DE3037307A1 - Optische halbleiteranordnung - Google Patents

Optische halbleiteranordnung

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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Optische Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine optische Halbleiteranordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung die optische Halbleiteranordnung, bei der ein optisches Sendeelement und ein Lichtempfangselement einstückig miteinander ausgebildet sind und die sich vorteilhaft zur optischen Nachrichtenverbindung durch den als Übertragungsmedium dienenden Raum eignet.
Aufgrund des bemerkenswerten Fortschrittes in der Entwicklung von Lichtsendeelementen und Lichtempfangselementen in den letzten Jahren haben die sog. optischen Nachrichtenverbindungen, bei denen von Licht als dem Informationsträger Gebrauch gemacht wird, eine Tendenz, in steigendem und weitem Umfang verwendet zu werden.
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Unter den anderen wird im Fall der optischen Nachrichtenverbindung, bei der der Raum als Übertragungsmedium verwendet wird, das Lichtsendeelement entsprechend der zu übertragenden Information aktiviert, um dadurch Licht abzustrahlen, das dann in den Raum in Form eines parallel ausgerichteten Lichtstrahls durch eine optische Linse gestrahlt wird. Am Platz einer Empfangsstation wird das empfangene Licht durch eine Linse am Lichtempfangselement fokussiert, um die ankommende Information wiederherzustellen.
Um die Verwirklichung der doppelseitig gerichteten optischen Nachrichtenverbindung zu ermöglichen, ist natürlich ein Paar solcher Lichtsende- und -empfangskanäle erforderlich. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß eine Linse mit einem großen Durchmesser in der Größenordnung von 30 cm für die optische Nachrichtenverbindung über eine große Entfernung (z. B. etwa einige km). zu verwenden ist. Folglich ist dann das optische Nachrichtenverbindungssystem sehr aufwendig. Außerdem ergeben sich eine komplizierte und lästige Wartung und Einstellungsarbeiten, wie z. B. Ausrichtung optischer Achsen od. dgl. In dieser Hinsicht ergab sich ein großer Verbesserungsbedarf.
Hierzu wurde vorgeschlagen, daß das Lichtsendeelement und das Lichtempfangselement einstückig miteinander kombiniert werden, wobei eine einzelne konvexe Linse verwendet wird, um sowohl zur Lichtsendung als auch zum Lichtempfang zu dienen. Hierbei wird die Gesamtzahl der
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konvexen Linsen, wie sie für die optische Nachrichtenverbindung benötigt werden,auf die Hälfte derjenigen verringert, die beim optischen Nachrichtenverbindungssystem benötigt wird, wo das Lichtsendeelement und das Lichtempfangselement an jeder der Anschlußstellen getrennt vorgesehen sind. Die Wartungsvorgänge werden dann verbessert.
Jedoch wurde die optische Halbleiteranordnung, die das Lichtsende- oder -übertragungselement und das Lichtempfangselement einstückig enthält, bisher durch aufeinanderfolgendes Bilden einer Anzahl zusammengesetzter Halbleiterschichten auf einem GaAs-Substrat durch Epitaxialwachstum in einem laminierten Vielschichtaufbau hergestellt, "in dem ein Lichtsende-pn-übergang und ein Lichtempfangs-pn-übergang vorliegen, wie z. B. in der JP-OS 48493/1979 offenbart ist. Infolgedessen erfordert die Herstellung einer solchen integrierten optischen Halbleiteranordnung sehr komplizierte Herstellungspjrozesse. Außerdem können, da der Lichtsendepn-übergang und der Lichtempfangs-pn-übergang in einem gemeinsamen Bereich unter gegenseitiger Überlappung mit einemjgeringen Abstand dazwischen ausgebildet sind, der Lichtübertragungs- oder -sendevorgang und der Lichtempfangsvorgang nicht gleichzeitig ausgeführt werden, was zu einer großen Schwierigkeit beim Erhalten eines hohen Wirkungsgrades in der optischen Nachrichtenverbindung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die Probleme der bisher bekannten, vorstehend beschriebenen Anordnung zu überwinden und eine optische Halbleiteranordnung zu entwickeln, die es ermöglicht, daß das optische Nach-
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richtenverbindungssystem unaufwendig und mit einer beträchtlich verringerten Zahl teurer Linsen hergestelltwird und daß sich ein optisches Nachrichtenverbindungssystem ergibt, das im Betrieb und in der Wartung im Vergleich mit dem bisher bekannten System erheblich vereinfacht ist.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ijt eine optische Halbleiteranordnung mit einem optischen Sendeelement und einem Lichtempfangselement, mit dem Kennzeichen, daß das optische Sendeelement auf einer Siliziumhalterung angeordnet ist, in deren Oberflächenbereich das Lichtempfangselement ausgebildet ist. iVorzugsweise sind ein ohmscher p-Kontakt und ein ohmscher η-Kontakt des optischen Sendeelements elektrisch mit einem η-Bereich bzw. einem p-Bereich der Siliziumhalterung verbunden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart ist das optische Sendeelement vom Lichtempfangselement im wesentlichen umgeben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Halbleiteranordnung zusätzlich ein Organ zum Verhindern des Auftreffens von durch das optische Sendeelement erzeugtem Licht auf das Lichtempfangselement aufweist.
