DE3712864C2 - Monolithisch integrierter Photoempfänger - Google Patents

Monolithisch integrierter Photoempfänger

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Description

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Photoempfänger, bestehend aus einem Substrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge aufgebracht ist, die lateral beabstandet zumindest eine PIN-Diode sowie zumindest einen Feldeffekttransistor, der eine Heterostruktur-Halbleiterschichtenfolge aufweist, enthält und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge des Photoempfängers nach Anspruch 10.
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 sowie GB 2 168 528 A) oder eine Kombination aus einer PIN-Diode und einem Heterobipolartransistor aus InP/InGaAsP-Verbindungen. Ebenso finden sich derartige Strukturen in planarer Anordnung auf InGaAs-Basis (Lit.: Integrated InGaAs pin-FET Photoreceiver, Electronics Letters, Vol. 16, No. 10 (1980), S. 353-354).
Diese optoelektronischen Empfängerschaltungen haben jedoch den Nachteil, daß sie eine geringe Schaltgeschwindigkeit und hohe Rauschzahlen besitzen.
In der Schrift EP 0 133 709 A2 ist ein integrierter Photoempfänger in Mesabauweise be­ schrieben, bei dem eine PIN-Diode das Gate eines Feldeffekttrasistors ansteuert. Der PIN-Diode und dem lateral benachbarten Feldeffekttransistor liegen dieselben Halbleiterschichten zugrunde. Die beiden Halbleiterbauelementen gemeinsamen Schichten haben jedoch den Nachteil, dass es nicht gelingen kann, die Schichtfolge in einer optimalen Weise für beide Bauelemente zu gestalten. So verlaufen beispielsweise gerade die einen Elektronenkanal bildenden n-dotierten Schichten des Feldeffekttransistors auch unmittelbar inmitten des intrinsischen Bereichs der PIN- Diode. Ohne die Möglichkeit der Optimierung werden folglich entweder die elektrischen Eigenschaften des Transistors oder der Diode beeinträchtigt.
Desweiteren in Mesabauweise ist in der Veröffentlichung Miura et al. (A Monolithically Integrated AlGaAs/GaAs pin-FET Photoreceiver by MOCVD, IEEE Elec. Dev. Lett., Vol. EDL-4, No. 10 (1983), S. 375f) ein integrierter Photoempfänger beschrieben, bei dem ebenfalls eine PIN-Diode das Gate eines Feldeffekttrasistors ansteuert. Die PIN-Diode und der lateral benachbarte Feldeffekttransistor haben allerdings keine gemeinsamen Halbleiterschichten, wodurch ein aufwendiger Schichtaufbau übereinander liegender Halbleiterschichten zur Realisierung der Diode und des Transistors erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen schnellschaltenden und rauscharmen monolithisch integrierten Photoempfänger und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge des Photoempfängers anzugeben, der auch für einen Einsatz in der Lichtleitfasertechnik geeignet ist.
Die Erfindung wird beschrieben durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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 kombiniert werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen monolithisch integrierten Photoempfänger bestehend aus einer PIN-Diode 14 und einem HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 in Mesabauweise.
Fig. 3 zeigt einen monolithisch integrierten Photoempfänger bestehend aus einer PIN-Diode (14) und einem HEMT (15), die quasi-planar angeordnet sind.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist auf einem Substrat 5, das z. B. aus halbisolierendem InP besteht, im Bereich der PIN-Diode 14 eine n-leitende Zone implantiert mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017-5 . 1018 cm-3 und einer Tiefe von 10-300 nm. Auf das halbisolierende Substrat 5 ist eine Heterostruktur- Halbleiterschichtenfolge aus
  • - einer n---dotierten Halbleiterschicht 3 aus InGaAs mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1014-1016 cm-3 und einer Schichtdicke von 2- 3 µm,
  • - einer undotierten Halbleiterschicht 2a aus InP oder InGaAsP oder InAlAs und einer Schichtdicke von ungefähr 0-20 nm,
  • - einer n+-dotierten Halbleiterschicht 2 aus InP oder InGaAsP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017-1018 cm-3 und einer Schichtdicke von 20 bis 100 nm,
  • - einer n++-dotierten Halbleiterschicht 1 aus InGaAs oder InGaAsP oder InP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1018-6 . 1018 cm-3 und einer Schichtdicke von 0-100 nm aufgewachsen.
