DE2337817B2

DE2337817B2 - Avalanche-photodiode

Info

Publication number: DE2337817B2
Application number: DE19732337817
Authority: DE
Inventors: Hirobumi; Kamei Tatsuya; Tsukuda Kiyoshi; Ogawa Takuza; Hitachi Ohuchi (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-07-28
Filing date: 1973-07-25
Publication date: 1977-04-14
Also published as: DE2337817A1; US3886579A

Description

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Vg = Durchbruchsspannung des weiteren pn-Überganges, die größer als die Durchbruchsspannung des ersten pn-Übergangs ist

q = Elementarladung,

ε = Dielektrizitätskonstante: des Halbleiterkörpers,

Yd = Tiefenausdehnung der Sperrschicht und

Nb = Störstellenkonzentration pro cm³ in der fünften Schicht (5)

4. Avalanche-Photodkade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Schicht (2 bzw- 3) durch Aufwachsen gebildet sind.

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Photodiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Halbleiterlaser kann bekanntlich in kontinuierliche Schwingungen versetzt werden; dadurch und durch Verbesserungen elektronischer Materialien haben sich neue Möglichkeiten zur Entwicklung optischer Geräte ergeben Vor allem sind dabei optische Nachrichtenübertragungssysteme von Bedeutung, bei denen ein als Empfänger zur Aufnahme von Lichtsignalen dienender Lichtdetektor hohe Empfindlichkeit, hohe Ansprechgeschwindigkeit und stabile Kennlinien haben muß.

Gewöhnlich werden bisher als Lichtdetektor verwendet: eine Photoröhre und eine Photovervielfacherröhre, die den externen lichtelektrischen Effekt ausnutzen; eine PdS-ZeIIe und eine CdS-ZeIIe, die aufgrund des Photoleiteffekts arbeiten; eine Photodiode, ein Phototransistor, eine Avalanche-Photodiode sowie eine Solarzelle, die alle den Sperrschichtphotoeffekt ausnutzen; oder eine Thermosäule und ein Bolometer, die den Seebeck-Effekt ausnutzen. Zur Verarbeitung optischer Information sind die Photovervielfacherröhre, die Photodiode, der Phototransistor und die Avalanche-Photodiode hinsichtlich Empfindlichkeit und Ansprechvermögen am besten geeignet

Ein Phototransist, r ist jedoch nicht für einen Betrieb mit hoher Ansprechgeschwindigkeit geeignet. Diese kann bei einer Photodiode zwar verbessert werden, wenn sine p-i-n-Struktur verwendet wird, aber die Photodiode, die nicht als Verstärker arbeitet muß im Betrieb mit einem Verstärker kombiniert werden. In diesem Fall beeinflußt das im Verstärker erzeugte Rauschen das Ausgangssignal der mit diesem kombinierten Photodiode nachteilig, so daß der Rauschabstand verringert wird. Die Photovervielfacherröhre weist eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und einen großen Multiplikationsfaktor auf, aber die Quantenausbeute der Röhre ist gering, die Betriebsspannung ist ziemlich hoch, und die Röhre in in hohem Maße zerbrechlich, so daß ihre Abmessungen nicht verringert werden können.

Andererseits hat die Avalanche-Photodiode eine hohe Ansprechgeschwindigkeit, sie wirkt als Verstärker, hat eine hohe Quantenausbeute und eine verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung; außerdem ist sie ein Festkörperbauelement und daher mechanisch stabil.

Es ist eine Avalanche-Photodiode bekannt (IEEE Transactions on Electron Devices, Mai 1967, Band ED-14, Nummer 5, Seiten 233 und 239-251), die einen η+-p-JT-p+-Aufbau (vgl. Fig. 2b, Seite 233 und Fig. 11, Seite 247) hat (dabei bezeichnet p⁺ einen Bereich, in dem Störstellen vom p-Leitungstyp in hoher Konzentration enthalten sind, n ⁺ einen Bereich, in dem Störstellen vom n-Leitungstyp in hoher Konzentration enthalten sind, ν einen Bereich, der Störstellen vom n-Leitungstyp in geringer Konzentration enthält und π einen Bereich, der Störstellen vom p-Leitungstyp in

