DE69805048T2

DE69805048T2 - Photodiode

Info

Publication number: DE69805048T2
Application number: DE69805048T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Iguchi; Yoshiki Kuhara; Tadashi Saito; Hitoshi Terauchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: EP0924776A2; EP0924776A3; JP3484962B2; JPH11177121A; EP0924776B1; DE69805048D1; US6218684B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine in einem System eingesetzte Photodiode (PD), in dem Licht einer einzelnen Wellenlänge über eine einzelne optische Faser zur bidirektionalen Kommunikation übermittelt wird. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Photodiode, die geeignet ist, um bei der Zeit-Verdichtungs-Multiplex Übermittlung (timecompression-multiplexing = TCM) oder bei der sogenannten "Ping-Pong Übermittlung" eingesetzt zu werden, bei dem zum Absenden und zum Empfangen Licht aus dem 1,3-um-Bereich basierend auf der Zeit-Trennung (time division) verwendet wird.

Beschreibung des Hintergrundes der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem vereinfacht die Zusammensetzung von bidirektionalen Übermittlungen dargestellt ist. Eine Laserdiode LD1 sendet an einer zentralen Station (office) ein optisches Signal ab. Ein optischer Koppler 2 leitet das Signal in eine Faser 3 ein und ein optischer Koppler 4 überführt es zu einer Photodiode PD2 bei einem Teilnehmer, wie etwa ein Haus. Dieses ist der stromabwärts gerichtete Verkehr. Ein Signal wird von dem Teilnehmer mittels einer Laserdiode LD2 abgegeben. Dieses Signal läuft durch den optischen Koppler 4, die Faser 3 und den optischen Koppler 2 und erreicht eine Photodiode PD1 an der Station (office). Dieses ist der stromaufwärts gerichtete Verkehr.
Das Dokument EP-A-0 773 5 P1 offenbart ein Lichtemittierendes/detektierendes Modul.
Es gibt in der bidirektionalen Kommunikation zwei Systeme; eines ist das simultane Absenden und Empfangen; und das andere ist ein abwechselndes Absenden und Empfangen mit zeitlicher Trennung (Zeit-Trennung; time division). Einige Systeme verwenden Licht mit zwei oder mehreren Wellenlängen und andere Licht einer Wellenlänge. Wenn Licht bestehend aus zwei oder mehreren Wellenlängen verwendet wird, muss ein Wellenlängen- Trennungs-Multiplex Koppler zusätzlich bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung einer Photodiode, die in einem einfachen bidirektionalen Kommunikationssystem eingesetzt wird, welches Signale einer Wellenlänge auf der Basis der Zeit-Trennung absendet und empfängt.
Da das Absenden und das Empfangen abwechselnd ausgeführt werden, wird dieses System als "Ping-Pong-Übermittlung" bezeichnet. Es stellt die einfachste bidirektionale Kommunikation dar, weil nur eine Lichtart verwendet wird. Dennoch benötigt es optische Koppler, um das stromabwärts und stromaufwärts gerichtete Licht durch die gleiche optische Faser zu übermitteln. Wenn zwei optische Fasern verwendet werden, sind optische Koppler nicht notwendig, jedoch werden die Kosten der Installierung der Fasern anwachsen. Von daher ist das Absenden und das Empfangen über eine einzige Faser erstrebenswert. Optische Koppler scheinen wesentliche Punkte darzustellen, wenn ankommende und abgehende Signale über die gleiche einfache Faser verkehren, da zwei Arten von Licht selektiert werden muss, so dass eine Art zu der Photodiode geschickt wird und die andere zu der Faser, nachdem es von der Laserdiode empfangen wird. Jedoch sind optische Koppler teuer und lassen die Installationskosten beim Teilnehmer anwachsen. Von daher ist eine optische Kommunikation ohne optische Koppler wünschenswert.
Eine frühere Erfindung der gegenwärtigen Erfinder ermöglicht die Umsetzung dieses scheinbar unerreichbaren Zieles. Gemäß dieser Erfindung ist eine Photodiode offenbart, die eine Hälfte von Licht einer einzelnen Wellenlänge absorbiert, und die Photodiode und eine Laserdiode sind tandemartig verbunden, so dass abgesendetes und empfangendes Licht sich geradlinig verbreiten. Die Laserdiode ist hinter der Photodiode angeordnet, so dass das von der Laserdiode abgesendete Licht durch die Photodiode läuft und in die optische Faser geradlinig eintritt. Die Photodiode absorbiert die Hälfte des von der Laserdiode abgesendeten Lichtes und gestattet es der anderen Hälfte hindurchzulaufen. Ähnlich absorbiert und detektiert die Photodiode die Hälfte des von der Faser empfangenden Lichtes und erlaubt es der anderen Hälfte hindurchzulaufen und die Laserdiode zu erreichen, welche dann aufgrund der "Ping-Pong-Übermittlung" nicht aktiv ist und keine negativen Effekte verursacht. Der Zustand des abgesendeten und empfangenden Lichtes, halbgeteilt zu sein, ist gestattet, wenn eine hinreichend große Lichtmenge übermittelt wurde. Dieses System benötigt keine Trennung des optischen Weges und erspart einen teuren optischen Koppler. In dem in Fig. 1 gezeigten System werden sowohl das abgesendete als auch das empfangende Licht durch die optischen Koppler um die Hälfte reduziert.
Die zuvor beschriebene, frühere Erfindung wurde in der am 03. September 1997 eingereichten japanischen Patentschrift Tokganhei Nr. 9-256107 offenbart. Diese Idee revolutionierte die herkömmliche Auffassung, dass eine Photodiode einfallendes Licht zu 100% absorbieren müsste. Solch eine Photodiode, welche eine Hälfte des einfallenden Lichtes absorbiert, wird als Halb-Durchlass-Photodiode (half-transmittance photodiode) oder einfacher als Durchlass-Photodiode (transmittance photodiode) bezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein Aufbaudiagramm eines Licht Sende-/Empfangs- Moduls, welches eine Kombination der zuvor erwähnten Durchlass-Photodiode und eines Lasers darstellt. Eine Faser 62, eine Linse 126, eine Durchlass-Photodiode 64 und ein Laser 70 sind inbegriffen. Ein optische Koppler ist nicht vorhanden. Das Licht Sende-/Empfangs-Modul kann zu beeindrucken niedrigen Kosten hergestellt werden. Die Ping-Pong-Übermittlung mit Zeit-Trennung machte dieses möglich.
Eine Halb-Durchlass-Photodiode hat eine dünne Absorptionsschicht. Eine hinreichend dicke (etwa 4 um) Absorptionsschicht von herkömmlichen Photodioden absorbiert sämtliches einfallendes Licht. Die Halb-Durchlass-Photodiode wird verwirklicht, indem dessen Dicke "d" gleich zu (ln 2)/α gemacht wird, wobei α ein Absorptionskoeffizient und ln 2 der natürliche Logarithmus von 2 darstellt. Abhängig von der Wellenlänge ist die Dicke sehr dünn, 0,4 oder 1,0 um, wenn beispielsweise InGaAs oder InGaAsP für die Absorptionsschicht verwendet wird.
Die extrem dünne Absorptionsschicht einer Halb-Durchlass- Photodiode wirft eine neue Herausforderung auf. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung der Halb-Durchlass-Photodiode. Mit der zunehmenden Anwendung von lichtgestützter Kommunikation wird die Verwendung in einem weiteren Temperaturbereich oder mit einer niedrigeren Quellspannung stark verlangt. Die herkömmliche Innenverwendung erlaubte es der Vorrichtung, in einem Bereich zwischen 0 bis 40ºC zu arbeiten. Die Anforderung für einen Außeneinsatz besteht darin, den Temperaturbereich auf -40 bis +85ºC auszuweiten. Bei der zuvor beschriebenen Halb-Durchlass- Photodiode war es schwierig, diese in einem solch breiten Temperaturbereich stabil zu betreiben. Zusätzlich wurde die Quellspannung von 5 V durch 3,3 V ersetzt, um Energie zu erhalten. Bei einer solch niedrigen Spannung erhalten die p-n- Übergänge manchmal für einen normalen Betrieb nicht genügend Spannung.
Während eine herkömmliche Photodiode mit einer dicken Absorptionsschicht eine zufriedenstellende Temperaturcharakteristik aufweist, zeigt die von den gegenwärtigen Erfindern entwickelte Halb-Durchlass-Photodiode mit einer dünnen Absorptionsschicht eine Abnahme der Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen, ein eigentümliches Phänomen, was bei herkömmlichen Photodioden nicht auftritt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, bei der die Temperaturcharakteristika mit der Quellspannung als Parameter der zuvor beschriebenen Halb-Durchlass-Photodiode gezeigt sind. Die Abszissenachse stellt die Temperatur (ºC) und die Ordinatenachse die Ansprechempfindlichkeit (A/W) da. Die Quellspannungen sind 4 bis 10 V, 3 V, 2 V, 1 V und 0 V. Wenn die Quellspannung zwischen 4 und 10 V liegt, nimmt die Ansprechempfindlichkeit nicht ab und verbleibt bei etwa 0,47 A/W. Jedoch bei einer Quellspannung von 3 V vermindert sich die Ansprechempfindlichkeit bei -40ºC oder tiefer um die Hälfte. Bei einer Quellspannung von 2 V beginnt die Ansprechempfindlichkeit bei einer höheren Temperatur, 20ºC, abzunehmen und weist etwa 0,16 A/W bei -20ºC auf. Solch eine bemerkenswerte Abnahme der Ansprechempfindlichkeit bei Temperaturen nahe an normal Temperaturen kann bei einer gewöhnlichen Photodiode nicht beobachtet werden, von daher ist von einer solchen Abnahme nicht berichtet worden.
Diese schwache Temperaturcharakteristik schließt einen Wechsel der erfindungsgemäßen Halb-Durchlass-Photodiode zu Außenbereichsanwendungen oder in kalten Umgebungen aus. Weil die Photodiode in Kombination mit einem Verstärker in einer eigentlichen Anwendung eingesetzt wird, wird eine Quellspannung von 3,3 V über die Photodiode auf etwa 2 V herabfallen. Bei einer solch niedrigen Spannung ist die Temperaturcharakteristik der Photodiode zu schwach, um unterhalb von 25ºC eingesetzt zu werden.
Ein Licht Sende-/Empfangs-Modul mit einer Halb-Durchlass- Photodiode und ohne einem optischen Koppler wird ihre Nützlichkeit signifikant verlieren, wenn für Außenbereichsanwendungen oder Anwendungen in kalten Umgebungen das Modul durch eine Kombination aus einer herkömmlichen Photodiode der Total-Absorptions-Bauart (complete-absorptiontype photodiode) und einem optischen Koppler ausgetauscht werden muss.
Die grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halb-Durchlass-Photodiode vorzuschlagen, die bei niedrigen Temperaturen nicht schwächer in den Charakteristika wird. Eine weiter Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halb- Durchlass-Photodiode anzugeben, die bei niedrigen Quellspannungen arbeitet.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Photodiode ist schwer zu verstehen, da es gegenläufig zu dem allgemeinen Verständnis für Photodioden ist. Die Erfindung dient zur fundamentalen Verbesserung. Dieses erfordert Grundstudien des Prinzips von Photodioden. Eine Beschreibung des inneren Aufbaues einer herkömmlichen Photodiode und einer Halb-Durchlass-Photodiode ist später gegeben, gefolgt von einer grundlegenden Beschreibung der Bedeutung eines "p-n-Überganges" und einer "negativen Sperrspannung" ("reverse bias").

