DE69019304T2

DE69019304T2 - Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ.

Info

Publication number: DE69019304T2
Application number: DE1990619304
Authority: DE
Inventors: Tamayo Hiroki; Hidetoshi Nojiri
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2010-11-14
Also published as: DE69019304D1; EP0428146B1; EP0428146A3; JP2938479B2; EP0428146A2; JPH03155172A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Photodetektor, und insbesondere auf einen Photodetektor vom Feldeffekttransistor (FET) - Typ, der zur Verwendung in einer integrierten optischen Schaltung geeignet ist.

Verwandter Stand der Technik

Als hochschnelle Photodetektoren sind eine pin-Photodiode (pin-PD) und eine Avalanche-Photodiode (APD) bekannt. Die pin-PD hat jedoch keine Verstärkungsfunktion. Die ApD, obwohl sie die Verstärkungsfunktion hat, benötigt beim Betrieb eine hohe Vorspannung bzw. Bias-Spannung und ist somit für eine integrierte Schaltung nicht geeignet.
Hochschnelle Photodetektoren des FET-Typs, die die obigen Probleme lösen, wurden von Umeda et. al. in Veröffentlichungen von "The Institut of Electronics and Communication Engineers of Japan", Vol. J68-C, S. 263 (1985) und von C. Y. Chen et. al. in "Appl Phys. Letter" 41, S. 1040 (1983) vorgeschlagen.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Photodetektors des GaAS-MES-FET-Typs. Bei diesem Photodetektor ist eine undotierte GaAs Zwischenschicht 35 auf ein halb-isolierendes GaAs-Substrat 36 laminiert, und eine n-Typ GaAs-Aktivierungsschicht 34 mit einer Dicke von 0.2 bis 0.5 um ist auf die Zwischenschicht 35 laminiert. Eine Source-Elektrode 31, eine Gate-Elektrode 32 und eine Drain-Elektrode 33 zum Eingeben und Ausgeben von Strömen sind auf der Aktivierungsschicht 34 ausgebildet. Wenn der Photodetektor durch die Elektroden 31, 32 und 33 vorgespannt ist und ein einfallendes Licht 38 auf die Oberfläche oder den Schnitt auftrifft, fließt ein Photostrom über die Drain-Elektrode 33 und die Source-Elektrode 31, so daß das einfallende Licht 38 erfaßt werden kann.
Ein derartiger Photodetektor des FET-Typs hat Vorteile einer relativ niedrigen Bias-Spannung, einer eingebauten Verstärkungsfunktion und der Anwendbarkeit auf einen Treiber oder einen Verstärker eines integrierten Halbleiterlasers (LD).
Bei dem Photodetektor mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau bestehen jedoch beide, die Aktivierungsschicht und die Zwischenschicht aus GaAs und haben beide die selbe Bandlücke. Wenn Licht mit einem größeren Strahldurchmesser als die Dicke der Aktivierungsschicht auf die Abschlußebene der Aktivierungsschicht auftrifft, trifft Licht demzufolge sowohl auf die Aktivierungsschicht als auch auf die Zwischenschicht auf, so daß es auch von der Zwischenschicht absorbiert wird. In der Zwischenschicht werden aufgrund der Lichtabsorption Elektronen-Loch-Paare erzeugt, und die Ladungsträger diffundieren und erreichen eine Verarmungsschicht 37 in der Aktivierungsschicht oder rekombinieren bevor sie die Verarmungsschicht erreichen. Als ein Ergebnis ist die Zeitansprecheigenschaft verschlechtert. Zudem ist die Begrenzung der Ladungsträger in der Aktivierungsschicht, die als ein Kanal dient, nicht ausreichend, sondern die Ladungsträger entweichen in die Zwischenschicht und das Substrat. Als ein Ergebnis, ist eine Abschnür-Eigenschaft (Pinch-Off) verschlechtert und ein Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) verringert und eine Empfindlichkeit wird verringert.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochschnellen und hochempfindlichen Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ zu schaffen, der die mit dem Photodetektor gemäß dem Stand der Technik verbundenen Probleme löst.
Die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Photodetektor des Feldeffektransistor-Typs gemäß Patentanspruch 1 gelöst, wobei der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf "Appl. Phys. Letter" 51 (24), 14. Dezember 1987, S. 2010 - 2012 beruht.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Photodetektors des FET-Typs gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2A und 2B zeigen eine Schnittansicht und ein Energiebanddiagramm eines außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegenden Photodetektors eines FET-Typs, und
Fig. 3A und 3B zeigen eine Schnittansicht und ein Energiebanddiagramm eines Photodetektors des FET-Typs gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 2A und 2B zeigen eine Schnittansicht und ein Energiebanddiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Photodetektors des FET-Typs, der ähnlich einem in der US-A-4346394 gezeigten Photodetektor ist. Die gleichen Bestandteile sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem Photodetektor des FET-Typs des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist eine p-Al0.3Ga0.7As-Zwischenschicht 15 mit einer Dicke von 0.4 um auf einem halb-isolierenden GaAs-Substrat 16 abgeschieden, und eine n-GaAs-Aktivierungsschicht 14 mit einer Dicke von 0.2 um ist darauf abgeschieden. Wie in Fig. 2B gezeigt, ist eine Bandlücke EgB der Zwischenschicht 15 weiter als eine Bandlücke EgA der Aktivierungsschicht 14. Die Zwischenschicht 15 hat ein Energieband, das als eine Barriere für die Ladungsträger wirkt. Da die Ladungsträger bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise hauptsächlich Elektronen sind, ist ein Potential eines Leitungsbandes der Zwischenschicht 15 ausgewählt, um höher als ein Potential eines Leitungsbandes der Aktivierungsschicht 14 zu sein. Wo die Ladungsträger hauptsächlich Löcher sind, ist ein Potential eines Füllbandes der Zwischenschicht 15 ausgewählt, um niedriger als ein Potential eines Füllbandes der Aktivierungsschicht 14 zu sein. Eine AuGe/Au-Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 13 und eine Al-Gate-Elektrode 12 sind auf der Aktivierungsschicht 14 ausgebildet. Eine Gate-Länge beträgt 1 um, eine Gate-Weite beträgt 200 um und ein Abstand zwischen den entsprechenden Elektroden beträgt 1 um.
Wenn bei dem Photodetektor des vorstehenden Aufbaus eine positive Spannung VD an die Source-Elektrode 11 und eine Spannung VG an die Gate-Elektrode 12 angelegt sind, fließen in der Aktivierungsschicht 14 Elektronen von der Source-Elektrode 11 zu der Drain-Elektrode 13. Da die Gate-Elektrode 12 eine Schottky-Elektrode ist, erstreckt sich die Verarmungsschicht 17 in die Aktivierungsschicht. Da die Weite der Verarmungsschicht 17 sich mit der Gate-Spannung VG ändert, ändert sich entsprechend eine Kanal-Weite, die einen Pfad für die Elektronen in der Aktivierungsschicht schafft. Als ein Ergebnis, ändert sich ein zwischen der Drain-Elektrode 13 und der Source-Elektrode 11 fließender Drainstrom ID, und wenn die Verarmungsschicht 17 die Zwischenschicht 15 erreicht, ist der Kanal geschlossen und der Strom ID fließt nicht mehr länger. Wenn Licht 18 eines Halbleiterlasers mit einer Wellenlänge von 830 nm von der Abschlußfläche der Einrichtung in stromlosem Zustand (ID=0) auf die Unterseite der Gate-Elektrode 12 auftrifft, ändert sich die Weite der Verarmungsschicht 17 mit der Intensität des Beleuchtungslichtes, und ein Drainstrom ID fließt zwischen der Source-Elektrode 11 und der Drain-E1ektrode 13, so daß die Lichtintensität erfaßt wird.
Es wird nun angenommen, daß ein Strahldurchmesser des einfallenden Lichts 18 1 um beträgt. Da der Strahldurchmesser 1 um beträgt und mit Bezug auf die Dicke der Aktivierungsschicht von 0.3 um trifft in diesem Fall Licht auf einen anderen Bereich als die Aktivierungsschicht 14 auf. Da die Zwischenschicht 15 jedoch aus Al0.3Ga0.7As besteht, absorbiert sie das Licht mit einer Wellenlänge von 830 nm nicht und die Zeitansprecheigenschaft ist nicht verschlechtert. Da die Ladungsträger durch den n-p-Heteroübergang der n-GaAs-Aktivierungsschicht 14 und die p-Al0.3Ga0.7As-Zwischenschicht 15 definitiv eingeschlossen sind, ist zudem die Abschnür-Eigenschaft (Pinch-Off) gut, und der Photostrom entweicht nicht in das Substrat.
In Übereinstimmung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der die Intensität des auf die Aktivierungsschicht 14 einfallenden Lichts wiedergebende Strom demzufolge stets auf eine stabile Weise erhalten und das Ansprechen erfolgt schnell. Demzufolge wird eine ausreichende Photostromeigenschaft selbst für eine hohe Licht-Einstrahlfrequenz erhalten.
Fig. 3A und 3B zeigen eine Schnittansicht und ein Energiebanddiagramm eines Photodetektors des FET-Typs der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bestandteile sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine aus i-Al0.3Ga0.7As bestehende Zwischenschicht 25 mit einer Dicke von 0.4 um auf einem halb-isolierenden GaAs-Substrat 26 ausgebildet. Eine GaAs-Schicht mit einer Dicke von 3 nm (30 Å) und eine Al0.5Ga0.5As-Schicht mit einer Dicke von 6 nm (60 Å) sind abwechselnd und wiederholt auf die Zwischenschicht 25 laminiert, um eine Übergitter ("superlattice") Zwischenschicht 29 mit einer Gesamtdicke von 0.45 um auszubilden. In Fig. 3B bezeichnet Bezugszeichen 40 in der Übergitter-Zwischenschicht 29 eine Al0.5Ga0.5As-Barrierenschicht und Bezugszeichen 41 bezeichnet eine GaAs-Wannenschicht. Eine n- GaAs-Aktivierungsschicht 24 mit einer Dicke von 0.3 um ist auf der Übergitter-Zwischenschicht 29 abgeschieden. Eine Au Ge/Au-Source-Elektrode 21 und Drain-Elektrode 23 und eine Al- Gate-Elektrode 22 sind auf der Aktivierungsschicht 24 ausgebildet. Eine Gate-Länge beträgt 1 um, eine Gate-Weite beträgt 200 um und ein Abstand zwischen den entsprechenden Elektroden beträgt 1 um.
Wenn die Zwischenschicht wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Übergitter-Struktur aufweist, kann die Bandlücke als ein Abstand zwischen Grund-Energieniveaus verstanden werden, die in einem Leitungsband und einem Füllband durch einen Quanteneffekt erzeugt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Bandlücke EgC eines niedrigsten durch den Quanteneffekt der Übergitter-Zwischenschicht 29 erzeugten Unter-Bandes weiter als eine Bandlücke EgA der Aktivierungsschicht 24. Zudem ist ein niedrigstes Energieniveau des Leitungsbandes der Übergitter-Zwischenschicht 29 gewählt, um höher als ein Potential des Leitungsbandes der Aktivierungsschicht 24 zu sein. In diesem Fall kann die Kombination der Materialien des Übergitters so sein, daß zumindest eines von ihnen aus einem Material mit einer größeren Bandlücke als die der Aktivierungsschicht besteht, und andere können aus Materialien bestehen, die gleiche, größere oder kleinere Bandlücken als die der Aktivierungsschicht aufweisen.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel werden bei dem Photodetektor des vorliegenden Ausführungsbeispiels Bias- Spannungen an die Elektroden 21, 22 und 23 angelegt und Licht fällt ein, während die Verarmungsschicht 27 sich durch die Aktivierungsschicht 24 hindurch erstreckt, das heißt, bei nicht vorhandenem Drain-Strom ID, und der Photostrom wird erfaßt. Da die GaAs/Al0.5Ga0.5As-Übergitter-Zwischenschicht 29 unter der Aktivierungsschicht 24 abgeschieden ist, wird darauf einfallendes Licht nicht merklich absorbiert, und die Ansprecheigenschaft ist nicht beeinflußt. Die Übergitter-Zwischenschicht 29 dient als die Barriere, um das Verschwinden der Ladungsträger in der Aktivierungsschicht 24 in die i-Al0.3Ga0.7As-Zwischenschicht 25 oder das Substrat 26 zu verhindern. Durch Schaffen der Übergitter-Zwischenschicht 29 in der Hetero-Grenzfläche der Aktivierungsschicht 24 wird der Zustand der Grenzfläche verbessert und die Photostromeigenschaft verbessert.

Claims

1. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ mit:

einem Substrat (26);

einer auf dem Substrat (26) ausgebildeten Halbleiter- Zwischenschicht (29) mit einer Übergitterstruktur, die eine derartige Bandlücke (EgC) hat, daß sie kein Licht absorbiert;

einer auf der Zwischenschicht (29) ausgebildeten Halbleiter- Aktivierungsschicht (24), wobei

ein niedrigstes Energie-Unterband der Halbleiter- Zwischenschicht (29) mit Übergitterstruktur eine größere Bandweite als eine Bandlücke (EgC) der Halbleiter- Aktivierungsschicht (24) hat, und das niedrigste Energie-Unterband der Halbleiter-Zwischenschicht (29) mit Übergitterstruktur als Barriere für Ladungsträger dient; und

einer Source-Elektrode (21), einer Drain-Elektrode (23) und einer Gate-Elektrode (22), die auf der Halbleiter- Aktivierungsschicht (24) angeordnet sind, wobei in der Halbleiter-Aktivierungsschicht (24) ein Verarmungsbereich (27) zum Steuern eines zwischen der Source- Elektrode (21) und der Drain-Elektrode (23) fließenden Stromes durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode (22) erzeugt wird, und eine Weite des Verarmungsbereiches (27) sich ändert, wenn Licht auf die Halbleiter- Aktivierungsschicht (24) auftrifft,

gekennzeichnet durch

eine weitere Zwischenschicht (25), die zwischen dem Substrat (26) und der Halbleiter-Zwischenschicht (29) mit Übergitterstruktur ausgebildet ist, wobei

die weitere Zwischenschicht (25) aus undotiertem Al-GaAs besteht.

2. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Aktivierungsschicht (24) aus n-Typ GaAs besteht.

3. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Halbleiter-Aktivierungsschicht (24) 0.3 um beträgt.

4. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Zwischenschicht (29) mit Übergitterstruktur auf der auf dem Substrat (26) ausgebildeten weiteren Zwischenschicht (25) aus undotiertem AlGaAs durch abwechselndes und wiederholtes Laminieren einer GaAs-Wannenschicht (41) und einer AlGaAs-Barrierenschicht (40) ausgebildet wird.

5. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder der GaAs-Wannenschichten (41) 3 nm beträgt, die Dicke jeder der AlGaAs-Barrierenschichten (40) 6 nm beträgt, und die Dicke der Halbleiter-Zwischenschicht (29) mit Übergitterstruktur 0.45 um beträgt.

6. Photodetektor vom Feldeffekttransistor-Typ nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der weiteren Zwischenschicht (25) 0.4 um beträgt