SE455975B - Fotodetektor med fotonaterkoppling - Google Patents
Fotodetektor med fotonaterkopplingInfo
- Publication number
- SE455975B SE455975B SE8200330A SE8200330A SE455975B SE 455975 B SE455975 B SE 455975B SE 8200330 A SE8200330 A SE 8200330A SE 8200330 A SE8200330 A SE 8200330A SE 455975 B SE455975 B SE 455975B
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- layer
- photodetector
- layers
- pair
- photon
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 21
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 20
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 13
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 11
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 8
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 2
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/08—Semiconductor 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
- H01L31/10—Semiconductor 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
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/111—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by at least three potential barriers, e.g. photothyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/08—Semiconductor 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
- H01L31/10—Semiconductor 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
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/12—Semiconductor 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
- H01L31/125—Composite 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
15 20 25 30 35 40 455 975 . 2 ett reflekterande material på utsidan av ett halvledaromrâde med brett bandgap; som är motsatt (dvs ej närliggande) ett halvledaromrâde med smalt bandgap. Sekundärfotoner, som bil- das i området med brett bandgap genom stràlningsrekombínation och fortplantning bort från området med smalt bandgap, omrik- tas vid det reflekterande skiktet mot omrâdet med smalt band- gap. På basis av det reflekterande skiktets reflexionsförmåga, emissionseffektiviteten hos området med brett bandgap och absorptionseffektiviteten hos området med smalt bandgap, blir den med uppfinningen uppnàeliga strömförstärkningen och känslig- heten två storleksordningar större än vid de tidigare kända fotodetekteringsanordningarna med fotonåterkoppling.
Vid en utföringsform av uppfinningen har fotodetektorn fyra till varandra gränsande halvledarskikt, anordnade i en följd av skiktpar. Anordningen har följande uppbyggnad: Ä 2 P N r (eller 2 ä N P r), där understrykningen anger ett skikt med smalt bandgap, ingen understrykning anger ett skikt med brett bandgap, och r är det reflekterande skiktet. Denna halvledarkonstruktíon är ett arrangemang med frisvävande bas, där en enda spänningskälla backförspänner området med smalt bandgap och framförspänner området med brett bandgap. Primär- fotoner, som alstras utanför fotodetektorn, faller till en början på det backförspända området med smalt bandgap. Absorp- tion av fotonerna ger upphov till elektron-hål-par. Under in- verkan av det pâlagda elektriska fältet injiceras laddnings- bärare i det framförspända området med brett bandgap, där rekombination under strålning uppträder. Vissa genom rekombi- nationen frigjorda sekundärfotoner fortplantas mot området med smalt bandgap. Andra sekundärfotoner, som fortplantas bort från området med smalt bandgap, omriktas av det reflekterande skiktet mot området med smalt bandgap. Absorptíon av sekundär- fotonerna förorsakar alstring av ytterligare laddningsbärare.
Eftersom emissions- och absorptíonsverkningsgraderna för halv- ledarområdena närmar sig 1, kommer variationer i det reflek- terande skiktets reflexionsförmåga att ändra anordningens strömförstärkning. Förstärkningar av storleksordningen 100 har uppnåtts genom dessa anordningar.
Vid en annan utföríngsform av uppfinningen gränsar ett andra omrâde (PN) med brett bandgap till området med smalt bandgap för att härigenom bilda en sexskiktíg fotodetektor 10 15 20 25 30 35 40 z 455 975 med fotonåterkoppling. Detta andra område med brett bandgap är framförspänt och verkar därför på samma sätt som det ovan beskrivna första området med brett bandgap. De i denna ut- föringsform ingående båda områdena med brett bandgap alstrar fotoner genom strålningsavgivande rekombination som svar på fotoströmmens laddningsbärare. Liknande förstärkningsfaktorer som de ovan beskrivna kan uppnås genom denna fotodetektor.
Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till bifogade ritningar. Där visar fig_l ett förenklat schema över en integrerad fyrskiktsfotodetektor med en reflekterande yta, fig_Ã-ett kopplingsschema för en fördelad fotodetektor med tvâ lysdioder, som är optiskt och ohmskt förbundna med en enkel fotodiod, fig_§ ett förenklat schema över en integrerad sexskiktsfotodetektor med en reflekterande yta samt fig_í ett förenklat schema över den i fig 3 visade fotodetektorn, utökad att omfatta en extra, inre fotonkälla. _ Varje i fig 1, 3 och 4 visad fotodetektor med foton- återkoppling innefattar minst fyra till varandra gränsande skikt av halvledarmaterial. Planparallella övergångar bildas vid varje gränsyta mellan två angränsande skikt. Skikten är grupperade i en följd av par eller områden av skikt. Varje par innehåller ett skikt av P-ledningstyp och ett skikt av N-ledningstyp.
Den kemiska sammansättningen hos varje skikt i ett visst område av fotodetektorerna bestämmer bandgapet för området, områdets lämplighet för fotonabsorptíon eller fotonemission samt respektive absorptions- eller emissionsverkningsgrader bland annat sådant. Halvledarkompositioner i ~ fotodetektorer med fotonåterkoppling enligt uppfinningen är mycket effektiva beträffande både fotonabsorption (na = 1) i ett backförspänt omrâde med smalt bandgap och fotonemission (ne = 1) i ett framförspänt område med brett bandgap.
De kompositioner eller föreningar, som väljs för varje omrâde hos fotodetektorerna är vanligen kända som III-V-för- eningar. Varje område med brett bandgap, i fig 1, 3 och 4 identifierade som en PN-övergång (ej understruken), är sam- mansatt av en kvartenär förening, såsom indium-gallíumarsenid- -fosfíd (InxGa As 0 1-x y 1-y -galliumarsenid (InxGa1_xAs) används i varje omrâde med smalt ). En ternär förening, såsom indium- bandgap, identifierat som en Qß-övergång. 10 15 20 25 m_ 35 40 455 975 4 Ett substratmaterial, på vilket P- och N-skikt epitaxiellt odlas efter varandra, väljs likaså från gruppen av III-V-föreningar. Störsubstanser införs i substratet för att bringa substratets ledningstyp att passa till lednings- typen av det angränsande skiktet i ett omedelbart närliggande område. Indiumfosfid (InP) används som substrat i dessa foto- detektorer, eftersom den är väsentligen transparent för elektromagnetisk strålning inom det område, som är av intresse för överföringssystem med optiska fibrer, dvs approximativt 1,3 pm (0,954 ev). Detta innebär att energigapet för substrat- materialet är större än energin hos de primärfotoner, som skall detekteras.
Energibandgapet mäts i elektronvolt (ev) och representerar bredden av det förbjudna området i bandmodellen för halvledare.
Denna bredd mäts från en övre potentialgräns för valensbandet till en undre potentialgräns för ledningsbandet. Vid den i figurerna visade speciella utföringsformen av uppfinningen är bandgapet för varje område följande.
'Substrat InP ca 1,28ev PN-område InGaAsP ga l,03ev Bg-område InGaAs ca 0,78ev Varje PN-övergång är en homoövergàng, vare sig den ligger i ett område mellan skikt Nä eller P2, för tvâ till vid heteroövergången för att skapa möjligheter till foton- med brett eller smalt bandgap. Varje övergång av samma ledningstyp i närliggande områden, dvs är heteroövergång. Vanligen är kristallgittren varandra gränsande halvledarmaterial anpassade emission eller -absorption nära heteroövergàngen. Vid foto- detektorerna enligt uppfinningen uppträder fotonemissioner och -absorptioner nära PN-homoövergångarna och ej nära hetero- övergångarna. §N- eller BP-heteroövergångarna underlättar i första hand elektrisk (ohmsk) kontakt mellan de till varandra gränsande skikten av likartad ledningstyp. Således är det onödigt att gitteranpassa materialen vid varje heteroövergång vid de ifrågavarande fotodetektorerna.
