DE3205461C2 - Semiconductor photodiode - Google Patents

Semiconductor photodiode

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DE3205461C2 DE3205461A DE3205461A DE3205461C2 DE 3205461 C2 DE3205461 C2 DE 3205461C2 DE 3205461 A DE3205461 A DE 3205461A DE 3205461 A DE3205461 A DE 3205461A DE 3205461 C2 DE3205461 C2 DE 3205461C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fotodiode, die mit zusätzlichen Mitteln zur Erhöhung der Lichtabsorption versehen ist und die zur Integration mit anderen elektronischen oder elektro-optischen Elementen geeignet ist. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß durch Reflexionen an den Grenzen der Diode das Licht den absorbierenden Weg mehrmals durchläuft und die absorbierte Lichtintensität auf diese Weise erhöht wird. Ein optischer Resonator erhöht die absorbierte Lichtintensität in der Fotodiode bei Wellenlängen mit kleinem Absorptionskoeffizienten soweit, daß dadurch die Verwendbarkeit der gesamten integrierten Schaltung in diesem Wellenlängenbereich gesichert oder erst ermöglicht wird.The invention relates to a photodiode which is provided with additional means for increasing the light absorption and which is suitable for integration with other electronic or electro-optical elements. The invention is based on the idea that the light passes through the absorbing path several times due to reflections at the boundaries of the diode and the absorbed light intensity is increased in this way. An optical resonator increases the absorbed light intensity in the photodiode at wavelengths with a small absorption coefficient to such an extent that the usability of the entire integrated circuit in this wavelength range is ensured or only made possible.

Description

— daß diese Fotodiode ein Integrationsanteil eines Halbleiterkörpers eines integrierten Bauelementes ist, bei dem dieser Halbleiterkörper die Elektronik und/oder andere elektrooptische Elemente enthält,- That this photodiode is an integral part of a semiconductor body of an integrated component is, in which this semiconductor body the electronics and / or other electro-optical Contains elements,

— daß der Resonator so ausgebildet ist, daß seine Resonanz-Halbwertsbreite auf Werte kleiner 2 nm bemessen ist, wozu- That the resonator is designed so that its resonance half-width to values smaller 2 nm is measured, why

— dieser Resonator mit Reflektoren (R1, R2) mit Reflexionsfaktoren nahe dem Wert 1 versehen ist,- this resonator is provided with reflectors (R 1 , R 2 ) with reflection factors close to the value 1,

— dieser Resonator für seitliche Lichtführung mit einer Wellenleiterstruktur (p,\, n2, /J3) versehen ist, die aus Bereichen des Halbleiterkörpers besteht, die Brechungsindices (n2, /73) besitzen, die kleiner als der Brechungsindex (nx) der Lichtausbreitungsbereiche im Halbleiterkörper der Fotodiode Jmd und- this resonator for lateral light guidance is provided with a waveguide structure (p, \, n 2 , / J3) which consists of areas of the semiconductor body that have refractive indices (n 2 , / 73) that are smaller than the refractive index (n x ) the light propagation areas in the semiconductor body of the photodiode Jmd and

— der Wellenlängenbereich s~ bestimmt ist, daß der λ-Wert nur noch die Größe der Λ-Werte des Bereiches der Bandkante r-'ps Halbleitermaterials hat.- The wavelength range s ~ is determined that the λ-value only the size of the Λ-values of the area of the band edge r-'ps semiconductor material Has.

2. Fotodiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial des Substratkörpers Silizium ist.2. Photodiode according to claim 1, characterized in that that the semiconductor material of the substrate body is silicon.

3. Fotodiode nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens einer dieser Reflektoren (Ru R2) ein Gitterreflektor ist.3. Photodiode according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of these reflectors (Ru R 2 ) is a grating reflector.

4. Fotodiode nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der der Lichteintrittsseite der Fotodiode gegenüberliegende Reflektor (R2) ein Gitterreflektor ist und für den Reflektor (R\) der Lichteintrittsseite ein davon verschiedener Reflektor vorgesehen ist.4. Photodiode according to claim 3, characterized in that the reflector (R 2 ) opposite the light entry side of the photodiode is a grating reflector and a different reflector is provided for the reflector (R \) of the light entry side.

5. Fotodiode nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Reflektor (Ri) der Lichteintrittsseite ein Interferenzspiegel ist.5. Photodiode according to claim 4, characterized in that the reflector (Ri) of the light entry side is an interference mirror.

6. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektoren (R1, R2) so ausgebildet sind, daß Modenkonversion der im Resonator der Fotodiode verlaufenden Lichtstrahlung wenigstens verringert ist.6. Photodiode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reflectors (R 1 , R 2 ) are designed so that mode conversion of the light radiation running in the resonator of the photodiode is at least reduced.

7. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Spannung im Bereich des Resonators (Ru Ri) zur Abstimmung der Resonanzfrequenz dieses Resonators vorgesehen sind.7. Photodiode according to one of claims 1 to 6, characterized in that means for generating a mechanical tension in the region of the resonator (Ru Ri) are provided for tuning the resonance frequency of this resonator.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Fotodiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a semiconductor photodiode according to the preamble of the patent claim 1.

Eine Fotodiode, die mit zusätzlichen Mitteln zur F.rhöhung der Lichtabsorption, nämlich mit einer Resonatorstruktur mit einander gegenüberstehenden Reflektoren versehen ist, ist aus der DE-OS 31 09 653 bekannt. Es handelt sich bei dieser bekannten Diode darum, auch in einem Wellenlängenbereich, z. B. bei 0,9 μπι, in dem der Absorptionskoeffizient χ bereits verringerte Größe hat, dennoch so starke Absorption für einfaiiende, zu detektierende Lichtstrahlung zu haben, daß der Detektionsbereich auf einen pn-Übergang konzentriert ist. Die Lehre dieser Druckschrift dient dazu, einen Resonanzabsorber kleiner Ausdehnung (Seite 3, letzter Abs.) zu schaffen. Die wesentliche Zielrichtung, zu der die in dieser Druckschrift beschriebene Lehre gegeben ist, ist ve:besserte Energieumwandlung (Seite 4, Abs. 1).A photodiode which is provided with additional means for increasing the light absorption, namely with a resonator structure with reflectors facing each other, is known from DE-OS 31 09 653. This known diode is about, even in a wavelength range, z. B. at 0.9 μπι, in which the absorption coefficient χ has already reduced size, but still have so strong absorption for incident light radiation to be detected that the detection area is concentrated on a pn junction. The teaching of this publication serves to create a resonance absorber of small size (page 3, last paragraph). The main objective for which the teaching described in this publication is given is ve: improved energy conversion (page 4, paragraph 1).

Eine Fotodiode, die ebenfalls einen optischen Resonator aufweist, ist aus der DE-OS 28 28 195 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Diode beschrieben, üie abwechselnd für Licht der gleichen Wellenlänge als Lichtemitter und als Lichtdetektor zu verwenden ist. Zum Zwecke der Lichiemission ist diese Diode als Doppelhcterostruktur-Laserdiode (siehe Fig. 2) aufgebaut Eine solche Diode besitzt einen optischen Resonator, zwischen dessen Reflexionsflächen die zu erzeugende Strahlung hin- und herläuft. Voraussetzung für diese Funktion als Laserdiode ist, daß das Halbleitermaterial der aktiven Schicht innerhalb dieses Resonators einen hohen Absorptionskoeffizienten α besitzt. Für den Zweck als Lichtdetektor erweist sich der (für die Lichierzeugung zwingend notwendige) Resonator als nachteilig. Für auf den Reflektor eines solchen Resonators auftreffende Strahlung wirkt dieser Resonator stark reflektierend, so daß nur ein Bruchteil der auftreffenden, zu detektierenden Strahlung in den Resonator einzudringen vermag. Außerdem kann der in den Resonator eingetretene Strahlungsantei! dort nur eine kurze Wegstrecke durchlaufen, da die für die Lichterzeugung erforderliche hohe Absorption vorliegt. Ein mehrfacher Hin- und Herlauf detektierter Strahlung in dem Rcsonator der Diode dieser Druckschrift ist praktisch ausgeschlossen, ist aber auch unnotwendig zur Detektion des in diese Diode eingedrungenen Strahlungsanteils. Wesentlicher Zweck der Diode dieser DE-OS 28 28 195 ist, daß sie im wesentlichen gleiche Frequenz für Lichiemission und Lichtdetektion hat.A photodiode, which also has an optical resonator, is known from DE-OS 28 28 195. This document describes a diode which can be used alternately for light of the same wavelength as a light emitter and as a light detector. For the purpose of light emission, this diode is constructed as a double-heterostructure laser diode (see FIG. 2). Such a diode has an optical resonator, between the reflection surfaces of which the radiation to be generated runs back and forth. The prerequisite for this function as a laser diode is that the semiconductor material of the active layer within this resonator has a high absorption coefficient α . For the purpose as a light detector, the resonator (which is absolutely necessary for generating light) proves to be disadvantageous. For radiation impinging on the reflector of such a resonator, this resonator has a highly reflective effect, so that only a fraction of the impinging radiation to be detected is able to penetrate into the resonator. In addition, the radiation that has entered the resonator! only have to travel a short distance there, since the high absorption required for the generation of light is present. Multiple back and forth movement of detected radiation in the resonator of the diode in this document is practically impossible, but is also unnecessary for the detection of the radiation component which has penetrated this diode. The main purpose of the diode in DE-OS 28 28 195 is that it has essentially the same frequency for light emission and light detection.

