JPH0462182B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、発光受光トランジスタを利用し、
集積化シフトレジスタと負荷発光を組み合わせた
発光装置に関する。

（従来技術） 従来の集積化発光装置は化合物半導体を用いた
発光ダイオード列とそれを駆動させる単体半導体
Siを用いた集積化回路および駆動回路とを用いた
ものであり、構成は異種の集積化装置を組み合わ
せることによつて一体化させるようになるもので
あつた。

したがつて、製作において複雑さと精密加工を
必要とし、高価となり、制御性もやや劣るもので
あつた。

（発明の目的） この発明は、これらの欠点を除去し、簡易に構
成でき、外部信号により容易に制御できる発光装
置を提供することを目的とする。

（発明の構成） この発明の発光装置は、発光受光トランジスタ
とトリガ信号の向きを決定するダイオードを用い
て双安定回路を構成し、この双安定回路に負荷発
光受光トランジスタを接続して双安定回路と共に
基本セルを構成し、この基本セルを多段的に接続
し、外部制御信号により指定された時刻に双安定
回路により駆動された負荷発光受光トランジスタ
を指定された強度に励起して発光させ、かつ−
族化合物半導体からなる同一基板上に発光受光
トランジスタ、ダイオードおよび負荷発光受光ト
ランジスタをエピタキシヤル成長により同一の素
子構造に形成するようにしたものである。

（実施例） 以下、この発明の発光装置の実施例について図
面に基づき説明する。第１図はその第１の実施例
の模式図である。その構成は電気的要素と光学的
要素をともに含んでいる。

図中Ｑ１〜Ｑ５は発光受光トランジスタであ
り、化合物半導体、たとえばGaAs、AlGaAs、
InP、InGaAsPなど−族化合物半導体で作ら
れている。

この発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ５は電気的
には通常のバイポーラトランジスタと同様な電流
増幅作用を有しており、光学的には広い波長範囲
に亘る受光感度をもつ光電変換機能を有し、かつ
比較的狭い波長範囲の発光をする電流光変換機能
を有するトランジスタである。また大電流を通電
するとベース領域付近でレーザ発光をする場合も
ある。

第１図の電気回路はフリツプフロツプ回路と負
荷トランジスタとを基本セルとして構成されてい
る。したがつて、この回路は電気的には通常行な
われている変形もある。Ａ，Ｃはコレクタ側高電
位バイアス端子、Ｂはエミツタ側の低電位バイア
ス端子である。

Ｘ１，Ｘ２はフリツプフロツプの状態を論理の
“１”と“０”とに対応させる二つの状態の内の
一つの状態に各段順次に対応させるための信号入
力端子、Ｘ３はこのフリツプフロツプ回路系を制
御させるための各段共通のクロツク信号端子、Ｘ
４は各段の負荷としての発光受光トランジスタＱ
５，Ｑ４を適当な時刻に適当な動作状態に制御し
発光させるための制御端子である。

Ｒ１〜Ｒ１１は電気抵抗で発光受光トランジス
タＱ１〜Ｑ５の電気的および光学的動作条件を駆
動信号線とともに決定するためのものである。

Ｃ１〜Ｃ２は抵抗Ｒ２，Ｒ６，Ｒ１，Ｒ５とと
もに微分回路を構成し、発光受光トランジスタＱ
１，Ｑ２のベースにトリガ信号を与えるためのコ
ンデンサである。

コンデンサＣ３，Ｃ４はフリツプフロツプ回路
のパルスの高周波特性を改善させるための付加的
コンデンサであつて、不可欠のものではない。

Ｄ１，Ｄ２はトリガ信号の電位方向を限定する
ためのダイオードである。そして、Ｌ１，Ｌ２は
負荷としての発光受光トランジスタＱ４，Ｑ５よ
り発光する光を外部に導くための導光路（あるい
はフアイバ）で、たとえば、光学ガラスや透明樹
脂などで構成される。

さらに他の抵抗やコンデンサやダイオードやト
ランジスタを付加した回路変形は簡易化のため省
略する。

Ｅは発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ５やダイオ
ードＤ１，Ｄ２間やそれらと外部とを光学的電気
的に絶縁分離させるための遮光部で、たとえば、
黒色樹脂や粉末や固体や液体などの絶縁物で構成
し得るものである。

