JPH10112554A

JPH10112554A - 半導体光スイッチ集積素子

Info

Publication number: JPH10112554A
Application number: JP7574797A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nakajima; 和利中嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-08-15
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光入力パターンを直接に受光し、閾値処理
し、増幅し、発光し、記憶する機能に加えてノイズ除去
及び平滑化処理を高速に行う機能を有する半導体光スイ
ッチ集積素子を提供する。【解決手段】本発明の半導体光スイッチ集積素子は、
Ｐ型エミッタ基板１１上にＮ型キャリア拡散層１２と、
Ｎ型キャリア層１２上に分離されたＰ型バリア層１３
と、Ｐ型バリア層１３上のそれぞれにＮ型コレクタ層１
４とを有する複数の光スイッチと、各光スイッチのコレ
クタに一端が接続され、エミッタ基板上に形成された抵
抗４とを備える。そして、全ての光スイッチが共有する
Ｎ型キャリア拡散層１２を設けて、スイッチオン状態に
なった光スイッチから注入された少数キャリアがこのキ
ャリア拡散層を拡散してキャリア拡散長の範囲に隣接す
る光スイッチにも作用するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光スイッチ
集積素子に関し、特に受光、閾値処理、増幅、発光およ
び記憶等の機能を有する半導体光スイッチ集積素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、ＴＶカメラ等によって取り込ま
れた文字や図形などの２次元パターンデータを画像処理
プロセッサ等の外部処理装置を用いて処理するのが一般
的であった。

【０００３】また、文献１（石川、ロボット学会誌、vo
l.13、no.3、pp.335〜338、1995）には、受光素子と信号処
理回路とが一対になったものを半導体基板上に２次元ア
レイ化して集積し、これらを外部から個別に制御するこ
とによって２次元パターンデータの並列処理を行う装置
が開示されている。

【０００４】また、文献２（K.Kasahara,"VSTEP-based
smart pixels"IEEE J.Quantum Electron.vol.29,no.2,p
p.757-768,1993)や文献３(J.Cheng,et.al.,"Suerface-e
mitting laser-based smart pixels for two-dimension
al optical logic and reconfigurable optical interc
onnections,"IEEE J.Quantum electron.,vol.29,no.2,p
p741-756,1993)には、光サイリスタまたはこれとＬＥＤ
とを組み合わせた光スイッチをアレイ化して同一半導体
基板上に集積化した空間光変調素子や並列光接続回路が
開示されている。この場合、光スイッチを半導体基板上
に集積化して、配線によって外部から電気的にこれらを
マトリクス制御したり、また光学素子を用いて光学的に
接続することによって光クロスバ−スイッチ等を実現し
ている。そして、この光スイッチは、受光、閾値処理、
増幅、記憶および発光の各機能を持つ。

【０００５】さらに、特開平６−１２３９０８号公報に
は、外部からクロック転送信号を入力することによって
光スイッチアレイをシフトレジスタまたは信号伝送素子
として利用した例が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、画像プロセッ
サ等を外部処理装置として用いる方法は柔軟で汎用な処
理を行える反面、時系列処理であるため処理時間が長く
なり、工業用ロボット制御等の高速用途には向かない。

【０００７】また、文献１に開示され、受光素子と信号
処理回路とを２次元アレイ化した装置は高速処理に適し
ている。しかし、この装置の製造には高度な微細加工技
術が必要である。加えて素子面積のうち信号処理回路や
配線の占める割合が大きくなるため、受光素子を十分に
配置できないので、光入力データの利用効率がよくな
い。

【０００８】さらに、文献２および文献３に開示され、
光スイッチを２次元にアレイ化した空間変調素子等で
は、同一半導体基板上に集積された各光スイッチは、閾
値処理、増幅等の機能を有している。しかし、各光スイ
ッチは独立して構成されているため、同一半導体基板上
の集積された他の光スイッチの入力信号やオン−オフ状
態に影響を受けない。したがって、これらは、外部処理
回路を接続して演算処理することなしにノイズ除去、ぼ
け変換のような平滑化処理等の機能までは有していな
い。

【０００９】さらに、また、上記公報に開示された例で
は、画像などの光入力パターンを直接処理するような機
能はない。

【００１０】一方、特開平8-222718号の公報には、エミ
ッタ側に単一の負荷抵抗が接続され、Ｈ−Ｌ構造を有す
る光スイッチ素子が開示されている。この素子は、入力
された光パターンを２値化し、これに伴ってノイズ除去
および平滑化処理を行うことができる。しかし、この素
子においては、閾値を制御するための層あるいは電極が
個々のスイッチを取り巻くように配置されているので、
高比抵抗層内におけるキャリアの拡散が必ずしも十分に
行われない場合があった。

【００１１】従って、本発明の目的は、光入力パターン
を直接に受光し、閾値処理し、増幅し、発光し、記憶す
る機能に加えてノイズ除去及びぼけ変換のような平滑化
処理を高速に行う機能を有し、かつ光入力データの利用
効率が高い半導体光スイッチ集積素子を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は次のような構成とした。請求項１に記
載の半導体光スイッチ集積素子では、第１導電型エミッ
タ基板と、第１導電型エミッタ基板の上に設けられた第
２導電型キャリア拡散層と、１次元および２次元のいず
れかに分散して配置され、第２導電型キャリア拡散層の
上に複数設けられた第１導電型バリア層と、第１導電型
バリア層の上のそれぞれに設けられた第２導電型コレク
タ層と、を有し、第２導電型コレクタ層が受光すること
によりオンして発光する複数の光スイッチと、第１導電
型エミッタ基板の上に形成され、第２導電型コレクタ層
のそれぞれに一端が接続された複数の抵抗と、を備え、
抵抗の他端のそれぞれは、第１の電源の一端に接続さ
れ、第１導電型エミッタ基板は、第１の電源の他端に接
続される。

【００１３】このように複数の光スイッチを構成するに
当たり、第１導電型エミッタ基板の上に各光スイッチ共
通の第２導電型キャリア拡散層を設けると共に、第２導
電型キャリア拡散層の上に分散して複数設けられた第１
導電型バリア層と、第２導電型コレクタ層とを備えた光
サイリスタ構造の光スイッチを設けた。このために、個
々の光スイッチが光サイリスタとして動作すると共に、
隣接した光スイッチが共通に設けられたキャリア拡散層
を通して相互に作用する。

【００１４】つまり、強い光が入射して多くの光励起キ
ャリアがキャリア拡散層とバリア層とによるＰＮ接合で
発生する光スイッチでは、キャリア拡散層に対するバリ
ア層のポテンシャルが低下して、その光スイッチの逆接
合部分がターンオンしてスイッチオン状態となる。そし
て、この光スイッチにはバイアス電源から電流が流れ込
む。この電流により、バリア層とコレクタ層で形成され
る順方向にバイアスされたＰＮ接合で再結合による発光
が生じる。

【００１５】また、スイッチオン状態の光スイッチで
は、エミッタ基板からキャリア拡散層に注入された少数
キャリアがキャリア拡散層を拡散して、その一部は横方
向にも拡散していく。このため、スイッチオン状態のス
イッチは、キャリア拡散長の範囲の周囲の光スイッチに
影響を与えるのである。

【００１６】一方、それ自身で発光するには十分でない
弱い光が入射している光スイッチでは、隣接する光スイ
ッチから少数キャリアがキャリア拡散層を拡散してくる
と、これらのキャリアは電界によってバリア層に引き込
まれる。引き込まれたキャリアが、入射光によって発生
したキャリアに加わってバリア層のポテンシャルを低下
させるのに十分な程度の数になると、ターンオンして光
スイッチに電流が流れ込む。この電流により、この光ス
イッチのバリア層とコレクタ層からなるＰＮ接合で再結
合による発光が生じる。

【００１７】ところが、光が入射していない光スイッチ
では、キャリア拡散層を少数キャリアが拡散してきて
も、その少数キャリアのみではバリア層のポテンシャル
を低下させるには十分ではないので、その光スイッチは
発光はしない。

【００１８】しかし、光が入射していない光スイッチで
あっても、キャリア拡散層を少数キャリアが拡散してき
てバリア層のポテンシャルを低下させるほど十分なキャ
リアが注入されると、その光スイッチにも電流が流れ込
んで発光する。

【００１９】つまり、本発明に係わる半導体光スイッチ
集積素子では、光スイッチがスイッチオン状態になるか
どうかは、光スイッチ単独の動作によってのみ決まるの
ではなく、共通に形成されたキャリア拡散層を通してキ
ャリア拡散長程度の範囲の光スイッチが相互に影響し合
うのである。

【００２０】請求項２に記載の半導体光スイッチ集積素
子では、抵抗が、同一値であるようにしてもよい。

【００２１】このように抵抗を略同一値にすれば、光ス
イッチの特性を揃えることができるので、半導体光スイ
ッチ集積素子の面内特性を均一にできる。

【００２２】請求項３に記載の半導体光スイッチ集積素
子では、第２導電型コレクタ層および第１導電型バリア
層が、直接遷移型半導体であるようにしてもよい。この
ように第２導電型コレクタ層および第１導電型バリア層
が、直接遷移型半導体としたので、発光効率を高くでき
る。

【００２３】請求項４に記載の半導体光スイッチ集積素
子では、第２導電型コレクタ層が、抵抗を兼ねるように
してもよい。

【００２４】このように第２導電型コレクタ層が、抵抗
を兼ねるので、製造工程を簡素にできる。

【００２５】請求項５に記載の半導体光スイッチ集積素
子では、抵抗の他端のそれぞれは、第２の電源の一端に
接続され、第２導電型キャリア拡散層は第２の電源の他
端に接続されること、および第２導電型キャリア層は第
２の電源の一端に接続され、エミッタ層は第２の電源の
他端に接続されること、のいずれかであるようにしても
よい。

【００２６】このように、抵抗の他端と第２導電型キャ
リア拡散層間に第２の電源を接続すること、およびエミ
ッタ層と第２導電型キャリア拡散層間に第２の電源を接
続することのいずれかによって、キャリア拡散層の電位
を適当な値に設定すれば、この電圧によって第１導電型
バリア層に蓄積される電荷量を制御することができるの
で、光スイッチの導通入射光量のしきい値を制御でき
る。

【００２７】請求項６に記載の半導体光スイッチ集積素
子では、上記複数の光スイッチを囲んで第２導電型キャ
リア拡散層に設けられる閾値制御電極を更に備え、第２
導電型キャリア拡散層は、閾値制御電極を介して第２の
電源の他端に接続されるようにしてもよい。

【００２８】このように、第２導電型キャリア拡散層に
上記複数の光スイッチを囲んで閾値制御電極を設けれ
ば、これらの光スイッチ間の相互作用を妨げることなく
スイッチの導通入射光量のしきい値を制御できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下本発明について添付図面を参
照しながら説明する。（第１の実施の形態）まず、図１及び図２を参照して本
発明の第１の実施の形態の構成について説明する。図１
は、本発明の半導体光スイッチ集積素子の平面構成図で
あり、図２は、図１のＡ−Ａ’線の断面図である。

