DE4100570C2 - Halbleiter-Lichtmodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Lichtmodulator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Halbleiter-Lichtmodulator ist bereits aus der US 4,705,361 bekannt. Dieser bekannte Halbleiter-Lichtmodulator zur Modulation ein­ fallenden Lichts einer bestimmten Wellenlänge enthält:

• - eine Mehrzahl von aufeinanderliegend angeordneten Halbleiter­ schichten, die abwechselnd vom p- und n-Leitfähigkeitstyp sind, wobei jede der Halbleiterschichten denselben Brechungsindex und eine Dicke auf­ weist, die einem oder einem ganzzahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge des zu modulierenden Lichts, geteilt durch den Brechungsin­ dex der Halbleiterschicht, entspricht,
• - einen p-Typ-Bereich, der sich durch die aufeinanderliegenden Halb­ leiterschichten hindurch erstreckt,
• - einen n-Typ-Bereich, der sich durch die aufeinanderliegenden Halb­ leiterschichten hindurch erstreckt und im Abstand zum p-Typ-Bereich liegt,
• - eine erste Elektrode auf und in elektrischem Kontakt mit dem p-Typ- Bereich, und
• - eine zweite Elektrode auf und in elektrischem Kontakt mit dem n- Typ-Bereich.

Ein entsprechender Halbleiter-Lichtmodulator geht auch aus der nicht vorveröffentlichten EP-A2-352 019 hervor.

Aus der US 4,784, 476 ist weiterhin ein Halbleiter-Lichtmodulator mit ei­ nem dotierten Übergitter bekannt, durch das sich ein p-Typ-Bereich und ein daneben liegender n-Typ-Bereich hindurch erstrecken. Diese Bereiche können durch Drähte aus Zinn bzw. aus einer Zink/Zinn-Legierung beste­ hen.

Weiterhin ist aus Appl. Phys. Letters 50 (14), 6.April 1987, Seiten 915 bis 917 ein Halbleiter-Lichtmodulator bekannt, bei dem sich mehrere aufein­ anderliegend angeordnete Halbleiterschichten auf einem Substrat befin­ den. Eine Ätzstoppschicht ist hier nicht vorgesehen.

Die US 4,833,511 offenbart einen Phototransistor, bei dem auf einem n- GaAs-Substrat 10 ein AlGaAs-Kollektor 11 liegt. Auf diesem befinden sich eine AlGaAs-Schicht 12 und darauf eine Quantenwannen-Schichtstruk­ tur.

Nicht zuletzt ist es aus ABC der Optik, K. Mütze et al., herausgegeben Leip­ zig 1961, Seite 737 bekannt, zur Reflexionsminderung Grenzflächen von Halbleitersystemen zu entspiegeln. Ein Halbleiter-Lichtmodulator ist hier im Detail nicht beschrieben.

