SE0950698A1 - Fotodiod av typen lavinfotodiod. - Google Patents

Fotodiod av typen lavinfotodiod.

Info

Publication number
SE0950698A1
SE0950698A1 SE0950698A SE0950698A SE0950698A1 SE 0950698 A1 SE0950698 A1 SE 0950698A1 SE 0950698 A SE0950698 A SE 0950698A SE 0950698 A SE0950698 A SE 0950698A SE 0950698 A1 SE0950698 A1 SE 0950698A1
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
layer
mirrors
photodiode
mirror
absorption layer
Prior art date
Application number
SE0950698A
Other languages
English (en)
Other versions
SE534345C2 (sv
Inventor
Jacob Larsson
Niklas Karlsson
Original Assignee
Svedice Ab
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 Svedice Ab filed Critical Svedice Ab
Priority to SE0950698A priority Critical patent/SE534345C2/sv
Priority to JP2012530843A priority patent/JP5705859B2/ja
Priority to PCT/SE2010/050936 priority patent/WO2011037517A1/en
Priority to EP10819111.5A priority patent/EP2481097A4/en
Priority to US13/497,546 priority patent/US20120235267A1/en
Publication of SE0950698A1 publication Critical patent/SE0950698A1/sv
Publication of SE534345C2 publication Critical patent/SE534345C2/sv
Priority to JP2014217711A priority patent/JP2015039032A/ja

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
    • H01L31/102Devices 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
    • 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0216Coatings
    • H01L31/02161Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02165Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors using interference filters, e.g. multilayer dielectric filters
    • 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0232Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors

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)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

15 20 25 30 den. Det går också att öka absorptionen genom att placera absorptionsskiktet i en resonanskavitet för att på så satt reflektera ljuset fram och tillbaka genom absorptionsskiktet.
Detta ger en effektiv absorption, men bara för ljus av ett smalt våglångdsintervall och inte för ett bredare spektrum.
Föreliggande uppfinning löser problemet att öka absorptionen i en frontbelyst APD.
Föreliggande uppfinning hanför sig således till en frontbe- lyst lavinfotodiod (eng. Avalanche Photodiode (APD)) innefat- tande en öppning för infallande ljus, innefattande från öpp- ningen och nedåt ett antal olika halvledarskikt innefattande ett multiplikationsskikt, ett fåltkontrollskikt och ett ab- sorptionsskikt, dar absorptionsskiktet år anordnat att absor- bera fotoner och utmårkes av, att under absorptionsskiktet finns en åtminstone en braggspegel anordnad att reflektera fotoner, som från öppningen passerat absorptionsskiktet till- baka till absorptionsskiktet.
Nedan beskrives uppfinningen nårmare, delvis i samband med på bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfinningen, dar - figur l visar en ADP enligt kånd teknik - figur 2 visar en ADP, dar uppfinningen tillampas enligt en första utföringsform - figur 3 visar en ADP, dar uppfinningen tillampas enligt en andra utföringsform.
Figur l visar en skiss i tvårsnitt ett exempel på en APD tillverkad i InGaAsP-materialsystemet. För att tillverka en sådan odlas först en grundstruktur på ett substrat 12 med MOVPE (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy), där grundstruktu- hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10 15 20 25 30 ren bestående av skikten ll, l0, 9 och 8 i figur l, varefter man i skiktet 8 med RIE (Rective Ion Etch) etsar ut en för- höjning om cza 60 nm. Skiktet betecknat ll är ett omkring 500 nm tjockt buffertskikt av n+-dopat InP, som har till uppgift att vara en så långt som möjligt defektfri grund för odling av den fortsatta strukturen. Skikt 10 är ett omkring l um tjockt absorptionsskikt av InGaAs där fotonerna absorberas, Skikt 9 är en omkring l00 nm tjock d.v.s. absorptionsskitet. kontinuerlig övergång från InGaAs till InP, i vilket Ga är successivt utbytt mot In och As utbytt mot P. Skiktet 9 har till uppgift att eliminera en diskontinuitet i bandgapet, som bildar en barriär för laddningsbärarna. Skikt 8 är ett cza 200 nm tjockt fältkontrollskikt, som har till uppgift att dra ned det elektriska fältet i absorptionsskiktet.
Ett p-dopat skikt definieras med zinkdiffusion genom en mask av kiselnitrid 3 ned i ett 2.l um tjockt InP-skikt, betecknat 6, som odlas med en andra epitaxi-process. Zinkdiffusionen görs sen i en epitaxireaktor och sträcker sig cza l.8 um ned i InP och definierar p-sidan i pn-övergången och samtidigt kontaktskiktet, till vilket man elektriskt kontakterar halv- ledarmaterialet på p-sidan. Det dopade området betecknas l7.
Skiktet betecknat 7 är en odopad del av skiktet 6 och utgör multiplikationsskiktet.
Den etsade förhöjningen i skiktet 8 har till uppgift att minska det elektriska fältet i multiplikationsskiktet vid randen jämfört med i centrala delen av komponenten, detta för att undvika det randgenombrott, som annars inträffar där på grund av det p-dopade områdets krökningsradie.
Ett c:a 200 nm tjockt antireflexskikt 4 av kiselnitrid depo- neras sedan på komponenten, i vilket man gör en öppning och hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10 15 20 25 30 skapar en elektrisk kontakt 5 till en anslutningskontakt l med metallförångning och lift-off. Anslutningskontakten l be- stär nedifrän och upp av Au/Zn/Au i de ungefärliga tjockle- karna 10/30/100 nm. För att fä ned kapacitansbidraget från kontakten, som kontakterar chippet till en bärare, deponeras ett 5 um tjock skikt 2 av ett polymert elektriskt isolerande material, pä vilket anslutningskontakten l placeras. Anslut- ningskontakten l elektropläteras pä ett sputtrat underlag av TiW/Au med ungefärliga tjocklekar om 50/150 nm och definie- rats med litografi med öppningar, där pläteringen skall ske.
Baksidan, d.v.s. komponentens nedersida, slipas sedan ned med aluminiumoxid och poleras med klorbaserad polering till cza 120 um tjocklek och beläggs sedan med ett skikt 13 av TiW/Au med tjocklekarna 50/150 nm, som sputtras på nämnda baksida.
Dä komponenten är i normalt driftläge sä är den backspänd, d.v.s. positiv potential kopplad till komponentens n-sida, d.v.s. baksidan och negativ till p-sidan, d.v.s. framsidan.
Multiplikationsskiktet 7, fältkontrollskiktet 8, skiktet 9 och absorptionsskiktet 10 är dä utarmade. En foton som faller in i komponenten och absorberas i absorptionsskiktet genere- rar ett elektron-hålpar, som sveps iväg av det elektriska fältet och genererar en fotoström. Hälen sveps iväg mot p- kontakten och när multiplikationsskiktet, där fältet är som högst i komponenten, accelereras och genererar fler ladd- ningsbärare tack vara sin höga energi. Dessa accelereras också och genererar därvid ytterligare laddningsbärare i ett lavinartat förlopp. På sä vis fäs en förstärkning av foto- strömmen frän komponenten.
För att en foton ska absorberas i absorptionsskiktet mäste den ha en energi, som är högre än bandgapet i skiktet, annars hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10 15 20 25 30 transporteras den bara rakt igenom komponenten opåverkad.
Materialet är då genomskinligt för infallande ljus. Eftersom absorptionsskiktet i utföringsexemplet är av InGaAs betyder det att fotonerna måste ha en energi högre än bandgapet i InGaAs, d.v.s. c:a 0.75 eV. Detta motsvarar ljus med vågläng- den kortare än c:a 1650 nm och täcker således in de vågläng- der, som används i kommersiella fiberoptiknät.
Det i samband med figuren 1 beskrivna, tillhör i allt väsent- ligt känd teknik.
Föreliggande uppfinning ökar absorptionen av fotoner avsevärt samtidigt som bandbredden inte påverkas negativt, d.v.s. blir mindre.
Enligt föreliggande uppfinning finns det under absorptions- skiktet 10 åtminstone en braggspegel 14 anordnad att reflek- tera fotoner, som från öppningen 16 passerat absorptionsskik- tet tillbaka till absorptionsskiktet.
Enligt en föredragen utföringsform är braggspegeln uppbyggd av en periodisk struktur av omväxlande InP-skikt och AlInGa- As-skikt.
Enligt en annan föredragen utföringsform är nämnda InP-skikts och AlInGaAs-skikts tjocklekar anpassade för att reflektera ljus av en förutbestämd våglängd.
Braggspegeln 14 reflekterar det ljus, som inte absorberats, tillbaka in i strukturen så att det passerar absorptionsskik- tet 10 ytterligare en gång. Braggspegeln 14 är uppbyggd av en periodisk struktur av omväxlande InP- och Al1nGaAs-skikt, SOITI är plana och med konstant tjocklek. Skiktens tjocklekar är hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10 15 20 25 30 anpassade så att spegeln reflekterar ljus i det våglängdsin- tervall man önskar. Exempelvis kan braggspegeln vara uppbyggd av tio perioder av InP- och AlInGaAs-skikt.
Skikten InP och AlInGaAs odlas med MOVPE. InP och relaterade material ar III-V-halvledare och består till hälften av grupp III- och hälften grupp V-ämnen, som i en kristall sitter på grupp III- respektive grupp V-platser. I fallet InP är In en- da grupp III-ämnet och As enda grupp V-ämnet. I braggspegeln 14 av AlInGaAs är proportionerna av grupp III-ämnena 53 atom% In, 42 % Ga och 5 % Al medan As ar enda grupp V-ämnet i före- ningen. En spegel med 10 perioder av tjockleken 121.5 nm för InP och 110 nm för AlInGaAs har teoretiskt ett reflektansmax- imum vid våglängden 1551.5 nm och en spektral bredd på 110 nm definierat som den bredd, inom vilken reflektansen är över 50%. Teoretiska beräkningar ger även maximal reflektans om c:a 62%. Dessa värden är snarare uppskattningar än förväntade exakta värden, eftersom beräkningarna bl.a. beror kraftigt av vilket brytningsindex, som används på AlInGaAs-skikten.
Braggspegelns reflektansspektrum påverkas kraftigt av period- längden på spegelns ingående skikt så att längre period för- skjuter spektrat åt det långvågiga hållet och vice versa.
Periodlängden är tjockleken på ett par av nämnda skikt, exem- pelvis ett skikt av InP och ett skikt av AlInGaAs. Den varia- tion som finns i MOVPE-processen leder till variation även i spegelns spektrum, vilket kan innebära att spegeln inte läng- re täcker hela det önskade våglängdsintervallet.
Detta problem löses med en mycket föredragen utföringsform av uppfinningen, genom att det finns åtminstone två ovanpå var- andra liggande braggspeglar 14,15, av att braggspeglarna har skilda reflektansspektra och av att braggspeglarnas respekti- hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10 15 20 25 30 ve reflektansspektrum är anordnade att tillsammans ge ett bredare reflektansspektrum.
I figur 3 visas ett utförande där det finns två ovanpå var- andra liggande braggspeglar 14, 15. De två braggspeglarna har skilda reflektansspektra, där braggspeglarnas respektive re- flektansspektrum är anordnade att tillsammans ge ett bredare reflektansspektrum.
De två braggspeglarna 14, 15 har något skilda periodlängder i strukturen, vilket ger att de tillsammans täcker in ett stor- re intervall med en hog reflektans.
Enligt en föredragen utforingsform har den ena av de två braggspeglarna 14,15 en periodlängd, som ar ett visst bestämt avstånd kortare än hos en fotodiod med endast en braggspegel och av att den andra av braggspeglarna 14,15 har en period- längd, som är nämnda vissa avstånd längre än hos en fotodiod med endast en braggspegel.
I ett utforingsexempel skiljer sig braggspeglarna så att i den ena har periodlängden gjorts 2.5% kortare och i den andra 2.5% längre. I stället for periodlängden 231.5 nm när endast en braggspegel finns, används 243 nm respektive 220.5 nm.
Braggspegeln med den kortare periodlängden ger ett våglängds- intervall av 1450 - 1570 nm, medan braggspegeln med den läng- re periodlängden ger ett våglängdsintervall av 1530 - 1650 nm. Reflektansen är härvid omkring 50%.
Ovan har ett antal utforingsformer och material beskrivits.
Uppfinningen kan emellertid varieras vad avser materialval och tjocklekar på ingående skikt for en APD. Föreliggande uppfinning är således inte begränsad till någon speciell APD. hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE Föreliggande uppfinning skall således inte anses begransad till ovan angivna utföranden utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram. hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE

Claims (6)

10 15 20 25 30 Patentkrav
1. l. En frontbelyst lavinfotodiod (16) (eng. Avalanche Photodiode (APD) innefattande en Öppning for infallande ljus, inne- fattande från öppningen och nedåt ett antal olika halvledar- (7), (10), skikt innefattande ett multiplikationsskikt ett faltkon- trollskikt (8) och ett absorptionsskikt dar absorp- k a n n e - (10) tionsskiktet ar anordnat att absorbera fotoner, att under absorptionsskiktet finns (14) t e c k n a d a v, anordnad att reflektera foto- (10) åtminstone en braggspegel ner, som från öppningen passerat absorptionsskiktet tillbaka till absorptionsskiktet.
2. Fotodiod enligt krav l, k a n n e t e c k n a d a v, att (14) växlande InP-skikt och AlInGaAs-skikt. braggspegeln ar uppbyggd av en periodisk struktur av om-
3. Fotodiod enligt krav 2, k å n n e t e c k n a d a v, att namnda InP-skikts och AlInGaAs-skikts tjocklekar ar anpassade for att reflektera ljus i ett forutbestamt våglangdsinter- vall.
4. Fotodiod enligt krav 3, k a n n e t e c k n a d a v, att det finns åtminstone två ovanpå varandra liggande braggspeg- lar (l4,l5), av att braggspeglarna har skilda reflektans- spektra och av att braggspeglarnas respektive reflektansspek- trum ar anordnade att tillsammans ge ett bredare reflektans- spektrum.
5. Fotodiod enligt krav 4, k a n n e t e c k n a d a v, att hos den ena av de två braggspeglarna ar periodlångden olika hos ingående braggspeglar. hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE 10
6. Fotodiod enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d a v, att den ena av de två braggspeglarna (l4,l5) har en periodlängd, som är ett visst bestämt avständ kortare än hos en fotodiod med endast en braggspegel och av att den andra av braggspeglarna (l4,l5) har en periodlängd, som är nämnda vis- sa avstånd längre än hos en fotodiod med endast en braggspe- gel. hz\docwork\ansökningstext.doc, 2009-09-24 090173SE
SE0950698A 2009-09-24 2009-09-24 Fotodiod av typen lavinfotodiod. SE534345C2 (sv)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0950698A SE534345C2 (sv) 2009-09-24 2009-09-24 Fotodiod av typen lavinfotodiod.
JP2012530843A JP5705859B2 (ja) 2009-09-24 2010-09-02 アバランシェタイプのフォトダイオード
PCT/SE2010/050936 WO2011037517A1 (en) 2009-09-24 2010-09-02 Photodiode of the type avalanche photodiode
EP10819111.5A EP2481097A4 (en) 2009-09-24 2010-09-02 Photodiode of the type avalanche photodiode
US13/497,546 US20120235267A1 (en) 2009-09-24 2010-09-02 Photodiode of the type avalanche photodiode
JP2014217711A JP2015039032A (ja) 2009-09-24 2014-10-24 アバランシェタイプのフォトダイオード

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0950698A SE534345C2 (sv) 2009-09-24 2009-09-24 Fotodiod av typen lavinfotodiod.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE0950698A1 true SE0950698A1 (sv) 2011-03-25
SE534345C2 SE534345C2 (sv) 2011-07-19

Family

ID=43796076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0950698A SE534345C2 (sv) 2009-09-24 2009-09-24 Fotodiod av typen lavinfotodiod.

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20120235267A1 (sv)
EP (1) EP2481097A4 (sv)
JP (2) JP5705859B2 (sv)
SE (1) SE534345C2 (sv)
WO (1) WO2011037517A1 (sv)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251219B2 (en) * 2020-03-10 2022-02-15 Sensors Unlimited, Inc. Low capacitance photo detectors
CN113707733A (zh) * 2021-08-05 2021-11-26 西安电子科技大学 一种波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2775355B1 (fr) * 1998-02-26 2000-03-31 Alsthom Cge Alcatel Reflecteur optique en semi-conducteur et procede de fabrication
US6252896B1 (en) * 1999-03-05 2001-06-26 Agilent Technologies, Inc. Long-Wavelength VCSEL using buried bragg reflectors
JP2003152217A (ja) * 2001-11-16 2003-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 受光素子を内蔵する半導体装置
JP2004327886A (ja) * 2003-04-28 2004-11-18 Nippon Sheet Glass Co Ltd 半導体受光素子
JP2005203419A (ja) * 2004-01-13 2005-07-28 Hitachi Cable Ltd 発光素子用エピタキシャルウェハ
JP4611066B2 (ja) * 2004-04-13 2011-01-12 三菱電機株式会社 アバランシェフォトダイオード
JP4370203B2 (ja) * 2004-05-25 2009-11-25 三菱電機株式会社 半導体素子
US7119377B2 (en) * 2004-06-18 2006-10-10 3M Innovative Properties Company II-VI/III-V layered construction on InP substrate
US7126160B2 (en) * 2004-06-18 2006-10-24 3M Innovative Properties Company II-VI/III-V layered construction on InP substrate
US20080191240A1 (en) * 2005-05-18 2008-08-14 Mitsubishi Electric Corporation Avalanche Photo Diode

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015039032A (ja) 2015-02-26
JP5705859B2 (ja) 2015-04-22
US20120235267A1 (en) 2012-09-20
SE534345C2 (sv) 2011-07-19
WO2011037517A1 (en) 2011-03-31
EP2481097A1 (en) 2012-08-01
JP2013506287A (ja) 2013-02-21
EP2481097A4 (en) 2018-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4835837B2 (ja) フォトダイオードとその製造方法
US7795064B2 (en) Front-illuminated avalanche photodiode
Vandamme et al. Ultrathin GaAs solar cells with a silver back mirror
RU2672642C2 (ru) Преобразователь мощности лазерного излучения
JP5239568B2 (ja) 半導体受光素子
EP0709940A2 (en) Integration of surface emitting laser and photodiode for monitoring power output of surface emitting laser
JP5303962B2 (ja) 半導体受光素子
TW201251079A (en) Photon recycling in an optoelectronic device
US9768329B1 (en) Multi-junction optoelectronic device
JP6105258B2 (ja) 半導体受光素子、光受光装置
US20180047922A1 (en) Mechanically stacked tandem photovoltaic cells with intermediate optical filters
JP5857774B2 (ja) 半導体受光素子
JP5307750B2 (ja) 半導体受光素子
JP2011258809A (ja) 半導体受光素子
EP1204148A2 (en) Planar resonant cavity enhanced photodetector
SE0950698A1 (sv) Fotodiod av typen lavinfotodiod.
KR101322364B1 (ko) 표면 플라스몬 커플러를 가지는 포토다이오드
JP5952105B2 (ja) フォトダイオード
JP2005277181A (ja) 半導体装置の製造方法
JP2011171367A (ja) 半導体受光素子および半導体受光装置
JP2013219073A (ja) 光電変換素子
JP2001308368A (ja) 光共振器構造素子
JP2004327886A (ja) 半導体受光素子
CN109980029B (zh) 一种光电转换器及其制作方法
Kaniewski et al. Resonant microcavity enhanced infrared photodetectors.

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed