DE3527270A1

DE3527270A1 - Optische halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE3527270A1
Application number: DE19853527270
Authority: DE
Inventors: Toshiro Nara Hayakawa; Takahiro Tenri Nara Suyama; Saburo Nara Yamamoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-07-31
Filing date: 1985-07-30
Publication date: 1986-02-06
Anticipated expiration: 2005-07-31
Also published as: GB2162688A; GB2162688B; US4691214A; DE3527270C2; JPS6140081A; GB8519122D0

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung, in welcher ein optisches Halbleiterelement und ein elektrisches Schaltkreiselement in einem einzigen Körper zusammengefaßt sind.

Im Zuge der bemerkenswerten Fortschritte auf den Gebieten der optischen Datenverarbeitung, Lichtkommunikation, usw. ist es notwendig geworden, die optischen Module zu verkleinern und deren Fähigkeiten zu verbessern durch die Verwendung optoelektronischer integrierter Schaltkreise (OEIC), wobei optische Halbleiterelemente, wie Halbleiter-Laser, Photodetektoren, usw.> und elektrische Schaltkreiselemente, wie Betriebsschaltkreise, Modulatoren, usw.

auf demselben Substrat integriert sind. In einem herkömmlichen OEIC, bei welchem eine Reihe von elektrischen Schaltkreiselementen auf demselben Substrat gebildet sind, müssen diese voneinander elektrisch isoliert werden. Außerdem ist die Verwendung eines stufenförmigen Substrats unvermeidbar, da eine Reihe optischer Halbleiterelemente unterschiedlicher Struktur auf demselben Substrat gebildet sind, wodurch Schwierigkeiten bei der Züchtung der erforderlichen Kristalle auftreten. Insbesondere in Fällen, wo Halbleiter-Laser als 5 optische Halbleiterelemente verwendet werden, müssen die Halbleiterelemente in großem Abstand von der Wärmestrahlungsplatte, auf welches das OEIC montiert werden soll, angeordnet werden, da sie auf einem halb-isolierenden Substrat integriert werden müssen, das dick genug ist₃um auch die ^⁰ elektrischen Schaltkreiselemente zu tragen, wodurch eine Abnahme in der Wärmestrahlungswirkung der Halbleiter-Laser verursacht wird. Halb-isolierende Substrate, welche zum Tragen und Isolieren von Halbleiterlasern und elektrischen

Schaltkreiselementen fähig sind, haben eine hohe Fehler-35

dichte, die eine Abnahme der betriebsmäßigen Verläßlichkeit der auf ihnen geformten Halbleiter-Laser oder eine Zunahme des Dunkelstroms in den Photodetektoren, die anstelle der Halbleiter-Laser verwendet werden können, verursacht.

In Fig. 2 wird ein herkömmliches OEIC gezeigt, worin ein Halbleiter-Laser bzw. ein Feldeffekttransistor für den Betrieb des Halbleiter-Lasers auf dem oberen Teil und dem unteren Teil eines halb-isolierenden,stufenförmigen GaAs-Substrats 1 gebildet sind und beide Elemente elektrisch mit einander mittels einer n-GaAs-Verdrahtungsschicht 2 verbunden sind. Das OEIC wird wie folgt hergestellt: Nach Züchtung einer Aktivschicht 9 für den Feldeffekttransistor wird der Bereich des Substrats 1 außerhalb des Bereichs entsprechend dem Halbleiter-Laser, mit einem SiOp-FiIm 3 beschichtet, worauf selektive Züchtung einer n-GaAlAs-Plattierschicht 4, einer GaAlAs-Aktivschicht 5, einer p-GaAlAs-Plattierschicht 6, und einer p-GaAs-Abdeckschicht 7 erfolgt, unter Bildung einer Doppelheterostruktur für Laseroscillation. Dann wird der SiOp-FiIm auf dem Feldeffekttransistorbereich entfernt und eine Sourceelektrode 10, eine Gate-Elektrode 11 und eine Drain-Elektrode 11, die alle als Elektroden für den Feldeffekttransistor dienen, werden auf der Aktivschicht 9 gebildet. Eine p-Seiten-Elektrode 13 für die Laseroscillation wird auf der Abdeckschicht 7 gebildet. Das entstandene OEIC wird auf eine Wärmestrahlungsplatte montiert durch das Substrat 1 hindurch, das eine Dicke von wenigstens etwa 100 yum besitzt, wodurch die Unterdrückung der Wärmestrahlung hervorgerufen wird, welche durch den Laseroscillationsbetrieb erzeugt wird. Darüberhinaus ist die Höhe der Stufe des Substrats, obwohl von der Präzision der Ätzbehandlung für die Stufe abhängig, wenigstens etliche yum, wodurch Schwierigkeiten in dem nachfolgenden photolithographischen Verfahren für die Bildung der Doppelheterostruktur hervorgerufen werden. Die Verwendung des halb - iso-

lierenden oubotrats verursacht ebenfalls eine Abnahme in der Betriebszuverläs.^igkeit des Halbleiter-Lasers.