【００３０】図１によれば、本実施の形態の半導体光ス
イッチ集積素子は、半導体基板１１上に円形の複数の光
スイッチ３を２次元にアレイ状に配置したものである。
そして、光スイッチ３のＮ型オーミック電極２２のそれ
ぞれから配線電極２４で配線を引き出し、引き出した配
線のそれぞれを抵抗４の一端に接続し、抵抗４の他端を
共通の配線電極２４に接続したものである。なお、配線
電極２４は、低抵抗にできるので、金属で形成されてい
ることが好ましい。光スイッチ３の直径は２５［μｍ］
〜５０［μｍ］程度が好ましい。なお、光スイッチの大
きさは、光スイッチの発光部面積および受光部面積を決
めている。また、光スイッチ間のピッチは５０［μｍ］
〜１００［μｍ］程度が好ましく、例えば８０［μｍ］
程度が好ましい。特に、このピッチは使用する半導体の
キャリア拡散長よりも短い範囲で半導体光スイッチ集積
素子の特性との関係から決定されることが好ましい。な
お、各光スイッチ３の受光面の形状は円形としたが、こ
れに限るものではなく、楕円形、矩形または多角形等で
あってもよい。

【００３１】また、図２によれば、本実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子は、Ｐ型ＧａＡｓ基板（エミッタ
層）１１と、このエミッタ層１１上に形成されたＮ型Ｇ
ａＡｓ層（キャリア拡散層）１２と、キャリア拡散層１
２上に分離して形成された複数のＰ型ＧａＡｓ層（バリ
ア層）１３と、このバリア層１３上のそれぞれに形成さ
れたＮ型ＧａＡｓ層（コレクタ層）１４とを有する光ス
イッチと、このキャリア拡散層１２上に絶縁薄膜２１を
はさんで形成された抵抗４とを備えている。つまり、各
光スイッチ３は、共通に形成されたエミッタ層１１およ
びキャリア拡散層１２と、個別に形成されたバリア層１
３およびコレクタ層１４とからなる光サイリスタであ
る。そして、各コレクタ層上の絶縁薄膜２１の一部は除
かれコレクタ層に対してＮ型オーミック電極２２が形成
されている。抵抗４の一端はＮ型オーミック電極を介し
てコレクタ層１４へ配線電極２４により接続され、抵抗
４の他端は共通の配線電極２４に接続されている。さら
に、Ｐ型半導体基板１１に裏面には、Ｐ型エミッタ層１
１に対してＰ型オーミック電極２３が形成されている。

【００３２】次に、図２に基づいて本実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の製造方法を説明する。

【００３３】まず、キャリア濃度１×１０¹⁹［ｃｍ^ー3］
のＰ型ＧａＡｓ基板（以下、基板という）１１上に、厚
さ１［μｍ］でキャリア濃度１×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＮ
型ＧａＡｓ層１２、厚さ０．２［μｍ］でキャリア濃度
２×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＰ型ＧａＡｓ層１３、厚さ０．
５［μｍ］でキャリア濃度１×１０¹⁸［ｃｍ^ー3］のＮ型
ＧａＡｓ層１４を順次形成する。これらの半導体層の形
成はＭＯＣＶＤ法によりＰ型ＧａＡｓ基板１１上に順次
エピタキシャル成長することが好ましい。エピタキシャ
ル成長後、基板の下方からＰＮＰＮ構造が形成される。

【００３４】次に、フォトリソグラフィ技術を用いてＰ
型ＧａＡｓ層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなるメ
サ構造を形成する。例えば、基板全面にレジストを塗布
し、さらに露光して、光スイッチ３を形成する領域を残
してレジストを剥離する。そして、化学エッチング法で
Ｐ型ＧａＡｓ層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４を選択的
に化学エッチングする。化学エッチングは、ＮＨ₄Ｏ
Ｈ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：２０の割合で混合した２
２℃のエッチング溶液を用いることが好ましい。これに
より基板１１上全面にＮ型ＧａＡｓ層１２があり、その
上にＰ型ＧａＡｓ層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４から
なる平坦な頂上をもつ島状の孤立した領域が複数形成さ
れる。すなわち、基板１１とその上のＮ型ＧａＡｓ層１
２からなる単一のＰＮ構造と、その上にＰ型ＧａＡｓ層
１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなる相互に分離され
た複数のＰＮ構造が形成される。つまり、光スイッチと
なるメサ構造が形成される。

【００３５】この後に、基板全面に絶縁薄膜２１を形成
する。絶縁薄膜２１は、Ｓｉ窒化膜であるＳｉＮ_x膜を
用いることが好ましい。また、ＳｉＮ_x膜２１は、プラ
ズマＣＶＤ法で形成することが好ましい。この膜２１に
より、基板上に成長した半導体層と後に形成される配線
電極等を絶縁できる。

【００３６】Ｓｉ窒化膜２１を形成後に、光スイッチの
メサ上のＳｉ窒化膜２１の一部を開口してＮ型オーミッ
ク電極２２を形成する。これは、例えば、フォトリソグ
ラフィ技術を用いてＳｉ窒化膜２１を選択的にエッチン
グして、コレクタ層１４を一部露出させ、Ｎ型オーミッ
ク電極２２を形成する方法が好ましい。Ｎ型オーミック
電極２２は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをリフトオフ法を用
いてパターニングして形成することが好ましい。Ｎ型オ
ーミック電極２２により、それぞれのコレクタ層１４に
オーミック接触をとることができる。

【００３７】また、基板裏面にもＰ型オーミック電極２
３を形成する。Ｐ型オーミック電極２３は、ＡｕＺｎ／
Ａｕを用いて、基板の裏面全面に形成することが好まし
い。Ｐ型オーミック電極２３により、それぞれのＰ型Ｇ
ａＡｓ層１１にオーミック接触をとることができる。

【００３８】次に、光スイッチのそれぞれに付加される
抵抗４を形成する。この抵抗薄膜は、厚さ２０ｎｍ〜５
０ｎｍのＴｉ薄膜をリフトオフ法を用いてパターニング
することが好ましく、各抵抗の抵抗値は１ｋΩ〜１０ｋ
Ωが好ましい。

【００３９】最後に、基板上面に配線電極２４を形成す
る。配線電極２４は、Ｔｉ／Ａｕをリフトオフ法により
パターニングして形成することが好ましい。これにより
バイアス電圧印加用の配線電極２４とボンディングパッ
ド（図示せず）が形成できる。この配線電極２４によ
り、各Ｎ型オーミック電極２２と各抵抗４の一端とがそ
れぞれ接続され、また各抵抗４の他端と共通の配線電極
とが接続される。そして、共通の配線電極はバイアス電
圧印加用のボンディングパッドに接続される。

【００４０】以上説明した方法により本発明の半導体光
スイッチ集積素子が製造できる。すなわち、基板１１
と、基板１１の上に設けられたＮ型キャリア拡散層１２
と、１次元および２次元のいずれかに分散して配置さ
れ、Ｎ型キャリア拡散層１２の上に複数設けられたＰ型
バリア層１３と、Ｐ型バリア層１３の上のそれぞれに設
けられたＮ型コレクタ層１４と、を有する複数の光スイ
ッチと、Ｐ型ＧａＡｓ基板の上に形成され、Ｎ型コレク
タ層１４のそれぞれに一端が接続された同一値の複数の
抵抗４とを備え、抵抗４の他端のそれぞれは、共通の配
線電極２４によりバイアス電圧印加用のボンディングパ
ッドに接続された半導体光スイッチ集積素子が製造でき
る。

【００４１】また、半導体光スイッチ集積素子は、バイ
アス電圧印加用のボンディングパッドを外部のバイアス
電源５のマイナス側へ、基板裏面の電極をバイアス電源
５のプラス側へ接続して使用する。このバイアス電源５
は、出力電圧が可変であることが好ましく、さらにはパ
ルス的に電圧を変化できることが好ましい。このような
パルス電源を用いると、半導体光スイッチ集積素子の動
作状態とリセット状態の制御が容易になる。

【００４２】なお、以上説明した半導体光スイッチ集積
素子は、Ｐ型ＧａＡｓ基板を用いて、ＮＰＮＰ構造を形
成したが、本発明はこれに限ることなくＮ型ＧａＡｓ基
板を用いて、ＰＮＰＮ構造を形成してもよい。この場合
には、バイアス電源５も逆向きに接続する必要がある。

【００４３】図３は、本発明の半導体光スイッチ集積素
子の構成図である。図３によれば、各光スイッチ３ａ〜
３ｎは、ＮＰＮＰ構造を有する光サイリスタである。こ
の光サイリスタ３ａ〜３ｎは、コレクタ層１４ａ〜１４
ｎとバリア層１３ａ〜１３ｎをそれぞれ独立して有する
と共に、共通のキャリア拡散層１２とエミッタ層１１を
有している。抵抗４ａ〜４ｎの一端は、光サイリスタ３
ａ〜３ｎのコレクタ層１４ａ〜１４ｎのそれぞれに接続
されている。そして、それぞれの抵抗４ａ〜４ｎの他端
は、バイアス電源５のマイナス側に接続されている。な
お、この抵抗は、それぞれ負荷抵抗として作用する。ま
た、光サイリスタ３ａ〜３ｎのエミッタ層１１は、バイ
アス電源５のプラス側に接続されている。そして、バイ
アス電圧の大きさは、光入力がない状態で光スイッチが
オンしない閾値以下に設定される。このバイアス状態で
は、各バリア層とキャリア拡散層からなるＰＮ接合は逆
方向バイアスである。

【００４４】次に、図４のエネルギーバンド図に基づい
て、図３の光スイッチ３ａを例にして単一の光スイッチ
の動作を説明する。図４において、図４（ａ）は光スイ
ッチのバイアス電圧が０の場合のエネルギーバンド図で
あり、図４（ｂ）は閾値以下のバイアス電圧が印加さ
れ、光信号が入射した場合のエネルギーバンド図であ
り、図４（ｃ）は光スイッチがターンオンした場合のエ
ネルギーバンド図である。図４（ａ）〜（ｃ）では、左
側から順にＰ型エミッタ基板１１、Ｎ型キャリア拡散層
１２、Ｐ型バリア層１３ａ、Ｎ型コレクタ層１４ａのそ
れぞれに対応した構造となっている。

【００４５】本発明の半導体光スイッチ集積素子は、単
体の構造としては通常の光サイリスタと同じ構造をして
いるので、通常の光サイリスタと同一の動作をする。す
なわち、図４（ｂ）において、光６１が入射すると、キ
ャリア拡散層１２とバリア層１３ａからなる逆バイアス
されたＰＮ接合の空乏層部分で光励起キャリア７１（電
子）、７２（正孔）が発生する。特に、バリア層１３ａ
であるＰ型ＧａＡｓ層は、０．２［μｍ］と薄く形成さ
れているため、励起された正孔７２がバリア層１３ａに
蓄積されて、バリア層１３ａの電子に対するポテンシャ
ルを低下させるように作用する。

【００４６】さらに、十分な強度の光が入射されると、
バリア層１３ａのポテンシャルがさらに低下して、この
逆接合部分がターンオンして大きな順方向電流が流れる
のである（スイッチオン状態）。

