DE2828195C2

DE2828195C2 - Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung mit einer Halbleiterdiode

Info

Publication number: DE2828195C2
Application number: DE2828195A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Le Chesnay Carballes
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-06-27
Filing date: 1978-06-27
Publication date: 1985-10-10
Also published as: FR2396419B1; GB2000373B; DE2828195A1; FR2396419A1; US4202000A; JPS5754952B2; JPS5411691A; GB2000373A; CA1106483A

Description

Ga_zAli__zAs,

mit 0,9 <z< 1, zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten Halbleiterschichten (1,3) eingefügt ist, daß die Dicke der aktiven Schicht (2) sowie die in Sperrrichtung für den Betrieb als Lichtentpfangsanordnung angelegte Spannung für die Erzeugung des Lawineneffektes bemessen sind, daß die erste Halbleiterschicht (1) die Zusammensetzung

Empfindlichkeit gewöhnlich einen schlechteren Wirkungsgrad für den Sendebetrieb zur Folge.

Aus der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, 42 (1971), Seiten 1929 bis 1941 sind Laser-Halbleiterdioden bekannt, die aus vier Halbleiterschichten bestehen. Auf einer η-leitenden, mit Sn dotierten Halbleiterschicht aus

aufweist und mit 10¹⁷ bis 10¹⁸ Germaniumatomen/ cm³ p-dotiert ist, daß die zweite Halbleiterschicht (3) die Zusammensetzung

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aufweist und mit 10¹⁸ bis 10¹⁹ Zinnatomen cm³ n-dotiert ist, und daß 0,60 <y«y'< 0,80.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Halbleiterschicht (3) eine dritte Halbleiterschicht (14) der Zusammensetzung

mit 0,8 < χ < 0,9, angeordnet ist und daß auf dieser dritten Halbleiterschicht (14) eine Kontaktschicht (5) aufgebracht ist, aus der ein Fenster ausgespart ist.

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Die Erfindung betrifft eine Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung mit einer Halbleiterdiode, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung, deren Halbleiterdiode zwei entgegengesetzt dotierte Halbleiterschichten aus Gallium-Aluminium-Arienit aufweist und in Abhängigkeit von der Polung der an diese Schichten angelegten Spannung Licht derselben Wellenlänge aussendet bzw. empfängt, ist aus IBM-Technical Disclosure Bulletin (1969), Seiten 869 bis 870 bekannt.

Von einer Lichtsendediode wird ein hoher Wirkungsgrad der Umwandlung elektrischer Leistung in Lichtleistung angestrebt, während von einer Lichtempfangsdiode eine hohe Empfindlichkeit gefordert wird. Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer als Lichtsender verwendeten Halbleiterdiode führen aber gewöhnlich zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit derselben Halbleiterdiode, wenn sie als Lichtempfänger verwendet wird. Umgekehrt haben bei einer solchen Halbleiterdiode Maßnahmen zur Erhöhung der

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20 ist eine p-Ieitende, mit Si dotierte, zwischen 0,4 und etwa 2 μπι dicke Halbleiterschicht aus

GaAs oder Al_xGai__xAs

aufgebracht Diese zweite Halbleiterschicht trägt eine ein bis zwei μπι dicke, p-leitende und mit Zn dotierte Schicht aus

AUGai_xAs(0,2<x<0,4),

die ihrerseits eine vierte, ein bis zwei μπι dicke p-leitende und mit Ge dotierte Halbleiterschicht aus GaAs trägt. Eine solche Halbleiterdiode bildet eine Doppel-Hetero-Struktur mit seitlichem Lichtaustritt aus einer Schmal/lache der aktiven Halbleiterschicht.

Aus der US-PS 39 59 646 ist ferner eine Lawinen-Fotodiode in Mesatechnik bekannt Sie besteht aus einer ersten, relativ dicken Schicht aus n-lcitendem GaAs, das mit 10¹⁸ Atomen/cm³ dotiert ist, einer darauf aufgebrachten, ebenfalls η-leitenden GaAs-Schicht, deren Dotierung kleiner als 10¹⁷ Atome/cm³ ist und die einen verdünnten zentralen Bereich einer Dicke von etwa einem μπι aufweist, sowie auf einer darauf aufgebrachten dritten p-leitenden Halbleiterschicht aus

deren Dotierung 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt. Eine solche Lawinen-Fotodiode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit bei einem relativ kleinen Wert der anzulegenden Sperrspannung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu optimieren, daß im Betrieb als Lichtsender ein relativ hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit im Betrieb als Lichtempfänger erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Lichtsende- und Empfangsanordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung arbeitet die Halbleiterdiode im Empfangsbetrieb als Lawinen-Fotodiode, so daß eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird, obwohl die aktive Schicht ausreichend dünn bemessen werden kann, um einen hohen Wirkungsgrad für den Betrieb als Lichtsender zu begünstigen. Daher zeichnet sie sich durch einen relativ hohen Wirkungsgrad als Lichtsender und gleichzeitig durch eine relativ hohe Empfindlichkeit als Lichtempfänger aus.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht der Halbleiterschichten in einer Halbleiterdiode einer Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung,

Fig.2 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform der Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht der Halbleiterdiode nach F i g. 2 mit ihrer Kontaktierungsanordnung, F i g. 4 einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer Laser- und Photodetektordiode, die von der Diode \on F i g. 4 abgeleitet ist, und

F i g. 6 eine mittels Lichtleitfasern arbeitende Nachrichtenübertragungsanordnung, in der die Lichtsendt- und Lichtempiangsanordnung angewendet ist.

Die in F i g. 1 gezeigte Halbleiterdiode enthält übereinander eine erste p-dotierte Lokalisierungsschicht 1, die einen ersten Kontakt 4 trägt, eine aktive Schicht 2, deren p-Dotierung so gewählt ist, daß sich ein guter Kompromiß zwischen der optischen Sendeleistung und der Anstiegszeit in! Impulsbetrieb ergibt, und eine zweite Lokalisierungsschicht 3 von einem zur ersten Lokalisierungsschicht entgegengesetzten LeitungstyD, also mit η-Leitung, an der ein Kontakt 5 angebracht ist Diese zweite Lokalisierungsschicht ist Lichtstrahlen ausgesetzt und 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 einen guten Wirkungsgrad und kurze Anstiegszeit im Impulsbetrieb die Dicke der aktiven Schiet; klein sein muß.

Wenn die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist, ist der Dunkelstrom klein. Wenn Photonen mit der gleichen Wellenlänge wie im Sendebetrieb 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 soll grundsätzlich relativ dick sein, damit das Verhältnis der Anzahl der absorbierten Photonen zur Anzahl der die aktive Schicht durchdringenden Photonen so groß wie möglich ist.

Daraus folgt, daß eine gute Lichtsendediode nicht optimal arbeitet, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt ist, da sie auf Grund der geringen Dicke ihrer aktiven Schicht eine geringe Ausbeute bei der Umsetzung von Licht in elektrischen Strom, also eine geringe Empfindlichkeit aufweist.

Bei den nun beschriebenen Ausführungsformen 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.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform wird die Halbleiterdiode durch bekannte Epitaxieverfahren aus der flüssigen Phase hergestellt. Sie enthält ein Substrat 10 aus Galliumarsenid (GaAs). Dieses Substrat ist p-leitend. Die Substratdicke Hegt in der Größenordnung von 100 am. Auf diesem Substrat ist unter Anwendung des Epitaxie-Verfahrens eine erste Schicht 1 mit der Dicke von 1 um und mit der Zusammensetzung

gebildet; sie ist mit 10^1T bis 10¹⁸ Atome/cm³ p-dotiert, und y liegt in der Größenordnung von 0,7 (0,60 bis 0,80). Die Dotierung ist mit Germanium durchgeführt Diese Schicht ist die erste Lokalisierungsschicht

Auf dieser ersten Schicht ist die aktive Schicht 2 angebracht, die stark p-dotiert (10¹⁸ bis 10¹⁹ Atome/cm³) ist, wobei die Dotierung wieder mit Germanium durchgeführt ist Ihre Zusammensetzung lautet:

Ga_zAli_zAs;

ζ liegt zwischen 0,9 und 1 und ihre Dicke beträgt etwa 1 μπι.

Auf dieser Schicht ist die zweite Lokalisierungsschicht 3 angebracht, deren Dicke in der Größenordnung von 3 μπι liegt Dies ist eine Schicht mit n-Dotierung mit einer Konzentration zwischen 10¹⁸ und 10¹⁹ Atome/cm³, wobei die Dotierung mit Zinn durchgeführt ist; ihre chemische Formel lautet:

wobei gilt: y^y.

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

-*As;

wobei gilt: x«0,85.

Eine solche chemische Zusammensetzung ermöglicht es, mit Legierungen auf Gold-Basis ohrnsche Kontakte

mit niedrigem spezifischem Widerstand zu erzielen.

