DE2848925A1

DE2848925A1 - Lawinen-photodiode mit heterouebergang

Info

Publication number: DE2848925A1
Application number: DE19782848925
Authority: DE
Inventors: Thomas Pearsall
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2408915B1; CA1121038A; GB2008316A; JPS5475995A; FR2408915A1; US4231049A; GB2008316B

Description

Dipl.-lng.

E. Prinz

Patentanwälte	Dipl.-lng.
Dipl.-Chem.	G. Leiser
Dr. G. Hauser
Ernsbergerstrasse 19
8 München 60

THOMSON - CSF 8. November 1978

173» Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3183

Lawinen-Photodiode mit HeteroÜbergang

Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Photodiode mit einem HeteroÜbergang, d.h. einem aus zwei verschiedenen Materialien vom entgegengesetzten Leitungstyp bestehenden Halbleiterübergang .

Bekanntlich ist eine Photodiode eine zum Betrieb unter Sperrspannung bestimmte Diode mit einer aktiven Zone in Nähe des Halbleiterubergangs, welche unter Entstehung von Elektron-Loch-Paaren Photonen absorbieren kann und infolgedessen einen Sperrstrom erzeugt, dessen Intensität eine direkte Funktion der Anzahl von Photonen ist, d.h. der Intensität der Photonenstrahlung. In einer Lawinen-Photodiode erfolgt eine Stoßionisation unter Multiplikation des Photonenstroms.

Dr.Ha/Ma

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Die Photodioden mit HeteroÜbergang besitzen im Verhältnis zu den Photodioden mit homogenem Halbleiterübergang bestimmte Vorteile, insbesondere bezüglich der Stromverstärkung bei Strahlungen verschiedener Wellenlängen (Produktverstärkung χ Band), die Quantenausbeute und die niedrigere Vorspannung.

Die Erfindung ermöglicht eine Verstärkung dieser Vorteile, insbesondere eine Herabsetzung der Vorspannung.

Die erfindungsgemäße Photodiode besitzt eine erste Halbleiterschicht zur Absorption der Photonen mit einer vorherbestimmten Energie über oder gleich E₁ (in Elektronenvolt). Diese Schicht besteht aus einem Material mit einem verbotenen Band E« (ausgedrückt in Elektronenvolt). Eine mit der ersten Schicht einen Halbleiterübergang bildende zweite Halbleiterschicht besteht aus einem Material mit einem verbotenen Band E-, (in Elektronenvolt) und es besteht die Gleichung:

E₁ > E₂ ^ 2 E₃.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung besteht die erste Schicht aus einer Legierung von Indium und Phosphor der Formel In P und die zweite Schicht besteht aus einer Legierung von Gallium, Indium und Arsen der Formel:

Ga_x In_1-31. As (1), worin χ = 0,47 ί einige Tausendstel.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die zweite Schicht aus einer Legierung von Gallium und Antimon der Formel Ga Sb und die erste Schicht ist eine

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Legierung aus Aluminium, Gallium und Antimon der Formel:

Al_y ο_&1__γ Sb (2),

worin y = 0,60 ± einige Tausendstel. Das Substrat besteht aus Ga Sb.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 die Struktur des Valenz- und Leitungsbands der für das Beispiel von Fig. 1 verwendeten Materialien.

Fig. 1 zeigt eine Photodiode mit einem Substrat 10 aus einkristallinem n⁺⁺ dotierten Indiumphosphid (In P) mit einer Dichte der Donatoratome von über 10 cm" , z.B. 2.10 cm. Auf dem Substrat 10 wurden nacheinander epitaktisch auf einer seiner ebenen Flächen abgeschieden:

- eine sehr dünne (in der Größenordnung eines Mikron, gegebenenfalls dickere) Schicht 3, die als Puffer zwischen Substrat und aktiver Zone der Photodiode dienen soll; sie besteht aus n⁺ dotiertem Indiumphosphid In P mit einer Störstoffdichte von 10¹⁸ cm"³;

- eine beispielsweise 5 Mikron dicke Schicht 2 aus einer einkristallinen, η leitenden Legierung der Formel Ga_Q ^y In_Q κ. As, die so dotiert ist, daß sich eine Dichte an Donatoratomen von 10 cm"⁵ ergibt;

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- eine beispielsweise etwa 2 Mikron dünne Schicht 1 aus p⁺⁺ leitender In P Legierung, die durch Dotierung mit Akzeptoratomen (z.B. Zn) mit einer Dichte von 2.10 cra"^J erhalten wurde.

Die Schichten 1 und 2 bilden die aktive Zone.der Photodiode, wobei die Schicht 1 die Strahlungen 100 aufnehmen soll. Eine vorherige Ätzung der Schicht 1 hat dem obersten Teil die in Fig. 1 dargestellte typische Mesaform verliehen.

Die Photodiode besitzt zwei ebene Flächen, deren eine z.B. eine kreisförmige Fläche 11 ist. Eine ringförmige Metallisierung 110 wurde durch Vakuumverdampfung von Metallen oder einer Legierung (Gold, Indium, Zink) so aufgebracht, daß ein guter ohmscher Kontakt und trotzdem ein Durchlaß für die Photonen gewährleistet ist.

