JPH04213432A - 半導体光スイッチ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低いスイッチングエネ
ルギーと大きな消光比で動作する半導体光スイッチに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体材料として、ＡｌＧａＡｓ
とＧａＡｓを例にして、従来の半導体光スイッチの例を
、図６を参照して説明する。図６は、従来の半導体光ス
イッチの回路構成を示す図である。半導体素子はＰｉｎ
　の積層構造を有するＰｉｎ　ダイオードであり、この
ダイオードは外部抵抗Ｒを介して逆バイアスされるよう
に電源に接続されている。ここで、ｉ−ＭＱＷ層は、不
純物をドープしない真性半導体、またはキャリア濃度が
ｎ層またはｐ層より低く、かつ厚さが１０ｎｍ程度のＡ
ｌＧａＡｓとＧａＡｓを交互に多層積層した、いわゆる
多重量子井戸層である。図７（ａ）　は、ＭＱＷ　に印
加された電界強度をパラメータとした、Ａｌ０．３Ｇａ
０．７Ａｓ（５ｎｍ）　／ＧａＡｓ　（２．８ｎｍ）か
らなる多重量子井戸層の光吸収率の波長依存性を示す図
である。言うまでもなく、光吸収率が小さい波長で透過
光強度が強い。すなわち、同図から明らかなように、電
界強度が大きいほど光吸収のピーク波長が長波長側にシ
フトする。この性質を利用して光スイッチを動作させる
。以下に動作原理を説明する。

【０００３】制御光の波長を８５０ｎｍ　、読み出し光
の波長を８６０ｎｍ　に設定する。Ｐｉｎ　ダイオード
に印加されている電圧は逆バイアス状態なので、制御光
が照射されない状態では流れる電流は無視できる。従っ
て、外部抵抗Ｒによる電圧降下が小さいので、直接、電
源電圧がＰｉｎ　ダイオードに加わるため、ｉ−ＭＱＷ
　層中の電界強度は大きい。この時の多重量子井戸層に
おける光吸収率は図７（ａ）　の点線で表わされる。次
に、波長８５０ｎｍ　の制御光を入射すると、ｉ−ＭＱ
Ｗ　層に吸収され光電流が流れる。このため、抵抗Ｒに
よる電圧降下が大きくなり、Ｐｉｎ　ダイオードに加わ
る電圧が下がる。この結果、ｉ−ＭＱＷ　層の電界強度
が下がり、制御光に対する光吸収率がますます増加する
ので、一層大きな電流が流れ、光吸収率が増加する。最
終的に、ｉ−ＭＱＷ　層における光吸収特性は、図７（
ａ）　の実線に示すようになる。このように制御光と光
吸収率は一種の正帰還の関係にあり、図７（ｂ）　に示
すように制御光強度とその透過光強度の関係は双安定動
作をする。また、一たんスイッチをオンした後、制御光
強度を図７（ｂ）　のＰｃに保つと、オン状態が保持さ
れる。

【０００４】読み出し光の波長を８６０ｎｍ　に選ぶと
、読み出し光の透過強度は、制御光強度の変化に応じて
図７（ｃ）　に示すように双安定的に変化する。すなわ
ち、読み出し光の強状態と弱状態を、それぞれ、オン、
オフ状態に対応させることによって、光スイッチング動
作が実現される。制御光と読み出し光の波長を変える利
点は、読み出し光の波長を制御光の波長よりも長くした
方が、そのオン、オフの消光比が大きくなるからである
。

【０００５】この素子の応答速度は、Ｐｉｎ　ダイオー
ドの容量Ｃと負荷抵抗Ｒの積であるＣＲ時定数で決まる
。負荷抵抗Ｒが一般に数十ＭΩと大きいので、１００　
μｍ　径の素子の応答速度はμｓｅｃ　オーダである。 動作光エネルギーは３ｐＪ程度で、電子デバイスの１ｆ
Ｊと比較して大きい。 また読み出し光強度のオン−オフ比も高々数ｄＢと小さ
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、素子構造を
改良することによって、前記従来の半導体光スイッチの
欠点を取り除き、消光比が大きく、動作光エネルギーが
少ない半導体光スイッチを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体光スイッ
チは、動作光エネルギーを低減するため、増幅機構のあ
るトランジスタ構造、またはサイクリスタ構造の中に光
吸収層として作用するｉ−ＭＱＷ　層を組み込み、さら
に消光比を大きくするために、読み出し光に対して反射
鏡として作用するｎ−ＤＢＲ　（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ
ｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　：　　分布ブラ
ッグ型反射鏡）を組み込む。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の半導体光スイッチのトランジ
スタ構造およびサイリスタ構造の実施例を、図１〜図５
を用いて詳細に説明する。半導体として、代表的なＡｌ
ＧａＡｓおよびＧａＡｓ系材料を例にとって説明するが
、本発明の主旨を損なわない範囲で他の半導体材料を用
い、かつ改良を行うことができることは言うまでもない
。

