DE3037307C2 - Optische Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß zur optischen Nachrichtenverbindung durch den freien Raum !sei gleichzeitigem Sende- und Empfangsbetrieb

— das optische Sendeelement (13) vom Lichtempfangselement (8, 9) durch eine Sperrvorspannung zwischen dem P-Bereich (6) und dem N-Bereie.i (7) des aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrats (ί 2) elektrisch isoliert ist und

— daß das optische Sendeelement (13) von einer Trennwand (14) umgeber ist, die ein Auftreffen von durch das optische Sendeelement erzeugtem Licht auf das im Oberiiäehenbercich des Halbleitersubstrats (12) ausgebildete Lichtempfangselement (8,9) verhindert

Z Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendeelement (13) vom Lichtempfangselement (8, 9) im wesentlichen umgeben ist

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangselement aus einer Silizium-PIN-Photodiode (8,9,7) besteht

Aus der DE-OS 25 23 681 ist eine optische Halbleiteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt bei der das optische Sendeelement und das Lichtempfangselement mit einem Lichtleitfaserkabel zur Nachrichtenübertragung verbunden sind und nur ein abwechselnder Sende- oder Empfangsbetrieb möglich ist

Weiter ist aus der DE-AS 26 18 938 eine opto-elektronische Koppeleinrichtung bekannt, bei der Licht von einer Sendediode ausgestrahlt und deren Ausstrahlzustand überwacht wird, aber kein von außerhalb der Einrichtung gesendetes Licht empfangen wird. Das von einem pn-übergang nach unten ausgestrahlte Licht erreicht durch einen Epoxyharzlichtleiter eine Lichtempfangsfläche, und das hier erfaßte Licht dient zur Überwachung des horizontal vom pn-übergang ausgestrahlten Lichts.

Außerdem ist aus der DE-AS 26 54 402 ein optoelektronischer Gabelkoppler bekannt, bei dem zwischen einem optischen Sendeelement und einem Lichtempfangselement ein ReflexionskeU angeordnet ist Das vom Sendeelement ausgestrahlte Licht wird von einer Keiloberfläche, dann von einem vorbeigeführten Gegenstand und danach von der anderen Keiloberfläche reflektiert, bevor es das Lichtempfangseiemsnt erreicht Schließlich ist aus der DE-AS 23 11 417 eine -slektrolumineszierende Diodenanordnung bekannt die als op tischer Verstärker dient, wobei eine photoleitende Schicht und ein lumineszierender Übergang durch eine Filterschicht getrennt sind und ein optisches Sendeelement ein verstärktes optisches Signal erzeugt, das in Zeitänderungen analog dem auf ein Lichtempfangselement einfallenden Umgebungslicht ist um einen nahezu konstanten Kontrast der von der Diodenanordnung erzeugten Abbildungen beizubehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optisehe Halbleiteranordnung der eingangs vorausgesetz- ien Art zu entwickeln, die es ermöglicht daß das optische Nachrichtenverbindungssystem unaufwendig und mit einer beträchtlich verringerten Zahl von Linsen herstellbar ist und sich zur optischen Nachrichtenverbindung durch den freien Raum bei gleichzeitigem Sende- und Empfangsbetrieb von Licht bei Verwendung einer einzigen linse eignet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 ge löst

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig.! eine Schnittdarstellung einer optischen Halbleiteranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 eine Aufsicht der in Fi<:>^ dargestellten An-Ordnung; und

F i g. 3 schematisch eine mit Hilfe der optischen Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung ausgeführte optische Nachrichtenverbindung.

Gemäß Fig. 1 und 2, die den Aufbau der optischen Halbleiteranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt und in einer Aufsicht zeigen, ist ein Lichtsende-Diodenelement 13 von kuppelartiger Form auf einer darunter befindlichen Halterung 12 angeordnet die ein n-Einkristallsiliziumsubstrat 7 enthält so das eine Bodenfläche, die mit einer Elektrode 11 aus einem eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Metall versehen ist, und eine obere Fläche aufweist die mit einer Silizium-PIN-Photodiode (Lichtempfangselement) mittels einer p-Schicht 8 und einer i-Schicht 9 ausgebildet ist Die i-Schicht 9 und die p-Schicht 8 können durch Dotieren des Substrats 7 mit Bor, Aluminium, Indium oder Gallium an gewünschten Oberflächenbereichen gebildet werden. Eine Anode 10 ist auf der p-Schicht 8 abgeschieden. Die zum Betrieb der PIN-Photodiode erforderliche Spannung wird über die Elektro den 10 und 11 von einer Stromquelle Ej zugeführt.

