JPS63158871A - Optoelectronic integrated circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、超高速・大容量な光通信・光情報処理シス
テムの主構成要素となる光・電子集積回路に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical/electronic integrated circuit that is a main component of an ultra-high-speed, large-capacity optical communication/optical information processing system.
光ファイバを伝送路とする光通信システムは、高速・大
容量の信号伝送が可能であり、半導体レーザ、アバラン
シェホトダイオード、PINホトダイオード等の個別光
部品の組立によって、数百メガビット/Sの伝送容量の
システムが実用化されている。さらに、超高速、高信頼
、低価格な光通信システムの実現のため、半導体レーザ
あるいはPINホトダイオード等の光素子とトランジス
タ等の電子素子を同一基板上に集積する試みが活発に進
められている。PINホトダイオード。Optical communication systems using optical fibers as transmission paths are capable of high-speed, large-capacity signal transmission, and can achieve transmission capacities of several hundred megabits/s by assembling individual optical components such as semiconductor lasers, avalanche photodiodes, and PIN photodiodes. The system has been put into practical use. Furthermore, in order to realize ultra-high-speed, highly reliable, and low-cost optical communication systems, attempts are being made to integrate optical elements such as semiconductor lasers or PIN photodiodes and electronic elements such as transistors on the same substrate. PIN photodiode.
トランジスタの他、抵抗、レベルシフト・ダイオード等
を同一基板上に形成し回路集積を行なうことにより動作
電源数を少なくできる。したがって、周辺回路なしで動
作できる超高速、高信頼。By forming not only transistors but also resistors, level shift diodes, etc. on the same substrate and performing circuit integration, the number of operating power supplies can be reduced. Therefore, it can operate without any peripheral circuits and is extremely fast and reliable.
低価格が可能な受光用の光・電子集積回路が実現できる
。第2図にその1例の回路図を示す。このような光・電
子集積回路を実現するためには寄生抵抗、寄生容量の小
さいレベルシフト・ダイオードの開発が鍵となる。従来
からはGaAs/GaA/ Asを主材料とする系にお
いて、n型GaAs上にアルミニウムによるショットキ
ー電極を形成することにより、レベルシフト・ダイオー
ドを作る方法が知られていた。このような例は、アイイ
ーイーイー・エレクトロン・デバイスイズ・レターズ誌
(JEERELECTRON DEVICES LHT
TER5)、第6巻、第12号、1985年、第634
〜635頁に記載されている。A low-cost optical/electronic integrated circuit for light reception can be realized. FIG. 2 shows a circuit diagram of one example. The key to realizing such opto-electronic integrated circuits is the development of level shift diodes with low parasitic resistance and capacitance. Conventionally, a method has been known in which a level shift diode is fabricated by forming an aluminum Schottky electrode on n-type GaAs in a system mainly made of GaAs/GaA/As. An example of this is the JEERELECTRON DEVICES LHT magazine.
TER5), Volume 6, No. 12, 1985, No. 634
It is described on pages 635 to 635.
従来はGaAs/GaAf Asを主材料とするもので
あるため、ショットキー電極によるレベルシフト・ダイ
オードの形成が容易である。一方、光フアイバ通信に有
利な波長1μm帯のInP/InGaAsPを主材料と
する系においては、ショットキー電極によるレベルシフ
ト・ダイオードの形成が難しい。この材料系でレベルシ
フト・ダイオードを作る場合、PINホトダイオードの
PN接合を利用する方法、又接合型電界効果トランジス
タのPN接合を利用する方法が検討されている。しかし
、前者はレベルシフト電圧が0.6■程度と小さく、後
者は薄層構造のため、寄生抵抗が大きいという欠点を有
していた。Conventionally, since the main material is GaAs/GaAf As, it is easy to form a level shift diode using a Schottky electrode. On the other hand, in a system mainly made of InP/InGaAsP with a wavelength band of 1 μm, which is advantageous for optical fiber communication, it is difficult to form a level shift diode using a Schottky electrode. When making a level shift diode using this material system, methods of using the PN junction of a PIN photodiode and methods of using the PN junction of a junction field effect transistor are being considered. However, the former has a low level shift voltage of about 0.6 square meters, and the latter has a thin layer structure, so it has a large parasitic resistance.
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、レベルシフ
ト電圧の大きなレベルシフト・ダイオ−ドを実現し、周
辺回路なしで動作可能な超高速。The purpose of the present invention is to solve these problems, to realize a level shift diode with a large level shift voltage, and to achieve ultra-high speed operation without any peripheral circuitry.
高信頼、低価格な受光用の光・電子集積回路を提供する
ことにある。Our objective is to provide highly reliable, low-cost optical/electronic integrated circuits for light reception.
