NL8200371A - Fotodetector. - Google Patents

Fotodetector. Download PDF

Info

Publication number
NL8200371A
NL8200371A NL8200371A NL8200371A NL8200371A NL 8200371 A NL8200371 A NL 8200371A NL 8200371 A NL8200371 A NL 8200371A NL 8200371 A NL8200371 A NL 8200371A NL 8200371 A NL8200371 A NL 8200371A
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
layer
layers
photodetector
photon
energy jump
Prior art date
Application number
NL8200371A
Other languages
English (en)
Other versions
NL186610B (nl
NL186610C (nl
Original Assignee
Western Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Western Electric Co filed Critical Western Electric Co
Publication of NL8200371A publication Critical patent/NL8200371A/nl
Publication of NL186610B publication Critical patent/NL186610B/nl
Application granted granted Critical
Publication of NL186610C publication Critical patent/NL186610C/nl

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/111Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by at least three potential barriers, e.g. photothyristors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/125Composite devices with photosensitive elements and electroluminescent elements within one single body

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

#τ * * 70 2713
Betr.: Potodetector.
De uitvinding heeft "betrekking op een fotodetector en meer in het "bijzonder op een inrichting, welke is voorzien van tenminste een inwendige stralingshron.
Optische vezelcommunicatiestelsels zenden en ontvangen elektromag-5 netische straling "bij relatief lage niveaus. Dientengevolge geschiedt de detectie "bij deze stelsels onder gebruik van fotodetectie-inrichtingen, die voor de ontvangen stralingsniveaus een grote mate van gevoeligheid vertonen. Een grote mate van gevoeligheid wordt verkregen door versterkingseigenschappen, zoals lawinevermenigvuldiging, transistorwerking of 10 fotonenterugkoppeling in het elektronische ontwerp van de inrichting.
Fotonenterugkoppeling is een inwendig versterkingsproces, waarbij . ladingsdragers worden vermenigvuldigd in een fotodetectie-inrichting met twee bepaalde halfgeleidergebieden met ongelijke energiesprongen. Primaire fotonen, welke een halfgeleidergebied met een kleine energiesprong 15 treffen, veroorzaken, dat ladingdragers, n.1. elektron-gatparen worden gevormd. Onder invloed van een elektrisch veld worden deze ladingdragers naar het halfgeleidergebied met een grote energiesprong bewogen, waar zij een radiatieve hercombinatie ondergaan. Op hun beurt treffen secundaire fotonen, die door de hercombinatie worden verkregen, het halfge-20 leidergebied met kleine energiesprong, waardoor meer ladingdragers worden opgewekt en een stroomversterking wordt verkregen.
Een vermenigvuldiging van ladingdragers geschiedt door het aantal secundaire fotonen, dat naar het halfgeleidergebied met kleine energiesprong wordt teruggevoerd. Gemiddeld beweegt zich slechts de helft van 25 de door de radiatieve hercombinatie in het halfgeleidergebied met grote energiesprong opgewekte fotonen in de richting van het gebied met kleine energiesprong. Derhalve worden de ladingdragervermenigvuldiging en stroomversterking beperkt en zijn deze bij de op dit moment bekende fotonen-terugkoppelinrichtingen niet groter dan twee.
30 Ofschoon de versterking met een waarde twee in sommige gevallen als voldoende kan worden beschouwd, zijn stroomversterkingen, die groter zijn dan twee, nodig om de gevoeligheid van fotodetectie-inrichtingen voor optische vezelcommunicatiestelseltoepassingen aanmerkelijk te vergroten.
35 Een vergrote stroomversterking met een dienovereenkomstige toename 8200371 < ' m - 2 - van de gèvoeligheid wordt bij een fotonenterugkoppelfotodetector gerealiseerd door op het buitenoppervlak van een halfgeleidergebied met grote energiesprong, dat tegenover (d.w.z. niet naast) een halfgeleiderge-bied met kleine energiesprong is gelegen, een laag reflecterend bekle-5 dingsmateriaal aan te brengen. Secundaire fotonen, die in het gebied met grote energiesprong door radiatieve hercombinatie worden gevormd en zich vanuit het gebied met kleine energiesprong voortplanten, worden bij de reflecterende laag bij voorkeur opnieuw naar het gebied met kleine energiesprong gericht. Gebaseerd op het reflecterend vermogen van de reflec-10 terende laag zijn het emissierendement van het gebied met grote energiesprong en het absorptierendement van het gebied met kleine energiesprong, de stroomversterking en de gevoeligheid, die volgens de uitvinding kunnen worden verkregen, twee orden van grootte groter dan die van de bekende fotonenterugkoppelfotodetectie-inrichtingen.
