DE2927126A1 - Photodiode - Google Patents
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Description
292712&
ii.Dorn-K. Lösch 2-2
Photodiode
Die Erfindung betrifft Photodioden, wie sie ζ.B. als Empfänger
in der optischen Nachrichtentechnik verwend.et werden.
Prinzipielle Probleme und AuGführurigsformen .von Photodioden
sind in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben (z.B. H. Melchior:„Sensitive high speed photodetector« for the
demodulation of visible and near infrared light"; J. .Luminescence 7 (1973) 39CMlIU,.-S. Metz: „Eigenschaften
und Entwicklungstendenzen schneller Photodetektoren für die optische Nachrichtenübertragung"; V, KTZ, Bd. 29 (1976)
H. 2, S 127-133).
Photodioden sind in Sperriehtung betriebene Halbleiterbauelemente
mit einem pn übergang oder einem Halbleiter-Metall-Übergang.
Die Wellenlänge, bei der die Dioden Strahlung absorbieren ist kleiner oder gleich der Wellenlänge, die der
Bandlücke des verwendeten Halbleitergrundmaterials entspricht. Von der Bandlücke hängen aber nicht nur die absorbierbaren
Wellenlängen ab sondern z.B. auch der Dunkelstrom, welcher das Empfängerrauschen der Diode erheblich beeinflußt.Je größer
die Bandlücke, desto kleiner ist im allgemeinen der Dunkelßtrom.
Wegen der beiden soeben angeführten Abhängigkeiten bemüht man sich, das verwendete Halbleitergruridmaterial jeweils
so zu wählen, daü seine Bandlücke gleich oder geringfügig
kleiner ist als die Energie der zu empfangenden Quanten.
Die s.Zt. für die Erprobung in der optischen Nachrichtenübertragung
benutzten Glasfasern besitzen Dämpfungsminima bei Wellenlängen um 1,2 um und um 1,6 um. Halbleiter, die bei
diesen Wellenlängen gut absorbieren, besitzen jedoch eine
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•u t·· _
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kleine Bandlüeke, damit tiohen thermischen Dunkelstrom unddadurch
starkes Diodenrauschen-
Als Halbleitergi'uridmaterial für Dioden mit guter Sperrcharakteristik,
d.h.. Durchbrüchen erst bei hohen Sperrspannungen
und -geringem Dunkelstrom, al-so niedrigem Empfängeirausehen
wird hauptsächlich Si verwendet.
Die Aufgabe besteht nun darin, eine Photodiode mit einem pnübergang
oder einem Metali-HalbleiterÜbergang mit Sperrcharakteristik
als Diodenzone, so auszubilden, daß Materialien
mit guten Empfängereigenschaften, wie sie von Dioden nach
dem fäfrande der Technik bekannt sind, unabhängig von der Wellenlänge
der su absorbierenden Strahlung gewählt bzw. beibehalten werden können, wobei ein solches Material.z.B. Si ist.
Die Lösung der Aufgabe ist durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs
gegeben, nach dem z.B. auf eine Si-Diode mit pn- oder Metall-Halbleiterubergang eine weitere Schicht eines
stark absorbierendai Halbleitergrundmaterials aufgebracht,
und so eine erfindungsgemäße Diode erhalten wird.. Welches
Halbleitergrundmaterial als stark absorbierend in;. Präge
kommt j hängt dabei von. der Wellenlänge der zu empfangenden Strahlung ab und ist Tabellen, und Schaubildern der umfangreichen
Literatur leicht entnehmbar.
Er-fi ndungsgemäJäe Dioden besitzen sahireiche Vorteile. Eine
guttangsgemäße Diode, z.B. eine Si-Diode kann durch Aufbringt»!
der' stark absorbierenden Kalbleiterschicht einfach an. jede
zu empfangende Wellenlänge angepaßt werden. Dies ermöglicht die einfache-Herstellung von optimal empfindlichen Dioden
für vorgegebene Wellenlängentereiche. Da die Schichten, die
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-D-
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clen pn-übergang bilden, und die die Dunkelströme am maßgeblichsten
beeinflussen, aus Halbleitergrundmaterial mit guten Gleiehrichtereigenschaften bestehen, müssen an die Qualität
der Absorptionsschicht keine so hohen Anforderungen mehr gestellt
werden. Die Absorptionsschicht kann daher auch einfach polykristallin oder' amorph aufgebracht werden.
Die erfindungsgemäßen Photodiod.en können auch in monolithisch«
Sc ImIt kr ei π en integpiert werden. Solche -Schaltkreise,
oft ICs genannt, bestehen üblicherweise aus Si oder Ga As1
beides Materialien, aus denen bekanntlicherweise gattungsgemäße
Dioden hergestellt werden. Durc-h Aufbringen von entsprechend
absorbierenden Halbleitern können in den integrierten Schaltkreisen die Wellenlängen festgelegt werden,
die optimal empfangen werden sollen.
Weiterhin können als absorbierende Halbleitergrundmaterialien
solche verwendet werden von denen sich direkt gar keine pn— Übergänge herstellen lassen und die daher teilweise für gattungsgemäße
Photodioden ausscheiden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Auaf ührurigsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Photodiode.
