(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分、および、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対しベース層とは反対側部分、の両方に互いに膜厚、もしくは組成の異なる光ガイド層となる半導体層を設け、
上側の前記光ガイド層を下側の前記光ガイド層以下の厚さにし、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項２】
第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、
前記エミッタ層は前記ベース層の上側に位置し、該エミッタ層側には光ガイド層を設けず、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項３】
第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、
前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、
前記コレクタ層は前記ベース層の上側に位置し、該コレクタ層側には光ガイド層を設けず、
前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、
かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項４】
前記伝搬光の導波モードの中心が、前記コレクタ層中もしくは前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする請求項１または２記載のフォトトランジスタ。
【請求項５】
前記伝搬光の導波モードの中心が、前記エミッタ層中もしくは前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする請求項１または３記載のフォトトランジスタ。
【請求項６】
前記エミッタ層の膜厚が、０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のフォトトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトトランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のフォトトランジスタの一例の概略断面図である。
【０００３】
９１は光入射面、９２はｎ型ＩｎＰ基板、９３はｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、９４はｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、９５はｎ型ＩｎＰエミッタ層、９６はｎ＋型ＩｎＰ層（下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（上層）からなるエミッタコンタクト層、９７はエミッタ電極、９８はコレクタ電極である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフォトトランジスタは、図６に示すように面型の受光構造からなり、光の入射方向が上面もしくは下面からに限定され（図６では上面）、光ファイバや光導波路等と横方向から直接光結合を行うことができないという問題があった。
【０００５】
また、受光感度を大きくするために前記光吸収層６３、６４を厚くすると、素子中のキャリア走行時間で素子の応答速度が制限される。このように、受光感度と素子の応答速度との間にトレードオフの関係があり、このため、従来構造では、素子を高速化しようとすると、受光感度が激減してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、横方向からの光入射が可能であり、高受光感度であり、かつ、高速のフォトトランジスタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エミッタ、ベースおよびコレクタ層からなり、エミッタ層またはエミッタ層およびコレクタ層がベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな異種半導体からなる層を基板上に設けてなるヘテロ接合フォトトランジスタ構造において、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されており、マルチモードの光導波路構造を有し、横方向からの光入力が可能なことを主要な特徴とする。さらに、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、もしくはエミッタ側光ガイド層が無い構造において、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層中に存在するマルチモードの光導波路構造を有することを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分、および、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対しベース層とは反対側部分、の両方に互いに膜厚、もしくは組成の異なる光ガイド層となる半導体層を設け、上側の前記光ガイド層を下側の前記光ガイド層以下の厚さにし、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記コレクタ層中、もしくは、前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、前記エミッタ層は前記ベース層の上側に位置し、該エミッタ層側には光ガイド層を設けず、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、前記伝搬光の導波モードの中心が、前記コレクタ層中もしくは前記コレクタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、第１の導電型を有するエミッタ層、第２の導電型を有するベース層、および第１の導電型を有するコレクタ層をこの順番に積層した構造を含んでなり、前記エミッタ層、もしくは、前記エミッタ層および前記コレクタ層が、前記ベース層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体からなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、前記エミッタ層中、もしくは、前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側部分のいずれかに光ガイド層となる半導体層を設け、前記コレクタ層は前記ベース層の上側に位置し、該コレクタ層側には光ガイド層を設けず、前記光ガイド層となる半導体層を含む半導体積層構造全体が光導波路構造となるように構成し、かつ、前記光導波路を伝搬する光の導波モードがマルチモードとなるように前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
また、前記伝搬光の導波モードの中心が、前記エミッタ層中もしくは前記エミッタ層に対し前記ベース層とは反対側に設けた光ガイド層中に存在するように、前記半導体積層構造の各半導体層の膜厚および組成を設定したことを特徴とする。
さらに、前記エミッタ層の膜厚が、０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されて、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、光ファイバなどの光導波路と高効率の光結合が可能となり、したがって、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして動作させたときの受光感度（受光効率）が大きくできる。ここで、導波モードの中心は、光ファイバなどからの対称性のある光に対し、結合効率が最大となる層厚方向の軸上の位置を意味している。本発明において、エミッタが上側に位置するエミッタアップ構造では、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、またはエミッタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタ層が精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。また、コレクタが上側に位置するコレクタアップ構造では、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層より薄い、またはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタ層が精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。また、エミッタのバンドギャップがワイドギャップであって、低屈折率を有するエミッタ層の膜厚を０．１μｍ以下に薄層化することにより、光導波路中にエミッタ層が存在しても導波モードの電界分布が比較的なめらかになり、高効率の光結合が容易になる。このように、従来技術とは、横方向光入射が可能であり、かつ、光ファイバやその他の光導波路と直接光結合に対し高効率な受光ができ、微細構造が製作容易であり、かつ、高速応答が可能であるという点が異なる。
【００１４】
