DE3202832A1

DE3202832A1 - Hochempfindlicher fotodetektor

Info

Publication number: DE3202832A1
Application number: DE19823202832
Authority: DE
Inventors: John Alexander 07701 Fair Haven N.J. Copeland III
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-02-02
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1982-09-02
Also published as: JPS6244867B2; NL186610B; BE891952A; SE455975B; IT8219373A0; NL186610C; SE8200330L; GB2094551B; CA1182200A; DE3202832C2; NL8200371A; FR2499317A1; FR2499317B1; IT1149520B; JPS57149779A; US4399448A; GB2094551A

Description

Beschreibung
Hochempfindlicher Fotodetektor

Die Erfindung bezieht sich auf Fotodetektoren, insbesondere auf Vorrichtungen mit wenigstens einer inneren Strahlungsquelle.

Optische Faserübertragungsanlagen übertragen und empfangen elektromagnetische Strahlung bei relativ niedrigen Pegeln. Im Ergebnis wird bei diesen Anlagen ein Strahlungsnachweis unter Verwendung von Fotodetektorvorrichtungen bewerkstelligt, die gegenüber den empfangenen Strahlungspegeln hochempfindlich sind. Hohe Empfindlichkeit wird durch Vorsehen von Verstärkungsmechanismen wie Avalanche-Vervielfachung, Transistorwirkung oder Photonenrückkopplung beim elektronischen Entwurf des Bauelementes bewerkstelligt .

Photonenrückkopplung ist ein innerer Verstärkungsprozeß, bei dem Ladungsträger in einem Fotodetektorbauelement vervielfacht werden, das zwei ausgeprägte Halbleiterschichten unterschiedlicher Energiebandabstände hat. Primärphotonen, die auf eine Halbleiterzone schmalen Energiebandabstandes auftreffen, veranlassen die Erzeugung von Ladungsträgern, d. h. Elektronen-Löcher-Paare. Unter der Kraft eines elektrischen Feldes werden

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diese Ladungsträger in die Halbleiterzone mit breitem Energiebandabstand überführt und unterliegen einer strahlenden Rekombination. Die durch Rekombination erzeugten Sekundärphotonen treffen auf die Halbleiterzone schmalen Energiebandabstandes auf, um weitere Ladungsträger zu erzeugen, wodurch Stromverstärkung erhalten wird.

Ladungsträgerverstarkung wird durch die Anzahl Sekundärphotonen beeinflußt, welche zur Halbleiterzone schmalen Energiebandabstandes rückgekoppelt v/erden. Im Mittel pflanzt sich nur die Hälfte der Photonen, die durch strahlende Rekombination in der Halbleiterzone breiten Energiebandabstandes erzeugt werden, in Richtung der Zone schmalen Energiebandabstandes fort. Sonach sind Ladungsträgervervielfachung und Stromverstärkung dahingehend begrenzt, daß sie nicht größer als zwei bei bekannten Photonenrückkopplungsbauelementen sind.

Obgleich eine Verstärkung von zwei bei einigen Anwendung sfällen als ausreichend angesehen werden kann, werden Stromverstärkungen von größer als zwei zur Erhöhung der Empfindlichkeit von Fotodetektorbauelementen benötigt, wie diese für optische Faser-Übertragungsanlagen wünschenswert sind.

Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Stromverstärkung mit einer entsprechenden Erhöhung der Empfindlichkeit in einem Photonenrückkopplungsfotodetektor realisiert durch Aufbringen einer reflektierenden Beschichtung auf die Außenfläche einer Halbleiterzone breiten Energiebandabstandes, die zu einer Halbleiterzone schmalen Energiebandabstandes entgegengesetzt ist (d. h. nicht benachbart). Sekundärphotonen, die in der Zone breiten Energiebandabstandes durch strahlende Rekombination erzeugt werden und sich von der Zone schmalen Energiebandabstandes wegbewegen, werden vorteilhaft an der reflektierenden Beschichtung zur Zone schmalen Energiebandabstandes zurückdirigiert. Beruhend auf dem Reflexionsvermögen der reflektierenden Beschichtung sind der Emissionwirkungsgrad der Zone breiten Energiebandabstandes und der Absorptionswirkungsgrad der Zone schmalen Energiebandabstandes, die Stromverstärkung und die Empfindlichkeit, wie diese mit der vorliegenden Erfindung erreichbar sind, um zwei Größenordnungen höher als bei den bekannten Photonenrückkopplungs-Fotodetektorbauelementen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat der Fotodetektor vier aneinander angrenzende Halbleiterschichten, die in einer Folge von Schichtpaaren angeordnet sind. Das Bauelement hat die folgende Struktur: η £ ρ η r (oder p_ η η ρ r), wobei die Unterstreichung eine Schicht schmalen Energiebandabstandes bezeichnet, keine Unter-

