DE2456084A1 - Lawinen-photodiode - Google Patents
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Description
75008 Paris /Frankreich
Lawinen-Photodiode
Die Erfindung betrifft eine Photodiode, die als Element bei
Fernübertragungen mittels optischer Fasern dienen soll.
Bekanntlich werden zu diesem Zweck Lawinen-Photodioden mit pn-übergang aus Germanium oder Silicium verwendet. Diese
Dioden besitzen die folgenden Nachteile:
Ihre Lawinenspannung liegt bei etwa 200 Volt oder aber sie besitzen bei der Wellenlänge von 0,80 Mikron, wie sie insbesondere
bei den Fernübertragungen zur Anwendung kommt, eine schlechte Ausbeute.
Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Photodiode ohne diese Nachteile.
Dr.Ha/Mk ·
50982 3/0666
Die Lawinen-Photodiode gemäß der Erfindung besitzt einen HeteroÜbergang, wobei eines der Elemente des Übergangs aus
einem für die festzustellende und zu verstärkende Strahlung durchsichtigen Material besteht, während das andere Element
für diese Strahlung undurchsichtig ist und den Sitz des Lawineneffekts darstellt. Die erfindungsgemässe Diode kennzeichnet
sich im wesentlichen dadurch, daß das erste Element einen Mittelteil und einen Umfangsteil mit einer solchen
geometrischen Konfiguration besitzt, daß unter der Wirkung eines vorherbestimmten Potentials an den Klemmen der Diode
das Lawinenfeld nur in diesem Mittelteil erreicht wird.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 das Grundschema einer Lichtdetektorschaltung und einer
Lawinen-Diode,
Fig. 2 bis 6 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der
Erfindung.
In Fig. 1 sieht man eine Diode 1 mit HeteroÜbergang mit einem Substrat 2 aus η-leitendem Galliumarsenid, AsGa. Auf diesem
Substrat ist eine p-leitende Schicht 3 mit der Zusammensetzung
Ga-]_x Alx As mit 0,2 <^x <ζΐ\abgeschieden.
Die Diode wird mittels einer Batterie 4 in Sperrichtung
vorgespannt und das angeregte Signal wird zwischen den beiden Klemmen eines Lastwiderstands 5 abgenommen, der
zwischen den Pluspol der Batterie und einem Kontakt an der Oberfläche der Zone 2 geschaltet ist.
509823/0 66 6
Die Oberfläche der Schicht 3 wird mit einer Strahlung, für welche die Schicht durchlässig ist, bestrahlt, d.h. mit
einer Strahlung, deren Wellenlänge etwa 0,8 Mikron beträgt. Ein Problem stellt sich, wenn man die Lawinen-Diode in
Betrieb nehmen will. Der Lichtstrom muß nämlich ohne Dämpfung die Schicht 3 durchqueren und die verarmte Zone 5,
d.h. die durch die Vorspannung in Sperrichtung an freien Ladungsträgern verarmte Zone muß der Sitz eines zur Auslösung
des Lawinenphänomens ausreichenden elektrischen Feldes sein.
Das Problem besteht darin, die Lawine einzig und allein in dem axialen Teil der Diode auszulösen. Zu diesem Zweck
sind in den bekannten Dioden Mittel vorgesehen, z.B. Schutzringe, um das elektrische Feld in dem Umfangsteil der Diode
zu verkleinern.
Die Erfindung betrifft eine Diode, in welcher die elektrische
Feldstärke in ihrem axialen Bereich so erhöht wird, daß für eine niedrige Spannung in der Größenordnung von
30 Volt die Lawinenfeldstärke in dem zentralen Bereich errreicht wird.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Auf einem η-leitenden Substrat 10 aus Galliumarsenid (AsGa)
mit einer Donatorendichte von etwa 10 Atome/cnr scheidet man z.B. epitaxial in flüssiger Phase in einem gelöstes
AsGa enthaltenden Galliumbad nacheinander ab: eine Schicht aus eigenleitendem n- oder p-AsGa mit einer Donatorenoder
Akzeptorendichte unter 10 Atome/cnr und mit einer Dicke von 2 bis 10 Mikron.
