DE4410948A1 - Monolithisch integrierter optoelekronischer oder photonischer Schaltkreis - Google Patents

Description

Bei der optischen Nachrichtenübertragung für schnelle Systeme werden zunehmend verschiedenartige elektronische und photoni­ sche Schaltkreise auf der Basis von III-V-Halbleitersystemen monolithisch integriert. Die monolithische Integration bietet im Gegensatz zu hybriden Aufbauten verbesserte Streukapazitä­ ten, geringen Platzbedarf, vereinfachte Montagetechniken und trägt zur Kostenreduktion bei.

Der optoelektronische oder photonische Schaltkreis weist ein oder mehrere Licht emittierende, absorbierende und/oder füh­ rende Bauelemente auf, die auf einem Substrat integriert sind. Bauelemente sind beispielsweise aktive Bauelemente, wie Laserdioden, Halbleiterverstärker, Photodioden, Feldef­ fekttransistoren (FETs), HEMTs, und passive Bauelemente, wie Wellenleiter, TE/TM-Splitter oder MIS-Kondensatoren, für die Halbleiterschichtstrukturen verwendet werden.

In integrierten Schaltkreisen aus direkten Halbleitern wird von allen Bauelementen mit in Flußrichtung gepolten Übergän­ gen von Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps zu Halb­ leitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei­ spielsweise pn-Übergänge, parasitäres Licht erzeugt und abge­ strahlt. Dies ist beispielsweise bei Pegelschieberdioden der Fall. Bei in Sperrichtung gepolten Übergängen wird entspre­ chend Licht absorbiert - beispielsweise bei Photodioden, JFETs und HEMTs - wobei Photoströme entstehen. Diese Ströme verschlechtern das Rauschverhalten einer integrierten Schal­ tung und erhöhen das optische Übersprechen zwischen den Ein­ richtungen und verschlechtern das Gesamtverhalten des be­ trachteten Chips.

Um die Streu- bzw. Störlichteffekte gering zu halten, müssen spezielle Anforderungen an das Chipdesign und Schaltkreisde­ sign gestellt werden. So müssen beim Chiplayout beispiels­ weise strahlende Bauelemente von lichtempfindlichen räumlich getrennt werden. Dies ist erstens nicht immer möglich und zweitens wird die Chipfläche künstlich vergrößert und somit die Gesamtausbeute verringert. Das Einführen von dicken Ab­ sorptionsschichten - beispielsweise sind bei einer Wellen­ länge λ = 1,5 µm InGaAs-Absorptionsschichten einer Dicke von 3 µm nötig - hat den Nachteil, daß der Aufwand bei der epi­ taktischen Herstellung der Schichtstrukturen erhöht wird und dicke Pufferschichten auch zu Problemen bei der elektrischen Verbindung der verschiedenen Bauelemente führen. Beispiels­ weise müssen Metallisierungen über Stufen führen und Bauele­ mente unterätzt werden. Hervorzuheben ist, daß bei dicken Absorptionsschichten durch Ladungsträgerdiffusion, beispiels­ weise durch strahlende Rekombination von erzeugten Ladungs­ trägern, noch größere Mengen an Störlicht entstehen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufzuzeigen, wie bei einem monolithisch integrier­ ten optoelektronischen oder photonischen Schaltkreis, bei welchem auf einem Substrat ein oder mehrere Licht emittie­ rende, absorbierende und/oder führende Bauelemente integriert sind, das Störlicht abgeblockt werden kann.

Durch das Einführen des erfindungsgemäßen, elektrisch nicht angeschlossenen Übergangs von Halbleitermaterial eines Leit­ fähigkeitstyps zu Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, dessen Bandabstand zu der zu absorbieren­ den Wellenlänge des Störlichts paßt, kann das Störlicht weit­ gehend absorbiert werden. Da der erfindungsgemäße Übergang vorteilhafterweise elektrisch nicht angeschlossen zu werden braucht, kann er kontaktlos sein. Vorzugsweise ist der erfin­ dungsgemäße Übergang ein vergrabener Übergang.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des er­ findungsgemäßen Schaltkreises gehen aus den Ansprüchen 4 bis 6 hervor.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt und schematisch ein Störlicht ab­ strahlendes Bauelement in Form einer Pegelschieber­ diode eines optoelektronischen oder photonischen Schaltkreises, die einen erfindungsgemäßen Übergang zur Absorption des Störlichts enthält,

Fig. 2 im Querschnitt und in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Schaltkreis, der neben dem Bauelement nach Fig. 1 noch zwei weitere Bauele­ mente aufweist, und

Fig. 3 einen Graphen, in welchem der induzierte Photostrom durch Lichtabsorption in einem pn-Übergang in Abhängigkeit des über den pn-Übergang einer als Sendediode betriebenen Diode fließenden Stroms beim Stand der Technik im Vergleich dazu bei der Erfin­ dung dargestellt ist, und

