DE69218474T2 - Lawinenfotodiode - Google Patents

Lawinenfotodiode

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine Photodiode und insbesondere einen Lawinenphotodiode, wie sie in optischen Telekommunikationssystemen, optischen Informationsverarbeitungssystemen, optischen Meßsystemen, etc. verwendet wird.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Es gibt einige Halbleiterphotodetektoren für optische Telekommunikationssysteme, die für Wellenlängen zwischen 110 bis 1,6 µm empfindlich sind. So zum Beispiel ein PIN-Photodetektor mit einer an ein InP-Substrat gitterangepaßte lichtabsorbierenden Schicht aus In0,53Ga0,47As, wie auf den Seiten 653 und 654 der "Electronic Letters, Vol 20, 1984" beschrieben, oder ein Lawinenphotodetektor, wie auf den Seiten 257 und 258 der "IEEE. Electron Device Letters, Vol 7, 1986" beschrieben. Der Photodetektor, wie z. B. eine Lawinenphotodiode, wurde für optische Telekommunikationssysterne für große Entfernungen verwendet, da er den Vorteil eines inneren Verstärkereffekts und eine Hochgeschwindigkeitsreaktion aufgrund der Lawinenvervielfältigung hat.
  • Eine Lawinenphotodiode vom herkömmlichen Typ beinhaltet eine auf einem Substrat geformte Pufferschicht, eine auf der Pufferschichte geformte Lawinenvervielfachungsschicht, eine auf der Lawinenvervielfachungsschicht geformte lichtabsorbierende Schicht und einen auf der Lawinenvervielfachungsschicht geformten photodetektierenden Bereich.
  • Im Betrieb wird Licht auf die Lawinenphotodiode gerichtet, an die eine Sperrvorspannung angelegt ist. Das Licht wird von der lichtabsorbierenden Schicht absorbiert, umelektronen und Löcher als Phototräger zu erzeugen. Die Phototräger werden in die Lawinenvervielfachungsschicht eingeleitet, um lonisationseffekte zu verursachen, die unter einem elektrischen Verstärkungsfeld Vervielfachung verursachen. Es ist wünschenswert, daß die lonisationseffekte in der Lawinenvervielfachungsschicht nur durch die von der lichtabsorbierenden Schicht eingeleiteten Phototräger ausgeübt werden. Deshalb ist es wünschenswert, daß die Elektronen- und Lochionisationsrate α und β sich deutlich voneinander unterscheiden (α » β oder α » β) und die von der lichtabsorbierenden Schicht eingeleiteten Phototräger den Lawinenvorgang einleiten, um eine Lawinenphotodiode mit geringer Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Reaktionscharakteristik bereitzustellen. Das Verhältnis α/β ist von der Eigenschaft des Materials abhangig, aus dem die Lawinenvervielfachungsschicht besteht. In einer Lawinenphotodiode vom InGaAs-Typ mit einer InP-Lawinenvervielfachungsschicht, in die Löcher als Träger eingeleitet werden, beträgt beispielsweise das Verhältnis β/α von InP höchstens bis zu 2, was viel geringer ist als das Verhältnis α/β von Si, das nahezu 20 beträgt.
  • Capasso et al. haben vorgeschlagen, das Verhältnis α/β künstlich durch Verwendung einer übergitterstruktur mit großen Bandenergiediskontinuitäten in dem Leitungsband (Δ Ec) als Lawinenvervielfachungsschicht zu steuern, wie auf den Seiten 38 bis 40 der "Applied Physic Letters, vol. 40, 1982" beschrieben.
  • In IEEE Transaction on Electron Devices, Vol ED-33, no. 10, Oktober 1986, Seite 1502-1510 ist eine Übergitter-Lawinenvervielfachungsschicht beschrieben zur Verwendung in Lawinenphotodioden mit einer Lawinenvervielfachungsschicht von heteroperiodischer Struktur bestehend aus abwechselnd vorgesehenen Sperr- und Weil-Schichten, wobei jede der Schichten aus GaAsIn und AlInAs besteht. Die Sperrschichten weisen einen gestuften Bereich auf, der dem Zweck der Verringerung des Trägerfangeffekts dient.
