JPH05275735A

JPH05275735A - 光制御スイッチ

Info

Publication number: JPH05275735A
Application number: JP4074298A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mizushima; 宜彦水島; Toru Hirohata; 徹廣畑; Kazutoshi Nakajima; 和利中嶋; Takashi Iida; 孝飯田; Sadahisa Warashina; 禎久藁科; Kenichi Sugimoto; 賢一杉本; Tomoko Suzuki; 智子鈴木
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】極めて構造が簡単で、他の光デバイスとの整
合性も良い光制御スイッチを提供する。【構成】一対の電極が形成された半導体と、この一対
の電極間の半導体に電界を印加する電界印加手段と、一
対の電極のうち少なくとも陽極に書込光を照射する書込
光照射手段と、書込光の照射により生成した正孔を半導
体に注入して一対の電極のうちの陰極からの電子注入を
促進する注入促進手段とを備え、書込光照射手段からの
照射光により外部回路の電流をオンさせるようにしたこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、光照射により制御を
行なう自己保持型光制御スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光制御スイッチとしては、様々なものが
考案されている。例えば、図１に示すような構造をした
デバイスがある。このデバイスは、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）５１２と、書込用のフォトトランジスタ５１３Ｗ
と、消去用のフォトトランジスタ５１３Ｅとを組合せた
ものである。

【０００３】双安定には発光素子５１２と書込用フォト
トランジスタ５１３Ｗとの間で光を介して生じる正帰還
を用いている。書込用フォトトランジスタ５１３Ｗに書
込光５１０が照射されると発光素子であるＬＥＤ５１２
がバイアスされ発生する。この光が再び書込み光５１１
として書込用フォトトランジスタ５１３Ｗを照射し、負
荷５１３には電流が流れ続ける。一方、消去は、消去用
フォトトランジスタ５１３Ｅに光５１１を照射して発光
素子５１２のバイアスを短絡することにより、先の帰還
を断つことにより消去を実現している。その他、量子井
戸を用いた光双安定デバイスが実現されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらのデバイスは、
自ら発光してオン状態を維持しているため、保持電力は
極めて大きいことが欠点であり、さらには、多重のヘテ
ロ接合や多重の量子井戸を形成する必要がある等、簡便
に得られるデバイスとは言い難い状況である。本願発明
は、かかる従来技術の有していた問題点を解決すること
を課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明に係る光制御ス
イッチは、一対の電極が形成された半導体と、この一対
の電極間の半導体に電界を印加する電界印加手段と、一
対の電極のうち少なくとも陽極またはその近傍に書込光
を照射する書込光照射手段と、書込光の照射により生成
した正孔を前記半導体に注入して一対の電極のうちの陰
極からの電子注入を促進する注入促進手段とを備え、書
込光照射手段からの照射光により外部回路の電流をオン
させるようにしたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本願発明は、極めて簡便な構造で、他の光デバ
イスとの整合性も良い光制御スイッチに関するものであ
る。すなわち、半導体に一対の電極を形成し、これにバ
イアスを印加して電流電圧特性を測定すると、電流制御
型負性抵抗が実現できていることがわかる。本願発明
は、この負性抵抗を光により制御できることを発見し、
外部負荷と組合せて、光スイッチとして用いることを考
案したものである。

【０００７】

【実施例】以下に具体的な実施例を挙げて、本願発明の
光スイッチについて説明をおこなう。

【０００８】図２および図３は、本願発明の実施例に係
る光制御スイッチの基本構造図である。半導体のウエハ
ー１１上に一対の電極２１，２２を形成している。陽極
２１と陰極２２との間は、電源３２でバイアスされてい
る。符号３１は負荷である。陽極２１と半導体１１との
界面には、ポテンシャル障壁が形成される。このポテン
シャル障壁の大きさは、電極材料と半導体材料との組合
せで決るが、概ね半導体のバンドギャップエネルギーの
１／２ないし２／３である。例えば、半導体１１として
室温で１．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを持つＧ
ａＡｓを用いた場合には、ポテンシャル障壁は０．７ｅ
Ｖないし０．９３ｅＶ程度、光波長にして１３００ｎｍ
ないし１７５０ｎｍである。

