surface and arranged two-dimensionally and electrically connecting the photodetector and the light modulator in parallel. array.
【請求項2】請求項1記載の光ゲートアレイにおいて、
前記1対の電極間に負荷抵抗と定電圧電源を接続させ、
かつ該負荷抵抗が同一半導体基板上に形成された抵抗性
薄膜としたことを特徴とする光ゲートアレイ。
2. The optical gate array according to claim 1, wherein
Connecting a load resistor and a constant voltage power source between the pair of electrodes;
An optical gate array wherein the load resistance is a resistive thin film formed on the same semiconductor substrate.
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