JPH0353789B2 - - Google Patents

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JPH0353789B2
JPH0353789B2 JP8131680A JP8131680A JPH0353789B2 JP H0353789 B2 JPH0353789 B2 JP H0353789B2 JP 8131680 A JP8131680 A JP 8131680A JP 8131680 A JP8131680 A JP 8131680A JP H0353789 B2 JPH0353789 B2 JP H0353789B2
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avalanche photodiode
photodiode
optoelectronic switch
switching
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【発明の詳細な説明】 本発明は光を媒体として電気信号のスイツチを
行なうオプトエレクトロニツクスイツチに関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an optoelectronic switch that switches electrical signals using light as a medium.

従来のこの種のスイツチとしては、第1図に示
すように、電気−光変換素子1と光−電気変換素
子2とを組合せ、光3を媒体としたオプトエレク
トロニツクスイツチが提案されている。
(Electronics Letters Vol.14、PP.502〜503、
1978、“Optoelectronic Broadband Switching
Array”) すなわち、半導体レーザまたは発行ダイオード
などの電気−光変換素子1を用いて入力電気信号
Aに応じた光3を発生させる。そして、この光3
をフオトダイオード(以下、PDと略記する)ま
たはなだれフオトダイオード(以下、APDと略
記する)などの光−電気変換素子2に入射させ
る。このとき、PDまたはAPDに印加するバイア
ス電極の極性を極性の異なるバイアス電源4a,
4bおよび電気的スイツチ5を用いて切換える
と、順方向バイアスでは光−電気変換作用は小さ
く、オフ状態を実現し、逆方向バイアスではその
光−電気変換作用は大きく、オン状態を実現す
る。そして、このバイアス電圧の極性切換によ
り、オン状態では負荷抵抗6の端子に信号Bが得
られ、オフ状態では信号が出ない。したがつて、
これにより、スイツチが行なえることになる。
As a conventional switch of this type, an optoelectronic switch has been proposed which combines an electric-to-optical conversion element 1 and an optical-to-electrical conversion element 2 and uses light 3 as a medium, as shown in FIG.
(Electronics Letters Vol.14, PP.502-503,
1978, “Optoelectronic Broadband Switching
That is, the light 3 corresponding to the input electric signal A is generated using an electro-optical conversion element 1 such as a semiconductor laser or a light emitting diode.
is incident on a photo-electric conversion element 2 such as a photodiode (hereinafter abbreviated as PD) or an avalanche photodiode (hereinafter abbreviated as APD). At this time, the polarity of the bias electrode applied to the PD or APD is changed to a bias power source 4a with a different polarity,
4b and the electrical switch 5, the light-to-electrical conversion effect is small under forward bias, achieving an OFF state, and the light-to-electrical conversion action is large under reverse bias, achieving an ON state. By switching the polarity of the bias voltage, a signal B is obtained at the terminal of the load resistor 6 in the on state, and no signal is output in the off state. Therefore,
This allows the switch to be performed.

しかしながら、従来のPDまたはAPDを用いる
この種のスイツチでは次のような欠点がある。
However, this type of switch using conventional PD or APD has the following drawbacks.

すなわち、まず、第1に順方向バイアス時には
数mA〜数10mAの電流が流れ、大きな電力消費
となる。第2に、極性切換えのための回路が複雑
になり、かつ極性の異なる電源を必要とする。第
3に、順・逆の極性切換えによりPD、APDのイ
ンピーダンスが大幅に変化するため、インピーダ
ンス整合が困難である。第4に順方向から逆方向
へのバイアス電圧の切換時に、電荷蓄積効果が伴
ない、スイツチ速度が制限されるという欠点があ
つた。
That is, first, during forward bias, a current of several mA to several tens of mA flows, resulting in large power consumption. Second, the circuit for polarity switching becomes complicated and requires power supplies with different polarities. Third, impedance matching is difficult because the impedance of the PD and APD changes significantly due to forward/reverse polarity switching. Fourth, when switching the bias voltage from the forward direction to the reverse direction, there is a charge accumulation effect, which limits the switching speed.

このような欠点のため、従来のオプトエレクト
ロニツクスイツチの応用はその範囲が限られたも
のとなつていた。
These drawbacks have limited the range of applications of conventional optoelectronic switches.

本発明は以上の点に鑑み、このような欠点を除
去すべくなされたもので、その目的は低消費電
力、簡単な回路構成の実現、超高速スイツチ、集
積化などが可能なオプトエレクトロニツクスイツ
チを提供することにある。
In view of the above points, the present invention was made to eliminate these drawbacks, and its purpose is to provide an optoelectronic switch that has low power consumption, a simple circuit configuration, an ultra-high speed switch, and is capable of integration. Our goal is to provide the following.

