DE1217000B - Photodiode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-29/10

Nummer: 1217 000

Aktenzeichen: W 34670 VIII e/21 g

Anmeldetag: 8. Juni 1963

Auslegetag: 18. Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Photodiode und ihre Verwendung in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem.

Der hier benutzte Ausdruck »optisches Nachrichtenübertragungssystem« bezieht sich auf ein System, das mit elektromagnetischer Strahlung des infraroten, sichtbaren und ultravioletten Frequenzbereiches arbeitet. In einem solchen System, bei denen Laser- oder Maser-Signalquellen verwendet werden, sind als Detektoren dienende Fotodioden erforderlich, die im Gigahertz — (10° Hz) Bereich arbeiten können.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Photodiode zu schaffen, die in optischen Nachrichtenübertragungssystemen verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer Photodiode, die aus einem Halbleiterplättchen eines Leitfähigkeitstyps besteht, das eine epitaktisch aufgewachsene Schicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem begrenzten Teil seiner Oberfläche trägt, die Schicht eine Dicke von etwa 4 bis 10 ^m sowie Minoritätsladungsträger verhältnismäßig hoher Lebensdauer hat und einen gleichrichtenden Spitzenkontakt aufweist. Die Erfindung besteht darin, daß der Spitzenkontakt etwa bis zur halben Tiefe in die Schicht eindringt und daß die entgegengesetzte Oberfläche des Plättchens eine zu dem gegenüberliegenden Spitzenkontakt ausgerichtete Aushöhlung aufweist, die sich bis ganz dicht an die Grenze der Schicht mit hohem spezifischem Widerstand erstreckt.

Der aktive Bereich der Photodiode befindet sich daher zwischen dem gleichrichtenden Übergang und der Begrenzung dieser Schicht. Auf diese Weise wird die für einen Betrieb im Gigahertzbereich erforderliche geringe Größe durch eine genaue, durch epitaktische Abscheidungsverfahren ermöglichte Steuerung der Dicke der Halbleiterschicht hohen spezifischen Widerstandes erreicht, und zwar in Kombination mit Anlegierungsverfahren zum Aufbringen eines Spitzenkontaktelementes, die eine genaue Steuerung der örtlichen Lage eines gleichrichtenden Übergangs sehr kleiner Fläche ermöglichen. Durch die vorgesehene Aushölung, die beispielsweise mit HiKe einer selektiven Ätzung erzeugt werden kann, trifft die einfallende Strahlung unmittelbar auf den aktiven Bereich der Fotodiode auf, und damit wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt.

Es ist allgemein bekannt, daß eine befriedigende Empfindlichkeit bei HF-Halbleiterbauelementen eine Funktion des Weges ist, der von elektrischen Ladungsträgern innerhalb des Materials durchlaufen werden muß. Im allgemeinen ist die Ansprechfrequenz des Halbleiterbauelementes um so höher, je kürzer die Photodiode

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N: Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Lynden Underwood Kibler, Middletown, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. Juni 1962 (201 689)

zu durchlaufenden Strecken sind. Weiterhin ist die Photodiode abhängig von den elektronischen Eigenschaften des Halbleitermaterials, die die Lebensdauer der Ladungsträger im Material bestimmen. Ferner wird bei den Photodioden die Sperrschichtkapazität durch Verkleinerung der Fläche des gleichrichtenden Übergangs auf einen möglichst kleinen Wert gebracht.

Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem als gleichrichtender Übergang ein pn-übergang dienen soll, ist vorgesehen, daß zur Bildung eines kleinen pn-Überganges mit der epitaktischen aufgewachsenen Schicht hohen Widerstandes der Spitzenkontakt eine dotierende Verunreinigung des gegenüber der Schicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist.

Bekannte Halbleiterphotodioden sowohl mit Spitzenkontakt- als auch mit Großflächen-pn-Übergang sind in Nachrichtenübertragungssystemen auch noch bis zum Mikrowellenfrequenzbereich, typischerweise aber im Megahertzbereich, benutzt worden. Es ist jedoch schwierig gewesen, einen Photodetektor oberhalb 10⁹ Hz zu benutzen. Es wurde festgestellt, daß eine für einen Betrieb oberhalb dieser Frequenz besonders geeignete Photodiode ein Halbleiterplättchen aufweist, das die dünne Schicht hohen spezifischen Widerstandes in Mesaform auf dem Halbleiterplättchen aufweist. Innerhalb dieser Schicht hohen spezifischen Widerstandes wird ein pn-Übergang durch Einlegieren eines Spitzenkontaktelementes hergestellt, das, wie schon

