DE2618938B2 - Opto-elektronische Koppeleinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Opto-elektronische Koppeleinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine opto-elektronische Koppeleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 48 188 bekannten Art, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Bei der bekannten opto-elektronischen Koppeleinrichtung hat der aus einem Halbleitermaterial bestehende Lichtleiter die Idealform eines an seiner Spitze abgerundeten Kegels. Der so geformte Lichtleiter ist b0 mittels eines Bindemittels haftend auf der aktiven Oberfläche des Lichtempfängers befestigt oder durch eine Feder gegen diesselbe gedrückt. Es ist daher unvermeidbar, daß zwischen Lichtleiter und Lichtempfänger ein Luftspalt berteht, so daß wegen der b5 demzufolge eintretenden Brechungen und Reflexionen Verluste eintreten, die das Koppelvermögen der bekannten opto-elektronischen Koppeleinrichtung beeinträchtigen.
Diesem Mangel könnte zwar abgeholfen werden, wenn man, wie aus der CH-PS 4 33 529 an sich bekannt, den Obergang zwischen Lichtleiterund Lichtempfänger durch Diffusion einteilg ausführt Damit wäre aber dem bei der bekannten Koppeleinrichtung weiter bestehenden Mangel nicht beizukommen, daß das Material des Lichtleiters das Licht verhältnismäßig stark absorbiert, wodurch die Koppeleigenschaften zwischen Lichtsender und Lichtempfänger ebenfalls beeinträchtigt werden.
Außerdem ist der Herstellungsvorgang der bekannten Koppeleinrichtung verhältnismäßig kompliziert. Der Lichtleiter wird nämlich hergestellt, indem zunächst auf GaAs p- und η-leitende Schichten für einen pn-übergang hergestellt werden, um ungünstige Einflüsse auf die p-leitende aktive Oberfläche des Lichtsenders durch das mit der Cr dotierte GaAs zu vermeiden. Darauf wird das GaAs zu einem konischen Element geätzt, was bei einer geforderten Länge von 0,2 mm äußerst schwierig und in industriellem Maßstab kaum durchführbar ist. Darauf werden beide Enden des Elements mit einer flachen bzw. halbkugelförmigen Oberfläche versehen. Schließlich werden die Enden mit den jeweiligen Elementen verbunden, indem an den Enden zur Halterung Bindemittel injiziert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine in Massenfertigung herstellbare opto-elektronische Koppeleinrichtung zu schaffen, bei der das Licht zwischen Lichtsender und Lichtempfänger möglichst verlustfrei übertragen wird. Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Koppeleinrichtung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Koppeleinrichtung erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Da durchsichtiges Glas oder durchsichtiger Kunststoff das Licht wesentlich besser leiten als stark lichtabsorbierende Halbleiter, und weil an den Übergängen zwischen den aktiven Oberflächen und dem Lichtleiter weder Luft noch Bindemittel vorhanden sind, läßt sich bei dieser eine wesentlich bessere Kopplung zwischen Lichtsender und Lichtempfänger erzielen als bei der bekannten. Hinzu kommt, daß sich bei der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung die nach innen gerichtete Krümmung der Seitenfläche des Lichtleiters, die bei der bekannten Koppeleinrichtung, eigentlich unerwünscht, Ergebnis des bei der Bildung des Lichtleiters unvermeidlichen Ätzvorganges ist, besonders günstig auswirkt. Durch diese Form wird nämlich vermieden, daß das Licht zum Teil aus dem Lichtleiter austritt und nutzlos verloren geht.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppeieinrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4, wobei es hinsichtlich Patentanspruch 4 aus der DE-AS 12 64513 an sich bekannt ist, als lichtleitenden Stoff ein Material zu verwenden, das die Oberfläche eines Lichtempfängers benetzt.
Das im Patentanspruch 5 beschriebene Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen opto-elektronischen Koppeleinrichtung ermöglicht eine günstige Massenfertigung bei geringem Ausschußanteil.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 6.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine optoelektronische Koppeleinrichtung,
F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung,
Fig.3a bis 3d Querschnitte zur Erläuterung der Verfahrensschritte zur Herstellung der in F i g. 1 dargestellten Koppeleinrichtung,
F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinrichtung,
Fig.5a bh 5d Querschnitte zur Erläuterung der Verfahrensschritte zur Herstellung der in Fig.4 dargestellten Koppeleinrichtung dienen und
Fig.6a bis 6f Querschnitte von weiteren Ausführungsformen der Koppeleinrichtung.
