DE3512385A1

DE3512385A1 - Lawinenfotodetektor

Info

Publication number: DE3512385A1
Application number: DE19853512385
Authority: DE
Inventors: Robert John Pointe-Claire Quebec McIntyre
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1985-10-17
Also published as: JPS60234383A; GB8509109D0; GB2157490A; GB2157490B; FR2562715A1; US4586066A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lawinenfotodetektor, insbesondere Doppelmesa-Lawinenfotodetektor, mit einem eine erste Hauptfläche aufweisenden Substrat des ersten Leitungstyps sowie mit auf der ersten Hauptfläche liegender Lichtabsorptionszone des ersten Leitungstyps, mit einer ersten Zone, einer zweiten Zone, einem ersten elektrischen Kontakt an der zweiten Zone und mit einem zweiten elektrischen Kontakt am Substrat.

Im Wellenlängenbereich von 1100 bis 1700 Nanometer (nm) arbeitende Nachrichten- bzw. Übertragungssysteme besitzen eine große Bedeutung, weil die Dispersion und die Verluste in einer optischen Faser in diesem Wellenlängenbereich sehr gering sind. Bauelemente mit HeteroÜbergängen aus binären III-V-Legierungen und festen Lösung dieser Legierungen haben sich für derlei Anwendungen als besonders brauchbar erwiesen, weil ihre elektronischen Bandlücken in den genannten Wellenlängenbereich fallen und gitterangepaßte HeteroÜbergänge durch Mischungsvariationen zu erhalten sind. Namentlich ternäre und quaternäre Legierungen von Indium, Gallium, Arsen und Phosphor auf einem InP-Substrat haben sich als besonders brauchbare Materialien sowohl für die Lichtgeber als auch für die Lichtdetektoren erwiesen.

Zu den Problemen, die die Leistung von mit den vorgenannten Materialien hergestellten Lawinenfotodetektoren beeinträchtigt haben, gehören Volumentunnelströme, die bei elektrischen Feldern in der Größenordnung von 1,5 . 10 V/cm in für die Lichtabsorptionszone verwendeten ternären und quaternären Verbindungen auftreten, ferner Randdurchbrüche und eine Vervielfachung von Oberflächenleckströmen an der Peripherie des Übergangs. Das Tunneln konnte vermindert werden, indem der PN-Übergang mit seinem hohen elektrischen

-A-

FeId in dem Material mit großer Bandlücke getrennt von der im Material mit schmaler Bandlücke vorgesehenen Lichtabsorptionszone angeordnet wurde. Es handelt sich hierbei um die sogenannte SAM Fotodetektorstruktur (SAM = Separated Absorbing and Multiplying).

Bei einem SAM-Lawinenfotodetektor, der ein P⁺-leitendes Substrat, eine N-leitende Zone mit breiter Bandlücke, eine N-leitende Absorptionszone und eine N -leitende Kontaktzone besitzt, können Randdurchbrüche und Oberflächenströme beträchtlich vermindert werden, indem ein Mesa-Aufbau mit geneigten Seitenflächen oder Oberflächenkonturen vorgesehen wird. Diese Struktur besitzt mehrere Nachteile. Die Zone unter dem Kontakt ist verstärkend bzw. vervielfachend. Eine Beleuchtung durch die Kontaktschicht setzt voraus, daß sich die Verarmungszone durch die Absorptionszone hindurch erstreckt mit dem Ergebnis eines hohen Dunkelstroms von Zwischenflächenzuständen. Bei Beleuchtung durch das Substrat wird die Quantenausbeute durch Absorption freier Träger vermindert. Aus diesen Gründen ist eine Mesa-Struktur mit einem N -leitenden Substrat, einer N-leitenden Zone mit breiter Bandlücke, einer N-leitenden Absorptionszone und einer P -leitenden Deckschicht wünschenswerter. Die Oberflächenkonturierung erhöht dann jedoch das elektrische Feld an der Peripherie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lawinenfotodetektor durch weitere Maßnahmen so auszubilden, daß das elektrische Feld an der Oberfläche im Hinblick darauf vermindert wird, daß nur eine Lawinenvervielfachung von durch Fotoeffekt erzeugten Ladungsträgern stattfindet. Die erfin-

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dungsgemäße Lösung besteht für den Lawinenfotodetektor eingangs genannter Art mit auf einem Substrat liegender Zonenfolge von Lichtabsorptionszone, erster Zone und zweiter Zone darin, daß die den ersten Leitungstyp aufweisende und auf der Lichtabsorptionszone liegende, erste Zone eine Zentralzone mit die Dicke einer sie umgebenden Randzone übersteigender Dicke enthält und daß die zweite Zone den entgegengesetzten Leitungstyp besitzt und auf der ersten Zone liegt.

Der erfindungsgemäße Lawinenfotodetektor enthält also eine Absorptionszone des ersten Leitungstyps, eine erste Zone des ersten Leitungstyps auf der Absorptionszone und eine zweite Zone des zweiten Leitungstyps auf der ersten Zone. Darin besteht die erste Zone aus einer Zentralzone einer vorgegebenen Schichtdicke und einer die Zentralzone umgegebenden Randzone mit geringerer Schichtdicke. Bei angelegter Sperrvorspannung ist das maximale elektrische Feld in der Zentralzone größer als in der Randzone, so daß eine nennenswerte Vervielfachung von durch Fotoeffekt erzeugten Ladungsträgern nur in dieser Zone auftritt.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Schnitte durch zwei Ausführungsbeispiele von Lawinenfotodetektoren; und

Fig. 3 ein Diagramm der elektrischen Feldverteilungen längs der Linien A-A und B-B des Fotodetektors nach Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 werden dieselben Bezugsziffern verwendet.

Der Fotodetektor 10 nach Fig. 1 enthält ein Substrat 12 mit ersten und zweiten Hauptflächen 14 bzw. 16 und eine Lichtabsorptionszone 18 auf der ersten Hauptfläche 14. Auf der Lichtabsorptionszone 18 liegt eine Pufferzone 19 mit einer Oberfläche 20. Auf der Oberfläche 20 liegt eine erste Zone 22 mit einer relativ dicken Zentralzone 22a und einer demgegenüber relativ dünnen Randzone 22b. Die erste Zone 22 besitzt eine Oberfläche 24 mit einem Zentralbereich 24a oberhalb der Zentralzone 22a und einem Randbereich 24b oberhalb der Randzone 22b. Auf der Oberfläche 24 liegt eine eine Oberfläche 28 aufweisende zweite Zone 26. Auf der Oberfläche 28 liegt ein erster elektrischer Kontakt 30. Ein zweiter elektrischer Kontakt 32 befindet sich auf der zweiten Hauptfläche 16. Der Fotodetektor 10 besitzt auch eine konturierte Seitenwand 34.

Der Fotodetektor 50 nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Fotodetektor 10 darin, daß die zweite Zone 26 oberhalb der dünnen Randzone 22b dicker ist als oberhalb der dickeren Zentralzone 22a und daß sie eine ebene Oberfläche 54 besitzt.

Das Substrat 12, die Absorptionszone 18, die Pufferzone 19 und die erste Zone 22 besitzen denselben Leitungstyp, während die zweite Zone 26 den entgegengesetzten Leitungstyp hat, so daß ein PN-Übergang an der Oberfläche 24 gebildet wird.

Die Materialien, die die Absorptionszone 18, die Pufferzone 19 sowie die erste und zweite Zone 22 und 26 bilden, werden

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vorzugsweise derart ausgewählt, daß ihre Gitterkonstanten an diejenige des Substrats 12 mit einer Genauigkeit von besser als etwa 0,5% angepaßt werden.