Auf die freie Fläche des Substrats wird eine Metallisierung 12, z.B. durch Vakuumverdampfung von Gold, Zinn und Tellur zur Erzielung eines guten ohmschen Kontaktes aufgebracht.

Fig. 2 zeigt für den Fall des vorstehend beschriebenen Beispiels (Fig. 1) die Struktur des Valenz- und Leitungsbandes im Ruhezustand, d.h. in Abwesenheit einer äußeren Vorspannung. Das verbotene Band wird durch die Kurven 21 und 22 begrenzt. Auf der Ordinate (OE Achse) sind die Energieniveaus aufgetragen, wobei das Ferminiveau durch eine Parallele Ep zur Abszisse Ox dargestellt ist. Die Abstände sind auf der Ox Achse, ausgehend von der Fläche 11 der Photodiode, angegeben.

Die Struktur umfaßt vier Zonen:

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- Z₁ entspricht der Photonen der Strahlung 100 absorbierenden Schicht 1; infolge der starken ρ Dotierung befindet sich das verbotene Band in dem Material (in P) von 1,4 Volt nahezu vollständig oberhalb des Ferminiveaus;

- Z₂ entspricht der Schicht 2, in welcher die Stoßionisation (Lawine) erfolgt; am Übergang zwischen den ρ und η Schichten besteht eine Unstetigkeit der Kurve 22, die vollständig oberhalb von E_p und Verbindungskurvenabschnitten 211 und 221 verläuft, die einem Raumladungsbereich entsprechen. Diese Verbindungskurven verlaufen nahezu vollständig in dem schwach η dotierten Bereich; das verbotene Band besitzt eine Breite von 0,7 Volt, was für das Material (Ga₀ ^y In₀ c-T As) charakteristisch ist;

- Z, und Z₁₀ entsprechen der Schicht 3 bzw. dem Substrat und sind mehr und mehr η dotiert, was den stufenförmigen Abfall des verbotenen Bandes in Richtung niedriger Energieniveaus erklärt. Das verbotene Band ist 1,4 eV.

Die erfindungsgemäße Photodiode funktioniert theoretisch mit einer Vorspannung von Null und mit einer Lawinenverstärkung von 2. Praktisch kann die wirksame Vorspannung sehr gering sein.

Dieses Ergebnis läßt sich in folgender Weise unter Bezugnahme auf das beschriebene und dargestellte Beispiel erklären:

1) In der Schicht 1 (Zone Z₁, Fig. 2) wird jedes Photon (23, Fig. 2) mit einer Energie von über 1,4 eV (λ < 0,9 Mikron) unter Entstehung eines Elektron-Loch-Paars (Bezugszeichen 24 und 25, Fig. 2) absorbiert, weil das verbotene Band

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des Materials 1,4 eV beträgt. Damit die Quasi-Gesamtheit der Photonen dieser Energie absorbiert wird, muß die Schicht 1 ziemlich dick (mindestens 1 Mikron) sein, ohne jedoch zu dick zu sein (über 3 bis 4 Mikron), wenn man will, daß die Elektronen 24 in ihrer Quasi-Gesamtheit in die Schicht 2 eindiffundieren können..

2) In der Schicht 2 (Zone Zg,(Fig. 2) findet sich ein Raumladungsbereich, der als Übergang zwischen der Zone hoher Elektronenenergie (Z^) und der Zone niedriger Energie (Z₂) dient. Jedes durch photoelektrischen Effekt in der Zone Z^ erzeugte und dann durch Wärmebewegung in die Schicht 2 eindiffundierende Elektron wird dem starken elektrischen Feld des Raumladungsbereichs unterworfen und gewinnt eine kinetische Energie in der Größenordnung von 0,7 Volt.

Tatsächlich stellt man hier die erklärende Hypothese auf, daß die Niveausenkung der Kurve 22 vollständig im Leitungsband liegt. Daraus folgt, daß die Verstärkung der kinetischen Energie des Elektrons 241 gleich der Differenz der Breite der verbotenen Bänder in eV ist, nämlich:

1,4 eV - o,7 eV = 0,7 eV.

Nach seinem Absturz kann das Elektron 241 während einer Stoßionisation ein Elektron des Valenzbands in das Leitungsband hochsteigen lassen, wobei diese Bänder durch einen Niveauunterschied von 0,7 eV getrennt sind. Ein zusätzliches, Elektron 242 wird dann freigesetzt, ebenso wie ein Loch 243» wodurch die Lawinenverstärkung von 2 entsteht.

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Die Schicht 2 soll eine solche Dicke besitzen, daß die Beschleunigung der Elektronen und die Stoßionisation für die überwiegende Mehrheit der Elektronen erfolgt. Eine Dicke von 5 Mikron erscheint ausreichend. Andererseits ist man daran interessiert, diese Dicke zu begrenzen, um die Lawinenspannung und somit die zur Erzielung einer Verstärkung von über 2 zusätzlich an die Photodiode anzulegende Vorspannung herabzusetzen. Legt man nämlich eine Sperrspannung an (Minuspol der ρ Seite auf der Fläche 11 der Photodiode und Pluspol auf dem Substrat) verschiebt man das Ferminiveau in Richtung der hohen elektronischen Energien in der Zone Z₁ und in Richtung der niedrigen Energien in der Zone Zp» was die Höhe des Abfalls der Elektronen in die Raumladungszone und somit ihre kinetische Energie und schließlich die Lawinenverstärkung in klassischer Weise verstärkt.

Der Wert des Parameters χ in der Formel (1) der Legierung aus Gallium, Indium und Arsen ist besonders kritisch (x = 0,47); wenn man sich nämlich um mehr als einige Tausendstel dieses Werts von 0,47 nach oben oder unten entfernt, besitzen die Kristallgitter der beiden Materialien unterschiedliche Abmessungen und es entstehen während des epitaktischen Wachstums von In P auf der Legierung der Formel (1) Störstellen an der Zwischenfläche, welche Rekombinationen von durch den photoelektrischen Effekt entstandenen Elektronen und Löchern bewirken können, was der Leistung der Photodiode schadet.

Bei der bereits erwähnten Ausführungsform der eine Absorptionsschicht der Formel (2) enthaltenden Photodiode leitet sich deren Struktur von der in Fig. 1 dargestellten ab, wobei die vorstehend angegebenen Materialien durch die folgenden ersetzt sind:

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- ίο -

- in der Schicht 1 ein Kristall A1_Q g Ga_Q λ Sb mit einem verbotenen Band in der Größenordnung von 1,4 eV;

- in der Schicht 2 ein Kristall aus Ga Sb mit verbotenem Band bei etwa 0,7 eV;

- in der das Substrat 10 bildenden Schicht j5: ein Einkristall aus Ga Sb.

Bei dieser Ausführungsform besteht keine vollständige Übereinstimmung zwischen den Kristallgittern der Schichten 1 und 2. Der ohmsche Kontakt 110 ist weniger gut als im Fall von In P, und zwar wegen der Anwesenheit von Aluminium in der Schicht 1. Die Leistung der Photodiode ist daher a priori weniger gut als bei dem vorhergehenden Beispiel.

In allen Beispielen für Photodioden kann man die Leitungstypen ρ und η vertauschen, wenn man die Vorzeichen der an die Photodioden anzulegenden Vorspannungen umkehrt.

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e e r s e

it

Claims

Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 8. November 1978

173» Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3183

Patentansprüche

Lawinen-Photodiode mit einem aus zwei verschiedenen Materialien mit entgegengesetztem Leitungstyp bestehenden Halbleiterübergang, gekennzeichnet durch eine erste, zur Absorption der Photonen mit einer Energie über oder gleich E^ bestimmten Halbleiterschicht, die aus einem Material mit einer Breite eines verbotenen Bandes Eg (ausgedrückt als Energie) besteht, und weiter gekennzeichnet durch eine zweite, an die erste Schicht angrenzende Halbleiterschicht, die als Lawinenzone dienen soll, wobei diese zweite Schicht ein verbotenes Band mit einer Breite E, (ausgedrückt als Energie) unter Wahrung der folgenden doppelten Relation besitzt:

E₁ > E₂ ^ 2 E₃.
2. Photodiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Schicht aus einer Legierung der Formel In P, eine zweite Legierungsschicht der Formel:

Ga_x Ιη_1-χ As (1),

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Dr.Ha/Ma

worin x = 0,47 ί einige Tausendstel, und weiter gekennzeichnet durch ein einkristallines Substrat der Formel In P, wobei der Halbleiterübergang durch die erste, stark dotierte Schicht mit einem ersten Leitungstyp und die zweite schwächer als die erste dotierte Schicht mit einem entgegengesetzten Leitungstyp gebildet wird.
3. Photodiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Legierungsschicht der Formel Ga Sb, eine erste Legierungsschicht der Formel:

AIy Ga_1-7 Sb (2),

worin χ = 0,60 ± einige Tausendstel, und weiter gekennzeichnet durch ein einkristallines Substrat der Formel Ga Sb, wobei der Halbleiterübergang durch die erste stark dotierte Schicht mit einem ersten Leitungstyp und die zweite weniger stark als die erste dotierte Schicht mit einem entgegengesetzten Leitungstyp gebildet wird.
4. Photodiode nach einem der Ansprüche 2 oder 3_f gekennzeichnet durch eine erste ρ (oder n) dotierte Schicht mit einer Dichte an Akzeptoratomen (oder Donatoratomen) von 2.10 cm , eine zweite η (oder p) dotierte Schicht mit einer Dichte an Donatoratomen (oder Akzeptoratomen) von etwa 10 cm , eine als Puffer dienende η (oder p) dotierte Schicht mit einer Dichte an Donatoratomen (oder

18 ^5 Akzeptoratomen) von etwa 10 cm aus der gleichen Legierung wie das Substrat, und ein η (oder p) dotiertes Substrat mit einer Dichte an Donatoratomen (oder Akzeptor-

1fi *? atomen) in der Größenordnung von 2*10 cm .
5. Optische Fernmeldevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Photodiode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.

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