DE3537677A1

DE3537677A1 - Photodetektor

Info

Publication number: DE3537677A1
Application number: DE19853537677
Authority: DE
Inventors: George Horace Brooke Sawbridgeworth Hertfordshire Thompson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1985-10-23
Publication date: 1986-04-30
Also published as: FR2572588A1; JPS61129883A; AU4851785A; GB2166286B; GB2166286A; FR2572588B1; US4740823A; GB8427179D0

Description

G.H.B. Thompson-35 ^-

Photodetektor

Die Erfindung betrifft Photodetektoren und insbesondere monolithisch integrierte Photodetektoren zur Benutzung ats optische Kommunikationsempfänger.

Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, monolithisch integrierbare Photodetektoren zu schaffen.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Patentansprüchen.

Bei der vorliegenden Erfindung besteht ein Photodetektor aus einem Photoleiter, der mit einem Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (nachstehend als HEMT bezeichnet) auf einem gemeinsamen halbisolierenden Substrat monolithisch integriert ist. Der Photoleiter besteht aus einer ersten Schicht eines Leitungstyps, die auf dem halbisolierenden Substrat aufgebracht ist und eine Kanalschicht enthält. Eine zweite Schicht vom gleichen Leitungstyp aber mit höherer Bandlücke, als die der ersten Schicht, ist auf die erste Schicht aufgebracht. Ein erster und ein

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zweiter Bereich dieser Schichten bilden die Kontakte der Kana Ischicht, wobei im Gebrauch einer der beiden Kontakte gegenüber dem anderen Kontakt positiver geladen ist. Beim Lichteinfall in die zweite Schicht werden in der Kanalschicht Elektron-Loch-Paare erzeugt, wobei die Elektronen zu dem positiver geladenen Kontakt und die Löcher zum anderen Kontakt wandern.

Der HEMT enthält nun Schichten,, die der ersten und zweiten Schicht des Photoleiters entsprechen, mit denen in Verbindung stehen und aus dem gleichen Werkstoff wie der Photoleiter bestehen. Um das Rauschen zu reduzieren, ist die zweite Schicht des Photoleiters dünner als die zweite Schicht des HEMTs. Das Gate des HEMTs ist mit einem der beiden Kontakte verbunden und negativ oder positiv geladen. Bei der Verwendung eines Vorwiderstandes wird der andere Kontakt mit entgegengesetzter Polarität bet ri eben.

Ausführunqsbeispie Ie der Erfindung sind nachstehend anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt des HEMTs, des erfindungsgemäßen Detektors,

Fig. 2 den Querschnitt des Photoleiters des erfindungsgemäßen Detektors,

Fig. 3 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Detektors,

Fig. 4 die schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5a, die Bandstrukturen dreier unterschiedlicher 5b, 5c Schichtstrukturen, und

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Fig. 6 die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein HEMT, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einem halbisolierenden Substrat 1, einer sehr niedrig dotierten n-KanaIschicht 2, einer η-Schicht mit höherer Bandlücke 3 , einem dünnen, vorzugsweise undotierten, an die n-KanaIschicht 2 grenzenden Bereich und weist legierte oder η -implantierte Source- und Drainbereiche 4 und 5 sowie ein Gate 6 auf. Die entsprechende Bandstruktur ist in Fig. 5a dargestellt.

Der Photoleiter des erfindungsgemäßen Photodetektors ist in Fig. 2 dargestellt. Sein Aufbau basiert auf der Struktur des HEMTs, jedoch ist das Gate weggelassen, und ein Teil der η-Schicht mit höherer Bandlücke 7 ist zur Erhöhung des Schichtwiderstandes und zur Reduzierung des Rauschens dünner ausgestaltet. Der Photoleiter gemäß Fig. 2 besteht aus dem halbisolierenden Substrat 8, der n-Kanalschicht 9, der η-Schicht mit höherer Bandlücke 7, und den legierten oder η -implantierten Bereichen 10 und

11. Wenn Licht in die η-Schicht mit höherer Bandlücke 7 fällt, erzeugen die Photonen in der n-KanaIschicht 9 Elektron-Loch-Paare. Die Löcher driften in den negativ geladenen Diffusionsbereich (n -Bereich 11) und die Elektronen driften in den positiv geladenen Diffusionsbereich (n -Bereich 10). Die Breite der η-Schicht mit höherer Bandlücke 7 ist äquivalent der Kanallänqe des HEMTs und beträgt typischerweise» 2yum.