geringer Konzentration enthält). Dabei nimmt die n⁺-Schicht einen größeren Bereich ein als die benachbarte p-Schicht, wobei beide Schichten einen pn-Obergang bildea Ein Teil der η+-Schicht außerhalb des Teils, in dem die n+-Schicht den pn-Obergang zusammen mit der p-Schicht bildet, client als Schutzring. Da bei einem derart geformten Schutzring die Fläche sehr groß und die Dicke sehr gering ist, nimmt der von der Oberfläche der η+-Schicht erzeugte Dunkeistrom zu. Da weiterhin der Krümmungsradius des Endes der η+-Schicht gering ist, ist die Durchbruchsspannung des Schutzringes ebenfalls gering. Die Kapazität zwischen der unteren Schicht, d.h. der ρ+-Schicht, und dem π+-Schutzring wird sehr groß, wodurch sich die Ansprechcharakteristik der Avalanche-Photodiode verschlechtern kann. Es wird nämlich eine Art ÄC-Kreis durch die Kapazität C und den Innenwiderstand R des Schaltkreises gebildet, in dem die Avalanche-Photodiode benutzt wird. Die Zeitkonstante dieses ÄC-Kreises bestimmt die Ansprechgeschwindigkeit der gesamten Schaltungsanordnung.

Ein großer Schutzring geringer Dicke bedingt eine Zunahme der durch den Schutzring gebildeten Sperrschicht Da ein Dunkelstrom in der Sperrschicht erzeugt wird, ergibt also eine große Sperrschicht eine Zunahme des Dunkelstromes.

Der Lichteinfall der Avalanche-Photodiode (vgl. Fig. 11. Seite 247) erfolgt nicht auf einer pn-Übergangsseite, sondern auf der ihr gegenüberliegenden SeUe. Bei diesem Aufbau ist zur wirkungsvollen Verwendung des eintretenden Lichtes die ρ+ -Schicht an der Lichteintrittsseite sehr gering dotiert Eine negative Elektrode ist weit vom Mittelabschnitt der das Licht empfangenden Fläche entfernt und deshalb wird, wenn die p-Schicht sehr dünn ist, der Widerstand der Diode sehr

Bei diesem Aufbau ist das π-Substrat sehr dick, das chemisch geätzt ist, um eine Vertiefung zu bilden, wodurch eine 20 bis 30 μπι dicke Diode erhalten wird. Deshalb wird der lichtempfangende Bereich in der Vertiefung angeordnet. Wenn Licht von einer derartigen Avalanche-Photodiode empfangen wird, tritt dieses nicht nur im Mittelabschnitt ein, sondern auch an dessen Umfang. Der Abstand zwischen dem das Licht aufnehmenden Mittelteil und dem pn-Übergang, an dem der Avalanche-Durchbruch auftritt, ist wesentlich geringer als der zwischen dem Umfangsabschnitt des lichtempfangenden Bereichs und dem pn-Übergang. Daraus kann sich eine schwankende Ansprechzeit auf den Durchbruch ergeben, so daß keine scharfe Ansprechcharakteristik erhalten wird.

Aus der US-PS 35 34 231 ist weiterhin eine Avalanche Photodiode mit n*-p-n ⁺ - oder η *-p-p*-Aufbau bekannt (vgl. Fig. 1 bzw. Fig. 2), die einen dotierten Sperrbereich (p* bzw. n+) innerhalb einer Diffusionslänge des vorderen Photodiodenübergangs hat, um den Streustrom zu verringern. Diese Photodiode ist mit einem kreisförmigen n-Schutzring im p-Bereich versehen.

Diese bekannte Avalanche-Photodiode (vgl. Fig. 2) hat einen p-p+-Sperrübergang und ist zum negativen Absorbieren von Minoritätsträgern vorgesehen, die von der p-Schicht in die ρ+-Schicht injiziert werden, ohne ein Vorspannen in Sperrichtung und durch Verwenden der np-Differenz (Wärmegleichgewichtswert der Minoritätsträger) zwischen der p-Schicht und der ρ+ -Schicht. Zu diesem Zweck ist die Dicke der p-Schicht durch die Dicke der Sperrschicht bestimmt, die durch die η+-Schicht zusammen mit der Minuritätsträgerdiffusionslänge in der p-Schicht 3 gebildet ist

Wenn nun die p-Schicht für den genannten Zweck und mit dem genannten Aufbau durch einen geschichteten (ar+p)-Bereich ersetzt würde, ist die Betriebsweise die folgende:

Die Dicke der p-Schicht wird durch die Streuschicht zuzüglich der Minoritätsträgeroiffusionslänge ausgedruckt, jedoch wirkt die Schicht außerhalb der ίο Streuschicht als Widerstand gegen den Strom.

Daneben hat die niedrig dotierte Ji-Schicht höheren Widerstand als die p-Schicht Deshalb bringt die Anwendung eines (jr + p)-Bereichs, der eine «-Schicht höheren Widerstands enthält, eine Zunahme des Widerstands mit sich, was eine Verschlechterung der Ansprechcharakteristik der Avalanche-Photodiode zur Folge hat Weiter nimmt wegen des höheren Widerstands der Dunkelstrom durch die Erzeugung von Minoritätsträgern zu.

