DE19653446A1

DE19653446A1 - Photodiode, die als Reaktion auf ein Licht-Empfangssignal einen Hoch-Linearitäts-Signalstrom bereitstellt

Info

Publication number: DE19653446A1
Application number: DE19653446A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Nishikata; Michinori Irikawa
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1997-06-26
Also published as: US5789765A; CN1168540A; CN1185718C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PIN-Photodiode, die als Reaktion auf ein Licht-Empfangssignal einen Hoch- Linearitäts-Signalstrom bereit stellt und ein Breitband und eine hohe Geschwindigkeit erreicht. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine PIN-Photodiode, die das unnötige Anhäufen von Löchern an der Schnitt stelle (bzw. am Rand) zwischen einer optischen Absorptionsschicht und einer an der optischen Absorptionsschicht angrenzenden p-Typ-Halbleiter schicht verhindert, um die Modulationsverzerrung des Signal stroms zu beseitigen.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Eine Photodiode des PIN-Typs (nachstehend auch PIN- Photodiode) hat einen Mehrschichtenaufbau, in dem eine i-Typ Halbleiterschicht mit einer niedrigen Trägerkonzentration zwischen einer p-Typ Halbleiterschicht und einer n-Typ Halbleiterschicht gehalten wird. Vor allem wird eine Photodiode des optischen Wellenleitertyps beispielsweise wie in Fig. 8 gezeigt ausgebildet, indem das Epitaxial-Aufwachsen einer n-Typ InP-Schicht 12, n-Typ GaInAsP-Schicht 13, InGaAs-Schicht 14, p- Typ GaInAsP-Schicht 15, p-Typ InP-Schicht 16 und P+-Typ GaInAs- Schicht 19 sequentiell auf einem n-Typ InP-Substrat 11 durchgeführt wird. Eine p-Elektrode 17 dieser Photodiode ist auf der zuvor erwähnten p+-Typ GaInAs-Schicht 19 und eine n- Elektrode 18 auf der unteren Fläche (bzw. Rückfläche) des n-Typ InP-Substrats 11 ausgebildet. Ti/Pt/Au wird als p-Elektrode 17 und AuGeNi/Au als n-Elektrode 18 verwendet.

Die zuvor erwähnte InGaAs-Schicht 14 ist eine Halbleiterschicht von geringer Störstellendichte, die eine optische Absorptions-Grenz-Wellenlänge aufweist, die ausreicht, um Licht zu empfangen, und die entsprechend eine festgelegte Bandabstand-Energie aufweist, die als eine optische Absorptionsschicht dient. Die n-Typ GaInAsP-Schicht 13 und p-Typ GaInAsP-Schicht 15, die an dieser optischen Absorptionsschicht angrenzen, sind optische Begrenzungs-Schichten, in denen die zuvor erwähnte GaInAsP als Halbleiter verwendet wird, der einen Brechungskoeffizienten aufweist, der niedriger als derjenige der optischen Absorptionsschicht ist und der einfallendes Licht nicht absorbiert, um das einfallende Licht innerhalb einer Photodiode effizient zu lenken. Die n-Typ InP-Schicht 12 und p- Typ InP-Schicht 16 sind Umhüllungsschichten, die eine Rolle spielen, um das einfallende Licht in der optischen Absorptionsschicht und der optischen Begrenzungsschicht effizient zu begrenzen, damit die optische Absorption beschleunigt wird. Aus diesem Grund wird die zuvor erwähnte InP für die Umhüllungsschicht verwendet, da sie ein Halbleiter ist, der einen Brechungskoeffizienten aufweist, der niedriger ist als diejenigen der optischen Absorptionsschicht und der optischen Begrenzungsschichten.

Die Photodiode der zuvor erwähnten Konstruktion wird verwendet, indem eine Sperrspannung zwischen der zuvor erwähnten p-Elektrode 17 und n-Elektrode 18 angelegt wird. Diese Sperrspannung bildet eine Sperrschicht (Verarmungsschicht) in der optischen Absorptionsschicht. Wenn Licht L in diesem Zustand auf die Endfläche der Photodiode einfällt, wird dieses Licht L zu einer Kernschicht gelenkt, die aus der optischen Absorptionsschicht und der optischen Begrenzungsschicht besteht, und dringt in die optische Absorptionsschicht. Dann findet in der Sperrschicht in der optischen Absorptionsschicht eine photoelektrische Übertragung statt, indem optische Energie empfangen wird, und es wird in Übereinstimmung mit der Lichtmenge eine Signalladung erzeugt. Diese Signalladung wird über die zuvor erwähnte p-Elektroe 17 und n-Elektrode 18 als ein Signalstrom ausgegeben.

Aus den Signalladungsträgern erzeugen Löcher, die eine besonders große Masse haben, vor dem Erreichen der p-Elektrode 17 ein unnötiges Anhäufen. Wenn eine Potentialspitze des Bandes in der p-Typ GaInAsP-Schicht 15, die eine optische Wellenleiterschicht ist, und der p-Typ InP-Schicht 16, die eine Umhüllungsschicht ist, groß ist, wird dieses unnötige Anhäufen von Löchern an der dazwischenliegenden Schnittstelle erzeugt. Wenn eine Potential-Bandspitze in der p-Typ GaInAsP-Schicht 15, die eine optische Wellenleiterschicht ist, und der InGaAs- Schicht 14, die eine optische Absorptionsschicht ist, groß ist, wird das unnötige Anhäufen von Löchern an der dazwischenliegenden Schnittstelle erzeugt. Dieses unnötige Anhäufen des Loches ist für die Verzerrung des zuvor erwähnten Signalstroms verantwortlich.