〔問題点を解決するための手段〕 ・
本発明の光・電子集積回路は、半絶縁性半導体基板上に
、InPからなるコンタクト層及びInPより禁制帯幅
の狭い半導体からなる光吸収層を順次積層して形成した
ホトダイオードと、トランジスタ及びレベルシフト・ダ
イオードを含んで構成され前記ホトダイオードの出力信
号を増幅する増幅回路とを集積してなる光・電子集積回
路において、前記レベルシフト・ダイオードは前記コン
タクト層と同時に成長されたInP層に形成されたPN
接合を有してなるものである。[Means for Solving the Problems] - The opto-electronic integrated circuit of the present invention includes a contact layer made of InP and a light absorption layer made of a semiconductor whose forbidden band width is narrower than that of InP, which are sequentially formed on a semi-insulating semiconductor substrate. In an opto-electronic integrated circuit that integrates a stacked photodiode and an amplifier circuit that includes a transistor and a level shift diode and amplifies the output signal of the photodiode, the level shift diode is connected to the contact. PN formed on an InP layer grown simultaneously with the
It has a bond.
PINフォトダイオードのIoPからなるコック1一層
に選択的に不純物拡散層を設けて得られるPN接合を利
用することによって、約1.2■の大きなレベルシフト
電圧を有する寄生抵抗の小さなレベルシフト・ダイオー
ドが得られる。By utilizing a PN junction obtained by selectively providing an impurity diffusion layer in the cock 1 layer made of the IoP of a PIN photodiode, a level shift diode with a small parasitic resistance and a large level shift voltage of about 1.2μ is created. is obtained.
r実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。Embodiment] Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明の一実施例の主要部を示す半導体チップ
の断面図である。本実施例では3μmの段差をつけたF
eドープの半絶縁性1nP基板10上に液相もしくは気
相成長法によってn −1nPからなるチャネル層11
(厚さ0.2μm、キャリア濃度I X 10 ”C1
1−’) 、 pInn−sIGao、tqAso、4
、PO−59からなるFET層12(厚さ0.4μm。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip showing the main parts of an embodiment of the present invention. In this example, an F with a step of 3 μm is used.
A channel layer 11 made of n −1 nP is formed on an e-doped semi-insulating 1 nP substrate 10 by liquid phase or vapor phase growth.
(Thickness 0.2 μm, carrier concentration I
1-'), pInn-sIGao, tqAso, 4
, PO-59 (thickness: 0.4 μm).
キャリア濃度5 X 1018C11−’) 、n −
1nPからなるコンタクト層13(厚さ1μm、キャリ
ア濃度1 x’i 0 ”C11−’) 、n In
、)、47Ga(、,53Asからなる吸収層14(厚
さ2μm、キャリア濃度1×1016C1l−’) 、
n −1oPからなるウィンドウ層15(厚さ9.5μ
m、キャリア濃度” ×1017e1m−’)を順次成
長させる。次に、通常のホトリソグラフィー技術及びエ
ツチング技術によりPINホトダイオード1となる領域
以外のウィンドウ層15、吸収層14を順次エツチング
する。さらにウェーハ全面にSiO□をCVD法により
堆積させ、ホトリソグラフィー技術及びZn拡散法を用
いて、選択的にZo拡散を行ないPINフォトダイオー
ドのP膨面転領域16、レベルシフト・ダイオードのP
膨面転領域17を形成する0次に、さらにPINフォト
ダイオード1及びレベルシフト・ダイオード2となる領
域以外のn −1oPからなるコンタクト層13をエツ
チングする。Carrier concentration 5 x 1018C11-'), n-
Contact layer 13 made of 1 nP (thickness 1 μm, carrier concentration 1 x'i 0 "C11-'), n In
, ), 47Ga(, , 53As absorption layer 14 (thickness 2 μm, carrier concentration 1×10 16 C1l-'),
Window layer 15 (thickness 9.5 μm) consisting of n −1oP
m, carrier concentration "x1017e1m-'). Next, the window layer 15 and absorption layer 14 other than the region that will become the PIN photodiode 1 are sequentially etched using normal photolithography and etching techniques. Furthermore, the entire surface of the wafer is etched. SiO□ is deposited by the CVD method, and Zo is selectively diffused using the photolithography technique and the Zn diffusion method to form the P expansion region 16 of the PIN photodiode and the P of the level shift diode.
After forming the dilatation area 17, the contact layer 13 made of n-1oP is further etched in areas other than the areas that will become the PIN photodiode 1 and the level shift diode 2.