  • In Applied Physic Letters, Vol 45, no. 11, 1. Dezember 1984, Seiten 1193-1195 ist eine alternative zusammengesetzte Abstufung beschrieben, in der abwechselnd dünne Schichten aus Ga0,471n0,53As und InP als gestufte Schichten der Sperrschichten vorgesehen sind.
  • Bei der herkömmlichen Lawinenphotodiode mit der Übergitterstruktur besteht jedoch ein Nachteil darin, daß die Rauschund Geschwindigkeitsreaktions-Charakteristik nicht ausreichend ist, weil das Verhältnis der Ionisationsraten, das von dem Material abhängt, aus dem die Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode besteht, nicht ausreichend hoch ist. Ferner tritt an der Bandenergiediskontinuität des Valenzbandes (Δ Ev) ein sog. Löcherstau auf, so daß die Bandbreite verringert werden könnte. Um das Aufstauen der Löcher zu verhindern, wird vorgeschlagen, daß die Lawinenvervielfachungsschicht aus einer InAlAss/InGaAsP- oder einer AlGaAsSb/AlGaInAs-Struktur besteht, so daß die Bandenergiediskontinuität des Valenzbandes Δ Ev zu Null wird. Dennoch wird die Bandenergiediskontinuität des Leitungsbandes Δ Ec ebenfalls verringert, so daß das Verhältnis der Ionisationsraten kleiner wird.
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lawinenphotodiode mit geringen Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Reaktionseigenschaften bereitzustellen.
  • Eine Lawinenphotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Merkmale wie in Anspruch 1 oder Anspruch 6 angegeben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben:
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Lawinenphotodiode darstellt;
  • Fig. 2 ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie darstellt, zur Erläuterung des Aufbaus einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3 ist ein Diagramm, das einen Reflexionsfaktor der Elektronen zeigt, der mit der Energie der Elektronen des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus korreliert;
  • Fig. 4A ist eine Querschnittsansicht, die eine Lawinenphotodiode in der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 4B ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode von Fig. 4A darstellt;
  • Fig. 5A ist eine Querschnittsansicht, die eine Lawinenphotodiode in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 5B ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode von Fig. 5A darstellt;
  • Fig. 6 ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie darstellt, zur Erläuterung einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer dritten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • Fig. 7 ist ein Diagramm, das einen Reflexionsfaktor der Elektronen zeigt, der mit der Energie der Elektronen des in Fig. 6 gezeigten Aufbaus korreliert;
  • Fig. 8A ist eine Querschnittsansicht, die eine Lawinenphotodiode in der dritten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 8B ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode von Fig. 8A darstellt;
  • Fig. 9 ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie darstellt, zur Erläuterung des Aufbaus einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer vierten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • Fig. 10 ist ein Diagramm, das den Reflexionsfaktor der Elektronen zeigt, der mit der Energie der Elektronen des in Fig. 9 gezeigten Aufbaus korreliert;
  • Fig. 11A ist eine Querschnittsansicht, die die Photodiode in der vierten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 11B ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode von Fig. 11A darstellt;
  • Fig. 12 ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer fünften bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
  • Fig. 13 ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie darstellt, zur Erläuterung des Aufbaus einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer sechsten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • Fig. 14 ist ein Diagramm, das einen Reflexionsfaktor der Elektronen zeigt, der mit der Energie der Elektronen des in Fig. 13 gezeigten Aufbaus korreliert;
  • Fig. 15A ist eine Querschnittsansicht, die eine Lawinenphotodiode in der sechsten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt; und
  • Fig. 15B ist ein vereinfachtes Modell, das die Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode von Fig. 15A darstellt.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Vor der Beschreibung einer Lawinenphotodiode in bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden herkömmliche Lawinenphotodioden anhand der Fig. 1 kurz beschrieben.
