DE4234404C2 - Opto-elektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

Opto-elektronisches Halbleiterbauelement

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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 aus übereinander liegenden Halbleitermaterial-Schichten und mit äußeren, sich in zu den Halbleitermaterial-Schichten parallelen Ebenen erstreckenden, elektrischen Kontakten, die auf der Modulatoroberseite streifenförmig und die Modulator­ unterseite vollständig bedeckend ausgebildet sind.
Ein opto-elektronisches Halbleiterbauelement dieser Art ist in der US-PS 4 787 691 beschrieben. Dieses als elektro-optischer Modulator dienende Halbleiterbau­ element besitzt einen integrierten optischen Wellenleiter im Einflußbereich einer Diodenstruktur, die überein­ anderliegende Halbleitermaterial-Schichten aufweist, also gewissermaßen einen waffelartigen Aufbau besitzt. Außerdem ist das bekannte Halbleiterbauelement mit äußeren elektri­ schen Kontakten versehen, die sich in zu den Halbleiter­ material-Schichten parallelen Ebenen erstrecken und auf der Bauelementoberseite streifenförmig und die Bauelement­ unterseite bedeckend ausgebildet sind.
Bei einem anderen bekannten Halbleiterbauelement (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 in bezug auf den Germanium­ gehalt der zentralen Silizium-Germaniumschicht vergleichs­ weise 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 vorteilhafter Weise 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 zwischen zwei Licht­ ausgängen neben der einen Rippe mit einem zusätzlichen elektrischen Kontakt eine zusätzliche Rippe auf, die zwei zusätzliche äußere elektrische Kontakte trägt.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes quergeschnitten perspektivisch,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Halbleiterbauelementes quergeschnitten perspektivisch,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Halbleiterbauelementes als Mach-Zehnder-Inter­ ferometer in zwei Darstellungen und
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-Cermanium-Schicht 2 enthält, die beispielsweise einen Germaniumgehalt von 15% bei einer Dicke von 100 nm aufweist. Beiderseits liegen an der zentralen Slizium-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- Cermanium-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- Cermanium-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 Cemaniumgehaltes 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 3·10¹⁸cm-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 eintretendes 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 weitere 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 ergänzenden Silizium-Schicht 74 anliegt, die ihrerseits der weiteren Silizium-Schicht 64 benachbart ist. Auf der Oberseite des Halbleiterbauelementes 50 befindet sich wiederum eine Isolierschicht 75 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
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 Länge 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 aus übereinander liegenden Halbleitermaterial-Schichten und mit äußeren, sich in zu den Halbleitermaterial-Schichten parallelen Ebenen erstreckenden, elektrischen Kontakten, die auf der Modulatoroberseite streifenförmig und die Modulator­ unterseite vollständig bedeckend ausgebildet sind, 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 in bezug auf den Germaniumgehalt der zentralen Silizium-Germaniumschicht vergleichsweise geringem Germaniumgehalt aufweisen, wobei die Silizium-Beschichtungen (21, 22) oder die weiteren Silizium-Germanium-Schichten (3, 4) von jeweils entgegen­ gesetztem 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- oder Donatorkonzentration von höchstens 10¹⁶cm-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 zwischen zwei Lichtausgängen (53, 54) neben der einen Rippe (67) mit einem zusätzlichen Kontakt (56) eine zusätzliche Rippe (68) aufweist, die zwei zusätzliche äußere elektrische Kontakte (57, 58) trägt.
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