DE10201124A1

DE10201124A1 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10201124A1
Application number: DE10201124A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stegmueller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US20030137023A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement (100) mit mindestens einer Quantenpunktstruktur in einem Halbleitermaterial und mindestens zwei monolithisch integrierten Komponenten (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Komponenten (1, 2, 3, 4) im Halbleitermaterial über mindestens eine Quantenpunktstruktur (20) miteinander funktionell gekoppelt sind. Damit wird ein sehr kompaktes optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen einfacher Herstellung geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelementes nach Anspruch 12.
Insbesondere in der Telekommunikation besteht das Problem, immer kleinere optoelektronische Bauelemente bei immer höheren Frequenzen zu betreiben, um die Datenübertragungsraten zu steigern.
Es ist bekannt, zwei oder mehr Komponenten eines optoelektronischen Bauelementes monolithisch auf einem Substrat zu integrieren. Solche Komponenten sind z. B. Laserdioden oder elektrooptische Modulatoren (EO), für die Multiple-Quantum-Wells (MQW) mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet werden.

Solche Bauelemente sind beispielsweise aus folgenden Literaturstellen bekannt: K. Nakamura et al., "Buried Heterostructure DFB Laser Integrated with Ridge Waveguide Electroabsorption Modulator with over 29 GHz Bandwidth", Proc. ECOC 97, 22-25 September 1997, Conference Publication NO. 488, IEE, 1997, pp. 175-178 und J. J. Coleman et al., "Progress in InGaAs-GaAs Selective-Area MOCVD Toward Photonic Circuits", IEEE Journal of Selected Topics of Quantum Electronics, Vol. 3, No. 3, Jun 1997, pp. 874-884.

Nachteilig ist dabei, dass die beschriebenen Bauelemente aufwendig in mehreren Epitaxieschritten herzustellen sind.

Einfacher herzustellen, aber in der Anwendung begrenzt sind die Bauelemente, die in A. Ramdane, et al., "Monolithic Integration of Multiple-Quantum-Well Lasers and Modulators for High-Speed Transmission", IEEE Journal of Selected Topics of Quantum Electronics, Vol. 2, No. 2, June 1996, pp. 326-335 oder der DE 196 52 529 A1 beschrieben sind. Im ersten Fall werden MQWs mit gleichen, im zweiten Fall mit unterschiedlichen Quantum-Well-Typen beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr kompaktes optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zur dessen einfacher Herstellung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die funktionelle Kopplung mindestens zweier Komponenten (z. B. Laserdiode und Elektroabsorptionsmodulator) im Halbleitermaterial über mindestens eine Quantenpunktstruktur ist es möglich, sehr schnelle Datenübertragungsraten zu erzielen.

Bei einer Quantenpunktstruktur werden die Bewegungen der Elektronen gegenüber Quantengrabenstrukturen noch weiter eingeschränkt; die Elektronenbewegungen sind in allen drei Raumrichtungen quantisiert. Ein wesentlicher Vorteil von Quantenpunktstrukturen ist die geringe Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge, was für die Datenübertragung von großer Bedeutung ist.

Mit Vorteil ist mindestens eine Komponente mit einer weiteren Quantenpunktstruktur oder einer Quantengrabenstruktur funktionell gekoppelt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Quantenpunktstruktur und mindestens eine Quantengrabenstruktur in einem Epitaxieschritt herstellbar sind. Damit kann der Herstellungsaufwand minimiert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes ist mindestens eine Komponente als eine Laserdiode ausgebildet. Dabei ist es zur Erzielung schmalbandigen Laserlichts vorteilhaft, wenn die Laserdiode eine DFB-Struktur oder eine DBR-Struktur aufweist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Komponente als ein Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet ist. Damit sind hochfrequente Modulationen des Laserlichts möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine Komponente als ein optischer Verstärker und/oder als Photodetektor ausgebildet.

Zur starken optischen und/oder elektrischen Entkopplung mindestens zweier Komponenten ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Graben zwischen den mindestens zwei Komponenten in das Halbleitermaterial eingebracht ist.

Für eine schwache optische und eine starke elektrische Entkopplung mindestens zweier Komponenten ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Graben zwischen den Komponenten in das Halbleitermaterial eingebracht ist, wobei dieser mindestens eine Graben implantierte Ionen aufweist.

