JPS6231187A - 半導体発光素子 - 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 本発明は半導体発光素子に関し、特に光情報処理分野に
利用するものである。

従来の技術 半導体発光素子である半導体レーザダイオードの研究開
発において、動的単一モード化や周波数チャーピングの
抑圧あるいは低残音や高出力といったテーマで光通信分
野および光情報処理分野においての素子特性の向上が盛
んに行なわれている。

これらの要求から、半導体レーザは構造と材料の面から
多くの種類のものが発表されている。

半導体レーザダイオードの発光は、活性層と呼ばれる屈
折率および利得の大きい半導体層より電流注入によって
放射される。半導体レーザダイオードでは、レーザ発振
のだめのキャリアのポンピングはＰＮ接合への電流注入
によって行なわれている。レーザ発振を開始する注入電
流値をしきい電流Ｉｔｈと呼ぶ。

半導体レーザダイオードの活性層にレーザ光を注入する
と、光ポンピングによってキャリアが反転分布を生じる
からしきい電流Ｉｔｈを低下させることができるし同時
に端子電圧の減少を生じる。

この現象は、電子技術総合研究所の三橋らによって発表
されている（電子通信学会、光・量子エレクトロニクス
研究会資料０ＱＩＥ８０−８３）。この現象を利用して
光の発光と検出を兼用することなどが提案されている。

また近年、光双安定素子の研究が進んで光メモリや光ス
ィッチなどへの展開が期待されている。

モノリシック化した光双安定素子は、レーザの活性層部
に過飽和吸収領域を形成することで実現されている（寺
門はか昭和６９年電子通信学会全国大会予稿）。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、半導体レーザ・ダイオードの活性層にレーザ
光を注入するとしきい電流Ｉｔｈが低下することを、本
発明者等によって既に出願されているレーザ発振を行な
うヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ（特願昭５９−
７３３８０号）に利用して光スイツチ機能を提供するも
のである。

問題点を解決するだめの手段 ワイド・ギャップ・エミッタおよびワイド・ギャップ・
コレクタを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタの
ベース層に横方向より電流供給するため２つのベース電
極層を形成する。ベース電流は、前記２つのベース電極
層よりベース層の左右端部に独立に供給される。一方の
ベース電流をレーザ発振を生起する電流値とし、他方を
しきい電流値よりも低い電流値にしておく。ベース層の
一方からは、レーザ光が放射され他方は放射されていな
い。レーザ光が放射されないベース層端部に、外部より
レーザ光を注入するとしきい電流値が低下するのでレー
ザ発振が生起する。その結果、もともとレーザ発振して
いるベース層端部のキャリアは、他方に吸い込まれるた
めレーザ発振を停止する。この現象を光スイツチ機能に
応用するものである。本発明の構成は、前記したヘテロ
接合バイポーラ・トランジスタを少なくとも２つ用いて
、各々のベース層を光軸を一致して光学的に結合させる
。各々のトランジスタのベース電流は、しきい値電流Ｉ
ｔｈよりも若干低めに設定しておき、ベース層の一部に
外部よりレーザ光を注入してレーザ発振を生じさせると
共に、前記光結合によって前記外部レーザを停止させて
もトランジスタ内のレーザ発振が継続される。

作用 ワイド・ギャップ・エミッタとワイド・ギャップ・コレ
クタは、エミッタ、コレクタよりもバンド・ギャップの
小さいベース層内に、キャリアと光を有効にとじ込める
作用をもつ。ベース層あるいはそれに接した半導体層に
形成した光共振装置は、ベース層内にとじ込められた光
の反射値であってこれによりレーザ発振を生起する。ベ
ース層へのバイアス電圧は、レーザ発振に必要な電流を
供給するためである。また外部からのレーザ光注入は、
光ポンピングによってしきい電流値を低下させる作用を
有する。この作用を光軸を合せて結合した２つのヘテロ
接合バイポーラ・トランジスタに適用する。

実施例 図は本発明の一実施例における半導体発光素子を示す。

１０１はｎ型のＩｎＰ基板、１０２はｎ型ＩｎＰ基板１
０１よりも不純物濃度が少ないｎ型ＩｎＰエピタキシャ
ル層で形成したコレクタ層、１０３はｐ型ＩｎＧａＡＳ
Ｐエピタキシャル層で形成したベース層、１０４はｎ型
ＩｎＰエピタキシャル層で形成したエミツタ層、１０５
はコレクタ層１０２とエミツタ層１０４の不純物濃度よ
りも高いｐ型ＩｎＰエピタキシャル層で形成したベース
電極層、１０６はムｕ、：Ｓｎなどによるコレクタ電極
、１０７と１０８はＡｕとＺｎなどによる第１および第
２のベース電極、１０９はＡｕ　とＳｎ　などによるエ
ミツタ電極、１１０は外部より１１７の第１発光素子に
注入する注入レーザ光、１１１は第１発光素子１１７よ
り発振された第ル−ザ光、１１２は第ル−ザ光の注入を
受けた第２発光素子１１８からの第２レーザ光、１１３
はエミッタ端子、１１４はベース端子１，１１６はベー
ス端子２′、１１゛６はコレクタ端子、１１７は第１発
光素子、１１８は第２発光素子を示す。

