JPH05196980A

JPH05196980A - 光排他的論理和演算素子

Info

Publication number: JPH05196980A
Application number: JP4035218A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kondo; 宏近藤; Kiyoshi Yamaguchi; 清山口; Yasuhiro Osawa; 康宏大澤
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1993-08-06
Also published as: US5260586A

Abstract

(57)【要約】【目的】光情報処理において有用な光排他的論理和演算
素子を提供する。【構成】本素子は、半導体基板１０上に受光部３と発光
部４が積層され、該発光部側に設けられた窓部１９より
入力光と出力光が入出し、発光部４を構成する半導体材
料の禁制帯幅は入力光の主ピークエネルギーより大き
く、受光部３を構成する半導体材料の禁制帯幅は入力光
の主ピークエネルギーに等しいかそれより小さく、発光
部４から発生した出力光の一部が受光部３に帰還し受光
部で吸収される光帰還効果により入力光と出力光の間に
非線形な応答を有する第一光機能素子１と、第一光機能
素子１と同一の基板１０上に同一の層構造を持つ第二光
機能素子２とから構成され、第一及び第二光機能素子が
隣接して相対する側の側面が電気的に分離され、夫々の
上部に光の入出力が可能な窓１９，２０が設けられた電
極２１が積層され、それら電極が電気的に接続されてい
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理において有
用な、排他的論理和演算の機能を有する光機能素子、す
なわち光排他的論理和演算素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排他的論理和演算用集積型光機能
素子としては、図１４に示すような等価回路で、基本構
成素子であるヘテロ接合型フォトトランジスタ（ＨＰ
Ｔ）１０２と光入出力に非線形な応答を有するサイリス
タ構造の光並列メモリ(PhotonicParallel Memory：ＰＰ
Ｍ)素子１０１が並列に接続された光消去型ＰＰＭ（Ｏ
ＥＰＰＭ）１０３（K.Matsuda et al.,IEEE Electron D
evice Letters,VOL.11,NO.10,pp.442-444,1990参照）が
２組並列に接続された構造を持つＩｎＧａＡｓＰ系の光
論理演算素子がある（足立、松田、知野、柴田、信学技
報ＯＱＥ９０−１５６参照）。図１５はその素子構造
の一例を示す概略的平面図であって、この素子では、Ｐ
ＰＭ素子１０１に並列にＨＰＴ１０２が接続されてなる
ＯＥＰＰＭ１０３(ａ)及び１０３(ｂ)が同一基板上に２
組隣接し、負荷抵抗１０４により独立にバイアスされた
２対のＨＰＴ部とＰＰＭ部どうしが隣接するように配置
され、図１５で斜線を施した位置に入力または入出力窓
を４個有する構造を持つ。

【０００３】この素子では、第１入力光１０５をＰＰＭ
１０１(ａ)とＨＰＴ１０２(ｂ)のそれぞれの入力窓に入
射し、また第２入力光１０６を同様にＰＰＭ１０１(ｂ)
とＨＰＴ１０２(ａ)に入射することにより、ＰＰＭ１０
２(ａ)及び１０２(ｂ)から２本の光出力が出力され、そ
れらを外部で重ね合わせることにより論理和をとり、最
終的に排他的論理和演算を得る仕組みになっている。し
かし、この構造の排他的論理和演算素子では、第１入力
光１０５及び第２入力光１０６をそれぞれ別の入力窓に
入射しなければならないことや、排他的論理和演算の結
果が１個の窓から直接出力されるものではないことによ
り、外部の光学系のアライメントが容易ではなくなるこ
と、さらに一回の排他的論理和を行なうために、４素子
分の面積が必要で、基本構成素子のサイズが同一の条件
下では集積化に不利であること、かつ層構造が異なる素
子を隣接して形成しなければならず、素子作製プロセス
が複雑になるという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】次に図１６に、公開前
であるが本出願人によって既に提案されている光機能素
子（特願平２−７３９０８号）の素子構造の一部切欠断
面図を示す。この光機能素子は、第一伝導型半導体基板
１１１上に、それよりも広い禁制帯幅を有する第一伝導
型半導体層（エミッタ層）１１２、それより狭い禁制帯
幅の第二伝導型半導体層（ベース層）１１３、これと同
一禁制帯幅の第一伝導型半導体層（コレクタ層）１１４
が順次積層されて、受光部１２２を成し、その上部に第
一伝導型半導体基板より広い禁制帯幅の第一伝導型半導
体層１１５、それと同一の禁制帯幅の第二伝導型半導体
層１１６が積層されて発光部１２３を成し、その上部に
第二伝導型の半導体層（キャップ層）１１７、第二電極
１１８が順次積層されている。また、半導体基板１１１
の裏面には、第一電極１１０が設けられ、上部に設けら
れた第二電極１１８には光入出力用窓１１９が開けられ
て、第二伝導型の半導体層１１６が露出している構造を
有する。以上述べたように光機能素子は、第一伝導型半
導体と第二伝導型半導体が交互に４回繰り返されたｐｎ
ｐｎ構造またはｎｐｎｐ構造を持つ、光正帰還を有する
光・電子集積機能素子のことを指す。以下、光正帰還を
有する光・電子集積機能素子を略して光機能素子と呼
ぶ。

