DE3732626A1 - Photo-lasertransistor - Google Patents

Photo-lasertransistor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Photo-Lasertransistor mit einem in Sperrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-PN-Übergang und einem in Flußrichtung vorgespannten Basis-Emitter-PN-Übergang.
Sowohl Photo- als auch Lasertransistoren sind bekannt. Eine neue Anwendungsmöglichkeit für einen Avalanche Phototransistor, und zwar als optischer Komparator, ist in der Zeitschrift IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. ED-30, No. 4, April 1983, Seiten 408 bis 411 beschrieben. Die Wirkungsweise eines InGaAsP/InP-Lasertransistors geht beispielsweise aus der Veröffentlichung in Appl.Phys.Lett. 47(7), 1. October 1985, Seiten 649 bis 651 als bekannt hervor.
Mit zunehmender Miniaturisierung in der Optoelektronik wächst das Bestreben, komplexe Mikrosysteme, bestehend aus Sensorik, Logik und Aktuatorik, in einer möglichst weitgehend integrierten Form aufzubauen. So sind beispielsweise integrierte optische Bauelemente bekannt, bei denen ein Phototransistor mit einem InGaAsP/InP-Heteroübergang mit einer Lumineszenzdiode (LED) kombiniert ist (JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGIE, Vol.LT 3, No. 6, Dezember 1985, Seiten 1264 bis 1269).
Weiterhin sind Halbleiterbauelemente zum Aufbereiten von optischen Datensignalen hinsichtlich Amplitude und Pulsader, sogenannte optische Repeater, bekannt, und zwar in Form von hybriden Repeatern oder in Form eines optoelektronisch integrierten Repeaters, wobei mehrere Halbleiterbauelemente, wie z. B. Photodiode, Transistoren, Laserdiode, monolithisch integriert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionen der optisch elektrischen bzw. elektrisch optischen Wandlung, der Verstärkung und insbesondere die eines optischen Repeaters mittels eines einzigen Halbleiterbauelementes zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Photo-Lasertransistor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
Mit der Erfindung wird die Funktion des optischen Repeaters mit Hilfe eines einzigen Bauelements realisiert. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen Phototransistor (Kollektor-Basis-Diode in Sperrichtung als Photodetektor), wobei der Emitter-Basis-PN- Übergang als Laserdiode ausgebildet ist. Diese Laserdiode wird mit Hilfe eines Basis-Vorstroms bis etwa an die Schwelle I th gesteuert. Der Reststrom, der die Laserdiode zum Lasen bringt, wird durch den (avalancheverstärkten) Photostrom des Basis- Kollektor-Übergangs aufgebracht.
Wesentlich ist dabei die Zusammenfassung von drei Funktionen, und zwar der optisch elektrischen Wandlung, der Verstärkung (Transistoreffekt, Avalanche-Effekt, Laser) und der elektrisch optischen Wandlung in einem einzigen Bauelement.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Photo-Lasertransistor zum Ausüben folgender Funktionen einsetzbar ist:
  • - Als optischer Repeater bzw. optischer Verstärker.
    Zum Repeaten von optischen Datensignalen hinsichtlich Amplitude und Pulsdauer durch entsprechende Wahl der Basisgleichspannung. Wenn die Laserdiode durch den Vorstrom oberhalb der Schwelle I th liegt, dann ist annähernd lineare Verstärkung von ankommenden optischen Signalen möglich, und zwar aufgrund einer als optischer Sensor ausgeübten Funktion des Bauelements.
  • - Als Wellenlängen-Konverter.
    Die Wellenlängenkonvertierung wird dabei durch geeignete Wahl der Materialzusammensetzung des Halbleiterbauelements ermöglicht.
  • - Als Grundbaustein für optische Logik.
    Je nach Vorstrom ist eine UND bzw. ODER Funktion möglich.
  • - Als opto-elektrischer Schalter.
    Das Bauelement kann sowohl als optischer Empfänger als auch optischer Sender eingesetzt werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist als Anschlußbaustein für optischen Bus: Das Signal kann elektrisch gelesen werden.