次に本実施例を半導体発光素子の製作工程について説明
する。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＰ層１０２
とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１ｏ３およびｎ型ＩｎＰ層１０
４を液相成長法などの結晶成長技術によって順次形成す
る。しかる後、フォトリソグラフィー技術によって、ｎ
型Ｉｒ１Ｐ層１０２、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０３およ
びｎ型ＩｎＰ層１０４をｎ型ＩｎＰ基板１０１上に凸状
にそして帯状に形成する。

エツチングには塩酸系、臭素・メタノール系などを用い
て形成する。、しかる後、帯状上部に絶縁膜等を載せた
ままｐ型ＩｎＰ層１０５によって側面を埋込む。電極金
属としてムｕ／Ｓｎ、ムｕ／Ｚｎ等を蒸着してコレクタ
、エミッタ、ベースの各電極を形成する。

本発明に係る素子の構成は、エミッタ層１０．４とコレ
クタ層１０２がベース層１０３に比ベバンド・ギャップ
・エネルギーの大きい材料でベース層１０３を挾んだい
わゆるダブル・ペテロ接合としたｎｐｎ型のダブル・ペ
テロ接合バイポーラ・トランジスタである。第１図にお
いて、レーザ光を発振させるためにレーザ光に垂直な面
にへき開法等によって形成したミラー面を有している。

ベース電極層１０６は、いわゆるグラフト・ベースと呼
ばれるものであって、ベース層１０３にベース電流を効
率的に供給するものである。

本実施例素子の光学的な構成は、ベース層１０３が光の
導波路として作用する。導波路（ベース層）１０３は縦
方向および横方向に屈折率の小さい材料で挾まれている
。その結果、導波路内に光がとじ込められる。さらに導
波路の横方向は電流注入による利得差によっても光が閉
じ込められる。

以上のように、ベース層１０３は屈折率差によって光を
閉じ込める導波路として動作するとともに、ダブルヘテ
ロ構造によって電子をも閉じ込める働らきをする。

本実施例の素子の配列において、エミッタ端子１１３に
対してベース端子１１４及び１１６にバイアス電圧を印
加し、各々のベース電流をレーザ発振しきい値電流工ｔ
ｈよりも若干低めに設定する。

コレクタ端子１１６はエミッタ端子１１３と同電位もし
くは開放にしておく。このようなバイアス状態では、第
１発光素子１１７および第２発光素子１１８はレーザ発
振を生じない。いま外部からベース層１０３の一部分に
レーザ光１１０を注入すればベース層１０３内において
キャリアの反転分布を生じ（いわゆる光ポンピング）レ
ーザ発振１１１を生じる。レーザ光１１１は、ベース層
ＩＱ３の光軸を一致させて光学的に結合した第２発光素
子１１８のベース層に注入される。その結果、第２発光
素子１１８もレーザ発振１１２を生じる。レーザ光１１
２は、前記と同じ理由から第１発光素子１１７のベース
層１０３に注入されるため、第１発光素子１１７のレー
ザ発振１１１を助長させる。それゆえに、外部からの注
入レーザ光１１０を停止しても、第１発光素子１１７及
び第２発光素子１１８のレーザ発振１１１及び１１２は
停止することなく保持される。これは、光メモリ動作を
示すものである。

図に示す実施例の素子配列において、４つのベース電極
に各々バイアスを与える。例えば、第１発光素子１１７
０ベース電極１０７にはしきい値電流Ｉｔｈよりも若干
大きい値の電流Ｉｔｈ＋ΔＩｔｈを与える。これに対応
する第２発光素子１１８のベース電極には、Ｉｔｈ−Δ
１ｔｈの電流を与える。

