DE69319366T2 - Elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche - Google Patents

Elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche

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Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche und insbesondere eine elektrophotonische Einrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche, die bei massiver und paralleler optischer Übertragung und optischer Informationsverarbeitung verwendet wird.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche führt Lichtemission und Lichtempfang auf derselben Struktur durch (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. Hei 4-101483).
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche vom Typ mit vertikalem Hohlraum als Beispiel der konventionellen elektrophotonischen Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche zeigt. Eine Führungsschicht und ein verteilter Bragg-Reflektor sind an den oberen und unteren Unterflächen einer Quantenmuldenschicht ausgebildet, die als Lichtabsorptions/aktive Schicht wirkt. Die elektrophotonische Einrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfliche vom Typ mit vertikalem Hohlraum hat eine "pnpn"-Struktur.
  • Die konventionelle elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche vom Typ mit vertikalem Hohlraum muß eine hohe Reflektivität des verteilten Bragg- Reflektors haben, um einen hohen Q-Wert während Resonanz zu erhalten, da der Schwellenstromwert von Laseremission erniedrigt wird. Aus diesem Grund wird, wenn dieses Element als ein Lichtempfangselement verwendet wird, die Detektorbandbreite schmal, und die Dauerhaftigkeit (Toleranz) gegen Veränderungen in der wellenlänge der Laseremission aufgrund von nicht gleichförmiger Schichtdicke zwischen Elementen und der Vergrößerung in der Temperatur ist schlecht, was zu Unannehmlichkeiten führt.
  • Ein anderes optisches integriertes Element, das eine Struktur hat, in der die Lichtemissions- und Lichtempfangsbereiche voneinander getrennt sind, ist in Fig. 2 gezeigt und wird weiter beschrieben in CONFERENCE RECORDS OF OPTICAL COMPUTING, Seiten 164 - 166, 1990. Ein lichtemittierender Bereich (Mikrolaser oder u-Laser) und ein Lichtempfangsbereich (Detektoren) sind unabhängig voneinander ausgebildet, um die Charakteristiken dieser Bereiche zu optimieren. Es ist jedoch schwierig, einen konventionellen Laser vom Oberflächenemissionstyp und ein lichtempfangendes Element auf einem einzigen Substrat auszubilden, und zwar aufgrund ihrer strukturellen Unterschiede. Eine Einrichtung, die sowohl den Laser vom Oberflächenemissionstyp und das lichtempfangende Element auf demselben Substrat aufweisen, ist im Artikel "Cascadable, latching photonic switch with high optical gain by the monolithic integration of a vertical-cavity surface-emitting laser and a pnpn photothyristor" durch P. Zhou et al in JEEE Photonics Technology Letters, Band 3, Nr. 11 (Dezember 1991) New York, USA Seiten 1009 - 1012 vorgeschlagen worden. Die Verwendung eines oberflächenemittierenden Lasers als Lichtempfangselement wird in dem Artikel Detector characteristics of a vertical-cavity surface-emitting laser" von H. Kosaka et al. in Japanese Journal of Applied Physics, Band 30, Nr. 7a, Teil 2 (1. Juli 1991), Tokyo, JP, Seiten L1172 - L1174 untersucht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände geschaffen und hat es als Aufgabe, ein Laserelement mit Oberflächenemission, das einen niedrigen Schweliwert für den Laserbetrieb hat, und ein lichtempfangendes Element zu schaffen, das im wesentlichen die gleiche Struktur wie diejenige des Lasers mit Oberflächenemission hat und eine große Detektorbandbreite aufweist.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, wird durch die vorliegende Erfindung eine elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche geschaffen, die einen verteilten Bragg-Reflektor eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste Abstandsschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, eine aktive Schicht, eine zweite Abstandsschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt ist, und einen verteilten Bragg-Reflektor des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, die jeweils auf einem Substrat gebildet sind und in einer Richtung senkrecht zur Bildungsoberfläche derselben ausgerichtet sind, um einen Hohlraum zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht des verteilten Bragg-Reflektors des ersten Leitfähigkeitstyps eine vergrößerte Dicke in einen Lichtempfangsteil der Vorrichtung hat, um eine doppelte Hohlraumstruktur an dem Lichtempf angsbereich der Vorrichtung zu schaffen, und eine kleinere Dicke in einem lichtemittierenden Bereich aufweist, um eine Einzelhohlraumstruktur an dem lichtemittierenden Bereich der Vorrichtung zu bilden, wobei der lichtemittierende Bereich der Einzelhohlraumstruktur und der Lichtempfangsbereich der Doppelhohlraumstruktur auf dem einzigen Substrat ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise weist der verteilte Bragg-Reflektor des ersten Leitfähigkeitstyps erste und zweite verteilte Bragg- Reflektoren auf, wobei eine zweite Abstandsschicht des ersten Leitfähigkeitstyps dazwischen angeordnet ist, wobei der verteilte Bragg-Reflektor des ersten Leitfähigkeitstyps eine größere Dicke in dem Lichtempfangsbereich der Vorrichtung als in dem lichtemittierenden Bereich der Vorrichtung aufweist.