Die Lichtsendediode selbst ist eine der bekannten Lichtsendedioden einer allgemein durch Gai-.,AI₁As ausgedrückten Zusammensetzung. Durch Variieren des Mischkristallverhältnisses χ läßt sich die Wellenlänge des von der Diode abgestrahlten Lichts entsprechend ändern. Beispielsweise ist wenn das Mischkristallverhältnis χ gleich 0,075 gewählt wird, die Mittenwellenlän-

ge des abgestrahlten Lichts 830 nm. Der zum Betrieb der Lichtsendediode 13 benötigte Strom wird von einer Stromquelle E\ zugeführt, die elektrisch mit einer Anode 5 und einer Kathode 5' der Diode 13 verbunden ist Da der Lichtsendeteil einer p-Dickschicht 1 aus Gai -JtAl_xAs in einer kuppelanigen Form ausgebildet ist, wird das von der Lichtsendediode 13 abgestrahlte Licht mit einer verbesserten Richtwirkung in den Raum ausgestrahlt

Die Anode 5 und die Kathode 5' werden gewöhnlich aus Gold hergestellt Wenn diese Elektroden 5 und 5' mit der Stromzuführungsquelle E\, wie in F i g. 1 gezeigt, verbunden werden, fließen in die Anode 5 injizierte Leerstellen wegen eines positiven Potentials am n-Substrat 7 nicht durch die Halterung 12, sondern fließen in die p-Gai -,Al-As-Schkht 3 der Lichtsendediode 13 durch einen ohmschen p-Kontakt 4.

Andererseits fließen die in die Kathode 5' injizierten Elektronen nicht durch, die Halterung 12, da der im Oberflächenbereich der Halterung 12 gebildete p-Bereich 6 und das n-Substrat 7 sperrvcrgespannt sind, sondern fließen durch den ohmschen n-Kontakt 4' und die η-Gat -xAljAs-Schicht 2 der Lichtsendediode 13 in die p-Gai -jAlxAs-Schicht 3, wo die Elektronen mit den Leerstellen zur Ausstrahlung von Licht kombiniert werden. So abgestrahltes Licht wird durch die in der kuppelartigen Form ausgebildete p-Gai -jAUAs-Schicht 1 nach außen abgestrahlt

Wenn ein Teil des von der Lichtsendediode 13 abgestrahlten Lichts auf die p-Schicht 8 und die i-Schicht 9 der PIN-Diode auf trifft die so ausgebildet ist daß sie die Lichtsendediode 13 einschließt, werden Elektronen- und Leerstelienpaare erzeugt, was dazu führt, daß sich die erzeugten Elektronen und Löcher zur n-Schicht 7 bzw. zur p-Schicht 8 bewegen und Anlaß zu einem Stromfluß geben, weil eine Sperrvorspannung an der PIN-Diode von der Stromzuführungsquelle E₂ anliegt Im Fall der dargestellten Anordnung ist zwecks Unterdrückung der vorstehend beschriebenen unerwünschten Erscheinung die Lichtsenoediode 13 von einer Trennwand 14 umgeben, wodurch verhindert wird, daß von der Lichtsendediode 13 abgestrahltes Licht auf die PIN-Diode 7, 8, 9 auftrifft

Außerdem kann zusätzlich eine Anordnung derart getroffen werden, daß die Wellenlänge des zu sendenden Lichts von der des empfangenem Lichts abweicht und daß das Lichtempfangselement nur auf die empfangene Lichtweltenlänge anspricht. Eine Unterscheidung der Wellenlänge des gesendeten Lichts von der des empfangenen Lichts läßt üch erreichen, indem man geeignet das Mischkristallverhältnis des die Lichtsendediode bildenden Verbindungshalbleiters variiert

F i g. 3 veranschaulicht schematisch ein System einer optischen Nachrichtenverbindung unter Verwendung der erfindungsgemäß aufgebauten optischen Halbleileranordnungen.

Gemäß F i g. 3 wird von einer Lichtsendediode 21 abgestrahltes Licht durch ein Linsensystem 22 zu einem in den Raum abzustrahlenden parallel ausgerichteten Lichtstrahl koHimiert An der Gegenstation wird der empfangene Lichtstrahl auf ein Lichtempfangselement 23' durch eine Linse 22' fokussiert.

In gleicher Weise wird der von einer Lichtsendediode 21' der Gegenstation erzeugte Lichtstrahl von einem Lichtempfangselenif nt 23 empfangen, wodurch eine optische Nachrichtenverbindung durch den als Übertragungsmedium dienenden Raum durchgeführt wird.

Obwohl das von der Lichtsendediode abgestrahlte Licht durch die Linse parallel ausgerichtet wird, ist es wegen der dem Licht innewohnenden Inkohärenz unmöglich, einen vollkommen parallel ausgerichteteten Lichstrahl ohne jede Ausweitung zu erhalten. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl, der durch Parallelausrichtung des von der Lichtsendediode der Sendestation ausgestrahlten Lichts erhalten wird und einen Strahldurchmesser von 15 cm hat an einer vom Sender 1 km entfernten Stelle auf einen Strahldurchmesser von 2 bis 3 m ausgedehnt werden, infolgedessen wird der durch das Linsensystem an der Empfangsseite durchgehende Lichtstrahl nicht an der am Mittelteil der Halterung angeordneten Lichtsendediode fokussiert sondern trifft auf das Lichtempfangselement auf, das so angeordnet ist daß es die Lichtsendediode umgibt so daß er vom ersteren erfaßt wird. Jedoch ist es, da die Lichtstärke je Flächeneinheit wegen der Ausdehnung des übertragenen Lichtstrahls verringert ist erforderlich, die Empfangslinse mit einem möglichst großen Durchmesser zu verwenden, um dadurch das Anteilsverhältnis des Lichts, das auf das Lichtempfangsele:Kent auftrifft, zu steigern.