そして、第１発光素子１１７のベース電極１０８及びそ
れに対応した第２発光素子１１８のベース電極には、Ｉ
ｔｈ−ΔＩｔｈの電流を与えておく。この状態では、第
１発光素子１１７の第１ベース電極１０７側のベース層
１０３内でレーザ発振が生じているが、光学的に結合さ
れた第２発光素子１１８のベース層も、第１発光素子１
１７からのレーザ光の注入を受けてレーザ発振している
。外部よりレーザ光１１０を第１発光素子１１７の第２
ベース電極１０８側に注入すれば、光ポンピングによる
電子と正孔を局部的に発生してレーザ発振を生じる。こ
のとき、ホール・バーニング効果によって電子と正孔の
数が減少するので第１ベース電極１０７側のベース層内
に存在している電子と正孔が第２ベース電極１０８側に
供給される。

その結果、第１発光素子１１７の第１ベース電極１０７
側のレーザ発振が停止する。同時に、光結合していた第
２発光素子１１８のベース層内のレーザ発振も停止する
。そして外部よりレーザ光１１０を注入している間だけ
、第２ベース電極１０Ｂ側のベース層内でレーザ発振１
１１を生じる。これによって、第２発光素子１１８の光
結合されたベース層内にもレーザ発振１１２を生じ、こ
れらの帰還作用によって前記した如く外部からの注入レ
ーザ光１１０を停止してもレーザ発振１１１及びレーザ
発振１１２は保持される。

以上説明したように、本発明による発光素子の構成によ
れば、光のメモリ機能の働きを有するものである。さら
にエミッタ端子１１３に対してコレクタ端子１１６にバ
イアス電圧を印加して、コレクタ・ベース闇の接合が逆
バイアスになるようにすると、ベース層内にとじ込めら
れていた電子がトランジスタ動作によってコレクタ層１
０２に吸い込まれるため、メモリ機能は、リセットされ
る。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、光によるインバータ（
反転）作用とメモリ機能を持つ半導体発光素子を提供す
ることができる。すなわち、外部より注入するレーザ光
（実施例では１１０）を入力として、第１発光素子の第
１ベース電極側のレーザ発振を出力とする。レーザ光の
発振を“１″停止を“０”に対応させると、入力が“０
”で出力がｕｌ・、入力がｕｌ・で出力がｕｏ・になる
。

これは光によるインバータ作用を示すものであり、同時
に入力を停止しても出力状態を保持するメモリ機能が第
１発光素子に光学的に結合した第２発光素子によって可
能となった。更に、メモリ状態をリセットして最期状態
に戻すには、コレクタ端子に電圧を印加してトランジス
タ動作させることによって行われる。従来の光によるイ
ンバータやメモリは受光素子と発光素子とを組合せた電
気的な回路であった。そのため、電気的な速度の遅れを
生じていた。本発明に係る素子のインバータやメモリで
は、従来の回路でなく光学的に結合された機能素子とし
て動作する新しい半導体発光素子を提供するものであり
、工業的に価値あるものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例におけ−る半導体発光素子の構成
を示す斜視図である。 １０１・・・・・・半導体基板、１．０２・・・・・・
コレクタ層、１０３・・・・・・ベース層、１０４・・
・・・・エミツタ層、１０６・・川・ベース電極層、１
０６・・・・・・コレクタ電極、１０７・・・・・・第
１ベース電極、１０８・・川・第２ベース電極、１０９
・・・・・・エミッタ電極、１１０・・・・・・注入レ
ーザ光、１１１・・・・・・第２レーザ光、１１２パ°
′°・第２レーザ光、１１３・川・・エミッタ端子、１
１４・・・・・・ベース端子１，１１５・・・・・・ベ
ース端子２．１１６・・・・・・コレクタ端子、１１７
・・・・・・第１発光素子、１１８・・・・・・第２発
光素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタのベース層
   あるいはこのベース層に接する半導体層に光共振装置を
   設け、前記ベース層に電流を供給する少なくとも第１、
   第２、２つのベース電極を備えた第１、第２の発光素子
   の各々のベース層の光軸が一致するように構成してなる
   半導体発光素子。
2. （２）第１、第２の発光素子は各々電気的に分離され、
   各々の第１、第２のベース電極に発振しきい値電圧より
   も低い電圧を印加した状態において、第１の発光素子の
   ベース層の一部に外部よりレーザ光を注入して該領域に
   レーザ発振を生起せしめると共に、ベース層の光軸を一
   致して結合された第２の発光素子のベース層にレーザ発
   振を生起せしめ、前記外部レーザ光の注入を停止しても
   前記レーザ発振を維持するようにした特許請求の範囲第
   １項記載の半導体発光素子。
3. （３）ベース層の光軸を一致して結合された第１、第２
   の発光素子のコレクタ電極に、コレクタ・ベース間接合
   が逆バイアスされるように電圧を印加して、維持してい
   たレーザ発振を停止させ、初期状態に戻すようにした特
   許請求の範囲第１項記載の半導体発光素子。