EP1358514A2 - Halbleiterelement mit optoelektronischer signalübertragung und verfahren zum erzeugen eines solchen halbleiterelements - Google Patents

Halbleiterelement mit optoelektronischer signalübertragung und verfahren zum erzeugen eines solchen halbleiterelements

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EP1358514A2
EP1358514A2 EP02706628A EP02706628A EP1358514A2 EP 1358514 A2 EP1358514 A2 EP 1358514A2 EP 02706628 A EP02706628 A EP 02706628A EP 02706628 A EP02706628 A EP 02706628A EP 1358514 A2 EP1358514 A2 EP 1358514A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optoelectronic
transmitter
semiconductor
receiver
semiconductor element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02706628A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard STEGMÜLLER
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor element and a method for producing such a semiconductor element.
  • an electrical method or an electronic method is used for signal transmission in an integrated circuit on a semiconductor substrate.
  • these methods limit the data rate at which signals can be transmitted from one component to another component within the integrated circuit on a semiconductor substrate.
  • Signal transmission with a small carrier bandwidth of ⁇ 1 GHz can therefore only achieve a maximum data rate of up to 10 Gbit / s.
  • the maximum data rate also becomes smaller.
  • electrical methods or electronic methods for signal transmission in an integrated circuit limit the possibility of miniaturizing the integrated circuit due to the conductor tracks required. Furthermore, due to their electrical resistance, the conductor tracks require high energy consumption.
  • a transmission system for conference rooms is known from the prior art, for example from [1], in which one
  • optocouplers are known from the prior art, for example from [2], [3], [4] and [5], which are used for electrically decoupling two electrical circuits are provided.
  • An optically transparent, but electrically insulating layer is used between a light transmitter and a light receiver, which ensures a suitable optical coupling and at the same time electrical insulation.
  • light receivers There are light receivers and
  • Light transmitters applied one above the other on a substrate.
  • an optical integrated circuit is known from the prior art, for example from [6], in which a laser diode emits laser light, the beam path of which is deflected by means of a mirror and which is then detected by a photodiode.
  • the laser diode and the photodiode are arranged side by side on a semiconductor substrate.
  • An optoelectronic element in which a laser emitter and an optical detector are arranged next to one another and at a certain distance from one another above a waveguide on a semiconductor substrate is known from [7].
  • optical connection unit for use in a data processing apparatus is known from [8].
  • this optical connection unit has a plurality of optical connection elements. These optical connecting elements have the task of supplying the light emitted by the light source to the light-receiving element in a suitable manner.
  • the optical devices disclosed in the prior art have the problem that the optical detectors used in the optical devices can also detect light which originates, for example, from another light source. This can result in a significant reduction in the maximum transferable data rate in these optical devices.
  • the invention is therefore based on the problem
  • a semiconductor element has an integrated semiconductor structure.
  • An optoelectronic transmitter and an optoelectronic receiver are attached to the integrated semiconductor structure.
  • the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver are set up for optoelectronic signal transmission within the semiconductor element, optically coupled to one another and optically decoupled from their surroundings by means of an optical filter element.
  • an optoelectronic transmitter and an optoelectronic receiver are attached to an integrated semiconductor structure. Furthermore, a Bragg structure designed as an optical filter element is attached to all sides of the integrated semiconductor structure, except on the mutually facing sides of the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • Semiconductor element can achieve a maximum data rate of over 10 Gbit / s with a large carrier bandwidth in signal transmission. This large data rate is made possible above all by optoelectronic converters, especially the optoelectronic transmitter and the optoelectronic one
  • Receiver e.g. a laser diode transmitter and one
  • Photodiode receiver which can convert signals with a data rate of more than 10 GBit / s and one more
  • micro-converters also have small electrical ones
  • the microconverters can be at a maximum distance of a few centimeters from one another, which is why the invention is specifically intended for use in highly integrated circuits.
  • optical signal transmission can also take place in air. Furthermore, with optical signal transmission, it is possible to cross several signal transmission paths within one level without impairing the transmitted signals.
  • the method according to the invention for producing such a semiconductor element reduces the production on and of semiconductor elements, since fewer cross-free electrical connections are required in the different grown and etched layers. This significantly reduces the design effort, and thus the manufacturing effort, as well as the manufacturing costs.
  • the optical filter element provided in the invention is also advantageous. This makes it possible to minimize disruptive influences on the optoelectronic converters.
  • optical filter element By cleverly arranging the optical filter element, it can be achieved that several optoelectronic converters can be positioned very close to one another without mutual interference. The relevant space requirement on the semiconductor substrate can thus be minimized and signal transmission between two optoelectronic converters is nevertheless ensured.
  • an optical filter element used in the semiconductor element according to the invention has a thickness of up to 5 ⁇ m.
  • An optical filter element can be provided for the transmitter and the optoelectronic receiver. In this way, for example, better decoupling of the optoelectronic transmitter from the signal transmission path can be achieved. Influencing of the optoelectronic transmitter by interfering retroactive effects can thus be largely avoided.
  • the optoelectronic receiver be optically coupled as well as possible to the signal transmission path. Consequently, optical reflections at the input of the optoelectronic receiver, for example by using an optical filter element directly in front of the input of the optoelectronic receiver, should be avoided.
