JPS593871B2 - 光励起発光素子 - Google Patents

光励起発光素子

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JPS593871B2
JPS593871B2 JP53149775A JP14977578A JPS593871B2 JP S593871 B2 JPS593871 B2 JP S593871B2 JP 53149775 A JP53149775 A JP 53149775A JP 14977578 A JP14977578 A JP 14977578A JP S593871 B2 JPS593871 B2 JP S593871B2
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junction
optical
light emitting
voltage
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ジヨン・アレキサンダ−・コ−ペランド・サ−ド
アンドリユ−・ゴンペルツ・デンタイ
タイエン・ペイ・リ−
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Publication of JPS593871B2 publication Critical patent/JPS593871B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 １５本発明は光励起発光素子に関するものである。
電気およびマイクロ波を用いた通信方式がょく知られて
いる。近年通信システムの一部に光ファイバ導波路を用
いて情報を伝達することが提案され、帯域幅が広いこと
、電磁的干渉を実質的に受２０けないこと、および低価
格であることなどの利点を有することが示された。かか
るシステムにおいては発光ダイオードにより電気的情報
を光信号に変換し、光ファイバにより光情報を目的地に
伝達する。目的地において光検知器により光信号を受２
５光し電気信号に変換する。より複雑なシステムにおい
ては光検知器からの電気信号は更に電子装置によつて増
幅され、別の発光ダイオード、光ファイバに伝達される
。
それ故光通信可能な距離が増加する。光検知器、電子３
０増幅器および発光ダイオードにより光中継器が形成さ
れる。通信あるいはディジタル論理情報を短いパルスの
形で各光ファイバ内に伝達されるようシステムを構成す
ると、そのパルスの強度が途中で減少し３５増幅を必要
とするだけでなく、そのパルス幅が広がることも不利な
点となる。
上記事実は光信号に異なる速度で伝搬する成分が存在す
ることから生する光分散として知られる現象に起因する
。この観測可能なパルスの広がりは光中継器の光検知器
と発光ダイオードとの間に電子装置として電子パルス再
生器を付与することによつて、光中継器で除去される。
残念ながらかかる従来法による中継器、再生器を用いる
光通信システムはかなり高価であり、従つて多くの応用
例では同軸ケーブルおよび他の電気的通信システムと経
済的に競合することは困難である。上記問題は、少なく
とも１個のｐ−ｎ接合と、発光をｐ−ｎ接合の一部分の
みの領域に閉じ込めるための電位を印加する電極とを有
する光励起発光素子における本発明によつて解決される
。
本発明の実施例による素子は更に、接合の該部分の実質
的に外側にある点において励起光をｐ−ｎ接合に結合さ
せるための方向性光学装置から成り、その光学装置は、
該領域からの発光の非常に微少部分しかその光学装置に
結合されないような方向に配置される。本発明の実施例
に基づき構成される装置によれば従来法で使用される電
子パルス再生回路なしに微小入力パルスを再生すること
が可能である。
本発明においては単一のｐ−ｎ接合が逆バイアスされ、
かつ赤外、可視あるいは紫外領域の光を照射されたとき
電流を発生する。またｐ−ｎ接合が順バイアス状態にな
ると上記領域の光を放出する。更に、素子の発光領域を
閉じ込めることができる電極構造をｐ−ｎ接合素子が有
している場合、逆バイアス時のｐ−ｎ接合の光に感する
領域は順バイアス時の素子の発光領域に含まれる接合領
域に比して十分大きい。本発明は上記原理を利用してお
り、逆バイアスされた接合上で発光領域の実質的に外側
にある部分に照射される光によつて素子はトリガすなわ
ち励起されその接合の微小発光領域から光が放出される
励起光を発光領域の実実質的に外側の接合部に結合させ
るための手段は人射光に対して方向性を有し、それ故発
光領域から増幅あるいは再生された光の内逆行してその
結合手段に再び結合される部分は非常に微少である。実
施例においてはこの結合手段は軸を接合に直交して取り
付けた光フアイバであることが望ましい。以上のように
本発明は光学的に一方向性を示すものであり、かかる素
子を複数個光通信システムに使用しようとする場合、重
要な利点となる。本発明によれば安価な電気的制御ある
いはリセット回路を接続して素子の動作中電気的バイア
スを光増幅あるいは再生に適した方法で適切に制御する
ことが有利な点となる。第２の光フアィバなど付加的結
合手段が微小部分に閉じ込められた発光領域に接続され
る。第１図において一方向性光スイッチとして動作する
光励起発光素子１は電極２に接地された金属ヒートシン
ク１０に対して負電圧Ｄが印加される。
素子１はインジウムガリウムヒ素燐（ＩｎＧａ一ＡｓＰ
）中の光に感する中間ｐ−ｎ接合２２を有するｐ−ｎ−
ｐ−ｎ型発光ダイオードである。第１図において光線１
６で示される励起光のエネルギーは入力光フアイバ１４
のコア１８中を伝搬される。フアイバ１４はインジウム
燐（１ｎＰ）基板３のくぼみ１３にエポキシ樹脂２３で
固定される。フアイバ１４の端面２０がＩｎＰ基板３、
インジウム燐バツフア層４およびｐ型１ｎＧａＡｓＰ層
を通して光線１６を接合面の発光領域１１Ａの外側にあ
る接合２２の非発光領域２５に結合させるような位置に
フアイバ１４は固定される。入射光１６の波長はＩｎＧ
ａＡｓＰの禁制帯幅に対する波長以下かあるいは等しく
され（そしてそれ故エネルギーはそれ以上かあるいは等
しい）、その結果スイツチ１をトリガして導通させるに
十分なホトキヤリアが発生される。以上のようにｐ−ｎ
−ｐ−ｎ型素子１の光励起光スイツチングは最終発光帯
から横方向に離れた位置にキヤリアを注入することによ
つて生ずる。素子１がトリガされると、ｐ−ｎ接合２２
は逆バイアスの高インピーダンス状態から順バイアスの
低インピーダンス状態に変化する。
そして半導体層１，６，５，４，３を通して点状接触部
１２から電極２に流入する電流が実質的に増加する。半
導体内およびシリカ（ＳｉＯ２）絶縁層８で囲まれる適
切には５０ミクロンである微小幅Ｗの接触部１２におけ
るオーム性電圧降下のため発光はＮ＋およびＰ＋型イン
ジウム燐層４，７間にあるＩｎＧａＡｓＰ層５，６の比
較的微小領域１１のみに閉じ込められる。更に、発光領
域１１はｐ−ｎ接合２２の直径５０ミクロンの微小部分
あるいは領域１１Ａのみに限られる。素子１に供給され
る電気的エネルギーは領域１１からＩｎＰバツフア層４
およびＩｎＰ基板３を通り、更に出力フアイバ１５の端
面２１を通してその導波コア１９に入射する第１図の光
線１７で示される光エネルギーに変換される。
そのとき発光領域１１はフアイバ１４の受光用開口の実
質的に外側にあるため、発光領域１１からフアイバ１４
に逆行する光量はほとんど無視できる。一方フアイバ１
５には領域１１からの発光の実質的部分が伝搬され、光
線１６が増幅されて光線１７になり、逆過程が生じない
という点で素子１は実質的に一方向性となる。フアイバ
１４，１５の軸は接合面２２に直交しており、くぼみ１
３に同時にエポキシ樹脂２３で固定され、素子１のヒー
トシンクはその反対側にインジウム（Ｉｎ）はんだ層９
を通して容易に形成される。第２図に素子１の上面図を
示す。
上から見た発光領域１１は接合２２の円型領域１１Ａに
実質的に一致する。発光領域１１Ａの外側にある接合２
２の光に感する領域２５に光線１６を結合させるため光
フアイバ１４のかわりにレンズなど別種の適切な手段を
用いてもよい。逆バイアス状態にある発光領域１１Ａが
