JPH08111540A - 透明な共振トンネリング光検出器 - Google Patents

透明な共振トンネリング光検出器

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JPH08111540A
JPH08111540A JP7210721A JP21072195A JPH08111540A JP H08111540 A JPH08111540 A JP H08111540A JP 7210721 A JP7210721 A JP 7210721A JP 21072195 A JP21072195 A JP 21072195A JP H08111540 A JPH08111540 A JP H08111540A
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light
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voltage
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Theodore S Moise
エス．モイス セオドアー
Gregory A Magel
エイ．マゲル グレゴリー
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Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成要素の数が少なく、再構成可能で、光接
続のファンアウトが高い、電子回路と光の相互接続シス
テムを提供する。 【解決手段】 レーザエミッタ（３０６−３０８）と、
光信号を伝送する光リンク（３１０）と、電気回路に接
続して光信号と電気信号を結合する光変調器（３２２−
３２４）および透明な検出器（３１２−３１４）を備え
る、電子回路と光の相互接続システム（３００）。各透
明な検出器（３１２−３１４）は、光電量子井戸局部電
界強化器に隣接する二重障壁量子井戸共振トンネルダイ
オードを含む。光電量子井戸は入力光の数パーセントだ
けを吸収し、高いファンアウトを与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は電子システムおよびデ
バイスに関し、より詳しくは、光電デバイスと方法を備
える光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】トランジスタや集積回路の性能を向上さ
せる要求が絶えずあるため、シリコンバイポーラトラン
ジスタやＣＭＯＳトランジスタやガリウム砒素ＭＥＳＦ
ＥＴなどの既存のデバイスの改善や、新しい型のデバイ
スや材料の導入が行われている。詳しく言うと、マイク
ロウェーブ周波数での低ノイズかつ高出力の要求によ
り、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）とアルミニウム・ガリウ
ム砒素（Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ）を組み合わせて作った高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）や、Ａｌx Ｇａ
1-x ＡｓとＭＥＳＦＥＴ状の構造のインジウム・ガリウ
ム砒素（Ｉｎx Ｇａ1- x Ａｓ）を組み合わせて作った仮
像(pseudomorphic) ＨＥＭＴが開発された。同様に、禁
止帯幅の狭いベースと禁止帯幅の広いエミッタ（例え
ば、Ａｌx Ｇａ1- x ＡｓエミッタとＧａＡｓベース、ま
たはシリコンエミッタとシリコン・ゲルマニウムベー
ス）で作ったヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）は、エミッタへのキャリア注入に起因するシリコン
だけのバイポーラトランジスタのベースドーピング・レ
ベルの限界を克服した。
【０００３】デバイスの寸法を小さくして高周波数性能
を向上させることにより、キャリアがポテンシャル障壁
を突き抜けるなどの別の量子力学的効果が発見された。
これにより、このようなトンネル現象を利用した共振ト
ンネルダイオードや共振トンネル熱電子トランジスタな
どのデバイス構造が開発された。共振トンネルダイオー
ドは、伝導キャリアがポテンシャル障壁を突き抜けて、
エネルギー共振により電流−電圧曲線に負性抵抗の部分
を生じる２端子デバイスである。エサキダイオードが濃
くドープしたＰＮ接合ダイオードで帯間トンネリング
（例えば伝導帯から価電子帯へ）を行ったことを思い出
していただきたい。最近の帯間トンネリングを行う共振
トンネルダイオードには、例えばリュー(Luo) 他の「プ
ロトタイプＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ構造内
の帯間トンネリング」、５５ 応用物理学Ｌｅｔｔ．２
０２３（１９８９年）などの、材料の組合わせがある。
別の共振トンネルダイオード構造は、単一帯内の量子井
戸の共振トンネリングに依存する。例えば、マース(Mar
s)他の「ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ二重障壁共振トンネルダイ
オードの再生可能な成長と応用」、１１ Ｊ．Ｖａｃ．
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｂ９６５（１９９３年）、およびオ
ズベイ(Ozbay) 他の「１１０ＧＨｚモノリシック共振ト
ンネルダイオード・トリガ回路」、１２ ＩＥＥＥ Ｅ
ｌｅｃ．Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．４８０（１９９１年）は、
それぞれＧａＡｓ構造内に埋め込まれた２つのＡｌＡｓ
トンネルダイオード障壁を用いて量子井戸共振トンネル
ダイオードを形成する。量子井戸は、厚さ１．７ｎｍの
トンネル障壁を持つ４．５ｎｍの厚さでよい。図１ａは
量子井戸共振トンネルダイオードの帯図を示し、図１ｂ
は室温での電流−電圧特性を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電子回路またはシステ
ムと光の相互接続には、一般にレーザなどの送信器と、
光伝導体やホトダイオードなどの光信号検出器を用い
る。しかし光伝導体や光ダイオードは一般に入力放射照
度の大部分を吸収するためファンアウトが制限される。
また出力電流は入力放射照度に依存するので、ディジタ
ルシステムで用いるには１ビットの出力アナログ・ディ
ジタル変換器を必要とする。
【０００５】ヘムラ(Chemla)他の米国特許第５，０４
７，８１０号は、光が量子井戸に入射しかつ光子エネル
ギーが量子井戸の材料の禁止帯幅より小さい、二重障壁
量子井戸共振トンネルダイオードの動作を制御する。パ
ルス化された入射光（約１０9ワット／ｃｍ2 ) は量子
井戸内に電子・正孔対の集団を誘起し、ＡＣスターク効
果により、量子井戸の共振エネルギーレベルをわずかに
増加させる（５−３０ｍｅＶ）。この固有状態エネルギ
ーの増加は、ダイオードの共振を起こす見かけのバイア
スを増加させる。言い換えると、入射光は図１ｂの電流
−電圧曲線の谷を右に移動させる。谷の移動量は、入射
光の強度と光子エネルギーに依存する。このため、動作
に必要な光パワー密度が高いなどの問題を生じる。
【０００６】イングランド他の米国特許第５，１２６，
５５３号およびイングランド他の「共振トンネル構造内
の光切替え」、５８ 応用物理学Ｌｅｔｔ．８８７（１
