JPH03181920A - 光電子集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光信号によって光双安定スイッチをオン、オ
フすることが可能な光電子集積回路の構造に関するもの
である。

従来の技術 光信号によって光双安定スイッチをオン、オフする光電
子集積回路の例としては、特願昭６０−１５１５７８号
に示されている光記憶装置がある。

本装置では、発光素子と第１のフォトトランジスタの直
列接続である光双安定スイッチと並列に第２のフォトト
ランジスタを接続し、第１のフォトトランジスタに光を
入力することで光双安定スイッチをオンし、第２のフォ
トトランジスタに光を入力することで光双安定スイッチ
をオフする。本装置の具体的構造は第４図のようになっ
ており、半導体基板１上に積層された第１コレクタ層２
、第１ベース層３、エミッタ層４によって第２のフォト
トランジスタ５が構成されており、エミッタ層４、第２
ベース層６、第２コレクタ層７、活性層８、クラッド層
９によって光双安定スイッチ１０が構成されている。こ
こで、光双安定スイッチをオン、オフするための信号光
は半導体基板１側から入射されるが、第１ベース層のバ
ンドギャップは、第２ベース層のバンドギャップよりも
大きく、それぞれのバンドギャップに対応する波長をλ
２、λ２とした場合、λ１　〈λ０≦　λ２を満たす波
長λＯＮの光は第１ベース層を透過して第２ベース層で
吸収される。すなわち、波長λＯＮの光によって光双安
定スイッチをオンすることができる。一方、λＯＦＦ≦
λ１を満たす波長λＯＦＦの光は第１ベース層で吸収さ
れるので、波長λＯＦＦの光によって光双安定スイッチ
をオフすることができる。

発明が解決しようとする課題 第４図に示した光記憶装置は、波長λＯＨの光によって
光双安定スイッチをオンし、波長λＯＦＦの光によって
オフする。ここで、波長λＯＨの光は本質的に第１ベー
ス層では吸収されないが、波長λ。ＦＦの光は第２ベー
ス層でも吸収可能である。すなわち、波長λＯＦＦの光
が第１ベース層で完全に吸収されてしまえば第２ベース
層に入射されることはないが、通常のベース層の厚さで
あれば一部の光は透過され、第２ベース層でも吸収され
る。

光双安定スイッチに含まれる第１のフォトトランジスタ
は発光素子からの光による正帰還作用を受けるため、そ
の等価的な利得は第２のフォトトランジスタよりも大き
く、波長λＯＦＦの光の一部が第２ベース層に入力され
た場合、光双安定スイッチはオンされる可能性もある。

すなわち、波長λ。ＦＦの光によって光双安定スイッチ
がオンされるか、オフされるかは第１ベース層の厚さを
はじめとするデバイス構造パラメータや動作条件に依存
することになり、安定したオフ動作を行うことは必ずし
も容易ではない。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するために、 （１）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
た第１導電型の第１コレクタ層、第２導電型の第１ベー
ス層、第１導電型の第１エミッタ層、第１導電型でバン
ドギャップが前記第１ベース層と同じかあるいは小さい
光吸収層、第１導電型の第２エミッタ層、第２導電型で
バンドギャップが前記光吸収層より小さい第２ベース層
、第１導電型の第２コレクタ層、バンドギャップが前記
第２ベース層と同じかあるいは大きい活性層および第２
導電型のクラッド層と、前記第１コレクタ層、前記第１
ベース層および前記第１エミッタ層を含むオフ用フォト
トランジスタと、前記第２エミッタ層、前記第２ベース
層、前記第２コレクタ層、前記活性層および前記クラッ
ド層を含む光双安定スイッチとを含む構造、 （２）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
た第１導電型の第１コレクタ層、第２導電型の第１ベー
ス層、第１導電型のエミッタ層、第２導電型でバンドギ
ャップが前記第１ベース層より大きい第２ベース層、第
１導電型の第２コレクタ層、バンドギャップが前記第２
ベース層と同じかあるいは大きい活性層および第２導電
型のクラッド層と、前記第１コレクタ層、前記第１ベー
ス層および前記エミッタ層を含むオフ用フォトトランジ
スタと、前記エミッタ層、前記第２ベース層、前記第２
コレクタ層、前記活性層および前記クラッド層を含む光
双安定スイッチとを含む構造、あるいは、 （３）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
た第１導電型のエミッタ層、第２導電型のベース層、第
１導電型のコレクタ層、活性層および第２導電型のクラ
ッド層と、前記半導体基板上の一部領域に形成された前
記エミッタ層、前記ベース層および前記コレクタ層を含
むオフ用フォトトランジスタと、前記半導体基板上の前
記オフ用フォトトランジスタが形成されていない一部領
域に形成された前記エミッタ層、前記ベース層、前記コ
レクタ層、前記活性層および前記クラッド層を含む光双
安定スイッチとを含む構造で光電子集積回路を構成する
というものである。

作用 本発明の第１の発明では、第２ベース層のバンドギャッ
プは第エベース層のバンドギャップよりも小さいが、両
者の間にバンドギャップが第１ベース層と同じかあるい
は小さい光吸収層を設けている。このため、λ。ＦＦ　
＜λ、を満たす波長λ。。

、の光を入射した場合その一部が第１ベース層を透過し
ても、さらに光吸収層によって吸収される。

ここで光吸収層の厚さは、光双安定スイッチおよびオフ
用フォトトランジスタの特性とは無関係なので、光吸収
層を厚くすることは何ら問題ない。

光吸収層でほとんどの光が吸収されれば、第２ベース層
に波長λＯＦＦの光が入射されなくなるため、確実に光
双安定スイッチをオフすることができる。

本発明の第２の発明では、第２ベース層のバンドギャッ
プを第１ベース層のバンドギャップよりも大きくしてい
る。この場合は、λ２〈　λＯＦＦ　≦λ１を満たす波
長λＯＦＦの光は第１ベース層のみで吸収されるので、
波長λＯＦＦの光によって光双安定スイッチを確実にオ
フすることができる。

方、λ。、≦　λ２を満たす波長λａｓの光は第１ベー
ス層でも吸収されるが、その一部は透過して第２ベース
層で吸収される。光双安定スイッチの等価的な利得はオ
フ用フォトトランジスタよりも大きく、波長λＯＮの光
によって光双安定スイッチをオンすることができる。

本発明の第３の発明では、光双安定スイッチとオフ用フ
ォトトランジスタを積層構造とせず、半導体基板上の異
なる場所に形成している。この場合は、波長によってオ
ン信号とオフ信号を区別するのではなく、入射する場所
によって区別している。この結果、オン信号は光双安定
スイッチのみに入射され、オフ信号はオフ用フォトトラ
ンジスタのみに入射される。このような構造を用いると
、積層構造に比べてセルサイズが大きくなるが、オン、
オフ動作させるための光源が一波長でよいという利点が
ある。

実施例 第１図は本発明の一実施例の光電子集積回路の断面図で
ある。ｎ型ＩｎＰよりなる半導体基板１１上にｎ型　（
第１導電型）ＩｎＰよりなる第１コレクタ層１２、ｐ型
（第２導電型）ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長λ
。＝１．１μｍ）よりなる第１ベース層１３、ｎ型Ｉｎ
Ｐよりなる第１エミッタ層１４、ｎ型Ｉ　ｎＧａＡｓ　
Ｐ　（λ。＝１．２μｍ）よりなる光吸収層１５、ｎ型
ＩｎＰよりなる第２エミッタ層１６、ｐ型Ｉ　ｎＧａＡ
ｓＰ（λ。＝１．３μｍ）よりなる第２ベース層１７、
ｎ型Ｉｎ、Ｐよりなる第２コレクタ層１８、ＩｎＧａＡ
ｓＰ　（λ、＝１．３μｍ）よりなる活性層１９および
ｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層２０が積層されている。

また、第１コレクタ層１２、第１ベース層１３および第
１エミッタ層１４によってオフ用フォトトランジスタ２
１が構成されており、第２エミッタ層１６、第２ベース
層１７、第２コレクタ層１８、活性層１９およびクラッ
ド層２０によって光双安定スイッチ２２が構成されてい
る。さらに、光双安定スイッチ２２のクラッ０− ド層２０、第２エミッタ層１６およびオフ用フォトトラ
ンジスタ２１の第１コレクタ層１８の上には、第１の電
極２３、第２の電極２４および第３の電極２５が形成さ
れている。第１の電極２３と第３の電極２５は配線によ
って接続され、抵抗２６を介して電源２７に接続されて
いる。配線および抵抗２６は、半導体基板１１上に集積
化されたものであってもよいし、半導体基板の外部に設
けられたものであってもよい。

次に、本実施例の動作について説明する。光双安定スイ
ッチ２２は等価回路的には発光素子とフォトトランジス
タの直列接続になっており、双安定性を示す。すなわち
、本スイッチはオフ状態ではフォトトランジスタのコレ
クタ電流が流れず発光素子は発光しないが、フォトトラ
ンジスタに第２ベース層１７のλｇ　（＝１．３μｍ）
以下の波長の書込み信号光２８を入力するとコレクタ電
流が流れ、発光素子が活性層１９のλ。（＝１．３μｍ
）に等しい波長の出力信号光２９を発する。

ここで書込み信号光２８の入力を止めても発光素１１ 子からの帰還光３０を第２ベース層１７が受光すること
でコレクタ電流が流れ、オン状態を維持する。次にオフ
用フォトトランジスタ２１に第１ベース層１３のλ、　
　（＝１．　１μｍ）以下の消去信号光３１を入力する
と、光双安定スイッチ２２への印加電圧が減少し、光双
安定スイッチ２２はオフ状態に戻る。

本光電子集積回路の特徴は、第１ベース層１３と第２ベ
ース層１７の間にバンドギャップが第１ベース層より小
さい光吸収層１５を設けている点にある。このため、第
１ベース層１３のλ、（＝１．１μｍ）以下の消去信号
光３１を入射した場合その一部が第１ベース層１３を透
過しても、さらに光吸収層１３によって吸収される。こ
こで光吸収層１３の厚さは、光双安定スイッチ２２およ
びオフ用フォトトランジスタ２１の特性とは無関係なの
で、光吸収層１３を厚くすることは何ら問題ない。光吸
収層１３でほとんどの光が吸収されれば、第２ベース層
１７に消去信号光が入射されなくなるため、消去信号光
３１によって光双安定１２− スイッチ２２がオンされるという誤動作がなくなり、確
実に光双安定スイッチ２２をオフすることができる。ま
た、第１ベース層１３を薄くすることが可能となり、オ
フ用フォトトランジスタ２１の利得を大きくできるので
、消去動作に必要な信号光のパワーを低減できる。

第２図は本発明の第２の実施例の光電子集積回路の断面
図である。ｎ型ＩｎＰよりなる半導体基板３２上にｎ型
（第１′導電型）ＩｎＰよりなる第１コレクタ層３３、
ｐ型（第２導電型）ＩｎＧａＡｓＰ　（バンドギャップ
波長λ、＝１．３μｍ）よりなる第１ベース層３４、ｎ
型ＩｎＰよりなるエミッタ層３５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
　（λ９＝１゜１μｍ）よりなる第２ベース層３６、ｎ
型ＩｎＰよりなる第２コレクタ層３７、ＩｎＧａＡｓＰ
（λ、＝１．１μｍ）よりなる活性層３８およびｐ型Ｉ
ｎＰよりなるクラッド層３９が積層されている。また、
第１コレクタ層３３、第１ベース層３４およびエミッタ
層３５に上ってオフ用フォトトランジスタ４０が構成さ
れており、エミッタ層３５、第２ベース層３６、第２コ
レクタ層３７、活性層３８およびクラッド層３９によっ
て光双安定スイッチ４１が構成されている。さらに、光
双安定スイッチ４１のクラッド層３９、エミッタ層３５
およびオフ用フォトトランジスタ４０の第１コレクタ層
３３の上には、第１の電極４２、第２の電極４３および
第３の電極４４が形成されている。

第１の電極４２と第３の電極４４は配線によって接続さ
れ、抵抗４５を介して電源４６に接続されている。配線
および抵抗４６は、半導体基板３２上に集積化されたも
のであってもよいし、半導体基板の外部に設けられたも
のであってもよい。

本実施例の基本的な動作は、第１の実施例と同じである
。本実施例が第１の実施例と異なるのは、光吸収層がな
い点と、第２ベース層３６のλｇ　（＝１．１μｍ）が
第１ベース層３４のλ、（＝１゜３μｍ）よりも大きい
点である。消去信号光４８として第１ベース層３４のλ
。（＝１．３μｍ）以下、第２ベース層３６のλ、　　
（＝１．　１μｍ）以上の波長の光を用いれば、消去信
号光４８は第１４− １ベ一ス層３４のみに吸収される。従って、消去信号光
４８によって光双安定スイッチを確実にオフすることが
できる。これに対し、書込み信号光４７は第２ベース層
３６のλＱ　（＝１．１μｍ）以下の波長であり、第２
ベース層３６のみならず第■ベース層３４でも吸収され
るが、光双安定スイッチ４１の等価的な利得はオフ用フ
ォトトランジスタ４０よりも大きく、書込み信号光４７
によって光双安定スイッチをオンすることができる。

第３図は本発明の第３の実施例の光電子集積回路の断面
図である。半絶縁性ＩｎＰよりなる半導体基板４９」二
にｎ型（第１導電型）ＩｎＰよりなるエミッタ層５０が
積層されており、エミ・ツタ層５０の一部領域上にｐ型
（第２導電型）ＩｎＧａＡｓＰ　（バンドギャップ波長
λ。＝１．３μｍ）よりなるベース層５１、ｎ型ＩｎＰ
よりなるコレクタ層５２、Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐ　（λ。

＝１．　３μｍ）よりなる活性層５３およびｐ型ＩｎＰ
よりなるクラッド層５４が積層されて、光双安定スイ・
ソチ５５が構成されている。また、エミ・ツタ層５０の
別５ の一部領域上にはベース層５１およびコレクタ層５２の
みが積層されて、オフ用フメトトランジスタ５６が構成
されている。さらに、光双安定スイッチ５５のクラッド
層５４、エミッタ層５０およびオフ用フォトトランジス
タ５６のコレクタ層５２の上には、第１の電極５７、第
２の電極５８および第３の電極５９が形成されている。

第１の電極５７と第３の電極５９は配線によって接続さ
れ、抵抗６０を介して電源６１に接続されている。配線
および抵抗６０は、半導体基板４９上に集積化されたも
のであってもよいし、半導体基板の外部に設けられたも
のであってもよい。

本実施例も基本的な動作は、第１の実施例と同じである
。第１の実施例と異なるのは、光双安定スイッチ５５の
ベース層とオフ用フォトトランジスタ５６のベース層が
同一の半導体薄膜によって形成されている点にある。す
なわち、本実施例においては、光双安定スイッチ５５に
入射される書込み信号光６２と、オフ用フォトトランジ
スタ５６に入射される消去信号光６３は、波長によって
６ は区別されず、入射位置によって区別されている。

従って、消去信号光６３が光双安定スイッチ５５に入射
されることはなく、消去信号光６３によって光双安定ス
イッチ５５を確実にオフすることができる。本実施例の
ような構造を用いると、第１および第２の実施例で示し
た積層構造に比べて半導体基板上に占める面積が大きく
なるが、オン、オフ動作させるための光源が一波長でよ
いという大きな利点が生じる。

なお、以上の実施例では半導体材料をＩ　ｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系としたが、本発明がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
系、　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系等の他の
材料を用いても実施できることは言うまでもない。

発明の効果 以上述べてきたことから明らかなように、本発明の光電
子集積回路によれば、光双安定スイッチのベース層に消
去信号光が入射されなくなるため、消去信号光によって
光双安定スイッチがオンされるという誤動作がなくなり
、確実に光双安定スイ７ ッチをオフすることができる。また、オフ用フォトトラ
ンジスタのベース層を薄くすることが可能となり、オフ
用フォトトランジスタの利得を大きくできるので、消去
動作に必要な信号光のパワーを低減できる。さらに、−
波長の信号光で光双安定スイッチをオン、オフ動作させ
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光電子集積回路の断面図、
第２図は本発明の第２の実施例の光電子集積回路の断面
図、第３図は本発明の第３の実施例の光電子集積回路の
断面図、第４図は従来の光電子集積回路の断面図である
。 １１・・・半導体基板、１２・・・第１コレクタ層、　
１３・・・第１ベース層、　１４・・・第１エミッタ層
、１５・・・光吸収層、１６・・・第２エミッタ層、　
１７・・・第２ベース層、１８・・・第２コレクタ層、
１９・・・活性層、２０・◆・クラッドＪｉｌ、２１−
−−オフ用フォトトランジスタ、２２・・・光双安定ス
イッチ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
   た第１導電型の第１コレクタ層、第２導電型の第１ベー
   ス層、第１導電型の第１エミッタ層、第１導電型でバン
   ドギャップが前記第１ベース層と同じかあるいは小さい
   光吸収層、第１導電型の第２エミッタ層、第２導電型で
   バンドギャップが前記光吸収層より小さい第２ベース層
   、第１導電型の第２コレクタ層、バンドギャップが前記
   第２ベース層と同じかあるいは大きい活性層および第２
   導電型のクラッド層有し、前記第１コレクタ層、前記第
   １ベース層および前記第１エミッタ層を含むオフ用フォ
   トトランジスタと、前記第２エミッタ層、前記第２ベー
   ス層、前記第２コレクタ層、前記活性層および前記クラ
   ッド層を含む光双安定スイッチとを含むことを特徴とす
   る光電子集積回路。
2. （２）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
   た第１導電型の第１コレクタ層、第２導電型の第１ベー
   ス層、第１導電型のエミッタ層、第２導電型でバンドギ
   ャップが前記第１ベース層より大きい第２ベース層、第
   １導電型の第２コレクタ層、バンドギャップが前記第２
   ベース層と同じかあるいは大きい活性層および第２導電
   型のクラッド層を有し、前記第１コレクタ層、前記第１
   ベース層および前記エミッタ層を含むオフ用フォトトラ
   ンジスタと、前記エミッタ層、前記第２ベース層、前記
   第２コレクタ層、前記活性層および前記クラッド層を含
   む光双安定スイッチとを含むことを特徴とする光電子集
   積回路。
3. （３）半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層され
   た第１導電型のエミッタ層、第２導電型のベース層、第
   １導電型のコレクタ層、活性層および第２導電型のクラ
   ッド層を有し、前記半導体基板上の一部領域に形成され
   た前記エミッタ層、前記ベース層および前記コレクタ層
   を含むオフ用フォトトランジスタと、前記半導体基板上
   の前記オフ用フォトトランジスタが形成されていない一
   部領域に形成された前記エミッタ層、前記ベース層、前
   記コレクタ層、前記活性層および前記クラッド層を含む
   光双安定スイッチとを含むことを特徴とする光電子集積
   回路。