JPH04176173A - 固体光空間変調素子 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、入射光に空間的（２次元）な変調を与える画
像を実時間で形成し、主に大画面デイスプレィ、光情報
処理、記憶素子等として利用される固体光空間変調素子
に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の固体空間変調素子の代表的なものとして
、光導電体−強誘電体結晶を組み合わせた素子が知られ
ている。この光導電体−強誘電体結晶の組み合わせ素子
は入力画像を光導電体によって強誘電体結晶への電荷分
布に変換し、この電荷分布によって生じる電圧が結晶を
透過する光を電気光学効果によって制御することを動作
原理とする。この素子の動作を以下に第５図を参照して
説明する。この図中、符号１は印加された電界の強度分
布に応じて、光の偏光角が変化するような電気光学結晶
を示す。この結晶としては、例えば、Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　
−Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３等が使用される。この結晶１の
一側面には誘電体ミラー２を介して光導電Ｈ料３か積層
されている。そして、これら電気光学結晶と光導電何科
の外端面には、夫々第１並びに第２の透明電極４，５が
設けられている。

前記電気光学結晶は、印加された電界の強度分４ｉに応
じて光の偏光角が変化するような電気光学結晶、例えば
、ＰＬＺＴやＬ　ＩＮ　ｂ　Ｏ３により形成されている
。前記両透明電極４，５は端子６，７を介して電源回路
８に接続されている。この電源回路８は、一方の端子６
に夫々接続され、互いに極性が反対の第１並びに第２の
直流電源８ａ。

８ｂと、他方の端子７に接続され、これら電源８ａ、８
ｂに選択的に接続される切り替えスイッチ９とを有する
。尚、図中符号ＬＷは入力画像の光を、ＬＲは読み出し
光を、そしてＬＥは人力画像を消去するための消去光を
夫々示し、矢印の方向から変調素子に入射される。

上記構成の従来の変調素子の動作を次ぎに説明する。

先ず、切り替えスイッチを図示のように第１の電源８ａ
側に接続し、画電極４，５間に正のバイアス電圧を印加
する。この状態で、入力画像の光ＬＷが入射されない時
は、光導電材料の電気抵抗が高いため、電気光学結晶の
両端には電界が印加されない。今、光導電材料に第２の
透明電極５を通して入力画像の光ＬＷを入射すると、光
導電材料の光入射部分の電気抵抗が下がり、入力画像の
光ＬＷに対応した電荷像が電気光学結晶と光導電）イ料
との界面に生じる。この結果、入射像に対応した強度分
布を持つ電界が電気光学結晶の両端面間に印加され、電
気光学効果により電気光学結晶中の分極ドメインは、光
学像の強度分布に対応した配列をとる。即ち、入力像が
電気光学結晶の分極ドメイン分布像に変換されて記憶さ
れる。この状態で、変調素子の電気光学結晶に第１の透
明電極４を通して読み出し光ＬＲを照射すると、読み出
し光ＬＲは電気光学結晶を通過して誘電体ミラー２に至
り、ここで反射されて透明電極４の方向に戻る。この戻
る反射光は、分極ドメイン分布像、即ち入力画像の情報
を含んでいる。この読み出し光ＬＲとして一様な強度分
布の光を使用すれば、反射光には入力画像がそのまま再
現されるので、この変調素子は光メモリ装置に利用でき
る。

一方、読み出し光ＬＲとして、ある画像情報を含んだ光
を使用すれば、反射光の画像は、この画像が電気光学結
晶に記憶された入力画像情報によって変調された画像と
なり、変調素子は並列光演算素子に応用可能となる。

前記変調索ｒの電気光学結晶に書き込まれた画像情報を
消去するのには、前記切り替えスイッチ９を第２の電源
８ｂへの接続に切り替えて、電極間４．５に逆バイアス
電圧を印加する。この状態で、入力画像の光ＬＷと同じ
方向から、−様な強度分布を持つ消去光ＬＥを第２の透
明電極５を通して変調素子に照射させる。この結果、消
去光ＬＥは光導電材料３の電気抵抗を一様に下げ、電気
光学結晶と光導電材料との界面にあった電荷像が消去さ
れる。かくして、電気光学結晶中の分極ドメインの分布
も一様となり、ここに記憶されていた情報が消失される
。

