JPS63169820A - 光電子集積回路 - 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］ この発明は光電子集積回路、特に高速光通信に用いられ
る受光用光電子集積回路に関する。

［従来の技術］ 今日光通信の発展は著しく、一層の高速化が要求されて
きている。このような光通信分野において、光信号を電
気信号に変換するための受光用光電子集積回路としては
、フォトダイオードのアノードと抵抗とを接続し、フォ
トダイオードと抵抗との共通接続点を電界効果トランジ
スタのゲート電極に接続する構成が一般に用いられてい
る。この構成においては、光信号がフォトダイオードへ
与えられると、すなわちフォトダイオードが光照射され
ると、そこを流れる電流が増加する。電流が増加すると
、負荷抵抗の両端の電位差が増大し、この電位差が電界
効果トランジスタのゲート電極に印加され、電界効果ト
ランジスタがオン状態となる。このオン状態の電界効果
トランジスタをドレイン電流が流れることにより、フォ
トダイオードに与えられた光信号に対応する電気信号が
得られることになる。

−力先信号が与えられないとき、すなわちフォトダイオ
ードに光が照射されない場合は、フォトダイオードには
電流はほとんど流れないので、負荷抵抗の両端の電位差
も小さくなり、応じて電界効果トランジスタのゲート電
極へ印加される電圧も小さくなって、電界効果トランジ
スタはオフ状態となる。

このように、フォトダイオードを流れる電流変化を負荷
抵抗両端の電圧変化として検出し、この変化電圧に応じ
て電界効果トランジスタをオン・オフさせて光信号に対
応したドレイン電流（電気信号）を取出す構成となって
いる。

［発明が解決しようとする問題点］ 光電子集積回路の応答速度は、電界効果トランジスタの
ゲート容量に蓄積される電荷の充放電時間により規定さ
れる。ゲート容量の充電はフォトダイオードを介して行
なわれ、かつ放電は負荷抵抗を介して行なわれる。ゲー
ト容量の放電時間はゲート容量と負荷抵抗の積で決定さ
れるので、この放電時間を小さくして高速で電界効果ト
ランジスタをオフさせるためには、負荷抵抗をできるだ
け小さくするのが望ましい。しかしながら、負荷抵抗を
小さくと、フォトダイオードの電流変化に対応して発生
する負荷抵抗両端の電位差変化が小さくなり、電界効果
トランジスタのゲート電位変化も小さくなる。この結果
、光信号に対応して正確に電界効果トランジスタがオン
・オフすることができなくなる場合が生じるため、光電
子集積回路の感度・増幅率が低下する。したがって、負
荷抵抗を充分小さくするには限度があるため、従来の負
荷抵抗を用いた光電子集積回路では高速光通信に対応で
きないという問題点があった。

それゆえ、この発明の目的は上述の従来の受光用光電子
集積回路の問題点を除去し、１ｏｃｂｐＳ以上の高速光
通信にも適用することのできる受光用光電子集積回路を
提供することである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る光電子集積回路は、フォトダイオードと
、フォトダイオードのアノードにその一方電極が接続さ
れかつそのゲート電極と他方電極とが接続された第１の
電界効果トランジスタと、フォトダイオードと第１の電
界効果トランジスタとの共通接続点にそのゲート電極が
接続される第２の電界効果トランジスタとで構成したも
のである。

［作用］ ゲート電極と他方導通端子とが接続された第１の電界効
果トランジスタは能動負荷として作用し、定電流源とし
て機能する。このため、第１の電界効果トランジスタは
、フォトダイオードの光照射時には第２の電界効果トラ
ンジスタのゲート電極へ大きな電圧を印加し、光非照射
時には第２の電界効果トランジスタのゲート電極へ小さ
な電圧を印加するとともに、第２の電界効果トランジス
タのゲート容量に蓄積された電荷を強制的に放電して、
第２の電界効果トランジスタを高速でオフさせる。

