DE1564730A1 - Optoelektronische Halbleiteranordnung - Google Patents
Optoelektronische HalbleiteranordnungInfo
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Description
1S64730
-2JUUV96
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2,
Berlin und Münclien Wittelsbacherplatz
P 15 64 730.0 PA 66/3042
insbesondere als Zusatz zu Patent (OS 1 514 613;
unser Zeichen PA 65/3136)
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Halbleiteranordnung .
Als optoelektronische Halbleiteranordnung bezeichnet
man eine Anordnung mit einem optische Strahlung emittierenden Halbleiterbauelement, Z0 B. Lumineszenz-
diode, al3 Sender Λ, einen für diese Strahlung empfindlichen Halbleiterbauelement, z.B. Photodiode,
als 3mpfanger B und einem Lichtleiter L zwischen beiden.
Dieser Lichtleiter coil eine möglichst hoho optische
Kopplung und möglichs*t hoho elektrische Isolierung
bei gleichzeitig stabiler mechanischer Kopplung zwischen Sender und Empfänger in einem Temperaturbereich zwischen
ca. - 55 bis + 1250C bewirken.
Die hohe optische Kopplung aotfst neben möglichst
intensiver Lichtoiuission des Senders vor allein eine
gute Anpassung, der Spektralempf indlichlceit deo
Empfängers an diese Strahlung und möglichst niedrige Absorptions-,Reflexions- und Totalreilexionsverluste
auf dem Lichtv/egc voraus. Die elektrische Entkopplung
von Sender und Smpfänger läßt sich durch einen möglichst gut isolierenden Lichtleiter erreichen.,
Die möglichst hohe Intensität des Seriderlichts wird
durch entsprechend hohe Ströme in der Lumineszenzdiode A erzielt»
Die Forderung nach spektraler Anpassung (in der Nachrichten
te chifik würdo man von Frequenzabstiitmung sprechen)
wird zur Zeit optimal durch Verwendung von Galliumarsenid G-aAs als Sender - und Silicium Si ale Erapfängeraaterial
or füll ti ß'2 ist jedoch nicht auagecchlosscn, daß sich
in der Zukunft auch andere fJatorialkombinationen als
zumindest gleich günetig erweisen könnten.
FA 9/501/358
BAD ORIGINAL
109334/0242
• β · m f
Die Liehtverluste durch Absorption, Reflexion und
Totalreflexion,.sowie äio elektrische Isolation
3wisehen Λ und B worden im wesentlichen durch das
Material des Lichtleitern L bestimmt;, insbesondere
die Verluste infolge Totalreflexion an den Grenzflächen
zwischen Lichtleiter und den Halbleiterbauelementen hängen von dein Brechungsindex η^ des Lichtleiters
gegen Luft bsv/e vom relativen Brechungsindex
des Lichtleiters gegen die Halb lsi terrr.aterialien ab0
Der Sender, 3.Br eine GaAs-LuminessenzdiodO; und
der Empfänger, z.B., eine Si-Oiode, haben hohe ,
Brechungsindiaes (n.^ = nQ.ai\s ^ 3553 und ns=n3i^3p5),
so daß insbesondere die lotalreflexionsverluste durch
Verwendung hochbrechender Lichtleiter erheblich vermindert,
werden können.
Solche optoelektronischen Halbleiteranordnungen sind im Prinzip bekannt (vgl= 2.B. Biard u.a.: ProCoI3"3E
Vol. 52.,- lvo„ 12 1964, 1529-1536). Als Lichtleiter L
zwischen einer GaAs-Luminesaenzdiode als Sender A
und einer Si-Photodiode als Sender B werden Blei- bzw=
■Selen-haltige Gläser (Pb- bzw.Se-Gläser) genannt
(Brechungsindex n^1,8 - 1,9 bzv/. 11^2,4 - 2,6) β
Die relativen Br "chun^sindizes dieser lichtleitorraterialien
gegen dio Halbloitormaterialien von Sender
bzw. ..Empfänger weichen jedoch stark (über 5OfS) von 1 ab,
so daß axe Lichtvex^luste, insbesondere durch Total-"
reflexion, noch sohr erheblich sind.
