JP3191835B2 - 光電子集積回路 - Google Patents
光電子集積回路Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信などで
使用する、光を受信して電気信号に変換する光電子集積
回路に関するものである。
使用する、光を受信して電気信号に変換する光電子集積
回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信の発展に伴い、この分野
で使用される光受信器は高速性が要求される。この高速
性の要求を満たし、且つ小型化を実現するため様々な受
光素子とトランジスタとを組み合わせた光電子集積回路
が研究・試作されている。この様な光電子集積回路の代
表的な例として、「S.Chandrasekhar, et al. : IEEE P
hoton. Technol. Lett., Vol.3, No.9, 1991, pp.823-8
25」で示されるような、ｐｉｎ型フォトダイオードとヘ
テロ接合型バイポーラトランジスタとを含んで構成され
る受光回路を実装した光電子集積回路がある。
で使用される光受信器は高速性が要求される。この高速
性の要求を満たし、且つ小型化を実現するため様々な受
光素子とトランジスタとを組み合わせた光電子集積回路
が研究・試作されている。この様な光電子集積回路の代
表的な例として、「S.Chandrasekhar, et al. : IEEE P
hoton. Technol. Lett., Vol.3, No.9, 1991, pp.823-8
25」で示されるような、ｐｉｎ型フォトダイオードとヘ
テロ接合型バイポーラトランジスタとを含んで構成され
る受光回路を実装した光電子集積回路がある。
【０００３】図５は、この光電子集積回路の構成図であ
る。図５（ａ）は回路構成図であり、図５（ｂ）はｐｉ
ｎ型フォトダイオードとヘテロ接合型バイポーラトラン
ジスタ（以下、ＨＢＴと呼ぶ）とを形成する材料物質を
示す表である。図示のように、この光集積回路はＩｎＰ
結晶から成る半絶縁性基板の上に、ＩｎＰとＩｎＧａＡ
ｓとのヘテロ接合を利用して、受光素子であるｐｉｎ型
フォトダイオードとＨＢＴとを形成している。ここで、
ヘテロ接合する層を形成するにあたっては化学的ビーム
・エピタキシ法を使用している。こうして、この光電子
集積回路では、遮断周波数（ｆT ）＝３２ＧＨｚ、最大
発振周波数（ｆMAX ）＝２８ＧＨｚの特性を有し、波長
＝１．５μｍの光に対して５Ｇｂ／ｓで動作可能な光受
信用の光電子集積回路を実現している。
る。図５（ａ）は回路構成図であり、図５（ｂ）はｐｉ
ｎ型フォトダイオードとヘテロ接合型バイポーラトラン
ジスタ（以下、ＨＢＴと呼ぶ）とを形成する材料物質を
示す表である。図示のように、この光集積回路はＩｎＰ
結晶から成る半絶縁性基板の上に、ＩｎＰとＩｎＧａＡ
ｓとのヘテロ接合を利用して、受光素子であるｐｉｎ型
フォトダイオードとＨＢＴとを形成している。ここで、
ヘテロ接合する層を形成するにあたっては化学的ビーム
・エピタキシ法を使用している。こうして、この光電子
集積回路では、遮断周波数（ｆT ）＝３２ＧＨｚ、最大
発振周波数（ｆMAX ）＝２８ＧＨｚの特性を有し、波長
＝１．５μｍの光に対して５Ｇｂ／ｓで動作可能な光受
信用の光電子集積回路を実現している。
【０００４】更に、S.Chandrasekhar らは上記の光電子
集積回路とほぼ同様な構造を有し、ＭＯＭＢＥ法を使用
した、波長＝１．５３μｍの光に対して１０Ｇｂ／ｓで
動作可能な光受信用の光電子集積回路を報告している
（S.Chandrasekhar, et al. :Electronics Letters, Vo
l.28, No.5, 1992, pp.466-46）。
集積回路とほぼ同様な構造を有し、ＭＯＭＢＥ法を使用
した、波長＝１．５３μｍの光に対して１０Ｇｂ／ｓで
動作可能な光受信用の光電子集積回路を報告している
（S.Chandrasekhar, et al. :Electronics Letters, Vo
l.28, No.5, 1992, pp.466-46）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】光電子集積回路の入力
換算雑音スペクトル密度（Ｎ（ｆ））は、次の式で表さ
れる（T.V.Muoi, IEEE/OSA Jornal of Lightwave Techn
ology, Vol.LT-2, No.3,1984, pp243-267）。 N(f)=4kT/RF +2eIb +2eIc (2π CT ) 2 /gm 2 + 4kTrbb′ (2π Cdsf ) 2 f 2 ・・・（１） ここで、N(f)：入力換算雑音スペクトル密度 f ：周波数 k ：ボルツマン定数 T ：絶対温度 RF ：フィードバック抵抗値 e ：電荷素量 Ib ：ベース電流 Ic ：コレクタ電流 CT ：全入力容量 gm ：トタンジスタの電流増幅率 rbb′ ：ベース抵抗 Cdsf ：受光素子容量と浮遊容量とフィードバック容量