このような目的を達成するために、本発明によ
るオプトエレクトロニツクスイツチは、光−電気
変換素子として−族またはSiの第1半導体の
中にpn接合を設け、さらに光エネルギーの吸収
はこの第1半導体の格子定数にほぼ一致した格子
定数を有し、かつ少数キヤリア側のエネルギーが
第1の半導体のそれよりも不連続的に小なる−
族またはGeの第2半導体中で行なうように構
成したPDまたはAPDを用い、これらのPDまた
はAPDにおける空乏層が第1半導体と第2半導
体から成るヘテロ接合に達しないだけ充分に低い
逆バイアス電圧(0Vを含む)と、この空乏層が
ヘテロ接合に達するか、あるいはエネルギー禁制
帯幅の小さい第2の半導体の中にも伸び得るだけ
充分に高い逆バイアス電圧とに切換えることによ
り、PDまたはAPDをスイツチさせるようにした
ものである。
In order to achieve such an object, the optoelectronic switch according to the present invention provides a pn junction in a first semiconductor of - group or Si as a photo-electrical conversion element, and furthermore, the absorption of light energy is carried out in this first semiconductor. It has a lattice constant that almost matches that of the semiconductor, and the energy on the minority carrier side is discontinuously smaller than that of the first semiconductor.
using PDs or APDs configured to operate in second semiconductors of the Group or Ge group, with a reverse bias voltage low enough that the depletion layer in these PDs or APDs does not reach the heterojunction consisting of the first semiconductor and the second semiconductor; PD or APD It is designed to switch.

以下、図面に基づき本発明の実施例を詳細に説
明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第2図は本発明に用いるPDの構造図で、本発
明のオプトエレクトロニツクスイツチを構成する
フオトダイオードの基本的構成を示す断面図であ
る。ここでは、説明を簡単にするために、第1の
半導体としてインジウム・リンInPと、第2の半
導体としてInxGa1-xAs1-yPy(インジウム・ガリウ
ム・ヒ素・リン)でなる−族化合物半導体に
おいてx=0.53、y=0なる組成、すなわち、イ
ンジウム・ガリウム・ヒ素In0.53Ga0.47As(以
下、InGaAsと略記する)とで構成されるPDにつ
いて述べることにする。
FIG. 2 is a structural diagram of a PD used in the present invention, and is a sectional view showing the basic configuration of a photodiode constituting the optoelectronic switch of the present invention. Here, to simplify the explanation, we will use indium phosphorus InP as the first semiconductor and In x Ga 1-x As 1-y P y (indium gallium arsenic phosphorus) as the second semiconductor. In the - group compound semiconductor, a PD composed of x=0.53 and y=0, that is, indium, gallium, and arsenide In0.53Ga0.47As (hereinafter abbreviated as InGaAs) will be described.

図において、まず、7,8,10はそれぞれ半
導体で、p形の不純物を多数、例えば1018cm-3
上含む、いわゆるp+形InPを用いた半導体7(以
下、p形InP7と呼称する)の一平面上に、n形
の不純物を含むn形InPを用いた半導体8(以
下、n形InP8と呼称する)を設け、pn接合9を
形成する。つぎに、n形InP8の上にn形の不純
物を含むInGaAsを用いた半導体10(以下、
InGaAs10と呼称する)を設け、ヘテロ接合1
1を形成する。そして、さらに、電極12および
電極13をInGaAs10およびp形InP7の表面
にそれぞれ形成し、電気的接続を可能とならしめ
る。
In the figure, first, 7, 8, and 10 are semiconductors, each using a so-called p + type InP containing a large number of p-type impurities, for example, 10 18 cm -3 or more (hereinafter referred to as p-type InP 7). ), a semiconductor 8 using n-type InP containing n-type impurities (hereinafter referred to as n-type InP 8) is provided to form a pn junction 9. Next, a semiconductor 10 (hereinafter referred to as
(referred to as InGaAs10) and heterojunction 1
form 1. Furthermore, electrodes 12 and 13 are formed on the surfaces of InGaAs 10 and p-type InP 7, respectively, to enable electrical connection.

このように構成されたフオトダイオードにおい
て、入射光は同図の3aまたは3bで図示するよ
うに、InGaAs10側またはp形InP7側のいず
れかの方向から入射される。そして、この入射光
3a,3bの方向は何れの方向であつてもほぼ同
じ効果が得られる。
In the photodiode configured in this manner, incident light is incident from either the InGaAs 10 side or the p-type InP 7 side, as shown by 3a or 3b in the figure. Almost the same effect can be obtained regardless of the direction of the incident light 3a, 3b.

そして、これをオプトエレクトロニツクスイツ
チとして動作させるためには、電源12が接続さ
れている入力端子14に対して電圧がV1からV2
の間で変化するパルス電圧Vpを印加する。この
場合、電圧V1は0Vまたはフオトダイオード16
に対しある一定電圧よりも低い逆方向電圧、すな
わち、電極12側が正電位、電極13側が負電位
となるように、また電圧V2はフオトダイオード
16に対して、ある一定電圧よりも高い逆方向電
圧となるようそれぞれ選ばれる。これらの電圧に
ついての詳細は後述する。
In order to operate this as an optoelectronic switch, the voltage must be changed from V 1 to V 2 with respect to the input terminal 14 to which the power supply 12 is connected.
Apply a pulse voltage V p that varies between In this case, voltage V 1 is 0V or photodiode 16
The reverse voltage V2 is lower than a certain constant voltage with respect to the photodiode 16, that is, the electrode 12 side is at a positive potential and the electrode 13 side is at a negative potential. voltage. Details regarding these voltages will be described later.

一方、入射光3aまたは入射光3bの波長は、
インジウム・リンInP7中ではその光エネルギー
が吸収されず、インジウム・ガリウム・ヒ素
InGaAs10中でその光エネルギーが吸収される
ような波長に選択する。
On the other hand, the wavelength of the incident light 3a or the incident light 3b is
The light energy is not absorbed in indium phosphorus InP7, and indium gallium arsenide
The wavelength is selected so that the light energy is absorbed in the InGaAs layer 10.

つぎにこの第2図に示す実施例におけるフオト
ダイオード16の動作を第3図を参照して詳述す
る。第3図はフオトダイオード16のエネルギー
帯構造を示し、aは0Vバイアス電圧におけるも
のを示したものであり、bは上記電圧V2に相当
するバイアス電圧を印加した状態のものを示した
ものである。第3図において第2図と同一符号の
ものは相当部分を示し、17は伝導帯端、18は
価電子帯端、19はフエルミ準位である。そし
て、pn接合9はp+−InP7とn−InP8との間に
形成され、また、ヘテロ接合11はn−InP8と
n−InGaAs10との間に形成されている。
Next, the operation of the photodiode 16 in the embodiment shown in FIG. 2 will be described in detail with reference to FIG. Figure 3 shows the energy band structure of the photodiode 16, where a shows the structure at a bias voltage of 0V, and b shows the structure when a bias voltage corresponding to the above voltage V2 is applied. be. In FIG. 3, the same symbols as in FIG. 2 indicate corresponding parts, 17 is the conduction band edge, 18 is the valence band edge, and 19 is the Fermi level. A pn junction 9 is formed between p + -InP 7 and n-InP 8, and a heterojunction 11 is formed between n-InP 8 and n-InGaAs 10.

さて、このような構成のフオトダイオード16
に対して、前述の波長の光を入射すると、その光
エネルギーはInGaAs10でのみ吸収され、ホー
ル20が発生する。このようにして発生したホー
ル20は第3図aの矢印の方向に進むが、第3図
aに示すように、0Vバイアス電圧においては、
ヘテロ接合11に形成されているエネルギー障壁
21を乗り越えることができず、入射光に応じた
電流は流れない。すなわち、光が入射しても出力
信号は第2図における出力端子15には現われ
ず、スイツチ動作としてはオフ状態となる。
Now, the photodiode 16 with such a configuration
On the other hand, when light of the above-mentioned wavelength is incident, the light energy is absorbed only by the InGaAs 10, and a hole 20 is generated. The hole 20 generated in this way moves in the direction of the arrow in FIG. 3a, but as shown in FIG. 3a, at a bias voltage of 0V,
The energy barrier 21 formed in the heterojunction 11 cannot be overcome, and no current according to the incident light flows. That is, even if light is incident, no output signal appears at the output terminal 15 in FIG. 2, and the switch operation is in an off state.

つぎに、pn接合9から広がる空乏層をヘテロ
接合11に達すべく印加バイアス電圧を高くする
と、エネルギー帯構造は第3図bに示すようにな
り、光により発生したホール20はエネルギー障
壁21を乗り越え得るようになる。したがつて、
入射光に応じた電流が流れ、第2図における出力
端子15には出力信号Bが現われ、スイツチ動作
としてはオン状態が実現する。
Next, when the applied bias voltage is increased so that the depletion layer spreading from the pn junction 9 reaches the heterojunction 11, the energy band structure becomes as shown in FIG. 3b, and the holes 20 generated by light overcome the energy barrier 21. You will get it. Therefore,
A current flows in accordance with the incident light, and an output signal B appears at the output terminal 15 in FIG. 2, realizing an on state as a switch operation.

前述したところから明らかなように、スイツチ
動作のオフ状態およびオン状態の実現は、空乏層
をヘテロ接合11に達せしめないか、または達せ
しめるかによつて行なわれ、これにより、光によ
つて発生したホール20がエネルギー障壁21を
乗り越えないようにするか、または乗り越えさせ
るかによつて行なつている。すなわち、オフ状態
を実現するための印加バイアス電圧V1(第2図参
照)は、0Vを含み、空乏層がヘテロ接合11に
達しないだけ低い逆方向電圧であればよい。一
方、オン状態を実現するための印加バイアス電圧
V2(第2図参照)は、空乏層がヘテロ接合11に
達し得るに十分な逆方向電圧か、またはそれ以上
の電圧であればよい。
As is clear from the foregoing, the off-state and on-state of the switch operation are achieved by either letting the depletion layer not reach the heterojunction 11 or by letting it reach the heterojunction 11. This is done by preventing or allowing the generated holes 20 to overcome the energy barrier 21. That is, the applied bias voltage V 1 (see FIG. 2) for realizing the OFF state may include 0 V and is a reverse voltage as low as to prevent the depletion layer from reaching the heterojunction 11. On the other hand, the applied bias voltage to achieve the on-state
V 2 (see FIG. 2) may be a reverse voltage sufficient to allow the depletion layer to reach the heterojunction 11 or a voltage higher than that.

換言するならば、スイツチ動作は0Vを含む逆
方向電圧の大きさで行なうことができる。
In other words, the switching operation can be performed with reverse voltage magnitudes including 0V.

第4図はインジウム・リンInPの不純物濃度と
なだれ降伏電圧近傍にバイアスされたときの空乏
層幅との関係を示した説明図であり、図中Eはヘ
テロ接合における電界の大きさを示している。そ
して、この図からn−InP8の厚さが決定され、
また、図の右の縦軸からオン状態を実現するため
に印加すべき電圧V2の最小値を読みとることが
できる。例えば、横軸に示すn−InP8の不純物
濃度が1×1016cm-3であるとき、図の左の縦軸に
示す空乏層幅は電界Eが0のとき3.3μmと読み取
れる。
Figure 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the impurity concentration of indium phosphide InP and the depletion layer width when biased near the avalanche breakdown voltage. There is. Then, from this figure, the thickness of n-InP8 is determined,
Furthermore, the minimum value of the voltage V 2 that should be applied to achieve the on state can be read from the vertical axis on the right side of the figure. For example, when the impurity concentration of n-InP8 shown on the horizontal axis is 1×10 16 cm −3 , the depletion layer width shown on the vertical axis on the left side of the figure can be read as 3.3 μm when the electric field E is 0.

そして、ヘテロ接合を越えて空乏層を伸ばすこ
とにより、望ましい特性のオン状態を得ることが
できる。このため、電界Eとしては、 E=1×105V/cm 程度の値となることが望ましい。
By extending the depletion layer beyond the heterojunction, an on-state with desirable characteristics can be obtained. Therefore, it is desirable that the electric field E has a value of approximately 1×10 5 V/cm.

すなわち、第4図から、このとき2.5μmの空乏
層幅を得るから、n−InP層の厚さとしてはこの
値として決定される。そして、オフ状態とオン状
態との切換えの電圧は右の縦軸から47Vと読み取
れ、バイアス電圧V1およびV2を 0≦V1<47〔V〕、47〔V〕<V2 と定めることにより、それぞれオフ状態、オン状
態を実現することができる。
That is, from FIG. 4, since a depletion layer width of 2.5 μm is obtained at this time, this value is determined as the thickness of the n-InP layer. The voltage for switching between the OFF state and the ON state can be read as 47V from the vertical axis on the right, and the bias voltages V 1 and V 2 should be determined as 0≦V 1 <47 [V], 47 [V] < V 2 Accordingly, it is possible to realize an off state and an on state, respectively.

つぎに、オフ状態とオン状態におけるそれぞれ
の信号の伝達の比(以下、これを切換比と呼称す
る)について説明する。まず、切換比はヘテロ接
合11に形成されるエネルギー障壁ΔE(第3図の
21)によつて決められ、その値はほぼ exp(−ΔE/KT) で表わされる。ここで、Kはボルツマン定数、T
は絶対温度である。そして、エネルギー障壁ΔE
は第1次近似としてヘテロ接合を形成する2つの
半導体のエネルギー禁制帯幅の差となる。InPと
In0.53Ga0.47Asとの場合、 ΔE=0.53eV となる。よく知られているように、InxGa1-x
As1-yPyでは、組成x、yを変えることによりエ
ネルギー禁制帯幅が変化し、したがつて、エネル
ギー障壁ΔEを変えることができる。
Next, the ratio of signal transmission in the OFF state and the ON state (hereinafter referred to as switching ratio) will be explained. First, the switching ratio is determined by the energy barrier ΔE (21 in FIG. 3) formed at the heterojunction 11, and its value is approximately expressed as exp(-ΔE/ KT ). Here, K is Boltzmann's constant, T
is the absolute temperature. And the energy barrier ΔE
As a first approximation, is the difference in the energy forbidden band width of two semiconductors forming a heterojunction. InP and
In the case of In 0.53 Ga 0.47 As, ΔE=0.53eV. As is well known, In x Ga 1-x
In As 1-y P y , by changing the compositions x and y, the energy gap width changes, and therefore the energy barrier ΔE can be changed.

第5図はエネルギー障壁ΔEと切換比の関係を
示した説明図で、任意のエネルギー障壁ΔEに対
して切換比を求めることができる。この図を用い
て、必要な切換比の値に対して、InGaAsPの組
成を決定することができる。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the energy barrier ΔE and the switching ratio, and the switching ratio can be determined for any energy barrier ΔE. Using this figure, the composition of InGaAsP can be determined for the required switching ratio value.

上述したフオトダイオード16を用いた本発明
によるオプトエレクトロニツクスイツチの実施例
を第6図に示し説明すると、図において、22は
発光ダイオードまたは半導体レーザであり、直流
バイアス電圧23はバイアス回路24を通して印
加され、さらに、スイツチすべき信号Aが加えら
れて、これによつて変調された光信号3が発光さ
れる。そして、この光信号3は上述したフオトダ
イオード(PD)16で受光される。このPD16
にはスイツチ5に電圧V2か、または0Vの電圧が
任意に切換えられて印加される。なお、このバイ
アス電圧回路がパルス電圧回路に置き換えられる
ことは明らかである。25は検出器である。
An embodiment of the optoelectronic switch according to the present invention using the photodiode 16 described above is shown in FIG. Furthermore, the signal A to be switched is added, and the optical signal 3 modulated thereby is emitted. This optical signal 3 is then received by the photodiode (PD) 16 described above. This PD16
The voltage V2 or 0V is applied to the switch 5 while being switched arbitrarily. Note that it is clear that this bias voltage circuit can be replaced with a pulse voltage circuit. 25 is a detector.

前述したように、0Vのバイアス電圧の場合に
は、出力端子15には信号は現われず、電圧V2
が印加された場合のみ信号が現われる。
As mentioned above, in the case of a bias voltage of 0V, no signal appears at the output terminal 15, and the voltage V 2
The signal appears only when .

第7図乃至第9図は実験結果のデータを示す説
明図で、第7図は第6図に示す実施例により測定
した切換比を信号Aの周波数に対して示したもの
である。ここで、第6図に示す検出器25として
スペクトラムアナライザを用いた。
7 to 9 are explanatory diagrams showing data of experimental results, and FIG. 7 shows the switching ratio measured by the embodiment shown in FIG. 6 with respect to the frequency of signal A. Here, a spectrum analyzer was used as the detector 25 shown in FIG.

そして、用いたフオトダイオードはインジウ
ム・リンInPとインジウム・ガリウム・ヒ素In0.53
Ga0.47Asとによつて構成されている。切換比
85dB以上の値を、周波数500MHz以下で実現され
ていることがわかる。
The photodiodes used were indium phosphide InP and indium gallium arsenide In 0.53
It is composed of Ga 0.47 As. switching ratio
It can be seen that a value of 85 dB or more is achieved at a frequency of 500 MHz or less.

第8図はフオトダイオードへの印加電圧を0V
からV2まで変化するパルス電圧として、スイツ
チ動作の時間変化を観測した結果である。なお、
このデータにおいては、回路の不備による過渡応
答はあるが、スイツチ速度が100nsec以下の時間
である。そして、バイアス回路を改善することに
より、本発明によるオプトエレクトロニツクスイ
ツチにより500MHzという高周波信号を10nsecと
いう高速でスイツチングし、その切換比を80dB
以上とすることが可能であることを示している。
Figure 8 shows the voltage applied to the photodiode at 0V.
This is the result of observing the change in switch operation over time as a pulse voltage varying from V2 to V2 . In addition,
In this data, although there is a transient response due to a defect in the circuit, the switching speed is 100 nsec or less. By improving the bias circuit, the optoelectronic switch according to the present invention can switch a high frequency signal of 500MHz at a high speed of 10nsec, and the switching ratio can be increased to 80dB.
This shows that it is possible to do the above.

第9図は電気信号Aとして、高速のパルス信号
を用い、これをスイツチした結果を示した説明図
で、10nsecの高速スイツチ速度で、上記高速パル
スがスイツチされていることがわかる。なお、上
記第8図およびこの第9図は第6図に示す検出器
25としてオシロスコープを用いたものである。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the result of switching a high-speed pulse signal as the electrical signal A. It can be seen that the high-speed pulse is switched at a high-speed switching speed of 10 nsec. Note that FIG. 8 and FIG. 9 use an oscilloscope as the detector 25 shown in FIG. 6.

つぎに、本発明に用いるPDまたはAPDの製作
法について第10図を参照して説明する。その一
例として、In0.53Ga0.47Asの場合について述べる
ことにする。まず、第10図aはよく知られてい
る液相エピタキシヤル法によりp+−InP7の上
に、順次n−InP8およびn−InGaAs10を成
長した半導体の断面を示したものである。そし
て、n形の不純物濃度はそれぞれ1×1016cm-3
し、n−InPおよびn−InGaAsの厚さはそれぞ
れ2.5μm、2.0μmとした。ここで、厚さと不純物
濃度との関係は、既に述べたように、第4図から
得られる。つぎに、通常よく知られている方法に
より、n−InGaAs10の表面に感光性のレジス
ト膜を塗布し、これを適当なマスクを用いて露光
した後、レジストを現像すると、第10図bに示
すように、レジスト26が部分的に残る。つぎ
に、n−InGaAs10に対してはH2O、H2SO4
H2O2をよく知られた割合で混合したエツチング
液を用い、また、n−InP8に対しては臭素
(Br)とメチルアルコールをよく知られた割合で
混合したエツチング液を用いて、それぞれエツチ
ングし、さらに、n−InGaAs10上のレジスト
膜を除去すると、第10図cに示すような断面
の、いわゆるメサ形状が形成される。ここでメサ
部の直径は140μmφとした。
Next, a method for manufacturing a PD or APD used in the present invention will be explained with reference to FIG. As an example, the case of In 0.53 Ga 0.47 As will be described. First, FIG. 10a shows a cross section of a semiconductor in which n-InP 8 and n-InGaAs 10 are sequentially grown on p + -InP 7 by the well-known liquid phase epitaxial method. The n-type impurity concentration was 1×10 16 cm −3 , and the thicknesses of n-InP and n-InGaAs were 2.5 μm and 2.0 μm, respectively. Here, the relationship between thickness and impurity concentration can be obtained from FIG. 4, as already stated. Next, a photosensitive resist film is applied to the surface of n-InGaAs 10 by a commonly known method, and after exposing this to light using an appropriate mask, the resist is developed, as shown in Figure 10b. As shown, the resist 26 remains partially. Next, for n-InGaAs10, H 2 O, H 2 SO 4 ,
Using an etching solution containing H 2 O 2 in a well-known ratio, and for n-InP8, using an etching solution containing bromine (Br) and methyl alcohol in a well-known ratio. After etching and further removing the resist film on the n-InGaAs 10, a so-called mesa shape with a cross section as shown in FIG. 10c is formed. Here, the diameter of the mesa portion was 140 μmφ.

最後に、p+−InP7側にはAu−Znの合金、n
−InGaAs10側にはAu−Ge−Niの合金を、真
空において蒸着した後、400℃、5分間の合金化
処理により電極12および電極13を形成する。
第10図dは完成されたフオトダイオードの断面
図である。
Finally, on the p + -InP7 side, an Au-Zn alloy, n
- After depositing an Au-Ge-Ni alloy on the InGaAs 10 side in a vacuum, electrodes 12 and 13 are formed by alloying treatment at 400° C. for 5 minutes.
FIG. 10d is a cross-sectional view of the completed photodiode.

ここでは、メサ形について述べたが、プレーナ
構造とすることも容易に可能である。いわゆるキ
ヤツプ層と呼ばれる、光入射面にエネルギー禁制
帯幅の大きな半導体層を設ける構造であつてもよ
い。さらに、結晶成長法についても液相エピタキ
シヤル成長法に限定されることはなく、気相エピ
タキシヤル成長法や分子線エピタキシヤル成長法
なども考えられ、要は第1半導体と第2半導体と
が、それぞれのエネルギー禁制帯幅の大小関係を
満たして形成され、ここで述べた層構造を有する
フオトダイオードが構成されればよいことは明ら
かであろう。また、ここでは簡単のため、InPと
In0.53Ga0.47Asとで構成されるフオトダイオード
を用いたオプトエレクトロニツクスイツチについ
て詳述したが、上記以外の半導体の組み合わせ、
たとえばpn接合を有する第1半導体をInPまたは
InxGa1-xAs1-yPy(0≦x≦1、0≦y≦1)のい
ずれかとし、第2半導体を第1半導体よりも小さ
なエネルギー禁制帯幅のInx′Ga1-x′As1-y′Py′(0
≦x′≦1、0≦y′≦1)としたフオトダイオード
においても、高性能のオプトエレクトロニツクス
イツチが実現される。
Although a mesa structure has been described here, a planar structure is also easily possible. It may also be a structure in which a semiconductor layer with a large energy bandgap, called a so-called cap layer, is provided on the light incident surface. Furthermore, the crystal growth method is not limited to the liquid phase epitaxial growth method, and vapor phase epitaxial growth methods and molecular beam epitaxial growth methods are also considered, and the point is that the first semiconductor and the second semiconductor are It is obvious that a photodiode can be constructed as long as it is formed so as to satisfy the size relationship of the respective energy band gaps and has the layer structure described here. Also, for simplicity, InP and
Although we have described in detail an optoelectronic switch using a photodiode composed of In 0.53 Ga 0.47 As, combinations of semiconductors other than the above,
For example, if the first semiconductor with a pn junction is InP or
In x Ga 1-x As 1-y P y (0≦x≦1, 0≦y≦1), and the second semiconductor is In x ′Ga 1 with a smaller energy bandgap than the first semiconductor. -x ′As 1-y ′P y ′(0
A high-performance optoelectronic switch can also be realized with a photodiode in which ≦x'≦1, 0≦y'≦1).

そして、フオトダイオードはなだれ像倍作用を
有していれば、切換比の向上、信号対雑音比が向
上し、より望ましいスイツチ特性が得られる。
If the photodiode has an avalanche image multiplication effect, the switching ratio and signal-to-noise ratio will be improved, and more desirable switching characteristics will be obtained.

なお、これまでの説明において、p形とn形と
を全く逆にすることも可能であり、このときは、
ホールを電子と読み換えればよい。
In addition, in the explanation so far, it is also possible to completely reverse the p-type and n-type, and in this case,
You can read holes as electrons.

以上説明したように、本発明によるオプトエレ
クトロニツクスイツチでは、フオトダイオードに
印加する逆方向バイアス電圧の大きさを変化させ
ることによつて、スイツチすべき電気信号に対し
て大きな切換比で高速のスイツチをすることが可
能となる。そして、前述したように、予備的実験
結果によれば、500MHzの高周波信号を10nsecの
スイツチ速度で切換えることができ、オフ状態と
オン状態との信号の伝達比(切換比)は80dB以
上であつた。そして、原理的に直流信号から、光
源の変調特性およびフオトダイオードの高周波特
性を考慮すると、数GHzまでの高周波信号までス
イツチングすることが可能であり、しかもスイツ
チング速度はフオトダイオードの接合容量で決ま
るから、10nsec以下とすることも容易に可能であ
る。また、高速のデイジタル信号のスイツチも同
様に可能である。
As explained above, in the optoelectronic switch according to the present invention, by changing the magnitude of the reverse bias voltage applied to the photodiode, it is possible to perform a high-speed switch with a large switching ratio relative to the electrical signal to be switched. It becomes possible to do this. As mentioned above, preliminary experimental results show that a 500MHz high-frequency signal can be switched at a switching speed of 10nsec, and the signal transmission ratio (switching ratio) between the off state and on state is over 80dB. Ta. In principle, it is possible to switch from a DC signal to a high-frequency signal up to several GHz, considering the modulation characteristics of the light source and the high-frequency characteristics of the photodiode, and the switching speed is determined by the junction capacitance of the photodiode. , it is also easily possible to set it to 10 nsec or less. Also, high-speed digital signal switching is possible as well.

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、(1)低消費電力で、(2)回路構成が簡単な、(3)高
速スイツチが可能な、(4)フオトダイオードは常に
高インピーダンスで動作するため、インピーダン
ス整合が容易な、(5)しかも、信号の切換比が従来
と同様に十分大きなオプトエレクトロニツクスイ
ツチを構成することができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, (1) low power consumption, (2) simple circuit configuration, (3) high-speed switching is possible, and (4) the photodiode always has high impedance. Therefore, it is possible to construct an optoelectronic switch with easy impedance matching (5) and a sufficiently large signal switching ratio as in the conventional case.

したがつて、従来におけるオプトエレクトロニ
ツクスイツチでは実現し得なかつた各種の応用が
容易となる。すなわち、低消費電力のために高密
度の集積化が容易に可能となり、複雑なスイツチ
構造においても装置が小型化されて経済的になる
と共に、信頼性を一段と向上させることができ
る。
Therefore, various applications that could not be realized with conventional optoelectronic switches are facilitated. That is, high-density integration is easily possible due to low power consumption, and even in a complicated switch structure, the device can be made smaller and more economical, and reliability can be further improved.

また、重要な効果として、前述のようにnsecオ
ーダーの高速スイツチング動作が可能となるた
め、マイクロ波回線の高速切換え、ミリ波中間周
波数の切換え、デイジタル回線の切換え、電話回
線の交換機、衛星通信回線で使用される時分割多
重方式の高速の信号切換スイツチレーザーなどで
使用される高速の位相切換えなどに応用すること
ができる。また、これまでの説明では、スイツチ
動作のみについて述べたが、逆方向バイアス電圧
を連続的に変化すると、信号出力の大きさも連続
的に変化するため、信号の方向性を持つた可変減
衰器としての応用もある。
Another important effect is that, as mentioned above, high-speed switching operations on the order of nanoseconds are possible, allowing high-speed switching of microwave lines, millimeter-wave intermediate frequency switching, digital line switching, telephone line exchanges, and satellite communication lines. It can be applied to high-speed phase switching used in time-division multiplexed high-speed signal switching switch lasers, etc. In addition, in the explanation so far, we have only talked about the switch operation, but if the reverse bias voltage is changed continuously, the magnitude of the signal output also changes continuously, so it can be used as a variable attenuator with signal directionality. There are also applications.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来のオプトエレクトロニツクスイツ
チの一例を示す構成図、第2図は本発明によるオ
プトエレクトロニツクスイツチを構成するフオト
ダイオードの基本的構成を示す断面図、第3図は
第2図のフオトダイオードのエネルギー帯構造を
示す図、第4図は第2図のフオトダイオードにお
けるn−InPの不純物濃度と空乏層幅との関係を
示す説明図、第5図はエネルギー障壁ΔEと切換
比との関係を示す説明図、第6図は本発明による
オプトエレクトロニツクスイツチの一実施例の基
本的構成を示す構成図、第7図〜第9図は本発明
によるオプトエレクトロニツクスイツチの実験結
果のデータを示す説明図であつて、第7図は切換
比の周波数特性、第8図は高周波信号のスイツチ
動作特性、第9図はデイジタル信号のスイツチ動
作特性、第10図は第2図のフオトダイオードの
製作法の一例を示す説明図である。 1……電気−光変換素子、2……光−電気変換
素子、3……光、4a,4b,4……バイアス電
源、5……スイツチ回路、7,8,10……半導
体、9……pn接合、11……ヘテロ接合、16
……フオトダイオード。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a conventional optoelectronic switch, FIG. 2 is a sectional view showing the basic structure of a photodiode constituting the optoelectronic switch according to the present invention, and FIG. A diagram showing the energy band structure of a photodiode. Figure 4 is an explanatory diagram showing the relationship between n-InP impurity concentration and depletion layer width in the photodiode of Figure 2. Figure 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the energy barrier ΔE and the switching ratio. FIG. 6 is a block diagram showing the basic configuration of an embodiment of the optoelectronic switch according to the present invention, and FIGS. 7 to 9 show experimental results of the optoelectronic switch according to the present invention. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the data. FIG. 7 is the frequency characteristic of the switching ratio, FIG. 8 is the high frequency signal switch operation characteristic, FIG. 9 is the digital signal switch operation characteristic, and FIG. 10 is the photo of FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a method for manufacturing a diode. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Electrical-optical conversion element, 2... Optical-electrical conversion element, 3... Light, 4a, 4b, 4... Bias power supply, 5... Switch circuit, 7, 8, 10... Semiconductor, 9... ... pn junction, 11 ... heterojunction, 16
...Photodiode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 電気信号によつて変調される光源と、該光源
からの光信号を受光して電気信号に変換するアバ
ランシエフオトダイオードと、該アバランシエフ
オトダイオードに印加するバイアス電源とによつ
て構成されるオプトエレクトロニツクスイツチに
おいて、前記アバランシエフオトダイオードは、
pn接合を有する−族またはSiの第1半導体
と、この第1半導体の格子定数と略々一致する格
子定数を有し、かつ少数キヤリア側のエネルギー
が該第1の半導体のそれよりも不連続的に小さい
−族またはGeの第2半導体とで形成される
ヘテロ接合を有する構造であり、また前記バイア
ス電源の印加電圧を前記アバランシエフオトダイ
オードの空乏層がヘテロ接合に達しないだけ充分
に低い逆バイアス電圧(0Vを含む)と、上記空
乏層がヘテロ接合に達するか、あるいは上記第2
半導体の中にも伸び得るだけ充分に高い逆バイア
ス電圧とに切換えることにより前記アバランシエ
フオトダイオードをそれぞれオフ状態、オン状態
にすることを特徴とするオプトエレクトロニツク
スイツチ。 2 アバランシエフオトダイオードを、pn接合
をInP(インジウム・リン)の第1半導体の中に
形成し、この第1半導体の格子定数と略々一致す
る格子定数を有しかつエネルギー禁制帯幅が該第
1半導体のそれよりも小さいInxGa1-xAs1-yPy(イ
ンジウム・ガリウム・ヒ素・リン;0≦x≦1、
0≦y≦1)の第2半導体とで形成されるアバラ
ンシエフオトダイオードによつて構成する事を特
徴とする特許請求の範囲第1項記載のオプトエレ
クトロニツクスイツチ。 3 アバランシエフオトダイオードを、pn接合
をIn1-xGaxAs1-yPy(インジウム・ガリウム・ヒ
素・リン;0≦x≦1、0≦y≦1)の第1半導
体の中に形成し、この第1半導体の格子定数と
略々一致する格子定数を有しかつエネルギー禁制
帯幅が該第1半導体のそれよりも小さい
In1-x′Gax′As1-y′Py′(インジウム・ガリウム・ヒ
素・リン;0≦x′≦1、0≦y′≦1)の第2半導
体とで形成されるアバランシエフオトダイオード
によつて構成する事を特徴とする特許請求の範囲
第1項記載のオプトエレクトロニツクスイツチ。
[Claims] 1. A light source that is modulated by an electrical signal, an avalanche photodiode that receives an optical signal from the light source and converts it into an electrical signal, and a bias power supply that applies to the avalanche photodiode. In the optoelectronic switch configured by, the avalanche photodiode is
a - group or Si first semiconductor having a p-n junction; and a lattice constant that approximately matches that of the first semiconductor, and the energy on the minority carrier side is more discontinuous than that of the first semiconductor. The structure has a heterojunction formed with a second semiconductor of the - group or Ge, which is small in size, and the applied voltage of the bias power supply is sufficiently low so that the depletion layer of the avalanche photodiode does not reach the heterojunction. When the reverse bias voltage (including 0V) is applied, the depletion layer reaches the heterojunction or the second
An optoelectronic switch characterized in that the avalanche photodiode is turned off and on by switching to a sufficiently high reverse bias voltage to extend into the semiconductor. 2 An avalanche photodiode is formed in which a pn junction is formed in a first semiconductor of InP (indium phosphide), and has a lattice constant that approximately matches that of the first semiconductor and an energy band gap that falls within the range. In x Ga 1-x As 1-y P y (indium, gallium, arsenic, phosphorus; 0≦x≦1, smaller than that of the first semiconductor)
2. The optoelectronic switch according to claim 1, wherein the optoelectronic switch is constituted by an avalanche photodiode formed with a second semiconductor in which 0≦y≦1. 3 Place the avalanche photodiode and the pn junction in the first semiconductor of In 1-x Ga x As 1-y P y (Indium-Gallium-Arsenic-Phosphorus; 0≦x≦1, 0≦y≦1) formed, has a lattice constant that substantially matches that of the first semiconductor, and has an energy forbidden band width smaller than that of the first semiconductor.
Avalanche formed with a second semiconductor of In 1-x ′Ga x ′As 1-y ′P y ′ (indium, gallium, arsenic, phosphorus; 0≦x′≦1, 0≦y′≦1) 2. The optoelectronic switch according to claim 1, characterized in that it is constituted by a photodiode.
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