DE3329719A1

DE3329719A1 - Fotodiode mit resonatorstruktur zur absorptionserhoehung

Info

Publication number: DE3329719A1
Application number: DE19833329719
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Boerner; Reinhard Dipl Ing Mueller; Gert Dr Trommer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1985-03-07
Also published as: US4665421A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA ß3 ρ 8 0 2 0 DE

Fotodiode mit Resonatorstruktur zur Absorptionserhöhung.

Die vorliegende Erfinung bezieht sich auf eine Fotodiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 28 28 195 ist eine Halbleiterdiode bekannt, die auch als Fotodiode verwendbar sein soll. Es handelt sich dabei um einen auch als Laserdiode zu verwendenden Aufbau mit einem optischen (Fabry-Perrot-)Resonator. Als Spiegel des Resonators dienen dort einander gegenüberstehende Oberflächen des Halbleiterchips. Eine hohe Empfindlichkeit für die in der in der Fotodiode zu detektierende Strahlung wird dort durch Ausnutzung eines Lawineneffekts erreicht.

Aus Bell Laboratories Record (1981), Seiten 38 bis 45 ist ein integriertes Halbleiterbauelement bekannt, das aus einem Laser und einem Detektor besteht, die beide in ein und demselben Halbleiterchip realisiert sind. Über den Aufbau des Detektors sind keine näheren Angaben gemacht.

In der älteren nichtvorveröffentlichten Patentanmeldung P 32 05 461.0 ist eine Fotodiode mit einem zur Absorptionserhöhung dienenden optischen Resonator beschrieben. Dieser Fotodiode liegt zugrunde, einen solchen Aufbau für

12.8.1983 / 3ts 1 BIa

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eine Fotodiode anzugeben, die als integrierter Bestandteil eines Halbleiterchips zu realisieren ist, in dem sich noch wenigstens eine weitere Halbleiterfunktion, insbesondere ein Laser, befindet. Die der älteren Patentanmeldung entsprechende Fotodiode ist insbesondere für Silizium geeignet, für das eine bereis erprobte Integrationstechnologie entwickelt ist. Für optische Zwecke hat Silizium aber den Nachteil, daß sein Bandabstand im nahen Ultrarotbereich liegt, wo die Anwendung optischer Mittel von besonderem Interesse ist. Gerade nahe der Bandkante für Wellenlängen größer gleich 1,1 pm hat das Silizium nur geringe spezifische Absorption und wird für diesen Bereich für Fotodioden nicht als verwendbar angesehen.

Ein vergleichbarer Fall liegt für Galliumarsenid als •Material des Halbleiterchips vor, nämlich für die Kombination eines Lasers mit einer Fotodiode, denn für den Frequenzbereich der in Galliumarsenid zu erzeugenden Laserstrahlung ist dieses Galliumarsenid für eine Fotodiode üblicher Bauart mangels ausreichenden Absorptionsverhaltens nicht verwendbar.

Die in der obengenannten älteren Anmeldung angegebene Lösung ist diejenige, die Fotodiode in einem Halbleitermaterial mit für eine Fotodiode an sich zu geringem Absorptionskoeffizienten et als optischen (Fabry-Perrot-)Resonator, vorzugsweise als asymmetrischen Resonator, aufzubauen.

Weitere Ausführungen der älteren Patentanmeldung werden nachfolgend wiedergegeben.

Fig.1 erläutert die Wirkungsweise der Diode nach der älteren Anmeldung unter Anwendung der strahlenoptischen 35

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Betrachtungsweise.

Es ist II das Kerngebiet bzw. Innere des Resonators, das ganz oder teilweise in der Raumladungszone einer Fotodiode liegt, I das Gebiet vor und III das Gebiet hinter dem Resonator. R1 und R2 sind die Reflektoren auf der Lichteintritts- bzw. auf der -austrittsseite, die möglicherweise eine endliche Ausdehnung in z-Richtung besitzen. 1 stellt eine einfallende Lichtwelle dar. Trifft diese auf den Reflektor R1, wird eine Teilwelle 2 reflektiert, eine weitere Teilwelle 3 dringt in den Resonator ein. Letztere wird an R2 wieder teilweise reflektiert 4 und teilweise ins Gebiet III durchgelassen 5.

Teilwelle 4 wird an R1 wieder reflektiert 6, gelangt aber teilweise auch wieder ins Gebiet I (Teilwelle 7). Teilwelle 6 kann man analog zu Teilwelle 3 weiterverfolgen usw. Die Wirkungsweise des Resonators beruht nun darauf, daß das Licht die Strecke 1 oft durchläuft, die wirksame Absorptionslänge also ein Vielfaches von 1 beträgt. Die absorbierte Lichtintensität wird daher bei kleinem oC im Vergleich zu einer Diode ohne Resonator stark erhöht, so daß sich ihre Verwendbarkeit auf größere Wellenlängen erweitert. Die erste reflektierte Teilwelle 2 interferiert mit den wieder ins Gebiet I durchgelassenen Wellen 7 usw. und kann weitgehend ausgelöscht werden. Auch bei großem Reflexionsfaktor von R1 kann daher die meiste Intensität von der ankommenden Welle 1 in den Resonator eindringen.

Der Betriebszustand, in dem die Teilwelle 2 am wirksamsten verringert wird, heißt Resonanz.

