WO2020109562A1 - Lawinen-fotodiode - Google Patents

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WO2020109562A1
WO2020109562A1 PCT/EP2019/083110 EP2019083110W WO2020109562A1 WO 2020109562 A1 WO2020109562 A1 WO 2020109562A1 EP 2019083110 W EP2019083110 W EP 2019083110W WO 2020109562 A1 WO2020109562 A1 WO 2020109562A1
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WO
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absorber
multiplier
avalanche photodiode
photodiode according
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PCT/EP2019/083110
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias BECKERWERTH
Patrick Runge
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
    • H10F30/225—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H10F30/2255—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers form heterostructures, e.g. SAM structures

Definitions

  • the invention relates to an avalanche photodiode according to the preamble of claim 1 and a method for producing an avalanche photodiode according to the preamble of claim 22.
  • Avalanche photodiodes (avalanche photodiodes) are known from the prior art which, in addition to an intrinsic absorber layer in which free charge carriers are generated under the influence of light, have a multiplier layer in which the charge carriers generated in the absorber layer are reproduced .
  • the known avalanche photodiodes include a doped “charge layer” with which the field strength curve in the photodiode is adjusted. This photodiode concept is called SACM ("Separation of Absorption, Charge and Multiplication").
  • SACM Separatation of Absorption, Charge and Multiplication
  • the problem to be solved by the invention is to simplify the manufacture of an avalanche photo diode.
  • At least one absorber layer in which free charge carriers are generated under the action of light At least one absorber layer in which free charge carriers are generated under the action of light
  • At least one multiplier layer in which the charge carriers generated in the absorber layer are duplicated
  • At least one first and second doped contact layer At least one first and second doped contact layer, the contact layers having mutually complementary dopings and the second contact layer being on a side of the multiplier layer facing away from the absorber layer;
  • the absorber layer is formed and doped complementary to the second contact layer that it is at least substantially depleted.
  • the absorber layer is therefore not an intrinsic semiconductor layer, but rather a semiconductor layer with an external doping; ie the absorber layer was provided with a dopant.
  • the dopant concentration of the absorber layer is at least 1 x 10 17 cm 3 or at least 5 x 10 17 cm 3 .
  • This doping of the absorber layer and the doping of the intermediate layer in particular results in a space charge zone which extends at least essentially only in the (in particular intrinsic) multiplier layer and accordingly the absorber layer least is essentially impoverished.
  • a sufficiently high field strength can be generated in the region of the multiplier layer even without a charge layer between the absorber layer and the multiplier layer.
  • the capacitance of the avalanche photodiode is determined in particular by the thickness and the area of the multiplier layer.
  • the avalanche photodiode according to the invention has a plurality of absorber layers, these are all located, for example, on the same side of the multiplier layer (while there are no absorber layers on the other side of the multiplier layer).
  • the avalanche photodiode only comprises a single absorber layer.
  • the manufacturing tolerances increase and the manufacture of the avalanche photodiode is simplified.
  • the production of the layers of the avalanche photodiode permits greater production tolerances with respect to the doping and / or the thickness of these layers.
  • the doping and / or the thickness of the absorber and / or the intermediate layer does not necessarily have to be adapted when the material composition and / or the thickness of the multiplier layer changes.
  • the characteristic curve of the avalanche photodiode runs more linearly than with conventional avalanche photodiodes; in particular, since possible space charge effects, which are due to the presence of holes in the absorber layer, are counteracted.
  • the absorber and the intermediate layer are made as thin as possible.
  • the total thickness of the absorber and the intermediate layer is chosen so that the transit time for the transport of the electron-hole pairs generated in the absorber layer to the multiplier layer by diffusion is comparable to the corresponding transit time of a conventional SCAM avalanche photodiode .
  • the thickness of the absorber and intermediate layer together is less than 500 nm, less than 450 nm or less than 400 nm.
  • the intermediate layer is in particular designed to match at least one band edge between the absorber layer and the multiplier layer. It is also conceivable that the intermediate layer is doped complementarily to the second contact layer.
  • the multiplier layer has a doping profile (i.e. a doping that changes in the thickness direction of the layer), the polarity of the doping (n-doped or p-doped) corresponding to the polarity of the doping of the second contact layer. For example, the doping increases towards the second contact layer.
  • light can be coupled into the absorber layer evanescently via the integrated optical waveguide.
  • evanescent light coupling e.g. a large part or at least essentially even the entire area of the absorber layer can be used, so that a diode with high sensitivity can be realized even with a smaller thickness of the absorber layer.
  • the waveguide is formed in such a way that light can be coupled into the absorber layer via an end face of the waveguide.
  • an end face of the waveguide is adjacent to the absorber layer or at least to at least one of the two contact layers and / or the multiplier layer, it being possible for light to be coupled into the absorber layer via this end face (and in particular via an end face of the absorber layer).
  • the light coupling via integrated optical waveguide allows e.g. integration of the diode into integrated photonic circuits (PICs).
  • the doping of the first contact layer is p-doping and the doping of the second contact layer is n-doping.
  • the absorber layer and / or the intermediate layer each have a dopant concentration of at least 1 ⁇ 10 17 cm 3 or at least 5 ⁇ 10 17 cm 3 , as already mentioned above.
  • the multiplier layer is designed, for example, as an at least substantially depleted layer.
  • the multiplier layer is an intrinsic layer.
  • the intermediate layer is formed from a different material than the absorber layer and / or the multiplier layer.
