DE19807782A1 - Component with a light transmitter and a light receiver - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein Lichtsender, der Licht mit einer Emissionswellenlänge λE emittiert, und ein Lichtempfänger angeordnet sind.The invention relates to a component with a substrate, on which at least one light transmitter, which emits light with an emission wavelength λ E , and a light receiver are arranged.
Es ist bekannt, ein Bauelement mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, der die von dem Lichtsender emittierte Strahlung empfängt, auszustatten. Bei dem Lichtsender handelt es sich hierbei vorzugsweise um eine Vertikalresonator- Laserdiode (Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) Derartige Vertikalresonator-Laserdioden weisen üblicherweise eine Heterostruktur auf. Hiermit sind Strukturen mit Schichtenfolgen gemeint, bei denen verschiedene Schichten aufeinander folgen.It is known to be a component with a light transmitter and a light receiver that emitted that from the light transmitter Receives radiation to equip. Acting with the light transmitter it is preferably a vertical resonator Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) laser diode Such vertical resonator laser diodes usually have a heterostructure. Structures are hereby included Layer sequences meant, in which different layers follow each other.
Bei dem Lichtempfänger handelt es sich üblicherweise um eine Photodiode oder einen Phototransistor. Jedoch ist auch ein anderer Photodetektor für die Integration in das Bauelement geeignet. Es sind gattungsgemäße Bauelemente bekannt, bei denen der Lichtempfänger die optische Ausgangsleistung des Lichtsenders erfaßt und diese in einen Steuerkreis einspeist. Hierbei ist es auch bekannt, die ermittelte Ausgangsleistung des Lichtsenders zu seiner Steuerung einzusetzen.The light receiver is usually a Photodiode or a phototransistor. However, there is also a another photodetector for integration into the component suitable. Generic components are known for which the light receiver the optical output power of Detected light transmitter and feeds this into a control circuit. It is also known here that the output power determined of the light transmitter for its control.
Ein gattungsgemäßes Bauelement ist aus der PCT-Anmeldung WO 95/18479 bekannt. Bei diesem Bauelement befindet sich der Lichtempfänger auf einer der Lichtaustrittsfläche entgegengesetzten Seite des Bauelements. Hierdurch wird die Lichtstrahlung, die nicht für den Lasereffekt ausgenutzt werden kann, zur Detektion der Leistung des Lasers eingesetzt. A generic component is from PCT application WO 95/18479 known. This component is the Light receiver on one of the light exit surfaces opposite side of the component. This will make the Light radiation that is not used for the laser effect can be used to detect the power of the laser used.
Ferner ist eine Vertikalresonator-Laserdiode bekannt, die durch Protonen-Implantation erzeugt wird und die Laserstrahlung von 809 nm bis 905 nm emittiert (R.A. Morgan et al.: 200°C, 96-nm Wavelength Range, Continues-Wave Lasing from Unbonded GaGs MOVPE-Grown Vertical Cavity Surface- Emitting Lasers, IEEE Photonics Technology Letters, VOL 7, pp. 441-443, 1995).Furthermore, a vertical resonator laser diode is known is generated by proton implantation and the Laser radiation from 809 nm to 905 nm emitted (R.A. Morgan et al .: 200 ° C, 96-nm Wavelength Range, Continues-Wave Lasing from Unbonded GaGs MOVPE-Grown Vertical Cavity Surface- Emitting Lasers, IEEE Photonics Technology Letters, VOL 7, pp. 441-443, 1995).
Ferner ist es bekannt, durch ein gezieltes wegätzen von Bereichen, ein sogenanntes Mesa-Ätzen, eine hohe Ausgangsleistung einer Vertikalresonator-Laserdiode zu erzielen (D.B. Young et al.: Enhanced Performance of Offset- Gain High-Barrier Vertical-Cavity Surface Emitting Lasers, IEEE: Journal of Quantum Electronics, VOL 29, pp. 2013-2002, 1993).Furthermore, it is known to deliberately etch away from Areas, a so-called mesa etching, a high Output power of a vertical resonator laser diode too (D.B. Young et al .: Enhanced Performance of Offset Gain high-barrier vertical-cavity surface emitting lasers, IEEE: Journal of Quantum Electronics, VOL 29, pp. 2013-2002, 1993).
Außerdem ist es bekannt, durch eine selektive Oxidation den Wirkungsgrad von Vertikalresonator-Laserdioden auf 50% zu erhöhen (K.L. Lear et al.: Selectively Oxidised Vertical Cavity Surface Emitting Lasers with 50% Power Conversion Efficiency, Electronics Letters VOL. 31, pp 208-209, 1995).It is also known that the selective oxidation Efficiency of vertical resonator laser diodes to 50% (L.L. Lear et al .: Selectively Oxidized Vertical Cavity Surface Emitting Lasers with 50% Power Conversion Efficiency, Electronics Letters VOL. 31, pp 208-209, 1995).