In F i g. i ist ein Ausführungsbeispiel einer Koppeleinrichtung für geringe Leistung dargestellt. Ein Halbleiter-Lichtempfänger 12, z.B. ein auf einem Sockel 11 angebrachter Silicium-Phototransistor und ein Halbleiter-Lichtsender 14, beispielsweise eine GaAs-Diode, die dem Lichtempfänger \1 gegenüberliegt, sind über einen aus Epoxyharz hergestellten Lichtleiter 13 optisch miteinander gekoppelt Der Lichtleiter 13 besitzt in der Mitte einen kleineren Querschnitt als an den Endbereichen, die näher bei dem Lichtempfänger 12 und dem ;?5 Lichtsender 14 liegen, so daß eine Seitenfläche des Lichtleiters 13 gegenüber einer gedachten Fläche, die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist, nach innen konkav gewölbt ist. Die gedachte Fläche würde vorliegen, wenn der Rand der aktiven Oberfläche 141 des Lichtsenders 14 mit dem Rand der aktiven Oberfläche 121 des Lichtempfängers 12 durch gerade Linien, die die kürzeren Lichtwege darstellen, verbunden wären. Die gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters 13 stehen mit der aktiven Oberfläche 141 und der s> aktiven Oberfläche 121 in benetzendem, feuchtem Kontakt, ohne daß an den Berührungsflächen Luftspalte entstehen, so daß die optische Kopplung sehr gut ist. Eine Siliciumoxid-Schicht 12a überdeckt die Oberfläche des lichtempfindlichen Bauteils. ·ιο
Anhand der Fig.2 wird die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Koppeleinrichtung erläutert. F i g. 2 gibt die typischen Lichtwege wieder, die von einem Punkt P auf dem GaAs-Übergang des Lichtsenders 14 ausgehen. 4>
Die Lichtstrahlen a\ und a2, die von einem GaAs-Übergang A i—A2 unter einem Winkel ausgehen, der größer ist als der Grenzwinkel für die Aussendrng (etwa 27°), unterliegen der Totalreflexion und werden fast vollständig im GaAs-Substrat absorbiert. Die Licht- r>o strahlen, die vom GaAs-Übergang mit einem Winkel auftreten, der kleiner als der Grenzwinkel ist, werden teilweise am GaAs-Übergang reflektiert, gehen jedoch fast vollständig durch das GaAs-Substrat hindurch. Von den Lichtstrahlen, die durch das Substrat hindurchge- v> hen, unterliegt beispielsweise der Lichtstrahl b wiederholten Reflexionen an den Punkten V, W und X. Beim Reflektieren wird der Lichtstrahl b teilweise am Rand des Lichtleiters 13 gebrochen und geht, wie dies durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, nach außen und «> wird weiterhin im Epoxy-Lichtleiter und im GaAs-Substrat absorbiert. Ein anderer Lichtstrahl c wird an den Stellen Q\, R\ und S reflektiert, tritt teilweise aus dem Lichtleiter 13 aus und wird teilweise auf einen Punkt Ti der aktiven Oberfläche 121 zwischen den Punkten e>5 B \-B2 des Lichtempfängers 12 geworfen. Ein weiterer Lichtstrahl d, der von der gekrümmten Fläche des Epoxykörpers unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel (etwa 41°) ist, wird an den Stellen Ö2 und /?2 total reflektiert und gelangt zu 2inem Punkt Ti auf die aktive Oberfläche 121. Auf die aktive Oberfläche Bl-B2 fallen also alle die Lichstrahlen auf, die vom Lichtleiter 13 in der zuvor beschriebenen Weise übertragen werden.