【０００５】この光機能素子に適当な負荷抵抗を介して
電圧源を接続し、光を入力する。図１７〜１９は、それ
ぞれ横軸に光入力、縦軸に光出力の光強度をとり、前述
の負荷抵抗の抵抗値及び電圧源の電圧値或いは光機能素
子固有の内部抵抗や光帰還率等に依存して、光入出力関
係における動作モードが変化して、光入力窓１１９に光
を入力することにより、図１７の光メモリモード、図１
８の光双安定モード、図１９の光微分利得モードの何れ
かの入出力関係により、同一の入出力窓１１９から光が
出力される。ここで、光メモリモードとは、或る光強度
以上の光入力があった時に素子がオン状態になり、その
後入力光が０になった場合でもオン状態を維持する特性
であり、光双安定モードは、光の増減で異なる経路を通
過する特性であり、光微分利得モードは、光入力の変化
量に関する増幅量が光の変化量として出力される特性で
ある。これらのモードにおける素子動作はしきい値動作
とも呼ばれ、ブール演算における論理和(ＯＲ）及び論
理積（ＡＮＤ）の論理演算が可能である。

【０００６】しかし、論理演算が完全であるためには、
論理否定（ＮＯＴ）や排他的論理和（ＸＯＲ）等の反転
型の論理演算が必要である。この排他的論理和は、ａｎ
ｄ，ｏｒ，ｎｏｔ（￣）により、次式のような論理式で
示される。

【数１】前述のＯＥＰＰＭを組み合わせた排他的論理和用の論理
演算素子は、この論理式を直接実現させたものではある
が、そのために、素子構成や光学アライメントに関して
問題があることは前述の通りである。

【０００７】本発明は、以上の問題及び現状に鑑みてな
されたものであり、１回の排他的論理和演算を実行する
のに必要な基本的構成素子数を減らして集積密度に対し
て有利とすると共に、基本構成素子をほぼ同一層構造と
することにより素子作製プロセスを容易にし、さらに入
力光を供給する外部光学系の光学アライメントをも容易
にするような、排他的論理和演算が可能な光機能素子、
すなわち光排他的論理和演算素子を提供することを目的
とする。

【０００８】

【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記載の光排他的論理和演算素子は、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、
該発光部側に設けられた窓部より入力光及び出力光が入
出し、前記発光部を構成する半導体材料の禁制帯幅は入
力光の主ピークエネルギーより大きく、前記受光部を構
成する半導体材料の禁制帯幅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、前記発光部から発生し
た出力光の一部が受光部に帰還し前記受光部で吸収され
る光帰還効果により入力光と出力光の間に非線形な応答
を有することを特徴とする第一光機能素子と、前記第一
光機能素子と同一の半導体基板上に同一の層構造を持つ
第二光機能素子とから構成され、前記第一及び第二光機
能素子が隣接して相対する側の側面が電気的に分離さ
れ、それぞれの上部に光の入出力が可能な窓が設けられ
た電極が積層され、それら電極が電気的に接続されてい
ることを特徴とする。

【０００９】また、請求項２記載の光排他的論理和演算
素子は、上記光排他的論理和演算素子において、少なく
とも抵抗層が同一基板上に形成され、該抵抗層により第
一光機能素子と第二光機能素子が接続されていることを
特徴とする。また、請求項３記載の光排他的論理和演算
素子は、上記光排他的論理和演算素子において、光入出
力用窓の開口面積によって入力光に対する開口絞りとす
ることを特徴とする。

【００１０】以下、本発明の構成についてより詳細に説
明する。請求項１記載の光排他的論理和演算素子は、一
対の同一層構造の光機能素子が同一基板上に形成された
構成となっている。各光機能素子は、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、該発光部側
に設けられた窓部より入力光及び出力光が入出し、前記
発光部を構成する半導体材料の禁制帯幅は入力光の主ピ
ークエネルギーより大きく、前記受光部を構成する半導
体材料の禁制帯幅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、前記発光部から発生した出力光の
一部が受光部に帰還し前記受光部で吸収される光帰還効
果により入力光と出力光の間に非線形な応答を有する構
成となっている。また、隣接して相対する側の素子側面
は、電気的に分離され、それぞれの上部に光の入出力が
可能な窓が開けられた電極が積層され、電極は互いに電
気的に接続されている。

【００１１】ここで、図２は前記目的を達成するため
の、本発明における光排他的論理和演算素子の等価回路
を示す図である。図２においては、前述の第一光機能素
子１に抵抗８が直列に接続され、第２光機能素子２に抵
抗８’が直列に接続され、これら光機能素子と抵抗との
組が並列に接続され、さらに共通の抵抗９が直列に接続
された素子構成となっている。そして、この素子に適当
な電圧を印加し、第一光機能素子１に光を入力してオン
状態を維持させた後に、第二光機能素子２に光を入力さ
せてオン状態を開始させると、第一光機能素子１への印
加電圧が降下するように構成されている。