【０００９】この様に為された電極２１、２２間にバイ
アスを印加すると、その電流電圧特性には電流制御型負
性抵抗が得られる。バイアスを増加させていくと、はじ
めは半導体１１の持つ抵抗率に従ったオーム性電流が流
れる。更にバイアスを上げると陽極２１側の接合部で絶
縁破壊が生じ、陽極２１から半導体１１へ正孔が注入さ
れる。注入された正孔は半導体１１中の電界により陰極
２２へ走行し、陰極２２から電子の注入を促進する。従
って、半導体１１の抵抗率は大幅に減少し、陽極２１直
前の電界は更に強まる。電界の陽極２１への集中が進
み、陽極２１直前は雪崩増倍領域となる。この様にして
導電率変調が生じ、電流制御型の負性抵抗が発生する。

【００１０】低抵抗率が変化し平衡に達した状態では、
半導体１１中の電子の数ｎと正孔の数ｐはバランスして
いる（ｎμ_e＝ｐμ_p）。ここでμ_e、μ_pは電子、正
孔の各移動度である。本願発明はこの負性抵抗と外部負
荷とを組合せ、光スイッチング素子を実現している。

【００１１】図２は、書込のみを光で制御した場合の実
施例である。書込前の状態では、バイアスを雪崩閾値以
下にするようになされている。この素子の陽極２１と半
導体１１との界面に書込光（ｈν₁）を照射すると、光
照射により陽極２１内では電子と正孔が励起される。励
起された正孔は照射された光の光子エネルギーと同じエ
ネルギーを持つので、書込光の光子エネルギーがポテン
シャル障壁よりも大きければ、正孔は半導体１１の中へ
注入される。この事は、光により強制的に陽極２１で絶
縁破壊を起こしたことになり、素子内では先に説明した
プロセスに従って導電率変調が生じ、素子は低抵抗状態
にサステインされる。この低抵抗状態をオン状態とす
る。

【００１２】この光によりオン状態を実現させ、更に維
持するために必要な電界強度は、電極２１、２２間隔や
書込光の強さにも依るが、概ね平均電界で０．５ｋＶ／
ｃｍ以上の電界強度であった。上限は特に限定する必要
はないが、低い平均電界でよいことにも本願発明の特徴
であり、更に他の現象と区別するために２．５ｋＶ／ｃ
ｍ以下に限定する。

【００１３】オン状態から初期の高抵抗（オフ）状態に
戻すには、消去制御信号源３４からのパルスを用いてバ
イアスを雪崩維持電界以下に低下させればよい。この例
では、陰極２２からの電子の注入に関しては、特に妨げ
るものはないとしている。しかし、場合によっては陰極
２２と半導体１１との界面に存在するポテンシャル障壁
が、電子注入の妨げになる場合がある。この様な時、書
込光を陰極２２にも照射することが効果的である。即
ち、陰極２２からの電子注入も正孔の注入と同様に、内
部光電子放射効果で行なえば、容易に電子の補給が行な
えるからである。

【００１４】図３は、本願発明の特徴を更に発揮した実
施例で、光により書込と消去が共に可能なスイッチを実
現している。書込は先の例と同じく、書込光（ｈν₁）
の照射により実現している。消去は消去光（ｈν₂）の
照射により、ｎμ_e＝ｐμ_pのキャリアバランスを崩
し、印加電界を維持電界以下にすることにより実現して
いる。

【００１５】半導体１１に消去光を照射すると、半導体
１１中のトラップ準位を埋めていた電子は伝導帯に励起
され、トラップ準位には空きができる。つまり消去光の
照射により電子トラップが発生する。キャリアバランス
が保たれていた半導体１１内では、電子がトラップに捕
まることにより、実効的な電子の寿命は低下しｎは減少
する。従って、キャリアバランスが崩れオフ状態に遷移
する。これが本実施例の消去機構である。

【００１６】以上の説明を、エネルギーバンド図上に描
くと、図４の様になる。同図（ａ）はバイアスを印加し
ただけの状態である。同図（ｂ）は、陽極２１界面に書
込光（ｈν₁）を照射して正孔４１を注入し、結果とし
て陰極２２から注入される電子４２とバランスしたオン
状態を示している。ここで、符号４３は雪崩により発生
する正孔を示している。同図（ｃ）は、消去光（ｈ
ν₂）を半導体１１に照射して電子トラップを発生さ
せ、キャリアバランスを崩した状態のエネルギーバンド
図である。同図（ｄ）は、消去光（ｈν₂）によりオフ
状態が実現された後の状態である。

【００１７】このバンド図において、Ｅ_Cは伝導帯、Ｅ
_Vは価電子帯、Ｅ_Tはトラップ準位を示す。また、符号
４４は雪崩増倍領域を示している。

【００１８】この説明からわかる様に、消去光により追
出す電子の量が、陰極２２から注入される電子の量より
多くなければ、光による消去は実現されない。素子内の
バイアスが高過ぎると、陰極２２からの注入は多くなっ
て消去できず、消去が実現されるためには、保持電圧に
可能な限り近い電圧で動作させることが良い。逆に、消
去に対してブロッキングをかけるには、バイアスを高く
設定すればよい。

【００１９】更に、消去光照射によって陽極２１からの
正孔注入を引起こすことは、陰極２２からの電子注入を
呼び起こすことになり、書込動作と消去動作を同時に行
なうため、消去が実現できなかったり効率が低下したり
する。従って、消去光はその光子エネルギーが書込の閾
値よりも低く、また消去の閾値（トラップ準位の深さ）
よりも高いことが望ましい。陽極電極の材料、半導体材
料、消去光の波長などはこの様に選ばれる。

【００２０】ところで、上記のメカニズムより容易に理
解されるように、本願発明の光制御スイッチはオン・オ
フの状態を、バイアス電圧を維持することにより保持で
きるメモリー機能も兼ね具えたものになっている。従っ
て、このデバイスは光論理演算などの光書込消去メモリ
ーとしても利用できる。

【００２１】図５及び図６は、電源３２によってバイア
スを印加する電極２１と、書込光により正孔を発生させ
る為の電極２３とを、別の電極にした場合の実施例を示
している。書込は正孔注入を行ないさえすれば実現でき
るために、この様な構造にすることができる。なお、電
極２３には電源３３を更に接続し、陰極２２には負荷３
１を接続している。また、図６においては、電極２３を
メッシュ状として、光照射の効率を高めている。

【００２２】図７は、陽極２１と陰極２２とを半導体ウ
エハー１１の両面に形成し、半導体ウエハー１１の厚み
方向にデバイスを形成した場合の構造図である。電極２
２はアースされ、電極２１は電源３２を介して負荷３１
に接続されている。

【００２３】図８と図９は、書込光の照射手段に変化を
持たせた実施例である。陽極２１を薄膜電極ではなく、
メッシュ状にしている。書込光の光子エネルギーが半導
体１１のバンドギャップエネルギーよりも高い場合に
は、半導体１１中への光の侵入は殆ど無いために、陽極
２１と半導体１１の界面への光照射効率はあまり高くな
い。しかし、光子エネルギーが半導体１１のバンドギャ
ップエネルギーよりも低くなると、半導体１１を透過す
ることができる為に、この図のように半導体１１内で反
射されたり、散乱されたりすることにより容易に、陽極
２１と半導体１１の界面に書込光を照射することができ
る。また、メッシュ電極にすることにより、薄膜よりも
制御性の良い電極を得ることができる。したがって、陽
極２１をメッシュ構造にし、その合い間から書込光や消
去光を照射することは、充分に意味を有することであ
る。