  • Die herkömmliche Lawinenphotodiode beinhaltet eine auf einern n-InP-Substrat 1 geformte n-InP-Pufferschicht 2, eine auf der n-InP-Pufferschicht 2 geformte lichtabsorbierende Schicht 3, eine auf der lichtabsorbierenden Schicht 3 geformte Lawinenvervielfachungsschicht 4, eine auf der Lawinenvervielfachungsschicht 4 geformte n-InP-Deckschicht 5, einen innerhalb der n-InP-Deckschicht 5 geformten p-photodetektierenden Bereich 6 und einen um den p-photodetektierenden Bereich 6 geformten p-Schutzring 7. Eine n-Elektrode 9 und eine p-Elektrode 10 sind jeweils in leitender Verbindung mit dem p-photodetektierenden Bereich 6 und dem n-InP- Substrat 1 vorgesehen. Zusätzlich ist auf der oben gelegenen Oberfläche der Lawinenphotodiode eine Passivierungsschicht 8 geformt, um deren gesamte Oberfläche mit Ausnahme der n-Elektrode 9 abzudecken.
  • Im Betrieb wird Licht 11 auf die Lawinenphotodiode gerichtet, an die zwischen der n-Elektrode 9 und der p-Elektrode 10 eine Sperrvorspannung angelegt ist. Das auf diese Weise zugeführte Licht 10 wird von der lichtsabsorbierenden Schicht 3 aus InGaAs absorbiert, um Elektronen und Löcher als Phototräger zu erzeugen. Die Löcher werden in die Lawinenvervielfachungsschicht 4 eingeleitet. Die Lawinenvervielfachungsschicht 4 wird mit einem Feld hoher Intensität beaufschlagt, so daß durch die eingeleiteten Löcher Ionisationseffekte zur Vervielfachung auftreten. Dennoch hat die herkömmliche Lawinenphotodiode mit dem beschriebenen Aufbau keine ausreichenden Eigenschaften bezüglich des geringen Rauschens und der Hochgeschwindigkeits-Reaktion.
  • Im folgenden wird eine Lawinenphotodiode in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben. Fig. 2 zeigt die Bandenergie zur Erläuterung eines Aufbaus einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer ersten bevorzugten Ausführungsform Die Lawinenvervielfachungsschicht hat eine heteroperiodische Struktur mit einer Sperrschicht, die aus einer Schicht InxAl1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) zur Verhinderung von Elektronentransmission, einer Mehrfachquantensperrschicht InxAl1-xAs/InyGa1-yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) und eine Well-Schicht aus InyGa1-yAs (0 ≤ y ≤ 1) besteht. An der Vielfachquantensperrschicht wird eine virtuelle Sperrschicht erzeugt, die höher ist als die reale Sperrschicht, so daß Elektronen, die in die Lawinenvervielfachungsschicht eingeleitet werden, die große Energiedifferenz zwischen der virtuellen Sperrschicht und der Well-Schicht erfahren. Dadurch erhalten die Elektronen eine große Ionisierungsenergie.
  • Fig. 3 zeigt einen Reflexionsfaktor von Elektronen, der mit der Energie von Elektronen in der Vielfachquantensperrschicht und der übergangsschwelle in der Lawinenvervielfachungsschicht mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau korreliert. Wenn die Elektronen die übergangsschwelle in der Lawinenvervielfachungsschicht erreichen, überwinden die meisten Elektronen, deren Energie bezüglich des Heterosperrenergieübergangs annähernd 0,5 eV höher liegt, die Übergangsschwelle, so daß der Reflexionsfaktor nahezu auf Null abnimmt. Wenn andererseits die Elektronen die Vielfachguantensperre erreichen, haben die meisten Elektronen eine Energie, die annähernd um 0,9 eV weit höher liegt als die Heterosperrenergie und werden an der Vielfachquantensperre reflektiert. Mit anderen Worten ist der Reflexionsfaktor der Elektronen in der Vielfachguantensperre 1,7 mal größer als derjenige in der Übergangssperre.
