DE102007006211B3 - Heteroübergang-pin-Photodiode und deren Verwendung - Google Patents
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Abstract
Der Wellenlängenbereich um 850 nm ist für optische Kurzstrecken-Datenübertragung etabliert. Dabei sind Datenraten von 20 Gb/s und mehr in der Diskussion, wobei aber die Leistungsfähigkeit der derzeit die Parameter Absorption, Responsivität, Kapazität und Geschwindigkeitsverhalten begrenzt ist. Insbesondere ist im Falle von GaAs der spektrale Empfindlichkeitsbereich auf unterhalb von ca. 860 nm (bei Raumtemperatur) begrenzt. Die erfindungsgemäße Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) weist auf einem Substrat (SU) aus InP eine Absorptionsschicht (AS) aus InP mit einer spektralen Absorption bis 920 nm bei Raumtemperatur, eine Fensterschicht (FS) aus InAlAs mit einer optischen Transparenz für Wellenlängen bis hinunter zu 830 nm (größerer Bandabstand als der der Absorberschicht (AS)) sowie eine Schutzdeckschicht (SD) aus InP zum Oxidationsschutz der Fensterschicht (FS) auf. Erstmals wird bei einer Photodiode (PD) eine binäre InP-Absorberschicht (AS) eingesetzt. Diese Struktur führt zu einer deutlichen Verbesserung der Photodiodeneigenschaften, insbesondere der Betriebswellenlängentoleranz für den Wellenlängenbereich um 850 nm bei einer optischen Datenübertragung mit Datenraten bis oberhalb von 10 Gb/s.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Heteroübergang-pin-Photodiode aus III-V-Verbindungshalbleitern auf einem InP-Substrat mit zumindest einer Absorptionsschicht aus einem binären Verbindungshalbleiter, einer dotierten Fensterschicht aus einem ternären Verbindungshalbleiter und einer Schutzdeckschicht sowie mit rück- und vorderseitigen Kontakten und auf eine spezielle Anwendung dieser Heteroübergang-pin-Photodiode.
- Der Wellenlängenbereich um 850 nm (etwa 830 nm–900 nm) ist für optische Kurzstrecken-Datenübertragung (bis etwa 2000 m) etabliert. Gründe für diesen Wellenlängenbereich sind bekanntermaßen die Verwendbarkeit von kostengünstigen GaAs-basierten Sendern, im Wesentlichen in Form von VCSEL-Strukturen (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), und von kostengünstigen GaAs- oder Si-basierten Photodioden als optische Empfänger. Die Übertragungsraten, die in solchen Datacom-Anwendungen (Verbindungen zwischen elektrischen Racks, LAN, etc.) verwendet werden, steigen stetig. 10 Gb/s-VCSEL sind inzwischen verfügbar, höhere Datenraten (z. B. 16 Gb/s, 20 Gb/s über eine Wellenlänge) werden angestrebt. Die optische Verbindung zwischen elektronischen Chips kann in Zukunft eine große Bedeutung erlangen. Datenraten von 20 Gb/s und mehr sind hierfür in der Diskussion.
- STAND DER TECHNIK
- Derzeit werden für die genannten Anwendungen Photodioden entweder auf Basis von GaAs (Materialsystem Ga(Al)As) oder auf Basis von Silizium (Si) eingesetzt, wobei als absorbierendes Material in der Regel GaAs bzw. Si verwendet wird. Beide Materialoptionen weisen aber Nachteile auf, die die Bauelementeeigenschaften beschränken, insbesondere hinsichtlich der Betriebswellenlänge und hoher Übertragungsraten (Bitraten).
- Bei GaAs-Detektoren liegt die spektrale Absorptionskante naturgemäß in der Nähe des spektralen Emissionsbereichs der GaAs-Emitter, sodass die Absorption ein begrenzender Faktor werden kann, wenn die Temperaturempfindlichkeit mit einbezogen wird. Die Absorptionskante von GaAs-Photodioden liegt bei Raumtemperatur etwa bei 860 nm. Beträgt die Umgebungstemperatur auf der Empfängerseite z. B. nur –10°C, verschiebt sich die Absorptionskante zu etwa 850 nm. Auf der Senderseite können gleichzeitig hohe Umgebungstemperaturen vorliegen (je nach Anwendung z. B. bis +100°C). Ein GaAs-basierter VCSEL-Sender, der bei Raumtemperatur um 850 nm emittiert, emittiert bei dieser hohen Temperatur bei einer ca. 8 nm höheren Wellenlänge, also bei 858 nm. Wird ein kantenemittierender Laser vom Fabry-Perot-Typ eingesetzt, ist die Verschiebung noch um einen Faktor 4–5 höher. Hohe Temperaturunterschiede, d. h. niedrige Temperaturen auf der Empfänger- und hohe Temperaturen auf der Senderseite, können deshalb dazu führen, dass sich die Detektionsempfindlichkeit im Falle einer GaAs-basierten Photodiode wegen der temperaturabhängigen Verschiebung der Absorptionskante drastisch reduziert und für die optische Datenübertragung unbrauchbar werden kann. Durch Einbau von Indium in die GaAs-Absorptionsschicht kann zwar die Absorptionskante zu längeren Wellenlängen hin verschoben werden, sodass der geschilderte Fall vermieden werden könnte. Die durch den In-Einbau in die GaAs-Absorptionsschicht erzwungene Verspannung der Absorptionsschicht begrenzt aber deren Dicke und damit die wichtigen Parameter Responsivität und Kapazität, was wiederum die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten/Datenraten begrenzt.
