DE102015210343B4 - Halbleiterfotodiode und Verfahren - Google Patents

Halbleiterfotodiode und Verfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102015210343B4
DE102015210343B4 DE102015210343.9A DE102015210343A DE102015210343B4 DE 102015210343 B4 DE102015210343 B4 DE 102015210343B4 DE 102015210343 A DE102015210343 A DE 102015210343A DE 102015210343 B4 DE102015210343 B4 DE 102015210343B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
optical waveguide
doping
contact layer
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102015210343.9A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102015210343A1 (de
Inventor
Patrick Runge
Tobias Beckerwerth
Sten Seifert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102015210343.9A priority Critical patent/DE102015210343B4/de
Priority to PCT/EP2016/062661 priority patent/WO2016193436A1/de
Priority to US15/578,885 priority patent/US10134937B2/en
Priority to GB1721454.5A priority patent/GB2556490B/en
Publication of DE102015210343A1 publication Critical patent/DE102015210343A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102015210343B4 publication Critical patent/DE102015210343B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Halbleiterfotodiode, mit- einer lichtabsorbierenden Schicht (111);- einem optischen Wellenleiter (12), über den Licht (L) evaneszent in die lichtabsorbierende Schicht (111) einkoppelbar ist;- einer zwischen der lichtabsorbierenden Schicht (111) und dem optischen Wellenleiter (12) angeordneten dotierten Kontaktschicht (113), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (12) zumindest abschnittsweise eine Dotierung aufweist, die eine einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht (113) in den optischen Wellenleiter (12) entgegenwirkende Diffusionsbarriere erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleiterfotodiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterfotodiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
  • Aus dem Stand der Technik sind Halbleiterfotodioden bekannt, die etwa zum Empfang von optischen Datensignalen eingesetzt werden. Derartige Halbleiterfotodioden weisen insbesondere eine p-i-n-Diodenstruktur auf, in die Licht z.B. über einen integriertoptischen Wellenleiter eingekoppelt wird. Darüber hinaus sind Avalanche-Fotodioden (Lawinen-Fotodioden) bekannt, die neben einer intrinsischen Schicht (Absorberschicht) eine Multiplikatorschicht zum Verstärken der in der Absorberschicht erzeugten Ladungsträger aufweisen.
  • Eine derartige Lawinen-Fotodiode ist zum Beispiel in dem Artikel M. Nada et al., „Design and Performance of High-Speed Avalanche Photodiodes for 100-Gb/s Systems and Beyond", IEEE J. Lightwave Technol. 33, 984 (2015) offenbart. Um ein Einkoppeln von Licht über den n-Kontakt und die Multiplikatorschicht zu vermeiden, ist der n-Kontakt oberhalb der Absorberschicht angeordnet, während sich der p-Kontakt unterhalb der Absorberschicht befindet. Derartige Diodenstrukturen können jedoch den Nachteil haben, dass ein Ausdiffundieren von Dotierstoff insbesondere der p-Kontaktschicht in angrenzende Schichten auftritt.
  • Methoden zur Reduzierung von Dotierstoffdiffusion in Halbleiterstrukturen sind zum Beispiel in den Dokumenten US 4 479 222 A , US 6 437 372 B1 und US 2014 / 0 138 789 A1 offenbart.
  • Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, eine möglichst zuverlässige und dennoch effiziente Halbleiterfotodiode zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch die Halbleiterfotodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Danach wird eine Halbleiterfotodiode bereitgestellt, mit
    • - einer lichtabsorbierenden Schicht;
    • - einem optischen Wellenleiter, über den Licht evaneszent in die lichtabsorbierende Schicht einkoppelbar ist;