Streichung eine Schicht breiten Energiebandabstandes bezeichnet und r die reflektierende Beschichtung ist. Dieses Halbleiterbauelement ist eine Anordnung mit schwimmender Basis, wobei eine einzige Spannungsquelle die Zone schmalen Energiebandabstandes in Sperrichtung und die Zone breiten Energiebandabstandes in Durchlaßrichtung vorspannt. Außerhalb des Fotodetektors erzeugte Photonen, Primärphotonen, treffen anfänglich auf die in Sperrichtung vorgespannte Zone schmalen Energiebandabstandes auf. Die Absorption der Photonen veranlaßt die Bildung von Elektronen-Löcher-Paaren. Unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Feldes werden Ladungsträger in die in Durchlaßrichtung vorgespannte Zone breiten Energiebandabstandes injiziert, wo strahlende Rekombination auftritt. Einige durch die Rekombination freigesetzte Sekundärphotonen wandern in Richtung auf die Zone schmalen Energiebandabstandes hin. Andere Sekundärphotonen, die sich von der Zone schmalen Energiebandabstandes wegbewegen, werden durch die reflektierende Beschichtung zur Zone schmalen Energiebandabstandes hin umdirigiert. Die Absorption der Sekundärphotonen verursacht eine zusätzliche Erzeugung von Ladungsträgern. Da die Emissions- und Absorptionskoeffizienten der Halbleiterzonen dicht bei eins liegen, ändert eine Veränderung des Reflexionsvermögens der reflektierenden Beschichtung die Stromverstärkung des Bauelementes.

Mit diesen Bauelementen sind Verstärkungen in der Größenordnung 100 erhalten worden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung grenzt eine zweite Zone breiten Energiebandabstandes (pn) an die Zone schmalen Energiebandabstandes an, um einen Photonenrückkopplungs-Fotodetektor mit sechs Schichten zu bilden. Die zweite Zone breiten Energiebandabstandes wird in Durchlaßrichtung vorgespannt und wirkt daher in derselben Weise wie die vorstehend beschriebene erste Zone breiten Energiebandabstandes. Beide Zonen breiten Energiebandabstandes, die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, erzeugen Photonen via strahlende Rekombination ansprechend auf Fotostrom-Ladungsträger. Verstärkungsfaktoren, die mit den vorstehend angegebenen vergleichbar sind, sind mit diesem Fotodetektor erhältlich.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung eines integrierten vierschichtigen Photonenrückkopplungs-Fotodetektors mit einer reflektierenden Oberfläche,

Figur 2 das Schaltbild eines verteilten ' Photonenrückkopplungs-Fotodetektors mit zwei Lumineszenzdioden, die mit einer einfachen Fotodiode optisch und ohmisch verbunden sind,

Figur 3 eine vereinfachte Darstellung eines integrierten sechsschichtigen Photonenrückkopplungs-Fotodetektors mit einer reflektierenden Oberfläche und

Figur 4 eine vereinfachte Darstellung des Fotodetektors nach Fig. 3 der zur Aufnahme einer zusätzlichen inneren Fotoquelle verlängert ist.

Jeder in Figuren 1, 3 und 4 dargestellter Photonenrückkopplungs-Fotodetektor weist wenigstens vier aneinander angrenzende Hälbleiterschichten auf. Planparallele Übergänge sind an jeder Grenzfläche zwischen zwei aneinander angrenzenden Schichten gebildet. Die Schichten sind in eine Folge von Paaren oder Zonen von Schichten gruppiert. Jedes Paar umfaßt eine p-leitende Schicht und eine η-leitende Schicht.

