ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к оптоэлектронным излучающим и фоточувствительным приборам, и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов для волоконно-оптических линий связи.

Известен полупроводниковый оптоэлектронный прибор, излучающий диод и фотодиод, выполненные на одном и том же активном слое полупроводника [1]
Недостатком известного оптоэлектронного прибора является невозможность дуплексного режима работы одновременной передачи и приема оптического сигнала (сигнал из собственного излучателя не позволяет выделить полезный принимаемый сигнал). Использование одного и того же слоя для излучателя и фотодиода не позволяет в полной мере оптимизировать передачу и прием оптического сигнала.

Известен полупроводниковый оптоэлектронный прибор, содержащий излучающий диод и фотодиод с приемной площадкой, сформированные в едином кристалле с одной стороны подложки и включающие расположенные на подложке первый ограничивающий слой, активный слой, второй ограничивающий слой, дополнительный слой с противоположным второму ограничивающему слою типу проводимости и кольцеобразные омические контакты. В этом приборе фотодиод предназначен для регистрации части испускаемого излучающим диодом излучения. Следовательно, ширина запрещенной зоны полупроводника дополнительного слоя должна быть не более ширины запрещенной зоны активного слоя. Фоточувствительная область фотодиода "открыта" внутрь кристалла и практически полностью перекрыта омическим контактом для излучения, поступающего из волокна. Если на прибор поступает излучение из световода (внешний оптический сигнал) и одновременно работает излучающий диод, то фотодиод чувствует только излучение собственного излучателя, поскольку мощность этого излучения всегда на порядок и более превышает уровень мощности внешнего оптического сигнала [2]
Таким образом, недостатками известного полупроводникового оптоэлектронного прибора является невозможность его работы в дуплексном режиме, а также недостаточная эффективность передачи и приема излучения из-за перекрытия излучающей и приемной площадок омическими контактами.

Целью изобретения является обеспечение возможности дуплексного режима работы прибора и повышение эффективности передачи и приема излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом оптоэлектронном приборе, содержащем излучающий диод и фотодиод с приемной площадкой, сформированные в едином кристалле с одной стороны подложки, и включающий расположенные на подложке первый ограничивающий слой, активный слой, второй ограничивающий слой, дополнительный слой с типом проводимости, противоположным типу проводимости второго ограничивающего слоя, и кольцеобразные омические контакты, дополнительный слой выполнен из материала с шириной запрещенной зоны, большей ширины запрещенной зоны материала активного слоя, и размещен на всей поверхности за исключением центральной части кристалла, на дополнительном слое сформирован второй дополнительный слой из материала с такой же или большей шириной запрещенной зоны, смыкающийся в центральной части кристалла с вторым ограничивающим слоем и совпадающий с ним по типу проводимости, а омические контакты размещены за пределами фотоприемной площадки.

Фотодиодная структура сформирована из первого и второго дополнительных слоев, ширина запрещенной зоны которых больше ширины запрещенной зоны активного слоя ИД. Вследствие этого фотодиод не чувствителен к засветке, возникающей при работе собственного ИД, а также отраженного излучения от торца волоконно-оптического кабеля.

На фиг. 1 представлен предлагаемый прибор, поперечное сечение; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 2 электрическая схема подключения элемента при работе в режиме одновременного приема и передачи оптического сигнала.

Предлагаемый прибор содержит в едином кристалле с одной стороны полупроводниковой подложки 1 из n LuP, излучатель 2 на основе двойной гетероструктуры и фотоприемник 3, расположенный над излучателем и соосно с ним, три омических контакта: сплошной контакт 4 к излучателю со стороны подложки, кольцеобразные омические контакты к фотоприемнику 5, и общий контакт 6. Омические контакты к слоям размещены за пределами фотоприемной площадки фотодиода. Контакт к фотоприемнику 5 ограничивает геометрическую площадь фотодиода для достижения верхнего рабочего частотного диапазона. Общий контакт 6 внутренним диаметром ограничивает фоточувствительную площадку, согласованную с диаметром используемого оптоволокна.

Площадь, занимаемая излучающим окном 7 по отношению к фоточувствительной области приемника, составляет 2-15% в зависимости от диаметра сердцевины используемого оптоволокна 200 и 50 мкм соответственно.

Полупроводниковые элементы изготавливаются, например, следующим образом. На полупроводниковой площадке из n-LuP с концентрацией свободных носителей (5 ˙10¹⁷ 1˙10¹⁸) см^-3 и ориентированной в плоскости (100) выращивались методом жидкофазной эпитаксии первой ограничивающий слой из n-Lu_1-xGa_xAs_yP_1-g ( λ 1,04 мкм), активный слой n-Lu_1-xGa_xAs_yP_1-y соответствующий λ 1,55 мкм, второй ограничивающий слой p Lu_1-xGa_xAs_gP_1-y ( λ 1,0), первый дополнительный слой n-Lu_1-xGa_xAs_yP_1-y с граничной длиной волны поглощения λ_пр= 1,30 мкм и второй дополнительный слой из n-LuP (или n-Lu_1-xGa_xAs_yP_1-y λ 0,94).

С помощью базовых химических и фотолитографических процессов в центральной части кристалла вытравливается лунка на глубину дополнительных слоев. С помощью диффузионных технологических процессов на глубину второго дополнительного слоя внедpяется акцепторная примесь по всей поверхности кристалла, включая лунку, что обеспечивает замыкание второго дополнительного слоя с вторым ограничивающим слоем. Затем формируются омические контакты: общий, к фотоприемнику и излучателю. Омический контакт к первому дополнительному слою, являющемуся активным слоем ИД, ограничивает геометрическую площадь фотодиода для достижения верхнего рабочего частотного диапазона. Далее после фотолитографии и мезатравления ограничивается размер кристалла. Полупроводниковая пластина разделяется на кристаллы с помощью лазерной резки.

После химической обработки кристаллы со стороны контакта 4 (фиг. 1) сплавляются на корпус, к которому с помощью золотой проволоки (диаметром 30 мкм) подводятся выводы от контактов 5 и 6. Все процессы, используемые при изготовлении приборов, являются технологичными и высокопроизводительными. Они внедрены и используются в серийном производстве оптоэлектронных приборов. Электрическая схема подключения прибора при работе на постоянном токе представлена на фиг. 3. Элемент работает следующим образом. При засветке кристалла заявляемого прибора внешним излучателем сλ_вн из оптоволокна 9 (фиг. 1), во внешней цепи контактов 5 и 6 (фиг. 3) протекает фототок I_ф, который регистрируется микроамперметром. Одновременно, при пропускании электрического тока (I_пр) через контакты 6 и 4 (фиг. 3) в активной области ИД генерируется оптическое излучение с λ>λ_пр^ф>λ_вн которое выводится через окно 7 (фиг. 1) кристалла и вводится в оптоволокно 9. Это излучение с длиной волны λ засвечивает собственный фотодиод, который не чувствителен к нему, так как имеет граничную длину волны λ_пр^ф<λ Таким образом, достигается оптическая развязка по длинам волн при использовании заявляемого элемента в дуплексном режиме работы.

Использование заявляемого прибора с повышенной эффективностью передачи и приема излучения при работе в дуплексном режиме позволит увеличить длину ВОЛС при заданной величине оптической мощности внешнего источника излучения, уменьшить габариты, вес и стоимость применяемых приборов в локальных волоконных сетях связи.

Использование: оптоэлектронные излучающие и фоточувствительные приборы для волоконных систем связи. Сущность изобретения: полупроводниковый оптоэлектронный прибор содержит излучающий диод и фотодиод с приемной площадкой, сформированные в едином кристалле с одной стороны подложки. Фотодиод расположен соосно с излучателем, при этом омические контакты к фотодиоду и излучателю выполнены концентрическими.Излучающий диод расположен между фотодиодом и подложкой, в центре фотодиода выполнено отверстие, через p-n-слои и всей поверхности кристалла, включая отверстие, введен дополнительный слой p-типа проводимости на глубину, не превышающую толщину верхнего слоя струкуры. Фотодиодная структура сформирована из первого и второго дополнительных слоев, ширина запрещенной зоны которых больше ширины запрещенной зоны активного излучательного диода. 3 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, содержащий излучающий диод и фотодиод с приемной площадкой, сформированные в едином кристалле с одной стороны подложки, и включающий расположенные на подложке первый ограничивающий слой, активный слой, второй ограничивающий слой, дополнительный слой с противоположным второму ограничивающему слою типом проводимости и кольцеобразные омические контакты, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности дуплексного режима работы прибора и повышения эффективности передачи и приема излучения, дополнительный слой выполнен из материала с шириной запрещенной зоны, большей ширины запрещенной зоны материала активного слоя, и размещен на всей поверхности, за исключением центральной части кристалла, на дополнительном слое сформирован второй дополнительный слой из материала с такой же или большей шириной запрещенной зоны, смыкающийся в центральной части кристалла с вторым ограничивающим слоем и совпадающий с ним по типу проводимости, а омические контакты размещены за пределами фотоприемной площадки.