DE2828195A1

DE2828195A1 - Diode

Info

Publication number: DE2828195A1
Application number: DE19782828195
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Carballes
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-06-27
Filing date: 1978-06-27
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPS5411691A; FR2396419A1; US4202000A; JPS5754952B2; CA1106483A; GB2000373A; FR2396419B1; GB2000373B; DE2828195C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diode, die für Licht der gleichen Wellenlänge abwechselnd als Lichtemitter oder als Lichtdetektor arbeitet.

Es ist bekannt, daß Dioden hergestellt werden können, die bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung Lichtstrahlungen in einem bestimmten Frequenzband aussenden können, während sie bei einer Vorspannung in Sperrichtung elektrische Signale erzeugen können, wenn sie den gleichen Lichtstrahlungen ausgesetzt werden.

Außerdem ist bekannt, daß diese zwei Funktionen einander widersprechende Eigenschaften erfordern, d.h. daß eine Lichtemitterdiode , die einen guten Wirkungsgrad hat, wenn sie in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, zu einer Lichtdetektordiode mit kleinem Wirkungsgrad wird, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt wird.

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Mit Hilfe der Erfindung soll eine Diode mit der Fähigkeit zum Arbeiten als Lichtsender uru als Lichtdetektor geschaffen werden, die bei ihren beiden Funktionen gute Eigenschaften hat.

Die Lichtemitter- und Lichtdetektordiode . nach der Erfindung enthält eine aktive Schicht, die zwischen zwei Lokalisierungsschichten mit entgegengesetztem Leitungstyp eingefügt ist und mit diesen jeweils einen HeteroUbergang bildet. Die zwei Lokalisierungsschichten tragen Kontakte, die es ermöglichen, an den Anschlüssen der Übergänge vorbestinnnte Spannungen abwechselnd in Durchlaßrichtung oder in Sperrrichtung anzulegen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht derart ausgebildet ist, daß in ihr ein Lawineneffekt stattfindet, wenn die Vorspannung in Sperrichtung angelegt ist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Ansicht der aktiven Zone einer Lichtern!tter- und Lichtdetektordiode nach der Erfindung,

Fig.2 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer Diode nach Fig.2 mit der Kontaktierungsanordnung,

Fig.4 einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.5 eine perspektivische Ansicht einer Laser-und Photodetektordiode, die von der Diode von Fig.4 abgeleitet ist, und

Fig.6 eine mittels Lichtleitfasern arbeitende NachrichtenÜbertragungsanordnung, in der die erfindungsgemäße Diode angewendet ist.

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In Fig.1 ist in einer Schnittansicht die nach der Erfindung ausgebildete Diode dargestellt. Diese Diode enthält übereinander eine erste Lokalisierungsschicht 1, die einen beispielsweise stark p-dotierten ersten Kontakt 4 trägt, eine aktive Schicht 2, deren P-Dotierung so gewählt ist, daß sich eine guter Kompromiß zwischen der optischen Sendeleistung und der Anstiegszeit ergibt, und eine zweite Lokalisierungs schicht 3 mit einem zur ersten Lokalisierungsschicht entgegengesetzten Leitungstyp, also mit N-Leitung, an der ein Kontakt angebracht ist. Diese zweite Lokalisierungsschicht ist Lichtstrahlen ausgesetzt und sie ist in einem bestimmten Wellenlängenband durchlässig.

Diese Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung ist die Diode leitend. In der Schicht 2 findet eine Rekombination der auf diese Weise gebildeten Elektronen-Löcher-Paare mit einer Emission von Photonen statt, die die durchlässige Schicht 3 durchdringen. Die Theorie zeigt, daß für ein richtiges Arbeiten einer solchen Diode die Dicke der aktiven Schicht klein sein muß, was insbesondere im Hinblick auf den Lichtwirkungsgrad und auf die Geschwindigkeit gilt.

