DE3222848C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Avalanche-Fotodiode mit Heterostruktur, die als Kristall aufeinanderfolgend eine p-leitende Indiumphosphid-Schicht, eine n-leitende Indium­ phosphid-Schicht und eine n-leitende Indiumgalliumarsenid- Schicht aufweist. Eine solche Avalanche-Fotodiode ist aus Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 6, Juni 1980, L 277-L 280, oder bezüglich des Leitungstyps in komplementärer Ausführung aus IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-17, No. 2, Februar 1981, S. 255-259, bekannt.

Eine ternäre InGaAs-Schicht, zumeist eine In_0,53Ga_0,47As- Schicht, empfiehlt sich als das photonenabsorbierende Material bei Fotodioden, die im Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,6 Mikrometer gute Empfindlichkeit zeigen. Dieser Wellen­ längenbereich ist deswegen von großem Interesse, weil Licht­ leitfasern hier besonders geringe Dämpfung zeigen. Eine nur aus diesem ternären Material aufgebaute, also in Homostruktur ausgeführte Avalanche-Fotodiode hat aber leider einen recht hohen Dunkelstrom, der den Avalanche-Effekt und damit die Eigenverstärkung des Bauelementes stark herabsetzt. Einer der Hauptbeiträge zum Dunkelstrom bei GaInAs-Homoübergängen rührt von der Erzeugung und Rekombination von Ladungsträgern in der Verarmungszone her. Wenn daher die Verarmungszone in ein Material größeren Bandabstandes, z. B. InP, verlegt wird, dann kann dieser Beitrag zum Dunkelstrom, ebenso auch der Diffusionsstrom von der schwach dotierten Seite des Über­ ganges wesentlich reduziert werden (siehe IEEE Journ. of Quantum Electronics, a.a.O.). Bei einer solchen InGaAs/InP- Avalanche-Fotodiode muß sich die Verarmungszone über die InGaAs/InP-Heterogrenzfläche erstrecken, um für einen wirk­ samen und schnellen Transport von in der InGaAs-Schicht er­ zeugten Fotoladungsträgern sorgen zu können. Dabei darf das elektrische Feld in der InGaAs-Schicht nicht zu groß werden, um Tunnelstrombeiträge vernachlässigbar klein zu halten. Der pn-Übergang wird daher in das InP-Material verlegt, und zwar in einem Abstand von der n/n-Heterogrenzfläche, der im Hinblick auf eine Optimierung des Quantenwirkungs­ grades bei gleichzeitig niedrigem Dunkelstrom geeignet klein gewählt ist (vergl. Jap. Journal of Applied Physics, a.a.O.).

Bei diesen bekannten Avalanche-Fotodioden läßt aber die An­ sprechgeschwindigkeit zu wünschen übrig. Dieser Parameter ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn er als ein eine Licht­ leiterübertragungsstrecke abschließender Wandler vorgesehen ist und dabei Lichtimpuls-Folgefrequenzen von bis zu mehreren hundert Megahertz mit guter Auflösung erfassen soll.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die InGaAs/InP-Avalanche- Fotodiode der in Rede stehenden Art so weiterzubilden, daß eine deutlich verbesserte Ansprechgeschwindigkeit resultiert.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Heterogrenzfläche zwischen der n-leitenden Indium­ phosphid-Schicht und der n-leitenden Indiumgalliumarsenid- Schicht eine etwa 50 bis 100 Nanometer dicke Zone mit einem Gradienten im Energiebandabstand beinhaltet.

Der Gradient im Energiebandabstand wird durch einen entspre­ chenden Gradienten in der Zusammensetzung von InP nach InGaAs an der Heterogrenzfläche realisiert. Es ergibt sich dadurch eine Minimierung von Ladungsspeichereffekten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein abrupter n/n-Heteroübergang eine Barriere bildet, an der sich die foto­ induzierten Ladungsträger zunächst aufstauen und damit ge­ speichert werden, bevor sie in die angrenzende, von der Ver­ armungszone erfaßten Avalanche-Schicht driften. Dieses setzt die Ansprechgeschwindigkeit herab, da die bei der Barriere gespeicherten fotoinduzierten Ladungsträger nach Aufhören eines Lichtimpulses erst einmal abgeführt werden müssen. Durch die erfindungsgemäß gezielt vorgesehene geeignete Gradientenzone ist es möglich, die Potentialbarriere an der n/n-Heterogrenzfläche effektiv abzubauen, so daß diese Ladungsspeichereffekte minimiert sind und damit das Ansprech­ verhalten verbessert wird.

Aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-17, No. 2, Feb. 1982, Seiten 232-238 ist bekannt, daß sich auf Grund bei der Züchtung unvermeidlich auftretender Austauschdiffu­ sionseffekte eine dünne Gradientenzone an der InGaAs/InP-He­ terogrenzfläche generall und spontan ausbildet. Solche unge­ wollten Gradientenzonen sind aber bestenfalls 10 Nanometer dick und führen nicht zu der angestrebten Potentialbarrieren­ verringerung an der Heterogrenzfläche. Ein solcher Hetero­ übergang einschließlich seiner spontan auftretenden Gradien­ tenzone ist daher in diesem Sinne immer noch als "abrupter" Übergang anzusehen.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung in verschiedenen Herstellungsstadien dargestellten Ausführungs­ beispieles im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 bis 5 das Ausführungsbeispiel in seinen aufeinander­ folgenden Herstellungsstadien, wobei der besseren Darstellbarkeit halber die Zeichnung nicht maßstabsgerecht ausgeführt ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine In_0,53Ga_0,47As/InP-Avalanche-Fotodiode. Sie umfaßt einen Kristall, der aufeinanderfolgend aufgebaut ist aus einer p-leitenden Indiumphosphid-An­ schlußzone 10, einer n-leitenden Indiumphosphid-Zone 13 und einer n-leitenden Indiumgalliumarsenid-Anschluß­ zone 14.

Um den Tunnelstrom unbedeutend zu halten, ist es wichtig, eine p-leitende InP-Pufferschicht 12 zwischen der p-leitenden InP-Anschlußzone 10 und der n-leitenden InP-Schicht 13, die zusammen den pn-Übergang bilden, vorzu­ sehen, um ein Tunneln via tiefer Zustände (deep levels) im pn-Übergangsbereich hoher Feldstärke zu reduzieren.

Es ist auch wichtig, die wirksame Gesamtladung in der n-leitenden InP-Schicht 13 zu steuern, um optimale Durchbruchsbedingungen vor dem Einsetzen des Tunnelns zu erhalten. Bevorzugt liegen hierzu die fixierten Ladungen pro Flächeneinheit in der Schicht 13 zwischen 2×10¹² pro cm² und 3×10¹² pro cm².

In allgemein anwendbarer Hinsicht wurde nun gefunden, daß die Ansprechgeschwindigkeit einer Heteroübergang- Fotodiode der in Rede stehenden Art wesentlich beeinflußt wird durch die Barriere zwischen der n-leitenden InP-Schicht 13 und der absorbierenden n-lei­ tenden InGaAs-Anschlußschicht 14. Insbesondere ist es dabei für ein Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten wichtig, den Energiebandabstand dieser Heterogrenzfläche mit einem Gradienten im Energiebandabstand zu versehen, um die Barrierenhöhe dieses Übergangs wirksam herabzusetzen. Dieses minimiert Ladungsspeicherungseffekte und erhöht dadurch die Ansprechgeschwindigkeit. Es werden daher die Wachstumsbedingungen speziell so eingestellt, daß ein entsprechender Zusammensetzungs­ gradient an der Grenzfläche zwischen der InP- und der InGaAs-Zone erhalten wird.

Fig. 1 zeigt zur Verwendung als das Substrat einen p- leitenden InP-Kristall 10, der mit Zink auf eine gleichförmige Konzentration von etwa 10¹⁸ pro cm³ dotiert und so geschnitten ist, daß die Hauptfläche 11 einer (100)-Kristallebene entspricht.

Auf diese Oberfläche wird nach bekannten Flüssigphasen- Wachstumsmethoden eine etwa 0,5 bis 5,0 Mikrometer dicke epitaktische p-leitende Pufferschicht mit vorzugsweise einer Zinkkonzentration von 10¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen/cm³ auf­ wachsen gelassen. In Fig. 2 ist dieses durch die Schicht 12 dargestellt.

