DE2858706C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein System für den Austausch von Signalen zwischen mehreren Teilnehmern nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges System
ist aus der Druckschrift "IBM-Technical
Disclosure Bulletin" 15 (1973), Seiten 2760 und 2761,
bekannt. Das dort beschriebene System enthält
in jedem Halbleiter-Bauelement eine p- und eine n-leitende
Halbleiterschicht, die an ihren seitlichen Enden ebene
Begrenzungsflächen bilden. Neben der einen Begrenzungsfläche
ist über Kontaktierungsschichten ein Laser-
oder LED-Element gebildet, während neben der
anderen Begrenzungsfläche, ebenfalls mittels geeigneter
Kontaktschichten, ein optisches Sensorelement gebildet
ist. Die ebenen Begrenzungsflächen des Bauelements
sind an die Stirnflächen von Lichtleitfasern
angeschlossen, so daß das optoelektronische
Bauelement als Ein/Ausgabe-Einheit in einem optischen
Datenübertragungssystem wirken kann. Beim Durchgang
der Lichtstrahlung quer durch die Begrenzungsflächen
und in Längsrichtung durch die Halbleiterschichten
tritt zwar keine wesentliche Dämpfung der Lichtstrahlung
auf, jedoch führen mehrere in beispielsweise einen
Lichtwellenleiter eingefügte optoelektronische Bauelemente
dieser Art bereits zu einer erheblichen Signaldämpfung.
In Fernmeldesystemen werden bekanntlich Leitungen
verwendet, über die mehrere über eine
einzige Leitung angeschlossene Teilnehmer miteinander
kommunizieren können. Jede Teilnehmerstation enthält
eine Sende-Empfangs-Anordnung sowie Steuereinrichtungen,
die den wahlweisen Sendebetrieb oder Empfangsbetrieb
gestatten. Der Verwirklichung eines solchen Fernmeldesystems
mit Lichtwellenleitern und optoelektronischen
Bauelementen steht entgegen, daß letztere bei
einer größeren Anzahl von Teilnehmern eine zu hohe
Signaldämpfung verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs vorausgesetzte
System hinsichtlich des Aufbaus des optoelektronischen Halbleiter-
Bauelements dahingehend zu verbessern, daß die Dämpfung
der Lichststrahlung beim Durchgang zwischen den Begrenzungsflächen
des Bauelements vermindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem gattungsgemäßen
System durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Das bei dem erfindungsgemäßen System verwendete
optoelektronische Bauelement kann wahlweise als Lichtempfänger
oder als Lichterzeuger arbeiten. Da die aktive
Schicht des Bauelements eine sehr geringe Dicke
aufweisen kann, tritt beim Durchgang der Lichtstrahlung
quer durch diese Schicht nur eine sehr geringe
Dämpfung auf, die beispielsweise 0,3 dB bei einer
Schichtdicke von 0,3 µm beträgt.
Aus der DE-OS 25 42 072 ist an sich bereits eine lichtemittierende
Halbleiterdiode bekannt, deren Aufbau dem
des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements
insofern gleicht, als zwischen zwei strahlungsdurchlässigen
Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps,
nämlich aus p-GaAlAs bzw. n-GaAlAs, eine
aktive Schicht eingefügt ist, nämlich eine GaAs-
Schicht, die mit den beiden anderen Halbleiterschichten
jeweils einen Heteroübergang bildet. Dieses bekannte
Bauelement arbeitet aber nur als Lichterzeuger und läßt
auch keinen Durchgang der Lichtstrahlung quer zu den
Halbleiterschichten durch das gesamte Bauelement zu.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben. Zum Gegenstand des Anspruchs 3
ist anzumerken, daß aus der Druckschrift "Applied Physics
Letters", 28 (1976), Seiten 363 bis 365, bereits ein optoelektronisches
Halbleiter-Bauelement mit zwei Heteroübergängen bekannt
ist, bei dem als Halbleitermaterial
In1-x Ga x P1-z As z verwendet wird. Dieses Bauelement bildet
eine Laserdiode.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im
folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Ausschnitt aus einem System für den Austausch
von Signalen zwischen mehreren Teilnehmern,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines
optoelektronischen Bauelements,
Fig. 3 Lichtleitfasern, zwischen die optoelektronische
Bauelemente eingefügt sind, und die
Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele von optoelektronischen
Bauelementen.
Fig. 1 zeigt ein Fernmeldesystem eines auch unter der Bezeichnung
"Bus-Leitung" bekannten Typs. Dieses System enthält eine Leitung
10, die eine Strahlung
in beiden Ausbreitungsrichtungen überträgt.
An diese Leitung sind Teilnehmerstationen A₁, A₂, . . . angeschlossen.
Diesen Stationen ist jeweils eine codierte Zahl
zugeordnet. Jede Station empfängt eine Strahlung in codierten
Impulsen über die Leitung und sendet sie über die
Leitung wieder aus, wobei die Gesamtheit der Signale gleichzeitig
die Information und die Adresse eines der verschiedenen
Teilnehmer mit sich führt.
Der Vorteil eines solchen Systems ist seine Einfachheit.
Wenn man es auf das Gebiet der Lichtleitfasern überträgt,
muß natürlich sichergestellt sein, daß das System auch
bei Ausfall einer Teilnehmerstation
noch funktioniert.
Bei Anwendung des unten beschriebenen optoelektronischen Bauelements
ist das sichergestellt.
Das optoelektronische Bauelement bildet eine Diode mit
drei einander überlagerten Schichten 1, 2 und 3,
von denen die aktive Schicht 2 sehr dünn ist, d. h. eine Dicke
in der Größenordnung von 0,3 µm bis 1 µm hat. Sie besteht aus
einem Material, das die Lichtstrahlung bei der Betriebswellenlänge absorbiert,
jedoch sind die Übertragungsverluste wegen der geringen Dicke gering,
da sie etwa 1,3 dB pro Mikrometer
Dicke betragen. Bei einer Dicke von 0,3 µm sind das
etwa 0,3 dB.
Diese aktive Schicht 2 ist als Zwischenschicht zwischen die beiden
Schichten 1 und 3 eingefügt, bei welchen es sich um Schichten
entgegengesetzten Leitungstyps handelt, also beispielsweise
des Leitungstyps p für die Schicht 1 und des Leitungstyps n
für die Schicht 3. Diese Schichten haben eine Dicke, die viel
größer ist und in der Größenordnung von 1 bis 10 µm liegt,
und sie bilden mit der Schicht 2 zwei Heteroübergänge. Diese
Materialien haben ein verbotenes Band, das höher ist als das
der Schicht 2, und sind für die Strahlung durchlässig.
Bei Betrieb der Diode in Durchlaßrichtung
dient sie als Strahlungssender.
Wenn die Diode in Sperrichtung betrieben wird
dient sie als Strahlungsempfänger.
Fig. 3 zeigt zwei Lichtleitfasern mit
einer dazwischen angeordneten Teilnehmerstation. Jede Station enthält
für jeden Teilnehmer ein eine Diode D bildendes optoelektronisches Bauelement,
das zwischen zwei Faserabschnitte F₁ und F₂ eingefügt ist.
Von den beiden Anschlüssen der Diode D ist der eine beispielsweise
mit Masse und der andere mit einem Kontaktgeber C verbunden,
deren beide Ausgänge mit dem Sendesystem E bzw. mit
dem Empfangssystem R verbunden sind. Während einer Empfangsfolge
wird die Diode in Sperrichtung und während einer Sendefolge
in Durchlaßrichtung betrieben. Sie ist in jedem Fall
für die Strahlung durchlässig, die über die verschiedenen
Lichtleitfaserabschnitte übertragen werden. Daraus folgt, daß
selbst in dem Fall einer Störung der Teilnehmerstation das
Bauelement kein wesentliches Hindernis für die Übertragung der Lichtenergie darstellt.
Die in Fig. 4 als
erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements dargestellte Diode enthält ein
Substrat 5 aus Galliumarsenid AsGa des Leitungstyps p mit
einer Dicke in der Größenordnung von 100 µm, das stark dotiert
ist (10¹⁸ Atome/cm³). Auf dieses Substrat sind durch Flüssigphasen-Epitaxie
nacheinander vier Schichten 1, 2, 3 und 4 aufgebracht worden,
die folgende Dicken, Zusammensetzungen und Fremdatomkonzentrationen
haben:
Schicht 1:
Zusammensetzung: Ga1-x Al x As, mit 0,3x0,4, des Leitungstyps p, mit einer Konzentration von 10¹⁸ Atome/cm³ und mit einer Dicke von 5 bis 10 µm.
Zusammensetzung: Ga1-x Al x As, mit 0,3x0,4, des Leitungstyps p, mit einer Konzentration von 10¹⁸ Atome/cm³ und mit einer Dicke von 5 bis 10 µm.
Schicht 2, welche die aktive Zone ist:
Zusammensetzung: Ga y Al1-y As des Leitungstyps p oder n, mit einer Dicke von 0,3 bis 1 µm, mit y<0,1, und mit einer Fremdatomkonzentration von 10¹⁶ bis 10¹⁷ Atome/cm³.
Zusammensetzung: Ga y Al1-y As des Leitungstyps p oder n, mit einer Dicke von 0,3 bis 1 µm, mit y<0,1, und mit einer Fremdatomkonzentration von 10¹⁶ bis 10¹⁷ Atome/cm³.
Schicht 3:
Zusammensetzung: Ga1-x Al x As, mit einer Dicke von 1 bis 5 µm und mit einer Fremdatomkonzentration des Leitungstyps n von 10¹⁸ Atome/cm³.
Zusammensetzung: Ga1-x Al x As, mit einer Dicke von 1 bis 5 µm und mit einer Fremdatomkonzentration des Leitungstyps n von 10¹⁸ Atome/cm³.
Schicht 4:
Zusammensetzung: Ga1-z Al z As des Leitungstyps n, mit z = y + 0,1.
Zusammensetzung: Ga1-z Al z As des Leitungstyps n, mit z = y + 0,1.
Das Substrat ist in seinem mittleren Teil, in welchem die
Lichtleitfaser F₁ angeordnet ist, ausgespart. Diese Aussparung
ist erforderlich, denn reines AsGa ist für Lichtstrahlungen
mit Wellenlängen in dem Bereich von 0,8 bis 0,9 µm wenig durchlässig.
Es trägt einen Kontakt 10.
Ebenso gestattet die Schicht 4, den Kontaktanschluß der Gesamtanordnung
auf einem Sockel 6 herzustellen. Es ist nämlich
bekannt, daß die Kontaktanschlüsse auf Schichten der
Zusammensetzung Al x As1-x Gas um so schwieriger sind, je
größer x ist, und insbesondere wenn x in der Größenordnung
von 0,3 bis 1 liegt.
Die Lichtleitfaser F₂ ist in einer Aussparung des Sockels 6
angeordnet.
Die unnützen Zonen 7 der Diode sind durch Protonenbeschuß
isolierend gemacht worden.
Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5 ein Bauelement
ohne mittige Ausnehmung.
Das Substrat 5 ist aus Indiumphosphid InP
hergestellt, welches für Strahlungen mit Wellenlängen in der
Größenordnung von 1,2 µm durchlässig ist.
Auf das InP-Substrat
der Dicke 100 µm sind nacheinander durch bekannte Verfahren
der Epitaxie in flüssiger Phase aufgebracht worden:
Eine Schicht 1 aus InP des Leitungstyps n (Dotierung in der Größenordnung von 10¹⁸ Atome /cm³), mit einer Dicke von 1 bis 5 µm;
eine Schicht 2, welches die aktive Zone ist, die einen Heteroübergang des Leitungstyps n oder p bildet, eine Dicke von 0,3 bis 1 µm und folgende Formel hat:
Eine Schicht 1 aus InP des Leitungstyps n (Dotierung in der Größenordnung von 10¹⁸ Atome /cm³), mit einer Dicke von 1 bis 5 µm;
eine Schicht 2, welches die aktive Zone ist, die einen Heteroübergang des Leitungstyps n oder p bildet, eine Dicke von 0,3 bis 1 µm und folgende Formel hat:
In1-x Ga x As1-y P y
mit:
0,1 < x < 0,2
0,5 < y < 0,7;
0,5 < y < 0,7;
und eine Schicht 3 aus InP des Leitungstyps p, mit einer Dicke von
5 bis 10 µm und mit einer Dotierung in der Größenordnung
von 10¹⁸ Atome/cm³.
Zum örtlichen Begrenzen des aktiven Teils ist die Gesamtanordnung
in geeigneter Weise bearbeitet worden (Protonenimplantation,
Mesa-Strukturierung, örtlich begrenzte Diffusion). Fig. 5
zeigt eine Mesa-Diode. Die Gesamtanordnung ruht auf einem
metallischen Sockel 6, und Kontakte 10 sind oben auf der Mesa-
Struktur vorgesehen.
In beiden Fällen beträgt die ausgesandte Leistung 1 mW,
bei einem injizierten Strom von 50 mA, und die Abschwächung,
die durch die Diode zwischen den Fasern F₁ und F₂ hervorgerufen
wird, ist kleiner als 2 dB.
Claims (4)
1. System für den Austausch von Signalen zwischen mehreren
Teilnehmern, bestehend aus je einem optoelektronischen Halbleiter-
Bauelement für jeden der Teilnehmer, die über Lichtleitfasern
miteinander verkoppelt sind, wobei jedes Halbleiter-
Bauelement eine p- und eine n-leitende Halbleiterschicht
aufweist und an zwei gegenüberliegenden ebenen Begrenzungsflächen
sowohl den Zutritt von in dem Bauelement nachzuweisender
als auch den Austritt von in dem Bauelement erzeugter
Lichtstrahlung gestattet und die Lichtstrahlung beim Durchgang
von der einen Begrenzungsfläche zu der anderen Begrenzungsfläche
nicht wesentlich dämpft, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl die p- als auch die n-leitende Halbleiterschicht
(1, 3) des Bauelements parallel zu den ebenen Begrenzungsflächen
ausgebildet sind und daß zwischen der p- und der n-
leitenden Halbleiterschicht eine wahlweise für den Lichtnachweis
oder für die Lichterzeugung aktive Schicht (2) aus
einem Halbleitermaterial angeordnet ist, dessen Bandabstand
geringer als der der begrenzenden p- bzw. n-leitenden Halbleiterschichten
ist.
2. System nach Anspruch 1, bei dem die begrenzenden p- und
n-leitenden Halbleiterschichten (1, 3) des Bauelements aus
Ga1-x Al x As bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial
der aktiven Schicht (2) aus Ga1-y Al y As mit
0<y<0,1 besteht und das x zwischen 0,3 und 0,4 liegt.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
begrenzenden p- und n-leitenden Halbleiterschichten (1, 3)
des Bauelements aus InP und das Halbleitermaterial der aktiven
Schicht (2) aus In1-x Ga x As1-y P y mit 0,1<x<0,2 und
0,5<y<0,7 bestehen.
4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht (2) des Bauelements eine Dicke von
0,2 bis 1 µm und die p- und n-leitenden Halbleiterschichten
(1, 3) eine Dicke in der Größenordnung von 5 µm aufweisen.
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