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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung zur Umwandlung von in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegenden Lichtsignalen in elektrische Signale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist bekannt, in Lichtleiter-Übertragungssystemen Multiplex-Lichtsignale, d. h. Lichtsignale, die eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen enthalten, über eine gemeinsame Lichtleitfaser zu übertragen. Auf der Empfangsseite werden die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegenden Lichtsignale mit Hilfe optischer Filter in die einzelnen optischen Signalkomponenten getrennt und die getrennten Signale werden über getrennte Lichtleitfasern einzelnen Fotodioden zugeführt. Diese Empfangstechnik erfordert verlustarme Verbindungsstücke zwischen den Filtern und den Lichtleitfasern einerseits und den Lichtleitfasern und Fotodioden andererseits. Die Empfangsvorrichtungen sind damit teuer und haben große Abmessungen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 15 054 ist eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art bekannt. Es handelt sich dabei um integrierte Halbleiter-Fotodetektoren zur Vielfach- Spektralfotometrie, die auch auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung als Empfänger einsetzbar ist, dessen monolithisch zu einer Einheit integrierte Halbleiter-Fotodioden in ihrem elektrisch aktiven Teil aus einem Halbleitermaterial bestehen, welches gleichzeitig die Aufgabe der optischen Filterung übernimmt. Der elektrisch aktive Teil der Fotodioden besteht aus einem Halbleitermaterial, dessen Bandlücke gleich der Energie der Lichtwellenlänge bemessen ist, auf die die Fotodiode selektiv ansprechen soll. Die Fotodioden sind unter einem gemeinsamen, durch das Halbleitermaterial gebildeten Lichteintrittsfenster nebeneinander angeordnet. Das Halbleitermaterial umfaßt einen ersten, das Lichteintrittsfenster bildenden Bereich mit großer, aber konstanter Bandlücke, an welchen sich in Lichteinfallsrichtung ein Bereich mit stetig abnehmender Bandlücke anschließt. Die beispielsweise als PN-Übergänge ausgebildeten nichtlinearen Kontakte der Fotodioden sind an einer den Bereich der stetig sich ändernden Bandlücke durchquerenden Schrägfläche des Halbleitermaterials vorgesehen, so daß die elektrisch aktiven Halbleiterteile der Fotodioden jeweils in Bereichen mit unterschiedlicher Bandlücke des Halbleitermaterials gelegen sind. Ein allen Fotodioden gemeinsamer Ohmscher Kontakt ist an dem das Lichteintrittsfenster bildenden Bereich des Halbleitermaterials mit konstanter Bandlücke angebracht. Wenngleich in der deutschen Offenlegungsschrift 23 15 054 angegeben ist, daß die dort beschriebene Halbleiteranordnung als Empfänger von optischen Nachrichtenübertragungssystemen einsetzbar ist, so wird doch nicht erläutert, daß die Fotodioden an eine gemeinsame, die Multiplex-Lichtsignale übertragende Lichtleitfaser anzuschließen sind.
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Aus "Applied Physics Letters", Band 31, Nr. 7, 1977, Seiten 468 bis 470 ist es bekannt, eine Fotodiode mit einer In x Ga1-x As y P1-y -Heterostruktur mit Hilfe der Flüssigphasen-Epitaxietechnik herzustellen. Es ist ferner bekannt (US-PS 38 33 435), einen dielektrischen optischen Wellenleiter in Form einer Al x Ga1-x As-Heterostruktur durch Flüssigphasen-Epitaxietechnik herzustellen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine monolithische Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei welcher das mehreren Fotodioden gemeinsame Licht- Eintrittsfenster soweit verkleinert werden kann, daß alle Fotodioden an eine einzige optische Lichtleitfaser angeschlossen werden können, wobei die von der Lichtleitfaser gleichzeitig übertragenen Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängenbereiche mit geringem Übersprechen zwischen den von den Fotodioden erzeugten elektrischen Signalen voneinander getrennt werden sollen.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung sind die Filterschichten zwischen anliegenden lichtempfindlichen Bereichen vorgesehen. Die übereinander angeordneten Fotodioden erlauben eine optimale Ausnutzung des gemeinsamen Lichteintrittsfensters, so daß sich eine räumliche Zerlegung des über die Lichtleitfaser übertragenen Multiplex-Lichtsignals erübrigt. Die Filterschicht hat eine verbotene Bandlücke, deren Größe zwischen den Bandlücken der fotosensitiven Schichten der darüber und darunter angeordneten Fotodioden gewählt ist. Dies führt bei der gewählten Struktur der Fotodioden zu sehr geringem Übersprechen zwischen den von den Fotodioden erzeugten elektrischen Signalen.