双安定回路を構成する発光受光トランジスタＱ
１，Ｑ２の各ベースはダイオードＤ１，Ｄ２を介
して信号入力端子Ｘ１，Ｘ２にそれぞれ接続され
ている。この信号入力端子Ｘ１，Ｘ２間には、コ
ンデンサＣ１，Ｃ２が直列に接続されている。コ
ンデンサＣ１とＣ２との接続点はクロツク信号端
子Ｘ３に接続されている。発光受光トランジスタ
Ｑ１，Ｑ２のベースはそれぞれ抵抗Ｒ３，Ｒ４を
介して低電位バイアス端子Ｂに接続されている。

発光受光トランジスタＱ１，Ｑ２の各コレクタ
は抵抗Ｒ５，Ｒ６を介してコレクタ側の高電位バ
イアス端子Ａに接続されている。

発光受光トランジスタＱ１のコレクタは、抵抗
Ｒ１とコンデンサＣ３との並列回路を介して、発
光受光トランジスタＱ２のベースに接続されてい
るとともに、発光受光トランジスタＱ３のベース
に接続されている。

同様にして、発光受光トランジスタＱ２のコレ
クタは抵抗Ｒ２とコンデンサＣ４との並列回路を
介して発光受光トランジスタＱ１のベースに接続
されているとともに、発光受光トランジスタＱ４
のベースに接続されている。

発光受光トランジスタＱ３のエミツタは抵抗Ｒ
７を介して、エミツタ側バイアス端子Ｂに接続さ
れているとともに、抵抗Ｒ１１を介して次段の双
安定回路を構成する発光受光トランジスタ（Ｑ２
に対応）のベースに接続されている。

発光受光トランジスタＱ３のコレクタは、高電
位バイアス端子Ａに接続されている。

発光受光トランジスタＱ４のコレクタは高電位
バイアス端子Ｃに接続されており、そのエミツタ
は発光受光トランジスタＱ５のコレクタに接続さ
れているとともに、抵抗Ｒ１０を介して次段の双
安定回路の発光受光トランジスタ（Ｑ１に対応）
のベースに接続されている。

発光受光トランジスタＱ５のベースは抵抗Ｒ９
を介して、制御端子Ｘ４に接続されており、ま
た、そのエミツタは抵抗Ｒ８を介して低電位バイ
アス端子Ｂに接続されている。

発光受光トランジスタＱ４，Ｑ５のベースに
は、導光路Ｌ１が対向している。

次に、以上のように構成されたこの発明の発光
装置の動作について説明する。第２図は第１図の
回路の駆動を行なうための制御信号を時系列的に
示したものの一例である。この例では、発光受光
トランジスタのコレクタ側の高電位バイアス端子
Ａ，Ｃの電位、エミツタ側の低電子バイアス端子
Ｂは直流で固定されているものとして示していな
い。

第２図ａ、第２図ｂはそれぞれ信号入力端子Ｘ
１，Ｘ２に加わる信号を示し、第２図ｃはクロツ
ク信号端子Ｘ３に加わるクロツク信号を示し、第
２図ｄは制御端子Ｘ４に加わる制御信号を示す。

いま、発光受光トランジスタＱ１がオン、発光
受光トランジスタＱ２がオフ状態、論理“１”の
状態にあり次段はこの逆の状態“０”にあるもの
とする。

信号入力端子Ｘ１は第２図ａに示すように、通
常は低電位にあり、信号入力端子Ｘ２は第２図ｂ
に示すように、高電位にあり、クロツク信号端子
Ｘ３に負のクロツクパルスを印加されたとき、発
光受光トランジスタＱ１はオフ状態、発光受光ト
ランジスタＱ２はオン状態、したがつて“０”状
態となる。