【００４７】次に、この状態の光スイッチを出力動作に
ついて説明する。図４（ｃ）は光スイッチがターンオン
しスイッチオン状態になった場合を表す。特に、本実施
の形態では、各光スイッチは直接遷移型半導体で構成さ
れているため、ＬＥＤとして動作する。すなわち、スイ
ッチオン状態では、バリア層１３ａとコレクタ層１４ａ
からなる順方向バイアスされたＰＮ接合において、両層
から注入された少数キャリアが再結合することにより発
光６２が生じて、これがコレクタ層を通して外部に放出
されて、出力光として観測される。

【００４８】さらに、このスイッチオン状態は、入射光
が遮断された後も負性抵抗効果によってバイアス電圧を
所定の値以下に下げるまで保持される。すなわち、記憶
動作が行われる。この記憶動作を解除するには、バイア
ス電圧を所定の値以下に下げて、リセット状態にすれば
よい。つまり、入力光信号の処理速度に合わせてバイア
ス電源５の電圧をパルス的に変化させることによって、
動作状態とリセット状態を交互に繰り返すようにすれ
ば、入力信号の処理を順次行うことができる。

【００４９】次に、図５に基づいて、半導体光スイッチ
集積素子全体としての動作を説明する。図５は、３個の
光スイッチＸ、Ｙ、Ｚが集積された半導体光スイッチ集
積素子を表した模式図である。

【００５０】強い光が入射して多くの光励起キャリアが
発生する光スイッチＹでは、バリア層１３ｙの電子に対
するポテンシャルが低下して逆接合部分をターンオンさ
せて電流が流れ込むので、光スイッチＹはスイッチオン
状態となる。つまり、抵抗４ｙの下で光スイッチＹに電
流が流れ込む。そして、この電流により、バリア層１３
ｙとコレクタ層１４ｙで形成される順方向にバイアスさ
れたＰＮ接合で再結合による発光を生じる。キャリア拡
散層への少数キャリアの注入は、キャリア濃度の高いエ
ミッタ層１１から主に行われる。スイッチオン状態の光
スイッチからキャリア拡散層に注入された少数キャリア
（正孔）は、これらの光スイッチに共通に形成されてい
るキャリア拡散層１２を拡散する。そして、その一部は
横方向にも拡散していく。少数キャリアは再結合により
消滅するまでライフタイム程度の時間を拡散できるの
で、横方向の拡散範囲はキャリア拡散長程度まで及ぶ。
このため、光スイッチＹのスイッチング動作は、キャリ
ア拡散長の範囲の周囲の光スイッチＸ、Ｚにも影響を与
えるのである。

【００５１】一方、それ自身で発光するには十分でない
弱い光が入射している光スイッチＸでは、隣接する光ス
イッチＹから少数キャリア（正孔）がキャリア拡散層１
２を拡散してくると、この正孔は電界によってバリア層
１３ｘに引き込まれる。この正孔がある程度の数になる
と、入射光によって発生してバリア層１３ｘに蓄積され
ている正孔に加わってバリア層１３ｘのポテンシャルを
低下させるのに十分な量となり、抵抗４ｘを介して電流
が流れ込む。この電流により、バリア層１３ｘとコレク
タ層１４ｘにより形成される順方向にバイアスされたＰ
Ｎ接合で再結合による発光を生じる。このように光スイ
ッチＸは、キャリア拡散長の範囲の周囲の光スイッチＹ
から影響を受ける。

【００５２】ところが、光が入射していない光スイッチ
Ｚでは、キャリア拡散層１２を少数キャリア（正孔）が
拡散してきても、その正孔のみではバリア層１３ｚのポ
テンシャルを低下させるには十分ではないので、光スイ
ッチＺは発光はしない。

【００５３】しかし、光が入射していない光スイッチＺ
であっても、バリア層１３ｚの電子に対するポテンシャ
ルを低下させるほど十分なキャリアが、キャリア拡散層
１２を通して周囲の光スイッチから供給されるとスイッ
チオン状態になって、その光スイッチは発光する。

【００５４】以上の説明より、キャリア拡散長程度の範
囲内の光スイッチが全体として入射光が一定以上であれ
ば、単体ではスイッチオン状態に必要な強度の光が入射
されていない光スイッチであっても、この光スイッチは
スイッチオン状態になるように閾値を設定できる。逆
に、光スイッチ一個分または数個分程度の範囲に限られ
た領域内にある量の光が入射した場合に、十分な入射光
量が得られていないとして、これらの光スイッチがスイ
ッチオン状態にならないように閾値を設定できる。つま
り、本発明の半導体光スイッチ集積素子では、光スイッ
チがスイッチオン状態になるかどうかは、光スイッチ単
独の動作によってのみ決まるのではなく、キャリア拡散
長程度の範囲の光スイッチが共通に設けられたキャリア
拡散層１２を通してお互いに影響し合うのである。

【００５５】このような特性を十分に引き出すために
は、少数キャリアが光スイッチ間を横方向に有効に拡散
できるようにキャリア拡散層１２での少数キャリアの寿
命と各光スイッチ間の距離の関係が適切に設計されてい
ることが重要になる。

【００５６】このような設計を行うためデータを収集の
方法を図６および図７に基づいて説明する。図６は、図
１と同じ単体構造の光スイッチ３ｐ〜３ｓを基板上に４
個を８０［μｍ］ピッチの等間隔で２次元に配置した実
験用半導体光スイッチ集積素子と動作回路の模式図であ
る。各光スイッチのコレクタ層は、同一基板上に形成さ
れた５ｋΩの負荷抵抗４ｐ〜４ｓそれぞれの一端が接続
されている。そして、バイアス電源５は各抵抗の他端と
光スイッチのエミッタ層に接続されている。

【００５７】この実験素子で、光スイッチ３ｐに２μ
Ｗ、光スイッチ３ｓに０．２μＷの光をそれぞれ入射さ
せ、バイアス電源５の電圧を変化させて光スイッチの動
作を調べた。この結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。図
７（ａ）〜（ｃ）では、発光した光スイッチを実線の丸
印で示し、非発光の光スイッチを破線の丸印で示した。
図７（ａ）は、バイアス電圧Ｖｂ＝９［Ｖ］の場合の結
果であり、強い光が入射している光スイッチ３ｐのみが
発光している。図７（ｂ）は、バイアス電圧Ｖｂ＝９．
５［Ｖ］の場合の結果であり、光が入射している光スイ
ッチ３ｐおよび３ｓのみが発光している。図７（ｃ）
は、バイアス電圧Ｖｂ＝１０［Ｖ］の場合の結果であ
り、全ての光スイッチが発光している。つまり、光スイ
ッチを構成する各半導体層のキャリア濃度と厚さ、光ス
イッチの大きさとその配列のピッチ、抵抗の抵抗値等を
様々に変えた実験素子を用いて、また動作条件としてバ
イアス電圧と入射光量を変化させて動作させれば、設計
データの収集ができる。

【００５８】図７の結果は、次のように考えることがで
きる。バイアス電圧Ｖｂ＝９［Ｖ］では、強い光が入射
した光スイッチ３ｐのみがスイッチオン状態になり、そ
して、光スイッチ３ｐから少数キャリアが拡散するけれ
ども、他の光スイッチ３ｑ〜３ｓをスイッチオン状態に
するまでには及んでいない場合である。バイアス電圧Ｖ
ｂ＝９．５［Ｖ］では、強い光が入射した光スイッチ３
ｐがスイッチオン状態になり、そして、光スイッチ３ｐ
から少数キャリアが拡散して弱い光が入射した光スイッ
チ３ｓに影響を及ぼしスイッチオン状態になるけれど
も、光が入射していない他の光スイッチ３ｑ、３ｒをス
イッチオン状態にするまでには及んでいない場合であ
る。バイアス電圧Ｖｂ＝１０［Ｖ］では、強い光が入射
した光スイッチ３ｐがスイッチオン状態になり、そし
て、光スイッチ３ｐから少数キャリアが拡散して弱い光
が入射した光スイッチ３ｓに影響を及ぼしスイッチオン
状態になり、さらにこれらの素子からの少数キャリアに
より光が入射していない他の光スイッチ３ｑ、３ｒまで
スイッチオン状態になった場合である。

【００５９】また、図７（ａ）では、光スイッチ３ｓに
入射した弱い光は閾値より小さいとして、光スイッチ３
ｓから出力はない。つまり、閾値処理によってノイズと
みなされたのである。図７（ｂ）では、光スイッチ３
ｐ、３ｓに入射した光は共に閾値より大きいとして、光
スイッチ３ｐ、３ｓから光が出力される。つまり、閾値
処理によって２値化されたのである。図７（ｃ）では、
光スイッチ３ｐ、３ｓに入射した光によって、光が入射
されなかった光スイッチ３ｑ、３ｒからも光が出力され
る。つまり、平滑化処理（ぼけ変換）が行われたのであ
る。すなわち、本発明の半導体光スイッチ集積素子は、
ノイズ除去処理およびボケ変換のような平滑化処理とい
うパターン処理機能をもつのである。つまり、バイアス
電圧５を変更することにより、同一の半導体光スイッチ
集積素子でも様々な動作をするのである。このために
は、リセット電圧を印加する毎に所望の動作をするよう
にバイアス電圧に設定すればよい。

【００６０】以上説明したように、本発明の半導体光ス
イッチ集積素子に文字や図形等の２次元パターンデータ
が入力されると、入力されたパターンデータの２値化と
これにともないノイズ除去処理、さらにボケ変換のよう
な平滑化処理が、各光スイッチの動作によって一括して
行われる。また、これらの処理の結果は、各光スイッチ
が発光することにより発光パターンとして出力される。
さらに、入力パターンが遮断された後も、バイアス電圧
を一定以下の値以下に下げるまでこの発光パターンは記
憶される。本発明の半導体光スイッチ集積素子のこれ
らの機能を利用して２次元入力パターンのノイズ除去処
理をする場合について、図８を用いて説明する。図８
は、直交する２方向にそれぞれ等間隔で光スイッチを配
置した半導体光スイッチ集積素子の模式図である。ま
た、図８において、各丸印は光スイッチ３であり、光が
入射している光スイッチのみ丸印内に「１」を記載し
た。説明を簡単にするために各光スイッチに入射される
光量は同一とした。図８に示した入射パターン例は、縦
方向の縞状のノイズを伴う「Ａ」なる文字が入力されて
いる場合である。ある光スイッチがスイッチオンするか
の閾値は、その光スイッチおよび最近接４個の光スイッ
チの全てに光が入射されている場合に、その光スイッチ
がスイッチオンするとした。そして、この閾値のもとに
スイッチオン状態になっている光スイッチを太線の丸印
で示した。このようにすると、図７に示す通り入力パタ
ーンが縦方向の縞状ノイズを含んでいるにも係わらず、
本発明の半導体光スイッチ集積素子の処理の結果、その
出力にはノイズが除去されて文字「Ａ」が出力される。

【００６１】つまり、本発明の半導体光スイッチ集積素
子においては、光スイッチを構成する各半導体層のキャ
リア濃度と厚さ、光スイッチの大きさとその配列のピッ
チ、抵抗の抵抗値のおよび動作条件としてバイアス電圧
と入射光量を適当に設定することにより、平滑化処理、
例えばボケ変換およびノイズ除去処理が可能となる。