  • Im folgenden wird die Lawinenphotodiode in der ersten bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren 4A und 48 detaillierter beschrieben. Die Lawinenphotodiode beinhaltet eine auf einem p-InP-Substrat 12 geformte p-InP-Pufferschicht 13 mit einer Dicke von 0,5 µm, eine auf der p-InP- Pufferschicht 13 geformte lichtabsorbierende p-InGaAs- Schicht 14 mit einer Dicke von 1,5 µm, eine auf der lichtabsorbierenden Schicht 14 geformte Lawinenvervielfachungsschicht 15 mit einer Dicke von 1,0 µm, eine auf der Lawinenvervielfachungsschicht 15 geformte p-InP-Deckschicht 16 mit einer Dicke von 0,5 µm, einen innerhalb der p-InP- Deckschicht 16 mit einer Unreinheitskonzentration von 1 10¹&sup8; cm&supmin;³ durch Ionenimplantation von Si auf 1 10¹&sup4; cm² bis zu einer Tiefe von 0,5 µm bei 200 kV geformten n-photodetektierenden Bereich 18 und einen um den n-photodetektierenden Bereich 18 mit einer Unreinheitskonzentration von 5 10¹&sup6; cm&supmin;³ durch lonenimplantation von Si auf 1 10¹&sup8;cm&supmin;² bis zu einer Tiefe von 3000 Å (10 Å = 1 nm) bei 100 kV geformten n-Schutzring 17. Eine n-Elektrode 9 aus AuGe/Ni mit einer Dicke von 1500 Å und aus TiPtAu mit einer Dicke von 500 Å sowie eine p-Elektrode 10 aus AuZn mit einer Dicke von 1500 Å sind jeweils mit leitenden Verbindungen zu dem n-photodetektierenden Bereich 18 und dem p-InP-Substrat 12 vorgesehen. Zus;tzlich ist auf die obenliegende Oberfläche der Lawinenphotodiode eine Passivierungsschicht 8 mit einer Dicke von 1500 Å geformt, um deren gesamte Oberfläche mit Ausnahme der n-Elektrode 9 abzudecken.
  • Die Lawinenvervielfachungsschicht hat eine 16-heteroperiodische Struktur aus einer InAlAs-Sperrschicht mit einer Dicke von 500 Å und aus einer InGaAs-Well-Schicht mit einer Dicke von 250 Å. Die Sperrschicht besteht aus einer Schicht aus InAlAs mit einer Dicke von 100 Å zur Verhinderung von Elektronentransmission und aus einer Vielfachquantensperrschicht mit einer 5-periodischen Struktur aus InAlAs mit einer Dicke von 30 Å und aus InGaAs mit einer Dicke von 20 Å.
  • Im Betrieb werden nur Elektronen von in der lichtabsorbierenden Schicht 14 erzeugten Phototrägern in die Lawinenvervielfachungsschicht 15 aufgrund des daran angelegten Feldes hoher Intensität eingeleitet. Die Elektronen erhalten eine höhere Energie als in der herkömmlichen Lawinenvervielfachungsschicht, so daß die Ionisation der Elektronen verbessert wird. Andererseits haben die Löcher, die auf dem Valenzband driften, eine größere Masse als die Elektronen, so daß die Löcher die Wirkung der Vielfachquantensperre nicht erfahren. Dementsprechend wird das Ionisationsverhältnis α/β groß, so daß eine geringe Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Reaktionscharakteristik erzielt werden kann.
  • In der Lawinenphotodiode wird die Ionisation der Elektronen verbessert, so daß ein effektives Ionisationsverhältnis α/β = 120 wird. Ferner beträgt die Quanteneffektivität 80%, so daß in der Lawinenphotodiode eine geringe Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Reaktionscharakteristik realisiert wird.
  • Im folgenden wird eine Lawinenphotodiode in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren 5A und 5B erläutert. Der Aufbau der Lawinenphotodiode entspricht demjenigen der Lawinenphotodiode der ersten bevorzugten Ausführungsform mit dem Unterschied, daß eine Well-Schicht eine Lawinenvervielfachungsschicht 22 anstatt aus InGaAs aus InGaAsP besteht. Die Grundfigur der Bandenergie in der Lawinenvervielfachungsschicht 22 der in Fig. SB gezeigten Lawinenphotodiode der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die gleiche wie die in Fig. 2 gezeigte mit dem Unterschied, daß zwischen der Well-Schicht und Sperrschicht im Valenzband nahezu keine Bandenergiediskontinuität Δ Ev besteht, so daß der Löcherstau nicht auftritt. Dadurch kann in der Lawinenphotodiode eine höhere Reaktionsgeschwindigkeitscharakteristik erzielt werden.