  • the intermediate layer has a band gap at least in sections, the size of which lies between the size of the band gap of the absorber layer and the size of the band gap of the multiplier layer.
  • the intermediate layer is designed in the form of an adaptation layer (grading layer).
  • an adaptation layer is used in particular to adapt the band gap of the absorber layer and the band gap of the multiplier layer.
  • the material composition of the adaptation layer can change from the absorber layer to the multiplier layer in such a way that the band gap of the adaptation layer from the absorber layer to the multiplier layer increases (in particular continuously or at least essentially continuously).
  • the intermediate layer is not an adaptation layer.
  • the intermediate layer is formed from the same material as the multiplier layer, but the intermediate layer is doped higher than the multiplier layer or the multiplier layer is not (externally) doped at all.
  • the intermediate layer thus has a significantly higher band gap of the multiplier layer, in particular in comparison with the band gap of the absorber layer, and is therefore not designed for light absorption.
  • the intermediate layer is rather designed in the manner of a charge layer.
  • the intermediate layer is in particular directly adjacent to the multiplier layer. It is also conceivable that there are several intermediate layers. In addition, several absorber layers and / or several multiplier layers can also be provided.
  • the second contact layer is located between the waveguide and the multiplier layer. It is conceivable that the second contact layer, as already mentioned above, has an n-type doping and the first contact layer has a p-type doping. In this case, the first contact layer is in particular (e.g. immediately adjacent) above the absorber layer.
  • the second, in particular n-doped, contact layer is not between the waveguide and the multiplier layer, but above the multiplier layer; in particular immediately adjacent to the multiplier layer.
  • the absorber layer can be located below the multiplier layer (in particular directly adjacent to it), for example the first, in particular p- doped contact layer is arranged below the absorber layer (in particular un directly adjacent to the absorber layer).
  • the first contact layer is in this case between the absorber layer and the waveguide.
  • an “integrated-optical” waveguide is in particular at least partially (for example its at least one core layer) arranged on a (in particular at least approximately planar) substrate (for example grown on the substrate) and / or at least partially (for example its at least one cladding layer) ) is formed by the sub strat.
  • the absorber layer, the multiplier layer, the intermediate layer and the contact layers are arranged (in particular grown) on the same substrate as the waveguide.
  • an indium phosphide substrate is used, the optical waveguide, at least its waveguide core, e.g. is formed from an InGaAsP layer.
  • the invention is of course not limited to certain materials. It is conceivable e.g. also that a silicon substrate is used.
  • the waveguide of the avalanche photodiode according to the invention is formed, for example, in the form of a ribbed or striped waveguide
  • the avalanche photodiode according to the invention can e.g. be used as a receiver in optical communications technology (i.e. as a component of a data transmission system) (especially as a receiver for short transmission distances, for example in burst mode operation). It is also conceivable to use it as a single photon receiver (SPAD) in the field of quantum communication.
  • optical communications technology i.e. as a component of a data transmission system
  • PWD single photon receiver
  • the invention also relates to a method for producing an avalanche photodiode, in particular described above, comprising the steps:
  • the absorber layer is formed and complementary to the second contact layer is doped so that it is at least essentially depleted.
  • the waveguide is designed in such a way that light can be coupled into the absorber layer in an evanescent manner.
  • the waveguide is designed such that light is coupled into the absorber layer via an end face of the optical waveguide.
  • Figure 1 schematically shows a sectional view of an avalanche photodiode according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a modification of Figure 1
  • FIG. 3 shows schematically the band structure of the avalanche photodiode from FIG. 1;
  • Figure 4 shows an avalanche photodiode according to a further embodiment of the invention.
  • the semiconductor avalanche photodiode 1 according to the invention shown in FIG. 1 comprises several semiconductor layers; in particular, an absorber layer 11 for light absorption and a multiplier layer 13.
  • the absorber layer 11 free charge carriers are generated in a manner known per se under the action of light, which get into the multiplier layer 13 and are reproduced there.
  • an intermediate layer in the form of a grading layer 12 which serves to adapt the band gaps of the absorber layer 1 1 and the multiplier layer 13.
  • the composition and thus the changes Band gap of the grading layer 12 from the absorber layer 11 to the multiplier layer 13 (cf. for example the band diagram of the photodiode 1 in FIG. 2).
  • the avalanche photodiode 1 comprises a first contact layer in the form of a highly doped p-contact layer 10, which is arranged above the absorber layer 11 and in particular adjacent to the absorber layer 11.
  • a second contact layer in the form of a highly doped n-contact layer 20 is arranged on a side of the multiplier layer 13 facing away from the absorber layer 11; specifically between the multiplier layer 13 and an integrated optical waveguide 30.
  • the absorber layer 11 is, for example, an InGaAs layer, while the multiplier layer 13 consists approximately of InAIAs.
  • the light L to be detected is injected, the injected light in the waveguide 30 leading to the section of the avalanche photodiode 1 in which the layers 11 to 13 are located.
  • the waveguide 30 is such that at least a portion of the light guided in it evanescent in the section from the photodiode 1 with the layers 1 1 to 13 and thus in particular in the absorber overlayer 1 1 couples.
  • the optical waveguide 30 has in particular at least one core layer grown on a substrate (not shown), with for example a portion of the substrate adjacent to the core layer forming a cladding layer of the waveguide 30.
  • the substrate is formed in particular from indium phosphide.
  • the invention is of course not limited to a special configuration of the waveguide 30.
  • Both the absorber layer 11 and the grading layer 12 have an (external) p-doping, the grading layer 12 directly adjoining the multiplier layer 13.
