DE2929484A1 - Multiphotodiode - Google Patents

Multiphotodiode

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DE2929484A1 DE19792929484 DE2929484A DE2929484A1 DE 2929484 A1 DE2929484 A1 DE 2929484A1 DE 19792929484 DE19792929484 DE 19792929484 DE 2929484 A DE2929484 A DE 2929484A DE 2929484 A1 DE2929484 A1 DE 2929484A1
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Description

-JC-
PATENTANSPRUECHE
1. Multiphotodiode, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Photodiode einen lichtempfindlichen Bereich mit einer verbotenen Bandlücke E, und eine zweite Photodiode einen lichtempfindlichen Bereich mit einer verbotenen Bandlücke E_ aufweist, welche Photodioden aus p-n oder p-i-n Strukturen aus Halbleiterverbindungen bestehen und in einen einzigen Körper mit einer intermediären Filterschicht aus halbleitenden Verbindungen mit einer verbotenen Bandlücke E, zwischen den Dioden integriert sind, wobei E,< E, < E„ ist.
2. Multiphotodiode nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Photodiode eine Heterostruktur aufweist.
3. Multiphotodiode nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitenden Verbindungen In1 , Ga , As , P, (0 = x έ 1, 0 = y = 1) sind.
4. Multiphotodiode nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitenden Verbindungen Al , Ga1 , As (0 r χ = 1) sind.
5. Multiphotodiode nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht aus welchen die Photodioden zusammengesetzt sind, durch die Flüssigphasen-Epitaxietechnik gewachsen ist.
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ORIGINAL INSPECTED
Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dpl.-Phys. Dr. K.Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LiSKA 2929484
8000 MÜNCHEN 86, DEN ? ~ Jy]J ^S
POSTFACH 860820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 913921/22
Sumitomo Electric Industries, Ltd. 15, Kitahama 5-choine,
Higashi-ku, Osaka
Japan
Multiphotodiode
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MULTIPHQTODIODE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Multiphotodiode.
Es ist im allgemeinen bei den ersten optischen Fiberübertragungssystemen bekannt, dass optische Multiplexsignale, d.h. Signale die in einer Mehrzahl von verschiedenen Wellenlängen enthalten sind und via eine optische Fiber übertragen werden am Eingang einer Empfangsvorrichtung mit Hilfe einer Mehrzahl von optischen Filtern in die einzelnen Signalkomponenten getrennt werden und dass die getrennten Signale via getrennter optischer Fibern einzelnen Photodioden zugeführt werden. Diese Systeme weisen wesentliche Nachteile auf, wie z.B. die Notwendigkeit des Gebrauches einer unbequemen Technik zur Installierung von Verbindungsstücken, mit welchen Kontakte mit kleinen Verlusten zwischen optischen Fibern und Filtern und zwischen optischen Fibern und Photodioden erhalten .werden können. Im weiteren sind die Empfangsvorrichtungen teuer und unbequem gross.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbesserte Multiphotodioden zu schaffen, indem ein verbessertes optisches Kommunikationssystem j vorgesehen wird, welches di· oben erwähnten Nachteile nicht aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine erste Photodiode einen lichtempfindlichen Bereich mit einer verbotenen Bandlücke E, und eine zweite Photodiode einen lichtempfindlichen Bereich mit einer verbotenen Bandlücke E„ aufweist, welche Photodioden aus p-n oder p-i-n Strukturen aus Halbleiterverbindungen bestehen und in einen einzigen Körper mit einer intermediären Filterschicht aus halbleitenden Verbindungen mit einer verbotenen Bandlücke E, zwischen den Dioden integriert sind, wobei E, < E, < E_ ist.
Die Photodiode gemäss der vorliegenden Erfindung weist eine einheitlich zusammengesetzte Multidiodenstruktur auf, die als monolithische Struktur bezeichnet wird, mit zwei oder mehr Bereichen, die auf verschiedene optische Wellenlängen empfindlich sind und die übereinandergeschichtet sind, indem Filterschichten zwischen anliegenden lichtempfindlichen Bereichen vorhanden sind.
Halbleitermaterialien, welche eine Wellenlänge-Transmissioncharakteristik aufweisen, die durch ihre verbotene Bandlückenenergie bestimmt ist, können vorteilhafterweise als Filterschicht für die Multiphotodiode der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel weist ein Halbleiter mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV eine optische Absorptionsbandkante bei 1,25 /um auf. Ein Halbleiter mit einer verbotenen Bandlücke bei 1,14 eV weist eine optische Absorptionsbandkante bei 1,09 /Jm auf. Im weiteren weist ein Halbleiter, mit einer verbotenen Bandlücke bei 0,89 eV eine optische Absorptionsbandkante bei 1,39 /um auf.
Bei Halbleitern mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV beträgt der Transmissionsfaktor für Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 1,2 μα fast null, wobei für Licht mit einer Wellenlänge über 1,3 /um der Tranemissionsfaktor fast 100 % beträgt. Wenn optische Signale mit Wellenlängen von 1,1 pm und 1,3 /um gleichzeitig in einen solchen Halbleiter projiziert werden, werden sie getrennt. Der Halbleiter kann als gutes Filter zur Trennung
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der optischen Multiplexsignale dienen.
Wenn eine erste Photodiode, die empfindlich auf Licht mit einer Wellenlänge von 1,1 /um, aber nicht empfindlich auf Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 μπ\ ist und eine zweite Photodiode, die auf Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 jjm empfindlich ist, übereinander angeordnet werden, indem ein Filter aus einer Halbleiterschicht wie oben erwähnt dazwischen angeordnet wird, kann aus dem obgenannten Grund die so erhaltene Photodiode vom monolithischen Typ, d.h. die Photodiode gemäss der Erfindung ein optisches Multiplexsignal mit Wellenlängen von 1,1 pm und 1,3 jJtn mit einem sehr kleinen Uebersprechpegel empfangen und trennen.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Struktur einer bekannten Photodiode mit Heterostruktur,
Fig. 2 die graphische Darstellung der Lichtempfindlichkeit als Funktion der optischen Wellenlänge, Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Multiphoto-
diode mit In1 Ga As P1 quaternären Schichten. 1-x χ y 1-y ^
Ein Querschnitt durch eine konventionelle Heterodiode ist in Fig. 1 dargestellt. Es sei festgehalten, dass Leitungsdrähte um die umgebenden Vorrichtungen, die mit der Diode verbunden sind, in keiner Figur dargestellt sind.
Auf einem η-Typ Substrat 11 aus InP (Sn dotiert,
18 —3
η = 1 χ 10 cm" ) ist eine 5 pm dicke η-Typ InP-Schicht
18 -3
12 (Sn dotiert, η = 1 χ 10 cm ) eine absichtlich undotierte 3 /im dicke quaternäre Kristallschicht 13 aus In, Ga As P, (x = 0,17, y = 0,34) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV, sowie eine 1 yum dicke p-Typ InP Schicht 14 (Cd dotiert, ρ = 5 χ ΙΟ17 cm"3) nacheinander eine über der andern mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens gewachsen. Im weiteren ist eine peipherische isolierende Schicht 15 aus Si O2 um
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die p-Typ InP Schicht 14 vorgesehen um ein Fenster zum Empfang des einfallenden Lichtes auszulassen. Eine p-Typ-Elektrode 16 aus Au-Zn, die sich über die genannte isolierende Schicht erstreckt und in Kontakt mit der p-Typ InP Schicht 14 steht sowie eine n-Typ-Elektrode 17 aus Au-Sn werden durch die gewöhnliche Photolithographietechnik hergestellt.
Eine graphische Darstellung der Lichtempfindlichkeit einer solchen Photodiode als Funktion der optischen Wellenlänge des einfallenden Lichtes 18 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve b stellt die Lichtempfindlichkeit als Funktion der optischen Wellenlänge einer anderen Photodiode dar. Diese wurde hergestellt, indem eine quaternäre Kristallschicht aus In, Ga As P, (x = 0,32, y = 0,73) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eV an die Stelleder quaternären Kristallschicht 13 gemäss Fig. 1 gesetzt wird und indem eine p-Typ quaternäre Kristallschicht von In1 Ga As P1 (χ = 0,24,
J. ■*" X X j X"m j
y = 0,55) mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV an die Stelle der p-Typ InP Schicht 14 gemäss Fig. 1 gesetzt wird.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung. Auf ein Substrat 31 aus
18 3 η-Typ InP (Sn dotiert, η = 1 χ 10 cm" ) sind eine 5 pm
I Q
dicke η-Typ InP Schicht 32 (Sn dotiert, η = 1 χ 10 cm" ) eine 3 JJm dicke quaternäre Schicht 33 aus Ini x
Ga As P1 (x = 0,32, y = 0,73, absichtlich undotiert) χ y J--y
mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eV, eine 3 ^m dicke quaternäre Schicht 34 aus Ini_x ^a As **l (x = 0,24, y = 0,55, Cd dotiert, P = 5 χ 10 cnf mit einer-verbotenen Bandlücke von 0,99 eV, eine 1 pm dicke p-Typ InP Schicht 35 (Cd dotiert, ρ = 5 x 10 cm"3), eine 3 μιη dicke quaternäre Schicht 36 aus lni_x Ga As P, (x = 0,17, y = 0,37, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 eV und eine 1 μη
1 Q
dicke η-Typ InP Schicht 37 (Sn dotiert, η = 1 χ 10 cm"3) nacheinander eine über der andern mit Hilfe des
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Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens gewachsen wobei die Unterkühlungstechnik verwendet wird.
Solche Multiphotodioden, die wie oben erwähnt hergestellt werden, weisen eine monolithische Heterostruktur auf bei welcher die erste Empfangsdiode eine doppelte Heterostruktur aufweist. Diese doppelte Heterostruktur ist aus einer η-Typ InP Schicht 32 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV, einer In Ga As P quaternären Kristallschicht 33 mit einer verbotenen Bandlücke von 0,89 eU (Ε,) und einer p-Typ In Ga As P quaternären Schicht 34 mit einer verbotenen Bandlücke von 0,99 eV (E,) zusammengesetzt. Die zweite Empfangsphotodiode weist eine doppelte Heterostruktur auf, die aus einer p-Typ InP Schicht 35 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV, einer In Ga As P quaternären Kristallschicht 36 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,14 el/ (E„) und einer η-Typ InP Schicht 37 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,34 eV besteht. Eine intermediäre In Ga As P quaternäre Kristallschicht 34 wirkt als optisches Filter und ist zwischen den ersten und zweiten Photodioden angeordnet.
Diese Multiphotodiode erfüllt die Bedingung:
El< E3 < E2·
Um eine solche monolithische Photodiode gemäss
Fig. 3, nachdem die sechs Schichten auf dem Substrat gewachsen sind, herzustellen, wird der periphere Teil der Schicht 35, 36 und 37 durch eine Aetzlösung aus Br?: CH, OH = 1:100 entfernt um die obere Fläche der Schicht 34 zu exponieren um Raum für eine beiden Photodioden gemeinsame Elektrode zu.schaffen.
Die Isolierschicht 38a über der peripheren Oberflächenzone der Schicht 34, die isolierende Schicht 38b über der peripheren Oberflächenzone der Schicht 37, eine η-Typ Au-Sn ohraische Elektrode 39a, die sich über die isolierende Schicht.38b erstreckt und in Kontakt mit der Oberfläche der Schicht 37 steht, eine p-Typ Au-Zn ohmische Elektrode 40, die sich über die isolierende
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Schicht 38a erstreckt und in Kontakt mit einem Teil der Oberfläche der Schicht 34 steht und eine n-Typ Au-Sn ohmische Elektrode 39b, die den Boden des Substrates 31 bedeckt, werden alle wie Fig. 3 gezeigt, mit Hilfe der gewöhnlichen Photolithographietechnik hergestellt.
Wenn Licht 18, welches optische Multiplexsignale der Wellenlängen 1,06 μπ\ und 1,27 jLim trägt, durch das Fenster der Schicht 37 projiziert wird, werden getrennte Signale mit einem sehr kleinen Uebersprechpegel durch die erste und zweite Photodiode vermöge der zwischengeschalteten Filterschicht 34 detektiert.
Im weiteren soll ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss der vorliegenden Erfindung, welches dieselbe Struktur wie in Fig. 3 dargestellt aufweist und welches aus einem Basishalbleitermaterial aus Al Ga, As (0=x =1) zusammengesetzt ist, erläutert werden. Auf einem Substrat 31 von η-Typ Ga As (Si dotiert,
18 —3
η = 1 χ 10 cm" ) sind eine 5 /um dicke erste Schicht
32 aus Al Ga1 As (χ = 0,3, Sn dotiert, η = 1 χ 10 cm" ) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, eine μπι dicke zweite Schicht 33 aus Al Ga1 As (χ = 0, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,43 eV, eine 5 (Jm dicke dritte Schicht 34 aus Al Ga1 As (χ = 0,1, Ge dotiert, ρ r 5 χ 1017cm"3)
X JL *■ X
mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV, eine 1 jjbj dicke vierte Schicht 35 aus Al Ga1 As (χ = 0,3, Ge-
17 -3 A-X
dotiert, ρ s 5 χ 10 cm ) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, eine 2 pm dicke fünfte Schicht 36 aus Al Ga1 Ae (x = 0,2, absichtlich undotiert) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,69 eV, und eine 1 μη dicke sechste Schicht aus Al Ga1 Ae (x = 0,3, Te-
18 —3
dotiert, η = 1 χ 10 cm ) mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 βV sukzessive eine über der andern Mit Hilfe des FlUssigphssen-Epitaxieverfshrens gewachsen, wobei die Unterkühlungstechnik verwendet wird.
Eine Multiphotodiode wie oben erwlhnt hergestellt, weist eine monolithische Struktur Mit rwei Heterostruk-
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turphotodioden auf und besitzt eine dritte Schicht 34 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV (E,) die zwiechengeschaltet ist, um als optisches Filter zu wirken. In einer solchen Multiphotodiode besteht die erste Doppel-Heterostrukturphotadiode aus einer ersten Schicht 32 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, einer zweiten Schicht 33 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,43 eV (E,) und einer dritten Schicht 33 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,53 eV. Die zweite Doppel-Heterostrukturphotodiode besteht aus einer vierten Schicht 35 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, einer fünften Schicht 36 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,69 eV (E-) und einer sechsten Schicht 37 mit einer verbotenen Bandlücke von 1,8 eV, wobei die Beziehung E.< E, < E„ gilt.
In einer solchen Multiphotodiode sind alle drei Elektroden mit Hilfe der gewöhnlichen Photolithographietechnik in derselben Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, hergestellt.
Wenn Licht 18, welches optische Multiplexsignale mit den Wellenlängen 0,7 pm und 0,85 pm enthält, durch das Fenster der sechsten Schicht 37 projiziert wird, werden getrennte Signale mit einer sehr tiefen Uebersprechwelle durch die erste und zweite Photodiode vermöge der zwischengeschalteten Filterschicht 34 detektiert,
Eine Multiphotodiode gemäss Fig. 3 kann auch pas-r send derart hergestellt werden, um Lichtsignale von verschiedenen Wellenlängen zu detektieren, indem die zusammensetzung und die Dicke-der einzelnen Epitaxieschichten geändert wird. Es ist auch möglich eine Multiphotodiode passend so herzustellen, dass sie Licht mit Multiplexsignalen auf mehr als zwei Wellenlängen detektieren kann.
Obschon bisher nur die Integration von zwei oder mehr Doppel-Heterostrukturphotodioden beschrieben wurde, kann die gleiche Struktur zur Integration von zwei oder mehr Einzelheteroetrukturphotodioden und für jede
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Korabination von Doppel-Heterostruktur,- Einzel-Heterostruktür--oder Homostrukturphotodioden verwendet werden, wobei jede Kombination von zwei oder mehr Homostrukturphotodioden, ob anliegend oder nicht, ausgeschlossen ist.
Die Technik für Kristallwachstum ist nicht nur auf das Flüssigphasen-Epitaxieverfahren, wie beim Aueführunga beispiel erklärt, beschränkt. Es ist auch möglich, dass Dampfphasenepitaxieverfahren und das Molekularstrahlepitaxieverfahren zu verwenden.
Wie aus den oben beschriebenen Beispielen ersichtlich ist, schafft die vorliegende Erfindung neue Photodioden, d.h. Multiphotodioden, die in einer Einheitsstruktur zwei oder mehrere Photodioden und dazwischenliegende Filterschichten vereinigen, wodurch eine für den Gebrauch in optischen Multiplexkommunikationssystemen sehr geeignete Photodiode geschaffen wird.
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DE2929484A 1978-07-21 1979-07-20 Monolithische Halbleiteranordnung zur Umwandlung von in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegenden Lichtsignalen in elektrische Signale Expired DE2929484C2 (de)

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