JPH0354473B2

JPH0354473B2 -

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Publication number: JPH0354473B2
Application number: JP408483A
Authority: JP
Priority date: 1983-01-17
Filing date: 1983-01-17
Publication date: 1991-08-20
Also published as: JPS59129480A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、発光受光トランジスタを利用し、
内部記憶セルと外部回路との情報信号の交換や制
御をも行なわせるようにした発光受光装置に関す
る。

（従来技術）従来光学的記憶装置は光デイスク装置に見られ
るごとく機械的操作が入るため、情報の書き込
み、読み出し速度が遅い欠点を有していた。

また、半導体レーザを用いたメモリの提案があ
り、超高速のメモリ装置が可能と考えられている
が、その装置構成において、製作上極めて精密な
加工を必要とし、またその使用上の制御性も極め
て困難を伴うことが予想されているなどの欠点を
有していた。

さらに、pnpn型負性抵抗発光受光素子を用い
たものが考えられたが、その特性の制御、使用法
の困難性などに幾つかの欠点を有していた。

（発明の目的）この発明は、これら従来の欠点を除去するため
になされたもので、簡易に構成でき、制御性に優
れ、使用条件範囲が広く、安定な動作を有し、外
部電気信号により容易に制御でき、内部的に光学
的信号と操作を利用できる発光受光装置を提供す
ることを目的とする。

（発明の構成）この発明の発光受光装置は、定常の記憶状態で
は第１の１対の発光受光トランジスタの一方がオ
ンで他方がオフになつてフリツプ・フロツプ回路
による記憶セルを構成し、それの読み出し時に第
２の発光受光トランジスタのバイアス電位を変え
てオンにして第１の１対の発光受光トランジスタ
のオンになつている一方のコレクタ電流を増加さ
せてその発光出力を導光路を通して第２の１対の
発光受光トランジスタの一方をオンさせて発光さ
せ、その発光出力を導光路を通して外部に伝達
し、記憶セルに書き込むときは第３の１対の発光
受光トランジスタの他方のバイアス電位を変えて
オンにして発光させ、その発光出力を第１の１対
の発光受光トランジスタのオフになつている方に
導光路を通して伝達させ、この発光受光トランジ
スタをオンさせて書き込むようにしたものであ
る。

（実施例）以下、この発明の発光受光装置の実施例につい
て図面に基づき説明する。第１図はその第１の実
施例の模式図である。その構成は電気的要素と光
学的要素をともに含んでいる。図中Q₁〜Q₅は発
光受光トランジスタであり、化合物半導体たとえ
ばGaAs、AlGaAs、InP、InGaAsPなど−
族化合物半導体で作られており、電気的には通常
のバイポーラトランジスタと同様な電流増巾作用
を有しており、光学的には広い波長範囲に亘る受
光感度をもつ光電変換機能を有し、かつ比較的狭
い波長範囲の発光をする電流光変換機能を有する
トランジスタである。また大電流を通電するとベ
ース領域付近でレーザ発光をする場合もある。

第１図の電気回路はフリツプ・フロツプ回路を
記憶セルとして構成してある。したがつてこの回
路は電気的には通常行なわれている変形もある。

A₁，A₃，A₅はコレクタ側バイアス端子、A₂，
A₄，A₆はエミツタ側バイアス端子、B₁，B₂はベ
ース側バイアス端子である。コレクタ側バイアス
端子A₁に連結されるトランジスタQ₅のベース端
子A₇およびA₂，A₃，A₅端子は横方向の他のセル
と共通線W_1，W_2，W_3，W₄（語選択線）で接続
結線されている。

共通線W₁，W₂は何れか一方を両方を同時に用
いてよく、また、共通線W₃，W₄は共通としても
よく、さらにコレクタ側バイアス端子A₁とも共
通としてもよい。

コレクタ側バイアス端子A₁は横方向の他のセ
ルと共通のバイアス端子である。エミツタ側バイ
アス端子A₄，A₆は読み出しおよび書き込み用デ
ジツト線（ビツト線）D₁，₁に接続されていて
縦方向の他のセルと共通に連結されている。

ベース側バイアス端子B₁，B₂は縦方向の共通
線D₂，₂に接続されているが横方向の共通線と
接続してもよい。

R₁〜R₁₀は電気抵抗で特にR₁，R₂は高抵抗、
R₃，R₄は低抵抗であつて、それぞれ発光受光ト
ランジスタQ₁〜Q₅の電気的および光学的動作条
件を決定するためのものである。

さらに、他の抵抗やダイオードやトランジスタ
を付加した回路変形は簡易化のため省略する。

発光受光トランジスタQ₁，Q₂はフリツプ・フ
ロツプ回路の主体をなすものであり、両発光受光
トランジスタQ₁，Q₂のエミツタは抵抗R₆を介し
てエミツタ側バイアス端子A₂に接続されている。

発光受光トランジスタQ₁，Q₂のコレクタはそ
れぞれ抵抗R₁，R₂を介して、また、発光受光ト
ランジスタQ₅のコレクタは直接コレクタ側バイ
アス端子A₁に接続されている。

発光受光トランジスタQ₅は二つのエミツタを
有し、その各エミツタは抵抗R₃，R₄をそれぞれ
介して発光受光トランジスタQ₂，Q₁のベースに
接続されている。この発光受光トランジスタQ₁，
Q₂のベース間には抵抗R₅が接続されている。

発光受光トランジスタQ₃のベースは抵抗R₉を
介して、ベース側バイアス端子B₁に接続され、
そのコレクタは抵抗R₇を介してコレクタ側バイ
アス端子A₃に接続され、また、エミツタはエミ
ツタ側バイアス端子A₄に接続されている。

同様にして、発光受光トランジスタQ₄のベー
スは抵抗R₁₀を介してベース側バイアス端子B₂に
接続されており、そのコレクタは抵抗R₃を介し
てコレクタ側バイアス端子A₅に接続され、エミ
ツタはエミツタ側バイアス端子A₆に接続されて
いる。

一方、F₁，F₂，F₃，F₄は導光路（フアイバ）
で、たとえば光学ガラスや透明樹脂などで構成さ
れる。G₁，G₂はある波長領域のみ低減衰量で通
過させ、他の波長領域では高減衰量で通過を阻止
する光学フイルタで、干渉フイルタや回折格子や
光学ガラスフイルタなどで実現可能のものであ
る。

導光路F₁の両端は発光受光トランジスタQ₁と
Q₃の光の導入または射出部３９，４１（ともに
第３図参照）に対向している。

同様にして、導光路F₂の両端は発光受光トラ
ンジスタQ₂，Q₄の光の導入または射出部４０，
４２に対向している（第３図参照）。

さらに、導光路F₃の一端は発光受光トランジ
スタQ₃の光の導入または射出部４１に対向して
おり、他端は出力出射光口I₁に対向している。

導光路F₄の一端は発光受光トランジスタQ₄の
光の導入または射出部４２に対向しており、他端
は出力出射光口I₂に対向している。

両導光路F₃，F₄にはそれぞれ光学フイルタG₁，
G₂が設けられている。

Ｃは発光受光トランジスタQ₁，Q₂，Q₃，Q₄，
Q₅間を互に光学的に絶縁分離させるための遮光
部で、たとえば光学的吸収材、たとえば黒色樹脂
や液体、粉末、黒色固体などの絶縁体で構成し得
るものである。なお、光学フアルタG₁，G₂は不
可欠なものではない。

次に、以上のように構成されたこの発明の発光
受光装置の動作について説明する。発光受光トラ
ンジスタQ₁，Q₂から発光した光はそれぞれ導光
路F₁，F₂から発光受光トランジスタQ₃，Q₄へ入
射し、書き込み用デジツト線D₁，₁を通る受光
電流として検出される。

また、同時にその受光電流にしたがつて発光受
光トランジスタQ₃，Q₄が発光もするので、この
発光受光トランジスタQ₃，Q₄の発光光線は導光
路F₃，F₄、光学フイルタG₁，G₂を通つて出力出
射光口I₁，I₂より出射光としても検出可能であ
る。

発光受光トランジスタQ₁〜Q₄からの発光する
波長は必ずしも同一の波長である必要はなく、異
なる波長であることを利用する場合もある。

第２図は第１図の回路動作を時系列的に示した
ものの一例である。この例では共通線W₃，W₄、
コレクタ側バイアス端子A₁はほぼ同一の正電位
に固定されているものとし、ベース側バイアス端
子B₁，B₂もほぼ同一の正電位にあるものと仮定
している。

したがつて、この回路動作は共通線W₁，W₂、
書き込み用デイジツト線D₁，₁がそれぞれ接続
されているコレクタ側バイアス端子A₇、エミツ
タ側バイアス端子A₂，A₄，A₆の電位によつてほ
ぼ決定する。

定常状態の記憶状態ではエミツタ側バイアス端
子A₂の電位をコレクタ側バイアス端子A₁の電位
より僅かに低くしかつコレクタ側バイアス端子
A₇の電位をコレクタ側バイアス端子A₁より充分
に低くし、発光受光トランジスタQ₅をオフ状態
として、発光受光トランジスタQ₁，Q₂のコレク
タ電流が抵抗R₁，R₂を流れるようにしておく。

したがつて、記憶時の発光受光トランジスタ
Q₁，Q₂の電流は極めて小さくなる。そのとき、
これらの端子に接続されている発光受光トランジ
スタQ₁，Q₂はフリツプ・フロツプ回路を構成し
ているので、その何れか一方がオン、他方がオフ
の状態になる。

いま、発光受光トランジスタQ₁がオン（発
光）、発光受光トランジスタQ₂がオフ（消光）の
状態にあるものとする。また、第２図中の横軸は
時刻を示しt₀〜t₅の時間中t₁〜t₂は記憶状態の読
み出し、t₃〜t₄の時間帯に書き込み動作を行なう
ものとする。縦軸はそれぞれの端子の相対電位を
示している。

第２図ａ〜第２図ｃは読み出し操作を行なうた
めの相対電位の時系列、第２図ｄ〜第２図ｆは書
き込みの相対電位の時系列を示している。

読み出し時（t₁〜t₂間）はエミツタ側バイアス
端子A₂の電位をコレクタ側バイアス端子A₁の電
位より充分低くして、コレクタ側バイアス端子
A₇の電位をコレクタ側バイアス端子A₁の電位に
近づけ、発光受光トランジスタQ₅をオン状態と
してコレクタ抵抗を抵抗R₁，R₂から抵抗R₃，R₄
に切り替えて発光受光トランジスタQ₁に大きな
電流を流し発光強度を大とし、同時にエミツタ側
バイアス端子A₄，A₆の電位をベース側バイアス
端子B₁，B₂の電位より僅かに下げた状態にして
発光受光トランジスタQ₃，Q₄を遮断にやや近い
オン状態にしておく。

これによつて、発光受光トランジスタQ₁より
発した光を導光路F₁を通して受光し書き込み用
デジツト線D₁に受光電流として増巾検出する。

同時に、発光受光トランジスタQ₃は受光電流
に応じた発光をするので、その発光光線は導光路
F₃、光学フイルタG₁を通して出力出射光口I₁より
光検出を行なうこともできる。

一方、発光受光トランジスタQ₂は消光状態に
あるので、導光路F₂を通しての光はないので、
発光受光トランジスタQ₄の受光電流、書き込み
用デジツト線₁の検出電流はないので、オフ状
態の検出ができたことになる。

書き込み時（t₃〜t₄間）はエミツタ側バイアス
端子A₂は記憶時同様コレクタ側バイアス端子A₁
より僅かに低い電位としておく。

また、エミツタ側バイアス端子A₄，A₆の電位
はオン状態にしたい何れか一方の電位をベース側
バイアス端子B₁またはB₂より充分低くすること
によつて、記憶状態を作れる。

この例では、発光受光トランジスタQ₂をオン
状態に換えるため、エミツタ側バイアス端子A₆
をベース側バイアス端子B₂より充分低くして、
発光受光トランジスタQ₄を発光させ、導光路F₂
を通して発光受光トランジスタQ₂に光線を入射
させ、発光受光トランジスタQ₂をオン状態とな
し、発光受光トランジスタQ₁がオフ状態となる。

発光受光トランジスタQ₁がオン、発光受光ト
ランジスタQ₂がオフの状態を論理の「１」状態
とし、発光受光トランジスタQ₁がオフ、発光受
光トランジスタQ₂がオンの状態を「０」状態に
対応させれば、これらは２値論理の機能状態を記
憶し、読み出し、書き込みの記憶の操作ができた
ことになる。

以上の説明でわかるごとく、記憶状態やその読
み出し、書き込みはすべて端子間の相対電位によ
つてきまるので、たとえばエミツタ側バイアス端
子A₂を固定し、コレクタ側バイアス端子A₁を可
変とすることや、同時に両者を可変とすること
や、あるいはまた、エミツタ側バイアス端子A₄，
A₆を固定としてベース側バイアス端子B₁，B₂を
可変とすることによつて読み出し、書き込み操作
を行なうこともできる。

ただし、ベース側バイアス端子B₁，B₂を変え
る場合でも検出電流は書き込み用デジツト線D₁，
Ｄ₁で行なう方が電流を多くとることができる。

なお、これらの幾つかの組合せについては簡単
化のために省略する。

第３図は第１図の模式図に対応する具体的構成
法の一実施例の横断面図を示している。この構成
例では抵抗R₁〜R₁₀は外部接続として示されてい
ないが、第３図中に示されている絶縁性化合物半
導体基板１９の内部または上部の化合物半導体層
１１〜３８中に不純物拡散やイオン注入法などを
用いて単一基板内に構成し得る。

また、純抵抗以外に等価的に抵抗であればよい
ので、トランジスタやダイオードなどを用いて代
替えすることも可能であるが、本質的要件ではな
いので、その具体例は簡略化のため詳述を省い
た。

化合物半導体層１１〜３８は発光受光トランジ
スタQ₁〜Q₅を構成している。絶縁性化合物半導
体基板１９はたとえばGaAsやInPで作成されて、
その上に発光受光トランジスタQ₁〜Q₄を同時に
単一基板上に構成している。

絶縁性化合物半導体基板１９の上に各発光受光
トランジスタQ₁〜Q₅のコレクタ部を構成する化
合物半導体層１４，１８，２３，２７，３１、さ
らにその上にベース部となる化合物半導体層１
３，１７，２２，２６，３０、エミツタ部をなす
化合物半導体層１２，１６，２１，２５，２９，
３３、エミツタ電極を良好なオーミツク接続でき
るようにするためのコンタクト層１１，１５，２
０，２４，２８，３２をエピタキシヤルに成長さ
せる。

次に、ベース電極を上部より取り出すためのベ
ース層と同じｐ（pnpトランジスタの場合はｎ）
形の不純物を拡散法あるいはイオン注入法などを
用いて変質させた化合物半導体層３４，３５，３
６，３７，３８をベース層１３，１７，２２，２
６，３０まで形成させる。

その後、エミツタ部の一部の化学的または物理
的メサエツチングにより取り除くか、あるいはイ
オン注入法などを用いた絶縁化によりエミツタベ
ース間の一部絶縁化とベース層への光の導入また
は射出部３９，４０，４１，４２を形成する。

また、４４，４３の部分もそれぞれ発光受光ト
ランジスタQ₁とQ₃，Q₂とQ₄間の光結合部分をな
す。したがつて、この光結合部分３９〜４３は単
に真空や気体であつてもよいが、望ましくは各入
出力光の波長において透明であつてかつでき得る
限り半導体や導光路（グラスフアイバ）に近い屈
折率を有する樹脂や液体や固体で構成されること
である。

その後、発光受光トランジスタQ₁〜Q₅のコレ
クタ電極を設けるためのエツチング、および発光
受光トランジスタQ₁〜Q₅を互に電気的絶縁を行
なうためのエツチングを行なう。

その後、各層のオーミツク電極を蒸着法、メツ
キ法、シンタ法などを用いて付加する。

一般には、エミツタ層としての化合物半導体層
１２，１６，２１，２５，２９，３３はベース層
としての化合物半導体層１３，１７，２２，２
６，３０より大きなエネルギギヤツプを有するこ
とが望ましく、これによつてエミツタからの少数
キヤリアの注入効率を向上させ得る。

たとえばベース層としての化合物半導体層１
３，１７，２２，２６，３０がGaAsまたはInP
で作られた場合、エミツタ層としての化合物半導
体層１２，１６，２１，２５，２９，３３にはそ
れぞれAlGaAsまたはInGaAsPなどが用いられる
などである。

また、同時にこのように行なうとベース層で発
光吸収されるべき光の波長に対して、エミツタ層
は光学的に透明になし得て、より光電変換効率を
高めることが可能となる。

エミツタコンタクト層としての化合物半導体層
１１，１５，２０，２４，２８，３２は本質的に
は不要であるが、エミツタ層としての化合物半導
体層１２，１６，２１，２５，２９，３３に直接
オーミツク電極がとり難い場合の補助的な層とし
て用いられるものである。

ベース層としての化合物半導体層１３，１７，
２２，２６，３０の組成は一般には同一組成で同
時に作成されるのが通例であるが、入出力光に対
する波長特性を種々変更したい場合には、異なる
ものとするように作成させる。

これは、たとえば、選択エピタキシヤル成長法
を用いて母材結晶の組成を変える方法や、同一組
成結晶を成長後不純物を選択的に拡散あるいはイ
オン注入法を用いて変質させることによつて達成
可能である。

また、このベース層は発光受光トランジスタ
Q₁〜Q₅の電気的および光学的特性に特に重要な
作用を行なう層であり、−族化合物半導体に
対しては特に族元素を不純物として用いると、
特に望ましい特性が屡々得られる。

すなわち、少数キヤリア拡散長が長く、発光あ
るいは受光の変換効率が高い特性が得られる。

図中Ｃで示す遮光部は発光受光トランジスタ
Q₁〜Q₅および導光路F₁〜F₄間相互の光学的およ
び電気的絶縁を行なうための物質で前述の材料に
よつて構成されるものである。これによつて入出
力間の分離と同時に各トランジスタの誤動作を避
けることが可能となる。

また、図中には導光路F₁〜F₄はすべて上部よ
り取り出す構造を示しているが、絶縁性化合物半
導体基板１９の下方部に取り付けることも可能で
あること、あるいは特にレーザ発光させる場合に
は横方向に出力取り出し用導光路F₁〜F₄を取り
付けることが望ましい。

さらに、遮光部Ｃは半導体部の上部のみ付加し
ているが、より完全な光学的遮蔽を行なうために
下方部および横方向部にも付加する方が望まし
い。

なお、光学フイルタG₁，G₂は簡略化のため外
部接続として省略した。

第４図は第１図の構成例に対する部分的変形実
施例の模式図であり、第４図ａは第１図における
発光受光トランジスタQ₁〜Q₄の一部または全部
をダーリントン接続させることによつて、より大
なる増巾率と入力インピーダンスを得る形式
（Qi，Q′i）に変えた場合の実施例である。

第４図ｂは第１図における発光受光トランジス
タのベースコレクタ間にダイオードDiを付加し
た場合の他の実施例である。

このダイオードはシヨツトキーバリアダイオー
ドあるいはトランジスタのベースコレクタ間の順
方向電圧降下より小さい順方向電圧降下を有する
通常のpn接合ダイオード、たとえば、ベースコ
レクタの構成材料より、より小さなエネルギギヤ
ツプを有する半導体材料を用いたダイオードで構
成される。

これによつて、発光受光トランジスタの過大な
ベース駆動電流の流入がなくなり、過大な少数キ
ヤリア注入が減少し、蓄積効果によるスイツチン
グ時間遅れが著しく短かくなる利点を生ずる。

第４図ａと第４図ｂとは互に独立の考え方を有
するものであり、したがつて、これらは組み合わ
せて用いてもよい。具体的な構成のための構造図
は簡易化のために省略する。

以上説明したように、各実施例においては、発
光受光トランジスタの能動素子が電気的光学的に
多機能な特性を有するので、比較的簡単な回路で
単純な構成により同一基板上に多数個構成可能で
ある。

また、電気的制御性も容易に得られる利点をも
有するとともに、記憶セルと駆動回路とが光学的
な入出力信号であるため電気的には他の回路と全
く絶縁した状態で動作可能であり、その独立性お
よび制御性に大きな利点を有する。

したがつて、これらの装置は並列的および直列
的接続も可能であり、かつ同一平面上に多数個集
積化できる。

また、前記実施例はnpn形発光受光トランジス
タを用いた例のみが示されているが、pnp形でも
同様に構成実施できることは容易に考えられるの
で省略した。

（発明の効果）以上のように、この発明の発光受光装置によれ
ば、フリツプ・フロツプ回路による記憶セルを構
成する発光受光トランジスタの記憶内容を読み出
すとき、第２の発光受光トランジスタのバイアス
電位を変えてオンにして、記憶セルのオンになつ
ている方の発光受光トランジスタの電流を大きく
してその発光出力を増大させ、その発光出力を導
光路を通して第３の１対の発光受光トランジスタ
の一方に伝達させてそれを発光させ、その発光出
力を導光路を通して外部に伝達し、書き込むとき
には第３の１対の発光受光トランジスタの他方の
バイアスを変えてオンさせ、記憶セルのオフにな
つている方の発光受光トランジスタをオンさせる
ようにしたので、簡易にして多機能性かつ制御性
を有する光学的光記憶回路装置としての機能を呈
することができ、他の光学的比較器や遅延回路、
光掃引回路、光センサ、デイスプレイ回路、混
合、増巾、発振回路などの諸装置へ広範囲に応用
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の発光受光装置の一実施例の
構成を示す模式図、第２図ａ〜第２図ｆはそれぞ
れ第１図の発光受光装置の駆動電位の時系列を示
す図、第３図は第１図の発光受光装置の構造を示
す横断面図、第４図ａは同上発光受光装置におけ
る二つの発光受光トランジスタをダーリントン接
続した場合の回路図、第４図ｂは同上発光受光装
置における発光受光トランジスタのベースコレク
タ間にダイオードをクランプ接続した場合の回路
図である。 Q₁〜Q₅……発光受光トランジスタ、R₁〜R₁₀…
…抵抗、F₁〜F₄……導光路、G₁，G₂……光学フ
イルタ、Ｃ……遮光部、１１〜１８，２０〜３８
……化合物半導体層、１９……絶縁性化合物半導
体基板、３９〜４２……光の導入または射出部、
４３，４４……光結合部。

Claims

【特許請求の範囲】

１定常の記憶状態ではいずれか一方がオンで他
方がオフとなつてフリツプ・フロツプ回路による
記憶セルを構成しかつオン時に発光する第１の１
対の発光受光トランジスタと、この第１の１対の
発光受光トランジスタの定常の記憶時にオフでか
つこの記憶内容を読み出すときバイアス電位を変
えてオンして上記第１の１対の発光受光トランジ
スタのうちのオンになつている方に大きなコレク
タ電流を流すようにする第２の発光受光トランジ
スタと、上記第１の１対の発光受光トランジスタ
にそれぞれ対応しかつ上記記憶内容の読み出し時
にこの第１の１対の発光受光トランジスタのオン
になつている方の出力光を受光して発光するとと
もに書き込むときにバイアス電位を変えることに
よつてオンとなつて発光して第１の発光受光トラ
ンジスタのオフになつている方をオンにする第３
の１対の発光受光トランジスタと、第１の１対の
発光受光トランジスタと第３の１対の発光受光ト
ランジスタのそれぞれの発光出力を双方に伝達す
る第１の１対の導光路と、上記第３の１対の発光
受光トランジスタの発光出力を外部に伝達する第
２の１対の導光路とよりなる発光受光装置。