Ein Elektron der Signalladungsträger, das eine kleine Masse hat, beeinflußt jedoch kaum die Verzerrung des Signalstroms.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Wellenleiter-Typ-PIN-Photodiode bereitzustellen, die einen Hoch-Linearitäts-Signalstrom bekommen kann, d. h. einen verzerrungslosen (niedrige Modulationsverzerrung) Signalstrom als Reaktion auf das Licht empfangende Signal ohne das unnötige Anhäufen von Löchern.

Insbesondere wird, schenkt man der Tatsache Aufmerksamkeit, daß die Potentialspitze an der Schnittstelle zwischen der optischen Absorptionsschicht und der optischen Wellenleiter schicht weitestgehend vom Band-Offset an der optischen Absorpti onsschicht und der optischen Wellenleiterschicht abhängt, eine PIN-Photodiode bereitgestellt, in der der Unterschied im Valenz bandwert zwischen der optischen Absorptionsschicht und der an der optischen Absorptionsschicht angrenzenden p-Typ Halbleiter schicht nicht größer als 0,05 eV ist.

Die Breite der Energieverteilung, die das Loch bei gewöhnlichen Temperaturen hat, beträgt ungefähr das Doppelte der Wärmeenergie (ungefähr 0,025 eV) bei gewöhnlichen Temperaturen, was durch das Produkt von Boltzmannschen Konstante k und der Temperatur T ausgedrückt wird. Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Photodiode zur Verfügung, in der die Leitung der Löcher durch Wärmeenergie bewerkstelligt wird, und zwar beispielsweise selbst in einem Zustand, in dem eine Vorspannung nicht angelegt ist, so daß das Auftreten der Verzerrung, die für das Anhäufen der Löcher verantwortlich ist, eingeschränkt wird.

Spezifisch wird eine PIN-Photodiode bereitgestellt, in der der Valenzbandwert einer jeden Schicht gleichgehalten wird, indem eine GaInAsP mit einer niedrigen Störstellendichte als die optische Absorptionsschicht bildender Halbleiter verwendet wird, und indem eine p-Typ AlInAsP als p-Typ Halbleiterschicht verwendet wird, oder es wird der Unterschied im Valenzbandwert einer jeder Schicht auf ein im wesentlichen unbedeutendes Ausmaß abgeschwächt, um das Auftreten unnötiger Anhäufungen von Löchern an der Schnittstelle zu verhindern.

Vorzugsweise besteht die optische Absorptionsschicht aus einer GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,65 bis 1,55 µm, und die p-Typ Halbleiterschicht besteht aus einer p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz- Wellenlänge, die kürzer ist als die der optischen Absorptionsschicht, 1,55 bis 1,30 µm betragend. Dieses sorgt für eine PIN-Photodiode zur Erfassung eines Lichtsignals mit einer Wellenlänge von 1,55 µm mit einer hohen Linearität.

Alternativ besteht die optische Absorptionsschicht aus einer GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,56 bis 1,36 µm, und die p-Typ Halbleiterschicht besteht aus einer p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz- Wellenlänge von 1,30 bis 1,14 µm. Dieses sorgt für eine PIN- Photodiode zur Erfassung eines Lichtsignals mit einer Wellenlänge von 1,3 µm mit Hoch-Linearität.

Spezieller stellt die vorliegende Erfindung eine Photodiode bereit, die umfaßt:
eine n Umhüllungsschicht, die aus einer n-Typ InP-Schicht oder einer n-Typ AlInAs-Schicht besteht, die auf einem n-Typ InP-Substrat gebildet wird;
eine n optische Begrenzungsschicht, die aus einer n-Typ GaInAsP-Schicht oder einer n-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, die auf der n Umhüllungsschicht gebildet wird, die Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm (oder 1,3 µm) nicht absorbiert, und die gittermäßig mit der n Umhüllungsschicht übereinstimmt;
eine optische Absorptionsschicht, die aus einer nicht dotierten oder einer n-Typ Niedrigkonzentration-dotierten GaInAs-Schicht bzw. GaInAsP-Schicht besteht, die auf der n optischen Wellenleiterschicht gebildet wird, die Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm (oder 1,3 µm) absorbiert und die gittermäßig mit der optischen Absorptionsschicht übereinstimmt;
eine p optische Wellenleiterschicht, die aus einer p-Typ GaInAsP-Schicht besteht, die auf der optischen Absorptions schicht gebildet wird, die Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm (oder 1,3 µm) nicht absorbiert, und die gittermäßig mit der optischen Absorptionsschicht übereinstimmt; und
eine p Umhüllungsschicht, die aus einer p-Typ GaInAsP- Schicht bzw. einer p-Typ AlInAs-Schicht bzw. einer InP-Schicht besteht, die auf der p optischen Wellenleiterschicht gebildet wird, die Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm (oder 1,3 µm) nicht absorbiert, und die gittermäßig mit der p optischen Wellenleiterschicht übereinstimmt;
worin Licht parallel zu jeder Schicht einfällt.