［発明の実施例］ 第１図はこの発明の一実施例である受光用光電子集積回
路の構成を示す回路図である。第１図において、この発
明の一実施例による光電子集積回路は、そのカソードが
第１の電位ＶＯＯに接続されるフォトダイオード１と、
そのドレインがフォトダイオード１のアノードに接続さ
れ、そのゲートとソースとが接続されるとともに第２の
電位Ｖｓｓ（但しＶＯ，ｐ　＞Ｖｓ　ｓ）に接続される
第１の電界効果トランジスタ２と、そのドレインが第１
の電位ＶＤＤに接続され、そのソースが第２の電位Ｖｓ
ｓに接続され、そのゲートがフォトダイオード１と第１
の電界効果トランジスタ２の共通接続点４に接続される
第２の電界効果トランジスタ３とから構成される。

第１の電界効果トランジスタ２は、負のしきい値電圧を
有するノーマリオン型の電界効果トランジスタで構成さ
れる。この第１の電界効果トランジスタ２としては、Ｍ
ＥＳＦＥＴ　（ショットキーゲート型電界効果トランジ
スタタ、接合型電界効果トランジスタなど）　、ＭＯＳ
ＦＥＴ　（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）および
ＨＥＭＴ　（高電子移動度電界効果トランジスタ）など
を用いることができる。

第２図は第１図に示されるフォトダイオードと第１の電
界効果トランジスタの電流−電圧特性を示す図である。

第２図において曲線ａは第１の電界効果トランジスタの
電流−電圧特性を示し、曲線すはフォトダイオード１の
電流−電圧特性を示す。次に、第１図および第２図を参
照してこの発明の一実施例である光電子集積回路の動作
について説明する。

フォトダイオード１に光が照射されると、そこを流れる
電流が増大する。フォトダイオード１と、能動負荷とし
て機能する第１の電界効果トランジスタ２とは直列に接
続されているため、そこを流れる電流は等しくなる。し
たがって、光照射時には第２図に示されるＡ点で示され
る電圧が能動負荷２に印加されることになり、応じて第
２の電界効果トランジスタ３のゲート電位にこのＡ点の
電位が与えられることになる。これに応答して第２の電
界効果トランジスタ３はオン状態となり、そこをドレイ
ン電流が流れ、光信号に応答した電気信号が得られる。

一方、フォトダイオード１に光が照射されない場合、フ
ォトダイオード１を流れる電流は減少し、共通接続点４
の電圧は第２図のＢ点で示される電圧となる。このＢ点
に示される電圧が第２の電界効果トランジスタ３に与え
られるため、第２の電界効果トランジスタ３はオフ状態
となる。

この回路構成においては、この回路の動作速度は第２の
電界効果トランジスタ３のゲート容量の電荷の充放電時
間により規定される。第２の電界効果トランジスタ３の
ゲート容量の充電は光照射時にはフォトダイオード１を
介して行なわれ、−力筒２の電界効果トランジスタ３の
ゲート容量の放電は電流源として機能する第１の電界効
果トランジスタ２を介し強制的に高速で行なわれる。こ
のため第２の電界効果トランジスタ３は高速でオン・オ
フすることが可能となり、高速光通信に対しても正確に
対応することのできる高速応答の光電子集積回路を実現
することができる。

第３図はこの発明による光電子集積回路の構造を示す概
略断面図である。第３図の構造において、インジウム燐
、ガリウム・砒素などの半絶縁性化合物半導体基板５表
面の所定領域にイオン注入法を用いてＮ型不純物である
シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）などの不純物イオンを注
入してイオン注入領域６を形成する。次に、フォトダイ
オードを形成するために、イオン注入領域６の所定領域
にＰ型不純物であるベリリウム（Ｂｅ）などの不純物イ
オンを注入し、第２のイオン注入領域７を形成する。次
にイオン注入領域６および７上の所定領域にオーミック
またはショットキーバリア型などの必要に応じた電極８
を形成し、各電極８を配線することにより第１図に示さ
れる回路構成を有する光電子集積回路が得られる。

