Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3702
Dillmann, Frank
Monolithische Integration von PIN-Diode und vertikalem Transistor für einen optoelektrischen Empfänger auf GaAs-Basis
105 S., 1999

Die optische Datenkommunikation ist in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie geworden. Konventionelle Datennetze arbeiten mit Übertragungsraten im kbit/s Bereich bis hin zu wenigen Mbit/s. Ziel aktueller Forschung sind Datenraten von einigen 10Gbit/s. Hierbei werden die Transmissionsfenster der Glasfaser bei 1,3µm und bei 1,55µm Wellenlänge ausgenutzt. Für kurzreichweitige Anwendungen in Local Area Networks (LAN) kann auch eine Wellenlänge von O,85µm verwendet werden. Dies macht den Einsatz von industriell etablierter GaAs Technologie möglich. In der optischen Glasfasertechnik stellt dabei das Empfänger-Frontend ein zentrales Bauelement dar. Dieses besteht aus einem opto-elektrischen Wandler und einer ersten Verstärkerstufe. Im einfachsten Fall kann dies durch eine Photodiode und einen Transistor realisiert werden. Aufgrund großer Empfindlichkeiten bei hohen Bandb!eiten sind hier beispielsweise PIN- Dioden und GaAs FETs geeignete Bauelemente.
In der Transistortechnologie geht der Trend zu immer größerer Miniaturisierung. Die wichtigen Strukturbreiten wie Gate- und Kanallänge betragen zum Teil nur noch 100nm. Diese Miniaturisierung führt zu prinzipiell höheren Transitfrequenzen und zu einer höheren Integrationsdichte der Schaltungen. 1995 wurde aus diesen Gründen am Institut für Schicht- und Ionentechnik ein neuartiger, vertikaler Transistor auf GaAs Basis entwickelt. Dieser Permeable Junction Base Transistor, PJBT weist ein epitaktisch gewachsenes Gate aus hoch p-dotiertem GaAs und einen vertikal eingewachsenen, n- dotieren Kanal auf. Aufgrund der epitaktischen Schichtstruktur des P JBT bietet sich eine Integration mit einer GaAs PIN-Photodiode zu einem opto-elektrischen Empfänger an.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prozeßtechnologie für die monolithische Integration eines PIN-PJBT Empfängers entwickelt. Die Funktionsfähigkeit der einzelnen Bauelemente sowie erster integrierter Schaltungen konnte gezeigt werden, wobei eine Verstärkung bis 7QHz erfolgte. Die Empfindlichkeit im dc-Bereich betrug bis zu 60A/W. Ferner konnte gezeigt werden, daß die Bandbreite der Empfängerschaltung durch das Hochfrequenzverhaltens des Transistors limitiert wurde. Wege zur Optimierung insbesondere der parasitären Kapazitäten wurden anhand von Simulationen und ErsatzschaltbildmodelIierungen aufgezeigt. Abschliessend ergab sich, daß die PIN-PJET Kombination ein neuartiges, perspektivreiches Konzept für optoelektrische Anwendungen vor allem im Bereich von 1-2Gbit/s darstellt.


During the last years, the optical data communication has become a key technologies. Conventional networks operate at a rate of about some kbit/s up to several Mbit/s. Target of recent research activities are rates of 10Gbit/s. Optical glasfibers show transmission minima at 1.3µm and at 1,55µm that are used at these high data rates for long distance communication. For short distance networks e.g. in Local Area Networks (LAN) a wavelength of O.85µ can be used as well. This enables the use of industrial well established GaAs-FET technology. The receiver frontend, which consists of an opto-electonic transformer and an amplifier stage, is one of the central devices within the glasfiber technology. A basic set-up for a frontend is a photodiode connected to a transistor. GaAs-PIN photodiodes are suitable devices because of their high responsivities at high bandwiths.
High miniaturizing is one of the main driving forces in modern transistor technology. For the important structure sizes like gate- and channel width values of 100nm can be achieved leading to higher transit frequencies and higher integration densities. For these reasons a new vertical GaAs field effect transistor has been developed in 1995 at the Institut für Schicht- und Ionentechnik (institute for thin film and ion technology) . The Permeable Base Junction Transistor (PJBT) consists of an epitactically grown, heavily p-doped GaAs gate and a selectively grown n-doped GaAs channel. The layer structure of the P JBT incorporates already two p-i-n doped layer sequences which offers the possibility of a monolithic integration with a PIN-photodiode to an optoelectronic receiver.
In this thesis a process technology for the monolithic integration of a PIN-GaAs photodiode and a P JBT has been developed. Measurements on discrete and integrated devices and on first receivers showed the feasibility of the new concept. In the dc mode a responsivity of 60AW was measured. An amplification of the signal up to 7GHz compared to the signal of the single photodiode proved the usefulness of the integration for data rates in the low Gbit/s range. Furthermore, it was shown that the bandwith the receiver was limited by the high frequency performance of the transistor. Ways of improvement were indicated on the base of simulation and equivalent circuit modelling. Summarizing, it was shown that the PIN-PJBT combination is a potential new concept for optoelectronic application at data rates of 1-2Gbit/s.

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Letzte Änderung: 07.06.2022