Auch stellt die vorliegende Erfindung eine Wellenleiter- Photodiode bereit, die die zuvor erwähnten Halbleiterschichten umgekehrt auf einem p-Typ InP-Substrat umfaßt.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine flächeneinfallende Photodiode bereit, die umfaßt:
eine optische Absorptionsschicht, die aus einer nicht-do tierten oder n-Typ Niedrigkonzentration-dotierten GaInAs-Schicht bzw. GaInAsP-Schicht besteht, die auf einem n-Typ InP-Substrat gebildet wird; eine AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions- Grenz-Wellenlänge von 1,55 bis 1,14 µm, die auf der optischen Absorptionsschicht gebildet wird; und einen p-Typ Bereich, der in der AlGaInAs-Schicht ausgebildet ist, der durch Diffusion bzw. Implantierungs-Dotierung von p-Typ Störungen gebildet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Photodiode in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine Ansicht, die einen Zustand einer ersten Stufe im Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 gezeigte Photodiode zeigt;

Fig. 3 ist eine Ansicht, die einen Zustand einer zweiten Stufe im Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 gezeigte Photodiode zeigt;

Fig. 4 ist eine Ansicht, die einen Zustand einer dritten Stufe im Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 gezeigte Photodiode zeigt;

Fig. 5A ist ein Banddiagramm, das die Bandabstandenergie und den Valenzbandwert von AlGaInAs mit einer Absorptions-Grenz- Wellenlänge von 1,3 µm zeigt, und von GaInAsP mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,65 µm;

Fig. 5B ist ein Banddiagramm, sobald die Absorptions-Grenz- Wellenlänge von GaInAsP in Fig. 5A verändert wird, so daß das Band-Offset des Valenzbandes von AlGaInAs und GaInAsP Null ist;

Fig. 5C ist ein Banddiagramm, sobald die Absorptions-Grenz- Wellenlänge von GaInAsP in Fig. 5B verändert wird, so daß das Valenzbandwert von AlGaInAs und GaInAsP umgekehrt wird;

Fig. 5D ist ein Banddiagramm, sobald die Absorptions-Grenz- Wellenlänge von GaInAsP in Fig. 5c verändert wird, so daß das Band-Offset des Leitungsbandes von AlGaInAs und von GaInAsP Null ist;

Fig. 5E ist ein Banddiagramm, sobald die Absorptions-Grenz- Wellenlänge von GaInAsP in Fig. 5D verändert wird, so daß die Bandabstandenergie von GaInAsP größer ist als die von AlGaInAs;

Fig. 6 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Bandabstandenergie und der Absorptions-Grenz-Wellenlänge von GaInAsP und von AlGaIriAs und die Bedingung zeigt, in der der Valenzbandwert von GaInAsP und AlGaInAs gleich ist;

Fig. 7 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Photodiode in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorlie genden Erfindung zeigt; und

Fig. B ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau einer herkömmlichen Photodiode zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine PIN-Photodiode in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat einen wie in Fig. 1 gezeigten Mehrschichtenaufbau.

Insbesondere wenn ein Licht empfangendes Element zur Erfassung von Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm ausgebildet wird, wird als erster Schritt das Epitaxial- Aufwachsen einer n Umhüllungsschicht 2, die aus einer n-Typ InP Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 besteht, auf einem n-Typ InP-Substrat 1 mit einer Trägerkonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^-3 durchgeführt, wie in Fig. 2 gezeigt, indem das metallo-organische chemische Dampfablagerungs-Verfahren (MOCVD- Verfahren = Metal-Organic-Chemical-Vapo-Deposition-Verfahren) verwendet wird. Des weiteren wird das Epitaxial-Aufwachsen einer n optischen Wellenleiterschicht 3, die aus einer n-Typ GaInAsP- Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 und einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,3 µm besteht, auf der n Umhüllungsschicht 2 durchgeführt. Des weiteren wird das Aufwachsen einer optischen Absorptionsschicht 4, die aus einer i-Typ GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,6 µm besteht, als Halbleiter, der nicht-dotiert ist bzw. in dem Störstellen bei mit niedrigen Konzentration dotiert werden, auf der n optischen Wellenleiterschicht 3 durchgeführt.

Beispielsweise ist die zuvor erwähnte n Umhüllungsschicht 2 so gebildet, um eine Schichtdicke von 0,5 µm zu haben, die n optische Wellenleiterschicht 3 so gebildet, um eine Schichtdicke von 1 µm zu haben, und die optische Absorptionsschicht 4 so gebildet, um eine Schichtdicke von 0,1 µm zu haben. Es ist jedoch vorzuziehen, daß der Bereich mit einer Dicke von ungefähr 0,4 µm, wo die n optische Wellenleiterschicht 3 mit der optischen Absorptionsschicht 4 in Berührung steht, nicht-dotiert ist.

Als nächstes wird als ein zweiter Schritt das Epitaxial- Aufwachsen einer p optischen Wellenleiterschicht 5, die aus einer p-Typ AlGaInAs mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 und einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,4 µm besteht, auf dem Laminat von in Fig. 2 gezeigten Halbleiterschichten durchgeführt, indem das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren (MBE- Verfahren = Molecular-Beam-Epitaxy-Verfahren) verwendet wird. Das Epitaxial-Aufwachsen einer p Umhüllungsschicht 6, die aus der AlInAs-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 besteht, wird auf der p optischen Wellenleiterschicht 5 durchgeführt, und des weiteren wird das Epitaxial-Aufwachsen einer Kontaktschicht 7, die aus einer p-Typ GaInAs-Schicht mit einer Trägerkonzentration von 2 × 10¹⁹ cm^-3 besteht, auf der p Umhüllungsschicht 6 durchgeführt.

Beispielsweise ist die zuvor erwähnte p optische Wellenleiterschicht 5 so gebildet, um eine Schichtdicke von 2 µm zu haben, die p Umhüllungsschicht 6 so gebildet, um eine Schichtdicke von 2 µm zu haben, und die Kontaktschicht 7 so gebildet, um eine Schichtdicke von 0,4 µm zu haben. Es ist jedoch vorzuziehen, daß der Bereich mit einer Dicke von ungefähr 0,4 µm, wo die optische Wellenleiterschicht 5 in Berührung mit der optischen Absorptionsschicht 4 ist, nicht-dotiert ist.

Die Gründe, warum das MBE-Verfahren beim zweiten Schritt verwendet wird, sind die, daß, verglichen mit dem zuvor erwähnten VD-Verfahren, eine scharfe heterogene Schnittstelle gebildet werden kann, und daß eine Halbleiterschicht, die eine gute Gitterübereinstimmung mit der zuvor erwähnten Absorptionsschicht und hervorragende Eigenschaften aufweist, besonders die zuvor erwähnte p optische Wellenleiterschicht 5 und weiterhin die p Umhüllungsschicht 6 zum Vergrößern erzeugt werden, indem die Tatsache verwendet wird, daß die Schichtdicke- Kontrolle auf dem Mono-Schicht-Ebene durchgeführt werden kann.

Danach werden als dritter Schritt die zuvor erwähnte Kontaktschicht 7, die p Umhüllungsschicht 6, die p optischen Wellenleiterschicht 5, die optische Absorptionsschicht 4 und die obere Hälfte der n optischen Wellenleiterschicht 3 durch das Lithographieverfahren sequentiell entfernt, wobei ein streifenförmiger Elementbereich mit einer Länge von beispielsweise 200 µm übrigbleibt, wie in Fig. 4 gezeigt.

Als nächstes wird eine Isolierschicht 8 auf beiden Seiten des streifenförmigen Bereichs gebildet. Beispielsweise wird eine Polyimidschicht oder eine Verbindung aus einem Siliziumnitrid und einer Polyimidschicht als diese Isolierschicht 8 verwendet. Weiterhin wird eine Resistmaske (nicht gezeigt) auf der Kontaktschicht 7 des streifenförmigen Bereichs gebildet und eine Öffnung oben auf dem streifenförmigen Bereich unter Verwendung der Resistmaske bereitgestellt. Nachdem eine solche Isolier schicht 8 gebildet ist, wird die Resistmaske entfernt. Danach wird eine p-Elektrode 9, die aus einer Ti/Pt/Au-Schicht besteht, auf der Kontaktschicht 7 des streifenförmigen Bereichs und auf den Isolierschichten B der beiden Seiten der Kontaktschicht 7 gebildet. Nachdem die Rückfläche des zuvor erwähnten n-Typ InP- Substrats geschliffen wird, so daß sie ungefähr 100 µm dick ist, wird eine n-Elektrode 10, die aus einer AuGeNi/Au-Schicht besteht, auf der Rückfläche des InP-Substrats gebildet.

Danach wird die Mitte des streifenförmigen Bereichs gespalten und es wird eine Elementteilung vorgenommen, durch die die Photodiode einer wie in Fig. 1 gezeigten Elementkonstruktion vollendet wird.

Die Absorptions-Grenz-Wellenlänge der Halbleiterschichten, die die optische Absorptionsschicht etc. der Photodiode, die wie oben beschrieben hergestellt wird, umfaßt, steht im engen Verhältnis zur Bandabstandenergie der Halbleiterschicht. Die Absorptions-Grenz-Wellenlänge der Halbleiterschicht kann als ein Wert bestimmt sein, der erhalten wird, indem man die Planksche Konstante h (=6,6256 × 10^-34 J·s) durch die Bandabstandenergie der Halbleiterschicht teilt. Daher wird der Typ der Halbleiter schicht, die als optische Absorptionsschicht 4 oder n optische Wellenleiterschicht 3 und p optische Wellenleiterschicht 5 gezüchtet wird, als ein Halbleiter bestimmt, der eine Bandab standenergie aufweist, die durch die Teilung der zuvor erwähnte Planksche Konstante durch die Absorptions-Grenz-Wellenlänge bestimmt wird, und weist darüber hinaus eine gute Zusammensetzung für die Gitterübereinstimmung auf. In diesem Beispiel wird, wie oben beschrieben, GaInAsP als Halbleiterschicht, die die optische Absorptionsschicht 4 bildet, bestimmt, und AlGaInAs als Halbleiterschicht, die die optischen Wellenleiterschichten 3 und 5 bildet, bestimmt.

Das Banddiagramm an der Schnitt stelle zwischen der GaInAsP- Schicht, die die optische Absorptionsschicht 4 bildet, und der AlGaInAs Schicht, die die optischen Wellenleiterschichten 3 und 5 bildet - d. h. die Bandabstandenergie und der Valenzbandwert einer jeden Halbleiterschicht - wurden mit dem folgenden Ergebnis untersucht. Die Untersuchung wurde auf der Grundlage einer Simulation gemacht, in der ein Computer eingesetzt wurde und das Experimentergebnis einer Emission eines Quantentopfes unter Benutzung von Photlumineszens verwendet wurde.

