JPS58130580A - 信号変換構造体 - 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】 〔本発明の分野〕 本発明は、光電子装置に関するものである。

このような装置では、外部信号が装置のある部分で導入
され、装置内で光子に変換される。光子は、外部信号の
キャリヤとして働らき、それから、光子は、出力側で、
電気信号に再変換される。

〔背景技術〕

半導体構造体において信号のキャリヤとして光子？用い
ることは、当分野において行なわれていた。簡晰なトラ
ンジスタの適用において信号キャリヤとして光子ケ使用
することが、米国特許第３２２９１０４号に例示されて
いる。隊−の光子エミッタ（ｐｈｏｔｏｎ　ｅｍｉｔｔ
ｅｒ）及び米国特許第４１５８１４４号に示されている
ような、複数の光応答性（ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｉ
ｖｅ）部材？有することにより、電圧差？得ることがで
きる。技術は単一の構造体中へ集積するように開発され
てきたが、装置内のキャリヤの流れ？逆にすることがで
きるような概念が、米国特許第３８８１１１３号に示さ
れている。米国特許第４２９５００２号は、インダイレ
クト・バンドギャップ型（ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｂａｎｄ
ｇａｐｔｙｐｅ　　）の光学的に活性な（ｏｐｔｉｃａ
ｌｌｙ　ａｃ目ｖｅ）物質における複数のｐｎ接合から
成るソーラ・エネルギー変換装置？教示している。

従って、先行技術は、例えば、電流及び電圧のような入
力信号のパラメータが出力信号のパラメータと実質的に
異なるようにして、久方信号？出力信号へ効率的に変換
する方法を全く示していないＯ 〔本発明の概要〕 本発明の目的は、光子ケキャリャとする信号変換構造体
ケ提供することである。

本発明は、次のような、ダイレクト・バンドギャップ（
ｄｉｒｅｃｔ　ｂａｎｄｇａｐ）のモノリシック半導体
構造体ケ用いる実施態様ケ含む。即ち、この構造体にお
いては、光学的に活性な＠吠で、入力信号が光子に変換
され、そして光子が出力信号に再変換される。また、本
発明の実施態様においては、大力信号の光子発生及び出
力信号の光子収集のうちの少なくとも一方が、入力側の
光子発生から出力側の光子収集までの、構造体における
光子の移動パスに対して斜めに、構造体中に設けられて
いる複数のｐ−ｎ接合セグメント？含む。

半導体物質のダイレクト・バンドギャップ特性は、次の
ようなバンド縁部近くで、放射的な内結合の高い効率及
び高い吸収性全提供する。ｕｌＪち、このバンド縁部は
、入力側では、内部のエレクトロルミネッセンスの高い
効率？、そして出力側では、光起電力変換の高い効率全
提供する。

本発明の実施態様では、光子の移動パスに斜めになって
いる複数接合のセグメントｒなすダイレクト・バンドギ
ャップの半導体物質と、セグメント外のダイレクト・バ
ンドギャップの半導体物質との組合せが、より大きな効
率及び大力対出力のパラメータのよシ大きな差音提供す
る。

これらの能力は、６オン・チップ”の半導体電源及び変
ＦＩＥｉ型の機能のような適用？提供する。

本発明の構造体は、機能的には、交流（ＡＣ）から直流
（ＤＣ）、ＡＣからＡＣ及びＤＣからＤＣへ信号？変換
するような変Ｅ器に類似している。

動作原理は、広い面領域の接合が装置の一方の側で用い
られる例において示される。

〔本発明の実施例〕

第１図ケ参照するに、構造体は、電気信号？光子へ変換
できる広い面領ｂ１．２ｙｔ有する単結晶半導体基体１
より成る。ダイレクト・バンドギャップ半導体中のｐ−
ｎ接合については、この変換は、エレクトロルミネッセ
ンスとして知られている。

逆転９９口な（ｒｅｖａｒａｉｂｌｅ）装置とするため
に、領域２は、また光子ケミ気信号へ変換できるべきで
ある。ダイレクト・バンドギャップｐ−ｎ接合の場合に
は、これは、光起電力変換である。領域２は、ｎ１ｐ−
及びｐと各々示されているように、種々のバンドギャッ
プ及び種々の導電型７有する格子整合された（　１ａｔ
ｔｔｃ６　ｍａｔｃｈｅｄ　）半導体物質より成る複数
の１３．４及び５から構成されると良い。この場合、ｐ
−”接合は、＠３及び鳴４の間に存在する。１４は、領
域２のうちで最も小さなバンドギャップ？有する。信号
の入出力用のオーミック接点としても働らく、反射特性
を有する金属接点６が提供される。領域３及び領域４の
間のｐ−ｎ接合？横切る信号用として、領域５に第２の
オーミック接点７が提供される。

逆転可能な装置とする友めに、入力側とし−Ｃ選択され
た領域からの光子が、出力側の領域により吸収されなけ
ればならない。

信号から光子への変換効率及び光子から信号への変換効
率のために、半導体基体の物質は、ダイレクト・エネル
ギー・バンドギャップ型であるべきである。

広い面領域２は、発生される光子に対して光学的に透過
性である、高抵抗率若しくは半絶縁性の領域８とエピタ
キシャル的に結合される。

内部的な損失？制御し、そして高い効率ケ保証するため
に、光学的に透過性の半絶縁性基板８は、光子に応答す
ることができる複数の半導体接合ケ含む＠賊１０へ、格
子及び屈折率の調節層９によって結合される。１調諭１
１９は、光応答領域においてよシ広範囲の物質の使用−
Ｉｔｌ［にし、そしてなお単結晶構造体を維持するため
に提供されている。

領域１０は、領域８を通る光子のパスに対して斜めの方
向に長い寸法？有している本質的には平行なグリッドに
おいて、数多ぐの半導体接合を有する、第１図では、領
域２から光子が進むパスは、領域８′？！−通って領域
１ｏへまっすぐになっている。

しかしながら、光子は面領域の上で放射されることもあ
るので、領域１ｏのグリッドの収集部分へのパスは、グ
リッドの面に対して斜めになることがある。

領域１０は、非常に効率の良い′ｙｔ、応答性接合のセ
グメントより成るグリッドを用いて構成され得る。そし
て、領域１０ｕ、当分野において周知であり、またＩ　
ＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ、　Ｖｏｌｕｍｅ　　Ｅ　Ｄ　
−２６、屋７、Ｊｕｌｙ１９７９及び米国特許第４２０
０４７２号に述べられているような、Ｖ溝の複数接合型
光応答性セルの原Ｅｌ’に用いて例示されている。

Ｖ溝の複数接合型構造体においては、複数の軽ぐドープ
されたシー型の単結晶領域１１が、接合セグメントとし
て働らぐ、両側面にあるｐ及びｎのへテロ接合１２及び
１３勿備えている。反射的な金属接点により覆われた、
キャリヤが反射する領域１４が、領域１１の露出部分に
提供される。

オーミック接点１５が一方の直列端た提供され、オーミ
ック接点１６が反対側の直列端に提供される。そして、
■溝セルの各々は、オーミック接続により直列に接続さ
れる。

本発明の構造体は、ｐ−ｎ接合の数及び応答性？変える
ことにより、信号ヶ光子へ変換したり、種々の信号パラ
メータの下で光子ン再変換する。

従って、光学的に透過性の基板の各々の側に提供される
接合の型が、信号パラメータの変動のステップ・アップ
又はステップ・ダウンの様子？支配する。そして、変圧
器のような機能が達成される。

本発明の原理内で、ショットキ・バリア接合ｒ使用する
ような、数多くの変更がなされ得る。さらに、入力対出
力の電圧比が、接合の周期性？変えることにより調整さ
れ得る。

第１図では、領域２は、格子調節（ｌａｔｔｉｃｅａｃ
ｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ　）ｌｉｋ用いて構成される。

これは、ガリウムの割合及びアルミニウムの割合？変動
させて、半導体物質のガリウム・アルミニウム砒化物の
層全作ることにより達成され得る。

光学的に透過性の基板８は、光信輸送？不利に減衰させ
ることのない程十分に薄い厚さケ有しており、そしてそ
れを半絶縁性にするための、適切なドーピング濃度ケ有
するガリウム燐化物から成る。

