WO1999043055A1 - Bauelement mit einem lichtsender und einem lichtempfänger - Google Patents

Bauelement mit einem lichtsender und einem lichtempfänger Download PDF

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WO1999043055A1
WO1999043055A1 PCT/DE1999/000376 DE9900376W WO9943055A1 WO 1999043055 A1 WO1999043055 A1 WO 1999043055A1 DE 9900376 W DE9900376 W DE 9900376W WO 9943055 A1 WO9943055 A1 WO 9943055A1
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WO
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light
photodiode
component
layers
layer
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Application number
PCT/DE1999/000376
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Wipiejewski
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18305—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with emission through the substrate, i.e. bottom emission

Definitions

  • the invention relates to a component with a substrate on which at least one light transmitter which emits light with an emission wavelength ⁇ E and at least one light receiver are arranged, the light transmitter and the light receiver being arranged one above the other, and the light receiver having one of the emission wavelength ⁇ E has different detection wavelength ⁇ D.
  • the light transmitter is preferably a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • Vertical resonator laser diodes of this type usually have a heterostructure. This means structures with layer sequences in which different layers follow one another.
  • the light receiver is usually a photodiode or a phototransistor. However, another photodetector is also suitable for integration into the component. Generic components are known in which the light receiver detects the optical output power of the light transmitter and feeds it into a control circuit. It is also known to use the determined output power of the light transmitter for its control.
  • a generic component is known from DE 44 44 470 AI.
  • a module for bidirectional transmission via an optical fiber is known from PCT application WO 90/07135.
  • the light transmitter and the light receiver are located at different ends of a fiber optic cable.
  • a lens is located in the substrate recess.
  • the arrangement of the lens makes it possible to couple light from an edge-emitting laser into a glass fiber.
  • An optical module for bidirectional transmission is known from US Pat. No. 5,487,124, with a light receiver arranged perpendicular to a main direction of the radiation emitted by a light transmitter.
  • a beam splitter enables the passage of light of a first wavelength while deflecting light of a second wavelength.
  • the invention has for its object to provide a generic component that is as simple to manufacture. Such a component is said to be particularly suitable as a module for bidirectional signal transmission. Such a component should also be suitable for the most flexible use in data transmission systems.
  • this object is achieved in that a generic component is designed such that the light receiver is on a first side of the substrate facing an incident direction of light rays, that the light transmitter is on a second side of the substrate opposite the first side, that there is an area between the light transmitter and the light receiver and that the transmission of the area for light of the emission wavelength ⁇ E is substantially higher than for light of the detection wavelength ⁇ D or that the 4 Transmission of the range for light of the detection wavelength ⁇ D is significantly higher than for light of the emission wavelength ⁇ E.
  • the invention therefore provides to provide a component in which a light transmitter and a light receiver are arranged one above the other in the area of a substrate and to design the light receiver so that it can detect light rays incident on the component from the outside ...
  • An impairment of the light reception in the light receiver is avoided in that it has a detection wavelength ⁇ D that is different from the emission wavelength of the light transmitter.
  • a high light intensity combined with a small line width of the order of about 0.1 nm to about 2 nm can be achieved in that the light transmitter is formed by a laser diode.
  • the light receiver is formed by a photodiode.
  • the light transmitter and / or the light receiver are preferably designed such that they contain layers arranged one above the other. In this way, the integration of the light transmitter and the light receiver in the area of a main surface of the semiconductor substrate is possible. It is particularly expedient here to design the component such that signals of different wavelengths can be received or transmitted on a common surface of a substrate. 5
  • a particularly preferred embodiment of a component according to the invention is characterized in that the light receiver is on a first side of the substrate facing an incident direction of light rays, that the light transmitter is on a second side of the substrate opposite the first side, that between the A light transmitter and the light receiver is located and that the transmission of the area for light of the emission wavelength ⁇ E is significantly higher than for light of the detection wavelength ⁇ D.
  • a significantly higher transmission of the area for light of the emission wavelength ⁇ E than for light of the detection wavelength ⁇ D is present in particular when the transmission of the area for light of the
  • Emission wavelength ⁇ E is at least a factor 10 higher than for light of the detection wavelength ⁇ D.
  • the factor is even at least 1000 (30 dB).
  • the area is formed by the substrate.
  • Another, likewise preferred embodiment of a component according to the invention is characterized in that the light transmitter is on a first side of the substrate facing an incident direction of light rays, that the light receiver is on a second side of the substrate opposite the first side, that between the light transmitter and the
  • a significantly higher transmission of the range for light of the detection wavelength ⁇ D than for light of the 6 emission wavelength ⁇ E is present in particular if the transmission of the range for light of the detection wavelength ⁇ D is higher by a factor of 10 than for light of the emission wavelength ⁇ E.
  • the factor is even at least 1000 (30 dB).
  • the region is particularly expedient for the region to be formed by the substrate.
  • An effective separation between detected and emitted signals can be achieved in a simple and expedient manner in that the detection wavelength ⁇ D is less than 900 nm and in that the emission wavelength ⁇ E is greater than 900 nm.
  • the separation is achieved in that the
  • Detection wavelength ⁇ D is greater than 900 nm, and that the emission wavelength ⁇ E is less than 900 nm.
  • FIG. 1 shows a component with a vertical resonator laser diode emitting on the substrate side and a photodetector
  • FIG. 2 shows a component with an epitaxieseitg emitting vertical resonator laser diode and a photodetector
  • FIG. 3 shows another embodiment of a component according to the invention with a vertical resonator laser diode emitting on the epitaxy side and a phototector arranged underneath.
  • 1, 2 and 3 show, in vertically stretched, not to scale representations, a cross section through an approximately 100 ⁇ m wide area of components according to the invention, this area optionally forming the entire component or a section of the component.
  • this area optionally forming the entire component or a section of the component.
  • the region shown forms a section of the component, it is possible for the entire component to contain several of the units shown, consisting of a laser diode and a photodiode.
