DE60218606T2

DE60218606T2 - Photodetektor und sein Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE60218606T2
Application number: DE60218606T
Authority: DE
Inventors: Y. Nakakoma-gun Yoneda; I. Nakakoma-gun Hanawa
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: TW580774B; DE60218606D1; US20030164444A1; EP1315217A3; EP1315217B1; TW200300613A; US6831265B2; EP1315217A2; JP2003163364A; JP4157698B2

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2001-360040, eingereicht am 26. November 2001, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Halbleitervorrichtungen und, im Besonderen, eine Hochgeschwindigkeitsphotodetektionsvorrichtung, die in einem faseroptischen Hochgeschwindigkeitstelekommunikationssystem mit großer Kapazität mit einer Übertragungsrate von 10 GBit/s oder mehr, oder 40 GBit/s oder mehr, verwendet wird, wie sie aus US 5569942 , US 6104047 und US 5446751 bekannt ist.
Das Dokument EP-A-1220325 offenbart einen Photodetektor, der aus InP/InGaAs-Schichten gebildet ist und für faseroptische Telekommunikationssysteme geeignet ist.
1 zeigt ein schematisches Querschnittsdiagramm einer herkömmlichen Avalanche-Photodiode 20 des von hinten beleuchteten Typs, die einen auf einem Substrat einfallenden optischen Strahl empfängt und zur Flip-Chip-Montage bestimmt ist. 2 ist andererseits ein vergrößertes Querschnittsdiagramm, das die umrandete Region im vergrößerten Maßstab zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist die Avalanche-Photodiode 20 auf einem n-Typ-InP-Substrat 1 gebildet, und sie enthält eine n-Typ-InP-Pufferschicht 2, die auf dem Substrat 1 gebildet ist, eine optische InGaAs-Absorptionsschicht 3 mit niedriger Dotierungskonzentration, die auf der Pufferschicht 2 gebildet ist, und eine n-Typ-InP-Schicht 4, die auf der optischen InGaAs-Absorptionsschicht 3 gebildet ist, wobei eine gradierte n-Typ-InGaAsP-Zwischenschicht 13 dazwischenliegt, welche gradierte Schicht 13 die Energiebanddiskontinuität zwischen der InGaAs-Schicht 3 und der InP-Schicht 4 füllt.
Auf der InP-Avalanche-Schicht 4 ist ein Isolierfilm vorgesehen, wie beispielsweise ein SiN-Film, der nicht gezeigt ist, und ein Ionenimplantationsprozess eines p-Typ-Verunreinigungselementes wird an der n-Typ-InP-Schicht 4 selektiv durch ein ringförmiges Fenster ausgeführt, das in solch einem Isolierfilm gebildet ist. Als Resultat wird ein Schutzring 14 in der n-Typ-InP-Schicht 4 gebildet.
Ferner wird der SiN-Film entfernt und wird ein anderer SiN-Film 5-1 gebildet, der in 2 gezeigt ist, und ein p-Typ-Verunreinigungselement wird in die n-Typ-InP-Schicht 4 durch ein in dem SiN-Film 5-1 gebildetes Fenster eingeführt. Dadurch wird eine p-Typ-InP-Region 6 in der n-Typ-InP-Schicht 4 so gebildet, dass sie von dem Schutzring 14 umgeben ist, und wird auch eine Vervielfachungsregion 4-1 unter der p-Typ-InP-Region in der n-Typ-InP-Schicht gebildet.
Nun folgt eine eingehende Beschreibung einer Elektrode der p-Seite unter Bezugnahme auf 1 und 2.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist eine ohmsche Elektrode der p-Seite 7 aus einer Au/Zn-Legierung auf der InP-Region 6 gebildet, welche Elektrode der p-Seite 7 einen peripheren Teil hat, der durch einen anderen SiN-Film 5-2 bedeckt ist, der so vorgesehen ist, um eine ringförmige Region zu bedecken, in der die InP-Schicht 4 zwischen dem SiN-Film 5-1 und der Elektrode der p-Seite 7 exponiert ist.
Ferner ist die ohmsche Elektrode der p-Seite 7 mit einer Metallbarrierenschicht 9, die eine laminierte Ti/Pt-Struktur hat, so bedeckt, dass die Metallbarrierenschicht 9 mit der ohmschen Elektrode der p-Seite an dem Kontaktfenster Kontakt hat, das in dem SiN-Film 5-2 gebildet ist, um die ohmsche Elektrode der p-Seite 7 zu exponieren.
