JP3071630B2 - 半導体光機能素子 - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光交換、光情報処理の
分野において、高速な光信号処理に不可欠となる光で光
信号を制御する半導体光機能素子に関するものである。
分野において、高速な光信号処理に不可欠となる光で光
信号を制御する半導体光機能素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超広帯域で、超高速伝送が可能な光ファ
イバ通信を用いた動画像通信や映像分配と言った広帯域
な新サービスの広範な展開が期待されている。この場
合、これらの広帯域の信号が集中するノードにおいては
超高速な信号処理が不可欠となる。この目的のため、一
旦電気信号に変換し、LSI 等の電子回路によって処理す
るよりも高速なスイッチング動作が期待され、また、並
列処理により一層の処理時間の短縮化が可能と考えられ
る光信号のまま、もしくは光の特質を極力活かした処理
を行う、いわゆる光交換、光信号処理方式が注目されて
いる。光信号処理における重要な機能の一つとして、入
力された光信号を識別して所望の経路へとスイッチング
させるための信号識別機能が挙げられる。通常ディジタ
ル系列からなる信号ではビットパターンにより信号認識
表示が行われており、信号識別機能とはすなわちビット
パターンマッチング動作を行うことといえる。ビットパ
ターンマッチングとは、複数の入力信号セルの該当タイ
ムスロットに割り当てられた各ディジタル信号ビットが
相互に一致するか不一致かを判定し、最終的に該複数セ
ルが同一であるか否かを判別する機能を意味する。この
ような機能を実現するためには、該複数ビットが共に０
もしくは１で一致した場合とそうでない場合で異なる出
力信号を出す論理動作として排他的論理和（XOR ）もし
くは排他的非論理和（XNOR）なる動作を行う光デバイス
が必要となる。
イバ通信を用いた動画像通信や映像分配と言った広帯域
な新サービスの広範な展開が期待されている。この場
合、これらの広帯域の信号が集中するノードにおいては
超高速な信号処理が不可欠となる。この目的のため、一
旦電気信号に変換し、LSI 等の電子回路によって処理す
るよりも高速なスイッチング動作が期待され、また、並
列処理により一層の処理時間の短縮化が可能と考えられ
る光信号のまま、もしくは光の特質を極力活かした処理
を行う、いわゆる光交換、光信号処理方式が注目されて
いる。光信号処理における重要な機能の一つとして、入
力された光信号を識別して所望の経路へとスイッチング
させるための信号識別機能が挙げられる。通常ディジタ
ル系列からなる信号ではビットパターンにより信号認識
表示が行われており、信号識別機能とはすなわちビット
パターンマッチング動作を行うことといえる。ビットパ
ターンマッチングとは、複数の入力信号セルの該当タイ
ムスロットに割り当てられた各ディジタル信号ビットが
相互に一致するか不一致かを判定し、最終的に該複数セ
ルが同一であるか否かを判別する機能を意味する。この
ような機能を実現するためには、該複数ビットが共に０
もしくは１で一致した場合とそうでない場合で異なる出
力信号を出す論理動作として排他的論理和（XOR ）もし
くは排他的非論理和（XNOR）なる動作を行う光デバイス
が必要となる。
【０００３】図16に従来技術による光帰還を用いたXOR
光論理素子を示す。100 ，100'はn-InP ，p-InGaAsP ，
n-InP からなるフォトトランジスタ（HPT ）、101 ，10
1'はn-InP ，InGaAsP ，p-InP からなるLED である。入
力光Ａ及びＢが各々同時に照射する２つのHPT の組み合
わせのうち一方のHPT にはLED が直列に接続されてお
り、この１つのユニットが２つ並列に電源に接続されて
いる。一点鎖線で囲んだ単位セルの断面構造を図17に示
す。102 は半絶縁性InP 層、103 はn-InP 層、104 はp-
InGaAsP 層、105 はn-InP 層，106 はInGaAsP 層、107
はp-InP 層、108はp-InGaAsP 層、109 はAu-Zn 層、110
はAu-Sn 層、111 はポリイミド層、112はTi/Au 層で、
104 及び106 のInGaAsP 層は各々HPT のベース層、LED
の発光層に該当する。今、入力光Ａ（又はＢ、以下括弧
の外は外に、内は内にそれぞれ対応する）のみが図17の
ように照射した場合、HPT 100 （又は100'）がオンにな
るため、それと並列に接続されているHPT 100'（又は10
0 ）はオフとなり、従ってLED 101 （又は101'）のみが
発光する。他方、入力光Ａ及びＢが同時に照射された場
合、LED 101 及び101'に接続していないHPT のみがオン
になるため、その結果LED 101 及び101'は共に電流が流
れず発光しない。入力光Ａ及びＢが共に無い場合にはど
こにも電流が流れないため、発光もない。以上の各場合
の動作から、HPT への入力光Ａ及びＢとLED からの出力
光ＣとＤの和の間にはちょうど排他的論理和（XOR ）の
関係があることがわかる。
光論理素子を示す。100 ，100'はn-InP ，p-InGaAsP ，
n-InP からなるフォトトランジスタ（HPT ）、101 ，10
1'はn-InP ，InGaAsP ，p-InP からなるLED である。入
力光Ａ及びＢが各々同時に照射する２つのHPT の組み合
わせのうち一方のHPT にはLED が直列に接続されてお
り、この１つのユニットが２つ並列に電源に接続されて
いる。一点鎖線で囲んだ単位セルの断面構造を図17に示
す。102 は半絶縁性InP 層、103 はn-InP 層、104 はp-
InGaAsP 層、105 はn-InP 層，106 はInGaAsP 層、107
はp-InP 層、108はp-InGaAsP 層、109 はAu-Zn 層、110
はAu-Sn 層、111 はポリイミド層、112はTi/Au 層で、
104 及び106 のInGaAsP 層は各々HPT のベース層、LED
の発光層に該当する。今、入力光Ａ（又はＢ、以下括弧
の外は外に、内は内にそれぞれ対応する）のみが図17の
ように照射した場合、HPT 100 （又は100'）がオンにな
るため、それと並列に接続されているHPT 100'（又は10
0 ）はオフとなり、従ってLED 101 （又は101'）のみが
発光する。他方、入力光Ａ及びＢが同時に照射された場
合、LED 101 及び101'に接続していないHPT のみがオン
になるため、その結果LED 101 及び101'は共に電流が流
れず発光しない。入力光Ａ及びＢが共に無い場合にはど
こにも電流が流れないため、発光もない。以上の各場合
の動作から、HPT への入力光Ａ及びＢとLED からの出力
光ＣとＤの和の間にはちょうど排他的論理和（XOR ）の
関係があることがわかる。
【０００４】図18に従来技術による共鳴トンネルダイオ
ードを用いたXOR 光論理素子を示す。ここでは、波長１
μm 帯で動作するInGaAsP/InGaAlAs系半導体を用いた半
導体光機能素子の無バイアス時のバンドダイアグラムを
示している。201 はp-InP 層、202 は一方の界面にPN接
合を有しキャリア注入により発光もしくは光透過率が変
調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長λg 〜1.55μm
）、203 はn-InP 層、204 は特定の波長の光を照射す
ることによりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生
成し得るi-InGaAs光吸収層（λg 〜1.65μm ）、205 は
i-InAlAsトンネル障壁層、206 は歪InGaAs又は歪InAs量
子井戸層、207 はi-InAlAsトンネル障壁層、208 はp-In
GaAs層、209 はi-InAlAs層、そして210 はn-InP 層であ
る。ここで、205 ，206 及び207 はいわゆる共鳴トンネ
ルダイオード（RTD ）211 を、そして204 ，208 及び20
9 はいわゆる三角バリアダイオード（TBD ）212 を各々
構成しており、RTD 211 がTBD 212 の一方のi 層中に設
けられた構造となっている。なお、破線はフェルミ準位
である。この素子は適度な強度の入射光が入射した時の
み活性層202 を光学利得が大きく、発光もしくはレーザ
発振をも得ることができるオン状態とし、他方、入射光
が無いかもしくは過大な強度の場合には光学損失が大き
く、発光もほとんど無いオフ状態となるように、光照射
により直接光信号を制御し得る光機能素子である。この
際、TBD 212 の光に対する高感度性により、微小光によ
り高効率でコントラストの大きい特性を得ることができ
る。また、入出力特性において、双安定状態を実現する
ことができる。
ードを用いたXOR 光論理素子を示す。ここでは、波長１
μm 帯で動作するInGaAsP/InGaAlAs系半導体を用いた半
導体光機能素子の無バイアス時のバンドダイアグラムを
示している。201 はp-InP 層、202 は一方の界面にPN接
合を有しキャリア注入により発光もしくは光透過率が変
調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長λg 〜1.55μm
）、203 はn-InP 層、204 は特定の波長の光を照射す
ることによりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生
成し得るi-InGaAs光吸収層（λg 〜1.65μm ）、205 は
i-InAlAsトンネル障壁層、206 は歪InGaAs又は歪InAs量
子井戸層、207 はi-InAlAsトンネル障壁層、208 はp-In
GaAs層、209 はi-InAlAs層、そして210 はn-InP 層であ
る。ここで、205 ，206 及び207 はいわゆる共鳴トンネ
ルダイオード（RTD ）211 を、そして204 ，208 及び20
9 はいわゆる三角バリアダイオード（TBD ）212 を各々
構成しており、RTD 211 がTBD 212 の一方のi 層中に設
けられた構造となっている。なお、破線はフェルミ準位
である。この素子は適度な強度の入射光が入射した時の
み活性層202 を光学利得が大きく、発光もしくはレーザ
発振をも得ることができるオン状態とし、他方、入射光
が無いかもしくは過大な強度の場合には光学損失が大き
く、発光もほとんど無いオフ状態となるように、光照射
により直接光信号を制御し得る光機能素子である。この
際、TBD 212 の光に対する高感度性により、微小光によ
り高効率でコントラストの大きい特性を得ることができ
る。また、入出力特性において、双安定状態を実現する
ことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の光
帰還を用いたXOR などの論理動作をする光機能素子は、
光信号をフォトトランジスタにより電気信号に変換後さ
らに動作速度の遅い発光ダイオードを駆動して光出力と
することから動作速度をそれほど速くすることができな
いという欠点があり、また構造や作製プロセスが複雑で
あるなどの問題点があった。また従来のRTD を用いたXO
R 光論理素子は内部電界のかかるｉ層内に共鳴トンネル
ダイオードを設けているため共鳴トンネルダイオード固
有の負性抵抗特性が不明瞭になりやすく、コントラスト
の高い光論理動作が得られにくいばかりか、光吸収層で
発生したキャリアが電界により流れる際ポテンシャルバ
リアにより妨げられるため、光応答速度が遅くなるとい
う欠点があった。
帰還を用いたXOR などの論理動作をする光機能素子は、
光信号をフォトトランジスタにより電気信号に変換後さ
らに動作速度の遅い発光ダイオードを駆動して光出力と
することから動作速度をそれほど速くすることができな
いという欠点があり、また構造や作製プロセスが複雑で
あるなどの問題点があった。また従来のRTD を用いたXO
R 光論理素子は内部電界のかかるｉ層内に共鳴トンネル
ダイオードを設けているため共鳴トンネルダイオード固
有の負性抵抗特性が不明瞭になりやすく、コントラスト
の高い光論理動作が得られにくいばかりか、光吸収層で
発生したキャリアが電界により流れる際ポテンシャルバ
リアにより妨げられるため、光応答速度が遅くなるとい
う欠点があった。
【０００６】本発明は、光の高速性を活かした超高速で
高いコントラストを有する論理動作を行う半導体光機能
素子を提供することを目的とする。
高いコントラストを有する論理動作を行う半導体光機能
素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による半導体光機能素子は、nipin 又はpini
p 構造を有するいわゆる三角バリアの一方のi 層である
光吸収層以外に負性抵抗特性を有する共鳴トンネルダイ
オードを設けることにより、照射光量を増加するにつれ
透過電流を上昇から減少に変化させるとともに、その変
化量を高コントラスト化し、かつ超高速な論理動作を行
うことを可能とした構成を有している。即ち、本発明に
よる半導体光機能素子は、半導体多層構造と、共鳴トン
ネルダイオードと、電圧印加用の複数の電極とを備えた
半導体光機能素子であって、 前記半導体多層構造は、第
１の導電型の第１の半導体層，i 型の第１の半導体層，
第２の導電型の第１の半導体層，ｉ型の第２の半導体光
吸収層，第１の導電型の第２の半導体層が順次積層され
た構成を有し、 前記共鳴トンネルダイオードは、該ｉ型
の第２の半導体光吸収層以外の部分に第１のトンネル障
壁層，量子井戸層，および第２のトンネル障壁層を含む
ように構成され、 前記複数の電極の一つは、前記半導体
多層構造又は前記共鳴トンネルダイオードの頂上表面上
に該頂上表面の一部を覆うように形成され、該半導体光
機能素子に入射する制御光は前記頂上表面の内の該複数
の電極の一つで覆われていない残余表面を介して印加さ
れるように配置された構成を有している。
に、本発明による半導体光機能素子は、nipin 又はpini
p 構造を有するいわゆる三角バリアの一方のi 層である
光吸収層以外に負性抵抗特性を有する共鳴トンネルダイ
オードを設けることにより、照射光量を増加するにつれ
透過電流を上昇から減少に変化させるとともに、その変
化量を高コントラスト化し、かつ超高速な論理動作を行
うことを可能とした構成を有している。即ち、本発明に
よる半導体光機能素子は、半導体多層構造と、共鳴トン
ネルダイオードと、電圧印加用の複数の電極とを備えた
半導体光機能素子であって、 前記半導体多層構造は、第
１の導電型の第１の半導体層，i 型の第１の半導体層，
第２の導電型の第１の半導体層，ｉ型の第２の半導体光
吸収層，第１の導電型の第２の半導体層が順次積層され
た構成を有し、 前記共鳴トンネルダイオードは、該ｉ型
の第２の半導体光吸収層以外の部分に第１のトンネル障
壁層，量子井戸層，および第２のトンネル障壁層を含む
ように構成され、 前記複数の電極の一つは、前記半導体
多層構造又は前記共鳴トンネルダイオードの頂上表面上
に該頂上表面の一部を覆うように形成され、該半導体光
機能素子に入射する制御光は前記頂上表面の内の該複数
の電極の一つで覆われていない残余表面を介して印加さ
れるように配置された構成を有している。
【０００８】
【実施例１】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は、本発明による半導体光機能素子の
無バイアス時のバンドダイアグラムを示している。ここ
では、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/InGaAlAs系半導
体を用いて説明する。１はp-InP 層、２は一方の界面に
PN接合を有しキャリア注入により発光もしくは光透過率
を変調することができるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長
λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３はn-InP 層（厚
さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光を照射すること
によりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生成し得
るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λg 〜1.65μm 、
厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約
50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又はn-InP 層、８はn-In
GaAs層、９はi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚
さ約3nm ）、10は歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層（厚さ
約7nm ）、11はi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層
（厚さ約3nm ）12はn-InGaAs層である。９，10及び11は
いわゆる共鳴トンネルダイオード（RTD ）14を、そして
４，５及び６はいわゆる三角バリアダイオード（TBD ）
13を各々構成しており、RTD14 がTBD13 の外部に設けら
れた構造となっている。なお、破線はフェルミ準位であ
る。
に説明する。図１は、本発明による半導体光機能素子の
無バイアス時のバンドダイアグラムを示している。ここ
では、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/InGaAlAs系半導
体を用いて説明する。１はp-InP 層、２は一方の界面に
PN接合を有しキャリア注入により発光もしくは光透過率
を変調することができるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長
λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３はn-InP 層（厚
さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光を照射すること
によりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生成し得
るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λg 〜1.65μm 、
厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約
