DE3021139A1

DE3021139A1 - Halbleiterschaltanordnung zum leiten und verstaerken von strahlung

Info

Publication number: DE3021139A1
Application number: DE19803021139
Authority: DE
Inventors: Giok Djan Khoe; Lambertus Johan Meuleman; Tullio Ernesto Rozzi
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-06-07
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1980-12-18
Also published as: US4389567A; SE8004144L; SE450311B; IT8022554A0; NL7904470A; GB2053555B; FR2458908B1; NL185118C; IT1131267B; DE3021139C2; FR2458908A1; JPS561591A; CA1152625A; GB2053555A; JPH0311115B2; NL185118B

Description

PHN. 9482 YU 12.5. 1980

Halbleiterschaltanordnung zum Leiten und Verstärken von Strahlung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschalt anordnung zum Leiten und Verstärken elektromagnetischer Strahlung mit einem Halbleiterkörper mit einer praktisch flachen Oberfläche mit einem Substratgebiet, das mit einem Anschlussleiter und einer Anzahl streifenförmi— ger Strahlungsleiter versehen ist, die eine Schichtenstruktur mit einer aktiven Schicht, in der sich die Strahlung fortpflanzt, und mit einem pn-übergang enthalten, wobei jeder Strahlungsleiter zum Verstärken der Strahlung an der Oberfläche mit mindestens einer Elektrode zum Hin— durchleiteh eines Stromes in der Durchlassrichtung durch den pn-übergang versehen ist, wobei einer oder mehrere erste Strahlungsleiter in mindestens zwei weitere Strahlungsleiter übergehen, die über den grössten Teil ihrer Länge je ausserhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen.

Eine Halbleiterschaltanordnung dieser Art ist aus der US-PS 3.465.159 bekannt.

Bei dieser bekannten Anordnung enthalten die Strahlungsleiter Schichtenstrukturen, die einschliesslich der aktiven Schicht, in der sich die Strahlung fortpflanzt, in der Breitenrichtung der Strahlungsleiter begrenzt sind. Die Strahlungsleitung wird bei dieser Anordnung in der Breitenrichtung im wesentlichen durch Brechungsindexleitung bestimmt. Diese tritt durch eine Änderung des effektiven Brechungsindexes für die betreffende Strahlung in der aktiven Schicht in der Breitenrichtung des Strahlungsleiters auf. Diese Änderung ist auf Dotierungsänderungen der Schichtenstruktur in der Breitenrichtung des Strahlungsleiters entweder in der aktiven Schicht oder in den angrenzenden Schichten zurückzuführen.

Ein Nachteil der beschriebenen Anordnung ist u.a. der, dass durch die nahezu vollständige Trennung der Ver—

0 3-0&51 /07β1

3021133

PHN. 9^82 X & . 12-5.1980

Stärkungsprofile der Strahlungsleiter, bei Anwendung von zwei oder mehr ersten Leitern, die je in einen weiteren Leiter übergehen, die Strahlung in einem "ersten" Leit«r, der in einen nicht aktivierten "weiteren" Leiter übergeht,

g für die Strahlungsleitung verloren geht. In den (die) wohl aktivierten "weiteren" Strahlungsleiter gelangt dann höchstens ein Teil der von den "ersten" Leitern transportierten Strahlungsenergie. Dies kann in integrierten optischen Halbleiterschaltanordnungen, bei denen im allgemeinen die Signalstärke verhältnismässig gering ist, ein grosser Nachteil sein.

Weiter sind bei der bekannten Halbleiterschaltanordnung die Querabmessungen, d.h. die Breite und die Dicke, der Strahlungsleiter derart gross, dass Leitung

1§ mehrerer transversaler Schwingungsmoden möglich ist. Dies ist in vielen Fällen unerwünscht. Unter transversalen Schwingungsmoden sind hier Schwingungsmoden sowohl in der Breitenrichtung als auch in der Dickenrichtung des Strah— lungsleiters zu verstehen.

Die Erfindung hat u.a. die Aufgabe, die Nachteile der beschriebenen bekannten Anordnung zu beseitigen oder wenigstens in erheblichem Masse zu verringern.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass dies durch die Anwendung von Strahlungsleitern er— recht werden kann, in denen in der Breitenrichtung keine oder nahezu keine Brechungsindexleitung, sondern nahezu lediglich Verstärkungsleitung auftritt.

Eine Halbleiterschaltanordnung der eingangs beschriebenen Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeich-

2Q net, dass auf dem Substratgebiet eine allen Strahlungs— leitern gemeinsame Schichtenstruktur mit einer aktiven Schicht mit homogener Ducke und Dotierungskonzentration erzeugt ist, wobei in dem Übergangsgebiet zwischen einem ersten und einem weiteren Strahlungsleiter die Elektroden dieser Leiter sich zu dem Ende hin verjügende nebeneinander liegende Enden aufweisen; dass in dem Ubergangsgebiet, in der Breitenrichtung der Strahlungsleiter gesehen, die aktive Schicht eine derart geringe effektive Brechungsindex-

030051/0761

PHN, 9^82. y ζ 12.5.1980

änderung für die Strahlung aufweist und der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsleitern derart klein ist, dass sie je innerhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen, und dass die Querabmessungen aller Strahlungsleiter derart gering sind, dass Leitung und Verstärkung nur eines einzigen transversalen Schwingungsmodus auftreten.

