DE69721618T2

DE69721618T2 - Halbleiter-Photodetektor mit Wellenleiter

Info

Publication number: DE69721618T2
Application number: DE69721618T
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Ischara-shi Kato; Yoshifumi Zama-shi Muramoto; Osaake Ebina-shi Nakajima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: US5949120A; DE69721618D1; EP0793279A2; EP0793279A3; EP0793279B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterphotodetektor, und insbesondere einen Wellenleiterhalbleiterphotodetektor bzw. einen Halbleiterdetektor mit Wellenleiter.
In letzter Zeit wird der Ersatz von existierenden elektrischen Kabeln durch optische Übertragungskabel als Teilnehmerkommunikationsmittel erprobt. Dabei besteht die größte technische Schwierigkeit darin, klein dimensionierte hochzuverlässige Teilnehmer-Sende/Empfangsvorrichtungen kostengünstig bereitzustellen. Auch bei konventionellen vorgeschlagenen Sende/Empfangsvorrichtungen versucht man, eine Lichtemissionseinrichtung 501, einen Photodetektor 502 und einen optischen Wellenleiter bzw. Lichtwellenleiter 503 integral auf einem einzigen Substrat 504 auszubilden, wie es in 4 gezeigt ist, zusätzlich zu der Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen unter Verwendung von ICs und der Reduzierung des Energieverbrauchs. Um diese Einrichtung auf dem Substrat 504, auf welchem der Lichtwellenleiter 503 mit einer optischen Verzweigungsschaltung 505 gebildet ist, integral auszubilden, ist es wichtig, Wellenleiterstrukturen sowohl in der Lichtemissionseinrichtung 505 als auch im Photodetektor 502 zu bilden. Man beachte, daß in 4 Bezugsziffer 506 eine Überwachungsphotodiode kennzeichnet.
Als ein Photodetektor mit einer solchen Wellenleiterstruktur wurde der in 5 dargestellte Wellenleiterhalbleiterphoto detektor untersucht, da dieser Photodetektor für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.
Bei diesem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor wird eine 0,6-μm Dicke n-Typ InGaAsP optische Leiterschicht 602 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,3 μm auf einem semi-isolierenden InP Substrat 601 gebildet. In einer bestimmten Region ist auf dieser optischen Leiterschicht 602 eine 0,6-μm Dicke n-Typ InGaAs Photoabsorptionsschicht 603 mit einer geringen Ladungsträgerdichte gebildet. Eine 0,6-μm Dicke p-Typ InGaAsP optische Leiterschicht 605 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,3 μm wird auf der Photoabsorptionsschicht 603 gebildet. Eine 0,5-μm Dicke p-Typ InP Mantelschicht 606 ist ferner auf der optischen Leiterschicht 605 gebildet.
Eine n-Typ ohmsche Elektrode 607 ist auf einer Region gebildet, in welcher keine Photoabsorptionsschicht 603 auf der optischen Leiterschicht 602 gebildet ist. Eine p-Typ ohmsche Schicht 608 wird auf der Mantelschicht 606 gebildet (K. Kato et al., "A. high-efficiency 50 GHz InGaAs multimode waveguide photodetektor", IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. 28, Nr. 12, S. 2728, 1992).
Das Betriebsprinzip dieses Halbleiterdetektors, der in 5 gezeigt ist, ist folgendermaßen: Einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 1,5 μm, welches an der Spaltungsfläche einfällt, wird in einem Lichtwellenleiter geführt, der durch das Substrat 601, die optische Leiterschicht 602, die Photoabsorptionsschicht 603, die optische Leiterschicht 605 und die Mantelschicht 606 gebildet wird. Während das einfallende Licht im optischen Wellenleiter geleitet wird, wird das einfallende Licht durch die Photoabsorptionsschicht 603 absorbiert und in Elektronen und Löcher umgewandelt (O/E Umwandlung). Diese Elektronen und Löcher, welche durch die O/E Umwandlung gebildet werden, werden durch ein elektrisches Feld, welches durch eine am pn-Übergang angelegte Umkehrvorspannung bzw. Sperrspannung erzeugt wird, zu den n bzw. p-Typ Halbleiterleiterschichten getrieben, und sie werden aus der Einrichtung als ein Signalstrom ausgegeben.
Zum Bereitstellen einer kleinen, zuverlässigen Sende/Empfangsvorrichtung zu geringen Kosten, wie es vorstehend beschrieben wurde, besteht für eine Lichtemissionseinrichtung kein Problem. Jedoch ergeben sich die folgenden Probleme, wenn ein Wellenleiterphotodetektor als Photodetektor für eine Teilnehmer-Sende/Empfangsvorrichtung verwendet wird.
Als erstes ist es bei einer Teilnehmer-Sende/Empfangsvorrichtung notwendig, gleichzeitig eine Miniaturisierung der elektronischen Schaltungen und eine Verringerung des Energieverbrauches zu realisieren. Um dies zu erreichen, müssen integrierte Schaltungen verwendet werden, die mit einer geringeren Spannung betrieben werden, so daß die Betriebsspannung einer Lichtemissionseinrichtung und eines Photodetektors in entsprechender Weise verringert ist. Auch muß die Spannung, welche an dem Photodetektor angelegt wird, 2 V oder weniger als diejenige betragen, welche bei integrierten Schaltungen mit niedrigem Energieverbrauch verwendet wird, und sie beträgt bevorzugt 1 V.
Selbst ein derartiger Photodetektor benötigt normalerweise eine hohe O/E Umwandlungseffizienz (welche nachfolgend einfach als "Effizienz" bezeichnet wird) und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit.
Der Wellenleiterhalbleiterphotodetektor, der in 5 dargestellt ist, weist eine Lichtwellenleiterstruktur auf und ist in dieser Hinsicht für die Integration einer Sende/Empfangsvorrichtung geeignet, welche notwendig ist, um eine optische Kommunikation in dem Teilnehmersystem zu realisieren.
Andererseits hat dieser Wellenleiterhalbleiterphotodetektor eine sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit bis zu 50 GHZ, so daß die Anwendung für ein Übertragungssystem mit großer Kapazität und hoher Geschwindigkeit, welches zwischen Schaltsystemen verwendet wird, ausgiebig erprobt wurde. Wie weiter unten beschrieben wird, nimmt daher die Ansprechgeschwindigkeit ab, wenn die Arbeitsgeschwindigkeit verringert wird; und dieser Umstand macht diesen Photodetektor ungeeignet für eine Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen in der Sende/Empfangsvorrichtung und die Verringerung des Energieverbrauchs der Vorrichtung.
Erstens muß die Dicke der Photoabsorptionsschicht 2 μm oder mehr betragen. Die Gründe dafür werden nachstehend erläutert. Wird ein optisches Signal mit einem Durchmesser von etwa 10 μm, welches durch einen Lichtleiter zugeführt wird, unter Verwendung eines Wellenleiterhalbleiterphotodetektors mit einer begrenzten Länge empfangen, kann die Effizienz der O/E Umwandlung mit zunehmender Dicke der Photoabsorptionsschicht erhöht werden. Zusätzlich wird bei einem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor zum Verringern der Kapazität und zum Ermöglichen, daß ein optisches Eingangssignal (Durchmesser = ungefähr 10 μm) aus einer Lichtfaser effizient in einen Wellenleiter gekoppelt wird, wird der Lichtwellenleiter, welcher die Photoabsorptionsschicht enthält, so behandelt, daß er eine Mesastruktur (oder eine Stegstruktur) mit einer Breite von etwa 30 μm aufweist. Um die Kapazität auf einen gewünschten geringen Wert zu reduzieren, muß ferner die Länge des Lichtwellenleiters, welcher die Photoabsorptionsschicht umfaßt, weiter verringert werden.
Wenn aus den vorgenannten Gründen die Photoabsorptionsschicht verdünnt wird, kann ein Signal nicht mehr gut durch die Photoabsorptionsschicht absorbiert werden. Wenn die Bauelementlänge beispielsweise 100 μm beträgt, liegt die Effizienz der O/E Umwandlung je nach der Dicke dieser Photoabsorptionsschicht bei 90% für eine 3-μm dicke Photoabsorptionsschicht und bei 75% für eine 2-μm dicke Photoabsorptionsschicht. Um die Photoabsorptionsschicht als ein Photodetektor zu verwenden, ist eine Effizienz von 70% oder mehr notwendig. Daher muß die Dicke der Photoabsorptionsschicht 2 μm oder mehr betragen.
Andererseits wird in einem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor die Photoabsorptionsschicht im allgemeinen mit einer geringstmöglichen Ladungssträgerdichte ausgebildet, z. B. eine n-Typ geringe Ladungsträgerdichte von etwa 1 × 10¹⁵ cm^–3, aus Gründen des Kristallwachstums. Dies liegt daran, um die Photoabsorptionsschicht so stark wie möglich mit einer angelegten Vorspannung auszuräumen und zu ermöglichen, daß Ladungsträger (Elektronen und Löcher), welche durch O/E Umwandlung gebildet werden, sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung sind jedoch auf folgendes Problem gestoßen. Wie es in 6 gezeigt ist, wird bei einer geringen Vorspannung von beispielsweise 1 V eine Photoabsorptionsschicht 701 mit einer Ladungsträgerdichte von etwa 1 × 10¹⁵ cm^–3 nur bis etwa 1,5 μm ausgeräumt. Folglich verbleibt bei einem Bauelement, bei welchem die Dicke der Photoabsorptionsschicht 701 3μm beträgt, eine n-Typ Schicht 702 von etwa 1,5 μm der Photoabsorptionsschicht 701, welche nicht verarmt bzw. ausgeräumt ist. Ein Loch 701, welches durch eine O/E Umwandlung erzeugt wird, bewegt sich langsam in dieser n-Typ Schicht 701 aufgrund der Ladungsträgerdiffusion und tritt sodann in die Verarmungsregion 703 ein. Dementsprechend ist es in diesem Zustand nicht möglich, auf ein Hochgeschwindigkeitssignal von 10 MHz oder mehr anzusprechen.