Aus der PCT-Anmeldung WO 90/07135 ist ein Modul für bidirektionale Transmission über eine optische Faser bekannt. Hierbei befinden sich der Lichtsender und der Lichtempfänger an verschiedenen Enden eines Glasfaserkabels.From the PCT application WO 90/07135 is a module for bidirectional transmission via an optical fiber is known. The light transmitter and the light receiver are located here at different ends of a fiber optic cable.
Aus der US-Patentschrift 5 195 150 ist es ferner bekannt, ein Wellenleiter-Bauelement so auszugestalten, daß sich in einer Substratausnehmung eine Linse befindet. Durch die Anordnung der Linse ist es möglich, Licht von einem kantenemittierenden Laser in eine Glasfaser einzukoppeln. From US Pat. No. 5,195,150 it is also known a To design the waveguide component so that in one A lens is located in the substrate recess. By the arrangement the lens it is possible to emit light from an edge Coupling lasers into an optical fiber.
Aus der US-Patentschrift 5 487 124 ist ein optisches Modul für bidirektionale Übertragung bekannt, mit einem senkrecht zu einer Hauptrichtung der von einem Lichtsender emittierten Strahlung angeordneten Lichtempfänger. Ein Strahlteiler ermöglicht hierbei den Durchtritt von Licht einer ersten Wellenlänge, während er Licht einer zweiten Wellenlänge ablenkt.An optical module is known from US Pat. No. 5,487,124 known for bidirectional transmission, with a vertical to a main direction of that emitted by a light transmitter Radiation arranged light receiver. A beam splitter allows light to pass through a first Wavelength while being light of a second wavelength distracts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Bauelement zu schaffen, das möglichst einfach herstellbar ist. Ein derartiges Bauelement soll sich insbesondere als Modul für die bidirektionale Signalübertragung eignen. Ein derartiges Bauelement soll sich ferner für einen möglichst flexiblen Einsatz in Datenübertragungssystemen eignen.The invention has for its object a generic To create a component that is as easy to manufacture as possible is. Such a component is intended in particular as Suitable for bidirectional signal transmission. A such a component should also be as possible for one flexible use in data transmission systems.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein gattungsgemäßes Bauelement so ausgestaltet wird, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger übereinander angeordnet sind, und daß der Lichtempfänger eine von der Emissionswellenlänge λE verschiedene Detektionswellenlänge λD aufweist.According to the invention, this object is achieved in that a generic component is designed in such a way that the light transmitter and the light receiver are arranged one above the other and that the light receiver has a detection wavelength λ D that is different from the emission wavelength λ E.
Die Erfindung sieht also vor, ein Bauelement zu schaffen, bei dem ein Lichtsender und ein Lichtempfänger im Bereich eines Substrats übereinander angeordnet sind, und den Lichtempfänger so zu gestalten, daß er von außen auf das Bauelement einfallende Lichtstrahlen detektieren kann.The invention therefore provides to create a component in which a light transmitter and a light receiver in the range of Substrate are arranged one above the other, and the To design the light receiver so that it is on the outside Component can detect incident light rays.
Eine Beeinträchtigung des Lichtempfangs in dem Lichtempfänger wird hierbei dadurch vermieden, daß er eine von der Emissionswellenlänge des Lichtsenders verschiedene Detektionswellenlänge λD aufweist.An impairment of the light reception in the light receiver is avoided in that it has a detection wavelength λ D that is different from the emission wavelength of the light transmitter.
Eine hohe Lichtintensität verbunden mit einer geringen Linienbreite in der Größenordnung von etwa 0,1 nm bis ungefähr 2 nm läßt sich dadurch erzielen, daß der Lichtsender durch eine Laserdiode gebildet ist.A high light intensity combined with a low one Line width in the order of about 0.1 nm to approximately 2 nm can be achieved by the light transmitter is formed by a laser diode.
Ferner ist es vorteilhaft, daß der Lichtempfänger durch eine Photodiode gebildet ist.It is also advantageous that the light receiver by a Photodiode is formed.
Der Lichtsender und/oder der Lichtempfänger werden vorzugsweise so ausgestaltet, daß sie übereinander angeordnete Schichten enthalten. Auf diese Weise ist die Integration des Lichtsenders und des Lichtempfängers im Bereich einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats möglich. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, das Bauelement so auszugestalten, daß Signale verschiedener Wellenlänge auf einer gemeinsamen Oberfläche eines Substrats empfangen beziehungsweise gesendet werden können.The light transmitter and / or the light receiver preferably designed so that they are one above the other arranged layers contain. That way it is Integration of the light transmitter and the light receiver in the Area of a main surface of the semiconductor substrate possible. It is particularly useful here, the component design that signals of different wavelengths received a common surface of a substrate or can be sent.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtempfänger sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandten ersten Seite des Substrats befindet, daß der Lichtsender sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein Bereich befindet, und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE wesentlich höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD.A particularly preferred embodiment of a component according to the invention is characterized in that the light receiver is located on a first side of the substrate facing an incident direction of light rays, that the light transmitter is located on a second side of the substrate opposite the first side, that between the light transmitter and the light receiver has an area, and that the transmission of the area for light of the emission wavelength λ E is substantially higher than for light of the detection wavelength λ D.
