Anwendungsbereich der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Heteroübergang-Lawinen-
Photodiode vom planaren Typ und insbesondere eine Lawinen-
Photodiode, die für einen Photodetektor mit großer
Bandbreite und einer hohen Empfindlichkeit in optischen
Kommunikationssystemen, etc. verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
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Ein Typ einer Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ wird im US-Patent Nr. 4,651,187 offenbart. In
der Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ
werden auf einem n-InP-Substrat aufeinanderfolgend eine n-InP-
Pufferschicht, eine n&supmin;-In0,53Ga0,47As lichtabsorbierende
Schicht, eine n-InGaAsp-Zwischenbandabstandsschicht, eine n-
Inp-Lawinenmultiplikationsschicht und eine
n&supmin;-InP-Deckschicht vorgesehen. Ferner wird ein p&spplus;-InP-Bereich
vorzugsweise in der Lawinenmultiplikationsschicht und der
Deckschicht vorgesehen, und der p&spplus;-InP-Bereich ist an seinem
Außenbereich von einem p&supmin;-InP-Schutzringbereich umgeben. Eine
ringförmige p-Elektrode und ein Antireflexionsfilm werden
auf der oberen Oberfläche der Deckschicht und des
p&spplus;-InP-Bereiches vorgesehen, und eine n-Elektrode wird auf der
hinteren Oberfläche des Substrats vorgesehen.
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Im Betrieb wird über die p- und n-Elektroden eine
entgegengesetzte Vorspannung angelegt, und an die obere
Oberfläche des Antireflektionsfilms wird Licht geliefert.
Auf diese Weise werden Elektron- und Lochladungsträger in
der lichtabsorbierenden Schicht angeregt, so daß
Lochladungsträger in die Lawinenmultiplikationsschicht injiziert
werden, um zu Ladungsträgermultiplikation zu führen.
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In der Lawinen-Photodiode vom
Oberflächen-Beleuchtungstyp, wie oben beschrieben, wird eine breite
Bandbreitencharakteristik erzielt, in dem Fall, daß die
lichtabsorbierende Schicht, die Zwischenbandabstandsschicht und die
Lawinenmultiplikationsschicht in der Gesamtdicke dünn
werden, um eine Ladungsträgerdurchlauf zeit zu verkürzen, in
der bei der Lichtanregung und dem
Lichtmultiplikationsdurchgang durch die drei Schichten Ladungsträger erzeugt werden.
In Anbetracht dessen ist es erwünscht, daß die
lichtabsorbierende Schicht und die Lawinenmultiplikationsschicht
dünner sind, da die Zwischenbandabstandsschicht von Haus aus
dünn ist, das heißt, eine Ladungsträgerdurchlauf zeit ist in
der Zwischenbandabstandsschicht vernachlässigbar. Die breite
Bandbreitencharakteristik wird weiter erzielt im Fall, daß
eine Zone des p&spplus;-InP-Bereichs und des p&supmin;-InP-Schutzringes
klein wird, um eine Sperrschichtkapazität zu erniedrigen.
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In der Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ jedoch gibt es den Nachteil, daß die Empfindlichkeit
verschlechtert wird, weil die Quantenausbeute erniedrigt
wird, wenn die lichtabsorbierende Schicht dünn gemacht wird,
um die vorgenannte Ladungsträgerdurchlauf zeit zu verkürzen.
Es gibt den weiteren Nachteil, daß eine bestimmte
Verringerung einer Sperrschichtkapazität schwierig ist, selbst wenn
eine Zone der ringförmigen p-Elektrode klein wird, da ein
Lötdrahtelektrodenkontakt bereitgestellt wird, um einen
Lötdraht mit der ringförmigen p-Elektrode elektrisch zu
verbinden. Die Verkleinerung des Übergangsbereichs ist
ebenfalls schwierig, weil die lichtliefernde Oberfläche und der
Lötdrahtelektrodenkontakt auf der gemeinsamen oberen
Oberfläche der Lawinen-Photodiode positioniert werden.
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Eine planare Heteroübergang-Lawinen-Photodiode (APD)
wird in den IEEE Transactions on Electron Devices, ED-34,
Nr. 11, November 1987, Seiten 2265 bis 2269 beschrieben.
