DE60109520T2

DE60109520T2 - Halbleiterphotodetektor und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60109520T2
Application number: DE60109520T
Authority: DE
Inventors: Toru Nakakoma-gun Yamanashi Uchida; Chikashi Nakakoma-gun Yamanashi Anayama
Original assignee: Fujitsu Quantum Devices Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: US20010048118A1; JP3652977B2; EP1162667A1; DE60109520D1; US7081639B2; JP2002064217A; EP1162667B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen optische Halbleitervorrichtungen und im besonderen eine Halbleiterphotodetektionsvorrichtung und einen Herstellungsprozeß derselben.
Einhergehend mit der weitverbreiteten Internet-Nutzung kommt es zu einer Kapazitätsknappheit in optischen Telekommunikationsnetzen. Um das Problem zu bewältigen, kommt nun die sogenannte Wellenlängenmultiplex-(wavelength-division multiplexing: WDM)-Technik zum Einsatz. Bei der WDM-Technik werden viele optische Träger mit verschiedenen Wellenlängen über eine einzelne optische Faser übertragen, wobei die optischen Träger mit jeweiligen Modulationssignalen moduliert werden.
Um die Bandbreite der WDM-Kanäle zu vergrößern, wird gerade eine Untersuchung durchgeführt, um den Wellenlängenbereich der optischen Träger zur Seite der längeren Wellenlänge hin, und zwar bis zu der Wellenlänge von 1620 nm (das sogenannte L-Band), zu erweitern. Um diese Technik zu implementieren, ist es erforderlich, eine Halbleiterphotodetektionsvorrichtung mit ausreichender Empfindlichkeit in dem langwelligen Bereich von 1620 nm vorzusehen.
1 zeigt die Konstruktion einer herkömmlichen PIN-Photodiode 20 des Typs, der ein ankommendes optisches Signal auf einer hinteren Fläche empfängt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist die PIN-Photodiode 20 auf einem Substrat 7 aus n-Typ-InP gebildet, und sie enthält eine erste Pufferschicht 6 aus n-Typ-InP, die auf dem Substrat 7 gebildet ist, eine zweite Pufferschicht 4 aus n-Typ-InP, die auf der Pufferschicht 6 gebildet ist, eine Photodetektionsschicht 3 aus n-Typ-InGaAs, die auf der n-Typ-InP- Pufferschicht 4 gebildet ist, eine Mantelschicht 2 aus n-Typ-InP, die auf der Photodetektionsschicht 3 gebildet ist, und eine Kontaktschicht 1 aus undotiertem InGaAsP, die auf der Mantelschicht 2 gebildet ist, wobei die obige zweite Pufferschicht 4, die Photodetektionsschicht 3, die Mantelschicht 2 und die Kontaktschicht 1 eine Mesastruktur auf der ersten Pufferschicht 6 bilden. Um die Bildung der Mesastruktur zu erleichtern, ist eine Ätzstoppschicht 5 aus n-Typ-InGaAsP zwischen der ersten Pufferschicht 6 und der zweiten Pufferschicht 4 vorgesehen.
Die Kontaktschicht 1 und die Mantelschicht 2 sind ferner mit einer p-Typ-Diffusionsregion 8 gebildet, und eine p-Typ-Elektrode 9 ist in Kontakt mit der obigen p-Typ-Diffusionsregion 8 vorgesehen. Ferner ist eine n-Typ-Elektrode 10 auf der n-Typ-InGaAsP-Ätzstoppschicht 5 in dem Teil vorgesehen, der als Resultat der Mesabildung exponiert ist. Ferner ist eine Mikrolinse 7A auf der Bodenfläche des InP-Substrats 7 gebildet.
In der PIN-Photodiode 20 wird der einfallende optische Strahl, der auf die Bodenfläche des InP-Substrats 7 einfällt, in dem Teil fokussiert, der in der Nähe der Photodetektionsschicht 3 angeordnet ist, und es tritt eine Erregung von Phototrägern in dem Teil auf, der in der Nähe der Photodetektionsschicht 3 angeordnet ist. Dann wird bewirkt, daß die so erregten Phototräger in Abhängigkeit von der Polarität zu der p-Typ-Elektrode 9 oder zu der n-Typ-Elektrode 10 fließen und einen Photostrom bilden.
In solch einer PIN-Photodiode 20 ist es allgemeine Praxis, die InGaAs-Photodetektionsschicht 3 mit einer Dicke von etwa 2 μm und mit einer so gewählten Zusammensetzung zu bilden, um eine Gitteranpassung bezüglich des InP-Substrats 7 zu erreichen, um das Auftreten von Kristalldefekten zu minimieren und die Effektivität der optischen Absorption zu maximieren. Solange die Photodetektionsschicht 3 eine Dicke von etwa 2 μm hat, wird eine zufriedenstellende Effektivität der optischen Absorption erreicht, während gleichzeitig das Problem der Trägerlaufzeit unterdrückt wird, und es wird ein Hochgeschwindigkeitsverhalten erreicht, das zum Bewältigen einer Übertragungsrate von 10 Gbit/s ausreicht, wie sie in einem Lichtleitertelekommunikationsnetz zum Einsatz kommt.
Es sei erwähnt, daß in der PIN-Photodiode 20 von 1 die InGaAs-Photodetektionsschicht eine Bandlückenwellenlänge von etwa 1650 nm bei Raumtemperatur angesichts der Notwendigkeit des Erreichens einer Gitteranpassung mit dem InP-Substrat 7 aufweist. Somit kann die PIN-Photodiode 20 das optische Signal mit der längeren Wellenlänge von 1620 nm detektieren, solange die PIN-Photodiode 20 in einer Umgebung mit Raumtemperatur betrieben wird. Andererseits muß die Photodiode 20, die in einem Lichtleitertelekommunikationsnetz verwendet wird, einen korrekten Betrieb auch in einer Umgebung mit einer extrem niedrigen Temperatur von immerhin –40°C garantieren.
