DE69721153T2

DE69721153T2 - Verpackung eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE69721153T2
Application number: DE69721153T
Authority: DE
Inventors: Yasushi 1-3 Fujimura; Yoshiki 1-3 Kuhara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: KR980012310A; JP3436009B2; EP0825653A2; JPH1051024A; US6034424A; DE69721153D1; EP0825653B1; KR100265456B1; EP0825653A3

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gehäuse mit geringer Kapazität, das für optoelektronische Vorrichtungen zur optischen Kommunikation oder optischen Messung geeignet ist, und eine optoelektronische Vorrichtung, die in dem Gehäuse montiert ist, wie z. B. ein fotodioden-(PD)-Modul.
Die nachstehende Erläuterung bezüglich verschiedener Gehäuse für Fotodioden stellt einen Hintergrund für das Verständnis der vorliegenden Endung bereit.
[(1) Gehäuse nach dem Stand der Technik]
(Typ 1 von Gehäusen nach dem Stand der Technik) Gehäuse auf der Basis von Metall
1(a) und 1(b) stellen einen Chiphalter eines als TO46 bezeichneten Gehäuses dar, welches üblicherweise für Fotodioden (PD's) verwendet wurde. 1(a) ist eine Draufsicht, 1(b) ist eine Schnittansicht des Chiphalterungsteils eines TO46 Gehäuses. Eine Öse (1) mit einer Scheibenform weist drei Zuleitungsstifte (2), (3) und (4) auf. Das Scheibenteil wird als eine Öse bezeichnet, da zwei Stifte der Scheibe die Augen in der Draufsicht zu sein scheinen. Die Zuleitungen bestehen aus einer FeNiCo-Legierung. Eine von den Dreien ist ein Gehäusestift (2). Die anderen sind in in der Öse (1) gehohrten vertikalen Löchern, mittels eines Glases (5) mit niedrigem Schmelzpunkt befestigt. Das Glas isoliert die Zuleitungsstifte von der Öse (1). Die Scheibenöse (1) besitzt einen runden Flansch an der Unterseite und eine Basis an der Oberseite. Der Flansch hat einen Durchmes- sen von 5,4 mm. Der Basisdurchmesser ist 4,22 mm. Die Metallöse (1) hat eine Dicke von 1,12 mm. Eine Fotodiodenvorrichtung wird durch Chip-Bonden eines Fotodiodenchips direkt auf den zentralen Teil der Öse (1), Verbinden der Elektroden des Chips mit den Zuleitungsstiften (3) und (4), Abdecken der Öse (1) mit einer Kappe mit einem ebenen Glasfenster oder einer Linse und Versiegeln des Innenraumes mit einem Inertgas hergestellt. Die Öse (1) besteht aus weichem Stahl. Dieses ist ein Beispiel eines Metallbasis-Typs von Gehäusen nach dem Stand der Technik.
(Typ 2 von Gehäusen nach dem Stand der Technik) Gehäuse auf der Basis von Glas
2(a) und 2(b) stellen ein weiteres als TO18 bezeichnetes Gehäuse dar. Das Gehäuse besitzt eine Hut-förmige Öse (6), hergestellt durch Biegen einer dünnen Metallplatte in eine konvexe Form. Der Hohlraum der Öse (6) ist mit Glas (7) gefüllt. Das Gehäuse mit einer derartigen Öse wird als ein Gehäuse auf der Basis von Glas bezeichnet. Drei Zuleitungsstifte (8), (9) und (10) werden der Öse (6) zugeführt. Ein Stift (8) ist ein Gehäusestift. Zwei Stifte sind durch das Glas (7) von der Metallöse (6) isoliert. Das Glas (7) unterstützt die Stifte an der Unterseite der Metallöse (6). Die Metallplatte hat eine Dicke von 0,21 mm. Die Öse hat einen Metallscheibenteil von 4,2 mm Durchmesser und einen Unterseitenflansch von 5,4 mm Durchmesser. Der Abstand zwischen den benachbarten Stiften in der Öse (6) ist 2,54 mm. Eine Fotodiodenvorrichtung wird durch Chip-Bonden eines Fotodiodenchips auf die Oberseite der Öse (6), Drahtbonden der Elektroden des Chips zu den Zuleitungsstiften, Aufsetzen einer Kappe mit einem Fenster oder einer Linse und Versiegeln des Innenraums der Kappe mit einem Inertgas hergestellt.
(Typ 3 von Gehäusen nach dem Stand der Tecnnik) CD-Lasergenause
Ein dritter Gehäusetyp, bekannt als CD-Lasergehäuse ist eigentlich kein Gehäuse tür eine Fotodiode sondern ein Gehäuse für eine Laserdiode. Laserdiodengehäuse werden manchmal als Fotodioden-(PD)-Gehäuse verwendet. Sowohl Laserdioden als auch Fotodioden sind optoelektrohische Vorrichtungen. Eine Laserdiode erzeugt Licht, wenn sie elektrisch angesteuert wird. Eine Fotodiode ist eine passive Vorrichtung zum Erfassen von Licht. Deren Kennlinien verändern sich auf der Basis von darauf einfallendem Licht. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer Compact Disc-(CD)-Laserdiode. Dieses ist ein CD-Lasergehäuse von 5,6 mm Durchmesser. Eine Öse (11) ist eine Metallscheibe mit einem Durchmesser von 5,6 mm. Die Scheibe von 5,6 mm Durchmesser besitzt drei Zuleitungsstifte (12), (13) und (14). Ein Laserdiodenchip (15) ist vertikal auf einer Seite eines Pfostens (16) der Öse (11) befestigt. Ein Fotodiodenchip (19) zum Überwachen der LD-Leistung ist auf dem zentralen Abschnitt der Öse (11) befestigt. Eine Kappe (17) mit einem Fenster (18) ist auf die flache Oberfläche der Öse (11) gesetzt. Da der Durchmesser des Fußes der Kappe (17) kleiner als der Durchmesser der Öse ist, kann die Kappe (17) an einem beliebigen Punkt auf der Öse positioniert werden. Die Kappe (17) deckt die Chips ab und schützt sie. Der Innenraum ist mit einem Inertgas gefüllt.
Dieser Gehäusetyp war ursprünglich für die Unterbringung einer Laserdiode gedacht. Er hat die Vorteile einer großen Dicke der Öse, hohe Wärmeableitfähigkeit, einen hoher, Freiheitsgrad für die Positionierung einer Kappe auf der Öse, da die Kappe an einer beliebigen Position auf der flachen Öse beispielsweise durch Elektrowiderstandschweißen befestigt werden kann. Die hohe Wärmeleitung ergibt sich aus der dicken Öse. Die koaxiale Ausrichtung des PD-Chips, des LD-Chips und der Kappe erleichtern die Konstruktion des optischen Systems der Vorrichtung. Vorteilhaft wird die Ausrichtung der optischen Achse in einer axialen Richtung und in einer radialen Richtung erleichtert. Diese Vorteile machen den Metallchipträger zur Verwendung als ein LD-Gehäuse geeignet.
Die Öse weist den Pfosten (16) für die vertikale Lagerung des Lasers (15) auf. Das Vorhandensein des Pfostens (16) ist ein Merkmal eines LD-Gehäuses. Wenn der Pfosten (16) von der Öse (11) entfernt ist, wird die Öse (11) flach. Die flache Öse kann in eine Öse für ein PD-Gehäuse umfunktioniert werden. Wenn die Öse ohne den Pfosten als eine Öse für eine PD verwendet wird, werden die Gehäuse der PD's den Gehäusen der LD's ähnlich. Die Verwendung von gemeinsamen Gehäusen kann eine Bearbeitung sowohl von PD's als auch LD's durch dieselben Vorrichtungen in einer Montagelinie und in einer Inspektionslinie ermöglichen. CD-(Compact Disc)-Laserwerden in großem Umfang in vielen Anwendungsarten eingesetzt. Die Massenproduktion von CD-Lasern hat die Kosten für Gehäuse von CD-Lasern verringert. Geringe Kosten sind ein weiterer Vorteil der Verwendung von LD-Gehäusen als PD-Gehäusen.
4 ist eine Schnittansicht einer Fotodiodenvorrichtung, die auf einer aus einem Cd-Lasergehäuse umfunktionierten dicken Metallöse befestigt ist. Eine Metallöse (20) ist mit drei Zuleitungsstiften (21 ), (22) und (23) versehen. Einer ist ein Gehäusestift (22), der direkt an der Öse (20) befestigt ist, während die anderen Stifte (21) und (23) von dem Gehäuse (Öse) (20) isoliert sind. Die Stifte (21) und (23) sind in Löchern (24) der Öse (20) durch isolierendes Versiegelungsglas in (25) befestigt. Ein Unterträger (26) ist in der Mitte der Öse (20)befestigt. Ein Fotodioden-(PD)-Chip (27) ist auf dem Unterträger (26) befestigt. Eine Kappe (28) ist an der Unterseite Öse (20) verschweißt. Die Kappe , (28), weist eine obere Öffnung und eine Linse (29) auf der Öffnung auf. Von einem Ende einer Lichtleiterfaser emittierte Lichtstrahlen werden auf den PD-Chip (27) durch die Linse (28) konvergiert. Die Kappe (28) versiegelt den Innenraum des Gehäuses mit einem Inertgas. Da die PD (2) von dem Gehäuse (Öse) (20) isoliert sein muß, wird der PD-Chip (27) über einen Isolator, d. h. den Unterträger (26) auf dem Gehäuse befestigt.
[(2) PD-Module nach dem Stand der Technik]
(Typ 4 von Gehäusen nach dem Stand der Technik) Fotodiodenmodul
Ein herkömmliches Fotodiodenmodul wird nun erläutert. 5 stellt ein Fotodiodenmodul mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse eingebauten PD-Chip dar. Das Gehäuse ist dasselbe wie das durch 4 dargestellte Gehäuse, welches als ein von den vorherrschenden Gehäusen für LD's von 3 abgeleitetes PD-Gehäuse erläutert wurde. Der Fotodiodenchip (27) ist auf das Unterträgerelement (26) aufgelötet, das auf der Öse (20) befestigt ist. Die Kappe (28) ist auf dem Gehäuse 20 befestigt und der Innenraum ist mit einem inaktiven Gas gefüllt.
Eine zylindrische Hülse (30) ist um die Außenseite der Öse (20) herum aufgesetzt. Ein zylindrischer Ringhalter (31) mit einer axialen Öffnung ist an einer optimalen Position an der Hülse (30) angeschweißt. Ein Ringhalter (33) mit einem engen vertikalen Loch ist in die Öffnung des Ringhalters (31) eingesetzt. Ein Ende einer Einmodenfaser (34) ist, in das vertikale Loch der Ringhülse (33) eingesetzt. Das vordere Ende der Ringhülse (33) wurde poliert, um zu verhindern, dass reflektiertes Licht zu der LD zurückkehrt. Ein elastischer, konischer Biegungsbegrenzer (35) ist über das hintere Ende des Halters (31) gestülpt, um zu verhindern, dass die Lichtleitfaser (34) in einem übermäßig kleinen Krümmungsradius gebogen wird. Eine Anode (ringförmige p-Elektrode) des PD-Chips (27) ist mit dem Anodenstift (23) mittels einer Drahtbondung verbunden. Eine Kathode (Unterseiten-n-Elektrode) der PD (27) ist auf den metallisierten Film auf dem Unterträgerelement (26) aufgelötet. Die Kathode ist mit dem Kathodenstift (21) durch Drahtbondung auf den metallisierten Film mit dem Stift (21) verbunden. In diesem Falle muß die Kathode von dem Gehäuse (20) durch den Unterträger (26) isoliert sein. Die nachfolgende Verstärkungsschaltung erfordert die Isolation der Kathode von dem Gehäuse (20). Die Gehäuse nach dem Stand der Technik und Module nach dem Stand der Technik wurden deutlich dargestellt. Eine Fotodiode ist eine Vorrichtung zum Umwandlung von Lichtleistung in einem Fotostrom. Eine Fotodiode erfordert eine elektrische Schaltung zur Vorspannung des pn-Übergangs, zum Umwandeln des Fotostroms in eine Spannung und zur Verstärkung des Fotostroms. Somit werden typische elektrische Schaltungen für den Betrieb von Fotodioden nun erläutert.
[(3) Elektrische Schaltungen nach dem Stand der Technik für den Betrieb von Fotodioden]
(Stand der Technik 5: Lastwiderstand-Schaltung)
6 stellt eine allgemein bekannte Fotodiodenschaltung mit einem Lastwiderstand dar Der Lastwiderstand R_L ist mit der Anode einer Fotodiode (PD) verbunden. Die Kathode der PD ist mit der Energieversorgungsspannung Vb verbunden. Das andere Ende des R_L ist mit Erde verbunden. Somit ist der pn-Übergang der PD durch Vb rückwärts vorgespannt. Der Gehäusestift ist auf Erde gelegt. Die Kathode sollte von dem Gehäuse iso- liert sein. In vielen Fällen ist der Lastwiderstand 50Ω. Der Fotostrom I_p wird durch den Widerstand R_L in eine Spannung umgewandelt. Eine Verstärkungsschaltung verstärkt R_L I_P in einem bestimmten Verhältnis in eine Ausgangsspannung. Diese Schaltung zeichnet sich durch die Geschwindigkeit der Reaktion auf, da der Lastwiderstand niedrig genug ist. Dieser Schaltungstyp kann bei Signalen bis zu einigen Gigahertz (GHz) arbeiten. Diese Schaltung hat jedoch die Nachteile einer niedrigen Empfindlichkeit aufgrund des niedrigen Lastwiderstandes und eines niedrigen Signal/Rausch-(S/N)-Verhältnisses aufgrund der schlechten Empfindlichkeit. Diese Schaltung ist nur für starke Eingangssignale geeignet. Schwächere Eingangssignale erfordern Schaltungen, welche eine höhere Eingangsimpedanz besitzen.
(Stand der Technik 6: Transimpedanz-Schaltung)
7, stellt eine Transimpedanz-Schaltung für eine PD dar. Die Anode der PD ist mit dem Eingang eines Verstärkers (AMP) verbunden. Das Ausgangssignal des AMP wird auf den Eingang über einen Widerstand Rf zurückgeführt. In diesem Falle stellt Rf im wesentlichen die Eingangsimpedanz dar. Die Eingangsimpedanz kann ausreichend groß gemacht werden, indem der Wert des Widerstandes Rf vergrößert wird. Eine hohe Eingangsimpedanz kann die Signale verstärken und das S/N-Verhältnis verbessern. Diese Schaltung wird vorteilhaft für die Detektion von digitalen Signalen (binären Signa- len) verwendet. In dem Falle von digitalen Signalen können, selbst wenn das Eingangssignal eine Signalverzerrung enthält, die binären Signale durch Einfügen von Wellenformungsschaltungen zurückgewonnen werden. Diese Schaltung ist effektiv, wenn die Signale keine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erfordern, und die Signale ziemlich schwach sind.
(Stand der Technik 7: Transformatorlast-Schaltung)
8 stellt eine Transformator-Lastschaltung dar. Die Anode der Fotodiode (PD) ist mit dem einen Ende einer Primärspule eines Transformators verbunden. Das andere Ende der Primärspule ist mit einem Ende einer Sekundärspule verbunden. Beide Spulen sind Luftspaltspulen. Die primäre Spule ist mit der sekundären Spule über ein Magnetfeld gekoppelt. Das Windungsverhältnis der Spulen ist N:1 , wobei N größer als 1 ist (N > 1). Die Eingangsimpedanz kann durch Erhöhen des Windungsverhältnisses vergrößert werden. Das Verhältnis der Impedanz ist proportional zu N²:1. Beispielsweise ist, wenn das Windungsverhältnis 2 : 1 ist und die Impedanz des AMP 75 Ω ist, die Eingangsimpedanz an der PD 300 Ω. Das Stromverhältnis wird auf 1:N angehoben. Somit ist der Strom des Verstärkers (AMP) N-mal so groß wie der Fotostrom der PD. Somit hebt der Lasttransformator effektiv die Eingangsimpedanz an, und verstärkt den Strom.
Ferner-verstärkt der AMP die Spannung des Zwischenanschlusses des Transformators. Die Schaltungen von 6 und 7 können analoge Signale nicht mit hoher Wiedergabetreue regenerieren, da der Widerstand R_L und der AMP Rauschen induzieren. In Gegensatz dazu hat diese Schaltung einen Vorteil eines genngen Rauschens, da der PD-Fotostrom direkt durch den Transformator verstärkt wird. Die Transformatorlast-Schaltung ist für analoge Signale geeignet. Faseroptische CATV-Systeme (community antenna Television-Gemeinschaftsantennenanlage), welche analoge Signale mittels Licht senden, verwenden im allgemeinen derartige Transformatorlast-Schaltungen. Diese Schaltung leidet jedoch unter einem Nachteil einer Verschmälerung des Frequenzbereiches aufgrund der Stromverstärkung durch einen Transformator.
Der Schwachpunkt der Transformatorlast-Schaltung ist die Reduzierung des Frequenzbereichs aufgrund der Spulenkopplung. Der Grund, warum die Transformatorkopplung den Frequenzbereich verringert wird unter Bezugnahme auf 9 erläutert. 9 stellt die Beziehung zwischen dem Verstärkerausgangssignal (dB) und der Frequenz (MHz) dar, wenn das Windungsverhältnis 2 : 1 ist, die Impedanz des AMP 75 Ωist, und die Eingangsimpedanz 300 Ω ist. Die Abszisse ist die Frequenz (MHz) der Eingangssignale. Die Ordinate ist die logarithmische Leistung des AMP. Die Signalleistung bei 50 MHz wird als Standart angesehen und ist auf 0 dB gesetzt. Die Ausgangsleistung muß innerhalb des Bereichs von ±1 dB des Standards bleiben. In diesem Falle durchquert die Kurve die horizontale Linie von minus 1,0 dB unterhalb von 600 MHz. Somit kann die, Schaltung Signale bis zu 600 MHz verstärken. Die obere Grenze ist 600 MHz. Die Frequenzbereichsbreite ist in dem Beispiel 600 MHz. Die Transformatorkopplung verringert die Frequenzbreite. 600 MHz waren für CATV-Systeme nach dem Stand der Technik ausreichend, zukünftige CATV-Systeme erfordern jedoch einen breiteren Frequenzbereich.
Zu Beginn erforderten optische CATV-Systeme nur einige wenige Kanäle für die Übertragung von Signalen. Die Kanalanforderung hat sich jedoch erhöht. Derzeitige CATV-Systeme erfordern 40 Kanäle als Standard. 40 Kanäle erfordern einen breiteren Frequenzbereich von etwa 400 MHz bis 450 MHz. Die neuesten Entwicklungen bewirken, dass CATV-Systeme 80 Kanäle bis 110 Kanäle benötigen. Eine derartige Zunahme in der Anzahl von Kanälen erfordert eine weitere Verbreiterung des Frequenzbereichs auf 860 MHz anstelle von 450 MHz. Der Frequenzbereich muß nämlich für eine zukünftige Verbreitung des faseroptischen CATV verdoppelt werden. Herkömmliche PD-Module, wie z. B. das in 9 dargestellte, weisen nur einen Frequenzbereich von 600 MHz auf, wenn die Beschränkung von t 1 dB auf das Verhalten von PD-Modulen angewendet wird. Die zukünftige Entwicklung von faseroptischen CATV erfordert Fotodiodenmodule mit einem noch breiteren Frequenzbereich. Die Erweiterung des Frequenzbereiches der PD-Module ist nicht alles von den Erfordernissen in den zukünftigen faseroptischen CATV-Systemen. Es gibt noch weitere Probleme für die PD's als den Frequenzbereich. Ein niedriger Preis ist einer der wichtigsten Anforderungen für das zukünftige Vorherrschen von faseroptischem CATV. Es ist erwünscht, ein neues Transformatorlast-PDModul mit einem breiteren Frequenzbereich ohne Vergrößerung der Kosten und Beein trächtigung der Verstärkung herzustellen. PD-Module müssen einen Frequenzbereich von wenigstens 860 MHz für den Empfang von Signalen von etwa 100 Kanälen aufweisen.
Was beschränkt den Frequenzbereich von PD's? Die Eigenschaften der Fotodiode selbst haben natürlich Einfluß auf den Frequenzbereich des PD-Moduls. Ein ernsthafterer Faktor, welcher den Frequenzbereich der PD-Module beschränkt, ist die elektrostatische Kapazität C zwischen einem PD-Chip und einem Gehäuse. Der Frequenzbereich der PD's wird durch die Zeitkonstante t(=CR) beschränkt, welcher ein Produkt der Chip-Gehäuse-Kapazität C und des Widerstandes R des Lastwiderstandes ist.
Der Frequenzbereich kann durch Verringerung des Lastwiderstandes R oder durch Verringerung der Kapazität C zwischen einem Chip und einem Gehäuse verringert werden: Diese Erfindung hat das Ziel der Erweiterung des Frequenzbereiches durch eine Verringerung der elektrostatischen Kapazität C: Die Befestigung eines PD-Chips auf einem Gehäuse wurde bisher bereits erläutert. Die Kapazität variiert mit der Größe eines Chips, der Größe eines Gehäuses, dem Durchmesser des Stiftloches und der Länge und dem Durchmesser der Stifte. Das weitere Ziel betrifft einen neuen Weg der Befestigung des Chips auf dem Gehäuse. Die minimale elektrostatische Kapazität wird durch die Befestigungsstruktur eines Chips auf einem Gehäuse bestimmt. Die Kapazitäten zwischen jedem Chip und einem Gehäuse können unter Angabe einiger Gehäusearten hierin nachsfehend erläutert werden.
(1) TO46 Gehäuse) (1)
Ein Beispiel von 1 besitzt einen Flansch von 5,4 mm Durchmesser, eine Basis von 4,22 mm Durchmesser und eine Dicke von 1,12 mm. Der Kreis, auf welchem die Stifte legen, hat einen Durchmesser von 2,54 mm. Die Öse ist aus Weichstähl hergestellt. Das Gehäuse (Öse) besitzt drei Stifte, d. h. einen Gehäusestift, einen Anodenstift und eine Kathodenstift. Da der Anodenstift und der Kathodenstift von dem Gehäuse isoliert sind treten gewisse Kapazitäten zwischen jedem Stift und dem Gehäuse auf. Die Kapazitäten sind in dem Gehäuse gemessen.
Gehäuse/Anoden-Kapazität 0,62 pF bis 0,67 pF
Gehäuse/Kathoden-Kapazität = 0,8 pF.
Hier wird die Gehäuse/Kathoden-Kapazität unter der Bedingung gemessen ist, dass der Chip auf ein rechteckiges Unterträgerelement von 1,0 mm mal 0,25 mm gebondet ist, das in dem Gehäuse befestigt ist. Somit trägt das Unterträgerelement zu der Kathoden/Gehäuse-Kapazität bei. Somit ist die Summe der Kapazitäten etwa 1,45 pF.
(2) TO18 Gehäuse (2)
Die Anordnung von 2 besitzt einen Flansch von 5,4 mm Durchmesser und eine Basis von 4,2 mm Durchmesser. Der Kreis, auf welchem die Stifte liegen besitzt einen Durchmesser von 2,54 mm.
Gehäuse/Anoden-Kapazität = 0,43 pF bis 0,47 pF
Gehäuse/Kathoden-Kapazität = 0,42 pF bis 0,47 pF
Unterträgerelement-Kapazität = 0,27 pF
Die Gesamtsumme der Kapazitäten ist angenähert 1,3 pF.
Es ist unvermeidlich, dass der Frequenzbereich durch die Gehäusekapazität beschränkt wird, solange das PD-Modul ein Gehäuse mit derart großer Kapazität verwendet. Obwohl es allgemein bekannt ist, dass die Gehäusekapazität den Frequenzbereich einer PD einschränkt, glaubt, man, dass derzeitige Gehäuse bereits die minimale Kapazität besitzen, die erzielt werden kann, und dass es keinen Raum mehr für die Reduzierung der Gehäusekapazität gibt. Die Erfinder haben jedoch die Möglichkeit einer weiteren Reduzierung der Gehäusekapazität durch Bereitstellung einer neuen Gehäusestruktur erkannt.
JP-A-04048784 offenbart ein Gehäuse mit einem L-förmigen Stift mit einem horizontalen Teil, der von einem Metall-Chipträger oder einenden L-förmigen Stift tragenden Öse und einem weiteren Stift beabstandet ist.
Beispiele der vorliegenden Erfindung stellen ein Gehäuse mit einer kleineren Kapazität als Gehäuse nach dem Stand der Technik bereit.
Beispiele der vorliegenden Erfindung können auch eine Fotodiode, ausgestattet mit einer niedrigeren elektrostatischen Kapazität bereitstellen, welche für optische Kommunikationssysteme mit einem breiteren Frequenzbereich geeignet ist.
Beispiele der vorliegenden Erfindung können auch eine Fotodiode mit einer sehr schnellen Antwort ohne Erhöhung der Kosten bereitstellen.
Beispiele der vorliegenden Erfindung können auch eine optische Vorrichtung mit einer kleineren Kapazität als solche nach dem Stand der Technik bereitstellen.
Die Erfindung stellt ein Gehäuse gemäß Beschreibung in Anspruch 1 bereit.
Diese Erfindung hat das Ziel der Reduzierung der elektrostatischen Kapazität von optischen Vorrichtungen (PD's, LD's oder LED's) durch Bereitstellen einer neuen Aufbauanordnung für ein Gehäuse. Obwohl das Konzept von optischen Vorrichtungen Fotodioden, Laserdioden und Licht emittierende Dioden umfäßt, wird die Erfindung nur unter Bezugnahme auf eine Fotodiode als ein Beispiel erläutert. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht derartig eingeschränkt ist. Die elektrostatische Kapazität der Fotodiode selbst ergibt sich aus dem pn-Übergang. Die Kapazität des pn-Übergangs wird durch die Fläche eines Lichtempfangenden Bereichs und die an dem pn-Übergang ahgelegte Spannung bestimmt. Es ist schwierig die Kapazität des Chips selbst zu verringern. Eine Alternative besteht in der Verringerung der Kapazität zwischen einem, Gehäuse und einem Chip. Die Erfinder haben effektive Anordnungen für die Verringerung der Gehäuse/Chip-Kapazität unter der Berücksichtigung gefunden, welche Faktoren die Kapazität zwischen einem Chip und einem Gehäuse bestimmen.
Die Erfinder benutzten das vorstehend erwähnte CD-Lasergehäuse als ein Fotodiodengehäuse und versuchten die Kapazität des PD-Gehäuses zu verringern. Die elektrostatische Kapazität einer PD-Vorrichtung ergibt sich aus der Kapazität zwischen jedem Stift und einem Gehäuse und der Kapazität zwischen einem PD-Chip und einem Gehäuse. Wenn ein Unterträger zwischen dem Chip und dem Gehäuse eingefügt ist, entstehen neue Kapazitäten zwischen dem Chip und dem Unterträger und zwischen dem Unterträger und dem Gehäuse.
10 stellt eine Ersatzschaltung des PD-Moduls mit einem Unterträger, wie beispielsweise in 4 gezeigt ist, dar. Obwohl die Schaltung Induktivitäten enthält, ignoriert 10 die Induktivitäten, da die Induktivitäten für eine Verbesserung der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung sind. 10 stellt drei Kapazitäten dar: Kathode/Gehäüse-Kapazität Ck, Unterträgerkapazität Cs und die Anoden/Gehäuse-Kapazität Ca. In einem Gehäuse nach dem Stand der Technik ist Ck = 0,65 pF (650 fF), Ca 0,65 pF (650 fF) und Cs = 0,27 pF (270 fF). Die Summe beträgt etwa 1600 fF in dem Gehäuse. Die Übergangskapazität des PD-Chips selbst beträgt 340 fF bei der Rückwärtsvorspannung von 15 Volt.
Die elektrostatische Kapazität eines Kondensators kann grob durch die Formel C = εS/d für parallele flache Elektroden abgeschätzt werden, wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums, S die Fläche der Elektroden und d der Abstand zwischen den Elektroden ist. Die Kapazität zwischen einem Stift und einem Gehäuse ergibt sich aus der nahen Anordnung des Stiftes zu der Lochwand des Gehäuses. Die Formel für die Kapazität eines von einem zylindrischen Loch eingeschlossenen Stiftes unterscheidet sich von der paralleler flacher Elektroden. Diese einfache Formel lehrt uns praktisch etwas über die Kapazität zwischen dem Stift und dem Loch.
Für die Reduzierung der Kapazität von optoelektronischen Vorrichtungen ist es wirksam, die Dielektrizitätskonstante des Isolators zu veningern, oder den Abstand zwischen den zwei Elektroden zu, vergrößern. Der Fachmann auf dem Gebiet der Gehäusetechnik weiß dieses. Viele glauben jedoch dass derartige Gehäuse bereits den minimalen Kapazifätswert, der möglich ist, erreicht haben. Die Erfinder haben das Problem der Reduzierung der Gehäusekapazität näher betrachtet.
Die Erfinder haben jedoch die Möglichkeit der Reduzierung der durch den Unterträger erzeugten Kapazität durch Betrachtung von 8 (Ersatzschaltung), 11 (PD-Gehäuse) und 4 (PD-Gehäüse) erkannt. Die von dem Unterträger beigesteuerte Kapazität hängt nicht nur von der Fläche des Unterträgers alleine sondern auch von der nicht in der Formel C = εS/d der Unterträ-Fläche des PD-Chips ab. Die Fläche S kann n gerkapazität verkleinert werden, da S durch den PD-Chip bestimmt ist. Ein dicker Unter träger würde die Kapazität verringern, würde jedoch die Kosten des Gehäuses steigern, da das Unterträger aus teurer Keramik besteht.
Eine weitere Möglichkeit wäre die Weglassung des Unterträgers. Die Weglassung des Unterträgers würde die Unterträger/Gehäuse-Kapazität Cs verkleinern. Dieses ist jedoch, praktisch unmöglich. Wenn die Kathode (n-Elektrode) direkt auf dem Gehäuse befestigt würde, könnte die Kathode nicht von dem Gehäuse isoliert werden und die in
6, 7 und 8 dargestellten Verstärkungsschaltungen könnten nicht mehr aufgebaut werden. Die Kathode (n-Elektrode) muß von dem Gehäuse isoliert sein. Da die Unterseitenoberfläche die Kathode der PD ist, muß die Kathode an einem Teil des Gehäuses befestigt werden.
Wenn die Kathode direkt an dem Gehäuse befestigt würde, würde die Kathode direkt mit dem Gehäuse verbunden werden, was zu den derzeitigen PD-Schaltungen, die in 6, 7 und 8 dargestellt sind, in Widerspruch steht. Wie kann jedoch die Kathode an dem Gehäuse befestigt werden? In dem derzeitigen Aufbau muß die Kathode mit dem Kathodenstift über einen Draht verbunden werden. Damit könnte die direkte Befestigung der Kathode auf dem Zuleitungsstift die Schwierigkeit der Isolation der Kathode von dem Gehäuse beseitigen.
In jedem Falle muß die Kathode mit dem Zuleitungsstift über eine Drahtbonaung ver- bunden werden. Somit wäre es dann einfacher, den Chip direkt auf den Kathodenzuleigsstift ohne Befestigung auf einem Unterträger zu bonden. Wenn der Chip direkt auf tungsstift ohne den Zuleitungsstift gebondet würde, würde die Kapazität um die Unterträgerkapazität Cs abnehmen.
Die Stifte stehen jedoch vertikal zu der Oberfläche der Öse in dem derzeitigen Gehäuse, da die Stifte lediglich gerade Stangen sind. Wenn ein PD-Chip auf einer Seitenoberfläche des Stiftes befestigt würde, würde der PD-Chip in die Seitenrichtung weisen. Das Licht tritt in das Gehäuse in der axialen Richtung ein. In diesem Falle wäre das Licht parallel zu der Oberfläche des PD-Chips, und der PD-Chip würde das Licht überhaupt nicht detektieren.
Somit hatten die Erfinder den Einfall, die Spitze des Stiftes in einem rechten Winkel ab zubiegen, einen horizontalen Abschnitt herzustellen, und den Chip auf der Spitze des Stiftes in der horizontalen Ebene zu befestigen. Der Chip weist vertikal zu der Lichtachse nach oben. Der Chip ist in der Lage, das in das PD-Gehäuse in vertikaler Richtung eintretende Licht zu detektieren: Die Stifte sind auf einem Kreis mit einem Radius (r) angeordnet, der auf der Öse sowohl in Gehäusen mit drei als auch mit vier Stiften definiert ist. In dem Gehäuse des Typs-mit drei Stiften sind die Stifte auf einem Kreis mit einem Winkel von 90° angeordnet. Bei umgedrehtem Gehäuse ist der Kathodenstift bei (r, 0°), der Gehäusestift bei (r, 90°) und der Anodenstift bei (r, 180°) im Uhrzeigersinn angeordnet.
Unser Gehäuse wird durch Biegen des Stiftes des Kathodenstiftes zu der Mitte um 90° in einer bestimmten Höhe von der Ösenoberfläche aus und durch Bonden eines PD-Chips an einen Punkt, an dem die axiale Linie die Spitze der gebogenen Spitze des Kathodenstiftes kreuzt, erzeugt. Die Lichtstrahlen treten in den PD-Chip ein, da die PD or- thogonal zu der Strahllinie auf der Strahllinie liegt. Der PD-Chip schwebt getrennt von der Metalloberfläche der Öse in der Luft in dem Gehäuse. Da die Kathode direkt auf den Kathodenstift gebondet ist, besteht keine Notwendigkeit für einen Draht und den Schritt der Drahtbondung zwischen dem Stift und dem Unterträger. Natürlich wird der Anodenstift mit dem anderen Stift über einen Draht verbunden.
Der Biegeabschnitt des Zuleitungsstiftes sollte genau orthogonal zu der Strahllinie näm- lich θ = 90° sein, welches der Biegewinkel des Stiftes ist. Ferner wird der Stift verbreitert, da der Stift zu klein ist, um einen Chip auf die Spitze zu legen. Po ist die Breite des Stiftes, P ist die Breite der erweiterten Spitze des Stiftes. Diese Breiten sollen die Ungleichheiten P_o < W und P ≥ W erfüllen, wobei W die Breite des Chips ist. Es sind nämlich Θ = 90° und P ≥ W für den Kathodenstift in der vorliegenden, Erfindung erforderlich.
indem Gehäuse wird die Kapazität um die Unterträgerkapazität Cs verkleinert, da der Unterträger weggelassen wird. Die starke Verkleinerung der Kapazität in Bezug auf bekannte Gehäuse ermöglicht eine Vorrichtung mit höherer Antwortgeschwindigkeit. Das mit unserem Gehäuse mögliche verbesserte Verhalten ist ziemlich deutlich.
Der Kathodenstift wird verlängert, um einen Biegungsrand und einen Raum für die Befestigung eines Chips zu erhalten. Eine Zunahme der Kapazität kann zwischen dem Ge- häuse (Öse) und dem gebogenen Abschnitt des Stiftes durch die Umwandlung entstehen. Ferner sind strukturelle Veränderungen erforderlich, um die zusätzliche Kapazität zu verkleinern. Erstens sollte die Öse selbst in eine Öse mit einem breiten Hohlraum unterhalb dem gebogenen Abschnitt des Kathodenstiftes umgewandelt werden, um so das Gehäusemetall aus dem Raum unterhalb des PD-Chips zu entfernen. Da kein Metallabschnitt (Gehäuse) unter dem horizontal gebogenen Abschnitt des Stiftes vorliegt, wird die Kapazität zwischen dem gebogenen Abschnitt und dem Gehäuse (öse) verringeit. Der Raum unterhalb des gebogenen Abschnittes des Stiftes könnte mit einem Isolator, z. B. Glas zum Unterdrücken der Zunahme der Kapazität zwischen der Öse und. dem Stift gefüllt sein. Die Höhe des gebogenen Abschnittes sollte ausreichend höher als die Oberfläche der Öse sein. Der vertikale Abstand zwischen der Öse und dem gebogenen Teil verringert die Kapazität zwischen dem Kathodenstift und dem Gehäuse.
Aufmerksamkeit sollte auch der Reduzierung der Kapazität zwischen dem Anodenstift und dem Gehäuse geschenkt werden. Die Stiftlöcher sollten für den Zweck der Vergrößerung der Stift/Gehäuse-Kapazität vergrößert werden. Unsere Anordnung verringert die Stift/Gehäuse-Kapazitäten, indem ein breites einteiliges Loch geschaffen wird, durch welchen die Stifte in vertikaler Richtung hindurch treten, und indem die Stifte mit Glas in dem breiten gemeinsamen Loch fixiert werden. Das breite einteilige Loch verringert weiter die zylindrischen Kapazitäten zwischen jedem Stift und der Lochwand des Gehäuses weiter, da die mittleren Strecken zwischen jedem Stift und dem Loch größer werden als in herkömmlichen Gehäusen, welche einzelne kleine Löcher den Kathodenstiften und Anodenstiften für den Durchtritt dadurch zuordnen.
Unsere Erfindung hat die nachstehenden Merkmale:

1. eine Spitze eines Stiftes ist in horizontaler Richtung gebogen und ein Fotodiodenchip ist direkt auf dem gebogenen Abschnitt des Stiftes befestigt;
2. der gebogene Abschnitt des Stiftes ist höher als die obere Oberfläche der Öse.
3. ein breites einteiliges Loch vergrößert die Abstände zwischen jedem Stift und der Lochwand.

11 stellt den Aufbau einer bekannten Fotodiode dar. 11 entspricht 4, aus der Seitenansicht erläutert. Das Gehäuse (die Öse) (20) ist eine dicke Scheibe bestehend aus einer Eisenlegierung. Der Kathodenstift (21), der Anodenstift (23) und der Gehäusestift (22) stehen aus der Unterseite nach unten hervor. In der PD nach dem Stand der Technik sind der Kathodenstift (21) und der Anodenstift (23) in enge einzelne Löcher eingeführt und in den Löchern durch Füllen der Löcher mit Glas (25) zum Isolieren der, Stifte gegen das Gehäuse befestigt. Hier besitzen die isolierenden Teile eine Kapazität von εd/log(b/a) (= Ck = Ca) zwischen den Stiften und den Löchern. Hier bezeichnet "a" den Durchmesser jedes Stifts, "b" bezeichnet den Durchmesser jedes Loches, "d" ist die Länge jedes Loches und "ε" ist die Dielektrizitätskonstante des eingefüllten Glases. Da der Nenner log(b/a) klein ist, ist die Stiftkapazität nicht klein.
Ferner besitzt die herkömmliche PD den Unterträger (26) in der Mitte der Oberfläche des Gehäuses (20). Der Chip (27) ist auf dem Unterträger (26) befestigt. Da die Unterseite des PD-Chips in vielen Fällen eine Kathode ist, bringt der Unterträger eine zusätzliche Kathoden/Gehäuse-Kapazität (Unterträgerelementkapazität) von Cs = εS/t ein, wobei S die Fläche der Unterseite des Chips, t die Dicke des Unterträgers und e die Dielektrizitätskonstante des Unterträgers ist. Die Kapazitäten der PD-Vorrichtungen sind Cs + Ck = 0,22 pF für die Kathoden/Gehäuse-Kapazität und Ca = 0,65 pF für die Anoden/Gehäuse-Kapazität. Die Gesamtkapazität ist 1,6 pF, welche immer noch zu groß ist.
12 stellt den Aufbau der die vorliegende Erfindung verkörpernden PD dar. Ein Gehäuse (40) ist eine dicke Scheibe aus Eisen, wie die der Öse von Laserdioden für einen Compacct Disc-Spieler, wie vorstehen erwähnt. Es ist möglich, andere Arten von Gehäusen zur Nutzung mit PD-Vorrichtungen, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, zu verwenden. Ein breites Langloch (39) für Stifte ist in der Mitte der Eisenöse (40) g dem vorstehend beschriebenen Merkmal 3.entspricht. Ein Gehäu- sestift (43) ist direkt auf einem Punkt der Unterseite des Gehäuses (Öse) außerhalb des Loches (39) aufgesetzt.
Ein Anodenstift (44) und ein Kathodenstift (41) durchringen das Langloch (39) zusammen. Die zwei Stifte (44) und (42) sind Nicht durch ein metallisches Teil der Öse (40) getrennt. Die Stifte (44) und (42) werden durch ein isolierendes Material (41), d. h., Glas in dem Langloch (39) festgehalten.
Der Kathodenstift (42) ist ein L-förmiges Element mit einem langen Fuß, einer Biegeekke (45) und einem verbreiterten horizontalen Teil (46). Das horizontale Teil (46) ist paratlel zu der Oberfläche der Öse (40). Der Biegewinkel θ beträgt 90° für die Ecke (45). Das breite horizontale Teil (46) ist direkt mit einem Fotodiodenchip (47) ohne einen Unterträ- ger verbunden. Der Chip (47) sollte durch Ausrichten der Mitte des Chips auf die vertikale zentrale Linie des Gehäuses (40) positioniert werden, um die Lichtstrahleh durch eine Linse auf die Mitte des PD-Chips (47) zu konvergieren. Eine p-seitige Elektrode des Chips (47) ist mit einem Draht (48) mit dem Anodenstift (44) verbunden.
Dieser Aufbau ermöglicht es der Fotodiodenvorrichtung die Kapazitäten auf der Basis einiger Faktoren zu reduzieren. Die direkte Befestigung des Chips auf dem Stift eliminiert vollständig die Unterträgerkapazität Cs (Cs = 0). Des weiteren werden die Stift/Gehäuse-Kapazitäten ebenfalls reduziert, da das Verhältnis b/a wesentlich in den Kapazitäten εd/log(b/a) von Ck oder Ca aufgrund der Breitei des Stiftloches (39) erhöht wird. Der Abstand zwischen dem horizontalen Teil (46) und dem Glas (41) verringert die Kapazität zwischen dem horizontalen Teil (46) und dem Gehäuse.
Der L-förmige Stift selbst ist jedoch nicht neu. Ein derartiger L-förmiger Stift wurde für einige herkömmliche Gehause bereits verwendet. 13 und 14 zeigen ein von Shinkodehki Kogyo Corporation hergestelltes TO18 Gehäuse. Das Gehäuse ist eine von den Variationen des in 3 dargestellten TO18 Gehäuses. In 13 ist der Innenraum einer zylindrischen Kappe (59) mit Glas (69) zur Isolierung gefüllt (44) und um die Stifte an der Kappe (59) zu befestigen. Ein L-förmiger Kathodenstift (52) mit einem Biegepunkt (55) wird durch das Glas (69) befestigt. Die Unterseite des horizontalen Teils (56) steht in Kontakt mit dem Glas (69). Ein horizontaler Teil (56) ist auf gleicher Höhe mit der Oberseite des Gehäuses (59). Ein PD-Chip wird auf dem horizontalen Teil (56) zum Erzeugen einer Fotodiodenvorrichtung aufgesetzt. Da der Kathodenstift (52) elektrisch von dem Gehäuse getrennt ist, ermöglicht dieser Aufbau der PD den Unterträger zu eliminieren. Der Zweck, der Verwendung des L-förmigen Kathodenstiftes besteht le diglich in der Isolation des Kathodenstiftes von dem Gehäuse und in dem Einsparen der Kostendes Unterträgers. Das in 13 und 14 dargestellte Gehäuse hat nicht das Ziel einer Verringerung der Kapazität. Da das horizontale Teil (56) in derselben Höhe wie die Oberfläche des Gehäuses (53) vorliegt, ist die Gehäuse/Kathoden-Kapazität Ck groß. Das Isolierglas (51) mit einer hohen Dielelektrizitätskonstante erhöht die Gehäuse/Kathoden-Kapazität Ck noch mehr, da das Glas mit der Unterseite des horizontalen Teils (56) in Kontakt steht. Wenn das TO18 Gehäuse von 13 und 44 dieselben Abmessungen wie das TO18 Gehäuse von 2 hat, welches eine Dicke von 0,21 mm, einen Scheibenteil von 4,2 mm Durchmesser und einen Flansch von 5,4 mm Durchmesser hat, besitzt das Gehäuse Kapazitäten von:
Gehäuse/Anoden-Kapazität Ca = 0,42 pF bis 0,47 pF, und
Gehäuse/Kathoden-Kapazität Ck = 0,55 pF bis 060 pF.
Dieses Beispiel besitzt keinen Unterträger, da der Kathodenstift in den L-förmigen Stift, umgewandelt wird. Die erzielte Kapazitätsverringerung durch die Eliminierung des Unterträgers ist 0,27 pF. Jedoch wird die Gehäuse/Kathoden-Kapazität um etwa 0,2 pF aufgrund des Kontaktes des horizontalen Teils mit dem Glas mit einem hohen ε vergrößert. Die durch den Kontakt erzeugte Zunahme der Kapazität hebt die Verringerung der Kapazität auf, die sich aus der Elimination des Unterträgers ergibt. Die Gesamtsumme der Kapazitäten beträgt 1 pF bis 1,1 pF in dem Gehäuse von 13 und 14. Diese ist immer noch zu groß.
Beispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die verschiedenen Fig. der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1(a) eine Draufsicht auf ein herkömmliches TO46 Gehäuse ist, welches üblicherweise zum Montieren eines Fotodiodenchips verwendet wird.
1(b) eine Schnittansicht desselben in 1(a) dargestellten TO46 Gehäuses ist.
2(a) eine Draufsicht auf ein herkömmliches TO18 Gehäuse ist, welches üblicherweise zum Montieren eines Fotodiodenchips verwendet wird.
2(b) eine Schnittansicht desselben in 1(a) dargestellten TO18 Gehäuses ist.
3 eine perspektivische Ansicht eines CD-Gehäuses nach dem Stand der Technik ist, das einen CD-Laser enthält.
4 eine Schnittansicht einer Fotodiode ist, welche einen PD-Chip und ein dickes Gehäuse aufweist, welches von dem CD-Lasergehäuse nach dem Stand der Technik abgeleitet ist.
5 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Fotodiodenmoduls nach dem Stand der Technik ist.
6 eine Widerstandslast-Schaltung für die Verstärkung von Signalen einer Fotodiode ist, welche für die Behandlung digitaler Signale geeignet ist.
7 eine Transimpedanz-Schaltung zum Verstärken von Signalen einer Fotodiode ist, welche für die Behandlung von digitalen Signalen günstig ist.
8 eine Transformatorlast-Schaltung zum verstärken von Signalen einer Fotodiode ist, welche für analoge Signale zu bevorzugen ist.
9 ein Graph einer Signalausgangsleistung als eine Funktion der Signalfrequenz ist, welcher das Antwortverhalten einer herkömmlichen Fotodiode darstellt, die mit der Transformatorlast-Schaltung von 8 verbunden ist.
10 eine Ersatzschaltung eines PD-Moduls ist, das eine Kathoden/Gehäuse-Kapazität Ck, eine Unterträgerkapazität Cs und eine Anoden/Gehäuse-Kapazität Ca aufweist.
11(a) eine Schnittansicht einer Fotodiodenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist, welche einen PD-Chip, eine Kappe und eine aus denn Gehäuse eines CD-Lasers abgeleitete dicke metallische Öse enthält.
11(b) eine Draufsicht auf dieselbe in 11(a) dargestellte Fotodiode ohne die Kappe ist..
12(a) eine Schnittansicht einer Fotodiodenvorrichtung als einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
12(b) eine Draufsicht auf dieselbe Fotodiode der Ausführungsform ohne die Kappe ist.
13 eine Draufsicht auf ein Gehäuse nach dem Stand der Technik für eine Fotodiode mit einem L-förmigen Stift mit einem honzontalen Teil ist.
14 eine Schnittansicht desselben wie das in 13 dargestellte Gehäuses ist.
15 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Fotodiodenchips mit einer InGaAs-Lichtempfangsschicht ist.
16 ein Graph ist, welcher die Empfindlichkeitsabhängigkeit von der Wellenlänge der in 15 dargestellten Fotodiode darstellt.
17 eine Schnittansicht eines verbesserten Fotodiodenchips mit einem zusätzlichen p-Bereich ist, der mit Zinkatomen am Umfang zur Verringerung. der Antwortverzögerung diffundiert ist; welche durch die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 4–111477, eingereicht von demselben Anmelder, offenbart wurde.
18 ein Graph des Antwortverhaltens des von 4 dargestellten PD-Moduls nach dem Stand der Technik und des durch 12 an gegebenen Ausführungsform-PD-Moduls ist, welche in die Transformator-Lastschaltung von 8 eingebaut sind.
Eine in 12 dargestellte, die vorliegende Erfindung verkörpernde Fotodiode weist Kapazitäten Ck = 0,26 pF, Ca = 0,24 pF und Cs = 0 für das Gehäuse mit denselben Abmessungen wie das in 11 dargestellte Gehäuse auf. Die Summe beträgt in dieser Ausführungsform nur 0,5, pF. Es ist etwa die Hälfte von der PD von 13 und 14 mit denselben Abmessungen. Natürlich hängen die Kapazitäten von den Abmessungen einer Öse und den Stiften und den Materialien des Glases ab.
Die Ausführungsform weist eine Öse (Gehäuse) bestehend aus "Covar" auf. Covar ist eine Fe-Ni-Co-Legierung, mit 29 Prozent Ni (Nickel) 17 Prozent Co (Kobalt) und dem Rest aus Fe (Eisen). Die Öse weist einen Durchmesser von 5,6 mm und eine Dicke von 1,2 mm auf. Der Abstand zwischen benachbarten Stiften ist 2,0 mm. Jeder Stift besitzt einen Durchmesser von 0,30 mm.
Das Versiegelungsglas ist Govar-Glas, beispielsweise BHB-Glas von Nihondenkigarasu Corporation. Die Dielektrizitätskonstante des BHB-Glases ist ε = 6,0 bis 6,5. Die Dicke des Glases ist 1,0 mm. Das Stiftloch ist ein Langloch von 3,5 mm Länge und 1,5 mm Breite. Die Kurvenradien an beiden Enden sind 0,75 mm. Das horizontale Teil des Kathodenstiftes besitzt eine Breite 0,35 mm. Die Projektionshöhe des horizontalen Teils ist 0,35 mm von der Ösenoberfläche aus.
Diese Dimensionen geben dem Gehäuse der Ausführungsform die oben beschriebenen Kapazitäten (Ck = 0,26 pF, Ca = 0,24 pF, Cs = 0).
Jedes erläuterte Gehäuse nach dem Stand der Technik besitzt eine kapazität von wenigstens 1 pF. Das Gehäuse der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine Kapazität von weniger als der Hälfte der Gehäuse nach dem Stand der Technik. Die Halbleitervorrichtungert der vorliegenden Ausführungsform erreichen eine erbesserung des Frequenzbereiches durch Reduzierung der Kapazitäten. Die Anwendung der Ausführungs- formen der vorliegenden Erfindung in Fotomodulen wird nun erläutert.
[Anwendung in einem PD-Modul]
Das die Erfindung verkörpernde Gehäuse mit niedriger Kapazität ist für ein Fotodiodenmodul nützlich, welches eine Empfindlichkeit in dem Wellenlängenbereich zwischen 1,3 μm und 1,55 μm besitzt, welche nützlich für eine Lichtleiterfaser-CATV ist. Der Fotodiodenchip besitzt eine InGaAs-Schicht als Lichtempfangsschicht. Dieses PD-Modul ist ähnlich dem herkömmlichen PD-Modul von 5 mit Ausnahme des Gehäuseaufbaus. Ohne einen Unterträger trägt das Gehäuse einen PD-Chip auf dem horizontalen Teil des L-förmigen Kathodenstiftes: Eine Fotodiode mit einer Lichtempfangsschicht aus InGaAs ist in der Empfindlichkeit für nahes Infrarotlicht überlegen. Die InGaAs-Fotodioden reagieren auf das eingegebene Infrarotlicht mit einer hohen Geschwindigkeit ohne Verzerrung von Signalen, indem die PD mit einer Spannung von 5 Volt bis 15 Volt in Rückwärtsrichtung vorgespannt wird. Die Hochgeschwindigkeitsantwort wird ferner durch den Zusammenbau des PD-Chips mit einem die vorliegende Erfindung verkörpernden Ge- häuse mit niedriger Kapazität verbessert.
15 ist eine Schnittansicht des InGaAs-Fotodioden-Chips, welcher in dem Gehäuse eingebaut ist. Die PD-Chips werden auf einem n-InP-Wafer (81) als Ausgangsmaterial hergestellt. Eine n-InP-Pufferschicht (82), eine n-InGaAs-Lichtempfangs-(Absorptions)-Schicht (83) und eine n-InP-Fensterschicht (84) werden epitaxial auf dem n-InP-Wafer (81) durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren abgeschieden. Der Wafer mit dem Schichtenaufbau n-InP(Fenster)/n-InGaAs(Absorption)/n-InP(Puffer)/n-InP(Substrat) wird als ein Epitaxialwafer bezeichnet. Die PD-Chips werden auf dem epitaxialen Wafer durch die Prozesse der Abdeckung der Außenbereiche von den Teilen, welche einzelne Chips bilden, mit einer Maske, Diffundieren von Zink (Zn)-Atomen von den oberen Öffnungen der Maske aus in die n-InGaAs-Schicht (83), durch Erzeugen von p-Bereichen (85), welche die Mitte der InGaAs-Empfangsschicht (83) erreichen, Erzeugen ringförmiger pElektroden (86) auf den p-Bereichen (85) und Abdecken der Außenbereiche außerhalb der p-Elektroden mit Passivierungsfilmen (88) zum Schützen der Enden pn-Übergänge hergestellt.
Eine n-Elektrode (90) wird auf der gesamten Unterseite des n-InP-Substrates (81) ausgebildet. Die obere ringförmige p-Elektrode (86) ist eine Anode und die untere gesamte n-Elektrode (90) ist eine Kathode. In einer Detektionsvorrichtung wird die n-Elektrode (90) positiv vorgespannt und die p-Elektrode (86) wird negativ vorgespannt. Der pn-Übergang ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Lichtstrahlen (89) treffen auf den PD-Chip durch eine von der ringförmigen p-Elektrode (86) umschlossene Öffnung, auf. Die Öffnung ist mit einem Antireflektionsfilm (87) abgedeckt. Die Lichtstrahlen erzeugen Paare von Elektronen und Löchern in der Nähe des pn-Übergangs. Die Elektronen und die Löcher werden zu den Elektroden (90) und (86) durch die Rückwärtsvocspannung gezogen. Der Fluß der Elektronen und Löcher wird als ein Fotostrom bezeichnet. Der Fotostrom wird durch die nachfolgenden Schaltungen, beispielsweise der von 6 bis 8 in eine Spannung umgewandelt.
16 stellt die Beziehung zwischen der Wellenlänge (μm) und der Empfindlichkeit (A/W) der PD von 15 dar. Die Abszisse bezeichnet die Wellenlänge λ des einfallenden Lichts. Die Ordinate ist die Empfindlichkeit (A/W). Die Empfindlichkeitskurve be- ginnt an einem Punkt P (λ = 0,95 μm) zu steigen und beginnt an einem Punkt R (λ 1,64 μm) zu fallen. Die Fotodiode besitzt einen breiten Empfindlichkeitsbereich (Q) von 1,0 μm bis 1,6 μm. In einer Fotodiode bildet ein pn-Übergang eine elektrostatische Kapazität. Der Durchmesser des Licht empfangenden Bereiches bestimmt die Breite des pn-Übergangs. Je breiter der Licht empfangende Bereich ist desto stärker nimmt die . Empfindlichkeitzu. Ein breiter pn-Übergang bringt jedoch eine große Kapazität und eine Verzögerung der Antwort der Fotodiode mit sich. Eine Antwort mit hoher Geschwindigkeit kann durch einen kleinen Lichtempfangsbereich und einen schmalen pn-Übergang realisiert werden. Zusätzlich hängt die elektrostatische Kapazität auch von der Rückwärtsvorspannung über die Dicke einer Verarmungsschicht ab, welche proportinnal zu der Quadratwurzel der Rückwärtsspannung ist.
Lichtleiterfaser-CATV-Systeme verwenden im allgemeinen Fotodioden mit einem kleinen Lichtempfangsbereich mit einem Durchmesser von 80 μm bis 100 μm zum Erzielen einer Antwort mit hoher Geschwindigkeit. Beispielsweise zeigt eine Fotodiode mit einem Lichtempfangsbereich von 80 μm Durchmesser 0,34 pF elektrostatische Kapazität (Kapazität des pn-Übergangs) bei einer Rückwärtsvorspannung von 15 Volt. Die Kapazität des Chips selbst ist sehr klein. Das Gehäuse der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere für einen derartigen Fotodiodenchip mit einer inhärent kleinen Kapazität geeignet, um so eine Antwort mit sehr hoher Geschwindigkeit zu realisieren.
17 stellt einen verbesserten Fotodiodenchip mit einer Ausgangskonfiguration ährilieh der von der in 15 dargestellten herkömmlichen Fotodiode dar. Die verbesserte PD von 17 weist einen anderen Zn-Diffusionsbereich (95) an ihrem Umfang auf. Der äußere p-Bereich (95) und der zentrale p-Bereich (85) werden durch Diffundieren von Zn-Atomen zur gleichen Zeit erzeugt. Es liegen zwei pn-Übergänge vor. Der periphere pn-Übergang dient zur weiteren Verkürzung der Reaktionszeit. Wenn Streulicht auf den Außenumfang des Chips auftrifft, würden zusätzliche Paare von Elektronen und Löchern in dem Aufßehumtang erzeugt und ein zusätzlicher Strom würde durch die Elektronen und Löcher induziert. Aufgrund der schwächeren Vorspannung sind jedoch die Geschwindigkeiten der in dem Umfangsbereich entstandenen Löcher und Elektronen niedriger als die Geschwindigkeiten der in dem zentralen Teil erzeugten Löcher und Elektronen. Somit würde der zusätzliche Strom eine Verzögerung der Reaktion induzieren. In der verbesserten Fotodiode von 17 verhindert der periphere Zn-Diffusionsbereich (95), dass die durch das Streulicht erzeugten Elektronen und Löcher ihre Wege zu den Elektroden über die doppelten pn-Übergangsbarrieren nehmen. Die zusätzlichen Ladungsträger verschwinden in der Mitte durch Rekombination. Die Fotodiode von 17 wurde durch die Japanische Patentanmeldung Nr. 2–230206(230309/'90) (Japanische Patentoffenlegung Nr. 4–111477 (111477/'92) desselben Anmelders wie der der vorliegenden Erfindung offenbart.
Eine PD-Vorrichtung wurde durch Montieren des PD-Chips von 17 in einem Gehäuse mit einem Durchmesser von 80 μm gemäß Darstellung in 12 hergestellt. Die PD-Vorrichtung wurde in die Detektionsschaltung von 8 eingebaut. Das Windungsverhältnis des Transformators ist N:1 = 2 : 1. Die Impedanz des Verstärkers ist 75 Ohm. Somit ist die Impedanz der PD 300 Ohm (75 * 2²). Der Transformator kann die Impedanz der PD an die Impedanz des Verstärkers auf Kosten der Amplitude anpassen.
Das Antwortverhalten der Fotodiodenvorrichtung wurde unter der Bedingung einer Rückwärtsvorspannung von 15 Volt gemessen. 18 stellt die Antwort der PD der Ausführungsform dar. Die Abszisse ist die Frequenz des Signale (MHz). Die Ordinate ist das Ausgangssignal des Verstärkers (AMD). Das Ausgangssignal ist durch Division der Ausgangsleistung durch die Leistung bei 100 MHz normiert. Der praktische Frequenzbereich ist als ein Bereich definiert, welcher eine Ausgangsleistung innerhalb ±1 dB von dem Standard (0 dB) ergibt. Die maximale Frequenz, welche die Ausgangsleistung von 1 dB ergibt ist, in der Ausführungsform 900 MHz. Zum Zwecke des Vergleichs wurde eine ähnliche Schaltung von 8 mit der herkömmlichen Fotodioden-Vorrichtung von 11 als ein Vergleichsbeispiel aufgebaut. Die Antwort des Vergleichsbeispiels, gemessen unter derselben Bedingung, ist in 18 dargestellt. Die maximale Frequenz für den praktischen Einsatz beträgt nur 600 MHz. Somit führt diese Ausführungsform zu einer Verbesserung des effektiven Frequenzbereichs von 600 MHz auf 900 MHz. Die Verbesserung der Antwort ergibt sich aus der Reduzierung der Kapazitäten zwischen dem Gehäuse und den Stiften.
Das Fotodiodenmodul der vorliegenden Austührungsform wurde in einem Lichtleiterfaser-CATV-System mit 100 Kanälen eingesetzt, um die Effektivität der PD-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung als eine analoge PD-Vorrichtung zu ermitteln. Das Verhalten als ein PD-Modul wird durch eine Verzerrung zweiter Ordnung, Empfindlichkeit usw. ermittelt. Das Verhalten des PD-Moduls der vorliegenden Ausführungsform bis zu 400 Kanälen ist nahezu gleich zu dem Verhalten des bekannten PD-Moduls von 5 bis zu 40 Kanälen. Diese Ausführungsform kann die Anzahl der Kanäle von 40 auf 100 aufgrund der Verbesserung der Antwortgeschwindigkeiten steigern. Die vorstehenden Beispiele zeigen die Verbesserung der PD-Module als analoge PD-Vorrichtungen insbesondere für die Schaltung von 8.
[Anwendung auf digitale Signalübertragung]
Zusätzlich zu den analogen Vorrichtungen kann die Erfindung auf digitale PD-Vorrichtungen bevorzugt für die Schaltungen von 7 und 6 angewendet werden. Die, die vorliegende Erfindung verkörpernden Vorrichtungen sind als Empfangsmodule für digitale optische Hochgeschwindigkeitsnetzwerke mit mehreren Gigabit/Sekunde bis mehrere 10 Gigabit/Sekunde geeignet.
(Anwendung auf ein Gehäuse für eine Laserdiode]
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen zur Verbesserung des Antwortverhaltens einer Fotodiode, durch die Bereitstellung eines Gehäuses mit niedriger Kapazität. Der Schutzumfang der Anmeldung ist jedoch nicht auf Gehäuse von Fotodetektionsvorrichtungen beschränkt. Diese Erfindung ist auch für ein Gehäuse einer Laser- diode vorteilhaft. Da die Kapazität klein ist, kann das Gehäuse zum Erzeugen eines Lasers mit einer Antwort mit hoher Geschwindigkeit beitragen. Ein derartiger Laser ist als Lichtquelle eines analogen Signalübertragungssystems, beispielsweise für Lichtleiterfaser-CATV's oder digitale Signalübertragung von optischen Netzwerksystemen geeignet. Diese Erfindung kann jedoch nicht auf gewöhnliche Laserdioden zutreffen, welche Licht aus den Seitenenden in der horizontalen Richtung parallel zu der Chipoberfläche austreten lassen. Der, übliche Laser wird als ein "End-emittierender Laser" bezeichnet.
Ein Laser, welcher Licht in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche emittiert wurde vor kurzem vorgeschlagen. Der Laser wird als ein "Oberflächen-emittierender Laser" bezeichnet. Oberflächen-emittierende Laser wurden bisher noch nicht praxisüblich, da sie in ihrer Ausgangsleistung noch zu klein sind. Wenn ein solcher Oberflächenemittierender Laser eines Tages hergestellt wird, stellen die Ausführungsformen dieser Erfindung gute Gehäuse für diesen bereit. Die Laserdiode wird auf dem horizontalen Teil des L-förmigen Stiftes montiert.
Der Oberflächen-emittierende Laser besitzt ein Substrat, eine Mehrfachschicht aus mehreren Halbleitern, die auf dem Substrat abgeschieden sind, eine Unterseitenelektrode auf dem Substrat und eine ringförmige obere Elektrode, die auf den mehreren Schichten ausgebildet ist. Die Injektion eines Stromes durch die Elektroden erzeugt Licht in der Halbleitermultischicht. Das in der vertikalen Richtung sich ausbreitende Licht induziert eine weitere Emission in dem Medium. Die Unterseitenelektrode und die Multischicht bilden einen Resonator durch reziproke Reflektion des Lichtes in der vertikalen Richtung. In der reziproken Ausbreitung verstärkt sich das Licht selbst durch Absorption der durch den Injektionsstrom gelieferten elektrischen Leistung. Der Laser gibt einen Teil des Lichtes in der senkrechten Richtung durch die obere ringförmige Elektrode wie eine LED aus. Der Resonator ist jedoch nun zu kurz, um eine ausreichende Verstärkung für die Laseroszillation zu erzielen. Somit hat bisher noch kein Oberflächen-emittierender Laser eine Laseroszillation erreicht. Aktuelle Forschungen bei den Oberflächen- emittierenden Lasern werden beispielsweise von Kenichi Iga, "Surface Emitting Lasers", Optoelectronics-Device and Technologies, vol. 9, No. 2,p 167–176 (1994) untersucht.
Der Oberflächen-emittierende Laser besitzt eine breite Elekrode auf der Unterseite und eine ringförmige Elektrode auf der Oberseite. Der Laser kann auf dem Gehäuse mit geringer Kapazität der vorliegenden Erfindung durch Verbinden der Unterseite des Lasers mit dem horizontalen Teil des L-förmig gebogenen Stiftes verbunden werden. Dieser Aufbau verringert die Kapazität zwischen dem Chip und dem Gehäuse. Der pn-Übergang ist jedoch in einem Laser kein Kondensator, da der pn-Übergang nicht in Rückwärfsrichtung vorgespannt wird. Der Strom fließt vorwärts über den pn-Übergang in den Laser. Somit ist der Eingangswiderstand sehr niedrig. Die Zeitkonstante CR ist wegen des niedrigen Widerstandes inhärent sehr niedrig. Obwohl die Chip/Gehäuse- Kapazität klein ist, ist die Stift/Gehäuse-Kapazität in den üblichen Gehäusen immer noch groß. Die Verwendung von die vorliegende Erfindung verkörpernden Gehäusen verbesserf die maximale Modulationsfrequenz des Oberflächen-emittierenden Lasers.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Gehäuse mit einer niedrigen elektrostatischen Kapazität bereit. Das Gehäuse mit der niedrigen Kapazität verleiht einer Fotodiode eine Antwort mit hoher Geschwindigkeit und verleiht einem Laser eine Modulation mit hoher Geschwindigkeit ohne Erhöhung der Kosten und ohne Verlust der Massenherstellung.

Claims

Gehäuse, das umfasst: eine Metall-Öse (40) mit einer Oberseite, einer Unterseite und einem Loch (39), durch das hindurch eine Vielzahl von Stiften angebracht werden kann; einen L-förmigen Zuleitungsstift (42); der einen Fußteil, einen Biegungsteil (45) und einen horizontalen Teil (46) aufweist und an dem Fußteil mit einem Isoliermaterial (41) in dem Loch (39) befestigt ist; und wenigstens einen weiteren Zuleitungsstift (44), wobei der horizontale Teil (46) von der Oberseite der Öse (40) beabstandet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der L-förmige Stift (42) und der weitere Zuleitungsstift (44) sich durch das Loch (39) hindurch erstrecken und beide mit dem Isoliermateri- al (41) in dem Loch (39) befestigt sind, wobei der horizontale Teil (46) von dem Isoliermaterial (41), das das Loch (39) füllt, beabstandet ist, so dass sich nur Isoliermaterial (41) unter dem horizontalen Teil (46) erstreckt.
Gehäuse nach Anspruch 1, das weiterhin einen weiteren Zuleitungsstift umfasst, der direkt an der Unterseite der Öse angebracht ist.
Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Loch (39) im Schnitt länglich ist.
Gehäuse nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Öse aus Covar, beispielsweise einer Legierung aus Fe-Ni-Cr, besteht, und das isolierende Material Covar-Glas ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4, wobei die Öse einen Durchmes- ser von ungefähr 5,6 mm und eine Dicke von ungefähr 1,2 mm hat, das isolierende Material eine Dicke von ungefähr 4 mm hat, das Loch, eine Länge von ungefähr 3,5 mm und runde Enden mit einem Radius von ungefähr 0,75 mm hat und die Zuleitungsstifte umungefähr 2,0 mm voneinander beabstandet sind.
Optoelektronische Vorrichtung, die umfasst: ein Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, das einen Optoelektronikvorrichtungs-Chip (47) aufweist, der direkt an dem horizontalen Teil (46) des L-förmigen Zuleitungsstiftes (42) befestigt ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die optoelektronische Vorrichtung (47), die an dem horizontalen Teil (46) angebrachtist, ein Fotodetektorvorrichtungs-Chip oder ein Lichtemissionsvorrichtungs-Chip ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die optoelektronische Vorrichtung (47) ein Fotodioden-Chip mit einer InGaAs-Lichtempfangsschichf ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, die ein Ende einer Lichtleitfaser die Licht in den Optoelektronikvorrichtungs-Chip (47) einleitet, sowie eine Kappe mit einer Linse enthält, wobei das Ende der Lichtleitfaser auf die Linse und den Chip (47) eingestellt ist, um das von der Faser emittierte Licht auf den Chip zu bündeln.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 9; wobei der Chip (47) ein InP-Substrat (81), eine InP-Pufferschicht (82), eine InGaAs-Lichtempfangsschicht (83) und eine InP-Fensterschicht (84) aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Chip (47) eine n-Elektrode (90) auf denn Substrat (81) als eine Kathode, einen diffundierten p-Bereich (85), der in dem Mittelteil ausgebildet ist und sich von der Fensterschicht (84) zu der Lichtempfangsschicht (83) ausbreitet, sowie eine ringförmige p-Elektrode (86), die auf dem mittleren p-Bereich (85) ausgebildet ist, als eine Anode aufweist, wobei die n-Elektrode (90) direkt auf den horizontalen Teil (46) des L-förmigen Stiftes (42) gebondet ist und die p-Elektrode durch einen Draht (48) mit dem weiteren Zuleitungsstift (44) verbunden ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Chip (47) einen zusätzlichen Zink-diffundierten p-Bereich (95) an seinem Rand aufweist, um zu ver-, hindern, dass zusätzliche Elektronen und Löcher, die am Rand entstehen, die Elekt- roden erreichen.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, die des Weiteren einen Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Transformator mit einer Primärspule und einer Sekundärspule enthält, wobei die Kathode mit einer Stromquelle verbunden ist, die Anode mit der Primärspule des Transformators verbunden ist und die Spannung, die an der Sekundärspule auftritt, von dem Verstärker verstärkt wird.
Dptoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, die des Weiteren einen Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Widerstand enthält, wobei die Kathode mit einer Stromquelle verbunden ist, die Anode mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist und der Ausgang des Verstärkers über den Widerstand mit dem, Eingang des Verstärkers verbunden ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, die des Weiteren einen Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen Widerstand enthält, wobei die Kathode mit einer Stromquelle verbinden ist, die Anode mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist und der Widerstand den Eingang des Verstärkers mit Erde verbindet.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Transformator eine Spule mit einem Windungsverhältnis von 2 : 1 hat und die optoelektronische Vorrichtung einen Frequenzbereich' von bis zu 900 MHz bei einer Ausgangsleistung innerhalb von ±1 dB von dem Standardausgang hat.