DE4234404A1 - Opto-elektronisches Halbleiterelement - Google Patents
Opto-elektronisches HalbleiterelementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein opto-elektronisches
Halbleiterbauelement als elektro-optischer Modulator mit
einem integrierten optischen Wellenleiter im Einfluß
bereich einer Diodenstruktur und mit äußeren elektrischen
Anschlüssen.
Bei einem bekannten Halbleiterbauelement dieser Art
(DE 40 11 861 A1) sind die zur Injektion von Ladungs
trägern in den integrierten optischen Wellenleiter not
wendigen Diodenwannen im Hinblick auf die Wellenleiter
dämpfung relativ weit vom Wellenleiter entfernt ange
ordnet. Dadurch ergibt sich das Problem, daß das mit
Ladungsträgern zu überflutende Volumen des Halbleiter
bauelementes relativ groß wird, weshalb zum Betrieb
des bekannten Halbleiterbauelementes relativ große
Schaltströme mit damit einhergehender relativ hoher
Verlustleistung erforderlich sind.
Ferner ist ein opto-elektronisches Halbleiterbauelement
als elektro-optischer Modulator bekannt ("Applied Physics
Letters" 51 (1), 6. Juli 1987, Seiten 6 bis 8), bei
dem die vertikale Wellenführung des in diesem Halbleiter
bauelement gebildeten optischen Wellenleiters auf dem
kleinen Realteil der Brechzahl in hochdotiertem Silizium
beruht. Allerdings schließt bei diesem Halbleiterbau
element der optische Wellenleiter hochdotierte Bereiche
ein, was zu hohen Zusatzverlusten aufgrund der Absorption
durch freie Ladungsträger führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein opto
elektronisches Halbleiterbauelement als elektro-optischen
Modulator vorzuschlagen, bei dem die zur Schaltfunktion
notwendigen hohen Ladungsträgerdichten mit vergleichs
weise kleinen Schaltströmen und kleinen Verlustleistungen
erreichbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe weisen bei einem opto
elektronischen Halbleiterelement der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß der Wellenleiter und die Dioden
struktur gemeinsam eine zentrale Silizium-Germanium-
Schicht vorgegebenen Germaniumgehaltes und beider
seits dieser zentralen Silizium-Germanium-Schicht jeweils
anliegend eine Silizium-Beschichtung oder eine weitere
Silizium-Germanium-Schicht mit vergleichsweise geringem
Germaniumgehalt auf, wobei die Silizium-Beschichtungen
oder die weiteren Silizium-Germanium-Schichten von jeweils
entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiter
bauelementes besteht darin, daß bei ihm das optische Feld
in einem kleinen Volumen konzentriert wird und die hohen
Ladungsträgerkonzentrationen nur in diesem kleinen Volumen
erzeugt werden, wodurch in vorteilhafterweise mit ver
hältnismäßig kleinen Schaltströmen und verhältnismäßig
kleinen Verlustleistungen gearbeitet werden kann. Dies ist
durch die Verwendung der zentralen Silizium-Germanium-
Schicht möglich, wobei zum einen das Germanium in dieser
zentralen Schicht den Realteil der Brechzahl erhöht, so
daß die optische Leistung in dieser Silizium-Germanium-
Schicht weitgehend gebündelt wird, und zum anderen
Silizium-Germanium eine kleinere Bandlücke als Silizium
hat, so daß sich die Ladungsträger im Bereich dieser
zentralen Schicht konzentrieren.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann der
Germaniumgehalt in der zentralen Schicht unterschiedlich
hoch bemessen sein; als vorteilhaft wird es jedoch an
gesehen, wenn die zentrale Silizium-Germanium-Schicht
einen Germaniumanteil von höchstens 20% aufweist, weil
bei einem höheren Germaniumanteil in dieser zentralen
Schicht die Dämpfung der Lichtwellen im Halbleiter
bauelement bei einer gängigen Wellenlänge von 1,3 µm
sehr stark ansteigt.