次に、PINホ1〜ダイオード1及びレベルシフト・ダ
イオード2、接合型電界効果トランジスタ4となる領域
以外のp −InGaAsPからなるFET層12、n
−1nPからなるチャネル層11及び半絶縁性1nP
基板10を順次エツチングする。この場合、InGaA
sからなる吸収層14、InGaAsPからなるFET
層12は、H2SO4、8202及びH2Oの混合液で
除去され、InP組成である1ウィンドウ層15、コン
タクト層13.チャネル層11.基板10はHCj’
、H3PO4の混合液によって除去される。Next, the FET layer 12 made of p-InGaAsP, n
- Channel layer 11 made of 1nP and semi-insulating 1nP
The substrate 10 is sequentially etched. In this case, InGaA
Absorption layer 14 made of S, FET made of InGaAsP
Layer 12 is removed with a mixture of H2SO4, 8202 and H2O to form one window layer 15 of InP composition, contact layer 13. Channel layer 11. The board 10 is HCj'
, H3PO4.
次に、ホトリソグラフィ技術及びクロム及び金の蒸着に
よりPINホトダイオード1のn側電極18、レベルシ
フト・ダイオード2のn側電極19、接合型電界効果ト
ランジスタ4のp 1!l電極20を形成する。次に、
接合型電界効果トランジスタ4のFET層12をエツチ
ングする。このときFET層12は、サイドエツチング
によってn側電極20の下までエツチングされ、ひさし
21を形成する。次に、ホトリソグラフィー及び金。Next, by photolithography technique and vapor deposition of chromium and gold, the n-side electrode 18 of the PIN photodiode 1, the n-side electrode 19 of the level shift diode 2, and the p1! of the junction field effect transistor 4 are removed. 1 electrode 20 is formed. next,
The FET layer 12 of the junction field effect transistor 4 is etched. At this time, the FET layer 12 is etched to below the n-side electrode 20 by side etching to form the eaves 21. Next, photolithography and gold.
ゲルマニウム、ニッケルの蒸着によりPINフォトダイ
オードのn側電極22レベルシフト・ダイオード2のn
側電極23.接合型電界効果トランジスタ4のn1ll
電極24を形成する。(なお、接合型電界効果トランジ
スタ4の製造法については、1986年、秋季、第47
回、応用物理学会学術講演会予稿集、28p−x−1に
詳しい記載がある。)
熱処理後、抵抗3をホトリソグラフィー技術及びニッケ
ル・クロム合金の蒸着によって形成し、5i02膜25
をCVD法により全面に付着させた後、ホトリソグラフ
ィー技術及び金の蒸着により電気配線層を形成し、第2
図にその等価回路を示した光・電子集積回路ができあが
る。The n-side electrode 22 of the PIN photodiode is formed by vapor deposition of germanium and nickel.
Side electrode 23. n1ll of junction field effect transistor 4
Electrodes 24 are formed. (For the manufacturing method of the junction field effect transistor 4, please refer to the 47th publication, Autumn 1986.
A detailed description can be found in the Proceedings of the 2011 Academic Conference of the Japan Society of Applied Physics, 28p-x-1. ) After heat treatment, a resistor 3 is formed by photolithography technique and evaporation of nickel-chromium alloy, and a 5i02 film 25 is formed.
After depositing on the entire surface by CVD method, an electrical wiring layer is formed by photolithography technology and gold vapor deposition, and the second
The optical/electronic integrated circuit whose equivalent circuit is shown in the figure is completed.
この様に、受光用の光・電子集積回路において、PIN
フォトダイオード1のコンタクト層13に不純物拡散を
行ないPN接合を形成することにより、1.2 Vとい
う大きなレベルシフト電圧を有し、寄生抵抗の小さいダ
イオードの形成が可能となる。したがって、同一基板上
にPINホトダイオード、トランジスタ、抵抗及びこの
レベルシフト・ダイオードを集積することによって波長
1μm帯の超高速、高信頼、低価格な受光用の光・電子
集積回路が実現できる。In this way, in optical/electronic integrated circuits for light reception, PIN
By diffusing impurities into the contact layer 13 of the photodiode 1 to form a PN junction, it is possible to form a diode with a large level shift voltage of 1.2 V and a small parasitic resistance. Therefore, by integrating a PIN photodiode, a transistor, a resistor, and this level shift diode on the same substrate, an ultra-high-speed, highly reliable, and low-cost optoelectronic integrated circuit for light reception in the 1 μm wavelength band can be realized.
上述の実施例において寸法例も示したが、結晶成長の様
子は、成長法1条件等で大幅に変わるのでそれらととも
に適切な寸法を採用すべきことはいうまでもない。また
電極金属、抵抗配線金属の種類に関しても制限はない。Examples of dimensions were also shown in the above-mentioned embodiments, but since the state of crystal growth varies greatly depending on the conditions of the growth method, etc., it goes without saying that appropriate dimensions should be adopted along with these. Furthermore, there are no restrictions on the types of electrode metals and resistance wiring metals.
以上詳述した様に本発明によれば、受光用の光・電子集
積回路において、PINホトダイオードのコンタクト層
に不純物拡散を行ないPN接合を形成することにより大
きなレベルシフI・電圧を有し、寄生抵抗の小さなレベ
ルシフト・ダイオードをつくることが可能となる。した
がって、同一基板上にPINホトダイオード、トランジ
スタ、抵抗及びこのレベルシフト・ダイオードを集積す
ることによって波長1μm帯の超高速、高信頼、低価格
な受光用の光・電子集積回路が実現できる。As described in detail above, according to the present invention, in an opto-electronic integrated circuit for light reception, impurity diffusion is performed in the contact layer of a PIN photodiode to form a PN junction, thereby achieving a large level shift I/voltage and reducing parasitic resistance. This makes it possible to create small level shift diodes. Therefore, by integrating a PIN photodiode, a transistor, a resistor, and this level shift diode on the same substrate, an ultra-high-speed, highly reliable, and low-cost optoelectronic integrated circuit for light reception in the 1 μm wavelength band can be realized.
第1図は本発明の一実施例の主要部を示す半導体チップ
の断面図、第2図は光・電子集積回路の一例を示す回路
図である。
1・・・PINホトダイオード、2・・・レベルシフト
・ダイオード、3・・・抵抗、4・・・接合型電界効果
トランジスタ、10・・・半絶縁性1nP基板、11・
・・チャネル層、12・・・FET層、13・・・コン
タクト層、14・・・吸収層、15・・・ウィンドウ層
、16・・・PINホトダイオードのp膨面転領域、1
7・・・レベルシフト・ダイオードのp膨面転領域、1
8・・・PINホトダイオードのP側電極、19・・・
レベルシフト・ダイオードのp(!l電極、20・・・
接合型電界効果トランジスタのp側電極、21・・・ひ
さし、22・・・PINホトダイオードのn側電極、2
3・・・レベルシフト・ダイオードのn側電極、24・
・・接合型電界効果トランジスタのn側電極、25・・
・5i02膜。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip showing the main parts of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an opto-electronic integrated circuit. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... PIN photodiode, 2... Level shift diode, 3... Resistor, 4... Junction field effect transistor, 10... Semi-insulating 1nP substrate, 11...
. . . Channel layer, 12 . . . FET layer, 13 . . . Contact layer, 14 .
7... p expansion area of level shift diode, 1
8... P-side electrode of PIN photodiode, 19...
Level shift diode p(!l electrode, 20...
P-side electrode of junction field effect transistor, 21... Eaves, 22... N-side electrode of PIN photodiode, 2
3... n-side electrode of level shift diode, 24.
...N-side electrode of junction field effect transistor, 25...
・5i02 membrane.
Claims (1)
及びInPより禁制帯幅の狭い半導体からなる光吸収層
を順次積層して形成したホトダイオードと、トランジス
タ及びレベルシフト・ダイオードを含んで構成され前記
ホトダイオードの出力信号を増幅する増幅回路とを集積
してなる光・電子集積回路において、前記レベルシフト
・ダイオードは前記コンタクト層と同時に成長されたI
nP層に形成されたPN接合を有してなることを特徴と
する光・電子集積回路。A photodiode formed by sequentially stacking a contact layer made of InP and a light absorption layer made of a semiconductor having a narrower bandgap than InP on a semi-insulating semiconductor substrate, and a transistor and a level shift diode. In the opto-electronic integrated circuit which is formed by integrating an amplifier circuit for amplifying the output signal of
An optical/electronic integrated circuit characterized by having a PN junction formed in an nP layer.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61307032A Pending JPS63158871A (en) | 1986-12-22 | 1986-12-22 | Optoelectronic integrated circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63158871A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5399884A (en) * | 1993-11-10 | 1995-03-21 | General Electric Company | Radiation imager with single passivation dielectric for transistor and diode |
CN104992953A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-21 | 成都嘉石科技有限公司 | GaAs-based optoelectronic integrated device and preparation method thereof |
-
1986
- 1986-12-22 JP JP61307032A patent/JPS63158871A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5399884A (en) * | 1993-11-10 | 1995-03-21 | General Electric Company | Radiation imager with single passivation dielectric for transistor and diode |
US5516712A (en) * | 1993-11-10 | 1996-05-14 | General Electric Company | Method of fabricating radiation imager with single passivation dielectric for transistor and diode |
CN104992953A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-21 | 成都嘉石科技有限公司 | GaAs-based optoelectronic integrated device and preparation method thereof |
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