DE4113356A1 - 1.3 Micrometre silicon@ photodetector integrated circuit - utilises Franz-Keldysh effect to reduce effective semiconductor band gap within central transition region - Google Patents

1.3 Micrometre silicon@ photodetector integrated circuit - utilises Franz-Keldysh effect to reduce effective semiconductor band gap within central transition region

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Abstract

The circuit is formed from a silicon substrate (1) with two epitaxial absorption layers (2, 4) that incorporates a pn transition region (shown dotted). The transition region is enclosed by a guard ring (5) and a further bordering region (6) that surround the wave conducting (W) and volume charge zone (R) portions of the transition region. The doping levels and profiles of the transition are such that when a voltage is applied across the external contacts (9), the magnitude of the resultant electric field in the volume charge zone (R) section of the transition region reduces the effective bandgap due to the Franz-Keldysh effect, thus enabling the generation of conducting charge pairs. USE/ADVANTAGE - Functions as avalanche diode with current amplification and may be coupled to silicon waveguide.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor in Silizium für den 1,3 µm-Bereich unter Ausnutzung des Franz- Keldysh-Effektes.The present invention relates to a photodetector in Silicon for the 1.3 µm range using the French Keldysh effect.

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.A detector in silicon is especially for integrated optoelectronic circuits in silicon of interest. Photodetectors in silicon for the area around 1.3 µm waves lengths are only available in the literature as Schottky detectors (R.A. Soref and J.P. Lorenzo, IEEE J. of Quantum Electronics QE-22, 873-879 (1986)). With photodetectors Schottky transitions have the disadvantage at room temperature that there is a compromise between quantum efficiency and must conclude the noise from the dark current. pn diodes behave more favorably here. However, they require a ge suitable band gap as it is with compound semiconductors and Germanium is present.

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.The object of the present invention is to incorporate a photodiode Silicon for light beyond the band edge, especially in the Specify wavelength range around 1.3 µm, which is sufficient Has sensitivity and in or out of a waveguide Silicon can be integrated.

Diese Aufgabe wird mit dem Photodetektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is accomplished with the photodetector with the characteristics of Claim 1 solved. Further configurations result from the subclaims.

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.According to the invention, a silicon diode is connected in the reverse direction such a large electric field in the space charge zone driven that the bending of the energy band due to the Franz Keldysh effect so far ver the effective band gap wrestles that charge carrier pairs are generated. The he  inventive photodetector in silicon also has the Advantage that it be as an avalanche diode with current amplification can be driven. An integration in a waveguide silicon is also easily possible. Likewise, can a glass waveguide emitted radiation into this silicon diode be coupled.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Photodetektors anhand der Fig. 1 bis 7.The photodetector according to the invention is described with reference to FIGS. 1 to 7.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Photode­ tektor im Querschnitt. Figs. 1 to 4 show a Photode Tektor invention in cross section.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen erfindungsgemäße Photodetektoren als Bestandteil eines Silizium-Wellenleiters im Quer- bzw. Längsschnitt. Figs. 5 to 7 show photodetectors according to the invention as part of a silicon waveguide in the transverse or longitudinal section.

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. Fig. 1 shows a cross section through a photodetector according to the invention in a planar structure with a protective ring (guard ring). On a substrate 1 made of silicon, the z. B. doped n⁺- is a first layer 2 made of silicon, the z. B. is doped n-grown. There is a second layer 4 , which is doped for reverse electrical conductivity (z. B. p⁺-conductive). The pn junction between the first layer 2 and the second layer 4 is closed all around by a protective ring 5 , which is weakly doped for electrical conduction of the same conductivity type as the second layer 4 (for example p-type). This protective ring 5 enables relatively high electric fields in the region of the pn junction without short-circuit currents occurring at the edge of this transition. In Fig. 1 the contacts 9 and the possible entry directions for the radiation (wavy arrows) are drawn.

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. 2 shows the structure from FIG. 1 with an additional, intrinsically conductive layer 3 . This intrinsically conductive layer 3 is located between the substrate 1 and the layer 2 . The doping levels and the rest of the structure correspond to the exemplary embodiment in 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. Fig. 3 shows a mesa structure that does not require a protective ring. The first layer 2 (n-type) and the second layer 4 (p⁺-type) are applied as a mesa to the substrate 1 , which can again be doped n⁺.

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. 4, the photodetector from Fig. 1 is additionally provided with existing boundary areas 6 , which serve to limit the wave guidance to the area in between. These delimitation regions 6 can be formed by regions within the first layer 3 , in that the silicon of the first layer 2 has a doping at these points which is substantially different in height from the rest of the material of this first layer 2 . In the example given, the first layer can be 2 n-type and the boundary regions 6 n⁺-type doped. As an alternative to this embodiment, the delimitation regions 6 can also consist of SiO 2 which has been introduced into corresponding cutouts in the first layer 2 . The protective ring 5 provided for the passivation of the pn junction and less doped than the second layer 4 can take over the function of the delimitation regions 6 . It can e.g. B. a corresponding doping of SiO 2 or a similar dielectric material in an area adjacent to the pn junction, so that the boundary areas 6 simultaneously fulfill the functions of the protective ring 5 as passivation of the pn junction. Alternatively, the protective ring 5 can be designed and do so that it causes not only the passivation of the pn junction but also a limitation of the area provided for the wave guide.

