DE3135945A1

DE3135945A1 - "fototransistor"

Info

Publication number: DE3135945A1
Application number: DE19813135945
Authority: DE
Inventors: David 75013 Paris Ankri; André Scavennec
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-11
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1982-04-22
Also published as: JPH0451988B2; GB2083699A; FR2490014B1; GB2083699B; DE3135945C2; JPS5779677A; FR2490014A1; US4620210A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Fototransistor von der Art mit einer Emitter-Basis-Heteroverbindung. Eine Anwendung betrifft das Gebiet des optischen Fernmeldewesens.

Die auf dem Gebiet des optischen Fernmeldewesens verwandten Fotodetektoren müssen eine ausgezeichnete Empfindlichkeit besitzen, d.h. sie müssen optische Signale mit kleiner Amplitude feststellen können. Bei dieser Anwendung werden häufig Lawinenfotodioden eingesetzt. Ihnen sind Vorverstärker mit kleinem Rauschen zugeordnet. Jedoch machen die mit der Lawinenarbeitsweise auftretenden Probleme diese Lösung schwierig, vor allem bei Wellenlängen, welche den Fenstern mit optimalem Durchlaß bei den optischen Fasern entsprechen (1,3 μια und 1,55 μπι) . Eine andere Lösung besteht darin, eine einfache Fotodiode vom Typ PN oder PIN zu verwenden und mit einem Vorverstärker mit sehr kleiner Eingangskapazität zu verbinden. Das Eingangselement des Vorverstärkers ist entweder ein Feldeffekttransistor aus beispielsweise GaAs oder ein bipolarer Transistor mit sehr hoher Übertragungsfrequenz (mehrere GHz). Diese beiden Lösungen werden miteinander in einen Artikel von SMITH, HOPPER und GARRET verglichen, der in der Zeitschrift "Optical and Quantum Electronics" 10

(1978) Seiten 292 bis 300 veröffentlicht ist.

Ein Fototransistor, welcher als das Ergebnis einer monolithischen Integration einer Fotodiode und eines Transistors betrachtet werden kann, ist als Fotodetektor auch von gewissem Interesse, da keine Eingangsverbindung erforderlich ist, vorausgesetzt, daß die Elemente Fotodiode und Transistor Eigenschaften aufweisen, die wenigstens denjenigen der entsprechenden Einzelkoitiponenten äquivalent sind.

Die Erfindung betrifft einen Fotodetektor der letztgenannten Art. Außer den Fototransistoren mit Homoverbindung aus Silicium sind Fototransistoren mit HeteroVerbindung (vom Typ Npn)

bekannt, die im wesentlichen aus Stoffen erhalten werden, die aus den Elementen der Spalten III und V des periodischen Systems zusammengesetzt sind. Es handelt sich beispielsweise um Fototransistoren GaAlAs-GaAs oder InP-GaInAsP.

Diese verschiedenen Fototransistoren arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip: Das einfallende Licht wird von der Basisschicht ebenso wie von dem verarmten Basis-Kollektor-Bereich bzw. im Kollektor absorbiert. Der sich ergebende Fotostrom überlagert sich dem Basisstrom des Fototransistors, Man beobachtet eine Änderung des Kollektorstromes entsprechend dem primären Fotostrom, welcher die Verstärkung des Fototransistors vervielfacht.

Soweit es die Anordnung einer HeteroVerbindung betrifft, weist der Fototransistor ohne Basiskontakt, bei dem das Licht die Emitterschicht vor seiner Absorption in der Basisschicht durchläuft, interessante Eigenschaften auf, vor allem in Hinblick auf die Empfindlichkeit.