Wenn die PIN-Photodiode 20 von 1 in solch einer Umgebung mit der niedrigen Temperatur betrieben wird, tritt andererseits eine Vergrößerung der Bandlücke der Photodetektionsschicht 3 auf, und daher fällt die Effektivität der optischen Absorption der Schicht 3 auf unter 50% ab. Während solch eine Vergrößerung der Bandlücke durch eine Erhöhung des In-Anteils in der Schicht 3 kompensiert werden kann, führt solch eine Erhöhung des In-Anteils ihrerseits zu einer Gitterfehlanpassung zwischen der Photodetektionsschicht 3 und dem InP-Substrat 7. Wenn die Photodetektions schicht 3 mit der Dicke von 2 μm zu bilden ist, die zur optischen Absorption geeignet ist, ist es somit unvermeidlich, daß es zu einer wesentlichen Defektbildung in der Photodetektionsschicht 3 kommt. Wenn eine Zunahme von Defekten in der Photodetektionsschicht 3 auftritt, ergeben sich verschiedene Probleme, einschließlich einer Erhöhung des Leckstroms und einer Erhöhung des Dunkelstroms. Um die Bildung von Kristalldefekten zu vermeiden, muß die in der Photodetektionsschicht 3 akkumulierte Spannung auf unter 0,1% herabgedrückt werden. Diese Forderung steht jedoch im Widerspruch zu der Forderung nach Kompensation der ungewollten Vergrößerung der Bandlücke in einer Umgebung mit niedriger Temperatur.
Um dieses Problem zu bewältigen, hat es in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung 7-74381 oder 62-35682 den Vorschlag gegeben, die Photodetektionsschicht 3 aus einer optischen Absorptionsschicht und einer Spannungskompensationsschicht zu bilden, die angrenzend an die optische Absorptionsschicht angeordnet ist, und zu bewirken, daß die Spannungskompensationsschicht eine entgegenwirkende Spannung (Zugspannung im vorliegenden Fall) in sich akkumuliert, so daß die Spannungskompensationsschicht und die optische Absorptionsschicht als Ganzes die Spannung kompensieren, die in der Photodetektionsschicht 3 durch das Substrat 7 verursacht wird. Gemäß solch einer Konstruktion ist es möglich, eine ausreichende Dicke für die optische Absorptionsschicht sicherzustellen, indem die optische Absorptionsschicht und die Spannungskompensationsschicht alternierend wiederholt gestapelt werden.
Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung 7-74381 offenbart zum Beispiel eine Photodetektionsschicht 21, die in 2 dargestellt ist, in der die Photodetektionsschicht 21 gebildet ist aus einer alternierenden Wiederholung einer optischen Absorptionsschicht 21a, die eine Zusammensetzung aus In_0,53–xGa_0,47+xP hat und in sich eine Zugspannung akkumuliert, und einer Spannungskompensationsschicht 21b, die eine Zusammensetzung aus In_0,53+xGa_0,47–xP hat und in sich eine Druckspannung akkumuliert.
Bei dem Beispiel von 2 ist die Photodetektionsschicht 21 zwischen einer unteren Kontaktschicht 22 aus n-Typ-InP und einer oberen Kontaktschicht 23 aus p-Typ-InP eingefügt. Ferner offenbart die japanische offengelegte Patentveröffentlichung 62-35682 eine Photodetektionsschicht, die auf einem GaAs-Substrat vorgesehen ist und aus einer alternierenden Wiederholung einer GaAs-Schicht, die eine Dicke von 10 nm hat, und einer AlGaAs-Schicht, die eine Dicke von 10 nm hat, gebildet ist.
Diese herkömmlichen Strukturen haben jedoch unter dem Problem gelitten, daß sich die Nettodicke der optischen Absorptionsschicht in der Photodetektionsschicht nur auf die Hälfte der Gesamtdicke der Photodetektionsschicht beläuft.
Somit hat es sich erforderlich gemacht, die Anzahl von Wiederholungen in solch einer Struktur zu erhöhen, um eine notwendige Gesamtdicke für die optische Absorptionsschicht sicherzustellen, wobei solch eine Erhöhung der Anzahl von Wiederholungen zu einer Zunahme der Gesamtdicke der Photodetektionsschicht führt.
Wenn die Gesamtdicke der Photodetektionsschicht somit übermäßig zunimmt, nimmt auch die Laufzeit der Träger zu, und das vorteilhafte Hochgeschwindigkeitsverhalten der herkömmlichen PIN-Photodiode kann als Resultat der Verwen dung solch einer verspannten Übergitterstruktur für die Photodetektionsschicht verlorengehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und brauchbare optische Halbleitervorrichtung vorzusehen, bei der die obigen Probleme eliminiert sind.
Ein anderes und spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochgeschwindigkeitshalbleiterphotodetektionsvorrichtung zur Verwendung im Lichtleiterübertragungssystem vorzusehen, die in einem längeren optischen Wellenlängenband betriebsfähig ist.
US4607272 offenbart eine Halbleiterphotodetektionsvorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; einer Photodetektionsschicht, die auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, welche Photodetektionsschicht ein schichtverformtes Übergitter umfaßt, wobei das schichtverformte Übergitter eine erste Halbleiterschicht umfaßt, die eine optische Strahlung absorbiert, und eine zweite Halbleiterschicht, die eine Spannungskompensationsschicht ist, welche erste Halbleiterschicht und welche zweite Halbleiterschicht in der Photodetektionsschicht alternierend und wiederholt gestapelt sind; einer Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, die in einem Teil der Photodetektionsschicht gebildet ist; und einer Elektrode, die ein elektrisches Feld auf die Photodetektionsschicht über die Region des zweiten Leitfähigkeitstyps so anwendet, daß das elektrische Feld in einer Dickenrichtung der Photodetektionsschicht wirkt.
Eine Halbleiterphotodetektionsvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht eine erste Dicke hat und in sich eine Druckspannung akkumuliert und die zweite Halbleiterschicht eine zweite Dicke hat, die kleiner als die erste Dicke ist, und in sich eine Zugspannung akkumuliert; und das Produkt aus Spannung und Dicke in der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht im wesentlichen dasselbe ist.
