DE19750641A1 - Halbleiter-Fotodetektor mit optischem Dämpfungsglied - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG (a) Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Fotodetektor der Wellenleiterbauart, und insbesondere einen Halbleiter-Fotodetektor mit einem Wellenleiter, der eine Leistungsdämpfungsfunktion des einfallenden Lichts auf ein geeignetes Niveau bezogen auf dessen Amplitude hat, um exzellente Ausgangscharakteristika zu erzielen und Signalverzerrung in einem weiten Frequenzbereich zu vermeiden. Ein derartiger Fotodetektor ist geeignet für ein Kommunikationssystem, das eine AM-FDM-Technik verwendet (Amplitudenmodulation/Frequenzteilungsmodulation).

(b) Beschreibung des Standes der Technik

Ein Fotodetektorbauelement vom Wellenleitertyp, das für optischen Module eines optischen Kommunikationssystems verwendet wird, sollte die Funktion haben, die maximale Amplitude des Ausgangsfotostroms auf ein vorbestimmtes Niveau unabhängig der Amplitude des einfallenden Lichts, das von dem Fotodetektorbauelement erhalten wird, zu begrenzen. Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-243725 (veröffentlicht am 7.03.1977 als Patentveröffentlichung Nr. JP-A-9(1997)-64399) ein Halbleiter-Fotodetektorbauelement des Wellenleitertyps mit variabler Lichtempfindlichkeit vorgeschlagen. In dem vorgeschlagenen Bauelement ist eine Mehrfachquanten-Potentialtopfstruktur (multiple quantum well structure, im folgenden bezeichnet mit MQW), die einen optischen Dämpfungsabschnitt darstellt, an dem Eingang eines lichtempfindlichen Elements angeordnet, um einen quantenbegrenzten Stark-Effekt (quantum confined stark effect, im nachfolgenden bezeichnet mit OCSE) auszunutzen, der durch das Anlegen einer Quellspannung erzeugt wird.

Es ist allgemein bekannt, daß ein optisches Absorptionsspektrum in der MQW- Struktur ebenso wie der Signalwechsel darin bei Anlegen einer Quellspannung in Abhängigkeit der Polarisation des einfallenden Lichts variiert. Daher variiert der Betrag der optischen Dämpfung in der MQW-Struktur in Abhängigkeit von der Polarisation des einfallenden Lichts auch bei dem vorgeschlagenen variabel­ empfindlichen Fotodetektorbauelement, wodurch eine Polarisationsabhängigkeit der Lichtempfindlichkeit als ein Fotodetektorbauelement ausgewiesen wird. Demzufolge ist es schwierig, das Ausgangsniveau des lichtempfindlichen Elements in dem vorgeschlagenen Bauelement zu begrenzen, da die Polarisation des Signallichts, das von dem optischen Empfänger empfangen ist, in einem optischen Kommunikationssystem im allgemeinen willkürlich variiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fotodetektorbauelement des Wellenleitertyps bereitzustellen, das in der Lage ist, den maximalen Ausgangsstrom eines lichtempfindlichen Elements unabhängig des Leistungsniveaus des einfallenden Lichts im wesentlichen auf ein vorbestimmtes Niveau zu begrenzen, selbst wenn das Fotodetektorbauelement in einem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, in dem die Polarisation des einfallenden Lichts willkürlich variiert.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten fest, daß der Abschnitt der optischen Dämpfung zu verbessern ist, um die Polarisationsabhängigkeit des Ausgangsfotostroms des Fotodetektorbauelements zu beseitigen, und gelangten zur vorliegenden Erfindung, indem für die optische Wellenleiterschicht ein Volumenkristall eingesetzt wird, das als optisches Dämpfungsglied des einfallenden Lichts fungiert (wirkt).