との和 上記のような、光入力に伴う受光素子での発生電流の初
段増幅を，ＨＢＴを使用したエミッタ接地型増幅回路で
増幅した場合には、入力換算雑音スペクトル密度は、
（１）式の第２項で表されるベース電流による雑音成分
が支配的となることが知られている。すなわち、入力換
算雑音スペクトル密度は、近似的に次の式で表すことが
できる。 N(f)〜2eI b ・・・（２） 従って、このベース電流による雑音成分の量が高感度化
の限界となっている。
換算雑音スペクトル密度（Ｎ（ｆ））は、次の式で表さ
れる（T.V.Muoi, IEEE/OSA Jornal of Lightwave Techn
ology, Vol.LT-2, No.3,1984, pp243-267）。 N(f)=4kT/RF +2eIb +2eIc (2π CT ) 2 /gm 2 + 4kTrbb′ (2π Cdsf ) 2 f 2 ・・・（１） ここで、N(f)：入力換算雑音スペクトル密度 f ：周波数 k ：ボルツマン定数 T ：絶対温度 RF ：フィードバック抵抗値 e ：電荷素量 Ib ：ベース電流 Ic ：コレクタ電流 CT ：全入力容量 gm ：トタンジスタの電流増幅率 rbb′ ：ベース抵抗 Cdsf ：受光素子容量と浮遊容量とフィードバック容量
との和 上記のような、光入力に伴う受光素子での発生電流の初
段増幅を，ＨＢＴを使用したエミッタ接地型増幅回路で
増幅した場合には、入力換算雑音スペクトル密度は、
（１）式の第２項で表されるベース電流による雑音成分
が支配的となることが知られている。すなわち、入力換
算雑音スペクトル密度は、近似的に次の式で表すことが
できる。 N(f)〜2eI b ・・・（２） 従って、このベース電流による雑音成分の量が高感度化
の限界となっている。
【０００６】本発明は、以上の状況を鑑みてなされたも
のであり、従来の動作速度性能を損なわずに、低ノイズ
化を図ることにより高感度な光電子集積回路を提供する
ことを目的とする。
のであり、従来の動作速度性能を損なわずに、低ノイズ
化を図ることにより高感度な光電子集積回路を提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光電子集積回路
は、半絶縁性の基板上に、（ａ）第１の半導体物質から
成る光吸収部を有する受光素子と、（ｂ）第１の導電
型を有する第２の半導体物質から成るベース部と、ベ
ース部に接して形成された第３の半導体物質から成るト
ンネルバリア部と、ベース部に対してトンネルバリア
部の反対側の領域に形成された、第２の導電型を有する
第４の半導体物質から成るエミッタ部と、トンネルバ
リア部に対してベース部の反対側の領域に形成された、
第２の導電型を有する第５の半導体物質から成るコレク
タ部と、から構成されるトンネル・エミッタ・バイポー
ラ・トランジスタと、をモノリシックに含んで構成され
ており、第１の半導体物質のバンドギャップ値は、第２
の半導体物質のバンドギャップ値よりも大きい、ことを
特徴とする。
は、半絶縁性の基板上に、（ａ）第１の半導体物質から
成る光吸収部を有する受光素子と、（ｂ）第１の導電
型を有する第２の半導体物質から成るベース部と、ベ
ース部に接して形成された第３の半導体物質から成るト
ンネルバリア部と、ベース部に対してトンネルバリア
部の反対側の領域に形成された、第２の導電型を有する
第４の半導体物質から成るエミッタ部と、トンネルバ
リア部に対してベース部の反対側の領域に形成された、
第２の導電型を有する第５の半導体物質から成るコレク
タ部と、から構成されるトンネル・エミッタ・バイポー
ラ・トランジスタと、をモノリシックに含んで構成され
ており、第１の半導体物質のバンドギャップ値は、第２
の半導体物質のバンドギャップ値よりも大きい、ことを
特徴とする。
【０００８】ここで、第３の半導体物質のバンドギャッ
プ値は、第２の半導体物質のバンドギャップ値および第
４の半導体物質のバンドギャップ値よりも大きい、こと
を特徴としてもよい。
プ値は、第２の半導体物質のバンドギャップ値および第
４の半導体物質のバンドギャップ値よりも大きい、こと
を特徴としてもよい。
【０００９】また、（１）第１の半導体物質はＧａＩｎ
ＡｓＰ混晶であり、第２の半導体物質はＧａＩｎＡｓ混
晶であり、第３の半導体物質はＩｎＰ結晶である、こと
を特徴としてもよいし、（２）第１の半導体物質はＧａ
ＩｎＡｓＰ混晶であり、第２の半導体物質はＧａＩｎＡ
ｓ混晶であり、第３の半導体物質はＡｌＩｎＡｓ混晶で
ある、ことを特徴としてもよい。
ＡｓＰ混晶であり、第２の半導体物質はＧａＩｎＡｓ混