EP 0627771 offenbart einen Halbleiterphotodetektor mit verspanntem Übergitter, der eine Photodetektionsschicht enthält, die eine Druckspannung hat, und eine Spannungskompensationsschicht, die eine Zugspannung hat, welche Photodetektionsschicht so gebildet ist, um eine Seitenkontaktstruktur zu haben. Dieser Detektor betrifft das Vorsehen einer erhöhten Ansprechempfindlichkeit und niedriger Dunkelströme und nicht die Detektion von langen Wellenlängen bei niedrigen Temperaturen (von zum Beispiel 1620 nm bei –40°C).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, die erste Halbleiterschicht so zu bilden, daß die erste Halbleiterschicht in sich eine Spannung von 0,2% oder mehr, aber nicht über 0,6% akkumuliert. Ferner ist es vorzuziehen, die erste Halbleiterschicht mit einer Dicke von 50 nm oder mehr zu bilden. Die zweite Halbleiterschicht wird vorzugsweise mit einer Dicke gebildet, die um einen Faktor, der gegeben ist durch (0,9 × L^1/4 × ε), kleiner als eine Summe aus der Dicke der ersten Halbleiterschicht und der Dicke der zweiten Halbleiterschicht ist, wobei L eine Summe der Gesamtdicke, dargestellt in Einheiten von Mikrometern, der ersten und zweiten Halbleiterschichten in der Photodetektionsschicht darstellt und ε die in der ersten Halbleiterschicht akkumulierte Spannung in Einheiten von Prozent darstellt. Es ist vorzuziehen, die Dicke der zweiten Halbleiterschicht so festzulegen, daß sie um einen Faktor von 1/2 kleiner als die Dicke der ersten Halbleiterschicht ist. Ferner ist es vorzuziehen, die ersten und zweiten Halbleiterschichten aus einem Dreifachverbindungshalbleitermaterial zu bilden. Zum Beispiel kann das Substrat ein n-Typ-InP-Substrat sein, und die ersten und zweiten Halbleiterschichten können aus InGaAs gebildet sein. Ferner ist es vorzuziehen, eine Zwischenschicht zwischen den ersten und zweiten Halbleiterschichten mit einer so gewählten Zusammensetzung vorzusehen, um eine Bandlücke zu erhalten, die zwischen den Bandlücken der ersten und zweiten Halbleiterschichten liegt. Dadurch ist es vorzuziehen, die Zwischenschicht längs der Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Halbleiterschichten auf der Seite der Region des zweiten Leitfähigkeitstyps zu bilden. Ferner kann die Zusammensetzung der Zwischenschicht allmählich verändert werden. In letzterem Fall ist es vorzuziehen, die Zusammensetzung der Zwischenschicht so zu verändern, daß die Zwischenschicht eine Zugspannung an der Grenzfläche zu der zweiten Halbleiterschicht und eine Druckspannung an der Grenzfläche zu der ersten Halbleiterschicht akkumuliert.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Herstellungsprozeß einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung vorzusehen, mit den Schritten:
Bilden einer Photodetektionsschicht auf einem Halbleitersubstrat durch alternierendes und wiederholtes Bilden einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht auf dem Halbleitersubstrat, während eine Flußrate von Quellengasen ohne Unterbrechung der Zufuhr derselben verändert wird;
Bilden einer Elektrode auf der Photodetektionsschicht, um ein elektrisches Feld in einer Dickenrichtung der Photodetektionsschicht anzuwenden; und
Akkumulieren, in der ersten Halbleiterschicht, die aus einem Dreifachverbindungshalbleitermaterial mit einer Gitterkonstante gebildet wird, die sich von einer Gitterkonstante des Substrats unterscheidet, einer Druckspannung und Akkumulieren, in der zweiten Halbleiterschicht, die aus einem Dreifachverbindungshalbleitermaterial mit einer Gitterkonstante gebildet wird, die sich von der Gitterkonstante des Substrats unterscheidet, einer Zugspannung, wobei das Produkt aus Spannung und Dicke in der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht im wesentlichen dasselbe ist.
Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Halbleiterschichten durch einen MOVPE-Prozeß gebildet. Dadurch werden die ersten und zweiten Halbleiterschichten alternierend und wiederholt durch kontinuierliches Verändern, ohne Unterbrechung, der Flußrate von metallorganischen Quellenmaterialien gebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Nettodicke der optischen Absorptionsschicht in der Photodetektionsschicht, die eine Übergitterstruktur hat, zu erhöhen, indem einem Druckspannung in der ersten Halbleiterschicht akkumuliert wird, die als optische Absorptionsschicht dient, und eine Zugspannung in der zweiten Halbleiterschicht akkumuliert wird, die als Spannungskompensationsschicht dient, während gleichzeitig die Gesamtdicke der Photodetektionsschicht reduziert wird. Als Resultat wird es möglich, eine Hochgeschwindigkeitshalbleiterphotodetektionsvorrichtung zu realisieren, die eine optische Empfindlichkeit in dem langwelligen Bereich aufweist.
Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer herkömmlichen Halbleiterphotodetektionsvorrichtung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das einen Teil einer anderen herkömmlichen Halbleiterphotodetektionsvorrichtung zeigt;
3 ist ein Diagramm, das das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein anderes Diagramm, das das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein weiteres Diagramm, das das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein weiteres Diagramm, das das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Diagramm, das einen Teil einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Diagramm, das einen Teil einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Diagramm, das einen Teil einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
PRINZIP
Falls die Dicke einer Spannungskompensationsschicht in einer Übergitterstruktur, in der eine optische Absorptionsschicht mit einer Druckspannung und eine Spannungskompensationsschicht mit einer Zugspannung alternierend wiederholt sind, reduziert wird, ist es erforderlich, die Zugspannung in der Spannungskompensationsschicht zur effektiven Kompensation der Druckspannung in der optischen Absorptionsschicht zu erhöhen, während solch eine Erhöhung der Spannung in der Spannungskompensationsschicht das Problem herbeiführen kann, daß eine "Spannungsschwelle" überschritten werden kann und weitflächig Kristalldefekte an der Grenzfläche zwischen der optischen Absorptionsschicht und der Spannungskompensationsschicht entstehen können.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung führte experimentelle Untersuchungen hinsichtlich der Spannungsschwelle durch und erhielt eine Beziehung, die in der vorliegenden Beschreibung eingehend erläutert werden soll. Es sei erwähnt, daß sich die obige "Spannungsschwelle" auf die Spannungskompensationsstruktur bezieht, in der eine Zugspannungsschicht und eine Druckspannungsschicht alternierend und wiederholt gestapelt sind, und überhaupt nichts mit dem wohlbekannten Konzept der kritischen Dicke auf der Basis des Mechanismus von Fehlanpassungsversetzungen zu tun hat.
Zuerst folgt eine Erläuterung hinsichtlich der Experimente, die durch den Erfinder durchgeführt wurden, wobei unter Bezugnahme auf 3 eine Modellstruktur gezeigt ist, die bei dem Experiment verwendet wurde.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die Modellstruktur gebildet aus einem InP-Substrat 11 und einer Übergitterstruk tur 12, die auf dem Substrat 11 gebildet ist, wobei die Übergitterstruktur 12 eine alternierende Wiederholung einer optischen InGaAs-Absorptionsschicht 12A und einer Spannungskompensationsschicht 12B mit jeweiligen so gewählten Zusammensetzungen enthält, daß die optische InGaAs-Absorptionsschicht 12A in sich eine Druckspannung in dem Zustand akkumuliert, wenn die Schicht 12A epitaxial auf dem InP-Substrat 11 gebildet ist, und die InGaAs-Spannungskompensationsschicht 12B in sich eine Zugspannung in dem Zustand akkumuliert, wenn die Schicht 12B epitaxial auf dem InP-Substrat 11 gebildet ist.