Ein Fotodetektorbauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung besteht aus einem lichtempfindlichen Abschnitt mit einer Lichtabsorptionsschicht, um ein erstes Lichtsignal in ein elektrisches Signal zu konvertieren, und mit einem ersten Elektrodenpaar für die Ableitung des elektrischen Signals; und aus einem optischen Dämpfungsabschnitt, bestehend aus einer optischen Dämpfungsschicht, die aus einem Volumenkristall hergestellt ist und optisch mit der Lichtabsorptionsschicht gekoppelt ist, wobei die optische Dämpfungsschicht ein einfallendes Lichtsignal empfängt um ein gedämpftes Lichtsignal als erstes Lichtsignal zu der Fotoabsorptionsschicht weiterzuleiten, und ein zweites Elektrodenpaar, um an die optische Dämpfungsschicht eine Spannung anzulegen, um das erste Lichtsignal zu steuern.

Durch die Verwendung des Volumenkristalls als optische Wellenleiterschicht mit optischer Dämpfungsfunktion in der vorliegenden Erfindung kann ein variabel­ empfindliches Ausgangssignal von dem lichtempfindlichen Element erzielt werden, und zwar im wesentlichen unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts. Der Ausdruck "Volumenkristall" (bulk crystal), der hier verwendet wird, hat die Bedeutung eines relativ dicken Halbleiterkristalls, in dem keine Quanten-Effekte auftreten. Das Volumenkristall kann durch Aufwachsen einer Epitaxieschicht gebildet werden. Im allgemeinen wird bei einer Halbleiterschicht mit einer Dicke von größer als ungefähr 30 nm kein Quanten-Effekt beobachtet und demzufolge wird eine Halbleiterschicht mit einer derartigen Dicke als Volumenkristall bezeichnet.

Bei dem Halbleiter-Fotodetektor der vorliegenden Erfindung genügt die Beziehung zwischen dem Energiebandabstand (-E_g,ATT) der optischen Wellenleiterschicht mit einer optischen Dämpfungsfunktion und der optischen Energie E_in des einfallenden Lichts, die von der Wellenlänge abhängt, vorzugsweise der folgenden Ungleichung:

E_in + 50 meV ≦ E_g,ATT + 100 meV.

In diesem Fall kann ein geringerer Energieverlust in einem Nicht-Bias-Zustand (non bias state) der Halbleiterschicht erzielt werden, und es kann eine hinreichend variable Lichtempfindlichkeit bei einer gering angelegten Spannung in dem optischen Dämpfungsabschnitt erzielt werden.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung klarer werden, die sich auf die begleitenden Zeichnungen bezieht. Hierzu zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Fotodetektorbauelement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Halbleiter-Fotodetektorbauelement von Fig. 1 entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 die Beziehung zwischen der an den optischen Dämpfungsabschnitt anliegende Spannung und der Lichtempfindlichkeit des licht­ empfindlichen Elements in dem Halbleiter-Fotodetektorbauelement von Fig. 1;

Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Energiebandabstand des optischen Dämpfungsabschnitts und der Lichtempfindlichkeit des lichtempfind­ lichen Abschnitts in dem Halbleiterbauelement von Fig. 1, für den Fall, daß die Wellenlänge des einfallenden Lichts 1.55 µm beträgt; und

Fig. 5 eine ergänzende Darstellung zu Fig. 4, bei der die Variation der Lichtempfindlichkeit in Fig. 4 in Einheiten von Dezibel angegeben ist, wodurch die Reduktion der Lichtempfindlichkeit in Abhängig­ keit der angelegten Spannung dargestellt ist, die von 0 bis 6 Volt variiert.

Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung:
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Fotodetektorbauelement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das aus einem lichtempfindlichen Abschnitt 10 mit einem lichtempfindlichen Element und einer ersten P-Seiten-Elektrode 14 besteht, um eine Quellspannung in das lichtempfindliche Element einzuspeisen. Das erfindungsgemäße Fotodetektorbauelement besteht außerdem aus einem optischen Dämpfungsabschnitt 20 mit einem optischen Wellenleiter, der auf das lichtempfindliche Element ausgerichtet ist, um einfallendes Licht 40 zu empfangen, und aus einer zweiten P-Seiten-Elektrode 24, um eine Quellspannung in den optischen Wellenleiter einzuspeisen. Das einfallende Licht wird in der optischen Dämpfungsschicht 20 gedämpft, um daraufhin als Eingang in die lichtempfindliche Schicht 10 gespeist zu werden.

