JPH0277036A - 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、同一の光入力強度に対し二つの異なった出力
光の安定状態を生ずる光双安定素子に関するものである
。

（従来の技術） 光論理演算や光情報処理などのいわゆる光コンピユーテ
イングは、光の特質、即ち高速性、並列性などの点から
、従来の計算方式として注目されている。この光コンピ
ユーテイングを行うためには、種々の光部品が必要であ
り、多くの提案がなされているが、そのうちのキーデバ
イスの一つとして光双安定素子がある。

従来、上記素子用の材料として誘電体を初めとして種々
の材料が用いられてきたが、レーザやディテクタとの整
合性の観点から半導体材料が選ばれ、例えば、エレクト
ロニクス・レターズ（ＥＩｅｃｔｒｏｎｌｃｓ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　）　２４巻、１頁、（１９８８年）に報告さ
れた光双安定素子が知られている。この素子の構成と動
作原理を、第２図及び第３図に基づいて以下に説明する
。

素子構成は、第２図に示すように、９層１ａと、ｎ層ｌ
ｂと、９層１ａとｎ層ｌｂとの間に挿入した１層ＩＣと
から構成され、光の入射に伴ない光電流を発生し、かつ
外部印加電圧を変化させることにより１層ＩＣ中の光の
透過率が変化するｐｉｎｌｎダイオード１単一の負性抵
抗素子２とが、ｐｉｎダイオード１で発生する光電流の
方向と、負性抵抗が出現する電流の方向とが一致するよ
うに直列に接続されたものである。また、この素子の両
端には定電圧電源３（電圧ＶＯ）が接続されている。

励起子吸収エネルギー近傍の光がｐｉｎｌｎダイオード
１層ＩＣに入射されると、光電流１ｐｈが発生する。第
３図に示すように、光電流１ｐｈが増加してピーク電流
値！ｐに達すると、負性抵抗索子２における電圧降下が
急増するため（ｖｐ−’ｖｐｐ＞ｐ１ｎダイオード１に
対する印加電圧が急激に減少すル（ＶＯ−Ｖｐ　−ＶＯ
−Ｖｐｐ）　、　Ｊｃノ結果、量子シュタルク効果、ま
たはフランツ・ケルデイツシュ効果により、１層ＩＣの
光の透過率が急激に増加する。

逆に、光電流１ｐｈが減少して谷（以下、バレイと称す
）電流値！Ｖに達すると、負性抵抗素子２における電圧
降下が急減するため（Ｖｖ→Ｖ　ｖｖ）、ｐｉｎｌｎダ
イオード１加電圧が急激に増加する（ＶＯＶｖ　−４Ｖ
ＯＶＶＶ）ｏ即ち、１層ＩＣの光の透過率が急激に減少
する。上記の動作原理により、Ｉｖ＜Ｉｐｈ＜ｉｐに対
応する光入力強度において、二つの異なった光出力強度
Ｌ１．Ｌ２（ただし、Ｌｌ＞Ｌ２）が得られる。

（発明が解決しようとする課８） しかしながら、上記光双安定素子によれば、負性抵抗索
子２が単一の素子で構成されているため、ピーク電流値
ｔｐにおける電圧変化ΔＶ（Ｖｐｐ−Ｖｐ）が小さい。

従って、光双安定素子の基本特性であるオンオフ比Ｒ（
−Ｌｌ　／Ｌ２　）が小さいという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、オンオフ比が大き
く、室温動作が可能で、かつ構成が簡単な光双安定素子
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、同一の光
入力強度に対し二つの異なった出力光の安定状態を生ず
る光双安定素子において、ｐ！２導電性を有するｐ層と
、ｎ型導電性を有するｎ層と、ｐ層とｎ層との間に挿入
した高抵抗で電気的絶縁性を有する１層とからなり、光
電流を発生し、かつ印加電圧に応じて１層中の光の透過
率が変化するｐｉｎダイオードと、複数個の負性抵抗素
子を直列に接続してなる負性抵抗素子群とを有し、前記
ｐｉｎダイオードと前記負性抵抗素子群を直列に接続し
た。

また、請求項（２）では、前記負性抵抗素子群の各負性
抵抗素子を、高濃度ドーピング９層と高濃度ドーピング
ｎ層とからなるエサキ型トンネルダイオードで構成し、
かつこれらエサキトンネルダイオードを極性を同じ向き
にして直列に接続した。