50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又はn-InP 層、８はn-In
GaAs層、９はi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚
さ約3nm ）、10は歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層（厚さ
約7nm ）、11はi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層
（厚さ約3nm ）12はn-InGaAs層である。９，10及び11は
いわゆる共鳴トンネルダイオード（RTD ）14を、そして
４，５及び６はいわゆる三角バリアダイオード（TBD ）
13を各々構成しており、RTD14 がTBD13 の外部に設けら
れた構造となっている。なお、破線はフェルミ準位であ
る。
【０００９】まず最初に本発明の各構成層の基本機能に
ついて説明する。RTD14 は、禁制帯エネルギー幅がより
大きな障壁層９及び11と、これらに挟まれた量子井戸層
10からなる。障壁層９及び11の層厚は約3nm 程度と薄い
ため、エミッタ層に該当するn-InGaAs層12の伝導帯の電
子はトンネル効果により量子井戸層10内にしみ込むこと
が可能であるが、量子井戸層内で電子が多重反射するた
め通過し得るエネルギー準位は離散的な量子エネルギー
準位Ｅ1 に限られる。従って、RTD14 の両端にかかる電
圧が小さい場合、すなわちRTD 14のコレクタ層に該当す
るn-InGaAs層８に印加される正極性の印加電圧が小さい
場合には、図２に示すようにエミッタ層12において電子
が存在し得る伝導帯底のエネルギーＥ0 に対してＥ0 ＜
Ｅ1 であるため、エミッタ層12から電子は殆ど流れな
い。ここで、徐々にRTD14 の両端の電圧を増加するにつ
れＥ1 とＥ0 との差は減少するため電子は流れ始め、図
３に示すように電圧でＥ0 ≒Ｅ1 となると、エミッタ層
12と量子井戸層10のエネルギー準位は一致するため、電
子は共鳴的に流れる。さらに、電圧を印加すると今度は
Ｅ0 ＞Ｅ1 となるため、電子は量子井戸内で存在し難く
なるため、図４で示したようにかえって電子流は低下す
る。そして、印加電圧が一層大きくなると、電子が障壁
層の上を乗り越えて流れるため再度電子流が増加する。
すなわち、RTD14 の電流ー電圧特性は、図５の実線のよ
うにいわゆるＮ字形を示す。一方、TBD13 では、多数キ
ャリアである電子はn-InGaAlAs又はn-InP 層7 とi-InGa
AlAs又はi-InP 層6 のp-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に接
する境界の伝導帯底のエネルギー差ΔＥc をバリアとし
て見ることになり、TBD13 のコレクタ層３側に正極性の
バイアス電圧をかけた場合、これを乗り越える成分のみ
が電子流として流れる。この際、バリアΔＥc の制御
は、n-InGaAlAs又はn-InP 層７とp-InGaAs又はp-InGaAs
P 層５の間に順バイアスを印加することにより極めて効
率的に行われ、該順バイアスを光照射で行うことにより
高感度な光検出器として機能させることができる。
ついて説明する。RTD14 は、禁制帯エネルギー幅がより
大きな障壁層９及び11と、これらに挟まれた量子井戸層
10からなる。障壁層９及び11の層厚は約3nm 程度と薄い
ため、エミッタ層に該当するn-InGaAs層12の伝導帯の電
子はトンネル効果により量子井戸層10内にしみ込むこと
が可能であるが、量子井戸層内で電子が多重反射するた
め通過し得るエネルギー準位は離散的な量子エネルギー
準位Ｅ1 に限られる。従って、RTD14 の両端にかかる電
圧が小さい場合、すなわちRTD 14のコレクタ層に該当す
るn-InGaAs層８に印加される正極性の印加電圧が小さい
場合には、図２に示すようにエミッタ層12において電子
が存在し得る伝導帯底のエネルギーＥ0 に対してＥ0 ＜
Ｅ1 であるため、エミッタ層12から電子は殆ど流れな
い。ここで、徐々にRTD14 の両端の電圧を増加するにつ
れＥ1 とＥ0 との差は減少するため電子は流れ始め、図
３に示すように電圧でＥ0 ≒Ｅ1 となると、エミッタ層
12と量子井戸層10のエネルギー準位は一致するため、電
子は共鳴的に流れる。さらに、電圧を印加すると今度は
Ｅ0 ＞Ｅ1 となるため、電子は量子井戸内で存在し難く
なるため、図４で示したようにかえって電子流は低下す
る。そして、印加電圧が一層大きくなると、電子が障壁
層の上を乗り越えて流れるため再度電子流が増加する。
すなわち、RTD14 の電流ー電圧特性は、図５の実線のよ
うにいわゆるＮ字形を示す。一方、TBD13 では、多数キ
ャリアである電子はn-InGaAlAs又はn-InP 層7 とi-InGa
AlAs又はi-InP 層6 のp-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に接
する境界の伝導帯底のエネルギー差ΔＥc をバリアとし
て見ることになり、TBD13 のコレクタ層３側に正極性の
バイアス電圧をかけた場合、これを乗り越える成分のみ
が電子流として流れる。この際、バリアΔＥc の制御
は、n-InGaAlAs又はn-InP 層７とp-InGaAs又はp-InGaAs
P 層５の間に順バイアスを印加することにより極めて効
率的に行われ、該順バイアスを光照射で行うことにより
高感度な光検出器として機能させることができる。
【００１０】本発明は、RTD のかかるＮ字形特性を有す
る機能と、TBD の光照射に対する高感度な電流制御機能
及びその際のi 層内の内部電界の変化を巧みに利用した
ものであり、次に本発明の動作原理を述べる。
る機能と、TBD の光照射に対する高感度な電流制御機能
及びその際のi 層内の内部電界の変化を巧みに利用した
ものであり、次に本発明の動作原理を述べる。
【００１１】通常、本素子の両端には、少なくとも図２
のように活性層２の界面のPN接合のエネルギーギャプを
補償し、かつ光が無照射の場合にRTD14 においてＥ0 ＜
Ｅ1となるようにTBD13 及びRTD14 全体を適度にバイア
スする程度の順バイアスＶ0が印加されている。このう
ちn-InP 層3 とn-InGaAs層12の間にかかる電圧をＶ0'と
した場合の、RTD14 部及びTBD13 部の電流対電圧特性
を、図５に各々実線及び一点鎖線で示す。なお、TBD 13
の特性については種々の光照射量の場合について示して
ある。ここで光照射が無い場合、すなわちＰc ＝０の時
を図５において▽印で示したが、電圧Ｖ0'のうちほとん
どがTBD13 部にかかっており、RTD14 にほとんど印加さ
れていないためにＥ0 ＜Ｅ1 となっていることや、まだ
p-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に付加的なバイアスが掛か
っていないためエネルギー差ΔＥcが大きいことから、
素子全体に流れる電流Ｉt はほとんど０となり、従っ
て、活性層２へは電流が注入されず、発光もなく、光透
過率も極めて小さい。
のように活性層２の界面のPN接合のエネルギーギャプを
補償し、かつ光が無照射の場合にRTD14 においてＥ0 ＜
Ｅ1となるようにTBD13 及びRTD14 全体を適度にバイア
スする程度の順バイアスＶ0が印加されている。このう
ちn-InP 層3 とn-InGaAs層12の間にかかる電圧をＶ0'と
した場合の、RTD14 部及びTBD13 部の電流対電圧特性
を、図５に各々実線及び一点鎖線で示す。なお、TBD 13
の特性については種々の光照射量の場合について示して
ある。ここで光照射が無い場合、すなわちＰc ＝０の時
を図５において▽印で示したが、電圧Ｖ0'のうちほとん
どがTBD13 部にかかっており、RTD14 にほとんど印加さ
れていないためにＥ0 ＜Ｅ1 となっていることや、まだ
p-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に付加的なバイアスが掛か
っていないためエネルギー差ΔＥcが大きいことから、
素子全体に流れる電流Ｉt はほとんど０となり、従っ
て、活性層２へは電流が注入されず、発光もなく、光透
過率も極めて小さい。
【００１２】次に、外部より波長1.57μm 、光強度Ｐ3
の光を照射し、光吸収層４で吸収させる。これにより、
光吸収層４にはキャリアが誘起され、電子はn-InP 層３
を介して活性層２へ輸送され、他方、正孔はポテンシャ
ルの低いp-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に移動し、トラッ
プされる。その結果、図３に示すようにp-InGaAs又はp-
InGaAsP 層5 はポテンシャルが下がり、TBD13 のバリア
ΔＥc は小さくなるため、電子がn-InGaAlAs又はn-InP
層7 よりバリアを乗り越えて右方向に流れる。これによ
りn-InGaAs層8 にあった電子は減少し、RTD14 をよりバ
イアスさせるため、共鳴準位Ｅ1 とＥ0 の差が減少し、
RTD14 を流れる電流が増加する。このようなキャリアと
バイアスのバランスにより結果的に電流Ｉt が流れ始め
る（図５の□印）。ここで、入射光Ｐc の強度を、該エ
ネルギー差がほぼ０となるような光強度Ｐ1 を選ぶこと
により、RTD14 の透過電子数は最大となる。この場合を
図５において○印で示す。これらのキャリアがn-InP 層
３を通り、活性層２に注入し、活性層２の光学利得を負
から正へと変化させることができる。即ち、活性層２に
例えば波長1.55μm の信号光が入力されていれば、元々
活性層の損失が大きく出力されなかったものが、制御光
Ｐc により損失が補償もしくは利得をも与えられて、他
端から出力されるようになる。また、外部からの信号光
が無い場合でも、活性層２内のキャリア注入により発光
が得られ、さらに共振器を活性層２に設けることにより
レーザ発振も可能である。なお、光照射に対するTBD13
のｐ層へのバイアス効果は極めて高感度なため、前記変
化を高効率で実現することができる。
の光を照射し、光吸収層４で吸収させる。これにより、
光吸収層４にはキャリアが誘起され、電子はn-InP 層３
を介して活性層２へ輸送され、他方、正孔はポテンシャ
ルの低いp-InGaAs又はp-InGaAsP 層５に移動し、トラッ
プされる。その結果、図３に示すようにp-InGaAs又はp-
InGaAsP 層5 はポテンシャルが下がり、TBD13 のバリア
ΔＥc は小さくなるため、電子がn-InGaAlAs又はn-InP
層7 よりバリアを乗り越えて右方向に流れる。これによ
りn-InGaAs層8 にあった電子は減少し、RTD14 をよりバ
イアスさせるため、共鳴準位Ｅ1 とＥ0 の差が減少し、
RTD14 を流れる電流が増加する。このようなキャリアと
バイアスのバランスにより結果的に電流Ｉt が流れ始め
る（図５の□印）。ここで、入射光Ｐc の強度を、該エ
ネルギー差がほぼ０となるような光強度Ｐ1 を選ぶこと
により、RTD14 の透過電子数は最大となる。この場合を
図５において○印で示す。これらのキャリアがn-InP 層
３を通り、活性層２に注入し、活性層２の光学利得を負
から正へと変化させることができる。即ち、活性層２に
例えば波長1.55μm の信号光が入力されていれば、元々
活性層の損失が大きく出力されなかったものが、制御光
Ｐc により損失が補償もしくは利得をも与えられて、他
端から出力されるようになる。また、外部からの信号光
が無い場合でも、活性層２内のキャリア注入により発光
が得られ、さらに共振器を活性層２に設けることにより
レーザ発振も可能である。なお、光照射に対するTBD13
のｐ層へのバイアス効果は極めて高感度なため、前記変
化を高効率で実現することができる。
【００１３】さらに入射光Ｐc の強度を増加し、Ｐ2 と
すると、一層光吸収層４での誘起キャリアが増加し、益
々p-InGaAs又はp-InGaAsP 層５のポテンシャルを下げ、
RTD14 をバイアスすることになる。この場合のバンドダ
イアグラムを図４に、また、動作点を図５の△印で示
す。これにより、RTD14 の量子準位Ｅ1 はＥ0 より下が
るため、n-InGaAs層８から光吸収層４の方向に流れる電
子の数は急激に減少する。従って、活性層２へのキャリ
ア注入も極めて少なくなり、光学利得は再び負となる。
即ち、活性層２からの発光、発振は抑圧されると共に、
外部からの信号光も透過されない。
すると、一層光吸収層４での誘起キャリアが増加し、益
々p-InGaAs又はp-InGaAsP 層５のポテンシャルを下げ、
RTD14 をバイアスすることになる。この場合のバンドダ
イアグラムを図４に、また、動作点を図５の△印で示
す。これにより、RTD14 の量子準位Ｅ1 はＥ0 より下が
るため、n-InGaAs層８から光吸収層４の方向に流れる電
子の数は急激に減少する。従って、活性層２へのキャリ
ア注入も極めて少なくなり、光学利得は再び負となる。
即ち、活性層２からの発光、発振は抑圧されると共に、
外部からの信号光も透過されない。
【００１４】光入射強度をＰ2 からＰ1 に減少させた場
合、動作状態はそれまでの履歴をたどるため、Ｎ字型の
RTD14 の特性曲線とTBD13 の特性曲線との交点のうち図
５の△印の状態をとり、従って、素子を流れる電流Ｉt
は低いレベルを維持する。そして、さらに光強度をＰ3
と低下させると、今度は両特性曲線の交点はひとつであ
るため、電流Ｉt は□印となる。
合、動作状態はそれまでの履歴をたどるため、Ｎ字型の
RTD14 の特性曲線とTBD13 の特性曲線との交点のうち図
５の△印の状態をとり、従って、素子を流れる電流Ｉt
は低いレベルを維持する。そして、さらに光強度をＰ3
と低下させると、今度は両特性曲線の交点はひとつであ
るため、電流Ｉt は□印となる。
【００１５】以上のような動作から、入射光強度Ｐc に
対する素子に流れる電流Ｉt の関係は図６のようにな
る。すなわち、本発明は適度な強度の入射光が入射した
時のみ活性層２を光学利得が大きく、発光もしくはレー
ザ発振をも得ることができるオン状態とし、他方、入射
光が無いかもしくは過大な強度の場合には光学損失が大
きく、発光もほとんど無いオフ状態となるように、光照
射により直接光信号を制御し得る光機能素子が実現され
る。この際、TBD13 の光に対する高感度性により、微小
光により高効率でコントラストの大きい特性を得ること
ができる。また、入出力特性において、双安定状態を実
現することができる。
対する素子に流れる電流Ｉt の関係は図６のようにな
る。すなわち、本発明は適度な強度の入射光が入射した
時のみ活性層２を光学利得が大きく、発光もしくはレー
ザ発振をも得ることができるオン状態とし、他方、入射
光が無いかもしくは過大な強度の場合には光学損失が大
きく、発光もほとんど無いオフ状態となるように、光照
射により直接光信号を制御し得る光機能素子が実現され
る。この際、TBD13 の光に対する高感度性により、微小
光により高効率でコントラストの大きい特性を得ること
ができる。また、入出力特性において、双安定状態を実
現することができる。
【００１６】
【実施例２】図７に実際の素子構造に適用した第２の実
施例を示す。本実施例は、光論理素子として用いた半導
体光機能素子である。ここでは、波長１μm 帯で動作す
るInGaAsP/InGaAlAs系半導体を用いて説明する。１はp-
InP 層、２は一方の界面にPN接合を有しキャリア注入に
より発光もしくは光透過率が変調できるInGaAsP 活性層
（禁制帯幅波長λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３
はn-InP 層（厚さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光
を照射することによりこれを吸収し電子及び正孔のキャ
リアを生成し得るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λ
g 〜1.65μm 、厚さ約１〜２μm ）、14は図１で示した
ごとくi ー InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約
3nm ）、歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層（厚さ約7nm ）
及びi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm
）からなるRTD 、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層（厚
さ約6nm ）、6 はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約50〜
200nm ）、そして、15，16及び17は電極である。電極16
は、n-InGaAs層12の上部を部分的に覆う形状となってい
る。従って、制御光Ｐc は、電極16の側の電極に覆われ
ていない部分から光吸収層４に照射される。電極15，16
間に電圧Ｖ0 を印加する。本実施例は、適度な強度の制
御光Ｐc が入射したときのみ活性層２の光学利得が大き
く、発光もしくはレーザ発振をも得ることができるオン
状態とし、他方、制御光Ｐc が無いかもしくは過大な強
度の場合には光学損失が大きく、発光もないオフ状態と
なる。
施例を示す。本実施例は、光論理素子として用いた半導
体光機能素子である。ここでは、波長１μm 帯で動作す
るInGaAsP/InGaAlAs系半導体を用いて説明する。１はp-
InP 層、２は一方の界面にPN接合を有しキャリア注入に
より発光もしくは光透過率が変調できるInGaAsP 活性層
（禁制帯幅波長λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３
はn-InP 層（厚さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光
を照射することによりこれを吸収し電子及び正孔のキャ
リアを生成し得るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λ
g 〜1.65μm 、厚さ約１〜２μm ）、14は図１で示した
ごとくi ー InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約
3nm ）、歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層（厚さ約7nm ）
及びi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm
）からなるRTD 、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層（厚
さ約6nm ）、6 はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約50〜
200nm ）、そして、15，16及び17は電極である。電極16
は、n-InGaAs層12の上部を部分的に覆う形状となってい
る。従って、制御光Ｐc は、電極16の側の電極に覆われ
ていない部分から光吸収層４に照射される。電極15，16
間に電圧Ｖ0 を印加する。本実施例は、適度な強度の制
御光Ｐc が入射したときのみ活性層２の光学利得が大き
く、発光もしくはレーザ発振をも得ることができるオン
状態とし、他方、制御光Ｐc が無いかもしくは過大な強
度の場合には光学損失が大きく、発光もないオフ状態と
なる。
【００１７】本実施例の動作について説明する。上部よ
り制御光Ｐc を入射し、その入射強度を増加する。該制
御光Ｐc は光吸収層４で吸収され、その際の生成キャリ
アに応じてRTD14 を通過する電子の数Ｉe が変調を受
け、通過電子は活性層２に注入される。これにより、活
性層２の損失は減少し、入射信号光Ｐi の透過率は上昇
し、従って活性層２の他端より出射される出力光Ｐ0 も
上昇する。他方、Ｐc がＰ1 より大きくなると、前述の
ようにRTD の電子の透過率はかえって減少し、従って、
出力光Ｐ0 も減少する。この際の光入出力特性を図８に
実線で示す。また、活性層２の端面に例えばファブリ・
ペロ共振器を設け、そのレーザしきい値を適度に設定す
ることにより、図８に破線で示したようにＰc ≒Ｐ1 の
場合のみ活性層２を含むレーザ共振器を発振させること
ができ、従って、導波路への入力光Ｐi が無くても制御
光Ｐc で変調されたレーザ光Ｐ0 を得ることができる。
尚、活性層２にレーザ共振器が設けられていなくても，
LED 状態で同様の変調された出力光Ｐ0 が得られること
は言うまでも無い。この場合の光入出力特性は実線で示
したようになる。
り制御光Ｐc を入射し、その入射強度を増加する。該制
御光Ｐc は光吸収層４で吸収され、その際の生成キャリ
アに応じてRTD14 を通過する電子の数Ｉe が変調を受
け、通過電子は活性層２に注入される。これにより、活
性層２の損失は減少し、入射信号光Ｐi の透過率は上昇
し、従って活性層２の他端より出射される出力光Ｐ0 も
上昇する。他方、Ｐc がＰ1 より大きくなると、前述の
ようにRTD の電子の透過率はかえって減少し、従って、
出力光Ｐ0 も減少する。この際の光入出力特性を図８に
実線で示す。また、活性層２の端面に例えばファブリ・
ペロ共振器を設け、そのレーザしきい値を適度に設定す
ることにより、図８に破線で示したようにＰc ≒Ｐ1 の
場合のみ活性層２を含むレーザ共振器を発振させること
ができ、従って、導波路への入力光Ｐi が無くても制御
光Ｐc で変調されたレーザ光Ｐ0 を得ることができる。
尚、活性層２にレーザ共振器が設けられていなくても，
LED 状態で同様の変調された出力光Ｐ0 が得られること
は言うまでも無い。この場合の光入出力特性は実線で示
したようになる。
【００１８】以上は制御光Ｐc として１入力の場合につ
いて示したが、重要なのは制御光の全強度であって、入
力数が幾つであっても問題ではない。次に、２入力によ
り光論理素子として適用した例について説明する。ハー
フミラー、カップラー等を用いてＰc1，Ｐc2なる２入力
を合体して１入力Ｐc を構成したとする。ここで、Ｐc1
＝Ｐc2＝Ｐ1 、Ｐc1＋Ｐc2＝Ｐ2 とし、各光強度を図７
に示した光出力Ｐ0 がピークとなる入力光強度Ｐ1 で規
格化した値を用いて、入力光の関係を真理値表で表すと
（表１）のようになる。すなわち、２入力光Ｐc1，Ｐc2
に対し排他的論理和（XOR ）に従った出力光Ｐ0 が得ら
れる光論理素子として機能させることができる。
いて示したが、重要なのは制御光の全強度であって、入
力数が幾つであっても問題ではない。次に、２入力によ
り光論理素子として適用した例について説明する。ハー
フミラー、カップラー等を用いてＰc1，Ｐc2なる２入力
を合体して１入力Ｐc を構成したとする。ここで、Ｐc1
＝Ｐc2＝Ｐ1 、Ｐc1＋Ｐc2＝Ｐ2 とし、各光強度を図７
に示した光出力Ｐ0 がピークとなる入力光強度Ｐ1 で規
格化した値を用いて、入力光の関係を真理値表で表すと
（表１）のようになる。すなわち、２入力光Ｐc1，Ｐc2
に対し排他的論理和（XOR ）に従った出力光Ｐ0 が得ら
れる光論理素子として機能させることができる。
【００１９】
【表１】 また、応答特性としては、本素子に入射光が入射し終わ
れば、光吸収層４に蓄積した正孔は数nsという短いライ
フタイムで自然消滅し、次の新たな動作が可能である
が、一層の高速動作を得るためには、図９に示すよう
に、適当なタイムクロックでp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
５にキャリア排斥用バイアス電圧Ｖr を印加するか、も
しくは、波長1.65μm 以上の光Ｐr を照射することによ
り正孔を強制的に排斥してやれば良い。すなわち、電圧
印加の場合、図７に示した実施例においては電極16と17
の間にＶr を印加すれば良い。
れば、光吸収層４に蓄積した正孔は数nsという短いライ
フタイムで自然消滅し、次の新たな動作が可能である
が、一層の高速動作を得るためには、図９に示すよう
に、適当なタイムクロックでp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
５にキャリア排斥用バイアス電圧Ｖr を印加するか、も
しくは、波長1.65μm 以上の光Ｐr を照射することによ
り正孔を強制的に排斥してやれば良い。すなわち、電圧
印加の場合、図７に示した実施例においては電極16と17
の間にＶr を印加すれば良い。
【００２０】
【実施例３】図10に本発明の第３の実施例を示す。本実
施例は、光双安定素子として用いた半導体光機能素子で
ある。ここでは、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/InGa
AlAs系半導体を用いて説明する。１はp-InP 層、２は一
方の界面にPN接合を有しキャリア注入により発光もしく
は光透過率が変調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長
λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３はn-InP 層（厚
さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光を照射すること
によりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生成し得
るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λg 〜1.65μm 、
厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約
50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又はn-InP 層（厚さ約10
0 〜300nm）、8 はn-InGaAs層（厚さ約100 〜300nm ）1
4は図１で示したごとくi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル
障壁層（厚さ約3nm ）、歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層
（厚さ約7nm ）及びi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁
層（厚さ約3nm ）からなるRTD 、18はλ/4シフト回折格
子であり、λ/4シフト回折格子18は活性層２に沿って設
けられDFB レーザ構造を形成している。19は窓構造を兼
ねたInP 埋め込み層、24はp-InGaAsP バッファ層、そし
て、15，16及び17は電極である。電極16は、n-InGaAs層
12の上部を部分的に覆う形状となっている。従って、制
御光Ｐc は、電極16の側から電極に覆われていない部分
から光吸収層４に照射される。電極15，16間に電圧Ｖ0
を印加する。さらに、活性層２及び光吸収層４の組成
を、例えば禁制帯幅波長が共に1.55μm とほぼ同じに
し、また活性層２からの発光が効果的に光吸収層４に吸
収される１〜２μm 程度と比較的近接させて配置させて
いる。
施例は、光双安定素子として用いた半導体光機能素子で
ある。ここでは、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/InGa
AlAs系半導体を用いて説明する。１はp-InP 層、２は一
方の界面にPN接合を有しキャリア注入により発光もしく
は光透過率が変調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅波長
λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、３はn-InP 層（厚
さ約１〜２μm ）、４は特定の波長の光を照射すること
によりこれを吸収し電子及び正孔のキャリアを生成し得
るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層（λg 〜1.65μm 、
厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGaAs又はp-InGaAsP 層
（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又はi-InP 層（厚さ約
50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又はn-InP 層（厚さ約10
0 〜300nm）、8 はn-InGaAs層（厚さ約100 〜300nm ）1
4は図１で示したごとくi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル
障壁層（厚さ約3nm ）、歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層
（厚さ約7nm ）及びi-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁
層（厚さ約3nm ）からなるRTD 、18はλ/4シフト回折格
子であり、λ/4シフト回折格子18は活性層２に沿って設
けられDFB レーザ構造を形成している。19は窓構造を兼
ねたInP 埋め込み層、24はp-InGaAsP バッファ層、そし
て、15，16及び17は電極である。電極16は、n-InGaAs層
12の上部を部分的に覆う形状となっている。従って、制
御光Ｐc は、電極16の側から電極に覆われていない部分
から光吸収層４に照射される。電極15，16間に電圧Ｖ0
を印加する。さらに、活性層２及び光吸収層４の組成
を、例えば禁制帯幅波長が共に1.55μm とほぼ同じに
し、また活性層２からの発光が効果的に光吸収層４に吸
収される１〜２μm 程度と比較的近接させて配置させて
いる。
【００２１】実施例３の光双安定素子と実施例２の光論
理素子の構成上の基本的な違いは、活性層２に共振器が
設けられレーザが構成されていることと、活性層２及び
光吸収層４の組成をほぼ同程度とし、また比較的接近さ
れて配置したことである。実施例３では、λ/4シフト回
折格子18が活性層２の共振器の役割を果たしている。こ
の他に、活性層２の両端にミラーを設けたり、活性層２
の両端に回折格子を設けるなどして共振器を形成すれ
ば、本発明を実施できる。本実施例３では、活性層２か
らの発光が光吸収層４で吸収される光学的に正帰還の状
態を実現することができるため、コントラストが大きく
シャープな光双安定などの非線形な動作が得られる。
理素子の構成上の基本的な違いは、活性層２に共振器が
設けられレーザが構成されていることと、活性層２及び
光吸収層４の組成をほぼ同程度とし、また比較的接近さ
れて配置したことである。実施例３では、λ/4シフト回
折格子18が活性層２の共振器の役割を果たしている。こ
の他に、活性層２の両端にミラーを設けたり、活性層２
の両端に回折格子を設けるなどして共振器を形成すれ
ば、本発明を実施できる。本実施例３では、活性層２か
らの発光が光吸収層４で吸収される光学的に正帰還の状
態を実現することができるため、コントラストが大きく
シャープな光双安定などの非線形な動作が得られる。
【００２２】本実施例の動作について説明する。制御光
強度Ｐc を上昇すると前述の本発明の動作原理によりRT
D14 の電子の透過率が上昇し、活性層２に電子が注入さ
れる。これにより活性層２は光学利得が生じ発光が増加
する。いま活性層２と光吸収層４の組成をほぼ等しく、
かつ比較的接近して配置しておけば、該活性層２からの
発光の一部Ｐf は光吸収層４で吸収され、さらにp-InGa
As又はp-InGaAsP 層５をバイアスし、より電子が透過
し、活性層２に注入され発光に共されるという正帰還が
生じるようになる。このような光学的な正帰還が生じる
構造とすると共に、さらに活性層２に回折格子を用いた
DFB 型の共振器を形成し、その発振しきい値Ｉthを最大
透過電流より小さくなるように共振器の損失を設定する
ことにより、ある入力光強度においてジャンプ状に発振
状態に到らしめることができる。一旦発振状態になる
と、該正帰還のために入力光Ｐc を低下させても発振が
維持され、一定の出力光Ｐ0 が得られる。そして、一定
の低い入力レベルにおいて、ジャンプ状に発振が停止す
る。すなわち、出力光Ｐ0 は、入力光Ｐc に対しヒステ
リシス特性を描く。この様子を図11に示す。ヒステリシ
スループ内に電圧Ｖb もしくは光Ｐcbによりバイアス
し、これにＰs なる強度の光パルスを入力することによ
り、活性層２は○印で示した発振状態へスイッチし、出
力光Ｐ0 が得られる。
強度Ｐc を上昇すると前述の本発明の動作原理によりRT
D14 の電子の透過率が上昇し、活性層２に電子が注入さ
れる。これにより活性層２は光学利得が生じ発光が増加
する。いま活性層２と光吸収層４の組成をほぼ等しく、
かつ比較的接近して配置しておけば、該活性層２からの
発光の一部Ｐf は光吸収層４で吸収され、さらにp-InGa
As又はp-InGaAsP 層５をバイアスし、より電子が透過
し、活性層２に注入され発光に共されるという正帰還が
生じるようになる。このような光学的な正帰還が生じる
構造とすると共に、さらに活性層２に回折格子を用いた
DFB 型の共振器を形成し、その発振しきい値Ｉthを最大
透過電流より小さくなるように共振器の損失を設定する
ことにより、ある入力光強度においてジャンプ状に発振
状態に到らしめることができる。一旦発振状態になる
と、該正帰還のために入力光Ｐc を低下させても発振が
維持され、一定の出力光Ｐ0 が得られる。そして、一定
の低い入力レベルにおいて、ジャンプ状に発振が停止す
る。すなわち、出力光Ｐ0 は、入力光Ｐc に対しヒステ
リシス特性を描く。この様子を図11に示す。ヒステリシ
スループ内に電圧Ｖb もしくは光Ｐcbによりバイアス
し、これにＰs なる強度の光パルスを入力することによ
り、活性層２は○印で示した発振状態へスイッチし、出
力光Ｐ0 が得られる。
【００２３】入力光強度をある値以上にすると、RTD14
の電子の透過率は減少し、活性層２への注入電流Ｉt は
しきい値以下となり、発振は停止し、△印で示したよう
に出力光はほぼ０となる。すなわち、Ｐr （＞Ｐs ）な
る入力光パルスにより出力光をリセットすることができ
る。以上より、光の正帰還を積極的に利用することによ
り、光パルスにより出力光をセット、リセットされる光
メモリを実現することができる。
の電子の透過率は減少し、活性層２への注入電流Ｉt は
しきい値以下となり、発振は停止し、△印で示したよう
に出力光はほぼ０となる。すなわち、Ｐr （＞Ｐs ）な
る入力光パルスにより出力光をリセットすることができ
る。以上より、光の正帰還を積極的に利用することによ
り、光パルスにより出力光をセット、リセットされる光
メモリを実現することができる。
【００２４】
【実施例４】以上の実施例では、RTD の量子準位として
１つの例しか示さなかったが、量子準位は複数あっても
よい。この場合、多安定動作などの高機能が実現され
る。例えば、RTD の量子井戸層厚を15nm程度にすると、
量子準位数は２になる。このときのRTD の電流対電圧特
性を図12において実線で示したが、２つのピークを有す
る特性となる。ここで、素子へＶ0 ’なる電圧を印加
し、種々の強度の光を照射した場合のTBD の特性曲線を
一点鎖線で示す。各々の照射光強度でのRTD とTBDの交
点が動作状態を示すが、照射光強度Ｐc に対する素子に
流れる電流Ｉt の関係を図13に示す。各照射光強度のと
きの動作点を、図12と該当させて番号で示し、また、光
強度の増減に対する動作点の変化を矢印で示した。図６
と同様の原理で各量子準位ごとに双安定状態が現れるこ
とがわかる。さらに、RTD の量子準位や印加バイアスを
調整することにより、ある光強度の範囲で３安定状態を
も実現される。同様の仕組みにより、量子準位数を増加
すれば、その数に該当して安定状態数も増加させること
も可能である。
１つの例しか示さなかったが、量子準位は複数あっても
よい。この場合、多安定動作などの高機能が実現され
る。例えば、RTD の量子井戸層厚を15nm程度にすると、
量子準位数は２になる。このときのRTD の電流対電圧特
性を図12において実線で示したが、２つのピークを有す
る特性となる。ここで、素子へＶ0 ’なる電圧を印加
し、種々の強度の光を照射した場合のTBD の特性曲線を
一点鎖線で示す。各々の照射光強度でのRTD とTBDの交
点が動作状態を示すが、照射光強度Ｐc に対する素子に
流れる電流Ｉt の関係を図13に示す。各照射光強度のと
きの動作点を、図12と該当させて番号で示し、また、光
強度の増減に対する動作点の変化を矢印で示した。図６
と同様の原理で各量子準位ごとに双安定状態が現れるこ
とがわかる。さらに、RTD の量子準位や印加バイアスを
調整することにより、ある光強度の範囲で３安定状態を
も実現される。同様の仕組みにより、量子準位数を増加
すれば、その数に該当して安定状態数も増加させること
も可能である。
【００２５】
【実施例５】本発明による光機能素子を複数個用い、ビ
ットパターンマッチング素子として適用した実施例を図
14に示す。ここでは、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/
InGaAlAs系半導体を用いて説明する。１はp-InP 層、２
は一方の界面にPN接合を有しキャリア注入により発光も
しくは光透過率が変調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅
波長λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、４は特定の波
長の光を照射することによりこれを吸収し電子及び正孔
のキャリアを生成し得るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収
層（λg 〜1.65μm 、厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGa
As又はp-InGaAsP 層（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又
はi-InP 層（厚さ約50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又は
n-InP 層（厚さ約100 〜300nm ）、８はn-InGaAs層（厚
さ約100〜300nm ）、14は図１で示したごとくi-InAlAs
又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm ）、歪InGaAs
又は歪InAs量子井戸層（厚さ約7nm ）及びi-InAlAs又は
歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm ）からなるRTD で
ある。18はλ/4シフト回折格子であり、λ/4シフト回折
格子18は活性層２に沿って設けられDFB レーザ構造を形
成している。19はInP 埋め込み層、20はInGaAsP 出力導
波路層、21は合波器、22は出力用端面、23は光照射用フ
ァイバ、そして、15，16及び17は電極である。本実施例
では５素子が同一基板上に集積化されており、各々５ビ
ットから成る２つの光パルス列の間のビットパターンの
相関を取る構成について述べる。
ットパターンマッチング素子として適用した実施例を図
14に示す。ここでは、波長１μm 帯で動作するInGaAsP/
InGaAlAs系半導体を用いて説明する。１はp-InP 層、２
は一方の界面にPN接合を有しキャリア注入により発光も
しくは光透過率が変調できるInGaAsP 活性層（禁制帯幅
波長λg 〜1.55μm 、厚さ約0.5 μm ）、４は特定の波
長の光を照射することによりこれを吸収し電子及び正孔
のキャリアを生成し得るi-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収
層（λg 〜1.65μm 、厚さ約１〜２μm ）、５はp-InGa
As又はp-InGaAsP 層（厚さ約6nm ）、６はi-InGaAlAs又
はi-InP 層（厚さ約50〜200nm ）、７はn-InGaAlAs又は
n-InP 層（厚さ約100 〜300nm ）、８はn-InGaAs層（厚
さ約100〜300nm ）、14は図１で示したごとくi-InAlAs
又は歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm ）、歪InGaAs
又は歪InAs量子井戸層（厚さ約7nm ）及びi-InAlAs又は
歪i-AlAsトンネル障壁層（厚さ約3nm ）からなるRTD で
ある。18はλ/4シフト回折格子であり、λ/4シフト回折
格子18は活性層２に沿って設けられDFB レーザ構造を形
成している。19はInP 埋め込み層、20はInGaAsP 出力導
波路層、21は合波器、22は出力用端面、23は光照射用フ
ァイバ、そして、15，16及び17は電極である。本実施例
では５素子が同一基板上に集積化されており、各々５ビ
ットから成る２つの光パルス列の間のビットパターンの
相関を取る構成について述べる。
【００２６】各素子は、基本的には図10に示した活性層
に沿ってλ/4シフト回折格子が設けられたDFB レーザ型
であるが、本実施例では活性層２のみならず、出力用導
波路20も埋め込み構造について示してあり、各素子から
の出力は合波器21で合波され、端面22より光出力Ｐ0 と
して出力される。次に、本実施例の動作について説明す
る。各素子には、ファイバカプラ付きの２入力ファイバ
23から、ａ，Ａなる２種類のビットパターンが各々入力
する。この際、通常ビット列ａは時系列で入力されるた
め、図15に示したような、例えばファイバ遅延線を用い
たシリアルーパラレル変換器により、同一時刻に各ビッ
トが空間的に分離されるようにし、各出力を各々Ｐ1a，
Ｐ2a，Ｐ3a，Ｐ4a，Ｐ5aに入力する。一方、該ビットパ
ターンは、別にＰ1A，Ｐ2A，Ｐ3A，Ｐ4A，Ｐ5Aに各々パ
ラレルに入力された他のビットパターンＡとファイバカ
プラで合波され、各素子に入射される。ここで各素子に
おいては、合波された入射光は光吸収層４で吸収され、
p-InGaAs又はp-InGaAsP 層5 をバイアスする。この際、
前述のように入射光パターンに応じてRTD14 を通過し、
活性層２に注入される電子の数が変化し、２つのビット
の内一方のみが”１”で他方が”０”の時のみ活性層２
は大きな利得を有し、λ/4シフト回折格子18により発振
し、その出力光は端面22より出力される。他方、２つの
ビットが”０”と”０”、もしくは”１”と”１”の場
合は活性層２に注入されず、従って、端面22からは出力
されない。すなわち、本素子は，ａおよびＡの２つのビ
ット列がすべて一致した時のみ端面22からの出力はＰ0
＝０となり、１つのビットでも不一致が生じればＰ0 ≠
０なる出力が得られ、端面20からの出力の有無によりビ
ットパターンの一致、不一致が判断できる。また、各DF
B レーザの出力波長は、λ/4シフト回折格子18の周期に
依存するため、各素子の回折格子の周期を変えておくこ
とにより出力の波長をモニタし、どのビットが不一致を
起こしたかを判別することができる。
に沿ってλ/4シフト回折格子が設けられたDFB レーザ型
であるが、本実施例では活性層２のみならず、出力用導
波路20も埋め込み構造について示してあり、各素子から
の出力は合波器21で合波され、端面22より光出力Ｐ0 と
して出力される。次に、本実施例の動作について説明す
る。各素子には、ファイバカプラ付きの２入力ファイバ
23から、ａ，Ａなる２種類のビットパターンが各々入力
する。この際、通常ビット列ａは時系列で入力されるた
め、図15に示したような、例えばファイバ遅延線を用い
たシリアルーパラレル変換器により、同一時刻に各ビッ
トが空間的に分離されるようにし、各出力を各々Ｐ1a，
Ｐ2a，Ｐ3a，Ｐ4a，Ｐ5aに入力する。一方、該ビットパ
ターンは、別にＰ1A，Ｐ2A，Ｐ3A，Ｐ4A，Ｐ5Aに各々パ
ラレルに入力された他のビットパターンＡとファイバカ
プラで合波され、各素子に入射される。ここで各素子に
おいては、合波された入射光は光吸収層４で吸収され、
p-InGaAs又はp-InGaAsP 層5 をバイアスする。この際、
前述のように入射光パターンに応じてRTD14 を通過し、
活性層２に注入される電子の数が変化し、２つのビット
の内一方のみが”１”で他方が”０”の時のみ活性層２
は大きな利得を有し、λ/4シフト回折格子18により発振
し、その出力光は端面22より出力される。他方、２つの
ビットが”０”と”０”、もしくは”１”と”１”の場
合は活性層２に注入されず、従って、端面22からは出力
されない。すなわち、本素子は，ａおよびＡの２つのビ
ット列がすべて一致した時のみ端面22からの出力はＰ0
＝０となり、１つのビットでも不一致が生じればＰ0 ≠
０なる出力が得られ、端面20からの出力の有無によりビ
ットパターンの一致、不一致が判断できる。また、各DF
B レーザの出力波長は、λ/4シフト回折格子18の周期に
依存するため、各素子の回折格子の周期を変えておくこ
とにより出力の波長をモニタし、どのビットが不一致を
起こしたかを判別することができる。
【００２７】以上のように、本発明によれば、入射光強
度に応じて出力光が変調される半導体光機能素子が実現
でき、光セット、リセットが可能な光双安定素子のみな
らず、複数の素子を用いることにより光パルス列のビッ
トパターンマッチング素子が、また、複数の量子準位の
導入により多安定状態などが実現される。実施例では、
第１の導電型としてｎ型、第２の導電型としてｐ型につ
いて述べたが、ｎ型とｐ型を逆にしても同様の機能が得
られる。但し、その場合はTBD を流れる多数キャリアは
通常質量の大きい正孔になるが、歪を導入することによ
り質量を低減化し、高速動作を得ることができる。ま
た、上述の実施例では単一量子井戸からなる共鳴トンネ
ルダイオードについて示したが、量子井戸数が複数ある
多重量子井戸型の共鳴トンネルダイオードであっても同
様の光機能動作が得られる。さらに、材料としてInGaAl
As系、InGaAsP 系を用いて説明したが、これに限らずAl
GaAsなどや、非格子整合系からなる半導体材料において
も適用することができる。そして必要ならばInP 等のエ
ッチングストップ層を入れても同様の光機能動作が得ら
れる。また、TBD とRTD は各々１つずつの場合のみ説明
したが、複数ずつ積層して形成することにより、さらに
高度な光機能が得られる。
度に応じて出力光が変調される半導体光機能素子が実現
でき、光セット、リセットが可能な光双安定素子のみな
らず、複数の素子を用いることにより光パルス列のビッ
トパターンマッチング素子が、また、複数の量子準位の
導入により多安定状態などが実現される。実施例では、
第１の導電型としてｎ型、第２の導電型としてｐ型につ
いて述べたが、ｎ型とｐ型を逆にしても同様の機能が得
られる。但し、その場合はTBD を流れる多数キャリアは
通常質量の大きい正孔になるが、歪を導入することによ
り質量を低減化し、高速動作を得ることができる。ま
た、上述の実施例では単一量子井戸からなる共鳴トンネ
ルダイオードについて示したが、量子井戸数が複数ある
多重量子井戸型の共鳴トンネルダイオードであっても同
様の光機能動作が得られる。さらに、材料としてInGaAl
As系、InGaAsP 系を用いて説明したが、これに限らずAl
GaAsなどや、非格子整合系からなる半導体材料において
も適用することができる。そして必要ならばInP 等のエ
ッチングストップ層を入れても同様の光機能動作が得ら
れる。また、TBD とRTD は各々１つずつの場合のみ説明
したが、複数ずつ積層して形成することにより、さらに
高度な光機能が得られる。
【００２８】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、三角バリア（TBD ）の一方のi層である光吸収層
以外の部分に共鳴トンネルダイオード（RTD ）を設け、
光照射によりRTD のバイアスを制御することにより、光
吸収層への入射光が所定の強度の場合に活性層から出力
光が得られ、他方、該入射光強度が所定の値以外の場合
は光が出力されないという特性を高いコントラストで有
する高速な光機能素子が実現される。これを２入力とす
ることによりXOR の光論理素子、光帰還を組み込むこと
により光セットと、リセットが可能な光双安定素子、さ
らに複数の素子を用いることにより極めて高速な光パル
ス列のビットパターンマッチング素子や多安定素子など
の種々の光機能素子を実現することができ、光信号のセ
ルフルーティング回路を用いた広帯域通信網の構築が可
能となり、その効果は極めて大きい。
れば、三角バリア（TBD ）の一方のi層である光吸収層
以外の部分に共鳴トンネルダイオード（RTD ）を設け、
光照射によりRTD のバイアスを制御することにより、光
吸収層への入射光が所定の強度の場合に活性層から出力
光が得られ、他方、該入射光強度が所定の値以外の場合
は光が出力されないという特性を高いコントラストで有
する高速な光機能素子が実現される。これを２入力とす
ることによりXOR の光論理素子、光帰還を組み込むこと
により光セットと、リセットが可能な光双安定素子、さ
らに複数の素子を用いることにより極めて高速な光パル
ス列のビットパターンマッチング素子や多安定素子など
の種々の光機能素子を実現することができ、光信号のセ
ルフルーティング回路を用いた広帯域通信網の構築が可
能となり、その効果は極めて大きい。
【図１】本発明の半導体光機能素子の熱平衡状態時のバ
ンドダイアグラムである。
ンドダイアグラムである。
【図２】本発明の半導体光機能素子の光無照射時のバン
ドダイアグラムである。
ドダイアグラムである。
【図３】本発明の半導体光機能素子のＰ1 なる強度の光
照射時でエミッタ層と量子井戸層のエネルギー準位が一
致したときのバンドダイアグラムである。
照射時でエミッタ層と量子井戸層のエネルギー準位が一
致したときのバンドダイアグラムである。
【図４】本発明の半導体光機能素子のＰ2 なる強度の光
照射時でエミッタ層のエネルギー準位の方が粒子井戸層
のエネルギー準位より高いときのバンドダイアグラムで
ある。
照射時でエミッタ層のエネルギー準位の方が粒子井戸層
のエネルギー準位より高いときのバンドダイアグラムで
ある。
【図５】本発明の半導体光機能素子の電圧対電流特性で
ある。
ある。
【図６】本発明の半導体光機能素子の光入力対電流出力
特性である。
特性である。
【図７】本発明の半導体光機能素子の第２の実施例を示
す縦断面図である。
す縦断面図である。
【図８】第２の実施例の光入出力特性である。
【図９】キャリア排斥用バイアス電圧を印加もしくは光
を照射したときのバンドダイアグラムである。
を照射したときのバンドダイアグラムである。
【図１０】本発明による半導体光機能素子の第３の実施
例を示す縦断面図である。
例を示す縦断面図である。
【図１１】第３の実施例の光入出力特性である。
【図１２】本発明による半導体光機能素子を多安定素子
に適用した実施例の電流対電圧特性である。
に適用した実施例の電流対電圧特性である。
【図１３】本発明による半導体光機能素子を多安定素子
に適用した実施例の電流対入射光強度特性である。
に適用した実施例の電流対入射光強度特性である。
【図１４】本発明による半導体光機能素子をビットパタ
ーンマッチング素子に応用した実施例である。
ーンマッチング素子に応用した実施例である。
【図１５】図14の実施例に用いるシリアル・パラレル変
換器の１例を示す図である。
換器の１例を示す図である。
【図１６】従来技術による半導体光機能素子の等価回路
図である。
図である。
【図１７】図16に相当する従来技術による半導体光機能
素子の例を示す断面図である。
素子の例を示す断面図である。
【図１８】従来技術による他の半導体光機能のバンドダ
イヤグラムである。
イヤグラムである。
１ p-InP 層 ２ InGaAsP 活性層 ３ n-InP 層 ４ i-InGaAs又はi-InGaAsP 光吸収層 ５ p-InGaAs又はp-InGaAsP 層 ６ i-InGaAlAs又はi-InP 層 ７ n-InGaAlAs又はn-InP 層 ８ n-InGaAs層 ９，１１ i-InAlAs又は歪i-AlAsトンネル障壁層 １０ 歪i-InGaAs又は歪i-InAs量子井戸層 １２ n-InGaAs層 １３ 三角バリアダイオード（TBD) １４ 共鳴トンネルダイオード (RTD) １５，１６，１７ 電極 １８ λ/4シフト回折格子 １９ ＩｎＰ埋め込み層 ２０ InGaAsP 導波路層 ２１ 合波器 ２２ 出力用端面 ２３ 光照射用ファイバ ２４ p-InGaAsP バッファ層 １００，１００’ フォトトランジスタ（HPT) １０１，１０１’ ＬＥＤ １０２ 半絶縁性InP 層 １０３ n-InP 層 １０４ p-InGaAsP 層 １０５ n-InP 層 １０６ InGaAsP 層 １０７ p-InP 層 １０８ p-InGaAsP 層 １０９ Au−Zu層 １１０ Au−Sn層 １１１ ポリイミド層 １１２ Ti／Au層 ２０１ p-InP 層 ２０２ InGaAsP 活性層 ２０３，２１０ n-InP 層 ２０４ i-InGaAs光吸収層 ２０５，２０７ i-InAlAsトンネル障壁層 ２０６ 歪InGaAs又は歪InAs量子井戸層 ２０８ p-InGaAs層 ２０９ i-InAlAs層 ２１１ 共鳴トンネルダイオード (RTD) ２１２ 三角バリアダイオード（TBD)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 5/50 ６３０ Ｈ０１Ｓ 5/50 ６３０ (56)参考文献 特開 平５−45692（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 3/02 H01L 27/15 H01L 29/205 H01L 29/68 H01L 29/88 H01S 5/50 630 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体多層構造と、共鳴トンネルダイオ
ードと、電圧印加用の複数の電極とを備えた半導体光機
能素子であって、 前記半導体多層構造は、 第１の導電型の第１の半導体
層，i 型の第１の半導体層，第２の導電型の第１の半導
体層，ｉ型の第２の半導体光吸収層，第１の導電型の第
２の半導体層が順次積層された構成を有し、前記共鳴トンネルダイオードは、 該ｉ型の第２の半導体
光吸収層以外の部分に第１のトンネル障壁層，量子井戸
層，および第２のトンネル障壁層を含むように構成さ
れ、前記複数の電極の一つは、前記半導体多層構造又は前記
共鳴トンネルダイオードの頂上表面上に該頂上表面の一
部を覆うように形成され、該半導体光機能素子に入射す
る制御光は前記頂上表面の内の該複数の電極の一つで覆
われていない残余表面を介して印加されるように配置さ
れた ことを特徴とする半導体光機能素子。 - 【請求項２】 前記i 型の第１の半導体層，前記第２の
導電型の第１の半導体層，およびｉ型の第２の半導体光
吸収層を含んで三角バリアダイオードが形成され、前記
共鳴トンネルダイオードは該三角バリアダイオード以外
の部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記
載の半導体光機能素子。 - 【請求項３】 前記半導体積層構造に、発光層もしくは
光変調層をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２
に記載の半導体光機能素子。 - 【請求項４】 前記半導体積層構造において、前記第２
の導電型の第１の半導体層と前記発光層もしくは光変調
層の間に前記ｉ型の第２の半導体光吸収層を含むことを
特徴とする請求項３に記載の半導体光機能素子。
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1994
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- 1995-03-20 US US08/406,501 patent/US5663572A/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
| KR102609449B1 (ko) * | 2021-04-02 | 2023-12-05 | 주식회사 인핸스 | 오픈 마켓 데이터베이스 구축 및 서비스 제공 장치 |
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