DE69637437T2

DE69637437T2 - In InP/InGaAs monolithisch integrierter Demultiplexer, PI Heteroübergang-Bipolartransistor

Info

Publication number: DE69637437T2
Application number: DE69637437T
Authority: DE
Inventors: S. Matawan Chandrasekhar
Original assignee: AT&T Corp; AT&T IPM Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-08-14
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: JP3816157B2; DE69637437D1; EP0758799B1; EP0758799A2; CA2181846A1; EP0758799A3; US5689122A; JPH09121041A; CA2181846C

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, und insbesondere Halbleitervorrichtungen mit integrierten elektronischen und photonischen Vorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Bei der schnellen Entwicklung der Lichtwellen-Kommunikation werden für eine Vielfalt von Systemanwendungen optische Empfänger hoher Leistungsfähigkeit benötigt. Silicafasern haben im Bereich langer Wellenlängen (1,3 bis 1,6 μm) eine relativ geringe Abschwächung, und daher wurde ein hohes Ausmaß an Interesse an integrierten optischen Empfängern, die in diesem Spektralbereich arbeiten, hervorgerufen.
Ein monolithischer Lichtempfänger bzw. Fotoreceiver, in den ein Fotodetektor und ein bipolarer Heterojunction-Transistor integriert sind, ist in dem US-Patent Nr. 5 063 426 offenbart. Diese Bauweise erlaubt zwar, dass die photonischen und die elektronischen Einrichtungen getrennt voneinander optimiert werden, während die Kompatibilität der Materialien beibehalten wird, aber sie erlaubt nicht die Integration eines Demultiplexers, der in wellenlängengetrennten Multiplex-Kommunikationssystemen zum Auflösen der Multiplex-Kanäle vor dem Nachweisen und Verstärken verwendet wird. Die Integration der Demultiplex- und Nachweis-Funktionen bietet eine Anzahl von Vorteilen, wozu automatische optische Ausrichtung, eine verringerte Anzahl an erforderlichen Komponenten, eine verbesserte Zuverlässigkeit und geringere Kosten gehören. Dementsprechend ist es wünschenswert, einen Fotoreceiver bereitzustellen, in den ein Fotodetektor, ein bipolarer Heterojunction-Transistor und ein Demultiplexer integriert sind.
Patent Abstracts of Japan Vol. 12, Nr. 320 (E-651), 30. August 1998 & JP 63 084150 A (Matsushita Electric Ind Co. Ltd), 14. April 1988 offenbart eine optische integrierte Schaltung, bei der eine lichtabsorbierende Schicht und eine lichtdurchlässige Schicht auf ein Halbleitersubstrat laminiert sind, wobei in einem Teil der Schichten eine Fotodiode ausgebildet ist und der verbleibende Bereich der lichtdurchlässigen Schicht als der Kollektor eines Transistors benutzt wird und darauf eine Basis und einen Emitter bereitstellt.
US-A-5 136 671 offenbart eine integrierte optische N × N-Verbindungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine große Anzahl an Eingabe- und Ausgabe-Wellenlängenkanälen zu schalten, zu multiplexen oder zu demultiplexen. Zwei im Wesentlichen identische N × M-Sternkoppler werden durch ein optisches Diffraktionsgitter verbunden, das M Wellenleiter ungleicher Länge aufweist, die voneinander durch vorbestimmte Beträge beabstandet sind.
US-A-5 002 350 offenbart einen optischen Multiplexer/Demultiplexer, der aus einer Mehrzahl optischer Wellenleiter aufgebaut ist.