Auf der Metallbarrierenschicht 9 ist eine Au-Säule 10 angeordnet, und auf der Au-Säule 10 ist ein Lötkontakthügel 11 gebildet. Somit blockiert die Metallbarrierenschicht 9 zwischen der ohmschen Elektrode der p-Seite 7 und der Au-Säule 10 die Diffusion von Au, um zu verhindern, dass Au durch das Kontaktfenster in die InP-Region 6 diffundiert.
Des Weiteren ist, wie in 1 gezeigt, eine Nut, die die n-Typ-InP-Pufferschicht 2 exponiert, rings um den Schutzring 14 gebildet, und eine ohmsche n-Typ-Elektrode 8 ist in Kontakt mit der Pufferschicht 2 so vorgesehen, dass die ohmsche n-Typ-Elektrode 8 sich längs der Seitenwand der Nut erstreckt und die Oberfläche der n-Typ-InP-Schicht 4 erreicht. Dadurch werden eine Metallbarrierenschicht 9A, die der Metallbarrierenschicht 9 ähnlich ist, eine Au-Säule 10A, die der Au-Säule 10 ähnlich ist, und ein Lötkontakthügel 11A, der dem Lötkontakthügel 11 ähnlich ist, auf der ohmschen Elektrode der n-Seite 8 auf der InP-Schicht 4 gebildet. Weiterhin sind die exponierte Seitenwand der Nut und die ohmsche Elektrode der n-Seite 8 mit einem Isolierfilm 5 bedeckt, der aus dem SiN-Film 5-1 und dem SiN-Film 5-2 gebildet ist.
Ferner ist eine Mikrolinse 15 auf der Bodenfläche des Substrats 1 in dem Photodetektor 20 von 1 gebildet, wobei ersichtlich ist, dass auf der Bodenfläche des Substrats 1 weiterhin eine Antireflexionsbeschichtung 12 vorgesehen ist.
Als Nächstes wird die Operation des Photodetektors 20 von 1–2 erläutert.
Bei Betrieb wird eine Sperrvorspannung über die ohmsche Elektrode der p-Seite 7 und die ohmsche Elektrode der n-Seite 8 angewendet, und ein Signallicht mit einer Wellenlänge von nahezu 1300 nm oder einer Wellenlänge von 1450–1650 nm wird in die Bodenseite des Substrats 1 injiziert.
Es sei erwähnt, dass der InP-Kristall, der das Substrat 1 bildet, gegenüber dem einfallenden Licht mit der obengenannten Wellenlänge transparent ist und das so injizierte Signallicht die optische Absorptionsschicht 3 erreicht, ohne absorbiert zu werden. Dadurch findet die Absorption des Signallichtes ausschließlich in der optischen Absorptionsschicht 3 statt.
In solch einem Photodetektor wird das Frequenzverhalten durch die CR-Zeitkonstante, die durch ein Produkt aus der Vorrichtungskapazität C und dem Lastwiderstand R gegeben ist, und ferner durch die Trägerlaufzeit bestimmt.
Wenn also versucht wird, das Frequenzverhalten des Photodetektors angesichts der schnellen Übertragungsrate von 10 GBit/s oder 40 GBit/s zu verbessern, muss die Trägerlaufzeit zusätzlich zu der CR-Zeitkonstante reduziert werden.
Da die Trägerlaufzeit proportional zur Dicke der optischen Absorptionsschicht 3 zunimmt, muss die Dicke der optischen Absorptionsschicht 3 reduziert werden, um die Verbesserung des Frequenzverhaltens durch das Reduzieren der Trägerlaufzeit zu erreichen. Andererseits führt solch eine Reduzierung der Dicke der optischen Absorptionsschicht 3 zu dem Problem der verringerten Quantenausbeute auf Grund der unvollständigen Absorption des einfallenden Lichtes durch die optische Absorptionsschicht 3. In solch einem Fall wird die Ansprechempfindlichkeit der Photodetektion gemindert.
Auf diese Weise stehen das Frequenzverhalten und die Quantenausbeute (Photoansprechempfindlichkeit) in einer Kompromissbeziehung, und es ist schwierig gewesen, einen Hochgeschwindigkeitsphotodetektor mit einer optimalen Dicke der optischen Absorptionsschicht zu konstruieren.
