DE2048188A1 - Semiconductor opto-electronic component - with photo-emissive diode coupled by high resistivity body to a photo-conductive diode - Google Patents
Semiconductor opto-electronic component - with photo-emissive diode coupled by high resistivity body to a photo-conductive diodeInfo
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Abstract
Description
Outoelektronisches Halbleiterbauelement Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer mit Kontakten versehenen Sendediode mit strahlungaemittierendem pn-bergang, einer mit Kontakten versehnen Empfängerdiode mit strahlungsempfindlichem pn-Ubergang und einem die Dioden optisch und mechanisch verbindenden Koppelmedium aus einem Halbleitermaterial mit.einem dem Halbleiteriaterial der Dioden nahezu gleichen Brechungsindex. Outoelectronic semiconductor component The invention relates to a Optoelectronic semiconductor component with a transmitting diode provided with contacts with radiation-emitting pn junction, a receiver diode with contacts with radiation-sensitive pn junction and one the diodes optically and mechanically connecting coupling medium made of a semiconductor material mit.einem the semiconductor material the diodes have almost the same refractive index.
Es ist bekannt, eine Sendediode mit lichtemittierendem pn-Übergang, z.B. eine Lumineszenzdiode, insbesondere eine Galliumarsenidlumineszenzdiode mit einer Empfängerdiode mit strahlungsempfindlichem pn-übergang, z.B. eine Fotodiode, insbesondere eine Silicium-Planarfotodiode, über ein Koppelmedium miteinander zu verbinden. Dieses Koppelmedium soll bekanntlich eine gute mechanische Verbindung der Sendediode mit der Empfängerdiode und eine möglichst hohe optische topplung beider Halbleiterdioden gewährleisten und außerdem beide Dioden gut gegeneinander elektrisch isolieren, so daß Sende-und Empfängerdiode elektrisch entkoppelt sind.It is known to use a transmitting diode with a light-emitting pn junction, e.g. a luminescent diode, in particular a gallium arsenide luminescent diode with a receiver diode with a radiation-sensitive pn junction, e.g. a photodiode, in particular a silicon planar photodiode, to one another via a coupling medium associate. As is known, this coupling medium should have a good mechanical connection the transmitter diode with the receiver diode and the highest possible optical coupling ensure both semiconductor diodes and also both diodes well against each other electrically isolate so that the transmitter and receiver diodes are electrically decoupled.
Die erwünschte gute elektrische Kopplung macht die Verwendung inQ Koppelmediums erforderlioh, dessen Material eins hohe Durchlässigkeit des von der Sendediode emittierten Lichtes aufweist und dessen Brechungsindex zur Herabsetzung der Reflexionaverluste die Lichts den 3rechungsindizos der hochbrechenden Materialien der Sende- und Empfängordiode nahezu gleich ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung von sogenanntem semiisolierendem Halbleitermaterial als Koppelmedium besonders vorteilhaft ist. Als semiisolierendes Halbleitermaterial wird ein Halbleitermaterial bezeichnet, bei den (stets vorhandene) Störladungen durch gezielten Fremdatomeinbau, z.B. durch Fremdatome, die als Fallen für freie Ladungsträger wirken, zumindest teilweise konpensiert sind.The desired good electrical coupling makes the use of inQ Coupling medium required, the material of which is one of the high permeability of the Sending diode emitted light and its refractive index to reduce the reflection losses of the light the 3rechungsindizos of the high refractive index materials the transmitter and receiver diode almost is equal to. It turned out that the use of so-called semi-insulating semiconductor material as a coupling medium is particularly advantageous. A semiconductor material is used as a semi-insulating semiconductor material in the case of the (always present) interfering charges due to the targeted incorporation of foreign atoms, e.g. by foreign atoms that act as traps for free charge carriers, at least are partially condensed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement eine möglichst gute Lichtkopplung bei hoher elektrischer Isolation der zu koppelnden Elemente zu erreichen.The invention is based on the object of an optoelectronic Semiconductor component the best possible light coupling with high electrical insulation of the elements to be coupled.
Bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement der einganges erwähnten Art ist gemäß der Erfindung zur Lösung der vorstehenden Aufgabe vorgesehen, daß die n-Zone der Sendediode am strahlungsemittierenden pn-übergang als Reflektor für das enittierte Licht mesaförmig ausgebildet ist, daß das Koppelmedium von der Sendediode zur Empfängerdiode nahezu konisch verjüngt ist und daß die Stirnfläche des verjüngten Teils des Koppelmediums kleiner ist als die Fläche des strahlungsempfindlichen pn-übergangs der an diesen Teil angrenzenden Empfängerdiode.In the case of an optoelectronic semiconductor component of the type mentioned at the beginning Art is provided according to the invention to solve the above problem that the n-zone of the transmitter diode at the radiation-emitting pn-junction as a reflector for the emitted light is mesa-shaped that the coupling medium from the transmitter diode is tapered almost conically to the receiver diode and that the end face of the tapered Part of the coupling medium is smaller than the area of the radiation-sensitive pn junction the receiver diode adjacent to this part.
Als Sendediode für das optoelektronische Halbleiterbauelement ist eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode und als Koppelmedium semiisolierendes Galliuiarsenid bevorzugt geeignet. Semiisoliegendes Galliumarsenid ist s.B. mit einigen 1016 Chroatomen/ca3 dotiertes Galliumarsenid. Das chromdotierte Galliunarsenid zeigt nicht nur die geforderte geringe Absorption, sondern ist auch sehr hochohmig (ca. 108 Ohm.cm).As a transmitting diode for the optoelectronic semiconductor component a gallium arsenide light emitting diode and, as a coupling medium, semi-insulating gallium arsenide preferably suitable. Semi-isolated gallium arsenide is s.B. with some 1016 chroatomes / ca3 doped gallium arsenide. The chromium-doped gallium arsenide not only shows what is required low absorption, but is also very high resistance (approx. 108 Ohm.cm).
Da die mittlere Reichweite des von einer Galliunarsentd-Lumineszenzdiode emittierten Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 970 nn in diesen Material 3,8 tr, verursacht durch Absorption, beträgt, beträgt die Länge der Isolierstrecke, d.h. die Länge des Koppelmediums, zwischen Sende-und Eipfängerdiode zweckmäßig 2 n.As the mean range of a Galliunarsentd light emitting diode emitted light with a wavelength of approximately 970 nm in this material 3.8 tr, caused by absorption, is the length of the Isolation distance, i.e. the length of the coupling medium, between the transmitter and receiver diodes appropriate 2 n.
Um die gewünschte hohe elektrische Isolierung zwischen den beiden zu koppelnden Dioden zu realisieren, soll das Koppelmedium zweckmäßig einen elektrischen Widerstand von 1010 Ohm haben. Somit sollte der benötigte Querschnitt der Iaollerstrecke ungefähr 2.10-3 cm2 und damit der Durchmesser ungefähr 0,5 mi betragen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Übergangsflächen von Sendediode/Koppelmedium und Koppelmedium/Empfängerdiode planparallel auszubilden und zwischen diesen Übergangsflächen kittschichten aus einem, Kitt mit hohem Brechungsindex zum Verkitten der beiden Dioden mit den Koppelmedium vorzusehen. Das erfindungsgem§ße optoelektronitohe Halbleiterbauelement wird vorteilhaft so hergestellt, daß auf einen semiisolierenden Galliumarsenidkristall eine Galliumarsenidschicht aufgewachsen wird, daß in die Galliumarsenidschicht ein pn-Übergang eingebracht wird, daß die Zone in der Umgebung des pn-8bergang mesaförmig ausgeätzt wird, daß das semiisolierende Galliumarsenid zu einem Konus von ungefahr 0,5 mm Durchmesser abgeätzt und die Stirnfläche des verjüngten Teils des semiisolierenden Galliumarsenidkriutalle mit der Oberfläche der Empfängerdiode in mechanischen Kontakt gebracht wird.To achieve the desired high level of electrical insulation between the two To realize diodes to be coupled, the coupling medium should expediently be an electrical one Have a resistance of 1010 ohms. Thus, the required cross-section of the roller line should about 2.10-3 cm2 and thus the diameter about 0.5 mi. It has proven to be advantageous, the transition areas of the transmitting diode / coupling medium and coupling medium / receiving diode to be plane-parallel and layers of cement between these transition surfaces one, cement with a high refractive index for cementing the two diodes with the coupling medium to be provided. The optoelectronic semiconductor component according to the invention becomes advantageous manufactured in such a way that a gallium arsenide layer is placed on a semi-insulating gallium arsenide crystal it is grown that a pn junction is introduced into the gallium arsenide layer is that the zone in the vicinity of the pn-8 junction is etched out mesa-shaped that the semi-insulating gallium arsenide into a cone about 0.5 mm in diameter etched away and the face of the tapered part of the semi-insulating gallium arsenide crystal is brought into mechanical contact with the surface of the receiver diode.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Figur.Further features and details of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment with reference to the figure.
In der Figur ist ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Halbleiterbauelement schematisch im Schnitt dargestellt. Das optoelektronische Halbleiterbauelement besteht aus einer Sendediode 1, beispielsweise einer Galliuaarsenid-Lumineszenzdiode, einer Empfängerdiode 2, beispielsweise einer Silicium-Planarfotodiode und aus einem die Dioden 1, 2 optisch und mechanisch verbindenden Koppelmedium 5, das vorzugsweise aus semiisolierendem Galliumarsenid besteht. Das Koppelmedium soll eine nahezu konische Gestalt aufweisen; das ist in der Figur durch eine durchgezogene Begrenzungslinie des Koppelmediums 3 dargestellt. Durch diese spezielle Ausbildung des Koppelmediums 3 wird erreicht, daß das vom pn-Übergang der Sendediode ausgehende Licht nahezu vollkommen in den strahlungsempfindlichen pn-Übergang der Empfängerdiode 2 reflektiert wird. Dieser Vorgang wird noch dadurch unterstützt, daß die n-Zone 4 der Sendediode 1 in der Umgebung des pn-übergangs als Reflektor für das im pn-übergang emittierte Licht mesafdrmig ausgebildet ist. Das Koppelmedium 3 wird auf die nahezu konische Gestalt zweckmäßig abgeätzt. Mit einem Ätzprozeß ist eine exakt konische Gestalt des Koppelmediums 3 schwer realisierbar. Das Koppelmedium 3 nimmt daher beim Ätzen eine nahezu konische Gestalt an, wie in der Figur mit der gestrichelten Begrenzungelinie des Koppelmediums 3 angedeutet ist.The figure shows an optoelectronic semiconductor component according to the invention shown schematically in section. The optoelectronic semiconductor component consists from a transmitting diode 1, for example a gallium arsenide light emitting diode, one Receiver diode 2, for example a silicon planar photodiode and from a die Diodes 1, 2 optically and mechanically connecting coupling medium 5, which is preferably consists of semi-insulating gallium arsenide. The coupling medium should be almost conical Have shape; that is in the figure by a solid boundary line of the coupling medium 3 shown. Due to this special design of the coupling medium 3 it is achieved that the light emanating from the pn junction of the transmitter diode is almost completely reflected in the radiation-sensitive pn junction of the receiver diode 2 will. This process is supported by the fact that the n-zone 4 of the transmitter diode 1 in the vicinity of the pn junction as a reflector for that emitted in the pn junction Light is mesafic. The coupling medium 3 is almost conical Appropriately etched off shape. With an etching process is an exactly conical shape of the coupling medium 3 difficult to implement. The coupling medium 3 therefore decreases during etching an almost conical shape, as in the figure with the dashed boundary line of the coupling medium 3 is indicated.
Die in der Figur dargestellte Sendediode 1 weist einen durch Legieren hergestellten pn-übergang auf. Hierzu wird beispielsweise eine Zinn-Zink-Legierungspille in einen n-dotierten Galliumarsenidkristall 4 einlegiert und dadurch eine p-Zone 5 gebildet. An die Zinn-Zink-Legierungspille, die mit dem Bezugszeiehen 6 versehen ist, schließt sich der eine Diodenkontakt 7, der beispielsweise aus Silber besteht, an. Der pn obergang der Sendediode 1 läßt sich jedoch auch durch Diffusion herstellen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in die n-Zone 4 der Diode die p-Zone 5 eindiffundiert werden. Als Material für die Diffusion kann beiepieleweise Zink verwendet werden. In Falle ier Verwendung einer diffundierten Diode 1 ist es steckmäßig, die p-Zone 5 mit einem Kontakt 7 zu versehen, der aus Gold-Nickel besteht. Den zweiten Diodsnkontakt 8 bildet eine Zinnschicht, die in die n-Zone 4 der Diode 1 am Rand ringförmig einlegiert sein kann. Als Kontakt 8 ist beispielsweise auch eine Gold-Germanium-Schicht geeignet.The transmitting diode 1 shown in the figure has one made by alloying produced pn junction. A tin-zinc alloy pill is used for this purpose, for example alloyed into an n-doped gallium arsenide crystal 4 and thereby a p-zone 5 formed. The tin-zinc alloy pill with the reference number 6 is, the one diode contact 7, which consists for example of silver, closes, at. The pn transition of the transmitting diode 1 can, however, also be produced by diffusion. For this purpose, for example, the p-zone 5 can diffuse into the n-zone 4 of the diode will. Zinc, for example, can be used as the material for the diffusion. In case When using a diffused diode 1, it is plug-in to provide the p-zone 5 with a contact 7 made of gold-nickel. The second Diodsnkontakt 8 forms a tin layer, which in the n-zone 4 of the diode 1 at the edge can be alloyed in a ring. A gold-germanium layer, for example, is also used as contact 8 suitable.
Die Empfängerdiode 2 besteht beispielsweise aus einem Silicium-Grundkristall 9, in den zur Bildung eines lichtempfindlichen pn-Übergangs eine Zone 10 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eindiffundiert ist, die am Rand mit einem Kontakt 12 versehen ist, der beispielsweise aus Aluminium besteht. Die Zone 9 der Diode 2 ist durch eine Oxidschicht, beispielsweise eine Siliciumdioxidschicht 11, gegenüber dem Metallkontakt 12 isoliert.The receiver diode 2 consists, for example, of a silicon base crystal 9, in a zone 10 of the opposite to form a light-sensitive pn junction Conductivity type is diffused, which is provided with a contact 12 at the edge is made of aluminum, for example. Zone 9 of diode 2 is through an oxide layer, for example a silicon dioxide layer 11, opposite the metal contact 12 isolated.
Die Zone 9 der Empfängerdiode 2 ist mit einem Metallflächenkontakt 13 versehen. Der Abstand von der Grenzfläche Sende,-diode/Koppelmedium zur Grenzfläche Koppelmedium/Empfänger diode und damit die Länge des Koppelmediums 3 beträgt sweckmäßig 2 mm und der mittlere Durchmesser des Koppelmediums 0,5 mm, so daß bei der Verwendung von semiisolierenden Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 108 Ohm.cm der Widerstand des hochisolierenden Koppelmediums 3 ungefähr 1010 Ohm beträgt.The zone 9 of the receiver diode 2 is with a metal surface contact 13 provided. The distance from the interface between the transmitter, diode and coupling medium to the interface Coupling medium / receiver diode and thus the length of the coupling medium 3 is sweckweise 2 mm and the mean diameter of the coupling medium 0.5 mm, so that when using of semi-insulating gallium arsenide with a specific resistance of approximately 108 Ohm.cm the resistance of the highly insulating coupling medium 3 is approximately 1010 Ohm amounts to.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement wird vorteilhaft realisiert durch Herstellen einer Aufwachsschicht von z.B.The optoelectronic semiconductor component is advantageously implemented by making a growth layer of e.g.
Galliumarsenid auf halbisolierendem Galliumarsenid.In diess Schicht wird ein pn-übergang eingebracht. Unter dem pnübergang wird das Galliumarsenid zu einem Konus von etwa 0,5 am Durchmesser geätzt. Ein halbkugelförmiger Abschluß sorgt ftir den Liohtaustritt oder der Konus wird an der Kuppe flachpoliert und auf die Empfängerfläche der Diode 2 gesprengt oder mit einem hochbrechenden Kitt, z.B. Chalkogenid-Glas, angeschlossen. Eine Druckfeder 14 sorgt für mechanischen und optischen Kontakt mit der Empfängerfläche der Diode 2. Diese Empfängerfläche sollte zum Erreichen hoher Schaltgeschwindigkeiten in jedem Fall klein sein.Gallium arsenide on semi-insulating gallium arsenide in this layer a pn junction is introduced. The gallium arsenide becomes too under the pn junction etched a cone about 0.5 in diameter. A hemispherical closure ensures for the lamp outlet or the cone is polished flat at the tip and on the Receiver surface of diode 2 blasted or with a highly refractive cement, e.g. chalcogenide glass, connected. A compression spring 14 ensures mechanical and optical Contact with the receiver surface of diode 2. This receiver surface should reach high switching speeds must in any case be small.
Fttr den Fall, daß die Sendediode 1 aus einem anderen Material als das Koppelmedium 3 besteht, ist es zweckmäßig, die plane Fläche der n-Zone 4 der Diode 1 mit der planen Stirnfläche des Koppelmediums 3 durch eine Kittschicht aus hochbreohendem Kitt, beispielsweise aus Chalkogenid-Glas, zu verbinden. Wenn fur den mechanischen und optischen Kontakt mit der Empfängerfläche der Diode 2 eine Druckfeder 14 verwendet wird, dann kann diese gleichzeitig als Kontakt für die anzulegende Spannung verwendet werden. Hierzu ist die Feder 14 auf die ringförmige Kontaktzone 8 der Sendediode 1 aufgesetzt und über eine Federhalterung 15 mit einer Spannungsquelle verbunden.Fttr the case that the transmitter diode 1 is made of a material other than the coupling medium 3 consists, it is expedient to use the flat surface of the n-zone 4 of the Diode 1 with the flat face of the coupling medium 3 through a layer of cement high-boiling putty, for example made of chalcogenide glass, to connect. If for the mechanical and optical contact with the receiver surface of the diode 2 a Compression spring 14 is used, then this can also be used as a contact for the to be applied Voltage can be used. For this purpose, the spring 14 is on the annular contact zone 8 placed on the transmitter diode 1 and via a spring holder 15 with a voltage source tied together.
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