【００１２】本発明は図２の等価回路に基づくものであ
り、図１に本発明の光排他的論理和演算素子の基本構造
の一部切欠斜視断面図を示す。図１において第一光機能
素子１は、半絶縁性半導体基板１０上に、これと同一禁
制帯幅を有する抵抗層１１、それより広い禁制帯幅を有
する第一伝導型半導体層（エミッタ層）１２、それより
狭い禁制帯幅の第二伝導型半導体層（ベース層）１３、
これと同一禁制帯幅の第一伝導型半導体層（コレクタ
層）１４が順次積層されて受光部３を構成している。そ
の上部には、半絶縁性半導体基板１０より広い禁制帯幅
の第一伝導型半導体層１５、それと同一の禁制帯幅の第
二伝導型半導体層１６が積層されて発光部４を構成して
いる。その上部には、前記第二伝導型半導体層１６より
も狭い禁制帯幅の第二伝導型半導体層１７、絶縁させる
ための絶縁層１８、第二電極２１(ａ）がそれぞれ積層
されている。第二電極２１(ａ)は、前記第二伝導型半導
体層１７上にも積層されているが、第二電極２１(ａ)及
び第二伝導型半導体層１７には光入出力用窓１９が開け
られ、発光部４の第二伝導型半導体層１６が露出されて
いる。

【００１３】また、同一半導体基板１０上で第一光機能
素子１に隣接する領域には、該第一光機能素子１と同一
の層構造が積層され、第二光機能素子２を構成してい
る。抵抗層１１(ａ)及び抵抗層１１(ｂ)の各領域は半絶
縁性半導体基板１０上で、前述の等価回路における抵抗
８に相当する０〜１００Ω程度の帯状の抵抗領域２２に
より互いに連結されている。また、抵抗層１１(ｂ)の第
二光機能素子２側の領域は前述の等価回路における抵抗
８’に相当し、さらに、抵抗層１１(ｂ)の他方側の領域
からは、０〜１００Ω程度の抵抗値を有する帯状の抵抗
領域２３が形成され、前述の等価回路における抵抗９に
相当する抵抗を構成している。これらの抵抗層の上面に
も前記絶縁層１８が積層されているが、抵抗領域２３の
一部が露出してその上部に第一電極３１が積層されてい
る。また、光機能素子１及び２の間には半絶縁性半導体
基板１０上面に達する溝５０が設けられて、抵抗層１１
(ａ)，(ｂ)も含めその上部の半導体層は分離されてい
る。尚、第二電極２１(ａ)と第二電極２１(ｂ)とは、溝
５０の側面及び底面に設けられた電極用金属層により、
電気的に接続された構造を有する。以上、図１に示す構
成により本発明の光排他的論理和演算素子が形成されて
いるが、図１における絶縁層１８は、半導体層の層構造
及び抵抗層１１の平面構造を示すために、それぞれ素子
側面及び抵抗層１１上面の一部を波断して図示してい
る。

【００１４】

【作用】次に、上記本発明の素子構成により、光排他的
論理和演算動作が可能となることを以下に説明する。図
１において、第一光機能素子１及び第二光光機能素子２
に、アナログ量の光強度２Ｐ_INの入力光を等分割してそ
れぞれに光強度Ｐ_INの光を光入出力窓１９及び２０に入
力する。ここで、各光機能素子１及び２は光入力に対し
異なるしきい値Ｔ₁，Ｔ₂（０＜Ｔ₁＜Ｔ₂）で素子がオン
状態にスイッチングするものとする。これらのしきい値
Ｔ₁，Ｔ₂は、同一の光強度の入力光を入力した場合に同
一のしきい値を示す素子構造の場合には、入力用光源と
素子の間にフィルタをなどを設けて調整するか、光入出
力窓の開口面積を光入力窓１９よりも光入出力窓２０の
方を小さくして入力光に対する開口絞りとして、それぞ
れの光入出力窓よりも大きなスポット径の入力光を入射
することにより実現できる。

【００１５】ここで、図３は上記第一光機能素子１及び
第二光機能素子２が共に光メモリモードで動作するよう
に、図２における抵抗８、抵抗９、及び電源電圧を選ん
だ場合の光入出力特性を示す図である。図３において、
光入力Ｐ_INが第一のしきい値Ｔ₁ よりも小さい時には、
第一光機能素子１、第二光機能素子２は共にオフ状態で
それぞれの光出力の光強度は０（＝Ｑ₀)である。また、
光入力Ｐ_INがＴ₁≦Ｐ_IN＜Ｔ₂の時には、第一光機能素子
１のみがオンになり、このときの光出力をＱ_H とする。
また、光入力Ｐ_INがＴ_２≦Ｐ_ＩＮの時には、第二光機
能素子２もオン状態になり電流が流れることにより、第
一光機能素子１は素子両端の電圧降下を生じて、電流が
減少し出力光の光強度が減少する。このときの光機能素
子１の光出力をＱ_L とする。従って、負荷抵抗Ｒ_L，Ｒ₁
及び電源電圧を適当に選択することにより、第一光機能
素子１の光出力のコントラスト比Ｑ_H／Ｑ_L（オンオフ
比）を適当に大きくすることができ、ほぼ２値化された
出力が得られる。