A. Aufbau einer herkömmlichen Photodiode vom 100%-Absorptions-Tvp

Eine herkömmliche InP-basierende Photodiode weist, wie in Fig. 3 gezeigt, eine geschichtete Struktur und ein ungleichmäßiges Dichteprofil auf. Um die Ansprechempfindlichkeit zu erhöhen, sollte einfallendes Licht vollständig von einer dicken Absorptionsschicht (etwa 4 tun) absorbiert werden. Sämtliches Licht mit einer kleineren Wellenlänge als eine bestimmte Wellenlänge wird von der Absorptionsschicht absorbiert. Ein Halbleiter und ein Isolator kann kein Licht einer geringeren Energie (hν) als die Bandabstands-Energie (band-gap energy) (Eg) (Eg > hν) absorbieren, da das Licht eine nicht hinreichende Energie (hν) besitzt (hν < Eg), um Elektronen zur Bildung freier Elektronen- Loch Paare aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuregen.
Im Gegenzug wird Licht, das eine höhere Energie (hν) als die Bandabstands-Energie (Eg) hat (hν > Eg), absorbiert, weil Elektronen in das Leitungsband gehoben und freie Elektronen- Loch Paare gebildet werden.
Eine Absorptionsschicht (Eg&sub2;) hat einen schmaleren Bandabstand als die Absorptionsschicht (Eg&sub1;) der anderen Schichten, d. h. eines Substrates, einer Pufferschicht und einer Fensterschicht (Eg&sub2; < Eg&sub1;). Das Licht höherer Energie als die Bandabstands- Energie der Absorptionsschicht (Eg&sub2;) und geringerer Energie als die Bandabstands-Energien der anderen Schichten (Eg&sub2; < hν < Eg&sub1;) wird frei durch die anderen Schichten laufen, aber von der Absorptionsschicht absorbiert werden.
Von daher weist eine Photodiode zum Nachweis von 1,3 um- oder 1,55 um-Licht ein InP-Substrat, eine InP-Pufferschicht, eine InP-Fensterschicht und eine InGaAs-Absorptionsschicht auf. Das InP mit einem breiten Bandabstand wird das gesamte Licht der Wellenlänge von 1,3 um oder 1,55 um hindurchlassen. Das InGaAs weist einen schmale Bandabstand auf und wird das Licht der Wellenlänge von 1,3 um oder 1,55 um absorbieren und detektieren. Als eine Absorptionsschicht wird manchmal quartäres InGaAs mit einem breiteren Bandabstand eingesetzt. Dieses Material weist einen höhere Energieabstand als die Energie von 1,55 um-Licht auf, so dass es nur 1,3 um Licht ohne eine Beeinflussung von 1,55 um Licht detektiert.
Wie bereits zuvor angedeutet, wandelt die Absorptionsschicht mit einem schmalen Bandabstand Licht in freie Elektronen-Loch Paare um. Die Schicht wird auch eine aktive Schicht genannt, da sie derartige Energieumwandlungen durchführen kann. Wenn die Schicht hinreichend dick ist, kann das gesamte Licht, welches einer niedrigeren Wellenlänge entspricht als dasjenige, welches der Bandabstands-Energie der Schicht entspricht, mit einer hohen Ansprechempfindlichkeit absorbiert werden. Um die Ansprechempfindlichkeit zu erhöhen, ist es erforderlich, die Schicht zu verdicken, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wo die Dicke der InGaAs-Schicht 4 um beträgt.
Neben der Absorptionsschicht ist ein p-n-Übergang (p-n junction) ein wesentliches Element. Ohne eines p-n-Überganges könnte eine Photodiode keine Photodiode sein. Traditionell war der p-n-Übergang in der Absorptionsschicht vorgesehen, um die freien Elektronen-Loch Paare mittels einer negativen Sperrspannung (reverse-bias) zu separieren.
Bei einem n-leitendem Halbleiter kann ein p-n-Übergang durch ein Dopen von p-leitenden Störstellen in die n-leitende Halbleiterschichten (die Fenster- und Absorptionsschicht) erzeugt werden. Zink, Kadmium oder Magnesium können als die p- leitenden Störstellen verwendet werden, und es ist üblich, einen p-Bereich durch thermische Diffusion von Zink zu erzeugen. Eine Ebene, wo die Donatordichte eines n-leitenden Halbleiters und die Akzeptordichte eines p-leitenden Halbleiters ausgeglichen ist, ist ein p-n-Übergang.
Fig. 3 zeigt die geschichtete Struktur und diffundierte (diffused) Dichte von Zink bei einer standardmäßigen (typischen herkömmlichen) InP-basierenden Photodiode. Die Abszissenachse drückt die Struktur der Schichten in der Reihenfolge einer Fensterschicht, Absorptionsschicht, Pufferschicht und eines Substrates aus. Die Ordinatenachse repräsentiert die diffundierte Zinkdichte in einer logarithmischen Skalierung. Die n-leitende InP-Fensterschicht weist beispielsweise eine Störstellendichte von n = 2·10¹&sup5; cm&supmin;³ auf. Die n-leitende InGaAs-Absorptionsschicht hat eine Störstellendichte von n = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³. Zink diffundiert thermisch von der n-leitenden InP-Fensterschicht (von a nach b) in die n-leitende InGaAs-Absorptionsschicht (von b nach c). Da die Diffusion von der Fensterschicht ausgeht, nimmt die Zinkdichte mit einer Zunahme der Entfernung von der Fensterschicht ab.
Der Bereich, in dem die Dichte der p-leitenden Störstellen die innate Dichte der n-leitenden Störstellen überragt, wird ein p-Bereich. Da die Fensterschicht eine Dichte der n-leitenden Störstellen von n = 2·10¹&sup5; cm&supmin;³ hat, muss die Zinkdichte höher als dieser Wert sein. Tatsächlich ist eine wesentlich höhere Dichte (p > 1·10¹&sup8; cm&supmin;³) gegeben, um einen geringeren Widerstand zu erhalten. Dieses ist ein hochdichter (high-density) p&spplus;- Bereich (A Bereich). Die Übergangszone zwischen der Fenster- und der Absorptionsschicht ist ebenfalls ein hochdichter p- leitender Bereich.
Die n-leitende InGaAs-Absorptionsschicht weist mit n = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³ oder ähnlich eine wirklich niedrige Störstellendichte auf. Eine höhere Zinkdichte als diese kann die Schicht in einen p- Bereich ändern (B-Bereich: b zu c). Die Zinkdichte fällt abrupt in die Absorptionsschicht hin ab.
Die Dichte des diffundierten Zinks erreicht am Punkt c den Wert p = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³, wo die Anzahl der n-leitenden Störstellen gleich der der p-leitenden Störstellen ist (n = p). Dies ist der p-n-Übergang, welcher innerhalb der Absorptionsschicht ausgebildet ist.
Ein Bereich unterhalb des p-n-Überganges ist noch n-leitend (n > p). Zink diffundiert kaum in die Pufferschicht und zum Substrat. Da die Absorptionsschicht ein hochdichter, n- leitender Bereich darstellt, weist der Bereich nahe des p-n- Überganges eine niedrige Dichte von p-leitenden Störstellen auf. Um den Widerstand durch ein Anwachsen der elektrischen Leitfähigkeit zu erniedrigen, weist ein dickes Substrat eine hohe Ladungsträgerdichte auf.
Eine herkömmliche Photodiode hat eine Absorptionsschicht mit einer Dicke in der Größenordnung um 4 um. Ein p-n-Übergang liegt in der Absorptionsschicht. Eine Verarmungsschicht (depletion layer) liegt in der Absorptionsschicht. Nur in der Verarmungsschicht liegt ein starkes elektrisches Feld vor.
Wenn Licht mit einer langen Wellenlänge (hν) in eine Fensterschicht (der Bandabstand ist Eg&sub1;) fällt, durchläuft das Licht die Fensterschicht und erreicht eine Absorptionsschicht, falls hν < Eg&sub1; gilt. Wenn die Energie des einfallenden Lichtes (hν) größer als die Bandabstands-Energie der Absorptionsschicht (Eg&sub2;) ist (Eg&sub1; > hν > Eg&sub2;), erzeugt das Licht dort freie Elektronen-Loch Paare. Neu erzeugte freie Elektronen werden durch ein starkes elektrisches Feld in Richtung der n-leitenden Seite (n-side) angezogen und Löcher in Richtung der p- leitenden Seite (p-side), so dass sie getrennt voneinander vorliegen und sich nicht mehr rekombinieren können. Der Fluß der Elektronen in Richtung des n-leitenden Seitenbereiches beziehungsweise der Fluß der Löcher in Richtung des p- leitenden Seitenbereiches erzeugt einen elektrischen Strom zwischen den Elektroden. Dieser Strom ist als Photostrom bekannt. Dieses Phänomen macht es möglich, Licht in einen elektrischen Strom zu konvertiere, um es detektieren zu können.
Eine Quellspannung erzeugt ein elektrisches Feld in den an beiden Seiten des p-n-Überganges erzeugten Verarmungsschichten. Der Grund, warum der p-n-Übergang in der Absorptionsschicht liegt, liegt darin, dass ein starkes elektrisches Feld in der Absorptionsschicht erzeugt werden muss, so dass die erzeugten freien Elektronen und Löcher separiert werden. Von daher ist es für den p-n-Übergang vorverlangt, in der Absorptionsschicht zu liegen.

