DE4000396A1

DE4000396A1 - Lawinen-fotodiode

Info

Publication number: DE4000396A1
Application number: DE19904000396
Authority: DE
Inventors: Robert John Macintyre
Original assignee: RCA Inc
Current assignee: EG&G Canada Ltd
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1990-07-19
Also published as: IT9019058A0; GB2227121B; IT9019058A1; CA1301895C; US4972242A; JPH02232980A; GB9000633D0; GB2227121A; FR2641647A1; IT1238171B

Description

Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Fotodiode mit n⁺-p-π -p⁺-Zonen in einem π-Siliziumkörper, insbesondere mit ei nem π -leitenden, ein Paar einander gegenüberliegender Hauptflächen aufweisenden Siliziumkörper.

Eine n⁺-p-π -p⁺-Lawinen-Fotodiode (Avalanche-Fotodiode = APD) besitzt einen Körper aus π -leitendem Silizium (Si) mit einer n-leitenden Zone, die sich von einer ersten Haupt fläche des Körpers aus über eine gewisse Distanz in diesen hineinerstreckt, und eine p-leitende Zone, die ausgehend von einem pn-Übergang an der n-leitenden Zone weiter als diese in den Körper hineinreicht. Ferner erstreckt sich eine p⁺-leitende Zone von einer der ersten Hauptfläche ge genüberliegenden Hauptfläche um eine gewisse Distanz in den Körper hinein. Die n⁺- und p⁺-Zonen werden mit elek trischen Kontakten ausgestattet.

Bei Betrieb dieser Lawinen-Fotodiode wird eine Sperrvorspan nung an die elektrischen Kontakte gelegt. Diese Spannung erzeugt innerhalb der Fotodiode ein elektrisches Feld, des sen Profil von der Störstellen-Konzentration in den ver schiedenen Zonen abhängt, und eine Verarmungszone, die ty pisch durch die-π-leitende Zone reicht. Licht, das auf die p⁺-leitende Zone enthaltende Hauptfläche auffällt, tritt in die Fotodiode ein und wird in erster Linie in den π - oder p-Zonen unter Bildung von Elektron/Loch-Paaren absor biert. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt, bis sie - typisch innerhalb einer Entfernung von 1 bis 3 µm von dem pn-Übergang - eine ausreichende Ener gie zur Vervielfachung bzw. Multiplikation erreichen. In nerhalb der Hochfeldzone erzeugte Löcher werden in der ent gegengesetzten Richtung beschleunigt und können dort, wo das elektrische Feld ausreichend stark ist, ebenfalls eine Vervielfachung erfahren.

Ein Nachteil einer solchen Lawinen-Fotodiode besteht darin, daß der Vervielfachungsprozeß wegen der Breite der Wahr scheinlichkeitsverteilung der Verstärkung, der die Träger ausgesetzt sein können, rauschbehaftet ist. Webb und andere berichten in der Zeitschrift "RCA Review", Band 35, 234 (1974), daß der Überschuß-Rauschfaktor F, der als F = < M² </ < M <² definiert wird, in guter Näherung durch folgende Beziehung ausgedrückt werden kann

F = k _eff< M < + (1 - k _eff) (2 - 1/< M <)

worin k _eff den gewichteten Durchschnitt des Verhältnisses des Löcher-Ionisationskoeffizienten zu dem Elektronen-Ionisationskoeffizienten, < M < die durchschnittliche Lawinenverstärkung und < M² < den durchschnittlichen Wert des Quadrats der Verstärkung bedeuten.

Für eine Silizium-Lawinen-Fotodiode liegt ein typischer Wert von k _eff zwischen etwa 0,015 und 0,1 und hängt stark ab sowohl vom elektrischen Feld als auch von dessen Profil. Zum Minimieren des Überschuß-Rauschens muß k _eff so klein wie möglich werden, das heißt die Löcher-Vervielfachung muß minimiert und die Elektronen-Vervielfachung muß maxi miert werden. Da das Verhältnis der Ionisationskoeffizien ten mit abnehmendem Feld kleiner wird, soll das elektrische Feld stark sein, wo der Elektronenstrom am höchsten und der Löcherstrom am niedrigsten ist, und das elektrische Feld soll schwach sein, wo der Löcherstrom am höchsten ist.