Dieses Schriftstück beschreibt eine rückwärts beleuchtete
planare APD. Die Antireflektionsschicht wird auf die Basis
des Substrats aufgebracht, und in der n-Elektrode auf der
Basis des Substrats wird eine Öffnung vorgesehen, durch die
die APD beleuchtet wird. Die p-Elektrode wird aus einer
Schicht aus Chrom, die von einer Schicht aus Gold überdeckt
wird, die beide durch Elektronenstrahl-Verdampfung auf
gebracht wurden, gebildet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ mit einer
großen Bandbreite und einer hohen Empfindlichkeit, zum
Beispiel in optischen Kommunikationssystemen, zur Verfügung zu
stellen.
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Erfindungsgemäß wird eine Heteroübergang-Lawinen-
Photodiode vom planaren Typ zur Verfügung gestellt mit:
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einer lichtabsorbierenden Schicht eines ersten
Leitungstyps und mit einer bestimmten Bandabstandsenergie, die
auf einer Seite eines Substrats des ersten Leitungstyps
vorgesehen ist,
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einer Lawinenmultiplikationsschicht des ersten
Leitungstyps und mit einer Bandabstandsenergie, die größer ist
als die bestimmte Bandabstandsenergie, die auf einer Seite
der lichtabsorbierenden Schicht gegenüber dem Substrat
vorgesehen ist,
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einem Leitungsbereich eines zweiten Leitungstyps in
Berührung mit der Lawinenmultiplikationsschicht auf einer
Seite gegenüber der lichtabsorbierenden Schicht,
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einem hochreflektierenden Bereich, der auf einer
Seite des Leitungsbereichs gegenüber der
Lawinenmultiplikationsschicht vorgesehen ist,
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einem Antireflektionsfilm, der auf einer Seite des
Substrats gegenüber der lichtabsorbierenden Schicht
vorgesehen ist, wobei der Antireflektionsfilm dem
hochreflektierenden Bereich gegenüber liegt, und
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p- und n-Elektroden, die mit dem Leitungsbereich
bzw. dem Substrat verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der hochreflektierende
Bereich einen auf dem Leitungsbereich vorgesehenen
dielektrischen Film und einen Metallfilm auf einer Seite des
dielektrischen Films gegenüber dem Leitungsbereich aufweist,
wobei der dielektrische Film eine optische Dicke von (2m -1)
λ/4 hat, wobei in eine positive ganze Zahl ist und λ eine
Wellenlänge des Lichts ist, das beim Betrieb der Photodiode
an den antireflektierenden Film geliefert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei
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Fig. 1 eine abgeschnittene Querschnittsansicht ist,
die eine herkömmliche Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ darstellt, die senkrecht geteilt ist, um ihren
Querschnitt zu zeigen,
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Fig. 2 eine abgeschnittene Querschnittsansicht ist,
die eine Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt, die
senkrecht geteilt ist, um ihren Querschnitt zu zeigen,
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Fig. 3 eine abgeschnittene Querschnittsansicht ist,
die eine Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ
aus Fig. 2 darstellt, die auf einem Träger vorgesehen ist,
und
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Fig. 4 ein graphisches Diagramm ist, das einen
Zusammenhang zwischen der Dicke einer lichtabsorbierenden
Schicht und einem Bandbreiten-Quantenausbeute-Produkt in der
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ aus Fig.
