DE2631744A1 - Optoelektronische reversible halbleiteranordnung - Google Patents

Optoelektronische reversible halbleiteranordnung

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Description

!',-? M. D-AVID 2k.6ο76.
Optoelektronische reversibele Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische revex>sibele Halbleiteranordnung zur Anxvendung in einem kleinen LichtwellenlSngenbereich mit mindestens eil.nv durchlässigen OberflaOhenzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einem Gebilde zweier värksaraer Zonen, von denen eine wirksame Zone den ersten Leitfähigkeitstyp und die andere wirksame Zone den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist und die einen Halbleiterübergang mit elektrolumineszierenden und photoempfindiichen Eigenschaften bestimmen ι wobei das Material des Gebildes zweier wirksamer Zonen eine die des Materials der oberen. Zenc unterschreitende verbotene Bandbreite auf.weist,
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Bei den Fernmeldeleitungen in den Kopplungen zwischen Schaltungen werden Halbleiterbausteine, insbesondere Strahlungsemittierende Anordnungen, wie die elektrolumineszierenden Dioden und die Laser, Empfangsanordnungen, wie Photodioden, TJebertragungsmittel vei-« wendet, die meistens durch optische Fasern gebildet werden«) In gewissen Fällen sind die Fernmeldeleitungen doppelt ausgeführt, z»B. bei Fernsprechleitüngen, und es zeigt sich, dass diese Art Uebertragung mit Vorteil mit Hilfe von Bausteinen erfolgen kann, die ebenso gut als Sender wie als Empfanger verwendet werden können»
Bei diesen lieb ertragungen werden vorzugsweise bestimmte Lichtwellenlähgen verwendet, die insbesondere den optimalen Uebertragungswirkungen über optische Fasern entsprechen, insbesondere die schmalen Bänder des Spektrums um 1,06/um und um 0,83 /um, für die bekanntlich als elektrolumineszierende Quellen Anordnungen verwendet werden, die im wesentlichen durch einen wirksamen Teil, in dem sich ein pn-Uebergang befindet, und durch eine durchlässige Oberflächenschicht aus einem Material mit einer die des Materials des wirksamen Teiles überschreitenden verbotenen Bandbreite gebildet werden.
Obgleich diese bekannten Anordnungen günstige elektroluKiiiiesziereride Eigenschaften aufweisen, sind
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sie als Photοempfänger nicht gut geeignet} die Bedingungen zum Erreichen ihrer optimalen Eigenschaften und die zum Erreichen der optimalen Eigenschaften einer photoempfindlichen Diode werden als verschieden und somit entgegengesetzt betrachtet, insbesondere was die Dotierungspegel, die Uebergangstiefe oder die Pegel der Polarisationsspannungen anbelangt» Z.B. nimmt fUr die elektrolumineszierende Diode der Wirkungsgrad mit dem Dotierungspegel zu; dagegen ist eine Photodiode vorzugsweise schwach dotiert, damit ihre Kapazität minimal ist: diese Kapazität bestimmt tatsächlich die Ansprechgeschwind.s gkeit der Diode. Auch der Uebergang der elektrolumineszierenden Anordnungen ist verhältnismässig tief, wohsi die Rekombinationszentren in der Nähe einer Oberfläche keine Strahlung aussenden; dagegen ist eine grosse Tiefe nachteilig bei Photodetektion, weil sie eine stärkere Absorption ausserhalb der Zone zur Sammlung der Träger mit sich bringtc
In den elektrolumineszierenden Anordnungen besteht die Neigung, die Absorption der emittierten Strahlung zu beseitigen, während diese Absorption dagegen in dem wirksamen Teil einer Photodiode notwendig ist. Es sei bemerkt, dass die Absorption hier durch den Absorptionskoeffizienten c/'eines Materials oder durch die AbsorptionslärLge L bestimmt wird, die den Abstand
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darstellt, indem die Intensität einer Strahlung in dem
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Verhältnis — herabgesetzt wird, wobei oC gleich =- ist0 e Li
Die Erfindung bezweckt im wesentlichen, die Nachteile der bekannten Anordnungen in bezug auf ihre Anwendung sowohl als Empgänger als auch als Sender von Licht und insbesondere in bezug auf ihre Anwendung für diese beiden Zwecke in einem kleinen Wellenlängenbereich entsprechend den optimalen Uebertragungsbedingungen und in einem Bereich niedriger Spannungen in der Gr8ssenordnung der Speisespannungen elektronischer Mikrοschaltungen zu beheben,
Weiter bezweckt die Erfindung, eine elektroluminesziereiide reversibele Anordnung zu schaffen, die bei Anwendung als Photodetektor eine hohe Empfindlichkeit in einem schmalen Wellenlängenbereich sowie eine hohe AnsprechgeschwindrLgkeit mit Polarisations spannungen in der gleichen Grö*ssenordnung wie die in den elektronischen Mikrοschaltungen angewandten Polarisationsspannungen aufweistο
Nach der Erfindung ist die optoelektronische reversibele Halbleiteranordnung zur Anwendung in einem kleinen Lichtwellenlängenbereich mit mindestens einer durchlässigen Oberflächenzone von einem ersten Leit~ fähigkoitstyp und einem Gebilde zweier wirksamer Zonen, von denen eine wirksame Zone den ersten Leitfähigkeitstyp