In der US-PS 44 63 368 wird die Struktur einer Lawinen-Foto diode mit einem niedrigen Wert von k _eff in der Größenord nung von 0,006 bis 0,008 beschrieben. Dieses Patent offen bart eine n⁺-p- π-p⁺-Lawinen-Fotodiode mit einer n⁺-Zone, die sich um weniger als etwa 10 µm in den π-leitenden Sili ziumkörper hineinerstreckt, und mit einer p-Zone, die Akzep toren in einer unkompensierten Überschußkonzentration mit einer Dosis zwischen etwa 1×10¹² und 3×10¹² Akzepto ren/cm² in dem Oberflächenbereich des Körpers enthält, in welchen die Akzeptoren eingebracht werden, wobei die p-Zone weiter als etwa 35 µm in den Siliziumkörper hineinreicht. Dieses Dotierprofil führt zu einer Lawinen-Fotodiode, deren Vervielfachung in erster Linie an einem Ende einer voll verarmten Struktur stattfindet, wobei am anderen Ende eine Driftzone verbleibt, in welcher das elektrische Feld nur noch für eine schnelle Ladungssammlung ausreichend ist aber nichts mehr zu dem Vervielfachungsprozeß beiträgt. Diese Lawinen-Fotodiode besitzt typisch eine Dicke in der Größen ordnung von 100 µm, und die p-Diffusions- bzw. -Konzentra tions-Zone wird bis zu etwa 30 bis 40% der Gesamtdicke der Fotozelle eindiffundiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lawinen-Foto diode mit einem kleineren k _eff als bisher erhältlich und mit niedrigerem Multiplikations-Rauschen zu schaffen, wobei die Diodenspannung auf einem so niedrigen Wert bleiben soll, daß die Langzeit-Zuverlässigkeit nicht nachteilig be einträchtigt wird. Insbesondere wird angestrebt, in dem Diodenkörper ein elektrisches Feldprofil einzustellen, in welchem Vervielfachung (der Elektronen) auf der ganzen Dicke der zentralen Aktivzone stattfindet.

Die erfindungsgemäße Lösung wird für die Lawinen-Fotodiode eingangs genannter Art im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen wer den in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße n⁺-p-π -p⁺-Lawinen-Fotodiode besitzt einen flach diffundierten und abrupten bzw. steilen pn-Über gang, etwa 1 bis 2 µm tief im Diodenkörper und eine p-Lei tungs-Zone, die Akzeptoren in einer unkompensierten Über schußkonzentration entsprechend einer Dosis zwischen etwa 5×10¹¹ und 10¹² Akzeptoren/cm² enthält. Durch die Kom bination des flachen pn-Übergangs und des Dotierprofils in der p-Konzentrations-Zone wird ein elektrisches Feldprofil erzeugt, dessen Vervielfachungswirkung im wesentlichen über die ganze Dicke der zentralen Aktivzone der Diode aus gebreitet ist und das keine Driftzone besitzt.

Bei Zimmertemperatur erreicht das elektrische Feldprofil ein Maximum an dem pn-Übergang mit einem Wert in der Größen ordnung von 2,5 bis 3,5×10⁵ V/cm, vorzugsweise etwa 2,9× 10⁵ V/cm. Das Profil des elektrischen Feldes vermindert sich auf der Distanz, um die sich die p-Leitungs-Zone in die Fotodiode hineinerstreckt, bleibt aber auf einer ausrei chenden Größe zum Aufrechterhalten der Vervielfachung über die Dicke des Körpers der Lawinen-Fotodiode. Der letztge nannte Wert beträgt vorzugsweise etwa 1,6×10⁵ V/cm. Eine sich über die Dicke der Diode erstreckende Vervielfachungs zone kann ohne unzulässige Erhöhung der Betriebsspannung vorzugsweise erreicht werden, wenn die Dioden-Dicke weniger als etwa 40 µm beträgt.

Üm ein optimales elektrisches Feldprofil zu erzeugen, bei dem die Vervielfachung über die ganze Dicke der Lawinen-Fo todiode ausgebreitet ist, kann eine einstufige Implantation eines Akzeptors, z.B. Bor, mit einer totalen Dosis n _ai (nach der Diffusion und gegebenenfalls nach Aus-Diffusion) derart verwendet werden, daß sich eine p-Dotierkonzentra tion folgender angenäherter Formel ergibt:

worin N _ao das ionisierte Nettodotierstoffniveau des Ausgangsmaterials (typisch, aber nicht notwendig, etwa 2 bis 5×10¹²/cm²), n _ai die implantierte Nettodosis (in der Größenordnung von 5×10¹¹ bis 10¹²/cm², vorzugsweise 7×10¹¹ bis 9×10¹¹/cm² und L _a die Diffusionslänge des implantierten Akzeptormaterials bedeuten; L _a liegt in der Größenordnung von 2 bis 10×10^-4 cm und beträgt vorzugsweise etwa 4 bis 6×10^-4 cm.

Demgemäß betrifft die Erfindung nach einer ersten Version eine Lawinen-Fotodiode (avalanche photodiode = APD) mit folgenden Merkmalen:

a) ein f -leitender Halbleiterkörper aus Silizium mit einem Paar gegenüberliegender Hauptflächen;
b) eine n-leitende Zentralzone, die sich von einem Teil einer ersten Hauptfläche aus etwa 1 bis 2 µm tief in den Halbleiterkörper hineinerstreckt;,
c) ein n-leitender Schutzring, der die Zentralzone umgibt und sich tiefer als diese in den Halbleiterkörper hinein erstreckt;
d) eine p-leitende Zone, die die n-leitende Zone kontak tiert und sich etwa 10 bis 50 µm tief in den Halbleiter körper hineinerstreckt oder bis zu einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche reicht, wenn die Dicke des Halbleiterkörpers kleiner als 50 µm ist, und Akzeptoren in einer unkompensierten Über schußkonzentration entsprechend einer implantierten Netto-Dosis zwischen etwa 5×10¹¹ und 10¹²/cm² eines Oberflächenbereichs enthält, durch den die Akzeptoren in den Halbleiterkörper eintreten; und
e) eine p⁺-leitende Zone, die sich von der zweiten Haupt fläche über eine gewisse Distanz in den Halbleiterkörper hineinerstreckt.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgesehen, den Schutz ring etwa 5 bis 10 µm tief in den Halbleiterkörper einzudif fundieren, um einen Kantendurchbruch an der Peripherie des pn-Übergangs zu vermeiden und sicherzustellen, daß Verviel fachung und Durchbruch in erster Linie im Innern der zentra len Aktivzone auftreten. In dieser Weiterbildung soll die Fotodiode vorzugsweise eine derart in die zweite Hauptflä che des Diodenkörpers geätzte Wanne besitzen, daß die Dicke des Diodenkörpers im Bereich der Wanne, gemessen durch die Aktivzone, weniger als etwa 40 µm beträgt und vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 15 bis 30 µm liegt.