    • - einer zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und dem optischen Wellenleiter angeordneten dotierten Kontaktschicht,
    • - wobei der optische Wellenleiter zumindest abschnittsweise eine Dotierung aufweist, die eine einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht in den optischen Wellenleiter (und insbesondere auch einem Ausdiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht aus der Kontaktschicht heraus) entgegenwirkende Diffusionsbarriere erzeugt.
  • Der optische Wellenleiter ist ein integrierter Wellenleiter, d.h. er ist durch mindestens eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht in an sich bekannter Weise ausgebildet. Der Wellenleiter ist zudem so beschaffen und relativ zu der lichtabsorbierenden Schicht (der Absorberschicht) angeordnet, dass Licht aus dem Wellenleiter in die lichtabsorbierende Schicht per evaneszenter Kopplung überkoppeln kann. Insbesondere erfolgt die evaneszente Kopplung über einen Abschnitt des Wellenleiters, der sich unterhalb der lichtabsorbierenden Schicht befindet. Somit breitet sich das aus dem Wellenleiter in die lichtabsorbierende Schicht überkoppelnde Licht insbesondere unter einem Winkel zum Wellenleiter (zum Beispiel zumindest näherungsweise senkrecht) bis in die lichtabsorbierende Schicht hinein aus und tritt zumindest teilweise durch die zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und dem optischen Wellenleiter angeordnete dotierte Kontaktschicht hindurch.
  • Die Dotierung des optischen Wellenleiters sorgt für ein Blockieren einer Diffusion des Dotierstoffs der Kontaktschicht aus der Kontaktschicht heraus und in den optischen Wellenleiter hinein und wirkt so insbesondere einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Fotodiode entgegen. Es kann somit eine möglichst hohe intrinsische Empfindlichkeit der Fotodiode erreicht werden, wodurch weniger Gain (elektrische Verstärkung) erforderlich ist, was wiederum zu weniger Rauschen und damit zu einer möglichen höheren HF-Bandbreite der Fotodiode führt.
  • Die Dotierung des optischen Wellenleiters beeinflusst jedoch nur in geringem Maße seine optischen Eigenschaften, so dass eine effiziente evaneszente Kopplung aus dem Wellenleiter hinaus in die lichtabsorbierende Schicht hinein trotz der Dotierung möglich ist. Beispielsweise kann die Erfindung die Realisierung einer Lawinen-Fotodiode ermöglichen, die einen Kopplungskoeffizienten für die Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der lichtabsorbierenden Schicht aufweist, die mit demjenigen einer p-i-n-Fotodiode vergleichbar ist.
  • Die Dotierung des Wellenleiters erstreckt sich insbesondere zumindest in einem der lichtabsorbierenden Schicht zugewandten Bereich des Wellenleiters und zwar insbesondere entlang dessen Längsrichtung. Möglich ist, dass die Dotierung über die gesamte Länge des Wellenleiters vorhanden ist. Denkbar ist jedoch auch, dass sich die Dotierung nur über einen Teil der Wellenleiterlänge erstreckt; z.B. ist nur der Bereich des Wellenleiters mit der Dotierung versehen, der sich unterhalb der lichtabsorbierenden Schicht befindet.
  • Möglich ist zudem, dass nur die Kernschicht (bzw. die Kernschichten) des optischen Wellenleiters die Dotierung aufweist und eine Mantelschicht des Wellenleiters zumindest im Wesentlichen undotiert bleibt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann sich die Dotierung auch nur in einer Mantelschicht des Wellenleiters befinden oder sowohl in der Kern- als auch in der Mantelschicht. Es wird zudem darauf hingewiesen, dass der optische Wellenleiter, d.h. seine Kern- und/oder Mantelschicht(en), neben der Dotierung zur Erzeugung der Diffusionsbarriere natürlich weitere Dotierungen aufweisen kann.