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und die andere wirksame Zone den entgegengesetzten Leitfähigkeit styp aufweist und die einen HalbieiterUbergang mit elektrolumineszierenden und photoernpfindlichen Eigenschaften bestimmen, wobei das Material des Gebildes der beiden wirksamen Zonen eine die des Materials der Oberflächenzone untei-schreitende verbotene Bandbreite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die obere Zone eine stark dotierte Zone ist, die sich in einer abgelagerten Schicht mit der gleichen Zusammensetzung und schwacher Dotierung befindet, die Tief ti des TJebergangs in bezug auf die Grenzfläche zwischen der genannten Schicht .und dem genannten Gebilde wirksamer Zonen zwischen der Hälfte und dem Viertel der Dxffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der wirksamen Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp liegt, und dass c'.as Material des genannten Gebildes derartig ist, dass die !5urame des Drittels der genannten Diffusionslänge und der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der wirksamen Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zwischen einer und drei Absorptionswellenlängen von Lichtstrahlen des genannten Wellenlängenbereiches liegt« Die obere Zone bildet ein Fenster, das als
Filter dienen kann, das das Spektrum des von der Anordnung empfangenem Licht ο ε zu den. "kurzen WclLerj.lSri.ge.ti hin begrenzt, wenn die Anordnung als Photodetektor verwendet wird;
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die genannte Zone bildet zugleich, infolge ihrer hohen Dotierung eine Kont akt ie rungs zone und ihre Lage ermöglicht es, die wirksame Zone der Anordnung auf lediglich, das nützliche Gebiet, z.B» auf das sehr kleine dem Schnitt einer optischen Faser oder eines Bündels optischer Fasern, entsprechende Gebiet zu beschränken» Ausserdera kann durch die Lokalisierung der wirksamen Zone die Kapazität der Diode, die für Photodetektion benutzt wird, in bezug auf eine bekannte nicb-tlokalisierte Diode herabgesetzt werden0 Das Verhältnis der Verunreinigungskonzentrationen in der oberen Zone und in der abgelagerten Schicht ist vorzugsweise mehr als 10 und vorteilhafter-
weise mehr als 10 * Ueberigens erzeugt die schwache dotierte Schicht, innerhalb deren die obere Zone lokalisiert ist, durch den Unterschied zwischen der verbotenen Bandbreite des sie bildenden Materials und der des Gebildes wirksamer Zonen eine Potentialsperre, durch die eine Beschränkung der Ladungsträger sowohl in bezug auf ihre Sammlung bei Anwendung als Photodiode als auch in bezug auf ihre Rekombination bei Anwendung als elektrolumineszierende Anordnung sichergestellt wirds was sich in einer Beseitigung der nichtstrahlenden Oberflächenrekombinationen äusserto Ausserdem ist es bekannt5 dass die Rekombinatioiisgeschvindi&lceit der Ladungsträger· an der Grenzfläche zwischen einer wirksamen
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Schicht und einer sie bedeckenden Schicht, die aus einem Material mit einer verschiedenen verbotenen Bandbreite besteht, die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger an der Oberfläche einer identischen wirksamen Schicht unterschreitet, wenn die Oberfläche davon frei ist; infolgedessen ist die Sammlung der Ladungsträger darin bessere'
Mit der oberen Schicht kann eine geringere Tiefe des Uebergangs in bezug auf die Grenzfläche zwischen den Materialien mit verschiedenen verbotenen Bandbreiten erhalten werden, was bei Anwendung für Photodetektionszwecke günstig ist und wodurch die Bedingung des Verhältnisses zwischen der Tiefe des Uebergangs und der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der wirksamen Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp erfüllt werden kann. Vorzugsweise ist das Verhältnis 1/3* Die letztere Bedingung sichert bei Anwendung für Photodetektion eine optimale Sammelwirkung der Elektronen, unabhängig von der Dicke der ErSchöpfungszone zu beiden Seiten des Uebergangs.
Es wurde bereits versucht, die Leistungen von Photodioden für Detektion dadurch zu verbessern, dass eine Struktur mit einer oberen durchlässigen Schicht aus einem Material iuit einer die des Materials der wirksamen Zone überschreitenden verbotenen Bandbreite
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vorgesehen wird. So ist in der britischen Patentschrift 1 O44 4 9-4 eine Photodetektoranordnung beschrieben, bei der diese Massnahme angewandt wird, aber diese Anordnung muss, um eine gute Empfindlichkeit zu erhalten, eine grosse Dicke der ErSchöpfungszone zwischen drei und fünf Absorptionswellenlängen der detektierten Strahlung aufweisen, wodurch eine niedrige Dotierung oder eine verhältnismäßig hohe Polarisationsspannung notwendig wirdo Eine derartige für Elelctrolumineszenzzwecke verwendete Diode würde eine sehr geringe Wirkung aufweisen, weil die für eine Erschöpfungszone grosser Dicke erforderliche Dotierung ungenügend und der Uebergang zu tief ist, um eine gute Lichtausbeute zu erhalten.