Trommer et al. „A Monolithically Integrated Balanced Mixer OEIC an InP for Coherent Receiver Applications" IEEE Photonics Technology Letters, vol. 5, No. 9, September 1993, New York, US, Seiten 1038–1040, XP000414172 diskutiert kohärente optische Receiver bzw. Empfänger für optische Kommunikationssysteme. Monolithisch integrierte optoelektronische Vorrichtungen für die Anwendung kohärenter Empfängeranwendungen werden diskutiert. Die Integration mindestens einer ersten elektrischen Verstärkersektion erlaubt eine bessere Kontrolle parasitärer Elemente und erleichtert die Impedanzanpassung an externe Elektronik. Diese Schrift offenbart einen abgestimmten Mischer-Empfänger auf InP als einen Baukasten für künftige integrierte kohärente Empfänger. Die OEIC weist optische, optoelektronische und elektronische Komponenten auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein monolithischer integrierter Demultiplex-Lichtempfänger gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Abbildung eines monolithischen integrierten Demultiplex-Lichtempfängers gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 stellt schematisch eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Demultiplex-Lichtempfängers dar.
3 zeigt eine beispielhafte Verstärkerschaltung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Genaue Beschreibung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ein monolithischer integrierter Demultiplex-Lichtempfänger, der eine Frequenzleitweg-Vorrichtung, eine p-i-n-Fotodiode und einen bipolaren Heterostruktur-Transistor (HBT) aufweist, in dem InP/InGaAs-Materialsystem verwirklicht. Wie in 1 gezeigt ist, enthält die Frequenzleitweg-Vorrichtung 10 eine Mehrzahl an Eingabe-Wellenleitern 2; i = 1, 2, ..., N, die mit dem Eingabekreis 95 eines Freiraumbereichs 98 verbunden sind. Ein optisches Gitter 32 erstreckt sich von dem Ausgabekreis 97 des Freiraumbereichs 98 und ist mit einem optischen Gitter 32 verbunden. Das optische Gitter 32 weist eine Mehrzahl von Wellenleitern ungleicher Länge auf, was darin weitergeleiteten optischen Signalen einen vorbestimmten Betrag an Weglängen-Unterschied verschafft. Das optische Gitter 32 ist mit dem Eingabekreis 33 eines anderen Freiraumbereichs 46 verbunden. Der Ausgabekreis 35 des Freiraumbereichs 46 ist mit einer Mehrzahl von Ausgabe-Wellenleitern 4_k , k = 1, 2, ..., N, verbunden. Die Frequenzleitweg-Vorrichtung löst ein wellenlängenmäßig gemultiplextes Signal, das an irgendeinem ihrer Eingabe-Wellenleiter auftritt, spektral auf, indem sie jede Wellenlänge zu einem unterschiedlichen Ausgabe-Wellenleiter lenkt. Zusätzliche Details bezüglich dieser Leitweg-Vorrichtungen sind beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5 002 350 und 5 136 671 zu finden.
Eine optische Wellenlänge, die an einem Ausgabe-Wellenleiter der Frequenzleitweg-Vorrichtung 10 auftritt, wird von einem Lichtempfänger bzw. Fotoreceiver 100, der sich dem betreffenden Ausgabe-Wellenleiter benachbart befindet, nach gewiesen und verstärkt. Das heißt, jeder Ausgabe-Wellenleiter der Frequenzleitweg-Vorrichtung 10 ist mit einem unterschiedlichen Fotoreceiver 100 verbunden. Jeder Fotoreceiver 100 umfasst eine p-i-n-Fotodiode 12 und einen Verstärker 14. Der Verstärker 14 weist einen oder mehrere HBTs auf.
Bei der vorliegenden Erfindung haben die Frequenzleitweg-Vorrichtung, die p-i-n-Fotodiode und der HBT aus dem InP/InGaAs-Materialsystem ausgewählte Halbleiterschichten, die über einem halb-isolierenden InP-Substrat wachsen gelassen wurden. Zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß den Prinzipien der Erfindung werden Standardherstellungstechniken verwendet, wozu metallorganische Dampfphasen-Epitaxie (MOVPE – metalorganic vapor Phase epitaxy), selektives nasschemisches Ätzen, reaktives Ionenätzen und Kontaktmetallisierung gehören. Diese Herstellungstechniken sind Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt und werden daher hier nicht detailliert diskutiert.
