JPH04303967A - 化合物半導体装置 - 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１個又は複数個の発光素
子から出力された信号光を複数個の受光素子に同時に伝
達する化合物半導体装置に関し、特にニューロコンピュ
ータ等における並列演算処理に好適の化合物半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を介して情報を伝達するためには、発
光素子と受光素子とを光結合させることが必要である。

【０００３】図３は、従来の光結合装置を示す模式的断
面図である。第１の集積回路層２１には発光ダイオード
（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子
２４が設けられており、第２の集積回路層２２にはフォ
トダイオード（ＰＤ）等の受光素子２５が設けられてい
る。この発光素子２４及び受光素子２５は相互に対向し
て配置されており、発光素子２４から出力された光は受
光素子２５に入力されるようになっている。また、第１
及び第２の集積回路層２１，２２の間には、透明絶縁層
２３が形成されている。

【０００４】この光結合装置においては、発光素子２４
と受光素子２５とが１対１に対応しており、発光素子２
４から出力された信号光が受光素子２５に受光されて電
気信号に変換される。

【０００５】図４は、従来の他の光結合装置を示す模式
図である（Ｊｕｒｇｅｎ　Ｊａｈｎｓ他，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅ
ｅｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎ
ｇ　第１６８頁，１９９０年）。

【０００６】大規模集積回路（ＶＬＳＩ）基板２６には
ＬＥＤ等の発光素子２４及びフォトダイオード等の受光
素子２５ａ乃至２５ｅが設けられている。この回路基板
２６の上方には透明基板２８が配設されており、この透
明基板２８の回路基板２６に対向する面には、例えばガ
ラス等からなるホログラム２７が配設されている。なお
、発光素子２４及び受光素子２５ａ乃至２５ｅの配設位
置は、ホログラム２７の干渉特性に基づいて決定されて
いる。

【０００７】この光結合装置においては、発光素子２４
から出力された光はホログラム２７を介して透明基板２
８に入り、この透明基板２８の面で反射され、ホログラ
ム２７を介して基板２６に設けられた受光素子２５ａ乃
至２５ｅに入力される。この場合に、ホログラム２７に
よる光の干渉により、透明基板２８から出た光は受光素
子２５ａ乃至２５ｅの位置で集光する。

【０００８】図５は、ニューロコンピュータ回路におい
て積和演算に使用されている従来の光結合方法を示す模
式図である（Ｋ．Ｋｙｕｍａ　他，ＣＬＥＯ’８９　，
Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ　３４０　，ＴＨＯ５，１９８９）
。

【０００９】ＧａＡｓ基板３１には帯状に形成された複
数個の発光素子を相互に平行に配置して構成された発光
素子アレイ３２が設けられている。この発光素子アレイ
３２上にはシナプス結合荷重としての光学マスク３４が
２枚のＳｉＯ２　透明絶縁膜３３に挟まれて配置されて
いる。そして、この透明絶縁膜３３及び光学マスク３４
上には、帯状の複数個の受光素子を相互に平行に配置し
て構成された受光素子アレイ３５が設けられている。こ
の受光素子アレイ３５の受光素子は、平面視で発光素子
アレイ３２の発光素子に直交するように配置されている
。

【００１０】このニューロコンピュータ回路においては
、発光素子アレイ３２におけるｉ番目の発光素子の発光
強度をＩｉ　とし、マトリックス状の光学マスク３４に
おける光透過率をＴｉｊとすると、受光素子アレイ３５
におけるｊ番目の受光素子１個に入力される入力光Ｉｊ
　は、下記数式１で表される。

【００１１】

【数１】Ｉｊ　＝ΣＴｉｊＩｉ　 即ち、このニューロコンピュータ回路においては、シナ
プス結合荷重Ｔｉｊを介した複数の積和演算処理を並行
して実施することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光結合装置には以下に示す問題点がある。即ち、図３に
示す光結合装置においては、１個の発光素子２４と１個
の受光素子２５とを対向させて配置するものであるため
、信号光を並列処理することができない。また、図４に
示す光結合装置の場合は、並列処理が可能ではあるもの
の、発光素子２４及び受光素子２５ａ乃至２５ｅとホロ
グラム２７との構成材料が異なるため、単一材料からな
るモノリシックチップを構成することが極めて困難であ
り、現状では図４に示す構造のモノリシックチップは実
現していない。

【００１３】一方、図５に示すようにして積和演算の並
列処理を実現することができるものの、各信号光の伝達
機構は基本的に図３に示すものと同じであり、このニュ
ーロコンピュータ回路においては発光素子の一部の領域
から出た光はその領域と同面積の受光素子の一部の領域
に受光されているのにすぎない。即ち、このニューロコ
ンピュータ回路においては、１個の発光素子から出力さ
れた信号光は、この発光素子の発光面に対して垂直な方
向にある受光素子にしか伝達されないため、情報伝達効
率が低い。

【００１４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、１個又は複数個の発光素子から出力された
光を複数個の受光素子に同時に伝達することができて、
情報伝達効率が優れた化合物半導体装置を提供すること
を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る化合物半導
体装置は、電気信号に基づいて光を出力する発光素子と
、光を電気信号に変換する受光素子と、相互に屈折率が
異なる複数の光透過性化合物半導体層が積層されて構成
され前記発光素子と前記受光素子との間に配置されて光
を屈折する光屈折領域とを有し、前記複数の化合物半導
体層は前記発光素子に近い層ほど屈折率が大きいことを
特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明においては、発光素子と受光素子との間
に、相互に屈折率が異なる複数の化合物半導体層により
構成された光屈折領域が設けられている。この光屈折領
域を構成する前記複数の化合物半導体層は、前記発光素
子に近い層ほど屈折率が大きくなるように配置されてい
る。従って、発光素子から出力された光は、この光屈折
領域を通過することにより、各化合物半導体層間の界面
で順次光束が拡大される方向に屈折される。これにより
、１個の発光素子から出力された光は、その発光面積以
上に広がり、複数個の受光素子にて受光することができ
る。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例に係る化合物
半導体装置を示す模式的断面図である。

【００１９】光屈折領域は、発光素子５と受光素子６ａ
乃至６ｅとの間に積層された化合物半導体層１乃至４に
より構成されている。これらの化合物半導体層１乃至４
は、発光素子５に近い層ほど屈折率が大きくなっている
。

【００２０】本実施例においては、発光素子５から出力
された光は化合物半導体層１乃至４間の各界面で屈折さ
れ、図中破線で示すように光路が拡大される。これによ
り、発光素子５から出力された信号光は、受光素子６ａ
乃至６ｅの全てに入力され、受光素子６ａ乃至６ｅから
信号光に対応した電気信号が出力される。

【００２１】次に、本発明に係る化合物半導体装置を実
際に製造し、その性能を調べた結果について説明する。

【００２２】図２は、本発明の第２に実施例に係る化合
物半導体装置を示す模式的断面図である。

【００２３】先ず、ノンドープのＧａＡｓ基板１１上に
、化合物半導体層１３乃至１６として、夫々Ｇａ０．９
　Ａｌ０．１　Ａｓ層、Ｇａ０．８　Ａｌ０．２　Ａｓ
層、Ｇａ０．７　Ａｌ０．３　Ａｓ層及びＧａ０．６　
Ａｌ０．４　Ａｓ層をいずれも２μｍの層厚で順次形成
した。これらの化合物半導体層１３乃至１６は、いずれ
もノンドープの化合物半導体からなる。また、これらの
化合物半導体層１３乃至１６は、この順で屈折率が小さ
くなっている。

【００２４】次いで、基板１１に対して選択エッチング
を施し入射窓１２を選択的に開口して、化合物半導体層
１３の一部分を露出させた。

【００２５】このようにして製造した化合物半導体装置
において、発光ダイオードから出力された近赤外光（波
長０．８５μｍ）を入射窓１２側からこの化合物半導体
装置に入射させた。そして、このときの入射光パターン
形状及び出射光パターン形状を、赤外光用のＰＤ（フォ
トダイオード）付きビジコンを用いて調べた。

【００２６】その結果、出射光パターンの直径は、入射
光パターンの直径の約５倍と広がっていた。これにより
、本実施例装置においては、１個又は複数個の発光素子
から出力された信号光を複数個の受光素子に同時に伝達
することができることが明らかである。なお、本実施例
は、特に発光素子から出力される光が赤外域から短波長
側の場合に有効である。

【００２７】次に、本発明の第３の実施例について説明
する。本実施例が第２の実施例と異なる点は基板及び化
合物半導体層の組成が異なることにあり、その他の構成
は第２の実施例と同様であるので、図２を参照して説明
する。

【００２８】先ず、ＧａＡｓ基板１１上に、化合物半導
体層１３乃至１６として、夫々ＧａＡｓ０．９　Ｐ０．
１　層、ＧａＡｓ０．８　Ｐ０．２　層、ＧａＡｓ０．
７　Ｐ０．３　層及びＧａＡｓ０．６　Ｐ０．４　層を
いずれも２μｍの厚さで順次形成した。各化合物半導体
層１３乃至１６はいずれもノンドープの化合物半導体か
らなる。また、これらの化合物半導体層１３乃至１６は
、この順で屈折率が小さくなっている。

【００２９】次いで、第２の実施例と同様に、基板１１
に光入射窓１２を設けた。

【００３０】このようにして製造した化合物半導体装置
において、発光ダイオードから出力された近赤外光（波
長０．８５μｍ）を入射窓１２側からこの化合物半導体
装置に入射させた。そして、このとき入射光パターン形
状及び出射光パターン形状を調べた。その結果、出射光
パターンの直径は、入射光パターンの直径の約４倍と広
がっていた。これにより、本実施例装置においても、１
個又は複数個の発光素子から出力された信号光を複数個
の受光素子に同時に伝達することができることが明らか
である。なお、本実施例は、特に発光素子から出力され
る光が赤色から長波長側の場合に有効である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る化合物
半導体装置は、発光素子と受光素子の間に相互に屈折率
が異なる複数の化合物半導体層が積層されて構成された
光屈折領域が介在しており、前記化合物半導体層は発光
素子に近い層ほど屈折率が大きくなっているから、１個
又は複数個の発光素子からの信号光を複数個の受光素子
に同時に伝達することができて、情報伝達効率が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る化合物半導体装置
を示す模式的断面図である。

【図２】本発明の第２に実施例に係る化合物半導体装置
を示す模式的断面図である。

【図３】従来の光結合装置を示す模式的断面図である。

【図４】従来の他の光結合装置を示す模式図である。

【図５】ニューロコンピュータ回路において積和演算に
使用されている従来の光結合方法を示す模式図である。

【符号の説明】

１乃至４，１３乃至１６；化合物半導体層５，２４；発
光素子 ６ａ乃至６ｅ，２５ａ乃至２５ｅ；受光素子１１；基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電気信号に基づいて光を出力する発光
   素子と、光を電気信号に変換する受光素子と、相互に屈
   折率が異なる複数の光透過性化合物半導体層が積層され
   て構成され前記発光素子と前記受光素子との間に配置さ
   れて光を屈折する光屈折領域とを有し、前記複数の化合
   物半導体層は前記発光素子に近い層ほど屈折率が大きい
   ことを特徴とする化合物半導体装置。