Wenn die Zugspannung in der optischen Absorptionsschicht 12A als + εw% dargestellt wird und die Zugspannung in der Spannungskompensationsschicht 12B als – εb% dargestellt wird, werden die Dicke lw der optischen Absorptionsschicht 12A und die Dicke lb der Spannungskompensationsschicht 12B so festgelegt, um die Beziehung εw·Lw = εb·Lb (1)zu erfüllen, wobei Lw die Gesamtdicke der optischen Absorptionsschichten 12A in der Übergitterstruktur darstellt und als LW = n·lw gegeben ist, während Lb die Gesamtdicke der Spannungskompensationsschichten 12B in der Übergitterstruktur darstellt und als Lb = n·lb gegeben ist und n die Anzahl von Wiederholungen in der Übergitterstruktur angibt.
Ferner ist eine InP-Kappenschicht 13 auf der Übergitterstruktur epitaxial gebildet, wie in 3 gezeigt.
4 stellt die Qualität der Oberflächenmorphologie dar, die für die Kappenschicht 13 erhalten wird, wenn die Gesamtdicke Lw der optischen Absorptionsschicht 12A und die Spannung εw in ihr unter der Beschränkung verschiedenartig geändert werden, daß die Gesamtdicke L der Übergitterstruktur 12, und daher die Summe aus den Gesamtdicken der optischen Absorptionsschichten 12A und der Spannungskompensationsschichten 12B, auf 1,3 μm festgelegt wird. Gemäß der Beziehung von Gleichung (1) ist die Spannung εb in der Spannungskompensationsschicht 12B gegeben als εb = εw Lw/Lb. In 4 ist der Fall, bei dem eine flache Oberflächenmorphologie für die Kappenschicht 13 erhalten wird, durch O dargestellt, während der Fall, wenn eine unregelmäßige Oberflächenmorphologie erhalten wird, durch x dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ersichtlich, daß eine unregelmäßige Oberflächenmorphologie auf der Oberfläche der Kappenschicht 13 erscheint, falls sowohl die Spannung εw als auch die Gesamtdicke Lw groß ist. Ferner ist ersichtlich, daß eine flache, ausgezeichnete Oberflächenmorphologie erhalten wird, falls sowohl die Spannung εw als auch die Gesamtdicke Lw klein ist. 4 zeigt ferner, daß die Region, wo eine ausgezeichnete Oberflächenmorphologie erhalten wird (in 4 durch O gekennzeichnet), und die Region, wo eine schlechte Oberflächenmorphologie erhalten wird (in 4 durch x gekennzeichnet), durch eine dicke gerade Linie voneinander getrennt sind, die gegeben ist durch die Gleichung Lw = A × εw + L (2)
Es wird angenommen, daß die Oberflächenmorphologie, die auf der Oberfläche der Kappenschicht 13 beobachtet wird, die Oberflächenmorphologie der optischen Absorptionsschicht 12A und der Spannungskompensationsschicht 12B in der Übergitterstruktur 12 unter der Kappenschicht 12 widerspiegelt. Somit wird angenommen, daß in der Region, die in 4 durch x gekennzeichnet ist, die reguläre Stapelung der optischen Absorptionsschicht 12A und der Spannungskompensationsschicht 12B zerstört ist. Deshalb ist es angesichts des Resultats von 4 erforderlich, die Dicke Lw der optischen Absorptionsschichten 12A und die Spannung εw so zu wählen, um in die Region der ausgezeichneten Oberflächenmorphologie zu fallen, die durch die Gleichung (2) definiert ist, wenn die Übergitterstruktur 12 von 3 für die Photodetektionsschicht einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung zu verwenden ist.
5 zeigt die Morphologie der Modellstruktur von 3 für den Fall, wenn die Gesamtdicke Lw der optischen Absorptionsschichten 12A so festgelegt wird, um mit der Gesamtdicke Lb der Spannungskompensationsschicht 12B identisch zu sein, und wenn die Spannung εw so festgelegt wird, um mit der Spannung εb identisch zu sein. Daher gelten die Beziehungen Lw = Lb = L/2 (3)undεw = εb = ε. (4)
Wenn die Dicke L und die Spannung ε verschiedenartig geändert werden, ist aus 5 ersichtlich, daß eine unre gelmäßige Oberflächenmorphologie auf der Oberfläche der Kappenschicht 13 erscheint, wenn sowohl die Spannung ε als auch die Dicke L groß festgelegt wird, wie aus dem Resultat hervorgeht, daß durch x gekennzeichnet ist. Wenn die Spannung ε und die Dicke L beide klein festgelegt werden, ist andererseits ersichtlich, daß eine ausgezeichnete flache Oberflächenmorphologie erhalten wird, wie aus dem Resultat hervorgeht, das durch O gekennzeichnet ist. In 5 sind die Region, wo eine ausgezeichnete Oberflächenmorphologie erhalten wird (durch O dargestellt), und die Region, wo nur eine schlechte Oberflächenmorphologie erhalten wird (durch x dargestellt), durch eine dicke Linie definiert, die dargestellt wird durch die Gleichung L = 0,1/ε4. (5)
In 5 wird die scheinbare Überlappung von O und x lediglich als Resultat der Überlagerung von Daten für eine verschiedene Anzahl der Schichten bewirkt, die in der Übergitterstruktur 12 enthalten sind.
Die oben angegebene Gleichung (2) sollte die Gleichungen (3) und (4) erfüllen, und somit wird eine Gleichung Lw = –L5/4·εw/(2×0,11/4) + L (6)durch Lösen der Gleichung (2) bezüglich des Koeffizienten A und Darstellen desselben unter Verwendung von L erhalten.
Solange die Beziehung von Gleichung (6) erfüllt wird, liegt die Spannung in der Übergitterstruktur innerhalb einer "Spannungsschwelle" oder eines zulässigen Bereichs der Spannung, in dem die Verschlechterung der Oberflächenmorphologie, die unter Bezugnahme auf 4 und 5 erläutert wurde, erfolgreich vermieden wird.
