DE69125903T2

DE69125903T2 - Lawinenfotodiode

Info

Publication number: DE69125903T2
Application number: DE69125903T
Authority: DE
Inventors: Taguchi Kenko
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: DE69125903D1; EP0477729B1; JPH04125977A; EP0477729A1; US5432361A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor und insbesondere eine in einem optischen Kommunikationssystem verwendete Lawinenphotodiode mit einer Hetero-Mehrschichtstruktur.
Eine Photodiode ist wichtig als optischer Detektor in einem optischen Kommunikationssystem, weil eine Photodiode ein Halbleiterdetektor mit einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Betriebs- oder Arbeitsgeschwindigkeit ist. Es wurden bisher verschiedene Lawinenphotodioden für ein optisches Kommunikationssystem realisiert, bei denen eine Silika-Lichtleitfaser zum übertragen von Licht mit einer wellenlänge von 1.3 µm oder 1.55 µm verwendet wird, wobei eine Bauart dieser Lawinenphotodioden eine Lawinenphotodiode ist, bei der Ge verwendet wird, oder eine Lawinenphotodiode mit einer InP/InGaAs-Hetero-Übergangsstruktur mit einer Lichtabsorptionsschicht aus InGaAs, dessen Gitterstruktur dem InP-Gitter angepaßt ist, und einer Lawinenvervielfachungsschicht aus InP.
Diese Lawinenphotodioden müssen einen hohen Rauschabstand aufweisen, um eine hochwertige optische Kommunikation zu gewährleisten. Der Rauschabstand hängt von mehreren Faktoren ab, von denen einer der Rauschfaktor bzw. die Rauschzahl ist. Die Rauschzahl hängt vom Verhältnis der Ionisationsraten der Elektronen und Löcher des Materials ab, aus dem der Lawinenbereich einer Lawinenphotodiode besteht. Das Verhältnis der Ionisationsraten muß, um einen hohen Rauschabstand von Lawinenphotodioden zu erhalten, hoch sein, das Verhältnis der Ionisationsraten einer Lawinenphotodiode mit einer Lawinenvervielfachungsschicht aus Ge beträgt jedoch etwa 1 und dasjenige einer Lawinenphotodiode mit einer Lawinenvervielfachungsschicht aus InP/InGaAs beträgt bis zu 3.
Daher wurden Materialien mit hohen Ionisationsratenverhältnissen gesucht.
Eine erste Bauart einer herkömmlichen Lawinenphotodiode mit einer Lawinenschicht aus einem InGaAs/InAlAs-Übergitter wurde in Electronics Letters, Bd. 16, 1980, S. 467, von Chin R. et al. und in Applied Physics Letters, Bd. 47, 1985, S. 597, von Capasso F. et al. vorgeschlagen. Bei dieser Lawinenphotodiode wird auf die Elektronen, die die Lawinenvervielfachungsschicht von InAlAs zu InGaAs mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen, eine Leitungsbandrandunstetigkeitsenergie (etwa 0.5 eV) zwischen InGaAs und InAlAs übertragen, so daß die Ionisationsrate der Elektronen und dadurch das Ionisationsratenverhältnis zunimmt. Das Ionisationsratenverhältnis einer Lawinenphotodiode mit einer aus In-GaAs/InAlAs bestehenden Lawinenvervielfachungsschicht wurde gemessen (vergl. Applied Physics Letters, Bd. 55, 1989, S. 993 von Kagawa T. et al.), wobei sich jedoch gezeigt hat, daß die Ionisationsrate der Elektronen in Abhängigkeit von der Übergitterstruktur zunimmt.
Eine zweite Bauart einer herkömmlichen Lawinenphotodiode weist eine Lawinenvervielfachungsschicht mit einer In-GaAsP/InAlAs-Übergitterstruktur auf (JP-A-2-137376). In der Lawinenphotodiode bestehen Senkenschichten aus einem In-GaAsP-Quatärsystem-Mischkristall, der aufgrund seiner geringen Valenzbandunstetigkeit eine verbotene Bandabstandenergie von 1 bis 1.2 eV aufweist.
Bei der herkömmlichen Lawinenphotodiode ergibt sich jedoch ein Nachteil durch die nicht ausreichende Rauschcharakteristik. Bei der ersten Bauart einer herkömmlichen Lawinenphotodiode, die eine Lawinenvervielfachungsschicht mit einer InGaAs/InAlAs-Übergitterstruktur aufweist, beträgt die verbotene Bandabstandenergie von InGaAs etwa 0.75 eV, so daß die effektive Masse der Elektronen in InGaAs der 0.04-fachen Masse freier Elektronen entspricht. Daher fließt bei einer hohen elektrischen Feldstärke von mehr als 200 kV/cm ein Tunnelstrom und bei einer hohen elektrischen Feldstärke von mehr als 300 kV/cm, die für eine Lawinenvervielfachung erforderlich ist, ein großer Dunkelstrom.
Bei der zweiten Bauart einer herkömmlichen Lawinenphotodiode ist es schwierig, eine Lawinenvervielfachungsschicht aus mehreren abwechselnd aufeinander angeordneten Schichten, die P enthalten, und Schichten, die kein P enthalten, mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen.
In der JP-A-2-094573 wird eine Photodiode mit einem InP-Substrat und einer Übergitterstruktur beschrieben, die aus abwechselnd angeordneten InAlAs-Sperrschichten und InGaAlAs-Senkenschichten besteht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lawinenphotodiode mit niedriger Rauschcharakteristik und mit einer hohen Elektronenionisationsrate bereitzustellen, um eine hohe elektroneninduzierte Vervielfachung bzw. Elektronenvervielfachung zu erhalten.
Ferner wird eine Lawinenphotodiode mit einer Lawinenvervielfachungsschicht bereitgestellt, die einfach hergestellt werden kann.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß weist eine Lawinenphotodiode auf: ein InP-Substrat, eine Lawinenvervielfachungsschicht, eine Lichtabsorptionsschicht und eine Einrichtung zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung über das Substrat, die Lawinenvervielfachungsschicht und die Lichtabsorptionsschicht, wobei die Lawinenvervielfachungsschicht eine Übergitterstruktur aufweist, die aus mehreren Sperr- und Senkenschichten besteht, deren Gitterstrukturen dem InP-Gitter angepaßt sind, wobei die mehreren Sperr- und Senkenschichten abwechselnd schichtweise angeordnet sind und jede der Sperrschichten aus InAlAs und jede der Senkenschichten aus InGaAlAs-Quatärsystem-Mischkristallen mit einer verbotenen Bandabstandenergie von weniger als 1 eV besteht.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert; es zeigen:
