DE69900966T2

DE69900966T2 - System zur monolithischen Integration einer lichtemittierenden Vorrichtung und eines Heteroübergang-Phototransistors zum Betrieb mit niederer Vorspannung

Info

Publication number: DE69900966T2
Application number: DE1999600966
Authority: DE
Inventors: Dubravko I. Babic
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: EP1003255B1; DE69900966D1; EP1003255A3; EP1003255A2

Description

Die Anmeldung steht in Verbindung mit der Europäischen Patentanmeldung "System and method for the monolithic integration of a light emitting device and a photodector for low bias voltage operation" desselben Datums (US 09/167,961; Familienmitglied EP 0 993 087 A).

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf lichtemittierende Vorrichtungen, insbesondere auf ein System und ein Verfahren für die monolithische Integration einer lichtemittierenden Vorrichtung und eines bipolaren Heteroübergangs-Phototransistors (HPT) für den Betrieb mit extrem niederer Vorspannung.
Lichtemittierende Halbleitervorrichtungen im allgemeinen und Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) im besonderen werden für viele Anwendungen genutzt, die Elektronik, Kommunikationssysteme und Computersysteme umfassen. Laser erzeugen Licht, das gerichtet übertragen werden kann. Bei vielen Laseranwendungen und insbesondere bei vielen VCSEL-Anwendungen besteht die Notwendigkeit, die Laserausgangsleistung genau zu überwachen. Die Ausgangsleistung eines Halbleiterlasers ist hauptsächlich durch den Ansteuerstrom bestimmt. Sie kann jedoch erheblich von der Umgebungstemperatur und der Alterung der Vorrichtung verändert werden. Aus diesem Grund wird die Kontrolle der Ausgangsleistung mittels des Überwachens des Laserausgangs und des Anpassens des Laserstroms verwirklicht, um eine bestimmte Laserausgangsleistung aufrecht zu erhalten. Die Lichtmessung wird typischerweise durchgeführt, indem ein Halbleiterphotodetektor, ein Photowiderstand oder ein Phototransistor als lichtempfindliche Vorrichtung genutzt wird, während der Regelkreis mittels des Gebrauchs einer externen elektronischen Schaltung verwirklicht ist. Es gibt zahlreiche Ausführungen solcher lichtemittierender/lichtempfangender Vorrichtungssysteme, und sie unterscheiden sich in der Anwendung und der Leistung.
Zwei Hauptdesignaufgaben bezüglich des Laser-/Lichtdetektorsystems sind die Kosten der Vorrichtung und die Fähigkeit, die benötigte Leistung für eine spezielle Anwendung zu liefern. Aus Kostensicht ist es wünschenswert, den Laser und die Lichterfassungsvorrichtung auf demselben Chip zu fertigen, wobei dieselbe oder eine ähnliche Fertigungstechnologie genutzt wird. Dies wird mittels monolithischer Integration des Lasers und des Lichtdetektors verwirklicht. Monolithische Integration impliziert, daß die einzelnen Laser und Lichtdetektorvorrichtungen gemeinsam auf der Waverebene fertiggestellt werden. Von einer Leistungsperspektive her gibt es eine Anzahl von wünschenswerten Qualitäten. Der Lichtdetektorstrom sollte der gerichteten Lichtabgabe des Lasers folgen, während der Einfang der ungerichteten Spontanemission minimiert ist. Die Beziehung zwischen der gerichteten Laserausgangsleistung und dem Lichtdetektorstrom sollte stabil und reproduzierbar sein. Bei ordnungsgemäßem Betrieb sollte der Lichtdetektorstrom innerhalb des Bereiches liegen, der von einem externen analogen Regelkreis benötigt wird. Die Existenz des Lichtdetektors und seine Vorspannung sollten einen vernachlässigbaren Effekt auf den Betrieb des Lasers und insbesondere die Modulationseigenschaften des Lasers haben. Die Lasermodulation und das Vorspannen des Lasers sollten einen vernachlässigbaren Effekt auf den Betrieb des Lichtdetektors haben.
Schließlich muß der Treiberschaltkreis betrachtet werden. Bei Computerkommunikationsanwendungen ist die Minimumvorspannung ein Problem von steigender Bedeutung, wegen des Wunsches, den Computerleistungsverbrauch zu reduzieren. Heutige Computerarchitekturen nutzen 3,3 Volt (V) Stromversorgungen, die eine untere Grenze von ungefähr 3,1 V aufweisen. In der Zukunft und für andere Anwendungen ist es vorhersehbar, daß die Verlustleistung sogar noch weiter reduziert wird, was sogar noch niedrigere Vorspannungsniveaus erfordert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Laser-/Lichtdetektorsystems ist eine, bei der der Laser und der Lichtdetektor unabhängig von derselben Stromversorgung vorgespannt werden. Um dieses Ergebnis zu erzielen, muß die Spannungsversorgungsspannung größer als die Laserbetriebsspannung, welche von der Photonenenergie abhängt, und die Lichtdetektorbetriebsspannung sein, welche von der Lichtdetektorstruktur abhängt, insbesondere größer als die Photodetektorsperrvorspannung oder die Kollektor/Emittervorspannung des Phototransistors sein, die für eine leistungsfähige Ausführung benötigt wird. Bei der optischen Kommunikationen betragen die Vertikalhohlraumlaserspannungen zwischen ungefähr 1 V bis 2 V. Die typische Photodetektorsperrvorspannung beträgt zwischen 0,5 V und 1 V, während ein Phototransistor mit einer Kollektor/Emittervorspannung von 1 V bis 1,5 V abhängig von den verwendeten Materialien betrieben werden kann. Bei anderen Anwendungen können diese Spannungen variieren.