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erwähnt, etwa zur Hälfte in die Schicht hohen spezi- Teil des Halbleiterplättchens vorgesehen. Diese Ausfischen Widerstandes eindringt. Dadurch wird ein höhlung 17 reicht bis dicht an die Grenze zwischen der aktiver Anzeigebereich gebildet, der aus dem Teil un- Schicht 13 und dem Plättchen 11. Die Größe dieses mittelbar unterhalb des einlegierten Elementes besteht Abstandes bestimmt die Vorspannung, die an die und sich bis zur Grenze zwischen der Schicht hohen 5 Photodiode angelegt werden kann, da das Vorhandenspezifischen Widerstandes und dem ursprünglichen sein eines Raumladungsbereiches innerhalb dieses Teil des Halbleiterplättehens erstreckt. Optische Signale Abstandes für den Betrieb wesentlich ist. Dieser Abhoher Frequenz werden in befriedigender Weise an- stand beträgt zwischen der Grenze der Schicht hohen gezeigt, wenn sie so auf das Gerät einfallen, daß sie auf spezifischen Widerstandes und dem Boden des Hohldiesen aktiven Bereich auftreffen. Wie schon erwähnt, io raums für eine Gleichspannung von etwa 1,5 Volt ist der ursprünghche Teil des Halbleiterplättchens, der etwa 100 Ä.

gegenüber dem einlegierten Spitzenkontakt gelegen ist, Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt das Grund-

durch selektives Ätzen bis kurz vor die Begrenzung der plättchen einen Durchmesser zwischen 0,51 mm und

epitaktisehen Schicht ausgehölt. Es trifft daher Licht 1,02 mm und eine Dicke von etwa 80 μπί. Die epitak-

auf den Boden der Aushöhlung und demgemäß direkt 15 tische Schicht 13 ist etwa 8 μπι dick, und die Mesa hat

auf den aktiven Anzeigebereich auf. eine Breite von etwa 23 μπι. Die Maximalabmessung

Weiterhin ist es bei Übertragungssystemen, bei denen des Querschnittes des legierten Bereichs in der epitak-

kohärente Lichtquellen verwendet werden, möglich, tischen Schicht beträgt etwa 4 μπι; die Breite der Aus-

das Licht derselben auf Volumenbereiche zu fokussie- höhlung 17 in der Nähe ihres Randes liegt zwischen

ren, die der Wellenlänge der Strahlung entsprechen. 20 etwa 13 μπι und 25 μπι. Mit einer Photodiode dieser

Der aktive Bereich der Photodiode sollte gleichfalls ein Ausbildung werden optische Signale im Bereich von

der Wellenlänge des Lichtstrahles entsprechendes 25 bis 50 GHz angezeigt.

Volumen aufweisen. Das genannte Verfahren ist das Bei einem speziellen Verfahren zur Herstellung der einzig durchführbare Verfahren zur Herstellung aktiver oben beschriebenen Photodiode wird zunächst das Bereiche solch kleiner Abmessungen. In bestimmten 25 ursprüngliche Germanium-Halbleitermaterial kleinen Fällen ist es wünschenswert, eine abgeschiedene spezifischen Widerstandes (0,001 Ohm · cm) mit p-Leit-Schicht hohen spezifischen Widerstandes mit einer fähigkeit hergestellt. Dieses Material besitzt Scheiben-Dicke von 2 μπι herzustellen. Durch Einlegieren in diese form mit einem Durchmesser von etwa 1,3 cm und Schicht mit einer Dicke von 2 μηι kann ein aktiver einer Dicke zwischen 0,25 mm und 0,5 mm. Eine Seite Bereich mit einer Dicke von etwa 1 μηι hergestellt 30 der Scheibe ist mit Hilfe üblicher Polierverfahren vor»_ werden. bereitet, und auf ihr wird dann eine dünne Schicht

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- aus Germanium hohen spezifischen Widerstandes

nung beschrieben; es zeigt epitaktisch abgeschieden. Diese epitaktische Schicht

F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der weist einen spezifischen Widerstand von etwa

Photodiode nach der Erfindung, teilweise im Schnitt, 35 40 Ohm · cm und eine Dicke zwischen 4 und 10 μπι

F i g. 2 die Photodiode in einem im Sehnitt dar- auf. Es ist von besonderer Wichtigkeit, daß die vergestellten, mit einer Öffnung versehenen Übertragungs- schiedenen Teile des Materials bestimmte Werte für leitung, die Lebensdauer der Ladungsträger aufweisen. Zur

F i g. 3 die Photodiode in einem Koaxialleiter. Erzielung optimaler Güte sollte die Schicht hohen

Entsprechend F i g. 1 weist die Photodiode 10 ein 40 spezifischen Widerstandes, insbesondere im aktiven

