DE69019498T2

DE69019498T2 - Optische Halbleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE69019498T2
Application number: DE69019498T
Authority: DE
Inventors: Akira Ajisawa; Keiro Komatsu; Tomoji Terakado; Masayuki Yamaguchi
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2010-12-28
Also published as: EP0437836B1; DE69019498D1; EP0437836A2; US5825047A; EP0437836A3

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung und insbesondere eine optische Halbleitervorrichtung, die für einen optischen Modulator, einen integrierten optischen Modulator, einen optischen Detektor usw. einsetzbar ist.
Entsprechend der Entwicklung optischer Kommunikations- Systeme in den letzten Jahren besteht ein großer Bedarf für den praktischen Einsatz von optischen Modulatoren, die mit extrem hoher Geschwindigkeit und niedriger Spannung arbeiten, kleine Abmessungen aufweisen und leicht mit anderen Einrichtungen integrierbar sind, von optischen Detektoren, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, usw.. Bei optischen Halbleitermodulatoren ist ein optischer Modulator, der einen Effekt zunehmenden Lichtabsorptionsverlustes in einem Lichtwellenleiter durch Anlegen einer Spannung an den Lichtwellenleiter (Franz-Keldysh-Effekt oder beschränkter Quanten-Stark-Effekt) ausnutzt, insofern vorteilhaft, als er bei Verringerung der Kapazität einer Vorrichtung mit einer Modulationsbandbreite von einigen zehn GHz arbeitet und mit einem Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) usw. integriert werden kann. Zum Beispiel wird in "A Preliminary Lecture Paper C474 of the Spring National Conference, 1989, in the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers" von Wakita u.a. ein optischer 20 GHz-Modulator mit InGaAlAs/InAIAs-Mehrquantenmuldenstruktur beschrieben. Dieser Modulator ist ein Absorptionsmodulator, der die Verschiebung eines Absorptionsmaximums ausnutzt, die durch ein elektrisches Feld induziert wird, das durch eine an eine Halbleiter-PIN-Struktur angelegte Vorspannung in Sperrichtung erzeugt wird, und weist eine n- InAlAs-Mantelschicht, eine Mehrquantenmulden-Schicht und eine p-InAlAs-Mantelschicht auf, die man nach dem Molekularstrahlepitaxieverfahren (MBE-Verfahren) nacheinander auf ein n-InP- Substrat aufwachsen läßt. Ein Modulationsfrequenzband Δf dieses Modulators ist durch eine Bausteinkapazität C nahezu festgelegt und wird durch die nachstehende Gleichung definiert:
Δf=1/(πCR).
Die Bausteinkapazität C wird durch eine Summe aus einer Übergangskapazität Cj eines pn-Übergangs in dem Streifen- Lichtwellenleiter, einer Verbindungskapazität Ci einer Zwischenverbindung, die eine Streifenelektrode mit einer Bondinsel verbindet, und einer Bondinselkapazität Cp an der Bondinsel ausgedrückt.
Bei diesem Modulator beträgt die Bausteinkapazität nur 0,2 pF, um eine superschnelle Modulation zu liefern, da der Modulator eine kapazitätsarme Struktur mit einer Polyimid-Einbettungsschicht unter der Bondinsel aufweist. Selbst bei dieser Struktur ist jedoch die einem Modulator eigene Übergangskapazität Cj kleiner als die Hälfte der gesamten Bausteinkapazität C, und der Rest setzt sich aus der Verbindungs- und der Bondinselkapazität Ci und Cp zusammen, die für den Baustein unnötig sind und zwischen dem n-InP-Substrat, der Zwischenverbindung und der Elektrode erzeugt werden. Betrachtet man die Schaltungscharakteristik dieses Modulators, dann ist eine große Verringerung der Übergangskapazität Cj schwierig, da dieser Modulator eine Bausteinlänge von etwa 100 um hat. Außerdem ist die Verringerung der Verbindungs- und der Bondinselkapazität Ci und Cp gleichfalls schwierig, da ein leitfähiges Substrat verwendet wird, wie z. B. das n-InP-Substrat.
Aus diesem Grunde weist ein herkömmlicher optischer Modulator ein Modulationsband von höchstens 20 bis 25 GHz auf, so daß er nicht als superschneller optischer Modulator mit einem Modulationsband von mehr als 50 GHz eingesetzt werden kann.
Ein anderer optischer Modulator wird im "IOOC '89, Technical digest 20PDB-5, 1989" von Soda u.a. beschrieben. Dieser optische Modulator ist mit einem DFB-Laser auf einem n- InP-Substrat integriert und ist ein Modulator mit Ausnutzung der Lichtabsorption nach dem Franz-Keldysh-Effekt, der Einbettungsschichten aus halbisolierendem InP auf beiden Seiten eines Lichtwellenleiters für den Modulator und den DFB-Laser aufweist. Auch bei diesem integrierten Modulator ist unter einer Elektrodenkontaktstelle eine Polyimidschicht vorgesehen, um eine hohe parasitäre Kapazität zu verringern, da aufgrund der Verwendung des leitfähigen Substrats eine hohe Kapazität entsteht. Im Ergebnis beträgt die Bausteinkapazität etwa 0,55 pF, und die Modulationsbandbreite beträgt annähernd 10 GHz.
Wie oben beschrieben, tritt bei der Verminderung der Bausteinkapazität eine Beschränkung auf, da ein leitfähiges Substrat verwendet wird. Bei der Vergrößerung der Modulationsfrequenzbandbreite, die gemäß der obigen Erläuterung bei dem ersteren Modulator etwa 25 GHz und bei dem letzteren, integrierten Modulator etwa 10 GHz beträgt, tritt gleichfalls eine Beschränkung auf, da die Dicke der halbisolierenden Schicht zwischen der auf dem leitfähigen Substrat aufgebrachten Elektrode und der anderen Elektrode, die auf dem Streifen-Mesateil und der halbisolierenden Schicht aufgebracht ist, auf beiden Seiten des Streifen-Mesateils nur 2 bis 3 um beträgt, so daß es schwierig ist, die Bausteinkapazität auf weniger als 0,5 pF zu verringern. Die Bausteinkapazität wird zwar durch Vergrößern der Dicke weiter verringert, aber bei der Fertigung der Bausteine tritt durch die Vergrößerung der Mesa-Höhe eine weitere Beschränkung auf.
Um diese Nachteile zu überwinden, wird in den IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Bd. 1, Nr. 9, September 1989, S. 270-272, von Lin u.a. ein optischer Modulator vom Absorptionstyp vorgeschlagen, bei dem ein halbisolierendes InP-Substrat verwendet wird. Dieser optische Modulator weist eine untere undotierte InP-Mantelschicht, eine undotierte InGaAsP-Absorptionsschicht, eine obere undotierte InP-Mantelschicht, eine p- InP-Mantelschicht und eine p-InGaAsP-Deckschicht, die nacheinander auf dem halbisolierenden InP-Substrat aufgebracht werden, sowie einen stegartigen Lichtwellenleiter auf, der durch Entfernen von Teilen der p-InGaAsP-Deckschicht, der p-InP-Mantelschicht und der oberen undotierten InP-Mantelschicht mittels Ätzen ausgebildet wird. Der optische Modulator weist ferner eine auf der p-InGaAsP-Deckschicht aufgebrachte p-Elektrode und eine auf der undotierten InGaAsP-Absorptionsschicht aufgebrachte n-Elektrode auf.
Bei diesem optischen Modulator wird berücksichtigt, daß der Widerstand der Halbleiterschichten auf der n-Seite groß ist und daß der Serienwiderstand dieses Bausteins groß ist, obwohl die Bausteinkapazität nur 10 fF beträgt, wenn an diesen Baustein ein elektrisches Feld angelegt wird. In diesem Fall tritt insofern ein Nachteil auf, als trotz der kleinen Bausteinkapazität ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit wegen des hohen Widerstands schwer zu realisieren ist.
Wenn anderenfalls die undotierten Schichten in diesem optischen Modulator n-leitende Schichten werden, dann ist zu berücksichtigen, daß der Serienwiderstand und die Ausdehnung einer Sperrschicht bei serienweiser Fertigung voneinander abweichen. Folglich verringern sich die Reproduzierbarkeit der Modulationsfrequenzbandbreite und die Betriebsspannung, was zu einer schlechten praktischen Anwendbarkeit führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, durch Verringern der Verbindungskapazität und der Bondinselkapazität eine optische Halbleitervorrichtung zu schaffen, wie z. B. einen optischen Modulator, einen integrierten optischen Modulator, einen optischen Detektor usw.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Halbleitervorrichtung, wie z. B. einen optischen Modulator, einen integrierten optischen Modulator und einen optischen Detektor, mit großer Bandbreite und guter praktischer Anwendbarkeit zu schaffen.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß weist eine optische Halbleitervorrichtung auf: eine Streifen-Mesastruktur, die auf einem halbisolierenden Halbleitersubstrat aufgebracht ist, wobei die Streifen-Mesastruktur mindestens eine Mantelschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte Lichtabsorptionsschicht, eine Mantelschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und wahlweise eine Deckschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist; halbisolierende Einbettungsschichten, die auf beiden Seiten der Streifen-Mesastruktur vorgesehen sind; und Einrichtungen zum Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Felds an die undotierte Lichtabsorptionsschicht.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein halbisolierendes Halbleitersubstrat verwendet, und ein Lichtwellenleiter mit PIN-Struktur ist auf beiden Seiten mit halbisolierenden Schichten verdeckt, so daß die Kapazität von Teilen, die nicht mit dem Betrieb einer optischen Halbleitervorrichtung zusammenhängen, wie z. B. eines optischen Modulators, eines integrierten optischen Modulators, eines optischen Detektors usw. so weit wie möglich verringert wird, um die Gesamtkapazität des Bausteins zu verringern. Dadurch erhält man eine optische Halbleitervorrichtung mit großer Bandbreite.
Im allgemeinen wird eine Kapazität durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
C = &epsi;s &epsi;o S/d.
Darin bedeuten &epsi;s eine Dielektrizitätskonstante, &epsi;o eine Dielektrizitätskonstante des Vakuums, S eine Fläche der jeweiligen Elektrode (oder eine Fläche eines pn-Übergangs), und d ist ein Abstand zwischen Elektroden (oder eine Sperrschichtdicke). Wie bei dem herkömmlichen optischen Modulator beschrieben, wird die Gesamtkapazität Ct eines Bausteins durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Ct = Cj + Ci = Cp.
Dabei bedeuten Cj eine Übergangskapazität, Ci eine Verbindungskapazität und Cp eine Bondinselkapazität. Die Übergangskapazität Cj hat eine Auswirkung auf die statische Charakteristik eines optischen Modulators. Daher wird der optische Modulator so konstruiert, daß sich die statische Charakteristik nicht verschlechtert, so daß die Lichtwellenleiterbreite gleich 2 um, die Länge des Lichtwellenleiters gleich 100 um und die Sperrschichtdicke gleich 0,3 um ist. Auf diese Weise erhält man eine Übergangskapazität Cj von ungefähr 74 fF. Die Verbindungs- und die Bondinselkapazität Ci und Cp sollen verringert werden, um eine große Bandbreite des optischen Modulators zu erzielen.
Bei der vorliegenden Erfindung erreicht der Abstand a zwischen den Elektroden eine Länge von etwa 100 um, so daß die Verbindungs- und die Bondinselkapazität Ci und Cp auf ein Zehntel der entsprechenden Werte bei dem herkömmlichen optischen Modulator mit leitfähigem Substrat und dielektrischer Einbettungsschicht, wie z. B. Polyimid usw., die nur unter einer Bondinsel vorgesehen wird (d ist gleich 2 bis 3 um und &epsi;s ist gleich oder annähernd gleich 3), und auf ein Dreißigstel der entsprechenden Werte bei dem herkömmlichen optischen Modulator mit halbisolierender Halbleiter-Einbettungsschicht, die nur unter einer Bondinsel vorgesehen wird (d ist gleich 2 bis 3 um und ist gleich oder annähernd gleich 12), verringert werden. Infolgedessen wird die Gesamtkapazität Ct der Vorrichtung fast vollständig durch die Übergangskapazität Cj bestimmt, so daß man eine optische Halbleitervorrichtung mit großer Bandbreite erhält.
Ein Lichtwellenleiter mit PIN-Struktur, der auf einem halbisolierenden Substrat aufgebracht und mit halbisolierenden Schichten bedeckt ist, hat eine ähnliche Struktur wie ein Halbleiterlaser. Daher kann ein erfindungsgemäßer optischer Modulator leicht mit einem Halbleiterlaser integriert werden und liefert einen integrierten optischen Modulator, der mit extrem hoher Geschwindigkeit arbeitet.
Eine Struktur eines erfindungsgemäßen optischen Modulators kann als optischer Detektor vom Wellenleitertyp verwendet werden, wenn die Lichtabsorptionsschicht aus einem Material mit einer Bandabstandswellenlänge besteht, die größer ist als die Wellenlänge einer Lichtquelle, und der durch das in der Lichtabsorptionsschicht absorbierte Licht induzierte Fotostrom durch p- und n-Elektroden erfaßt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Modulators nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2A bis 2E schematische Querschnittsdarstellungen, die Fertigungsschritte für den optischen Modulator nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Modulators nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4A bis 4D schematische Querschnittsdarstellungen, die Fertigungsschritte für den optischen Modulator nach dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigen;
Fig. 5A bis 5C schematische Querschnittsdarstellungen, die einen integrierten optischen Modulator nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen;
Fig. 6 eine schematische Darstellung, die einen optischen Modulator nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 7A bis 7C schematische Querschnittsdarstellungen, die Fertigungsschritte für den optischen Modulator nach dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigen;
Fig. 8A und 8B, 9A und 9B sowie 1O0A und 10B schematische Querschnittsdarstellungen, die Fertigungsschritte für halbisolierende Substrate mit Pufferschichten eines ersten Leitfähigkeitstyps zeigen;
Fig. 11 eine schematische Darstellung, die einen optischen Modulator nach einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 12a bis 12c schematische Querschnittsdarstellungen, die Fertigungsschritte für den optischen Modulator nach dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigen; und Fig. 13 eine schematische Darstellung, die einen optischen Detektor nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt einen optischen Modulator nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der optische Modulator weist auf: ein halbisolierendes InP-Substrat 1, eine n&spplus;-InP-Mantelschicht 2, eine i-InGaAs-Lichtabsorptionsschicht 3, eine p&spplus;-InP-Mantelschicht 4, halbisolierende InP-Einbettungsschichten 5, eine p-Elektrode 6 und eine n-Elektrode 7. Die p-Elektrode 6 weist eine Streifenteil 6A, einen Zwischenverbindungsteil 6B und einen Bondinselteil 6C auf.
In diesem optischen Modulator wird ein einfallendes Licht 8 moduliert und als austretendes Licht 9 abgegeben, das von einem Lichtabsorptionskoeffizienten abhängt, der sich mit einem elektrischen Feld ändert, welches durch eine zwischen den p- und n-Elektroden 6 und 7 angelegte Spannung -V erzeugt wird.
Bei dem optischen Modulator nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zwar ein Lichtwellenleiter mit Doppelheterostruktur erläutert, bei dem ein Material des InGaAsP/InP-Systems verwendet wird, aber das Material und die Struktur können auch durch ein Material des InGaAs/InAlAs-Systems, ein Material des GaAs/AlGaAs-Systems usw. und durch eine Mehrquantenmuldenstruktur usw. ersetzt werden. Die Fertigungsschritte des optischen Modulators werden in Fig. 2A bis 2E erläutert.
Eine n&spplus;-InP-Mantelschicht 2 mit einer Dicke von 0,5 um, eine i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 3 mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,475 um und einer Dicke von 0,3 um sowie eine p&spplus;-InP-Mantelschicht 4 mit einer Dicke von 1,2 um werden nacheinander durch Aufwachsen nach dem metallorganischen Gasphasenepitaxie-Verfahren (MOVPE-Verfahren) auf ein halbisolierendes InP-Substrat 1 aufgebracht. Dann wird nach einem gewöhnlichen fotolithografischen Verfahren eine Streifenmaske 10 aus SiO&sub2; mit einer Streifenbreite von 2 um auf der p&spplus;-InP-Mantelschicht 4 ausgebildet, um einen Lichtwellenleiter herzustellen, und auf der Streifeninaske 10 sowie auf einer Seite der p&spplus;-InP-Mantelschicht 4 bezüglich der Streifenmaske 10 wird eine Resist- bzw. Fotolackmaske ausgebildet, wie in Fig. 2A gezeigt.
Auf der anderen Seite ohne Fotolackmaske wird die p&spplus;- InP-Mantelschicht 4 durch Ätzen entfernt, so daß eine verdünnte p&spplus;-InP-Mantelschicht 4 mit einer Dicke von 0,5 um entsteht, wie in Fig. 2B gezeigt.
Die Fotolackmaske 11 wird entfernt, und unter Verwendung der SiO&sub2;-Streifenmaske 10 wird das Ätzen so ausgeführt, daß ein dreidimensionaler Lichtwellenleiter entsteht. Dabei wird die Ätztiefe so gesteuert, daß sie annähernd 1,6 um beträgt, so daß auf einer Seite der Streifenmaske 10 die n-InP- Mantelschicht 2 freiliegt, während auf der anderen Seite der Streifenmaske 10 das halbisolierende InP-Substrat 1 freiliegt, wie in Fig. 2C dargestellt.
Die SiO&sub2;-Streifenmaske 10 dient als selektive Epitaxialmaske zum Verdecken des Streifen-Mesateils mit Fe-dotierten halbisolierenden InP-Einbettungsschichten 5 auf beiden Seiten des Streifen-Mesateils, wie in Fig. 2D dargestellt.
Die SiO&sub2;-Streifenmaske 10 wird entfernt, und auf die halbisolierende InP-Einbettungsschicht 5, die sich in direktem Kontakt mit dem halbisolierenden InP-Substrat 1 befindet, wird eine p-Elektrode 6 aufgebracht. Schließlich wird die halbisolierende InP-Einbettungsschicht 5, die sich in Kontakt mit der n&spplus;-Inp-Mantelschicht 2 befindet, geätzt, um die n&spplus;-InP-Mantelschicht 2 freizulegen und auf die freiliegenden n&spplus;-InP-Mantelschicht 2 wird eine n-Elektrode 7 aufgebracht, wie in Fig. 2E dargestellt.
Bei dem so hergestellten optischen Modulator beträgt der Abstand zwischen den p- und n-Elektroden 6 und 7 annähernd 100 um; das Substrat 1 wird so poliert, daß seine Dicke etwa 100 um beträgt, und die Bausteinlänge wird durch Spaltfacetten auf 100 um justiert. Die p-Elektrode 6 weist eine Fläche von 100 um x 2 um auf dem Streifen-Mesateil, eine Fläche von 10 um x 20 um auf dem Zwischenverbindungsteil und eine Fläche von 100 um x 100 um auf dem Bondinselteil auf, so daß die Kapazität wegen der Verringerung der Gesamtfläche aufgrund der Trennung der obigen drei Teile verringert wird.
Zur Funktionsweise wird zunächst eine statische Charakteristik des optischen Modulators erläutert. Hierbei wird angenommen, daß eine zur optischen Kommunikation verwendete Wellenlänge des einfallenden Lichts 8 gleich 1,55 um ist. Wenn zwischen den p- und n-Elektroden 6 und 7 keine Vorspannung in Sperrichtung anliegt, dann wird das dem optischen Modulator zugeführte einfallende Licht 8 von diesem als Ausgangslicht 9 ohne jede Modulation abgegeben. In diesem Fall beträgt der Verlust des durch den optischen Modulator hindurchgehenden Lichts nur etwa 1,5 dB, in Übereinstimmung mit den Parametern der Bausteinlänge von 100 um und einer Wellenlängenverstimmung von 75 nm zwischen dem einfallenden Licht 8 und dem Bandabstand des Lichtwellenleiters. Wenn durch Anlegen einer Vorspannung -V in Sperrichtung an die p- und n-Elektroden 6 und 7 ein elektrisches Feld an die i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 3 angelegt wird, erhält man kein Ausgangslicht 9, da das Licht durch den Franz-Keldysh-Effekt in der i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 3 absorbiert wird. In diesem Fall erhält man mit einem Lichtextinktionsverhältnis von mehr als 10 dB ein zufriedenstellendes Ergebnis, wenn die Vorspannung in Sperrichtung gleich -3 V ist.
Als nächstes wird eine Modulationscharakteristik erläutert. Wie zuvor beschrieben, ist die Modulationsfrequenzbandbreite Δf durch die folgende Gleichung gegeben:
Δf = 1/(πCR).
Wenn bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel angenommen wird, daß die Dielektrizitätskonstante eines Halbleiters gleich 12,5 ist, dann ist die Übergangskapazität Cj gleich 74 fF, und die Verbindungs- und die Bondinselkapazitäten Ci und Cp sind insgesamt gleich 12 fF. Folglich ist die gesamte Bausteinkapazität gleich 86 fF. Im Ergebnis wird die Bausteinkapazität, welche die Modulationsgeschwindigkeit bestimmt, gleich einem Fünftel bis einem Zehntel der Kapazität des herkömmlichen optischen Modulators. Infolgedessen erhält man eine Modulationsfrequenzbandbreite Δf von 74 GHz, woraus sich eine optische Modulation mit extrem hoher Modulationsgeschwindigkeit ergibt.
Fig. 3 zeigt einen optischen Modulator nach dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fertigungsschritte dieses optischen Modulators werden in Fig. 4A bis 4D erläutert.
Eine n&spplus;-InP-Mantelschicht 22 mit einer Dicke von 1,0 um, eine i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 23 mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,475 um und einer Dicke von 0,3 uin sowie eine p&spplus;-InP-Mantelschicht 24 mit einer Dicke von 1,2 um werden durch Aufwachsen nach dem MOVPE-Verfahren nacheinander auf ein halbisolierendes InP-Substrat 21 aufgebracht, und auf der p&spplus;-InP-Mantelschicht 24 wird nach einem gewöhnlichen fotolithografischen Verfahren eine Streifenmaske 31 aus SiO&sub2; mit einer Breite von 2 um ausgebildet, um einen Lichtwellenleiter herzustellen. Dann wird durch Ätzen unter Verwendung der SiO&sub2;-Streifenmaske 31 ein dreidimensionaler Lichtwellenleiter hergestellt, wie in Fig. 4A gezeigt. Dabei ist die Ätztiefe annähernd gleich 1,8 um, so daß die n&spplus;-InP-Mantelschicht freigelegt wird.
Die Streifen-Mesastruktur wird auf beiden Seiten unter Verwendung der SiO&sub2;-Streifenmaske 31 mit halbisolierenden InP- Einbettungsschichten 25 verdeckt. Dann wird das SiO&sub2; entfernt, und zum Abdecken der Streifen-Mesastruktur wird eine Streifenmaske 32 aus SiO&sub2; mit einer Breite von 20 um ausgebildet. Die halbisolierenden InP-Einbettungsschichten 25 und ein kleinerer oberer Hautabschnitt der freiliegenden n&spplus;-Inp-Mantelschicht 22 werden geätzt, um unter Verwendung der SiO&sub2;-Streifenmaske 32 eine relativ breite Streifen-Mesastruktur herzustellen, wie in Fig. 4B dargestellt.
Auf der relativ breiten Streifen-Mesastruktur und auf der n-InP-Mantelschicht 22 wird eine Maske 33 aus SiO&sub2; ausgebildet, welche die SiO&sub2;-Maske 32 einschließt, derart daß eine Seite der Mantelschicht 22 mit der Maske 33 bedeckt wird und ihre andere Seite freiliegt. Dann wird die andere Seite der Mantelschicht 22 unter Verwendung der SiO&sub2;-Maske 33 geätzt, wie in Fig. 4C dargestellt.
Die SiO&sub2;-Maske 33 wird entfernt, und auf der freiliegenden p&spplus;-InP-Mantelschicht 24 der Streifen-Mesastruktur sowie auf der halbisolierenden Einbettungsschicht 25 und dem halbisolierenden InP-Substrat 21 auf der Seite ohne n&spplus;-InP-Mantelschicht 22 wird mittels einer Passivierungsschicht 28 aus SiO&sub2; eine p-Elektrode 26 ausgebildet. Schließlich wird auf der n&spplus;- InP-Mantelschicht 22 auf der Seite, die der p-Elektrode 26 gegenüberliegt, eine n-Elektrode 27 ausgebildet, wie in Fig. 4D gezeigt. Die p-Elektrode 26 weist einen Streifenteil 26A, einen Zwischenverbindungsteil 26B und einen Bondinselteil 26C auf, wie in Fig. 3 dargestellt.
Bei dem so hergestellten optischen Modulator wird das halbisolierende InP-Substrat 21 auf annähernd 100 um Dicke poliert, und die Bausteinlänge wird durch Spaltfacetten auf 100 um justiert. Die p-Elektrode 26 hat eine Fläche von 100 um x 2 um auf dem Streifen-Mesateil, von 10 um x 20 um auf dem Zwischenverbindungsteil und eine Fläche von 100 um x 100 um auf dem Bondinselteil.
Beim Betrieb des optischen Modulators nach dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel erhält man die gleiche statische Charakteristik wie beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, da die Zusammensetzung und die Schichtdicke der i- InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 23 die gleichen sind wie beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Das heißt, der Durchstrahlungsverlust zwischen einem einfallenden Licht 29 mit einer Wellenlänge von 1,55 um und einem Ausgangslicht 30 beträgt nur etwa 1,5 dB, und das Lichtextinktionsverhältnis ist größer als 10 dB, wenn an die p- und n-Elektroden 26 und 27 eine Vorspannung in Sperrichtung von -3 V angelegt wird.
Andererseits erhält man eine Modulationsfrequenzbandbreite Δf von 69 GHz, die etwas schmaler ist als der Wert beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, da wegen des Strukturunterschieds der Zwischenverbindungs- und Bondinselteile der p-Elektrode 26 die Bausteinkapazität im Vergleich zu dem Wert beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel geringfügig auf 92 fF ansteigt. Dieser Unterschied kann ausgeglichen werden, indem man die Polierdicke des Substrats und/oder die Fläche des Elektroden-Bondinselteils verändert. Daher erhält man auch beim zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel mühelos einen superschnellen optischen Modulator mit einem Modulationsfrequenzband von mehr als 50 GHz.
Bei den optischen Modulatoren nach dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Bausteinlänge, die Breite des Lichtwellenleiters, die Fläche des Elektroden-Bondinselteils usw. geändert werden. Eine n-seitige Mantelschicht kann sich aus einer InP-Schicht und einer InGaAsp-Schicht zusammensetzen, wobei eine der beiden Schichten als Ätzstopschicht dient, und auf einer p-seitigen InP- Mantelschicht kann eine InGaAsP-Deckschicht aufgebracht werden. Ferner können die auf beiden Seiten der Streifen-Mesastruktur ausgebildeten halbisolierenden InP-Einbettungsschichten durch Schichten aus dielektrischem Material, wie z. B. Polyimid usw., ersetzt werden, um den gleichen Vorteil für einen optischen Modulator zu erreichen.
Fig. 5A bis 5C zeigen einen integrierten optischen Modulator nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 5A eine Querschnittsansicht in Richtung des Lichtdurchgangs darstellt und Fig. 5B und 5C Querschnittsansichten entlang der Linien B-B bzw. C-C in Fig. 5A zeigen.
Zunächst werden die Fertigungsschritte dieses integrierten optischen Modulators kurz erläutert.
Eine n&spplus;-InGaAsP-Mantelschicht 42 mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,2 um und einer Dicke von 0,5 um sowie eine aktive i-InGaAsP-Schicht mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,55 um und einer Dicke von 0,3 um werden nach dem MOVPE-Verfahren durch Aufwachsen auf ein halbisolierendes InP- Substrat 41 mit einem Gitter 41A im Bereich eines Halbleiterlasers aufgebracht, und die aktive i-InGaAsP-Schicht 43 wird nur auf dem Gitter stehengelassen, während im Bereich eines optischen Modulators, der kein Gitter aufweist, die n&spplus;- InGaAsP-Mantelschicht 42 unter Verwendung einer SiO&sub2;-Maske (nicht dargestellt) durch Ätzen freigelegt wird. Dann läßt man auf der freigelegten n&spplus;-InGaAsP-Mantelschicht 42 eine i- InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 44 mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,475 um und einer Dicke von 0,3 um selektiv aufwachsen. Als Ergebnis erhält man eine optische Kaskadenschaltung zwischen der aktiven i-InGaAsP-Schicht 43 und der i- InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 44. Dann wird die SiO&sub2;-Maske entfernt, und auf der Kaskadenschaltungsschicht läßt man eine p&spplus;-InP-Mantelschicht 45 mit einer Dicke von 1,3 um aufwachsen. Nach den obigen Schritten werden bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die in Fig. 2A bis 2D erläuterten Schritte auf den Fertigungsprozeß angewandt. Das heißt, durch zwei Ätzschritte wird eine Streifen-Mesastruktur ausgebildet, derart daß auf einer Seite der Streifen-Mesastruktur das halbisolierende InP-Substrat 41 freigelegt wird, während auf der anderen Seite der Streifen-Mesastruktur die n&spplus;-InGaAsP-Mantelschicht 42 freigelegt wird. Dann wird die Streifen-Mesastruktur auf beiden Seiten mit halbisolierenden InP-Einbettungsschichten 46 verdeckt, und es wird eine Nut 52 mit einer Tiefe von 1 um und einer Länge von 10 um ausgebildet, um eine elektrische Trennung zwischen dem optischen Modulator und dem Halbleiterlaser herzustellen. Schließlich werden p- und n-Elektroden 47 und 48 für den Halbleiterlaser bzw. p- und n-Elektroden 49 und 50 für den optischen Modulator unabhängig voneinander angebracht. Das Substrat 41 wird auf eine Dicke von etwa 100 um poliert, und es wird eine Bausteinlänge von 400 um eingestellt, die 300 um für den Halbleiterlaser und 100 um für den optischen Modulator einschließt. Die p-Elektrode 49 hat eine Fläche von 100 um x 2 um für den Streifen-Mesateil, von 10 um x 20 um für den Zwischenverbindungsteil und von 100 um x 100 um für den Bondinselteil.
Wenn im Betrieb eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Laserdiode angelegt wird, dann tritt stimulierte Emission auf, so daß durch die Lichtabsorptionsschicht 44, die mit der aktiven Schicht 43 in Kaskade geschaltet ist, ein Ausgangslicht 51 abgegeben wird. Der Schwellenstrom der Laserdiode beträgt 50 mA, die Wellenlänge der Laserstrahlung beträgt 1,55 um, und die Leistung des Ausgangslichts 51 beträgt 5 mW, wenn der Strom gleich 100 mA ist. Wird an die p- und n-Elektroden 49 und 50 eine Vorspannung in Sperrichtung -V angelegt, dann wird das Licht, das sich durch die Lichtabsorptionsschicht 44 ausbreitet, durch den Franz-Keldysh-Effekt absorbiert und liefert eine Lichtmodulation. Die Arbeitsweise eines optischen Modulators ist bereits in Fig. 1 erläutert worden. Daher wird sie hier nicht erklärt. Auch bei diesem integrierten optischen Modulator erhält man eine Modulationsfrequenzbandbreite von mehr als 50 GHz, um eine superschnelle Modulation zu erreichen. Die Materialien, die Struktur und das Fertigungsverfahren dieses integrierten optischen Modulators können verändert werden. Zum Beispiel werden auf einer Austrittsfacette bzw. auf einer Reflexionsfacette eine Antireflexionsschicht bzw. eine Schicht mit hohem Reflexionsvermögen ausgebildet, um einen Baustein mit hoher Ausgangsleistung herzustellen.
Die in Fig. 1 und 3 dargestellten optischen Modulatoren können als optischer Detektor eingesetzt werden. Bei einer derartigen Anwendung wird die i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht so gestaltet, daß sie eine Zusammensetzung mit einem Bandabstand von beispielsweise 1,67 um aufweist, der größer ist als die Wellenlänge einer Lichtquelle, so daß ein Fotostrom, der durch in der Lichtabsorptionsschicht absorbiertes Licht induziert wird, durch die p- und n-Elektroden nachgewiesen und ein optischer Detektor vom Wellenleitertyp realisiert wird. Die Struktur und das Fertigungsverfahren dieses optischen Detektors sind die gleichen wie in Fig. 1 bis 4 erläutert. In diesem Fall wird die Bausteinkapazität so verringert, daß sie nur 90 fF beträgt. Daher erhält man einen optischen Detektor mit extrem großer Bandbreite.
Fig. 6 zeigt einen optischen Modulator nach dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser optische Modulator wird hergestellt, wie in Fig. 7A bis 7D gezeigt, und weist auf: ein halbisolierendes InP-Substrat 61, eine teilweise im oberen Teil des Substrats 61 enthaltene n-TnGaAsP-Pufferschicht 64 mit einer Zusammensetzung, die einer Bandabstandswellenlänge von 1,1 um entspricht, und einer Dicke von 3 um, eine Streifen-Mesastruktur 69 mit einer Breite von 1,5 um, die eine untere n-InP-Mantelschicht 65 mit einer Dicke von 0,5 um, eine undotierte InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 66 mit einer Dicke von 0,3um und einer Zusammensetzung für 1,4 um Wellenlänge, eine obere p-InP-Mantelschicht 67 mit einer Dicke von 1,5 um sowie eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 68 mit einer Dicke von 0,5 um einschließt, Fe-dotierte, halbisolierende InP-Einbettungsschichten 70, die auf beiden Seiten der dadurch verdeckten Mesastruktur 69 vorgesehen sind, eine p-Elektrode 71, die auf der halbisolierenden Schicht 70 und auf der Mesastruktur 69 ausgebildet ist, und eine n-Elektrode 72, die auf dem freiliegenden Teil der Pufferschicht 64 ausgebildet ist. An beiden Facetten, die Lichteintritts- und -austrittsebenen entsprechen, sind Antireflexionsschichten ausgebildet, um die Lichtreflexion an den Facetten zu unterdrücken, und die Bausteinlänge beträgt 300 um.
Die Herstellung dieses optischen Modulators erfolgt entsprechend der Darstellung in Fig. 7A bis 7D.
In Fig. 7A wird auf einem halbisolierenden InP-Substrat 61 durch chemisches Ätzen unter Verwendung einer Ätzmaske 63 aus SiO&sub2; eine Streifennut 62 mit einer Tiefe von 3 um ausgebildet, und die Nut 62 wird selektiv nach dem Hydrid-Gasphasenepitaxieverfahren (Hydrid-VPE-Verfahren) mit einer n- InGaAsP-Pufferschicht 64 so verdeckt, daß diese eben mit dem Substrat 61 abschließt.
In Fig. 7B wird die Ätzmaske 63 entfernt, und auf dem mit der Pufferschicht 64 verdeckten Substrat 61 läßt man nach dem MOVPE-Verfahren eine untere n-InP-Mantelschicht 65, eine undotierte i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 66, eine obere p- InP-Mantelschicht 67 und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 68 aufwachsen.
In Fig. 7C wird durch Fotolithografie und Ätzen eine Streifen-Mesastruktur 69 ausgebildet und über dem Rand der Streifen-Pufferschicht 64 angeordnet, so daß die Breite der Streifen-Mesastruktur 69 gleich 1,5 um ist, und auf einer Seite wird das Substrat 61 mit hohem Widerstand freigelegt, während auf der anderen Seite die Pufferschicht 64 freigelegt wird. Dann wird die Streifen-Mesastruktur 69 auf beiden Seiten mit Fe-dotierten, halbisolierenden InP-Einbettungsschichten 70 verdeckt.
In Fig. 7D wird ein Teil der halbisolierenden Schicht 70, die auf der Pufferschicht 64 angeordnet ist, durch Anwendung eines Ätzmittels entfernt, das beispielsweise aus HCl besteht, um nur InP selektiv zu ätzen. Dann wird auf der Deckschicht 68 und auf der halbisolierenden Einbettungsschicht 70 durch Sputtern eine p-Elektrode 71 aus TiPtAu ausgebildet, und nach dem thermischen VPE-Verfahren wird eine n-Elektrode 72 aus AuGeNi auf dem freiliegenden Teil der Pufferschicht 64 ausgebildet. Schließlich werden auf beiden Spaltfacetten des Bausteins durch Sputtern Antireflexionsschichten aus Sinx ausgebildet.
Der so gefertigte optische Modulator hat eine Bausteinkapazität von 0,25 pF, und es wird eine Modulationsfrequenzbandbreite von 26 GHz erzielt, wenn dem Baustein ein einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 um zugeführt wird. Diese Leistungsparameter sind doppelt so hoch wie beim herkömmlichen optischen Modulator.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann InGaAsP in der Pufferschicht 64 durch n-InP ersetzt werden. Bei dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren werden das halbisolierende Substrat 61 und die Pufferschicht 64 auf beiden Seiten der Streifen-Mesastruktur 69 durch nur einen Mesa-Ätzschritt freigelegt, und die Fotolithografie läßt sich während des Mesa-Ätzens mühelos ausführen. Im Ergebnis werden die Ausbeute und die Einheitlichkeit gegenüber dem herkömmlichen optischen Modulator verdoppelt.
Fig. 8A und 8B, 9A und 9B sowie 10A und 10B zeigen Verfahren zum Herstellen eines halbisolierenden Substrats mit ebener Oberfläche und einer Streifen-Pufferschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die teilweise im oberen Abschnitt des Substrats untergebracht ist.
In Fig. 8A wird auf einem halbisolierendem Substrat 61 eine Nut 73 mit einer Tiefe von 3 um ausgebildet, die dann an ihrer gesamten Oberfläche durch eine Pufferschicht 64 aus n- InGaAsP mit einer Dicke von annähernd 3 um abgedeckt wird. Danach wird ein Fotolack 74 (z.B. der AZ-Serie von Hexist, Inc.) durch Schleuderbeschichten auf die n-InGaAsP-Pufferschicht 64 aufgebracht, um eine im wesentlichen ebene Oberfläche zu bilden.
In Fig. 8B werden der Fotolack 74 und die Pufferschicht 64 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) geätzt. Dieses Ätzen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit wird ausgeführt, indem man ein Mischungsverhältnis des aus Ar, O&sub2; und HCl bestehenden Mischgases einstellt, das als Reaktionsgas für das Ätzen dient. Wenn das halbisolierende Substrat 61 in einem Bereich mit Ausnahme der Nut 73 freigelegt ist, wird das Ätzen beendet. Wenn auf der Pufferschicht 64 ein Fotolack-Rückstand vorhanden ist, wird der Fotolack entfernt. Das so erhaltene Substrat kann wegen des hohen Ebenheitsgrads der Oberfläche in den folgenden Fertigungsschritten leicht kontrolliert werden, um eine bessere Ausbeute und Gleichmäßigkeit zwischen den Schichten zu liefern.
In Fig. 9A wird auf einem halbisolierenden Substrat 61 teilweise eine amorphe Si-Schicht 75 ausgebildet. Das halbisolierende Substrat 61 mit der amorphen Si-Schicht 75 wird dann durch einen SiN-Film 76 abgedeckt.
In Fig. 9B wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von annähernd 800 ºC ausgeführt, um Si in das Substrat 61 diffundieren zu lassen. Dann werden der SiN-Film 76 und die amorphe Si-Schicht 75 entfernt. Die so erhaltene Oberfläche des Substrats ist völlig eben, so daß die Ausbildung einer Streifen-Mesastruktur sehr leicht wird. Ferner wird die für die Integration mit dem DFB-Laser usw. notwendige Herstellung eines Beugungsgitters erleichtert. Im obigen Ausführungsbeispiel kann die n-Pufferschicht 64 durch eine p-Pufferschicht ersetzt werden. Für die p-Pufferschicht läßt man Fremdatome, wie z. B. Zn, Cd usw., in das halbisolierende Substrat diffundieren. In diesem Fall müssen die anderen Halbleiterschichten umgekehrte Leitfähigkeitstypen aufweisen.
In Fig. 10A wird auf der gesamten Oberfläche des halbisolierenden Substrats 61 eine n-InP-Pufferschicht 64 mit einer Dicke von etwa 3 4m ausgebildet.
In Fig. 10B werden in einem Bereich, in dem keine Pufferschicht vorgesehen werden muß, Ionen wie z. B. H&spplus;, B&spplus; usw. zur Erhöhung des Halbleiterwiderstands bis zu einer Tiefe, die größer ist als die Dicke der Pufferschicht 64, in das halbisolierende Substrat 61 injiziert. Im Ergebnis wird die n-Pufferschicht 64 teilweise im oberen Abschnitt des Substrats 61 ausgebildet. Die Dicke der Pufferschicht 64 kann größer als die in Fig. 8B und 9B erhaltenen Dicken sein, da ein Ion wie H&spplus; und B&spplus; tiefer als Si&spplus; injiziert wird. Dies ermöglicht eine große Freiheit bei der Gestaltung einer Pufferschicht.
Fig. 11 zeigt einen optischen Modulator nach dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 12a bis 12c zeigen das Herstellungsverfahren des optischen Modulators.
Der optische Modulator weist auf: ein halbisolierendes InP-Substrat 101, eine Streifen-Mesastruktur 106 mit einer n&spplus;- InP-Mantelschicht 102, einer i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 103, einer p-InP-Mantelschicht 104 und einer p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 105, auf beiden Seiten der Streifen-Mesastruktur 106 aufgebrachte halbisolierende InP-Einbettungsschichten 107, eine p-Elektrode 108, eine n-Elektrode 109, eine dielektrische Schicht 110 und eine Elektrode 112 an der Schichtunterseite. Die p-Elektrode 108 weist einen Streifenteil 121, einen Zwischenverbindungsteil 114 mit Luftbrückenstruktur und eine Bondinsel 115a auf, und die n-Elektrode 109 weist eine Bondinsel 115B auf.
Bei der Fertigung dieses optischen Modulators läßt man nacheinander eine n&spplus; -InP-Mantelschicht 102 mit einer Dicke von 15 2,0 um und einer Trägerkonzentration von 5 10¹&sup7; cm&supmin;³, eine undotierte IngaAsp-Lichtabsorptionsschicht 103 mit einer Dicke von 0,3 um und einer Bandabstandswellenlänge von 1,475 um, eine p&spplus;-InP-Mantelschicht mit einer Dicke von 2,0 um und einer Trägerkonzentration von 5 10¹&sup7; cm&supmin;³ sowie eine p&spplus;-InGaAs- Deckschicht 105 mit einer Dicke von 0,3 um und einer Trägerkonzentration von 1 10¹&sup9; cm&supmin;³ nach dem metallorganischen Gasphasenepitaxieverfahren (MOVPE-Verfahren) auf ein Fe-dotiertes, halbisolierendes InP-Substrat 101 aufwachsen. Als nächstes wird durch ein gewöhnliches fotolithografisches Verfahren eine Streifen-SiO&sub2;-Maske mit einer Breite von 2 um auf der Deckschicht 105 aufgebracht, und es wird eine Streifen-Mesastruktur 106 ausgebildet, um unter Verwendung der Streifen- SiO&sub2;-Maske durch Ätzen die Mantelschicht 102 freizulegen. Dann wird diese Streifen-SiO&sub2;-Maske benutzt, um die Streifen-Mesastruktur auf beiden Seiten selektiv mit Fe-dotierten, halbisolierenden InP-Einbettungsschichten 107 zu verdecken. Danach wird eine Streifen-Mesastruktur mit einer Breite von 10 um, welche die Streifen-Mesastruktur 106 und die Einbettungsschichten 107 einschließt, ausgebildet, um durch selektives Ätzen unter Anwendung eines gewöhnlichen fotolithografischen Verfahrens auf einer Seite die Mantelschicht 102 und auf der anderen Seite das InP-Substrat 101 mit hohem Widerstand freizulegen. Als nächstes wird auf der Deckschicht 105 eine p- Elektrode 108 aus AuZn aufgebracht, während auf der Mantelschicht 102 eine n-Elektrode 109 aus AuGeNi aufgebracht wird, wie in Fig. 12A gezeigt.
Eine untere Fotolackschicht 111 mit einer Dicke von 2 um wird strukturiert, um einen Luftspalt für die Luftbrücken- Verbindungsstruktur zu bilden, und eine Schichtunterseiten- Elektrode 112 aus Ti/Au mit Dicken von jeweils 500Å/500Å, auf der eine Vergoldungselektrode ausgebildet ist, wird durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht. Dann wird eine obere Fotolackschicht 113, die strukturiert auf die Schichtunterseiten-Elektrode 112 aufgebracht ist, als Maske benutzt, so daß eine selektive Vergoldungsschicht 120 aufgebracht wird, wie in Fig. 12b dargestellt.
Die obere Fotolackschicht 113 wird durch O&sub2;-Plasma entfernt, und ein vorgegebener Teil der Schichtunterseiten-Elektrode 112 wird entfernt. Auf diese Weise wird die untere Fotolackschicht 111 entfernt, um einen Zwischenverbindungsteil 114 für die Luftbrückenstruktur und eine Bondinsel 115 herzustellen, wie in Fig. 12C gezeigt. Dann wird das halbisolierende InP-Substrat 101 auf eine Dicke von etwa 100 um poliert, und die Länge des Bausteins wird durch Spaltfacetten auf 100 um gebracht. Die p-Elektrode hat eine Fläche von 100 um x 2 um am Streifenteil 121 und von 50 um x 50 um am Bondinselteil 115, und der Zwischenverbindungsteil 114 hat eine Breite von 10 um, eine Länge von 50 um und eine Höhe von 2 um an der Luftbrückenstruktur.
Zur Funktionsweise dieses optischen Modulators wird zunächst eine statische Charakteristik diskutiert. Hierbei wird angenommen, daß eine zur optischen Kommunikation verwendete Wellenlänge eines einfallenden Lichts gleich 1,55 um ist. Wenn zwischen den p- und n-Elektroden 108 und 109 keine Vorspannung in Sperrichtung anliegt, dann wird das einfallende Licht durch den Baustein durchgelassen und tritt als Ausgangslicht ohne jede Modulation aus. In diesem Fall beträgt der Durchstrahlungsverlust nur etwa 1,5 dB, da die Wellenlängenverstimmung zwischen dem einfallenden Licht und dem Bandabstand der Lichtabsorptionsschicht gleich 75 nm ist.
Wenn an die p- und n-Elektroden 108 und 109 eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, um ein elektrisches Feld an die i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 103 anzulegen, dann wird ein einfallendes Licht beim Durchgang durch den Baustein nach dem Franz-Keldysh-Effekt in der i-InGaAsP-Lichtabsorptionsschicht 103 absorbiert, so daß von der Schicht kein Ausgangslicht abgegeben wird. In diesem Fall ist das Lichtextinktionsverhältnis größer als 10 dB, was bei einer Spannung von -3 V eine zufriedenstellende Eigenschaft ist.
Als nächstes wird eine Modulationscharakteristik erläutert. Wie zuvor beschrieben, ist eine Frequenzbandbreite Δf eines optischen Modulators mit Anwendung eines Feldeffekts durch eine nachstehend definierte Bausteinkapazität C bestimmt:
f = 1/(π CR).
Wenn bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Berechnung unter der Annahme ausgeführt wird, daß die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters gleich 12,5 ist, dann ist die Übergangskapazität Cj gleich 74 fF, und die Zwischenverbindungskapazität Ci und die Bondinselkapazität Cp betragen insgesamt 3 fF. Folglich ist die Gesamtkapazität dieses Bausteins, welche die Modulationsgeschwindigkeit bestimmt, gleich 77 fF, was gleich einem Fünftel bis Neuntel des Wertes beim herkömmlichen optischen Modulator ist, und man erhält eine Modulationsfrequenzbandbreite von 83 GHz, die einen optischen Modulator mit extrem hoher Modulationsgeschwindigkeit liefert.
Fig. 13 zeigt einen optischen Detektor nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Teile dieses optischen Detektors sind durch gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 11 bezeichnet. Der einzige Unterschied zwischen den Abbildungen ist, daß die Lichtabsorptionsschicht 116 aus InGaAs mit Kristallgitteranpassung bezüglich InP besteht. Zur Herstellung dieses optischen Detektors wird das gleiche Fertigungsverfahren angewandt, wie in Fig. 12A bis 12C dargestellt.
Wenn bei diesem optischen Detektor die Wellenlänge eines einfallenden Lichts gleich 1,55 um ist, dann wird das einfallende Licht in der Lichtabsorptionsschicht 116 aus InGaAs wirksam absorbiert, da die Bandabstandswellenlänge der Lichtabsorptionsschicht 116 gleich 1,67 um ist, d. h. auf der längerwelligen Seite des einfallenden Lichts liegt. Der durch absorbiertes Licht induzierte Fotostrom wird durch die p- und n-Elektroden 108 und 109 nachgewiesen. Somit arbeitet dieser Baustein als optischer Detektor vom Wellenleitertyp. Wenn in diesem Fall die Bausteinlänge und die Dicke der InGaAs- Lichtabsorptionsschicht 116 die gleichen sind wie bei dem zuvor erwähnten ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, dann kann die Bausteinkapazität kleiner als 0,1 pF sein und liefert einen optischen Detektor mit extrem großer Bandbreite.
Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen können n- und p-Schichten durch Schichten vom jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ersetzt werden. Die Lichtabsorptionsschicht kann durch eine Mehrquantenmulden-Struktur ersetzt werden. Die Materialien sind nicht auf IngaAsP/InP beschränkt, sondern es können Materialien wie z. B. InGaAs/InAlAs, AlGaAs/GaAs, AlGaInP/GaInP/GaAs, usw. eingesetzt werden, die bei gewöhnlichen Halbleiterlasern und bei Halbleiterdetektoren mit Heteroübergang verwendet werden. Die Fe-dotierte, halbisolierende InP-Schicht kann durch eine halbisolierende Halbleiterschicht ersetzt werden, die mit einer Dotierungssubstanz, wie z. B. Co, Ti usw., dotiert ist, oder durch ein halbisolierendes dielektrisches Material, wie z. B. Polyimid. Obwohl berücksichtigt wird, daß eine Spannung auf eine Halbleiterschicht einwirkt, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Polyimid von dem eines Halbleiters abweicht, erhält man entsprechend der Abnahme der Spannung eine vorher festgelegte Zuverlässigkeit, indem man durch Verringern einer Nutbreite das Polyimid-Volumen verringert. Polyimid wird erfolgreich in einem optischen Modulator und in einem optischen Detektor eingesetzt, allerdings wird in einem Halbleiterlaser, der im allgemeinen Wärme erzeugt, vorzugsweise ein Halbleiter verwendet.
Die Erfindung ist zwar der vollständigen und klaren Offenbarung wegen in bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben worden, aber die beigefügten Patentansprüche sollen auf diese Weise nicht eingeschränkt werden, sondern sind so auszulegen, daß sie alle Modifikationen und Alternativkonstruktionen umfassen, die dem Fachmann einfallen können und deutlich im Rahmen der hier dargelegten Grundlehren liegen.

Claims

1. Optische Halbleitervorrichtung zur Lichtmodulation, welche aufweist:

eine Streifen-Mesastruktur auf einem halbisolierenden Substrat (1, 21, 41, 61, 101), wobei die Streifen-Mesastruktur eine erste Mantelschicht (2, 22, 42, 65, 102) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte Lichtabsorptionsschicht (3, 23, 44, 66, 103) und eine zweite Mantelschicht (4, 24, 45, 67, 104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist;

halbisolierende Einbettungsschichten (5, 25, 46, 70, 107) zum Verdecken der Streifen-Mesastruktur an deren beiden Seiten; und

eine Einrichtung (6, 7, 26, 27, 47-50, 71, 72, 108, 109) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die undotierte Lichtabsorptionsschicht.

2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei

die Streifen-Mesastruktur ferner eine Deckschicht (68, 105) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, die auf der zweiten Mantelschicht (67, 104) aufgebracht ist.

3. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

die Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes eine erste Elektrode (6, 26, 47, 49, 71, 108), die mit der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht verbunden ist, und eine zweite Elektrode (7, 27, 48, 50, 72, 109) aufweist, die mit der auf dem halbisolierenden Substrat frei liegenden ersten Mantelschicht verbunden ist.

4. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei

die erste Elektrode einen Streifenteil (6A), der auf der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht angeordnet ist, einen Bondinselteil (6C), der auf einer der halbisolierenden Einbettungsschichten angeordnet ist, und einen Verbindungsteil (68) aufweist, der den Streifenteil mit dem Bondinselteil verbindet.

5. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei

die erste Elektrode einen Streifenteil (26A, 121), der auf der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht angeordnet ist, einen Bondinselteil (26C, 115A), der auf dem halbisolierenden Substrat angeordnet ist, und einen Verbindungsteil (26B, 114) aufweist, der den Streifenteil mit dem Bondinselteil verbindet.

6. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei

der Verbindungsteil (114) eine der halbisolierenden Einbettungsschichten so kreuzt, daß ein Zwischenraum zu der halbisolierenden Einbettungsschicht bleibt.

7. Optische Halbleitervorrichtung, die aufweist:

eine auf einem halbisolierenden Substrat (61) aufgebrachte Streifen-Mesastruktur, wobei die Streifen-Mesastruktur eine in einem freiliegenden oberen Teil des halbisolierenden Substrats ausgebildete Pufferschicht (64), eine erste Mantelschicht (65) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte Lichtabsorptionsschicht (66) und eine zweite Mantelschicht (67) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist;

halbisolierende Einbettungsschichten (70) zum Verdecken der Streifen-Mesastruktur an deren beiden Seiten; und eine Einrichtung (71, 72) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die undotierte Lichtabsorptionsschicht.

8. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei

auf der zweiten Mantelschicht (104) eine Deckschicht (68) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.

9. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei

die Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes eine erste Elektrode (71), die mit der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht verbunden ist, und eine zweite Elektrode (72) aufweist, die mit der auf dem halbisolierenden Substrat frei liegenden Pufferschicht verbunden ist.

10. Optische Halbleitervorrichtung zur Lichtdetektion, die aufweist:

eine Streifen-Mesastruktur auf einem halbisolierenden Substrat (1, 21, 101), wobei die Streifen-Mesastruktur eine erste Mantelschicht (2, 22, 102) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte Lichtabsorptionsschicht (3, 23, 116) und eine zweite Mantelschicht (4, 24, 104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist;

halbisolierende Einbettungsschichten (5, 25, 107), zum Verdecken der Streifen-Mesastruktur auf deren beiden Seiten; und

eine Einrichtung (6, 7, 26, 27, 108, 109) zum Nachweis eines Fotostroms, der durch Licht erzeugt wird, welches in der undotierten Lichtabsorptionsschicht absorbiert wird.

11. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei

auf der zweiten Mantelschicht (104) eine Deckschicht (105) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.

12. Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei

die undotierte Lichtabsorptionsschicht (3, 23, 116) aus einer Zusammensetzung besteht, deren Bandabstandswellenlänge größer ist als die Wellenlänge eines in die Schicht eingestrahlten Lichts.

13. Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei

die Nachweiseinrichtung eine erste Elektrode (6, 26, 108), die mit der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht verbunden ist, und eine zweite Elektrode (7, 27, 109) aufweist, die mit der auf dem halbisolierenden Substrat freiliegenden ersten Mantelschicht verbunden ist.

14. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei

15. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei

die erste Elektrode einen Streifenteil (26A, 121), der auf der zweiten Mantelschicht oder der Deckschicht angeordnet ist, einen Bondinselteil (26C, 115A), der auf dem halbisolierenden Substrat angeordnet ist, und einen Verbindungsteil (268, 114) aufweist, der den Streifenteil mit dem Bondinselteil verbindet.

16. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei

17. Optische Halbleitervorrichtung, die aufweist:

einen optischen Modulator mit

einer Streifen-Mesastruktur auf einem halbisolierenden Substrat (41), wobei die Streifen-Mesastruktur eine erste Mantelschicht (42) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte Lichtabsorptionsschicht (44) und eine zweite Mantelschicht (45) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist;

halbisolierenden Einbettungsschichten (46) zum Verdecken der Streifen-Mesastruktur an deren beiden Seiten; und einer ersten Einrichtung (49, 50) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die undotierte Lichtabsorptionsschicht; und

einen Halbleiterlaser mit

einer Streifen-Mesastruktur auf einem mit einem Gitter (41A) versehenen Teil des halbisolierenden Substrats (41), wobei die Streifen-Mesastruktur eine erste Mantelschicht (42) des ersten Leitfähigkeitstyps, eine undotierte aktive Schicht (43) und eine zweite Mantelschicht (45) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist;

halbisolierenden Einbettungsschichten (46) zum Verdecken der Streifen-Mesastruktur an deren beiden Seiten; und

einer zweiten Einrichtung (47, 48) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die aktive Schicht;

wobei die undotierte Lichtabsorptionsschicht (44) und die undotierte aktive Schicht (43) durch eine optische Kopplung miteinander verbunden sind, wobei die erste und die zweite Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes elektrisch getrennte Elektroden (47, 49) und eine gemeinsame Elektrode (48, 50) aufweisen, und wobei die zweiten Mantelschichten durch eine Nut (52) mit vorgegebener Tiefe unterteilt sind.

18. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, wobei

auf der zweiten Mantelschicht (45) eine Deckschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.