【００１６】ところで、図３に示すように、光入力２Ｐ
_IN＞Ｔ₂ を与えたとき、第一光機能素子１の光出力は完
全には０に落ちないので、コントラスト比は有限で、例
えばＱ_H：Ｑ_L＝３：１程度になる。しかし、Ｑ_H／Ｑ_Lは
高いほど実用上使い易くなり有利になり、Ｑ_L が０の時
が理想的である。後述する実施例３では、素子の構造に
よってコントラスト比を改善する方法について述べる
が、この場合にもＱ_L ＝０にはならない。これに対し
て、素子構造の改良ではなく、使用方法によっても理想
とする動作が可能であることを本発明者らは実験的に確
認している。以下、その原理と方法について説明する。

【００１７】先ず本文の説明上必要な、光機能素子の動
作モードについて説明する。光機能素子は、印加電圧を
高くするに従い、光微分利得モード（図１９）→光双安
定モード（図１８）→光メモリモード（図１７）と変化
する特徴がある。尚、光機能素子の素子特性に関する詳
細は、本出願人によって先に出願公開された、特開平３
−２１３８３３号公報において述べているが、そのメカ
ニズムを以下に定性的に説明する。

【００１８】図２０に光機能素子の等価回路を示す。光
機能素子は発光ダイオードとヘテロ接合フォトトランジ
スタ（以下、それぞれＬＥＤ，ＨＰＴと略す）が直列に
接続された構造を有する。ＬＥＤからの発光の一部はβ
（＜１）の割合でＨＰＴで受光されるようになってい
る。仮にβ＝０の場合、光機能素子はＨＰＴで受けた光
入力を増幅し、ＬＥＤから出力する光アンプとして動作
する。また、β＞０のときにはＬＥＤの光がＨＰＴで受
光されると、ＨＰＴの抵抗が低下してＬＥＤの電流がさ
らに大きくなる。つまり外部光入力があった時、ＬＥＤ
の出力は自らの正のフィードバックで増大しようとす
る。その結果、図１９に示す光微分利得特性が得られ
る。そして、フィードバック率βが大きいほど、その勾
配（微分利得）は大きくなる。また、電源電圧を大きく
すると、ＬＥＤの発光出力が増大するので、βを大きく
する事と近似的に等価の効果をもたらす。β（電圧）を
次第に大きくすると、微分利得は無限大になり、光出力
は飽和状態に不連続に飛ぶようになる。このとき、ＬＥ
Ｄ自身の発光によってＨＰＴを導通状態に維持できるよ
うになる。その結果、光入力を低くしても発光状態があ
る程度維持できて、図１８で示したヒステリシスループ
を有する光双安定モードで動作する。さらにβ（電圧）
を大きくすると、ついにはＬＥＤの発光のみでも導通状
態を維持できるようになり、図１７に示す光メモリモー
ドに変化する。

【００１９】次に、上記光機能素子の素子特性を利用し
て、本発明の光排他的論理和演算素子の理想的な素子動
作の設定方法について述べる。図２において、第一光機
能素子１の光出力の理想的コントラスト比を得るために
は、第二光機能素子２がオフ状態とオン状態の時に、第
一光機能素子１がそれぞれ光メモリモード及び光双安定
モードで動作し、また、第二光機能素子２は光メモリモ
ードのみで動作するような条件下に設定する。これは、
図２１のような動作を想定している。すなわち、図２１
において、光入力がＴ₁≦２Ｐ_IN≦Ｔ₂のときは第一光機
能素子１は実線で示した経路で動作するが、一旦Ｔ₂≦
２Ｐ_INの光入力があって、第二光機能素子２がオン状態
になると、破線で示した経路をたどる動作に変化する。
第一光機能素子１は、第二光機能素子がオン状態になる
と、第一光機能素子側の電圧が低下するので、光出力が
低下すると同時に光双安定モードへ遷移し、光入力を０
に戻したときには、光出力と電流が完全に０（＝Ｑ_L)に
なる。このようにして、出力のコントラスト比はＱ_H／
Ｑ_L＝無限大となるので、理想とする排他的論理和演算
の動作が得られる。

【００２０】以上のことは、光機能素子に抵抗を外付け
した実験で動作を確認している。すなわち、図２の等価
回路において、抵抗９、抵抗８、抵抗８’をそれぞれ２
０Ω、４５Ω、１５Ω、印加電圧を１．５５Ｖに設定す
る。次に、第一光機能素子１及び第二光機能素子２に、
それぞれ約２：１の比率で分配した光入力Ｐ_INを与え、
その光強度を増加・減少させる。ここで、光入力に対し
て抵抗８に流れる電流を測定すると、図２２に示す入出
力特性が得られた。図２２（ａ）と図２２（ｂ）はそれ
ぞれ第一光機能素子１及び第二光機能素子２の入出力特
性である。光出力は電流に大体比例するので、光入出力
における動作特性がわかる。尚、第一光機能素子が光双
安定モードになったとき、光入力を０にした後に再び光
入力を大きくするような測定はしていないが、その状況
は仮想的に破線で示した。（ｂ）におけるヒステリシス
なループは第一光機能素子１のオン・オフによる電圧降
下によるもので、この素子自体のモード変化ではない。
従って、中間状態Ｑ_M を論理０状態とするときのコント
ラスト比Ｑ_H／Ｑ_Mが１に近くて低いのにも係わらず、光
入力を０に戻したときにはコントラスト比Ｑ_H／Ｑ_Lが理
想的になることが示された。

【００２１】以上説明したように、本発明の光排他的論
理和演算素子においては、アナログ量の光入力に対する
離散化光出力の関係を利用すれば、２値の２入力光によ
る排他的論理和演算を行なうことができる。以下の説明
では排他的論理和の２項演算子を「ｘｏｒ」で表記す
る。また２値の入力光強度を０≦Ｐ_L＜Ｐ_Hとして、Ｐ_L
が論理０、Ｐ_H が論理１に対応するものとする。演算を
行なうための２入力光の光強度をそれぞれＰ₁，Ｐ₂とし
て、素子の入出力窓部１９，２０で２入力光を重ね合わ
せ、２Ｐ_IN＝Ｐ₁＋Ｐ₂として、それを再び前述したよう
な適宜な比率で分配した光入力Ｐ_INをそれぞれ光機能素
子１，２に入力する。ここで、光機能素子１，２のしき
い値Ｔ₁，Ｔ₂に対して、０ｘｏｒ０の場合には、Ｐ_IN＝２Ｐ_L＜Ｔ₁に設定し、０ｘｏｒ１（または１ｘｏｒ０）の場合には、Ｔ₁＜Ｐ
_IN＝Ｐ_L＋Ｐ_H＜Ｔ₂に設定し、１ｘｏｒ１の場合には、Ｔ₂≦Ｐ_IN＝２Ｐ_Hに設定すれ
ば、第一光機能素子１の光入出力窓１９からそれぞれ光
出力Ｑ₀(論理０），Ｑ_H(論理１），Ｑ_L(論理０）が得ら
れ、排他的論理和の演算が可能となる。尚、第二光機能
素子２においては、２入力光が共に論理１の場合に出力
が論理１になるため、論理積演算（ＡＮＤ）を行ってい
ることになり、第一光機能素子１の排他的論理和出力と
合わせて、半加算器の動作も可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。［実施例１］図４は本発明の第一実施例における光排他
的論理和演算素子の構造を示す図であって、(ａ)は平面
図、(ｂ)は断面図である。この光排他的論理和演算素子
は、前述したように第一光機能素子１と第二光機能素子
２とから構成され、第一光機能素子１は受光部３及び発
光部４の順序で、第二光機能素子２は受光部５及び発光
部６の順序で形成された構造である。受光部３及び受光
部５は互いに同一の層構成により、半絶縁性ＧａＡｓ基
板４０上に抵抗層４１、ｎ型Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層４２、
ｐ型ＧａＡｓ層４３、ｎ型ＧａＡｓ層４４、がこの順序
で積層されて構成されている。発光部４及び発光部６は
それぞれ受光部３及び受光部５の上に互いに同一の層構
造により、ｎ型Ａｌ_YＧａ_1-YＡｓ層４５、ｐ型Ａｌ_YＧ
ａ_1-YＡｓ層４６、ｐ型ＧａＡｓ層４７、ｐ型オーミッ
ク電極２１がこの順序で積層されて構成されている。ま
た、第一光機能素子１と第二光機能素子２がなす間隙に
は半絶縁性ＧａＡｓ基板４０上面まで達する溝５０を有
している。この溝５０における第一光機能素子１及び第
二光機能素子２のそれぞれの側面、抵抗層４１上面及び
半絶縁性ＧａＡｓ基板４０上面には絶縁層４８が積層さ
れている。尚、図４(ａ）においては絶縁層４８は一点
鎖線で領域が示されている。

【００２３】図４(ａ)に示すように、抵抗層４１(ａ)及
び４１(ｂ)はその上部の半導体層よりも面積が広く、０
Ωから１００Ω程度の帯状の抵抗領域２２で連結され、
抵抗層４１(ｂ)からは同様の帯状の抵抗領域２３が形成
され、その終端上部には第一電極３１が設けられ、抵抗
領域２３の終端上部の絶縁層４８の一部に穴６３が開け
られて抵抗領域２３終端と第一電極３１とが接触してい
る。また、直下に抵抗層４１を有する領域を除く絶縁層
４８上部、及び第一光機能素子１及び第二光機能素子２
には、それらを共に覆う第二電極３２が積層されてい
る。それら第二電極３２はｐ型ＧａＡｓ層４７に接触し
て、ｐ型Ａｌ_YＧａ_1-YＡｓ層４６(ａ)及び４６(ｂ)のそ
れぞれの上面が露出した光入出力用窓１９及び２０が開
いた構造を有する。尚、以下の実施例ではＡｌＧａＡｓ
層における組成Ｘ，Ｙは、Ｘ＝Ｙ＝０．４の場合を示し
ているが、０．２≦Ｘ≦Ｙ≦０．５なる関係で組成Ｘ，
Ｙを決めることができる。