Die optische Halbleitervorrichtung, die die oben beschriebenen und zahlreiche weitere Kachteile oder Mängel des Standes der Technik überwindet, umfaßt ein optisches Halbleiterelement an der Seite einer Seitenfläche eines leitfähitcen Substrats, ein elektrisches Schaltkreiselement an der Seite der anderen Seitenfläche des leitenden Substrats, eine isolierende Kristallscaicht, die mittels einer epitaxialen Vachstumsmethode zwischen dem leitenden Substrat und dem elektrischen Schaltkreiselement gebildet ist, um damit das elektrische Schaltkreiselement von dem optischen Halbleiterelement elektrisch zu isolieren, und eine Verdrahtungsschicht, die auf der Außenoberfläche der isolierenden Kristallschicht gebildet ist, um eine elektrische Anschlußklemme des elektrischen Schaltkreiselements mit einer elektrischen Anschlußklemme des optischen Halbleiterelements zu verbinden.

Die !Polarität der isolierenden Kristalischicht ist in einer bevorzugten Ausführungsform von der Polarität jeder der benachbarten Schichten verschieden, zwischen welche die isolierenden Kristalischichten an der Grenzfläche zwischengeschichtet sind.

Somit schafft die vorliegende Erfindung eine neue und vorteilhafte optische Halbleitervorrichtung, welche eine ausgezeichnete Wärmestrahlung des darin enthaltenen optischen Halblⁿiterelements besitzt, wodurch eine erhöhte Betriebssuverlässigkeit ermöglicht wird.

weiterhin schafft die Erfindung eine neue und vorteilhafte optische halbleitervorrichtung, sei welcher kein iinfluß aufgrund der otufe des Substrats auf d-\a photolithographisciie Verfahren zur Bildung der mehrschichtigen Kristalle des darin enthaltenen halulc?ifcerelement3 und elektrischen ochaltkrei^elemento besteht.

BAD ORIGINAL

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine neue und vorteilhafte optische Halbleitervorrichtung, in welcher ein leitendes Substrat anstelle eines herkömmlichen, halbisolierenden, stufenförmigen oubstrats verwendet wird, wodurch sich verbesserte Eigenschaften des optischen HaIbleiterelements ergeben.

Schließlich wird gemäß der Erfindung eine neue und vorteilhafte optische halbleitervorrichtung geschaffen, in welcher durch die Verwendung eines hochwertigen und leitenden Substrats ein elektrisches Schaltkreiselement und ein optisches Halbleiterelement auf und un demselben Substrat integriert werden können, woraus verbesserte Fähigkeiten des optischen Halbleiterelements resultieren.

Die Erfindung wird zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung ihrer zahlreichen Ziele und Vorteile unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, worin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung, wobei ein Feldeffekttransistor und ein Kalbleiterlaser auf dasselbe Substrat integriert sind.

Fig. 2 eine 3cnnittansieht einer herkömmlichen optischen Haloleitervorrichtung, in welcher ein Feldeffekttransistor und ein Halbleiterlaser auf demselben stufenförmigen Substrat integriert sind.

Fig. 5 eine Schnittansicht einer v/eiteren erfinaungsgeraäßen optischen Halbleitervorrichtung, in welcher ein bipolarer Transistor und ein Halbleiterlaser auf demselben Substrat integriert sind.

BAD ORIGINAL

Die Fig. 1 zeigt eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Feldeffekttransistor bzw. ein Halbleiter-Laser auf beiden Seiten eines n-GaAs-Substrats integriert sind. Diese Halbleitervorrichtung wird wie folgt hergestellt: Auf eine Facette (z.B. die untere Fläche) eines Si-dotierten n-GaAs-Substrats 20, worin eine Verdrängungs- bzw. Versetzungsdichte 1000/cm oder weniger beträgt, wird aufeinanderfolgend eine n-GaAlAs-Plattierschicht 21, eine GaAlAs-Aktivschicht 22 für die Laseroscillation, eine p-GaAlAs-Plattierschicht 23 und eine p-GaAs-Abdeckschicht mittels Flüssigphasenenepitaxie gezüchtet unter Bildung eines mehrschichtigen Kristalls einer Doppelheterostruktur für die Laserosci1lation. Dann wird auf die andere Facette (z.B. die obere Oberfläche) des Substrats 20, aufeinanderfolgend eine undotierte halb-isolierende p-GaAlAs-Schicht 25 für die elektrische Isolierung des Feldeffekttransistors von dem Halbleiter-Laser, und eine n-GaAs-Kanalschicht 26 als Aktivschicht für den Feldeffekttransistor durch Flüssigphasenepitaxie gezüchtet, wodurch sich Halbleiterschichten für den Feldeffekttransistor ergeben. Dann wird die Abdeckschicht 24 mit einem SiOp-Isolierfilm 27 so bedeckt, daß ein streifiger Abschnitt 280 gebildet wird, welcher als elektrisch leitende Region dient, worauf die Bildung einer p-Seiten-Elektrode 28 auf Cu, Au, Ni etc. darauf mittels eines Verdampfungsverfahrens folgt. Dann wird der Teil, der die Mittel- und Kanalschichten 25 bzw. 26 auf dem Substrat 20 enthält, welche dem streifigen Abschnitt 280 für die Laserosci 1 lation entspricht, mit einem bekannten Ätzverfahren in dem Ausmaß geätzt, daß die Ätzung das Substrat erreicht, so daß sich insgesamt eine stufenförmige Struktur ergibt.

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Dann werden die Source-, Gate- und Drain-Elektroden 10, 11 und 12 für den Feldeffekttransistor mittels Maskenverdampfungsverfahren oder dgl. auf der Kanalschicht 26 in den übrigen Bereichen der Mittel- und Kanalschichten 25 und 26 auf dem Substrat 20 gebildet. Um die Drain-Elektrode mit dem Betriebsbereich des Lasers zu verbinden, wird eine Verdrahtungselektrode 29 aus Metall oder dgl. auf der freien Ebene des Substrats 20 angeordnet, die dem Laser-Betriebsbereich entspricht, zu der Drain-Elektrode entlang den offenen Flächen der Mittel- und Kanalschichten 25 und 26, so daß eine elektrische Bahn für die Zufuhr von Strom vom Feldeffekttransistor zu dem Halbleiter-Laser entsteht.

Ein Strom, der an die Verdrahtungselektrode 29 und der p-Seiten-Elektrode 28 angelegt ist, fließt in die optische Halbleitervorrichtung durch die elektrisch leitfähige Region 280 von einer den Strom einengenden streifigen Struktur, wodurch Laseroscillation innerhalb des Bereichs der Aktivschicht 28 entsprechend dem elektrisch leitfähigen Bereich 280 erreicht wird. Dieser Laser-Betriebsbereich ist von der Kanalschicht 25 des Feldeffekttransistors durch die Mittelschicht 25 elektrisch isoliert, so daß der Laser-Betriebsbereich und der Transistor unabhängig arbeiten können. Der Feldeffekttransistor, der die Kanalschicht enthält, dient für die Steuerung des Stroms, der an die Source-Elektrode 10 angelegt wurde, durch eine Spannung, die an die Gate-Elektrode angelegt ist, um somit die Menge des Drain-Stroms, welche von der Drain-Elektrode zu der Verdrahtungselektrode 29 fließt, einzustellen. In Abhängigkeit von dem Betrieb des Feldeffekttransistors, wird die Laser-oscillation in dem Laser-Betriebsbereich moduliert und gesteuert. Auf diese Weise ist die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Umschaltsystem für Laserlicht und / oder einem Modulationssystem für die Stärke der Laserausgangsleistung ausgestattet.

Anstelle der durch den Oxidfilm 27 gebildeten streifigen Struktur kann eine planare Struktur verwendet werden, in welcher Unreinheiten nur in der Strombahn diffundiert sind, um einen elektrisch leitenden Bereich zu bilden.

Es kann ein Bereich mit der Funktion einer Photoemitterdiode anstelle des Laser-Oscillationsbereichs gebildet werden zur Betätigung durch den oben erwähnten Feldeffekttransistor. Wärme, welche in dem Laseroscillationsteil, dem Photoemitterteil etc. erzeugt wird, kann daraus durch Anbringen der p-Seiten-Elektrode 28 auf einem Wärmeabzug usw. erwünschtenfal Is freigegeben werden, wodurch die Unterdrückung eines Temperaturanstiegs in der Halbleitervorrichtung sowie die Beibehaltung einer stabilisierten Ausgangsleistung ermöglicht wird. Darüber hinaus, da ein leitendes Substrat von hoher Qualität als Substrat 20 verwendet wird, und eine durch ein epitaxiales Wachstumsverfahren gebildete GaAlAs-Schicht als Isoliermittel zwischen dem Feldeffekttransistor und dem Laser-Betriebsbereich verwendet wird, wird die Qualität der Kristalle sowohl im Feldeffekttransistor als auch dem Laseroperationsbereich bei hohem Niveau gehalten.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung, in welcher ein bipolarer Transistor und ein Halbleiter-Laser jeweils auf den beiden Flächen eines n-GaAs-Substrats integriert sind. In gleicher Weise wie in bezug auf das in Fig. 1 dargestellte Beispiel, werden aufeinanderfolgend auf eine Facette des n-GaAs-Substrats eine n-Plattierschicht 21, eine Aktivschicht 22, eine p-Plattierschicht 23 und eine Abdeckschicht 24 gezüchtet, um ein mehrschichtiges Kristall für den Halbleiter-Laser zu ergeben. Dann wird auf die andere Facette des n-GaAs-Substrats 20 nacheinander eine p-GaAs-Schicht 35 für die

Isolierung des bipolaren Transistors von dem Halbleiter-Laser, eine n-GaAlAs-Sammelschicht 36 für den bipolaren Transistor, eine p-GaAs-Bodenschicht 37 und eine n-GaAlAs-Emitterschicht 38 gezüchtet zur Bildung eines mehrschichtigen Kristalls für den bipolaren Transistor. Die Hälfte dieses mehrschichtigen Kristalls an der Seite des Laser-Betriebsbereichs wird dann geätzt. Danach wird die Abdeckschicht 24 mit einem Si0₂-lsolierfilm 27 so bedeckt, daß ein streifiger Teil 280 als ein elektrisch leitender Bereich gebildet wird. Eine Zn-Diffusion wird in dem die Bodenschicht 37 und die Emitterschicht 38 enthaltenden Bereich unterhalb der Basiselektrode 40 des bipolaren Transistors durchgeführt zur Erzielung einer Diffusionsschicht 41. Die Emitter- und Bodenelektroden 39 und 40 sind auf der Emitterschicht 38 angeordnet. Eine Verdrahtungsschicht 42 ist auf der freiliegenden Fläche der Sammelschicht 36, dem freiliegenden Abhang der Mittelschicht und der freiliegenden Fläche des Substrats 20 gebildet, um die Sammelschicht 36 mit dem Laser-Betriebsbereich des Halbleiter-Lasers zu verbinden. In diesem Ausführungsbeispiel wird ebenfalls ein leitendes Substrat hoher Qualität als Substrat 20 verwendet und die epitaxiale Wachstumsschicht 35 als ein Isoliermedium verwendet , um ein Element gegenüber dem anderen zu isolieren, das eine verschiedene Polarität zu der der Sammelschicht 36 besitzt, so daß die .Kristal 1isierbarkeit jeder der Schichten für den bipolaren Transistor merklich verbessert werden kann im Vergleich mit jener von den Schichten eines bipolaren Transistors, bei dem ein halb-isolierendes Substrat als Substrat 20 verwendet wird,

Claims

Patentansprüche

f\l Optische Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein optisches Halbleiterelement an der Seite einer Seitenfläche eines leitfähigen Substrats, ein elektrisches Schaltkreiselement an der Seite der anderen Seitenfläche des leitfähigen Substrats, eine isolierende Kristall schicht die mittels epitaxialem Wachstumsverfahren zwischen dem leitfähigen Substrat und dem elektrischen Schaltkreiselement gebildet ist, um das elektrische Schaltkreiselement von dem optischen Halbleiterelement elektrisch zu isolieren, und eine Verdrahtungsschicht, die auf der Außenoberfläche der isolierenden Kristall schicht gebildet ist, um eine

Telefon Fernschreiber Telekopierer Postgiro München Deutsche Bank München Baver. Vereinsbank München Telephone Telex Facsimile Kto.-Nr. 160954-804 Kto.-Nr. 2825586 Ktö.-Nr. 966012 (089)555476/7 529068 KARP (089)595691 BLZ 700 KX180 BLZ 700 700 10 BLZ 700 202 70

elektrische Anschlußklemme des elektrischen Schaltkreiselements mit einer elektrischen Anschlußklemme des optischen Halbleiterelements zu verbinden.
2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der isolierenden Kristal 1 schicht von der Polarität jeder der benachbarten Schichten verschieden ist, zwischen welchen die isolierenden Kristal 1 schichten an den dazwischenliegenden Grenzflächen eingeschichtet sind.