DE3139351C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterphotodiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Man hat erkannt, daß auf dem Gebiet von Lichtleiterfasern Wellenlängen im Bereich zwischen 1,0 und 1,6 µm besonders interessant sind. Dementsprechend besteht ein Bedarf an Lichtquellen und Photodetektoren, die in diesem Wellenlän­ genbereich zu arbeiten vermögen. Der genannte Wellenlängen­ bereich ist deshalb besonders interessant, da dort in gängi­ gen Lichtleiterfasern minimale Lichtverluste auftreten.

Wegen der günstigen Größe der Bandabstände hat sich das Interesse auf Bauelemente konzentriert, die III-V-Materialien benutzen. Es wurden Bauelemente mit binären Halbleiterverbin­ dungen, wie GaSb, ternären Halbleiterverbindungen, wie InGaAs und GaAlSb, und mit quarternären Halbleiterverbindungen, wie InGaAsP realisiert. Man hat Avalanche-Photodioden und pin- Photodioden mit unterschiedlichen Strukturen und Kombinatio­ nen der erwähnten III-V-Materialien untersucht.

Ein für die genannten Zwecke eingesetzter Photodetektor sollte mehrere Forderungen erfüllen. Er sollte einen guten Quantenwirkungsgrad, eine niedrige Dunkelstromkennlinie und relativ niedrige Kapazität aufweisen.

Bekannte Photodetektoren, die im Wellenlängenbereich zwi­ schen 1,0 und 1,6 µm arbeiten, benutzen auf InP-Substraten aufgewachsenes InGaAs. Verschiedene Ausführungsformen dieses Lösungsweges sind beschrieben in Applied Physics Letters, 33 (1978) 640 bis 642 und Electronics Letters, 16 (1980), 155 bis 156. Ersterer Artikel beschreibt eine Homoübergangs- Avalanche-Photodiode mit einem Sperrstrom von 2 nA bei der halben Durchbruchspannung. Dieser Strom entspricht einer Dunkelstromdichte von 4 × 10^-6 A/cm². Letzterer Artikel beschreibt eine pin-Photodiode mit Beleuchtung von hinten und einem Dunkelstrom von 2 bis 5 nA bei einer Sperrspannung von 10 Volt. Der pn-Übergang liegt jeweils in dem Material mit dem kleineren Bandabstand.

Im Abstract der JP 54-16 196 A2 Veröffentlichung ist eine Halbleiterphotodiode der eingangs genannten Art beschrie­ ben, die als Avalanche-Photodetektor ausgebildet ist. Be­ kanntlich arbeiten diese Bauelemente bei Spannungen, die oberhalb der Lawinendurchbruchschwelle liegen. Bei dieser bekannten Halbleiter-Photodiode soll eine Rauschverringe­ rung und eine Herabsetzung des Dunkelstroms erreicht wer­ den, indem bei Lichteinfall Elektronen und Löcher in etwa gleichem Ausmaß zu der Vervielfachung in der Lawinendurch­ bruch-Zone beitragen. Das zweite Halbleitermaterial besteht bei der bekannten Halbleiterphotodiode aus einer N-leiten­ den GaAlAs-Schicht und einer in deren Oberflächenbereich ausgebildeten P-leitenden Schicht. Die Ionisierungsrate der Löcher ist größer als diejenige der Elektronen durch die GaAs-Schicht (Schicht des ersten Halbleitermaterials). Die Schichtdicke des zweiten Halbleitermaterials ist größer als der inverse Wert des Absorptionskoeffizienten des N- leitenden GaAs, so daß der größere Anteil des Lichts absor­ biert wird. Die Dotierstoffkonzentration ist so eingestellt, daß sich die Verarmungsschicht von der pn-Übergangsfläche bis in den N-leitende GaAlAs-Schicht hinein erstreckt.

In IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. Ed-27, No. 4, April 1980, S. 444-450, wird der Effekt des "band re­ adjustment" bei Solarzellen beschrieben. Aus der zuletzt­ genannten Druckschrift ist eine Solarzelle bekannt, die ebenfalls einen Schichtaufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist. Der Aufbau wurde im Hinblick auf eine Optimierung des Kurzschlußstrom- und Leerlaufspannung-Ver­ haltens getroffen.

Weiterhin ist in der zuletzt genannten Druckschrift darauf hingewiesen, daß bei einer Solarzelle mit einer p⁺-leitenden GaAlAs-Schicht auf einer N-leitenden GaAs-Schicht das Ein­ fügen einer dünnen, N-leitenden GaAlAs-Schicht die Wahr­ scheinlichkeit des Tunnels von Ladungsträgern ebenso wie die Rekombinationsrate in der Nähe des pn-Übergangs herab­ setzt.

Ein weiterer Lösungsweg für Photodetektoren, die im selben Wellenlängenbereich arbeiten, ist beschrieben in Applied Physics Letters, 35 (1979), 251 bis 253. Dabei handelt es sich um eine InGaAsP-Heterostruktur-Avalanche-Photodiode mit Schichten aus n-InGaAsP und n-InP, deren Dotierstoff­ konzentrationen etwa 4 × 10^-6/cm³ betragen und die auf einem n⁺-InP-Substrat aufeinanderfolgend aufgewachsen sind. In der InP-Schicht wird ein p⁺-InP-Zone durch Cadmiumdiffusion erzeugt. Die resultierende Photodiode arbeitet mit einem pn-Avalanche-Übergang im Material des breiteren Bandabstan­ des, InP, in der Nähe des Materials des schmaleren Bandab­ standes, InGaAsP, wobei das letztere Material das Licht absorbiert. Für die Vorrichtung wird ein guter Quantenwir­ kungsgrad und eine gute Avalanche-Verstärkung bei relativ hohen Sperrspannungen angegeben. Quantenwirkungsgrade von mehr als 60% und eine Avalanche-Verstärkung von 3000 werden berichtet. Jedoch blockiert eine Valenzband-Barriere von etwa 0,4 Volt die Diffusion der durch Lichtabsorption in der quarternären Schicht erzeugten Löcher. Die Löcher über­ winden die Barriere nur, wenn dort ein großes elektrisches Feld, das Löcher beschleunigen kann, in der Nähe des Hetero­ überganges vorhanden ist. Des weiteren tritt beim Betrieb im Avalanche-Bereich ein Tunneln auf und der Dunkelstrom steigt an. Wegen der Gegenwart großer Tunnelströme, die ein signifikantes Detektorrauschen verursachen, ist es schwie­ rig, rauscharme Avalanche-Photodetektoren aus III-V-Materia­ lien herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiter-Photodiode der eingangs genannten Art anzugeben, die niedrigere Dunkel­ ströme als beim Stand der Technik und gleichzeitig eine niedrige Kapazität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk­ male gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, eine Photodiode mit niedrigem Dunkelstrom und niedriger Kapazi­ tät zur Verwendung im Wellenlängenbereich zwischen 1,0 und 1,6 µm bereitzustellen. Der pn-Übergang befindet sich in dem zweiten Halbleitermaterial, also dem Material mit dem größeren Bandabstand. Aufgrund des größeren Bandabstandes dieses Materials erfolgt die Absorption des Lichts in der Schicht aus dem ersten Halbleitermaterial, also dem Material mit dem kleineren Bandabstand.

Die Verwendung eines pn-Übergangs, der im Material mit dem höheren Bandabstand angeordnet ist, führt zu einem kleineren Dunkelstrom als wenn der pn-Übergang in einem Material mit kleinerem Bandabstand angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der pn-Übergang durch eine erste und eine zweite InGaAsP-Schicht gebildet, die nacheinander auf der InGaAs-Schicht und dem Substrat gitterangepaßt aufgewachsen werden. Die InGaAs-Schicht und die erste InGaAsP-Schicht weisen einen ersten Leitungstyp und die zweite InGaAsP-Schicht einen zweiten Leitungstyp auf. Insbesondere steht der erste Leitungstyp für n- und der zweite für p-Leitung. Der Photodetektor kann entweder durch die InGaAsP-Schichten oder durch das InP-Substrat beleuchtet werden. In den n-leitenden Schichten beträgt die Dotierstoffkonzentration 2 × 10¹⁵/cm³ oder weniger, während in der p-leitenden Schicht die Dotierstoffkonzen­ tration zwischen etwa 3 × 10¹⁷/cm³ und 5 × 10¹⁸/cm³ liegt. Für Licht einer Wellenlänge von etwa 1,3 Mikrometern ist die Absorptionsschicht die InGaAs-Schicht, der pn-Übergang ist innerhalb der InGaAsP-Schichten angeordnet. Das Bau­ element arbeitet erfindungsgemäß bei niedrigen Spannungen ohne Avalanche-Durchbruch.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine schematische Schnittansicht durch eine Photodiode zeigt.

Wie dargestellt, hat die Photodiode ein Indiumphosphid- (InP-)Substrat 10, eine n-leitende Indiumgalliumarsenid- (InGaAs-)Schicht 12, eine n-leitende erste Indiumgallium­ arsenidphosphid-(InGaAsP-)Schicht 14 und eine p⁺-leitende zweite Indiumgalliumarsenidphosphid-(InGaAsP-)Schicht 16.

Die Photodiode 1 hat ferner Ohmsche Kontakte 18 und 20 zu den Schichten 10 bzw. 16. Die Schichten 12, 14 und 16 sind im Gitter an das InP-Substrat angepaßt, und die Schicht 12, die die lichtabsorbierende Schicht ist, hat die Nennzu­ sammensetzung In_0,53Ga_0,47As. Die Schichten 14 und 16 haben eine Zusammensetzung, die sie im Gitter an die Schicht 12 anpaßt. Obgleich als von vorne beleuchtet dargestellt, kann der Photodetektor auch von hinten beleuchtet werden, d. h., Licht kann in den Photodetektor durch das Substrat eintre­ ten. Wenn der Photodetektor von vorn beleuchtet wird, geht das Licht zunächst durch die Schichten 14 und 16 und wird dann in Schicht 12 absorbiert.

In gitterangepaßtem InGaAsP befindet sich zwischen den Schich­ ten 16 und 14 ein pn-Übergang und auf der InGaAs-Schicht 12 ein Hetero-Übergang. Der Ausdruck "InGaAsP" bezieht sich auf die Zusammensetzungen entsprechend der Formel

In_{1 - x}Ga_xAs_yP_{1 - y},

in der x und y größer oder gleich 0,0 und kleiner oder gleich 1,0 sind. Durch Wahl der geeignet git­ terangepaßten Zusammensetzung kann der Bandabstand des quar­ ternären Materials jeden Wert zwischen dem von InP und InGaAs annehmen.

Das InP-Substrat 10 ist mit Schwefel oder Zinn auf eine Konzentration von wenigstens 10¹⁷/cm³ und wünschenswerter­ weise auf 10¹⁸/cm³ oder höher dotiert. Die n-leitenden Schichten 12 und 14 sind nominell undotiert und haben Donator­ konzentrationen, die annähernd 2 × 10¹⁵/cm³ oder weniger betragen. Höhere Konzentrationen sind unerwünscht, wenn niedrige Kapazität und niedriger Dunkelstrombetrieb gleich­ zeitig erreicht werden sollen, daß die undotierten ternären und quarternären Schichten bei relativ niedriger Vorspannung, d. h. bei weniger als 20 Volt, im wesentlichen verarmt sein müssen. Die Schicht 16 ist typischerweise mit Zink auf eine Konzentration von etwa 3 × 10¹⁷/cm³ dotiert, obgleich Kon­ zentrationen zwischen 10¹⁷/cm³ und 10¹⁹/cm³ benutzt werden können. Eine hohe Dotierstoffkonzentration ermöglicht die Bildung eines Ohmschen Kontaktes. Die Dicke der Schichten 12, 14 und 16 liegen sämtlich typischerweise zwischen 1 und 2 Mikrometern, insbesondere haben die Schichten 12 bzw. 14 bzw. 16 eine Dicke von 1,5 bzw. 1 bzw. 2 Mikrometern.

Die Bauelementparameter, einschließlich der Schichtdicken und Dotierungskonzentrationen können je nach gewünschter Kennlinie und Betriebsverhalten des Bauelementes geändert werden. Die Verarmungsschichtkapazität ist umgekehrt pro­ portional zur Verarmungsschichtdicke, die ihrerseits umge­ kehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Dotierstoff­ konzentration und proportional zur Quadratwurzel aus der Spannung im Falle eines steilen Überganges ist. Wenn eine geringere Kapazität gewünscht wird, sollte die Dotierstoff­ konzentration daher herabgesetzt werden. Die gewünschten Parameter hängen auch von den gewünschten Betriebskennlinien ab. Beispielsweise ist es bei hohen Frequenzen am meisten erwünscht, die Gesamtkapazität zu verringern, während bei niedrigen Frequenzen ein niedriger Dunkelstrom am meisten erwünscht ist. Eine niedrige Dotierungskonzentration in den Schichten 12 und 14 führt zu einer breiteren Verarmungs­ schicht und setzt den Dunkelstrom herab, wenn die Vorspan­ nung kleiner ist. Die praktische untere Grenze für Dotie­ rungskonzentrationen nach derzeitigen Methoden ist etwa 10¹⁵/cm³, obgleich es wahrscheinlich ist, daß verbesserte Methoden den Erhalt von noch niedrigeren Werten ermöglichen.

Zum Erhalt einer niedrige Kapazität, d. h. weniger als 0,5 pF, liegt die Fläche des Photodetektors zwischen 2,7 × 10^-4 cm² und 5 × 10^-5 cm², wenn eine Dotierstoffkonzen­ tration von annähernd 2 × 10¹⁵/cm³ bei den n-leitenden Schich­ ten benutzt wird und diese eine Dicke von annähernd 2,7 Mikrometern haben. Bei etwa 10 Volt sind die n-leitenden Schichten vollständig verarmt, so daß die Kapazität ihr Minimum angenommen hat. Die Photodiode arbeitet somit als ein pin-Detektor.

Die Vorrichtung kann durch entsprechende Modifikationen üblicher und allgemein bekannter Flüssigphasenepitaxiever­ fahren, z. B. der in Applied Physics Letters, 33 (1978) 314 bis 316 beschriebenen, gezüchtet werden. Vor der Ein­ leitung des Wachstums wird die In-Schmelze einer Hochtempe­ raturausheizung unterworfen. Eine Zeitspanne von 16 bis 96 Stunden bei etwa 800°C hat sich als geeignet erwiesen. Der Wachstumsprozeß beginnt bei 665°C mit einem Rückschmelz­ schritt, eine 15 Mikrometer dicke Sn-dotierte Pufferschicht wird aufwachsengelassen, gefolgt von InGaAs- und gitteran­ gepaßten InGaAsP-Schichten, die beide undotiert in n-Lei­ tung bei einer Abkühlgeschwindigkeit von einem Grad pro Minute aufwachsen. Eine quarternäre, zinkdotierte p⁺-Schicht derselben Zusammensetzung wie die vorausgehende Schicht wird aufwachsengelassen. Es wurde auch als wünschenswert gefunden, eine hochreine, siliciumfreie InP-Quelle zu be­ nutzen. Die vorstehenden Schritte reduzieren die unerwünsch­ ten Verunreinigungskonzentrationen. Die Mesastruktur wird durch Naßätzmethoden erhalten, wie diese beschrieben sind in Japanese Journal of Applied Physics, 18 (1979), Seiten 2035 bis 2036. Ohmsche Kontakte 18 und 20 zum Substrat 10 und zur Schicht 16 können mit üblichen, legierten Au-Sn- bzw. Au-Zn-Kontakten hergestellt werden.

Die Vorrichtung wird in Sperrichtung mit einer Spannung vorgespannt, die typischerweise zwischen 10 und 15 Volt liegt. Für ein Bauelement mit einer Fläche von 1,3 × 10^-4 cm² erhält man Dunkelströme bis herab zu 0,2 nA bei etwa 10 Volt. Der niedrige Dunkelstrom ist das Ergebnis des in der quarternären InGaAsP-Schicht gelegenen pn-Überganges und ist wesentlich kleiner als der für die InGaAs-Detektoren übliche Dunkelstrom. Der Dunkelstrom wird deswegen herabge­ setzt, weil der pn-Übergang in einem Material erzeugt ist, das einen größeren Bandabstand als die absorbierende Schicht hat. Die Kapazität bei etwa 10 Volt beträgt annähernd 0,2 pF für ein Bauelementgebiet von annähernd 5 × 10^-5 cm². Ein äußerer Quantenwirkungsgrad von annähernd 60% wird bei einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometern bei Beleuchtung von vorne erhalten.

Obgleich das dargestellte Bauelement eine pnn-Leitungstyp­ konfiguration hat, versteht es sich, daß das Bauelement auch als npp-Bauelement ausgeführt sein kann. Sonach kön­ nen das InP-Substrat 10 und die InGaAs-Schicht 12 sowie die erste InGaAsP-Schicht 14 als Schichten eines ersten Leitungstyps und die zweite InGaAsP-Schicht 16 als Schicht eines zweiten Leitungstyps beschrieben werden.

Weitere Abwandlungen sind möglich. So können andere Substrat­ materialien benutzt werden, solange die Schichten im Git­ ter angepaßt sind. Andere Materialien können auch für die lichtabsorbierende Schicht und andere Halbleiter als InGaAsP für die Schichten 14 und 16 benutzt werden, solange sie im Gitter angepaßt sind und ihr Bandabstand größer als der des Materials der lichtabsorbierenden Schicht 12 ist, die ihrerseits GaSb sein kann. In diesem Fall können die Schich­ ten 14 und 16 aus AlGaAsSb hergestellt werden. Obgleich eine Mesastruktur beschrieben worden ist, kann auch eine planare Vorrichtung hergestellt werden durch Diffusion in eine beispielsweise InGaAsP-Schicht zum Erhalt eines pn- Überganges.

Claims (2)

1. Halbleiterphotodiode, mit einem Substrat (10) eines ersten Leitungstyps, mit einer Schicht (12) eines ersten Halbleiter­ materials ebenfalls des ersten Leitungstyps, das auf dem Substrat angeordnet und im Gitter dem Substrat angepaßt ist, und mit einem zweiten Halbleitermaterial (14, 16), in dem ein pn-Übergang liegt und das auf der Schicht des ersten Materials als epitaktische Schicht gebildet und die­ sem im Gitter angepaßt ist, wobei der Bandabstand des zwei­ ten Halbleitermaterials (14, 16) größer als der Bandabstand des ersten Halbleitermaterials (12) ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermaterial (14, 16) in Form einer ersten epitaktischen Schicht (14) vom ersten Leitungstyp und einer auf der ersten epitaktischen Schicht befindlichen zweiten epitaktischen Schicht (16) des entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildet ist, daß die Schicht (12) des ersten Halbleiter­ materials und die erste epitaktische Schicht (14) des zweiten Halbleitermaterials eine Dotierstoffkonzentration von annähernd 2 × 10¹⁵/cm³ oder weniger besitzen, und daß sowohl die Schicht (12) des ersten Halbleitermaterials als auch die erste epitaktiche Schicht (14) des zweiten Halbleitermaterials vollständig verarmt ist, wenn die Halbleiterphotodiode bestimmungsgemäß mit einer weniger als 20 Volt betragenden und unterhalb ihrer Lawinendurch­ bruchschwelle liegenden Sperrspannung betrieben wird.

2. Photodiode nach Anspruch 1, bei der das Substrat aus InP besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial InGaAs und das zweite Halb­ leitermaterial InGaAsP ist.