  • Bei der Dotierung des optischen Wellenleiters handelt es sich insbesondere um eine zur Dotierung der Kontaktschicht komplementäre Dotierung. Beispielsweise ist die Kontaktschicht p-dotiert, so dass der optische Wellenleiter zum Erzeugen der Diffusionsbarriere entsprechend mit einer n-Dotierung versehen wird. Es ist allerdings prinzipiell auch der umgekehrte Fall denkbar, nämlich, dass die Kontaktschicht n-dotiert und der Wellenleiter p-dotiert ist.
  • Wie oben bereits angedeutet, kann der optische Wellenleiter in einem ersten, der Kontaktschicht zugewandten Bereich (z.B. des Wellenleiterkerns) die als Diffusionsbarriere wirkende Dotierung und in einem zweiten Bereich (z.B. ebenfalls des Wellenleiterkerns) keine oder eine von der Dotierung zur Erzeugung der Diffusionsbarriere verschiedene Dotierung aufweisen. Beispielsweise sind der erste und der zweite Bereich aus demselben Material ausgebildet. Denkbar ist jedoch auch, dass der zweite Bereich aus einem anderen Material als der erste Bereich ausgebildet ist.
  • So umfasst der erste Bereich z.B. den Wellenleiterkern und der zweite Bereich den Wellenleitermantel. Beispielsweise wird zumindest ein Teil des Wellenleitermantels durch ein dotiertes Substrat der Fotodiode ausgebildet, so dass der zweite Bereich durch einen Abschnitt des Substrats gebildet ist. Denkbar ist, dass es sich bei dem Substrat um ein semi-isolierendes Substrat handelt und der der zweite Bereich des Wellenleiters folglich ebenfalls semi-isolierend ausgebildet ist.
  • Möglich ist zudem, dass sich zwischen der Kontaktschicht und dem optischen Wellenleiter eine Blockierschicht befindet, die als zusätzliche Diffusionsbarriere einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht in den optischen Wellenleiter entgegenwirkt. Die Blockierschicht weist analog zum optischen Wellenleiter insbesondere eine Dotierung auf, die komplementär zur Dotierung der Kontaktschicht ist. Insbesondere weist die Blockierschicht eine n-Dotierung auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich auf einer der Kontaktschicht abgewandten Seite der lichtabsorbierenden Schicht eine weitere, komplementär dotierte Kontaktschicht. Die weitere Kontaktschicht ist entsprechend insbesondere n-dotiert, wenn die zwischen dem Wellenleiter und der lichtabsorbierenden Schicht angeordnete Kontaktschicht eine p-Dotierung aufweist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Halbleiterfotodiode handelt es sich insbesondere um eine Lawinen-Fotodiode (Avalanche-Fotodiode), wobei insbesondere eine Multiplikatorschicht auf einer der Kontaktschicht abgewandten Seite der lichtabsorbierenden Schicht und insbesondere zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und der weiteren Kontaktschicht angeordnet ist.
  • Der optische Wellenleiter ist insbesondere in an sich bekannter Weise in Form eines Rippen- oder Streifenwellenleiters ausgebildet. Darüber hinaus kann der optische Wellenleiter, wie oben bereits erwähnt, zumindest teilweise (etwa seine mindestens eine Kernschicht) auf einem (insbesondere semi-isolierenden) Substrat angeordnet (z.B. auf dem Substrat aufgewachsen) und/oder zumindest teilweise (etwa seine mindestens eine Mantelschicht) durch das (insbesondere semi-isolierende) Substrat ausgebildet sein.
  • Denkbar ist beispielsweise, dass ein Substrat aus Indiumphosphid verwendet wird, wobei die Kontaktschicht und der optische Wellenleiter, zumindest sein Wellenleiterkern, aus einer InGaAsP-Schicht ausgebildet sind. Die Erfindung ist natürlich nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Denkbar ist z.B. auch, dass ein Siliziumsubstrat verwendet wird.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist der Brechungsindex der Kontaktschicht größer als der Brechungsindex des optischen Wellenleiters oder der Brechungsindex der lichtabsorbierenden Schicht ist größer als der Brechungsindex des optischen Wellenleiters. Dies dient insbesondere dazu, eine möglichst effiziente Kopplung zwischen dem optischen Wellenleiter und der lichtabsorbierenden Schicht zu realisieren.