509 823/0666
Die Dicke dieser Schicht wird dann örtlich in dsm Bereich 100,
wo man den Lawineneffekt erzielen will, auf eine Dicke von etwa 1 bis 2 Mikron verdünnt, und zwar beispielsweise in
einem Kreis mit einem Durchmesser von 100 Mikron. Diese Verdünnung kann durch einen Angriff mit einer Wasserstoffperoxidlösung
oder durch Ionenbearbeitung erzielt werden.
Diese Dicke der Schicht ermöglicht dann, daß dieser zentrale Bereich vollständig von seinen freien Ladungsträgern bei
einer Spannung von etwa 10 Volt entleert wird, so daß dire Diode in Sperrichtung vorgespannt wird.
Das Epitaxieverfahren ist dem Fachmann bekannt. Zwischen 850 und 9500C wird das Galliumbad, indem es sich abkühlt,
an Galliumarsenid gesättigt und dieses scheidet sich dann auf dem Substrat ab.
Dann bringt man das Plättchen in ein neues Bad mit etwa der gleichen Temperatur, das Aluminium und gelöstes AsGa
enthält. Es erfolgt dies im gleichen Teraperaturzyklus, indem man das Plättchen den gleichen, die beiden Bäder
und gegebenenfalls noch weitere Bäder enthaltenden Ofen durchlaufen läßt. Solche Vorrichtungen sind in der Galliumarsenid-Technologie
bekannt.
Man scheidet dann mittels Epitaxie aus flüssiger Phase eine p-leitende Schicht 3 der Zusammensetzung Gan QAln oAs
8 xu»° v*.
mit einer Donatorendichte von über 10 Atome/cm und mit einer Dicke von über 1 Mikron ab; elektrische Anschlüsse
werden dann an dieser Schicht angebracht. Das Ganze ist wie in Fig. 1 zusammengebaut.
Die Sperrspannung besitzt einen solchen Wert, daß die
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-D-
Lawinenfeidstärke in dem Bereich 100 und zwar nur in diesem,
erreicht wird. Die Anzahl von den äusseren Stromkreis durchlaufenden Ladungen ist gleich der Anzahl von durch die
Bestrahlung erzeugten Elektronen-Löcher-Paaren, multipliziert
mit der Lawinenverstärkung M. Diese Elektronen-Löcher-Paare
werden natürlich in dem verarmten Bereich 100 erzeugt. Im Rest der Diode wird die Lawinenfeldstärke in dem entsprechenden
verarmten Bereich nicht erreicht.
Bei dem beschriebenen Beispiel wird die Lawinenspannung bei etwa 30 Volt erreicht.
Die Leistungen einer Lawinen-Photodiode kennzeichnen sich im
allgemeinen durch das Produkt aus Stromverstärkung und Bandbreite, durch die Quantenausbeute als Funktion der Wellenlänge
(Anzahl von Elektronen-Löcher-Paaren pro einfallendem Photon) und durch die Sperrspannung, bei. der die Lawine
ausgelöst wird.
Mit der Diode von Fig. 2 erzielt man ein Strpmverstärkung-Bandbreite-Produkt
von etwa .100 GHz und eine Quantenausbeute von 0,6 bis 0,8.
Die Erfindung umfaßt noch weitere Ausführungsformen.
Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Der Aufbau ist im wesentlichen identisch mit dem von Fig. 2.
Die Dicke der Schicht 2 ist in dem Bereich 100 durch partielle Auflösung dieser Schicht in dem Galliumbad vor der epitaxialen
Abscheidung der Schicht 3 vermindert worden. Zu diesem Zweck wird der Umfangsteil durch eine Isolierschicht-7 (z.B. aus
SiO2 oder Si,N^) geschützt, deren Mittelteil nach üblichen
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Methoden entfernt wurde (durch Fotogravierung, elektronische Maskierung usw. )·.
Die in Fig. 4 dargestellte Diode unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 2 durch die Anwesenheit einer zusätzlichen
mittels Epitaxie aufgebrachten Schicht 7 zwischen der Schicht 10 und der Schicht 2.