Grundplättehen 11 aus Germanium niedrigen spezi- Bereich unter dem einlegierten Spitzenkontakt, eine

fischen Widerstandes (p*-Typ) auf. Das Plättchen ist hohe Ladungsträgerlebensdauer haben, so daß eine

mit einer Mesa 12 versehen, die auf der oberen Seite Wanderung der Ladungsträger bei minimaler Rekom-

eine Schicht 13 hohen spezifischen Widerstandes trägt. bination ermöglicht wird. Im als Unterlage dienenden

Ein Spitzenkontaktelement 14 aus einer Goldfolie, die 45 Halbleiterplättchen niedrigen spezifischen Widerstan-

eine kleine Menge Arsen enthält, ist in die Schicht 13 des sollte andererseits die Ladungsträgerlebensdauer

einlegiert, und zwar typischerweise dadurch, daß ein Mein sein, so daß der Widerstand in Durchlaßrichtung

Stromimpuls durch das Spitzenkontaktelement hin- herabgesetzt wird.

durchgesehickt wird. Das Spitzenkontaktelement Die Verwendung der Goldfolie zur Bildung des kleinbesitzt eine gewisse Elastizität auf Grund eines gebo- 50 flächigen pn-Übergangs bietet den zusätzlichen Vor· genen Teils 15, das durch die Schattierung in F i g. 1 teil, die Lebensdauer der Ladungsträger im n-dotierten angedeutet und durch die Seitenansichten entsprechend Germanium-Legierungsbereich herabzusetzen. Bei beden F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Das Spitzenkontakt- stimmten Anordnungen kann es sich als vorteilhaft element dringt etwa bis zur Hälfte der Schichtdicke erweisen, die verschiedenen Teile der Photodiode mit in die Schicht 13 ein. 55 Hufe bekannter Verfahren mit dem Ziel zu behandeln,

Die Sehieht 13 ist meist zwischen 4 und 10 μπι dick, die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger entspre-

und das anzuzeigende Signal kann auf den Anzeige- chend den oben erläuterten Richtlinien zu vergrößern

bereich 16 auftreffen, indem das Lieht von der Ober- oder herabzusetzen.

fläche der Mesa unmittelbar entlang der Außenfläche Beim betrachteten Ausführungsbeispiel weist die

des Spitzenkontaktelementes 14 in den Anzeigebereich 60 epitaktische Schicht hohen spezifischen Widerstandes

geführt wird. Zur Erzielung optimaler Güte ist die (40 Ohm · cm) eine Lebensdauer der Minoritätsla-

einf allende Strahlung, die aus einem Strahl kohärenten dungsträger von etwa 10~³ Sekunden und die Unterlage

Lichtes bestehen kann, insbesondere im wesentlichen niedrigen spezifischen Widerstands (0,001 Ohm « cm)

in der gleichen Ebene wie die Folie 14 polarisiert und eine Lebensdauer von weniger als etwa 5 · 10"¹ Se-

unter einem Winkel Θ zu deren vertikalen Achse 65 künden auf.

gerichtet, die gleich dem Polarisationswinkel ist. Die mit der epitaktisehen Schicht versehene Seite der

Bei der dargestellten Ausführungsform der Photo- Halbleiterscheibe wird dann zur gleichzeitigen Herdiode ist jedoch eine Aushöhlung 17 im ursprünglichen stellung vieler Mesas und zur nachfolgenden Trennung

der Scheibe in eine Vielzahl einzelner Plättchen maskiert und geätzt.

Dann wird an die Mesa jedes einzelnen Plättchens die gleichrichtende Verbindung unter Verwendung eines Streifens aus einer Goldfolie mit einer Breite von 76 μπα und einer Dicke von etwa 15 μηα hergestellt, der sich zu einer scharfen Spitze durch Beschneiden mit feinen Scheren unter starker Vergrößerung verjüngt. Dieses Spitzenkontaktelement enthält einen kleinen Prozentsatz (etwa 1 bis 4%) einer Donatorverunreinigung, z. B. Arsen oder Antimon.

Nach Aufsetzen des Spitzenkontaktelementes auf die Oberfläche der Mesa wird ein Rechteckspannungsimpuls zwischen 4,2 und 4,6 Volt und einer Dauer von etwa 10 Mikrosekunden bei einer Schicht mit einer Dicke von etwa 8 μηι zwischen Spitze und Halbleiter mit dem Ziel angelegt, den oben beschriebenen einlegierten pn-Übergang zu erzeugen. Zum Schluß wird der ursprüngliche Teil des Plättchens einem herkömmlichen Strahlätzverfahren unterworfen, das zum Herstellen der zum einlegierten Spitzenkontaktelement ausgerichteten Höhlung 17 vorgesehen ist.

Der einlegierte Spitzenkontakt kann während dieses Ätzverfahrens durch ein Epoxydharz auf der die Spitze umgebenden Mesaoberfläche mechanisch gehalten werden. Dieses Epoxydharz kann darüber hinaus auch ohne schädliche Einwirkung an seinem Platz verbleiben, so daß die mechanische Widerstandsfähigkeit der Photodiode verbessert wird. Entsprechend einem anderen Verfahren kann die Höhlung 17 zuerst erzeugt werden, worauf dann das Einlegieren erfolgt.

Die Photodiode wird dann auf übliche Weise mit Anschlußelektroden versehen und, wie im folgenden beschrieben wird, verwendet. Außerdem können, obwohl die Photodiode an Hand von Germaniumhalbleitermaterial beschrieben worden ist, auch andere Halbleiter, z. B. Silizium und halbleitende III-V-Verbindungen, verwendet werden.

In Verbindung mit der Verwendung eines bestimmten Halbleitermaterials ist es wesentlich, daß die Absorptionskante des Materials an die anzuzeigende Strahlung angepaßt ist, so daß eine optimale Anzeige erzielt wird. Darüber hinaus können Photodioden vorteilhafterweise aus mehr als einem Halbleiter bestehen. Beispielsweise kann eine Photodiode für die Strahlung der Wellenlänge 7000Ä eines Rubinlasers unter Verwendung einer dünnen Galliumarsenidschicht hohen spezifischen Widerstandes auf einer Unterlage aus Galliumphosphid aufgebaut sein. Bei dieser Photodiode besteht das einlegierte Element aus Kadmium. Eine andere Photodiode für die bei 1,153 μηι auftretende Emission eines Helium-Neon-Lasers kann eine Schicht aus Germanium hohen spezifischen Widerstandes auf einer Unterlage aus Galliumarsenid aufweisen.

Obwohl das oben beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel sich auf bestimmte Leitfähigkeitstypen, P⁺ für die Unterlage, p~oder π für die dünne Schicht hohen spezifischen Widerstandes und n-dotierter Spitzenkontakt, bezieht, soll erwähnt werden, daß auch die umgekehrte Dotierung, nämlich n⁺, n~ und ein p-dotierter Spitzenlcontakt verwendet werden kann.

Nach F i g. 2 ist die Photodiode 10 auf der Oberseite

eines leitenden Zylinders angebracht, der eine Linse 22 aufweist, die die optischen Eingangssignale in der Höhlung 17 fokussiert. Wie gezeigt, ist das Spitzenkontaktelement der Photodiode an einem Stift 23 befestigt. Eine Vorspannungsquelle 24 ist schematisch dargestellt.

F i g. 3 zeigt ein anderes Übertragungselement, in dem die Photodiode 10 benutzt werden kann. In diesem Fall ist die Linse 32 in einer Öffnung des Außenleiters 31 einer Koaxialleitung angeordnet, und der Innenleiter 33 derselben besitzt eine sich verjüngende Öffnung, durch die das optische Signal zur Aushöhlung der Photodiode dringt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Photodiode, die aus einem Halbleiterplättchen eines Leitfähigkeitstyps besteht, das eine epitaktisch aufgewachsene Schicht hohen spezifischen Widerstandes auf einem begrenzten Teil seiner Oberfläche trägt, die Schicht eine Dicke von etwa 4 bis 10 μπι sowie Minoritätsladungsträger verhältnismäßig hoher Lebensdauer hat und einen gleichrichtenden Spitzenkontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenkontakt (14) etwa bis zur halben Tiefe in die Schicht (13) eindringt und daß die entgegengesetzte Oberfläche des Plättchens (11) eine zu dem gegenüberliegenden Spitzenkontakt ausgerichtete Aushöhlung (17) aufweist, die sich bis ganz dicht an die Grenze der Schicht (13) mit hohem spezifischem Widerstand erstreckt.

2. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktisch aufgewachsene Schicht (13) hohen spezifischen Widerstandes einen kleinen pn-Übergang hat.

3. Photodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines kleinen pn-Überganges mit der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (13) hohen Widerstandes der Spitzenkontakt eine dotierende Verunreinigung des gegenüber der Schicht (13) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist.

4. Verwendung der Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Gerät zur optischen Nachrichtenübertragung derart, daß optische Strahlung durch Linsen (22, 32) auf dem Grunde der Aushöhlung (17) der Photodiode (10) gesammelt

wird, die in einer in einer Übertragungsleitung (21, 31) vorgesehenen Öffnung für die optische Strahlung angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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