DE3202832C2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- DE3202832C2 DE3202832C2 DE3202832A DE3202832A DE3202832C2 DE 3202832 C2 DE3202832 C2 DE 3202832C2 DE 3202832 A DE3202832 A DE 3202832A DE 3202832 A DE3202832 A DE 3202832A DE 3202832 C2 DE3202832 C2 DE 3202832C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layer
- layers
- energy band
- pair
- zone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 19
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 17
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 14
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 12
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 12
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- ZNKMCMOJCDFGFT-UHFFFAOYSA-N gold titanium Chemical compound [Ti].[Au] ZNKMCMOJCDFGFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910001258 titanium gold Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/111—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by at least three potential barriers, e.g. photothyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/125—Composite devices with photosensitive elements and electroluminescent elements within one single body
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Fotodetektor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, Ein derartiger Fotodetektor ist aus der DE-OS
22 47 966 bekannt.
Optische Übertragungsanlagen mit Lichtleitern 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 (DE-OS 22 47 966).
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 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.
Ladungsträgerverstärkung wird durch die Anzahl Sekundärphotonen
beeinflußt, welche zur Halbleiterzone schmalen Energiebandabstandes
rückgekoppelt werden. 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fotodetektor
anzugeben, bei dem eine Stromverstärkung von mehr als den Faktor zwei
zur Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht wird, damit sich
der Fotodetektor besonders für optische Faser-Übertragungsanlagen
eignet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die erhöhte Stromverstärkung wird 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 reflektrierenden
Beschichtung sind der Emissionswirkungsgrad 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.
Es ist zwar bereits bekannt, bei unter Verwendung von Rekombinationsprozessen
arbeitenden optoelektronischen Bauelementen
eine reflektierende Beschichtung vorzusehen (US-PS 32 78 814),
jedoch handelt es sich bei dem
bekannten Bauelement um einen Fototransistor,
bei dem eine reflektierende Fläche senkrecht zum Basis-Emitter-
Übergang angeordnet ist.
Bei einem Photodetektor mit vier Schichten ergibt sich z. B.
die Schichtfolge (nach dem Leitungstyp) n p p n r (oder p
n n p r), wobei die Unterstreichung eine Schicht mit schmalem
Energiebandabstand ist und r die reflektierende Beschichtung
bedeutet. Dieses Halbleiterbauelement ist eine Anordnung mit
schwimmender Basis, wobei eine einzige Spannungsquelle die
Zone schmalen Energiebandabstands in Sperrichtung und die
Zone breiten Energiebandabstandes in Durchlaßrichtung vorspannt.
Außerhalb des Photodetektors erzeugte Photonen, Primärphotonen,
treffen zunächst 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 dieses Ausführungsbeispiels
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 zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung
eines integrierten vierschichtigen
Photonenrückkopplungs-Fotodetektors mit
einer reflektierenden Oberfläche,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines
integrierten sechsschichtigen Photonenrückkopplungs-
Fotodetektors mit einer
reflektierenden Oberfläche und
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des
Fotodetektors nach Fig. 2, der zur Aufnahme
einer zusätzlichen inneren Fotoquelle verlängert
ist.
In den Fig. 1-3 weisen die Photonenrückkopplungs-
Fotodetektoren mindestens vier aneinander
angrenzende Halbleiterschichten 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
n-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 Absorptions-
oder Emissionswirkungsgrade. Halbleiterverbindungen sind
bei den vorliegenden Photonenrückkopplungs-Fotodetektoren
hoch wirksam hinsichlich sowohl einer Photonenabsorption
(n a = 1) in einer in Sperrichtung vorgespannten Zone
schmalen Energiebandabstandes als auch Photonenemission
(n a = 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 Energiebandabstandes, die in Fig.
1, 3 und 4 als ein pn-Übergang (nicht unterstrichen)
identifiziert ist, ist aus einer quaternären Verbindung
wie Indiumgalliumarsenidphospid (In x Ga1-x As y P1-y ) aufgebaut.
Eine ternäre Verbindung wie Indiumgalliumarsenid
(In x Ga1-x As) wird in jeder Zone schmalen Energiebandabstandes,
die als ein pn-Übergang identifiziert ist.
Ein Substratmaterial, auf das aufeinanderfolgende p-
und n-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. h. bei annähernd 1,3 µm (0,954 ev.) transparent
ist. Das heißt, 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:
SubstratInP etwa 1,28 ev.
pn-ZoneInGaAsP etwa 1,03 ev.
pnInGaAs etwa 0,78 ev.
Jeder pn-Übergang, gleichgültig ob er sich in einer
Zone breiten oder schmalen Energiebandabstandes befindet,
ist ein Homo-Übergang. Jeder Übergang zwischen Schichten gleichen
Leitungstyps in benachbarten Zonen, d. h. 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
Heteroübergangs 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 nn- oder pp-
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 pn-Übergang in InGaAs bei einer Sperrspannung
von 10 Volt eine Verarmungsbreite von annähernd
4,2 µm, wobei die n-Schicht auf 3,8 µm und die p-Schicht
auf 0,4 µm verarmt sind. Sonach haben Zonen schmalen
Energiebandabstandes bei den vorliegenden Fotodetektoren
eine p-Schicht, die annähernd 0,3 µm dick ist, und eine
n-Schicht, die annähernd 3,7 µm 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. Dotierstoffkonzentrationen
werden in jeder Schicht erhöht,
um die Schichtdicke innerhalb vernünftiger Grenzen zu
halten. Eine große Dotierstoffkonzentration führt zu
Diffusionsweglängen von 0,2 µm für Löcher in p-leitendem
Material und von 1,0 µm für Elektronen in n-leitendem
Material. Folglich haben Zonen breiten Energiebandabstandes
bei den vorliegenden Fotodetektoren eine Schichtdicke
von 0,8 µm für jede p-Schicht und eine Schichtdicke
von 4 µm für jede n-Schicht.
Nachstehend seien die Fotodetektor-Ausführungsformen
nach den einzelnen Figuren erörtert. Fig. 1 zeigt eine
vereinfachte Darstellung eines integrierten 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 p-Schicht 11 kombinieren
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 p-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-Fotodetekors
1 erhalten wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 liefert
die Vorspannungsquelle 8 eine Ausgangsspannung von
5-10 Volt. Wie dargestellt, ist die Vorspannungsquelle 8
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
8 angeschlossen ist, ist am Reflektor 16 vorgesehen.
Diese Elektrode braucht kein Fenster oder keinen
Spalt zu haben, wie dieses für die Elektrode 4 vorgesehen
ist.
Der Reflektor 16 ist eine reflektierende metallische Beschichtung,
beispielsweise Gold oder eine Kombination von
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
p-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 p-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 p-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 13
erzeugt werden, in der p-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 e n a) -1
Hierin bedeuten
R
das Reflexionsvermögen des Reflektors 16,
n
a
den Photonenabsorptionswirkungsgrad von n-Schicht
10 und p-Schicht 11, und
n
e
den Photonenemissionswirkungsgrad von p-Schicht 12
und n-Schicht 13.
Für die Fotodetektoren nach Fig. 1, 3 und 4 sind sowohl
n e als auch n a im wesentlichen gleich 1. Man sieht,
daß durch richtige Wahl der Materialien, die sehr hohe
Werte für n e , n a 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
anwendbar. Die Methoden liefern Bauelemente mit etwa
100 µm im Quadrat. Die Dicke des Fotodetektors 1 ist im
wesentlichen gleich der Anzahl pn- und pn-Übergänge mal
etwa 5 µm plus Substratdicke. Typische Substratdicken
sind in der Größenordnung von 75 µm. Folglich ist die
Dicke des Fotodetektors 1 leicht größer als 87 µm.
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:
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines integrierten
sechsschichtigen Photonenrückkopplungs-Fotodetektors
mit einer reflektierenden Fläche. Der Fotodetektor 3
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 15
bilden eine Zone breiten Energiebandabstandes. Es sei bemerkt,
daß beim Fotodetektor 3 das Substrat p⁺-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 6
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 15
haben ebenfalls ausreichend breite Energiebandabstände,
um den ungehinderten Durchgang des Photons 6 zur n-Schicht 10
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 p-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 1
nach Fig. 1 beschrieben hergestellt, außer daß das Substrat
15 mit Zink bei einer Dotierstoffkonzentration
von 1018 Atomen/cm³ zum Erhalt einer p⁺ Leitfähigkeit
dotiert wird.
Fig. 3 zeigt einen Fotodetektor, der einen im wesentlichen
mit dem Fotodetektor 3 identischen Fotodetektor
3′ umfaßt, ferner eine n⁺p⁺-Zone und eine dritte (photonenemittierende)
pn-Zone breiten Energiebandabstandes, die
mit dem Fotodetektor 3′ über die n⁺p⁺-Zone verbunden ist.
