DE2707180A1

DE2707180A1 - Avalanche-photodiode mit verringerter lawinendurchbruchspannung

Info

Publication number: DE2707180A1
Application number: DE19772707180
Authority: DE
Inventors: Sumio Kawakami; Hirobumi Ohuchi; Masahiro Okamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-02-21
Filing date: 1977-02-18
Publication date: 1977-09-01
Also published as: US4083062A; DE2707180B2; JPS52101990A; DE2707180C3

Description

- ' ')^rn 3O

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Fotodiode für Wandlereinrichtungen, die ein Lichtsignal in ein elektrisches Signal umformen und insbesondere eine Avalanche-Fotodiode mit beträchtlich verringerter Lawinendurchbruchspannung, bei der jedoch die anderen Übertragungseigenschaften nicht vermindert sind.

Das Erfassen eines Lichtsignals mit Hilfe einer Gleichrichter-Sperrschicht bzw. eines pn-Ubergangs, der in Sperrrichtung vorgespannt ist, ist bekannt. Für diesen Zweck geeig- net sind Avalanche-Photodioden. Avalanche-Photodioden nutzen den Lawineneffekt aus und besitzen somit eine Selbstverstärkungsfunktion; sie eignen sich deshalb für Lichtsignaldetektoren. Ein Anwendungsbereich, für den sich Avalanche-Photodioden besonders eignen, sind Lichterfassungseinrichtungen in optischen

Nachrichtensystemen.

Bei optischen Nachrichtensystemen, die Halbleiterlaser und Avalanche-Photodioden benutzen, kommt es wesentlich darauf an, daß die Betriebsspannung niedrig ist. Sofern zum Betrieb der Avalanche-Photodiode eine hohe Spannung erforderlich ist, geht das Kennzeichen oder der Vorteil derartiger Systeme verloren. Darüberhinaus bringt das Zuführen hoher elektrischer Spannungen zu den Verstärkern bzw. Übertragern für den Betrieb der Avalanche-Photodioden Schwierigkeiten beim Entwurf dieser Systeme mit sich. Aus diesen Gründen sollte die Betriebsspan- ' nung der Avalanche-Fotodioden nahezu gleich der Treiberspan nung integrierter Schaltungen sein. In Anbetracht der Arbeitsspannungen sowie der übrigen elektronischen Bauteile sollte

709836/0804 ORIGINAL INSPECTED

die Spannung bei etwa 2oo V oder weniger liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Avalanche-Photodiode mit beträchtlich verringerter Lawinendurchbruchspannung anzugeben, bei der trotz des Vorteils der Licht/Strom-Umwandlungswirkungsgrad nicht beeinträchtigt und der Rauschpegel sowie die Ansprechzeit nicht erhöht ist.

Die Erfindung besteht im Prinzip darin, daß eine Avalanche-Photodiode mit einer Zwischenschicht versehen wird, die sich an eine Lawinen-Vervielfacherschicht anschließt. Die Lawinenvervielfacherschicht schließt sich hierbei an eine weitere Schicht an, deren Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem Leitfähigkeitstyp der Lawinenvervielfacherschicht ist. Die Zwischenschicht ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Lawinenvervielfacherschicht und hat eine höhere Dotierungskonzentration als die Lawinenvervielfacherschicht. Die Zwischenschicht ist weiterhin zwischen einer Schicht gleichen Leitfähigkeitstyps mit sehr geringer Dotierungskonzentration und der Lawinenvervielfacherschicht angeordnet. Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Avalanche-Fotodiode ist ihre niedrige Lawinendurchbruchspannung bei nicht verschlechtertem Rauschpegel, Licht/Strom-Umwandlungswirkungsgrad sowie nicht verschlechterter Ansprechgeschwindigkeit.

In einem AusfUhrungsbeispiel weist eine erfindungsgemäße Avalanche-Fotodiode einen aus Schichten aufgebauten Halbleiterkörper mit folgenden Merkmalen auf:

Eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps,

eine zweite Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die sich an die erste Schicht anschließt und mit der ersten Schicht eine Gleichrichter-Sperrschicht bildet,

7098 3Ö/Ü804

die bei Anlegen einer vorbestimmten Spannung in Sperrichtung vorgespannt werden kann,

eine dritte Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die sich an die zweite Schicht anschließt und die eine höhere Dotierungskonzentration hat als die zweite Schicht,

eine vierte Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die sich an die dritte Schicht anschließt und eine niedrigere Dotierungskonzentration hat als die zweite Schicht, und

eine fünfte Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die sich an die vierte Schicht anschließt und eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat.

