JPS60239082A - 光増幅発光受光集積素子 - Google Patents

光増幅発光受光集積素子

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JPS60239082A
JPS60239082A JP9400584A JP9400584A JPS60239082A JP S60239082 A JPS60239082 A JP S60239082A JP 9400584 A JP9400584 A JP 9400584A JP 9400584 A JP9400584 A JP 9400584A JP S60239082 A JPS60239082 A JP S60239082A
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JP
Japan
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inp
layer
semiconductor laser
phototransistor
emitter
Prior art date
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Pending
Application number
JP9400584A
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English (en)
Inventor
Yuichi Odagiri
小田切 雄一
Tomoji Terakado
知二 寺門
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by NEC Corp, Nippon Electric Co Ltd filed Critical NEC Corp
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Publication of JPS60239082A publication Critical patent/JPS60239082A/ja
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/50Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H01S5/0264Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices for monitoring the laser-output

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

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) この発明は、半導体を用いた光通信・光交換・光情報処
理の主要構成要素である光増幅発光受光集積素子に関す
る。
(従来技術とその問題点) 光通信・光交換・光情報処理における基本的な回路の一
つに光増幅回路がある。この回路は従来の電子回路よシ
も簡単に構成できるものと期待されてお如、基本的な検
討が進められている。光増幅回路には主として受光素子
と半導体レーザを組合わせたものと半導体レーザの増幅
機能を利用したものとが掲げられる。そのうち相対的に
見て実装組立が容易で且つ回路自体の温度依存性が緩い
特長を有する前者の光増幅回路は、素子の集積化によシ
一層簡単外構成にすることができる。受光素子と半導体
レーザを集積化したものは、例えばベネキング(H−B
 sneking )氏等がエレクトロニクス レター
ズ(ELECTRONIC8LETTER8)誌第16
巻、第602〜603頁、1980年に報告した論文に
記載されている。この報告では画素子を集積化する方法
として半導体基板の両端面に半導体レーザと光トランジ
スタを各々成長させる方法が提案されている。光トラン
ジスタのエミッタ側に形成された受光面から注入される
光信号は、光トランジスタの領域で増幅された光電流と
して共通する半導体基板を通じて半導体レーザに供給さ
れる。通常の光トランジスタでは、1フオトンに対して
2000程度の電子(または正孔)が生成されるため、
微弱な光信号でも再生増幅することが可能となる。しか
しながら、半導体レーザと光トランジスタで半導体基板
をはさむ構造のため、少なくとも結晶成長を2段階に分
ける必要がある。
また、半導体レーザ光を伸開面から取シ出す必要性から
、伸開する場合には、ウェハの厚さを100〜150μ
m程度にする必要がある。このための製造プロセスとし
ては、2回目の結晶成長のまえに所望のウェハ厚に研磨
し、結晶成長後に受光面。
電極等を形成することとなる。その結果ウェハ厚が薄い
ために製造プロセスが難しくなるという問題を生ずる。
そこで、結晶成長が容易で通常のプロセスで集積化でき
るような構造の光増幅素子が望まれていた。
(発明の目的) この発明の目的は結晶成長が容易でしかも製造プロセス
が簡単な光増幅発光受光集積素子の提供にある。
(発明の構成) この発明は、半導体レーザとこの半導体レーザ上に光ト
ランジスタを積層した光集積素子であって、半導体レー
ザと光トランジスタの接続領域−半導体レーザ側に第1
の導電形半導体層光トランジスタ側に第2の導電形を備
え、これら半導体層でトンネル接合を形成することを特
徴とする。
(構成の詳細々説明) この発明では半導体レーザの半導体層の成長に引続いて
その層上に光トランジスタの半導体層を積層させること
ができる。この場合に画素子の接続は不純物濃度が高い
計とp+の半導体層でトンネル接合を形成させる方法を
