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Lichtemittierende Diode
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Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Diode.
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Es sind bereits verschiedene Arten von lichtemittierenden Dioden angegeben
worden, die eine hohe spezifische Lichtausstrahlung besitzen. Unter diesen Dioden
hat der Typ von lichtemittierenden Dioden, der eine kugelförmige Linse auf dem lichtemittierenden
Bereich besitzt, die ausgezeichnete Eigenschaft, daß er an ein optisches Faserkabel
mit hoher Wirksamkeit dicht bei seinem theoretischen Grenzwert anschließbar ist,
wie es im einzelnen in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-24, Nr. 7
(1977) Seiten 986 bis 990, beschrieben ist.
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Eine herkömmliche lichtemittierende Diode mit einer kugelförmigen
Linse weist ein N-Typ Galliumarsenid (GaAs)-Substrat und eine N--Typ Aluminium-Galliumarsenid
(AlGaAs)-Schicht, eine aktive P-Typ Galliumarsenidschicht, eine P-Typ Aluminium-Galliumarsenid
(AlGaAs)-Schicht und eine N-Typ Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs)-Schicht auf, die
in der genannten Reihenfolge übereinander auf einer der einander gegenüberliegenden
Hauptflächen des Substrats angeordnet sind. Nach der HerstelLung einer kreisförmigen
Aussparung auf der N-Typ AlGaAs-Schicht gemäß einer selektiven Ätztechnik, wird
Zink (Zn) in die Oberfläche dieser Schicht eindiffundiert, um darauf einen P-Typ
Diffusionsbereich auszubilden, der einen kreisförmigen Bereich aufweist, der in
der kreisförmigen Aussparung angeordnet ist und die P-Typ AlGaAs-Schicht erreicht.
Die kreisförmige Aussparung hat eine darin eingepaßte kugelförmige Linse aus einem
Material, das für eine Wellenlänge des Lichtes transparent ist und die auch in ein
kreisförmiges Fenster eingepaßt ist, das direkt oberhalb der kreisförmigen Aussparung
angeordnet ist, und zwar auf einer P-seitigen
Elektrode, die auf
dem P-Typ Diffusionsbereich ausgebildet ist. Die kugelförmige Linse ist dann an
der P-seitigen Elektrode mit einem Verbindungsmaterial befestigt, das gegenüber
der Wellenlänge des Lichtes transparent ist.
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Wenn eine Spannung an die P-seitige Elektrode und eine N-seitige Elektrode
angelegt wird, die sich auf der anderen Hauptfläche des Substrats befindet, um die
P-seitige Elektrode positiv gegenüber der N-seitigen Elektrode zu machen, wird ein
Strom durch die Diode auf den kreisförmigen Bereich des P-Typ Diffusionsbereiches
konzentriert, der sich unter der kreisförmigen Aussparung befindet, so daß er die
P-Typ AlGaAs-Schicht erreicht. Somit wird Licht aus einem kreisförmigen Bereich
der aktiven P-Typ AlGaAs-Schicht emittiert, die sich unter dem erwähnten kreisförmigen
Bereich des P-Typ Diffusionsbereiches befindet. Da das AlGaAs eine breitere verbotene
Zone hat als das GaAs, wird Licht aus der aktiven Schicht durch das kreisförmige
Fenster in der P-seitigen Elektrode ohne irgendeine Absorption emittiert und durch
die kugelförmige Linse mit gutem Richtfaktor in einen Lichtstrahl umgewandelt. Aufgrund
des guten Richtfaktors oder Richtverstärkungsfaktors war es möglich, das emittierte
Licht an ein zugeordnetes optisches Faserkabel mit hoher Wirksamkeit dicht bei seinem
theoretischen Grenzwert einzukoppeln.
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Auch wenn der kreisförmige lichtemittierende Bereich der aktiven Schicht
hinsichtlich des Durchmessers zunehmen würde, war jedoch eine herkömmliche lichtemittierende
Diode der oben beschriebenen Art nicht in der Lage, ein hohes optisches Ausgrngssignal
zu erzeugen, das ausreicht, um es in zufriedenstellender Weise an optische Faserkabel
mit großen Kern anzukoppeln, die in jüngster Zeit entwickelt worden sind.