（作　用） 次に、第４図及び第５図に基づいて、請求項（１）及び
請求項（２）の作用を説明する。

第４図は、本発明による光双安定素子の等価回路を示す
図である。素子構成は、９層４ａと、０層４ｂと、９層
４ａと０層４ｂとの間に挿入した１層ＩＣとから構成さ
れた　ｐＩｎダイオード１と、Ｎ個の負性抵抗素子、例
えばトンネルダイオードＴＤＩ−ＴＤＮを極性が同じ向
きにして直列に接続した負性抵抗素子群（以下、マルチ
トンネルダイオードと称す。）５と、定電圧電Ｒ６とが
直列に接続されている。また、定電圧電源６は、ｐｉｎ
ダイオード４が逆バイアスされるように接続されている
。

この構成におけるＮ個直列型のマルチトンネルダイオー
ド５では、ピーク電流値Ｉｐ、バレイ電流値１ｖにおい
て、単一のトンネルダイオードに比べて、Ｎ倍の電圧変
化が得られる。そのメカニズムを、第５図に示すマルチ
トンネルダイオードの２１流電圧特性図に基づいて説明
する。ここでは、はぼ同じ特性のトンネルダイオードＴ
ＤＩ　。

ＴＤ２　、ＴＤ３を３個直列（第４図においてＮ−３）
に接続した場合の電流電圧特性を示している。

各トンネルダイオードＴＤＩ　、ＴＤ２　、ＴＤ３のピ
ーク７ｕ流、バレイ電流をそれぞれ トンネルダイオードＴＤＩでは、 Ｉｐ−ΔＩｐ、Ｉｖ−１ｖ トンネルダイオードＴＤ２では、 Ｉｐ、ＩＶ トンネルダイオードＴＤ３では、 Ｉｐ＋△ｒｐ、Ｉｖ＋△！Ｖ とする。またピーク電流に対応する電圧Ｖｐ。

ｖ　ｐｐ、バレイ電流に対応する電圧Ｖｖ、Ｖｖｖは、
全てのトンネルダイオードＴＤＩ、Ｔ２゜ＴＤ３で等し
いものとする。

この状態で、マルチトンネルダイオード５の順方向電流
をゼロから増加させていった場合、電圧は、３回不連続
に変化する。即ち、ピーク電流値（ｉｐ−ΔＩｐ　）　
テ３Ｖｐ　カラ（Ｖｌ）ｐ＋２Ｖｐ　）へ、ピーク電流
値１ｐで（Ｖｐｐ＋２Ｖｐ）から（２Ｖｐｐ＋ＶＯ）へ
、ピーク電流値（Ｉ＋ΔＩｐ）で（２Ｖｐｐ＋Ｖｐ）か
ら３Ｖｐｐへ変化する。

△１ｐが十分に小さければ、ピーク電流（ａｌｐでの電
圧変化ΔＶｐは、３（Ｖｐｌ）−Ｖｐ）となる。

この値は、単一のトンネルダイオードの場合の３倍であ
る。同様に、マルチトンネルダイオード５の順方向電流
を減少させていった場合のバレイ電流値ＩＶにおける電
圧変化ΔＶＶは単一のトンネルダイオードの３倍である
。

以上のように、マルチトンネルダイオードの電流電圧特
性は、単一のトンネルダイオードの特性に比べて複雑で
あり、従来は光双安定素子に用いられておらず、上記の
ような、解析が新になされて、マルチトンネルダイオー
ドが光双安定素子に採用され、これにより、光双安定素
子のオンオフ比を大きくできる。

（実施例） 第１図は、本発明による光双安定素子の第１の実施例を
示す構成図である。第１図において、１０はＧａＡｓ半
絶縁性基板、２１−１〜２１−Ｎはｎ　”　−Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ層２２とＰ”−ＧａＡｓ層２３とが積層されて構
成されたエサキ型トンネルダイオードで、これらＮ個の
エサキ型トンネルダイオード２１−１〜２１−Ｎを基板
１０上に配置し、かつ極性が同じ向きとなるように、絶
縁層１１並びに電極１２を用いて直列に接続して、いわ
ゆるマルチトンネルダイオード（負性抵抗素子群）２０
が構成されている。