Angesichts der oben dargestellten Situation hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Hochgeschwindigkeitsphotodetektor 30 mit einem Spiegel auf der n-Typ-InP-Schicht 4 von 1 oder 2 erdacht, um das Signallicht, das durch die optische Absorptionsschicht nicht absorbiert wird, zu der optischen Absorptionsschicht wieder zurück zu reflektieren.
3 zeigt die Konstruktion des obengenannten Photodetektors 30, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind und die Beschreibung derselben weggelassen wird. Es sei erwähnt, dass 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entsprechend dem in 2 gezeigten Teil ist.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein SiN-Muster 5-2A auf der p-Typ-Region 6 in dem Photodetektor 30 als Resultat des Musterns des SiN-Films 5-2 gebildet, und eine ringförmige Elektrode der p-Seite 7A aus der Au/Zn-Legierung ist in der ringförmigen Öffnung zwischen dem SiN-Muster 5-2A und dem SiN-Film 5-2 anstelle der Elektrode der p-Seite 7 gebildet.
Auf der ringförmigen Elektrode der p-Seite 7A ist ein ringförmiges Metallbarrierenmuster 9A aus der Ti/Pt-Stapelstruktur gebildet, um die ringförmige ohmsche Elektrode der p-Seite 7A zu bedecken und den peripheren Teil des SiN-Musters 5-2A sowie den peripheren Teil des SiN-Musters 5-2 längs der ringförmigen Öffnung zu bedecken. Ferner ist die Au-Säule 10 auf dem Metallbarrierenmuster 9A vorgesehen, um mit dem SiN-Muster 5-2A in der zentralen Öffnung Kontakt zu haben. Auf der so gebildeten Au-Säule 10 ist der Lötkontakthügel 11 ähnlich wie bei der Konstruktion von 1 und 2 gebildet.
Es sei erwähnt, dass in dem Photodetektor 30 von 3 das Signallicht, das in das Substrat 1 injiziert wird, durch einen Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen, der aus dem SiN-Muster 5-2A und der Au-Säule 10 gebildet ist, reflektiert wird und zu der optischen Absorptionsschicht 13 zurückgeführt wird. Somit wird es möglich, eine ausreichende Quantenausbeute in der Vorrichtung 30 von 3 auch in dem Fall zu realisieren, wenn die Dicke der optischen Absorptionsschicht 3 reduziert wird.
In dem Photodetektor 20 oder 30 von 1–3 hat die optische Absorptionsschicht 3 eine Absorptionskantenwellenlänge λe von etwa 1,7 μm, und für das Wellenlängenband von 1550 nm, das als C-Band bezeichnet wird, ist ein ausreichender Absorptionskoeffizient gewährleistet.
Andererseits ergibt sich das Problem, dass der Absorptionskoeffizient in dem Band der langen Wellenlänge, das als L-Band bezeichnet wird und ein Band mit Wellenlängen größer als 1580 nm ist, rapide abfällt. Dadurch kommt es zu dem Problem, dass eine wesentliche Minderung der Ansprechempfindlichkeit in dem L-Band unvermeidlich ist, auch wenn das Reflexionsvermögen des Spiegels verbessert wird oder die Wellenlängenabhängigkeit des Reflexionsvermögens unterdrückt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und brauchbaren Photodetektor vorzusehen, bei dem die obigen Probleme eliminiert sind.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines Photodetektors mit einem Hochfrequenzverhalten und einer hohen Ansprechempfindlichkeit, während gleichzeitig eine ausreichende Empfindlichkeit hinsichtlich Signallicht mit einem breiten Wellenlängenbereich beibehalten wird, der in einem optischen Wellenlängenmultiplex-Telekommunikationssystem verwendet wird.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines optischen Hochgeschwindigkeitsdetektors mit einer ausreichenden Ansprechempfindlichkeit in einer L-Band-Region, in der es zu einer rapiden Minderung des optischen Absorptionskoeffizienten in einer optischen Absorptionsschicht kommt.
US 5569942 offenbart eine Avalanche-Photodiode mit einer optischen Absorptionsschicht, welche optische Absorptionsschicht eine Bandlücke Eg(eV) hat, eine Absorptionskantenwellenlänge λe (μm) und einen optischen Absorptionskoeffizienten, der vorgesehen wird durch
wobei
A_i(– ξ) eine Riry-Funktion,
ε(λ), n(λ), E(λ) eine Dielektrizitätskonstante, ein Brechungsindex bzw. eine Bandlücke bei der Wellenlänge von einfallendem Licht sind und k ein Koeffizient ist, der aus einer auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) und einer Schichtdicke d(m) der optischen Absorptionsschicht erhalten wird,
bei der die Dicke d(m) der optischen Absorptionsschicht bezüglich der auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) festgelegt wird, um eine Beziehung 106 V/m ≤ V/d ≤ 107 V/m(D)zu erfüllen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor eine Reflexionsregion zum Reflektieren von einfallendem Licht zurück zu der optischen Absorptionsschicht enthält.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Photodetektors vorgesehen, der eine optische Absorptionsschicht hat, welche optische Absorptionsschicht eine Bandlücke Eg(eV) hat, eine Absorptionskantenwellenlänge λe (μm) und einen optischen Absorptionskoeffizienten, der vorgesehen wird durch
ε(λ), n(λ), E(λ) eine Dielektrizitätskonstante, ein Brechungsindex bzw. eine Bandlücke bei der Wellenlänge von einfallen dem Licht sind und k ein Koeffizient ist, der aus einer auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) und einer Schichtdicke d(m) der optischen Absorptionsschicht erhalten wird, bei dem die Dicke d(m) der optischen Absorptionsschicht bezüglich der auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) so festgelegt wird, um eine Beziehung 106 V/m ≤ V/d ≤ 107 V/m(D)zu erfüllen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor eine Reflexionsregion zum Reflektieren von einfallendem Licht zurück zu der optischen Absorptionsschicht enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, das Operationswellenlängenband eines Photodetektors, der eine optische Absorptionsschicht hat, deren optischer Absorptionskoeffizient durch die Gleichungen (A)–(C) gegeben ist, auf einer Seite der längeren Wellenlänge über eine herkömmliche Grenze von 1580 nm hinaus zu erweitern, indem die Dicke d der optischen Absorptionsschicht bezüglich einer angewendeten Spannung V auf einen Bereich von 10⁶ ≤ V/d ≤ 10⁷ festgelegt wird. Dadurch kann das Operationswellenlängenband eines optischen Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystems erweitert werden.
Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer herkömmlichen von hinten beleuchteten Avalanche-Photodiode zeigt;
2 ist ein Diagramm, das einen Teil von 1 im vergrößerten Maßstab zeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer von hinten beleuchteten Avalanche-Photodiode gemäß einer verwandten Technik zeigt;
4 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer von hinten beleuchteten Avalanche-Photodiode gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Reflexionsvermögen der Avalanche-Photodiode von 4 zeigt;
6 ist ein Diagramm, das eine optische Absorptionscharakteristik einer optischen Absorptionsschicht, die in der Avalanche-Photodiode von 4 verwendet wird, im Vergleich zu einer herkömmlichen Charakteristik zeigt;
7 ist ein Diagramm, das die Photoansprechempfindlichkeit der Avalanche-Photodiode von 4 zeigt;
8 ist ein Diagramm, das das Resultat eines Thermozyklustests zeigt, der an der Avalanche-Photodiode von 4 ausgeführt wird;
9 ist ein Diagramm, das eine untere Grenze des elektrischen Feldes erläutert, das in der optischen Absorptionsschicht in der Avalanche-Photodiode von 4 induziert wird;
10 ist ein Diagramm, das eine obere Grenze des elektrischen Feldes erläutert, das in der optischen Absorptionsschicht in der Avalanche-Photodiode von 4 induziert wird;
11 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer von hinten beleuchteten Avalanche-Photodiode gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer von hinten beleuchteten PIN-Photodiode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer von vorn beleuchteten PIN-Photodiode gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM]
4 zeigt die Konstruktion eines Photodetektors 40 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 4 einen Teil zeigt, der dem umrandeten Teil der Avalanche-Photodiode von 1 entspricht.
Unter Bezugnahme auf 4 hat der Photodetektor 40 eine Konstruktion, die jener der Photodiode 30 ähnlich ist, die unter Bezugnahme auf 3 erläutert wurde, außer dass eine optische InGaAs-Absorptionsschicht 43 vorgesehen ist, die eine Dicke d hat, die bezüglich einer Spannung V festgelegt ist, die auf die optische Absorptionsschicht angewendet wird, um die Beziehung V/d = 2,5 × 10⁶ [V/m] zu erfüllen.
5 zeigt das Spektrum des Reflexionsvermögens des in dem Photodetektor 40 von 4 durch das SiN-Muster 5-2A und die Au-Säule 10 gebildeten Spiegels in dem Wellenlängenband von 1500–1650 nm. Es sei erwähnt, dass dieses Wellenlängenband sowohl das C-Band als auch das L-Band enthält.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ersichtlich, dass gemäß der Konstruktion von 4 ein sehr hohes Reflexionsvermögen von fast 100 % über ein breites Wellenlängenband realisiert wird. Ein ähnliches Reflexionsvermögen wird auch in dem Photodetektor 30 erhalten, der die Konstruktion von 3 hat. Zum Vergleichszweck zeigt 5 auch das Spektrum des Reflexionsvermögens des Photodetektors 20 von 2, woraus ersichtlich ist, dass in dem gesamten Wellenlängenband von 1500–1650 nm nur ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % erhalten wird.
6 zeigt den Absorptionskoeffizienten der optischen InGaAs-Absorptionsschicht 43, wenn die Dicke d der optischen Absorptionsschicht 43 bezüglich der Anwendungsspannung V für die optische Absorptionsschicht 43 so festgelegt wird, um die Beziehung V/d = 2,5 × 10⁶ [V/m] in dem Photodetektor 40 von 4 zu erfüllen, im Vergleich zu dem Absorptionskoeffizienten der InGaAs-Schicht, bei dem kein Absorptionseffekt des elektrischen Feldes vorhanden ist.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ersichtlich, dass der optische Absorptionskoeffizient α der optischen Absorptionsschicht 43 mit der Wellenlänge in dem Photodetektor 40 auf Grund des Effektes des elektrischen Feldes E (= V/d), das in der optischen Absorptionsschicht 43 induziert wird, "oszilliert" und dass ein Wert des optischen Absorptionskoeffizienten α, der den optischen Absorptionskoeffizienten der herkömmlichen Vorrichtung überschreitet, bei der Wellenlänge von etwa 1,6 μm erhalten wird, vorausgesetzt, dass das elektrische Feld E so eingestellt ist, um die zuvor genannte Beziehung zu erfüllen.
7 zeigt die Photoansprechempfindlichkeit des Photodetektors 40 bei der Wellenlänge von 1510–1630 nm. Für Vergleichszwecke zeigt 7 auch die Photoansprechempfindlichkeit des Photodetektors 20 von 1.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ersichtlich, dass eine bemerkenswerte Verbesserung der Photoansprechempfindlichkeit bei dem Photodetektor 40 bei der Wellenlänge von 1510–1630 nm zu verzeichnen ist, der in einem optischen Wellenlängenmultiplex-Telekommunikationssystem verwendet wird. Besonders ist zu sehen, dass das Problem der drastischen Minderung der Photoansprechempfindlichkeit bei einer Wellenlänge über 1580 nm, wie es bei dem Photodetektor 20 beobachtet wird, bei dem Photodetektor 40 der vorliegenden Erfindung effektiv eliminiert wird.
8 zeigt das Resultat eines Thermozyklustests, der an dem Photodetektor 40 von 4 in einem Temperaturbereich von –40–85°C ausgeführt wird. Es sei erwähnt, dass bei dem Experiment von 8 115 Temperaturzyklen auf den Photodetektor 40 wirken.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ersichtlich, dass bei dem Photodetektor 40 auch nach solchen Temperaturzyklen keine wesentliche Veränderung der Photoansprechempfindlichkeit zu verzeichnen ist. Das Resultat von 8 zeigt, dass der Photodetektor 40 eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit besitzt.
9 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten α der optischen Absorptionsschicht 43 für den Fall, wenn das auf den Photodetektor 40 von
4 angewendete elektrische Feld E auf 0,9 × 10⁶ V/m eingestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 9 ist ersichtlich, dass die Amplitude der Variation des optischen Absorptionskoeffizienten α, die in 6 beobachtet wird, signifikant reduziert wird, wenn die elektrische Feldstärke V/d kleiner als 10⁶ V/m eingestellt wird, und der Effekt der Erhöhung des optischen Absorptionskoeffizienten in dem Band der langen Wellenlänge mehr oder weniger verschwunden ist.
