DE10019089C1 - Wavelength selective pn junction photodiode - Google Patents
Wavelength selective pn junction photodiodeInfo
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Abstract
Für eine besonders schmalbandige Photodiode stoßen eine photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) und ihre Schichtlagen auf ihren beiden Oberflächenseiten an unterschiedliche Schichten, DOLLAR A wobei auf der bestrahlten Seite der photoelektrisch aktiven Schicht (3, 20) eine photoelektrische Sperrfilterschicht (4, 22) für kurzwelligere Strahlung aus monolithisch integriertem Halbleitermaterial gebildet ist, deren Energiebandlücke (E¶GA¶(x)) einen größeren Wert als die Energiebandlücke (E¶GB¶(x)) in den direkt anschließenden Schichtlagen der photoelektrisch aktiven Schicht (3, 20) aufweist und die andere Seite durch einen Heteroübergang zwischen einem Substrat (1) oder einer über dem Substrat (1) liegenden Pufferschicht (2) und der photoelektrisch aktiven Schicht (3, 20) mit einer eine Zugangsbarriere (DELTAB) für Minoritätsträger aus dem Substrat (1) bildenden Banddiskontinuität im Verlauf des zugehörigen Energiebandes beweglicher Minoritätsträger abgeschlossen ist, in deren Folge keine Minoritätsladungsträger aus dem Substrat (1) oder der Pufferschicht (2) in die photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) gelangen können.For a particularly narrow-band photodiode, a photoelectrically active layer (3, 20) and its layer layers on its two surface sides meet different layers, DOLLAR A, a photoelectric blocking filter layer (4, 22) on the irradiated side of the photoelectrically active layer (3, 20). for short-wave radiation is formed from monolithically integrated semiconductor material whose energy band gap (E¶GA¶ (x)) is greater than the energy band gap (E¶GB¶ (x)) in the directly adjacent layer layers of the photoelectrically active layer (3, 20) and the other side through a heterojunction between a substrate (1) or a buffer layer (2) lying over the substrate (1) and the photoelectrically active layer (3, 20) with an access barrier (DELTAB) for minority carriers from the substrate ( 1) forming band discontinuity in the course of the associated energy band of movable minority carriers has been completed, as a result, no minority charge carriers from the substrate (1) or the buffer layer (2) can get into the photoelectrically active layer (3, 20).
Description
Die Erfindung betrifft eine wellenlängenselektive pn- Übergangs-Photodiode aus ternären oder quaternären III-V- Mischverbindungen für einen frei wählbaren, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich mit einer Stapelanordnung von mehreren Funktionszonen normal zur Einfallsrichtung des elektromagnetischen Spektrums. Die Photodiode ist durch eine äußere elektrische Spannung, insbesondere in Sperrichtung, vorgespannt.The invention relates to a wavelength-selective pn Transition photodiode made of ternary or quaternary III-V Mixed connections for a freely selectable, visible or infrared spectral range with a stack arrangement of several functional zones normal to the direction of incidence of the electromagnetic spectrum. The photodiode is through a external electrical voltage, especially in the reverse direction, biased.
Photodioden dienen der Umwandlung optischer in elek trische Signale im Bereich der optischen Telekommuninations technik, in kundenorientierten optoelektronischen Schal tungen und Zwischenverbindern, sowie in wissenschaftlichen und industriellen Geräten der Photometrie, Spektrophotome trie, Chromatographie, Kaloriemetrie, der Medizin und Bio technologie.Photodiodes are used to convert optical to electrical trical signals in the field of optical telecommunications technology, in customer-oriented optoelectronic scarf tings and interconnectors, as well as in scientific and industrial devices of photometry, spectrophotomes trie, chromatography, calorimetry, medicine and bio technology.
Die neuen Einsatzgebiete entwickeln sich entgegen der ur sprünglichen Tendenz in der Lichtleiter-Nachrichtentechnik hinsichtlich neuer Einsatzbereiche im sichtbaren und ultra violetten Spektralbereich. Dementsprechend erwachsen aus den neuen Anwendungsgebieten der photoempfindlichen Halbleiter dioden neue Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und die Technologie dieser traditionellen Erzeugnisgruppe.The new areas of application develop contrary to the original trend in fiber optic communications technology with regard to new areas of application in the visible and ultra violet spectral range. Accordingly grow from the new fields of application of photosensitive semiconductors diodes new performance and performance requirements Technology of this traditional group of products.
Neben dem optischen Wirkungsgrad sind die spektrale Ausdehnung der Photoempfindlichkeit, das zeitliche Ansprechverhalten und die Temperaturempfindlichkeit der Photodioden sowie die Stabilität unter hohen optischen Anregungsdichten die wichtigsten Einsatzkenngrößen.In addition to the optical efficiency, the spectral Expansion of photosensitivity, the temporal response and the temperature sensitivity of the photodiodes as well as the stability under high optical excitation densities the most important operational parameters.
Lichtempfindliche elektrische Bauelemente mit pn- Übergang, bei denen durch die Erzeugung von Elektronen-Loch- Paaren durch den inneren Photoeffekt im Volumen oder in der Raumladungszone und ihre anschließende Trennung durch elek trische Felder ein Photostrom hervorgebracht wird, sind seit 1941 bekannt. Z. B. beschreibt die US-A 2,402,662 die Pho toempfindlichkeit von Silizium hoher Reinheit und mit einer pn-Übergangszone im Volumen durch eine Spektralempfindlich keit zwischen 0,5 und 1,3 µm und einen Peak bei 1,1 µm. Die langwellige Grenze λOG der Photoempfindlichkeit wird durch den Bandabstand EG des Halbleiters bestimmt (λOG = 1,24/EG). Die kurzwellige Grenze ist demgegenüber durch den Teil der in den Halbleiter injizierten, oberflächlich nicht reflektierten, energiereicheren Photonen bestimmt, die nach ihrer Absorption schon einen Beitrag zum Photostrom liefern.Photosensitive electrical components with a pn junction, in which a photocurrent is produced by the generation of electron-hole pairs by the internal photo effect in the volume or in the space charge zone and their subsequent separation by electric fields, have been known since 1941. For example, US-A 2,402,662 describes the photosensitivity of silicon of high purity and with a pn transition zone in volume by a spectral sensitivity between 0.5 and 1.3 microns and a peak at 1.1 microns. The long-wave limit λ OG of photosensitivity is determined by the bandgap E G of the semiconductor (λ OG = 1.24 / E G ). In contrast, the short-wave limit is determined by the part of the high-energy photons injected into the semiconductor, which are not superficially reflected, and which, after absorption, already contribute to the photocurrent.
Der traditionelle Elementhalbleiter Silizium erfaßt einen sehr breiten photoempfindlichen Spektralbereich und die Absorption von Licht wächst mit zunehmender Energie all mählich und bei weitem nicht so steil wie bei den direkten Halbleitern, z. B. GaAs, (vgl. G. Stillman and C. M. Wolfe, Se miconductors and Semimetals, 12 (1977), S. 291-393). Die hohe IR-Empfindlichkeit der Si-Photodioden kann gewünscht oder unerwünscht sein. Die Alterung der Si-Photodioden bei Ein wirkung hoher UV-Pegel ist ebenso nachteilig wie der be grenzte Arbeitstemperaturbereich und die starke Ungleichmä ßigkeit der Empfindlichkeit bei verschiedenen Wellenlängen (T. C. Larason et al. "Spatial uniformity of responsivity for Si, GaN, Ge, InGaAs Photodiodes" in Metrologia, 35 (1998), S. 491-496).The traditional element semiconductor silicon captured a very wide photosensitive spectral range and the absorption of light increases with increasing energy mowable and not nearly as steep as the direct ones Semiconductors, e.g. B. GaAs, (see G. Stillman and C. M. Wolfe, Se miconductors and Semimetals, 12 (1977), pp. 291-393). The height IR sensitivity of the Si photodiodes can be desired or be undesirable. The aging of the Si photodiodes on effect of high UV levels is just as disadvantageous as the be limited working temperature range and the strong uneven Liquidity of sensitivity at different wavelengths (T.C. Larason et al. "Spatial uniformity of responsivity for Si, GaN, Ge, InGaAs Photodiodes "in Metrologia, 35 (1998), Pp. 491-496).
Die Ausweitung und ebenso die Eingrenzung des Empfindlich keitbereiches der Photodioden sind zwei disjunkte Zielstellungen, die auf grundsätzlich ähnliche Weise beherrscht wer den.The expansion and narrowing down of the sensitive range of the photodiodes are two disjoint objectives, who mastered in a fundamentally similar way the.
Die eine Gebildestruktur stützt sich auf die Ergänzung des Halbleiters durch zusätzliche optische Teile von außen. Die andere Gebildestruktur greift auf die Modifizierung der Halbleiterstruktur in Form, Gestalt, Komposition und Kontak tierung der beteiligten optisch aktiven Zonen zurück. Weite re Gebildestrukturen stützen sich vorrangig auf spezielle Betriebsbedingungen wie die Polarität und die Größe der elektrischen Vorspannung.One structure is based on the addition of Semiconductor through additional optical parts from the outside. The other structure of structures accesses the modification of the Semiconductor structure in form, shape, composition and contact the optically active zones involved. Vastness re structures are based primarily on special ones Operating conditions such as the polarity and size of the electrical bias.
Wird ein fixierter Verlauf der spektralen Empfindlich keit der Photodioden für den Einsatz z. B. in Belichtungsmes sern der Fotoapparate angestrebt, ist die Diodenempfind lichkeit an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bzw. des Filmes anzupassen. Dafür werden dann optische Vorsätze vor der Diode genutzt. Nach DD-A 143 839 wird beispielsweise mit ausgewählten optischen Filtergläsern gearbeitet.Becomes a fixed course of spectral sensitivity speed of the photodiodes for use e.g. B. in exposure metering The aim of the camera is diode sensitivity sensitivity to the human eye or to adapt the film. Then there are optical resolutions used in front of the diode. According to DD-A 143 839, for example worked with selected optical filter glasses.