  • the component shown in FIG. 1 contains a semiconductor substrate 10.
  • the semiconductor substrate 10 has a concentration of an n-type dopant of approximately 10 17 to 10 18 cm -3 .
  • the dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred.
  • Semiconductor substrate 10 is preferably gallium arsenide GaAs.
  • the semiconductor substrate 10 opens into a mesa structure 15 on a main surface.
  • a metal layer 20 forming an electrical contact is applied to the mesa structure 15.
  • the metal layer 20 preferably consists of a multilayer system with layers of chromium, platinum and gold.
  • the mesa structure 15 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack.
  • the layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index alternates with a layer with a low refractive index.
  • the Bragg reflector preferably contains 20 to 30 such pairs of layers. To one 8 To make the layers visible in the graphical representation, only a part of the layers was shown.
  • the layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga ⁇ - x As being particularly suitable.
  • the layers have different refractive indices due to a different aluminum content.
  • the layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 ⁇ 10 18 cm -3 being preferred.
  • An active layer 30 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector.
  • the active layer 30 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it.
  • a smaller band gap of the active layer 30 than the layers adjoining it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of InGaAs. Doping of the active layer 30 is not necessary.
  • the active layer 30 is preferably undoped, but doping does not result in an essential one
  • Impairment below the active layer 30 there is a preferably p-doped layer of Ga ⁇ _ x Al x As and above the active layer 30 is a semiconductor layer, for example made of n-doped Ga ⁇ _ x Al x As.
  • a layer is located above the active layer 30 and the semiconductor layer arranged on the active layer 30 9 further Bragg reflector 40.
  • the Bragg reflector 40 extends over the semiconductor substrate 10. Otherwise, the further Bragg reflector 40 has a structure similar to that of the lower Bragg reflector. Preferably, however, the Bragg reflector 40 is doped with a dopant that is one
  • Dopant of the lower Bragg reflector has the opposite conductivity type, for example with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable.
  • the concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm "3. Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
  • Laser diode 50 is a vertical resonator laser diode that emits light beams 90 with an emission wavelength ⁇ E of, for example, approximately 980 nm.
  • the semiconductor substrate 10 is located above the further Bragg reflector 40.
  • the photodiode 60 is connected to the main surface of the semiconductor substrate 10 via an adhesive layer (not shown). To avoid light reflection at the interfaces between the photodiode 60, the adhesive layer and the semiconductor substrate 10, the surfaces of the photodiode 60 and the semiconductor substrate 10 are each provided with one or more antireflection layers.
  • the photodiode 60 is preferably designed as a pin diode and contains three arranged one above the other
  • the lower semiconductor layer exists 10 preferably made of Ga ⁇ - x Al x As and is, for example, n-doped with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable as a dopant.
  • the middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of GaAs and contains no dopant.
  • the upper semiconductor layer for example made of Ga ⁇ - x Al x As, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
  • the photodiode 60 has a detection wavelength ⁇ D of approximately 850 nm.
  • the semiconductor substrate 10 is not transparent to light with the detection wavelength ⁇ D. However, the semiconductor substrate 10 is transparent to light with the emission wavelength ⁇ E.
  • the photodiode 60 is also transparent to light with the emission wavelength ⁇ E.
  • a ring contact 70 is used for the electrical connection of the photodiode 60.
  • Another contact, not shown, is preferably located in a side region of the photodiode 60. If there is an adhesive layer made of an insulating material between the photodiode 60 and the laser diode 50, the photodiode 60 and the laser diode 50 are independently connected to an external electrical circuit. Further electrical contacts for connecting the laser diode 50 are preferably attached in the area of the semiconductor substrate 10 at locations which are expedient for the integration of the component.
  • Fig.l The component shown in Fig.l can be produced, for example, as explained below.
  • the semiconductor layers of a laser diode 50 are deposited on a semiconductor substrate 10 using one of the known epitaxy methods.
  • a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the semiconductor layers of the photodiode 60 are also deposited using one of the known epitaxy methods. Again, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the photodiode 60 is connected to the substrate 10 via an adhesive layer.
  • the adhesive layer it is expedient for the adhesive layer to consist of an electrically insulating material, but the use of an electrically conductive adhesive layer is also possible.
  • a mechanical connection can also be established by other methods such as soldering or wafer bonding.
  • the component shown in FIG. 2 likewise contains a semiconductor substrate 110.
  • the semiconductor substrate 110 has a concentration of an n-type dopant of approximately 10 17 to 10 18 cm "3.
  • the dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred.
  • the semiconductor substrate 110 is preferably gallium arsenide GaAs.
  • the semiconductor substrate 110 opens into a mesa structure 115 on a main surface.
  • a ring contact 120 is applied to the mesa structure 115.
  • the mesa structure 115 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack.
  • the layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index with a layer with a low one 12 Refractive index alternates.
  • the Bragg reflector preferably contains about 20 such pairs of layers. To make the layers visible in the graphical representation, only a part of the layers was shown.
  • the layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga ⁇ _ x As being particularly suitable.
  • the layers have different refractive indices due to a different aluminum content.
  • the layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 ⁇ 10 18 cm -3 being preferred.
  • An active layer 130 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector.
  • the active layer 130 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it.
  • a smaller band gap of the active layer 130 than the layers adjacent to it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of InGaAs. Doping of the active layer 130 is not necessary.
  • the active layer 130 is preferably undoped, but doping does not lead to any significant impairment.
  • the Bragg reflector 140 is a component of the semiconductor substrate 110 and extends over the semiconductor substrate 110. Otherwise, the further Bragg reflector points 140 has a similar structure to the upper Bragg reflector. However, the Bragg reflector 140 is preferably doped with a dopant that has a conductivity type opposite to the dopant of the upper Bragg reflector, for example with silicon or
  • Tellurium with tellurium being particularly suitable.
  • concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm "3. Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
  • the areas of the component shown form a laser diode 150.