Fig. 2 zeigt den lichtempfindlichen Abschnitt 10 und den optischen Dämpfungsabschnitt 20, die auf einem gemeinsamen InP Substrat 30 ausgebildet sind. Die erste und zweite P-Seiten-Elektrode 14 und 24 sind separat für die jeweiligen Abschnitte 10 und 20 oben auf den Abschnitten 10 und 20 ausgebildet, und eine gemeinsame N-Seiten-Elektrode 31 ist an der Bodenoberfläche des Substrats 30 für beide die Abschnitte 10 und 20 ausgebildet.

Der lichtempfindliche Abschnitt 10 besteht aus einer optischen Absorptionsschicht 11, die als lichtempfindliches Element fungiert (wirkt), einer InP-Mantelschicht 12, einer GaInAs Kontaktschicht 13, und aus der ersten P-Seiten-Elektrode 14, die aufeinanderfolgend auf dem gemeinsamen InP Substrat 30 aufgewachsen sind, und einen streifenförmigen Rücken bilden, der sich, wie in Fig. 1 dargestellt ist, in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtes erstreckt.

Die optische Dämpfungsschicht 20 besteht aus einem optischen Wellenleiter 21, der als optisches Dämpfungselement fungiert (wirkt), einer InP Mantelschicht 22, einer GaInAs Kontaktschicht 23, und aus der zweiten P-Seiten-Elektrodenschicht 24, die aufeinanderfolgend auf dem gemeinsamen InP Substrat 30 aufgewachsen sind, und einen weiteren streifenförmigen Rücken bilden, der sich in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts 40 wie in Fig. 1 dargestellt ist erstreckt. Bei diesen Konfigurationen bildet sowohl der lichtempfindliche Abschnitt 10 wie der optische Dämpfungsabschnitt 20 eine Licht-Begrenzungsstruktur, um das einfallende Licht in vertikaler und horizontaler Richtung zu begrenzen. Die Empfangs-Seitenfläche des optischen Dämpfungsabschnitts 20 ist mit einer Antireflexionsschicht 25 bedeckt.

Die optische Wellenleiterschicht 21, die als das optische Dämpfungselement wirkt, ist aus einem GaInAsP Volumenkristall mit einem Energiebandabstand E_g,ATT von 0.855 eV (855 meV) und einer Filmdicke von 0.2 µm hergestellt. Die optische Absorptionsschicht 11 ist aus einem GaInAs Volumenkristall mit einem Energiebandabstand von 0.74 meV und einer Filmdicke von 0.2 µm hergestellt.

Das erfindungsgemäße Fotodetektorbauelement ist ausgebildet, um in einem optischen Kommunikationssystem bei einer Wellenlänge von 1.55 µm eingesetzt zu werden, und die Beziehung zwischen dem Energiebandabstand E_g,ATT der optischen Dämpfungsschicht 21 und der optischen Energie E_in des einfallenden Lichts ist derart ausgebildet, daß die folgende Gleichung gilt:

E_g,ATT = E_in + 55 meV.

Der optische Dämpfungsabschnitt 20 und der lichtempfindliche Abschnitt 10 werden hergestellt, indem eine gemeinsame Schichtstruktur bestehend aus einer gemeinsamen oberen P-Seiten-Schicht, einer gemeinsamen Kontaktschicht und einer gemeinsamen Mantelschicht aufgewachsen wird, und daran anschließend selektives Ätzen der gemeinsamen P-Seiten-Schicht, der gemeinsamen Kontaktschicht und eines Abschnitts der gemeinsamen Mantelschicht durchgeführt wird, um eine Separations-Kerbe auszubilden und die beiden Abschnitte 10 und 20 elektrisch voneinander zu trennen, wodurch die Struktur von Fig. 2 erhalten wird.

Beide Abschnitte 10 und 20 der vorstehend beschriebenen Konfigurationen können unabhängig voneinander mit verschiedenen Quellspannungen belegt werden, während ein Lichtsignal durch den optischen Dämpfungsabschnitt 20 nach Dämpfung der optischen Leistung auf ein geeignetes Niveau zu dem lichtempfindlichen Abschnitt 10 geleitet wird. Die Separationskerbe kann mit einem transparenten dielektrischen Material gefüllt werden.