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Die Energie der Bandlücke der Filterschicht bestimmt die Wellenlängentransmissionscharakteristik. Zum Beispiel weist ein Halbleiter mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV eine optische Absorptionsbandkante bei 1,25 µm auf. Ein Halbleiter mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV weist eine optische Absorptionsbandkante bei 1,09 µm auf. Im weiteren weist ein Halbleiter mit einer verbotenen Bandlücke bei 0,89 eV eine optische Absorptionsbandkante bei 1,39 µm auf.
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Bei Halbleitern mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV beträgt der Transmissionsfaktor für Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 1,2 µm fast null, wobei für Licht mit einer Wellenlänge über 1,3 µm der Transmissionsfaktor fast 100% beträgt. Wenn optische Signale mit Wellenlängen von 1,1 µm und 1,3 µm gleichzeitig in einen solchen Halbleiter projiziert werden, werden sie getrennt. Der Halbleiter wirkt damit als Filter zur Trennung der Multiplex- Lichtsignale. Wird zum Beispiel eine Filterschicht der vorstehenden Art zwischen Fotodioden angeordnet, von denen die obere Fotodiode für Licht mit einer Wellenlänge von 1,1 µm empfindlich, jedoch unempfindlich für Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm ist und die untere Fotodiode für Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm empfindlich ist, so können die Fotodioden ein Multiplex-Lichtsignal mit Wellenlängen von 1,1 µm und 1,3 µm mit einem sehr kleinen Übersprechpegel empfangen und trennen.
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Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 einen Querschnitt durch die Struktur einer bekannten Fotodiode mit Heterostruktur,
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Fig. 2 die graphische Darstellung der Lichtempfindlichkeit als Funktion der optischen Wellenlänge,
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Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Multifotodiode mit In1-x Ga x As y P1-y quaternären Schichten.
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Ein Querschnitt durch eine konventionelle Heterodiode ist in Fig. 1 dargestellt. Hierbei sei festgehalten, daß Anschlußdrähte der Diode in keiner der Figuren dargestellt sind.
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Auf einem n-Typ Substrat 11 aus InP (Sn dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) ist eine 5 µm dicke n-Typ InP-Schicht 12 (Sn dotiert, n = 1 x 1018 cm-3), eine absichtlich undotierte 3 µm dicke quaternäre Kristallschicht 13 aus In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,17, y = 0,34) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV, sowie eine 1 µm dicke p-Typ InP Schicht 14 (Cd dotiert, p = 5 x 10 17 cm-3) nacheinander eine über der andern mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens gewachsen. Im weiteren ist eine periphere, isolierende Schicht 15 aus Si O2 auf der p-Typ InP Schicht 14 vorgesehen um ein Fenster zum Empfang des einfallenden Lichtes auszusparen. Eine p- Typ-Elektrode 16 aus Au-Zn, die sich über die genannte isolierende Schicht erstreckt und in Kontakt mit der p- Typ InP Schicht 14 steht sowie eine n-Typ-Elektrode 17 aus Au-Sn werden durch die gewöhnliche Photolithographietechnik hergestellt.