Fig. 4 in der Darstellung nach Fig. 1 die Pegelschieber­ diode des Standes der Technik, die der erfindungs­ gemäßen Pegelschieberdiode nach Fig. 1 zugrunde­ liegt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Pegelschieberdiode 11 ist auf der Oberfläche 10 eines Substrats 1 aus Halbleitermateri­ al, beispielsweise InP, eine z. B. n-dotierte Pufferschicht 2 epitaktisch aufgewachsen, die beispielsweise aus InP oder InGaAs bestehen kann. Auf der Pufferschicht 2 befindet sich eine Schicht 7 aus p-dotiertem Halbleitermaterial, wie sie beispielsweise bei einem FET zur Reduzierung von Einflüssen von Pufferschichten verwendet wird. Auf der Schicht 7 befin­ det sich eine Schicht 8 aus n-dotiertem Halbleitermaterial, wie sie beispielsweise auch bei Feldeffekttransistoren zur Erzeugung einer Kanalschicht verwendet wird. Auf der Schicht 8 befindet sich eine Schicht 3 aus undotiertem oder leicht n-dotiertem Halbleitermaterial, die beispielsweise bei Photodi­ oden als Absorptionsschicht eingesetzt wird. Die Schicht 3 kann beispielsweise aus InGaAs bestehen, das zur Absorption von Licht im Wellenlängenbereich von 1300 bis 1600 nm einge­ setzt wird. Auf der Schicht 3 befindet sich ein n-Kontakt 5. Die Schicht 4 unter der Oberfläche der Schicht 3 besteht aus p-dotiertem Halbleitermaterial, beispielsweise aus p-InP oder p-InGaAs. Auf der Schicht 4 befindet sich ein p-Kontakt 6. Der Übergang 27 von der p-dotierten Schicht 7 zur n-dotierten Pufferschicht 2 bildet einen erfindungsgemäßen vergrabenen pn-Übergang, der im Strahlengang 110 des von der Diode 11 abgestrahlten Störlichts angeordnet ist und dieses Störlicht stark absorbiert. Dieser Übergang ist nicht elektrisch ange­ schlossen.

Die n-dotierte Schicht 8 kann entfallen, wenn die Schicht 3 bereits ausreichend n-dotiert ist und so sichergestellt ist, daß die p-dotierte Schicht 7 nicht an die p-dotierte Schicht 4 angeschlossen wird, die den eigentlichen aktiven pn-Über­ gang 43 der Diode 11 definiert, der nicht mit dem erfindungs­ gemäßen Übergang 27 verwechselt werden darf.

Ist die n-dotierte Schicht 2 nicht schon beim Bauelementede­ sign vorgesehen, so muß sie für die Absorption des Störlichts zusätzlich erzeugt werden.

Der Schaltkreis nach Fig. 2 weist neben dem Bauelement 11 nach Fig. 1 noch zwei weitere Bauelemente 12 und 13 auf der Oberfläche 10 des Substrats 1 auf.

Zum Test des Einflusses des vergrabenen pn-Übergangs auf die Lichtausbeute bzw. die Erzeugung eines Photostromes in einer Diode wurden wechselweise Dioden 11 nach Fig. 1 in Vorwärts­ richtung als Sender und auf dem gleichen Substrat benachbarte Dioden, beispielsweise das als Diode ausgebildete Bauelement 12 in Fig. 2, als Empfänger benutzt.

Die Diode 12 ist beispielsweise eine Diode des Standes der Technik gemäß Fig. 4. Sie unterscheidet sich von der erfin­ dungsgemäßen Diode 11 nach Fig. 1 allein dadurch, daß der erfindungsgemäße Übergang 27 fehlt und die Schicht 3 unmit­ telbar auf der Pufferschicht 2 aufgebracht ist.

Das Ergebnis des Tests ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Kurve I gibt den induzierten Photostrom der Diode 12 nach dem Stand der Technik und die Kurve II den induzierten Photostrom der Diode 11 mit dem das Licht absorbierenden erfindungsgemä­ ßen pn-Übergang 27 an. Ein Vergleich der Kurve I mit der Kurve II zeigt deutlich die mit der Erfindung erzielte Ver­ besserung.

Bei der verstärkten Absorptionswirkung durch den erfindungs­ gemäßen Übergang 27 spielt es keine Rolle, ob das Licht von außerhalb, d. h. vom Substrat 1, oder vom Bauelement selbst am pn-Übergang 43 zwischen der Schicht 3 und der Schicht 4 er­ zeugt wird.

Ist die Schicht 3 nicht n- sondern p-dotiert, kann die Funk­ tion der erfindungsgemäßen Struktur durch Konversion der Schichtorientierungen erhalten bleiben.

Claims (6)

1. Monolithisch integrierter optoelektronischer oder photoni­ scher Schaltkreis, bei welchem auf einem Substrat (1) ein oder mehrere Licht emittierende, absorbierende und/oder füh­ rende Bauelemente (11, 12, 13) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz eines Bauelements (11, 12, 13) gegen Störlicht im Strahlengang (110) des Störlichts ein elektrisch nicht angeschlossener Übergang (27) von Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps (p; n) zu Halbleitermaterial des entge­ gensetzten Leitfähigkeitstyps (n; p) mit einem derart ge­ wählten Bandabstand ausgebildet ist, daß der Übergang (27) eine ihm zugeführte Wellenlänge (λ) des Störlichts absor­ biert.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (27) kontaktlos ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (27) ein vergrabener Übergang ist.

4. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement (11, 12, 13) auf und/oder in einem epitak­ tisch auf der Oberfläche (10) des Substrats (1) aufgewachse­ nen Schichtenstapel (1₁) aus Halbleitermaterial ausgebildet ist und daß der Übergang (27) in dem Schichtenstapel (1₁) unterhalb dieses Bauelements (11, 12, 13) vorgesehen ist.

5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Übergang (27) flächig und im wesentlichen paral­ lel zur Oberfläche (10) des Substrats (1) erstreckt.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, daß der Übergang (27) durch zwei aneinandergrenzende oder durch eine Zwischenschicht aus eigenleitendem Halbleitermate­ rial voneinander getrennte und zueinander entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisende Schichten (2, 7) des Schichten­ stapels definiert ist.