DE2052140A1 - Photodetektor mit Heteroubergang, welcher im Durchbruchbetrieb arbeiten kann - Google Patents

Description

DR. MÖLLER-BOR6 Dl PL-PHYS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL

DIPL-ING. FINSTERWALD Dl PL-I NG. GRÄMKO W 2052140 P MENT ANW KIT E

23. Oktober 1970 Ve/Sv - C 2254

COHPAGHIE GENERALE D'ELECTKICITE 54, rue la Boetie, laris C, Frankreich

Photodetector mit Heteroübergang, weiche!· iiii Durchbruchbetrieb arbeiten kann

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit Heterof.UOr^cJi₀-3ur Verx/enduiir; als Photodetektor.

Einerseits sind Halbleiter-Photodetektoren bekannt, welche einen p/n uberjcng aufweisen, wie die Ciliciumphotodioden, andererseits erfüllen die Halbleiter mit Hot eroüb organe; -- wie die Transistoren - die Funktion der Photodetektoren nicht. In den Halbleiter-Pliotodetektoren mit einem p/n Überfjciirj kann dieser übergang entweder im ITo rmalbe trieb oder im Durchbruchbc;trieb arbeiten. Der Wirkungsgrad dos im Durchbruchbetrieb arbeitenden Photodetektors ist wesentlich höher als derjenige des Photodotektors, welcher im Normalbetrieb arbeitet, während die übrigen Verhältnisse gleich sind.Es bleibt ein Nachteil, welcher allen Photodetektoren gemeinsam ist, in welchen das Halbleitermaterial homogen ist: die Frequenz und die Breite des nutzbaren Durchlaßbereiches sind beide eine Funktion der Breite des verbotenen Bandes im Diagramm der Energiebänder für das betrachtete Halbleitermaterial,

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In der Praxis wird häufig eine !Frequenz benötigt, Vielehe sich von derjenigen leicht unterscheidet, welche dem Material immanent ist und insbesondere einen- vergrößerten Durchlaßbereich aufweist. Beispielsweise entspricht für einen Detektor mit einen p/n übergang aus Silicium die Anwendungsfrequenz, für welche der Wirkungsgrad maximal ist, einer Wellenlänge von O,Cyu mit einer Bandbreite von 0,4-5 "bis 1*1 Mt wobei B = 0,65/1 ist, wenn B die Bandbreite bezeichnet, ausgedrückt in Wellenlängen.

Dieser Nachteil bringt offensichtlich besondere Einschränkungen mit sich. Um auch diesen Nachteil zu überwinden, schafft die Erfindung einen Photodetektor, xvelcher im Inneren eines Ilalbleiter-

" körpers einen HeteroÜbergang zwischen zwei Halbleitermaterialien aufweist, in welchem das der festzustellenden Strahlung ausgesetzte Material, das sogenannte erste Material, ein Haterial ist, bei welchem die Breite des verbotenen Bandes dor ^Twellenlängo dieser Strahlung angepaßt ist und bei weldtem die Breite des verbotenen Bandes des zweiten Materials unterhalb der Breite des verbotenen Bandes des ersten Materials ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Körper aufiarjdem HeteroÜbergang mindestens einen zweiten Übergang aufweist, welcher als Durchbruchübergang bezeichnet wird, der in dom ersten Halbleitermaterial angeordnet ist und daß eine elektrische Versorgungseinrichtung zur inversen Polarisation dieses zweiten Übergangs und dazu vorgesehen ist, diesen im Durchbruchbetrieb arbeiten zu lassen.

Zur Materialauswahl ist folgendes zu bemerken: das als erstes Material bezeichnete Material, welches direkt die Strahlung aufnimmt, ist so ausgewählt, daß es eine Breite des verbotenen Bandes aufweist, welche unterhalb der Breite des verbotenen Bandes des zweiten Materials liegt, tatsächlich ist es vorteilhaft, daß für die Wellenlänge der Arbeitsstrahlung die Absorption im ersten . Material in der Weise mäßig ist, daß ein hinreichender Quanteneffekt zustandekommt. Wird hingegen die Breite des verbotenen Bandes des zweiten Materials geringer gewählt, so ist dieses für die betrachtete Strahlung hochabsorbierend und bildet quasi eine Sperre für die übertragung.

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vjei.se nuß men in einer ZuG&jnjüciißetrv-nQ·, r,u welcher clic rzwoi IIntorialieii Silicuu und Germanium gehören, in BeviuLtS'.dii, ·1ι:.β einereeite ßiliciuüi ein verbot"ones B:.iid nit einer Briito von ctn.'c. 1,1 eV und andererseits Germanium oi.r, verboteiicG Icjid nit einer Breite von etwr. 0,72 eV c.vfi:oirt, ijiliciuji dazu aun.ühleii, das erste Ilatcrial darsu-

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise raihcnd der Zeichnung be:jehrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt der erfindungsgemlißen Hiotodetelitorstruktur,

Fig. 2 ein Diagramm der Verteilung eines elektrischen Feldes als Funktion der Abszisse in der Halbleitorstruktur, wobei die Abszisse voi.i Auftroffen der Photonen audgezählt ist und

Fig. 3 das Diagramm der Spektralcharakteristik für eine Struktur mit SiIicium-Germanium-Hetero-übergang.

Die Fig. 1 stellt den Querschnitt der erfindimgsgemäßen Silicium-Gcrmanium-IIetcro-Übergangsstruktur dar. Gemäß der Fig. 1 wird euf einem Substrat aus Silicium vom Typ Γ eine Schicht F aus Germanium aufgebracht, welche durch Epitaxie-Wachstum erhalten wird, die mit 2 bezeichnet ist. Darüberhinaus wird von der Fläche aus, welche derjenigen Fläche gqpnüberliegt, welche die Expitaxialschicht erhalten hat, in dem Substrat 1 eine diffundierte Schicht vomTyp H⁺ hergestellt, welche mit 3 bezeichnet ist und welche eine geringe Stärke rufweist. Die Iler-) stellung einer solchen Struktur wirft keine besonderen Schwierigkeiten auf: die Erreichung einer Germrjiium-Epitaxialschicht in einer Dampfphase, welche unterhalb, und zwar einerseits der Fusionstemperatur und andererseits de::jenigen der großen Verbreitung der Verunreinigungen für Silicium liegt. Man kenn für das Substrat ein Silicium vom Typ Γ mit einem spezifischem Widerstand von 10 Ohm. cm wählen. In eine:: vorteilhaften Ausführungsform wird auf das Substrat eine Germoniumschicht vom Typ Γ mit einem spezifischen Viderstrmd von 10 Olim cm ruf gebracht. Die dünne Schicht vom Typ IJ auf der Fläche des Substrats, welche der Epitaxialschicht gegenüberliegt, kann entweder drrch Diffusion ort er durch vorherige Legierung ode:.¹ noch vorteilhafter nach d..T

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Epito.xir.1 schicht aufgebrächt worden. Schließlich wird die äußere Fläche 5 der Germaniumschicht 2 dotiert (beispielsweise mit l)iffusol) , und der Durchbrucliübergairj ist bei 3 dargestellt. Das -Auf treffen der i-liotonen erfolgt durch die äußere Flache der dünnen Schicht" 3 auf dow Silicium, wobei die auftreffende Strahlung beispielsweise das silicium entlang dor Pd.ch.tung des i'feils 4 schläft. Die liii ersten Haberial durch die Ausdehnung der Zone der Raumladung betroffene Stärke dos übergänge 6, welcher im Durchbruch arbeitet, ist bei W dargestellt.

Schließlich sind bei 10 und 11 die Anschlüsse dargestellt, Vielehe die invertierte Polarisation des DurchbruchübergEings ermöglichen. Hit dem Anschluß 10 ist die positive Klemme einer Spanmmgsquelle 12 verbunden, deren negative Klemme mit dem Anschluß 11 verbunden ist.

Die Fig. 2 stellt das Diagramm der elektrischen Feldverteilung als Funktion der Abszisse :: in der Ileteroübergangsstrukbur dar, wobei die Abszisse von der Aufbroffläche aus gewählt wird. Hierbei werden drei verschiedene Teile unterschieden: ein Teil 7> wo das elektrische Feld in der Schicht H+ anwuchsb, datin ein Teil 8, vio das elekbrische Feld abnimmt und welcher der Zone der Iis.iuuladurjjj dor Dichbe W im ersben IlrbtiLal enbüpricht und schließlich ijL zweiben Naterial, welches so &«wählt isb, daß es ä'i-'i SbxTihlunc intensiv i.b/jorbiert, ein Teil 9> wo das elektrische Feld sehr schwach ist" und quasi als Hull angesehen werden kenn.

Die B'Lg. 3 gibb das Diagramm des spektralen Verhalbens der Heteroübergang;;--Zusammensebzurig im. Das dem Silicium eigene spektrale Verholten ist in der sehr dünnen durchgezogenen Linie dargestellt, deren Maximum bei λ1 » 0,8 η liegt. Das den Germanium eigene Verhalten ist durch die durchgezogene Linie mittlerer

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Starke dargestellt, deren Haximum im Bereich von X?. = 1,6>u liegt. Schließlich, liefert das spektrale Verhalten de::* Anordnung, welche aus der Si-Ge-Zusarumensetzung gemäß der Erfindung besteht, ein spektrales Verhalten gemäß der gestrichelten Linie.

Ein größerei' Vorteil der erfindungsgeuäßen Zusammensetzung geht aus dor Prüfung dor Fig. J hervox¹. Er besteht in der spektakulären Erweiterung dos nutzbaren Durchiaßbereiehes.

Die weiboren Hauptvorbeile der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind ihre große A-nsprecuonipfindlichkeit, ihre starke Ausbeute selbst für eine Wellenlänge im Bereich von 1,06, eine Wellenlänge, die jedoch nahe an dom Schwellwerk für Silicium Iiogt.

Es läßt sich festsbellen, daß in der betrachboton Struktur dao Germanium die Rolle des Strahlungsabsorptionsmaterialc ßl^iclb. In orsbor Iläherung sjjielb os eher eine· Rolle der passiven Unterstützung als cine RoIIj dor Ilitwirkung beim Betrieb.

Der wesentlich höhere Dunkolsbrom in den p/n übergängen beim Germanium gegenüber den p/n Übergängen beim Silicium liefert kein störendes Element, da, wie aus dor Fig. 2 ersichtlich isb, das elektrische Feld im zweiten Ilr.terial vernachlässig ■ bar isb.

Jedenfalls läßt sich oin Stabilisierungeoffekt der Multiplikation als Funktion der Spannung erreichen, welcher aus der -Tatsache resultierb, daß oin elektrisches Feld im Germanium vorhanden isb. Die Wirkungsweise ist jedenfalls mit derjenigen der Diode von Read verwandt.

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Er. int si ι bojiicrkcn, daß die orfinclm:i[jG£oiiiäße Struktur nocli in den Fell anwendbar int, in welchgh der zweite "Uflcher f-iln iXvrclibruchiib erlang böseicheet uird, im norrrlcn Betrieb arbeitet. In dieseia Betricb3fp.ll ist es drain yot'/m- ^ie];:-:i, doü JIc toroübcrjjrJQL ^rai^ einer Entferirciirj rjiziiordnr.n, i:.;.lchc - vom zweiten "überfalle; au ο cesählt _ leicht uiitorliolb dor AußdchiK-jiG bleibt, welche die Zone, der Bauriladune de.? r.icoiton ubc:c:;an! ;b rmd.cht.

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Claims (2)

-8- 2052H0 Patentansprüche

1.jPhotodetektor,welcher im Inneren eines Halbleiterkörpers ^-—"einen HeteroÜbergang zwischen zwei Halbleitermaterialien aufweist, in welchem das der festzustellenden Strahlung ausgesetzte Material, das sogenannte erste Material, ein Material ist, bei welchem die Breite des verbotenen Bandes der Wellenlänge dieser Strahlung angepaßt ist und bei welchem die Breite des verbotenen Bandes des zweiten Materials unterhalb der Breite des verbotenen Bandes des ersten Materials ist, dadurch gekennzeichnet, daß * dieser Körper außerdem HeteroÜbergang mindestens einen zweiten Übergang aufweist, welcherals Durchbruchübergang bezeichnet wird, der in dem ersten Halbleitermaterial angeordnet ist und daß eine elektrische Versorgungseinrichtung zur inversen Polarisation dieses zweiten Übergangs und dazu vorgesehen ist, diesen im Durchbruchbetrieb arbeiten zu lassen.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekcnnzeich net, daß das erste Halbleitermaterial Silicium und das zweite Material Germanium ist.

⁷j. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeich net, daß der Durchbruchübergang auf einer Entfernung von HeteroÜbergang angeordnet ist, Vielehe zwischen drei Viertel und vier Drittel der Entfernung der Ausdehnung der Raumladung liegt, welche durch den zweiten Übergsng erzeugt wird, wenn dieser im Durchbruchbetrieb £o?beitet.

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