このように、本発明では、横方向からの光入射が可能であり、かつ、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層が挿入されて、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、従来の面型フォトトランジスタに比べ光吸収層厚が薄くても高効率な受光ができる。また同時に、光吸収層厚を薄くできるため、キャリアの走行時間による速度制限を受けにくくなり、高い受光感度を維持しながら高速応答の可能な素子が製作できる。また、上面から光を入射するタイプのフォトトランジスタでは、電極中に受光窓を設けることが必要なため、素子サイズが大きくなり、素子容量も大きくなってしまう。また、下面から光を入射するタイプのフォトトランジスタでは、基板厚である１００μｍ程度の光路長があるため、光ファイバ等との直接結合を考えたとき、その間の光の広がりを考慮して素子サイズを大きくしておく必要があるなどの問題がある。これに対して、本発明の場合は、受光は素子端面で行うため、電極中に受光窓を設けることがが不要となり、また、受光長としては、せいぜい数十μｍ程度で済むため、素子サイズが小さくなり、素子容量を小さくできる。さらに、エミッタアップ構造においては、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層よりも薄い、またはエミッタ側光ガイド層が無い構造、あるいは、コレクタアップ構造においては、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層よりも薄い、またはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタあるいはコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタあるいはコレクタが精度良く容易に形成可能になり、素子サイズの微小化が容易に図れ、高速化が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明の第１の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００１６】
１１は半絶縁性ＩｎＰ基板、１２は膜厚が０．７μｍで、バンドギャップが波長１．１μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層の一部）、１３は膜厚が０．３μｍで、バンドギャップが波長１．１μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、１４は膜厚が０．０２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層、１５は膜厚０．０６μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、１６は膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、１７は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、１８は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、１９は膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ層、１１０はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、１１１はエミッタ電極、１１２はベース電極、１１３はコレクタ電極である。
【００１７】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズ（光強度が１／ｅ２になるビームの半径：ｅは自然対数の底）は０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、膜厚０．８μｍ以上と厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１２および１３と１８がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように既知の光導波路の設計手法により適宜設計、選択することができる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は５０以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も３０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極１１２を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層１５および１６として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられるＳＡＧＭ（セパレート  アブソープション  グレーデッド  マルチプリケーション（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｇｒａｄｅｄ−ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ））構造、ＳＡＭ−ＳＬ（セパレート  アブソープション  アンド  マルチプリケーション  スーパーラティス（Ｓｅｐａｒａｔｅ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ））構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等、また、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコ��クタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００１８】
実施の形態２
図２は、本発明の第２の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００１９】
２１は半絶縁性ＩｎＰ基板、２２は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、２３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、２４は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層２３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２７μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。２５は膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、２６は膜厚０．０２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、２７は膜厚が０．８μｍで、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、２８は膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ層（クラッド層）、２９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．３μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、２１０はエミッタ電極、２１１はベース電極、２１２はコレクタ電極である。
【００２０】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、膜厚０．８μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように既知の光導波路の設計手法により適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、エミッタ層２６を膜厚０．０２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、光の導波モードにはこのエミッタ層の存在の影響は小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。これによって、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．２４の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は５０以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、エミッタ層厚として０．０２μｍのものを用いたが、エミッタ層厚としては０．０１〜０．１μｍの範囲で同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、ベース電極２１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層２４および２５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２１】
実施の形態３
図３は、本発明の第３の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２２】
３１は半絶縁性ＩｎＰ基板、３２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、３３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、３４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層３３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドーブＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。３５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、３６は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、３７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、３８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、３９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、３１０はエミッタ電極、３１１はベース電極、３１２はコレクタ電極である。