Eine integrierte Laser- und Lichtdetektorstruktur, welche das unabhängige Vorspannen des Lasers und des Lichtdetektors ermöglicht, benötigt die geringste Vorspannung. Dies ist erreichbar, indem eine Vierpolvorrichtungsstruktur genutzt wird, bei der zwei Anschlüsse gemeinsam mit der Stromversorgung verbunden sind, wodurch eine beliebige relative Polarität zwischen dem Laser und dem Lichtdetektor ermöglicht wird. Bei monolithischen integrierten Dreipolvorrichtungen ist die relative Polarität zwischen dem Laser und dem Lichtdetektor wegen Herstellungsbegrenzungen nicht beliebig.
In der Vergangenheit wurden lichtdetektierende Vorrichtungen mit Lasern mit unterschiedlichem Grad von Erfolg integriert. Zum Beispiel nutzten einige Integrationsschemata einen Photodetektor und einen Laser, die unabhängig auf verschiedenen Chips produziert worden sind. Die beiden Vorrichtungen werden in der Verpackungsphase nach der Herstellung integriert, was zu einer beliebigen relativen Polarität zwischen dem Laser und dem Photodetektor führt. Dieses Integrationsschema wird als "Hybridintegration" bezeichnet. Der hauptsächliche Nachteil dieses Ansatzes ist es, daß der zusätzliche Verfahrensschritt der Integration des Photodektors mit dem Laser nach der Herstellung unerwünschte Herstellungskosten hinzufügt. Zusätzlich ist die Beziehung zwischen dem Photodektorstrom und der Laserausgabe aufgrund der Fluktuationen der Ausgabestrahlform weder stabil noch reproduzierbar.
Ein anderes Schema umfaßt monolithische Integrationen eines Photodetektors und eines Lasers, bei der die Kopplung verwirklicht ist, indem Seitenemission genutzt wird, was sowohl zu Drei- als auch Vierpolvorrichtungen führt. Der Hauptnachteil solcher Vorrichtungen ist es, daß der Photodetektor oder der Phototransistor nicht die gerichtete Laserausgabe erfaßt, sondern hauptsächlich die ungerichtete Spontanemission einfängt.
Ein anderes Schema umfaßt schließlich die monolithische Integration eines Lasers und eines Photodetektors oder eines Phototransistors, bei der die Kopplung mittels der oberen Emission oder unteren Emission verwirklicht ist, welches sowohl zu Drei- und Vierpolvorrichtungen führt.
Alle diese Ausführungen führen entweder zu Dreipolvorrichtungen, bei denen der Laser und der Photodetektor eine gemeinsame n-Seite (Kathode) oder eine gemeinsame p-Seite (Anode) teilen, was, wie gezeigt werden wird, eine relativ hohe Vorspannung zum Betreiben benötigt und bei der der Laser und die Photodiode elektrisch gekoppelt sind oder bei der der Laser und der Phototransistor einen gemeinsamen Erdanschluß teilen, was nicht mit hochgeschwindigkeitskollektorbetriebenen (oder drain-getriebenen) elektronischen Schaltkreisen verträglich ist, oder zu Vierpolvorrichtungen, welche schwierig und kostspielig herzustellen sind.
Daher wird eine monolithisch integrierte Dreipolvorrichtung gewünscht, die bei einer extrem niedrigen Vorspannung betrieben werden kann und eine elektrische Entkopplung zwischen dem Laser und dem Photodetektor ermöglicht.
Die Druckschrift EP 0 840 380 A offenbart eine Laser- und Photodetektorkombination, bei der eine Photodiode als Laserausgang genutzt wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine lichtemittierende Vorrichtung und einen Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) in einer monolithisch integrierten Dreipol-Struktur, welche den Betrieb bei Vorspannungen ermöglicht, die niedriger als die zuvor erreichbaren sind, und eine elektrische Entkopplung zwischen der lichtemittierenden Vorrichtung und dem HPT schafft. Obwohl das System und das Verfahren nicht auf diese besonderen Anwendungen beschränkt sind, ist die Erfindung insbesonders für das monolithische Integrieren eines HPT und eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) in einer neuen Anordnung geeignet, die den Leistungsverbrauch minimiert. Das System und das Verfahren zur monolithischen Integration einer lichtemittierenden Vorrichtung und eines Phototransistors mit einem Heteroübergang für den Betrieb bei niederen Vorspannungen kann ausgeführt werden, indem eine Vielzahl von epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterialien genutzt wird, die verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können die Materialschichten, die unten in einer bevorzugten und mehreren alternativen Ausführungsformen beschrieben werden, entweder aus n-Typ- oder p-Typ-Material sein, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen.