Es gehören bereits Halbleitereinrichtungen zum Stand der Technik, bei denen Licht zur Lichtmodulation durch eine Mehrfach-Quantenwan­ nen(MQW)-Struktur hindurchgeleitet wird. In einer MQW-Struktur befin­ den sich relativ dünne Quantenwannen-Halbleiterschichten jeweils zwi­ schen Quantenbarrierenschichten. Die Quantenbarrierenschichten wei­ sen größere Energiebandlücken auf als die Quantenwannenschichten. Werden daher die Quantenwannenschichten hinreichend dünn aus­ geführt, besitzen sie beispielsweise eine Dicke von 10 nm oder weniger, so treten quantenmechanische Effekte auf. La­ dungsträger werden innerhalb der Wannen eingeschlossen, während andererseits die Population von Exzitonen gegenüber Festkörper-Halbleitern erheblich vergrößert ist. Im Ergeb­ nis werden Exzitonenresonanzen, Änderungen der effektiven Bandlücken und andere Phänomene erzeugt, die quantenmecha­ nischen Ursprungs sind. Einige dieser Phänomene wurden zur Bildung herkömmlicher Lichtmodulatoren ausgenutzt, wobei auch auf den Einsatz der MQW-Strukturen zurückgegriffen wurde.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine MQW-Struktur von herkömmlichen Lichtmodulatoren. Diese Lichtmodulatoren haben typischerweise eine pin-Typ-Struktur mit einer p-Typ Aluminium-Gallium-Arsenid(AlGaAs)-Schicht 1 und einer n-Typ AlGaAs-Schicht 2, die zwischen sich eine MQW-Struktur 3 einschließen, welche abwechselnd Quantenwannen- und Quan­ tenbarrierenschichten aufweist. Einfallendes Licht 4 tritt zunächst durch die Abdeckschicht 1 und dann durch die MQW- Struktur 3 hindurch, in der die Lichtmodulation stattfin­ det. Schließlich durchdringt das modulierte Licht die Ab­ deckschicht 2 und tritt als modulierter Lichtstrahl 5 aus dem Lichtmodulator aus. Wie die Fig. 4 erkennen läßt, ent­ hält die MQW-Struktur 3 eine Mehrzahl von Paaren von Quan­ tenwannenschichten 31 und Quantenbarrierenschichten 32. Die in Fig. 4 verwendeten Bezugszeichen bestehen aus einer vor­ deren Zahl, die den Typ der Schicht angibt, die also an­ gibt, ob es sich um eine Wanne oder Barriere handelt, und aus einer hinteren Zahl, mit der das jeweilige Schichten­ paar bezeichnet wird. Die Struktur nach Fig. 4 enthält fünfzig derartige Paare von Wannen- und Barrierenschichten, welche üblicherweise halbisolierend sind und jeweils eine Dicke von etwa 10 nm aufweisen. Die MQW-Struktur 3 bildet daher im wesentlichen einen eigenleitenden Körper (vom in­ trinsischen Typ), so daß der Lichtmodulator eine pin-Struk­ tur aufweist. Das einfallende und das modulierte Licht steht im wesentlichen senkrecht zu den Wannen- und Barrie­ renschichten 31 und 32. Die Lichtausbreitung erfolgt also senkrecht zu den jeweiligen Schichtebenen.

Die Schichten 31 und 32 werden zur Bildung der in Fig. 4 gezeigten Struktur durch Aufwachsvorgänge erzeugt, bei­ spielsweise unter Einsatz des MBE-Verfahrens (Molekular­ strahl-Epitaxieverfahren), des MOCVD-Verfahrens (metal or­ ganic chemical vapor deposition method) oder anderer Ver­ fahren, die eine sehr genaue Steuerung der Schichtdicke zu­ lassen. Da jede Schicht nur etwa 20 Atomlagen dick ist, ist eine sehr genaue Prozeßsteuerung erforderlich, damit ab­ wechselnd die jeweiligen Schichten mit der gewünschten Dicke aufwachsen können.

Mit Hilfe der MQW-Struktur lassen sich mehrere Lichtmodula­ tionsmechanismen ausnutzen. Es ist bereits bekannt, daß ei­ ne solche MQW-Struktur eine oder mehrere Exzitonen-Resonan­ zen aufweist. Bei den Wellenlängen dieser Resonanzen steigt die Lichtabsorption scharf an. Ist die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts in Koinzidenz mit einer der Exzitonen- Absorptionsspitzen, so wird ein großer Teil des einfallen­ den Lichts 4 absorbiert und tritt somit nicht als Licht­ strahl 5 aus dem Modulator aus. Die Exzitonen-Absorptions­ spitzen verschieben sich bezüglich der Wellenlänge, wenn die Modulatorstruktur nach Fig. 4 mit Hilfe einer elektri­ schen Spannung in Sperrichtung vorgespannt wird. Weist das einfallende Licht 4 eine Wellenlänge in der Nähe der Exzi­ tonen-Absorptionsspitze auf, so läßt sich durch eine Ände­ rung der Sperr-Vorspannung an der Modulatorstruktur die Wellenlänge der Absorptionsspitze verändern, was ebenfalls eine Änderung des Lichtabsorptionsgrads zur Folge hat. Durch diesen Effekt wird also der aus dem Modulator austre­ tende Lichtstrahl 5 moduliert.