Es ist schließlich noch bekannt (US-PS 34 72 698), bei Solarzellen die lichtempfindliche Schicht zum Vermindern von Reflexion mit einer reflexionsmindemden Schicht abzudecken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Avalanche-Photodiode mit niedriger Durchbruchsspannung hohe Lichtempfangsempfindlichkeit für ein breites Wellenlängenspektrum und eine stabile Avalanche-Durchbruchscharakieristik zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode ist also so aufgebaut, daß bei kleiner Kapazität die Ausdehnung der Sperrschicht verringert und die Durchbruchsspannung erhöht ist. Im Vergleich zu den bekannten Avalanche-Photodioden ist der Dunkelstrom gering und die Ansprechcharakteristik wesentlich verbessert Außerdem ist der lichtempfangende Bereich auf der pn-Übergangsseite angeordnet, so daß eine ihr entgegengesetzt angeordnete ρ+ -Schicht ausreichend dick ist. Deshalb tritt keine Widerstandszunahme auf. Weiter wird, da der lichtempfangende Bereich flach und gleichförmig ist, durch diesen keine schwankende Ansprechzeit erzeugt

Durch die Erfindung wird also eine Avalanche-Photodiode mit hypersteilem pn-Übergang, mit einer p⁺-n-v-n ⁺ - oder η + -ρ-π-ρ*-Struktur und mit einem Schutzring aus einer Schicht vom p- oder n-Leitfähigkeitstyp angegeben, der den im p+-n- oder n + -p-Bereich der ρ + -n-v-n + - oder η + -ρ-π-ρ + -Struktur gebildeten p-n-Übergang einschließt, wobei der untere Teil des Schutzringes die v- oder π-Schicht erreicht Durch den hypersteilen Übergang wird erreicht, daß die Durchbruchsspannung verhältnismäßig niedrig ist, ohne daß eine Verschlechterung der Ansprechcharakteristik auf das einfallende Licht eintritt, und es kann mit dem aul diese Weise gebildeten Schutzring eine stabile Avalanche-Durchbruchcharakteristik erhalten werden. Eine Avalanche-Photodiode mit hoher Lichtempfindlichkeit so wird erhalten, wenn in geeigneter Weise die Konzentration der Störstellen und die Dicke in den jeweiliger Bereichen, die die Avalanche-Charakteristik unmittel bar beeinflussen, bestimmt werden. Vorzugsweise werden die die Avalanche-Charakteristiken beeinflus senden Bereiche durch Aufwachsen gebildet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand dei Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. la eine hypersteile Übergangsstruktur,

Fig. Ib eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der n- und v-Schicht der in F i g. 1 a gezeigten Struktur und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes, das den p-n-Übergang der Struktur von F i g. la in Sperrichtung vorspannt,

Fig.2 und 3 Querschnitte von Avalanche-Photodioden.

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Wellenlänge des empfangenen Lichtes und der Quantenausbeute für eine erfindungsgemäße ι ο Avalanche-Photodiode bzw. eine zu Vergleichszwecken dienende weitere Avalanche-Photodiode,

Fig.5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Vorspannung in Sperrichtung und dem Dunkelstrom für die erfindungsgemäße bzw. für eine zu Vergleichszwecken dienende Avalanche-Photodiode und

F i g. 6 den bei der Avalanche-Photodiode verwendeten Schutzring.

Der vorgesehene hypersteile Übergang wird unter Bezugnahme auf die F i g. 1 a und 1 b beschrieben. Die in Fig. la gezeigte ρ+ -n-r-n +-Struktur weist einen ρ+ -Bereich auf, der in hoher Konzentration Störstellen vom p-Leitfähigkeitstyp enthält, einen an diesen angrenzenden η-Bereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, einen v-Bereich, der in niedriger Konzentration Störstellen vom n-Leitfähigkeitstyp enthält, sowie einen η+ -Bereich, der in hoher Konzentration Störstellen vom n-Leitfähigkeitstyp enthält, so daß sich eine leitende Verbindung ergibt. Beim Herstellungsprozeß einer derartigen Struktur, beispielsweise durch die Diffusion von Störstellen, wird eine η + -Schicht gebildet durch Diffusion von Störstellen auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats vom v-Typ, während auf der entgegengesetzten Seite des Substrats eine n-Schicht gebildet wird. Anschließend wird eine ρ+ -Schicht gebildet durch Diffusion von Störsteilen des p-Typs in die η-Schicht Es wurde auch die Herstellung eines derartigen hypersteilen Überganges durch Aufwachsen untersucht, und es konnte ein hypersteiler Übergang mit ausgezeichnetem Ansprechvermögen auf Licht und ohne irgendwelche Nachteile erzeugt werden durch aufeinanderfolgendes Aufwachsen einer v-Schicht einer η-Schicht und einer ρ+ -Schicht auf ein Halbleitersubstrat vom η+ -Typ oder durch Aufwachsen einer v-Schicht und einer η-Schicht auf ein Halbleitersubstrat vom η+ -Typ und Bildung einer ρ *-Schicht in der n-SchichL