Wenn die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist, ist der Dunkelstrom klein. Wenn Photonen mit der gleichen Wellenlänge, von der oben die Rede war, auf die Schicht 3 gelenkt werden, durchlaufen sie diese Schicht, weil diese durchlässig ist, und sie gelangen in die aktive Schicht, in der sie zum Entstehen von Elektronen-Löcher-Paaren führen, die die Ursache für einen elektrischen Strom sind. Die aktive Schicht muß natürlich ausreichend dick sein, damit das Verhältnis der Anzahl der absorbierten Photonen zur Anzahl

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der die aktive Schicht durchdringenden Photonen so groß wie möglich ist.

Daraus folgt, daß eine gute Lichtemissionsdiode unzureichend arbeitet, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt ist, da sie auf Grund der geringen Dicke ihrer aktiven Schicht einen kleinen Wirkungsgrad für die Umsetzung des Lichts in elektrischen Strom hat.

Mit Hilfe der Erfindung kann dieser Nachteil vermieden werden. Danach wird der Lawineneffekt zur Erzeugung der elektrischen Ströme bei der Vorspannung der Diode in Sperrichtung ausgenutzt. Bekanntlich hat der Lawineneffekt die Wirkung, daß die Anzahl der eine Halbleiterzone verlassenden Ladungsträger bezüglich der in diese Zone injizierten oder in dieser Zone erzeugten Ladungsträger mit einer konstanten Zahl multipliziert wird.

Diese Erscheinung tritt unter bestimmten. Bedingungen auf, nämlich bei einem hohen elektrischen Feld in der aktiven Zone, dessen Wert von mehreren anderen Faktoren wie der Dotierung und der Dicke der aktiven Zone abhängt.

Die in Fig.2 dargestellte Diode ist ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung.

Diese Diode wird mit Hilfe bekannter Epitaxieverfahren aus der flüssigen Phase hergestellt. Sie enthält ein Substrat aus Galliumarsenid (GaAs). Dieses Substrat ist p-leitend; die Leitungstypen können jedoch auch umgekehrt sein. Die Substratdicke liegt in der Größenordnung von 100/um. Auf diesem Substrat ist unter Anwendung des Epitaxie-Verfahrens eine erste Schicht 11 mit der Dicke 1 /um gebildet; die Formel dieser Schicht i utet:

Ga₇Al₁__yAs ;
sie ist mit 10¹^ bis 10¹⁸ Atome/cm^ p-dotiert , und

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y liegt in der Größenordnung von 0,7 (O,6o bis 0,80). Die Dotierung ist mit Germanium durchgeführt. Diese Schicht ist die erste Lokalisierungsschicht.

Auf dieser ersten Schicht ist eine aktive Schicht 12 angebracht, die stark p-dotiert (10¹⁸ bis 10¹⁹Atome/cm³) ist, wobei die Dotierung wieder mit Germanium durchgeführt ist. Ihre Zusammensetzung lautet:

^Gaz^Al1-z^As 5
ζ liegt zwischen 0,9 und 1; ihre Dicke beträgt etwa 1 jum.

Auf dieser Schicht ist die zweite Lokalisierungsschicht 13 angebracht, deren Dicke in der Größenordnung von 3 pm liegt. Dies ist eine Schicht mit n⁺-Dotierung mit einer Konzentration

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zwischen 10 und 10 ^Atome/cm , wobei die Dotierung mit Zinn durchgeführt ist; ihre chemische Formel lautet:

^GaytAi_1-7I As 5
wobei gilt: y^fc£y.

Auf dieser Schicht ist eine n⁺-leitende Schicht 14 angebracht (also eine Schicht mit im wesentlichen der gleichen Dotierung wie die vorangehende Schicht); die Dicke dieser Schicht liegt in der Größenordnung von 5 jum; ihre Formel lautet:

wobei gilt: x^0,85.

Eine solche chemische Zusammensetzung ermöglicht es, mit Legierungen auf Gold-Basis ohmsche Kontakte mit niedrigem spezifischem Widerstand zu erzielen.

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Die Anordnung wird mit Hilfe bekannter Verfahren einer Mesa-Ätzung unterzogen, die bis auf das Substrat übergreift. Auf der Schicht 14 und auf dem Substrat 10 werden dann Kontakte bzw. 16 angebracht.