Eine wesentlich höhere Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE als für Licht der Detektionswellenlänge λD liegt insbesondere dann vor, wenn die Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE wenigstens um einen Faktor 10 höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD. Bei den hier dargestellten, besonders zweckmäßigen Beispielen beträgt der Faktor sogar mindestens 1000 (30 dB).A significantly higher transmission of the area for light of the emission wavelength λ E than for light of the detection wavelength λ D is present in particular if the transmission of the area for light of the emission wavelength λ E is at least a factor 10 higher than for light of the detection wavelength λ D. In the particularly expedient examples shown here, the factor is even at least 1000 (30 dB).
Bei dieser Ausführungsform ist es besonders zweckmäßig, daß der Bereich durch das Substrat gebildet ist.In this embodiment, it is particularly useful that the area is formed by the substrate.
Eine andere, gleichfalls bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtsender sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandten ersten Seite des Substrats befindet, daß der Lichtempfänger sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein Bereich befindet, und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD wesentlich höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge λE.Another, likewise preferred embodiment of a component according to the invention is characterized in that the light transmitter is on a first side of the substrate facing an incident direction of light rays, that the light receiver is on a second side of the substrate opposite the first side, that between there is an area for the light transmitter and the light receiver, and that the transmission of the area for light of the detection wavelength λ D is substantially higher than for light of the emission wavelength λ E.
Eine wesentlich höhere Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD als für Licht der Emissionswellenlänge λE liegt insbesondere dann vor, wenn die Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD um einen Faktor 10 höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge λE. Bei den hier dargestellten, besonders zweckmäßigen Beispielen beträgt der Faktor sogar mindestens 1000 (30 dB).A significantly higher transmission of the range for light of the detection wavelength λ D than for light of the emission wavelength λ E is present in particular if the transmission of the range for light of the detection wavelength λ D is a factor 10 higher than for light of the emission wavelength λ E. In the particularly expedient examples shown here, the factor is even at least 1000 (30 dB).
Auch bei dieser Ausführungsform ist es besonders zweckmäßig, daß der Bereich durch das Substrat gebildet ist.In this embodiment, too, it is particularly expedient to that the area is formed by the substrate.
Eine wirksame Trennung zwischen detektierten und emittierten Signalen läßt sich in einer einfachen und zweckmäßigen Weise dadurch erzielen, daß die Detektionswellenlänge λD kleiner als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE größer als 900 nm ist.An effective separation between detected and emitted signals can be achieved in a simple and expedient manner in that the detection wavelength λ D is less than 900 nm and in that the emission wavelength λ E is greater than 900 nm.
In einer anderen, gleichfalls bevorzugten Ausführungsform wird die Trennung dadurch erzielt, daß die Detektionswellenlänge λD größer als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE kleiner als 900 nm ist.In another, likewise preferred embodiment, the separation is achieved in that the detection wavelength λ D is greater than 900 nm and in that the emission wavelength λ E is less than 900 nm.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.Other advantages, special features and practical Further developments of the invention result from the following representation of preferred embodiments based on the drawings.
Von den Zeichnungen zeigt:From the drawings shows:
Fig. 1 ein Bauelement mit einer substratseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem Photodetektor, Fig. 1 a device having a substrate side-emitting vertical cavity laser diode and a photodetector,
Fig. 2 ein Bauelement mit einer epitaxieseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem Photodetektor und Fig. 2 shows a device with an epitaxial side emitting vertical resonator laser diode and a photodetector and
Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer epitaxieseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem darunter angeordneten Phototdetektor. Fig. 3 shows another embodiment of a device according to the invention having an epitaxy-emitting vertical cavity laser diode and arranged underneath Phototdetektor.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen in vertikal gestreckten, nicht maßstabsgerechten Darstellungen einen Querschnitt durch einen etwa 100 µm breiten Bereich von erfindungsgemäßen Bauelementen, wobei dieser Bereich wahlweise das gesamte Bauelement oder einen Ausschnitt des Bauelements bildet. In dem Fall, daß der dargestellte Bereich einen Ausschnitt des Bauelements bildet, ist es möglich, daß das gesamte Bauelement mehrere der dargestellten Einheiten aus einer Laserdiode und einer Photodiode enthält. Figs. 1, 2 and 3 show in vertically elongated, not to scale representations of a cross section through an approximately 100 microns wide range of devices according to the invention, this region selectively forms the entire device or a section of the device. In the event that the region shown forms a section of the component, it is possible for the entire component to contain several of the units shown, consisting of a laser diode and a photodiode.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement enthält ein Halbleitersubstrat 10. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm-3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem Halbleitersubstrat 10 handelt es sich vorzugsweise um Galliumarsenid GaAs.The component shown in FIG. 1 contains a semiconductor substrate 10 . The semiconductor substrate 10 has an n-type dopant concentration of approximately 10 17 to 10 18 cm -3 . The dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred. The semiconductor substrate 10 is preferably gallium arsenide GaAs.
Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 10 in eine Mesa-Struktur 15. Auf der Mesa-Struktur 15 ist eine einen elektrischen Kontakt bildende Metallschicht 20 aufgebracht. Die Metallschicht 20 besteht vorzugsweise aus einem Mehrschichtsystem mit Schichten aus Chrom, Platin und Gold.The semiconductor substrate 10 opens into a mesa structure 15 on a main surface. A metal layer 20 forming an electrical contact is applied to the mesa structure 15 . The metal layer 20 preferably consists of a multilayer system with layers of chromium, platinum and gold.
Die Mesa-Struktur 15 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise 20 bis 30 derartiger Schichtpaare. Um eine Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.The mesa structure 15 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack. The layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index alternates with a layer with a low refractive index. The Bragg reflector preferably contains 20 to 30 such pairs of layers. To make the layers visible in the graphical representation, only a part of the layers was shown.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGa1-xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGa1-xAs variiert von x = 1 bis x = 0. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise 980 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 80 nm und für x = 0 ungefähr 70 nm.The layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga 1-x As being particularly suitable. The layers have different refractive indices due to a different aluminum content. The aluminum content x in the compound Al x Ga 1-x As varies from x = 1 to x = 0. The thickness of the layers is in each case a quarter of the product of a wavelength to be reflected and the refractive index of the respective layer. At an emission wavelength of 980 nm, for example, the layer thicknesses are therefore approximately 80 nm for x = 1 and approximately 70 nm for x = 0.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2 mal 1018 cm-3 bevorzugt ist.The layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 × 10 18 cm -3 being preferred.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 30. Die aktive Schicht 30 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 30 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten Heterostruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus InGaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 30 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 30 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung. Unterhalb der aktiven Schicht 30 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Ga1-xAlxAs und oberhalb der aktiven Schicht 30 eine Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Ga1-xAlxAs.An active layer 30 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector. The active layer 30 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it. A smaller band gap of the active layer 30 than the layers adjacent to it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of InGaAs. Doping of the active layer 30 is not necessary. The active layer 30 is preferably undoped, but doping does not lead to any significant impairment. Below the active layer 30 is a preferably p-doped layer of Ga 1-x Al x As and above the active layer 30 is a semiconductor layer, for example of n-doped Ga 1-x Al x As.
Oberhalb der aktiven Schicht 30 und der auf der aktiven Schicht 30 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein weiterer Bragg-Reflektor 40. Der Bragg-Reflektor 40 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 10. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 40 einen ähnlichen Aufbau auf wie der untere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 40 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem Dotierstoff des unteren Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm-3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten.Another Bragg reflector 40 is located above the active layer 30 and the semiconductor layer arranged on the active layer 30 . The Bragg reflector 40 extends over the semiconductor substrate 10 . Otherwise, the further Bragg reflector 40 has a structure similar to that of the lower Bragg reflector. However, the Bragg reflector 40 is preferably doped with a dopant that has a conductivity type opposite to the dopant of the lower Bragg reflector, for example with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable. The concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm -3 . Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine Laserdiode 50. Bei der Laserdiode 50 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 90 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 980 nm emittiert.The regions of the component shown form a laser diode 50 . The laser diode 50 is a vertical resonator laser diode which emits light beams 90 with an emission wavelength λ E of, for example, approximately 980 nm.
Oberhalb des weiteren Bragg-Reflektors 40 befindet sich das Halbleitersubstrat 10.The semiconductor substrate 10 is located above the further Bragg reflector 40 .
Auf einer anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats 10 befindet sich eine Photodiode 60, die eintreffende Lichtstrahlen 80 detektiert. Die Photodiode 60 ist über eine nicht dargestellte Klebeschicht mit der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 10 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflektion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 60, der Klebeschicht sowie dem Halbleitersubstrat 10 sind die Oberflächen der Photodiode 60 und des Halbleitersubstrats 10 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen.On another main surface of the semiconductor substrate 10 there is a photodiode 60 , which detects incoming light beams 80 . The photodiode 60 is connected to the main surface of the semiconductor substrate 10 via an adhesive layer (not shown). To avoid light reflection at the interfaces between the photodiode 60 , the adhesive layer and the semiconductor substrate 10 , the surfaces of the photodiode 60 and the semiconductor substrate 10 are each provided with one or more antireflection layers.
