JPS6237553B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は受光発光方法および装置に関し、特に
半導体を用い、消去可能な光学的書込み、光学的
読出しができる受光発光方法および装置に関す
る。

光学的情報の処理を行なう場合、与えられた光
学的情報を検出し、対応する信号を出力すること
が必要である。情報処理の面からは電気的な信号
であることが望ましく、記憶のさいには光学的情
報を電気的情報に変換してから記憶媒体に記憶
し、読み出す場合は電気的信号として読み出す方
法が行なわれている。従つて１度記憶した光学的
情報を表示もしくは他の記憶媒体に転写しようと
するときは写真フイルムなどの場合を除けば記憶
した情報を１連の電気的信号に変換し、表示装置
もしくは転写しようとする記憶媒体へ順次転送し
ていた。このような方式は装置が複雑になるばか
りか信号処理に多くの時間を要する欠点を有して
いる。又写真フイルムは転写表示が簡単である利
点は有しているものの、消去再使用ができず、電
気的な信号処理が複雑になる欠点を有している。

本発明の目的は光学的情報を電気的信号として
記憶し、光学的情報として出力できる受光発光方
法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、光学的情報を電気的に記
憶し、電気的情報ないし光学的情報として読出で
きる受光発光方法および装置を提供することであ
る。

受光装置として半導体を用いることができるこ
とはよく知られており、フオトダイオード、フオ
トトランジスタ、CCDフオトセンサ等が市販も
しくは発表されている。またユニポーラトランジ
スタの制御領域を光電離されたキヤリアの蓄積領
域とすると高感度のフオトトランジスタが形成さ
れる（特願昭53−86572号「半導体光電変換装
置」）。

また発光装置として半導体を用いることができ
るのは半導体発光ダイオード、半導体レーザ等で
よく知られている。

本発明の概念は半導体受光素子と半導体発光素
子とを単一チツプ内に集積化し、効果的に受光発
光を行なわせることである。受光した光学的情報
を対応する光出力として供給することで光学的情
報の転送、コピーが短時間に行なえる。

半導体受光素子としてユニポーラ型トランジス
タ構造を用いると光学的情報の蓄積（積分・記
憶）が行なえ、ダイナミツク光メモリとして働か
せることができ、メモリに対応した電気信号およ
び光信号を得ることができる。光信号は同時並列
伝送が容易であるので信号の転送がきわめて短時
間で行なえる。

また本発明の受光発光装置は光増幅作用を有す
ることができるので光伝送路の中継として効果的
である。

１応用例として、フアクシミルに本発明を画像
伝送オプテイカルフアイバーと共に用いる場合、
画像伝送に要する時間を飛躍的に短縮させるこが
期待できる。

また他の応用例として本発明を電子計算機のメ
モリ部分に用いた場合、メモリ転送に要する時間
を飛躍的に短縮させることが期待できる。

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図ａ，ｂ，ｃは本発明の基本原理を説明す
るための簡略化した実施例を示すもので、ａは断
面図、ｂは埋込蓄積領域の平面図、ｃは埋込主電
極領域の平面図である。図面中の寸法は説明のた
め任意に変更してあり、形状も忠実ではない。

n⁺型領域１上にn^-型領域２が配置され、n^-型
領域２中にp⁺型蓄積領域３が埋込まれている。
このp⁺型蓄積領域３は第１図ｂに示すような多
数の蓄積セグメント領域３１１，３１２，……，
３２１，３２２，……で形成され、各セグメント
はn^-型領域２中で分離されている。n^-型領域２
の上部にp⁺型蓄積領域３の各セグメントに囲ま
れるような位置に第１図ｃに示すようなセグメン
ト領域４１１，４１２，……，４２１，４２２，
……から成るn⁺型主電極領域４が配置され、n^-
型領域２の上面全面にｐ型領域５が配置されてい
る。n⁺型領域１とｐ型領域５の表面には各セグ
メントに対応する場所に窓の設けられた電極
１′，５′が形成されている。

図中下面より光が入射し、n^-型領域２中でペ
ア（電子正孔対）生成を行なうと、生成したキヤ
リアのうち正孔はp⁺型蓄積領域３へ蓄積され
る。各蓄積セグメント領域とn^-型領域２との間
には拡散電位による電位勾配が形成されているの
で、この電位勾配の存在する場所で発生したペア
は電位勾配に従つて移動し、各セグメント領域が
その領域近傍に入射した光量に対応した電荷を蓄
積する。すなわち蓄積セグメント領域３１１，３
１２，……，３２１，３２２，……は受光面に投
影された光学像をマトリツクス的にサンプリング
して電気的信号に変換して蓄積する。