【００２４】次に、第一実施例における光排他的論理和
演算素子の製作過程を図４及び図５〜図７に基づいて説
明する。先ず図５に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板
４０上にＭＯＣＶＤ法により、順次低ドープｎ型ＧａＡ
ｓ抵抗層５１を１μｍ、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層５２
を１μｍ、ｐ型ＧａＡｓ層５３を０．１μｍ、ｎ型Ｇａ
Ａｓ層５４を１μｍ、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層５５を
１μｍ、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層５６を１μｍ、及び
ｐ型ＧａＡｓ層５７を０．２μｍ、を積層する。次に、
図６に示すように、ＲＩＢＥ法により抵抗層５１上部に
達する深さまで幅２０μｍの溝５０を形成して２素子に
分離し第一光機能素子１及び第二光機能素子２を形成す
る。次いで抵抗層５１における平面構造を、図７の斜線
で示すように、第一光機能素子１と第二光機能素子２下
部のそれぞれの抵抗層５１(ａ)及び５１(ｂ)の各領域
が、帯状の抵抗領域２２で互いに連結し、第二光機能素
子２が載っている抵抗層５１(ｂ)の領域からは、後に形
成される第一電極３１の領域を連結する帯状の抵抗領域
２３が形成されるようにそのパターンの領域を残してエ
ッチングし、次いで、ｐ型ＧａＡｓ層５７(ａ)及び５７
(ｂ)をそれぞれエッチングして、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａ
ｓ層５６(ａ)及び５６(ｂ)の上面に達する長方形の光入
出力窓６１(ａ)，(ｂ)を形成する。

【００２５】次いで、素子上面全体にＳｉＯ₂ 絶縁層５
８を積層した後、第一光機能素子１及び第二光機能素子
２上面のＳｉＯ₂ 絶縁層５８を８０μｍ角に正方形状に
エッチングして、それぞれのｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層
５６(ａ)及び５６(ｂ)を露出した図４に示す開口部６２
(ａ)及び６２(ｂ)を形成する。また同時に、抵抗層５１
上面のＳｉＯ₂ 絶縁層５８を正方形状にエッチングし
て、抵抗層５１上面を露出させ、コンタクトホール６３
を形成する。最後に、図４に示すように、開口部６１及
びコンタクトホール６３の上部に陽極としてそれぞれｐ
型オーミック電極（Ｃｒ／Ａｕ電極）２１及びｎ型オー
ミック電極（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極）３１を積層
し、ＳｉＯ₂ 絶縁層４８（図６では５８）の開口部６２
の内側には６０μｍ角の正方形状の光入出力用窓１９及
び２０をエッチングにより形成し、それぞれのｐ型Ａｌ
_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４６(ａ），(ｂ)（図６では５６
(ａ)，(ｂ)）を露出させ、製作工程を終了する。

【００２６】図８はこの構造の素子の入出力特性を示し
た図で、電源電圧の調整により光メモリモードに設定し
た場合である。横軸は入力光の光強度、縦軸は出力光の
光強度の相対値で、論理値”０”及び”１”で示した。
素子の電極に電圧を印加し、入力光として、Ａｌ_0.4Ｇ
ａ_0.6Ａｓ層５５(５６）の禁制帯幅程度に相当する波長
を用いる。２入力光Ｐ_A 及びＰ_B を素子外部で先ず光学
的に合成し、加算処理２Ｐ_IN＝Ｐ_A＋Ｐ_Bを行う。次に、
Ｐ_A 及びＰ_B が共に論理１の時に、前述のように第一光
機能素子１と第二光機能素子２で異なるしきい値Ｔ₁，
Ｔ₂が、Ｔ₁＜Ｔ₂となるように合成光２Ｐ_INをＰ₁＞Ｐ₂
（Ｐ₁＋Ｐ₂＝２Ｐ_IN）なる或る適当な比率で分割する。
ここで、Ｐ_A，Ｐ_Bが共に論理０の場合には、しきい値Ｔ
₁（＜Ｔ₂）に達しないため、光機能素子はオフ状態のま
まである。次に、Ｐ_A またはＰ_B の何れか一方が論理１
の場合には、しきい値Ｔ₁ に達して、第一光機能素子１
のみがオン状態になる。次にＰ_A 及びＰ_B の両方が論理
１の場合にはしきい値Ｔ₂ に達して、第二光機能素子２
もオン状態になることによって第一光機能素子１の負荷
抵抗８を含む素子両端の電圧が降下して、第一光機能素
子１は論理０の状態になる。以上のようにして第一光機
能素子１の光入出力窓１９から排他的論理和演算が得ら
れる。さらに、第二光機能素子２からは論理積演算（Ａ
ＮＤ）の出力がとれ、光機能素子１からの出力と共に、
半加算器の動作も得ることができた。

【００２７】［実施例２］次に、図９は本発明の第二実
施例における光排他的論理和演算素子の構造を示す平面
図である。図９に示す実施例においては、層構造は第一
実施例と同一であるが、光入出力窓８０，８１の配置が
異なっており、図７に示した第一実施例において素子間
隔に等しい距離で互いに離れている光入出力窓６１(ａ)
及び６１(ｂ）を、本実施例では第一光機能素子１及び
第二光機能素子２の境界側に寄せ、かつ第二光機能素子
２側の光入出力窓８１を第一光機能素子１の光入出力窓
８０よりも小さくしたものである。すなわち、本実施例
は入出力窓の面積以上のスポット径の入力光を入射すれ
ば、しきい値は実効的に入出力窓の面積に反比例すると
いうことを利用したものであり、この実施例によれば、
先ず２入力光を素子直上で合成し、入出力窓の面積適度
に広がった入力光の合成スポットを光入出力窓８０，８
１の境界付近を中心として照射すれば、それぞれの光入
出力窓８０及び８１の開口面積に比例した光強度がそれ
ぞれの光機能素子１，２に入射され、しきい値に差が生
じる。その結果、１対の光入出力窓８０，８１が一個の
窓を構成していると見做して入力光を入射するのみで良
いために、外部の光学系構成を簡略化することができ
る。

【００２８】［実施例３］次に、図１０は本発明の第三
実施例における光排他的論理和演算素子の素子構造を示
す平面図である。図１０に示す第三実施例では、前記第
二実施例における素子の平面構造において、第一光機能
素子１と第二光機能素子２の素子面積を変え、非対称に
したものである。このように、第一光機能素子１の素子
面積が第２光機能素子２の素子面積よりも相対的に小さ
い場合、両者が共にオン状態の時に第二光機能素子２側
に電流が流れやすくなるために、排他的論理和演算にお
いて、前述の０ｘｏｒ１(または１ｘｏｒ０）の時の論
理１の光出力Ｑ_H と１ｘｏｒ１の時の論理０の光出力Ｑ
_L のコントラスト比Ｑ_H／Ｑ_Lをより大きくすることがで
きる。尚、このような素子構造の改良ではなく、使用方
法によっても理想とするコントラスト比が得られること
は前述した通りであり、従って、上記素子構造と使用方
法との組み合わせにより、より理想的な素子動作が可能
となる。

【００２９】［実施例４］次に、図１１は本発明の第四
実施例における光排他的論理和演算素子の構造を示す断
面図で、以上の実施例における第二光機能素子２の発光
部６のｐ型Ａｌ_YＧａ_1-YＡｓ層５６とＧａＡｓ層５７の
間にＡｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層（吸収層）６５（０．１≦Ｚ≦
０．２）１μｍを挿入したものである。この構造によ
り、発光部６の発光波長に対しＡｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層６５
は不透明になり、また、入力光としてＧａＡｓの禁制帯
幅に相当する波長の光を使用することで、入力光に対し
てはＡｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ層６５は透明になるので、第一光
機能素子１からの排他的論理和演算の光出力のみを取り
出す事ができる。その結果、第二光機能素子２からの論
理積出力が不要なときに行う外部光学系での光出力分離
が不要となる。

【００３０】［実施例５］次に、図１２は本発明の第五
実施例における光排他的論理和演算素子の構造を示す断
面図で、以上の実施例における第一光機能素子１及び第
二光機能素子２の発光部４，６を、ｎ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4
Ａｓ層８４を１μｍ、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層８５を０．
１μｍ、ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層８６を１μｍ積層
し、ダブルヘテロ構造発光ダイオードとしたものであ
る。このダブルヘテロ構造発光ダイオードは、ｐｎ接合
型発光ダイオードに較べ発光効率が高く、第一光機能素
子１はより低い入力光で動作し、さらにより高い発光強
度の出力光の光排他的論理和演算素子が得られるという
利点がある。

【００３１】［実施例６］次に、図１３は本発明の第六
実施例における光排他的論理和演算素子の構造を示す平
面図で、実施例２における構造の素子を複数個同一の半
絶縁性半導体基板４０上に集積し、一次元または二次元
アレー化したものである。尚、図１３には一次元アレー
の場合を示したが、二次元アレーは一次元アレーを配列
すれば得られる。図１３においては、複数の光排他的論
理和演算素子９０を直線状に配列して、半絶縁性半導体
基板４０上に素子配列と平行な方向で素子本体の両側
に、第一電極母線９１、第二電極母線９２を形成し、そ
れぞれを個々の光排他的論理和演算素子９０の第一電極
及び第二電極に接続した構造となっている。このアレー
構造によって、２枚の二次元画像間の排他的論理和演算
が可能になり、例えば、２枚画像の差を検出する動作が
得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の素子構造
によれば、２値の２入力光を一個の入力窓に入射し、排
他的論理和の演算結果が一個の出力窓から直接出力する
ことが可能な、光排他的論理和演算素子を提供すること
ができる。また、本発明によれば、１回の排他的論理和
演算を実行するのに必要な基本的構成素子数を減らして
集積密度に対して有利とすると共に、基本構成素子をほ
ぼ同一層構造とすることにより素子作製プロセスを容易
にし、さらに入力光を供給する外部光学系の光学アライ
メントをも容易にすることができる、光排他的論理和演
算素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光排他的論理和演算素子の基本構
造を示す一部切欠斜視断面図である。

