EP1932038A1 - Wellenleiter-integrierte photodiode - Google Patents

Wellenleiter-integrierte photodiode

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EP1932038A1
EP1932038A1 EP06805309A EP06805309A EP1932038A1 EP 1932038 A1 EP1932038 A1 EP 1932038A1 EP 06805309 A EP06805309 A EP 06805309A EP 06805309 A EP06805309 A EP 06805309A EP 1932038 A1 EP1932038 A1 EP 1932038A1
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EP
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waveguide
photodiode
contact layer
layer
length
Prior art date
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EP06805309A
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English (en)
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Inventor
Heinz-Gunter Bach
Andreas Beling
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/413—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with the devices, e.g. back reflectors

Definitions

  • the invention relates to a waveguide-integrated photodiode for high bandwidths with a semi-insulating single-mode feed waveguide, which is monolithically integrated with a photodiode mesa arranged above it on a substrate, wherein the photodiode mesa consists of an electrically conductive n-contact layer, an absorption layer, a p + contact layer and a metallic p-contact is constructed and the refractive index of the n-contact layer is greater than the refractive index of the semi-insulating waveguide layer.
  • the quantum efficiency bandwidth product is a significant quality feature, which can only be achieved in the design of the waveguide-integrated photodiode considered here for frequencies above 40 GHz by compromising the design.
  • This design compromise is particularly painful in advanced integrated designs of two-diode detectors (Balanced Detector), since a doubled capacitance is included in the RC bandwidth limitation due to the parallel connection of two photodiodes.
  • a reduction of the effective pin capacitance of the waveguide-integrated, evanescently coupled photodiode can be achieved with constant thickness and width of the intrinsic absorber layer only by the horizontal shortening of the pin structure, however, a significant reduction in the
  • the object of the invention is to provide a waveguide-integrated photodiode with minimized absorber length whose bandwidth can be increased in single photodiodes to over 100 GHz and their bandwidth at Balanced detectors to over 70 GHz, without the responsiveness to photodiodes with the highest limits reached so far significantly sinks.
  • the capability for electrically insulating integration of the photodiode with other optical and electronic components is to be retained.
  • n-contact layer with respect to the overlying layers (absorption layer and p-contact layer) in the direction of
  • the extension L of the n-contact layer is approximately equal to the beat length of the two bottom-order light-guiding vertical modes in the multi-mode waveguide region minus the absorber length.
  • the quantum efficiency is increased by working towards an improvement in the effective optical absorption over a given, already pre-minimized photodiode length (or area).
  • the area of 5x20 ⁇ m 2 often mentioned in the literature can then be further reduced without the quantum efficiency decreasing proportionally with the absorber length.
  • a short multimode waveguide between the monomode rib feed waveguide and the photodiode mesa consisting of
  • Absorption layer and the p-contact layer integrated.
  • the already existing n-contact layer was used, which was extended by a certain amount L relative to the photodiode mesa forward.
  • the n-contact layer extended by the length L fulfills three tasks: a) the matching of the refractive indices between the waveguide 2 and the absorber layer, b) the low-resistance contacting of the active structure, and c) the task according to the invention controlling the optical intensity distribution in the active region Photodiode, in the sense of the most homogeneous possible illumination of the absorber.
  • the invention is also applicable to all derived photodetector composite photodetector designs from single photodiodes, such as a) twin differential photodetectors b) balanced photodetectors c) serial or parallel optical traveling wave photodetectors
  • the photodiode is epitaxially mounted on a semi-insulating InP substrate 1 and consists of a semi-insulating waveguide layer 2 and a photodiode mesa, consisting of an absorption layer 4 and a p-contact 5 based on InGaAs / InGaAsP.
  • the absorption layer 4 of the photodiode mesas has a footprint of 5x7 ⁇ m 2 (width x length).
  • the Thickness of the absorption layer 4 is on the order of 350 nm.
  • the waveguide layer 2 is a ridge waveguide of 2 ⁇ m width.
  • n-contact 3 Between the semi-insulating waveguide layer 2 and the absorption layer 4 there is a conductive n-contact 3 with a thickness of about 300 nm.
  • the n-contact 3 is extended in the direction of the waveguide layer 2 by the length L and has a width of 6 .mu.m , It thus simultaneously forms an optically impedance-adapting layer in which the light is coupled out in the direction of the absorption layer 4 and guided in multiple modes.
  • the length L is 7 microns in the example.
  • the length L was varied, whereby the highest responsivity 0.51 A / W could be measured with a length L of 7 ⁇ m.
  • the total length of 14 ⁇ m corresponds approximately to the beat length of the two vertical modes of lowest order in the multi-mode waveguide region of the n-contact layer 3 (13 ⁇ m).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine wellenleiter-integrierte Photodiode für hohe Bandbreiten mit einem semiisolierenden einmodigen Zuführungswellenleiter, der zusammen mit einem über diesem angeordneten Photodioden-Mesa auf einem Substrat monolithisch integriert ist, wobei der Photodioden-Mesa aus einer elektrisch leitenden n-Kontaktschicht, einer Absorptionsschicht, einer p+-Kontaktschicht und einem metallischen p-Kontakt aufgebaut ist und der Brechungsindex der n-Kontaktschicht größer ist als der Brechungsindex der semiisolierenden Wellenleiterschicht. Bei bisher bekannten Photodioden wurde ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Bandbreite eingegangen, so dass Bedarf bestand, bei mindestens einem Faktor des Quantenwirkungsgrad-Bandbreiteprodukts nach entsprechenden Steigerungen zu suchen. Vorgeschlagen wird, dass die n-Kontaktschicht (3) gegenüber den darüber liegenden Schichten (4, 5) in Richtung des Zuführungswellenleiters (2) um eine vorbestimmte Länge L verlängert ist.

