DE4205324A1

DE4205324A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE4205324A1
Application number: DE19924205324
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr Ing Krumpholz
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1993-08-26

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiter bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist z. B. aus Elektronik Industrie 8-1990, S. 57-60, be kannt, in optischen Kommunikationssystemen, Leuchtdioden (LED) sowohl als Sende- als auch als Empfangselemente ein zusetzen, indem für den Empfangsfall die Diode in Sper richtung gepolt und der Photostrom ausgewertet wird. Bei gleichwertigen Sende-Empfangsstellen sind gleichartige Leuchtdioden eingesetzt, so daß Sende- und Empfangs-Licht wellenlänge übereinstimmen. Infolge der geringen Sperr schichtweite derartiger Leuchtdioden im Photodiodenbetrieb und dem für die Sendelichtwellenlänge geringen Absorpti onskoeffizienten ist die Lichteindringtiefe groß und die Empfindlichkeit der Dioden als Empfangselemente sehr ge ring (ca. um einen Faktor 10 unter der Empfindlichkeit üb licher Photodioden). Bei ungünstigen unterschiedlichen Be triebstemperaturen von Sende- und Empfangsdioden, wie sie z. B. bei Anwendungen in optischen BUS-Systemen in Kraft fahrzeugen auftreten können, kann die Empfindlichkeit noch weiter deutlich abnehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein opto elektronisches Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welches als Empfangselement eine höhere Empfindlichkeit aufweist als die bekannten Leuchtdioden.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß durch einfallendes Licht Ladungsträger nicht nur in der dünnen aktiven Zone, sondern auch und überwiegend in einer in Einfallsrichtung nach der aktiven Zone liegenden Absorptionsschicht, die aufgrund eines kleineren Bandabstands einen höheren Ab sorptionskoeffizienten aufweist und weitaus dicker ausge führt sein kann, erzeugt werden. Zum Photostrom tragen dann sowohl die in der aktiven Zone als auch die in der Absorptionsschicht durch den inneren Photoeffekt erzeugten Ladungsträger bei. Wegen der im wesentlichen räumlich getrennten Bereiche für Lichtemission und Lichtdetektion sind die erfindungsgemäßen Bauelemente im folgenden als SEA (Separate Emission und Absorption) -Bauelemente be zeichnet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau licht. Dabei zeigt

Fig. 1 ein SEA-Bauelement mit planarem Schichtaufbau

Fig. 2 ein SEA-Bauelement für Vollduplexbetrieb.

Das in Fig. 1 skizzierte SEA-Bauelement weist in Überein stimmung mit herkömmlichen Leuchtdioden eine erste Schicht l und eine zweite Schicht 2 auf, die von unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp sind und eine dünne aktive Zone Z, die einen p-n-Übergang umfaßt, einschließen. Kontakte K an der Oberseite der Schicht 1 dienen zum Anschluß des SEA-Bau elements an einen Pol einer Spannungsquelle. Unter der zweiten Schicht 2 folgt eine Absorptionsschicht 3, die vom selben Leitfähigkeitstyp ist wie die zweite Schicht. Die Dotierung der unterhalb der aktiven Zone Z liegenden Schichten 2 und 3 ist so gewählt, daß bei Anlegen einer Sperrspannung die Raumladungsweite die Absorptionsschicht 3 mit einschließt. Der Bandabstand des Halbleitermaterials in der aktiven Zone ist größer als der Bandabstand des die Absorptionsschicht 3 bildenden Halbleitermaterials. Als Halbleitermaterial kommen für den Wellenlängenbereich < 0,9 µm insbesondere die Mischkristallhalbleiter GaAs, GaAlAs, InGaAlP u. a. in Frage. Für ein SEA-Bauelement bei spielsweise auf der Basis von GaAs könnte vorteilhafter weise die aktive Zone sowie die Schichten 1 und 2 aus GaA- lAs und die Absorptionsschicht aus GaAs bestehen. Für den längenwelligen Spektralbereich zwischen 1,2 µm und 1,6 µm bieten sich die Mischkristallhalbleiter InP, InGaAs, In- GaAsP u. a. an.