Hierauf unmittelbar folgend wird im selben Ofen aus flüssiger Phase eine InP-Schicht 13 aufwachsen gelassen, die nicht beabsichtigt dotiert ist, so daß sie n-leitend aufwächst (Fig. 3). Die Dicke und der fixierte Ladungs­ inhalt dieser n-leitenden Schicht werden das elektrische Feld an der Heterogrenzfläche beim Avalanche-Durchbruch bestimmen; die Steuerung dieser Parameter ist daher wichtig. Geeignete Werte hierfür werden nachstehend im einzelnen noch erörtert.

Als nächstes (Fig. 4) wird nach bekannten Flüssigphasen- Wachstumsmethoden eine epitaktische In_0,53Ga_0,47As-Schicht 14 aufwachsen gelassen. Die Schicht ist nicht beabsichtigt dotiert, so daß sie n-leitend mit einer Donatorkonzen­ tration von weniger als 5×10¹⁵ pro cm³ aufwächst. Diese Schicht ist vorteilhaft etwa 5 Mikrometer dick.

Ersichtlich können in der absorbierenden Schicht 14 Indium, Gallium und Arsen - ebenso auch Phospor - in wechselnden Anteilen benutzt werden, so lange der resultierende Bandabstand kleiner ist als die Energie des zu absorbierenden Photons, und so lange die jeweilige Zusammensetzung eine adäquate Kristallgitteranpassung an die InP-Schicht 13 erlaubt, um den Wirkungsgrad begrenzende Kristallbaufehler zu vermeiden.

In einigen Fällen können Anschlüsse erwünscht sein, deren Widerstand niedriger ist, als der mit schwachdotiertem Indiumgalliumarsenid erreichbare. In diesen Fällen wird eine stärker dotierte Schicht auf der Schicht 14 zur Erleichterung eines Anschlusses hieran vorgesehen. Sie würde so gewählt werden, daß Elektroden leicht angebracht werden können; sie sollte aber eine Zusammensetzung mit hinreichend großem Bandabstand haben, so daß nur wenig Licht hierin absorbiert wird.

Wie erwähnt, wurde es für eine hohe Ansprechgeschwin­ digkeit als wichtig gefunden, eine zu abrupte Barriere an der Heterogrenzfläche zwischen den Schichten 13 und 14 zu vermeiden. Insbesondere wird bei einem abrupten Übergang eine Potentialmulde erzeugt, in der Ladungen dazu neigen, gespeichert zu werden. Während dieses Möglichkeiten für die Verwendung einer solchen Anordnung als Speicher eröffnet, geht dieses auf Kosten eines schnellen Ansprechverhaltens als Fotodiode. Demgemäß werden zum Erhalt eines Gradien­ ten an der Grenzfläche die Wachstumsbedingungen der Schicht 14 so gewählt, daß etwas Austauschdiffusion von Komponenten an der Grenze zwischen den Schichten 13 und 14 auftritt, um eine allmählichere Änderung in der Barrierenhöhe zu er­ halten. Zahlreiche Methoden sind für diesen Zweck bekannt. Z. B. kann man die Schicht 14 anfänglich einfach mit einem schwachen Untersättigungsgrad, typischerweise 0,1°C Untersättigung, züchten, um während des Wachstums einen Grenzflächengradienten zwischen dem InP und dem InGaAs zu ermöglichen. Alternativ kann eine Dünnschicht einer zwischenliegenden Zusammensetzung zwischen den Schichten 13 und 14 nach üblichen Flüssigphasenepitaxiemethoden erzeugt werden. Die Bedingungen werden für den Er­ halt einer Gradientenzone einer Dicke von etwa 50 bis 100 Nanometer eingestellt. Betriebssperrspannungen von 80 bis 100 Volt sind für eine solche Diode typisch. Sie stellen eine Avalanche-Vervielfachung sicher.

Wie erwähnt, bestimmen Dicke und Dotierung der Schicht 13 weitgehend das elektrische Feld an der Heteroübergangs­ grenzfläche zwischen den Schichten 13 und 14 beim Avalanche- Durchbruch, und die Steuerung dieser Parameter ist wichtig.

Das elektrische Feld E an dieser Grenzfläche ist gegeben durch

wobei bedeuten

N(x)die Dichte der fixierten Ladung im Abstand x vom pn-Übergang,X₁den Abstand der Grenzfläche vom pn-Übergang, Wdie Verarmungszone-Gesamttiefe, qdie elektronische Ladung und edie Dielektrizitätskonstante - 1,04 pF/cm - der Schicht 14.

Sonach ist σ die Gesamtladung pro Flächeneinheit, die in der Schicht 14 herausgeschwemmt wird. Es kann gezeigt werden, daß für ein im wesentlichen fehlendes Tunneln an der Heterogrenzfläche bei Durchbruchsspannung gilt, daß E 1,5×10⁵ V/cm ist. Dieses impliziert, daß σ 1,0×10¹² cm^-2 ist.

Es ist auch wichtig, daß das Feld am pn-Übergang für signifikante Stromverstärkung beim Durchbruch groß genug ist. Der Erfindung vorausgehende Untersuchungen haben gezeigt, daß die empfindlichsten Avalanche-Fotodioden erhalten werden, wenn die Schicht 13 einen Gesamtwert σ der fixierten Ladung von gleich oder größer als etwa 2×10¹² pro cm² hat. Jedoch wird für einen Wert von s größer als etwa 3×10¹² pro cm² die Schicht 13 beim Durchbruch nicht vollständig verarmt, was zu einem sehr niedrigen Quantenwirkungsgrad führt. Demgemäß sollte für optimale Resultate s im Bereich von etwa 2×10¹² cm^-2 bis etwa 3×10^-12 cm^-2 liegen.

Bei einer Ausführungsform hatte die Schicht 13 eine Dicke von etwa 2 Mikrometer und eine Donatorkonzentration von etwa 10¹⁶ cm^-3, was zu einem Wert von σ von etwa 2×10¹² cm^-2 führte.

Zur Verringerung von Kapazitäts- und Kantenfeld-Effekten ist es wünschenswert, die resultierende Diode in Mesaform auszubilden (Fig. 5). Typischerweise wird die Mesa nach üblichen foto­ lithographischen Methoden definiert und mit einer ein­ prozentigen methanolischen Bromlösung geätzt. Ein Kreis­ gebiet von etwa 1,3×10^-4 cm² ist für die kleinere obere Fläche typisch. Niederohmige Anschlüsse 15, 16 zu den Anschlußschichten 10 bzw. 14 erfolgen mit Hilfe an­ legierter Elektroden. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel wurde Gold-Zink zur Kontaktierung der Schicht 10 benutzt, und Gold-Zinn zur Kontaktierung der Schicht 14.

Während des Betriebs liegt eine geeignete Sperrspannung zwischen diesen Elektroden an, um den gewünschten Avalanche- Betrieb zu erreichen.

Andere Abmessungen und Methoden können gleichfalls zur Herstellung benutzt werden. Als Beispiele seien das Molekularstrahlepitaxieverfahren oder das Dampfreaktions­ niederschlagsverfahren genannt. Auch ist es möglich, mit einem n-leitenden Indiumphosphid-Substrat zu beginnen, gefolgt von einer n-leitenden Indiumgallium­ arsenidschicht, einer n-leitenden Indiumphosphidschicht und einer p-leitenden Indiumphosphidschicht. Die erörterten Entwurfserwägungen treffen auch hier zu. In gewissen Fällen könnte auch statt der beschriebenen Mesastruktur eine Planar­ struktur vorzuziehen sein.

Claims (1)

1. Avalanche-Fotodiode mit Heterostruktur, die als Kristall aufeinanderfolgend eine p-leitende Indiumphosphid-Schicht (12), eine n-leitende Indiumphosphid-Schicht (13) und eine n-leitende Indiumgalliumarsenid-Schicht (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heterogrenzfläche zwischen der n-leitenden Indiumphosphid- Schicht (13) und der n-leitenden Indiumgalliumarsenid-Schicht (14) eine etwa 50 bis 100 Nanometer dicke Zone mit einem Gradienten im Energiebandabstand beinhaltet.