Die Photodiode 60 ist vorzugsweise als pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus Ga1-xAlxAs und ist beispielsweise mit Silizium oder Tellur n-dotiert, wobei sich Tellur als Dotierstoff besonders eignet. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus GaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus Ga1-xAlxAs ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet.The photodiode 60 is preferably designed as a pin diode and contains three semiconductor layers arranged one above the other, which are not shown for the sake of clarity. The lower semiconductor layer preferably consists of Ga 1-x Al x As and is, for example, n-doped with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable as a dopant. The middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of GaAs and contains no dopant. The upper semiconductor layer, for example made of Ga 1-x Al x As, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
Die Photodiode 60 weist eine Detektionswellenlänge λD von etwa 850 nm auf. Für Licht mit der Detektionswellenlänge λD ist das Halbleitersubstrat 10 nicht transparent. Für Licht mit der Emissionswellenlänge λE ist das Halbleitersubstrat 10 jedoch transparent. Die Photodiode 60 ist für Licht mit der Emissionswellenlänge λE gleichfalls transparent.The photodiode 60 has a detection wavelength λ D of approximately 850 nm. The semiconductor substrate 10 is not transparent to light with the detection wavelength λ D. However, the semiconductor substrate 10 is transparent to light with the emission wavelength λ E. The photodiode 60 is also transparent to light with the emission wavelength λ E.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 60 dient ein Ringkontakt 70. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise in einem Seitenbereich der Photodiode 60. Falls sich zwischen der Photodiode 60 und der Laserdiode 50 eine Klebeschicht aus einem isolierenden Material befindet, können die Photodiode 60 und die Laserdiode 50 unabhängig voneinander an eine äußere elektrische Schaltung angeschlossen werden. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 50 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 10 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht.A ring contact 70 is used for the electrical connection of the photodiode 60 . Another contact, not shown, is preferably located in a side region of the photodiode 60 . If there is an adhesive layer made of an insulating material between the photodiode 60 and the laser diode 50 , the photodiode 60 and the laser diode 50 can be connected independently of one another to an external electrical circuit. Further electrical contacts for connecting the laser diode 50 are preferably attached in the area of the semiconductor substrate 10 at locations which are expedient for the integration of the component.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.The component shown in FIG. 1 can be manufactured, for example, as explained below.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 50 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Laserdiode 50 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 15 bildet (Mesa-Ätzen). The semiconductor layers of a laser diode 50 are deposited on a semiconductor substrate 10 using one of the known epitaxy methods. A metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the laser diode 50 are then structured. This structuring takes place in such a way that a mesa structure 15 is formed (mesa etching).
Die Halbleiterschichten der Photodiode 60 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Photodiode 60 strukturiert.The semiconductor layers of the photodiode 60 are also deposited using one of the known epitaxy methods. Again, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the photodiode 60 are then structured.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 60 über eine Klebeschicht mit dem Substrat 10 verbunden. Hierbei ist es zwar zweckmäßig, daß die Klebeschicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, der Einsatz einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht ist jedoch auch möglich. Eine Herstellung einer mechanischen Verbindung kann auch durch andere Verfahren wie Löten oder Wafer-Bonding erfolgen.In a further process step, the photodiode 60 is connected to the substrate 10 via an adhesive layer. It is expedient for the adhesive layer to consist of an electrically insulating material, but the use of an electrically conductive adhesive layer is also possible. A mechanical connection can also be established by other methods such as soldering or wafer bonding.
Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement enthält gleichfalls ein Halbleitersubstrat 110. Das Halbleitersubstrat 110 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm-3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem Halbleitersubstrat 110 handelt es sich vorzugsweise um Galliumarsenid GaAs.The component shown in FIG. 2 also contains a semiconductor substrate 110 . The semiconductor substrate 110 has an n-type dopant concentration of approximately 10 17 to 10 18 cm -3 . The dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred. The semiconductor substrate 110 is preferably gallium arsenide GaAs.
Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 110 in eine Mesa-Struktur 115. Auf der Mesa-Struktur 115 ist ein Ringkontakt 120 aufgebracht.The semiconductor substrate 110 opens into a mesa structure 115 on a main surface. A ring contact 120 is applied to the mesa structure 115 .
Die Mesa-Struktur 115 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise etwa 20 derartiger Schichtpaare. Um eine Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.The mesa structure 115 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack. The layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index alternates with a layer with a low refractive index. The Bragg reflector preferably contains about 20 such pairs of layers. To make the layers visible in the graphical representation, only a part of the layers was shown.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGa1-xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGa1-xAs variiert von x = 1 bis x = 0. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise 980 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 80 nm und für x = 0 ungefähr 70 nm.The layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga 1-x As being particularly suitable. The layers have different refractive indices due to a different aluminum content. The aluminum content x in the compound Al x Ga 1-x As varies from x = 1 to x = 0. The thickness of the layers is in each case a quarter of the product of a wavelength to be reflected and the refractive index of the respective layer. At an emission wavelength of 980 nm, for example, the layer thicknesses are therefore approximately 80 nm for x = 1 and approximately 70 nm for x = 0.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2 mal 1018 cm-3 bevorzugt ist.The layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 × 10 18 cm -3 being preferred.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 130. Die aktive Schicht 130 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 130 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten Heterostruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus InGaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 130 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 130 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung. Oberhalb der aktiven Schicht 130 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Ga1-xAlxAs und unterhalb der aktiven Schicht 130 eine Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Ga1-xAlxAs. An active layer 130 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector. The active layer 130 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it. A smaller band gap of the active layer 130 than the layers adjacent to it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of InGaAs. Doping of the active layer 130 is not necessary. The active layer 130 is preferably undoped, but doping does not lead to any significant impairment. Above the active layer 130 is a preferably p-doped layer made of Ga 1-x Al x As and below the active layer 130 a semiconductor layer, for example made of n-doped Ga 1-x Al x As.