Durch die zuvor beschriebene Bauweise wird das aus dem Lichtsender 14 austretende Licht optisch und wirkungsvoll im optisch kontinuierlichen Lichtleiter 13 geführt und trifft auf die aktive Oberfläche 121 des Lichtempfängers 12 auf, so daß die optische Kopplung zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger
12 sehr gut isL
Anhand der F i g. 3a bis 3d soll ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung beschrieben werden.
Wie in Fig.3a dargestellt ist, wird der Lichtempfänger 12, etwa ein Silicium-Phototransistor, zunächst durch Hartlöten mit einem Material aus einer Au-Si-Verbindung angebracht Der Sockel 11 kann beispielweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Verbindung bestehen. Die für den Lichtempfänger 12 vorgesehene Elektrode ist mittels eines Golddrahtes oder in entsprechender Weise mit dem entsprechenden Stift des Sockelf 11 verbunden. Wie in Fig. 3b dargestellt ist, wird der Lichtsender 14, beispielsweise eine lichtemittierende GaAs-Diode mittels einer Halterung 15 auf dem Lichtempfänger 12 angebracht. In dieser Stellung werden die Elektroden des Lichtleiters
13 beispielsweise über Golddrähte mit den entsprechenden Stiften des Sockels 11 verbunden. Wie in Fig.3c dargestellt ist, wird der Lichtsender 14 durch die Halterung 15 nach oben bewegt und um einen vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des Lichtempfängers 12 abgehoben. Eine vorgegebene Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial dient, wird in einen kleinen Zwischenraum gegossen, so daß sich zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 eine Kunstharzschicht 13a ausbildet, die den Lichtsender 14 und den Lichtempfänger 12 benetzt. Der Teil der Kunstharzschicht 13a, der näher am Lichtempfänger 12 liegt, benetzt die Siliciumoxid-Schicht 12a. Wie in Fig. 3d dargestellt ist, wird der Lichtsender 14 dann durch die Halterung 15 um einen vorgegebenen Abstand vom Lichtempfänger 12 abgehoben, so daß die Kunstharzschicht 13a die gewünschte Ausbildung bzw. Form des Lichtleiters 13 erhält. Danach wird die Kunstharzschicht 13a durch Wärmebehandlung ausgehärtet. Auf diese Weise wird der Lichtleiter 13, der Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 direkt verbindet ausgebildet. Schließlich wird die Koppeleinrichtung fertiggestellt, indem die Halterung 15 entfernt und Lichtsender und Lichtempfänger 14 bzw. 12, die auf dem Sockel 11 angebracht sind, vergossen werden. Der auf diese Weise hergestellte Lichtleiter 13 weist eine komplizierte Form auf, die von verschiedenen Faktoren, beispielweise von folgenden Faktoren abhängt: Von der Oberflächenspannung des Epoxyharzes vor dem Aushärten, der Oberflächenspannung des GaAs-Substrates, der Oberflächenspannung der Siliciumoxid-Schicht, der Grenzflächenspannung, die zwischen dem GaAs-Substrat und dem Epoxyharz auftritt, der Grenzflächenspannung, die zwischen der Siliciumoxid-Schicht und dem Epoxyharz auftritt, der Kohäsionskraft des Epoxyharzes, der speziellen Masse, Viskosität und Menge des Epoxyharzes, dem Abstand zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 und den Formen der entsprechenden Kontaktflächen
vom Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12.
Da das Epoxyharz einen Berührungswinkel bezüglich der GaAs-Substrates und des Siliciumoxides (S1O2) einnimmt, der kleiner als 90° ist und das GaAs-Substrat und das Siliciumoxid ausgezeichnet benetzt, ist es möglich, auf einfache Weise und mit hoher Ausbeute, also mit geringem Ausschuß, den Lichtleiter 13 auszubilden, der im Mittelbereich eingeschnürt ist, wie dies durch den in F i g. 1 dargestellten Querschnitt zu ersehen ist, und zwar indem eine vorbestimmte Menge an Epoxyharz eingegossen wird.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde als Lichtsender 14 eine GaAs-Diode mit einer aktiven Oberfläche 141 zwischen den Punkten AX-A 2 von 500 um2 und einer Fläche Ci-Cl von 350 μ^. im Durchmesser, als Lichlempfänger 12 ein Silicium-Phototransistor mit einer aktiven Oberfläche 121 von 800 μπι im Durchmesser verwendet. Der Abstand zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 betrug 500 μιτι. Dabei wurde festgestellt, daß der Lichtleiter 13, der durch Eingießen und Aushärten einer kleinen Menge von Epoxyharz (etwa 2 χ 10-4cm3) zwischen Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 hergestellt wurde, einen Basiskollektor-Photostrom im Phototransitor ermöglichte, der 2,1 mal größer war als der Photostrom, der bei einem herkömmlichen Lichtleiter aus einer 500 μπι dicken Glasplatte zwischen dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 auftrat. Bei einem entsprechenden Vergleich mit einem Phototransistor, der eine rechteckige aktive Oberfläche von 400 μιτι χ 801 μΐη aufwies, stellt sich heraus, daß mit der Koppeleinrichtung der F i g. 1 bis 3 ein doppelt so großer Photostrom und damit eine wesentlich bessere optische Kopplung erreicht wird.