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Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neue
und verbesserte lichtemittierende Diode anzugeben, die ein starkes optisches Ausgangssignal
liefert, eine hohe spezifische Lichtausstrahlung besitzt und an ein optisches Faserkabel
mit hoher Wirksamkeit anschließbar ist.
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Die Erfindung geht aus von einer herkömmlichen lichtemittierenden
Diode mit einer kugelförmigen Linse der oben beschriebenen Art und gibt eine lichtemittierende
Diode an, die folgende Bestandteile aufweist: einen einzigen Halbleiterchip, eine
Vielzahl von lichtemittierenden Bereichen, die auf dem Halbleiterchip angeordnet
sind, so daß eine elektrische Isolierung dieser Bereiche voneinander verhindert
wird, und kugelförmige Elemente, die über jedem lichtemittierenden Bereich angeordnet
sind, wobei die kugelförmigen Elemente aus einem Material bestehen, das transparent
für eine Wellenlänge des Lichtes ist, das aus den lichtemittierenden Bereichen emittiert
wird, und wobei die kugelförmigen Elemente am Halbleiterchip mit einem Verbindungsmittel
befestigt sind, das transparent für die Wellenlänge des Lichtes ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat jeder lichtemittierende
Bereich einen Abstand zwischen sich und einem benachbarten lichtemittierenden Bereich,
der kleiner ist als die Summe des Durchmessers des darüber angeordneten kugelförmigen
Teiles und des Durchmessers des benachbarten lichtemittierenden Bereiches, und der
nicht kleiner ist als die Abstände, bei denen sämtliche auf den jeweiligen lichtemittierenden
Bereichen angeordneten kugelförmigen Elemente eine dicht gepackte Anordnung bilden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert Die Zeichnung
zeigt in
Fig. 1 einen Längssctlnitt durch eine herkömmliche Anordnung
einer lichtemittierenden Diode einschließlich einer kugelförmigen Linse; Fig. 2
eine graphische Darstellung zur Erläuterung der optischen Ausgangssignal-Kennlinie
in Abhängigkeit vom Strom der Anordnung gemäß Fig. 1 bei unterschiedlichen Emissionsflächen-Durchmessern;
Fig. 3A eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen lichtemittierenden
Diode, wobei einige Teile weggelassen sind; Fig. 3B einen Längsschnitt durch die
Anordnung gemäß Fig.3A längs der Schnittlinie IIIB-IIIB in Fig. 3A; Fig. 4 eine
graphische Darstellung zur Erläuterung der Kennlinie des optischen Ausgangssignals
in Abhängigkeit vom Strom der Anordnung gemäß Fig. 3A und 3B und der einer herkömmlichen
lichtemittierenden Diode, die hinsichtlich des effektiven Durchmessers und des Richtfaktors
gleich ausgebildet ist wie eine Lichtquelle der Anordnung gemäß Fig. 3A und 3B;
und in Fig. 5A, 5B, 5C und 5D Draufsichten auf abgewandelte Ausführungsformen gemäß
der Erfindung.
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Wie aus Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich, ist dort der Grundaufbau
von herkömmlichen lichtemittierenden Dioden einschließlich einer kugelförmigen Linse
dargestellt, von dera die Erfindung ausgeht. Die dargestellte Anordnung weist folgende
Bauteile auf: ein N-Typ Halbleitersubstrat 10 aus Galliumarsenid (GaAs) mit einem
Paar von einander gegenüberliegenden Hauptflächen, eine N-Typ Halbleiterschicht
12 aus Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs), eine aktive P-Typ Halbleiterschicht 14
aus Galliumarsenid,
eine P-Typ Halbleiterschicht 16 aus Aluminium-Galliumarsenid
(AlGaAs), eine N-Typ Halbleiterschicht 18 aus Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs),
die nacheinander in der genannten Reihenfolge auf eine der Hauptflächen aufgebracht
oder aufgewachsen sind, in diesem Falle die obere Hauptfläche bei der Anordnung
gemäß Fig. 1 des N-Typ Halbleitersubstrats 10 mit einem Wachstumsverfahren aus der
flüssigen Phase. Dann wird ein selektives Xtzverfahren verwendet, um eine kreisförmige
Aussparung 20 in der N-Typ AlGaAs-Schicht 18 auszubilden. Anschließend wird Zink
(Zn) in die Oberfläche der N-Typ AlGaAs-Schicht 18 eindiffundiert, um auf dieser
Schicht und in der kreisförmigen Aussparung 20 einen P-Typ Diffusionsbereich 22
auszubilden. Dieser Bereich des P-Typ Halbleiterbereiches 22, der in der Aussparung
20 angeordnet ist, erreicht die P-Typ AlGaAs-Schicht 16.
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In die kreisförmige Aussparung 20 ist eine kugelförmige Linse 24 eingepaßt,
die aus einem Material besteht, das transparent für die Wellenlänge des Lichtes
ist, das von der aktiven P-Typ GaAs-Schicht 14 emittiert wird.
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Außerdem ist eine P-seitige Elektrode 26 auf dem P-Typ Diffusionsbereich
22 angeordnet, während eine N-seitige Elektrode 28 auf der anderen oder unteren
Hauptfläche des N-Typ Halbleitersubstrats 10 angeordnet ist. Die P-seitige Elektrode
26 ist auf dem Bereich der Anordnung vorgesehen, der über der kreisförmigen Aussparung
20 mit einem kreisförmigen Fenster liegt, durch das das aus der aktiven P-Typ Schicht
14 emittierte Licht austritt. Wie in Fig.1 dargestellt, ist die kugelförmige Linse
24 außerdem in das kreisförmige Fenster auf der P-seitigen Elektrode 26 eingesetzt
und eingepaßt und mit der P-seltifJcn F1ekI-r<#d< 2f> mit einem Befestigung#smittel
30 verbunden und befestigt, das transparent für die Wellenlänge des Lichtes ist,
das von der aktiven Schicht 14 emittiert wird, beispielsweise mit einem Epoxyharz.
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Bei der Anordnung genciß Fig. 1 wird eine Spannung an die P-seitige
und N-seitige Elektrode 26 bzw. 28 angelegt, um die P-seitige Elektrode 26 gegenüber
der N-seitigen Elektrode 28 positiv zu machen, so daß ein Strom durch die Anordnung
fließen kann. Dieser Strom wird auf einen kreisförmigen Bereich des P-Typ Diffusionsbereiches
22 konzentriert, der sich unter der kreisförmigen Aussparung 20 befindet und die
P-Typ AlGaAs-Schicht 16 erreicht.
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Somit wird Licht aus einem kreisförmige:: Bereich der aktiven P-Typ
GaAs-Schicht 14 emittiert, die sich unter dem kreisförmigen Bereich des P-Typ Diffusionsbereiches
22 befindet, auf den cler Strom konzentriert ist. Da das AlGaAs eine breitere verbotene
Zone besitzt als das GaAs, wird Licht aus der aktiven P-Typ-Schicht 14 durch das
kreisförmige Fenster auf der P-seitigen Elektrode 26 ohne irgendeine Absorption
emittiert, und dann wandelt die kugelförmige Linse 24 das emittierte Licht in einen
Lichtstrahl um, der einen guten Richtfaktor besitzt, der wegen der kugelförmigen
Linse 24 einen schmalen Winkel mit halbem Wert besitzt. Wegen dieses guten Richtfaktors
ist es möglich, den Strahl des emittierten Lichtes an ein optisches Faserkabel anzukoppeln
oder in dieses einzukoppeln, und zwar mit hoher Wirksamkeit dicht bei seinem theoretischen
Grenzwert.
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Zur Realisierung dieser Ankopplung, die eine so hohe Effizienz bei
einer herkömmlichen Anordnung gemäß Fig.1 besitzt, ist es erforderlich, den Durchmesser
DL der kugelförmigen Linse 24 so zu wählen, daß er so groß ist wie der Kerndurchmesser
DF eines anzuschließenden optischen Faserkabels. Außerdem wird ein Emissionsflächen-Durchmesser
DE, der durch den Durchmesser der kreisförmieten Aussparung 20 bestimmt ist, in
vorteilhafter Weise verringert. dies desw@gen, well die Rate der Zun thme bei zwar
Kopplungseffekelviteit auEgrund der Verwendunj einer kugelförmigen Linse theoretisch
proportional zu DF /DE ist. Wenn jedoch der Imissionsflächen-Durchmesser zu
klein
ist, dann nimmt der Betriei>sstrom hinsichtlich der Dichte zu. Somit wird das
resultierende optische Ausgangssignal gesättigt sein, bevor die Menge des emittierten
Lichtes einen ausreichenden Wert erreicht. Daher wurde der Emissionsflächen-Durchmesser
DE üblicherweise so gewählt, daß er gleich einem Wert war, der zwischen einem halben
und einem Viertel Durchmesser des Wertes DL einer zugeordneten kugelförmigen Linse
lag. Außerdem hatten optische Faserkabel oder Lichtleiterkabel, die bei Lichtleiter-Verbindungen
oder Nachrichtensystemen üblicherweise verwendet werden, einen Kerndurchmesser DF
von nicht mehr als 150 Somit wurden derartige optische Faserkabel oder Lichtleiterkabel
ordentlich an Emissionsflächen-Durchmesser DE von etwa 30 bis 40## fm angekoppelt.
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Die Technik in der Herstellung von optischen Fasern hat jedoch kürzlich
Fortschritte erbracht, die zur Herstellung von optischen Faserkabeln oder Lichtleiterkabeln
mit großem Kern geführt haben, die einen Kerndurchmesser DF besitzen, der auf nicht
weniger als 200 fm angewachsen ist und geringe Verluste besitzt. Dies hat zu der
Diskussion über die Anwendung von lichtemittierenden Dioden bei optischen Übertragungssystemen
geführt, die optische Faserkabel oder Lichtleiterkabel verwenden, die einen derartig
großen Kern besitzen, um eine große Lichtmenge zu übertragen. Herkömmliche lichtemittierende
Dioden der oben beschriebenen Art waren jedoch insofern nachteilig, als dann, wenn
sie an optische Faserkabel oder Lichtleiterkabel mit einem derartig großen Kern
angekoppelt werden, die Dioden nicht die Kopplungsmenge an Licht liefern können,
die der Zuwachsrate bei der Kernquerschnittsfläche des Kabels entspricht.
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Genauer gesagt, auch wenn der Emissionsflächen-Durchmesser DE der
herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 1 und der Durchmesser DL der kugelförmigen Linse
zunehmen würden, um zum Kerndurchmesser eines entsprechenden optischen Faserkabels
oder
Lichtleiterkabels zu passen, so hat der lichtemittLerende Bereich dieser Anordnung
eine erhöhte Umfangslänge, die nur proportional zur ersten Potenz des Emissionsflächen-Durchmessers
ist. Somit nehmen sowohl der elektrische Reihenwiderstand als auch der thermische
Widerstand ab, so daß sie nur proportional im wesentlichen zur ersten Potenz des
Emissionsflächen-Durchmessers sind, und somit ist auch ein Strom, mit dem ein optisches
Ausgangssignal gesättigt ist, ebenfalls proportional zur ersten Potenz des Emissionsflächen-Durchmessers.
Das bedeutet, daß auch mit einer Kernquerschnittsfläche des optischen Faserkabels
oder Lichtleiterkabels, die mit einem Faktor von n2 multipliziert ist, eine an das
optische Faserkabel angekoppelte Lichtmenge begrenzt ist, wobei die Sättigung des
optischen Ausgangssignals auf ungefähr das n-fache unterdrückt wird. Dies ergibt
sich ohne weiteres aus der graphischen Darstellung in Fig. 2.
