WO1994008267A1 - Optoelectronic semiconductor component - Google Patents

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WO1994008267A1
WO1994008267A1 PCT/DE1993/000929 DE9300929W WO9408267A1 WO 1994008267 A1 WO1994008267 A1 WO 1994008267A1 DE 9300929 W DE9300929 W DE 9300929W WO 9408267 A1 WO9408267 A1 WO 9408267A1
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germanium
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semiconductor component
layers
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Klaus Petermann
Gerhard Abstreiter
Bernd SCHÜPPERT
Uwe Fischer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
    • G02F1/3133—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic semiconductor component as an electro-optical modulator with an integrated optical waveguide in the area of influence of a diode structure and with external electrical connections.
  • an optoelectronic semiconductor component is known as an electro-optical modulator ("Applied Physics Letters” 51 (1), July 6, 1987, pages 6 to 8) in which the vertical waveguide of the optical waveguide formed in this semiconductor component the small real part of the refractive index in highly doped silicon.
  • the optical waveguide includes highly doped areas, which leads to high additional losses due to absorption by free charge carriers.
  • the object of the invention is to propose an opto-electronic semiconductor component as an electro-optical modulator, in which the switching function necessary high charge carrier densities with comparatively small switching currents and small power losses can be achieved.
  • the waveguide and the diode structure jointly have a central silicon-germanium layer of a predetermined germanium content and on both sides of this central silicon-germanium layer each have a silicon coating or a further silicon-germanium layer with a comparatively low germanium content, the silicon coatings or the further silicon-germanium layers each having opposite conductivity types.
  • a major advantage of the semiconductor component according to the invention is that the optical field is concentrated in a small volume and the high charge carrier concentrations are only generated in this small volume, which advantageously means that relatively small switching currents and relatively small power losses are used can.
  • This is possible through the use of the central silicon-germanium layer, whereby on the one hand the germanium in this central layer increases the real part of the refractive index, so that the optical power is largely bundled in this silicon-germanium layer, and on the other hand silicon Germanium has a smaller band gap than silicon, so that the charge carriers are concentrated in the area of this central layer.
  • the germanium content in the central layer can differ to be high; However, it is considered advantageous if the central silicon-germanium layer has a germanium content of at most 20%, because with a higher germanium content in this central layer, the attenuation of the light waves in the semiconductor component at a common wavelength of 1.3 ⁇ increases very sharply.
  • the central silicon germanium layer has a germanium content between 15 and 20% and a layer thickness of at most 200 nm. With a central layer of this size, the energy barriers at the hetero-interfaces remain above the thermal energy and the necessary switching currents can be relatively small.
  • the further silicon germanium layers have silicon layers of the same conductivity type as the respectively adjacent further silicon germanium layer on their side facing away from the central silicon germanium layer.
  • the semiconductor component according to the invention can advantageously also have a rib for lateral wave guidance, which carries an external electrical contact.
  • the semiconductor component with the formation of an integrated optical Mach-Zehnder inferferometer, has a further rib for lateral waveguiding in addition to the one rib, as a result of which it is possible to convert the phase modulation by interference into intensity modulation of the waveguide-guided light to implement.
  • this has an additional rib with an additional electrical contact in addition to the one rib, which carries two additional external electrical contacts, forming an optical switch.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention is shown in cross section in perspective in FIG. 1
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention in a cross-sectional perspective, in
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention as a Mach-Zehnder interferometer in two representations
  • FIG. 4 shows an additional exemplary embodiment as an optical switch in two representations.
  • FIG. 1 shows an optoelectronic semiconductor component 1 which contains a central silicon germanium layer 2 which for example, has a germanium content of 15% at a thickness of 100 nm. Additional silicon germanium layers 3 and 4, which have, for example, a germanium content of 5%, are immediately adjacent to the central silicon germanium layer 2. One further silicon germanium layer 3 is p-doped, while the other further silicon germanium layer 4 is n-doped. With this layer structure, an optical waveguide running in the direction of an arrow shown is realized with regard to its vertical waveguide.
  • FIG. 1 there is a silicon layer 5, which is also p-doped, directly above another silicon germanium layer 3. This is
  • Silicon layer 5 forms a rib with an additional silicon layer 6 with p + doping, through which the optical wave is guided laterally.
  • FIG. 1 shows another silicon layer 7 with n-doping and below this another additional silicon layer 8 - likewise n-doped - is arranged below the other silicon-germanium layer 4.
  • the semiconductor component is covered with layers 11 and 12 made of silicon dioxide or silicon nitride for insulation.
  • the central Silicon-germanium layer 2 is thus surrounded by layers of different conductivity types, whereby a pn-hetero-diode structure is formed. Due to the relatively high gemanium content in the central silicon germanium layer 2, energy barriers form, so that the recombination of the charge carriers injected into the pn junction region in the event of current flow takes place mainly in this layer 2. This results in the desired charge carrier bundling in this silicon germanium layer 2.
  • This layer 2 determines both the optical and the electrical properties of the semiconductor component. A relatively large thickness of the layer 2 means that a large proportion of the optical wave is guided in this layer.
  • the critical thickness of layer 2 for a dislocation-free crystal growth must not be exceeded, so that a large thickness of layer 2 only allows a small proportion of germanium and thus the concentration of the injected charge carriers in layer 2 is reduced.
  • the values given above for the dimensioning of layer 4 represent an optimum.
  • the layers 3, 4, 5 and 7 are weakly doped in order to keep the absorption by free charge carriers low.
  • the doping is not so low that this results in higher series resistances and higher power losses.
  • the p-doped layers 3, 5 and 6 above the central layer 2 can also be n-doped; layers 4, 7 and 8 are then p-doped accordingly.
  • a central silicon germanium layer 20 is provided on its upper side in FIG. 2 with a silicon coating 21 with n-doping and on its lower side in FIG. 2 with another silicon layer.
  • coating 22 with p-doping.
  • outer n + -doped silicon layer 23 is also an outer n + -doped silicon layer 23 and a further outer p + -doped silicon layer 24; layers 23 and 24 are relatively highly doped for technological reasons.
  • One outer silicon layer 23 is contacted by means of an outer electrical contact 25, while an approximately V-shaped further outer electrical contact 26 is used to contact the further outer silicon layer 24.
  • the electrical contacts 25 and 26 are insulated from one another by an insulating coating 27 made of silicon dioxide or silicon nitride; there is another insulating covering 28 made of the same material on the side of the one contact 25 facing away from the further contact 26.
  • the layers 21 and 23 are also designed to form a rib.
  • the doping on both sides of the central silicon germanium layer 20 can also be exchanged here without the mode of operation of the semiconductor component changing as a result.
  • the semiconductor component according to this figure is carried by a plate 29 made of an insulating material which is suitable for the application of silicon (SOI material).
  • FIG 3 shows a top view of a basic representation of a Mach-Zehnder interferometer 30 as a semiconductor component, in which a light beam L runs over branches 31 and 32 from an input 33 to an output 34, the branches having a length D.
  • FIG. 3 shows, in section along line III-III, the perspective view of the configuration of the semiconductor component 30 and shows that a central silicon germanium layer 35 is present, in addition to the - as was explained in detail in connection with the explanation of FIG. 1 - further silicon germanium layers 36 and 37 and silicon layers 38 and 39 extend.
  • n + -doped additional silicon layers 40 and 41 advantageously form a rib 42 and 43, respectively.
  • the additional silicon layer 41 is provided with a provided external electrical contact 44, while the further silicon layer 40, like the other surface areas of the semiconductor component 30, is covered with an insulating layer 45 made of silicon dioxide or silicon nitride.
  • phase modulation takes place in the branch of the Mach-Zehnder interferometer formed in this way, as is the case with the embodiments according to FIGS. 1 and 2, respectively Phase modulation is converted into an intensity modulation of the light emerging at the output 34 of the interferometer 30.
  • the necessary length D of the branches 31 and 32 of the interferometer results from the possible charge carrier concentration in the central silicon germanium layer 35 and the proportion of the optical power that is conducted there, so that with an injected charge carrier density of, for example, 3. 10 18 cm 3 and an optical power share of 10% within the central layer 2 results in a length D of approximately 4 mm.
  • Fig. 1. 4 shows a top view of an exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention as an optical switch 50 in a basic illustration. It can be seen that light inputs 51 and 52 can be optically connected to light outputs 53 and 54 such that, for example, light entering via input 51 can exit either at output 53 or at output 54. Blocks 55 and 56 and 57 and 58 are intended to schematically identify external electrical contacts.
  • the semiconductor component in turn contains a central silicon germanium layer 60, above and below the s i in the same way as it is, for example, in the lower representation of FIG. 3, further silicon germanium layers 61 and 62 and silicon layers 63 and 64 extend. Additional silicon layers 65 and 66 are arranged above the silicon layer 63 to form two ribs 67 and 68 which run parallel to one another. The additional silicon layers 65 and 66 are each contacted by two outer electrical contacts 55, 56, 57 and 58, while a further external electrical contact 73 rests on another additional silicon layer 74, which in turn is the other silicon Layer 75 is adjacent.
  • An insulating layer 75 made of silicon dioxide or silicon nitride is in turn located on the top side of the semiconductor component 50.
  • the relative position of two modes of the light guided through the semiconductor component 50 is changed relative to one another, which leads to a switchover of the light if the semiconductor component has a corresponding length.

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Abstract

The invention relates to an optoelectronic semiconductor component in the form of an electro-optical modulator with an integrated optical waveguide in the sphere of influence of a diode structure and with external electrical connections. In order to realize the high charge carrier densities required for the switching function, with relatively low switching currents at low power loss, the waveguide and the diode structure have in common a central silicon-germanium layer (2) of predetermined germanium content and on both sides of this central layer (2) a silicon coating (21, 22) or another silicon-germanium layer (3, 4) with relatively low germanium content. The silicon coatings (21, 22) or the other silicon-germanium layers (3, 4) are in each case of opposite conductivity type.

Description

Opto-elektronisches Halbleiterbauelement Optoelectronic semiconductor component
Die Erfindung bezieht sich auf ein opto-elektronisches Halbleiterbauelement als elektro-optischer Modulator mit einem integrierten optischen Wellenleiter im Einflu߬ bereich einer Diodenstruktur und mit äußeren elektrischen Anschlüssen.The invention relates to an optoelectronic semiconductor component as an electro-optical modulator with an integrated optical waveguide in the area of influence of a diode structure and with external electrical connections.
Bei einem bekannten Halbleiterbauelement dieser Art (DE 40 11 861 AI) 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.In a known semiconductor component of this type (DE 40 11 861 A1), the diode troughs required for injecting charge carriers into the integrated optical waveguide are arranged relatively far from the waveguide with regard to the waveguide attenuation. This gives rise to the problem that the volume of the semiconductor component to be flooded with charge carriers becomes relatively large, which is why relatively large switching currents with the associated relatively high power loss are required to operate the known semiconductor component.
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.Furthermore, an optoelectronic semiconductor component is known as an electro-optical modulator ("Applied Physics Letters" 51 (1), July 6, 1987, pages 6 to 8) in which the vertical waveguide of the optical waveguide formed in this semiconductor component the small real part of the refractive index in highly doped silicon. However, in this semiconductor component the optical waveguide includes highly doped areas, which leads to high additional losses due to absorption by free charge carriers.
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.The object of the invention is to propose an opto-electronic semiconductor component as an electro-optical modulator, in which the switching function necessary high charge carrier densities with comparatively small switching currents and small power losses can be achieved.
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.To achieve this object, in an optoelectronic semiconductor element of the type specified at the outset, according to the invention the waveguide and the diode structure jointly have a central silicon-germanium layer of a predetermined germanium content and on both sides of this central silicon-germanium layer each have a silicon coating or a further silicon-germanium layer with a comparatively low germanium content, the silicon coatings or the further silicon-germanium layers each having opposite conductivity types.
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.A major advantage of the semiconductor component according to the invention is that the optical field is concentrated in a small volume and the high charge carrier concentrations are only generated in this small volume, which advantageously means that relatively small switching currents and relatively small power losses are used can. This is possible through the use of the central silicon-germanium layer, whereby on the one hand the germanium in this central layer increases the real part of the refractive index, so that the optical power is largely bundled in this silicon-germanium layer, and on the other hand silicon Germanium has a smaller band gap than silicon, so that the charge carriers are concentrated in the area of this central layer.
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 Germaniumaπteil in dieser zentralen Schicht die Dämpfung der Lichtwellen im Halbleiter¬ bauelement bei einer gängigen Wellenlänge von 1,3 μ sehr stark ansteigt.In the semiconductor component according to the invention, the germanium content in the central layer can differ to be high; However, it is considered advantageous if the central silicon-germanium layer has a germanium content of at most 20%, because with a higher germanium content in this central layer, the attenuation of the light waves in the semiconductor component at a common wavelength of 1.3 μ increases very sharply.
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.It is considered particularly advantageous if, in the component according to the invention, the central silicon germanium layer has a germanium content between 15 and 20% and a layer thickness of at most 200 nm. With a central layer of this size, the energy barriers at the hetero-interfaces remain above the thermal energy and the necessary switching currents can be relatively small.
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.In a further advantageous embodiment of the semiconductor component according to the invention, the further silicon germanium layers have silicon layers of the same conductivity type as the respectively adjacent further silicon germanium layer on their side facing away from the central silicon germanium layer.
Wie an sich bekannt, so kann auch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in vorteilhafterweise eine Rippe zur lateralen Wellenführung aufweisen, die einen äußeren elektrischen Kontakt trägt.As is known per se, the semiconductor component according to the invention can advantageously also have a rib for lateral wave guidance, which carries an external electrical contact.
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) .Furthermore, the semiconductor component according to the invention can advantageously also be designed such that it has a support plate made of an insulating material which is suitable for the application of silicon (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.In a further advantageous embodiment of the invention, the semiconductor component, with the formation of an integrated optical Mach-Zehnder inferferometer, has a further rib for lateral waveguiding in addition to the one rib, as a result of which it is possible to convert the phase modulation by interference into intensity modulation of the waveguide-guided light to implement.
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.In a further advantageous embodiment of the semiconductor component according to the invention, this has an additional rib with an additional electrical contact in addition to the one rib, which carries two additional external electrical contacts, forming an optical switch.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes quergeschnitten perspektivisch, inTo illustrate the invention, an exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention is shown in cross section in perspective in FIG
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Halbleiterbauelementes quergeschnitten perspektivisch, inFIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention in a cross-sectional perspective, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Halbleiterbauelementes als Mach-Zehnder-Inter- ferometer in zwei Darstellungen und in Figur 4 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel als optischer Umschalter in zwei Darstellungen wiedergegeben.FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention as a Mach-Zehnder interferometer in two representations, and FIG. 4 shows an additional exemplary embodiment as an optical switch in two representations.
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 Slizium-Germanium-Schicht 2 unmittelbar weitere Silizium-Germaniu -Schichteπ 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.The exemplary embodiment shown in FIG. 1 shows an optoelectronic semiconductor component 1 which contains a central silicon germanium layer 2 which for example, has a germanium content of 15% at a thickness of 100 nm. Additional silicon germanium layers 3 and 4, which have, for example, a germanium content of 5%, are immediately adjacent to the central silicon germanium layer 2. One further silicon germanium layer 3 is p-doped, while the other further silicon germanium layer 4 is n-doped. With this layer structure, an optical waveguide running in the direction of an arrow shown is realized with regard to its vertical waveguide.
In der Fig. 1 oberhalb der einen weiteren Silizium- Germanium-Schicht 3 befindet sich unmittelbar eine Silizium-Schicht 5, die ebenfalls p-dotiert ist. DieseIn FIG. 1, there is a silicon layer 5, which is also p-doped, directly above another silicon germanium layer 3. This
Silizium-Schicht 5 bildet mit einer ergänzenden Silizium- Schicht 6 mit p+-Dotierung eine Rippe, durch die die optische Welle lateral geführt ist.Silicon layer 5 forms a rib with an additional silicon layer 6 with p + doping, through which the optical wave is guided laterally.
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.1 shows another silicon layer 7 with n-doping and below this another additional silicon layer 8 - likewise n-doped - is arranged below the other silicon-germanium layer 4. On the outside of the one additional silicon layer 6 there is an external electrical contact 9 and on the outside of the other additional silicon layer 8 there is another external electrical contact 10; A voltage in the direction of flow is applied to the outer contacts 9 and 10 when the semiconductor component is operated in a manner not shown. On the upper side, the semiconductor component is covered with layers 11 and 12 made of silicon dioxide or silicon nitride for insulation.
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.In the embodiment of FIG. 1, the central Silicon-germanium layer 2 is thus surrounded by layers of different conductivity types, whereby a pn-hetero-diode structure is formed. Due to the relatively high gemanium content in the central silicon germanium layer 2, energy barriers form, so that the recombination of the charge carriers injected into the pn junction region in the event of current flow takes place mainly in this layer 2. This results in the desired charge carrier bundling in this silicon germanium layer 2. This layer 2 determines both the optical and the electrical properties of the semiconductor component. A relatively large thickness of the layer 2 means that a large proportion of the optical wave is guided in this layer. On the other hand, the critical thickness of layer 2 for a dislocation-free crystal growth must not be exceeded, so that a large thickness of layer 2 only allows a small proportion of germanium and thus the concentration of the injected charge carriers in layer 2 is reduced. The values given above for the dimensioning of layer 4 represent an optimum.
Der nachfolgenden Tabelle lassen s ich Bemessungen für die verschiedenen Schichten 2 bis 8 entnehmen :The table below shows the dimensions for the different layers 2 to 8:
Figure imgf000008_0001
Schicht Dicke Dotierung Germaniumgehalt
Figure imgf000008_0001
Layer thick doping germanium content
Schicht 7 > 3 μm 1 1n016 cm-3 Schicht 8 Wafer 1in019 ™cm"Layer 7> 3 μm 1 1n 016 cm-3 Layer 8 wafer 1in0 19 ™ cm "
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.As can be seen from the table above, the layers 3, 4, 5 and 7 are weakly doped in order to keep the absorption by free charge carriers low. However, the doping is not so low that this results in higher series resistances and higher power losses.
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.In deviation from the described configuration of the semiconductor component according to FIG. 1, the p-doped layers 3, 5 and 6 above the central layer 2 can also be n-doped; layers 4, 7 and 8 are then p-doped accordingly.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 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.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, a central silicon germanium layer 20 is provided on its upper side in FIG. 2 with a silicon coating 21 with n-doping and on its lower side in FIG. 2 with another silicon layer. Provide coating 22 with p-doping. Outside the layer structure thus formed, there is also an outer n + -doped silicon layer 23 and a further outer p + -doped silicon layer 24; layers 23 and 24 are relatively highly doped for technological reasons. One outer silicon layer 23 is contacted by means of an outer electrical contact 25, while an approximately V-shaped further outer electrical contact 26 is used to contact the further outer silicon layer 24. The electrical contacts 25 and 26 are insulated from one another by an insulating coating 27 made of silicon dioxide or silicon nitride; there is another insulating covering 28 made of the same material on the side of the one contact 25 facing away from the further contact 26.
Wie die Figur 2 ferner zeigt, sind auch hier die Schichten 21 und 23 unter Bildung einer Rippe ausgestaltet.As FIG. 2 also shows, the layers 21 and 23 are also designed to form a rib.
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).In addition to FIG. 2, it should also be noted that the doping on both sides of the central silicon germanium layer 20 can also be exchanged here without the mode of operation of the semiconductor component changing as a result. It should also be pointed out that the semiconductor component according to this figure is carried by a plate 29 made of an insulating material which is suitable for the application of silicon (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.3 shows a top view of a basic representation of a Mach-Zehnder interferometer 30 as a semiconductor component, in which a light beam L runs over branches 31 and 32 from an input 33 to an output 34, the branches having a length D.
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.The lower illustration in FIG. 3 shows, in section along line III-III, the perspective view of the configuration of the semiconductor component 30 and shows that a central silicon germanium layer 35 is present, in addition to the - as was explained in detail in connection with the explanation of FIG. 1 - further silicon germanium layers 36 and 37 and silicon layers 38 and 39 extend. Together with the one silicon layer 38, n + -doped additional silicon layers 40 and 41 advantageously form a rib 42 and 43, respectively. The additional silicon layer 41 is provided with a provided external electrical contact 44, while the further silicon layer 40, like the other surface areas of the semiconductor component 30, is covered with an insulating layer 45 made of silicon dioxide or silicon nitride.
> 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.> Below the further silicon layer 39 there is a further supplementary silicon layer 46, advantageously p + -doped, on which there is a further external electrical contact 47 on the outside.
Im Einsatzfalle ist eine Spannung in Flußrichtung an die elektrischen Kontakte 44 und 47 angelegt.In the case of use, a voltage is applied to the electrical contacts 44 and 47 in the direction of flow.
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 . 10 18cm 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 desIn the embodiment according to FIG. 3, phase modulation takes place in the branch of the Mach-Zehnder interferometer formed in this way, as is the case with the embodiments according to FIGS. 1 and 2, respectively Phase modulation is converted into an intensity modulation of the light emerging at the output 34 of the interferometer 30. The necessary length D of the branches 31 and 32 of the interferometer results from the possible charge carrier concentration in the central silicon germanium layer 35 and the proportion of the optical power that is conducted there, so that with an injected charge carrier density of, for example, 3. 10 18 cm 3 and an optical power share of 10% within the central layer 2 results in a length D of approximately 4 mm. The dimensioning of the individual layers of the
Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 ist genauso getroffen wie bei den Schichten nach dem Ausführungsbeispiel gemäß3 is the same as in the layers according to the embodiment of FIG
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.Fig. 1. 4 shows a top view of an exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention as an optical switch 50 in a basic illustration. It can be seen that light inputs 51 and 52 can be optically connected to light outputs 53 and 54 such that, for example, light entering via input 51 can exit either at output 53 or at output 54. Blocks 55 and 56 and 57 and 58 are intended to schematically identify external electrical contacts.
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 .In a section along the line IV-IV of the upper representation of FIG. 4, the structural design of the semiconductor component 50 is shown in perspective in the lower illustration.
Wie die untere Darstellung der Fig . 4 zeigt , enthält das Halbleiterbauelement wiederum eine zentrale Silzi um- Germanium-Schicht 60 , ober - und unterhalb der s ich i n gleicher Weise , wie es be ispielsweise in der unteren Darstellung der Fig . 3 gezeigt ist , weitere Silizi um- Germanium-Schichten 61 un d 62 sowie Silizium-Schichten 63 und 64 erstrecken . Oberhalb der e inen Silizium-Schicht 63 sind ergänzende Silizium-Schichten 65 und 66 unter Bildung von zwei Rippen 67 und 68 angeordnet , die parallel z u einander verlaufen. Die ergänzenden Silizium-Schichten 65 und 66 sind durch jeweils zwei äußere elektrische Kontakte 55 , 56 , 57 und 58 kontakt iert , während ein weiterer äußerer elektrischer Kontakt 73 an einer weiteren er ¬ gänzenden Silizium-Schicht 74 anl iegt , 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 Länge des Halbleiterbauelementes zu einer Umschaltung des Lichtes führt. As the lower representation of Fig. 4 shows, the semiconductor component in turn contains a central silicon germanium layer 60, above and below the s i in the same way as it is, for example, in the lower representation of FIG. 3, further silicon germanium layers 61 and 62 and silicon layers 63 and 64 extend. Additional silicon layers 65 and 66 are arranged above the silicon layer 63 to form two ribs 67 and 68 which run parallel to one another. The additional silicon layers 65 and 66 are each contacted by two outer electrical contacts 55, 56, 57 and 58, while a further external electrical contact 73 rests on another additional silicon layer 74, which in turn is the other silicon Layer 75 is adjacent. An insulating layer 75 made of silicon dioxide or silicon nitride is in turn located on the top side of the semiconductor component 50. In the exemplary embodiment according to FIG. 4, when voltage sources are connected in the direction of flow, the relative position of two modes of the light guided through the semiconductor component 50 is changed relative to one another, which leads to a switchover of the light if the semiconductor component has a corresponding length.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Opto-elektronisches Halbleiterbauelement als elektrooptischer Modulator mit einem integrierten optischen Wellenleiter im Einflußbereich einer1. Optoelectronic semiconductor component as an electro-optical modulator with an integrated optical waveguide in the area of influence
Diodenstruktur und mit äußeren elektrischen Anschlüssen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wellenleiter und die Diodenstruktur gemeinsam eine zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) vorgegebenen Germaniumgehaltes und beiderseits dieser zentralenDiode structure and with external electrical connections, so that the waveguide and the diode structure together have a central silicon-germanium layer (2) of predetermined germanium content and on both sides of this central
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.Silicon-germanium layer (2) each having a silicon coating (21, 22) or a further silicon-germanium layer (3, 4) with a comparatively low germanium content, the silicon coatings (21, 22) or the are further silicon germanium layers (3, 4) of opposite conductivity type.
2. Halbleiterbauelemente 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 die zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) einen Germaniumanteil von höchstens 20 % aufweist.2. Semiconductor components according to claim 1, so that the central silicon-germanium layer (2) has a germanium content of at most 20%.
3. Halbleiterbauelement 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 die zentrale Silizium-Germanium-Schicht (2) einen Germaniumgehalt zwischen 15 und 20 % und eine Schichtdicke von höchstens 200 nm aufweist.3. Semiconductor component according to claim 1 or 2, that the central silicon-germanium layer (2) has a germanium content between 15 and 20% and a layer thickness of at most 200 nm.
4. Halbleiterbauelement nach einen der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 Sililzium-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 10 cm~ auf¬ weisen.4. Semiconductor component according to one of the preceding claims, characterized in that the further silicon germanium layers (3, 4) on their respective from the central silicon germanium layer (2) side facing away from silicon layers (5, 7) of the same conductivity type as the respectively adjacent further silicon germanium layer (3, 4) and that the further silicon germanium layers (3, 4) and the silicon layers (5 , 7) have an acceptor or donor concentration of at most 10 cm ~ .
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es eine Rippe zur lateralen Wellenführung aufweist und daß die Rippe einen äußeren elektrischen Kontakt (9) trägt.5. Semiconductor component according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that it has a rib for lateral wave guidance and that the rib carries an external electrical contact (9).
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es eine Tragplatte (29) aus einem Isolierstoff aufweist, der zur Aufbringung von Silizium geeignet ist.6. A semiconductor device according to any one of the preceding claims, that it has a support plate (29) made of an insulating material which is suitable for the application of silicon.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden7. Semiconductor component according to one of the preceding
Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es unter Bildung eines integrierten optischen Mach-Zehn- der-Interferometers neben der einen Rippe (43) eine weitere Rippe (42) zur lateralen Wellenführung aufweist.Claims, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that it forms an integrated optical Mach-tens interferometer in addition to the one rib (43) has a further rib (42) for lateral wave guidance.
8. Halbleiterbauelement 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 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. 8. Semiconductor component according to one of claims 1 to 7, characterized in that it has an additional rib (68) with an additional contact (69), forming an optical switch next to the one rib (67), the two additional external electrical contacts (70 , 71).
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