DE2620951A1

DE2620951A1 - Avalanche-fotodiode

Info

Publication number: DE2620951A1
Application number: DE19762620951
Authority: DE
Inventors: Baudouin De Cremoux
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2311408B1; JPS51140587A; GB1509144A; US4037244A; FR2311408A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Fotodiode, die für Weit-Übertragungen mittels Lichtleitern bestimmt ist.

Avalanche-Fotodioden sind bereits für diesen Zweck verwendet worden. Diese Fotodioden üben aufgrund des Avalanche-Fotoeffekts eine Verstärkungswirkung aus. Bislang werden diese Dioden auf Silicium- oder Germaniumbasis hergestellt.

Sie haben den Nachteil, daß sie eine hohe Avalanche- oder Lawinenspannung in der Größenordnung von 200 V benötigen und

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ORIGINAL INSPECTED

bei der Wellenlänge von 0,80 um, die insbesondere bei Weitübertragungen benutzt wird, einen schlechten Wirkungsgrad haben.

Die Erfindung schafft eine Avalanche-Fotodiode, die diese Nachteile nicht aufweist.

Die Avalanche-Fotodiode nach der Erfindung ist eine Diode mit einem HeteroÜbergang, wobei eines der Elemente des Überganges aus einem bei der zu erfassenden Wellenlänge strahlungsdurchlässigen Material besteht, während das andere Element bei dieser Wellenlänge strahlungsundurchlässig ist. Sie ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Elemente des Übergangs ein Bereich eingefügt ist, dessen Dotierung höher ist als die des strahlungsdurchlässigen Elements, wobei in diesem Bereich die -Avalanche-Erscheinung auftreten kann, ohne das Element zu beeinflussen, in welches der Bereich eingefügt ist.

Mehrere Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema der Diode nach

der Erfindung,

Fig. 2 ein Schema eines ersten Ausführungs

beispiels, und

Fig. 3 ein Schema eines zweiten Ausführungs

beispiels.

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In Fig. 1 ist das Schema einer Avalanche-Diode nach der Erfindung dargestellt. Sie enthält drei übereinander angeordnete Schichten 1,2 und 3, wobei sich der Bereich 2 allein in der Mittelzone des Bereiches 3 erstreckt. Der Bereich 1 ist stark dotiert und hat einen ersten Leitungstyp. Die Zone 3 ist schwach dotiert und hat einen zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp. Die Zone 2 hat denselben Leitungstyp wie die Zone 3, Die äußeren Zonen 1 und 3 tragen Kontakte 7 bzw. 6, über welche sie mit einer Batterie 8 verbunden werden können. Der Kontakt ist direkt und der Kontakt 6 ist über einen Belastungswiderstand

R mit der Batterie verbunden.
c

Die Vorspannungsquelle 8 spannt die Diode in Sperrichtung vor. Die Zone 3 ist der zu erfassenden Strahlung direkt ausgesetzt.

Zumindest eines der Materialien 1 und 3 ist ein Material, bei welchem die Breite des verbotenen Bandes größer ist als bei dem Material 2, so daß es für die zu erfassende Strahlung durchlässig ist. In dem Fall von Fig. 1 trifft die Strahlung, auf die Schicht 3 auf.

Es sind zwei Anordnungen möglich, nämlich die der Fig. 2und 3, in denen die Erscheinungen nicht genau identisch sind.

In dem in Fig. 2 dargestellten ersten Fall ist die η-dotierte Schicht

16 3

1 (Dotierung in der Größenordnung von 10 Atome/cm ) auf ein Substrat 100 aufgebracht, welches denselben Leitungstyp hat, aber

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•4 Q π

stärker dotiert ist (10 Atome/cm ). Die Schicht 2 hat eine

1T 18 3

starke p-Dotierung (10 bis 10 Atome/cm ). Ihre Dicke in OBr Größenordnung von 0,1 um ist so gewählt, daß sie die zu erfassende Strahlung nicht absorbieren kann. Sie ist in die Zone 3 eingefügt, deren Dotierung viel schwächer ist und deren Dicke in der Größenordnung von 5 .um liegt. Eine (p+)-dotierte Zone 4

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(10 Atome/cm ) mit einer Dicke in der Größenordnung von 5 .um bedeckt die Gesamtanordnung und trägt einen Kontakt 6, welcher auf einem Potential -V liegt. Das Substrat 100 liegt an Masse.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Die Raumladung aufgrund des Potentials -V, welches die Diode .in Sperrichtung vorspannt, wird durch die Gleichpotentiale 0 und -V begrenzt. Es ist bekannt, daß in diesem Fall die Dicke der Raumladungszone umso geringer ist, je größer die Dotierung eines der Elemente des Übergangs ist. Daraus ergibt sich die Form der beiden Gleichpotentiale O und V, welche die Zone 2 umgeben und sich ihr nähern.

Das elektrische Feld hat an der Grenzfläche zwischen dem Bereich 2 und dem Bereich 1 ein Maximum.

Die zu erfassende Strahlung durchquert ohne wesentliche Absorption die Bereiche 2,3 und 4 und wird auf ungefähr 1 um des Bereiches 1 absorbiert. Jedes Photon erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Wenn angenommen wird, daß das Potential -V ausreichend ist, um die

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Avalanche-Erscheinung in dem Bereich 2 und nicht in dem Bereich 3 zu erzielen, fließt jedes Elektron zur Masse ab. Dagegen durchqueren die Löcher die Zone 2, wo sie die Avalanche Erscheinung auslösen.

Der Vorteil, die Avalanche-Erscheinung durch Löcher einzuleiten, besteht darin, daß das durch die Verstärkungserscheinung hervorgerufene Rauschen schwächer ist als in dem Fall, in welchem die Avalanche-Erscheinung durch die Elektronen ausgelöst wird.

In Fig. 3 sind die Leitungstypen umgekehrt, das Substrat 100 ist (p+)-leitend(1O Atome/cm ). Die Schicht 1 ist p-leitend und hat e ine Dicke in der Größenordnung von 10 um. Die Schicht 2 hat eine viel stärkere Dicke als in dem vorhergehenden Fall (1 bis 2 .um) und eine η-Dotierung m
Größenordnung von 10 Atome/cm .

(1 bis 2 .um) und eine η-Dotierung mit einer Konzentration in der

1R *■}

15

Die Schichten 3 und 4 sind (n—)- bzw. (n+)-leitend (10 bzw.

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10 Atome/cm ) und ihre Dicke ist dieselbe (5 um).

Der Kontakt 6 liegt auf einem Potential +V. Daraus ergibt sich, wie in dem vorhergehenden Fall, eine Vorspannung der Diode in Sperrichtung. Das Raumladungsgebiet (Gleichpotential +V) dringt aber aufgrund seiner Dicke, die viel größer ist als in dem vorhergehenden Fall, in das Gebiet 2 ein. Die Strahlung wird dann

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durch die Schicht 2 selbst absorbiert und das elektrische Feld hat in der Nähe der Grenzfläche der Bereiche 1 und 2 ein Maximum.

Die durch das Auftreffen der Photonen erzeugten Löcher werden zur Masse bewegt und verursachen die Avalanche-Erscheinung in dem Gebiet 2, wie in dem vorhergehenden Fall. Die Zahlenwerte haben sich in beiden Fällen durch ein Strahlung mit der Wellenlänge λ = 0,8 um (infrarot) ergeben.

Die verschiedenen Materialien haben beispielsweise eine Zusammensetzung, welche folgender Formel entspricht:

Ga. Al A , mit 0 <x< 0,2.

1 - χ χ s

Die Dioden werden durch Epitaxie in flüssiger Phase hergestellt, wie in der deutschen Patentanameldung P 24 56 084.7 der Anmelderin bereits vorgeschlagen.

Die Kenndaten der beiden beschriebenen Ausführungsformen, die lediglich als Beispiele beschrieben worden sind, ohne daß darunter eine Einschränkung zu verstehen ist, sind in den folgenden Tabellen zusammengefaßt:

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TABELLE 1 BEISPIEL 1

Bereich	Substrat	1	₂	3	4
Dicke (um)	500	5	0,1	5	5
X	O	O	O oder 0,2	0,2	0,2
Typ	η	η	P	P	P
\|n_d-nJ (cm"³)	ίο¹⁸	~io¹⁶	10ⁱ⁷bisi0¹⁸	<io¹⁵	>10¹⁹.
Aufgabe		Erfassung	Verstärkung	/	Kontakt

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TABELLE 2 BEISPIEL 2

Bereich	Substrat	1	2	3	4
Dicke (um)	500	10	1 bis 2	5	5
X	0	0	0	0,2	0,2
Typ	P	P	η	η	η
N₁-,-N . (cm ) D A ^v ^J	>io¹⁸	io¹⁸	ίο¹⁶	10¹⁵
			Erfassung
Aufgabe			Verstärkung		Kontakt

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Claims

Patentansprüche :

^Avalanche-Fotodiode zum Erfassen einfallender Strahlungen, mit einer ersten Schicht eines ersten Leitungstyps, welche mit einer zweiten Schicht eines zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps einen Übergang bildet, dadurch
gekennzeichnet, daß in eine der beiden Schichten eine dritte
Schicht eingefügt ist, welche denselben Leitungstyp wie die mit der Schicht entgegengesetzten Leitungstyps einen Übergang bildende Schicht und einen Ve.runreinigungskonzentrationsgrad hat,
der deutlich größer ist, so daß das elektrische Avalanche-Feld in der dritten Schicht wahlweise für Vorspannungen in Sperrrichtung erreicht wird, die in einem vorbestimmten Bereich
liegen.
2. Fotodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht diejenige Schicht ist, auf welche die zu
erfassende Strahlung gerichtet ist,- und daß diese Schicht aus
einem Halbleitermaterial besteht, das ein verbotenes Band hat, welches so gewählt ist, daß es für die zu erfassende Strahlung durchlässig ist.
3. Fotodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungstypen der verschiedenen Schichten derart gewählt sind, daß die Avalanche-Erscheinung durch die Ver-Schiebung von Löchern im Innern der dritten Schicht ausgelöst wird.

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4. Fotodiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dritten Schicht ausreichend klein ist, damit sie für die Strahlung durchlässig ist, welche in der ersten Schicht absorbiert wird.
5. Fotodiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht η-leitend ist, daß die zweite und die dritte Schicht p-leitend sind,, daß die erste Schicht eine Dotierung mit einer Konzentration in der Größenordnung von 10 Atome/cm hat, daß die zweite und die dritte Schicht Dotierungen mit Konzen-

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trationen in der Größenordnung von jeweils 10 Atome/cm haben und daß die Dicke der dritten Schicht in der Größenordnung von 0,1 .um liegt.
6. Fotodiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht eine ausreichende Dicke hat, um die zu erfassende Strahlung zu absorbieren.
7. Fotodiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht p-leitend ist und daß die zweite und die dritte Schicht jeweils η-leitend sind, wobei die Dotierungskonzentrationen

in der Hegen.

18 3 16 3

in der Größenordnung von 10 Atome/cm bzw. 10 Atome/cm
8. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus einer Verbindung bestehen,

welche die Formel As Ga. Al hat, mit 0<x < 0,2.

1 - χ χ * '
9. Einrichtung, gekennzeichnet durch Fotodioden nach den Ansprüchen 1 bis 8.

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M .

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