次に電極１′，５′間に順電圧、すなわち電極
１′に負電圧ないしは電極５′に正電圧を印加する
と各セグメント内でn⁺型領域１からn⁺型領域４
に向つて蓄積領域３の電位に従つた電子が流れ、
その電子流はさらにｐ型領域５へ流れ込んで正孔
と再結合し光hvを発生する。このようにして各
セグメント領域は入射した光量に応じて光を放射
する。すなわち受光工程では領域１，２，３，４
がユニポーラ型フオトダイオードとして働らき、
発光工程ではn⁺型主電極領域４とｐ型領域５と
が発光ダイオードとして働らく。n⁺型主電極領
域４は多数のセグメント領域４１１，４１２，…
…，４２１，４２２，……から成つているので、
多数の発光ダイオードが入射した光量に応じた発
光を行なう。ユニポーラ型フオトトランジスタは
チヤンネル領域の不純物密度、寸法を制御するこ
とによつて飽和特性にも不飽和特性にもなるが、
不飽和型特性をもたせれば印加電圧によつて電流
を制御することができる。

本実施例の１例は発光活性領域５はGaPのエピ
タキシヤル層で形成し、他の領域１，２，３，４
はSiで形成する。高抵抗n^-型Si基板上に埋込み領
域となる低抵抗p⁺型領域３を形成し、その上に
さらに高抵抗n⁺型領域を形成する。このように
して形成されたSiチツプの一面全面と他面の所要
部分とにn⁺型領域を拡散、イオン打込み等で形
成する。

他の例としては全ての半導体領域をGaASで形
成する。GaAsのような直接遷移型半導体で受光
素子を形成する場合は蓄積領域が入射面から離れ
すぎないように注意する。

受光素子をSi発光素子をGaAsで形成すると波
長の適合性が優れている。製造の点からは格子定
数の適合等が重要であり、発光素子と受光素子を
同一半導体材料または格子定数の近い半導体で作
成するのがよい。

受光と発光は電気信号を介在して（光−電気−
光変換で）行なわれるので入射光と放射光の波長
を変換することもできる。たとえば受光素子とし
てGaAsを用い発光素子としてInGaPを用いる
と、赤外光から可視光への変換が行なえる。同様
により長波長の光を可視光に変換するには受光素
子としてHgCdTe、PbSnTeその他の狭い禁止帯
巾を有する半導体を用い、発光素子に可視光を発
光する広い禁止帯巾を有する半導体を用いればよ
い。

二種類の半導体のみでは格子定数の適合が取れ
ない場合は格子定数適合のための付加層を設けて
もよい。

たとえば、HgCdTe系混晶は格子定数の変化は
非常に小さいが、禁止帯巾は赤外から遠赤外まで
変化するのでこれと格子定数の比較的近い
CdTeSeなどとのヘテロ接合構造により赤外光・
可視光変換を行なうことができる。

第１図に示した構造の変更例を第２図ａ，ｂ，
ｃに示す。これらの図には蓄積領域の上面図のみ
を示すが他の部分は第１図から容易に理解される
であろう。これらの構造では一つの受光素子の蓄
積領域が複数個のセグメントで形成され、各セグ
メントはその両側に位置する二つの受光素子に共
通の蓄積領域となつている。第２図ａは各受光素
子が三角形、第２図ｂは各受光素子が第１図と同
様四角形、第２図ｃは各受光素子が六角形に構成
されている。この他長方形、ひし形各素子の形状
が同一で周期的に配列できるものであればよい。

第２図に示した構造のように、一つの蓄積セグ
メントが複数の受光素子に共通に用いられる型の
ものは受光面積を無駄なく利用でき、集積度を上
げられる利点を有する。

一度受光記憶を行なうと次の受光記憶を行なう
ためにはある長さ以上の時間が必要である。さら
に、上に述べた構造の受光発光装置は、全素子が
同時に発光するため、各素子をランダムアクセス
したり、各素子のメモリを電気的に読み出すこと
ができない。

これらの欠点を改良した実施例を以下に述べ
る。

第３図ａ，ｂに積極的にメモリのクリアがで
き、各素子を選択的に、電気的かつ光学的に読み
出すことのできる実施例を示す。図面を通して同
一の参照記号は同様の部分を示す。

第３図ａは、二次元アレイ状に絵素が配列され
た受光発光装置の等価回路であり、ｂは部分断面
図である。

第３図ａにおいて、列線ａ１，ａ２，ａ３，…
…と行線ｂ１，ｂ２，ｂ３，……とが互いに交叉
し、各交点に絵素PE１１，PE１２，……PE２
１，PE２２，……が配置されている。各絵素
PEijは列線aiに接続された発光ダイオードDijと
行線bjに接続されたニユポーラ型フオトトランジ
スタQijの直列接続を含む。さらにフオトトラン
ジスタQijの蓄積領域の電位を制御する絶縁電極
が列線ａ１，ａ２，……と並列に配置されたクリ
ア線ｃ１，ｃ２，……の対応するciに接続されて
いる。列線制御回路２１は列線ａ１，ａ２，ａ
３，……に制御信号を供給し、行線制御回路２２
は行線ｂ１，ｂ２，ｂ３，……に制御信号を供給
する。同様にクリア線制御回路２３は、クリア線
ｃ１，ｃ２，ｃ３，……に制御信号を供給する。
行線ｂ１，ｂ２，ｂ３，……と列線ａ１，ａ２，
ａ３，……との間に一度に順電圧を印加すれば第
１図の実施例同様すべての発光ダイオードから同
時にメモリに対応する発光を行なう。行線ｂ１，
ｂ２，ｂ３，……を零電位を保ち、クリア線ｃ
１，ｃ２，ｃ３に正電圧を印加すると各絵素の蓄
積領域に蓄積された電荷が同時に消滅する。任意
の絵素PEijを読み出したい場合は対応する行線
bi、列線aj間に順電圧を印加すれば発光ダイオー
ドから発光すると同時に電流が流れる。発光量と
電流値とは対応しており、共に積積された電荷量
を表わす。任意の絵素をクリアする場合は同様は
対応するクリア線と行線との間にクリア電圧を印
加すればよい。個別クリアが不要の場合はクリア
線は全て共通となるようにしてもよいことは自明
であろう。

第３図ｂの構造は基本的には第１図の構造と同
様であるが、受光セグメントが切り込みを満す絶
縁性樹脂８で分離され、蓄積領域３上に酸化膜６
を介してクリア電極３′が設けられている。さら
に発光活性領域５上に各セグメントに対応して、
列状のp⁺型領域９が設けられ、その上に電極
５′が形成されている。１０は不透明絶縁性樹脂
である。電極３′，５′は紙面垂直方向に延在して
おり、クリア線および列線を形成する。電極１′
の少なくとも受光窓上の部分は、SnO2、多結晶
シリコンなどの透明電極とするのが好ましい。

第４図に絶縁ゲート型受光素子を用いた実施例
を示す。基本構成は第３図の実施例と同様である
が、逆導電型の半導体蓄積領域３がなく絶縁ゲー
ト型構造でポテンシヤルウエルを形成するように
なつており、クリア電極でもある制御電極３が各
セグメント共通になつている。さらに不透明絶縁
性樹脂１０で各発光領域５が分離されている。構
造が簡単で、製作が容易であり、個別読出しがで
きる利点を有する。

以上受光素子にユニポーラ型半導体素子を用い
る実施例を示したが、受光素子を第５図の実施例
のようにバイポーラ型フオトトランジスタで作る
こともできる。

第５図においてn⁺型領域１１はエミツタ、ｐ
型領域１２はベース、n^-型領域１３、n⁺領域１
４はコレクタでエミツタ電極１８と共に、バイポ
ーラ型フオトトランジスタを形成する。ｐ型領域
１５はn⁺型領域１４と発光ダイオードを形成す
る。p⁺型領域１６は各セグメント上に設けられ
たドツト状低抵抗領域であり、不透明絶縁性樹脂
領域１７に囲まれ、電極１９とオーム接触する。

第６図はpinアバランシエフオトダイオードと
発光ダイオードとを組み合わせた実施例であり、
ｐ型領域３１、ｉ型領域３２、ｎ型領域３３がフ
オトダイオードを形成し、ｐ型領域３４と、p⁺
型領域３５と、ｎ型領域３３とが発光ダイオード
を形成する。不透明絶縁性樹脂３７，３８が各セ
グメント間の分離を行なつている。３６，３９は
電極である。電極３９に高い正電圧を印加すると
発光ダイオードには順方向電圧、受光ダイオード
には逆方向電圧が印加される。ｉ領域３２中で光
によつて電離したキヤリアがなだれを起し100倍
から10000倍程度のキヤリア増倍を起す。このキ
ヤリアによる電流が発光ダイオードを通つて発光
を起す。