９９１年）は、入力光パルスにより量子井戸共振トンネ
ルダイオードの状態を変え（暗いときに２つの安定電流
−電圧状態を持つ）、これがまたダイオードの不透明度
やその他の光学的性質を変える、双安定光スイッチを示
している。入力光子のエネルギーは量子井戸禁止帯幅エ
ネルギー以上であって、図２ａはその帯図を示す。量子
井戸はＡｌＡｓトンネル障壁を持つｎ型のＧａＡｓアノ
ードおよびカソードと、ｎ型の透明なＡｌＧａＡｓアノ
ードおよびカソード接点を用いる。従って、ＡｌＧａＡ
ｓとＧａＡｓの禁止帯幅エネルギーの間のエネルギーを
持つ光子パルス（約１０4 ワット／ｃｍ2 ) はＧａＡｓ
だけに吸収され、光が生成した電子・正孔対をこの層内
に発生する。ダイオードをバイアスすると、光が生成し
た正孔のパルスはトンネル障壁で蓄積して（図２ｂに示
す）、量子井戸の電界を局部的に高める。このためダイ
オードは不安定な動作点に押され、ダイオードは他方の
安定な暗い動作点に切り替わる。従って、入力光パルス
は実質的にトリガを与えて暗中で電気的に双安定のデバ
イスを切り替える。これは２つの安定な暗い状態におけ
る異なる光学的性質を示す。従って、これも光出力の切
替えに用いられる。
【０００７】コヤナギ他の「並列プロセッサシステム用
の４ｋビットｘ４層の光結合３次元共通メモリ」、２５
ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｏｌ．Ｓｔ．Ｃｉｒ．１０９（１９
９０年）は、各プロセッサがＳＲＡＭセルの行列で作ら
れた対応するメモリを備える、並列プロセッサシステム
を示している。またこのＳＲＡＭセルは第３ディメンシ
ョン方向に光学的に接続されている。すなわち、あるセ
ルのビットを隣接するプロセッサのメモリ内の対応する
セルに書き込むことができる。この光メモリ接続は、書
込みセルにＬＥＤエミッタを用い、書き込まれるセルに
光伝導負荷抵抗を用いる。各プロセッサのメモリは（薄
い）シリコンウエーハ上にあり（ＬＥＤおよび光導電体
構造用としてＧａＡｓをシリコン上に成長させた）、ウ
エーハはガラス皮膜を持ち、垂直に重ねて互いに結合す
る。
【０００８】ウ(Wu)とバーンズ(Barnes)（編集者）の
「マイクロレンズ、光を光ファイバに結合」（ＩＥＥＥ
プレス１９９１年）は、例えばレーザダイオードを光フ
ァイバに結合するのに用いられるマイクロレンズの製作
に関する各種の文献を再録している。詳しく言うと、３
０１−３０４ページには、ホトレジストシリンダを溶か
してレンズの直径約３０μｍのマイクロレンズの配列に
することを記述している。同様に、ミハイロフ(Mihailo
v)とラザレ(Lazare)の「無定形テフロンのエキシマレー
ザ切除による屈折マイクロレンズ配列の製作」、３２
応用光学６２１１（１９９３年）は、エキシマレーザに
より無定形テフロンの層を短いシリンダにパターン化
し、次にテフロンを溶かして、表面張力によりテフロン
を引き込んで球形レンズにするという、マイクロレンズ
の製作を記述している。無定形テフロンは透明で、普通
の半結晶テフロンのように不透明ではない。マイクロレ
ンズの寸法は１００μｍ程度である。無定形テフロン
は、四フッ化エチレンと２，２−ビス（トリフルオルメ
チル）−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソランと
の共重合体である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、透明な光検
出器と、透明な検出器および光変調器を用いた光相互接
続システムとを提供する。望ましい実施態様の検出器は
光吸収層を含み、光吸収層はスクリーニング電気双極子
層を生成して共振トンネル電流を調整し、ディジタル電
気出力を出す。この方法では、共振トンネルダイオード
か共振トンネルトランジスタを光で駆動する。
【００１０】この光相互接続システムの利点は、構成要
素の数が少なく、再構成可能で、光接続のファンアウト
が高いことである。透明な検出器の利点は、感度が高
く、ディジタル電気出力を出し、入力光の吸収が少なく
てファンアウトが高いことである。
【００１１】
【実施例】望ましい実施態様の概要 図３は、別個のプリント配線板（ＰＷＢ）３０２と３０
４上のディジタル電子回路を相互接続する、第１の望ま
しい実施態様の光通信システム３００を示す。システム
３００は光リンク３１０と、透明な光電検出器３１２お
よび３１４と、光変調器３２２および３２４と、検出器
と変調器とリンクの直列スタックの両端にレーザダイオ
ード３０６および３０８を備える２個のレーザダイオー
ド送信器配列を含む。簡単のために、図３はＰＷＢ３０
２および３０４上の電子回路を示さず、レーザとリンク
と検出器と変調器の１つの直列スタックの参照番号だけ
を示しているが、並列に同様な動作を行う２個の別の直
列スタックを示す。またシステム３００のＰＷＢは２個
だけであるが、より多くの検出器と変調器を備える別の
ＰＷＢを追加して、ＰＷＢのスタックの深さ、従って直
列スタック内の検出器と変調器とリンクの数を、増加す
ることができる。
【００１２】システム３００の動作は次の通りである。
レーザダイオード３０６および３０８は、隣接するリン
ク３１０を通して８３０ｎｍの波長を絶えず放射する。
光リンク３１０は光ファイバ、またはＰＷＢ間の光を平
行にするマイクロレンズを備える自由空間でよい。図３
の検出器３１２と変調器３２２の回りのマイクロレンズ
３３２−３３３を参照。変調器３２２および３２４は、
対応するＰＷＢ上の回路からのディジタル電気信号で制
御される任意の入力光（どちらかの方向からの）を通過
させるかまたは遮断する。検出器３１２または３１４で
の放射照度（光強度）（両隣接リンクからの合計）が放
射照度しきい値を超える場合は、検出器は対応するＰＷ
Ｂ上の回路にディジタル電気高を出力する。そうでない
場合は、ディジタル電気低を出力する。放射照度しきい
値は、１個のダイオードからの放射照度より大きいが、
２個のダイオードからの放射照度より小さい。従って、
ＰＷＢ３０２上の回路が変調器３２２を駆動して遮断状
態にすると、検出器３１４での放射照度はダイオード３
０８の出力だけであり（変調器３２４は通過状態であっ
て検出器３１４は信号を受けることができる）、検出器
３１４はＰＷＢ３０４上の回路に低を出力する。逆に、
ＰＷＢ３０２の回路が変調器３２２を通過状態に切り替
えた場合は、検出器３１４での放射照度はダイオード３
０６と３０８の出力の和に切り替わってしきい値を超
え、従って検出器３１４は高を出力する。このようにし
て、ＰＷＢ３０２上のディジタル回路とＰＷＢ３０４上
のディジタル回路の間の直列通信は、変調器３２２およ
び３２４への出力と、検出器３１２および３１４からの
入力により行われる。図３で番号を付けていない直列ス
タックは同じ動作を行い、直列スタック全体によってＰ
ＷＢ間の並列通信が行われる。
【００１３】検出器３１２および３１４は透明である。
すなわち、光リンク３１０を通る光信号の数パーセント
（一般に２−３％であるが約１０％を超えることはな
い）だけを吸収する。従って、光リンク３１０の光パル
ス流は深いスタック内の多くの検出器にファンアウトさ
れる。検出器プラス光リンクの伝送効率９０％のはっき
りしたファンアウトの計算は、後のファンアウト部で示
す。任意の型の透明な検出器、例えば低吸収用に改造さ
れた、光を通すために背面に開口を備えるホトトランジ
スタ、を用いることができる。もちろん、透明度は用い
る周波数の光のためだけに必要である。量子井戸吸収層
をホトトランジスタの光活性化領域に設けることによ
り、必要な低吸収にすることができる。またスタックが
非常に深い場合は、いくつかのＰＷＢにリピータレーザ
を設けて光パワーレベルを保持する。すなわち、ある直
列スタックではＰＷＢは２個のレーザを備え、上から来
る光信号は一方のレーザを駆動して下方に放射し、下か
ら来る光信号は他方のレーザを駆動して上方に放射する
ようにしてよい。
【００１４】各検出器３１２および３１４は、負荷回路
に直列の光切替え共振トンネルダイオード（ＯＲＴＤ）
または光トリガ共振トンネルダイオード（ＯＲＴＴ）で
よい。ＯＲＴＤは基本的に、プレーナ半導体共振トンネ
ルダイオードと、隣接する光吸収量子井戸から成る。図
４はフラットバンドでのＯＲＴＤ４００の伝導および価
電子帯端を示し、右側のドープされていない領域４１０
の部分はダイオードの直列抵抗負荷の一部を構成する。
詳しく言うとＯＲＴＤ４００は、量子井戸４０２を囲む
二重障壁４０６−４０８と、隣接する吸収量子井戸４０
４を含む。二重障壁量子井戸４０２は共振トンネルダイ
オードを形成し、その電流−電圧曲線は図１ｂの曲線と
同様である。負荷抵抗はダイオードとは分離してよい。
【００１５】ＯＲＴＤの動作は次の通りである。ＯＲＴ
Ｄプラス直列負荷にバイアス電圧を与える。入力光がな
い場合は、図５の黒円曲線で示すような１つの高電流安
定動作点が存在する。ダイオードに与えたこのバイアス
は、図６の実線で示すように、伝導および価電子帯端を
傾斜させる。これは二重障壁量子井戸４０２を通る最大
共振電子電流に近い。透過する電子は弾丸のように吸収
量子井戸４０４を通り抜ける。
【００１６】光がダイオードに当たると、量子井戸４０
４の禁止帯幅エネルギーよりごくわずか大きいエネルギ
ーを持つ光子は量子井戸４０４に吸収されて電子・正孔
対を生じ、これは電界により分離される（伝導および価
電子帯端が傾斜する）。これらの分離された正および負
の電荷は、バイアス電界と逆の局部電界を発生する。図
６は、帯図内の点線の変化と、説明のための丸で囲った
＋および−電荷でこれを示す。従って、量子井戸４０４
内の局部電界は二重障壁プラス量子井戸４０２にかかる
電界を増加させ、エネルギーレベルを共振から押し出
す。図で示すと、これは図５の白丸曲線で示すように、
ダイオード電流−電圧曲線が左に移動したことになる。
このように共振電流が減少し、抵抗の両端の電圧降下が
減少するに従って量子井戸４０２にかかる電界は更に増
加する。１つの低電流安定動作点が存在し、ＯＲＴＤは
図５に示すようにこの動作点に切り替わる。入力光がな
くなると電子・正孔対の生成が止まり、存在する電子・
正孔対は再結合して局部電界は消える。するとＯＲＴＤ
は切り替わって高電流安定動作点に戻る。
【００１７】ＯＲＴＴはゲインを持ったＯＲＴＤとほぼ
同様であって、後のＯＲＴＴ部で詳細に説明する。検出
器３１２−３１４は光信号をディジタルで検出する。図
７は伝達関数を示す。電子・正孔対の生成率が入力放射
照度にほぼ線形に依存し、スイッチ機能がディジタル的
であるために、ノイズマージンが生じることに注意され
たい。
【００１８】変調器３２２および３２４は、量子制限ス
ターク効果を用いて光透過率を電気的に制御する多量子
井戸変調器でよい。図８は、メサ構造の変調器８２０と
その上の検出器８１０を示す。検出器８１０は二重障壁
プラス量子井戸８１２と、吸収量子井戸８１４と、抵抗
８１６と、出力接点８３８のためのドープされた層８１
８を含む。変調器８２０は、多（恐らく５０）量子井戸
８２２と、ドープされた接触層８２４および８２６を含
む。検出器８１０は接点８３２−８３４の間に一定のバ
イアスを持ち、変調器８２０は接点８３４−８３６の間
のバイアスにより開閉切替えを行う。光は波形の矢印で
示すように構造を横切る。図９は検出器−変調器の構造
を示す略図で、変調器８２０はＰＷＢ上の回路が供給す
るディジタル電圧（ＶOFF ／ＶON) により制御され、検
出器８１０はバイアスが一定でディジタル出力電圧（Ｖ
HIGH／ＶLOW) を出す。
【００１９】光切替え共振トンネルダイオード（ＯＲＴ
Ｄ） 図１０は、２７Ｋで動作する望ましい実施態様のＯＲＴ
Ｄ１０００の断面立面図を示す。ＯＲＴＤ１０００はＯ
ＲＴＤ８００と同様なメサ形式で、ＧａＡｓ基板上に下
の表１に示すエピタキシャル層を含む。ＩｎＧａＡｓは
Ｉｎ0.05Ｇａ0. 95Ａｓを意味し、ＡｌＧａＡｓはＡｌ
0.3 Ｇａ0.7 Ａｓを意味する。
【表１】 表１ 層 材料 厚さ ドーピングレベル （ｘ１０18／ｃｍ3 ） 接点 ｎ＋ＧａＡｓ １０ｎｍ ５ エミッタ ＡｌＧａＡｓ ２００ｎｍ １ スペーサ ＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし 障壁 ＡｌＡｓ ３ｎｍ ドープなし 井戸 ＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし 障壁 ＡｌＡｓ ３ｎｍ ドープなし スペーサ ＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし 吸収井戸 ＩｎＧａＡｓ ２５ｎｍ ドープなし コレクタ ｎＧａＡｓ ４０ｎｍ ０．２ サブコレクタ ｎ＋ＧａＡｓ ８００ｎｍ ５ スペーサ ＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし
【００２０】エミッタ（カソード）金属接点１０２０お
よびコレクタ（アノード）金属接点１０３０は環状で、
厚さ３００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（チタン、白金、金
の連続層）でよい。内側の開口直径が２０μｍのエミッ
タ接点１０２０により光は上側からアクセスし、基板１
０１８により光は底側からアクセスする。
【００２１】２７Ｋの温度でＧａＡｓ（頂部接点１００
１、スペーサ１００３、トンネル量子井戸１００６、ス
ペーサ１０１０、コレクタ１０１４、サブコレクタ１０
１６、基板１０１８）の禁止帯幅エネルギーは約１．５
１３ｅＶであり、ＩｎＧａＡｓ（吸収量子井戸１０１
２）の禁止帯幅エネルギーは約１．４８５ｅＶである。
従って、約１．４９５ｅＶのエネルギーを持つ光子（波
長約８３０ｎｍの近赤外光）は吸収量子井戸１０１２に
吸収されるが、ＯＲＴＤ構造内の他のどの層にも吸収さ
れない。実験的には、このエネルギーの通常の入力光子
束の約１−２パーセントが吸収量子井戸１０１２に吸収
される。図５はその電流−電圧特性を示す。
【００２２】図６は、バイアス接点からエミッタへ約
０．４３ボルトのバイアスを与えたＯＲＴＤ１０００の
帯図である。実線は入射光のない帯端を示し、破線は入
射光のパワー密度が１７ワット／ｃｍ2 の帯端を示す。
光が生成した電子と正孔の再結合率は波動関数の重なり
に依存するものであって、量子井戸１０１２にかかる電
界が増加するにつれて減少し、また光が生成したキャリ
ア密度が増加するにつれて増加する。プロセスが高速の
ため、照射後約１ピコ秒以内に生成−再結合の定常状態
に達する。詳しく言うと、高電流動作点（トンネリング
共振を確立するには量子井戸１０１２での電圧降下は約
１００ｍＶ）では、１．４９５ｅＶの入射光は電子・正
孔対の定常状態を生成し、これは二重障壁（１００４、
１００８）とトンネル量子井戸（１００６）にかかる電
圧を約２０ｍＶ増加させる。これは共振トンネル電流の
崩壊のしきい値である。共振電流が落ちると正のフィー
ドバックにより量子井戸４０２の電圧降下は更に増加し
て約１５０ｍＶになり、低電流動作状態に急速に切り替