Ein solcher Fototransistor ist im Schnitt in der Fig. 1 dargestellt. Er umfaßt eine Schicht 2, die als Kollektor (beispielsweise aus GaAs vom Typ n) dient, sine als Basis dienende Schicht 3 aus beispielsweise GaAs vom Typ ρ und weiter eine als Emitter dienende Schicht 4 (beispielsweise aus GaAlAs vom Typ N). Die Gesamtheit dieser Schichten wird auf einem Substrat 12 (beispielsweise aus GaAs vom Typ η ) niedergeschlagen. Die elektrischen Kontakte werden durch den Emitterkontakt 7 und den Kollektorkontakt 9 gebildet.

Diese Art Fototransistor ist in den Artikeln von BENEKING et al. "Electronics Letters" 12 (1976), Seiten 395 - 396, von MILANO et al. "IEEE International Electron Devices Meeting" (Dez. 1979) und schließlich von KONAGAI et al.

- f-S-

"Journal of Applied Physics" 48 (1977), Seiten 4389-4394 beschrieben.

Andere Fototransistoren weisen einen Basiskontakt auf» In diesem Fall erfolgt ein Abtragen der Emitterschicht, um einen Metallkontakt auf der Basis aufzubringen. Das Licht kann dann direkt auf die Basisschicht in dem abgetragenen Bereich fokussiert werden.

Ein solcher Fototransistor ist in der Fig. 2 dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwandt werden. Der Basiskontakt ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet.

Diese Art Fototransistor wurde von BENOIT auf der Conference Internationale sur les Communications Optiques, Paris 1976 beschrieben.

Alle diese bekannten Einrichtungen weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf:

Der Fototransistor mit Homoverbindung ist zur Fotodetektion mit schwachem I*egel bei den im Fernmeldewesen bei optischen Fasern in Betracht kommenden Wellenlängen (ungefähr Ο,βδμίη) nicht geeignet. Tatsächlich weist das Silicium bei dieser Wellenlänge einen relativ kleinen Absorptionskoeffizienten auf, der eine große Dicke der verarmten Basis-Kollektor-Zone (mehr oder gleich 10μτη) erforderlich macht, was mit der Arbeitsweise eines schnellen Transistors nicht vereinbar ist;

in Hinblick auf die Fototransistoren mit Heteroverbindung wird auf folgende Punkte hingewiesen:

a) in dem Fall, in dem das Licht durch die Emitterschicht hindurchgeht, wie es bei dem Fototransistor gemäß Fig. der Fall ist, erhält man Zusammensetzungen, bei denen

die Emitter-Basis-Kapazität notwendigerweise groß ist.

Zur Fotodetektion am Ende einer optischen Faser muß eine empfindliche Oberfläche mit einem Durchmesser von ungefähr 50 μπι angeordnet werden, was selbst bei schwachen Dotierungen des Emitters, die bei Transistoren mit Heteroverbindung verwandt werden (einige 10 cm ), zu grossen Kapazitäten ( >5pF)fuort.3Penaer "begrenzen, die Rekombinationsströme, deren Amplitude der Oberfläche an der Verbindung Emitter-Basis proportional ist, eine mögliche Arbeitsweise bei geringem Strom, was bei der Fotodetektion mit schwachem Rauschen notwendig ist. Dagegen ist die Empfindlichkeit dieser Zusammensetzungen in dem Übertragungsfenster des Emitters dank der geringen Rekombinationsgeschwindigkeit der Träger an der Emitter-Basis-Grenzschicht ausgezeichnet.

b) Wenn man, um die Emitter-Basis-Kapazität und den Rekombinationsstrom zu verringern, die Lösung mit örtlich abgetragenem Emitter wie bei dem Fototransistor gemäß Fig. 2 anwendet, ist man mit einem anderen Problem konfrontiert, nämlich mit einer geringen Empfindlichkeit. Das unter dem abgetragenen Bereich in der Basis und dem Kollektor absorbierte Licht erzeugt Träger, von denen ein nicht zu vernachlässigender Teil an der Oberfläche der Anordnung rekombiniert. Diese freien Oberflächen GaAs-Luft und ebenso GalnAsP-Luft sind durch eine bedeutende Rekombinationsgeschwindigkeit (10 cm/s bei GaAs) ausgezeichnet, und die Versuche, diese Oberflächen passiv zu machen, haben noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt.

c) Das selektive Abtragen der Emitterschicht ist nicht immer ohne Schwierigkeiten. Dieser Vorgang ist umso schwieriger, umso dünner die Basisschicht ist, was eine hohe Stromverstärkung erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden, indem ein Fototransistor mit Hetero-

Verbindung geschaffen wird, der gleichzeitig eine geringe Emitterkapazität und eine große Empfindlichkeit aufweist.

Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine Änderung der Art der Dotierung der Emitterschicht und zwar örtlich vorgesehen, was ermöglicht, nur auf einer sehr verringerten Oberfläche einen Emitter vom Typ N (im Fall einer Struktur Npn) zu haben, während im fotoempfindlichen Bereich die Emitterschicht zum größten Teil in einen P-Typ umgewandelt ist, wodurch ihre Rolle in Bezug auf das Fenster bewahrt wird.

Die Änderung der Dotierungsart kann durch örtliche Diffusion mit einer Verunreinigung vom Typ ρ (in dem angegebenen Beispiel mit einer Schicht n) (Zn beispielsweise im Fall von GaAlAs) erfolgen. Jedoch sind andere Techniken möglich, wie z.B. Ionenimplantation oder Aufwachsen«

Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Fototransistor mit Halbleiterschichten, die eine Emitterbasis-Heteroverbindung und einen Kollektor bilden, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Art der Dotierung der Emitterschicht in einem Bereich ihrer Ausdehnung invertiert ist, wobei diese Dotierung die Basisschicht erreicht und dieser invertierte Bereich gegenüber festzustellender Lichtstrahlung transparent ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Fototransistor nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen anderen Fototransistor nach dem Stand der Technik,

O I O 0CJ4Ü

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Transistor mit einem Aufbau Npn vom Typ GaAlAs-GaAs und

Fig. 4 den gleichen Aufbau wie in Fig. 3 mit einem auf der oberen Fläche angeordneten Kollektorkontakt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 umfaßt der Fototransistor auf einem sta:

anderfolgend:

auf einem stark vom Typ η dotierten Substrat 12 aufeineine Pufferschicht 1 aus η -GaAs, eine Kollektorschicht 2 aus rf-GaAs (oder gegebenenfalls aus GaAlAs)

- eine Basisschicht 3 aus p-GaAs (oder gegebenenfalls aus - GaAlAs mit einer geringeren Konzentration an Aluminium als die des Emitters),

eine Emitterschicht 4 aus N-GaAlAs,

- eine Kontaktschicht 5 aus η -GaAs. oder GaAlAs.

Die Emitter-Basis-Verbindung wird unter Bedingungen hergestellt, die den Rekombinationsstrom soweit als möglich minimalisieren. Insbesondere müssen die elektrischen und die metallenen Verbindungen nicht notwendigerweise koinzidieren.

Man kann auch ein halbisolierendes Substrat verwenden, um den Kollektorkontakt auf der gleichen Seite wie die anderen Kontakte zu bewahren oder aus Anforderungen bei der Integration.

In der Emitterschicht wird eine örtliche Diffusion durch-geführt, die eine Diffusionssenke 6 vom Typ ρ erscheinen läßt, welche sich bis zur Basisschicht erstreckt. Das örtliche Festlegen der Diffusion erfolgt mittels einer isolierenden Maske, in welcher die Diffusionsfenster offen sind.

Die Kontaktschicht wird dann in dem fotoempfindlichen Bereich 11 entfernt. Sie wird nur örtlich für die Kontakte des Emitters 7 und gegebenenfalls der Basis 8 beibehalten. Dieses Abtragen, der Kontaktschicht kann vor der Diffusion erfolgen. Es ist einerseits aus Gründen der Durchlässigkeit aber auch für die Injektion durch die seitliche Diode der Emitter-Basis-Verbindung notwendig. Tatsächlich ist es erwünscht, für diese Verbindung nur die aktive Heteroverbindung und eventuell eine seitliche Diode, jedoch ausschließlich aus GaAlAs beizubehalten (die Leitungsschwelle dieser seitlichen Diode liegt höher als diejenige der HeteroVerbindung).

Anschließend wir Metall für den Emitterkontakt 7, den Basiskontakt 8 und den Kollektorkontakt 9 niedergeschlagen, bevor eine elektrische Isolierung des Aufbaus erfolgt, indem isolierende Bereiche 10 durch beispielsweise Bombardierung mit Protonen geschaffen werden.

Die Fig. 4 zeigt einen analogen Fototransistor mit jedoch einem semi-isolierenden Substrat 12, welches erlaubt, den Kollektorkontakt 9 auf der gleichen Seite wie die anderen Kontakte anzuordnen, was die Integration des Aufbaus erleichtert.

Natürlich können ähnliche Anordnungen ausgehend von anderen Stoffen hergestellt werden. Insbesondere kann man für Wellenlängen zwischen 1,2 und 1,6 μΐη InP als Material für das Substrat und für die anderen Schichten die "binären Materialien InP, die ternären Materialien GaInAs oder die quaternären Materialien GaInAsP verwenden. Es ist stets angezeigt, diese so auszuwählen, daß der Bereich mit invertierter Dotierung der Emitterschicht für die Wellenlänge der in Betracht kommenden Strahlung transparent ist und daß die Basisschicht und/oder die Kollektorschicht absorbieren.

Leerseite

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY, STOCKMAIR & PA»RTNE?< .

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNE 'Ξ

A. GRÜNECKER, ran. ir/i

Ο« H. KlNKELDEY. ι»·-- inu

DR W. STOCKMAIR. un. ing.aef (

DR K SCHUMANN, u.U. nrn.

P H JAKOÜ.an«

DR G. BEZOLD. l»f>l o«u

W MEISTE«, oplimg.

H HILGERS. cm. int.

DR H. MEYER-PLATH. »ol-ims

8000 MÜNCHEN 22 MAXIMIUANSTRASSE 43

P 16 611

Andre Scavennec: 8, rue Emile Deslandres, 75013 Paris,

Prankreicti
David Ankri: 86, rue de l'Amiral Eoussin, 75015 Paris,

Prankreich

Fototransistor

Patentansprüche ;

Fototransistor mit Halbleiterschichten, die eine Emitter-Basis-Heteroverbindung und einen Kollektor bilden, dadurch gekennzeichnet , daß die Art der Dotierung der Emitterschicht in einem Bereich (6) ihrer Ausdehnung invertiert ist, wobei diese Dotierung die Basisschicht (3) erreicht und dieser invertierte Bereich gegenüber festzustellender Lichtstrahlunq transparent ist.
2. Fototransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht (4) aus GaAlAs vom N-Typ im Bereich des Emitters und vom P-Typ im Bereich mit invertierter Dotierung ist und daß die Basis-

N (O 9SJ 22 2Θ Θ2

TEUEX 05-33380

TELEGRAMME. MONAPAT *

schicht aus GaAs vom P-Typ und die Kollektorschicht aus GaAs vom Typ η ist.
3. Fototransistor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Emitterschicht aus GaAlAs vom N-Typ im Emitterbereich und vom P-Typ im Bereich mit invertierter Dotierung und die Basisschicht aus GaAlAs mit einer geringeren Konzentration an Al als der Emitter und die Kollektorschicht aus GaAlAs besteht.
4. Fototransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die verschiedenen Schichten aus einer III-V-Materialzusammensetzung bestehen, die auf der Höhe der Emitterbasis-Verbindung eine HeteroVerbindung bilden.