３０はエサキ型トンネルダイオード２１−１上に配置さ
れたｐｉｎダイオードで、ｐ−ＡｇＧａＡｓ層（ｐ層）
３１、厚さ１００ＡのＧａＡｓ層と厚さ１００ＡのＡｉ
）ＧａＡｓ（ＡΩ組成０．３２）とを交互に５０周期積
層した多重量子井戸構造のアンドープ１層３２、ｎ−Ａ
ｇＧａＡｓ層（ｎ層）の順に積層されて構成されており
、光が入射されると先ｆｆ１ｉｙ［Ｉｐｈを発生し、か
つ印加電圧に応じて１層３２中の光の透過率が変化する
。

４０は定電圧電源で、（＋）側はｐｉｎダイオード３０
の０層３３上に形成された電極１３に、（−）側はマル
チトンネルダイオード２０の終端のエサキ型トンネルダ
イオード２１−Ｎに形成された電極１４にそれぞれ接続
されている。また、電極１３には、人力光をｐｉｎダイ
オード３０の１層３２に垂直に入射するように窓１３ａ
が形成され、かつ、Ｍ＆１０並びにエサキ型ダイオード
２１−１には、ｐｉｎダイオード３０の透過光、即ち出
力光の吸収損失を減らすための窓１５が形成されている
。

また、上記構成を有する光双安定素子の基本特性として
は、１．４５ｅＶの光に対する　ｐｊｎダイオード３０
の１層３２の吸収係数αは、逆バイアス電圧Ｖ［３−０
の場合２０００ｃｓ−’、逆パイ”ｉ’　スｔｇ圧ＶＢ
−５Ｖの場合５０００ｃ＋ｍ−’であり、単一の各エサ
キ型トンネルダイオード２１−１〜２１−Ｎにおいて、
ピーク電流値ｉｐ−１ｍＡ、　このピーク電流値１ｐに
おける各エサキ型トンネルダイオード２１−１〜２１−
Ｎにかかる電圧Ｖｐ　−０，０５及びＶｌ）ｌ）”０．
５　Ｖ、バレイ電流値１　ｖ　−０，１ｓｌ／　、この
バレイ電流値１ｖにおける各エサキ型トンネルダイオー
ド２１−１〜２１−Ｎにかかる電圧ＶＶ−０，２５Ｖで
ある。

このような構成の光双安定素子に、励起子吸収エネルギ
ー近傍の光がｐｉｎＩｎダイオード３０層３２に垂直に
入射されると、光電流！　ｐｈが発生する。ここで、光
電流１　ｐｈが増加してピーク電流値Ｉｐに達すると、
マルチトンネルダイオード２０全体における電圧降下が
急増するため、ｐｉｎＩｎダイオード３０する印加電圧
が急激に減少する。

その結果、１層３２の光の透過率が急激に増加する。

逆に、光電流Ｉ　Ｐｈが減少してバレイ電流値１ｖに達
すると、マルチトンネルダイオード２０全体における電
圧降下が急減するため、ｐｉｎＩｎダイオード３０加電
圧が急激に増加する。即ち、１層３２の光の透過率が急
激に減少する。このような動作により、Ｉｖ＜Ｉｐｈ＜
ｉｐに対応する光入力強度において、２つの異なった光
出力強度Ｌｌ。

Ｌ２　　（ただし、Ｌ　ｐｌ＞　Ｌ　ｐ２）が得られる
。

第６図は、上記した動作をなす第１図に示した光双安定
素子の、室温における光入力強度対光出力強度（Ｌ　Ｉ
ｎ　−Ｌ　ｏｕｔ　）特性を示す図であり、横軸は光入
力強度Ｌｌｎ、縦軸は光出力強度Ｌ　ｏｕｔを表してい
る。光のエネルギーは！、４５ｅＶ、定電圧電源４０に
よる印加電圧は５ｖで、マルチトンネルダイオード２０
は１０個のエサキ型トンネルダイオード２１−１〜２１
−１０　（Ｎ−１０）を直列に接続したｆＭ成とした素
子の特性（図中、実線矢印）を示し、かつ比較として、
単一のトンネルダイオードを採用した素子の特性（図中
、破線矢印）も示しである。

