JPS62189439A - 光双安定素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低パワーの光入力に対して記憶、演算等の機
能を高速で実現する光双安定素子に関する。

〔従来の技術〕

光を情報の担体として情報処理機能を実現する光情報処
理システムは、広帯域性、無誘導性、超並列情報処理能
力等の光の特性を有効に活用することによって、現在の
電子情報処理システムの限界を越える大容量、超高速の
情報処理を可能にするものと期待されている。しかし、
現在のところ、光情報処理システムを実現するのに必要
な光演算素子、光記憶素子等の構成部品として十分な特
性を有する素子が実現されておらず、種々の材料および
これを用いた光機能素子が研究されている。

光機能素子用材料として最も期待されている材料の一つ
に、超薄膜半導体層（以下では井戸層と呼ぶ）を、これ
よりエネルギーギャップの大きな半導体層（以下では障
壁層と呼ぶ）で挟んで構成される量子井戸構造半導体、
あるいは複数個の量子井戸構造を順次積層して構成され
る多重量子井戸構造半導体がある。量子井戸構造は、半
導体厚膜とは異なる様々な興味深い特性を示すため、こ
れを利用することによって光機能素子を実現することが
試みられている。量子井戸構造半導体の示す興味深い特
性の一つは、厚膜に比べて大きな電界効果を有すること
である。すなわち、量子井戸構造に層界面に垂直方向の
電界を印加することによって、厚膜に比べて大きな光吸
収係数や屈折率゛　の変化が出現する効果である。

多重量子井戸構造半導体の電界効果を利用して従来実現
された光双安定素子の典型例として、セルフ・エレクト
ロ・オプティック−デバイス（ｓｅｌｆ−ｅｌｅｃｔｒ
ｏ−ｏｐｔｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ）があり、アプライド−
フィジックス・レター（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒ　）誌第４５巻第１号１３頁−１５頁に
詳述されている。このデバイスは低不純物濃度の多重量
子井戸構造半導体をｎ型半導体層とｎ型半導体層で上下
から挟んだｐ−１−ｎ多層構造の上面と下面にそれぞれ
電極を設置し、この電極間に抵抗を介して、直流電源を
接続して逆方向電圧を印加する構成を持つ。光を照射し
ていない時には、ｐ−１−ｎ多層構造への逆方向電圧印
加によって流れる電流は極めてわずかであり、直流電源
の電圧のほとんどすべてが多重量子井戸構造半導体層に
印加される。このｐ−１−ｎ多層構造に適当な波長の光
を照射するとその一部が多重量子井戸層で吸収され光電
流を発生し、他は透過する。光電流が流れることにより
、直流電源とｐ−１−ｎ多層構造の間に介在する抵抗に
より電圧降下が生じ、多重量子井戸構造に印加されてい
る電圧は減少する。照射光の波長を適当に選択しておけ
ば、この電圧の減少に伴って多重量子井戸層の電界効果
により顕著な吸収係数の増大が実現される。吸収係数の
増大は光電流の一層の増大と印加電圧の低減とをもたら
すため、照射光と透過光の関係にはヒステリシスを伴う
強い非線形性が現われ、セルフ・エレクトロ・オプティ
ック−デバイスは光双安定素子として機能する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上述の従来技術が有する次のような問
題点を解決することにある。すなわち、上述のセルフ・
エレクトロ・オプティック−デバイスを比較的低パワー
の光照射で動作させるためには、わずかな光電流で十分
な電圧降下を生じさせるためにＩＯＭΩ程度の大きな抵
抗値の抵抗を用いる必要があり、この抵抗値Ｒとｐ−１
−ｎ多層構造の電気容量Ｃの積（ＣＲ）で制限される素
子の動作速度は数百ｎｓ程度と比較的低速であった。

つまり、この従来技術による光双安定素子は、微弱な光
電流により顕著な電圧変化を発生する必要があるために
大きな抵抗値を用いる必要があり、高速動作を得ること
が゛困難であった。

本発明の目的は、大きな抵抗値を用いることが不必要で
高速動作が可能な光双安定素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光双安定素子は、第１の導電型の第１の半導体
層上に第２の導電型の第２の半導体層、第１の導電型の
第３の半導体層および第２の導電型の第４の半導体層を
順次積層してなる半導体多層構造の上面と下面にそれぞ
れ電極を設置したショックレーダイオード構造を有し、
第２の半導体層および第３の半導体層の接合面付近の、
これらの半導体層の少なくとも一方の少なくとも一部が
、単一あるいは多重の量子井戸構造を有し、しかもこの
量子井戸構造の光吸収端が、その外部領域の光吸収端に
比べて長波長側に位置することを特徴としている。

〔作用〕

本発明の構成によれば、単一あるいは多重の量子井戸構
造がｐｎｐｎ形のショックレーダイオード構造の中央の
ｎｐ接合付近に設置されている。

当業者に周知のように、ショックレーダイオードに、そ
の外部のｐ層に設置した電極が正となる方向の電圧を印
加した時、この素子は、ある場合には電流のほとんど流
れないｏｆｆ状態をとり、他の場合には電流が流れるｏ
ｎ状態をとる。ｏｆｆ状態では、ショックレーダイオー
ドの電極間に印加された電圧の大部分は中央のｎｐ接合
に印加されるが、ｏｎ状態ではこの接合にはほとんど電
圧が印加されない。本発明によれば単一あるいは多重の
量子井戸構造が、この中央のｎｐ接合付近に設置されて
いるから、この量子井戸構造に印加される電圧はｏｎ状
態とｏｆｆ状態とでは大きく異り、量子井戸構造部の示
す光吸収係数は、その大きな電界効果を反映して２つの
状態の間で大きく異なる。以下に詳述するように本発明
の構成によれば、ショックレーダイオードのｏｆｆ状態
からｏｎ状態へのスイッチングは、量子井戸構造部で吸
収される波長の光照射によっても実現され、適当な波長
を選択すれば、このスイッチングによる電圧変化により
量子井戸構造部の光透過率はスイッチング後のｏｎ状態
では、ｏｆｆ状態に比べて大幅に増大することになる。

この量子井戸構造部に印加される電圧のスイッチングは
、ショックレーダイオードの電気的非線形性により生じ
るもので、従来例のような大きな抵抗値の抵抗の接続を
全く必要としないから、ＣＲ積の値を十分小さくするこ
とが可能で、従って高速動作が実現できる。

次に本発明による光双安定素子の動作原理を、さらに詳
細に説明する。本発明による光双安定素子は、電気的に
はショックレーダイオードとして機能する。良く知られ
ているように、ショックレーダイオードのｏｆｆ状態か
らｏｎ状態へのスイッチングは、このダイオードへの順
方向印加電圧を零からある一定のしきい電圧■２以上に
増大させることによって生じる。またｏｎ状態にあるダ
イオードの印加電圧を、■２と異なる一定のしきい電圧
■、に低減することによって、ｏｎ状態からｏｆｆ状態
に復帰する。一般にＶｌ＜Ｖ２であるため、この電流−
電圧特性は電気的な双安定性を示す。

このｏｆｆ状態からｏｎ状態へのスイッチングはまた光
照射によっても実現できる。しきい電圧■２より低い一
定のバイアス電圧■、を印加した状態で、量子井戸構造
部で吸収される（そしてこの光双安定素子の効率的な動
作のためには、望しくは量子井戸構造部以外の領域では
吸収されない）波長の光を照射すると、光電流が発生す
るが、この光電流が十分大きな値に達すると、ショック
レーダイオードはｏｎ状態へのスイッチングを生ずる。

バイアス電圧■、をしきい電圧■２に極めて近く設定し
ておけば、極めてわずかな光電流、従って極めてわずか
な光照射によってもスイッチングが実現される。ひとた
びｏｎ状態へのスイッチングが生じると、バイアス電圧
■、が■１より大きい限り、光照射を停止してもｏｎ状
態が保持される。

本発明による光双安定素子は、この光照射によるｏｎ状
態へのスイッチングとその保持により素子の光透過特性
に双安定性が生ずることをその動作原理としている。す
なわち、ｏｆｆ状態では、既に延べたようにショックレ
ーダイオードに印加された電圧の大部分は、その中央部
のｎｐ接合部に印加されている。従って、この接合部付
近に設置された量子井戸構造部には高い電界が印加され
てあり、これによって量子井戸構造の光吸収端λ２は無
電界時の吸収端λ１より長波長側に移動している。従っ
て、λ１〈λくλ２であるような波長λの信号光に対し
て、この量子井戸構造部は強い光吸収係数を示し、この
素子の光透過率は小さい。すなわち、光双安定素子は低
透過状態を示す。

しかし、照射光のパワーがある一定値Ｐｅ以上に増大す
ると、この吸収によって発生する光電流によってショッ
クレーダイオードはｏｎ状態にスイッチングを生じる。

これによって、量子井戸構造部に印加される電界は大幅
に低減され、波長λ（〉λ１）の照射光に対する光吸収
係数は大幅に減少し、素子は大きな光透過性を示す。す
なわち、この光双安定素子の光透過特性が、高透過状態
にスイッチングを生ずる。

高透過状態から低透過状態への逆方向のスイッチングは
、以下のようにして実現される。ショックレーダイオー
ドに印加されるバイアス電圧Ｖ。

が■１より大きい（Ｖｂ＞Ｖｌ）場合には、電圧■ｂを
■１以下に低減することにより復帰が実現される。すな
わち、この場合には電圧の低減を行う迄は、光照射の効
果が記憶される。信号光による透過状態の変化の有無は
、電圧低減による復帰を行う以前に、ＰＣより小さなパ
ワーの読み比し光を照射することにより、光透過率の大
小として判別できる。′この動作モードでは、この光双
安定素子は電圧スイッチングによって復帰する光記憶素
子として用いることができる。

バイアス電圧Ｖｂがしきい電圧Ｖ、より小さい場合には
、ｏｎ状態にある光双安定素子は、これに照射される光
パワーをＰＣとは異なるあるしきい値Ｐ。（ｐｏ＜ｐｃ
）まで低減することによりｏｆｆ状態に復帰する。この
動作モードでの光双安定素子の使い方の一例としては、
以下のような動作がある。光双安定素子に、一定パワー
Ｐｂ（Ｐｏ＜Ｐｂ＜ｐｃ）のバイアス光を照射した状態
で、信号光Ｐ。

を照射すると、ｐｂ十Ｐ、＞ＰＣとなれば、光双安定素
子は高透過状態にスイッチングを生じる。この場合、高
透過状態は信号光停止後も保持されるが、バイアス光も
あわせて停止すると低透過状態に復帰する。すなわち、
この動作モードでは、この光双安定素子はバイアス光停
止によって復帰する光記憶素子として用いることができ
る。

以上を要約すれば、この光双安定素子は、光照射により
ショックレーダイオードの電気的な双安定性が生じるに
伴って、量子井戸構造部の光透過特性に双安定性が生じ
ることを、その動作原理としている。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例の光双安定素子の断面図
を示す。本実施例ではｎ型のＣ，ａＡ、Ｓ基板ｌＯを用
いてこの上にＭＢＥ法によりｎ型のＡ　Ｉ！、Ｇ　ａ　
、−、Ａ　ｓ層１１（不純物濃度５　Ｘ１０１７ｃｍ−
’）、ｐ型のＡＲｘＧａｔ−ｘＡｓ層１２（不純物濃度
５Ｘ１０”ｃＩ＋＋−’）、ｐ型の多重量子井戸層１３
（不純物濃度５×ｌＱＩ５ｃｍ−３以下）、ｎ型のＡ　
Ｉ　Ｎ　Ｇ　ａ　＋　−ｘ　Ａ　ｓ層１４（不純物濃度
２Ｘ１０１６ｃｍ−″）およびｐ型のＡ　Ｐ、Ｇ　ａ　
、−ＮＡＳ層１５を順次積層することによって半導体多
層構造を形成した。多重量子井戸層１３は、厚さ１５０
人のＧａＡｓ層１３１と厚さ２０人のＡ　矛ｘ　Ｇ　ａ
　ｒ−ＨＡ　８層１３２を交互に２５周期積層して形成
した。Δｌの成分比Ｘは０．３とした。層１１と層１５
の厚さは２ないし３μｍとした。また、層１２の厚さは
０．２μｍ１層１４の厚さは０．５μｍとした。

ＧａＡＳ基板１０による光吸収を防ぐために、選択性エ
ツチングを用いて素子中央部付近の基板１０を除去して
、半径約２５μｍの円孔部１８を形成した。

また接合部の面積を低減して接合容量を小さくするため
に、上面からｎ型層１１に達するエツチングを行い、基
板１０の円孔部１８と中心がほぼ一致する半径約４０μ
ｍの円筒部１９を除いて、層１２〜１５および層１１の
表面の一部を除去した。層１０の下面には、円孔部１８
を除いて全面に電極２０を形成した。また、円筒形に残
された層１５の上面には、中心部の半径約２５μｍの円
の外部に電極２１を形成した。

以上の構成の光双安定素子の電極２０．２１間に、上部
電極２１が正となる順方向に電圧を印加した上で、素子
下面の円孔部１８を経由して、この円孔部の径よりわず
かに小さいスポット径に集中された波長約８５００人の
レーザ光を、層界面に垂直に照射した。電極間の印加電
圧が３■の時この素子は照射光パワーを１０μＷ程度迄
増大すると、低透過状態から高透過状態へスイッチング
した。この後、光照射を停止しても高透過状態が維持さ
れ、この素子は光双安定性を示した。この素子は印加電
圧をＯｖ迄低減することにより低透過状態に復帰した。

スイッチング速度はｉｎｓ以下で、従来例に比べて２桁
以上の高速動作が得られた。

次に第２図を用いて本発明の第２の実施例を説明する。

第２図は本発明の第２の実施例を示す斜視図である。こ
の実施例の層構造（層１０〜層１５）は第１図に示した
第１の実施例と全く同一である。

この層構造の上面にストライプ状の５ｉｎ２保護膜を形
成した上で上面からエツチングを行い、幅２μｍのスト
ライブ状部分の外部の部分を層１２〜１５および層１１
０表面の一部に至るまで除去して、ストライプ状のメサ
部２９を形成した。さらにこのメサ部２９の上部に５ｉ
ｎ２膜を残したままＭＯＣＶＤ法により高抵抗Ａ　ＣＧ
　ａｔ−ｘＡ　Ｓ層領域３０を成長し、上述のメサ部２
９を埋め込んブど。この時もＡｆ組成Ｘは０．３に選ん
だ。次に、メサ上部の８１０２膜を除去した上で、この
多層構造の上面および下面の全面にそれぞれ電極２１お
よび２０を形成した。

埋め込まれたストライプ状のメサ部分の端部が接してい
る多層構造結晶の端面は、層界面に垂直なへき開を行う
ことにより形成され、一対の互いに平行な平坦面となっ
ている。この平坦面には無反射コーティングを施した。

この実施例では、多重量子井戸層１３は、Ａβ９ＧａＩ
−、Ａｓ層１２．１４および高抵抗Δ１ＨＧａ＋−ｘＡ
ｓ層領域３０に埋め込まれたストライプ状領域を構成し
ているが、その屈折率は外部のΔｌゆＧ　ａ　＋−ｕ　
Ａ　ｓ領域より数％大きいため、先導波路として機能す
る。そこでこの光導波路の一方の端面に波長綿８５００
へのレーザ光を集束させて入射させ、他方の端面から出
射される透過光のパワーを測定した。電極２０．２１間
の印加電圧が約３■の時、入射させる光パワーを除々に
増大させると入射パワーが約１μＷで、低透過状態から
高透過状態へのスイッチングを生じた。この高透過状態
は光入射を停止しても維持され、この実施例の素子も光
双安定性を示した。スイッチングの速度はＱ、５ｎｓ以
下で高速の動作が得られた。

以上の実施例は、材料としてはいずれもＧａＡｓおよび
ΔｆＧａＡｓの組み合わせで製作されたが、ＩｎＰとＩ
ｎＧａＡｓＰなどの組み合わせによっても同様な効果が
得られることは明らかである。

以上説明したように、この本発明による光双安定素子に
おいては、その中に含まれる量子井戸構造部に印加され
る電圧の変化が、ショックレーダイオード構造の非線形
電流−電圧特性によってもたらされるため、従来技術が
必要とした高い抵抗の接続が不要であり、従って高速動
作が可能になる。

なお、この発明による光双安定素子は、その高透過状態
、すなわちショックレーダイオードのＯｎ状態において
は電流が流れるが、その電流が過度に大きくなることを
防ぐために電源とこの光双安定素子との間に抵抗素子を
介在させても良い。

また、同じ目的のためにあらかじめ層１５と電極２１の
間、あるいは層１１と層ＩＯの間に高抵抗の／ｌ’Ｇａ
Ａｓ層を導入しても良い。これらの方法で素子外部ある
いは内部に導入する抵抗の大きさは、高々１にΩ以下で
十分であり、従来技術によるセルフ・エレクトロ・オプ
ティック−デバイスが必要としたＩＭΩ程度に比べて十
分に小さいので、本発明による光双安定素子の特長であ
る高速性を著しく損なうことはない。

〔発明の効果〕

以上詳細に述べてきたように、本発明によれば、低パワ
ーの光照射により素子内部に組み込まれた量子井戸構造
部に印加される電圧の高速度の変化がもたらされ、この
量子井戸構造部の光透過特性が変化できるため、低い光
パワーで動作しかつ高速動作が可能な光双安定素子が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明する光双安定素子
の断面図、 第２図は本発明の第２の実施例を説明する光双安定素子
の斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の導電型の第１の半導体層上に第２の導電型
   の第２の半導体層、第１の導電型の第３の半導体層およ
   び第２の導電型の第４の半導体層を順次積層してなる半
   導体多層構造の上面と下面にそれぞれ電極を設置したシ
   ョックレーダイオード構造を有し、第２の半導体層およ
   び第３の半導体層の接合面付近の、これらの半導体層の
   少なくとも一方の少なくとも一部が、単一あるいは多重
   の量子井戸構造を有し、しかもこの量子井戸構造の光吸
   収端が、その外部領域の光吸収端に比べて長波長側に位
   置することを特徴とする光双安定素子。