Mit Vorteil ist zur starken optischen und elektrischen Entkopplung mindestens zweier Komponenten mindestens eine Bragg-Struktur im Halbleitermaterial angeordnet.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Dabei wird auf einem Substrat eine Quantenpunktstruktur als aktive Schicht aufgewachsen, wobei im gleichen Epitaxieschritt eine weitere Quantenpunktstruktur und/oder eine weitere Quantentopfstruktur aufgewachsen wird. Durch das Aufwachsen in einem Epitaxieschritte wird die Herstellung des optoelektronischen Bauelementes vereinfacht.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
Fig. 3a eine Abwandlung der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
Fig. 4a eine Abwandlung der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 4.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes 100 dargestellt. Diese erste Ausführungsform weist, von rechts nach links gesehen, als Komponenten eine Laserdiode 1, einen Elektroabsorptionsmodulator 2 (EAM) und einen optischen Verstärker (semiconductor optical amplifier SOA) 3 auf. Alle drei Komponenten 1, 2, 3 sind monolithisch mit einem Halbleitermaterial integriert.
Im folgenden wird zunächst die horizontale Abfolge der Komponenten 1, 2, 3 dargestellt, anschließend die vertikale Schichtenfolge.
In der Fig. 1 ist rechts der Bereich der Laserdiode 1 dargestellt. Die Laserdiode 1 ist hier in an sich bekannter Weise als DFB-Laser mit einem Bragg-Gitter 13 ausgebildet. Das Bragg-Gitter 13 ist dabei nur im Bereich der Laserdiode 1 angeordnet. Das Bragg-Gitter 13 muss sich dabei nicht über die gesamte Länge der Laserdiode 1 erstrecken. In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine DBR-Laserstruktur verwendet werden.
An die Laserdiode 1 schließt sich der Elektroabsorptionsmodulator 2 an, wobei zwischen dem Bereich der Laserdiode 1 und dem Elektroabsorptionsmodulator 2 ein erster Graben 5 in das Halbleitermaterial eingebracht ist. Mit dem Elektroabsorptionsmodulator 2 ist es möglich, durch eine Änderung des elektrischen Feldes die Bandstruktur des Halbleiters zu beeinflussen, so dass die Intensität des Laserlichts der Laserdiode 1 gesteuert werden kann. Durch diese Modulation sind sehr hochfrequente Datenübertragungen möglich. Grundsätzlich ist auch möglich, andere elektrooptische Modulatoren zu verwenden.
An den Elektroabsorptionsmodulator 2 schließt sich ein Bereich für einen optischen Verstärker 3 in an sich bekannter Bauart an. Zwischen dem Elektroabsorptionsmodulator 2 und dem optischen Verstärker 3 ist ein zweiter Graben 6 angeordnet.
Das optoelektronische Bauteil 100 wird auf Schichten 10 aufgebaut. Dabei werden die Schichten in üblicher Weise epitaktisch abgeschieden und z. B. durch Ätzen strukturiert.
Auf n-dotierten, epitaktisch aufgewachsenen Schichten 10 als Substrat ist eine MQW-Schicht als Modulatorschicht 20aufgewachsen, die für den Elektroabsorptionsmodulator 2 vorgesehen ist. Die Dicke A der Modulatorschicht 20 beträgt zwischen ca. 0 und 500 nm.
Eine Quantenpunktstruktur 21 (Quantum-Dot-Struktrur QD) ist als aktive Schicht für die Laserdiode 1 angeordnet. Die Quantenpunktstruktur 21 weist eine Dicke B von ca. 0 bis 500 nm auf.
Das Verhältnis der Schichtdicken ausgedrückt in B/(A + B) ist größer als 0 und maximal 1. Der minimale Wert entspräche dann einer fast reinen Quantum-Well-Struktur, der maximale Wert entspräche einer reinen Quantenpunktstruktur.
Bei dieser ersten Ausführungsform werden im Gegensatz zu den bekannten integrierten Strukturen die Komponenten 1, 2, 3 des optoelektronischen Bauelementes 100 über die Quantenpunktstrukturen 21 und MQW-Struktur 20 funktionell gekoppelt. Die Quantenpunktstruktur 21 stellt eine gemeinsame Schicht für die Komponenten 1, 2, 3, d. h. die Laserdiode 1, den Elektroabsorptionsmodulator 2 und den optischen Verstärker 3 dar.
Die Quantenpunktstruktur 21 wird entweder für die Verstärkung des Lichts in der Laserdiode 1 oder im optischen Verstärker 3 oder für die Modulation im Elektroabsorptionsmodulator 2 verwendet. Die MQW-Struktur 20 wird entsprechend komplementär verwendet.
Im vorliegenden Beispiel, mit einer Quantenpunktstruktur 21 und einer MQW-Struktur 20 sind dabei die Bandabstände der Quantenpunktstruktur 21 und der MQW-Struktur 20 für die Verstärkung bzw. die Modulation unterschiedlich gewählt.
Im Unterschied zu Strukturen mit identischen MQW bestehend aus einem Quantum-Well-Typ, können die Quantenpunktstrukturen und MQW unterschiedlich auf Absorption und Verstärkung eingestellt werden, wodurch gleichzeitig niedrige Schwellströme in der Laserdiode 1 als auch hinreichend geringe optische Verluste sowie eine hohe Modulationsfrequenz erreicht werden.
Zusammen mit der MQW-Schicht 20 kann die Quantenpunktstruktur 21 einem Epitaxieprozess hergestellt werden. Damit wird eine wesentliche Vereinfachung bei der Herstellung erreicht.
Oberhalb der aktiven Schicht 21 sind p-dotierte Schichten 12 angeordnet. Das optoelektronische Bauelement 100 weist Kontaktschichten 33, 34 und Kontakte 31, 32 auf. Die Kontaktschichten 33, 34 sind aus hochdotiertem Halbleitermaterial gebildet, das mit metallischen Kontakten leitend verbunden ist. Damit kann jede Komponente 1, 2, 3 gezielt mit Strominjektionen versorgt werden.
Durch die Kopplung der Komponenten 1, 2, 3 über die Quantenpunktstruktur 21 lassen sich sehr viel höhere Frequenzen erreichen, als die bei der Verwendung einer MQW- Struktur alleine möglich wäre.
Die erste Ausführungsform weist aufgrund der Gräben 5, 6 eine starke optische und starke elektrische Entkopplung der Komponenten 1, 2, 3 auf, so dass die Komponenten in einfacher Weise einzeln steuerbar sind.
In Fig. 2 wird grundsätzlich der gleiche Aufbau eines optoelektronischen Bauelements beschrieben, so dass auf die obigen Ausführungen Bezug genommen wird.
Um Unterschied zur ersten Ausführungsform werden in der zweiten Ausführungsform die Komponenten 1, 2, 3 nicht durch Gräben 5, 6 getrennt, so dass eine schwache optische und eine schwache elektrische Entkopplung vorliegt. Gerade für schnelle Schaltvorgänge ist dies vorteilhaft.
Die dritte Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt wird, ähnelt der ersten Ausführungsform, da auch hier Gräben 5, 6 zwischen den Komponenten 1, 2, 3 angeordnet sind. Die elektrische Isolation wird aber hier mittels einer Ionenimplantation erreicht, was eine schwache optische, aber eine starke elektrische Entkopplung zur Folge hat. Die Gräben 5, 6 bzw. die ionenimplantierten Bereiche können alternativ auch weiter in die Tiefe des Halbleitermaterials reichen, insbesondere bis auf die n-dotierten Schichten 10.
In einer Abwandlung der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3a ist der zweite Graben 6 bis in die n-dotierte Schichten 10 eingebracht. Die Ionenimplantation ist ebenfalls bis in diese Tiefe möglich.
Die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 4 weist gegenüber den drei ersten Ausführungsformen einen Photodetektor 4 als weitere Komponente auf. Dabei ist zwischen der Laserdiode 1 und dem Elektroabsorptionsmodulator 2 eine tiefe Bragg- Struktur 7 angeordnet. Die Bragg-Struktur 7 ist zwischen 2 und 50 µm breit. Die einzelnen vertikalen Schichten der Bragg-Struktur 7 weisen eine minimale Breite von weniger als 1 µm, maximal von einigen Mikrometern auf.
Die Bragg-Struktur 7 sorgt für eine starke optische und elektrische Entkopplung z. B. der Laserdiode 1 mit anderen Komponenten und in Längsrichtung. Die Bragg-Struktur 7 stellt auch eine Definition des Laseresonators und der Emissionswellenlänge sicher. Alternativ kann die Bragg- Struktur 7 auch zwischen anderen Komponenten 1, 2, 3, 4 angeordnet werden.
Des weiteren weist die vierte Ausführungsform einen dritten Graben 8 auf, der zwischen dem optischen Verstärker 3 und dem Photodetektor 4 angeordnet ist. Der dritte Graben 8 weist eine Breite von weniger als 10 µm auf.
Die Länge des Elektroabsorptionsmodulators 2 beträgt zwischen 20 und 300 µm, die des optischen Verstärkers 3 beträgt 20 bis 2000 µm, die des Photodetektors 4 beträgt 2 bis 50 µm. Diese Werte können im wesentlichen auch auf die anderen Ausführungsbeispiele übertragen werden.
Eine Abwandlung der vierten Ausführungsform ist in Fig. 4a dargestellt. Die Bragg-Struktur 7 erstreckt sich dabei bis in die n-dotierten Schichten 10.
In den Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes dargestellt. Die optoelektronischen Bauelemente weisen dabei unterschiedliche, monolithisch integrierte Komponenten 1, 2, 3, 4 wie z. B. Laserdioden, Elektroabsorptionsmodulatoren, Photodetektoren oder optische Verstärker auf. Die Kombination dieser Komponenten 1, 2, 3, 4 in den Ausführungsbeispielen ist beispielhaft, so dass auch andere Zusammenstellungen der Komponenten 1, 2, 3, 4 möglich sind.
Auch kann das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement aus jedem Halbleitermaterial mit sogenannten direkten Zustandsübergängen (wie z. B. III-V, II-IV Material) aufgebaut sein, das für die einzelnen Komponenten 1, 2, 3, 4 verwendbar ist (z. B. InGaASP oder InGaAlAS).
Wesentlich ist die Verwendung mindestens einer Quantenpunktstruktur 12 zur funktionellen Kopplung der Komponenten 1, 2, 3, 4 in Verbindung mit einer weiteren Quantenpunktstruktur oder von MQW-Strukturen. Für den letzten Fall sind oben verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden. Damit kann eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung von optoelektronischen Bauteilen erreicht werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen elektrooptischen Bauelement und dem Verfahren zur dessen Herstellung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Bezugszeichenliste 1 Laserdiode
2 Elektroabsorptionsmodulator
3 optischer Verstärker
4 Photodetektor
5 erster Graben
6 zweiter Graben
7 Bragg-Struktur
8 dritter Graben
10 n-dotierte Schichten
20 Modulatorschicht (MQW oder QD)
21 aktive Schicht (MQW oder QD)
12 p-dotierte Schichten
13 Bragg-Gitter
100 optoelektronisches Bauelement
A Dicke der Modulatorschicht
B Dicke der aktiven Schicht