【００６２】このように本発明の半導体光スイッチ集積
素子は、Ｐ型エミッタ基板と、Ｐ型エミッタ基板上方に
分離して形成されたＰ型バリア層と、それぞれのＰ型バ
リア層上に形成されたＮ型コレクタ層とを備えると共
に、Ｐ型バリア層とＰ型エミッタ基板との間に全ての光
スイッチが共有する共通のＮ型キャリア拡散層とを設け
て複数の光スイッチを構成して、スイッチオン状態にな
った光スイッチから注入された少数キャリアがこのキャ
リア拡散層を拡散して隣接する光サイリスタに作用する
ようにしたので、ノイズ除去処理およびボケ変換のよう
な平滑化処理が可能となる。

【００６３】なお、実際、高速処理用途においては、信
号とノイズが図８に示した例ほど混在していることは少
ないので、素子設計および動作条件の設定はそれぞれの
使用環境に応じて設定することが好ましい。また、一般
に、簡単な図形や文字等のパターンマッチングによる認
識のための前処理としては、８×８程度の規模のピクセ
ル数による十分有効であることが知られている。

【００６４】以上説明したように本実施の形態では、２
次元に直交する２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）にそれぞれ等
間隔になるピッチで光スイッチを配置する場合について
説明したが、光スイッチの配置はこれに限られるもので
はない。図９は、本発明の半導体光スイッチ集積素子の
光スイッチ配置図である。光スイッチの配置は、例え
ば、図９（ａ）に示すようにＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ
異なるピッチＸ，Ｙで光スイッチを配置するようにして
もよい。このようにすると、隣接の光スイッチへのキャ
リア拡散による作用に方向によって変化を与えることが
できる。また、図９（ｂ）に示すようにＸ方向、Ｙ方向
にそれぞれ異なるピッチＸ，Ｙで光スイッチを配置し、
さらにこれを２方向それぞれに半ピッチ分ずらしてさら
に光スイッチを配置するようにしてもよい。また、図９
（ｃ）に示すように一辺をＸとする正三角形格子上に光
スイッチを配置するようにしてもよい。このようにする
と、最近接に６個の光スイッチを配置できる。なお、こ
れらの光スイッチの配置パターンは例示であり、これら
に限られるものではない。

【００６５】さらに、本発明は、光スイッチを１次元に
配列する場合にも適用できる。この場合に、各光スイッ
チは等間隔で設けられていてもよく、また異なる間隔で
設けられていてもよい。負荷抵抗値を素子面内において
同一値すれば、各光スイッチの特性を揃えることがで
き、負荷抵抗値を素子面内において異なる値にすれば、
各光スイッチの特性を素子面内において変化させること
ができる。

【００６６】（第２の実施の形態）次に、図１０および
図１１に基づいて本発明の第２の実施の形態について説
明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態の半導体
光スイッチ集積素子の平面図である。図１１は、本実施
の形態の半導体光スイッチ集積素子の図１０のＢ−Ｂ’
線の断面図である。図１０および図１１において図１お
よび図２と同一の部分には、同一の符号を付した。

【００６７】図１０によれば、本実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子は、半導体基板１１上に円形の複数の
光スイッチ３を２次元にアレイ状に配置したものであ
る。そして、光スイッチ３のＮ型オーミック電極２２の
それぞれから配線電極２４を引き出し、引き出した配線
のそれぞれを抵抗４の一端に接続し、抵抗４の他端を共
通の配線電極２４に接続したものである。本実施の形態
では、光スイッチ３の直径は２５［μｍ］であり、また
各光スイッチ間のピッチは８０［μｍ］としたが、これ
に限られるものではない。

【００６８】また、Ｐ型エミッタ基板１１の裏面には、
複数の円筒状陥没部２０が設けられている。そして、そ
れぞれの円筒状陥没部２０は、Ｐ型エミッタ基板に垂直
な方向から見たときに、バリア層１３のそれぞれをその
内側に含んで設けられている。この陥没部の断面形状
は、バリア層１３をその内側に含んで設けられていれ
ば、円形に限られるものではなく、楕円形、矩形または
多角形等であってもよい。また、１個の陥没部が複数の
バリア層１３を含んで設けられてもよい。この円筒形陥
没部２０は、基板裏面から光スイッチの出力光を取り出
す出力光取出窓となる。

【００６９】図１１によれば、本実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子は、Ｐ型エミッタ基板（第１エミッタ
層）１１と、この第１エミッタ層１１上に形成されたＰ
型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層（第２エミッタ層）１５と、第
２エミッタ層１５上に形成されたＮ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａ
ｓ層（キャリア拡散層）１６と、キャリア拡散層１６上
に分離して形成された複数のＰ型バリア層１３と、この
Ｐ型バリア層１３上のそれぞれに形成されたＮ型コレク
タ層１４とを有する光スイッチと、このキャリア拡散層
１６上に絶縁薄膜２１をはさんで形成された抵抗４とを
備えている。そして、各コレクタ層１４上の絶縁薄膜２
１の一部が除かれて、Ｎ型オーミック電極２２が形成さ
れている。また、抵抗４の一端はＮ型オーミック電極を
介して配線電極２４によりコレクタ層１４に接続され、
抵抗４の他端は共通の配線電極２４に接続されている。
各光スイッチ３は、共通に形成されたエミッタ層１１、
１５およびキャリア拡散層１６と、個別に形成されたバ
リア層１３およびコレクタ層１４とからなる光サイリス
タである。また、Ｐ型エミッタ基板１１の裏面に設けら
れた円筒状陥没部２０は、第２エミッタ層１５に達して
設けられている。さらに、Ｐ型半導体基板１１に裏面に
は、Ｐ型エミッタ層１１に対してＰ型オーミック電極２
３が形成されている。

【００７０】次に、図１１に基づいて本発明の半導体光
スイッチの製造方法を概説する。まず、キャリア濃度１
×１０¹⁹［ｃｍ^ー3］のＰ型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ
１０［μｍ］でキャリア濃度１×１０¹⁹［ｃｍ^ー3］のＰ
型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層１５、厚さ１［μｍ］でキャリ
ア濃度１×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＮ型Ｇａ_0.8Ａｌ₀ _.2Ａｓ
層１６、厚さ０．２［μｍ］でキャリア濃度２×１０¹⁷
［ｃｍ^ー3］のＰ型ＧａＡｓ層１３、厚さ０．５［μｍ］
でキャリア濃度１×１０¹⁸［ｃｍ^ー3］のＮ型ＧａＡｓ層
１４を順次形成する。これらの半導体層の形成はＭＯＣ
ＶＤ法によりＰ型ＧａＡｓ基板１１上に順次エピタキシ
ャル成長することが好ましい。エピタキシャル成長後、
基板上方からＮＰＮＰ構造が形成された。

【００７１】次に、フォトリソグラフィ技術と化学エッ
チングを用いて基板を裏面から選択的にエッチングして
円筒状陥没部２０パターンを形成する。このパターン
は、基板半導体層１１を貫通し第２エミッタ層１５に達
して形成される。そして、そのピッチは光スイッチのピ
ッチに合わせて８０［μｍ］程度が好ましく、また円筒
断面の直径は直径２５［μｍ］の光スイッチを包含でき
るように４０［μｍ］程度が好ましい。

【００７２】次に、第１の実施の形態と同様にフォトリ
ソグラフィ技術と化学エッチングを用いてＰ型ＧａＡｓ
層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなるメサ構造を形
成する。このメサ構造は、裏面の円筒状陥没部２０のそ
れぞれに基板上面に投影したときにその内部に含まれて
形成される。エッチング後、基板上方からみたとき、基
板１１上全面に第２エミッタ層１５とＧａ_0.8Ａｌ_0.2Ａ
ｓ層１６があり、その上にＰ型ＧａＡｓ層１３およびＮ
型ＧａＡｓ層１４からなる平坦な頂上をもつ島状の孤立
した複数の領域が形成される。すなわち、第２エミッタ
層１５とその上のＮ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層１６とから
なる共通した単一のＰＮ構造と、その上にＰ型ＧａＡｓ
層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなる相互に分離さ
れた複数のＰＮ構造とが形成される。つまり、光スイッ
チとなるＰＮＰＮ構造が形成され、基板裏面にはメサ構
造に合わせて基板半導体層を貫通して形成された円筒状
陥没部２０がある。

【００７３】この後の工程は第１の実施の形態の説明と
同じなので概略のみ記す。基板全面にＳｉＮ_x膜からな
る絶縁薄膜２１を形成し、メサ領域上のＳｉＮ_x膜２１
の一部を開口してＡｕＧｅ／Ｎｉ／ＡｕからなるＮ型オ
ーミック電極２２を形成する。また、基板１１の裏面に
もＡｕＺｎ／Ａｕからなるオーミック電極２３を形成す
る。次に、光スイッチ３のそれぞれに付加されるＴｉ薄
膜からなり抵抗値１ｋΩ〜１０ｋΩの抵抗４を形成す
る。最後に、基板１１の上面にＴｉ／Ａｕからなるバイ
アス印加用の配線電極２４とボンディングパッド（図示
せず）を形成する。以上説明した方法により本発明の半
導体光スイッチ集積素子が製造できる。すなわち、Ｐ型
エミッタ基板１１およびこの上に形成されたＰ型エミッ
タ層１５と、Ｐ型エミッタ層１５の上に設けられたＮ型
キャリア拡散層１６と、１次元および２次元のいずれか
に分散して配置され、Ｎ型キャリア拡散層の上に複数設
けられたＰ型バリア層１３と、Ｐ型バリア層１３の上の
それぞれに設けられたＮ型コレクタ層１４と、を有する
複数の光サイリスタと、Ｐ型エミッタ基板の上に形成さ
れ、Ｎ型コレクタ層１４のそれぞれに一端が接続された
同一値の複数の抵抗４と、を備えた半導体光スイッチ集
積素子が製造できる。

【００７４】この半導体光スイッチ集積素子は、バイア
ス電圧印加用のボンディングパッドを外部のバイアス電
源５のマイナス側へ、基板裏面の電極をバイアス電源５
のプラス側へ接続して使用する。このバイアス電源５
は、出力電圧が可変であることが好ましく、さらにはパ
ルス的に電圧を変化できることが好ましい。このような
パルス電源を用いると、半導体光スイッチ集積素子の動
作状態とリセット状態の制御が容易になる。

【００７５】なお、以上説明した半導体光スイッチ集積
素子は、Ｐ型ＧａＡｓ基板を用いて、ＮＰＮＰ構造を形
成したが、本発明はこれに限ることなくＮ型ＧａＡｓ基
板を用いて、ＰＮＰＮ構造を形成してもよい。

【００７６】このようにして形成した半導体光スイッチ
集積素子の動作は、出力光が基板裏面からも取り出すこ
とができる点を除いて、第１の実施の形態と同じであ
る。つまり、本実施の形態の半導体光スイッチ集積素子
では、スイッチオン状態でバリア層１３とコレクタ層１
４によるＰＮ接合で発生した波長約８８０ｎｍの光を、
バンドギャップが大きいキャリア拡散層１６およびエミ
ッタ層１５を通して基板裏面の円筒状陥没部２０から取
り出すことができる。

