DE3527270C2 - Monolithisch integrierte optoelektronische Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte optoelek­ tronische Halbleitervorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art-.

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 Halbleiter­ elemente, 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 dann unvermeidbar, wenn eine Reihe optischer Halbleiterelemente unterschiedlicher Struktur auf demselben Substrat ausgebildet sind, wodurch Schwierigkeiten bei der Züchtung der erforderlichen Kristalle auftreten. Insbesondere in Fällen, wo Halbleiter-Laser als optische Halbleiterelemente verwendet werden, müssen die Halbleiterelemente in großem Abstand von dem Kühlkörper, auf welchem das OEIC montiert werden soll, angeordnet werden, da sie auf einem halb-isolierenden Substrat integriert werden müssen, das dick genug ist, um auch die elektrischen Schaltkreiselemente zu tragen, wodurch jedoch eine Abnahme der Wärmeabstrahlung der Halbleiter-Laser verursacht wird. Halbleitende Substrate, welche zum Tragen und Isolieren von Halbleiter-Lasern und elektrischen Schaltkreiselementen fähig sind, haben eine hohe Versetzungs­ dichte, die eine Abnahme der betriebsmäßigen Verläßlichkeit der auf ihnen geformten Halbleiter-Laser, eine Zunahme des Dunkel­ stroms in den Photodetektoren, die anstelle der Halbleiter-Laser verwendet werden können, verursacht.

In Fig. 2 wird ein herkömmliches OEIC gezeigt, bei dem ein Halbleiter-Laser bzw. ein Feldeffekttransistor für den Betrieb des Halbleiter-Lasers auf dem oberen Teil und dem unteren Teil eines halbleitenden, stufenförmigen GaAs-Substrats 1 gebildet und beide Elemente elektrisch miteinander mittels einer n-GaAs- Verdrahtungsschicht 2 verbunden sind. Das OEIC wird wie folgt hergestellt: Nach Züchtung einer Aktivschicht 9 für den Feld­ effekttransistor wird der Bereich des Substrats 1 außerhalb des Bereichs entsprechend dem Halbleiter-Laser, mit einem SiO₂- Film 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 Laser-Oscillation. Dann wird der SiO₂-Film auf dem Feldeffekttransistorbereich entfernt und eine Source-Elektrode 10, eine Gate-Elektrode 11 und eine Drain-Elektrode 12, die alle als Elektroden für den Feldeffekttransistor dienen, werden auf der Aktivschicht 9 gebildet. Eine p-Seiten-Elektrode 13 für die Laser-Oscillation wird auf der Abdeckschicht 7 gebildet. Das entstandene OEIC wird mit der Substratrückseite auf einem plattenförmigen Kühlkörper montiert. Da das Substrat 1 eine Dicke von wenigstens etwa 100 µm besitzt, wird beim Laser-Oscillationsbetrieb erzeugte Wärme durch das Substrat hindurch nur unzureichend zum Kühlkörper abgeführt. Darüber hinaus ist die Höhe der Stufe des Substrats, von der Präzision der Ätzbehandlung für die Stufe abhängig, wenigstens etliche µm, wodurch Schwierigkeiten in dem nachfol­ genden photolithographischen Verfahren für die Bildung der Doppelheterostruktur hervorgerufen werden. Die Verwendung des halbleitenden Substrats verursacht ebenfalls eine Abnahme in der Betriebszuverlässigkeit des Halbleiter-Lasers.

Eine monolithisch integrierte optoelektronische Halbleitervor­ richtung der eingangs genannten Art ist aus den Patents Abstracts of Japan, Nr. 58-220469 vom 03. 04. 1984 bekannt. Bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung besteht das Substrat aus relativ schlecht leitendem GaAs, auf dessen einer Hauptfläche das elektrische Schaltungselement in Gestalt eines Feldeffekttransistors über eine epitaxiale n-Schicht aufgebracht ist. Die elektrische Verbindung des optischen Halbleiterbauelements in Gestalt einer LED mit dem elektrischen Schaltungselement erfolgt über ein stromleitendes Verbindungsmittel in Gestalt einer in das Substrat eingebrachten Zn-Diffusionsschicht, die sich zwischen den beiden Hauptflächen des Substrats erstreckt. Nachteilig bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung ist die relativ schlechte Kristallier­ barkeit der Schichten des optischen Halbleiterbauelements und des elektrischen Schaltungselements auf dem Substrat, das aufwendig herzustellende stromleitende Verbindungsmittel sowie die unzulänglich elektrische Isolation des elektrischen Schaltungselements vom optischen Halbleiterelement.

Aus den "IEEE Electron Device Letters" EDL-3 (1982), Seiten 305 bis 307, ist eine monolithisch integrierte optoelektronische Halbleitervorrichtung bekannt, bei der ein elektrisches Schaltungs­ element in Gestalt eines Feldeffekttransistors und ein optisches Halbleiterbauelement in Gestalt einer LED auf ein und dieselbe Hauptfläche eines Substrats aufgebracht sind. Der Schichtenaufbau ist dabei so getroffen, daß die das optische Halbleiterbauelement bildenden Schichten auf dem Substrat und die Kanalschicht, in der der Feldeffekttransistor ausgebildet ist, unter Zwischenanordnung einer elektrisch isolierenden AlGaAs-Schicht auf diesen Schichten aufgebracht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierte optoelektronische Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach im Aufbau eine optimale elektrische Isolierung zwischen optischem Halbleiterbauelement und elektrischem Schaltungselement gewährleistet, wobei außerdem sicherge­ stellt sein soll, daß die durch epitaxiales Aufwachsen auf das Substrat gebildeten Schichten und damit das optische Halbleiterbau­ element und das elektrische Schaltungselement eine hohe Qualität aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

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 optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung, wobei ein Feldeffekttransistor und ein Halbleiterlaser auf dasselbe Substrat integriert sind.

Fig. 2 eine Schnittansicht einer herkömmlichen optoelektronischen Halbleitervorrichtung, in welcher ein Feldeffekttransistor und ein Halbleiterlaser auf demselben stufenförmigen Substrat integriert sind.

Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleitervorrichtung, in welcher ein bipolarer Transistor und ein Halbleiterlaser auf demselben Substrat integriert sind.

Die Fig. 1 zeigt eine optische Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Feldef­ fekttransistor 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 Ver­ setzungsdichte 1000/cm² oder weniger beträgt, wird auf­ einanderfolgend eine n-GaAlAs-Plattierschicht 21, eine GaAlAs-Aktivschicht 22 für die Laseroscillation, eine p-GaAlAs-Plattierschicht 23 und eine p-GaAs-Abdeckschicht 24 mittels Flüssigphasenepitaxie gezüchtet unter Bildung eines mehrschichtigen Kristalls einer Doppelheterostruktur für die Laseroscillation. Dann wird auf die andere Facette (z. B. die obere Oberfläche) des Substrats 20, aufeinander­ folgend eine undotierte halb-isolierende p-GaAlAs-Schicht 25 für die elektrische Isolierung des Feldeffekttran­ sistors von dem Halbleiter-Laser, und eine n-GaAs-Kanal­ schicht 26 als Aktivschicht für den Feldeffekttransistor durch Flüssigphasenepitaxie gezüchtet, wodurch sich Halb­ leiterschichten für den Feldeffekttransistor ergeben. Dann wird die Abdeckschicht 24 mit einem SiO₂-Isolier­ film 27 so bedeckt, daß ein streifiger Abschnitt 280 ge­ bildet wird, welcher als elektrisch leitende Region dient, worauf die Bildung einer p-Seiten-Elektrode 28 aus Cu, Au, Ni etc. darauf mittels eines Verdampfungs­ verfahrens folgt. Dann wird der Teil, der die Mittel- und Kanalschichten 25 bzw. 26 auf dem Substrat 20 ent­ hält, welche dem streifigen Abschnitt 280 für die Laseroscillation entspricht, mit einem bekannten Ätzver­ fahren in dem Ausmaß geätzt, daß die Ätzung das Substrat 20 erreicht, so daß sich insgesamt eine stufenförmige Struktur ergibt.

