DE2803203A1

DE2803203A1 - Phototransistor

Info

Publication number: DE2803203A1
Application number: DE19782803203
Authority: DE
Inventors: Gabriel Lorimer Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-01-26
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1978-07-27
Also published as: NL7800693A; CA1086411A; JPS5393882A; FR2379170B1; BE863197A; GB1576177A; US4107721A; FR2379170A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung befaßt sich mit Halbleiterphotodotektoren mit hoher Empfindlichkeit bei niedriger Lichtintensität.

Die Möglichkeiten erhöhter Nachrichtenübertragungskapazität und kleinerer Abmessungen, im Vergleich zu derzeitigen Nachrichtenübertragungsanlagen, haben zu ernsthaften Erwägungen hinsichtlich der Möglichkeit optischer Nachrichtenübertragungsanlagen geführt. Für derzeit in Erwägung gezogene Anlagen, bei denen Glasübertragungsleitungen benutzt werden, ist zur Umwandlung optischer Energie in elektrischen Strom ein Photodetektor erforderlich, der notwendigerweise mit den speziellen Abmessungen und Kosten und mit den Frequenzgang- und Empfindlichkeitsanforderungen, die durch andere Systemkomponenten auferlegt sind, kompatibel oder verträglich sein muß. Halbleiterstrahlungsdetektoren scheinen in der Lage zu sein, die für die Photodetektoren geltenden Systemanforderungen zu erfüllen.

Bei Halbleiterstrahlungsdetektoren, einschließlich jenen, welche gegenüber optischer Strahlung empfindlich sind und Photo-

detektoren genannt werden, tritt die einfallende Strahlung mit dem Halbleitermaterial in Wechselwirkung und erzeugt freie Ladungen, beispielsweise Elektron-Loch-Paare, die zum Nachweis des Vorhandenseins einfallender Strahlung dienen können, wenn der Strahlungsdetektor in geeigneter Weise mit einer äußeren Schaltung verbunden is~c und ein Strom fließt, der proportional zur Intensität der auftreffenden Strahlung ist. Eine wirksame Feststellung der freien Ladungen wird durch die Verwendung eines in Sperrichtung vorgespannten pn-Ubergangs erleichtert. Zu den wichtigen Merkmalen dieses Übergangs gehört eine Absorptionszone, in der die einfallende Strahlung mit dem Halbleitermaterial in Wechselwirkung tritt, und eine Verarmungszone mit einem hohen elektrischen Feld, das auf der η-Seite des Übergangs durch unbewegliche, positiv geladene Donatoratome und auf der p-Seite des Übergangs durch unbewegliche, negativ geladene Akzeptoratome erzeugt wird. Photodetektoren dieser Art, die zur Verwendung bei optischer Nachrichtenübertragung in Erwägung gezogen werden, umfassen p-i-n-Photodioden, Lawinendurchbruchphotodioden und Phototransistoren.

Alle bekannten Vorrichtungen dieser Arten besitzen bei der Verwendung für optische Nachrichtenübertragung Nachteile. Optische Übertragungsleitungen führen Licht niedriger Intensität, und der Strom von einer p-i-n-Photodiode ist entsprechend klein

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und erfordert eine Verstärkung, was aufgrund des thermischen Rauschens, das dem Verstärker unvermeidlich anhaftet, die erreichbare äußerste Empfindlichkeit ernsthaft beschränkt. Eine Lawinendurchbruchphotodiode (auch Avalanche-Photodiode genannt) beseitigt diese Empfindlichkeitsbeschränkung zum Teil durch innere Verstärkung. Die innere Verstärkung erfordert jedoch sowohl eine hohe Spannung als auch entweder eine Temperaturkompensation oder eine automatische Verstärkungssteuerung, um zu verhindern, daß sich das Detektorausgangssignal mit Änderungen der Umgebungstemperatur ändert. Phototransistoren sind bisher für eine Verwendung in optischen Nachrichtenübertragungsanlagen nicht ernsthaft in Erwägung gezogen worden wie p-i-n- und Lawinendurchbruchphotodioden, da man dachte, daß ihre Ansprechzeiten für die in Betracht gezogenen hohen Datenfolgefrequenzen, beispielsweise 50 Mbit/s, zu langsam sind, und da man dachte, daß ihre hohen Kapazitäten eine zu starke Begrenzung für das erhältliche Rauschverhalten mit sich bringen. Diese Beschränkungen haben Phototransistoren in optischen Nachrichtenübertragungsanlagen weniger erwünscht gemacht als entweder p-i-n- oder Lawinendurchbruchphotodioden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile dieser bisherigen Halbleiterstrahlungsdetektoren, insbesondere Photodetektoren, zu überwinden.