格子調節及び屈折率調節の層９もまた、それ？半絶縁性
にするための適切なドーピング濃度？有するガリウム・
アルミニウム砒化物よシ成ると良い。そして、Ｖ溝セル
の軽くｐ−ドープされた領域１１は、領域１２及び１３
用にｐ及びｎの適切なドープが柿されているガリウム砒
化物から成ると良い。表面再結合制御又は表面安定比の
領域１４は、半絶縁性のガリウム・アルミニウム砒化物
から成ると良い。■溝構造体は、領域１４の方で合体す
るように傾いている領域１２及び１３により、光子の応
答性を提供している。

以下の表は、高効率用に設計されたので結果として、装
置は逆転０ＴＷではないのだが、本発明の実施全容易に
する九めに、相対的なドーピング濃度、物質及びそれら
の構成、物理的な寸法並びにバントキャラ１フ表わして
いる。領域２ば、エレクトロルミネッセンス領穢叩ち大
刀として働らき、そして領域１０は、光変換領域即ち出
方とじて働らぐ。

＜Ｑｃ５ＱｏＱｃ５Ｑ。

入力及びセグメントの数が等しく、セグメント当シの出
力電流密度か約１０ＯＡ／♂であり、そして１つのセグ
メントの長さが４８３ミクロンであるよりな場合につい
ての、第１図の装置の例えば変換効率及び出力電圧は、
等式１乃至３に含む以下の議論から見積られ得る。

ここで、Ｉ８ｏは、領域１ｏの短絡回路電流である。

■ｉｎは、領域２の大刀電流である。

■溝複数接合型構造の高収集効率のためにエンエｉ。で
あり、典型的には、　　８ｅは、ｏ、９５■、　である
。

　ｎ ＦＦは、領域１ｏの飽和因子（ｆｉｌｌ　ｆａｃｔｏｒ
）でありＸＨ，Ｊ、　Ｈｏｖｅｌ　　著、Ｓｅｍ１ｃｏ
ｎｄｕｃ　ｔｏｒｓａｎｄ　Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ　　
の第１１巻、第６１頁の第３４図に示されているように
、はぼ０．９０である。

ｖｏｃは、領域１０の開回路電圧であシ、この例では、
はぼ１，２ｖである。

■、　は、電流■ｉｎ’生じるための、領ｌ＃！２１ に印７Ｊ［＋される電圧であり、はぼ１．６Ｖである。

従って、 出力電圧は、次の等式３で表わされる。Ｒａち、さて、
本発明の好実施例では、第１図の広い面積の光子変換頭
載２は、異なる周期性ｒ有する以外には第１図のグリッ
ド１０に類似している一連の接合セグメントで置換され
ることになる。

その構造体が第２図に示されている。この図では、第１
図におけるのと同じ参照番号が使用されており、簡明に
する几めに、領域２の接合セグメントの周期性は、領域
１０の周期性の半分に示されている。

このような適用では、領域１１上の接合セグメント１２
及び１５は、Ｇａｏ、５Ａｔ、５Ａ８で構成され、一方
がｎ型にそして他方がｐ型になるであろう。

ところが、領域１１自体の中央の８分は、はぼＧ　＆　
ｏ、９ＡＺ　［１，１Ａ　ｌｌになるであろう。

このような構造体におけるＧ　ａ　Ｏ，９Ａ　Ｚ　ｏ、
　、　Ａ　Ｓ　中のアルミニウムの比率及びガリウムの
比率は、端子１７及び１８の入力側においてより大きな
バンドギャップ會与え、そして、端子１５及び］６の出
力側においてよシ小さなバンドギャップ？与えるように
、微妙に調節されること如なるであろう。

従って、入力側から放射される光は、効率良く、出力側
によって吸収されることになるであろう。

例えば、入力側の構成は、Ｇａ　　　　Ａｔ　　　Ａｓ
Ｏ，９−Δ　０．１＋Δ となるであろう。ここで、入力側から出力側までの差Δ
は、０．１よシも小さいであろう。

本発明のエピタキシャル構成体は、層のエピタキシャル
成長及び７オトマスキング？含む、肖分野の周知である
分子線エピタキシのような標準の技術？用いて製造され
ても良い。

本発明の実施？容易にするために、領域２及び１Ｄの間
のグリッド比を選択することに関係した考慮すべきこと
の例示が、以下に提供される。周期性は、第２図のもの
と異なっている。

端子１７及び１８における入力信号が、Ｖ　ボルト及び
■　アンペアであると仮定する。ここで、■　に、交流
又は直流のいずれであっても良い。

この例では、Ｖ　は１１５ｖのＤＣライン電ＥＥ（１ｉ
ｎｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　）である。

Ｎ　は、入力領域２のグリッドにおける接合セグメント
の数ヶ表わす。

Ｅ　　ば、入力側の半導体物質のバンドギャツ１ プを表わす。これは、１．５である。

Ｅ　ｇ２は、出力側の半導体物質のバンドギャップ？表
わす。これは、１．４３である。

ｑは、電子の電荷に表わ−Ｔ。

それで、Ｎ　は次のような等式４によ′シ表わされるこ
とになる。即ち、 領域１０の端子１５及び１６における出力では、選択電
ＥＥはｖ２になシ、５ｖの選択型Ｅｋ発生すべき領域１
０におけるグリッドの周期性は、次のような等式５で表
わされるようになる。即ち、本発明の構造体は、固体変
Ｅ５のような有用な回路配置を可能にする能カケ有して
いる。

このような回路が、第３図に示されている。この図でば
、端子１９及び２０におけるＡＣ人力が、光子エミッタ
即ち光放射ダイオード２１において、一方の極性で尤に
変換され、そして遂に接続された党′子エミッタ即ち光
放射ダイオード２２において、他方の極性で尤に変換さ
れる。各回路素子２１及び２２ば、各々、対応する適切
に極性「ヒされた直列接続の光子変換器２４及び２５に
、光学的に結合されている。これらの光子変換器は、そ
れから、出力端子２６及び２７に、並列に接続されてい
る。

第５図の回路は、第４図に示されているように、逆の極
性？１対に組合せて第２図におけるような構造体？提供
することによシ、本発明の効率の良い固体変Ｆｆ、器に
具現され得る。

第４図ｒ参照するに、この図には、第３図の回路機能ｒ
生じる、第２図との差違？例示するための構造体が示さ
ｎている。第４図においては、第３図の直列アレイ２４
及び２５の各々に対応する２つの出力グリッド領域２８
及び２９が、光学的分離体３０により分離されて示され
ている。領域２８及び２９ば、ｎ及びｐの導電性表示に
より示されているように、接合の極性ケ反対にして構成
されている。これは、第２図の領域１２及び１３のｎ及
びｐのドーピングを換えることによシ達成される。光学
的分離体３０は、光子減衰物質であるだろう、即ち、近
接範囲外に領域を単に置くにすぎない。入力領域は示さ
れていないが、第２図におけるものと同じであり、第５
図のように極性を逆にされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、広い面領域の接合會有する本発明の構造体の
断面図である。第２図は、両側に異なる数のセグメン）
ｋ有する接合を備えた本発明の構造体の断面図である。 第３図は、光学的に結合される変圧器の概略的な配線図
である。第４図は、第３図の回路の実施２示す図であ、
る。 １・・・・半導体基体、２・・・・電気信号を光子へ変
換できる広い面領域、８・・・・光学的に透過性の半絶
縁性基板、１０・・・・光子に応答５Ｔ能な複数の半導
体接合？含む領域。 出願人　インターＨ／Ｅカル・ビ沖・マシーンズ・コー
ル々クヨン代理人弁理士　岡　　１）　久　　生 （外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平行な第１及び第２の主表面？有する光子透過性の電気
   的に半絶縁乃至は絶縁の領域と、電気信号の光子への変
   換及び光子の電気信号への変換のうちの少なくとも１つ
   ？実行する、前記第１主表面にエピタキシャルに結合爆
   れた第１手段と、電気信号の光子への変換及び光子の電
   気信号への変換のうちの少なくとも１つ？実行する、前
   記第２主表面にエピタキシャルに結合された複数セグメ
   ントの第２手段と、？含む信号変換構造体。