Dann werden die Source-, Gate- und Drain-Elektroden 10, 11 und 12 für den Feldeffekttransistor mittels Maskenver­ dampfungsverfahren 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-Elek­ trode 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 12 entlang den offenen Flächen der Mittel- und Kanalschich­ ten 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 22 entsprechend dem elektrisch leitfähi­ gen 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 26 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 12 zu der Verdrahtungselektrode 29 fließt, einzustellen. In Abhängigkeit von dem Betrieb des Feldeffekttransistors, wird die Laseroscillation in dem Laser-Betriebsbereich moduliert und gesteuert. Auf diese Weise ist die Halblei­ tervorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Umschalt­ system 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 Photoemitter­ diode anstelle des Laser-Oscillationsbereichs gebildet werden zur Betätigung durch den oben erwähnten Feldef­ fekttransistor. Wärme, welche in dem Laseroscillationsteil, dem Photoemitterteil etc. erzeugt wird, kann daraus durch Anbringen der p-Seiten-Elektrode 28 auf einem Wärmeabzug usw. erwünschtenfalls freigegeben werden, wodurch die Unterdrückung eines Temperaturanstiegs in der Halbleiter­ vorrichtung 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 Wachstums­ verfahren gebildete GaAlAs-Schicht als Isoliermittel zwi­ schen dem Feldeffekttransistor und dem Laser-Betriebsbe­ reich verwendet wird, wird die Qualität der Kristalle so­ wohl im Feldeffekttransistor als auch dem Laseropera­ tionsbereich bei hohem Niveau gehalten.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Halbleitervor­ richtung, 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 20 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-Kollektorschicht 36 für den bipolaren Transistor, eine p-GaAs-Basisschicht 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 SiO₂-Isolierfilm 27 so bedeckt, daß ein streifiger Teil 280 als ein elektrisch leitender Bereich gebildet wird. Eine Zn-Diffusion wird in dem die Basisschicht 37 und die Emitterschicht 38 enthaltenden Bereich unterhalb der Basiselektrode 40 des bipolaren Transistors durchgeführt zur Erzielung einer Diffusionsschicht 41. Die Emitter- und Basiselektroden 39 und 40 sind auf der Emitterschicht 38 angeordnet. Eine Verdrahtungsschicht 42 ist auf der freiliegenden Fläche der Kollektorschicht 36, dem freiliegenden Abhang der Mittelschicht 35 und der freiliegenden Fläche des Substrats 20 gebildet, um die Kollektorschicht 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 Kollektorschicht 36 besitzt, so daß die Kristallisierbarkeit 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 (9)

1. Monolithisch integrierte optoelektronische Halbleitervorrichtung mit einem optischen Halbleiterbauelement und einem elektrischen Schaltungselement, mit einem Substrat, das zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, wobei das optische Halbleiterbauelement unmittelbar an der einen Hauptfläche und das elektrische Schaltungselement an der anderen Hauptfläche ausgebildet ist, und mit einem stromleitenden Verbindungsmittel zum Verbinden eines Ausgangs des elektrischen Schaltungselementes mit einer Anschlußelektrode des optischen Halbleiterelements, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (20) ein elektrisch leitfähiger Halbleiterkörper mit einer Versetzungsdichte von höchstens 1000 Versetzungen pro cm² ist,
daß das Substrat (20) die Anschlußelektrode des optischen Halbleiterelements (21-28) bildet,
daß das elektrische Schaltungselement (26, 10-12, 36-41) über eine epitaktisch auf die andere Substrat-Hauptfläche aufgewachsene Isolierschicht (25, 35) vom optischen Halbleiterbauelement (21-28) elektrisch isoliert ist, und
daß das Verbindungsmittel (29) eine Metallschicht ist, die sich vom Ausgang (12) des elektrischen Schaltungselementes (26, 10-12, 36-41) über eine Oberfläche der Isolierschicht (25, 35) zum Substrat (20) erstreckt.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) ein Si-dotiertes n-GaAs-Substrat ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (25) eine undotierte, halbleitende p-GaAlAs-Schicht ist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (35) eine halbleitende p-GaAs- Schicht ist.

5. Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (25, 35) lediglich einen Teil des Substrats (20) überdeckt und dadurch einen stufenförmigen Über­ gangsbereich vom elektrischen Schaltungselement (26, 10-12, 36- 41) auf der Oberfläche der Isolierschicht (25, 35) zum Substrat festlegt, auf dessen Oberfläche die Metallschicht (29) ausgebildet ist.

6. Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schaltungselement ein Feldeffekttransistor ist.

7. Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schaltungselement ein bipolarer Transistor ist.

8. Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Halbleiterbauelement eine Laserdiode ist.

9. Halbleitervorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Halbleiterbauelement eine LED ist.