JPH0213468B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体発光素子に関するものであ
り、特に半導体発光素子の発光端面での発光位置
を可変できることと、遠視野における回折像を可
変できる点から光情報処理分野に利用できるもの
である。

従来例の構成とその問題点 半導体発光素子である半導体レーザの研究開発
の方向は、動的単一モード化や非点収差の改善と
可視半導体レーザあるいは高出力化といつたテー
マで通信系および情報処理関連における素子特性
の向上が主である。これらの要求から、半導体レ
ーザは、構造と材料の面から多くの種類のものが
発表されている。

半導体レーザの発光は、活性層と呼ばれる屈折
率および利得の大きい半導体層から放射される。

しかし、その発光位置を離散的あるいは連続に
可変することは、活性層およびクラツド層の構
造、更に電流注入する利得から困難であつた。従
来、回折格子を用いて発振波長を光帰還、温度、
圧力あるいは磁場などによつて変化させることに
よつて、光の放射角を変化させることが発表され
ている（例えば特公昭59−10596号）。この方法に
よれば、100Åの波長シフトによつて2゜の角度変
化が得られるとしている。この従来例では、発振
波長を変化させねばならず、単一波長が要求され
る光通信あるいは光情報処理分野には不適当であ
つた。また発光位置を可変することはできない。

さらに、レーザ・アレイのような光のカツプリ
ングによつてフエーズ・ロツクが掛つたレーザ
は、発光端面から離れた位置にてレーザ光が干渉
して光強度の強い１本のピーク、０次の回折像が
現われる。しかしながら、この回折像を可変する
ことはできなかつた。

発明の目的 本発明は、従来例の欠点に鑑みて成されたもの
であり、発振波長を変化させることなくレーザ光
の発光位置を変えること、さらには、発光端面か
らの遠視野におけるレーザ光の回折像を位置的に
変えることを目的とする。

発明の構成 本発明は、エミツタ領域、ベース領域、コレク
タ領域を備えすくなくとも１つ以上のヘテロ接合
を有するトランジスタのベース領域へのベース電
流を独立した複数個のベース電極から供給し、ベ
ース領域あるいはベース領域を囲む領域に光の共
振装置を具備し、ベース領域の屈折率を選択的に
変えるようにエミツタ領域もしくはコレクタ領域
に凸部あるいは凹部を形成し、トランジスタの発
光位置および遠視野における回折像の位置を変化
させることを可能とするものである。

実施例の説明 第１図に、ヘテロ接合バイポーラ・トランジス
タのエネルギー・バンド構造図を示す。第１図ａ
は熱平衡状態、同図ｂは飽和状態、同図ｃは能動
状態をそれぞれ示す。第１図ｂに示す飽和状態に
おいて、ベース領域にはエミツタとコレクタより
電子が注入され同時にベース電流キヤリアとして
正孔がとじ込められる。バンド・ギヤツプ・エネ
ルギーの低い所にとじ込められた電子と正孔は、
再結合によつて発光を生じベースあるいはその周
囲に設けられた共振装置によつてレーザ発振を生
起させる。一方、第１図ｃに示す能動状態に遷移
すると、ベース・コレクタ接合は逆バイアス電圧
が加わり空乏層が広がつている。したがつて、エ
ミツタより注入された電子は、正孔と再結合する
ことなく急速にコレクタに吸い込まれる。すなわ
ち、能動状態は発光現象を伴なわず、いわゆるト
ランジスタ動作を行なう。

本発明は、ベース領域へのベース電流いわゆる
正孔の供給を制御することにより目的を達成す
る。

第２図は、本発明に係る第１の実施例を示すも
のである。第２図に於て、２０１はｎ型のInP基
板、２０２はｎ型のInPエピタキシヤル層で２０
１と２０２とでコレクタ層を形成する。更に同図
に於て２０３はｐ型のInGaAsP層でベース層
（活性層）を示し、２０４はｎ型のInP層でエミ
ツタ層を示す。同図に於て２０５及び２０６は、
ベース層２０３に対して独立に存在するグラフ
ト・ベース層を示し、２０７，２０８，２０９お
よび２１０はコレクタ電極、エミツタ電極、ベー
ス電極１、ベース電極２をそれぞれ示す。同図に
於て２１１は絶縁膜を示している。さらに２１
２，２１３，２１４，２１５端面は劈開によるフ
アブリ・ペロー共振器を構成している。２１６
は、エミツタ層２０４内に形成した凹部を示し、
SiO₂あるいは樹脂等のエミツタ層２０４の材料
よりも屈折率の低い材料で充填され、２１２およ
び２１３に示す点線の円部分の屈折率を選択的に
高くしている。なお２１６は空気であつても良
い。

さて、第２図に於て、ベース電極からグラフ
ト・ベース層２０５，２０６を経てベース層（活
性層）２０３に供給される正孔は、エミツタ層お
よびコレクタ層からベース層２０３に注入される
電子と再結合し、第１図ａに示すバンド・ギヤツ
プ・エネルギーE_g2に比例した波長の光hμを発す
る。光はベース層２０３が上下左右を屈折率の低
いInPで囲まれているのでベース層（活性層）２
０３内にとじ込められ、フアブリ・ベロー共振器
２１２，２１３によつて共振させられるのでレー
ザ光として端面より放射される。

ベース層２０３内における屈折率は、２１２お
よび２１３で示す円部分が高い。さらに、エミツ
タ層２０４からベース層２０３への電子の注入
は、前記エミツタ層に選択的に形成した凹部２１
６によつて、ベース層の特定領域２１２および２
１３に行なわれる。ベース層２０３への正孔の供
給は、独立に構成されているグラフト・ベース層
２０５および２０６から、特定領域２１２および
２１３に行なわれる。以上の結果、電子と正孔と
の再結合はベース層の特定領域２１２および２１
３で行なわれ、しかもこの領域がもつとも屈折率
が高いので再結合によつて生じたレーザ光は領域
２１２と２１３内にとじ込められる。

第３図は、本発明に係る半導体発光素子へのバ
イアス電圧の印加例を示す。独立に設けたグラフ
ト・ベース層２０５，２０６には、電極２０９，
２１０を介してエミツタ電極２０８に対してバイ
アス電圧V_B1３１８とV_B2３１９が、コレクタ層
２０１には負荷抵抗R_L３２１を介してバイアス
電圧V_C３１７が印加される。バイアス電圧V_B1と
V_B2とが等しければ、ベース電流I_B1とI_B2が等しく
なるので、ベース層２０３とグラフト・ベース層
２０５，２０６との接触部近傍において等しい強
さのレーザ光３２２，３２３を得る。

この状態で、ベース電極１（２０９）にバイア
ス電圧V_B1３１８と信号電圧e_i３２０を加える。
信号電圧e_i３２０が、エミツタに対して正に大き
くなつた場合、ベース電流I_B1はI_B2よりも大きく
なる。その結果、グラフト・ベース２０５側のベ
ース層の利得が増大して発光位置P₁からのレー
ザー光３２２は、発光位置P₂からのレーザー光
３２３よりも強くなる。逆に、信号電圧e_i３２０
がエミツタに対して負に大きくなつた場合、ベー
ス電流I_B1はI_B2よりも小さくなる。その結果、グ
ラフト・ベース２０５側のベース層の利得が減少
してレーザー光３２２は、レーザー光３２３より
も弱くなる。バイアス電圧V_B1３１８、V_B2３１
９をレーザー発振しきい値近傍に設定しておけ
ば、信号電圧e_i３２０の大小によつてレーザー光
位置３２２と３２３との間で振らすことができ
る。

さらにレーザー光３２２と３２３は、導波路層
すなわちベース層２０３を介してカツプリングさ
れているのでフエーズ・ロツクされた状態にあ
る。従つて、２つのレーザー光３２２と３２３
は、波長および位置が等しいから発光端面からの
遠視野３２４において干渉３２５を生じる。その
結果、光強度の強い０次の回折像を得る。この回
折像は、レーザ光３２２と３２３との強度変化に
応じて位置を連続的にあるいは離散的に可変する
ことができる。フエーズ・ロツクされた２つのレ
ーザ光３２２と３２３との強度が等しい場合、回
折像は２つのレーザ発光位置から等距離の位置に
できる。しかし、２つのレーザ光の強度をベース
電圧３１８と３１９あるいは信号電圧３２０によ
つて交互に可変すると、回折像は光強度に応じ
て、２つのレーザ発光位置に対して平行（左右）
に振る（可変）ことができる。

また、ベース電流I_B1とI_B2とを等しくしてその
総和量の大きさを可変することによつて、２つの
レーザ光の各々の発光量を等しくしたままで可変
することができる。