2 erklärt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Bevor eine Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
erklärt wird, wird die bereits erwähnte herkömmliche
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ in Fig. 1
erklärt. Die herkömmliche Heteroübergang-Lawinen-Photodiode
vom planaren Typ weist ein n-InP-Substrat 1, eine
n-InP-Pufferschicht 2, eine n&supmin;-In0,53Ga0,47As lichtabsorbierende
Schicht 3, eine n-InGaAsP-Zwischenbandabstandsschicht 4,
einen n-InP-Lawinenmultiplikationsschicht 5 und eine n&supmin;-InP-
Deckschicht 6 auf. Die herkömmliche Heteroübergang-Lawinen-
Photodiode vom planaren Typ weist weiter auf: einen p&spplus;-InP-
Bereich 7, der bevorzugt in der Deckschicht 6 und der
Lawinenmultiplikationsschicht 5 vorgesehen wird, um eine
p&spplus;n-Übergangsfront zu bilden, einen den Außenbereich des
InP-Bereichs 7 umgebenden p&supmin;-InP-Schutzringbereich 7a,
einen auf der oberen Oberfläche der Deckschicht 6 vorgesehenen
Antireflektionsfilm 8, eine ringförmige p-Elektrode 9, die
durch ein Loch im Antireflektionsfilm 8 mit dem InP-Bereich
7 verbunden ist, einen Lötdrahtelektrodenkontakt 9a mit
einer Fläche von 7 · 10&supmin;&sup6; bis 2 · 10&supmin;&sup5; cm², was ein
Minimalwert ist, zum elektrischen Verbinden eines Lötdrahtes mit
der ringförmigen p-Elektrode 9 und eine auf der hinteren
Oberfläche des Substrats 1 vorgesehene n-Elektrode 10. In
der herkömmlichen Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ ist die Dicke der Zwischenbandabstandsschicht 4
0,1 bis 0,3 um dünn, so daß eine Trägerdurchlaufzeit in der
Zwischenbandabstandsschicht 4 vernachlässigbar ist. Die
Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 3 ist im Gegensatz
dazu 2 bis 5 um und die der Lawinenmultiplikationsschicht 5
ist 1 bis 2 um dick. Deshalb ist es, wie bereits
beschrieben, erwünscht, die Ladungsträgerdurchlauf zeit zu verkürzen.
Der Betrieb und weitere Nachteile der herkömmlichen
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ werden
hier nicht beschrieben.
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Als nächstes wird eine
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ in einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform in Fig. 2 erklärt, wobei gleiche Teile mit
gleichen Referenznummern aus Fig. 1 bezeichnet werden. In der
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ ist die
Dicke einer n&supmin;-In0,53Ga0,47As lichtabsorbierenden Schicht 3
1,5 bis 2,0 um, was die Hälfte der Dicke der herkömmlichen
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ ist, und
diejenigen einer n-InGaAsP-Zwischenbandabstandsschicht 4 und
einer n-InP-Lawinenmultiplikationsschicht 5 sind 0,4 um bzw.
0,5 bis 0,8 um, wobei die lichtabsorbierende Schicht 3 Licht
von einer Wellenlänge bis zu 1,65 um aufnehmen kann und die
Zwischenbandabstandsschicht 4 und die
Lawinenmultiplikationsschicht 5 Bandabstandsenergien haben, die Wellenlängen
von 1,15 um bzw. 0,93 um entsprechen. Weiter wird ein
Antireflektionsfilm 8 bevorzugt derart auf der hinteren
Oberfläche eines n-InP-Substrats 1 vorgesehen, daß der
Antireflektionsfilm 8 gegenüber einem p&spplus;-InP-Bereich 7
angeordnet wird, und ein dielektrischer Film 8a mit einer Dicke von
(2m - 1) λ/4 wird auf der Oberfläche des p&spplus;-InP-Bereichs 7
vorgesehen, wobei λ eine Wellenlänge von an den
Antireflektionsfilm 8 geliefertem Licht ist, und m eine positive ganze
Zahl (m=1, 2, 3 . . . ) ist. Weiter wird eine kreisförmige p-
Metallelektrode 9 vorgesehen, um im Zusammenwirken mit dem
dielektrischen Film 8a einen Hochreflektionsbereich 8c zu
bilden.
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Im Betrieb wird eine entgegengesetzte Vorspannung
über die p- und n-Elektroden 9 und 10 angelegt, und der
Antireflektionsfilm 8 wird mit Licht mit einer Wellenlänge von
1,55 um beleuchtet, so daß Licht durch das Substrat 1 und
die Pufferschicht 2 hindurch auf die lichtabsorbierende
Schicht, die verglichen mit der herkömmlichen dünner ist,
durchgelassen wird. Das Licht wird im wesentlichen in der
lichtabsorbierenden Schicht 3 absorbiert, jedoch geht das
gebrochene Licht weiter zu dem hochreflektierenden Bereich
8c und wird dann von dort zurück zur lichtabsorbierenden
Schicht 3 reflektiert. Folglich wird das Licht in der
lichtabsorbierenden Schicht 3 vollständig absorbiert, um
eine ausreichend hohe Quantenausbeute zu liefern.