［当該発明が解決しようとする課題］ 上記のような構成の従来の変調素子においては、電気光
学結晶を大口径比に形成することが難しく、また印加電
圧が極力低くて済むように、電気光学結晶を薄くする加
工研磨が必要である等の製造上の問題がある。また、電
気光学結晶の光感度が悪いので、入力画像の光エネルギ
ーを大きくしなければならない、高い駆動電圧を必要と
する、応答速度（人力画像書き込み速度）が遅い等の素
子性能上の問題がある。

従って、本発明の目的は、上記製造上の問題と、素子性
能上の問題との両者を解決できる固体光空間変調素子を
提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の固体光空間変調素子は、光増幅機能を有する受
光素子を゛１′−導体基板に２次元アレイ状に形成し、
該受光素子の一方の主電極上に強誘電体膜と透明導電性
膜とを順次積層し、この透明導電性膜と受光素子の他方
の主電極との間にバイアス電圧が印加され、前記半導体
基板に情報光が入射されることを特徴とする。

また前記受光素子はバンチスルー型バイポーラトランジ
スター又は静電誘導トランジスターからなり、これらト
ランジスタの副電極はブローヤングとなっていることが
好ましい。

［作　用コ 書き込み時には、入力画像の光を受光素子に入射させる
。この入射光により受光素子は導通し、強誘電体膜を挟
む透明導電性膜と受光素子の電極との間にバイアス電圧
か印加される。この結果、強誘電体膜の分極ドメインが
反転され、情報が記憶される。読み出し時には、読み出
し光を透明電極側より強誘電体膜に入射させる。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例に係わる固体光空間変調素子を
、これの書き込み手段並びに読取り手段を白゛する走査
系と共に、添付図面を参照して、説明する。

走査系を示す第１図において、符号１０は固体光空間変
調素子を示し、透明絶縁基板１１上に、順次積層された
真性半導体層１２と強誘電体薄膜］３とを具備する。こ
れら真正半導体層１２と強誘電体薄膜１３とで透明絶縁
基板１］上に２次元アレイ状には配設された後述する多
数の変調セル１４を構成している。

前記固体光空間変調素子１０の透明絶縁基板１］側には
、これに対面するように結像レンズＬ］が設けられてい
る。この結像レンズＬ１は、図示していない光源からの
入力画像の光ＬＷを固体光空間変調素子］０に結像して
、入力画像を書き込む書き込み手段を構成している。一
方、固体光空間変調素子］０の強誘電体薄膜１３側には
、読取り手段が設けられている。この読取り手段は、−
様な強度分布の光を射出する照射光源Ｓと、この光を読
み出し光ＬＲとして固体光空間変調素子１０に照射させ
る照射レンズＬ２と、この照射レンズＬ２と固体光空間
変調素子１０との間に配置された偏光子Ｐ２とを具備す
る。この読取り手段は、また固体光空間変調素子１０か
らの反射光をスクリーン１５上に結像させる結像レンズ
Ｌ３と、前記偏光子Ｐ２とは直交するように、結像レン
ズＬ３と固体光空間変調素子１０との間に配置された検
光子Ｐ３とを具備する。

上記構成の走査系においては、記録は、人力画像の光Ｌ
Ｗを結像レンズＬ］を介して、固体光空間変調素子１０
に入射させることにより行う。

この入射入力画像の光ＬＷは、真正半導体層１２に結像
され、次に強誘電体薄膜１３に画像情報とし、個々の変
調セル１４に入射した光の強度として記憶される。この
ように記憶された画像情報の読み出しは、照射光源Ｓか
らの−様な強度分布を持つ光を照射レンズＬ２、偏光子
Ｐ２を通し、読み出し光ＬＲとして固体光空間変調素子
１０に垂直に照射することにより行う。この入射光は固
体光空間変調素子１０で角度θにて反射され、検光子Ｐ
３、結像レンズＬ３を介して、スクリーン１５上に結像
される。また、入力画像の消去は入力画像の光ＬＷの代
わりに、−様な強度分布を持つ消去光ＬＥを結像レンズ
Ｌ１を介して、固体光空間変調素子１０に照射すること
により行う。

次ぎに、上記固体光空間変調素子１０の増幅セルの１個
を、固体光空間変調素子］Ｏの一部の断面図である第２
Ａ図を参照して説明する。

前記透明絶縁基板１１は、透明ガラス板・又はサファイ
ヤのような透明単結晶基板で構成されており、この上に
は、前記真正半導体層］２が透明導電性膜２０を介して
積層されている。この実施例では、真正半導体層１２は
低濃度のｎ型不純物がドープされたｎ導電型の砒化ガリ
ウム層により構成されている。この真正半導体層］２の
下面中央には、ｎ＋導電型のコレクター領域２１が、前
記透明導電性膜（主電極）２０と電気的に接続するよう
に形成されている。そして、この真正半導体層１２の上
面には、中央にコレクター領域２１と対面するようにｎ
　導電型のエミッター領域２２が、またこのエミッター
領域２２を囲むようにｐ　導電型のベース領域２３（副
電極がブローヤングになっている）が、それぞれ形成さ
れている。このエミッター領域２２上を除いて、真正半
導体層１２の上面には誘電体絶縁膜２４が形成されてい
る。さらに、このエミッター領域２２の露出した上面並
びにこの周りの誘電体絶縁膜２４の上面の部分には金属
膜（主電極）２５が、エミッター領域２２と電気的に接
続するようにして取着されている。かくして、真正半導
体層１２には上記３つの領域２１，２２．２３を有する
パンチスルーホトトランジスターが設けられている。そ
して、前記金属膜２５を埋設するようにして、前記誘電
体絶縁膜２４上には前述した強１透電体薄膜１３が積層
され、さらにこの強誘電体薄膜１３上面には透明導電性
膜２６が取着されている。

上記構成の変調セル１４においては、使用時には図示の
ように直流電源２７を、これの負側を透明導電性膜２６
に、また正側を透明導電性膜２０に、それぞれ接続して
、トラントスターにバイアス電圧ＥＢをかける。この状
態で、入力画像書き込みのために、入力画像の光ＬＷを
透明絶縁基板１１を介して真正半導体層１２中に照射す
ると、ここに電子−正孔対が発生する。この電子−正孔
対のうち正孔はベース領域２３へと移動してここに蓄積
される。この結果、ベース領域２３の電位は高くなり、
エミッター領域２２から電子がベース領域２３に移動す
る。さらにこの電子はベース領域２３から真正半導体層
１２．ドレイン領域２１並びに透明導電性膜２０を順次
通って前記バイアス電圧ＥＢに流れる。この結果、エミ
ッター領域２２に接続されている金属膜２５は正に帯電
し、金属膜２５と透明導電性膜２６との間に位置する強
誘電体薄膜１３に厚み方向（上下方向）の電界が加わり
強誘電体の分極ドメインが反転し、情報が記憶される（
この状態を電気回路的に示すと第２Ｂ図のようになる。

尚、この図で、ＦＥは強誘電体キャパシタを示す。）。

一方、このようにして分極ドメインの正逆いずれかの反
転状態として強誘電体薄膜１３に記憶された情報を読み
出す時には、読み出し光ＬＲを透明導電性膜２６を介し
て固体光空間変調素子１０に照射する。この読み出し光
ＬＲは強誘電体薄膜１３を透過した後、金属膜２５で反
射され、再び強誘電体薄膜１３に戻る。この後は、第１
図を参照して説明した通りの過程を経て、スクリーン１
５上に情報が結像される。

次に第３Ａ図並びに第３Ｂ図、および第４図を参照して
、それぞれ別の実施例を説明する。なお、これら実施例
で、前記第１の実施例と実質的に同じ箇所は同じ符号を
付して説明を省略する。

第２の実施例を示す第３Ａ図において、真正半導体層１
２はｊ導電型を有し、この中には、コレクター領域２１
に代えてｎ　導電型のドレイン領域３１が、エミッター
領域２２に代えてｎ＋導電型のソース領域３２が、そし
てベース領域２３に代えて、ソース領域３２の下側を除
く周囲に形成されたｐ　導電型のゲート領域３３がそれ
ぞれ設けられており、これらで静電誘導ホトトランジス
ターが構成されている。

上記構成の第２の実施例の固体光空間変調歯ｒ・］０に
おいて、人力画像の光ＬＷを真正半導体層１２に透明絶
縁基板１１を介して、照射すると、前記ドレイン領域３
１．真正半導体層１２．ゲート領域３３からなるｎｉｐ
ミルダイオード電荷が発生し、これら電荷のうち正孔は
ゲート領域３３に移動し、蓄積される。この正孔の蓄積
によりゲート電位が上昇して、ドレイン領域３１とソー
ス領域３２との間の電位障壁が下がり、この結果、電子
がソース領域３２から、真正半導体層１２゜ドレイン領
域３１並びに透明導電性膜２０を順次介して外部電源２
７に流れる。従って、ソース領域３２は、即ち、金属膜
２５は正に帯電する（この状態を電気回路的に示すと第
３Ｂ図のようになる）。この後の強誘電体薄膜］３内で
の分極ドメインによる記憶動作、並びに読み出し光ＬＲ
による読み出し操作は前記第１の実施例と同じなので省
略する。

前記実施例では透明絶縁基板］１を介して入力画像の光
ＬＷを入射させているが、この透明絶縁基板１１は必ず
しも必要ではなく、直接真正半導体層１２に入力画像の
光ＬＷを照射しても良い。

この例を第４図を参照して説明する。図中符号４０は真
正半導体層１２の下面に形成された透明の誘電体絶縁膜
を示す。この誘電体絶縁膜４０の＝　１４− 中央には開口が形成されており、ｎ　導電型のドレイン
領域３１に電気的に接続された透明導電性膜２０が設け
られている。このドレイン領域３１の周囲には、これの
」二面を除いてｐ　導電型のゲート領域３３が形成され
ている。また真正半導体Ｉψ１２の上面には金属膜２５
と電気的に接続されたｎ　導電型のソース領域３２が、
設けられ、これら領域で静電誘導ホトトランジスターが
構成されている。このような構造の固体光空間変調素子
１０では、入力画像の光ＬＷは４０並びに透明導電性膜
２０を介して直接真正半導体層１２に入射され第にの実
施例と同様にして入力情報の書き込みが行われる。

以上説明した実施例では１個の変調セル１４について説
明したが、共通の半導体層（基板）１２にバンチスルー
型バイポーラトランジスターや静電誘導トランジスター
（ＳＩＴ）からなる半導体受光素子を２次元アレイ状に
多数形成することにより変調セル１４の二次元アレイを
形成して、固体光空間変調素子］０が構成されている。

＝　　１５　− ［効　果コ 本発明の固体光空間変調素子においては、電化像形成の
ために２次元受光素子アレイを使用しているので、通常
の半導体集積技術により大口径比のものが加工研磨等の
面倒な手間を必要としないで容易に形成することができ
る。また、これら受光素子で形成された変調セルは、同
時に光入力信号を並列して増幅できるので、高い駆動電
圧を必要とせず、また書き込みエネルギーが小さくても
良い。例えばＣｄＳのような光導電材料を使用した従来
の固体光空間変調素子に比べて、１／１００〜１．　／
　１０００のエネルギーですむ。そして、応答速度も早
くでき、例えば、従来のものに対して数１０ｍ５ｅｃか
ら数１０μｓｅｃ高速にすることができる。

【図面の簡単な説明】

図は第１の実施例の固体光空間変調素子の変調セルを示
す断面図、第２Ｂ図は同変調セルの等価回路図、第３Ａ
図は第２の固体光空間変調素子の変調セルを示す断面図
、第３Ｂ図は同変調セルの等価回路図、第４図は第３の
実施例の変調セルを示す断面図、そして第５図は従来の
固体光空間変調素子を説明するための図である。 １０・・・固体光空間変調素子、１１・・・透明絶縁基
板、１２・・・真正半導体層、１３・・・強誘電体薄膜
、］４・・・変調セル、２７・・・電源、ＬＷ・・・入
力画像の光、ＬＲ・・・読み出し光、ＬＥ・・・消去光
。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 ３タジＪさクダ電イ」Ｓヲぞ１Ｙ村シ【ＬＲ ＋＋ＬＷ ＬＲ ＬＷ　　　ＬＥ 第３Ａ図 第３Ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光増幅機能を有する受光素子を半導体基板に２次元
   アレイ状に形成し、該受光素子の一方の主電極上に強誘
   電体膜と透明導電性膜とを順次積層し、この透明導電性
   膜と受光素子の他方の主電極との間にバイアス電圧が印
   加され、前記半導体基板に情報光が入射されることを特
   徴とする固体光空間変調素子。 ２、前記受光素子はパンチスルー型バイポーラトランジ
   スター又は静電誘導トランジスターからなり、これらト
   ランジスタの副電極はブローヤングとなっていることを
   特徴とする請求項１に記載の固体光空間変調素子。