DE2624348A1

DE2624348A1 - Heterouebergang-pn-diodenphotodetektor

Info

Publication number: DE2624348A1
Application number: DE19762624348
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Nahory; Thomas Perine Pearsall; Martin Alan Pollack
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-06-05
Filing date: 1976-05-31
Publication date: 1976-12-16
Also published as: JPS51148392A; CA1059230A; GB1531633A; US3995303A; NL7605855A

Description

BLUMBACH · WESER · BERGSN · KRAMER ZWlRNER . H.RSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Western Electric Company, Incorporated Nahory 5-1-4 New York, N. Y., USA

Heteroiibergang-pn-Diodenphotodetektor

Die Erfindung bezieht sich auf Heteroübergang-Photodioden, i'ür die Legierungen aus III-V-Elementen benutzt werden, zur Verwendung im nahen Infrarotteil des Spektrums, beispielsvrei.se bei etwa 1,06 Mikrometer.

Die nahen Infrarotwellenlängen zwischen etwa 0,8 um und etwa 1,3 jLim haben neuerdings Bedeutung erreicht als Wellenlängen, die für zukünftige Nachrichtenfbertragungsanlagen mit optischen Fasern von Interesse sind, Solche Anlagen können sehr große Übertragungsbandbreiten liefern, wenn sie geeignet ausgeführt sind.

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München: Kramer · Pr.Weser · Hirsch — W>?sbaiipi: S'umtec'·· ■ 9^r. ^:>.-';.c-n - Ζλ·;γπ5·γ

Eine intensive Forschung ist auf die Erstellung geeigneter Komponenten für eine solche Anlage gerichtet worden. Eine der erforderlichen Komponenten ist ein Photodetektor. Dies gilt insbesondere deshalb, weil der Wirkungsgrad des normalen Siliciumdiodenphotodetektors bei Wellenlängen größer als etwa 1 um abnimmt.

Es ist eine Anzahl exotischer Photodetektoren aus halbleitenden Verbindungen vorgeschlagen worden; viele von diesen haben jedoch entweder langsame Ansprechzeiten oder übermäßige Dunkelströme, und zwar teilweise wegen ihrer relativ kleinen Halbleiter-Energiebandabstände.

Ein zusätzlicher liachtoil solcher neuer Detektoren besteht darin , daß viele von diesen relativ unerprobte Materialsysteme verwenden. Nach den- wohlbekannten Silicium- und Germaniuni-Halbleitermaterialsystemen ist das Galliumarsenid-Materialsystem eines der am extensivsten untersuchten und entwickelten Materialsysteme.

Demgemäß wäre ein bevorzugtes neues und effizientes Photodetektorelement für den nahen Infrarotbereich des Spektrums mit dem Galliumarsenid-Materialsystem kompatibel. Bei einer solchen Diode, die beschrieben ist in einem Artikel von R. C. Eden mit dem Titel "Heterojunction III-V Alloy Photodetectors

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for High-Sensitivity 1,06-pm Optical Receivers", veröffentlicht in der Ausgabe vom Januar 1975 der Proceedings of the IEEE, Vol. 63, Nr. 1, Seiten 32 - 37, wird die sogenannte "invertierte" Konfiguration verwendet, bei v/elcher man das auftreffende Licht durch das relativ dicke Substrat und Anpaßschichten hindurchgehen läßt, bevor es in die Absorptionszone gelangt. Genauer ausgedrückt ist bei dieser Ausführungsform die Absorptionszone außerhalb der Verarmungszone, in welcher die Feststellung von Photoelektronen- oder -löchern wirklich stattfindet. Als Folge davon wird der Quantenwirkungsgrad dieses Detektors reduziert, und zwar wegen der Rekombination von Minoritätsträgern, während diese von ihren Absorptionspunkten zur Verarmungszone diffundieren. Überdies tritt in einer solchen Diode Dispersion aufgrund der Tatsache auf, daß die Phototräger zwischen ihren Absorptionspunkten und dem Punkt ihrer Feststellung unterschiedliche Abstände durchlaufen.

Wenn diese Diode im Avalanche-(Lawinen-)Betrieb betrieben wird, erzeugt sie maximales Rauschen, da die die Ionisation einleitenden Minoritätsträger Löcher sind, die für das verwendete Material den niedrigeren Ionisationskoeffizienten haben, (siehe beispielsv/eise Artikel "Impact Ionization Rates for Electrons and Holes in GaAs., Sb -Alloys" von T. P. Pearsall und anderen, veröffentlicht in der Ausgabe vom 1. April 1976

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der Applied Physics Letters, Vol. 28, Nr. 7, Seiten 403 bis 405).

Außerdem wird das einfallende Licht gedämpft, verm, es das relativ dicke Substrat und die Anpaßschichten durchläuft, bevor es in die Absorptionszone gelangt.