【図２】本発明における光排他的論理和演算素子の等価
回路を示す図である。

【図３】図１，図２に示す光排他的論理和演算素子の各
光機能素子の光入力と光出力の関係を示す図である。

【図４】本発明の第一実施例における光排他的論理和演
算素子の構造を示す図であって、（ａ）は素子の平面
図、（ｂ）は素子の断面図である。

【図５】本発明の第一実施例における光排他的論理和演
算素子の製作過程を説明するための断面図である。

【図６】本発明の第一実施例における光排他的論理和演
算素子の製作過程を説明するための断面図である。

【図７】本発明の第一実施例における光排他的論理和演
算素子の製作過程を説明するための平面図である。

【図８】本発明の第一実施例における光排他的論理和演
算素子の各光機能素子の光入力と光出力の関係を示す図
である。

【図９】本発明の第二実施例における光排他的論理和演
算素子の構造を示す平面図である。

【図１０】本発明の第三実施例における光排他的論理和
演算素子の構造を示す平面図である。

【図１１】本発明の第四実施例における光排他的論理和
演算素子の構造を示す断面図である。

【図１２】本発明の第五実施例における光排他的論理和
演算素子の構造を示す断面図である。

【図１３】本発明の第六実施例における光排他的論理和
演算素子の構造を示す平面図である。

【図１４】従来の排他的論理和演算用集積型光機能素子
の等価回路を示す図である。

【図１５】従来の排他的論理和演算用集積型光機能素子
の素子構造の一例を示す概略的平面図である。

【図１６】先願技術による光機能素子の素子構造を示す
一部切欠断面図である。

【図１７】図１６に示す光機能素子の光メモリモードに
おける光入力と光出力の関係を示す図である。

【図１８】図１６に示す光機能素子の光双安定モードに
おける光入力と光出力の関係を示す図である。

【図１９】図１６に示す光機能素子の光微分利得モード
における光入力と光出力の関係を示す図である。

【図２０】光機能素子の等価回路を示す図である。

【図２１】本発明における光排他的論理和演算素子の動
作方法の説明図であって、第一、第二光機能素子の入出
力特性を示す図である。

【図２２】本発明における光排他的論理和演算素子の理
想的なコントラスト比を得るための動作方法の説明図で
あって、（ａ）は第一光機能素子の入出力特性を示す
図、（ｂ）は第二光機能素子の入出力特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１・・・第一光機能素子２・・・第二光機能素子３，５・・・受光部４，６・・・発光部８，８’，９・・・抵抗１０・・・半導体基板１１・・・抵抗層１２・・・第一伝導型半導体層（エミッタ層）１３・・・第二伝導型半導体層（ベース層）１４・・・第一伝導型半導体層（コレクタ層）１５・・・第一伝導型半導体層１６・・・第二伝導型半導体層１７・・・第二伝導型半導体層１８・・・絶縁層１９，２０・・・光入出力窓２１・・・第二電極２２，２３・・・抵抗領域３１・・・第一電極５０・・・分離溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口清宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の 10・リコー応用電子研究所株式会社内 (72)発明者大澤康宏宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の 10・リコー応用電子研究所株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【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、該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し、前記発光部を構成する半導体
材料の禁制帯幅は入力光の主ピークエネルギーより大き
く、前記受光部を構成する半導体材料の禁制帯幅は入力
光の主ピークエネルギーに等しいかそれより小さく、前
記発光部から発生した出力光の一部が受光部に帰還し前
記受光部で吸収される光帰還効果により入力光と出力光
の間に非線形な応答を有することを特徴とする第一光機
能素子と、前記第一光機能素子と同一の半導体基板上に
同一の層構造を持つ第二光機能素子とから構成され、前
記第一及び第二光機能素子が隣接して相対する側の側面
が電気的に分離され、それぞれの上部に光の入出力が可
能な窓が設けられた電極が積層され、それら電極が電気
的に接続されていることを特徴とする光排他的論理和演
算素子。
【請求項２】請求項１記載の光排他的論理和演算素子に
おいて、少なくとも抵抗層が同一基板上に形成され、該
抵抗層により第一光機能素子と第二光機能素子が接続さ
れていることを特徴とする光排他的論理和演算素子。
【請求項３】請求項１、請求項２記載の光排他的論理和
演算素子において、光入出力用窓の開口面積によって入
力光に対する開口絞りとすることを特徴とする光排他的
論理和演算素子。