Aus den vorstehend beschriebenen Gründen wird gewöhnlich eine große Linse mit einem Durchmesser der Größenordnung von 30 cm als Linse zum Empfang des ankomnurtiden Lichtstrahls verwendet In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, daß das Lichtsendeelement und das Lichtempfangselement einstückig miteinander unter Verwendung einer einzelnen linse sowohl für das optische Senden als auch für den optischen Empfang kombiniert sind. Mit anderen Worten läßt sich die Zahl der zur Verwendung beim optischen Nachrichtenverbindungssystem, das die optischen Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung verwendet erforderlichen Linsen auf die Hälfte der Zahi der beim herkömmlichen optischen Nachrichtenverbindungssystem verwendeten Linsen senken, wo getrennte Linsen für das optische Senden und den optischem Empfang verwendet werdea Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Linse mit einem so großen Durchmesser sehr teuer ist, versteht man ohne weiteres, welch großen Vorteil die Erfindung bei praktischen Anwendungen bringt.

Außerdem ist es aufgrund des einstückigen Aufbaus des Lichtsendeelements und des Lichtempfangselements möglich, diese beiden Elemente gleichzeitig durch einen einzigen Justierprozeß zu justieren. Im Gegensatz dazu war es im Fall der bisher bekannten Anordnungen erforderlich, die Justierung für das optische Senden und den optischen Empfang getrennt vorzunehmen. Man erkennt daher, daß sich der Betrieb, die Wartung und die Justierung des optischen Nachrichtenverbindungssystems im Vergleich mit den bisher bekanntes Systemen sehr erleichtern lassen. Außerdem ist es dank der Anordnung, gemäß der die Lichtsendediode auf der Halterung mit dem in deren Oberflächenbereich ausgebildeten Lichtempfangselement angeordnet ist, möglich, das Senden und den Empfang gleichzeitig durchzuführen, indem man gleichzeitig die Lichtsendediode und das Lichtempfangseletr.snt benutzt Außerdem läßt sich die optische Halbleiteranordnung in stark vereinfachter Weise herstellen, da keine pn-Übergänge für die Lichtemission und den Lichtempfang in einem und derselben Element gebildet zu werden brauchen.

Im Fall des veranschaulichten Ausführungsbeispiels ist die LichtsendedL-rfe von der PIN-Photodiode von Quadratform umgeben. Jedoch kann selbstverständlich die PIN-Photodiode andere erwünschte Formen, wie z. B. ringartige Form od. dgl. einnehmen. Außerdem

kann die umgebende PIN-Photodiode mit Spalten an gewünschten Stellen ausgebildet sein, ohne daß sich nachteilige Einflüsse ergeben. Weiter ist es, da das grundsätzliche Erfordernis darin besteht, daß sowohl das Lichtsendeelement als auch das Lichtem pfangselement auf einem gleichen Substrat (d. h. der Halterung) so ausgebildet sind, daß eine einzige Linse zum optischen Senden und zum optischen Empfang dienen, nicht immer erforderlich, daß die PIN-Photodiode so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie die Lichtsendediode völlig umgibt Jedoch wird die Anordnung der PIN-Photcdicdc rings um die Lichtsendediode für den Lichtempfangsbetrieb bevorzugt.

Für die Lichtsendediode gemäß der Erfindung können verschiedene sichtbares Licht abstrahlende Dioden is sowie eine Infrsrotlicht abstrahlende Diode verwendet werden. Vor allem werden die Infrarotlicht abstrahlenden Dioden der Gai _»Al,As-Reihe zur Verwendung als Lichtsendediode in der optischen Halbleiteranordnung unter Berücksichtigung der eine größere Reichweite zulassenden großen Ausgangsleistung bevorzugt.

Die Erfindung erfordert keine Verwendung von aufwendigen einzigen Linsen, sondern ermöglicht die Herstellung des optischen Nachrichtenverbindungssystems zu geringen Kosten, wobei gleichzeitig die Justierung und Wartung erleichtert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Optische Halbleiteranordnung zur optischen Nachrichtenverbindung

— mit einem optischen Sendeelement (13)

— und einem von diesem kein licht empfangenden Lichtempfangselement (8,9)

— die einstückig miteinander ausgebildet sind,

— wobei das optische Sendeelement (13) auf einem Halbleitersubstrat (12) angeordnet ist, in dem das Lichtempfangselement (8,9) ausgebildet ist,

— je ein ohmscher Kontakt (4, 4') des optischen Sendeelements (13) elektrisch mit einem N-Bereich (7) bzw. einem P-Bereich (6) des Halbleitersubstrats (12) verbunden ist,

— und das Licht vom optischen Sendeelement (13) senksrscht zu dessen PN-Übergang (2,3) abgestrahlt wird,