DE3206069A1

DE3206069A1 - Lichtsende- und -empfangsvorrichtung

Info

Publication number: DE3206069A1
Application number: DE19823206069
Authority: DE
Inventors: Osamu Kyoto Asano; Kazuo Kyoto Mikami; Fumihiko Nagaokakyo Kyoto Satoh; Mikihiko Otsu Shiga Shimura
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE3206069C2

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtsende- und -empfangsvorrichtung, die aus Halbleitern aufgebaut ist und sowohl die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches Signal als auch eines optischen Signals in ein elektrisches Signal durchführen können.
Als Halbleiter-Lichtsendeelement für die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches Signal ist eine Leuchtdiode weit verbreitet.
Als Halbleiter-Lichtempfängerelement für die Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal wurde im allgemeinen eine Photodiode oder ein Phototransistor verwendet.
Niemals jedoch waren in der Vergangenheit das Lichtsendeelement und das Lichtempfängerelement in einem Halbleiterchip integriert ausgebildet.
Die Integration des Lichtsendeelements und des Lichtempfängerelements in einem Halbleiterchip beseitigt herkömmliche Probleme beispielsweise bei Anwendungsfällen wie dem folgenden.
Bei Aufbau eines Zweirichtungs-Informationsübertragungssystems mit einer einzigen Lichtleitfaser muß jede der Sender-Empfängervorrichtungen ein Lichtsendeelement zur Eingabe eines optischen Signals in die Lichtleitfaser und ein Lichtempfängerelement für den Empfang eines von der Lichtleitfaser übertragenen optischen Signals aufweisen. Da Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement voneinander unabhängige Vorrichtungen sind, war es bislang in Anbetracht des Querschnitts der Endfläche einer Lichtleitfaser einerseits und der Abmessungen der beiden Elemente andererseits nahezu unmöglich, diese mit gutem Wirkungsgrad direkt mit der Endfläche einer Lichtleitfaser optisch zu koppeln. In der Praxis wurde daher das Ende einer Lichtleitfaser über einen Teiler/Koppler in zwei Lichtleitfasern an der Lichtsendeseite und der Lichtempfängerseite geteilt, um sowohl das Lichtsendelement mit der Endfläche der Lichtleitfaser an der Lichtsendeseite als auch das Lichtempfängerelement mit der Endfläche der Lichtleitfaser an der Lichtempfängerseite zu koppeln. Mit einem solchen Aufbau ergibt sich jedoch der ganz entscheidende Nachteil, daß der im optischen Ubertragungsweg liegende Teiler/Koppler einen erheblichen Ausbreitungsverlust verursacht. Dabei handelt es sich nicht nur um Anschlußverluste des Teilers/Kopplers, sondern auch um solche die unvermeidbar dadurch entstehen, daß die Hauptleitungslichtleitfaser in zwei Lichtleitfasern unterteilt wird.
Zur Beseitigung dieser problematischen Punkte wurde gewöhnlich folgendes Verfahren vorgeschlagen. Sowohl Leuchtdiode als auch Photodiode, die im Prinzip Elemente mit ähnlich aufgebautem pn-Ubergang sind, können elektrische Ströme in Licht und Licht in elektrische Ströme umwandeln. Nützt man dies aus, so läßt sich ein semidoppeltes Kommunikationssystem herstellen, indem man eine Leuchtdiode bzw. eine Photodiode mit der Endfläche einer einzigen Lichtleitfaser koppelt und dieses Diodenelement als Lichtsendelement bei der Ubertragung von Licht und gleichzeitig als Lichtempfängerelement beim Empfang von Licht wirken läßt. Die Diode als Leuchtdiode und die Diode als Photodiode unterscheiden sich trotz im Prinzip gleichen pn-Ubergangsaufbaus im konkreten Aufbau der Elemente sehr voneinander. Aus diesem Grunde ist es nahezu unmöglich, ein einziges pn-Übergangselement zu gewinnen, das beide für obiges System notwendigen Bedingungen einer hohen Lichtausbeute und einer hohen Lichtempfindlichkeit gleichzeitig erfüllt. Wenn also eine Leuchtdiode auch als Lichtempfänger verwendet wird, so hat sie als solcher eine stark geschwächte Lichtempfindlichkeit, so daß in einer rückwärtigen Stufe zusätzlich eine elektrische Verstärkung vorgesehen sein muß, was zu einem System mit höherer Störsignalempfindlichkeit führt.