Diese Beschränkungen und Mangel bekannter Photodetektoren werden überwunden bei einer Diode, bei v/elcher die sogenannte "Direktaufnahme"-Konfiguration verwendet wird, bei welcher das Licht die absorbierende Zone durch eine relativ dünne Fensterzone aus Material größeren Energiebandabstands erreicht, und nicht durch das viel dickere Substrat und die Anpaßschichten. Aufgrund dieser Änderung wird ein geringerer Anteil des einfallenden Lichtes vor dem Erreichen der Absorptionszone absorbiert. Außerdem wird sämtliches Licht, das die Absorptionszone erreicht, in der Verarmungszone oder in unmittelbarer Nachbarschaft der Verarmungszone absorbiert. Dies dient dazu, Signalverluste aufgrund von Rekombination minimal zu machen, und dient auch dazu, Dispersions- und Laufzeiteffekte minimal zu machen.

Wenn zudem eine Verwendung im Avalanche-Betrieb vorgesehen ist, handelt es sich bei den Minoritätsträgern in der Absorptionsschicht um jene, die für das besondere Material den höhe-

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ren lonisationskoeffizienten haben, so daß das Rauschen möglichst klein gemacht wird.

Um die Strahlung in die Absorptionszone in der Direktaufnahme-Diodenkonfiguration gelangen zu lassen, ist die Elektrode auf der Fensterschicht entweder für die interessierende Wellenlänge durchlässig oder enthält eine geeignete Öffnung.

Zusammengefaßt ist somit im interessierenden Wellenlängenbereich zwischen 1,0 und 1,2 pm der hier beschriebene InGaAs-Heteroübergang-Detektor der erste Detektor, der die Direktaufnahme-Konfiguration und eine direkte Energiebandabstandsabsorption kombiniert. Außerdem ist er für irgendeine gegebene Materialkombination so aufgebaut, daß Vorteil aus dem Ladungsträger mit dem höheren lonisationskoeffizienten gezogen v/ird, um den Lawinenbildungsprozeß zu optimieren. Da das Material einen direkten Energiebandabstand aufweist, ist der Absorp-

4 —1 tionskoeffizient im Arbeitsbereich groß (—10 cm" ) und die Absorptionslänge ist kurz («ι1 μια), was die Impulsdispeiäon minimal macht und ein schnelles Ansprechen ergibt.

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Detektors besteht darin, daß die Dünnschicht-Avalanchezone im wesentlichen dieselbe wie die Absorptionszone ist. Die Dicke dieser Zone ist in Übereinstimmung mit der Trägerkonzentration bestimmt, die etwa

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— ο —

15 —"3
1 bis 10 χ 10 cm beträgt. Bei diesem Bereich von Werten beträgt die Dicke lediglich 3 bis 10 pm, so daß die angelegte Spannung, die zum Erreichen der Lawinenbildungsfeidstärken erforderlich ist, minimal gemacht ist. Darüberhinaus ist die Ansprechgeschwindigkeit erhöht und die Widerstandsbelastung verringert.

Der erfindungsgemäße Photcdetektor ist im Anspruch 1 beschrieben. Weiterbildungen dieses Photodetektors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung, zeigen:

Fig. 1 eine teilweise bildhafte und teilweise schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Kurve, die zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 nützlich ist;

Fig. 4A und 4B zwei zueinander senkrechte Ansichten, die erste teilweise im Schnitt, einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

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Fig. 5 Kurven, die bei der Erläuterung der Theorie und der Arbeitsweise der verschiedenen Ausführungsformen nützlich sind;

Fig. 6 eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 1, bei welcher GaAs,, „Sb„ verwendet ist;

Fig. 7 eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 2, bei der GaAs,, ^.Sb. verwendet ist; und

Fig. 8A und 8B eine Modifikation der Ausfuhrungsform nach den Fig. 4A und 4B, bei der GaAs.. _vSb_v verwendet ist.

Die Photodiode nach Fig. 1 erfüllt ein lange bestehendes Bedürj nis für einen Festkörperdetektor, der in der Umgebung von 1,06 jum effizient zu arbeiten vermag. Bei dieser Ausführungsform umfaßt eine Photodiode 11 ein Galliumarsenidsubstrat 12, mehrere abgestufte Abpaßschichten 13, 14 und 15 und ein Paar epitaktische Einkristallschichten 16 und 17 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, welche die wirksamen Teile der Photodiode bilden. Mit anderen Worten, die Grenzfläche zwischen den epitaktischen Schichten 16 und 17 ist der HeteroÜbergang der Photodiode; und die Verarmungsschicht der in Sperrichtung vorgespannten Diode wird beim oder in der Nähe dieses Heteroübergangs gebildet. Das Bauelement wird durch Ohmsche Kontakte 18 und 19 vervollständigt, die an der epitaktischen Schicht 17

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bzw. dem Substrat 12 "befestigt sind, und es ist mit dem negativen und dem positiven Anschluß einer in Sperrichtung vorspannenden Spannungsquelle 20 verbunden. Es sei bemerkt, daß für eine Vorspannung in Sperrichtung der negative Anschluß der Quelle 20 zur p-leitenden epitaktischen Schicht 17 und der positive Anschluß der Quelle 20 zum η-leitenden Substrat 12 gerichtet ist. Im Betrieb wäre eine (nicht gezeigte) Ausgangslast zwischen Quelle 20 und Diode 11 eingefügt.