【００２３】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、計１．６μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３２、３７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、エミッタ側光ガイド層３７を０．２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。また、コレクタ側光ガイド層３２がエミッタ側光ガイド層３７より十分厚く、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層３２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極３１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層３４および３５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは���うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層３２、３７として、共に、バンドギャップが１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層３２、３７を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成の光ガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２４】
実施の形態４
図４は、本発明の第４の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２５】
４１は半絶縁性ＩｎＰ基板、４２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、４３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、４４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層４３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。４５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、４６は膜厚０．０２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、４７は膜厚０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、４８は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰ層（クラッド層）、４９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、４１０はエミッタ電極、４１１はベース電極、４１２はコレクタ電極である。
【００２６】
本実施の形態の素子のエミッタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、計１．６μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４２、４７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、エミッタ層４６の膜厚を０．０２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、光の導波モードにはこのエミッタ層の影響は小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。また、エミッタ側光ガイド層４７の膜厚を０．２μｍと薄層化している。これにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。また、コレクタ側光ガイド層４２がエミッタ側光ガイド層４７より十分厚く、導波モードの中心がコレクタ側光ガイド層中に存在し、かつ、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、エミッタ層厚として０．０２μｍのものを用いたが、エミッタ層厚としては、０．０１〜０．１μｍの範囲で同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、ベース電極４１１を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バ���アスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層４２、４７として、共にバンドギャップが１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成の光ガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００２７】
実施の形態５
図５は、本発明の第５の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００２８】
５１は半絶縁性ＩｎＰ基板、５２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、５３は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、５４は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層５３側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。５５は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、５６は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、５７はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）とｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのエミッタコンタクト層、５８はエミッタ電極、５９はベース電極、５１０はコレクタ電極である。
【００２９】
本実施の形態では、エミッタ層５６の膜厚が０．３μｍと少し厚く、クラッド層として作用している。素子のエミッタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、１．４μｍと厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５２がコレクタ層５４の外側に挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。なお、光ガイド層の膜厚、組成、光吸収層の膜厚、組成は、光の伝搬モードがマルチモードとなるように、既知の光導波路の設計手法により、適宜設計、選択することができる。また、本実施の形態では、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。また、本実施の形態では、エミッタ側光ガイド層を無くしている。これにより、製作プロセス時のエミッタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタが精度良く容易に形成可能になった。なお、ここではエミッタ層５６が、上部クラッド層としての役割を兼ねている。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、エミッタ側光ガイド層がある場合に比べ、若干、受光効率の減少は見られるが、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．７以上の十分大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、電気バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。また、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、本実施の形態では、ベース電極５９を形成し、フォトトランジスタを電気バイアスして使用しているが、ベース電極は必ずしも必要ではなく、電気バイアスの代わりに光バイアスしてもよい。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、光吸収層５４、５５として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。また、ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。���た、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタ側の光ガイド層５２として、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、これと異なる組成の光ガイド層を用いてもよいことは言うまでもない。また、光ガイド層５２は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３０】
実施の形態６
図６は、本発明の第６の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３１】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。６９はｎ＋型ＩｎＰ（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、膜厚０．１μｍ、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、６８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、６７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ側光ガイド層、６６は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、６５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層６６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。６４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、６３は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、６２は膜厚が１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、６１は半絶縁性ＩｎＰ基板、６１０はエミッタ電極、６１１はコレク電極である。