Die chemische Zusammensetzung jeder Schicht in einer betrachteten Zone der Photonenrückkopplungs-Fotodetektoren bestimmt, u. a., den Energiebandabstand für die Zone,

die Eignung der Zone für Photonenabsorption oder Photonenemission sowie die entsprechenden Absorptionsoder Emissionswirkungsgrade. Halbleiterverbindungen sind bei den vorliegenden Photonenrückkopplungs-Fotodetektoren hoch wirksam hinsichtlich sowohl einer Photonenabsorption. (n_ = 1) in einer in Sperrichtung vorgespannten Zone schmalen Energiebandabstandes als auch Photonenemission (n = 1) in einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Zone breiten Energiebandabstandes.

Die für jede Zone der Fotodetektoren gewählten Verbindungen sind allgemein bekannt als III-V-Verbindungen. Jede Zone breiten Energiebandabs tandes, die in Figuren 1, 3 und 4 als eine pn-übergang (nicht unterstrichen) identifiziert ist, ist aus einer quarternären Verbindung wie Indiumgalliumarsenidphosphid (In Ga, As P. ) aufgebaut. Eine ternäre Verbindung wie Indiumgalliumarsenid (In_xGa₁^_xAs) wird in jeder Zone schmalen Energiebandabstandes, die als ein p_n-Übergang identifiziert ist.

Ein Substratmaterial, auf das aufeinanderfolgende p- und η-Schichten epitaktisch aufwachsen gelassen werden, wird gleichfalls aus der Klasse der III-V-Verbindungen ausgewählt. Fremdstoffe werden in das Substrat eingeführt, um den Leitungstyp des Substrats an den der angrenzenden Schicht einer unmittelbar benachbarten Zone anzupassen. Indiumphosphid (InP) wird bei diesen

Fotodetektoren als Substrat benutzt, da es im wesentlichen gegenüber elektromagnetischer Strahlung im bei optischen Faserübertragungsanlagen interessierenden Bereich, d. ho bei annähernd I₉3jum (0„954ev.) transparent ist« Dc hu,, daß der Energiebandabstand des Substratmaterials größer als die Energie der nachzuweisenden Primärphotonen ist»

Der Energiebandabstand wird in Elektronen-Volt (ev) gemessen und ist die Breite der verbotenen Zone im Energiebandmodell für Halbleiter, Diese Breite wird von einer oberen Potentialgrenze des Valenzbandes zu einer unteren Potentialgrenze des Leitungsbandes gemessen. Bei der betrachteten Ausführungsform nach den Figuren ist der Energiebandabstand für jede Zone wie folgt i

Substrat	InP	etwa	1	₉28ev„
pn-Zone	InGaAsP	etwa	1	i03ev_o
p_n-Zone	InGaAs	etwa	O	₅78ev„

Jeder pn-übergang, gleichgültig ob er sich in einer

Zone breiten oder schmalen Energiebandabstandes beist ein Homo-Übergang.

findet _f. /Jeder Übergang zwischen Schichten gleicher Leitfähigkeit in benachbarten Zonen₉ d. ho nn oder pp_, ist ein HeteroÜbergang. Üblicherweise sind die Kristallgitter zweier aneinander angrenzender Halbleitermaterialien am HeteroÜbergang angepaßt^ um eine Möglichkeit

für Photonenemission oder -absorption in der Nähe des HeteroÜberganges zu schaffen. Bei den vorliegenden Fotodetektoren treten Photonenemissionen und -absorptionen in der Nähe der pn-Homoübergänge und nicht in der Nähe der HeteroÜbergänge auf. Die m- oder pjp-Heteroübergänge ermöglichen hauptsächlich den elektrischen (ohmschen) Kontakt zwischen den aneinander angrenzenden Schichten gleichen Leitungstyps. Sonach ist es nicht notwendig, die Materialien an Jedem HeteroÜbergang bei den vorliegenden Fotodetektoren im Gitter anzupassen.

Die Dicke jeder Schicht ist wichtig, insbesondere in der Zone schmalen Energiebandabstandes. Jede Schicht ist dünn genug, um durch die angelegte Vorspannung verarmt zu werden, wodurch sichergestellt wird, daß Ladungsträger, die durch Photonenabsorption in einer Schicht schmalen Energiebandabstandes erzeugt werden, die Seite des Überganges erreichen, auf der sie die Majoritätsladungsträger sind. Die Verarmungsbreite bei jedem pn-Übergang hängt von den Dotierstoffkonzentrationen beider Schichten und von der angelegten Spannung ab. Beispielsweise hat ein pji-Ubergang in InGaAs bei einer Sperrspannung von 10 Volt eine Verarmungsbreite von annähernd 4,2yua, wobei die η-Schicht auf 3,8 „am und die O-Schicht auf 0,4 >um verarmt sind. Sonach haben Zonen schmalen Snergiebandabstandes bei den vorliegenden Fotodetektoren eine p_-3chicht, die annähernd 0,3 /xm dick ISt₁, und eine η-Schicht, die annähernd 3,7,Mm dick ist.