  • Die erfindungsgemäße Halbleiterfotodiode kann z.B. als Empfänger in der optischen Nachrichtentechnik (d.h. als Komponente eines Datenübertragungssystems) eingesetzt werden (insbesondere als Empfänger für kurze Übertragungsstrecken, etwa im Burst-Mode-Betrieb).
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterfotodiode, insbesondere wie oben beschrieben, mit den Schritten:
    • - Erzeugen einer lichtabsorbierenden Schicht;
    • - Erzeugen eines optischen Wellenleiters derart, dass über den optischen Wellenleiter Licht evaneszent in die lichtabsorbierende Schicht einkoppelbar ist;
    • - Erzeugen einer dotierten Kontaktschicht zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und dem optischen Wellenleiter; und
    • - Dotieren des optischen Wellenleiters derart, dass eine Diffusionsbarriere entsteht, die einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht in den optischen Wellenleiter entgegenwirkt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Halbleiterfotodiode.
  • Danach weist die in 1 dargestellte Halbleiterfotodiode 1 einen Diodenabschnitt 11 sowie einen optischen Wellenleiter 12 auf, in den Licht L eingekoppelt und zu dem Diodenabschnitt 11 geführt wird. Der Wellenleiter 12 weist mindestens eine auf einem Substrat 2 (z.B. aus semi-isolierendem InP) aufgewachsene Kernschicht 121 (z.B. eine InGaAsP-Schicht) auf, wobei ein an die Kernschicht 121 angrenzender Abschnitt des Substrats 2 eine Mantelschicht des Wellenleiters 12 ausbildet. Die Erfindung ist natürlich nicht auf eine spezielle Ausgestaltung des Wellenleiters 12 beschränkt. Denkbar ist z.B., dass zusätzliche Schichten zur Ausbildung des Wellenleiterkerns und/oder des Wellenleitermantels vorhanden sind.
  • Der Diodenabschnitt 11 der Halbleiterfotodiode 1 ist auf einem Teilbereich (insbesondere einem Endbereich) des Wellenleiters 12 angeordnet, wobei Licht durch evaneszente Kopplung aus dem Wellenleiter 12 in den Diodenabschnitt 11 überkoppelt. Insbesondere koppelt Licht aus dem Wellenleiter 12 in eine (insbesondere intrinsische) lichtabsorbierende Schicht 111 (z.B. eine InGaAs-Schicht) des Diodenabschnitts 11 ein.
  • Die lichtabsorbierende Schicht 111 ist eine Schicht eines Schichtpakets, das eine Lawinen-Fotodiode ausbildet und das entsprechend neben der lichtabsorbierenden Schicht 111 eine hochdotierte n-Kontaktschicht 112 (z.B. eine n++-InAlAs-Schicht) sowie eine zwischen der lichtabsorbierenden Schicht 111 (dem Absorber) und dem optischen Wellenleiter 12 angeordnete hochdotierte p-Kontaktschicht 113 (z.B. in Form einer p++-InGaAsP-Schicht) umfasst. In dieser Konfiguration befindet sich somit der n-Kontakt (gebildet durch die n-Kontaktschicht 112) der Fotodiode oben, während der p-Kontakt (gebildet durch die p-Kontaktschicht 113) als innere Schicht des Schichtpaketes ausgeformt ist.
  • Das Schichtpaket des Diodenabschnitts 11 weist darüber hinaus eine zwischen der lichtabsorbierenden Schicht 111 und der n-Kontaktschicht 112 angeordnete Multiplikatorschicht 115 (z.B. in Form einer InAlAs-Schicht) auf, die zum Verstärken der in der lichtabsorbierenden Schicht 111 bei Lichteinfall erzeugten Ladungsträger dient. Die Funktionsweise einer Lawinen-Fotodiode ist jedoch an sich bekannt, so dass darauf an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird. Mit dem Anordnen der n-Kontaktschicht oben und der p-Kontaktschicht unten wird vermieden, dass das Licht aus dem Wellenleiter 12 durch den n-Kontakt und die Multiplikatorschicht 115 hindurch in die lichtabsorbierende Schicht 111 einkoppeln muss (was mit höheren optischen Verlusten verbunden wäre).