Zur Herstellung der in der· Figur dargestellten Photodiode
wird auf ein η Si-Substrat p-ii epitaktiseh in einer Schichtdicke
von 5-100 ρ aufgebracht. Auf diese Schicht wird die Schicht des stai'k absorbierenden Halbleitergrundßaterials
z.h. durch Gasphasenepitaxie aufgebracht, in diesem Fall
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p-Ge. Die Dicke-der. Germaniumsehicht hängt von der zu ab-_
öorbierenden Wellenlänge ab. Bei 1,2 um Wellenlänge-wird
sie mit ca. " 1,5- lim Dicke aufgebracht, bei 1,5 pliellealänge
mit ca. 10 um Dicke. Abschließend wird die Diodeauf
die übliche Mesaform geätzt.
Zur ο lim s eh en Kontaktierung werden auf beiden Seiten. Au-Ti
Kontakte aufgedampft. Auf der Seite des η -Si wird jedoch .
ein „Fenster" 1 freigelassen, durch das die Strahlung S in die Diode eindringt.. In der Fertigung wird eine große Anzahl
von Einheiten parallel auf, einem genreinsjamen Grundmaterial
aufgebaut",- wobei diese Vielfachanordnung in der
anglo-amerikanischen Literatur mit „wafer" bezeichnet wird.
Nach dem Zerteilen des Wafers in die einzelnen Dioden werden diese auf einen Sockel aus Gold aufgesetzt, welcher
eine Bohrung 2 aufweist, welche ebenfalls dazu vorgesehen ist, die Strahlung auf die Diode durchzulassen.. Bei den
erwähnten Wellenlängen von 1,2 mn oder 1,5 um ist Si durchlässig.
Dies bedeutet, daß die zu absorbierende Strahlung durch die Si-Diodenzone unbehindert dringt und erst- im Germanium
absorbiert wird. - -
Die Halbleitergrundmaterialien der einseinen Schichten können
entweder Elementhalbleiter, wie z.B. Ge oder Si, oder Verbindungshalbleiter, wie z.B. Ga As, In P, CdS oder Cu In
Seps oder Legierungshalbleiter wie Ga1-," In As1-. F oder
andere sein. Das Halbleiterg'rundmaterial der Diodenzone
sollte in möglichst guter kristalliner Form vorliegen, da dies geringe Fehlströme und damit niedriges Diodenrauschen
gewährleistet. Die Absorptionsschicht kann dagegen von geringerer
Kristall-Qualität, ja sogar polykristallin oder amorph aufgebracht sein. "
0300627049-Ä
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Statt des pn- Übergangs in der biodensone kann auch ein
Metall-Halbleiter-Übergang, z.B. Au auf p-Si verwendet werden.
Die Diode in der beschriebenen Ausführungsform ist für Bestrahlung durch die Diodenzone vorgesehen. Bei Anwendung
eines Fensters i'n der Kontaktschicht auf der Absorptionsschieht
kann natürlich auch in die Absorptionsschicht eingestrahlt werden,
was von Vorteil sein kann, wenn bereits das Halbleitergrundmaterial
der Diodenzone absoi^biert. Einstrahlung von der Seite in die Absorptionsschicht ist besonders dann vorteilhaft,
wenn sehr lange Wellenlängen empfangen werden sollen,
bei denen in gängigen Halbleitern nur noch sehr schwache Absorption stattfindet. Durch die seitliche Einstrahlung ist
die wirksame Absorptionslänge gleich der seitlichen Ausdehnung
der Absorptionsschicht und nicht gleich der Schichtdicke und kann daher sehr groß gemacht werden, ohne daß die Driftzeit
der Ladungsträger von der Absorptionsschicht in die Diodenzone zunimmt.
Zur Anpassung der Gitterkonstanten der Halbleitergrundmaterialien von Ddodenzone und Absorptionsschicht können Zwischenschichten
vorgesehen sein, z.B. Ge-Si Zwischenschichten. Die Absorptionsschicht kann bei Verwendung von Si in der Diodenzone
z.B. auch eine Ge-Si-Legierung sein, um damit eine Wellenlängenanpassung, welche geringere Dunkelströme zur Folge
hat, und eine Verkleinerung der Gitterfehlanpassung in einem Schritt zu erreichen.
Der Halbleiter der Absorptionsschicht sollte nur so hoch
dotiert sein, daß das beim Anlegen der Sperrspannung entstehende Feld soweit in die Absorptionsschicht hineingreift, daß
der größte'Teil des einfallenden Lichts im Bereich des elektrischen
Feldes absorbiert wird. Durch Aufbringen eines hochdotierten Bereichs auf die schwächer
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3 ORIGINAL
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dotierte Äbsorptionsschicht ist es möglich, den Feldverlauf so
zu steuern, daß die Ladungsträger in der gesamten Absorptionsschicht Sättigungsdriftgeschwindigkeit.- erreichen.■■ Dies
ist vor allem für -Dioden mit schnellen Schaltzeiten wichtig.
Die Maßnahmen sind von Avalanche-Photodioden her bekannt una
z.B. in dem Artikel von L.J.M. Bollen et al.'nDie Avalanche-Fotodiode,
Philips techn-. Rdseh. 36S 220-226/ 1976, 77,-Nr- 7"
ausführlich beschrieben. .""
Statt nur eines Halbleitergrundmaterials als Absorptionsschicht können auf die .Diodenzone auch verschiedene Halbleitergrundmaterialien
mit unterschiedlichen Bandlücken nebeneinander aufgebracht sein, um mit einer Diode rnehreie Wellenlängen
empfangen zu können. Das Aufbringen erfolgt z.B..
durch "Gasphasenepitaxie-, indem jeweils -die Teile der DiodenzoBC-durch Masken abgedeckt werden, auf denen das betreffende Halbleitergrundmaterial nicht aufwachsen soll. Bei einer
Einstrahlung von der Seite werden Streifen vorgesehen, an
deren Enden eingestrahlt wird, ■■""-... - - -.
durch "Gasphasenepitaxie-, indem jeweils -die Teile der DiodenzoBC-durch Masken abgedeckt werden, auf denen das betreffende Halbleitergrundmaterial nicht aufwachsen soll. Bei einer
Einstrahlung von der Seite werden Streifen vorgesehen, an
deren Enden eingestrahlt wird, ■■""-... - - -.
030062/0494
ΛΟ
L e e r s e i t e
Claims (1)
- STANDARD ELEKTKIK LORENZ
AKTiEMGESELLSCHAFTStuttgartR.Dorn-K.Lösch 2-2PhotodiodePatentansprüche:j) Photodiode mit einem pn-übergang oder einem Metall-HalbleiterÜbergang mit Sperrcharakteristik als Diodenzone, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Halbleitergrundmaterial für das Erzielen einer guten Sperrcharak~ teristik und geringer Dunkelströme geeignet ist und für die Diodenzone verwendet wird, daß auf die Diodenzone eine Absorptionsschieht aus im Bereich der vorgesehenen Arbeitswellenlänge der Photodiode stark absorbierendem Halbleitergrundmaterial aufgebracht ist, daß dabei das: Halbleitergrundmaterial dieser Absorptionsschicht von dem der Diodenzone verschieden, aber vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist, wie der Halbleiter der Diodensone auf_ den die Absorptionsschicht aufgebracht ist.2) Photodiode nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergrundmaterial Diodenzone Si oder Ga As oder In P ist.3) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergrundmaterial der Absorptionsschicht, eine Bandlüeke besitzt, dieDr.: J/Sam - ./27,6.1979 ■ .-■"-■ ■■ ."030062/0494R.Dorn-K.Lösch 2-άkleiner oder gleich der Energie der Quanten der zu empfangenden Strahlung ist.4) Photodiode nach einem der Anspräche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß das flalbleitergrundmaterial der Absorptionsschicht Germanium oder Ga1 vIn As1 _ P oder Ga. In As oder Ga., , Al As1 „Sb oder GaAs1-Sb oder CuInSe^ist5) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet j daß die Halbleitergrundmaterialien von Absorptionsschicht und Diodenzone in ihren Gitterkonstanten möglichst genau aneinander angepaßt sind.6) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5*dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Si und Ge die Gitterkün3tanten durch Si-Ge- übergarigsschichten aneinander angepaßt sind.7) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Diode für Einstrahlung durch die Diodenzone verwendet wird.8) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Diode für Einstrahlung durch die Absorptionsschicht verwendet wird.9) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Diode für Einstrahlung von der Seite verwendet wird,10) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die HalLleitergrundmaterialien Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleiter oder Legierungen -solcher Halbleiter sind.030062/0494 BAD ORIGINALSAD ORiGiMAj5,R.Dorn-K.LÖ3eh 2-211) Photodiode nach einem der Ansprüche l bis 10,d ad u r c h g e k e η η ζ e Ichnet,. d aß die Pia 1 b 1 e i t er 3 c 1ι i c ht ο η einkristallin sind.. . -12) Photodiode nach einem der Ansprüche .1 bis Ii3 .- - dadurch gekennzeichnet, daß die Absorpt.ioriüßchlcht polykristallin oder"amorph ist. :13) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abuorptionsschicht so dotiert ist, daß das durch die angelegte Sperrspannung in der Diode aufgebaute Feld soweit in die ..Absorptionsschicht hineingreift j daß der größte- Teil"des einfallenden Lichts im Bereich des elektrischen Feldes absorbiert wird.Ik) Photodiode nach Anspruch .3 3, .. ·dadurch gekennzeichnet, daß auf der. Absorptionsschicht ein hochdotierter Bereich mit dem Halbleiter.der~Absorptionsschicht gleichen Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.15) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis lh3_ dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschicht aus mehreren nebeneinander aufgebrachten Halbleitergrundma-. terialien mit unterschiedlichen Barid'lücken besteht.Ib) Photodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 15,- dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einem integrierten Sehaltkreis verwendet wird.0300&2/0494BAD ORIGINAL
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