Unterhalb der aktiven Schicht 130 und der auf der aktiven Schicht 130 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein weiterer Bragg-Reflektor 140. Der Bragg-Reflektor 140 ist ein Bestandteil des Halbleitersubstrats 110 und erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 110. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 140 einen ähnlichen Aufbau auf wie der obere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 140 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem Dotierstoff des oberen Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm-3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten.A further Bragg reflector 140 is located below the active layer 130 and the semiconductor layer arranged on the active layer 130 . The Bragg reflector 140 is a component of the semiconductor substrate 110 and extends over the semiconductor substrate 110 . Otherwise, the further Bragg reflector 140 has a structure similar to that of the upper Bragg reflector. However, the Bragg reflector 140 is preferably doped with a dopant that has a conductivity type opposite to the dopant of the upper Bragg reflector, for example with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable. The concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm -3 . Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine Laserdiode 150. Bei der Laserdiode 150 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 190 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 980 nm emittiert.The regions of the component shown form a laser diode 150 . The laser diode 150 is a vertical resonator laser diode that emits light beams 190 with an emission wavelength λ E of, for example, approximately 980 nm.
Unterhalb des weiteren Bragg-Reflektors 140 befindet sich das Halbleitersubstrat 110.The semiconductor substrate 110 is located below the further Bragg reflector 140 .
Auf einer dem Halbleitersubstrat 110 entgegengesetzten Hauptfläche der Laserdiode 150 befindet sich eine Photodiode 160, die eintreffende Lichtstrahlen 180 detektiert. Die Photodiode 160 ist über eine nicht dargestellte Klebeschicht mit der Hauptfläche der Laserdiode 150 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflexion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 160, der Klebeschicht sowie der Laserdiode 150 sind die Oberflächen der Photodiode 160 und der Laserdiode 150 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen.A photodiode 160 , which detects incoming light beams 180, is located on a main surface of the laser diode 150 opposite the semiconductor substrate 110 . The photodiode 160 is connected to the main surface of the laser diode 150 via an adhesive layer, not shown. In order to avoid light reflection at the interfaces between the photodiode 160 , the adhesive layer and the laser diode 150 , the surfaces of the photodiode 160 and the laser diode 150 are each provided with one or more antireflection layers.
Die Photodiode 160 ist vorzugsweise als Pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus Ga1-xAlxAs und ist beispielsweise mit Silizium oder Tellur n-dotiert, wobei sich Tellur als Dotierstoff besonders eignet. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus GaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus Ga1-xAlxAs ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet.The photodiode 160 is preferably designed as a pin diode and contains three semiconductor layers arranged one above the other, which are not shown to increase clarity. The lower semiconductor layer preferably consists of Ga 1-x Al x As and is, for example, n-doped with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable as a dopant. The middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of GaAs and contains no dopant. The upper semiconductor layer, for example made of Ga 1-x Al x As, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
Die Photodiode 160 weist eine Detektionswellenlänge λD von 850 nm auf. Für Licht mit der Detektionswellenlänge λD ist die Photodiode 160 nicht transparent. Für Licht mit der Emissionswellenlänge λE ist die Photodiode 160 jedoch transparent.The photodiode 160 has a detection wavelength λ D of 850 nm. The photodiode 160 is not transparent to light with the detection wavelength λ D. However, the photodiode 160 is transparent to light with the emission wavelength λ E.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 160 dient ein Ringkontakt 170. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise in einem Seitenbereich der Photodiode 160. Falls sich zwischen der Photodiode 160 und der Laserdiode 150 eine Klebeschicht aus einem isolierenden Material befindet, können die Photodiode 160 und die Laserdiode 150 unabhängig voneinander an eine äußere elektrische Schaltung angeschlossen werden. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 150 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 110 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht. A ring contact 170 serves for the electrical connection of the photodiode 160 . Another contact, not shown, is preferably located in a side region of the photodiode 160 . If there is an adhesive layer made of an insulating material between the photodiode 160 and the laser diode 150 , the photodiode 160 and the laser diode 150 can be connected independently of one another to an external electrical circuit. Further electrical contacts for connecting the laser diode 150 are preferably attached in the area of the semiconductor substrate 110 at locations which are expedient for the integration of the component.
Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.The component shown in FIG. 2 can be produced, for example, as explained below.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 150 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Laserdiode 150 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 115 bildet (Mesa-Ätzen).The semiconductor layers of a laser diode 150 are deposited on a semiconductor substrate 10 using one of the known epitaxy methods. A metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the laser diode 150 are then structured. This structuring takes place in such a way that a mesa structure 115 is formed (mesa etching).