Von der Architektur kann die Erfindung als ein System zum Messen einer Lichtausgabe einer lichtemittierenden Vorrichtung begriffen werden, die eine lichtemittierende Vorrichtung umfaßt, die einen p-Anschluß und einen n-Anschluß aufweist. Ein Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) mit einem Kollektor und einem Emitter ist optisch mit der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt. Der HPT weist eine pnp-Struktur auf, wobei der p-Anschluß der lichtemittierenden Vorrichtung gewöhnlich mit dem Emitter des pnp-HPTs verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht das unabhängige Vorspannen der lichtemittierenden Vorrichtung und des HPT, während die Vorspannungsanforderung reduziert wird.
Die Erfindung kann auch in einem Schaltkreis zum Messen eines Lichtausgabe einer lichtemittierenden Vorrichtung und zum Ermöglichen einer niedrigen Vorspannungsanforderung verwirklicht werden, die eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem positiven Anschluß und mit einem negativen Anschluß und einem Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) mit einem Kollektoranschluß und einem Emitteranschluß umfaßt. Der positive Anschluß der lichtemittierenden Vorrichtung und der Emitteranschluß des HPT sind gewöhnlich mit der Spannungsversorgung verbunden; somit wird das unabhängige Vorspannen der lichtemittierenden Vorrichtung und des HPTs und eine Hochgeschwindigkeitsmodulationskontrolle mittels kollektorgetriebener (oder drain-getriebener) elektronischer Schaltkreise ermöglicht. Zusätzlich erlaubt diese Anordnung niedrigere Vorspannungen als zuvor erreichbare Vorspannungen.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile, von denen einige unten nur als Beispiele skizziert werden.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß die Messung einer Lichtausgabe einer lichtemittierenden Vorrichtung in einer Anordnung ermöglicht wird, die signifikant die Betriebsvorspannung bezüglich des Standes der Technikreduziert.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß der Phototransistor mit Heteroübergang und die lichtemittierende Vorrichtung elektrisch entkoppelt sind, wodurch eine unabhängige Vorspannung der lichtemittierenden Vorrichtung und des Phototransistors mit Heteroübergang ermöglicht wird und die unnötige Belastung der Treiberschaltung der lichtemittierenden Vorrichtung durch die parasitäre Kapazität des Phototransistors mit Heteroübergang beseitigt wird, wodurch das Hochfrequenzverhalten der Vorrichtung verbessert wird.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß sie ein einfaches Design aufweist und leicht in großem Umfang für die kommerzielle Produktion ausgeführt werden kann.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann bei der Prüfung der folgenden Zeichnung und der detaillierten Beschreibung offenbar werden. Es ist beabsichtigt, daß diese zusätzlichen Merkmale und Vorteile hierein in den Bereich der Erfindung eingeschlossen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen festgelegt ist, kann besser mit Bezug auf die folgende Zeichnung verstanden werden. Die Bestandteile innerhalb der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgerecht. Statt dessen ist ein Schwerpunkt auf die Klarheit der Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1A einen Querschnitt eines Lasers und eines Photodetektors;
Fig. 1B eine schematische Darstellung des Lasers und des Photodetektors nach Fig. 1A einschließlich exemplarischer externer, hiermit verbundener Vorspannschaltkreise;
Fig. 2A einen Querschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Lasers und eines erfindungsgemäß hergestellten Phototransistors mit Heteroübergang; und
Fig. 2B eine schematische Darstellung des Lasers und des Phototransistors mit Heteroübergang nach Fig. 2A einschließlich vereinfachter externer, hiermit verbundener Vorspannschaltkreise.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Erfindung wird typischerweise mittels des Wachsens epitaktischer Materialschichten mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften implementiert und kann ausgeführt werden, indem eine Vielzahl von Substraten und epitaktischen Wachstumsmaterialien genutzt wird. Darüber hinaus kann die Erfindung, obwohl sie im Zusammenhang mit einem Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) mit einem monolitisch integrierten Phototransistor mit Heteroübergang beschrieben wird, auf andere lichtemittierende Strukturen zum Beispiel insbesondere lichtemittierende Dioden (LED) angewendet werden. Ferner kann der Strom- und optische Modeneinschluß in einem VCSEL mittels seitlicher Oxidation, isolierender Implantation oder anderer geeigneter Techniken nach dem Stand der Technik erreicht werden.
Zusätzlich wird der Begriff Lichtdetektor genutzt, um das zu beschreiben, was im Stand der Technik als Halbleiterphotodetektor oder Phototransistor bekannt ist.