Im Gegenteil wird in der Anordnung nach der Erfindung die Möglichkeit, eine geringe Tiefe des Uebergangs wenigstens in bezug auf die obere Schicht zu erhalten, diese Tiefe auf einen Bruchteil der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger zu beschränken und damit eine Potentialsperre zusammenarbeiten zu lassen, dazu verwendet, eine zweckmässige Sammlung der Ladungsträger in der ganzen wirksamen Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp sicherzustellen, wobei eine Erschöpfungszone grosser Dicke bei Anwendung für Photodetektion überf lü"ssig wird.
Die Anordnung ist dazu bestimmt, unter einer-
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sehr niedrigen. Spannung in der Grössenordnung der in den elektronischen Mikroanordnungen verwendeten Spannungen gespeist oder polarisiert zu werden; es wird angenommen, dass die in diesen Schaltungen angestrebten Spannungen zwischen 1 und 10 V liegen» Vorzugsweise ist das Material der wirksamen Zonen derartig, dass unter der in der Sperrichtung angelegten Betriebsspannung sich die Erschöpfungszone von dem Uebergang her über einen Abstand von weniger als einem Drittel der genannten Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der genannten wirksame;· a Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp erstreckt,
Venn d:'e Er schöpf ungs zone auf einer Seite eine sehr geringe Dicke von weniger als einem Drittel der Diffussionslcüige der Minoritätsladungsträger aufweist, ist die Gesamtdicke des wirksamen Photodetektionsmaterials genau gleich der Summe der Tiefe des Uebergangs und einer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, Wenn diese Summe grosser als eine Absorptionslänge ist, weist die Anordnung eine grosse Empfindlichkeit bei Photodetektion auf j ausserdein weist, weil die Gesamtdicke des wirksamen Materials beschränkt ist, die Anordnung eine grosse Empfindlichkeit· bei Pliotooletektion für einen kleinen Wellenlängenbereich entsprechend der
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Wellenlänge ihrer eigenen Emission aufo
Es ist möglich, eine reversibele Photokopplung mit zwei identischen Anordnungen zu erhalten, von denen eine als filektrοlumineszierende Anordnung verwendet wird, wenn die andere als Phot©detektor verwendet wird»
Das Material des Gebildes der wirksamen Zonen ·. weist vorzugsweise eine direkte Bandstruktur auf und ist
mit Verunreinigungen mit geringer lonisationsenergie . dotiert, welche Verunreinigungen als "oberflächlich" bezeichnet werden» Für Elektrolumineszenzzwecke erfolgen die Rekombinationsübergange grö*sstenteils von Band zu Band, während das Material das v.ön ihm emittierte Licht absorbiert und die Absorptionslänge desselben kurz ist«
Bei einer ersten Ausführungsform enthält die Anordnung eine ep !.taktische obere Schicht aus einem Material mit grösserer verbotener Bandbreite vom N-Typ, eine darunterliegende epitaktische Schicht aus einem Material mit geringerer verbotener Bandbreite vom IT-Typ und ein Substrat vom N+~Typ, während die Zonen vom entgegengesetzten Typ diffundies·te Zonen sind, die durch eine gleiche lokalisierte Diffusion von der Oberfläche der Anordnung erhalten sind, wobei der PN-Uebergang durch die diffundierte P«Zone und die N-Schicht geringerer verbotener Bandbreite geljildet wird£. D-Jroh die Diffusion, kann eine P-Sone erhalten werden, die eine Verunreirtiguiigs*«
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konzentration aufweist, die von der Oberfläche her allmählich, abnimmt, was für die Kontaktierung günstig ist. Ausserdera ist ein gleichmässiges Verunreinigungskonzentrations· profil günstiger für die Beschränkung der Kapazität des Uebergangs bei Photodetektion als ein schroffes Konzentrationsprofil.
Bei einer anderen Ausführungsform enthält die Anordnung eine obere .epitaktische Schicht aus einem Material mit grSsserer verbotener Bandbreite vom N-Typ, eine epitaktische Zwi sehen schicht aus einem Material mit geringerer verbotener Bandbreite vom P-Typ? eine epi— taktische darunterliegende Schicht aus demselben Material, jedoch vom N-Typ, und ein Substrat vom N+-Typ, -während die obere Zone vom P+*-Typ örtlich von der Oberfläche der Anordnung her diffundiert wird, bis sie die Schicht vom P«Typ erreicht, wobei der PN"~Uebergant-, durch die epitaktischen benachbarten P- und N-Schichten gebildet \T±Tdo Durch diese Struktur kann ein Uebergang zwischen lediglich epitaktischen Materialien erhalten werden, dessen Volumeneigenschaffcen bei Anwendung für Elektrolumineszenzzwecke und für Photodetektionszwecke für gewisse Materialien besser als die diffundierter Materialien sein können» Obgleich in diesem Falle der Ucberf/mg nicht lokalisiert- ist, \:i rd die Lokalisierungder wirksamen Zone■durch die obere Zone vom P+—Typ erhalten.