B. Aufbau einer Halb-Durchlass-Photodiode gemäß des früheren Vorschlages der gegenwärtigen Erfinder

Fig. 4 stellt ein Beispiel der eindiffundierten Zinkdichte in der Halb-Durchlass-Photodiode gemäß des früheren Vorschlages der gegenwärtigen Erfinder dar. Eine Absorptionsschicht bestehend aus InGaAs weist einen engen Bandabstand auf. Wenn die Dicke d des InGaAs gleich zu (ln2)/α gesetzt wird, wobei ln der natürliche Logarithmus und α der Absorptionskoeffizient von InGaAs ist, wird eine Hälfte des einfallenden Lichtes absorbiert und die andere Hälfte läuft hindurch. Weil α = 0,99 um&supmin;¹ bei einer Wellenlänge von 1,3 um ist, weist die Photodiode eine Dicke von d = 0,7 um auf, so dünn wie etwa 1/6-tel einer herkömmlichen Photodioden.
Um in einer n-leitenden InP-Fensterschicht eine niedrigohmige p-leitende Schicht auszubilden, sollte die Dichte des eindiffundierten Zinkes ziemlich groß sein (p > 1·10¹&sup8; cm&supmin;³). Da die InGaAs-Absorptionsschicht dünn ist (0,7 um), ist eine äußerst flache Diffusion erforderlich, um einen p-n-Übergang (n = p) in der Schicht zu erzeugen. Jedoch darf die Diffusion keine scharfe Kante in dessen Verteilung aufweisen. Wenn es geplant ist, dass der p-n-Übergang in dem innersten Bereich (j) der Absorptionsschicht liegen soll, muss die heterogene Schnittstelle (hetero-interface) zwischen den Fenster- und Absorptionsschicht eine Zinkdichte aufweisen, die weniger als 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Da der p- Bereich bei der heterogenen Schnittstelle ein schwacher p- Bereich ist, neigt sich eine Potentialbarriere indem Valenzband an der Lochseite auszubilden.
Eine derart hergestellte Halb-Durchlass-Photodiode weist, wie in Fig. 5 gezeigt, eine schwache Temperaturcharakteristik auf. Ein Abfall der Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen ist bemerkbar. Eine niedrige Quellspannung verschärft im einzelnen noch diesen Trend. Dieses Phänomen tritt nicht bei herkömmlichen Photodioden auf. Um den Grund hierfür zu studieren, ist gemäß Fig. 6 die Ansprechempfindlichkeit als eine Funktion der reziproken Temperatur aufgetragen. Die Abszissenachse ist 100/T (K&supmin;¹); die Ordinatenachse ist die Ansprechempfindlichkeit in logarithmischer Skalierung. Die Quellspannung beträgt 0, 1, 2, 3, 4 und 5 V. Mit der von der Temperatur in Celsius auf das Reziproke der absoluten Temperatur konvertierten Abszissenachse sind die gleichen in Fig. 5 verwendeten Daten erneut benutzt. Wenn die Quellspannung 0, 1, 2, oder 3 V beträgt, wird ein linearer Verlauf erzeugt. Der Gradient dieser Linien liefert die Aktivierungsenergie ΔEa von 0,29 eV. Wenn die Temperaturabhängigkeit der Intensität eines Phänomens als exp(-ΔEa/kT) ausgedrückt werden kann, wobei k die Boltzmann Konstante und T eine absolute Temperatur darstellt, wird der Wert oberhalb von kT als Aktivierungsenergie bezeichnet. Wenn die Temperaturabhängigkeit der Auftrittswahrscheinlichkeit einer Reaktion, die das Überwinden einer Potentialbarriere Δ erfordert, in dieser Form ausgedrückt werden kann, nennt Arrhenius ursprünglich diese Energie Aktivierungsenergie.
Anders ausgedrückt zeigt Fig. 6, dass das in einer Photodiode mit dünner Absorptionsschicht auftretende Phänomen durch ein Überwinden der Potentialbarriere von 0,29 eV hervorgerufen wird.
Warum eine solche Potentialbarriere sich aufbaut und wo eine Unstetigkeit im Potentialverlauf auftritt, wird im weiteren Verlauf beschrieben.
Der Grund, warum die Halb-Durchlass-Photodiode eine auffallende Temperaturabhängigkeit aufweist, wurde ausführlich von den gegenwärtigen Erfindern von verschiedenen Standpunkten aus untersucht. Die Temperaturabhängigkeit zeigt, dass das Phänomen die Aktivierungsenergie von 0,29 eV begleitet. Bei der Suche nach einer Erklärung für dieses, wurde festgestellt, dass 0,29 eV nahezu die Hälfte der Differenz des Bandabstandes von InP (1,35 eV) und des von InGaAs (0,75 eV) ist. Es wurde daraus gefolgert, dass die vorhergehende Energiedifferenz ursprünglich an der heterogenen Schnittstelle zwischen InP und InGaAs auftritt. Bei der Herstellung einer vorgenannten Halb- Durchlass-Photodiode wurde viel Wert darauf gelegt, die Absorptionsschicht dünn auszuführen und einen p-n-Übergang in der InGaAs-Absorptionsschicht auszubilden. Der p-n-Übergang ist eine Ebene, welche die Punkte verbindet, wo die Dichte der n-leitenden Störstellen gleich der Dichte der p-leitenden Störstellen ist (p = n), und die Dichte der Störstellen in der InGaAs-Absorptionsschicht ist wirklich niedrig.
Demzufolge muss in der dünnen Absorptionsschicht (etwa 0,7 um) die Dichte der p-leitenden Störstellen verringert werden. Da Zink thermisch diffundiert, kann der Dichtegradient in der Tiefe keine Sprünge aufweisen. Das bedeutet, dass die Zinkdichte an der Schnittstelle zwischen der InP- Fensterschicht und der InGaAs-Absorptionsschicht (heterogene Schnittstelle) nicht anwachsen kann; d. h., die Zinkdichte bei der heterogenen Schnittstelle ist niedrig. Es wird vermutet, dass, da die Zinkdichte niedrig ist, Ladungsträger bei der an der heterogenen Schnittstelle zwischen der Fenster- und Absorptionsschicht erzeugten Potentialbarriere gefangen werden. Die Höhe der Potentialbarriere wurde auf etwa (1,35 - 0,75)/2 = 0,3 eV vermutet. Die zur Überwindung der Potentialbarriere an der heterogenen Schnittstelle für den Ladungsträger notwendige Energie liegt bei etwa 0,3 eV. Die zuvor genannte Aktivierungsenergie (0,29 eV), welche von der Temperaturcharakteristik der Ansprechempfindlichkeit abgeleitet wurde, ist nahezu gleich der Energie, welche zur Überwindung der Barriere an der Schnittstelle zwischen der Fenster- und Absorptionsschicht benötigt wird. Da bei niedrigen Temperaturen die durch thermische Bewegung erzeugten Störungen abnehmen, nimmt die Wahrscheinlichkeit einer Überwindung der Potentialbarriere ab. Es wird angenommen, dass dies der Grund dafür ist, warum die Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Quellspannungen und Temperaturen abnimmt.
Ein Zinkdichte-Profil in einem wirklichen Wafer wurde mittels Sekundär-Ionen-Mikrospektroskopie (SIMS) tiefenaufgelöst untersucht. Das Ergebnis für eine herkömmliche Photodiode mit einer dicken Absorptionsschicht ist in Fig. 3 gezeigt. Die Ergebnisse der Halb-Durchlass-Photodiode mit einer dünnen. Absorptionsschicht gemäß des früheren Vorschlages der gegenwärtigen Erfinder sind in Fig. 4 gezeigt. Gemäß Fig. 3 weist die herkömmliche Diode an der heterogenen Schnittstelle zwischen der Fensterschicht (n = 1·10¹&sup8; cm&supmin;³) und der Absorptionsschicht (n = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³) eine Zinkdichte von mehr als 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ auf. Andererseits weist die Halb-Durchlass-Photodiode an der heterogenen Schnittstelle einen bedeutend niedrigeren Wert als 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ auf; das bedeutet, dass an der heterogenen Schnittstelle zwischen der Fenster- und der Absorptionsschicht ein hochdichter p&spplus;-Bereich nicht vorkommt.
Genauer ausgedrückt stellt die Zinkdiffusion nicht einen gleichförmigen hochdichten p&spplus;-Bereich her, wie es häufig in Lehrbüchern beschrieben wird. Gemäß Fig. 3 kommt hinter einem hochdichten A-Bereich ein B-Bereich, wo die Dichte stufenförmig abnimmt. Ferner ist dort hinter ein C-Bereich, in dem die Dichte moderat abnimmt. Ein p-n-Übergang (n = p) baut sich in dem niedrigdichten C-Bereich auf. Andererseits erzeugen der heterogene Übergang eine Bandabstands-Differenz, welche sich Ladungsträgern als Barriere entgegenstellt. Wenn die Ladungsträgerdichte oder die Temperatur niedrig ist, können die Ladungsträger die Barriere nicht überwinden. Als Schlußfolgerung ist es notwendig, die A-, B- und C-Bereiche zusammen mit der Position der heterogenen Schnittstelle geschickt anzuordnen, um die Photodiode geeignet betreiben zu können. Wenn ein p-n-Übergang in der dünnen Absorptionsschicht entwickelt wird, würde die Energiebarriere an der heterogenen Schnittstelle ohne Ausnahme beeinflußt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Photodiode der erfindungsgemäßen Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 2 definiert. Wenn ein epitaxialer Wafer eine n-leitende Pufferschicht aufweist, und eine n-leitende Fensterschicht auf einem n-leitendem Substrat zur Herstellung eines p-Bereiches mit p-leitenden Störstellen gedopt ist, ist der p-Bereich hergestellt, welcher sich über die Fenster-, Absorptions- und Pufferschichten erstreckt. Das n-leitende Substrat sollte, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, eine hohe Dichte von n-leitenden Störstellen aufweisen, wie zum Beispiel n = 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ bis n = 1·10¹&sup9; cm&supmin;³. Die Pufferschicht sollte eine niedrige Dichte an Störstellen aufweisen, um sich in den p-n-Übergang hineinzuziehen, wie etwa n = (0,5 bis 3)·10¹&sup5; cm&supmin;³. Die InGaAs- oder InGaAsP- Absorptionsschicht hat eine Dichte an Störstellen von etwa (0,5 bis 3)·10¹&sup5; cm&supmin;³. Die Fensterschicht sollte ebenso eine niedrige Dichte an Störstellen von etwa (1 bis 4)·10¹&sup5; cm&supmin;³ aufweisen. Solange die Fensterschicht einen niedrigen Widerstand bei der Umwandlung in einen p-leitenden Typen aufweist, hat dessen Dichte der n-leitenden Störstellen nichts mit der elektrischen Leitfähigkeit zu tun. Die heterogene Schnittstelle zwischen der Fenster- und Absorptionsschicht weist eine Dichte an p-leitenden Störstellen von beispielsweise p = (1 bis 5)·10¹&sup8; cm&supmin;³ auf. Die heterogene Schnittstelle zwischen der Absorptions- und Pufferschicht weist eine Dichte an p-leitenden Störstellen von 3·10¹&sup5; cm&supmin;³ oder mehr auf. Der Ort, wo in der Pufferschicht die Dichte der p- leitenden Störstellen gleich der Dichte der n-leitenden Störstellen ist (n = p), ist dort, wo der p-n-Übergang liegt. Da dieser Ort in der Pufferschicht liegt, ist es von selbst klar, dass an der Schnittstelle zwischen der Absorptions- und Pufferschicht (3·10¹&sup5; cm&supmin;³ oder mehr) die Dichte der p-leitenden Störstellen größer ist, als die Dichte der n-leitenden Störstellen in der Pufferschicht (n = (0,5 bis 3)·10¹&sup5; cm&supmin;³).
Es ist so angeordnet, dass die in der Pufferschicht an beiden Seiten des p-n-Überganges erzeugte Verarmungsschicht nicht in die Absorptionsschicht hineinragt. Die Pufferschicht sollte hinreichend dick ausgebildet sein, um diese Anforderung zu erfüllen. Da die Verarmungsschicht, abhängig von der Dichte der Störstellen und der Quellspannung, eine Dicke zwischen 1 bis 3 um aufweist, ist es erstrebenswert, dass die Pufferschicht eine Dicke von 3 um oder mehr aufweist, beispielsweise etwa 4 um.
Bei einer Herstellung mit einer Dicke von 0,7 um, läßt die InGaAs-Absorptionsschicht eine Hälfte des langwelligen Lichtes (1,3 und 1,5 um Bereich) durch. Da die Durchlässigkeit grob etwa die Hälfte beträgt, ist die Dicke zwischen 0,5 bis 0,9 um ausgebildet.
Bei einer Herstellung mit einer Dicke von 1 um, läßt Die InGaAsP-Absorptionsschicht eine Hälfte des langwelligen Lichtes (1,3 um-Bereich) hindurch. Weil die Durchlässigkeit grob etwa die Hälfte beträgt, ist die Dicke zwischen 0,8 bis 1,2 um ausgebildet.
In dem zuvor genannten werden einfache Begriffe wie etwa InGaAs und InGaAsP benutzt. Bei dem tertiären InGaAs kann nur eine Zusammensetzung bestehen, welche folglich nur einen Bandabstand streng bestimmt. Jedoch bei dem quartären InGaAsP, können die Gitterpunkte nicht die Zusammensetzung einzig bestimmen. Die Zusammensetzung muß zufallsmäßig bestimmt werden. Eine fundamentale Absorptions-Kantenwellenlänge kann beispielsweise mit 1,40 bis 1,44 um ausgewählt werden. Bei einer solchen Auswahl kann nur eine Wellenlänge bei 1,3 um detektiert werden.
Der Punkt bei der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen p- n-Übergang in einer Pufferschicht zu entwickeln, ohne dass auf den Leitfähigkeitstyp des Substrates oder der Pufferschicht aufgebaut wird. Die Erfindung ist ebenso anwendbar bei Dioden mit einem p-leitendem Substrat.
Wenn ein epitaxialer Wafer eine p-leitende Pufferschicht, eine p-leitende Absorptionsschicht und eine p-leitende Fensterschicht aufweist, welche unter Einhaltung dieser Reihenfolge auf einem p-leitendem Substrat mit n-leitenden gedopten Störstellen ausgebildet wurden, ist ein nleitender Bereich hergestellt, welcher über die Fenster-, Absorptions- und Pufferschichten reicht. Mit anderen Worten werden die Störstellen weiter innerhalb gedopt. Das Doping kann mittels thermischer Diffusion oder Ionen-Injektion ausgeführt werden. Der Punkt ist es, durch eine tiefreichende Diffusion von Störstellen einen p-n-Übergang in der Pufferschicht und nicht in der Absorptionsschicht auszubilden.
