Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3854
Hodel, Uwe
Elektrische und optoelektrische monolithisch integrierte Schaltungen auf InP-basierenden Heterostrukturen
114 S., 2001
Ein Schlüsselelement für die optische langreichweitige Datenübertragung ist das Detektorsystem für
Licht bei einer Wellenlänge von 1,3 µm - 1,55 µm, dem Bereich geringster Dispersion bzw. Absorption
einer typischen Glasfaser.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von InP-basierenden Heterostrukturen im Hinblick
auf die Integration von Hochfrequenz-Photodetektoren und Transistoren für schnelle Daten-
übertragungssysteme. Es wurden rf-optimierte pseudomorphe HEMTs auf einem InAlAs/InGaAs-
Schichtsystem hergestellt und charakterisiert. Die Integration einer zusätzlichen InGaAs
Absorptionsschicht in das untersuchte HEMT -Schichtsystem erlaubt es, parallel zu den Transistoren
Photodetektoren herzustellen. Der Einfluß der zusätzlichen Absorptionsschicht auf die Eigenschaften der
Photodetektoren und Transistoren wurde untersucht und die Schichtzusammensetzung so optimiert, daß
beide Bauelemente weiterhin gute Hochfrequenzeigenschaften zeigen. Zur Demonstration der
monolithischen Integrierbarkeit wurde ein Photoreceiver bestehend aus einer MSM-Photodiode und
einem Wanderwellenverstärker aus zwei HEMTs hergestellt. Die realisierte optoelektrische Schaltung
zeigte eine Bandbreite von 13,5 GHz und eine Response von 0,7 A/W .
Es konnte gezeigt werden, daß sich das vorgestellte InGaAs/InAlAs-Schichtsystem mit eingefügter
Absorptionsschicht zur monolithischen Integration von HEMTs und MSM-Photodioden eignet, mit
existierenden Integrationslösungen vergleichbare Ergebnisse zeigt und sich gleichzeitig durch einen
minimierten technologischen Aufwand auszeichnet.
A key element in long distance data communication systems is the optoelectrical detectorsystem for light
with a wavelength between 1.3 µm and 1.55 µm, the dispersion and absorption minimum of a typical
glasfiber.
In this thesis InP-based heterostructures for integrating high frequency photodetectors and transistors for
applications in data communication systems have been investigated. Rf-optimized pseudomorphic
HEMTs have been produced on an InAlAs/InGaAs layer system and characterized. The addition of an
InGaAs absorption layer to the HEMT layer system allows the production of transistors and
photodetectors in parallel. The influence of the additionallayer on the performance of the photodetectors
and the transistors was investigated and the properties of the layer system has been optimized so that both
devices still show a good high frequency performance. To demonstrate the capability for a monolithical
integration a photoreceiver, consisting of an MSM-photodiode and a traveling w ave amplifier with two
HEMTS has been produced. The optoelectrical circuit reached a bandwidth of 13.5 G Hz and a response
of O.7 A/W.
It has been shown that the presented InGaAs/InAlAs layer system with an additional absorption layer
provides a solution for a monolithical integration of MSM photodiodes and HEMTs. A demonstration
circuit showed results comparable to existing solutions for integrating photodetectors with HEMTs while
minimizing the technological effort.
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