Das Substrat 12 wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, z.B. aus mit Schwefel bis zu einer Konzentration von

1 ft "3

etwa 5 . 10 /cm dotiertem, N-leitendem InP, und soll eine ausreichende Dicke, typisch zwischen etwa 0,03 und 0,04 cm_t zum Tragen der Gesamtstruktur besitzen. Die erste Hauptfläche 14 wird typisch mit Caro'scher Säure (Peroxomonoschwefeisäure) und mit einer l%igen Brom-in-Methanol-Lösung behandelt, um vor dem Niederschlagen der verschiedenen Zonen Oberflächenverunreinigungen und Beschädigungen zu beseitigen. Die Absorptionszone wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, das Licht aus dem interessierenden Wellenlängenbereich zwischen 1100 und 1700 nm absorbiert. Zu den hierfür geeigneten Materialien gehören In_n ,-QGa_n /I₇As, das bei Wellenlängen von weniger als 1600 nm absorbiert, und In Ga_1- As P_1- mit O <£t χ ^ 1 und 0£ y ^- 1, das Licht mit Wellenlängen unterhalb einer maximalen Wellenlänge absorbiert, die durch Wahl von χ und y z.B. nach den Angaben von Olsen et al in der Zeitschrift "Journal of Electronic Materials" 9_, 977 (1980) zu bestimmen ist. Diese Zone wird vorzugsweise leicht ^ -leitend gemacht; sie wird als undo-

1 ζ tiertes Material typisch mit weniger als etwa 3 . 10 Dona-

ο -ι c ο

toren/cm , vorzugsweise weniger als 10 Donatoren/cm , niedergeschlagen. Das Dotierniveau wird so gewählt, daß für die typisch an den Fotodetektor angelegten Spannungen das elektrische Feld unterhalb von etwa 1,5 . 10 V/cm liegt. Die Schichtdicke der Absorptionszone wird zwischen etwa 5 und 15 Mikrometer, vorzugsweise zwischen etwa 8 und 12 Mikrometer, gewählt.

Die Pufferzone 19 wird aus einem Material zusammengesetzt, typisch aus In Ga_1- As, P , mit 0 £^ a ^ 1 und 0 ^
bSl, welches eine konstante oder von einem zum anderen Wert stetig oder stufenweise übergehende Bandlückenenergie zwischen derjenigen der Absorptionszone 18 und der ersten Zone 22 besitzt und typisch etwa 0,5 Mikrometer dick ist. Die Pufferzone wird vorgesehen, um das langsame Ansprechen des Detektors verbunden mit der Ansammlung von Ladungsträgern nahe der Valenzband-Diskontinuität an dem HeteroÜbergang zu vermeiden. Die Pufferzone kann auch weggelassen werden.

Die erste Zone wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, z.B. aus N-leitendem InP, mit einer ausreichenden Schichtdicke in ihrer Zentralzone 22a und einer Leitfähigkeitsmodifizierer-Konzentration zum Erzeugen einer Lawinenvervielfachung von durch Fotoeffekt in der Lichtabsorptionszone 18 gebildeten Ladungsträgern, wenn eine Sperrvorspannung ausreichender Größe an den elektrischen Kontakten 30 und 32 angelegt wird.

Die Flächenüberschußkonzentration von Leitfähigkeitsmodifizierern in der Zentralzone 22a soll zwischen etwa 2,5

12 2
und 4 . 10 /cm liegen. Die Dicke x~ der Zentralzone 22a wird zwischen etwa 0,6 und 4 Mikrometern und die Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer wird typisch zwischen etwa 1 und 8 . 10 /cm gewählt. Die Überschußkonzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer in der ersten Zone 22 wird typisch mehr als 10 mal, vorzugsweise mehr als 20 mal so groß wie die Konzentration in der Absorptions- und Pufferzone 18 und 19 eingestellt. Die Dicke χ der Randzone 22b ist vorzugsweise kleiner als etwa 0,6 . Xp.

Die zweite Zone 26 wird aus einem Halbleitermaterial aufgebaut, z.B. aus P-leitendem InP mit einem Überschuß von etwa

-j Q O

10 Akzeptoren/cm . Die Schichtdicke der zweiten Zone 26 soll zwischen etwa 1 und 2 Mikrometer liegen.

Wenn die zweite Zone 26 P-leitend ist, wird der erste elektrische Kontakt 30 durch Vakuumaufdampfen einer Gold/Zink-Legierung vorzugsweise so geformt, daß das zu erfassende Licht durch den Teil der zweiten Zone oberhalb der Zentralzone 22 in den Detektor eintritt und daß der Kontakt selbst oberhalb der Randzone 22b liegt, so daß vom Kontakt in den Detektor injizierte Ladungsträger nicht vervielfacht werden. Wenn das Substrat 12 N-leitend ist, wird der zweite elektrische Kontakt 32 durch Vakuumaufdampfen einer Gold/ Zinn-Legierung gebildet.

Das Substrat 12 sowie die erste und zweite Zone 22 und 26 werden vorzugsweise aus einem bei der zu erfassenden Wellenlänge im wesentlichen lichtdurchlässigen Material hergestellt.

Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Fotodetektors wird eine Sperrvorspannung zwischen die elektrischen Kontakte gelegt, so daß sich die Breite der Verarmungszone in der ersten Zone vergrößert. Die Breite der Verarmungszone in der Zentralzone 22 längs der Linie A-A von Fig. 1 steigt mit zunehmender Spannung, wobei das elektrische Feld einen Wert von etwa 4 bis 4,5 . 10 V/cm erreicht, wenn die Zentralzone 22 ganz verarmt ist. Eine weitere Vergrößerung der angelegten Spannung führt dazu, daß sich die Verarmungszone in die Absorptionszone 18 hineinerstreckt. Dort steigt das

elektrische Feld nicht über etwa 1,0 . 10 V/cm, weil dann in der Zentralzone 22a ein für einen Lawinendurchbruch ausreichendes elektrisches Feld E_MA erreicht wird.

Das elektrische Feld ist abhängig von den verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen und Dickenvariationen der ersten Zone 22. Unter der Voraussetzung eines steilen PN-Übergangs und unter Einschluß einer Pufferzone 19 in die Absorptionszone 18 beträgt das maximale elektrische Feld E .längs der Linie A-A von Fig. 1 - wenn die Verarmungszone in die Absorptionszone 18 hineinreicht -

^EMA =f ^(N1 ^XC ^{+ N}2 V

Darin bedeuten q die elektrische Ladung, £ die Dielektrizitätskonstante, N₁ die Leitfähigkeitsmodifizierer-Konzentration in der Zentralzone, N„ die Leitfähigkeitsmodifizierer-Konzentration in der Zentralzone und w die Breite der Verarmungszone in der Absorptionszone 18. Der erste Faktor repräsentiert das zum Verarmen der Zentralzone 22a notwendige Feld. Wenn das elektrische Feld zur Lawinenvervielfachung etwa 5 . 10 Volt/cm beträgt, dann muß das durch den ersten Faktor gegebene Feld größer als etwa 3,5 . 10 Volt/ cm und kleiner als etwa 4,7 . 10 Volt/cm sein, insbesondere etwa 4,5 . 10 Volt/cm, betragen. Diese Feldverteilung wird als ausgezogene Kurve in Fig. 3, in der die Markierungen der Abzisse den verschiedenen Oberflächen von Fig. 1 entsprechen, dargestellt.

Bei Anlegen der Sperrvorspannung wird die Randzone 22b ebenfalls vollständig verarmt. Da jedoch diese Zone dünner ist, bleibt das maximale elektrische Feld E_MR längs der Linie

B-B von Fig. 1 kleiner als in der Zentralzone 22a und auch kleiner als das zum Erzeugen einer Lawinenvervielfachung erforderliche Feld. Das elektrische Feld E_Mß in der Randzone 22b beträgt - wenn sich die Verarmungszone in die Absorptionszone 18 hineinerstreekt -

E = Λ (N χ +Ν W)
^MB £ ^UN1 ρ 2 p^;

Darin bedeuten χ die Dicke der Randzone 22b und w die Tiefe der Verarmungszone in der Absorptionszone 18 an der Peripherie. Da χ £. χ und w > w gilt, wird das elektri-

p c pe

sehe Feld am HeteroÜbergang an der Peripherie größer als im mittleren Bereich des Detektors. Diese elektrische Feldverteilung wird als gestrichelte Kurve in Fig. 3 dargestellt.

Die Halbleiterzonen des Fotodetektors 10 können nacheinander durch Flüssigphasenepitaxie oder vorzugsweise durch Dampfphasenepitaxie gemäß US-PS 41 16 733 auf die Substratoberfläche niedergeschlagen werden. Eine γ -leitende Absorptionssehicht, eine erste N-leitende InP-Schicht und eine zweite P-leitende InP-Schicht mit der gewünschten Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer werden nacheinander auf eine Hauptfläche eines N-leitenden InP-Scheibchens durch Dampfphasenepitaxie aufgebracht. Teile der Oberfläche der zweiten Schicht werden mit einer gegenüber Ätzmitteln resistenten SiO_?-Maske bedeckt. Der umgebende Rand der zweiten Schicht und ein Teil der darunterliegenden ersten Schicht werden durch chemisches Ätzen in einer l%igen Bromin-Methanol-Lösung abgetragen. Daraufhin wird die Maske entfernt und eine zusätzliche P-leitende InP-Schicht auf

die zweite Schicht und auf die freigelegten Teile der ersten Schicht aufgebracht. Die elektrischen Kontakte werden auf die dritte Schicht niedergeschlagen und unter Verwendung fotolithographischer Techniken begrenzt. In die Schichten werden dann Mesas geätzt, und die Detektoren werden unter Verwendung üblicher Techniken voneinander getrennt. Alternativ können P-leitende Zonen auf der freigelegten Oberfläche der ersten Schicht unter Verwendung von Ionen-Implantati.ons- und/oder Diffusionstechniken gebildet werden.

Der Fotodetektor 50 nach Fig. 2 kann durch aufeinanderfolgendes Niederschlagen von Schichten auf ein Scheibchen ähnlich wie beim Fotodetektor 10 hergestellt werden. Die Teile der Oberfläche werden mit einer Diffusions- oder Ionen-Implantationsmaske aus SiO₂ bedeckt. Die Randzonen der zweiten Zone 26 werden dann durch Diffusion oder Ionen-Implantation zusätzlicher Akzeptoren und nachfolgendes Eindiffundieren oder Wärmebehandeln nach Standardverfahren hergestellt. Dann werden die elektrischen Kontakte und Mesas gebildet und die Detektoren voneinander getrennt. Bei dieser Abwandlung entfällt die Verfahrensstufe des Wiederaufwachsens.

Claims

Dr.-lng. Reiman König - Diph-ing! Klaus Bergen
Wilhelm-Tell-Str. 14 4OOO Düsseldorf Λ Telefon 397O SB Patentanwälte
3. April 1985
35 992 B

RCA Corporation

201 Washington Road, Princeton, N.J. (US)

"Lawinenfotodetektor"

Patentansprüche;

(Il Lawinenfotodetektor (10) mit einem eine erste Hauptfläche (14) aufweisenden Substrat (12) des ersten Leitungstyps sowie mit auf der ersten Hauptfläche (14) liegender Lichtabsorptionszone (18) des ersten Leitungstyps, mit einer ersten Zone (22), einer zweiten Zone (26), einem ersten elektrischen Kontakt (30) an der zweiten Zone (26) und mit einem zweiten elektrischen Kontakt (32) an dem Substrat (12), dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Leitungstyp aufweisende und auf der Absorptionszone (18) liegende erste Zone (22) eine Zentralzone (22a) mit die Dicke einer sie umgebenden Randzone (22b) übersteigender Dicke enthält und daß die zweite Zone (26) den entgegengesetzten Leitungstyp wie die erste Zone (22) besitzt und auf der ersten Zone (22) liegt.

2. Fotodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkonzentration von Leitfähigkeitsmodifizierern in der Zentralzone (22a) zwischen etwa 2,5

12 2
und 4 . 10 /cm beträgt.

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3. Fotodetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zentralzone (22a) zwischen etwa 0,6 und 4 Mikrometern liegt und daß die Dicke der Randzone (22b) weniger als etwa 0,6 mal der Dicke der Zentralzone (22a) mißt.
4. Fotodetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Pufferzone (19) zwischen der Absorptionszone (18) und der ersten Zone (22).
5. Fotodetektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (22) aus N-leitendem InP und die zweite Zone (26) aus P-leitendem InP besteht und daß die Lichtabsorptionszone (18) p -leitend sowie aus einer der Legierungen In_ _cr7Ga_n/._cAs mit O^ χ ·£ 1 und 0 ί£. χ £: 1 oder

U , b / (J4o

In Ga, As P₁ aufgebaut ist.