Tjockleken av varje skikt är viktig, speciellt i området med smalt bandgap. Varje skikt är tillräckligt tunt för att utarmas av den pålagda förspänningen, varigenom säkerställs att laddningsbärare, som alstras genom fotonabsorption i ett skikt med smalt bandgap, når fram till den sida av övergången, 10 15 20 25 35 40 i'diod (skikt 10 och 11) i serie med en lysdiod (skikt s 455 975 där de är majoritetsbärare. Utarmningsbredden i varje PN-över- gång är beroende av störämneskoncentratíonerna i båda skikten och av den pålagda spänningen. Exempelvis uppvisar en InGaAs- -gg-övergång, som utsätts för en backförspänning på 10 V, en utarmningsbredd approximativt lika med 4,2 pm: Q-skiktet ut- armas med 3,8 pm; 2-skiktet utarmas med 0,4 pm. Sålunda har områden med smalt bandgap för enligt uppfinningen konstruerade fotodetektorer ett 2-skikt, som approximativt är O,3,um tjockt, och ett E-skikt, som är approximativt 3,7Åpm tjockt. 1 För områden med brett bandgap är skikttjockleken väsent- ligen lika med fyra eller fler diffusionslängder för minoritets- bärare i det ifrågavarande skiktet. Härigenom säkerställs strål- ningsavgivande rekombination av injicerade minoritetsbärare före det att laddningsbärarna diffunderar till en gränsyta med ett närliggande skikt. Störämneskoncentrationerna ökas i varje skikt för att hålla varje skikttjocklek inom rimliga gränser.
En hög störämneskoncentration ger diffusionslängder på 0,2 pm för hål i material av P-typ och approximativt 1,0 pm för elektroner i material av N-typ. Sålunda uppvisar områden med brett bandgap enligt uppfinningen en skikttjocklek på 0,8,um för varje P-skikt och 4,0,um för varje N-skikt.
Om nu fotodetektorutföríngsformerna i de enskilda figurer- na betraktas, visar fig 1 ett förenklat schema över en inte- grerad fyrskiktsfotodetektor 1 med fotonàterkoppling. Foto- detektorn 1 innefattar en följd av två par skikt av halv- ledarmaterial, epitaxiellt odlade på ett substrat 5 och be- lagda med reflekterande material till bildande av en reflektor 16. ' Varje par av skikt bildar en PN-homoövergång med antingen ett brett eller smalt energibandgap: §-skiktet 10 och E-skiktet 11 kombineras som ett par med smalt bandgap (angivet genom understrykníngen), och P-skiktet 12 och N-skiktet 13 kombine- ras som ett par med brett bandgap. En heteroövergång bildas mellan varje skiktpar. Vid fotodetektorn 1 förekommer hetero- övergången mellan B-skiktet 11 och P-skíktet 12. Heteroöver- gången ombesörjer enbart ohmsk kontakt mellan de till varandra gränsande skiktparen.
Den i fig 1 visade anordningen är framställd som en foto- 12 och 13). Varje diod måste vara korrekt förspänd för att hela foto- 455 975 6 10 15 20 25 30 35 40 detektoranordningen skall fungera på rätt.sätt. För att arbeta som avsett måste.fotodioden vara backförspänd, och lysdioden mäste vara framförspänd. Riktig förspänning ástadkommes genom seriekopplingen av dioderna. I själva verket ger en enda spänningskälla, såsom en förspänningskälla 8, ansluten över fotodetektorn 1 rätt förspänningsförhållande för fotodetektorn.
Pörspänningen är vald att ge den önskade förstärkningen hos fotodetektorn 1. Vid den alstrar förspänningskällan 8 i fíg 1 visade utföringsformen en utspänning inom området 5-10 V. Pörspänningskällan 8 är seriekopplad med ett belast- ningsmotstånd, såsom visas i fig 1. Belastningsmotstándet är även anslutet till en elektrod 4 på substratet S. En annan elektrod är anordnad på reflektorn 16, till vilken elektrod förspänningskällan 8 är ansluten. Denna elektrod behöver ej ha något gap eller fönster, såsom fallet är vid elektroden 4.