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Eine graphische Darstellung der Lichtempfindlichkeit einer solchen Photodiode als Funktion der optischen Wellenlänge des einfallenden Lichtes 18 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve b stellt die Lichtempfindlichkeit als Funktion der optischen Wellenlänge einer anderen bekannten Photodiode dar. Diese wurde hergestellt, indem eine quaternäre Kristallschicht aus In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,32, y = 0,73) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eV an die Stelle der quaternären Kristallschicht 13 gemäß Fig. 1 gesetzt wird und indem eine p-Typ quaternäre Kristallschicht von In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,24, y = 0,55) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV an die Stelle der p-Typ InP Schicht 14 gemäß Fig. 1 gesetzt wird.
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Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Auf ein Substrat 31 aus n-Typ InP (Sn dotiert. n = 1 x 1018 cm-3) sind eine 5 µm dicke n-Typ InP Schicht 32 (Sn dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) eine 3 µm dicke quaternäre Schicht 33 aus In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,32, y = 0,73, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eV, eine 3 µm dicke quaternäre Schicht 34 aus In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,24, y = 0,55, Cd dotiert, P = 5 x 1017 cm-3) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV, eine 1 µm dicke p -Typ InP Schicht 35 (Cd dotiert, p = 5 x 1017 cm-3), eine 3 µm dicke quaternäre Schicht 36 aus In1-x Ga x As y P1-y (x = 0,17, y = 0,37, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV und eine 1 µm dicke n-Typ InP Schicht 37 (Sn dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) nacheinander eine über der andern mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens gewachsen wobei die Unterkühlungstechnik verwendet wird.
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Solche Multiphotodioden, die wie oben erwähnt hergestellt werden, weisen eine monolithische Heterostruktur auf bei welcher die erste Empfangsdiode eine doppelte Heterostruktur aufweist. Diese doppelte Heterostruktur ist aus einer n-Typ Schicht 32 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV, einer In Ga As P quaternären Kristallschicht 33 mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eV (E 1) und einer p-Typ In Ga As P quaternären Schicht 34 mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV (E 3) zusammengesetzt. Die zweite Empfangsphotodiode weist eine doppelte Heterostruktur auf, die aus einer p-Typ InP Schicht 35 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV, einer In Ga As P quaternären Kristallschicht 36 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV (E 2) und einer n-Typ InP Schicht 37 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV besteht. Die intermediäre In Ga As P quaternäre Kristallschicht 34 wirkt als optisches Filter und ist zwischen den ersten und zweiten Photodioden angeordnet.
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Diese Multiphotodiode erfüllt die Bedingung: E 1 < E 3 < E 2.
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Um eine solche monolithische Photodiode gemäß Fig. 3, nachdem die sechs Schichten auf dem Substrat gewachsen sind, herzustellen, wird der periphere Teil der Schicht 35, 36 und 37 durch eine Ätzlösung aus Br2: CH3 OH = 1:100 entfernt um die obere Fläche der Schicht 34 zu exponieren um Raum für eine beiden Photodioden gemeinsame Elektrode 40 zu schaffen.
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Die Isolierschicht 38 a über der peripheren Oberflächenzone der Schicht 34, die isolierende Schicht 38 b über der peripheren Oberflächenzone der Schicht 37, eine n-Typ Au-Sn ohmische Elektrode 39 a, die sich über die isolierende Schicht 38 b erstreckt und in Kontakt mit der Oberfläche der Schicht 37 steht, eine p-Typ Au-Zn ohmische Elektrode 40, die sich über die isolierende Schicht 38 a erstreckt und in Kontakt mit einem Teil der Oberfläche der Schicht 34 steht und eine n -Typ Au-Sn ohmische Elektrode 39 b, die den Boden des Substrates 31 bedeckt, werden alle wie Fig. 3 gezeigt, mit Hilfe der gewöhnlichen Photolithographietechnik hergestellt.
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Wenn Licht 18, welches optische Multiplexsignale der Wellenlängen 1,06 µm und 1,27 µm trägt, durch das Fenster auf der Schicht 37 projiziert wird, werden getrennte Signale mit einem sehr kleinen Übersprechpegel durch die erste und zweite Photodiode vermöge der zwischengeschalteten Filterschicht 34 detektiert.
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Im weiteren soll ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, welches dieselbe Struktur wie in Fig. 3 dargestellt aufweist und welches aus einem Basishalbleitermaterial aus Al x Ga1-x As (0 ≤ x ≤ 1) zusammengesetzt ist, erläutert werden.
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Auf einem Substrat 31 von n-Typ Ga As (Si dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) sind eine 5 µm dicke erste Schicht 32 aus Al x Ga1-x As (x = 0,3, Sn dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, eine 2 µm dicke zweite Schicht 33 aus Al x Ga1-x As (x = 0, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,43 eV, eine 5 µm dicke dritte Schicht 34 aus Al x Ga1-x As (x = 0,1, Ge dotiert, p = 5 x 1017 cm-3) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV, eine 1 µm dicke vierte Schicht 35 aus Al x Ga1-x As (x = 0,3, Ge- dotiert, p = 5 x 1017 cm-3) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, eine 2 µm dicke fünfte Schicht 36 aus Al x Ga1-x As (x = 0,2, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,69 eV, und eine 1 µm dicke sechste Schicht 37 aus Al x Ga1-x As (x = 0,3, Te- dotiert, n = 1 x 1018 cm-3) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV sukzessive eine über der andern mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens gewachsen, wobei die Unterkühlungstechnik verwendet wird.
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Eine Multiphotodiode wie oben erwähnt hergestellt, weist eine monolithische Struktur mit zwei Heterostrukturphotodioden auf und besitzt eine dritte Schicht 34 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV (E 3) die zwischengeschaltet ist, um als optisches Filter zu wirken. In einer solchen Multiphotodiode besteht die erste Doppel-Heterostrukturphotodiode aus einer ersten Schicht 32 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, einer zweiten Schicht 33 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,43 eV (E 1) und einer dritten Schicht 34 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV. Die zweite Doppel-Heterostrukturphotodiode besteht aus einer vierten Schicht 35 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, einer fünften Schicht 36 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,69 eV (E 2) und einer sechsten Schicht 37 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, wobei die Beziehung E 1 < E 3 < E 2 gilt.
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In einer solchen Multiphotodiode sind alle drei Elektroden mit Hilfe der gewöhnlichen Photolithographietechnik in derselben Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, hergestellt.
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Wenn Licht 18, welches optische Multiplexsignale mit den Wellenlängen 0,7 µm und 0,85 µm enthält, durch das Fenster der sechsten Schicht 37 projiziert wird, werden getrennte Signale mit einer sehr tiefen Übersprechwelle durch die erste und zweite Photodiode vermöge der zwischengeschalteten Filterschicht 34 detektiert.
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Eine Multiphotodiode gemäß Fig. 3 kann auch passend derart hergestellt werden, um Lichtsignale von verschiedenen Wellenlängen zu detektieren, indem die Zusammensetzung und die Dicke der einzelnen Epitaxieschichten geändert wird. Es ist auch möglich eine Multiphotodiode passend so herzustellen, daß sie Licht mit Multiplexsignalen auf mehr als zwei Wellenlängen detektieren kann.
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Obschon bisher nur die Integration von zwei oder mehr Doppel-Heterostrukturphotodioden beschrieben wurde, kann die gleiche Struktur zur Integration von zwei oder mehr Einzelheterostrukturphotodioden und auch für Kombinationen von Doppel-Heterostruktur-, Einzel-Heterostruktur- und Homostrukturphotodioden verwendet werden, wobei jede Kombination von zwei oder mehr Homostrukturphotodioden, ob anliegend oder nicht, ausgeschlossen ist.
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Die Technik für Kristallwachstum ist nicht nur auf das Flüssigphasen-Epitaxieverfahren, wie beim Ausführungsbeispiel erklärt, beschränkt. Es ist auch möglich, daß Dampfphasenepitaxieverfahren und das Molekularstrahlepitaxieverfahren zu verwenden.