Unter Verwendung der Gleichung (6) wird das Verhältnis von Lb zu L dargestellt als Lb/L = (L – Lw)/L = L1/4·εw/(2 × 0,11/4) = 0,89·L1/4·εw (7)
Die so erhaltene Gleichung (7) gibt an, daß es möglich ist, die Gesamtdicke Lb der Spannungskompensationsschicht 12B bezüglich der Gesamtdicke L der Übergitterstruktur um einen Faktor von etwa (0,9·L^1/4·εw) zu verringern, ohne die obige Spannungsschwelle zu überschreiten.
Im Falle der Verwendung der verspannten Übergitterstruktur 12 für die Photodetektionsschicht einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung ist es vorzuziehen, die Gesamtdicke Lw der optischen Absorptionsschichten 12A zum Vergrößern der Effektivität der optischen Absorption zu erhöhen. Andererseits ist es gemäß der Beziehung von 4, die oben erwähnt wurde, erforderlich, die Dicke lb der Spannungskompensationsschicht 12B, und daher die Gesamtdicke Lb, mit Zunahme der Spannung εw in der optischen Absorptionsschicht 12A zu erhöhen. Angesichts der Begrenzung, der die Gesamtdicke Lb der Spannungskompensationsschichten 12B gemäß Gleichung (7) unterliegt, wird auch der Gesamtdicke Lw der optischen Absorptionsschichten 12A eine Begrenzung auferlegt.
6 zeigt die Beziehung von 4 zusammen mit der Effektivität der optischen Absorption η, wobei die Konturen in 6 die Effektivität η darstellen. Es sei erwähnt, daß die Effektivität η von 6 aus der Gesamtdicke Lw der optischen Absorptionsschicht 12A und der Spannung εw für den Fall berechnet wird, wenn ein einfallender optischer Strahl mit einer Wellenlänge von 1,62 μm rechtwinklig auf der InGaAs-Übergitterstruktur 12 bei der Temperatur von –40°C auftrifft.
Aus 6 geht hervor, daß eine Effektivität η über 50% erreicht werden kann, wenn die Spannung εw in den optischen Absorptionsschichten 12A in dem Bereich von 0,25% oder mehr, aber nicht über 0,6% liegt.
Indessen tendiert solch eine verspannte Übergitterstruktur, die äußerst verspannte Spannungskompensationsschichten zusätzlich zu entgegengesetzt verspannten optischen Absorptionsschichten enthält, dazu, das Problem herbeizuführen, daß eine Differenzvergrößerung hinsichtlich der Bandlücke zwischen der optischen Absorptionsschicht 12A und der Spannungskompensationsschicht 12B auftritt und die Absorptionswellenlänge der optischen Absorptionsschicht als Resultat einer Quantenverschiebung eine Verschiebung in Richtung der kürzeren Wellenlänge erfahren kann. Um dieses Problem der Wellenlängenverschiebung in einer ungewollten Richtung zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke der optischen Absorptionsschicht auf 50 nm oder mehr festgelegt, so daß keine Quantenverschiebung auftritt. Alternativ kann die Quantenverschiebung so gesteuert werden, daß die Absorptionswellenlänge der optischen Absorptionsschicht das Wellenlängenband von 1620 nm bei –40°C bedeckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, wie oben angegeben, die gewünschte optische Detektion bei der Wellenlänge von 1620 nm über einen breiten Temperaturbereich hinweg stabil durchzuführen. Ferner wird es möglich, die Gesamtdicke der optischen Absorptionsschichten in der Photodetektionsschicht auf den Wert von etwa 1 μm oder mehr zu erhöhen.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Zwischenschicht zwischen der optischen Absorptionsschicht und der Spannungskompensationsschicht mit einer Zwischenbandlücke vorgeschlagen, so daß die Akkumulation von Trägern, die in der Nähe der Grenzfläche zwischen der optischen Absorptionsschicht und der Spannungskompensationsschicht als Resultat der Differenz der Bandlücke dieser zwei Schichten erfolgt, effektiv gelöst wird. Durch Vorsehen solch einer Zwischenschicht wird somit das Problem der Verringerung des optischen Stroms, besonders des Löcherstroms, das durch die Akkumulation der Träger an der obigen Grenzfläche verursacht wird, erfolgreich vermieden. Ferner wird auch das Problem der Kapazitätsbildung, das als Resultat der Trägerakkumulation verursacht wird, durch das Vorsehen der Zwischenschicht eliminiert. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Halbleiterphotodetektionsvorrichtung verbessert.
Die Zwischenschicht wird vorzugsweise angrenzend an die optische Absorptionsschicht auf der p-Typ-Seite (der von dem Substrat entfernten Seite) gebildet, wo die Akkumulation der Löcher am wahrscheinlichsten auftritt. Dadurch kann die Zwischenschicht gebildet werden, um eine Gradation der Zusammensetzung aufzuweisen, so daß sich die Bandlücke in der Dickenrichtung allmählich verändert. Durch Vorsehen solch einer Gradation der Zusammensetzung, daß eine Akkumulation der Zugspannung an der Grenzfläche zu der Spannungs kompensationsschicht auftritt und eine Akkumulation der Druckspannung an der Grenzfläche zu der optischen Absorptionsschicht auftritt, wird das Problem des Löcherstroms, der eine kleinere Beweglichkeit hat und dazu tendiert, an solch einer Grenzfläche blockiert zu werden, effektiv reduziert.
Ferner werden gemäß der vorliegenden Erfindung die optische Absorptionsschicht und die Spannungskompensationsschicht durch einen MOVPE-Prozeß kontinuierlich ohne Unterbrechung gebildet. Somit wird das Problem der Anhäufung von Verunreinigungen wie etwa von Si und C an der Heterogrenzfläche effektiv eliminiert und wird eine Kristallschicht mit hoher Qualität erhalten, die für die optische Absorptionsschicht geeignet ist.
Eine Halbleiterphotodetektionsvorrichtung, die die Photodetektionsschicht der vorliegenden Erfindung mit einer Dicke von 1 μm oder mehr enthält, besitzt eine ausreichende Ansprechempfindlichkeit auf das optische Hochgeschwindigkeitssignal, das mit einer Rate von 10 Gbit/s bei der Wellenlänge von 1620 nm übertragen wird.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
7 zeigt die Konstruktion einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind und die Beschreibung derselben weggelassen wird. Es sei erwähnt, daß die Konstruktion von 7 in der allgemeinen Struktur der Photodetektionsvorrichtung verwendet wird, die in 1 dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 7 hat die Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 30 eine allgemeine Konstruktion, die der herkömmlichen Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 20 ähnlich ist, die unter Bezugnahme auf 1 erläutert wurde, außer daß die Photodetektionsschicht 3 gebildet ist aus einer alternierenden Wiederholung einer optischen InGaAs-Absorptionsschicht 3a, die eine Dicke von 20 nm hat und eine Druckspannung von +0,4% akkumuliert, und einer InGaAs-Spannungskompensationsschicht 3b, die eine Dicke von 10 nm hat und eine Zugspannung von –0,8% akkumuliert. In der Übergitterstruktur der Photodetektionsschicht 3 werden die Schichten 3a und 3b 40mal wiederholt.