Der in Fig. 4 gezeigte Modulator eignet sich zur Modulation von einfallendem Licht, das eine relativ geringe Intensität aufweist und dessen Wellenlänge in der Nähe der Exzitonen- Absorptionsspitze liegt. Der Modulator wird aber schnell überlastet, wenn die Intensität des einfallenden Lichts zu groß ist. In einem solchen Fall wird nur ein geringer Teil des einfallenden Lichts moduliert, während der verbleibende Rest des Lichts durch den Modulator hindurchtritt, ohne mo­ duliert zu werden. Die präzise Wellenlänge der Exzitonen- Absorptionsspitze variiert darüber hinaus nicht nur mit der Vorspannung, sondern ist auch eine Funktion der Temperatur des Modulators. Diese Temperatur kann sich sowohl in Abhän­ gigkeit der Intensität des einfallenden Lichts als auch in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ändern. Die Tempera­ turabhängigkeit des Modulators kann verringert, jedoch nicht eliminiert werden, wenn Licht moduliert wird, dessen Wellenlänge zur langen Wellenlängenseite der Exzitonen-Ab­ sorptionsspitze verschoben ist.

Zusätzlich zur Ausnutzung des Exzitonen-Absorptionsphäno­ mens lassen sich der Quanten-Stark-Effekt und der innere elektro-optische Effekt des Halbleitermaterials zur Modula­ tion des transmittierten Lichts verwenden. Bei beiden die­ ser Effekte ändert sich jedoch der Brechungsindex des Halb­ leitermaterials in Abhängigkeit des elektrischen Feldes, das im Modulator nach Fig. 4 erzeugt wird, wenn ein elek­ trisches Signal an die Schichten 1 und 2 angelegt wird. Al­ lerdings ist der Grad der Modulation, der mit diesen Effek­ ten erzielt wird, relativ klein, insbesondere dann, wenn die Dicke des Modulators, durch den das Licht hindurch­ tritt, relativ klein ist. Wird die Dicke der Struktur ver­ größert, um den Effekt der Brechungsindexänderung zu erhö­ hen, so wird wiederum ein zu hoher Anteil des einfallenden Lichts absorbiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Halb­ leiter-Lichtmodulator so weiterzubilden, daß er einen hohen Modula­ tionswirkungsgrad aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Halbleiter-Lichtmodulator nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß

• - ein Halbleitersubstrat vorhanden ist, auf dem die genannte Mehrzahl der Halbleiterschichten liegt,
• - zwischen dem Halbleitersubstrat und der genannten Mehrzahl der Halbleiterschichten eine Ätzstoppschicht mit anderen Ätzeigenschaften als das Halbleitersubstrat und die genannte Mehrzahl der Halbleiter­ schichten liegt,
• - sich der p-Typ-Bereich und der n-Typ-Bereich bis in die Ätzstopp­ schicht hinein erstrecken,
• - durch das Halbleitersubstrat ein Lichtdurchgangskanal mit einem Ätzmittel hindurchgeätzt ist, das die Ätzstoppschicht nicht eingreift,
• - durch die Ätzstoppschicht ein sich anschließender Lichtdurch­ gangskanal durch ein Ätzmittel hindurchgeätzt ist, das die Halbleiter­ schicht nicht angreift, und
• - wenigstens innerhalb des Lichtdurchgangskanals ein Antirefle­ xionsfilm auf der ersten Halbleiterschicht der genannten Mehrzahl der Halbleiterschichten liegt.

Beim Betrieb des Halbleiter-Lichtmodulators nach der Erfin­ dung liegt zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine elektrische Vorwärts- oder Rückwärts-Vorspannung. Wird eine Vorwärts-Vorspannung angelegt, so werden Elektronen in die p-Typ-Halbleiterschichten injiziert. Hierdurch verringert sich der Brechungsindex der p-Typ-Halbleiterschichten auf­ grund eines eintretenden Plasmaeffekts. Der Brechungsindex der gesamten Struktur variiert daher in Intervallen eines ganzzahlig Vielfachen von einem Viertel der zu modulieren­ den Wellenlänge. Wird eine Rückwärts-Vorspannung an die Elektroden angelegt, so dehnen sich die Verarmungsbereiche an den Übergängen der jeweiligen Halbleiterschichten vom unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aus, so daß eine Bre­ chungsindexvariation innerhalb der Struktur infolge der Differenz der Brechungsindizes zwischen den Verarmungsbe­ reichen und den anderen verbleibenden Bereichen erhalten wird. Der Halbleiter-Lichtmodulator nach der Erfindung ar­ beitet somit als spannungsgesteuerter Bragg-Reflektor in Antwort auf das Vorspannungssignal, so daß eine Modulation von Licht möglich wird, das durch den Halbleiter-Lichtmodu­ lator hindurchtritt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch einen Teil eines Lichtmodulators nach einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 die graphische Darstellung einer Modulationscha­ rakteristik des Lichtmodulators nach der Erfin­ dung,