Fig. 1 und 2 Querschnittansichten zum Darstellen einer ersten und einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lawinenphotodiode
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lawinenphotodiode. Die Lawinenphotodiode weist auf: ein Substrat 11 aus n&spplus;-InP, eine auf dem Substrat 11 ausgebildete Pufferschicht 12 aus n&spplus;-InP mit einer Dicke von 1 µm und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup8; cm&supmin;³, eine (später ausführlich erläuterte) Lawinenvervielfachungsschicht 13, eine p-InAlAs- Schicht 14 mit einer Dicke von 0.25 µm und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup7; cm&supmin;³, eine Lichtabsorptionsschicht 15 aus p-InGaAs mit einer Dicke von 2 µm und eine Abdeckschicht 16 aus p+-InP mit einer Dicke von 1 µm und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup8; cm&supmin;³. Die Lawinenvervielfachungsschicht 13 weist auf: zwanzig Sperrschichten 131 aus p-InAlAs mit einer Dicke von 400 Å (10 Å = 1 nm) und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup5; cm&supmin;³, deren Gitterstrukturen dem InP-Gitter angepaßt sind, und zwanzig Senkenschichten 132 aus p-InAlgaAs-Quatärsystem-Mischkristall mit einem verbotenen Bandabstand von 0.95 eV, einer Dicke von 200 Å und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup5; cm&supmin;³
deren Gitterstrukturen dem InP-Gitter angepaßt sind, wobei die zwanzig Sperrschichten bzw. zwanzig Senkenschichten 131 und 132 schichtweise übereinander angeordnet sind. Die Lawinenphotodiode weist ferner eine auf der oberen Fläche der Abdeckschicht 16 angeordnete ringförmige p-Elektrode 17 und eine auf der zweiten Fläche des Substrats 11 ausgebildete n-Elektrode 18 auf.
Bei der Herstellung werden die Pufferschicht 12, die abwechselnd angeordneten Sperr- und Senkenschichten 131 und 132, die p-InAlAs-Schicht 14, die Lichtabsorptionsschicht 15 und die Abdeckschicht 16 beispielsweise unter Verwendung eines metallorganischen Dampfphasenepitaxieprozesses (MOVPE) nacheinander auf dem Substrat 11 ausgebildet.
Bei der Lawinenphotodiode wird die Unstetigkeitsenergie des Leitungsbandes zum Erhöhen der Elektronenionisationsrate ausgenutzt, so daß das Verhältnis der Ionisationsrate der Elektronen zu derjenigen der Löchern größer wird als 10. Außerdem bestehen die Sperrschichten aus InAlAs und die Senkenschichten aus InAlGaAs mit einer verbotenen Bandabstandenergie von weniger als 1.0 eV, so daß der Dunkeistrom bei einem Vorspannungszustand, bei dem der Verstärkungsgrad größer ist als 10, weniger als 1 µA beträgt. Daher weist die Lawinenphotodiode sehr gute Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine hohe Qualität und eine niedrige Rauschcharakteristik für optische Kommunikationen. Andererseits ist die Valenzbandunstetigkeit im Übergitterbereich der Lawinenvervielfachungsschicht bezüglich Löchern von während der Lawinenvervielfachung erzeugten Elektron-Loch-Paaren vermindert, so daß die Lawinenphotodiode sehr schnell anspricht.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht zum Darstellen einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lawinenphotodiode. Die Lawinenphotodiode weist auf: ein Substrat 11 aus n&spplus;-InP, eine erste Pufferschicht 12 aus n&spplus;-InP, ein zweite Pufferschicht 21 aus n&spplus;-InGaAs, eine dritte Pufferschicht 22 aus n&spplus;-InAlAs, eine Lawinenvervielfachungsschicht 23, eine p-InAlAs-Schicht 24 mit einer Dicke von 0.25 µm und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup7; cm&supmin;³, eine Lichtabsorptionsschicht 15 aus p-InGaAs mit einer Dicke von 2 µm und eine Abdeckschicht 16 aus p+-InP mit einer Dicke von 1 µm und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup8; cm&supmin;³ Die Lawinenvervielfachungsschicht 23 weist auf: zwanzig Sperrschichten 231 aus p-InAlAs mit einer Dicke von 400 Å und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup5; cm&supmin;³ und zwanzig Senkenschichten 232 aus p-InAlGaAs-Quatärsystem- Mischkristall mit einer verbotenen Bandabstandenergie von 0.9 eV, einer Dicke von 400 Å und einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup5; cm&supmin;³, deren Gitterstrukturen dem InP-Gitter angepaßt sind, wobei die zwanzig Sperrschichten bzw. zwanzig Senkenschichten 231 und 232 schichtweise übereinander angeordnet sind. Die Lawinenphotodiode weist ferner eine auf der oberen Fläche der Abdeckschicht 16 angeordnete p-Elektrode 17 mit einer Lichtblende und eine auf der zweiten Fläche des Substrats 11 ausgebildete n-Elektrode 18 auf.
Bei dieser Lawinenphotodiode knnen die gleichen Eigenschaften realisiert werden wie bei der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lawinenphotodiode. Außerdem weist die Lawinenvervielfachungsschicht 13 eine bessere Qualität auf als diejenige der ersten bevorzugten Ausführungsform, weil die ersten bis dritten Pufferschichten 12, 21 und 22 auf dem Substrat 11 angeordnet sind, so daß die Oberflächeneigenschaften des Substrats 11 verbessert sind.

Claims

1. Lawinenphotodiode mit:

a) einem Substrat (11) aus InP;

b) einer Lawinenvervielfachungsschicht (13; 23) mit einer Übergitterstruktur aus abwechselnd angeordneten InAlAs-Sperrschichten (14; 24) und InGaAlAs-Senkenschichten (132; 232),

c) einer Einrichtung (17; 18) zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung über das Substrat (11) und die Lawinenvervielfachungsschicht (13); und

d) einer Lichtabsorptionsschicht (15);

e) wobei die Gitterstrukturen der mehreren Sperrschichten und Senkenschichten jeweils der Gitterstruktur des InP-Substrats (11) angepaßt sind; und

f) der Bandabstand der InGaAlAs-Senkenschichten (132; 232) kleiner ist als 1 eV und eine Leitungsbandunstetigkeitsenergie der Übergitterstruktur für die Ionisierung von Elektronen ausgenutzt wird.

2. Lawinenphotodiode nach Anspruch 1, ferner mit: einer zwischen dem Substrat (11) und den Lawinenvervielfachungsschichten (13; 23) angeordneten Pufferschicht (12) aus InP.

3. Lawinenphotodiode nach Anspruch 2, ferner mit: zwei zusätzlichen Pufferschichten (21, 22) aus In- GaAs und InAlAs, die nacheinander zwischen der Pufferschicht (12) aus InP und der Lawinenvervielfachungsschicht (23) angeordnet sind.