JP3816157B2

JP3816157B2 - ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3816157B2
Application number: JP21292696A
Authority: JP
Inventors: エス．チャンドラセクハー
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-08-14
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: DE69637437D1; EP0758799B1; EP0758799A2; CA2181846A1; EP0758799A3; DE69637437T2; US5689122A; JPH09121041A; CA2181846C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスに関し、詳細には、集積エレクトロニクスフォトニクス・デバイスを有する半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波通信の急速な発達に伴い、低コストで高性能のフォトレシーバが、様々なシステムの適用例で必要とされている。石英ファイバは、長波長範囲（１．３〜１．６ミクロン）では比較的減衰が少なく、このスペクトル帯で動作する集積フォトレシーバによって、高い利益が生み出された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光電検出器とヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）を集積するモノリシックフォトレシーバは、米国特許第５、０６３、４２６号で開示される。この組み合わせは、材料の互換性を維持しつつ、フォトニクスとエレクトロニクスを個別に最適化出来るが、波長分割マルチプレクス通信システムで、検出と増幅に先立って、多重化されたチャネルを弁別するために使われるデマルチプレクサを集積することが出来ない。デマルチプレクスと検出機能を集積することは、自動光整合、必要な部品数の削減、信頼性の向上とコストの削減を含む、多数の利点を提供する。従って、光電検出器、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、デマルチプレクサを集積するフォトレシーバを提供することが望ましい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半絶縁ＩｎＰ基板の上に形成された、モノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバに関する。周波数ルーティングデバイスが基板上に形成され、第１の複数のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ半導体層を含む。少なくとも１つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオードも基板上に形成され、第２の複数のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ半導体層を含む。さらに、少なくとも１つの単体のヘテロ構造バイポーラトランジスタが基板上に形成され、第３の複数のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ半導体層を含む。第１、第２、第３の複数の層の各々のうち少なくとも１つの層は、実質上お互いに同一である。一つの実施例では、この層は、周波数ルーティングデバイスの導波路コアや、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、シングルへテロ接合バイポーラトランジスタ両方のｎ−コンタクト層の役目をする共通のｎ^＋ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ層である。共通のｎ^＋ＩｎＧａＡｓＰ層は、周波数ルーティングデバイスの下部クラッド層の役目をするｎ⁻ＩｎＰ層の上に堆積される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明に従って、周波数ルーティングデバイス、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ヘテロ構造バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を含む、モノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ材料システムにおいて実現される。図１に示すように、周波数ルーティングデバイス１０は、フリースペース領域９８の入力サークル９５に接続される複数の入力導波路２ｉ、ｉ＝１、２、...、Ｎを含む。光回折格子３２はフリースペース領域９８の出力サークル９７から延び、光回折格子３２に接続される。光回折格子３２は、伝播する光信号に既定の量のパス長さの相違を提供する、複数の等しくない長さの導波路からなる。光回折格子３２は、別のフリースペース領域４６の入力サークル３３に接続される。フリースペース領域４６の出力サークル３５は、複数の出力導波路４ｋ、ｋ＝１、２、...、Ｎに接続される。周波数ルーティングデバイスは、各波長を異なった出力導波路に導くことによって、入力導波路のいずれかに現れる波長マルチプレクス信号をスペクトルによって弁別する。このルーティングデバイスに関する追加的な詳細は、例えば、米国特許第５、００２、３５０号および第５、１３６、６７１号に見られる。
【０００６】
周波数ルーティングデバイス１０の出力導波路に現れる光の波長は、各出力導波路に隣合って位置するフォトレシーバ１００によって検出され増幅される。すなわち、周波数ルーティングデバイス１０の各出力導波路は、個別のフォトレシーバ１００に関連する。各フォトレシーバ１００はｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２と増幅器１４を含む。増幅器１４は１つかそれ以上のＨＢＴからなる。
【０００７】
本発明では、周波数ルーティングデバイス、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ＨＢＴは、半絶縁ＩｎＰ基板の上に成長したＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ材料システムから選択された半導体層を有する。金属有機気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、選択的湿式化学的エッチング、反応性イオンエッチング、接触メタライゼーションを含む標準的な製造技術が、本発明の原理に従ってデバイスを製造するために使われる。こうした製造技術は、本技術に普通に熟練した者には良く知られているので、ここでは詳細に議論しない。
【０００８】
