JPH0738457B2 - 光・電子双安定素子 - Google Patents

光・電子双安定素子

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JPH0738457B2 JP16923986A JP16923986A JPH0738457B2 JP H0738457 B2 JPH0738457 B2 JP H0738457B2 JP 16923986 A JP16923986 A JP 16923986A JP 16923986 A JP16923986 A JP 16923986A JP H0738457 B2 JPH0738457 B2 JP H0738457B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電気−光特性が二つの安定点を持つ光・電子
双安定素子に関する。
（従来の技術） 半導体レーザや発光ダイオードを初めとする光・電子素
子のより高度な発展形態として、光コンピュータや光交
換機等への新しい応用が期待されている。特に双安定素
子はこれらの応用の鍵デバイスとして位置付けられ、盛
んに研究開発されている。光双安定素子に要求されるこ
とは、第１に、光コンピュータなどで光信号の並列処理
を小さい面積で可能とするために面発光型の素子構造を
有すること、第２に、素子の縦続接続ができるように入
力光に対して増幅機能を有すること、第３に、高速応答
特性を有すること、等である。
第６図は従来の光双安定素子の一例である。これは基本
的には半導体レーザ31であり、その電極をタンデム型電
極33として、不連続的に複数の非活性領域34を形成した
ものである。32は活性層である。これは非活性領域34で
の可飽和吸収特性を利用したもので、半導体レーザを用
いて最初に双安定特性を示した例として広く知られてい
る。即ち光共振器内に図のように非活性領域34を分布さ
せると、未励起の非活性領域34は弱い光入射に対して大
きい吸収を示し、強い入射光に対してはほぼ透明になる
という可飽和吸収特性を示す。そこでこの非活性領域の
光吸収特性を制御することにより、レーザ発振をＱスイ
ッチ状にオン，オフすることができる。
しかしながらこの素子は、ウェーハ面に平行に光入力，
光出力を行うものである。従ってこの素子では光信号の
並列処理性に対する要求に応えられない。
第７図は従来の他の双安定素子であり、G.W.Taylor等に
より発表されたものである。
（IEDM′85,Paper27.4）。この素子は、発光層であるｎ
型GaAs層44がこれより禁制帯幅の広いクラッド層である
ｐ型 AlGaAs層43とｎ型AlGaAs層46に挟まれたダブルヘテロ接
合構造を有する。ｎ型AlGaAs層46とｎ型GaAs層44の間に
はバリア層として高不純物濃度且つ超薄膜のp+型GaAs層
45を有する。これらの積層構造は、p+型GaAs基板41上に
p+型GaAsバッファ層42を介して形成されている。p+型基
板41には第１の主電極48が形成され、ｎ型AlGaAs層45上
には高濃度n+型GaAs層47を介して第２の主電極49が形成
されている。発光層であるｎ型GaAs層44にはn+型層50が
形成され、ここに補助電極51が形成されている。
この素子の動作は次の通りである。この素子は第１の主
電極48と第２の主電極49間に第１の主電極48側が正とな
る電圧を印加する。印加電圧が小さい間は、その電圧は
超薄膜のp+型GaAs層45とｎ型GaAs44間に逆バイアスとし
て係り、素子全体は高インピーダンス即ちオフ状態であ
る。印加電圧を上昇させてp+型GaAs層45とｎ型GaAs層44
間の接合がブレークダウンすると素子は低インピーダン
ス状態となり大電流が流れる。この動作原理はpnpnサイ
リスタと同様であり、一旦オン状態になると印加電圧を
下げても電流が流れ続ける。そしてこのオン状態では、
ｎ型GaAs層44で通常の発光ダイオードの原理で発光が生
じる。こうしてこの素子は、電圧−光特性をとると、光
出力が電圧に対して二つの安定点を持つ双安定特性が得
られることになる。補助電極51は、サイリスタにゲート
電極を設けるのと同様に素子の制御性と高速性を向上さ
せるために設けられている。
この双安定素子は、面発光型であって並列処理性の点で
優れ、また発光部がダブルヘテロ接合構造であるために
高出力発光が得られる点でも優れている。更に補助電極
を設けることで高速応答も可能としている。
しかしこの素子にも未だ解決すべき問題がある。その一
つは、発光層であるｎ型GaAs層44が直接高濃度の超薄膜
p+型GaAs層45に接しているため、その界面特性がよくな
いことである。このため界面での非発光再結合成分が多
く、これが十分な発光出力を得る上で障害となってい
る。もう一つは、補助電極51のとり方である。補助電極
51は、超薄膜であるp+型GaAs層45によるポテンシャル・
バリアを制御するためのものであり、本来ならばp+型Ga
As層45に直接オーミック接触させた方がよい。しかしp+
型GaAs層45が非常に薄いものであるために端子取り出し
が不可能であり、止むを得ずｎ型GaAs層44にコンタクト
させている。
（発明が解決しようとする問題点） 以上のように従来の光双安定素子は、高速応答特性およ
び高出力特性の点で未だ十分でないという問題があっ
た。
本発明はこのよう問題を解決した光・電子双安定素子を
提供することを目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明にかかる光・電子双安定素子は、発光層となる第
１導電型の第１半導体層がこれより禁制帯幅の大きい第
１導電型の第２半導体層および第２導電型の第３半導体
層により挟まれたダブルヘテロ接合構造を有し、前記第
２半導体層上に高不純物濃度且つ超薄膜の第２導電型の
第４半導体層を介して第１導電型の第５半導体層が積層
されたpnpn構造を有することを特徴とする。従来提案さ
れている素子と異なる点は、発光層が直接高濃度の超薄
膜層に接触せず、これらの間にクラッド層となる第２半
導体層を介在させていることである。
本発明にかかる光・電子双安定素子のもう一つの特徴
は、上記基本構造に加えて、高不純物濃度且つ超薄膜の
第４半導体層に対して直接補助電極を接触させたことで
ある。即ち、発光層となる第１半導体層と超薄膜の第４
半導体層の間に第２半導体層を設けるから、この第２半
導体層および超薄膜上の第５半導体層の少なくとも超薄
膜に接する部分を低不純物濃度とすることにより、実質
的に超薄膜からの電極端子取りだしができる。
（作用） 以上のように、発光層が直接高濃度の超薄膜層に接触し
ないようにして、発光層と高濃度の超薄膜の間に低濃度
のクラッド層を挟めば、発光層界面の非発光再結合中心
が少なくなり、従ってダブルヘテロ接合構造での高出力
特性が実現される。
また高濃度の超薄膜の両側を低不純物濃度として、実質
的に超薄膜に直接補助電極をとりつけることを可能とし
て、そのバリア高さを制御することにより、より高速の
スイッチング動作が可能になる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は一実施例の双安定素子である。ｎ型GaAs層14は
発光層（第１の半導体層）であり、厚さ１μｍ程度と
し、これを挟んでこれより禁制帯幅の大きいn-型AlGaAs
層（第２の半導体層）15およびp+型AlGaAs層（第３の半
導体層）13がある。これらn-型AlGaAs層15およびp+型Al
GaAs層13はクラッド層であり、それぞれ厚さ4800Åおよ
び3500Åとする。この発光層としてのｎ型GaAs層14とク
ラッド層としてのn-型AlGaAs層およびp+型AlGaAs層13か
らなるダブルヘテロ接合構造は、p+型GaAs基板11上にp+
型GaAsバッファ層12を介して積層形成されている。n-型
AlGaAs層15上には、高不純物濃度且つ超薄膜のp+型GaAs
層（第４の半導体層）16を介してｎ型の第５の半導体層
が積層形成されている。p+型GaAs層16は例えば厚さ40Å
程度でキャリア濃度が５×1018/cm3以上とする。第５の
半導体層としては、p+型GaAs層16に接する部分にクラッ
ド層となるn-型AlGaAs層17が形成され、この上に更にエ
ミッタ層となるn+型AlGaAs層18およびn+型GaAs層19が積
層形成されている。
n-型AlGaAs層17は800Å、n+型AlGaAs層18は4000Å程度
とする。超薄膜であるp+型GaAs層16を挟むn-型AlGaAs層
15および17は、キャリア濃度５×1015/cm3程度の低濃度
層としている。
以上の各半導体層はこの実施例では分子線エピタキシー
法により形成している。成長温度は約700℃である。基
盤11の裏面にはアノード電極（第１の主電極）20が、上
部n+型GaAs層19にはカソード電極（第２の主電極）21が
それぞれ形成されている。
第２図は、この様に構成された双安定素子の特性であ
る。左の垂直軸が順方向電圧（即ち電極20,21間に印加
される電極20側が正となる電圧）、水平軸が電流であ
り、右の垂直軸が光出力である。順方向電圧が13Vまで
は素子はオフ状態を維持し、それ以上の電圧で急激に電
流が流れてオン状態となる。一旦オン状態になつた素子
は、電圧を数Ｖ以下にしてもオン状態が保たれる。光出
力は、電流値100mAで200μＷ以上の値を示した。ちなみ
に第７図に示す従来構造の素子では、同じ100mAで光出
力約30μＷである（G.W.Tayor et al,Appl.Phys.Lett.,
48,1368（1986））。この差は、本実施例の素子では発
光層であるｎ型GaAs層14に直接高濃度のp+型GaAs層16を
接触させず、その間にクラッド層として低濃度のAlGaAs
15を介在させていることの結果である。即ち本実施例の
素子では発光層の界面特性が良好なものとなり、これが
効率の高い光出力の発生を可能としているのでる。
本発明の双安定素子は上記のように発光層と高濃度超薄
膜層との間にクラッド層を介在させることが基本である
が、高速応答のために他の好ましい条件をいくつか挙げ
ることができる。例えば、超薄膜であるp+型GaAs層16を
挟むn-型AlGaAs層15,17は、上部のAlGaAs層17の禁制帯
幅が下部のAlGaAs層15のそれより大きくなるように組成
比を選ぶことが望ましい。これはエミッタ側からの電子
注入を容易にし、高速性の向上に寄与する。また下部Al
GaAs層15の禁制帯幅が発光層であるGaAs層側から漸次大
きくなるように組成比を設定することも好ましい。この
ようにすれば、素子のオン状態からオフ状態への遷移の
際、正孔の発光層からの抜けがよくなり、光出力の高速
応答が可能になる。更に高濃度，超薄膜のp+型GaAs層と
その両側のAlGaAs層とで形成される領域のポテンシヤル
・バリアを高くし、完全なスイッチング動作を生じさ
せ、且つ応答性を悪くする少数キャリアの蓄積を少なく
するためには、超薄膜層は高濃度でしかも零バイアス状
態で完全空乏化することが必要である。この様な条件を
満たすためには、高濃度，超薄膜層は不純物濃度が1018
/cm3以上、厚さが200Å以下であることが現実的であ
る。またキャリアの高速走行を可能とするためにこの部
分のAlGaAs層はｉ型化することが望ましく、濃度は従っ
て1016/cm3以下とすることが望ましい。
第３図は、補助電極を設けた本発明の実施例の双安定素
子である。基本構造は第１図のものと同様であるので、
第１図と対応する部分には第１図と同一符号を付して詳
細な説明は省略する。第１図と異なる点は、上部からメ
サ・エッチングを施してAlGaAs層17まで掘り、ここから
Znなどの不純物拡散を行ってp+型層22を形成し、これに
補助電極23を形成していることである。
この実施例の素子の特性も基本的に第１図のものと同様
である。そしてこの素子では、補助電極23に印加する電
圧により高濃度，超薄膜のp+型層16部分のポテンシャル
・バリアを制御してスイッチング特性を制御することが
できる。この場合、p+型層16を挟むn-型AlGaAs層15,17
の不純物濃度を十分に小さくすることにより、p+型層22
とこれらn-型AlGaAs層15,17間のリークを十分に小さく
することができる。従って補助電極23は実質的に薄いp+
型層16に直接接触させたことになり、ポテンシャル・バ
リアの制御性が優れたものとなる。
この実施例の素子の場合にも、高速応答特性の実現のた
めに、n-型AlGaAs層15,17およびp+型GaAs層16部分の濃
度や禁制帯幅等について先の実施例の素子について説明
したと同様の配慮をすることが望ましい。
第４図は、第３図の素子を変形した実施例の素子であ
る。即ちこの素子では、プレーナ構造のまま、素子上部
からの深いZn拡散によりp+型GaAs層16にコンタクトする
p+型層22を形成し、且つ細い溝24によりこのp+型層22と
エミッタ層の間を分離している。また基板11側をエッチ
ングしてくり抜き、光出力を基板側からも取出せるよう
にしている。
この実施例の素子によれば、光信号の増幅中継が可能と
なる。即ちこの素子をオン直前の状態にバイアスしてお
くと、上部から入射した僅かな光で素子はスイッチング
してオンとなり、大きい光出力が基板側から得られる。
この場合、光の入出力が基板ウェーハに垂直であるた
め、例えば第６図に示した従来の素子と異なり、短い距
離で光信号の縦続接続機能を果たすことができる。
第５図は、本発明の双安定素子をトランジスタと一体形
成した実施例である。第５図の素子分離溝25の右側が上
記実施例と同様の双安定素子である。但し基板をエッチ
ングしていない。素子分離溝25の左側は、右側と全く同
じ層構造であり、超薄膜のp+型GaAs層をベース層、これ
を挟むn-型AlGaAs層17,15をそれぞれエミッタ，コレク
タ層としてトランジスタを構成している。ｎ型GaAs層14
にコレクタ電極26を設けている。ベース電極232部分は
双安定素子の制御電極231部分と同じであり、深いZn拡
散によるp+型層221,222により電極231,232をそれぞれp+
型GaAs層16に接触させるようにしている。エミッタ電極
211は双安定素子のカソード電極211と異なり、光入出力
を必要としないので全面に形成している。
この実施例によれば、光双安定素子を形成するプロセス
をほとんど変更することなく、光双安定素子とトランジ
スタを一体形成することができ、光・電子集積回路の大
規模化が可能となる。
本発明は上記した実施例に限られるものではなく、その
趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することがで
きる。
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、発光層の界面特性を
改善して高出力発光を可能とした光・電子双安定素子を
得ることができる。また本発明によれば、高速応答特性
を得るための制御端子を実質的に超薄膜層から取り出す
ことにより、光・電子双安定素子の優れた制御性を実現
することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の双安定素子を示す図、第２
図はその特性を示す図、第３図は本発明の他の実施例の
双安定素子を示す図、第４図は更に他の実施例の双安定
素子を示す図、第５図は双安定素子とトランジスタを一
体化した実施例を示す図、第６図および第７図は従来の
双安定素子を示す図である。 11……p+型GaAs基板、12……p+型GaAsバッファ層、13…
…p+型AlGaAs層（第３半導体層）、14……ｎ型GaAs層
（第１半導体層）、15……n-型AlGaAs層（第２半導体
層）、16……超薄膜p+型GaAs層（第４半導体層）、17…
…n-型AlGaAs層（第５半導体層）、18……n+型AlGaAs
層、19……n+型GaAs層、20……アノード電極（第１の主
電極）、21……カソード電極（第２の主電極）、22……
p+型層、23……補助電極、24……溝。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発光層となる第１導電型の第１半導体層が
    これより禁制帯幅の大きい第１導電型の第２半導体層お
    よび第２導電型の第３半導体層により挟まれたダブルヘ
    テロ接合構造を有し、前記第２半導体層上に高不純物濃
    度かつ超薄膜の第２導電型の第４半導体層を介して第１
    導電型の第５半導体層が積層され、前記第３半導体層と
    第５半導体層間の積層構造体に電圧を印加する第１およ
    び第２の主電極を有することを特徴とする光・電子双安
    定素子。
  2. 【請求項２】前記第５半導体層のうち少なくとも前記第
    ４半導体層に接する部分は、禁制帯幅が前記第２半導体
    層のそれより大きい特許請求の範囲第１項記載の光・電
    子双安定素子。
  3. 【請求項３】前記第２半導体層は、その禁制帯幅が前記
    第１半導体層側から前記第４半導体層側に向かって漸次
    大きくなるように設定されている特許請求の範囲第１項
    記載の光・電子双安定素子。
  4. 【請求項４】前記第４半導体層はキャリア濃度が1018/c
    m3以上であり、これを挟む前記第２半導体層、および第
    ５半導体層の第４半導体層に接する部分のキャリア濃度
    が1016/cm3以下である特許請求の範囲第１項記載の光・
    電子双安定素子。
  5. 【請求項５】前記第４半導体層は、零バイアスで空乏化
    する特許請求の範囲第１項記載の光・電子双安定素子。
  6. 【請求項６】前記第４半導体層は200Å以下の超薄膜で
    ある特許請求の範囲第１項記載の光・電子双安定素子。
  7. 【請求項７】発光層となる第１導電型の第１半導体層が
    これより禁制帯幅の大きい第１導電型の第２半導体層お
    よび第２導電型の第３半導体層により挟まれたダブルヘ
    テロ接合構造を有し、前記第２半導体層上に高不純物濃
    度かつ超薄膜の第２導電型の第４半導体層を介して第１
    導電型の第５半導体層が積層され、前記第３半導体層と
    第５半導体層間の積層構造体に電圧を印加する第１およ
    び第２の主電極を有し、且つ前記第４半導体層にバリア
    制御用電圧を印加する補助電極が設けられていることを
    特徴とする光・電子双安定素子。
  8. 【請求項８】前記第５半導体層のうち少なくとも前記第
    ４半導体層に接する部分は、禁制帯幅が前記第２半導体
    層のそれより大きく設定されている特許請求の範囲第７
    項記載の光・電子双安定素子。
  9. 【請求項９】前記第２半導体層は、その禁制帯幅が前記
    第１半導体層側から前記第４半導体層側に向かって漸次
    大きくなるように設定されている特許請求の範囲第７項
    記載の光・電子双安定素子。
  10. 【請求項１０】前記第４半導体層はキャリア濃度が1018
    /cm3以上であり、これを挟む前記第２半導体層、および
    第５半導体層の第４半導体層に接する部分のキャリア濃
    度が1016/cm3以下である特許請求の範囲第７項記載の光
    ・電子双安定素子。
  11. 【請求項１１】前記第４半導体層は、零バイアスで空乏
    化する特許請求の範囲第７項記載の光・電子双安定素
    子。
  12. 【請求項１２】前記第４半導体層は200Å以下の超薄膜
    である特許請求の範囲第７項記載の光・電子双安定素
    子。
JP16923986A 1986-07-18 1986-07-18 光・電子双安定素子 Expired - Lifetime JPH0738457B2 (ja)

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US07/074,636 US4819048A (en) 1986-07-18 1987-07-17 Optoelectronic bistable apparatus
GB8716866A GB2192754B (en) 1986-07-18 1987-07-17 Optoelectronic bistable semiconductor apparatus

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