Ein erfindungsgemäßer Phototransistor weist vorzugsweise folgenden Aufbau auf:
Als Ausgangsmaterial wird ein n⁺-GaAs Grundsubstrat verwendet. Darauf epitaktisch aufgebrachtes n--GaAs als Kollektor bildet die Raumladungszone (RLZ) und die Beschleunigungsstrecke für den Avalanche-Effekt (möglicherweise muß noch eine dünne n⁺-GaAs- Kollektorschicht als Multiplikations-Zone aufgebracht werden). Epitaktisch aufgebrachtes p-GaAlAs als Basis bildet die 'Confining- Layer' für den Laser. Die aktive Laserzone wird durch p⁺-GaAs gebildet. Der n⁺-GaAlAs-Emitter stellt sowohl die 'Confining-Layer' für den Laser als auch die 'Confining-Layer' für die Ladungsträger (Löcher) in der Basis dar (Wide-Band-Gap- Emitter). Zweckmäßig ist im Grundsubstrat eine Rückseitenätzgrube zur Faserankopplung vorgesehen, um eine möglichst hohe absorbierte Lichtleistung am lichtempfangenden PN-Übergang zu erreichen. Emitter- und Basisdotierung sind so abzustimmen, daß die Inversionsbedingung für den Laser erfüllt ist: W FN - W Fp ≦λτ W a (Quasiferminiveau des n⁺-Emitters minus Quasiferminiveau der p⁺-Basis größer als Bandabstand der aktiven Zone).
Neben dieser für Licht einer Wellenlänge λ = 850 nm geeigneten Variante ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine InP- Variante für Licht in einem Wellenlängenbereich von 1300 nm bis 1550 nm realisierbar. Im Prinzip gilt dabei dasselbe wie für die GaAs-Variante, wobei auf eine Rückseitenätzung aufgrund des größeren Bandabstandes des InP-Substrates verzichtet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch die Kombination von GaAs-Emitter und GaAs-aktive Basiszone, Ge- Basis und Si-Kollektor für einen Wellenlängenbereich von 800 nm bis 900 nm realisierbar.
Das verwendete Si-Substrat weist dabei eine Rückseitenätzung auf. Der Si-Kollektor als Lichtabsorber und Beschleunigungsraumladungszone (RLZ) ist n--dotiert. Eine p-Ge-Basis-Schicht ist zur Gitteranpassung an die p-GaAlAs-Basis vorgesehen, die auch als 'Confining-Layer' für den Laser dient. Ein p⁺-GaAs-Bereich bildet die aktive Zone für den Laser. Der n⁺-GaAlAs-Emitter dient als Licht und Ladungsträger-'Confining-Layer'. Schließlich muß die Laser-Bedingung erfüllt sein.
Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung weiter erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Photo-Lasertransistor im Schnitt,
Fig. 2 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Photo-Lasertransistors im Schnitt.
Der in Fig. 1 dargestellte Photo-Lasertransistor besteht in einer ersten Variante aus einem n⁺-GaAs- oder - als zweite Variante - aus einem n⁺-InP-Grundsubstrat 1. Im folgenden sind erste (GaAs-) und zweite (InP-) Variante durch einen Schrägstrich unterschieden. Auf das n⁺-GaAs/InP-Grundsubstrat 1 ist eine n--GaAs/InP-Schicht als Kollektor 2 aufgebracht, welche die Raumladungszone und Beschleunigungsstrecke für den Verstärkungseffekt bildet. Epitaktisch darauf aufgebrachtes p-GaAlAs/ InGaAsP bildet als Basis 3 die eine Grenzschicht ('confining- layer') der aus p⁺-GaAs/InP bestehenden laseraktiven Basiszone 4. Eine epitaktisch darauf aufgebrachte n⁺-GaAlAs/InGaAsP- Schicht bildet als Emitter 5 sowohl die andere Grenzschicht ('confining-layer') der laseraktiven Basiszone 4 als auch die Grenzschicht ('confining-layer') für die Ladungsträger der Basis 3. Die Dotierung von Emitter 5 und Basis 3 sind dabei so abgestimmt, daß die Inversionsbedingung für die Laserdiode erfüllt ist. Das Grundsubstrat 1 ist mit dem Kollektorkontakt 7 versehen. Die Basis 3 weist einen Basiskontakt 8 und der Emitter 5 einen Emitterkontakt 9 auf.
Zum Verringern der Verluste des einfallenden bzw. mittels eines Lichtwellenleiters einzukoppelnden Lichtes ist im n⁺-Grundsubstrat 1 eine, in den Figuren gestrichelt angedeutete, Rückseitenätzgrube 10 vorgesehen, die sich materialabhängig bzw. in Abhängigkeit von der wellenlängenbedingten Eindringtiefe des einfallenden Lichtes bis in den Bereich des lichtempfangenden Basis- Kollektor-PN-Überganges 3, 2 erstreckt. Bei der zweiten (InP-)Variante kann auf die Rückseitenätzgrube 10 aufgrund des größeren Bandabstandes des InP-Grundsubstrates 1 verzichtet werden, ohne wesentliche Lichtverluste in Kauf nehmen zu müssen.