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement mit mindestens einer Quantenpunktstruktur in einem Halbleitermaterial und mindestens zwei monolithisch integrierten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Komponenten (1, 2, 3, 4) im Halbleitermaterial über mindestens eine Quantenpunktstruktur (20) miteinander funktionell gekoppelt sind.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente (1, 2, 3, 4) mit einer weiteren Quantenpunktstruktur (21) oder einer Quantengrabenstruktur (20) funktionell gekoppelt ist.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Quantenpunktstruktur (21) und mindestens eine Quantengrabenstruktur (20) in einem Epitaxieschritt herstellbar sind.

4. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente als eine Laserdiode (1) ausgebildet ist.

5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (1) eine DFB- Struktur oder eine DBR-Struktur aufweist.

6. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente als ein Elektroabsorptionsmodulator (2) ausgebildet ist.

7. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente als ein optischer Verstärker (3) ausgebildet ist.

8. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente als als Photodetektor(4) ausgebildet ist.

9. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur starken optischen und/oder elektrischen Entkopplung mindestens zweier Komponenten (1, 2, 3, 4) mindestens ein Graben (5, 6) zwischen den mindestens zwei Komponenten (1, 2, 3, 4) in das Halbleitermaterial eingebracht ist.

10. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine schwache optische und eine starke elektrische Entkopplung mindestens zweier Komponenten (1, 2, 3, 4) mindestens ein Graben (5, 6) zwischen den Komponenten (1, 2, 3, 4) in das Halbleitermaterial eingebracht ist, wobei dieser mindestens eine Graben (5, 6) implantierte Ionen aufweist.

11. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur starken optischen und elektrischen Entkopplung mindestens zweier Komponenten (1, 2, 3, 4) mindestens eine Bragg-Struktur (7) im Halbleitermaterial angeordnet ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat (10) eine Quantenpunktstruktur (21) als aktive Schicht aufgewachsen wird, wobei im gleichen Epitaxieschritt eine weitere Quantenpunktstruktur (21) und/oder eine weitere Quantentopfstruktur (22) aufgewachsen wird.