JPH04336474A - 半導体光機能素子 - Google Patents
半導体光機能素子Info
- Publication number
- JPH04336474A JPH04336474A JP3107422A JP10742291A JPH04336474A JP H04336474 A JPH04336474 A JP H04336474A JP 3107422 A JP3107422 A JP 3107422A JP 10742291 A JP10742291 A JP 10742291A JP H04336474 A JPH04336474 A JP H04336474A
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- light emitting
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】二次元光情報処理用の基本素子と
なる光演算素子等に応用される半導体光機能素子に関し
、特に、半導体による発光部と受光部をモノリシックに
集積化した半導体光機能素子に関する。
なる光演算素子等に応用される半導体光機能素子に関し
、特に、半導体による発光部と受光部をモノリシックに
集積化した半導体光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、集積型の半導体光機能素子として
は、図４に示す構造のものが提案されている（特願平２
−７３９０８号）。図４に示す半導体光機能素子は、ｎ
−ＧａＡｓ基板２２上にｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
エミッタ層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層２５，ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｎ型クラッド層２６，ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｐ型クラッド層２７，ｐ−ＧａＡｓキャップ層２８を
順に積層した構造である。また、基板２２の裏にはｎ側
オーミック電極２１、キャップ層２８の上にはｐ側オー
ミック電極２９が形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓ
キャップ層２８は部分的に除かれて入出力光の窓１３と
なっている。このような構造の半導体光機能素子におい
て、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２
６とｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層２
７は発光ダイオード（ＬＥＤ）４１を構成し発光部とし
て働き、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ層２
３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−ＧａＡｓコレクタ
層２５はヘテロ接合フォトトランジスタ４０を構成し受
光素子として働く。そして、発光部のＬＥＤ４１から受
光部のフォトトランジスタ４０へ素子内部において正の
光帰還があり、このことによって、図６の入力光強度−
出力光強度特性に示すように、入力光強度と出力光強度
の間に光機能素子特有の、光微分利得特性ａ，光双安定
特性ｂ，光スイッチ特性ｃといった非線形、又はヒステ
リシス特性を持たせることができる。この光機能素子の
３つの特性（図６のａ，ｂ，ｃ）が実現される原理は、
発光部のＬＥＤ４１からの発光があることを除けばフォ
トサイリスタと全く同じである。つまり、図５に示すよ
うに光機能素子の電流−電圧特性が入射光の強度によっ
て変化し、光機能素子に直列に接続した負荷抵抗４２に
よる負荷線（図５のｄ）上のみで素子の状態が決まるの
で、負荷抵抗４２やバイアス電圧４３を変化させること
で３つの特性（図６のａ，ｂ，ｃ）が実現されるのであ
る。
は、図４に示す構造のものが提案されている（特願平２
−７３９０８号）。図４に示す半導体光機能素子は、ｎ
−ＧａＡｓ基板２２上にｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
エミッタ層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層２５，ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｎ型クラッド層２６，ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｐ型クラッド層２７，ｐ−ＧａＡｓキャップ層２８を
順に積層した構造である。また、基板２２の裏にはｎ側
オーミック電極２１、キャップ層２８の上にはｐ側オー
ミック電極２９が形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓ
キャップ層２８は部分的に除かれて入出力光の窓１３と
なっている。このような構造の半導体光機能素子におい
て、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２
６とｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層２
７は発光ダイオード（ＬＥＤ）４１を構成し発光部とし
て働き、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ層２
３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−ＧａＡｓコレクタ
層２５はヘテロ接合フォトトランジスタ４０を構成し受
光素子として働く。そして、発光部のＬＥＤ４１から受
光部のフォトトランジスタ４０へ素子内部において正の
光帰還があり、このことによって、図６の入力光強度−
出力光強度特性に示すように、入力光強度と出力光強度
の間に光機能素子特有の、光微分利得特性ａ，光双安定
特性ｂ，光スイッチ特性ｃといった非線形、又はヒステ
リシス特性を持たせることができる。この光機能素子の
３つの特性（図６のａ，ｂ，ｃ）が実現される原理は、
発光部のＬＥＤ４１からの発光があることを除けばフォ
トサイリスタと全く同じである。つまり、図５に示すよ
うに光機能素子の電流−電圧特性が入射光の強度によっ
て変化し、光機能素子に直列に接続した負荷抵抗４２に
よる負荷線（図５のｄ）上のみで素子の状態が決まるの
で、負荷抵抗４２やバイアス電圧４３を変化させること
で３つの特性（図６のａ，ｂ，ｃ）が実現されるのであ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す構造の光機能素子では、光の入力によりフォトトラ
ンジスタ４０がオンして大量の電流が素子に流れだすと
、フォトトランジスタ４０を受光素子として使用してい
るにもかかわらず、受光部自身から発光を生じるという
問題がある。この発光の機構は、図７のバンドダイアグ
ラムに示すように、基板２２側を負、ｐ側電極２９を正
としてバイアス電圧を印加しておくと、光の入力により
フォトトランジスタ４０がオンし、ベース２４−コレク
タ２５間が順バイアスされ、ベース２４における多数キ
ャリア即ちコレクタ２５における少数キャリアの拡散に
起因した電流５３が流れ、直接遷移型のＧａＡｓベース
において再結合による発光が生じることで説明される。 この受光部からの発光６２は、本来の発光部からの発光
６１に対してノイズ成分となるため、好ましくなく、素
子特性を低下する原因となる。本発明は上記事情に鑑み
てなされたものであって、上述の半導体光機能素子にお
いて、ノイズ成分となる受光部での発光を取り除き、素
子の特性を向上させることを目的とする。
示す構造の光機能素子では、光の入力によりフォトトラ
ンジスタ４０がオンして大量の電流が素子に流れだすと
、フォトトランジスタ４０を受光素子として使用してい
るにもかかわらず、受光部自身から発光を生じるという
問題がある。この発光の機構は、図７のバンドダイアグ
ラムに示すように、基板２２側を負、ｐ側電極２９を正
としてバイアス電圧を印加しておくと、光の入力により
フォトトランジスタ４０がオンし、ベース２４−コレク
タ２５間が順バイアスされ、ベース２４における多数キ
ャリア即ちコレクタ２５における少数キャリアの拡散に
起因した電流５３が流れ、直接遷移型のＧａＡｓベース
において再結合による発光が生じることで説明される。 この受光部からの発光６２は、本来の発光部からの発光
６１に対してノイズ成分となるため、好ましくなく、素
子特性を低下する原因となる。本発明は上記事情に鑑み
てなされたものであって、上述の半導体光機能素子にお
いて、ノイズ成分となる受光部での発光を取り除き、素
子の特性を向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明は、半導体基板上に受光部があり、さらにその
上に発光部があり、発光部側に設けられた窓部より入力
光及び出力光が入出力する形式の半導体光機能素子であ
って、上記発光部を構成する半導体材料の禁制帯巾が入
力光の主ピークエネルギーより大きいものであり、上記
受光部を構成する半導体材料の禁制帯巾は入力光の主ピ
ークエネルギーに等しいかそれより小さく、上記発光部
から発生した出力光の一部は受光部に帰還し受光部で吸
収される光帰還効果により入力光強度と出力光強度の間
に非線形な応答を有することを特徴とする半導体光機能
素子において、上記発光部と受光部の間に、その両側に
接する半導体材料の何れよりも禁制帯巾が大きく且つ同
一の導電型である層を設けたことを特徴とするものであ
る。
、本発明は、半導体基板上に受光部があり、さらにその
上に発光部があり、発光部側に設けられた窓部より入力
光及び出力光が入出力する形式の半導体光機能素子であ
って、上記発光部を構成する半導体材料の禁制帯巾が入
力光の主ピークエネルギーより大きいものであり、上記
受光部を構成する半導体材料の禁制帯巾は入力光の主ピ
ークエネルギーに等しいかそれより小さく、上記発光部
から発生した出力光の一部は受光部に帰還し受光部で吸
収される光帰還効果により入力光強度と出力光強度の間
に非線形な応答を有することを特徴とする半導体光機能
素子において、上記発光部と受光部の間に、その両側に
接する半導体材料の何れよりも禁制帯巾が大きく且つ同
一の導電型である層を設けたことを特徴とするものであ
る。
【０００５】
【作用】以下、本発明の構成・動作及び作用について説
明する。本発明では、図２のバンドダイアグラムに示す
ように、半導体光機能素子の発光部４１で消費されずに
受光部４０に拡散されるキャリアに起因した電流を阻止
する層（ブロック層）３０を、受光部４０と発光部４１
の間に挿入することによって、受光部４０における不用
な発光を抑える方法を半導体光機能素子に用いたもので
ある。上記ブロック層３０の構成は、この層に接する発
光部４１，受光部４０の両方の半導体材料より禁制帯巾
が大きく且つ同一の導電型に設定されているものとする
。例えば、発光部４１がＰＮ接合の発光素子（例えば発
光ダイオードや半導体レーザー）、受光部４０を第一導
電型／第二導電型（ベース層）／第一導電型が積層され
た構造のフォトトランジスタ（ＮＰＮ型またはＰＮＰ型
）とし、第一導電型ブロック層と、この層に接する受光
素子側の第一導電型コレクタ層との価電子帯のエネルギ
ーの差をΔＥｖ とする。
明する。本発明では、図２のバンドダイアグラムに示す
ように、半導体光機能素子の発光部４１で消費されずに
受光部４０に拡散されるキャリアに起因した電流を阻止
する層（ブロック層）３０を、受光部４０と発光部４１
の間に挿入することによって、受光部４０における不用
な発光を抑える方法を半導体光機能素子に用いたもので
ある。上記ブロック層３０の構成は、この層に接する発
光部４１，受光部４０の両方の半導体材料より禁制帯巾
が大きく且つ同一の導電型に設定されているものとする
。例えば、発光部４１がＰＮ接合の発光素子（例えば発
光ダイオードや半導体レーザー）、受光部４０を第一導
電型／第二導電型（ベース層）／第一導電型が積層され
た構造のフォトトランジスタ（ＮＰＮ型またはＰＮＰ型
）とし、第一導電型ブロック層と、この層に接する受光
素子側の第一導電型コレクタ層との価電子帯のエネルギ
ーの差をΔＥｖ とする。
【０００６】図２に示すとおり、両者の導電型が等しい
ので、ΔＥｖ はほぼ互いに接する層の禁制帯巾の差に
相当し、伝導帯側には電子の流れを阻止するバリアがほ
とんど無くなることがわかる（図２では例としてＮＰＮ
型のフォトトランジスタを示している）。受光素子に光
が入力してオン状態になったとき、全ての接合が順バイ
アスとなるので、ＰＮ接合のごく近傍にだけ電場が集中
し、その他の領域の電場を無視できるから、電場が無視
できた領域では、平衡状態からの各領域における少数キ
ャリアの拡散のみで電流を考えることが可能となる。こ
こで、少数キャリアのエネルギー分布はボルツマン分布
で近似できるので、発光素子側に対するブロック層３０
の過剰な少数キャリアの比は、ｅｘｐ（−ΔＥｖ／ｋＢ
Ｔ）となる（ｋＢ はボルツマン定数、Ｔは絶対温度を
表す）。従って、ΔＥｖ がｋＢＴ の数倍であれば比
の値は十分小さく、少数キャリア（この場合は正孔とな
る）の拡散を阻止できて、その結果、正孔の流入による
受光部（ここではベース層）での発光を抑制できる。
ので、ΔＥｖ はほぼ互いに接する層の禁制帯巾の差に
相当し、伝導帯側には電子の流れを阻止するバリアがほ
とんど無くなることがわかる（図２では例としてＮＰＮ
型のフォトトランジスタを示している）。受光素子に光
が入力してオン状態になったとき、全ての接合が順バイ
アスとなるので、ＰＮ接合のごく近傍にだけ電場が集中
し、その他の領域の電場を無視できるから、電場が無視
できた領域では、平衡状態からの各領域における少数キ
ャリアの拡散のみで電流を考えることが可能となる。こ
こで、少数キャリアのエネルギー分布はボルツマン分布
で近似できるので、発光素子側に対するブロック層３０
の過剰な少数キャリアの比は、ｅｘｐ（−ΔＥｖ／ｋＢ
Ｔ）となる（ｋＢ はボルツマン定数、Ｔは絶対温度を
表す）。従って、ΔＥｖ がｋＢＴ の数倍であれば比
の値は十分小さく、少数キャリア（この場合は正孔とな
る）の拡散を阻止できて、その結果、正孔の流入による
受光部（ここではベース層）での発光を抑制できる。
【０００７】尚、ブロック層３０の禁制帯巾は、この層
に接する受光部４０，発光部４１の両方の禁制帯巾より
大きいので、発光素子から受光素子へ正帰還する光に対
して透明であるから、光機能素子の入出力光強度の間の
非線形特性またはヒステリシス特性を損なわない。また
、上記の第一導電型と第二導電型の組合せは、Ｎ型とＰ
型またはＰ型とＮ型という二種類のどちらでも良い。尚
、各層の厚さとキャリア濃度は、次に示す程度であれば
良い特性が得られる。 エミッタ層 ：厚さ；０．２〜１（μｍ）
，キャリア濃度；１０１６〜１０１７（１／ｃｍ３）
ベース層 ：厚さ；１００Å〜０．５μ
ｍ，キャリア濃度；１０１８〜１０２０（１／ｃｍ３）
コレクタ層 ：厚さ；０．５〜３（μｍ）
，キャリア濃度；１０１３〜１０１７（１／ｃｍ３）
ブロック層 ：厚さ；０．１〜２（μｍ）
，キャリア濃度；１０１７〜１０２０（１／ｃｍ３）
ｎ型クラッド層：厚さ；０．５〜３（μｍ） ，
キャリア濃度；１０１７〜１０１８（１／ｃｍ３）
活性層 ：厚さ；１００Å〜３μｍ
，キャリア濃度；１０１３〜１０１８（１／ｃｍ３）
ｐ型クラッド層：厚さ；０．５〜３（μｍ） ，キ
ャリア濃度；１０１７〜１０１８（１／ｃｍ３） キ
ャップ層 ：厚さ；１〜１０（μｍ） ，キ
ャリア濃度；１０１８〜１０２０（１／ｃｍ３）
に接する受光部４０，発光部４１の両方の禁制帯巾より
大きいので、発光素子から受光素子へ正帰還する光に対
して透明であるから、光機能素子の入出力光強度の間の
非線形特性またはヒステリシス特性を損なわない。また
、上記の第一導電型と第二導電型の組合せは、Ｎ型とＰ
型またはＰ型とＮ型という二種類のどちらでも良い。尚
、各層の厚さとキャリア濃度は、次に示す程度であれば
良い特性が得られる。 エミッタ層 ：厚さ；０．２〜１（μｍ）
，キャリア濃度；１０１６〜１０１７（１／ｃｍ３）
ベース層 ：厚さ；１００Å〜０．５μ
ｍ，キャリア濃度；１０１８〜１０２０（１／ｃｍ３）
コレクタ層 ：厚さ；０．５〜３（μｍ）
，キャリア濃度；１０１３〜１０１７（１／ｃｍ３）
ブロック層 ：厚さ；０．１〜２（μｍ）
，キャリア濃度；１０１７〜１０２０（１／ｃｍ３）
ｎ型クラッド層：厚さ；０．５〜３（μｍ） ，
キャリア濃度；１０１７〜１０１８（１／ｃｍ３）
活性層 ：厚さ；１００Å〜３μｍ
，キャリア濃度；１０１３〜１０１８（１／ｃｍ３）
ｐ型クラッド層：厚さ；０．５〜３（μｍ） ，キ
ャリア濃度；１０１７〜１０１８（１／ｃｍ３） キ
ャップ層 ：厚さ；１〜１０（μｍ） ，キ
ャリア濃度；１０１８〜１０２０（１／ｃｍ３）
【０００８】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。図
１は本発明の一実施例を示す半導体光機能素子の断面図
である。図１において、本実施例の半導体光機能素子は
、ｎ−ＧａＡｓ基板２２上にｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６
Ａｓ エミッタ層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ
−ＧａＡｓコレクタ層２５，ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４
Ａｓブロック層３０，ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｎ型クラッド層２６，無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ
活性層３１，ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラ
ッド層２７，ｐ−ＧａＡｓキャップ層２８を順に積層し
た構造である。また、基板２２の裏にはＮ型オーミック
電極２１、キャップ層２８の上にはＰ型オーミック電極
２９が形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓキャップ層
２８は部分的に除かれて入出力光の窓１３となっている
。また、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓｎ型クラッド層
２６，無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活性層３１，
ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層２７は
発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成し発光部４１として働
き、基板側のｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ
層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−ＧａＡｓコレ
クタ層２５はフォトトランジスタを構成し受光部４０と
して働く。
１は本発明の一実施例を示す半導体光機能素子の断面図
である。図１において、本実施例の半導体光機能素子は
、ｎ−ＧａＡｓ基板２２上にｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６
Ａｓ エミッタ層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ
−ＧａＡｓコレクタ層２５，ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４
Ａｓブロック層３０，ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ
ｎ型クラッド層２６，無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ
活性層３１，ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラ
ッド層２７，ｐ−ＧａＡｓキャップ層２８を順に積層し
た構造である。また、基板２２の裏にはＮ型オーミック
電極２１、キャップ層２８の上にはＰ型オーミック電極
２９が形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓキャップ層
２８は部分的に除かれて入出力光の窓１３となっている
。また、ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓｎ型クラッド層
２６，無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活性層３１，
ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層２７は
発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成し発光部４１として働
き、基板側のｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ
層２３，ｐ−ＧａＡｓベース層２４，ｎ−ＧａＡｓコレ
クタ層２５はフォトトランジスタを構成し受光部４０と
して働く。
【０００９】発光部４１を構成する発光ダイオードは発
光効率を向上させるためにダブルヘテロ接合構造をとっ
ている。また、受光部４０はエミッタ２３からベース２
４への電子の注入効率を上げるため、禁制帯巾の大きい
エミッタを用いたヘテロ接合フォトトランジスタである
。ブロック層３０はＮ型で、発光ダイオードから再結合
できずに溢れて拡散した正孔を阻止するため、発光ダイ
オード側のｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ と、フォト
トランジスタ側のｎ−ＧａＡｓより禁制帯巾が大きいｎ
−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ を用いた。また、ｎ−Ａ
ｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブロック層３０は、発光ダイ
オードのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活性層３１より禁
制帯巾が広いため、発光ダイオードからの発光に対して
透明であり、発光ダイオードからフォトトランジスタへ
の正帰還の妨げとはならず、光機能素子特有の入出力光
強度間の非線形またはヒステリシス特性（即ち、光微分
利得，光双安定，光スイッチ機能）が現われる。また、
ブロック層３０により阻止された正孔はフォトトランジ
スタへ拡散せず、フォトトランジスタのｐ−ＧａＡｓベ
ース層２４での発光を抑制できる。
光効率を向上させるためにダブルヘテロ接合構造をとっ
ている。また、受光部４０はエミッタ２３からベース２
４への電子の注入効率を上げるため、禁制帯巾の大きい
エミッタを用いたヘテロ接合フォトトランジスタである
。ブロック層３０はＮ型で、発光ダイオードから再結合
できずに溢れて拡散した正孔を阻止するため、発光ダイ
オード側のｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ と、フォト
トランジスタ側のｎ−ＧａＡｓより禁制帯巾が大きいｎ
−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ を用いた。また、ｎ−Ａ
ｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブロック層３０は、発光ダイ
オードのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活性層３１より禁
制帯巾が広いため、発光ダイオードからの発光に対して
透明であり、発光ダイオードからフォトトランジスタへ
の正帰還の妨げとはならず、光機能素子特有の入出力光
強度間の非線形またはヒステリシス特性（即ち、光微分
利得，光双安定，光スイッチ機能）が現われる。また、
ブロック層３０により阻止された正孔はフォトトランジ
スタへ拡散せず、フォトトランジスタのｐ−ＧａＡｓベ
ース層２４での発光を抑制できる。
【００１０】次に、本発明による半導体光機能素子の製
造プロセスについて図３を参照して説明する。先ず、図
３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２２上に、ｎ
−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ層２３（厚さ；
１μｍ，キャリア濃度；１×１０１７／ｃｍ３）、ｐ−
ＧａＡｓベース層２４（０．１μｍ，１×１０１８／ｃ
ｍ３）、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層２５（１μｍ，１×１
０１５／ｃｍ３）、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブ
ロック層３０（１μｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、ｎ−
Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２６（１μ
ｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、無添加Ａｌ０．２Ｇａ０
．８Ａｓ 活性層３１（０．１μｍ，１×１０１５／ｃ
ｍ３）、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド
層２７（１μｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、ｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層２８（０．５μｍ，２×１０１８／ｃｍ３
）、を順に有機金属気相成長法を用いて積層する。続い
て、図３（ｂ）のように、フォトリソグラフィー技術に
より作製したエッチングマスクを用いて、ＮＨ４ＯＨ：
Ｈ２Ｏ２＝１：２０，４０℃という条件のもとで、ｐ−
ＧａＡｓキャップ層２８を選択的にエッチングして、光
の入出力窓１３を形成する。次に、ｐ側電極ＡｕＺｎ／
Ａｕをキャップ層２８の上に蒸着し、リフトオフ法によ
り電極のパターンを形成する。そして最後に、図３（ｃ
）のように、ｎ−ＧａＡｓ基板２２の裏面側をアルミナ
の粉末を用いて１００μｍの厚さにラッピングしてｎ側
オーミック電極ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、プロセ
スを終了する。
造プロセスについて図３を参照して説明する。先ず、図
３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２２上に、ｎ
−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミッタ層２３（厚さ；
１μｍ，キャリア濃度；１×１０１７／ｃｍ３）、ｐ−
ＧａＡｓベース層２４（０．１μｍ，１×１０１８／ｃ
ｍ３）、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層２５（１μｍ，１×１
０１５／ｃｍ３）、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブ
ロック層３０（１μｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、ｎ−
Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２６（１μ
ｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、無添加Ａｌ０．２Ｇａ０
．８Ａｓ 活性層３１（０．１μｍ，１×１０１５／ｃ
ｍ３）、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド
層２７（１μｍ，１×１０１８／ｃｍ３）、ｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層２８（０．５μｍ，２×１０１８／ｃｍ３
）、を順に有機金属気相成長法を用いて積層する。続い
て、図３（ｂ）のように、フォトリソグラフィー技術に
より作製したエッチングマスクを用いて、ＮＨ４ＯＨ：
Ｈ２Ｏ２＝１：２０，４０℃という条件のもとで、ｐ−
ＧａＡｓキャップ層２８を選択的にエッチングして、光
の入出力窓１３を形成する。次に、ｐ側電極ＡｕＺｎ／
Ａｕをキャップ層２８の上に蒸着し、リフトオフ法によ
り電極のパターンを形成する。そして最後に、図３（ｃ
）のように、ｎ−ＧａＡｓ基板２２の裏面側をアルミナ
の粉末を用いて１００μｍの厚さにラッピングしてｎ側
オーミック電極ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、プロセ
スを終了する。
【００１１】さて、本発明による半導体光機能素子の特
徴であるブロック層のための必要となる条件は、前述の
構成・動作の説明のところで述べたように、禁制帯巾を
Ｅｇとすると、Ｅｇ（ベース）＜Ｅｇ（活性層）＜Ｅｇ
（クラッド層）＜Ｅｇ（ブロック層）と、ブロック層の
禁制帯巾がその周辺の層の禁制帯巾より大きく、正孔の
拡散を抑えるように設定することである。例えばｎ型ク
ラッド層２６とブロック層３０での少数キャリアである
正孔の濃度比は、上記の組成で室温において３／１０５
以下となる。Ｅｇ（ベース）＜Ｅｇ（活性層）の条件
は、入力光が活性層で吸収されないためで、Ｅｇ（活性
層）＜Ｅｇ（クラッド層）の条件は、ダブルヘテロ接合
発光ダイオードでのキャリアの閉じ込めを有効に行わせ
るためである。本実施例はこれらの条件を満たしている
。
徴であるブロック層のための必要となる条件は、前述の
構成・動作の説明のところで述べたように、禁制帯巾を
Ｅｇとすると、Ｅｇ（ベース）＜Ｅｇ（活性層）＜Ｅｇ
（クラッド層）＜Ｅｇ（ブロック層）と、ブロック層の
禁制帯巾がその周辺の層の禁制帯巾より大きく、正孔の
拡散を抑えるように設定することである。例えばｎ型ク
ラッド層２６とブロック層３０での少数キャリアである
正孔の濃度比は、上記の組成で室温において３／１０５
以下となる。Ｅｇ（ベース）＜Ｅｇ（活性層）の条件
は、入力光が活性層で吸収されないためで、Ｅｇ（活性
層）＜Ｅｇ（クラッド層）の条件は、ダブルヘテロ接合
発光ダイオードでのキャリアの閉じ込めを有効に行わせ
るためである。本実施例はこれらの条件を満たしている
。
【００１２】尚、本発明による半導体光機能素子の特性
を測定した結果、ベースにおける発光はブロック層が無
い構造に比べて約２％に減少した。また、ブロック層の
厚さがブロック層における少数キャリアの拡散長以上で
あれば、少数キャリアをブロックする効果があるので、
本素子ではブロック層厚として１μｍを用いた。また、
上記の組成で、正孔の濃度比がｎ型クラッド層２６とブ
ロック層３０の間で３／１０５ 以下であるにもかかわ
らず、実際の素子で発光の減少が約２％と２桁しか改善
されなかったのは、３／１０５の濃度比が期待できるの
は低注入条件の場合であるからである。すなわち、実際
にベースで発光が起こるのは、フォトトランジスタがオ
ン状態となる高注入状態のときであるためこの差が生じ
る。
を測定した結果、ベースにおける発光はブロック層が無
い構造に比べて約２％に減少した。また、ブロック層の
厚さがブロック層における少数キャリアの拡散長以上で
あれば、少数キャリアをブロックする効果があるので、
本素子ではブロック層厚として１μｍを用いた。また、
上記の組成で、正孔の濃度比がｎ型クラッド層２６とブ
ロック層３０の間で３／１０５ 以下であるにもかかわ
らず、実際の素子で発光の減少が約２％と２桁しか改善
されなかったのは、３／１０５の濃度比が期待できるの
は低注入条件の場合であるからである。すなわち、実際
にベースで発光が起こるのは、フォトトランジスタがオ
ン状態となる高注入状態のときであるためこの差が生じ
る。
【００１３】尚、ここに示した実施例では、製造プロセ
スとして、気相成長法を用いて各層を積層する方法を示
したが、その他の成長法としては、液相成長法、分子線
成長法などの方法を用いることができる。また、本発明
は、発光部と受光部が基板上に垂直に集積されていて、
発光部の禁制帯巾が受光部の禁制帯巾に比べて大きく、
発光部から受光部へ正の光帰還がある光機能素子一般に
関するもので、透明なブロック層の挿入は、これらの光
機能素子の素子特性について、何の制限も加えることな
く、ブロック層の無い光機能素子構造の全てに適用可能
である。例えば、ＩｎＰ 等、他の材料や組成を用いた
り、注入電流の狭窄構造の導入、１次元アレー化、２次
元アレー化なども可能となる
スとして、気相成長法を用いて各層を積層する方法を示
したが、その他の成長法としては、液相成長法、分子線
成長法などの方法を用いることができる。また、本発明
は、発光部と受光部が基板上に垂直に集積されていて、
発光部の禁制帯巾が受光部の禁制帯巾に比べて大きく、
発光部から受光部へ正の光帰還がある光機能素子一般に
関するもので、透明なブロック層の挿入は、これらの光
機能素子の素子特性について、何の制限も加えることな
く、ブロック層の無い光機能素子構造の全てに適用可能
である。例えば、ＩｎＰ 等、他の材料や組成を用いた
り、注入電流の狭窄構造の導入、１次元アレー化、２次
元アレー化なども可能となる
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光機能素子の本来持つ入出力光強度間の非線形またはヒ
ステリシス特性、即ち、光微分利得，光双安定，光スイ
ッチ機能を損なうことなく、受光部の発光を抑えること
ができるため、光機能素子で問題となっていたノイズの
原因を取り除くことができ、素子の特性を向上させるこ
とができる。
光機能素子の本来持つ入出力光強度間の非線形またはヒ
ステリシス特性、即ち、光微分利得，光双安定，光スイ
ッチ機能を損なうことなく、受光部の発光を抑えること
ができるため、光機能素子で問題となっていたノイズの
原因を取り除くことができ、素子の特性を向上させるこ
とができる。
【図１】本発明の一実施例を示す半導体光機能素子の断
面図である。
面図である。
【図２】本発明による半導体光機能素子のバンドダイア
グラムを示す図である。
グラムを示す図である。
【図３】本発明による半導体光機能素子の製造プロセス
の説明図である。
の説明図である。
【図４】従来技術の一例を示す半導体光機能素子の断面
図である。
図である。
【図５】図４に示す半導体光機能素子の電流−電圧特性
を示す図である。
を示す図である。
【図６】図４に示す半導体光機能素子の入力光強度−出
力光強度特性を示す図である。
力光強度特性を示す図である。
【図７】図４に示す半導体光機能素子のバンドダイアグ
ラムを示す図である。
ラムを示す図である。
１１ 外部から素子へ入射する入力光１２
素子から外部へ射出される出力光１３
入出力光用窓部 ２１ ｎ側オーミック電極（ＡｕＧｅ／Ｎｉ
／Ａｕ）２２ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２３ ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミ
ッタ層２４ ｐ−ＧａＡｓベース層２５
ｎ−ＧａＡｓコレクタ層２６ ｎ−
Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２７
ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層
２８ ｐ−ＧａＡｓキャップ層２９
ｐ側オーミック電極（ＡｕＺｎ／Ａｕ）３０
ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブロック層３０
３１ 無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活
性層４０ 受光部（フォトトランジスタ）４
１ 発光部（発光ダイオード）４２
負荷抵抗 ４３ バイアス電圧源 ５１ 電子 ５２ 正孔 ５３ 正孔電流 ６１ 発光部からの発光 ６２ 受光部からの発光
素子から外部へ射出される出力光１３
入出力光用窓部 ２１ ｎ側オーミック電極（ＡｕＧｅ／Ｎｉ
／Ａｕ）２２ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２３ ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ エミ
ッタ層２４ ｐ−ＧａＡｓベース層２５
ｎ−ＧａＡｓコレクタ層２６ ｎ−
Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｎ型クラッド層２７
ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ ｐ型クラッド層
２８ ｐ−ＧａＡｓキャップ層２９
ｐ側オーミック電極（ＡｕＺｎ／Ａｕ）３０
ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ ブロック層３０
３１ 無添加Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ 活
性層４０ 受光部（フォトトランジスタ）４
１ 発光部（発光ダイオード）４２
負荷抵抗 ４３ バイアス電圧源 ５１ 電子 ５２ 正孔 ５３ 正孔電流 ６１ 発光部からの発光 ６２ 受光部からの発光
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板上に受光部があり、さらにその
上に発光部があり、発光部側に設けられた窓部より入力
光及び出力光が入出力する形式の半導体光機能素子であ
って、上記発光部を構成する半導体材料の禁制帯巾が入
力光の主ピークエネルギーより大きいものであり、上記
受光部を構成する半導体材料の禁制帯巾は入力光の主ピ
ークエネルギーに等しいかそれより小さく、上記発光部
から発生した出力光の一部は受光部に帰還し受光部で吸
収される光帰還効果により入力光強度と出力光強度の間
に非線形な応答を有することを特徴とする半導体光機能
素子において、上記発光部と受光部の間に、その両側に
接する半導体材料の何れよりも禁制帯巾が大きく且つ同
一の導電型である層を設けたことを特徴とする半導体光
機能素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3107422A JPH04336474A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 半導体光機能素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3107422A JPH04336474A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 半導体光機能素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04336474A true JPH04336474A (ja) | 1992-11-24 |
Family
ID=14458748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3107422A Pending JPH04336474A (ja) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | 半導体光機能素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04336474A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006013255A (ja) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
| JP2006093479A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
| JP2006100438A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
-
1991
- 1991-05-13 JP JP3107422A patent/JPH04336474A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006013255A (ja) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
| JP2006093479A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
| JP2006100438A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Kyocera Corp | 発光装置および画像記録装置 |
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