Die gleiche Problematik trat bislang auch bei mit Lichtleitfasern arbeitenden photoelektrischen Schaltern des Refle- xionstyps auf. Ein in Reflexion arbeitender photoelektrischer Schalter mit Lichtleitfaser ist so aufgebaut, daß Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement mit dem Basisende einer Lichtleitfaser gekoppelt sind und Licht des Lichtsendeelements über die Spitze der Lichtleitfaser abgegeben und nach Reflexion wieder über die Spitze der Lichtleitfaser zum Lichtempfängerelement geleitet und dort nachgewiesen wird.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer mikrominiaturisierten Lichtsende- und -empfangsvorrichtung, bei welcher Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement in einem Halbleiterchip integriert sind-und die strahlende Fläche des Lichtsendeelements in sehr enger Nachbarschaft zur Lichtempfängerfläche des Lichtempfängerelements angeordnet ist. Bei dieser Lichtsende- und empfangsvorrichtung können Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement mit sehr gutem Wirkungsgrad mit der Endfläche einer einzigen Lichtleitfaser optisch gekoppelt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer in einem Chip integrierten Lichtsende- und -empfangsvorrichtung mit einem Satz aus Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement, das einen ausreichenden Empfindlichkeitsgrad für das vom Lichtsendeelement abgegebene Licht hat. In Anwendung dieser Lichtsende- und -empfangsvorrichtung läßt sich ein in Reflexion arbeitender photoelektrischer Schalter mit Lichtleitfaser einfach dadurch ausbilden, daß eine einzige Lichtleitfaser mit der Vorrichtung gekoppelt wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Lichtsende- und -empfängerelements, bei welchem die wesentliche Schicht von Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement im Halbleiterchip teilweise gemeinsam ist. Bei diesem Lichtsende- und -empfängerelement ist damit der Aufbau vereinfacht, so daß sich eine hohe Integrationsdichte erzielen läßt, was externe Verdrahtungen weithin überflüssig macht.
Ferner ist Ziel der Erfindung die Schaffung einer Lichtsende- und -empfangsvorrichtung mit Anordnung von Lichtsende-und Lichtempfängerelement in einer solchen Weise, daß Licht des Lichtsendeelements mit hohem Wirkungsgrad zu einer Lichtleitfaser geführt und ferner Licht aus der Lichtleitfaser mit dem Lichtempfängerelement ohne Verluste empfangen werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Lichtsende- und -empfangsvorrichtung mit hoher Lichtempfangsempfindlichkeit, wodurch ein mit einem Lichtsendeelement integriertes Lichtempfängerelement die Funktion eines Photostromverstärkers erhält. Bei einer solchen Lichtsende- und -empfangsvorrichtung muß ein extern angebrachter Verstärker zur Verstärkung des Lichtempfangssignals keinen so hohen Verstärkungsfaktor haben, was zu einer Verbesserung der Störsignalsicherheit führt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Lichtsende- und -empfangsvorrichtung, bei welcher mehrere Sätze aus Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement in einem Halbleiter-Chip integriert sind, wobei Licht unterschiedlicher Wellenlängen durch die einzelnen Sätze aus Lichtsende- und Lichtempfängerelement verarbeitet wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Auf dieser zeigt bzw. zeigen Fign. 1 Darstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverbis 5 fahrens für eine erste Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, Fig. 6 die Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform in Schaltkreissymbolen, Fig. 7 die spektrale Sende- und Empfangscharakteristik der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform, Fig. 8 den Kopplungszustand einer Lichtleitfaser mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, Fig. 9 den Aufbau eines mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform versehenen optischen Kommunikationssystems, Fign. 10 Darstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsbis 13 verfahrens für eine zweite Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, Fig. 14 die spektrale Sende- und Empfangscharakteristik der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform, Fig. 15 den Kopplungszustand der Lichtleitfaser mit der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform, Fig. 16 die Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform in Schaltkreissymbolen, Fig. 17 einen Schnitt, der eine dritte Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung wiedergibt, Fig. 18 eine Schrägansicht der Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform, Fig. 19 die Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform in Schaltkreissymbolen, und Fig. 20 die spektrale Sende- und Empfangscharakteristik der Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform.
Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren für die erste Ausführungsform der beschriebenen Lichtsende- und -empfangsvorrichtung anhand der Fign. 1 bis 5 beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Wafer. Diese Wafer wird hergestellt, indem zusätzlich zum Aufwachsen einer undotierten n -GaAs-Schicht 2 auf ein n + -GaAs-Substrat 1 einer Ladungsträ- konzentration von ungefähr 5.1017 bis 3.1018 nacheinander eine n-Al0,3GaO ,7As-Schicht 3 (Sn- oder Te-dotiert, 0,5 bis 1Fm dick), eine p-AlO,O5GaO,95As-Schicht 4 (Ge-dotiert, 0,3 bis 0,5 ßm dick) und eine n-AlO,35Ga0,65As-Schicht 5 (Sn- oder Te-dotiert, 3 bis 5 ßm dick) epitaxial aufgewachsen werden.
Für das epitaxiale Aufwachsen wurde ein allgemein bekanntes Flüssigphasen- D'#?itaxialauft#chsverfahren herangezogen.
Eine in der beschriebenen Weise aufgebaute Wafer ist eine sogenannte Doppelheterostruktur, bei welcher eine aktive p-Schicht 4, welche die Lichtaussendung bzw. den Lichtempfang durchführt, zwischen n-Schichten 3 und 5 mit hohem Bandabstand gehalten wird.
Auf der anderen Seite der n-Schicht 5 wird dann, wie in Fig. 2 gezeigt, mit Ausnahme eines als Emissionsfenster 6 zu verwendenden runden Abschnitts mit Durchmesser a im Mittelteil ein Si3N4-Film 7 abgeschieden und Zn selektiv bei 8000C mit ZnAs als Diffusionsquelle diffundiert, womit eine p-Diffusionsschicht 8 hineingedrängt in die p-A10,5Ga0,95As-Schicht 4 ausgebildet wird.
Ferner wird, wie in Fig. 3 gezeigt, die Bodenfläche des n +-GaAs-Substrats 1 geschliffen, damit sich der Gesamtkörper der Wafer in einer Dicke von nur ungefähr 100 bis 200 ßm ergibt. Dann wird eine p-Elektrode 10 aus Au-Zn in Ringform am Mittelabschnitt der n-Schicht 5 mit Ausnahme des Abschnitts für ein Sendefenster 9 mit Durchmesser b aufgedampft. Am Rand der n-Schicht 5 wird ferner eine ringförmige n-Elektrode 12 aus Au-Zn mit Ausnahme eines ringförmigen Einfallsfensters 11 mit Durchmesser c aufgedampft. Ferner wird auf die Bodenfläche des n + -Substrats 1 eine n-Elektrode 13 aus Au-Ge-Ni aufgedampft. Danach wird eine Wärmebehandlung für 1 bis 3 Minuten in Wasserstoffatmosphäre bei ungefähr 4000C durchgeführt. Damit ergeben sich die erwähnten Elektroden 10, 12, 13 als ohmsche Elektroden.
Dann wird, wie in Fig. 4 gezeigt, zur Trennung eines Leuchtdiodenteils, der das Sendefenster 9 (strahlende Fläche) im Mittelteil enthält, von einem Phototransistorteil, der ein Einfallsfenster 11 (Lichtempfängerfläche) im Außenbereich des Leuchtdiodenteils enthält, eine Ringnut 14 im Grenzbereich zwischen Dioden- und Phototransistorteil ausgebildet.
Die Nut 14 reicht bis zur n-A10,3Ga0,7As-Schicht 3. Diese Nut 14 wird durch Mesaätzung unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit des Schwefelsäuresystems, beispielsweise der Flüssigkeit (3H2S04 : 1H202 : 1H202), ausgebildet.
Das Aussehen einer auf die oben beschriebene Weise hergestellten Lichtsende- und -empfangsvorrichtung ist in Fig. 5 gezeigt.
Bei dieser Lichtsende- und -empfangsvorrichtung sind in einem Halbleiter-Chip ein basisoffener Phototransistor mit npn -Aufbau, mit den n-Schichten 3, 2, 1 als Kollektor, der p-Schicht 4 als Basis und der n-Schicht 5 alsEmitter, und eine Leuchtdiode mit pn-Aufbau, mit den n-Schichten 3, 2, 1 als Kathode und der p-Diffusionsschicht 8 als Anode, integriert. Das Sendefenster 9 (strahlende Fläche) der Leuchtdiode sitzt im Mittelteil des Einfallsfensters 11 (Lichtempfängerfläche) des erwähnten Phototransistors, so daß es vom Einfallsfenster 11 umgeben ist, wobei die Lichtempfängerfläche insgesamt weiter als die Lichtsendefläche ausgebildet ist. Es sind also die n-Kollektorschichten des Phototransistors gemeinsam mit den n-Kathodenschichten der Leuchtdiode ausgebildet. Ferner ist die p-Anodenschicht 8 der Leuchtdiode im Mittelteil der n-Emitterschicht 5 des Phototransistors vorgesehen , wobei diese p-Anodenschicht 8 von der n-Emitterschicht 5 durch die am Umfang der Schicht 8 ausgebildete Nut 14 getrennt ist. Fig. 6 zeigt diese Lichtsende- und -empfangsvorrichtung in Darstellung durch Schaltkreissymbole.