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In dieser Ausführungsform kann die p-Elektrode 9
kreisförmig sein und mit dem Lötdrahtelektrodenkontakt
verbunden werden, da der Antireflektionsfilm 8 auf der hinteren
Oberfläche der Lawinen-Photodiode getrennt werden kann. Dies
vermeidet die Notwendigkeit, den zusätzlichen
Lötdrahtelektrodenkontakt 9a vorzusehen, so daß ein Übergangsbereich
kleiner sein kann, um eine kleinere Sperrschichtkapazität zu
liefern. Folglich wird bei der Heteroübergang-Lawinen-
Photodiode eine breite Bandbreitencharakteristik erzielt.
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Eine erfindungsgemäße
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ wird in einem folgenden Verfahren
hergestellt.
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Auf ein mit Schwefel dotiertes n&spplus;-InP-Substrat 1
werden mittels Hybrid-Dampfphasen-Epitaxie bei einer
Temperatur von 700ºC nacheinander eine n-InP-Pufferschicht 2
mit einer Dicke von etwa 1 um, eine n&supmin;-In0,53Ga0,47As
lichtabsorbierende Schicht 3 mit einer Dicke von 1,5 bis 2,0
um und einer Ladungsträgerdichte von 2 bis 5 · 10¹&sup5; cm&supmin;³,
eine n-InGaAsP-Zwischenbandabstandsschicht 4 mit einer Dicke
von etwa 0,4 um, eine n-lnP-Lawinenmultiplikationsschicht 5
mit einer Dicke von 0,5 bis 0,8 um und einer
Ladungsträgerdichte von 5 bis 7 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ und eine n&supmin;-InP-Deckschicht 6
mit einer Dicke von 1,5 bis 2,0 um und einer
Ladungsträgerdichte von 1 bis 5 · 10¹&sup5; cm&supmin;³ aufgewachst. Die n-InP-
Pufferschicht 2 ist eine Schicht, um das Eindringen von
Störstellen und Versetzungen im InP-Substrat 1 in die
Schichten 3 bis 6 zu vermeiden, die n&supmin;-In0,53Ga0,47As
lichtabsorbierende Schicht 3 ist eine Schicht zum
Absorbieren von Licht mit einer Wellenlänge von 1 bis 1,65 um, um
Elektron-Loch-Ladungsträgerpaare zu erzeugen, und die n-
InGaAsP-Zwischenbandabstandsschicht 4 ist eine Schicht, um
das Einfangen von Löchern aufgrund dem Valenzbandversatz
zwischen der lichtabsorbierenden Schicht 3 und der
Lawinenmultiplikationsschicht 5 zu vermeiden.
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Nach dem Aufwachsen der Schichtstruktur in der
Dampfphasenepitaxie, wie oben beschrieben, wird durch
Implantieren von Be-Ionen in die Deckschicht 6 und die
Lawinenmultiplikationsschicht 5 ein Schutzringbereich 7a
gebildet. Das heißt, ein SiO&sub2;-Film mit einer Dicke von etwa
1 um wird bei einer Temperatur von 360ºC mittels einem
thermischen CVD-Verfahren auf der Deckschicht 6 abgeschieden.
Der SiO&sub2;-Film wird bevorzugt unter Verwendung von Puffer-
Fluorwasserstoffsäure mittels einer Belichtungsmaske
entfernt, die ein Ringmuster hat, das durch ein
Ordnungsbelichtungsverfahren gezeichnet wurde, und Be-Ionen werden
durch einen entfernten Bereich des SiO&sub2;-Films mit einer
Dosis
von 5 · 10¹³ cm&supmin;² unter einem
Beschleunigungsspannungsbereich von 100 bis 140 kV injiziert. Dann wird der
verbleibende SiO&sub2;-Film durch Verwendung von flüssiger
Fluorwasserstoffsäure vollständig entfernt, und ein PSG-Film
mit einer Dicke von etwa 100 um wird bei einer Temperatur
von 360ºC durch das thermische CVD-Verfahren abgeschieden.
Daraufhin wird für eine Aktivierung und eine
Einschlag-Diffusion der injizierten Be-Ionen für 20 Minuten eine
Wärmebehandlung von 700ºC durchgeführt, wodurch der
Schutzringbereich 7a bereitgestellt wird. Daraufhin wird der
PSG-Film bevorzugt an einem Teil entfernt, der dem Inneren
des Schutzringbereichs 7a entspricht, um durch Verwendung
einer Belichtungsmaske eine kreisförmige Öffnung zu bilden,
und Zn wird bei einer Temperatur von 530ºC für fünfzehn bis
zwanzig Minuten durch den kreisförmig entfernten Teil des
PSG-Films in die Deckschicht 6 und die
Lawinenmultiplikationsschicht 5 diffundiert, wodurch der p&spplus;-Leitungsbereich 7
gebildet wird, um eine pn-Übergangsfront zu liefern. Als
nächstes wird der PSG-Film durch Verwendung von
Fluorwasserstoffsäure entfernt, und ein SiN-Film mit einer Dicke von
etwa 180 nm wird bei einer Temperatur von 300ºC durch ein
plasmaunterstütztes CVD-Verfahren auf der Deckschicht 6
abgeschieden. Der auf diese Weise auf getragene SiN-Film wird
bevorzugt durch ein Ordnungsbelichtungsverfahren mit einem
Ringmuster auf dem p&spplus;-Leitungsbereich 7 entfernt, so daß der
Innenbereich des entfernten Ringbereichs für einen
dielektrischen Film 8a eines hochreflektierenden Bereichs 8c ist
und der Außenbereich davon für einen Schutzfilm 8b ist. Dann
wird auf dem SiN-Film und dem belichteten
p&spplus;-InP-Leitungsbereich 7 durch eine Elektronenbeschußverdampfung eine
kreisförmige p-Metallelektrode 9 aus einem Ti/Pt/Au-
Vielschichtfilm vorgesehen. Andererseits wird die hintere
Oberfläche des Substrats 1 poliert, um eine Spiegelfläche zu
liefern, auf der mittels einem Plasma-CVD-Verfahren bei
einer Temperatur von 200ºC ein SiN-Film gebildet wird. Der
SiN-Film wird, abgesehen von einem Bereich eines
Antireflektionsfilms 8, der dem hochreflektierenden Bereich 8c
gegenüber liegt, entfernt. Schließlich wird durch eine
Widerstandsheizungsverdampfung auf dem entfernten Teil des
SiN-Films auf der hinteren Oberfläche des Substrats 1 eine
n-Metallelektrode 10 aus einer AuGe/Ni-Schicht vorgesehen,
wodurch eine erfindungsgemäße Heteroübergang-Lawinen-
Photodiode vom planaren Typ fertiggestellt wird.
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Die (auf diese Weise) hergestellte Heteroübergang-
Lawinen-Photodiode wird, wie in Fig. 3 gezeigt, auf einen
Träger einschließlich einem Saphirträger 11 mit einer Dicke
von etwa 300 um und einer bevorzugten Metallelektrode 12 aus
einer Ti/Pt/Au-Vielschicht montiert, so daß es einfach ist,
Licht an den Antireflektionsfilm 8 zu liefern, selbst wenn
der Antireflektionsfilm 8 auf der hinteren Oberfläche des
Substrats 1 angeordnet ist. Der Saphirträger 11 wird als ein
Trägermaterial ausgewählt, weil der Absorptionsverlust bei
einer Wellenlänge von 1 bis 2 um niedrig ist und die
Lichttransmissionscharakteristik flach ist.
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In dem in Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigten Aufbau wird,
wie in Fig. 4 gezeigt, ein
Bandbreiten-Quantenausbeute-Produkt in Abhängigkeit von der Dicke der lichtabsorbierenden
Schicht 3 gemessen. Das Bandbreiten-Quantenausbeute-Produkt
ist geeignet als ein Leistungsmerkmal, nach dem eine breite
Bandbreitencharakteristik und eine hohe
Empfindlichkeitscharakteristik einer Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom
planaren Typ beurteilt werden. Wie aus dem Ergebnis von Fig.
4, in dem ein Multiplikationsfaktor 5 ist, deutlich zu
erkennen ist, wird das Bandbreiten-Quantenausbeute-Produkt bei
einer Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 3 im Bereich von
1 bis 3 um im Vergleich zur herkömmlichen
Heteroübergang-Lawinen-Photodiode vom planaren Typ wesentlich verbessert.