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Fig. 2 zeigt die Char.ikteristik des optischen Ausgangssignals in
Abhängigkeit vom Strom einer herkömmlichen lichtemittierenden Diode gemäß Fig. 1
mit einem Emissionsflächen-Durchmesser von 100 Xm im Vergleich zu einem Emissionsflächen-Durchmesser
von 35 fm. In Fig. 2 ergibt die Ordinatenachse das optische Ausgangssignal in willkürlichen
Einheiten und die Abszissenachse die Stromstärke in Milliampere an. Dabei bezieht
sich die mit dem Bezugszeichen A bezeichnete Kennlinie auf einen Emissionsflächen-Durchmesser
von 100 fm und die mit dem Bezugszeichen B bezeichnete Kurve auf einen Emissionsflächen-Durchmesser
von 35 Aus Fig. 2 ergibt sich, daß trotz einer Emissionsfläche, die mit einem Faktor
von ungefähr neun multipliziert ist, die lichtemittierende Diode mit einem Emissionsflächen-Durchmesser
von 100 fm eine Stromstärke besitzt, bei der ein entsprechendes optisches Ausgangssignal
gesättigt ist, welches nur um das Dreifache angestiegen ist gegenüber dem
Signal,
das mit einem Emissionsflächen-Durchmesser von 35 fm erreicht wird.
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Die Erfindung zielt auf die Ausr;iumung dieser Nachteile von herkömmlichen
Anordnungen der oben beschriebenen Art und gibt ~eine lichtemittierende Anordnung
oder lichtemittierende Diode an, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Bereichen
aufweist, bei denen verhindert ist, daß sie elektrisch gegeneinclnder isoliert sind,
und die auf einem einzigen Halbleiterchip mit hoher Dichte in Abständen angeordnet
sind, die nicht kleiner sind als solche Abstände, daß eine Vielzahl von kugelförmigen
Linsen, die über diesen lichtemittierenden Bereichen jeweils für einen lichtemittierenden
Bereich angeordnet sind, miteinander in Berührung stehen.
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In den Fig. 3A und 3B, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile
wie in Fig. 1 bezeichnen, ist eine erste Ausführungsform einer erfindungs #emäßen
lichtemittierenden Diode dargestellt Die dargestelLte Anordnung unterscheidet sich
von der in Fig. 1 in foLgender Hinsicht: unter Verwendung einer selektiven Stztechnik
wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist eine Vielzahl von kreisförmigen Aussparungen,
in diesem Falle sieben kreisförmige Aussparungen 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, 20-5, 20-6
und 20-7 auf der N-Typ.AlGaAs-Schicht 18 angeordnet, und zwar in vorgegebenen Abständen,
die nicht kleiner sind als die Abstände, bei denen sieben kugelförmige Linsen 24-1,
24-2, 24-3, 24-4, 24-5, 24-6 und 24-7, die gleichen Durchmesser haben und oberhalb
der entsprechenden kreisförmigen Aussparungen 20-1 bis 20-7 angeordnet sind, eine
dicht gepackte Anordnung bilden, wie es in Fig. 3A dargestellt ist.
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Danach wird Zink (Zn) in die Oberfläche der N-Typ AlGaAs-Schicht 18
eindiffundiert, um den P-Typ Diffusionsbereich 22 wie bei der Anordnung gemäß Fig.
1 auszubilden, der aber sieben Bereiche besitzt, die in den jeweiLigen krcis-
förmigen
Aussparungen 20-1 bis 20-7 vorhanden sind und die @-Typ AlGaAs-Schicht 16 erreichen.Auch
dieP-seitige elektrode 26 weist ji&ben kreisförmiqe Fenster auf, die sich oberhalb
der jeweiligen kreisförmigen Aussparungen 20-1 bis 20-7 befinden.