Der in Fig. 2 dargestellte Photoleiter wird in einem Empfängerkreis (Photodetektor) mit einem Verstärker wie in Fig. 3 dargestellt benutzt. Der Photoleiter weist den

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Widerstandswert R und die Kapazität C. auf. Wegen des Rauschstromes, der gleich (4kTB)/R ist (k = Boltzmannkonstante, T = absolute Temperatur, B = Bandbreite), wird für eine optimale Funktion der Wert von R so hoch wie möglich und der Wert von C. so niedrig wie möglich geha Iten.

Der Empfängerkreis enthält ferner einen Vorwiderstand R₁ und einen Feldeffekttransistor T₁, dessen Gate als Ausgang des Photoleiters verwendet wird. Der Photoleiter dient dazu, die Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors T₁, abhängig von der Polarität der Vorspannung, ansteigen oder abfallen zu lassen, wenn Licht auf den Photoleiter trifft; er enthält außerdem in der Praxis eine Kapazität C_?, die auch so klein wie möglich ausgelegt werden sollte.

Der Photoleiter, der Feldeffekttransistor T₁ und der Vorwiderstand R₁ können monolithisch integriert sein.

Als Feldeffekttransistor T₁ wird ein HEMT benutzt. Während der Herstellung einer solchen integrierten Struktür wird die Schicht mit höherer Bandlücke des Photoleiters und des HEMTs selektiv dünner herausgearbeitet. Dies wird auf chemischem Wege oder durch Plasmaätzen durchgeführt.

Fig. 4 zeigt die Anordnung eines Photodetektors, der in integrierter Form aus einem Photoleiter und einem HEMT besteht. Der Photoleiter und der HEMT sind auf unterschiedlichen Gebieten des Wafers angeordnet und elektrisch voneinander isoliert, abgesehen von dem langgestreckten Gate 6', das den Bereich 11 aus Fig. 2 kontaktiert. Das Gate 6¹ ist dabei als Mesa geformt und auf dem halbisolierenden Substrat 1,8 angeordnet. Der Vorwider-

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stand R. kann zum Beispiel in Dickfilm-Technik hergestellt sein, er wird dabei zusammen mit den notwendigen elektrischen Verbindungen und Kontakten an freigelegten Bereichen des halbisolierenden Substrats angeordnet.

Die Bandstruktur desPhotoleiters ist in Fig. 5b dargestellt. Der durch die Reduzierung der Dicke der n-Schicht mit höherer Bandlücke 7 gegenüber der n-Schicht mit höherer Bandlücke 3 des HEMTs (Fig. 5a) erzielte Effekt ist deutlich zu erkennen. Um das Vorhandensein eines ausreichend großen Feldes quer durch den Kanal sicherzustellen und um die optisch erzeugten Elektronen und Löcher voneinander zu trennen, wird eine dünne p-Schicht mit höherer Bandlücke 12 (Fig. 5c) zwischen der Kanalschicht 9 und dem halbisolierenden Substrat S erzeugt. Dies hat auf die Bandstruktur die Auswirkung, daß der Verlauf in der Kanalschicht 9 wie in Fig. 5c dargestellt, geändert wird. Als Ergebnis driften die Elektronen die Schräge in Richtung der Verbindung zwischen Kanalschicht 9 und n-Schicht mit höherer Bandlücke 7 hinunter und die Löcher entsprechend die Schräge hinauf.

Wird der Photodetektor zum Nachweis von Licht mit einer geringeren Wellenlänge als 1600 nm benutzt, ist er aus einer Vorrichtung aufgebaut, die aus einem halbisolierenden InP-Substrat 1,8, einer η -GaInAs-KanaIschicht 2,9 und einer η -InP- oder, einer A LInAs-Schicht als n-Schicht mit höherer Bandlücke 3,7 bestehen. Die dünne p-Schicht mit höherer Bandlücke 12 kann in diesem Fall aus InP bestehen. Zum Nachweis von Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 880 nm besteht die n-Schicht mit höherer Bandlücke 3,7 aus AlGaAs, die n-Kanalschicht 2,9 aus GaAs, die optisch dotierte p-Schicht mit höherer Bandlücke 12 aus p-dotiertem AlGaAs, und das halbisolierende Substrat 1,8 aus GaAs.

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Um die Funktion des wirksamen Bereichs des PhotoLeiters bei Lichteinfall zu verbessern/, wird dieser Bereich verglichen mit dem aus Fig. 4 vergrößert, wobei aus ineinandergestreckten Kammstrukturen bestehende Elektroden verwendet werden, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist.