したがつて、発光受光トランジスタＱ３はオフ
状態からオン状態になり、発光受光トランジスタ
Ｑ４はオン状態からオフ状態になる。

これにより、次段の発光受光トランジスタＱ
１，Ｑ２に相応するトランジスタのベースに接続
されているゲート線電位はこの逆となつており、
したがつて、クロツク信号端子Ｘ３のクロツクパ
ルスが印加されたとき、発光受光トランジスタＱ
２対応の次段の発光受光トランジスタがオン状態
からオフ状態に、発光受光トランジスタＱ１対応
の次段の発光受光トランジスタがオフからオン状
態、したがつて“０”から“１”状態になる。

この結果、発光受光トランジスタＱ４対応の次
段の発光受光トランジスタがオフからオン状態と
なる。したがつて、第１段の状態が第２段に移動
したことになる。

以上の動作は第２段と第３段にも同様の状態移
行が行なわれるが、第２段は“０”状態であつた
ため第３段には“０”状態が移行される。このシ
フトレジスタ動作は何段あつてもよい。

次に、負荷としての発光受光トランジスタＱ４
がオン状態のとき、制御端子Ｘ４は第２図ｄに示
すように、通常比較的低いＸ４０の電位にしてお
き、高抵抗状態でのオン状態にしておき、低電
流、したがつて、低発光状態としておき、必要あ
るときは適宜クロツクパルスに同期して高電位、
高導通状態、高発光状態にさせる。

このように駆動させることにより、同期信号の
繰り返しにより、１断ずつ右方へ“１”状態が移
動し適宜必要な段には強い発光や弱い発光として
導光路Ｌ１，Ｌ２…より発光光を取り出し、時間
系列発光パターンを時間的空間系列発光パターン
に変換させることができる。

また、第１段を“０”から“１”の状態に変換
させるには、信号入力端子Ｘ１を高電位、信号入
力端子Ｘ２を低電位にして、発光受光トランジス
タＱ２をオフ、発光受光トランジスタＱ１をオン
とすることによつて、達成できる。

さらに、発光光は発光受光トランジスタＱ４，
Ｑ５の何れか一方または両方から取り出してもよ
い。そして、高電位バイアス端子Ｃを制御端子Ｘ
４の代わりに用いることによつて、制御端子Ｘ４
に接続された線と発光受光トランジスタＱ５を取
り去ることも可能である。

また、Ｎ段接続後、信号入力端子Ｘ１，Ｘ２へ
出力端子を戻すことによつて同じパターンを繰り
返すことができる。

第３図は第１図の模式図に対応する具体的構成
法の一実施例の横断面図を示している。この構成
例では抵抗Ｒ１〜Ｒ１１は外部接続として示され
ていないが、第３図中に示されている半導体基板
１９の内部または上部層１１〜２６中に不純物拡
散やイオン注入法などを用いて単一基板内に構成
し得る。

また、純抵抗以外に等価的に抵抗であればよい
ので、トランジスタやダイオードなどを用いて代
替えすることも可能であるが、本質的用件ではな
いのでその具体例は簡略化のため詳述を省いた。

また、発光受光トランジスタＱ１，Ｑ３、ダイ
オードＤ１，Ｄ２は同様の構造で、半導体基板１
９上に構成できるので、図示を省略してある。

図中１１〜２６は化合物半導体層で発光受光ト
ランジスタを構成している。絶縁性の化合物半導
体基板１９は、たとえば、GaAsやInPで作成さ
れて、その上に発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ５
およびダイオードＤ１，Ｄ２を同時に単一基板上
に構成している。以下、発光受光トランジスタＱ
１，Ｑ３、ダイオードＤ１，Ｄ２に関しては省略
する。

半導体基板１９の上に各発光受光トランジスタ
Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５のコレクタ部を構成する化合物
半導体層１４，１８，２３、さらにその上にベー
ス部となる化合物半導体層１３，１７，２２、エ
ミツタ部をなす化合物半導体層１２，１６，２
１、エミツタ電極を良好なオーミツク接続できる
ようにするためのコンタクト層としての化合物半
導体層１１，１５，２０をエピタキシヤルに成長
させる。

次に、ベース電極を上部より取り出すためのベ
ース層と同じＰ（pnpトランジスタの場合はｎ）
形の不純物を拡散法あるいはイオン注入法などを
用いて変質させた化合物半導体層の変質層２４，
２５，２６をベース層としての化合物半導体１
３，１７，２２まで形成させる。