  • the dopant concentration is in each case
  • a charge layer (charge layer) between the grading layer 12 and the multiplier layer 13 is not present. Because of its doping, however, a space charge zone that forms after a reverse voltage is applied to the contact layers 10, 20 does not extend into the absorber layer 11. Rather, the space charge zone is formed at least essentially only in the area of the multiplier layer 13, so that the absorber layer 11 is at least essentially depleted.
  • the endowment the absorber layer 1 1 and the elimination of the otherwise usual charge layer enable the avalanche photodiode to be manufactured with greater manufacturing tolerances, as already stated above.
  • the p-contact and the n-contact as well as the absorber layer 11 and the multiplier layer 13 are interchanged.
  • the n-doped second contact layer 20 is not below, but above the multiplier layer 13, in particular adjacent to the multiplier layer 13 from above.
  • the p-doped first contact layer 10 is arranged between the p-doped absorber layer 11 and the optical waveguide 30.
  • the band structure of the avalanche photodiode 1 shown in FIG. 1 is shown schematically in FIG. 3. It indicates e.g. for the absorber layer 11, the grading layer 12 and the multiplier layer 13, the upper line in each case the position of the conduction band LB and the lower line the position of the valence band VB.
  • the thicknesses of layers 1 1 to 13 are denoted by “dabs” (for absorber layer 1 1), “dgrad” (for grading layer 12) and “dmuit” (for multiplier layer 13).
  • FIG. 3 shows that the band gap of the multiplier layer 13 is larger than the band gap of the absorber layer 11, the grading layer 12 having a material composition which changes from the absorber layer 11 to the multiplier layer 13 and which leads to an increase in the band gap of the absorber layer 1 1 leads to the multiplier layer 13.
  • the space charge zone extends in the area of the multiplier layer 13 and not in the absorber layer 11, so that the predominant or even the only transport mechanism in relation to the charge carriers generated in the absorber layer 11 is diffusion (indicated by arrows D). .
  • charge carriers are also or predominantly moved by drift (arrow DR).
  • FIG. 4 relates to a modification of FIG. 1, according to which the integrated optical waveguide 30 is not designed for evanescent coupling into the absorber layer 11. Rather, an end face 310 of the waveguide 30 adjoins a side 1 10, inter alia, of the absorber layer 11, so that light is coupled into the absorber layer 11 in the manner of a butt joint (“butt joint”).
  • the waveguide 30 is arranged together with the layers 10-13, 20 on a substrate 100 and therefore also adjoins the layers 1 1-13 and 20 located below the absorber layer 11. Is conceivable also that the waveguide 30 also at least partially adjoins the p-contact layer 10 arranged above the absorber layer 11.
  • the diode of the exemplary embodiment in FIG. 2 can also have an integrated optical waveguide in the manner of FIG. 4 instead of the evanescent coupling waveguide.

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Fotodiode, mit mindestens einer Absorberschicht (11), in der unter Einwirkung von Licht freie Ladungsträger erzeugt werden; mindestens einer Multiplikatorschicht (13), in der eine Vervielfältigung der in der Absorberschicht (11) erzeugten Ladungsträger erfolgt; mindestens einer ersten und zweiten dotierten Kontaktschicht (10, 20), wobei die Kontaktschichten (10, 20) zueinander komplementäre Dotierungen aufweisen und sich die zweite Kontaktschicht (20) auf einer der Absorberschicht (11) abgewandten Seite der Multiplikatorschicht (13) befindet; mindestens einer Zwischenschicht (12) zwischen der Absorberschicht (11) und der Multiplikatorschicht (13); und einem integriert-optischen Wellenleiter (30), über den Licht in die Absorberschicht (11) einkoppelbar ist. Erfindungsgemäß ist die Absorberschicht (11) derart ausgebildet und komplementär zu der zweiten Kontaktschicht (20) dotiert ist, dass sie zumindest im Wesentlichen unverarmt ist.

Description

Lawinen-Fotodiode
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Fotodiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Lawinen-Fotodiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 22.
Aus dem Stand der Technik sind Lawinen-Fotodioden (Avalanche-Fotodioden) bekannt, die neben einer intrinsischen Absorberschicht, in der unter Einwirkung von Licht freie La dungsträger erzeugt werden, eine Multiplikatorschicht aufweisen, in der eine Vervielfälti gung der in der Absorberschicht erzeugten Ladungsträger erfolgt. Darüber hinaus umfas sen die bekannten Lawinen-Fotodioden eine dotierte„Ladungsschicht“ („Charge-Schicht“), mit der der Feldstärkeverlauf in der Fotodiode eingestellt wird. Dieses Fotodioden-Konzept wird als SACM („Separation of Absorption, Charge and Multiplication“) bezeichnet. Eine derartige Lawinen-Fotodiode ist zum Beispiel aus dem Artikel M. Nada et al., "Linearity improvement of high-speed avalanche photodiodes using thin depleted absorber operating with higher order modulation format", OPTICS EXPRESS 27715, Vol. 23, No. 21 (2015) bekannt. Um ein zu hohes Rauschen zu vermeiden und einen möglichst schnellen La dungsträgertransport zu ermöglichen, sind bei der Dotierung und der Dicke der Ladungs schicht jedoch nur sehr geringe Herstellungstoleranzen erlaubt, was die Herstellung der Diode erschwert. Die Einkopplung des Lichts in eine Lawinen-Fotodiode kann über einen Wellenleiter erfol gen, wobei zum Beispiel eine evaneszente Einkopplung des Lichts in die Absorberschicht erfolgen kann; vgl. zum Beispiel die DE 10 2015 210 343.