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Bezugszeichenliste

1 haLbisoLierendes Substrat

2 n-KanaLschicht

3 η-Schicht mit höherer BandLücke

4 Sourceberei ch

5 Drainbereich

6 Gate

6¹ Langgestrecktes Gate

7 η-Schicht mit höherer BandLücke

8 halbisoLierendes Substrat

9 n-Kana Lschi cht

10 n⁺-Bereich (Kontakt)

11 η -Bereich (Kontakt)

12 p-Schicht mit höherer BandLücke

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Claims

International Standard Electric
Corporation New York

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Patentansprüche

1. Photodetektor, dadurch gekennzeichnet,

- daß er aus einem Photoleiter und einem Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit besteht, - daß beide auf einem gemeinsamen halbisolierenden Substrat (1,8) monolithisch integriert sind, daß der Photoleiter aus einer ersten, auf dem halbisolierenden Substrat (8) angebrachten und eine Kanalschicht (9) enthaltenden Schicht eines Leitungstyps besteht,

daß eine zweite Schicht des gleichen Leitungstyps, wie der der ersten Schicht, aber mit höherer Bandlücke als die der ersten Schicht, auf die erste Schicht aufgebracht ist,

- daß ein erster Bereich und ein zweiter Bereich dieser Schichten die Kontakte (10;11) der Kanalschicht (9) bi Iden,

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daß im Gebrauch einer der beiden Kontakte (10; 11) gegenüber dem anderen Kontakt (11;10) positiver geladen ist, und beim Lichteinfall in die zweite Schicht Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, wobei die Elektronen zu dem positiver geladenen Kontakt (10;11) und die Löcher zu dem anderen Kontakt (11;10) wandern, daß der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit entsprechend dem Photoleiter aus einer ersten und zweiten Schicht aufgebaut ist,

- daß zur Reduzierung des Rauschens die zweite Schicht des Photoleiters dünner als die zweite Schicht des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit ist, daß der Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit ein Gate aufweist und dieses mit einem der Kontakte (10;11) verbunden und negativ oder positiv geladen ist, und

daß bei der Verwendung eines Vorwiderstandes der andere Kontakt (11;10) entgegengesetzte Polarität aufweist.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoleiter eine Schicht (12) aufweist, die zwischen dem halbisolierenden Substrat (8) und der Kanalschicht (9) angeordnet ist, die bezüglich dieser beiden Schichten (8,9) ein entgegengesetzter Leitungstyp ist und die eine höhere Bandlücke aufweist.

3. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das halbisolierende Substrat (1, 8) aus InP besteht, daß die erste Schicht ein η-Leitungstyp ist und aus GaInAs besteht, und daß die zweite Schicht ein η-Leitungstyp ist und aus InP oder AlInAs besteht.

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4. Photodetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor eine InP-Schicht (12) vom p-Leitungstyp aufweist, die zwischen dem haIbisolierenden Substrat (8) und der Kanalschicht (7) angeordnet ist.

5. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ha Ibiso Lierende Substrat (1, 8) aus GaAs besteht, daß die erste Schicht eine GaAs-Schicht vom η-Leitungstyp ist, und daß die zweite Schicht eine A IGaAs-Schicht vom η-Leitungstyp ist.

6. Photodetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Photodetektor eine AlGaAs-Schicht vom p-Leitungstyp zwischen dem ha Ibiso Lierenden Substrat (8) und der Kanalschicht (9) angeordnet ist.

7. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand, der Photodetektor und der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit monolithisch integriert sind.

8. Photodetektor, dadurch gekennzeichnet,

daß auf einem ha Ibiso Lierenden Substrat (8) eine erste, den Kanal bildende Schicht eines Leitungstyps angeordnet ist,

daß auf dieser ersten Schicht eine zweite Schicht des gleichen Leitungstyps mit höherer BandLücke als die der ersten Schicht angeordnet ist, - daß ein erster und ein zweiter Bereich dieser Schichten als Kontakte (10;11) für einen KanaL (9) ausgebi Ldet si nd,

daß im Gebrauch einer der beiden Kontakte (10;11) gegenüber dem anderen Kontakt (11;10) positiver geladen ist, und beim Lichteinfall in die zweite

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Schicht Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, wobei die Elektronen zu dem positiver geladenen Kontakt (10;11) und die Löcher zum anderen Kontakt (11;10) wandern.

9. Photodetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der zweiten Schicht im Bereich zwischen den beiden Kontakten geringer ist, als im restlichen Bereich.

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