Bei gegebener Länge 1 und gegebenem Absorptionskoeffizienten oC können die Reflexionsfaktoren von R1 und R2 in bezug 35

T-. 83 P 8 O 2 O DE

auf die absorbierte Lichtintensität optimiert werden. Die oben beschriebene Funktionsweise der Diode bleibt jedoch auch dann erhalten, wenn die Reflexionsfaktoren von R1 und R2 mehr oder weniger von den optimalen Werten abweichen. Die Resonatorstruktur eignet sich sowohl für die Anwendung bei Dioden mit Lichteinstrahlung senkrecht zum pn-übergang als auch für Dioden mit Lichteinstrahlung parallel zum pnübergang (Dioden mit Quereinstrahlung).

Die Lichtführung in einem oder mehreren der Gebiete I bis III eines Halbleitersubstrates 10 kann durch eine Wellenleiterstruktur nach Fig.2 erfolgen, wobei die führenden Brechungsindexübergänge beispielsweise durch verschiedene Dotierungen mit Brechungsindices n₁> n~ , n, der Zonen 11 bis 13 hervorgerufen werden. Die Wahl der Größe b und die Werte der Brechungsindices entscheiden über die Anzahl der geführten Lichtmoden in der betreffenden Wellenleiterstruktur. Insbesondere gibt es die Möglichkeiten der Multimode- und der Monomode-Wellenleiterstruktur, die beide für die Anwendung bei der Diode mit Resonatorstruktur in Frage kommen.

Die Wirkungsweise eines Resonators zur Absorptionserhöhung wurde in der Diplomarbeit (1981, TU München) von Reinhard Müller untersucht. Dort wurden jedoch nur Resonatoren betrachtet, bei welchen die Reflexionsfaktoren von R1 und R2 gleich sind und beide von Brechungsindexsprüngen bzw. Interferenzspiegeln herrühren. Ferner wurde in dieser Arbeit nicht auf die Möglichkeit der Integration einer Fotodiode mit Resonatorstruktur mit anderen Bauelementen hingewiesen. Die technischen Anstrengungen, die erforderlich sind, um einen guten Resonator (Reflexionsfaktoren nahe 1) herzustellen, sind für eine Fotodiode als Einzelelement kaum gerechtfertigt (Wahl eines anderen

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Materials). Sie sind es jedoch dann, wenn die Lichtabsorption einer Fotodiode in einer integrierten Schaltung durch den Resonator erhöht wird und damit die Verwendbarkeit der gesamten integrierten Schaltung im gewünschten Frequenzbereich gesichert oder erst ermöglicht wird.

Die Fotodiode dieser Erfindung, deren Wirkungsweise nach Fig.1 beschrieben wurde, unterscheidet sich wesentlich von der aus der Veröffentlichung von Jörg Müller, "IEEE, J.

Solid State Circuits" SC 13 (1978), 173-179 bekannten Fotodiode 30 nach Fig.3 (Seitenansicht). Nach dieser Veröffentlichung müssen bei einer Diode 30 nach Fig.3 beide Reflektoren 31, 32 als Metallspiegel ausgebildet sein. Das hat zur Folge, daß wegen der hohen Durchlaßverluste von Metallspiegeln nur ein kleines, nicht verspiegeltes oder sogar entspiegeltes Einstrahlfenstr 33 der Breite d genutzt werden kann oder vorgesehen werdenmuß. Die Wirkungsweise der bekannten Diode 30 beruht daher nicht auf einer Auslöschung einer ersten reflektierten Teilwelle durch weitere Teilwellen. Dies ist jedoch für eine Diode nach der Erfindung ein wesentlicher physikalischer Vorgang. Ferner muß bei einer Diode 30 nach Fig.3 die Breite d immer so gewählt werden, daß die Beziehung

d <2· w -tan oi. gilt, d.h. der Winkel oi. darf nicht — s s

beliebig kleine Werte annehmen, ohne daß d zu klein wird. Ein großer Winkel c< hat ohne Gegenmaßnahmen große Verluste

an den Enden der Diode zur Folge. In Fig.3 verläßt das Licht die Diode oder ihre Sperrschicht an deren rechter Seite.
30

Das Neue der Diode (nach Fig.1) dagegen ist, daß die Einstrahlung nicht auf ein Fenster begrenzt ist und der Winkel

des Lichtweges in der Diode beliebig kleine Werte ot. an-

nehmen kann, insbesondere o( = 0, wie es in Fig.1 darge-

_0i. 9 . 83 P 80 2 O DE

stellt ist, wobei kaum seitlich abgestrahlte Verluste auftreten. In der Diode dieser Erfindung kann die Verwendung von Metallspiegeln vollkommen vermieden werden, wie es für Anwendungen in der integrierten Optik wünschenswert ist. Wesentlich für die Wirkungsweise der Diode ist, daß R1 ein verlustarmer Spiegel ist, der auch bei hohem Reflexionsfaktor genügende Lichtintensität von I nach II und von II nach I gelangen läßt.

Die Reflektoren R1 und R2 können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Der einfachste Reflektor besteht aus einem einfachen Brechungsindexsprung.

Ein solcher Brechungsindexsprung tritt z.B. an der Bruchfläche oder Spaltfläche eines Halbleiterkristalles auf, wo der Brechungsindex des Halbleitermaterials und der des anschließenden Mediums, z.B. Luft, aufeinandertreffen.

Reflektoren mit höheren Reflexionsfaktoren bis nahe dem Wert 1 können z.B. durch dielektrische Interferenzspiegel realisiert werden. Diese bestehen aus aufeinanderfolgenden Schichten unterschiedlicher Brechungsindices.

Wenn der Resonator ganz oder teilweise aus Wellenleiterstücken zusammengesetzt ist, besteht eine weitere Möglichkeit für die Realisierung von Reflektoren. Dann kann durch Strukturierung der Grenzfläche η zwischen n,. und n~ und/oder n^ und n, ein sogenannter Gitterreflektor gebildet werden ((Corrugation grating, Bragg-Reflexion). Die Reflektoren R1 und R2 müssen keineswegs auf derselben physikalischen Wirkungsweise beruhen. So kann z.B. R1 ein Interferenzspiegel und R2 ein Gitterreflektor sein. Da die Fotodiode mit anderen Bauelementen in einem Substrat integriert werden soll, kommt für diejenige Lichtaustrittsseite, die 35

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nicht am Rande des Substrates liegt, ein Interferenzspiegel wegen der aufwendigen schichtweisen Herstellung desselben kaum in Frage. Dortwird man den Reflektor in der Tat durch Corrugation grating erzeugen.

Bildet ein Reflektor R1, R2 einen Übergang zwischen zwei Wellenleitern, tritt bei den Reflexionen im allgemeinen Modenkonversion auf, d.h. Energie wird von einem Mode des Wellenleiters in andere Moden übergeführt. Durch geeignete Gestaltung der Reflektoren kann Modenkonversion ganz oder teilweise verhindert oder doch verringert werden. Stoßen z.B. zwei symmetrische Wellenleiter (n-, = n,) aufeinander, kann man Modenkonversion weitgehend verhindern,

2 2 wenn in beiden Gebieten der gleiche Wert η,,-ηρ angenommen wird.

Der Betriebszustand der Resonanz kann durch passende Wahl des Verhältnisses Wellenlänge (im Halbleitermaterial) zu Lichtweglänge zwischen R1 und R2 erreicht werden. Durch Temperaturänderungen während des Betriebes kann sich die Länge 1 der Diode aufgrund von Wärmeausdehnung ändern, wodurch die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt wird. Dem kann man durch Abstimmeinrichtungen entgegenwirken.

Für eine Abstimmung der Diode 41 ist es z.B. vorgesehen, diese mit einem Regelelement 42 für die mechanische Spannung im Resonator (siehe Fig.4) zu verbinden. Dieses Regelelement 42 kann aus einem Piezoelement oder einem magnetostriktiven Element bestehen.

Einer Längenänderung der Diode kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung U an das Regelelement entgegengewirkt werden. Eine Spannungsänderung am Regelelement hat infolge einer Änderung der mechanischen Spannung eine Stauchung oder

i 83Ρ8020³π1²⁹⁷¹⁹

Streckung und/oder eine Krümmung der Diode 41 zur Folge. Beide Wirkungen beeinflussen den Lichtweg 43 in der Diode 41 und können zur Abstimmung herangezogen werden. Mit einer eingestrahlten Normalfrequenz (Pilotfrequenz) kann festgestellt werden, ob sich die Diode jeweils in Resonanz befindet und dann anderenfalls eine Abstimmung eingeleitet werden.

Eine weitere Möglichkeit der Abstimmung der Diode 41 erhält man, wenn in der Anordnung der Fig.4 das Regelelement 42 ein Peltier-Element ist. Mit diesem kann durch Erwärmung oder Kühlung die Temperatur der Diode 41 und damit ihre Resonatorlänge 1 so eingestellt werden, daß der Resonator in Resonanz ist. Der Effekt der Resonanz hat zur Folge, daß die Absorption bei Wellenlängen oder Frequenzänderung des eingestrahlten Lichtes innerhalb der Resonanz-Bandbreite auf den halben maximalen Wert abfällt. Für Dioden mit Resonator kann man je nach Vakuum-Wellenlänge bei optimaler Wahl der Reflexionsfaktoren R1 und R2 in bezug auf maximale Absorption Halbwertsbreiten zwischen 0,05 nm und 2 nm erhalten.

Eine mögliche Anwendung einer Fotodiode mit Resonatorstruktur ist z.B. der Wellenlängenbereich um 1,1 μπι für SiIizium-Fotodioden. Eine Silizium-Fotodiode mit Resonatorstruktur hätte außer dem erweiterten Wellenlängenbereich auch den Vorteil, daß sie auf ein Siliziumsubstrat zusammen mit einer Elektronik und anderen elektrooptischen Einrichtungen zu einer integrierten Schaltung vereinigt werden könnte. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß die Diode mit den zugehörigen Reflektoren als letzter Schritt einer integrierten Schaltung hergestellt wird, indem angepaßt dotierte Siliziumschichten auf eine wie üblich hergestellte Schaltung (1100⁰C Diffusion) mit "kalter" Epitaxie (600°C, Atotn-Strahlepitaxie) aufgebracht werden.