Das zuvor beschriebene Verfahren zur Ausbildung des Lichtleiters weist folgende Verfahrensschritte auf: Ausbilden einer flüssigen Schicht aus Lichtleitermaterial zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger, Einstellen des Abstandes zwischen beiden, Ausbilden der Lichtleiterschicht, wobei das Lichtleitermaterial in benetzender Berührung mit dem Lichtsender 14 und Lichtempfänger 12 steht, Aushärten der Lichtleiterschicht nach der lagemäßigen Einstellung und der Ausbildung der Lichtleiterschicht. Das Herstellungsverfahren ist jedoch nicht notwendigerweise auf die im Zusammenhang mit den F i g. 3a bis 3d beschriebenen Reihenfolge beschränkt. Das Verfahren läßt sich auch in der nachfolgend beschriebenen Weise abwandeln.
Kehrt man nochmals zu F i g. 3a zurück, so wird eine vorgegebene Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial dient, auf den Lichtempfänger ausgebracht, der zuvor mit einer Schicht oder Barriere um die aktive Oberfläche des Lichtempfängers 12 herum versehen ist, um zu verhindern, daß das Epoxyharz von der aktiven Oberfläche herunterfließt. Eine solche Schicht kann beispielsweise eine stufenförmige Schicht sein, die am Rand des lichtempfindlichen Bereiches durch Photoätzen der S1O2-Schicht 12a ausgebildet wird. Die stufenförmige Schicht kann auch eine Metallschicht für die Elektrode oder eine Glasschicht sein, wenn anstelle der SiO2-Schicht 12a eine Metall- oder Glasschicht verwendet wird. Das Epoxyharz wird innerhalb der Barriere in Form einer Kugel aufgebracht Danach wird die Unterseite (mit der aktiven Oberfläche) des Lichtsenders 14, der von der Halterung 15 gehalten wird, in benetzenden Kontakt mit dem kugelförmigen Epoxyharz gebracht Erforderlichenfalls wird der Lichtsender 14 durch die Halterung 15 wieder auf eine vorgegebene Höhe angehoben und das Epoxyharz wird zu einer Lichtleiter-Konfiguration geformt und dann ausgehärtet, so daß auf diese Weise der Lichtleiter 13 gebildet wird. Schließlich werden ) Verbindungsdrähte am Lichtsender 14 angebracht und die Halterung 15 entfernt.
Anhand der Fig.4 soll nachfolgend eine opto-elektronische Koppeleinrichtung für hohe Leistung beschrieben werden. Diese Koppeleinrichtung enthält einen Lichtsender 14, beispielsweise eine lichtemmitierende GaAs-Diode und einen Lichtempfänger 12, beispielsweise einen Photothyristor mit den Parameterwerten 1200 V und 100 A, der eine innere Verstärkung mit dem Steuerstrom ermöglicht. Diese Bauelemente
!5 sind über einen Lichtleiter 13 miteinander optisch gekoppelt. Diese Koppeleinrichtung hat die Eigenschaft, daß eine hohe Ausgangsleistung durch ein Signal mit niederer Leistung gesteuert werden kann. Der Lichtempfänger 12 ist zwischen einer unteren Elektrode, die in Form eines Gewindebolzens 21 ausgebildet ist, und einer oberen Elektrode 25 befestigt, die mit der Hauptleitung 29 in Verbindung steht. Ein zylinderförmiges Teil 26 mit einer Glashülse 27, durch die eine Steuerleitung 28 hindurchgeht, ist in ein in der oberen
2Ί Elektrode 25 ausgebildetes Loch eingesetzt. Der Lichtsender 14, der in den Lichtleiter 13 eingelegt ist, ist an der Spitze der Leitung 28 befestigt.