用いる。光トランジスタのnタイプのコレクタ側をプラ
ス、半導体レーザのnタイプの半導体基板側をマイナス
とおけば、画素子が結合するn十−p+の接合付近では
逆方向電圧が印加されることになる。n十、p+半導体
層の不純物濃度が10”a++−以上であれば、n+−
p+接合の空間電荷層の幅がかなり挾くなるのでトンネ
ル効果によシ半導体レーザ側のp+半導体層の充満帯か
ら光トランジスタ側のn千生導体層の伝導帯へ電子が移
動することができる。このとき光信号が注入されない場
合には、電子がnタイプのエミッターpタイプのベース
障壁のためにnタイプのエミッタ中に留まる。光信号が
注入されると、注入光の波長に対して吸収係数の大きな
材料で成長されたpタイプのベースで吸収されて生成し
た正孔によって、電子に対してはエミッターベース障壁
が低くなシ、その結果電子は大量にコレクタから電極を
通して外部へ流れる。これに伴ってp千生導体層での正
孔がn側電極方向に流れて活性層中でn側電極から供給
された電子と再結合する。との構成では、半導体レーザ
と光トランジスタを半導体基板上に積層させるだけでよ
いので、結晶成長も通常の方法ででき埋め込み構造の半
導体レーザでなければ1回、埋め込み構造の半導体レー
ザであれば2回の結晶成長で製作できる。
また、結晶成長後に電極形成などの製造プロセスをした
あとで所望の厚さに研磨すればよいので従来例にくらべ
て簡単に製作できる。
5− (実施例) 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1図はこの発明の実施例の斜視図、第2図はこの発明
を説明するためのエネルギー準位図である。
光増幅発光受光集積素子1は半導体レーザ2と光トラン
ジスタ3から構成される。製作順序は先づ、nタイプ(
以下n−と略す) InP基板100上にn −I n
 Pバラフッ層101、ノンドープのInGaAsP活
性層103、p−InPクラッド層104を順次結晶成
長させたDH基板上に、フォトレジストを塗布して通常
のフォトリソグラフィーとエツチングによシ2つの溝で
挾まれたメサ105を製作する。次にこのウェハを液相
成長法により、p−InPの第1の電流ブロック層1o
6゜n−InPの第2の電流ブロック層107、p−I
nPの埋め込み層108、p InP結合層109、n
+−InP結合層110、n−InPエミッタ層111
、p−InGaAsPベース層112、n−InP:+
レフタ層113を順次成長させて結晶成長を終える。
6一 次に光トランジスタ3の接合容量を小さくするため形状
を円筒・状とし、n−InPコレクタ層113の平面に
光信号を注入するための受光面114とそのまわシにプ
ラス電極115を形成する。そのあとで所望の厚み、通
常100〜150μm程度にn−InP 基板100を
研磨し、マイナス電極116を形成する。光信号の波長
は1.3μmとし、ベース層112の組成は波長にして
1.5μmになるようにした。また半導体レーザ2と光
トランジスタ3との間でトンネル効果による正孔電流が
半導体レーザ2に供給されるように、p+−InP結合
層109とn+−InP結合層110の不純物濃度を1
0111cIr3とした。この程度の不純物濃度があれ
ばp−n接合の空間電荷層の幅が150Xとなシ、p+
−InP結合層109から討InP結合層110へと電
子がこの空間電荷層を透過することができる。これにと
もなって電子の抜けたあとが正孔となって半導体レーザ
に供結される。この動作をわかシやすく説明するために
第2図に示したエネルギー準位図を用いる。光信号が光
トランジスタ3の受光面を通して注入されない場合は、
第2図(a)に示したようにエミッターベース障壁のた
めにトンネル効果でエミツタ層111に電子が供結され
てもそこで留まってしまう。このためp+−InP結合
層109から活性層へ供結される正孔電流の大きさが小
さく、したがってマイナス電極116から供給される電
子と再結合する割合は極めて小さい。光信号がある場合
は、第2図(blに示すようにベース層112領域でそ
の大部分が吸収されて、正孔と電子が生成する。電子は
コレクタ層113側に引き寄せられるが、正孔はエミッ
ターベース障壁のためにエミツタ層111へは流れでな
い。この正孔のために電子に対してはエミッターベース
障壁が低くなることとなシ、トンネル効果で満たされた
エミツタ層111からの電子がコレクタ層113から外
部へ放出される。これに伴うp+−InP 結合層10
9からの電子供給は大量の正孔が半導体レーザ2のp側
から活性層103へ供給されることを意味しておシ、光
信号がトリガーとなって半導体レーザ2のレーザ発振を
誘発する。μWオーダの微弱な光信号に対してmWオー
ダの光出力が得られるので、光増幅として機能すること
ができる。仁の実施例の半導体レーザ2の大きさはメサ
105の幅が1,5μm、共振器長が300μmであシ
、発振閾値25mA発振波長1.30μmの特性を有し
ている。また光トランジスタ3はコレクタ層113、ベ
ース層112、エミツタ層の厚さ、不純物濃度を各々3
ttm 、 10”tyx−” 、0.5am、 10
”If” 、 3μm、 10110l5とした。受光
面1140口径は20μmとした。この仕様のもとて1
.3μmの波長の光信号10μW(ピーク換算)を注入
したところバイアス電圧4vの場合でレーザ出力3mW
が得られた。以上のようにして結晶成長が容易で、しか
も製造プロセスが通常の方法で簡単にできる光増幅発光
受光集積素子を実現できた。
なお結晶成長の様子は成長方法や成長条件等によシ大幅
に変わるので、それらとともに適切な寸法を採用すべき
ことは言うまでもない。また光トランジスタ3の受光面
114の寸法、プラス電極115の形状2寸法、電極材