その後、エミツタ部の一部を化学的または物理
的メサエツチングにより取り除くか、あるいはイ
オン注入法などを用いた絶縁化によりエミツタ・
ベース間の一部絶縁化とベース層への光の射出部
２７，２８を形成する。

したがつて、この部分は単に真空や気体であつ
てもよいが、望ましくは各入出力光の波長におい
て透明であつてかつでき得る限り半導体や導光路
（フアイバ）に近い屈折率を有する樹脂や液体や
固定で構成されることである。

その後、発光受光トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ
５のコレクタ電極を設けるためのエツチング、お
よび発光受光トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ５を互
に電気的絶縁を行なうためのエツチングを行な
う。その後、各層のオーミツク電極を蒸着法、メ
ツキ法、シンタ法などを用いて付加する。

一般には、エミツタ層としての化合物半導体層
１２，１６，２１はベース層としての化合物半導
体層１３，１７，２２より大きなエネルギーギヤ
ツプを有することが望ましく、これによつてエミ
ツタからの小数キヤリアの注入効率を向上させ得
る。

たとえば、ベース層としての化合物半導体層１
３，１７，２２がGaAsまたはInPで作られた場
合、エミツタ層としての化合物半導体層１２，１
６，２１にはそれぞれAlGaAsまたはInGaAsな
どが用いられるなどである。

また、同時にこのように行なうと、ベース層で
吸収されるべき光の波長に対してエミツタ層は光
学的に透明になし得て、より光電変換効率を高め
ることが可能となる。

エミツタコンタクト層としての化合物半導体層
１１，１５，２０は本質的には不要であるが、エ
ミツタ層としての化合物半導体層１２，１６，２
１に直接オーミツク電極がとり難い場合の補助的
な層として用いられるものである。

ベース層としての化合物半導体層１３，１７，
２２の組成は一般には同一組成で同時に作成され
るのが通例であるが、出力光に対する波長特性を
種々変更したい場合には、異なるものとするよう
に作成させる。

これは、たとえば選択エピタキシヤル成長法を
用いて母材結晶の組成を変える方法や、同一組成
結晶を成長後不純物を選択的に拡散あるいはイオ
ン注入法を用いて変質させることによつて達成可
能である。

また、このベース層は発光受光トランジスタＱ
２，Ｑ４，Ｑ５の電気的および光学的特性に特に
重要な作用を行なう層であり、−族化合物半
導体に対しては特に族元素を不純物として用い
ると特に望ましい特性がしばしば得られる。

すなわち、少数キヤリア拡散長が長く、発光あ
るいは受光の変換効率が高い特性が得られる。

なお、図中遮光部Ｅの部分は発光受光トランジ
スタＱ２，Ｑ４，Ｑ５および導光路Ｌ１間相互の
光学的および電極的絶縁を行なうための物質で前
述の材料によつて構成されるものである。

これによつて、各段の出力間の分離と同時に各
発光受光トランジスタの誤動作を避けることが可
能となる。

また、図中には導光路Ｌ１はすべて上部より取
り出す構造を示しているが、半導体基板１９の下
方部に取り付けることも可能であること、あるい
は特にレーザ発光させる場合には横方向に出力取
り出し用の導光路Ｌ１を取り付けることが望まし
い。

また、遮光部Ｅは半導体部の上部のみ付加して
いるが、より完全な光学的遮蔽を行なうために、
下方部および横方向部にも付加する方が望まし
い。

第４図は第１図の構成例に対する部分的変形実
施例の模式図である。この回路構成例では双安定
回路を基本とするシフトレジスタ回路の信号を負
荷発光受光トランジスタＱ５のベースに印加して
オン状態とし、制御端子Ｘ４によつて、発光受光
トランジスタＱ５の電流と発光強度の変調を行な
わせるようにしたものである。信号入力端子Ｘ
１，Ｘ２、クロツク信号端子Ｘ３、制御端子Ｘ４
への印加パルス信号系列はほぼ第２図ａ〜第２図
ｄと同一であるので、詳細は省略する。