Vorteilhaft besteht dasjoptische Sendeelement aus einer Lichtabstrahldiode der Ga1 Al As-Reihe, und das Lichtempfangselement besteht vorteilhaft aus einer Silizium-PIN-Photodiode.
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Die Erfindung gibt also eine optische Halbleiteranordnung an, die ein Lichtsendeelement enthält, das auf einer Siliziumhalterung angeordnet ist, die ein
in einem Oberflächenbereich ausgebildetes Lichtempfang selement aufweist. Dank der einstückigen Anordnung des Lichtsendeelements und des Lichtempfangselements kann eine einzelne Linse sowohl zum optischen Senden als auch zum optischen Empfang verwendet werden, wodurch sich ein optisches Nachrichtenverbindungssystem sehr unaufwendig herstellen läßt. Außerdem können das
Senden und das Empfangen von Licht gleichzeitig erfolgen.
Die Erfindung wird anhand der in der.·. Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer optischen
Halbleiteranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Aufsicht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung; und
Fig. 3 schematisch eine mit Hilfe der optischen
Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung ausgeführte optische Nachrichtenverbindung.
Gemäß Fig. 1 und 2, die den Aufbau der optischen Halbleiteranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt und in einer Aufsicht zeigen,
ist ein Lichtsende-Diodenelement 13 von kuppel-
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artiger Form auf einer darunter befindlichen Halterung angeordnet, die ein n-Einkristallsiliziumsubstrat 7 enthält, das eine Bodenfläche, die mit einer Elektrode llb.us einem eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Metall versehen ist, und eine obere Fläche aufweist, die mit einer Silizium-PIN-Photodiode (Lichtempfangselement) mittels einer p-Schicht 8 und einer i-Schicht 9 ausgebildet ist. Die i-Schicht 9 und die p-Schicht 8 können durch Einführen von Bor, Aluminium, Indium oder Gallium in das Substrat 7 an gewünschten Oberflächenbereichen durch Ionenimplantierung, Wärmediffusion oder ein derartiges an sich bekanntesjVerfahren gebildet werden. Eine Anodenelektrode 10 ist auf der p-Schicht 8 abgeschieden. Die zum Betrieb der PIN-Photodiode erforderliche Spannung wird über die Elektroden 10 und 11 von einer Stromzufuhr ungsquelle E_ zugeführt.
Die Lichtsendediode selbst ist eine der bekannten Lichtsendedioden einer allgemein durch Ga1 Al As ausgedrückten Zusammensetzung. Durch Variieren des Mischkristallverhältnisses χ läßt sich die Wellenlänge
en
des von der Diode abgestrahlt Lichts entsprechend ändern. Beispielsweise ist, wenn das Mischkristallverhältnis χ gleich 0,075 gewählt wird, die Mittenwellenlänge des abgestrahlten Lichts 830 nm. Der zum Betrieb der Lichtsendediode 13 benötigte Strom wird von einer Stromzuführungsquelle E, zugeführt, die elektrisch mit einer Anode 5 und einer Kathode 5· der Diode 13 verbunden ist. Da der Lichtsendeteil einer p-Dickschicht
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aus Ga1 Al As in einer kuppelartigen Form ausgebildet ist, wird das von der Lichtsendediode 13_ abgestrahlte Licht mit einer verbesserten Richtwirkung in den Raum ausgestrahlt.
Die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektrode 5' werden gewöhnlich aus Gold hergestellt. Wenn diese Elektroden 5 und 5' mit der Stromzuführungsquelle E1, wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden werden, fließen in die Anode 5 injizierte Leerstellen wegen eines positiven Potentials am n-Substrat 7 nicht durch die Halterung 12, sondern fließen in die p-Ga, Al As-Schicht 3 der
-L—X X
Lichtsendediode 13 durch einen ohmschen p-Kontakt 4.
Andererseits fließen die in die Kathode 51 injizierten Elektronen nicht durch die Halterung 12, da der im Oberflächenbereich der Halterung 12 gebildete p-Bereich 6 und das n-Substrat 7 sperrvorgespannt sind, sondern fließen durch den ohmschen n-Kontakt 4· und die n-Ga, Al As-Schicht 2 der Lichtsendediode 13
-L™X X — ' ■
in die p-Ga, Al As-Schicht 3, wo die Elektronen mit den Leerstellen zur Ausstrahlung von Licht kombiniert werden. So abgestrahltes Licht wird durch die in der kuppelartigen Form ausgebildete p-Ga, Al As-Schicht nach außen abgestrahlt.
Wenn ein Teil des von der Lichtsendediode 13 abgestrahlten Lichts auf die p-Schicht 8 und die i-Schicht der PIN-Diode auftrifft, die so ausgebildet ist, daß sie die Lichtsendediode 13 einschließt, werden Elektronen- und Leerstellenpaare erzeugt, was dazu führt, daß
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sich die erzeugten Elektronen und Löcher 2ur n-Schicht 7 bzw. zur p-Schicht 8 bewegen und Anlaß zu einem Stromfluß geben, weil eine Sperrvorspannung an der PIN-Diode von der Stromzuführungsquelle E- anliegt. Im Fall der dargestellten Anordnung ist zwecks Unterdrückung der vorstehend beschriebenen unerwünschten Erscheinung die Lichtsendediode I^ von einer Trennwand 14 umgeben, wodurch verhindert wird, daß von der Lichtsendediode 13 abgestrahltes Licht auf die PIN-Diode 7, 8f auftrifft.
Um zu verhindern, daß von der Lichtsendediode ausgestrahltes Licht auf das Lichtempfangselement auftrifft, können auch verschiedene andere Maßnahmen außer der vorstehend beschriebenen Trennwand verwendet werden.
Zum Beispiel können die Betriebe der Lichtsendediode und des Lichtempfangselements auf einer bestimmten Zeitreihenfolgebasis abgewechselt werden, so daß das Lichtempfangselement am Betrieb während des Betriebs der Lichtsendediode gehindert wird.
Außerdem kann eine Anordnung derart getroffen werden, daß die Wellenlänge des zu sendenden Lichts von der des empfangenen Lichts abweicht und daß das Lichtempfangselement nur auf die empfangene Lichtwellenlänge anspricht. Eine Unterscheidung der Wellenlänge des gesendeten Lichts von der des empfangenen Lichts läßt sich erreichen, indem man geeignet das Mischkristallverhältnis
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des die Lichtsendediode bildenden Verbindungshalbleiters variiert. Außerdem kann ein geeignetes Interferenzfilter vor dem Lichtempfangselement angeordnet werden, um dadurch die Lichtstrahlen anderer Wellenlängen als der gewünschten auszufiltern.
Fig. 3 veranschaulicht schematisch ein System einer optischen Nachrichtenverbindung des Raumübertragungstyps unter Verwendung der erfindungsgemäß aufgebauten optischen Halbleiteranordnungen.
Gemäß Fig. 3 wird von einer Lichtsendediode 21 abgestrahltes Licht durch ein Linsensystem 22 zu einem in den Raum abzustrahlenden parallel ausgerichteten Lichtstrahl koilimiert. An der Gegenstation wird der empfangene Lichtstrahl auf ein Lichtempfangselement 23' durch eine Linse 22' fokussiert.
In gleicher Weise wird der von einer Lichtsendediode 21' der Gegenstationseinheit erzeugte Lichtstrahl von einem Lichtempfangselement 23 empfangen, wodurch eine optische Nachrichtenverbindung durch den als tibertragungsmedium dienenden Raum durchgeführt wird.
Obwohl das von der Lichtsendediode abgestrahlte Licht durch die Linse parallel ausgerichtet wird, ist es wegen der dem Licht innewohnenden Eigenschaften unmöglich, einen vollkommen parallel ausgerichteten Lichtstrahl ohne jede Ausweitung zu erhalten.Beispielsweise kann ein Lichtstrahl, der durch Parallelausrichtung des von der Lichtsendediode der Sendestation ausgestrahlten Lichts
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erhalten wird und einen Strahldurchmesser von 15 cm hat, an einer vom Sender 1 km entfernten Stelle auf einen Strahldurchmesser von 2 bis 3 m ausgedehnt werden. Infolgedessen wird der durch das Linsensystem an der Empfangsseite durchgehende Lichtstrahl nicht an der am Mittelteil der Halterung angeordneten Lichtsendediode fokussiert, sondern trifft auf das Lichtempfangselement auf, das so angeordnet ist, daß es die Lichtsendediode umgibt, so daß er vom ersteren erfaßt wird. Jedoch ist es, da die Lichtstärke je Flächeneinheit wegen der Durchmesserausdehnung des übertragenen Lichtstrahls verringert ist, erforderlich, die Empfangslinse mit einem möglichst großen Durchmesser zu verwenden, um dadurch das Anteilsverhältnis des Lichts, das auf das Lichtempfangselement auftrifft, zu steigern.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen wird gewöhnlich eine große Linse mit einem Durchmesser der Größenordnung von 30 cm als Linse zum Empfang des ankommenden Lichtstrahls verwendet. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, daß erfindungsgemäß das Lichtsendeelement und das Lichtempfangselement einstückig miteinander unter Verwendung einer einzelnen Linse sowohl für das optische Senden als auch für den optischen Empfang kombiniert sind. Mit anderen Worten läßt sich die Zahl der zur Verwendung beim optischen Nachrichtenverbindung ssystem, das die optischen Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung verwendet, erforderlichen Linsen auf die Hälfte der Zahl der beim herkömmlichen optischen Nachrichtenverbindungssystem verwendeten Linsen senken, wo getrennte Linsenfür das optische Senden und den optischen Empfang verwendet werden. Unter Berücksichtigung
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der Tatsache, daß die Linse mit einem so großen Durchmesser sehr teuer ist, versteht man ohne weiteres, welch großen Vorteil die Erfindung bei praktischen Anwendungen bringt.
Außerdem ist es aufgrund des einstückigen Aufbaus des Lichtsendeelements und des Lichtempfangselements gemäß der Erfindung möglich, diese beiden Elemente gleichzeitig durch einen einzigen Justierprozeß zu justieren. Im Gegensatz dazu war es im Fall der bisher bekannten Anordnungen erforderlich, die Justierung für das optische Senden und den optischen Empfang getrennt vorzunehmen.Man erkennt daher, daß sich der Betrieb, die Wartung und die Justierung des optischen Nachrichtenverbindungssystems erfindungsgemäß im Vergleich mit den bisher bekannten Systemen sehr erleichtern und vereinfachen lassen.//Außerdem ist es dank der Anordnung, gemäß der die Lichtsendediode auf der Halterung mit dem in deren Oberflächenbereich ausgebildeten Lichtempfangselement angeordnet ist, möglich, das Senden und den Empfang gleichzeitig durchzuführen, indem man gleichzeitig die Lichtsendediode und das Lichtempfangselement benutzt. Außerdem läßt sich die optische Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung in stark vereinfachter Weise herstellen, da keine pn-übergänge für die Lichtemission und den Lichtempfang in einem und demselben Element gebildet zu werden brauchen.
Im Fall des veranschaulichten Ausführungsbeispiels ist die Lichtsendediode von der PIN-Photodiode von Quadratform umgeben. Jedoch kann selbstverständlich die PIN-Photodiode andere erwünschte Formen, wie z. B. ringartige Form od. dgl. einnehmen. Außerdem kann die
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umgebende PIN-Photodiode mit Spalten an gewünschten Stellen ausgebildet sein, ohne daß sich nachteilige Einflüsse ergeben./IWeiter ist es, da das grundsätzliche Erfordernis darin besteht, daß sowohl das Lichtsendeelement als auch das Lichtempfangselement auf einem gleichen Substrat (d. h. der Halterung) so ausgebildet sind, daß eine einzige Linse zum optischen Senden und zum optischen Empfang dienen, nicht immer erforderlich, daß die PIN-Photodiode so ausgebildet und angeordnet ist,daß sie die Lichtsendediode völlig umgibt. Jedoch wird die Anordnung der PIN-Photodiode ringsjum die Lichtsendediode für den Lichtempfangsbetrieb am meisten bevorzugt.
Für die Lichtsendediode gemäß der Erfindung können verschiedene sichtbares Licht abstrahlende Dioden sowie eine Infrarotlich^abstrahlende Diode verwendet werden. Vor allem werden die infrarotlicht ■ abstrahlenden Dioden der Ga1 Al As-Reihe zur Verwendung als Lichtsendediode in der optischen Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung unter Berücksichtigung der eine größere Reichweite zulassenden großen Ausgangsleistung sehr bevorzugt.
Weiter können auch andere^lernente als die Silizium-PIN-Photodiode als Lichtempfangselement verwendet werden.
Wie man der vorstehenden Beschreibung entnimmt, ist ein einzelnes optisches System für die optische Nachrichtenverbindung durch Raumübertragung gemäß der Lehre nach der Erfindung ausreichend. Daher läßt sich das optische Nachrichtenverbindungssystem gegenüber bisher bekannten sehr unaufwendig herstellen. Außerdem können die Justierung
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und Wartung ohne Notwendigkeit mühsamer Arbeitsgänge vorgenommen werden.
Als ein Versuch zur Verringerung der Zahl der Linsen wurde eine einzige Linse vorgeschlagen, die zwei unterschiedliche Brennweiten an einem mittleren Teil und einem Umfangsteil aufweist, um ein Paar von Brennpunkten an verschiedenen Punkten in einer Ebene zu erzeugen, wobei das Lichtsendeelement an einem Brennpunkt angeordnet ist, während das Lichtempfangselement am anderen Brennpunkt liegt. Es versteht sich ohne weiteres, daß eine solche Linse sehr aufwendig ist, so daß der durch Verringerung der Zahl der Linsen erhaltene Vorteil weitgehend aufgehoben wird.
Im Gegensatz dazu erfordert die Erfindung nie die Verwendung einer solchen aufwendigen einzigen Linse, sondern ermöglicht die Herstellung des optischen Nachrichtenverbindungssystems zu geringen Kosten, wobei gleichzeitig die Justierung und Wartung mit großen Vorteilen bei praktischen Einsätzen erleichtert werden.
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Leerseife

Claims (6)

  1. Ansprüche
    . 1. Optische Halbleiteranordnung mit einem optischen Sendeelement und einem Lichtempfangselement, dadurch gekennzeichnet,
    daß das optische Sendeelement (13) auf einer Siliziumhalterung (1^0 angeordnet ist, in deren Ober flächenbereich das Lichtempfangselement (8, 9) ausgebildet ist.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ohmscher p-Kontakt (4) und ein ohmscher η-Kontakt (41) des optischen Sendeelements (13J elektrisch mit einem n-Bereich (7) bzw. einem p-Bereich (6) der Siliziumhalterung (12) verbunden sind.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendeelement (13) vom Lichtempfangselement (8, 9) im wesentlichen umgeben ist.
  4. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich ein Organ (z. B. 14) zum Verhindern des Auftreffens von durch das optische Sendeelement (13) erzeugtem Licht auf das Lichtempfangselement (8, 9) aufweist.
    81-(A5O25-O2)-TF
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  5. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendeelement (13^) aus einer Lichtabstrahldiode der Ga1 Al As-Reihe besteht.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangselement aus einer Silizium-PIN-Photodiode (8, 9, '.) besteht.
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