Ohne Frage ist eine Photodiode mit einem in einer Pufferschicht ausgebildeten p-n-Übergang unparallel aufgebaut. Es wird angenommen, dass der p-n-Übergang in der Absorptionsschicht, auch bekannt als die aktive Schicht, ausgebildet wird. Eine Verarmungsschicht an beiden Seiten des p-n-Überganges wird beinahe nur der vollständigen negativen Sperrspannung unterworfen, und ein starkes elektrisches Feld wird dort erzeugt. Die Absorptionsschicht absorbiert Licht und erzeugt freie Elektronen-Loch Paare, welche dann mittels des elektrischen Feldes getrennt werden, was begründet, dass ein Photostrom fließt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ladungsträgerpaare in der Absorptionsschicht erzeugt, während in der Pufferschicht ein elektrisches Feld aufgebaut wird. Die Stelle, wo eine negative Sperrspannung besteht (die Pufferschicht) unterscheidet sich von der Stelle, wo Ladungsträgerpaare erzeugt werden (die Absorptionsschicht). Die Absorptionsschicht weist jedoch einen Gradienten in der Dichte der Störstellen auf, was ein eingebautes elektrisches Feld hervorruft. Das Feld trennt die erzeugten Ladungsträgerpaare, was das Fließen eines Photostroms hervorruft. Die neu erfundene Photodiode funktioniert aufgrund eines ganz anderen Prinzips, als das einer herkömmlichen Photodiode, bei der mittels einer negativen Sperrspannung Ladungsträgerpaare getrennt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen:
zeigt Fig. 1 ein schematisches Diagramm für eine bidirektionale optische Kommunikationen mit Zeit-Trennung;
zeigt Fig. 2 eine Halb-Durchlass-Photodiode gemäß der früheren Bauweise der gegenwärtigen Erfinder in Querschnittsansicht;
zeigt Fig. 3 ein Diagramm, welches die geschichtete Struktur und ein Zink-Diffusions-Dichteprofil einer herkömmlichen Photodiode mit einer dicken Absorptionsschicht darstellt;
zeigt Fig. 4 ein Diagramm, in dem die geschichtete Struktur und ein Zink-Diffusions-Dichteprofil einer Halb-Durchlass- Photodiode gemäß einer früheren Bauart der gegenwärtigen Erfinder darstellt wird;
zeigt Fig. 5 ein Kurvenverlauf, der die Temperaturabhängigkeit der Ansprechempfindlichkeit mit der Quellspannung als Parameter bei einer Halb-Durchlass- Photodiode gemäß einer früheren Bauart der gegenwärtigen Erfinder darstellt;
zeigt Fig. 6 ein Kurvenverlauf, der die Temperaturabhängigkeit der Ansprechempfindlichkeit mit einer Quellspannung als Parameter bei einer Halb-Durchlass- Photodiode gemäß einer früheren Bauart der gegenwärtigen Erfinder darstellt. Dieser Kurvenverlauf stellt eine Umformung des in Fig. 5 dargestellten Kurvenverlaufes dar, um die Aktivierungsenergie berechnen zu können;
zeigt Fig. 7 ein Diagramm, welches die geschichtete Struktur und ein Zink-Diffusions-Dichteprofil einer Halb-Durchlass- Photodiode der vorliegenden Erfindung darstellt;
zeigt Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Halb-Durchlass- Photodiode der vorliegenden Erfindung;
zeigt Fig. 9 ein Ablaufdiagramm, welches den Herstellungsprozess einer Halb-Durchlass-Photodiode der vorliegenden Erfindung darstellt;
zeigt Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Photodioden-Chip der vorliegenden Erfindung;
zeigt Fig. 11 einen Kurvenverlauf, welcher die Temperaturabhängigkeit der Ansprechempfindlichkeit der Photodiode der vorliegenden Erfindung darstellt;
zeigt Fig. 12 ein Kurvenverlauf, der die Variation der Fermi- Level in einem p-leitendem Halbleiter aufgrund der Akzeptordichte darstellt;
zeigt Fig. 13 ein Diagramm, welches ein Akzeptordichteprofil in einer Absorptionsschicht der Photodiode der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Absorptionsschicht hat eine Dicke von 1 um. Die obere Hälfte der Dicke, 0,5 um, stellt ein hochdichter p&spplus;-Bereich dar, und die untere Hälfte, 0,5 um, ist ein niedrigdichter p-Bereich;
zeigt Fig. 14 ein Band-Diagramm einer gewöhnlichen Standard Photodiode mit einer dicken Absorptionsschicht, welche eine an beiden Seiten eines p-n-Überganges ausgebildete Verarmungsschicht umfasst;
zeigt Fig. 15 ein Band-Diagramm einer Halb-Durchlass- Photodiode mit einer dünnen Absorptionsschicht, welche einen p-n-Übergang umfasst, wobei die Absorptionsschicht von einer Verarmungsschicht umgeben wird; und
zeigt Fig. 16 ein Band-Diagramm einer Photodiode der vorliegenden Erfindung mit einer dünnen Absorptionsschicht, die in einem p-Bereich liegt, wobei eine Verarmungsschicht in einer Pufferschicht liegt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine herkömmliche Photodiode weist zwangsläufig in einer Absorptionsschicht einen p-n-Übergang auf. In einer Halb- Durchlass-Photodiode mit einer dünnen Absorptionsschicht vermindert ein p-n-Übergang in der Absorptionsschicht die Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen. Um dieses Problem zu lösen, wurde das Konzept umgesetzt. Herkömmliche Photodioden weisen ausnahmslos einen p-n-Übergang innerhalb der Absorptionsschicht auf. Es wurde der Grund, warum bei herkömmlichen Photodioden der p-n-Übergang in der Absorptionsschicht vorgesehen ist, untersucht.
Um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb (mehrere Mb/s bis Gb/s) zu ermöglichen, weisen herkömmliche Photodioden innerhalb einer Absorptionsschicht einen p-n-Übergang zum folgenden Zweck auf:
(a) Zur Konzentration eines elektrischen Feldes in der Absorptionsschicht, um Ladungsträger auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen.
(b) Zur Reduzierung der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht an beiden Seiten des p-n-Überganges durch ein Anwachsen der Dicke der Verarmungsschicht.
Zu obigem Punkt (a): Einfallendes Licht wird nur in der InGaAs-Absorptionsschicht mit einem engen Bandabstand absorbiert und Ladungsträger werden dort erzeugt. Ohne ein starkes elektrisches Feld würden sich die erzeugten Ladungsträger wieder rekombinieren. Die Verarmungsschicht an beiden Seiten des p-n-Überganges ist beinahe der gesamten. Quellspannung unterworfen, und von daher weist sie ein starkes elektrisches Feld auf.
Zu obigem Punkt (b): Je größer die Dicke d der Verarmungsschicht ist, desto geringer ist dessen Kapazität. Eine höhere Quellspannung erzeugt ein größeres d, das die Kapazität verkleinern lässt. Dieses erklärt, warum der p-n- Übergang in der Absorptionsschicht vorgesehen ist.
Jedoch da unter Bezugsnahme auf Punkt (b) vorgesehen ist, dass die Kapazität durch ein Anwachsen der Dicke d reduziert wird, kann die Verarmungsschicht irgendwo existieren. Ein Anwachsen der Quellspannung begründet ein Anwachsen der Dicke der Verarmungsschicht und ein Abnehmen von dessen Kapazität. Dieses ist unabhängig von dem Ort der Verarmungsschicht maßgeblich anwendbar.
Andererseits wirft Punkt (a) ein Problem auf. Falls kein starkes elektrisches Feld existiert, würden sich die durch das Licht erzeugten freien Elektronen-Loch Paare rekombinieren und verloren gehen. Um ein starkes elektrisches Feld vorzusehen, ist es erforderlich, den p-n-Übergang in umgekehrter Richtung zu beeinflussen. Falls zur Verschaffung eines elektrischen Feldes ein alternativer Schritt anstelle einer negativen an dem p-n-Übergang angewandten Sperrspannung möglich ist, ist es nicht erforderlich, dass der p-n-Übergang in der Absorptionsschicht liegt. Dann wurde, wie in Fig. 3 gezeigt, ein starkes Ansteigen der Zink-Dichte in dem B-Bereich bemerkt. Die Existenz eines Dichtegradientens von Störstellen sollte bedeuten, dass eine gewisse elektrische Potentialverteilung zur Ausbildung eines internen elektrischen Feldes existiert. Ein steiler Dichtegradient von p-leitenden Störstellen, wie es etwa in dem B-Bereich auftritt, kann Ladungsträger beschleunigen. Wenn vorgesehen ist, dass ein starkes elektrisches Feld zur Verfügung steht, ist es nicht notwendig, an einem elektrischen Feld, welches durch die entgegensetzte Vorspannung erzeugt wird, festzuhalten; ein elektrisches Feld, welches über den Dichtegradient der Störstellen erzeugt wird, erfüllt bereits diese Bedingung.
Falls der Dichtegradient die erzeugten Ladungsträger beschleunigen kann, ist es möglich, dass der p-n-Übergang unterhalb zur Pufferschicht zurückgewiesen wird, während der B-Bereich in der Absorptionsschicht vorgesehen ist. Bei einer Photodiode, die einen p-n-Übergang und eine Verarmungsschicht in der Pufferschicht aufweist, wird das folgende Phänomen angenommen, welches einen elektrischen Stromfluss verursacht. Wenn ein Photon in eine Absorptionsschicht eindringt, wird ein freies Elektronen-Loch Paar erzeugt. Das Elektron läuft zu der Pufferschicht und an der Verarmungsschicht und p-n-Übergang, und wird ferner durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt, um mit hoher Geschwindigkeit die Pufferschicht zu durchqueren und einen hochdichtes, gering leitfähiges, n- leitendes InP-Substrat zu erreichen.
In der Zwischenzeit fährt das Loch fort und erreicht einen p&spplus;- Bereich. Das Loch wird nicht durch den p-n-Übergang beschleunigt. Der p-n-Übergang verschiebt sich zur Pufferschicht, um die Zinkdichte an der heterogenen Schnittstelle zwischen der InP-Fensterschicht und der InGaAs- Absorptionsschicht zu steigern. Je tiefer der p-n-Übergang in die Pufferschicht eingebracht wurde, um so höher mag die Dichte des Zinkes an der heterogenen Schnittstelle ausgebildet sein, 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr. wenn die Störstellendichte an der Schnittstelle hoch ist, wird dessen Widerstand gering werden, und das Loch wird dort nicht durch eine Potentialbarriere gefangen. Wenn das Loch dort sehr einfach die Potentialbarriere von 0,29 eV überwindet, ist das Problem einer Abnahme der Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen, wie in Fig. 5 gezeigt, als gelöst angesehen.
Bei einer herkömmlichen Photodiode überwinden Ladungsträger aufgrund der dortigen hohen Dichte von p-leitenden Störstellen leicht die Potentialbarriere an der heterogenen Schnittstelle zwischen der Fenster- und der Absorptionsschicht. Bei der Halb-Durchlass-Photodiode ist jedoch ein p-n-Übergang in einer dünnen Absorptionsschicht angeordnet, was bewirkt, dass die Dichte der p-leitenden Störstellen bei der heterogenen Schnittstelle abnimmt, so dass es für Ladungsträger schwierig wird, die Potentialbarriere zu überwinden. Wenn der p-n- Übergang tief in die Pufferschicht eingebracht ist, kann die Zinkdichte an der heterogenen Schnittstelle hinreichend groß gemacht werden, um es zu ermöglichen, dass die Ladungsträger die Potentialbarriere leicht überwinden. Die vorliegende Erfindung stützt sich auf eine solche Annahme.
Die Erfindung sieht einen p-n-Übergang in einer Pufferschicht und das Ausbilden eines internen elektrischen Feldes in der Absorptionsschicht aufgrund des Dichtegradienten von Störstellen vor. Dadurch ist eine Halb-Durchlass-Photodiode gegeben, bei der die Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen und Quellspannungen nicht abnimmt.
Als Maß zur direkten Reduzierung der Potentialbarriere an der heterogenen Schnittstelle, ist es besonders effektiv, anstelle tertiären InGaAs quartäres InGaAsP als Absorptionsschicht zu verwenden. Wenn die Verbindung derart ausgesucht ist, dass bei 1,42 um eine fundamentale Absorptionskantenwellenlänge λg liegt, beträgt bei InGaAsP, da der Bandabstand Eg 0,87 eV ist, die Hälfte der Differenz von dem Bandabstand von InP (Eg = 1,35 eV) 0,24 eV. Diese Verminderung der Höhe der Barriere wird die Temperaturcharakteristika verbessern.
Wenn InGaAsP (Eg = 0,87 eV) als Absorptionsschicht verwendet wird, wird die Ansprechempfindlichkeit bezüglich Licht von 0,75 bis 0,87 eV im Vergleich zu InGaAs (Eg = 0,75 eV) verloren gehen. Dort ist keine Reaktion auf Licht von 1,55 um. Dennoch kann eine Photodiode nur für den 1,3 um-Bereich normal betrieben werden.
Die Photodiode der Erfindung funktioniert bei niedrigen Temperaturen ohne eine Abnahme der Ansprechempfindlichkeit. Um zu verstehen, warum diese erreicht wurde, gibt es zwei Aspekte des Arbeitsprinzips, welche erläutert werden müssen. Ein Aspekt ist der Ursprung des elektrischen Feldes anstelle der negativen Sperrspannung, das freie Elektronen-Loch Paare beschleunigt. Der andere Aspekt ist der Grund, warum, indem der p-n-Übergang in der Pufferschicht vorgesehen ist, die Temperaturcharakteristika verbessert werden.

A. Eingebautes (selbsterhaltenes) in der Absorptionsschicht erzeugtes elektrisches Feld

Beider Photodiode der Erfindung wird keine negative Sperrspannung an der Absorptionsschicht angebracht, da die Schicht im inneren keinen p-n-Übergang und Verarmungsschicht aufweist. Stattdessen weist die Schicht einen steilen Gradienten der Zinkdichte auf. Eine p-leitende Störstelle stellt ein Akzeptor-Level her. Ein Gradient der Akzeptordichte ruft ein Gradient des Fermi-Levels hervor, was ein Potentialgradient gegenüber freien Elektronen und Löcher bedeutet. Der Gradient des Fermi-Levels liefert ein eingebautes elektrisches Feld. Der Punkt ist, ob der Gradient des Fermi-Levels ein hinreichendes elektrisches Feld erzeugt oder nicht. Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, in der die Variation des Fermi-Levels Ef bei verschiedenen Akzeptordichten Na gezeigt wird, was im verbotenen Band zwischen dem Leitungs- und Valenzband liegt. Mit einem wirklichen Halbleiter ist der Fermi-Level bei etwa der Hälfte der Höhe des verbotenen Bandes angeordnet. Bei einem p- leitendem Halbleiter liegt der Fermi-Level zwischen dem Akzeptor-Level und dem Valenzband Ev. Der Fermi-Level Ef fällt mit ansteigender Akzeptordichte (p-leitende Störstellen). Die Abhängigkeit ist gegeben durch:
Ef = Ev - kT·ln{2(2π·mkT/h²)3/2/Na}, (1)
wobei m die effektive Masse eines Loches, h die Planck'sche Konstante und T eine absolute Temperatur ist. Die meisten Werte in dem Logarithmus sind Konstanten; lediglich die Störstellendichte Na ist eine Variable. Wenn Na von p&sub1; zu p&sub2; variiert, variiert der Fermi-Level wie folgt:
ΔEf = kT·ln{p&sub2;/p&sub1;} = 0,0257·ln{p&sub2;/p&sub1;}. (2)
Bei einer InGaAsP-Absorptionsschicht mit einer Dicke um etwa 1 um sei angenommen, dass in der oberen Hälfte der Tiefe, 0,5 um, wie beispielsweise in Fig. 13 gezeigt, die Zinkdichte von p&sub1; = 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ auf p&sub2; = 1·10¹&sup6; cm&supmin;³ sinkt. Die Abnahme in dem Fermi-Level ΔEf in der Entfernung von 0,5 um bei 25ºC (T = 298 K) beträgt:
ΔEf&sub1;&sub2; = 0,118 eV. (3)
Angenommen, die Zinkdichte fällt in dem niedrigeren 0,5 um von p&sub2; = 1·10¹&sup6; cm&supmin;³ auf p&sub3; = 5·10¹&sup5; cm&supmin;³, so beträgt die Abnahme in dem Fermi-Level:
ΔEf&sub2;&sub3; = 0,0178 eV. (4)
Die zugehörigen Werte der Feldstärke werden über eine Division der vorhergehenden Figuren durch die Dicke 0,5 um und e erhalten.
In der oberen Hälfte ist:
E&sub1; = 2360 V/cm. (5)
In der unteren Hälfte ist:
E&sub2; = 356 V/cm. (6)
In der Photodiode der Erfindung liegt die Absorptionsschicht in dem p-Bereich. Wenn einfallendes Licht freie Elektronen- Loch Paare erzeugt, dann sind die Löcher die Majoritäts- Ladungsträger, welche direkt in die p-Elektrode hineinfließen. Die Geschwindigkeit der einzelnen Ladungsträger steht in keiner Beziehung mit der Betriebsgeschwindigkeit. Die freien Elektronen sind die Minoritäts-Ladungsträger. Wenn sie in die n-Seite des Halbleiters fließen, wird der Photostrom fließen. Wenn die Geschwindigkeit der Minoritäts-Ladungsträger langsam ist, werden Ladungsträger durch Rekombination verschwinden, was entsprechend eine Verschlechterung hervorruft. In diesem Fall ist die Absorptionsschicht dünn und die Beweglichkeit der Elektronen hoch, etwa u = 5000 cm²/Vs. Die einzelnen Zeiten für das Passieren durch d&sub1; und d&sub2;, τd1 und τd2 sind;
in der oberen Hälfte:
τd1 = 4,2 ps, (7)
in der unteren Hälfte:
τd2 = 28 ps, (8)
Die Elektronen werden von der Absorptionsschicht durch die Pufferschicht zu dem n-Bereich fließen und werden Majoritäts- Ladungsträger. Die in der oberen Hälfte der Absorptionsschicht erzeugten Elektronen werden in die Pufferschicht nach der Zeit τd1 + τd2 eintreten. Sie werden den n-Bereich in etwa 30 ps erreichen, was einer Antwortgeschwindigkeit von 10 GHz entspricht. Die Cut-Off-Frequenz, eine Frequenz, bei welcher der entsprechende Ausgang um 3 dB abnimmt, ist nur bei der Absorptionsschicht:
fc = 2,78/2π(τd1 + τd2) = 13 GHz. (9)
Es war sichergestellt, dass das Ansprechen bei 10 GHz möglich ist, da die Cut-Off-Frequenz der Absorptionsschicht bei 13 GHz liegt.
In dem obigen Beispiel beträgt d&sub1; = 0,5 um und d&sub2; = 0,5 um. Wenn eine Probe ein steiles Diffusionsprofil bei d&sub1; = 0,2 um und d&sub2; = 0,8 um aufweist, betragen die einzelnen Durchlaufzeiten:
in der oberen Hälfte
τd1 = 1,7 ps, (10)
und in der unteren Hälfte
τd2 = 45 ps. (11)
Da die gesamte Durchlaufzeit 46,7 ps beträgt, liegt die Cut- Off-Frequenz bei 9,1 GHz. Dies entspricht noch einer Antwortzeit nahe an 10 GHz.
Bei herkömmlichen Photodioden werden die Ladungsträger mittels einer negativen Sperrspannung beschleunigt, welche an die Verarmungsschicht an beiden Seiten des p-n-Überganges angelegt wird. Diese Beschleunigung wird mit der über das eingebaute Feld der Erfindung verglichen. Abhängig von der negativen Sperrspannung (Quellspannung) und Störstellendichte beträgt die Dicke der Verarmungsschicht etwa 3 um, wenn die Spannung beispielsweise bei 5 V liegt. Das an der Verarmungsschicht angelegte Feld liegt bei etwa 1,6·10&sup4; V/cm. Dieses ist größer als das in (5) und (6) gezeigte eingebaute Feld. Die Durchlaufzeit τ&sub3; beträgt in der Verarmungsschicht
τ&sub3; = 3·10&supmin;&sup4;/[{5/(3·10&supmin;&sup4;)}·5000] = 3,6 ps.
Die Cut-Off-Frequenz wird mit fc = 120 GHz bei dem gleichen Fall wie oben ermittelt. Die Cut-Off-Frequenz der Absorptionsschicht der Halb-Durchlass-Photodiode der Erfindung liegt bei etwa 10 GHz, lediglich etwa einzehntel des obigen Wertes. Nichtsdestoweniger ist eine gewöhnliche digitale Kommunikation von einigen 10 Mb/s bis einigen Gb/s mit der erfindungsgemäßen Photodiode ohne Probleme möglich. Das obig genannte ist die Erklärung des Verhaltens der Elektronen in der Absorptionsschicht.
Das nächste ist die Betrachtung des Verhaltens der Elektronen in der Verarmungsschicht in der InP-Pufferschicht. Wenn eine umgekehrte Vorspannung von 2 V anliegt, so liegt die Feldstärke bei 10.000 V/cm bei einer angenommenen Dicke der Verarmungsschicht von 2 um. Die Durchlaufzeit eines Elektrons liegt bei τ&sub4; = 4 ps und die Cut-Off-Frequenz bei fc = 110 GHz. Weil das Elektron die Verarmungsschicht in der Pufferschicht in 4 ps durchläuft und die Cut-Off-Frequenz bei 110 GHz liegt, wird bei der Absorptionsschicht die vorangegangene Antwortzeit von 10 GHz nicht gestört. Des Weiteren ist die Außenseite der Verarmungsschicht in der n-leitenden Pufferschicht und die Elektronen sind dort die Majoritäts-Ladungsträger, von daher ist es nicht notwendig, die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen in Betrachtung zu ziehen.
Es ist die Verbindungskapazität, welche die Antwortzeit der Pufferschicht bestimmt. Das Produkt aus Verbindungskapazität und Lastwiderstand, CR, stellt eine Zeitkonstante dar, und das Reziproke von 2π CR ergibt die Cut-Off-Frequenz. Weil der Durchmesser des photosensitiven Bereiches der Photodiode in dem nachstehenden Beispiel bei 140 um liegt, ist die Kapazität des p-n-Überganges Cj = 2 pF (Vr = 2 V). Wenn für ein Verstärker ein Eingangswiderstand von 1 kΩ benutzt wird, liegt die Cut-Off-Frequenz somit bei:
fc = 1/(2πCjR) = 79,6 MHz (12)
Die zu dieser Frequenz gehörige Antwortgeschwindigkeit ist hinreichend für eine Verwendung bis hin zu 100 Mb/s in der digitalen Kommunikation. Diese Frequenz ist durch einen Lastwiderstand von 1 kΩ gegeben. Wenn der Lastwiderstand bei 50 Ω liegt, beträgt die Cut-Off-Frequenz 1,6 GHz.

