DE3629684A1 - Photoreceiver - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Photoempfänger nach dem Obergegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a monolithically integrated Photo receiver according to the preamble of claim 1.
Photoempfänger gemäß der Erfindung sind für Meß- oder Nachrichtenübertragungssysteme geeignet. Vorbekannte Lösungen von monolithisch integrierten optoelektronischen Empfängerschaltungen sind beispielsweise eine Kombination aus einer PIN-Diode und einem JFET (Junction Field Effect Transistor) auf InGaAs Basis (Lit.: R.E. Nahory, R.F. Leheny, Proc. Soc. Photo-Optical Instrum. Eng. 272 (1981), S. 32-35) oder eine Kombination aus einer PIN-Diode und einem Hetero bipolartransistor aus InP/InGaAsP-Verbindungen. Diese optoelektronischen Empfängerschaltungen haben jedoch den Nachteil, daß sie eine geringe Schaltgeschwindigkeit und hohe Rauschzahlen besitzen.Photo receivers according to the invention are for measuring or Suitable communication systems. Known Solutions of monolithically integrated optoelectronic Receiver circuits are a combination, for example consisting of a PIN diode and a JFET (Junction Field Effect Transistor) based on InGaAs (Lit .: R.E. Nahory, R.F. Leheny, Proc. Soc. Photo-optical instrument. Closely. 272 (1981), pp. 32-35) or a combination of a PIN diode and a hetero bipolar transistor made of InP / InGaAsP connections. These However, optoelectronic receiver circuits have the Disadvantage that they have a low switching speed and have high noise figures.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen schnellschaltenden und rauscharmen monolithisch integrier ten Photoempfänger anzugeben, der insbesondere für einen für die Lichtleitfasertechnik nützlichen Wellenlängenbe reich λ von vorzugsweise 1,3λ1,55 µm geeignet ist.The invention is therefore based on the object of specifying a fast-switching and low-noise monolithically integrated photoreceiver, which is particularly suitable for a wavelength range useful for optical fiber technology λ of preferably 1.3 λ 1.55 μm.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characteristic Part of claim 1 specified features. Advantage sticky refinements and / or further training are the Removable subclaims.
Der monolithisch integrierte Photoempfänger gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß ein schnellschaltender Feldeffekttransistor, dessen Grenzfrequenz im GHz-Bereich liegt, der einen hochohmigen Eingangswiderstand hat und sehr rauscharm ist mit einem optischen Detektor mit hohem Quantenwirkungsgrad und geringem Rauschen kombioniert werden kann.The monolithically integrated photo receiver according to the Invention has the advantage that a fast switching Field effect transistor, the cutoff frequency in the GHz range lies, which has a high-resistance input resistance and is very low noise with an optical detector with high Combined quantum efficiency and low noise can be.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.The invention is described below with reference to exemplary embodiments play explained in more detail with reference to schematic Drawings.
Fig. 1 und Fig. 3 zeigen einen monolithisch integrierten Photoem pfänger, bestehend aus einer PIN-Diode 14 und einem HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 in Mesabauweise. Fig. 1 and Fig. 3 show a monolithically integrated Photoem receiver, consisting of a PIN diode 14 and a HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 in mesa design.
Fig. 2 zeigt einen monolithisch integrierten Photoem pfänger, bestehend aus einer PIN-Diode (14) und einem HEMT (15) in planarer Anordnung. Fig. 2 shows a monolithically integrated Photoem receiver, consisting of a PIN diode ( 14 ) and a HEMT ( 15 ) in a planar arrangement.