  • Im folgenden wird eine Lawinenphotodiode in einer dritten bevorzugten Ausführungsform erläutert. Wie in Fig. 6 gezeigt, hat eine Lawinenvervielfachungsschicht der Photodiode in der dritten bevorzugten Ausführungsform eine heteroperiodische Struktur mit einer Sperrschicht bestehend aus einer Schicht aus AlxGa1-xAsySb1-y (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) zur Verhinderung von Elektronentransmission, einer Mehrfachquantensperrschicht aus AlxGa1-xAsySb1-y/InzGa1-zAS (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1) und eine Weil-Schicht aus InzGa1-zAs (0 ≤ z ≤ 1). An der Mehrfachquantensperrschicht wird eine virtuelle Sperre erzeugt, die höher ist als die reale Sperre, und die Elektronen erhalten eine große Ionisationsenergie wie in Fig. 2.
  • Fig. 7 zeigt einen Reflexionsfaktor von Elektronen, der mit der Energie der Elektronen in der Mehrfachquantensperrschicht und der übergangsschwelle in der dritten Lawinenvervielfachungsschicht mit dem in der Fig. 6 gezeigten Aufbau korreliert. In der Bandenergiestruktur kann, wie in Fig. 7 gezeigt, derselbe Effekt erwartet werden, wie in Fig. 3 beobachtet, und der Reflexionsfaktor der Elektronen in der Mehrfachquantensperrschicht ist 1,6 mal größer als derjenige in der Übergangssperre.
  • Im folgenden wird die Lawinenphotodiode in der dritten bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren 8A und 8B detaillierter erläutert. Die Lawinenphotodiode hat den gleichen Aufbau wie die Lawinenphotodiode der ersten bevorzugten Ausführungsform mit dem Unterschied, daß eine Lawinenvervielfachungsschicht 25 eine 16-heteroperiodische Struktur aus einer AlGaAsSb-Sperrschicht mit einer Dicke von 500 Å und eine InGaAs-Well-Schicht mit einer Dicke von 250 Å hat. Die Sperrschicht besteht aus einer Schicht aus AlGaAsSb mit einer Dicke von 100 Å zur Verhinderung von Elektronentransmission und einer Mehrfachquantensperrschicht mit einer 5-periodischen Struktur aus AlGaAsSb mit einer Dicke von 30 Å und InGaAs mit einer Dicke von 20 Å.
  • Die Grundfigur der Bandenergie der Lawinenvervielfachungsschicht 25 der Lawinenphotodiode in der dritten bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 8B gezeigt, entspricht derjenigen in Fig. 6 gezeigten und ihre Funktion ist deshalb die gleiche wie in der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform, so daß die Funktion hier nicht erläutert wird. In der Lawinenphotodiode wird das effektive Ionisationsverhältnis α/β = 110. Ferner beträgt die Quanteneffektivität 80%, so daß in der Lawinenphotodiode eine geringe Rauschund hohe Reaktionscharakteristik erzielt wird. In der Lawinenphotodiode der dritten bevorzugten Ausführungsform kann die Well-Schicht aus InGaAs durch eine solche aus AlGalnAs ersetzt werden. Bei einem solchen Aufbau wird die Bandenergiediskontinuität A Ev in dem Valenzband zu Null, so daß in der Lawinenphotodiode eine höhere Reaktionsgeschwindigkeitscharakteristik erzielt werden kann.
  • Fig. 9 zeigt die Bandenergie zur Erläuterung des Aufbaus einer Lawinenvervielfachungsschicht einer Lawinenphotodiode in einer vierten bevorzugten Ausführungsform. Die Lawinenvervielfachungsschicht hat eine heteroperiodische Struktur mit einer Sperrschicht bestehend aus einer Schicht aus InxAl1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) zur Verhinderung von Elektronentransmission, eine Mehrfachquantensperrschicht aus InxAl1xAs/InyGa1-yAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) und aus InxAl1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) und einer Well-Schicht aus InyAl1-yAs (0 ≤ x ≤ 1). An der Mehrfachquantensperrschicht wird wie in Fig. 2 oder 6 eine virtuelle Sperre erzeugt, die höher ist als die reale Sperre, und die Elektronen erhalten eine große Ionisationsenergie.
  • Fig. 10 zeigt einen Reflexionsfaktor von Elektronen, der mit der Energie der Elektronen in der Mehrfachquantensperre und der Übergangsschwelle in der dritten Lawinenvervielfachungsschicht mit dem in Fig. 9 gezeigten Aufbau korreliert. In einer solchen Bandstruktur ist der Reflexionsfaktor der Elektronen in der Mehrfachquantensperre 1,7 mal größer als derjenige in der Übergangssperre.
  • Im folgenden wird die Lawinenphotodiode in der vierten bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren 11A und 11B detaillierter erläutert. Die Lawinenphotodiode hat denselben Aufbau wie die Lawinenphotodiode der ersten bevorzugten Ausführungsform mit dem Unterschied, daß eine Lawinenvervielfachungsschicht 28 eine 16-heteroperiodische Struktur aus einer InAlAs-Sperrschicht mit einer Dicke von 500 Å und eine InGaAs-Well-Schicht mit einer Dicke von 250 Å hat. Die Sperrschicht besteht aus einer Schicht 29 aus InAlAs mit einer Dicke von 10 nm (100 Å) zur Verhinderung von Elektronentransmission, einer Mehrfachquantensperrschicht 30 mit einer 5-periodischen Struktur aus InAlAs mit einer Dicke von 3 nm (30 Å) und InGaAs mit einer Dicke von 2 nm (20 Å) und einer InAlAs-Sperrschicht 31 mit einer Dicke von 15 nm (150 Å).
  • Die Grundfigur der Bandenergie in der Lawinenvervielfachungsschicht 28 der Lawinenphotodiode in der vierten bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 11b gezeigt, entspricht der in Fig. 9 gezeigten, und ihre Funktion ist diesselbe wie in der ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsform, so daß die Funktion hier nicht erläutert wird. In der Lawinenphotodiode wird ein effektives Ionisationsverhältnis α/β = 100. Ferner beträgt die Quanteneffektivität 80%, so daß in der Lawinenphotodiode eine geringe Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Reaktionscharakteristik realisiert werden kann.
  • Im folgenden wird eine Lawinenphotodiode in einer fünften bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit Fig. 12 erläutert. Die Lawinenphotodiode hat den gleichen Aufbau wie die Lawinenphotodiode der vierten bevorzugten Ausführungsform mit dem Unterschied, daß eine Well-Schicht einer Lawinenvervielfachungsschicht aus InGaAsP mit einer Dicke von 20 nm (200 Å) besteht anstatt aus InGaAs mit einer Dicke von 25 nm (250 Å). Die in Fig. 11B gezeigte Basisfigur der Bandenergie in der Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode in der fünften bevorzugten Ausführungsform entspricht der in Fig. 9 gezeigten mit dem Unterschied, daß zwischen der Well-Schicht und der Sperr-Schicht in dem Valenzband nahezu keine Bandenergiediskontinuität Δ Ev besteht, so daß der Löcherstau nicht auftritt. Dadurch kann in der Lawinenphotodiode eine höhere Reaktionsgeschwindigkeitscharakteristik erzielt werden.
  • Im folgenden wird eine Lawinenphotodiode in einer sechsten bevorzugten Ausführungsform erläutert. Wie in Fig. 13 gezeigt, hat eine Lawinenvervielfachungsschicht der Lawinenphotodiode in der sechsten bevorzugten Ausführungsform eine heteroperiodische Struktur mit einer Sperrschicht bestehend aus einer Schicht aus AlxGa1-xAsySb1-y (0 ≤x≤ 1, 0≤y≤1) zur Verhinderung von Elektronentransmission, eine Mehrfachquantensperrschicht aus AlxGa1-xAsySb1-y/InzGa1-zAs (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1) und einer Well-Schicht aus InzGa1-zAs (0 ≤ z ≤ 1). An der Mehrfachquantensperrschicht wird eine virtuelle Sperre erzeugt, die höher ist als die reale Sperre, und die Elektronen erhalten eine große Ionisationsenergie.
  • Fig. 14 zeigt einen Reflexionsfaktor von Elektronen, der mit der Energie der Elektronen in der Mehrfachquantensperrschicht und der Übergangsschwelle in der fünften Lawinenvervielfachungsschicht mit dem in Fig. 13 gezeigten Aufbau korrelliert. In der Bandenergiestruktur, wie in Fig. 14 gezeigt, kann der gleiche in Fig. 7 beobachtete Effekt erwartet werden, und der Reflexionsfaktor der Elektronen in der Mehrfachquantensperrschicht ist 1,6 mal größer als derjenige in der Übergangssperre.
  • Im folgenden wird die Lawinenphotodiode in der sechsten bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren 15A und 15B detaillierter beschrieben. Die Lawinenphotodiode hat denselben Aufbau wie die Lawinenphotodiode in der sechsten bevorzugten Ausführungsform mit dem Unterschied, daß eine Lawinenvervielfachungsschicht 35 eine 16-heteroperiodische Struktur aus einer AlGaAsSb-Sperrschicht mit einer Dicke von 500 Å und eine InGaAs-Well-Schicht mit einer Dicke von 250 Å hat. Die Sperrschicht besteht aus einer Schicht aus AlGaAsSb mit einer Dicke von 100 Å zur Verhinderung von Elektronentransmission, einer Mehrfachquantensperrschicht mit einer 5-periodischen Struktur aus AlGaAsSb mit einer Dicke von 30 Å und InGaAs mit einer Dicke von 20 Å und eine AlGAsSb-Sperrschicht mit einer Dicke von 150 Å.
  • Die in Fig. 15B gezeigte Grundfigur der Bandenergie in der Lawinenvervielfachungsschicht 35 der Lawinenphotodiode in der sechsten bevorzugten Ausführungsform entspricht der in Fig. 13 gezeigten, und ihre Funktion ist die gleiche wie diejenige in der ersten bis fünften bevorzugten Ausführungsform, so daß die Funktion hier nicht erläutert wird. In der Lawinenphotodiode wird ein effektives lonisationsverhältnis α/β = 90. Ferner beträgt die Quanteneffektivität 80%, so daß in der Lawinenphotodiode eine geringe Rauschund eine Hochgeschwindigkeits-Reaktionscharakteristik realisiert wird. In der Lawinenphotodiode der sechsten bevorzugten Ausführungsform kann die Weh-Schicht aus InGaAs durch eine solche aus AlGalnAs ersetzt werden. Bei einem solchen Aufbau wird die Bandenergiediskontinuität in dem Valenzband zu Null, so daß in der Lawinenphotodiode eine höhere Reaktionsgeschwindigkeitscharakteristik erzielt werden kann.

Claims (10)

1. Lawinenphotodiode mit:
einer lichtabsorbierenden Schicht (14),
einer abwechselnd mit ersten Sperrschichten und Well- Schichten versehene Lawinenvervielfachungsschicht (15) mit heteroperiodischer Struktur und ersten und zweiten Elektroden (9, 10) zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung an die lichtabsorbierende und die Lawinenvervielfachungsschicht (14, 15); dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Sperrschichten der Lawinenvervielfachungsschicht (15) eine Mehrfachquantensperrschicht (21) mit einer periodischen Struktur mit abwechselnd vorgesehenen schmalen Sperrschichten und Well-Schichten aufweist, wobei eine virtuelle Sperre, die so geformt ist, höher ist als die erste Sperrschicht und an der Mehrfachquantensperrschicht (21) gebildet wird, so daß Elektronen, die in die Lawinenvervielfachungsschicht (15) eingespeist werden, große Energiedifferenzen zwischen der virtuellen Sperre und der Well-Schicht erfahren, so daß die Elektronen eine große Ionisierungsenergie erhalten;
- wobei die ersten Sperrschichten und die schmalen Sperrschichten eine erste Verbindung der Gruppe III-V aufweisen und die ersten Well-Schichten und schmalen Well-Schichten eine zweite Verbindung der Gruppe III-V aufweisen und die Verbindungen die folgenden Bedingungen erfüllen:
EA < EB und EA + EgA < EB + EgB
wobei EA und EB jeweils die durchschnittlichen Ionisierungsenergien der ersten und der zweiten Verbindung der Gruppe III-V sind und EgA und EgB jeweils die verbotenen Bandlückenenergien sind.
2. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 1, bei der: die Mehrfachquantensperrschicht (21) in der Mitte der Sperrschicht vorgesehen ist.
3. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 1, bei der: die Mehrfachquantensperrschicht (21) an dem bezüglich der absorbierenden Schicht der Sperrschicht stromabwärts gelegenen Ende vorgesehen ist.
4. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 1, bei der: die Sperrschicht aus AlGaAsSb besteht; die Well-Schicht aus InGaAs besteht; und die schmale Sperrschicht und die Well-Schicht der Mehrfachguantensperrschicht (21) aus AlGaAsSb bzw. InGaAs besteht.
5. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 1, bei der: die Sperrschicht aus AlGaAsSb besteht; die Well-Schicht aus AlGalnAs besteht; und die schmale Sperrschicht und die Well-Schicht der Mehrfachquantensperrschicht (21) aus AlGaAsSb bzw. InGaAs besteht; wobei die Bandenergiediskontinuität zwischen der Sperrschicht und der Well-Schicht im Valenzband zu Null wird.
-
6. Lawinenphotodiode mit: einer lichtabsorbierenden Schicht (14), einer abwechselnd mit ersten Sperrschichten und Well- Schichten versehene Lawinenvervielfachungsschicht (15) mit heteroperiodischer Struktur und ersten und zweiten Elektroden (9, 10) zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung an die lichtabsorbierende und die Lawinenvervielfachungsschicht (14, 15); dadurch gekennzeichnet , daß jede der ersten Sperrschichten der Lawinenvervielfachungsschicht (15) eine Mehrfachquantensperrschicht (21) mit einer periodischen Struktur mit abwechselnd vorgesehenen schmalen Sperrschichten und Weil-Schichten aufweist, wobei eine virtuelle Sperre, die so geformt ist, hoher ist als die erste Sperrschicht und an der Mehrfachsperrschicht (21) gebildet wird, so daß Elektronen, die in die Lawinenvervielfachungsschicht (15) eingespeist werden, große Energiedifferenzen zwischen der virtuellen Sperre und der Weil-Schicht erfahren, so daß die Elektronen eine große Ionisierungsenergie erhalten; wobei die ersten Sperrschichten und die schmalen Sperrschichten eine erste Verbindung der Gruppe III-V aufweisen und die ersten Weil-Schichten und schmalen Sperr-Schichten eine zweite Verbindung der Gruppe III-V aufweisen und die Verbindungen die folgenden Bedingungen erfüllen:
EA < EB und EA + EgA > EB + EgB
wobei EA und EB die durchschnittlichen lonisierungsenergien der ersten bzw. zweiten Verbindungen der Gruppe III-V sind und EgA und EgB jeweils die verbotenen Bandlückenenergien sind.
7. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 6, bei der: die Mehrfachquantensperrschicht (21) in der Mitte der Sperrschicht vorgesehen ist.
8. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 6, bei der: die Mehrfachquantensperrschicht (21) an dem bezüglich der absorbierenden Schicht der Sperrschicht stromabwärts gelegenen Ende vorgesehen ist.
9. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 6, bei der: die Sperrschicht aus InAlAs besteht; die Weil-Schicht aus InGaAs besteht; und die schmale Sperrschicht und die Weil-Schicht der Mehrfachquantensperrschicht (21) aus InAlAs bzw. InGaAs besteht.
10. Lawinenphotodiode gemäß Anspruch 6, bei der: die Sperrschicht aus InAlAs besteht; die Weil-Schicht aus InGaAsP besteht; und die schmale Sperrschicht und die Weil-Schicht der Mehrfachquantensperrschicht (21) aus InAlAs bzw. InGaAs besteht; wobei die Bandenergiediskontinuität zwischen der Sperrschicht und der Weil-Schicht im Valenzband zu Null wird.
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