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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet.

Gemäß vorliegender Erfindung arbeitet ein Phototransistor mit einer Kollektor-, einer Basis- und einer Emitterzone ohne direkten Basiskontakt (und ohne die zu einem solchen Kontakt gehörige Kapazität), wobei jedoch der Transistorarbeitspunkt durch eine Vorspannung der Basis bestimmt wird, die typischerweise mit einem Strom geschieht, der in den Transistor über eine Zone injiziert wird, die Vorspannemitter genannt wird und im Kollektor außerhalb der Verarmungsschicht liegt. Es können jedoch auch andere Methoden verwendet werden, wie eine lichtemittierende Hilfsdiode (LED). Der Phototransistor kann mit Spannungen betrieben werden, die nur 20 Volt betragen, und mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit, die bei einer Bitfolgefrequenz von 50 Mbit/s weniger als 10 ^ beträgt. Dieses Verhalten kann mit weniger als 1000 Photonen pro Bit verwirklicht werden, wenn der Basisdurchmesser kleiner als 10 Mikrometer ist, was mit derzeitigen Methoden leicht erreicht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines neuen Phototransistors;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung des neuen Phototransistors; und

Fig. 3 eine zur Aufrechterhaltung des gewünschten Vorspann-

stroms verwendbare repräsentative Schaltung.

Ein Querschnitt einer Ausführungsform des neuen Phototransistors ist in Fig. 1 gezeigt. Ein η-leitender. Substrat 1 mit niedrigem spezifischen Widerstand ist mit einer η-leitenden Schicht 3 hohen spezifischen Widerstandes bedeckt, die den Kollektor bildet. Innerhalb der Schicht 3 befinden sich eine p-leitende Zone 5, welche die Basis bildet, eine η -Zone 7, die den Emitter bildet, und eine ρ -Zone 9, die Vorspannemitter genannt wird. Der Vorspannemitter befindet sich innerhalb einiger Diffusionslängen einer Verarmungsschicht 21, jedoch außerhalb der Verarmungsschicht 21, die vorhanden ist, wenn der von den Zonen 3 und 5 gebildete Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. Der Vorspannemitter ist eine Stromquelle für einen zur Basis fliessenden Strom. Elektrische Kontakte 11, 13 und 15 sind mit dem η-leitenden Substrat, dem Emitter bzw. dem Vorspannemitter verbunden. Außer in den Öffnungen für die erwünschtermaßen lichtdurchlässigen elektrischen Kontakte bedeckt eine Oxidschicht 17 die obere Oberfläche der Schicht 3. Während des Betriebs des Phototransistors ist das Ende einer optischen Faser 19 dicht beim Emitter 7 angeordnet. Wenn der zwischen den Zonen 3 und

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gebildete pn-übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, bildet sich eine im wesentlichen halbkugelförmige Verarmungsschicht 21, wie sie in der Kollektorzone gezeigt ist.

Ein Symbol für den Phototransistor ist in Fig. 2 gezeigt.

Die Herstellung des Photοtransistors kann mit herkömmlichen Halbleiterbauelemente-Herstellungsmethoden durchgeführt werden. Beispielsweise wird auf dem Substrat 1 eine epitaktische Schicht gezüchtet und dann der Reihe nach mit einer Siliciuraoxidschicht und einer Photoresistschicht (Schicht aus lichtempfindlichem Lack) beschichtet. Ausgewählte Bereiche der Photoresistschicht werden belichtet. Dann werden in der Photoresistschicht und der darunterliegenden Oxidschicht Fenster geöffnet. Die freiliegenden Bereiche der Schicht 3 werden dann in geeigneter Weise dotiert, beispielsweise mibtels Diffusion, um die Basiszone und so weiter zu erzeugen. Da die gesamte gewünschte Dotierung im allgemeinen nicht durch einen Satz Fenster hindurch vorgenommen werden kann, wird die Verarbeitungsschrittfolge bei der Herstellung im allgemeinen einige Male wiederholt. Der letzte Herstellungsschritt besteht gewöhnlich im Aufbringen der elektrischen Kontakte, von denen der Emitterkontakt wünschenswerterweise gegenüber dem von der optischen Faser übertragenen Licht transparent ist, um den Wirkungsgrad der Nachrichtenübertragungsanlage optimal zu machen. Für den Phototransistor können

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irgendwelche der herkömmlichen Halbleitermaterialien, beispielsweise Silicium, Germanium, Indiumarsenid oder andere HI-V-Verbindungen, benutzt werden, obwohl einige Materialien anderen zu bevorzugen sind, wenn die Wellenlängen des übertragenen Lichtes berücksichtigt werden.

Bekanntlich sind die Halbleiter-Strahlungsabsorptionskoeffizienten Funktionen sowohl des Halbleitermaterials als auch der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung. Folglich hängt das gewählte Halbleitermaterial von der Wellenlänge der übertragenen Strahlung ab. Das ausgewählte Material wie auch die Arbeitsspannungon und Dotierungskonzentrationen bestimmen die Abmaße der Absorptionnzone und der Verarmungsschicht, in welcher die Strahlung erwünschtermaßen absorbiert wird, um eine rasche Reaktion vom Phototransistor zu erhalten. Für einen aus Silicium hergestellten Phototransistor sind typische Dotierungswerte 10 /cnr für das Substrat, 6 χ 10¹³/cm⁵ für die epitaktische Schicht, 10¹⁷/cm⁵ für die Basis, 10¹⁹/cm⁵ für den Emitter und 1O¹ /cnr⁵ für den Vorspannemitter.

Während die Arbeitsweise des beschriebenen Phototransistors grundsätzlich die gleiche wie die herkömmlicher Phototransistoren ist, die entweder mit einer (potentialmäßig) schwimmenden (potentialmäßig nicht festgelegten) Basis arbeiten oder bei denen der Transistorarbeitspunkt durch einen direkten elektrischen

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Basiskontakt bestimmt ist, unterscheidet sie sich wesentlich darin, daß der Arbeitspunkt ohne einen direkten Basiskontakt definiert ist, sondern vielmehr durch kontaktlose Maßnahmen. Diese Maßnahmen können einen Stromfluß vorn Vorspannemitter zur Basis aufweisen, wie bei der beschriebenen Ausführungsfora, oder eine Hilfslichtquelle, wie eine Lichtemissionsdiode (LED) Aireiche die Vorrichtung beleuchtet und Elektron-Loch-Paare erzeugt, die dann den Transistorarbeitspunkt bestimmen. Man kenn sich auch leicht andere Lichtquellen vorstellen. Eine Festlegung des Arbeitspunktes durch eine dieser Maßnahmen eliminiert den direkten Basiskontakt, der zuvor benötigt wurde, um die Basis vorzuspannen, und der die Fehlerwahrscheinlichkeit oder Transistorempfindlichkeit verschlechtert, und zwar aufgrund der Kapazität, die dem Basiskontakt unvermeidlich beigeordnet ist.

Die Photonen, welche die durch die Glasübertragungsleitung eilanden Lichtimpulse bilden, werden erwünschtermaßen in der Kollektorverarmungsschicht absorbiert, wenn das Halbleitermaterial und die Sperrvorspannung geeignet gewählt sind, wo sie Elektron-Loch-Paare erzeugen. Die Löcher bewegen sich zur Basis und bringen den Emitter dazu, zusätzliche Elektronen zu injizieren, deren Zahl durch die Stromverstärkung des Transistoraufbaus bestimmt ist. Der Emitterstrom gibt eine Anzeige für das Vorhandensein der einfallenden Strahlung.

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Für die Dotierungswerte der beschriebenen Ausführungsform sind typische Basis-Emitter-Kapazitäten 0,1 pf für eine 10jum-Emitteröffnung und 0,001 pf für eine I^m-Emitteröffnung. Öffnungen mit dazwischenliegender Größe ergeben dazwischenliegende Kapazitäten. 20 Volt erzeugen eine angemessene Sperrvorspannung und eine vernünftige Ladungssammelzeit, und eine Dicke des Si von 20 um stellt eine angelassene Absorption der einfallenden Strahlung sicher. Der Vorspannemitter ist innerhalb weniger, vorzugsweise weniger als 5, Diffusionslängen vom Rand der KoI-lektorverarmungsschicht 21 aus angeordnet.

Die Zahl der pro Zeitintervall benötigten Photoelektronen, wobei ein Photoelektron pro Photon angenommen ist, variiert von

■χ ρ

10^ bis 10 für eine Fehlerwahrscheinlichkeit von weniger als

_q
10 , wobei die kleinere Anzahl Photoelektronen für die kleinere Öffnung benötigt wird. Die Zahl der benötigten Photoelektronen reduziert sich, wenn die Anforderung an die Fehlerwahrscheinlichkeit verringert wird, und sie erhöht sich, wenn die Anforderung strenger gemacht wird.

Den beschriebenen Phototransistoraufbau versteht man besser, wenn die bei der Signalfeststellung im Spiel befindlichen Betrachtungen kurz diskutiert werden. In irgendeinem gegebenen Zeitintervall hängt die Signalfeststellung vom Vorhandensein von genügend Photoelektronen ab, um eine Entscheidung der Detek-

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toranordnung zwischen dem Vorhandensein und Nichtvorhandensein eines Signals zuzulassen. Eine einfache Feststellung von Elektronen reicht nicht aus, um eine solche Unterscheidung zuzulassen, da immer Rauschelektronen vorhanden sind und daher eine Ungewißheit besteht, da sich die Photoelektronenzahl von Signal zu Signal ändert, je nachdem, ob die Elektronen Photooder Rauschelektronen sind und ob ein Signal vorhanden ist. Diese Ungewißheit, die gewöhnlich als eine Fehlerwahrseheinlichkeit ausgedrückt wird, oder die Anzahl Male, bei denen eine unrichtige Bestimmung durchgeführt wird, kann reduziert werden, indem ein Detektorsystem geschaffen wird, das weniger Photoelektronen für eine gegebene Fehlerwahrscheinlichkeit benötigt, d. h., indem ein Photodetektor mit einem höheren Signal/Rausch-Verhältnis für die gleiche Anzahl einfallender Photonen geschaffen wird.

Das Gesamtsystemrauschen kann in Parallelrauschen und Serienrauschen oder thermisches (Johnson-) Rauschen getrennt werden. Bei einem Photodetektor, der in der Serienrauschgrenze arbeitet, wie er es normalerweise tut, ist die pro Zeitintervall für eine gegebene Fehlerwahrscheinlichkeit benötigte Photoelektronenzahl ein Vielfaches des Produktes der Serienrauschspektraldichte, der Systemkapazität und der Quadratwurzel der Bitzahl pro Zeitintervall. Ein Basiskontakt, der zur Festlegung des Transistorarbeitspunktes hergestellt worden ist, verschlechtert unvermeid-

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lieh das Signal/Rausch-Verhältnis, und zwar aufgrund der durch . diesen Basiskontakt hinzugefügten Kapazität. Die Systemkapazität wird jedoch nicht erhöht, wenn man den Transistorarbeitspunkt ohne einen direkten Basiskontakt festlegt, wie es erfindungsgemäß geschieht.

Der optimale Vorspannstrom, d. h., der Strom vom Vorspannemitter zur Basis, kann, wenn man ein Eingangssignal mit im wesentlichen Deltafunktion annimmt, folgendermaßen berechnet werden. Wenn der Basisvorspannstrom I_ß ist und der Transistor eine Niederfrequenz-Stromverstärkung ß besitzt, ist der Emitterstrom Ig = ßl-g. Der

1 KQ 1 Serienrauschwiderstand ist R_g = ■£ — -gj- . und der Parallel-

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rauschwiderstand ist R_ = -—·=?--. Dabei bedeuten K die Boltzmann-

P q J-B

Konstante;, θ die absolute Temperatur und q die Elektronenladung. Es wird angenommen, daß die Ladungssamraelzeit klein im Vergleich zum Bitabstand ist. Die Rauschknick-(noise corner)Zeitkonstante, d. h., die Winkelfrequenz, bei welcher der Serien- und der Parallelrauschanteil gleich sind, ist T = cJlLR , wobei C^ die Gesamtkapazität ist. Venn T₀ zu Tg/2 gewählt wird, wobei Tg die Dauer eines einzigen Zeitintervalls ist, ist der optimale

T F\?
Vorspannstrom I_ß = V^= . Sind beispielsweise C_T = 0,1 pf, ß = 100 und die Bitfolgefrequenz 50 Mbit/s, beträgt der Basisstrom 40 nA und der Emitterstrom 4 uA. Abweichungen vom optimalen Vorspannstrom führen zu einer gewissen Verschlechterung des

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Systemverhaltens, und das Gesamtrauschen nimmt zu. Das normierte mittlere quadratische Rauschen verdoppelt sich etwa, wenn sich der Vorspannstrom um einen Faktor 4 gegenüber dem Optimalwert erhöht oder verringert. Anders gewählte Werte für T bewirken lediglich kleine Änderungen des endgültigen Signal/ Rausch-Verhältnisses.

Eine einfache Rückkopplungsschaltung zur Aufrechterhaltung des Vorspannstroms auf dem gewünschten Wert ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Verstärker A und R-jC^ bilden einen hochschnellen Integrator, während R₂C₂ den maßgebenden Niederfrequenzpol enthält, der über viele Zeitkanäle mittelt.

Es mag unmöglich sein, die Vorspannbedingung für sehr helle Lichtquellen, d. h., eine große Anzahl von Photoelektronen, aufrechtzuerhalten. Dies ist jedoch nicht wichtig, da das Signal/ Rausch-Verhältnis für helle Quellen groß ist. Der spezifische Widerstand der Kollektorzone muß genügend groß sein, um die Lawinendurchbruchverstärkung in der Kollektorzone niedriger als 1/ß zu halten, um Kipp- oder Relaxationsschwingungen zu vermeiden. Bei sehr niedrigen Datenfolgefrequenzen mögen speziell hergestellte Vorrichtungen erforderlich sein, um für Emitterströme von weniger als 0,1 uA vernünftige ß-Werte aufrechtzuerhalten. Der Phototransistor erscheint daher, mindestens bei den derzeitigen Methoden, besonders für hohe Daten- oder Bitfolgefrequenzen

geeignet.

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Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform besitzt einen einzigen elektrischen Emitterkontakt, der zur Absorptionsverringerung vorzugsweise transparent ist. Es sind andere Geometrien möglich, obwohl diese typischerweise eine gewisse Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses verursachen. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Streifen verwendet werden, die körperlich voneinander getrennt sind, deren Emitterzonen jedoch elektrisch verbunden sind. Die Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses aufgrund der vergrößerten Emitterkontaktfläche ist kleiner, als man anfangs erwartet, da die einzige Kapazität, die das Signal/Rausch-Verhätnis verschlechtert, die Kapazität des Streifens :^:.st, auf dem sich Ladung sammelt. Die größere Emitterfläche, welche diese Geometrie zuläßt, erleichtert das Ausrichten des Phototransistors gegenüber der optischen Faser. Wird mehr Emitterfläche von Kontakten bedeckt, wird jedoch die Verwendung transparenter elektrischer Kontakte, wie solcher Kontakte, die aus Indiumzinnoxid hergestellt sind, stärker wünschenswert. Andere Ausführungsformen, wie fleckförmige, kann man sich leicht vorstellen.

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Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Miller 12

Phototransistor

Pat antansprüche

M.)Detektor für optische Strahlung, mit einem Phototransistor, der eine Emitter-, eine Basis- und eine Kollektorzone und eine Basiszonenvorspanneinrichtung aufweist und dessen Kollektorzone bei ihrer Vorspannung eine lichtempfindliche Verarmungsschicht besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonenvorspanneinrichtung einen Vorspannemitter (15) umfaßt, der sich in der Kollektorzone (3) in einem Abstand von der lichtempfindlichen Verarmungsschicht (21) befindet und eine Stromquelle zur Stromzuführung zur Basiszone (5) darstellt.

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. DIpl.-W.-Ing.

ORIGINAL INSPECTS?
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Basiszone (5) fließende Strom im wesentlichen gleich ((KGC_T)/qT_B) piZ/Q ist.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (7) einen Durchmesser zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometer besitzt.
4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Vorspannemitter (15) einen Abstand von weniger als 5 Mikrometer von der Verarmungsschicht (21) aufweist.

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