Die aktive Zone kann z. B. als Homostruktur, Doppelheterostruktur oder als Quantumwellstruktur aus geführt sein.

Bei in Durchlaßrichtung gepoltem p-n-Übergang emittiert das SEA-Bauelement in der dünnen aktiven Zone Licht E in einem bestimmten Wellenlängenbereich, das als optisches Sendesignal z. B. in einen Lichtwellenleiter eingespeist wird.

Für den Betrieb des SEA-Bauelements als Empfangselement wird in an sich bekannter Weise eine Sperrspannung an das Bauelement angelegt. Da das einfallende Licht R im selben Wellenlängenbereich wie das emittierte Licht und somit nahe der Bandkante der aktiven Zone liegt, ist der Absorp tionskoeffizient niedrig und der Beitrag der in der akti ven Schicht erzeugten Ladungsträger zum Photostrom gering. Da aber die Lichteindringtiefe groß ist, gelangt das ein fallende Licht nahezu ungeschwächt in die Absorptions schicht 3, wo der Absorptionskoeffizient wegen des gerin geren Bandabstands hoch ist und das einfallende Licht un ter Erzeugung freier Ladungsträger absorbiert wird. Die in der Absorptionsschicht erzeugten Ladungsträger stellen den wesentlichen Anteil am Photostrom.

Das in Fig. 1 skizzierte SEA-Bauelement kann je nach elek trischem Betriebszustand entweder nur senden oder nur emp fangen und eignet sich somit nur für den optischen Semidu plex-Übertragungsbetrieb. Mit einer in Fig. 2 skizzierten Anordnung aus zwei unmittelbar benachbarten, unabhängig betreibbaren Bauelementen ist auch Vollduplex-Betrieb, d. h. Senden und Empfangen gleichzeitig, möglich. Die An ordnung ist fertigungstechnisch besonders vorteilhaft, weil die beiden Bauelemente gleichzeitig monolithisch her gestellt und durch eine nachfolgende Grabenätzung sepa riert werden können. Die Bauelemente werden auf semiiso lierenden Substratmaterial 4 gemeinsam aufgebaut. Durch Ätzung eines Trennspalts 5 in das Substratmaterial entste hen zwei unabhängige Bauelemente. Jedes kann für sich in der zu Fig. 1 beschriebenen Weise angesteuert werden. Um optisches Übersprechen von einem sendenden auf ein benach bartes empfangendes Bauelement zu vermeiden, ist der Trennspalt mit lichtabsorbierenden und elektrisch isolie rendem Material aufgefüllt.

Claims

1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement für Sende- und Empfangsbetrieb mit einer aktiven Zone, dadurch gekenn zeichnet, daß räumlich getrennt von der aktiven Zone (Z) und in Richtung einfallenden Lichts hinter dieser eine Ab sorptionsschicht (3) vorgesehen ist mit einem im Vergleich zu der aktiven Zone geringeren Bandabstand.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung des hinter der aktiven Zone liegenden Halbleitermaterials so gewählt ist, daß bei Anlegen einer Sperrspannung die Raumladungsweite die Absorptionsschicht (3) mit einschließt.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die aktive Zone aus GaAlAs und die Absorpti onsschicht aus GaAs besteht.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Absorptionsschicht we sentlich größer ist als diejenige der aktiven Zone.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Absorptionsschicht 1 µm ist.

6. Anordnung mit mehreren unabhängig betreibbaren Bauele menten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die monolithisch auf einem semiisolierenden Substrat aufgebaut und elek trisch und optisch voneinander separiert sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente durch bis in das semiisolierende Substrat reichende Trennspalte getrennt und die Trennspalte mit lichtabsorbierendem und elektrisch isolierendem Material aufgefüllt sind.