Das von Erfindung zu lösende Problem besteht darin, die Herstellung einer Lawinen-Foto diode zu vereinfachen.
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung der Lawinen-Fotodiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Wei terbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Lawinen-Fotodiode bereitgestellt, mit
- mindestens einer Absorberschicht, in der unter Einwirkung von Licht freie Ladungsträ ger erzeugt werden;
- mindestens einer Multiplikatorschicht, in der eine Vervielfältigung der in der Absorber schicht erzeugten Ladungsträger erfolgt;
- mindestens einer ersten und zweiten dotierten Kontaktschicht, wobei die Kontaktschich ten zueinander komplementäre Dotierungen aufweisen und sich die zweite Kontakt schicht auf einer der Absorberschicht abgewandten Seite der Multiplikatorschicht befin det;
- mindestens einer Zwischenschicht zwischen der Absorberschicht und der Multiplikator schicht; und
- einem integriert-optischen Wellenleiter, über den Licht in die Absorberschicht einkop pelbar ist, wobei
- die Absorberschicht derart ausgebildet und komplementär zu der zweiten Kontakt schicht dotiert ist, dass sie zumindest im Wesentlichen unverarmt ist.
Bei der Absorberschicht handelt es sich somit nicht um eine intrinsische Halbleiterschicht, sondern um eine Halbleiterschicht mit einer externen Dotierung; d. h. die Absorberschicht wurde mit einem Dotierstoff versehen. Beispielsweise beträgt die Dotierstoffkonzentration der Absorberschicht mindestens 1 x 1017 cm 3 oder mindestens 5 x 1017 cm 3. Durch diese Dotierung der Absorberschicht und der Dotierung der Zwischenschicht entsteht insbeson dere eine Raumladungszone, die sich zumindest im Wesentlichen nur in der (insbesondere intrinsischen) Multiplikatorschicht erstreckt und die Absorberschicht entsprechend zumin- dest im Wesentlichen unverarmt ist. Somit kann z.B. auch ohne eine Ladungsschicht zwi schen der Absorber- und der Multiplikatorschicht einer ausreichend hohe Feldstärke im Bereich der Multiplikatorschicht erzeugt werden. Beispielsweise findet zumindest nähe rungsweise der gesamte Spannungsabfall in der Multiplikatorschicht statt, so dass die Ka pazität der Lawinen-Fotodiode insbesondere durch die Dicke und die Fläche der Multipli katorschicht bestimmt wird. Falls die erfindungsgemäße Lawinen-Fotodiode mehrere Ab sorberschichten aufweist, so befinden sich diese z.B. sämtlich auf derselben Seite der Mul tiplikatorschicht (während auf der anderen Seite der Multiplikatorschicht keine Absorber schichten vorhanden ist). Insbesondere umfasst die Lawinen-Fotodiode jedoch nur eine einzige Absorberschicht.
Mit der Dotierung der Absorberschicht dem möglichen Wegfall der Ladungsschicht erhö hen sich die Fertigungstoleranzen und es vereinfacht sich die Herstellung der Lawinen- Fotodiode. Denkbar ist insbesondere, dass die Herstellung der Schichten der Lawinen- Fotodiode (insbesondere der Absorberschicht und der Zwischenschicht) größere Herstel lungstoleranzen in Bezug auf die Dotierung und/oder die Dicke dieser Schichten erlaubt. Darüber hinaus muss die Dotierung und/oder die Dicke der Absorber- und/oder der Zwi schenschicht bei einer Änderung der Materialzusammensetzung und/oder der Dicke der Multiplikatorschicht nicht unbedingt angepasst werden. Denkbar ist auch, dass aufgrund der Dotierung der Absorberschicht die Kennlinie der Lawinen-Fotodiode linearer als bei herkömmlichen Lawinen-Fotodioden verläuft; insbesondere, da möglichen Raumladungs effekten, die auf das Vorhandensein von Löchern in der Absorberschicht zurückgehen, entgegengewirkt wird.
Es wird angemerkt, dass in der unverarmten Absorberschicht die Diffusion der dominie rende Transportprozess sein kann. Um dennoch möglichst niedrige Transitzeiten in Bezug auf den Ladungsträgertransport zwischen der Absorber- und der Multiplikatorschicht zu erhalten, ist es denkbar, dass die Absorber- und die Zwischenschicht möglichst dünn aus gebildet werden. Insbesondere wird die Gesamtdicke der Absorber- und der Zwischen schicht so gewählt, dass die Transitzeit für den Transport der in der Absorberschicht er zeugten Elektronen-Loch-Paare bis zu der Multiplikatorschicht durch Diffusion vergleichbar ist mit der entsprechenden Transitzeit einer konventionellen SCAM-Lawinen-Fotodiode. Beispielsweise beträgt die Dicke der Absorber- und Zwischenschicht zusammen weniger als 500 nm, weniger als 450 nm oder weniger als 400 nm. Die Zwischenschicht ist insbesondere zum Angleichen mindestens einer Bandkanten zwi schen der Absorberschicht und der Multiplikatorschicht ausgebildet. Denkbar ist auch, dass die Zwischenschicht komplementär zu der zweiten Kontaktschicht dotiert ist.