10 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten α der optischen Absorptionsschicht 43 für den Fall, wenn das auf die optische Absorptionsschicht 43 des Photodetektors 40 angewendete elektrische Feld E auf 1,1 × 10⁷ V/m eingestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 10 ist ersichtlich, dass der optische Absorptionskoeffizient α reduziert wird, wenn die elektrische Feldstärke V/d in der optischen Absorptionsschicht auf mehr als 10⁷ V/m eingestellt wird, und es tritt ein unerwünschtes Resultat auf.
Aus den obigen Resultaten wird gefolgert, dass die Dicke d der optischen Absorptionsschicht 43 so festgelegt werden sollte, dass die elektrische Feldstärke V/d in der optischen Absorptionsschicht 43 in den Bereich von 10⁶ ≤ V/d ≤ 10⁷ fällt. Alternativ dazu ist es wünschenswert, die Steuerungsspannung, die über die ohmschen Elektroden 7 und 8 angewendet wird (siehe 1), so zu steuern, dass die elektrische Feldstärke in der optischen Absorptionsschicht in den obigen Bereich fällt.
[ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM]
11 zeigt einen Teil eines Photodetektors 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jene Teile, die den zuvor beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und die Beschreibung derselben weggelassen wird. Es sei erwähnt, dass die Struktur von 11 dem Teil der Avalanche-Photodiode von 1 entspricht, der von der gestrichelten Linie umgeben ist.
Unter Bezugnahme auf 11 wird die n-Typ-InP-Schicht 4 einem Ätzprozess unterzogen, um die optische Absorptionsschicht 43 zu exponieren, und wird als Resultat eine Mesastruktur gebildet.
Auf der so exponierten optischen Absorptionsschicht 43 wird eine ohmsche Elektrode der n-Seite 18 gebildet, die der ohmschen Elektrode der n-Seite 8 ähnlich ist, und wird auf der ohmschen Elektrode 18 eine andere Au-Säule 10B gebildet, um die Höhe zu erreichen, die mit der Höhe der Au-Säule 10 identisch ist. Ferner wird ein anderer Lötkontakthügel 11B auf der Au-Säule 10B gebildet.
Es sei erwähnt, dass die Vorrichtung in dem Photodetektor 50 von 11 die ohmsche Elektrode der n-Seite 18 zusätzlich zu der ohmschen Elektrode der p-Seite 7 und der ohmschen Elektrode der n-Seite 8 von 1 hat und der Photodetektor 50 somit eine Triode bildet.
In solch einer Triode wird es möglich, die Photoansprechempfindlichkeit des Photodetektors in dem Band der langen Wellenlänge ähnlich wie im Fall von 7 und 8 zu verbessern, indem eine Sperrvorspannung über die ohmschen Elektroden 7 und 8 und ferner eine Steuerspannung auf die ohmsche Elektrode 18 angewendet wird, so dass das elektrische Feld in der optischen Absorptionsschicht 43 in den obigen Bereich fällt.
In dem Photodetektor von 11 sind die Lötkontakthügel 11, 11A und 11B auf demselben Niveau gebildet, und somit ist der Photodetektor zur Flip-Chip-Montage auf ein Substrat geeignet.
[DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM]
Es sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf eine Avalanche-Photodiode begrenzt ist, sondern auch auf eine PIN-Photodiode anwendbar ist.
12 zeigt die Konstruktion einer PIN-Photodiode 60 des von hinten beleuchteten Typs, die ein optisches Signal durch ein Substrat empfängt, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 12 ist die PIN-Photodiode 60 auf einem n-Typ-InP-Substrat 61 konstruiert, und sie enthält eine optische n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 62, die auf dem n-Typ-InP-Substrat 61 gebildet ist, und eine n-Typ-InP-Schicht 63, die auf der optischen n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 62 gebildet ist, wobei eine p-Typ-InP-Region 64 in einem Teil der n-Typ-InP-Schicht 63 gebildet ist. Ferner ist eine p-Typ-InGaAs-Region 65 in der optischen n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 62 in Entsprechung zu der p-Typ-InP-Region 64 gebildet.