Es sei bemerkt, dass die Strahlung sowohl aus sichtbarem Licht als auch aus Infrarot- oder Ultraviolett-

IQ strahlung bestehen kann. "Weiter wird in der vorliegenden Anmeldung die Breite eines Strahlungsleiters als die Breite der darauf angeordneten Elektrode definiert, während, wie oben bemerkt wurde, unter Querabmessungen die Abmessungen sowohl in der Breiten— als auch in der Dicken—

^₅ richtung zu verstehen sind. Veiter ist unter Brechungsindex der reelle Teil des Brechungsindexes für die betreffende Strahlung zu verstehen.

Bei der Halbleiterschaltanordnung nach der Erfindung tritt im Gegensatz zu der bekannten Anordnung in der Breitenrichtung praktisch keine Brechungsindexleitung, sondern nahezu lediglich Verstärkungsleitung ("gain guiding") auf, wodurch eine wirkungsvollere Auskopplung von den ersten Strahlungsleitern zu den mit diesen verbundenen zweiten Strahlungsleitern erzielt wird. So kann u.a. beim Auskoppeln des zwei erste Strahlungsleiter durchlaufenden Strahlungssignals von einem der ersten Leiter zu einem weiteren Leiter die Elektrode des parallel verlaufenden anderen ersten Leiters derart vorgespannt werden, dass darunter keine Absorption auftritt. Dadurch, kann nahezu die ganze Menge von den beiden ersten Leitern transportierter Strahlungsenergie in den genannten weiteren Strahlungsleiter mit einem minimalen Energieverlust hineingeleitet werden.

Der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsleitern beträgt im Ubergangsgebiet vorzugsweise höchstens 4 /um; die Länge des Ubergangsgebietes beträgt vorzugsweise mindestens 50 /um.

Für die Schichtenstruktur wird vorzugsweise eine

030051/07S1

PHN. 9^82 /}' 12.5-1980

für Laser mit doppeltem HeteroÜbergang übliche Schichten-Struktur mit einer aktiven Schicht verwendet, die von zwei passiven Schichten mit einem grösseren Bandabstand als die aktive Schicht begrenzt wird, wobei die aktive Schicht mit

g einer dieser passiven Schichten einen pn-Ubergang bildet. Dabei wird in der Dickenrichtung die Strahlung durch den grösseren Bandabstand der passiven Schichten praktisch auf die aktive Schicht beschränkt.

Obgleich die Strahlungsleiter unter Umständen

■ig lediglich durch die auf der Schichtenstruktur vorhandenen Elektroden und die durch diese bestimmten streifenförmigen Gebiete mit hoher Stromdichte definiert sein können, wobei die Strahlungsleiter wenigstens ausserhalb des Ubergangsgebietes in genügendem Masse elektrisch voneinander durch

ig den Widerstand der Halbleiterschichten in einer zu der Oberfläche parallelen Richtung getrennt sind, sind vorzugs weise alle Strahlungsleiter elektrisch voneinander durch Isoliergebiete getrennt, die sich bis zu einer geringeren Tiefe als die gemeinsame aktive Schicht erstrecken.

2Q Um sicherzustellen, dass nur ein einziger transversaler Schwingungsmodus verstärkt wird, ist die Breite der Elektroden vorzugsweise höchstens 5 /um und beträgt die Dicke der aktiven Schicht vorzugsweise höchstens 0,3 /um.

2g Die genannten Isoliergebiete können Gebiete, die

mit dem angrenzenden Halbleitermaterial einen pn-Ubergang bilden, oder Gebiete sein, die aus einem dielektrischen isolierenden Material, z.B. Siliziumoxid, bestehen. Vorzugsweise werden für diesen Zweck jedoch Gebiete mit sehr

_3Q hohem spezifischem Widerstand verwendet, die durch einen Protonenbeschuss erhalten werden, wie er üblicherweise auch beim Begrenzen streifenförmiger Lasergebiete angewandt wird.

Grundsätzlich kann z.B. in integrierten Schaltungen, die ausser den Strahlungsleitern noch andere Einzelteile enthalten, das Ein- und Auskoppeln der Strahlung auf beliebige Weise stattfinden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies aber auf solche Wiese, dass

03 0051/07B1

PHN. 9*1-82 ^f 12.5.1980

die Strahlung aufden Halbleiterkörper über eine naiiezu senkrecht auf der flachen Oberfläche stehende erste Seitenfläche des Halbleiterkörpers einfällt, die wenigstens einen der Strahlungsleiter schneidet und mit einer Antireflexions _ schicht überzogen ist, und dass die Strahlung über eine ebenfalls praktisch senkrecht auf der flachen Oberfläche stehende zweite Seitenfläche austritt, die wenigstens einen der Strahlungsleiter schneidet und mit einer Antireflexionsschicht überzogen ist.