BAD ORIGINAL
109884/0242
• * 1»
Die Aufgabe der vorliegenien Erfindung ist es, diesen
Rachteil .su vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß in der optoelektronischen Halbleiteranordnung der Lichtleiter L zwischen Sender A und Empfänger B
aus hoehohmigen, d.h. von freien Ladungsträgern
iia wesentlichen freien, und niedrig absorbierendem.
Halbleitermaterial besteht, dessen Brechungsindex für das verwendete Licht - zumindest an den Grenzbereichen
Lichtleiter/Halbleiterbaueleraent (A/L und L/B) zur
Vermeidung von insbesondere Totalrefle>:ionsver~
lugten nur wenig, vorzugsweise um höchstens 20 %0
von den Breohungsindizes der zur Anordnung gehörende
Halbleiterbauelemente A und B abweicht.
Da die elektrische IisoXationswirkung der Lichtleiter
aus Pb- bzv/, Se-haltigen Gläsern mit steigender
Temperatur, auch im Streich der üblichen Betriebstemperatur
en, merJrlich nachläßt, besteht eine weitere
Aufgabe der Erfindung darin, einen gering absorbierenden, hoch brechenden Lichtleiter mit gleichzeitig hoher
Spannun£8festi£keit anzugeben«
Hach einem v/eiteren Srfindungsgedanken wird das d«~
clurch erreicht, daß ala Lichtleiter ein semiieoliercnclee
Halbleitermaterial, it& Falle von GaAo als Sonäer und
Si ala £nn?fiinf?er j.rj;?oesondoro ec^iieol^orendee itaAi?,
ν rvrsncie t wa rd.,
?09884/0242 bad original.
Unter "semiisolierend" sei folgendes verstanden: Die
niedrigste elektrische Leitfähigkeit, d.h. don höchsten
elektrischen 'widerstand, zeigt das zwar technologist
und wirtschaftlich bis heute kaum erreichbare —- reinste
Halbleitermaterial. Diesem angestrebten, reinsten Zustand kommt man bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit bzv/. dos elektrischen .Viderstandes auf recht
preiswerte Art und Weise sehr nahe durch zumindest teilweise
Kompensation stets vorhandener Störladungen, Die Kompensation ist durch gezielten Freradatomeinbau,
möglich, ZoB, durch Fremdatorae, die als Fallen ,für
freie Ladungsträger wirken. Sin so kompensiertes — nicht .reinstes —~ Halbleitermaterial, d.h. einfisoleb.es
mit möglichst hohem elektrischem Widerstand, bezeichnet
man als semiisoliorend.
Auf Grund der Materialauswahl kann also insbesondere
erreicht werden, daß die Brochungsindizes von Sender A
und Lichtleiter L (z.B. beider aus GaA3) angenähert
gleich sind, so daß die Anpassung nur zwischen den Brochungsindizes von Lichtleiter und Empfänger vorgenommen
werden muß.
Die Absorptionßverlusto treten hauptsächlich iJi
Lichtleiter auf, besonders dann, wenn Lichtleiter und Sender aus dem gleichen Grundmaterial bestehen.
Rs ist deshalb darauf su achten, daß der Absorptionskoeffiüient
für das verwendete Licht zumindest im · Lichtleiter klein genug, etwa ^ 20 cn"* , bleibt.
109884/0242
Der AbsorptionsJcoeffizient läßt sich durch Dotierung
des Lichtleiter L einstellen.