【００７７】図１２に、本実施の形態の半導体光スイッ
チ集積素子を用いたパターン処理装置の模式図を示す。
図１２においては、半導体光スイッチ集積素子１は、光
スイッチが形成されている面をパターン入力面とし、ま
た出力光取出窓が形成されている面をパターン出力面と
する。また、半導体光スイッチ集積素子１には、バイア
ス電源５が接続されている。この状態で、パターン入力
面から入力パターン８が入力されると、半導体光スイッ
チ集積素子１で所定の処理を行った後にパターン出力面
から出力光パターン９が出力される。

【００７８】このように半導体光スイッチ集積素子の異
なる面からパターンを入力しまたパターンを出力するよ
うにしたので、透過型半導体光スイッチ集積素子として
使用できるようになり、同一面から入出力を行う煩雑さ
が避けられる。

【００７９】（第３の実施の形態）次に、図１および図
１３に基づいて本発明の第２の実施の形態について説明
する。図１３は、本実施の形態の半導体光スイッチ集積
素子の図１のＡ−Ａ’線の断面図である。図１３におい
て図２と同一の部分には同一の符号を付した。

【００８０】図１３によれば、本実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子は、Ｐ型ＧａＡｓ基板（エミッタ層）
１１と、このエミッタ層１１上に形成されたＮ型ＧａＡ
ｓ層１２（キャリア拡散層）と、このキャリア拡散層１
２内の上部表層に分離されて複数形成されたＮ型ＧａＡ
ｓ層１８（コレクタ層）１８と、このコレクタ層１８の
側面および底面を囲み、且つキャリア拡散層１２内の上
部表層に複数分離されて形成されたＰ型ＧａＡｓ層１７
（バリア層）とを有する光サイリスタと、キャリア拡散
層１２上の絶縁薄膜２１上に光サイリスタの対応して形
成された抵抗４とを備え、抵抗の一端は対応する光サイ
リスタのコレクタ層１８上形成されたＮ型オーミック電
極２２と配線電極２４で接続され、抵抗４の他端は共通
の配線電極２４接続されている。

【００８１】次に、図１３に基づいて本実施の形態の半
導体光スイッチの製造方法の説明する。

【００８２】まず、キャリア濃度１×１０¹⁹［ｃｍ^ー3］
のＰ型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ１［μｍ］でキャリ
ア濃度１×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＮ型ＧａＡｓ層１２を形
成する。この半導体層の形成はＭＯＣＶＤ法によりＰ型
ＧａＡｓ基板１１上にエピタキシャル成長することが好
ましい。

【００８３】次に、このＮ型ＧａＡｓ層１２内の上部表
面にＮ型半導体層１８と、このＮ型半導体層１８の底面
および側面を囲んでＰ型半導体層１７を形成する。これ
らの半導体層１７、１８は、直径２５［μｍ］の円状の
分離された領域として２次元アレイ状に８０［μｍ］ピ
ッチで形成することが好ましい。Ｐ型半導体層１７は、
キャリア濃度が２×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］で、接合の深さは
基板表面から０．５［μｍ］程度が好ましい。また、Ｎ
型半導体層１８、キャリア濃度が２×１０¹⁸［ｃｍ^ー3］
で、接合の深さは基板表面から０．３［μｍ］程度が好
ましい。このように形成するとバリア層になるＰ型半導
体層の厚さは、結果として０．２［μｍ］程度となる。
これらの層１７、１８は、フォトリソグラフィ技術によ
り２次元アレイ状に８０［μｍ］ピッチで直径２５［μ
ｍ］の円形の開口部を有したレジストを基板上に形成し
て、このレジストをマスクにして、まず加速電圧１００
［ｋｅＶ］、ドーズ量５×１０¹²［ｃｍ^ー2］でベリリウ
ム（Ｂｅ⁺）をイオン注入して、次に加速電圧２００
［ｋｅＶ］、ドーズ量５ ×１０¹³［ｃｍ^ー2］でシリコ
ン（Ｓｉ⁺）をイオン注入して形成することが好ましい
。さらに、このレジストを除去した後に基板全面にプ
ラズマＣＶＤ法で絶縁薄膜２１としてＳｉＯ_xＮ_y保護膜
を形成した後に、８００℃で２０分のアニールを行うこ
とが好ましい。このようにすると、コレクタ層およびバ
リア層がキャリア拡散層に埋め込まれた埋め込み型のＮ
ＰＮＰ構造が、光スイッチ部分に形成される。

【００８４】この後の工程は第１の実施の形態の説明と
同じなので概略のみ記す。光スイッチ上の保護膜２１の
一部を開口してＡｕＧｅ／Ｎｉ／ＡｕからなるＮ型オー
ミック電極２２を形成する。また、基板裏面にはＡｕＺ
ｎ／ＡｕからなるＰ型オーミック電極２３を形成する。
次に、光スイッチのそれぞれに付加されるＴｉ薄膜から
なる抵抗値１ｋΩ〜１０ｋΩの抵抗４を形成する。最後
に、基板上にＴｉ／Ａｕからなるバイアス印加用の配線
電極２４とボンディングパッド（図示せず）を形成す
る。

【００８５】以上説明した方法により本発明の半導体光
スイッチ集積素子が製造できる。すなわち、Ｐ型エミッ
タ基板１１と、Ｐ型エミッタ基板１１の上に設けられた
Ｎ型キャリア拡散層１２と、１次元および２次元のいず
れかに分散して配置され、Ｎ型キャリア拡散層１２の上
に複数設けられたＰ型バリア層１７と、Ｐ型バリア層１
７の上のそれぞれに設けられたＮ型コレクタ層１８と、
を有する複数の光サイリスタと、Ｐ型エミッタ基板の上
に形成され、Ｎ型コレクタ層１８のそれぞれに一端が接
続された同一値の複数の抵抗４と、を備えた半導体光ス
イッチ集積素子が製造できる。

【００８６】このようにすると、キャリア拡散層１２に
おけるキャリアの拡散の高効率化が図られる共に、基板
表面の凹凸がなくなるので配線電極２４の自由度が増す
ので、より高密度の光スイッチアレイが形成できる。

【００８７】この半導体光スイッチ集積素子は、バイア
ス電圧印加用のボンディングパッドを外部のバイアス電
源５のマイナス側へ、基板裏面の電極をバイアス電源５
のプラス側へ接続して使用する。このバイアス電源５
は、出力電圧が可変であることが好ましく、さらにはパ
ルス的に電圧を変化できることが好ましい。このような
パルス電源を用いると、半導体光スイッチ集積素子の動
作状態とリセット状態の制御が容易になる。

【００８８】このようにして形成した半導体光スイッチ
集積素子の動作は、第１の実施の形態と同じであるの
で、その説明は省略する。

【００８９】（第４の実施の形態）次に、図１４および
図１５に基づいて本発明の第４の実施の形態について説
明する。図１４は、本実施の形態の半導体光スイッチ集
積素子の平面構成図である。図１５は、本実施の形態の
半導体光スイッチ集積素子の図１４のＣ−Ｃ’線の断面
図である。

【００９０】図１４によれば、本実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子は、半導体基板１１上に円形の複数の
光スイッチ３を２次元にアレイ状に配置したものであ
る。そして、光スイッチ３のＮ型オーミック電極２２の
それぞれから配線電極２４で配線を引き出し、これを共
通の配線電極２４に接続したものである。各光スイッチ
に付加される抵抗は、光スイッチ３のコレクタ層に作り
込まれている。コレクタ層は、抵抗としても作用するよ
うにキャリア濃度を上記の実施の形態と異なる濃度にす
ればよい。

【００９１】図１５によれば、本実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子は、第１に基板上に抵抗がないこと、
メサ部分の最上層にあるコレクタ層のキャリア濃度が異
なること、の２点を除いて第１の実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子と同一の構造である。

【００９２】製造方法については、キャリア濃度１×１
０¹⁹［ｃｍ^ー3］のＰ型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ１
［μｍ］でキャリア濃度１×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＮ型Ｇ
ａＡｓ層１２、厚さ０．２［μｍ］でキャリア濃度２×
１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＰ型ＧａＡｓ層１３、厚さ０．５
［μｍ］でキャリア濃度１×１０¹⁷［ｃｍ^ー3］のＮ型Ｇ
ａＡｓ層１９を順次形成した後は、抵抗の形成を行わな
い点を除いて、第１の実施の形態の製造方法と同一であ
るので、以下その内容を概説するのみとする。

【００９３】つまり、フォトリソグラフィ技術を用いて
Ｐ型ＧａＡｓ層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなる
メサ構造を形成する。この後に、基板全面に絶縁薄膜２
１を形成する。絶縁薄膜２１は、プラズマＣＶＤ法で形
成するＳｉＮ_x膜を用いることが好ましい。Ｓｉ窒化膜
２１を形成後に、光スイッチのメサ上のＳｉ窒化膜２１
の一部を開口してＮ型オーミック電極２２を形成する。
また、基板裏面にもＰ型オーミック電極２３を形成す
る。最後に、基板上面に配線電極２４によりバイアス電
圧印加用の共通の配線電極２４とボンディングパッド等
を形成する。

【００９４】本実施の形態の半導体光スイッチ集積素子
では、コレクタ層１９のキャリア濃度を１×１０¹⁷［ｃ
ｍ^ー3］にして、高抵抗化を図ったものである。すなわ
ち、コレクタ層１９のキャリア濃度を変更して各光スイ
ッチに付加される抵抗を兼ねて形成したものである。

【００９５】このようにすると、Ｔｉ薄膜抵抗を形成す
る必要がないので、フォトリソグラフィ工程を１回少な
くすることができ、また半導体光スイッチ集積素子内で
の抵抗の抵抗値のばらつきを小さくできると共に、配線
電極２４のパターンも簡略化できる。

【００９６】この半導体光スイッチ集積素子は、バイア
ス電圧印加用のボンディングパッドを外部のバイアス電
源５のマイナス側へ、基板裏面の電極をバイアス電源５
のプラス側へ接続して使用する。このバイアス電源５
は、出力電圧が可変であることが好ましく、さらにはパ
ルス的に電圧を変化できることが好ましい。このような
パルス電源を用いると、半導体光スイッチ集積素子の動
作状態とリセット状態の制御が容易になる。

【００９７】このようにして形成した本実施の形態の半
導体光スイッチ集積素子の動作は、第１の実施の形態と
同じであるので、その説明は省略する。

【００９８】（第５の実施の形態）図１６及び図１７を
参照して本発明の第５の実施の形態の構成について説明
する。図１６は、本発明の半導体光スイッチ集積素子の
平面構成図であり、図１７は、図１６のＤ−Ｄ’線断面
図である。

【００９９】図１６、図１７に示す半導体光スイッチ集
積素子は、図１に示した半導体光スイッチ集積素子のキ
ャリア拡散層４２の電位を外部から制御できるようにし
たものである。図１６によれば、半導体基板１１上に複
数の円形の光スイッチ３を２次元アレイ状に配置して、
それぞれの光スイッチ３のコレクタ層１４にはＮ型オー
ミック電極２２が設けられ、これから配線電極２４によ
って配線を引き出す。それぞれの配線は、抵抗４の一端
に接続されると共に、他端は共通の配線電極２４によっ
てボンディングパッド２７へ引き出される。更に、キャ
リア拡散層４２に電圧制御用の電極を設けている。この
電極は、キャリア拡散層４２の表層に比較的高濃度のＮ
型層２９（図示せず）を設け、この上にＮ型オーミック
電極２５を形成し、これを配線電極２６によってボンデ
ィングパッド２８へ引き出すことにより形成されてい
る。

【０１００】また、図１７によれば、本実施の形態の半
導体光スイッチ集積素子は、Ｐ型ＧａＡｓ基板（エミッ
タ層）１１と、このエミッタ層１１上に形成されたＮ型
ＧａＡｓ層（キャリア拡散層）４２と、キャリア拡散層
４２上に分離して形成された複数のＰ型ＧａＡｓ層（バ
リア層）１３と、このバリア層１３上のそれぞれに形成
されたＮ型ＧａＡｓ層（コレクタ層）１４とを有する光
スイッチと、このキャリア拡散層４２上に絶縁薄膜２１
をはさんで形成された抵抗４と、電圧制御用の電極を備
えている。つまり、各光スイッチ３は、共通に形成され
たエミッタ層１１およびキャリア拡散層４２と、個別に
形成されたバリア層１３およびコレクタ層１４とからな
る光サイリスタである。そして、各コレクタ層上の絶縁
薄膜２１の一部は除かれコレクタ層に対してＮ型オーミ
ック電極２２が形成されている。抵抗４の一端はＮ型オ
ーミック電極を介してコレクタ層１４へ配線電極２４に
より接続され、抵抗４の他端は共通の配線電極２４に接
続されている。さらに、Ｐ型半導体基板１１に裏面に
は、Ｐ型エミッタ層１１に対してＰ型オーミック電極２
３が形成されている。加えて、電圧制御用の電極は、絶
縁薄膜２１の一部を除いてキャリア拡散層４２の表層に
設けられた閾値制御電極であるＮ型層２９と、この上に
設けられたＮ型オーミック電極２５と、更にこの上に設
けられる配線電極２６を有する。なお、Ｎ型層２９は、
近接する光スイッチ３相互間のバルク結合効果が十分に
発揮されるように、つまりキャリア拡散による相互作用
が十分に行われるように、上記複数の光スイッチ群の相
互間に配置することなく、バルク結合効果を期待する複
数の光スイッチの外周部に配置することが好ましい。ま
た、光スイッチを周囲を囲んで設ければ、キャリア拡散
層４２の電位を均一にできるので好ましい。更に、これ
らの素子を囲んで外周部に設けてもよい。

【０１０１】次に、図１７に基づいて、本実施の形態の
半導体光スイッチ集積素子の製造方法の概略を説明す
る。

【０１０２】まず、Ｎ型ＧａＡｓ層４２、Ｐ型ＧａＡｓ
層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４をＰ型基板１１上に第
１の実施の形態と同じ仕様でＭＯＣＶＤ法によりエピタ
キシャルに順次形成すると、基板の下方からＰＮＰＮ構
造が形成される。次に、第１の実施の形態と同様にし
て、光スイッチとなるメサ構造を形成する。これにより
基板１１上全面にＮ型ＧａＡｓ層４２があり、その上に
Ｐ型ＧａＡｓ層１３およびＮ型ＧａＡｓ層１４からなる
相互に分離された複数のＰＮ接合が形成される。すなわ
ち、基板１１とその上のＮ型ＧａＡｓ層４２からなる単
一のＰＮ構造と、その上にＰ型ＧａＡｓ層１３およびＮ
型ＧａＡｓ層１４からなる相互に分離された複数のＰＮ
構造が形成される。

【０１０３】この後に、例えばＳｉＮ_x膜を用いて、基
板全面に絶縁薄膜２１を形成する。この膜２１により、
基板上に成長した半導体層と後に形成される抵抗、配線
電極等とが絶縁される。この膜２１を形成後に、光スイ
ッチのメサ上にあるＳｉ窒化膜２１の一部とアレイ状の
光スイッチの周囲のキャリア拡散層上にあるＳｉ窒化膜
２１の一部とをそれぞれ開口して、Ｎ型オーミック電極
２２、２５を形成する。電極２２によってそれぞれのコ
レクタ層１４へ、また電極２５によって光スイッチアレ
イの周囲のキャリア拡散層４２へそれぞれオーミック接
触をとることができる。また、Ｐ型オーミック電極２３
を基板裏面に形成して、Ｐ型ＧａＡｓ層１１へオーミッ
ク接触をとる。これらの電極２２、２３および２５は、
第１の実施の形態と同様にして形成できる。

【０１０４】なお、Ｎ型キャリア拡散層４２のキャリア
濃度は通常低いので、良好なオーミック電極を形成する
ために、キャリア拡散層４２内の表層にあって電極２５
下に比較的高濃度の低抵抗部であるＮ型層２９を形成す
ることが好ましい。このようにすると、Ｎ型キャリア拡
散層４２とオーミック電極２５との接触抵抗を低くでき
る。Ｎ型層２９を形成するには、例えばメサエッチング
後に基板全面にフォトレジストを塗布して、フォトリソ
グラフィ技術によってオーミック電極形成部分を開口し
た後に、Ｎ型不純物であるＳｉをエネルギ１５０［ｋｅ
Ｖ］、ドーズ量１×１０¹⁴の［ｃｍ^ー2］の条件でイオン
注入を行う。続いて、フォトレジストを除去し、基板保
護膜２１、例えばＳｉＯＮ薄膜をプラズマＣＶＤ法によ
って形成した後に、８００［℃］、２０［分］の条件で
熱処理を行い、不純物の活性化およびアニールを行うよ
うにすればよい。このようにすると、オーミック電極２
５下が選択的に低抵抗化される。また、この工程を利用
して、Ｎ型コレクタ層１４上のオーミック電極２２下に
もイオン注入を行い、低抵抗部であるＮ型層を形成して
もよい。

【０１０５】次に、第１の実施の形態と同様して、光ス
イッチのそれぞれに付加される抵抗４を形成する。な
お、この抵抗値は光スイッチ３の特性、スイッチ３の間
隔、キャリア拡散層４２の少数キャリアの拡散特性等に
よって決定されるので、これらを考慮して決定されるこ
とが好ましい。なお、同一の光スイッチ集積素子に集積
される抵抗値が同一値であるようにすると、各光スイッ
チの特性を揃えることができる。

【０１０６】最後に、バイアス電圧印加用の配線電極２
４、２６および電圧供給用のボンディングパッド２７、
２８を第１の実施の形態と同様にして基板上面に形成す
る。この配線電極２４により、各Ｎ型オーミック電極２
２と各抵抗４の一端とがそれぞれ接続され、また各抵抗
４の他端のそれぞれと第１のバイアス電圧印加用のボン
ディングパッド２７とが接続される。配線電極２６によ
って、Ｎ型オーミック電極２５が第２のバイアス電圧印
加用のボンディングパッドとが接続される。

【０１０７】以上説明した方法により本発明の半導体光
スイッチ集積素子が製造できる。すなわち、半導体光ス
イッチ集積素子は、基板１１と、この上に設けられたＮ
型キャリア拡散層４２と、１次元および２次元のいずれ
かに分散して配置され、Ｎ型キャリア拡散層４２の上に
複数設けられたＰ型バリア層１３と、Ｐ型バリア層１３
の上のそれぞれに設けられたＮ型コレクタ層１４と、を
有する複数の光スイッチと、キャリア拡散層４２上に絶
縁膜２１を挟んで形成され、Ｎ型コレクタ層１４のそれ
ぞれに一端が接続された複数の抵抗４とを備える。抵抗
４の他端の各々は共通の配線電極２４により第１のバイ
アス電圧５１の印加用ボンディングパッド２７に接続さ
れ、更にＮ型キャリア拡散層４２は配線電極２６により
第２のバイアス電圧５２の印加用ボンディングパッド２
８に接続される。なお、エミッタ層１１とキャリア拡散
層４２との間に電圧差を設けることができれば、コレク
タ層１４とキャリア拡散層４２間に電源を接続する場合
に限られることなく、例えばエミッタ層１１とキャリア
拡散層４２との間に電源を設けてもよい。

【０１０８】また、半導体光スイッチ集積素子では、ボ
ンディングパッド２７を外部の第１のバイアス電源５１
のマイナス側へ、基板裏面の電極２３をこのバイアス電
源５１のプラス側へ接続して使用する。この電源５１
は、出力電圧が可変であることが好ましく、さらにはパ
ルス的に電圧を変化できることが好ましい。このような
パルス電源を用いると、半導体光スイッチ集積素子の動
作状態とリセット状態の制御が容易になる。また、ボン
ディングパッド２７を外部の第２のバイアス電源５２の
マイナス側へ、ボンディングパッド２８をこの電源５２
のプラス側へ接続して使用する。

【０１０９】なお、以上説明した半導体光スイッチ集積
素子は、Ｐ型基板を用いて基板上面側からＮＰＮＰ構造
を形成したが、本発明はこれに限ることなくＮ型基板を
用いてＮＰＮＰ構造を形成してもよい。この場合には、
バイアス電源５１、５２も逆向きに接続する必要があ
る。

【０１１０】図１８は、本発明の半導体光スイッチ集積
素子の構成図である。図１８によれば、各光スイッチ３
３ａ〜３３ｎは、ＮＰＮＰ構造を有する光サイリスタで
ある。この光サイリスタ３３ａ〜３３ｎは、コレクタ層
１４ａ〜１４ｎとバリア層１３ａ〜１３ｎをそれぞれ独
立して有すると共に、共通のキャリア拡散層４２とエミ
ッタ層１１を有する。抵抗４ａ〜４ｎの一端は、光サイ
リスタ３３ａ〜３３ｎのコレクタ層１４ａ〜１４ｎのそ
れぞれに接続される。第１のバイアス電源５１のマイナ
ス側は負荷抵抗として作用する抵抗４ａ〜４ｎの各々の
他端に接続され、このプラス側は光サイリスタ３３ａ〜
３３ｎのエミッタ層１１に接続される。

【０１１１】バイアス電圧５１の大きさは、光入力がな
い状態で光スイッチがオンしない値に設定される。この
バイアス状態では、各バリア層とキャリア拡散層とから
なるＰＮ接合は逆方向にバイアスされる。電源５２のマ
イナス側は抵抗４ａ〜４ｎの各々の他端に接続され、プ
ラス側はキャリア拡散層４２に接続される。バイアス電
源５２の電圧は、エミッタ層１１とキャリア拡散層４２
との間に大きな順方向電流が流れないように設定され
る。この値は、ほぼ第１のバイアス電源５１の電圧値よ
りエミッタ層とキャリア拡散層との接合の順方向電圧程
度小さい値を下回らないことが好ましい。また、バイア
ス電源５１よりも先に加えられることが好ましい。

【０１１２】次に、図１８を用いて光サイリスタ３３ａ
を例にして、光スイッチの入力動作について説明する。
光スイッチは、一定閾値以上の光を入射しないとスイッ
チが導通しないようにバイアス電源５１および５２によ
り電圧が印加されている。すなわち、バイアス電源５１
はエミッタ層１１とコレクタ層１４ａ間に印加され、且
つバイアス電源５２はコレクタ層１４ａとキャリア拡散
層４２間に印加されるので、これら電源によってエミッ
タ層１１とキャリア拡散層４２からなる共通のＰＮ接合
が順方向にバイアスされると共に、バリア層１３ａとキ
ャリア拡散層４２からなる素子個別のＰＮ接合が逆方向
にバイアスされる。共通のＰＮ接合に加わる電圧は、バ
イアス電源５１とバイアス電源５２との電位差により決
定される。このように、電圧を加えるとエミッタ拡散層
１１からキャリア拡散層４２に少数の正孔が注入され
る。この一部はバリア層１３ａに到達して、バリア層１
３ａに蓄積される。この蓄積量は上記の接合電位差によ
って制御できる。言い換えれば、光スイッチの入射光量
の閾値をこれらの電源によって制御できる。

【０１１３】なお、図１８の例にあっては、バイアス電
源５２の電圧を大きくしてエミッタ層１１に対するキャ
リア拡散層４２の電位差を大きくすると光閾値が大きく
なり、導通するためにはより多くの光量が必要である。
また、バイアス電源５２とバイアス電源５１との電位差
は、上記の共通のＰＮ接合に順方向電流が流れ過ぎない
ように設定される。この電位差の値は、共通のＰＮ接合
の拡散電位の値、あるいはこれより小さい程度が好まし
く、図１８の例では１［Ｖ］程度よりも小さいことが好
ましい。この電位差が大きすぎると、バリア層の蓄積電
荷を制御するために使われないバイアス電源５１からバ
イアス電源５２への無駄な順方向電流が流れる。

【０１１４】上記のように、バイアス電源５１、５２が
印加された素子に閾値以上の光が入射すると、逆バイア
スされた素子個別のＰＮ接合において、光励起キャリア
が発生する。既に蓄積されている正孔に加えて励起され
た正孔がバリア層１３ａ内に蓄積されて行くと、層１３
ａは０．２［μｍ］程度と薄いので、正孔がこの接合部
分のポテンシャルを低下させる。蓄積される正孔量およ
びバイアス電源５２の制御に応じてバリア層１３ａのポ
テンシャルが十分に低下すると、逆バイアス接合部分が
ターンオンして電流が流れる（スイッチオン状態）。こ
の電流のほとんどは共通のＰＮ接合から供給され、ター
ンオンしている素子のバリア層１３ａを通してコレクタ
層１４ａに達する。つまり、光スイッチが導通すると、
エミッタ層１１とコレクタ層１４ａ間に流れる電流は、
エミッタ層１１とキャリア拡散層４２間の接合から供給
される。

【０１１５】光スイッチの出力動作については、第１の
実施の形態と同様に動作する。つまり、発光が生じ、負
性抵抗効果によってバイアス電源の電圧を所定の電圧以
下に下げるまで発光状態が保持されるので、記憶動作が
行われる。動作状態とリセット状態とを交互に繰り返す
ようにするために、少なくとも第１のバイアス電源５１
を処理速度に合わせてパルス状の電圧信号を与える。な
お、第２のバイアス電源５２も共に変化させてもよい
が、第２のバイアス電源５２を第１のバイアス電源５１
に先だって加える。

【０１１６】次に、図１９に基づいて、半導体光スイッ
チ集積素子全体としての動作を説明する。図１９は、３
個の光スイッチＵ、Ｖ、Ｗが集積された半導体光スイッ
チ集積素子を表した模式図である。

【０１１７】強い光が入射して多くの光励起キャリアが
発生する光スイッチＶでは、バリア層１３Ｖの電子に対
するポテンシャルが低下し逆接合部分がターンオンして
電流が流れ込むので、光スイッチＶはスイッチオン状態
となる。つまり、抵抗４Ｖの下で光スイッチＶに電流が
流れ込む。そして、この電流により、バリア層１３Ｖと
コレクタ層１４Ｖで形成される順方向にバイアスされた
ＰＮ接合で再結合による発光が生じる。少数キャリアの
注入は、キャリア濃度の高いエミッタ層１１から主に行
われる。これに加えてバイアス電源５２からキャリア拡
散層４２への正孔の注入が誘起される。スイッチオン状
態の光スイッチからキャリア拡散層に注入された少数キ
ャリア（正孔）は、光スイッチに共通に形成されている
キャリア拡散層４２を拡散する。そして、その一部は横
方向にも拡散していく。少数キャリアは再結合により消
滅するまでライフタイム程度の時間を拡散できるので、
横方向の拡散範囲はキャリア拡散長程度まで及ぶ。この
ため、光スイッチＶのスイッチング動作は、キャリア拡
散長の範囲の周囲の光スイッチＵ、Ｗにも影響を与える
のである。このために、キャリア拡散層４２内の表層に
形成される電極等２５、２９が、この少数キャリアの拡
散を妨げることなく、自由に拡散できるように配置され
る。例えば、少数キャリアの拡散によって相互に影響を
及ぼすことを期待する一群の光スイッチの周囲を囲ん
で、この電極等２５、２９を配置すれば、電極等２５、
２９による電界によってスイッチ相互間の相互作用が妨
げられることがない。ところが、この電極を各光スイッ
チに近接して設けたり、また光スイッチ間のキャリアが
拡散する領域上に設けられると、この電極による電界に
よって少数キャリアの拡散が妨げられる。

【０１１８】それ自身で発光するには十分でない弱い光
が入射している光スイッチＵでは、隣接する光スイッチ
Ｖから少数キャリア（正孔）がキャリア拡散層４２を拡
散してくるので、第１の実施の形態と同様にキャリア拡
散長の範囲の周囲の光スイッチＶから影響を受ける。

【０１１９】光が入射していない光スイッチＷでは、キ
ャリア拡散層４２を正孔が拡散してきても、第１の実施
の形態と同様に光スイッチＷは発光はしない。

【０１２０】しかし、光が入射していない光スイッチＷ
であっても、バリア層１３Ｗの電子に対するポテンシャ
ルを低下させるほど十分なキャリアが、キャリア拡散層
４２を通して周囲の光スイッチから供給されると第１の
実施の形態と同様にその光スイッチも発光する。

【０１２１】以上の説明より、本実施の形態の光スイッ
チ集積素子においても、キャリア拡散長程度の範囲内の
光スイッチが全体として入射光が一定以上であれば、単
体ではスイッチオン状態に必要な強度の光が入射されて
いない光スイッチであっても、この光スイッチはスイッ
チオン状態になるように閾値を設定できる。逆に、光ス
イッチ一個分または数個分程度の範囲に限られた領域内
にある量の光が入射した場合に、十分な入射光量が得ら
れていないとして、これらの光スイッチがスイッチオン
状態にならないように閾値を設定できる。つまり、本実
施の形態の半導体光スイッチ集積素子では、光スイッチ
がスイッチオン状態になるかどうかは、光スイッチ単独
の動作によってのみ決まるのではなく、キャリア拡散長
程度の範囲の光スイッチが共通に設けられたキャリア拡
散層４２を通してお互いに影響し合うのである。

【０１２２】加えて、キャリア拡散層４２の電圧の制御
電極を設けても、スイッチ間のバルク結合効果、つまり
近接するスイッチ間の相互作用が妨害されることなく、
光スイッチの閾値を制御できる。したがって、素子を正
確に動作させるための制御が簡易になると共に、素子の
設計の自由度が大きくなる。また、キャリア拡散層４２
の電圧の制御電極を設けると、スイッチオン状態の安定
性が更に良好になるため、電源電圧、温度等の変動に対
しても動作を安定されることができる。

【０１２３】このような素子の基本動作を図２０を用い
て説明する。図２０（ａ）、（ｂ）は、図１６と同じ単
体構造の光スイッチを基板上に等間隔で２次元に配置し
た実験用半導体光スイッチ集積素子の模式図である。各
光スイッチのコレクタ層は、同一基板上に形成された負
荷抵抗それぞれの一端が接続されている。そして、第１
のバイアス電源５１、Ｖｅは各抵抗の他端と光スイッチ
のエミッタ層に接続され、第２のバイアス電源５２、Ｖ
ｂは各抵抗の他端と光スイッチのキャリア拡散層に接続
されている。図のように、この配列の素子を３０ｐ〜３
０ｓと命名する。この実験素子において、光スイッチ３
０ｐおよび３０ｓのそれぞれに同じ光量の光を入射させ
る。図２０（ａ）はＶｂ＝５［Ｖ］、Ｖｅ＝５［Ｖ］を
印加した場合の発光パターンを示し、図２０（ｂ）はＶ
ｂ＝５［Ｖ］、Ｖｅ＝５．５［Ｖ］を印加した場合の発
光パターンを示す。Ｖｂを変化させてエミッタ層とキャ
リア拡散層間の電位差を変化させると、光を受ける光ス
イッチ３０ｐ、３０ｓが発光すると共に、これらに挟ま
れる光スイッチ３０ｑ、３０ｒも発光するようにでき
る。

【０１２４】図２０（ｃ）、（ｄ）は、図２０（ａ）と
同様の実験素子に同じバイアスを印加するのもである。
図のように、この配列の素子を４０ｐ〜４０ｖと命名す
る。この実験素子において、光スイッチ４０ｐおよび４
０ｕにそれぞれ同じ光量の光を入射させる。図２０
（ｃ）はＶｂ＝５［Ｖ］、Ｖｅ＝５［Ｖ］を印加した場
合の発光パターンを示し、図２０（ｄ）はＶｂ＝５
［Ｖ］、Ｖｅ＝５．５［Ｖ］を印加した場合の発光パタ
ーンを示す。Ｖｂを変化させてエミッタ層とキャリア拡
散層間の電位差を変化させると、光が入射している光ス
イッチ４０ｐ、４０ｕ間に挟まれる光スイッチ４０ｑ〜
４０ｔ、４０ｖも発光するようにできる。

【０１２５】図２０（ｅ）は、図２０（ａ）と同様の実
験素子に同じバイアスを印加するのもであり、光スイッ
チ４０ｕには４０ｐに照射される光量の１０％に当たる
光量を入射した。この場合には、十分な光量を入射させ
た光スイッチ４０ｐのみが発光している。

【０１２６】上記の実験素子の動作からもわかるよう
に、本実施の形態で説明した光スイッチ集積素子は第１
の実施の形態において説明した光スイッチ集積素子と同
じ動作、すなわちパターン処理機能を有する。つまり、
図２０（ａ）、（ｃ）では、閾値効果によって、光が入
射する光スイッチが等しい光量でオンして発光している
ので、閾値処理が行われている。一方、図２０（ｂ）、
（ｄ）では、光が入射する２個のスイッチと共に、これ
らに挟まれた光が入射しないスイッチも発光しているの
で、平滑化処理が行われている。図２０（ｅ）では、閾
値効果によって、十分な光量が入射する光スイッチのみ
が発光するするので、画像処理におけるノイズ除去処理
が行われている。

【０１２７】したがって、本実施の形態の光スイッチ集
積素子は上記のような処理機能を有するので、図８を用
いて説明したパターン処理機能を有することはもはや説
明するまでもない。

【０１２８】以上、説明したように、本実施の形態の光
スイッチ集積素子は、半導体層のキャリア濃度および厚
さ、光スイッチの大きさおよび配置のピッチ、負荷抵抗
の大きさ、並びに動作条件としてバイアス電圧および入
射光量を適切に設定すると、画像のノイズ除去処理等が
可能である。

【０１２９】実際、高速処理用途においては、信号とノ
イズが図８に示した例ほど混在していることは少ないの
で、素子設計および動作条件の設定はそれほど厳格なも
のではないと考えられ、それぞれの使用環境に応じて設
定することが好ましい。また、一般に、簡単な図形や文
字等のパターンマッチングによる認識のための前処理と
しては、８×８程度の規模のピクセル数による十分有効
であることが知られている。

【０１３０】このように本実施の形態の半導体光スイッ
チ集積素子は、Ｐ型エミッタ基板と、Ｐ型エミッタ基板
上方に分離して形成されたＰ型バリア層と、それぞれの
Ｐ型バリア層上に形成されたＮ型コレクタ層とを備える
と共に、Ｐ型バリア層とＰ型エミッタ基板との間に全て
の光スイッチが共有する共通のＮ型キャリア拡散層とを
設けて複数の光スイッチを構成して、スイッチオン状態
になった光スイッチから注入された少数キャリアがこの
キャリア拡散層を拡散して隣接する光サイリスタに作用
すると共に、キャリア拡散層に閾値制御電極を設けてキ
ャリア拡散層の電位を外部から制御するようにしたの
で、更に安定してボケ変換のような平滑化処理、ノイズ
除去処理等が可能となる。なお、本実施の形態の光スイ
ッチ集積素子は、本構造に限られるものではなく、第２
の実施の形態等で説明した構造にも応用できる。

【０１３１】以上第１の実施の形態から第５の実施の形
態により説明した半導体光スイッチ素子の光スイッチで
は、そのスイッチング時間は１０^ー9秒オーダーときわめ
て高速である。しかも、全光スイッチが完全に並列動作
するため、入力から出力まで演算過程を要しない。した
がって、半導体光スイッチ集積素子としての処理時間は
光スイッチのスイッチング時間と同程度である。さら
に、出力信号は、各光スイッチからの発光という形で並
列に同時に得られる。すなわち、画像の入力とほぼ同時
に処理されたパターンデータが出力される。加えて、出
力パターンは、入力パターンが遮断された後も、バイア
ス電圧を下げるまで保たれる。つまり、記憶動作を行
う。よって、これをパターンマッチングの前処理として
応用できる。例えば、入力パターンと参照パターンの重
ね合わせによるいわゆるテンプレートマッチングによっ
てパターン認識を行う場合に、双方のパターンの大きさ
の違いや位置ズレを緩和するための前処理として使用で
きる、特に、１［ｍｓｅｃ］以内に処理する必要がある
工業用ロボット制御等の高速用途に十分有効な効果が期
待できる。例えば、入射パターンと参照パターンとの重
ね合わせる、いわゆるテンプレートマッチングによるパ
ターン認識では、双方のパターンの大きさの違い、位置
ずれ等を緩和するための前処理として利用できる。

【０１３２】また、第１の実施の形態から第５の実施の
形態により説明した半導体光スイッチ素子に用いられる
半導体材料は、これらの実施の形態に限られるものでは
ない。以上の実施の形態に使用した半導体材料以外に
も、例えば、ＩｎＰ系の半導体基板が使用できる。この
場合、光スイッチの構造として、Ｐ型ＩｎＰ基板と、こ
の基板上に形成されたＮ型ＩｎＰキャリア拡散層と、こ
のキャリア拡散層上に形成されたメサ構造の複数のＰ型
Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓのバリア層と、このバリア層のそ
れぞれの上に形成されたＮ型Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓのコ
レクタ層とを有することが好ましい。このような構造に
すると、波長０．８［μｍ］〜１．６［μｍ］程度の光
を受光しまた波長１．３［μｍ］程度の光を発光する半
導体光スイッチ集積素子を構成できる。この場合は、こ
れらの光がキャリア拡散層および基板に使用されている
ＩｎＰ層を透過するので、円筒状陥没部を基板裏面に設
けることなく光スイッチの発光を基板裏面からも取り出
すことができると共に、製造工程も簡素にできる。な
お、このとき、オーミック電極としてはＧａＡｓ基板と
同一の材料が使用することが好ましい。さらに、ＩｎＰ
半導体材料を用いて、以上説明した実施の形態の半導体
光スイッチ集積素子の構造を適用するようにしてもよ
い。

【０１３３】なお、第１の実施の形態から第５の実施の
形態では、直接遷移型半導体を用いた例について説明し
たが、発光の効率が高くなくてもよいのであれば、本発
明は直接遷移型半導体に限られるものではない。

【０１３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明の半導
体光スイッチ集積素子によって、光スイッチからなるピ
クセル毎に文字や図形などの２次元パターンデータを２
値化およびノイズ除去、ボケ変換のような平滑化処理等
の前処理を高速に行うことができる。

【０１３５】次に、本発明の半導体光スイッチ集積素子
の作製がきわめて容易であり、半導体ウエハーにおいて
特別な結晶成長処理技術や微細加工技術等を必要としな
いので、素子作製にかかるコストを低くできる。また、
各々の光スイッチのコレクタに負荷抵抗を接続するの
で、入射光量のばらつきに対して光スイッチの動作の許
容度を大きくできる。更に、この負荷抵抗を同一半導体
基板上に集積するので、素子作製の際してスイッチ間の
特性ばらつきに対する許容度を大きくできる。更に、ま
た、複雑な配線が必要ないので、素子の設計の自由度を
大きくできると共に、光スイッチ集積素子の面積の多く
の部分を光スイッチが占めるので、入力データ、つまり
光の利用効率が高い。

【０１３６】加えて、本発明の半導体光スイッチ集積素
子は単一の電源により動作させてもよいので使用が容易
である。また、キャリア拡散層に制御電極を設けてバイ
アス電圧を印加すると、光スイッチ動作の安定性、動作
の再現性が更に良くできるので、電源電圧、温度等の変
動に対してもスイッチオン状態を安定に保持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子の平面図である。

【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態の半導体光
スイッチ集積素子の断面図である。

【図３】図３は、本発明の半導体光スイッチ集積素子の
構成図である。

【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の半導体光スイ
ッチ集積素子の光スイッチのエネルギバンド図である。

【図５】図５は、本発明の半導体光集積素子の光スイッ
チの相互の作用を説明するための模式図である。

【図６】図６は、実験用半導体光スイッチ集積素子の模
式図である。

【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、図６の実験用半導体光
スイッチ集積素子の発光パターン図である。

【図８】図８は、直交する２方向にそれぞれ等間隔で光
スイッチを配置する場合の本発明の半導体光スイッチ集
積素子の模式図である。

【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の半導体光スイ
ッチ集積素子の光スイッチ配置図である。

【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の平面図である。

【図１１】図１１は、本発明の第２の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の断面図である。

【図１２】図１２は、本実施の形態の半導体光スイッチ
集積素子を用いたパターン処理装置の模式図を示す。

【図１３】図１３は、本発明の第３の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の断面図である。

【図１４】図１４は、本発明の第４の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の平面図である。

【図１５】図１５は、本発明の第４の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の断面図である。

【図１６】図１６は、本発明の第５の実施の形態の半導
体光スイッチ集積素子の平面図である。

【図１７】図１７は、第５の実施の形態の半導体光スイ
ッチ集積素子の断面図である。

【図１８】図１８は、第５の実施の形態の半導体光スイ
ッチ集積素子の構成図である。

【図１９】図１９は、本発明の半導体光集積素子の光ス
イッチの相互の作用を説明するための模式図である。

【図２０】図２０（ａ）〜（ｅ）は、実験用半導体光ス
イッチ集積素子の発光パターン図である。

【符号の説明】

１…半導体光スイッチ集積素子、３、３ａ〜３ｎ、３ｐ
〜３ｓ…光スイッチ、４…抵抗、５…バイアス電源、８
…入力光パターン、９…出力光パターン、１１…Ｐ型Ｇ
ａＡｓ基板、１２…Ｎ型キャリア拡散層、１３…Ｐ型Ｇ
ａＡｓバリア層、１４…Ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、１５
…Ｐ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層、１６…Ｎ型Ｇａ_0.8Ａｌ
_0.2Ａｓ層、１７…Ｐ型ＧａＡｓ層、１８…Ｎ型ＧａＡ
ｓ層、１９…Ｎ型ＧａＡｓ層、２１…絶縁薄膜、２２、
２５…Ｎ型オーミック電極、２３…Ｐ型オーミック電
極、２４、２６…配線電極、２７、２８…ボンディング
パッド、２９…Ｎ型層、４２…Ｎ型キャリア拡散層、５
１、５２…バイアス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型エミッタ基板と、前記第１導電型エミッタ基板の上に設けられた第２導電
型キャリア拡散層と、１次元および２次元のいずれかに分散して配置され、前
記第２導電型キャリア拡散層の上に複数設けられた第１
導電型バリア層と、前記第１導電型バリア層の上のそれぞれに設けられた第
２導電型コレクタ層と、を有し、前記第２導電型コレク
タ層が受光することによりオンして発光する複数の光ス
イッチと、前記第１導電型エミッタ基板の上に形成され、前記第２
導電型コレクタ層のそれぞれに一端が接続された複数の
抵抗と、を備え、前記抵抗の他端のそれぞれは、第１の電源の一端に接続
され、前記第１導電型エミッタ基板は、前記第１の電源の他端
に接続される、ことを特徴とする半導体光スイッチ集積
素子。
【請求項２】前記抵抗が、同一値であることを特徴と
する請求項１に記載の半導体光スイッチ集積素子。
【請求項３】前記第２導電型コレクタ層および前記第
１導電型バリア層が、直接遷移型半導体であることを特
徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光スイ
ッチ集積素子。
【請求項４】前記第２導電型コレクタ層が、前記抵抗
を兼ねることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれ
かに記載の半導体光スイッチ集積素子。
【請求項５】前記抵抗の他端のそれぞれは第２の電源
の一端に接続され、前記第２導電型キャリア拡散層は前
記第２の電源の他端に接続されること、および前記第２
導電型キャリア拡散層は前記第２の電源の一端に接続さ
れ、前記エミッタ層は前記第２の電源の他端に接続され
ること、のいずれかであることを特徴とする請求項１〜
請求項４のいずれかに記載の半導体光スイッチ集積素
子。
【請求項６】前記複数の光スイッチを囲んで前記第２
導電型キャリア拡散層の表層に設けられる閾値制御電極
を更に備え、前記第２導電型キャリア拡散層は、前記閾値制御電極を
介して前記第２の電源の他端に接続されることを特徴と
する請求項５に記載の半導体光スイッチ集積素子。