  • the laser diode 150 is a vertical resonator laser diode which emits light beams 190 with an emission wavelength ⁇ E of, for example, approximately 980 nm.
  • the semiconductor substrate 110 is located below the further Bragg reflector 140.
  • a photodiode 160 which detects incoming light beams 180, is located on a main surface of the laser diode 150 opposite the semiconductor substrate 110.
  • the photodiode 160 is connected to the main surface of the laser diode 150 via an adhesive layer, not shown.
  • the surfaces of the photodiode 160 and the laser diode 150 are each provided with one or more antireflection layers.
  • the photodiode 160 is preferably designed as a pin diode and contains three arranged one above the other
  • the lower semiconductor layer preferably consists of Ga ⁇ _ x Al x As and is, for example, n-doped with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable as a dopant.
  • the middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of GaAs and contains no dopant.
  • the upper semiconductor layer for example made of Ga ⁇ - x Al x As, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
  • the photodiode 160 has a detection wavelength ⁇ D of 850 nm.
  • the photodiode 160 is not transparent to light with the detection wavelength ⁇ D.
  • the photodiode 160 is transparent to light with the emission wavelength ⁇ E.
  • a ring contact 170 is used for the electrical connection of the photodiode 160.
  • Another contact (not shown) is preferably located in a side region of the photodiode 160. If there is an adhesive layer made of an insulating material between the photodiode 160 and the laser diode 150, the photodiode 160 and the laser diode 150 are independently connected to an external electrical circuit. Further electrical contacts for connecting the laser diode 150 are preferably attached in the area of the semiconductor substrate 110 at locations which are expedient for the integration of the component.
  • the component shown in FIG. 2 can be produced, for example, as explained below.
  • the semiconductor layers of a laser diode 150 are deposited on a semiconductor substrate 10 using one of the known epitaxy methods. One is particularly suitable for this 15 metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the semiconductor layers of the laser diode 150 are then structured. This structuring takes place in such a way that a mesa structure 115 is formed (mesa etching).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Structured semiconductor layers of the photodiode 160 are Structured semiconductor layers of the photodiode 160.
  • the photodiode 160 is connected to the substrate 110 via an adhesive layer.
  • a mechanical connection can also be established by other methods such as soldering or wafer bonding.
  • FIG. 3 shows another embodiment of a component according to the invention with a vertical resonator laser diode emitting on the epitaxy side, which forms a counterpart to one of the components shown in FIGS. 1 and 2 in a communication network for bidirectional information transfer.
  • the component shown in FIG. 3 likewise contains a semiconductor substrate 210.
  • the semiconductor substrate 210 has a concentration of an n-type dopant of approximately 10 17 to 10 18 cm "3.
  • the dopant is, for example, sulfur or tellurium, with tellurium being preferred.
  • the semiconductor substrate 210 is preferably GaAs. 16
  • the semiconductor substrate 210 opens into a mesa structure 215 on a main surface. A ring contact 220 is applied to the mesa structure 215.
  • the mesa structure 215 contains a first Bragg reflector, which is formed by a layer stack.
  • the layer stack is constructed in such a way that a layer with a high refractive index alternates with a layer with a low refractive index.
  • the Bragg reflector preferably contains about 20 such pairs of layers.
  • the layers of the Bragg reflector consist of a semiconductor material, with Al x Ga ⁇ - x As being particularly suitable.
  • the layers have different refractive indices due to a different aluminum content.
  • the layers of the first Bragg reflector are doped with a p-type dopant, for example with zinc, a dopant concentration of approximately 2 ⁇ 10 18 cm -3 being preferred.
  • An active layer 230 is located on the epitaxial side of the first Bragg reflector.
  • the active layer 230 has a smaller band gap and thus a higher charge carrier density than the layers adjacent to it.
  • a smaller band gap of the active layer 230 than the layers adjoining it is preferably formed in the heterostructure shown here in that the active layer consists of 17 GaAs exists. Doping of the active layer 230 is not necessary.
  • the active layer 230 is preferably undoped, but doping does not lead to any significant impairment.
  • a further Bragg reflector 240 is located below the active layer 230 and the semiconductor layer arranged on the active layer 230.
  • the Bragg reflector 240 extends over the semiconductor substrate 210. Otherwise, the further Bragg reflector 240 has a similar structure to the upper one Bragg reflector.
  • the Bragg reflector 240 is preferably doped with a dopant that has a conductivity type opposite to the dopant of the upper Bragg reflector, for example with silicon or tellurium, with tellurium being particularly suitable.
  • the concentration of the dopant is approximately 2 times 10 18 cm "3. Further possible differences between the Bragg reflectors are a possibly different aluminum content of the layers forming them or a different number of individual layers.
  • Laser diode 250 is a vertical resonator laser diode that emits light beams 290 with an emission wavelength ⁇ E of, for example, approximately 850 nm.
  • the semiconductor substrate 210 is located below the further Bragg reflector 240.
  • a photodiode 260 which detects incoming light rays 280, is located on a main surface of the semiconductor substrate 210 opposite the laser diode 250.
  • the photodiode 260 is connected to the via a ring contact 270 18 main surface of the semiconductor substrate 210 connected.
  • the surfaces of the photodiode 260 and the semiconductor substrate 210 are each provided with one or more antireflection layers.
  • the photodiode 260 is preferably designed as a pin diode and contains three semiconductor layers arranged one above the other, which are not shown for the sake of clarity.
  • the lower semiconductor layer preferably consists of InP and is n-doped with silicon, for example.
  • the middle, photosensitive semiconductor layer preferably consists of InGaAs and contains no dopant.
  • the upper semiconductor layer for example made of InP, is p-doped, zinc being particularly suitable as a dopant.
  • the photodiode 260 has a detection wavelength ⁇ D of 980 nm.
  • the semiconductor substrate 210 is transparent, but not for light beams with the emission wavelength ⁇ E.
  • the electrical connection of the photodiode 260 is used
  • Ring contact 270 is preferably located in the region of the semiconductor substrate 210.
  • Further electrical contacts for connecting the laser diode 250 are preferably attached in the region of the semiconductor substrate 210 at locations which are expedient for the integration of the component.
  • the component shown in FIG. 3 can be produced, for example, as explained below.
  • the semiconductor layers of a laser diode 250 are applied to a semiconductor substrate using one of the known epitaxy methods 19 10 deposited.
  • a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this purpose.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable.
  • Semiconductor layers of the laser diode 250 structured. This structuring takes place in such a way that a mesa structure 215 is formed (mesa etching).
  • the semiconductor layers of the photodiode 260 are also deposited using one of the known epitaxy methods. Again, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is particularly suitable for this. However, other epitaxial methods such as molecular beam epitaxy (MBE) are also suitable.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the photodiode 260 is connected to the substrate 210 via the ring contact 270.
  • a direct connection of the photodiode 260 to the substrate 210 is also possible.
  • the ring contact is located below the photodiode 260.
  • an optical separation of a photodiode 60; 160; 260 from a laser diode 50; 150; 250 reached. This separation takes place in that between the photodiode 60; 160; 260 and the laser diode 50; 150; 250 there is an area whose transmissivity is much lower for light of a first wavelength than for light of a second wavelength.
  • the invention is not restricted to specific materials or material combinations.
  • the types of doping can also be interchanged.
  • 20 Data transmission with many parallel channels can be achieved in that the component is designed so that it contains a plurality of light transmitters and light receivers, and that the light transmitters and light receivers are arranged in one field.
  • This variant of the invention therefore provides for a plurality of light transmitters, in particular a plurality of laser diodes 50, in a one- or two-dimensional field (array); 150; 250 to be arranged side by side. On or under the individual

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Substrat (10), auf dem wenigstens ein Lichtsender, der Licht mit einer Emissionswellenlänge μE emittiert und wenigstens ein Lichtempfänger angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird dieses Bauelement so ausgestaltet, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger übereinander angeordnet sind, und daß der Lichtempfänger eine von der Emissionswellenlänge μE verschiedene Detektionswellenlänge μD aufweist.

Description

Beschreibung
Bauelement mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein Lichtsender, der Licht mit einer Emissionswellenlänge λE emittiert und wenigstens ein Lichtempfänger angeordnet sind, wobei der Lichtsender und der Lichtempfänger übereinander angeordnet sind, und wobei der Lichtempfänger eine von der Emissionswellenlänge λE verschiedene Detektionswellenlänge λD aufweist.
Es ist bekannt, ein Bauelement mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, der die von dem Lichtsender emittierte Strahlung empfängt, auszustatten. Bei dem Lichtsender handelt es sich hierbei vorzugsweise um eine Vertikalresonator- Laserdiode (Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) . Derartige Vertikalresonator-Laserdioden weisen üblicherweise eine HeteroStruktur auf. Hiermit sind Strukturen mit Schichtenfolgen gemeint, bei denen verschiedene Schichten aufeinander folgen.
Bei dem Lichtempfänger handelt es sich üblicherweise um eine Photodiode oder einen Phototransistor. Jedoch ist auch ein anderer Photodetektor für die Integration in das Bauelement geeignet. Es sind gattungsgemäße Bauelemente bekannt, bei denen der Lichtempfänger die optische Ausgangsleistung des Lichtsenders erfaßt und diese in einen Steuerkreis einspeist. Hierbei ist auch bekannt, die ermittelte Ausgangsleistung des Lichtsenders zu seiner Steuerung einzusetzen.
Ein gattungsgemäßes Bauelement ist aus der DE 44 44 470 AI bekannt.
Aus der DE 196 46 015 AI ist eine Laserdiode mit einem transparenten Substrat bekannt. Ein Kombiantion mit einem Lichtempfänger ist hierbei nicht dargestellt. Bei einem aus der PCT-Anmeldung WO 95/18479 bekannten Bauelement befindet sich der Lichtempfänger auf einer der Lichtaustrittsfläche entgegengesetzten Seite des Bauelements. Hierdurch wird die Lichtstrahlung, die nicht für den Lasereffekt ausgenutzt werden kann, zur Detektion der Leistung des Lasers eingesetzt.
Ferner ist eine Vertikalresonator-Laserdiode bekannt, die durch Protonen-Implantation erzeugt wird und die
Laserstrahlung von 809 nm bis 905 nm emittiert (R.A. Morgan et al.: 200 °C, 96-nm Wavelength Range, Continues-Wave Lasing from Unbonded GaAs MOVPE-Grown Vertical Cavity Surface- Emitting Lasers, IEEE Photonics Technology Letters, VOL 7, pp. 441-443, 1995) .
Ferner ist es bekannt, durch ein gezieltes Wegätzen von Bereichen, ein sogenanntes Mesa-Ätzen, eine hohe Ausgangsleistung einer Vertikalresonator-Laserdiode zu erzielen (D.B. Young et al.: Enhanced Performance of Offset- Gain High-Barrier Vertical-Cavity Surface Emitting Lasers, IEEE: Journal of Quantum Electronics, VOL 29, pp. 2013-2002, 1993) .
Außerdem ist bekannt, durch eine selektive Oxidation den
Wirkungsgrad von Vertikalresonator-Laserdioden auf 50 % zu erhöhen (K.L. Lear et al.: Selectively Oxidised Vertical Cavity Surface Emitting Lasers with 50 % Power Conversion Efficiency, Electronics Letters VOL.31, pp 208-209, 1995).
Aus der PCT-Anmeldung WO 90/07135 ist ein Modul für bidirektionale Transmission über eine optische Faser bekannt. Hierbei befinden sich der Lichtsender und der Lichtempfänger an verschiedenen Enden eines Glasfaserkabels.
Aus der US-Patentschrift 5 195 150 ist ferner bekannt, ein Wellenleiter-Bauelement so auszugestalten, daß sich in einer 3
Substratausnehmung eine Linse befindet. Durch die Anordnung der Linse ist es möglich, Licht von einem kantenemittierenden Laser in eine Glasfaser einzukoppeln.
Aus der US-Patentschrift 5 487 124 ist ein optisches Modul für bidirektionale Übertragung bekannt, mit einem senkrecht zu einer Hauptrichtung der von einem Lichtsender emittierten Strahlung angeordneten Lichtempfänger. Ein Strahlteiler ermöglicht hierbei den Durchtritt von Licht einer ersten Wellenlänge, während er Licht einer zweiten Wellenlänge ablenkt .
Aus der Druckschrift SONG, J.I. u.a.: Monolithic arrays of surface-emitting laser NOR logic devices, IEEE Photonics Technology Letters, 1993, Vol. 5, No. 8, S. 902 - 904 ist es bekannt, Lichtsender und Lichtempfänger in einem Feld anzuordnen. Bei der dort vorgestellten Anordnung sind jedoch Lichtsender und Lichtempfänger räumlich voneinander getrennt und im wesentlichen nebeneinander angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Bauelement zu schaffen, das möglichst einfach herstellbar ist. Ein derartiges Bauelement soll sich insbesondere als Modul für die bidirektionale Signalübertragung eignen. Ein derartiges Bauelement soll sich ferner für einen möglichst flexiblen Einsatz in Datenübertragungssystemen eignen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein gattungsgemäßes Bauelement so ausgestaltet wird, daß der Lichtempfänger sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandten ersten Seite des Substrats befindet, daß der Lichtsender sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein Bereich befindet und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE wesentlich höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD oder daß die 4 Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD wesentlich höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge λE.
Die Erfindung sieht also vor, ein Bauelement zu schaffen, bei dem ein Lichtsender und ein Lichtempfänger im Bereich eines Substrats übereinander angeordnet sind und den Lichtempfänger so zu gestalten, daß er von außen auf das Bauelement einfallende Lichtstrahlen detektieren kann ....
Eine Beeinträchtigung des Lichtempfangs in dem Lichtempfänger wird hierbei dadurch vermieden, daß er eine von der Emissionswellenlänge des Lichtsenders verschiedene Detektionswellenlänge λD aufweist.
Eine hohe Lichtintensität verbunden mit einer geringen Linienbreite in der Größenordnung von etwa 0,1 nm bis ungefähr 2 nm läßt sich dadurch erzielen, daß der Lichtsender durch eine Laserdiode gebildet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, daß der Lichtempfänger durch eine Photodiode gebildet ist.
Der Lichtsender und/oder der Lichtempfänger werden vorzugsweise so ausgestaltet, daß sie übereinander angeordnete Schichten enthalten. Auf diese Weise ist die Integration des Lichtsenders und des Lichtempfängers im Bereich einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats möglich. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, das Bauelement so auszugestalten, daß Signale verschiedener Wellenlänge auf einer gemeinsamen Oberfläche eines Substrats empfangen beziehungsweise gesendet werden können. 5 Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtempfänger sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandten ersten Seite des Substrats befindet, daß der Lichtsender sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein Bereich befindet, und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE wesentlich höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD.
Eine wesentlich höhere Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE als für Licht der Detektionswellenlänge λD liegt insbesondere dann vor, wenn die Transmission des Bereichs für Licht der
Emissionswellenlänge λE wenigstens um einen Faktor 10 höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD. Bei den hier dargestellten, besonders zweckmäßigen Beispielen beträgt der Faktor sogar mindestens 1000 (30 dB) .
Bei dieser Ausführungsform ist es besonders zweckmäßig, daß der Bereich durch das Substrat gebildet ist.
Eine andere, gleichfalls bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß der Lichtsender sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandten ersten Seite des Substrats befindet, daß der Lichtempfänger sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem
Lichtempfänger ein Bereich befindet, und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD wesentlich höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge Λ .
Eine wesentlich höhere Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD als für Licht der 6 Emissionswellenlänge λE liegt insbesondere dann vor, wenn die Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD um einen Faktor 10 höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge λE. Bei den hier dargestellten, besonders zweckmäßigen Beispielen beträgt der Faktor sogar mindestens 1000 (30 dB) .
Auch bei dieser Ausführungsform ist es besonders zweckmäßig, daß der Bereich durch das Substrat gebildet ist.
Eine wirksame Trennung zwischen detektierten und emittierten Signalen läßt sich in einer einfachen und zweckmäßigen Weise dadurch erzielen, daß die Detektionswellenlänge λD kleiner als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE größer als 900 nm ist.
In einer anderen, gleichfalls bevorzugten Ausführungsform wird die Trennung dadurch erzielt, daß die
Detektionswellenlänge λD größer als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE kleiner als 900 nm ist.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
Von den- Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein Bauelement mit einer substratseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem Photodetektor,
Fig. 2 ein Bauelement mit einer epitaxieseitg emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem Photodetektor und 7 Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer epitaxieseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode und einem darunter angeordneten Phototdetektor .
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen in vertikal gestreckten, nicht maßstabsgerechten Darstellungen einen Querschnitt durch einen etwa 100 μm breiten Bereich von erfindungsgemäßen Bauelementen, wobei dieser Bereich wahlweise das gesamte Bauelement oder einen Ausschnitt des Bauelements bildet. In dem Fall, daß der dargestellte Bereich einen Ausschnitt des Bauelements bildet, ist es möglich, daß das gesamte Bauelement mehrere der dargestellten Einheiten aus einer Laserdiode und einer Photodiode enthält.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement enthält ein Halbleitersubstrat 10. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm-3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem
Halbleitersubstrat 10 handelt es sich vorzugsweise um Galliumarsenid GaAs.
Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 10 in eine Mesa-Struktur 15. Auf der Mesa-Struktur 15 ist eine einen elektrischen Kontakt bildende Metallschicht 20 aufgebracht. Die Metallschicht 20 besteht vorzugsweise aus einem Mehrschichtsystem mit Schichten aus Chrom, Platin und Gold.
Die Mesa-Struktur 15 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise 20 bis 30 derartiger Schichtpaare. Um eine 8 Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGaι-xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGaι_xAs variiert von x = 1 bis x = 0. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise 980 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 80 nm und für x = 0 ungefähr 70 nm.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2 mal 1018 cm-3 bevorzugt ist.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 30. Die aktive Schicht 30 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 30 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten HeteroStruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus InGaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 30 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 30 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen
Beeinträchtigung. Unterhalb der aktiven Schicht 30 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Gaι_xAlxAs und oberhalb der aktiven Schicht 30 eine Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Gaι_xAlxAs.
Oberhalb der aktiven Schicht 30 und der auf der aktiven Schicht 30 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein 9 weiterer Bragg-Reflektor 40. Der Bragg-Reflektor 40 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 10. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 40 einen ähnlichen Aufbau auf wie der untere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 40 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem
Dotierstoff des unteren Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm"3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten.
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine
Laserdiode 50. Bei der Laserdiode 50 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 90 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 980 nm emittiert.
Oberhalb des weiteren Bragg-Reflektors 40 befindet sich das Halbleitersubstrat 10.
Auf einer anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats 10 befindet sich eine Photodiode 60, die eintreffende
Lichtstrahlen 80 detektiert. Die Photodiode 60 ist über eine nicht dargestellte Klebeschicht mit der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 10 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflektion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 60, der Klebeschicht sowie dem Halbleitersubstrat 10 sind die Oberflächen der Photodiode 60 und des Halbleitersubstrats 10 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen.
Die Photodiode 60 ist vorzugsweise als pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete
Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht 10 vorzugsweise aus Gaι-xAlxAs und ist beispielsweise mit Silizium oder Tellur n-dotiert, wobei sich Tellur als Dotierstoff besonders eignet. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus GaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus Gaι-xAlxAs ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet.
Die Photodiode 60 weist eine Detektionswellenlänge λD von etwa 850 nm auf. Für Licht mit der Detektionswellenlänge λD ist das Halbleitersubstrat 10 nicht transparent. Für Licht mit der Emissionswellenlänge λE ist das Halbleitersubstrat 10 jedoch transparent. Die Photodiode 60 ist für Licht mit der Emissionswellenlänge λE gleichfalls transparent.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 60 dient ein Ringkontakt 70. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise in einem Seitenbereich der Photodiode 60. Falls sich zwischen der Photodiode 60 und der Laserdiode 50 eine Klebeschicht aus einem isolierenden Material befindet, können die Photodiode 60 und die Laserdiode 50 unabhängig voneinander an eine äußere elektrische Schaltung angeschlossen werden. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 50 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 10 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht.
Das in Fig.l dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 50 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere
Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die 11 Halbleiterschichten der Laserdiode 50 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 15 bildet (Mesa-Ätzen) .
Die Halbleiterschichten der Photodiode 60 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Photodiode 60 strukturiert.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 60 über eine Klebeschicht mit dem Substrat 10 verbunden. Hierbei ist es zwar zweckmäßig, daß die Klebeschicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, der Einsatz einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht ist jedoch auch möglich. Eine Herstellung einer mechanischen Verbindung kann auch durch andere Verfahren wie Löten oder Wafer-Bonding erfolgen.
Das in Fig. 2 dargestellte Bauelement enthält gleichfalls ein Halbleitersubstrat 110. Das Halbleitersubstrat 110 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm"3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem Halbleitersubstrat 110 handelt es sich vorzugsweise um Galliumarsenid GaAs.
Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 110 in eine Mesa-Struktur 115. Auf der Mesa-Struktur 115 ist ein Ringkontakt 120 aufgebracht.
Die Mesa-Struktur 115 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen 12 Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise etwa 20 derartiger Schichtpaare. Um eine Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGaι_xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGaι_xAs variiert von x = 1 bis x = 0. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise 980 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 80 nm und für x = 0 ungefähr 70 nm.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2 mal 1018 cm"3 bevorzugt ist.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 130. Die aktive Schicht 130 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 130 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten HeteroStruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus InGaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 130 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 130 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung. Oberhalb der aktiven Schicht 130 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Gaι_xAlxAs und unterhalb der aktiven Schicht 130 eine
Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Gaι_xAlxAs . 13 Unterhalb der aktiven Schicht 130 und der auf der aktiven Schicht 130 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein weiterer Bragg-Reflektor 140. Der Bragg-Reflektor 140 ist ein Bestandteil des Halbleitersubstrats 110 und erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 110. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 140 einen ähnlichen Aufbau auf wie der obere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 140 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem Dotierstoff des oberen Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder
Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm"3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten.
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine Laserdiode 150. Bei der Laserdiode 150 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 190 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 980 nm emittiert .
Unterhalb des weiteren Bragg-Reflektors 140 befindet sich das Halbleitersubstrat 110.
Auf einer dem Halbleitersubstrat 110 entgegengesetzten Hauptfläche der Laserdiode 150 befindet sich eine Photodiode 160, die eintreffende Lichtstrahlen 180 detektiert. Die Photodiode 160 ist über eine nicht dargestellte Klebeschicht mit der Hauptfläche der Laserdiode 150 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflexion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 160, der Klebeschicht sowie der Laserdiode 150 sind die Oberflächen der Photodiode 160 und der Laserdiode 150 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen. 14 Die Photodiode 160 ist vorzugsweise als pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete
Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus Gaι_xAlxAs und ist beispielsweise mit Silizium oder Tellur n-dotiert, wobei sich Tellur als Dotierstoff besonders eignet. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus GaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus Gaι-xAlxAs ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet.
Die Photodiode 160 weist eine Detektionswellenlänge λD von 850 nm auf. Für Licht mit der Detektionswellenlänge λD ist die Photodiode 160 nicht transparent. Für Licht mit der Emissionswellenlänge λE ist die Photodiode 160 jedoch transparent.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 160 dient ein Ringkontakt 170. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise in einem Seitenbereich der Photodiode 160. Falls sich zwischen der Photodiode 160 und der Laserdiode 150 eine Klebeschicht aus einem isolierenden Material befindet, können die Photodiode 160 und die Laserdiode 150 unabhängig voneinander an eine äußere elektrische Schaltung angeschlossen werden. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 150 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 110 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht.
Das in Fig.2 dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 150 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine 15 metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Laserdiode 150 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 115 bildet (Mesa-Ätzen) .
Die Halbleiterschichten der Photodiode 160 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die
Halbleiterschichten der Photodiode 160 strukturiert.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 160 über eine Klebeschicht mit dem Substrat 110 verbunden. Eine Herstellung einer mechanischen Verbindung kann jedoch auch durch andere Verfahren wie Löten oder Wafer-Bonding erfolgen.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einer epitaxieseitig emittierenden Vertikalresonator-Laserdiode dargestellt, die in einem Kommunikationsnetz für bidirektionalen Informationstransfer ein Gegenstück zu einem der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelemente bildet.
Das in Fig. 3 dargestellte Bauelement enthält gleichfalls ein Halbleitersubstrat 210. Das Halbleitersubstrat 210 weist eine Konzentration eines Dotierstoffs des n-Typs von ungefähr 1017 bis 1018 cm"3 auf. Der Dotierstoff ist beispielsweise Schwefel oder Tellur, wobei Tellur bevorzugt ist. Bei dem Halbleitersubstrat 210 handelt es sich vorzugsweise um GaAs. 16 Auf einer Hauptfläche mündet das Halbleitersubstrat 210 in eine Mesa-Struktur 215. Auf der Mesa-Struktur 215 ist ein Ringkontakt 220 aufgebracht.
Die Mesa-Struktur 215 enthält einen ersten Bragg-Reflektor, der durch einen Schichtstapel gebildet ist. Der Schichtstapel ist dabei so aufgebaut, daß eine Schicht mit einem hohen Brechungsindex mit einer Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselt. Der Bragg-Reflektor beinhaltet vorzugsweise etwa 20 derartiger Schichtpaare. Um eine
Sichtbarkeit der Schichten in der graphischen Darstellung zu ermöglichen, wurde nur ein Teil der Schichten dargestellt.
Die Schichten des Bragg-Reflektors bestehen aus einem Halbleitermaterial, wobei sich AlxGaχ-xAs besonders eignet. Die Schichten weisen durch einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der Aluminiumgehalt x in der Verbindung AlxGaι-xAs variiert beispielsweise von x = 1 bis x = 0,15. Die Dicke der Schichten beträgt jeweils ein Viertel des Produkts aus einer zu reflektierenden Wellenlänge und dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht. Bei einer Emissionswellenlänge von beispielsweise etwa 850 nm betragen die Schichtdicken daher für x = 1 ungefähr 70 nm und für x = 0,15 ungefähr 60 nm.
Die Schichten des ersten Bragg-Reflektors sind mit einem Dotierstoff des p-Typs, beispielsweise mit Zink dotiert, wobei eine Dotierstoff onzentration von etwa 2 mal 1018 cm"3 bevorzugt ist.
Epitaxieseitig des ersten Bragg-Reflektors befindet sich eine aktive Schicht 230. Die aktive Schicht 230 weist eine kleinere Bandlücke und somit eine höhere Ladungsträgerdichte auf als die an ihr anliegenden Schichten. Eine kleinere Bandlücke der aktiven Schicht 230 als der an ihr anliegenden Schichten wird bei der hier dargestellten HeteroStruktur vorzugsweise dadurch gebildet, daß die aktive Schicht aus 17 GaAs besteht. Eine Dotierung der aktiven Schicht 230 ist nicht erforderlich. Die aktive Schicht 230 ist vorzugsweise undotiert, jedoch führt eine Dotierung nicht zu einer wesentlichen Beeinträchtigung. Oberhalb der aktiven Schicht 130 befindet sich eine vorzugsweise p-dotierte Schicht aus Gaι_xAlxAs und unterhalb der aktiven Schicht 230 eine Halbleiterschicht, beispielsweise aus n-dotiertem Gaι_xAlxAs.
Unterhalb der aktiven Schicht 230 und der auf der aktiven Schicht 230 angeordneten Halbleiterschicht befindet sich ein weiterer Bragg-Reflektor 240. Der Bragg-Reflektor 240 erstreckt sich über das Halbleitersubstrat 210. Ansonsten weist der weitere Bragg-Reflektor 240 einen ähnlichen Aufbau auf wie der obere Bragg-Reflektor. Vorzugsweise ist der Bragg-Reflektor 240 jedoch mit einem Dotierstoff dotiert, der einen dem Dotierstoff des oberen Bragg-Reflektors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat, beispielsweise mit Silizium oder Tellur, wobei sich Tellur besonders eignet. Die Konzentration des Dotierstoffs beträgt etwa 2 mal 1018 cm"3. Weitere mögliche Unterschiede zwischen den Bragg-Reflektoren sind ein gegebenenfalls unterschiedlicher Aluminiumgehalt der sie bildenden Schichten oder eine unterschiedliche Zahl von Einzelschichten .
Die dargestellten Bereiche des Bauelementes bilden eine
Laserdiode 250. Bei der Laserdiode 250 handelt es sich um eine Vertikalresonator-Laserdiode, die Lichtstrahlen 290 mit einer Emissionswellenlänge λE von zum Beispiel etwa 850 nm emittiert.
Unterhalb des weiteren Bragg-Reflektors 240 befindet sich das Halbleitersubstrat 210.
Auf einer der Laserdiode 250 entgegengesetzten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 210 befindet sich eine Photodiode 260, die eintreffende Lichtstrahlen 280 detektiert. Die Photodiode 260 ist über einen Ringkontakt 270 mit der 18 Hauptfläche des Halbleitersubstrats 210 verbunden. Zur Vermeidung einer Lichtreflexion an den Grenzflächen zwischen der Photodiode 260, der Klebeschicht sowie des Halbleitersubstrats 210 sind die Oberflächen der Photodiode 260 und des Halbleitersubstrats 210 jeweils mit einer oder mehreren Antireflexschichten versehen.
Die Photodiode 260 ist vorzugsweise als pin-Diode ausgebildet und enthält drei übereinander angeordnete Halbleiterschichten, die zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die untere Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus InP und ist beispielsweise mit Silizium n- dotiert. Die mittlere, photoempfindliche Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus InGaAs und enthält keinen Dotierstoff. Die obere Halbleiterschicht, beispielsweise aus InP, ist p-dotiert, wobei sich Zink als Dotierstoff besonders eignet .
Die Photodiode 260 weist eine Detektionswellenlänge λD von 980 nm auf. Für Lichtstrahlen 280 mit der
Detektionswellenlänge λD ist das Halbleitersubstrats 210 transparent, für Lichtstrahlen mit der Emissionswellenlänge λE jedoch nicht.
Zum elektrischen Anschluß der Photodiode 260 dient der
Ringkontakt 270. Ein weiterer, nicht dargestellter Kontakt befindet sich vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 210. Weitere elektrische Kontakte zum Anschluß der Laserdiode 250 werden vorzugsweise im Bereich des Halbleitersubstrats 210 an für die Integration des Bauelements zweckmäßigen Stellen angebracht.
Das in Fig.3 dargestellte Bauelement kann beispielsweise wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.
Die Halbleiterschichten einer Laserdiode 250 werden mit einem der bekannten Epitaxieverfahren auf einem Halbleitersubstrat 19 10 abgeschieden. Hierzu eignet sich insbesondere eine metallorgajiische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die
Halbleiterschichten der Laserdiode 250 strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt so, daß sich eine Mesa-Struktur 215 bildet (Mesa-Ätzen) .
Die Halbleiterschichten der Photodiode 260 werden gleichfalls mit einem der bekannten Epitaxieverfahren abgeschieden. Hierzu eignet sich wiederum insbesondere eine metallorganische Gasphasenepitaxie (Metall Organic Vapour Phase Epitaxy; MOVPE) . Jedoch sind auch andere Epitaxieverfahren wie Molekurlarstrahlepitxie (Molecular Beam Epitaxy; MBE) geeignet. Anschließend werden die Halbleiterschichten der Photodiode 260 strukturiert.
In einem weiteren Prozeßschritt wird die Photodiode 260 über den Ringkontakt 270 mit dem Substrat 210 verbunden. Eine unmittelbare Verbindung der Photodiode 260 mit dem Substrat 210 ist gleichfalls möglich. In diesem Fall befindet sich der Ringkontakt unterhalb der Photodiode 260.
In den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird eine optische Trennung einer Photodiode 60; 160; 260 von einer Laserdiode 50; 150; 250 erreicht. Diese Trennung erfolgt dadurch, daß sich zwischen der Photodiode 60; 160; 260 und der Laserdiode 50; 150; 250 ein Bereich befindet, dessen Transmissivität für Licht einer ersten Wellenlänge wesentlich geringer ist als für Licht einer zweiten Wellenlänge.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien oder Materialkombinationen beschränkt. Ebenso können die Arten der Dotierung vertauscht werden. 20 Eine Datenübertragung mit vielen parallelen Kanälen läßt sich dadurch erreichen, daß das Bauelement so ausgestaltet wird, daß es eine Vielzahl von Lichtsendern und Lichtempfängern enthält, und daß die Lichtsender und Lichtempfänger in einem Feld angeordnet sind.
Diese Variante der Erfindung sieht also vor, in einem ein- oder zweidimensionalen Feld (array) mehrere Lichtsender, insbesondere mehrere Laserdioden 50; 150; 250, nebeneinander anzuordnen. Auf beziehungsweise unter den einzelnen
Lichtsendern befindet sich jeweils ein Lichtempfänger.

Claims

21Patentansprüche
1. Bauelement mit einem Substrat (10; 110; 210), auf dem wenigstens ein Lichtsender, der Licht mit einer
Emissionswellenlänge λE emittiert und wenigstens ein Lichtempfänger angeordnet sind, wobei der Lichtsender und der Lichtempfänger übereinander angeordnet sind und wobei der Lichtempfänger eine von der Emissionswellenlänge λE verschiedene
Detektionswellenlänge λD aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Lichtempfänger sich auf einer einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen (80) zugewandten ersten Seite des Substrats (10) befindet, daß der Lichtsender sich auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats (10) befindet, daß sich zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein Bereich befindet und daß die Transmission des Bereichs für Licht der Emissionswellenlänge λE wesentlich höher ist als für Licht der Detektionswellenlänge λD oder daß die Transmission des Bereichs für Licht der Detektionswellenlänge λD wesentlich höher ist als für Licht der Emissionswellenlänge λE.
2. Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Bereich durch das Substrat (10; 210) gebildet ist.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Lichtsender durch eine Laserdiode (50; 150; 250) gebildet ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 22 daß der Lichtempfänger durch eine Photodiode (60; 160; 260) gebildet ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Lichtsender und/oder der Lichtempfänger übereinander angeordnete Schichten enthalten.
6. Bauelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der
Lichtempfänger wenigstens eine photoempfindliche Schicht enthält, und daß die photoempfindliche Schicht einer Einfallsrichtung von Lichtstrahlen zugewandt ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Bereich GaAs enthält.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Detektionswellenlänge λD kleiner als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE größer als 900 nm ist .
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Detektionswellenlänge λD größer als 900 nm ist, und daß die Emissionswellenlänge λE kleiner als 900 nm ist .
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es eine Vielzahl von Lichtsendern und Lichtempfängern enthält, und daß die Lichtsender und Lichtempfänger in einem Feld angeordnet sind.
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