  • the optical filter element used preferably has at least one essentially completely reflecting interface. That the interface has one
  • An essentially completely reflecting interface is understood to mean an interface between a first medium into which the optical radiation is reflected back with a first refractive index ni and a second medium with a second refractive index ⁇ .2, the ratio of the two refractive indices n ⁇ / n2 differs significantly from one.
  • the use of the optical filter element can thus prevent any impairment in the generation or reception of the signals to be transmitted.
  • a multidimensional Bragg structure for example a photonic crystal, is preferably used as the essentially completely reflecting interface.
  • Multi-dimensional Bragg structures are periodic structures and have the advantage that they can be produced very specifically with regard to their filtering effect, for example epitaxially or monolithically.
  • an optoelectronic modulator is provided between the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • an optoelectronic amplifier is provided between the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • a waveguide which can either be a waveguide structure or a photonic crystal, can preferably be provided for signal transmission between the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • the waveguide can be rectilinear or in any shape and only has to ensure that signals emitted by the optoelectronic transmitter can reach the optoelectronic receiver.
  • the semiconductor element according to the invention is preferably set up in such a way that at least one of the following components comprises a semiconductor material: the waveguide, the Bragg structure, the optoelectronic transmitter, the optoelectronic receiver, the optoelectronic modulator, the optoelectronic amplifier.
  • the semiconductor material is preferably a III-V semiconductor.
  • the semiconductor material can also be a II-VI semiconductor.
  • at least one of the above-mentioned components could also have a III-V semiconductor, while at least one further of the above-mentioned components could have a II-VI semiconductor.
  • the semiconductor material can also be an IV semiconductor, for example
  • the waveguide and / or the filter element can also have another electro-optically passive material.
  • the optoelectronic transmitter is a laser diode
  • the optoelectronic receiver is a photodiode
  • the optical filter element is designed as a photonic crystal.
  • An electroabsorption modulator (EAM) can be provided as the optoelectronic modulator.
  • a laser structure with induced emission could be used as an optoelectronic amplifier.
  • a Bragg structure designed as an optical filter element is preferably attached to the integrated semiconductor structure between the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • an optoelectronic modulator is preferably attached to the integrated semiconductor structure between the optoelectronic transmitter and the optoelectronic receiver.
  • an optoelectronic amplifier can also be attached to the integrated semiconductor structure.
  • a waveguide can be attached to the integrated semiconductor structure and can transmit an optical signal emitted by the optoelectronic transmitter to the optoelectronic receiver.
  • Figure 1 is a plan view of a semiconductor element according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the semiconductor element of Figure 1 along the section line Ll-Ll;
  • FIG. 3 shows a plan view of a semiconductor element according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a plan view of a semiconductor element according to a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a plan view of a semiconductor element according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a top view of a semiconductor element 100 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the semiconductor element 100 has an integrated one
  • a laser diode designed as an optoelectronic transmitter 103 and a photodiode designed as an optoelectronic receiver 104 are provided in the substrate 101, which are aligned with one another in such a way that light emitted by the optoelectronic transmitter 103 can be detected by the optoelectronic receiver 104.
  • Both the optoelectronic transmitter 103 and the optoelectronic receiver 104 are optically isolated from impairment by optical energy, which does not come from the optoelectronic transmitter 103, by first optical filter elements 105.
  • the first optical filter elements 105 thus decouple the optoelectronic ones
  • Transducers 103 and 104 from their surroundings, but the optoelectronic transducers 103 and 104 remain optically coupled to one another.
  • the optoelectronic transducers 103 and 104 are additionally decoupled from one another by second optical filter elements 106.
  • both the optoelectronic transmitter 103 and the optoelectronic receiver 104 are protected from undesired reflections or resonances by the second optical filter elements 106. Protection is primarily necessary for the optoelectronic transmitter 103, so that the second optical filter elements 106 at the input of the optoelectronic receiver 104 can be dispensed with in other exemplary embodiments.
  • the first optical filter elements 105 and the second optical filter elements 106 can be arranged at a certain distance from the optoelectronic transducers 103 and 104. However, it is also possible to dispense with a distance between the optical filter elements 105 and 106 and the optoelectronic transducers 103 and 104. That the optical filter elements 105 and 106 can be realized as interfaces of the optoelectronic transducers 103 and 104.
  • optical filter elements 105 and 106 The mode of operation of the optical filter elements 105 and 106 is such that optical energy from a first direction is totally reflected on a surface of the optical filter elements 105 and 106, while optical energy from a second direction, which is opposite to the first direction, by the optical filter elements 105 and 106 are transmitted unhindered.
  • optical energy can also be filtered independently of or depending on the direction of incidence by the optical filter elements 105 or 106. Filtering optical energy means, for example, the selection of preferred wavelengths from a spectrum and / or the reduction in the intensity of the transmitted spectrum.
  • quasi one-dimensional photonic crystals in the form of Bragg structures are used as optical filter elements 105 and 106.
