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JP3138997B2 - 光電子集積回路 - Google Patents
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JP3138997B2 - 光電子集積回路 - Google Patents

光電子集積回路

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JP3138997B2
JP3138997B2 JP05115008A JP11500893A JP3138997B2 JP 3138997 B2 JP3138997 B2 JP 3138997B2 JP 05115008 A JP05115008 A JP 05115008A JP 11500893 A JP11500893 A JP 11500893A JP 3138997 B2 JP3138997 B2 JP 3138997B2
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宗作 澤田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信などで
使用する、光を受信して電気信号に変換する光電子集積
回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信の発展に伴い、この分野
で使用される光受信器は高速性が要求される。この高速
性の要求を満たし、且つ小型化を実現するため様々な受
光素子とトランジスタとを組み合わせた光電子集積回路
が研究・試作されている。この様な光電子集積回路の代
表的な一例として、「S.Chandrasekhar, et al. : IEEE
Photon. Technol. Lett., vol.3, No.9, 1991, pp.823-
825」に示されるような、pin型フォトダイオードと
ヘテロ接合型バイポーラトランジスタとを含んで構成さ
れる受光回路を実装した光電子集積回路がある。
【0003】図3は、この光電子集積回路の構成図であ
る。図3(a)は回路構成図であり、図3(b)はpi
n型フォトダイオードとヘテロ接合型バイポーラトラン
ジスタ(以下、HBTと呼ぶ)とを形成する材料物質を
示す表である。図示のように、この光集積回路はInP
結晶から成る半絶縁性基板の上に、InPとInGaA
sとのヘテロ接合を利用して、受光素子であるpin型
フォトダイオードとHBTとを形成している。ここで、
ヘテロ接合する層を形成するにあたっては化学的ビーム
・エピタキシを使用している。こうして、この光電子集
積回路では、遮断周波数(fT )=32GHz、最大発
振周波数(fMAX )=28GHzの特性を有し、受信情
報速度=5Gb/sで動作可能な光受信用の光電子集積
回路を実現している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の光電子集積回路
は上記のように構成され、受光素子の光吸収層とHBT
のベース層とが同一の物質をもとに形成され、そのバン
ドギャップは同一であった。したがって、HBTの動作
時にベース層の内部において電流に起因する発光性再結
合によって生じる光は、受光素子の光吸収層に吸収され
ノイズ電流を発生し、高感度な光受信用の光電子集積回
路が実現できないという問題点があった。
【0005】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたものであり、ノイズ電流を抑制した高感度な光
受信用の光電子集積回路を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の光電子集積回路
は、半絶縁性の基板上に、(a)第1の半導体物質から
成る光吸収部を有する受光素子と、(b)第1の半導体
物質のバンドギャップ幅よりも小さいバンドギャップ幅
を有する第2の半導体物質からなるベース部を挟んで相
対する領域にエミッタ部とコレクタ部とを形成して構成
されるヘテロ接合型バイポーラトランジスタと、をモノ
リシックに含んで構成されることを特徴とする。
【0007】ここで、第1の半導体物質はGaInAs
Pであり、第2の半導体物質はGaInAsである、こ
とを特徴としてもよい。
【0008】また、受光素子はpin型フォトダイオー
ド、金属−半導体−金属フォトディテクタ、およびアバ
ランシ・フォトダイオードのいずれかである、ことを特
徴としてもよい。
【0009】
【作用】本発明の光電子集積回路では、外部からの受光
が無い時にベース部を電流が流れるHBTが受光素子の
近傍に存在し、発光性再結合によりベース部のバンドギ
ャップに応じた光を発生することがある。しかし、この
光が受光素子の光吸収部に照射されても、受光素子の光
吸収部のバンドギャップがHBTのベース部のバンドギ
ャップよりも大きいので、光吸収部でのこの光の吸収は
発生しない。
【0010】また、外部からの受光が有る時にも、ベー
ス部を電流が流れるHBTが受光素子の近傍に存在し
(例えば、発光素子の出力を入力する初段のHBTな
ど)、発光性再結合によりベース部のバンドギャップに
応じた光を発生することがある。この場合においても、
この光が受光素子の光吸収部に照射されても、受光素子
の光吸収部のバンドギャップがHBTのベース部のバン
ドギャップよりも大きいので、光吸収部でのこの光の吸
収は発生しない。
【0011】こうして、外部から受光した光のみが受光
素子の光吸収部に吸収され、この吸収量に応じた電気信
号が光電子集積回路から出力される。
【0012】
【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例を説明する。図1は実施例に係る光電子集積回路の
回路構成図であり、図2は受光素子と初段のHBTとを
含む部分の断面構造図である。
【0013】図1に示す通りこの装置は、受光によって
導電性を発現するpin型フォトダイオード100と、
pin型フォトダイオード100の導電性の有無の変化
によって生じる電気信号を受信し、増幅し、整形するH
BT2101 〜2105 からなるトランジスタ群200
と、HBT2101 〜2105 の動作条件設定する抵
抗、コンデンサなどの電気的受動素子群から構成され、
pin型フォトダイオード100への外部から入射した
光量に応じた電気信号を出力する。
【0014】この装置の構成要素は、InP結晶から成
る半絶縁性の基板300の上に形成される(図2参
照)。pin型フォトダイオード100は、基板300
の上に形成され、n型の不純物を高濃度に含むInP結
晶からなるカソード層110と、カソード層110の表
面上に形成され、不純物の含有度が低いあるいは実質的
に不純物を含まないGaInAsP混晶から成る光吸収
層120と、光吸収層120の表面上に形成されたp型