Wenn nun das Halbleiterbauelement von F i g. la mit einer Spannung beaufschlagt wird, die hoch genug ist. >o um den p+-n-Übergang in dem Halbleiterbauelement in Sperrichtang vorzuspannen, so erfolgt die Verteilung des elektrischen Feldes in der n- oder v-Schicht in der in F i g. Ib gezeigten Weise. In diesem Fall nimmt die Sperrschicht die gesamten n- und v-Schichten ein. Da « die Durchbruchsspannung der Avalanche-Photodiode gegeben ist durch die Integration unter der in F i g. Ib gezeigten Kurve, die die Verteilung des elektrischen Feldes darstellt, ist es erforderlich, den Bereich möglichst klein zu halten, der von geraden Linien eingeschlossen ist, darstellend die Feldstärke ff™, in der nahe der p⁺-Schicht liegenden Seite der n-Schicht die Feldstärke Emm in der nahe der η+-Schicht befindlichen Seite der »Schicht den Gradienten a der Feldstärke der n-Schicht der bestimmt ist durch die StörsteHenkonzen- <* tration der η-Schicht und den Gradienten b der Feldstärke der r-Schicht, der bestimmt ist durch die Störstellenkonzentration der v-Schicht Bei einem ρ+-n-n + - Übergang, der einen Sperrschichtbereich der gleichen Breite wie oben beschrieben erzeugen soll, ist die Durchbruchsspannung wesentlich höher als die der ρ+-n-v-n+-Struktur. Daraus wird geschlossen, daß die eine v-Schicht aufweisende vorgeschlagene Struktur äußerst vorteilhaft ist, um die Durchbruchsspannung zu senken und gleichzeitig die Eigenschaft als lichtempfangendes Element aufrechtzuerhalten.

Wenn die Feldstärke E_mm in der Seite der v-Schicht, die an die η+ -Schicht in Fig. Ib angrenzt, gleich dem minimalen Wert von 1 χ ΙΟ-⁴ V/cm ist, was erforderlich ist, um eine Driftsättigungsgeschwindigkeit von Ladungsträgern zu erreichen, erstreckt sich ein wirksamer Lichtabsorptionsbereich sowohl in die n- als auch in die v-Schicht, so daß eine Avalanche-Photodiode mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und hoher Quantenausbeute für ein breites Wellenlängenspektrum erhalten wird. Wenn also die oben beschriebenen Forderungen erfüllt werden, kann die Ansprechgeschwindigkeit erhöht werden, da Ladungsträger, die durch die durch Licht bewirkte Anregung erzeugt werden, zu dem Avalanche-Bereich der n-Schicht mit der Driftsättigungsgeschwindigkeit übertragen werden können.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß die folgenden Merkmale für die Herstellung einer aus Silicium bestehenden Avalanche-Photodiode wesentlich sind:

1) Bestimmung der Quantenausbeute und der Ansprechgeschwindigkeit ;

2) Bestimmung des lichtempfangenden Bereiches auf der Grundlage der Anwendungsbedingungen und der Ansprechgeschwindigkeit;

3) Bestimmung des effektiven Lichtabsorptionsbereiches (innere Quantenausbeute) und Bestimmung der Summe der Dicken der v- und η-Schichten; die Gesamtdicke von etwa 20 μΐη ist erforderlich zur Herstellung eines Bauelements mit einer Quantenausbeute von mehr als 50% bei einer Wellenlänge von 9500 Ä:

4) Bestimmung der Gradienten a und b. die in Betracht gezogen werden, wenn die Betriebsspannung (Durchbruchsspannung) verringert werden soll, also Bestimmung der Störstellenkonzentration in der n- und v-Schicht; Experimente haben gezeigt, daß Störstellenkonzentration in der Größenordnung von 5x 10^!5cm-³ bzw. 1 χ 10¹⁴CiTr ' für die η-Schicht bzw. die v-Schicht bevorzugt werden;