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Wenn eine Spannung an die P-seitige Elektrode 26 und die N-seitige
Elektrode 28 in gleicher Weise,wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, angelegt
wird, so wird der resultierende Strom auf diese kreisförmigen Bereiche des P-Typ
Diffusionsb£reiches 22 konzentriert, die sich unter den kreisförmigen Aussparungen
20-1 bis 20-7 befinden und bis an die P-Typ AlGaAs-Schicht 16 heranreichen. Dies
führt zur gleichzeitigen Emission von Licht aus sieben separaten kreisförmigen Bereichen,
in denen die aktive P-Typ GaAs-Schicht 14 unterteilt ist oder aus denjenigen Bereichen
der Schicht 14, die unterhalb der kreisförmigen Aussparungen 20-1 bis 20-7 angeordnet
sind. Sieben Lichtbereiche, die auf diese Weise emittieren, treten aus den jeweiligen
kreisförmigen Fenstern in der P-seitigen Elektrode 26 aus und werden dann in Form
eines Lichtstrahles mit gutem Richtfaktor aus den kugelförmigen Linsen 24-1 bis
24-7 emittiert, die in die kreisförmigen Aussparungen 20-1 bis 20-7 und die jeweiligen
kreisförmigen Fenster in der P-seitigen Elektrode 26 eingepaßt sind, und zwar in
ähnlicher Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1.
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Die Anordnung gemäß Fig. 3A und 3B hat eine effektive Emissionsfläche,
die das Siebenfache der Emissionsfläche der Anordnung gemäß Fig. 1 besitzt, die
einen einzigen lichtemittierenden Bereich aufweist, der gleichen Durchmesser hat
wie die sieben lichtemittierenden Bereiche der oben beschriebenen Art, und dennoch
ist bei den lichtemittierenden Bereichen die gesamte Umfangslänge mit einem Faktor
7 multipliziert worden, während der elektrische Reihenwiderstand und der thermische
Widerstand auf unge-
fähr ein Siebtel reduziert sind, da die lichtemittierenden
Bereiche im Abstand voneinander liegen. Dies führt zu einer Sättigung des optischen
Ausgangssignals, die bei einem Strom erfolgt, der auf ungefähr das Siebenfache angestiegen
ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Anordnung gemäß Fig. 3A und 3B ein hohes
optisches Ausgangssignal liefern kann, das ungefähr doppelt so hoch ist wie das
der Anordnung gemäß Fig. 1 mit einem dreifachen Durchmesser der Emissionsfläche,
wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
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Fig. 4 zeigt die Kennlinie des optischen Ausgangssignals in Abhängigkeit
vom Strom von Anordnungen, die in Fig.3A und 3B dargestellt sind und sieben kugelförmige
Linsen mit einem Durchmesser von 100 Zm für den jeweiligen lichtemittierenden Durchmesser
von 35 Zm haben, und zwar im Vergleich mit einer Anordnung gemäß Fig. 1, die eine
einzige kugelförmige Linse mit einem Durchmesser von 300'um bei einem lichtemittierenden
Durchmesser von 100 mm besitzt. In Fig. 4 bezieht sich die mit dem Buchstaben A
bezeichnete Kurve auf die Anordnung der lichtemittierenden Diode gemäß Fig. 1, während
die mit dem Bezugszeichen B bezeichnete Kurve sich auf die Anordnung der lichtemittierenden
Diode gemäß Fig. 3A und 3B bezieht.
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Die Ordinaten- und Abszissenachsen haben die gleiche Bedeutung wie
in Fig. 2, wobei die jeweiligen Einheiten entsprechend gewählt sind.
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Aus Fig. 4 ts L ersichtlich, daß, obwohl die Anordnung gemäß Fig.
3A und 3B eine effektive Emissionsfläche besitzt, die um nicht weniger als 10 %
kleiner ist im Vergleich zu der Anordnung nach Fig. 1, das optische Ausgangssignal
bei einer hohen Stromstärke gesättigt ist, die nicht kleiner ist als die zweifache
Stromstärke, die bei der Anordnung gemäß Fig. 1 erhalten wird. Andererseits hat
die Anordnung gemäß Fig. 3 im wesentlichen das gleiche Verhältnis im Durchmesser
zwischen dem licht-
emitt#erenden Bereich und der kugelförmigen
Linse gegenüber der Anordnung in Fig. 1. Somit unterscheiden sich die beiden Anordnungen
nicht in dem Richtfaktor oder der Richtwirkung des emittierten Lichtes voneinander.