Dieses Untersuchungsergebnis wird unten beschrieben. Wenn die Bandabstandenergie der AlGaInAs-Schicht auf 0,95 eV festgelegt wird und die Bandabstandenergie der GaInAsP-Schicht, die mit dem InP-Substrat Gitter übereinstimmt, von 0,75 eV auf 1,3 eV verändert wird, veränderte sich das Banddiagramm der AlGaInAs-Schicht und GaInAsP-Schicht, wie in den Fig. 5A bis 5E gezeigt. Die Fig. 5A bis 5E zeigen jedoch den Wert des Valenz bandes und Leitungsbandes in der AlGaInAs-Schicht und GaInAsP- Schicht, wobei die Potentialkerbe und -spitze etc. weggelassen wurden.

Wie in Fig. 5A ,gezeigt, stehen der Valenzbandwert Ev1 der AlGaInAs-Schicht und der Valenzbandwert Ev2 der GaInAsP-Schicht in einem Verhältnis von [|Ev1| < |Ev2|]), wenn die Bandabstan denergie Eg2 der GaInAsP-Schicht kleiner als die Bandabstandenergie Eg1 der AlGaInAs-Schicht ist [Eg1 < Eg2]. Wenn die Bandabstandenergie der GaInAsP-Schicht steigt, nimmt jedoch das Band-Offset Δ Ev (= |Ev1| - |Ev2|) des Valenzbandes graduell ab und reduziert sich unter gegebenen Bedingungen auf Null, wie in Fig. 5B gezeigt.

Wenn die Bandabstandenergie der GaInAsP-Schicht von diesem Zustand weiterhin auf einen Zustand von [Eg1 = Eg2] ansteigt, wird der Valenzbandwert einer jeden Schicht ein Zustand von [|Ev1| < |Ev2|], wie in Fig. 5C gezeigt. Wenn die Bandabstandenergie der GaInAsP-Schicht weiterhin steigt, wird der Wert des Leitungsbandes einer jeden Schicht gleich, wie in Fig. 5D gezeigt [|Ec1| = |Ec2|]. Wenn die Bandabstandenergie der GaInAsP-Schicht noch weiter ansteigt [Eg1 < Eg2], wird der Wert des Leitungsbandes der GaInAsP-Schicht höher als der Wert des Leitungsbandes der AlGaInAs-Schicht [|Ec1| < |Ec2|], wie in Fig. 5E gezeigt, und der Valenzbandwert einer jeden Schicht steht in einem Verhältnis von [|Ev1| < |Ev2|]. zueinander.

Fig. 6 zeigt das Verhältnis der Bandabstandenergie und folglich die Absorptions-Grenz-Wellenlänge der AlGaInAs-Schicht und GaInAsP-Schicht, wenn der Valenzbandwert Ev1 der AlGaInAs- Schicht gleich dem Valenzbandwert Ev2 der GaInAsP-Schicht ist und das Offset Δ Ev Null wird, wie in Fig. 5B gezeigt.

Für die wie oben beschrieben hergestellte Photodiode wird die Absorptions-Grenz-Wellenlänge bzw. der Valenzbandwert der GaInAsP-Schicht, die die optische Absorptionsschicht 4 bildet, und der p-Typ AlGaInAs-Schicht, die die p optische Wellenleiterschicht 5 bildet, auf der Grundlage des in Fig. 6 gezeigten Verhältnisses bestimmt. Das Loch mit einer schweren effektiven Masse wird durch die vom Band-Offset verursachte Potentialspitze einer Leitungsbehinderung unterzogen, um das unnötige Anhäufen an der Schnittstelle zu verhindern.

Für die wie oben beschrieben hergestellte Photodiode ist die optische Absorptionsschicht 4 die i-Typ GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,6 µm, und die an der optischen Absorptionsschicht 4 angrenzende Wellenleiterschicht 5 besteht aus der p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions- Grenz-Wellenlänge von 1,45 µm, und das Gitter stimmt mit dem InP-Substrat überein. Wie aus dem in Fig. 6 gezeigten Verhältnis ersichtlich, werden der Valenzbandwert der optischen Absorptionsschicht 4, die aus der i-Typ GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,6 µm besteht, und der Valenzbandwert der p optischen Wellenleiterschicht 5, die aus der p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz- Wellenlänge von 1,45 µm besteht, so gesetzt, µm in Bezug zueinander beinahe gleich zu sein.

In der optischen Absorptionsschicht 4, in die Licht eingeführt wird, bewegen sich daher die mit einer schweren Masse behafteten Löcher der elektrischen Ladungsträgern, die durch die photoelektrische Übertragung erzeugt werden, die wiederum durch den Empfang der optischen Energie verursacht wird, von der p optischen Wellenleiterschicht 5 zur p-Typ Umhüllungsschicht 6, ohne durch die Schnittstelle mit der p optischen Wellenleiterschicht 5 beeinflußt zu werden. Das heißt, daß sich die Löcher auf eine solche Art und Weise bewegen, daß ihre Bewegung an der Schnittstelle zwischen der optischen Absorptionsschicht 4 und dem p optischen Wellenleiter 5 nicht behindert wird; d. h. unnötiges Anhäufen wird nicht erzeugt. Als Ergebnis wird keine Verzerrung im Signalstrom erzeugt, der über die Elektroden 9 und 10 ausgegeben wird, und es kann ein verzerrungsloser Signalstrom mit einer guten Linearität als Reaktion auf das Licht empfangende Signal erhalten werden.