Der Absorptionskoeffizient des Lichtsignals in dem optischen Dämpfungsabschnitt 20 kann durch die Spannung gesteuert werden, die an die Wellenleiterschicht angelegt ist, und zwar unabhängig von der Spannung, die an die lichtempfindliche Schicht in dem lichtempfindlichen Abschnitt 10 angelegt ist, so daß der äquivalente Energiebandabstand der Wellenleiterschicht 21 verändert wird. In diesem Schema ist die optische Leistung des Lichtsignals, das in den lichtempfindlichen Abschnitt 10 eingespeist werden soll, auf ein geeignetes Niveau kontrolliert, das wiederum den Ausgangsstrom aus dem lichtempfindlichen Abschnitt begrenzt.

Fig. 3 zeigt die Beziehung, die durch Messungen an dem Fotodetektorbauelement der vorliegenden Erfindung mit einem Lichtsignal einer Wellenlänge von 1.55 µm erhalten wurden, wobei die Lichtempfindlichkeit des Fotodetektorbauelements gegen die Spannung aufgetragen ist, die an den optischen Dämpfungsabschnitt 20 angelegt ist. Die durchgezogene Linie zeigt die Lichtempfindlichkeit für eine große TE polarisierte Welle (transversal elektrisch), während die gepunktete Linie die Lichtempfindlichkeit für die TM polarisierte Welle (transversal magnetisch).

Fig. 3 zeigt, daß wenn die angelegte Spannung von 0 bis 3 Volt variiert wird, während das Signallicht jeder polarisierten Welle erhalten wird, die resultierende Lichtempfindlichkeit von 0.5 Ampere/Watt bis Null Ampere/Watt variiert, wobei die Polarisationsabhängigkeit sehr klein ist. Das heißt, daß das Fotodetektorbauelement der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Lichtempfindlichkeit mit einer vernachlässigbaren Polarisationsabhängigkeit aufgrund der Volumenkristallschicht aufweist, die in der optischen Dämpfungsschicht verwendet ist.

Es wurden eine Vielzahl von Fotodetektorbauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, die optische Dämpfungsabschnitte mit verschiedenen Energiebandabständen E_g,ATT haben. Die Energiebandabstände E_g,ATT der verschiedenen Fotodetektorbauteile war 800, 850, 900, 950 und 1000 meV, d. h. der Energiebandabstand wurde ausgehend von 800 bis 1000 meV stufenweise um 50 meV erhöht. Ein Lichtsignal mit einer 1.55 µm Wellenlänge wurde in die vorstehenden Proben eingeführt, um ihre Lichtempfindlichkeit zu messen. Die Wellenlänge von 1.55 µm des einfallenden Lichts korrespondiert mit einer optischen Energie E_in von 800 meV. Die Resultate sind in Fig. 4 dargestellt, wobei die Lichtempfindlichkeit in Ampere/Watt angegeben ist und gegen die Differenz (E_g,ATT - E_in) zwischen dem Energiebandabstand E_g,ATT der Dämpfungsschicht und der Energie E_in des einfallenden Lichts aufgetragen ist.

Die durchgezogene Linie in Fig. 4 zeigt den Fall, daß eine Spannung von Null (oder nicht-bias Zustand, non-bias state) an die optische Dämpfungsschicht angelegt ist, während die gepunktete Linie den Fall einer angelegten Spannung von 6 Volt zeigt. Aus der Zeichnung geht hervor, daß wenn die Differenz (E_g,ATT - E_in) weniger als 50 meV beträgt, was gleichbedeutend ist mit (E_g,ATT - E_in < 50 meV), der Leistungsverlust durch optische Absorption in der optischen Dämpfungsschicht 10 selbst in dem nicht-bias Zustand verhältnismäßig groß ist, wobei eine für ein Fotodetektorbauelement hinreichende Lichtempfindlichkeit nicht erzielt wird.