光に感するのは当然のことであるが、結合する光は一方
向性動作に有効ではないため、発光領域１１Ａの実質的
に外側にある領域２５内の接合２２に結合させる手段が
必要となる。第１図に示す各層の作成の詳細に関して以
下に記載する。
連続的溶液槽を有する横型スライドグラフアイトポート
方式により通常の液相エピタキシヤル法（ＬＰＥ法）で
素子１は作成される。ＩｎＧａＡｓＰ発光ダイオード作
成に使用されるＬＰＥ法の詳細はＡ，Ｇ：デンタィ（Ｄ
ｅｎｔａｉ）、Ｔ．Ｐ。り一（Ｌｅｅ）、Ｃ．Ａ．ブラ
ス（Ｂｕｒｒｕｓ）著「１．２から１．３ミクロン帯の
微小面積高発光強度Ｃ．Ｗ．ＩｎＧａＡ８ＰＬＥＤ」エ
レクトロニツク・レター、第１３巻第１６号第４８４〜
４８５頁１９７７年８月４日に記載されている。第１図
の素子には長円形いいかえれば楕円あるいは卵形のくぼ
み１３内に出力フアイバ１５のみでなくオフセツト入カ
フアイバ１４が取り付けられており、その結果同一素子
で検知器、ＬＥＤ両方の機能を有するという点で上記文
献に記載された発光ダイオードを改善した形になつてい
る。更に、第１，４，５，６図に示した本発明の実施例
ではＩｎＧａ−ＡｓＰ中にｐ−ｎホモ接合が作成されて
おり、素ノＣ 子全体でｐ−ｎ−ｐ−ｎ型スイツチ構造となつている。
素子の説明図において〔１１１〕ＩｎＰ基板３はスズ（
Ｓｎ）でキヤリア濃度約３×１０１８の高濃度＋にドー
プされたＮ型である。
１ｎＰ／くツフア層の厚さは２．８ミクロンが適切であ
り、スズ（Ｓｎ）でキヤリア濃度約１×１０１８にドー
プされた＋Ｎ型である。
ＩｎＧａＡｓＰ層５，６の厚さは全体で１．３ミクロン
であり、ｐ層５は亜鉛でキヤリア濃度約２×１０１６に
ドープされている。高品質液相エピタキシヤルＩｎＧａ
ＡｓＰ層は内径５１ミリメートルの反応管を用い、底面
の寸法６．９ｍ×１１．２ｍ１深さ１０．２Ｆｍである
多槽グラフアィトポート法で作成される。波長１．２ミ
クロンに対する禁制帯幅を得るための成長温度は６３５
℃、冷却速度は０．４℃／Ｍｉｎである。ＩｎＧａＡｓ
Ｐ溶液中の液相組成はインジウム１，０００ミリグラム
、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ） ６０．３０ミリグリム
、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）１２．６１ミリグラム、イ
ンジウム燐（ＩｎＰ）９．７ミリグラムである。ｐ型１
ｎＧａＡｓＰ溶液に０．０００１（１０−４）原子パー
セントの亜鉛（Ｚｎ）をドーパントとして入れるために
は上記組成に亜鉛を０．０００５（５×１０−４）ミリ
グラムが添加される。溶液中での亜鉛の蒸気圧が高いた
め、亜鉛を含む槽は昇華による亜鉛の蒸発を防ぐため密
閉されることが望ましい。ｎ型ドーパントを溶液中で１
．０原子パーセントとするためスズ（Ｓｎ）１０ミリグ
ラムがｎ型１ｎＧａＡｓＰ溶液に添加される。その結果
得られるスズのドープされたｎ層６のキヤリア濃度は約
１×１０１７であり、ＩｎＧａＡｓＰ層５，６間にｐ−
ｎホモ接合２２が形成される。ＩｎＧａＡｓＰ中のホモ
接合の位置は臨界的ではないが、利得、電気的な漏洩、
高バンチスル一電圧および出力光の吸収率など互いに競
合する点の最適化を行うためにはｐ層５の厚さ１ミクロ
ン、ｎ層６の厚さ０．２ミクロンとすることが望ましい
ことが計算で示される。最適の状態では素子１は特性曲
線のゞ膝″（Ｋｎｅｅ）におけるスィツチング閾値付近
で動作させる必要はなく、従つて商業的に実用化されて
いる装置におけるような非常に精密なバイアス制御回路
に対する必要性は減少する。ＩｎＰ層７の厚さは３．３
ミクロンであり、適切なキヤリア濃度は２×１０１８の
Ｐ＋型で亜鉛でドープされる。シリカ層８はＩｎＰ層７
上に形成され、シリカ層８を通して通常の方法で微小点
接触部１２が作成される。接触部１２はインジウムはん
だ９によつて接地されたヒートシンク１０と接続される
。本発明の実施例においてフアイバ１４，１５は正方形
カバーガラス（図示されていない）の小片に平行に接着