Fig. 1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Laser- und Photodetektoraufbaus 100. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Photodiode 110 über dem VCSEL 120.
Die Basis der Laserstruktur 120 wird von einer n-Typ-Substratlage 102 gebildet, auf dessen Unterseite eine n-Typ-Kontaktschicht 101 angeordnet ist. Ein n-Typ-Bodenspiegel 104 wird über die Substratschicht 102 gewachsen und weist eine hierauf aufgewachsene aktive Region 106 auf. Es wird darauf hingewiesen, daß bei der Darstellung wenige Schichten genutzt werden, die Spiegelschichten, auf die Bezug genommen wird, umfassen typischerweise viele Mehrfachlagen an Material und werden auch als "verteilte Bragg-Reflektoren" oder "Spiegel" bezeichnet.
Die aktive Region 106 umfaßt n-Typ-Material und p-Typ-Material, welche ein lichtverstärkendes Medium umgeben. Ein pn-Übergang ist ein Übergang zwischen zwei Lagen unterschiedlichen Halbleiterleitungstyps. Der Übergang kann jede Anzahl an niedrig dotierten oder undotierten Schichten und jede Anzahl verschiedener Materialien, die Quantentöpfe oder Festkörperhalbleiterschichten bilden, umfassen. Die Aufgabe der Zwischenschichten in der aktiven Region 106 ist es, den Übergang durchquerendes Licht zu erzeugen und zu verstärken.
Auf die aktive Region 106 ist ein p-Typ-Oberspiegel 108 und ein p-Typ-Kontaktmaterial 107 aufgewachsen. Auf den p-Typ-Oberspiegel 108 ist der Boden einer transparenten n-Typ- Materialschicht 111 des Photodetektors 110 aufgewachsen. Der Übergang des p-Typ- Oberspiegels 108 des VCSEL 120 und der transparenten n-Typ-Bodenschicht 111 des Photodetektors 110 bildet einen zweiten pn-Übergang 115, der auch als parasitärer pn-Übergang bezeichnet wird.
Ein dritter pn-Übergang vom PIN-Typ ist mittels der transparenten n-Typ-Bodenschicht 111, einer absorbierenden Schicht 112 und einer transparenten p-Typ-Oberschicht 114 ausgebildet, welche über die absorbierende Schicht 112 aufgewachsen ist. Auf der p-Typ-Oberschicht 114 ist eine p-Typ-Kontaktmaterialschicht 116 ungefähr wie gezeigt angeordnet. Der PIN- Übergangstyp ist durch jede Anzahl an niedrig dotierten oder undotierten Schichten oder jede Anzahl von verschiedenen Materialien, die Quantentöpfe oder Festkörperhalbleiterschichten bilden, charakteresiert, die sich zwischen einer p-Typ- und einer n-Typ-Schicht befinden. Die Aufgabe der Zwischenschichten eines PIN-Überganges eines Photodetektors 110 ist es, den Übergang durchquerendes Lichts teilweise zu absorbieren.
Diese Vorrichtungsanordnung führt zu einer Laser und Photodetektorkombination mit einer pnpn-Konfiguration. Die pnpn-Konfiguration bezieht sich auf die Laser und Photodetektorstruktur 100, in der der Halbleiterleitungstyp drei Mal zwischen p-Typ-Material und n-Typ- Material beim Durchqueren von der Substratschicht 102 zu der oberen Oberfläche des Photodetektors 110 wechselt. Besonders die aktive Schicht 106 ist ein erster pn-Übergang mit einer PIN-Struktur; der Übergang 115, an dem der Laser 120 auf den Photodetektor 110 trifft, ist der zweite pn-Übergang und die absorbierende Schicht 112 ist ein dritter pn-Übergang mit einer PIN-Struktur. Diese Anordnung führt, wie oben erwähnt, zu einer pnpn-Konfiguration. Die pnpn-Konfiguration beabsichtigt eine Struktur bzw. rechnet mit einer Struktur, in der Schichten unterschiedlichen Halbleiterleitungstyps über oder unter den Schichten auftreten können, die den integrierten Laser und Photodetektor bilden.
Der Pfeil über dem Laser und Photodetektoraufbau 100 zeigt den Lichtausgabe dieser bevorzugten Ausführungsform. Es ist zu beachten, daß die Materialschichten vertauscht sein können, (d. h., alle n-Typ-Schichten werden von p-Typ-Schichten und alle p-Typ-Schichten von n-Typ-Schichten ersetzt).
Die Kontaktschicht 101, die den n-Typ-Bodenspiegel 102 berührt, die p-Typ-Kontaktschicht 107, welche den p-Typ-Oberspiegel 108 berührt, und die p-Typ-Kontaktschicht 116, welche die transparente obere p-Typ-Materialschicht 114 des Photodetektors 110 berührt, bilden drei Kontakte. Diese drei Kontakte berühren zusammen mit der zuvor erwähnten Photodetektorstruktur, welche die n-Typ-Bodenschicht 111 des Photodetektors 110 aufweist, den p-Typ- Oberspiegel 108 des VCSEL 120 und ermöglichen es dem Laser und dem Photodetektor die benötigte Vorspannung zu reduzieren, deren Schaltkreise unten beschrieben werden.