  • Die Prinzipien, die Detektorbandbreiten der Lichtempfangsbereiche entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erhöhen, werden unten beschrieben werden.
  • Wenn eine Vielzahl von Hohlräumen, die für Resonanz bei derselben Frequenz ausgebildet sind, durch eine entsprechende Sperre oder Begrenzung verbunden werden, so wird die Resonanzfrequenz in unterschiedliche Frequenzen aufgeteilt. Dieses Phänomen kann aufgrund einer Analogie verstanden werden, in der eine Vielzahl von einzelnen Quantenmulden kombiniert wird, um die Entartung aufzulösen, um mehrere Pegel zu bilden und Minibänder zu bilden. Die Linienbreiten der getrennten Resonanzlinien werden durch ein Reziprokes der Lebensdauer der Photonen bestimmt, die in jedem Hohlraum eingeschlossen sind. Das Intervall zwischen den einzelnen Resonanzwellenlängen wird durch ein Reziprokes einer Zeit bestimmt, in der ein lichtlokalisierter Zustand in einem Hohlraum in einen lichtlokalisierten Zustand in einem anderen Hohlraum geändert wird. Aus diesem Grund wird, wenn die Anzahl von DBR- Schichten (distributed bragg reflector - verteilter Bragg- Reflektor) des Hohlraums vergrößert wird, die Linienbreite verkleinert. Das Intervall zwischen den einzelnen Resonanzfrequenzen wird verringert, wenn das Hohlraumintervall vergrößert wird. Aufgrund dieser Beziehung können die Anzahl von Schichten des gesamten DBR und das Hohlraumintervall optimal ausgebildet werden, so daß das Lichtabsorptionsspektrum so weit wie möglich flach wird.
  • Die obigen und viele andere Vorteile, Merkmale und zusätzliche Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlich werden, in denen bevorzugte strukturelle Ausführungsformen, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwenden, beispielhaft gezeigt sind.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 in einer Querschnittsansicht eine Struktur zum Erläutern einer konventionellen elektrophotonischen Einrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche vom Typ mit vertikalem Hohlraum;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Struktur zum Erläutern eines konventionellen optischen integrierten Elements;
  • Fig. 3 in einer Querschnittsansicht eine Struktur zum Erläutern einer elektrophotonischen Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 in einer Querschnittsansicht eine Struktur zum Erläutern einer elektrophotonischen Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 5 ein Lichtabsorptionsspektrum, das die Wirkung von Licht empfangenden Bereichen der elektrophotonischen Vorrichtungen mit Übertragung vertikal zur Oberfläche der ersten und zweiten Ausführungsformen zeigt.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung soll im Detail, aber nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 der beigefügten zeichnungen beschrieben werden. In den Fig. 3 und 4 zeigt jede Ausführungsform eine pnpn-Thyristor-Struktur.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Eine verteilter Halbleiterschicht (DBR1) vom n-Typ, die durch abwechselndes Bilden von n-GaAs (Schichtdicke (1Å = 0,1 nm) 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) und von n- AlAs (Schichtdicke: 649,9 Å, Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) gebildet ist, eine n-GaAs-Abstandsschicht 3 (Schichtdicke 1210,8 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), n-AlAs (Schichtdicke: 649,4 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), n-GaAs (Schichtdicke: 100 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³;diese Schicht wird gebildet, um die Oberfläche vor dem erneuten Wachsen zu reinigen und ist in Fig. 1 nach dem erneuten Wachsen nicht dargestellt) werden auf einem GaAs-Substrat 1 (isolierend) durch Molekularepitaxie (MBE-Technik; molecular beam epitaxy) gebildet.