2 stellt schematisch eine Schnittansicht des monolithischen Demultiplex-Fotoreceivers gemäß den Prinzipien der Erfindung dar. Die Figur zeigt einen einzelnen der Wellenleiter 11, die die Frequenzleitweg-Vorrichtung aufbauen, zusammen mit seiner zugehörigen p-i-n-Fotodiode 12 und seinem zugehörigen HBT 18. Die beispielhafte Ausführungsform ist auf einem Fe-dotierten InP-Substrat 16 wachsen lassen. Die Epilayer der Frequenzleitweg-Vorrichtung weisen eine untere Auflageschicht 1 (n^–-InP), eine Wellenleiter-Kernschicht 2 (n⁺-InGaAsP), eine Ätzstoppschicht 3 (InP), eine Ladungsbandschicht 4 (InGaAsP) und eine obere Auflageschicht 5 (n-InP) auf. Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass zwar die beispielhafte Frequenzleitweg-Vorrichtung eine Wellenleiterstruktur mit versenkten Stegen beinhaltet, dass aber alternativ jede andere Art von Wellenleiterstruktur verwendet werden kann.
Die p-i-n-Fotodiode 12 weist eine Absorberschicht 6 (n-InGaAs) und eine p-Kontaktschicht 7 (p⁺-InGaAs) auf. Die Absorberschicht 6 liegt über der Wellenleiterkernschicht 2, die als die n-Kontaktschicht der p-i-n-Fotodiode 12 dient. Der HBT 18 ist ein bipolarer Einzel-Heterojunction-Transistor (SHBT – single heterojunction bipolar transistor), in dem der Kollektor und die Basis aus denselben Materialien ausgebildet sind, so dass dazwischen eine Homojunction ausgebildet wird. Der SHBT 18 weist eine Kollektorschicht 6, eine Basisschicht 7, eine Emitterschicht 8 (n-InP), und eine Emitter-Kontaktschicht 9 (n⁺-InGaAs) auf. Wie für die p-i-n-Fotodiode 12 dient die Wellenleiterkernschicht 2 als der SHBT-Subkollektor.
Der in 2 gezeigte Demultiplex-Fotoreceiver wurde in nur drei epitaxialen Wachstumsschritten hergestellt. In dem ersten Schritt wurden die untere Auflageschicht 1, die Wellenleiterkernschicht 2, die Ätzstoppschicht 3 und die Ladungsbandschicht 4 epitaxial auf dem Substrat 16 wachsen lassen. Dann wurde ein nasschemisches Ätzen durchgeführt, um den Steg in der Ladungsbandschicht 4 abzugrenzen. In dem zweiten epitaxialen Wachstumsschritt wurde die obere Auflageschicht 5 wachsen lassen, um den Steg zu versenken unter Fertigstellen der Wellenleiterstruktur mit versenktem Steg. Als Nächstes wurde eine SiO₂-Maske über dem fertigen Wellenleiterteil des Substrats, der die Frequenzleitweg-Vorrichtung darstellt, abgeschieden, so dass die Ladungsbandschicht 4 und die obere Auflageschicht 5 vom Rest des Substrats weggeätzt werden konnten. Mit der SiO₂-Maske noch an Ort und Stelle wurden in dem dritten epitaxialen Wachstumsschritt die p-i-n-Fotodiode 12 und der SHBT 18 durch Wachsen-Lassen des Kollektors 6, der Basisschicht 7, der Emitterschicht 8 und der Emitter-Kontaktschicht 9 hergestellt. Dann wurde ein Nassätzen durchgeführt, um die Mesastrukturen sowohl der p-i-n-Fotodiode 12 als auch des SHBT 18 herzustellen. Ein beispielsweise Fe enthaltender, elektrisch isolierender Bereich 10 wurde in die Wellenleiterkernschicht 2 zwischen der Leitwegvorrichtung und der p-i-n-Fotodiode 12 implantiert. Der Bereich 10 isoliert die p-i-n-Fotodioden 12 elektrisch voneinander. Wenn der elektrisch isolierende Bereich 10 nicht vorhanden wäre, könnten die Fotodioden über die Wellenleiter der Frequenzleitweg-Vorrichtung elektrisch miteinander in Verbindung treten. Das Implantationsverfahren wurde so durchgeführt, dass sich ein hochgradig widerstandsbehafteter Bereich 10 ergibt, ohne Streuverluste in den Wellenleitern der Frequenzleitweg-Vorrichtung unangemessen zu erhöhen. Nach der Implantation wurde die Vorrichtung 10 min lang bei 300°C getempert. Konventionelle Metallkontakte wie AuGe/Au und Au wurden auf den flachen Oberflächen der Mesas abgeschieden, um ohmsche Kontakte 22, 24, 26, 28 und 30 bereitzustellen. Die Passivierung des sich ergebenden Demultiplex-Fotoreceivers wurde durch Aufbringen von Polyimid auf die gesamte Vorrichtung ausgeführt.
Wie oben detailliert dargelegt, integriert die Erfindung in vorteilhafter Weise eine Frequenzleitweg-Vorrichtung, eine p-i-n-Fotodiode und einen HBT durch sorgfälti ge Wahl von Vorrichtungsstrukturen, die miteinander kompatibel sind, so dass mindestens eine der Schichten in jeder Vorrichtung auch in den anderen Vorrichtungen verwendet wird. Speziell ist der bestimmte HBT, der ausgewählt wird, ein SHBT, so dass die Homojunction, die von seiner Kollektorschicht und Basisschicht gebildet wird, auch als die Absorberschicht und p-Kontaktschicht der p-i-n-Fotodiode dient. Folglich können sowohl der SHBT als auch die p-i-n-Fotodiode während derselben Reihe epitaxialer Abscheidungen ausgebildet werden. Darüber hinaus wirkt, indem man eine Frequenzleitweg-Vorrichtung mit einer aus einem n⁺-dotierten Material (anstelle eines undotierten Materials, das in üblicherer Weise verwendet wird) hergestellten Kernschicht verwendet, die Kernschicht auch als die Subkollektor-Schicht sowohl für die p-i-n-Fotodiode als auch den SHBT. Die optischen Eigenschaften des Wellenleiters werden durch Verwendung eines n⁺-dotierten Kernmaterials anstelle eines undotierten Materials nicht wesentlich beeinflusst.
3 zeigt ein Beispiel einer Verstärkerschaltung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Schaltung hat eine Transimpedanz-Bauform, die fünf SHBTs 30, 32, 34, 36 und 38, von denen jeder den in 2 gezeigten Aufbau hat, und vier Widerstände 31, 33, 35 und 37 für Vorspannung und Rückkopplung, aufweist. Zusätzliche Details bezüglich der Verstärkerschaltung sind in dem US-Patent Nr. 5 063 426 zu finden. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte, in 3 gezeigte Verstärker-Bauform beschränkt ist. Vielmehr kann irgendeine geeignete Schaltung, basierend auf der bestimmten Anwendung, für die sie gedacht ist, gewählt werden.