Es sollte offensichtlich sein, daß der n-Typ-Kontakt mit der aktiven Schicht 106 verwirklicht werden kann, indem ein Kontakt genutzt wird, der direkt auf der n-Typ-Spiegelschicht 104 eher an einem Ort seitlich entfernt von dem p-Typ-Kontakt 107 als durch das Substrat 102 angeordnet ist.
Fig. 1B ist eine schematische Darstellung 150 des Lasers und Photodetektors 100 der Fig. 1A einschließlich der daran angeschlossenen vereinfachten externen Vorspannungsschaltkreise.
Veranschaulichend sind der Laser und der Photodetektor 100 als Dioden 151, 152 und 153 dargestellt, welche von dem gepunkteten Kasten 100 umschlossen sind, welcher den Laser und ein Photodetektor der Fig. 1A repräsentiert. Die Spannung über die Diode 151 repräsentiert die Spannung VL über den VCSEL 120, die Spannung VD über die Diode 152 stellt die Vorwärtsvorspannung über den pn-Übergang 115 dar und die Spannung VPD über Diode 153 stellt die Sperrvorspannung über den Photodetektor 110 beim Photodetektorbetriebsstrom dar. Der vereinfachte Lasertreiberschaltkreis 158 steuert den Ansteuerstrom IBIAS und den Modulationsstrom IMOD durch den Laser 120.
Die minimale für den Betrieb dieses Schaltkreises nötige Vorspannung ist größer als die Summe der kleinsten einzelnen pn-Übergangsbetriebsspannungen und kann mittels folgender Beziehung ausgedrückt werden:
VCC > VD + VPD + VCM (Gleichung 1),
wobei VD die Vorwärtsvorspannung des parasitären pn-Übergangs 152 bei dem Betriebsstrom des Photodetektors 153, VPD die Sperrvorspannung des Photodetektors 153 und VCM die Vorwärtsvorspannung an dem Transistor 134 in dem Stromspiegelschaltkreis 156 ist, der von den Transistoren 154 und 157 gebildet ist. Der Stromspiegel 156 mißt den durch den Photodetektor 110 fließenden Strom und ist hierin veranschaulichend dargestellt.
Die vom Laser und Photodetektor 100 benötigte Vorspannung VCC kann erniedrigt werden, falls die Vorwärtsvorspannung VD des parasitären pn-Übergangs über die Diode 152 niedriger als die Vorwärtsvorspannung VL des VCSEL ist (d. h., VD < VL), wobei VL die VCSEL Vorwärtsvorspannung am Laserarbeitspunkt ist.
Diese Bedingung wird typischerweise aus den folgenden Gründen erfüllt sein. Erstens ist der Reihenwiderstand des VCSEL 120 typischerweise aufgrund des längeren Stromwegs in dem Laser 120 größer als der Widerstand des parasitären pn-Übergang 115. Zweitens sind die Arbeitspunkte des VCSEL 120 (umfaßt den ersten pn-Übergang) und des parasitären pn- Übergangs 115 (zweiter pn-Übergang) unterschiedlich. Der Laser arbeitet im Bereich von einigen Milliampere (mA), während der Detektorstrom, welcher auch durch den parasitären
pn-Übergang 115 fließt, im allgemeinen kleiner als 0,5 mA ist.
Um dies mit einem Beispiel zu illustrieren, werden typische Werte von VD 1,2 V, VPD 0,5 V und VCM 0,8 V und VCC > 2,5 V angenommen. Die zitierte Spannung über dem parasitären pn-Übergang 115 (VPD 1,2 V) ist typisch für einen Gallium-Arsenid- Homoübergang, kann jedoch weiter, insbesondere mittels zum Beispiel Bandlückenkonstruktion, d. h. starkes Dotieren, Schichten bzw. Graduieren und Nutzen anderer im Stand der Technik bekannter Halbleitermaterialien weiter gesenkt werden. Zusätzlich entspricht VCM 0,8 V einem Siliziumbipolartransistor und kann größer und kleiner als 0,8 V in Abhängigkeit von dem genutzten Transistor und dem Material sein, aus dem der Transistor gebaut ist.
Es ist wichtig anzumerken, daß die niedrigste Schaltkreisvorspannung Vcc auch durch die Summe der Arbeitsspannung des Lasers VL und der Spannung an dem Treibertransistor 158 begrenzt wird, da die Zweige des Laser und Photodetektorschaltkreises von derselben Spannungsversorgung vorgespannt werden.
