DE3688891T2

DE3688891T2 - Elektronische Anordnung mit einem Lichtübertragungssystem.

Info

Publication number: DE3688891T2
Application number: DE86106207T
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Hirai; Sachio Ishioka; Hirokazu Matsubara; Yasuharu Shimomoto; Yukio Takasaki; Kazutaka Tsuji
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2006-05-07
Also published as: EP0204167A2; JPS61253862A; JPH0728022B2; EP0204167A3; DE3688891D1; US4829345A; EP0204167B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Signalübertragung im Inneren einer integrierten Schaltung (IC), einer elektronischen Vorrichtung usw. Sie liefert, näher gesagt, ein Licht-Übertragungssystem für eine elektronische Vorrichtung, in welcher ein Signal zu einer gewünschten Schicht übertragen wird, selbst wenn Lagen mit unterschiedlichen Funktionen akkumuliert und wie in einer dreidimensionalen integrierten Schaltung integriert sind.
Beim Betrieb einer elektronischen Vorrichtung haben interne Informationssignale wesentliche Rollen. Insbesondere bei einer elektronischen Vorrichtung mit einem Aufbau, worin Teile mit unterschiedlichen Funktionen parallel oder in Akkumulierung verbunden und integriert sind, ist die wechselweise Übertragung von Information unverzichtbar. Zu diesem Zweck wird am häufigsten ein Verfahren zum elektrischen Verbinden beider Teile herangezogen. Dies ist im "Japanischen Journal der angewandten Physik", Band 20, Nr. 9 (1981), Seiten L623-L626, beschrieben.
In einem solchen Fall jedoch, in dem die funktionellen Teile mit einem Isolator getrennt angeordnet sind, oder wo sie vertikal eine vielschichtige Struktur bilden, war eine wechselseitige elektrische Verbindung unmöglich oder es war ein komplizierter Vorgang erforderlich.
Um die Nachteile elektrischer Verbindungen zu überwinden, benutzt GB-A-2 113 912 optische Verbindungen zwischen unterschiedlichen Schaltungswegen. Es ist in der US-A- 3 785 717 auch eine optische Wellenführungsanordnung offenbart.
In diesen bekannten Wellenführungsanordnungen ist eine Wellenführung nur imstande, ein einziges optisches Signal zwischen einem Paar zu übertragen, das aus einer Lichtquelle und aus einem optischen Detektor besteht. Die Wellenführungen, die für die Übertragung einer Vielzahl von Signalen erforderlich sind, erfordern deshalb in der Vorrichtung einen großen Raum.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Vorrichtung vorzusehen, in welcher der Raum, der von optischen Verbindungen gefordert ist, verringert ist.
Dieses Ziel wird durch die Vorrichtung gelöst, die im Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
Die Erfindung benutzt eine Wellenführung für die gleichzeitige Übertragung einer Vielzahl von Lichtsignalen.
Von lichtemittierender Quelle, Lichtausbreitungspfad und photoelektrischem Umwandlungsteil ist jedes aus einer Superlattice-Struktur gebildet, worin eine Vielzahl von Materialien mit ungleichen Energielücken geschichtet sind. Ein Beispiel für die Herstellung einer Superlattice-Struktur ist in der US-A-4 205 329 beschrieben.
Es wird nun die Superlattice-Struktur beschrieben.
Im allgemeinen ist das Übertragungsvermögen (transmittance) von Materialien den jeweiligen Materialien inhärent, und im Fall der Vermischung zweier Arten von Materialien ist das Übertragungsvermögen, das für das Gemisch eigentümlich ist, eindeutig bestimmt. Es wurde jedoch in den letzten Jahren herausgefunden, daß dann, wenn Halbleiter mit ungleichem Übertragungsvermögen oder ungleichen Energielücken regelmäßig in sehr dünnen Schichten gegenseitig übereinandergelegt werden, eine Energielücke gebildet werden kann, die ungleich denen beider Halbleiter ist.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines solchen Phänomens. In der Figur bedeutet B ein Material, dessen Energielücke größer ist als bei einem Material A, und die Kombination der Materialien besteht beispielsweise aus GaAs als A und GaAlAs als B. Wenn die Dicke einer jeden Schicht einer solchen akkumulierten Struktur abnimmt bis in die Größenordnung von 10 nm, dann tritt der Quanteneffekt auf und es werden im Teil A neue Energiepegel mit schmaler Energie gebildet, wie in Fig. 1 gezeigt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 das Leitungsband des Materials A, das Bezugszeichen 2 das Leitungsband des Materials B, das Bezugszeichen 3 das Valenzband des Materials A und das Bezugszeichen 4 das Valenzband des Materials B. Die Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnen das Leitungsband bzw. das Valenzband mit neu gebildeten Pegeln. Die Lagen der neuen Pegel werden ausgedrückt durch:
En = h² n²/8 m L² . . . (1)
Hier bezeichnet L die Dicke der Schicht A, h die Planck'sche Konstante und m die effektive Masse eines Trägers. n bezeichnet die Ordnungszahl der Pegel, und ein Fall mit n = 1 ist in Fig. 1 dargestellt. Mit einer Zunahmen von n verlagert sich der Energiepegel zur Seite einer höheren Energie. Wenn der Wert eines Elektrons mit m ausgewählt wird, dann entspricht die Position der Leitungsbandseite, und wenn der Wert eines Lochs gewählt wird, dann entspricht die Position der Valenzbandseite.
Unter solchen Umständen werden die optischen Eigenschaften dieses Systems vorherrschend bestimmt durch eine neue Energielücke Ec, die durch das Leitungsband 5 und das Valenzband 6 definiert ist. Beispielsweise wird die Wellenlänge der Emission auf der Grundlage einer Trägerinjektion ein Wert, der Ec entspricht, und die Absorptionsfähigkeit (absorbance) ist für die Wellenlänge, die Ec entspricht, am größten. Es ist dementsprechend möglich, beispielsweise die optischen Eigenschaften dadurch zu ändern, daß man eine Energiebegrenzungsbreite L ändert, wie im "Japanischen Journal angewandter Physik", Band 20, Nr. 9, 1981, Seiten L623-L626, beschrieben. Das obige ist eine Erläuterung der Superlattice-Struktur.
Die Erfinder haben ein Lichtübertragungssystem aufgebaut, das Licht selektiv leiten kann, indem man geschickt das Phänomen benutzt, und das imstande ist, in einer elektronischen Vorrichtung, wie etwa einer integrierten Schaltung, angebracht zu werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Struktur, in welcher Materialien A und B mit ungleichen Energielücken geschichtet sind, sowie ein Diagramm zum Erläutern der Energiebänder in der Struktur.
Fig. 2 ist eine allgemeine Ansicht einer elektronischen Vorrichtung, in welcher das Lichtübertragungssystem der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern der Energiebänder des Lichtübertragungssystems der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 2 zeigt eine elektronische Vorrichtung, die aus Schaltungen 7, 8 und 9 besteht, die drei Arten unterschiedlicher Funktionen aufweisen, beispielsweise ein Fühlerteil, ein Datenverarbeitungsteil und ein Speicherteil. In der Figur bilden die Abschnitte 10 bis 15 das Lichtübertragungssystem der vorliegenden Erfindung, worin die Abschnitte 10 und 11 Abschnitte zur Erzeugung eines optischen Signals, die Abschnitte 12 und 13 Lichtbeförderungsabschnitte und die Abschnitte 14 und 15 photoelektrische Umwandlungsabschnitte sind. Fig. 3 ist ein Energiebanddiagramm dieses Lichtübertragungssystems.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weisen die Abschnitte 10 und 11 zur Erzeugung eines optischen Signals, die zur Schaltung 7 gehören, jeweils geschichtete Strukturen auf, von denen jede aus Materialien ungleicher Energielücken hergestellt ist. Das Material der engeren Lücke, das dem Material A in Fig. 1 entspricht, ist im Abschnitt 10 dicker als im Abschnitt 11. Demzufolge wird, wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, eine Energielücke, die im Bereich 10 gebildet wird, schmäler als im Bereich 11, und die Emissionswellenlänge des Bereichs 10 ist lang, während jene des Bereichs 11 kurz ist.
Inzwischen werden die Lichtausbreitungspfade 12 und 13 aus den geschichteten Strukturen gebildet, von denen jede gleichartig aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist. Die Dicke der Schichten ist so gewählt, daß der Pfad 12 eine weitere Energielücke haben kann als der Pfad 13.
Als ein konkretes Beispiel ist GaAs (Energielücke: 1,43 eV) als das Material A und AlAs (Energielücke: 2,16 eV) als das Material B gewählt, und die geschichteten Strukturen sind durch Elektronenstrahl-Epitaxie oder MOCVD (chemischer Verdampfungsauftrag (CVD) auf der Grundlage der Plasmazerlegung organischer Metalle) gebildet. Die Breite der GaAs-Schicht ist festgesetzt auf 10 nm in jedem der Bereich 10 und 13, und auf 3,5 nm in jedem der Bereiche 11 und 12. Die Breite des AlAs ist auf 10 nm in jedem der Bereiche festgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die effektive Energielücke etwa 1,5 eV in jedem der Bereiche 10 und 13 sowie 1,65 eV in jedem der Bereiche 11 und 12.
Wenn nun Träger in dem Bereich 10 in der Schaltung 7 injiziert werden, dann wird Licht mit einer Wellenlänge von etwa 820 nm emittiert. Das Licht wird durch die Bereiche 11 und 12 übertragen und wird vom Bereich 13 absorbiert, um Phototräger zu bilden. Die Phototräger werden als ein elektrisches Signal durch den Bereich 15 abgeleitet. Wenn andererseits Träger in dem Bereich 11 injiziert werden, wird Licht mit einer Wellenlänge von etwa 750 nm emittiert, und dieses Licht wird vom Bereich 12 absorbiert. Im Falle dieser Wellenlänge wird das Licht auch vom Bereich 13 absorbiert. Durch eine solche Methode, wie die Erhöhung der Anzahl der Quellen im Bereich 12 oder die Einstellung eines niedrigen Detektor-Schwellenpegels für den Bereich 13, können allerdings Phototräger daran gehindert werden, in den Bereich 13 zu strömen.
Wenn auf diese Weise ein optischer Signalgenerator 10 betrieben wird, wird das Signal zur Schaltung 9 gesendet, und wenn der optische Signalgenerator 11 betrieben wird, wird ein Signal zur Schaltung 8 gesendet. Durch Aufblinkenlassen der optischen Signalgeneratoren können auch digitale Signale übertragen werden.
Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel die Methode dargestellt hat, auf welche sowohl die Lichtemissionsabschnitte als auch die Lichtförderabschnitte aus derselben Kombination von Materialien gebildet sind, wird auch eine gleichartige Wirkung erreicht, selbst wenn unterschiedliche Materialien für die einzelnen Lichtemissionsabschnitte gewählt werden oder wenn lichtemittierende Dioden oder dergleichen verwendet werden. Zusätzlich können, obwohl die Signale im Beispiel in einer Richtung übertragen werden, die Signale auch von der zweiten Schicht 8 sowohl an die erste Schicht 7 als auch an die dritte Schicht 9 abgegeben werden. Das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine mehrschichtige Struktur gebildet wird, in welcher die Breite einer Quellenschicht sich allmählich mit Zunahme im Abstand vom lichtemittierenden Abschnitt, der ein Signal erzeugt, erweitert, um hierdurch das Absorptionsvermögen mit einer Abhängigkeit von der Wellenlänge auszustatten. Es ist auch möglich, daß dann, wenn eine Gruppe von Materialien einem Erfordernis nicht länger genügen kann, ein Lichtförderpfad von einer Zwischenposition aus durch Verwendung einer unterschiedlichen Kombination gebildet wird. Natürlich ist die Anzahl von Schaltungen nicht auf drei beschränkt, und die Schaltungen können ebensogut auch in Seitenrichtung angeordnet werden, und es kann ebensogut ein lichtübertragender Isolierfilm zwischen den Schaltungen angeordnet sein.
Obwohl in der vorliegenden Erfindung der Effekt im Hinblick auf Verbundhalbleitermaterial erläutert wurde, kann entsprechend dem Zweck einer elektrischen Vorrichtung auch eine andere Art von Materialien gewählt werden.
Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden Erfindung Signale an gewünschte Stellen innerhalb einer elektronischen Vorrichtung so übertragen werden, daß eine Information sehr glatt zwischen unterschiedlichen Schaltungskomponenten in der elektronischen Vorrichtung überführt werden kann, in welcher Schaltungen mit unterschiedlichen Funktionen kombiniert sind.

Claims

1. Elektronisches Gerät mit einem mehrere Schaltungsteile (7, 8, 9) verbindenden Lichtsignal-Übertragungssystem, umfassend

eine lichtemittierende Quelle (10, 11), mehrere photoelektrische Detektorteile (14, 15), und

einen Lichtausbreitungspfad (12, 13), dessen Enden mit der lichtemittierenden Quelle (10, 11) bzw. den photoelektrischen Detektorteilen (14, 15) verbunden ist, wobei

die lichtemittierende Quelle (10, 11) mehrere Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen emittiert,

jedes photoelektrische Detektorteil (14, 15) unter den Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlängen ein vorbestimmtes Lichtsignal detektiert,

die lichtemittierende Quelle (10, 11) von einer Superlattice-Struktur gebildet ist, und

der Lichtausbreitungspfad (12, 13) aus einer Superlattice-Struktur gebildet ist, bei der mehrere Materialien mit ungleicher Bandlücke geschichtet und die Dicke der Schichten mit kleiner Bandlücke mit zunehmendem Abstand von der lichtemittierenden Quelle (10, 11) zunimmt.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Materialen GaAs und AlAs sind.