Auf der InP-Schicht 63 ist ein SiN-Muster 66 entsprechend dem SiN-Muster 5-2A der vorhergehenden Ausführungsform in Entsprechung zu der p-Typ-InP-Region 64 gebildet, und SiN-Schutzfilme 66A und 66B, die den SiN-Filmen 5-1 bzw. 5-2 entsprechen, sind auf der InP-Schicht 63 gebildet. Ferner ist eine ringförmige ohmsche Elektrode der p-Seite 67 in Entsprechung zu der ringförmigen Öffnung, die zwischen dem SiN-Muster 66 und dem SiN-Schutzfilm 66B gebildet ist, in Kontakt mit der p-Typ-InP-Region 64 gebildet, und eine ringförmige Elektrode 68 mit der Ti/Pt-Struktur ist auf der ringförmigen ohmschen Elektrode 67 gebildet. Ferner ist auf der ringförmigen Elektrode 68 eine Au-Säule 69 angeordnet.
Auf der unteren Hauptfläche des Substrats 61 ist eine ringförmige ohmsche Elektrode der n-Seite 70 gebildet, und ein SiN-Antireflexionsfilm 71 ist in der Öffnung der ohmschen Elektrode 70 gebildet, um die untere Hauptfläche des InP-Substrats 61 zu bedecken.
Auch in solch einer PIN-Photodiode 60 kann eine ausgezeichnete Photoansprechempfindlichkeit in dem Wellenlängenbereich über 1580 nm realisiert werden, indem die Dicke d der optischen Absorptionsschicht 62 optimiert wird und das elektrische Feld V/d festgelegt wird, um in den Bereich von 10⁶ ≤ V/d ≤ 10⁷ zu fallen.
[VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM]
13 zeigt die Konstruktion einer von vorn beleuchteten PIN-Photodiode gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 13 ist eine n-Typ-InP-Pufferschicht 82 auf einem n-Typ-InP-Substrat 81 gebildet und ist eine optische n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 83 auf der Pufferschicht 82 gebildet. Ferner ist eine n-Typ-InP-Schicht 84 auf der optischen n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 83 gebildet und ist eine p-Typ-Region 86 in der optischen n-Typ-InGaAs-Absorptionsschicht 83 in Entsprechung zu der p-Typ-Region 85 gebildet, die in der n-Typ-InP-Schicht gebildet ist.
Die n-Typ-InP-Schicht 84 ist mit einem SiN-Film 87 bedeckt, der eine Öffnung hat, die der p-Typ-Region 85 ent spricht, und ein SiN-Muster 88, das dem SiN-Muster 5-2A entspricht, ist auf der p-Typ-Region 85 gebildet. Ferner ist der SiN-Film 87 mit einem SiN-Film 89 bedeckt, der dem SiN-Film 5-2 entspricht und eine Öffnung hat, um das SiN-Muster 88 zu bilden, und eine ringförmige ohmsche p-Typ-Elektrode 90 ist in der ringförmigen Öffnung, die zwischen dem SiN-Muster 88 und dem SiN-Muster 89 gebildet ist, in Kontakt mit der p-Typ-InP-Region 85 gebildet. Ferner ist eine ringförmige Barrierenelektrode 91, die die laminierte Ti/Pt-Struktur hat, auf der ringförmigen ohmschen Elektrode 90 gebildet.
Weiterhin ist in der Photodiode 80 ein SiN-Film 92, der eine ringförmige Öffnung hat, auf der unteren Hauptfläche des InP-Substrats 81 gebildet, und eine ohmsche Elektrode der n-Seite 93 ist in der ringförmigen Öffnung in Kontakt mit dem InP-Substrat 81 vorgesehen.
Ferner ist eine Barrierenelektrode 94 mit der laminierten Ti/Pt-Struktur auf dem SiN-Film 92 und der ringförmigen ohmschen Elektrode 93 gebildet, und eine Au-Reflektorelektrode 95 ist auf der Barrierenelektrode 94 und dem SiN-Film 92 in der zentralen Öffnung gebildet. Des Weiteren ist auf der Au-Reflektorelektrode 95 ein Lötkontakthügel 96 angeordnet.
Es sei erwähnt, dass in der PIN-Photodiode des von vorn beleuchteten Typs 80 von 13 das SiN-Muster 88 als Antireflexionsbeschichtung fungiert und das durch das SiN-Muster 88 einfallende Licht in die optische Absorptionsschicht 83 injiziert wird. Dadurch wird die Komponente des einfallenden Lichtes, die durch die optische Absorptionsschicht 83 nicht absorbiert wird, durch einen Spiegel reflektiert, der sich aus dem SiN-Film 92 und der Au-Reflek torelektrode 95 zusammensetzt und auf dem unteren Teil des InP-Substrats 81 gebildet ist, und zurück zu der optischen Absorptionsschicht 83 geführt.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, das Operationswellenlängenband der PIN-Photodiode 80 auf eine Wellenlänge zu erweitern, die länger als 1580 nm ist, indem die Dicke d der optischen Absorptionsschicht 83 so festgelegt wird, um in den Bereich von 10⁶ ≤ V/d ≤ 10⁷ zu fallen.
Es sei erwähnt, dass bei der vorliegenden Erfindung der Photodetektor aus irgendeinem von einem III-V-Verbindungssystem, einem II-VI-Verbindungssystem und einem IV-System gebildet sein kann.

Claims

Photodetektor (40, 50, 60, 80) mit einer optischen Absorptionsschicht (43, 62, 83), welche optische Absorptionsschicht eine Bandlücke Eg(eV) hat, eine Absorptionskantenwellenlänge λe (μm) und einen optischen Absorptionskoeffizienten, der vorgesehen wird durch
ε(λ), n(λ), E(λ) eine Dielektrizitätskonstante, ein Brechungsindex bzw. eine Bandlücke bei der Wellenlänge von einfallendem Licht sind und k ein Koeffizient ist, der aus einer auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) und einer Schichtdicke d(m) der optischen Absorptionsschicht erhalten wird, bei dem die Dicke d(m) der optischen Absorptionsschicht bezüglich der auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) festgelegt wird, um eine Beziehung 106 V/m ≤ V/d ≤ 107 V/m(D)zu erfüllen, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor eine Reflexionsregion (5-2A, 10, 66, 92) zum Reflektieren von einfallendem Licht zurück zu der optischen Absorptionsschicht (43, 62, 83) enthält.
Photodetektor nach Anspruch 1, bei dem Elektroden auf einer oberen Fläche und einer unteren Fläche des Photodetektors vorgesehen sind, um ein elektrisches Feld darauf anzuwenden.
Photodetektor nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl von Elektroden auf einer oberen Fläche des Photodetektors vorgesehen ist, um ein elektrisches Feld darauf anzuwenden.
Photodetektor nach Anspruch 1, welcher Photodetektor eine Vorrichtung des von hinten beleuchteten Typs ist.
Photodetektor nach Anspruch 1, welcher Photodetektor eine Vorrichtung des von vorn beleuchteten Typs ist.
Photodetektor nach Anspruch 1, welcher Photodetektor eine Avalanche-Photodiode mit einer Vervielfachungsregion ist.
Photodetektor nach Anspruch 1, welcher Photodetektor eine PIN-Photodiode ist.
Photodetektor nach Anspruch 1, welcher Photodetektor aus einem Material entweder eines Einzelkomponentensystems oder eines Mehrkomponentensystems gebildet ist, wobei das Material entweder aus einem III-V-Verbindungssystem, einem II-VI-Verbindungssystem oder einem IV-System ausgewählt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Photodetektors (40, 50, 60, 80) mit einer optischen Absorptionsschicht (43, 62, 83), welche optische Absorptionsschicht eine Bandlücke Eg(eV) hat, eine Absorptionskantenwellenlänge λe (μm) und einen optischen Absorptionskoeffizienten, der vorgesehen wird durch
A_i(– ξ) eine Airy-Funktion,
ε(λ), n(λ), E(λ) eine Dielektrizitätskonstante, ein Brechungsindex bzw. eine Bandlücke bei der Wellenlänge von einfallendem Licht sind und k ein Koeffizient ist, der aus einer auf die optische Absorptionsschicht angewendeten Spannung V(V) und einer Schichtdicke d(m) der optischen Absorptionsschicht erhalten wird, welches Verfahren den Schritt zum Anwenden eines elektrischen Feldes E(V/m) umfasst, so dass eine Beziehung 106 V/m ≤ V/d ≤ 107 V/m(D)erfüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor eine Reflexionsregion (5-2A, 10, 66, 92) zum Reflektieren von einfallendem Licht zurück zu der optischen Absorptionsschicht (43, 62, 83) enthält.