Mit der ersten Schicht steht eine erste Elektrode und mit der fünften Schicht eine zweite Elektrode in ohmschem Kontakt. Eine auf der ersten oder der fünften Schicht ausgebildete Licht empfangende Fläche ist zur Verhütung von Reflexionen eines auf die Licht empfangende Fläche auftreffenden Lichtsignals mit einem Film bedeckt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Avalanche-Fotodiode einschließlich der Intensitätsverteilung ihres elektrischen Felds;

• Fig. 2 eine schematische Darstellung der Konstruktion einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode

einschließlich der Intensitätsverteilung E ihres elektrischen Felds in Abhängigkeit vom Abstand zur Gleichrichtergrenzschicht; 709 838/ 0 80A

ORIGINAL INSPECTED

V/180

-Io -

Fig. 3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode; und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode.

In dem mit "Avalanche-Photodiode" betitelten US-Patent 3 886 579 desselben Anmelders ist eine Avalanche-Photodiode mit hyperabruptem Ubergangstyp der Struktur ρ η Vn oder η ρ 7üp . Die Avalanche-Photodiode hat eine verringerte Durchbruchspannung, ohne daß sich in Abhängigkeit vom auftreffenden Licht irgendeine Verschlechterung ergibt. Bei Kombination mit einem Schutzring wird eine stabile Lawinendurchbruchscharakteristik erzielt.Die Verhältnisse zwischen der maximalen Feldintensität an einer Gleichrichtergrenzschicht oder einem pn-übergang der Avalanche-Photodiode sowie deren Struktur sind in Fig. 1 dargestellt. Der Halbleiterkörper weist eine n-leitende erste n⁺-Schicht 1o, eine p-leitende zweite ρ -Schicht 12, die mit der ersten Schicht den Gleichrichter-Übergang J bildet, eine p-leitende dritte 7Γ-Schicht 14 sowie eine p-leitende vierte ρ -Schicht 16 auf. Eine erste, nicht dargestellte Elektrode steht mit der ersten Schicht 1o in ohmschem Kontakt, während eine zweite, nicht dargestellte Elektrode mit der vierten Schicht ohmisch kontaktiert ist.

Die X-Schicht hat eine sehr niedrige Dotierungskonzentration, beispielsweise 1o cm~ oder weniger, während die ρ -Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die ^IT-Schicht und die mit der zweiten Elektrode verbundene ρ -Schicht 16. Durch Einfügen dieser % -Schicht zwischen die p~-Schicht und

70983S/0804 ORIGINAL

-■ 'Π/180

die ρ -Schicht 16 wird die Lawinendurchbruchspannung V_ß, die durch das Integral der von der festen Linie begrenzten Fläche bestimmt ist, verglichen mit der Lawinendurchbruchspannung V_n* verringert. Die Lawinendurchbruchspannung V ' ist die Durchbruchspannung einer Photodiode ohne TC-Schicht, jedoch mit einer Sperrschichtbreite gleich der Gesamtbreite der p- und J^-Schichten. Die in dem US-Patent beschriebenen Versuche an Avalanche-Photodioden haben gezeigt, daß die Lawinendurchbruchspannung V_ bei etwa 13o V lag, während die Durchbruchspannung V_n bei etwa 4oo V lag, wenn die Betriebsfeld-

4
intensität E_Qp auf 1 χ to V/cm eingestellt war, so daß sich eine Ansprechgeschwindigkeit aufgrund der mit Sättigungsgeschwindigkeit verschobenen, durch Photoeffekt erzeugten Träger ergab. Die Verunreinigungskonzentration der ρ -Schicht lag in diesem Fall bei S χ Io cm" . Die Durchbruchspannung der hyperabrupten Avalanche-Photodiode sollte nun weiter verringert werden.

Erfindungsgemäß ist eine dünne p-leitende p-Zwischenschicht 18 gemäß Fig. 2 zwischen die p~-Schicht und die X-Schicht eingefügt, wodurch sich die Lawinendurchbruchspannung V_ß, die durch das Integral der von der ausgezogenen Linie definierten Fläche bestimmt wird, merkbar verringert. Die Dotierungskonzentration der p-Zwischenschicht ist höher als die der p~- Schicht. Da sich bei einer derartigen Struktur die Lawinenmultiplikation auf den ρ -Bereich konzentriert, sollte die Breite der ρ -Schicht so schmal wie möglich sein, so daß das maximale Feld des η -p~-Ubergangs für die Verunreinigungskonzentrationen der Schichten so gering wie möglich ist. Die Dotierungskonzentration der ρ -Schicht sollte größer sein als diejenige der TC-Schicht. Die TC-Schicht sollte die

* niedrigste Dotierungskonzentration haben, damit eine Zunahme der an der JL -Schicht anliegenden Spannung vermieden wird. Versuche haben gezeigt, daß die Dotierungskonzentration der

7098 3b/ü804 ORIGINAL INSPECTED

nt 14—3

Tl -Schicht kleiner als 1o cm sein sollte.

Andererseits wurde herausgefunden, daß die Dotierungskonzentration der ρ -Schicht niedriger als etwa 1o cm sein sollte und daß die Dotierungskonzentration der p-Schicht im Bereich von 1o bis 1o cm~ liegen sollte. Die Dotierungskonzentration der p-Schicht sollte jedoch höher als diejenige der p"*-Schicht sein.

Die Dicke der p~-Schicht ist einer der wesentlichen Einflußfaktoren bei erfindungsgeraäßen Avalanche-Fotodioden.

Wenn die Dicke zu gering ist, so führt dies zu verstärktem Überrauschen. Das Überrauschen nimmt zu,da die Ionisationskoeffizienten für Löcher im Hochfeld-Multiplikationsbereich nicht wesentlich kleiner sind als die Ionisationskoeffizienten für Elektronen. Ist andererseits die Dicke zu groß, so wird die Lawinendurchbruchspannung der Avalanche-Photodiode hoch. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll der Abstand t. zwischen der Gleichrichterschicht oder dem pn-übergang und der p-Schicht so gewählt sein, daß die Ionisationskonstante der Minoritätsträger in der ρ -Schicht ein Fünftel bis ein Zehntel der maximalen Ionisationskonstante der Gleichrichterschicht bzw. des pn-Ubergangs ist. Die maximale Ionisationskonstante kann leicht bestimmt werden, wenn die Dotierungskonzentrationen der p~-Schicht und der p-Schicht gegeben sind. Die Dicke tder p-Schicht ist ein weiterer wichtiger Einflußfaktor bei erfindungsgemäßen Fotodioden. Wenn die Dotierungskonzentration der p-Schicht im Bereich von 1o bis 1o cm" liegt, beträgt die Dicke vorzugsweise o,1 bis 2 ,um.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungs-

• gemäßen Avalanche-Photodiode, bei der die erste η -Schicht 28 mit der zweiten p~-Schicht 26 eine Gleichrichterschicht bzw. einen pn-übergang J bildet. Die dritte p-Schicht bzw.

Zwischenschicht 24 ist zwischen der zweiten Schicht 26 und

7Q983b/U8(K ORIGINAL INSPECTED

:''Τ··./180

einer vierten ^-Schicht 22 angeordnet. An die -^-Schicht 22 schließt sich eine ρ -Schicht 2o an. Die Oberfläche der η -Schicht dient als Lichtaufnahmefläche, auf die das Lichtsignal auftrifft. Die 7ü-, p- und ρ -Schichten werden vorzugsweise mit Hilfe bekannter epitaxialer Aufwachsverfahren gebildet. Die η -Schicht wird durch Eindiffundieren einer Dotierungssubstanz in die p~-Schicht gebildet. Die Licht empfangende Fläche ist mit einem Film 34, beispielsweise einem Siliziumdioxidfilm, überzogen, der Lichtreflexionen an der Oberfläche verhindert. Zur Dämpfung der Feldintensität an« der Oberfläche des Halbleiterkörpers wurde eine sogenannte Mesastruktur benutzt. Der Körper wurde hierzu zur Bildung eines Abschnitts mit verringerter Querschnittsffläche teilweise abgeätzt. Die freiliegenden Flächen des Abschnitts wurden zur Passivierung der Fläche des Übergangs mit einem Isolierfilm 32, beispielsweise einem Siliziumdioxidfilm, überzogen. Die Filme können mit Hilfe bekannter, hierfür geeigneter Verfahren auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht werden. Geeignet sind z.B. chemische Aufdampf verfahren .

Eine erste Elektrode 36 ist durch ein Fenster in dem Film 34 hindurch mit einem Teil der Oberfläche der η -Schicht ohmisch kontaktiert. Eine zweite Elektrode 38 steht mit der Oberfläche der p⁺-Schicht in ohmschem Kontakt.

Die Dicke der als Substrat dienenden ρ -Schicht 2o sollte aus Gründen der Handhabbarkeit bei etwa 15o bis 2oo ,um liegen. Der spezifische Widerstand dieser Schicht sollte bei etwa o,o1 Ohm-cm oder weniger liegen, so daß ein kleiner Serienwiderstand sowie ein ohmscher Kontakt mit der zweiten Elektrode erhalten wird.

Im vorliegenden Beispiel hat die p-leitende J^-Schicht

14—3 eine Dotierungskonzentration von 1 χ Ίο cm ; ihre Dicke von 13 /Um wurde durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren auf der

70983b/ü804

Π7180

ρ -Schicht gebildet. Die p-Schicht hat eine Dotierungskonzentration von 1 χ Io cm ; ihre Dicke von 1 ,um wurde durch ein eptiaxiales Aufwachsverfahren auf die K-Schicht aufgebracht. Auf der p-Schicht wurde weiterhin durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren die ρ -Schicht mit einer Dotierungskonzentra tion von 1 χ Io cm und einer Dicke von 7,5 ,um gebildet.

Schließlich wurde die η -Schicht mit einer Dotierungskonzentra-

19 -3 tion von 1 xio cm und einer Dicke von 1 ,um zur Bildung einer dazwischenliegenden Gleichrichterschicht geformt. Die Dicke der ρ -Schicht betrug letztlich etwa 6,5 ,um, was demjenigen Abstand entspricht, für den die Ionisationskonstante OC für Silizium bei etwa 1/1o der maximalen Ionisationskonstante liegt.

Nach Herstellen des Halbleiterkörpers mit vorbe-

stimmter Ubergangsanordnung wurden die epitaxial gewachsenen Schichten (η , ρ , ρ und Λ/-Schichten) in bekannter Weise selektiv entsprechend der gewünschten Mesastruktur mit lichtempfindlichen Abschnitt geätzt. Die Ätztiefe ist so gewählt, daß das ρ -Substrat freiliegt, Die freiliegende Fläche des die verringerte Querschnittsfläche beinhaltenden Abschnitts wurde mittels eines chemischen AufdampfVerfahrens mit einem Siliziumdioxidfilm von o,8 ,um überzogen. Der mit den Siliziumdioxidfilmen versehene Halbleiterkörper wird zur Stabilisierung der Fotodiode vorzugsweise in einer inerten Gäsathmosphä- re, beispielsweise einer Argon-Gasatmosphäre, getempert. Dann wurden in der Oberfläche der η -Schicht Fenster in den Siliziumdioxidfilm geätzt. Die erste Elektrode wurde durch die Fenster hindurch mit Hilfe von Fotoätz- und Vakuumaufdampfverfahren aufgebracht. Die zweite Elektrode wurde an- schließend auf der Oberfläche der ρ -Schicht gebildet. Die Sperrschicht wird durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung in Sperrichtung vorgespannt, womit der Lawinendurchbruch in Abhängigkeit von einem Lichtsignal erfolgt. Die Betriebs-

4 feldstärke E ist auf 1 χ Io V/cm bemessen und ist somit

709836/U804 ORIGINAL INSPECTED

groß genug, daß sich die aufgrund des Fotoeffekts erzeugten, vervielfachten Träger mit Sättigungsgeschwindigkeit durch die Sperrschicht bewegen. Die obenstehend erläuterte Avalanche-Photodiode-hat eine Lawinendurchbruchspannung von etwa 18o V, die somit wesentlich niedriger als die bei einer Avalanche-Photodiode gemäß dem US-Patent 3 886 579 erreichte Spannung von 32o V ist. Weiterhin hat diese Photodiode trotz ihrer niedrigen Durchbruchspannung einen hohen Quantenwirkungsgrad • (Licht/Strom-Umwandlungswirkungsgrad) von 68 % und einen kleinen Index χ des Uberschußrauschens (excess noise) von ο,32 (M*).-Wenn die Verunreinigungskonzentration der ρ -Schicht 5 χ 1o cm beträgt, hat die erfindungsgemäße Avalanche-Fotodiode eine Lawinendurchbruchspanung von etwa 9o V, während die Durchbruchspannung der Avalanche-Fotodiode gemäß der US-PS 3 886 579 etwa 13o V beträgt. Im allgemeinen führt die Verringerung der Durchbruchspannung zu einer Abnahme des Licht/ Strom-Umwandlungswirkungsgrads und zu einer Zunahme des Rauschpegels. Es soll deshalb nochmals hervorgehoben werden, daß die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode einen außerordentlich hohen Licht-Strom-Umwandlungswirkungsgrad und einen geringen Rauschpegel hat, obwohl ihre Durchbruchspannung beträchtlich verringert ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem auf einem η -Substrat 4o epitaxial gewachsene Schichten 42, 44 und 46 geformt sind. Zwischen der p~-Schicht und der η -Schicht ist eine Gleichrichter-Grenzschicht J gebildet. Die ρ -Schicht wurde durch Eindiffundieren von Akzeptorverunreinigungen in die TT-Schicht gebildet, die ihrerseits durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren hergestellt wurde. Die Dicken der ρ -Schicht, der JC -Schicht, der p-Schicht und der ρ -Schicht betrugen 1 ,um, 13 ,um, 1 .um und 6,5 ,um. Die freiliegenden Oberflächen des Bereichs mit verringerter Querschnittsfläche sind mit Siliziumdioxidfilmen 54, 52 überzogen. Der Siliziuradioxid-

70983 b/U8.04 ' ORIGINAL <iNSPECTEÖ^p-

i'./18 η

film 54 verhindert Lichüeflexionen, während der Siliziumdioxidfllm 52 die Grenzschicht und andere freiliegende Flächen gegen Umgebungseinflüsse schützt.

Eine erste Elektrode 56 steht durch ein in dem Film 54 gebildetes Fenster in ohmsehern Kontakt mit der Oberfläche der η -Schicht. Mit der η -Schicht steht weiterhin eine zweite Elektrode 51 in ohmschem Kontakt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Grenzübergang J von der Licht empfangenden Fläche auf ' der ρ -Schicht beabstandet. Auf diese Weise werden die Eigenschäften der Grenzschicht selbst dann nicht beeinflußt, wenn die erste Elektrode mit der Licht empfangenden Fläche verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann die Grenzschicht durch das Aufbringen der ersten Elektrode 36 auf die Fläche der η -Schicht beeinflußt werden, da die η -Schicht sehr dünn ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Avalanche-Photodiode nach Fig. 4 leichter herzustellen als die Diode nach Fig. 3. Andererseits zeigt die Avalanche-Photodiode nach Fig. 4 nahezu die gleiche Durchbruchspannung, den gleichen Licht/Strom-Umwandlungswirkungsgrad und Rauschpegel wie die Fotodiode nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Kantenfläche der Gleichrichtergrenzschicht J zu einer der Flächen des Halbleiterkörpers hin freiliegt. Eine derartige Fotodiode entspricht dem Planartyp.

Auf einem p⁺-Substrat 6o ist eine ^-Schicht 62 mit

14 -3 einer Dotierungskonzentration von 1 χ Io cm und einer Dicke von 2o,5 «um mit Hilfe eines Epitaxial-Aufwachsverfahrens ausgebildet. Im Mittelbereich der J^-Schicht wird anschließend durch ein selektives Ätzverfahren eine Ausnehmung mit 7,5 ,um Tiefe eingeformt. An der Bodenfläche der Ausnehmung wird durch ein bekanntes Ionenimplantationsverfahren eine p-Zwischenschicht 64 mit einer Dicke von 1 ,um und einer

70983b/ü8(H ORIGINAL INSPECTED

• 71R η

Dotierungskonzentration von 1 χ To cm gebildet. Anschließend wird eine ρ -Schicht 66 mit einer Dotierungskonzentration von 1 χ Io cm und einer Dicke von 7,5 .um mit Hilfe eines bekannten selektiven Epitaxial-Aufwachsverfahrens geformt. In die ρ -Schicht werden zur Bildung einer η -Schicht 68 mit einer

19 -3 Dotierungskonzentration von 1 χ Io cm und einer Dicke von 1 .um Donatorverunreinigungen eindiffundiert, so daß eine Gleichrichtergrenzschicht J entsteht. Die endgültige Dicke der p-Schicht liegt bei etwa 6,5 ,um.

Anschließend wird ein Isolierfilm 72, beispielsweise ein Silizium-Dioxidfilm sowie ein Film 74 zum Verhindern von Lichtreflexionen chemisch aufgedampft. Eine erste Elektrode 76 steht durch ein Fenster in dem Film 74 und dem Isolierfilm 72 im ohmschen Kontakt mit der Oberfäcche der η -Schicht.

Eine ähnlich hergestellte zweite Elektrode 59 steht mit der Oberfläche des ρ -Substrats in ohmsehern Kontakt.

Der Ausdehnungsbereich der Zwischenschicht 64 in Querrichtung der Figur ist kleiner als derjenige der ρ -Schicht und der η -Schicht, so daß die Durchbruchspannung im Bereich der Zwischenschicht 64 beträchtlich kleiner als in den Bereichen ist, in denen keine Zwischenschicht vorhanden ist. Der übergang J umschließt somit den anderen Teil des Übergangs J, in dem der Lawinendurchbruch stattfindet, und bildet einen sogenannten Schutzring, der zu stabilen Betriebseigenschäften der Fotodiode führt.

Da die Verteilung der Dotierungskonzentrationen im Funktionsbereich der Fotodiode nahezu gleich derjenigen der Fotodiode nach Fig. 3 ist, verarmen die Schichten 62, 64 und * 66 bzw. werden gesperrt, wenn die Fotodiode in Betrieb ist. Es ergeben sich ähnliche Betriebseigenschaften wie bei der Fotodiode nach Fig. 3.

70983b/0804 ORIG(NAL

i o i ι

Zur Stabilisierung des Betriebs der Avalanche-Photodioden nach den Fig. 3 und 4 wird bevorzugt ebenfalls ein Schutzring (39 in Fig. 3 oder 58 in Fig. 4) auf ähnliche Weise wie im US-Patent 3 836 579 beschrieben, vorgeseheA..

Weiterhin wurde herausgefunden, daß sich die Erfindung auch dann anwenden läßt, wenn die Dotierungskonzentration tier p~-Schicht allmählich oder stufenweise vom Teil im Bereich des Grenzübergangs zur ^/-Schicht erhöht. In diesem Fall wird die Dotierungskonzentration und die Dicke der ρ -Schicht, wie vorstehend anhand von Fig. 2 erläutert, bestimmt. Die Dotierungskonzentration der ρ -Schicht in der Nähe des Grenzübergangs wird auf einen gewissen Wert eingestellt, der viel kleiner ist als derjenige der ρ -Schicht nahe der ^i-Schicht. Wird die Dotierungskonzentration in dieser Weise verändert, so wird die maximale Feldintensität Emax am Grenzübergang kleiner als in Fig. 2. Darüberhinaus wird auch die Feldintensität an der Grenzfläche zwischen der ρ -Schicht und der JC-Schicht geringfügig verringert. Die Betriebsweise der vorstehend erläuterten Diode ist jedoch die gleiche wie die der Diode nach Fig. 3, da die Feldintensität im Bereich zwischen dem Grenzübergang und der -^-Schicht geringfügig größer als nach Fig. 2 wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß das Integral der Feldintensität der abgewandelten Diode nahezu gleich ist dem Integral der Diode nach Fig. 3.

Eine ausgeführte Diode hatte die gleiche Struktur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Dotierungskonzentration der ρ -Schicht im Bereich nahe des Grenzübergangs be-

14 -3 tr

trug jedoch 4 χ Io cm und nahm zur .#-Schicht allmählich zu. Im Bereich der #-Schicht war die Dotierungskonzentration " der ρ'-Schicht gleich 1 χ Io cm" . Die abgeänderte Fotodiode zeigte im wesentlichen die gleichen Betriebseigenschaften wie die Diode nach Fig. 3. Dieses Ergebnis läßt sich durch

70983b/U8CU ORIGINAL INSPECTED

das auf dem Lawineneffekt beruhende Grundkonzept erklären. In erfindungsgemäßen Fotodioden ist der Lawinenbereich innerhalb der p~-Schicht begrenzt. Im Zustand des Lawinendurchbruchs sollte das Integral der Ionisationskoeffizienten in der ρ -Schicht für sämtliche oben erläuterten Dioden konstant sein. Solange die Dicke der p~-Schicht die gleiche ist und die Dotierungskonzentration der p~-Schicht im Bereich der X-Schicht gleich ist, so ist die Verteilung der Feldintensität im Lawinenbereich im wesentlichen gleich der in Fig. 2 dargestellten Verteilung, selbst wenn die Dotierungskonzentration der p~-Schicht kleiner ist als die Konzentration des nahe der TC-Schicht gelegenen Teils der p~-Schicht.

70983S/08CK

Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF v. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS MARIAHILFPLATZ 2*3. MÖNCHEN 9O _ _ _ POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 BO. D-8OOO MÖNCHEN 95 £ / U / I 8 HITACHI, LTD. 18. Februar 1977 DA-12 393 Avalanche-Photodiode mit verringerter Lawinendurchbruchspannung Patentansprüche

1. ,. Avalanche-Photodiode mit verringerter Durchbruchspan nung, gekennzeichnet durch

a) einen Halbleiterkörper mit einer ersten Schicht (28; 4o; 68) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Schicht (26; 42; 62) eines entgegengesetzten, zweiten Leitfähigkeitstyp, die zusammen mit der ersten Schicht (28; 4o; 68) eine durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung in Sperrrichtung vorspannbare Gleichrichter-Sperrschicht (J) bildet, mit einer an die zweite Schicht (26; 42; 62) anschließenden, dritten Schicht (24; 44; 64) des zweiten Leitfähigkeitstyps, deren Ootierungskonzentration höher ist als die der zweiten Schicht (26; 42; 62), mit einer an

709835/0804 >*:

ORIGINAL INSPECTED

die dritte Schicht (24; 44; 64) anschließenden, vierten Schicht (22; 46; 62), des zweiten Leitfähigkeitstyps, deren Dotierungskonzentration niedriger ist als die der zweiten Schicht (26; 42; 62) und mit einer an die vierte Schicht (22; 46; 62) anschließenden, fünften Schicht (2o; 48; 6o) des zweiten Leitfähigkeitstyps, deren Dotierungskonzentration höher ist als die der dritten Schicht (24; 44; 64),

b) eine ohmisch mit der ersten Schicht (28; 4o; 68) kontaktierte, erste Elektrode (36; 51; 76),

c) eine ohmisch mit der fünfen Schicht (2o; 48; 6o) kontaktierte zweite Elektrode (38; 56; 59),

d) einen Film (34; 54; 74), der eine in der Oberfläche entweder der ersten oder der fünften Schicht ausgebildete, Licht aufnehmende Fläche zum Verhindern von Reflexionen des auf die Licht aufnehmende Fläche auftreffenden Lic. its bedeckt und

e) einen Schutzfilm (32; 52; 72), der die an die Flächen des Halbleiterkörpers heranreichenden Endflächen der Sperrschicht (3) zum Schutz der Sperrschicht gegen Umgebungseinflüsse bedeckt.

7 0983 5/0804
ORIGINAL INSPECTED

/ η 7 1 8 Π

2. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (28; 68) η-leitend ist, so daß beim Auftreffen von Licht auf die Licht aufnehmende Fläche Elektronen die Lawinenverviel fachung auslösen.

3. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite, dritte und vierte Schicht als epitaxial gewachsene Schichten (22, 24, 26; 42, 44, 46) ausgebildet sind.

4. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste, zweite, dritte und vierte Schicht (22 - 28; 42 - 48) in einem Bereich mit verringerter Querschnittsfläche in der Weise übereinander ange ordnet sind, daß jede Seitenfläche dieser Schichten zur Seiten fläche dieses Bereichs freiliegt und die Feldintensität an der Sperrschicht beträchtlich geschwächt ist.

5. Avalanche-Photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen der Sperrschicht (J) und der dritten Schicht (24; 44; 64) so gewählt ist, daß die Ionisationskonstante der Minori tätsträger in der zweiten Schicht (26; 42; 62) 1/5 bis 1/1o der maximalen Ionisationskonstante an der Sperrschicht ist.

709835/0804 ORIGINAL fNSPECTED

6. Avalanche-Photodiode mit verringerter Durchbruchspannung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Halbleiterkörper auf einer Seite eine erste Hauptfläche und auf seiner gegenüberliegenden Seite eine zweite Hauptfläche auf weist und in der ersten Hauptfläche eine Licht empfangende Fläche ausgebildet ist, der ein Lichtsignal zuführbar ist, daß die erste Hauptfläche mit einer ersten Elektrode (36) und die zweite Hauptfläche mit einer zweiten Elektrode (38) ohmisch kontaktiert ist, daß die Licht empfangende Fläche mit einem Reflexionen des Lichtsignals verhindernden Film (34) bedeckt ist, daß die Endflächen einer in dem Halbleiterkörper gebildeten Gleichrichter-Sperrschicht (J) mit einem Schutzfilm (32) bedeckt sind, daß der Halbleiterkörper einen aus Schichten aufgebauten Bereich aufweist, dessen erste Schicht (28) von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist, dessen zweite Schicht (26) von einem entgegengesetzten, zweiten Leitfähigkeitstyp ist, an die erste Schicht (28) anschließt und mit dieser die Gleichrichter-Sperrschicht (J) bildet, dessen dritte Schicht (24) vom zweiten Leitfähig keitstyp ist, an die zweite Schicht (26) anschließt und eine höhere Dotierungskonzentration als die zweite Schicht (26) hat und dessen vierte Schicht (22) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, an die dritte Schicht (24) anschließt und eine niedrigere Dotierungskonzentration als die zweite

Schicht hat, daß dieser Bereich eine verringerte Querschnitts-

70983b/0 8 04

ORIGINAL INSPECTED

"' 7180

fläche hat, daß an die vierte Schicht (22) eine fünfte Schicht (2o) vom zweiten Leitfähigkeitstyp anschließt, deren Querschnittsfläche größer 1st als die des genannten Bereichs und deren Dotierungskonzentration höher ist als die der dritten Schicht (24) und daß die fünfte Schicht (2o) zur ersten Hauptfläche hin freiliegt.

7. Avalanche-Photodiode mit verringerter Lawinendurchbruchspannung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Halbleiterkörper auf einer Seite eine erste Hauptfläche und auf seiner gegenüberliegenden Seite eine zweite Haupt fläche aufweist und in der ersten Hauptfläche eine Licht empfangende Fläche ausgebildet ist, der ein Lichtsignal zuführbar ist, daß die erste Hauptfläche mit einer ersten Elektrode (56) ohmisch kontaktiert ist, daß die das Licht empfangende Fläche mit einem Reflexionen des Lichtsignals verhindernden Film (54) bedeckt ist, daß die Endflächen einer Gleichrichter-Sperrshicht (J) in dem Halbleiterkörper mit einem Schutzfilm (52) bedeckt sind, daß der Halbleiterkörper einen aus Schichten aufgebauten Bereich aufweist, dessen erste Schicht (48) von einem ersten Leit fähigkeitstyp ist und zur ersten Hauptfläche hin freiliegt, dessen zweite Schicht (46) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist, an die erste Schicht (48) anschließt und eine niedrigere Dotierungskonzentration hat als die erste Schicht (48), dessen dritte Schicht (44) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist

709835/0804 ORIGINAL INSPECTED

: ι ν 1 a n

und eine höhere Dotierungskonzentration hat als die zweite Schicht (46) und dessen vierte Schicht (42) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist und eine höhere Dotierungskonzentration als die zweite Schicht sowie eine niedrigere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat, daß der Be- reich eine bezogen auf die Querschnittsfläche einer fünften, an die vierte Schicht anschließende Schicht (4o) mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp verringerte Querschnittsfläche hat und daß die Gleichrichter-Sperrschicht (J) zwischen der vierten (42) und der fünften (4o) Schicht ausgebildet ist und diese zu den genannten Endflächen hin freiliegen.

709835/0804