DE19758355A1

DE19758355A1 - PIN-Photodiode

Info

Publication number: DE19758355A1
Application number: DE19758355A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Ehara
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1998-08-06
Also published as: US6175142B1; KR19980063631A; JPH10190037A

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer PIN-Photodiode, die in der opti schen Kommunikation als Empfangselement zur Umwandlung einer Lichtwelle in ein elektrisches Signal dient. Insbesondere geht es um die Verbesserung von Kennlinien wie des Frequenzganges oder der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

2. Stand der Technik

Beispiele bekannter PIN-Photodioden sind in den Fig. 4 und 7 gezeigt. Eine stark angereicherte N-Typ-Schicht (N⁺-Schicht) 91 in einer PIN-Photodiode 90, die in Fig. 4 (A) gezeigt ist, ist durch von einer Oberfläche eines Silikon-Wafer 92a mit hohem spezifischem Widerstand ausgehende Diffusion hergestellt. Die Dicke des als I-Typ-Schicht 92 übrigbleibenden Teils, wird durch Steuerung der Diffusion bestimmt. Desweiteren ist eine stark angereicherte P-Typ-Schicht (eine P⁺-Schicht) 93 durch Diffusion hergestellt, die von der der N-Typ-Schicht 91 ge genüberliegenden Oberfläche ausgeht, wodurch der Grundaufbau einer PIN-Pho todiode 90 gebildet wird. (In der P-Schicht herrscht Löcherleitung, in der N- Schicht Elektronenleitung und in der I-Schicht Eigenleitung vor.)

Weil die stark angereicherte N-Typ-Schicht (eine N⁺-Schicht) 91, wie beschrie ben, durch Diffusion hergestellt wird, diffundieren einige N⁺-Ladungsträger (im weiteren als "N-Ladungsträger" bezeichnet) in die I-Typ-Schicht 92. Die Konzen trationsverteilung B1 der N-Ladungsträger in der N-Typ-Schicht 91 und der I-Typ- Schicht 92 haben, wie in Fig. 4(B) gezeigt, einen mäßigen Abfall. Man erhält da durch eine schmale Sperrschicht (94), aber keine scharfe Grenzfläche 95 zwi schen der N-Typ-Schicht 91 und der I-Typ-Schicht 92.

Eine I-Typ-Schicht 82 einer in Fig. 7(A) gezeigte PIN-Photodiode 80 ist durch epitaktisches Aufwachsen auf eine Oberfläche eines stark angereicherten N-Typ- Wafer 81 A, wie in Fig. 8 gezeigt, hergestellt. Bei dieser bekannten Technik wird die Dicke der I-Typ-Schicht 82 beispielsweise durch die zeitliche Steuerung des epitaktischen Aufwachsens eingestellt. Auf die gleiche Weise wird auch eine P-Typ-Schicht 83 hergestellt.

Dadurch, daß die I-Typ-Schicht 82 durch epitaktisches Aufwachsen auf die vor gefertigte N-Typ-Schicht (die N⁺-Schicht) 81 hergestellt wird, ist es möglich, die I-Typ-Schicht 82 so herzustellen, daß sie nicht so viele N-Ladungsträger enthält. Die Konzentrationsverteilung B2 der N-Ladungsträger in der N-Typ-Schicht 81 und in der I-Typ-Schicht 82 ist wie in Fig. 7(B) gezeigt, stufenförmig ausgebildet. Dies bedeutet, daß man eine im wesentlichen bis zur Grenzfläche 85 zwischen der N-Typ-Schicht 81 und der I-Typ-Schicht 82 reichende Sperrschicht 84 erhält.

Die PIN-Photodioden 80 und 90 haben folgende Nachteile: Die PIN-Photodiode 90 hat zwar den Vorteil, daß die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Lichtwel lenlänge leicht durch die einfach zu kontrollierende Dicke der I-Typ-Schicht 92 festgelegt werden kann. Allerdings tritt das Problem auf, daß sie für eine optische Kommunikation nicht verwendet werden kann, da aufgrund der schmalen Sperr schicht 94 der Grenzwert des Ansprechfrequenzgangs F1, wie in der Fig. 6 dar gestellt, bei höchstens 10 MHz liegt.

Was die Photodiode 80 betrifft, so reicht die Sperrschicht 84 im wesentlichen bis an die Grenzfläche 85 zwischen der N-Typ-Schicht 81 und der I-Typ-Schicht 82, und dadurch kann ein Ansprechfrequenzgang F2 erreicht werden, der wie in Fig. 9 gezeigt, bis in die Gegend von 200 MHz heraufreicht. Jedoch ist es prak tisch unmöglich, eine dicke I-Typ-Schicht mit einer Dicke von beispielsweise min destens 30 µm (bevorzugt sind mindestens 40 µm) durch epitaktisches Aufwach sen herzustellen, wodurch der Spitzenwert der spektralen Empfindlichkeit (d.i. die von der Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit) zum kurzwelligen Ende verscho ben wird. Dadurch ergibt sich das Problem, daß der Spitzenwert der Empfindlich keit nicht an die Oszillatorwellenlänge eines in der Praxis verwendeten Halbleiter lasers angepaßt werden kann.

Außerdem benötigt es zuviel Zeit, die I-Typ-Schicht 82 herzustellen, da der epi taktische Aufwachsprozeß, durch den die I-Typ-Schicht 82 in der PIN-Photodiode 80 hergestellt wird, selbst wenn die Dicke der I-Typ-Schicht 82 beispielsweise auf 20 µm beschränkt wird, ein schwieriger Prozeß ist. Dies bedeutet, daß die Pro duktionsrate bei der Herstellung von PIN-Photodioden 80 nur niedrig ist, wodurch die Kosten der PIN-Photodiode 80 steigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PIN-Photodiode zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Ansprechfrequenz aufweist, durch die es möglich ist, die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge frei festzulegen.

Die vorstehende Aufgabe wird durch eine PIN-Photodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung einer erfindungsgemäßen PIN-Photodiode ist die Dicke des hochohmigen Wafer vorzugsweise auf den Spitzenwert der Wel lenlänge der zu empfangenden Lichtstrahlen abgestimmt.

Unter einem hochohmigen Wafer wird ein solcher mit hohem spezifischen Wider stand verstanden.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1(A) einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbei spiel einer PIN-Photodiode,

Fig. 1(B) eine Konzentrationsverteilung der Ladungsträger in der PIN-Photo diode gemäß Fig. 1(A),

Fig. 2 in einer Seitenansicht zweier Wafer eine erfindungsgemäße Vorge hensweise, durch die eine Verbindungsfläche zwischen der N- und der I-Typ-Schicht hergestellt wird,

Fig. 3 einen Ansprechfrequenzgang der PIN-Photodiode gemäß Fig. 1(A),

Fig. 4(A) einen Querschnitt durch eine erste bekannte PIN-Photodiode,

Fig. 4(B) eine Konzentrationsverteilung der Ladungsträger in der PIN-Photo diode gemäß Fig. 4 (A),

Fig. 5 in einer Seitenansicht zweier Wafer eine bekannte Vorgehensweise, durch die eine Übergangsfläche zwischen der N- und der I-Typ-Schicht hergestellt wird,

Fig. 6 einen Ansprechfrequenzgang der bekanten PIN-Photodiode gemäß Fig. 4(A),

Fig. 7(A) einen Querschnitt durch eine zweite bekannte PIN-Photodiode,

Fig. 7(B) eine Konzentrationsverteilung der Ladungsträger in der PIN-Photo diode gemäß Fig. 7(A),

Fig. 8 in einer Seitenansicht zweier Wafer eine andere bekannte Vorge hensweise, durch welche eine Übergangsfläche zwischen der N- und der I-Typ-Schicht hergestellt wird,
und

Fig. 9 einen Ansprechfrequenzgang der zweiten bekannten PIN-Photodi ode gemäß Fig. 7(A).

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1(A) ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer PIN-Photodi ode 1 gezeigt. Die PIN-Photodiode 1 ist im wesentlichen dadurch gebildet, daß eine I-Typ-Schicht 4 zwischen einer P-Typ-Schicht 2 und einer N-Typ-Schicht 3 angeordnet ist, wie insoweit aus dem Stand der Technik bekannt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Verbindungsfläche 5 zwischen der I-Typ-Schicht 4 und der N-Typ-Schicht 3 ausgebildet, indem, wie in Fig. 2 gezeigt, ein hochohmiger Wafer 4A, der als I-Typ-Schicht 4 vorgefertigt ist, mit ei nem stark angereichertem N-Typ-Wafer 3A, der als N-Typ-Schicht 3 vorgefertigt ist, verbunden oder zusammengefügt wird. Deshalb diffundieren keine N-La dungsträger der N-Typ-Schicht 3 in die I-Typ-Schicht 4, wodurch ein stufenförmi ger Konzentrationsverlauf B der N-Ladungsträger, wie in Fig. 1(B) gezeigt, er reicht wird, wobei die Stufe durch die Verbindungsfläche 5 gebildet wird, welche eine Grenzfläche darstellt. Erfindungsgemäß werden die beiden Wafer 3A und 4A z. B. dadurch miteinander verbunden, daß ihre betreffenden Oberflächen po liert, zusammengelegt und die zusammengelegten Wafer aufgeheizt werden, um an der Grenzfläche 5 eine Verbindung zu erhalten.

Somit reicht die Sperrschicht 6 der PIN-Photodiode 1 genau bis an die Verbin dungsfläche 5 heran. Daher kann, wie in Fig. 3 gezeigt, eine hohe Ansprechge schwindigkeit mit einem bis ungefähr 200 MHz oder sogar darüber hinaus rei chenden Frequenzgang erhalten werden, ebenso gut wie bei bekannten PIN- Photodioden, in welcher die I-Typ-Schicht durch epitaktisches Aufwachsen gebil det ist.

Genaugenommen wird der hochohmige Wafer 4A niemals durch den stark ange reicherten N-Typ-Wafer 3A beeinflußt, da sie laut dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel als vollständig unabhängige Körper ausgebildet sind. Die Konzen tration der N-Ladungsträger in dem hochohmigen Wafer 4A ist niedriger als jene, die man im Stand der Technik gemäß Fig. 7 vorfindet. Dadurch ist es möglich, daß die Sperrschicht 6 viel näher an die Verbindungsfläche 5 heranreicht, was wiederum dazu führt, daß der Ansprechfrequenzgang F noch besser ist als bei jenem Stand der Technik, bei dem die I-Typ-Schicht durch epitaktisches Auf wachsen gebildet ist.

Betrachten wir nun, wie die Empfindlichkeit von der Wellenlänge abhängt. Wo das Maximum der spektralen Empfindlichkeit liegt, wird im wesentlichen durch die Dicke der I-Typ-Schicht 4 bestimmt. Die Dicke der I-Typ-Schicht 4 kann erfin dungsgemäß frei festgelegt oder eingestellt werden, da der hochohmige Wafer 4A, der die I-Typ-Schicht 4 bildet, und der stark angereicherte N-Typ-Wafer 3A, der die N-Typ-Schicht 3 bildet, getrennt vorgefertigt und dann zusammengefügt werden.

Dadurch ist beispielsweise die Anpassung des Spitzenwertes der spektralen Empfindlichkeit für zu empfangendes Licht an die Oszillatorwellenlänge eines Halbleiterlasers oder dergleichen in der optischen Kommunikation verwendeten Übertrager, erheblich vereinfacht. Dadurch kann mit einem übertragenen optima len Signal mit gegebener Stärke ein größeres Ausgangssignal erreicht werden, als dies durch den Stand der Technik möglich wäre.

Der Schutzfilm 7 in Fig. 1(A) wird zur Begrenzung einer Diffusionszone verwen det, wenn die P-Typ-Schicht 2 durch Diffusion oder ähnliches hergestellt wird. Es sind eine Anode 8 aus Gold, Aluminium oder ähnlichem und eine Kathode 9 gleichfalls aus Gold, Aluminium oder ähnlichem gebildet. Zwischen der Anode 8 und der Kathode 9 erhält man ein Ausgangssignal.

Eine versuchsweise hergestellte PIN-Photodiode 1 hat folgende technische Da ten: Sie ist so schnell, daß ihr Ansprechfrequenzgang F bis zu einer Grenzfre quenz von 249,3 MHz reicht und ihre Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge konnte exakt auf die Oszillatorwellenlänge eines typischerweise be nutzten Halbleiterlasers eingestellt werden. Die Dimensionen des Chips waren 1,5 × 1,5 × 0,3 (Breite × Länge × Höhe in mm) und die Dicke der I-Typ-Schicht 4 betrug 40 µm.

Wie oben beschrieben, handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine PIN-Photodiode mit einer P-Typ-Schicht, einer N-Typ-Schicht und einer I-Typ- Schicht, die zwischen der P- und der N-Typ-Schicht angeordnet ist, wobei zwi schen der I-Typ-Schicht und der N-Typ-Schicht eine Verbindungsfläche dadurch gebildet ist, daß ein als I-Typ-Schicht vorgefertigter, hochohmiger Wafer mit ei nem als N-Typ-Schicht vorgefertigten, stark angereicherten N-Typ-Wafer verbun den ist.

Dadurch hat die vorliegende Erfindung den großen Vorteil, daß die Kosten der PIN-Photodiode, die einen hervorragenden Ansprechfrequenzgang aufweist, ge senkt werden können, da das zum Erzielen einer hohen Grenzfrequenz bisher angewendete und schwierig durchzuführende epitaktische Aufwachsen, das zu viel Zeit zur Bildung der I-Typ-Schicht benötigt und deshalb keine rationelle Ferti gung der PIN-Photodioden erlaubt, nicht mehr angewendet werden muß.

Desweiteren können die Dicke der I-Typ-Schicht und des hochohmigen Wafers frei gewählt werden, weil der hochohmige Wafer und der stark angereicherte N- Typ-Wafer getrennt vorgefertigt werden, was es beispielsweise erlaubt, den Spit zenwert der spektralen Empfindlichkeit für zu empfangendes Licht auf die Oszilla torwellenlänge eines Halbleiterlasers, der für eine optische Übertragung verwen det werden soll, abzustimmen und dadurch mit zu übertragenden optischen Si gnalen mit gegebener Intensität eine größere Ausgangsleistung zu erreichen als bisher.

Durch die vorliegende Erfindung wird demnach nicht nur der Frequenzgang der PIN-Photodiode zu höheren Frequenzen hin ausgedehnt, sondern sie kann durch die Anpaßbarkeit der Lage des Maximums ihrer spektralen Empfindlichkeit auch leistungsfähiger betrieben werden; darin liegt ein besonderer Vorzug der Erfindung.

Claims

1. PIN-Photodiode mit einer P-Typ-Schicht (2), einer N-Typ-Schicht (3) und ei ner I-Typ-Schicht (4), die zwischen der P- und der N-Typ-Schicht angeordnet ist, in welcher zwischen der I-Typ-Schicht (4) und der N-Typ-Schicht (3) eine Verbindungsfläche (5) dadurch gebildet ist, daß als I-Typ-Schicht (4) ein vor gefertigter, hochohmiger Wafer mit einem vorgefertigten, stark angereicherten N-Typ-Wafer verbunden ist, welcher als N-Typ-Schicht (3) dient.

2. PIN-Photodiode nach Anspruch 1, in welcher die Dicke des hochohmigen Wafers (4) auf die gewünschte Lage des Spitzenwertes der spektralen Emp findlichkeit, d.i. die Empfindlichkeit abhängig von der Wellenlänge der zu empfangenden Lichtstrahlen, abgestimmt ist.

3. PIN-Photodiode nach Anspruch 1, in welcher die Dicke des hochohmigen Wafers (4) auf die Lage des Spitzenwertes der Amplitude im Spektrum der zu empfangenden Lichtstrahlen abgestimmt ist.