  • Die p-Kontaktschicht 113 ist hoch dotiert, wodurch die Gefahr besteht, dass Dotiermaterial (z.B. Zn) aus der p-Kontaktschicht 113 heraus in den darunterliegenden Wellenleiter 12 eindiffundiert, wodurch die Leistung der Fotodiode 1 beeinträchtigt würde. Gleichzeitig kann es in umgekehrter Richtung zu einem Eindiffundieren eines Dotierstoffs des Wellenleiters 12, insbesondere eines Dotierstoffs (z.B. Fe) des Substrats 2, in den Diodenabschnitt 11 (insbesondere in die p-Kontaktschicht 113 und möglicherweise auch in die lichtabsorbierende Schicht 111) kommen. Die Möglichkeit eines Diffundierens von Dotierstoff aus der p-Kontaktschicht 113 und/oder des Wellenleiters 12 besteht insbesondere bei nicht miteinander verträglichen Dotierstoffen wie etwa Zn und Fe.
  • Aus diesem Grund ist zumindest eine dem Diodenabschnitt 11 (und damit der Kontaktschicht 113) zugewandte (obere) Teilschicht 1211 der Kernschicht 121 des optischen Wellenleiters 12 mit einer Dotierung versehen, die einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht 113 in den Wellenleiter 12 hinein entgegenwirkt. Bei der Dotierung handelt es sich um eine zur Dotierung der p-Kontaktschicht 113 komplementäre Dotierung, d.h. um eine n-Dotierung. Eine untere Teilschicht 1212 der Kernschicht 121 weist diese n-Dotierung nicht oder nur in geringerer Konzentration auf. Denkbar ist jedoch, dass die Teilschicht 1212 semi-isolierend ausgebildet ist, d.h. eine andere Dotierung aufweist. So handelt es sich bei der oberen Teilschicht 1211 z.B. um eine n+-InGaAsP-Schicht und bei der unteren Teilschicht 1212 um eine semi-isolierende InGaAsP-Schicht. Beispielsweise weist die diffusionsblockierende obere Teilschicht 1211 des Wellenleiters eine Dicke im Bereich von 100 bis 200 nm auf.
  • Die n-Dotierung des Wellenleiters 12 erzeugt im Wesentlichen eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Wellenleiters 12, d.h. den erwähnten Blockiereffekt gegenüber einem Ausdiffundieren von Dotierstoff aus der p-Kontaktschicht 113 und/oder aus dem Wellenleiter 12, während die optischen Eigenschaften des Wellenleiters 12, die in erster Linie durch die Materialzusammensetzung der Wellenleiterschichten vorgegeben sind, durch die Dotierung nur in geringem Maße verändert werden. Insbesondere wird die evaneszente Kopplung des Lichtes in den Diodenabschnitt 12 hinein durch die Dotierung des Wellenleiters 12 nicht oder nur in geringem Maße beeinträchtigt.
  • Zwischen der p-Kontaktschicht 113 und dem optischen Wellenleiter 12 ist zudem eine Blockierschicht 114 angeordnet, die analog zum Wellenleiter 12 eine zur Dotierung der p-Kontaktschicht 113 komplementäre Dotierung (also eine n-Dotierung) aufweist, um ein Eindiffundieren von Dotierstoff der p-Kontaktschicht 113 in den optischen Wellenleiter 12 weiter entgegenzuwirken. Insbesondere besteht die Blockierschicht 114 aus demselben Material wie die obere (diffusionsblockierende) Teilschicht 1211 des Wellenleiters 12, z.B. aus n+-InGaAsP. Die Blockierschicht 114 ist jedoch nur optional, d.h. als Diffusionsbarriere könnte auch die Dotierung des Wellenleiters 12 ausreichen. Möglich ist insbesondere, dass die Blockierschicht 114 eine geringere Dicke aufweist als der dotierte, diffusionsblockierende Bereich (d.h. die Teilschicht 1211) des Wellenleiters 12.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterfotodiode
    2
    Substrat
    11
    Diodenabschnitt
    12
    optischer Wellenleiter
    111
    lichtabsorbierende Schicht
    112
    n-Kontaktschicht
    113
    p-Kontaktschicht
    114
    Blockierschicht
    115
    Multiplikatorschicht
    1211
    obere Teilschicht
    1212
    untere Teilschicht