Fig. 5 zeigt die Variation der Lichtempfindlichkeit von Fig. 4 in Dezibel (dB). Aus Fig. 5 geht hervor, daß wenn die Differenz (E_g,ATT - E_in < 100 meV überschreitet, was gleichbedeutend ist mit (E_g,ATT - E_in < 100 meV), der Absorptionskoeffizient des optischen Dämpfungsabschnitts, der von der Zunahme der angelegten Spannung begleitet wird, unzureichend ist, was den variablen Bereich der Lichtempfindlichkeit auf unter 10 dB einschränkt.

Aus den Fig. 4 und 5 geht hervor, daß die Differenz (E_g,ATT - E_in) zwischen 50 meV und 100 meV liegen sollte, was gleichbedeutend ist mit der Ungleichung (50 meV ≦ E_g,ATT - E_in ≦ 100 meV), um eine hinreichende Lichtempfindlichkeit zu erzielen, die im wesentlichen aus der angelegten Spannung ohne Reduktion der Lichtempfindlichkeit in der optischen Dämpfungsschicht in ihrem nicht-bias Zustand folgt. Das heißt, daß wenn die optische Dämpfungsschicht von einem Volumenkristall gebildet ist, der eine derartige Eigenschaft aufweist, können in der optischen Dämpfungsschicht exzellente Eigenschaften erzielt werden.

Die vorliegende Erfindung ist vorstehend beispielhaft für den Fall einer GaInAsP optischen Dämpfungsschicht und einer GaInAs lichtempfindlichen Schicht beschrieben. Die optische Dämpfungsschicht und die lichtempfindliche Schicht können jedoch beispielsweise aus AlGaInAs hergestellt sein.

Zusätzlich kann ein Photodetektorbauelement für den Betrieb bei einer Wellenlänge von 1.3 µm anstelle der Wellenlänge von 1.55 µm eingesetzt werden. Außerdem kann eine Vielzahl von lichtbegrenzenden Schichten über oder unter der optischen Absorptionsschicht gebildet werden, obwohl ein Wellenleiter einer Dreischichtsstruktur mit InP/GaInAs (P)/InP-Schichten in der vorstehenden Ausführung dargestellt ist. Die Dicke der Wellenleiterschicht oder der optischen Absorptionsschicht ist nicht auf 0.2 µm beschränkt und kann um 30 nm herum sein oder größer sein, wobei ein Quanteneffekt nicht auftritt.

Da die vorstehenden Ausführungen nur beispielhaft beschrieben sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungen beschränkt und zahlreiche Modifikationen oder Veränderungen können von einem Fachmann ohne Schwierigkeiten vorgenommen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (5)

1. Ein Photodetektorbauelement bestehend aus:
einer lichtempfindlichen Schicht (10) mit einer lichtabsorbierenden Schicht (11) für die Konvertierung eines ersten Lichtsignals in ein elektrisches Signal, und mit einem ersten Elektrodenpaar (14, 31) für die Ableitung des elektrischen Signals; und
einem optischen Dämpfungsabschnitt (20) bestehend aus einer optischen Dämpfungsschicht (21), die aus einem Volumenkristall hergestellt ist und mit der lichtabsorbierenden Schicht (11) optisch gekoppelt ist, wobei die optische Dämpfungsschicht (21) ein einfallendes Lichtsignal (40) erhält und ein gedämpftes Lichtsignal zu der lichtabsorbierenden Schicht (11) als erstes Lichtsignal weiterleitet, und ein zweites Elektrodenpaar (24, 31) für das Anlegen einer Spannung an die optische Dämpfungsschicht (21), um das erste Lichtsignal zu steuern.

2. Fotodetektorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die folgende Gleichung gilt: E_in + 50 meV ≦E_g,ATT ≦ E_in + 100 meV, wobei E_g,ATT der Energiebandabstand der optischen Dämpfungsschicht (21) ist, und E_in die optische Energie des einfallenden Lichtsignals (40) ist.

3. Fotodetektorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Absorptionsschicht (11) und die optische Dämpfungsschicht (21) aus GaInAs und GaInAsP hergestellt sind.

4. Fotodetektorbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Licht (40) eine Wellenlänge von 1.55 µm hat.

5. Fotodetektorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabsorptionsschicht (11) aus einem Volumenkristall hergestellt ist.