  • the Bragg structures have a certain probability that photons can tunnel through the Bragg structures, so that total reflection of optical energy at the Bragg structures is not possible. Therefore, the optical filter elements 105 and 106 are provided in such a way that two Bragg structures are always arranged side by side.
  • a waveguide 107 with a surrounding waveguide jacket 108 is provided in the substrate 101 for signal transmission between the optoelectronic converters 103 and 104.
  • the waveguide 107 ensures the optical energy flow between the optoelectronic transmitter 103 and the associated optoelectronic receiver 104.
  • the substrate 101 As material for the substrate 101, the optoelectronic transducers 103 and 104, the optical filter elements 105 and 106 as well as the waveguide 107 and the waveguide cladding 108 of the integrated semiconductor structure of the semiconductor element 100, for example II-VI-, III-V- or IV- IV semiconductor materials can be selected. Only the following should be noted: ⁇ The material selected for the optoelectronic transducers 103 and 104 must be electro-optically active. ® The material selected for the optical filter elements 105 and 106 must have the desired optical
  • the material selected for the waveguide 107 must be able to transmit the light spectrum emitted by the optoelectronic transmitter 103.
  • the material selected for the waveguide cladding 108 must be matched with respect to its refractive index relative to the waveguide 107 in such a way that at the interface between waveguide 107 and Waveguide sheath 108, the light spectrum emitted by the optoelectronic transmitter 103 is totally reflected.
  • the semiconductor element 100 can be produced by means of customary production methods in semiconductor production. These include, for example, etching, diffusion, doping, epitaxy, implantation and lithography.
  • the optoelectronic converters 103 and 104, the optical filter elements 105 and 106 and the waveguide 107 with the waveguide cladding 108 can be integrated in the substrate 101 or can also be applied to the substrate surface 102 of a wafer in such a way that they protrude at least partially from the wafer.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the semiconductor element 100 shown in FIG. 1 along the section line L1-Ll to clarify the arrangement.
  • the first optical filter elements 105 have the optoelectronic converters 103 and 104 in it
  • Embodiment surrounded only in a quasi-two-dimensional arrangement. This means that the first optical filter elements 105 enable optical isolation, especially in directions parallel to the substrate surface 102.
  • optical isolation of the optoelectronic transducers 103 and 104 can also be provided such that the first optical filter elements 105 surround the optoelectronic transducers 103 and 104 in a cage shape, ie also on the substrate surface 102 facing and / or facing sides of the optoelectronic transducers 103 and 104 first optical filter elements 105 are provided.
  • FIG. 3 shows a plan view of a semiconductor element 300 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • an optoelectronic modulator 301 and an optoelectronic amplifier 302 are additionally integrated between the optoelectronic converters 103 and 104 in the semiconductor element 300.
  • the optoelectronic modulator 301 is used to modulate light which was emitted by the optoelectronic transmitter 103 and is therefore at the output of the optoelectronic
  • Transmitter 103 positioned.
  • a further optical filter element 303 is provided between the waveguide 107 and the optoelectronic modulator 301.
  • the optoelectronic amplifier 302 serves to amplify the light transmitted by the waveguide 107 before it is detected by the optoelectronic receiver 104.
  • the optoelectronic amplifier 302 is also protected against impairment by optical energy, which does not originate from the optoelectronic transmitter 103, by a further optical filter element 303.
  • FIG. 4 shows a plan view of a semiconductor element 400 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the semiconductor element 400 of this exemplary embodiment differs from the semiconductor element 300 in that only between the optoelectronic transmitter 103 and the optoelectronic one
  • Modulator 301 second optical filter elements 106 are provided. Protection against disruptive retroactive effects

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement (100) mit einer integrierten Halbleiterstruktur. Auf dieser integrierten Halbleiterstruktur sind ein optoelektronischer Sender (103) sowie ein optoelektronischer Empfänger (104) befestigt. Der optoeleoktronische Sender (103) und der optoelektronische Empfänger (104) sind zur optoelektronischen Signalübertragung innerhalb des Halbleiterelements (100) eingerichtet, optisch miteinander gekoppelt und mittels eines optischen Filterelementes (105) von ihrer Umgebung optisch entkoppelt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen eines derartigen Halbleiterelements (100).

Description

Beschreibung
Halbleiterelement mit optoelektronischer Signalübertragung und Verfahren zum Erzeugen eines solchen Halbleiterelements
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement und ein Verfahren zum Erzeugen eines solchen Halbleiterelements .
Zur Signalübertragung in einer integrierten Schaltung auf einem Halbleitersubstrat wird gemäß dem Stand der Technik ein elektrisches Verfahren oder ein elektronisches Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren limitieren jedoch die Datenrate, mit der Signale innerhalb der integrierten Schaltung auf einem Halbleitersubstrat von einem Bauelement zu einem anderen Bauelement übertragen werden können. Bei einer
Signalübertragung mit einer kleinen Trägerbandbreite von < 1 GHz kann deshalb lediglich eine maximale Datenrate von bis zu 10 GBit/s erreicht werden. Außerdem wird bei größer werdender Trägerbandbreite der Signalübertragung die maximale Datenrate zusätzlich kleiner.
Zusätzlich begrenzen elektrische Verfahren oder elektronische Verfahren bei der Signalübertragung in einer integrierten Schaltung durch die dabei notwendigen Leiterbahnen die Möglichkeit zur Miniaturisierung der integrierten Schaltung. Des weiteren bedingen die Leiterbahnen durch ihren elektrischen Widerstand einen hohen Energieverbrauch.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus [1] , ist ein Übertragungssystem für Konferenzräume bekannt, bei dem eine
Signalübertragung von Audio- und Datensignalen zwischen einer Zentrale und einem entfernten Teilnehmer auf optischem Wege stattfindet.
Außerdem sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus [2], [3], [4] und [5], Optokoppler bekannt, welche zum elektrischen Entkoppeln zweier elektrischer Schaltkreise vorgesehen sind. Dabei wird eine optisch transparente, jedoch elektrisch isolierende Schicht zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger verwendet, welche eine geeignete optische Kopplung und gleichzeitig eine elektrische Isolation sicherstellt. Üblicherweise sind Lichtempfänger und
Lichtsender übereinander auf einem Substrat aufgebracht.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus [6], ein optischer integrierter Schaltkreis bekannt, bei dem eine Laserdiode Laserlicht emittiert, dessen Strahlengang mittels eines Spiegels umgelenkt wird und welches danach von einer Photodiode detektiert wird. Die Laserdiode und die Photodiode sind auf einem Halbleitersubstrat nebeneinander angeordnet .
Ein optoelektronisches Element, bei dem über einem Wellenleiter auf einem Halbleitersubstrat nebeneinander und mit einem gewissen Abstand zueinander ein Laseremitter und ein optischer Detektor angeordnet sind, ist aus [7] bekannt.
Eine optische Verbindungseinheit zum Einsatz in einem Datenverarbeitungsapparat ist aus [8] bekannt. Diese optische Verbindungseinheit weist neben einer Lichtquelle und einem lichtempfangenden Element eine Mehrzahl von optischen Verbindungselementen auf. Diese optischen Verbindungselemente haben die Aufgabe, das von der Lichtquelle emittierte Licht in geeigneter Weise dem lichtempfangenden Element zuzuführen.
Die im Stand der Technik offenbarten optischen Vorrichtungen weisen jedoch das Problem auf, dass die in den optischen Vorrichtungen verwendeten optischen Detektoren auch Licht detektieren können, welches beispielsweise aus einer anderen Lichtquelle stammt. Dadurch kann es zu einer erheblichen Reduzierung der maximal übertragbaren Datenrate in diesen optischen Vorrichtungen kommen. Besondere Bedeutung gewinnen die oben beschriebenen Probleme bei einer hochintegrierten Schaltung (VLSI-Schaltung = very 3-arge scale Integration) . '
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein
Halbleiterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements anzugeben, mit dem bei geringerem Energie- und Platzverbrauch und trotz großer Trägerbandbreite bei der Signalübertragung eine höhere maximale Datenrate erreicht werden kann.
Das Problem wird durch ein Halbleiterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterelements mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Ein Halbleiterelement weist eine integrierte Halbleiterstruktur auf. Auf der integrierten Halbleiterstruktur sind ein optoelektronischer Sender sowie ein optoelektronischer Empfänger befestigt. Der optoelektronische Sender und der optoelektronische Empfänger sind zur optoelektronischen Signalübertragung innerhalb des Halbleiterelements eingerichtet, optisch miteinander gekoppelt und mittels eines optischen Filterelementes von ihrer Umgebung optisch entkoppelt.
Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Halbleiterelements mit optoelektronischer Signalübertragung werden auf einer integrierten Halbleiterstruktur ein optoelektronischer Sender sowie ein optoelektronischer Empfänger angebracht. Weiterhin wird auf der integrierten Halbleiterstruktur auf allen Seiten außer an einander zugewandten Seiten des optoelektronischen Senders und des optoelektronischen Empfängers eine als optisches Filterelement ausgebildete Bragg-Struktur angebracht . Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das erfindungsgemäße
Halbleiterelement eine maximale Datenrate von über 10 GBit/s mit einer großen Trägerbandbreite bei der Signalübertragung erreichen kann. Diese große Datenrate wird vor allem ermöglicht durch optoelektronische Wandler, speziell den optoelektronischen Sender sowie den optoelektronischen
Empfänger (beispielsweise einen Laserdioden-Sender und einen
Photodioden-Empfänger) , welche Signale mit einer Datenrate von mehr als 10 GBit/s wandeln können und noch dazu einen
2 geringen Platzbedarf von maximal 20x5 μm haben, weshalb diese Wandler auch Mikrowandler genannt werden. Diese
Mikrowandler weisen dementsprechend auch kleine elektrische
Kontakte auf, die sich ebenfalls für die hohen Datenraten eignen. Die Mikrowandler können auf Grund ihrer Leistung einen maximalen Abstand von einigen Zentimetern zueinander haben, weshalb die Erfindung speziell für einen Einsatz in hochintegrierten Schaltungen vorgesehen ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiterelements ist eine Verringerung des Platzbedarfs auf dem
Halbleiterelement, da zur Signalübertragung zwischen mehreren Bauelementen keine elektrischen Verbindungen dieser Bauelemente mehr erforderlich sind. Eine optische Signalübertragung kann prinzipiell auch an Luft erfolgen. Weiterhin ist es bei optischer Signalübertragung möglich, mehrere Signalübertragungspfade innerhalb einer Ebene zu kreuzen, ohne dabei die übertragenen Signale zu beeinträchtigen. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines solchen Halbleiterelements der Herstellungsauf and von Halbleiterelementen reduziert, da weniger kreuzungsfreie elektrische Verbindungen in den unterschiedlichen aufgewachsenen und geätzten Schichten erforderlich sind. Dadurch werden der Designaufwand, und damit der Herstellungsaufwand, sowie die Herstellungskosten deutlich reduziert. Vorteilhaft ist auch das in der Erfindung vorgesehene optische Filterelement. Dieses ermöglicht es, störende Einflüsse auf die optoelektronischen Wandler zu minimieren. Weiterhin kann durch geschickte Anordnung des optischen Filterelements erreicht werden, dass mehrere optoelektronische Wandler ohne gegenseitige Beeinflussung sehr nahe nebeneinander positioniert werden können. Somit kann der relevante Platzbedarf auf dem Halbleitersubstrat minimiert werden und dennoch bleibt die Signalübertragung zwischen zwei optoelektronischen Wandlern gewährleistet.