Genauer gesagt, die erste InP-Pufferschicht 6, die InGaAsP-Ätzstoppschicht 5, die zweite InP-Pufferschicht 4, die InGaAs-Photodetektionsschicht 3, die InP-Mantelschicht 2 und die InGaAsP-Kontaktschicht 1 werden auf dem n-Typ-InP-Substrat 7 in der Struktur von 1 durch einen MOVPE-Prozeß bei der Substrattemperatur von 600°C konsekutiv gebildet, wobei die Flußrate von Quellenmaterial der Gruppe V um einen Faktor von 200 größer als die Flußrate des Quellenmaterials der Gruppe III festgelegt wird.
Bei dem gezeigten Beispiel wird die erste InP-Pufferschicht 6 gebildet, um eine Dicke von etwa 50 nm zu haben, und mit Si auf den n-Typ mit einem Konzentrationsniveau von 2 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert. Ferner wird die InGaAsP-Ätzstoppschicht 5 gebildet, um eine Dicke von etwa 10 nm zu haben, und mit Si auf den n-Typ mit einem Konzentrationsniveau von 1 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert. Ferner wird die InP-Pufferschicht 4 auf der Ätzstoppschicht 5 gebildet, um eine Dicke von etwa 50 nm zu haben, und mit Si auf den n-Typ mit einem Konzentrationsniveau von 2 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert.
Nach der Bildung der InP-Pufferschicht 4 wird eine erste Halbleiterschicht mit einer Zusammensetzung aus In_0,59Ga_0,41As auf der Pufferschicht durch Zufuhr von TMIn, TMGa und AsH₃ als MOVPE-Quellen von In, Ga und As zusammen mit dem Si-Dotierungsmittel gebildet, wobei die erste so gebildete Halbleiterschicht mit Si auf ein Konzentrationsniveau von etwa 1 × 10¹⁵ cm^–3 dotiert wird und für die optische Absorptionsschicht 3a verwendet wird. Ferner wird eine zweite Halbleiterschicht 3b mit einer Zusammensetzung aus In_0,44Ga_0,56As ähnlich als Spannungskompensationsschicht 3b gebildet, wobei die Spannungskompensationsschicht 3b auch durch Si auf ein Konzentrationsniveau von etwa 1 × 10¹⁵ cm^–3 dotiert wird. Die Schichten 3a und 3b werden wiederholt und alternierend 40mal gestapelt, wie zuvor erwähnt, um die Photodetektionsschicht 3 zu bilden.
Die so gebildete optische Absorptionsschicht 3a akkumuliert in sich, wie zuvor erwähnt, eine Druckspannung von +0,4%, während die Spannungskompensationsschicht 3b eine Zugspannung von –0,8% akkumuliert. Es sei erwähnt, daß das Produkt aus Spannung und Dicke in der optischen Absorptionsschicht 3a und in der Spannungskompensationsschicht 3b im wesentlichen dasselbe ist. Somit wird die Spannung in der Photodetektionsschicht 3 insgesamt effektiv kompensiert.
Ferner wird die so gebildete Photodetektionsschicht 3 mit der InP-Mantelschicht 8 bedeckt, die mit Si auf den n-Typ mit einem Konzentrationsniveau von 5 × 10¹⁵ cm^–3 dotiert wird, wobei die InP-Mantelschicht 8 mit einer Dicke von etwa 1 μm gebildet wird. Ferner wird die undotierte InGaAsP-Kontaktschicht 1 auf der Mantelschicht 8 mit einer Zusammen setzung gebildet, die eine PL-Wellenlänge von 1,3 μm vorsieht.
Ferner wird die p-Typ-Diffusionsregion in der InGaAsP-Kontaktschicht 1 und ferner darunter in der InP-Mantelschicht 2 in einer Scheibenform gebildet, die einen Durchmesser von etwa 20 μm und eine Dicke von etwa 1 μm hat, indem ein Diffusionsprozeß von Zn durchgeführt wird. Ferner werden die Halbleiterschichten 1–4 einem Mesaätzprozeß unterzogen, während die InGaAsP-Schicht 5 als Ätzstopper verwendet wird, und die Mesastruktur wird auf der InGaAsP-Schicht 5 gebildet.
Schließlich wird die Mikrolinse 11 auf der Bodenfläche des InP-Substrats 7 gebildet und werden die p-Typ-Elektrode 8 und die n-Typ-Elektrode 10 gebildet.
In der so gebildeten Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 30 hat die optische Absorptionsschicht 3a eine verringerte Bandlücke auf Grund des erhöhten In-Anteils und wird eine effektive optische Absorption bei der langen optischen Wellenlänge des Bandes von 1620 nm auch dann erreicht, wenn sie in einer Umgebung mit der sehr niedrigen Temperatur von –40°C verwendet wird.
Es sei erwähnt, daß in der Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 30 die optische Absorptionsschicht 3a in sich eine Druckspannung auf Grund der erhöhten In-Konzentration darin akkumuliert, während die Spannungskompensationsschicht 3b, die an die optische Absorptionsschicht 3a angrenzt, eine Zugspannung auf Grund der verringerten In-Konzentration darin akkumuliert und die Druckspannung der optischen Absorptionsschicht 3a kompensiert. Da die Spannung in der optischen Absorptionsschicht 3a somit kompensiert wird, tritt in der optischen Absorptionsschicht 3a auch dann keine wesentliche Defektbildung auf, wenn die aus der optischen Absorptionsschicht 3a und der Spannungskompensationsschicht 3b gebildete strukturelle Einheit 100mal wiederholt wird.
In der Photodetektionsschicht 3 wird die Dicke der Spannungskompensationsschicht 3b kleiner als die Dicke der optischen Absorptionsschicht 3a festgelegt. Ferner wird die Spannung in der Spannungskompensationsschicht 3b so erhöht, daß das Produkt aus Zugspannung und Dicke der Spannungskompensationsschicht mit dem Produkt aus Druckspannung und Dicke der optischen Absorptionsschicht 3a im wesentlichen identisch wird.
Gemäß solch einer Konstruktion wird der Bruchteil der Spannungskompensationsschicht 3b in der Photodetektionsschicht 3, der nicht zu der optischen Absorption beiträgt, minimiert, und daher wird die Gesamtdicke der Photodetektionsschicht 3 minimiert. Dadurch wird die Distanz des Stromweges der optisch erregten Elektronen und Löcher, die jeweilige Elektroden in Form von Photostrom erreichen, minimiert. Somit weist die Halbleiterphotodetektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein ausgezeichnetes Hochgeschwindigkeitsverhalten auf, das zum Detektieren der optischen Hochgeschwindigkeitsübertragung von 10 Gbit/s ausreicht, die in dem Lichtleitertelekommunikationsnetz der Zukunft zum Einsatz kommt.
Beim Prozeß zum Bilden der Photodetektionsschicht 3 ist es wünschenswert, das In-Quellenmaterial wie etwa TMIn, das Ga-Quellenmaterial wie etwa TMGa und das As-Quellenmaterial wie etwa AsH₃ kontinuierlich zuzuführen, während das Verhältnis von TMIn und TMGa verändert wird, wenn die optische Absorptionsschicht 3a gebildet wird und wenn die Spannungskompensationsschicht 3b gebildet wird. Dadurch wird das Kristallwachstum zum Bilden der Photodetektionsschicht 3 an der Grenzfläche zwischen der Schicht 3a und der Schicht 3b nicht unterbrochen, und das Problem der Anhäufung von Verunreinigungen wie beispielsweise von C- oder Si-Atomen an der Heterogrenzfläche der Schichten 3a und 3b wird vermieden. Die so erhaltene Photodetektionsschicht 30 besitzt eine ausgezeichnete Kristallqualität.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
8 zeigt die Konstruktion einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind und die Beschreibung derselben weggelassen wird.
Unter Bezugnahme auf 8 wird die optische Absorptionsschicht 3a gebildet, um eine Dicke von 50 nm zu haben, und in Zuordnung dazu wird die Spannungskompensationsschicht 3b gebildet, um eine Dicke von 16,7 nm oder mehr zu haben. Ferner akkumuliert die optische Absorptionsschicht 3a eine Druckspannung von +0,2%, und die Spannungskompensationsschicht 3b akkumuliert eine Zugspannung von –0,6%. Dadurch wird ähnlich wie bei der vorherigen Ausführungsform die Bedingung erfüllt, daß das Produkt aus Spannung und Dicke in der optischen Absorptionsschicht 3a dem Produkt aus Spannung und Dicke in der Spannungskompensationsschicht gleich sein sollte. Wegen der erhöhten Dicke der optischen Absorptionsschicht 3a wird die Anzahl von Wiederholungen der Schichten 3a und 3b in der Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 40 auf etwa 20 verringert.
Bei der Konstruktion von 3 besteht die Möglichkeit, daß eine Quantenmulde in der optischen Absorptionsschicht 3a auf Grund der extrem kleinen Dicke der Schicht 3a von etwa 10 nm gebildet wird. Im Falle der vorliegenden Ausführungsform, bei der die optische Absorptionsschicht 3a eine Dicke von 50 nm hat, besteht keine Möglichkeit zur Bildung der Quantenmulde in der optischen Absorptionsschicht 3a. Da die Möglichkeit der Quantenmuldenbildung somit sicher ausgeschlossen wird, werden in der optischen Absorptionsschicht 3a keine Quantenniveaus gebildet, und das Problem der Absorptionswellenlänge der Schicht 3a, wodurch eine Verschiebung in Richtung der kurzen Wellenlänge als Resultat von solch einer Quantenniveaubildung verursacht wird, wird erfolgreich und sicher vermieden.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
9 zeigt die Konstruktion einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 50 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Unter Bezugnahme auf 9 hat die Halbleitervorrichtung 50 eine Konstruktion, die jener der Halbleiterphotodetektionsvorrichtung 40 der vorherigen Ausführungsform ähnlich ist, außer daß eine Zwischenschicht 3c aus n-Typ-InGaAs mit einer Zwischenbandlücke zu der optischen Absorptionsschicht 3a und der Spannungskompensationsschicht 3b an der Grenzfläche der optischen Absorptionsschicht 3a, die der Spannungskompensationsschicht 3b zugewandt ist, auf der Seite, die der p-Typ-Region 8 nahe ist, gebildet ist (an der Grenzfläche der Schicht 3a, die auf der von dem Substrat 7 entfernten Seite angeordnet ist). Die Zwischenschicht 3c kann eine InGaAs-Schicht mit einer spannungsfreien Zusammensetzung sein.
In der vorherigen Ausführungsform existiert immer noch eine Bandlückendifferenz an der Grenzfläche zwischen der optischen Absorptionsschicht 3a und der Spannungskompensationsschicht 3b trotz der Tatsache, daß in der Photodetektionsschicht 3 insgesamt die Spannung kompensiert wird, wobei die Bandlückendifferenz als Potentialbarriere fungiert, die den Fluß von Trägern blockiert, die sich über die Grenzfläche zwischen den Schichten 3a und 3b bewegen. Als Resultat des Blockierens des Trägerflusses durch die Potentialbarriere kann der Fall auftreten, daß eine Akkumulation der Träger an solch einer Grenzfläche bewirkt wird. Dieses Problem der Trägerblockade scheint besonders bei Löchern gravierend zu sein, die weniger beweglich sind. Wenn dieses Problem auftritt, kann die Betriebsgeschwindigkeit der Halbleiterphotodetektionsvorrichtung verschlechtert werden.
Die Zwischenschicht 3c, die zwischen der oberen Fläche der optischen Absorptionsschicht 3a und der unteren Fläche der Spannungskompensationsschicht 3b angeordnet ist, entspannt die Bandlückendifferenz zwischen den Schichten 3a und 3b. Ferner kann die Zwischenschicht 3c gebildet sein, um ein abgestuftes Zusammensetzungsprofil in der Dickenrichtung oder eine mehrschichtige Struktur für In und Ga zu haben, so daß die Schicht 3c eine Druckspannung auf der Seite akkumuliert, die die optische Absorptionsschicht 3a kontaktiert, und eine Zugspannung auf der Seite akkumuliert, die die Spannungskompensationsschicht 3b kontaktiert.
Die Zwischenschicht 3c kann, obwohl es nicht gezeigt ist, an der Grenzfläche eingefügt sein, die zwischen der oberen Fläche der Spannungskompensationsschicht 3b und der unteren Fläche der optischen Absorptionsschicht 3a gebildet wird. Gemäß solch einer Konstruktion wird das Problem der optisch erregten Elektronen gelöst, die an solch einer Grenzfläche blockiert werden. In diesem Fall kann die Zwischenschicht 3c mit einem abgestuften Zusammensetzungsprofil für In und Ga in der Dickenrichtung versehen sein, so daß die Zwischenschicht 3c eine Druckspannung auf der Seite akkumuliert, die der optischen Absorptionsschicht 3a zugewandet ist, die darüber angeordnet ist, und daß die Zwischenschicht 3c eine Zugspannung auf der Seite akkumuliert, die der Spannungskompensationsschicht 3b zugewandt ist, die darunter angeordnet ist.
Es sei erwähnt, daß die Photodetektionsschicht, die aus der verspannten Übergitterstruktur gebildet ist, die oben erläutert ist, zusätzlich zu der PIN-Photodiode auch in einer Lawinenphotodiode (APD) verwendet werden kann.
Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Veränderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) mit: einem Halbleitersubstrat (7) eines ersten Leitfähigkeitstyps; einer Photodetektionsschicht (3), die auf dem Halbleitersubstrat (7) gebildet ist, welche Photodetektionsschicht (3) ein schichtverformtes Übergitter umfaßt, wobei das schichtverformte Übergitter eine erste Halbleiterschicht (3a) umfaßt, die eine optische Strahlung absorbiert, und eine zweite Halbleiterschicht (3b), die eine Spannungskompensationsschicht ist, welche erste Halbleiterschicht (3a) und welche zweite Halbleiterschicht (3b) in der Photodetektionsschicht (3) alternierend und wiederholt gestapelt sind; einer Region (8) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zu dem genannten ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, die in einem Teil der Photodetektionsschicht (3) gebildet ist; und einer Elektrode (9), die ein elektrisches Feld auf die Photodetektionsschicht (3) über die genannte Region (8) des zweiten Leitfähigkeitstyps so anwendet, daß das elektrische Feld in einer Dickenrichtung der Photodetektionsschicht (3) wirkt; dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (3a) eine erste Dicke hat und in sich eine Druckspannung akkumuliert und die zweite Halbleiterschicht (3b) eine zweite Dicke hat, die kleiner als die erste Dicke ist, und in sich eine Zugspannung akkumuliert; und das Produkt aus Spannung und Dicke in der ersten Halbleiterschicht (3a) und der zweiten Halbleiterschicht (3b) im wesentlichen dasselbe ist.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) nach Anspruch 1, bei der die erste Halbleiterschicht (3a) in sich eine Spannung von 0,2% oder mehr, aber nicht über 0,6% akkumuliert.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Halbleiterschicht (3a) eine Dicke von 50 nm oder mehr hat.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die zweite Dicke der zweiten Halbleiterschicht (3b) kleiner als die Hälfte der ersten Dicke der ersten Halbleiterschicht (3a) ist.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der jede der ersten und zweiten Halbleiterschichten (3a, 3b) ein Dreifachverbindungshalbleitermaterial umfaßt.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der das Substrat (7) n-Typ-InP umfaßt und die ersten und zweiten Halbleiterschichten (3a, 3b) n-Typ-InGaAs umfassen.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (50) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, ferner mit einer Zwischenschicht (3c) zwischen den ersten und zweiten Halblei terschichten (3a, 3b), welche Zwischenschicht (3c) eine Zwischenbandlücke zwischen einer Bandlücke der ersten Halbleiterschicht (3a) und einer Bandlücke der zweiten Halbleiterschicht (3b) hat.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (50) nach Anspruch 7, bei der die Zwischenschicht (3c) auf einer Seite der ersten Halbleiterschicht (3a) vorgesehen ist, die der Region (8) des zweiten Leitfähigkeitstyps näher ist.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (50) nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Zwischenschicht (3c) ein Zusammensetzungsprofil hat, das sich in einer Dickenrichtung derselben graduell verändert.
Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (50) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Zwischenschicht (3c) eine Zugspannung auf einer Seite von sich akkumuliert, die die zweite Halbleiterschicht (3b) kontaktiert, und eine Druckspannung auf einer Seite von sich akkumuliert, die die erste Halbleiterschicht (3a) kontaktiert.
Halbleitervorrichtung (30; 40; 50) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die zweite Dicke der zweiten Halbleiterschicht (3b) um einen Faktor von (0,9 × L^1/4 × ε), in Einheiten von Mikrometern, kleiner als eine Summe aus den ersten und zweiten Dicken ist, wobei ε die Spannung darstellt, die in der ersten Halbleiterschicht (3a) akkumuliert wird, und L eine Summe aus einer Gesamtdicke der ersten Halbleiterschichten (3a) in der Photodetektionsschicht (3) und einer Gesamtdicke der zweiten Halbleiterschichten (3b) in der Photodetektionsschicht (3) darstellt.
Herstellungsprozeß einer Halbleiterphotodetektionsvorrichtung (30; 40; 50) mit den Schritten: Bilden einer Photodetektionsschicht (3) auf einem Halbleitersubstrat (7) durch alternierendes und wiederholtes Bilden einer ersten Halbleiterschicht (3a) und einer zweiten Halbleiterschicht (3b) auf dem Halbleitersubstrat (7), während eine Flußrate von Quellengasen ohne Unterbrechung der Zufuhr derselben verändert wird; Bilden einer Elektrode (9) auf der Photodetektionsschicht (3), um ein elektrisches Feld in einer Dickenrichtung der Photodetektionsschicht (3) anzuwenden; und Akkumulieren, in der ersten Halbleiterschicht (3a), die aus einem Dreifachverbindungshalbleitermaterial mit einer Gitterkonstante gebildet wird, die sich von einer Gitterkonstante des Substrats (7) unterscheidet, einer Druckspannung und Akkumulieren, in der zweiten Halbleiterschicht (3b), die aus einem Dreifachverbindungshalbleitermaterial mit einer Gitterkonstante gebildet wird, die sich von der Gitterkonstante des Substrats (7) unterscheidet, einer Zugspannung, wobei das Produkt aus Spannung und Dicke in der ersten Halbleiterschicht (3a) und der zweiten Halbleiterschicht (3b) im wesentlichen dasselbe ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Schritte zum Bilden der ersten Halbleiterschicht (3a) und der zweiten Halbleiterschicht (3b) durch einen MOVPE-Prozeß alternierend ausgeführt werden, während eine Flußrate von metallorganischen Quellen kontinuierlich verändert wird.