図２は、本発明の原理によるモノリシックデマルチプレクスフォトレシーバの断面図を図式的に示す。数字は、関連するｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２とＨＢＴ１８と並んで、周波数ルーティングデバイスを構成する単独の導波路１１の１つを示す。例示される実施例は、ＦｅでドーピングしたＩｎＰ基板１６の上で成長する。周波数ルーティングデバイスの上の層は、下部クラッド層１（ｎ⁻ＩｎＰ）、導波路コア層２（ｎ^＋ＩｎＧａＡｓＰ）、ストップエッチ層３（ＩｎＰ）、ストリップローディング層４（ＩｎＧａＡｓＰ）、上部クラッド層５（ｎ⁻ＩｎＰ）からなる。例示される周波数ルーティングデバイスは、埋め込みリブ導波路構造を組み込んでいるが、他のタイプの導波路構造も代わりに使えることが、本技術に普通に熟練した者によって認識される。
【０００９】
ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２は、アブソーバ層６（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）、ｐ−コンタクト層７（ｐ^＋ＩｎＧａＡｓ）からなる。アブソーバ層６は、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２のｎ−コンタクト層の役目をする導波路コア層２の上に位置する。ＨＢＴ１８は、コレクタとベースが同じ材料から形成され、それらの間にホモ接合が形成される、シングルへテロ接合バイポーラトランジスタ（ＳＨＢＴ）である。ＳＨＢＴ１８は、コレクタ層６、ベース層７、エミッタ層８（ｎＩｎＰ）、エミッタコンタクト層９（ｎ^＋ＩｎＧａＡｓ）からなる。ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２の場合と同じように、導波路コア層２はＳＨＢＴのサブコレクタの役目をする。
【００１０】
図２に示すデマルチプレクスフォトレシーバは、わずか３つのエピタキシャル成長ステップで製造された。第１ステップでは、下部クラッド層１、導波路コア層２、ストップエッチ層３、ストリップローディング層４がエピタキシャルとして基板１６上に成長した。その後湿式化学的エッチングが、ストリップローディング層４にリブを形成するために行われた。第２のエピタキシャル成長ステップでは、上部クラッド層５が成長してリブを埋め、埋め込みリブ導波路構造を完成させた。次いで、ＳｉＯ_２マスクが、周波数ルーティングデバイスを構成する基板の完成された導波路部分の上に堆積され、ストリップローディング層４と上部クラッド層５が、基板の残りの部分からエッチングで除去された。ＳｉＯ_２マスクはそのままにして、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２とＳＨＢＴ１８が、第３エピタキシャル成長ステップで、コレクタ６、ベース層７、エミッタ層８、エミッタコンタクト層９を成長させることによって製造された。その後湿式エッチングが行われ、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２とＳＨＢＴ１８両方のメサ構造を実現する。
【００１１】
例えばＦｅからなる、電気的に絶縁された領域１０が、ルーティングデバイスとｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２の間に植え込まれた。領域１０はｐ−ｉ−ｎフォトダイオード１２をお互いに電気的に絶縁する。電気的に絶縁された領域１０がなかった場合、フォトダイオードは周波数ルーティングデバイスの導波路を経由してお互いに通信出来た。植え込み処理が行われ、周波数ルーティングデバイスの導波路の散乱ロスの過度の増大なしに、高度に抵抗性の領域が生じた。植え込みの後、デバイスは３００℃で１０分間アニールされた。ＡｕＧｅ／ＡｕやＡｕといった従来の金属接点が、オーミック接点２２、２４、２６、２８、３０を提供するためにメサの平面に蒸着された。出来上がったデマルチプレクスフォトレシーバの不活性化が、デバイス全体にポリイミドを堆積することによって達成された。
【００１２】
上記で詳細に述べたように、本発明は、各デバイスの少なくとも１つの層が他のデバイスでも使われるように、お互いに互換性のあるデバイス構造を注意深く選択することによって、有利には周波数ルーティングデバイス、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ＨＢＴを集積する。特に、選択された特定のＨＢＴはＳＨＢＴであり、コレクタ、ベース層によって形成されたヘテロ接合がｐ−ｉ−ｎフォトダイオードのアブソーバ、ｐ−コンタクト層の役目も果たす。その結果、ＳＨＢＴとｐ−ｉ−ｎフォトダイオードの両方は、同じ一連のエピタキシャル堆積の間に形成される。さらに、（より普通に使われる非ドーピング材料ではなく）ｎ^＋でドーピングした材料から形成されるコア層を有する周波数ルーティングデバイスを利用することによって、コア層はｐ−ｉ−ｎフォトダイオード、ＳＨＢＴ両方のサブコレクタ層の役目も果たす。導波路の光学的特性は、非ドーピング材料ではなくｎ^＋でドーピングされた材料を使っても実質上影響されない。
【００１３】
図３は、本発明で使われる、増幅器回路の１例を示す。回路は、各々が図２に示す構造を有する５つのＳＨＢＴ３０、３２、３４、３６、３８と、バイアスとフィードバックのための４つの抵抗３１、３３、３５、３７からなる、トランスインピーダンス構成を有する。増幅器回路に関する追加的な詳細は米国特許第５、０６３、４２６号にみられる。本技術に普通に熟練した者は、本発明が、図３に示す特定の増幅器の実施例に制限されないことを認識するだろう。むしろ、回路の使用目的である特定の適用例に基づいて、何らかの適当な回路が選択される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバの略図を示す。
【図２】図１に示すデマルチプレクスフォトレシーバの断面図を図式的に示す。
【図３】本発明で使われる例示される増幅器回路を示す。

Claims

半絶縁ＩｎＰ基板（１６）とその上に配置された導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）を含むモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバ（１０）であって、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に形成され、光信号を伝播する複数の導波路を含み、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰの群より選択される第１の複数の半導体層を含むデバイス（１１）、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に形成され、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰから選択される第２の複数の半導体層を含む少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）であって、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）の前記第２の複数の半導体層は、前記第２の前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に位置するドープされたＩｎＧａＡｓ層を含み、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）の前記ドープされたＩｎＧａＡｓ層は、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）にアブソーバ層を形成し、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に形成され、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰから選択された第３の複数の半導体層を含む少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）であって、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）に位置する前記第３の複数の半導体層のうちの一つは、前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に位置するドープされたＩｎＧａＡｓ層を含み、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）の前記ドープされたＩｎＧａＡｓ層は、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）にコレクタ層を形成する
ことを特徴とするモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバ（１０）。
請求項１記載のフォトレシーバにおいて、更に、前記ドープされたＩｎＧａＡｓ層がｎ−型ドープＩｎＧａＡｓ層であり、更に、ｐ−型ドープＩｎＧａＡｓ層（７）が前記ｎ−型ドープＩｎＧａＡｓ層上に位置付けられ、前記ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）及び前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）の双方に共通することを特徴とする請求項１記載のフォトレシーバ。
前記ＩｎＧａＡｓ層（７）が、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）のベース層として機能することを特徴とする請求項２記載のフォトレシーバ。
前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）が、前記ドープされたＩｎＧａＡｓベース層（７）上に位置するドープされたＩｎＰ層（８）を含むことを特徴とする請求項３記載のフォトレシーバ。
請求項１記載のフォトレシーバにおいて、更に、前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）が前記デバイス（１１）の導波路コアとして、及び前記ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）と前記シングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）のｎ−ドープコンタクト層として機能することを特徴とする請求項１記載のフォトレシーバ。
請求項１記載のフォトレシーバにおいて、更に、電気的絶縁領域が、前記デバイス（１１）と前記ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードの間の前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）に配置されることを特徴とする請求項１記載のフォトレシーバ。
請求項６記載のフォトレシーバにおいて、更に、前記デバイス（１１）が、前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に位置されるＩｎＰ層（３）を含むことを特徴とする請求項６記載のフォトレシーバ。
請求項６記載のフォトレシーバにおいて、更に、前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）が、ｎ^＋ドープＩｎＧａＡｓＰ層であり、前記デバイス（１１）の下部クラッド層として機能するＩｎＰ層（１）上に配置されることを特徴とする請求項６記載のフォトレシーバ。
請求項８記載のフォトレシーバにおいて、更に、電気的絶縁領域が、前記デバイス（１１）と前記ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードの間のｎ^＋ドープＩｎＧａＡｓＰ層に配置されることを特徴とする請求項８記載のフォトレシーバ。
請求項９記載のフォトレシーバにおいて、更に、電気的絶縁領域が、ｎ^＋ドープＩｎＧａＡｓＰ層に植え込まれたＦｅを含むことを特徴とする請求項９記載のフォトレシーバ。
半絶縁ＩｎＰ基板（１６）とその上に配置された導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）を含むモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバ（１０）を製造するための方法であって、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に形成され光信号を伝播する複数の導波路を含み、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰより選択される第１の複数の半導体層を含むデバイス（１１）を提供する工程、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に形成され、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰから選択される第２の複数の半導体層を含む少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）を形成する工程であって、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）の前記第２の複数の半導体層は、前記第２の前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に位置するドープされたＩｎＧａＡｓ層を含み、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）の前記ドープされたＩｎＧａＡｓ層は、前記少なくとも一つのｐ−ｉ−ｎフォトダイオード（１２）にアブソーバ層を形成し、
前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰから選択された第３の複数の半導体層を含む少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）を形成する工程であって、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）に位置する前記第３の複数の半導体層のうちの一つは、前記導電的にドープされたＩｎＧａＡｓＰ層（２）上に位置するドープされたＩｎＧａＡｓ層を含み、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）の前記ドープされたＩｎＧａＡｓ層は、少なくとも一つのシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１８）にコレクタ層を形成する
ことを特徴とするモノリシック集積デマルチプレクスフォトレシーバ（１０）を製造する方法。