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    • 专利摘要:

    公开号:WO1988008205A1
    申请号:PCT/DE1988/000184
    申请日:1988-03-23
    公开日:1988-10-20
    发明作者:Reiner Trommer；Helmut Albrecht
    申请人:Siemens Aktiengesellschaft；
    IPC主号:G02B6-00
    专利说明:
    [0001] Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination
    [0002] Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch integrier te Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination zum Einbau in optische Nachrichtensysteme nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
    [0003] Die Entwicklung optischer Datenübertragungssysteme geht dahin, für die Verbindung zwischen optischen und elektronischen Komponenten integrierte opto-elektronische Schaltkreise einzusetzen. Auf der Empfängerseite stellt sich das Problem der monolithischen Integration von Lichtwellenleitern, Fotodetektoren und Vorverstärker in einem Bauelement. Gefordert werden gute Kompatibilität der für die verschiedenen Komponenten benötigten Halbleiterschichten und Technologien sowie ein guter Kopplungswirkungsgrad zwischen Wellenleiter und Fotodetektor. Geschlossene Konzepte zur Integration von Lichtwellenleiter, Fotodetektor und Transistor sind nicht bekannt. Für die WellenleiterFotodioden-Kombination sind bisher im wesentlichen drei Konzepte vorgeschlagen worden.
    [0004] Die Auskopplung der Strahlung in die Fotodiode erfolgt bei dem ersten dieser Konzepte durch eine geeignete Umlenkung der Strahlrichtung in die Fotodiode. Die Realisierung einer derartigen Anordnung ist z.B. in der Druckschrift D.B. Ostrowsky e.a.: "Integrated optical photodetector", Appl. Phys. Lett. 22, 463-464 (1973) beschrieben. Davon abweichende Aufbauten von Wellenleiter-Fotodioden-Kombinationen, bei denen die Strahlung aus dem Wellenleiter durch Umlenken ausgekoppelt wird, sind in den Patentschriften EP 0 187 198 und EP 0 192 850 beschrieben.
    [0005] Eine zweite Möglichkeit der Strahlungsauskopplung besteht in der Leckwellenkopplung, die z.B. bei dem in der Druckschrift C. Bornholdt e. a.: "Waveguide-integrated PIN photodiode on InP", Electr. Lett. 23, 2-3 (1987) angegebenen Aufbau realisiert ist. Ebenfalls mit Leckwellenkopplung arbeitet das monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-Array aus der Anmeldung P 3 703 657.2.
    [0006] Das dritte Konzept sieht Stoßkopplung vor. Eine Ausführung hierzu findet man in der Druckschrift G.E. Stillman e.a.: "Monolithic integrated InxGa1-xAs Schottky-barrier waveguide photodetector", Appl. Phys. Lett. 25, 36-38 (1974).
    [0007] Zur Integration von Fotodetektor und Feldeffekttransistor sind eine Reihe von Konzepten veröffentlicht, die in der Übersichtsarbeit 0. Wada, IEEE 3 . Quantum Electr. QE-22, 805-821 (1986) beschrieben sind. Der Grund für die verschiedenen Konzepte zur Integration von Fotodetektor und Feldeffekttransistor liegt in den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften dieser Bauelemente, und zwar am unterschiedlichen Aufbau der Halbleiterschichten in Geometrie und Dotierung. Um trotzdem einen planaren Chipaufbau zu ermöglichen, sind vergrabene Fotodetektor-und/oder FET-Strukturen vorgeschlagen worden. Als FET-Strukturen kommen dabei Sperrschichtfeldeffekttransistoren (JFET), Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFET) und Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MISFET) in Betracht.
    [0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst einfach herstellbaren Schichtaufbau für die monolithische Integration von Wellenleiter, Fotodetektor und Transistor in einem gemeinsamen Bauteil mit hoher Effektivität anzugeben.
    [0009] Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
    [0010] Die Halbleiterschichtstruktur für ein erfindungsgemäßes Bauelement besteht aus einem Trägersubstrat - vorzugsweise semiisolierendes InP - , auf das in den für Wellenleiter, Fotodiode bzw. FET vorgesehenen Bereichen durch Lokalepitaxie eine schwach n-leitend dotierte Wellenleiterschicht - vorzugsweise (In,Ga) (As,P) oder (In,Ga,Al) As - sowie eine schwach n-leitend dotierte Fotodioden-/FET-Schicht - vorzugsweise (In,Ga) As - , die als Absorptionsschicht für die Fotodiode und als Kanalschicht für den Feldeffekttransistor dient, aufgebracht sind. Eine geschlossene schwach n-leitend dotierte Deckschicht - vorzugsweise InP oder (In, AI) As - dient als Mantelschicht für den Wellenleiter und als passivierende Schicht für die Fotodiode und den Feldeffekttransistor.
    [0011] Der Wellenleiter kann dabei z.B in Streifenform ausgeführt sein. Im Bereich der Stoßstelle zwischen Wellenleiter- und Absorptionsschicht ist durch p+-Diffusion oder p+-Implantation der p-Bereich der Fotodiode ausgebildet. Das aus dem Wellenleiter austretende Licht wird in der Fotodiodenschicht absorbiert und erzeugt den Fotostrom. Der n-Kontakt der Fotodiode ist über einem ersten n-Bereich seitlich angebracht. Ein zweiter n-Bereich der Fotodiode, der sich unmittelbar unter der Fotodiodenschicht im Trägersubstrat befindet und stark n-leitend dotiert ist, hält den Serienwiderstand der Fotodiode klein.
    [0012] Der Vorteil der Stoßkopplung liegt vor allem in einem guten Kopplungswirkungsgrad und einer kleinen Diodenfläche.
    [0013] Der Feldeffekttransistor ist durch einen Trennbereich, der grabenförmig ausgeätzt oder durch Isolationsimμlantation au sgebi ldet is t , vo n der Fotodiode ge tr ennt . In dem Kanalberei ch ist z.B. durch Ionenimplantation das für den FET benötigte Dotierungsprofil eingestellt. Das streifenförmige Gate, bestehend aus Gate-Bereich im Halbleiter und aufgebrachtem Gate-Kontakt, ist als Junction-Gate mit p+-Diffusion. oder p+-Implantation oder als Schottky-Gate ausgebildet. Source- und DrainBereich sind stark n-leitend dotiert und mit Source-Kontakt bzw. Drain-Kontakt versehen. Die Ausbildung des FET kann einer der üblichen Ausgestaltungen entsprechen.
    [0014] Es folgt die Beschreibung des in Figur 1 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiels.
    [0015] Auf dem Trägersubstrat 1 aus InP-Material, das z.B. mit Eisendotierung semiisolierend gemacht wurde, ist eine WellenleiterSchicht, die aus schwach n-leitend dotiertem Halbleitermaterial - z.B. In0,9 Ga0,1 As0,8 P0,2 - bestent und in der Regel streifenförmig ausgebildet ist, epitaktisch aufgewachsen und durch Ätzen strukturiert. Daran angrenzend ist eine ebenfalls schwach n-leitend dotierte Halbleiterschicht - z.B. ln0,53 Ga047 As-Material - als Fotodiodenschicht 3 und als FET-Schicht 4 epitaktisch aufgewachsen. Die Wellenleiterschicht 2 grenzt unmittelbar an die Fotodiodenschicht 3 an. Wellenleiterschicht 2, Fotodiodenschicht 3 und FET-Schicht 4 bilden zusammen eine ebene Oberfläche, die mit einer Deckschicht 5, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel InP-Material ist, abgedeckt ist.
    [0016] In der Deckschicht 5 über der Fotodiodenschicht 3 sind ein stark p-leitend dotierter sowie ein sehr stark n-leitend dotierter Bereich, die den p-Bereich 7 der Fotodiode bzw. den ersten n-Bereich 8 der Fotodiode bilden, ausgebildet. Dieser p-Bereich 7 und erste n-Bereich 8 sind bis zur Oberfläche der Deckschicht 5 und bis in die Fotodiodenschicht 3 ausgebildet. Auf der Oberfläche sind p-Kontakt 14 und n-Kontakt 15 aufgebracht.
    [0017] Unmittelbar unter der Fotodiodenschicht 3 und sich über deren gesamte Länge erstreckend ist in dem Trägersubstrat 1 ein zweiter n-Bereich 9 der Fotodiode, der sehr stark n-leitend dotiert ist, ausgebildet, wodurch der Serienwiderstand der Fotodiode herabgesetzt wird.
    [0018] In entsprechender Weise sind in der Deckschicht 5 über der FETSchicht 4 der sehr stark n-leitend dotierte Source-Bereich 10 und der sehr stark n-leitend dotierte Drain-Bereich 12 ausgebildet, die jeweils an die Oberfläche der Deckschicht 5 reichen und möglichst weit bis in die FET-Schicht hinein ausgebildet sind. Auf der Oberfläche sind die entsprechenden Kontakte, der Source-Kontakt 16 und der Drain-Kontakt 18, aufgebracht. Zwischen dem Source-Bereich 10 und dem Drain-Bereich 12 ist ein stark n-leitend dotierter Kanalbereich 11 ausgebildet, dessen Abmessung und Dotierungsprofil den zu erzielenen physikalischen Eigenschaften des Transistors entsprechend gewählt sind. In der Deckschicht 5 ist bei Ausbildung eines Junction- Gate ein entsprechender Gatebereich 13, der stark p-leitend dotiert ist, ausgebildet. Im Falle der Verwendung eines Schottky-Kontaktes ist dieser Gatebereich 13 n-leitend dotiert. Der Gatebereich 13, der in der Deckschicht 5 bis zur Oberfläche ausgebildet ist, ist auf dieser Oberfläche mit dem Gatekontakt 17 versehen.
    [0019] Auf der Deckschicht 5, soweit sie nicht mit Metallkontakten versehen ist, ist eine Passivierungsschicht 6 aus einem Dielektrikum aufgebracht. Als Material kommen Si3N4, SiO2, Al2O3 oder vergleichbare Materialien in Frage. Die Fotodiode ist von dem Feldeffekttransistor durch einen Trennbereich 19 abgetrennt. Dieser Trennbereich 19 ist als ausgeätzter Graben oder als Bereich mit Isolationsimplantat ausgebildet.
    [0020] Statt der in der Figur dargestellten linearen Anordnung der drei Komponenten des Bauelementes ist auch eine kompliziertere Strukturierung einer Anordnung aus Wellenleiter, Fotodioden und Feldeffekttransistoren denkbar. Für die Herstellung eines diesem Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauelementes können die üblichen Herstellungsverfahren, die von der Herstellung der Einzelkomponenten her bekannt sind, angewendet werden.
    [0021] 8 Patentansprüche 1 Figur
    [0022] Bezugszeichenliste
    [0023] 1 Trägersubstrat
    [0024] 2 Wellenleiterschicht
    [0025] 3 Fotodiodenschicht
    [0026] 4 FET-Schicht
    [0027] 5 Deckschicht
    [0028] 6 Passivierungsschicht
    [0029] 7 p-Bereich der Fotodiode
    [0030] 8 erster n-Bereich der Fotodiode
    [0031] 9 zweiter n-Bereich der Fotodiode
    [0032] 10 Source-Bereich
    [0033] 11 Kanalbereich
    [0034] 12 Drain-Bereich
    [0035] 13 Gate-Bereich
    [0036] 14 p-Kontakt
    [0037] 15 n-Kontakt
    [0038] 16 Source-Kontakt
    [0039] 17 Gate-Kontakt
    [0040] 18 Drain-Kontakt
    [0041] 19 Trennbereich
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination mit einem Trägersubstrat (1), einer Wellenleiterschicht (2), einer Fotodiodenschicht (3), einer FET-Schicht (4), einer Deckschicht (5), einer Passivierungsschicht (6), einem ersten Bereich (8) des ersten Leitungstyps für die Fotodiode, einem zweiten Bereich (7) des zweiten Leitungstyps für die Fotodiode, einem dritten Bereich (9) des ersten Leitungstyps für die Fotodiode, einem Source-Bereich (10), einem Kanalbereich (11), einem Drain-Bereich (12), einem Gate-Bereich (13), einem erste Kontakt (14) an der Fotodiode, einem zweiten Kontakt (15) an der Fotodiode, einem Source-Kontakt (16), einem Gate-Kontakt (17) und einem Drain-Kontakt (18), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägersubstrat (1) III-V-Halbleitermaterial ist, daß die Wellenleiterschicht (2), die Fotodiodenschicht (3) und die FET-Schicht (4) auf dem Trägersubstrat (1) aufgewachsen sind, daß die Wellenleiterschicht (2), die Fotodiodenschicht (3) und die FET-Schicht (4) schwach dotiert sind für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps, daß die Wellenleiterschicht (2), die Fotodiodenschi.cht (3) und die FET-Schicht (4) eine ebene Oberfläche bilden, daß auf dieser ebenen Oberfläche die Deckschicht (5) aufgewachsen ist, daß in der Deckschicht (5) über der Fotodiodenschicht (3) der sich in die Fotodiodenschicht (3) hinein erstreckende zweite Bereich (7) des zweiten Leitungstyps der Fotodiode und der sich in die Fotodiodenschicht (3) hinein erstreckende erste Bereich (8) des ersten Leitungstyps der Fotodiode ausgebildet sind, daß an die Fotodiodenschicht (3) angrenzend und sich über deren gesamte Länge erstreckend im Trägersubstrat (1) der dritte Bereich (9) des ersten Leitungstyps der Fotodiode ausgebildet ist, daß der zweite Bereich (7) des zweiten Leitungstyps der Fotodiode stark dotiert ist, daß der erste Bereicn (8) des ersten Leitungstyps der totodiode und der dritte Bereich (9) des ersten Leitungstyps der Fotodiode sehr stark dotiert sind, daß der zweite Bereich (7) des zweiten Leitungstyps der Fotodiode mit einem ersten Kontakt (14) versehen ist, daß der erste Bereich des ersten Leitungstyps (8) der Fotodiode mit einem zweiten Kontakt (15) versehen ist, daß in der Deckschicht (5) über der FET-Schicht (4) der sich in die FET-Schicht (4) hinein erstreckende sehr stark für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps dotierte Source-Bereich
    (10), der sich in die FET-Schicht (4) hinein erstreckende sehr stark für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps dotierte
    Drain-Bereich (12), der sich gegebenenfalls in die FET-Schicht (4) hinein erstrekkende stark für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps dotierte Kanalbereich (11) und der für die Kontaktierung des
    Gate-Metalles vorgesehene Gate-Bereich (13) ausgebildet sind, daß der Source-Bereich (10), der Drain-Bereich (12) und der
    Gate-Bereich (13) entsprechend mit dem Source-Kontakt (16), dem
    Drain-Kontakt (18) und dem Gate-Kontakt (17) versehen sind, daß Fotodiode und FET durch einen Trennbereich (19) getrennt sind und daß der nicht mit Kontakten versehene Teil der Oberfläche der
    Deckschicht (5) mit der Passivierungsschicht (6) abgedeckt ist.
    2. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination 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 erste Leitungstyp n-Leitung und der zweite Leitungstyp p-Leitung ist.
    3. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination 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 Gate-Bereich (13) stark für elektrische Leitung des zweiten Leitungstyps dotiert ist und daß das Gate als Junction¬Gate ausgebildet ist.
    4. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination nach Anspruch 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 Gate-Bereich (13) schwach für elektrische Leitung des ersten Leitungstyps dotiert ist und daß der Gate-Kontakt (17) als Schottky-Kontakt aufgebracht ist.
    5. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination 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 die Passivierungsschicht (6) Si3N4, SiO2 oder Al2O3 enthält.
    6. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägersubstrat (1) semiisolierendes InP-Material ist, daß die Fotodiodenschicht (3) und die FET-Schicht (4) InGaAs- Material sind und daß die Deckschicht (5) InP-Material oder ( In, AI) As-Material ist.
    7. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wellenleiterschicht (2) (In,Ga) (As,P)-Material oder (In,Ga,Al)As-Material ist und die Fotodiodenschicht (3) und die FET-Schicht (4) In0,53Ga0,47As-Material sind.
    8. Monolithisch integrierte Wellenleiter-Fotodioden-FET-Kombination 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 der Trennbereich (19) mit Isolationsimplantat ausgebildet ist.
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    引用文献:
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