Gemäß Fig. 1 ist auf einem halbisolierenden Substrat 5, das z. B. aus InP besteht, eine Heterostruktur-Halbleiter schichtenfolge ausAccording to Fig. 1, on a semi-insulating substrate 5, z. B. consists of InP, a heterostructure semiconductor layer sequence
- - einer n-dotierten Halbleiterschicht 4 aus InP oder InGaAsP mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017-1018 cm-3 und einer Schichtdicke von ungefähr 0,2-0,8 µm,an n-doped semiconductor layer 4 made of InP or InGaAsP with a charge carrier concentration of 10 17 -10 18 cm -3 and a layer thickness of about 0.2-0.8 µm,
- - einer schwach n-dotierten Halbleiterschicht 3 aus InGaAs oder InGaAsP mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 1014-1016 cm-3 und einer Schichtdicke von 1,5-2,5 µm,a weakly n-doped semiconductor layer 3 made of InGaAs or InGaAsP with a charge carrier concentration of 10 14 -10 16 cm -3 and a layer thickness of 1.5-2.5 µm,
- - einer undotierten Halbleiterschicht 2 a aus InP oder InGaAsP oder InAlAs und einer Schichtdicke von unge fähr 5 nm,an undoped semiconductor layer 2 a made of InP or InGaAsP or InAlAs and a layer thickness of approximately 5 nm,
- - einer n-dotierten Halbleiterschicht 2 aus InP oder InGaAsP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 1017-5 · 1018 cm-3 und einer Schichtdicke von 10-50 nm,an n-doped semiconductor layer 2 made of InP or InGaAsP or InAlAs with a charge carrier concentration of 10 17 -5 · 10 18 cm -3 and a layer thickness of 10-50 nm,
- - einer p-dotierten Halbleiterschicht 1 aus InP oder InGaAsP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 1017-1019 cm-3 und einer Schichtdicke von 10-500 nm- A p-doped semiconductor layer 1 made of InP or InGaAsP or InAlAs with a charge carrier concentration of 10 17 -10 19 cm -3 and a layer thickness of 10-500 nm
aufgewachsen.grew up.
Alternativ zu der oben beschriebenen Heterostruktur-Halb leiterschichtenfolge kann beispielsweise eine Halbleiter schichtenfolge erzeugt werden, Alternative to the heterostructure half described above The semiconductor layer sequence can be, for example, a semiconductor layer sequence are generated,
- - die anstatt der Halbleiterschicht 4 lediglich im Bereich der PIN-Diode 14 eine in das Substrat 5 n-implantierte Zone 4 a mit einer Ladungsträgerkonzen tration von 10¹⁷-1018 cm-3 und einer Tiefe von 0,1-0,8 µm besitzt (Fig. 3)- Instead of the semiconductor layer 4 only in the area of the PIN diode 14 has a n-implanted zone 4 a in the substrate 5 a with a charge carrier concentration of 10¹⁷-10 18 cm -3 and a depth of 0.1-0.8 µm ( Fig. 3)
- - und/oder in die anstatt den Halbleiterschichten 2, 2 a ein Übergitter aus gitterangepaßten Materialien wie InAlAs/InGaAs oder InP/InGaAsP oder aus gitterfehlan gepaßten Materialien, deren Schichtdicke jeweils unterhalb einer kritischen Schichtdicke liegen, wie z. B. GaP, GaAs oder InAlAs, eingebaut ist.- And / or in the instead of the semiconductor layers 2, 2 a a superlattice made of lattice-matched materials such as InAlAs / InGaAs or InP / InGaAsP or lattice-mismatched materials, the layer thickness of which is below a critical layer thickness, such as. B. GaP, GaAs or InAlAs, is installed.
An der Heterogrenzfläche der Halbleiterschichten 2, 3 entsteht ein zweidimensionaler Elektronengaskanal. Dabei werden die Elektronen im wesentlichen in der Halbleiter schicht 3 geführt.A two-dimensional electron gas channel is formed on the hetero-interface of the semiconductor layers 2, 3 . The electrons are essentially guided in the semiconductor layer 3 .
Als Dotierstoffe für p-Dotierung werden beispielsweise Be, Mg oder Zn und für n-Dotierung Si, S oder Sn verwendet. Die durch Ionenimplantation entstandenen Schäden im Kristall werden durch einen Temperprozeß ausgeheilt.As dopants for p-doping, for example, Be, Mg or Zn and used for n-doping Si, S or Sn. The damage caused by ion implantation in the Crystals are annealed through an annealing process.
Nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten werden die gewünschten elektronischen Bauelemente durch die in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren erzeugt. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 3 ist ein Pho toempfänger aus einer PIN-Diode 14 und ein HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 aus der gleichen Halblei terschichtenfolge in Mesabauweise aufgebaut. After the semiconductor layers have grown, the desired electronic components are produced by the methods customary in semiconductor technology. In the embodiments according to FIGS. 1 and Fig. 3 is a Pho toempfänger of a PIN diode 14 and a HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 is from the same semiconducting terschichtenfolge built in mesa.
Durch Ionenimplantation werden im Bereich des HEMT 15 nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten n-leitende Gebiete 6 und 6 a erzeugt, die eine Ladungsträgerkonzentration von 1017-1019 cm -3 aufweisen. Die n-leitenden Gebiete 6 und 6 a verlaufen senkrecht zu den Halbleiterschichten 1 bis 3 und sind mit sperrfreien Kontakten 7, 8 verbunden. Die sperr freien Kontakte 7, 8 bilden den Source- bzw. Drain-Anschluß und bestehen z. B. aus einer Au/Ge-Legierung. Die Steuer elektrode 9, der sog. Gate-Anschluß, ist ein sperrender oder sperrfreier metallischer Kontakt, der auf der p-do tierten Halbleiterschicht 1 angebracht ist.Ion implantation produces n-type regions 6 and 6 a in the area of the HEMT 15 after the growth of the semiconductor layers, which have a charge carrier concentration of 10 17 -10 19 cm -3 . The n-type regions 6 and 6 a run perpendicular to the semiconductor layers 1 to 3 and are connected to non-blocking contacts 7, 8 . The lock-free contacts 7, 8 form the source or drain connection and exist z. B. from an Au / Ge alloy. The control electrode 9 , the so-called. Gate connection, is a blocking or non-blocking metallic contact which is attached to the p-do semiconductor layer 1 .
Die Elektroden 10, 11 der PIN-Diode 14 in Mesabauweise sind beispielsweise ringförmig angeordnet, wobei die erste Elektrode 11 die p-dotierte Halbleiterschicht 1 und die zweite Elektrode 10 entweder die n-dotierte Halbleiter schicht 4 oder die in das Substrat 5 n-implantierten Zone 4 a kontaktieren.The electrodes 10, 11 of the PIN diode 14 in mesa design are arranged in a ring, for example, the first electrode 11 the p-doped semiconductor layer 1 and the second electrode 10 either the n-doped semiconductor layer 4 or the n-implanted in the substrate 5 Contact zone 4 a .
Die Elektroden 10, 11 sind sperrfreie metallische Kontakte und sind beispielsweise aus einer Au/Ge- oder Au/Zn-Legie rung hergestellt.The electrodes 10, 11 are non-blocking metallic contacts and are made, for example, of an Au / Ge or Au / Zn alloy.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt die gleiche Heterostruktur-Schichtenfolge wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Jedoch sind PIN-Diode 14 und HEMT 15 planar ausgebildet. Für eine planare Bauform ist auch eine Halb leiterschichtenfolge gemäß Fig. 3 geeignet. Die elektri schen Anschlüsse des HEMT 15 und der PIN-Diode 14 sind in einer Ebene angeordnet. Die Kontaktierung der zweiten Elektrode 10 der PIN-Diode 14 mit der n-leitenden Halblei terschicht 4 bzw. mit der in das Substrat 5 n-implantier ten Zone 4 a erfolgt durch ein senkrecht zu den Halbleiter schichten 1 bis 3 n-implantiertes Gebiet 13.The exemplary embodiment according to FIG. 2 has the same heterostructure layer sequence as the exemplary embodiment according to FIG. 1. However, the PIN diode 14 and HEMT 15 are planar. A semiconductor layer sequence according to FIG. 3 is also suitable for a planar design. The electrical connections of the HEMT 15 and the PIN diode 14 are arranged in one plane. The contacting of the second electrode 10 of the PIN diode 14 with the n -conducting semiconductor layer 4 or with the n-implanted zone 4 a in the substrate 5 takes place through a perpendicular to the semiconductor layers 1 to 3 n-implanted region 13 .
Ein Isolationsgebiet 12, das senkrecht zu den Halblei terschichten 1, 2 verläuft und bis in die Halbleiterschicht 3 reicht, trennt die Elektroden 10, 11 der PIN-Diode 14. Ein weiteres Isolationsgebiet 12 a, senkrecht zu der Halb leiterschichtenfolge, grenzt PIN-Diode 14 und HEMT 15 voneinander ab. Die Isolationsgebiete 12, 12 a werden entweder durch Ionenimplantation, z. B. mit Fe, oder durch geeignete Ätz- und anschließende Auffülltechniken, z. B. mit Polyimid, hergestellt.An insulation region 12 , which extends perpendicularly to the semiconductor layers 1, 2 and extends into the semiconductor layer 3 , separates the electrodes 10, 11 of the PIN diode 14 . Another insulation region 12 a , perpendicular to the semiconductor layer sequence, delimits PIN diode 14 and HEMT 15 from each other. The isolation regions 12, 12 a are either by ion implantation, for. B. with Fe, or by suitable etching and subsequent filling techniques, for. B. with polyimide.
Die elektrischen Kontakte von PIN-Diode 14 und HEMT 15 sind z. B. über metallische Leiterbahnen in geeigneter Weise miteinander verbunden.The electrical contacts of PIN diode 14 and HEMT 15 are e.g. B. connected via metallic conductor tracks in a suitable manner.
Vorteilhafterweise wird die Kompatibilität von PIN-Diode 14 und HEMT 15 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photoempfängers dadurch erreicht, daß die Halbleiter schicht 3 The compatibility of PIN diode 14 and HEMT 15 for producing a photo receiver according to the invention is advantageously achieved in that the semiconductor layer 3
- - schwach n-dotiert ist und somit als Absorptionsschicht der PIN-Diode 14 dient,is weakly n-doped and thus serves as an absorption layer of the PIN diode 14 ,
- - einen geringen Bandabstand als die Halbleiterschich ten 2, 2 a besitzt, damit sich im HEMT 15 in der Halbleiterschicht 3 ein Potentialtopf ausbildet, in dem sich die Elektronen quasi-frei bewegen können,has a small band gap than the semiconductor layers 2, 2 a , so that a potential well is formed in the semiconductor layer 3 in the HEMT 15 , in which the electrons can move quasi-freely,
- - eine geeignete Schichtdicke von ungefähr 2 µm besitzt, so daß die Photonen vollständig absorbiert werden.has a suitable layer thickness of approximately 2 μm, so that the photons are completely absorbed.
Die Steuerelektrode 9 des HEMT 15, die auf der p-dotierten Halbleiterschicht 1 aufgebracht ist, bildet ein sog. p-Gate. Dieses p-Gate hat den Vorteil, daß die Sperreigen schaften der Steuerelektrode 9 verbessert werden, da die Halbleiterschichten 1, 2 einen p-n-Übergang bilden, an dessen Grenzfläche eine Raumladungszone entsteht. Deshalb ist es möglich, Halbleitermaterialien mit geringem Bandab stand, die sich für Schottky-Kontakte als Gate nur schlecht eignen, zur Herstellung des erfindungsgemäßen Photoempfän gers zu verwenden.The control electrode 9 of the HEMT 15 , which is applied to the p-doped semiconductor layer 1 , forms a so-called p-gate. This p-gate has the advantage that the barrier properties of the control electrode 9 are improved since the semiconductor layers 1, 2 form a pn junction, at the interface of which a space charge zone is formed. Therefore, it is possible to use semiconductor materials with a low Bandab, which are only poorly suited for Schottky contacts as a gate, for producing the photodetector according to the invention.
Außerdem ist durch die an der Grenzfläche der Halbleiter schichten 1, 2 ausgebildete Raumladungszone ein Durchgriff durch die extrem dünnen Halbleiterschichten 2, 2 a zur Absorptionsschicht 3 möglich. Im Falle der PIN-Diode 14 werden durch geeignete Vorspannung dadurch die freien Ladungsträger aus der Halbleiterschicht 3 entfernt.In addition, through the space charge zone formed at the interface of the semiconductor layers 1, 2 , penetration through the extremely thin semiconductor layers 2, 2 a to the absorption layer 3 is possible. In the case of the PIN diode 14 , the free charge carriers are thereby removed from the semiconductor layer 3 by suitable biasing.
Monolithisch integrierte Photoempfänger gemäß der Erfin dung lassen sich mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie oder der chemischen Gasphasen-Epitaxie aus metallorgani schen Verbindungen herstellen.Monolithically integrated photo receivers according to the Erfin with the help of molecular beam epitaxy or chemical vapor phase epitaxy from organometallic make connections.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere Mate rialkombinationen anwendbar.The invention is not based on the embodiment described examples limited, but analogously to other mate rial combinations applicable.
Claims (10)
- - daß der Feldeffekttransistor als HEMT (15) ausgebil det ist,
- - daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) aus einer gleichen Heterostruktur-Halbleiterschichtenfolge hergestellt sind,
- - daß die oberste Halbleiterschicht (1) p-dotiert ist, und
- - daß die Steuerelektrode (9) des HEMT (15) und eine erste Elektrode (11) der PIN-Diode (14) auf der p-dotierten Halbleiterschicht (1) aufgebracht sind.
- - That the field effect transistor is designed as a HEMT ( 15 ),
- - That the PIN diode ( 14 ) and HEMT ( 15 ) are made from the same heterostructure semiconductor layer sequence,
- - That the top semiconductor layer ( 1 ) is p-doped, and
- - That the control electrode ( 9 ) of the HEMT ( 15 ) and a first electrode ( 11 ) of the PIN diode ( 14 ) are applied to the p-doped semiconductor layer ( 1 ).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLER-BENZ AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, D |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8131 | Rejection |