In einer anderen Weiterbildung soll die Gesamtdicke der Fotodiode in der Größenordnung von 40 µm oder weniger, vor zugsweise in der Größenordnung von 15 bis 30 µm liegen.

Nach einer zweiten Version bezieht sich die Erfindung auf eine Lawinen-Fotodiode mit folgenden Merkmalen:

a) ein π-leitender Siliziumkörper mit einem Paar einander gegenüberliegender Hauptflächen;
b) eine n-leitende Zentralzone, die sich von einem Teil einer ersten Hauptfläche aus in den Siliziumkörper hin einerstreckt und eine p-leitende Zone unter Bildung ei nes abrupten, etwa 1 bis 2 µm tief im Siliziumkörper liegenden pn-Übergangs kontaktiert;
c) ein n-leitender Schutzring, der die n-leitende Zentral zone umgibt und sich - im Sinne des Vermeidens eines Kantendurchbruchs an dem pn-Übergang - weiter als die Zentralzone in den Siliziumkörper hineinerstreckt;
d) die p-leitende Zone enthält Akzeptoren in einer unkompen sierten Überschuß-Dotierstoffkonzentration nach folgen der Formel: wobei N _ao das ionisierte Netto-Dotierstoffniveau des Ausgangsmaterials ist und in der Größenordnung von 2 bis 5×10¹²/cm² liegt, n _ai die implantierte Nettokon zentrationsdosis ist und in dem Oberflächenbereich, durch den die Akzeptoren in den Siliziumkörper eintre ten, zwischen etwa 5×10¹¹ und 10¹²/cm² beträgt, und wobei L _a die durchschnittliche Diffusionslänge der im plantierten Akzeptoren in dem Siliziumkörper bedeutet und zwischen etwa 2 und 10 µm liegt; und
e) eine p⁺-leitende Zone, die sich über eine gewisse Di stanz von einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegen den, zweiten Hauptfläche des Siliziumkörpers in diesen hineinerstreckt.

In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß n _ai etwa 7 bis 9×10¹¹/cm² beträgt. Zugleich soll die durchschnitt liche Diffusionslänge der implantierten Akzeptoren (L _a) in dem Körper bei etwa 4 bis 6×10^-4 cm liegen.

Anhand der schematischen Darstellungen in den beiliegenden Zeichnungen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittzeichnung eines ersten Ausführungs beispiels einer Lawinen-Fotodiode;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A′ von Fig. 1 mit den Geometrie- und Dotierprofilen;

Fig. 3 ein Diagramm mit Profilen elektrischer Felder von bekannten und erfindungsgemäßen Lawinen-Foto dioden; und

Fig. 4 eine Schnittzeichnung eines zweiten Ausführungs beispiels einer Lawinen-Fotodiode.

Fig. 1 zeigt einen Bereich mit n⁺-p-π-p -Zonenfolge einer Durchgriffs-Lawinen-Fotodiode 10 (reach-through avalanche photodiode = RAPD). Hierzu gehört ein Körper 12 aus π -lei tendem Silizium mit gegenüberliegenden, ersten und zweiten Hauptflächen 14 bzw. 16. Die Hauptfläche 16 besitzt eine eingeätzte Wanne 18, deren Boden einen Zentralbereich 16 a definiert.

Von der ersten Hauptfläche 14 aus erstreckt sich eine n⁺ leitende Zentralzone 20 über eine gewisse Distanz in den Körper 12 hinein. Die Zentralzone 20 wird von einem n⁺-lei tenden Schutzring 22 umgeben, der weiter als die Zentral zone 20 von der ersten Hauptfläche 14 aus in den Körper 12 hineinreicht. Die n⁺-leitende Zentralzone 20 reicht typisch etwa 1 bis 2 µm tief in den Körper 12 hinein und ist relativ flach im Verhältnis zu dem n⁺-leitenden Schutzring 22, der sich größenordnungsmäßig 5 bis 10 µm weit in den Körper 12 hineinerstreckt.

Die n⁺-leitenden Zonen, nämlich die Zentralzone 20 und der Schutzring 22 können unter Verwendung von zwei verschiede nen Diffusionszeiten oder durch gleichzeitige Diffusion unter Verwendung von verschiedenen Dotierstoffen, z.B. Phos phor im Schutzring 25 und Arsen in der Zentralzone 20, her gestellt werden. Der Schutzring 22 hat die Aufgabe, einen Randdurchbruch am Umfang des pn-Übergangs bei Spannungen unterhalb der Spannung, bei der innerhalb der Aktivzone ein Durchbruch auftritt, zu verhindern.

