DE3629684A1

DE3629684A1 - Photoempfaenger

Info

Publication number: DE3629684A1
Application number: DE19863629684
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Daembkes; Ulf Dr Ing Koenig; Horst Dr Rer Nat Haspeklo
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1988-03-10

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Photoempfänger nach dem Obergegriff des Patentanspruchs 1.

Photoempfänger gemäß der Erfindung sind für Meß- oder Nachrichtenübertragungssysteme geeignet. Vorbekannte Lösungen von monolithisch integrierten optoelektronischen Empfängerschaltungen sind beispielsweise eine Kombination aus einer PIN-Diode und einem JFET (Junction Field Effect Transistor) auf InGaAs Basis (Lit.: R.E. Nahory, R.F. Leheny, Proc. Soc. Photo-Optical Instrum. Eng. 272 (1981), S. 32-35) oder eine Kombination aus einer PIN-Diode und einem Hetero bipolartransistor aus InP/InGaAsP-Verbindungen. Diese optoelektronischen Empfängerschaltungen haben jedoch den Nachteil, daß sie eine geringe Schaltgeschwindigkeit und hohe Rauschzahlen besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen schnellschaltenden und rauscharmen monolithisch integrier ten Photoempfänger anzugeben, der insbesondere für einen für die Lichtleitfasertechnik nützlichen Wellenlängenbe reich λ von vorzugsweise 1,3λ1,55 µm geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der monolithisch integrierte Photoempfänger gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß ein schnellschaltender Feldeffekttransistor, dessen Grenzfrequenz im GHz-Bereich liegt, der einen hochohmigen Eingangswiderstand hat und sehr rauscharm ist mit einem optischen Detektor mit hohem Quantenwirkungsgrad und geringem Rauschen kombioniert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Fig. 1 und Fig. 3 zeigen einen monolithisch integrierten Photoem pfänger, bestehend aus einer PIN-Diode 14 und einem HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 in Mesabauweise.

Fig. 2 zeigt einen monolithisch integrierten Photoem pfänger, bestehend aus einer PIN-Diode (14) und einem HEMT (15) in planarer Anordnung.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem halbisolierenden Substrat 5, das z. B. aus InP besteht, eine Heterostruktur-Halbleiter schichtenfolge aus

- einer n-dotierten Halbleiterschicht 4 aus InP oder InGaAsP mit einer Ladungsträgerkonzentration von 10¹⁷-10¹⁸ cm^-3und einer Schichtdicke von ungefähr 0,2-0,8 µm,
- einer schwach n-dotierten Halbleiterschicht 3 aus InGaAs oder InGaAsP mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 10¹⁴-10¹⁶ cm^-3 und einer Schichtdicke von 1,5-2,5 µm,
- einer undotierten Halbleiterschicht 2 a aus InP oder InGaAsP oder InAlAs und einer Schichtdicke von unge fähr 5 nm,
- einer n-dotierten Halbleiterschicht 2 aus InP oder InGaAsP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 10¹⁷-5 · 10¹⁸ cm^-3 und einer Schichtdicke von 10-50 nm,
- einer p-dotierten Halbleiterschicht 1 aus InP oder InGaAsP oder InAlAs mit einer Ladungsträgerkonzentra tion von 10¹⁷-10¹⁹ cm^-3 und einer Schichtdicke von 10-500 nm

aufgewachsen.

Alternativ zu der oben beschriebenen Heterostruktur-Halb leiterschichtenfolge kann beispielsweise eine Halbleiter schichtenfolge erzeugt werden,

- die anstatt der Halbleiterschicht 4 lediglich im Bereich der PIN-Diode 14 eine in das Substrat 5 n-implantierte Zone 4 a mit einer Ladungsträgerkonzen tration von 10¹⁷-10¹⁸ cm^-3 und einer Tiefe von 0,1-0,8 µm besitzt (Fig. 3)
- und/oder in die anstatt den Halbleiterschichten 2, 2 a ein Übergitter aus gitterangepaßten Materialien wie InAlAs/InGaAs oder InP/InGaAsP oder aus gitterfehlan gepaßten Materialien, deren Schichtdicke jeweils unterhalb einer kritischen Schichtdicke liegen, wie z. B. GaP, GaAs oder InAlAs, eingebaut ist.

An der Heterogrenzfläche der Halbleiterschichten 2, 3 entsteht ein zweidimensionaler Elektronengaskanal. Dabei werden die Elektronen im wesentlichen in der Halbleiter schicht 3 geführt.

Als Dotierstoffe für p-Dotierung werden beispielsweise Be, Mg oder Zn und für n-Dotierung Si, S oder Sn verwendet. Die durch Ionenimplantation entstandenen Schäden im Kristall werden durch einen Temperprozeß ausgeheilt.

Nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten werden die gewünschten elektronischen Bauelemente durch die in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren erzeugt. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 3 ist ein Pho toempfänger aus einer PIN-Diode 14 und ein HEMT (High Electron Mobility Transistor) 15 aus der gleichen Halblei terschichtenfolge in Mesabauweise aufgebaut.

Durch Ionenimplantation werden im Bereich des HEMT 15 nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten n-leitende Gebiete 6 und 6 a erzeugt, die eine Ladungsträgerkonzentration von 10¹⁷-10¹⁹ cm ^-3 aufweisen. Die n-leitenden Gebiete 6 und 6 a verlaufen senkrecht zu den Halbleiterschichten 1 bis 3 und sind mit sperrfreien Kontakten 7, 8 verbunden. Die sperr freien Kontakte 7, 8 bilden den Source- bzw. Drain-Anschluß und bestehen z. B. aus einer Au/Ge-Legierung. Die Steuer elektrode 9, der sog. Gate-Anschluß, ist ein sperrender oder sperrfreier metallischer Kontakt, der auf der p-do tierten Halbleiterschicht 1 angebracht ist.

Die Elektroden 10, 11 der PIN-Diode 14 in Mesabauweise sind beispielsweise ringförmig angeordnet, wobei die erste Elektrode 11 die p-dotierte Halbleiterschicht 1 und die zweite Elektrode 10 entweder die n-dotierte Halbleiter schicht 4 oder die in das Substrat 5 n-implantierten Zone 4 a kontaktieren.

Die Elektroden 10, 11 sind sperrfreie metallische Kontakte und sind beispielsweise aus einer Au/Ge- oder Au/Zn-Legie rung hergestellt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt die gleiche Heterostruktur-Schichtenfolge wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Jedoch sind PIN-Diode 14 und HEMT 15 planar ausgebildet. Für eine planare Bauform ist auch eine Halb leiterschichtenfolge gemäß Fig. 3 geeignet. Die elektri schen Anschlüsse des HEMT 15 und der PIN-Diode 14 sind in einer Ebene angeordnet. Die Kontaktierung der zweiten Elektrode 10 der PIN-Diode 14 mit der n-leitenden Halblei terschicht 4 bzw. mit der in das Substrat 5 n-implantier ten Zone 4 a erfolgt durch ein senkrecht zu den Halbleiter schichten 1 bis 3 n-implantiertes Gebiet 13.

Ein Isolationsgebiet 12, das senkrecht zu den Halblei terschichten 1, 2 verläuft und bis in die Halbleiterschicht 3 reicht, trennt die Elektroden 10, 11 der PIN-Diode 14. Ein weiteres Isolationsgebiet 12 a, senkrecht zu der Halb leiterschichtenfolge, grenzt PIN-Diode 14 und HEMT 15 voneinander ab. Die Isolationsgebiete 12, 12 a werden entweder durch Ionenimplantation, z. B. mit Fe, oder durch geeignete Ätz- und anschließende Auffülltechniken, z. B. mit Polyimid, hergestellt.

Die elektrischen Kontakte von PIN-Diode 14 und HEMT 15 sind z. B. über metallische Leiterbahnen in geeigneter Weise miteinander verbunden.

Vorteilhafterweise wird die Kompatibilität von PIN-Diode 14 und HEMT 15 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photoempfängers dadurch erreicht, daß die Halbleiter schicht 3

- schwach n-dotiert ist und somit als Absorptionsschicht der PIN-Diode 14 dient,
- einen geringen Bandabstand als die Halbleiterschich ten 2, 2 a besitzt, damit sich im HEMT 15 in der Halbleiterschicht 3 ein Potentialtopf ausbildet, in dem sich die Elektronen quasi-frei bewegen können,
- eine geeignete Schichtdicke von ungefähr 2 µm besitzt, so daß die Photonen vollständig absorbiert werden.

Die Steuerelektrode 9 des HEMT 15, die auf der p-dotierten Halbleiterschicht 1 aufgebracht ist, bildet ein sog. p-Gate. Dieses p-Gate hat den Vorteil, daß die Sperreigen schaften der Steuerelektrode 9 verbessert werden, da die Halbleiterschichten 1, 2 einen p-n-Übergang bilden, an dessen Grenzfläche eine Raumladungszone entsteht. Deshalb ist es möglich, Halbleitermaterialien mit geringem Bandab stand, die sich für Schottky-Kontakte als Gate nur schlecht eignen, zur Herstellung des erfindungsgemäßen Photoempfän gers zu verwenden.

Außerdem ist durch die an der Grenzfläche der Halbleiter schichten 1, 2 ausgebildete Raumladungszone ein Durchgriff durch die extrem dünnen Halbleiterschichten 2, 2 a zur Absorptionsschicht 3 möglich. Im Falle der PIN-Diode 14 werden durch geeignete Vorspannung dadurch die freien Ladungsträger aus der Halbleiterschicht 3 entfernt.

Monolithisch integrierte Photoempfänger gemäß der Erfin dung lassen sich mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie oder der chemischen Gasphasen-Epitaxie aus metallorgani schen Verbindungen herstellen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere Mate rialkombinationen anwendbar.

Claims

1. Monolithisch integrierter Photoempfänger, bestehend aus einem halbisolierenden Substrat, auf dem eine Halbleiter schichtenfolge aufgebracht ist, die zumindest eine PIN- Diode, sowie mindestens einen Feldeffekttransistor enthält, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Feldeffekttransistor als HEMT (15) ausgebil det ist,
- daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) aus einer gleichen Heterostruktur-Halbleiterschichtenfolge hergestellt sind,
- daß die oberste Halbleiterschicht (1) p-dotiert ist, und
- daß die Steuerelektrode (9) des HEMT (15) und eine erste Elektrode (11) der PIN-Diode (14) auf der p-dotierten Halbleiterschicht (1) aufgebracht sind.

2. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermaterialien so gewählt sind, daß der Wellenlängenbereich λ des Photo empfängers zwischen 1,3λ1,55 µm liegt.

3. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem halbisolierten Substrat (5) eine Heterostruktur- Halbleiterschichtenfolge aus einer n-dotierten Halbleiter schicht (4), einer gering n-dotierten Halbleiterschicht (3), einer undotierten Halbleiterschicht (2 a), einer n-dotierten Halbleiterschicht (2) und einer p-dotierten Halbleiterschicht (1) epitaktisch aufgewachsen ist.

4. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Source- und Drain-Anschluß (7, 8) des HEMT (15) auf n-im plantierten Gebieten (6, 6 a) aufgebracht sind, die senk recht zu den Halbleiterschichten (1, 2, 2 a, 3) verlaufen.

5. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (2, 2 a) als Übergitter ausgebildet sind.

6. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) in Mesabauweise ausge bildet sind (Fig. 1).

7. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß PIN-Diode (14) und HEMT (15) planar angeordnet und durch ein Isolationsgebiet (12 a) getrennt sind, das senkrecht zur Halbleiterschichtenfolge verläuft und bis ins halbisol lierende Substrat (5) reicht (Fig. 2).

8. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die PIN-Diode (14) ein n-implaniertes Gebiet (13) senkrecht zu den Halblei terschichten (1 bis 4) enthält, derart, daß eine zweite Elektrode (10 a) mit der n-leitenden Halbleiterschicht (4) kontaktiert ist.

9. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10 a, 11) der PIN-Diode (14) durch einen Isolationsgraben (12) getrennt sind, der senkrecht zu den Halbleiterschichten (1, 2) verläuft und bis in die Halbleiterschicht (3) reicht.

10. Monolithisch integrierter Photoempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der Halbleiterschicht (4) im Bereich der PIN-Diode (14) eine in das halbisolierende Substrat (5) n-implan tierte Zone (4 a) erzeugt wird (Fig. 3).