【００３２】
本実施の形態の素子のコレクタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６２、６７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、コレクタ側光ガイド層６７を０．２μｍと薄層化している。この膜厚とすることにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。また、エミッタ側光ガイド層６２がコレクタ側光ガイド層６７より十分厚く、導波モードの中心がエミッタ側光ガイド層６２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、横方向入射光によりベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくてすむ。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。なお、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、前記ＳＡＧＭ構造やＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層として、共に１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成のガイド層を用いてもよい。また���光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡＳ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪を内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３３】
実施の形態７
図７は、本発明の第７の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３４】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。７９はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、７８は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰ層、７７は膜厚が０．２μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ側光ガイド層、７６は膜厚０．１７μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、７５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層７６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。７４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、７３は膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰエミッタ層、７２は膜厚１．４μｍのバンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、７１は半絶縁性ＩｎＰ基板、７１０はエミッタ電極、７１１はコレク電極である。
【００３５】
本実施の形態の素子のコレクタ面積は４μｍ×２０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、膜厚０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７２、７７がエミッタおよびコレクタ層の外側にそれぞれ挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、エミッタ層を０．０２μｍと薄層化している。これは、電子のベースへの注入に対してはトンネル効果が起きず、また、ベースからの正孔の逆注入に対しては十分大きなバリアとして働くが、導波モードにはこのエミッタ層の影響が小さく、比較的なめらかなモードプロファイルが得られるようになっている。また、コレクタ側光ガイド層７７を０．２μｍと薄層化している。これにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くて済み、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。また、エミッタ側光ガイド層７２がコレクタ側光ガイド層７７より十分厚く、導波モードの中心がエミッタ側光ガイド層７２中に存在するマルチモードの光導波路構造となっていることにより、上述のように、高効率の光結合が容易に得られ、また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。先球光ファイバを用い、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．８以上の大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。なお、本実施の形態は、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収層として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造、グレーデットエミッタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構���の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタおよびコレクタ側の光ガイド層として、ともに、１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、同じ組成である必要はなく、異なった組成のガイド層を用いてもよい。また、光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪みを内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３６】
実施の形態８
図８は、本発明の第８の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【００３７】
本実施の形態は、コレクタが上側にあるコレクタアップ構造の場合である。８７はｎ＋型ＩｎＰ層（膜厚０．１μｍ、下層）／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ層（膜厚０．１μｍ、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成、上層）からなる膜厚０．２μｍのコレクタコンタクト層、８６は膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、８５は膜厚０．２３μｍのＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）で、その具体的層構成は、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層８６側から膜厚０．０１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層、膜厚０．０１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層、および膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ層からなる。８４は膜厚０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、８３は膜厚０．２μｍのｎＩｎＰエミッタ層、８２は膜厚１．４μｍで、バンドギャップが波長１．４μｍに相当する組成のｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブエミッタ層（エミッタ側光ガイド層）、８１は半絶縁性ＩｎＰ基板、８８はエミッタ電極、８９はコレクタ電極である。
【００３８】
本実施の形態では、サブコレクタ層８６が膜厚０．３μｍと少し厚く、クラッド層として作用している。素子のコレクタ面積は４μｍ×３０μｍである。なお、膜厚０．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓ光吸収層をＩｎＰクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の半導体導波路は単一モード光導波路となる。このとき、例えば、０．４μｍのＩｎＧａＡｓ光吸収層の場合、光のスポットサイズは０．３μｍ程度である。一方、光ファイバから出射される長波長帯の光をレンズ等で絞ったときのスポットサイズは１．０μｍ以上で、単一モード光導波路のそれに比べ大きく、両者は大きなミスマッチによって結合効率は小さな値となる。これに対し、本実施の形態のように、厚いＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８２がエミッタ層の外側に挿入されると、基本モードの他に高次のモードが伝搬可能なマルチモード導波路となる。高次モードのスポットサイズは光ガイド層の膜厚と共に大きくなるため、高次モードとの光結合が発生し、各モードの総和としての結合効率は大きく向上する。また、光ファイバの位置ずれによるトレランスも大きくなる。また、コレクタ側光ガイド層を無くしている。これにより、製作プロセス時のコレクタメサエッチング高さが低くて済み、微細なコレクタが精度良く容易に形成可能になった。先球光ファイバを用い、ベース・コレクタ間をフォトダイオードとして受光効率を評価したところ、コレクタ側光ガイド層がある場合に比べ、若干、受光効率の減少は見られるが、入射面に無反射膜を形成することにより、波長１．５５μｍの光において逆バイアス１．５Ｖ印加で受光効率０．７以上の十分大きな値が得られた。ちなみに、従来構造の垂直光入射では０．１８の受光効率しか得られなかった。また、上面光入射型に比べ、入射窓を電極部分に設ける必要がないため、素子面積も小さくて済む。素子の光利得は１００以上あり、光バイアスしてコレクタ電流密度を１０５Ａ／ｃｍ２以上にすると、光利得遮断周波数も４０ＧＨｚ以上の値が得られた。本実施の形態は半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた例であるが、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても同様に製作可能である。また、ベース・コレクタ間を高速のフォトダイオードとして動作させることもできる。また、ここでは、吸収として均一組成のバルクを用いているが、アバランシェフォトダイオードに用いられる前記ＳＡＧＭ構造、前記ＳＡＭ−ＳＬ構造、あるいは他の超格子構造の半導体層等を用いてもよいことは言うまでもない。ヘテロ接合構造に関しては、エミッタにトンネルエミッタ構造、共鳴トンネルエミッタ構造やグレーデットエミッタ構造等各種構造を適用しても良いことは言うまでもない。また、本実施の形態では、コレクタにバリスティックコレクショントランジスタ（ＢＣＴ）構造を用いているが、通常構造の均一コレクタ構造、ｐ型コレクタ構造、グレーデットコレクタ構造等各種構造を適用してもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、エミッタ側の光ガイド層８２として、１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いているが、これと異なる組成のガイド層を用いてもよいことはいうまよいことは言うまでもない。また光ガイド層は均一組成でなく、傾斜組成であってもよい。また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外のＩｎＧａＡｌＡｓ���ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの材料系や歪みを内在するような材料系にも同様に適用できる。
【００３９】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフォトトランジスタによれば、横方向からの光入射が可能であり、かつ、エミッタまたはコレクタ層中、または、それらに近接して光ガイド層を挿入し、マルチモードの光導波路構造となっていることにより、従来の面型フォトトランジスタに比べ、光吸収層厚が薄くても高効率な受光ができる。また、光吸収層厚が薄くて済むため、キャリアの走行時間による速度制限を受けにくくなり、高い受光効率を維持しながら高速応答の可能な素子が製作できる。また、エミッタアップ構造では、エミッタ側光ガイド層がコレクタ側光ガイド層より薄い、または、コレクタアップ構造では、コレクタ側光ガイド層がエミッタ側光ガイド層より薄い、またはエミッタ側あるいはコレクタ側光ガイド層が無い構造とすることにより、製作プロセス時のエミッタあるいはコレクタメサエッチング高さが低くてすみ、微細なエミッタあるいはコレクタが精度良く容易に形成可能になり、素子の高速化が容易となる。このように、横方向光入射が可能であり、かつ、光ファイバや光導波路と直接光結合に対し、薄い光吸収層厚で高効率な受光と高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図８】本発明の第８の実施の形態のフォトトランジスタの概略断面図である。
【図９】従来のフォトトランジスタの一例の概略断面図である。
【符号の説明】
１１…半絶縁性ＩｎＰ基板、１２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層の一部）、１３…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、１４…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコレクタ層、１５…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、１６…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、１７…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、１８…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、１９…ｎ型ＩｎＰ層、１１０…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、１１１…エミッタ電極、１１２…ベース電極、１１３…コレクタ電極、
２１…半絶縁性ＩｎＰ基板、２２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、２３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、２４…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、２５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、２６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、２７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、２８…ｎ型ＩｎＰ層、２９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、２１０…エミッタ電極、２１１…ベース電極、２１２…コレクタ電極、
３１…半絶縁性ＩｎＰ基板、３２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、３３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、３４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドーブＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、３５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、３６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、３７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、３８…ｎ型ＩｎＰ層、３９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、３１０…エミッタ電極、３１１…ベース電極、３１２…コレクタ電極、
４１…半絶縁性ＩｎＰ基板、４２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、４３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、４４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、４５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、４６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、４７…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエミッタ側光ガイド層、４８…ｎ型ＩｎＰ層、４９…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、４１０…エミッタ電極、４１１…ベース電極、４１２…コレクタ電極、
５１…半絶縁性ＩｎＰ基板、５２…ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰサブコレクタ層（コレクタ側光ガイド層）、５３…ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層、５４…ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、アンドープＩｎＧａＡｓ層、光吸収層）、５５…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、５６…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、５７…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、５８…エミッタ電極、５９…ベース電極、５１０…コレクタ電極、
９１…光入射面、９２…ｎ型ＩｎＰ基板、９３…ｎ型ＩｎＧａＡｓコレクタ層（光吸収層）、９４…ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層（光吸収層）、９５…ｎ型ＩｎＰエミッタ層、９６…ｎ＋型ＩｎＰ／ｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰエミッタコンタクト層、９７…エミッタ電極、９８…コレクタ電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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