DE3884659T2 - Optische Halbleiteranordnung. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtung, die für einen optischen Schalter, einen optischen Speicher, einen optischen Verstärker, eine optische Wellenlängenumsetzungseinrichtung und so weiter verwendet wird.
Ausgangssituation der Erfindung
• Es ist auf eine Vorrichtung mit pnpn-Übergang hingewiesen worden, die für einen optischen Schalter, einen optischen Verstärker, einen optischen Speicher, eine optische Wellenlängenumsetzungseinrichtung usw. auf den Gebieten des optischen Rechnens, einer optischen Verbindungsleitung, eines optoelektronischen integrierten Schaltkreises usw. verwendet wird. Eine derartige Vorrichtung mit pnpn-Übergang wird in einer Arbeit mit dem Titel "A new double heterostructure optoelectronic switching device using molecular beam epitaxy" (Ein neues optoelektronisches Schaltelement mit doppelter Heterostruktur unter Anwendung der Molekularstrahl-Epitaxie) von G. W. Tayler u. a., J. Appl. Phys. 59(2), 15. Januar 1986, S. 596-600, beschrieben. Die Vorrichtung mit pnpn-Übergang weist eine Pufferschicht aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,5 um, eine Katodenschicht aus n-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine p-Gateschicht aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm (50 Å) sowie eine n-Gateschicht mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine Anodenschicht aus p-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um sowie eine Deckschicht aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 um auf, die man nacheinander unter Anwendung der Nolekularstrahl-Epitaxie auf einem n-GaAs-Substrat aufwachsen läßt. Die Vorrichtung mit pnpn-Übergang weist ferner eine ringförmige p-Elektrode aus AuZn-Legierung und eine n-Elektrode aus AuGeNi-Legierung auf, die auf der oberen Fläche der Deckschicht bzw. auf der Rückfläche des Substrats aufgebracht sind.
• Die Vorrichtung wird als Thyristor mit einem pnpn-Übergang betrachtet, derart daß darin eine Schaltoperation ausgeführt werden kann. Im Betrieb wird eine Schaltspannung, unter der die Vorrichtung eingeschaltet wird, zu einer niederen Spannung hin verschoben, wenn der Vorrichtung ein Eingangslicht zugeführt wird. Während im AUS-Zustand im wesentlichen kein elektrischer Strom durch die Vorrichtung fließt, tritt im EIN-Zustand ein elektrischer Stromfluß auf. Der im EIN-Zustand fließende elektrische Strom variiert in Abhängigkeit von einem Vorspannungswert, der durch einen mit einer Stromquelle in Serie geschalteten Lastwiderstand festgelegt wird. Dabei wird in einer in der Vorrichtung vorhandenen lichtemittierenden Schicht eine Lichtemission ausgelöst. Aus dem oben beschriebenen Grunde wird die Vorrichtung in den EIN-Zustand geschaltet, wenn bei Anliegen einer etwas niedrigeren Spannung als der Schaltspannung Licht in die Vorrichtung eingestrahlt wird. Die Vorrichtung kann daher als optischer Schalter, als optisches Logikelement usw. verwendet werden, da man im EIN- Zustand eine Lichtemission erhält.
• Die herkömmliche Vorrichtung mit pnpn-Übergang hat jedoch den Nachteil, daß ein optischer Teil, wie etwa ein optischer Isolator, ein Strahlteiler usw. in einem optischen System vorgesehen werden muß, wodurch sich die Kosten des optischen Systems erhöhen, denn das Eingangs- und das Ausgangslicht werden auf einem gemeinsamen Lichtweg übertragen, da das Eingangslicht einem Lichteintritts-/-austrittsfenster zugeführt wird und das Ausgangslicht von dem Lichteintritts-/-austrittsfenster oder von einem an der gegenüberliegenden Fläche der Vorrichtung vorgesehenen Lichtaustrittsfenster abgestrahlt wird. Aus dem gleichen Grunde ist die Ausrichtung der Lichtachsen beim Eingangs- und Ausgangslicht schwer ausführbar, besonders wenn in der Vorrichtung mehrere Eingangs- oder Ausgangslichtstrahlen verwendet werden.