Die Halbleiterschichten der Photodiode 160 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Photodiode 160 strukturiert.The semiconductor layers of the photodiode 160 are likewise deposited using one of the known epitaxy methods. Again, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the photodiode 160 are then structured.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 160 über eine Klebeschicht mit dem Substrat 110 verbunden. Eine Herstellung einer mechanischen Verbindung kann jedoch auch durch andere Verfahren wie Löten oder Wafer-Bonding erfolgen.In a further process step, the photodiode 160 is connected to the substrate 110 via an adhesive layer. However, a mechanical connection can also be established by other methods such as soldering or wafer bonding.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer epitaxieseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode dargestellt, die in einem Kommunikationsnetz für bidirektionalen Informationstransfer ein Gegenstück zu einem der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelemente bildet. FIG. 3 shows another embodiment of a component according to the invention with a vertical resonator laser diode emitting on the epitaxy side, which forms a counterpart to one of the components shown in FIGS. 1 and 2 in a communication network for bidirectional information transfer.
Das in Fig. 3 dargestellte Bauelement enthält gleichfalls ein Halbleitersubstrat 210. Das Halbleitersubstrat 210 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm-3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem Halbleitersubstrat 210 handelt es sich vorzugsweise um GaAs.The component shown in FIG. 3 also contains a semiconductor substrate 210 . The semiconductor substrate 210 has an n-type dopant concentration of approximately 10 17 to 10 18 cm -3 . The dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred. The semiconductor substrate 210 is preferably GaAs.
Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 210 in eine Mesa-Struktur 215. Auf der Mesa-Struktur 215 ist ein Ringkontakt 220 aufgebracht.The semiconductor substrate 210 opens into a mesa structure 215 on a main surface. A ring contact 220 is applied to the mesa structure 215 .
Die Mesa-Struktur 215 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise etwa 20 derartiger Schichtpaare. Um eine Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.The mesa structure 215 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack. The layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index alternates with a layer with a low refractive index. The Bragg reflector preferably contains about 20 such pairs of layers. To make the layers visible in the graphical representation, only a part of the layers was shown.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGa1-xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGa1-xAs variiert beispielsweise von x = 1 bis x = 0,15. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise etwa 850 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 70 nm und für x = 0,15 ungefähr 60 nm.The layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga 1-x As being particularly suitable. The layers have different refractive indices due to a different aluminum content. The aluminum content x in the compound Al x Ga 1-x As varies, for example, from x = 1 to x = 0.15. The thickness of the layers is in each case a quarter of the product of a wavelength to be reflected and the refractive index of the respective layer. At an emission wavelength of approximately 850 nm, for example, the layer thicknesses are approximately 70 nm for x = 1 and approximately 60 nm for x = 0.15.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2 mal 1018 cm-3 bevorzugt ist. The layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 × 10 18 cm -3 being preferred.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 230. Die aktive Schicht 230 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 230 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten Heterostruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus GaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 230 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 230 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung. Oberhalb der aktiven Schicht 130 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Ga1-xAlxAs und unterhalb der aktiven Schicht 230 eine Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Ga1-xAlxAs.An active layer 230 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector. The active layer 230 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it. A smaller band gap of the active layer 230 than the layers adjacent to it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of GaAs. Doping of the active layer 230 is not necessary. The active layer 230 is preferably undoped, but doping does not lead to any significant impairment. Above the active layer 130 is a preferably p-doped layer made of Ga 1-x Al x As and below the active layer 230 a semiconductor layer, for example made of n-doped Ga 1-x Al x As.
Unterhalb der aktiven Schicht 230 und der auf der aktiven Schicht 230 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein weiterer Bragg-Reflektor 240. Der Bragg-Reflektor 240 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 210. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 240 einen ähnlichen Aufbau auf wie der obere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 240 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem Dotierstoff des oberen Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm-3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten.A further Bragg reflector 240 is located below the active layer 230 and the semiconductor layer arranged on the active layer 230 . The Bragg reflector 240 extends over the semiconductor substrate 210 . Otherwise, the further Bragg reflector 240 has a structure similar to that of the upper Bragg reflector. However, the Bragg reflector 240 is preferably doped with a dopant that has a conductivity type opposite to the dopant of the upper Bragg reflector, for example with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable. The concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm -3 . Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine Laserdiode 250. Bei der Laserdiode 250 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 290 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 850 nm emittiert.The areas of the component shown form a laser diode 250 . The laser diode 250 is a vertical resonator laser diode that emits light beams 290 with an emission wavelength λ E of, for example, approximately 850 nm.
Unterhalb des weiteren Bragg-Reflektors 240 befindet sich das Halbleitersubstrat 210.The semiconductor substrate 210 is located below the further Bragg reflector 240 .
Auf einer der Laserdiode 250 entgegengesetzten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 210 befindet sich eine Photodiode 260, die eintreffende Lichtstrahlen 280 detektiert. Die Photodiode 260 ist über einen Ringkontakt 270 mit der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 210 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflexion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 260, der Klebeschicht sowie des Halbleitersubstrats 210 sind die Oberflächen der Photodiode 260 und des Halbleitersubstrats 210 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen.A photodiode 260 , which detects incoming light rays 280, is located on a main surface of the semiconductor substrate 210 opposite the laser diode 250 . The photodiode 260 is connected to the main surface of the semiconductor substrate 210 via a ring contact 270 . In order to avoid light reflection at the interfaces between the photodiode 260 , the adhesive layer and the semiconductor substrate 210 , the surfaces of the photodiode 260 and the semiconductor substrate 210 are each provided with one or more antireflection layers.