5) Bestimmung der Dicke der n- oder v-Schicht auf der Grundlage von a, b und E_mm; eine Abweichung von Emm innerhaft) 7XlO³ bis 4 χ 10* V/cm kann toleriert werden; die Dicken der η-Schicht und der v-Schicht sind 43 um bzw. 15,5 um, wenn die Störstellenkonzentration in der n-Schicht 5 χ 10¹⁵ cm - ³ ist, und die der n-Schicht benachbarte ρ+-Schicht hat vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 1 um und eine Störsteüenkonzentration von 10" bis 10²⁰Cm-¹, betrachtet vom Standpunkt des effektiven Ausnutzungsgrades für einfallendes Licht

Wie bereits erwähnt werden die Dicken der p+-. n- und v-Schichten sowie deren Konzentrationen in geeigneter Weise bestimmt Damit der p⁺-n-Übergang eine stabile Avalanche-Durchbruchcharaktenstik hat ist es erforderlich, den Niedrigspannungsdurchbruch in dem exponierten Abschnitt des Oberganges zu verhindern. Aus diesem Grund ist ein Schutzring erforderlich. Die Struktur des Schutzringes beeinflußt die Charakte-

ristik der Avalanche-Diode in hohem Maße, und es ist daher auch notwendig, eine geeignete Struktur für einen Schutzring zu schaffen.

Es ist bekannt, daß der Schutzring vorgesehen wird, um den Endabschnitt des p+-n-Über{»anges abzudekken, und dazu dient die Belichtung des Übergangsendes, an dem ein elektrisches Feld hoher Feldstärke vorhanden ist, zu verhindern. Dementsprechend wird die Belichtungsfläche des p+-n-Überganges in eine Randfläche eines p-n-Überganges geändert, und daher ι ο wird die Verteilung der Feldstärke in dem p+-n-Übergang gemildert, so daß der Oberflächendurchbruch verhindert werden kann. Die den Schutzring bildende Schicht stellt auch p-n-Übergänge mit der n- (oder p-)Schicht bzw. der v- (oder ;r-)Schicht her, und die Durchbruchsspannung dieser p-n-Übergänge ist höher als die des ρ + -n-Überganges.

Die Konfiguration eines Schutzringes zur Verwendung in einer Avalanche-Photodiode mit einer p + -n-vn +-Struktur ist in den Fig.2, 3 und 6 dargestellt Der Schutzring ist so geformt, daß er tiefer als die p⁺- oder n-Schicht liegt und die v-Schicht erreicht Die Tiefe des Schutzringes beeinflußt in hohem Maße die Avalanche Charakteristik. Ein Schutzring gemäß F i g. 6 mit einer Tiefe von γ, und einer Störstellenkonzentration von Nb (cm ³) hat entlang dem Rand der p-Schicht eine Durchbruchsspannung, die bestimmt ist durch die folgende Gleichung:

(D

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wobei Vf) die Durchbruchsspannung des Schutzringes, q die elektrische Ladung, ε die Dielektrizitätskonstante und yd die Ausbreitung des Sperrbereiches darstellt

Es ist vorzuziehen, daß der p-n-Übergang so ausgelegt wird, daß er eine Durchbruchsspannung hat die um 50% höher ist als die des p + 'n-Überganges. Wenn beispielsweise die Durchbruchsspannung des ρ⁺ -n-Überganges 140 V ist ist vorzugsweise diejenige des Schutzringes 200 V. Aus Gleichung (!) folgt daß eine Tiefe von etwa 7 μπι für den Schutzring hinreichend ist. Bei der in Fig.6 gezeigten Struktur erfolgt ein Spannungsdurchbruch vom Übergang zwischen der p-Schicht und der v-Schicht wenn at W = 1. wobei IV die Dicke des Abschnitts der v-Schicht ist. der unter dem Schutzring (p-Schicht) liegt und λ der lonisationskoeffizient ist so daß

wobei A und B den Materialien eigene Konstanten sind und £die Feldstärke ist Ein Spannimgsdurchbruch am p-n-Obergang erfolgt nicht wenn Eb < £»«. wobei E_n., die maximale Feldstärke in der v-Schicht unter der p-Schicht (Schutzring) mit einer Dicke von Wist und £« die durch die Nennbetriebsspannung entwickelte Feldstärke ist. Die Ungleichung wird erfüllt für W = 13 um. Um also eine Avalanche-Photodiode mit einer Durchbruchsspannung von 140 V herzustellen, ist es erforderlich, daß die Summe der Dicken der n- und v-Schicht etwa 20 μη\ ist und daß der tiefste Teil des Schutzringes 7 μπι tief liegt.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfin dung unter Bezugnahme auf F i g. 2 und 3 beschrieben. Fig.2 zeigt eine mit der Mesa-Technik hergestellte Avalanche-Photodiode. und Fig 3 zeigt eine mit der Planartechnik hergestellte Avalanche-Photodiode. Angrenzend an ein Halbleitersubstrat 1 vom n+-Leitungstyp ist eine v-Schicht 2 vom gleichen Leitungstyp mit Störstellen niedriger Konzentration gebildet. Außerdem ist an die v-Schicht angrenzend eine n-Schicht 3 vom gleichen Leitungstyp vorgesehen. Die Störstellenkonzentration der n-Schicht 3 ist größer als die der v-Schicht 2, und die n-Schicht 3 bildet einen p+-n-Übergang mit einer auf ihr vorgesehenen ρ+-Schicht vom entgegengesetzten Leitungstyp. Licht wird auf die ρ+-Schicht gerichtet, und die durch das Licht angeregten Ladungsträger werden durch den p+-n-Übergang lawinenartig vervielfacht Es ist ein Schutzring 5 aus einer Schicht vom p-Leitungstyp vorgesehen, der den Randabschnitt des ρ+-n-Überganges abdeckt und dessen unterer Teil die v-Schicht 2 erreicht Die Konzentration der Oberflächenstörsteilen des Schutzringes ist 10¹⁹ bis 10²⁰ cm -³.

Bei der Avalanche-Photodiode vom Mesa-Typ ist der Schutzring 5 geätzt wie F i g. 2 zeigt, während bei der Avalanche-Photodiode vom Planartyp der Schutzring 5 nicht geätzt ist, wie F i g. 3 zeigt Der Licht empfangende Abschnitt der Oberfläche der ρ+ -Schicht ist mit einem reflexmildernden Belag 12, beispielsweise einem SiO-Belag, überzogen, um einen Reflexionsverlust des Signallichtes zu verhindern, während der verbleibende Teil der Oberfläche der ρ+ -Schicht, der kein Signallicht empfängt mit einem Isolationsbelag 7, beispielsweise einem S1O2- oder Si3N4-Belag, überzogen ist

Eine ringförmige Elektrode 9 ist auf der ρ+ -Schicht angeordnet und eine plattenförmige Elektrode 8 ist auf der η + -Schicht vorgesehen. Die Elektroden 8 und 9 sind mit einer Energiequelle 11 verbunden, um den p*-n-Übergang in Sperrichtung vorzuspannen, und die Licht empfangende Oberfläche ist auf eine Lichtquelle 10 gerichtet Das von der Lichtquelle 10 abgegebene Lichtsignal kann unmittelbar auf die Licht empfangende Fläche gerichtet werden, es kann jedoch beispielsweise auch durch eine bekannte optische Glasfaservorrichtung geleitet werden. Die Art und Weise, wie das Lichtsignal der Licht empfangenden Oberfläche zugeleitet wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung. In F i g. 3, in der die Avalanche-Photodiode vom Planartyp dargestellt ist sind der Einfachheit halber nur der Halbleiterkörper und die Elektroden dargestellt, aber bei der praktischen Anwendung muß die in F i g. 2 gezeigte Lichtquelle Anwendung Finden.

Wie bereits erwähnt, hat die eine p ⁺ -n-v-n*- oder n^-p-si-p* -Struktur aufweisende Avalanche-Photodiode eine hohe Quantenausbeute und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit, wobei sich eine verhältnismäßig niedrige Durchbruchsspannung ergibt Außerdem ist der p+-n- oder der n⁺-p-Übergang, in dem eir Avalanche-Durchbruch auftritt, durch den bis zui v-Schicht oder jr-Schicht reichenden Schutzring geschützt so daß die resultierende Avalanche-Durch bruchcharakteristik stabil ist

Die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode kanr ausschließlich im Diffusionsverfahren hergestellt werden. Das heißt die η * - (oder ρ + -), n- (oder ρ-), ρ+- (odei p-)Schichten und die als Schutzring dienende p- (odei n-)Schicht können durch Störstellendiffusion auf derr Substrat vom v- (oder jr-)Leitungstyp gebildet werden Es hat sich jedoch gezeigt, daß es in bezug aul Leistungsfähigkeit und Charakteristik des herzustellen den Halbleiterbauelements nicht empfehlenswert ist alle Schichten im Diffusionsverfahren zu bilden. Bein-Diffusionsverfahren muß das Halbleitersubstrat vom ν

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oder π-Leitungstyp eine Dicke von etwa 150—200 μπι haben, damit sich eine hinreichende mechanische Festigkeit ergibt. Der r.⁺- oder ρ+-Bereich mit einer Dicke von 130—150 μπι muß im Substrat vom v- oder π-Leitungstyp durch Störstellendiffusion von einer der Substratoberflächen gebildet werden, so daß die v- oder »-Schicht eine Dicke von 20 μπι behält. Es dauert also ziemlich lang, bis die Diffusion beendet ist. Es ist außerdem bei diesem Verfahren schwierig, die Störstellenkonzentrationen in der p⁺· und der η-Schicht oder in der n⁺- und der p-Schicht zu steuern, und es ist unmöglich, den Gradienten der Störstellenkonzentration im p⁺-n- oder n⁺-p-Übergang in ausreichender Weise abzustufen. Dementsprechend kann eine Avalanche-Photodiode guter Reproduzierbarkeit nicht erhalten werden. Dies ergibt sich aus der Beschreibung von Fig. 1.

Deshalb wird vorgeschlagen, durch Aufwachsen zumindest eine n-v- oder eine ρ-π-Überlagerung zu bilden, um die obengenannten Probleme zu lösen. Dadurch kann eine exzellente Charakteristiken aufweisende Avalanche-Photodiode hergestellt werden.

Nachstehend wird die Herstellung einer Avalanche-Photodiode unter Verwendung des Aufwachsverfahrens beschrieben.

Das in diesem Fall verwendete Halbleitersubstrat kann vom n ⁺ - oder ρ⁺-Leitungstyp sein, aber der Einfachheit halber wird nur das Halbleitersubstrat vom η⁺-Leitungstyp beschrieben. Die geeignete Dicke des Halbleitersubstrats vom η+ -Leitungstyp liegt innerhalb eines Bereiches von 150—200 μπι, so daß es eine ausreichende mechanische Festigkeit hai, und es wird in diesem Fall ein Siliciumplättchen einer Dicke von 150μιτι und einer Störstellenkonzentration in der Größenordnung von 10^l9cm-³ verwendet Auf dieses Siliciumplättchen vom η+-Leitungstyp läßt man aus der Gasphase eine v-Schicht einer Dicke von 15,5 μπι und einer Störstellenkonzentration in der Größenordnung von 10¹³ cm ~³ aufwachsen. Das Verfahren des Aufwachsens au* der Dampfphase selbst ist bekannt, aber die verwendete Vorrichtung und das Gas sind so weit gereinigt, daß eine r-Schicht mit niedriger Störstellenkonzentration gebildet wird.

Anschließend wird auf der v-Schicht durch Aufwachsen aus der Dampfphase eine η-Schicht mit einer Dicke von 5,0 μπι und einer Störstellenkonzentration von 5 χ 10¹⁵cm-³ gebildet Die vorgenannten Dicken und Störstellenkonientrationen sind bestimmt durch die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, den Verwendungszweck, die Quantenausbeute, die Feldstärke (1 χ 10⁴ V/cm) in der y-Schicht angrenzend an die η+-Schicht und die erwartete Durchbruchsspann ang (14QV).

Anschließend wird ein Schutzring mit einer Dicke von 73 um in der η-Schicht gebildet durch Diffusion von Störstellen vom p-Leiuingslyp, und sodann wird eine ρ+-Schicht mit einer Oberflächenstörstellenkonzentration von 5 χ 10^ra cm-³ und einer Dicke von 0,5 μπι auf dem Teil der η-Schicht gebildet, der von dem Schutzring eingeschlossen ist, und zwar durch Diffusion vor Störstellen vom p-Leitungstyp, so daß ein p+-n-Über gang entsteht. In diesem Fall dient die von den Schutzring eingeschlossene Fläche der ρ+-Schicht ah Licht empfangende Fläche. Wenn die ρ+ -Schicht durcl· Diffusion von Galliumatomen gebildet wird, kann ein« Avalanche-Photodiode mit kleinem Dunkelstrom erhalten werden. Wenn die ρ⁺ -Schicht zu dünn ist, erhöhl

ίο sich der Dunkelstrom infolge von Oberflächenrekombination von Ladungsträgern. Wenn andererseits die Dicke der ρ+-Schicht zu groß ist, wird die Ansprechcharakteristik verschlechtert, da die zu dicke Schicht einer Lichtabsorptionsverlust bewirkt und die in der Schicht erzeugten Ladungsträger durch den Diffusionseffekl zum p+-η-Übergang wandern.

Nachdem der vorbestimmte Übergang und die Diffusionsschichten gemäß F i g. 3 gebildet worden sind werden die Umfangsabschnitte des Schutzringes und

des Plättchens durch Ätzen entfernt, so daß man ein Halbleiterbauelement vom Mesa-Typ erhält, wie F i g. 2 zeigt Schließlich wird eine Isolationsschicht 7 aus SiO; und eine reflexionsmildernde Schicht 12 aus SiO aul geeignete Abschnitte der frei liegenden Fläche des Plättchens aufgebracht, und die Elektroden 8 und 9 werden an dem Plättchen befestigt

Die F i g. 4 und 5 zeigen einen Vergleich zwischen den Charakteristiken der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode und einer Avalanche-Photodiode mit einem Schutzring und einer ρ + -n-n + -Struktur. In diesen Figuren repräsentieren die Kurven I und IH die Charakteristiken der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode, während die Kurven II und IV den Charakteristiken der Avalanche-Photodiode mit p+-n-η+ -Struktur und einem Schutzring entsprechea In beiden Fällen ist die Betriebsspannung 140 V.

Man erkennt aus Fig.4, daß die Avalanche-Photodiode gemäß der Erfindung eine höhere Quantenausbeute für ein breites Wellenlängenspektrum liefert als

die Avalanche-Photodiode mit ρ+ -n-n+ -Struktur und Schutzring, und zwar insbesondere für lange Wellenlängen, d. h. nahe 9000 Ä, so daß die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode am besten geeignet ist als Lichtdetektor für ein optisches Nachrichtenübertragungssystem unter Verwendung einer GaAs-Lichtquelle; m jüngster Zeit wird ein derartiges System als sehr aussichtsreich angesehen.

Messungen haben gezeigt daß die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine Aösprechgeschwindigkeit

von ΙΟ-«s _bat^ _{was der} Ansprechgeschwindigkeit der zu Vergleichszwecken verwendeten Avaianche-Photodiode entspricht Wie man aus F i g. 5 erkennt, ist der Dunfcelstrom der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode kleiner als der der Vergleichsdiode. Dies liegt

zum Teil daran, daß bei der erfmdungsgemäßen Avalanche-Photodiode die p+-Schicht durch Diffusioa von Gaflnnnatomen gebildet wird, und zum Teil daran, das der Schutzring in geeigneter Weise ausgebildet ist

iLTKu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Avalanche-Photodiode mit einem zwei Hauptflächen aufweisenden Halbleiterkörper, der eine erste, eine der beiden Hauptflächen bildende, eine hohe Störstellenkonzentration aufweisende Schicht eines ersten Leitungstyps, mit der eine erste Elektrode in leitender Verbindung angeordnet ist sowie eine an die erste Schicht angrenzende zweite Schicht vom gleichen Leitungstyp, jedoch mit wesentlich niedrigerer Störstellenkonzentration, enthält der femer eine an die zweite Schicht angrenzende dritte Schicht vom Leitungstyp der ersten Schicht mit einer Störstellenkonzentration, die niedrigfsr ist als die der ersten Schicht aber höher als die der zweiten Schicht aufweist wobei die zweite und dritte Schicht zusammen so dick sind, daß die Quantenausbeute bei dem verwendeten einfallenden Licht mehr als 50% beträgt der weiterhin eine an die dritte Schicht und an die zweite Hauptfläche angrenzende vierte Schicht von einem der dritten Schicht entgegengesetzten Leitungstyp mit hoher Störstellenkonzentration enthält so daß zwischen der dritten und der vierten Schicht ein erster pn-Übergang gebildet ist in dem ein Avalanche-Durchbruch erfolgt und wobei auf einem Abschnitt der zweiten Hauptfläche in leitender Verbindung eine zweite Elektrode angeordnet ist der außerdem eine fünfte Schicht vom gleichen Leitungstyp wie die vierte Schicht enthält die den Randabschnitt des zwischen der dritten und vierten Schicht gebildeten pn-Übergangs bedeckt und die zweite Schicht erreicht und bei dem ferner die Dicke der zweiten Schicht unterhalb der fünften Schicht wenigstens gleich der Ausbreitung der Sperrschicht in der zweiten Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration der fünften Schicht (5) niedriger ist als die der vierten Schicht (4), daß die fünfte Schicht (S) die dritte Schicht (3) durchdringt so daß zwischen der dritten und der fünften Schicht (3 bzw. 5) ein weiterer pn-Übergang gebildet ist der eine höhere Durchbruchspannung hat als der erste pn-Übergang, und daß auf dem anderen Abschnitt der zweiten Hauptfläche ein reflexionsmindernder Belag (12) aufgebracht ist (F i g. 2,3).

2. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1, bei der die vierte Schicht durch Diffusion gebildet ist dadurch gekennzeichnet, daß der diffundierte Stoff Gallium ist

3. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet daß die Tiefenausdehnung Vj der fünften Schicht (5) aus der folgenden Gleichung bestimmbar ist: