DE2514013A1 - Radiation sensitive semiconductor element - has tunnel zone surrounded by semiconductor layers as wave guide for impinging radiation - Google Patents

Abstract

The radiation sensitive semiconductor element, such as a photodiode, has a body consisting of differently doped semiconductor layers which enclose a tunnel zone in which can be induced channel junctions of charge carrier by impinging radiation. The semiconductor zones form a waveguide for the impinging radiation. The tunnel zone (1) is preferably formed by a thin pn-barrier layer between two differently doped semiconductor layers (2, 4) with a high refractive index than that of the adjacent semiconductor layers (3, 5). The thickness of the pn-barrier layer has typically a value of 100 to 150 deg.Angstrom. The tunnel zone may be formed as a thin dielectric film between the differently doped layers.

Description

"Strahlungseznpfindliches Halbleiterbauelement" Die Erfindung bezieht sich auf ein strahlungsmpfind1iches Halbleiterbauelement mit einem überwiegend aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten bestehenden Haibleiterkörper und einer von den Haibleiterschichten eingeschlossene Tunnelzone, in der durch auftreffende Strahlung Tunnelübergänge von Ladungsträgern induziert werden können."Radiation Sensitive Semiconductor Device" The invention relates to is based on a radiation-sensitive semiconductor component with a predominantly differently doped semiconductor layers and a semiconductor body Tunnel zone enclosed by the semiconductor layers, in which through the impinging Radiation tunnel transitions can be induced by charge carriers.

Es sind bereits strahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente (Photodioden) bekannt, mit einem überwiegend aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten bestehenden Halbleiterkörper und einer von den Halbleiterschichten eingeschlossener Zone, in der durch auftreffende Strahlung Ladungsträger erzeugt werden können. Bei diesen bekannten Halbleiterbauelementen sind åedoch an sich gegensätzliche Forderungen nach hohem Quantenwirkunggrad bei gleichzeitig hoher Grenzfrequenz im allgemeinen nur unvollkommen realisiert.There are already radiation-sensitive semiconductor components (photodiodes) known, with a predominantly of differently doped semiconductor layers existing semiconductor body and one of the semiconductor layers enclosed zone in which charge carriers are generated by incident radiation can be. In the case of these known semiconductor components, however, there are contradicting one another Demands for a high quantum efficiency with a simultaneously high cut-off frequency im generally only imperfectly realized.

Insbesondere als Lichtempfänger in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen wird aber ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement verlangt, das für den empfang der in diesen Nachrichtenübertragungssystemen übertragenen äußerst kurzen Lichtimpulse geeignet ist und dabei noch gleichzeitig einen hohen Quantenwirkungsgrad bei der Umwandlung der auftreffenden optischen Strahlung in elektrische Ladungsträger aufwezt.In particular as a light receiver in broadband optical communication systems but a radiation-sensitive semiconductor component is required, which is for the receive the extremely short ones transmitted in these communication systems Light pulses is suitable and at the same time a high quantum efficiency during the conversion of the incident optical radiation into electrical charge carriers woke up.

Der Erfindung liegt dern?ach die Aufgabe zugrunde, ein strablungsempfindliches Halbleiterbauelement mit hoher Grenzfrequenz und großem Quantenwirkungsgrad anzugeben. Ausgehend von einem strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzone einschläeßenden Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers als Wellenleiter für auf den Halbleiterkörper auftreffende Strahlung ausgebildet sind.The invention is also based on the object of providing a flow-sensitive Specify semiconductor component with high cut-off frequency and high quantum efficiency. Starting from a radiation-sensitive semiconductor component of the type mentioned at the beginning Art, the invention is characterized in that the tunnel zone enclosing Semiconductor layers of the semiconductor body as waveguides for on the semiconductor body impinging radiation are formed.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfinc>ng sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments of the invention are shown in Described subclaims.

Ein strahlungsepfindliches Halbleiterbauelement nach der Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, daß es eine sehr hohe Grenzfrequenz aufweist, das heißt, daß beispielsweise noch kurze Lichtimpulse mit einer Bitfolgefrequenz von 1 Gbit/sec. und darüberhinaus noch in zufriedenstellender Weise in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden können. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der die eigentlich lichtePpSindliche Zone einschlicßenden Halbleiterschichten als optischer Wellenleiter wird erreicht, daß die auf den Halbleiterkörper aiftreffende Strahlung vornehmlich in die unxittelbare Nachbarschaft der lichtenpfindlichen Zone konzentriert wird, wodurch sich ein großer Quantenwirkungsgrad erreichen läßt.A radiation-sensitive semiconductor component according to the invention offers the particular advantage that it has a very high cut-off frequency that means that, for example, short light pulses with a bit rate of 1 Gbit / sec. and moreover still in a satisfactory manner in corresponding electrical signals can be converted. Due to the training according to the invention the semiconductor layers which actually include the clear PpSindlichezone as optical waveguide is achieved that the one impinging on the semiconductor body Radiation primarily in the immediate vicinity of the light-sensitive zone is concentrated, whereby a large quantum efficiency can be achieved.