Spezifisch wurde auf der optischen Wellenleiter-Typ- Photodiode die Modulationsverzerrung für Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm gemessen, und die Eigenschaften wurden bewertet. Diese Messung wurde durch das optische Zwei-Ton- Verfahren (optisches Überlagerungsverfahren = optisches Heterodyneverfahren) durchgeführt, indem die Wellenleiter- Photodiode, an die eine Vorspannung von -5V angelegt wird, in etwa 10 µm von der Endfläche eines optischen Lichtleiters gebracht wird, der um 8° eingeschnitten ist. Die Meßbedingungen waren 250 MHz und 244 MHz der Modulationsfrequenzen und 70% der Modulationstiefe. Zu diesem Zeitpunkt wurde bestätigt, daß die sekundäre und tertiäre Intermodulationverzerrung gute Werte zeigte - und zwar jeweils -90 dBc und -110 dBc bei einer durchschnittliche Eingabeleistung von 0 dBm. Dieses Meßergebnis zeigt, daß, verglichen mit der herkömmlichen Photodiode, eine verbesserte Wirkung von ungefähr 20 dB erreicht wird.

Andererseits wurde für die Realisierung einer Photodiode zur Erfassung von Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm als weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine i Typ GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,46 µm gezüchtet, um wie die zuvor erwähnte optische Absorptionsschicht 4 bereitzustellen. Auch wurde eine p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,15 µm gezüchtet, um die an dieser optischen Absorptionsschicht 4 angrenzende p optische Wellenleiterschicht 5 bereitzustellen. Jedoch waren andere Halbleiterschichten dieselben wie diejenigen in der oben beschriebenen Ausführungsform.

Für die Wellenleiter-Photodiode, die die optische Absorptionsschicht 4 und die p optische Wellenleiterschicht aufweist, ist, wie in Fig. 6 gezeigt, der Valenzbandwert der optischen Absorptionsschicht 4, die aus der i-Typ GaInAsP- Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,46 µm besteht, beinahe gleich mit dem Wert des Valenzbandes der optischen Absorptionsschicht 5, die aus der p-Typ AlGaInAs- Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,15 µm besteht.

Daher wird sogar auf der optischen Wellenleiter-Photodiode für die Wellenlänge von 1,3 µm das unnötige Anhäufen der Löcher an der Schnittstelle zwischen der optischen Absorptionsschicht 4 und der p optischen Wellenleiterschicht nicht erzeugt. Ein verzerrungsloser Signalstrom mit einer guten Linearität wurde als Reaktion auf das Licht-empfangende Signal erhalten. Besonders wurde die Modulationsverzerrung für Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm auf der zuvor erwähnten optischen Wellenleiter-Photodiode auf dieselbe Art und Weise wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform untersucht. Wenn die Meßbedingungen dieselben waren, wurde bestätigt, daß die sekundäre und tertiäre Intermodulationsverzerrung gute Werte zeigte - und zwar betrug sie jeweils -80 dBc und -105 dBc.

Auch wurde als wiederum weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Erzeugung einer Photodiode zur Erfassung von Licht mit einer Wellenlänge von 1,5 µm eine i-Typ GaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,65 µm hergestellt, um wie die zuvor erwähnte optische Absorptionsschicht 4 bereitzustellen. Auch wurde eine p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,4 µm hergestellt, um die an dieser optischen Absorptionsschicht 4 angrenzende p optische Wellenleiterschicht 5 bereitzustellen. Jedoch waren andere Halbleiterschichten dieselben wie diejenigen in der oben beschriebenen Ausführungsform.

In diesem Fall verschob sich, wie in Fig. 6 gezeigt, der Valenzbandwert der optischen Absorptionsschicht 4, die aus der i- Typ GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,65 µm besteht, leicht vom Valenzbandwert der optischen Absorptionsschicht 5, ,die aus der p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,45 µm besteht. Jedoch war der Unterschied der Wert klein und das unnötige Anhäufen der Löcher an der Schnittstelle zwischen der optischen Absorptions schicht 4 und der p-optischen Wellenleiterschicht 5 wurde beträchtlich eingeschränkt. Als Ergebnis wurde eine Signalstrom Reaktion auf das Licht empfangende Signal erhalten, der kaum Verzerrungen aufwies.

Die vorliegende Erfindung kann nicht nur in Bezug auf die optische Wellenleiter-Photodiode angewandt werden, wie sie die obigen Ausführungsformen zeigen, sondern auch in Bezug auf die Photodiode des flächeneinfallenden Typs. D.h., da die optische Wellenleiter-Photodiode parallel zur Halbleiterschicht Licht einführt, die durch das Epitaxial-Aufwachsen hergestellt wird und Licht absorbiert, während das einfallende Licht geführt wird, besteht der Vorteil, daß die lokale Konzentration der optischen Absorption weniger wahrscheinlich stattfindet und die Verzerrung gering ist. Auch ist die Laufzeit der Ladungsträger, die durch die photoelektrische Übertragung erzeugt werden, kurz, so daß die Verzerrung aus diesem Grund ebenfalls gering ist.

Wenn jedoch die Dicke der optischen Absorptionsschicht auf ein Ausmaß abnimmt, daß die Licht-Empfangsempfindlichkeit nicht gestört wird, um die Laufzeit des Ladungsträgers zu verkürzen, und der einfallende Bereich auf das Äußerste erweitert wird, kann eine hoch-empfindliche flächeneinfallende Photodiode erzeugt werden. Auch in diesem Fall kann, vorausgesetzt, daß kaum ein Unterschied im Valenzbandwert besteht, da wie oben beschrieben die Halbleiterschicht an der optischen Absorptionsschicht angrenzt, die Ursache, die das Fließen der Löcher verhindert, beseitigt werden und die Verzerrung des Signalstroms wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen auch verhindert werden.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, in der die vorliegende Erfindung an einer Oberflächeneinfallenden Photodiode angelegt wird. Diese Photodiode wird als ein erster Schritt hergestellt, indem eine n-Typ InP-Pufferschicht 22 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3, eine n-Typ GaInAs optische Absorptionsschicht 23 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁵ cm^-3, eine n-Typ AlGaInAs Niedrig-Verzerrungs-Einführungsschicht 24 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 und einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,45 µm, und eine n-Typ InP- Abdeckschicht 25 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 in dieser Reihenfolge auf einem n-Typ InP Substrat 21 mit einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 epitaxial gezüchtet werden. Das Epitaxial-Aufwachsen dieser Schichten wird durch das MOCVD- Verfahren durchgeführt, während das Gitter in Bezug auf das n- Typ InP-Substrat übereinstimmt. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke der n-Typ InP-Pufferschicht 22 0,5 µm, diejenige der n-Typ GaInAs-optischen Absorptionsschicht 23 1,5 µm, diejenige der n-Typ AlGaInAs Niedrig-Verzerrungs-Einführungs- Schicht 24 0,5 µm, und die der n-Typ InP-Abdeckschicht 25 3 nm.

Danach wird in einem zweiten Schritt Zn beispielsweise in einer Zwischenstellung der n-Typ GaInAs optischen Absorptionsschicht 23 der oben erwähnten Halbleiter-Mehrschicht diffundiert und dieser Zn-Diffusionsbereich invertiert, um einen P-Typ Zn-Diffusionsbereich 26 zu bilden. Dann wird eine SiN- Schicht als Passivierungsschicht 27 auf der Halbleiter- Mehrschicht gebildet. Aus der Passivierungsschicht 27, die sich auf dem p-Typ Diffusionsbereich befindet, wird beispielsweise ein ringförmiger Abschnitt entnommen, und eine ringförmige P- Elektrode 28 wird auf dem entnommenen Abschnitt gebildet. Der Durchmesser dieses Ringes beträgt beispielsweise 50 µm und Ti/Pt/Au wird als P-Elektrode 28 verwendet. Danach wird das n- Typ InP-Substrat 21 auf eine Dicke von ungefähr 140 µm geschliffen, um die Dicke zu regulieren, und eine n-Elektrode 29 wird auf der Rückfläche des Substrats gebildet. AuGeNi/Au wird als n-Elektrode 29 verwendet.

Gemäß der solchermaßen hergestellten flächeneinfallenden Photodiode funktioniert die n-Typ InP-Abdeckschicht 25 als eine Oxidation-verhindernde Schicht für die n-Typ AlGaInAs-Niedrig- Verzerrung-Einführungsschicht 24. Da die Schichtdicke der n-Typ InP-Abdeckschicht 25 so klein wie 3 nm ist, werden jedoch die Abnahme in der Licht-Empfangsempfindlichkeit, die Beschädigung in den Strom/Spannungs-Eigenschaften und die Zunahme in der Modulationsverzerrung nicht verursacht.

Wenn Licht auf die obere Fläche dieser Photodiode einfiel, erhielt man eine Licht-Empfangsempflichkeit über 0,9A/W für das Licht mit einer Wellenlänge von 1,0 bis 1,6 µm. Besonders, wenn eine in der n-Typ GaInAs optischen Absorptionsschicht erzeugte elektrische Ladung geleitet wurde, wurde das Auftreten des Flächen-Rekombinationsstroms in der n-Typ AlGaInAs-Niedrig- Verzerrung-Einführungsschicht 24 verhindert, so daß selbst für das Licht mit einer kurzen Wellenlänge eine hohe Licht- Empfangsempflichkeit erhalten wurde.

Das Licht aus einem optischen Leiter, der um 8° eingeschnitten wurde, wurde über eine Linse kondensiert und fiel auf diese flächeneinfallende Photodiode ein, um einen charakteristischen Test durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Brennpunkt absichtlich verschoben, so daß das Licht einheitlich auf dem ganzen Ringbereich von 50 µm im Durchmesser bestrahlte. Eine Vorspannung von -10V wurde angelegt und die Modulationsverzerrung unter denselben Meßbedingungen wie in der oben beschriebenen Ausführungsform gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß die sekundäre und tertiäre Intermodulationsver zerrung für eine durchschnittliche Eingabeleistung von 0 dBm gute Werte zeigte - und zwar jeweils -75 dBc und -100 dBc.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Obwohl Halbleiterschichten durch das MOCVD-Verfahren bzw. das MBE-Verfahren in den obigen Ausführungsformen gebildet werden, können auch ein Gasquellen- MBE-Verfahren oder ein CBE-Verfahren (chemical beam epitaxy = chemische Strahlepitaxie) verwendet werden, um eine Halbleiter schicht zu züchten. Insbesondere können alle Halbleiterschichten durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, eine InP-Schicht als Umhüllungsschicht zu ver wenden. Auch kann eine nicht-dotierte oder eine Niedrigkonzen tration-dotierte GaInAs-Schicht als optische Absorptionsschicht verwendet werden und eine weitere AlGaInAs-Schicht kann als an der optischen Absorptionsschicht angrenzende p Halbleiterschicht verwendet werden.

Claims

1. Eine Pin-Photodiode umfassend: eine optische Absorptionsschicht, die aus einer GaInAsP-Schicht besteht, und eine p-Typ Halbleiterschicht, die aus einer an der optischen Absorptionsschicht angrenzenden p-Typ AlGaInAs-Schicht besteht.

2. Eine Photodiode nach Anspruch 1, worin der Unterschied im Valenzband-Offset zwischen der optischen Absorptionsschicht, die aus einer GaInAsP-Schicht besteht, und der p-Typ Halbleiterschicht, die aus einer an der optischen Absorptionsschicht angrenzenden p-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, so gesetzt ist, daß er kleiner als 0,05 eV ist.

3. Eine Photodiode nach Anspruch 2, worin die optische Absorptionsschicht aus einer GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,65 bis 1,55 µm besteht, und die p-Typ Halbleiterschicht aus einer p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,55 bis 1,30 µm besteht und kürzer als die der optischen Absorptionsschicht ist.

4. Eine Photodiode nach Anspruch 2, worin die optische Absorptionsschicht aus einer GaInAsP-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,56 bis 1,36 µm besteht, und die P-Typ Halbleiterschicht aus einer p-Typ AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz-Wellenlänge von 1,30 bis 1,14 µm besteht.

5. Eine Photodiode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, die einen optischen Wellenleiteraufbau hat.

6. Eine Pin-Photodiode, die umfaßt:
ein n-Typ InP-Substrat;
eine n Umhüllungsschicht, die aus einer n-Typ InP-Schicht oder einer n-Typ AlInAs-Schicht besteht, die auf dem n-Typ InP- Substrat gebildet ist, wobei das n Umhüllungsschicht gittermäßig mit dem n-Typ InP-Substrat übereinstimmt;
eine n optische Wellenleiterschicht, die aus einer n-Typ GaInAsP-Schicht oder einer n-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, die auf der n Umhüllungsschicht gebildet wird, wobei die n-Typ GaInAsP-Schicht oder n-Typ AlGaInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit dem n InP-Substrat übereinstimmt;
eine optische Absorptionsschicht, die aus einem nicht dotierten oder Niedrigkonzentration-dotierten GaInAs-Schicht oder GaInAsP-Schicht besteht, die auf der n optischen Wellenlei terschicht gebildet sind, wobei die GaInAs-Schicht bzw. GaInAsP- Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm absorbiert und gittermäßig mit der n optischen Wellenleiterschicht überein stimmt;
eine p optische Wellenleiterschicht, die aus einer p-Typ GaInAsP-Schicht bzw. einer p-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, die auf der optischen Absorptionsschicht gebildet wird, wobei die p- Typ GaInAsP-Schicht bzw. p-Typ AlGaInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit der optischen Absorptionsschicht übereinstimmt; und
eine p Umhüllungsschicht, die aus einer p-Typ InP-Schicht bzw. p-Typ AlInAs-Schicht besteht, die auf der p optischen Wellenleiterschicht gebildet wird, wobei die p-Typ InP-Schicht bzw. p-Typ AlInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit der p optischen Wellenleiterschicht übereinstimmt,
worin Licht parallel zu jeder Schicht einfällt.

7. Eine Pin-Photodiode, die umfaßt:
ein n-Typ InP-Substrat;
eine n Umhüllungsschicht, die aus einer n-Typ InP-Schicht oder einer n-Typ AlInAs-Schicht besteht, die auf dem n-Typ InP- Substrat gebildet wird;
eine n optische Wellenleiterschicht, die aus einer n-Typ GaInAsP-Schicht oder einer n-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, die auf der n Umhüllungsschicht gebildet wird, wobei die n-Typ GaInAsP-Schicht oder n-Typ AlGaInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit dem n InP-Substrat übereinstimmt;
eine optische Absorptionsschicht, die aus einem nicht dotierten oder Niedrigkonzentration-dotierten GaInAs-Schicht oder GaInAsP-Schicht besteht, die auf der n optischen Wellenlei terschicht gebildet wird, wobei die GaInAs-Schicht bzw. GaInAsP- Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 um absorbiert und gittermäßig mit der n optischen Wellenleiterschicht überein stimmt;
eine p optische Wellenleiterschicht, die aus einer p-Typ GaInAsP-Schicht bzw. einer p-Typ AlGaInAs-Schicht besteht, die auf der optischen Absorptionsschicht gebildet wird, wobei die p- Typ GaInAsP-Schicht bzw. p-Typ AlGaInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit der optischen Absorptionsschicht übereinstimmt; und
eine p Umhüllungsschicht, die aus einer p-Typ InP-Schicht bzw. p-Typ AlInAs-Schicht besteht, die auf der p optischen Wellenleiterschicht gebildet wird, wobei die p-Typ InP-Schicht bzw. p-Typ AlInAs-Schicht Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm nicht absorbiert und gittermäßig mit der p optischen Wellenlei terschicht übereinstimmt,
worin Licht parallel zu jeder Schicht einfällt.

8. Eine Photodiode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, die vom flächeneinfallenden-Typ ist, umfassend:
ein n-Typ InP-Substrat;
eine optische Absorptionsschicht, die aus einer nicht dotierten bzw. n-Typ Niedrigkonzentration-dotierten GaInAs- Schicht bzw. GaInAsP-Schicht besteht, die auf dem n-Typ InP- Substrat gebildet wird;
eine AlGaInAs-Schicht mit einer Absorptions-Grenz- Wellenlänge von 1,55 bis 1,14 µm, die auf der optischen Absorptionsschicht gebildet wird; und
ein p-Typ Bereich, der in der AlGaInAs-Schicht gebildet wird, wobei der p-Typ-Bereich durch Diffusion oder durch Implantierungs-Dotierung von p-Typ Störstellen gebildet wird.