Denkbar ist auch, dass die Multiplikatorschicht ein Dotierprofil (d.h. eine sich in Dickenrich tung der Schicht verändernde Dotierung) aufweist, wobei die Polarität der Dotierung (n- dotiert oder p-dotiert) der Polarität der Dotierung der zweiten Kontaktschicht entspricht. Beispielsweise nimmt die Dotierung zur zweiten Kontaktschicht hin zu.
Über den integriert-optischen Wellenleiter ist Licht beispielsweise evaneszent in die Absor berschicht einkoppelbar. Mit Hilfe der evaneszenten Lichteinkopplung kann z.B. ein großer Teil oder zumindest im Wesentlichen sogar die gesamte Fläche der Absorberschicht ge nutzt werden, so dass auch bei geringerer Dicke der Absorberschicht eine Diode mit hoher Empfindlichkeit realisierbar ist. Denkbar ist allerdings auch, dass der Wellenleiter so aus gebildet ist, dass Licht über eine Stirnseite des Wellenleiters in die Absorberschicht ein koppelbar ist. Beispielsweise grenzt eine Stirnseite des Wellenleiters an die Absorber schicht oder zumindest an mindestens eine der beiden Kontaktschichten und/oder die Mul tiplikatorschicht an, wobei Licht über diese Stirnseite (und insbesondere über eine Stirn seite der Absorberschicht) in die Absorberschicht eingekoppelt werden kann. Die Lichtein kopplung per integriert-optischem Wellenleiter erlaubt z.B. eine Integration der Diode in integrierte photonische Schaltkreise (PICs).
Möglich ist, dass es sich bei der Dotierung der ersten Kontaktschicht um eine p-Dotierung und bei der Dotierung der zweiten Kontaktschicht um eine n-Dotierung handelt. Beispiels weise weisen die Absorberschicht und/oder die Zwischenschicht jeweils eine Dotierstoff konzentration von mindestens 1 x 1017 cm 3 oder von mindestens 5 x 1017 cm 3 auf, wie oben bereits erwähnt.
Die Multiplikatorschicht ist hingegen beispielsweise als eine zumindest im Wesentlichen verarmte Schicht ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei der Multiplikatorschicht um eine intrinsische Schicht.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Zwischenschicht aus einem an deren Material ausgebildet als die Absorberschicht und/oder die Multiplikatorschicht. Denk- bar ist, dass die Zwischenschicht zumindest abschnittsweise eine Bandlücke aufweist, de ren Größe zwischen der Größe der Bandlücke der Absorberschicht und der Größe der Bandlücke der Multiplikatorschicht liegt. Beispielsweise ist die Zwischenschicht in Form einer Anpassungsschicht (Grading-Schicht) ausgebildet. Eine derartige Anpassungs schicht dient insbesondere zur Anpassung der Bandlücke der Absorberschicht und der Bandlücke der Multiplikatorschicht. So kann sich die Materialzusammensetzung der An passungsschicht von der Absorberschicht bis zu der Multiplikatorschicht so verändern, dass sich die Bandlücke der Anpassungsschicht von der Absorberschicht bis zu der Multi plikatorschicht (insbesondere kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuier lich) vergrößert.
Möglich ist jedoch auch, dass es sich bei der Zwischenschicht nicht um eine Anpassungs schicht handelt. Beispielsweise ist die Zwischenschicht aus demselben Material wie die Multiplikatorschicht ausgebildet, wobei die Zwischenschicht jedoch höher dotiert ist als die Multiplikatorschicht bzw. die Multiplikatorschicht überhaupt nicht (extern) dotiert ist. Die Zwischenschicht weist somit insbesondere im Vergleich mit der Bandlücke der Absorber schicht deutlich höhere Bandlücke der Multiplikatorschicht auf und ist somit nicht zur Lich tabsorption ausgebildet. Beispielsweise ist die Zwischenschicht hier vielmehr nach Art ei ner Charge-Schicht ausgebildet.
Die Zwischenschicht grenzt insbesondere unmittelbar an die Multiplikatorschicht an. Denk bar ist auch, dass mehrere Zwischenschichten vorhanden sind. Zudem können auch meh rere Absorberschichten und/oder mehrere Multiplikatorschichten vorgesehen sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich die zweite Kontakt schicht zwischen dem Wellenleiter und der Multiplikatorschicht. Denkbar ist, dass die zweite Kontaktschicht wie oben bereits erwähnt eine n-Dotierung und die erste Kontakt schicht eine p-Dotierung aufweist. Die erste Kontaktschicht befindet sich in diesem Fall insbesondere (z.B. unmittelbar angrenzend) oberhalb der Absorberschicht.
Möglich ist jedoch auch, dass sich die zweite, insbesondere n-dotierte Kontaktschicht nicht zwischen dem Wellenleiter und der Multiplikatorschicht befindet, sondern oberhalb der Mul tiplikatorschicht; insbesondere unmittelbar angrenzend an die Multiplikatorschicht. In die sem Fall kann sich die Absorberschicht unterhalb der Multiplikatorschicht befinden (insbe sondere unmittelbar an diese angrenzend), wobei zum Beispiel die erste, insbesondere p- dotierte Kontaktschicht unterhalb der Absorberschicht angeordnet ist (insbesondere un mittelbar angrenzend an die Absorberschicht). Beispielsweise befindet sich die erste Kon taktschicht in diesem Fall zwischen der Absorberschicht und dem Wellenleiter.
Es wird angemerkt, dass ein„integriert-optischer“ Wellenleiter insbesondere zumindest teilweise (etwa seine mindestens eine Kernschicht) auf einem (insbesondere zumindest näherungsweise planen) Substrat angeordnet (z.B. auf dem Substrat aufgewachsen) und/oder zumindest teilweise (etwa seine mindestens eine Mantelschicht) durch das Sub strat ausgebildet ist. Insbesondere sind die Absorberschicht, die Multiplikatorschicht, die Zwischenschicht und die Kontaktschichten auf demselben Substrat angeordnet (insbeson dere aufgewachsen) wie der Wellenleiter. Denkbar ist beispielsweise, dass ein Substrat aus Indiumphosphid verwendet wird, wobei der optische Wellenleiter, zumindest sein Wel lenleiterkern, z.B. aus einer InGaAsP-Schicht ausgebildet ist. Die Erfindung ist natürlich nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Denkbar ist z.B. auch, dass ein Silizium-Sub strat verwendet wird. Der Wellenleiter der erfindungsgemäßen Lawinen-Fotodiode ist bei spielsweise in Form eines Rippen- oder Streifenwellenleiters ausgebildet
Die erfindungsgemäße Lawinen-Fotodiode kann z.B. als Empfänger in der optischen Nach richtentechnik (d.h. als Komponente eines Datenübertragungssystems) eingesetzt werden (insbesondere als Empfänger für kurze Übertragungsstrecken, etwa im Burst-Mode-Be- trieb). Denkbar ist auch der Einsatz als Einzelphotonenempfänger (SPAD) im Bereich der Quantenkommunikation.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lawinen-Fotodiode, insbe sondere oben beschrieben, mit den Schritten:
- Erzeugen mindestens einer Absorberschicht, in der unter Einwirkung von Licht freie La dungsträger erzeugt werden;
- Erzeugen mindestens einer Multiplikatorschicht, in der eine Vervielfältigung der in der Absorberschicht erzeugten Ladungsträger erfolgt;
- Erzeugen mindestens einer ersten und zweiten dotierten Kontaktschicht, wobei die Kon taktschichten zueinander komplementäre Dotierungen aufweisen und sich die zweite Kontaktschicht auf einer der Absorberschicht abgewandten Seite der Multiplikator schicht befindet;
- Erzeugen mindestens einer Zwischenschicht zwischen der Absorberschicht und der Multiplikatorschicht; und - Erzeugen eines integriert-optischen Wellenleiters, über den Licht in die Absorberschicht einkoppelbar ist, wobei
- die Absorberschicht derart ausgebildet und komplementär zu der zweiten Kontakt schicht dotiert erzeugt wird, dass sie zumindest im Wesentlichen unverarmt ist.
Die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lawinen-Fotodiode erläuterten Ausführungsbeispiele können analog natürlich auch zur Weiterbildung des erfindungsge mäßen Verfahrens verwendet werden. Beispielsweise wird der Wellenleiter so ausgebildet, dass Licht evaneszent in die Absorberschicht einkoppelbar ist. Denkbar ist jedoch auch wie oben bereits erwähnt, dass der Wellenleiter so ausgestaltet wird, dass Licht über eine Stirnseite des optischen Wellenleiters in die Absorberschicht eingekoppelt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Schnittansicht einer Lawinen-Fotodiode gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Abwandlung der Figur 1 ;
Figur 3 schematisch die Bandstruktur der Lawinen-Fotodiode aus Figur 1 ;
und
Figur 4 eine Lawinen-Fotodiode gemäß einem weiteren Ausführungsbei spiel der Erfindung.
Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Halbleiter-Lawinen-Fotodiode 1 umfasst mehrere Halbleiterschichten; insbesondere eine Absorberschicht 1 1 zur Lichtabsorption sowie eine Multiplikatorschicht 13. In der Absorberschicht 1 1 werden in an sich bekannter Weise unter Einwirkung von Licht freie Ladungsträger erzeugt, die in die Multiplikator schicht 13 gelangen und dort vervielfältigt werden. Zwischen der Absorberschicht 1 1 und der Multiplikatorschicht 13 befindet sich eine Zwischenschicht in Form einer die Grading- Schicht 12, die zur Anpassung der Bandlücken der Absorberschicht 1 1 und der Multiplika torschicht 13 dient. Insbesondere verändert sich die Zusammensetzung und damit die Bandlücke der Grading-Schicht 12 von der Absorberschicht 1 1 bis zu der Multiplikator schicht 13 (vgl. zum Beispiel das Bandschema der Fotodiode 1 in Figur 2).
Darüber hinaus umfasst die Lawinen-Fotodiode 1 eine erste Kontaktschicht in Form einer hochdotierten p-Kontaktschicht 10, die oberhalb der Absorberschicht 1 1 und insbesondere angrenzend an die Absorberschicht 1 1 angeordnet ist. Eine zweite Kontaktschicht in Form einer hochdotierten n-Kontaktschicht 20 ist auf einer der Absorberschicht 1 1 abgewandten Seite der Multiplikatorschicht 13 angeordnet; und zwar zwischen der Multiplikatorschicht 13 und einem integriert-optischen Wellenleiter 30. Bei der Absorberschicht 1 1 handelt es sich beispielsweise um eine InGaAs-Schicht, während die Multiplikatorschicht 13 etwa aus InAIAs besteht.
In den optischen Wellenleiter 30 wird das zu detektierende Licht L eingekoppelt, wobei das eingekoppelte Licht in dem Wellenleiter 30 zu dem Abschnitt der Lawinen-Fotodiode 1 ge führt wird, in dem sich die Schichten 1 1 bis 13 befinden. Zudem ist der Wellenleiter 30 so beschaffen, dass zumindest ein Teil des in ihm geführten Lichts evaneszent in den Ab schnitt der Fotodiode 1 mit den Schichten 1 1 bis 13 und somit insbesondere in die Absor berschicht 1 1 überkoppelt. Der optische Wellenleiter 30 weist insbesondere mindestens eine auf einem Substrat (nicht dargestellt) aufgewachsene Kernschicht auf, wobei bei spielsweise ein an die Kernschicht angrenzender Abschnitt des Substrats eine Mantel schicht des Wellenleiters 30 ausbildet. Das Substrat ist insbesondere aus Indiumphosphid gebildet. Die Erfindung ist allerdings selbstverständlich nicht auf eine spezielle Ausgestal tung des Wellenleiters 30 beschränkt.
Sowohl die Absorberschicht 1 1 als auch die Grading-Schicht 12 weisen eine (externe) p- Dotierung auf, wobei die Grading-Schicht 12 unmittelbar an die Multiplikatorschicht 13 an grenzt. Beispielsweise beträgt die Dotierstoffkonzentration jeweils
mindestens 1 x 1017 cnr3.
Eine Ladungsschicht (Charge-Schicht) zwischen der Grading-Schicht 12 und der Multipli katorschicht 13 ist nicht vorhanden. Aufgrund ihrer Dotierung erstreckt sich jedoch eine sich nach Anlegen einer Sperrspannung an die Kontaktschichten 10, 20 ausbildende Raumladungszone nicht in die Absorberschicht 1 1 hinein. Vielmehr bildet sich die Raum ladungszone zumindest im Wesentlichen nur im Bereich der Multiplikatorschicht 13 aus, so dass die Absorberschicht 1 1 zumindest im Wesentlichen unverarmt ist. Die Dotierung der Absorberschicht 1 1 und der Wegfall der sonst üblichen Charge-Schicht ermöglichen eine Herstellung der Lawinen-Fotodiode mit größeren Herstellungstoleranzen, wie oben bereits ausgeführt.
In dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der p-Kon- takt und der n-Kontakt sowie die Absorberschicht 1 1 und die Multiplikatorschicht 13 ver tauscht. Somit befindet sich die n-dotierte zweite Kontaktschicht 20 nicht unterhalb, son dern oberhalb der Multiplikatorschicht 13, wobei sie insbesondere von oben an die Multi plikatorschicht 13 angrenzt. Entsprechend ist die p-dotierte erste Kontaktschicht 10 zwi schen der p-dotierten Absorberschicht 1 1 und dem optischen Wellenleiter 30 angeordnet.
Die Bandstruktur der in Figur 1 dargestellten Lawinen-Fotodiode 1 ist schematisch in Figur 3 gezeigt. Darin kennzeichnet z.B. für die Absorberschicht 1 1 , die Grading-Schicht 12 und die Multiplikatorschicht 13 jeweils die obere Linie die Lage des Leitungsbandes LB und die untere Linie die Lage des Valenzbandes VB. Die Dicken der Schichten 1 1 bis 13 sind mit „dabs“ (für die Absorberschicht 1 1 ), „dgrad“ (für die Grading-Schicht 12) und „dmuit“ (für die Multiplikatorschicht 13) bezeichnet.
Figur 3 ist zu entnehmen, dass die Bandlücke der Multiplikatorschicht 13 größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht 1 1 , wobei die Grading-Schicht 12 eine sich von der Absor berschicht 1 1 bis Multiplikatorschicht 13 verändernde Materialzusammensetzung aufweist, die zu einem Anstieg der Bandlücke von der Absorberschicht 1 1 bis zu der Multiplikator schicht 13 führt. Wie oben bereits erläutert, erstreckt sich die Raumladungszone im Bereich der Multiplikatorschicht 13 und nicht in der Absorberschicht 1 1 , so dass der vorherrschende oder sogar einzige Transportmechanismus in Bezug auf die erzeugten Ladungsträger in der Absorberschicht 1 1 die Diffusion ist (mit Pfeilen D gekennzeichnet). In der Multiplika torschicht 13 hingegen werden Ladungsträger auch oder vorwiegend durch Drift (Pfeil DR) bewegt.
Figur 4 bezieht sich auf eine Abwandlung der Fig. 1 , wonach der integriert-optische Wel lenleiter 30 nicht zur evaneszenten Einkopplung in die Absorberschicht 1 1 ausgebildet ist. Vielmehr grenzt eine Stirnseite 310 des Wellenleiters 30 an eine Seite 1 10 u.a. der Absor berschicht 1 1 an, so dass eine Lichteinkopplung in die Absorberschicht 1 1 nach Art einer Stoßkopplung („Buttjoint“) erfolgt. Vorliegend ist der Wellenleiter 30 zusammen mit den Schichten 10-13, 20 auf einem Substrat 100 angeordnet und grenzt daher auch an die unterhalb der Absorberschicht 1 1 befindlichen Schichten 1 1-13 und 20 an. Denkbar ist auch, dass der Wellenleiter 30 zumindest teilweise auch an die oberhalb der Absorber schicht 1 1 angeordnete p-Kontaktschicht 10 angrenzt.