第４図はこの発明による光電子集積回路の他の構造を示
す概略断面図である。第４図の構成においては、インジ
ウム・燐、ガリウム・砒素などの半絶縁性化合物半導体
基板５表面上にＮ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）や硫
黄（Ｓ）などの不純物をドープしたエピタキシャル層を
形成する。このＮ型エピタキシャル層にメサエッチング
を施してフォトダイオード１および第１の電界効果トラ
ンジスタとなるメサ領域９を形成する。次に、フォトダ
イオード１のメサ領域９にのみＰ型不純物であるベリリ
ウム（Ｂｅ）などの不純物イオンを注入することにより
ＰＮ接合を形成する。この後メサ領域９およびイオン注
入領域１０上に電極８を形成し、所定の配線を施すこと
により第１図に示される光電子集積回路を得ることがで
きる。

第５図はこの発明の光電子集積回路のさらに他の構造を
示す断面図である。第５図に示される構造においては、
半絶縁性化合物半導体基板５表面上にＮ型不純物イオン
をドープされたエピタキシャル層１１を成長させる。次
にエピタキシャル層１１に酸素（０２）　、ボロン（Ｂ
）またはプロトン（Ｈ）などの不純物を注入してイオン
注入領域１２を形成し、フォトダイオード１および第１
の電界効果トランジスタ２となるべき領域を電気的に分
離する。この後フォトダイオード１となるべき領域のエ
ピタキシャル層１１にＰ型不純物であるベリリウム（Ｂ
ｅ）などをイオン注入してＰＮ接合を形成する。この後
必要な電極８および配線を形成することにより第１図に
示される光電子集積回路が得られる。

なお、上記実施例においては、Ｎ型領域にＰ型不純物イ
オンを注入してフォトダイオード１を形成し、かつＮ型
領域に第１の電界効果トランジスタ２を形成しているが
、この逆にＰ型頭域にＮ型不純物イオンを注入してフォ
トダイオードを形成し、かつＰ型頭域に第１の電界効果
トランジスタを形成しても上記実施位と同様の効果を得
ることができる。

さらに上記実施例においては第１の電界効果トランジス
タの構造として概略的にＭＥＳＦＥＴの場合が示されて
いるが、ＭＯＳＦＥＴやＨＥＭＴを形成することも可能
である。

以上のようにこの発明による光電子集積回路の構造にお
いては、新たに複雑な製造プロセスを付加することなく
容易にフォトダイオードと第１の電界効果トランジスタ
とを同一基板上に集積化して形成することができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、フォトダイオードと
、ゲート電極と他方導通端子とが短絡された第１の電界
効果トランジスタとを直列に接続し、フォトダイオード
と第１の電界効果トランジスタの共通接続点を第２の電
界効果トランジスタのゲート電極に接続するように構成
したので、第２の電界効果トランジスタのゲート容量の
放電を電流源として機能する第１の電界効果トランジス
タを介して強制的に高速で行なうことができ、高速光通
信、特に１０Ｇｂｐｓ以上の高速光通信においても正確
に動作することのできる光電子集積回路を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である光電子集積回路の構
成を示す回路図である。第２図は第１図に示される回路
のフォトダイオードと第１の電界効果トランジスタの電
流−電圧特性を示す図である。第３図はこの発明による
光電子集積回路の構造を示す概略断面図である。第４図
はこの発明による光電子集積回路の他の構造を示す概略
断面図である。第５図はこの発明による光電子集積回路
のさらに他の構造を示す概略断面図である。 図において、１はフォトダイオード、２は第１の電界効
果トランジスタ、３は第２の電界効果トランジスタ、５
は半絶縁性化合物半導体基板、６゜７．１０はイオン注
入領域、８は電極、１２は素子分離用のイオン注入領域
である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１図 第２図 も氏

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アノードとカソードとを有し、そこへ照射される
   光に応答してそこを流れる電流が変化するフォトダイオ
   ードと、 その一方導通端子が前記フォトダイオードの前記アノー
   ドに接続され、その他方導通端子とゲート電極とが接続
   された第１の電界効果トランジスタと、 前記フォトダイオードと前記第１の電界効果トランジス
   タの共通接続点にそのゲート電極が接続される第２の電
   界効果トランジスタとを備える光電子集積回路。
2. （２）前記第１の電界効果トランジスタは負のしきい値
   電圧を持つノーマリオン型である、特許請求の範囲第１
   項記載の光電子集積回路。