JPH0479273A - 光伝送電気信号増幅デバイス - Google Patents

光伝送電気信号増幅デバイス

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JPH0479273A
JPH0479273A JP2193452A JP19345290A JPH0479273A JP H0479273 A JPH0479273 A JP H0479273A JP 2193452 A JP2193452 A JP 2193452A JP 19345290 A JP19345290 A JP 19345290A JP H0479273 A JPH0479273 A JP H0479273A
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light
junction
optical transmission
gaas
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JP2193452A
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Kebin Towainamu Jiyon
ジョン ケビン トワイナム
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Sharp Corp
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Sharp Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • HELECTRICITY
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光による伝送を利用した超高速の電気信号増
幅デバイスに関するものである。
〈従来の技術〉 従来の光伝送乞用いる電気信号増幅デバイスを第4図と
第5図によって説明する。第4図は、そのデバイスを断
面図で示したものであり、半絶縁性GaAs基板21の
上に順次、n+−GaAsサブコレクタ層22 、 n
−GaAs コレクタ層23゜p−AノGaAsベース
層24.p−GaAsベース層25.n−AノGaAs
エミッタ層26.n+GaAsサブエミッタ層27が積
層して形成されている。また、エミッタ電極28がサブ
エミツタ層27上に、ベース電極29とコレクタ電極2
10it−すれぞれ、メサエッチングにより表面を露出
させたベース層25とサブコレクタ層22上に形成され
ている。第4図の構成のデバイスの電極に電源を接続し
た動作時の各層のエネルギーレベルをはエミッターコレ
クタ電極間に接続した電源の電圧Vceがベース−コレ
クタ接合に逆バイアスにしてあり、エミッターベース電
極間に接続した電源の電圧Vbcがエミッターベース接
合に順バイアスにしであるので、n−AJGaAsエミ
ッタ層へ−7・ 26からp −G a 425にエミ・り電流による電
子が注入される。この注入された電子はベース層25で
正孔と再結合して光を放射する。ベース層25の放射光
はエミッタ23.コレクタ22の電荷に吸収され、その
励起より電子−正孔対を生成し、これで生成された電子
が出力のコレクタ電流Icになる。
従って、以上の構成の従来のデバイスの電流利得βは次
の式で与゛見られる。
β2ηlη2/(1−η1η2) 但し、ηlはエミッターベース接合での再結合放射量子
効率、η2はベーヌーコレクタ接合での光吸収量子効率
である。
〈発明が解決しようとする課題〉 以上のように、従来の光利用電気信号増幅デバイスにお
いても入出力信号間に光による伝送を利用しているが、
しかし、このデバイスにおけるエミッターベース接合領
域での光放射は、自然再結合による放射であることから
レスポンスを早くすることができず、このデバイスの動
作速度を制限していた。この従来のデバイスにおいて動
作速度が制限されるのはベース層25に注入された小数
キャリアの電子の動作によるものである。
本発明は、以上で説明した従来の光伝送を利用した電気
信号増幅デバイスがもつ動作速度の課題を解消し、光に
よる信号の伝送を行−て高速な動作ができる増幅デバイ
スを提供することを目的としている。
〈課題を解決するための手段〉 以上の説明した本発明のデバイスは、一定光口の光源と
、その光源の波長とエネルギーギャップが整合した2つ
のpn接合から形成される増幅デバイスであり、光源の
光は、入力信号により光吸収量変調ダイオードとしての
動作をする前記の一方のpn接合を透過さした後、受光
ダイオードとして出力信号を形成する他の一方のpn接
合に吸収される構成に配置するもので、以上の動作を最
も効率よく実行するのは、上記の2つのpn接合を積層
構成にしたものである。
〈作 用〉 本発明の光伝送を利用する電気信号増幅デバイスは、そ
のデバイス内に信号伝達速度おくれの主要因となる少数
キャリアを用いた再結合による光放射をしないので、本
質的に非常に高速動作のデバイスにすることができる。
〈実施例〉 以下、本発明の光伝送を利用した電気信号増幅デバイス
の実施例を図面を参照して説明する。
第2図に示したのは、本発明の一実施例のデバイスの断
面図である。この図は、半絶縁性GaAs基板11の表
面上に、順次、n”−GaAs層12゜n−GaAs層
18.p−A!GaAs層14.n−GaAs層15 
、 n−A!GaAs層16 、 n十−GaAs層1
7が積層して形成されている。この構成で、本デバイス
の光変調ダイオードのn型半導体に接続した電極(ゲー
ト電極)18が、本デバイスの半導体の最上層n+−G
aAs層17上に光源光Pがこのデバイスの2つの接合
を照射できるよう入射窓111をも−た形状にな−てい
る。
又、受光ダイオードのn形半導体へ接続した電極(コレ
クタ電1i) 110はデバイスの最下層であるn”−
GaAs層12上に形成され、更にデバイスの2つのダ
イオードで共通にしたp型半導体への接続電極(コモ7
電極)19はp−A、、1GaAs層14上に、それぞ
れ中央部が九が通過できる環状の形状にな−ている。な
お、以上で最上層のn十−GaAs層17は、電極19
とn−AJGaAs層16との間のオーミック抵抗低減
のコンタクト層であるから不要な光吸収を生じないよう
電極18の直下以外を除去していて、更に、光源光Pの
光が空乏層が形成されているn−GaAs層に到達する
迄の光吸収を小さくするために表面にバンドギャップが
広いn−A!GaAs層16が設けられている。これと
同じようにp型半導体層での光吸収をできるだけ低くす
るためバンドギャップが大きいp−A!GaAs層14
が用いられている。
続いて、以上で説明した本発明の実施例のデバイスの製
造方法を示した第3図について説明する。
この第8図fa)は、表面が(100)の半絶縁性Ga
As基板11上にMBE法、又はMOCVD法により順
次n”−GaAs(Siドープニ5 X I Q” c
s−’05μm)層i2 、n−GaAs(Siドープ
:I X 10” fl−3,0,5pen )層1 
g 、 p−AノGaAs(Beドープ: I X 1
0” LM−3,0,2μffi )層14゜n−Ga
As(Si ドープ: L X 10” m−3,0,
8μm)層15.n−AノGaAs(Siドープ: I
 X I Q’cs−”0.2μ+!り層16 、n”
 −GaAs(Siドープ:5×lQ18cm“3!0
.1μm)層17を積層成長した断面図を示している。
次に、第3図(blに示したように、リフトオフ法によ
り形成したゲート電極8をマスクにして、n”−GaA
s層17をエツチングしている。
続いて第8図(clに示したように光源光の入射窓11
1をもつゲート電極18を含む領域上に形成したフォト
レジスト112をマスクにしたメサエッチングによって
p−A〕GaAs層14を露出した状態である。その後
、リフトオフ法により層14上にコモン電極19を形成
し、そのコモン電極19を含む領域以上を被覆するフォ
トレジスト118をマスクにしたメサエッチングでn−
G a A s層12を露出した状態を示したのが第3
図(dlである。最後に、以上で露出させたn”−Ga
As層12上にリフトオフ法によるコレクタi[1ll
o’iリフトオフ法により形成した上、そのコレクタ電
極及び、コモン電極、ゲート電極などを含む領域をフォ
トレジストで被覆し、半絶縁性GaAs基板11までメ
サエッチングして、第2図で示した本発明の実施例のデ
バイスを完成させた。なお、以上の実施例ではゲート電
極18とコレクタ電極110にはAu−Ge系のオーミ
ック金属を、コモン電極19にはAu−Znn系オーミ
ック属を用いた。
以上で本発明のデバイスを実施例によって説明したが、
本発明は実施例によって限定されるものでなく、例えば
実施例のnpn型の構造をpnp型にしてもよく、又、
実施例ではpn接合に垂直に照射した光源を垂直以外の
照射にしてもよい。
続いて以上の第2図の構成による本発明のデバイスの動
作を、第1図!at 、 (blを用いて説明する。
第1図fa)は、実施例のデバイスに電源を接続して動
作させたとき、その各層のエネルギーレベルの状態を示
すものである。このデバイスは2つのpnダイオードか
ら形成されているが、1層のp型半導体の両側に同種材
料のn型半導体層を接合していて、その双方のダイオー
ドは電源Vinにより逆バイアスされている。
以上の接続にすると光源の光Pが照射するpnlダイオ
ードはFranz−Keldysh効果を用いて、その
ダイオードの光吸収量をその接合へのバイアス電圧によ
−て変化できる光吸収電流値ダイオード(光変調ダイオ
ード)の動作をする。そして、他の一方のpn3ダイオ
ードは、そのダイオードまで到達した光の大部分を吸収
して、その光吸収電流に変換する受光ダイオードの動作
をするよう各層厚を調整しである。
ここでn型半導体のバンドギャップに相当する波長にし
た光源の光Pを先ず光変調ダイオードに照射し、そのダ
イオードに吸収されないで透過した光Pは受光ダイオー
ドに吸収される構成にしている。
従って、以上の2つの接合での光吸収電流値は相補の関
係になり、入力電圧Vinを変化させて変調ダイオード
の吸収電流II を増加させると受光ダイオードの吸収
電流1 outが減少する。逆に変調ダイオードの吸収
電流■、を減少させると受光ダイオードの吸収電流1 
outは増加する。
以上のような入力電圧Vinに対する”x+Iout及
びIinは、概要を第1図+b+に示した関係で変化し
、IlとI outとの和がfinになっている。
以上の関係を利用することで本デバイスによる増幅が可
能になυ、それは次のような式で示すことができる。
光変調ダイオードの光吸収電流11は次の式で与えられ
る。
I 1 = Q I P q / h u      
   (1)ここで、clは変調ダイオードの入射吸収
比率、Pは入射光強度、qは単位電荷、υは入射光の波
長、hはブランク定数である。又、受光ダイオードの光
吸収電流は次の式で与えられる。
Iout=a2 (i−ax )Pq/hυ(2)α2
は受光ダイオードの光吸収比率である。
以上から、 l1n=11+Iout =(ax(1−a2)十az)Pq/hlj  (3)
従−て、!分電流利得Gは次のようになる。
G=d (Iout)/d(l1n) −一α2/(1−α2 )            (
4)この(4)式から分るように、本発明のデバイスに
よる電流利得Gは、構成するダイオードのバンドギャッ
プにマ・ノチングしだ光源光の波長の選定、デバイスの
各層の結晶性及びその配置等によって電流利得を改良す
ることができる。
〈発明の効果〉 以上で説明したように本発明による光伝送の電気信号増
幅デバイスは、そのデバイスの動作に少数キャリアを利
用していない。又、その構造も簡単であるから、非常に
高速で電気信号を増幅するデバイスを容易に作製して利
用できることになる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光伝送電気信号増幅デバイスの実施例
の動作原理を説明する図、第2図は実施例のデバイスの
構成を示す断面図、第3図は実施例のデバイスの製造工
程を示す断面図、第4図は従来例のデバイスの構成を示
す断面図、第5図は従来例のデバイスの動作を説明する
図である。 11.21=−・半絶縁性GaAs基板、12.1?、
22.27−n  −GaAs層、1B 、15.28
−・n−GaAs層、14 、24−−− p −A!
GaAs層、16.26−=n−AjJGaAs層、2
5−・−p−GaAs層、 18.19.28,29,110,2i0・・電極、1
11・・・入射窓、 112.111・・・フォトレジスト。 代理人 弁理士 梅 1)  勝(他2名)P梵専烹 (a) 11112図 (a) (b) 第3図 (C)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.一定光量の光を照射するバイアス光源と2つのpn
    接合からなる光伝送電気信号増幅デバイスにおいて、前
    記バイアス光源の光が入力電気信号により光吸収量変調
    動作をする前記の一方のpn接合を通った後、受光ダイ
    オードとして出力電気信号を形成する他方のpn接合に
    吸収される構成にしたことを特徴とする光伝送電気信号
    増幅デバイス。
  2. 2.前記2つのpn接合は単1の積層構造で形成され、
    かつ、2つのpn接合にそれぞれ逆バイアス電圧を印加
    する電源を接続したことを特徴とする請求項1記載の光
    伝送電気信号増幅デバイス。
JP2193452A 1990-07-20 1990-07-20 光伝送電気信号増幅デバイス Pending JPH0479273A (ja)

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JP2193452A JPH0479273A (ja) 1990-07-20 1990-07-20 光伝送電気信号増幅デバイス
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