第６図かられかるように、マルチトンネルダイオードを
採用した光双安定素子のオンオフ比Ｒは“６ｍであり、
単一のトンネルダイオードを採用した光双安定素子のオ
ンオフ比Ｒ−１，２の５倍となっている。従って、マル
チトンネルダイオードを採用することにより、光双安定
素子のオンオフ比を大幅に大きくできることがわかる。

以上のように、本節１の実施例によれば、Ｎ個のエサキ
型トンネルダイオード２１−１〜２１−Ｎを極性を同じ
向きにして直列に接続したマルチトンネルダイオード２
０を採用して、このマルチトンネルダイオード２０と　
ｐ１ｎダイオード３０とを直列に接続し、かつその両端
に定電圧電源４０を接続した構成としたので、ピーク電
流値における電圧変化を大きくすることができる。これ
により、光双安定素子の基本特性であるオンオフ比を大
幅に大きくすることができ、しかも構成が簡単、　　で
、かつ室温動作が可能な光双安定素子を実現できる。

なお、本節１の実施例における各層の導電型は、第１図
に示す構造のものに限定されるものではなく、逆の構造
も可能であることはいうまでもない。

ｍ７図は、本発明による光双安定素子の第２の実施ｆｆ
１Ｊを示す構成図である。本節２の実施例と前記第１の
実施例の異なる点は、ｐｉｎＩｎダイオード３０層３２
への光の入射方向にある。即ち第１の実施例では、光を
ｐＩｎダイオード３０の１層３２に垂直方向に入射させ
る、いわゆる垂直入射型であるのに対して、本節２の実
施例では、光を１層３２に平行に入射させる、いわゆる
導波型としたことにある。従って、電極１３並びに、エ
サキ型ダイオード２１−１、基板１０に一形成した光の
入出射のための窓１３ａ並びに窓１５が不要となり、光
双安定素子の作製工程の削減を図れる。

その他の構成及び効果は前記第１の実施例と同様である
。

第８図は、本発明による光双安定素子の第３の実施例を
示す構成図である。本節３の実施例と前記第１の実施例
の異なる点は、各構成素子の配置にある。即ち、本節３
の実施例では、ｐ−ＧａＡＳ基板１０ａ上面にｐ１ｎダ
イオード３０を配置し、このｐｉｎダイオード３０の図
面に向かって左側上面にＮ個のエサキ型トンネルダイオ
ード２１−１〜２１−Ｎを、逆方向バイアスされたトン
ネル接合で、電気的に短絡状態として積層したマルチト
ンネルダイオード２０を配置する。さらに、エサキ型ト
ンネルダイオード２１−ＮのＰ”ＧａＡｓ層２３上に電
極１３ｂを、基板１０ａの下面に電極１４ａをそれぞれ
配置して、定電圧電［４０の（＋）側を電極１３ｂに、
（−）側を電極１４ａにそれぞれ接続しており、基板１
０ａに窓１５を形成して、ｐｉｎｌｎダイオード３０面
に向かって右側上面から光を１層３２に垂直方向に入射
させるようにしたことにある。

このような配置にしても、前記第１の実施例と同様の効
果が得られる。

また、第３の実施例の構造において、各層の導電型が逆
の構造、即ち、ｎ−ＧａＡｓＩＡ板上に各構成素子を積
層して配置した構造も可能である。

さらに、木筆３の実施例では、マルチトンネルダイオー
ド２０がｐ　Ｉ　ｎダイオード３０上に積層、配置され
ているが、逆の構造、即ちｐＩｎダイオード３０がマル
チトンネルダイオード２０の上に積層されている構造と
しても勿論よい。

なお、上記第１乃至第３の実施例においては、ＧａＡｓ
基板、ＧａＡｓマルチトンネルダイオード、Ａｆ　Ｇａ
Ａｓ／ＧａＡｓＭＱＷ　　ｐｉｎｌｎダイオードいたも
のであるが、以下に示すような材料系の素子を用いるこ
とも可能である。

■ＧａＡｓ、Ｗ板、ＧａＡｓマルチトンネルダイオード
、ｌ　ｎＧａＡｓ／　Ｉ　ｎＡＩ　ＡｓＭＱＷ　　ｐｉ
ｎｌｎダイオー ドＩｎＰ２Ｊｉ板、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓフルチト
ンマルチイオード、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｊ７Ａｓまた
はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＭＱＷ　ｐｉｎｌｎダイオー ド［ｎＰ基板、１ｎＰまたはＩ　ｎＧａＡｓＧａＡｓマ
ルチトンネルダイオード　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ
　ＰまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰＭＱＷ　ｐｉ
ｎダイオード、 などである。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、同一の光
入力強度に対し二つの異なった出力光の安定状態を生ず
る光双安定素子において、ｐ型導電性をＨするｐｆ？ｆ
１と、ｎ型導電性を有するｎ層と、ｐ層とｎ層との間に
挿入した高抵抗で電気的絶縁性を有するｉ層とからなり
、光電流を発生し、かつ印加電圧に応じて１層中の光の
透過率が変化するｐｉｎｌｎダイオード複数個の負性抵
抗素子を直列に接続してなる負性抵抗素子群とを有し、
前記ｐｉｎダイオードと前記負性抵抗素子群を直列に接
続したので、負性抵抗素子群のピーク？ｔｉａ値におけ
る電圧変化が、単一の負性抵抗素子を採用した素子より
も大幅に大きくなり、オンオフ比の大きな光双安定素子
を実現できる利点がある。また、モノリシック構成であ
るため、大規模な集積化に適し、複雑な光情報処理を高
い信頼性をもって行なうことができる。

また、請求項（２）によれば、前記負性抵抗素子群の各
負性抵抗素子を、高濃度ドーピング９層と高濃度ドーピ
ングｎ層とからなるエサキ型トンネルダイオードで構成
し、かつこれらエサキトンネルダイオードを極性を同じ
向きにして直列に接続したので、請求項（１）の効果に
加えて、構成の簡素化を図れ、かつ室温動作が可能な光
双安定素子を実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光双安定素子の第１の実施例を示
す構成図、第２図は従来の光双安定素子の等価回路図、
第３図は従来の光双安定素子の動作原理の説明図、第４
図は本発明による光双安定素子の等価回路図、第５図は
本発明による光双安定素子の電流電圧特性図、第６図は
第１図の光双安定素子の光入力強度対光出力強度特性図
、第７図は本発明による光双安定素子の第２の実施例を
示す構成図、第８図は本発明による光双安定素子の第３
の実施例を示す構成図である。 図中、４，３０・・・　ｐｉｎダイオード、４ａ・・・
ｐ層、４ｂ・・・ｎ層、４Ｃ・・・ｉ層、５．２０・・
・マルチトンネルダイオード（負性抵抗素子群）、６．
４０・・・定電圧電源、１０．　１０ａ−ＧａＡｓ基板
、１１・・・絶縁層、１２．１３，１３ｂ、１４，１４
ａ＝−電極、２０−１〜２ＯＮ・・・エサキ型トンネル
ダイオード、２２−ｎ”−ＧａＡｓ層、２３・・・ｐ＋
＋−ＧａＡｓ層、３１−ｐ　−Ａ　ｆＩＧ　ａ　Ａ　ｓ
層（ｐ層）、３２−Ａｆｔ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ層（ｉ
層）、３３−ｎ−Ａｌ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層（ｎ層）。 第２図 光電流（Ｉｐｈ） 鞠ＦＩｌｔｓｌｌ圭＋８チ（マル十トンネルタイ４−ド
）第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一の光入力強度に対し二つの異なった出力光の
   安定状態を生ずる光双安定素子において、ｐ型導電性を
   有するｐ層と、ｎ型導電性を有するｎ層と、ｐ層とｎ層
   との間に挿入した高抵抗で電気的絶縁性を有するｉ層と
   からなり、光電流を発生し、かつ印加電圧に応じてｉ層
   中の光の透過率が変化するｐｉｎダイオードと、 複数個の負性抵抗素子を直列に接続してなる負性抵抗素
   子群とを有し、 前記ｐｉｎダイオードと前記負性抵抗素子群を直列に接
   続した ことを特徴とする光双安定素子。
2. （２）前記負性抵抗素子群の各負性抵抗素子を、高濃度
   ドーピングｐ層と高濃度ドーピングｎ層とからなるエサ
   キ型トンネルダイオードで構成し、かつこれらエキサ型
   トンネルダイオードを極性を同じ向きにして直列に接続
   した請求項（１）記載の光双安定素子。