Es sollte offensichtlich sein, daß die in Fig. 1B gezeigte Ausführungsform die gewünschte relative Polarität zwischen dem Laser und dem Photodetektor innerhalb einer Dreipolvorrichtung darstellt, welche die Nutzung einer einzelnen Spannungsversorgung ermöglicht, um gleichzeitig den Laser vorzuspannen und den Photodetektor sperrvorzuspannen. Es sollte darüber hinaus offensichtlich sein, daß bei derselben Anordnung der Laserstrom und der Photodetektorstrom getrennt von den individuellen Vorspannbedingungen des Lasers und des Photodetektors abhängen und völlig unabhängig voneinander sind. Das letztere macht das elektrische Entkopplungsmerkmal des Lasers und des Photodetektors aus.
Fig. 2A zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Kombination eines Lasers und eines Phototransistors mit Heteroübergang.
Die Basis der Laserstruktur 220 wird von einer n-Typ-Substratschicht 202 gebildet, auf dessen Unterseite eine n-Typ-Kontaktschicht 201 angeordnet ist. Ein n-Typ-Bodenspiegel 204 ist über die Substratschicht 202 gewachsen und weist eine darauf aufgewachsene aktive Region 206 auf. Es wird angemerkt, daß, obwohl zur Darstellung wenige Schichten verwendet werden, die Spiegelschichten, auf die Bezug genommen wird, typischerweise viele Mehrfachschichten Material umfassen und ebenso als "verteilte Bragg-Reflektoren" oder "Spiegel" bezeichnet werden.
Die aktive Region 206 umfaßt n-Typ-Material und p-Typ-Material, die ein lichtverstärkendes Medium umgeben. Ein pn-Übergang ist ein Übergang zwischen zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiterleitungstypen. Der Übergang kann jede Anzahl von niedrig dotierten oder undotierten Schichten und jede Anzahl von verschiedenen Materialien umfassen, die Quantentöpfe oder Festkörperhalbleiterschichten bilden. Die Aufgabe der Zwischenschichten in der aktiven Region 206 ist es, den Übergang durchquerendes Licht zu erzeugen und zu verstärken.
Auf die aktive Region 206 ist ein p-Typ-Oberspiegel 208 und ein p-Typ-Kontaktmaterial 207 aufgewachsen. In einer Weiterbildung, zu der bezüglich Fig. 1A beschriebenen Ausführungsform, ist die Photodiode 110 von einem Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) 210 ersetzt. Speziell ist auf den p-Typ-Oberspiegel 208 der p-Emitter 211 des HPT 210 aufgewachsen. Über den p-Emitter 211 ist eine n-Basis 212 des HPT 210 und über die n-Basis 212 ist ein p-Kollektor 214 aufgewachsen. Über dem p-Kollektor 214 ist ein p-Typ- Kontaktmaterial 216 angeordnet.
Es wird angemerkt, die zwei pn-Übergänge (112, 115 der Fig. 1A) vorher dahingehend unabhängig waren, daß keine Wechselwirkung der Minoritätsladung zwischen den zwei Übergängen existiert; nur ein Majoritätsträgerfluß durch die n-Typ-Bodenschicht 111 koppelt die zwei Übergänge. Im HPT 210 ist die n-Basisregion 212 hinreichend dünn, um einen Minoritätsträgerfluß von dem Emitter/Basisübergang zu dem Kollektor/Basisübergang zu erlauben.
Indem der parasitäre pn-Übergang 115 und der pn-Übergang (transparente n-Typ- Bodenschicht 111, absorbierende Schicht 112 und transparente p-Typ-Oberschicht 114) des Photodetektors 110 durch den HPT 210 ersetzt wird, umfaßt der Vorteil die Entfernung des parasitären pn-Übergangs 115 und läßt nur den HPT 210 zum Vorspannen übrig.
Zusätzlich kann der HPT aufgrund der vorhandenen Verstärkung im HPT 210 konstruiert werden, weniger Licht des Lasers 220 als ein Detektor zu absorbieren, welcher keine Verstärkung aufweist. Dieses ist wünschenswert, da die von einem Lichtdetektor absorbierte Leistung im wesentlichen verschwendet ist. Zur Erklärung überlege man, daß der externe Steuerschaltkreis (Fig. 2B) einen gewissen Menge Strom von dem Lichtdetektor (HPT 210) benötigt, um die Laservorspannung aktiv zu steuern. Deshalb wird der Bereich des Lichtdetektorstroms mittels des externen Schaltkreises (typisch im Bereich von 50 uA bis 500 uA) festgelegt. Der Lichtdetektorstrom ist direkt von der Menge des von der lichtemittierenden Vorrichtung absorbierten Lichts proportional abhängig und legt somit den Bereich der mittels des Lichtdetektors absorbierten Lichtleistung fest (ein Photon erzeugt ungefähr ein Elektron). Falls eine Verstärkung in dem Lichtdetektor vorhanden ist (z. B. HPT 210), ist es möglich mehr Elektronen (größerer Strom) für jedes absorbierte Photon zu erzeugen. Dies ermöglicht es eine lichtnachweisende Vorrichtung mit Verstärkung mit einer dünneren absorbierenden Schicht zu konstruieren und somit weniger Licht zu absorbieren, um denselben Strom zu erzeugen wie mit einem Detektor ohne Verstärkung.