Die Schicht 7 ist η-leitend mit einer Donatorenkonzentration von über 10 Atome/cm . Sie kann eine bessere Kristallqualität
aufweisen als das Substrat.
Außerdem befindet sich zwischen den Schichten 3 und 2 eine 0,5 Mikron dicke Schicht 8 aus Galliumarsenid.
In dieser η-leitenden, stärker als die Schicht 3 dotierten Schicht wird die elektrische Feldstärke höher und die
Lawine wird dort entstehen. Die Schicht 3 spielt weiterhin die Rolle einer Detektorschicht.
In Fig. 5 ist das Substrat 10 aus Galliumphosphid für die festzustellende Wellenlänge durchlässig und ist der Bestrahlung
ausgesetzt. Auf diesem Substrat werden die nleitende Schicht 3 aus Ga, Al, As, die leicht dotierte oder
eigenleitende Galliumarsenidschicht 2, in welcher die Lawine entstehen wird, und die p-leitende Galliumarsenid-
18 3
schicht 1 mit einer Störstoffdichte von 10 Atome/cnr abgeschieden.
In Fig. 6 ist das Substrat 10 aus Galliumarsenid nicht durchlässig.
Es ist in seinem Mittelbereich 200 ausgehöhlt, so daß die durchsichtige Zone 3 freiliegt.
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Der übrige Aufbau entspricht dem von Fig. 2.
Im Rahmen der Erfindung kann man auch andere halbleitende Stoffe verwenden, z.B. Verbindungen von Elementen der
Gruppen III und V des periodischen Systems, z.B. Verbindungen von Ga, As, P oder auch Ga, In, As*
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Claims (8)
1./Lawinen-Photodiode mit HeteroÜbergang mit einer ersten
Halbleiterzone eines ersten Leitiingstyps, die mit der festzustellenden Strahlung belichtet und für diese
durchlässig ist, mit einer zweiten, eigenleitenden oder schwach dotierten und für die Strahlung undurchsichtigen
Zone, mit einer dritten Zone eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps Anschlüssen an die erste
bzw. dritte Zone, um die Diode in Sperrichtung vorzuspannen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone
einen Bereich aufweist, in welchem sie wesentlich dünner ist als an der Stelle, wo der Kontakt angebracht ist,
so daß die Lawinenfeldstärke ausschliesslich in diesem Bereich für angelegte Spannungen innerhalb eines vorherbestimmten
Bereichs erreicht wird.
2. Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie ein Umdrehungskörper ist und daß der dünne Bereich den axialen Bereich der zweiten Zone bildet und daß
die jeweiligen Kontakte an Umfangsbereichen der genannten Zonen angebracht sind.
3. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Zone aus einer Verbindung von Gallium,
Arsen und Aluminium mit der Formel As Ga1 Al„ mit
< I-X X
χ <^1 besteht und daß die zweite Zone aus Galliumarsenid
besteht.
4. Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Zone direkt von der Strahlung getroffen
wird und daß die zweite undurchsichtige Zone sich auf einem Substrat befindet.
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5. Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Zone sich auf einem durchsichtigen Substrat
befindet, welches die Strahlung durchläßt.
6. Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Schicht sich auf einem Substrat mit einer
axialen Ausnehmung befindet, welche einen Teil der durchsichtigen Schicht freilegt.
7. Diode nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die
undurchsichtige Zone aus zwei übereinander angeordneten Teilen besteht, wovon der eine stärker dotiert ist*
8. Optisches Fernübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet,,
daß es Dioden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
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Also Published As
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|---|---|
| JPS50158292A (de) | 1975-12-22 |
| FR2252653B1 (de) | 1976-10-01 |
| GB1478530A (en) | 1977-07-06 |
| US3959646A (en) | 1976-05-25 |
| DE2456084C2 (de) | 1985-06-20 |
| FR2252653A1 (de) | 1975-06-20 |
| JPS5841668B2 (ja) | 1983-09-13 |
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