In UV-Wasser-Desinfektionsanlagen mit Hilfe von Hg- Niederdruck- oder Mitteldruckstrahlern werden als Überwa chungseinheiten für die Messung der Bestrahlungsstärke Sen soren auf der Basis von SiC-Photodioden eingesetzt. Die be nötigte Selektivität wird durch Schott-Kantenfilter WG 305 an die Erfordernisse angepaßt. (H. Hensel et al. in Zeit schrift gwf Wasser Abwasser, Band 138 (1997), Nr. 10, S. 531-536).In UV water disinfection systems with the help of mercury Low-pressure or medium-pressure lamps are used as monitoring units for measuring the irradiance Sen sensors based on SiC photodiodes. The be The required selectivity is provided by Schott edge filter WG 305 adapted to the requirements. (H. Hensel et al. In Zeit gwf Wasser Abwasser, Volume 138 (1997), No. 10, Pp. 531-536).
Anstelle von Filtergläsern werden nach der DE-C 26 46 424 auch Filterformstoffe in Epoxidspritzpreß- oder -gieß harze eingefügt, die eine schichtförmige Abdeckung oder Um hüllung des strahlungsempfindlichen Halbleiters bilden. Mit der Wahl, Konzentration und Kombination der Pigmentfarbstof fe wird eine individuell zu ermittelnde Farbkorrektur der Empfindlichkeit des Photoempfängers vorgenommen. Diese Kor rektur zielt darauf ab, den Fremdlichteinfall aus Wellenlän genbereichen unter 700 nm vom Halbleiter fernzuhalten und die sonst daraus resultierenden Störströme im Arbeitsbereich des Empfängers nahe der Emissionsbande von GaAs- Lichtemittern zu unterdrücken. Geeignete Mischungen für an dere Nutzwellenlängen sind immer wieder neu zu komponieren.Instead of filter glasses according to DE-C 26 46 424 also filter molding materials in epoxy injection molding or casting resins inserted that have a layered cover or um form the envelope of the radiation-sensitive semiconductor. With the choice, concentration and combination of pigment fe is an individually determined color correction of the Sensitivity of the photo receiver made. This cor rectification aims at the incidence of extraneous light from wavelengths keep areas below 700 nm away from the semiconductor and the otherwise resulting interference currents in the work area of the receiver near the emission band of GaAs Suppress light emitters. Suitable mixtures for Their useful wavelengths have to be composed again and again.
Für den Nachweis und die Messung der Intensität vor zugsweise monochromatischer Strahlung werden nach der DD-A 158 198 pn- oder pin-Photodioden zur Vermeidung von Refle xionsverlusten für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich zusätzlich mit einer Antireflexionsschicht und einer zuge schnittenen Interferenzschichtenfolge versehen. Eine Umstel lung auf einen anderen Wellenlängenbereich gelingt mit der gleichen Schichtenfolge nicht.For the detection and measurement of intensity before preferably monochromatic radiation according to DD-A 158 198 pn or pin photodiodes to avoid refle xions losses for a given wavelength range additionally with an anti-reflective layer and a intersection layer sequence. A change Another wavelength range can be achieved with the same sequence of layers.
UV-lichtdurchlässige Filterschichten auf einer ersten Photodiode und UV-Licht undurchlässige Filterschichten auf einer lateral im gleichen Halbleiterkörper angeordneten zweiten Photodiode werden nach der CH-A 684971 benutzt, um einen UV-empfindlichen Sensor aufzubauen, der zur Flammen überwachung in Kontrollausrüstungen von Verbrennungsanlagen oder UV-Lichtmeßgeräten eingesetzt werden kann.UV transparent filter layers on a first Photodiode and UV light impermeable filter layers one laterally arranged in the same semiconductor body second photodiode are used according to CH-A 684971 build a UV sensitive sensor that is on fire Monitoring in control equipment of incineration plants or UV light measuring devices can be used.
Eine aufwandsarme Bestimmung der spektralen Leistungs verteilung von Strahlungsquellen wie Laser- oder Lumines zenzdioden gelingt nach der DD-A 230 633 durch Zerlegung des Spektrums mit einem Dispersionselement und Abtastung des Spektrums mit einer Zeile von photoempfindlichen CCD- Elementen.A low-effort determination of the spectral power Distribution of radiation sources such as laser or lumines zenzdioden succeeds according to DD-A 230 633 by dismantling the Spectrum with a dispersion element and scanning the Spectrum with a row of photosensitive CCD Elements.
Die Modifizierung der Gebildestruktur wurde auf ver schiedene Weise versucht.The modification of the structure was changed to ver tried different ways.
Für die Erzielung einer schmalen Spektralempfindlichkeit und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei pn- Übergangsphotodioden wurde in der US-A 3,506,830 die Dicke des absorbierenden Halbleiters aus GaAs variiert. Aufgrund einer großen Beweglichkeit und Diffusionslänge der Minori tätsladungsträger und der geringen Dotierung (3 × 1016 at/cm3) in den Zonen beiderseits des pn-Übergangs und der Polung des pn-Übergangs in Sperrichtung mit ca. 2 Volt verschiebt sich die Peak-Wellenlänge λp von 896 nm bei 200 µm auf 901 nm bei 400 µm und 905 nm bei 800 µm bei gleicher Halbwertsbreite Δλ von 200 nm nur um wenige nm.In order to achieve a narrow spectral sensitivity and to improve the signal-to-noise ratio in the case of pn-transition photodiodes, the thickness of the GaAs absorbing semiconductor was varied in US Pat. No. 3,506,830. Due to the large mobility and diffusion length of the minority charge carriers and the low doping (3 × 10 16 at / cm 3 ) in the zones on both sides of the pn junction and the polarity of the pn junction in the reverse direction with approx. 2 volts, the peak shifts Wavelength λ p from 896 nm at 200 µm to 901 nm at 400 µm and 905 nm at 800 µm with the same half width Δλ of 200 nm only by a few nm.
Für den Fall, daß die in einem begrenzten Ortsbereich einer Photodiode auftretende Lichtabsorption zu klein ist, kann diese nach der DE-C 32 05 461 auf der Lichteintrittseite und der gegenüberliegenden Seite mit Reflektoren versehen werden, so daß in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich eine Resonatorstruktur entsteht.In the event that the in a limited area light absorption occurring in a photodiode is too small, can this according to DE-C 32 05 461 on the light entry side and the opposite side with reflectors be so that in a predetermined wavelength range a resonator structure is created.
Ein erhöhter Wirkungsgrad im Bereich der Augenempfind lichkeit wurde nach der SU-B 1.123.069 dadurch erreicht, daß auf ein GaAs zuerst eine leicht graduierte AlGaAs-Schicht und darauf eine wesentlich breitbandige AlGaAs- Fensterschicht epitaxiert wurde. Diese Fensterschicht auf der Lichteintrittseite gewährleistet aufgrund ihres Bandab standes von bis zu 2,9 eV eine einheitliche Erweiterung der spektralen Empfindlichkeit in Richtung der kurzwelligen Kan te. Auf die Steilheit der langwelligen Kante der Empfind lichkeit kann nach dieser Patentschrift durch den Gradienten des Bandabstandes (in eV/cm) in der von der Raumladungszone erfaßten Region Einfluß genommen werden.An increased efficiency in the area of eye sensitivity was achieved according to SU-B 1.123.069 in that first a slightly graduated AlGaAs layer on a GaAs and then a substantially broadband AlGaAs Window layer was epitaxized. This window layer on the light entry side ensures due to their bandab of up to 2.9 eV a uniform expansion of the spectral sensitivity in the direction of the short-wave Kan te. On the steepness of the long-wave edge of the sensation According to this patent specification, the gradient can be used of the band gap (in eV / cm) in that of the space charge zone affected region.
Um die über die gleiche Glasfaser übertragenen Signal gruppen unterschiedlicher Wellenlänge ohne den Aufwand über eine empfindliche Faser-Filter-Photodioden-Kombinationen trennen zu können, wurde in der GB-C 2.030.359 die Sta pelanordnung einer nip-InP-InGaAsP-Photodiode und einer nachgeschalteten pin-InGaAsP-InP-Photodiode vorgeschlagen. Die Absorptionsschicht in der ersten Photodiode besitzt eine Bandlücke von 1,14 eV und die zweite einen von 0,89 eV. Wäh rend der p-Kontakt von beiden Dioden genutzt wird, sind die n-Kontakte diodenindividuell. Die selektive Empfindlichkeit der ersten Diode liegt mit einer Halbwertsbreite von 190 nm bei 1020 nm. Die zweite Diode hat eine Halbwertsbreite von 230 nm und ihre höchste Empfindlichkeit bei 1215 nm. Dadurch sollen die Signale bei 1,1 µm und 1,3 µm gleichzeitig übertra gen, dann aber separiert werden können.To the signal transmitted over the same fiber groups of different wavelengths without the hassle a sensitive fiber-filter-photodiode combination To be able to separate the Sta. in GB-C 2.030.359 arrangement of a nip-InP-InGaAsP photodiode and one downstream pin-InGaAsP-InP photodiode proposed. The absorption layer in the first photodiode has one Band gap of 1.14 eV and the second one of 0.89 eV. Wuh While the p contact is used by both diodes, they are n-contacts diode-specific. The selective sensitivity the first diode lies with a half width of 190 nm at 1020 nm. The second diode has a half width of 230 nm and their highest sensitivity at 1215 nm the signals at 1.1 µm and 1.3 µm should be transmitted simultaneously gen, but can then be separated.
Eine Erweiterung des spektralen Analysebereiches vom UV bis zum IR ohne eine separate spektrale Zerlegung wurde in der DD-A 292 771 durch einen halbleitenden Mehrschicht sensor erreicht. Strahlungsempfindliche Schichten, deren Dicke in Einfallsrichtung zunehmen, sind durch Potentialbar rerien voneinander getrennt und werden mit unterschiedlichen Potentialen beauflagt.An extension of the spectral analysis range from UV to IR without separate spectral decomposition in DD-A 292 771 through a semiconducting multilayer sensor reached. Radiation sensitive layers, the Potential thickness increases in the direction of incidence series are separated from each other and are created with different Potentials.
In der EP-A 0 901 170 ist ein wellenlängenselektives Photodiodenmodul für die Faserübertragung von Signalen für Medien wie Telephonie, Fax oder Fernsehbild vorgeschlagen worden, das auf Wellenlängen um 1,3 µm und von 1,5 bis 1,6 µm anspricht. Es soll einen bilateralen Betrieb und eine simul tane Übertragung auf einer Faser zulassen. Der bilaterale Betrieb über die Faser stützt sich auf die eine wellenlän genselektive Strahlteiler- und Strahlverknüpferfunktion (Wa velength division and combination multiplexer - WDM), durch die 1,3 µm- und 1,55 µm-Signale mit Hilfe von speziellen Spie geln getrennt wurden. Da diese Spiegel die Photomodule auf wendig und unhandlich machen, sollten die Photodiodenmodule vereinfacht werden.EP-A 0 901 170 describes a wavelength selective Photodiode module for fiber transmission of signals for Media such as telephony, fax or television picture are proposed been on wavelengths around 1.3 microns and from 1.5 to 1.6 microns appeals. It is supposed to be a bilateral operation and a simul Allow tane transmission on a fiber. The bilateral Operation over the fiber relies on the one wavelength gene-selective beam splitter and beam splitter function (Wa velength division and combination multiplexer - WDM) the 1.3 µm and 1.55 µm signals with the help of special games were separated. Because these mirrors put the photomodules on The photodiode modules should make them maneuverable and unwieldy be simplified.
Nach der EP-A 0 901 170, Seite 4, Spalte 5, Absatz 0023 wird davon Gebrauch gemacht, daß ein Halbleiter ausrei chender Dicke alles Licht absorbieren kann, dessen Photo nenenergie größer ist als sein Bandabstand. So ist aus der Veröffentlichung von T. P. Pearsell und M. Papuchon, "The Ga0.471n0.53As Homojunction-Photodiode - a new avalanche photodetector in the near infrared between 1,0 und 1,6 µm" in Appl. Physics Letters, Vol. 33 (1978), H. 7, S. 640-642 bekannt, daß optische Signale, die nicht über die epitaxial beschichtet Oberfläche, sondern über das InP-Substratfenster eingespeist werden, einen kurzwellig beschnittenen Verlauf der Spektralempfindlichkeit aufweisen. According to EP-A 0 901 170, page 4, column 5 , paragraph 0023 use is made of the fact that a semiconductor of sufficient thickness can absorb all light whose photo energy is greater than its band gap. For example, from the publication by TP Pearsell and M. Papuchon, "The Ga0.471n0.53As Homojunction Photodiode - a new avalanche photodetector in the near infrared between 1.0 and 1.6 µm" in Appl. Physics Letters, Vol. 33 (1978), H. 7, pp. 640-642 discloses that optical signals which are fed in not via the epitaxially coated surface but rather via the InP substrate window have a short-wave truncated curve of the spectral sensitivity.
Die EP-A 0 910 170 nutz den im InP-Substrat und/oder in einer substratseitig aufgezogenen InGaAsP-Schicht inne wohnenden Transmittanz-Einsatz für die Trennung benachbarter Wellenlängenbereiche. Dadurch kommt der Photomodul mit weni ger Teilen, geringerem Raum und niedrigeren Kosten aus, ist aber konstruktiv wegen der Intrinsic-Eigenschaften der Rück seiteneinkopplung des Signals technisch eingeschränkt. Die Länge des Laufweges und die Gefahr der Vielfachreflexion der Photonen des optischen Signals im dicken Substrat sowie die Diffusion oder Drift der im Substrat oder der substratnahen InGaAsP-Schicht optisch generierten Ladungsträger in die ei gentliche photoempfindliche Schicht der Photodiode schwächen die Selektivität der Spektralempfindlichkeit, vor allem die Schnelligkeit des zeitlichen Ansprechens. Durch verzögertes Einwandern von Ladungsträgern, die außerhalb des pn-Übergang und der von ihm ausgehenden Raumladungszone entstanden sind, folgen die Flanken der Stromimpulse der Diode nicht echtzei tig den Flanken der Impulse des optischen Signals. Die Band breite der Übertragungsstrecke ist kleiner, als bei den sonst üblichen Burrus-Strukturen mit dem freigeätzten Sub stratfenster.EP-A 0 910 170 uses the InP substrate and / or in an InGaAsP layer grown on the substrate side resident transmittance use for the separation of neighboring Wavelength ranges. As a result, the photo module comes with weni parts, less space and lower costs but constructive because of the intrinsic properties of the back side coupling of the signal is technically restricted. The Length of the walk and the risk of multiple reflections of the Photons of the optical signal in the thick substrate as well as the Diffusion or drift of those in or near the substrate InGaAsP layer optically generated charge carriers in the egg weaken any photosensitive layer of the photodiode the selectivity of the spectral sensitivity, especially the Speed of time response. By delayed Immigration of charge carriers outside the pn junction and the space charge zone originating from it, the edges of the current pulses of the diode do not follow in real time the edges of the pulses of the optical signal. The band width of the transmission path is smaller than that of the otherwise usual Burrus structures with the etched-out sub street window.
Weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung der Empfind lichkeit stützen sich auf die geeignete Beauflagung der ak tiven Zonen der Photodiode mit definierten elektrischen Po tentialen bzw. Potentialdifferenzen.Other ways of influencing sensitivity are based on the appropriate application of the ak tive zones of the photodiode with defined electrical Po potentials or potential differences.
Die Ausnutzung der Betriebsbedingungen der Photodioden zur Vereinfachung der peripheren Elektronik und des leichte ren Einbaus in integrierte Schaltungen wurde mit optoelek tronischen Schaltern nach der GB-C 2.078.440 versucht. Die auf zwei Oberflächen kontaktierte und über beide Flächen be lichtbare Photodiode enthält auf einem n-leitenden InP- Substrat eine 2 µm dicke p-leitende InP-Schicht, an die sich eine 2 µm dicke, schmalbandigere InGaAs-Schicht anschließt. Bei kleinen Sperrspannungen zwischen 0 und 15 V wird die Raumladungszone nicht bis in den Hetero-Übergang p-InP-p- InGaAs ausgedehnt. Die im InGaAs absorbierten Photonen und die dabei entstandenen Elektronen-Loch-Paare werden in der elektrischen Schaltung nicht wahrgenommen und die Photodiode ist abgeschaltet. Bei höherer äußerer Spannung zwischen 20 und 80 V füllt die Raumladungszone die gesamte absorbierende InGaAs-Schicht aus und die generierten Ladungsträgerpaare werden getrennt und direkt oder durch den Heteroübergang zum nächsten Kontakt geführt.The exploitation of the operating conditions of the photodiodes to simplify peripheral electronics and lightweight Their installation in integrated circuits was done with optoelek Tronic switches tried according to GB-C 2.078.440. The contacted on two surfaces and be on both surfaces illuminable photodiode contains on an n-type InP Substrate a 2 µm thick p-type InP layer to which a 2 µm thick, narrow-band InGaAs layer follows. At low reverse voltages between 0 and 15 V, the Space charge zone not into the heterojunction p-InP-p- InGaAs expanded. The photons and the resulting electron-hole pairs are in the electrical circuit not perceived and the photodiode is switched off. At higher external tension between 20 and 80 V, the space charge zone fills the entire absorbent InGaAs layer and the generated charge carrier pairs are separated and directly or through the heterojunction to the next contact.
Zur Spektralanalyse der Zusammensetzung des Lichtes in Meßgeräten physikalischer oder chemischer Größen wird nach der DE-A 32 21 335 eine Photodiode in GaAs-AlGaAs- Technologie genutzt. Auf einem n-dotierten Substrat befinden sich eine n-dotierte AlGaAs-Schicht, eine dünne schwach p- leitende AlGaAs-Schicht und eine p-dotierte GaAs-Schicht. Auf der Lichteintrittsseite ist die n-GaAs-Schicht bis hin zur n-AlGaAs-Schicht entfernt. Bei kleinen Vorspannungen wird nur der energiereichere im AlGaAs absorbierte Teil des Spektrums erfaßt und erst bei größeren Spannungen auch der im p-GaAs absorbierte energieärmere Teil. Aus dem mit einer elektronischen Schaltung bestimmten Quotienten der Intensi täten bei den beiden unterschiedlichen Vorspannungen wird das Maß für die Lage des Spektrums gewonnen.For spectral analysis of the composition of the light in Measuring devices of physical or chemical sizes will be after DE-A 32 21 335 a photodiode in GaAs-AlGaAs Technology used. Located on an n-doped substrate an n-doped AlGaAs layer, a thin weak p- conductive AlGaAs layer and a p-doped GaAs layer. On the light entry side is the n-GaAs layer all the way removed to the n-AlGaAs layer. With small preloads only the more energetic part of the AlGaAs is absorbed Spectrum recorded and only at higher voltages lower-energy part absorbed in p-GaAs. From the one electronic circuit certain quotient of the Intensi with the two different prestresses the measure of the location of the spectrum is obtained.
Beim Betrieb der Spektrometerdiode nach der DE-A 37 36 203 wird durch Modulation der Sperrspannung die Wellenlän genempfindlichkeit der im Bereich mit stetig geändertem Bandabstand liegenden Dioden periodisch geändert.When operating the spectrometer diode according to DE-A 37 36 203 the wavelength is modulated by the reverse voltage gene sensitivity in the area with constantly changing Bandgap diodes periodically changed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photo diode aus ternären oder quaternären III-V-Mischverbindungen zu schaffen, die in einem frei wählbaren, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich sehr schmalbandig empfindlich ist, eine hohe Gleichmäßigkeit über die aktive Fläche be sitzt und die dazu notwendigen Mittel monolithisch inte griert im Halbleiterkörper aufweist, mit massenprodukti onstauglichen Technologien der Diodenfertigung verträglich ist und weder auf spezielle externe optische Vorsätze noch auf besonders optimierte Betriebsschaltungen oder Spannungs modulation zurückgreifen muß.The invention has for its object a photo diode made of ternary or quaternary III-V mixed compounds to create that in a freely selectable, visible or infrared spectral range very narrowband sensitive is a high uniformity over the active area sits and the necessary means monolithically inte has in the semiconductor body, with mass production compatible technologies for diode production is and neither on special external optical attachments nor to particularly optimized operating circuits or voltage modulation must fall back on.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention the object is achieved by Features of claim 1. Appropriate configurations are Subject of the subclaims.
Danach stoßen zur Festlegung der Empfindlichkeitsgren zen hinsichtlich der erfaßbaren Photonenenergie eine photo elektrisch aktive Schicht und ihre Schichtlagen auf ihren beiden Oberflächenseiten an Schichten unterschiedlicher che mischer Zusammensetzung an.Then come to the definition of the sensitivity limits zen a photo with regard to the detectable photon energy electrically active layer and its layer layers on their both surface sides on layers of different surfaces mixer composition.
Auf der bestrahlten Seite der photoelektrisch aktiven Schicht ist eine photoelektrische Sperrfilterschicht für kurzwelligere Strahlung aus monolithisch integriertem Halb leitermaterial gebildet, deren Energiebandlücke (EGA(x)) über mindestens zwei Komponenten der III-V-Mischverbindung eingestellt ist und einen größeren Wert als die Energieband lücke (EGB(x)) in den direkt anschließenden Schichtlagen des benachbarten Halbleitermaterials der photoelektrisch aktiven Schicht aufweist. Die hierselbst optisch generierten Minori tätsladungsträger werden durch die Gestaltung des räumlichen Verlaufs der Energiebandstruktur sowie der Ausdehnung der Sperrfilterschicht in Verbindung mit einem geeigneten Dotie rungsprofil daran gehindert, die benachbarte photoelektrisch aktive Schicht zu erreichen.On the irradiated side of the photoelectrically active layer, a photoelectric blocking filter layer for short-wave radiation is formed from monolithically integrated semiconductor material, the energy band gap (E GA (x)) of which is set via at least two components of the III-V mixed connection and a larger value than the energy band gap (E GB (x)) in the directly adjacent layer layers of the adjacent semiconductor material of the photoelectrically active layer. The self-generated minority charge carriers are prevented by the design of the spatial profile of the energy band structure and the expansion of the barrier filter layer in conjunction with a suitable doping profile from reaching the adjacent photoelectrically active layer.
An die Sperrfilterschicht schließt nach einem pn-Übergang die photoelektrisch aktive Schicht an, deren Halbleitermate rial durch eine große Diffusionslänge der optisch generier ten Minoritätsladungsträger ausgezeichnet und im Betrieb von einer Raumladungszone erfaßt ist.The barrier filter layer adjoins after a pn transition the photoelectrically active layer, the semiconductor mat rial due to a large diffusion length of the optically generated minority charge carriers and in the operation of a space charge zone is detected.
Die photoelektrisch aktive Schicht ist durch einen Hetero übergang zwischen einem Substrat oder einer über dem Sub strat liegenden Pufferschicht und der photoelektrisch akti ven Schicht mit einer eine Zugangsbarriere (ΔB) für Minori tätsträger aus dem Substrat bildenden Banddiskontinuität im Verlauf des zugehörigen Energiebandes beweglicher Minoritätsträger abgeschlossen, in deren Folge keine Minoritätsla dungsträger aus dem Substrat oder der Pufferschicht in die photoelektrisch aktive Schicht gelangen können.The photoelectrically active layer is through a hetero transition between a substrate or one over the sub strat lying buffer layer and the photoelectric acti ven layer with an access barrier (ΔB) for Minori tape discontinuity in the substrate Course of the associated energy band of movable minority carriers completed, as a result of which no minority la manure carrier from the substrate or the buffer layer into the can reach photoelectrically active layer.
Die erfindungsgemäße Photodiode basiert auf einem Wirkprinzip zur bewußten Kontrolle der Minoritätsladungsträ ger in den verschiedenen Funktionszonen des Halbleiterkör pers und einer daraus resultierenden Festlegung der Empfind lichkeitsgrenzen hinsichtlich der erfaßbaren Photonenenergie und der Effektivität ihrer Wandlung. Im Halbleiterkörper der Photodiode ist ein Stapel von mindestens drei Funktionszonen enthalten, die schichtweise übereinander liegen und in Lichteinfallrichtung aus einer Sperrfilterschicht, einer photoelektrisch aktiven Schicht und einem massiven photo elektrisch passiven Grundkörper aus der herkömmlich tragen den Halbleiterunterlage oder einer Halbleiterunterlage und einem darüber liegenden Gitteranpassungspuffer bestehen. In dem hinsichtlich der Minoritätsladungsträger kontrollier ten Diodenkörper springt die Lebensdauer der Minoritätsla dungsträger entlang des Lichteinfallweges beim Übergang von der ersten Funktionszone - der Sperrfilterschicht - zur zweiten Funktionszone, der photoelektrisch aktiven Schicht, etwa um eine Größenordnung, ggf. auch um wesentlich mehr.The photodiode according to the invention is based on a Operating principle for conscious control of the minority charge carriers ger in the different functional zones of the semiconductor body pers and a resulting definition of sensitivity Limits with regard to the detectable photon energy and the effectiveness of their change. In the semiconductor body of the Photodiode is a stack of at least three functional zones included, which are layered on top of each other and in Light incidence direction from a barrier filter layer, one photoelectrically active layer and a massive photo electrically passive base body from the conventional wear the semiconductor pad or a semiconductor pad and an overlying lattice matching buffer. In the check for minority charge carriers th diode body jumps the life of the minority La manure carriers along the light incidence path at the transition from the first functional zone - the barrier filter layer - for second functional zone, the photoelectrically active layer, for example by an order of magnitude, possibly also considerably more.
Erfolgsverbürgend für eine steile kurzwellige Grenze der spektralen Photoempfindlichkeit der Photodiode ist, daß die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Sperrfilterschicht deutlich geringer gehalten ist als die Dicke dieser Schicht.Successful for a steep short-wave border the spectral photosensitivity of the photodiode is that the diffusion length of the minority charge carriers in the Barrier filter layer is kept significantly lower than that Thickness of this layer.
Für die Kontrolle der Diffusionslänge in der Sperrfil terschicht kann der x-Wert in der AxB1-xC-Verbindung oder der AC1-xDx-Verbindung genutzt werden. In der AlxGa1-xAs- Verbindung ist dies der Aluminiumanteil, in der In1-xGaxAs- Verbindung ist es der Gallium-Anteil und in der GaAs1-x.Px- Verbindung der Phosphoranteil. The x value in the A x B 1-x C connection or the AC 1-x D x connection can be used to control the diffusion length in the barrier filter layer. In the Al x Ga 1-x As connection this is the aluminum component, in the In 1-x Ga x As connection it is the gallium component and in the GaAs 1-x .P x connection it is the phosphorus component.
Als weiteres, von dem x-Wert unabhängiges Kontrollmit tel kann auch die Art des Dotanden und die Höhe seiner Do tierung in dieser Schicht genutzt werden. Vorzugsweise wird eine die Leitfähigkeit beeinflussende Fremdatomart gewählt und in der Leitart an die der Sperrfilterschicht angepaßt. Es lassen sich aber auch isoelektronische Störstellen oder andere elektronisch neutrale Fremdatome einsetzenAs a further control, independent of the x value tel can also determine the type of the donor and the amount of his do be used in this layer. Preferably a foreign atom type influencing the conductivity is selected and adapted in the control type to that of the barrier filter layer. But it can also be isoelectronic impurities or use other electronically neutral foreign atoms
Verstärken läßt sich der Effekt der Sperrfilterschicht auch durch eine Deckschicht mit hoher Oberflächenrekombina tionsgeschwindigkeit.The effect of the barrier filter layer can be intensified also thanks to a top layer with a high surface recombination tion speed.
Zur kurzwelligen Begrenzung der Empfindlichkeit wird ein optoelektronisches Sperrfilter angewendet, das als mono lithisch integriertes, schichtförmiges, halbleitendes opti sches Absorptionsfenster für einen gewählten Wellenlängenbe reich auf der Lichteintrittsseite der Photodiode angebracht ist. Dieses Sperrfilter besitzt unter allen elektrischen Be triebsbedingungen der Photodiode über die Dicke seiner Fil terschicht ein nahezu einheitliches oder nur geringfügig in Richtung des Lichteintritts variiertes elektrischen Potenti al. Trennende elektrische Driftfelder werden von den dort selbst durch inneren Photoeffekt entstandenen Ladungsträger paaren bewußt ferngehalten.For short-wave limitation of sensitivity an optoelectronic notch filter applied as a mono lithically integrated, layered, semiconducting opti absorption window for a selected wavelength richly attached to the light entry side of the photodiode is. This blocking filter has under all electrical loading driving conditions of the photodiode across the thickness of its fil terschicht an almost uniform or only slightly in Electrical potentiometer varied in the direction of light entry al. Separating electrical drift fields are from those there even charge carriers created by the internal photo effect couples deliberately kept away.
Die in dieser Schicht durch Photoeffekt entstandenen und nahezu ortsfest bleibenden Ladungsträgerpaare verschwin den hier durch sofortige strahlungslose Rekombination. Die Leitart der halbleitenden Sperrfilterschicht wird den Reali sierungsmöglichkeiten für Äquipotentialbedingungen in der Schicht und für eine kleine Diffusionslänge in der Schicht untergeordnet.The ones created in this layer by photo effect and pairs of charge carriers that remain almost stationary disappear this through immediate radiationless recombination. The The type of the semiconducting barrier filter layer becomes the Reali possibilities for equipotential conditions in the Layer and for a small diffusion length in the layer subordinate.
Ein Leitartwechsel findet im Halbleiterkörper der Photodiode zwischen der Sperrfilterschicht und der photo elektrisch aktiven Absorptionszone statt. A change of control type takes place in the semiconductor body of the Photodiode between the barrier filter layer and the photo electrically active absorption zone instead.
Zur Abwendung des Einflusses der hohen Oberflächenre kombinationsgeschwindigkeit in Bereichen neben dem pn- Übergang auf den Sättigungssperrstrom wird die Deckschicht hoher Oberflächenrekombination nach einer Variante der Er findung ringförmig um den pn-Übergang unterbrochen. Dazu tragen sowohl grubenartige Ausätzungen, als auch diffundier te Schutzringe gegen Querströme an der Oberfläche bei.To avert the influence of high surface areas Combination speed in areas next to the pn Transition to the reverse saturation current becomes the top layer high surface recombination according to a variant of the Er finding interrupted in a ring around the pn junction. To carry both pit-like etchings as well as diffuse protection rings against cross currents on the surface.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Empfindlichkeitsbe reich der Photodiode ist die Lichteintrittsfläche über dem Sperrfilter zweckmäßig mit einer Antireflexionsschicht be deckt, die speziell auf die Mittenwellenlänge der Photoemp findlichkeit abgestimmt sein sollte.To increase the efficiency in the sensitivity area The light entry surface above the photodiode is rich Blocking filter expediently be with an anti-reflection layer covers that specifically on the center wavelength of the Photoemp sensitivity should be coordinated.
Da die Minoritätsträgerlebensdauer in p-dotierten LPE- GaAs/AlGaAs-Strukturen auf (100)-orientierten n-leitenden GaAs-Substraten nach Untersuchungen von J. P. Bergman et al., veröffentlicht in der Zeitschrift Journal Applied Physics 78 (1995) Heft 10, Seite 4808-4810 stark von der Temperatur abhängt, ist besonders auf die Temperaturstabilität der kurzwelligen Flanke des wellenlängenselektiven Sensors zu achten. Wenn, wie bei Bergman gezeigt, die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger im Arbeitstemperaturbereich monoton um den Faktor 3-10 steigt, könnte die Selektivität der Empfindlichkeit der Photodiode verschlechtert und die Halb wertsbreite Δλ sowie die Lage der Mittenwellenlänge λ ver schoben werden.Since the minority carrier lifetime in p-doped LPE GaAs / AlGaAs structures on (100) -oriented n-type GaAs substrates according to studies by J.P. Bergman et al., published in Journal Applied Physics 78 (1995) Issue 10, pages 4808-4810 strongly on temperature depends, is particularly on the temperature stability of the short-wave edge of the wavelength-selective sensor respect, think highly of. If, as shown by Bergman, the lifespan of the Minority charge carriers in the working temperature range monotonous selectivity increases by a factor of 3-10 Sensitivity of the photodiode deteriorated and the half value width Δλ and the position of the center wavelength λ ver be pushed.
Die Erfindung soll anschließend anhand von zwei Aus führungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei zeigenThe invention is then based on two management examples are described in more detail. Show
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der Funktionselemente eines wellenlängenselektiven Sensors aus einer schmalbandigen pin-AlGaAs-Photodiode, Fig. 1 shows the basic structure of the functional elements of a wavelength-selective sensor of a narrow-band pin-type AlGaAs photodiode,
Fig. 2 die Variation des Bandabstandes entlang des Licht weges im Halbleiterkörper, Fig. 2 shows the variation of the band gap along the light path in the semiconductor body,
Fig. 3 das Energiebandschema und die Reichweite der Photo nen unterschiedlicher Energie in der Photodiode, Fig. 3 shows the energy band diagram and the range of the photo-NEN different energy in the photodiode,
Fig. 4 das Dotierungsprofil im Halbleiterkörper der Photo diode, Fig. 4 the doping profile in the semiconductor body of the photo diode,
Fig. 5 die absolute spektrale Photoempfindlichkeit einer p+ p n- n-AlxGa1-xAs-Photodiode bei Raumtemperatur, Fig. 5, the absolute spectral photosensitivity of a p + pn - n-Al x Ga 1-x As photodiode at room temperature,
Fig. 6 die Abhängigkeit der photoelektrischen Eigenschaf
ten von der Temperatur,
Fig. 6 shows the dependence of the photoelectric char acteristics of the temperature,
- 1. a.) Photostrom bei fester Vorspannung,1. a.) Photocurrent with a fixed bias,
- 2. b.) Wellenlängenselektivität,2. b.) Wavelength selectivity,
Fig. 7a) die Variation des Bandabstandes entlang des
Lichtweges im Halbleiterkörper,
b) das Dotierungsprofil im Halbleiterkörper der Pho
todiode und Fig. 7a), the variation of the band gap along the light path in the semiconductor body,
b) the doping profile in the semiconductor body of the photodiode and
Fig. 8 den Mesa-Aufbau eines wellenlängenselektiven Sen sors aus einer GaInAsP-Photodiode. Fig. 8 shows the mesa structure of a wavelength-selective sensor from a GaInAsP photodiode.
Fig. 1 zeigt einen Grundaufbau einer erfindungsgemä ßen Photodiode. Auf einem einheitlich leitenden einkristal linen n-leitenden Substrat 1 aus einem binären Verbindungs halbleiter mit ausgewählter Orientierung wird mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie eine mehrschichtige Struktur abge schieden. Zunächst wird zweckmäßigerweise eine dünne struk turanpassende Pufferschicht 2 aus Halbleitermaterial glei cher Leitart gebildet, in dem die Dotierung noch ein erhöh tes Konzentrationsniveau aufweist. Diese Pufferschicht 2 ist jedoch für die Funktion der erfindungsgemäßen Photodiode nicht zwingend erforderlich. Beim folgenden Schichtwachstum wird die weiter zu beschichtende Seite der Scheibe mit einer flüssigen Phase benetzt, der ein Element der dritten oder fünften Gruppe des Periodensystem hinzugefügt ist, das den Bandabstand in der Schicht gegenüber dem Bandabstand EGS des Substrats 1 um mehrere Zehntel eV erhöht und so einen Sprung 10 im Bandabstand bewirkt (Fig. 2). Dabei ist darauf zu achten, daß die zu bildende photoelektrisch aktive Schicht 3 nach dem deutlichen Sprung 10 in der Bandlücke EGB(x) bei x = dE bald in eine Schicht mit einem abnehmenden Gradienten der Bandlücke übergeht (Fig. 2). Der Gradientenbereich der Bandlücke EGB(x) reicht von x = dA bis x = dE und hat beispiels weise einen mittleren Wert von 5 × 10-3 eV/µm. Die photoelek trisch aktive Schicht 3 hat eine Dicke dE - dA von bei spielsweise 5 µm und wird nur ganz schwach dotiert. Fig. 1 shows a basic structure of a photodiode according to the invention. On a uniformly conductive single-crystal n-type substrate 1 made of a binary compound semiconductor with selected orientation, a multilayer structure is separated using liquid phase epitaxy. First of all, a thin structure-adapting buffer layer 2 of semiconductor material of the same type is expediently formed, in which the doping still has an increased concentration level. However, this buffer layer 2 is not absolutely necessary for the function of the photodiode according to the invention. In the subsequent layer growth, the side of the disk to be coated is wetted with a liquid phase, to which an element of the third or fifth group of the periodic table is added, which increases the band gap in the layer by several tenths of an eV compared to the band gap E GS of the substrate 1 and thus causes a jump 10 in the band gap ( Fig. 2). It should be ensured that the photoelectrically active layer 3 to be formed soon changes into a layer with a decreasing gradient of the band gap after the significant jump 10 in the band gap E GB (x) at x = d E ( FIG. 2). The gradient range of the band gap E GB (x) ranges from x = d A to x = d E and has, for example, an average value of 5 × 10 -3 eV / µm. The photoelectrically active layer 3 has a thickness d E - d A of, for example, 5 µm and is only very weakly doped.
Nun wird eine weitere Verbindungshalbeiterschicht ab geschieden, die eine Filterfunktion im doppelten Sinne über nehmen soll. Diese Sperrfilterschicht 4 wächst zunächst wie der mit einem Bandabstandssprung 9 von beispielsweise 0,15 eV gegenüber der photoelektrisch aktiven Schicht 3. Mit zu nehmender Schichtdicke sinkt auch hier der Bandabstand mit einem mittleren Gradienten von 7,5 × 10-3 eV/µm. Die Sperr filterschicht 4 ist über die gesamte Dicke mit einer hohen Akzeptorkonzentration versehen. Die p-leitende Sperrfilter schicht 4 ist 5-10 µm dick und bildet das Fenster für den Lichteintritt in die Photodiode. In der Sperrfilterschicht 4 wird der große Teil der energiereichen Photonen absorbiert und in Elektronen-Loch-Paare gewandelt. Ein Teil der Sperr filterschicht 4 ist als hochdotierte Deckschicht 5 ausgebil det.Now another compound semiconductor layer is deposited, which is supposed to take on a filter function in two ways. This barrier filter layer 4 initially grows like that with a bandgap jump 9 of, for example, 0.15 eV compared to the photoelectrically active layer 3 . With increasing layer thickness, the band gap also drops here with an average gradient of 7.5 × 10 -3 eV / µm. The barrier filter layer 4 is provided with a high acceptor concentration over the entire thickness. The p-type barrier filter layer 4 is 5-10 microns thick and forms the window for the light entry into the photodiode. The large part of the high-energy photons is absorbed in the barrier filter layer 4 and converted into electron-hole pairs. Part of the barrier filter layer 4 is ausgebil det as a highly doped top layer 5 .
Über der Sperrfilterschicht 4 ist eine optisch ange paßte Dünnschicht gezogen, die aus Al2O3 besteht und die Funktion einer Entspiegelungsschicht 6 gegen Reflexionsver luste im gewünschten Wellenlängenbereich übernimmt. Die ein fallende Strahlung dringt in die Photodiode über die Ent spiegelungsschicht 6 auf der Frontseite mit ihrer gesamten Bandbreite (Bandabstand EGE) ein. Die Signale passieren da bei einen Frontkontakt 7. Der Frontkontakt 7 und ein Rück kontakt 8 dienen der elektrischen Vorspannung der Photodiode in Sperrichtung und der Abnähme des Photostroms bei Beleuch tung.Over the barrier filter layer 4 , an optically adapted thin layer is drawn, which consists of Al 2 O 3 and takes over the function of an anti-reflective layer 6 against reflection losses in the desired wavelength range. The incident radiation penetrates into the photodiode via the reflection layer 6 on the front with its entire bandwidth (band gap E GE ). The signals pass through a front contact 7 . The front contact 7 and a back contact 8 are used for the electrical bias of the photodiode in the reverse direction and the decrease in the photocurrent in lighting device.
Fig. 2 zeigt die Ortsabhängigkeit des Bandabstandes entlang des Lichtweges x durch die Entspiegelungsschicht 6 aus Al2O3, durch die Sperrfilterschicht 4 mit der Lücke EGA(x) sowie durch die photoelektrisch aktive Schicht 3 mit der Lücke EGB(x) bis in die Pufferschicht 2 und das Substrat 1 mit der Energielücke EGS(x). Fig. 2 shows the spatial dependence of the band gap along the light path x through the anti-reflective layer 6 made of Al 2 O 3 , through the barrier filter layer 4 with the gap E GA (x) and through the photoelectrically active layer 3 with the gap E GB (x) to into the buffer layer 2 and the substrate 1 with the energy gap E GS (x).
Fig. 4 zeigt das Profil der Dotierungskonzentration durch den Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Beispiels. Der Profilteil 11 stellt die Dotierung im p-leitenden Gebiet dar. Der Profilteil 12 betrifft die Dotierung im n-leitenden Gebiet. FIG. 4 shows the profile of the doping concentration through the layer structure of the example according to the invention. The profile part 11 represents the doping in the p-type region. The profile part 12 relates to the doping in the n-type region.
In Fig. 3 sind die photoelektronische und die elek tronische Wirkungsweise an einer AlGaAs-Photodiode darge stellt.In Fig. 3, the photoelectronic and the electronic mode of action on an AlGaAs photodiode are Darge.
Das sehr langwellige optische Signal λ(C) repräsentiert hier eine Strahlung oberhalb 780 nm. Es dringt bis in das Sub strat 1 vor und erzeugt dort Elektronen-Lochpaare. Damit die Minoritätsladungsträger dieser Paare nicht bis in die photo elektrisch aktive Schicht 3 gelangen können, wird in der Pufferschicht 2 die Minoritätsträgerlebensdauer durch eine hohe Dotierung abgesenkt. Beispielsweise kann die Dotie rungskonzentration in diesem Bereich auf Werte größer 1018 cm-3 eingestellt werden. Zusätzlich verhindert der Sprung 10 im Energiebandabstand zwischen der Pufferschicht 2 und der photoelektrisch aktiven Schicht 3 das Eindringen von Minori tätsladungsträgern aus dem Substrat 1 in die Raumladungszone der photoelektrisch aktiven Schicht 3, so daß die Strahlung λ(C) nicht zum Photostrom beiträgt.The very long-wave optical signal λ (C) represents radiation above 780 nm. It penetrates into the substrate 1 and generates electron-hole pairs there. So that the minority charge carriers of these pairs cannot get into the photoelectrically active layer 3 , the minority carrier lifetime is reduced in the buffer layer 2 by a high doping. For example, the doping concentration in this area can be set to values greater than 10 18 cm -3 . In addition, the jump 10 in the energy band gap between the buffer layer 2 and the photoelectrically active layer 3 prevents the ingress of minority charge carriers from the substrate 1 into the space charge zone of the photoelectrically active layer 3 , so that the radiation λ (C) does not contribute to the photocurrent.
Die Strahlung λ(B), die einen Wellenlängenbereich von 710 bis 780 nm repräsentiert, dringt bis in die photoelektrisch aktive Schicht 3 vor, wird dort absorbiert und generiert Elektronen-Loch-Paare, die in der Raumladungszone getrennt werden und somit zum Photostrom beitragen.The radiation λ (B), which represents a wavelength range from 710 to 780 nm, penetrates into the photoelectrically active layer 3 , is absorbed there and generates electron-hole pairs which are separated in the space charge zone and thus contribute to the photocurrent.
Die Strahlung λ(A), die Wellenlängen kleiner als 710 nm ent hält, wird vollständig in der Sperrfilterschicht 4 absor biert. Die generierten freien Minoritätsladungsträger werden jedoch noch innerhalb der Sperrfilterschicht 4 durch Rekom bination zum Verschwinden gebracht. Dies wird insbesondere erreicht durch eine ausreichend hohe Dotierungskonzentrati on, die eine Absenkung der Minoritätsträgerlebensdauer zur Folge hat, und zwar besonders im oberflächennahen Bereich der Sperrfilterschicht 4. Zusätzlich werden die Minoritäts träger durch den Gradienten des Bandabstandes an einer Bewe gung in Richtung auf die Raumladungszone gehindert. Durch diese Gestaltung der Sperrfilterschicht 4 wird erreicht, daß die hier absorbierten Photonen nicht zum Photostrom der Pho todiode beitragen können.The radiation λ (A), the wavelengths of less than 710 holds nm ent is completely biert sublingually in the barrier filter layer. 4 However, the generated free minority charge carriers are made to disappear within the barrier filter layer 4 by recombination. This is achieved in particular by a sufficiently high doping concentration, which results in a reduction in the minority carrier lifetime, in particular in the region of the barrier filter layer 4 near the surface. In addition, the minority carriers are prevented from moving in the direction of the space charge zone by the gradient of the band gap. This design of the barrier filter layer 4 ensures that the photons absorbed here cannot contribute to the photocurrent of the photodiode.
Die spektrale Photoempfindlichkeit einer pn-Übergangs- Photodiode aus AlGaAs ist in Fig. 5 angeben. Gegenüber ei ner UV-empfindlichen GaP-Photodiode oder einer breitbandigen herkömmlichen Si-Photodiode ist die erfindungsgemäß gestal tete Diode gemäß der Kurve 13 sehr schmalbandig empfindlich um die Mittenwellenlänge λM = 740 nm. Die Flankensteilheit wird wesentlich durch die Änderung der Bandlücke innerhalb der Sperrfilterschicht 4 für die kurzwellige Flanke und durch die Änderung der Bandlücke in der phtoelektrisch akti ven Schicht 3 für die langwellige Flanke bestimmt. Die spek trale Lage der Flanken läßt sich verhaltnismäßig unabhängig voneinander durch die Einstellung der Bandlücken in der Sperrfilterschicht 4 und in der photoelektrisch aktiven Schicht 3 einstellen. Damit ist die spektrale Halbwertsbrei te Δλ nicht halbleiterelektronisch bestimmt sondern frei wählbar.The spectral photosensitivity of a pn-transition photodiode made of AlGaAs is given in FIG. 5. Compared to a UV-sensitive GaP photodiode or a broadband conventional Si photodiode, the diode according to the invention, according to curve 13, is very narrow-band sensitive around the center wavelength λ M = 740 nm. The edge steepness becomes essential due to the change in the band gap within the barrier filter layer 4 for the short-wave flank and determined by the change in the band gap in the phtoelectrically active layer 3 for the long-wave flank. The spectral position of the flanks can be adjusted relatively independently of one another by adjusting the band gaps in the barrier filter layer 4 and in the photoelectrically active layer 3 . The spectral half-width range Δλ is thus not determined electronically by the semiconductor, but is freely selectable.
Die Effektivität der Wandlung des optischen in ein elektrisches Signal in dem ausgewählten Wellenlängenbereich ist an der deutlichen Annäherung an die Idealausbeute zu erkennen. Trotz der Filterung bleibt die äußere Quantenausbeu te mit bis zu 78% höher, als bei den breitbandig empfindli chen Photodioden der Elementhalbleiter.The effectiveness of converting the optical into one electrical signal in the selected wavelength range can be recognized by the clear approximation to the ideal yield. Despite the filtering, the outer quantum gain remains with up to 78% higher than with the broadband sensitive Chen photodiodes of the element semiconductors.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Photodiode liegt unter anderem auch in dem erweiterten Arbeitstempera turbereich. Fig. 6a zeigt, daß der Photostrom IPH der 740 nm-Photodiode unter konstanten äußeren Vorspannungs- und Belichtungsbedingungen gemäß der Kurve 14 bis 75°C nicht un ter 90% und bis 120°C nicht unter 75% des Raumtemperaturwer tes sinkt. Als Ursache der geringfügigen Änderung ist nach der Kurvenschar 15-17 in der Fig. 6b die Parallelverschie bung des Empfindlichkeitsverlaufes zu längeren Wellenlängen zu erkennen. Beim Übergang von Raumtemperatur 25°C (Kurve 15) zu einer Umgebungstemperatur von 60°C (Kurve 16) bzw. 74°C (Kurve 17) werden auch die Flanken der Empfindlich keitskurven nicht flacher. Die Ergebnisse früherer Untersu chungen zur Temperaturabhängigkeit der Minoritätsträgerle bensdauer in Elementhalbleitern oder Verbindungshalbleitern von Elementen der 3. Und 5. Gruppe des Periodensystems sind relativ einheitlich.The peculiarity of the photodiode according to the invention lies, inter alia, in the extended operating temperature range. Fig. 6a shows that the photocurrent I PH of the 740 nm photodiode under constant external bias and exposure conditions according to the curve 14 to 75 ° C does not fall below 90% and up to 120 ° C not below 75% of the room temperature value. The cause of the slight change can be seen after the family of curves 15-17 in Fig. 6b, the parallel displacement of the sensitivity curve to longer wavelengths. When changing from room temperature 25 ° C (curve 15 ) to an ambient temperature of 60 ° C (curve 16 ) or 74 ° C (curve 17 ), the flanks of the sensitivity curves do not become flatter. The results of previous studies on the temperature dependence of minority carrier life in element semiconductors or compound semiconductors of elements of the 3rd and 5th Group of the periodic table are relatively uniform.
Aus Literaturangaben für Silizium, GaAs, AlGaAs, GaP
und GaN geht hervor, daß die Diffusionslänge Lp, Ln gemäß
der Gleichung
From literature references for silicon, GaAs, AlGaAs, GaP and GaN it appears that the diffusion length L p , L n according to the equation
sich mit der Aktivie rungsenergie Ea mit der Temperatur T ändert, wenn Lo einen Skalierungsfaktor der Diffusionslänge darstellt. Die Akti vierungsenergie schwankt zwischen 45 und 90 meV und die Dif fusionslänge vergrößert sich dementsprechend mit steigender Temperatur.changes with the activation energy E a with the temperature T if L o represents a scaling factor of the diffusion length. The activation energy fluctuates between 45 and 90 meV and the diffusion length increases accordingly with increasing temperature.
Bei den indirekten Halbleitern aus VPE-n-GaP : S und LPE GaP : Mg wächst die Lebensdauer sowohl bei Messungen aus der ge speicherten Ladung nach dem Sperrträgheitsverfahren, als auch aus Messungen des Abklingens der Photolumineszenz. Wenn allerdings die Start-, Züchtungs-, Dotierungs- und Ab kühlprozesse geändert (Vgl. DD-A 251 699 A3) und Möglichkei ten für die Entstehung anderer Arten von Punktdefekten, z. B. in hoch mit isoelektronischen Störstellen dotierten VPE-n- GaP : N,Te, gegeben sind, können die Abklingergebnisse durch aus in Kontrast zu der allgemein gültigen Tendenz stehen. Wirken hier tiefe akzeptorartige Traps mit nahezu T- unabhängigen Einfangquerschnitten, dann verschwindet der markante Einfluß der Temperatur auf die Minoritätsträgerle bensdauer sowohl bei geringen, wie bei hohen Anregungsdich ten.Indirect semiconductors made of VPE-n-GaP: S and LPE GaP: Mg the lifespan increases with measurements from the ge stored cargo according to the inertia method, as also from measurements of the decay of the photoluminescence. However, if the start, breeding, doping and Ab Chilling processes changed (see DD-A 251 699 A3) and options for the emergence of other types of point defects, e.g. B. in VPE-n- highly doped with isoelectronic impurities GaP: N, Te, given the decay results in contrast to the generally accepted trend. Deep acceptor-like traps with almost T- independent capture cross sections, then the disappears significant influence of temperature on minority carriers Lifetime with both low and high excitation density ten.
Bestimmt allerdings die Oberflächenrekombination das opti sche Zeitverhalten, dann ist besonders bei niedrigen Anre gungsdichten ein schnelleres Abklingen bei wachsender Tempe ratur festzustellen, wenn das Licht vorzugsweise in den oberflächennahen Schichten absorbiert wird.However, the surface recombination determines the opti time behavior, then it is especially with low starting a faster decay with increasing tempe rature determine if the light preferably in the near-surface layers is absorbed.
Die Messungen der Temperaturabhängigkeit der spektra len Empfindlichkeit der hier vorgestellten wellenlängense lektiven Photodioden weisen im Gegensatz zur bisherigen Er fahrung der Fachwelt auf keine einschneidende Veränderung der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger hin. Damit tre ten keine nachteiligen Folgen aus Temperaturabhägigkeiten für die Selektivität der Photoempfänger ein.The measurements of the temperature dependence of the spectra len sensitivity of the wavelengths presented here lective photodiodes, in contrast to the previous Er experience of the professional world on no drastic change the lifetime of the minority charge carriers. So tre no adverse consequences from temperature dependencies for the selectivity of the photoreceivers.
Die Verschiebung des Spektralverlaufs ist der Temperaturab hängigkeit des Bandabstandes des Halbleitermaterials zuzu schreiben. Dementsprechend hat sich die Lebensdauer der Mi noritätsladungsträger trotz ihrer hohen Temperaturabhängig keit noch nicht so weit vergrößern können, daß durch erhöhte Diffusionslängen gegenüber den konstanten Schichtdicken die Sperrfilterfunktion geschwunden oder der kurzwellige oder der langwellige Ausläufer verfälscht wurden.The shift in the spectral profile is the temperature dependence of the bandgap of the semiconductor material write. Accordingly, the life of the Mi nority charge carriers despite their high temperature speed can not enlarge so far that by increased Diffusion lengths compared to the constant layer thicknesses Blocking filter function disappeared or the short-wave or the long-wave foothills have been falsified.
Mit dem 2. Ausführungsbespiel wird eine Photodiode im nahen Infrarotbereich (1,0 bis 1,7 µm) erläutert. Schmalban dige und wellenlängenselektive Photodioden sind hier von In teresse, wenn z. B. verschiedene Signalträgerwellen ungeach tet ihrer Laufzeitunterschiede gemeinsam über die gleiche Faser übertragen, aber separat erfaßt werden sollen. Für derartige Einsatzfälle sind ternäre und quarternäre Misch verbindungshalbleiter des InGaAsP-Systems geeignet.With the 2nd execution example, a photodiode in the near infrared range (1.0 to 1.7 µm) explained. Narrow Ban here and wavelength-selective photodiodes are from In interest if z. B. different signal carrier waves their runtime differences together over the same Fiber transferred, but should be recorded separately. For such applications are ternary and quaternary mixed Compound semiconductors of the InGaAsP system are suitable.
Die Gitterkonstante der gewählten Mischverbindung von In1-xGaxAs überspannt von 6,06 A für x = 0 von InAs bis 5,65 A für x = 1 von GaAs einen relativ großen Bereich im Vergleich zum AlGaAs-System. Das für dieses Beispiel gewählte Substrat aus InP liegt nach den Beschichtungsergebnissen von G. A. An typas (1972) über die GaInAsP-Legierung (veröffentlicht in der Monographie. "GaInAsP Alloy semiconductors"' von T. P. Pearsall im Verlag John Wiley & Sons Ltd. Chichester, 1982) und nach R. Sankaran et. al. (veröffentlicht in der Zeit schrift Journal Crystal Growth, 33 (1976), S. 271) mit einer Gitterkonstanten von 5,869 A gut dazwischen. Über definierte x- und y-Wertepaare im In1-xGaxAsyP1-y kann die Gitterkon stante der zu bildenden neuen Schichten exakt auf den Sub stratwert eingestellt werden. Z. B. läßt sich mit den Werte paaren {x = 0,16 und y = 0,33}; {0,27 und 0,6}, {0,40 und 0,85} sowie {0,47 und 1,0} jede Fehlabweichung vermeiden. Dadurch läßt sich das Konfinementkonzept der Strahlungsab sorption durch Schieben der Absorptionskante auf 1,12 µm, 1,3 µm 1,55 µm oder 1,65 µm bedarfsgerecht angleichen.The lattice constant of the selected mixed compound of In 1-x Ga x As spans a relatively large range from 6.06 A for x = 0 of InAs to 5.65 A for x = 1 of GaAs compared to the AlGaAs system. The InP substrate chosen for this example is based on the coating results from GA An typas (1972) on the GaInAsP alloy (published in the monograph "GaInAsP Alloy semiconductors" by TP Pearsall, published by John Wiley & Sons Ltd. Chichester, 1982 ) and according to R. Sankaran et. al. (published in Journal Crystal Growth, 33 (1976), p. 271) with a lattice constant of 5.869 A well in between. The lattice constant of the new layers to be formed can be set exactly to the substrate value via defined x and y value pairs in the In 1-x Ga x As y P 1-y . For example, you can pair with the values {x = 0.16 and y = 0.33}; Avoid {0.27 and 0.6}, {0.40 and 0.85} and {0.47 and 1.0} any mismatch. This allows the confinement concept of radiation absorption to be adjusted as required by sliding the absorption edge to 1.12 µm, 1.3 µm, 1.55 µm or 1.65 µm.
Soll das λM-Tuning erfindungsgemäß auf das Konfinement der Minoritätsträgerlebensdauer entlang des Lichtweges ge stützt werden, kann dies vorbei an den gitterisometrischen Gegebenheiten der aufzutragenden Mischverbindungshalbleiter schichten einerseits durch Rückgriff auf das ternäre GaxIn1-x As und die Abstufung des In-Anteils erfolgen.If the λ M tuning according to the invention is based on the definition of the minority carrier lifetime along the light path, this can layer beyond the lattice isometric conditions of the compound compound semiconductors to be applied, on the one hand by using the ternary Ga x In 1-x As and the gradation of the In portion respectively.
Es wird nun eine Photodiode mit einer in der Lichtlei ternachrichtentechnik gefragten Mittenwellenlänge λM von 1,3 µm beschrieben (Fig. 7a, 7b, 8). Zu diesem Zweck wird als Substrat 18 ein (100)-orientiertes, hoch dotiertes n- leitendes InP (Sn oder Te = 2 1018 cm3) mit einer 3 µm dic ken ebenfalls n-leitenden Pufferschicht 19 aus InP bedeckt. Darüber wird mit Hilfe der MO-Gasphasenepitaxie eine photoelektrisch aktive Schicht 20 mit einer Schichtdicke von 2-5 µm gebildet. Diese auf die Zielwellenlänge zugeschnittene Epitaxieschicht aus n-leitendem In1-xGaxAs wird auf einen x- Wert von 0,47 und damit auf eine Gitterkonstante von 5,869 A eingestellt. Dadurch ist die photoelektrisch aktive Schicht 20 gut an das Substrat 18 angepaßt. Mit seiner Bandlücke von 0,73 eV ist es aber deutlich schmalbandiger als die des Sub strats 18 und der Pufferschicht 19 (Bandabstand 1,35 eV). Bei einer Dotierungskonzentration von 4 1015 cm3 in der pho toelektrisch aktiven Schicht 20 beträgt der Absorptions koeffizient 1,2 104 cm-1 bei λ = 1,3 µm. Die Minoritätsträ gerlebensdauer ist hier größer als 103 ns.A photodiode with a center wavelength λ M of 1.3 µm, which is in demand in the Lichtlei technology, will now be described ( FIGS. 7a, 7b, 8). For this purpose, a (100) -oriented, highly doped n-conducting InP (Sn or Te = 2 10 18 cm 3 ) is covered as substrate 18 with a 3 μm thick likewise n-conducting buffer layer 19 made of InP. A photoelectrically active layer 20 with a layer thickness of 2-5 μm is formed over it with the aid of the MO gas phase epitaxy. This epitaxial layer of n-type In 1-x Ga x As, tailored to the target wavelength, is set to an x value of 0.47 and thus to a grating constant of 5.869 A. As a result, the photoelectrically active layer 20 is well matched to the substrate 18 . With its band gap of 0.73 eV, however, it is significantly narrower than that of the sub strate 18 and the buffer layer 19 (band gap 1.35 eV). With a doping concentration of 4 10 15 cm 3 in the photoelectrically active layer 20 , the absorption coefficient is 1.2 10 4 cm -1 at λ = 1.3 µm. The minority carrier lifetime here is greater than 10 3 ns.
An die photoelektrisch aktive Schicht 20 schließt sich zur Bildung eines pn-Überganges 21 nun eine p-leitende, Zn- dotierte In1-xGaxAs-Epitaxieschicht, die Sperrfilterschicht 22, an. Die Sperrfilterschicht 22 wird deshalb mit einem größeren x-Wert als die photoelektrisch aktive Schicht 20 versehen. Der x-Wert liegt jetzt bei 0,65 und die Sperrfil terschicht 22 ist 7 µm dick. Nahe dem pn-Übergang ist die Dotierungskonzentration der Akzeptoren mit 5 1017 cm3 gleichmäßig verteilt. Der frontale Teil der Sperrfilter schicht 22 ist mit einer dünnen, sehr hoch dotierten Deck schicht 23 versehen, in der die Zinkdotierung durch Diffusi on aus äußeren Quellen auf 1,5-2 1019 cm3 mit einem steil abfallenden Profil getrieben wurde. Abweichend von der Mino ritätsträgerlebendauer in der schwächer dotierten Sperrfil terschicht 20 mit ca. 10 ns ist in der hoch dotierten Deck schicht 23 die Minoritätsträgerlebensdauer auf 100 bis 30 ps abgesenkt. Alle in der Deckschicht 23 von absorbierten Pho tonen gebildeten Elektronen-Loch-Paare verschwinden durch die kurze Lebensdauer der Minoritätsladungsträger sofort wieder.A p-conducting, Zn-doped In 1-x Ga x As epitaxial layer, the blocking filter layer 22 , now adjoins the photoelectrically active layer 20 to form a pn junction 21 . The barrier filter layer 22 is therefore provided with a larger x value than the photoelectrically active layer 20 . The x value is now 0.65 and the barrier filter layer 22 is 7 µm thick. Near the pn junction the doping concentration of the acceptors is evenly distributed at 5 10 17 cm 3 . The frontal part of the notch filter layer 22 is provided with a thin, very highly doped cover layer 23 , in which the zinc doping was driven by a diffusion from external sources to 1.5-2 10 19 cm 3 with a steeply falling profile. Deviating from the minority carrier lifetime in the less doped barrier filter layer 20 with approximately 10 ns, the minority carrier lifetime is reduced to 100 to 30 ps in the highly doped covering layer 23 . All of the electron-hole pairs formed in the top layer 23 by absorbed photons disappear immediately due to the short life of the minority charge carriers.
Eine Begrenzung der Fläche des pn-Übergangs 21 auf 10-4 cm2 pro Chipelement für eine Kleinflächenphotodiode wird auf dem Wafer durch eine herkömmliche Ätzung eines Mesa 24 vorgenommen (Fig. 8). Alle auf dem Substrat 18 befindlichen Schichtzonen werden rund um den Mesa 24 bis zum Substrat 18 hin entfernt. Die Böschung des Mesa 24 zeigt einen kleinen Böschungswinkel, so daß die über die Böschung gezogenen Schichten rißfrei von der Mesaerhebung auf die Substratober fläche übergehen. Um den direkten Streulichteinfall über die Böschung in die photoelektrisch aktive Schicht 20 zu unter drücken, ist die Böschung mit einer lichtundurchlässigen Blende 26 abgedeckt. Ein Bestandteil dieser Blende 26 ist eine Metallschicht, die einen Frontkontakt 27 zur hoch p- leitenden Sperrfilterschicht 22 herstellt und oberhalb einer Isolierschicht 25 aus Si3N4 teilweise über die Böschung des Mesa 24 gezogen ist. Die Blende 26 läßt sich durch licht dichte, nichtleitende Schichten auf die übrige nicht vom Me sa 24 eingenommene Frontfläche des Chips ausdehnen. Der Frontkontakt 27 wird über eine Drahtbrücke 29, die auf einer Bondinsel 28 angebracht ist, mit definiertem Sperrpotential versorgt. Ein Rückkontakt 30 ist auf Massepotential gelegt. The area of the pn junction 21 is limited to 10 -4 cm 2 per chip element for a small area photodiode on the wafer by a conventional etching of a mesa 24 ( FIG. 8). All zones layer located on the substrate 18 are around the mesa 24 down away down to the substrate 18th The embankment of the mesa 24 shows a small embankment angle, so that the layers drawn over the embankment pass from the mesa elevation to the substrate surface without cracks. In order to suppress the direct incidence of scattered light via the embankment into the photoelectrically active layer 20 , the embankment is covered with an opaque diaphragm 26 . A component of this diaphragm 26 is a metal layer which makes a front contact 27 to the high p-conducting blocking filter layer 22 and is partially drawn over the slope of the mesa 24 above an insulating layer 25 made of Si 3 N 4 . The aperture 26 can be extended by light-tight, non-conductive layers on the rest of the front surface of the chip not occupied by the Me sa 24 . The front contact 27 is supplied with a defined blocking potential via a wire bridge 29 which is attached to a bond island 28 . A back contact 30 is connected to ground potential.
11
Substrat
Substrate
22
Pufferschicht
Buffer layer
33rd
Photoelektrisch aktive Schicht
Photoelectrically active layer
44
Sperrfilterschicht
Barrier filter layer
55
Deckschicht
Top layer
66
Entspiegelungsschicht
Anti-reflective coating
77
Frontkontakt
Front contact
88th
Rückkontakt
Back contact
99
Sprung (der Bandlücke zwischen der Sperrfilterschicht Crack (the band gap between the barrier filter layer
44
und der photoelektrisch aktiven Schicht and the photoelectrically active layer
33rd
)
)
1010th
Sprung (der Bandlücke zwischen der photoelektrisch ak tiven Schicht Jump (the band gap between the photoelectric ak tive layer
33rd
und der Pufferschicht and the buffer layer
22
)
)
1111
Profilteil (Dotierungsprofil im p-leitenden Gebiet)
Profile part (doping profile in the p-type region)
1212th
Profilteil (Dotierungsprofil im n-leitenden Gebiet)
Profile part (doping profile in the n-type region)
1313
Kurve (Photoempfindlichkeit einer wellenlängenselekti
ven 740 nm-Photodiode)
Curve (photosensitivity of a wavelength-selective 740 nm photodiode)
1515
Kurve (Temperaturempfindlichkeit des Photostromes IPH Curve (temperature sensitivity of the photocurrent I PH
in relativen Einheiten)
in relative units)
1616
Kurve (Spektralempfindlichkeit des Photostromes bei
25°C)
Curve (spectral sensitivity of the photocurrent at 25 ° C)
1717th
Kurve (Spektralempfindlichkeit des Photostromes bei
60°C)
Curve (spectral sensitivity of the photocurrent at 60 ° C)
1818th
Kurve (Spektralempfindlichkeit des Photostromes bei
74°C)
Curve (spectral sensitivity of the photocurrent at 74 ° C)
1919th
Substrat ((100)-orientiertes, hoch dotiertes n-
leitendes InP)
Substrate ((100) -oriented, highly doped n-type InP)
2020th
Pufferschicht (aus n-leitendem InP)
Buffer layer (made of n-conductive InP)
2121
photoelektrisch aktive Schichtzone (aus n-leitendem In1-x photoelectrically active layer zone (made of n-conducting In 1-x
Gax Ga x
As mit x-Wert von 0,47)
As with x value of 0.47)
2222
pn-Übergang
pn transition
2323
Filterschicht (p-leitende, Zn-dotierte In1-x Filter layer (p-type, Zn-doped In 1-x
Gax Ga x
As-
Schicht)
As layer)
2424th
Deckschicht (dünn, sehr hoch Zn-dotiert)
Top layer (thin, very high Zn-doped)
2525th
Mesa
Mesa
2626
Isolierschicht (aus Si3 Insulating layer (made of Si 3
N4 N 4
)
)
2727
lichtundurchlässige Blende
opaque aperture
2828
Frontkontakt (zur hoch p-leitenden Filterschicht)
Front contact (to the high p-conducting filter layer)
2929
Bondinsel
Bond island
3030th
Drahtbrücke
Wire bridge
Claims (21)
zur Festlegung der Empfindlichkeitsgrenzen hinsichtlich der erfaßbaren Photonenenergie eine photoelektrisch ak tive Schicht (3, 20) und ihre Schichtlagen auf ihren beiden Oberflächenseiten an Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung anstoßen,
wobei auf der bestrahlten Seite der photoelektrisch ak tiven Schicht (3, 20) eine photoelektrische Sperrfil terschicht (4, 22) für kurzwelligere Strahlung aus mo nolithisch integriertem Halbleitermaterial gebildet ist, deren Energiebandlücke (EGA(x)) über mindestens zwei Komponenten der III-V-Mischverbindung eingestellt ist und einen größeren Wert als die Energiebandlücke (EGB(x)) in den direkt anschließenden Schichtlagen des benachbarten Halbleitermaterials der photoelektrisch aktiven Schicht (3, 20) aufweist und die hierselbst op tisch generierten Minoritätsladungsträger durch die Ge staltung des räumlichen Verlaufs der Energiebandstruk tur sowie der Ausdehnung der Sperrfilterschicht (4) in Verbindung mit einem geeigneten Dotierungsprofil daran gehindert sind, die benachbarte photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) zu erreichen,
sich an die Sperrfilterschicht (4, 22) nach einem pn- Übergang die photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) an schließt, deren Halbleitermaterial durch eine große Diffusionslänge der optisch generierten Minoritätsladungsträger ausgezeichnet und im Betrieb von einer Raumladungszone erfaßt ist
und die photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) durch einen Heteroübergang zwischen einem Substrat (1) oder einer über dem Substrat (1) liegenden Pufferschicht (2) und der photoelektrisch aktiven Schicht (3, 20) mit ei ner eine Zugangsbarriere (ΔB) für Minoritätsträger aus dem Substrat (1) bildenden Banddiskontinuität im Ver lauf des zugehörigen Energiebandes beweglicher Minori tätsträger abgeschlossen ist, in deren Folge keine Mi noritätsladungsträger aus dem Substrat (1) oder der Pufferschicht (2) in die photoelektrisch aktive Schicht (3, 20) gelangen können.1. Wavelength-selective pn-junction photodiode made of ter nary or quaternary III-V mixed connections for a freely selectable, visible or infrared spectral region with a stack arrangement of several functional zones normal to the direction of incidence of the electromagnetic spectrum, characterized in that
to determine the sensitivity limits with regard to the detectable photon energy, a photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) and its layer layers on both surface sides of layers of different chemical composition,
wherein on the irradiated side of the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) a photoelectric Sperrfil terschicht ( 4 , 22 ) is formed for short-wave radiation from monolithically integrated semiconductor material, the energy band gap (E GA (x)) over at least two components of III -V-mixed connection is set and has a greater value than the energy band gap (E GB (x)) in the directly adjacent layer layers of the adjacent semiconductor material of the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) and the self-generated minority charge carriers by the design of the Ge spatial course of the energy band structure and the expansion of the barrier filter layer ( 4 ) in connection with a suitable doping profile are prevented from reaching the adjacent photoelectrically active layer ( 3 , 20 ),
the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) adjoins the barrier filter layer ( 4 , 22 ) after a pn junction, the semiconductor material of which is characterized by a long diffusion length of the optically generated minority charge carriers and is detected by a space charge zone during operation
and the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) by means of a heterojunction between a substrate ( 1 ) or a buffer layer ( 2 ) lying over the substrate ( 1 ) and the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) with an access barrier (ΔB) for minority carriers from the substrate ( 1 ) forming tape discontinuity in the course of the associated energy band movable minor carrier is completed, as a result of which no minority carriers from the substrate ( 1 ) or the buffer layer ( 2 ) into the photoelectrically active layer ( 3 , 20 ) can reach.
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