Fig. 3(a) bis 3(c) Querschnittsansichten durch verschiedene Strukturen bei der Herstellung eines Lichtmodula­ tors nach der Erfindung und

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines herkömmlichen Lichtmodulators.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt im Bereich wesentlicher Teile eines Lichtmodulators nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In den Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Lichtmodulator nach Fig. 1 enthält eine Mehrzahl von Paaren von Halbleiter­ schichten. Jede Schicht wird durch eine vordere Zahl, die den Leitfähigkeitstyp der Schicht angibt, und durch eine hintere Zahl identifiziert, durch die das Schichtenpaar ge­ kennzeichnet wird. Beispielsweise können alle Schichten 10 aus p-Typ Gallium-Arsenid (GaAs) und alle Schichten 11 aus n-Typ GaAs hergestellt sein. Jedes Paar enthält eine Schicht 10 und eine Schicht 11 von entgegengesetztem Leit­ fähigkeitstyp, so daß zwischen den Schichten eines Paares ein Übergang (junction) gebildet wird. Gleichzeitig befin­ den sich Übergänge (junctions) zwischen benachbarten Schichten von verschiedenen Paaren. Mit anderen Worten wird zwischen den Schichten 10-1 und 11-1 ein Übergang eines Leitfähigkeitstyps erhalten, während ein Übergang eines an­ deren Leitfähigkeitstyps zwischen den Schichten 11-1 und 10-2 erhalten wird. Ein Übergang eines weiteren Leitfähig­ keitstyps wird zwischen den Schichten 10-2 und 11-2 erhal­ ten, usw. Wie beim Beispiel nach Fig. 4 tritt auch hier einfallendes Licht 4 über eine Seite der Halbleiterstruktur ein und durchläuft die aufeinandergeschichteten Paare von Halbleiterschichten, wobei es auf der entgegengesetzten Seite der Struktur als modulierter Lichtstrahl 5 wieder austritt. Die Struktur nach Fig. 1 enthält weiterhin einen p-Typ-Bereich 12, der sich durch die aufeinanderliegenden Schichten hindurch erstreckt, sowie einen n-Typ-Bereich 13, der sich ebenfalls durch die aufeinanderliegenden Schichten hindurch erstreckt. Der Bereich 12 steht in ohmschem Kon­ takt mit den p-Typ-Schichten 10 und bildet gleichrichtende Übergänge mit den n-Typ-Schichten 11. Ferner steht der n- Typ-Bereich 13 in ohmschem Kontakt mit den n-Typ-Schichten 11 und bildet gleichrichtende Übergänge mit den p-Typ- Schichten 10. Anders als bei der MQW-Struktur 3 von Fig. 4 weisen die Halbleiterschichten 10-1, 11-11, ..., 10-50, 11-50 alle dieselbe Zusammensetzung auf, so daß Heteroüber­ gänge, damit verbundene Kristallgitter-Fehlanpassungen, Kristallversetzungen und zugehörige elektrische Defekte nicht vorhanden sind, welche sonst das Verhalten der Halb­ leitereinrichtung schädlich beeinflussen würden.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist in der Dicke der Schichten 10 und 11 zu sehen. Diese Dicken sind auf ein ganzzahlig Vielfaches von einem Viertel der Wellenlänge des zu modulierenden Lichts abgestimmt. Hat das einfallende Licht 4, das moduliert werden soll, eine Wellenlänge von 900 nm im Vakuum und weist der Brechungsindex des Halblei­ termaterials der Schichten einen Wert von 3,00 auf, so be­ sitzt die 1/4-Wellenlänge des Lichts in der Halbleiter­ schicht einen Wert von 75 nm. Vorzugsweise weist jede der Halbleiterschichten 10 und 11 denselben Brechungsindex auf. Die Brechungsindizes der jeweiligen Schichten können in ge­ wissem Umfang eingestellt werden, und zwar durch Steuerung der Ladungsträgerkonzentrationen, also der Dotierungspegel in den Schichten, um die Brechungsindizes einander anzu­ gleichen.

Ein vollständiges Ausführungsbeispiel eines Lichtmodulators nach der Erfindung ist in Fig. 3(c) dargestellt. Die Fig. 3(a) bis 3(c) zeigen Schritte zur Herstellung des Modula­ tors. Gemäß Fig. 3(a) wird auf einem halbisolierenden GaAs- Substrat 15 zunächst eine Al_xGa_1-xAs-Ätzstoppschicht 16 durch einen Aufwachsvorgang gebildet, wobei x = 0,5 ist. Danach werden aufeinanderfolgend auf der Ätzstoppschicht 16 die Paare von Schichten 10 und 11 niedergeschlagen, wobei die Schichten 10 und 11 von jeweils unterschiedlichem Leit­ fähigkeitstyp sind. Die Schicht 11 kommt dabei auf der Ätz­ stoppschicht 16 zu liegen. Die Ätzstoppschicht 16 und die Paare von Schichten 10 und 11 lassen sich durch die bekann­ ten Aufwachstechniken herstellen, z. B. durch die MBE-, MOCVD- und die LPE-Technik (LPE = liquid phase epitaxy bzw. Flüssigphasenepitaxie). Wie die Fig. 1 erkennen läßt, wer­ den typischerweise durch Aufwachsvorgänge fünfzig Paare von Schichten 10 und 11 gebildet. Wie zuvor beschrieben, können diese Schichten jeweils eine Dicke von etwa 75 nm aufwei­ sen, und zwar abhängig von der Wellenlänge des zu modulie­ renden Lichts und der Brechungsindizes der Schichten 10 und 11. Die Dicke beträgt wenigstens das 7-fache der Dicke der Schichten der entsprechenden Materialien in der MQW-Struk­ tur 3 von Fig. 4. Sei angenommen, daß in jeder Struktur derselbe prozentuale Fehler bezüglich der Schichtdicke to­ leriert wird, so ist ersichtlich, daß die Aufwachsbedingun­ gen bei der Herstellung der Struktur nach Fig. 3(a) viel weniger genau eingehalten werden müssen als bei der Her­ stellung der MQW-Struktur. Die Konzentrationen der p-Typ­ und der n-Typ-Dotierungsmittel in den Schichten 10 und 11 werden während des Aufwachsprozesses eingestellt bzw. ge­ steuert, um ähnliche Ladungsträgerkonzentrationen in jeder der Schichten und im wesentlichen dieselben Brechungsindi­ zes zu erhalten. Bestehen die Schichten 10 und 11 aus GaAs, so liegen die Ladungsträgerkonzentrationen bei etwa 8× 10¹⁷ cm^-3. Es ist allgemein bekannt, daß GaAs mit Silicium (Si) n-Typ dotiert sein kann oder p-Typ dotiert sein kann, und zwar mit Beryllium (Be), Magnesium (Mg) oder Zink (Zn) .

Wie in Fig. 3(b) zu erkennen ist, sind der p-Typ-Bereich 12 und der n-Typ-Bereich 13 beabstandet voneinander angeord­ net, wobei beide Bereiche die Paare von Schichten 10 und 11 durchdringen. Die Bereiche 12 und 13 können z. B. durch Io­ nenimplantation mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls, durch Diffusion unter Verwendung von Masken oder mit Hilfe anderer bekannter Techniken hergestellt werden. Anders als bei der MQW-Struktur, die eine Hochtemperaturbehandlung bei der Integration der sich abwechselnden Quantenwannenschich­ ten und Quantenbarrierenschichten erfährt, können bei der Erfindung die Diffusion von Verunreinigungen und die Tempe­ rung nach der Ionenimplantation ohne das Risiko einer Zer­ störung von wesentlichen Strukturen des Modulators durchge­ führt werden. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem p-Typ-Bereich 12 und dem n-Typ-Bereich 13 mehrere µm. Die Querschnittsansichten der Fig. 1 und 3(c) lassen erkennen, daß die Bereiche 12 und 13 linear sind. Diese Bereiche 12 und 13 können aber auch in Draufsicht auf die Struktur ir­ gendeine beliebige Form aufweisen, vorausgesetzt, daß der zu modulierende Lichtstrahl 4 zwischen den beiden Bereichen 12 und 13 auf die Modulatoreinrichtung auftreffen kann.

Die letzten Schritte zur Herstellung des Modulators nach der Erfindung sind in Fig. 3(c) dargestellt. Vorzugsweise wird ein Teil des GaAs-Substrats 15 durch Ätzen entfernt, um zu vermeiden, daß eine zusätzliche Absorption des modu­ lierten Lichts im Substrat auftritt. Dieser Teil des Sub­ strats kann durch einen chemischen Ätzvorgang entfernt wer­ den, und zwar unter Verwendung einer geeigneten Maske. Das Ätzmittel wird so gewählt, daß es GaAs ätzen kann, nicht jedoch AlGaAs. Die Ätzstoppschicht 16 begrenzt die Tiefe des Ätzens und verhindert eine Beschädigung des Paares der Schichten 10 und 11 beim Ätzen des Substrats 15. Durch das partiell beseitigte Substrat wird eine Öffnung 17 innerhalb des Substrats 15 erhalten. Anschließend wird die Ätzstopp­ schicht 16 am Boden der Öffnung 17 weggeätzt, und zwar durch ein Ätzmittel, das AlGaAs ätzt, nicht jedoch GaAs. Erste und zweite Elektroden 20 und 21 werden durch konven­ tionelle Verfahren jeweils auf den Bereichen 12 und 13 ge­ bildet und stehen mit diesen in elektrischem Kontakt. Schließlich werden Antireflexionsfilme 30 sowohl auf der noch freien Schicht 10 im Bereich gegenüber der Öffnung 17 als auch in der Öffnung 17 im Substrat 15 niedergeschlagen, also dort, wo das einfallende Licht 4 in die Einrichtung eintritt und das modulierte Licht 5 aus der Einrichtung heraustritt. Ein Antireflexionsfilm 30 liegt also zwischen den Bereichen 12 und 13 auf der Oberfläche der letzten Schicht 10, während ein anderer Antireflexionsfilm 30 in­ nerhalb der Öffnung 17 auf der ersten Schicht 11 zu liegen kommt, die zu Beginn der Herstellung auf die Schicht 16 aufgebracht worden ist.

Wird keine Vorspannung an die Elektroden 20 und 21 ange­ legt, so tritt das einfallende Licht 4 durch die Paare von Schichten 10 und 11 hindurch, wobei eine Lichtabsorption in Übereinstimmung mit den Eigenschaften des Materials auf­ tritt, aus denen die Schichten 10 und 11 hergestellt worden sind. Wird dagegen über die Elektroden 20 und 21 eine Vor­ wärts-Vorspannung an die Bereiche 12 und 13 gelegt, so wer­ den Elektronen in die p-Typ-Schichten 10 injiziert, was zu einer Verminderung des Brechungsindex der p-Typ-Schichten 10 um etwa 1% führt, und zwar als Resultat eines Plasmaef­ fekts. Im Ergebnis tritt das Licht also durch eine Struktur hindurch, die in Viertelwellenlängenintervallen (oder in ganzzahlig Vielfachen von Viertelwellenlängen, abhängig von der gewählten Dicke der Schichten) Brechungsindexvariatio­ nen aufweist. Mit anderen Worten wird ein Weg gebildet, der relativ abrupte, periodische Schwankungen des Brechungsin­ dex besitzt, wobei diese Schwankungen in Intervallen auf­ treten, die eine Periode von einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des zu modulierenden Lichts aufweisen. Es wird also letztlich eine spannungsgesteuerte Bragg-Reflektorstruktur erhalten.

Bragg-Reflektoren sind aus der Kristallographie bereits be­ kannt. Bei ihnen werden Röntgenstrahlen (X-rays) bestimmter Wellenlänge an Atomen in kristallographischen Ebenen kon­ struktiv oder destruktiv reflektiert, abhängig vom Abstand der Ebenen. Kristallographische Ebenen mit einem regulären Abstand d reflektieren normalerweise einfallende Röntgen­ strahlen konstruktiv, wenn der Abstand d dem ganzzahlig Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, und destruk­ tiv, wenn der Abstand d dem ungeradzahligen Vielfachen ei­ ner Viertelwellenlänge entspricht. In diesem Fall erfolgt eine Auslöschung. Dieses Bragg-Reflexionsphänomen wird auch optisch bei der Erfindung ausgenutzt.

Der spannungsgesteuerte Bragg-Reflektor des neuen Modula­ tors weist eine Periode auf, die an die Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Strahlung für destruktive Reflexion der einfallenden Strahlung angepaßt ist. Die In­ tensität der Reflexionen, also die Effektivität der de­ struktiven Interferenz des reflektierten Lichts im Modula­ tor, hängt von der Amplitude des elektrischen Signals ab, also vom modulierenden Signal, das über die Elektroden 20 und 21 an die Bereiche 12 und 13 angelegt wird, und von der Anzahl der Verarmungsbereiche, also von den Schichtpaaren. Der Modulationsgrad des einfallenden Lichts wird durch die Amplitude des Vorspannungssignals bestimmt und durch die sich ergebende Ladungsträgerinjektion in den Verarmungsbe­ reich.

Die Elektroneninjektion, die in der Modulatorstruktur nach der Erfindung auftritt, welche fünfzig Paare von GaAs- Schichten 10 und 11 enthält, vermindert den effektiven Bre­ chungsindex von etwa 3,59 auf etwa 3,50. Diese Änderung des Brechungsindex um 3% reduziert die Durchlässigkeit bzw. Transmissivität der Modulatorstruktur auf etwa 3/10 der bei nicht vorhandenem Vorspannungssignal erhaltenen Transmissi­ vität bzw. Durchlässigkeit. Die Lichttransmissionscharakte­ ristik dieser Struktur aus fünfzig Schichtpaaren als Funk­ tion der Wellenlänge ist in Fig. 2 dargestellt. Liegt an der Struktur keine Vorspannung an, so weist die Lichtdurch­ lässigkeit, ohne Bezug zur Wellenlänge, einen normierten Wert von 1,0 auf. Wird dagegen eine Vorwärts-Vorspannung an die Struktur angelegt, so ändert sich die Lichtdurchläs­ sigkeit als Funktion der Wellenlänge, wie die Fig. 2 erken­ nen läßt. Die Lichtdurchlässigkeit (Lichttransmissivität) ist am kleinsten an derjenigen Wellenlänge, die einer Vier­ telwellenlängendicke der Schichten 10 und 11 entspricht. An beiden Seiten dieser Wellenlänge weist die Lichtdurchläs­ sigkeit eine (sin x)/x Variation als Funktion der Wellen­ länge auf.

Bei der Erfindung braucht keine so genaue Steuerung des Wachstumsprozesses wie bei einer MQW-Struktur zu erfolgen, da die verwendeten Schichten viel dicker sind als die MQW- Schichten und eine Lichtintensitätssättigung der Exzitonen- Absorptionsspitze, wie sie bei Verwendung einer MQW-Struk­ tur beobachtet wird, nicht auftritt. Es läßt sich damit ein relativ großer Modulationsgrad erhalten, der sich nicht verschlechtert, wenn die Intensität des modulierten Lichts ansteigt. Da außerdem der Modulationsgrad unabhängig ist von einer Separation bzw. Trennung zwischen den Wellenlän­ gen des zu modulierenden Lichts und einer relativ scharfen Exzitonen-Absorptionsspitze, verringert sich auch die Tem­ peraturabhängigkeit des Modulationsgrads über die Wellen­ länge. Mit anderen Worten wird ein Modulator erhalten, der bessere Betriebseigenschaften aufweist und leichter herzu­ stellen ist als ein MQW-Lichtmodulator.

Zur Erläuterung der Erfindung wurden bestimmte Ausführungs­ beispiele im einzelnen diskutiert, worauf die Erfindung je­ doch nicht beschränkt ist. Anstelle eines Vorwärtsvorspan­ nungs-Modulationssignals kann auch ein Rückwärtsvorspan­ nungs-Modulationssignal an die Bereiche 12 und 13 angelegt werden (reverse bias signal). In diesem Fall dehnen sich die Verarmungsbereiche in Antwort auf das Vorspannungs­ signal aus. Eine periodische Änderung des Brechungsindex tritt in ähnlicher Weise wie bei der zuvor erwähnten Vor­ wärts-Vorspannung auf. Die Variation im Brechungsindex ist jedoch nicht das Ergebnis eines Plasmas, das durch die zu­ sätzlich injizierten Elektronen erzeugt wird. Das in Fig. 3(c) gezeigte Beispiel der Erfindung enthält fünfzig Paare von abwechselnd dotierten Halbleiterschichten. Der Modula­ tionsgrad läßt sich vergrößern, indem die Anzahl der Paare der Schichten erhöht wird. Die Anzahl der Paare von Schich­ ten, die in der Einrichtung nach der Erfindung verwendet werden, kann aber auch geringer sein als fünfzig. Außerdem kann noch eine einzige Schicht, zusätzlich zu den mehreren Paaren von Schichten, verwendet werden, um einen Modulator nach der Erfindung aufzubauen. Er besitzt dann eine ungera­ de Anzahl von Schichten. Obwohl beim beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung für jede der Schichten 10 und 11 dieselben Materialien verwendet worden sind, um einen einfachen Aufbau zu erhalten, können auch verschiedene Halbleitermaterialien für einige oder alle der Schichten 10 und 11 zum Einsatz kommen. Darüber hinaus braucht zur Bil­ dung der Schichten 10 und 11 nicht unbedingt GaAs verwendet zu werden. Die Schichten 10 und 11 können auch aus AlGaAs, Indiumphosphid (InP), Indium-Galliumarsenidphosphid (In- GaAsP), Si und/oder Germanium (Ge) hergestellt sein.

Claims (3)

1. Halbleiter-Lichtmodulator zur Modulation einfallenden Lichts einer bestimmten Wellenlänge, mit

• - eine Mehrzahl von aufeinanderliegend angeordneten Halbleiterschich­ ten (10, 11), die abwechselnd vom p- und n-Leitfähigkeitstyp sind, wobei jede der Halbleiterschichten (10, 11) denselben Brechungsindex und eine Dicke aufweist, die einem oder einem ganz­ zahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge des zu modulieren­ den Lichts, geteilt durch den Brechungsindex der Halbleiterschicht, entspricht,
• - einen p-Typ-Bereich (12), der sich durch die aufeinanderliegenden Halb­ leiterschichten (10, 11) hindurch erstreckt,
• - einen n-Typ-Bereich (13), der sich durch die aufeinanderliegenden Halb­ leiterschichten (10, 11) hindurch erstreckt und im Abstand zum p-Typ-Be­ reich (12) liegt,
• - einer ersten Elektrode (20) auf und in elektrischem Kontakt mit dem p- Typ-Bereich (12) und
• - einer zweiten Elektrode (21) auf und in elektrischem Kontakt mit dem n- Typ-Bereich (13), dadurch gekennzeichnet, daß
• - ein Halbleitersubstrat (15) vorhanden ist, auf dem die genannte Mehrzahl der Halbleiterschichten (10, 11) liegt,
• - zwischen dem Halbleiter-Substrat (15) und der genannten Mehrzahl der Halbleiterschichten (10, 11) eine Ätzstoppschicht (16) mit anderen Ätzei­ genschaften als das Halbleitersubstrat (15) und die genannte Mehrzahl der Halbleiterschichten (10, 11) liegt,
• - sich der p-Typ-Bereich (12) und der n-Typ-Bereich (13) bis in die Ätz­ stoppschicht (16) hinein erstrecken,
• - durch das Halbleitersubstrat (15) ein Lichtdurchgangskanal (17) mit ei­ nem Ätzmittel hindurchgeätzt ist, das die Ätzstoppschicht (16) nicht an­ greift,
• - durch die Ätzstoppschicht ein sich anschließender Lichtdurchgangska­ nal (17) durch ein Ätzmittel hindurchgeätzt ist, das die Halbleiterschich­ ten (10, 11) nicht angreift, und
• - wenigstens innerhalb des Lichtdurchgangskanals (17) ein Antirefle­ xionsfilm (30) auf der ersten Halbleiterschicht (11) der genannten Mehrzahl der Halbleiterschichten (10, 11) liegt.

5. Halbleiter-Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halbleiterschichten (10, 11) aus der Gruppe von Halbleitern ausgewählt sind, die Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid, Indium­ phosphid, Indiumgalliumarsenidphosphid, Silicium und Germanium enthält.

6. Halbleiter-Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er wenigstens 50 p-Typ-Schichten (10) und 50 n-Typ- Schichten (11) enthält.