【０００９】図１は、本発明の実施例１のヘテロ接合フ
ォトトランジスタ　（ＨＰＴ）構造の回路構成を示す図
であって、１はワイドエネルギーギャップのｎ−Ａｌ０
．３Ｇａ０．７Ａｓからなるエミッタ、２はｐ−Ａｌｘ
　Ｇａ１−ｘ　Ａｓからなるベースである。ｘ、すなわ
ちＡｌの組成は、エミッタ・ベース接合から離れるにし
たがって、エネルギーバンドギャップが減少するように
する。ｘをこのように変化させると、よく知られている
ようにベース中の内部電界が発生し、エミッタから注入
される電子ベース中で加速され応答速度が速くなる。３
はｉ−ＭＱＷ　層であって、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ
（５ｎｍ厚）　とＧａＡｓ（２．８ｎｍ厚）　を交互に
５０層積層したもので、コレクタ・ベース間の電圧が加
わる層であり、また光吸収層として作用する。４はこの
ｉ−ＭＱＷ　層３に隣接し、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓから構成されるｎ−ＤＢＲ　である。４を構成するＡ
ｌＧａＡｓとＧａＡｓの厚さは、読み出し光の波長の４
分の１であり、読み出し光に対して完全反射鏡として作
用するようにする。この実施例では、読み出し光の波長
として８６０ｎｍ　を選び、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ
（厚さ６３ｎｍ）　／ＡｌＡｓ　（厚さ７３．１ｎｍ）
　を１０対積層してｎ−ＤＢＲ　を形成した。

【００１０】動作原理は、図７（ａ）　を用いて説明し
た従来の半導体光スイッチの場合とほぼ同じである。動
作に際しては、エミッタ・コレクタ間は図１に示すよう
なバイアスにする。この時、ベース・コレクタ間に逆バ
イアスが加わっているので、ｉ−ＭＱＷ　層に大きな電
界が加わっている。制御光を入射すると、ｉ−ＭＱＷ　
層で光が吸収されて、電子・正孔対を発生する。電子は
光電流として、外部回路を流れ、外部抵抗Ｒにより電圧
降下を生じ、ｉ−ＭＱＷ　層の電界強度が下がる。この
作用は正帰還的に作用して、光吸収率がさらに増加する
ことは、従来の半導体光スイッチと同様である。一方、
正孔は、図２のエネルギーバンド図に示すように、ベー
スに蓄積され、この結果、エミッタとベース間の障壁の
高さが低下して、多くの電子がエミッタからベースに注
入される、いわゆる、トランジスタ動作が生ずる。した
がんて、光励起により生成された電子より多くの電子が
流れる。このことは、増幅作用があることを意味する。 一般に数十倍以上の増幅率がとれる。この分、制御光エ
ネルギーを数十分の一に小さくできる。

【００１１】読み出し光で、トランジスタの電気的オン
−オフ状態を光学的に検出する方法を説明する。例えば
、読み出し光の波長を図７（ａ）　の時と同様に、８６
０ｎｍ　に選ぶと、ｉ−ＭＱＷ　層の電界強度が大きい
時は吸収される。電界強度が小さいときは、ｉ−ＭＱＷ
　層で吸収されずに透過する。ｉ−ＭＱＷ　層を透過し
た読み出し光は、ｎ−ＤＢＲ　で反射されて再び入射光
側に戻り、オン状態を示す強い光信号となる。読み出し
光がｉ−ＭＱＷ　層に吸収される場合、ｉ−ＭＱＷ　層
で吸収されて微弱になった読み出し光は、ＤＢＲ　で反
射され再びｉ−ＭＱＷ　層で吸収されるので、オフ状態
を示す出力信号は極めて微弱なものとなる。従って、素
子の電気的オン−オフ状態が、読み出し光強度の強弱に
対応する。このことは、制御光によりトランジスタを電
気的にオン、オフさせることにより、読み出し光（信号
光）強度をオン（強）、オフ（弱）させる、すなわち光
スイッチ動作させることができることを意味する。ここ
でオン−オフ時の消光比はＤＢＲ　が無いときより大き
くなる。

【００１２】以上、読み出し光と制御光の波長が異なる
場合を説明したが、同じ波長を用いてもよい。すなわち
８５０ｎｍ　の光に対しても、ＤＢＲはほぼ完全反射鏡
として作用するので、読み出し光と制御光の波長が８５
０ｎｍ　の時は、制御光もｎ−ＤＢＲ　で反射されて、
２回ｉ−ＭＱＷ　層を通過し吸収される。このため、よ
り少ない制御光のパワーでこの半導体素子をオン−オフ
させることが可能である。また、この半導体素子のトラ
ンジスタが電気的にオフのときに、読み出し光の反射強
度が相対的に強くなり、トランジスタが電気的にオンの
ときには、読み出し光の反射強度が小さい。つまり、読
み出し光に対してインバータ動作をする。図３は、本発
明の実施例２のサイリスタ構造の回路構成を示す図であ
る。動作原理と構造は、図１のトランジスタ構造の場合
とほぼ同じで、図１のトランジスタの５を構成するｎ−
ＧａＡｓの代わりに、６を構成するｐ−ＧａＡｓとし、
ｎｐｉｎｐ　型のサイリスタを構成している。

【００１３】以下、動作原理を簡単に説明する。ｉ−Ｍ
ＱＷ　層およびＤＢＲ　層の組成、厚さは、図１のトラ
ンジスタと同じである。また制御光、読み出し光の波長
の関係は図７（ａ）　に示す通りとする。制御光はｉ−
ＭＱＷ　層に吸収され、電子・正孔対が生成される。こ
れらの電子、正孔は、それぞれ図４のエネルギーバンド
図に示すように、ｎ−ＤＢＲ４、ｐ−Ａｌｘ　Ｇａ１−
ｘ　Ａｓ２に蓄積され、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ
１　、ｐ−ＧａＡｓ６　からの電子、正孔注入に対する
障壁高さが低くなる。この結果、電子、正孔の注入が促
進される。これら注入された電子・正孔は、ｎ−ＤＢＲ
　、ｐ−Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓに蓄積され、さらに
障壁を低下させるという、一種の正帰還的作用をする。 従って、サイリスタ型でも、増幅作用が存在するので、
制御光エネルギーを低減できる。通常、増幅率は、数十
倍以上とれるので、この分、制御光エネルギーが低くで
きる。この場合も、反射鏡（ＤＢＲ）　のため、消光比
が大きく取れる利点がある。サイリスタ型の電圧・電流
特性を図５に示す。制御光入射により、スイッチング電
圧が低下する。すなわちバイアス電圧を適当にすると、
制御光入射で素子を電気的オフ状態からオン状態にスイ
ッチできる。読み出し光による読み出しもトランジスタ
型と同様である。

【００１４】以上の説明では、制御光と読み出し光の波
長が異なっていたが、同じにしてもよい。すなわち８５
０ｎｍ　の光に対してもＤＢＲ　はほぼ完全反射鏡とし
て作用するので読み出し光と制御光の波長が８５０ｎｍ
　のときは、制御光もｎ−ＤＢＲ　で反射され、ｉ−Ｍ
ＱＷ　層を２回通過し、この間にｉ−ＭＱＷ　層で２回
吸収される。このため、より少ない制御光パワーでこの
素子をオン、オフさせることも可能である。この時、サ
イリスタの電気的なオン、オフ状態に対して読み出し光
の強弱関係が逆になるので、インバータ動作になる。

【００１５】またバイアス電圧を適当に選んだとき、制
御光をゲート光、読み出し光を信号光と考え、ゲート光
と信号光を同時に入射させた時にのみサイリスタをオン
させる動作モードも可能である。

【００１６】なお言うまでもなく、サイリスタ型の特徴
は、一たん電気的にオンにすると、電源をオフしない限
り、オン状態が保持される、つまりメモリー機能がある
。以上の実施例では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓを例にあ
げたが、ＩｎＰ　基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）　／ＩｎＰ　などの格子整合系や
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ格子不整合系の材料の組合せで
もよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
スイッチは、ｎｐｉｎトランジスタおよびｎｐｉｎｐ　
サイタスタに、ｉ−ＭＱＷ　層（光吸収層）およびｎ−
ＤＢＲ　（反射鏡）を設けると、増幅作用があるので、
制御光エネルギーを少なくとも数十分の一に低減でき、
ＤＢＲ　により光が、ｉ−ＭＱＷ　層を２回透過するの
で、消光比が大きくとれる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のトランジスタ型半導体光ス
イッチの回路構成を示す図である。

【図２】本発明の実施例１の半導体光スイッチのエネル
ギーバンド図である。

【図３】本発明の実施例２のサイリスタ型半導体光スイ
ッチの回路構成を示す図である。

【図４】本発明の実施例２の半導体光スイッチの逆バイ
アス時のエネルギーバンド図である。

【図５】本発明の実施例２の半導体光スイッチの電流・
電圧特性図である。

【図６】従来の半導体光スイッチの回路構成を示す図で
ある。

【図７】（ａ）は、多重量子井戸層（ｉ−ＭＱＷ　層）
の吸収スペクトルを示す図であり、 （ｂ）は、制御光強度と制御光の透過強度を示す図であ
り、 （ｃ）は、制御光強度と読み出し光出力（反射光）を示
す図である。

【符号の説明】

１　　ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ ２　　ｐ−Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ ３　　ｉ−ＭＱＷ　層（多重量子井戸層）４　　ｎ−Ｄ
ＢＲ　 ５　　ｎ−ＧａＡｓ ６　　ｐ−ＧａＡｓ ７　　ｎ側電極 ８　　ｐ側電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１の導電型を有する第１の半導体層
   （１）　と、第１の導電型とは逆の第２の導電型を有す
   る第２の半導体層（２）　と、第１または第２の導電型
   のいずれかを与える不純物を意図的に添加しないか、ま
   たは他の層のキャリア濃度より低い多重量子井戸層（３
   ）　と、第１と同じ導電型を有する第３の半導体層（４
   ）　および第４の半導体層（５）　とが、これらの順に
   積層されている半導体積層体と、該半導体積層体の第１
   の半導体層（１）　に設けた電極端子と、該半導体積層
   体の第４の半導体層（５）　に設けた電極端子を有し、
   かつ該半導体積層体が第１の半導体層（１）　の主面と
   垂直な面に光入射面を有し、第１の波長の制御光により
   、第２の波長の読み出し光を制御する半導体光スイッチ
   において、第１の波長の光に対して上記多重量子井戸層
   （３）　が吸収性を有し、第２の波長の光に対して該半
   導体積層体の上記第１の半導体層（１）　、第２の半導
   体層（２）　が透過性を有し、上記多重量井戸層（３）
   　が吸収性を有し、上記第３の半導体層（４）　が、上
   記第２の波長の光に対する反射層であることを特徴とす
   る半導体光スイッチ。
2. 【請求項２】　　第１の導電型を有する第１の半導体層
   （１）　と、第１の導電型とは逆の第２の導電型を有す
   る第２の半導体層（２）　と、第１または第２の導電型
   のいずれかを与える不純物を意図的に添加しないか、ま
   たは他の層のキャリア濃度より低い多重量子井戸層（３
   ）　と、第１と同じ導電型を有する第３の半導体層（４
   ）　と、第２の半導体と同じ導電型を有する第４の半導
   体層（６）　とが、これらの順に積層されている半導体
   積層体と、該半導体積層体の第１の半導体層（１）　に
   設けられた電極端子と、該半導体積層体の第４の半導体
   層（６）　に設けた電極端子を有し、かつ該半導体積層
   体が第１の半導体層（１）　の主面と垂直な面に光入射
   面を有し、第１の波長の制御光により、第２の波長の読
   み出し光を制御する半導体光スイッチにおいて、第１の
   波長の光に対して上記多重量子井戸層（３）が吸収性を
   有し、第２の波長の光に対して該半導体積層体の上記第
   １の半導体層（１）　、第２の半導体層（２）　が透過
   性を有し、上記多重量子井戸層（３）　が吸収性を有し
   、上記第３の半導体層（４）　が、上記第２の波長の光
   に対する反射層であることを特徴とする半導体光スイッ
   チ。