• Ferner besteht ein weiterer Nachteil darin, daß Wellenlängen zwischen Eingang und Ausgang verändert werden, so daß die Vorrichtung schwer anwendbar ist, insbesondere auf einen optischen Verstärker. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Empfang und die Aussendung von Licht in der n-Gateschicht der Vorrichtung erfolgen, wodurch Licht mit einer Wellenlänge empfangen wird, die kürzer ist als die Wellenlänge der verbotenen Zone der n-Gateschicht, während Licht mit einer Wellenlänge emittiert wird, die annähernd gleich der Wellenlänge der verbotenen Zone ist, so daß bei Verwendung der Vorrichtung als optischer Verstärker oder optische Wellenlängenumsetzungseinrichtung die Wellenlänge nach größeren Werten hin verschoben wird.
• Im Journal of Lightwave Technology LT-3, Nr. 6, Dezember 1985, S. 1264-1268, wird eine Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtung dargestellt, die Licht durch ein erstes Fenster im Katodenbereich empfängt und Licht durch ein zweites Fenster im Anodenbereich emittiert. Die Vorrichtung weist eine pnpn-Struktur auf.
• In der JP-A-57 166 081 und der JP-A-6 085 579 werden Licht empfangende und aussendende optische Vorrichtungen dargestellt, wobei eine pn-Halbleiterstruktur derart in getrennte Bereiche unterteilt ist, daß ein Bereich für den Lichtempfang und ein zweiter Bereich für die Lichtemission verwendet werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
• Dementsprechend wird in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtung geschaffen, in der die Lichtachsen bei mehreren Eingangs- oder Ausgangslichtstrahlen leicht ausgerichtet werden können.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft eine Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtung, in welcher der Empfang und das Aussenden von Lichtstrahlen in getrennten Bereichen ausgeführt werden.
• Ein weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft eine Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtung, in welcher eine vorgegebene Lichtwellenlänge für das Eingangs- oder Ausgangslicht ausgewählt werden kann, so daß die Konstruktion eines optischen Systems bei einer spezifizierten Anwendung optimiert wird.
• Licht empfangende und aussendende Halbleitervorrichtungen mit einer erfindungsgemäßen pnpn-Struktur werden in den Ansprüchen 1, 5 und 6 charakterisiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
• Fig. 1A und 1B eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer herkömmlichen optischen pnpn-Vorrichtung;
• Fig. 2A und 2B eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer optischen Halbleitervorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Schaltspannung und der Eingangslichtmenge in der optischen Halbleitervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, die eine optische Halbleitervorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
• Fig. 5 eine erläuternde Darstellung zur Arbeitsweise der optischen Halbleitervorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
• Fig. 6A und 6B eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht, die eine optische Halbleitervorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
• Vor der Erläuterung einer optischen Halbleitervorrichtung nach einem erstem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die obenerwähnte herkömmliche Vorrichtung mit pnpn-Übergang in Fig. 1A und 1B erläutert. Die Vorrichtung mit pnpn-Übergang weist eine Pufferschicht 12 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,5 um, eine Katodenschicht 13 aus n-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine p-Gateschicht 14 mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm (50 Å), eine n-Gateschicht 15 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine Anodenschicht 16 aus p-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um und eine Deckschicht 17 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 um auf, die man nacheinander mittels Molekularstrahl-Epitaxie auf einem n-GaAs-Substrat 11 aufwachsen läßt. Die Vorrichtung mit pnpn-Übergang weist ferner eine ringförmige p-Elektrode 18 aus AuZn-Legierung und eine n-Elektrode 19 aus AuGeNi-Legierung auf, die auf der oberen Fläche der Deckschicht 17 bzw. der Rückfläche des Substrats 11 aufgebracht sind.
• Die Arbeitsweise und die Nachteile der herkömmlichen Vorrichtung mit pnpn-Übergang wurden bereits beschrieben, so daß nochmalige Erläuterungen hier weggelassen werden.
• Als nächstes wird eine optische Halbleitervorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2A und 2B beschrieben. Die optische Halbleitervorrichtung besteht aus den gleichen Materialien und hat die gleiche Zusammensetzung wie die in Fig. 1A und 1B beschriebene herkömmliche Vorrichtung und weist eine Pufferschicht 22 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,5 um, eine Katodenschicht 23 aus n-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine p-Gateschicht 24 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm (50 Å), eine n-Gateschicht 25 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine Anodenschicht 26 aus p- Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um sowie eine Deckschicht 27 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 um auf, die man nacheinander mittels Molekularstrahl-Epitaxie auf einem n-GaAs-Substrat 21 aufwachsen läßt. Die Bezugszahl 28 bezeichnet eine p-Elektrode aus AuZn-Legierung, die auf der oberen Fläche der Deckschicht 27 aufgebracht ist, in der zwei kreisförmige Lichteintrittsfenster 20A und ein kreisförmiges Lichtaustrittsfenster 20B vorgesehen sind, und die Bezugszahl 29 bezeichnet eine n-Elektrode aus AuGeNi-Legierung, die auf der Rückfläche des Substrats 21 aufgebracht ist.
• Die Beziehung zwischen der Schaltspannung, unter welcher die optische Halbleitervorrichtung eingeschaltet wird, und der zugeführten Eingangslichtmenge ist in Fig. 3 dargestellt. Daraus ist deutlich erkennbar, daß die Schaltspannung der Vorrichtung annähernd 4,5 V beträgt, wenn kein Eingangslicht durch die Lichteintrittsfenster 20A zugeführt wird. Die Vorrichtung wird eingeschaltet, um ein Ausgangslicht 1B aus dem Lichtaustrittsfenster 20B auszustrahlen, wenn einer oder beide Lichtstrahlen 1A mit einer Eingangslichtleistung von je 1 uW durch eines oder beide Lichteintrittsfenster 20A eingestrahlt werden und eine Spannung von mehr als 3,7 V an der Vorrichtung anliegt. Andernfalls wird die Vorrichtung eingeschaltet, wenn beide Eingangslichtstrahlen 1A eingestrahlt werden und eine Spannung von 2,8 bis 3,6 V an der Vorrichtung anliegt. Die Vorrichtung kann daher entsprechend der oben beschriebenen Funktionsweise als optisches Logikelement verwendet werden.
• Die optische Halbleitervorrichtung in dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von der oben erwähnten herkömmlichen Vorrichtung nur darin, daß erfindungsgemäß in der p-Elektrode 28 die beiden Lichteintrittsfenster 20A und das Lichtaustrittsfenster 20B vorgesehen sind, während in der p-Elektrode 18 der herkömmlichen Vorrichtung nur ein Lichteintritts-/-austrittsfenster 10 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind jedoch die einzelnen p- und n-Elektroden 28 und 29 der gesamten Vorrichtung gemeinsam. Aus diesem Grunde ist offensichtlich, daß die gesamte Vorrichtung durch das eine oder andere Eingangslicht 20A eingeschaltet wird. Im ersten Ausführungsbeispiel ist ferner die Konstruktion der Lichteintrittsfenster 20A die gleiche wie beim Lichtaustrittsfenster 20B, so daß auch aus den Lichteintrittsfenstern 20A Ausgangslicht abgestrahlt wird. Andererseits kann Eingangslicht durch das Lichtaustrittsfenster 20B eingestrahlt und auf diese Weise die Vorrichtung eingeschaltet werden. Wie aus den Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel ersichtlich, können mehrere Lichtaustrittsfenster vorgesehen werden, so daß mehrere Ausgangslichtstrahlen daraus abgestrahlt werden. Schließlich ist die Anzahl der Lichteintritts- und -austrittsfenster nicht auf eine bestimmte Zahl begrenzt.
• In einer optischen Halbleitervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich in bezug auf mehrere Eingangslichtstrahlen die Funktion einer optischen Logikoperation, einer Rechenoperation usw. leicht ausführen, während die Ausführung einer solchen Funktion in der herkömmlichen Vorrichtung wegen der Schwierigkeiten bei der Ausrichtung der Lichtachsen unmöglich ist.
• In Fig. 4 ist eine optische Halbleitervorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die optische Halbleitervorrichtung basiert ebenfalls auf einer pnpn-Struktur und weist eine Intrinsicschicht oder Eigenleitungsschicht auf, die eine aktive Schicht 46 aus nichtdotiertem GaAs mit einer Dicke von 0,1 um zur Auslösung einer Laserschwingung im EIN-Zustand sowie Schichten 45 und 47 aus nichtdotiertem Al0,25Ga0,75As einschließt, zwischen denen die aktive Schicht 46 angeordnet ist. Die Schichten 45, 46 und 47 weisen in Wirklichkeit p-Störstellendichten von 1·10¹&sup5; cm&supmin;³ auf. Die Eigenleitungsschicht ist zwischen einer p-Gateschicht 44 aus p-Al0,25Ga0,75As mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm (50 Å) und einer n-Gateschicht 48 aus n-Al0,25Ga0,75As mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um angeordnet. In Fig. 4 bezeichnen ferner die Bezugszahlen 41 ein Substrat aus n-GaAs, 42 eine Pufferschicht aus n-GaAs, 43 eine Katodenschicht aus n-Al0,4Ga0,6As, 49 eine Anodenschicht aus p-Al0,4Ga0,6As, 50 eine Deckschicht aus p-GaAs und 51 eine Isolierschicht aus SiO&sub2;. Eine p-Elektrode 52 aus AuZn-Legierung besitzt eine ebene streifenförmige SiO&sub2;-Struktur, für welche die Isolierschicht 51 mit einem Paar streifenförmiger, jeweils 10 um breiter Öffnungen versehen ist, und eine Isoliernut 57 wird mit einer Breite von 50 um durch chemisches Ätzen so ausgebildet, daß sie sich bis zur Anodenschicht 49 erstreckt, wodurch auf der p-Elektrode 52 zwei Bereiche 54A und 54B mit einem Isolationswiderstand von 2 kΩ geschaffen werden. Auf den beiden Bereichen 54A und 54B der p-Elektrode 52 sind zwei Anodenelektroden 53A und 53B vorgesehen, und auf einer auf der Rückfläche des Substrats 41 aufgebrachten n-Elektrode 55 ist eine Katodenelektrode 56 vorgesehen.
• Der Grund dafür, daß in der optischen Halbleitervorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel die Störstellendichten der GaAs-Schicht 46 und der auf beiden Seiten dieser Schicht vorgesehenen Al0,25Ga0,75As-Schichten 45 und 47 niedriger sind als diejenigen der p- und n-Gateschichten 44 und 48 und daß diese Eigenleitungsschichten zwischen den p- und n- Gateschichten 44 und 48 vorgesehen sind, besteht darin, daß bei Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die aktive Schicht 46 keine Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht 46 eingefangen werden.
• Fig. 5 zeigt ein experimentelles System, in dem eine optische Halbleitervorrichtung 40 betrieben wird, wie sie in Fig. 4 erläutert ist. In dem folgenden Experiment ist eine optische Halbleitervorrichtung 40 mit einem Schwingungsschwellenstrom von 160 mA, einer differentiellen Quantenausbeute von 23%, einer Schaltspannung von 4,1 V und einer Haltespannung von 1,6 V eingesetzt worden, wobei der Vorrichtung ein Eingangslicht 1A zugeführt wird, um optische Informationen einzuschreiben und die Informationen darin zu halten, und wobei ein oder zwei Ausgangslichtstrahlen 1B von der Vorrichtung abgestrahlt werden, um die darin gespeicherten Informationen zu lesen. Das Versuchssystem weist einen Halbleiterlaser 510 zur Ausstrahlung eines Laserstrahls, eine Linse 520A zur Kollimation des Laserstrahls, eine optische Faser 530 zur Übertragung des Laserstrahls, eine Linse 520B zur Fokussierung des Laserstrahls auf eine Spaltfläche der Vorrichtung 40, eine Linse 540 zur Kollimation des aus der Vorrichtung 40 austretenden Ausgangslichts, eine Linse 550A zur Fokussierung des aus einem Bereich 54A der Vorrichtung 40 austretenden Ausgangslichts auf eine Lichtempfangsvorrichtung 560, einen reflektierenden Spiegel 570 zur Reflexion des aus einem Bereich 54B der Vorrichtung 40 austretenden Ausgangslichts und eine Linse 550B zur Fokussierung des reflektierten Ausgangslichts auf eine Lichtempfangsvorrichtung 580 auf.
• Im Betrieb werden die im oberen Teil von Fig. 5 dargestellten Steuerimpulse an die Anodenelektrode 53A der Vorrichtung 40 angelegt, und die im unteren Teil von Fig. 5 gezeigten Steuerimpulse werden an die Anodenelektrode 53B der Vorrichtung 40 angelegt, während die Katodenelektrode 56 der Vorrichtung 40 an Masse liegt. In der mit "SCHREIBEN" bezeichneten Schreibphase wird eine Vorspannung Vb von 4,0 V an die Anodenelektroden 53A und 53B angelegt, und durch eine Spaltfläche der Vorrichtung 40 wird Eingangslicht mit einer Wellenlänge von 780 nm im Takt des Eingangslichts einer in der Vorrichtung enthaltenen aktiven GaAs-Schicht 46 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Vorrichtung in den beiden Bereichen 53A und 53B eingeschaltet, da die Schichten der Vorrichtung bis auf die Deckschicht 50 gemeinsame Schichten sind. Die Vorspannung Vb wird dann auf Werte von beispielsweise 1,7 V abgesenkt, die jeweils größer sind als die Haltespannung von 1,6 V, um in der mit "HALTEN" bezeichneten Haltephase eine auf dem Eingangslicht basierende optische Information in den beiden Bereichen 53A und 53B zu halten. Im Ergebnis wird der EIN-Zustand bei einem niedrigen Leistungsverbrauch von beispielsweise weniger als 0,2 mW gehalten, wobei die Halteströme 0,1 mA betragen, wenn die Haltespannungen gleich 1,7 V sind. Dieser Betrieb kann durchgeführt werden, weil die Vorrichtung 40 eine pnpn- Thyristorstruktur besitzt, so daß der EIN-Zustand gehalten wird, wenn keine kleinere Spannung als die Haltespannung an der Vorrichtung anliegt. Danach beginnt die mit "LESEN" bezeichnete Lesephase. In dieser Phase wird an die Anodenelektrode 53A eine Vorspannung von 4,0 V und an die Anodenelektrode 53B eine Vorspannung von 1,7 V angelegt und umgekehrt, oder an beide Anodenelektroden 53A und 53B wird eine Vorspannung von 4,0 V angelegt, wie durch "STEUERIMPULS A" bzw. "STEUERIMPULS B" angedeutet ist. Im Ergebnis werden von den Lichtempfangsvorrichtungen 560 bzw. 580 Ausgangslichtstrahlen beobachtet, wenn die Vorspannungen von 4,0 V entsprechend an den Anodenelektroden 53A bzw. 53B anliegen. Es bestätigte sich, daß die optischen Informationen aus den beiden Bereichen 54A und 54B bei einer Vorspannung mit einer Impulsbreite von 7,5 ns gleichzeitig ausgelesen werden können, und daß sie bei einer Vorspannung mit einer Impulsbreite von 2,5 ns aus dem einen oder dem anderen Bereich abwechselnd ausgelesen werden können. In der letzteren Situation, wo eine Vorspannung von 4,0 V an die Anodenelektrode 53A und eine Vorspannung von 1,7 V an die Anodenelektrode 53B angelegt werden, beträgt die Kreuzkopplung zwischen den Lichtausgängen annähernd 30 dB, was für eine Isolierung zwischen den Ausgängen ein befriedigender Wert ist. Wie aus der oben beschriebenen Arbeitsweise klar hervorgeht, wird ein optischer Halbleiterspeicher geschaffen, in dem man durch ein Eingangslicht zwei Ausgangslichtstrahlen erhält, und einer der beiden Ausgangslichtstrahlen wird durch ein Steuersignal ein- und ausgeschaltet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird insbesondere eine Schaltgeschwindigkeit von mehr als 400 Mb/s erreicht, da die Lichtemissionsart eine induzierte Emission ist, die auch bei einer optischen Isolierung von Vorteil ist. Andererseits kann im zweiten Ausführungsbeispiel ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel auch eine spontane Emission angewendet werden. Ferner läßt sich die Anzahl der Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen je nach dem festgelegten Verwendungszweck verändern, und die Richtung eines einzelnen Ausgangslichtstrahls oder aller Ausgangslichtstrahlen kann parallel oder senkrecht zur Oberfläche der Vorrichtung sein. Entsprechend der Auswahl der oben beschriebenen Anzahl und Richtung kann eine optische Verbindung frei verändert werden, so daß die Vorrichtung in weitem Umfang in einem optischen System einsetzbar ist. Außerdem kann auch ein Katodenbereich elektrisch abgetrennt werden, obwohl im zweiten Ausführungsbeispiel ein Anodenbereich elektrisch abgetrennt ist. Auf jeden Fall sollte bei der Realisierung einer erfindungsgemäßen optischen Halbleitervorrichtung kein Gate-Bereich elektrisch abgetrennt werden. Mit anderen Worten, physisch unterteilte Gate-Bereiche können elektrisch miteinander verbunden werden, um einen nichtgetrennten Gate-Bereich herzustellen.
• In einer optischen Halbleitervorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhält man ein Ausgangslicht von hoher Kohärenz, hoher Intensität und mit einer eng begrenzten spektralen Breite, während in der optischen Halbleitervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel ein spontan emittiertes Ausgangslicht mit großer Spektralbreite und niedriger Intensität erzeugt wird.
• In Fig. 6A und 6B ist eine optische Halbleitervorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die optische Halbleitervorrichtung wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Zunächst läßt man eine Pufferschicht 62 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,5 um, eine Katodenschicht 63 aus n-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine p-Gateschicht 64 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm (50 Å) sowie eine n-Gateschicht 65 aus n-Al0,1Ga0,9As mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 50 nm (500 Å), eine Lichtempfangsschicht 66 aus n-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine Lichtempfangs-Anodenschicht 67 aus p-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um sowie eine Kontaktschicht 68 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 um nacheinander unter Anwendung eines MOCVD-Prozesses (chemische Abscheidung einer metallorganischen Verbindung aus der Gasphase) auf einem Substrat 61 aus n-GaAs aufwachsen. Danach werden die Schichten 66, 67 und 68 selektiv weggeätzt, wodurch die n- Gateschicht 65 bis auf eine rechteckige Fläche von 60 um · 60 um, die den Lichtempfangsteil bildet, freigelegt wird. Dann läßt man eine Lichtemissionsschicht 69 aus n-Al0,1Ga0,9As mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um, eine Lichtemissions-Anodenschicht 70 aus p-Al0,4Ga0,6As mit einer Störstellendichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1 um sowie eine Kontaktschicht 71 aus p-GaAs mit einer Störstellendichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 um unter Anwendung eines MOCVD-Prozesses nacheinander auf die freiliegende n-Gateschicht 65 aufwachsen. Als nächstes werden die Schichten 69, 70 und 71 selektiv weggeätzt, wodurch die n- Gateschicht 65 bis auf eine rechteckige Fläche von 65 um · 65 um, die einen Lichtemissionsteil bildet, freigelegt wird. Schließlich werden ringförmige p-Elektroden 72A und 72B auf die oberen Flächen der Kontaktschicht 68 für den Lichtempfangsteil und der Kontaktschicht 71 für den Lichtemissionsteil aufgebracht, und auf der Rückfläche des Substrats 61 wird eine n-Elektrode 73 aufgebracht. In Fig. 6A und 6B bezeichnen die Bezugszeichen 72A bzw. 72B Lichteintritts- bzw. -austrittsfenster.
• Bei dem herkömmlichen, in Fig. 1A und 1B beschriebenen optischen Halbleiter werden die Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen durch ein einziges Lichteintritts-/-austrittsfenster übertragen, so daß die Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen auf einem gemeinsamen Lichtweg liegen. Dies führt zu einer Vergrößerung der optischen Teile und zu Schwierigkeiten bei der Ausrichtung der Lichtachsen. Ferner erfolgen die Lichtabsorption und die Lichtemission in einer gemeinsamen Halbleiterschicht, da in dieser Vorrichtung ein einziges Lichteintritts-/-austrittsfenster verwendet wird. In der Tat hat die n-GaAs- Schicht 15 die Funktion einer Lichtabsorptionsschicht sowie einer aktiven Schicht. Infolgedessen erfolgt der Lichtempfang bei einer Wellenlänge, die unterhalb der Absorptionskante der n-GaAs-Schicht liegt, so daß bei einer Zusammenschaltung derartiger Vorrichtungen zu mehreren Stufen die Wellenlänge zu größeren Werten hin verschoben wird. Ferner verringert sich die lichtelektrische Empfindlichkeit, da bei Verwendung der Vorrichtung auf der gleichen Wellenlänge die Lichtabsorption bei einer Wellenlänge erfolgt, die der Absorptionskante entspricht.
• Erfindungsgemäß erhält man wegen der Verwendung getrennter Halbleiterschichten eine optische Halbleitervorrichtung mit optimaler Wellenlänge und Struktur, da für das Eingangs- und das Ausgangslicht getrennte Fenster verwendet werden können. Das heißt, im dritten Ausführungsbeispiel wird die n-GaAs-Schicht 66 als Lichtabsorptionsschicht für den Lichtempfangsteil verwendet, während die n-Al0,1Ga0,9As-Schicht 69 mit einer Lichtemissionswellenlänge, die unterhalb der Absorptionskante von GaAs liegt, in diesem Ausführungsbeispiel als aktive Schicht für den Lichtemissionsteil verwendet wird. Bei dieser Struktur wird die Abnahme der lichtelektrischen Empfindlichkeit überwunden, die in der herkömmlichen optischen Halbleitervorrichtung in dem Falle auftritt, wo von einer GaAs-Schicht emittiertes Licht in der GaAs-Schicht empfangen wird. Ferner darf die aktive Schicht nur etwa 0,1 um dick sein und muß eine sehr feine Struktur besitzen, wenn eine optische Halbleitervorrichtung einen Lichtemissionsteil für induzierte Lichtemission aufweist. In dieser Hinsicht ist die Abnahme der lichtelektrischen Empfindlichkeit auf die Verringerung der Dicke der Lichtabsorptionsschicht und die Verkleinerung der Lichtempfangsfläche in der herkömmlichen optischen Halbleitervorrichtung zurückzuführen, die eine gemeinsame Schicht für das Eingangs- und das Ausgangslicht aufweist, während dieser Nachteil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls überwunden wird, da die Lichtempfangs- und -emissionsteile optimal strukturiert werden können, weil beide Teile voneinander getrennt sind. Wenn außerdem für die Absorptionsschicht und die aktive Schicht Halbleiter mit stark voneinander abweichenden verbotenen Zonen verwendet werden, kann eine optische Halbleitervorrichtung als Wellenlängenumsetzungsvorrichtung eingesetzt werden.
• Wie aus den Erläuterungen zum ersten bis dritten Ausführungsbeispiel ersichtlich, müssen in einer erfindungsgemäßen optischen Halbleitervorrichtung die Gate-Bereiche elektrisch miteinander verbunden sein. Die optische Halbleitervorrichtung wird näherungsweise als eine Halbleitervorrichtung betrachtet, in der ein npn-Transistor und pnp-Transistor an den Kollektor- und Basisbereichen miteinander verbunden sind, da es sich im Grunde genommen um eine Vorrichtung mit einem pnpn-Übergang handelt. Bei dieser Struktur beginnt ein Stromfluß in der optischen Halbleitervorrichtung, die dann durch eine positive Rückkopplungswirkung der beiden Transistoren eingeschaltet wird, die durch von einem Lawinen- oder Lichteffekt erzeugte Träger ausgelöst wird, wenn eine an die optische Halbleitervorrichtung im AUS-Zustand anzulegende Vorspannung erhöht wird. Wenn die pnpn-Vorrichtung in den EIN-Zustand geschaltet wird, werden Träger in den n- und p-Bereichen der Vorrichtung akkumuliert, und sämtliche pn-Übergänge werden in Durchlaßrichtung vorgespannt und schließlich auf Durchlaß geschaltet. Aus diesem Grunde sind Kollektor und Basis der Transistoren, die, wie oben erwähnt, näherungsweise als zwei Transistoren betrachtet werden, miteinander zu verbinden, um eine inhärente Schaltfunktion einer pnpn-Vorrichtung zu nutzen. Diese ist identisch mit einer Struktur, in der ein n- Gate-Bereich und p-Gate-Bereich in einer tatsächlichen pnpn- Vorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind. Das heißt, daß nur dann, wenn der n-Gate- und der p-Gate-Bereich der gesamten Vorrichtung gemeinsam sind, der Anoden- und der Katodenbereich in eine vorher festgelegte Anzahl von Abschnitten unterteilt werden können, die gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
• Im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel wird zwar ein Halbleiter des GaAs/AlGaAs-Systems verwendet, es kann aber auch ein Material eines anderen Systems wie z. B. des InP-Systems eingesetzt werden, um die gleichen Vorteile zu erreichen.

Claims (6)

1. Lichtempfangende und -sendende Halbleitervorrichtung mit einer p-n-p-n-Struktur mit:

einem Kathodenbereich (23), der aus einer n-Halbleiterschicht gebildet ist,

einem Anodenbereich (26), der aus einer p-Halbleiterschicht gebildet ist,

einem Gatebereich (24, 25), der mehrere Halbleiterschichten aufweist, die zwischen dem Kathoden- und Anodenbereich übereinander angeordnet sind und eine n- Gateschicht (27) und eine p-Gateschicht (24) aufweisen, zum Empfangen und Aussenden von Licht,

einer auf dem Kathodenbereich vorgesehenen n-Elektrode (29), und

einer auf dem Anodenbereich vorgesehenen p-Elektrode (28), und

wobei der verbotene Bandabstand (24) des Gatebereichs kleiner ist als der des Kathoden- und Anodenbereichs, dadurch gekennzeichnet, daß

mehrere Fenster (20) entweder in der n-Elektrode oder der p-Elektrode vorgesehen sind, zum Empfangen und Senden von Licht.

2. Lichtempfangende und -sendende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Kathoden- oder der Anodenbereich in mehrere Bereiche (53) elektrisch unterteilt ist, und der Gatebereich gemeinsam für den Kathoden- und Anodenbereich vorliegt.

3. Licht empfangende und sendende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden, deren Polarität jeweils einer Polarität der mehreren unterteilten Bereiche entspricht, auf den oberen Seiten der mehreren unterteilten Bereiche angeordnet sind.

4. Lichtempfangende und -sendende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der mehreren Elektroden mit einem Fenster zum Empfangen oder Senden von Licht versehen ist.

5. Lichtempfangende und -sendende Halbleitervorrichtung mit einer p-n-p-n-Struktur mit:

einem gemeinsamen Kathodenbereich (63), der aus einer n- Halbleiterschicht gebildet ist,

einer auf dem gemeinsamen Kathodenbereich vorgesehenen n-Elektrode (73),

mehreren Anodenbereichen (67, 70), die jeweils aus einer p-Halbleiterschicht gebildet sind,

einem Gatebereich, der mindestens eine gemeinsame p-Gateschicht (64) und eine gemeinsame n-Gateschicht (65) und mehrere n-Gatebereiche (66, 69) aufweist, wobei die mehreren n-Gatebereiche jeweils einer der mehreren Anodenbereiche entsprechen und zwischen der gemeinsamen n-Gateschicht und einer entsprechenden der mehreren Anodenbereiche übereinander angeordnet sind,

mehreren p-Elektroden (72), die jeweils auf einem entsprechenden p-Anodenbereich vorgesehen sind,

wobei der verbotene Bandabstand des Gatebereiches kleiner ist als der des gemeinsamen Kathodenbereiches und der mehreren Anodenbereiche, mindestens eine der mehreren n-Gatebereiche ein Licht empfangender Abschnitt (66) ist und mindestens ein weiterer n-Gatebereich ein Licht sendender Abschnitt (69) ist, wobei jeder Abschnitt benachbart zu einem entsprechenden der mehreren Anodenbereiche liegt, und

der verbotene Bandabstand der lichtabsorbierenden Schicht in dem Licht empfangenden Abschnitt kleiner ist als der der aktiven Schicht in dem Licht sendenden Abschnitt.

6. Lichtempfangende und -sendende Halbleitervorrichtung mit einer p-n-p-n-Struktur mit:

einem gemeinsamen Kathodenbereich (43), der aus einer n- Halbleiterschicht gebildet ist,

einer auf dem Kathodenbereich vorgesehenen n-Elektrode (55),

einem Anodenbereich (49), der aus einer p-Halbleiterschicht gebildet ist,

einer auf dem Anodenbereich vorgesehenen p-Elektrode (52),

einem Gatebereich mit p- und n-Gateschichten (44, 48), wobei der Gatebereich eine zwischen den Gateschichten angeordnete Intrinsicschicht (45, 46, 47) aufweist, wobei eine Isolationsnut (57) die p-Elektrode in zwei Abschnitte (54A, 54B) trennt und sich in den Anodenbereich erstreckt, und

eine Spaltfläche verwendet wird zum Zuführen von Eingangslicht (1A) in einen aktiven Bereich (46) der Intrinsicschicht, die Licht (1A, 1B) empfängt und sendet.