Die n⁺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 Energiebandabstandes
gesammelt wird.
Der Fotodetektor in Fig. 3 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 photonenemittierenden 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
p-Schicht 11 gesammelt. Die n⁺-Schicht 26 und die
p⁺-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 In0,57Ga0,43As. Jede Schicht
in der n⁺p⁺-Zone ist etwa 1-2 µm dick. Die Schicht 26
ist stark dotiert, und zwar mit Schwefel auf eine Dotierstoffkonzentration
von annähernd 1018 Atomen/cm³. Die
Schicht 27 ist ebenfalls stark dotiert, und zwar mit
Zink auf eine Dotierstoffkonzentration von annähernd
1018 Atomen/cm³.
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 Fig.
1-3 werden durch bloßes Ändern des Leitungstyps
jeder Schicht in den entgegengesetzten Leitungstyp und
durch Umkehren des Vorzeichens der Vorspannung erhalten.
Weiterhin kann beispielsweise
bei den Fotodetektoren nach Fig. 2 und 3 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 (4)
1. Fotodetektor mit aneinander angrenzenden Halbleitermaterialschichten
(10, 11, 12, 13), die in einer Folge von Schichtpaaren
gruppiert 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 Energiebandabstand haben,
- - wobei ferner die erste Schicht jedes Paares in der Folge von Paaren aus einem Halbleitermaterial zusammengesetzt ist, dessen Leitungstyp vergleichbar mit der zweiten Schicht des unmittelbar benachbarten Schichtpaares ist, und der Energieabstand der ersten und zweiten Schichten jeden Paares gegenüber dem der ersten und zweiten Schichten jedes unmittelbar benachbarten Paares unterschiedlich breit ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - eine reflektierende Beschichtung (16) an eine äußerste Schicht (13) der Folge von Schichtpaaren angrenzt, und daß
- - die äußerste Schicht (13) einem Schichtpaar mit einem breiteren Energiebandabstand angehört.
2. Fotodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der ersten Schicht jedes
Paares im wesentlichen gleich der Dicke der zweiten Schicht
des nächsten Paares der Folge ist.
3. Fotodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierende Beschichtung (16)
eine erste Schicht aus Titan und eine hieran angrenzende zweite
Schicht aus Gold aufweist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/230,873 US4399448A (en) | 1981-02-02 | 1981-02-02 | High sensitivity photon feedback photodetectors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3202832A1 DE3202832A1 (de) | 1982-09-02 |
DE3202832C2 true DE3202832C2 (de) | 1988-06-01 |
Family
ID=22866915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823202832 Granted DE3202832A1 (de) | 1981-02-02 | 1982-01-29 | Hochempfindlicher fotodetektor |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4399448A (de) |
JP (1) | JPS57149779A (de) |
BE (1) | BE891952A (de) |
CA (1) | CA1182200A (de) |
DE (1) | DE3202832A1 (de) |
FR (1) | FR2499317B1 (de) |
GB (1) | GB2094551B (de) |
IT (1) | IT1149520B (de) |
NL (1) | NL186610C (de) |
SE (1) | SE455975B (de) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5889887A (ja) * | 1981-11-25 | 1983-05-28 | Univ Tohoku | 半導体光機能デバイス |
FR2612334B1 (fr) * | 1986-12-12 | 1989-04-21 | Thomson Csf | Dispositif de multiplication de porteurs de charge par un phenomene d'avalanche et son application aux photodetecteurs, aux photocathodes, et aux visionneurs infrarouges |
GB8828348D0 (en) * | 1988-12-05 | 1989-01-05 | Secr Defence | Photodetector |
US4979002A (en) * | 1989-09-08 | 1990-12-18 | University Of Colorado Foundation, Inc. | Optical photodiode switch array with zener diode |
JP3910817B2 (ja) * | 2000-12-19 | 2007-04-25 | ユーディナデバイス株式会社 | 半導体受光装置 |
US6674064B1 (en) | 2001-07-18 | 2004-01-06 | University Of Central Florida | Method and system for performance improvement of photodetectors and solar cells |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3369132A (en) * | 1962-11-14 | 1968-02-13 | Ibm | Opto-electronic semiconductor devices |