【００２４】図１０は、書込光や消去光を半導体ウエハ
ー１１の側壁から照射した場合の実施例である。書込お
よび消去ともに、半導体１１のバンドギャップエネルギ
ーよりも光子エネルギーの低い光が利用できるために、
この様な構造が可能となる。この構造は、同一基板上に
書込、消去用のレーザー或いはＬＥＤを構成することが
できるために、集積化デバイスに適した構造である。

【００２５】さらには、図１１の様に陰極２２面から制
御光を照射してもよい。ここにおいて、陰極２２に求め
られる条件は書込光や消去光の透過性であり、例えば薄
膜化やメッシュ化がある。また、陽極２１には電源３２
を介して負荷３１が接続される。

【００２６】本願発明で用いる電極について述べてお
く。まず、陰極２２については、半導体１１に正孔が注
入された時、これを中和する電子が容易に陰極２２から
半導体１１中へ注入されなければならない。この為、陰
極材料としては、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ等を主とする合金
金属またはＮ⁺薄層を介した金属電極が挙げられる。

【００２７】また、前述した様に、書込時に陽極２１と
陰極２２との双方に書込光を照射する場合に於ては、光
制御性の向上の為に陰極２２をあえてブロッキング電
極、即ちショットキー性電極としてもよい。ショットキ
ー性接合を持つ金属としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ
Ｓｉ、ＴｉＰｔＡｕ等が挙げられる。

【００２８】次に、陽極２１について述べる。陽極２１
から半導体１１への正孔注入の為に適する電極材料とし
ては、ショットキー性接合を持つ金属が良い。この方が
正孔に対するポテンシャル障壁は低下するからである。
しかし、逆に限界波長を犠牲にして、正孔注入に対する
ブロッキングを強め、暗電流を低く抑えて光制御性（オ
ン・オフ比）を高めることも有益である。この為にオー
ム性接合を用いることも良い。従って、陽極２１の材料
としては、どちらも使用することができる。

【００２９】オフ時の電流について述べれば、半導体１
１が高抵抗半導体、特に半絶縁化されている場合には、
オフ電流が低く抑えられ、オン・オフ比が高く取れるこ
とは言うまでもないが、半導体基板がｎ型半導体基板の
場合には、内部陰極はオーム性電極であるため、内部陽
極はｎ⁺型電極が好ましい。

【００３０】限界波長の大幅な改良の為すなわち、光照
射により正孔を注入する時のポテンシャル障壁を低下さ
せ、長波長側限界波長を延すためには、このｐｎ接合を
ヘテロ接合とすることもできる。図１２、図１３にこの
実施例の構造図を、図１４にはこれらのエネルギーバン
ド図を示す。

【００３１】互いにバンドギャップエネルギーの異なる
半導体１１、１２がヘテロ接合しており、半導体１２に
陽極２１が、半導体１１に陰極２２が設けられている。
このようにすると、図１４のように、陽極２１で励起さ
れた正孔４１は半導体１２に注入され、陰極２２から電
子４２が半導体１１に注入される。また、正孔４３は半
導体１１から陰極２２に注入される。なお、符号４４は
ヘテロ接合部における雪崩増倍領域を示している。

【００３２】更に陰極２２からの電子注入に対して、光
による助けを更に長波長側まで及ぶようにするための手
法として、陰極２２と半導体１１との間にバンドギャッ
プエネルギーの異なる半導体１２をヘテロ接合により挿
入する事も効果的である。

【００３３】先に述べたように、本願発明の光スイッチ
の書込光波長限界は、陽極２１と半導体との間に形成さ
れるポテンシャル障壁の大きさにより決定される。ポテ
ンシャル障壁はバンドギャップエネルギーが小さいほど
小さくなるために、半導体基板としてはできるだけ小さ
なバンドギャップエネルギーのもつ半導体を用いること
がよい。この様な試みとしては、半導体基板の全てを小
さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体で置き換え
ても良いが、図１２、図１３の様に陽極２１の直前だけ
の置き換えることも良い。全体としては、大きなバンド
ギャップエネルギーをもつ半導体１１で構成されている
ために、高抵抗の半導体が容易に利用できる等のメリッ
トが大きいからである。

【００３４】次に半導体の抵抗率について触れておく。
本願発明の光スイッチの機構では、光照射により正孔が
注入され、その中和の為に電子が注入されてスイッチオ
ンする。電荷の中和には、ある程度の時間が必要で、誘
導緩和時間と言われている。誘電緩和時間τはτ＝εε
₀／σで決定される。ここに、ε、ε₀は半導体の比誘
電率、真空の誘電率である。またσ半導体の導電率であ
る。

【００３５】従って、半導体があまりにも高抵抗の場合
には、このスイッチング速度は極めて遅くなる。また、
応答性を得るために導電率を高めることは、オン・オフ
比がとれなくなり意味をなさない。従って、本願発明の
光トランジスタに用いる半導体のキャリア濃度の上限
は、１０¹⁴ｃｍ^-3以下であることが望ましい。応答速度
の問題を別とすれば、本願発明で用いる高抵抗半導体
は、半絶縁化されたものでもよく、そのキャリア補償の
為に含まれている不純物の影響はないことがわかってい
る。

【００３６】半絶縁化された半導体の例としては、Ｃ
ｒ：ＧａＡｓ、ＣｒＯ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：ＩｎＰ等が挙
げられる。この場合には、これらの不純物が持つ深い準
位が消去用の準位として利用できる。

【００３７】応答速度の改良の方法として、キャリアが
陽極２１と陰極２２との間を誘電緩和時間よりも速く走
行するようにすれば良い。従って陽極２１と陰極２２と
の間は短いほどよい。但し、あまりに短いと、雪崩増傍
を行う領域がなくなるためかえってメリットがなくな
る。例えば８０μｍ以上がよい。

【００３８】この様に、本願発明は簡単な構造で、長波
長に対しても感度を有し、書込消去の波長を異ならすこ
とができるスイッチング素子を提供できるものである。

【００３９】

【発明の効果】本願発明に係る自己保持型の光制御スイ
ッチは、光によるスイッチングが可逆的に行なえるばか
りでなく、極めて構造が簡単で他の光素子との相性もよ
く、しかもメモリーとしても応用できる素子であるた
め、その利用は広く、今後の光集積デバイスに大いに寄
与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例の等価回路図。

【図２】本願発明の実施例の光制御スイッチの基本的な
構造図。

【図３】本願発明の実施例の光制御スイッチの基本的な
構造図。

【図４】図４のエネルギーバンド図であり、（ａ）はオ
フ状態、（ｂ）は書込状態、（ｃ）は消去光照射直後の
状態、（ｄ）は消去完了の状態の図。

【図５】正孔注入後用電極を独立させた場合の実施例
（構造図）。

【図６】正孔注入後用電極を独立させた場合の実施例
（構造図）。

【図７】半導体ウエハーの厚み方向に素子を形成した場
合の構造図。

【図８】陽極をメッシュ電極にした場合の構造図。

【図９】陽極をメッシュ電極にした場合の構造図。

【図１０】半導体ウエハー側面より制御光を照射する構
造の実施例の図。

【図１１】陰極を介して制御光を照射する場合の実施例
の図。

【図１２】書込限界波長の変更の為にヘテロ接合を有す
る構造にした場合の実施例の図。

【図１３】書込限界波長の変更の為にヘテロ接合を有す
る構造にした場合の実施例の図。

【図１４】図１２、図１３のエネルギーバンド図。

【符号の説明】

ｈν₁…書込光、ｈν₂…消去光、Ｅｃ…伝導帯、Ｅｖ
…価電子帯、１１…半導体基板、１２…半導体１１とは
異なるバンドギャップエネルギーをもつ半導体、２１…
陽極、２２…陰極、２３…正孔注入専用内部陽極、３１
…負荷、３２…半導体内部バイアス電流、３３…正孔注
入制御用電源、３４…制御信号源、３５…コンデンサ、
４１…励起正孔、４２…注入電子、４３…雪崩により発
生した正孔、４４…雪崩増倍領域、５１０…書込光、５
１１…消去光、５１２…ＬＥＤ、５１３…フォトトラン
ジスタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 8422−4ＭＨ０１Ｌ 31/10 Ｚ (72)発明者飯田孝静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者藁科禎久静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者杉本賢一静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者鈴木智子静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極が形成された半導体と、この
一対の電極間の前記半導体に電界を印加する電界印加手
段と、前記電界印加手段による平均電界強度が０．５ｋ
Ｖ／ｃｍ以上２．５ｋＶ／ｃｍ以下であって、この電界
により雪崩増倍領域を前記半導体に生じさせるようにさ
れて前記一対の電極のうち陽極と陰極の双方または一方
の近傍に書込光を照射するよう構成されている手段とを
備え、前記書込光照射手段からの照射光により外部回路
の電流をオンさせるようにしたことを特徴とする自己保
持スイッチ型の光制御スイッチ。
【請求項２】前記書込光照射手段が、少なくとも陽極
またはその近傍の前記半導体に書込光を照射する書込光
照射手段と、前記書込光の照射により生成した正孔を前
記半導体に注入して前記一対の電極のうちの陰極からの
電子注入を促進することを特徴とする請求項１記載の光
制御スイッチ。
【請求項３】前記半導体がトラップ準位を有する半導
体であり、前記半導体に消去光を照射するための消去光照射手段
と、この消去光の照射により前記陰極からの電子注入を
抑制する注入抑制手段とを更に備え、前記消去光照射手段からの消去光により前記外部回路の
電流をオフするようにしたことを特徴とする請求項１ま
たは２記載の光制御スイッチ。
【請求項４】前記半導体が、キャリア濃度が１×１０
¹⁴ｃｍ^-3以下の高抵抗半導体であることを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の光制御スイッチ。
【請求項５】前記高抵抗半導体が半絶縁性であること
を特徴とする請求項４記載の光制御スイッチ。
【請求項６】前記半導体がＧａＡｓまたはＩｎＰを主体
とする化合物半導体であることを特徴とする請求項１な
いし３のいずれかに記載の光制御スイッチ。
【請求項７】前記一対の電極の少なくとも一方がオー
ム性電極であることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の光制御スイッチ。
【請求項８】前記陽極の直前に障壁接合が形成されて
いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
載の光制御スイッチ。
【請求項９】前記障壁接合がヘテロ接合により形成さ
れていることを特徴とする請求項８記載の光制御スイッ
チ。
【請求項１０】前記書込光が前記半導体のバンドギャ
ップエネルギーに相当する波長よりも長波長であること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光制
御スイッチ。
【請求項１１】前記消去光が前記書込光よりも長波長
であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
記載の光制御スイッチ。
【請求項１２】前記書込光により正孔励起を行なう制
御電極が前記半導体に更に設けられていることを特徴と
する請求項１ないし３のいずれかに記載の光制御スイッ
チ。
【請求項１３】請求項１記載の光制御スイッチを要素
として一次元または二次元のアレイを構成し、前記要素
としての光制御スイッチを選択的に機能させる選択手段
を更に備えたことを特徴とする集積化光制御スイッチ。
【請求項１４】請求項３記載の光制御スイッチと前記
書込光照射手段および前記消去光照射手段とが、前記半
導体を構成する同一の基板に形成されていることを特徴
とする光制御スイッチ。
【請求項１５】前記陽極と陰極との間が８０μｍ以下で
あることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
載の光制御スイッチ。