DE4113356A1

DE4113356A1 - Photodetektor in silizium fuer den bereich von 1,3 (my)m

Info

Publication number: DE4113356A1
Application number: DE19914113356
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1992-10-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor in Silizium für den 1,3 µm-Bereich unter Ausnutzung des Franz- Keldysh-Effektes.

Ein Detektor in Silizium ist insbesondere für integrierte optoelektronische Schaltungen in Silizium von Interesse. Photodetektoren in Silizium für den Bereich um 1,3 µm Wellen länge sind in der Literatur nur als Schottky-Detektoren an gegeben (R. A. Soref and J. P. Lorenzo, IEEE J. of Quantum Electronics QE-22, 873-879 (1986)). Photodetektoren mit Schottky-Übergängen haben bei Zimmertemperatur den Nachteil, daß man einen Kompromiß zwischen dem Quantenwirkungsgrad und dem Rauschen aus dem Dunkelstrom schließen muß. pn-Dioden verhalten sich hier günstiger. Sie erfordern jedoch einen ge eigneten Bandabstand wie er bei Verbindungshalbleitern und Germanium vorliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Photodiode in Silizium für Licht jenseits der Bandkante, insbesondere im Wellenlängenbereich um 1,3 µm anzugeben, die eine ausreichende Empfindlichkeit aufweist und in einen Wellenleiter aus oder auf Silizium integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Photodetektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Silizium-Diode in Sperrichtung mit einem so großen elektrischen Feld in der Raumladungszone be trieben, daß die Verbiegung des Energiebandes infolge des Franz-Keldysh-Effekts den effektiven Bandabstand so weit ver ringert, daß Ladungsträgerpaare erzeugt werden. Der er findungsgemäße Photodetektor in Silizium hat zusätzlich den Vorteil, daß er als Avalanche-Diode mit Stromverstärkung be trieben werden kann. Eine Integrierung in einen Wellenleiter aus Silizium ist ebenfalls einfach möglich. Ebenso kann aus einem Glaswellenleiter Strahlung in diese Siliziumdiode ausge koppelt werden.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Photodetektors anhand der Fig. 1 bis 7.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Photode tektor im Querschnitt.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen erfindungsgemäße Photodetektoren als Bestandteil eines Silizium-Wellenleiters im Quer- bzw. Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Photodetektor in einer planaren Struktur mit Schutzring (Guard ring). Auf einem Substrat 1 aus Silizium, das z. B. n⁺- leitend dotiert ist, ist eine erste Schicht 2 aus Silizium, die z. B. n-leitend dotiert ist, aufgewachsen. Darauf befindet sich eine zweite Schicht 4, die für elektrische Leitfähigkeit umgekehrten Vorzeichens dotiert ist (z. B. p⁺-leitend). Der pn-Übergang zwischen der ersten Schicht 2 und der zweiten Schicht 4 ist durch einen Schutzring 5, der für elektrische Leitung desselben Leitfähigkeitstyps wie die zweite Schicht 4 schwach dotiert ist (z. B. p-leitend), ringsum abgeschlossen. Dieser Schutzring 5 ermöglicht relativ hohe elektrische Felder im Bereich des pn-Überganges, ohne daß am Rand dieses Über ganges Kurzschlußströme auftreten können. In Fig. 1 sind die Kontakte 9 und die möglichen Eintrittsrichtungen für die Strahlung (wellenförmige Pfeile) eingezeichnet.

In Fig. 2 ist die Struktur aus Fig. 1 mit einer zusätzlichen, intrinsisch leitenden Schicht 3 dargestellt. Diese intrinsisch leitende Schicht 3 befindet sich zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 2. Die Dotierungshöhen und der übrige Aufbau sind entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Mesa-Struktur, die ohne einen Schutzring auskommt. Auf dem Substrat 1, das wieder n⁺-leitend dotiert sein kann, sind die erste Schicht 2 (n-leitend) und die zweite Schicht 4 (p⁺-leitend) als Mesa aufgebracht.

In Fig. 4 ist der Photodetektor aus Fig. 1 mit zusätzlich vor handenen Begrenzungsbereichen 6, die einer Begrenzung der Wellenführung auf den dazwischenliegenden Bereich dienen, dar gestellt. Diese Begrenzungsbereiche 6 können durch Bereiche in nerhalb der ersten Schicht 3 ausgebildet sein, indem das Silizium der ersten Schicht 2 an diesen Stellen eine von dem übrigen Material dieser ersten Schicht 2 in der Höhe wesentlich verschiedene Dotierung aufweist. In dem angegebenen Beispiel können die erste Schicht 2 n-leitend und die Begrenzungsbe reiche 6 n⁺-leitend dotiert sein. Alternativ zu dieser Aus führungsform können die Begrenzungsbereiche 6 auch aus SiO₂ bestehen, das in entsprechende Aussparungen der ersten Schicht 2 eingebracht wurde. Der für die Passivierung des pn-Überganges vorgesehene und gegenüber der zweiten Schicht 4 niedriger do tierte Schutzring 5 kann die Funktion der Begrenzungsbereiche 6 übernehmen. Es kann z. B. eine entsprechende Dotierung des SiO₂ oder eines ähnlichen dielektrischen Materiales in einem an den pn-Übergang angrenzenden Bereich vorhanden sein, so daß die Begrenzungsbereiche 6 gleichzeitig die Funktionen des Schutzringes 5 als Passivierung des pn-Überganges erfüllen. Alternativ dazu kann der Schutzring 5 so ausgebildet und do tiert sein, daß er neben der Passivierung des pn-Überganges auch eine Begrenzung des für die Wellenführung vorgesehenen Bereiches bewirkt.

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßer Photodetektor, der in einen Wellenleiter integriert ist, im Querschnitt dargestellt. Der für die Wellenleitung vorgesehene Bereich W (in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie bezeichnet) befindet sich zwischen den Begrenzungsbereichen 6. Für die Passivierung des pn-Überganges zwischen der ersten Schicht 2 und der zweiten Schicht 4 ist der Schutzring 5 vorgesehen. Wenn eine Spannung an die Kontakte 9 in Sperrichtung angelegt wird, bildet sich eine Raumladungszone R aus. Diese Raumladungszone R hat eine Dicke 10 von ungefähr 0,4 µm, wenn die erste Schicht 2 eine Dotierungshöhe von 10¹⁷ cm^-3 aufweist und die zweite Schicht 4 eine Dotierungshöhe von mehr als 10²⁰ cm^-3. Die vertikale Ab messung 11 der Begrenzungsbereiche 6 ist in dem vorliegenden Beispiel etwa 2 µm, die Gesamtdicke 12 einschließlich der ersten Schicht 2 beträgt etwa 4 µm. Die Breite 13 des Be reiches zwischen den Begrenzungsbereichen 6 beträgt etwa 6 µm. Das Substrat 1 weist z. B. eine Dotierungshöhe von 10¹⁸ cm^-3 auf.

Fig. 6 zeigt die Anordnung aus Fig. 5 im Längsschnitt. Die erste Schicht 2 ist außerhalb des Photodetektors als Wellen leiter 7 ausgebildet. Durch den Wellenleiter 7 wird die Strahlung in den Bereich des Photodetektors geleitet. Die zweite Schicht 4 wird ringsum durch den Schutzring 5 so um geben, daß der pn-Übergang an diesen Schutzring anschließt. Der Begrenzungsbereich 6 ist U-förmig um den Schutzring herum angeordnet und ist in Richtung der aus dem Wellenleiter 7 ein fallenden Strahlung offen. Statt einer direkten Ankopplung des Photodetektors an einen Silizium-Wellenleiter in derselben Schicht (erste Schicht 2) kann auch eine Einkopplung der Strahlung aus einem an diese erste Schicht 2 herangeführten Glaswellenleiter (SiO₂/Si₃N₄) erfolgen (s. Fig. 7). Diese SiO₂/Si₃N₄-Schicht 7 ist durch eine Isolierungsschicht 8 (z. B. SiO₂) von dem Silizium des restlichen Bauelementes ge trennt.

Der erfindungsgemäße Silizium-Photodetektor besitzt wegen des ausgenutzten Franz-Keldysh-Effektes eine ausreichende Em pfindlichkeit, ist einfach herstellbar und in ein Bauelement auf Silizium neben anderen Elementen der integrierten Optik einfach integrierbar.

Claims

1. Photodetektor in Silizium für Strahlung jenseits der Band kante mit einer ersten Schicht (2) aus Silizium und darauf einer zweiten Schicht (4) aus Silizium, wobei zwischen diesen beiden Schichten (2, 4) ein pn-Übergang vorhanden ist und die jeweiligen Dotierungshöhen und Dotierungsprofile derart sind, daß bei Betrieb in Sperrichtung ein so großes E-Feld in der Raumladungszone erzeugt werden kann, daß infolge des Franz- Keldysh-Effekts der effektive Bandabstand für die Erzeugung von Ladungsträgerpaaren ausreichend reduziert wird.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, bei dem zwischen einem Substrat (1) aus Silizium und der ersten Schicht (2) eine weitere, intrinsisch leitende Schicht (3) aus Silizium vorhanden ist.

3. Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Schicht (2) und die zweite Schicht (4) eine Mesa bilden.

4. Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens die zweite Schicht (4) so von einem Schutz ring (5) berandet ist, daß dieser Schutzring (5) ringsum an den pn-Übergang anschließt.

5. Photodetektor nach Anspruch 4, bei dem die erste Schicht (2) n-leitend, die zweite Schicht (4) p⁺-leitend und der Schutzring (5) p-leitend dotiert ist.

6. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Schicht (2) als Wellenleiterschicht ausge bildet ist.

7. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, bei dem die erste Schicht (2) als Wellenleiterschicht ausge bildet ist und ein für Wellenleitung vorgesehener Bereich durch Begrenzungsbereiche (6) begrenzt ist.

8. Photodetektor nach Anspruch 7, bei dem die Begrenzungsbereiche (6) eine Dotierung aufweisen, die sich in der Höhe von der Dotierung des angrenzenden Materials der ersten Schicht (2) wesentlich unterscheidet.

9. Photodetektor nach Anspruch 7, bei dem die Begrenzungsbereiche (6) durch dielektrisches Material gebildet sind.

10. Photodetektor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die erste Schicht (2) als Wellenleiterschicht ausge bildet ist und der Schutzring (5) so bemessen und dotiert ist, daß er eine Begrenzung der Wellenführung auf den von dem Schutz ring (5) begrenzten Bereich bewirkt.

11. Photodetektor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem eine SiO₂/Si₃N₄-Schicht (7) als Wellenleiter vorhanden ist, aus der Strahlung in die erste Schicht (2) ausgekoppelt wird.

12. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die zweite Schicht (4) eine Dotierungshöhe von mindestens 10²⁰ cm^-3 hat.