15 Bij een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding omvat de fotodetec- tor vier op elkaar aansluitende half geleiderlagen, die in een reeks van paren lagen zijn gerangschikt. De inrichting vertoont de volgende structuur : η. ό p n r (of ΐ η n p r), waarbij de onderstreping de laag met kleine energiesprong"· aangeeft en geen onderstreping een laag met grote 20 energiesprong aangeeft en r de reflecterende laag is.Deze halfgeleider-constructie is een constructie met zwevende basis, waarbij een enkele spanningsbron het gebied met kleine energiesprong in de keerrichting voorspant en het gebied met grote energiesprong in de doorlaatrichting voorspant. Primaire fotonen, die buiten de fotodetector worden opgewekt, 25 treffen initieel het gebied met kleine energiesprong, dat in de keerrichting is voorgespannen. Absorptie van de fotonen veroorzaakt, dat elektron-gatparen worden gevormd. Onder invloed van het aangelegde elektrische veld worden ladingdragers in het gebied met grote energiesprong, dat in de doorlaatrichting is voorgespannen, geïnjecteerd, in welk ge- ' 30 bied een radiatieve hercombinatie optreedt. Sommige secundaire fotonen., die door de hercombinatie worden vrijgegeven, bewegen zich naar het gebied met kleine energiesprong. Andere secundaire fotonen, die zich vanuit het gebied met kleine energiesprong voortplanten, worden door de reflecterende laag opnieuw naar het gebied met kleine energiesprong gericht.
35 Absorptie van de secundaire fotonen veroorzaakt, dat verdere ladingdragers worden opgewekt. Aangezien de emissie- en absorptierendementen van de halfgeleidergebieden in de buurt van de eenheid liggen, verandert een variatie van het reflecterend vermogen van de reflecterende laag de 820 0 3 7 1 ____________ tf~ * - 3 - stroomversterking van de inrichting. Met deze inrichtingen zijn versterkingen van de orde van 100 verkregen.
Bij een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding stuit een tweede gehied met grote energiesprong _(pn) tegen het gebied met kleine 5 energiesprong, waardoor een fot onent erugkopp elfot odet eet or met zes lagen wordt gevormd. Het tweede gebied met grote energiesprong wordt in de doorlaatrichting voorgespannen en werkt derhalve op dezelfde wijze als het bovenbeschreven eerste gebied met- grote energiesprong. De beide bij deze uitvoeringsvorm aanwezige gebieden met grote energiesprong wekken 10 fotonen op via radiatieve hercombinatie in responsie op fotostroomlading-dragers. Met deze fotodetector zijn versterkingsfactoren bereikbaar, welke overeenkomen met die, welke boven zijn beschreven.
De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont : 15 fig. 1 een vereenvoudigd schema van een geïntegreerde, vier lagen omvattende fotonenterugkoppelfotodetector met een reflecterend oppervlak; fig. 2 een schema van een verdeelde fotonenterugkoppelfotodetector met twee luminescentiedioden, die optisch en ohms met een enkele foto-diode zijn verbonden; 20 fig. 3 een vereenvoudidgd schema van een geïntegreerde, zes lagen omvattende fotonenterugkoppelfotodetector met een reflecterend oppervlak; en fig. k een vereenvoudigd schema van de fotodetector volgens fig. 3, welke is uitgebreid met een extra, inwendige fotonenbron.
25 Elke in fig. 1, 3 en k afgebeelde fotonenterugkoppelfotodetector omvat tenminste vier op elkaar aansluitende lagen van halfgeleidermate-riaal. Bij elk scheidingsvlak tussen twee tegen elkaar stuitende lagen worden vlakke, parallelle juncties gevormd. De lagen zijn gegroepeerd in een reeks van paren of -gebieden van lagen. Elk paar omvat een laag met 30 een geleiding van het p-type en een laag met een geleiding van het' n-ty-pe.
De chemische samenstelling van elke laag in een bepaald gebied van de fotonenterugkoppelfotodetectoren bepaalt ondermeer de energiesprong voor het gebied, de geschiktheid van het gebied voor fotonenabsorptie 35 of fotonenemissie en de respectieve absorptie- of emissierendemènten. Halfgeleiderverbindingen in de fot onent erugkoppelfot odet eetoren volgens de uitvinding zijn zeer efficient ten aanzien van zowel fotonenabsorptie Ö 0 A n 7 7 1 4 * - k - (η = 1} in een gebied met kleine energiesprong, dat in de keerrichting is -voorgespannen, als fotonenemissie (ng = 1) bij een gebied met grote energiesprong, dat in de doorlaatrichting is voorgespannen.
De voor elk gebied van de fotodeteetoren gekozen verbindingen staan 5 gewoonlijk bekend als III - V-verbindingen. Elk gebied met grote energiesprong, in fig. 1, 3 en k aangegeven als een pn-junctie (niet onderstreept) bestaat uit een quartenaireverbinding, zoals indium gallium arsenide fosfide (in Ga,. As P. ). Een ternaire verbinding, zoals indium gallium x I *oc y j arsenide (in Ga.. As) wordt in elk gebied met kleine energiesprong, ge-X J “2 10 ïdentificeerd als een pn-junctie gebruikt.
Een substraatmateriaal, waarop opeenvolgende p- en n-lagen langs epitaxiale weg worden gegroeid, wordt ook gekozen uit de klasse van'III-V-verbindingen. In de substraat worden verontreinigingen geïntroduceerd om te veroorzaken, dat het geleidingstype van de substraat is aangepast 15 aan het geleidingstype van de naastgelegen laag in een onmiddellijk naastgelegen gebied. Indium fosfide (inP) wordt als een substraat in deze fotodetectoren gebruikt, omdat dit materiaal in hoofdzaak transparant is voor elektromagnetische straling in het van belang zijnde gebied voor optische vezeloverdrachtsstelsels, n.1. bij benadering 1,3 micron 20 (o,95^· eV). D.w.z., dat de energiesprong van het substraatmateriaal gro ter is dan de energie van de te detecteren primaire fotonen.
De energiesprong wordt gemeten in elektronenvolts (eV) en stelt de breedte van het verboden gebied in het bandmodel voor halfgeleiders voor.
Deze breedte wordt gemeten vanuit een bovenste potentiaalgrens van de .25 valentieband tot een onderste potentiaalgrens van de geleidingsbaad. Bij de in de tekening afgebeelde bepaalde uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is de energiesprong voor elk gebied als volgt :
substraat InP ^ 1,28 eV
pn-gebied InGaAsP ^ 1,03 eV
30 pn-gebied InGaAs 0,78 eV.
Elke pn-junctie is een hamojunctie onafhankelijk van het feit of de junctie zich bevindt in een gebied met grote of kleine energiesprong.
Elke junctie tussen lagen met gelijke geleiding in naast elkaar gelegen gebieden, n.1. nn of pp, is een heterojunctie. Gewoonlijk zijn de roos-35 ters van twee tegen elkaar stuitende halfgeleidermaterialen bij de hete-rojunetie aangepast om fotonenemissie of -absorptie bij de heterojunctie mogelijk te maken. Bij de fotodetectoren volgens de uitvinding treden fotonenemissies en -absorpties tiij de pn-homojuncties en niet bij de hete- ' 8 2 0 Of 3 71- ' - ' " '" ' _______ - 5 - rojuncties op. De mi- of pp-heterojuncties -vereenvoudigen in hoofdzaak het elektrische (ohmse) contact tussen de tegen elkaar liggende lagen met soortgelijk geleidingstype. Derhalve is het onnodig de materialen hij elke heterojunctie in de fotodetectoren volgens de uitvinding vat 5 rooster betreft, aan te passen.
De dikte van elke laag is van belang, meer in het bijzonder in het gebied met kleine energiesprong. Elke laag is zo dun, dat deze door de aangelegde voorspanning vordt verarmd, vaardoor ervoor gezorgd vordt, dat door fotonenabsorptie in een laag met kleine energiesprong 10 opgevekte ladingdragers de zijde van de junctie bereiken, vaarbij zij meerderheidsdragers zijn. De onttrekkingsbreedte in elke pn-junctie is afhankelijk van de verontreinigingsconcentraties van de beide lagen en van de aangelegde spanning. Zo vertoont bijvoorbeeld een InGaAs;^pn-junctie , velke aan een voorspanning in de keerrichting van 10 V vordt 15' onderworpen, een onttrekkingsbreedte van bij benadering b,2 micron: de n-laag vordt verarmd met 3,8 micron; de p-laag vordt verarmd met 0,1; micron. Derhalve bezitten gebieden met kleine energiesprong voor fotodetectoren volgens de uitvinding een p-laag, velke een dikte van bij benadering 0,3 micron heeft, en een n-laag, velke een dikte van bij benadering 20 3,7 micron heeft.
Voor gebieden met grote energiesprong is de dikte van de laag in hoofdzaak gelijk aan vier of meer diffusielengten voor minderheidsdra-gers in de bepaalde laag. Dit vaarborgt een radiatieve hercombinatie van geïnjecteerde minderheidsdragers voordat de dragers naar een sehei-25 dingsvlak met een naastgelegen laag diffunderen. De verontreinigingsconcentraties vorden in elke laag vergroot om elke laagdikte binnen redelijke grenzen te houden. Een grote verontreinigingsconcentratie leidt tot diffusielengten van 0,2 micron voor gaten in materiaal van het p-type en bij benadering 1,0 micron voor elektronen in materiaal van het . - 30 n-type. Derhalve bezitten gebieden met grote energiesprong volgens de uitvinding een laagdikte van 0,8 micron voor elke p-laag en H,0 micron voor elke n-laag.
Wat betreft de in de afzonderlijke figuren veergegeven fotodetec-toruitvoeringsvoimen toont fig. 1 een vereenvoudigd schema van een ge-35 integreerde uit vier lagen opgebouvde fotonenterugkoppelfotodetector 1.
De fotodetector 1 omvat een reeks van twee paren lagen van halfgeleider-materiaal, die langs epitaxiale -weg op een substraat 5 zijn gegroeid en 8200371 - 6 - met reflecterend materiaal zijn bekleed voor het vormen van een reflector 16.
Elk paar lagen vormt een pn-homojunctie met hetzij een grote hetzij een kleine energiesprong: de n-laag 10 en de £-laag 11 vormen te-5 zamen een paar met kleine energiesprong (aangeduid door onderstreping) en de p-laag 12 en de n-laag 13 vormen tezamen een paar met grote energiesprong. Tussen elk paar lagen wordt een heterojunctie gevormd. In de fo-todetector 1 is de heterojunctie aanwezig tussen de p-laag 11 en de p-laag 12. De heterojunctie voorziet slechts in een ohms contact tussen de op 10 elkaar aansluitende paren lagen.
