JPH02291089A - 光子駆動デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業−１一の利用分野］ この発明は光子駆動デバイスに関する。

［従来の技術］ 公知のデバイスの場合にはエネルギー及び信号の伝送が
電気的接触により行われる。誘導による伝送又は高周波
伝送も知られている。この種の公知のデバイスの欠点は
、伝送される情報が容易に盗み取られるおそれがあると
いうことである。

［発明が解決しようとする課題］ この発明の課題は、高い酎干渉性を有するデバイスを提
供することである。

［課題を解決するための千段］ この課題はこの発明に基づき、光エネルギ・一及び光信
号を受け入れ電気エネルギー及ひ電気信号へ変換するた
めの受光モノリシック半導体デバイスと、電気信号を光
信号へ変換し光信号を出力するための送光半導体デバイ
スとを備えることを特徴とする光子駆動デバイスにより
解決される。

この発明は、同時に光エネルギー及び光信けを電気エネ
ルギー及び電気信号へ変換でき、また逆に電気信号を光
信はへ変換でき、かつ集積形に同じ基板上で又は個別形
ないしハイブリン１・形に別の基板１−でオーム性結合
部を介して接続できる電了回路に関連して、外部に対し
エネルギー供給及び信号伝送のための端子を必要としな
い自給式ユニットを形成するような、望ましくはモノリ
シック参才プトエレク１・ロニク●デバイスに関する。

エネルギー供給及び信号伝送の責務はこの発明に基づく
デバイスの場合には、専らデバイスへ入る方向への及び
デバイスから出る方向への光ｆ流が引き受ける。

この発明に基づくデバイスの実現は、直列及び／又は並
列に接続されホトダイオードとして形成され光エネルギ
ー及び光信号を電気エネルギー及び電気信じへ変換する
ことができるダイオードのアレーと、発光ダイオードと
して電気信号を光信号へ変換するダイオードとの形で行
われるのが有利である。

受光半導体デバイスとしては、半導体材料により光エネ
ルギー及び／又は光信号を電気エネルギー及び／又は電
気信号へ変換することができるあらゆる装置が対象とな
る。従って受光半導体デバイスは望ましくは光エネルギ
ーを電気エネルギーへ変換する部分と、望ましくは光信
１｝を電気信号へ変換する部分とを備えることができる
。

送光半導体デバイスとしては、半導体利料により電気信
号を光信号へ変換し光信号をデバイスから送り出すこと
ができるあらゆる装置が対象となる。

受光半導体デバイスとしてはトランジスタ及び／又はザ
イリスタを備える装置も考慮される。

電気回路としては、デバイス」二に入射され電気信号へ
変換された信号をなんらかの形で処理することができ、
この処理の結果として電気回路から送り出される電気信
号を光信号へ変換しかつこの光信号をデバイスから外に
向かって送り出すために、この電気信号を送光半導体デ
バイスに供給することができるあらゆる装置が対象とな
る。

電気回路としては集積回路を用いることができる。例え
ば電気回路により、自給式デバイスへ入力され所定の方
法で符号化された信号を処理することができる。この目
的のために集積電気回路を用いることができる。

しかしながら電気信号は単にパルス形成装置だけにより
処理することもできる。極端な場合には、自給式デバイ
スへ光信号を供給した後に，自給式デバイスから送り出
すべき光信号が送り出されるまで、完全に定められた時
間遅延が発生すれば既に十分である。この種の信号処理
は或る種の遅延装置により行うことができる。

この発明に基づく自給式デバイスは静帯電、電磁界、電
気的接触又は誘導的制御の際の電磁放射の測定による望
ましくない応答指令及び摩耗（電気的接点が無いので）
に対する耐干渉性を有する。

この発明に基づく自給式デバイスは電子キーキャッシュ
カード、テレホンカード及び証明書のために、またレジ
での読み出しを経て番号又は価格により商品を表示する
ために有利に用いられる。この発明に基づく自給式デバ
イスは人物、物品、資格又は価格を同定する装置のため
に用いられる。

自給式デバイスへ光により入力されるエネルギーが多い
ほど、電気回路の駆動のために一層多くの電気エネルギ
ーを利用することができる。電気回路が必要とする電気
エネルギーが少ないほど、自給式デバイスへ一層少ない
光エネルギーを入力すればよい。自給式デバイスへ光線
を供給することは単一の光源により又は少なくとも二つ
の光源により行うことができる。例えば第１の光源ｌ　
２ により光エネルギーを入射し、また第２の光源により光
信号を自給式デバイスへ入力することができる。受光半
導体デバイス及び送光半導体デバイスのための半導体材
料としては、望ましくは化合物半導体が考慮の対象とな
る。従って半導体材料としては、例えばＧａＰ．ＧａＡ
ｓ．ＩｎＰのような■一ｖ族半導体及びＩＩ　一■族半
導体、及びこれらの半導体により形成できる三成分又は
西成分の半導体系が考慮の対象となる。

［実施例］ 次にこの発明に基づく光子駆動デバイスの複数の実施例
を示す図面により、この発明を詳細に説明する。

第１図はこの発明の原理を示す。光子駆動デバイスは、
光エネルギー及び光信号を受け入れ電気エネルギー及び
電気信号へ変換する受光半導体デバイス１を備え、また
電気信号を光信号へ変換し光信号を送り出す送光半導体
デバイス２を備える。両デバイス１、２を備えたこの種
の光子駆動デバイスはそれ目体単独で製造かつ販売する
ことができ、また電気回路３に電気的に結合可能である
。

少なくとも一つの光源４が光線５を放射し、この光線を
装置５０により集束又は拡散することができる。光線５
は光エネルギーばかりでなく光信号をも含む。最も簡単
な場合には光源４としての単一の半導体レーザを使用す
る場合に、光エネルギーを光信号により変調することが
できる。更に光線に対し二つの光源を用いる場合には、
一つの光源は光エネルギーをもう一つの光源は光信号を
出力するのが望ましい。

受光半導体デバイス１はホトダイオードのアレーから成
ることができる。受光半導体デバイス１は光線５を電気
エネルギー及び電気信号へ変換する。この電気エネルギ
ー及び電気信号は受光半導体デバイス１の電極１０、１
ｌで取り出すことができる。この電気エネルギーにより
電気回路３が駆動される。電極１０、１ｌで入力される
この電気信号は電気回路３により処理される。この処理
の結果として電気回路３から電気信号が送光半導体デバ
イス２の電極１１、１２に供給される。

送光半導体デバイス２は電極１１、１２に供給されたこ
の信号を光信号へ変換し、そしてこの光信号７を光検出
器８に供給する。送光半導体デバイス２と光検出器８と
の間には光学フィルタ９を設けることができる。この光
学フィルタ９は光の干渉を防止することができる。しか
しながらこの光学フィルタ９は、光線７が所定のスペク
トルを有するときだけ光信号７が有効な信号として光検
出器８へ到達するように作用することもできる。

光線５が完全に定められたスペクトルを有し、かつ光線
７が完全に定められたスペクトルを有するときだけ光信
号７が光検出器８に到達できるときには、極端な場合に
は電気回路３を全く省略することができる。しかしなが
らそのときは完全に定められたスペクｌ・ルを有する所
定の光線５を入力する場合にだけ完全に定められたスペ
クトルを有する光信号７が出力されるように、光子駆動
デバイスを調整しなければならない。

送光半導体デバイス２には電気エネルギーを受１５ 光半導体デバイス１から供給することができる。

しかしこのことは、光線７を送り出す場合に電気回路３
のために電気エネルギーが少量しか利用できず、そして
この場合に対しては電気回路３又はデバイス装置１を特
別に構成することにより、例えば電荷蓄積装置を使用す
ることにより給電を行わなければならないという結果を
もたらす。このことは送光半導体デバイス２にも光源４
からの光線６を供給するときに回避することができる。

それにより送光半導体デバイス２の中に光電的キャリャ
が発生し、このキャリャを直接光線７の発生に利用する
ことができる。例えば送光゛ト導体デバイス２の発光ダ
イオードを無負荷で作動させると、発光ダイオードの中
に光電的に発生したキャリャは流れ去るおそれがなく、
発光ダイオードの体積の中に光電的に発生した電子・市
孔対が大部分発光しながら再結合する。例えば他方では
発光ダイオードを短絡して運転ずると、発光ダイオード
の中に光電的に発生した電子・正孔対が内部電界により
大部分分離されて流れ去るので、電子・正孔対の僅かな
部分しか再結合できない。それで例えば無負荷運転の発
光タイオードの連転状態をこの発光ダイオードの短絡運
転に交互に切り換えることにより、放射される光線７の
変調が可能である。しかし一般的に云えば成端インピー
ダンスの単なる変更によっても放射される光線７を変調
することができる。その際放射される光線７の量は送光
半導体デバイス２の発光ダイオードの中に光電的に発生
するキャリャの量に、従って発光ダイオードの体積の中
に吸収される光線６の品二に関係する。

送光半導体デバイス２の適当な構成により、この送光半
導体デバイス２の運転状態のこの種の変調は、無負荷運
転と短絡運転との間ばかりでなく短絡と無負荷との間の
範囲内の異なる運転状態の間でも行うことができる。こ
うして送光半導体デバイス２から送り出される光線７の
強度を変調することができる。光線７の強度のこの変調
は電気回路３により行われる。

光学フィルタ９が定められた強度以−Ｉ一の光Ｖｊ．７
を透過するときに初めて、光線７の有効性の解析のため
の補助的な簡単な判別を達成することができる。

第２図及び第３図は、自給式光子駆動デバイス内部の接
触の異なる可能性を示す。

第２図では、光子駆動デバイスを電気回路３に電気的に
結合するために四つの端子ｌＯ、１２、１３、１４が用
いられる。その際受光半導体デバイスｌは両電極１０、
１３を有し、送光半導体デバイス２は両電極１２、１４
を有する。

第３図では、受光半導体デバイス１と送光半導体デバイ
ス２とが直列に接続されているので、受光半導体デバイ
スｌの受光素子アレーと送光半導体デバイス２の発光ダ
イオードとのアノードが直接相互に電気的に結合されて
いる。受光半導体デバイス１と送光才導体デバイス２と
の両アノードの間からは電極１ｌが引き出されている。

それにより第３図に示す光子駆動デバイスの場合には、
電気回路３に対して三つの電極１０、１１、ｌ２を利用
できる。

第４図ないし第１０図は、光子駆動デバイスの複数の実
施例を示す。

第４図では、半絶縁性のガリウムヒ素基板１５」二にｐ
ｍ範囲の層厚特に１〜１０μｍの層厚を有するｎ導電形
の層１６が被覆され、この層は分離エッチング２３又は
ｐ形絶縁拡散部２４により個々の領域に分割されている
。個々の領域１８〜２１は伺加された平らな第２のｐ形
拡散層によりホトダイオードとなるように作られる。金
属製の又はその他の（例えば高ドーピング多結晶シリコ
ンから成る）導体枠２６と、光学的短絡を防止するため
に入射光線５に対する絶縁拡散部２４の光学的シールド
２２とにより、これらのホトダイオードを直列接続する
ことにより受光半導体デバイス１の受光素子アレーが得
られ、このアレーは面積とホトダイオード素子の数とに
関係しかつ光源としての光線５の放射強度の量とに関係
して所定の出力をもたらす。領域１７を備えたアレーの
一つのダイオードは二つの端子１１、１２により送光半
導体デバイス２の発光ダイオードとして構成され、その
際アレーのアノードは発光ダイオードのアノードと共に
共通の電極１１を有するか、又はアレーのカソード及び
発光ダイオードのカソードが共通の電極１ｌを有する。

バルク抵抗を低減するために基板１５とｎ層１６との間
には、第５図に示すように１０１７０　ｍ−”を超える
ドーピングを有するｎ゛層３０を被覆することができる
。バルク抵抗の低減はタイ才一ドのＰ側上の補助的な金
属化層３２（第４図）によっても行うことができる。

基板１５からの反射を向上しそしてそれにより光子駆動
デバイスの効率を向−トするために、及び／又は層１６
の厚さを低減するために、補助的に直接基板１５上にｎ
層１６の下に又はｎ・層３０の下に入／４の層から成る
誘電体の鏡３１（第６図）を被覆することができる。こ
の種の入／４層はＧａＡｓ／ＧａＡＩＡｓ又はＧａＡｓ
／ＡＩＡｓから成る交互の層とすることができる。反射
装置例えば金属の鏡又は誘電体の鏡を透明な基板の下に
も設けることができる。

層１６は１　０１６　〜１　０１８ｃｍ−３のドーピン
グを有するエビタキシャル層とすることができる。基板
１５としてｐ形にドーピングされたＧａＡｓ基板を用い
ることができる。第８図に示すように個々のダイオード
１、２の分割を基板１５にまで達するエッチング溝２９
により行うことができる。

第４図では、層１６を種々の領域１７〜２ｌに分割する
ことが絶縁拡散部２４により行われている。ここでは光
の短絡を防止するために、絶縁拡散部２４の上方の領域
がシールド２２により光学的に遮蔽されるのが有利であ
る。シールド２２は望ましくはシリコン又はゲルマニウ
ムから成る高抵抗の半導体材料から成るのが有利である
。

光学的効率を向上するために受光半導体デバイス１の感
光面上及び送光デバイス２の送光面上には、λ／４の層
厚を有しＡｌ２０３又はＳｉ３Ｎａから成ることができ
るコーティング層２７が被覆されている。

層１６のｎ領域での接触を改善するためにこのｎ領域上
には金・ゲルマニウム共晶２５が設けられている。ｐ領
域の接触のためにはアルミニウムから成る金属化部２６
で十分である。

表面再結合を低減するために受光デバイス１の感光面上
及び送光デバイス２の送光面上には、０．１ｋｍ未満の
層厚を有しＧ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　Ｓから成る層３４を被
覆することができる。

ウェーハ上に複数の光子駆動デバイスを同時に加工する
ことができる。この種のウェーハの分割は「ケーキ片の
形」又は直線形で行うことができる。ケーキ片形の分割
の場合には光子駆動デバイスは扇形を有する。この種の
ケーキ片形分割の場合には、分割された光子駆動デバイ
スの縁で絶縁拡散部２４に由来するｐ領域をエッチング
により除去しなければならない。

第７図は、ウェーハを切断部２８により直線形の光子駆
動デバイスに分割し、続いて損傷郡のエッチング除去を
行った状態を示す。

用途に応じてウェーハの分割により得られる光子駆動デ
バイスのどちらかの形状が有利となる。

ホトダイオードの空間的に不均一な照明を補整するため
に、くし形構造も考えられる。

直線形は光線５が装置５０（第１図）により線状に集束
できるときに有利である。これは第９図に示されている
。第９図は、立体的に細長い直線状の光子駆動デバイス
３３と、デバイス３３上に当たる細長く集束された光線
３４’　　とを示す。その際放射パワーの特に高い利用
が達成される。デバイス３３の横方向における光１ｉ３
４１　のずれは大きい公差を有する。長手力向において
光線３４’　がデバイス３３を越えて飛び出している場
所にだけ損失が生じる。この光の損失は最小限に保つこ
とができる。デバイス３３の幅にわたって光学装置の比
較的良好な形状横力向公差を得ることができる。長手力
向公差はデバイス３３及び／又は光線３４１　の長さに
わたって最小限にすることができる。

結像要素としての装置５０には、円筒レンズ又は球レン
ズ又は円筒レンズ及び球レンズから成る組み合わせを光
源４の直前に用いることができる。それにより光線５を
１〜２ｍｍの長さと数ＩＬｍないし数百ｇｍの幅とを有
する帯に形成することができる。

第ｌθ図は，受光半導体デバイス１が部分４ｌと部分４
２とを有する光子駆動デバイスを示す。

その際部分４１（アレー）は光エネルギーを電気エエネ
ルギーへ変換するために用いられるのが有利である。こ
れに対し部分４２（ホトダイオード）は光信号を電気信
号へ変換するために用いられるのが有利である。データ
入力は符号４３によりまたデータ出力は符号４４により
示されている。

電子キー、チップカード、値札及び人物、動物、物品な
どのＩＤカード用に光子駆動デバイスを利用するために
は、コンパクトな構造が有利である。コンパクト化は第
１１図に示すように光電デバイス３８が「ピギーバッ夕
方式」で集積回路３５上に置かれ、ワイヤポンディング
により電極４０を介してこの集積回路３５に結合される
という形で行うことができる。光電デバイス３８を集積
回路３５上に非常に位置正確に載せようとするならば、
正確に定められたろう厚と光電デバイス３８に相応する
形状寸法を備えたろうパッド３９が集積回路３５上に被
覆されるのが有利である。

このろうパッド３９上に光電デバイス３８が載せられ、
フラックスを用いて固定される。集積回路３５が列を成
して内部に形成されているウェーハがろうイ」け温度ま
で加熱される。その際光電デバイス３８は溶けたろうの
中に浮かんで自動調整方式でろうパッド３９によりあら
かじめ定められた位置に至り、この位置で冷却の際に固
定される。

その後に光電デバイス３８から電極４０へのワイヤポン
ディングを行うことができる。光子駆動デバイス３８の
基板が透明な場合に（例えばＩｎｋ）．電気回路３との
結合を上面を下に向けてワイヤを用いることなく直接接
触により行うことができる。集積回路３５とろう付けさ
れかつボンディングされた光電デバイス３８とを備えた
ウェーハは、前面上をまた機械的な固定のために望まし
くは裏面上をも、オプチカルフラットなかつ光線５（発
光ダイオード光線又はレーザダイオード光線）に対し透
明な例えばプラスチックから成る層３６により被覆する
ことができる。そしてこの被覆されたウェーハを通常の
分割技術により例えば切断一部２８により個々のハイブ
リッドチップに分割することができる。そしてこのハイ
ブリッドチップを例えばチップカード、値札、電子キー
などの所定の四所の中に挿入することができる。こうし
て自給式デバイスのための支持体又はケースが省略され
る。