Ein semiisolierendeo, d.h. möglichst hochohmiges,
und dabei niedrig absorbierendes Galliumarsenid GaAs ist 2.Bo ein mit einigen 10 Chrom-Atomen pro cm
dotiertes GaAa (GaAa:Cr)0 Die Absorptionsverluste
sind umso geringer, je langwolliger die Emission der GaAs-Lumineszenzdiodc ist. Besondere geeignet ist eine
GaAs-LuiTiineszensdiode, deren lichterseugender pn-übergang
durch Einlegieren einer Zink-Zinn-Pille '—-
Zn —? — 1 vorzugsweise der Zusammensetzung ^J5"~10~" - 10~"
hergestellt ist und deren spektrales Emissionsmaximum hei etwa λ ~ 0,S8yum liegt. Der Absorptionskoeffizient
de3 sGiniisolierenden GaAstCr-Lichtleitermaterials
betrögt für diosoa Licht nur etvfac«?:5 cm" (vgl. [ 1-J);
für das Licht einer-sonst üblichen, diffundierten
GaAs-Lurainegjaenzdiodc (λ = 0,9 /um) v/äre der Absorptionskoeffisient
etwact^SO cn" (vgl. f 21 ) und damit um
etwa einen faktor 10 größer.
Das Cr-dotierte GaAs zeigt nicht nur geringe Absorption
bei ca. 1 /um, sondern ist außerdem sehr hochohinxg ( ca. 10 S2cra ) und eignet sich deshalb besonders als
Material für einen spannungafesten Lichtleiter.
Ba in di&sem Falle Sender A und Lichtleiter L der
optoelektronischen Halbleiteranordnung aus dem gleichen Grundmaterial, nämlich GaAs, bestehen, kann eine
'■■■ . 109884/0242 bad original
.P& 9/501/358 7 ·
mechanisch stabile Verbindung zwischen beiden einfach,
25.iß. durch epitaktischen Aufbau, hergestellt werden.
Der Empfänger B kann zur mechanisch stabiler. Vorbindung
mit aera Lichtleiter L verkittet sein.
Der oben ermahnte Vorteil der sehr geringen Absorption
in Lichtleiter L ict auch deohalb von Bedeutung,
weil der verwendete Kitt zwischen Lichtleiter L und Empfänger B .ttüglichorv/eisc Lichtverluctc zur Folge hat»
Diooo üann unvermeidlichen Verluste v;erde.n aber ausgeglichen
durch die sehr geringen Verlucto auf den Wege bis zu dieüer Kittschicht.
AId Kitt zwischen Lichtleiter L und Empfänger B können
ohne zu große Abeorptiongverlustc bio zu etwa 1 yum
dicko Schichten aus niodrig-cchmolsenden Glüc verwendet
werden (vßl. Patentamnoldunß Akt.Z. ?.?5.§f.7?9#7
u.Z. PA .??<??f2...... bzw.-ΡΛ 9/501/356), die cogar
eine olektriDche Leitfähigkeit aufv/eicen dürfen. Ein
solche3 Kittglas K kann incbesor.dere Araensulfid
Ar^S,. oder Arsonsolenid AagSc^ enthalten, wodurch
die Breohungssahl erhöht und damit die Roflexionsverluato
vermindert warden« Bei Schichtdickon von v/eniger
alo "^- , dohc von weniger alo ca. 0,5 /unj, sind auch
organische Kleber ohne wesentlichen Fachteil verwendbare
Er. ßci noch erwahr.t, daß eine Verringerung der
Absorptionsverlusto auch durch Einbau anderer III-V-Verbia<Iun£.eri
in dan Material der lurainoGsenzdiodc
109884/0242
· 9/501/35S - - BAD
156Λ730
und/odor dea Lichtleitero erreicht werden kann, und
»war durch bandabstandsvcriaindernde Komponenten in dio
Lumineszenzdiode (bei GaAa z.B. wenigstens eine der Verbindungen InSb, InAo, GaSb, InP) und/oder durch bandabstand
svergröBernde Komponenten in den Lichtleiter
(bei GaAs z.Be wenigstens eine der Verbindungen A1PS
AlAs, GaP9 AlSb)0
Im folgenden sei anhand der Figuren 1 - 3 geschildert,
welcher Vorteil bezüglich insbesondere der Totalreflexiop.everluste
durch Anpassung der Brechungsindizes erreicht wird.