Die Anordnung ist in Fig.3 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Das Substrat 10 hat die Form eines Quaders, und der Kontakt 15 hat die aus der Darstellung ersichtliche Form, nämlich eine Ringform. In der Darstellung sind nur die Schicht 14 und die Seitenflächen der Mesa-Struktur erkennbar.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: (a) Bei Vorspannung in Durchlaßrichtung:

Die beschriebene Anordnung eignet sich für einen Betrieb mit λ = 830 run oder 0,83 yum.

Die angelegte Vorspannung hat einen Wert in der Größenordnung von 1,5 bis 2 V. Der Vorstrom ist von einigen Milliampere bis auf mehrere Ampere eingestellt.

Die Schicht 14 läßt Photonen durch, was auch für die Lokalisierungsschicht 13 und für die aktive Schicht 12 gilt. Die Lokalisierungsschicht 11 ist undurchlässig. Wie oben erkennbar war, hat die Diode solche Abmessungen, daß sie als Lichtemitter arbeitet. Die in der aktiven Schicht 12 ausgesendeten Photonen durchlaufen die für sie durchlässige Lokalisierungsschicht 13 und die Schicht 14, die eine solche Zusammensetzung hat,daß in einfacher Weise ohmsche Kontakte eingesetzt werden können, wobei ihre Dicke von 5 wm ausreichend gering ist, damit sie auch für Photonen durchlässig ist. Die Photonen werden in Richtung der Pfeile

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an ihrer Oberfläche abgestrahlt. Im Emissionsbetrieb ergibt sich für einen Strom I = 50 mA eine optische Leistung über 1 mW; die Anstiegs- und Abfallzeit zwischen 10 und 90?S der Leistung liegt unter 10 ns.

(b) Bei Vorspannung in Sperrichtung:

Es wird eine Spannung von 15 bis 20 V in Sperrichtung angelegt. Die Erfahrung zeigt, daß in der aktiven Schicht ein Lawineneffekt eintritt. Das heißt mit anderen Worten, daß die auf die Schicht 14 aufprallenden Photonen diese Schicht und die Lokalisierungsschicht 13 durchlaufen, da diese Schichten für die Photonen durchlässig sind. Die aktive Schicht 12 absorbiert auf Grund ihrer geringen Dicke einen kleinen Teil der Photonen, Jedoch ergibt Jedes erzeugte Elektronen-Loch-Paar auf Grund des Lawineneffekts einen verstärkten Strom; die Empfindlichkeit liegt über 0,5 A/W für eine Spannung von 18V.

Es sei bemerkt, daß die aktive Schicht zusammen mit den Lokalisierungsschichten zwei Hetero-Übergänge bildet. Diese durch Anwendung des Epitaxie-Verfahrens erhaltenen Übergänge sind sehr genau lokalisiert, was dazu führt", daß die Dicke und die Dotierung der Schicht sehr genau definiert sind. Dies ist wahrscheinlich der Grund dafür, daß der Lawineneffekt nicht nur entsteht, sondern auch mit sehr guter Genauigkeit von Bauelement zu Bauelement reproduzierbar ist.

Fig.4 zeigt in einer Querschnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen repräsentieren dabei die gleichen Teile wie in der zuvor beschriebenen Figur. Es sind die erste Lokalisierungsschicht 11, die aktive Schicht 12, die Lokalisierungsschicht 13 und die Kontaktierungsschicht 14 erkennbar. Diese könnte viel dicker sein und aus reinem Galliumarsenid bestehen, da es nicht not-

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wendig ist, daß sie strahlungsdurchlässig ist. Dies gilt wegen der zwei Flächen der aktiven Schicht, die senkrecht zu den Übergängen liegen. Es ist bekannt, daß bei solchen Strukturen mit einer Anbringung von lokalisierten Kontakten auf der oberen Fläche und mit einer Herstellung der zwei Sende-Empfangs-Flächen durch Abspaltung die Diode bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung als Laser-Diode arbeiten kann. Bei einer Vorspannung in Sperrichtung tritt der Lawineneffekt ein, wobei die Lokalisierungsschichten und die aktive Schicht die gleichen Parameter wie die entsprechenden Schichten der Diode gemäß der vorangehenden Figur haben.

In Fig.5 ist eine als Photodetektor wirkende Laser-Diode dargestellt. Wie in der Patentanmeldung P 27 21 114.9 ist die Schicht 14 auf ein Band reduziert, auf dem die Goldschicht 15 angebracht ist. Da der Goldkontakt auf der Lokalisierungsschicht ein stark ohmscher Kontakt ist, sind die Stromlinien bei der Aussendung auf das Gebiet unter dem Band lokalisiert und begrenzen mit den zwei Spaltflächen einen Pferot-Fabry-Resonator. Beim Empfang tritt der Lawineneffekt unter den gleichen Bedingungen wie in der Ausführungsform von Fig.2 ein. Beim oben angegebenen Wellenlängenbeispiel liegt die Breite des Laser-Bandes in der Größenordnung von 6 yum. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine solche Breite günstig für eine gute Verteilung der Lichtenergie ist und eine gute Linearität der Kennlinie des Stroms und der ausgesendeten Photonen zeigt.

In Fig.6 ist schematisch eine über Lichtleitfasern geführte Verbindung unter Anwendung der hier beschriebenen Dioden dargestellt.

Eine Lichtleitfaser F empfängt die von den zwei Dioden D. und D₂ ausgesendeten Strahlungen. Diese Verbindung arbeitet

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abwechselnd. Mit Hilfe von zwei Umschaltern C^ und C₂ können die zwei Dioden mittels der zwei Batterien P^ und Pp in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung vorgespannt werden.

Wenn die Diode D. in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, ist die Diode D„ in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Anordnung in der Richtung von der Diode D^ zur Diode D arbeitet. Im umgekehrten Fall arbeitet die Anordnung in der Richtung von der Diode D₂ zur Diode D^.

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u e e r s e i . e

Claims

Patentanwälte

DipJ.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Emsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: T 3127 23.Juni 1978

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Patentansprüche

Diode mit der Fähigkeit, abwechselnd für Licht der gleichchen Wellenlänge als Lichtemitter oder als Lichtdetektor zu arbeiten, mit einer aktiven Schicht, die abhängig von der Richtung ihrer Vorspannung Photonen absorbiert oder erzeugt und die zwischen eine erste und eine zweite Lokalisierungsschicht mit entgegengesetztem Leitungstyp eingefügt ist und mit diesem jeweils einen Heteroübergang bildet, wobei die zwei Lokalisierungsschichten Kontaktvorrichtungen aufweisen, an die abwechselnd vorbestimmte Spannungen in Durchlaßrichtung odär in Sperrichtung anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Dotierung der aktiven Schicht derart bemessen sind, daß in ihr ein Lawineneffekt stattfindet, wenn die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist.
2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht und die zwei Lokalisierungsschichten aus Gallium-Aluminium-Ar senid bestehen.
3. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formel der aktiven Schicht folgendermaßen lautet:

^Schw/Ba 809881/1082

ORIGINAL INSPECTED

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Ga Al. As mit 0,9< ζ < 1,

Z J ■*■■ Z

daß die Formel der ersten Lokalisierungsscliicht folgender-, maßen lautet:

daß die Formel der zweiten Lokalisiernngsschicht folgender maßen lautet:

Ga ,Al^ As mit 0,60< y^y'< 0,80,

daß die aktive Schicht n- oder p-dotiert ist und daß die

17 1¹Q zwei Lokalisierungsschichten Dotierungen von 10 bis 10 ^J Atome/cm - halben.
4. Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lokalisierungsschicht für die Lichtstrahlungen durchlässig ist und mit einer dritten Schicht mit geringem Aluminiumgehalt überzogen ist, deren Formel folgendermaßen lautet:

Ga Al₁ As mit χ in der Größenordnung von 0,8 bis 0,9.
5. Diode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dritten Schicht ein Kontakt angebracht ist, der ein Fenster enthält, das die Lichtstrahlungen durchläßt.
6. Diode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht so angebracht ist, daß sie die Lichtstrahlungen direkt empfängt, die im wesentlichen senkrecht zu den Stromflußlinien in der Diode verlaufen.
7. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einer mit Lichtleitfasern arbeitenden Nachrichtenübertragungsanordnung.

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