晶であり、第３の半導体物質はＩｎＰ結晶である、こと
を特徴としてもよいし、（２）第１の半導体物質はＧａ
ＩｎＡｓＰ混晶であり、第２の半導体物質はＧａＩｎＡ
ｓ混晶であり、第３の半導体物質はＡｌＩｎＡｓ混晶で
ある、ことを特徴としてもよい。
【００１０】また、受光素子は、ｐｉｎフォトダイオー
ド、アバランシェ・フォトダイオード、及び金属−半導
体−金属フォトディテクタのいずれかである、ことを特
徴としてもよい。
ド、アバランシェ・フォトダイオード、及び金属−半導
体−金属フォトディテクタのいずれかである、ことを特
徴としてもよい。
【００１１】更に、基板上にエピタキシャル層成長によ
り形成されたトンネル・エミッタ・バイポーラ・トラン
ジスタと、トンネル・エミッタ・バイポーラ・トランジ
スタを形成するためのエピタキシャル層成長に引き続き
連続的に行われるエピタキシャル成長により形成された
ｐｉｎ型フォトダイオードと、を含んで構成されること
を特徴としてもよいし、第３の半導体物質からなるトン
ネルバリア部の厚さが２００Å以下である、ことを特徴
としてもよい。
り形成されたトンネル・エミッタ・バイポーラ・トラン
ジスタと、トンネル・エミッタ・バイポーラ・トランジ
スタを形成するためのエピタキシャル層成長に引き続き
連続的に行われるエピタキシャル成長により形成された
ｐｉｎ型フォトダイオードと、を含んで構成されること
を特徴としてもよいし、第３の半導体物質からなるトン
ネルバリア部の厚さが２００Å以下である、ことを特徴
としてもよい。
【００１２】
【作用】本発明の光電子集積回路では、外部からの受光
があった時に受光素子で電流が発生し、この電流の変化
が電気信号として後段回路に入力し、所定の増幅・整形
が施されて出力される。この受光素子で発生した電流を
初段のトランジスタで増幅した結果、信号に含まれる雑
音成分は、前述のように（２）式で表される。
があった時に受光素子で電流が発生し、この電流の変化
が電気信号として後段回路に入力し、所定の増幅・整形
が施されて出力される。この受光素子で発生した電流を
初段のトランジスタで増幅した結果、信号に含まれる雑
音成分は、前述のように（２）式で表される。
【００１３】ところで、（２）式は次のように変形され
る。 N(f)〜2eI b ＝2eI c ／β・・・（３） ここで、β：初段トランジスタの増幅率 すなわち、βが大きい程、発生ノイズ量は減少できる。
したがって、動作速度性能を同程度とした場合、従来の
ＨＢＴのβよりも本発明で使用するＴＥＢＴのβは大き
くすることが可能なので、本発明の光電子集積回路は従
来よりも発生ノイズ量を低減して高感度動作を行う。
る。 N(f)〜2eI b ＝2eI c ／β・・・（３） ここで、β：初段トランジスタの増幅率 すなわち、βが大きい程、発生ノイズ量は減少できる。
したがって、動作速度性能を同程度とした場合、従来の
ＨＢＴのβよりも本発明で使用するＴＥＢＴのβは大き
くすることが可能なので、本発明の光電子集積回路は従
来よりも発生ノイズ量を低減して高感度動作を行う。
【００１４】また、本発明の光電子集積回路では、受光
素子の光吸収部のバンドギャップ値をトンネル・エミッ
タ・バイポーラ・トランジスタのベース部のバンドギャ
ップ値よりも大きく設定しているため、上記の本発明の
光電子集積回路の作用に加えて以下の作用がある。外部
からの受光が無い時にベース部を電流が流れるＴＥＢＴ
が受光素子の近傍に存在し、発光性再結合によりベース
部のバンドギャップに応じた光を発生することがある。
しかし、この光が受光素子の光吸収部に照射されても、
受光素子の光吸収部のバンドギャップがＴＥＢＴのベー
ス部のバンドギャップよりも大きいので、光吸収部での
この光の吸収は発生しない。
素子の光吸収部のバンドギャップ値をトンネル・エミッ
タ・バイポーラ・トランジスタのベース部のバンドギャ
ップ値よりも大きく設定しているため、上記の本発明の
光電子集積回路の作用に加えて以下の作用がある。外部
からの受光が無い時にベース部を電流が流れるＴＥＢＴ
が受光素子の近傍に存在し、発光性再結合によりベース
部のバンドギャップに応じた光を発生することがある。
しかし、この光が受光素子の光吸収部に照射されても、
受光素子の光吸収部のバンドギャップがＴＥＢＴのベー
ス部のバンドギャップよりも大きいので、光吸収部での
この光の吸収は発生しない。
【００１５】また、外部からの受光が有る時にも、ベー
ス部を電流が流れるＴＥＢＴが受光素子の近傍に存在し
（例えば、発光素子の出力を入力する初段のＴＥＢＴな
ど）、発光性再結合によりベース部のバンドギャップに
応じた光を発生することがある。この場合においても、
この光が受光素子の光吸収部に照射されても、受光素子
の光吸収部のバンドギャップがＨＢＴのベース部のバン
ドギャップよりも大きいので、光吸収部でのこの光の吸
収は発生しない。
ス部を電流が流れるＴＥＢＴが受光素子の近傍に存在し
（例えば、発光素子の出力を入力する初段のＴＥＢＴな
ど）、発光性再結合によりベース部のバンドギャップに
応じた光を発生することがある。この場合においても、
この光が受光素子の光吸収部に照射されても、受光素子
の光吸収部のバンドギャップがＨＢＴのベース部のバン
ドギャップよりも大きいので、光吸収部でのこの光の吸
収は発生しない。
【００１６】こうして、外部から受光した光のみが受光
素子の光吸収部に吸収され、この吸収量に応じた電気信
号が光電子集積回路から出力される。
素子の光吸収部に吸収され、この吸収量に応じた電気信
号が光電子集積回路から出力される。
【００１７】
【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例を説明する。なお、図面の説明において同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
施例を説明する。なお、図面の説明において同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】（第１実施例）図１は実施例に係る光電子
集積回路の回路構成図であり、図２は受光素子と初段の
ＴＥＢＴとを含む部分の断面構造図である。図１に示す
通りこの装置は、受光によって導電性を発現するｐｉｎ
型フォトダイオード１００と、逆バイアス電圧を印加時
のｐｉｎ型フォトダイオード１００の導電性の有無の変
化によって生じる電気信号を受信し、増幅し、整形する
ＴＥＢＴ２１０1 〜２１０5 からなるトランジスタ群
と、ＴＥＢＴ２１０1 〜２１０5 の動作条件設定する抵
抗、コンデンサなどの電気的受動素子群から構成され、
ｐｉｎ型フォトダイオード１００への外部から入射した
光量に応じた電気信号を出力する。
集積回路の回路構成図であり、図２は受光素子と初段の
ＴＥＢＴとを含む部分の断面構造図である。図１に示す
通りこの装置は、受光によって導電性を発現するｐｉｎ
型フォトダイオード１００と、逆バイアス電圧を印加時
のｐｉｎ型フォトダイオード１００の導電性の有無の変
化によって生じる電気信号を受信し、増幅し、整形する
ＴＥＢＴ２１０1 〜２１０5 からなるトランジスタ群
と、ＴＥＢＴ２１０1 〜２１０5 の動作条件設定する抵
抗、コンデンサなどの電気的受動素子群から構成され、
ｐｉｎ型フォトダイオード１００への外部から入射した
光量に応じた電気信号を出力する。
【００１９】この装置の構成要素は、ＩｎＰ結晶から成
る半絶縁性の基板３００の上に形成される（図２参
照）。ｐｉｎ型フォトダイオード１００は、基板３００
の上に形成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＩｎＰ結
晶からなるカソード層１１０と、カソード層１１０の表
面上に形成され、不純物の含有度が低いあるいは実質的
に不純物を含まないＧａＩｎＡｓ混晶から成る光吸収層
１２０と、光吸収層１２０の表面上に形成されたｐ型の
不純物を高濃度に含むＧａＩｎＡｓ結晶からなるアノー
ド層１３０と、の３層構造を有する。カソード層１１０
およびアノード層１２０の表面の一部には電極４１１お
よび電極４１２が夫々形成され、さらに配線が施されて
いる。
る半絶縁性の基板３００の上に形成される（図２参
照）。ｐｉｎ型フォトダイオード１００は、基板３００
の上に形成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＩｎＰ結
晶からなるカソード層１１０と、カソード層１１０の表
面上に形成され、不純物の含有度が低いあるいは実質的
に不純物を含まないＧａＩｎＡｓ混晶から成る光吸収層
１２０と、光吸収層１２０の表面上に形成されたｐ型の
不純物を高濃度に含むＧａＩｎＡｓ結晶からなるアノー
ド層１３０と、の３層構造を有する。カソード層１１０
およびアノード層１２０の表面の一部には電極４１１お
よび電極４１２が夫々形成され、さらに配線が施されて
いる。
【００２０】ＴＥＢＴ２１０1 〜２１０5 は夫々同様な
構造を有する。この構造を、図２に示すｐｉｎ型フォト
ダイオード１００の出力信号をベース端子に入力し、信
号増幅する機能を有するＴＥＢＴ２１０1 で代表して説
明する。ＴＥＢＴ２１０1 は、基板３００の表面上に形
成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＧａＩｎＡｓ混晶
から成るサブコレクタ層２１１と、サブコレクタ層２１
１の表面に形成されたｎ型の導電性を有するＧａＩｎＡ
ｓ混晶から成るコレクタ層２１２と、コレクタ層の表面
上に形成され、ｐ型の導電性を有するＧａＩｎＡｓ混晶
から成るベース層２１３と、ベ−ス層２１３の表面上に
形成されたＩｎＰ結晶から成るバリア層と、バリア層の
表面上に形成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＧａＩ
ｎＡｓ混晶から成るエミッタ層２１４と、の５層構造を
有する。サブコレクタ層２１１、ベース層２１３、およ
びエミッタ層２１４の表面には電極４２１、電極４２
２、および電極４２３が夫々形成され、さらに配線が施
されている。
構造を有する。この構造を、図２に示すｐｉｎ型フォト
ダイオード１００の出力信号をベース端子に入力し、信
号増幅する機能を有するＴＥＢＴ２１０1 で代表して説
明する。ＴＥＢＴ２１０1 は、基板３００の表面上に形
成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＧａＩｎＡｓ混晶
から成るサブコレクタ層２１１と、サブコレクタ層２１
１の表面に形成されたｎ型の導電性を有するＧａＩｎＡ
ｓ混晶から成るコレクタ層２１２と、コレクタ層の表面
上に形成され、ｐ型の導電性を有するＧａＩｎＡｓ混晶
から成るベース層２１３と、ベ−ス層２１３の表面上に
形成されたＩｎＰ結晶から成るバリア層と、バリア層の
表面上に形成され、ｎ型の不純物を高濃度に含むＧａＩ
ｎＡｓ混晶から成るエミッタ層２１４と、の５層構造を
有する。サブコレクタ層２１１、ベース層２１３、およ
びエミッタ層２１４の表面には電極４２１、電極４２
２、および電極４２３が夫々形成され、さらに配線が施
されている。
【００２１】電気的受動素子群は、基板上に既知の方法
で形成された抵抗、コンデンサなどから成り、以上のｐ
ｉｎ型フォトダイオード１００およびトランジスタ群２
００という能動素子と配線により接続し、これらの能動
素子と協調して装置の機能を実現する。
で形成された抵抗、コンデンサなどから成り、以上のｐ
ｉｎ型フォトダイオード１００およびトランジスタ群２
００という能動素子と配線により接続し、これらの能動
素子と協調して装置の機能を実現する。
【００２２】なお、図２ではｐｉｎ型フォトダイオード
１００は、基板３００の表面上に直接形成されていな
い。これは、基板３００の表面上にＨＢＴ２００の各層
を形成後に、ｐｉｎ型フォトダイオードの各層を形成す
る方法を採用したことによる。基板３００の表面上に直
接形成しても本実施例と同様の作用・効果を有する。
１００は、基板３００の表面上に直接形成されていな
い。これは、基板３００の表面上にＨＢＴ２００の各層
を形成後に、ｐｉｎ型フォトダイオードの各層を形成す
る方法を採用したことによる。基板３００の表面上に直
接形成しても本実施例と同様の作用・効果を有する。
【００２３】ｐｉｎ型フォトダイオード１００には逆バ
イアス電圧が印加され、受光していいない状態で光吸収
層１２０は空乏化している。このｐｉｎ型フォトダイオ
ード１００に外部から入射した光は、光の吸収係数にし
たがって指数関数的に減衰しながら、光キャリアを励起
する。空乏層で発生した光キャリアは、空乏層電界によ
り加速され、アノード層１３０からカソード層１１０へ
流れる電流を生じる。なお、光の吸収は、アノード層１
３０およびカソード層１１０でも発生して光キャリアを
励起するが、これらの層が薄いので光キャリアの励起確
率が低いこと、および光キャリアの移動は拡散によるこ
とから、これらの層における光吸収に起因する発生電流
の量は空乏層における光吸収に起因する発生電流の量に
比べて非常に小さくなる。
イアス電圧が印加され、受光していいない状態で光吸収
層１２０は空乏化している。このｐｉｎ型フォトダイオ
ード１００に外部から入射した光は、光の吸収係数にし
たがって指数関数的に減衰しながら、光キャリアを励起
する。空乏層で発生した光キャリアは、空乏層電界によ
り加速され、アノード層１３０からカソード層１１０へ
流れる電流を生じる。なお、光の吸収は、アノード層１
３０およびカソード層１１０でも発生して光キャリアを
励起するが、これらの層が薄いので光キャリアの励起確
率が低いこと、および光キャリアの移動は拡散によるこ
とから、これらの層における光吸収に起因する発生電流
の量は空乏層における光吸収に起因する発生電流の量に
比べて非常に小さくなる。
【００２４】こうして発生した入射光に伴う電流は、後
段に設置されたトランジスタ群２００および電気的受動
素子群によって構成される増幅・整形回路に入力し、最
終的に入射光量を反映した電気信号が出力される。
段に設置されたトランジスタ群２００および電気的受動
素子群によって構成される増幅・整形回路に入力し、最
終的に入射光量を反映した電気信号が出力される。
【００２５】以上の実施例において、ｐｉｎ型フォトダ
イオードの光吸収層をＧａＩｎＡｓ混晶で形成しＴＥＢ
Ｔ２１０のベース層と同一物質としたが、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶で形成してもよい。この場合には、以下の理由に
より、更に高感度の光電子集積回路を実現できる。すな
わち、上記の増幅・整形動作時には、各ＴＥＢＴにはベ
ース電流が流れる。各ＴＥＢＴのベース層２１３はＧａ
ＩｎＡｓ混晶から成るので、ベース電流によって発光性
再結合が起こり、ベース層２１３のバンドギャップ値に
対応する波長の光を発生する。この光は光吸収層１２０
に達することがあるが、光吸収層１２０はＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶から成るので、そのバンドギャップ値はベース層
２１３のバンドギャップ値よりも大きく、この光は吸収
されない。したがって、ｐｉｎ型フォトダイオード１０
０では、外部から受光した光量に忠実な電流を発生し、
ひいては光電子集積回路の出力として受光量に忠実な電
気信号を得ることができる。
イオードの光吸収層をＧａＩｎＡｓ混晶で形成しＴＥＢ
Ｔ２１０のベース層と同一物質としたが、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶で形成してもよい。この場合には、以下の理由に
より、更に高感度の光電子集積回路を実現できる。すな
わち、上記の増幅・整形動作時には、各ＴＥＢＴにはベ
ース電流が流れる。各ＴＥＢＴのベース層２１３はＧａ
ＩｎＡｓ混晶から成るので、ベース電流によって発光性
再結合が起こり、ベース層２１３のバンドギャップ値に
対応する波長の光を発生する。この光は光吸収層１２０
に達することがあるが、光吸収層１２０はＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶から成るので、そのバンドギャップ値はベース層
２１３のバンドギャップ値よりも大きく、この光は吸収
されない。したがって、ｐｉｎ型フォトダイオード１０
０では、外部から受光した光量に忠実な電流を発生し、
ひいては光電子集積回路の出力として受光量に忠実な電
気信号を得ることができる。
【００２６】（第２実施例）図３は、本発明の第２実施
例に係る光電子集積回路の回路構成図である。この実施
例では、ｐｉｎ型フォトダイオード１００で発生した電
流の初段増幅を、ＴＥＢＴ２１０1 とＴＥＢＴ２１０6
とをダーリントン結合して増幅率を向上している点が、
第１実施例と異なる。したがって、第１実施例に比べて
（３）式のβが実質的に大きくなっているので、更に発
生ノイズ量を低減することができる。
例に係る光電子集積回路の回路構成図である。この実施
例では、ｐｉｎ型フォトダイオード１００で発生した電
流の初段増幅を、ＴＥＢＴ２１０1 とＴＥＢＴ２１０6
とをダーリントン結合して増幅率を向上している点が、
第１実施例と異なる。したがって、第１実施例に比べて
（３）式のβが実質的に大きくなっているので、更に発
生ノイズ量を低減することができる。
【００２７】この実施例の光電子集積回路の構造は、第
１実施例と同様であり、定性的には第１実施例と同様に
動作する。
１実施例と同様であり、定性的には第１実施例と同様に
動作する。
【００２８】（第３実施例）図４は、本発明の第３実施
例に係る光電子集積回路の回路構成図である。この実施
例においても第２実施例と同様に、ｐｉｎ型フォトダイ
オード１００で発生した電流の初段増幅を、ＴＥＢＴ２
１０1 とＴＥＢＴ２１０6 とをダーリントン結合して増
幅率を向上している点が第１実施例と異なる。また、第
２実施例とはダーリントン接続した複合トランジスタの
エミッタ接地をダイオードを介さずに行っている点が異
なる。したがって、第２実施例と同様に第１実施例に比
べて（３）式のβが実質的に大きくなっているので、更
に発生ノイズ量を低減することができる。
例に係る光電子集積回路の回路構成図である。この実施
例においても第２実施例と同様に、ｐｉｎ型フォトダイ
オード１００で発生した電流の初段増幅を、ＴＥＢＴ２
１０1 とＴＥＢＴ２１０6 とをダーリントン結合して増
幅率を向上している点が第１実施例と異なる。また、第
２実施例とはダーリントン接続した複合トランジスタの
エミッタ接地をダイオードを介さずに行っている点が異
なる。したがって、第２実施例と同様に第１実施例に比
べて（３）式のβが実質的に大きくなっているので、更
に発生ノイズ量を低減することができる。
【００２９】この実施例の光電子集積回路の構造は、第
１実施例と同様であり、定性的には第１実施例と同様に
動作する。
１実施例と同様であり、定性的には第１実施例と同様に
動作する。
【００３０】本発明は上記の実施例に限定されるわけで
はなく、様々な変形が可能である。例えば、実施例では
受光素子としてｐｉｎ型フォトダイオードを使用した
が、金属−半導体−金属フォトディテクタなどを使用し
てもよい。また、実施例で使用した半導体物質以外の半
導体物質を採用してもよい。たとえば、ギャップ層はＡ
ｌＩｎＡｓ混晶で形成してもよい。
はなく、様々な変形が可能である。例えば、実施例では
受光素子としてｐｉｎ型フォトダイオードを使用した
が、金属−半導体−金属フォトディテクタなどを使用し
てもよい。また、実施例で使用した半導体物質以外の半
導体物質を採用してもよい。たとえば、ギャップ層はＡ
ｌＩｎＡｓ混晶で形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明の光電
子集積回路によれば、受光素子の発生した電流に対する
初段増幅をトンネル・エミッタ・バイポーラ・トランジ
スタによって行うので、従来のヘテロ接合型バイポーラ
トランジスタに比べて増幅率が向上し、ベース電流によ
る発生ノイズ量を抑制できる。
子集積回路によれば、受光素子の発生した電流に対する
初段増幅をトンネル・エミッタ・バイポーラ・トランジ
スタによって行うので、従来のヘテロ接合型バイポーラ
トランジスタに比べて増幅率が向上し、ベース電流によ
る発生ノイズ量を抑制できる。
【００３２】また、本発明の光電子集積回路は、上記の
効果に加えて、受光素子の光吸収部をＴＥＢＴのベース
部を形成する材料よりもバンドギャップの大きな材料で
形成したので、ＴＥＢＴの動作によって生じるベース部
の発光性再結合による光を受光素子の光吸収部が吸収せ
ず、ノイズを抑制した更に高感度の光電子集積回路を実
現できる。
効果に加えて、受光素子の光吸収部をＴＥＢＴのベース
部を形成する材料よりもバンドギャップの大きな材料で
形成したので、ＴＥＢＴの動作によって生じるベース部
の発光性再結合による光を受光素子の光吸収部が吸収せ
ず、ノイズを抑制した更に高感度の光電子集積回路を実
現できる。
【図１】本発明の第１実施例に係る光電子集積回路の回
路構成図である。
路構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る光電子集積回路の構
造図である。
造図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る光電子集積回路の回
路構成図である。
路構成図である。
【図４】本発明の第３実施例に係る光電子集積回路の回
路構成図である。
路構成図である。
【図５】従来の光電子集積回路の説明図である。
１００…ｐｉｎ型フォトダイオード、１１０…カソード
層、１２０…光吸収層、１３０…アノード層、２１０…
ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ、２１１…サブコ
レクタ層、２１２…コレクタ層、２１２…ベース層、２
１４…エミッタ層、２１５…バリア層、３００…基板、
４１１，４１２，４２１，４２２，４２３…電極。
層、１２０…光吸収層、１３０…アノード層、２１０…
ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ、２１１…サブコ
レクタ層、２１２…コレクタ層、２１２…ベース層、２
１４…エミッタ層、２１５…バリア層、３００…基板、
４１１，４１２，４２１，４２２，４２３…電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−312986（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−90848（ＪＰ，Ａ) 特許3138997（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/14 H01L 31/10
Claims (7)
- 【請求項１】 半絶縁性の基板上に、 第１の半導体物質から成る光吸収部を有する受光素子
と、 第１の導電型を有する第２の半導体物質から成るベース
部と、前記ベース部に接して形成された第３の半導体物
質から成るトンネルバリア部と、前記ベース部に対して
前記トンネルバリア部の反対側の領域に形成された、第
２の導電型を有する第４の半導体物質から成るエミッタ
部と、前記トンネルバリア部に対して前記ベース部の反
対側の領域に形成された、前記第２の導電型を有する第
５の半導体物質から成るコレクタ部と、から構成される
トンネル・エミッタ・バイポーラ・トランジスタと、 をモノリシックに含んで構成されており、 前記第１の半導体物質のバンドギャップ値は、前記第２
の半導体物質のバンドギャップ値よりも大きい、ことを
特徴とする光電子集積回路。 - 【請求項２】 前記第３の半導体物質のバンドギャップ
値は、前記第２の半導体物質のバンドギャップ値および
前記第４の半導体物質のバンドギャップ値よりも大き
い、ことを特徴とする請求項１に記載の光電子集積回
路。 - 【請求項３】 前記第１の半導体物質は、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶であり、 前記第２の半導体物質は、ＧａＩｎＡｓ混晶であり、 前記第３の半導体物質は、ＩｎＰ結晶である、 ことを特徴とする請求項１に記載の光電子集積回路。 - 【請求項４】 前記第１の半導体物質は、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ混晶であり、 前記第２の半導体物質は、ＧａＩｎＡｓ混晶であり、 前記第３の半導体物質は、ＡｌＩｎＡｓ混晶である、 ことを特徴とする請求項１に記載の光電子集積回路。 - 【請求項５】 前記受光素子は、ｐｉｎフォトダイオー
ド、アバランシェ・フォトダイオード、及び金属−半導
体−金属フォトディテクタのいずれかである、ことを特
徴とする請求項１に記載の光電子集積回路。 - 【請求項６】 前記基板上にエピタキシャル層成長によ
り形成された前記トンネル・エミッタ・バイポーラ・ト
ランジスタと、前記トンネル・エミッタ・バイポーラ・
トランジスタを形成するためのエピタキシャル層成長に
引き続き連続的に行われるエピタキシャル成長により形
成された前記ｐｉｎ型フォトダイオードと、を含んで構
成されることを特徴とする請求項１に記載の光電子集積
回路。 - 【請求項７】 前記第３の半導体物質からなる前記トン
ネルバリア部の厚さが２００Å以下である、ことを特徴
とする請求項１に記載の光電子集積回路。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11500593A JP3191835B2 (ja) | 1993-05-17 | 1993-05-17 | 光電子集積回路 |
| US08/235,947 US5475256A (en) | 1993-05-17 | 1994-05-02 | Opto-electronic integrated circuit |
| KR1019940010193A KR940027201A (ko) | 1993-05-17 | 1994-05-10 | 광전자 집적회로 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| JP4896302B2 (ja) * | 2001-04-09 | 2012-03-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置 |
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| US7560739B2 (en) * | 2004-06-29 | 2009-07-14 | Intel Corporation | Micro or below scale multi-layered heterostructure |
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| JPH01262663A (ja) * | 1988-04-14 | 1989-10-19 | Fujitsu Ltd | 共鳴トンネリングヘテロバイポーラトランジスタ |
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- 1993-05-17 JP JP11500593A patent/JP3191835B2/ja not_active Expired - Fee Related
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1994
- 1994-05-02 US US08/235,947 patent/US5475256A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-05-10 KR KR1019940010193A patent/KR940027201A/ko not_active Application Discontinuation
- 1994-05-13 EP EP94107469A patent/EP0625798B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-05-13 DE DE69408555T patent/DE69408555T2/de not_active Expired - Fee Related
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| CA2123667C (en) | 2003-05-20 |
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| CA2123667A1 (en) | 1994-11-18 |
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