Anhand der Fig. 5a bis 5d wird ein Verfahren zur Herstellung der in F i g. 4 dargestellten Koppeleinrich-
JO tung erläutert. Wie in Fig.5a dargestellt ist, wird zunächst auf die obere Fläche des Gewindebolzens 21, der aus Kupfer hergestellt ist, der Lichtempfänger 12, in diesem Falle ein Photo-Thyristor befestigt, auf dem die obere Elektrode 25 angebracht wird. Wie in Fig. 5b
v> dargestellt ist, wird im Loch der oberen Eleketrode 25 der Sockel mit der Glashülse 27, welche die Leitung 28 hält, an deren Spitze der Lichtsender 14 angebracht ist, sowie das zylinderförmige Teil 26, das beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt ist, eingesetzt, ausgerichtet und lagemäßig festgelegt. Wie in Fig.5a dargestellt ist, wird danach zwischen dem Gewindebolzen 21 und dem Lichtempfänger 12 flüssiges Epoxyharz als Lichtleitermaterial gebracht. Auf diese Weise wird eine Kunstharzschicht 13a gebildet, die in benetztender Berührung mit der Glashülse 27, dem Lichtsender 14 und der aktiven Oberfläche des Lichtempfängers 12 steht. Wie in Fig.5 dargestellt ist, wird die Kunstharzschicht durch Absaugen und Entfernen eines Teils der Kunstharzschicht 13a, beispielsweise mittels eines Injektors oder eines Dochtes, der beispielsweise aus Filterpapier hergestellt ist, in die Lichileiter-Forni gebracht und durch Wärmebehandlung ausgehärtet, so daß schließlich der Lichtleiter 13 entsteht Schließlich wird die dadurch erhaltene Anordnung in bekannter Weise eingeschmolzen, so daß sich die in F i g. 4 dargestellte Einrichtung ergibt Bei dieser Ausführungsform kann die Verstärkungselektrode des Photo-Thyristors als Grenzschicht oder Barriere verwendet werden, wie dies zuvor erwähnt wurde, um den Lichtleiter 13 auszubilden.
Die grundsätzliche Funktion der Lichtleiterwirkung, die mit dem Lichtleiter 13 erhalten wird, entspricht der zuvor beschriebenen Funktion. Um die Lichtleiterwirkung zu verbessern, ist die Leitung 28 aus Kupfer oder einem entsprechenden Material so angeordnet daß die Spitze, an der der Lichtsender 14 angebracht ist aus der Glashülse 27 vorsteht so daß der Lichtsender 14 an der engsten Stelle des Lichtleiters 13 liegt und nahe an den
Lichtempfänger heranreicht. Durch diesen Aufbau können die Lichtkomponenten, die teilweise gebrochen werden und aus dem Lichtleiter 13 austreten, also die Komponenten, die in F i g. 2 als die Lichtstrahlen b und c bezeichnet wurden, klein gehalten werden, und die andere Lichtkomponente, die am Epoxyharz-Rand total reflektiert wird, beispielweise der Lichtstrahl d, kann vergrößert werden; und auch die Lichtstrahlen, die von den Seitenflächen des Lichtsenders 14 (die Lichtkomponenten, die mit f\ und /2 in F i g. 2 bezeichnet werden), kommen, können zur Lichtübertragung verwendet werden, so daß die optische Kopplung noch wesentlich verbessert werden kann.
Eine Koppeleinrichtung, wie sie in Fi g. 4 dargestellt ist. wurde bei einem konkreten Ausführungsbeispiel hergestellt, bei dem der Lichtsender 14 eine rechteckige GaAs-Diode mit einem Übergangsbereich von 400 μηι2 und einer Dicke von 200 μτη war. Bei diesem Ausführungsbeispiel war der Lichtempfänger 12 ein Photo-Thyristor mit einer inneren Steuerstromverstärkung und mit einem Halbleiterplättchen von 20 mm Durchmesser, das eine zentrale aktive Oberfläche von 2 mm Durchmesser aufwies. Der Abstand zwischen Lichtsender 14 und Lichtsender 12 betrug etwa 0,7 mm. Der Abstand zwischen der Sockelglashülse 27 und dem Lichtempfänger 12 betrug etwa 1.2 mm und es wurde eine kleine Menge (etwa 3 χ 10~3cc) Epoxyharz verwendet, um den Lichtleiter 13 auszubilden und eine Koppeleinrichtung herzustellen, wie sie in Fig.4 dargestellt ist.
Der Thyristor der auf diese Weise hergestellten Einrichtung konnte leicht durch Zuleitung eines Stromes von 45 mA an den Lichtsender 14 in Funktion gesetzt werden. Wenn man die Tatsache betrachtet, daß ein Anfangsstrom von etwa 240 mA bei einer Einrichtung mit einem ähnlichen Aufbau erforderlich ist, bei dem ein Zwischenraum zwischen dem Lichtsender und dem Thyristor mit N2-Gas ausgefüllt ist, und wenn man weiterhin in Betracht zieht, daß ein Zündstrom von etwa 117 mA bei einer anderen Einrichtung ähnlicher Bauart, bei der der Zwischenraum mit einem Epoxy-Kunstharz gefüllt ist, erforderliche ist, wird deutlich, daß der Zündstrom bei einer Einrichtung, die entsprechend dem experimentellen Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, in hohem Maße verringert werden kann, d. h. die optische Kopplung wurde wesentlich verbessert.
Es ist allgemein bekannt, daß die Lebensdauer der zuvor beschriebenen Koppeleinrichtung für hohe Leistung vom Lichtsender abhängt, und daß eine hohe Dichte des Leitungsstromes durch den Lichtsender sowie ein hoher Temperaturanstieg im lichtemittierenden Haibieiterübergang auf Grund des Lcitungsstromcs den Energieverlust des Lichtausgangssignals wesentlich erhöht Bei der Koppeleinrichtung, bei der der erfindungsgemäße Lichtleiter 13 verwendet wird, kann die Lebensdauer um das 5- bis 8-fache bis zu etwa 105 Stunden erhöht werden, da es möglich ist, die Stromdichte des durch den Lichtsender fließenden Stromes im Vergleich zu einer Einrichtung um die Hälfte zu verringern, bei der ein Lichtleiter in Form einer einfachen Kunstharzschicht verwendet wird, und da es möglich ist, den Temperaturanstieg auf ein Minimum zu beschränken (bei diesem experimentellem Ausführungsbeispiel kann der Temperaturanstieg auf etwa 35°C beschränkt werden).
In den F i g. 6a bis 6e sind weitere Ausführungsformen und Abwandlungen dargestellt Die in Fig.6a dargestellte Ausbildungsform wird in vorteilhafter Weise bei einem Lichtempfänger verwendet, bei dem der hochempfindliche Teil im Innern, also von der Haupt-Oberfläche entfernt, ausgebildet ist. Beispielsweise im Falle des Photo-Thyristors befindet sich der hochempfindliche Teil in der Gegend des zentralen pn-Übergangs, der in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn eine Spannung in Durchlaßrichtung an die Hauptelektroden angelegt wird. Bei einem solchen hochempfindlichen Sensor wird das auf die Hauptoberfläche auftreffende Licht stark absorbiert, bevor dieses Licht den hochempfindlichen Bereich erreicht, so daß dadurch die Empfindlichkeit stark verringert wird. Um einen derartigen Empfindlichkeitsverlust zu vermeiden, wird der Lichtempfänger 12 in der in Fig.6a dargestellten Einrichtung mit einer geätzten Nut ausgebildet, so daß der hochempfindliche Bereich an der Oberfläche der Nut freiliegt und der Lichtleiter den Lichtsender 14 und die Oberfläche der Nut, an der der hochempfindliche Bereich freiliegt, optisch koppelt. Da nach dem Ätzvorgang eine Passivierungsschicht, beispielsweise eine SiO2-Schicht ausgebildet wird, ergibt sich ein Lichtleiter aus einem Material, welches die SK^-Schicht sehr gut benetzt und daher in gutem Kontakt mit dieser SiO2-Schicht steht, eine sehr gute optische Kopplung zwischen einer kleinen rechteckigen aktiven Oberfläche und einer großen runden, konkav geformten aktiven Oberfläche.
Bei der in Fig.6b dargestellten Ausführungsform ist der Lichtsender 14, der mit einer Schicht 36 beschichtet ist und der Lichtempfänger 12, der an der aktiven Oberfläche mit einer Passivierungsschicht 39, beispielsweise einer Schicht aus Glas oder einem Kunststoff auf Siliciumbasis, also nicht mit einer SKVSchicht 37 versehen ist, miteinander über den Lichtleiter 13 optisch gekoppelt. Der auf einem Sockel 35 angebrachte Lichtsender ist mit einer Schicht 36, beispielsweise aus Glas oder einem entsprechenden Material beschichtet, so daß die Bedingung für die Totalreflektion weniger scharf ist, und die Lichtausbeute verbessert werden kann. Die aktive Oberfläche des Lichtempfängers 12 auf dem Sockel 11 ist ebenfalls mit der Schicht 39 beschichtet. Der Lichtleiter 13 kann auch bei einer solchen Anordnung leicht verwendet werden. In F i g. 6b dient eine Elektrodenschicht 38 als stufenförmige Schwelle.
In Fig.6c ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der Lichtleiter 13 so ausgebildet ist, daß die von den Seitenflächen des Lichtsenders J4 kommenden Lichtstrahlen wirkungsvoller ausgenutzt werden können. Der in Fig.6c dargestellte Lichtleiter 13 ist querschnittsmäßig so ausgebildet, daß der Querschnitt an dem Bereich, der den Lichtsender 14 umgibt, allmählich zunimmt, im Mittelbereich praktisch die gleiche Größe aufweist und in der Nähe des Lichtempfängers ebenfalls wieder allmählich größer wird. Der Lichtleiter 13 mit einer solchen Form kann auf einfache Weise, beispielsweise dadurch ausgebildet werden, daß zwischen ein zylinderförmiges Teil 40 und eine Leitung 41 eine Schicht 42 aus isolierendem Material (aus beispielsweise Tetrafluoräthylen) gebracht wird, das von Epoxyharz nur sehr schlecht oder gar nicht benetzt werden kann, daß der Lichtempfänger 14 mit Epoxyharz umgeben wird, wobei das Epoxyharz die Spitze der Leitung 41, die von Epoxyharz ausgezeichnet benetzt werden kann, und die aktive Oberfläche benetzt, und daß dann das Epoxyharz ausgehärtet wird. Da der Lichtleiter 13 in dieser Ausbildung die zusätzliche Funktion hat, die aus den Seitenflächen des Lichtsenders austretenden Lichtstrahlen zu fokussieren und sie auf den Lichtempfänger 12 hin
zu bündeln, kann die optische Kopplung um etwa 30 bis 50% gegenüber dem in F i g. 1 oder F i g. 4 dargestellten Lichtleiter 13 verbessert werden.
In Fig.6d ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der Lichtsender 14 und der Lichtempfänger 12 so angeordnet sind, daß die aktiven Oberflächen gegeneinander vesetzt oder verschoben sind. Der Lichtleiter 13 ist zwischem dem Lichtsender 14 und dem Lichtempfänger 12 ausgebildet.
Fig. 6e zeigt eine weitere Abwandlung, bei der ein Lichtempfänger 12 mit einem relativ kleinen und der Lichtsender 14 mit einer relativ großen aktiven Oberfläche miteinander über den Lichtleiter 13 optisch gekoppelt sind.
