DE4113356A1 - Photodetektor in silizium fuer den bereich von 1,3 (my)m - Google Patents
Photodetektor in silizium fuer den bereich von 1,3 (my)mInfo
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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 (12)
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.
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DE19914113356 DE4113356A1 (de) | 1991-04-24 | 1991-04-24 | Photodetektor in silizium fuer den bereich von 1,3 (my)m |
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0142316A2 (de) * | 1983-11-10 | 1985-05-22 | AT&T Corp. | P-i-n- und Avalanche-Photodioden |
DE3038910A1 (de) * | 1980-10-15 | 1986-06-19 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Verfahren zur herstellung eines infrarotempfindlichen silizium-substrats mit integrierter verarbeitungselektronik |
-
1991
- 1991-04-24 DE DE19914113356 patent/DE4113356A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3038910A1 (de) * | 1980-10-15 | 1986-06-19 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Verfahren zur herstellung eines infrarotempfindlichen silizium-substrats mit integrierter verarbeitungselektronik |
EP0142316A2 (de) * | 1983-11-10 | 1985-05-22 | AT&T Corp. | P-i-n- und Avalanche-Photodioden |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
et.al.: Avalanche Gain in Ge¶x¶Si¶1-x¶/Si Infrared Waveguide Detectors. In: IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-7, No.5, May 1986, S.330-332 * |
et.al.: New Infrared Detector on a Silicon Chip. In: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-31, No.9, Sept.1984,S.1135-1139 * |
LURYI, Serge * |
PEARSALL,T.P. * |
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