Als besonders vorteilhaft wird es betrachtet, wenn bei
dem erfindungsgemäßen Bauelement die zentrale Silizium-
Germanium-Schicht einen Germaniumgehalt zwischen 15
und 20% und eine Schichtdicke von höchstens 200 nm
aufweist. Bei einer derart bemessenen zentralen Schicht
bleiben die Energiebarrieren an den Heterogrenzflächen
oberhalb der thermischen Energie und die notwendige
Schaltströme können relativ klein sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des er
findungsgemäßen Halbleiterbauelementes weisen die weiteren
Silizium-Germanium-Schichten auf ihrer jeweils von der
zentralen Silizium-Germanium-Schicht abgewandten Seite
Silizium-Schichten von demselben Leitfähigkeitstyp wie die
jeweils benachbarte weitere Silizium-Germanium-Schicht
auf.
Wie an sich bekannt, so kann auch das erfindungsgemäße
Halbleiterbauelement in vorteilhafterweise eine Rippe zur
lateralen Wellenführung aufweisen, die einen äußeren
elektrischen Kontakt trägt.
Ferner kann das erfindungsgemäße Halbleiterbau
element in vorteilhafterweise auch so ausgeführt sein, daß
es eine Tragplatte aus einem Isolierstoff aufweist, der
zur Aufbringung von Silizium geeignet ist (SOI-Material =
Silicon On INsulator-Material).
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung weist das Halbleiterbauelement unter Bildung
eines integrierten optischen Mach-Zehnder-Inferfero
meters neben der einen Rippe eine weitere Rippe zur
lateralen Wellenführung auf, wodurch die Möglichkeit
gegeben ist, die Phasenmodulation durch Interferenz in
eine Intensitätsmodulation des wellenleitergeführten
Lichtes umzusetzen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des er
findungsgemäßen Halbleiterbauelementes weist dieses unter
Bildung eines optischen Umschalters neben der einen Rippe
mit einem zusätzlichen elektrischen Kontakt eine zu
sätzliche Rippe auf, die zwei zusätzliche äußere
elektrische Kontakte trägt.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelementes quergeschnitten perspektivisch,
in
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Halbleiterbauelementes quergeschnitten
perspektivisch, in
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge
mäßen Halbleiterbauelementes als Mach-Zehnder-Inter
ferometer in zwei Darstellungen und in
Fig. 4 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel als optischer
Umschalter in zwei Darstellungen wiedergegeben.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein
opto-elektronisches Halbleiterbauelement 1, das eine
zentrale Silizium-Germanium-Schicht 2 enthält, die
beispielsweise einen Germaniumgehalt von 15% bei einer
Dicke von 100 nm aufweist. Beiderseits liegen an der
zentralen Silizium-Germanium-Schicht 2 unmittelbar weitere
Silizium-Germanium-Schichten 3 und 4 an, die beispiels
weise einen Germaniumgehalt von 5% aufweisen. Dabei ist
die eine weitere Silizium-Germanium-Schicht 3 p-dotiert,
während die andere weitere Silizium-Germanium-Schicht 4
n-dotiert ist. Durch diesen Schichtenaufbau ist ein
in Richtung eines dargestellten Pfeiles verlaufender
optischer Wellenleiter hinsichtlich seiner vertikalen
Wellenführung realisiert.
In der Fig. 1 oberhalb der einen weiteren Silizium-
Germanium-Schicht 3 befindet sich unmittelbar eine
Silizium-Schicht 5, die ebenfalls p-dotiert ist. Diese
Silizium-Schicht 5 bildet mit einer ergänzenden Silizium-
Schicht 6 mit p⁺-Dotierung eine Rippe, durch die die
optische Welle lateral geführt ist.
In der Fig. 1 unterhalb der anderen weiteren Silizium-
Germanium-Schicht 4 ist eine weitere Silizium-Schicht
7 mit n-Dotierung und unterhalb dieser eine weitere
ergänzende Silizium-Schicht 8 - ebenfalls n-dotiert -
angeordnet. Außen an der einen ergänzenden Silizium-
Schicht 6 liegt ein äußerer elektrischer Kontakt 9 und
außen an der anderen ergänzenden Silizium-Schicht 8 ein
weiterer äußerer elektrischer Kontakt 10; an die äußeren
Kontakte 9 und 10 wird beim Betreiben des Halbleiter
bauelementes in nicht dargestellter Weise eine Spannung in
Flußrichtung angelegt. Auf der Oberseite ist das Halb
leiterbauelement mit Schichten 11 und 12 aus Silizium
dioxid oder Siliziumnitrid zur Isolation bedeckt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die zentrale
Silizium-Germanium-Schicht 2 also von Schichten unter
schiedlichen Leitfähigkeitstyps umgeben, wodurch eine pn-
Hetero-Diodenstruktur gebildet ist. Aufgrund des relativ
hohen Gemaniumgehaltes in der zentralen Silizium-
Germanium-Schicht 2 bilden sich Energiebarrieren, so daß
die Rekombination der im Stromflußfall in den pn-Über
gangsbereich injizierten Ladungsträger hauptsächlich in
dieser Schicht 2 stattfindet. Es kommt also zu der ge
wünschten Ladungsträgerbündelung in dieser Silizium-
Germanium-Schicht 2. Diese Schicht 2 bestimmt sowohl die
optischen als auch die elektrischen Eigenschaften des
Halbleiterbauelementes. Eine relativ große Dicke der
Schicht 2 führt dazu, daß ein großer Anteil der optischen
Welle in dieser Schicht geführt wird. Andererseits darf
die kritische Dicke der Schicht 2 für ein versetzungs
freies Kristallwachstum nicht überschritten werden, so daß
eine große Dicke der Schicht 2 nur einen kleinen
Germaniumanteil erlaubt und damit die Bündelung der
injizierten Ladungsträger in dieser Schicht 2 geringer
wird. Die oben angegebenen Werte für die Bemessung der
Schicht 4 stellen ein Optimum dar.
Der nachfolgenden Tabelle lassen sich Bemessungen für die
verschiedenen Schichten 2 bis 8 entnehmen:
Wie der obenstehenden Tabelle zu entnehmen ist, sind die
Schichten 3, 4, 5 und 7 schwach dotiert, um die Absorption
durch freie Ladungsträger gering zu halten. Dabei ist aber
die Dotierung nicht so gering, daß sich dadurch höhere
Serienwiderstände und höhere Verlustleistungen ergeben.
In Abweichung von der beschriebenen Ausgestaltung des
Halbeiterbauelementes gemäß Fig. 1 können die p-dotierten
Schichten 3, 5 und 6 oberhalb der zentralen Schicht 2 auch
n-dotiert sein; entsprechend sind dann die Schichten 4, 7
und 8 p-dotiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine zentrale
Silizium-Germanium-Schicht 20 auf ihrer in der Fig. 2
oberen Seite mit einer Silizium-Beschichtung 21 mit
n-Dotierung und auf ihrer in der Fig. 2 unteren Seite
unmittelbar mit einer weiteren Silizium-Beschichtung 22
mit p-Dotierung versehen. Außerhalb des so gebildeten
Schichtenaufbaus ist noch eine äußere n⁺-dotierte
Silizium-Schicht 23 sowie eine weitere äußere p⁺-dotierte
Silizium-Schicht 24 vorhanden; die Schichten 23 und 24
sind aus technologischen Gründen relativ hoch dotiert. Die
eine äußere Silizium-Schicht 23 ist mittels eines äußeren
elektrischen Kontaktes 25 kontaktiert, während zur
Kontaktierung der weiteren äußeren Silizium-Schicht 24 ein
etwa V-förmig ausgebildeter weiterer äußerer elektrischer
Kontakt 26 dient. Die elektrischen Kontakte 25 und 26 sind
durch einen Isolierbelag 27 aus Siliziumdioxid oder
Siliziumnitrid gegeneinander isoliert; ein weiterer
Isolierbelag 28 aus demselben Werkstoff befindet sich
auf der von dem weiteren Kontakt 26 abgewandten Seite des
einen Kontaktes 25.
Wie die Fig. 2 ferner zeigt, sind auch hier die Schichten
21 und 23 unter Bildung einer Rippe ausgestaltet.
Ergänzend ist zur Fig. 2 ferner anzumerken, daß auch hier
die Dotierung zu beiden Seiten der zentralen Silizium-
Germanium-Schicht 20 ausgetauscht werden kann, ohne daß
sich die Wirkungsweise des Halbleiterbauelementes dadurch
verändert. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß das Halb
leiterbauelement nach dieser Figur von einer Platte 29 aus
einem Isolierstoff getragen ist, der zum Aufbringen von
Silizium geeignet ist (SOI-Material).
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt in der oberen
Darstellung eine Draufsicht auf eine prinzipielle Dar
stellung eines Mach-Zehnder-Interferometers 30 als
Halbleiterbauelement, bei dem ein Lichtstrahl L über die
Zweige 31 und 32 von einem Eingang 33 zu einem Ausgang 34
verläuft, wobei die Zweige eine Länge D aufweisen.
Die untere Darstellung der Fig. 3 gibt im Schnitt ent
lang der Linie III-III nach der oberen Darstellung
perspektivisch die Ausgestaltung des Halbleiterbau
elementes 30 wieder und läßt erkennen, das wiederum eine
zentrale Silizium-Germanium-Schicht 35 vorhanden ist,
neben der sich - wie ausführlich im Zusammenhang mit der
Erläuterung der Fig. 1 dargelegt wurde - weitere Silizium-
Germanium-Schichten 36 und 37 und Silizium-Schichten 38
und 39 erstrecken. Zusammen mit der einen Silizium-Schicht
38 bilden vorteilhafterweise n⁺-dotierte ergänzende
Silizium-Schichten 40 und 41 jeweils eine Rippe 42 bzw.
43. Die ergänzende Silizium-Schicht 41 ist mit einem
äußeren elektrischen Kontakt 44 versehen, während
die weitere Silizium-Schicht 40 wie die übrigen
Oberflächenbereiche des Halbleiterbauelementes 30 mit
einer Isolierschicht 45 aus Siliziumdioxid oder
Siliziumnitrid bedeckt ist.
Unterhalb der weiteren Silizium-Schicht 39 befindet sich
eine weitere ergänzende Silizium-Schicht 46, vorteil
hafter p⁺-dotiert, an der außen ein weiterer äußerer
elektrischer Kontakt 47 anliegt.
Im Einsatzfalle ist eine Spannung in Flußrichtung an die
elektrischen Kontakte 44 und 47 angelegt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erfolgt in
dem unterhalb des einen elektrischen Kontaktes 44
liegenden Zweiges des so gebildeten Mach-Zehnder-Inter
ferometers eine Phasenmodulation wie bei den Aus
führungsformen nach Fig. 1 bzw. 2. Durch Interferenz
bildung wird die Phasenmodulation in eine Intensitäts
modulation des am Ausgang 34 des Interferometers 30
austretenden Lichtes umgesetzt. Die notwendige Länge D der
Zweige 31 und 32 des Interferometers ergibt sich aus der
möglichen Ladungsträgerkonzentration in der zentralen
Silizium-Germanium-Schicht 35 und dem Anteil der optischen
Leistung, der dort geführt wird, so daß sich bei einer
injizierten Ladungsträgerdichte von beispielsweise
3·1018 cm-3 und einem optischen Leistungsanteil von 10%
innerhalb der zentralen Schicht 2 eine Länge D von
ca. 4 mm ergibt. Die Bemessung der einzelnen Schichten des
Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 ist genauso getroffen
wie bei den Schichten nach dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1.
In der oberen Darstellung der Fig. 4 ist eine Draufsicht
auf ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes
gemäß der Erfindung als optischer Umschalter 50 in einer
Prinzipdarstellung gezeigt. Es ist zu erkennen, daß
Lichteingänge 51 und 52 mit Lichtausgängen 53 und
54 derart optisch verbindbar sind, daß beispielsweise über
den Eingang 51 eintreten des Licht entweder am Ausgang 53
oder am Ausgang 54 austreten kann. Die Blöcke 55 und 56
sowie 57 und 58 sollen schematisch äußere elektrische
Kontakte kennzeichnen.
In einem Schnitt entlang der Linie IV-IV der oberen Dar
stellung der Fig. 4 ist in der unteren Darstellung
perspektivisch der konstruktive Aufbau des Halbleiter
bauelementes 50 wiedergegeben.
Wie die untere Darstellung der Fig. 4 zeigt, enthält das
Halbleiterbauelement wiederum eine zentrale Silizium-
Germanium-Schicht 60, ober- und unterhalb der sich in
gleicher Weise, wie es beispielsweise in der unteren
Darstellung der Fig. 3 gezeigt ist, weitere Silizium-
Germanium-Schichten 61 und 62 sowie Silizium-Schichten 63
und 64 erstrecken. Oberhalb der einen Silizium-Schicht 63
sind ergänzende Silizium-Schichten 65 und 66 unter Bildung
von zwei Rippen 67 und 68 angeordnet, die parallel zu
einander verlaufen. Die ergänzenden Silizium-Schichten 65
und 66 sind durch jeweils zwei äußere elektrische Kontakte
55, 56, 57 und 58 kontaktiert, während ein weiterer
äußerer elektrischer Kontakt 73 an einer weiteren er
gänzenden Silizium-Schicht 74 anliegt, die ihrerseits der
weiteren Silizium-Schicht 75 benachbart ist. Auf der
Oberseite des Halbleiterbauelementes 50 befindet sich
wiederum eine Isolierschicht 75 aus Siliziumdioxid oder
Silizumnitrid.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird, wenn
Spannungsquellen in Flußrichtung angeschlossen sind, die
relative Lage von zwei Moden des durch das Halbleiter
bauelement 50 geführten Lichtes zueinander verändert, was
bei entsprechender Lange des Halbleiterbauelementes zu
einer Umschaltung des Lichtes führt.
Claims (8)
1. Opto-elektronisches Halbleiterbauelement als
elektrooptischer Modulator mit einem integrierten
optischen Wellenleiter im Einflußbereich einer
Diodenstruktur und mit äußeren elektrischen Anschlüssen,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wellenleiter und die Diodenstruktur gemeinsam eine
zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) vorgegebenen
Germaniumgehaltes und beiderseits dieser zentralen
Silizium-Germanium-Schicht (2) jeweils anliegend eine
Silizium-Beschichtung (21, 22) oder eine weitere
Silizium-Germanium-Schicht (3, 4) mit vergleichsweise
geringem Germaniumgehalt aufweisen, wobei die Silizium-
Beschichtungen (21, 22) oder die weiteren Silizium-
Germanium-Schichten (3, 4) von jeweils entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp sind.
2. Halbleiterbauelemente nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) einen
Germaniumanteil von höchstens 20% aufweist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) einen
Germaniumgehalt zwischen 15 und 20% und eine Schichtdicke
von höchstens 200 nm aufweist.
4. Halbleiterbauelement nach einen der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die weiteren Silizium-Germanium-Schichten (3, 4) auf ihrer
jeweils von der zentralen Silizium-Germanium-Schicht (2)
abgewandten Seite Silizium-Schichten (5, 7) von demselben
Leitfähigkeitstyp wie die jeweils benachbarte weitere
Silizium-Germanium-Schicht (3, 4) aufweisen und
daß die weiteren Silizium-Germanium-Schichten (3, 4)
und die Silizium-Schichten (5, 7) eine Akzeptor
bzw. Donatorkonzentration von höchstens 1016 cm-3 auf
weisen.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
es eine Rippe zur lateralen Wellenführung aufweist und
daß die Rippe einen äußeren elektrischen Kontakt (9)
trägt.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
es eine Tragplatte (29) aus einem Isolierstoff aufweist,
der zur Aufbringung von Silizium geeignet ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
es unter Bildung eines integrierten optischen Mach-Zehn
der-Interferometers neben der einen Rippe (43) eine
weitere Rippe (42) zur lateralen Wellenführung aufweist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
es unter Bildung eines optischen Umschalters neben der
einen Rippe (67) mit einem zusätzlichen Kontakt (69) eine
zusätzliche Rippe (68) aufweist, die zwei zusätzliche
äußere elektrische Kontakte (70, 71) trägt.
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DE4234404A DE4234404C2 (de) | 1992-10-07 | 1992-10-07 | Opto-elektronisches Halbleiterbauelement |
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DE4234404A DE4234404C2 (de) | 1992-10-07 | 1992-10-07 | Opto-elektronisches Halbleiterbauelement |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017151417A (ja) * | 2016-02-24 | 2017-08-31 | 三菱電機株式会社 | 光変調器素子、それを備える光変調モジュールおよび光変調器素子の製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2541225A1 (de) * | 1974-09-17 | 1976-03-25 | Northern Electric Co | Optischer halbleitermodulator |
EP0433552A2 (de) * | 1989-12-21 | 1991-06-26 | International Business Machines Corporation | Optischer Modulator mit Stegwellenleiter auf Siliziumbasis |
DE4034187A1 (de) * | 1990-04-13 | 1991-10-24 | Mitsubishi Electric Corp | Optisches halbleiterelement |
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1993
- 1993-09-30 WO PCT/DE1993/000929 patent/WO1994008267A1/de active Application Filing
Patent Citations (3)
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