JP2861784B2

JP2861784B2 - ニューラルネットワークのための光半導体素子

Info

Publication number: JP2861784B2
Application number: JP1423194A
Authority: JP
Inventors: 康宏小林; 賢一松田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH06291301A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体素子に関し、
特にニュラルネットワークを形成するためのニューロ素
子として機能する光半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニュラールネットワークを用いた情報処
理システムは、学習機能を有する高度並列分散型情報処
理の一つであり、脳における情報処理を模倣している。
このようなニューラルネットワークを有する情報処理シ
ステムは、高速でパターン認識を行ったり、不完全デー
タに基づいて知識処理を行ったりする情報処理を得意と
する。現在主流のノイマン型直列情報処理システムは、
このような情報処理が不得意であるので、ノイマン型直
列情報処理システムの種々の問題点を解決する方法とし
てニュラールネットワークを用いた情報処理システムが
注目されている。従って、ニュラールネットワークを用
いた情報処理システムが勢力的に研究されている。

【０００３】図８は、ニューラルネットワークに用いる
ための、ニューロン１００の動作を説明する模式図であ
る。ニューロン１００の動作は、以下の式１で表され
る。

【０００４】

【数１】

【０００５】ニューロン１００は、入力信号Ｓｉ（ｉ＝
１からＮ）を受け取り出力信号ｘを出力する。入力信号
Ｓｉは、ニューロン１００とｗｉの強さでシナプス結合
している。ｗｉはシナプス結合の強さを示す重みであ
り、ｗｉが正の値であれば、興奮性のシナプス結合を、
また、ｗｉが負の値であれば、抑制性のシナプス結合を
表す。また、ｗｉがゼロの時シナプス結合が存在しない
ことを表す。ｈは閾値であり、各入力信号Ｓｉと各重み
ｗｉの積の総和Σ（Ｓｉｗｉ）が、閾値ｈよりも大きく
なったとき、ニューロン１００は興奮し、信号ｘを出力
する。重みｗｉを変化させることを学習と呼ぶ。特に入
力信号Ｓｉに応じて重みｗｉが変化するとき、自己学習
と呼ぶ。

【０００６】ニューロン１００を用いてニューラルネッ
トワークを形成し、情報処理システムを構築するために
は、多数のニューロン１００を相互に接続しなければな
らない。具体的には、図示しない他の複数のニューロン
の出力ｘを入力信号Ｓｉとしてニューロン１００に入力
しなければならない。また、多くのニューロン１００を
用いるほど、高度な情報処理が可能となる。しかし、多
数のニューロン１００を従来の電気的配線を用いて相互
に接続すれば、非常に多大な電気的配線がニュラルネッ
トワークのために必要となる。従って、電気的配線を用
いてニューラルネットワークを形成することは困難であ
り、特に高密度に実装されたニュラールネットワークを
形成するのことは、非常に難しい。

【０００７】上述の問題点を解決するために、光を複数
のニューロン１００間の接続に用いることが検討されて
いる。例えば、IEEE Photonics Technology Letters 4
(1992) P.247-249に、半導体を用いた発光素子及び受光
素子を有する光ニューロ素子が示されている。図９は、
この光ニューロ素子２００の模式図である。光ニューロ
素子２００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ２０１
と受光素子アレイ２０２を有している。ＬＥＤアレイ２
０１は、行及び列方向にそれぞれ８個づつマトリクス状
に形成されたＬＥＤ２０３を有していて、それぞれのＬ
ＥＤ２０３は、多量子井戸活性層２０４と分布反射器２
０５とを有している。受光素子アレイ２０２は、それぞ
れのＬＥＤ２０３と対応する位置に配置された受光素子
２０６を有している。受光素子２０６は、ＭＳＭ（金属
−半導体−金属）構造を有しており、ＧａＡｓ基板２０
７上にアルミニウムからなる電極２０８を蒸着すること
によって形成される。電極２０８は、ＧａＡｓ基板２０
７上に形成された配線接続部２０９に接続されている。
バンプ２１０がＧａＡｓ基板上に形成されている。

【０００８】光ニューロ素子２００において、各行の８
個のＬＥＤ２０３は図８に示される信号Ｓｉとして等し
い光強度を有する光を同時に発光する。これは、一個の
ニューロンからの出力が、各ニューロンに同時に等しい
強度の信号が入力されることを示している。ＬＥＤ２０
３からの光は、対応する受光素子２０６に照射される。
受光素子２０６において、電極２０８の一方に配線接続
部２０９を介して外部電圧が印加されており、印加電圧
の大きさ及び極性によって、受光素子２０６の受光感度
を調節するこができる。これは、図８に示される、シナ
プス結合の重みｗｉが調節できることを意味する。また
受光素子２０６は列方向に８個づつ互いに接続されてい
て、各列内の８個の受光素子２０６の光電流の和を取る
ことができる。これは、各ニューロンからの入力Ｓｉと
シナプス結合の重みｗｉとの積の和、つまりΣ（Ｓｉｗ
ｉ）が得られることを意味する。従って、光ニューロ素
子２００においてシナプス結合が実現されている。

【０００９】一方、図１０に示されるように、半導体か
らなる受光素子及び発光素子を有する光半導体素子２５
０が知られている。光半導体素子２５０は、電子情報通
信学会技術研究報告書OQE-91-53(1991)P.45-50に報告さ
れている。半導体光素子２５０は、半導体レーザ２５
１、半導体レーザ２５１上に形成された吸収層２５２、
及び吸収層２５２上に形成されたヘテロ接合ホトトラン
ジスタ２５３、２５４、及び２５５を有している。半導
体レーザ２５１は、バンギャップ１．３μｍのアンドー
プ活性層２５６を有している。ホトトランジスタ２５
３、２５４、及び２５５は、それぞれコレクタ層２５
７、ベース層２５８、及びエミッタ層２５９を有してい
る。コレクタ層２５７、ベース層２５８、及びエミッタ
層２５９は、それぞれ１×１０¹⁷ｃｍ^-3、５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3、及び１×１０¹⁸ｃｍ^-3の不純物濃度の不純物がド
ープされている。ベース層２５８のバンドギャップ波長
は、１．２μｍである。ホトトランジスタ２５３及び２
５５はそれぞれ半導体レーザ２５１の発光中心から水平
方向に１８５μｍ離れて形成されている。ホトトランジ
スタ２５４は、半導体レーザ２５１の発光中心上に形成
されている。吸収層２５２は、厚さ１μｍ、バンドギャ
ップ波長１．２μｍの第１の吸収層２６０及び厚さ１μ
ｍ、バンドギャップ波長１．３μｍの第２の吸収層２６
１からなる。

【００１０】半導体光素子２５０において、ホトトラン
ジスタ２５３が入力光２６２を受光すると光電流が発生
し、半導体レーザ２５１に流れ込こみ、レーザ発振が起
こる。一般に、半導体レーザでは、レーザ発振しないよ
うな微少電流しか流れていなくても、微弱な発光が生じ
る。従って、半導体素子２５０において、このようなレ
ーザ発振を伴わない微弱な発光が生じると、発生した光
が、ホトトランジスタ２５３〜２５５で吸収され（内部
帰還光）、大きな光電流が生じる。光電流によって、半
導体レーザ２５１が更に強く発光する。このような光正
帰還が生じると、半導体レーザ２５１は、発振してしま
い、光半導体素子２５０は正常な光増幅動作をできなく
なる。

【００１１】このような問題を解決するために、半導体
光素子２５０では、半導体レーザ２５１の活性層２５６
をホトトランジスタ２５３〜２５５のベース層２５８と
異なる半導体材料で形成している。これにより、半導体
レーザ２５１の発振する光の波長がホトトランジスタ２
５３〜２５５の検知ピーク波長と異なるようにしてい
る。また、吸収層２５２を設け内部帰還光を抑制してい
る。

【００１２】しかし、半導体光素子２５０は、上述の構
造を有していても、なお、半導体レーザ２５１上のホト
トランジスタ２５４に内部帰還光が入射される。このた
め、内部帰還光の影響をほぼ完全に除外するためには、
半導体レーザ２５１の上方に位置していないホトトラン
ジスタ２５３あるいは２５５を用いる必要があった。

【００１３】上述の理由から、ホトトランジスタ２５３
を受光素子として用い、暗電流によって、半導体レーザ
２５１を発振する直前の電流までバイアスしておく。ホ
トトランジスタ２５３に入力光２６２を入射させると、
半導体レーザ２５１は、発振し、出力光２６３を出力す
る。半導体レーザ２５１は、線形性の良い出力光−電流
特性を有しているので、利得の大きいヘテロ接合ホトト
ランジスタ２５３を用いることによって、微弱な入力光
２６２で、大きな強度の出力光２６３が得られ、半導体
光素子２５０は、光増副作用を有することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術においては、以下に述べる理由から、ニューラ
ルネットワークを形成するニューロンとして適していな
い。

【００１５】図９に示す光ニューロ素子２００では、閾
値処理ができない。従って、光ニューロ素子２００から
の出力信号を閾値処理するための外部演算回路を光ニュ
ーロ素子２００間に設ける必要がある。また、光ニュー
ロ素子２００の入力信号及び出力信号は電気信号である
ため、ニューラルネットワーク形成のために電気的配線
が必要となり、上述した問題を有している。

【００１６】また、図１０に示す半導体光素子２５０
は、半導体レーザ２５１が発光する光の波長が、ホトト
ランジスタ２５３の検知ピーク波長と異なる。従って、
出力光２６３を入力光２６２として他の半導体光素子２
５０のホトトランジスタ２５３に入射しても検知感度が
低下してしまい、良好な信号伝達をするニューラルネッ
トワークを形成することが困難である。更に、半導体レ
ーザ２５１上に形成されたホトトランジスタ２５４を受
光素子として用いることができないので、半導体光素子
２５０を高密度に集積することは困難である。

【００１７】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、光を用いて
ニューラルネットワークを形成することのできる光半導
体素子を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体素子
は、少なくとも活性層を有する半導体レーザと、該半導
体レーザ上に形成された、該半導体レーザから生じる内
部帰還光を反射するための反射手段と、該活性層から発
振されたレーザ光と実質的に同じ波長の光を検知するた
めに、該反射手段上に形成された少なくとも２つ以上の
ホトトランジスタとを有しており、そのことによって上
記目的が達成される。

【００１９】また、本発明の別な光半導体素子は、少な
くとも活性層をそれぞれ有する複数の半導体レーザと、
該複数の半導体レーザ上にそれぞれ形成された、該半導
体レーザから生じる内部帰還光を反射するための反射手
段と、該活性層から発振されたレーザ光と実質的に同じ
波長の光を検知するために、該反射手段上にそれぞれ形
成された少なくとも２つ以上のホトトランジスタとを有
しており、そのことによって上記目的が達成される。

【００２０】また、本発明による別な光半導体素子は、
少なくとも活性層をそれぞれ有する複数の半導体レーザ
と、該半導体レーザ上にそれぞれ形成された、該半導体
レーザから生じる内部帰還光を反射するための反射手段
と、該活性層から発振されたレーザ光と実質的に同じ波
長の光を検知するために、該反射手段上にそれぞれ形成
された少なくとも１つ以上のホトトランジスタと、該ホ
トトランジスタにバイアス電圧を印加するための電圧印
加手段とをそれぞれ有する複数の半導体光素子と、該半
導体レーザのそれぞれ及び、該ホトトランジスタのそれ
ぞれと光学的に接続されており、該半導体レーザのそれ
ぞれから発振した光を検出し、検出した光の強度に応じ
て該電圧印加手段に電圧を印加するバイアス制御回路と
を有しており、そのことによって、上記目的が達成され
る。

【００２１】前記反射手段は、導電性を有する半導体多
層薄膜反射膜を有していてもよい。前記活性層はストラ
イプ状に形成されており、前記ホトトランジスタが、該
活性層の上方に位置するように形成されていてもよい。

【００２２】前記ホトトランジスタは、前記活性層の共
振方向と垂直な方向から入射する光を検知してもよい。

【００２３】前記入射光と平行な方向に前記レーザ光を
発振するための第２の反射手段を有していてもよい。

【００２４】前記フォトトランジスタは、順方向バイア
ス及び逆方向バイアス時に等しい光電変換利得を有して
いてもよい。

【００２５】前記フォトトランジスタは、バイアス電圧
の変動に関わらず、一定の光電変換利得を有していても
よい。

【００２６】前記フォトトランジスタは、バイアス電圧
に依存する光電変換利得を有していてもよい。

【００２７】

【作用】複数のホトトランジスタに光を入射させると、
入力された光に応じた光電流がホトトランジスタに流れ
る。これらの光電流の和が半導体レーザに流れ、半導体
レーザの閾電流値を越えると半導体レーザは発振し、レ
ーザ光が射出される。半導体レーザとホトトランジスタ
との間には、半導体レーザから生じる内部帰還光がホト
トランジスタに入射しないように半導体反射膜が設けら
れており、ホトトランジスタは半導体レーザが発振する
光と同じ波長の光を検出することができる。また、ホト
トランジスタは対称な構造を有しており、バイアス電圧
の極性によって、光電流の大きさや流れる方向を変える
ことができる。従って、本発明の光半導体素子は、ニュ
ーロンとして機能し、ニューロネットワークを形成する
ことが可能となる。

【００２８】さらに、本発明の光半導体素子にバイアス
電圧制御回路を設けることによって、半導体レーザから
のレーザ光に基づいてホトトランジスタにバイアス電圧
を印加することができるので、自己学習機能を有するニ
ューロ素子として動作させることができる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明を実施例について説明する。

【００３０】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例による光半導体素子１１を示している。光半導体素子
１１は、半導体レーザ１２と、半導体レーザ１２上に形
成された半導体反射鏡１３と、半導体反射鏡１３上にそ
れぞれ形成されたホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、及び１４ｄを有している。

【００３１】半導体レーザ１２は、ｐ型半導体基板１５
と、ｐ型半導体基板１５上に形成されたクラッド層１
６、ｐ型クラッド層１６上に形成された活性層１７、及
び活性層１７上に形成されたｎ型クラッド層１８を有し
ている。半導体レーザ１２は、埋め込み型ストライプ構
造を有している。具体的には、活性層１７及びｐ型クラ
ッド層１６の一部及びｎ型クラッド層１８の一部はスト
ライプ２１を形成するようにエッチングされている。ス
トライプ２１の両側のｐ型クラッド層１６上にｎ型電流
ブロック層１９、更にｎ型電流ブロック層１９上にｐ型
電流ブロック層２０が形成されている。また、ｐ型半導
体基板１５にｐ型電極２９が形成されている。半導体レ
ーザ１２は、ｎ型クラッド層１８及びｐ型クラッド層１
６との間に電圧が印加されると、活性層１７から波長λ
を有するレーザ光として出力光２７が発振される。

【００３２】半導体反射鏡１３は、半導体レーザ１２の
最上層であるｎ型クラッド層１８の面１８ｆ上に形成さ
れている。半導体反射鏡１３は、ｎ型の導電性を有する
複数の半導体薄膜からなり、波長λの光を実質的に反射
するような構造を有している。このような半導体多層膜
からなる反射鏡は、分布反射器(Distributed Bragg Ref
lector)として当業者には周知であり、半導体薄膜の屈
折率と膜厚を適切に選ぶことによって任意の波長の光を
反射する反射鏡を製造することができる。

【００３３】ホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、及び１４ｄは、半導体レーザ１２のストライプ２１
上方に位置している。ホトトランジスタ１４ａ、１４
ｂ、１４ｃ、及び１４ｄはそれぞれ半導体反射鏡１３上
に形成されたコレクタ層２２、コレクタ層２２上に形成
されたベース層２３、及びベース層２３上に形成された
エミッタ層２４を有している。ベース層２３は、実質的
に波長λの光２８を吸収し、吸収した光２８によって生
じた光電流によって、コレクタ層２２とエミッタ層２４
との間に電流が流れる。光２８が、エミッタ層２４に吸
収されないように、エミッタ層２４はベース層２３と異
なる材料で形成されていることが好ましく、従って、ホ
トトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄは
ヘテロ接合ホトトランジスタであることが好ましい。

【００３４】ホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、及び１４ｄのそれぞれは、電気的に対称な構造を有
している。具体的には、コレクタ層２２とエミッタ層２
４との間に順バイアス電圧を印加した時の電流−電圧特
性と、コレクタ層２２とエミッタ層２４との間に逆方向
バイアス電圧を印加したときの電流−電圧特性が実質的
に等しい。このような特性は、例えばコレクタ層２２及
びエミッタ層２４の組成、不純物濃度、及び厚さを同じ
にすることによって得られる。ホトトランジスタ１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄのそれぞれは、エミッ
タ層２４上に形成されたウィンド２５を有するｎ型電極
２６を更に有している。

【００３５】以下に光半導体素子１１の動作を説明す
る。光半導体素子１１は、各ホトトランジスタ１４ａ、
１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄのｎ型電極２６と半導体レ
ーザ１２のｐ型電極２９との間に直流電圧を印加するこ
とによって動作する。ｐ型電極２９を接地し、ホトトラ
ンジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに対し負
のバイアス電圧をｎ型電極２６に印加した場合、波長λ
を有する光２８が電極２６のウインドウ２５を介してベ
ース層２３に達すると、コレクタ層２２からエミッタ層
２４へ電流が流れるようにホトトランジスタ１４ａ、１
４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄが動作する。またこの電流
は、半導体レーザ１２が発振するようにｐ型クラッド層
１６から活性層１７を通ってｎ型クラッド層１８へ流れ
る。従って、電流はｐ型クラッド層１６から半導体反射
鏡１３を通ってエミッタ層２４へ流れる。一方、ｐ型電
極２９を接地し、ホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、及び１４ｄに対し正のバイアス電圧をｎ型電極２
６に印加した場合、波長λを有する光が電極２６のウイ
ンドウ２５を介してベース層２３に達すると、エミッタ
層２４からコレクタ層２２へ電流が流れるようにホトト
ランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄが動作
する。またこの電流は、半導体レーザ１２の発振を抑制
するようにｎ型クラッド層１８から活性層１７を通って
ｐ型クラッド層１６へ流れる。従って、電流はエミッタ
層２４から半導体反射鏡１３を通ってｐ型クラッド層１
６へ流れる。

【００３６】図１、図２、及び図３を用いて光半導体素
子１１の動作を更に具体的に説明する。図２は、光半導
体素子１１の等価回路の一部を示している。半導体レー
ザ１２にホトトランジスタ１４ａ及び１４ｂが並列に接
続されている。等価回路では、４つのホトトランジスタ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄのうち、ホトトラ
ンジスタ１４ａ及び１４ｂのみを示しているが、光半導
体素子１１において、ホトトランジスタ１４ｃ及び１４
ｄも同様にホトトランジスタ１４ａ及び１４ｂに並列に
接続されている。図１及び図２に示されるように、半導
体レーザ１２のｐ型電極２９を接地し、ホトトランジス
タ１４ａのｎ型電極２６に負の電圧、例えば、−５Ｖを
印加し、ホトトランジスタ１４ｂのｎ型電極２６に正の
電圧、例えば、＋５Ｖ印加する。半導体レーザ１２は、
例えば１．５Ｖの定電圧源１．５Ｖと見なせるので、ホ
トトランジスタ１４ａ及び１４ｂに印加される電圧は、
それぞれエミッタ層２４を基準として３．５Ｖと−６．
５Ｖとなる。

【００３７】図３は、ホトトランジスタ１４ａ及び１４
ｂの電流−電圧特性を示している。各ホトトランジスタ
１４ａ及び１４ｂは、入力光２８の強度に応じて、Ａ、
Ｂ、及びＣの曲線で示される電流−電圧特性を有する。
図３に示されるように、いずれの強度の光２８が入射さ
れた場合も、順バイアス電圧印加時と逆バイアス電圧印
加時とは等しい光電変換利得を有している。例えば、曲
線Ｂを与える強度の光２８に対して、ホトトランジスタ
１４ａ及び１４ｂに電圧ｖ１を印加しても−ｖ１を印加
しても、方向は逆向きであるが同じ大きさの電流ｉが流
れる。また、図３に示されるように、光電変換利得は実
質的にバイアス電圧に依存しない。例えば、曲線Ｂを与
える強度の光２８に対して、ホトトランジスタ１４ａ及
び１４ｂに電圧ｖ１を印加してもｖ２を印加しても電流
ｉが流れる。

【００３８】従って、上述のホトトランジスタ１４ａの
ｎ型電極２６及びホトトランジスタ１４ｂのｎ型電極２
６にそれぞれ−５Ｖ及び＋５Ｖを印加し、同じ強度の光
２８を入射させた場合、ホトトランジスタ１４ａ及び１
４ｂには、大きさが等しく互いに方向の異なる電流ｉが
それぞれ流れる。

【００３９】半導体レーザ１２には、半導体反射鏡１３
を介してホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及
び１４ｄに流れる電流の和が流れる。そして半導体レー
ザ１２に、閾値電流を越える電流が流れたとき半導体レ
ーザ１２は、出力光２７を発振する。上述の場合、ホト
トランジスタ１４ｃ及び１４ｄには電流は流れないとす
れば、ホトトランジスタ１４ａ及び１４ｂに流れる電流
は、互いに逆向きなので半導体レーザ１２に流れる電流
の和はゼロとなり、半導体レーザ１２は発光しない。

【００４０】上述されるホトトランジスタ１４ａ、１４
ｂ、１４ｃ、及び１４ｄの動作は、式１に示される信号
Ｓｉと重みｗｉとの積をとることに相当する。重みｗｉ
に対応するバイアス電圧が印加されたホトトランジスタ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに信号Ｓｉに対応
する入力光２８を入射させることによって、信号Ｓｉと
重みｗｉとの積に対応する電流を得ることができるから
である。更に、半導体レーザ１２の動作は、加重和Σｗ
ｉｓｉを求め閾値処理することに相当する。各ホトトラ
ンジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに流れる
電流の和が半導体レーザ１２に流れ、閾値ｈを越えたと
きのみレーザ発振するからである。従って、光半導体素
子１１のみで式１に示されるニューロ素子の動作を実現
することができる。

【００４１】光半導体素子１１において、シナプス結合
の強さを示す重みｗｉは、バイアス電圧の極性を変更す
ることによって変えられる。従って、光半導体素子１１
は、学習機能を有している。バイアス電圧は、出力光２
７に基づいて変更してもよいし、教師あり学習として、
出力光２７が望ましい出力となるようにバイアス電圧を
変更してもよい。

【００４２】光半導体素子１１のニューロ素子としての
動作を、表１及び表２を参照しながら以下に具体的に説
明する。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に示されるように、ホトトランジスタ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに重みｗｉとして
のバイアス電圧−５、５、５、及び５Ｖがそれぞれ印加
されている場合を考える。ホトトランジスタ１４ａ、１
４ｂ、及び１４ｄに信号Ｓｉとして光が照射されると
（○は光の照射を示し、×は光が照射されないことを示
す）、ホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び
１４ｄに、Ｓｉｗｉとして−ｉ、ｉ、０、及びｉの電流
がそれぞれ流れる。従って、荷重和ΣＳｉｗｉとして半
導体レーザ１２へ流れる電流はｉとなる。閾値ｈとして
の半導体レーザ１２の閾値電流が２ｉ＞ｈ＞ｉとすると
この場合半導体レーザ１２は発光しない。

【００４５】

【表２】

【００４６】また、表２に示されるように、ホトトラン
ジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに重みｗｉ
としてのバイアス電圧５、−５、−５、５、及び５Ｖが
それぞれ印加されている場合を考える。ホトトランジス
タ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに信号Ｓｉとし
て光が照射されると、ホトトランジスタ１４ａ、１４
ｂ、１４ｃ、及び１４ｄに、Ｓｉｗｉとしてｉ、−ｉ、
ｉ、及びｉの電流が流れる。従って、荷重和ΣＳｉｗｉ
として半導体レーザ１２へ流れる電流は、２ｉとなる。
閾値ｈとしての半導体レーザ１２の閾値電流が２ｉ＞ｈ
＞ｉとすると、この場合半導体レーザ１２は発光する。

【００４７】本発明の光半導体素子１１は、ニューロ素
子として出力光２７と同じ波長λを有するの入力光２８
を検出することに利点を有する。この利点によって、出
力光２７を外部装置によって変換することなく入力光２
８として用いて、複数の光半導体素子１１を相互に接続
し、ニューラルネットワークを形成することができる。
この利点を有するために半導体光素子１１は、半導体レ
ーザ１２とホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、
及び１４ｄとの間に導電性を有する半導体反射鏡１３を
有している。半導体反射鏡１３は、半導体レーザ１２の
活性層１７から活性層１７と垂直な方向に伝搬する内部
帰還光が、ホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、
及び１４ｄへ入射しないように内部帰還光を反射する働
きをする。また、ウインド２５からホトトランジスタ１
４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄのそれぞれへ入射し
た光のうち、ベース層２３に吸収されずにベース層２３
を透過した光は、半導体反射鏡１３によって反射され、
再度ベース層２３へ達するので、ホトトランジスタ１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄの光電変換効率を向上
させる。従って、半導体反射鏡１３は、ホトトランジス
タ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄと半導体レーザ
１２との間を光学的に分離する働きをする。これによっ
て、半導体レーザ１２の活性層１７の真上にホトトラン
ジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄを集積する
ことができ、半導体光素子１１を小型に形成することが
できる。

【００４８】光半導体素子１１は、公知の半導体製造技
術によって製造される。図１を参照しながら光半導体素
子１１の製造方法を以下に説明する。

【００４９】まず、液相成長法（ＬＰＥ法）などの公知
の方法によって、ｐ型半導体基板１５を有する半導体レ
ーザ１２を作製する。ｐ型半導体基板１５は不純物濃度
１×１０¹⁸ｃｍの^-3ｐ型ＩｎＰからなり、ｐ型クラッド
層１６及びｎ型クラッド層１８は、それぞれ不純物濃度
５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ２μｍのＩｎＰ及び不純物濃度
５×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ２．５μｍのＩｎＰからなる。
活性層１７は、不純物濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ０．
２μｍのアンドープＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.6Ｐ_0.4から
なる。活性層１７は、バンドギャップ波長λ＝１．３μ
ｍを有している。活性層１７及びｐ型クラッド層１６と
ｎ型クラッド層１８との一部は、幅Ｗａ＝２μｍを有す
るストライプ２１を形成するようにエッチングされてお
り、エッチングされた部分には、ｎ型電流ブロック層１
９及びｐ型電流ブロック層２０が埋め込まれている。ｎ
型電流ブロック層１９及びｐ型電流ブロック層２０は、
それぞれ不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍのＩ
ｎＰ及び不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍのＩ
ｎＰからなる。

【００５０】次に、半導体反射鏡１３を半導体レーザ１
２上に形成する。半導体反射鏡１３は、波長１．３μｍ
の光を反射するように設計される。例えば、厚さ１０
１．６ｎｍ、不純物濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3、屈折率３．
２０のＩｎＰ層と、厚さ９３．７ｎｍ、不純物濃度１×
１０¹⁷ｃｍ^-3、屈折率３．４７のＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ
_0.6Ｐ_0.4層とを交互に１５層ずつｎ型クラッド層１８上
に形成する。膜厚を厳密に制御するために、半導体反射
鏡１３は、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）に
よって形成することが好ましい。

【００５１】続いて、半導体反射鏡１３上にコレクタ層
２２、コレクタ層２２上にベース層２３、及びベース層
２３上にエミッタ層２４を形成する。コレクタ層２２及
びエミッタ層２４は、それぞれ厚さ１．５μｍを有して
おり、不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰ及び、
不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＩｎＰからなる。ベ
ース層２３は、厚さ０．３μｍ、不純物濃度１×１０¹⁷
ｃｍ^-3のＩｎ_0.72Ｇａ _0.28Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層からなる。そ
の後、コレクタ層２２、ベース層２３、及びエミッタ層
２４の一部をエッチングし、半導体レーザ１２のストラ
イプ２１の上方に位置するように、Ｌ１＝Ｌ２＝６０μ
ｍのホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１
４ｄを形成する。

【００５２】最後にエミッタ層２４上にウィンド２５を
有するｎ型電極２６を形成し、ｐ型半導体基板１５にｐ
型電極２９を形成する。半導体レーザ１２がＬ３＝３０
０μｍ及びＬ４＝１５０μｍの大きさを有するようにｐ
型半導体基板１５を分割する。

【００５３】（実施例２）図４は、本発明の第２の実施
例による光半導体素子３１の断面を示している。実施例
１と同じ構成要素には同じ参照番号を付けている。光半
導体素子３１は、半導体レーザ３２と、半導体レーザ３
２上に形成された半導体反射鏡１３と、半導体反射鏡１
３上にそれぞれ形成されたホトトランジスタ１４ａ、１
４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄを有している。

【００５４】光半導体素子３１は、ホトトランジスタ１
４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄへ入射する入力光２
８と平行な方向へ出力光３５を発振するための反射鏡３
４を有している点で第１の実施例に示される光半導体素
子１１とは異なる。半導体レーザ３２は、実施例１に説
明されるように、ｐ型半導体基板１５、ｐ型半導体基板
１５上に形成されたクラッド層１６、ｐ型クラッド層１
６上に形成された活性層１７、及び活性層１７上に形成
されたｎ型クラッド層１８を有している。半導体レーザ
３２は、ｐ型電極２９が形成された面から活性層１７に
達するようにくさび状にエッチングされており、活性層
１７に垂直な端面３６と活性層１７と４５度の角度で形
成された反射鏡３４を有している。端面３６から射出さ
れた出力光３５は、反射鏡３４で反射し、活性層１７と
垂直な方向に射出される。入力光２８と同じ方向に出力
光３５は進む。このような構造は、光半導体素子３１を
複数集積化する上で好都合であり、特に、入力光と出力
光の方向に複数の半導体光素子３１を積層し、集積化す
るのに都合がよい。

【００５５】反射鏡３４は、公知のエッチング方法によ
って形成される。端面３６と端面３７とによって共振器
長Ｌ３を有する共振器が形成され、また反射鏡３４が、
活性層１７に対し実質的に４５度の角度をなすように、
ｐ型半導体基板１５、ｐ型クラッド層１６活性層１７、
及びｎ型クラッド層１８の一部をエッチングし、反射鏡
３４を形成する。なお、本実施例では、反射鏡３４の表
面には、反射膜を形成していないが、金属膜などの反射
膜を反射鏡３４の表面に設けてもよい。

【００５６】（実施例３）図５（ａ）及び図５（ｂ）
は、本発明の第３の実施例による光半導体素子４１を示
している。実施例１と同じ構成要素には同じ参照番号を
付けている。光半導体素子４１は、半導体レーザ１２
と、半導体レーザ１２上に形成された半導体反射鏡１３
と、半導体反射鏡１３上にそれぞれ形成されたホトトラ
ンジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄを有して
いる。

【００５７】光半導体素子４１は、ホトトランジスタ４
４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄが、実施例１に示さ
れるホトトランジスタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１
４ｄと異なる電流−電圧特性を有している点で第１の実
施例に示される光半導体素子１１とは異なる。

【００５８】図５（ｂ）は、ホトトランジスタ４４ａ、
４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄの電流−電圧特性を示して
いる。各ホトトランジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及
び４４ｄは、入力光２８の強度に応じて、Ｄ、Ｅ、及び
Ｆの曲線で示される電流−電圧特性を有する。図５
（ｂ）に示されるように、光電変換利得はバイアス電圧
に依存している。例えば、曲線Ｅを与える強度の光２８
に対して、ホトトランジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、
及び４４ｄに電圧ｖ１を印加すると、電流ｉ１が流れ、
ｖ２を印加すると電流ｉ２が流れる。また、いずれの強
度の光２８が入射された場合も、順バイアス電圧印加時
と逆バイアス電圧印加時との光電変換利得は等しい。例
えば、曲線Ｅを与える強度の光２８に対して、ホトトラ
ンジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄに電圧ｖ
１を印加しても−ｖ１を印加しても同じ大きさの電流ｉ
１が流れる。

【００５９】上述の電流−電圧特性を有するホトトラン
ジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄは、バイア
ス電圧に応じて電流値を変化させることができる。これ
は、式１に示されるシナプス結合の強さを表す重みｗｉ
をバイアス電圧に応じてアナログ的に変化させることが
できることを意味する。従って、種々の大きさの重みｗ
ｉを入力信号Ｓｉに掛け合わせることができ、ニューロ
素子として学習効率が高められる。

【００６０】光半導体素子４１は、実施例１と同様の方
法によって製造される。上述の電流−電圧特性を有する
ホトトランジスタ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄ
は、バイポーラトランジスタのアーリ効果を利用するこ
とによって得られる。アーリ効果は、コレクタ電圧が変
化したときに、コレクタ空乏層の厚さが変化し、実質的
なベース層の厚さが変化することから生じる。このよう
な効果は、バイポーラトランジスタのベース層を薄くす
るあるいは、ベース層の不純物濃度を小さくすることに
よって得られる。具体的には、半導体反射鏡１３上にコ
レクタ層４５、コレクタ層４５上にベース層４６、及び
ベース層４６上にエミッタ層４７を形成する。コレクタ
層４５及びエミッタ層４７は、それぞれ厚さ１．５μｍ
を有しており、不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型Ｉｎ
Ｐ及び、不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＩｎＰから
なる。ベース層４６は、厚さ０．２μｍ、不純物濃度５
×１０¹⁶ｃｍ^-3のＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層から
なる。

【００６１】（実施例４）図６は、本発明の第４の実施
例による光半導体素子５１を示している。光半導体素子
５１は、実施例１に示される光半導体素子１１とそれぞ
れ実質的に同じ構造を有する光半導体素子６１、７１、
８１、及び９１を有している。光半導体素子６１は、半
導体レーザ６２と半導体レーザ６２上に形成された半導
体反射鏡６３と、半導体反射鏡６３上に形成されたホト
トランジスタ６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、及び６５ｄを有
している。光半導体素子７１は、半導体レーザ７２と半
導体レーザ７２上に形成された半導体反射鏡７３と、半
導体反射鏡７３上に形成されたホトトランジスタ７４
ａ、７４ｂ、７４ｃ、及び７５ｄを有している。光半導
体素子８１は、半導体レーザ８２と半導体レーザ８２上
に形成された半導体反射鏡８３と、半導体反射鏡８３上
に形成されたホトトランジスタ８４ａ、８４ｂ、８４
ｃ、及び８５ｄを有している。光半導体素子９１は、半
導体レーザ９２と半導体レーザ９２上に形成された半導
体反射鏡９３と、半導体反射鏡９３上に形成されたホト
トランジスタ９４ａ、９４ｂ、９４ｃ、及び９５ｄを有
している。

【００６２】各半導体レーザ６２、７２、８２、及び９
２は、共通のｐ型電極５２を有している。また各ホトト
ランジスタ６４ａ〜６４ｄ、７４ａ〜７４ｄ、８４ａ〜
８４ｄ、９４ａ〜９４ｄは、ｎ型電極６６ａ〜６６ｄ、
７６ａ〜７６ｄ、８６ａ〜８６ｄ、９６ａ〜９６ｄをそ
れぞれ有している。

【００６３】各半導体レーザ６２、７２、８２、及び９
２は、各ホトトランジスタ６４ａ〜６４ｄ、７４ａ〜７
４ｄ、８４ａ〜８４ｄ、９４ａ〜９４ｄに入射される光
及び、ｎ型電極６６ａ〜６６ｄ、７６ａ〜７６ｄ、８６
ａ〜８６ｄ、９６ａ〜９６ｄに印加されたバイアス電圧
に基づいて、実施例１に説明されるように、それぞれ出
力光６５、７５、８５、及び９５を発光する。

【００６４】光半導体素子５１は、それ自身のみで光を
信号としたニューラルネットワークを形成することがで
きる。例えば、光ファイバを用いて出力光９５をホトト
ランジスタ６４ｄ、７４ｄ、８４ｄ、及び９４ｄに入力
光として入射させる。同様に、出力光８５をホトトラン
ジスタ６４ｃ、７４ｃ、８４ｃ、及び９４ｃに、また出
力光７５をホトトランジスタ６４ｂ、７４ｂ、８４ｂ、
及び９４ｂに、更に出力光６５をホトトランジスタ６４
ａ、７４ａ、８４ａ、及び９４ａにそれぞれ入力光とし
て入射させる。このような接続は、４個のニューロンを
光学的に相互接続したことになり、１つの光半導体素子
５１によって、光ニューラルネットワークによる情報処
理が可能となる。

【００６５】更に光半導体素子５１に自己学習機能をも
たせることもできる。図７に示されるように、出力光９
５をバイアス制御回路５３に入力し、出力光９５に基づ
いて、ホトトランジスタ６４ｄ、７４ｄ、８４ｄ、及び
９４ｄのｎ型電極６６ｄ、７６ｄ、８６ｄ、及び９６ｄ
にバイアス電圧を印加する。明瞭にするために、図示し
ていないが、同様に出力光８５、７５、及び６５に基づ
いて、ホトトランジスタ６４ｃ、７４ｃ、８４ｃ、及び
９４ｃと、６４ｂ、７４ｂ、８４ｂ、及び９４ｂと、６
４ａ、７４ａ、８４ａ、及び９４ａとにバイアス電圧を
印加しする。このような接続によって、出力信号ｘに基
づいて、重み荷重ｗｉを変化させることができる。従っ
て、１つの光半導体素子５１によって、自己学習機能を
持った光ニューラルネットワークによる情報処理が可能
となる。

【００６６】上述の実施例１から４において、１つの半
導体レーザに対して４つのホトトランジスタを有する光
半導体素子を説明したが、光半導体素子は、２つ以上の
ホトトランジスタを有していればよい。また、半導体レ
ーザのｎ型半導体層上にｎ型の半導体反射鏡と、半導体
反射鏡上にｎｐｎ型のホトトランジスタを有する光半導
体素子を説明したが、各半導体層の有する導電型を入れ
換えた光半導体素子であってもよい。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、半導体レーザの発振す
るレーザ光と同じ波長の光をホトトランジスタが検出す
ることが出来るので、波長を変換したりすることなく、
本発明による光半導体素子を相互に接続し、ニューラル
ネットワークを形成することが出来る。ホトトランジス
タのバイアス電圧を発振されたレーザ光に基づいて変化
させることによって、自己学習機能を有するニューロ素
子として機能する。

【００６８】また、半導体レーザの活性層上にホトトラ
ンジスタを形成することや、ホトトランジスタへ入射す
る光と、半導体レーザから射出するレーザ光の方向を同
一にすることができるので、光半導体素子を小型し、集
積することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による光半導体素子の斜
視図

【図２】図１に示す光半導体素子の動作を説明するため
の等価回路図

【図３】図１に示される光半導体素子のホトトランジス
タの電流−電圧特性図

【図４】本発明の第２の実施例による光半導体素子の断
面図

【図５】（ａ）は本発明の第３の実施例による光半導体
素子の斜視図（ｂ）は（ａ）に示される光半導体素子のホトトランジ
スタの電流−電圧特性図

【図６】本発明の第４の実施例による光半導体素子の斜
視図

【図７】図６に示される光半導体素子に自己学習機能を
与える方法を説明する図

【図８】ニューロンの模式図

【図９】従来の光ニューロ素子の斜視図

【図１０】従来の光半導体素子の斜視図

【符号の説明】

１１光半導体素子１２半導体レーザ１３半導体反射鏡１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄホトトランジスタ１５ｐ型半導体基板１６ｐ型クラッド層１７活性層１８ｎ型クラッド層１９ｎ型埋め込み層２０ｐ型埋め込み層２１ストライプ２２コレクタ層２３ベース層２４エミッタ層２５ウインドウ２６ｎ型電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 27/15 H01L 31/10 - 31/113 H01S 3/18 - 3/19

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも活性層を有する半導体レーザ
と、該半導体レーザ上に形成された、該半導体レーザから生
じる内部帰還光を反射するための反射手段と、該活性層から発振されたレーザ光と実質的に同じ波長の
光を検知するために、該反射手段上に形成された少なくとも２つ以上のホトト
ランジスタと、を有するニューラルネットワークのための光半導体素
子。
【請求項２】少なくとも活性層をそれぞれ有する複数の
半導体レーザと、該複数の半導体レーザ上にそれぞれ形成された、該半導
体レーザから生じる内部帰還光を反射するための反射手
段と、該活性層から発振されたレーザ光と実質的に同じ波長の
光を検知するために、該反射手段上にそれぞれ形成され
た少なくとも２つ以上のホトトランジスタと、を有する
ニューラルネットワークのための光半導体素子。
【請求項３】少なくとも活性層をそれぞれ有する複数の
半導体レーザと、該半導体レーザ上にそれぞれ形成され
た、該半導体レーザから生じる内部帰還光を反射するた
めの反射手段と、該活性層から発振されたレーザ光と実
質的に同じ波長の光を検知するために、該反射手段上に
それぞれ形成された少なくとも２つ以上のホトトランジ
スタと、該ホトトランジスタにバイアス電圧を印加する
ための電圧印加手段とをそれぞれ有する複数の半導体光
素子と、該半導体レーザのそれぞれ及び、該ホトトランジスタの
それぞれと光学的に接続されており、該半導体レーザの
それぞれから発振した光を検出し、検出した光の強度に
応じて該電圧印加手段に電圧を印加するバイアス制御回
路と、を有するニューラルネットワークのための光半導体素
子。
【請求項４】前記反射手段は、導電性を有する半導体多
層薄膜反射膜を有する請求項１ないし請求項３のいずれ
かに記載のニューラルネットワークのための光半導体素
子。
【請求項５】前記活性層はストライプ状に形成されてお
り、前記ホトトランジスタが、該活性層の上方に位置す
るように形成された請求項１ないし請求項３のいずれか
に記載のニューラルネットワークのための光半導体素
子。
【請求項６】前記ホトトランジスタは、前記活性層の共
振方向と垂直な方向から入射する光を検知する請求項１
ないし請求項３のいずれかに記載のニューラルネットワ
ークのための光半導体素子。
【請求項７】前記入射光と平行な方向に前記レーザ光を
発振するための第２の反射手段を有する請求項６に記載
のニューラルネットワークのための光半導体素子。
【請求項８】前記フォトトランジスタは、順方向バイア
ス及び逆方向バイアス時に等しい光電変換利得を有する
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のニューラル
ネットワークのための光半導体素子。
【請求項９】前記フォトトランジスタは、バイアス電圧
の変動に関わらず、一定の光電変換利得を有する請求項
８に記載のニューラルネットワークのための光半導体素
子。
【請求項１０】前記フォトトランジスタは、バイアス電
圧に依存する光電変換利得を有する請求項８に記載のニ
ューラルネットワークのための光半導体素子。