_1Q Vorteilhafterwexse kann die Halbleiterschaltanordnung nach der Erfindung dazu benutzt werden, ein Strahlungssignal, das über eine Eingangsglasfaser eingekoppelt wird, wahlweise über verschiedene Ausgangsglasfasern auszukoppeln. In diesem Zusammenhang ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung über die erste Seitenfläche auf zwei praktisch parallele einander nahe liegende erste Leiter einfällt, die in zwei weitere Leiter übergehen, die die zweite Seitenfläche schneiden und an der zweiten Seitenfläche in einem gegen-2Q seitigen Abstand liegen, der erheblich grosser als der Abstand zwischen den ersten Leitern in der Nähe der ersten Seitenfläche ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch diese Anordnung längs der Ebene II-II in Fig. 1, _3Q Fig. 3 schematisch eine Draufsicht auf eine

andere Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 schematisch einen Querschnitt durch die letztere Anordnung längs der Ebene IV-IV in Fig. 3» Fig. 5 schematisch eine Draufsicht auf eine dritte Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 ein Detail der Draufsicht nach Fig. 5» und

Fig. 7 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2.

Die Figuren sind schematisch und nicht massstäb—

030051/0791

PHN. 9^82 ^ty> I2.3.I98O

lieh gezeichnet. Entsprechende Teile sind in den Figuren mit <ien gleichen Bezugsiziffern bezeichnet.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht und Fig. 2 zeigt schematisch im Querschnitt längs der Linie IX-II der Fig. 1

g eine erste Ausführungsform der Halbleiterschaltanordnung nach der Erfindung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 1 mit einer praktisch flachen Oberfläche 2. Der Halbleiterkörper enthält ein Substratgebiet 3» das mit einem Anschlussleiter in Form einer auf dem Substratgebiet 3j das in der vorliegenden Ausführungsform aus Galliumarsenid besteht, erzeugten Metallschicht 8. ¥eiter enthält die Anordnung eine Anzahl streifenförmiger Strahlungsleiter 9, 10, 11 und 12, deren fiktive Begrenzung im Querschnitt nach Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist.

Die Strahlungsleiter enthalten eine Schichtenstruktur mit einer aktiven Schicht 5 (in der vorliegenden Ausführungsform aus Galliumarsenid), in der sich die Strahlung fortpflanzt, und mit einem pn-übergang 13· Die Strahlungsleiter sind zur Verstärkung der Strahlung alle an der Oberfläche 2 mit einer Elektrode (i4, I5, 16, I7) in Form einer Metallschicht versehen. Dadurch, dass über die Anschlussklemmen 18, 19» 20, 21 und 22 an eine oder mehrere der Elektroden 14 bis 17 eine positive Spannung gegenüber der z.B. geerdeten Metallschicht 8 angelegt wird, kann ein Strom in der Durchlassrichtung durch den pn-übergang I3 hindurchgeleitet verden, wodurch im betreffenden Strahlungsleiter Verstärkung über denselben Verstärkungsmechanismus auftreten kann, der in pn-Lasern wirksam ist und hier nicht näher erörtert zu werden braucht. Da sich die Strahlungsleiter aber nicht in einem Resonator befinden, kann bei der Anordnung nach der Erfindung keine Laserwirkung auftreten.

Die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 enthält zwei erste Strahlungsleiter 9 und 10, die in zwei weitere Strahlungsleiter 11 und 12 übergehen^ die über den grössten Teil ihrer Länge je ausserhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen.

Nach der Erfindung ist auf dem Substratgebiet 3 eine allen Strahlungsleitern gemeinsame Schichtenstruktur

Ö30051/0761

PHN. 9^82 y^iO' 12.5.1980

erzeugt, die aus den Halbleitersc33.xch.ten h, 5, 6 und 7 zusammengesetzt ist, wobei die Schicht 5 eine aktive Schicht mit homogener Dicke und Dotierungskonzentration ist. Dabei sind alle Strahlungsleiter elektrisch dirrch

g die in Fig. 2 doppelschraffiert dargestellten Isoliergebiete 23 voneinander getrennt, die sich bis zu einer geringeren Tiefe als die gemeinsame aktive Schient 5 erstrecken. Weiter weisen nach der Erfindung, wie aus Fig-. 1 ersichtlich ist, die Elektroden 14, I5, 16 und 17 der Strahlungs-

^q leiter innerhalb des Übergangsgebietes (in Fig. 1 mit j, bezeichnet) zwischen den Leitern 9 und 1Ό und den weiteren Leitern 11 und 12 sich zu dem Ende hin verjüngende mehr oder weniger zugespitzte Enden auf, die innerhalb des Über— gangsgebietes j_j nebeneinander liegen. Nach der Erfindung

}₅ weist weiter im Übergangs gebiet jj , in der Breitenrichtung der Strahlungsleiter 9, 10, 11 und 12 gesehen, die aktive Schicht 5 eine derart geringe effektive Brechungsindexänderung für die transportierte Strahlung auf und ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsleitern (11—9j 9-10; IO-I2) derart klein, dass ein Strahlungsleiter und ein direkt benachbarter Strahlungsleiter je innerhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen. Schliesslich sind nach der Erfindung die Querabmessungen (Breite und Dicke) aller Strahlungsleiter derart klein, dass Leitung und Verstäi\kung nur eines einzigen transversalen Schwingungsmodus auftreten.

Unter dem Verstärkungsprofil eines Strahlungsleiters ist hier das Gebiet, in der Breitenrichtung des Strahlungsleiters gesehen, zu verstehen, über das der Ver-Stärkungsfaktor für die betreffende Strahlung positiv ist. Als Schichtenstruktur ist bei der hier beschriebenen Anordnung eine bei der Herstellung von Halbleiterlasern übliche Struktur angewendet.

Der elektrische Anschluss an die Elektroden— schichten 14 bis 17 ist in Fig. 2 nur schematisch angedeutet; wegen der geringen Breite der Elektrodenschichten sind diese in der Praxis mit grösseren metallenen Kontaktflächen verbunden, die durch eine Isolierschicht von der

030051/0781

PHN. 9^+82 ft /[/I , 12.5.1980

Halbleiteroberfläche getrennt und in den Figuren nicht dargestellt sind. Auf diesen Kontaktflächen können dann in der Halbleitertechnik üblicher Weise Anschlussdrähte angebracht werden.

In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Substrat 3 aus einkristallinem η-leitendem Galliumarsenid (GaAs) mit einer (001)—Orientation seiner oberen Fläche,

18 einer Dotierungskonzentration von etwa 10 Donatoratomen /cm und einer Dicke von etwa 80 /Um angewendet. Darauf ist eine erste passive epitaktische η-leitende Schicht k aus Gallium-aluminiumarsenid (Al Ga₁ As) mit χ = 0,3»

X I —X .j r-

einer Dotierungskonzentration von etwa 3·10 Zinnatomen/ cm und einer Dicke von etwa 2 mm erzeugt. Auf der Schicht h ist die aktive Schicht 5 (i*¹ der vorliegenden Ausführungs-

I^ form eine 0,3 /um dicke Schicht aus p-leitendem GaAs mit

17 einer Dotierungskonzentration von etwa 3·10 Germaniumatomen/cm ) niedergeschlagen. Auf der Schicht 5 ist eine zweite passive Schicht 6 mit der Zusammensetzung Al „Ga

O, j

_ „As, also mit einem grösseren Bandabstand als die Schicht O j ί

5 j erzeugt, die vom p—Leitungstyp ist und eine Dotierungs— konzentration von etwa 5·10 Germaniumatomen/cm und eine Dicke von etwa 1,5 /um aufweist. Darauf befindet sich schliesslich eine p-leitende Kontaktschicht 7 aus GaAs mit einer Dicke von ebenfalls etwa 1,5 /um und einer Dotierungskonzentration von etwa 10 Germaniumatomen/cm . Die Schichten 5 und 6 bilden an ihrer Grenzfläche den pn-Ubergang 13· Die hochohmigen schraffierten Isoliergebiete 23 mit sehr hohem spezifischem Widerstand werden mit Hilfe eines Protonenbeschusses gebildet. Die Metallschichten lh und 15 können z.B. aus Gold und die Metallschicht 8 kann aus einer Gold-Germanium—Nickel—Legierung bestehen. Die Metallschicht ten 14 und 15, die die Breite der Strahlungsleiter bestimmen, weisen eine Breite von z.B. 5 /um auf.

Wie schematisch in der Draufsicht der Fig. 1 angegeben ist, fällt in der vorliegenden Ausführungsform Strahlung, die vorzugsweise von einem Laser stimmt, aus einer Glasfaser 2h mit einem Kern 25 und einem Mantel 26 auf den Halbleiterkörper über eine nahezu senkrecht auf der

Θ30051/Ο7δ1

PHN". 9^82 ^ h\' 12.5.1980

flachen Oberfläche 2 stehende erste Seitenfläche 27 des Halbleiterkörpers ein, die die Strahlungsleiter 9 und schneidet und mit einer dielektrischen Antireflexionsschicht 28 überzogen ist. Die Strahlung tritt über eine ebenfalls praktisch senkrecht auf der Oberfläche 2 stehende, in der vorliegenden Ausführungsform zu der ersten Fläche parallele zweite Seitenfläche 29 aus, die die Strahlungsleiter 11 und 12 schneidet und ebenfalls mit einer Antireflexionsschicht 30 überzogen ist. Die austretende Strah-