Für die Zonen breiten Energiebandabstandes ist die Schichtdicke im wesentlichen gleich vier oder mehr Diffusionsweglängen für Minoritätsladungsträger in der betroffenen Schicht. Dieses stellt strahlende Rekombination injizierter Minoritätsladungsträger sicher, bevor die Ladungsträger zu einer Grenzfläche mit einer benachbarten Schicht diffundieren» Dotier-Stoffkonzentrationen werden in jeder Schicht erhöht, um die Schichtdicke innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten. Eine große Dotierstoffkonzentration führt zu Diffusionsweglängen von O„2 pm für Löcher in p-leitendem Material und von l„0^am für Elektronen in n-leitendem Material. Folglich haben Zonen breiten Energiebandabstandes bei den vorliegenden Fotodetektoren eine Schichtdicke von 0,8 jum für jede p-Schicht und eine Schichtdicke von 4/im für jede n-Schicht.

Nachstehend seien die Fotodetektor-Ausführungsformen nach den einzelnen Figuren erörtert. Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines intergrierten vierschichtigen Photonenrückkopplungs-Fotodetektors 1. Der Fotodetektor 1 umfaßt eine Folge von zwei Schichtpaaren aus Halbleitermaterial, die auf einem Substrat 5 epitaktisch aufgewachsen und mit reflektierendem Material zum Erhalt eines Reflektors 16 beschichtet sind»

Jedes Schichtpaar bildet einen pn~Homoübergang mit entweder einem breiten oder einem schmalen Energiebandabstand: die n-Schicht 10 und die O-Schicht 11 kombinieren

-43-

sich zu einem Paar schmalen Energiebandabstandes (durch die Unterstreichung des Leitungstyps angegeben), und die p-Schicht 12 und die n-Schicht 13 kombinieren sich zu dem Paar breiten Energiebandabstandes. Zwischen Jedem Schichtpaar ist ein HeteroÜbergang gebildet. Beim Fotodetektor 1 ist der HeteroÜbergang zwischen der £-Schicht 11 und der p-Schicht 12 vorhanden. Der HeteroÜbergang sorgt lediglich für ohmschen Kontakt zwischen den angrenzenden Schichtpaaren.

Das Bauelement nach Fig. 1 ist als eine Fotodiode (Schichten 10 und 11) in Reihe mit einer Lumineszenzdiode (Schichten 12 und 13) konzipiert. Jede Diode muß richtig vorgespannt werden, damit das ganze Fotodetektorbauelement richtig arbeitet. Hierzu muß die Fotodiode in Sperrichtung vorgespannt werden, und die Lumineszenzdiode in Durchlaßrichtung. Die richtige Vorspannung wird durch die Serienschaltung der Dioden ermöglicht. Tatsächlich sorgt eine einzelne Spannungsquelle, beispielsweise die Spannungsquelle 8, an die der Fotodetektor 1 angeschlossen ist, für den richtigen Vorspannungszustand.

Die Größe der Vorspannung wird so bestimmt, daß die gewünschte Verstärkung des Photonenrückkopplungs-Fotodetektors 1 erhalten wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 liefert die Vcrspannungsquelle 8 eine Ausgangsspannung von 5-10 Volt. V/ie dargestellt ist die Vorspannungsquelle mit einem Last-Widerstand in.Reihe geschaltet. Der

Lastwiderstand ist mit der Elektrode 4 mit dem Substrat 5 verbunden. Eine weitere Elektrode,, an die die Vorspannungsquelle S angeschlossen istj, ist am Reflektor 16 vorgesehen. Diese Elektrode braucht kein Fenster oder keinen Spalt zu habenj, wie dieses für die Elektrode 4 vorgesehen ist.