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 5 bzw. 4 angebracht

Die Anordnung ist in F i g. 3 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Das Substrat 10 hat die Form eines Quaders, und der Kontakt 5 hat die aus der Darstellung ersichtliche Form, nämlich eine Ringform. In der Darstellung sind nur die Schicht 14 und die Seitenflächen

so der Mesa-Struktur erkennbar.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen:

(a) Bei Vorspannung in Durchlaßrichtung

Die beschriebene Anordnung eignet sich für einen Betrieb mit A = 830 nm. Die angelegte Vorspannung hat einen Wert in der Größenordnung von 1,5 bis 2 V.

Die Schicht 14 läßt Photonen durch, was auch für die Lokalisierungsschicht 3 gilt. Die in der aktiven Schicht 2

ausgesendeten Photonen durchlaufen die für sie durchlässige Lokalisierungsschicht 3 und die Schicht 14, die eine solche Zusammensetzung hat, daß in einfacher Weise öhmsche Kontakte eingesetzt werden können, wobei ihre Dicke von 5 μπι ausreichend gering ist, damit sie auch für Photonen durchlässig ist. Die Photonen werden in Richtung der Pfeile an ihrer Oberfläche abgestrahlt. Im Sendebetrieb ergibt sich für einen Strom /=50 mA eine optische Leistung über 1 mW; die An-

stiegs- und Abfallzeit zwischen 10 und 90% der Leistung liegt unter 10 ns.

(b) Bei Vorspannung in Sperrichtung

Es wird eine Spannung von 15 bis 20 V in Sperrichtung angelegt, so daß in der aktiven Schicht 2 ein Lawineneffekt eintritt. Die aktive Schicht 2 absorbiert auf Grund ihrer geringen Dicke zwar nur einen kleinen Teil (JJ der Photonen, jedoch ergibt jedes erzeugte Elektronen- io

Loch-Paar auf Grund des Lawineneffekts einen verstärkten Strom; die Empfindlichkeit liegt bei über 0,5 A/W für eine Spannung von 18 V.

Es sei bemerkt, daß die aktive Schicht zusammen mit den beiden Lokalisierungsschichten zwei Hetero-Obergänge bildet Diese durch Anwendung des Epiiaxie-Verfahrens erhaltenen Obergänge 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 eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform. Es sind wiederum die erste Lokalisierungsschicht 1, die aktive Schicht 2 und die zweite Lokalisierungsschicht 3 erkennbar. Die Schicht 3 kann nunmehr viel dicker sein, da es nicht notwendig ist, daß sie strahlungsdurchlässig ist weil das Licht durch die zwei Flächen der aktiven Schicht tritt die senkrecht zu den Obergängen liegen. Es ist bekannt, daß solche Strukturen mit einer Anbringung von lokalisierten Kontakten auf der oberen Fläche und mit einer Herstellung der zwei Sende-Empfangs-Flächen durch Abspaltung bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung als Laser-Diode arbeiten können. 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 F i g. 2 haben.

In F i g. 5 ist eine als Photodetektor wirkende Laser-Diode dargestellt Die Schicht 14 ist auf ein Band reduziert auf dem eine Goldschicht 5 angebracht ist Beim Empfang tritt der Lawineneffekt unter den gleichen Bedingungen wie in der Ausführungsform von F i g. 2 ein. Beim oben angegebenen Wellenlängenbeispiel liegt die Breite des Laser-Bandes in der Größenordnung von 6 μπι.

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

Eine Lichtleitfaser F empfängt die von den zwei Dioden Di und D₂ ausgesendeten Strahlungen. Diese Verbindung arbeitet abwechselnd. Mit Hilfe von zwei Umschaltern Q und C₂ können die zwei Dioden mittels der zwei Batterien P\ und P₂ in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung vorgespannt werden.

Wenn die Diode D\ in Durchlaßrichtung vorgespannt ist ist die Diode D₂ in Sperrichtung vorgespannt so daß die Anordnung in der Richtung von der Diode D\ zur Diode D₂ arbeitet Im umgekehrten Fall arbeitet die Anordnung in der Richtung von der Diode D₂ zur Diode D₁.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung mit einer Halbleiterdiode, die zwei entgegengesetzt dotierte Halbleiterschichten aus Gallium-Aluminium-Arsenid aufweist und die in Abhängigkeit von der Polung der an diese Schichten angelegten Spannung Licht derselben Wellenlänge aussendet bzw. empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit 10^!S bis 10¹⁹ Germaniumatomen/cm³ p-dotierte aktive Schicht (2) der Zusammensetzung