^g lung kann von den Glasfasern 31 und 32 aufgefangen und von ihnen weitergeleitet werden. Die Glasfasern weisen alle einen Durchmesser von etwa 100 mm auf. Die Strahlungsleiter 9 und 10 haben einen Abstand von etwa k /um voneinander, so dass die über die Glasfaser Zk einfallende

Ig Strahlung von beiden Strahlungsleitern 9 und 10 weitergeleitet werden kann; der Abstand zwischen den weiteren Strahlungsleitern 11 und 12 beträgt an der Seitenfläche 29 etwa 104 /um und ist also erheblich grosser als der Abstand zwischen den ersten Strahlungsleitern 9 und 10 an

2Q der Seitenfläche 27, so dass die aus den Strahlungsleitern 11 und 12 austretende Strahlung leicht in die nebeneinander liegenden Glasfasern 3I und "}Z aufgefangen werden kann. Die Länge [_j des Ubergangsgebietes zwischen den ersten Strahlungsleitern 9 und 10 und den zweiten Strahlungs— leitern 11 und 12 (siehe Fig. 1) ist etwa 80 /um; die Länge der geraden Teile der Strahlungsleiter in der Nähe der Seitenflächen 27 und 29 ausserhalb des Übergangsgebietes Li beträgt etwa 50 /um. Der Abstand zwischen den Strahlungsleitern 10 und 12 und zwischen den Strahlungs-

OQ leitern 9 und 1 1 beträgt im Ubergangsgebiet Lj etwa k /um. Gesamtlänge zwischen den Seitenflächen 27 und 29 beträgt 500 /um; die Krümmungen in den Strahlungsleitern 11 und weisen einen Krümmungsradius von etwa 1000 /um und eine

ο
Bogenlänge von etwa 10 auf. Für eine gute Strahlungsleitung ohne zu grosse Verluste wird der Krümmungsradius vorzugsweise nicht kleiner als 200 /um gewählt. Bei grösseren Krümmungsradien als etwa 15OO /um wird die benötigte Länge der Anordnung zum Erhalten eines genügend grossen

030051/07β1

PHN. 9^82 ψ'fö 12.5-1980

Abstandes zwischen den Leitern 11 und 12 an der Seitenfläche 29 für viele praktische Anwendungen zu gross. Der Krümmungsradius an den "Spitzen" der zugespitzten Elektroden 14, 15, 16 und 17 beträgt etwa 2 /um.

_c Im Betriebszustand wird sowohl über die Elektrode

1h als auch über die Elektrode I5 ein Strom in der Durchlassrichtung dem pn-übergang 13 zugeführt. Wenn nun auch die Elektrode I7 des Strahlungsleiters 12 mit Strom versehen wird, wird Strahlung, die über die Glasfaser 2k auf die Strahlungsleiter 9 und 10 einfällt, praktisch völlig auf den Strahlungsleiter 12 und von dort auf die Glasfaser 32 übertragen. Dadurch, dass auch der Strahlungsleiter 9 erregt ist, kann das elektrische Feld allmählich von dem Leiter 9 zu dem Leiter 10 und von dem Leiter 10 zu dem Leiter 12 überqueren, weil benachbarte Strahlungsleiter je innerhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen, ohne dass die Strahlung am übergang in ein absorbierendes Gebiet gelangt. Umgekehrt wird, wenn statt des Strahlungsleiters 12 der Leiter 11 erregt wird, die von den Strahlungsleitern

2Q 9 und 10 transportierte Strahlung allmählich auf den Leiter 11 übertragen.

Obgleich zur Vereinfachung der Schaltung vorzugsweise die gleiche Spannung den Elektroden i4 und I5 zugeführt wird, braucht dies nicht unbedingt der Fall zu sein.

Bei übertragung der Strahlung von den Strahlungsleitern 9 und 10 auf den Leiter 12 braucht nur in den Leitern 10 und 12 Verstärkung aufzutreten; für den Leiter 9 ist es genügend, wenn darin gerade keine Strahlungsabsorption auftritt, so dass im Leiter 9 eine geringere Stromdichte

„„ genügt. Das Umgekehrte ergibt sich bei Übertragung von Strahlung von den Leitern 9 und 10 auf den Leiter 11. Es sei bemerkt, dass die Richtung der Strahlung auch umgekehrt werden kann; so kann entweder aus der Glasfaser 31 oder aus der Glasfaser 32 über die Strahlungsleiter 11 bzw. 12 Strahlung zu den Leitern 9 und 10 und von dort zu der Glasfaser 24 geführt werden.

Die Halbleiterschaltanordnung der obenbeschriebenen Art kann mit Hilfe der für die Herstellung von Halb-

030051/0781

PHN. 9482 yf tö_t I2-5-I98O

leiterlasern entwickelten Technologie hergestellt werden. So kann die Schichtenstruktur (3 < ^-J 5» 6, 7) niit Vorteil durch epitaktische Ablagerung der Schichten 4, 5, 6 und 7 aus der Flüssigkeitsphase, aber auch aus der Dampfphase erhalten werden. Auf die Details dieses Verfahrens, die für die Erfindung nicht wesentlich sind, braucht hier nicht näher eingegangen zu werden; es sei z.B. auf das Buch von D. Elwell und H.J.Scheel "Crystal Growth from High Temperature Solutions", Academic Press 1975, S. 433 - 467 verwiesen.

Die Xsoliergebiete 23 können am einfachsten mit Hilfe eines Protonenbeschusses erhalten werden. Dazu wird z.B. auf der Oberfläche 2 durch Aufdampfen und Ätzen unter Verwendung allgemein üblicher photolithographischer Maskierungs- und Ätzverfahren an den Stellen der Strahlungsleiter 9j 10, 11 und 12 eine Goldschicht erzeugt, die dann als Maskierung gegen einen Protonenbeschuss verwendet wird.

übliche Bedingungen für diesen Protonenbeschuss sind z.B.

15 eine Energie von 200 keV und eine Dosis von 10 Protonen/

cm ; dabei wird die Dicke der Gebiete 23 etwa 2 /um. Auf den Goldschichten können anschliessend Legierungskontakte entweder unmittelbar oder über eine oder mehrere zwischenliegende Metallschichten gebildet werden. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Halbleiterscheibe kann durch Aufdampfen oder auf andere Weise die Metallschicht 8 erzeugt werden.

Die Anordnung kann z.B. mit der Metallschicht 8 auf einer aus Kupfer bestehenden Kühlplatte angeordnet werden. Die Kühlung ist zweckmässiger, wenn die Halbleiterscheibe mit der anderen Oberfläche 2 auf einem Kühlkörper angeordnet wird, der dann aber elektrisch isolierend sein muss, um die Elektroden 16, 17» 18 und I9 nicht kurzzuschliessen. Dazu könnte z.B. Berylliumoxid verwendet werden, wobei Teile der Elektroden 16, 17, 18 und I9 zur Kontaktierung aus dem Kristall hervorragen müssen.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht und Fig. 4 zeigt

schematisch im Querschnitt längs der Linie IV-IV der Fig. eine andere Ausführungsform der Anordnung nach der Erfin-

030051/0781

302113S

PHN. 9482 iar */» · 12.5.1980

dung. Dabei wird eine Elektrodenkonfiguration verwendet, mit der eine Schaltung zwischen vier Strahlungsleitern 41 , 42, 43 und 44 erhalten werden kann. Die Schichtenstruktur kann gleich der bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 sein; auch die Isoliergebiete 23 können auf gleiche Weise erhalten werden. In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Strahlungsleiter 41, 4-5 und 42 mit ihren Elektroden 50, 51 und 52 und ihren Anschlussklemmen 53, 54 und 55 dargestellt.

IQ Bei dieser Ausführungsform geht ein erster Strah—

lungsleiter 45 an seinem einen Ende über ein Übergangsgebiet Lj in zwei weitere Strahlungsleiter 41 und 42 und an seinem anderen Ende über ein zweites Ubergangsgebiet Lj _p in zwei weitere Strahlungsleiter 43 und 44 über. Der (in der vorliegenden Ausführungsform gleiche) gegenseitige Abstand d (siehe Fig. 1) benachbarter Strahlungsleiter in den übergangsgebieten ü ₁ und i-k beträgt 4 mm und ist wieder derart, dass nebeneinander liegende Strahlungsleiter je innerhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen.

Wenn die Elektroden der Strahlungsleiter 42, 45 und 43 mit einer in dieser Ausführungsform positiven Spannung gegenüber der Anschlussklemme 22 erregt werden, kann Strahlung aus der Glasfaser 47 in die Glasfaser 48 eingeführt werden, oder umgekehrt. Wenn dagegen die Leiter 42, 45 und 44 aktiviert werden, gelangt Strahlung aus der Glasfaser 47 in die Glasfaser 49> oder umgekehrt. Auf gleiche Weise kann Strahlung aus der Glasfaser 46 wahlweise in die Glasfaser 48 oder 49 eingekoppelt werden, oder umgekehrt. Der Strahlungsleiter 45 wird stets erregt

3Q und sorgt für ein gleichmässiges Überqueren des elektrischen Feldes. Die Anordnung kann auf gleiche Weise wie die nach den Figuren 1 und 2 hergestellt werden.