Der Reflektor 16 ist eine reflektierende metallische Beschichtung , beispielsweise Gold oder eine Kombination vor Titan und Gold, die auf die am weitesten vom Substrat 5 entfernte Oberfläche der n-Schicht 13 vollflächig aufgebracht ist» Wenn eine Titan-Gold-Kombination benutzt wird, dann grenzt eine Titanschicht an die Außenfläche der n-Schicht 13 an. Sodann wird eine Goldschicht mit der Außenfläche der Titanschicht direkt verbunden«.

Es treffe nun ein Primärphoton 6 auf das Substrat 5 durch das Fenster in der Elektrode 4 hindurch auf. Da das Substrat gegenüber dem Photon 6 transparent ist, geht das Photon 6 durch das Substrat 5 im wesentlichen ungehindert durch. Das Primärphoton 6 wird dann in der verarmten Zone schmalen Energiebandabstandes, in der n-Schicht 10 oder der ^-Schicht 11, absorbiert» Die n-Schicht 10 ist dünn genug gemacht, um es den durch die Absorption des Photons 6 erzeugten Fotostrom-Ladungsträgern zu ermöglichen, vom elektrischen Feld des Überganges zur £-Schicht 11 transportiert zu werden.

Wenn der Fotostrom zu fließen beginnt, erfährt der in Durchlaßrichtung vorgespannte Übergang zwischen der p-Schicht 12 und der n-Schicht 13 eine Potentialerhöhung Diese PotentiaLerhöhung veranlaßt, daß die freien Elektronen und die injizierten Löcher bei oder in der Nähe des in Durchlaßrichtung vorgespannten Überganges strahlend rekombinieren. Die durch die strahlende Rekombination erzeugten Sekundärphotonen werden nach allen Richtungen emittiert. Der Reflektor 16 bildet ein Mittel zum Umdirigieren einiger Sekundärphotonen zurück zur p_-Schicht 11 für eine nachfolgende Absorption. Jene Sekundärphotonen, die anfänglich zur ^-Schicht 11 hin gerichtet waren, laufen in dieser Richtung weiter bis sie absorbiert werden. Sonach werden praktisch alle Sekundärphotonen, die durch strahlende Rekombination in der p-Schicht 12 oder der n-Schicht erzeugt werden, in der £-Schicht 11 gesammelt, um zusätzliche Ladungsträgerpaare zu erzeugen und den Fotostrom aufrecht zu halten. Die Anzahl zusätzlicher Ladungsträgerpaare bestimmt die Verstärkung und Empfindlichkeit des Fotodetektors 1.

Die Stromverstärkung ist definiert als das Verhältnis der Anzahl Ladungsträger, die einen bestimmten Querschnitt des Fotodetektors 1 passieren, zur Anzahl der Primärphotonen (Photon 6), die vom Fotodetektor 1 absorbiert werden. Unter Vereinfachung dieses Verhältnisses und unter Verwendung üblicher Rechenmethoden ergibt sich für den Verstärkungsfaktor G folgender Ausdruck

G = (1 - 0,5 (1+R) n_en_af¹

Hierin bedeuten

R das Reflexionsvermögen des Reflektors 16,

η den Photonenabsorptionswirkungsgrad von n-Schicht 10 und p_~Schicht 11, und

η den Photonenemissionswirkungsgrad von p~Schicht und n-Schicht 13«

Für die Fotodetektoren nach Figuren I₅ 3 und 4 sind sowohl η als auch η im wesentlichen gleich 1. Man sieht, e a

daß durch richtige Wahl der Materialien,, die sehr hohe Werte für n_, η und R haben, ein Verstärkungsfaktor von 100 oder mehr leicht erreichbar ist.

Fotodetektoren der in Fig. 1 dargestellten Art sind unter Verwendung von Epitaxiezüchtungsverfahren hergestellt worden. Flüssigphasenepitaxie ist dabei überwiegend benutzt worden, aber Molekularstrahlepitaxie ist gleichfalls anv/endbar. Die Methoden liefern Bauelemente mit etwa 100 ,um im Quadrat» Die Dicke des Fotodetektors 1 ist im wesentlichen gleich der Anzahl pn- und p_n-Übergänge mal etwa 5 }3M plus Substratdicke. Typische Substratdicken sind in der Größenordnung von 75 ^m. Folglich ist die Dicke des Fotodetektors 1 leicht größer als 87

Während der epitaktischen Züchtung des Bauelementes werden Dotierstoffe in jede Schicht eingeführt. Typ und Konzentration des Dotierstoffes beeinflussen die Leitfähigkeit jeder Schicht. Dotierstofftypen und -konzentrationen für die einzelnen Schichten an einer beispielhaften Ausführungsform des Fotodetektors 1 sind nachstehend tabellarisch wiedergegeben:

	InP	//7	Zusammensetzung	Dotierstoff	3202832
Schicht	ⁱⁿo!		Zinn	Dotierstoff- Konzentration (Atome/cm)-^
n:5	*	₅₃Ga_0>47A_S	Zinn Zink Zink	10¹⁸
n:10 p:12	79^Ga0 21^As0,46^P0 54	Zinn	1O¹⁵ 1O¹⁷ 1O¹⁷
n:13		1O¹⁷

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ist ein verteilter Photonenrückkopplungs-Fotodetektor mit zwei optisch und ohmisch in Reihenschaltung mit einer Fotodiode verbundenen Lumineszenzdioden. Verallgemeinert gesprochen ist diese Anordnung eine Erweiterung des durch den Fotodetektor 1 nach Fig. 1 verkörperten Konzeptes. Der Fotodetektor 2 enthält nicht nur die Fotodiode und die Lumineszenzdiode, die in Verbindung mit dem Fotodetektor 1 beschrieben worden sind, sondern auch noch eine weitere Lumineszenzdiode. Die zweite Lumineszenzdiode liefert ein weiteres Mittel zur Erhöhung von Empfindlichkeit und Stromverstärkung des Fotodetektorbauelementes .

Der Fotodetektor 2 umfaßt eine Reihenschaltung einer Fotodiode 20 mit zwei Lumineszenzdioden 21 und 22. Die Vorspannung für den Fotodetektor 2 wird von einer in Reihe mit einem Lastwiderstand geschalteten Spannungsquelle in ähnlicher Weise geliefert, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist. Die Polarität der Vorspannung ist in Fig. 2 durch die dort eingezeichneten Plus- und Minuszeichen angedeutet.

Primärphotonen hv fallen nur auf die Fotodiode 20 des Fotodetektors 2 ein. Wenn die Primärphotonen hv von der Fotodiode 20 gesammelt werden₉ "beginnt ein Fotostrom durch die Dioden 21 und 22 zu fließen. Beruhend auf der Größe von Fotostrom und der Quantenwirkungsgrade der Dioden 21 und 22 (Qyjpi ^tzw* ^D22^' ^wer<3-en Sekundärphotonen von jeder der "beiden Lumineszenzdioden emiitiert werden. Es ist wichtig, die Lumineszenzdioden 21 und 22 von den Primärphotonen zu isolieren, da eine Bestrahlung der Dioden 21 und 22 eine dem gewünschten Signal entgegengerichtete Fotospannung erzeugt.

Da der Fotodetektor 1 eine verteilte Anordnung ist, ist die Nähe der Lumineszenzdioden zur Fotodiode keine ausreichende Bedingung für den Erhalt einer wirksamen Photonenrückkopplung. Photonenrückkopplungswege werden durch Anbringen von optischen Kopplern von jeder Lumineszenzdiode zur Fotodiode realisiert. Zu diesem Zweck stellt der optische Koppler 23 einen Rückkopplungsweg für von der Diode 21 emiiüerte Sekundärphotonen zur Fotodiode 20 her, und der optische Koppler 24 einen ähnlichen Rückkopplungsweg für von der Diode 22 emittierte Sekundärphotonen zur Fotodiode 20. Optische Fasern und Linsen sind als optische Koppler benutzt worden.

Die Stromverstärkung G einer Anordnung entsprechend dem Fotodetektor 2 ist annähernd gegeben durch

Öl* (1 - ( ¹

worin Qp der Quantenwirkungsgrad der jeweils betroffenen Lumineszenzdiode ist. Andere Faktoren, die die Empfindlichkeit des Potodetektors 2 zu beeinflussen suchen, sind der Wirkungsgrad der optischen Koppler 23 und 24 und die Fähigkeit jedes Kopplers, die von der entsprechenden Lumineszenzdiode emittierten Sekundärphotonen zu sammeln.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines integrierten sechs schichtigen Photonenrückkopplungs-Fotodetektors mit einer reflektierenden Fläche. Der Fotodetektor weist nicht nur die vier aneinander angrenzenden Halbleiterschichten des Fotodetektors 1 der Fig. 1 auf, sondern auch noch zwei zusätzliche Halbleiterschichten, nämlich die p-Schicht 14 und die n-Schicht 15. Die Schichten 14 und bilden eine Zone breiten Energiebandabstandes. Es sei bemerkt, daß beim Fotodetektor 3 das Substrat 5 ρ -leitend ist, also gleichen Leitungstyp wie die angrenzende p-Schicht 14 hat.