In Figur 1 ist zunächst scheraatisch der Strahlengang
in einer optoelektronischen Halbleiteranordnung skizziert. Dei· Übersichtlichkeit halber wurde dabei ein punktförmigcr
pn-übergang.in der Lumineszenzdiode A angenommen;
ρ und n."bedeuten p- und n-Zono der Lumineszenzdiode,
TR kennzeichnet Totalreflexion,,1 bzw. 2 sind
die Grenzflächen zwischen A und L bsw. L und B0
Die Lichtstrahlen unterliegen dem Brechungsgesetz 5in tT * n-sfny* j n, - relativer Brechungsindex
^~infr ~ n? 'Yq- Grensv/inkel der Totalreflexion
Die Lientkopplung i| — das iat der Quotient aus der
Intensität Jg5 dio in B registriert wird, und der
Intensität J^, dio voir pn-übergang in A emittiert wird ~ —
wird gegeben (Absorptior.overlustc sind nicht n:it erfaßt)
109884/0242 BkD
Dabei ergibt sich "r\. in guter Näherung als Produkt
der Transmission T. an der Grenzfläche 1 mit einem
Faktor Frp£, der die Tatsache berücksichtigt, daß infolge
Totalreflexion nur Lichtstrahlen auo dem Lichtkegel"
vom öffnungswinkel 2ψ^ die Grenzfläche 1 passieren,,
Für die Transmission gilt (PHESIiEL's ehe Formeln)
(cosfr+frTT
Mit Hilfe des Brechunffsgesetscß können T.. , T, und T
auch in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ψ dargestellt·
werden. In Figur 2 ist die Transßission Tra für den
Fall η = 35 53 (das entspricht einer Grenzfläche zwischen
GaAs und Luft) gezeichnet. Man erkennt, daß T erst für
Winkel>^= BREWSTSH-ft'inkel merklich abniromt. D.h« die
Transmission kann in guter Näherung ala winkelunabhängig
betrachtet und gleich T {fm ik-to') gesetzt werden;
der Fehler bei dieser Näherung ist durch das Verhältnis dar schraffierten Fläche (Fig. 2) zum ganzen
Hecht eck der Höhe T (^«θ^ο') gegeben und wird mit n
wegen dann ^?->9O° immer kleiner. Barait wird
109884/0242
PA 9/50-1/358 ^CSiCiiV-L . :^|
— 10 - -iff
Der Paktor P^ ist gegeben durch den Quotienten aus dem
2 y„-i?auciv/inkel (durch Totalreflexion begrenztec,
ausnutsbarc3 Lichtbündol) und der Gesaintkugeloberflache.
Unter Verwendung der Pormol für dio Totalreflexion erhält man ->
TR
TR 2 a, fti L
Da an der Grenzfläche 2 wegen n-r ^ nB keine Totalreflexion
auftritt, und v/eil n^=n(jaAS ft nSi=nB
nL 1
(d.h. rip- ~— s» — ) gilt, erhält man für die Lichtkopplung
den Ausdruck
In Figur 3 ist der Verlauf von f)(n*) dargestellt. Man
erkennt deutlich, da& für eine erfindungsgeraäße
optoelektronische Anordnung (n-j<1v2) die Lichtkopplung
rj wesentlich höher ist als bei Verwendung von
Lichtleitern aus Pb-G-lao (n^* 1,8,d.h. n^ -& 1,4) oder
auD So-Glas (n^ «f 2,5,d.h. n^ m 1,95) oder aus Luft
Cn1 » 3,5·)«
Dio Figur 4 seigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
optoelektronischen Halbleiteranordnung»
PA 9/501/358
BAD
109884/0242
Bs bedeutenί
■ A - Lumineszenzdiode (z.B. aus GaAa,vorzugsweise ·
(Zn ^Sn)-legierte GaAs-Jiuminessonzdiode),
kontaktiort mit
S1 und Ep-Elektroden der Luminenszenzdiode
p. bsv/on.=p- bzw, n-Zono der Luminenszensdiode A
L =. hochbrechender lichtleiter aus seiniisoliere-ndem
Halbleitcrrcatcrial niedriger Absorption
(z.Bo aua GaAa:Cr)
B = Photodiode (z.B. aus Si), kontaktiert mit E~ und S^Elektroden der Photodiode
PB bav/-ns=p- bzw. n-/ione der Photodiode B
K = gegebenenfalls voi'handene Kittschicht (zoB0aus
. niedrigechmelaendem Glas)o
Literaturangaben j
CE1. JONES, Λ.Ηβ HILTOK:
J. Electrocheia.. Soe., Vol. 113 (May 1966} 504-505
[2] W.K, GAEHi
ISEE Trans on El.Dev. BB No. 10
(Oct„ 1965) 531-535
11 Patentansprüche
4 Figuren
4 Figuren