Bei Ausbildung der beschriebenen Lichtsende- und -empfangsvorrichtung mit einem Durchmesser b von 50 ßm für das Lichtsendefenster 9, mit einer Breite von 40 ßm für die Nut 14 und einem Durchmesser c von 500 wm für das Einfallsfenster 11 erhält man die in Fig. 7 gezeigte spektrale Emissionsverteilung (A) für die Leuchtdiode und die in Fig. 7 mit (B) gezeigte spektrale Empfindlichkeitsverteilung für die Photodiode, so daß sich also ein gemeinsamer Wellenlängenbereich für die spektrale Emissionsverteilung und die spektrale Empfindlichkeitsverteilung ergibt.
Die in Fig. 7 mit (A) gezeigte Strahlungscharakteristik hat die besondere Eigenschaft, daß sie bei einer Wellenlänge von ungefähr 820 nm ein Maximum hat, wobei die Maximumwellenlänge des Strahlungsspektrums geringfügig zu längeren Wellenlängen hin gegenüber der Wellenlänge verschoben ist, die der Bandabstandsenergie der p-Schicht 4 als der aktiven Schicht entspricht. Dies wird durch einen Primärfaktor bewirkt, den man thermisch durch einen Temperaturanstieg oder dergleichen in der aktiven Schicht erhält.
Für die Lichtempfangscharakteristik, wie sie mit (B) in Fig. 7 gezeigt ist, läßt sich das Lichtempfangsspektrum so verstehen, daß der nachweisbare Wellenlängenbereich des Elements von etwa 650 nm auf der kurzwelligen Seite bis ungefähr 840 nm an der Aufnahme der Absorption in der p-Schicht 4 reicht. Diese Werte entsprechen den betreffenden Bandabstandsenergien von 1,88 eV bzw. 1,48 eV der p-Schicht 4 und der n-Schicht 5.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung obiger Lichtsende- und -empfangsvorrichtung in Anwendung auf ein optisches Kommunikationssystem. Gemäß Fig. 8 ist die Lichtsende- und -empfangsvorrichtung, wie sie im einzelnen in den Fign. 1 bis 6 beschrieben wurde, so eingerichtet, daß die Seiten des Einfallsfensters 11 und des Sendefensters 9 eng an einer die Übertragung und den Empfang der optischen- Daten durchführenden Lichtleitfaser 15 angeordnet sind, wobei die Elektrode 13 über eine Leitung 16 mit einem externen Abgriff 17, die Elektrode 12 über eine Leitung 18 mit einem externen Abgriff 19 und die Elektroden 12 und 10 über eine Leitung 20 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise erzielt man eine Parallelverbindung von Leuchtdiode und Phototransistor mit zueinander entgegengesetzter Polarität. Ferner sind, wie in Figur 9 gezeigt, an beiden Enden der Lichtleitfaser 15 Lichtsende-und -#mpfangsvorrichtungen 121 bzw. 122 vorgesehen, wobei mit Anschlüssen 123 und 124 an den Enden der Lichtsende-und -empfangsvorrichtung 121 eine Ubertragungsschaltung 126 über einen Sende-Empfangs-Auswahlschalter 125 verbunden ist.
Ebenso sind auf der Seite des anderen Endes der Lichtleitfaser 15 Anschlüsse 127 und 128 der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 122 in ähnlicher Weise wie oben mit einer Übertragungsschaltung 130 über einen Sende-Empfangs-Auswahlschalter 129 verbunden. Wenn bei einem optischen Kommunikationssystem obigen Aufbaus optische Daten von der Seite der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 122 auf die Seite der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 122 geführt werden, fließt, wenn der Sende-Empfangs-Auswahlschalter 125 auf der Sendeseite a und der Sende-Empfangs-Auswahlschalter 129 auf der Empfangsseite b liegen, ein elektrischer Strom nicht in den Phototransistor TR sondern in Durchlaßrichtung in die Leuchtdiode D1 der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 121, so daß ein elektrisches Signal der Ubertragungsschaltung 126 in der Leuchtdiode D1 in ein optisches Signal umgesetzt und dieses der Lichtleitfaser 15 zugeführt wird.
Ferner ist in der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 122 auf der Empfängerseite die Polarität eines von der Ubertragungsschaltung 130 gelieferten Vorspannungssignals so, daß die Leuchtdiode D2 in Sperrichtung und der Phototransistor TR2 in Durchlaßrichtung gepolt ist, wodurch einerseits die Leuchtdiode D2 kein Licht abgeben kann und andererseits das über die Lichtleitfaser 15 ankommende optische Signal durch den Phototransistor TR2 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Wenn das optische Signal auf der Seite der Lichtsende-und -empfangsvorrichtung 122 zugeführt und auf der Seite der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung 121 empfangen werden soll, sind nur Auwahlvorgänge mit den Sende-Empfangs-Auswahlschaltern 125 und 129 notwendig, die gegenüber dem oben beschriebenen Zustand umgelegt werden müssen.
Wie oben beschrieben, wird bei der aus einer in einem Chip integrierten Halbleitervorrichtung bestehenden Lichtsende- und -empfangsvorrichtung gemäß der Erfindung der Halbleiter mit der Endfläche einer Lichtleitfaser gekoppelt, womit sich das Einführen eines optischen Signals in die Lichtleitfaser und der Empfang des optischen Signals aus der Lichtleitfaser mit hohem Wirkungsgrad bewerkstelligen lassen Insbesondere der Phototransistor, der mit ganzer Breite in der Lichtempfangsfläche ausgebildet ist und eine Verstärkungswirkung hinsichtlich des Photostroms hat, bewirkt eine sehr hohe Empfindlichkeit für den Empfang von Licht.
Im folgenden wird nun die zweite Ausführungsform der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung anhand der Figuren 10 bis 16 beschrieben.
Figur 10 zeigt eine Wafer, bei welcher eine p-GaAs-Schicht 23, eine n-AlO,3GaO,7As-Schicht 24 (Sn- oder Te-dotiert 3 pm dick), eine nichtdotierte AlO,O5CaO'95As-Schicht 25 und eine p-AlO,3GaO,7As-Schicht 26 (Ge-dotiert, 3 pm dick) aufeinanderfolgend auf einer auf einem n+-GaAs-Substrat 21 einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 5 . 1017 bis 3 in18 aufgewachsenen undotierten n -GaAs-Schicht 22 epitaxial aufgewachsen sind.
Das epitaxiale Aufwachsen erfolgt nach einem allgemein bekannten Flüssigphasen-Epitaxialaufwachsverfahren.
Diese Wafer umfaßt eine Leuchtdiode mit Doppelheterostruktur, bei welcher die das Licht abgebende A10,05GaO,95As-Schicht 25 zwischen der p-AlO,3GaO,7As-Schicht 26 und der n-AlO,3GaO,7As-Schicht 24 mit hohem Bandabstand gehalten wird, und einen Offenbasis-Heteroubergangs-Phototransistor mit Breitbandabstandsemitter, mit der das Licht empfangenden n-AlO,3GaC,7As-Schicht 24 als Emitter, der p-GaAs-Schicht 23 als Basis und der n -GaAs-Schicht 22 als Kollektor.
Mit dem folgenden wir auf Figur 11 Bezug genommen.
Ionen werden mittels einer Ionenimplantationsvorrichtung im Mittelteil der p-AlO,3GaO,7As-Schicht 26 obiger Wafer mit Ausnahme eines runden Teils 33 mit Durchmesser b implantiert, worauf eine Mesaätzung unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit des Schwefelsäuresysteins (3H2SO4 : 1H202 : 1H20) an dem Teil mit Ausnahme eines runden Teils mit Durchmesser c durchgeführt wird. Die Ionenimplantationsschicht 34 reicht bis an die Stelle der n-AlO,3GaO,7As-Schicht 24 und bildet eine Hochwiderstandsschicht mit guter Lichtdurchlässigkeit. Danach wird über dem gesamten Körper ein Si3N4-Film 39 abgeschieden.
Hierauf wird das n+-GaAs-Substrat 21 obiger Wafer poliert, um den Gesamtkörper der Wafer dünn zu machen, nämlich auf eine Dicke von ungefähr 100 bis 200 pm zu bringen, wonach, wie in Figur 12 gezeigt, eine p-Elektrode 43 aus Au-Zn im Mittelteil auf der Seite der n-A10,3Ga0,7As--Schicht 26 mit Ausnahme eines als Sendefenster für das Licht dienenden runden Abschnitts 44 mit Durchmesser d, ferner einer n-Elektrode 40 aus Au-Ge am Randabschnitt der Elektrode 43 mit Ausnahme eines als Einfallsfenster für das Licht dienenden runden Abschnitts mit Durchmesser e und schließlich eine n-Elektrode 41 aus Au-Ge-Ni auf der Seite des n+-GaAs-Substrats 21 aufgedampft werden. Alle Elektroden können als Elektroden mit ohmschen Eigenschaften verwendet werden, indem eine Wärmebehandlung für ungefähr 1 bis 3 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre bei 4OO0c durchgeführt wird.
Figur 13 zeigt eine Schrägansicht des Elements der Figur 12. Eine p-Elektrode 43 aus Au-Zn ist zur Vervollständigung des Waferelements durch Durchführung einer Drahtbondung zu einem Randabschnitt 54 am Durchmesser c geführt.
Die durchgehende Linie (B) in Fig. 14 zeigt die spektrale Charakteristik der Lichtempfangsempfindlichkeit der Vorrichtung. Die dünne AlO,O5GaO,95As-Schicht 25 absorbiert wenig Licht, und der Bereich nachweisbarer Wellenlängen reicht bei diesem Element von ungefähr 700 nm auf der Seite kurzer Wellenlängen bis ungeführ 870 nm an einer Absorptionsstelle der p-GaAs-Schicht 22. Diese Werte entsprechen den betreffenden Bandabstandsenergien von 1,75 eV und 1,4 eV.
Die gestrichelte Linie (A) in Fig. 14 gibt die Charakteristik des Lichtemissionsspektrums der Vorrichtung wieder.
Das Lichtemissionsspektrum zeigt eine solche Form, daß die Maximumwellenlänge geringfügig ins Langwellige gegenüber der Wellenlänge, die der Bandabstandsenergie der Al0,05Ga0,95As-Schicht 25 als aktiver Schicht entspricht, verschoben ist.
Dies ist durch einen Primärfaktor bewirkt, der thermisch durch einen Temperaturanstieg oder dergleichen in der aktiven Schicht erzeugt wird. Die Figur zeigt deutlich, daß das Lichtemissionsspektrum voll im Bereich nachweisbarer Wellenlängen entsprechend der spektralen Lichtempfindlichkeitsverteilung liegt. Dementsprechend kann, da das gesamte emittierte Licht nachweisbar ist, diese Vorrichtung für das weiter oben erwähnte Einzellichtleitfaser-Zweirichtungs-Kon#m#ikationssystem als integral ausgebildetes Sende-Empfangselement, das beide Funktionen in sich vereinigt, verwendet werden.
Figur 15 zeigt don Zustand, in dem eine Lichtleitfaser 16 mit der beschriebenen Lichtsende- und -empfangsvorrichtung gekoppelt ist. In einem Abstand von ungefähr 60 um oberhalb der strahlenden Fläche E des Mittelteils und der Lichtempfängerfläche D am Rand liegt beispielsweise die Endfläche der Lichtleitfaser 60 mit einem Durchmesser des Kerns 61 von 200 bis 400 um. Eine externe Zuleitung 65 (entsprechend dem Emitter des Phototransistors) ist von der Elektrode 40, eine externe Zuleitung 66 (entsprechend dem Kollektor des Phototransistors) von der anderen Elektrode 41 und eine externe Zuleitung 64 (entsprechend der Anode der Leuchtdiode) von der Elektrode 43 herausgeleitet (vgl. Fig.. 16).
Bei Anlegen einer negativen Spannung an die Zuleitung 65 und einer positiven Spannung an die Zuleitung 66 wirkt der Lichtempfängerteil als Phototransistor.
Wenn nun Licht aus dem Kern 61 der Lichtleitfaser ankommt, wird auf die Lichtempfängerfläche D treffende Licht- energie in einen Photostrom unter weiterer Stromverstärkung mit dem Faktor hFE durch die Transistorwirkung umgewandelt.
Für große optische Eingangswerte erhält man leicht einen elektrischen Leitzustand zwischen Kollektor und Emitter, so daß sich eine umendlung zwischen Signalen mit Pegel "O" und 1 ohne weitere externe Verstärkungsschaltung hohen Verstärkungsfaktors durchführen läßt.
Mit Anlegen einer negativen Spannung an die Zuleitung 65 und einer positiven Spannung an die Zuleitung 64 führt der . Lichtsendeteil die Funktion einer Leuchtdiode durch.
Der Strömungspfad für den pn-Übergangs strom ist wegen ihres hohen Widerstands durch die ionenimplantierte Schicht 34 eingeschränkt, so daß der pn-Übergangsstrom eine punktförmige Emission von Licht mit hoher Leuchtdichte an der pn-Übergangs fläche erzeugt und das Signal als Licht in den Kern 61 der Lichtleitfaser 60 eingekoppelt wird, wo es sich ausbreitet.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 17 bis 20 eine dritte Ausführungsform der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben.
Eine Vorrichtung nach dieser Ausführungsform ist so aufgebaut, daß zwei Satz aus Leuchtdiode und Phototransistor in einem Halbleiterchip integriert sind. Leuchtdiode und Phototransistor bilden in beiden Sätzen grundsätzlich den gleichen Elementaufbau wie bei der davor beschriebenen zweiten Ausführungsform. Das Element ist, wie in den Figuren 17 und 18 gezeigt, in einer Weise aufgebaut, daß der kreisförmige Bereich einer Wafer durch eine Nut 100 in zwei halbkreisförmige Bereiche D1, D2 unterteilt ist, in jedem der beiden halbkreisförmigen Bereiche D1, D2 ein Satz aus Leuchtdiode und Phototransistor vorgesehen ist, die strahlenden Flächen 200a, 200b der beiden Leuchtdioden im Mittelteil des erwähnten kreisförmigen Bereichs angeordnet sind und die Lichtempfängerflächen 300a, 300b der beiden Phototransistoren am Rand des kreisförmigen Bereichs liegen.
Kurz ausgedrückt kann man sagen, daß eine Anordnung vorliegt, bei der das Element des zweiten Ausführungsbeispiels durch die Nut 100 in die beiden Sätze aus Leuchtdiode und Phototransistor unterteilt ist. Indem man die Elemente auf den beiden Seiten der Nut 100 mit voneinander unterschiedlicher Zusammensetzung vorsieht, lassen sich die spektralen Eigenschaften von Leuchtdiode und Phototransistor in den beiden Sätzen unterschiedlich gestalten. Die einzelnen in den Fig.
17, 18 dargestellten Schichten haben die folgende Zusammensetzung 21 ... n -GaAs-Substrat 22a ... n -GaAs-Schicht 22b ... n-Al0,2Ga0,8As-Schicht (Te-dotiert) 23a ... p-GaAs-Schicht 23b ... p-A10,2Ga0,8As-Schicht (Ge-dotiert) 24a ... n-AlO,2Ga0,8As-Schicht (Te-dotiert) 24b ... n-AlO,5Ga0,5As-Schicht (Te-dotiert) 25a ... AlO,O5GaO,95As-Schicht (undotiert) 25b ... AlO,25GaO,75As-Schicht (undotiert) 26a ... p-AlC,2GaO,8As-Schicht (Ge-dotiert) 26b ... p-AlO,5GaO,5As-Schicht (Ge-dotiert) 34 ... H -ionenimplantierte Schicht 39 ... i3 4 Film Aus Fig. 19 mit ihrer Darstellung in Schaltkreissymbolen ergibt sich, daß die auf der Bodenfläche des Substrats 21 ausgebildete Elektrode 41 als gemeinsame Kollektorelektrode der beiden Phototransistoren verwendet wird. Eine in der n-Schicht 24a ausgebildete Elektrode 40a dient als gemeinsame Emitter-Kathodenelektrode für einen Satz aus Phototransistor und Leuchtdiode. Eine in der n-Schicht 24b ausgebildete Elektrode 40b dient als gemeinsame Emitter-Kathodenelektrode für den anderen Satz aus Phototransistor und Leuchtdiode. Ferner dienen in den p-Schichten 26a, 26b, ausgebildete Elektroden 43a, 43b als Anodenelektroden für die eine bzw. andere der beiden Leuchtdioden.
In Fig. 20 gibt (A1) die Strahlungscharakteristik der Leuchtdiode des halbkreisförmigen Bereichs D1, (B1) die Lichtempfangscharakteristik des Phototransistors aus D1, (A2) die Strahlungscharakteristik der Leuchtdiode im anderen halbkreisförmigen Bereich D2 und (B2) die Lichtempfangscharakteristik des Phototransistors aus D2 wieder.
Wie in dieser Fig. 20 gezeigt, liegt in beiden Sätzen eine nahezu identische Verteilung des Strahlungsspektrums der Leuchtdiode und des Empfindlichkeitsspektrums des Phototransistors vor,wobeisich die Verteilungen zwischen den beiden Sätzen unterscheiden.
Dementsprechend läßt sich mit dieser dritten Ausführungsform der Lichtsende- und -empfangsvorrichtung ein optisches Multiplex-Zweirichtungskommunikationssystem unter Verwendung einer einzigen Lichtleitfaser verwirklichen.
Bei obigem Beispiel wurde im Lichtsendeteil ein Doppelheteroübergang angewandt, es ist aber lediglich ein größerer Bandabstand für die Schicht des Lichtsendeteils als für diejenige des Lichtempfängerteils notwendig, damit an die Stelle des Heteroübergangs ein Homöoübergang treten kann. Der Lichtempfängerteil ist alsoffenbasis-Heteroübergangsphototransistor mit Breitbandabstandsemitter ausgebildet, es kann aber auch der Basisanschluß herausgeführt sein oder ein allgemeiner Phototransistor ohne Heteroübergang vorgesehen sein. Nach obigem Beispiel wurde ferner der Stromfluß durch Ionenimplantation eingeschränkt, die Verfahren der Stromverminderung beschränken sich jedoch nicht auf diese. Ferner wurde nach obiger Beschreibung ein GaAs-AlGaAs-Mischkristallsystem verwendet, die Zusammensetzung der Halbleiter beschränkt sich jedoch nicht darauf und es liegt auf der Hand, daß auch ein Halbleiter der Zusammensetzung InP, InGaAs, InGaAsP oder dergleichen verwendet werden kann.
Leerseite

Claims

Lichtsende- und -empfangsvorrichtung PATENTANSPRUCHE ,< Lichtsende- und -empfangsvoLrichtung, g e -k e n n z e i c h n e t durch wenigstens einen Satz aus einem ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umwandelnden Leuchtelement und einem ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelnden Lichtempfängerelement, die miteinander integriert in einer Halblei.tervorrichtung ausgebildet sind.
2. Vorrichtunc; nach Anspruch 1, y e k en n z e i c h -n e t durch einen gemeinsamen Bereich der spe#ktralen Strahlungsverteilung des Leuchtelements und der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des Lichtempfängerelements des obigen Satzes.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement des Satzes eine sie aufbauende Schicht gemeinsam haben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die strahlende Fläche (9) des Lichtsendeelements im Mittelteil der Lichtempfängerfläche des mit dem Lichtsendeelement den Satz bildenden Lichtempfängerelements sitzt und von der Lichtempfängerfläche umgeben ist.
5. Vorrichtung nach Anpsruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Lichtempfängerfläche (11) des Lichtempfängerelements weiter als die strahlende Fläche (g) des zum Lichtempfängerelement gehörigen Lichtsendeelements ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Lichtsendeelement eine Leuchtdiode mit pn-Übergangsaufbau vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Lichtempfängerelement ein Phototransistor vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß als Lichtempfängerelement ein Phototransistor mit npn-Aufbau vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Lichtsendeelement als Leucht- diode vorgesehen ist, daß das im Satz mit dem Lichtsendeelement angeordnete Lichtempfängerelement als Phototransistor mit npn-Aufbau vorgesehen ist, und daß die n-Kollektorschicht des Phototransistors und die n-Kathodenschicht der Leuchtdiode als ein und dieselbe Schicht vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die p-Anodenschicht der Leuchtdiode im Mittelteil der n-Emitterschicht des Phototransistors vorgesehen ist, und daß die p-Anodenschicht von der n-Emitterschicht durch eine im Randbereich der Anodenschicht ausgebildete Nut (14) getrennt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Lichtsendeelement als Leuchtdiode wirkt, daß das im Satz mit dem Lichtsendeelement angeordnete Lichtempfängerelement als Phototransistor mit npn-Aufbau ausgebildet ist, und daß die n-Emitterschicht des Phototransistors und die n-Kathodenschicht der Leuchtdiode als ein und dieselbe Schicht vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die p-Anodenschicht der Leuchtdiode auf der n-Emitterschicht des Phototransistors ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß mehrere Sätze aus Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement mit im wesentlichen übereinstimmender Verteilung des Strahlungsspektrums des Lichtsendeelements und des Empfindlichkeitsspektrums des Lichtempfängerelements eines Satzes und Unterschieden zwischen den spektralen Verteilungen verschiedener Sätze vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß mehrere Sätze aus Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement vorgesehen sind und daß eine aufbauende Schicht der einzelnen Lichtempfängerelemente diesen gemeinsam ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Lichtempfängerelemente als Phototransistoren mit npn-Aufbau ausgebildet sind und daß die n-Kollektorschichten der einzelnen Phototransistoren ein und dieselbe Schicht ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß jeder Satz aus Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement in einer halbkreisförmigen Hälfte eines in zwei Teile unterteilten kreisförmigen Bereichs vorgesehen ist, daß im Mittelteil des kreisförmigen Bereichs die strahlenden Flächen (200a, 200b) der beiden Lichtsendeelemente liegen, und daß gleichzeitig im Umfangsbereich des Mittelteils die Lichtempfängerflächen (300a, 300b) der beiden Lichtempfängerelemente angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Lichtsendeelement und Lichtempfängerelement auf einem GaAs-Substrat ausgebildet sind.