Zusammengefaßt muß bei konventionellen Wellenleiterhalbleiterphotodetektoren die Dicke der Photoabsorptionsschicht erhöht werden auf beispielsweise 3 μm, um die Effizienz der O/E Umwandlung zu erhöhen. Wenn jedoch die Dicke der Photoabsorptionsschicht auf diese Weise erhöht wird, wird es unmöglich, auf optische Hochgeschwindigkeitssignale zu reagieren bzw. anzusprechen Das heißt, wenn der konventionelle Halbleiterphotodetektor, wie er vorstehend beschrieben wurde, als ein Photodetektor einer Teilnehmer-Sende/Empfangsvorrichtung ver wendet wird, ist es schwierig, gleichzeitig eine hohe Effizienz und eine hohe Betriebsgeschwindigkeit zu realisieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterphotodetektor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, auf optische Hochgeschwindigkeitssignale anzusprechen, ohne Verringerung der O/E Umwandlungseffizienz, selbst wenn er mit einer geringen Spannung von etwa 1 v betrieben wird.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterphotodetektor bereitgestellt, aufweisend: der eine Photoabsorptionsschicht mit einer ersten Schicht vom n-Typ und einer zweiten Schicht vom p-Typ, welche in Kontakt mit der ersten Schicht gebildet ist, eine erste Halbleiterschicht vom n-Typ, welche an der Seite der ersten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante und einen niedrigeren Brechungsindex als in der Photoabsorptionsschicht aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht vom p-Typ, welche an der Seite der zweiten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante und einen niedrigeren Brechungsindex als in der Photoabsorptionsschicht aufweist, wobei die erste Schicht vollständig ausgeräumt und die zweite Schicht teilweise ausgeräumt wird, wenn eine vorgegebene Sperr- bzw. Sperrvorspannung zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angelegt ist.
Bei dieser Struktur wird die erste Schicht vollständig ausgeräumt, wenn eine vorgegebene Spannung angelegt wird, und dies erhöht die Bewegungsgeschwindigkeit selbst von Löchern. Obwohl die zweite Schicht vom p-Typ nicht vollständig ausgeräumt wird, sind die optisch angeregten Ladungsträger, welche zu der O/E Umwandlung beitragen, Elektronen als Minoritätsladungsträger. Daher wird die Ansprechgeschwindigkeit des Halb leiterphotodetektors durch die sehr hohe Diffusionsrate der Elektronen erhöht.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung nimmt die Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante der zweiten Schicht mit dem Abstand von der ersten Schicht in Richtung der Dicke ab.
Bei dieser Struktur ist der Gradient einer Bandlücke in der zweiten Schicht gebildet. Dies bewirkt, daß die Geschwindigkeit, bei welcher sich Ladungsträger (Elektronen) zu der ersten Schicht hin bewegen, höher als die Diffusionsrate der Elektronen ist.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung nimmt die Fremdatomdichte in der zweiten Schicht im Abstand von der ersten Schicht in Richtung der Dicke zu.
Bei dieser Struktur wird ein elektrisches Feld durch den Gradienten der Fremdatomdichte gebildet, selbst in einer nicht ausgeräumten Region der zweiten Schicht. Dies bewirkt, daß die Geschwindigkeit, bei welcher sich Ladungsträger (Elektronen) in die zweite Schicht bewegen, höher als die Diffusionsrate der Elektronen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A und 1B sind eine Schnittansicht bzw. ein Banddiagramm, welche die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
2A und 2B sind eine Schnittansicht bzw. ein Banddiagramm, welche die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
3A und 3B sind eine Schnittansicht bzw. ein Banddiagramm, welche die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
4 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer integrierten Sende/Empfangsvorrichtung für eine optische Kommunikation zeigt;
5 ist eine Schnittansicht, welche die Struktur eines konventionellen Halbleiterphotodetektors vom Wellenleitertyp zeigt; und
6 ist ein Banddiagramm eines konventionellen Wellenleiterhalbleiterphotodetektors.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die 1A und 1B zeigen die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel, sowie es in 1A gezeigt ist, ist eine 2-μm dicke n-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 102 mit einer Bandlückenlänge von 1,2 μm auf einem Substrat 102 gebildet, welches eine FE-dotierte semiisolierende InP Schicht ist. Diese Wellenleiterschicht 102 ist vom n-Typ durch Dotierung von Silizium bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3.
In einer bestimmten Region auf der Wellenleiterschicht 102 ist eine 1,5-μm dicke n-Typ InGaAsP untere Photoabsorptions schicht 103 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,4 μm und einer geringen Ladungsträgerdichte gebildet. Eine 1,5-μm dichte p-Typ InGaAsP obere Photoabsorptionsschicht 104 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,4 μm ist auf der unteren Photoabsorptionsschicht gebildet. Obwohl kein Fremdatom in die untere Photoabsorptionsschicht 103 dotiert ist, enthält die Schicht 103 eine sehr geringe Menge von Silizium von einer Dichte von 10¹⁵ cm^–3 und als Folge davon ist die Schicht 103 von einem n-Typ. Die obere Photoabsorptionsschicht 104 ist von einem p-Typ durch Dotieren von Zn als Fremdatome bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3.
Auf der oberen Photoabsorptionsschicht 104 ist eine 2-μm dikke p-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 105 mit einer Bandlükkenlänge von 1,2 μm und dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3 gebildet. Auf der Wellenleiterschicht 105 ist eine 0,5-μm Dicke p-Typ InP Mantelschicht 106, dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3, gebildet.
Zusätzlich ist eine n-Typ ohmsche Elektrode 107 in einer Region auf der Wellenleiterschicht 102 gebildet, in welcher keine Photoabsorptionsschicht gebildet ist, und eine p-Typ ohmsche Elektrode 108 ist auf der Mantelschicht 106 gebildet.
Bei diesem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor bilden die Wellenleiterschicht 102, die untere Photoabsorptionsschicht 103, die obere Photoabsorptionsschicht 104, die Wellenleiterschicht 105 und die Mantelschicht 106 eine Stegstruktur, welche 100 μm lang und 30 μm breit ist.
Eine Bandstruktur von der Wellenleiterschicht 102 zu der Wellenleiterschicht 105 in obiger Struktur ist im Banddiagramm von 1B dargestellt.
In einem in 1B dargestellten Zustand wird einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 μm, welches an der Stirnseite einfällt, durch die untere und obere Photoabsorptions schickt 103 und 104 graduell einer O/E Umwandlung unterzogen bzw. O/E-umgewandelt, während das Licht im Wellenleiterphotodetektor geführt wird, wodurch Elektronen 111a und 111b und Löcher 112a und 112b erzeugt werden.
Die Elektronen 111a und 111b bewegen sich in Richtung der Wellenleiterschicht 102, und das Loch 112a bewegt sich in Richtung der oberen Photoabsorptionsschicht 104. Das Loch 112b verschwindet andererseits, wenn es sich mit einem der Elektronen koppelt, welche nur aufgrund thermischer Anregung in der oberen Photoabsorptionsschicht 104 vom p-Typ kaum vorkommen.
Das Loch 112a und das Elektron 111a, welche durch Photoabsorption in der verarmten unteren Photoabsorptionsschicht 103 erzeugt werden, erreichen die obere Photoabsorptionsschicht 104 bzw. die Wellenleiterschicht 102. Das Elektron 111b, welches durch Photoabsorption in der oberen Photoabsorptionsschicht 104 erzeugt wird, in welcher die Elektronen Minoritätsladungsträger sind, dringt durch die untere Photoabsorptionsschicht 103 und erreicht die Wellenleiterschicht 102. Das heißt, Elektronen und Löcher durchlaufen die Verarmungsschicht, und dies erzeugt einen O/E-Umwandlungsstrom
Bei dem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor nach dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der oberen Photoabsorptionsschicht 104 in die untere Photoabsorptionsschicht 103. Da die Dicke der unteren Photoabsorptionsschicht 103 1,5 μm beträgt, wird die gesamte Schicht ausgeräumt, selbst bei einer angelegten Spannung von 1 V. Dementsprechend bewegen sich Ladungsträger, welche zu dem O/E-Umwandlungsstrom beitragen, der durch eine O/E Umwandlung in der unteren Photoabsorptionsschicht 103 erzeugt wird, mit Driftgeschwindigkeit und können auf eine hohe Geschwindigkeit ansprechen.
Ferner ist die obere Photoabsorptionsschicht 104 aus einem p-Typ Halbleiter gebildet. Daher ist das Ansprechverhalten des Elektrons 111b, welches zu dem durch O/E Umwandlung in der oberen Photoabsorptionsschicht 104 erzeugten O/E-Umwandlungsstrom beiträgt, durch die Diffusionsrate der Elektronen dominiert. Die Diffusionsrate des Elektrons 111b ist mindestens eine Größenordnung höher als die Diffusionsrate eines Loches. Das heißt, das Elektron 111b bewegt sich bei einer hohen Geschwindigkeit und kann in einer hohen Geschwindigkeit ansprechen.
Aufgrund der zwei oben beschriebenen Gründe sind alle Ladungsträger, welche in der unteren und oberen Photoabsorptionsschicht 103 und 104 erzeugt werden und zum O/E-Umwandlungsströmen beitragen, in der Lage, mit einer hohen Geschwindigkeit anzusprechen. Als Folge davon kann der Wellenleiterhalbleiterdetektor nach dem ersten Ausführungsbeispiel optische Signale hoher Frequenzen empfangen.
In der Tat war der Halbleiterphotodetektor nach dem ersten Ausführungsbeispiel in der Lage, ein optisches Signal mit einer Frequenz von 10 GHz bei einer O/E Umwandlungseffizienz von 80% zu empfangen, wobei eine Vorspannung von 1 V angelegt war. Diese O/E Umwandlungseffizienz gelangte in Sättigung bei 1 V.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird die Spaltungsfläche als Lichteinfallsseite verwendet. Jedoch kann ein ähnlicher Effekt erwartet werden, selbst wenn eine durch Ätzen gebildete Fläche als die Lichteinfallsseite verwendet wird. Auch wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein semiisolierendes Halbleitersubstrat verwendet, jedoch kann ein ähnlicher Effekt erwartet werden, selbst wenn ein leitendes Halbleitersubstrat verwendet wird. Falls dies der Fall ist, kann ein analoger Effekt erwartet werden, selbst wenn eine Elektrode auf der Rückseite des Halbleitersubstrats gebildet ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die 2A und 2B zeigen die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie es in 2A gezeigt ist, ist eine 2-μm Dicke n-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 202 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,2 μm, dotiert mit Si als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3, auf einem Substrat 201 gebildet, welches eine Fedotierte semi-isolierende InP Mantelschicht ist.
In einer bestimmten Region dieser Wellenleiterschicht 202 ist eine 1,5-μm Dicke n-Typ InGaAsP untere Photoabsorptionsschicht 203 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,4 μm und einer geringen Ladungsträgerdichte gebildet. Man beachte, daß, obwohl keine Fremdatome in der unteren Photoabsorptionsschicht 103 dotiert sind, die Schicht 203 einen sehr geringen Anteil von Silizium mit einer Dichte von 10¹⁵ cm^–3 aufweist und als Folge davon die Schicht 103 vom n-Typ ist.
Zusätzlich ist eine 1,5-μm Dicke p-Typ InGaAsP obere Photoabsorptionsschicht 204, dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3, auf der unteren Photoabsorptionsschicht 103 gebildet. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel verändert sich die Bandlückenwellenlänge von der unteren Photoabsorptionsschicht 204 graduell von 1,4 μm auf 1,35 μm von der unteren zur oberen Seite.
Auf der unteren Photoabsorptionsschicht 204 ist eine 2-μm Dicke p-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 205 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,2 μm und dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3 gebildet. Auf die Wellenleiterschicht 205 ist eine 0,5-μm Dicke p-Typ InP Mantelschicht 206, dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3, gebildet.
Zusätzlich ist eine n-Typ ohmsche Elektrode 207 in einer Region der Wellenleiterschicht 202 gebildet, in welcher keine Photoabsorptionsschicht gebildet ist, und eine p-Typ ohmsche Elektrode 208 ist auf der Mantelschicht 206 gebildet.
Bei diesem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor bilden die Wellenleiterschicht 202, die obere Photoabsorptionsschicht 203, die untere Photoabsorptionsschicht 204, die Wellenleiterschicht 205 und die Mantelschicht 206 eine Stegstruktur, welche 100 μm lang und 30 μm breit ist. Diese Stegstruktur hat eine optische Wellenleiterstruktur mit Kernschichten, welche durch Stapeln der unteren und oberen Photoabsorptionsschicht 203 und 204 gebildet sind.
Von der Spaltungsseite einfallendes Licht wird durch die Photoabsorptionsschichten graduell O/E-umgewandelt, während das Licht im Wellenleiterphotodetektor leitet wird.
Eine Bandstruktur von der Wellenleiterschicht 202 zu der Wellenleiterschicht 205 in obiger Struktur ist eine solche, welche im Banddiagramm von 2B dargestellt ist. Bei dem Wellenleiterphotodetektor nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel hat die untere Photoabsorptionsschicht 203 eine Dicke von 1,5 μm und eine geringe n-Typ Ladungsträgerdichte, so daß die gesamte Schicht verarmt bzw. ausgeräumt wird. Dementsprechend bewegen sich Ladungsträger, welche durch eine O/E-Umwandlung in der unteren Photoabsorptionsschicht 203 erzeugt werden, mit Driftgeschwindigkeit und können bei einer hohen Geschwindigkeit ansprechen.
Da ferner die obere Photoabsorptionsschicht 204 aus einem p-Typ Halbleiter gebildet ist, wird das Ansprechen der Ladungsträger, welche durch eine O/E Umwandlung erzeugt werden, durch die Diffusionsrate der Elektronen dominiert. Die Diffusionsrate von Elektronen ist mindestens eine Größenordnung höher als die Diffusionsrate von Löchern, und dies ermöglicht, daß Elektronen in einer hohen Geschwindigkeit ansprechen. Dies ist dasselbe wie bei dem Wellenleiterphotodetektor nach dem ersten Ausführungsbeispiel, das oben beschrieben wurde.
Zusätzlich verändert sich beim Wellenleiterphotodetektor nach dem zweiten Ausführungsbeispiel die Bandlückenwellenlänge der oberen optischen Absorptionsschicht 204 graduell von 1,4 μm zu 1,35 μm von der unteren zur oberen Seite. Daher bildet sich der Gradient einer Bandlücke in der oberen Photoabsorptionsschicht 204. Das heißt, eine Region, in welcher Elektronen in Richtung der Wellenleiterschicht 202 driften, wird auch in der oberen Photoabsorptionsschicht 204 ausgebildet. Sodann werden Elektronen als Minoritätsladungsträger in der oberen Photoabsorptionsschicht 204 beschleunigt. Daher ist nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Ansprechgeschwindigkeit höher als diejenige im Halbleiterphotodetektor des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Spaltungsfläche als die Lichteinfallendseite wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Jedoch kann ein ähnlicher Effekt erwartet werden, selbst wenn eine durch Ätzen gebildete Fläche als die Lichteinfallsseite verwendet wird.
Auch wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ein semiisolierendes Halbleitersubstrat verwendet; jedoch kann ein ähnlicher Effekt erwartet werden, selbst wenn ein leitendes Halbleitersubstrat verwendet wird. Falls dies der Fall ist, kann ein analoger Effekt erwartet werden, selbst wenn eine Elektrode an der Rückseite des Halbleitersubstrats gebildet ist.
Im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde die Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeiten als ein Effekt der graduellen Veränderung der Bandlückenwellenlänge in der p-Typ Photoabsorptionsregion beschrieben. Jedoch beschränkt die graduelle Veränderung der Bandlückenwellenlänge in der p-Typ Photoabsorptionsregion auch die Zufallsbewegung von thermisch angeregten Ladungsträgern und verringert einen Dunkelstrom
Drittes Ausführungsbeispiel
Die 3A und 3B zeigen die Struktur eines Halbleiterphotodetektors nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3A gezeigt, ist eine 2-μm Dicke n-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 302 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,2 μm und dotiert mit Si als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3 auf einem Substrat 301 gebildet, welches eine Fedotierte semi-isolierende InP Mantelschicht ist.
In einer bestimmten Region dieser Wellenleiterschicht 302 ist eine 1,5-μm Dicke n-Typ InGaAsP untere Photoabsorptionsschicht 303 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,4 μm und einer geringen Ladungsträgerdichte gebildet. Man beachte, daß, obwohl keine Fremdatome in der unteren Photoabsorptionsschicht 303 dotiert sind, die Schicht 303 eine sehr geringe Menge an Silizium bei einer Dichte von 10¹⁵ cm^–3 aufweist und als Folge davon die Schicht 303 von einem n-Typ ist.
Ferner ist eine 1,5-μm Dicke n-Typ InGaAsP obere Photoabsorptionsschicht 304 mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,4 μm oben auf der unteren Photoabsorptionsschicht 303 gebildet. Bei dem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor nach diesem dritten Ausführungsbeispiel ist Zn als p-Typ Fremdatom derart in der oberen Photoabsorptionsschicht 304 dotiert, daß die Zn Dichte sich graduell von 1 × 10¹ cm^–3 bis 1 × 10¹⁸ cm^–3 von der unteren zur oberen Seite verändert.
Auf der oberen Photoabsorptionsschicht 304 ist eine 2-μm Dikke p-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht 305 mit einer Bandlükkenwellenlänge von 1,2 μm und dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3 gebildet. Auf der Wellenleiterschicht 305 ist eine 0,5-μm Dicke p-Typ InP Mantelschicht 306, dotiert mit Zn als Fremdatom bei einer Dichte von 10¹⁸ cm^–3, gebildet.
Zusätzlich ist eine n-Typ ohmsche Elektrode 307 in einer Region der Wellenleiterschicht 302 gebildet, in welcher keine Photoabsorptionsschicht gebildet ist, und eine p-Typ ohmsche Elektrode 308 ist auf der Mantelschicht 306 gebildet.
Bei diesem Wellenleiterhalbleiterphotodetektor bilden die Wellenleiterschicht 302, die untere Photoabsorptionsschicht 303, die obere Photoabsorptionsschicht 304, die Wellenleiterschicht 305 und die Mantelschicht 306 eine Stegstruktur, welche 100 μm lang und 30 μm breit ist. Diese Stegstruktur hat eine optische Wellenleiterstruktur mit Kernschichten, welche durch Stapeln der unteren und oberen Photoabsorptionsschicht 303 und 304 gebildet sind.
Von der Spaltungsseite einfallendes Licht wird durch die Photoabsorptionsschichten graduell O/E-umgewandelt, während das Licht in dem Wellenleiterphotodetektor geleitet wird.
Eine Bandstruktur von der Wellenleiterschicht 302 zur der Wellenleiterschicht 305 in obiger Struktur ist eine solche, wie sie in einem Banddiagramm von 3B dargestellt ist. Bei dem Wellenleiterphotodetektor dieses dritten Ausführungsbeispiels hat die untere Photoabsorptionsschicht 303 eine Dicke von 1,5 μm und eine geringe n-Typ Ladungsträgerdichte, so daß die gesamte Schicht verarmt, selbst wenn die Betriebsspannung eine niedrige Spannung von 1 V ist. Dementsprechend bewegen sich die Ladungsträger, welche durch die O/E Umwandlung in der unteren Photoabsorptionsschicht 303 erzeugt werden und zu dem O/E-Umwandlungsstrom beitragen, bei Driftgeschwindigkeit und können mit einer hohen Geschwindigkeit ansprechen.
Da ferner die obere Photoabsorptionsschicht 304 von einem p-Typ Halbleiter gebildet ist, wird das Ansprechen der Minoritätsladungsträger, welche durch eine O/E Umwandlung erzeugt werden, durch die Diffusionsrate von Elektronen dominiert. Die Diffusionsrate von Elektronen ist mindestens eine Größen- ordnung höher als die Diffusionsrate von Löchern, und dies ermöglicht, daß Elektronen mit einer hohen Geschwindigkeit ansprechen. Dies verhält sich genauso wie bei den Wellenleiterphotodetektoren nach dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, die oben beschrieben wurden.
Zusätzlich ist bei dem Wellenleiterphotodetektor nach dem dritten Ausführungsbeispiel ein Fremdatomdichtegradient in der oberen Photoabsorptionsschicht 304 gebildet. Als Folge davon ist ein elektrisches Feld nach oben in die obere Photoabsorptionsschicht 304 ausgebildet. Das heißt, in der oberen Photoabsorptionsschicht 304 ist auch eine Region ausgebildet, in welcher Elektronen in Richtung der Wellenleiterschicht 302 driften. Somit werden Elektronen als Minoritätsladungsträger in der oberen Photoabsorptionsschicht 304 beschleunigt und dies ermöglicht ihnen, daß sie mit einer höheren Geschwindigkeit ansprechen.
Insbesondere können alle Ladungsträger, welche in den Photoabsorptionsschichten erzeugt werden, bei einer hohen Geschwindigkeit ansprechen. Dies ermöglicht, daß der Wellenleiterhalbleiterphotodetektor des dritten Ausführungsbeispiels optische Signale bei höheren Geschwindigkeiten als im ersten Ausführungsbeispiel, welches oben beschrieben wurde, empfängt.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel wird die Spaltfläche als die Lichteinfallsseite wie in den vorausgehenden Ausführungsbeispielen verwendet. Jedoch kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden, selbst wenn eine durch Ätzen gebildete Fläche als die Lichteinfallsseite verwendet wird.
In der vorstehenden Beschreibung beträgt die Dicke der Photoabsorptionsschichten 1,5 + 1,5 = 3 μm. Jedoch ist die Dicke nicht auf diesen Wert beschränkt, und die gesamte Dicke der Photoabsorptionsschichten muß lediglich 2 μm oder mehr betragen. Wenn die Gesamtdicke der Photoabsorptionsschichten geringer als 2 μm ist, wird es unmöglich, eine notwendige O/E Umwandlungseffizienz von 75% stabil zu erhalten. Auch hat die n-Typ untere Photoabsorptionsschicht bevorzugt eine Dicke, bei welcher die gesamte Schicht verarmt, wenn eine Sperrspannung von 2 V angelegt wird. Dies liegt daran, daß, wenn die untere Schicht dicker als diese Dicke ist, eine höhere Spannung als 2 V notwendig ist, um den Photodetektor zu betreiben, und dies erhöht den Energieverbrauch.
Wie vorstehend beschrieben wurde, umfaßt ein Halbleiterphotodetektor nach der vorliegenden Erfindung eine Photoabsorptionsschicht mit einer ersten Schicht vom n-Typ und einer zweiten Schicht vom p-Typ, welche in Kontakt mit der ersten Schicht gebildet ist, einer ersten Halbleiterschicht vom n-Typ, welche an der Seite der ersten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante sowie einen niedrigeren Brechungsindex als in der Photoabsorptionsschicht aufweist, und einer zweiten Halbleiterschicht vom p-Typ, welche an der Seite der zweiten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante und einen niedrigeren Brechungsindex als in der Photoabsorptionsschicht aufweist, wobei die erste Schicht vollständig ausgeräumt und die zweite Schicht teilweise ausgeräumt wird, wenn eine vorgegebene Sperrvorspannung zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angelegt wird.
Bei dieser Struktur wird die erste Schicht vollständig ausgeräumt, wenn eine vorgegebene Spannung angelegt wird, und dies erhöht die Bewegungsgeschwindigkeit selbst von Löchern. Obwohl die zweite Schicht nicht vollständig ausgeräumt ist, sind die Minoritätsladungsträger in der Schicht die Elektronen, so daß die Bewegungsgeschwindigkeit der optisch angeregten Ladungsträger der Diffusionsrate der Elektronen entspricht. Als Folge davon kann der Photodetektor auf optische Hochgeschwindigkeitssignale ansprechen, ohne daß die O/E Umwandlungseffizienz abnimmt, selbst wenn er bei einer geringen Spannung von etwa 1 V betrieben wird.
Bei diesem Halbleiterphotodetektor nimmt die Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante der zweiten Schicht in Richtung der Dicke mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht ab.
Bei dieser Struktur wird ein Gradient einer Bandlücke in der zweiten Schicht gebildet. Dies kann bewirken, daß die Geschwindigkeit, bei welcher sich Ladungsträger (Elektronen) in Richtung der ersten Schicht bewegen, höher ist als die Diffusionsrate der Elektronen. Folglich kann der Photodetektor auf optische Hochgeschwindigkeitssignale ansprechen, ohne daß die O/E Umwandlungseffizienz abnimmt, selbst wenn er bei einer niedrigen Spannung von etwa 1 V betrieben wird.
Auch kann bei diesem Halbleiterphotodetektor die Fremdatomdichte in der zweiten Schicht mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht in Richtung der Dicke zunehmen.
In dieser Struktur wird ein elektrisches Feld durch den Gradienten der Fremdatomdichte gebildet, selbst in einer nicht ausgeräumten Region der zweiten Schicht. Dies kann bewirken, daß die Geschwindigkeit, bei welcher sich Ladungsträger (Elektronen) zu der ersten Schicht hin bewegen, höher als die Diffusionsrate der Elektronen ist. Folglich kann der Photodetektor auf optische Hochgeschwindigkeitssignale ansprechen, ohne daß die O/E Umwandlungseffizienz abnimmt, selbst wenn er bei einer geringen Spannung von 1 V betrieben wird.

Claims

Halbleiterphotodetektor mit Wellenleiter, der bei einer vorgegebenen Sperrspannung betrieben wird, aufweisend: eine Photoabsorptionsschicht mit einer ersten Schicht vom n-Typ (103, 203, 303, 403) und einer zweiten Schicht vom p-Typ (104, 204, 304, 409a), welche in Kontakt mit der ersten Schicht gebildet ist; eine erste Wellenleiterhalbleiterschicht vom n-Typ (101, 201, 301, 402), welche an der Seite der ersten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante und einen niedrigeren Brechungsindex als die Photoabsorptionsschicht aufweist; und eine zweite Wellenleiterhalbleiterschicht vom p-Typ (106, 206, 306, 404), welche an der Seite der zweiten Schicht angeordnet ist und eine kürzere Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante und einen niedrigeren Brechungsindex als die Photoabsorptionsschicht aufweist; wobei die erste Schicht vollständig ausgeräumt und die zweite Schicht teilweise ausgeräumt wird, wenn die vorgegebene Sperrspannung zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angelegt ist.
Photodetektor nach Anspruch 1, bei welchem eine Dicke der Photoabsorptionsschicht nicht weniger als 2 μm beträgt, und die vorgegebene Sperrspannung nicht mehr als 2 V beträgt.
Photodetektor nach Anspruch 1, bei welchem die Wellenlänge an einer Lichtabsorptionskante der zweiten Schicht (204) in Richtung der Dicke mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht abnimmt.
Photodetektor nach Anspruch 3, bei welchem eine Dicke der Photoabsorptionsschicht nicht weniger als 2 μm beträgt und die vorgegebene Sperrspannung nicht mehr als 2 V beträgt.
Photodetektor nach Anspruch 1, bei welchem die Fremdatomdichte in der zweiten Schicht (304) in Richtung der Dicke mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht zunimmt.
Photodetektor nach Anspruch 5, bei welchem eine Dicke der Photoabsorptionsschicht nicht weniger als 2 μm beträgt und die vorgegebene Sperrspannung nicht mehr als 2 V beträgt.