Es wird darauf hingewiesen, dass natürlich auch die Diode des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 anstelle des evaneszent koppelnden Wellenleiters einen integriert-optischen Wel lenleiter nach Art der Fig. 4 aufweisen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Lawinen-Fotodiode, mit
mindestens einer Absorberschicht (1 1 ), in der unter Einwirkung von Licht freie La dungsträger erzeugt werden;
mindestens einer Multiplikatorschicht (13), in der eine Vervielfältigung der in der Ab sorberschicht (1 1 ) erzeugten Ladungsträger erfolgt;
mindestens einer ersten und zweiten dotierten Kontaktschicht (10, 20), wobei die Kontaktschichten (10, 20) zueinander komplementäre Dotierungen aufweisen und sich die zweite Kontaktschicht (20) auf einer der Absorberschicht (1 1 ) abgewandten Seite der Multiplikatorschicht (13) befindet;
mindestens einer Zwischenschicht (12) zwischen der Absorberschicht (11 ) und der Multiplikatorschicht (13); und
einem integriert-optischen Wellenleiter (30), über den Licht in die Absorberschicht (11 ) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (11 ) derart ausgebildet und komplementär zu der zweiten Kontakt schicht (20) dotiert ist, dass sie zumindest im Wesentlichen unverarmt ist.
2. Lawinen-Fotodiode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen schicht (12) zum Angleichen mindestens einer Bandkanten zwischen der Absorber schicht (11 ) und der Multiplikatorschicht (13) ausgebildet ist.
3. Lawinen-Fotodiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwi schenschicht (12) komplementär zu der zweiten Kontaktschicht (20) dotiert ist.
4. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dotierung der ersten Kontaktschicht (10) um eine p-Do- tierung und bei der Dotierung der zweiten Kontaktschicht (20) um eine n-Dotierung han delt.
5. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (11 ) und/oder die Zwischenschicht (12) jeweils eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 x 1017 cm 3 oder von mindestens 5 x 1017 cm3 aufweisen.
6. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie nur eine einzige Absorberschicht (11 ) aufweist.
7. Lawinen-Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Absorberschichten aufweist, wobei sämtliche Absorberschichten der Lawi nen-Fotodiode auf derselben Seite der Multiplikatorschicht (13) angeordnet sind.
8. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplikatorschicht (13) ein Dotierprofil aufweist, wobei die Polarität der Dotierung der Polarität der Dotierung der zweiten Kontaktschicht (20) entspricht.
9. Lawinen-Fotodiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung zur zweiten Kontaktschicht (20) hin zunimmt.
10. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (30) so ausgebildet ist, dass über ihn Licht evaneszent in die Absorberschicht (11 ) einkoppelbar ist oder der Wellenleiter (30) so ausgebildet ist, dass Licht über eine Stirnseite (310) des Wellenleiters (30) in die Absorberschicht (1 1 ) einkoppelbar ist.
11. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (30) so ausgebildet ist, dass Licht über eine Stirnseite (310) des Wellenleiters (30) und eine Stirnseite der Absorberschicht in die Absorber schicht (11 ) einkoppelbar ist.
12. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Multiplikatorschicht (13) um eine zumindest im Wesent lichen verarmte Schicht handelt.
13. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus einem anderen Material ausgebildet ist als die Absorberschicht (11 ).
14. Lawinen-Fotodiode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen schicht (12) zumindest abschnittsweise eine Bandlücke aufweist, die zwischen der Bandlücke der Absorberschicht (1 1 ) und der Bandlücke der Multiplikatorschicht (13) liegt.
15. Lawinen-Fotodiode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen schicht (12) in Form einer Grading-Schicht ausgebildet ist.
16. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus einem anderen Material ausgebildet ist als die Multiplikatorschicht (13).
17. Lawinen-Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) aus demselben Material wie die Multiplikatorschicht (13) ausgebildet ist.
18. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) unmittelbar an die Multiplikatorschicht (13) angrenzt.
19. Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Kontaktschicht (20) zwischen dem Wellenleiter (30) und der Multiplikatorschicht (13) befindet.
20. Lawinen-Fotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Kontaktschicht (20) oberhalb der Multiplikatorschicht (13) befindet und/oder die erste Kontaktschicht (10) zwischen dem Wellenleiter (30) und der Absor berschicht (1 1 ) angeordnet ist.
21 . Lawinen-Fotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Absorberschicht (1 1 ) und der Zwischenschicht (12) zu sammen 400, 450 oder 500 nm nicht übersteigt.
22. Verfahren zum Herstellen einer Lawinen-Fotodiode, insbesondere nach einem der vor hergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- Erzeugen mindestens einer Absorberschicht (1 1 ), in der unter Einwirkung von Licht freie Ladungsträger erzeugt werden; - Erzeugen mindestens einer Multiplikatorschicht (13), in der eine Vervielfältigung der in der Absorberschicht (11 ) erzeugten Ladungsträger erfolgt;
- Erzeugen mindestens einer ersten und zweiten dotierten Kontaktschicht (10, 20), wobei die Kontaktschichten (10, 20) zueinander komplementäre Dotierungen auf- weisen und sich die zweite Kontaktschicht (20) auf einer der Absorberschicht (11 ) abgewandten Seite der Multiplikatorschicht (13) befindet;
- Erzeugen mindestens einer Zwischenschicht (12) zwischen der Absorberschicht (1 1 ) und der Multiplikatorschicht (3); und
- Erzeugen eines integriert-optischen Wellenleiters (30), über den Licht in die Absor- berschicht (11 ) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (1 1 ) derart ausgebildet und komplementär zu der zweiten Kon- taktschicht (20) dotiert erzeugt wird, dass sie zumindest im Wesentlichen unverarmt ist.
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