Description

Bezeichnung
Wellenleiter-integrierte Photodiode
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine wellenleiter-integrierte Photodiode für hohe Bandbreiten mit einem semiisolierenden einmodigen Zuführungswellenleiter, der zusammen mit einem über diesem angeordneten Photodioden-Mesa auf einem Substrat monolithisch integriert ist, wobei der Photodioden-Mesa aus einer elektrisch leitenden n-Kontaktschicht, einer Absorptionsschicht, einer p+-Kontaktschicht und einem metallischen p-Kontakt aufgebaut ist und der Brechungsindex der n- Kontaktschicht größer ist als der Brechungsindex der semiisolierenden Wellenleiterschicht.
Für Ultrabreitband-Photodioden ist das Quantenwirkungsgrad-Bandbreiteprodukt ein wesentliches Qualitätsmerkmal, welches bei der hier betrachteten Bauform der wellenleiter-integrierten Photodiode für Frequenzen oberhalb von 40 GHz in der Regel nur durch Kompromisse im Design erreicht werden kann. Dieser Designkompromiss wird bei fortgeschrittenen integrierten Bauformen von Zweidioden-Detektoren (Balanced Detektor) besonders schmerzlich, da hier durch die Parallelschaltung zweier Photodioden eine verdoppelte Kapazität in die RC-Bandbreitelimitation eingeht.
Bisher wurde der bei Photodioden bekannte Kompromiss zwischen transitzeit- begrenzter Bandbreite und Absorptions-Quantenwirkungsgrad bei den immer höher benötigten Betriebsgrenzfrequenzen (10 GHz hin zu 50 GHz) dadurch gelöst, dass von der Bauform der senkrecht beleuchteten Photodiode zur seitlich beleuchteten Photodiode übergegangen wurde. Derartige Photodioden sind zum Beispiel aus DE 100 44 521 A1 bekannt. Damit konnte bei Einzelphotodioden der Frequenzbereich von bisher 15 GHz hin zu typisch 65 GHz bei möglichst hoch zu erhaltender Responsivität um 0,7 A/W erschlossen werden. Oberhalb von 65 GHz ist auch beim seitlich, evaneszent beleuchteten Photodiodenkonzept auf Grund der zunehmenden Relevanz der RC-Limitierung erneut ein kritischer Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Bandbreite einzugehen, so dass Bedarf bestand, bei mindestens einem Faktor des Quantenwirkungsgrad-Bandbreiteprodukts nach entsprechenden Steigerungen zu suchen.
Eine Reduzierung der wirksamen pin-Kapazität der Wellenleiter-integrierten, evaneszent gekoppelten Photodiode kann bei konstanter Dicke und Breite der intrinsischen Absorberschicht nur durch die horizontale Verkürzung der pin- Struktur erreicht werden, die allerdings eine deutliche Reduzierung der
Responsivität zur Folge hat. Ergebnis ist, dass der Quantenwirkungsgrad für Strukturen mit Längen <15 μm deutlich abnimmt.
Um dennoch einen nennenswerten Quantenwirkungsgrad dieser kurzen Strukturen zu erreichen und somit das Bandbreite-Effizienz-Produkt steigern zu können, wurde bislang in der Literatur der Einsatz von optisch Impedanzanpassenden Schichten sowie reinen mehrmodigen Wellenleitern vorgeschlagen, die einen Schwebungs-Effekt hervorrufen können. Hierbei überlagern sich die Intensitätsanteile des Lichts, welches in mindestens zwei Moden geführt wird, und rufen ein Interferenzmuster hervor.
So zeigt Deri et al., Integrated waveguide/photodiodes using vertical impedance matching, Appl. Phys. Lett. 56 (18), 30. April 1990, S. 1737-1739 eine wellenleiter-integrierte Photodiode, bei der sich auf einem stark n-leitenden Substrat ein leitfähiger Lichtwellenleiter befindet, zwischen dem und der darüber aufgebauten Absorberschicht der Photodiode eine zusätzliche, impedanzanpassende Schicht aufgewachsen wurde. Auf Grund des leitenden Schichtenaufbaus ist hier jedoch die Möglichkeit einer monolithischen Integration mit weiteren optoelektronischen Bauteilen nicht erkennbar.