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.In Fig. 5 is an inventive photodetector which is integrated in a waveguide, in cross-section. The area W intended for the waveguide (designated by the broken line in FIG. 5) is located between the delimitation areas 6 . The protective ring 5 is provided for the passivation of the pn junction between the first layer 2 and the second layer 4 . When a voltage is applied to the contacts 9 in the reverse direction, a space charge zone R is formed. This space charge zone R has a thickness 10 of approximately 0.4 μm if the first layer 2 has a doping level of 10 17 cm -3 and the second layer 4 has a doping level of more than 10 20 cm -3 . From the vertical dimension 11 of the boundary areas 6 is about 2 μm in the present example, the total thickness 12 including the first layer 2 is about 4 μm. The width 13 of the loading area between the boundary areas 6 is approximately 6 μm. The substrate 1 has e.g. B. a doping level of 10 18 cm -3 .

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. Fig. 6 shows the arrangement of Fig. 5 in longitudinal section. The first layer 2 is formed outside the photodetector as a waveguide 7 . The radiation is guided through the waveguide 7 into the region of the photodetector. The second layer 4 is all around by the guard ring 5 so that the pn junction connects to this guard ring. The limiting region 6 is arranged in a U-shape around the protective ring and is open in the direction of the radiation falling from the waveguide 7 . Instead of directly coupling the photodetector to a silicon waveguide in the same layer (first layer 2 ), the radiation can also be coupled in from a glass waveguide (SiO 2 / Si 3 N 4 ) brought up to this first layer 2 (see FIG. 7 ). This SiO 2 / Si 3 N 4 layer 7 is separated by an insulation layer 8 (e.g. SiO 2 ) from the silicon of the rest of the component.

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.The silicon photodetector according to the invention has because of the exploited Franz-Keldysh effect a sufficient Em sensitivity, is easy to manufacture and in one component on silicon along with other elements of integrated optics easy to integrate.

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.1. photodetector in silicon for radiation beyond the band edge with a first layer ( 2 ) made of silicon and then a second layer ( 4 ) made of silicon, with a pn junction between these two layers ( 2 , 4 ) and the respective Doping levels and doping profiles are such that, when operated in the reverse direction, such a large E-field can be generated in the space charge zone that the effective band gap for the generation of charge carrier pairs is sufficiently reduced due to the Franz-Keldysh effect. 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.2. Photodetector according to claim 1, in which a further, intrinsically conductive layer ( 3 ) made of silicon is present between a substrate ( 1 ) made of silicon and the first layer ( 2 ). 3. Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Schicht (2) und die zweite Schicht (4) eine Mesa bilden.3. Photodetector according to claim 1 or 2, wherein the first layer ( 2 ) and the second layer ( 4 ) form a mesa. 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.4. Photodetector according to claim 1 or 2, in which at least the second layer ( 4 ) is bordered by a protective ring ( 5 ) that this protective ring ( 5 ) connects all around to the pn junction. 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.5. A photodetector according to claim 4, wherein the first layer ( 2 ) is n-type, the second layer ( 4 ) is p leit-type and the protective ring ( 5 ) is p-type. 6. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Schicht (2) als Wellenleiterschicht ausge­ bildet ist.6. Photodetector according to one of claims 1 to 5, in which the first layer ( 2 ) is formed out as a waveguide layer. 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. 7. Photodetector according to one of claims 1, 2, 4 or 5, in which the first layer ( 2 ) is formed as a waveguide layer and a region provided for waveguiding is delimited by delimitation regions ( 6 ). 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.8. The photodetector according to claim 7, wherein the delimitation regions ( 6 ) have a doping which differs in height from the doping of the adjacent material of the first layer ( 2 ). 9. Photodetektor nach Anspruch 7, bei dem die Begrenzungsbereiche (6) durch dielektrisches Material gebildet sind.9. The photodetector according to claim 7, wherein the delimitation regions ( 6 ) are formed by dielectric material. 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.10. A photodetector according to claim 4 or 5, wherein the first layer ( 2 ) is formed as a waveguide layer and the protective ring ( 5 ) is dimensioned and doped so that it limits the wave guide to the ring of the protective ( 5 ) Area causes. 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.11. Photodetector according to one of claims 6 to 10, in which an SiO 2 / Si 3 N 4 layer ( 7 ) is present as a waveguide, from which radiation is coupled out into the first layer ( 2 ). 12. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die zweite Schicht (4) eine Dotierungshöhe von mindestens 1020 cm-3 hat.12. Photodetector according to one of claims 1 to 11, in which the second layer ( 4 ) has a doping height of at least 10 20 cm -3 .
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