Die Diode 10 enthält eine p-leitende Zone 24, die sich wei ter in den Körper 12 hineinerstreckt als die n⁺-leitende Zentralzone 20 und an der Stoßstelle mit der n⁺-leitenden Zentralzone 20 einen pn-Übergang 26 bildet. Das Dotierstoff profil dieser Zone 24 im Zusammenwirken mit dem relativ flachen pn-Übergang führt zu einem elektrischen Feldprofil der Diode 10, deren Vervielfachungs- bzw. Multiplikations zone über die ganze Aktivzone des Bauelements ausgebreitet ist. Das Dotierstoffprofil der p-leitenden Zone 24 und ihre Wirkung auf das elektrische Feld werden weiter unten näher erläutert.

Eine p-leitende Kanalsperre 28, die eine Überschußkonzentra tion von Akzeptoren, bevorzugt Bor (B), enthält, erstreckt sich zumindest mehrere µm vom Umfang der ersten Hauptfläche 14 aus in den Körper 12 hinein, ohne den n⁺-leitenden Schutzring 22 zu berühren. Die p⁺-leitende Kanalsperre 28 soll die Ausdehnung einer n-Inversionsschicht, die sich normalerweise unter dem (in Fig. 1 nicht dargestellten) passivierenden Oxid an der π -Oberfläche ausbildet, daran hindern, die Kante des Bauelements zu erreichen. Die Ober flächenkonzentration der p⁺-leitenden Schicht der Kanal sperre 28 soll größer als 10¹⁸/cm³ sein, insbesondere dann, wenn das Bauelement in einer Umgebung mit starker Strahlung zu benutzen ist. Die Tiefe der Kanalsperre 28 ist jedoch ziemlich beliebig.

Eine p⁺-leitende Zone 29 erstreckt sich von der Seite der zweiten Hauptfläche 16 aus etwa 1 µm weit in den Zentral bereich 16 a des Körpers 12 hinein.

Ein elektrischer Kontakt 30 liegt auf einem Teil der zwei ten Hauptfläche 16 und kontaktiert die p⁺-leitende Zone 29 elektrisch. Auf dem Zentralbereich 16 a der zweiten Haupt fläche 16 befindet sich ein Antireflex-Belag 32, durch den Licht in den Körper 12 eintreten kann.

Die elektrische Kontaktierung der ersten Hauptfläche 14, das heißt der n⁺-leitenden Zentralzone 20 und des Schutz rings 22 umfaßt eine erste Metallschicht 33 aus einem Mate rial, wie Aluminium, das einen guten Reflektor darstellt und damit die Quantenausbeute für die Wellenlängen, bei denen eine Passage der Aktivzone für eine vollständige Ab sorption noch nicht ausreicht, vergrößert. Versuche haben jedoch gezeigt, daß diese Schicht auf Silizium nicht gut haftet, der elektrische Kontakt enthält daher eine zweite Metallschicht 34 aus einem Mehrlagenmetall, die auf der ersten Metallschicht 33 liegt. Die erste Lage der zweiten Metallschicht 34 enthält Chrom und macht Kontakt in einem Bereich, mit geringer Lawinenverstärkung. Die zweite Lage der zweiten Metallschicht 34 enthält Gold und bildet die Schicht, an der die Anschlüsse der Lawinen-Fotodiode kontak tiert werden. Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere in der einschlägigen Industrie übliche Kontaktmetalle an die Stelle der genannten Metalle treten können.

Die zentrale Aktivzone bildet den Bereich des Bauelements zwischen den Hauptflächen 14 und 16, in dem die Vervielfa chung der Leitung auftritt. Die n⁺-Zentralzone 20 wird mit dem Schutzring 22 ausgestattet, um den Durchbruch über den pn-Übergang 26 auf den inneren Bereich des Bauelements 10 zu beschränken. Die seitliche Ausdehnung des Zentralbe reichs 16 a der zweiten Hauptfläche 16, auf dem sich der Antireflexbelag 32 befindet, und die entsprechende Ausdeh nung des pn-Übergangs 26 definieren also die Größe der die Leitung übernehmenden Aktivzone des Bauelements 10.

In Fig. 2 werden die log-Konzentrationen in Abhängigkeit von den Dotierstoffprofilen für die verschiedenen Leitfähig keits-Zonen in der Lawinen-Fotodiode längs der Linie A-A′ von Fig. 1 dargestellt. Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Dotierprofils besteht darin, eine Lawinen-Fotodiode zu schaffen, in der das elektrische Feld dahingehend optimiert wird, für einen gegebenen Wert einer angelegten Spannung den niedrigsten Wert von k _eff zu liefern. Das Ergebnis ist ein elektrisches Feld, welches überall in der Verarmungs schicht stark genug ist, um wenigstens eine gewisse Verviel fachung zu liefern.

In den Zentralbereich 16 a eintretendes Licht wird in der Nähe der p⁺-leitenden Zone nahe diesem Oberflächenbereich absorbiert und erzeugt Elektronen, welche auf ihrem Weg zu der Anode (n⁺-Oberflächenbereich der Zentralzone 20) vervielfacht werden. In dem Schwach-Feldbereich der Diode ist der Elektronen-Ionisationskoeffizient etwa 3× stärker als derjenige der Löcher; dadurch wird sichergestellt, daß die Löcher-Vervielfachung in den Bereichen mit hohem Löcher strom unwahrscheinlich ist. In den Bereichen mit niedrigem Löcherstrom können daher stärkere Felder und damit höhere Wahrscheinlichkeiten einer Löcher-Ionisation geduldet wer den. Im Ergebnis wird das speziell gewichtete Verhältnis von Löcher-Ionisation und Elektronen-Ionisation niedrig gehalten und ein niedriges k _eff erreicht.

Um für eine gegebene Dicke durch die Aktivzone der Lawinen- Fotodiode das optimale elektrische Feldprofil zu erhalten und den Wert von k _eff zu minimieren, ist ein bestimmtes Dotierstoffprofil erforderlich. Bei diesem Dotierstoffpro fil, durch das die im vorstehenden Sinne optimale Feldver teilung erreicht werden soll, handelt es sich um ein Pro fil, das mit herkömmlichen Dotiertechniken nicht leicht einzustellen ist. Die allgemeine Form des optimalen elek trischen Feldprofils ist jedoch ähnlich derjenigen, die als Kurve 44 in Fig. 3 dargestellt ist, und ein Feldprofil kann unter Verwendung einer einstufigen Implantation der Totaldosis n _ai (nach Diffusion und gegebenenfalls Ermög lichung einer Ausdiffusion) gebildet werden, so daß sich eine p-Dotierstoffkonzentration folgender Formel ergibt:

worin N _ao das ionisierte Nettodotierstoffniveau des Aus gangsmaterials (typisch, aber nicht notwendig etwa 2 bis 5×10¹²/cm²), n _ai die implantierte Nettodosis (5×10¹¹ bis 10¹²/cm², vorzugsweise 7×10¹¹ bis 9×10¹¹/cm²) und L ^a die durchschnittliche Diffusionslänge der implantierten Akzeptoren (L _a = 2×10^-4 bis 10^-3 cm, vorzugsweise etwa 4-6×10^-4 cm) bedeuten. Die Spanne der durchschnitt lichen Diffusionslänge L _a der in den Körper implantierten Akzeptor-Verunreinigung hat zur Folge, daß sich die p-lei tende Zone etwa 5×L _a tief oder bis zur gegenüberliegenden Fläche, je nachdem welche Länge geringer ist, in den Körper hineinerstreckt, wobei der Körper eine Dicke von weniger als etwa 40 µm und vorzugsweise etwa 15 bis 30µm besitzen soll.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich der elektrischen Feldprofile für verschiedene Durchgriffs-Lawinen-Fotodioden (RAPD) längs einer Schnittlinie ähnlich der Schnittlinie A-A′ durch die Aktivzone der Lawinen-Fotodiode nach Fig. 1. Die Kurve 40 repräsentiert ein elektrisches Feldprofil einer normalen Durchgriffs-Lawinen-Fotodiode, und die Kurve 42 repräsentiert das elektrische Feldprofil einer Lawinen-Foto diode mit niedrigem k _eff entsprechend der US-PS 44 63 368. Aus den Kurven 40 und 42 ergibt sich, daß die elektrischen Feldprofile für die entsprechenden Lawinen-Fotodioden eine Vervielfachung nur in der Nachbarschaft des pn-Übergangs liefern. Während eine Diode mit einem elektrischen Feldpro fil nach Kurve 42 ein niedrigeres k _eff aufweist als die normale Diode mit einem elektrischen Feldprofil nach Kurve 40, tritt die Vervielfachung in dieser Diode mit niedrige rem k _eff nur innerhalb von etwa 8 µm von dem pn-Übergang der Diode auf und ist nicht über die Aktivzone der Lawinen- Fotodiode ausgebreitet.

Kurve 44 repräsentiert das elektrische Feldprofil für eine Lawinen-Fotodiode mit niedrigerem k _eff, die erfindungsgemäß hergestellt worden ist. Das elektrische Feldprofil besitzt ein Maximum angrenzend an den pn-Übergang mit einem Wert in der Größenordnung von 2,9×10⁵ V/cm. Das elektrische Feldprofil vermindert sich auf der Distanz, über die sich die p-leitende Zone in die Diode hineinerstreckt, bleibt aber auf der gesamten Dicke der Diode auf einem für die Vervielfachung ausreichenden Wert. Dieser letztgenannte Wert beträgt etwa 1,6×10⁵ V/cm. Der berechnete Bereich der Durchbruchsspannungen beträgt etwa 300 V für ein Bauele ment mit 15 µm Dicke bis zu etwa 700 V für ein Bauelement von 40 µm Dicke.

Fig. 4 zeigt eine von Fig. 1 abweichende Alternative 50 der erfindungsgemäßen Lawinen-Fotodiode. Gemeinsame Elemente der Dioden 50 und 10 werden identisch bezeichnet. Im Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 4 werden die Kanalsperren 28 und ihre gegenüberliegenden Kontaktzonen 46 ausgedehnt sowie dazu benutzt, die gegenüberliegenden Hauptflächen 14 und 16 leitend zu verbinden und dadurch zu ermöglichen, die an der zweiten Hauptfläche 16 liegende p⁺-leitende Zone 29 an der ersten Hauptfläche 14 zu kontaktieren. Das Bauelement kann dann also koplanar, das heißt auf einer einzigen Fläche mit Hilfe der Kontakte 31, kontaktiert werden, so daß keine Kontakte auf der Lichteintrittsfläche (mit dem Oberflächen bereich 16 a) der Diode 50 erforderlich sind.