Figuren 5 und 6 zeigen schliesslich eine Anwendung der Erfindung, bei der die Anordnung eine Matrix sich kreuzender erster und zweiter Strahlungsleiter 61 und 62 enthält, wie sehr schematisch in Draufsicht in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei geht ein erster gerader Strahlungsleiter 61 an der Stelle eines Kreuzungspunktes in einen

030051

3021138

PHN. 9^82 \lf' lL 12.5.1980

weiteren gekrümmten Strahlungsleiter 63 über, der an seinem anderen Ende in einen geraden senkrecht auf dem ersten Strahlungsleiter 61 stehenden zweiten Strahlungsleiter 62 übergeht. In Fig. 6 ist ein in Pig. 5 von gestrichelten Linien umgebener Kreuzungspunkt in Draufsicht im Detail dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass sowohl der Strahlungsleiter 61 als auch der Strahlungsleiter 62 aus verschiedenen geraden Segmenten (61A,B,C; 62A,B,C) bestehen, wobei die zu einem geraden Strahlungsleiter gehörigen Segmente nicht alle genau miteinander fluchten. Die gegenseitigen Abstände der Segmente desselben geraden Strahlungsleiters, in der GrSssenordnung von h mm oder kleiner, und ihre gegenseitige Lage sind jedoch derart, dass sie Strahlungstransport in derselben Richtung ermöglichen, wenn ihre Elektroden erregt werden. Ein Querschnitt durch den Halbleiterkörper ist hier nicht dargestellt, weil ein solcLer Querschnitt den Querschnitten nach den Figuren 2 v.:■!■:! -'-!■ "eilig: analog istj nur die Elektrodeiikonfiguration :.3ί" -r-jii d-r:_- :.v-:.c!i den Torhsrgeiienüeia Ausführungsformen

~."-;:ιϊι (siehe Fig. 6) Strom den Segmenten 62A, öle und dem Strahlungsleiter 63 zugeführt wird, wird, wenn der Krümmungsradius des Leiters 63 nicht zu klein (vorzugsweise nicht kleiner als 200 /um) ist, der Strahlungsweg von 62A über 63 zu 6IC verlaufen, oder umgekehrt. Wenn der Strahlungsleiter 63 nicht erregt wird, ist nur Strahlungsleitung über die Kanäle 61 oder 62 möglich, wenigstens wenn die richtigen Segmente erregt werden.

Eine derartige Matrix kann in integrierten Schal-

3Q tungen für optische Kommunikation z.B. zum Addieren oder Verteilen von StrahlungsSignalen benutzt werden. Die Elektroden sollen eine derartige Breite aufweisen, dass nur ein einziger Schwingungsmodus durchgelassen wird; dazu beträgt diese Breite vorzugsweise 5 /um oder weniger. Infolge der Stromstreuung unter den Elektroden wird die optische Leitung durch die Unterbrechungen zwischen den Segmenten nur in geringem Masse beeinträchtigt werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die

03OO51/Q7G1

3021138

PHN. 9^82 ψ Vt, 12.5-1980

beschriebenen Ausführungsformen. Die optischen Signale können über Seitenflächen des Kristalls ein- und ausgekoppelt werden, wie in Fig. 1 und Fig. 3 angegeben ist, aber z.B. auch dadurch, dass V-förmige Nuten in der Kristall-Oberfläche angebracht werden und darin eine Glasfaser gelegt wird, die das Strahlungssignal entweder unmittelbar auf die aktive Schicht 5 oder auf die angrenzende passive Schicht 6, die dann als optischer Leiter wirkt, einfallen lässt.

Statt der hochohmigen Gebiete 23, die in den Beispielen durch Protonenbeschüsse erhalten sind, können auch durch Diffusion oder Ionenimplantation von Donatoratomen in den p-leitenden Schichten 6 und 7 erzeugte nleitende Gebiete verwendet werden, während, wie oben be-

Ί5 merkt wurde, .unter Umständen die Gebiete 23 sogar völlig weggelassen werden können. Die Elektrodenschichten können, wie in Fig. 7 für den Fall nach Fig. k illustriert ist, statt auf die in den beschriebenen Beispielen dargestellte einfache Weise auch dadurch erzeugt werden, dass zunächst auf der Oberfläche eine Isolierschicht erzeugt wird und darin an den Stellen der Strahlungsleiter Offnungen geätzt werden. Die Metallschicht, die die Elektrode .bildet, kann dann breiter als die geätzte Öffnung sein und sich neben ihr auf der Isolierschicht erstrecken. Unter der Breite der Elektroden ist dann in den obenstehenden Betrachtungen die Breite der genannten Offnungen in der Isolierschicht zu verstehen.

Schliesslich kann die Elektrodenkonfiguration noch auf viele andere Weise als nach den gegebenen Bei—

3Q spielen variiert werden. So kann z.B. in der Ausführungs— form nach den Figuren 1 und 2 ausser den weiteren Leitern 11 und 12 noch ein dritter weiterer Leiter vorhanden sein, dessen Ende sich innerhalb des Übergangsgebietes zwischen den Leitern 9 und 10 befindet. Auch können die verwendeten Halbleitermaterialien und Leitungstypen vom Fachmann im Rahmen der Erfindung nach Wahl geändert werden. Weiter ist es, obgleich dies Nachteile mit sich bringt, nicht unbedingt notwendig, dass die verwendete Strahlung kohärent ist.

030051/0761

Leerseite

Claims

PHN. 9^82 3o I2.5.I98O

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleitersehaltanordnung zum Leiten und Verstärken elektromagnetischer Strahlung mit einem Halbleiterkörper mit einer praktisch flachen Oberfläche mit einem Substratgebiet, das mit einem Anschlussleiter und einer Anzahl streifenförmiger Strahlungsleiter versehen ist, die eine Schichtenstruktur mit einer aktiven Schicht, in der sich die Strahlung fortpflanzt, und mit einem pnübergang enthalten, wobei jeder Strahlungsleiter zur Verstärkung der Strahlung an der Oberfläche mit mindestens einer Elektrode zum Hindurchleiten eines Stromes in der Durchlassrichtung durch den pn-übergang versehen ist, wobei ein oder mehr erste Strahlungsleiter in mindestens zwei weitere Strahlungsleiter übergehen, die über den grossten Teil ihrer Länge je ausserhalb des Verstärkungen profils des anderen liegen, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substratgebiet eine allen Strahlungsleitern gemeinsame Schichtenstruktur mit einer aktiven Schicht mit homogener Dicke und Dotierungskonzentration erzeugt ist, wobei in dem Ubergangsgebiet zwischen einem ersten und einem weiteren Strahlungsleiter die Elektroden dieser Leiter sich zu dem Ende hin verjügende nebeneinander liegende Enden aufweisen; dass in dem Ubergangsgebiet, in der Breitenrichtung der Strahlungsleiter gesehen, die aktive Schicht eine derart geringe effektive Brechungsindexänderung für die Strahlung aufweist und der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsleitern derart gering ist, dass sie je innerhalb des Verstärkungsprofils des anderen liegen, und dass die Querabmessungen aller Strahlungsleiter derart gering sind, dass Leitung und Verstärkung nur eines einzigen transversalen Schwingungsmodus auftreten.

2. Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strahlungsleiter elek-

030051/0761

PHN. 9^82 λ/ ψ 12.5.1980

trisch voneinander durch Isoliergebiete getrennt sind, die sich bis zu einer geringeren Tiefe als die gemeinsame aktive Schicht erstrecken.
3· Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, daurch gekennzeichnet, dass im Ubergangsgebiet der Abstand zwischen zwei benachbarten StrahlungsleiterzL höchstens k mm beträgt.

K. Halbleiterschaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Ubergangsgebietes mindestens 50 /um beträgt. 5· Halbleiterschaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenstruktur eine aktive Schicht enthält, die von zwei passiven Schichten mit einem grösseren Bandabstand als die aktive Schicht begrenzt wird, wobei die aktive Schicht mit einer der passiven Schichten einen pn—Übergang bildet.

6. Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Elektroden höchstens 5 /um beträgt.

7· Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aktiven Schicht höchstens 0,3 /um beträgt.
8. Halbleiterschaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliergebiete durch Gebiete mit sehr hohem spezifischem Widerstand gebildet werden, die durch Protonenbeschuss erhalten sind.
9· Halbleiterschaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung auf den Halbleiterkörper über eine nahezu senkrecht auf der flachen Oberfläche stehende erste Seitenfläche des Halbleiterkörpers einfällt, die wenigstens einen der Strahlungsleiter schneidet und mit einer Antireflexionsschicht überzogen ist, und dass die Strahlung über eine ebenfalls praktisch senkrecht auf der flachen Oberfläche stehende zweite Seitenfläche austritt, die wenigstens einen der Strahlungsleiter schneidet und mit einer Antireflexions—

030051/0761

PHN. 9^82 i/j 12.5-1980

schicht überzogen ist.

10. Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung über die erste Seitenfläche auf zwei praktisch parallele einander nahe

g liegende erste Leiter einfällt, die in zwei weitere Leiter übergehen, die die zweite Seitenfläche schneiden und an der zweiten Seitenfläche in einem gegenseitigen Abstand liegen, der erheblich grosser als der Abstand zwischen den ersten Leitern in der Nähe der ersten Seitenfläche ist.

IQ 11. Halbleitersehaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strahlungsleiter an jedem seiner Enden in zwei weitere Strahlungsleiter übergeht.

12. Halbleiterschaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung eine Matrix sich kreuzender erster und zweiter Strahlungsleiter enthält, wobei an der Stelle eines Kreuzungspunktes ein erster gerader Strahlungsleiter in einen weiteren gekrümmten Strahlungsleiter übergeht, der an seinem anderen Ende in einen geraden senkrecht zu dem ersten Strahlungsleiter stehenden zweiten Strahlungsleiter übergeht.

13. Halbleitersehaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte und transportierte Strahlung kohärent ist.

030051/0761