JPH04303972A - 受光素子 - 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】本発明は波長が異なる複数の光が
混在した入射光から各波長の光を個別的に検出する受光
素子に関し、特にニューロコンピュータ等における並列
演算処理に好適の受光素子及び情報信号を並列に伝達す
る光結合装置に好適の受光素子に関する。

【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、これら
の従来の光結合装置においては、発光素子からの発光波
長は１波長のみであり、光信号を電気信号に変える受光
素子も１波長を検出するように構成されている。これは
従来発光素子からの光は直進して受光素子に入り、隣接
する発光素子から出射された光との間の光路の重なりが
殆どないからである。

【００１３】換言すれば、従来の光結合装置は、隣接す
る発光素子からの光路の重なりを持つような光相互間の
並列性を利用した構成になっていない。また、波長が異
なる光が光路を共有するような波長多重化をしようとす
ると、従来の受光素子では波長の識別ができないという
問題点がある。このため、波長が異なる光が光路を共有
するような光バス結合方式などのように、光が持つ並列
性を有効に利用した情報伝達ができない。

【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、波長が異なる光が混在する光信号から各波
長の光を識別してその光強度を検出することができ、光
の持つ利点を利用した情報の並列的な伝達を可能とする
受光素子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】本発明に係る受光素子は
、ｐ型化合物半導体層とｎ型化合物半導体層からなる受
光層を相互間に電気絶縁層を介在させて複数個積層して
構成された受光素子において、直接遷移エネルギバンド
ギャップが大きな受光層を光入射側に配置し、各受光層
に電流検知用の電極を設けたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明においては、各受光層におけるｐ型化合
物半導体層とｎ型化合物半導体層との間のｐｎ接合界面
に光が入ると、光が吸収されて電気信号に変換される。 この場合に、吸収される光の波長は各受光層の直接遷移
エネルギバンドギャップに依存する。

【００１７】光信号を入射させると、この入射光は、先
ず、エネルギバンドギャップが最も大きな受光層（第１
受光層）に入ってその波長が短い光がこの第１受光層に
吸収される。また、他の波長の光はこの第１受光層を透
過して２番目にエネルギバンドギャップが大きな受光層
（第２受光層）に入る。そして、２番目に波長が短い光
がこの第２受光層に吸収される。このようにして、入射
光は、第１受光層、第２受光層、・・・と順次エネルギ
バンドギャップが小さくなっていく各受光層を通過する
間に、波長が短い光から順に吸収されていき、その強度
が各受光層に配置した電極から電気信号として取り出さ
れる。このようにして、各受光層の電極から各波長の光
強度に対応した電気信号が得られ、各波長の強度を個別
的に検出できる。

【００１８】本発明においては、上述の如く、波長感度
が異なる受光層を３次元的に集積したものであるので、
その占有面積を従来の場合と同じときは、より多くの受
光層を集積化することができる。

【００１９】

【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
について説明する。

【００２０】図１は本発明の実施例に係る受光素子を示
す断面図である。絶縁性又は半絶縁性ＧａＡｓ基板１の
上に、Ｓｉドープのｎ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層２
とＺｎドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２ＡＳ層３とが
エピタキシャル成長により積層形成されて第１の受光層
が設けられている。この層２は層３に覆われていない部
分があり、この部分に層２に電気的に接続されたｎ側オ
ーミック電極１５が配置されている。また、層３上には
ｐ側オーミック電極１４が層３に電気的に接続されて配
置されている。

【００２１】そして、層３上には、高抵抗のＧａ０．７
Ａｌ０．３Ａｓ（ノンドープ）層４を成長させた後に、
ｎ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ａｓ（Ｓｉドープ）層５及び
ｐ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ａｓ（Ｚｎドープ）層６から
なる第２の受光層が形成されている。層５及び層６の上
には、夫々電流取り出し用のｎ側オーミック電極１３及
びｐ側オーミック電極１２が配置されている。

【００２２】層６上には、高抵抗のＧａ０．７Ａｌ０．
３Ａｓ（ノンドープ）層７を成長させた後に、ｎ型Ｇａ
Ａｓ（Ｓｉドープ）層８及びｐ型ＧａＡｓ（Ｚｎドープ
）層９からなる第３の受光層が形成されている。層８及
び層９の上には、夫々電流取り出し用のｎ側オーミック
電極１１及びｐ側オーミック電極１０が配置されている
。

【００２３】高抵抗のＧａ０．７Ａｌ０．３Ａｓ（ノン
ドープ）層４，７は夫々第１受光層と第２受光層、及び
第２受光層と第３受光層とを電気的に絶縁するためのも
のである。また、各電極１０〜１５は、各層２〜９をエ
ピタキシャル成長により形成した後、通常のフォトリソ
グラフィ工程により層２〜９を図１に示すようなメサ構
造に成形し、ｐ側オーミック電極１４，１２，１０とし
て例えばＡｕ−Ｚｎを蒸着し、ｎ側オーミック電極１５
，１３，１１として例えばＡｕＧｅＮｉを蒸着すること
により、形成することができる。

【００２４】基板１は各層の形成後、その中央部を選択
エッチングにより除去することにより、光の入射窓が設
けられている。

【００２５】各層のエネルギバンドギャップは大きい順
から、Ｇａ０．７Ａｌ０．３Ａｓ＞Ｇａ０．８Ａｌ０．
２Ａｓ＞Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ａｓ＞ＧａＡｓである。 このため、図１に示す構造の受光素子においては、光入
射側の受光層の方がエネルギバンドギャップが大きくな
るように各受光層を構成する各層が配置されており、ギ
ャップが最も大きくて光を殆ど吸収しない高抵抗層４，
７が受光層の相互間に配置されている。

【００２６】次に、このように構成された受光素子の動
作について説明する。基板１に設けた光入射窓から入射
した入力光は各受光層で吸収され、その強度が電気信号
に変換されて各電極１０〜１５から電流として取り出さ
れる。

【００２７】この場合に、入力光の内、ＧａＡｓ・ＬＥ
Ｄから発光した光は、第１の受光層（層２，３）、第２
の受光層（層５，６）及び高抵抗層４，７を透過して、
第３の受光層（ＧａＡｓ受光素子である層８，９）では
じめて吸収される。これにより、電極１０，１１間に光
電流が流れる。

【００２８】同様に、Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ａｓ・ＬＥ
Ｄから発光した光か、又はそれと同等の波長の光は第１
の受光層（層２，３）及び高抵抗層４を透過して第２の
受光層（層５，６）にて吸収され、電気信号に変換され
て電極１２，１３間で光電流が流れる。この場合に、入
力光は全てこの第２の受光層で吸収され、第３の受光層
（層８，９）に漏れることはない。

【００２９】更に、Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ・ＬＥＤ
から発光した光か、又はそれと同等の波長の光は第１の
受光層（層２，３）で吸収され、第２及び第３の受光層
に漏れることはない。そして、電極１４，１５に光電流
が流れる。

【００３０】このようにして、入力光の波長が１種類の
場合には、その光に対する感度が最も高い受光層で吸収
されてその光入射が検出される。また、波長が異なる複
数の光信号が入力した場合には、波長が短い光から順次
、第１の受光層、第２の受光層及び第３の受光層で吸収
されていき、異なる波長の光が個別的に検出される。 即ち、最下段の第１受光層で波長がλ１以下の短波長の
光のみが吸収される。このλ１よりも波長が長い光は第
１受光層を透過し、中段の第２受光層で波長がλ２（λ
１＜λ２）以下の光が検出され、結局この第２の受光層
では波長がλ１からλ２までの光が検出される。最上段
の第３受光層では波長がλ３（λ１＜λ２＜λ３）以下
の光が検出され、この第３受光層で最も波長が長い光が
検出される。なお、上述の説明から明らかなように、各
受光層は、そのエネルギバンドギャップが最も大きいも
のを光入射側に配置し、光進行方向にエネルギギャップ
が小さくなるように各受光層を配置する必要がある。逆
に配置すると、入力光が最初に透過する受光層で全て吸
収されてしまうからである。

【００３１】なお、このような受光素子を集積化する場
合には、基板１及びその光透過窓を設ける必要はない。 この基板の替わりに、高抵抗層４と同様に入力光を吸収
しない絶縁層を設け、この絶縁層の上にｎ型化合物半導
体層等を形成した後この半導体層等をパターニングする
ことにより、多数の図１に示すものと同様の構造を有す
る受光素子を形成すればよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ｐ
型化合物半導体層とｎ型化合物半導体層とから構成され
る複数の受光層を、その直接遷移エネルギバンドギャッ
プが光入射側から順次小さくなるように配置したから、
波長が異なる複数の光が混在する光信号が入力された場
合に、各波長の光を識別してその強度等を個別的に検出
することができる。これにより、本発明は、光相互間の
並列性を有効に利用した技術、例えば並列演算処理及び
波長多重光バス結合等の分野に、極めて有効な受光素子
を提供でき、これらの技術分野に多大の貢献をなす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る受光素子を示す断面図で
ある。

【図２】従来の光結合装置を示す模式的断面図である。

【図３】従来の他の光結合装置を示す模式的断面図であ
る。

【図４】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；基板 ２；Ｓｉドープのｎ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ａｓ層３；
Ｚｎドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２ＡＳ層４；高抵
抗のＧａ０．７Ａｌ０．３Ａｓ（ノンドープ）層５；ｎ
型Ｇａ０．９Ａｌ０．１ＡＳ（Ｓｉドープ）層６；ｐ型
Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ａｓ（Ｚｎドープ）層７；高抵抗
のＧａ０．７Ａｌ０．３Ａｓ（ノンドープ）層８；ｎ型
ＧａＡＳ（Ｓｉドープ）層 ９；ｐ型ＧａＡｓ（Ｚｎドープ）層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ｐ型化合物半導体層とｎ型化合物半導
   体層からなる受光層を相互間に電気絶縁層を介在させて
   複数個積層して構成された受光素子において、直接遷移
   エネルギバンドギャップが大きな受光層を光入射側に配
   置し、各受光層に電流検知用の電極を設けたことを特徴
   とする受光素子。