Eine weitere Alternative würde es sein, eine Diode zu schaf fen, deren Gesamtdicke gleich der Dicke der Aktivzone ist. Hierbei sollte jedoch eine Vervielfachung im Bereich des Schutzrings zu erwarten sein, daher wäre die Tiefe des Schutzrings sorgfältig zu steuern, um einen Kantendurch bruch zu vermeiden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die zentrale Aktiv zone der Lawinen-Fotodiode 10 durch Dünnermachen des Bauele ments in zwei Stufen gebildet. Für einen befriedigenden Betrieb des Bauelements ist es wichtig, daß die Aktivzone eine überall gleichmäßige Dicke besitzt. Versuche haben gezeigt, daß diese Forderung manchmal leichter zu erfüllen ist, wenn das Dünnermachen in zwei Stufen und nicht in ei nem einzigen Schritt erfolgt. Das Bauelement funktioniert jedoch auch bei Querschnittsverminderung in einem einzigen Schritt, wenn der Halbleiterkörper überall auf eine Dicke vermindert wird, die im wesentlichen gleich der Dicke der Diode an ihrer Aktivzone ist.

Zu dem Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Lawi nen-Fotodiode 10 oder 50 gehört es, einen Körper 12 aus f -leitendem Silizium, typisch mit einer Leitfähigkeit von etwa 3000 Ω cm oder mehr, vorzubereiten. Der Körper 12 soll zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen 14 und 16 be sitzen, welche irgendeine kristallographische Orientierung haben können, wobei jedoch (100)-Kristallebenen bevorzugt werden. Die Dicke des Körpers soll typisch zwischen etwa 100 und 125 µm liegen.

Die p-leitende Zone 24 wird gemäß weiterer Erfindung nach Maskierung der Hauptfläche 14, z.B. mit SiO₂, durch Einfüh rung eines Akzeptors, z.B. Bor, vorzugsweise durch Ionen- Implantation, durch eine Öffnung der Maske gebildet. Dabei sollen Akzeptoren in einer Menge zwischen etwa 1×10¹² und 2,5×10¹² Akzeptoren/cm², vorzugsweise zwischen etwa 1,4 und 1,8×10¹² Akzeptoren/cm², bezogen auf den der Im plantation ausgesetzten Oberflächenbereich, eingebracht werden. Das Bor wird anschließend typisch bei einer Tempe ratur zwischen 1150 und 1200°C eine Zeit lang eindiffun diert, so daß die Diffusionslänge L _a zwischen 2 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 4 und 6 µm, liegt.

Die Tiefe der p-leitenden Zone 24 ist die Tiefe, bei der die örtliche Konzentration der hinzugefügten Akzeptoren gleich der Hintergrundkonzentration der Akzeptoren wird. Für die in Betracht gezogenen Konzentrationen beträgt die Tiefe etwa 5×L _a. Im vervollständigten Bauelement bleiben etwa die Hälfte bis zwei Drittel der implantierten Akzepto ren in dem Siliziumkörper, der Rest geht verloren an die verschiedenen Oxide und Gläser, die bei der Herstellung auf der ersten Hauptfläche 14 liegen. Die p-leitende Zone 24 soll erfindungsgemäß eine unkompensierte Überschußkonzen tration von Akzeptoren entsprechend einer Dosis zwischen etwa 5× 10¹¹ und 10¹² bezogen auf den Oberflächenbereich enthalten, durch welchen die Akzeptoren in den Körper ein treten.

Die p⁺-leitende Kanalsperre 28 wird vorzugsweise durch Dif fusion von Bor aus einer abgeschiedenen oder implantierten Quelle gebildet; sie wird typisch zugleich mit der p-leiten den Zone 24 diffundiert. Die Diffusionsquelle wird so ausge wählt, daß sie eine Oberflächenkonzentration von typisch mehr als 10¹⁸/cm³ liefert. In dem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung nach Fig. 4 werden die beiden aufeinan der zu diffundierten p⁺-Zonen bzw. Kanalsperren 28 zugleich mit der p-leitenden Zone 24 gebildet.

Die n⁺-leitenden Zonen 20 und 22 werden dann gemäß weite rer Erfindung durch Einführen eines Donators, wie Phosphor, Arsen oder Antimon, in derselben Oberfläche des Körpers 12 gebildet. Typisch wird die n⁺-Zone durch geeignetes Mas kieren und Vordiffusion der Oberfläche mit Phosphor aus einem in eine Öffnung der Maske abgeschiedenen, mit Phos phor dotierten Glas (PDG) gebildet. Zuerst wird der Schutz ring 22 hergestellt, da seine Diffusionstiefe bewußt größer als diejenige der Zentralzone 20 werden soll. Der Schutz ring 22 wird typisch zwei Stunden lang bei 1050°C diffun diert. Das Glas wird dann von der Oberfläche abgetragen, die Oberfläche wird wieder mit Siliziumdioxid bedeckt sowie zum Öffnen der Zentralzone 20 wiederum mit Fotoresist behan delt und nochmals mit Phosphor aus einem phosphordotierten Glas diffundiert, so daß erfindungsgemäß ein pn-Übergang mit der diffundierten, p-leitenden Zone 24 mit einem Ab stand von weniger als etwa 2 µm von der ersten Hauptfläche 14 entsteht. Die Phosphordiffusion der Zone 20 wird bevor zugt bei 1000°C für eine Zeitdauer von etwa 10 bis 30 Minu ten ausgeführt.

Der elektrische Kontakt 30 der p⁺-leitenden Zone 29 wird typisch durch Maskieren und aufeinanderfolgendes Abscheiden von Chrom- und Gold-Schichten hergestellt. Die als elektri scher Kontakt wirksamen, ersten und zweiten Metallschichten 33 bzw. 34 werden an den n⁺-leitenden Zonen 20 und 22 durch geeignetes Maskieren der ersten Hauptfläche 14 und aufeinan derfolgendes Vakuum-Niederschlagen von Aluminium, Chrom und Gold gebildet.

Der Antireflex-Belag 32 besteht aue einer oder mehreren Schichten transparenter Materialien, die unterschiedliche Brechungsindices besitzen. Typisch wird zum Herstellen des Belags 32 eine SiO-Schicht mit einer optischen Dicke im Betrage einer Viertel-Wellenlänge des Lichts abgeschieden, für das die Lawinen-Fotodiode optimiert wird.

Die Wanne 18 an der zweiten Hauptfläche 16 der Lawinen-Foto diode 50 wird durch Maskieren der Oberfläche des Körpers und Ätzen der zweiten Hauptfläche 16 durch eine Öffnung der Maske hindurch bis zur gewünschten Tiefe hergestellt. Dabei wird ein chemisches Ätzmittel benutzt, das aus 30 Teilen HNO₃, 2 Teilen HF, 1 Teil CH₃COOH und 1 Teil H₂O (jeweils Volumenteile) besteht. Hierbei wird ein Zweistufen-Ätzpro zeß vorgesehen. Die Wanne 18 erstreckt sich so weit in den Körper 12 hinein, daß die Dicke des Körpers im Bereich der Wanne 18 weniger als etwa 40 µm beträgt.

Claims

1. Lawinen-Fotodiode (10, 50) mit n⁺-p-π -p⁺-Zonen in einem π -Siliziumkörper (12), gekennzeichnet durch einen flach diffundierten, steilen pn-Übergang (26) etwa 1 bis 2 µm tief unter einer an eine n⁺-Zone (20, 22) angrenzenden Hauptfläche (14) des Siliziumkörpers (12) und eine der n⁺-Zone (20, 22) an dem pn-Übergang (26) gegenüberliegende p-Zone (24), die Akzeptoren in einer unkompensierten Überschußkonzentration ent sprechend einer Dosis zwischen 5×10¹¹ und 10¹² Akzep toren/cm² enthält.

2. Lawinen-Fotodiode (10, 50) mit einem π -leitenden, ein Paar einander gegenüberliegender Hauptflächen (14, 16) aufweisenden Siliziumkörper (12), insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine n-leitende, sich von einem Teil der ersten Hauptfläche (14) aus um etwa 1 bis 2 µm tief in den Halbleiterkörper (12) hineinerstreckende Zentralzone (20); einen n-leiten den, die Zentralzone (20) umgebenden und sich tiefer als diese in den Halbleiterkörper hineinerstreckenden Schutzring (22); eine die n-leitende Zentralzone (20) berührende, p-leitende Zone (24), die sich um etwa 10 bis 50 µm tief in den Halbleiterkörper (20) hinein erstreckt bzw. bis zu einer zweiten, der ersten Haupt fläche (14) gegenüberliegenden Hauptfläche (16) des Halbleiterkörpers (12) reicht, wenn die Dicke des Kör pers (12) kleiner als 50 µm ist, und die Akzeptoren in einer unkompensierten Überschußkonzentration ent sprechend einer implantierten Nettodosis zwischen etwa 5×10¹¹ und 10¹²/cm² eines Oberflächenbereichs, durch den die Akzeptoren in den Halbleiterkörper (12) eintre ten, enthält; und eine p⁺-leitende Zone (29), die sich von der zweiten Hauptfläche (16) über eine gewisse Distanz in den Halbleiterkörper (12) hineinerstreckt.

3. Fotodiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schutzring (22) etwa 5 bis 10 µm tief in den Halbleiterkörper (12) hineinerstreckt.

4. Fotodiode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß auf der n-leitenden Zentralzone (20) ein er ster elektrischer Kontakt (33, 34) und auf der p⁺-lei tenden Zone (29) ein zweiter elektrischer Kontakt (30) liegt (Fig. 1).

5. Fotodiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektrische Kontakt (33, 34) als Mehr schicht-Metall ausgebildet ist und eine gut reflektie rende, erste Metallschicht (33), welche die Quantenaus beute bei den Wellenlängen der bei der ersten Passage der Aktivzone nicht vollständig absorbierten Quanten verbessert, und eine außen auf der ersten Metall schicht (33) liegende zweite Metallschicht (34) mit mindestens zwei Lagen enthält, deren erste Lage einen Bereich mit niedriger Lawinenverstärkung kontaktiert und deren über der ersten Lage angeordnete, zweite Lage mit Leitungen zu kontaktieren ist.

6. Fotodiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (33) aus Aluminium, die erste Lage der zweiten Metallschicht (34) aus Chrom und die zweite Lage der zweiten Metallschicht (34) aus Gold besteht.

7. Fotodiode nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Aktivzone gemessene Dicke zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche (14, 16) weniger als 40 µm beträgt.

8. Fotodiode nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Zone (24) zwischen 20 und 30 µm in den Halbleiterkörper (12) hineinreicht.

9. Fotodiode nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Dicke von 15 bis 30 µm zwischen den Hauptflächen (14, 16).

10. Fotodiode nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekenn zeichnet durch eine Wanne (18) in der zweiten Haupt fläche (16) benachbart der p-leitenden Zone (24) und eine Dicke von weniger als 40 µm im Bereich der Wanne (18).

11. Fotodiode nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Dicke zwischen 15 und 30 µm im Bereich der Wanne (18).

12. Fotodiode nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Zone (24) eine Do tierstoffkonzentration der Formel: besitzt, in der N _ao das reine, ionisierte Verunreini gungs-Dotierstoffniveau des Ausgangsmaterials ist und in der Größenordnung von etwa 2 bis 5×10¹²/cm² liegt, n _ai die reine, implantierte Dosis-Konzentration ist, und bei dem L _a die durchschnittliche Diffusions länge der implantierten Akzeptor-Verunreinigung im Halbleiterkörper (12) ist und zwischen etwa 2 und 10×10^-4 cm beträgt.

13. Fotodiode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß n _ai etwa 7 bis 9×10¹¹/cm beträgt.

14. Fotodiode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß L _a etwa 4 bis 6×10⁴ cm beträgt.

15. Fotodiode nach einem der Ansprüche 2 bis 14, gekenn zeichnet durch p⁺-leitende, von der ersten Hauptfläche (14) nahe, aber mit Abstand von dem Schutzring (22) in den Halbleiterkörper (12) diffundierte Kanalsper ren (28).

16. Fotodiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalsperren (28) durch die Diode (50) hin durch - gegebenenfalls durch Gegendiffusion von Kon taktzonen (46) von der zweiten Hauptfläche (16) her - diffundiert sind und daß daran auf der ersten Hauptflä che (12) koplanare Metallkontakte (31) der an der zwei ten Hauptfläche (16) liegenden p⁺-leitenden Zone (29) angeordnet sind (Fig. 4).

17. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Zentralzone (20) die p-leitende Zone (24) unter Bildung eines abrupten, etwa 1 bis 2 µm tief im Siliziumkörper liegenden pn- Übergangs (26) kontaktiert und daß die p-leitende Zone (24) Akzeptoren in einer unkompensierten Überschuß-Do tierstoffkonzentration der Formel enthält, wobei N _ao das reine, ionisierte Verunreini gungs-Dotierstoffniveau des Ausgangsmaterials ist und in der Größenordnung von etwa 2 bis 5×10¹²/cm² liegt, wobei n _ai die reine, implantierte Dosiskonzen tration ist und etwa 5 bis 10×10¹¹/cm² in dem Ober flächenbereich, durch den die Akzeptoren in den Silizi umkörper eintreten, beträgt und wobei L _a die durch schnittliche Diffusionslänge der implantierten Akzep tor-Verunreinigung im Körper ist und zwischen etwa 2 und 10 µm beträgt.

18. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich der n-leitende Schutzring (22) im Sinne des Vermeidens eines Kantendurchbruchs an dem pn-Übergang (26) weiter als die Zentralzone (20) in den Siliziumkörper (12) hineinerstreckt.

19. Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekenn zeichnet durch eine überall gleiche Dicke des Silizium körpers in einer durch die Zentralzone (20) und den in die zweite Hauptfläche (16) eingelassenen Zentralbe reich (16 a) definierten Aktivzone.

20. Verfahren zum Herstellen einer Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem π-leitenden Siliziumkörper Akzep tormaterial zum Bilden der p-leitenden Zone (24) durch eine entsprechend maskierte, erste Hauptfläche (14) bei Temperaturen zwischen 1150°C und 1200°C solange eindiffundiert wird, bis die Diffusionslänge (L _a) im diffundierten Bereich zwischen etwa 2 und 10 µm, vor zugsweise zwischen etwa 4 und 6 µm liegt und der dif fundierte Bereich der Akzeptoren bis zu einer Tiefe reicht, bei der die örtliche Konzentration der hinzuge fügten Akzeptoren gleich der Hintergrundkonzentration der Akzeptoren ist, und daß in einem weiteren Schritt das Donatormaterial zum Bilden der n⁺-leitenden Zen tralzone (20) aus einer in einer Öffnung einer Maske der ersten Hauptfläche (14) angeordneten Donatorquelle aus Glas, vorzugsweise aus mit Phosphor dotiertem Glas, bei etwa 1000°C nur solange, insbesondere etwa 10 bis 30 Minuten, diffundiert wird, bis der abrupte pn-Übergang (26) eine Entfernung von 1 µm bis höch stens 2 µm von der ersten Hauptfläche (14) erreicht hat.