Ausführlicher ausgedrückt besteht das Substrat 12 aus n-leitendem Galliumarsenid, das mit Zinn oder einem anderen n-Leitfähigkeit bewirkenden Dotierstoff mit einer Konzentration von 2 x 10 Ladungsträger pro cm dotiert ist. Jede der abgestuften Anpaßschichten 13» 14 und 15 ist aus Indiumgallium-· arsenid, wobei sich der Indiumgehalt von 8 % des metallischen Anteils in Schicht 13 progressiv erhöht auf 16 % des metallischen Anteils in Schicht 15. Die Schichten 13 bis 15 sind durch ein Flüssigphasenepitaxieverfahren auf dem Substrat 12 gezüchtet, das so orientiert ist, daß es die bekannte <111B> -Kristallorientierung aufweist, die für Flussigphasenexpitaxieverfahren für Indiumgalliumarsenid gewöhnlich am besten geeignet ist. Die aufeinanderfolgenden Schichten sind zunehmend leicht mit Tellur oder einem anderen Donatordotierstoff dotiert. Die etwa 2 bis 10 % großen Schritte in der

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Indiumkonzentration, die vom Substrat 12zur Schicht 13, Schicht 14, Schicht 15 und Schicht 16 zunehmend auftreten, passen die Gitterkonstantendifferenz zwischen dem Galliuinarsenidsubstrat 12 und der absorbierenden epitaktischen Schicht 16 an, die einen Indiumgehalt von 18 % aufweist. Spezieller gesagt weist die epitaktische Einkristallschicht 16 die Formel In_n ^₀Ga_{n O}oAs auf und ist im wesentlichen un-

U, Io U, od.

dotiert oder leicht dotiert, um nicht mehr als 1 χ 10 Dona rs
toren pro cm aufzuweisen.

Dem Niederschlag der Schicht 16 folgt der Flussigphasenepitaxieniederschlag der höher dotierten p-leitenden Einkristallschicht 17, die mit Zink dotiert ist, um 1 χ 10 Akzeptoren pro cm aufzuweisen. Beispielsweise beträgt der Indiumgehalt der Schicht 17 16 % des metallischen Gehaltes und deren Dicke ist etwa 2 χ 10 ^ mm, was wesentlich kleiner ist als die Dicke der meisten epitaktischen Schichten, die unter einem Ohmschen Kontakt v/ie dem Kontakt 18 niedergeschlagen sind. Ihre Bandkantenausläufer-(bandtail)Absorption für die modulierte Strahlung bei 1,06 pn von einer Quelle 21 wird auf einem Wert gehalten, der es der Diode 11 ermöglicht, sowohl schnell als auch effizient zu sein. Nicht nur ist die Bandkantenausläuferabsorption klein, sondern dadurch werden auch die Strahlungsrekombinationsverluste in der Epitaxieschicht klein gehalten.

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Während die Kontakte 18 und 19 in den Fig. 1 und 2 mit begrenzter Fläche gezeigt sind, wäre der Kontakt 19 nach üblicherer Weise eine leitende Platte, die unter dem gesamten Substrat 12 liegt; und der Kontakt 18 wäre ringförmig oder auf andere Weise durchlässig, um die Strahlung von der Quelle 21 der Reihe nach zu den Schichten 17 und 16 durchzulassen.

Bei der Herstellung der Vorrichtung nach Fig. 1 wird jede Schicht aus einer getrennten Lösung gezüchtet, und zwar in einem horizontalen Ofen mit einem Graphitboot und einem Schieber, um das Substrat von Mulde zu Mulde zu schieben. Die grundsätzlichen Verfahrensablaufe sind auf dem Gebiet der Flüssigphasenepitaxie wohl bekannt.

Abänderungen der Standardverfahrensablaufe sind notwendig, um mit Erfolg den ternären Kristall Indiumgalliumarsenid auf dem binären Galliumarsenid-Substrat zu züchten. Man muß dafür sorgen, daß das Wachsen auf der <111B> -Kristallfläche des Substrates auftritt, um Planarität der Grenzflächen zwischen den Schichten sicherzustellen. Die Lösungen, aus denen gezüchtet wird, sind hergestellt aus exakten Zusammensetzungen, wie sie in den jeweiligen Lösungen von Indium, Gallium und Indiumarsenid gewünscht sind, wobei die Anteile geeignet sind für eine Übersättigung bei der Züchtungstemperaturj und

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das gesamte Material wird auf eine höhere Temperatur als die Züchtungstemperatur erwärmt, damit es sich vor dem Züchten der Schichten in geschmolzenem Zustand befindet.

Das Wachsen beginnt aus einer Lösung mit einer Temperatur, die spezifiziert etv/a 1° unter ihrer Flüssigkeits- oder Gleichgewichtstemperatur liegt, und somit aus einer übersättigten Lösung. Die Lösung ist übersättigt, da, wenn sie niemals auf eine höhere Temperatur erwärmt worden wäre, bei der Temperatur, bei welcher das Wachsen-beginnt, in der Lösung schwimmende Kristalle aus überschüssigem Galliumarsenid vorhanden wären..

Die drei Gitteranpassungsschichten 13, 14 und 15 sind je typischerweise 2 pm (2 χ ΙΟ"-⁵ mm) dick. Das Züchten wird bei Temperaturen nahe 850° in einer Atmosphäre aus strömendem Wasserstoffgas durchgeführt. Jede Schicht wird bei einer Temperatur gezüchtet, die etwa 2° niedriger als die der letzten Schicht liegt, so daß eine Keimbildung aus der übersättigten Lösung bei jeder Züchtungsstufe immer auf der zuvor gezüchteten Schicht beginnt.

Nach dem Züchten der Scheibe wird diese aus dem Ofen genommen, mechanisch gereinigt und dann in HCl chemisch gereinigt. Eine flache Zinkdiffusion wird in die p-Seite der Scheibe einge~ bracht, d. h., in die p-leitende Schicht 17, um den Niederschlag

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eines Ohmschen Kontaktes zu erleichtern, wie er zuvor beschrieben worden ist. Die resultierenden Photodioden 11 werden vorzugsweise so bearbeitet, daß sie nach dem Züchten einen aktiven Bereich von etwa 1 χ 10"" *" cm haben. Sie können entweder eine mesaförmige Struktur aufweisen, bei v/elcher die
Schichten 16 und 17 eine geringere Seitenabmessung haben als der Rest des Bauelementes; wenn es jedoch keine Mesastruktur aufweist, hat das gesamte Bauelement 11 typischerweise Querabmessungen von etwa 0,1 mm in jeder Richtung. Die Dicke des Substrats 12 ist typischerweise etwas geringer als 0,05 mm
und die Dicke der Schichten 13 bis 17 beträgt zusammen etwa
10 bis 20 um. Die absorbierende Schicht 16 kann 4 pm dick sein, in welchem Fall sie typischerweise mit einem Temperaturabfall von 4° C gezüchtet würde.

Es ist die Zielvorstellung, daß die modulierte Strahlung abgebende Quelle 21 typischerweise eine durch eine optische
Faser gebildete Nachrichtenübertragungsverbindung ist, die
bei etwa 1,06 um arbeitet; sie könnte jedoch auch irgendeine andere Quelle modulierter Strahlung bei etwa dieser Wellenlänge sein.

Im Betrieb liegt die spektrale Empfindlichkeit dieser Dioden im nahen Infratrot im Bereich von etwa 0,9 ium bis etwa 1,09 ium,

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wie es Kurve 40 der Fig. 3 zeigt. Auf der horizontalen Achse (Abszisse) ist die Yiellenlänge in Mikrometern abgetragen und auf der vertikalen Achse (Ordinate) die Ansprecheinpfindlichkeit in Ampere pro Watt. Die durch Kurve 40 dargestellte Kennlinie hat bei etwa 1,06 um eine Spitze und zeigt bis herab zu weniger als 1,0 Lim eine gute Empfindlichkeit. Der Dunkelstrom der Diode gemäß Fig. 1 wurde an mehreren verschiedenen Mustern über einen Temperaturbereich von 77° K bis 300° K gemessen. Der Dunkelstrom der Diode bei Raumtemperatür liegt innerhalb einer Größenordnung, dieman bei bekannten Siliciumbauelementen erhält, und er ist einige Größenordnungen besser als derjenige, den man bei bekannten Germaniumbauelementen erhält. Man darf davon ausgehen, daß dieses Dunkelstromergebnis recht bedeutsam für die potentielle Anwendung dieser Bauelemente in optische Fasern verwendenden Nachrichtenübertragungsanlagen ist.

Eine Diode, wie die nach Fig. 1 kann für Sperrspannungen von der Quelle 20, die größer als etwa 40 Volt sind, im Avalanche-(Lawinenbildungs-)Bereich betrieben werden. Dieser Sperrspan-

±1

nungsbetrag erzeugt eine Verarriungszone, die sichten größten Teil der Schicht 16 erstreckt.

Um eine Lawinenbildung unter einer optimalen Signal-zu-Rausch-

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Bedingung zu erhalten, ist es erwünscht, die Stoßionisation in der Schicht 16 durch Löcher einzuleiten.

Wenn ein Ladungsträger ausreichend hohe Energie hat, kann er bei einer Kollision, die beim normalen Durchlaufen eines im Festkörperraaterial existierenden elektrischen Feldes auftritt, ein zusätzliches Loch-Elektronen-Paar erzeugen. Bei einem elektrischen Feld von etwa 3 x 10 Volt pro cm beträgt der Abstand zwischen ionisierenden Kollisionen etwa 1 pm. Ein Elektron und ein Loch besitzen statistisch je eine sogenannte Ionisierungsschwellenwertenergie. Cewöhnlich sind diese Schwellenwertenergien für Elektronen und Löcher verschieden. Der mit besserem Wirkungsgrad ionisierende Ladungsträger hat eine niedrigere Schwellenwertenergie. Folglich erzeugt dieser Ladungsträger bei einem gegebenen elektrischen Feld mehr Elektron-Loch-Paare pro durchlaufener Kristallänge als der andere Ladungsträger. Bei der Verstärkung durch Avalanche- oder Lawinenzuwachs erhält man das beste Signal-Rausch-Verhältnis, wenn lediglich ein Ladungsträgertyp zusätzliche Elektron-Loch-Paare erzeugt. Es folgt, daß der Ladungsträger, der zum Auslösen der Ionisation ausgewählt ist, derjenige mit der niedrigeren Schwellenwertenergie oder dem höheren Ionisationskoeffizienten sein sollte. Es sei angenommen, daß dieser Ladungsträger ein Loch ist. Wenn die Sperrspannung so hoch ist, daß

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Löcher Elektron-Loch-Paare erzeugen können, jedoch so niedrig, daß Elektronen dies nicht bewirken können, dann ist die optimale Bedingung zum Erhalt einer Avalanche-Verstärkung erreicht.

Die vorstehende Reihe von Bedingungen stellt keine Eigentümlichkeit für eine Lawinenbildung durch Löcher dar oder für die Verwendung von n-leitandern Material, in welchem eine Lawinen-Verstärkung auftritt. Somit würde bei einem Material, in dem Elektronen am wirksamsten eine Stoßionisation erzeugen können und deshalb die niedrigste Stoßionisationsschwellenwertenergie haben, das Bauelement ebenfalls so vorgespannt, daß in der Verarmungszone lediglich Elektronen Elektron-Loch-Paare und somit eine Avalanche-Verstärkung erzeugen könnten. Wie man nachfolgend sehen wird, ist dies der Fall für die im folgenden beschriebenen Galliumarsenidantomonid-Bauelemente.

Für eine gegebene Sperrvorspannung ist das Erfordernis für ein maximales Signal/Rausch-Verhältnis, daß der am wirksamsten ionisierende Ladungsträger, nämlich derjenige mit der niedrigsten Stoßionisationsschwellenwertenergie, von selbst aus in die Hochfeld-Verarmungszone gelangt. Auf diese Weise kann auf den zur Ionisationsauslösung geeigneten Ladungsträger die maximale elektrische Feldstärke einwirken, die am Übergangsrand auftritt; und eine relativ geringe Stoßionisa-

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tion wird verursacht durch die Majoritätsladungsträger, die beim Lawinenbildungsvorgang relativ nahe an demjenigen Teil der Verarmungszone mit der höchsten Feldstärke erzeugt werden. Deshalb wird durch die Lawiiienbildung durch die weniger wirkungsvollen Ladungsträger wenig Rauschen erzeugt.

Bei der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 2 bleiben die Vorspannungsquelle 20, abgesehen von der Polarität, und die modulierte Strahlung liefernde Quelle 21 die gleichen wie in Fig. 1. Die Diode 31 ist durch Abänderungen der Dotierung der verschiedenen epitaktischen Schicht so modifiziert, daß die absorbierende Zone nun in p-leitendes Material in einer InQ .nGa₀ οpAs-Epitaxieschicht 36 gelegt werden kann, die sehr schwach mit Zink dotiert ist, um Dioden mit einer effektiven Ladungsträgerkonzentration von etwa 1 χ 10 Löchern pro cm zu erzeugen. Ein p-leitendes Galliumarsenid-

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substrat 32, das zinkdotiert ist auf 1 χ 10 Löcher pro cm, kann dabei verwendet werden; und die dazwischenliegenden abgestuften Anpaßschichten 33 bis 35 sind typischerweise mit Zink so dotiert, daß die Konzentrationen zur Schicht 36 hin abnehmen. Die epitaktische Fensterschicht 37 ist dann n-leitendes In_Q ^gGa_{0 8}^As, das mit Tellur so dotiert ist, daß

18 es eine Elektronenladungsträgerkonzentration von etwa 1 χ 10 pro cnr auf v/eist.

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Nichtsdestoweniger handelt es sich bei der Anordnung nach Fig. 2 nicht um die bevorzugte Struktur für eine erfindungsgemäße Photodiode, da die Verarmungszone nun in der Schicht 36 auftritt; und die wirksamste Ladungsträgerionisation wird noch immer durch Löcher ausgeführt, die nun die Majoritätsladungsträger der Schicht 36 sind. Deshalb ist zu erwarten, daß der Rauschpegel der Diode 31 nach Fig. 2 höher als derjenige der Diode 11 gemäß Fig. 1 ist. Die unterschiedliche Struktur der Diode gemäß Fig. 2 dient hauptsächlich der Veranschaulichung, um zu zeigen, daß die Rollen der Schichten umgekehrt werden können, wo dies geeignet ist, und tatsächlich kann dies der Fall sein für anstelle von Indiumgalliumarsenid verwendetes Galliumarsenidantimonid, da in Galliumarsenidantimonid die für eine Ionisierung wirksamsten Ladungsträger die Elektronen sind. In jedem Fall ist es gewöhnlich vorzuziehen, daß der Leitfähigkeitstyp der absorbierenden Schicht so gewählt wird, daß die Minoritätsladungsträger die wirksamsten Ladungsträger für eine Avalancheionisierung sind.

Die modifizierte Ausführungsform der Fig. 4A und 4B zeigt im Detail, wie das Bauelement aufgebaut ist, damit es die sogenannte Direktkonfiguration aufweist und nicht die invertierte Konfiguration, bei welcher das einfallende modulierte Licht durch das Substrat eintrifft.

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Das η-leitende Galliumarsenidsubstrat, wie das in Fig. 1, ist auf einen Zirn-Nickel-Gold-Kontakt 59 legiert, bei dem es sich um einen Ohmschen Kontakt wesentlicher Dicke handelt, da er nicht die auftreffende Strahlung durchzulassen braucht. Auf dem etwa 0,05 mm dicken Substrat 52 ist eine mesaartige Struktur errichtet, und zwar durch Niederschlagen zunächst der abgestuften Anpaßschichten 53 bis ^ wie zuvor, wobei der Indiumgehalt für jede Schicht 8 %, 12 % bzw. 16 % des metallischen Anteils ist. Die Schichten 53 bis 55 haben $e effektive Elektronenladungsträgerkonzentrationen von 2 χ 10 cm" . Dann werden die oberen beiden epitaktischen Einkristallschichten 56 und 57 in mesaartiger Konfiguration niedergeschlagen, und zwar mit den selben Konzentrationen an Indium und Dotierstoffen, wie sie die entsprechenden Schichten 16 und 17 in Fig. 1 aufweisen. In diesem Fall ist die seitliche Abmessung der Schichten 56 und 57 wesentlich kleiner als diejenige des darunterliegenden Substrates 52 und der epitaktischen Schichten 53 bis 55, wobei das Substrat 52 Seitenabmessungen von 0,5 mm χ 0,5 mm aufweist. Der effektive Aufnahmebereich der epitaktischen Schicht 57 innerhalb des ring-

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förmigen Kontaktes 58 ist etwa 1 χ 10 cm und weist generell Kreisform auf. Der ringförmige Goldkontakt 58 ist durch bekannte Aufdampfmethoden niedergeschlagen, und zwar mit Hilfe von Hasken, die anschließend entfernt worden sind. Ein

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Schutzring 60 aus isolierendem dielektrischem Material, wie Siliciumdioxid, ist rund um die Hesastruktur niedergeschlagen. Die generell kreisförmige Art aller Niederschläge oberhalb der letzten Schicht 55 der abgestuften Schichten erkennt man leicht in der Draufsicht der Fig. 4B.

Für die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4A dürfte es wieder klar sein, daß die p-leitende Fensterschicht 57 einen ausreichend größeren Energiebandabstand aufgrund ihrer niedrigeren Indiumkonzentration und eine ausreichend geringe Dicke, kleiner als 2 χ 10 mm, aufweist, um eine vernachlässigbare Bandkantenausläuferabsoi'ption zu haben und somit bei 1,06 um transparent zu sein.

Das auftreffende 1,06 um-Licht wird stark in der n-leitenden Epitaxieschicht 56 absorbiert, in der der Indiumanteil 18 % des Metallgehaltes ist. Das Licht wird absorbiert durch Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in der Verarmungsschicht, und zwar in der Nähe des HeteroÜbergangs 61, wobei die Verarmungsschicht prinzipiell auf der η-Seite des HeteroÜbergangs liegt. Diese Paare diffundieren bezüglich des Übergangs in entgegengesetzte Richtungen, die Elektronen zur η-leitenden Seite und die Löcher zur p-leitenden Seite. Beim Vorhandensein der relativ starken Sperrvorspannung, beispielsweise 40 Volt, von der Quelle 20 können diese Photoladungsträger unelastische

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Stöße erzeugen, bei denen der Energieverlust durch Ionisierung von mehr Ladungsträgern aufgenommen wird, so daß das Signal verstärkt wird.

Der Schutzring 60 unterdrückt unerwünschte Leckströme oder Entladungen an Sprungstellen im Bereich der Bauelementegrenzen, da ein Leckstrom oder eine Entladung zu einem Kurzschließen des HeteroÜbergangs 61 führen könnte.

Die Energiebandstruktur der die Gleichrichteigenschaften des Bauelementes erzeugenden verschiedenen Schichten sind in den Energie-Distanz-Kurven der Fig. 5 gezeigt. Kurven 71 bis 74-zeigen das, was gewöhnlich die Potentialbarriere in der Nachbarschaft des HeteroÜbergangs genannt wird. Die horizontale Achse, die Abszisse, zeigt den Abstand senkrecht zum Übergang 61 von der Oberfläche der Schicht 57 aus, bei welcher Energie aufgenommen wird. Die Kurven 71 bis Ik beginnen sich an demjenigen Punkt zu krümmen, an welchem die Verarmungszone beginnt. Tatsächlich zeigt die durch die Kurven 72 und 74-dargestellte Löchercharakteristik eine Spitze in der Nähe des HeteroÜbergangs 61. Die Kurven 71 und 73 für die Elektronen zeigen in der Nähe des HeteroÜbergangs lein ähnliches Verhalten, sondern senken sich kontinuierlich und monoton ab,

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"bis die hochdotierten η-leitenden Zonen erreicht sind. Der Abstand zwischen den Kurven 71 und 72 repräsentiert den Energiebandabstand des Materials am betreffenden Punkt des Kristalls, und der Abstand zwischen den gestrichelt gezeichneten Kurven 73 und 74 repräsentiert den Abstand der sogenannten Quasi-Fermi-Energienivcaus für die jeweiligen Ladungsträger. Der Ordinatenwert der Kurve 74 an der äußeren Oberfläche der Schicht 57 ist mit QpTv₁ bezeichnet, wobei der untere Index für das Quasi-Fermi-Niveau der Löcher steht, wie es auf der Ordinate der Fig. 5 angegeben ist. Die Sperrvorspannung der Diode ist ebenfalls entlang der Ordinate dargestellt. Man sieht, daß sich diese Sperrvorspannung zwischen dem Niveau Qpjv, und einem Punkt erstreckt, der kurz vor der maximalen Energie der Löcher in der Nähe des Übergangs liegt. Die generelle Form der Kurven 71 bis 74 gilt auch für die anderen Ausführungsformen,

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist In Ga. _vAs durch Sb ersetzt. Das Substrat 82 ist wiederum einkri^ \Sb

stallines GaAs, das zum Erhalt einer p-Leitfähigkeit mit Zink dotiert ist, und zwar mit einer Konzentration von 1 χ 10 Akzeptoren pro cm , was zu etwa 1 χ 10 Löchern

■χ

pro cm führt. Die Anpaßschichten 83, 84 und 85 sind ebenfalls alle p-leitend, enthalten jedoch unterschiedliche Anteile Antimon (Sb).

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Für die Schicht 83 ist das χ in der vorausgehenden Formel 0,025 und das (1-x) ist 0,975. Das Züchten dieser Schicht wird bei etwa 798° C begonnen, nachdem der gesamte Ofen auf anfangs 800° C erwärmt \d rden ist. Das Wachsen geschieht aus einer Lösung mit Ga, Sb und übermäßig viel GaAs, um Sättigung sicherzustellen. Eine Übersättigung ist nicht erforderlich; somit beginnt das ¥achsen bei einer Temperatur, die sehr dicht bei 800° C liegt, bei welchen alle Komponenten der aufeinanderfolgenden Lösungen geschmolzen sind,

Die Schicht 84 wird mit χ = 0,058 und entsprechend mit (i-x) = 0,942 gezüchtet, und das Wachsen beginnt bei etwa 796° C.

Die Schicht 85 wird mit χ = 0,093 und (1-x) = 0,907 gezüchtet. Das Wachsen beginnt bei etwa 794° C.

Jede der Schichten 83 bis 85 ist mit Germanium dotiert, wobei die Konzentrationen in Richtung auf die Schicht 86 abnehmen.

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Beispielsweise weist die Schicht 83 etwa 2 χ 10 Ladungsträger pro cm auf. Jede der Schichten 83 bis 85 ist etwa

dick.

Die absorbierende Schicht 87 ist mit χ = 0,13 und (1-x) = 0,87 gezüchtet; und das Wachsen beginnt bei etwa 790° C. Als Folge

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des größeren Temperatursprungs wird eine Schicht 86 mit· einer Dicke von etv/a 4 pn gezüchtet. Die Schicht 86 ist ebenfalls sehr schwach mit Germanium dotiert, um etwa 1 χ 10 Löcher pro cm zu erzeugen.

Die obere Schicht 87 ist mit χ = 0,093 und (1-x) = 0,907 gezüchtet, und zwar bei einer Temperatur von etwa 788° C, so daß eine Schicht 87 mit einer Dicke von etv/a 2 ran gebildet ist. Die Schicht 87 ist zum Erhalt einer n-Leitffj.higke.it mit Tellur dotiert, und zwar mit einer effektiven Eloktronenladun^G-

18 ^ trägerkonzentration von etwa 2 χ 10 pro cm . Beim Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 6 findet man, daß diese Modifikation des Bauelementes nach Fig. 1 die Avalanche-Hetcrodiode mit der höchsten Empfindlichkeit ergibt, die bisher von der Anmelderin hergestellt worden ist. Der gemessene Wert für die Verstärkung ist 500.

Es ist natürlich möglich, durch Änderung des Leitfähigkeitstyps aller dieser Schichten ein GaAs /., \Sb -Bauelement mit schlechterem Signal-zu-Rausch-Verhältnis herzustellen. Das resultierende Bauelement würde Dotierstoffe und Leitfähigkeitstypen der Schichten umfassen, v/ie sie in Fig. 1 für In/,j___x\Ga_xAs gezeigt sind, mit der Ausnahme, daß die p-leitende Schicht 97 vorzugsweise mit Germanium dotiert wäre; dieses Bauelement wäre jedoch in seiner Leistungsfähigkeit gegen-

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über der Ausführungsform nach Fig. 6 verschlechtert, genauso wie die Ausführungsform der Fig. 2 in ihrer Leistungsfähigkeit gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 verschlechtert Y/ar. Grundsätzlich würde der Rauschpegel bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ansteigen, da sowohl Elektronen als auch Löcher bei der Lawinenbildung in der Zone 96 beteiligt wären.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 kann zur Erzeugung eines raesaartigen Bauelementes mit Schutzring in der gleichen Weise modifiziert werden, wie die Ausführungsform nach Fig. 1 durch diejenige der Fig. 4 modifiziert worden ist. Diese modifizierte Ausführungsform einer GaAs/^ __\Sb -Avalanche-Heteroübergangsphotodiode ist in den Fig. 8A und 8B gezeigt. Die Dotier- und Züchtschritte sind dieselben wie für das Bauelement nach Fig. 6; jedoch wird der physikalische Aufbau der Schichten und des Schutzrings so ausgeführt, wie er zuvor für die Ausführungsform nach Fig. 4A und 4B beschrieben worden ist.

Obwohl dies nicht speziell gezeigt ist, kann die Absorptionszone dadurch von der Verarmungszone vollständig getrennt werden, daß der pn-übergang aus demselben Material gebildet wird. So kann beispielsweise die n-Schicht 16 in Fig. 1 einen ersten Teil undotierten In Ga, As-Materials umfassen, das

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unmittelbar an die Zn-dotierte In Ga- As-Schicht 17 angrenzt, sowie einen zweiten Teil undotierten In Ga, As-Haterials, wobei x>y ist* Diese Anordnung wird vorteilhafterweise verwendet, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in der Avalanche-Verstärkung dadurch weiter zu verbessern, daß aus der Verarmungszone der Ladungsträger mit dem niedrigeren lonisierungskoeffizienten vollständig ausgeschlossen wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wären dies die Elektronen=

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMj£(§*? ^ 3 £ ZWIRNER . HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadeckestraSe 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/551998 Telex 04-186237 Western Electric Company, Incorporated Nahory 5-1-4 P a tent a η s ρ r ü c h e

1.yHeteroübergangsphotodetektor rait einer Einkristallsubstrat-Struktur aus III-V-Legierungsmaterial, mit. einer auf einer Seite von der Substratstruktur gehaltenen ersten Schicht aus einem III-V-Legierungsmaterial, mit einer zweiten Schicht aus einem III-V-Legierungsmaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die mit der anderen Seite der ersten Schicht einen pn-übergang bildet, und mit Elektroden, die mit der zweiten Schicht und der Substratstruktur verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Minoritätsladungsträger in der ersten Schicht (16) für dieses III-V-Legierungsmaterial den höheren Ionisierungskoeffizienten haben und daß der Kontakt (18) auf der zweiten Schicht (17) derart beschaffen ist, daß er den

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München: Kramer · Dr.Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach ■ Dr. Bergen · Zwirner

OFiWHNAL INSPECTED

Durchtritt auffallender Strahlung der interessierenden Wellenlänge zur zweiten Schicht (17) und durch diese hindurch und in die erste Schicht (16), in welcher diese Strahlung absorbiert wird, hinein erlaubt.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten und der zweiten Schicht um epitaktische Schichten aus III-V-Halbleiterlegierungen handelt, welche dieselben Elemente der Gruppe III und der Gruppe V enthalten, jedoch von wenigstens zwei dieser Elemente unterschiedliche Anteile in einem Ausmaß, das ausreicht, um die Gesamtabsorption der zweiten Epitaxieschicht für die festzustellenden Photonen vernachlässigbar zu machen, wobei es sich bei der Absorption primär um' die Bandkantenausläuferabsorption der zweiten Epitaxieschicht handelt.

3. Photodetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die III-V-Legierungen, welche die erste und die zweite Schicht enthalten, ternäre Halbleiterlegierungen mit zwei Metallen aus der Gruppe III sind.

4. Photodetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlegierung en, welche

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die erste und die zweite Schicht enthalten, In_xGaZ_1- \As bzw. In Ga/,. \As sind,, wobei y wenigstens etwa 0,02 kleiner als χ ist.

5. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Substratstruktur (12 - 15) mehrere abgestufte Anpaßschichten (13 - 15) umfaßt, die zwischen einem Substrat (12) und der ersten Schicht (16) angeordnet sind.

6. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlegierungen, welche die erste und die zweite Schicht enthalten, GaAs/^ __\ Sb_x und GaAs/,.ν Sb sind, wobei y wenigstens 0,02 kleiner als χ ist.

7. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht einen ersten und einen zweiten Teil des gleichen Leitfähigkeitstyps umfaßt, daß der erste Teil, der die zweite Schicht berührt, die gleiche chemische Zusammensetzung wie die zweite Schicht, jedoch entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, hat und somit mit der zweiten Schicht einen pn-übergang bildet, und daß

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262Α348

der zweite Teil, der sich zwischen dem ersten Teil und
der Substratstruktur befindet, eine vom ersten Teil verschiedene chemische Zusammensetzung aufweist und bei der

interessierenden Wellenlänge als Absorber dient.

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