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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