De in fig. 1 weergegeven inrichting is conceptueel weergegeven als een fotodiode (lagen 10 en 1l)in serie met een luminescentiediode (lagen 12 en 13). Elke diode moet op de juiste wijze worden voorgespannen, opdat de gehele fotodeteetorinrichting op de juiste wijze werkt.
15 (Om op de beoogde wijze te werken moet de fotodiode in de keerriehting worden voorgespannen en moet de luminescentiediode in de doorlaatrich-ting worden voorgespannen. Een juiste voor spanning wordt vereenvoudigd door de serie-opstelling van de dioden. In wezen levert een enkele spanningsbron, zoals de voorspanningsbron 8, die parallel aan de fotodetec-20 tor 1 is verbonden, een juiste voorspanningstoestand voor de fotodetec-tor.
De voorspanning wordt zodanig gekozen, dat de gewenste versterking van de fotonenterugkoppelfotodetector 1 wordt verkregen. Bij de in fig.
1 afgebeelde uitvoeringsvorm wekt de voorspanningsbron 8 een uitgangs-. 25 spanning in het gebied van 5 - 10 V op. De voorspanningsbron 8 is in serie met een belastingsweerstand verbonden, als aangegeven in fig. 1. De . belastingsweer stand is ook met de elektrode 1+ op de substraat 5 ver-• bonden. Een andere elektrode is aanwezig op de reflector 16, waarmede de voorspanningsbron 8 is verbonden. Deze elektrode behoeft geen spleet 30 of venster te hebben, zoals dit het geval is bij de elektrode k.
De reflector 16 is een metallische, reflecterende bekleding, zoals goud of een combinatie van titaan en goud, die op het gehele buitenste' oppervlak van de n-laag 13, dat het verst van de substraat 5 is gelegen, is aangebracht. Wanneer de combinatie van titaan en goud wordt gebruikt, 35 rust een titaanlaag tegen het buitenvlak van de n-laag 13. Een goudlaag wordt dan direkt met het buitenvlak van de titaanlaag verbonden.
Een primair foton 16 treft de substraat 5 via een spleet of venster 8 2 0 0 3 7 1 ............ - .............
- 7 - in de elektrode 1*. Aangezien de substraat 5 transparant is voor het foton 6, passeert het foton 6 de substraat 5 in hoofdzaak ongehinderd.
Het primaire foton 6 wordt dan in het verarmde gebied met kleine energie-sprong: n-laag 10 of p-laag 11 geabsorbeerd. De n-laag 10 wordt zo dun 5 gemaakt, dat fotostroomladingdragers, welke worden opgewekt door de absorptie van het foton 6, door het elektrische veld naar de p-laag 11 worden gevoerd.
Wanneer de fotostroom begint te vloeien ondergaat de in de doorlaat-richting voorgespannen junctie tussen de p-laag 12 en de n-laag 13 een 10 potentiaaltoename. Deze toename veroorzaakt, dat vrije elektronen en geïnjecteerde gaten bij de in de doorlaatrichting voorgespannen junctie radiatief een hercombinatie aangaan. Secundaire fotonen, welke door de radiatieve hercombinatie worden opgewekt, worden in alle richtingen geëmitteerd. De reflector 16 voorziet in een middel om sommige secundaire 15 fotonen terug naar de p-laag 11 te richten'voor een daaropvolgende absorptie. Deze secundaire fotonen, die initieel naar de p-laag 11 worden gericht, behouden deze richting totdat zij geabsorbeerd zijn. Derhalve worden in hoofdzaak alle secundaire fotonen, welke worden opgewekt door een radiatieve hercombinatie in de p-laag 12 of de n-laag 13, opgeza-20 meld in de p-laag 11, waardoor verdere ladingdragerparen worden opgewekt en de fotostroom wordt onderhouden. Het aantal extra ladingdragerparen bepaalt de versterking en gevoeligheid van de fotodetector 1.
De stroomversterking wordt bepaald als de verhouding van het aantal i . ladingdragers, dat een bepaalde dwarsdoorsnede van de fotodetector 1 pas- 25 seert en het aantal primaire fotonen (foton 6), dat door de fotodetector-1 wordt geabsorbeerd. Een vereenvoudiging van deze verhouding onder gebruik van een genormaliseerde methode, maakt het mogelijk, dat de verst erkingsfactor wordt berekend als G = (1 - 0,5 (1+R) η n )”1 6 3» 30 waarbij R het reflecterend vermogen van de reflector 16, n het fotonen- absorptierendement van de n-laag 10 en de p-laag 11, en ng het fotonen- emissierendement van de p-laag 12 en de n-laag 13 is. Voor de in fig. i, 3 en it afgebeelde fotodet eet oren zijn n en in hoofdzaak gelijk aan de eenheid. Het is duidelijk, dat door een juiste keuze van de materialen, 35 lie zeer hoge waarden voor η , n en R vertonen, een versterkingsfactor e a van 100 of meer op een eenvoudige wijze kan worden verkregen.
fotodetectorinrichtingen van het in fig. 1 afgebeelde type zijn 8200371 ......................
- 8 - vervaardigd onder gebruik van epitaxiale groeimethoden. Epitaxiale methoden uit de vloeistoffaze zijn in hoofdzaak toegepast, doch moleculaire bundelepitaxie is eveneens van toepassing. Deze methoden leiden tot inrichtingen, welke vierkant zijn met een zijde van ongeveer 100 micron.
5 De dikte van de fotodetector 1 is in hoofdzaak gelijk aan het aantal pn-en pn-juncties vermenigvuldigd met ongeveer 5 micron plus de substraat-dikte. Typische substraatdikten zijn van de orde van 75 micron. Derhalve is de dikte van de fotodetector 1 iets groter dan 8j micron.
Tijdens de epitaxiale groei van de inrichtingen worden in elke 10 laag verontreinigingen geïntroduceerd. Het type verontreiniging en de concentratie van de verontreiniging beïnvloeden de geleiding van elke laag. Verontreinigingstypen en verontreinigingsconcentraties voor de verschillende lagen van een bij voorbeeld gekozen uitvoeringsvorm van de fotodetector 1 vindt men onderstaand in tabelvorm : 15 LAAG SAMENSTELLING VERONTREI- ' TERONTREINIGÏNGS-
NIGING CONCENTRATIE
(Atom/cm^) n: 5 InP Tin 1018 15 n;10 InQ ^GaQ ^^As Tm 10 p_:11 Ing ^Ga0 ^^As Zink 101^
Pi 12 Ino’^Gao^ASo^Po^U ziEk 10'!! 20 n:13 _ _ . Pn c), Tin 10
In0,79Ga0,21As0,L6 0,5
De in fig. 2 afgeheelde constructie is een verdeelde fotonenterug-koppelfotodetector met twee luminescentiedioden, die optisch en ohms in een serieketen met een fotodiode zijn verbonden. In ruime zin is deze constructie een uitbreiding van het concept waarvan de fotodetector 1 25 in fig. 1 een uitvoeringsvorm is. De fotodetector 2 omvat niet slechts de ten aanzien van de fotodetector 1 beschreven fotodiode en lumines-centiediode, doch omvat ook een extra luminescentiediode. De tweede lumines centiediode verschaft een ander middel om de gevoeligheid en stroom-versterking van de fotodetectorinriehting te vergroten.
30 De fotodetector 2 omvat een serieketen met een fotodiode 20 en luminescentiedioden 21 en 22. De voorspanning voor de fotodetector 2 wordt geleverd door een spanningsbron in serie met een belastingsweer-stand, zoals aangegeven in fig. 1. De polariteit van de voorspanning is aangegeven door de aanwezigheid van een positief teken en een negatief 35 teken in fig. 2.
8200371 - 9 -
Primaire fotonen hv treffen slechts de fotodiode 20 van. de foto-deteotor 2, Wanneer door de fotodiode 20 primaire fotonen hv worden opgezameld, "begint door de dioden 21 en 22 een fotostroom te vloeien. Gebaseerd op de grootte van de fotostroom en de kwantumrendementen van de ^ dioden 21 (Q^-j) en 22 (), zullen secundaire fotonen door elk van de luminescentiedioden worden geëmitteerd. Het is belangrijk de lumines-centiedioden 21 en 22 ten aanzien van de primaire fotonen te isoleren, omdat een bestraling van de dioden 21 en 22 veroorzaakt, dat een foto-spanning wordt opgewekt, die tegengesteld is aan het gewenste signaal.
10 Aangezien de fotodetector 1"een verdeelde inrichting is, is een kleine afstand tussen de luminescentiedioden en de fotodiode geen voldoende voorwaarde voor het tot stand brengen van een doeltreffende fotonenterugkoppeling. Fotonenterugkoppelbanen worden gerealiseerd door tussen elke luminescentiediode en de fotodiode optische koppelinrich- 15 . . . ...
tmgen aan te brengen. Hiertoe vormt de optische koppelinrichting 23 een terugkoppelbaan voor secundaire fotonen, die uit de diode 21 worden geëmitteerd, naar de fotodiode 20, terwijl de optische koppelinrichting 2k een soortgelijke terugkoppelbaan vormt voor secundaire fotonen, die uit de diode 22 worden geëmitteerd, naar de fotodiode 20. Optische ve- 20 zeis en lenzen zijn als optische koppelinrichtingen gebruikt.
De stroomversterking G van een inrichting, zoals de fotodetector 2, wordt bij benadering bepaald door G = (1 1 (0-221 + %22^ 2^ waarbij het kwantumrendement voor elke bepaalde luminescentiediode is. Andere factoren, welke de neiging hebben om de gevoeligheid van de fotodetector 2 te beïnvloeden, zijn het rendement van de optische koppelinrichtingen 23 en 2h en het vermogen van elke koppelinrichting om de door de overeenkomstige luminescentiediode geëmitteerde secundaire fotonen op te zamelen.
30 Fig. 3 toont een vereenvoudigd schema van een geïntegreerde, uit zes lagen opgebouwde fotonenterugkoppelfotodetector met een reflecterend oppervlak. De fotodetector 3 omvat niet slechts de vier op elkaar aansluitende halfgeleiderlagen van de fotodetector 1 uit fig. 1, doch ook twee exbra halfgeleiderlagen: n.1. v p-laag en de n-laag 15· De lagen 1^· 35 en 15 vormen een gebied met grote energiesprong. Opgemerkt wordt, dat bij de fotodetector 3 de substraat 5 een geleidingstype p+ heeft, hetgeen overeenkomt met de geleiding van de daarop aansluitende p-laag 1^.
fl 9 Π fi 3 7 1 - 10 -
Het primaire foton 6 treft de substraat 5 van de fotodetector 3 via de spleet of bet venster in de elektrode k. Aangezien de substraat 5 transparant is voor het foton β in verband met de grote energiesprong van de substraat, doorloopt het foton 6 de substraat 5 in hoofdzaak on-5 gehinderd. Ook de p-laag l4 en de n-laag 15 hebben een zo grote energiesprong, dat een ongehinderd passeren van het foton 6 naar de n-laag 10 wordt toegelaten. In de n-laag 10 wordt het foton 6 geabsorbeerd, waardoor een fotostroam vloeit. De radiatieve hercombinatie van de foto-strocmladingdragers vindt plaats in de twee gebieden met grote energie-10 sprong, welke de lagen 12 en 13 en de lagen 1k en 15 omvatten. Secundaire fotonen, welke in de lagen 12 en 13 worden opgewekt, worden of initieel naar de p-laag 11 gericht of via de reflector 16 naar de p-laag 11 gereflecteerd. Gemiddeld wordt de helft van de in de lagen 1U en 15 opgewekte secundaire fotonen naar de n-laag 10 gericht. De absorptie van 15 de secundaire fotonen vindt plaats in het gebied met kleine energiesprong, dat de lagen 10 en 11 omvat en veroorzaakt een toename in het aantal fo-tostroomladingdragers.
Bij het epitaxiale groeiproces van de fotodetector 3 worden in de p-laag 1k en de n-laag 15 verontreinigingen met dezelfde coneentratie-20 niveaus als in de p-laag 12 en de n-laag 13 geïntroduceerd. De resterende lagen worden op de boven onder verwijzing naar fig. 1 voor de fotodetector 1 beschreven wijze gereed gemaakt, behalve dat de substraat 5 met 13 3 zink bij een verontreinigingsconcentratieniveau van 101 at oom/cel wordt gedoteerd voor het vertonen van een p -geleiding.
25 Fig. 1* toont een fotodetector met een fotodetector 3'-, die in hoofdzaak identiek is aan de fotodetector 3, een n p -gebied en een derde (fotonen-emitterend) pn-gebied met grote energiebron, dat door het n p( -gebied met de fotodetector 3’ is verbonden. Het n p -gebied is bijzonder dun en heeft een zeer hoog verontreinigingsconcentratieniveau, 30 zodat het gebied in hoofdzaak als een ohms contact werkt wanneer het in de keerrichting wordt voorgespannen.
Bij deze fotodetectorinrichting is de energiesprong van het gebied, dat de p-laag 28 en de n-laag 29 omvat, kleiner dan de energiesprong van het gebied, dat de lagen 12 en 13 omvat. Dit maakt het mogelijk, dat de 35 lagen 12 en 13 transparant zijn voor secundaire fotonen, die in of de laag 28 èf de laag 29 worden opgewekt. Derhalve bezitten secundaire fotonen, die in of de laag 28 of de laag 29 morden opgewekt, een zeer grote waar- 82 0 0 3 71 — ‘ ..... .....
- 11 - schijnlijkheid cm in de n-laag 11 van het gebied met kleine energie-sprong te worden opgezameld.
De fotodetector volgens fig. b reageert op' het primaire foton 6 op dezelfde wijze als de fotodetectoren 1 en 3. Een in de fotodetector 5 opgewekte fotostrocm veroorzaakt, dat secundaire fotonen worden geëmitteerd door de drie fotonen-èmitterende pn-gebieden: de lagen 12 en 13, de lagen 1U' en 15, en de lagen 28 en 29- De reflector 16 richt de secundaire fotonen opnieuw naar de p-laag 11. Het opzamelen van de secun-daire fotonen geschiedt door of de n-laag 10 of de p-laag 11. De £—laag 10 26 en de p+-laag 27 worden in de keerrichting voorgespannen om tussen de p-laag 28 en de n-laag 13 een ohms contact tot stand te "brengen en zijn transparant voor de secundaire fotonen, die in de naastgelegen pn-gehieden worden opgewekt.
De p-laag 28 en de n-laag 29 kernen wat chemische structuur en ver-15 ontreinigingsconcentratie betreft, overeen met respectievelijk de p-laag 12' en de n-laag 13. Zowel de n -laag 26 als de p -laag 27 is een bijzonder dunne laag, bestaande uit InQ ^GaQ j^As. Elke laag in het n+ p+-gebied heeft een dikte van bij benadering 1-2 micron. De laag 26 is sterk met zwavel gedoteerd tot een verontreinigingsconcentratie van bij 20 benadering 10 atoom/cur; ook de laag 27 is sterk gedoteerd met zink tot Ί δ 3 . een verontreinigingsconcentratie van bij benadering 10 atoom/cm .
Alle bovenbeschreven fotonenterugkoppelfotodetectoren bezitten een grote mate van gevoeligheid voor primaire fotonen. Het is experimenteel aangetoond, dat deze gevoeligheid tenminste éên orde van grootte beter is 25 dan die van de bekende, overeenkomstige inrichtingen.
Men kan complementaire constructies voor de in fig. 1, 3 en 1* af-gebeelde fotodetectoren verkrijgen door slechts het geleidingstype van elke laag in het tegengestelde geleidingstype te veranderen en de polariteit van de voorspanning om te keren.
30 Yolgen’s de uitvinding kunnen kleine modificaties van de in de fi guren afgeheelde fotodetectoren plaats vinden om de op dit moment te realiseren mate van gevoeligheid te verbeteren. Een dergelijke modificatie voor de in de fig. 3 en U afgeheelde fotodetectoren is daarin gelegen, dat tussen de elektrode bn en de substraat 5 een diëlektrische reflector 35 wordt aangebracht cm de secundaire fotonen terug naar de n-laag 10 te reflecteren. Voorts kan in plaats van de elektrode ^ een metallische reflector in de plaats treden, welke overeenkomt met de reflector 16., doch 8200371 - 12 - welke is -voorzien ran een spleet of venster met minimale afmetingen, nodig om het primaire foton 6 door te laten.
. f 82 0 0 3 71 - —.....................- -................-

Claims (4)

1. Fotodetector -met op elkaar aansluitende lagen van halfgeleiderma-teriaal, welke zijn gegroepeerd tot een reeks paren lagen, waartij elk paar als een eerste laag en een tweede laag is gerangschikt, waarbij de eerste laag van elk paar bestaat uit een halfgeleidermateriaal met een 5 geleidingstype, tegengesteld aan dat van de tweede laag in het overeenkomstige paar, waarbij de eerste en tweede lagen in elk laar in hoofdzaak gelijke energiesprongen bezitten, en de eerste laag van elk paar in een reeks paren bestaat uit een halfgeleidermateriaal met een geleiding, welke overeenkomt met de geleiding van de tweede laag van het on-10 middellijk naastgelegen paar lagen, en de energiesprong van de eerste en tweede lagen van elk paar verschilt van de energiesprong van de eerste en tweede lagen van elk direkt naastgelegen paar met het kenmerk, dat de reflecterende bekledingslaag (16) op een buitenste laag (13) van de reeks paren lagen aansluit.
2. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de buitenste laag van de reeks paren, welke tegen de reflecterende bekleding ligt, een grote energiesprong bezit.
3. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de dikte van de eerste laag van elk paar in hoofdzaak gelijk is aan de dikte van de 20 tweede laag van het volgende paar van de reeks. k. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de reflecterende bekledingslaag -is voorzien van een eerste laag van titaan en een tweede laag van goud, welke daarop aansluit.
5· Inrichting volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat een diëlek-25 trische reflector aanwezig is om secundaire fotonen naar de genoemde lagen terug te kaatsen. 82 0 0 3 7 1 - - ----------------------------------
NLAANVRAGE8200371,A 1981-02-02 1982-02-01 Fotodetector. NL186610C (nl)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US23087381 1981-02-02
US06/230,873 US4399448A (en) 1981-02-02 1981-02-02 High sensitivity photon feedback photodetectors

Publications (3)

Publication Number Publication Date
NL8200371A true NL8200371A (nl) 1982-09-01
NL186610B NL186610B (nl) 1990-08-01
NL186610C NL186610C (nl) 1991-01-02

Family

ID=22866915

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NLAANVRAGE8200371,A NL186610C (nl) 1981-02-02 1982-02-01 Fotodetector.

Country Status (10)

Country Link
US (1) US4399448A (nl)
JP (1) JPS57149779A (nl)
BE (1) BE891952A (nl)
CA (1) CA1182200A (nl)
DE (1) DE3202832A1 (nl)
FR (1) FR2499317B1 (nl)
GB (1) GB2094551B (nl)
IT (1) IT1149520B (nl)
NL (1) NL186610C (nl)
SE (1) SE455975B (nl)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5889887A (ja) * 1981-11-25 1983-05-28 Univ Tohoku 半導体光機能デバイス
FR2612334B1 (fr) * 1986-12-12 1989-04-21 Thomson Csf Dispositif de multiplication de porteurs de charge par un phenomene d'avalanche et son application aux photodetecteurs, aux photocathodes, et aux visionneurs infrarouges
GB8828348D0 (en) * 1988-12-05 1989-01-05 Secr Defence Photodetector
US4979002A (en) * 1989-09-08 1990-12-18 University Of Colorado Foundation, Inc. Optical photodiode switch array with zener diode
JP3910817B2 (ja) * 2000-12-19 2007-04-25 ユーディナデバイス株式会社 半導体受光装置
US6674064B1 (en) 2001-07-18 2004-01-06 University Of Central Florida Method and system for performance improvement of photodetectors and solar cells

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3369133A (en) * 1962-11-23 1968-02-13 Ibm Fast responding semiconductor device using light as the transporting medium
US3278814A (en) * 1962-12-14 1966-10-11 Ibm High-gain photon-coupled semiconductor device
US3369132A (en) * 1962-11-14 1968-02-13 Ibm Opto-electronic semiconductor devices
DE2247966A1 (de) * 1972-09-29 1974-04-11 Heinz Prof Dr Rer Nat Beneking Halbleiteranordnung zum nachweis von lichtstrahlen
DE2422330A1 (de) * 1974-05-08 1975-11-13 Siemens Ag Optoelektronisches halbleiter-koppelelement
US3988167A (en) * 1975-03-07 1976-10-26 Rca Corporation Solar cell device having improved efficiency
US3990101A (en) * 1975-10-20 1976-11-02 Rca Corporation Solar cell device having two heterojunctions
US4286277A (en) * 1977-11-22 1981-08-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Planar indium antimonide diode array and method of manufacture
US4332974A (en) * 1979-06-28 1982-06-01 Chevron Research Company Multilayer photovoltaic cell

Also Published As

Publication number Publication date
SE455975B (sv) 1988-08-22
BE891952A (fr) 1982-05-17
CA1182200A (en) 1985-02-05
FR2499317A1 (fr) 1982-08-06
DE3202832C2 (nl) 1988-06-01
JPS6244867B2 (nl) 1987-09-22
NL186610B (nl) 1990-08-01
DE3202832A1 (de) 1982-09-02
NL186610C (nl) 1991-01-02
IT8219373A0 (it) 1982-01-29
FR2499317B1 (fr) 1985-11-29
GB2094551B (en) 1985-01-03
SE8200330L (sv) 1982-08-03
US4399448A (en) 1983-08-16
IT1149520B (it) 1986-12-03
GB2094551A (en) 1982-09-15
JPS57149779A (en) 1982-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5674778A (en) Method of manufacturing an optoelectronic circuit including heterojunction bipolar transistor, laser and photodetector
JP3539977B2 (ja) 光電半導体構成素子
CN100576576C (zh) 埋入波导型受光元件
KR20000052787A (ko) 광전반도체장치
EP0532025B1 (en) Optical semiconductor device having semiconductor laser and photodetector
TW201507187A (zh) 高速光偵測器
KR970011140B1 (ko) 공명 투과광전 소자의 구조
Sasaki et al. Optoelectronic integrated device with light amplification and optical bistability
CA1125423A (en) Light-emitting and light-receiving diode, particularly for optical telecommunications
US5569942A (en) Avalanche photo-diode for producing sharp pulse signal
NL8200371A (nl) Fotodetector.
JPH04111478A (ja) 受光素子
US20020105010A1 (en) Semiconductor light detecting device
JPH038117B2 (nl)
Cho et al. Suppression of avalanche multiplication at the periphery of diffused junction by floating guard rings in a planar InGaAs-InP avalanche photodiode
US5406097A (en) Avalanche photo-diode for producing sharp pulse signal
KR950014288B1 (ko) 수광소자
KR940008247B1 (ko) 광강도 변조기
Berger Metal-semiconductor-metal photodetectors
US20040013146A1 (en) Laser diode with a low absorption diode junction
US4217597A (en) Diode which transmits and receives light-rays of the same predetermined wavelength and optical telecommunications device using such a diode
JP2861784B2 (ja) ニューラルネットワークのための光半導体素子
Li et al. Photonic devices
JPS6237979A (ja) 発光・受光集積素子
JP2995751B2 (ja) 半導体受光素子

Legal Events

Date Code Title Description
BA A request for search or an international-type search has been filed
BB A search report has been drawn up
BC A request for examination has been filed
A85 Still pending on 85-01-01
V1 Lapsed because of non-payment of the annual fee