Verwendet man beispielsweise ein halbisolierendes GaAs-Substrat mit n-leitender Zone 4, so besteht vorzugsweise die n---dotierte Halbleiterschicht 3 aus GaAs oder InxGa1-xAs (x < 0,1), die undotierte Halbleiterschicht 2a aus GaAs oder GaAlAs, die n+-dotierte Halbleiterschicht 2 aus GaAlAs und die n++-dotierte Halbleiterschicht 1 aus GaAs. Die Dotierkonzentrationen und Schichtdicken entsprechen dem oben genannten Ausführungsbeispiel.
Die "+" oder "-" Bezeichnung bei der Dotierkonzentration gibt die Stärke der Dotierung an: "+" bedeutet starke und "-" schwache Dotierung.
Alternativ zu der oben beschriebenen Heterostruktur-Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge erzeugt werden, in die anstatt der n+- dotierten Halbleiterschicht 2, und der undotierten Halbleiterschicht 2a ein Übergitter aus gitterangepaßten Materialien wie z. B. InAlAs/InGaAs, InAlAs/InGaAsP, InP/InGaAs, InP/InGaAsP bzw. InP/InAlAs oder aus gitterfehlangepaßten Materialien, die unterhalb einer kritischen Schichtdicke liegen, wie z. B. GaP, GaAs, InAs, InAlAs oder InAlAsP, eingebaut ist.
An der Heterogrenzfläche der undotierten Halbleiterschicht 2a und der n---dotierten Halbleiterschicht 3 entsteht ein zweidimensionales Elektronengas. Dabei werden die Elektronen im wesentlichen in der n---dotierten Halbleiterschicht 3 geführt.
Als Dotierstoff 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 anschließenden Temperprozeß ausgeheilt.
In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Photoempfänger aus einer PIN-Diode 14 und ein HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 aus der gleichen Halbleiterschichtenfolge in Mesabauform hergestellt. Die n++-dotierte Halbleiterschicht 1, die n+-dotierte Halbleiterschicht 2 und die undotierte Halbleiterschicht 2a werden im Bereich der PIN-Diode 14 durch geeignete Ätzverfahren entfernt. In der verbleibenden n---dotierten Halbleiterschicht 3 der PIN-Diode 14 wird ein p-leitendes Gebiet 12 durch Ionenimplantation oder Diffusion mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017-1019 cm-3 und einer Schichtdicke von 0,1- 0,5 µm erzeugt. Die Elektroden 10 und 13 der PIN-Diode 14 sind beispielsweise ringförmig angeordnet. Die erste Elektrode 13 ist mit dem p-leitenden Gebiet 12 und die zweite Elektrode 10 mit der in das Substrat 5 n-implantierten Zone 4 kontaktiert. Die Elektroden 10, 13 sind sperrfreie metallische Kontakte, die beispielsweise aus einer Au/Ge-Legierung hergestellt sind.
Durch Ionenimplantation oder Diffusion werden im Bereich des HEMT 15 nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten n-leitende Gebiete 6, 6a erzeugt mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1016-1015 cm-3. Die n-leitenden Gebiete 6, 6a verlaufen senkrecht zu den Halbleiterschichten 1 bis 3 und sind mit sperrfreien Kontakten 7, 8 verbunden. Die Kontakte 7, 8 bilden den Source- und Drain-Anschluß und bestehen z. B. aus einer Au/Ge-Legierung. Im Bereich der Steuerelektrode 9 des HEMT 15 ist die n++-dotierte Halbleiterschicht 1 weggeätzt und die Steuerelektrode 9 kontaktiert die n+-dotierte Halbleiterschicht 2. Die Steuerung der Raumladungszone, die sich unterhalb der Elektrode 9 ausbildet, erfolgt über einen sperrenden metallischen Kontakt. Zur Verbesserung der Sperreigenschaften der Steuerelektrode 9 ist es vorteilhaft, die Dotierung der n+-leitenden Halbleiterschicht 2 in vertikaler Richtung zu variieren, derart, daß die Dotierkonzentration zur n++-dotierten Halbleiterschicht 1 auf Null abnimmt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt den gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Jedoch wird in der n++-dotierten Halbleiterschicht 1 im Bereich der Steuerelektrode 9 durch Ionenimplantation oder Diffusion ein p- leitendes Gebiet 12a mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1016-1018 cm-3 erzeugt. Es entsteht ein sog. p-Gate, das durch einen p-n-Übergang, der sich beispielsweise an der Grenzfläche der n-leitenden Halbleiterschichten 1 oder 2 und des p-leitenden Gebietes 12a ausbildet, zur Verbesserung der Sperreigenschaften der Steuerelektrode 9 beiträgt. Es ist deshalb möglich, Halbleitermaterialien mit geringem Bandabstand zu verwenden, auf denen Schottky-Kontakte sonst nicht herstellbar sind. Wird anstelle der n++-dotierten Halbleiterschicht 1 eine p-dotierte Halbleiterschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017-1019 cm-3 und einer Schichtdicke von 2-10 nm aufgetragen, so erhält man ebenfalls ein p-Gate der oben beschriebenen Art.
Eine weitere Ausführungsform des Photoempfängers erhält man durch eine quasi- planare Anordnung von PIN-Diode 14 und HEMT 15 (Fig. 3). Die Elektrode 10a der PIN- Diode 14 ist durch ein n-implantiertes Gebiet 17 mit der n-leitenden Zone 4 verbunden. Ein erstes Isolationsgebiet 16, das senkrecht zu der n---dotierten Halbleiterschicht 3 verläuft, trennt die Elektroden 10a, 13 der PIN-Diode 14. Ein zweites Isolationsgebiet 16a, das senkrecht zur n---dotierten Halbleiterschicht 3 verläuft und bis ins Substrat 5 reicht, grenzt PIN-Diode 14 und HEMT 15 voneinander ab. Die Isolationsgebiete 16, 16a werden entweder durch Ionenimplantation, z. B. mit Fe, oder durch geeignete Ätz- und anschließende Auffülltechniken, z. B. mit Polyimid, hergestellt.
PIN-Diode 14 und HEMT 15 können noch mit einer Passivierungsschicht 11, z. B. aus SiO2, überzogen sein, die auch als Implantationsfenster sowie für die Kontaktstrukturierung geeignet ist.
Die elektrischen Kontakte der PIN-Diode 14 und das HEMT 15 sind beispielsweise über metallische Leiterbahnen in geeigneter Weise miteinander verbunden.
Vorteilhafterweise wird die Kompatibilität von PIN-Diode 14 und HEMT 15 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photoempfängers dadurch erreicht, daß die n--- dotierte Halbleiterschicht 3
  • - als optische Absorptionsschicht der PIN-Diode 14 dient,
  • - eine geeignete Schichtdicke von ungefähr 2 µm besitzt, so daß die Photonen vollständig absorbiert werden,
  • - einen geringeren Bandabstand als die darauf aufgewachsenen Halbleiterschichten 2, 2a besitzt, damit sich im HEMT 15 in der n--dotierten Halbleiterschicht 3 ein Potentialtopf ausbildet, in dem sich die Elektronen quasi frei bewegen können.
Monolithisch integrierte Photoempfänger gemäß der Erfindung lassen sich mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie oder der chemischen Gasphasen-Epitaxie aus metallorganischen Verbindungen herstellen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere Materialkombinationen anwendbar.

Claims (10)

1. Monolithisch integrierter Photoempfänger, bestehend aus einem Substrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge aufgebracht ist, die lateral beabstandet zumindest eine PIN-Diode sowie zumindest einen Feldeffekttransistor, der eine Heterostruktur-Halbleiter­ schichtenfolge aufweist, enthält, wobei
  • - im Bereich der PIN-Diode (14) das Substrat (5) eine n-implantierte Zone (4) enthält,
  • - im Bereich der n-implantierten Zone (4) auf dem Substrat eine n---dotierte Halbleiterschicht (3) angeordnet ist, die die Absorptionsschicht der PIN-Diode (14) bildet,
  • - die dem Substrat abgewandte Oberseite der n---dotierten Halbleiterschicht (3) der PIN-Diode (14) ein p-leitendes Gebiet (12) enthält, auf dem eine erste Elektrode (13) aufgebracht ist,
  • - eine zweite Elektrode (10) der PIN-Diode die n-implantierte Zone (4) kontaktiert,
  • - lateral beabstandet von der PIN-Diode eine Feldeffekttransistor (15) auf dem Substrat (5) angeordnet ist, der aus einer Halbleiterschichtenfolge einer zur n--- dotierten Halbleiterschicht der PIN-Diode identischen n---dotierten Halbleiterschicht (3), einer undotierten Halbleiterschicht (2a), einer n+-dotierten Halbleiterschicht (2) und einer weiteren dotierten Halbleiterschicht (1) besteht, und
  • - der Source- und Drain-Anschluß (7, 8) des Feldeffekttransistors (15) auf n-leitenden Gebieten (6, 6a) auf der weiteren dotieren Halbleiterschicht (1) aufgebracht sind, die senkrecht zu der Halbleiterschichtenfolge (1, 2, 2a, 3) verlaufen und bis in die
  • - n---dotierte Halbleiterschicht (3) reichen.
2. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die n---dotierte Halbleiterschicht (3) einen geringeren Bandabstand besitzt als die darauf im Bereich des als HEMT ausgebildeten Feldeffekttransistors (15) aufgewachsenen Halbleiterschichten (2, 2a), und daß dadurch sich in der n---dotierten Halbleiterschicht (3) ein Potentialtopf ausbildet, in dem sich die Elektronen quasi frei bewegen.
3. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n+-dotierte Halbleiterschicht (2) und die undotierte Halbleiterschicht (2a) als Übergitter ausgebildet sind.
4. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) in Mesabauweise ausgebildet sind.
5. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) quasi-planar angeordnet sind und durch ein zweites Isolationsgebiet (16a), das senkrecht zur n---dotierten Halbleiterschicht (3) verläuft und bis ins Substrat (5) reicht, getrennt sind.
6. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die zweite Elektrode (10a) der PIN-Diode (14) durch ein n-implantiertes Gebiet (17) mit der n-leitenden Zone (4) kontaktiert ist, und
  • - daß die Elektroden (10a, 13) der PIN-Diode (14) durch ein erstes Isolationsgebiet (16) abgegrenzt sind, das senkrecht zur n---dotierten Halbleiterschicht (3) verläuft.
7. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die weitere dotierte Halbleiterschicht (1) n++-dotiert ist und darin ein p- leitendes Gebiet (12a) erzeugt ist, und
  • - daß die Steuerelektrode (9) auf das p-leitende Gebiet (12a) aufgebracht ist.
8. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die weitere dotierte Halbleiterschicht (1) p-dotiert ist, und
  • - daß die Steuerelektrode (9) auf die p-dotierte Halbleiterschicht (1) aufgebracht ist.
9. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß im Bereich der Steuerelektrode (9) die weitere dotierte Halbleiterschicht (1) entfernt ist, und
  • - daß die Steuerelektrode (9) die n+-dotierte Halbleiterschicht (2) kontaktiert.
10. Verfahren zur Herstellung einer Schichtenfolge auf einem Substrat (5) mittels Molekularstrahlepitaxie oder einer chemischen Gasphasenabscheidung für einen monolithisch integrierten Photoempfänger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (5) eine Halbleiterschichtenfolge aus einer n---dotierten Halbleiterschicht (3), einer undotierten Halbleiterschicht (2a), einer n+-dotierten Halbleiterschicht (2) und einer n++-dotierten Halbleiterschicht (1) aufgewachsen wird, die derart strukturiert wird, daß eine PIN-Diode und ein Feldeffekttransistor lateral beabstandet hergestellt werden.
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