Die in den F i g. 6d und 6e dargestellten Lichtleiter 13 können auf einfache Weise dadurch ausgebildet werden, daß ein Kunstharz mit relativ hoher Viskosität verwendet und das Kunstharz schnell ausgehärtet wird. Beispielsweise wird acyclisches Epoxyharz, das mit einem Aushärtmittel aus Hexahydrophtalsäure gemischt ist, einer langsamen Aushärtreaktion während 40 bis 50 Stunden bei einer Temperatur von 400C unterworfen, so daß dabei die Viskosität des Epoxyharzes 700 bis 1200 Poise aufweist, das Kunstharz wird in die Lichtleiterform gebracht, wobei es mit den vorgegebenen aktiven Oberflächen in benetzenden Kontakt gebracht wird. Danach wird diese Kunstharz-Form schnell und bei hoher Temperatur ausgehärtet, so daß der Lichtleiter mit der gewünschten Form in einfacher Weise gebildet wird.
In Fig. 6f ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der Fokussierungseinrichtungen 43 (Linsen oder entsprechende Teile) auf vorgegebenen Bereichen angeordnet und zu diesen ausgerichtet werden, damit die vorgegebenen Bereiche der aktiven Oberfläche des Lichtempfängers 12 mit Licht hoher Intensität bestrahlt werden. Die Fokussierungseinrichtungen sollten vorzugsweise aus Kunstharz, Glas oder einem Halbleiter mit einem Brechungsindex hergestellt werden, der größer ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der Lichtleiter 13 besteht. Außer den in der Figur dargestellten Formen sind auch zahlreiche andere Formen für die Fokussierungseinrichtungen möglich. Die zuletzt beschriebene Ausführungsform weist mehrere Lichtempfänger auf, die zu einer Einheit zusammengefaßt sind, wobei einige der Lichtempfänger mit einer größeren Lichtintensität bestrahlt werden, als die übrigen Lichtempfänger.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde hauptsächlich auf Materialien für die Lichtleiter Bezug genommen, die auf Epoxyharz-Basis beruhen. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise können verschiedene Kunstharze auf Siliciumharz-Basis, Kunstharze auf Polyamid-Basis oder dgl., sowie verschiedene Glassorten mit niederem Schmelzpunkt verwendet werden. Wenn als Lichtleitermaterial mit niederem Schmelzpunkt verwendet wird, werden zunächst säulen- oder stabförmige Lichtleiter hergestellt, worauf die lichtemmitierenden und lichtempfindlichen Bereiche direkt mit den jeweiligen Enden der Lichtleiter verschmolzen werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Optoelektronische Koppeleinrichtung mit einem Halbleiter-Lichtsender (14) und einem diesem gegenüberliegenden Halbleiter-Lichtempfänger "> (12), die durch einen zwischen ihnen angeordneten Lichtleiter (13) optisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Lichtleiter (13) einteilig mit dem Lichtsender (14) verbunden und seine Seitenfläche nach innen konkav gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter(13) auch mit dem Lichtempfänger (12) einteilig verbunden ist und aus durchsichtigem Glas oder Kunststoff besteht
2. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch '5 gekennzeichnet, daß die beiden Endflächen des Lichtleiters (13) im wesentlichen kreisförmig sind.
3. Koppeieinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Randes der aktiven Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) 2« eine stufenförmige Schwelle (Elektrodenschicht 38) ausgebildet ist.
4. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die aktive Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) umgebende -'5 Umfangsfläche durch eine Schicht aus einem Material bedeckt ist, das durch das Material des Lichtleiters (13) weniger benetzbar ist als die aktive Oberfläche (121).
5. Verfahren zur Herstellung einer opto-elektri- J|) sehen Koppeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Halbleiter-Lichtsender (14) und Halbleiter-Lichtempfänger (12) ein deren aktive Oberflächen (141 bzw. 121) benetzendes durchsichtiges Glas oder r> durchsichtiger Kunststoff in flüssiger Phase eingebracht wird, daß entweder Lichtsender und Lichtempfänger soweit voneinander entfernt werden, oder die Menge des Glases oder Kunststoffes auf eine Menge reduziert wird, daß sich die nach innen 4C) konkave Seitenfläche des Lichtleiters (13) ergibt, und daß der Lichtleiter anschließend ausgehärtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche (121) des Lichtempfängers (12) vom Material des Lichtleiters 4» (13) besser benetzbar ist als die umgebende Oberfläche.
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