Die Photodiode 260 ist vorzugsweise als Pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus InP und ist beispielsweise mit Silizium n-dotiert. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus InGaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus InP, ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet.The photodiode 260 is preferably designed as a pin diode and contains three semiconductor layers arranged one above the other, which are not shown for the sake of clarity. The lower semiconductor layer preferably consists of InP and is n-doped with silicon, for example. The middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of InGaAs and contains no dopant. The upper semiconductor layer, for example made of InP, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
Die Photodiode 260 weist eine Detektionswellenlänge λD von 980 nm auf. Für Lichtstrahlen 280 mit der Detektionswellenlänge λD ist das Halbleitersubstrats 210 transparent, für Lichtstrahlen mit der Emissionswellenlänge λE jedoch nicht. The photodiode 260 has a detection wavelength λ D of 980 nm. The semiconductor substrate 210 is transparent for light rays 280 with the detection wavelength λ D , but not for light rays with the emission wavelength λ E.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 260 dient der Ringkontakt 270. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 210. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 250 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 210 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht.The ring contact 270 is used for the electrical connection of the photodiode 260 . Another contact, not shown, is preferably located in the region of the semiconductor substrate 210 . Further electrical contacts for connecting the laser diode 250 are preferably attached in the area of the semiconductor substrate 210 at locations which are expedient for the integration of the component.
Das in Fig. 3 dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.The component shown in FIG. 3 can be manufactured, for example, as explained below.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 250 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Laserdiode 250 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 215 bildet (Mesa-Ätzen).The semiconductor layers of a laser diode 250 are deposited on a semiconductor substrate 10 using one of the known epitaxy methods. A metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the laser diode 250 are then structured. This structuring takes place in such a way that a mesa structure 215 is formed (mesa etching).
Die Halbleiterschichten der Photodiode 260 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE). Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Photodiode 260 strukturiert.The semiconductor layers of the photodiode 260 are also deposited using one of the known epitaxy methods. Again, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable. The semiconductor layers of the photodiode 260 are then structured.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 260 über den Ringkontakt 270 mit dem Substrat 210 verbunden. Eine unmittelbare Verbindung der Photodiode 260 mit dem Substrat 210 ist gleichfalls möglich. In diesem Fall befindet sich der Ringkontakt unterhalb der Photodiode 260.In a further process step, the photodiode 260 is connected to the substrate 210 via the ring contact 270 . A direct connection of the photodiode 260 to the substrate 210 is also possible. In this case, the ring contact is located below the photodiode 260 .
In den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird eine optische Trennung einer Photodiode 60; 160; 260 von einer Laserdiode 50; 150; 250 erreicht. Diese Trennung erfolgt dadurch, daß sich zwischen der Photodiode 60; 160; 260 und der Laserdiode 50; 150; 250 ein Bereich befindet, dessen Transmissivität für Licht einer ersten Wellenlänge wesentlich geringer ist als für Licht einer zweiten Wellenlänge.In the embodiments of the invention described here by way of example, an optical separation of a photodiode 60 ; 160 ; 260 from a laser diode 50 ; 150 ; 250 reached. This separation takes place in that between the photodiode 60 ; 160 ; 260 and the laser diode 50 ; 150 ; 250 there is an area whose transmissivity is much lower for light of a first wavelength than for light of a second wavelength.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien oder Materialkombinationen beschränkt. Ebenso können die Arten der Dotierung vertauscht werden.The invention is not limited to specific materials or Material combinations limited. Likewise, the types of Doping can be exchanged.
Eine Datenübertragung mit vielen parallelen Kanälen läßt sich dadurch erreichen, daß das Bauelement so ausgestaltet wird, daß es eine Vielzahl von Lichtsendern und Lichtempfängern enthält, und daß die Lichtsender und Lichtempfänger in einem Feld angeordnet sind.Data transmission with many parallel channels can be by designing the component so that that there are a variety of light transmitters and light receivers contains, and that the light transmitter and light receiver in one Field are arranged.
Diese Variante der Erfindung sieht also vor, in einem ein- oder zweidimensionalen Feld (array) mehrere Lichtsender, insbesondere mehrere Laserdioden 50; 150; 250, nebeneinander anzuordnen. Auf beziehungsweise unter den einzelnen Lichtsendern befindet sich jeweils ein Lichtempfänger.This variant of the invention therefore provides for a plurality of light transmitters, in particular a plurality of laser diodes 50 , in a one- or two-dimensional field (array); 150 ; 250 to be arranged side by side. There is a light receiver on each of the individual light transmitters.
Claims (13)
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| DE1998107782 DE19807782A1 (en) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | Component with a light transmitter and a light receiver |
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE1998107782 DE19807782A1 (en) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | Component with a light transmitter and a light receiver |
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