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PHP.'· 75564ο 24.6.76V
die den Strom oder das elektrische Feld kanalisiert.
Nach einer Abwandlung dieser Ausführungsform ist die obere Schicht aus einem Material mit grSsserer verbotener Bandbreite P-leitend und niedrig dotiert,, während die Zwisehenschicht vom P-Typ, die darunterliegende Schicht vom N-Typ und die diffundierte Zo.ne . vom P+-Typ ist« So ist die Lokalisierung der wirksamen Zone durch einen Effekt der Konzentration der Stromleitungen oder des elektrischen Feldes infolge der diffundierten P+-Zone erhaltene
Bei einer Weiterbildung enthalt die Anordnung eine obere epitaktische sehr dünne Schicht aus einem Material mit grösserer verbotener Bandbreite vom P-Typ, eine epitaktische Zwischenschicht aus einem Material mit kleinerer verbotener Bandbreite vom N--Typt eine epitaktische darunterliegende Schicht aus denselben Material, jedoch vom P-Typ, und ein Substrat vom P+-Typ, wShrend die obere Zone vom N+-Typ durch lokalisierte Ionenimplantation durch einen geeignete Maske hindurch erhalten wird, wobei sich die obere Zone an die Schicht vom N-Typ anschliesst und sich der PN-Uebergang zwischen den ep!taktischen benachbarten P- und N-Schichten befindete Diese Ausfuhrungsform weist die gleichen Vorteile
wie die vorhergehenden Ausführungsform auf, aber sie hat den Vorteil einer grosscn Geschwindigkeit infolge
'" ' 6098 86/078 3
L INSPECTED
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der grösseren Beweglichkeit der Minoritätselektronen in der Zone vom P-Typ in bezug auf die Minoritätslöcher in der Zone vom N-Typ»
Vorzugswelse entspricht der Unterschied in der verbotenen Bandbreite der Materialien der oberen Schicht und der benachbarten Schicht einer Potentialsperre von mindestens 0,1 V, d„h, etwa k- IcT, bei der Absoluttenvperatur T, die einer Umgebungstemperatur t von 2^0C entspricht«1
Für Anwendungen in dem Wellenlängenbereich um 1,06 /tun entsprechend günstigen Bedingungen in bezug auf die Uebertragung über optische Fasern ist das vorzugsweise für die Herstellung der Anordnung verwendete Material eine Halbleiterverbindung mit Gallium, Indium, Arsen und insbesondere Ga1 In As mit χ in der Grossen-Ordnung von 0,17 und mindestens zwischen 0,15 und 0,22 für die Schichten, in denen sich die wirksamen Zonen befinden, wobei die obere Schicht und gegebenenfalls das Substrat aus Galliumarsenid bestehen. Im Falle solcher Zusammensetzungen, wie in allen Fällen, in denen angrenzende Materialien einen grossen Unterschied in den ICristallgitteröffnungen atifweisen, kann es notwendig sein, zoBt zwischen der Schicht aus GaInAs und dein Galliumarsenid eine Schicht isit einer Mindest da ckc mit sich gleichmtissig ändernder Zusammensetzung anzubringen,
609888/0783
41
1 75564. 24,6.76 ο'
was mittels der genannten Bpitaxieverfahren erhalten vrerden kann,
Für Anwendungen, in dem Wellenlifiigenbereich um 0,83 /um entsprechend einem anderen Uebertragungsband über optische Fasern aus Siliciumoxid, ist das vorzugsweise für die Herstellung der Anordnung verwendete Material eine Halbleiterverbindung mit Gallium, Aluminium, Arsen und insbesondere Ga., Al As mit y in der Grössenordnung von 0,15 und mindestens zwischen 0,10 und 0,20 für die Schichten, in denen sich die wirksamen Zonen befinden, und mit y in der GrÖssenordnung von 0,30 für die obere Schicht, wobei das Substrat gegebenenfalls aus Galliumarsenid besteht ο Bei derartigen Zusammensetzungen ist eine Zwischenschicht mit sich gleichmässig ändernder Zusammensetzung nicht notwendig, weil die Kristallgitteröffnungen praktisch gleich sind«
Ein Photokopplungsgebilde, das aus Anordnungen nach der Erfindung hergestellt ist, enthält zwei Anordnungen und ein Element ζ\χτ Uebertragung des Lichtes, meistens eine optische Faser oder ein Bündel optischer Fasern. Die wirksamen Flächen der Anordnungen sind senkrecht zu den Erzeugenden der optischen Fasern und bei geradlinigen Fasern diesen Erzeugenden gegenüber
Nach einei· 3.ndei'en Ausfülirungsforxn liegen die
TED
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PK?· 75564.