Darüber hinaus ist es in Übereinstimmung mit der neuen vorgestellten Anordnung, daß es möglich ist, mittels des gemeinsamen Ausbildens des p-Typ-Kontaktmaterials 207 des Lasers 220 mit dem Emitter 211 des pnp-HPT 210 und mittels des Verbindens dieses Anschlusses mit einer einzigen positiven Spannungsversorgung den Laser mit npn-Treibertransistoren vorzuspannen und zu modulieren. Diese kollektorgetriebene Hochgeschwindigkeitsanordnung wird im Detail mit Bezug auf Fig. 2B beschrieben werden. Der Pfeil über der Laser- und Phototransistoranordnung mit Heteroübergang 200 zeigt die Lichtausgabe dieser bevorzugten Ausführungsform. Es sollte bemerkt werden, daß die Materialschichten vertauscht werden können, (d. h., alle n-Typ-Schichten werden von p-Typ-Schichten und alle p-Typ-Schichten von n-Typ-Schichten ersetzt), während weiterhin die Nutzung von kollektorgetriebenen Schaltkreisen möglicht ist.
Es sollte offensichtlich sein, daß der n-Typ-Kontakt der aktiven Schicht 206 realisiert werden kann, indem ein Kontakt genutzt wird, der direkt auf der n-Typ-Spiegelschicht 204 eher an einem Ort seitlich entfernt von dem p-Typ-Kontakt 207 als durch das Substrat 202 angeordnet ist.
Fig. 2B ist eine schematische Darstellung 250 des Lasers und Phototransistors mit Heteroübergang 200 der Fig. 2A einschließlich eines vereinfachten externen damit in Verbindung stehenden Vorspannschaltkreis.
Veranschaulichend sind der Laser und Phototransistor mit Heteroübergang 200 als Diode 251 und pnp-Transistor 252 gezeigt, die von dem gepunkteten Kasten 200 umschlossen sind, welcher den Laser und den Phototransistor mit Heteroübergang der Fig. 2A repräsentiert. Die Spannung über die Diode 251 repräsentiert die Spannung VL über den VCSEL 220. Wie man sehen kann, sind die Spannung VD über die Diode 152 (Fig. 1A) und die Spannung VPD über die Diode 153 entfernt worden. An der Stelle der Diode 152 und der Diode 153 befindet sich ein pnp-Phototransistor mit Heteroübergang 252, wobei die Spannung über diesen durch die Spannung VHPT gegeben ist. Für einen ordentlichen Betrieb des HPT sollte dieser mit einer Spannung, die wenigstens so groß wie seine Emitter/Basisspannung ist, vorgespannt werden. Der Emitter/Basisübergang spannt sich in der Gegenwart von Lichtabsorbtion selbst vor. Die typische benötigte Vorspannung, um einen geeigneten Kollektorstrom in einem GaAs/AlGaAs (Galliumarsinid/Aluminiumgalliumarsinid) Phototransistor zu führen, liegt in der Größenordnung von 1,2 V. Deshalb kann der HPT mit einer Vorspannung betrieben werden, die so niedrig wie VHPT > 1,2 V ist.
Der pnp-Phototransistor mit Heteroübergang 252 ist eine schematische Darstellung des Phototransistors mit Heteroübergang 210 der Fig. 2A. Der vereinfachte Lasertreiberschaltkreis 258 steuert den Ansteuerstrom IBIAS und den Modulationsstrom IMOD durch den Laser 220. Darüber hinaus ist es mittels des Ausbildens des p-Typ-Kontaktmaterials 207 des Lasers 220 (Fig. 2A) gemeinsam mit dem Emitter 211 des pnp-HPT 210 (Fig. 2A) möglich, die Struktur mit npn-Treibertransistoren 258, 254 und 257 vorzuspannen. Der Gebrauch von npn- Treibertransistoren in dem Verstärker ermöglicht eine höhere Betriebsgeschwindigkeit und eine höheren Verstärkung gegenüber einer pnp-Anordnung. Darüber hinaus kann mittels des Verbindens eines Anschlusses 261, der beiden, dem Laser 220 und dem Phototransistor mit Heteroübergang 210, gemeinsam ist, mit der positiven Spannungsversorgung VCC, die Nutzung einer extrem niedrigen Spannungsversorgungsvorspannung ermöglicht werden. Auf diese Art kann die gleiche niedrige Stromversorgung für die Diode 251 und den Phototransistor 252 angewendet werden.
Es wird daran erinnert, daß die minimale Vorspannung, die für den Betrieb dieses Schaltkreises notwendig ist, größer als die Summe der kleinsten individuellen pn-Übergangsbetriebsspannungen ist und dieses durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
VCC > VHPT + VCM (Gleichung 2).
Typische Werte sind VHPT > 1,2 V und VCM 0,8 V für einen Silzium npn-Transistor. Dies deutet an, daß die Vorspannung möglicherweise so niedrig wie 2 V sein kann. Bei einem System mit einer 3,1 V Minimalspannungsversorgungsanforderung verbleibt mehr als 1 Volt Spielraum zum Vorspannen. Auf diese Art kann der optimale Arbeitspunkt des HPT bestimmt werden, während er sich noch an Spannungsschwankungen anpassen kann. Der Stromspiegel 256 mißt den durch den Phototransistor mit Heteroübergang 210 fließenden Strom und ist hierin veranschaulichend gezeigt.
Mittels des Vergleichs des voranstehenden Beispiels mit dem, was bezüglich Fig. 1B oben beschrieben wurde, kann man sehen, daß die vom Laser und Phototransistor mit Heteroübergang 220 benötigte Vorspannung Vcc nur die Spannung CM über dem Stromspiegel 256 übersteigen muß. Weil die Laser- und die HPT-Schaltkreiszweige von der selben Spannungsversorgung vorgespannt werden, ist die niedrigste Schaltkreisvorspannung Vcc auch durch die Summe der Arbeitsspannungen des Lasers VL und der Spannung an dem Treibertransistor 258 begrenzt.
Es sollte offensichtlich sein, daß die in Fig. 2B gezeigte Ausführungsform die gewünschte relative Polarität zwischen dem Laser und dem Phototransistor mit Heteroübergang innerhalb einer Dreipolvorrichtung aufweist, welche den Gebrauch einer einzigen Spannungsversorgung ermöglicht, um gleichzeitig den Laser vorwärts vorzuspannen und den Phototransistor mit Heteroübergang zu betreiben. Es sollte darüber hinaus offensichtlich sein, daß bei der gleichen Anordnung der Laserstrom und der Strom des Phototransistors mit Heteroübergang getrennt von den individuellen Vorspannungsbedingungen des Lasers und des Phototransistors mit Heteroübergang abhängen und daß diese vollständig unabhängig voneinander sind. Das letztere macht das elektrische Entkopplungsmerkmal des Lasers und des Phototransistors mit Heteroübergang der Erfindung aus. Zusätzlich kann der HPT 252 konstruiert werden, weniger Licht zu absorbieren, weil der HPT 252 eine Verstärkung für eine gegebene Stromantwort, die mittels des Stromspiegels 256 gemessen wird, aufweist und deshalb weniger Leistung des Lasers entfernt bzw. absorbiert, während eine Leistungsmessung durchgeführt wird.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, daß viele Änderungen und Variationen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie oben dargelegt ist, durchgeführt werden können ohne wesentlichen von dem Prinzip bzw. Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann das System und das Verfahren zur monolitischen Integration einer lichtemittierenden Vorrichtung und eines Phototransistors mit Heteroübergang für den Betrieb mit geringer Vorspannung ausgeführt werden, indem verschiedene Halbleitertechnologien genutzt werden. Darüber hinaus kann, obwohl hierin gezeigt ist, daß ein Phototransistor auf einer Laserstruktur angeordnet ist, der Phototransistor vor dem Laser gewachsen werden und sich entweder über oder unter der Laserstruktur befinden. All diese Modifikationen und Variationen sind beabsichtigt hierin innerhalb des Bereichs der Erfindung eingeschlossen zu sein, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Ein System (200) zum Messen der Lichtabgabe einer lichtemittieren den Einrichtung (220), mit

einer lichtemittierenden Einrichtung (220), die einen P-Anschluß (207) und einen N- Anschluß (201) aufweist; und

einem Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) (210), der mit der lichtemittierenden Einrichtung (220) optisch gekoppelt ist, wobei der HPT (210) eine PNP-Struktur mit einem Emitter (211) mit einem Anschluß und einem Kollektor (214) aufweist, wobei der P- Anschluß (207) der lichtemittierenden Einrichtung (220) mit dem Emitteranschluß (211) des PNP HPT (210) verbunden ist.

2. System (200) nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Einrichtung (220) ein Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) ist.

3. Schaltkreis (250) zum Messen der Lichtabgabe einer lichtemittierenden Einrichtung (220) und zum Zulassen niederer Vorspannungsanforderungen, mit

einer lichtemittierenden Einrichtung (220), die einen positiven Anschluß (207) und einen negativen Anschluß (201) aufweist; und

einem Phototransistor mit Heteroübergang (HPT) (210), der einen Kollektoranschluß (214) und einen Emitteranschluß (211) aufweist, wobei der positive Anschluß (207) der lichtemittierenden Einrichtung (220) und der Emitteranschluß (211) des HPT (210) verbunden sind, so daß die lichtemittierende Einrichtung (220) und der HPT (210) unabhängig vorgespannt werden können.

4. Schaltkreis 250 nach Anspruch 3, mit einer positiven Energieversorgung, die mit der gemeinsamen Verbindungstelle (261) zwischen dem positiven Anschluß (207) der lichtemittierenden Einrichtung (220) und dem Emitteranschluß (211) des HPT (210) verbunden ist.