  • Ein Resist wird nur auf den Licht empfangenen Bereich 16 zum Schützen der Oberfläche aufgebracht, und n-GaAs, n-AlAs und sdie n-GaAs-Abstandsschicht werden von der obersten Schicht eines lichtemittierenden Bereiches 17 weggeäzt, um so die letzte n-GaAs-Abstandsschicht von 100 Å übrig zu lassen.
  • Nachdem das Resist entfernt worden ist, wird die resultierende Struktur wieder in die MBE-Kammer (Molekularstrahlepitaxie-Kammer) eingesetzt und erhitzt, um das als die oberste Schicht übrig gebliebene n-GaAs zu entfernen. Eine verteilter Halbleiterschicht vom n-Typ (DBR2) 4, erhalten durch alterna tives Bilden von n-GaAs (Schichtdicke: 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), und n-AlAs (Schichtdicke 649,4 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8;cm&supmin;³), n-Al0,4Ga0,6 As 5 (Schichtdicke: 1553,9 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), p-Al0,25Ga0,75As 6 (Schichtdicke: 50 Å; Störstellenkonzentration: 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³), Al0,25Ga0,75As 7 (Schichtdicke: 1000 Å; undotiert), eine lichtaktive/Absorptionsschicht 8 bestehend aus In0,2Ga0,8As (Schichtdicke 100 Å; dreischichtige Struktur mit sandwichartig angeordneten 100 Å dicken undotiertem Al0,25Ga0,75As; undotiert), Al0,25Ga0,75As 9 (Schichtdicke: 900 Å; undotiert), p-Al0,4 Ga0,6As 10 (Schichtdicke: 1548,7 Å; Störstellenkonzentration: 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), eine verteilte Halbleiterschicht (DBR3) 11 vom p-Typ, die durch alternatives Bilden von p-GaAs (Schichtdicke: 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) und p-AlAs (Schichtdicke: 633,7 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) erhalten wurde, und eine p-GaAs Phasenanpassungsschicht 12 (Schichtdicke: 1050,4 Å; Störstellenkonzentration: 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³) werden auf der resultierenden Struktur gebildet.
  • Eine Pseudogitterstruktur, die aus GaAs und AlAs besteht und eine Schichtdicke aufweist, die allmählich von 20 Å bis 180 Å sich ändert, wird an der Grenze der GaAs- und AlAs-Schichten jeder verteilten Halbleiterschicht gebildet, um so den Widerstand des Elements zu verringern. Die Dicke aller Schichten einschließlich der Pseudogitterstruktur wird so eingestellt, daß man ein Verhältnis erhält wie (vorgesehene Resonanzwellenlänge)/(effektiver Brechungsindex)/4. Die DBR1 hat 7,5 Paare von Schichten, die DBR2 hat 15,5 Paare von Schichten und die DBR3 hat 14,5 Paare von Schichten.
  • Der Licht empfangende Bereich 16 und der lichtemittierende Bereich 17 werden bis zur verteilten Halbleiterschicht vom n- Typ in Mesaform geätzt. AuZi wird als p-Elektrode 13 auf der Oberseite der geätzten Oberfläche aufgebracht, und AuGeNi wird als n-Elektrode 14 an der Substratseite aufgebracht. Eine Antireflektionsbeschichtung 15 wird auf der unteren Oberfläche des Substrats ausgebildet, um so zurückkehrendes Licht während Lichtempfangsbetrieb und Lichtemissionsbetrieb zu unterdrücken.