Die Integration der Fotodiode auf Siliziumbasis ist hier nur als Beispiel angeführt. Sie kann auch mit anderen Halbleitermaterialien erfolgen, insbesondere mit solchen, die für den Bau von Lasern geeignet sind und die direkte Halbleiter - wie Galliumarsenid - sind.

In einer weiteren älteren Patentanmeldung P32 27 682.6 ist eine Weiterbildung der Erfindung der vorgenannten älteren Anmeldung beschrieben, die darin besteht, mehrere dieser erstgenannten älteren Patentanmeldung entsprechende Fotodioden mit Resonatorstruktur optisch hintereinanderzuschalten, wobei die einzelnen Resonatoren auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt sind. Wit diesen mehreren hintereinandergeschalteten optischen Resonatoren läßt sich dann Strahlung eines breiteren Frequenzspektrums detektieren, als dies mit einer entsprechenden Fotodiode mit nur einem Resonator mit optimalem Wirkungsgrad möglich wäre.

Weitere Erläuterungen zu den Weiterbildungen gemäß der zweitgenannten älteren Patentanmeldung gehen aus den nachfolgenden Ausführungen hervor.

Die Fig.5a und 5b geben bereits angesprochene mögliche Anordnungen der Dioden und der Reflektoren wieder. Sie enthalten beispielsweise drei Dioden; tatsächlich können mehr oder weniger Dioden hintereinander angeordnet werden. Die Absorption in den Dioden soll vorzugsweise bei den Wellenlängen \*, λρ und At stattfinden. Rechtecke bezeichnen Spiegel, egal auf welchem physikalischen Prinzip sie beruhen. Die Längen I₁, Ip, 1* bezeichnen die Länge der Fotodioden, denen noch jedes geeignete Prinzip zugrundeliegen kann (z.B. Dioden mit Längs- oder Quereinstrahlung, Avalanche-Dioden etc.).

--KfL 83 P δ Ο 2 O OE

Die Wirkungsweide der Demultiplex-Einrichtung soll am Beispiel der mittleren Diode mit der Absorptionswellenlänge /\ erläutert werden. Die Gesamtheit der Dioden und Reflektoren, die vor oder hinter dem absorbierenden Weg I₂ liegen, bilden die verlustbehafteten effektiven Reflektoren R₂„ und R₂J,. Sowohl die einzelnen Reflektoren R₁₁* R₁₂' R₂₁ usw. oder R₁, R₂ usw. als auch die effektiven Reflektoren R₂„ und Rp_M besitzen wellenlängenabhängige Reflexionsfaktoren. Liegt das eingestrahlte Licht in einem Wellenlängenbereich mit kleinem <*·, tritt in der Diode mit I₂ nur nennenswerte Absorption auf, wenn erstens die Resonanzbedingung erfüllt ist und zweitens R_2V und R₂^ passende Werte annehmen, so daß die Wirkungsweise des optischen Resonators gewährleistet ist. Beides muß für \~ zutreffen. Auf der anderen Seite darf für die Dioden mit I₁ und 1, für A₂ entweder die Resonanzbedingung nicht erfüllt sein bzw. müssen die wellenlängenabhängigen Reflexionsfaktoren so beschaffen sein, daß die effektiven Resonatoren für diese Dioden um A₂ sehr schlecht wirken. Dann wird wegen des kleinen & in diesen Dioden kaum Lichtintensität absorbiert. Sollten jedoch trotzdem zwei Dioden Licht derselben Wellenlänge absorbieren, kann eine elektronische Schaltung die Auswertung unterstützen. Wird z.B./^₁ nur in der 1. Diode absorbiert und A₂ ^ⁿ der 1. und 2. Diode^kann eine logische

Schaltung entscheiden, ob nur ^₁ oder nur X, oder/L und.JL eingestrahlt wurde. Zusammenfassend kann man sagen, für die

beschriebene Demultiplex-Einrichtung sind sowohl die wellenlängenabhängigen Reflektoren wichtig als auch der physikalische Vorgang, daß die Absorption auf der Wirkungsweise von Resonatoren beruht.

Die Bandbreite der verwendeten Spiegel entscheidet darüber, wie die Reflektoren angeordnet werden können oder müs-

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sen. Man unterscheidet drei Fälle:

1. Schmalbandige Reflektoren (Fig.6).

Sind die Reflexionsfaktoren der Reflektoren sehr schmalbandig wie in Fig.6, können die einzelnen Resonatoren so gewählt werden, daß sie unabhängig voneinander sind. In einem Wellenlängenbereich um ^₂ haben z.B. nur Rp₁ und R₂₂ hohe Reflexionsfaktoren, während jene der anderen Reflektoren nur kleine, kaum störende Werte annehmen. Die Verläufe der Reflexionsfaktoren von R₂₁ und R₂₂ über der Wellenlänge müssen in diesem Beispiel nicht absolut gleich sein; beide Reflexionsfaktoren müssen jedoch in einem genügend großen Wellenlängenbereich gleichzeitig groß genug sein, damit Resonanz von der geforderten hohen Güte auftritt, deshalb die Bezeichnung R₂₁ ^?2*

Die Reihenfolge der A^, A₂* λ3 kann man willkürlich wählen. Da jedoch o*. mit zunehmender Wellenlänge /\ fällt, ist es günstig, wenn man die größeren Wellenlängen in der geometrischen Reihenfolge weiter hinten ansiedelt. Bei der Durchstrahlung der vorderen Dioden ist nämlich ein kleines ck wünschenswert. Dies gilt auch für die folgenden Fälle.

2. Breitbandige Reflekoren, so angeordnet, daß durchstrahlte Resonatoren möglichst kleine Reflexionsfaktoren aufweisen.

Haben die einzelnen Reflektoren relativ breite Reflexionsfaktoren, kann man durch geeignete Anordnung der Reflektoren (gemäß ihres Reflexionsfaktorverlaufes über der Wellenlänge) erreichen, daß ein weiter hinten liegender Resonator möglichst wenig von den vorderen Spiegeln beeinflußt wird. Eine Anordnung nach Fig.7 empfiehlt sich deshalb, weil sich die Reflexionsfaktoren z.B. durch willkürliches Aufeinanderfolgen von R₁ und R₂ in Fig.1b verstärken. Ist R₁ bei

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λρ noch nicht weit genug abgefallen, kann R~_v so groß werden, daß kein Licht in den zweiten Resonator gelangt. Hier ist also die Reihenfolge der Spiegel und der zu absorbierenden Wellenlängen festgelegt. Die Wellenlängen können steigen (Fig.?) oder fallen.

3. Breitbandige Filter, Durchstrahlen eines vorhergehenden

wirksamen Resonators.
Bei sehr breitbandigen Spiegeln in einer Anordnung nach Fig.5a kann man durch geeignete Wahl des Zwischenraumes dl erreichen, daß z.B. im zweiten Resonator /\₂ absorbiert wird, obwohl die Reflexionsfaktoren von R^₁ undR^p groß sind. In diesen Fällen absorbiert aber meist auch der Resonator I₁ bei ^₂, so daß dieser dritte Fall meist duch eine elektronische Auswertung unterstützt werdenmuß.

Die Anordnungen 5a und 5b sowie die drei Fälle können natürlich in einer linearen Anordnung von Dioden auch gemischt auftreten .

Die seitliche Lichtführung in den linear angeordneten Dioden oder in den Spiegeln kann eine Wellenleiterstruktur übernehmen, die ein- oder mehrmodig ist. Auch ein gekrümmter oder abgewinkelter Wellenleiter wird hier als lineare Anordnung angesprochen. Modenkonversion kann durch geeignete Gestaltung der Spiegel verhindert werden. Stoßen zwei Wellenleiter aufeinander, kann Modenkonversion z.B. weitgehend verhindert werden, wenn die Beziehung der Brechungsin-

2 2
dices η.. - η- in beiden Wellenleitern den gleichen Wert annimmt (Fig.9s).

Auf dem gleichen Wellenleiter, auf dem die Fotodioden angeordnet sind, können auch ein oder mehrere Laser angeordnet sein, dessen (deren) Reflektoren ebenso Wellenlängenabhän-35

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gigkeiten aufweisen, so daß entweder das zu empfangende Licht die Laser ungehindert durchstrahlt oder das zu sendende Licht die Demultiplex-Einrichtung. Dies gilt für den Fall, daß die technischen Forderungen des Anwenders verschiedene Wellenlängen für Foto- und Laserdioden auf einem Substrat zulassen. Selbstverständlich können auch Laser und Demultiplex-Einrichtungen in paralleler Anordnung integriert werden.

Auf ein Substrat können auch mehrere dieser linearen Demultiplex-Einrichtungen nebeneinander integriert werden, wobei eine vorausgehende Trennung von jeweils mehreren Trägern durch herkömmliche Demultiplexer vorgenommen werden kann, die entweder nicht integrierbar sind (z.B. Faserweichen) oder aber auch auf dasselbe Substrat integriert werden können (z.B. geodätische Linsen, Stufenreflektor etc.).

Als Reflektoren kann man zum einen sogenannte Gitterreflektoren verwenden, die meist sehr schmalbandig sind. Diese erhält man durch Strukturieren der Grenzfläche zwischen Kerngebiet und Außenraum eines Wellenleiters. Fig.9bzeigt z.B. den Ausschnitt eines Gitterspiegels mit rechteckigem Grating. Das Grating kann jedoch jede andere räumlich periodische Struktur annehmen (z.B. Sinus). Die Strukturierung kann z.B. hergestellt werden durch Verfahren, welche Fotolithografie oder auch Elektronenstrahl-Lithografie verwenden.

Eine weitere Spiegelart sind dielektrische Spiegel, die aus mehreren Schichten unterschiedlicher Brechungsindices beste-

83 P 8 O 2 O

hen. Die Länge dieser Schichten und die Höhe der Brechungsindexsprünge entscheiden neben der Anzahl der Schichten über Breite (Wellenlängenbereich) und Höhe des Reflexionsfaktors. Eine Herstellungsmöglichkeit von dielektrischen Spiegeln in integrierten Schaltungen ist z.B. das Verfahren der Ionenimplantation.

Für das Abstimmen der Demultiplex-Einrichtung auf die gewünschten Wellenlängen können alle Effekte genutzt werden, die über mechanische oider thermische Effekte die Länge der Dioden in ausreichendem Maße verändern. Unterstützung durch elektronische Schaltungen und/oder Testsignale ist möglich. Nach Fig.10 bringt man z.B. unter dem Substrat ein oder mehrere hintereinanderliegende Regelelemente an, die beispielsweise aus Piezoelementen oder magnetostriktiven Elementen bestehen. Diese rufen durch Anlegen von elektrischen Spannungen mechanische Spannungen an der gesamten oder an Teilen der Demultiplex-Einrichtung hervor, so daß über eine Stauchung oder Streckung und/oder Krümmung der Dioden Resonanz für gewünschte Frequenzen erreicht wird. Mit Hilfe von eingestrahlten Testsignalen oder einer Folge von Testsignalen kann eine Regelung der Abstimmung erreicht werden. Eine mögliche Anwendung einer Demultiplex-Einrichtung aus integrierten Fotodioden ist z.B. der Wellenlängenbereich von 1, bis 1,1 μπι für Silizium. Eine Demultiplex-Einrichtung aus Silizium hätte auch den Vorteil, daß sie auf Silizium-Substrat mit Elektronik und anderen elektrooptischen Einrichtungen integriert werden könnte.

Die Integration der Demultiplex-Einrichtung auf Siliziumbasis ist hier nur als Beispiel angeführt. Sie kann auch mit anderen Halbleitermaterialien erfolgen, insbesondere mit solchen, die für den Bau von Lasern geeignet sind.

^r 83P8020DE

Der nachfolgend zu beschreibenden vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf Prinzipien der beiden vorerwähnten älteren Anmeldungen beruhende Weiterbildung anzugeben, die eine Fotodiode mit optimalen Eigenschaften ist, wobei die Optimierung in auch mehrfacher Hinsicht bestehen soll, insbesondere einfache technologische Realisierbarkeit, breitbandiger Empfindlichkeitsbereich der Detektion, hohe Detektionsempfindlichkeit, und zwar insbesondere bei Verwendung eines Halbleitermaterials für den Chip, das zwar für weitere mit der erfindungsgemäßen Fotodiode in diesem Chip integrierte Halbleiterfunktionen optimaler Eigenschaften hat, für eine Fotodiode ohne die erfindungsgemäßen Merkmale jedoch wenig oder gar nicht geeignet wäre.

Diese Aufgabe wird mit einer Fotodiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der neuen Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß für jeweilige Anwendungsfälle es günstiger sein kann, die einzelnen, bezüglich ihrer Frequenzcharakteristik verschiedenen Resonatoren des Gesamtaufbaues einer solche Fotodiode - bezogen auf den optischen Weg - nicht alle hintereinander anordnen zu müssen, d.h. eine solche Anordnung anwenden zu müssen, bei der die im letzten Resonator dieser Reihe zu detektierende Strahlung erst durch alle anderen Resonatoren hindurchgegangen ist. Die Erfindung sieht eine Parallelanordnung einer Anzahl derartiger Resonatoren

~A 83 P 8 O 2 O DE

vor. Als Weiterbildung können auch solche Parallelanordnungen als Anteile der Gesamtdiode nach dem Prinzip der oben an zweiter Stelle genannten älteren Anmeldung hintereinandergeschaltet sein. Z.B. können fünf oder zehn Resonatoren nebeneinander angeordnet sein und eine entsprechende, vorzugsweise jeweils gleiche Anzahl derartiger weiterer Resonatoren räumlich - bezogen auf den Strahlungseintritt der zu detektierenden Strahlung - nachfolgend angeordnet sein.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den in weiteren Figuren dargestellten Ausführungsformen hervor.

Es zeigen:

Fig.1 Einzelheiten zu Ausführungsformen der älteren Anmelbis 10 düngen und

Fig.11 Ausführungsformen zur vorliegenden Erfindung.

bis 13

Fig.11 zeigt eine erste Anordnung 50 mit z.B. vier nebeneinander angeordneten optischen Resonatoren 51· Diese optischen Resonatoren ergeben sich aus dem Halbleitermaterial des Substrates 52 und den Reflektoren 53 und 54. Die in der Fig. dargestellte Schrägstellung des Reflektors 54 gegenüber dem Reflektor 53 ist lediglich der der Übersichtlichkeit halber stark übertrieben dargestellt. Beide Reflektoren 53 und 54 wirken so, daß auch hier die für optische Resonatoren nach dem Fabry-Perrot-Prinzip in sich hin und herlaufende Strahlung sich aufbaut.Die Selektivität ist durch die Längenabstimmung gegeben. Außerdem kann wenigstens einer der Reflektoren 53, 54 - bei einem asymmetrischen Resonator vorzugsweise derjenige Reflektor mit dem höheren Reflexionsgrad - so beschaffen sein, daß für

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den jeweiligen optischen Resonator 51 erforderliche Reflexion nur in den Flächenbereichen dieses Reflektors 54 auftritt, für die die Wirkung eines solchen optischen Resonators auftreten soll. Wie aus der Fig.11 ersichtlich, liegt dies für die angedeuteten Streifen n^ des Substrates 52 vor, so daß diese Darstellung vier Resonatoren zeigt. Für die dazwischenliegenden Bereiche n₂ hat dieses Ausführungsbeispiel keine Resonatorwirkung. Diese Bereiche n₂ - wie schon oben erläutert - dienen der Wellenführung der im jeweiligen eingeschlossenen Bereich n^ zur Resonanz kommenden Strahlung des betreffenden Resonators 51.

Mit 55 ist in die erfindungsgemäße Diode eintretende, zu detektierende Strahlung bezeichnet. Es ist hier der Fall berücksichtigt, daß der Querschnitt einer solchen Strahlung 55 außerordentlich gering ist, z.B. diese Strahlung in einer Glasfaser herangeführt worden ist. Diese Strahlung 55 trifft - wie aus der Figur ersichtlich - auf einen der Resonatoren 51 und tritt durch den Reflektor 53 in diesen opti- sehen Resonator ein. Dieser als Einkoppelresonator wirkende Resonator kann von den anderen Resonatoren abweichende Eigenschaften haben, insbesondere abweichende Reflexionsfaktoren der Reflektoren. Infolge der bekannten Überkopplung derartiger in das Halbleitersubstrat 52 eingetretener Strahlung in Machbarbereiche, gelangen auch Anteile der Strahlung 55 in die übrigen, nicht unmittelbar getroffenen Resonatoren 51.

Mehrere Einkoppelresonatoren 56, 57 sind insbesondere dann von Interesse, wenn die zu detektierende Strahlung schon vorher einer Aufteilung in Wellenbereiche unterworfen worden ist, wobei Strahlung in diesem einzelnen Bereich einem jeweils zugeordneten Einkoppel-Wellenleiter zugeführt wird.

-1-S"- 83 P 8 O 2 O DE c 2/1.

Die Resonatoren 51 sind auf verschiedene Resonanzfrequenzen abgestimmt, nämlich aufgrund der jeweils anderen Resonatorlänge 1, deren unterschiedliches Maß für einen jeden der Resonatoren sich aus der Schrägstellung der Reflektoren 53 und 54 zueinander ergibt. Eine solche Abstimmung ist eine technologisch relativ einfach zu realisierende Maßnahme.

Bei entsprechender Schmalbandigkeit der einzelnen Resonatoren 51, d.h. bei entsprechend hoher Güte des jeweiligen einzelnen Resonators, ergibt sich ein selektives Frequenzverhalten. Eine in Fig.11 dargestellte Ausführungsform besitzt vorzugsweise Interferenzspiegel oder dielektrische Spiegel als Raflektoren 53 und 54. Wie oben bereits erwähnt, wird das Reflexionsvermögen auf den Absorptionskoeffizienten oC der zu detektierenden Strahlung 55 abgestimmt bemessen, womit nämlich die oben beschriebene Optimierung erreicht werden kann. Insbesondere kann für den Reflektor 53 bereits der Sprung des Brechungsindexes vom Halbleitermaterial zur umgebenden Luft ausreichend groß sein, daß die Resonatorwirkung für die Resonatoren 51 (im Zusammenwirken mit dem Reflektor 54 vorliegt. Es sind auch Anordnungen mit flacherem Eintrittswinkel möglich, bei denen ein Einkoppel-Wellenleiter nicht alle Resonatoren schneidet. Ein Schneiden aller Resonatoren ließe sich in diesem Falle durch mehrere Einkoppel-Wellenleiter 56,57 verwirklichen.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsforrn 150, die bezüglich des Aufbaues der Resonatoren prinzipiell gleich der Ausführungsform nach Fig.11 ist. Ein wesentlicher Unterschied der Ausführungsform der Fig.12 ist, daß hier eine schräg zu den sich ausbildenden Resonatoren 51 verlaufende Strahl richtung 56 der einfallenden, zu detektierenden Strahlung 55 vor-

-^" 83 P 802 ODE

liegt. Bei der Ausführungsforra der Fig.11 schneidet die einfallende Strahlung 55 sämtliche Resonatorbereiche 51/ so daß hier direkte Einkopplung von Anteilen der zu detektierenden Strahlung 55 in die einzelnen auf die Wellen-Wellenlängen Λ-j bis Αλ abgestimmten Resonatoren vorliegt.

56 Für diese Einkopplung kann ein Wellenleiter/vorgesehen sein.

Es können Wellenleiter sowohl mit Reflektoren als auch ohne Reflektoren verwendet werden. Sie können in, über oder unter der Ebene der Resonatoren 51 angeordnet bzw. wirksam sein.

Nachfolgend werden weitere Hinweise zu Ausgestaltungen von Ausführungsformen der Erfindung gegeben. Im Gegensatz zu Ausführungsformen der zweitgenannten älteren Anmeldung, bei der die einzelne Fotodiode bereits mehrere Resonatoren umfaßt, brauchen bei der vorliegenden Erfindung keine Spiegel im Innern des Halbleitersubstrates 52 realisiert werden. Dennoch ist auch hier eine Vielfachanordnung mit Resonatoren vorhanden, die schmalbandiges Wellenlängen-Demultiplexen ermöglicht. Alle einzelnen Resonatoren können auch hier hohe Güte bei niedrigem Absorptiponskoeffizienten haben. Es liegt hier die ggf. erforderliche Breitbandigkeit der Gesamtfotodiode vor, die sich aus den einzelnen Schmalbandbereichen zusammensetzt. Eine solche Ausführungsform nach den Fig.11 und 12 ist - etwa vergleichsweise zu einer Ausführungsform mit seriell angeordneten Resonatoren - sehr kurz.

Di^e Eigenschaften einer solchen Anordnung können verändert werden durch:

Änderung der Kopplung der Wellenleiter, Änderung der Längen der Resonatoren,

-20--

- η ■ 83 P 8 ο 7 η nc

Änderung der Reflexionsfaktoren, insbesondere derjenigen der Reflektoren der Einkopplung.

Die Anordnung wirkt als Demultiplexer, wenn die Absorption in den verschiedenen Resonatoren bei verschiedenen Wellenlängen erfolgt. Die Gesamtfotodiode oder Anteile derselben haben breite und hohe Absorptionsmaxima, besonders wenn die Lage der Resonanzen in verschiedenen Resonatoren dicht beieinanderliegen und die Absorption in diesen Resonatoren als Gesamtheit betrachtet werden kann.

Auch bei der vorliegenden Erfindung können Grating-Reflektoren (corrugated mirrors) als Reflektoren 53 und/oder 54 vorgesehen sein.

Mehrere der Anordnungen 50 bzw. 150 können - wie Fig.13 zeigt - auch als Teilanordnungen hintereinander angeordnet sein, gemäß dem Prinzip der oben an zweiter Stelle genannten älteren Anmeldung, wobei die Einkopplung in die einzelnen hintereinander angeordneten Teilanordnungen 50, 150 durch einen oder mehrere Wellenleiter erfolgt, so z.B. nach dem Prinzip der Fig.11, wobei hier die Strahlung 55 in einen oder mehrere Resonatoren 51 der ersten Teilanordnung 50 eingestrahlt wird oder z.B. nach dem Prinzip der Fig.12, wobei hier die Strahlung 55 über wenigstens einen Einkoppel-Wellenleiter 56 (als Alternative gestrichelt dargestellt) eingekoppelt wird.

11 Patentansprüche
13 Figuren

- Leerseite -

Claims

P 8 O 2 O DG Patentansprüche:

1. Fotodiode mit einem Halbleitersubstrat, mit Reflektoren, die in dem Halbleitersubstrat mehrere optische Resonatoren bilden, und mit Elektroden zur Stromzuführung und zur Abnahme elektrischer Signale, die auf Strahlungsempfang in jeweils einem einzelnen oder in mehreren der Resonatoren beruhen, wobei für das Substrat ein Material mit relativ geringem Absorptionskoeffizienten für die zu detektierende Strahlung und mit guter Eignung für Integrationstechnologie ausgewählt ist, gekennzeichnet dadurch,

daß die mehreren optischen Resonatoren (51) in dem Halbleitersubstrat (52) nebeneinanderliegend angeordnet sind, daß die optischen Resonatoren (51) voneinander unterschiedliche optische Länge (l) für frequenzselektiv zu detektierende Empfangsstrahlung oder für zu detektierende Empfangsstrahlung (55) mit größerer Bandbreite haben, und daß benachbarte optische Resonatoren (51) durch je eine Wellenleiterstruktur mit benachbart unterschiedlichem Brechungsindex (n^n- ^voneinander getrennt sind, jedoch so nahe benachbart sind, daß Wellenleiterkopplung zwischen den Resonatoren (51) vorliegt.

2. Fotodiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zu den einzelnen Resonatoren (51) gehörende Anschlußelektroden so weit elektrisch voneinander getrennt sind, daß die elektrischen Detektorsignale der einzelnen Reflektoren (51) voneinander getrennt abgegriffen werden können.

3· Fotodiode nach Anspruch 1,gekennzeichzeichnet dadurch, daß zu einzelnen Resonatoren ge-

-•Zuhörende Anschlußelektroden derart miteinander verbunden sind, daß die elektrischen Signale aus mehreren Resonatoren an einer gemeinsamen Elektrode abgegriffen werden können.

4. Fotodiode nach Anspruch 1, 2 oder 3/ gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektoren (53, 54) der einzelnen Resonatoren (51) am jeweils einen Ende der Resonatoren (51) zu einem gemeinsamen Spiegel zusammengefaß sind (53 und/oder 54).

5· Fotodiode nach Anspruch 1, 2 oder 3/ gekennzeichnet dadurch, daß die Resontoren (51) wenigstens an ihrem jeweils einen Ende einen jeweils vom anderen Resonator getrennten Spiegel (54) haben.

6. Fotodiode nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß solche voneinander getrennten Spiegel aus einem zuvor ganzflächigen Spiegel durch Aufteilung hergestellt sind.

7. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die einander gegenüberstehenden Reflexionsflächen (53, 54) der Resonatoren (51) zwei schräg zueinander angeordnete Flächen bilden.

8. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g ekennzeichnet dadurch, daß ein Bereich des Substrates (52) als zusätzlicher Wellenleiter (56) für die Einkopplung der zu detektierenden Strahlung (55) ausgebildet ist.

9. Fotodiode nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß dieser zusätzliche Wellen-

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leiter (56) als Resonator ausgebildet ist, der infolge seiner Kopplung mit den zueinander parallelen Resonatoren (51) breitbandig ist.

10. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g ekennzeichnet dadurch, daß die zu detektierende Strahlung (55) einer frequenzmäßigen Vorselektion unterworfen worden ist.

11. Fotodiode, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Fotodioden nach einem der Ansprüche 1 bis optisch in Reihe geschaltet hintereinander angeordnet sind.