S. Demiguel et al. publiziert in „Very high-responsivity evanescently coupled photodiodes integrating a short planar multimode waveguide for high-speed applications", IEEE Photon. Tech. Letters, 15 (12), Dezember 2003, S. 1761-1763, eine Struktur, die ausschließlich auf einem mehrmodigen Zuführungs-Wellenleiter basiert. Nachteilig macht sich hier bei der Lichteinkopplung die Verwendung von Glasfasern mit Linse sowie die mangelnde Kompatibilität mit monolithischen Leistungskopplern, die ausschließlich auf einmodigen Wellenleitern basieren, bemerkbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine wellenleiter-integrierte Photodiode mit minimierter Absorberlänge anzugeben, deren Bandbreite bei Einfachphotodioden auf über 100 GHz und deren Bandbreite bei Balanced Detektoren auf über 70 GHz gesteigert werden kann, ohne dass die Responsivität gegenüber Photodioden mit den bisher erreichten höchsten Grenzfrequenzen wesentlich sinkt. Entsprechend einem monolithischen Integrationskonzept soll die Fähigkeit zur elektrisch isolierenden Integration der Photodiode mit weiteren optischen und elektronischen Komponenten erhalten bleiben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Eine zweckmäßige Ausgestaltung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
Danach ist die n-Kontaktschicht gegenüber den darüber liegenden Schichten (Absorptionsschicht und p-Kontaktschicht) in Richtung des
Zuführungswellenleiters um eine vorbestimmte Länge L verlängert.
Vorzugsweise ist die Verlängerung L der n-Kontaktschicht ungefähr gleich der Schwebungslänge der beiden lichtführenden vertikalen Moden unterster Ordnung im mehrmodigen Wellenleiter-Bereich abzüglich der Absorberlänge.
Der Quantenwirkungsgrad wird dadurch gesteigert, dass auf eine Verbesserung der effektiven optischen Absorption über einer vorgegebenen, bereits vorminimierten Photodiodenlänge (bzw. Fläche) hingewirkt wird. Die häufig in der Literatur erwähnte Fläche von 5x20 μm2 kann dann weiter verringert werden, ohne dass der Quantenwirkungsgrad proportional mit der Absorberlänge absinkt. Um auf die Einführung zusätzlicher Epitaxie-Schichten zu verzichten, bzw. das bewährte Konzept der einmodigen Zuführungswellenleiter wegen deren Integrationspotential optischer Funktionselemente beizubehalten, wird ein kurzer multimodiger Wellenleiter zwischen dem monomodigen Rippen- Zuführungswellenleiter und dem Photodioden-Mesa, bestehend aus der
Absorptionsschicht und der p-Kontaktschicht, integriert. Als solcher wurde die ohnehin vorhandene n-Kontaktschicht benutzt, die dafür um einen bestimmten Betrag L gegenüber dem Photodioden-Mesa nach vorn verlängert wurde.
Die um die Länge L verlängerte n-Kontaktschicht erfüllt dabei drei Aufgaben: a) die Anpassung der Brechungsindizes zwischen Wellenleiter 2 und Absorberschicht, b) die niederohmige Kontaktierung der aktiven Struktur und c) als erfindungsgemäß neue Aufgabe die Steuerung der optischen Intensitätsverteilung im aktiven Bereich der Photodiode, im Sinne einer möglichst homogenen Ausleuchtung des Absorbers.
Durch die zwischen der Wellenleiterschicht und der n-Kontaktschicht realisierten Brechzahldifferenzen (Brechzahl Wellenleiterschicht n3 > Brechzahl Kontaktschicht n2) wird das im Rippenwellenleiter geführte Licht frühzeitig nach oben gekoppelt und gelangt auf deutlich kürzeren Längen in den Absorberbereich der Photodiode. Somit wird für eine gleichmäßigere Beleuchtung des Absorberbereichs gesorgt und „dunkle" Anfangsbereiche, die lediglich kapazitiv und nicht absorptiv wirken, werden weitgehend vermieden.
Aufgrund des gleichmäßigeren optischen Intensitätsangebots im Absorber lassen sich zum Beispiel nichtlineare Sättigungseffekte, die ihren Ursprung in Absorberbereichen mit lokal hohen optisch erzeugten Ladungsträgerdichten haben und stellenweise das interne elektrische Feld bereits bei mittleren optischen Gesamtleistungen kompensieren können, vermeiden. Diese lokalen Sättigungseffekte treten dann erst bei einer höheren integralen Stromdichte auf, wie ein Vergleich der HF-Kompressionspunkte mit Strukturen mit fast dreifacher Absorptionslänge ohne den vorgezogenen multimodigen Wellenleiter zeigt. Hier führt die Verkleinerung des Absorptionsvolumens um nahezu zwei Drittel nur auf eine Halbierung des Photogleichstroms im 1dB-Kompressionspunkt und verbessert deutlich die Hochstrom-Eigenschaften der miniaturisierten Photodiode.
Simulationen, basierend auf dem Prinzip der Eigenmoden-Propagation, belegen, dass für einen maximalen Quantenwirkungsgrad die Summe aus der Länge L des Multimode-Wellenleiters und der Länge des aktiven Photodioden-Bereichs (Absorptions- und p-Kontaktschicht) ungefähr der Schwebungslänge der beiden vertikalen Moden unterster Ordnung im mehrmodigen Wellenleiter-Bereich entsprechen sollte. Verglichen mit einer Struktur ohne verlängerte n-
Kontaktschicht mit gleicher Absorptionslänge von 7 μm lässt sich dann der Quantenwirkungsgrad um einen Faktor 2 steigern. Dieses Verhalten konnte experimentell an mehreren Bauteilen mit unterschiedlicher Absorptionsschichtdicke nachgewiesen werden.
Die Erfindung ist auch anwendbar für alle abgeleiteten, zusammengesetzten Photodetektorbauformen aus Einzelphotodioden, wie a) differentielle Twin-Photodetektoren b) Balanced-Photodetektoren c) Wanderwellenphotodetektoren mit serieller oder paralleler optischer
Speisung der Einzelphotodioden die die Merkmale der erfindungsgemäßen Photodiode nutzen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Photodiode schematisch in einem Querschnitt
Die Photodiode ist auf einem semi-isolierenden InP-Substrat 1 epitaktisch aufgebaut und besteht aus einer semiisolierenden Wellenleiterschicht 2 und einem Photodioden-Mesa, bestehend aus einer Absorptionsschicht 4 und einem p-Kontakt 5 auf Basis InGaAs/InGaAsP. Die Absorptionsschicht 4 des Photodioden-Mesas hat eine Grundfläche von 5x7 μm2 (Breite x Länge). Die Dicke der Absorptionsschicht 4 liegt in der Größenordnung von 350 nm. Die Wellenleiterschicht 2 ist ein Rippenwellenleiter von 2 μm Breite. Zwischen der semi-isolierenden Wellenleiterschicht 2 und der Absorptionsschicht 4 befindet sich ein leitfähiger n- Kontakt 3 mit einer Dicke um 300 nm. Der n- Kontakt 3 ist in Richtung der Wellenleiterschicht 2 um die Länge L verlängert und besitzt hier eine Breite von 6 μm. Er bildet somit gleichzeitig eine optisch- impedanzanpassende Schicht, in der das Licht in Richtung auf die Absorptionsschicht 4 ausgekoppelt und mehrmodig geführt wird. Die Länge L beträgt in dem Beispiel 7 μm.
In Versuchen wurde die Länge L variiert, wobei bei einer Länge L von 7 μm die höchste Responsivität 0.51 A/W gemessen werden konnte. Die Gesamtlänge von 14 μm (Länge L plus Länge des Photodioden-Mesas) entspricht etwa der Schwebungslänge der beiden vertikalen Moden unterster Ordnung im mehrmodigen Wellenleiterbereich der n-Kontaktschicht 3 (13 μm).
Durch die nun mögliche Verkürzung des Absorberbereichs wird die pin-Kapazität verringert und damit das RC-Bandbreitelimit gesteigert, so daß die resultierende Gesamtbandbreite nun durch die physikalisch bedingte Transitzeitlimitation dominiert wird.
Im Ergebnis konnte eine Steigerung des Quantenwirkungsgrad-Bandbreite- Produkts auf 46 GHz nachgewiesen werden, bei einer Responsivität um 0.5 A/W.

Claims

Patentansprüche
1. Wellenleiter-integrierte Photodiode für hohe Bandbreiten mit einem semiisolierenden einmodigen Zuführungswellenleiter (2), der zusammen mit einem über diesem angeordneten Photodioden-Mesa auf einem Substrat (1) monolithisch integriert ist, wobei der Photodioden-Mesa aus einer elektrisch leitenden n-Kontaktschicht (3), einer Absorptionsschicht (4), einer p+- Kontaktschicht und einem metallischen p-Kontakt (5) aufgebaut ist und der Brechungsindex (n3) der n-Kontaktschicht (3) größer ist als der Brechungsindex (n2) der semiisolierenden Wellenleiterschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass die n-Kontaktschicht (3) gegenüber den darüber liegenden Schichten (4, 5) in Richtung des Zuführungswellenleiters (2) um eine vorbestimmte Länge L verlängert ist.
2. Photodiode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung L der n-Kontaktschicht (3) ungefähr gleich der Schwebungslänge der beiden lichtführenden vertikalen Moden unterster Ordnung im mehrmodigen Wellenleiter-Bereich abzüglich der Absorberlänge ist.
EP06805309A 2005-09-22 2006-09-18 Wellenleiter-integrierte photodiode Withdrawn EP1932038A1 (de)

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