以上実施例にそつて説明したが、本発明は上記
実施例に限定されるものではなく、種々の変更、
組み合わせ等が可能なことは自明であろう。発光
の指向性をよくするためには発光面にレンズ構造
を構成すればよいし、他の回路を同一半導体チツ
プ内に組み込んでもよい。

本発明は受光素子と発光素子とを一体化し、相
関して用いることを要旨とするものであり、光一
光変換が短時間に行なえるものである。本発明の
一実施例によれば記憶作用のある光一光、光−電
気変換装置が提供され、受光発光装置と光記憶装
置を重ねて配置し、光読み出しを行なうことによ
つて多数の情態の同時転写が行なえ、又受光発光
装置を通常の光メモリとして用いることができ
る。その他本発明はオプトエレクトロニクスの分
野で非常に広い用途があり、工業的価値の高いも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃは本発明の一実施例の断面
図、蓄積領域の上面図、埋込主電極領域の上面図
であり、第２図ａ，ｂ，ｃは蓄積領域の他の形状
を示す上面図であり、第３図ａ，ｂは本発明の他
の実施例の等価回路図と部分断面図であり、第４
図乃至第６図は本発明の他の実施例の部分断面図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 不飽和型電流電圧特性を有するユニポーラ型
   フオトトランジスタによつて形成された半導体受
   光素子に光を入射して実効的内部インピーダンス
   を変化させ、前記半導体受光素子を介して前記半
   導体受光素子と同一半導体によるpn接合もしく
   は異種半導体によるヘテロ接合を介して半導体基
   板中で一体化された光活性半導体領域へ電流を導
   入して発光させることを特徴とする受光発光方
   法。 ２ 前記半導体受光素子の制御領域とチヤンネル
   領域間に形成されるpn接合近傍へ光を入射し、
   電離したキヤリアの一方の極性のものを該pn接
   合を形成する２つの半導体領域の一方へ蓄積する
   ことを含み、前記発光が前記２つの半導体領域の
   他方を介して光活性半導体領域へ少数キヤリアを
   注入することを含むことを特徴とする前記特許請
   求の範囲第１項記載の受光発光方法。 ３ 入射光に応答して実効内部インピーダンスを
   変化させることができ、かつ不飽和型電流電圧特
   性を有するユニポーラ型フオトトランジスタによ
   つて形成された半導体受光素子と、半導体発光素
   子とが、同一半導体によるpn接合もしくは異常
   半導体によるヘテロ接合を介して半導体基板中で
   直列接続された半導体受光発光絵素を少なくとも
   １つ単一半導体チツプ内に含む半導体受光発光装
   置であつて、前記半導体受光素子と前記半導体発
   光素子とが共通領域を有し、前記半導体受光素子
   が一方の導電型の電流路領域と、前記電流路領域
   を実質的に取り囲み、電離したキヤリアを蓄積し
   て前記電流路領域を電気的に制御する蓄積制御領
   域とを含み、前記半導体受光素子がさらに前記蓄
   積制御領域に蓄積された電荷をクリアするための
   クリア手段を有し、前記クリア手段が絶縁ゲート
   電極構造を含み、前記蓄積制御領域が他方の導電
   型の半導体領域で形成され、前記クリア手段が前
   記蓄積制御領域との間のキヤパシタ構造を含むこ
   とを特徴とする半導体受光発光装置。 ４ 前記異種半導体によるヘテロ接合において、
   ヘテロ接合界面に格子定数適合のための付加層を
   設けたことを特徴とする前記特許請求の範囲第３
   項記載の半導体受光発光装置。 ５ 前記半導体受光素子がシリコンで形成され、
   前記半導体受光素子がガリウム燐で形成されるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第３項記載の
   半導体受光発光装置。 ６ 前記半導体受光発光絵素の数が複数であり、
   複数の半導体受光発光絵素が前記単一半導体チツ
   プ内の所定の位置に配置され光学的パターンを受
   光し、対応する発光を行なうことができることを
   特徴とする前記特許請求の範囲第３項記載の半導
   体受光発光装置。 ７ 前記複数個の半導体受光発光絵素が２次元ア
   レイ状に配列されていることを特徴とする前記特
   許請求の範囲第６項記載の半導体受光発光装置。 ８ 前記アレイに接続された行線および列線を有
   し、前記半導体受光素子が行線に前記半導体受光
   素子が列線に接続されていることを特徴とする前
   記特許請求の範囲第７項記載の半導体受光発光装
   置。