され、エポキシ樹脂で固定する工程での両者の平行性が
維持される。
光学的精度の端面２０，２１を得るためフアイバを勇開
する。このフアイバは外径６０ミクロンで開口数０．６
の５０ミクロン径コアを有する。フアイバを取り付けた
ガラスは顕微鏡下のＸＹＺ微動台に置かれる。領域１１
からフアィバ１５への出力はフアィバ１５の他端にある
外部検知器で測定され最大とされる。領域１１Ａ直径が
約５０ミクロンであるため、発光領域から他方のフアイ
バ１４への光の透過はほとんどない。２本のフアイバ１
４，１５はくぼみ１３にエポキシ樹脂２３で適切に固定
され、作成工程は終了する。
第１，２図のｐ−ｎ−ｐ−ｎ型半導体素子１に関する２
本の特性曲線３１，３２が第３図に示される。
縦軸１Ｄは素子中を流れる電流値を表わし、横軸ＶＤは
第１図の電極２とヒートシンク１０間の電圧を表わす。
曲線３１は接合２２に光照射を行わない状態でのＳ型電
圧電流素子特性曲線である。点３６で示される負電圧Ｖ
を有する電池および負荷直線３３の傾きの逆数で表わさ
れる抵抗からなる外部回路が点３４で特性曲線３１と交
差していることが知れる。このことは回路が高水準素子
電圧ＶＤｌ低水準素子電流１Ｄにおいて許容動作点３４
を有することを意味している。第１図における励起パル
ス光１６が接合２２に入射すると、素子の特性曲線は特
性曲線３２で示される位置に移動する。
負荷直線３３と特性曲線３２の交差点は交差点３５のみ
である。この交差点は低素子電圧Ｄ１高素子電流１Ｄに
おける許容回路動作点を表わす。それ故素子電圧は点３
４での値から電圧Δだけ降下し点３５に対応する素子電
圧となる。また電流１Ｄの急激な増加によつて接合２２
が発光するだけでなく素子が導通状態となり光を切つた
のちも素子は点３５にとどまる。電圧３６が−２．７ボ
ルト、回路抵抗Ｒが１４オームの場合、デモンストレー
シヨンダイオードではａ）高電圧（２．７Ｖ）低電流（
０．５ｍＡ）でほとんど光出力のない（０．０１ｍＷ以
下）状態、およびｂ）低電圧（１．３Ｖ）高電流（１０
０ｍＡ）でかなりの光出力（１ｍＷ）を伴う状態を示し
た。３マイクロワツトの光入力信号１６で１００マイク
ロワツトの光信号を出力フアイバ１５ＶＣ結合させるこ
とが可能で（利得としては１５ｄＢ）、そのとき外部電
気回路には１．４ボルトの信号△ｖが生ずる。
以上より第３図のＳ型特性曲線を有する第１図の素子１
が実質的に光に対して一方向特性を有する光励起発光増
幅素子として動作可能なことは明らかである。
より複雑な電気的制御回路が本発明の素子に対して使用
される場合は、負荷直線３３のかわりに第３図の特性曲
線上における許容動作点のより複雑な移動を示す回路解
析を行う必要がある。上記のより複雑な回路について議
論するまえに、本発明による素子の別の実施例を示す。
例えば第１図においてはくぼみ１３内に余地があり、光
に感する領域２５に１本以上の光フアイバ１４を結合さ
せ、かつ接合２２の発光領域１１Ａに１本以上の光フア
イバ１５を結合させることが可能である。また領域１１
からは多方向に発行しているため♂１本あるいはそれ以
上の出力フアイバ端を例えば接合２２の面内でフアイバ
１４の端面に垂直に置くことも可能である。この場合、
ＩｎＰ層４，７は有効領域１１Ｂ内の領域１１からの発
光を端面結合型光出力JャAイバ（図示されていない）ま
で有効に導く。第４図は低接合容量、それ故より高速の
スィツチング速度を得るため第１図の素子をメサエツチ
ングしたものである。
シリカ層４５作成後で点状接触部４６を形成するまえに
、第４図接触部４６を形成しようとする領域の外側部分
がエツチングされメサ形が形成される。そのエツチされ
た部分はその後絶縁ワニス４４で満される。素子４０の
各層の厚さは第１図の素子１の値と同一である。第１図
のＩｎＰ層４およびＩｎＧａＡｓＰ層５，６が実質的に
エツチされメサ型１ｎＧａＡｓＰ層４１，４２の微小領
域が形成され、そた故接合容量はかなり小さくなる。第
１図のＩｎＰ層７、シリカ層Ｂもまた実質的にエツチさ
れ第４図の層４３，４５となる。点状接触部４６は通常
の方法で作成される。第５図に電極２、ＩｎＰ基板３、
および２．８ミクロン厚さのＩｎＰバツフア層４を有す
る本発明の別種の低容量素子５０の断面を示す。
但し亜鉛でキヤリア濃度２×１０１６ｖｃドープされた
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層はＬＰＥ法で２．７ミクロン厚さ
に作成される。次に窒化シリコン（Ｓｉ４Ｎ３）あるい
はシリカ（ＳｉＯ２）マスクを用いて図示するような両
光フアイバを含む幅を有する領域が該層５１に形成され
る。ｎ型１ｎＧａＡｓＰ層５２を形成するためドーパン
トとしてイオウが使用され、まず原料であるアルミニウ
ムサルフアィド（Ａｔ２Ｓ３）を蒸着し５００℃〜１０
００℃の温度範囲で少なくとも１時間拡散を行う。その
結果ｎ型１ｎＧａ一ＡｓＰ層５２とｐ層５１の界面５８
ｖＣおけるキヤリア濃度約１×１０１７となり、拡散深
さは１．７ミクロンとなる。Ｒ．Ｇ．フリーザ（Ｆｒｉ
ｅｓｅｒ）著「ガリウムヒ素への第族化合物からのドナ
ー拡散」ジヤーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサ
エティ第１１２巻、第７号第６９７頁１９６５年と比較
することが望まれる。次に上記のように作成されたＩｎ
ＧａＡｓＰ層５２上に窒化シリコンぁるぃはシリカマス
クを用いて更に微小領域が形成され、原料として燐化亜
鉛（Ｚｎ３Ｐ２）を用いｐ＋型１ｎＧａＡｓＰ層５３を
形成するため５００℃で３０分乃至１時間亜鉛の拡散が
行われ、厚さ１．５ミクロン、キヤリア濃度１Ｘ１０１
８のｐ＋型層が作成される。その結果発光領域５１Ａは
層４から１ミクロン、層５３から０．２ミクロン離れた
位置に生ずる。続いて通常の方法でシリカ層５４が形成
され、点状接触部５６が作成される。入カフアィバ１４
への光１６ｖＣよつて接合５Ｂが励起され、素子は高速
スイツチングがなされ、領域５７から発光する。高速ス
イツチングは素子の低容量に起因する。本発明の実施例
における光に対する一方向性機能により、出力光１１は
出力フアイバ１５と結合され、フアイバ１４にはほとん
ど結合されない。第６図に第１図の素子とほとんど同じ
構造の光励起発光素子を示す。
但しＩｎＧａＡｓＰ法を用いる場合、フアイバ１１，７
２をエポキシ樹脂１５，７６で固定する場所として１個
ではなく２個のくぼみ７８，１９が用いられている点が
異なつている。この構造では点状電極６８から流れ出す
電流はフアイバ１２のいずれかの側面のみを通り、その
結果１２Ｒで表わされるジユール熱が減少し、発光接合
領域７０Ａがより完全に規定され、そして出力光１３の
内入カフアイバ７１ｖｃ逆行する部がより完全に除去さ
れる。上記のように入力光７３によつて発光領域７０を
含むｐ−ｎ接合７７が励起され、続いて発光領域１０か
ら光７４が生じ、高結合効率で出力フアイバ７２のみに
伝搬される。本発明は種々の物質系で実現されると考え
られる。
但し、その物質系においてある微小領域あるいは部分に
渡つて発光する光励起可能な活性領域が存在することが
必要とされる。本発明のこの原理は半導体ｐ−ｎ接合技
術を含む種々の材料技術を包含している。ｐ−ｎ接合作
成に用いられる他の半導体材料のなかでも、ガリウムヒ
素（ＧａＡｓ）一アルミニウムガリウムヒ素（ＡｔＧａ
ＡＳ）系がおそらく最も知られている材料である。素子
６０は以下の記述に基づき上記物質を用いて第１図の素
子１と同じ厚さを有する素子として作成される。Ｎ＋基
板６２はシリコン（Ｓｉ）でキヤリア濃度１×１０１９
ｖｃドープされた〔１００〕結晶方向を有するＧａＡｓ
基板である。バツフア層６３はテルル（Ｔｅ）でキヤリ
ア濃度１Ｘ１０１８にドープされたＮ＋型Ｍ・２５Ｇ・
７５ＡＳである。活性層６４はゲルマニウム（Ｇｅ）で
キヤリア濃度約１×１０１７にドープされたｐ型ＧａＡ
ｓである。活性層６５はテルル（Ｔｅ）でキヤリア濃度
２×１０１７ｖｃドープされたｎ型ＧａＡｓである。層
６６はゲルマニウム（Ｇｅ）でキヤリア濃度約２Ｘ１０
１８ＶＣドープされた戸型Ａｔ．２５Ｇａ．７５ＡＳで
ある。層６７は前の素子と同じくシリカであり、点状電
極６８は通常の方法で形成される。インジウムはんだ９
で素子６０はヒートシンク１０に取り付けられ、電極６
１、ヒートシンク１０ｒｃ対して接触がとられる。−Ｖ
層形成には標準的液相エピタキシヤル法が用いられる。
禁制帯幅を下げるためアンチモン（Ｓｂ）あるいはイン
ジウム（Ｉｎ）を添加するなど材料を変化させることが
別の実施例では行われる。第７図は素子１及び素子１の
電極２，１２に接続される電気的りセツト制御回路８１
を含む本発明の光パルス再生器の構成要素として第１図
の素子およびそれと類似の第４，５，６図の素子が組み
込まれた状態を示している。歪んだ微弱パルス９０が励
起光１６としてフイバ１４ｆ１Ｃ入射する。素子１とり
セツト制御回路８１ｖｃよつて増幅されたパルス幅の狭
い再生パルス９７がフアイバ１５から出力光として生ず
る。りセツト制御回路８１は抵抗値Ｒを有する抵抗８３
中に電流１Ｒを流す負電圧ｖの電源８２を有する。この
場合抵抗８３は容量Ｃの接地されたコンデンサ８４およ
びインダクタンスＬのコイル８５ｖＣ接続されている。
コイル８５はヒートシンク１０を通して接地された素子
１に直列に接続されている。パルス９０印加前で素子１
が高バイアス電圧ＶＤｌ低電流１Ｄの状態ではコンデン
サＣは第８図のタイミング図の素子電圧曲線において直
線９２で示される比較的高電圧に充電されている。
直線９２に相当する電圧値は第３図における動作点３４
の値に等しい。パルス９０によつて素子１が励起され光
パルス９７が発生し、同時に直線部９３で示される急激
な電圧降下△が生ずる。第７図のＬＣ回路８４，８５は
電流ループ８６および第８図の電圧曲線部９４で示され
るように、１回転（Ｒｉｎｇ）″し始める。この回転に
より素子１ＶＣかかる電圧は電圧値９２より△Ｖ以上低
い値まで降下し、その結果素子は高抵抗状態に復帰し同
時に出力光パルス９７は停止する。以上のように励起光
パルス９０によつて電圧曲線部９４を停止させるターン
オフ条件９５で制限されるパルス幅の発光が素子から生
ずるよう素子１と制御回路８１は連動する。
曲線部９４ＶＣ対する時間幅は▲▼？▼〜？′ となる。
最大電流１ｒｎａｘ従つて光出力はのようＲＣとＬの比
で決定される。以上のように設計段階においてＣ？：．
Ｌの値はトリガ後の素子電圧降下△、所望の最大電流１
ェ、、再生パルス幅Ｔｐから決定される。外部回路の抵
抗Ｒが十分大きい値ならば、高電流パルス発生後ダイオ
ード（そしてコンデンサＣ）にかかる電圧はバイアス電
圧９２より△Ｖ以上降下することになる。
（曲線部９４の最後の部分参照。）そのあとコンデンサ
Ｃは時定数約ＲＣでもつて抵抗Ｒを通してバイアス電圧
９２まで充電される。素子１はＣｖｃかかる電圧が再び
パイアス電圧９２ｒｃほぼ等しくなつてはじめて光入力
に感するようになる。このため第８図に示すように例え
ば５００μｓの光入力パルスによつて１個の６０μｓの
出力パルスのみがトリガされる。５００μｓの光入力パ
ルスの最後の部分ではダイオードにかかる電圧はまだ閾
値より数百ミリボルト低い状態にある。
デユーティサイクルを増加するためには、出力パルス幅
および帰帰時定数ともＣｒｃ比例するので（一定のＩｍ
ａｘに対して）、外部抵抗Ｒを減少させることが必要と
なる。
しかしながら、Ｒが約５．４△Ｖ／Ｉｍａｘである臨界
値以下ならば、素子をトリガして安定な高電流状態にな
つたあと素子が発振を起こす。我々の解析によれば最大
デユーテイサイクルＤｎｌａＸは負抵抗ＲＯを含むｐ−
ｎ−ｐ−ｎ型素子の特性に依存し、Ｄｍａｘ２−１／（
１＋ＫＲＮＩｎｌｔＶ） （３）と表わされる。
ここでｋは約０．５ＶＣ等しい定数である。近似の精度
を上げ２πで割つた十分な感度を得るためにはｋはＲＣ
時定数とされる。１個の素子に対してＲＮ＝３００Ω、
Ｉｍａｘ＝０．０５ａｍｐ１△Ｖ＝１．４が用いられ、
Ｄｎｌａｘ：一０．１６となる。
５００μｓのパルス幅、１６パーセントのデユーテイサ
イクルに対して典型的な成分値はＲ＝１８０オーム、Ｃ
＝１０マイクロフアラツド、Ｌ＝２ミリヘンリとなる。
トリガ後の最初の電圧降下９３は瞬時に起ると考えられ
る。
より高周波における解析、実験によれば、この電圧降下
の時定数は素子の接合容量と負性抵抗の積ＲＮＣＪＶＣ
ほぼ等しい。第１図に示された型の素子ではＲＮ＝３０
０オーム、ＣＪは約２００ＰＦ（−ＲＮＣＪは約６０ｎ
Ｓとなる。この時定数では素子の動作は約１ＭＨｚに制
限される。素子１ＶＣおいては光学的活性領域が直径５
０μｍにすぎないのに対し中央のＰｎ接合は４００μｍ
チツプ全体に拡がつているため、第４あるいは５図に示
された設計によりこの接合容量を大幅に減少することが
可能となる。電力供給のためｐ−ｎ−ｐ−ｎ型ＬＥＤ素
子１にクリツプリード線が接続された状態では、主とし
て接合容量ど共振する浮遊インダクタンスによる１００
ＭＨｚの電気振動が観測される。
このことは少数キヤリア寿命で決定される周波数までは
基礎的なバイボーラトランジスタ動作が有効であること
を示している。ＬＥＤ応答は６０から９０ＭＨｚまで測
定される。パルス９０のすそを引いた部分では第８図の
充電曲線９５ｖＣおける素子電圧Ｄは素子１をスィツチ
させるには低すぎる。
従つて充電領域９５では素子電流１Ｄは小さい。続いて
第２の光パルス９０″が照射されると、パルス９７′が
再生され、素子電圧ＶＤは９３″，９４″，９５″と変
化する。入力パルス９０の存在が２進符号「１」に相当
する場合、短いパルス幅の２進符号「１」パルス９７が
再生されることになる。しかしながら、入力パルスが存
在しない場合、素子１はトリガされず素子電圧ＶＤは高
電圧値９２′″から変化しない。回路８１ｖＣ類似のり
セツト回路がジエネラル・エレクトリツク ＳＣＲ取扱
説明第５版第１２８，４３９頁にいくつか記載されてい
る。しかしながら、本発明においてＲＬＣりセツト回路
の接続された素子１は単に通常の整流型ＳＣＲあるいは
光励起される電気的単一シヨツト回路として動作するの
でなく、入力パルス９０より狭い出力パルスを発生する
一方向性光再生器として動作可能と考えられる。第９図
に本発明による光励起発光素子中に単一ｐ−ｎ接合１５
１のみを含んだ一方向性素子１４０を有する光再生器１
３０を示す。
素子１４０はその制御回路１３９とともに本発明の光再
生器１３０を構成し、光通信システム、あるいは光論理
回路に使用するに適切な光再生器となる。電池１３１、
抵抗１３２、コンデンサ１３３およびコイル１３４によ
り第７図と類似のＲＣＬターンオフ回路が構成され、ト
ランジスタ１３５，１３６および抵抗１３７，１３８で
示されるシリコントランジスタＳＣＲ等価回路を動作さ
せる。
回路１３５，１３６，１３７，１３８が高インピーダン
ス状態にあるとき、微弱で歪んだパルス９０が入カフア
イバ１４１を通り、素子１４０ｖｃ入射し、フオトン１
５２が逆バイアス状態で光検知器と動作するｐ−ｎ接合
１５１上に照射される。接合１５１の発光はしないが光
に感する領媚５５で素子１４０内に発生するキヤリアに
よりトランジスタ１３５，１３６のベースーエミツタ接
合の電流が増加し、要素１３５，１３６，１３７，１３
８を用いた回路は導通状態となる。トランジスタ１３５
のコレクタ電圧は増加、トランジスタ１３６のコレクタ
電圧は減少し、その結果接合１５１は順バイアス状態と
なり接合１５１を通りヒートシンク１５０と電極１４５
間に電流が流れる。従つて発光領域１５４から出力フア
イバ１４２にフオトン１５３が放出される。領域１５４
とは微小金属点状電極１４９ｖＣより発光の閉じ込めら
れる接合領域に対応する。矢印１５３で表わされるフオ
トンの内入カフアイバ１４１に逆行する量は多くとも極
く微小であり、素子の一方向性特性に有利となつている
。回路１３５，１３６，１３７，１３８および素子１４
０からの発光が遮断されるや否やＬＣ回路１３３，１３
４は回転し始める。その結果パルス９ｒとしてのパルス
９０の再生は終了する。コンデンサ１３３は抵抗１３２
を通して電池１３１により再充電され、再生器１３０は
次の入力光パルス９０を再生可能な状態となる。素子１
４０はシリコン（Ｓｉ）のドープされたｎ型ＧａＡｓ基
板１４６内のくぼみ１４４にエポキシ樹脂１４３で固定
された入力および出力フアイバ１４１，１４２を含む。
ｐ型ＧａＡｓ層１４７は基板１４６への亜鉛（Ｚｎ）の
通常の拡散により作成される。点状電極１４９はシリカ
（ＳｉＯ２）絶縁層で囲まれ、ヒートシンク１５０に取
り付けられる。例えばＣ．Ａ．ブラス（Ｂｕｒｒｕｓ）
、Ｒ．Ｗ。ドーソン（ＤａｗｓＯｎ）著［微小面積高電
流密度ＧａＡｓエレクトロルミネツセンスダイオードお
よび劣化特性の改善法」アプライド・フィジクスレタ一
・第１７巻第３号第９７〜９９頁１９７０年を参照のこ
と。再生器１３０はゲインターンオンに対する電流閾値
の非常に低いシリコントランジスタ１３５，１３６の使
用可能という利点を有し、そのため再生器１３０は光に
対してより敏感となる。
第７図の再生器８０と比較したときＫ再生器１３０が経
済的に有利かどうかはフアイバを用いたシステムで再生
器を配置する距離が長くなりかつ素子１４０ではその層
数が少ないといラ・点で軽減可能な費用と余分な回路１
３５，１３′６，１３７，１３８を取り付けるに要する
費用の多少に依存する。以上に記載した素子に関して述
べたように、素Ｉ黒＝重：ニニ：？゜！；＝。る。
素子容量低減のためメサ構造あるＣ′−ぼｉ域を制御し
た拡散接合構造が有効である。また多数のぼみにフアイ
バを結合させる方法も使用可能であり、望むならば１本
以上の出力フアイバが接合１５１に適切に結合される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による素子を明確に示すため縦方向を相
対的ＶＣ２Ｏ倍に拡大して描いた倍率２００の前部断面
図、第２図は第１図の素子の上面図、第３図は第１図，
第２図の素子に光を照射したとき、および照射しないと
きの電流電圧特性曲線図、第４図は低接合容量かつより
広い帯域幅動作のためメサ構造を有する本発明による素
子を明確に示すため第１図と同様縦方向を約２０倍に拡
大して描いた倍率２００の前部断面図、第５図はマスキ
ングおよび拡散工程により作製される低容量接合構造を
有する本発明による素子を明確に示すため第１図と同様
縦方向を約２０４ｆ！に拡大して描いた倍率２００の前
部断面図、第６図は多数の光フアィバ用くぼみを有する
本発明による素子を明確に示すため第１図と同様縦方向
約約２０倍に拡大して描いた前部断面図、第７図は第１
，４，５，６図の素子を用いた光パルス再生器を電気的
リセツト制御回路とともに一部模式図、一部回路図とし
て示した図、第８図は素子動作電圧と時間の関係を受光
光強度、素子電流、再生光パルス強度と時間の関係とと
もに示したグラフ、第９図は単一のｐ−ｎ接合を有する
本発明の素子に付属の制御回路を接続した本発明による
光再生器を一部断面図、一部回路図として示した図であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１個のｐ−ｎ接合と、ｐ−ｎ接合の一部
    分のみの領域に発光を閉じ込める電位を印加する電極手
    段とを有する光励起発光素子において、該素子は更に、
    ｐ−ｎ接合の該部分の実質的に外側にある点において励
    起光をｐ−ｎ接合に結合させるための方向性光学装置を
    含み、該光学装置は、該領域からの発光の非常に微少部
    分しか該光学装置に結合されないような方向に配置され
    ることを特徴とする光励起発光素子。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された光励起発光素子
    において、光学装置は、端面が発光素子の表面に固定さ
    れた光ファイバを含むことを特徴とする光励起発光素子
    。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載された光励起発光素子
    において、該素子は更に、端面がｐ−ｎ接合の前記部分
    のみの領域からの発光の最大量を受光するように該素子
    に固定された第２の光ファイバを含むことを特徴とする
    光励起発光素子。
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