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine verteilte Halbleiterschicht vom n-Typ (DBR1) 2, die durch alternatives Bilden von n-GaAs (Schichtdicke: 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), und n-AlAs (Schichtdicke: 649,4 Å, Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) erhalten wurde, n-Al0,4Ga0,6As 5 (Schichtdicke 1553,9 Å; Störstellenkonzentration: 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), p-Al0,25Ga0,75As 6 (Schichtdicke: 50 Å; Störstellenkonzentration: 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³), Al0,25Ga0,75As 7 (Schichtdicke: 1000 Å; undotiert), eine lichtaktive/Absorptionsschicht, die aus In0,2Ga0,8As (Schichtdicke: 100 Å; dreischichtige Struktur mit sandwichartig eingeschlossenem 100 Å dickem undotierten Al0,25Ga0,75As; undotiert) besteht; Al0,25Ga0,75As 9 (Schichtdicke: 900 Å; undotiert); p-Al0,4Ga0,6As 10 (Schichtdicke: 1548,7 Å; Störstellenkonzentration: 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), eine verteilte Halbleiterschicht vom p-Typ (DBR2) 4, die durch alternatives Bilden von p-GaAs (Schichtdicke: 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), und p-AlAs (Schichtdicke: 633,7 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) erhalten wurde, eine p-GaAs Abstandsschicht 3 (Schichtdicke: 1210,8 Å; Störstellenkonzentration: , 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), und eine verteilte Halbleiterschicht 11vom p-Typ (DBR3), die durch alternatives Bilden von p-GaAs (Schichtdicke: 515,4 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) und p-AlAs (Schichtdicke: 633,7 Å; Störstellenkonzentration: 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) erhalten ist, werden auf einem GaAs-Substrat 1 (isolierend) durch die MBE-Technik (Molekularstrahlepitaxie) gebildet.
  • Eine Übergitter-Pseudostruktur, die aus GaAs und AlAs besteht, und eine Schichtdicke aufweist, die sich allmählich von 2 nm zu 18 nm ändert, wird an der Grenze der GaAs- und der AlAs-Schichten jeder verteilten Halbleiterschicht gebildet, um so den Elementwiderstand zu verringern. Die Dicke jeder Schicht, die die Pseudogitterschicht einschließt, wird so eingestellt, daß man ein Verhältnis wie (vorgesehene Resonanzwellenlänge)/(effektiver Brechungsindex)/4 erhält. Die DBR1 hat 24,5 Paare von Schichten, die DBR2 hat 15,5 Paare von Schichten und die DBR3 hat 5 Paare von Schichten.
  • Ein Resist wird nur auf einem Licht empfangenen Bereich 16 gebildet, und nur ein Licht emittierender Bereich 17 wird bis zur Abstandsschicht weggeätzt. Die Abstandsschicht wird dabei 105 nm dick gelassen, um eine Phasenkorrekturschicht zu erhalten. Der Lichtempfangsbereich 16 und der Licht emittierende Bereich 17 werden bis zur verteilten Halbleiterschicht vom n-Typ in Mesaform weggeätzt. AuZi wird als p-Elektrode 13 auf der Oberseite der geätzten Oberfläche aufgebracht, und AuGeNi wird als n-Elektrode 14 auf der Substratseite aufgebracht. Es sollte bemerkt werden, daß ein Lichtempfangsfenster in dem Licht empfangenen Bereich gebildet wird, da Licht von der Oberfläche empfangen wird, auf der die verteilte Schicht gebildet ist. Eine Antireflektionsbeschichtung 15 ist auf der unteren Oberfläche des Substrats angebracht, um so während des Lichtempfangsbetriebs und Lichtemissionsbetriebs zurückgeworfenes Licht zu unterdrücken. Wenn ein Licht emittierendes Fenster in der p-Elektrode des Licht emittierenden Bereiches gebildet wird, können sowohl optische Eingangs- als auch Ausgangsbetriebsweisen von der MBE-Wachstumsoberfläche durchgeführt werden.
  • Fig. 5 zeigt die Lichtabsorptionsspektra der Licht empfangenen Bereiche der ersten und zweiten Ausführungsformen. Die Einzelhohlraumstruktur hat eine Detektorbandbreite von 0,2 bis 1 nm (die Zahlen 10, 15 und 25 stellen die Paarzählungen auf der Einfallsseiten-DBR dar). Der Lichtempfangsbereich jeder elektrophotonischen Einrichtung mit Übertragung vertikal zur Oberfläche der vorliegenden Erfindung hat eine Doppelhohlraumstruktur, so daß die Detektorbandbreite so groß ist wie ungefähr 6 nm bei einer Absorption von 50 % oder mehr. Diese Detektorbandbreite hat eine Lichtempfangstoleranz, die ausreichend groß gegen Veränderungen in der Wellenlänge des Laserbetriebs ist, die durch Variationen in der Schichtdichte in der verteilten Schicht, die durch die MBE-Technik gewachsen ist, und durch Variationen in der Laserbetriebswellenlänge verursacht wird, die durch Änderungen der Temperatur beim Laserbetrieb bewirkt werden. Die Dicke der Lichtabsorptionsschicht ist so klein wie 30 nm im Vergleich zur Dicke (ungefähr 1 um) des normalen Licht empfangenen Elements. Daher kann ein Betrieb mit Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten erwartet werden.
  • Wie dies oben beschrieben worden ist, kann erfindungsgemäß durch teilweises Ändern der Schichtstruktur unter Verwendung von Techniken zum Bilden eines Oberflächenemissions- Halbleiterlasers vom Typ mit vertikalem Hohlraum ein Halbleiterelement mit Oberflächenemission mit einer niedrigen Schwelle für Laserbetrieb und ein Licht empfangendes Element mit großer Detektorbandbreite auf einem einzigen Substrat gebildet werden.
  • Die obigen Ausführungsformen sind ein Beispiel für das GaAs- System. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf ein anderes Halbleitermaterial wie z. B. ein InP-System oder ein Dielektrikum anwendbar.

Claims (2)

1. Elektrophotonische Vorrichtung mit Übertragung senkrecht zur Oberfläche, die einen verteilten Bragg-Reflektor eines ersten Leitfähigkeitstyps (2, 4; 4, 11), eine erste Abstandsschicht (5; 10) des ersten Leitfähigkeitstyps, eine aktive Schicht (8), eine zweite Abstandsschicht (10; 5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und einen verteilten Bragg-Reflektor des zweiten Leitfähigkeitstyps (11; 2) aufweist, die jeweils auf einem Substrat (1) ausgebildet sind und in einer Richtung senkrecht zu ihrer Bildungsoberfläche ausgerichtet sind, um einen Hohlraum zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (3) des verteilten Bragg-Reflektors des ersten Leitfähigkeitstyps (2, 4; 4, 11) an einem Lichtempfangsbereich (16) der Vorrichtung eine vergrößerte Dicke hat, um eine Doppelhohlraumstruktur an dem Lichtempfangsbereich (16) der Vorrichtung zu bilden, und eine kleinere Dicke an einem lichtemittierenden Bereich (17) aufweist, um eine Einzelhohlraumstruktur an dem Licht emittierenden Bereiche (17) der Vorrichtung zu bilden, wobei der Licht emittierende Bereiche (17) der Einzelhohlraumstruktur und der Licht empfangende Bereich (16) der Doppelhohlraumstruktur auf dem einzigen Substrat (1) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem der verteilte Bragg- Reflektor des ersten Leitfähigkeitstyps erste (2) und zweite (4) verteilte Bragg-Reflektoren aufweist, wobei eine zweite Abstandsschicht (3) des ersten Leitfähigkeitstyps dazwischen angeordnet ist, wobei der verteilte Bragg-Reflektor (2, 4) des ersten Leitfähigkeitstyps eine größere Dicke in dem Lichtempfangsbereich (16) der Vorrichtung als in dem Licht emittierenden Bereich (17) der Vorrichtung aufweist.
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