Aus »Bell Laboratories Record«, Heft 2, 1981. S. 38—45 sind ebenfalls Laserdioden und Fotodetektoren bekannt. Im Gegensatz zu einer Diode der vorangehend erörterten Druckschrift sind dort die Laserdiode und der Detektor nicht nur funktionell, sondern iiuch räumlich voneinander getrennt, jedoch in einem einzigen Halbleiterkörper integriert angeordnet. Es sind dori integrierte optische Schaltkreise beschrieben (insbesondere S. 42, rechte Spalte; S. 43, linke Spalte). Es handelt sich dort um integrierte Kombinationen von z. B. Laserplus-Detektor, Laser-plus-Modulator usw. Insbesondere dient eine erstgenannte Kombination dazu, mit von dem Detektor empfangener Strahlung des Lasers diesen Laser über einen elektronischen Schaltkreis zu stabilisieren, From "Bell Laboratories Record", No. 2, 1981. pp. 38-45 are also laser diodes and photodetectors known. In contrast to a diode of the preceding According to the document discussed, the laser diode and the detector are not only functional, but also spatially separated from one another, but arranged integrated in a single semiconductor body. They are dori integrated optical circuits described (in particular p. 42, right column; p. 43, left column). It deals there are integrated combinations of z. B. Laserplus detector, Laser-plus modulator, etc. In particular, a first-mentioned combination is used to with from the detector of received radiation of the laser to stabilize this laser via an electronic circuit,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fotodiode der eingangs (DE-OS 31 09 653) angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß sie in einfacher Weise mit weiteren elektronischen und/oder optischen Bauelementen zusammcngcschaltct werden kann und eine hohe Frequenzsclcktivität aufweist.The present invention is based on the object of providing a photodiode of the initially (DE-OS 31 09 653) specified type to the effect that it can be easily combined with other electronic and / or optical components can be interconnected and has a high frequency selectivity.

Diese Aufgabe wird mit einer Halbleiter-Fotodiode gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches I auf-This object is achieved with a semiconductor photodiode that has the features of claim I

weist.shows.

Silizium als Halbleitermaterial und ein Interferenzspiegel für die Lichteintrittsseite sind schon für die Diode nach der DE-OS 31 09 653 verwendet worden.Silicon as a semiconductor material and an interference mirror 31 09 653 have already been used for the diode according to DE-OS 31 09 653 for the light entry side.

Der Erfindung liegen Gedanken zugrunde, die nachfolgend dargelegt werden.The invention is based on ideas which are set out below.

Die Wirkungsweise von Halbleiter-Fotodioden, die Lichtsignale in elektrische S;gnale umwandeln, beruht darauf, daß eingestrahltes Licht in der Raumladungszone des p-n-Übergangs der Diode absorbiert wird und Elektron-Lochpaare erzeugt werden. Die absorbierte Lichtintensität hängt dabei wesentlich vom Absorptionskoeffizienten oc ab, der angibt, wieviel Intensität bei Durchlaufen einer Sirecke absorbiert wird (dj = — λ ■ J ■ dl). Ist das wellenlängenabhängige λ ι klein, das ist insbesondere im Bereich der Bandkante von Halbleitern mit zunehmender Wellenlänge der Fall, muß die durchlaufene Wegstrecke des Lichts in der Raumladungszone vergrößert werden, um eine hinreichende Generation von Elektron-Lochpaaren sicherzusie! !cn.How semiconductor photodiodes work, converting light signals into electrical S ; converting signals is based on the fact that irradiated light is absorbed in the space charge zone of the pn junction of the diode and electron-hole pairs are generated. The absorbed light intensity depends essentially on the absorption coefficient oc , which indicates how much intensity is absorbed when passing through a corner (dj = - λ ■ J ■ dl). If the wavelength-dependent λ ι is small, which is particularly the case in the area of the band edge of semiconductors with increasing wavelength, the path of the light traversed in the space charge zone must be increased in order to ensure a sufficient generation of electron-hole pairs! ! cn.

lsi λ in dem Wellenlängenbereich, für den e-ne Fotodiode geplant wird, so klein, daß die Baulänge der Diode technisch nicht in dem Maße vergrößert werden kann, um das kleine α auszugleichen, kann oder muß ein anderes Halbleitermaterial verwendet werden, das in diesem Wellenlängenbereich ein ausreichendes α aufweist. Das neue Halbleitermaterial hat aber häufig nicht alle Eigenschaften, die die Verwendung des Materials mit niedrigem /x wünschenwert machen. Oft müssen seine Eigenschäften erst genauer untersucht werden und seine Technologie wird weniger gut beherrscht als die des bekannten Halbleiters, so daß die Herstellung von integrierten Schaltungen noch nicht möglich istIsi λ in the wavelength range for which a photodiode is planned, so small that the length of the diode cannot technically be increased to the extent to compensate for the small α , another semiconductor material can or must be used in this Wavelength range has a sufficient α . However, the new semiconductor material often does not have all the properties that make the use of the material with low / x desirable. Often its properties must first be examined more closely and its technology is less well mastered than that of the known semiconductor, so that the production of integrated circuits is not yet possible

In der optischen Nachrichtentechnik soll die Anwendung von Fotodioden auf den Bereich λ > 1,1 μπι ausgedehnt werden. Für Fotodioden sind in diesem Bereich grundsätzlich quaternäre Halbleitermaterialien als Ersatz für Silizium, dessen Bandkante bei λ = 1,1 μπι liegt, denkbar. Mit ihrer Anwendung müßte man jedoch auf die Vorteile der sehr gut beherrschten Si-Technologie verzichten, insbesondere auf die Möglichkeit, die Fotodiode mit anderen Schaltungen zu integrieren, für die Si als Grundmaterial dient.In optical communications technology, the use of photodiodes is to be extended to the range λ > 1.1 μm. For photodiodes, quaternary semiconductor materials are basically conceivable in this area as a substitute for silicon, the band edge of which is λ = 1.1 μm. With their application, however, one would have to forego the advantages of the very well-controlled Si technology, in particular the possibility of integrating the photodiode with other circuits for which Si is used as the basic material.

Der Erfindung lag daher der Gedanke zugrunde, den Anwendungsbereich von Halbleitermaterialien für integrierbarc Fotodioden mit beschränkter Baulänge auf möglichst kleine «-Werte auszudehnen. Die Fotodiode wird auf ein Substrat mit Elektronik und/oder anderen clektro-optischen Elementen z. B. einem Laser integricrt und die Lichteintrittsseite der Fotodiode und die ihr gegenüberliegende Licntaustrittsseite sind als Reflektor ausgebildet und beide bilden einen symmetrischen oder asymmetrischen optischen Resonator, der, möglicherweise mit Hilfe einer Abstimmeinrichtung, zumindest für einen Teil des eingestrahlten Lichts in Resonanz ist.The invention was therefore based on the idea of using the field of application of semiconductor materials for integratable To extend photodiodes with limited overall length to the smallest possible «values. The photodiode is on a substrate with electronics and / or other clektro-optical elements z. B. integricrt a laser and the light entry side of the photodiode and the light exit side opposite it act as a reflector formed and both form a symmetrical or asymmetrical optical resonator, which, possibly with the help of a tuning device, at least for part of the incident light in resonance is.

Fig. 1 soll die Wirkungsweise erläutern unter Anwendung der strahlenoptischen Betrachtungsweise.Fig. 1 is intended to explain the mode of operation using the ray-optical approach.

Es ist 11 das Kerngebiet des Resonators, das ganz oder teilweise in der Raumladungszone einer Fotodiode liegt, I das Gebiet vor und III das Gebiet hinter dem Resonator. R 1 und A'2 sind die Reflektoren auf der Lichteintrius- und Auslrittsseite, die möglicherweise eine endliche Ausdehnung in ^-Richtung besitzen. 1 stellt eine es einfallende Lichtwelle dar. Trifft diese auf den Reflektor R 1 wird eine Teilwelle 1 ,'eflektiert, eine weitere Teilwclle 3 dringt in den Resonator ein. Letztere wird an R 2 wieder teilweise reflektiert (4) und teilweise ins Gebiet III durchgelassen (5).It is 11 the core area of the resonator which lies wholly or partially in the space charge zone of a photodiode, I the area in front of and III the area behind the resonator. R 1 and A'2 are the reflectors on the light inlet and outlet side, which possibly have a finite extent in the ^ direction. 1 represents an incident light wave. If this hits the reflector R 1, a partial wave 1 is reflected, and a further partial wave 3 penetrates the resonator. The latter is partially reflected at R 2 again (4) and partially transmitted into area III (5).

Teilwelle 4 wird an R 1 wieder reflektiert (6), gelangt aber teilweise auch wieder ins Gebiet I (Teilwelle 7). Teilwelle ö kann man analog zu Teilwelle 3 weiterverfolgen usw. Die Wirkungsweise des Resonators beruht nun darauf, daß das Licht die Strecke /oft durchläuft, die wirksame Absorptionslänge also ein Vielfaches von / beträgt. Die absorbierte Lichtintensität wird daher bei kleinem λ im Vergleich zu einer Diode ohne Resonator stark erhöht, so daß sich ihre Verwendbarkeit, auf größere Wellenlängen erweitert. Die erste reflektierte Teilwelle 2 interferiert mit den wieder ins Gebiet I durchgelassenen Wellen 7 usw. und kann weitgehend ausgelöscht werden. Auch bei großem Reflexionsfaktor von R 1 kann daher die meiste Intensität von der ankommenden Welle 1 in den Resonator eindringen. Der Betriebszustand, in dem die Teilwelle 2 am wirksamsten verringert wird, heißt Resonanz.Partial wave 4 is reflected again at R 1 (6), but partly also reaches area I (partial wave 7). Partial wave ö can be followed up in the same way as partial wave 3, etc. The mode of operation of the resonator is based on the fact that the light often traverses the distance /, the effective absorption length is therefore a multiple of /. The absorbed light intensity is therefore greatly increased at a small λ compared to a diode without a resonator, so that its usability is extended to longer wavelengths. The first reflected partial wave 2 interferes with the waves 7, etc. that have passed back into the area I and can be extinguished to a large extent. Even with a large reflection factor of R 1 , most of the intensity from the incoming wave 1 can penetrate into the resonator. The operating state in which the partial wave 2 is most effectively reduced is called resonance.

Bei gegebener Länge / und gegebepem Absorptionskoeffizienten α können die Reflexionsfaktoren von R 1 und R 2 in bezug auf die absorbierte Lichtintensität optimiert werden. Die oben beschriebene Funktionsweise der Diode bleibt jedoch auch dann erhalten, wenn die Reflexionsfaktoren von R 1 und R 2 mehr oder weniger von den optimalen Werten abweichen. Die Resonatorstruktur eignet sich sowohl für die Anwendung bei Dioden mit Lichteinstrahlung senkrecht zum pn-Obergang als auch für Dioden mit Lichteinstrahlung parallel zum pn-Übergang (Dioden mit Quereinstrahlung).With a given length / and given absorption coefficient α , the reflection factors of R 1 and R 2 can be optimized with regard to the absorbed light intensity. However, the functionality of the diode described above is retained even if the reflection factors of R 1 and R 2 deviate more or less from the optimal values. The resonator structure is suitable both for diodes with light irradiation perpendicular to the pn junction and for diodes with light irradiation parallel to the pn junction (diodes with transverse irradiation).

Die Lichtführung in einem oder mehreren der Gebiete I bis III kann durch eine Wellenleiterstruktur nach Fig.2 erfolgen, wobei die führenden Brechungsindexübergänge möglicherweise durch verschiedene Dotierungen hervorgerufen werden. Die Wahl der Größe b und die Werte der Brechungsindices entscheidet über die Anzahl der geführten Lichtmoden in dem betreffenden Wellenleiter. Insbesondere gibt es die Möglichkeiten des Multimode- und des Monomode-Wellenleiters, die beide für die Anwendung bei der Diode mit Resonators·' ruktur in Frage kommen.The light guidance in one or more of the regions I to III can take place through a waveguide structure according to FIG. 2, the leading refractive index transitions possibly being caused by different dopings. The choice of size b and the values of the refractive indices determine the number of guided light modes in the waveguide in question. In particular, there are the possibilities of the multimode and the single-mode waveguide, both of which are suitable for use in the diode with a resonator structure.

Die Wirkungsweise eines Resonators zur Absorptionserhöhung wurde in der Diplomarbeit (Juli 1981, TU München) von Reinhard Müller untersucht. Dort wurden jedoch nur Resonatoren betrachtet, bei welchen die Reflexionsfaktoren von R 1 und R 2 gleich sind und beide von Brechungsindexsprüngen bzw. Interferenzspiegeln herrühren. Ferner wurde in dieser Arbeit nicht auf die Möglichkeit der Integration einer Fotodiode mit Resonatorstruktur mit anderen Bauelementen hingewiesen. Die technischen Anstrengungen, die erforderlich sind, um einen guten Flesonator (Reflexionsfaktoren nahe 1> herzustellen, sind für eine Fotodiode als Einzelelement kaum gerechtfertigt (Wahl eines anderen Materials). Sie sind es jedoch dann, wenn die Lichtabsorption einer Fotodiode in einer integrierten Schaltung durch den Resonator erhöht wird und damit die Verwendbarkeit der gesamten integrierten Schaltung im gewünschten Frequenzbereich gesichert oder erst ermöglicht wird.The mode of action of a resonator to increase absorption was examined in the diploma thesis (July 1981, TU Munich) by Reinhard Müller. There, however, only resonators were considered in which the reflection factors of R 1 and R 2 are the same and both originate from jumps in the refractive index or from interference mirrors. Furthermore, the possibility of integrating a photodiode with a resonator structure with other components was not mentioned in this work. The technical efforts that are required to produce a good Flesonator (reflection factors close to 1> are hardly justified for a photodiode as a single element (choice of a different material) the resonator is increased and thus the usability of the entire integrated circuit in the desired frequency range is secured or made possible in the first place.

Die Fotodiode dieser Erfindung, deren Wirkungsweise nach Fig. 1 beschrieben wurde, untericheidet sich wesentlich von der aus der Veröffentlichung von Jörg Müller (IEEE, J. Solid State Circuits, SC-13 (1978), 173—179) bekannten Fotodiode. Nach dieser Veröffentlichung müssen bei dieser Diode beide Reflektoren als Metallspiegel ausgebildet sein. Das hat zur Folge, daß wegen der hohen Durchlaßverluste von MetallspiegelnThe photodiode of this invention, the operation of which has been described with reference to FIG. 1, differs substantially different from the one from the publication by Jörg Müller (IEEE, J. Solid State Circuits, SC-13 (1978), 173-179) known photodiode. After this release Both reflectors must be designed as metal mirrors for this diode. This has the consequence that because of the high transmission losses of metal mirrors

nur ein kleines, nicht verspiegeltes oder sogar entspiegeltes Einstrahlfenster der Breite d genutzt werden kann. Die Wirkungsweise der Diode beruht daher nicht auf einer Auslöschung der ersten reflektierten Teilwelle durch weitere Teilwellen. Dies ist jedoch für eine Diode nach Fig. 1 ein wesentlicher physikalischer Vorgang. Ferner muß bei dieser Diode die Breite d immer so gewählt werden, daß die Beziehung < 2 · w ■ tana, gilt, d. h. der Winkel λ, darf nicht beliebig kleine Werte annehmen, ohne daß t/zu klein wird. Ein großer Winkel λ, hat ohne Gegenmaßnahmen große Verluste an den Enden der Diode zur Folge.only a small, non-reflective or even non-reflective radiation window of width d can be used. The mode of operation of the diode is therefore not based on the cancellation of the first reflected partial wave by further partial waves. However, this is an essential physical process for a diode according to FIG. Furthermore, the width d of this diode must always be chosen so that the relationship <2 · w · tana, applies, ie the angle λ must not assume arbitrarily small values without t / becoming too small. Without countermeasures, a large angle λ results in large losses at the ends of the diode.

Das Neue der Diode nach F i g. 1 dagegen ist, daß die Einstrahlung nicht auf ein Fenster begrenzt ist und der Winkel des Lichts in der Diode beliebig kleine |λ,| annehmen kann, insbesondere λ, = 0, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, wobei kaum seitliche Verluste auftreten. In der Diode dieser Erfindung kann die Verwendung von rVieiaiispiegeiii vollkommen vermieden werden, wie es für Anwendungen in der integrierten Optik wünschenswert ist. Wesentlich für ihre Wirkungsweise ist, daß R 1 ein verlustarmer Spiegel ist, der auch bei hohem Reflexionsfaktor genügend Licht von I nach Il und von Il nach I gelangen läßt.The novelty of the diode according to FIG. 1, on the other hand, is that the irradiation is not limited to a window and the angle of the light in the diode is arbitrarily small | λ, | can assume, in particular λ, = 0, as shown in FIG. 1 is shown, with hardly any lateral losses occurring. In the diode of this invention, the use of low mirrors can be completely avoided, as is desirable for integrated optics applications. It is essential for its mode of operation that R 1 is a low-loss mirror which allows enough light to pass from I to II and from II to I even with a high reflection factor.

Die Reflektoren R 1 und R 2 können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Der einfachste Reflektor besteht aus einem einfachen Brechungsindexsprung.The reflectors R 1 and R 2 can be produced in various ways. The simplest reflector consists of a simple refractive index jump.

Ein solcher tritt z. B. an der Bruchfläche eines Halbleiterkristalles auf, wo der Brechungsindex des Halbleitermaterials und des anschließenden Mediums z. B. Luft aufeinandertreffen.Such occurs z. B. at the fracture surface of a semiconductor crystal where the refractive index of the semiconductor material and the subsequent medium z. B. Air meet.

Reflektoren mit höheren Reflexionsfaktoren bis nahe 1 können z. B. durch dielektrische Interferenzspiegel realisiert werden. Diese bestehen aus aufeinanderfolgenden Schichten unterschiedlicher Brechungsindices.Reflectors with higher reflection factors up to close to 1 can, for. B. by dielectric interference mirrors will be realized. These consist of successive layers of different refractive indices.

Wenn der Resonator ganz oder teilweise aus Wellenrstücks If the resonator is made entirely or partially from a shaft piece

ncomm/inaACPt7l ICincomm / inaACPt7l ICi

Möglichkeit für die Realisierung von Reflektoren. Dann kann durch Strukturierung der Grenzfläche(n) zwischen Π; und /72 und/oder n·, und nj ein sog. Gitterreflektor gebildet werden (Corrugation grating. Bragg-Reflektion). Die Reflektoren R 1 und R 2 müssen keineswegs auf der gleichen physikalischen Wirkungsweise beruhen. So kann z.B. R ί ein Interferenzspiegel und R 2 ein Gitterreflektor sein. Da die Fotodiode mit anderen Bauelementen auf ein Substrat integriert werden soll, kommt für die Lichtaustrittsseite, die nicht am Rande des Substrats liegt, ein Interferenzspiegel wegen der aufwendigen schichtweisen Herstellung kaum in Frage. Dort wird man den Reflektor in der Tat durch Corrugation Grating erzeugen.Possibility of realizing reflectors. Then by structuring the interface (s) between Π; and / 72 and / or n ·, and nj a so-called grating reflector are formed (corrugation grating. Bragg reflection). The reflectors R 1 and R 2 do not have to be based on the same physical mode of operation. For example, R ί can be an interference mirror and R 2 a grating reflector. Since the photodiode is to be integrated with other components on a substrate, an interference mirror is hardly an option for the light exit side that is not on the edge of the substrate because of the complex production in layers. There the reflector will in fact be produced by corrugation grating.

Bildet ein Reflektor einen Übergang zwischen zwei Wellenleitern, tritt bei den Reflexionen im allgemeinen Modenkonversion auf. d. h. Energie wird von einem Mode des Wellenleiters in andere Moden übergeführt. Durch geeignete Gestaltung der Reflektoren kann Modenkonversion ganz oder teilweise verhindert oder doch verringert werden. Stoßen z. B. zwei symmetrische Wellenleiter (ni = /73) aufeinander, kann man Modenkonversion weitgehend verhindern, wenn in beiden Gebieten der gleiche Wert n2i — n22 angenommen wird.If a reflector forms a transition between two waveguides, mode conversion generally occurs during the reflections. ie energy is transferred from one mode of the waveguide to other modes. By suitably designing the reflectors, mode conversion can be completely or partially prevented or at least reduced. Push z. B. two symmetrical waveguides (ni = / 73) on top of one another, mode conversion can largely be prevented if the same value n 2 i - n 2 2 is assumed in both areas.

Der Betriebszustand der Resonanz kann durch passende Wahl des Verhältnisses Wellenlänge zu Lichtweg zwischen R 1 und R 2 erreicht werden. Durch Temperaturänderungen während des Betriebes kann sich die &5 Länge / der Diode aufgrund von Wärmeausdehnung ändern, wodurch die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt wird. Dem kann man durch Abstimmeinrichtungen entgegenwirken.The operating state of resonance can be achieved by a suitable choice of the ratio of wavelength to light path between R 1 and R 2 . Due to temperature changes during operation, the & 5 length / the diode can change due to thermal expansion, which means that the resonance condition is no longer met. This can be counteracted by voting facilities.

Für eine Abstimmung der Diode ist z. B. vorgesehen, diese mit einem Regelelement für die mechanische Spannung am Resonator (siehe Fig. 3) zu verbinden. Dieses Regelelement kann aus einem Piezoelcment oder einem magnetostriktiven Element bestehen.For a tuning of the diode is z. B. provided this with a control element for the mechanical To connect voltage at the resonator (see Fig. 3). This control element can consist of a Piezoelcment or a magnetostrictive element.

Einer Längenänderung der Diode kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung U an das Regelelement entgegengewirkt werden. Eine Spannungsiindcrung Δ11 am Regelelement bewirkt eine Änderung der mechanischen Spannung und hat eine Stauchung oder Streckung und/oder eine Krümmung der Diode zur Folge. Beide Effekte beeinflussen den Lichtweg in der Diode und können zur Abstimmung herangezogen werden. Mit einer eingestrahlten Normalfrequcn/. (Pilotfrequenz) kann festgestellt werden, ob sich die Diode in Resonanz befindet oder anderenfalls eine Abstimmung eingeleitet werden soll.A change in length of the diode can be counteracted by applying an electrical voltage U to the control element. A voltage reduction Δ11 on the control element causes a change in the mechanical tension and results in a compression or stretching and / or a curvature of the diode. Both effects influence the light path in the diode and can be used for coordination. With an irradiated normal frequency /. (Pilot frequency) it can be determined whether the diode is in resonance or otherwise a vote should be initiated.

Eine weiiei'c fviOgiiCnKcu ucP ÄuSuiTirfiüng OCT DiodeA Weiiei'c fviOgiiCnKcu ucP ÄuSuiTirfiüng OCT Diode

erhält man, wenn in der Anordnung der F i g. 3 das Regelelement ein Peltierelement ist. Mit diesem kann durch Erwärmung oder Kühlung die Temperatur der Diode und damit ihre Länge so eingestellt werden, daß der Resonator in Resonanz ist.is obtained if in the arrangement of FIG. 3 the control element is a Peltier element. With this, the temperature of the Diode and thus its length can be adjusted so that the resonator is in resonance.

Der Effekt der Resonanz hat zur Folge, daß die Absorption bei Wellenlängen oder Frequen/änderung des eingestrahlten Lichts innerhalb der Bandbreite auf den halben maxl-.ialen Wert abfällt. Für Dioden mit Resonator kann man je nach Vakuumwellenlänge bei optimaler Wahl der Reflexionsfaktoren von R 1 und R 2 in bezug auf maximale Absorption Halbwerisbreitcn zwischen 0,05 nm und 2 nm erhalten.The effect of the resonance has the consequence that the absorption at wavelengths or frequencies / changes of the radiated light falls within the bandwidth to half the maximum value. For diodes with resonators, half-widths between 0.05 nm and 2 nm can be obtained, depending on the vacuum wavelength, with an optimal choice of the reflection factors of R 1 and R 2 with regard to maximum absorption.

Eine mögliche Anwendung einer Fotodiode mit Resonatorstruktur ist z. B. der Wellenlängenbcrcich um 1,1 μΐη für Si-Fotodioden. Eine Si-Fotodiode mil Resonatorstruktur hätte außer dem erweiterten Wellcnlän-"ep.bereich such den Vorteil, daß sie Quf ein Si-Suhsinit mit Elektronik und anderen elektro-optischen Einrichtungen zu einer integrierten Schaltung vereinigt werden könnte. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß die Diode mit den zugehörigen Spiegeln als letzter Schritt einer integrierten Schaltung hergestellt wird, indem angepaßt dotierte Si-Schichten auf eine wie üblich hergestellte Schaltung (1100°C Diffusion) mit »kalter« Epitaxie (600° C, Atomstrahlepitaxie) aufgebracht werden.One possible application of a photodiode with a resonator structure is z. B. the wavelength range around 1.1 μΐη for Si photodiodes. A Si photodiode with a resonator structure apart from the extended wellness area, would have the advantage of being a Si-Suhsinite be combined with electronics and other electro-optical devices to form an integrated circuit could. This can e.g. B. happen that the diode with the associated mirrors as the last step an integrated circuit is produced by matching doped Si layers on a conventionally produced Circuit (1100 ° C diffusion) with "cold" epitaxy (600 ° C, atomic beam epitaxy) can be applied.

Die Integration der Fotodiode auf Si-Basis ist hier nur als Beispiel angeführt. Sie kann auch mit anderen Halbleitermaterialien erfolgen, insbesondere mit solchen, die für den Bau von Lasern geeignet sind.The integration of the Si-based photodiode is only given here as an example. You can also use other semiconductor materials take place, especially with those that are suitable for the construction of lasers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Halbleiter-Fotodiode, deren Lichteintrittsseite und deren der Lichteintrittsseite gegenüberliegende Seite jeweils Reflektoren besitzt, so daß ein optischer Resonator vorliegt, durch den ausreichende Empfangsempfindlichkeit in einem solchen vorgegebenen Wellenlängenbereich zu erreichen ist, in dem der Absorptionskoeffizient des Halbleitermaterials für die Lichtabsorption in einem begrenzten Ortsbereich zu klein ist, gekennzeichnetdadurch,1. Semiconductor photodiode, the light entry side of which and the side opposite the light entry side Each side has reflectors, so that there is an optical resonator through which sufficient Reception sensitivity can be achieved in such a predetermined wavelength range in which the absorption coefficient of the semiconductor material for the absorption of light in a limited spatial area is too small, characterized by
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