わる。入射光子束がやや小さいと量子井戸１０１２内に
共振トンネリングを崩壊させるのに十分な電荷を光が生
成せず、高電流動作状態が続く。従って、図７に示すよ
うな鋭い電流移行が入射光束の関数として生じる。
【００２３】室温ＯＲＴＤ 図１１ａは、ＯＲＴＤ１０００と同様な構造と動作のＯ
ＲＴＤ１１００の室温での電流−電圧特性を示す。ただ
しＯＲＴＤを構成する材料は、厚さ２５０ｎｍのｎ＋Ｉ
ｎＡｌＡｓエミッタ（カソード）、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓ二重トンネル障壁および量子井戸、厚さ
１００ｎｍのＩｎＧａＡｓ吸収層（ＩｎＧａＡｓはＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓを意味する）である。約０．８ｅＶの
エネルギーを持つ光子は吸収層に吸収され、電子・正孔
対を生成する。電子・正孔対はバイアスの下で分離し、
スクリーニング（対抗）電界を与えて山および谷電流に
対するダイオード電圧を減少させる。図１１ａの電流−
電圧特性は直径６０μｍのダイオード用で、２００ワッ
ト／ｃｍ2 の１．４ｅＶ光子（８８０ｎｍ波長）で照射
した場合の山および谷電流に対する電圧が２００ｍＶ減
少することを示す。５３オームの抵抗を通して２．１５
ボルトのバイアスをかけると、出力電圧の振れは約５０
０ｍＶである。高電流状態で照射しない場合はダイオー
ド電圧降下は約１．５ボルトであり、低電流状態で照射
する場合はダイオード電圧降下は約２．０ボルトであ
る。
【００２４】図１１ｂは、入力光を図１１ｂの下部のト
レースの信号に従って切った場合の、ＯＲＴＤ１１００
を組み込んだ図１１ｃの回路の応答を示す。図１１ｂの
上部のトレースは結果の出力電圧を示す。
【００２５】第２室温ＯＲＴＤ 図１２ａは第２室温共振トンネルダイオード１２００の
断面立面図を示し、図１２ｂは対応する伝導および価電
子帯図を示す。ダイオード１２００の構造は簡単であ
る。ＩｎＰ基板上のｎ＋ＩｎＰバッファ電気接点とｎ＋
ＩｎＡｌＡｓ頂部窓電気接点との間の１００ｎｍのドー
プしていないＩｎＧａＡｓと、ＩｎＡｌＡｓ頂部窓から
約４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ内に量子井戸を形成する１対
のＡｌＡｓトンネル障壁である。ダイオード１２００は
メサ型で、直径は６０μｍである。ＩｎＰとＩｎＡｌＡ
ｓの禁止帯幅は約１．４ｅＶであり、ＩｎＧａＡｓの禁
止帯幅は約０．８ｅＶである。従って、０．８から１．
４ｅＶの範囲のエネルギーを持つ光子は頂部窓とバッフ
ァは通過するが、ＩｎＧａＡｓには吸収される。これ
は、８８０ｎｍから１．５５μｍの自由空間波長を持つ
光子に相当する。ＩｎＰおよび／またはＩｎＡｌＡｓの
禁止帯幅よりやや高いエネルギーを持つ光子の吸収は、
帯端近くの状態の密度が低いためにＩｎＧａＡｓによる
吸収よりはるかに少ないので、検出器の全透明度が余り
落ちない限り、この周波数を用いることができる。
【００２６】ｎ＋バッファのバイアスをｎ＋頂部窓に対
して１．１ボルトにすると、図１２ｂに示すように帯が
曲がる。ＯＲＴＤ１０００および１１００の場合と同様
に、ＩｎＧａＡｓに吸収された光子は電子・正孔対を発
生し、これを印加バイアスが分離する。正孔はトンネル
障壁のバッファ側に蓄積し、電子は頂部窓側に蓄積す
る。これらの蓄積された電荷はトンネル障壁と量子井戸
にかかる電界を増加させる。従って電流共振は、光子の
吸収と蓄積された電荷がない場合より低いバイアスをか
けると起こる。図１２ｂは説明用として、蓄積された正
孔を丸で囲った＋で、また蓄積された電子を丸で囲った
−で示す。
【００２７】図１２ｃは、８６０ｎｍレーザの５つの放
射照度（光パワー）レベルについての、ダイオード１２
００の電流−電圧曲線を示す。照射のないときの電圧の
山と谷の位置は、ＩｎＧａＡｓ層の厚さを変えることに
よって変えることができる。実際、薄いＩｎＧａＡｓ層
（１０ｎｍ）の場合は、電圧の山と谷はそれぞれ約０．
６５ボルトおよび０．９ボルトであるが、厚いＩｎＧａ
Ａｓ層（２００ｎｍ）の場合は、電圧の山と谷は増加し
てそれぞれ約３．１ボルトと３．８ボルトになる。ダイ
オードの電流−電圧測定回路は実質的に山と谷の間の電
流を決定するので、図１２ｃは山と谷を結ぶ破線だけを
示す。
【００２８】ＯＲＴＤ１０００および１１００の場合と
同様に、ＯＲＴＤ１２００に入射する光パワーが増加す
ると、山電圧も谷電圧も共に減少する。図１２ｄは放射
照度と山電圧との関係を示し、図１２ｅは谷電圧との関
係を示す。この電圧−放射照度の関係は、いろいろの波
長の照射に当てはまる。８６０ｎｍ、９００ｎｍ、１３
００ｎｍは全て同様の結果になる。
【００２９】負荷抵抗を持つＯＲＴＤ１２００（図１１
ａの説明を参照）は、１３００ｎｍの入力の２０ワット
／ｃｍ2 程度のしきい値の回りで照射照度が変動する
と、出力電圧は約０．６ボルトの振れを示した。図１２
ｆは、測定された室温しきい値特性を示す。
【００３０】ファンアウト 第１実施態様のシステム３００は、検出器と変調器の伝
送効率に従って、多くのＰＷＢを含んでよい。密にスタ
ックされたＰＷＢ（ＰＷＢが約１０ｍｍ離れている低輪
郭チップ）では、半導体ダイス（チップのパッケージ内
に検出器−変調器と頂部および底部窓を含む）の頂部と
底部の両方にマイクロレンズを設けることにより、自由
空間光リンクを用いてよい。３つの平行な光チャンネル
を備える２個のＰＷＢの断面立面図を示す図１３ａを参
照のこと。ＰＷＢおよびＯＲＴＤチップパッケージは、
図示のように位置合わせ突起と窪みを備えてよく、また
は取付け後の調整のための位置合わせネジを持つＰＷＢ
に取り付けることができる。マイクロレンズと窓は反射
防止皮膜を持ち、マイクロレンズは光を平行にしまたは
集束する。詳しく言うと、図１３ｂは、その頂面にＯＲ
ＴＤ１３０４を形成し裏面にマイクロレンズ１３１２を
持つ厚さ５００μｍのＩｎＰ基板１３０２と、ＯＲＴＤ
１３０４上にある厚さ５００μｍの堆積した酸化物１３
０６と、酸化物１３０６上にあるマイクロレンズ１３１
４を示す拡大図である。酸化物１３０６は、２個のマイ
クロレンズが同じひとみ直径と焦点距離と開口数を持つ
ように間隔を与える。各マイクロレンズ１３１２−１３
１４の焦点距離は約５００μｍなので、チップ間の平行
光線をＯＲＴＤ１３０４の活性化領域に集束し、収集
し、再び平行にして、隣接ＰＷＢに送る。各マイクロレ
ンズの直径は約３００μｍであり、開口数は約０．３で
ある。
【００３１】または、光ファイバを検出器−変調器に突
き合わせ結合してよく、この場合はＰＷＢの場所は任意
でよい。図１４ａは、光ファイバの位置合わせのために
基板の裏側に凹所をエッチングしたものを示す。
【００３２】一例として、各検出器／変調器対が９０％
の伝送効率（１０％損失で、反射は無視する）のものを
考える。ＰＷＢが１０個の場合、各ＰＷＢの検出器での
放射照度を、１個のダイオード放射のパーセントとし
て、次の表の右側の３列に、（１）変調器の遮断なし、
（２）第１ＰＷＢの変調器だけを遮断、（３）第５ＰＷ
Ｂの変調器だけを遮断、の場合を示す。
【表２】 ＰＷＢ ％頂部 ％低部 遮断なし ♯１遮断 ♯５遮断 １ １００ ３９ １３９ 遮断 １００ ２ ９０ ４３ １３３ ４３ ９０ ３ ８１ ４８ １２９ ４８ ８１ ４ ７３ ５３ １２６ ５３ ７３ ５ ６６ ５９ １２５ ５９ 遮断 ６ ５９ ６６ １２５ ６６ ６６ ７ ５３ ７３ １２６ ７３ ７３ ８ ４８ ８１ １２９ ８１ ８１ ９ ４３ ９０ １３３ ９０ ９０ １０ ３９ １００ １３９ １００ １００