Claims

Monolithischer integrierter Demultiplex-Lichtempfänger (10) aufweisend ein halb-isolierendes InP-Substrat (16) mit einer darauf angeordneten leitfähig dotierten InGaAsP-Schicht (2), und außerdem aufweisend: eine Frequenzleitweg-Vorrichtung (11), die eine Mehrzahl von Wellenleitern zum Weiterleiten optischer Signale, die auf der leitfähig dotierten InGaAsP-Schicht (2) gebildet wurden, enthält und eine erste Mehrzahl von Halbleiterschichten, die aus InP, InGa As und InGaAsP ausgewählt sind, enthält; mindestens eine p-i-n-Photodiode (12), die auf der leitfähig dotierten In-GaAsP-Schicht (2) ausgebildet ist und eine zweite Mehrzahl von Halbleiterschichten, die aus InP, InGaAs und InGaAsP ausgewählt sind, enthält, wobei eine aus der zweiten Mehrzahl von Halbleiterschichten der mindestens einen p-i-n-Photodiode (12) eine InGaAs-Schicht (6) mit n-Typ-Dotierung, die auf der leitfähig dotierten InGaAsP-Schicht (2) angeordnet ist, aufweist, wobei die InGaAs-Schicht (6) mit n-Typ-Dotierung der mindestens einen p-i-n-Photodiode (12) in der mindestens einen p-i-n-Photodiode (12) eine Absorberschicht bildet; mindestens einen bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor (18), der auf der leitfähig dotierten InGaAsP-Schicht (2) ausgebildet ist und eine dritte Mehrzahl von Halbleiterschichten, die aus InP, InGaAs und InGaAsP ausgewählt sind, enthält, wobei eine aus der dritten Mehrzahl von Halbleiterschichten, die in dem mindestens einen bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor angeordnet sind, eine InGaAs-Schicht (6) mit n-Typ-Dotierung ist, die auf der leitfähig dotierten InGaAsP-Schicht (2) angeordnet ist, wobei die InGaAs-Schicht (6) mit n-Typ-Dotierung des mindestens einen bipolaren Einzel-Heterojunction- Transistors (18) in dem mindestens einen bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor (18) eine Kollektorschicht bildet, wobei die leitfähig dotierte In-GaAsP-Schicht (2) eine gemeinsame N+-InGaAsP-Schicht (2) ist, die als der Wellenleiterkern der Frequenzleitweg-Vorrichtung und als die n-Kontaktschicht sowohl für die p-i-n-Photodiode als auch für den bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor dient.
Lichtempfänger nach Anspruch 1, wobei der Lichtempfänger außerdem eine InGaAs-Schicht (7) mit p-Typ-Dotierung, die auf der InGaAs-Schicht (6) mit n-Typ-Dotierung angeordnet ist und die sowohl der p-i-n-Photodiode (12) als auch dem bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor (18) angehört, aufweist.
Lichtempfänger nach Anspruch 2, bei dem die InGaAs-Schicht (7) mit p-Typ-Dotierung als eine Basisschicht für den bipolaren Einzel-Heterojunction-Transistor (18) dient.
Lichtempfänger nach Anspruch 3, bei dem der bipolare Einzel-Heterojunction-Transistor eine dotierte InP-Emitterschicht (8), die auf der InGaAs-Basisschicht (7) mit p-Typ-Dotierung angeordnet ist, enthält.
Lichtempfänger nach Anspruch 1, außerdem aufweisend einen elektrisch isolierenden Bereich, der in der gemeinsamen n+-InGaAsP-Schicht (2) zwischen der Frequenzleitweg-Vorrichtung (11) und der p-i-n-Photodiode (12) angebracht ist.
Lichtempfänger nach Anspruch 5, bei dem die Frequenzleitweg-Vorrichtung (11) eine InP-Schicht (3), die auf der gemeinsamen n+-InGaAsP-Schicht (2) an Stellen der Wellenleiter angeordnet ist, enthält.
Lichtempfänger nach Anspruch 5, bei dem die gemeinsame n+-InGaAsP-Schicht (2) auf einer n–-InP-Schicht (1), die als eine untere Auflageschicht für die Frequenzleitweg-Vorrichtung (11) dient, angebracht ist.
Lichtempfänger nach Anspruch 7, außerdem aufweisend einen elektrisch isolierenden Bereich, der in der gemeinsamen n+-InGaAsP-Schicht (2) zwischen der Frequenzleitweg-Vorrichtung (11) und der p-i-n-Photodiode (12) angebracht ist.
Lichtempfänger nach Anspruch 8, bei dem der elektrisch isolierende Bereich (10) in die gemeinsame n+-InGaAsP-Schicht (2) implantiertes Fe aufweist.