ただし、制御端子Ｘ４の通常状態はレジスタ回
路とその独立性のためＸ４０なるオン状体の低電
位レベルパルスは不要である。

なお、発光受光トランジスタＱ４のエミツタは
抵抗Ｒ８を介して、発光受光トランジスタＱ５の
エミツタに接続され、かつ抵抗Ｒ９を介して発光
受光トランジスタＱ５のベースに接続されてい
る。発光受光トランジスタＱ５のコレクタは抵抗
Ｒ１２を介して制御端子Ｘ４に接続されている。
その他の構成は第１図と同様である。

以上説明したように、この実施例においては発
光受光トランジスタの能動素子が電気的光学的に
多機能な特性を有するので、比較的簡単な回路で
単純な構成により同一基板上に多数個構成可能で
ある。

また、電気的制御性も容易に得られる利点をも
有するとともに、光学的な出力信号であるため、
電気的には他の回路と全く絶縁した状態で動作可
能であり、その独立性および制御性に大きな利点
を有する。

これらの装置は並列的および直列的配列接続も
可能であり、かつ同一平面上に多数個集積化でき
る。

また、前記実施例はnpn形発光受光トランジス
タを用いた例のみが示されているが、pnp形でも
同様に構成実施できることは容易に考えられるの
で省略した。

（発明の効果） 以上のように、この発明の発光装置によれば、
発光受光トランジスタを用いて双安定回路を形成
し、この双安定回路の負荷発光受光トランジスタ
を接続した基本セルを複数段接続してシフトレジ
スタ回路機能をもたせ、外部制御信号により負荷
発光受光トランジスタを所定時刻に所定の強度で
発光させるようにしたので、シフトレジスタ回路
と負荷発光回路を同一基板上に構成できる。

これにともない、簡易な製法、安価な構成で制
御性のよい光学的な空間配列の発光装置とするこ
とができ、他の光学的掃引回路、遅延回路、デイ
スプレイ、印字装置へ応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の発光受光装置の一実施例の
構成模式図、第２図ａないし第２図ｄはそれぞれ
この発明の発光受光装置に適用される駆動パルス
時系列の一例を示す図、第３図は同上発光受光装
置の主要部の構造を示す横断面図、第４図はこの
発明の発光受光装置の他の実施例の構成模式図で
ある。 Ｑ１〜Ｑ５……発光受光トランジスタ、Ｄ１，
Ｄ２……ダイオード、Ｒ１〜Ｒ１１……抵抗、Ｃ
１〜Ｃ４……コンデンサ、Ａ，Ｃ……高電位側バ
イアス端子、Ｂ……低電位側バイアス端子、Ｘ
１，Ｘ２……信号入力端子、Ｘ３……クロツク信
号端子、Ｘ４……制御端子、Ｌ１，Ｌ２……導光
路、Ｅ……遮光部、１１〜２６……化合物半導体
層、２４〜２６……変質層、２７，２８……光の
射出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに逆にオン、オフ動作をする第１および
   第２の発光受光トランジスタ、該第１および第２
   の発光受光トランジスタのオフ時の高電位側にベ
   ースがそれぞれ接続された第３および第４の発光
   受光トランジスタ、および前記第１および第２の
   発光受光トランジスタのベースにアノードがそれ
   ぞれ接続され、トリガ信号の電位方向を限定する
   第１および第２のダイオードを有する双安定回路
   と、前記第４の発光受光トランジスタの出力端側
   に接続され、前記第４の発光受光トランジスタの
   オン時に、外部制御信号を入力することによりオ
   ン動作し、該オン時に、前記外部制御信号により
   指定された強度の出力光を発生する負荷発光受光
   トランジスタとをそれぞれが有し、かつ複数段に
   接続された基本セルと、 前記第１ないし第４の発光受光トランジスタや
   第１および第２のダイオード間および複数段に接
   続された前記基本セルのそれぞれの間を光学的電
   気的に絶縁分離する遮光部とを備え、 −族化合物半導体からなる同一基板上に
   −族化合物からなる前記第１ないし第４の発光
   受光トランジスタ、前記負荷発光受光トランジス
   タおよび前記第１および第２のダイオードをエピ
   タキシヤル成長により同一の素子構造に形成して
   なる発光装置。