【００３３】明らかに、別のＰＷＢ内の少なくとも１個
の変調器が遮断されている場合の或る検出器での最大放
射照度は１個のダイオード放射の１００％である。ま
た、変調器が遮断されていない場合は、検出器での最小
放射照度は１個のダイオードの１２５％である。従っ
て、しきい値を１個のダイオード放射の１００％から１
２５％にとる。もちろん伝送効率が一層高い場合は、変
調器が遮断されていないときの最小値は増加するが、少
なくとも１個が遮断されているときの最大値は同じであ
る。同様に、ＰＷＢの数がより少ないと最大値は増加せ
ずに最小値が増加し、ＰＷＢがより多いと最小値が減少
する。
【００３４】２個のレーザダイオード配列３０６、３０
８ではなくて、１個のレーザダイオード配列３０６と、
配列３０８の代わりに鏡の配列を用いてもよい。やは
り、１００％以上のしきい値だけが必要である。実際
に、５個のＰＷＢとやはり９０％の伝送効率では、対応
する強度は、
【表３】 ＰＷＢ ％頂部 ％反射 遮断なし ♯１遮断 ♯５遮断 １ １００ ３９ １３９ 遮断 １００ ２ ９０ ４３ １３３ ０ ９０ ３ ８１ ４８ １２９ ０ ８１ ４ ７３ ５３ １２６ ０ ７３ ５ ６６ ５９ １２５ ０ 遮断 この場合も、入射レーザパワーの１００％から１２５％
の間のしきい値で十分である。検出器の透明度により、
高いファンアウトが得られる。
【００３５】製作 望ましい実施態様のＯＲＴＤ検出器１０００は、以下の
段階を含む工程で作ることができる。 （１） まず６３５μｍ（２５ミル）の厚さの配向（１
００）の半絶縁ＧａＡｓウエーハを用意する。有機金属
の分子ビームエピタキシ（ＭＯＭＢＥ）または有機金属
化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）により、表１に示した層の
エピタキシャル成長を行う。元素Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌソー
スはＩＩＩ族の種を与え、三次ブチルアルシン(tertiar
ybutylarsine) はクラッキングの後でＶ族の種を与え
る。元素錫はｎ型ドーピングを与える。 （２） ホトレジストをスピンオンし、直径３０μｍの
メサの位置を決めるようパターン化する。次に硫酸と過
酸化水素の溶液を用いて時間エッチング(timedetch) を
行い、メサを形成する。これはエミッタと二重障壁と吸
収量子井戸の層を通してエッチングを行って約０．２５
μｍの材料を除去するだけなので、ウエットエッチング
の等方性は横方向の浸食の問題を起こさず、メサはステ
ップの被覆(step coverage) の問題を生じない。次にホ
トレジストを除去する。
【００３６】（３） 不動態化と絶縁のために、厚さ
０．２μｍの窒化シリコン層を堆積する。第２ホトレジ
ストをスピンオンし、エミッタ接点１０２０とその内部
（円形）およびコレクタ接点１０３０（馬蹄形）の位置
を決めるようパターン化する。次にパターン化したホト
レジストをエッチングマスクとして用いて、リン酸で窒
化シリコンをエッチングし、ホトレジストを除去する。
図１９ａの平面図を参照のこと。 （４） エミッタおよびコレクタ接点と付属のパッドメ
タルを、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕのリフトオフにより形成す
る。（リフトオフとは、ホトレジストをパターン化し、
金属を堆積し、ホトレジストを溶解して、半導体または
窒化シリコン上に堆積しなかった金属を剥離させること
をいう。）金属の全厚さは３００ｎｍで、ほとんどの厚
さはＡｕの頂部層である。必要であれば、更にＡｕをメ
ッキして金属を厚くすることができる。図１９ｂの平面
図と図１９ｃの断面立面図を参照のこと。 （５） 最後に、エアブリッジまたはその他の相互接続
により、接点またはパッドと、基板１０１８上の他のデ
バイスまたは結合パッドとを接続する。ＭＥＳＦＥＴや
ＨＢＴなどの他のデバイスは、基板１０１８の他の場所
に作ることができる。実際ＭＥＳＦＥＴは、ソースとド
レンとチャンネル領域を作って、基板１０１８内に直接
形成することができる。
【００３７】光リンクの取付けを容易にするために別の
処理を行ってよい。詳しく言うと、図１３ｂに示すよう
に、ポリイミド１３０６などの５００μｍの透明な絶縁
物を堆積して、頂部マイクロレンズ１３１４とＯＲＴＤ
１３０４との間に間隔を与える。裏側のマイクロレンズ
１３１２は基板１３０２上に形成してもよいし、ホトレ
ジストで作ったマイクロレンズパターンを非等方エッチ
ングを用いて基板内に移すことにより基板１３０２内に
形成してもよい。別の基板処理を行うと、光ファイバリ
ンクの末端を基板にも、エミッタ接点により形成される
開口にも、固定しやすくなる場合がある。例えば、メサ
の上に堆積しエミッタ接点開口の中央にある誘電体（酸
化珪素または窒化珪素）内に、傾斜した側壁ビア(via)
（所望の光ファイバの直径に適合した最小直径を持つ）
をエッチングする。同様に、傾斜した側壁ビアを基板の
裏側にエッチングして、光ファイバの位置を合わせ、ま
た損失を少なくするために基板の厚さを減らす。図１４
ａはＯＲＴＴの同様な構造を示す。これについては後で
説明する。
【００３８】マイクロレンズの場合は、メサを覆う透明
な絶縁体上にホトレジスト層を堆積して、メサを覆うホ
トレジストシリンダを残すようホトレジストをパターン
化する。次に加熱してホトレジストシリンダを溶かし、
表面張力によりホトレジストシリンダを引き込んで球形
マイクロレンズにする。次に同様な膜を基板の裏面に堆
積し、再びパターン化し、溶かして、裏面マイクロレン
ズを形成する。またはホトレジストの代わりに無定形テ
フロンを用いてマイクロレンズを形成することができ
る。詳しく言うと、無定形テフロンを堆積し、エクシマ
レーザでメサの上部以外の膜を全て除去する。次に３０
０゜Ｃで２０分間加熱して、表面張力により球状マイク
ロレンズを形成する。これを裏面マイクロレンズについ
て繰り返す。
【００３９】別の方法として、メサを覆う透明な絶縁体
を用いずに、マイクロレンズをＯＲＴＤメサ上に直接置
く。メサ上に直接置いたマイクロレンズは非常に短い焦
点距離が必要であり、このため直径の小さいレンズなど
を用いた大きな曲率が必要である。更に、マイクロレン
ズは基板内にまたは上側の透明な絶縁体内に、非等方エ
ッチングにより形成してもよい。これにより、ホトレジ
ストまたはテフロンマイクロレンズ構造を基板および透
明な絶縁体内に移すことができる。
【００４０】光トリガ共振トンネルトランジスタ（ＯＲ
ＴＴ） 図１４ａは、次の表ＩＩに示すＩｎＰ基板上のエピタキ
シャル層を含む、第１の望ましい実施態様の光トリガ共
振トンネルトランジスタ（ＯＲＴＴ）１４００の断面立
面図を示す。ＩｎＧａＡｓはＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを意
味し、ＩｎＡｌＧａＡｓはＩｎ0.52Ａｌ0.3 Ｇａ0.18Ａ
ｓを意味する。
【表４】 表Ｉ１ 層 材料 厚さ ドーピングレベル （ｘ１０18／ｃｍ3) エミッタ接点 ｎ＋ＧａＡｓ ３０ｎｍ １０ エミッタ ｎ＋ＩｎＡｌＧａＡｓ ２００ｎｍ １０ 前置ダイオード ｎ＋ＩｎＧａＡｓ ３０ｎｍ １ スペーサ ＩｎＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし 障壁 ＡｌＡｓ ２ｎｍ ドープなし トンネル井戸 ＩｎＧａＡｓ ５ｎｍ ドープなし 障壁 ＡｌＡｓ ２ｎｍ ドープなし スペーサ ＩｎＧａＡｓ ２ｎｍ ドープなし 吸収層 ＩｎＧａＡｓ ５０−１００ｎｍ ドープなし 後置ダイオード ｎ＋ＩｎＧａＡｓ ３０ｎｍ １ ローンチ ｎ＋ＩｎＡｌＧａＡｓ ５０ｎｍ １０ ローンチ ｎＩｎＡｌＧａＡｓ ５０ｎｍ ０．５ ベース ｐ＋ＩｎＧａＡｓ １００ｎｍ １ コレクタ ｎＩｎＰ ２０００ｎｍ ０．０２ コレクタ接点 ｎ＋ＩｎＰ ５００ｎｍ １０ 基板 ＩｎＰ ５００μｍ 半絶縁
【００４１】ＯＲＴＤ１０００と同様に、金属接点（エ
ミッタ、ベース、コレクタ）は環状または馬蹄形で、全
金属厚さ約３００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（チタン、白
金、金の連続層）でよい。金属接点との相互接続にはエ
アブリッジを用いてよく、または絶縁を堆積して、エッ
チングされたビアを通して相互接続を接点に接続してよ
い。
【００４２】また図１４ａは、基板内および上を覆う保
護絶縁体層内に傾斜壁のビアを持つ、ＯＲＴＴ１４００
の活性化領域の上および下に置いた光ファイバを示す。
このようなビアは光ファイバの位置決めと取付けを容易
にし、一般にその外径は単一モード動作では約１０μｍ
であり、赤外線を用いた多モード動作では約５０μｍで
ある。または、マイクロレンズをエミッタ上または基板
裏面上またはその両方の上に形成することができ、また
光ファイバはマイクロレンズと位置合わせをするが間隔
をあけて置く。
【００４３】図１４ｂは、エミッタ・ベース間に正バイ
アスを、ベース・コレクタ間に逆バイアスを与えたＯＲ
ＴＴ１４００のエネルギー帯図である。既知の共振トン
ネルトランジスタと同様に、トンネル井戸内の最低の副
帯端レベルは、ベース内への電子注入のためのエネルギ
ーフィルタリングを与える。図１５は、入力がベース・
エミッタ電圧で、出力がコレクタ・エミッタ電圧であ
る、図１６ａに示すトランジスタの入力−出力特性を示
す。詳しく言うと、ベース・エミッタ電圧を、トンネル
井戸を通る共振トンネリングのエネルギーレベルに合わ
せた場合は、図１５に示すように高いコレクタ電流が流
れ、コレクタ・エミッタ電圧は小さい。しかしベース・
エミッタ電圧をやや大きくすると、トンネル井戸は共振
から外れ、コレクタ電流は図１５に示すように低い値に
落ちる。図１５の出力の振れで示すように、これがゲイ
ンを与える。
【００４４】図１６ｂは図１６ａの電気入力の代わりに
光入力を用いたＯＲＴＴ１４００の回路接続を示し、図
１５に示した、ＯＲＴＤ１０００が持たないゲインを利
用する。詳しく言うと、入力光がない場合に、ベース・
エミッタバイアスを図１５に示す高電流状態に設定す
る。９００ｎｍから１．４μｍの範囲の波長の光が入射
すると、ＯＲＴＴのコレクタとエミッタは透明であるが
吸収層は電子・正孔対を生成し、電子・正孔対はベース
・エミッタバイアスの影響で分離してスクリーニング電
界を発生する。これは二重障壁とトンネル井戸にかかる
電界を増加し、ＯＲＴＴを低電流状態に切り替える。す
なわち、ＯＲＴＴ１４００はＯＲＴＤ１０００と同様な
光が生成する電荷対の発生メカニズムを用いるが、トラ
ンジスタゲインも持っているので大きな出力の振れを生
じる。
【００４５】ＯＲＴＴの１つの変形は、ＯＲＴＴ１４０
０の吸収井戸を持つ共振トンネルバイポーラトランジス
タの代わりに、吸収井戸を持つ共振トンネル熱電子トラ
ンジスタを用いる。
【００４６】放送光相互接続システム 異なるＰＷＢ上のいろいろの電気回路を同期させるため
の大域クロックを受けるなどの一般放送通信に光相互接
続システム３００を用いると、変調器が余分にあるため
に簡単化することができる。例えば図１７は、配列ダイ
オード内にありかつＰＷＢ１７０２、１７０４、．．．
１７０６上のＯＲＴＤ／ＯＲＴＴ検出器１７１２、１７
１４、．．．１７１６に光でリンクされるレーザダイオ
ード１７０８を含む、望ましい実施態様のシステム１７
００を示す。入力信号はレーザダイオード１７０８を切
り替えて開閉し、検出器１７１２、１７１４、．．．、
１７１６は前に説明したように、これらのディジタル光
信号を各ＰＷＢ用にディジタル電気信号に変換する。こ
こでも、ダイオードと検出器の各スタックは並列に動作
する。各検出器による吸収が少ないことと光学装置が反
射防止式のために、最後の検出器と直列になっている数
個の検出器は依然として切替えのためのしきい値より高
い放射照度を受ける。
【００４７】再構成可能な光相互接続スイッチ 光相互接続システム１７００とその変形は、図１８に示
すように再構成可能スイッチ１８００として用いること
ができる。スイッチ１８００は２つの並列な直列ディジ
タル電気信号流を受けて、レーザダイオード１８０６と
１８０８により２つの並列な直列ディジタル光信号流に
変換する。ダイオード１８０６の出力は、ＰＷＢ１８０
２上のＯＲＴＴ検出器１８１２とＰＷＢ１８０４上の検
出器１８１４により検出される。同様に、ダイオード１
８０８の出力は、ＯＲＴＴ検出器１８２２と１８２４に
より検出される。ダイオード１８０６と１８０８の出力
のどちらを伝送するかの選択はレーザダイオード１８１
０からの信号によって制御されるマルチプレクサ論理に
より行われ、これをＰＷＢ１８０２上ではＯＲＴＴ検出
器１８３２により、ＰＷＢ１８０４上ではＯＲＴＴ検出
器１８３４により検出する。制御信号は、単なる反復デ
ィジタルコードでよい。このようにして、ダイオード１
８１０によってコード出力を変えることにより、ダイオ
ード１８０６と１８０８の一方からの信号はＰＷＢ１８
０２と１８０４の一方（または両方）に向かう。更に多
くのＰＷＢと並列な直列ディジタル光信号流を追加でき
ることは明らかである。複雑になるのは、ダイオード１
８１０により送られる選択コードとダイオード１８１０
の信号の検出器により制御されるマルチプレクサだけで
ある。
【００４８】混合受話者および受話者／送話者の相互接
続 あるシステムは、図３の「受話者／送話者」光相互接続
も図１７の「受話者専用」光相互接続も持つことができ
る。受話者専用部分は同期（クロック）信号を与え、受
話者／送話者部分は２方向通信を与える。
【００４９】共通光メモリ 光相互接続システム３００は、次のように共通光メモリ
内で用いることができる。ＳＲＡＭセルは１ビットを記
憶する。変調器をセルの負荷要素に単に結合することに
より、このビットは、２個の変調器の一方が光を遮断し
他方が光を透過させるように設定する。次に、各セルの
ドライバを相互から切り離した後で垂直スタック内の検
出器を各セルのドライバに結合する制御信号により、記
憶したビットを垂直スタック内の他の全てのセルに転送
することができる。
【００５０】多値論理検出 ＯＲＴＤまたはＯＲＴＴのスタックは、多値論理光信号
のディジタル検出に用いることができる。詳しく言う
と、図２０は、垂直の光路に沿ってスタック２０００に
形成され、各ＯＲＴＤの間にＩｎＧａＡｓ減衰層２０１
５を持つ、ＯＲＴＤ２０１０、２０２０、２０３０を説
明的に示す。入力多値光信号２０５０は図２０の頂部か
らスタック２０００に入る。減衰層２０１５および２０
２５は入射光の一部を吸収し、入射光信号の多値に対す
る各ＯＲＴＤの応答を次のように分離する。
【００５１】まず簡単な二進重み付き光信号を考える。
すなわち、入力光信号は４つの強度０、Ｉ、２Ｉ、４Ｉ
の中の１つを持つ。ただしＩは例えば２０Ｗ／ｃｍ2 の
放射照度であって、ＯＲＴＤの放射照度しきい値を簡便
なＩ／２からＩの範囲にするためのものである。各ＯＲ
ＴＤは任意の入力光信号の約５％を吸収して約９５％を
透過すると仮定する。減衰層２０１５と２０２５の厚さ
を、各層が任意の入射光の約４５％を吸収し約５５％を
透過するようにする。すなわち、ＯＲＴＤ２０１０と減
衰層２０１５の組合わせは５０％を吸収し５０％を透過
する。ＯＲＴＤ２０２０と減衰層２０２５の組合わせも
同様である。この場合、４つの可能な光入力強度につい
て、各ＯＲＴＤの放射照度は次の通りである。
【表５】 入力 ＯＲＴＤ 2010 ＯＲＴＤ 2020 ＯＲＴＤ 2030 ０ ０ ０ ０ Ｉ Ｉ Ｉ／２ Ｉ／４ ２Ｉ ２Ｉ Ｉ Ｉ／２ ４Ｉ ４Ｉ ２Ｉ Ｉ 従って各ＯＲＴＤがＩ／２とＩの間の放射照度しきい値
を持つスタック２０００は多値入力光信号を復号し、各
出力は０か対応するＯＲＴＤの電圧の振れである。
【００５２】他の多値の、例えば３つの等間隔の強度
の、光信号も同様なＯＲＴＤまたはＯＲＴＴのスタック
と共に用いることができる。例えば、４つの等間隔の光
強度（０、Ｉ、２Ｉ、３Ｉ）では、ＯＲＴＤ２０１０と
減衰層２０１５の組合わせは入射光の５０％を透過し、
ＯＲＴＤ２０２０と減衰層２０２５の組合わせは６７％
を透過し、２Ｉ／３とＩの間の放射照度しきい値で復号
する。
【００５３】変更 望ましい実施態様は、共振トンネルデバイスに隣接する
光吸収層内に作られるスクリーニング電界に基づいて生
じる、光切替えのいくつかの特徴を保持したまま、多く
の方法で変えることができる。
【００５４】例えば、光信号吸収層の厚さや、組成や、
エネルギーギャップを変えることにより、速度と、透明
度（ファンアウト）と、感度と、光動作周波数とをトレ
ードオフすることができる。共振トンネルデバイスは二
次元、一次元、ゼロ次元の量子井戸を持つことができ
る。更に、検出器を通る電流（電子と正孔）は、トンネ
ル障壁の厚さや、組成や、トンネル障壁用の２材料障壁
（例えばＩｎＧａＡｓと、ＡｌＡｓの代わりにＩｎＡｌ
ＡｓプラスＡｌＡｓ）などのエネルギーギャップを、変
えることにより制御することができる。これは２段階の
伝導帯不連続性を与える。トンネル障壁に用いられる材
料の禁止帯幅を変えることにより、電子および正孔電流
を別個に制御することができる。更に吸収層は、ほとん
どトンネル障壁近くまで狭くなる段階的(graded)禁止帯
幅などの、多様な組成を持つことができる。例えば、Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ａｓでは、ｘは０．５３からほとんどトン
ネル障壁近くの０．７まで段階づけられる。これにより
正孔または電子のより効果的な蓄積と、より大きな光電
感度が得られる。同様に、意図的に不純物を注入して再
結合のトラップを与えてキャリアの寿命を変えることに
より、検出器の速度と感度を変えることができる。
【００５５】更に、光リンクを自由空間の伝播と光ファ
イバとの組合わせにし、またはＯＲＴＤさえも基板の一
端（または両端）の総合導波管に結合して、基板の端を
光ファイバまたは他の光リンクに結合することができ
る。
【００５６】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 透明な光検出器であって、（ａ） 第１および
第２トンネル障壁の間に量子井戸を含み、検出する周波
数の入射光の約１０％よりその吸光度が低い共振トンネ
ルダイオードと、（ｂ） 前記ダイオードに直列の負荷
インピーダンスであって、（１）（ｉ）バイアス電圧を
前記ダイオードプラス直列のインピーダンスに与え、か
つ（ｉｉ）前記ダイオードへの入射光の放射照度が或る
しきい値より小さいときは、１つの第１安定電流−電圧
点を持ち、（２）（ｉ）前記バイアス電圧を前記ダイオ
ードプラス直列のインピーダンスに与え、かつ（ｉｉ）
前記ダイオードへの入射光の放射照度が前記しきい値よ
り大きいときは、前記第１安定電流−電圧点とは異なる
１つの第２安定電流−電圧点を持つインピーダンスと、
（ｃ） 前記ダイオードと前記インピーダンスの間の電
気出力と、を備える透明な光検出器。
【００５７】（２） 第１項記載の光検出器であって、
（ａ） 前記トンネル障壁はプレーナであってメサ状で
ある、光検出器。 （３） 第１項記載の光検出器であって、（ａ） 前記
ダイオードは、前記第１トンネル障壁に隣接する第１材
料の領域を含み、前記第１材料は前記量子井戸内の禁止
帯幅より小さい禁止帯幅を持つ、光検出器。
【００５８】（４） 第１項記載の光検出器であって、
（ａ） 前記量子井戸はドープされていない半導体材料
で作られ、（ｂ） 前記第１トンネル障壁は、前記量子
井戸から間隔をとった前記ドープされていない半導体材
料の第１領域に隣接し、（ｃ） 前記第２トンネル障壁
は、前記量子井戸から間隔をとった前記ドープされてい
ない半導体材料の第２領域に隣接し、（ｄ） 前記ダイ
オードは、前記第１領域に隣接するドープされている頂
部接点材料と前記第２領域に隣接するドープされている
底部接点材料を含み、前記頂部接点材料と前記底部接点
材料の禁止帯幅は前記ドープされていない半導体材料の
禁止帯幅より大きい、光検出器。
【００５９】（５） 第４項記載の光検出器であって、
（ａ） 前記ドープされていない半導体材料はＩｎＧａ
Ａｓであり、（ｂ） 前記頂部接点材料はドープされて
いるＩｎＡｌＡｓであり、（ｃ） 前記底部接点材料は
ドープされているＩｎＰである、光検出器。 （６） 第１項記載の光検出器であって、（ａ） 前記
ダイオードは室温で動作することを特徴とする、光検出
器。
【００６０】（７） 透明な光検出器であって、（ａ）
透明なエミッタおよび透明なコレクタと、（ｂ） 前
記エミッタとコレクタの間の透明な第１および第２トン
ネル障壁と、（ｃ） 前記第１および第２トンネル障壁
の間の量子井戸と、（ｄ） 前記第１トンネル障壁に隣
接し、検出する前記周波数で入射光のせいぜい１０％を
吸収することを特徴とする、透明な光吸収領域とを備
え、（ｅ） これにより、前記吸収領域内の光の吸収
は、前記トンネル障壁および量子井戸を通るキャリアの
共振トンネリングに影響を与える、光検出器。
【００６１】（８） 第７項記載の光検出器であって、
（ａ） 前記領域と前記コレクタの間のベースと、
（ｂ） 前記エミッタとベースとコレクタの接点を更に
備え、前記エミッタと、ベースと、コレクタと、トンネ
ル障壁プラス量子井戸は、入射光に依存する特性を持つ
バイポーラトランジスタを形成する、光検出器。 （９） 第８項記載の光検出器であって、（ａ） 前記
エミッタはＩｎＡｌＧａＡｓで作られ、（ｂ） 前記量
子井戸と領域とベースはＩｎＧａＡｓで作られ、（ｃ）
前記コレクタはＩｎＰで作られる、光検出器。
【００６２】（１０） 第７項記載の光検出器であっ
て、（ａ） 透明な第２エミッタおよび透明な第２コレ
クタと、（ｂ） 前記第２エミッタおよび第２コレクタ
の間の透明な第３および第４トンネル障壁と、（ｃ）
前記第３および第４トンネル障壁の間の第２量子井戸
と、（ｄ） 前記第３トンネル障壁に隣接し、入射光の
せいぜい１０％を吸収することを特徴とする、透明な第
２光吸収領域と、（ｅ） 前記第１コレクタおよび前記
第２エミッタの間の光減衰層を更に備え、前記エミッタ
と、コレクタと、第２エミッタと、第２コレクタは光路
に沿って配置され、（ｆ） これにより、前記第２吸収
領域内の光の吸収は、前記第３および第４トンネル障壁
と第２量子井戸を通るキャリアの共振トンネリングに影
響を与える、光検出器。
【００６３】（１１） 光検出の方法であって、（ａ）
透明な共振トンネルダイオードを与え、（ｂ） 前記
ダイオードに直列に負荷インピーダンスを与え、（ｃ）
前記ダイオードおよび直列のインピーダンスにバイア
スを与え、（ｄ） 前記インピーダンスの両端の電圧降
下を検出し、（ｅ） これにより、前記バイアスおよび
インピーダンスは、（１）前記ダイオードへの入射光の
放射照度が或るしきい値より小さい場合は１つの第１安
定電流−電圧点を持ち、（２）前記ダイオードへの入射
光の放射照度が前記しきい値より大きい場合は前記第１
安定電流−電圧点とは異なる１つの第２安定電流−電圧
点を持つ、前記ダイオードを特徴とする、段階を含む方
法。
【００６４】（１２） 第１１項記載の方法であって、
ここで（ａ） 前記ダイオードは、（ｉ）プレーナであ
ってメサ状である第１および第２トンネル障壁と、（ｉ
ｉ）前記トンネル障壁の間の量子井戸とを含む、方法。 （１３） 第１２項記載の方法であって、ここで（ａ）
前記ダイオードは、前記第１トンネル障壁に隣接しか
つ前記量子井戸内の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を持
つ、第１材料の領域を含む。
【００６５】（１４） 第１２項記載の方法であって、
ここで（ａ） 前記量子井戸はドープされていない半導
体材料から作られ、（ｂ） 前記第１トンネル障壁は、
前記量子井戸から間隔をとった前記ドープされていない
半導体材料の第１領域に隣接し、（ｃ） 前記第２トン
ネル障壁は、前記量子井戸から間隔をとった前記ドープ
されていない半導体材料の第２領域に隣接し、（ｄ）
前記ダイオードは、前記第１領域に隣接するドープされ
ている頂部接点材料と前記第２領域に隣接するドープさ
れている底部接点材料を含み、前記頂部接点材料と前記
底部接点材料の禁止帯幅は前記ドープされていない半導
体材料の禁止帯幅より大きい。
【００６６】（１５） 第１４項記載の方法であって、
ここで（ａ） 前記ドープされていない半導体材料はＩ
ｎＧａＡｓであり、（ｂ） 前記頂部接点材料はドープ
されているＩｎＡｌＡｓであり、（ｃ） 前記底部接点
材料はドープされているＩｎＰである。
【００６７】（１６） レーザエミッタ（３０６−３０
８）と、光信号を伝送する光リンク（３１０）と、電気
回路に接続して光信号と電気信号を結合する光変調器
（３２２−３２４）および透明な検出器（３１２−３１
４）を備える、電子回路と光の相互接続システム（３０
０）。各透明な検出器（３１２−３１４）は、光電量子
井戸局部電界強化器に隣接する二重障壁量子井戸共振ト
ンネルダイオードを含む。光電量子井戸は入力光の数パ
ーセントだけを吸収し、高いファンアウトを与える。
【図面の簡単な説明】
図面は簡単のために略図である。
【図１】ａは既知の共振トンネルダイオードの帯図。ｂ
は既知の共振トンネルダイオードの電流−電圧曲線。
【図２】バイアスを持つ既知の光電共振トンネルダイオ
ードの帯図。
【図３】第１の望ましい実施態様の光相互接続システ
ム。
【図４】第１の望ましい実施態様の光電共振トンネルダ
イオードの帯図。
【図５】第１の望ましい実施態様の光電検出器の電流−
電圧曲線。
【図６】バイアスを与え、光切替えを示す、図４の帯
図。
【図７】第１の望ましい実施態様の検出器の光ノイズマ
ージン。
【図８】第１の望ましい実施態様の光電検出器と光変調
器の組合わせの断面立面図。
【図９】図８の組合わせの略図。
【図１０】望ましい実施態様の光切替え共振トンネルダ
イオードの断面立面図。
【図１１】ａは別の望ましい実施態様の光切替え共振ト
ンネルダイオードの電流−電圧曲線。ｂは別の望ましい
実施態様の光切替え共振トンネルダイオードのタイミン
グ図。ｃは別の望ましい実施態様の光切替え共振トンネ
ルダイオードの回路図。
【図１２】ａは更に別の望ましい実施態様の光切替え共
振トンネルダイオードの断面立面図。ｂは更に別の望ま
しい実施態様の光切替え共振トンネルダイオードの帯
図。ｃは更に別の望ましい実施態様の光切替え共振トン
ネルダイオードの電流−電圧曲線。ｄは更に別の望まし
い実施態様の光切替え共振トンネルダイオードの光電感
度特性。ｅは更に別の望ましい実施態様の光切替え共振
トンネルダイオードの光電感度特性。ｆは更に別の望ま
しい実施態様の光切替え共振トンネルダイオードの切替
え特性。
【図１３】望ましい実施態様の光通信システムのプリン
ト配線板の積重ね。
【図１４】ａは望ましい実施態様の光トリガ共振トンネ
ルトランジスタの断面立面図。ｂは望ましい実施態様の
光トリガ共振トンネルトランジスタの帯図。
【図１５】図１４ａの実施態様の切替え。
【図１６】図１４ａの実施態様を含む回路接続。
【図１７】別の望ましい実施態様の光通信システム。
【図１８】再構成可能な光対電気スイッチ。
【図１９】望ましい実施態様の製作方法の段階。
【図２０】多値光信号検出器。
【符号の説明】
３００ 光通信システム ３０２，３０４ プリン配線板（ＰＷＢ） ３０６，３０８ レーザダイオード ３１０ 光リンク ３１２，３１４ 検出器 ３２２，３２４ 光変調器 ３３２，３３３ マイクロレンズ ４００ 光切替え共振トンネルダイオード（ＯＲＴＤ） ４０２，４０４ 量子井戸 ４０６，４０８ 二重障壁 ４１０ ドープされていない領域 ８００ 変調器と検出器 １０００ ＯＲＴＤの別の実施態様 １２００ ＯＲＴＤの別の実施態様 １４００ 光トリガ共振トンネルダイオード（ＯＲＴ
Ｔ） １７００ 光相互接続システム １８００ 再構成可能な光相互接続スイッチ ２０００ 多値論理検出用のＯＲＴＤまたはＯＲＴＴの
スタック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｆ 1/015 ５０５ Ｈ０４Ｂ 10/28 10/02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明な光検出器であって、 （ａ） 第１および第２トンネル障壁の間に量子井戸を
    含み、検出する周波数の入射光の約１０％よりその吸光
    度が低い共振トンネルダイオードと、 （ｂ） 前記ダイオードに直列の負荷インピーダンスで
    あって、（１）（ｉ）バイアス電圧を前記ダイオードプ
    ラス直列のインピーダンスに与え、かつ（ｉｉ）前記ダ
    イオードへの入射光の放射照度が或るしきい値より小さ
    いときは、１つの第１安定電流−電圧点を持ち、（２）
    （ｉ）前記バイアス電圧を前記ダイオードプラス直列の
    インピーダンスに与え、かつ（ｉｉ）前記ダイオードへ
    の入射光の放射照度が前記しきい値より大きいときは、
    前記第１安定電流−電圧点とは異なる１つの第２安定電
    流−電圧点を持つ、前記ダイオードを特徴とするインピ
    ーダンスと、 （ｃ） 前記ダイオードと前記インピーダンスの間の電
    気出力と、を備える透明な光検出器。
  2. 【請求項２】 光検出の方法であって、 （ａ） 透明な共振トンネルダイオードを与え、 （ｂ） 前記ダイオードに直列に負荷インピーダンスを
    与え、 （ｃ） 前記ダイオードおよび直列のインピーダンスに
    バイアスを与え、 （ｄ） 前記インピーダンスの両端の電圧降下を検出
    し、 （ｅ） これにより、前記バイアスおよびインピーダン
    スは、（１）前記ダイオードへの入射光の放射照度が或
    るしきい値より小さい場合は１つの第１安定電流−電圧
    点を持ち、（２）前記ダイオードへの入射光の放射照度
    が前記しきい値より大きい場合は前記第１安定電流−電
    圧点とは異なる１つの第２安定電流−電圧点を持つ、前
    記ダイオードを特徴とする、段階を含む方法。
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