Außerd<#rn haben die beiden Anordnungen jeweils gleiche effektive Durcllmessel~
als kreiskreis@örmig@ I.ichtquellen, nämlich von 300 ~um. Außerdem hat sich herausgestellt,
daß bei der Anordnung gemäß Fig. 3A und 3B ein oberer Grenzwert der Lichtmenge,
die an ein optisches Faserkabel oder ein Lichtleiterkabel mit einem Kerndurchmesser
von 300 Xm angekoppelt wird und ius der Sättigung des optischen Ausgangssignales
resultiert, einen Wert hat, der nicht weniger als das Doppelte von dem Wert ausmacht,
der mit der Anordnung gemäß Fig. 1 erreicht wird.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorstehend mit sieben
lichtemittierenden Bereichen erläutert worden, die mit der höchsten Dichte angeordnet
sind, aber die Wirkung selbst hängt von der Tatsache ab, daß die lichtemittierenden
Bereiche mit einer hohen Dichte angeordnet sind. Wenn die Anordnung gemäß Fig. 3A
und 3B lichtemittierende Bereiche aufweist, die voneinander durch Abstände getrennt
sind, die mindestens gleich dem doppelten Durchmesser von gleichen kugelförmigen
Linsen sind, die über den jeweiligen lichtemittierenden Bereichen angeordnet und
befestigt sind, dann unterscheidet sich die Lichtmenge, die in das zugeordnete optische
Faserkabel oder Lichtleiterkabel eingekoppelt wird, nicht erheblich von derjenigen,
die mit der Anordnung gemäß Fig. 1 erreicht wird.
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Somit ist es erforderlich, daß jeder der lichtemittierenden Bereiche
einen Abstand zwischen sich und einem benachbarten lilitemittierenden Bereich besitzt,
der kleiner ist als der zweifache Durchmesser der darauf angeordneten kugelförmigen
Linsen und nicht kleiner als die Abstände, bei denen die über den jeweiligen lichtemittierenden
Be-
reiche angeordtieten kuyelfsrrnigt~n Linsen eine dicht qepackte
Anordnung bilden.
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Die Fig. 5A bis 5D zeigen abgewandelte Ausführungsformen gemäß der
Erfindung. In Fig. 5A sind drei kreisförmige Aussparungen 20 auf dem nicht dargestellten
P-Typ Diffusionsbereich in Abständen angeordnet, in denen drei gleiche kugelförmige
Linsen 24, die über den jeweiligen kreisförmigen Aussparungen 20 oder lichtemittierenden
Bereichen angeordnet sind, eine dicht gepackte Anordnung bilden. In Fig. 5B sind
sechs kreisförmige Aussparungen 20 in dem nicht dargestellten P-Typ Diffusionsbereich
in Abständen angeordnet, in denen drei kugelförmige Linsen 24 mit größerem Durchmesser
und drei kugelförmige Linsen 24 mit kleinerem Durchmesser, die über den kreisförmigen
Aussparungen 20 oder den lichtemittierenden Bereichen angeordnet sind, miteinander
in Bertihrung stehen. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5C sind vier gleiche kugelförmige
Linsen 24 auf entsprechenden kreisf~5rmigen Aussparungen 20 oder lichtemittierenden
Bereichen angeordnet, so daß sie eine dicht gepackte Anordnung bilden.
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Auch Fig. 5D zeigt eine Anordnung mit fünf kugelförmigen Linsen 24
mit größerem Durchmesser und einer kugelförmigen Linse 24 mit kleinerem Durchmesser,
die über entsprechenden kreisförmigen Aussparungen 20 oder lichtemittierenden Bereichen
angeordnet sind und in gleicher Weise miteinander in Berührung slel1en.