beiden Anordnungen des Photokopplers in der gleichen Ebene, wobei das Liclit von einer auf die andere z.B.; über optische Fasern mit der notwendigen Krümmung übertragen wird.'· " · "
Bei einer koplanaren Strukttir werden die
Detektor- und die Sendeanordnung mit Vorteil in derselben Halbleitermaterialscheibe hergestellt und bilden ein monolithisches Gebilde mit zwei lokalisierten gegenseitig entweder durch eine diffundierte Isolierzone oder durch eine gegebenenfalls mit einem Isoliermaterial verkleidete Nut isolierten Uebergangen0
Die Erfindung kann bei der Umwandlung elektrischer *Signale in optische Signale und umgekehrt und bei der Uebertragung elektrischer Signale über optische Fasern verwendet werden. Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich.insbesondere für Photodetektion und für elektroluminesziorcndo Emission bei Uebertragung über optische Fasern in den Bere5_chen von 1,06 und 0,83/um. Die Erfindung wird auch bei der Herstellung symmetrischer
Photokopplcr verwendet, die für beide Richtungen brauchbar sind &·
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichmuigen dargestellt und werden im folgenden η.'ΛΡ".τ bcschra ebcru Ei1· zeigen:
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ORIGINAL INSPECTED
PHFV 75564.
Figo 1 eine graphische Darstellung der
Energien als Funktion des Abstandes' von der Oberfläche in einer Anordnung mit einer Potentialsperre nach der Erfindung,
Figo 2 einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung nach einer ersten Ausführungsform,
Figo 3 einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung nach einer anderen Ausftthrungsform,
Fig» K einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung nach einer dritten Ausführungsform,
Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen reversibelen Photokoppler, und
Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch ein monolithisches Gebilde mit einem Sender und einem in der gleichen Ebene liegenden Photodetektor.
Die graphische Darstellung nacl· Fig. 1 ist ein Beispiel einer graphischen Darstellung des Energieniveaus E der verschiedenen Schichten einer Heterostruktur als Funktion der Tiefe "d" in bezug auf die Oberfläche S, Die Kurve C stellt die Grenze des Leitungsbandes dar, wahrend die Kurve V die Grenze des Valenzbandes darstellt; zwischen diesen Kurven befindet sich ein verbotenes Band, ■wobei die Linien F-F2 die sogenannten Ferminiveaus angeben. D:ie P—Zonen nahe bei der Oberfläche und die N-Zonen definieren einon Uebergang J. Die obere Schicht
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Flip. 24.6.76.
bis zu der Grenzfläche A bildet ein durchlässiges Fenster mit einer verbotenen Bandbreite A1, die grosser als die verbotene Bandbreite Δ der darunterliegenden Schicht ist0 wobei A1- ώρ einer Potentialsperre von mindestens 0,1 V entspricht» Der Abstand zwischen dem Ueborgang J und der Grenzfläche A ist genau gleich einem Drittel der Diffusionslänge der Elektronen in der Schicht zwischen der Grenzfläche A und dem Uebergang J0
Andererseits stellt das Segment L eine Absorptionslänge von Lichtstrahlen in dem betreffenden^eIlenlängenbereich mit der kleinsten verbotenen Bandbreite A2 dar, wobei.die Länge des Segments L gleich 1/Λ ist, wobei ca. der Absorptionskoeffizient istf welche Länge einer Schwächung der auffallenden Intensität in dem Verhältnis 1/e entspricht ο
Wenn die Diffusionslänge der Elektronen in der zwischen A und B liegenden Zone 1 und die Difi*usions—
länge der Löcher in der zwischen D und G liegenden Zone 1, ι
ist,- ist L —τ? + lj-·
Eine umgekehrte Polarisation, unter niedriger Spannung wird an die Diode und entsprechend dem Abstand H im Diagramm zwischen den Ferminiveaus beidseitig des Uebergangs angelegte Bei dieser Polarisation erstreckt eich die freie Zone in der P-Zona über einen Abstand von
Xe
weniger als *χ~ a
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INSPECTED
4 75564« 24.6.76ο
In dem In Figo 2 gezeigten. Beispiel wird die Anordnung auf einem Substrat 1 aus Galliumarsenid vom N+-Typ hergestellt} sie enthält eine epitaktische Schicht aus Galliumindiumarsenid Ga.,' In As mit χ = 0,2 vom N"-Typ4' Zwischen der Schicht 2 und dem Substrat 1 ist .eine Zwischenschicht 3 mit sich allmählich ändernder Zusammen.-» - setzung angebracht. Eine epitaktische Schicht 4 aus Galliumarsenid vom N-Typ bedeckt die Schicht 2 unter Zwischenfügung einer Zwischen schicht 5 mit sich allmählich ändernder Zusammensetzung. Eine Zone 6—11 vom P-Typ wird in die Schichten 4, 5 und 2 derart eindiffundiert, dass ein PN-Uebergang 8 in der Schicht 2 gebildet wird, in die er über O1J/uin eindringt, welcher Abstand gleich dem Drittel der Diffusionslänge der Elektronen in der Zone ist, die genau 2/um für ein Material beträgt, dessen Zinkdotierungskonzentration N,-Iin — 10 /em ist. Die Diffusionslänge der Löcher in der Schicht 2 jenseits des Uebergangs liegt in der Grb'ssejiordniuag von 4 /um für ein Material, dessen Tellurdotierungskonzentration
nd"na = 3 · 1°16/cm3 ist·
Der Absorptlonskoeffizient 06 einer Strahlung
mit einer Wellenlänge von 1,06/um in dem Material der
— 1
Schicht 2 ist 3000 cm } d.h.«, ein Absorptionsabstand von 3 /iim weniger als ein Drittel dor DIf fusionslutLb'e der Elektronen in der Zone 11 und der Diffusion blunge der
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ORIGiNAL INSPECTED
o' 75564 c 4ο6ο76β
Löcher im verbleibenden Teil der Schicht 20
Die empfangende oder emittierende Oberfläche der Anordnung ist Übrigens durch eine dielektrische Schicht 7 isoliert, während metallische Schichten 9 und auf den beiden einander gegenüber liegenden Flächen zur Kontaktierung der elektrischen Verbindungen abgelagert sind»
Bei dem Beispiel nach Pig· 3 ist die Anordnung auf einem Substrat 21 aus Galliumarsenid vom N+-Typ .hergestellt} sie p.nthSlt eine epitaktische Schicht 22 aus Galliumaluminiumarsenid Ga. Al As mit y = 0,15 vom N-Typ, weiter eine» epitaktische Schicht 23 aus Galliumaluminiumarsenid der gleichen Zusammensetzung, aber vom P-Typ, die auf di«-se Weise einen Uebergang 25 bildet, sowie, eine epitaktische obere Schicht 28 aus Galliumaluminiumarsenid mit einer Zusammensetzung entsprechend y = 0,30, die daher eine verbotene Bandbreite aufweist, die grosser als die der Schichten 22 und 23 ist.· Die Schicht 28 ist Vom P-Typ mit geringer Germanium-Dotierungskonzentration, z.B0 5 · 10 /cm , und eine lokalisierte Zone Zk vom P+~Typ mit hoher Zink-Dotierungskonzentration.
19 3
z.B. 10- /cm , wird in die Schicht 28 eindiffundiert, bis sie sich der Schicht 23 nähert oder diese Schicht erreicht. Wach einer Abwandlting ist die obere Schicht vom N-Typ mit niedriger Dotierungskonzentration und erreicht oder durchdringt die P+-Diffusion die Schicht 23«
6 09 8 86/078 3 .obsnal insfkibi
0- 75564, Zh,6 öl6*
Die Zone 24, die den Strom oder das elektx'ische Feld kanalisiert, lokalisiert den wirksamen Teil der Schichten 22 und 23 an der unter der Zone 24 liegenden Oberfläche dieser Schichten·
Die abwechselnd- emittierende, oder empfangende Fläche 30 ist übrigens durch die dielektrische Schicht isoliert, während metallische Schichten 27 und 29 auf den beiden einander gegenüber liegenden Flächen für die • Kontaktierung der elektrischen Verbindungen abgelagoz't werden,, Die Dicke der Schicht 23 ist 1 ,5/um, wobei die Diffusionslänge der Elektronen darin 5/ura :lst. Die Dicke der Schicht 22 ist 10/tun und die Diffusionslänge der LScher darin ist 4 /um. Die Absorptionslänga einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,85/um ist etwa 3 ,tun in dem Material der Schichten 22 und 23ο "Wenn eine Spannung von 5 V in der Sperrichtung an die Diode avigelegt wird, erstreckt sich die·Erschöpfungszone über einen Abstand von 0,5 /um in der Schicht 23·'
Bei der Anordnung nach Fig» 4 sind die Leit~ fäliigkeits typen der unterschiedlichen Zonen in bezug auf die Anordnitagen nach Figo 2 und 3 umgekehrt. Diese Anordnung enthält auf einem Substrat 31 aus Galliumarsenid vom P-Typ eine epitaktische Schicht 32 aus Gallitr.i-Al'ui'iiiiiiui'jarso-ai.d G-a.. ΑΠ Λκ nit ν ~ 0„1 vor
ι ~> y
P-Typ9 die mit Germanium dotiert ist und eine Dicke von
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ORJCiNAL INSPECTED
Zk.6.76ο
10 /um aufweist ο Auf der Schicht 32 erstreckt sich eine epitaktische Schicht 33 aus Gallium-Aluminiumarsenid Ga-Al As mit y = 0,15 "vom N-Typ, die mit Zinn dotiert ist und eine Dicke von 1,5/um aufweist, und auf dieser Schicht 33 erstreckt sich eine epitaktische Schicht 3k aus Gallium-Aluminiumarsenid Ga. Al As mit y = 0,30 vom P—Typ, die mit Germanium dotiert ist und eine Dicke von 0,5 /um aufweist β
Isolierschichten aus Siliciumnitrid 35 und
aus Siliciumoxid 36 schützen die nichtwirksame Oberfläche der Anordnung und dienen als Maske während der Ionenimplantation, bei welchem Vorgang die Zone 38 vom N+-Typ gebildet wirds die mit Silicium dotiert ist und bis zu der.Schicht 33 vordringt und eine Insel zum Durchgang des Stromes oder zur Konzentration des elektrischen Feldes bildet, die die Oberfläche der wirksamen Zonen begrenzte
Das in Fig, 5 dargestellte Gebilde ist ein Photokoppler· mit zwei identischen Anordnungen vom Typ ^iiach Figo 2 aus Gallium-Indiumarsenid auf z,B0 ; Galliumarsenid.
Die auf einem Substrat 51a-51t> gebildeten Anordnungen enthalten eine epitaktische Schicht 52a-52b und eine obere Schicht 5k<\~5kh3 die gleichfalls epitaktisch ist und cius einer Verbindung mit einer grosser en
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2Ao 6 ο 76 ο"
verbotenen Bandbreite als die der Verbindung der Schicht 52a-52b besteht; eine diffundierte Zone 56a~56b bildet einen Uebergang 58a-58b.' Elektrische Kontakte sind bei 59a-59b auf der -wirksamen Fläche 53a-53b und bei 6Oa-6Ob auf der gegenüberliegenden Fläche angebrachto Die beiden identischen Anordnungen sind über eine optische Faser 61 miteinander verbunden, wobei die Verbindung zwischen der optischen Faser 61 und den wirksamen Flachen mittels eines Kopplungsmaterials hergestellt wird, das eine grosse Haftung aufweist, transparant ist und einen geeigneten Brechungsindex besitzt«,' Die beiden Anordnungen werden derart gespeist, dass sie, entweder eine in der Durchlassrichtung und die andere in der Speri"ichtung, oder eine in der Sperrichtung und die andere in der Durchlassrichtung, polarisiert werden« Die optische Uebertragung eines elektrischen Signals kann so in beiden Richtungen unter genau gleichen Bedingungen erfolgen»
Die Anordnung nach Fig. 6 ist eine symmetrische Anordnung mit zwei Teilen, von denen einer t-ils Sender und der andere als Detektor verwendet wird, und umgekehrte Diese Anordnung wird auf einem isolierenden oder halbisolierenden Substrat 61 gebildet, auf dem eine erste Schicht 62 aus einem ersten stark dotierten Halbleitermaterial, eino zveite Schickt 64 aus demselben nun
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TJAL JNSPECTED
1 75564. 24.6.76ο
- 23 -
schwachdotierten Material und eine dritte obere Schicht aus einem Halbleitermaterial mit grcJsserer verbotener Bandbreite abgelagert werden. Zwei.diffundierte identische Zonen 66 und 67 vrex-den gebildete Die zwei Teile der Anordnungen' sind gegenseitig durch eine Nut 63 isoliert, die sich bis zu dem Substrat 61 fortsetzt. Kontakte sind auf jeder der diffundierten Zonen bei 69 und 71 und auf jedem 4er Teile 62 bei 68 und 70 angebrachte i
Der schematische Schnitt nach Fig.: 6 kann ein Schnitt durch eine rechteckige Anordnung o:lex· durch eine zwei Halbkreise bildende Anordnung oder du.'ch eine Anordnung jeder anderen geometrischen symmetrischen Gestalt sein. Die Uebertragung von einem Uebergan^ auf den anderen wird durch jedes verfügbare optische Mittel mit geeigneter Geometrie erhalten.
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Claims (4)

  1. 75564. 24.6.76ο
    PATENTANSPRUECHE:
    f 1 ο j Optoelektronische reversibele Anordnung - zur Anwendung in einem schmalen Bereich von Lichtwellenlctngen mit mindestens einer durchlässigen Oberflächenzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einem . . Gebilde zweier wirksamer Zonen, von denen eine wirksame Zone den ersten Typ und die andere wirksame Zone den <· entgegengesetzten Typ aufweist und die einen Halbleiterübergang mit elektroluminezierenden und photoempfindlichen Eigenschaften bestimmen, wobei das Material des Gebildes der zwei wirksamen Zonen eine die des Materials der Oberflächenzone unterschreitende verbotene Bandbreite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Oberflächenzone eine stark dotierte Zone ist, die in einer abgelagerten, die gleiche Zusammensetzung aufweisenden und schwach dotierten Schicht lokalisiert ist, die Tiefe des Uebergangs in bezug auf die Grenzfläche zwischen der genannten Schicht und dem genannten Gebilde wirksamer Zonen zwischen der Hälfte und dem Viertel der Diffusionslänge der Minorität s3.adungs träger in der wirksamen Zone vom ersten Typ liegt, und dass das Material des genannten Gebildes derartig ist, dass die Summe eines Drittels der genannten Diffusions-If-üigo und der Diffusionliingo der Mi
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    original inspected
    PHF. 7556h, 24*6.76.
    und der wirksamen Zone vom entgegengesetzten Typ zwischen einer und drei Absorptionslängen der Lichtstrahlen des genannten WellenlSngenboreich.es liegt o
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Uebergangs in bezug auf die Grenzfläche zwischen der abgelagerten Schicht und dem Gebilde wirksamer Zonen genau gleich einem Drittel der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der v/irksamen Zone vom ersten Typ ist. >
  3. 3· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erschb'pfungszone, die unter einer Betriebsspannung zwischen 1 und 10 V polarisiert ist, die in der Sperrichtung angelegt ist, von dem Uebergang her über einen Abstand von weniger als einem Drittel der genannten Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der wirksamen Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp erstreckt,
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gebildes der wirksamen Zonen eine direkte Bandstruktur aufweist und mit Verunreinigungen mit sehr niedriger lonisationsenergie dotiert ist.
    5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dotienmgs» tionon in der Oborflitchenzoii.e und in dex* abge-·
    2
    lagerten Schacht g-rSssex1 als 10 ist0
    S09886/0783
    PHF0 75564. 24.6,76.
    — 26 -
    β ο Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 t dadurch gekennzeichnet, dass sie eine epitaktische Schicht vom N-Typ, eine daxuint erliegende epitaktische Schicht aus einem Material mit geringerer -verbotener Bandbreite vom N-Typ und ein Substrat enthält, wobei die P-leitenden Zonen örtlich bis zu der genannten unterliegenden Schicht mit einer von der Oberflache her gleichmässig abnehmenden Dotierungskonzentration diffundiert werden, während die diffundierte P~Zone und die N~Schicht mit geringerer verbotener Bandbreite den v/irksamen PN-Uebergaiig bestimmen. 7ο . Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass sie eine epitaktische Oberflächenschicht vom N-Typ, eine epitaktische Zwischenschicht aus einem Material mit geringerer verbotener Bandbreite vom P-Typ, eine darunterliegende epitaktische Schicht aus demselben Material vom N-Typ und ein Substrat enthält, wobei die obere Zone eine örtlich bis zu der genannten Zwischenschicht vom P+-Typ diffundierte Zone ist, während die benachbai'ten epitaktischen P- und N-Schichten den wirksamen PN-Uebergang bestimmen,,' 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass sie eine epitaktische schwach dotierte Oberf luchoxisehi cht vom P-Typ t ei-io epitaktische Zwischenschicht atis einem Material mit
    809886/0783
    ORlGlWAL INSPECTED
    PHF .<
    geringerer verbotener Bandbreite vom.rP-Typ, eine epitak-' tische unterliegende Schicht aus demselben Material vom N-Typ und ein Substrat enthält, -wobei die Oberflächenzone eine diffundierte P+-Zone ist, die bis zu der Zwischenschicht vom P-Typ reicht, während die benachbarten epitaktischen P- und N-Schichten den wirksamen PN-Uebergang bestimmen©*
    9 ο' ' Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5% dadurch gekennzeichnet, dass sie eine epitaktische sehr dünne Oberflächenschicht vom P-Typ, eine epitaktische Zwischenschicht av.s einem Material mit geringerer verbotener Bandbreite vom N-Typ, eine darunterliegende epitaktische Schicht aus demselben Material vom P-Typ und ein Substrat enthält, wobei die Oberflächenzone eine implantierte N+-Zone ist, die bis zu der Schicht vom N-Typ reicht, während die benachbarten epitaktischen P- und N-Schichten den wirksamen PN-Uebergang bestimmen. 10©' Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der verbotenen Bandbreiten zwischen den Materialien der Oberflächenschicht und 4er angrenzenden Schicht einer Potentialsperre von mindestens 0,1 V entspricht, 11, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekcnnzcicluiet, dass das Material der wirksamen Zonen eine Verbindung aus Gallium, Indium und Arsen Ga1 -InJLs ,mit O, \5 <^x < 0,22 ist0
    V 6098 867 078t
    . Ί556ho
    26317U
    12« - Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der wirksamen Zonen eine Verbindung aus Gallium, Aluminium und Arsen Ga1- Al As' mit 0,1<y<0,2 ist ο
    13· Photokoppler mit mindestens einem Senderelement, einem Empfängerelement und einem optischen Element zur Uebertragung "des Lichtes von dem Sender auf den Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das genannte Uebertragungselement symmetrisch und reversibel ist, der Photokoppler zwei identische Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 12 enthält, die symmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene des genannten optischen Uebertragungselements angeordnet sind. I4e Photokoppler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei identische Anordnungen und ein Bündel optischer Pasern enthält, wobei die wirksamen Flächen der Anordnungen senkrecht zu den Ex"zeugenden •der optischen Fasern angeordnet sind·' 15· Photokoppler nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass er zwei identische Anordnungen in der gleichen Ebene enthält, die in einer gemeinsamen monolithischen Scheibe hergestellt sind9·
    609886/0783
    Leerseite
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