Die Tunnelzone befindet sich beispielsweise zwischen einer pdotierten und einer n-dotierten Schicht des Halbleiterkörpers.The tunnel zone is located, for example, between a doped one and an n-doped layer of the semiconductor body.

Der durch diese Schicht fließende Strom ist ein Tunnelstrom.The current flowing through this layer is a tunnel current.

Durch auftreffende Strahlung wird den Ladungsträgern Energie zugeführt und dadurch die Übergangswahrscheinlichkeit der Ladungsträger bezüglich des Durchtritts durch die Tunnelzone erhöht. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung des Tunnelstroms.Energy is supplied to the charge carriers by incident radiation and thereby the transition probability of the charge carriers with respect to the passage increased by the tunnel zone. This results in an increase in the tunnel current.

Die Erfindurg wird rachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Figur ist ein aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten 1 bis 5 bis 5 bestehender Halbleiterkörper dargestellt, bei dem von den mit 2 und 4 bezeichneten Halbleiterschichten eine Zene 1 eingeschlossen wird, die von Ladungsträgern dann leichter überquert werden kann, wenn diese Ladungsträger zuvor in der Schicht 2 und/oder 4 durch Absorption eines Lichtquants energiereicher geworden sind. Beispielsweise sind die Schichten 2 und 3 mit unterschiedlicher Konzentration p-dotiert, während die Schichten 4 und 5 mit unterschiedlicher Konzentration n-dotiert sind.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing explained. In the figure, one is made up of differently doped semiconductor layers 1 to 5 to 5 existing semiconductor body shown, in which of the with 2 and 4 denoted semiconductor layers a zone 1 is enclosed, which is of charge carriers it can then be crossed more easily if these charge carriers are previously in the layer 2 and / or 4 have become more energetic due to the absorption of a light quantum. For example layers 2 and 3 are p-doped with different concentrations, while the layers 4 and 5 are n-doped with different concentrations.

ticbtsignale in entsprechende elektrische Signale urgewandelt, die über die mit 6 und 8 bezeichneten Kontakte abgegriffen weren Knnen. ach der Erfindung ist die mit 1 bezeichnete Zone als Tunnelzone ausgebildet. Strahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente mit einem Diodenaufbau, der eine Tunnelzone einschlie2t, sind an sich bekannt (Physical Review, V31 109, 5.603, 1958). Eine derartige Tunnelzone kann beispielsweise als dünne p-n-Sperrschicht zwischen p-dotiertem und n-dotierte- Halbleiterraterial wie Silizium oder Germanium ausgebildet sein Unter dem Einfluß eines aucreichend hohen elektrischen Feldes können Ladungsträger, insbesondere Elektronen aus dem n-Qotierten Bereich den verbotenen Bereich (Bandermodell der Halbleitertechnik) der Sperrschicht durchtunneln. Damit der Tunneleffekt auftritt, darf die Dicke der pn-Sperrschicht einen Wert von etwa 100 bis 150 Ångströmeinheiten nicht wesentlich überschreiten.ticbtsignals are originally converted into corresponding electrical signals, the can be tapped via the contacts marked 6 and 8. after the invention the zone labeled 1 is designed as a tunnel zone. Radiation sensitive Semiconductor components with a diode structure that includes a tunnel zone are known per se (Physical Review, V31 109, 5.603, 1958). Such a tunnel zone can be used, for example, as a thin p-n barrier layer between p-doped and n-doped Semiconductor material such as silicon or germanium may be formed under the influence a sufficiently high electric field can charge carriers, especially electrons from the n-quoted area to the forbidden area (band model of semiconductor technology) tunnel through the barrier layer. In order for the tunnel effect to occur, the thickness of the pn junction a value of about 100 to 150 angstrom units is not essential exceed.

Der Tunneleffekt tritt auch dann auf, wenn zwei Halbleiterschichten durch eine sehr dünn@ dielektrische Schicht voneinander getrennt sind. Auch ein derartiger Schichtaufbau kann in einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung angewendet werden. Ein besonderer Vorteil, der sich durch die Ausnutzung des Tunneleffekts gegenüber herkömmlichen strahlungsempfindlichen Halbeinem leiterbauelementen mit üblichen pn-Übergang ergibt, ist die sehr hohe Grerzfrecuenz, die mit einem derartigen Halbleiterbeuelemert erreichbar ist Während bei bekannten Photodioden die nach der Prirzip des Srerrschicht-rhotoeffektes arbeiten, die obere Grenzfrequenz im wesentlichen durch die Driftzeit der Minoritätsladungsträger durch eine Ra-anladungezone und die Lebensdauer der durch Strahlungseinfall erzeugten Minoritätsladungsträger begrenzt ist, unterliegt eine Photodiode, die den Tunneleffekt ausnutzt, derartigen Beschränkungen nicht. Aus diesem Grund verspricht ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einer Tunnelzone besonders große Vorteile für den Empfang von Lichtipulsen, die mit hoher Bitfolgefrequenz in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen übertragen werden. Ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement, das lediglich eine derartige Tunnelzone aufweist, ist jedoch als Lichtempfänger für Lichtimpulse von geringer Intensität nicht besonders geeignet, weil ein solches Halbleiterbauelement einen relativ geringen Quantenwirkungsgrad hat. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß wegen der äußerst geringen Dicke der Tunnelzone nur eine relativ geringe Wechselwirkung mit der einfallenden Strahlung möglich ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzone einschließenden Halbleiterschicbten des Hzlbleiterkörpers als Wellenleiter ausgebildet sind.The tunnel effect also occurs when there are two semiconductor layers are separated from each other by a very thin @ dielectric layer. Also a Such a layer structure can be used in a semiconductor component according to the invention will. A special advantage that comes from the use of the tunnel effect compared to conventional radiation-sensitive halves with a conductor component usual pn junction is the very high frequency limits that can be achieved with such a semiconductor device while in known photodiodes which work according to the principle of the protective layer photographic effect, the upper limit frequency essentially due to the drift time of the minority charge carriers through a Ra charging zone and the lifetime of the minority charge carriers generated by incidence of radiation is limited, a photodiode utilizing the tunnel effect is subject to such No restrictions. For this reason, a radiation-sensitive semiconductor component is promising with a tunnel zone, particularly great advantages for the reception of light pulses, those with high bit rate in broadband optical communication systems be transmitted. A radiation-sensitive semiconductor component that only has such a tunnel zone, but is a light receiver for light pulses of low intensity not particularly suitable because such a semiconductor component has a relatively low quantum efficiency. This is essentially due to that because of the extremely small thickness of the tunnel zone only a relatively small interaction with the incident radiation is possible. To avoid this disadvantage is a radiation-sensitive semiconductor component according to the invention characterized in that that the semiconductor layers of the semiconductor body enclosing the tunnel zone are designed as a waveguide.

Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die UL-mittelbar an die Tunnelzone n angrenzenden Schichten 2 und 4 des Halbleiterkörpers einen höherer. Wert der Brechzahl aufweisen, als die weiter außen liogenden Schichten 3 und 5 des Halbleiterkörpers. Ein geeigneter Brechzahlverlauf kann in an sich bekannter Weise durch eine geeignete Materialauswahl oder durch unterschiedliche Dotierung der Halbleiterachichten erreicht werden. Wenn die die Tunnelzone einschließenden halbleiterschichten erfindungsgemäß als Wellcnleiter ausgebildet werden, wird auf den Ralblelterkörper auffallende Strahlung in wesentlichen auf Bereiche konzentriert, die der Tunnelzone 1 unmittelbar benachbart sind. Ein Eindringen der Strahlung in die mit 3 und 5 bezeichneten Schicht des Halbleiterkörpers, was lediglich zu Absorptionsverlusten führen würde, wird verhindert. Durch diese Maßnahme steht der größte Anteil der auffallenaen Strahlung zur Auslösung der gewünschten Tunnelereignisse zur Verfügung, was einen wesentlich höheren quantenwirkungsgrad zur Folge hat.This can be achieved, for example, in that the UL indirectly layers 2 and 4 of the semiconductor body adjoining the tunnel zone n have a higher one. Have a value of the refractive index than the layers 3 and 5 lying further out Semiconductor body. A suitable refractive index curve can be used in a manner known per se through a suitable choice of material or through different doping of the semiconductor layers can be achieved. When the semiconductor layers enclosing the tunnel zone according to the invention are designed as corrugated conductors, the radiation incident on the parent body mainly concentrated on areas immediately adjacent to the tunnel zone 1 are. Penetration of the radiation into the layer of the semiconductor body labeled 3 and 5, what would only lead to absorption losses is prevented. Through this Measure represents the largest proportion of the incident radiation to trigger the desired Tunnel events available, resulting in a much higher quantum efficiency has the consequence.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Halbleiterbauelement hat eine hohe Grenzfrequenz und ist äußerst lichtempfindlich, so daß es besonders als Lichtempfänger in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen geeignet ist, in denen äußerst lichtachwache Impulse, die jedoch mit einer hohen Bitfolgefrecuenz übertragen werden, empfangen werden müssen.A semiconductor component designed according to the invention has a high Cutoff frequency and is extremely sensitive to light, making it particularly useful as a light receiver is suitable in broadband optical communication systems in which extremely light-awake pulses, but with a high bit rate transfer must be received.

Neben dem bereits vorstehend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Tunnelzone als äußerst dünne pn-Sperrschicht zwischen zwei p- bzw. n-dotienten Halbleiterschichten ausgebildet ist, kann ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung @ine Tunnelzon in Form einer äußerst dünnen dielektrischen Schiebt zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten aufweisen. Bezüglich der Wellenleiterstruktur der angrenzenden Halbleiterschichten unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel nicht von dem zuvor beschriebenen.In addition to the exemplary embodiment already described in detail above of the invention, in which the tunnel zone as an extremely thin pn junction between two p- or n-doped semiconductor layers is formed, a further Embodiment of the invention @ a tunnel zone in the form of an extremely thin dielectric Slides between two differently doped semiconductor layers. In terms of the waveguide structure of the adjacent semiconductor layers differs this embodiment is not different from the one previously described.

Claims (5)

PetentansprüchePetitioner claims 1. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einem aus unterschiedlich dotierten Halbleitersahichten bestehenden Halbleiterkörper und einer von den Helbleitsrsehichten eingeschlossenen Tunnel zone, in der durch auftrefienae Strehlung Tunnelübergänge von Ladungsträgern indtziert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzene einschließenden Halbleiterschchten des Halbleiterkörpers als Wellenleiter für auf den Halbleiterkörper auftreffende Strahlung ausgebildet sind.1. Radiation-sensitive semiconductor component with one of different doped semiconductor layers consisting of semiconductor bodies and one of the semiconductor layers Enclosed tunnel zone in which tunnel transitions due to radiation can be indtziert of charge carriers, characterized in that the Tunnel scene enclosing semiconductor layers of the semiconductor body as a waveguide are designed for radiation impinging on the semiconductor body. 2. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnelzone (1) durch eine dünne pn-Sperrschicht zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (2, 4) gebildet ist, und daß diese Halbleiterschichten (2,4) einen höheren Brechungsindex aufweisen, als die an diese Halbleiterschichten (2,4) grenzenden Halbleiterschichten (3,5).2. Radiation-sensitive semiconductor component according to claim 1, characterized characterized in that the tunnel zone (1) by a thin pn junction between two differently doped semiconductor layers (2, 4) is formed, and that these semiconductor layers (2,4) have a higher refractive index than the semiconductor layers (3,5) adjoining these semiconductor layers (2,4). 3. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch g@kannzeiehnet, daß die Di@ke der zwisechen den Halbleiterechichten (2,4) angeordneten pn-Sperrschicht einen Wert ven @tws 100 his 150 Årgströmeinheiten nicht wesentlich überschreitet.3. Radiation-sensitive semiconductor component according to claim 2, as a result, the di @ ke of the between the semiconductor layers (2,4) arranged pn junction does not have a value ven @tws 100 to 150 Årgstrom units significantly exceeds. 4. Helbleiterbauelsment nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnst, daß die Tunnelzone (1) als dünne dielektrische Schicht zwischen angrenzenden, unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (2,4) ausgebildet ist.4. Helbleiterbauelsment according to claim 1, characterized gekenzeichnst that the tunnel zone (1) as a thin dielectric layer between adjacent, different doped semiconductor layers (2,4) is formed. 5. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Tunnelzone (1) einschließende, einen Wellenleiter bildende Halbleiterschichten (2,4), die einerseits von einer weiteren, unterschiedlich dotierten Halbleiterschicht (5) und andererseits von einer sperrschichichtfreier. Metallschicht (3') begrenzt sind.5. Radiation-sensitive semiconductor component according to claim 1, characterized by a tunnel zone (1) enclosing semiconductor layers forming a waveguide (2,4), on the one hand by a further, differently doped semiconductor layer (5) and on the other hand from a barrier layer-free. Metal layer (3 ') limited are.