Ein Primärphoton 6 falle wieder auf das Substrat 5 des Fotodetektors 3 über das Fenster oder den Spalt in der Elektrode 4 ein. Da das Substrat 5 gegenüber dem Photon wegen seines breiten Energiebandabstandes transparent ist, geht das Photon 6 durch das Substrat 5 im wesentlichen ungehindert durch. Die p-Schicht 14 und die n-Schicht haben ebenfalls ausreichend breite Energiebandabstände, um den ungehinderten Durchgang des Photons 6 zur n-Schicht zu ermöglichen. In der n-Schicht 10 wird das Photon 6 absorbiert und veranlaßt das Fließen eines Fotostroms.

Eine strahlende Rekombination der Fotostrom-Ladungsträger tritt in den beiden Zonen breiten Energiebandabstandes auf, die die Schichten 12 und 13 und die Schichten 14 und 15 enthalten. Die in den Schichten 12 und 13 erzeugten Sekundärphotonen sind entweder anfänglich direkt zur p_-Schicht 11 hin gerichtet oder werden erst durch Reflexion am Reflektor 16 zur £-Schicht

11 hin gerichtet. Im Mittel ist die Hälfte der in den Schichten 14 und 15 erzeugten Sekundärphotonen zur n-Schicht 10 hin gerichtet. Die Absorption der Sekundärphotonen tritt in der Zone schmalen Energiebandabstandes, die die Schichten 10 und 11 umfaßt, auf und veranlaßt eine Erhöhung in der Anzahl der Fotostrom-Ladungsträger.

Beim Epitaxiezüchtungsverfahren für den Fotodetektor 3 werden Dotierstoffe in der p-Schicht 14 und die n-Schicht 15 mit demselben Konzentrationswert wie für die p-Schicht

12 bzw. die n-Schicht 13 eingeführt. Die restlichen Schichten werden wie in Verbindung mit dem Fotodetektor nach Fig. 1 beschrieben hergestellt, außer daß das Substrat 15 mit Zink bei einer Dotierstoffkonzentration

"IQ 7 .

von 10 Atomen/cnr zum Erhalt einer ρ Leitfähigkeit dotiert wird.

Figur 4 zeigt einen Fotodetektor, der einen im wesent- ■ liehen mit dem Fotodetektor 3 identischen Fotodetektor 3' umfaßt, ferner eine η £ -Zone und'eine dritte (photonenemitierende) pn-Zone breiten Energiebandabstandes, die mit dem Fotodetektor 3' über die n⁺p_⁺-Zone verbunden ist.

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Die η p_ -Zone ist extrem dünn und hat eine sehr hohe Dotierstoffkonzentration, so daß sie bei Vorspannung in Sperrichtung im wesentlichen als ohmscher Kontakt wirkt.

Bei diesem Fotodetektorbauelement ist der Energiebandabstand der die p-Schicht 28 und die n-Schicht 29 umfassenden Zone schmäler als der Energiebandabstand der die Schichten 12 und 13 umfassenden Zone. Dieses erlaubt, daß die Schichten 12 und 13 gegenüber Sekundärphotonen transparent erscheinen, die in entweder der Schicht 28 oder der Schicht 29 erzeugt werden. Sonach haben in der Schicht 28 oder 29 erzeugte Sekundärphotonen eine extrem hohe Wahrscheinlichkeit, daß sie in der p_-Schicht 11 der Zone schmalen Energiebandab-•standes gesammelt wird.

Der Fotodetektor in Fig. 4 spricht auf ein Primärphoton 6 in derselben Weise an wie die Fotodetektoren 1 und 3. Ein im Fotodetektor erzeugter Fotostrom veranlaßt eine Emission von Sekundärphotonen durch die drei photonenemittj.erenden pn-Zonen, nämlich die Schichten 12 und 13, die Schichten 14 und 15 und die Schichten 28 und 29. Der Reflektor 16 dirigiert die Sekundärphotonen zur p_-Schicht 11 um. Die Sekundärphotonen werden entweder durch die Schicht n-Schicht 10 oder die Schicht £-Schicht 11 gesammelt. Die n⁺-Schicht 26 und die ja -Schicht 27 werden in Sperrichtung vorgespannt, um

einen ohmschen Kontakt zwischen der p-Schicht 28 und der n-Schicht 13 zu erzeugen, und sind gegenüber den in den benachbarten pn-Zonen erzeugten Sekundärphotonen transparent.

Die p-Schicht 28 und die n-Schicht 29 sind in ihrer chemischen Struktur und Dotierstoffkonzentration mit der p-Schicht 12 bzw. n-Schicht 13 identisch. Sowohl die n⁺-Schicht 26 als auch die p_⁺-Schicht 27 sind extrem dünne Schichten aus InQ ^QaQ /,-zAs. Jede Schicht

in der n⁺p_⁺--Zone ist etwa 1 - 2 pm dick. Die Schicht ist stark dotiert, und zwar mit Schwefel auf eine Dotier Stoffkonzentration von annähernd 10 Atomen/cm . Die Schicht 27 ist ebenfalls stark dotiert, und zwar mit Zink auf eine Dotierstoffkonzentration von annähernd

TO -ζ

10 Atomen/cm .

Alle vorstehend beschriebenen Photonenrückkopplungs-Fotodetektoren haben eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Primärphotonen. Diese Empfindlichkeit ist, so der experimentelle Befund, wenigstens um eine Größenordnung verbessert im Vergleich zu ähnlichen bekannten Bauelementen.

Komplementärstrukturen der Fotodetektoren nach Figuren 1, 3 und 4 werden durch bloßes Ändern des Leitungstyps jeder Schicht in den entgegengesetzten Leitungstyp und durch Umkehren des Vorzeichens der Vorspannung erhalten.

Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise kann bei den Fotodetektoren nach-Figuren 3 und 4 ein dielektrischer Reflektor zwischen die Elektrode 4 und das Substrat 5 zum Reflektieren von Sekundärphotonen zurück zur n-Schicht 10 vorgesehen werden. Auch ein metallischer Reflektor ähnlich dem Reflektor 16, der aber mit der für den Durchgang von Primärphotonen erforderlichen Mindestspalt- oder Fenstergröße versehen ist, kann statt der Elektrode 4 vorgesehen werden.

Claims

BLUMBACH -WESER -BERaEN · KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Petemlconsult RadedcestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Partftftonsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company COPELAND

Incorporated

New York N. Y.

Patentansprüche

Fotodetektor mit aneinander angrenzenden Halbleitermaterialschichten (10, 11, 12, 13), die in eine Folge von Schichtpaaren gn^piert sind, wobei jedes Paar eine erste und eine zweite Schicht aufweist,

- wobei die erste Schicht jedes Paares (11, 13) aus einem Halbleitermaterial aufgebaut ist, dessen Leitungstyp gegenüber dem der zweiten Schicht im .entsprechenden Paar (10, 12) entgegengesetzt ist und die ersten und zweiten Schichten innerhalb jedes Paares im wesentlichen gleichen Snergiebandabstand haben,

- wobei ferner die erste Schicht jedes Paares in der Folge von Paaren aus einem Halbleitermaterial zusammengesetzt ist, dessen Leitfähigkeit vergleichbar mit der der zweiten Schicht des unmittel-

Munchen: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. naL · E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden; P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W-Ing.

bar benachbarten Schichtpaares ist, und der Energiebandabstand der ersten und zweiten Schichten ^eden Paares gegenüber dem der ersten und zweiten Schichten jedes unmittelbar benachbarten Paares unterschiedlich ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine reflektierende Beschichtung (16) an eine äußerste Schicht (13) der Folge von Schichtpaaren angrenzt.
2. Fotodetektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die an die reflektierende Beschichtung angrenzende äußerste Schicht der Folge von Paaren einen breiten Energiebandabstand hat.
3. Bauelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Schicht jedes Paares im wesentlichen gleich der Dicke der zweiten Schicht des nächsten Paares der Folge ist.
4. Fotodetektor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Beschichtung eine erste Schicht aus Titan und eine hieran angrenzende zweite Schicht aus Gold aufweist.
5. Fotodetektor nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Reflektor zur Reflexion von Sekundärphotonen zurück auf die Schichten hin vorgesehen ist.