Claims (16)

  1. Halbleiterfotodiode, mit - einer lichtabsorbierenden Schicht (111); - einem optischen Wellenleiter (12), über den Licht (L) evaneszent in die lichtabsorbierende Schicht (111) einkoppelbar ist; - einer zwischen der lichtabsorbierenden Schicht (111) und dem optischen Wellenleiter (12) angeordneten dotierten Kontaktschicht (113), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (12) zumindest abschnittsweise eine Dotierung aufweist, die eine einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht (113) in den optischen Wellenleiter (12) entgegenwirkende Diffusionsbarriere erzeugt.
  2. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest abschnittsweise Dotierung des optischen Wellenleiters (12) komplementär zur Dotierung der Kontaktschicht (113) ist.
  3. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dotierung der Kontaktschicht (113) um eine p-Dotierung handelt.
  4. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dotierung des optischen Wellenleiters (12) zum Erzeugen der Diffusionsbarriere um eine n-Dotierung handelt.
  5. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (12) in einem ersten, der Kontaktschicht (113) zugewandten Bereich (1211) die als Diffusionsbarriere wirkende Dotierung und in einem zweiten Bereich (1212) eine weitere Dotierung aufweist.
  6. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (1212) aufgrund der weiteren Dotierung semi-isolierend ausgebildet ist.
  7. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Kontaktschicht (113) und dem optischen Wellenleiter (12) eine Blockierschicht (114) befindet, die als zusätzliche Diffusionsbarriere einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht (113) in den optischen Wellenleiter (12) entgegenwirkt.
  8. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockierschicht (114) eine zur Dotierung der Kontaktschicht (113) komplementäre Dotierung, insbesondere eine n-Dotierung, aufweist.
  9. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Kontaktschicht (113) abgewandten Seite der lichtabsorbierenden Schicht (111) eine weitere, komplementär dotierte Kontaktschicht (112) angeordnet ist.
  10. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kontaktschicht (112) n-dotiert ist.
  11. Halbleiterfotodiode nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterfotodiode (1) als Lawinen-Fotodiode ausgebildet ist, wobei eine Multiplikatorschicht (115) auf einer der Kontaktschicht (113) abgewandten Seite der lichtabsorbierenden Schicht (111) und zwischen der lichtabsorbierenden Schicht (111) und der weiteren Kontaktschicht (112) angeordnet ist.
  12. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (12) in Form eines Rippen- oder Streifenwellenleiters ausgebildet ist.
  13. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (12) zumindest teilweise auf einem semi-isolierenden Substrat (2) angeordnet, insbesondere aufgewachsen, und/oder zumindest teilweise durch das semi-isolierende Substrat (2) ausgebildet ist.
  14. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Substrat (2) aus Indiumphosphid, wobei die Kontaktschicht (113) und der optische Wellenleiter (12) zumindest teilweise aus einer InGaAsP-Schicht ausgebildet sind.
  15. Halbleiterfotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Kontaktschicht (113) größer ist als der Brechungsindex des optischen Wellenleiters (12) und/oder der Brechungsindex der lichtabsorbierenden Schicht (111) größer ist als der Brechungsindex des optischen Wellenleiters (12).
  16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterfotodiode, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: - Erzeugen einer lichtabsorbierenden Schicht (111); - Erzeugen eines optischen Wellenleiters (12) derart, dass über den optischen Wellenleiter (12) Licht evaneszent in die lichtabsorbierende Schicht (111) einkoppelbar ist; - Erzeugen einer dotierten Kontaktschicht (113) zwischen der lichtabsorbierenden Schicht (111) und dem optischen Wellenleiter (12), gekennzeichnet durch Dotieren des optischen Wellenleiters (12) derart, dass eine Diffusionsbarriere entsteht, die einem Eindiffundieren von Dotierstoff der Kontaktschicht (113) in den optischen Wellenleiter (12) entgegenwirkt.
DE102015210343.9A 2015-06-04 2015-06-04 Halbleiterfotodiode und Verfahren Active DE102015210343B4 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015210343.9A DE102015210343B4 (de) 2015-06-04 2015-06-04 Halbleiterfotodiode und Verfahren
PCT/EP2016/062661 WO2016193436A1 (de) 2015-06-04 2016-06-03 Halbleiterfotodiode
US15/578,885 US10134937B2 (en) 2015-06-04 2016-06-03 Semiconductor photodiode
GB1721454.5A GB2556490B (en) 2015-06-04 2016-06-03 Semiconductor photodiode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015210343.9A DE102015210343B4 (de) 2015-06-04 2015-06-04 Halbleiterfotodiode und Verfahren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102015210343A1 DE102015210343A1 (de) 2016-12-22
DE102015210343B4 true DE102015210343B4 (de) 2018-05-03

Family

ID=56203317

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015210343.9A Active DE102015210343B4 (de) 2015-06-04 2015-06-04 Halbleiterfotodiode und Verfahren

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10134937B2 (de)
DE (1) DE102015210343B4 (de)
GB (1) GB2556490B (de)
WO (1) WO2016193436A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3447806B1 (de) * 2016-04-19 2021-03-03 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Integriertes lichtempfangselement für lichtwellenleiter und verfahren zur herstellung davon
WO2018195168A2 (en) * 2017-04-21 2018-10-25 University Of Virginia Patent Foundation Integrated photodiode with unique waveguide drift layer
DE102018130478A1 (de) 2018-11-30 2020-06-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Lawinen-Fotodiode

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4479222A (en) 1982-04-27 1984-10-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Diffusion barrier for long wavelength laser diodes
US6437372B1 (en) 2000-01-07 2002-08-20 Agere Systems Guardian Corp. Diffusion barrier spikes for III-V structures
US20140138789A1 (en) 2012-10-08 2014-05-22 Agency For Science, Technology And Research P-i-n photodiode

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3876109D1 (de) 1987-02-06 1993-01-07 Siemens Ag Monolithisch integrierte wellenleiter-fotodiodenkombination.
FR2676126B1 (fr) * 1991-04-30 1993-07-23 France Telecom Dispositif optoelectronique a guide optique et photodetecteur integres.
IL156744A (en) * 2003-07-02 2011-02-28 Semi Conductor Devices An Elbit Systems Rafael Partnership Depletion-less photodiode with suppressed dark current
DE102005045286A1 (de) * 2005-09-22 2007-04-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Wellenleiter-integrierte Photodiode
WO2014047443A1 (en) * 2012-09-21 2014-03-27 The Regents Of The University Of California Integrated dielectric waveguide and semiconductor layer and method therefor
CN103489953B (zh) * 2013-09-09 2015-12-23 中国科学院半导体研究所 一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4479222A (en) 1982-04-27 1984-10-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Diffusion barrier for long wavelength laser diodes
US6437372B1 (en) 2000-01-07 2002-08-20 Agere Systems Guardian Corp. Diffusion barrier spikes for III-V structures
US20140138789A1 (en) 2012-10-08 2014-05-22 Agency For Science, Technology And Research P-i-n photodiode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. Nada et al., „Design and Performance of High-Speed Avalanche Photodiodes for 100-Gb/s Systems and Beyond", IEEE J. Lightwave Technol. 33, 984 (2015)

Also Published As

Publication number Publication date
US10134937B2 (en) 2018-11-20
GB201721454D0 (en) 2018-01-31
WO2016193436A1 (de) 2016-12-08
GB2556490B (en) 2020-07-15
US20180175231A1 (en) 2018-06-21
GB2556490A (en) 2018-05-30
DE102015210343A1 (de) 2016-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0187198B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer integriert - optischen Anordnung
DE2707180C3 (de) Avalanche-Photodiode
DE112008001351B4 (de) Nanodraht-Photodioden und Verfahren zum Herstellen von Nanodraht-Photodioden
EP3096362B1 (de) Hochgeschwindigkeits-germanium-pin-fotodiode
DE69805048T2 (de) Photodiode
EP1730787B1 (de) Strahlungsdetektor
DE2624348A1 (de) Heterouebergang-pn-diodenphotodetektor
EP0524219B1 (de) Halbleiterelement mit einer silizium-schicht
DE102008030693A1 (de) Heterojunction-Solarzelle mit Absorber mit integriertem Dotierprofil
EP2898544B1 (de) Germanium pin-fotodiode für die integration in eine cmos- oder bicmos-technologie
DE19911701B4 (de) Licht-emittierende AlGaInP-Bauelemente mit dünnen aktiven Schichten
DE102015210343B4 (de) Halbleiterfotodiode und Verfahren
DE112014004665T5 (de) Doppeldurchgang-Fotodiode mit eingebettetem Reflektor
DE102014205350B4 (de) Photoaktives Halbleiterbauelement sowie Verfahren zum Herstellen eines photoaktiven Halbleiterbauelementes
EP1807876B1 (de) Vertikale pin oder nip fotodiode und verfahren zur herstellung, kompatibel zu einem konventionellen cmos-prozess
DE102021109152A1 (de) Temperaturunempfindlicher optischer empfänger
EP2478601B1 (de) Kantenemittierender halbleiterlaser
EP1055141B1 (de) Optische struktur und verfahren zu deren herstellung
DE102005013640A1 (de) Halbleiter-Photodetektor und Verfahren zum Herstellen desselben
EP0103084B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer planaren Avalanche-Fotodiode mit langwelliger Empfindlichkeitsgrenze über 1,3 um
DE2734726C2 (de) Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Lawinen-Photodioden
DE69721618T2 (de) Halbleiter-Photodetektor mit Wellenleiter
DE102004037020B4 (de) Strahlungsdetektor zur Detektion von Strahlung gemäß einer vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung
DE102018130478A1 (de) Lawinen-Fotodiode

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R082 Change of representative

Representative=s name: MAIKOWSKI & NINNEMANN PATENTANWAELTE PARTNERSC, DE