Reflektorn 16 är en metallisk, reflekterande beläggning, såsom guld eller en kombination av titan och guld, anbragt på den totala utsidan av N-skíktet 13 längst bort från substratet 5. När en kombination av titan och guld används, gränsar ett titanskikt mot utsidan av N-skíktet 13. Ett guldskikt bondas därefter direkt på utsidan av titanskiktet.
Primärfotonen 6 faller på substratet 5 via ett gap eller fönster i elektroden 4. Eftersom substratet 5 är transparent för fotonen 6, kommer denna att passera genom substratet 5 väsentligen ohindrat. Primärfotonen 6 absorberas därefter i det utarmade området med smalt bandgap: Q-skiktet 10 eller B-skiktet 11. §-skiktet 10 är utfört tillräckligt tunt för att tillåta de fotoströmsladdningsbärare, som alstras genom absorptionen av fotonen 6, att av övergångens elektriska fält bäras vidare till B~skiktet 11.
När fotoströmmen börjar flyta, undergår den framförspända övergången mellan P-skiktet 12 och N-skíktet 13 en potential- ökning. Denna ökning bringar fria elektroner och injícerade hål att rekombineras under avgivande av strålning nära den framförspända övergången. De genom rekombinationen alstrade sekundärfotonerna emitteras i alla riktningar. Reflektorn 16 bildar ett medel för omriktning av vissa sekundärfotoner tillbaka mot B-skiktet 11 för därpå följande absorption.
Dessa sekundärfotoner, som från början ríktades mot E-skiktet 11, fortsätter i denna riktning tills de absorberas. Sålunda 10 15 20 ZS 30 7 , 455 975 kommer väsentligen alla av de av rekombinationen i P-skiktet 12 eller N-skiktet 13 alstrade sekundärfotonerna att samlas i B-skiktet 11 för att skapa ytterligare laddningsbärarpar och underhålla fotoströmmen. Antalet ytterligare laddningsbärarpar bestämmer fotodetektorns 1 förstärkning och känslighet.
Strömförstärkningen definieras som förhållandet mellan antalet laddningsbärare, som genomlöper ett visst tvärsnitt av fotodetektorn 1, och antalet av fotodetektorn 1 absorberade prímärfotoner (fotonen 6). Genom förenkling av detta förhål- lande med användande av standardteknik kan förstärkningsfaktorn beräknas som 1 G = (1- 0,5 (un) nenaï där R är reflektorns 16 reflexíonsförmåga, na är fotonab- sorptionsverkningsgraden för §-skiktet 10 och 2-skiktet 11, och ne är fotonemissionsverkningsgraden för P-skiktet 12 och N-skiktet 13. För de i fig 1, 3 och 4 visade fotodetektorer- na är både ne och na väsentligen lika med 1. Det inses att genom lämpligt valav material, som uppvisar mycket höga värden på ne, na och R, kan en förstärkningsfaktor på 100 eller mer lätt erhållas.
Fotodetektoranordningar av den i fig 1 visade typen har tillverkats med användande av epitaxiell odlingsteknik.
Vätskefasepitaxi har övervägande använts, men även molekyl- stràlepitaxi är tillämpbart. Dessa metoder ger anordningar som är ca 100 pm i fyrkant. Tjockleken av fotodetektorn 1 är väsentligen lika med antalet PN- och fä-övergångar gånger approximativt 5 pm plus substrattjockleken. Typiska substrat- tjocklekar är av storleken 75 pm. Därför är tjockleken av fotodetektorn 1 något större än 87 pm.