料も特に限定される9− ものではない。また以上の実施例では半導体レーザ2へ
の正孔注入を光トランジスタ3からの光信号のトリガに
よってのみ行なったが、光トランジスタ3への負担を軽
減するために、半導体レーザ2への正孔注入用の電極を
タンデム電極半導体レーザのように多分割化してもよい
。この場合には光トランジスタ3のまわシのn+−In
P結合層110上にプラス電極を設けてもよく、あるい
は光トランジスタの廻りのn”−InP結合層110を
エツチングで除去したあとでその上にプラス電極を設け
て亀よい。以上実施例ではInP/InGaAsP系の
半導体材料を用いたが、GaAlAs/GaAs系等他
の半導体材料を用いてもよい。また以上の実施例では埋
め込み構造の半導体レーザ2を用いたが、他のストライ
プ構造の半導体レーザや、他の機能例えば活性層の一部
に損失が大きい領域をもうけて半導体レーザ2の光出力
−注入電流特性がヒステリシスを描くような双安定機能
や光出力がある注入電流のところで急激に立上るいわゆ
る微分利得機能を有するようにしてもよい。また半導体
レー10− ザ2から光出力が単一軸モード化されるように、活性層
103上部または下部に回折格子を形成させてもよい。
以上の実施例では光トランジスタとしてベースに電極を
もうけない通常のものを用いたが、ベース用の電極を形
成させたいわゆるバイポーラ型光トランジスタとして用
いてもよい。この場合には、光トランジスタの形状が円
柱状とはならずベース用の電極分だけ横につき出た形と
なる6また以上の実施例では計−InP結合層109と
p+−InP結合層110の不純物濃度をtoll+□
3としたが、最小でl Q”l’ll=あれば多少逆方
向電圧を大きくする必要があるが、トンネル効果を実現
できる。また以上の実施例では半導体レーザの発根波長
を13声としたが、とくに限定されるものではない。し
たがって注入される光信号の波長に全く依存しない波長
変換素子としても機能できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の斜視図、第2図はこの発明を
説明するためのエネルギー準位図である。 図において、1・・・光増幅発光受光集積素子、2・・
・半導体レーザ、3・・・光トランジスタ、100・・
・n−InP基板、101− n−InPバッフ7層、
103・・・ノンドープのInGaAsP活性層、1 
o 4−p−InPクラッド層、105−・・メサ、1
06− p−InP第1の電流ブロック層、107・・
・n−InP第2の電流ブロック層、108・・・p−
InP埋め込み層、109・・・p”−InP結合層、
110= n+−I nP結合層、111−・・n−4
Hp工ミツタ層、112− p−I nGaAmP ヘ
ー ス層、113− n−InPコレクタ層、114・
・・受光面、115・・・プラス電極、116・・・マ
イナス電極、をそれぞれ示す。 代理人弁理士 内照 晋 光1g号 (III) (712) (+13)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体レーザ上に光トランジスタを積層した光集積素子
    であって、前記半導体レーザと前記光トランジスタの接
    続領域に前記半導体レーザ側に第1の導電形半導体層、
    前記光トランジスタ側に第
JP9400584A 1984-05-11 1984-05-11 光増幅発光受光集積素子 Pending JPS60239082A (ja)

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JP9400584A JPS60239082A (ja) 1984-05-11 1984-05-11 光増幅発光受光集積素子

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JP9400584A JPS60239082A (ja) 1984-05-11 1984-05-11 光増幅発光受光集積素子

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Publication Number Publication Date
JPS60239082A true JPS60239082A (ja) 1985-11-27

Family

ID=14098307

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JP9400584A Pending JPS60239082A (ja) 1984-05-11 1984-05-11 光増幅発光受光集積素子

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JP (1) JPS60239082A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679964A (en) * 1994-07-07 1997-10-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optoelectronic integrated device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679964A (en) * 1994-07-07 1997-10-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optoelectronic integrated device

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