DE2816312C2

DE2816312C2 -

Info

Publication number: DE2816312C2
Application number: DE2816312A
Authority: DE
Inventors: Luigi Chevreuse Fr D'auria; Beaudoin De Orsay Fr Crenoux; Andre Chevreuse Fr Jacques
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1987-08-20
Also published as: FR2387519B1; DE2858706C2; US4217598A; GB1594567A; JPS6157717B2; CA1103766A; JPS53129592A; FR2387519A1; DE2816312A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches optoelektronisches Bauelement ist aus der Druckschrift "IBM-Technical Disclosure Bulletin" 15 (1973), Seiten 2760 und 2761 bekannt. Es enthält in einem Halblei terkörper eine p- und eine n-leitende Halbleiterschicht, die an ihren seitlichen Enden ebene Begrenzungsflächen bilden. Neben der einen Begrenzungsfläche ist über Kon taktierungsschichten ein Laser- oder LED-Element gebildet, während neben der anderen Begrenzungsfläche, ebenfalls mittels geeigneter Kontaktschichten, ein optisches Sensor element gebildet ist. Die ebenen Begrenzungsflächen des Bauelements können an die Stirnflächen eines Lichtwellen leiters angeschlossen sein, so daß das optoelektronische Bauelement als Ein/Ausgabe-Einheit in einem optischen Da tenübertragungssystem wirken kann. Beim Durchgang der Lichtstrahlung quer durch die Begrenzungsflächen und in Längsrichtung durch die Halbleiterschichten tritt zwar keine wesentliche Dämpfung der Lichtstrahlung auf, jedoch führen mehrere in beispielsweise einen Lichtwellenleiter eingefügte optoelektronische Bauelemente dieser Art be reits zu einer erheblichen Signaldämpfung.

In Fernmeldesystemen werden bekanntlich Busleitungen ver wendet, d. h. Leitungen, über die mehrere über eine einzige Leitung angeschlossene Teilnehmer miteinander kommunizie ren können. Jede Teilnehmerstation enthält eine Sende- Empfangs-Anordnung sowie Steuereinrichtungen, die den wahl weisen Sendebetrieb oder Empfangsbetrieb gestatten. Der Verwirklichung eines solchen Fernmeldesystems mit Licht wellenleitern und optoelektronischen Bauelementen steht entgegen, daß letztere bei einer größeren Anzahl von Teil nehmern eine zu hohe Signaldämpfung verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau des optoelektronischen Bauelements dahingehend zu verbessern, daß die Dämpfung der Lichtstrahlung beim Durchgang zwischen den Begrenzungsflächen des Bauelements vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem gattungsgemäßen optoelektronischen Bauelement durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement kann wahlweise als Lichtempfänger oder als Lichterzeuger arbei ten. Da die aktive Schicht des Bauelements eine sehr ge ringe Dicke aufweisen kann, tritt beim Durchgang der Licht strahlung quer durch diese Schicht nur eine sehr geringe Dämpfung auf, die beispielsweise 0,3 dB bei einer Schicht dicke von 0,3 µm beträgt.

Aus der DE-OS 25 42 072 ist an sich bereits eine licht emittierende Halbleiterdiode bekannt, deren Aufbau dem des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements inso fern gleicht, als zwischen zwei strahlungsdurchlässigen Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps, näm lich aus p-GaAlAs bzw. n-GaAlAs, eine aktive Schicht ein gefügt ist, nämlich eine GaAs-Schicht, die mit den beiden anderen Halbleiterschichten jeweils einen Heteroübergang bildet. Dieses bekannte Bauelement arbeitet aber nur als Lichterzeuger und läßt auch keinen Durchgang der Licht strahlung quer zu den Halbleiterschichten zu.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zum Gegenstand des Anspruchs 3 ist anzumerken, daß aus der Druckschrift "Applied Physics Letters", 28 (1976) Seiten 363 bis 365 bereits ein opto elektronisches Bauelement mit zwei Heteroübergängen be kannt ist, bei dem als Halbleitermaterial ein System In_{1 -} _xGa_xP_{1 -} _zAs_z verwendet wird. Dieses Bauelement bildet eine Laserdiode.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Bus-Leitung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines optoelektronischen Bauelements,

Fig. 3 eine Bus-Leitung, in die optoelektronische Bauelemente eingefügt sind, und die

Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele von optoelektro nischen Bauelementen.

Fig. 1 zeigt ein Fernmeldesystem eines unter der Bezeichnung "Bus-Leitung" bekannten Typs. Dieses System enthält eine Lei tung 10, die eine Strahlung in beiden Ausbreitungsrichtungen überträgt. An diese Leitung sind Teilnehmerstationen A ₁, A ₂, . . . ange schlossen. Diesen Stationen ist jeweils eine codierte Zahl zugeordnet. Jede Station empfängt eine Strahlung in co dierten Impulsen über die Leitung und sendet sie über die Leitung wieder aus, wobei die Gesamtheit der Signale gleich zeitig die Information und die Adresse eines der verschiedenen Teilnehmer mit sich führt.

