NO120590B - - Google Patents

Description

Optoelektronisk halvlederanordning.

Oppfinnelsen angår en optoelektronisk halvlederanordning

med en luminescensdyktig sender, en på senderens stråling fotofSlsomt reagerende pn-overgang som mottager og en elektrisk isolerende lysleder sorn består av halvledermateriale med hoy spesifikk motstand og forbinder sender og mottager optisk og elektronisk med hverandre, samtidig som senderen og lyslederen består av en III-V-forbindelse, særlig av galliumarsenid og mottageren av en halvleder, f.eks. silisium, som med hensyn til refleksjonsfaktoren er tilpasset senderen.

Som optoelektronisk halvlederanordning betegner man en anordning med et halvlederbygge-element som emitterer optisk stråling, f.eks. luminescensdiode, som sender A, et halvlederbygge-element som er folsomt for denne stråling, f.eks. en fotodiode, som mottager B, og en lysleder L mellom de to. Denne lysleder skal bevirke en mest mulig sterk optisk kobling og en mest mulig god elektrisk isolasjon samtidig med en stabil mekanisk kobling mellom sender og mottager i et tem-peraturområde mellom ca. -55 til +125°C.

Den sterke elektriske kobling forutsetter foruten mest mulig intens lysemisjon fra senderen fremfor alt en god tilpasning av mot-tagerens spektralfolsomhet til denne stråling og mest mulig lave absorbsjons-, refleksjons- og totalrefleksjonstap på lysveien. Den optiske avkobling av sender og mottager lar seg oppnå med en mest mulig godt isolerende lysleder.

Den onskede hoye intensitet av senderlyset blir oppnådd med tilsvarende sterke strommer i luminescensdioden A.

Kravet om spektral tilpasning (i sambandsteknikken vil man tale om frekvensavstemning) blir for tiden optimalt oppfylt ved anvendelse av galliumarsenid, GaAs, som sender- og silicium, Si, som mot-tagermateriale. Det er dog ikke utelukket at også andre materialkom-binasjoner i fremtiden vil vise seg å være i det minste like gunstige.

Lystapene ved absorbsjon, refleksjon og totalrefleksjon

såvel som den elektriske isolasjon mellom A og B blir i det vesentlige bestemt ved materialet i lyslederen L. Særlig de tap som skyldes totalrefleksjon ved grenseflatene mellom lysleder og halvlederbygge-elementer, avhenger av lyslederens brytningsindeks n£ mot luft, resp. av lyslederens relative brytningsindeks mot halvledermaterialene. Senderen, f.eks. en GaAs-luminescensdiode, og mottageren, f.eks. en

Si-diode, har hoye brytningsindekser (n^■ nQaAs<!>^3»53 og nfi Kn^^ ssA2»% så spesielt totalrefleksjonstapene kan reduseres betraktelig ved anvendelse av sterktbrytende lysledere.

Slike optoelektriske halvlederanordninger er kjent i prin-sippet (jfr. f.eks. Biard m.fl.: Proe. IEEE, Bind 52, nr. 12, 1964,

1529 - 1536). Som lysleder L mellom en GaAs-luminescensdiode som sender A og en Si-fotodiode som mottager B nevnes bly- resp. selen-holdige glass (Pb- resp. Si-glass, brytningsindeks nLÆtfl,8 1,9, resp. njj«^2,4 - 2,6). Disse lysledermaterialere relative brytningsindekser mot halvledermaterialene i sender resp. mottager avviker imidlertid sterkt (over 50%) fra 1, så lystapene, særlig som feige av totalrefleksjon, stadig er meget betydelige.

Den foreliggende oppfinnelses oppgave er å rydde denne ulempe av veien.

Ifolge oppfinnelsen blir denne oppgave lost ved at den av semi-isolerende galliumarsenid bestående lysleder er slik dotert med krom at dens absorbsjonskoeffisient langs lysveien mellom.sender og mottager er lik eller mindre enn 20 cm ^

Da den elektriske isolasjonsvirkning av lysledere av Pb-resp. Si-holdige glass avtar merkbart med stigende temperatur også innen området for vanlige driftstemperaturer, består en ytterligere oppgave for oppfinnelsen i å gi anvisning på en lite absorberende sterktbrytende lysleder som samtidig har hoy spenningsfasthet.

Ifolge en videre oppfinnelsestanke blir det oppnådd ved at der som lysleder anvendes et semi-isolerende halvledermateriale - i tilfellet av GaAs som sender og Si som mottager særlig semi-isolerende GaAs.

Ved uttrykket "semi-isolerende" skal folgende forstås: Den laveste elektriske ledningsevne, m.a.o. den hoyeste elektriske motstand har det absolutt reneste halvledermateriale, som idag riktignok av teknologiske og okonomiske grunner neppe lar seg oppnå. Denne til-strebede reneste tilstand kommer man, når det gjelder den elektriske ledningsevne resp. den elektriske motstand, på ganske prisverdig måte meget nær ved i det minste delvis kompensasjon av forstyrrende ladninger* som alltid forefinnes. Kompensasjonen er mulig ved målrettet innbygning av fremmedatomer, f.eks. fremmedatomer der virker som feller for frie ladningsbærere. Et slikt kompensert - ikke aller reneste halvledermateriale, d.v.s. et halvledermateriale med hoyest mulig elektrisk motstand, betegner man som semi-isolerende.

På grunnlag av materialvalget kan det altså spesielt oppnås at brytningsindeksene for sender A og lysleder L (f.eks. begge av GaAs) er tilnærmelsesvis like, så tilpasningen bare behover å foretas mellom brytningsindeksene for lysleder og mottager.

Absorbsjonstapene opptrer hovedsakelig i lyslederen, og det særlig når lysleder og sender består, av samråe grunnmateriale. Det bor derfor påses at absorbsjonskoeffisienten for det anvendte lys for-blir lav nok, f.eks. mindre enn 20 cm<->"<1>", i det minste i lyslederen. Absorbsjonskoeffisienten lar seg innstille ved dotering av lyslederen L.

Et galliumarsenid, GaAs, som er semi-isolerende, altså har mest mulig hoy spesifik motstand og samtidig liten absorbsjon, er f.eks. et GaAs som er dotert med noen 10kromatomer pr. cm-<5>(GaAs:Cr). Absorbsjonstapene blir lavere jo mer langbolget GaAs-luminescensdiodens emisjon er. Særlig godt egner seg en GaAs-luminescensdiode hvis lys-utviklende pn-overgang er fremstillet ved innlegering av en sink-tinn- — 2» -2 -1

pille - fortrinsvis med sammensetning Sn"""^L0 - 10 - og hvis spektrale emisjonsmaksimum ligger ved ca. X 0,98^um. Absorbsjons-koeff isienten for det semi-isolerende GaAs:Cr-lysledermateriale utgjor for dette lys bare omtrent Oc ^ 5 cm"<1>(jfr.£lj ). For lyset fra en ellers vanlig diffundert GaAs-luminescensdiode [ Ot omtrent 0,9^um)

vil absorbs jonskoeff isienten være omtrent OC 5*2 50 cm<-1>(jfr. [ 2. J )

og dermed omtrent en faktor 10 storre.

Det Cr-doterte GaAs har ikke bare liten absorbsjon ved ca.

1<y>um, men har dessuten meget hoy spesifik motstand (ca. 10 pSc cm)

og egner seg derfor særlig som materiale for en spenningsfast lysleder.

Da den optoelektriske halvlederanordnings sender A og lysleder L i dette tilfelle består av samme grunnmateriale, nemlig GaAs, kan en mekanisk stabil forbindelse mellom de to fremstilles på enkel måte, f.eks. ved epitaktisk oppbygning. Mottageren B kan kittes for dannelse av en mekanisk stabil forbindelse med lyslederen L.

Den ovennevnte fordel av den meget lave absorbsjon i lyslederen L er av betydning også fordi det anvendte kitt mellom lysleder L og mottager B muligvis kan fore til lystap. Disse tap, som isåfall blir uunngåelige, blir imidlertid utlignet av de meget lave tap på veien til dette kittlag.

Som kitt mellom lysleder L og mottager B kan der uten for store absorbsjonstap anvendes opp til ca. 1^um tykke skikt av lavtsmeltende glass, som til og med kan tillates å ha en elektrisk ledningsevne. Et slikt kittglass K kan spesielt inneholde arsensulfid As^S^eller arsenselenid ks^ Se^, hvorved brytningsindeksen blir hoynet og refleksjonstapene dermed minsket. Ved skikttykkelser på mindre enn —P* , altså mindre enn ca. 0,5/um, kan også organiske lim anvendes uten ulempe.

Det skal dessuten nevnes at en minskning av absorbsjonstapene også lar seg oppnå ved innbygning av andre III-V-forbindelser i luminescensdioden og/eller lyslederens materiale, nemlig ved båndavstands-minskende komponenter i luminescensdioden (ved GaAs f.eks. minst én av forbindelsene InSb, InAs, GaSb, InP) og/eller ved båndavstandsokende komponenter i lyslederen (ved GaAs f.eks. minst én av forbindelsene A1P, AlAs, GaP, AlSb).

I det folgende skal der under henvisning til fig. 1-3 bli, gjort rede for hvilken fordel der oppnås spesielt med hensyn til totalrefleksjonstapene ved tilpasning av brytningsindeksen.

På fig. 1 er forlopet av strålingen i en optoelektrrj halvlederanordning skjematisk skissert. For oversiktens skyld er der antatt en punktformet pn-overgang i luminescensdioden A. p og n betyr p- og n-sone i luminescensdioden, TR totalrefleksjonen og 1 og 2 grenseflatene henholdsvis mellom A og L og mellom L og B.

Lysstrålene folger brytningsloven

sin B n*sin^ n = relativ brytningsindeks

sin tfGm ^ ; I^q = grensevinkel for totalrefleksjon (n>l)

Lyskoblingen fj - d.v.s. kvotienten av den intensitet Jg som registreres i B, og den intensitet som emitteres av pn-overgangen i A - er gitt (absorbsjonstap er ikke tatt med) ved

* lfås med god tilnærmelse som produkt av transmisjonen T-^ ved grenseflaten 1 med en faktor FTR som tar hensyn til det forhold at grenseflaten 1 på grunn av totalrefleksjon bare passeres av lysstråler fra lyskjeglen med åpningsvinkel 2 Ip^-

For transmisjonen gjelder (FRESNEL's formler)

Ved hjelp av brytningsindeksen kan 1^, og T også uttrykkes i avhengighet av innfallsvinkelen . tf. På fig. 2 er transmisjonen Tra oppfort for tilfellet n » 3»53(det svarer til en grenseflate mellom GaAs og luft). Man ser at T forst f or vinkler storre ennyØ <= BREWSTER-vinkelen avtar merkbart, d.v.s. at transmisjonen med god tilnærmelse kan betraktes som uavhengig av vinkelen og settes lik T {( fs^ tstQ0). Feilen ved denne tilnærmelse er gitt ved forholdet mellom den skraverte flate (fig. 2) og hele rektangelet med hoyde T (y«c^a*0°) og blir med n t> 1 stadig mindre fordi man da får Æ-*90°. Dermed blir 1

Faktoren F TR er gitt ved kvotienten av 2yQ-rumvinkelen

(ved totalrefleksjon begrenset utnyttbar lysbundt) og den samlede kuleoverflate. Under anvendelse av formelen for totalrefleksjonen får man

Da der ved grenseflaten 2 på grunn av n^^ng ikke opptrer noen totalrefleksjon, og da n^= n(jaAS^nsi " hB (d*v,s«

n9- nI £$—-1—), får man for lyskoblingen uttrykket

n B n-j^

Fig. 3 viser forlopet av som funksjon av n-^. Man ser tydelig at lyskoblingen TJ for en optoelektronisk anordning i henhold til oppfinnelsen (n-^ K, 1,2) blir vesentlig hoyere enn ved anvendelse av lysledere av Pb-glass (n.^1,8, d.v.s. n1«l,4) eller av Se-glass (nL«2,5, d.v.s. n1«l,95) eller av luft (n1«3,5). Fig. 4 viser en utforelsesform av den optoelektroniske halvlederanordning ifolge oppfinnelsen. Her betyr: A: Luminescensdiode (f.eks. av GaAs, fortrinsvis (Zn, Sn)-legert

GaAs-luminescensdiode), kontaktert med

E-, og E£: elektroder i luminescensdioden

P. resp. n^: henholdsvis p- og n-sone i luminescensdioden A

L: hdytbrytende lysleder av semi-isolerende halvledermateriale med

liten absorbsjon (f.eks. av GaAs:Cr)

B: fotodiode (f.eks. av Si), kontaktert med

og E^: elektroder for fotodioden

Pg resp. n^:henholdsvis i-- og n-sone i fotodioden B

• K: eventuelt forekommende kittskikt (f.eks. av lavtsmeltende glass).

Litteratur:

[lj CE. JONES, A.R. HILTON:

J. Electrochem. Soc, bind 113 (mai 1966) 504-505

£2J W.W. CARR:

IEEE Trans, on El.Dev. ED nr. 10 (oktober 1965)

531 - 535.

Claims (2)

1. Optoelektronisk halvlederanordning med en luminescensdyktig sender, en på senderens stråling fotofolsomt reagerende pn-overgang som mottager og en elektrisk isolerende lysleder som består av halvledermateriale med hoy spesifikk motstand og forbinder sender og mottager optisk og elektronisk med hverandre, samtidig som senderen og lyslederen består av en III-V-forbindelse, særlig av galliumarsenid og mottageren av en halvleder, f.eks. silisium, som med hensyn til refleksjonsfaktoren er tilpasset senderen, karakterisert ved at den av semi-isolerende galliumarsenid bestående lysleder er slik dotert med krom at dens absorbsjonskoeffisient langs lysveien mellom sender og mottager er lik eller mindre enn 20 cm" <1> .

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den av semi-isolerende galliumarsenid bestående lysleder som forbinder fenderen, som består av en galliumarsenid-luminescensdiode med en pn-overgang' tilveiebragt ved innlegering av sink og tinn, med mottageren, som dannes av en silisiumfotodiode, har en tilsetning av l6 17 9

10 til 10 ' kromatomer pr. cm-'.

3- Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at lyslederen er epitaktisk sammenvokset med luminescensdioden som danner senderen, og mottageren er forbundet med lyslederen via et tynt skikt av et kitteglass inneholdende arsensulfid eller arsenselenid.

4« Anordning som angitt i et av kravene 1- 3, karakterisert ved at der i lyslederen og/eller i luminescensdioden som danner senderen, i tillegg er innbygget minst en Ajj-j-B^-forbindelse som oker den effektive båndavstand og minsker absorbsjonstapene.