Under epitaxiell odling av anordningarna införs stör- ämnen i varje skikt. Typen av störämne och koncentrationen av störämnet påverkar varje skikts ledningsförmåga. Störämnes- typer och störämneskoncentratíoner för de olika skikten i ett exempel på utföringsform av fotodetektorn 1 återges i nedan- stående tabell: 10 15 20 25 30 455 975 ß = SKIKT FÖRENING STURÄMNE STORÄMNES- _ KONCENTRATION (AtomerYcm3) N:5 InP Tenn 1018 _ 15 §.10 InO,53Ga0,47As Tenn 1017 P: 1 ' _ 1 InO,53GaO,47As Zink 1017 P.12 In0'79Ga0,21As0,46P0,54 Zink 1017 N:13 In Ga P Zink 10 u, 79 o,z1^5o,46 0,54 Det i fig 2 visade arrangemanget är en "fördelad" (dvs av diskreta komponenter uppbyggd) fotodetektor med fotonåter- koppling, som har två lysdioder, vilka i serie är optískt och ohmskt anslutna till en fotodiod. I vidsträckt bemärkel- se är detta arrangemang en utökning av det av fotodetektorn 1 i fig 1 konkretiserade begreppet. Fotodetektorn 2 innehåller ej blott den fotodiod och den lysdiod, som beskrivits i anslut- ning till fotodetektorn 1, utan inbegriper även ytterligare en lysdiod. Denna andra lysdiod bildar ett annat medel för ök- ning av fotodetektoranordningens känslighet och strömför- stärkning.
Fotodetektorn 2 innefattar en seriekrets med en fotodiod 20 och lysdioder 21 och 22. Pörspänníng för fotodetektorn 2 åstadkommes genom en spänningskälla i serie med ett belast- ningsmotstånd, såsom visas i fig 1. Förspänningens polaritet anges genom ett plustecken och ett minustecken i fig 2.
Primärfotoner hv infaller blott mot fotodioden 20 hos fotodetektorn 2. Allteftersom primärfotoner hv uppsamlas av díoden 20, börjar en fotoström att flyta genom dioderna 21 och 22. Beroende på storleken av fotoströmmen och kvantautbytet hos dioderna 21 (QD21) och 22 (QD22) kommer sekundärfotoner att emitteras av vardera av lysdioderna. Det är viktigt att isolera lysdioderna 21 och 22 från primärfotonerna, eftersom diodernas 21 och 22 utstrålningar ger upphov till en fotospän- ning, som är motsatt den önskade signalen. 1 Eftersom fotodetektorn 1 är ett fördelat arrangemang, är lysdiodernas närhet till fotodioden ej ett tillräckligt vill- kor för att åstadkomma effektiv fotonåterkoppling. Fotonåter- kopplingsbanor åstadkommes genom inläggning av optiska kopp- lare från varje lysdiod till fotodioden. För detta ändamål upprättar den optiska kopplaren 23 en återkopplingsbana för 10 15 20 25 30 35 -s 455 975 från dioden 21 emitterade sekundärfotoner till fotodioden 20; den optiska kopplaren 24 upprättar en liknande återkopp- lingsbana för från díoden 22 emitterade sekundärfotoner till fotodioden 20. Optiska fibrer och linser har använts som optiska kopplare. ' Strömförstärkningen G för ett sådant arrangemang som foto- detektorn 2 bestäms approximativt enligt G g (1 (Qnz1 * QDzz))_1 där QD är kvantautbytet för varje särskild lysdiod. Andra fak- torer som tenderar att påverka fotodetektorns 2 känslighet är verkningsgraden för de optiska kopplarna 23 och 24 samt varje _kopplares förmåga att uppsamla de av den motsvarande lysdioden emitterade sekundärfotonerna.
Fig 3 är ett förenklat schema över en integrerad sexskikts- fotodetektor med fotonåterkoppling, som har en reflekterande yta. Fotodetektorn 3 innehåller ej blott de fyra till varandra gränsande halvledarskikten i fotodetektorn 1 i fig 1 utan har även två ytterligare halvledarskikt, nämligen P-skiktet 14 och N-skiktet 15. $dkt@114 och 15 bildar ett område med brett bandgap. Det bör observeras att vid fotodetektorn 3 är sub- stratet 5 av ledningstypen P+, som är likartad med lednings- typen för det angränsande P-skiktet 14.
Primärfotonen 6 infaller mot substratet 5 i fotodetektorn 3 via spalten eller fönstret i elektroden 4. Eftersom sub- stratet 5 är transparent för fotonen 6 till följd av sitt breda bandgap, passerar fotonen väsentligen ohindrat genom sub- stratet 5. P-skiktet 14 och N-skiktet 15 har likaså tillräck- ligt stora bandgap för att tillåta ohindrad passage av fotonen 6 till E-skiktet 10. I §-skiktet 10 absorberas fotonen 6 för att härigenom bringa en fotoström att flyta. Stràlningsrekom- bination av fotoströmmens laddningsbärare sker i de båda om- rádena med brett bandgap, som innehåller skikten 12 och 13 samt skikten 14 och 15. I skikten 12 och 13 alstrade sekundär- fotoner är antingen riktade mot 2-skiktet 11 från början el- ler via reflektorn 16 reflekterademot 2-skiktet 11. I genom- snitt kommer hälften av de i skikten 14 och 15 alstrade sekundärfotonerna att riktas mot §-skíktet 10.
Absorption av sekundärfotonerna uppträder i det område med smalt bandgap, som innefattar skikten 10 och 11, och ger 10 15 20 25 30 35 40 =455 975 w upphov till en ökning i antalet fotoströmsladdningsbärare.
I den epitaxiella odlíngsproceduren för fotodetektorn 3 införs störämnen i P-skiktet 14 och N-skiktet 15 till samma koncentrationsnivåer som P-skiktet 12 resp N-skiktet 13. De återstående skíkten prepareras pâ det sätt, som ovan be- skrivits i anslutning till fotodetektorn 6 i fíg 1, med undan- tag av att substratet S dopas med zink vid en störämnes- 18 atomer/cm3 för att uppvisa P+-led- koncentrationsnivå på 10 ningstyp.
Fig 4 visar en fotodetektor, som innefattar en fotodetek- tor 3', vilken i huvudsak är identiskt lika fotodetektorn 3, ett §+ E+-omrâde och ett tredje (fotonemitterande) PN-område med brett bandgap, förbundet med fotodetektorn 3' genom E+ hög störämneskoncentrationsnivå, så att det väsentligen verkar E+-omrâdet. Detta område är extremt tunt och har en mycket som ohmsk kontakt, när det backförspänns.
Vid denna fotodetektoranordning är bandgapet vid det om- råde, som omfattar P-skiktet 28 och N-skiktet 29, smalare än bandgapet i det område, som omfattar skikten 12 och 13. Här- igenom kan skikten 12 och 13 uppträda som transparenta för sekundärfotoner, som alstras i antingen skíktet 28 eller 29.
Således får sekundärfotoner, som alstras i antingen skiktet 28 eller 29, extremt hög sannolikhet för att uppsamlas i 2-skiktet 11 i området med smalt bandgap.
Fotodetektorn i fig 4 reagerar för primärfotonen 6 på samma sätt som fotodetektorerna 1 och 3. En i fotodetektorn alstrad fotoström bríngar sekundärfotoner att emítteras av de tre fotonemitterande PN~områdena: skikten 12 och 13, skikten 14 och 15 samt skikten 28 och 29. Reflektorn 16 omriktar sekundärfotonerna mot 2-skiktet 11. Uppsamlingen av sekundär- fotonerna utförs antingen av E-skiktet 10 eller B-skiktet 11. E+-skiktet 26 och E+-skiktet 27 är backförspända att skapa en ohmsk kontakt mellan P-skiktet 28 och N-skiktet 13 samt är transparenta för de i de närliggande PN-områdena alstrade sekundärfotonerna.
P-skiktet 28 och N-skiktet 29 har identiskt lika kemisk struktur och störämneskoncentration som P-skiktet 12 resp N-skiktet 13. Både g*-Skiktef 26 och g*-skiktet 27 är extremt tunna skikt, som är sammansatta av In0,57Ga0,43As. skikt i §+ E+-omrâdet är approximativt 1 - 2 pm tjockt. Skiktet Varje 10 15 20 11 455 975 26 är starkt dopat med svavel till en störämneskoncentration av approximativt 1018 atomer/cms; likaså är skiktet 27 starkt dopat med zink till en störämneskoncentration av approximativt 1018 atomer/cm3.
Samtliga av de ovan beskrivna fotonåterkopp1ings-foto- detektorerna uppvisar höggradíg känslighet för primärfotoner.
Denna känslighet har experimentellt visats vara minst en stor- leksordning högre än tidigare likartade anordningar.
Komplementära strukturer för de i fíg 1, 3 och 4 visade fotodetektorerna kan helt enkelt erhållas genom byte av led- níngstypen för varje skikt till den motsatta ledningstypen och genom omkastning av förspänningspolariteten.
Smärre modifikationer av de i figurerna visade fotodetek- torerna ligger inom uppfinningens ram för förbättring av den hittills uppnådda graden av känslighet. En sådan modifikation av de í fig 3 och 4 visade fotodetektorerna är att inlägga en dielektrisk reflektor mellan elektroden 4 och substratet 5 för reflektering av sekundärfotoner tillbaka mot ß-skiket 10.
Likaså kan en metallisk reflektor av liknande typ som reflek- torn men med minimístorlek på spalten eller fönstret för genomsläppning av primärfotonen 6 användas i stället för elektroden 4.
Claims (2)
1. IL 455 975 _ - Patentkrav 1. Fotodetektor med till varandra gränsande skikt (10,11, 12,13) av halvledarmaterial grupperade i en följd av par av skikt, där varje par är anordnat som ett första skikt och ett andra skikt, varvid det första skiktet i varje par (11,13) är uppbyggt av halvledarmaterial av motsatt ledningstyp gente- mot det andra skiktet i det motsvarande paret (10,12), och varvid det första och det andra skiktet i varje par har väsentligen lika stora bandgap, varjämte det första skiktet i varje par i följden av par är uppbyggt av ett halvledar- material av likartad ledníngstyp som det andra skiktet i det omedelbart angränsande paret av skikt, samt bandgapet hos det första och det andra skíktet i varje par skiljer sig från bandgapet hos det första och det andra skiktet i varje omedel- bart angränsande par, k ä n n e t e c k n a d av att ett reflekterande beläggníngsskíkt (16) gränsar till ett yttersta skikt (13) i följden av skiktpar.
2. Fotodetektor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det yttersta skiktet i följden av par, vilket skikt gränsar till den reflekterande beläggningen, har ett brett bandgap. 32 Fotodetektor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att tjockleken av det första skiktet i varje par är väsent- ligen lika med tjockleken av det andra skiktet i nästa par i följden. 4. Fotodetektor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att det reflekterande beläggningsskiktet innehåller ett första skikt av titan och ett andra, till detta direkt gränsan- de skikt av guld. v 5. Fotodetektor enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att en dielektrisk reflektor är placerad att reflektera sekundärfotoner tillbaka mot skikten.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/230,873 US4399448A (en) | 1981-02-02 | 1981-02-02 | High sensitivity photon feedback photodetectors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE8200330L SE8200330L (sv) | 1982-08-03 |
SE455975B true SE455975B (sv) | 1988-08-22 |
Family
ID=22866915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE8200330A SE455975B (sv) | 1981-02-02 | 1982-01-21 | Fotodetektor med fotonaterkoppling |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4399448A (sv) |
JP (1) | JPS57149779A (sv) |
BE (1) | BE891952A (sv) |
CA (1) | CA1182200A (sv) |
DE (1) | DE3202832A1 (sv) |
FR (1) | FR2499317B1 (sv) |
GB (1) | GB2094551B (sv) |
IT (1) | IT1149520B (sv) |
NL (1) | NL186610C (sv) |
SE (1) | SE455975B (sv) |
Families Citing this family (6)
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)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3369132A (en) * | 1962-11-14 | 1968-02-13 | Ibm | Opto-electronic semiconductor devices |
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 |
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 |
-
1981
- 1981-02-02 US US06/230,873 patent/US4399448A/en not_active Expired - Fee Related
-
1982
- 1982-01-20 CA CA000394526A patent/CA1182200A/en not_active Expired
- 1982-01-21 SE SE8200330A patent/SE455975B/sv not_active IP Right Cessation
- 1982-01-29 DE DE19823202832 patent/DE3202832A1/de active Granted
- 1982-01-29 BE BE0/207182A patent/BE891952A/fr unknown
- 1982-01-29 GB GB8202602A patent/GB2094551B/en not_active Expired
- 1982-01-29 IT IT19373/82A patent/IT1149520B/it active
- 1982-02-01 NL NLAANVRAGE8200371,A patent/NL186610C/xx not_active IP Right Cessation
- 1982-02-01 FR FR8201555A patent/FR2499317B1/fr not_active Expired
- 1982-02-02 JP JP57014416A patent/JPS57149779A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NL186610C (nl) | 1991-01-02 |
US4399448A (en) | 1983-08-16 |
FR2499317B1 (fr) | 1985-11-29 |
GB2094551A (en) | 1982-09-15 |
SE8200330L (sv) | 1982-08-03 |
IT8219373A0 (it) | 1982-01-29 |
CA1182200A (en) | 1985-02-05 |
IT1149520B (it) | 1986-12-03 |
JPS57149779A (en) | 1982-09-16 |
BE891952A (fr) | 1982-05-17 |
GB2094551B (en) | 1985-01-03 |
DE3202832A1 (de) | 1982-09-02 |
NL8200371A (nl) | 1982-09-01 |
NL186610B (nl) | 1990-08-01 |
DE3202832C2 (sv) | 1988-06-01 |
JPS6244867B2 (sv) | 1987-09-22 |
FR2499317A1 (fr) | 1982-08-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4179702A (en) | Cascade solar cells | |
US4477721A (en) | Electro-optic signal conversion | |
US5399880A (en) | Phototransistor with quantum well base structure | |
Campbell et al. | Multiplication noise of wide-bandwidth InP/InGaAsP/InGaAs avalanche photodiodes | |
KR20000052787A (ko) | 광전반도체장치 | |
US4471370A (en) | Majority carrier photodetector | |
US3852797A (en) | Electroluminescent semiconductor device | |
JPH01183174A (ja) | 半導体受光素子 | |
SE455975B (sv) | Fotodetektor med fotonaterkoppling | |
JPH04111478A (ja) | 受光素子 | |
JPH038117B2 (sv) | ||
JPH0732264B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
US4729004A (en) | Semiconductor photo device | |
JPH07118548B2 (ja) | ▲iii▼−v族多元化合物半導体pinフオトダイオ−ド | |
JPH08274366A (ja) | 半導体受光素子 | |
CA2477989A1 (en) | A laser diode with a low absorption diode junction | |
JPS61228684A (ja) | 半導体発光素子 | |
JP2995751B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
Li et al. | Photonic devices | |
JPS6237979A (ja) | 発光・受光集積素子 | |
JPS6146080A (ja) | 半導体受光装置 | |
JPS63142683A (ja) | アバランシエホトダイオ−ド | |
JPS61283178A (ja) | 光導電型半導体受光素子 | |
JPS60260168A (ja) | 半導体受光装置 | |
JPS6237978A (ja) | 発光・受光集積素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |
Ref document number: 8200330-2 Effective date: 19910805 Format of ref document f/p: F |