Der Vorteil eines solchen Systems ist eine Einfachheit. Wenn man es aber auf das Gebiet der Lichtleitfasern über trägt, ist klar, daß es einen grundsätzlichen Nachteil auf weist. Sobald eine Teilnehmerstation defekt wird, hört das gesamte System auf zu funktionieren.

Bei Anwendung des unten beschriebenen optoelektronischen Bauelements wird dieser Mangel vermieden.

Das optoelektronische Bauelement bildet eine Diode mit drei einander überlagerten Schichten 1, 2 und 3, von denen die aktive Schicht 2 sehr dünn ist, d. h. eine Dicke in der Größenordnung von 0,3 µm bis 1 µm hat. Sie besteht aus einem Material, das die Lichtstrahlung bei der Betriebswellenlänge absorbiert, jedoch sind die Übertragungsverluste wegen der geringen Dicke gering, da sie etwa 1,3 dB pro Mikro meter Dicke betragen. Bei einer Dicke von 0,3 µm können sie 0,3 dB betragen.

Diese aktive Schicht 2 ist als Zwischenschicht zwischen die beiden Schichten 1 und 3 eingefügt, bei welchen es sich um Schichten entgegengesetzten Leitungstyps handelt, also beispielsweise des Leitungstyps p für die Schicht 1 und des Leitungstyps n für die Schicht 3. Diese Schichten haben eine Dicke, die viel größer ist und in der Größenordnung von 1 bis 10 µm liegt, und sie bilden mit der Schicht 2 zwei Heteroübergänge. Diese Materialien haben ein verbotenes Band, das höher ist als das der Schicht 2, und sind für die Strahlung durchlässig.

Daraus folgt, daß bei Betrieb der Diode in Durchlaßrichtung und wenn ihre beiden äußeren Begrenzungsflächen mit zwei Ab schnitten F ₁ bzw. F ₂ von Lichtleitfasern in Berührung sind, die von der Schicht 3 kommenden Elektronen sich mit den von der Schicht 2 kommende Löchern in der Schicht 1 kombinieren. Die so erzeugten Photonen können die Schichten 1 und 3 durchqueren, da diese strahlungsdurchlässig sind.

Wenn die Diode in Sperrichtung betrieben wird und wenn eine ihrer äußeren Flächen der Strahlung ausgesetzt ist, erzeugen die Photonen, die die Schicht 2 erreichen, Elektron-Loch-Paare und der sich daraus ergebende elektrische Strom verursacht ein elektrisches Signal.

Fig. 3 zeigt eine Bus-Leitung, die aus Lichtleitfasern her gestellt ist, und eine Teilnehmerstation. Jede Station ent hält für jeden Teilnehmer ein eine Diode D bildendes optoelektronisches Bau element, das zwischen zwei Faserabschnitte F ₁ und F ₂ eingefügt ist.

Von den beiden Anschlüssen der Diode D ist der eine beispiels weise mit Masse und der andere mit einem Kontaktgeber C ver bunden, deren beide Ausgänge mit dem Sendesystem E bzw. mit dem Empfangssystem R verbunden sind. Während einer Empfangs folge wird die Diode in Sperrichtung und während einer Sende folge in Durchlaßrichtung betrieben. Sie ist in jedem Fall für die Strahlung durchlässig, die über die verschiedenen Lichtleitfaserabschnitte übertragen werden. Daraus folgt, daß selbst in dem Fall einer Störung der Teilnehmerstation das Bauelement kein Hindernis für die Übertragung der Lichtenergie dar stellt.

Die in Fig. 4 als erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Bauelements dargestellte Diode enthält ein Substrat 5 aus Galliumarsenid AsGa des Leitungstyps p mit einer Dicke in der Größenordnung von 100 µm, das stark dotiert ist (10¹⁸ Atome/cm³). Auf dieses Substrat sind durch Epitaxie nach dem bekannten Verfahren der Epitaxie in flüssiger Phase nacheinander vier Schichten 1, 2, 3 und 4 aufgebracht worden, die folgende Dicken, Zusammensetzungen und Fremdatomkonzen trationen haben:

Schicht 1:

Zusammensetzung: Ga_{1 -} _xAl_xAs, mit 0,3 x 0,4, des Leitungstyps p, mit einer Konzentration von 10¹⁸ Atome/cm³ und mit einer Dicke von 5 bis 10 µm.

Schicht 2, welche die aktive Zone ist:

Zusammensetung: Ga_yAl_{1 -} _yAs des Leitungstyps p oder n, mit einer Dicke von 0,3 bis 1 µm, mit y < 0,1, und mit einer Fremdatomkonzentration von 10¹⁶ bis 10¹⁷ Atome/cm³.

Schicht 3:

Zusammensetzung: Ga _{1 -} _xAl_xAs, mit einer Dicke von 1 bis 5 µm und mit einer Fremdatomkonzentration des Leitungstyps n von 10¹⁸ Atome/cm³.

Schicht 4:

Zusammensetzung: Ga_{1 -} _zAl_zAs des Leitungstyps n, mit z = y + 0,1.

Das Substrat ist in seinem mittleren Teil, in welchem die Lichtleitfaser F ₁ angeordnet ist, ausgespart. Diese Aussparung ist erforderlich, denn reines AsGa ist für Lichtstrahlungen mit Wellenlängen in dem Bereich von 0,8 bis 0,9 µm wenig durch lässig. Es trägt einen Kontakt 10 auf seinem oberen Teil.

Ebenso gestattet die Schicht 4, den Kontaktanschluß der Ge samtanordnung auf einem Sockel 6 herzustellen. Es ist näm lich bekannt, daß die Kontaktanschlüsse auf Schichten der Zusammensetzung Al_xAs_{1 -} _xGa umso schwieriger sind, je größer x ist, und insbesondere wenn x in der Größenordnung von 0,3 bis 1 liegt.

Die Lichtleitfaser F ₂ ist in einer Aussparung des Sockels 6 angeordnet.

Die unnützen Zonen 7 der Diode sind durch Protonenbeschuß isolierend gemacht worden.

Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5 ein Bauelement, das keine mittige Ausnehmung aufweist.

Das Substrat 5 des Bauelements ist aus einem Material hergestellt, welches für Strahlungen mit Wellenlängen in der Größenordnung von 1,2 µm durchlässig ist. Dieses Material ist Indiumphosphid InP. Auf das InP-Substrat der Dicke 100 µm sind nacheinander durch bekannte Verfahren der Epitaxie in flüssiger Phase aufgebracht worden:
Eine Schicht 1 aus InP des Leitungstyps n (Dotierung in der Größenordung von 10¹⁸ Atome/cm³), mit einer Dicke von 1 bis 5 µm;
eine Schicht 2, welches die aktive Zone ist, die einen Hetero übergang des Leitungstyps n oder p bildet, eine Dicke von 0,3 bis 1 µm und folgende Formel hat:

In_{1 -} _xGa_xAs_{1 -} _yP_y
mit:
10,1 < x < 0,2
0,5 < y < 0,7;

und eine Schicht 3 aus InP des Leitungstyps p, mit einer Dicke von 5 bis 10 µm und mit einer Dotierung in der Größenordnung von 10¹⁸ Atome/cm³.

Zum örtlichen Begrenzen des aktiven Teils ist die Gesamtan ordung in geeigneter Weise bearbeitet worden (Protonenimplan tation, Mesa-Strukturierung, örtlich begrenzte Diffusion). Fig. 5 zeigt eine Mesa-Diode. Die Gesamtanordnung ruht auf einem metallischen Sockel 6, und Kontakte 10 sind oben auf der Mesa- Struktur vorgesehen.

In beiden Fällen beträgt die ausgesandte Leistung 1 mW, bei einem injizierten Strom von 50 mA, und die Abschwächung, die durch die Diode zwischen den Fasern F ₁ und F ₂ hervorge rufen wird, ist kleiner als 2 dB.

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiter körper, der eine p- und eine n-leitende Halbleiterschicht aufweist, der an zwei gegenüberliegenden ebenen Begren zungsflächen sowohl den Zutritt von in dem Halbleiterkör per nachzuweisender als auch den Austritt von in dem Halbleiterkörper erzeugter Lichtstrahlung gestattet und bei dem die Lichtstrahlung beim Durchgang von der einen Begrenzungsfläche zu der anderen Begrenzungsfläche nicht wesentlich gedämpft wird, dadurch gekennzeichnet, daß so wohl die p- als auch die n-leitende Halbleiterschicht parallel zu den ebenen Begrenzungsflächen ausge bildet sind und daß zwischen der p- und der n-leitenden Halbleiterschicht eine wahlweise für den Lichtnachweis oder für die Lichterzeugung aktive Schicht (2) aus einem Halbleitermaterial angeordnet ist, dessen Bandabstand ge ringer als der der begrenzenden p- bzw. n-leitenden Halb leiterschichten ist.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die begrenzenden p- und n-leitenden Halbleiterschich ten aus Ga_{1 -} _xAl_xAs bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der aktiven Schicht (2) aus Ga_1-yAl_yAAs mit 0 < y < 0,1 besteht und daß x zwischen 0,3 und 0,4 liegt.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die begrenzenden p- und n-lei tenden Halbleiterschichten aus InP und das Halb leitermaterial der aktiven Schicht (2) aus In_1-xGa_xAs_1-yP_y mit 0,2 <x < 0,2 und 0,5 < y< 0,7 bestehen.

4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht ( 2) eine Dicke von 0,2 bis 1 µm und die p- und n-leitenden Halb leiterschichten eine Dicke in der Größenordnung von 5 µm aufweisen.