の不純物を高濃度に含むInP結晶からなるアノード層
130と、の3層構造を有する。カソード層110およ
びアノード層120の表面の一部には電極411および
電極412が夫々形成され、さらに配線が施されてい
る。
【0015】HBT2101 〜2105 は同様な構造を
有する。この構造を、図2に示すpin型フォトダイオ
ード100の出力信号をベース端子に入力し、信号増幅
する機能を有するHBT2101 で代表して説明する。
HBT2101 は、基板300の表面上に形成され、n
型の不純物を高濃度に含むGaInAs混晶から成るサ
ブコレクタ層211と、サブコレクタ層211の表面に
形成されたn型の導電性を有するGaInAs混晶から
成るコレクタ層212と、コレクタ層の表面上に形成さ
れ、p型の導電性を有するGaInAs混晶から成るベ
ース層213と、ベ−ス層213の表面上に形成され、
n型の不純物を高濃度に含むGaInAs混晶から成る
エミッタ層214と、の4層構造を有する。サブコレク
タ層211、ベース層213、およびエミッタ層214
の表面には電極421、電極422、および電極423
が夫々形成され、さらに配線が施されている。
【0016】電気的受動素子群は、基板上に既知の方法
で形成された抵抗、コンデデンサなどから成り、以上の
pin型フォトダイオード100およびトランジスタ群
200という能動素子と配線により接続し、これらの能
動素子と協調して装置の機能を実現する。
【0017】なお、図2ではpin型フォトダイオード
100は、基板300の表面上に直接形成されていな
い。これは、基板300の表面上にHBT200の各層
を形成後に、pin型フォトダイオードの各層を形成す
る方法を採用したことによる。基板300の表面上に直
接形成しても本実施例と同様の作用・効果を有する。
【0018】pin型フォトダイオード100には逆バ
イアス電圧が印加され、受光していいない状態で光吸収
層120は空乏化している。このpin型フォトダイオ
ード100に外部から入射した光は、光の吸収係数にし
たがって指数関数的に減衰しながら、光キャリアを励起
する。空乏層で発生した光キャリアは、空乏層電界によ
り加速され、アノード層130からカソード層110へ
流れる電流を生じる。なお、光の吸収は、アノード層1
30およびカソード層110でも発生して光キャリアを
励起するが、これらの層が薄いので光キャリアの励起確
率が低いこと、および光キャリアの移動は拡散によるこ
とから、これらの層における光吸収に起因する発生電流
の量は空乏層における光吸収に起因する発生電流の量に
比べて非常に小さくなる。
【0019】こうして発生した入射光に伴う電流は、後
段に設置されたトランジスタ群200および電気的受動
素子群によって構成される増幅・整形回路に入力し、最
終的に入射光量を反映した電気信号が出力される。
【0020】上記の増幅・整形動作時には、各HBTに
はベース電流が流れる。各HBTのベース層213はG
aInAs混晶から成るので、ベース電流によって発光
性再結合が起こり、ベース層213のバンドギャップ値
に対応する波長の光を発生する。この光は光吸収層12
0に達することがあるが、光吸収層120はGaInA
sP混晶から成るので、そのバンドギャップ値はベース
層213のバンドギャップ値よりも大きく、この光は吸
収されない。したがって、pin型フォトダイオード1
00では、外部から受光した光量に忠実な電流を発生
し、ひいては光電子集積回路の出力として受光量に忠実
な電気信号を得ることができる。
【0021】本発明は上記の実施例に限定されるわけで
はなく、様々な変形が可能である。例えば、実施例では
受光素子としてpin型フォトダイオードを使用した
が、アバランシ・フォトダイオードあるいは金属−半導
体−金属フォトディテクタなどを使用してもよい。ま
た、実施例で使用した半導体物質以外の半導体物質をバ
ンドギャップ値を考慮の上で採用してもよい。
【0022】
【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明の光電
子集積回路は、受光素子の光吸収部をHBTのベース部
を形成する材料よりもバンドギャップの大きな材料で形
成したので、HBTの動作によって生じるベース部の発
光性再結合による光を受光素子の光吸収部が吸収せず、
ノイズを抑制した高感度の光電子集積回路を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る光電子集積回路の回路構
成図である。
【図2】本発明の実施例に係る光電子集積回路の構造図
である。
【図3】従来の光電子集積回路の説明図である。
【符号の説明】
100…pin型フォトダイオード、110…カソード
層、120…光吸収層、130…アノード層、200…
ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ、210…サブコ
レクタ層、211…コレクタ層、212…ベース層、2
13…エミッタ層、300…基板、410,420,4
30,440,450…電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/10 - 31/119 H01L 27/14 - 27/15

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半絶縁性の基板上に、 第1の半導体物質から成る光吸収部を有する受光素子
    と、 前記第1の半導体物質のバンドギャップ幅よりも小さい
    バンドギャップ幅を有する第2の半導体物質からなるベ
    ース部を挟んで相対する領域にエミッタ部とコレクタ部
    とを形成して構成されるヘテロ接合型バイポーラトラン
    ジスタと、 をモノリシックに含んで構成されることを特徴とする光
    電子集積回路。
  2. 【請求項2】 前記第1の半導体物質はGaInAsP
    であり、前記第2の半導体物質はGaInAsである、
    ことを特徴とする請求項1記載の光電子集積回路。
  3. 【請求項3】 前記受光素子はpin型フォトダイオー
    ドである、ことを特徴とする請求項1記載の光電子集積
    回路。
  4. 【請求項4】 前記受光素子は金属−半導体−金属フォ
    トディテクタである、ことを特徴とする請求項1記載の
    光電子集積回路。
  5. 【請求項5】 前記受光素子はアバランシ・フォトダイ
    オードである、ことを特徴とする請求項1記載の光電子
    集積回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP3191835B2 (ja) 1993-05-17 2001-07-23 住友電気工業株式会社 光電子集積回路

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