US3369133A (en) * | 1962-11-23 | 1968-02-13 | Ibm | Fast responding semiconductor device using light as the transporting medium |
US3278814A (en) * | 1962-12-14 | 1966-10-11 | Ibm | High-gain photon-coupled semiconductor device |
DE2247966A1 (de) * | 1972-09-29 | 1974-04-11 | Heinz Prof Dr Rer Nat Beneking | Halbleiteranordnung zum nachweis von lichtstrahlen |
DE2422330A1 (de) * | 1974-05-08 | 1975-11-13 | Siemens Ag | Optoelektronisches halbleiter-koppelelement |
US3988167A (en) * | 1975-03-07 | 1976-10-26 | Rca Corporation | Solar cell device having improved efficiency |
US3990101A (en) * | 1975-10-20 | 1976-11-02 | Rca Corporation | Solar cell device having two heterojunctions |
US4286277A (en) * | 1977-11-22 | 1981-08-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Planar indium antimonide diode array and method of manufacture |
US4332974A (en) * | 1979-06-28 | 1982-06-01 | Chevron Research Company | Multilayer photovoltaic cell |
-
1981
- 1981-02-02 US US06/230,873 patent/US4399448A/en not_active Expired - Fee Related
-
1982
- 1982-01-20 CA CA000394526A patent/CA1182200A/en not_active Expired
- 1982-01-21 SE SE8200330A patent/SE455975B/sv not_active IP Right Cessation
- 1982-01-29 BE BE0/207182A patent/BE891952A/fr unknown
- 1982-01-29 IT IT19373/82A patent/IT1149520B/it active
- 1982-01-29 DE DE19823202832 patent/DE3202832A1/de active Granted
- 1982-01-29 GB GB8202602A patent/GB2094551B/en not_active Expired
- 1982-02-01 FR FR8201555A patent/FR2499317B1/fr not_active Expired
- 1982-02-01 NL NLAANVRAGE8200371,A patent/NL186610C/xx not_active IP Right Cessation
- 1982-02-02 JP JP57014416A patent/JPS57149779A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2499317A1 (fr) | 1982-08-06 |
SE455975B (sv) | 1988-08-22 |
SE8200330L (sv) | 1982-08-03 |
JPS57149779A (en) | 1982-09-16 |
JPS6244867B2 (de) | 1987-09-22 |
GB2094551B (en) | 1985-01-03 |
IT8219373A0 (it) | 1982-01-29 |
NL8200371A (nl) | 1982-09-01 |
US4399448A (en) | 1983-08-16 |
BE891952A (fr) | 1982-05-17 |
DE3202832A1 (de) | 1982-09-02 |
IT1149520B (it) | 1986-12-03 |
GB2094551A (en) | 1982-09-15 |
NL186610C (nl) | 1991-01-02 |
CA1182200A (en) | 1985-02-05 |
NL186610B (nl) | 1990-08-01 |
FR2499317B1 (fr) | 1985-11-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2828195C2 (de) | Lichtsende- und Lichtempfangsanordnung mit einer Halbleiterdiode | |
DE2707180C3 (de) | Avalanche-Photodiode | |
EP0986846B1 (de) | Optoelektronisches halbleiterbauelement | |
DE2631744C2 (de) | ||
DE2816312C2 (de) | ||
DE69632961T2 (de) | Halbleiterdiode mit niederohmigem kontakt | |
DE2607005C2 (de) | Integrierte Tandem-Solarzelle | |
DE2851643A1 (de) | Lichtaktivierte lichtemittierende vorrichtung | |
DE2065245A1 (de) | Elektrolumineszenz-vorrichtung mit einem pn-uebergang | |
DE3139351C2 (de) | ||
DE19627168A1 (de) | Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung | |
DE3215083A1 (de) | Majoritaetsladungstraeger-photodetektor | |
DE2311646A1 (de) | Elektrolumineszierende halbleiteranordnung | |
DE3917936A1 (de) | Lichtelektrisches element | |
DE3202832C2 (de) | ||
DE2702935A1 (de) | Licht emittierendes halbleiterelement | |
DE2848925A1 (de) | Lawinen-photodiode mit heterouebergang | |
DE3222848C2 (de) | ||
DE2430379C3 (de) | Photoelektronenemissionshalbleitervorrichtung | |
DE69920608T2 (de) | Solarzellenbatterie | |
DE3823546A1 (de) | Avalanche-fotodetektor | |
DE4203134A1 (de) | Lichtemittierende halbleitervorrichtung | |
DE2541224A1 (de) | Photodioden-detektor mit selektivem frequenz-ansprechverhalten | |
DE2914770A1 (de) | Photodetektor und verfahren zu seiner herstellung | |
DE2947805A1 (de) | Photodiode |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: AT & T TECHNOLOGIES, INC., NEW YORK, N.Y., US |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |