DE3512384A1 - Lawinenfotodetektor - Google Patents

Lawinenfotodetektor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Lawinenfotodetektor, insbesondere Doppelmesa-Lawinenfotodetektor, mit einem erste und zweite Hauptflächen aufweisenden halbleitenden Substrat sowie mit auf der ersten Hauptfläche liegender Absorptionszone, darauf liegender erster Zone, auf dieser liegender zweiter Zone mit darauf befindlichem ersten elektrischen Kontakt, und mit einem zweiten elektrischen Kontakt am Substrat, wobei das Substrat, die Absorptionszone und die erste Zone den einen, ersten Leitungstyp und die zweite Zone den anderen, zweiten Leitungstyp besitzen.
Im Wellenlängenbereich von 1100 bis 1700 Nanometer (nm) arbeitende Nachrichten- bzw. Übertragungssysteme besitzen eine potentiell große Bedeutung, weil die Dispersion und die Verluste in einer optischen Faser in diesem Wellenlängenbereich sehr gering sind. Bauelemente mit HeteroÜbergängen aus binären III-V-Legierungen und festen Lösungen dieser Legierungen haben sich für derlei Anwendungen als besonders brauchbar erwiesen, weil ihre elektronischen Bandlücken in den genannten Wellenlängenbereich fallen und gitterangepaßte HeteroÜbergänge durch Mischungsvariationen zu erhalten sind. Namentlich ternäre und quaternäre Legierungen von Indium, Gallium, Arsen und Phosphor auf einem InP-Substrat haben sich als besonders brauchbare Materialien sowohl für die Lichtgeber als auch für die Lichtdetektoren erwiesen.
Zu den Problemen, die die Leistung von mit den vorgenannten Materialien hergestellten Lawinenfotodetektoren beeinträchtigt haben, gehören Volumentunnelströme, die bei elektrischen Feldern in der Größenordnung von 1,5*10 V/cm in für die Lichtabsorptionszone verwendeten ternären und quaternären Verbindungen auftreten, ferner Randdurchbrüche und eine Vervielfachung von Oberflächenleckströmen an der
Peripherie des Übergangs. Das Tunneln konnte vermindert werden, indem der PN-Übergang mit seinem hohen elektrischen Feld in dem Material mit großer Bandlücke getrennt von der im Material mit schmaler Bandlücke vorgesehenen Lichtabsorptionszone angeordnet wurde. Es handelt sich hierbei um die sogenannte SAM Fotodetektorstruktur (SAM = Separated Absorbing and Multiplying).
Der Randdurchbruch und die Oberflächenströme können vermindert werden durch die Verwendung einer MESA-Struktur, in der die Detektorbreite mit zunehmendem Abstand vom Substrat abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Feldverteilung an der Peripherie des Übergangs weiter zu vermindern, um das Oberflächenfeld und den Leckstrom an der Übergangsperipherie entsprechend zu begrenzen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für den eingangs genannten Lawinenfotodetektor mit auf einem halbleitenden Substrat liegender Zonenfolge von Absorptionszone, erster Zone und zweiter Zone darin, daß die Absorptionszone eine aus einem ebenen Bereich und einem diesen umgebenden nicht-ebenen Bereich bestehende Zonenoberfläche besitzt und daß die erste Zone über dem ebenen Bereich und die zweite Zone auch über dem nicht-ebenen Bereich liegt.
In der erfindungsgemäßen Doppelmesa-Struktur wird ein PN-Übergang zwischen der ersten und zweiten Zone von einem PN-Übergang zwischen der Absorptionszone und der zweiten Zone umgeben. Durch geeignete Wahl der Dotierstoffniveaus in der Absorptionszone und der ersten Zone wird das elektrische Feld an der Peripherie des Übergangs bei an den Detektor angelegter Sperrvorspannung auf einem beträchtlich niedrigeren Wert gehalten als das Feld in der ersten Zone.
Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig;. 1 einen Schnitt durch einen Fotodetektor; und
Fig. 2 ein Diagramm der elektrischen Felder längs der Linien A-A und B-B von Fig, I.
Der Fotodetektor 10 nach Fig. 1 enthält ein Substrat 12 mit ersten und zweiten Hauptflächen 14 bzw. 16 und eine Absorptionszone 18 auf der ersten Hauptfläche 14. Auf der Absorptionszone 18 liegt eine Pufferzone 20. Die Gesamt- oder Zonenoberfläche 22 von Pufferzone 20 und Absorptionszone 18 besteht aus einem ebenen Bereich 22a der Pufferzone 20 und einem den ebenen Bereich 22a umgebenden nichtebenen Bereich 22b der Absorptionszone 18. Auf dem ebenen Oberflächenbereich 22a liegt eine erste Zone 24, die einen ebenen Oberflächenbereich 25 besitzt. Auf der ersten Zone 24 und dem nicht-ebenen Oberflächenbereich 22b liegt eine zweite Zone 26. Auf dieser liegt ein erster elektrischer Kontakt 28. Ein zweiter elektrischer Kontakt 30 liegt auf der zweiten Hauptfläche 16 des Substrats 12. Die Kombination von planaren und nicht-planaren Flächen der zweiten Zone 26 zusammen mit einer gekrümmten Seitenwand 32 der Absorptionszone 18 bildet eine Doppelmesa-Struktur.
Das Substrat 12, die Absorptionszone 18, die Pufferzone 20 und die erste Zone 24 besitzen denselben Leitungstyp, während die zweite Zone 26 den entgegengesetzten Leitungstyp hat, so daß ein PN-Übergang an der Grenzfläche von zweiter Zone 26 und erster Zone 24 und an der Grenzfläche von zweiter Zone 26 und Absorptionszone 18 oder Pufferzone 20 in dem nicht-ebenen Bereich 22 gebildet wird.
Die die Zonen bildenden Materialien werden vorzugsweise derart ausgewählt, daß ihre Gitterkonstanten an diejenigen des Substrats 12 mit einer Genauigkeit von besser als etwa 0,5 % angepaßt werden.
Das Substrat 12 wird aus einem Halbleitermaterial gebildet, z.B. aus mit Schwefel bis zu einer Konzentration von etwa
18 3
5 "10 /cm dotiertem, N-leitendem InP, und soll eine ausreichende Dicke, typisch zwischen etwa 0,03 und 0,04 cm, zum Tragen der Struktur besitzen. Die erste Hauptfläche 14 wird typisch mit Caro'scher Säure (Peroxomonoschwefelsäure) und einer l%igen Brom-in-Methanol-Lösung behandelt, um vor dem Bilden der verschiedenen Zonen Oberflächenverunreinigungen und Beschädigungen zu beseitigen.
Die Absorptionszone 18 wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, das Licht aus dem interessierenden Wellenlängenbereich zwischen 1100 und 1700 nm absorbiert. Zu den hierfür geeigneten Materialien gehören Inn _Gan /I7As, das bei Wellenlängen von weniger als 1650 nm absorbiert, und In Ga1
χ χ —
χ y 1-y mit 0 £. χ ^ 1 und 0 ^y ^ 1, das Licht mit Wellenlängen unterhalb einer maximalen Wellenlänge absorbiert, die durch Wahl von χ und y z.B. nach den Angaben von Olsen et al in der Zeitschrift "Journal of Electronic Materials" 9_, 977 (1980) zu bestimmen ist. Diese Zone wird vorzugsweise leicht ^ -leitend gemacht; es handelt sich typisch um
15
undotiertes Material mit weniger als etwa 1 "10 Donatoren/
q
cm . Vorzugsweise liegt der Konzentrationsüberschuß der Leitfähigkeitsmodifizierer in dieser Zone wenigstens um einen Faktor von etwa 10 unterhalb der Leitfähigkeitsmodifizierer-Überschußkonzentration in der ersten Zone 24. Dieses Dotierniveau hat zur Folge, daß für die typisch an den Fotodetektor angelegten Spannungen das elektrische Feld unterhalb der Tunnelschwelle liegt. Die Schichtdicke dieser Zone wird zwischen etwa 5 und 15 Mikrometer, vorzugsweise zwischen etwa 8 und 12 Mikrometern, ausgewählt.
Die Pufferzone 20 wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, typisch aus In Ga, As-P lwb mit 0 ^. a ^ 1 und 0<b ^. 1, welches eine konstante oder von einem zum anderen Wert stetig oder stufenweise übergehende Bandlückenenergie zwischen derjenigen der Absorptionszone 18 und der ersten Zone 24 besitzt und typisch etwa 0,5 Mikrometer dick ist. Normalerweise besitzt diese Zone dieselbe Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer wie die Absorptionszone 18. Die Pufferzone wird vorgesehen, um das langsame Ansprechen des Detektors verbunden mit der Ansammlung von Ladungsträgern nahe der Valenzband-Diskontinuität an dem Hetero-Übergang zu vermeiden. Die Pufferzone kann auch weggelassen werden.
Die erste Zone 24 wird aufgebaut aus einem Halbleitermaterial, z.B. aus N-leitendem InP, mit einer ausreichenden Schichtdicke und Leitfähigkeitsmodifizierer-Konzentration zum Erzeugen einer Lawinenvervielfachung der durch Fotoeffekt in der Lichtabsorptionszone 18 gebildeten Ladungsträger, wenn eine Sperrvorspannung ausreichender Größe an den Fotodetektor angelegt wird. Die erste Zone 24 besitzt vorzugsweise eine Flächen-Überschußkonzentration von Leitfähig-
12 2 keitsmodif izierern N1 X1 zwischen etwa 2,5 und 4*10 /cm , wobei N1 die Überschuß-Volumenkonzentration und X1 die Schichtdicke der ersten Zone bedeuten. Die Schichtdicke dieser Zone 24 wird zwischen etwa 0,5 und 2,5 Mikrometer gewählt. Die entsprechende Volumenkonzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer liegt zwischen etwa 0,7 und 7*10 /
3 16 3
cm , vorzugsweise zwischen etwa 2 und 5*10 /cm .
Die zweite Zone 26 wird aus einem gut leitenden Halbleitermaterial aufgebaut, z.B. P-leitendem InP mit einem Über-
18 *■}
schuß von etwa 10 Zn-Akzeptoren/cm . Die Schichtdicke der zweiten Zone 26 liegt zwischen etwa 1 und 2 Mikrometer.
Das Substrat 18 sowie die erste und zweite Zone 24 bzw. 26 werden vorzugsweise aus einem bei der zu erfassenden Wellenlänge im wesentlichen lichtdurchlässigen Material hergestellt.
Wenn die zweite Zone 26 P-leitend ist, wird der erste elektrische Kontakt 28 durch Vakuumaufdampfen einer Gold/Zink-Legierung vorzugsweise so geformt, daß das zu erfassende Licht durch den Teil der zweiten Zone 26 oberhalb der ersten Zone 24 in den Detektor eintritt. Wenn das Substrat 12 N-leitend ist, wird der zweite elektrische Kontakt 30 durch Vakuumaufdampfen einer Gold/Zinn-Legierung niedergeschlagen.
Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Fotodetektors wird eine Sperrvorspannung zwischen die elektrischen Kontakte 28 und 30 gelegt. Die Verarmungsbreite in der ersten Zone 24 nimmt mit zunehmender Spannung zu und erreicht einen Wert zwisehen etwa 3,75 und 6*10 V/cm, wenn die erste Zone 24 ganz verarmt ist. Eine weitere Vergrößerung der angelegten Spannung führt dazu, daß sich die Verarmung sz one in die Absorptionszone 18 hineinerstreckt. Unter der Voraussetzung eines steilen PN-Übergangs und den Einschluß der Pufferzone 20 in die Absorptionszone 18 beträgt das innere elektrische Feld:
E = § (N1 X1 + Now)
Darin bedeuten q die elektronische Ladung, £ die Dielektrizitätskonstante, N die Leitfähigkeitsmodifizierer-Überschußkonzentration und w die Breite der Verarmungszone in der Absorptionszone 18. Der erste Faktor repräsentiert das zum Verarmen der ersten Zone 24 notwendige Feld, der zweite Faktor repräsentiert das Feld an der Oberfläche des ebenen Bereichs 22a. Diese Feldverteilung wird als ausgezogene
.9. 3512394
Kurve In Fig. 2, in der die Markierungen der Abzisse den verschiedenen Oberflächen von Fig. 1 entsprechen, dargestellt .
Das zum Lawinenbilden erforderliche elektrische Feld hängt von der Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer- in der ersten Zone 24 ab und liegt typisch in der Größenordnung von 4,5 bis 6*10 V/cm. Das elektrische Feld in der Absorptionszone 18 steigt nicht über den Wert von etwa 1,0*10 V/cm, bevor nicht das elektrische Feld E für den Lawinendurchbruch in der ersten Zone 24 erreicht wird.
An dem PN-Übergang zwischen der zweiten Zone 26 und der Absorptionszone 18 erstreckt sich das elektrische Feld von dem Übergang aus in die Absorptionszone 18 hinein. Die maximale elektrische Feldstärke E bleibt viel niedriger als
E , da die Absorptionszone 18 viel schwächer dotiert ist. m
Diese elektrische Feldverteilung wird als gestrichelte Kurve in Fig. 2 dargestellt.
Das Erfordernis, das elektrische Feld an der Peripherie zu begrenzen, hat bestimmte Beschränkungen der Betriebsspannung des Bauelements und daher der Verunreinigungskonzentration und der entsprechenden Dicke der ersten Zone 24 zur Folge. In einem steilen Übergang lautet die Beziehung zwischen maximaler elektrischer Feldstärke E , Spannung und Verunreinigungskonzentration:
„2 2 q N V
EP = _I
Darin bedeutet V die angelegte Sperrvorspannung. Da E die
5 . ' P'
Tunnelschwelle von 1,5*10 V/cm nicht überschreiten kann,
darf das Produkt N*V den Wert von etwa 7,5*1016 V/cm3 nicht
15 3
übersteigen. Wenn also z.B. gilt N = 1*10 /cm , darf die GesamtSpannung nicht größer als etwa 75 Volt betragen. Die Spannung zum Entstehen der Lawinen wird bestimmt durch Integration des elektrischen Feldes über die gesamte Breite der Verarmungszone. Das Ergebnis dieser Integration ist die Fläche unter der ausgezogenen Kurve von Fig. 2.
Die die Zonen des erfindungsgemäßen Bauelements bildenden halbleitenden Schichten können nacheinander durch Flüssigphasenepitaxie oder vorzugsweise durch Dampfphasenepitaxie gemäß der US-PS 41 16 733 auf die Substratoberfläche niedergeschlagen werden. Die γ -leitende Absorptionsschicht, die Pufferschicht und eine erste N-leitende InP-Halbleiterschicht werden nacheinander auf ein P-leitendes InP-Substrat-Scheibchen durch Dampfphasenepitaxie aufgebracht. Teile der Oberfläche der ersten Zone werden mit einer gegenüber einem Ätzmittel resistenten Maske bedeckt; der die Maske umgebende Teil der ersten Zone und der Pufferzone sowie ein kleiner Teil der Absorptionszone werden durch chemisches Ätzen in einer l%igen Brom-in-Methanol-Lösung abgetragen. Daraufhin wird die Maske entfernt. Die verbleibende Oberfläche besitzt ebene Bereiche auf der ersten Zone, die von nicht-ebenen Bereichen umgeben werden und die beim Ätzmittel angegriffenen Seiten der ersten Zone und der Oberfläche der Absorptionszone umfassen. Sowohl auf die ebenen als auch auf die nicht-ebenen Oberflächenbereiche wird dann durch Dampfphasenepitaxie eine P-leitende zweite Halbleiterschicht aus InP aufgebracht. Die der zweiten Schicht entsprechende zweite Zone und das Substrat werden metallisiert, um die Detektorkontakte herzustellen. Die Seitenwände der einzelnen Detektoren werden durch Standard-Maskentechniken und Ätzen in einer Brom-Methanol-Ätzlösung zum Bilden freier Seitenwände 32 herausgearbeitet. Schließlich werden die Detektoren unter Verwendung üblicher Techniken voneinander getrennt.
Alternativ kann die zweite Zone 26 durch Diffusion oder Ionenimplantation mit einer Überschußkonzentration von Leitfähigkeitsmodifizierern in der planaren Oberfläche der ersten Zone 24 und in den umgebenden nicht-ebenen Bereichen der Oberflächen von Absorptionszone und erster Zone gebildet werden.
- Leerseite -

Claims (1)

  1. Dn.-lng. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen Wilhelm-Tell-Stn. 14 4ÜOO Düsseldorf 1 Telefon 39 7O26 Patentanwälte
    3. April 1985 35 991 B
    RCA Corporation, 201 Washington Road, Princeton, N.J. (US)
    "Lawinenfotodetektor11
    Patentansprüche:
    l) Lawinenfotodetektor (10) mit einem erste (14) und zweite (16) Hauptflächen aufweisenden halbleitenden Substrat (12) sowie mit auf der ersten Hauptfläche (14) liegender Absorptionszone (18), darauf liegender erster Zone (24), auf dieser liegender zweiter Zone (26) und darauf befindlichem ersten elektrischen Kontakt (28); und mit einem zweiten elektrischen Kontakt (30) am Substrat (12), wobei das Substrat (12), die Absorptionszone (18) und die erste Zone (24) den einen, ersten Leitungstyp und die zweite Zone (26) den anderen, zweiten Leitungstyp besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszone (18) eine aus einem ebenen Bereich (22a) und einem diesen umgebenden nicht-ebenen Bereich (22b) bestehende Zonenoberfläche (22) besitzt und daß die erste Zone (24) über dem ebenen Bereich (22a) und die zweite Zone (26) auch über dem nicht-ebenen Bereich (22b) liegt.
    2. Fotodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkonzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer in der ersten Zone (24) zwischen etwa 2,5 und 4'1012/cm2 beträgt.
    3. Fotodetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Zone (24) zwischen etwa 0,5 und 2,5 Mikrometer beträgt.
    4. Fotodetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Pufferzone (20) zwischen der Absorptionszone (18) und der ersten Zone (24).
    5. Fotodetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (24) aus N-leitendem InP, die zweite Zone (26) aus P-leitendem InP und die Absorptionszone (18) ->i -leitend ist sowie aus einer der Legierungen In Ga As oder
    In Ga1 As P mit 0 ^ χ ^. 1 und 0^yAl aufgebaut χ ι—χ y ι—y
    ist.
    6. Fotodetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszone (18) eine Dicke von mehr als 3 Mikrometer besitzt.
DE19853512384 1984-04-10 1985-04-04 Lawinenfotodetektor Withdrawn DE3512384A1 (de)

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