第１２図は完成された自給式デバイスを示す。

この完成された自給式デバイスは裏面にも例えばプラス
チックから成る層３７を有する。自給式デバイス全体は
光子駆動のために層４６により光学的に遮蔽されている
。層４６はセレンから成ることができる。層４６を光学
的に透明にすることもできる。

第１４図ないし第１６図は、この発明に基づく自給式光
子駆動デバイスを装置４７〜４９の中で用いる方法を示
す。これらの装置４７〜４９はそれぞれ光源４及び光検
出器８を有する。装置４８は補助的な光源４５を有する
。装置４７、４８はスリット５０′　を有し、この発明
に基づく自給式光子駆動デバイスを備えた装置をこのス
リットの中に挿入することができる。装置４９の場合に
は、この発明に基づく自給式光子駆動デバイスを備えた
装置を四所５ｌの中へ挿入することができる。装置４７
の場合には、光源４と検出器８とがスリッ｝５０１　の
異なる側面上に配置されている。光源４として７８０〜
８７０ｎｍの波長域で数１０ｍＷないし数Ｗの出力を有
する高出力ＧａＡＩＡｓレーザを使用するのが有利であ
る。

ＧａＡｓ中へのこの光線の侵入深さは非常に小さい（数
ＪＬｍ）ので、非常に薄いエビタキシャル層１６で間に
合わせることができる。エビタキシャル層１６の厚さは
５Ｊｉ．ｍ未満とすることができる。従って絶縁拡散部
２４のために小さい面しか必要でない。なぜならばその
際生じる横への拡散の広がりが小さいからである。

高出力レザーダイオードから成る光源４は単に、変調さ
れた信号を重畳することができる連続波光源として作動
させることができる。同時にここではレーザダイオード
を備えた非常にコンパクトな構造をＴ０１８形又はＴＯ
Ｓ形ケースで実現することができる。同時に用途上必要
なときには、光線５は容易に円筒レンズ及び／又は球レ
ンズにより５ｍｍ未満ないし０．１ｍｍの直径を有する
円面、又は２ｍｍ未満の長さ及び０．１ｍｍの幅の帯に
集束することができる。それによりこの発明に基づく自
給式光子駆動デバイスを非常に小形化しそれにより非常
に経済的に構成することが可能である。この発明に基づ
く光子駆動デバイスは２００ｍＷの照射の場合に、例え
ば六つのホトダイオードと一つの発光ダイオードとを備
えた０　．５Ｘ　ｌ　．３ｍｍ２の面積を有することが
できる。それにより受光半導体デバイス１は約５．５■
の電圧と６〜１０ｍＡの電流とを供給する。５ｎｍの発
光ダイオードの小さいスペクトル幅によりレーザダイオ
ードの波長（７８０〜８７０ｎｍ）と発光ダイオードの
波長（約８８０〜９　１　０　ｎｍのピーク波長）との
間の良好な分離が可能となる。

この発明に基づく自給式光子駆動デバイスは、電気回路
又は集積回路がこのデバイスにより光子流を介してエネ
ルギーと情報とを供給され、電気回路が情報を外に向か
って再び出力するような用途に適している。電気回路３
と素子アレーとは外に向かって電気的接続を有せず、従
って外に向かって電気的に完全に絶縁されている。

この発明に基づく自給式光子駆動デバイスは非常にコン
パクトに構成することができる。例えば第１１図におい
てウェーハの厚さ（集積回路３５の厚さ）は２００〜３
　０　０　ｌＬｍとすることができ、また層３６の厚さ
は５０〜１００ｇｍとすることができ、また分割された
個々の自給式光子駆動デバイスの幅は１００〜２　０　
０　ｇｍとすることができる。

送光半導体デバイス２の発光ダイオードは時分割多重運
転によって受光器４２としてばかりでなく送光器として
も運転することができる。このことは、或る時間に発光
ダイオードが信号４３を受け入れ、他の時間に信号４４
を送り出すということを意味する。

この発明に基づく光子駆動デバイスの場合には、送光デ
バイスとして可視領域の光を送り出す発光ダイオードを
用いることができる。例えばＧａＡｓから成る基板１５
上にＧａＡｓＰから或る発光ダイオードを集積すること
ができる。可視領域の光を有するこの種の発光ダイオー
ドも時分割多重運転により送光器としてばかりでなく受
光器としても用いることができ、時分割多重運転におい
て或るときは信号４３を受け入れまた或るときは信号４
４を送り出す。発光ダイオードから送り出される光を光
導波路により、光子駆動デバイスを埋め込んだ装置から
導き出すことができる。

第１２図に示す自給式光子駆動デバイスのためのケース
は，第１１図に示す装置の場合にまずウェーハ（集積回
路）３５が単独で切断され、そしてシ一ト３６が引き伸
ばされ、そしてウェーハ３５が裏面から望ましくは光を
通さない材料を付加注型され、そして初めて最終的な切
断２８が行われるときに、大量に特に有利に製作するこ
とができる。その際切断ブレードは間隙より薄くするこ
とができる。それにより切断部２８の非常に高い精度が
得られる。その際ウェーへ３５の当初の配列が維持され
るときに、切断に関する補助的な調節は不必要である。

シートの引き伸ばしの後ではウェーハの相互に切断され
た部分は例えば５０〜２　０　０　７Ｌｍだけ相互に離
れている。この種の方法によりｌＯμｍを目標にして正
確に切断することができる。こうして非常に小さい形状
寸法公差を備えた自給式光子駆動デバイスが得られる。

電気的に電気回路３に結合されている。自給式光子駆動
デバイス全体には透明な外被３６を全面に備えることが
できる。

受光半導体デバイスｌはモノリシックに構成するのが有
利である。光エネルギーを受け入れる半導体デバイスの
構成部分と光信号を受け入れる半導体デバイス１の構成
部分とは、同一の材料構成から成るのが有利である。半
導体デバイスｌを小面積で構成できるようにするために
、光エネルギーが集束されて半導体デバイス１上に供給
されるのが有利である。光線５のこの集束は既に光源４
の中で又は光線集束装置（レンズ）により行うことがで
きる。

この発明に基づくデバイスは何らかの物品又は人物又は
事実又は資格を同定するために用いられる製品に有利に
使用される。この発明に基づくデバイスはチップカード
、クレジットカード、身分証明書及びキーのために、一
般には同定証又は確認証として用いるのが有利である。

第１７図に示すように、第１３図の自給式光子駆動デバ
イス５１を支持体５２の空所５３の中にはめ込むことが
できる。空所５３は支持体５２の厚さ全体にわたって延
びることができる。通常プラスチックカードのために用
いられるように、支持体５２をプラスチック材料製とす
ることができる。しかしながら支持体５２を通常所定の
物品、商品などの証明のために用いられるような材料製
とすることができる。デバイス付き支持体５２を運送管
理システムのために又は発送物品、郵便物の仕分けのた
めに又は在庫管理ないし倉庫からの商品の取り出しのた
めに用いることができる。支持体５２は値札付けのため
に用いることができる。

第１８図は、外から光線５、６を受け入れ外に向かって
光線７を送り出す自律式光子駆動デバイス５１を示す。

この自律式光子駆動デバイス５ｌはオプトエレクトロニ
クデバイス５４、アプリケーション回路５６、及びオブ
トエレクトロニクデバイス５４とアプリケーション回路
５６との間のインタフェース５５を備える。オブトエレ
クトロニクデバイス５４は、光エネルギー及び光信号を
受け入れ電気エネルギーＥ及び電気信号ＩＥへ変換する
受光半導体デバイスｌと，電気信号ＩＡを光信号へ変換
し光信号７を送り出すための送光半導体デバイス２とを
備える。アプリケーション回路５６は電気エネルギーＥ
及び電気信号ＳＥを受け入れ電気信号ＳＡを送り出す。

インタフェース５５は、アプリケーション回路５６がこ
のアプリケーション回路５６に適した電気エネルギーＥ
及び適した電気信号ＳＥを供給され、オプトエレクトロ
ニクデバイス５４がこのオプトエレクトロニクデバイス
５４に適した（出力）電気信号ＩＡを供給されるように
取り計らう。

送光半導体デバイス２はその作動のために必要なエネル
ギーを受光半導体デバイス１から受け入れるか、又は直
接光線６から受け入れる。更に補助的に，送光半導体デ
バイス２へのエネルギー供給のためにだけ用いられ光エ
ネルギーを受け入れる受光半導体デバイスｌを設けるこ
とができる。

例えばこの目的のために、ホトダイオードアレーの一部
又は二つのホトダイオード領域を備えた固有のホトダイ
オードアレーを用いることができる。

受光半導体デバイス１により受け入れられる光信号は変
調することができる。送光半導体デバイス２から送り出
される光信号７も変調することができる。光信号の変調
は振幅又は周波数又は位相の変調により行うことができ
る。受け入れられる光信号又は送り出される光信号は種
々の方法で変調することができる。

光線５はエネルギー成分とこれに重畳された信号成分と
を含む。重畳された信号成分は光線５から、当業者にと
って利用可能なあらゆる方式のフィルタを掛けて取り出
すことができる。

インタフェース５５の構成のために全体として、当業者
にとって利用可能なあらゆる可能性、特にチップカード
又はキャッシュカード又はテレホンカードにおいて知ら
れているあらゆる可能性を用いることができる。

同様に最も簡単な場合には入射光線５が振幅変調される
。最も簡単な場合には、入射光線５の基本周波数ｆＯを
送り出される光線７の周波数変調のために用いることが
できる。

第１９図ないし第２２図は、オプトエレクトロニクデバ
イス５４及びインタフェース５５の構成に対する種々の
可能性を示す。

第１９図は、送光半導体デバイス２がその運転のだめに
必要なエネルギーを受光半導体デバイス１からもらう場
合に対するオプトエレクトロニクデバイス５４及びイン
タフェース５５のための一実施例を示す。受光半導体デ
バイス１は光線５を受け入れる。その際受光半導体デバ
イス１には電圧Ｕが発生する。調節器５７及び弁別器５
８によりこの電圧Ｕから、アプリケーション回路５６へ
電圧を供給するための直流電圧ＵＣ、及びアプリケーシ
ョン回路５６の信号入力及び制御のための入力電気信号
ＳＥが得られる。弁別器５８には電圧基準として校正電
圧発生器５９が接続されている。入射光線５の変調の種
類に応じて校正電圧発生器５９は、周波数変調の場合に
は発振器を、また位相変調の場合には記憶作用を伴なう
校正周波数発生器から成る組み合わせを、また振幅変調
の場合には単なる所定の基準電圧を有する。校正電圧発
生器５９はアプリケーション回路５６の中に集積するこ
とができる。入射光線５が周波数変調されている場合に
は、校正周波数発生器としてフェイズロックループ回路
及び記憶装置をも用いることができる。

アプリケーション回路５６のための入力電気信号ＳＥは
制御信号としてクロック信号及びリセット信号を含むこ
ともできる。

ｎチャネル電界効果トランジスタにより自律式光子駆動
デバイスを形成する場合には最低の電位は接地６０であ
る。所定の電位を形成するために平面状に形成されたパ
ッド６１〜６３が用いられる。

アプリケーション回路５６は調節器５７を含むこともで
きる。用いられる光学式及び電気式デバイスの構成が相
応の場合には、調節器５７を完全に省略することもでき
る。

光線７を送り出すために第９図に示す装置の場合には、
パッド６１と６２との間の付加的な電圧偏位ＵＦが調節
器５７及びアプリケーション回路５６に対して生じる。

この電圧偏位ＵＦの不利な影響は当業者にとって利用可
能なあらゆる方法で処理することができる。例えばデバ
イス２がちょうど光線７を送り出していない場合にデバ
イス６４に電圧偏位ＵＦを処理させることができる。

このデバイス６４は、デバイス２が光線７を送り出さな
ければならないときに、この光線７がアプリケーション
回路５６の出力電気信号ＳＡにより変調されるように取
り計らう。しかしながら記憶装置及び電圧制限器によっ
て、調節器５７及びアブリーション回路５６が電圧偏位
ＵＦの不利な作用から免れたままであるように取り計ら
うこともできる。調節器５７は場合によっては非常に簡
単に構成することができる。調節器５７の出力端には十
分に信号を除去したアプリケーション回路５６のための
供給電圧を供給しなければならない。弁別器５８も非常
に簡単に構成することができる。弁別器５８の出力端に
は、アプリケーション回路５６が入力信号として処理す
ることができこれに基づいて出力信号を送り出すことが
できる電圧ＳＥだけを供給しなければならない。

校正電圧発生器５９として信号を中間記憶するためのコ
ンデンサを用い塁こ ともできる。

第２０図は、デバイス２の運転のために必要なエネルギ
ーが光源４から光線６の形でデバイス２へ入射する場合
に対し、オプ｝・エレク｝・ロニクデバイス５４及びイ
ンタフェース５５の−実施例を示す。第２０〜２２図で
は第１９図と同じ機能を有する部品が第１９図と同し符
号を有する。

安定した基準電位を確定するために第２０図に示す装置
の中にもパッド６６、６７、６８が用いられている。送
り出される光線７を変調する変調器６５として、最も簡
単な場合には電子式スイッチが用いられる。電子式スイ
ッチ６５はアプリケーション回路５６から送り出される
出力信号ＳＡにより制御される。光線７を送り出す際に
第２０図に示す装置の場合には、付加的な電圧偏位が生
じない。

第２１図は、光線７を送り出すために必要なエネルギー
を得るために、固有の受光半導体デバイス６９が設けら
れている場合のオプ１・エレク１・ロニクデバイス５４
及びインタフェース５５の−実施例を示す。その際デバ
イス６９からデバイス２ばかりでなく光線７の変調のた
めに用いられるデバイス６５もエネルギーを供給される
。デバイス６９は光線５からエネルギーを受け入れる。

デバイス６９は受光′４′：．導体デバイスの一部とし
て構成することができる。しかしながらデバイス６９は
固有のホ１・ダイオードアレーとすることもできる。

第２２図は、アプリケーション回路５６、デバイス２の
ためのエネルギー供給回路７６、受光器７９のための情
報受信回路７７及びデバイス２の情報出力回路７８が分
かりやすく図示されている自律式光子駆動デバイス５１
のための−実施例を示す。

安定な基準電位を確定するためにここでもパッド７０〜
７３が用いられる。

光線５はデバイス１、６９にエネルギーを供給するため
の周波数スペクトル８０と、受光器７９に情報（信号）
を供給するための周波数スペクトル８１とを含むことが
できる。受光器７９は固有の分離されたホ１・ダイオー
ドとすることができる。受光器７９がスペクトル８０に
より作動するおそれがないように光学フィルタ７４が用
いられ、この光学フィルタは受光器７９がスベクｌ・ル
８１だけにより作動するように取り計らう。受光器７９
から送り出される電気信号はデバイス８２で、アプリケ
ーション回路５６が入力信号ＳＥとして処理することが
できる電気信号へ変換される。デバイス８２は前置増幅
器及び弁別器を備えることができる。

第２３図ないし第２５図は九線５の復調の原理を示す。

第２３図は、デバイス１の出力端に現れる電気信号ＩＥ
を示す。この信号ＩＥは振幅変調されているとする。こ
の信号ＩＥは基本周波数ｆ．を有する。

例えばｆ５２４図に示す装置が用いられるときに、第２
３図に示されたデバイス１の出力信号ＩＥが生じる。そ
の際光源４は、１００％の直流電圧ＥＯに２０％の信号
電圧ＩＯを重畳することにより生じる電圧を供船される
。この重畳電圧がデバイス１への光線５の供給をもたら
す。

第２５図は、弁別器５８のための回路を原理的に示す。

その際デバイス１の出力端に現れる電圧はコンデンサに
よるピーク値を形成し、更に入力レベルがデバイス１の
出力端に現れる電圧の最大振幅の９０％まで下げられる
。デバイス１の出力端に現れる信号がこの９０％の新し
いレベルを超える場合には、比較回路の出力端ではアプ
リケーション回路５６のための入力電気信号ＳＥがディ
ジタルの入力信号ＳＥの第１のレベルを与一えられ、デ
バイス１の出力端での信号がこの９０％のレベル未満で
あるときには、比較回路の出力端ではアプリケーション
回路５６のための入力電気信号ＳＥがディジタルの入力
信号ＳＥの第２のレベルを与えられる。調節器５７はア
プリケーション回路５６に例えば５Ｖの直流電圧ＵＣと
８　ｍ　Ａの電流とを供給する。

デバイス１の出力端における信号は周波数ｆＯを有する
。この周波数ｆｏから光信号７を変調する変調器６４の
ための信号を導出することができる。それにより光信り
７の変調のための周波数決定素子を省略することができ
る。光線５の周波数ｆＯはアプリケーション回路５６の
クロック信号を導出するためにも用いることができる。

電気回路３は入力信号の処理のために記憶装置を有する
ことができる。入力信号は記憶装置の中に変更せずに又
は変更して記憶することができる。電気回路３はマイク
ロコンピュータを有することができる。電気回路３は情
報処理のために用いられる。電気回路３はデータを不揮
発性に記憶するために用いることができる。

第２６図は、記憶装置ＲＯＭを備えたアプリケーション
回路５６を示す。記憶装置ＲＯＭ（ＲＯＭ，ＦＲＯＭ）
に加えて更にマイクロップロセッサＭＰを備えることが
できる。不揮発性記憶装置（ＥＦＲＯＭ．Ｅ２　ＦＲＯ
Ｍ）を用いるのが有利である。

マイクロプロセッサＭＰ及び記憶装置Ｅ２ＦＲＯＭをＣ
ＭＯＳ技術で構成することができる。

アメリカ合衆国特許第４８５０９８１号、国際特許出願
公開第８８／０４７０５号、同第８７／ＯＢ３７５号明
細書には同定カードが記載されている。これらの明細書
の内容は本明細書にも参酌されている。

光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率はホトダ
イオードの場合には非常に高い。光源として単色の光源
が用いられると、光線の受光器としてホトダイオードを
使用する場合に光線の波長を吸収限界の非常に近くに置
くことができる。こうして受光器のバンドギャップに相
応するエネルギーＥＧ　と光線のエネルギーＥＱ　との
間の差を非常に小さく保つことができる。それにより受
光器による光エネルギーから電気エネルギーへの変換の
非常に高い効率が得られる。それにより光線の最善の利
用が達成される。

レーザを使用する場合には光源を理想的な方法で受光器
に適合することができる。化合物半導体材料例えばＧａ
Ａｓから受光器を構成する場合には、７８０〜８３０ｎ
ｍのレーザの波長を選択することができる。それにより
レーザの波長と受光器の吸収限界との差を５０ｎｍ以下
とすることができる。要するに光線の波長と受光器の吸
収限界との間に１０Ｏｎ’ｍ未満の差しか存在しないこ
とが有利である。

モノリシック構造の光子駆動デバイスが有利である。こ
ラして化合物半導体材料から光子駆動デバイスを構成す
る場合に、光信号を送り出すデバイスばかりでなく光エ
ネルギーと光信号とを受け入れるデバイスをもモノリシ
ックに果積することができる。こうして大きいパワーと
高い周波数とを有し送信も受信もできる光子駆動デバイ
スが得られる。その際光源４としてパワーレーザを用い
るのが有利である。

種々の実施例において用いられる光学フィルタは半導体
材料上に集積することもできる。そのために誘電性材料
の交互の層系列から集成される誘電体のフィルタが適し
ている。この種のフィルタは例えばドイツ連邦共和国特
許出願公開第２８３７８１８号公報に記載されている。

光子駆動デバイスの場合には、光電的に作られたキャリ
ャを短絡運転時にｐｎ接合又はショットキー接合の電界
あるいは他の電界により分離するような、できるだけ多
くの表面を設けることにより望ましくないルミネセンス
効果を小さく抑えることができる。このことはデバイス
の適当な構造により達成できる。短絡運転時にキャリャ
ができるだけ速やかにｐ領域又はｎ領域に到達できかつ
発光再結合ができるだけ少なくなるように、例えば第４
図に示すｐｎ接合（２３−１６）をできるだけ表面のそ
ばに置くことができ、またキャリャのできるだけ長い寿
命を可能にすることができ、またデバイスの表面に平行
にできるだけ大きい面を設ける（場合によっては下から
層１６に接触する）ことができる。電極の適当な配置に
よっても光子駆動されたキャリャを補助的に制御するこ
とができる。それにより望ましくないルミネセンス効果
に続いて誤信号が生じるのを防止することができる。光
子駆動デバイスの送光部が短絡して運転されるときに、
ルミネセンスの発生をできるだけ少なくすべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に基づく光子駆動デバイスの−実施例
の原理的構成を示す図、第２図及び第３図はそれぞれ光
子駆動デバイスの内部接続の第１図とは異なる実施例の
接続図、第４図は第１図に示すデバイスの縦断面図、第
５図及び第６図はそれぞれデバイス基板の第４図とは異
なる実施例の縦断面図、第７図は第４図に示すデバイス
をウェーハから分割した状ｙＥを示す平面図、第８図は
デバイスの第４図とは異なる実施例の縦断面図、第９図
はデバイスと入射光線との関係の一実施例を示す平面図
、第１０図はデバイスの更に異なる実施例の略図、第１
１図はデバイスを集積回路とに搭載した状ｊハ１を示す
立面図、第１２図及び第１３図はそれぞれ第１１図に示
す装置を用いて完成された自給式デバイスの異なる実施
例の縦断面図及び斜視図、第１４図ないし第１６図はそ
れぞれ自給式デバイスの相手側装置の異なる例の断面略
図、第１７図は自給式デバイスの第１２図及び第１３図
とは異なる実施例の組立図、第１８図は自律式デバイス
の平面略図、第１９図ないし第２２図は第１８図に示す
装置の異なる実施例のブロック線図、第２３図ないし第
２５図は変調された入射光線の復調の原理を示す説明図
、第２６図は第１８図に示すアプリケーション回路の略
図である。 ■・・・受光半導体デバイス ２・・・送光半導体デバイス ３・・・電気回路 ４、４５・・・光源 １０、１１、１２・・・端子 １５・・・基板 １６・・・エビタキシャル層 １７〜２ｌ・・・領域 ２２・・・光学的シールド ２４・・・絶縁拡散部 ２７・・・コーティング層 ２９・・・エッチング溝 ３０、３２・・・バルク抵抗低減装置 ３１・・・反射装置 ３３・・・細長いデバイス ３４・・・再結合低減層 ３５・・・集積回路（ウェー／＼） ３６・・・力八− ４１、４２・・・部分 ４６・・・光封止部 ４７、４８、４９・・・同定装置 ６９、７９・・・部分領域 ７４・・・光学フィルタ ８０、８１・・・スペクトル ｒ一′一一）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光エネルギー及び光信号を受け入れ電気エネルギー
   及び電気信号へ変換するための受光モノリシック半導体
   デバイス（１）と、電気信号を光信号へ変換し光信号を
   出力するための送光半導体デバイス（２）とを備えるこ
   とを特徴とする光子駆動デバイス。 ２）入力された電気信号を受け入れ出力すべき電気信号
   を送り出すために、電気エネルギーにより駆動される電
   気回路（３）を備えることを特徴とする請求項１記載の
   デバイス。 ３）送光半導体デバイス（２）が受光半導体デバイス（
   １）から電気エネルギーを供給されることを特徴とする
   請求項１又は２記載のデバイス。 ４）送光半導体デバイス（２）の無負荷運転と短絡との
   間の範囲内の少なくとも二つの運転状態の間で、送光半
   導体デバイス（２）を時間的に交互に運転することによ
   り、送光半導体デバイス（２）から放射される光を電気
   回路（３）が変調することを特徴とする請求項１ないし
   ３の一つに記載のデバイス。 ５）受光半導体デバイス（１）の構成部分として、直列
   及び／又は並列に接続されたホトダイオードのアレーを
   備えることを特徴とす る請求項１ないし４の一つに記載のデバイ ス。 ６）送光半導体デバイス（２）の構成部分として発光ダ
   イオードを備えることを特徴とす る請求項１ないし５の一つに記載のデバイ ス。 ７）受光半導体デバイス（１）のカソードを送光半導体
   デバイス（２）のカソードに電 気的に接続するか、又は受光半導体デバイ ス（１）のアノードを送光半導体デバイス （２）のアノードに電気的に接続することを特徴とする
   請求項１ないし６の一つに記載のデバイス。 ８）受光半導体デバイス（１）と送光半導体デバイス（
   ２）とを電気回路（３）に電気的に接続する三つの端子
   （１０、１１、１２）を備えることを特徴とする請求項
   １ないし６の一つに記載のデバイス。 ９）共通な基板（１５）を備えることを特徴とする請求
   項１ないし８の一つに記載のデバイス。 １０）半絶縁性基板（１５）を備えることを特徴とする
   請求項９記載のデバイス。 １１）受光半導体デバイス（１）と送光半導体デバイス
   （２）とが化合物半導体材料（１６）から、構成される
   ことを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし１０
   の一つに記載のデバイス。 １２）受光半導体デバイス（１）と送光半導体デバイス
   （２）とが半導体材料から成る少なくとも一つの層（１
   ６）から構成されることを特徴とする請求項１ないし１
   １の一つに記載のデバイス。 １３）前記層（１６）が光学的シールド（２２）を備え
   た絶縁拡散部（２４）により複数の領域（１７〜２１）
   に分割されることを特徴とする請求項１２記載のデバイ
   ス。 １４）前記層（１６）がエッチング溝（２９）により複
   数の領域に分割されることを特徴とする請求項１２又は
   １３記載のデバイス。 １５）バルク抵抗を低減するための装置（３０、３２）
   を備えることを特徴とする請求項９ないし１４の一つに
   記載のデバイス。 １６）受光半導体デバイス（１）の入射光と反対側の面
   に反射装置（３１）を備えることを特徴とする請求項９
   ないし１５の一つに記載のデバイス。 １７）立体的に細長い構造（３３）を有することを特徴
   とする請求項１ないし１６の一つに記載のデバイス。 １８）光学的コーティング層（２７）を備えることを特
   徴とする請求項１ないし１７の一つに記載のデバイス。 １９）表面再結合を低減するための層（３４）を備える
   ことを特徴とする請求項１ないし１８の一つに記載のデ
   バイス。 ２０）電気回路（３）の少なくとも一部を備えるデバイ
   ス（３５）上に取り付けることを特徴とする請求項１な
   いし１９の一つに記載のデバイス。 ２１）プラスチックから成るカバー（３６）を備えるこ
   とを特徴とする請求項１ないし２０の一つに記載のデバ
   イス。 ２２）部分的な光封止部（４６）を備えることを特徴と
   する請求項１ないし２１の一つに記載のデバイス。 ２３）光源（４）としての半導体レーザにより受光半導
   体デバイス（１）を照射することを特徴とする請求項１
   ないし２２の一つに記載のデバイス。 ２４）受光半導体デバイス（１）を集束的に照射するこ
   とを特徴とする請求項２３記載のデバイス。 ２５）少なくとも二つの光源（４、４５）により受光半
   導体デバイス（１）を照射することを特徴とする請求項
   １ないし２４の一つに記載のデバイス。 ２６）受光半導体デバイス（１）が電気信号を与える部
   分（４２）と電気エネルギーを与える部分（４１）とを
   備えることを特徴とする 請求項１ないし２５の一つに記載のデバイ ス。 ２７）受光半導体デバイス（１）と送光半導体デバイス
   （２）とを単一のモノリス中に形成することを特徴とす
   る請求項１ないし２６の 一つに記載のデバイス。 ２８）第１のスペクトル（８０）を有する光学エネルギ
   ーと第２のスペクトル（８１）を有する光学信号とを分
   離するために、受光半導体デバイス（１）の部分領域（
   ７９）に対する光学フィルタ（７４）を備えることを特
   徴とする請求項１ないし２７の一つに記載のデバイス。 ２９）受光半導体デバイス（１）が電気回路（３）にエ
   ネルギーを供給する部分領域と、送光半導体デバイス（
   ２）にエネルギーを供給する別の部分領域（６９）とを
   備えることを特徴とする請求項１ないし２８の一つに記
   載のデバイス。 ３０）情報処理のための装置（ＭＰ）を備えることを特
   徴とする請求項１ないし２９の一つに記載のデバイス。 ３１）データを記憶するための装置（ＲＯＭ）を備える
   ことを特徴とする請求項１ないし３０の一つに記載のデ
   バイス。 ３２）データを不揮発性に記憶するための装置（ＥＰＲ
   ＯＭ、Ｅ＾２ＰＲＯＭ）を備えることを特徴とする請求
   項３１記載のデバイス。 ３３）人物又は物品又は権利又は価格を同定するための
   装置（４７、４８、４９）に対して用いることを特徴と
   する請求項１ないし３２の一つに記載のデバイス。 ３４）同定証、確認証、チップカード、クレジットカー
   ド、キャッシュカード、キー又は証明書に組み込むこと
   を特徴とする請求項１ないし３３の一つに記載のデバイ
   ス。 ３５）請求項１ないし３３の一つに記載のデバイスを備
   えることを特徴とする同定証、確 認証、チップカード、クレジットカード、 キャッシュカード、キー又は証明書。