109884/0242
Claims (11)
1. Optoelektronische Halbleiteranordnung aus einem als Halbleiterbauelement ausgebildeten Sender Λ
und einem ale Halbleiterbauelement ausgebildeten Empfänger B, die durch einen Lichtleiter L mechanisch
stabil miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (L) aus hochohraigem,
d.h. von freien Ladungsträgern im wesentlichen "freiem, und niedrig absorbierendem, elektronischem Halbleitermaterial
besteht, dessen Brechungsindex für das verwendete Licht - mindestens an den Grenzbereicben
. Lichtleiter/Halbleiterbauelenient {k/h und L/B) zur
Vermeidung von insbesondere Totalreflexionsverlusten nur wenig, vorzugsweise um höchstens 20$
von den Brechungeindizes der zur Anordnung; gehörenden
Halbleiterbauelemente (A,B) abweicht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennaeichnet,
daß dor Brechungsindex des Lichtleiters (n^) dem
dos einen Halbleiterbauelemente, vorzugsweise dem dea Senders (A), angenähert gleich ist (n^ « n.)
und von dem deo anderen Halbleiterbauelementö, vorzugsweise
dem dco Empfängers (B), um höchstens
abweicht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß dor Bender (A) aus Galliumarsenid (GaAs),
109884/0242 bad orig.'NAI
ΓΛ 9/501 /3r;ü - η ~
der Lichtleiter (L) aus seraiisolicrendem Halbleitermaterial und der ^rnpfanger (B) aus Silizium (Si)
besteht und daß-Sender (A), Lichtleiter (L) und Empfänger (B) zusammen eine insbesondere stabförmige
Anordnung bilden..
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender /(A) eine GaAs-Luinineszenzdiode
ist, der Lichtleiter (L) aus semiisoliereiidem
GaAs besieht und der Empfänger (B) eine Si-Vhotodiodc
ist.
5. Anordnung nach'einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient für
das aur optischen Kopplung verwendete Licht längs des Lichtv/egea mindestens im Lichtleiter (L) höchstens
ctf s 20 cnT1 beträgt. ■
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise der Lichtleiter (L) so dotiert iat, daß die Absorptionsverlustc
verringert sind. „ · ■·
7. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche
1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (A) eine Zink-Zinn*-lögierte GaAs-Luinineszenzdiode, der Lichtleiter
(L) ein semiiaolierende3 GaAs:Cr (OaAe mit
ChT'Cir.-Botiorunc) und der Empfänger (B) eine Si-Photodiodo
ist»
a 9,-,V558
- 14 -
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtleiter (L) epitaktisch auf der Lumineszenzdiode (A) aufgebracht und die Photodiode
(B) mit dem Lichtleiter (L) auf der der Lumineszenzdiode (A) gegenüberliegenden Seite verkittet ist.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kitt (K) zwischen Lichtleiter (L)
und Empfänger'(B) aus einer dünnen, etwa 1 /um dicken Schicht eines hochbrechenden, niedrigschmelzenden
Glases besteht.
10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-9?
dadurch gekennzeichnet, daß in den Lichtleiter aus : vorzugsweise sentiisolierendein GaAs zur Verringerung
der Absorptionsverlußte wenigstens eine den effektiven Bandabstand erhöhende III-V-Verbindung
eingebaut ist.
11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Lumineszenzdiode ' aus vorzugsweise GaAo zur Verringerung der Absorptionsverluste wenigstens eine den effektiven Bar.dabstand
verringernde III-V-Verbindung eingebaut ist„
BAD ORIGINAL
109884/0242
PA 9/5Ο1/35Θ
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Applications Claiming Priority (2)
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