B. Möglichkeit von Diffusionsströmen

Die obengenannte antreibende Kraft der Elektronenbewegung in der Absorptionsschicht ist das elektrische Feld (selbsterhaltendes Feld), welches durch die Krümmung des Fermi-Levels erzeugt wird. Als nächstes wird eine Möglichkeit für eine Elektronenbewegung mittels Diffusion beschrieben. Eine große Menge von Elektronen-Loch Paare werden in der Absorptionsschicht erzeugt, und Licht, welches in die Schicht von der Fensterschicht her einfällt, ruft einen Gradienten in der Elektronendichte hervor, was wiederum Diffusionsströme erzeugt. Der Diffusionskoeffizient von Elektronen in InGaAs ist Dn = 259 cm²/s. Die Cut-Off-Frequenz des Diffusionsstromes liegt bei
fdiff = 2,4 Dn/2πd² (13)
Da d = 1 um ergibt sich fdiff = 9,9 GHz. Dies ist langsamer als das bei einem durch die Krümmung des Fermi-Levels erzeugten elektrischen Feldes, dennoch ist es hinreichend schnell für den Einsatz in der digitalen Kommunikation bei einer Signalgeschwindigkeit von 100 Mb/s.
InGaAsP weist ein kleineres Dn als InGaAs und somit eine geringere Cut-Off-Frequenz als 9 GHz auf. Dennoch ist dasselbe als eine Photodiode in Empfängern bei einer Signalgeschwindigkeit von 100 MHz benutzbar.
Als nächstes folgt eine Veranschaulichung, warum sich Elektronen in der Absorptionsschicht nicht mit Löchern rekombinieren. Der Punkt ist, wenn das existierende Feld schwächer als die negative Sperrspannung ist, warum werden die durch das einfallende Licht erzeugten freien Elektronen der Elektronen-Loch Paare nicht in der Absorptionsschicht absorbiert. Die Durchlaufzeit in dem p&spplus;-Bereich liegt bei 4,2 ps. Die Lebenszeit der Elektronen in der p-Schicht liegt im Fall von InGaAs bei 200 ps. Die in der p&spplus;-Schicht erzeugten Elektronen durchlaufen die Schicht in 29 ps. Da dies etwa einzehntel der Lebenszeit entspricht, rekombinieren sie sich nicht. Selbst ein durch den Gradienten des Fermi-Levels erzeugtes elektrisches Feld kann Elektronen hinreichend beschleunigen, so dass eine Rekombination an Bedeutung verliert.
Die folgenden Feststellungen sind unter der Annahme einer Halb-Durchlass-Photodiode mit einem p-n-Übergang in einer Pufferschicht und einer p-leitenden Absorptionsschicht gemacht worden:
(a) Es wurde erklärt, dass ein selbsterhaltendes elektrisches Feld, welches durch ein Dichteprofil von Zink erzeugt wurde, eine Drift von Photoladungsträgern hervorruft, welches eine Cut-Off-Frequenz von etwa 10 GHz ergibt.
(b) Es wurde dargestellt, dass ebenso eine Absorptionsschicht so dünn wie etwa 1 um einen Diffusionsstrom mit einer Antwortgeschwindigkeit von etwa 10 GHz hervorrufen kann.
(c) Eine gültige Antwortgeschwindigkeit im praktischen Gebrauch wurde mittels der Cut-Off-Frequenz von 80 MHz bestimmt, welche durch das Produkt aus dem effektiven Eingangswiderstand des Vorverstärkers, 1 kΩ, und der Kapazität Cj = 2 pF geregelt wird. Die Cut-Off-Frequenz wächst mit der Abnahme des Eingangswiderstandes an.
(d) Die Photoladungsträger, die in einer p-Schicht erzeugt werden, werden durch das selbsterhaltende elektrische Feld beschleunigt, um durch die p-Schicht innerhalb einer Zeit, die um eine Größenordnung geringer als die Lebenszeit der Minoritäts-Ladungsträger ist, zu laufen, und rufen dadurch einen Photostrom hervor.
(e) Zusammenfassend kann die Halb-Durchlass-Photodiode der Erfindung mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden, weil dieselbe eine Vorrichtungsstruktur aufweist, in welcher die Absorptionsschicht in einen p-Typen konvertiert wird, so dass lediglich Elektronen hoher Geschwindigkeit bei dem Betrieb eine Rolle spielen.

C. Mechanismen zur Verbesserung der Temperatur- Charakteristika bei niedrigen Temperaturen

Die Photodiode der Erfindung wandelt eine Absorptionsschicht in einen p-Typen um. Es wurde ermöglicht, die dünne Absorptionsschicht als ganzes in einen p-Typen umzuwandeln, indem ein p-n-Obergang in einer Pufferschicht erzwungen wurde. Die erfindungsgemäße Photodiode weist eine Temperaturcharakteristik auf, bei der die Ansprechempfindlichkeit erst bei etwa -20ºC ein geringes Abschwächen zeigt. Die Verbesserung der Charakteristik ist deutlich beim Vergleich mit den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Daten zu erkennen. Der übrigbleibende Punkt ist der, warum die erfindungsgemäße Photodiode sich bei niedrigen Temperaturen nicht verschlechtert. Um die Gründe hierfür zu klären ist es notwendig, die Veränderung der Bandstruktur des Halbleiters zu betrachten.
Fig. 14 zeigt die Bandstruktur einer herkömmlichen Standart- Photodiode mit einer dicken Absorptionsschicht gemäß Fig. 3. Die Absorptionsschicht (4 um) ist dicker als die Verarmungsschicht (2 bis 3 um). Die Verarmungsschicht ist bei herkömmlichen Photodioden in der Absorptionsschicht eingeschlossen. Eine p-Schicht ist zur linken, eine n-Schicht zur rechten angeordnet. Die Verarmungsschicht weist eine Dicke von s-t und die Absorptionsschicht von e-f auf. Die Absorptionsschicht besteht aus InGaAs oder InGaAsP und weist einen näheren Bandabstand als eine Fenster- oder Pufferschicht beidseitig ihrer auf, so dass das Band eine Unstetigkeit an der Grenze hat.
Die e-Grenze zwischen der Fenster- und Absorptionsschicht gehören zu dem p-Bereich, so dass das Valenzband hier keine Unstetigkeit zeigt. Das Valenzband verbindet die Fenster- und Absorptionsschicht glatt. Andererseits weist das Leitungsband am Punkt u eine Unterbrechung auf. Die Größe der Unterbrechung ist gleich der Differenz des Bandabstandes zwischen der InP- Fensterschicht (1,35 eV) und der Absorptionsschicht. Bei der InGaAs-Absorptionsschicht (0,87 eV) beträgt die Unterbrechung 0,48 eV.
In der Verarmungsschicht s-t führen die p- und n-leitenden Störstellen, welche ihre Ladungen verloren haben, dazu, dass die Bänder sich neigen. Das Leitungsband neigt sich zwischen v und w; das Valenzband zwischen x und y.
Die andere f-Grenze zwischen den Absorptions- und Pufferschichten gehören zu dem n-Bereich, so dass das Leitungsband die Stetigkeit beibehält, während das Valenzband dieses nicht tut. Das Valenzband weist am Punkt z eine Unterbrechung auf. Die Größe der Unterbrechung beträgt bei der InGaAs-Absorptionsschicht 0,6 eV. Dieser Zustand ist äquivalent zu einem Zustand, wo eine geringe negative Sperrspannung angewandt wird; d. h., der p-Bereich weist Löcher und der n-Bereich Elektronen auf. Wenn einfallendes Licht in der Absorptionsschicht Elektronen-Loch Paare erzeugt, rutschen die Elektronen auf dem Gradienten v-w herunter, welcher durch die negative Sperrspannung erzeugt wurde, und erreichen den Elektronensee in dem n-Bereich. Die Löcher erreichen den Löchersee über y-x. Die Unterbrechungen u und z stellen keine Hindernisse dar, da sie außerhalb des Weges liegen.
Fig. 15 ist ein Band-Diagramm einer früheren von den gegenwärtigen Erfindern vorgeschlagenen Halb-Durchlass- Photodiode, was zur Fig. 4 korrespondiert. Die Absorptionsschicht ist so dünn wie etwa 0,7 bis 1 um, was dünner als die Verarmungsschicht s-t ist. Die Verarmungsschicht weist einen Gradienten des Valenzbandes i1- j1-w1-o1 und einen Gradienten des Leitungsbandes a1-b1-g1-h1 auf. Aufgrund der negativen Sperrspannung weist der p-Bereich Löcher und der n-Bereich Elektronen auf. Da die Absorptionsschicht einen engen Bandabstand und die benachbarte Fenster- und Pufferschicht breite Bandabstände aufweisen, werden Unterbrechungen in den Bändern an den Grenzen e und f erzeugt. Da die Absorptionsschicht innerhalb der Verarmungsschicht liegt, liegt der Fermi-Level etwa in der Mitte des verbotenen Bandes. Die Verarmungsschicht an beiden Seiten der Absorptionsschicht weist ebenso ein Fermi-Level bei etwa der Mitte des verbotenen Bandes auf. Von daher ist die Unterbrechung geteilt und eine Hälfte geht zum Leitungsband und die andere Hälfte zum Valenzband. Das Leitungsband hat Lücken b1-c1 und d1-g1, wobei jede etwa 0,3 eV groß ist. Das Valenzband hat Lücken j1-k1 und l1-m1, jede beträgt ebenso 0,3 eV.
Wenn Licht einfällt werden in der Absorptionsschicht Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt. Die Elektronen sammeln sich bei dem schachtartigen Potential b1- c1-d1-g1. Die Löcher sammeln sich ebenso an dem schachtartigen Potential m1-l1-k1-j1. Die Ähnlichkeit im Verhalten der Elektronen und der Löcher endet dort und Asymmetrien beginnen. Ein Elektron weist eine geringe effektive Masse, eine lange freie Weglänge, eine lange Relaxationszeit und eine hohe Beweglichkeit auf. Demgemäss ist es einfach, kinetische Energie aufzunehmen und leicht die Barriere von 0,3 eV zu überwinden und zu fließen. Ein Loch weist eine hohe effektive Masse, eine kurze freie Weglänge, eine kurze Relaxationszeit und eine geringe Beweglichkeit auf. Folglich verliert es leicht Energie durch Stöße, selbst dann, wenn es entlang der Neigung des Potentials fließt. Von daher hat es Schwierigkeiten, die Barriere k1-j1 von 0,3 eV zu überwinden. Bei hohen Temperaturen kann es die Barriere überwinden, jedoch nicht bei niedrigen Temperaturen. Die Vorstellung, dass selbst wenn das Loch nicht fließt, der Elektronenfluss dieses kompensieren wird, ist irreführend. Selbst falls Elektronen- Loch Paare ununterbrochen erzeugt werden, werden sich Elektronen, wenn die Löcher aufgrund der Barriere k1-j1 nicht fließen, mit den dichtbesetzten Löchern kompensieren und entsprechend den Fluss abschwächen. Dieses ist der Grund des Abfalls der Ansprechempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen, was in den Fig. 5 und 6 zum Erscheinen kommt. Die Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie von 0,29 eV ist dem Phänomen zuordenbar, dass die Löcher durch die Barriere von 0,3 eV blockiert werden.
Fig. 16 ist ein Band-Diagramm der erfindungsgemäßen Photodiode, was mit Fig. 7 korrespondiert. Die Verarmungsschicht s-t ist zur Rechten der Absorptionsschicht e-f verschoben. Die heterogene Schnittstelle an der Linken der Absorptionsschicht liegt in dem p-leitenden Bereich und das Valenzband y1-z1 liegt fortlaufend an der Grenze e. Umgekehrt weist das Leitungsband Unstetigkeiten bei q1-r1 und u1-v1 auf. Der Leveldifferenz in dem Band entspricht der Bandabstands- Differenz mit InP an beiden Seiten hiervon. Bei InGaAs liegt die Leveldifferenz q1-r1 bei etwa 0,6 eV. Weil die linke Kante der Verarmungsschicht mit der heterogenen Schnittstelle zwischen der Absorptions- und Pufferschicht zusammenfällt, beträgt die Leveldifferenz im Leitungsband v1-u1 0,3 eV, und die in dem Valenzband z1-a2 beträgt ebenso 0,3 eV. Die Linien r1-u1 und y1-z1 neigen sich mit dem Fermi-Ledel-Gradienten, der von dem Zinkdichte Gradienten erzeugt wird. Die Verarmungsschichten v1-w1 und b2-a2 nehmen aufgrund von unneutralisierten n- und p-leitenden Störstellen ab. Die umgekehrte Vorspannung erzeugt Löcher in dem p-leitenden Bereich und Elektronen in dem n-leitenden Bereich. In der Absorptionsschicht regt einfallendes Licht Elektronen vom. Valenzband in das Leitungsband an. Die gleichzeitig erzeugten Löcher gehören von Haus aus zu den Majoritätsladungsträgern und erzeugen einen elektrischen Strom, der zur p-Elektrode fließt. Der Potentialgradient zwingt den Strom, gleichmäßig zu fließen. Dort existieren keine derartigen Barrieren, wie die in Fig. 15 gezeigte Barriere k1-j1, welche Löcher einfangen, um den Strom zu vermindern. Im Gegensatz dazu, werden die Elektronen durch das schachtartige Potential q1-r1-u1-v1 eingefangen. Jedoch wird das Elektron mit einer geringen effektiven Masse (etwa 0,08 mal die Masse eines freien Elektrons), einer großen Beweglichkeit (500 cm²/Vs) und einer langen freien Weglänge leicht beschleunigt. Demzufolge können die Elektronen die durch das elektrische Feld gegebene Energie ausnutzen und die Unterbrechung v1-u1 ausräumen. Die Elektronen werden von v1 in Richtung w1 in die Verarmungsschicht beschleunigt und erreichen den n-leitenden Bereich.
Wie bereits angedeutet ist die Temperaturcharakteristik verbessert, da die Festlegung der Absorptionsschicht innerhalb des p-leitenden Bereiches das Verschwinden der Potentiallücke zwischen den Absorptions- und Fensterschichten zur Folge hat, was ein gleichmäßiges Passieren der Löcher anbietet.
Zusammenfassend gesagt ermöglicht es die Halb-Durchlass- Photodiode der vorliegenden Erfindung, optische Kommunikationssysteme vom "Ping-Pong-übermittlungs"-Typ ohne optische Koppler aufzubauen. Die Halb-Durchlass-Photodiode selbst ist eine neue Erfindung der gegenwärtigen Erfinder. Während eine Halb-Durchlass-Photodiode mit einem p-n-Übergang in einer Absorptionsschicht, wie in Fig. 5 gezeigt, eine minderwertige Temperaturcharakteristik zeigt, weist die Halb- Durchlass-Photodiode der Erfindung eine exzellente Temperaturcharakteristik auf, d. h., die Ansprechempfindlichkeit zeigt keinen Rückgang bei niedrigen Temperaturen. Dieses wird durch ein Anordnen des p-n- Überganges in einer Pufferschicht erreicht. Die Photodiode der vorliegenden Erfindung ist bei Empfängern in optischen Teilnehmersystemen in sowohl Innenbereichs- als auch Außenbereichsanwendungen anwendbar. Die Erfindung ebnet den Weg, kostengünstige optische Kommunikation zu ermöglichen.

Beispiel

In dem folgenden Beispiel liegt eine quartäre InGaAsP- Absoxptionsschicht mit einer fundamentalen Absorptionskante bei einer Wellenlänge von λg = 1,42 um vor. Wie in Fig. 7 gezeigt weist die Absorptionsschicht eine Dicke von 1 um auf, um eine 50%-ige Durchlässigkeit für eine 1,3 um-Welle zu ermöglichen. Wenn als Absorptionsschicht InGaAs verwendet, wird, sollte die Dicke zwischen 0,5 bis 0,9 um liegen, um eine Durchlässigkeit von 30 bis 50% zu erzielen. Die anderen Aspekte der beiden Materialien sind dieselben, und die folgende Beschreibung ist für InGaAsP gegeben.
Die Idee der vorliegenden Erfindung ist durch einen Vergleich der in Fig. 7 gezeigten Schichtdicke und Störstellenverteilung mit den in Fig. 3 gezeigten Werten für eine herkömmliche Photodiode beschrieben. Eine dünnere Absorptionsschicht ist eines der Kennzeichen der Erfindung. Eine dickere Pufferschicht, wobei eine weitere Verdickung durch die Abnahme der Absorptionsschichtdicke erzielt wurde, stellt die Ausbildung eines p-n-Überganges innerhalb der Pufferschicht sicher.
Die in Fig. 7 gezeigte Struktur wurde in Fig. 8 umgesetzt, welche eine tatsächliche Struktur einer Halb-Durchlass- Photodiode der Erfindung zeigt. Der Herstellungsprozess dieser ist in Fig. 9 gezeigt.
(1) Auf einem schwefelgedopten n-leitendem InP-Substrat 31 (Dicke: 350 um; Ladungsträgerdichte: n = 5·10¹&sup8; cm&supmin;³), welches mittels der Chlorid-Dampfphasen-Aufwachsmethode (chlorid vapor-phase epitaxy method) aufgewachsen wurde, befanden sich eine InP-Pufferschicht 32 (Dicke: 4 um; n = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³), eine InGaAsP-Absorptionsschicht 33 (Dicke: 1 um; n = 1·10¹&sup5; cm&supmin;³) und eine InP-Fensterschicht 34 (Dicke: 2 um; n = 2·10¹&sup5; cm&supmin;³.
(2) Der epitaxische Wafer wurde mit einer SiN-Schicht 35 bedeckt. Die SiN-Schicht wurde dann teilweise an dem Zentrum und der Peripherie der Diode mittels Photolithographie entfernt. Der verbleibende SiN-Film ist eine Passivierungsschicht. Eine Zinkdiffusion mit einer Maske der SiN-Schicht erzeugte einen p&spplus;-Bereich 36 beim Diodenzentrum und einen p&spplus;-Bereich 37 an der Diodenperipherie. Eine Grenze, wo sich die n = leitende Störstellendichte mit der p-leitenden Störstellendichte trifft, ist ein p-n-Übergang. Ein p-n- Übergang 38 im mittleren Teil und ein p-n-Übergang 39 an der Peripherie sind erzeugt worden.
(3) Die Zinkdiffusion wurde für 14 Minuten bei 600ºC mit der geschlossenen Kanal-Methode (closed-tube method) unter der Verwendung von Zn, As und P als Material ausgeführt. Der zentrale p-Bereich ist ein photosensitiver Bereich. Der auch als diffundierter Abschirmbereich genannte periphere p-Bereich verhindert, dass die durch das auf den Randbereich einfallende Licht erzeugten Photoladungsträger in den photosensitiven Bereich eintreten. Von daher wird eine zeitliche Verzögerung aufgrund des Lichtes, welches auf die Peripherie fällt, verhindert.
Eine Draufsicht auf eine Diode ist in Fig. 10 gezeigt. Eine photosensitive Oberfläche 50 ist in der Mitte angeordnet, welche von einer p-Elektrode 40 umrandet ist. Die p-Elektrode stellt nicht einfach einen Kreis dar, weil die Elektrode eine Anschlussfläche (pad) für das Anbonden einer elektrischen Leitung aufweist. Die p-Elektrode wird von einer Passivierungsschicht-Schablone 51 umgeben, dessen Außenseite der diffundierte Abschirmbereich 52 ist.
(4) Die Tiefe der Zinkdiffusion wurde gemessen, indem, als die Diffusion ausgeführt wurde, ein das InP überwachende Substrat beiderseits der Probe angeordnet wurde. Es wurde bestätigt, dass der verwachsene Punkt (p = 1·10¹&sup8; cm&supmin;³) zwischen einem A- Bereich (p > 1·10¹&sup8; cm&supmin;³) und einem B-Bereich (p < 1·10¹&sup8; cm&supmin;³) mit der heterogenen Schnittstelle zwischen der InP-Fensterschicht und der InGaAsP-Absorptionsschicht übereinstimmt (Tiefe: 2 um). Ein Zinkdichteprofil eines epitaxischen Wafers ist in Fig. 7 gezeigt, welches über SIMS-Messungen an einem vollständigen Photodiodenchips vermessen wurde. Es wurde des weiteren durch die Beziehung zwischen der Ladungsträgerdichte und der Tiefe (ein n-d Profil) bestätigt, dass der p-n- Übergang innerhalb der Pufferschicht ausgebildet wurde.
(5) Eine ringförmige p-seitige (AuZn-basierende) Elektrode 40 wurde in dem p-Bereich 35 ausgebildet. Das InP-Substrat 31 wurde von hinten geerdet, um die Dicke auf 100 um zu reduzieren, weil eine Reduktion der optischen Länge es vereinfacht, Licht von einem hinteren Halbleiterlaser leicht in eine optische Faser zu koppeln. Eine ringförmigen-seitige (AuGeNi-basierende) Elektrode 42 wurde am hinteren Teil des InP-Substrates 31 gebildet. Eine antireflektierende Schicht 41 wurde auf die Oberfläche des von der ringförmigen p-seitigen Elektrode 40 umgebenden photosensitiven Bereiches aufgebracht. Die Antireflexionsschicht besteht aus SiON mit einer Dicke von λ/4n, wobei λ eine Wellenlänge und n ein Brechungskoeffizient darstellt. In ähnlicher Weise wurde eine Antireflexionsschicht 43 auf die Oberfläche des von der ringförmigen n-seitigen Elektrode umgebenden Substrates 31 aufgebracht.
(6) Ein vollständiger Photodiodenchip wurde mit AuSn-Lot zu einem Packet gebondet (die-bonded). Die Elektroden wurden an Kontakte mit Au-Drähten, welche 20 um Durchmesser aufweisen, gebondet. Die Photodiode wurde über eine Linse an eine Single- Mode-Faser optisch angekoppelt, um ein abschlußartige Photodiodenmodul abzuschließen.
(7) Eine Temperaturcharakteristik wurde an diesem Modul vermessen. Die Ergebnisse sind bei einer Quellspannung von 2 V in Fig. 11 gezeigt. Während die in Fig. 5 dargestellten Ergebnisse eine deutliche abnehmende Tendenz in der Ansprechempfindlichkeit bei 25ºC zeigen, hat das an der Probe der vorliegenden Erfindung bei 2 V gewonnene Ergebnis bei 25 ºC keine abnehmende Tendenz. Selbst bei tiefen Temperaturen um -40ºC hat das Modul eine hinreichende Ansprechempfindlichkeit. Die Ansprechempfindlichkeit ist 0,47 A/W bei 25ºC und nicht weniger als 0,46 A/W bei -40ºC.
Selbst in dem weiten Bereich zwischen -40 bis +80ºC, liegt die Ansprechempfindlichkeit in dem stabilen Bereich zwischen 0,46 bis 0,49 A/W. Die elektrostatische Kapazität der Probe war niemals mehr als 2,0 pF bei 2 V. Zum Schluss kommend weist das Modul für 50-Mb/s-Kommunikationen hinreichende Charakteristika auf.

Claims

1. Eine Photodiode, umfassend:

ein n-Typ(n leitendes)-Halbleitersubstrat;

eine n-Typ-Pufferschichtat, eine n-Typ-Absorptionsschicht, und eine n-Typ-Fensterschicht, die epitaxial aufeinander folgend in dieser Reihenfolge auf dem n-Typ- Halbleitersubstrat aufgewachsen sind;

einen p-Bereich, gebildet durch die Diffusion von p-Typ- Störsteilen durch eine Maske von der Seite der Fensterschicht, so dass der Bereich die Fensterschicht, die Absorptionsschicht, und einen Teil der Pufferschicht bedeckt;

einen p-n-Übergang, gebildet innerhalb der Pufferschicht;

eine p-Elektrode, gebildet auf dem p-Bereich der Fensterschicht; und

eine n-Elektrode, gebildet auf dem n-Typ-Substrat, und wobei die Absorptionsschicht einen engeren Bandabstand als die Pufferschicht und die Fensterschicht aufweist.

2. Eine Photodiode, umfassend:

ein p-Typ-Halbleitersubstrat;

eine P-Typ-Pufferschichtat, eine p-Typ-Absorptionsschicht, und eine p-Typ-Fensterschicht, die epitaxial aufeinander folgend in dieser Reihenfolge auf dem p-Typ- Halbleitersubstrat aufgewachsen sind;

einen n-Bereich, gebildet durch die Diffusion von n-Typ- Störstellen durch eine Maske von der Seite der Fensterschicht, so dass der Bereich die Fensterschicht, die Absorptionsschicht und einen Teil der Pufferschicht bedeckt;

einen p-n-Übergang, innerhalb der Pufferschicht ausgebildet;

eine n-Elektrode, gebildet auf dem n-Bereich der Fensterschicht; und

eine p-Elektrode, gebildet auf dem p-Typ-Substrat, und

wobei die Absorptionsschicht einen engeren Bandabstand als die Pufferschicht und die Fensterschicht aufweist.

3. Die Photodiode nach dem Anspruch 1, wobei:

das n-Typ-Halbleitersubstrat ein n-InP-Substrat ist;

die n-Typ-Pufferschichtat eine n-InP-Pufferschicht ist;

die n-Typ-Absorptionsschicht eine n-InGaAs- oder n-In- GaAsP-Absorptionsschicht ist, und die n-Typ-Fensterschicht eine n-InP-Fensterschicht ist.

4. Die Photodiode nach Anspruch 3, wobei die p-Typ- Störstellen Zink sind.

5. Die Photodiode nach Anspruch 4, wobei:

das Halbleitersubstrat aus n-Typ-InP mit einer Trägerdichte von (1-10) · 10¹&sup8; cm&supmin;³ besteht;

die Pufferschicht aus n-Typ-InP mit einer Trägerdichte von (0,5-3) · 10¹&sup5; cm&supmin;³ besteht;

die Absorptionsschicht aus n-Typ-InGaAs oder InGaAsP mit einer Trägerdichte von (0,5-3) · 10¹&sup5; cm&supmin;³ besteht; und

die Fensterschicht aus n-Typ-InP mit einer Trägerdichte von (1-4) · 10¹&sup5; cm&supmin;³ besteht.

6. Die Photodiode nach Anspruch 5, wobei ein weiterer p-n- Übergang oder p-n-Übergänge durch Zinkdiffusion außerhalb des in Anspruch 1 definierten p-n-Übergangs ausgebildet sind.

7. Die Photodiode nach Anspruch 6, wobei die Schnittstelle zwischen der InP-Fensterschicht und der InGaAs- oder In- GaAsP-Absorptionsschicht eine Trägerdichte, erzeugt durch Zinkdiffusion, von (1-5) · 10¹&sup8; cm&supmin;³ aufweist.

8. Die Photodiode nach Anspruch 7, wobei die Schnittstelle zwischen der InGaAs- oder InGaAsP-Absorptionsschicht und die InP-Pufferschicht eine Trägerdichte, erzeugt durch Zinkdiffusion, von 3 · 10¹&sup5; cm&supmin;³ oder mehr aufweist.

9. Eine Photodiode nach einem beliebigen der Ansprüche 3-8, wobei die InGaAs-Schicht eine Dicke von 0,5-0,9 um aufweist.

10. Eine Photodiode nach irgendeinem der Ansprüche 3-8, wobei die InGaAsP-Schicht einen. Aufbau aufweist, der einer fundamentalen Absorptionsflankenwellenlänge von λg = 1,40 -1,44 um aufweist.

11. Eine Photodiode nach einem beliebigen der Ansprüche 3-8 und 10, wobei die InGaAsP-Schicht eine Dicke von 0,8-1,2 um aufweist.