- Bei Si-Photodioden für hochratige Anwendungen besteht hingegen das Problem, dass wegen der indirekten Bandstruktur eine große Absorptionsdicke notwendig ist, um hohe Responsivität zu erzielen. Diese große Dicke begrenzt auf der anderen Seite das Geschwindigkeitsverhalten infolge der erhöhten Transitzeit der generierten Ladungsträger.
- Photodioden mit einer Absorberschicht aus einem ternären oder quaternären Verbindungshalbleiter sind in einer Vielzahl aus dem Stand der Technik bekannt, vergleiche beispielsweise
US 7.115.910 B2 ,US 6.489.635 B1 ,DE 195 38 650 C2 , (ternärer Verbindungshalbleiter GaInAs) oderDE 32 06 312 A1 ,DE 196 53 446 A1 quaternärer Verbindungshalbleiter GaInAsP. Ihr Einsatzbereich zielt aber auf die in der optischen Nachrichtenübertragung für größere Übertragungsstrecken üblicherweise verwendeten Betriebswellenlängen oberhalb 1200 nm, insbesondere in einem Fenster um 1310 nm und 1550 nm. Weiterhin ist es aus derDE 697 14 117 T2 für eine Heteroübergangpin-Photodiode, die einen besonders schnellen Betrieb zum Detektieren von. Lichtsignalen bis 100 Gb/s gewährleistet, bekannt, dass für quaternäre Verbindungshalbleiter auch möglich ist, die anderen III-V-Verbindungshalbleitermaterialien einzusetzen. - Aus der
DE 691 23 280 T2 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ist eine Heteroübergang-pin-Photodiode aus III-V-Verbindungshalbleitern bekannt, die auf einem Substrat aus einem semiisolierenden Halbleiter InP (24A ,101 ) aufbaut. Im Schichtenaufbau weiter oben ist dann über einer dotierten Trägerzufuhrschicht aus InAlAs (24A ,103 ) mit einer breiten Bandlücke und einer hohen Dotierung eine intrinsische Absorptionsschicht (24A ,104 ) aus einem undotierten ternären Verbindungshalbleiter InGaAs angeordnet. Es wird aber bezüglich der intrinsischen Absorptionsschicht in derDE 691 23 280 T2 auch ausgeführt, dass diese auch aus einem binären Verbindungshalbleiter GaAs oder dergleichen bestehen kann (7 ,3 ). Oberhalb der Absorptionsschicht (24A ,104 ) befindet sich eine dotierte Fensterschicht (24A ,105 ) aus InP. Es wird aber bezüglich der dotierten Fensterschicht in derDE 691 23 280 T2 auch ausgeführt, dass diese auch aus einem ternären Verbindungshalbleiter AlGaAs oder dergleichen bestehen kann (7 ,4 ). Das Schichtenpaket wird abgeschlossen von einer undotierten Schutzdeckschicht (24A ,130 ) aus InGaAs. Diese kann auch aus InAlAs bestehen (25 ,149 ). In der25 wird als oberste Schicht (149 ) eine InAlAs als Sperrschicht aufgezeigt. Die22A zeigt als oberste Schicht eine Schottky-Kontaktschicht (112 ) aus InAlAs, die auf einer Absorberschicht aus InGaAs (104 ) angeordnet ist. Weiterhin ist es aus der21A bekannt, eine Trägerzufuhrschicht (103 ) aus InAlAs auf einem gepufferten InP-Substrat vorzusehen. Eine Fensterschicht aus InAlAs wird aber in derDE 691 23 280 T2 ebenso wenig offenbart wie eine Absorptionsschicht aus InP. - In der internationalen Offenlegungsschrift
WO 89/12323 A1 2 ). - Die Offenlegungsschrift weist unter anderem auf die Möglichkeit hin, alternative Verbindungshalbleiter wie InGaAs anstelle von GaAs und InP anstelle von AlGaAs für Wellenlängenbereiche von 1,32 μm bis 1,55 μm zu verwenden (Seite 15, Zeile 32 bis 33), sie liefert aber keinen Hinweis auf die Verwendung von InAlAs-Schichten als Fensterschicht auf einer Absorptionsschicht aus InP. Die vorgeschlagene Schichtkombination In0,53Ga0,47As/InP stellt die seit langem gebräuchliche, schon vor 1989 bekannte Basisstruktur für InP basierte Photodioden dar.
- Die Veröffentlichung von Kawamura et al., Inst. Phys. Conf. Ser. No. 136, Chapter 6, S. 391–396, behandelt optische und elektrische Eigenschaften von InGaAlAs/InP-Mehrfach-Quantenfilmstrukturen (MQW-Strukturen) vom Typ II, d. h. besondere quaternäre Strukturen mit einem gegenüber dem Typ I erhöhten Al-Anteil. Es werden weiter Eigenschaften von MQW-Dioden basierend auf dem Materialsystem InAlAs/InP vom Typ II untersucht. Deren Potenzial zur Verwendung als optische Modulatoren auf Basis des Elektroabsorptionseffekts (Quantum Confined Stark Effekt) oder zum Einsatz als Lichtemitter wird im Wellenlängenbereich um 1 μm demonstriert (siehe z. B.
9 ). Als Basis für Photodetektoren besitzt die Elektroabsorption jedoch keine Relevanz. - AUFGABENSTELLUNG
- Ausgehend von den eingangs genannten Beschränkungen bei der hochratigen optischen Datenübertragung (ca. 10 Gbit/s und höher) in einem Wellenlängenbereich um 850 nm und dem zuvor erläuterten Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist darin zu sehen, die eingangs beschriebene, gattungsgemäße Heteroübergang-pin-Photodiode aus III-V-Verbindungshalbleitern so weiterzubilden, dass die skizzierten temperatur bedingten Einsatzbeschränkungen umgangen und/oder Toleranzen hinsichtlich der Wellenlängen substanziell vergrößert und damit die Bauelementekosten verringert werden können.
- Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und – ebenso wie eine bevorzugte Anwendung der Erfindung – im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
- Die erfindungsgemäße Photodiode zeigt eine Struktur, die zusammen mit den anderen Maßnahmen zu einer Verbesserung der Photodiodeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich des temperaturabhängigen spektralen Verhaltens speziell für den Wellenlängenbereich um 850 nm und höher führt und deren Vorteile speziell für Datenübertragungsraten von 10 Gb/s und höher zum Tragen kommen. Dazu weist die erfindungsgemäße Photodiode grundsätzlich eine Absorptionsschicht aus InP auf, einem Verbindungshalbleitermaterial aus der Gruppe der direkten Halbleiter. Damit wird erstmals bei einer Photodiode eine binäre InP-Schicht als Absorberschicht eingesetzt. Die spektrale Absorptionskante von InP liegt bei Raumtemperatur bei 920 nm, also um etwa 50 nm über der von GaAs. Für eine zu detektierende Wellenlänge von z. B. 860 nm entspricht dies einem Photonenergieabstand zwischen Absorptionsbandkante und der Energie der absorbierten Photonen von 92 meV, so dass die resultierende Absorptionskonstante den maximalen Bereich erreicht. Zum Vergleich: bei einer konventionellen InGaAs (Absorberschicht)/InP-Photodiode beträgt diese Differenz bei einer Wellenlänge von 1,55 μm nur 50 meV. Selbst bei einer grenzwertigen unteren Betriebstemperatur von –40°C verschiebt sich dieser Wert von 920 nm nur auf etwa 890 nm, so dass auch bei hohen Temperaturen auf der Senderseite das übertragene Licht eines GaAs-Sendelasers mit InP-Absorberschichtdicken, die noch nicht die Transitzeit begrenzen, vollständig absorbiert werden kann.
- Weiterhin weist die erfindungsgemäße Photodiode eine Fensterschicht auf, deren Bandabstand größer ist als der Bandabstand der Absorptionsschicht. Die Fensterschicht besteht dabei grundsätzlich aus dem ternären Verbindungsmaterial InAlAs. Um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, ist diese (bei üblichem Design) p-dotierte-Fensterschicht der Photodiode auf der Einfallsseite des zu detektierenden Lichtsignals so zu dimensionieren, dass eine niederohmige Stromverteilung oberhalb der Absorptionsschicht gewährleistet ist. Dies erfordert neben einer hohen Dotierung eine relativ große Schichtdicke von typischerweise 1,5 μm–2 μm. Deshalb weist die Fensterschicht bei der Photodiode nach der Erfindung bevorzugt eine Schichtstärke in diesem Bereich auf. Würde bei der erfindungsgemäßen Photodiode für die Fensterschicht – wie bei bekannten InGaAs/InP-Photodioden üblich – InP verwendet, würde das zu detektierende Licht fast vollständig absorbiert, ohne in die „aktive" Absorptionsschicht gelangen zu können. Deshalb weist die erfindungsgemäße Photodiode eine dotierte Fensterschicht aus InAlAs auf. InAlAs besitzt eine Bandkante bei Raumtemperatur entsprechend ca. 840 nm (1,48 eV) und ist damit für den bei der erfindungsgemäßen Photodiode interessierenden Wellenlängenbereich oberhalb von 830 nm hinreichend transparent. InAlAs kann gitterangepasst auf der InP-Absorberschicht gewachsen und hinreichend hoch p-leitend dotiert werden.
- Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Photodiode vorgesehen, dass auf der InAlAs-Fensterschicht eine n- bzw. p-dotierte Schutzdeckschicht aus InP als Passivierungsschicht aufgewachsen ist, die die im Bereich des Lichteinfalls frei zu legende InAlAs-Fensterschicht vor Oxidation schützen soll. Bei einer Dicke von z. B. 20 nm, die für den Schutz ausreichend ist, ist die Lichtabsorption in dieser Schicht vernachlässigbar gering. Auf der InP-Schutzdeckschicht wird zur Realisierung des oberseitigen Kontakts eine Kontaktierungsschicht aus bevorzugt p-dotiertem InGaAs angeordnet, wie bei InP basierten Photodioden üblich. Diese kann flächig oder strukturiert ausgebildet sein. Weiterhin können vorteilhaft ein semiisolierendes InP-Substrat und eine rückseitige n-dotierte Kontaktierungsschicht zwischen dem Substrat und der Absorptionsschicht für den rückseitigen Kontakt vorgesehen sein. Dabei kann die rückseitige Kontaktierungsschicht bevorzugt aus n-dotiertem InP bestehen.
- Die mit der Erfindung vorgeschlagene Struktur ist gleichermaßen für Photodioden mit Mesastruktur oder mit Planarstruktur (beispielsweise mit lokaler Zn-Diffusion) verwendbar. Bevorzugte Anwendung findet die zuvor beschriebene Heteroübergang-pin-Photodiode nach der Erfindung bei der optischen Datenübertragung in einem Wellenlängenbereich um 850 nm und Datenraten bis oberhalb von 10 Gb/s, da sie aufgrund der schnellen Erholungszeiten der InP-Absorberschicht sehr schnell schalten kann und für den genannten Wellenlängenbereich besonders wellenlängentolerant ist.
- AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
- Eine beispielhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Heteroübergangpin-Photodiode wird nachfolgend anhand einer schematischen Figur zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur einen schematisierten Querschnitt durch die beanspruchte Photodiode PD.
- In der Figur ist ein Substrat SU aus InP (Indiumphosphid) dargestellt, das für die angestrebten hohen Bitraten elektrisch semiisolierend wirkt. P-(positiv) oder n-(negativ) dotierte Substrate sind aber ebenfalls einsetzbar. Auf dem semi-isolierenden Substrat SU ist eine rückseitige Kontaktierungsschicht RKS aus n-dotiertem InP angeordnet, die der Kontaktierung einer oberflächenseitig angeschlossenen n-Elektrode (in der Figur nicht weiter dargestellt) dient. Auf dieser rückseitigen Kontaktierungsschicht RKS ist eine Absorptionsschicht AS ebenfalls aus InP angeordnet. Die Absorptionsschicht AS kann undotiert, also intrinsisch sein. Eine leichte Dotierung dieser Schicht ist aber ebenfalls möglich. Zwischen der unten liegenden, n-dotierten rückseitigen Kontaktierungsschicht RKS aus InP auf dem Substrat SU und der Absorptionsschicht AS bildet sich ein ohmscher Kontakt aus, sodass alle Ladungsträger in der Absorptionsschicht AS der Stromgewinnung zugeführt werden können.
- Auf der Absorptionsschicht AS aus InP ist eine hinreichend hoch p-dotierte Fensterschicht FS aus InAlAs (Indiumaluminiumarsenid) angeordnet, die eine bevorzugte typische Schichtdicke in einem Bereich von 1,5 bis 2 μm aufweist und der niederohmigen Stromverteilung dient. Prinzipiell besteht für deren Schichtdicke aber keine Dickenbegrenzung, sodass diese optimal den jeweiligen Erfordernissen angepasst sein kann. Die p-Dotierung kann entweder epitaktisch oder durch nachträgliche externe (lokale) Diffusion eines p-Dotierstoffs erzeugt werden. Der pn-Übergang bildet sich über die intrinsische Absorptionsschicht AS dann zwischen der Fensterschicht FS und der n-dotierten rückseitigen Kontaktierungsschicht RKS aus InP aus. Zwischen der p-leitenden (und damit negativ polarisierten) und der n-leitenden (und damit positiv polarisierten) Schicht herrscht grundsätzlich eine hohe Sperrspannung (starke Polarisation in Sperrrichtung), die innerhalb der Absorptionsschicht AS abfällt und ein starkes elektrisches Feld bildet, sodass die in der Absorptionsschicht AS durch Lichteinfall erzeugten Ladungsträger sehr schnell abtransportiert werden und die Absorptionsschicht AS entleert wird. Dadurch wird in der Absorptionsschicht AS aus InP jeder Lichtpuls sehr schnell verarbeitet und die Photodiode PD steht sofort für die Verarbeitung des nächsten Lichtpulses zur Verfügung. Durch diese Eigenschaft können mit der Photodiode PD nach der Erfindung sehr hohe Datenpulsraten verarbeitet werden.
- Weiterhin ist das für die Fensterschicht FS gewählte Material InAlAs (Indiumaluminiumarsenid) oberhalb von 830 nm ausreichend transparent, so dass durch diese Eigenschaft die Photodiode PD nach der Erfindung für Datensignale mit einer Wellenlänge bis hinunter zu etwa 830 nm besonders geeignet ist. Damit ergibt sich eine besondere Anwendbarkeit der Photodiode PD nach der Erfindung für optische Kurzstrecken-Datenübertragung in einem Wellenlängenbereich um 850 nm, speziell (aber nicht darauf begrenzt) bei Datenraten von 10 Gb/s und höher. Auf der Fensterschicht FS befindet sich noch eine beispielsweise 20 nm starke Schutzdeckschicht SD (Passivierungsschicht) aus InP zum Oxidationsschutz der im Bereich des Lichteinfalls freizulegenden Fensterschicht FS. Auf der Fensterschicht FS ist dann eine strukturierte vorderseitige Kontaktierungsschicht VKS, beispielsweise aus p-dotiertem InGaAs, die der Kontaktierung einer oberflächenseitig angeschlossenen p-Elektrode (in der Figur nicht weiter dargestellt) dient.
-
- AS
- Absorptionsschicht
- FS
- Fensterschicht
- PD
- Photodiode
- RKS
- rückseitige Kontaktierungsschicht
- SD
- Schutzdeckschicht
- SU
- Substrat
- VKS
- vorderseitige Kontaktierungsschicht
Claims (6)
- Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) aus III-V-Verbindungshalbleitern auf einem InP-Substrat (SU) mit zumindest einer Absorptionsschicht (AS) aus einem binären Verbindungshalbleiter, einer dotierten Fensterschicht (FS) aus einem ternären Verbindungshalbleiter und einer Schutzdeckschicht (SD) sowie mit rück- und vorderseitigen Kontakten, gekennzeichnet durch • eine Absorptionsschicht (AS) aus un- oder leichtdotiertem InP, • eine Fensterschicht (FS) aus p-dotiertem InAlAs mit einem höheren Bandabstand als die Absorptionsschicht (AS) und • eine-Schutzdeckschicht (SD) aus n- bzw. p-dotiertem InP.
- Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke der Fensterschicht (FS) in einem Bereich von 1,5 μm bis 2 μm.
- Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein semiisolierendes InP-Substrat (SU) und eine rückseitige n-dotierte Kontaktierungsschicht (RKS) zwischen dem Substrat (SU) und der Absorptionsschicht (AS) für die rückseitigen Kontakte.
- Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine n-dotierte rückseitige Kontaktierungsschicht (RKS) aus InP.
- Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine vorderseitige Kontaktierungsschicht (VKS) aus p-dotiertem InGaAs für die vorderseitigen Kontakte.
- Verwendung einer Heteroübergang-pin-Photodiode (PD) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für optische Datenübertragung in einem Wellenlängenbereich um 850 nm und Datenraten bis zu 10 Gb/s und oberhalb von 10 Gb/s.
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