Folglich hat das vorgesehene optische Filterelement für den zugehörigen Wandler isolierende Wirkung gegenüber optischer Energie, die nicht von dem diesem Wandler zugehörigen optoelektronischen Sender gesendet wurde. Typischerweise hat ein im erfindungsgemäßen Halbleiterelement verwendetes optisches Filterelement eine Dicke von bis zu 5 μm.
Schließlich ergibt sich noch als weiterer Vorteil, dass durch eine optische Signalübertragung auf dem Halbleiterelement weniger Abwärme durch elektrischen Widerstand, welcher einem
Stromfluss in elektrischen Leiterbahnen entgegensteht, produziert wird, wodurch eine Kühlung des Halbleiterelements weniger aufwändig als bei üblichen Halbleiterelementen erfolgen kann. Außerdem wird bei optischer Signalübertragung im Vergleich zu elektrischer Signalübertragung durch den reduzierten elektrischen Widerstand und damit die reduzierte Abwärme der Energieverbrauch reduziert.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements kann auch zwischen dem optoelektronischen
Sender und dem optoelektronischen Empfänger ein optisches Filterelement vorgesehen sein. Dadurch kann beispielsweise eine bessere Entkopplung des optoelektronischen Senders von der Signalübertragungsstrecke erreicht werden. Somit kann eine Beeinflussung des optoelektronischen Senders durch störende Rückwirkungseffekte weitestgehend vermieden werden. Im Gegensatz dazu sollte der optoelektronische Empfänger optisch möglichst gut an die Signalübertragungsstrecke angekoppelt sein. Folglich sollten optische Reflexionen am Eingang des optoelektronischen Empfängers, beispielsweise durch den Einsatz eines optischen Filterelements direkt vor dem Eingang des optoelektronischen Empfängers, vermieden werden.
Vorzugsweise weist das verwendete optische Filterelement mindestens eine im wesentlichen vollständig reflektierende Grenzfläche auf. D.h. die Grenzfläche hat einen
Re lexionskoeffizienten von nahezu 100 % für jegliche optische Strahlung, welche ohne optisches Filterelement ungewollt in einen der beiden optoelektronischen Wandler eindringen würde. Unter einer im wesentlichen vollständig reflektierenden Grenzfläche ist dabei eine Grenzfläche zwischen einem ersten Medium, in welches die optische Strahlung zurückreflektiert wird, mit einem ersten Brechungsindex ni und einem zweiten Medium mit einem zweiten Brechungsindex Ώ.2 zu verstehen, wobei sich das Verhältnis der beiden Brechungsindizes nχ/n2 wesentlich von eins unterscheidet. Durch den Einsatz des optischen Filterelements kann somit eine eventuelle Beeinträchtigung bei der Erzeugung oder dem Empfang der zu übertragenden Signale vermieden werden.
Als im wesentlichen vollständig reflektierende Grenzfläche wird vorzugsweise eine mehrdimensionale Bragg-Struktur eingesetzt, beispielsweise ein photonischer Kristall. Mehrdimensionale Bragg-Strukturen sind periodische Strukturen und haben den Vorteil, dass sie ganz gezielt in bezug auf ihre Filterwirkung hergestellt werden können, beispielsweise epitaktisch oder monolithisch.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements ist zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger ein optoelektronischer Modulator vorgesehen. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements ist zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger ein optoelektronischer Verstärker vorgesehen.
Vorzugsweise kann zur Signalübertragung zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger ein Wellenleiter vorgesehen sein, welcher entweder eine Wellenleiterstruktur oder ein photonischer Kristall sein kann. Der Wellenleiter kann geradlinig oder auch in beliebiger Form gebogen sein und muss dabei nur gewährleisten, dass vom optoelektronischen Sender emittierte Signale den optoelektronischen Empfänger erreichen können.
Das erfindungsgemäße Halbleiterelement ist bevorzugt derart eingerichtet, dass zumindest eine der folgenden Komponenten ein Halbleitermaterial aufweist: der Wellenleiter, die Bragg- Struktur, der optoelektronische Sender, der optoelektronische Empfänger, der optoelektronische Modulator, der optoelektronische Verstärker.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halbleitermaterial um einen III-V-Halbleiter . Alternativ kann es sich bei dem Halbleitermaterial aber auch um einen II-VI-Halbleiter handeln. Des weiteren könnte auch zumindest eine der oben genannten Komponenten einen III-V-Halbleiter aufweisen, während zumindest eine weitere der oben genannten Komponenten einen II-VI-Halbleiter aufweisen könnte. Ferner kann das Halbleitermaterial auch einen IV-Halbleiter, beispielsweise
Silizium, aufweisen. Der Wellenleiter und/oder das Filterelement können jedoch auch ein anderes elektrooptisch passives Material aufweisen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements sind der optoelektronische Sender als Laserdiode, der optoelektronische Empfänger als Photodiode und das optische Filterelement als photonischer Kristall ausgebildet. Als optoelektronischer Modulator kann ein Elektroabsorptionsmodulator (EAM) vorgesehen sein. Eine Laserstruktur mit induzierter Emission könnte als optoelektronischer Verstärker verwendet werden.
Selbstverständlich sind unterschiedlichste Kombinationen von optoelektronisch aktiven Komponenten zur Verwirklichung der optoelektronischen Wandler möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der integrierten Halbleiterstruktur vorzugsweise zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger eine als optisches Filterelement ausgebildete Bragg-Struktur angebracht.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der integrierten Halbleiterstruktur zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger ein optoelektronischer Modulator angebracht.
Zusätzlich oder alternativ zu dem optoelektronischen Modulator kann auch ein optoelektronischer Verstärker auf der integrierten Halbleiterstruktur angebracht werden.
Ferner kann in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der integrierten Halbleiterstruktur ein Wellenleiter angebracht werden, welcher ein vom optoelektronischen Sender emittiertes optisches Signal zum optoelektronischen Empfänger übertragen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten. Es zeigen
Figur 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 einen Längsschnitt durch das Halbleiterelement aus Figur 1 entlang der Schnittlinie Ll-Ll;
Figur 3 eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Figur 5 eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig.l zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Halbleiterelement 100 weist eine integrierte
Halbleiterstruktur an einer Substratoberfläche 102 eines Substrates 101 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine als optoelektronischer Sender 103 ausgebildete Laserdiode und eine als optoelektronischer Empfänger 104 ausgebildete Photodiode in dem Substrat 101 vorgesehen, welche derart aufeinander ausgerichtet sind, dass von dem optoelektronischen Sender 103 emittiertes Licht von dem optoelektronischen Empfänger 104 detektiert werden kann.
Sowohl der optoelektronische Sender 103 als auch der optoelektronische Empfänger 104 sind gegen Beeinträchtigung durch optische Energie, die nicht aus dem optoelektronischen Sender 103 stammt, durch erste optische Filterelemente 105 optisch isoliert. Die ersten optischen Filterelemente 105 bewirken somit eine Entkopplung der optoelektronischen
Wandler 103 und 104 von ihrer Umgebung, jedoch bleiben die optoelektronischen Wandler 103 und 104 miteinander optisch gekoppelt . Zur Vermeidung von störenden Rückwirkungseffekten sind die optoelektronischen Wandler 103 und 104 durch zweite optische Filterelemente 106 zusätzlich voneinander entkoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sowohl der optoelektronische Sender 103 als auch der optoelektronische Empfänger 104 durch die zweiten optischeh Filterelemente 106 vor unerwünschten Reflexionen bzw. Resonanzen geschützt werden. Ein Schutz ist dabei vorwiegend für den optoelektronischen Sender 103 notwendig, so dass auf die zweiten optischen Filterelemente 106 am Eingang des optoelektronischen Empfängers 104 in anderen Ausführungsbeispielen verzichtet werden kann.
Die ersten optischen Filterelemente 105 und die zweiten optischen Filterelemente 106 können, wie gezeigt, in einem gewissen Abstand zu den optoelektronischen Wandlern 103 und 104 angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, auf einen Abstand zwischen den optischen Filterelementen 105 bzw. 106 und den optoelektronischen Wandlern 103 und 104 zu verzichten. D.h. die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 können als Grenzflächen der optoelektronischen Wandler 103 und 104 verwirklicht sein.
Die Funktionsweise der optischen Filterelemente 105 bzw. 106 ist derart beschaffen, dass optische Energie aus einer ersten Richtung an einer Oberfläche der optischen Filterelemente 105 bzw. 106 total reflektiert wird, während optische Energie aus einer zweiten Richtung, welche der ersten Richtung entgegengerichtet ist, durch die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 ungehindert transmittiert werden. Es kann jedoch auch optische Energie unabhängig oder abhängig von der Einfallsrichtung von den optischen Filterelementen 105 bzw. 106 gefiltert werden. Unter Filterung von optischer Energie ist dabei beispielsweise die Auswahl bevorzugter Wellenlängen aus einem Spektrum und/oder die Minderung der Intensität des transmittierten Spektrums zu verstehen. Als optische Filterelemente 105 bzw. 106 kommen in diesem Ausführungsbeispiel quasi-eindimensionale photonische Kristalle in Form von Bragg-Strukturen zur Anwendung. Die Bragg-Strukturen haben eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass Photonen durch die Bragg-Strukturen hindurchtunneln können, so dass eine Totalreflexion von optischer Energie an den Bragg-Strukturen nicht möglich ist. Deshalb sind die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 derart vorgesehen, dass immer zwei Bragg-Strukturen nebeneinander angeordnet sind.
Zur Signalübertragung zwischen den optoelektronischen Wandlern 103 und 104 ist in dem Substrat 101 ein Wellenleiter 107 mit umgebendem Wellenleitermantel 108 vorgesehen. Der Wellenleiter 107 gewährleistet den optischen Energiefluss zwischen dem optoelektronischen Sender 103 und dem zugehörigen optoelektronischen Empfänger 104.
Als Material für das Substrat 101, die optoelektronischen Wandler 103 und 104, die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 sowie den Wellenleiter 107 und den Wellenleitermantel 108 der integrierten Halbleiterstruktur des Halbleiterelements 100 können beispielsweise II-VI-, III-V-, oder IV-IV- Halbleitermaterialien gewählt werden. Dabei ist lediglich folgendes zu beachten: © Das für die optoelektronischen Wandler 103 und 104 gewählte Material uss elektrooptisch aktiv sein. ® Das für die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 gewählte Material muss die gewünschten optischen
Filtereigenschaften aufweisen. ® Das für den Wellenleiter 107 gewählte Material muss das vom optoelektronischen Sender 103 emittierte LichtSpektrum übertragen können. © Das für den Wellenleitermantel 108 gewählte Material muss in bezug auf seinen Brechungsindex relativ zum Wellenleiter 107 derart abgestimmt sein, dass an der Grenzfläche zwischen Wellenleiter 107 und Wellenleitermantel 108 das vom optoelektronischen Sender 103 emittierte Lichtspektrum total reflektiert wird.
Eine Herstellung des Halbleiterelements 100 ist mittels üblichen Herstellungsverfahren in der Halbleiterproduktion möglich. Dazu gehören beispielsweise Ätzung, Diffusion, Dotierung, Epitaxie, Implantation und Lithographie.
Die optoelektronischen Wandler 103 und 104, die optischen Filterelemente 105 bzw. 106 sowie der Wellenleiter 107 mit dem Wellenleitermantel 108 können im Substrat 101 integriert oder auch auf der Substratoberfläche 102 eines Wafers derart aufgebracht sein, dass sie zumindest teilweise aus dem Wafer herausragen.
Fig.2 zeigt zur Verdeutlichung der Anordnung einen Längsschnitt durch das in Fig.l gezeigte Halbleiterelement 100 entlang der Schnittlinie Ll-Ll. In dieser Darstellung wird deutlich, dass die ersten optischen Filterelemente 105 die optoelektronischen Wandler 103 und 104 in diesem
Ausführungsbeispiel nur in quasi-zweidimensionaler Anordnung umgeben. Das bedeutet, dass die ersten optischen Filterelemente 105 eine optische Isolierung vor allem in Richtungen parallel zur Substratoberfläche 102 ermöglichen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine optische Isolierung der optoelektronischen Wandler 103 und 104 derart vorgesehen sein, dass die ersten optischen Filterelemente 105 käfigförmig die optoelektronischen Wandler 103 und 104 umgeben, d.h. auch auf der Substratoberfläche 102 zugewandten und/oder abgewandten Seiten der optoelektronischen Wandler 103 und 104 erste optische Filterelemente 105 vorgesehen sind. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die optoelektronischen Wandler 103 und 104 auf der Substratoberfläche 102 befestigt und zur Signalübertragung zwischen den optoelektronischen Wandlern 103 und 104 weder Wellenleiter 107 noch Wellenleitermantel 108 vorgesehen sind, so dass die Signalübertragung beispielsweise an Luft durchgeführt werden muss.
Fig.3 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement 300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf die in Fig.l und Fig.2 bereits beschriebenen Komponenten wird hier nicht erneut eingegangen. Im Unterschied zum Halbleiterelement 100 sind im Halbleiterelement 300 zusätzlich ein optoelektronischer Modulator 301 und ein optoelektronischer Verstärker 302 zwischen den optoelektronischen Wandlern 103 und 104 integriert.
Der optoelektronische Modulator 301 dient der Modulation von Licht, welches vom optoelektronischen Sender 103 emittiert wurde, und ist deshalb am Ausgang des optoelektronischen
Senders 103 positioniert. Um den optoelektronischen Modulator 301 ebenfalls vor störenden Rückwirkungseffekten zu schützen, ist zwischen dem Wellenleiter 107 und dem optoelektronischen Modulator 301 ein weiteres optisches Filterelement 303 vorgesehen.
Der optoelektronische Verstärker 302 dient der Verstärkung des von dem Wellenleiter 107 übertragenen Lichts, bevor dieses vom optoelektronischen Empfänger 104 detektiert wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch der optoelektronische Verstärker 302 gegen Beeinträchtigung durch optische Energie, die nicht aus dem optoelektronischen Sender 103 stammt, durch ein weiteres optisches Filterelement 303 geschützt.
In Fig.4 ist eine Draufsicht auf ein Halbleiterelement 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Halbleiterelement 400 dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Halbleiterelement 300 dadurch, dass lediglich zwischen dem optoelektronischen Sender 103 und dem optoelektronischen
Modulator 301 zweite optische Filterelemente 106 vorgesehen sind. Ein Schutz vor störenden Rückwirkungseffekten wird
optoelektronischen Wandlern 103 und 104. Es ist jedoch auch die Verwendung eines in einer beliebigen Form gebogenen Wellenleiters 107 möglich.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] EP 0 696 859
[2] DE 195 46 717
[3] DE 198 07 783
[4] EP 0 511 787
[5] Peter Kazlas et.al.: „Monolithic Vertical-Cavity Laser / p-i-n Photodiode Transceiver Array for Optical Interconnects" in IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 11, pp. 1530-1532 (1998)
[6] US 5 438 208
[7] US 5 262 656
[8] US 5 434 426
Bezυgszeichenliste
100 Halbleiterelement gemäß erster Ausführungsform
101 Substrat
102 Substratoberfläche
103 optoelektronischer Sender
104 optoelektronischer Empfänger
105 erste Filterelemente
106 zweite Filterelemente
107 Wellenleiter
108 Wellenleitermantel
300 Halbleiterelement gemäß zweiter Ausführungsform
301 optoelektronischer Modulator
302 optoelektronischer Verstärker
303 weitere Filterelemente
400 Halbleiterelement gemäß dritter Ausführungsform
500 Halbleiterelement gemäß vierter Ausführungsform

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterelement (100) mit einer integrierten Halbleiterstruktur, • bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur ein optoelektronischer Sender (103) befestigt ist,
• bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur weiterhin ein optoelektronischer Empfänger (104) befestigt ist,
• bei dem der optoelektronische Sender (103) und der optoelektronische Empfänger (104) zur optoelektronischen
Signalübertragung innerhalb des Halbleiterelements (100) eingerichtet sind, und © bei dem der optoelektronische Sender (103) und der optoelektronische Empfänger (104) optisch miteinander gekoppelt und mittels eines optischen Filterelementes
(105) von ihrer Umgebung optisch entkoppelt sind.
2. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 1, bei dem zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein optisches Filterelement (106) vorgesehen ist.
3. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das optische Filterelement (105, 106) mindestens eine im wesentlichen vollständig reflektierende Grenzfläche aufweist .
4. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die im wesentlichen vollständig reflektierende Grenzfläche eine mehrdimensionale Bragg-Struktur ist.
5. Halbleiterelement (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein optoelektronischer Modulator (301) vorgesehen ist. .
6. Halbleiterelement (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein optoelektronischer Verstärker (302) vorgesehen ist.
7. Halbleiterelement (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein Wellenleiter (107) vorgesehen ist.
8. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 7, bei dem der Wellenleiter (107) eine Wellenleiterstruktur oder ein photonischer Kristall ist.
9. Halbleiterelement (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der folgenden Komponenten ein Halbleitermaterial aufweist: der Wellenleiter (107), die Bragg-Struktur, der optoelektronische Sender (103), der optoelektronische Empfänger (104) , der optoelektronische Modulator (301), der optoelektronische Verstärker (302).
10. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 9, bei dem als Halbleitermaterial ein III-V-Halbleiter verwendet wird.
11. Halbleiterelement (100) gemäß Anspruch 9, bei dem als Halbleitermaterial ein II-VI-Halbleiter verwendet wird.
12. Halbleiterelement (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, © bei dem der optoelektronische Sender (103) eine Laserdiode ist, β bei dem der optoelektronische Empfänger (104) eine
Photodiode ist, und » bei dem das optische Filterelement (105, 106) ein photonischer Kristall ist.
13. Verfahren zum Erzeugen eines Halbleiterelements (100), • bei dem auf einer integrierten Halbleiterstruktur ein optoelektronischer Sender (103) angebracht wird, ® bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur weiterhin ein optoelektronischer Empfänger (104) angebracht wird, und © bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur eine als optisches Filterelement (105) ausgebildete Bragg-Struktur auf allen Seiten außer an einander zugewandten Seiten des optoelektronischen Senders (103) und des optoelektronischen Empfängers (104) angebracht wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) eine als optisches Filterelement (106) ausgebildete Bragg-Struktur angebracht wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein optoelektronischer Modulator (301) angebracht wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein optoelektronischer Verstärker (302) angebracht wird.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem auf der integrierten Halbleiterstruktur zwischen dem optoelektronischen Sender (103) und dem optoelektronischen Empfänger (104) ein Wellenleiter (107) angebracht wird, der ein optisches Signal vom optoelektronischen Sender (103) zum optoelektronischen Empfänger (104) übertragen kann.
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