Der in Fig. 2 als weitere (dritte) Variante dargestellte Photo- Lasertransistor besteht aus einem n⁺-Si-Grundsubstrat 1, das eine epitaktisch darauf aufgebrachte n--Si-Schicht als Kollektor 2 aufweist, welche die Raumladungszone und Beschleunigungsstrecke für den Verstärkungseffekt bildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Schicht, und zwar eine p-Ge- Basisschicht 6 zur Gitteranpassung an die p-GaAlAs-Schicht vorgesehen, die als Basis 3 die eine Grenzschicht ('confining- layer') der aus p⁺-GaAs bestehenden laseraktiven Basiszone 4 bildet. Darauf ist als Emitter 5 eine n⁺-GaAlAs-Schicht epitaktisch aufgebracht, welche sowohl die andere Grenzschicht ('confining-layer') der laseraktiven Basiszone 4 als auch die Grenzschicht ('confining-layer') für die Ladungsträger der Basis 3 bildet. Emitter- und Basisdotierung sind so abgestimmt, daß die Inversionsbedingung für die Laserdiode erfüllt ist. Emitter 5 bzw. Basis 3 sind wiederum mit einem Kontakt 9 bzw. 8 und das Grundsubstrat 1 mit dem Kollektorkontakt 7 versehen. Außerdem ist es zweckmäßig, bei diesem Ausführungsbeispiel im Grundsubstrat 1 eine Rückseitenätzgrube 10 vorzusehen.

Claims (5)

1. Photo-Lasertransistor mit einem in Sperrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-PN-Übergang und einem in Flußrichtung vorgespannten Basis-Emitter-PN-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-PN-Übergang (4, 5) als Laserdiode ausgebildet ist, daß die Laserdiode mittels eines Basis-Vorstromes bis ungefähr an ihren Schwellenwert gesteuert ist, und daß der zum Überschreiten des Schwellenwertes aufzubringende Reststrom von dem verstärkten Photostrom des Basis- Kollektor-PN-Überganges (3, 2) herrührt.
2. Photo-Lasertransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photo-Lasertransistor aus einem n⁺-GaAs-Grundsubstrat (1) besteht, daß epitaktisch aufgebrachtes n--GaAs als Kollektor (2) die Raumladungszone und Beschleunigungsstrecke für den Verstärkungs-Effekt bildet, daß epitaktisch darauf aufgebrachtes p-GaAlAs als Basis (3) die eine Grenzschicht der aus p⁺-GaAs bestehenden laseraktiven Basiszone (4) bildet, daß epitaktisch darauf aufgebrachtes n⁺- GaAlAs als Emitter (5) sowohl die andere Grenzschicht der laseraktiven Basiszone (4) als auch die Grenzschicht für die Ladungsträger der Basis (3) bildet, und daß die Emitter- und Basisdotierung so abgestimmt sind, daß die Inversionsbedingung für die Laserdiode erfüllt ist.
3. Photo-Lasertransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photo-Lasertransistor aus einem n⁺-InP-Grundsubstrat (1) besteht, daß epitaktisch aufgebrachtes n--InP als Kollektor (2) die Raumladungszone und Beschleunigungsstrecke für den Verstärkungs-Effekt bildet, daß epitaktisch darauf aufgebrachtes p-InGaAsP als Basis (3) die eine Grenzschicht der aus p⁺-InP bestehenden laseraktiven Basiszone (4) bildet, daß epitaktisch darauf aufgebrachtes n⁺- InGaAsP als Emitter (5) sowohl die andere Grenzschicht der laseraktiven Basiszone (4) als auch die Grenzschicht für die Ladungsträger der Basis (3) bildet, und daß die Emitter- und Basisdotierung so abgestimmt sind, daß die Inversionsbedingung für die Laserdiode erfüllt ist.
4. Photo-Lasertransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photo-Lasertransistor aus einem n⁺-Si-Grundsubstrat (1) besteht, daß eine epitaktisch darauf aufgebrachte n--Si-Schicht als Kollektor (2) die Raumladungszone und Beschleunigungsstrecke für den Verstärkungs-Effekt bildet, daß eine p-Ge-Basis-Schicht (6) zur Gitteranpassung an eine p-GaAlAs-Schicht vorgesehen ist, die als Basis (3) die eine Grenzschicht der aus p⁺-GaAs bestehenden laseraktiven Basiszone (4) bildet, daß eine epitaktisch darauf aufgebrachte n⁺- GaAlAs-Schicht als Emitter (5) sowohl die andere Grenzschicht der laseraktiven Basiszone (4) als auch die Grenzschicht für die Ladungsträger der Basis (3) bildet, und daß die Emitter- und Basisdotierung so abgestimmt sind, daß die Inversionsbedingung für die Laserdiode erfüllt ist.
5. Photo-Lasertransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verringern der Verluste des einfallenden bzw. mittels eines Lichtwellenleiters einzukoppelnden Lichtes im n⁺-Grundsubstrat (1) eine Rückseitenätzgrube (10) vorgesehen ist, die sich materialabhängig bis in den Bereich des lichtempfangenden Basis-Kollektor-PN- Überganges (3, 2) erstreckt.
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