第４図は、本発明に係る第２の実施例を示す。
基本的な構造は、第２図に示す実施例と同じであ
るが、ベース層２０３に選択的に高い屈折率の領
域を形成するためコレクタ層２０２に２つの凹部
を作り、その上にコレクタ層２０２よりも屈折率
の高い半導体層例えばｎ型のInGaAsP層４２６
を形成する。InGaAsP層４２６は光導波路とし
て作用する。ベース層（活性層）２０３と光導波
路層４２６とを分離するために薄いｎ型InP層４
２７をはさむ。このような構造にすると、光導波
路層４２６の厚い領域において、ベース領域２０
３内の屈折率を選択的に高くすることができる。
したがつて、レーザ光３２２と３２３はフエー
ズ・ロツクされることになる。そして、２つのベ
ース電極２０９と２１０に印加される電圧制御に
よつて、発光位置を可変できると共に発光端面か
らの遠視野において回折像の位置を可変すること
ができる。

以上のように、ｐ型化合物半導体例えば
InGaAsPあるいはGaAsより成るベース層（活性
層）をそれよりもバンド・ギヤツプ・エネルギー
の大きな化合物半導体例えばInPあるいは
AlGaAsより成るエミツタ層とコレクタ層で囲
み、ベース層に対して独立に設けたグラフト・ベ
ース層よりそれぞれ電流供給できるように構成し
たヘテロ接合バイポーラ・トランジスタが飽和動
作状態に於て、光の共振装置によつてベース層内
でレーザ発光するように構成することにより容易
に、発光位置を変化させることができる。さら
に、ベース層内に選択的に複数の高い屈折率の領
域を形成することによつて、フエーズ・カツプル
したレーザ光を得ることができる。これによつて
発光端面からの遠視野において回折像が得られる
と共に、この回折像の位置をベース電極に印加す
る電圧によつて変化させることができる。以上の
ような制御を行うため、ベース層内の高い屈折率
の領域数と、そこにとじ込められる光の強度制御
のためのベース電極数とが等しいことが好まし
い。

発明の効果 本発明は、ベース層（活性層）に対して独立に
設けたグラフト・ベース層あるいは、ベース電極
によつてベース電流を制御することでレーザー発
光位置を変位させることができる。さらに、発光
端面からの遠視野における回折像も可変すること
ができる。このことは、レーザー光の偏向できる
効果をもつものであつて、今後のオプトエレクト
ロニクス技術、特に情報処関連における光論理子
への応用、あるいは光学ピツク・アツプへの応用
などが考えられ、価置あるるものである。なお、
本発明の実施例では、InPとInGaAsP系を用いて
いたがAlGaAsとGaAsあるいはAlInPと
AlInGaPなどにおいても同様の素子構造と特性
を得ることができる。また、npn型トランジスタ
を実施例に出したがpnp型トランジスタであつて
も同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｃは本発明に係る半導体発光素子の
バンド・ギヤツプ・エネルギー構造図、第２図は
本発明に係る半導体発光素子の第１実施例の断面
図、第３図は本発明に係る半導体発光素子のバイ
アス状態図、第４図は本発明に係る半導体発光素
子の第２の実施例の断面図である。 ２０１（２０２）……コレクタ層、２０３，２
０３′……ベース層（活性層）、２０４……エミツ
タ層、２０５，２０６……グラフト・ベース層、
２０７……コレクタ電極、２０８……エミツタ電
極、２０９……ベース電極１、２１０……ベース
電極２、２１１……絶縁膜、２１２，２１３，２
１４，２１５……光共振装置用端面、２１６……
低屈折率層、３１７……コレクタ電圧、３１８…
…ベース電圧１、３１９……ベース電圧２、３２
０……信号電圧、３２１……負荷抵抗、３２２，
３２３……レーザ光、３２４……遠視野面、３２
５……回折像、４２６……光導波路層、４２７…
…分離層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エミツタ領域とベース領域とコレクタ領域を
   備え、すくなくとも１つ以上のヘテロ接合を有す
   るトランジスタの前記ベース領域へのベース電流
   を独立した複数個のベース電極から供給し、前記
   ベース領域あるいは前記ベース領域を囲む領域に
   光の共振装置を具備して成り、前記エミツタ領域
   もしくはコレクタ領域に前記ベース領域内の光に
   対して屈折率変化を与える凸部あるいは凹部を形
   成したことを特徴とする半導体発光素子。 ２ １つ以上のベース電極から供給する各々のベ
   ース電流の大きさを制御することによつて、発光
   端面における発光位置を可変できることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の半導体発光素
   子。 ３ １つ以上のベース電極から供給する各々のベ
   ース電流の大きさを制御することによつて、発光
   端面からの遠視野の回折像が可変できることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体発
   光素子。 ４ エミツタ領域もしくはコレクタ領域に形成し
   た凸部あるいは凹部によつて、ベース領域内に屈
   折率の高い部分を選択的に形成し、前記屈折率の
   高い部分の数とベース電流を独立に供給するベー
   ス電極の数とが等しいことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体発光素子。