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Der Ausdruck "dicht gepackte Anordnung" bezieht sich auch auf eine
Vielzahl von Kugeln, die unterschiedliche Durchmesser haben und miteinander in 13ertEhrung
oder Kontakt stehen, wie es in den Fig. 3B und 5D dargestellt ist.
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Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die kreisförmigen Aussparungen 20
in dem nicht dargestellten P-Typ Diffusionsbereich in Abständen angeordnet sind,
die gleich der Summe der Durchmesser von benachbarten kugelförmigen Linsen sind,
die über ihnen angeordnet sind.
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Die Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Beispielsweise hat die lic}ltemittler(nde
Diode gemäß der Erfindung einen niedrigen elektrischen Reihenwiderstand und einen
geringen thermischen Widerstand im Vergleich zu einer herkömmlichen lichtemittierenden
Diode gemäß Fig. 1, wobei der effektive Durchmesser einer Lichtquelle unverändert
bleibt Dies führt zu einer Vergrößerung des Stromes bzw. der Stromstärke, bei der
das optische Ausgangssignal gesättigt ist, und somit zu einem größeren optischen
Ausgangssignal und spezifischer Lichtausstrahlung. Somit kann die Lichtmenge, die
in ein entsprechendes optisches Faserkabel oder Lichtleiterkabel eingekopplXlt werden
kann, drastisch erhöht werden. Auch wenn der Betriebsstrompegel unverändert bleibt,
ist die Zunahme der Ubergangstemperatur klein im Vergleich zum Stande der Technik.
Dies deswegen, weil der thermische Widerstand in der oben angegebenen Weise niedrig
ist. Somit wird die resultierende Lebensdauer verlängert, und außerdem hat die Kennlinie
des optischen Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Strom eine Linearität, die sich
über einen breiten Bereich erstreckt.
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Aufgrund des hohen optischen Ausgangssignals und der hohen spezifischen
Lichtausstrahlung ist die lichtemittierende Diode gemäß der Erfindung nicht nur
als Lichtquelle verwendbar, die bei einem Lichtleiterkabel mit großem Kern verwendet
wird, sondern auch als Lichtquelle, die bei einem optischen Raumübertragungs-Kommunikationssystem
verwendet wird, z.B. als Einrichtung zur Messung von Entfernunjen mit Lichtwellen
oder dergleichen.
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Auch wenn die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit wenigen bevorzugten
Ausführungsformen erläutert worden ist, können selbstverständlich zahlreiche Abwandlungen
vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann
die Anzahl der lichtemittierenden Bereiche und Kombinationen von lichtemittierenden
Bereichen mit den kugelförmigen Linsen mit gleichen oder
unterschiedlichen
Durchmessern voneinander in viel#ältiger Weise geändert werden, wie sich ohne weiteres
aus den verschiedenen Darstellungen in den Fig. 5A bis 5D ergibt.
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Auch wenn die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit einer Vielzahl
von kugelförmigen Linsen erläutert worden ist, die in einer dicht gepackten Anordnung
vorgesehen sind, darf darauf hingewiesen werden, daß ein gewisser, kleinerer oder
größerer Abstand zwischen den jeweiligen Paaren von benachbarten kugelförmigen Linsen
vorhanden sein kann. Im letzteren Falle wird der Effekt gemäß der Erfindung etwas
verringert, aber es wird eine Lichtmenge an ein entsprechendes Lichtleiterkabel
angekoppelt, die immer noch <groß ist im Vergleich zum Stande der Technik. Wenn
weiterhin die Erfindung im Zusanimenhang mit einer doppelten Hetero-Übergangstruktur
unter Verwendung eines GaAs-AlGaAs-Systems als Material erläutert worden ist, darf
darauf hingewiesen werden, daß die Erfindung nicht darauf oder dadurch beschränkt
ist, vielmehr kann sie in gleicher Weise auch auf andere Materialien angewendet
werden, z.B.
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auf ein Material mit einem InGaAsP-InP-System sowie eine einfache
Hetero-Übergangstruktur.
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Leerseite