DE7529280U

DE7529280U - PHOTODIOD DETECTOR

Info

Publication number: DE7529280U
Application number: DE19757529280
Authority: DE
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1974-09-17
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1980-01-24
Also published as: SE7510418L; CA1003938A; FR2285720B1; JPS6057233B2; GB1519466A; FR2285720A1; NL7510863A; JPS5154387A; DE2541224A1

Description

.Λ'.Λ '

Die Erfindung betrifft einen Photodioden-Detektor mit einem gemeinsamen Substrat.The invention relates to a photodiode detector with a common substrate.

Photodioden-Detektoren, insbesondere Festkörper- oder HaIbleiterphotodioden-Detektoren werden meist so eingesetzt, daß ein Lichtstrahl senkrecht auf die Ebene der Sperrschicht auftrifft. Dabei wird der Ausdruck "Sperrschicht" so verwendet, daß er eine durch das Halbleitermaterial verlaufende Grenzfläche zwischen Halbleiterbereichen entgegengesetzten Leitungstyps bezeichnet. Photonen mit Energiewerten, die größer sind als der in Energiewert ausgedrückte Bandabstand des Detektormaterials werden bei geringer Eindringtiefe absorbiert und es werden Elektronen/Löcher-Paare erzeugt. Die von der Sperrschicht erfaßten Ladungsträger werden in einer angelegten elektrischen Schaltung als Strom erfaßt. Diese Erfassung von Ladungsträgern kann dadurch optimiert werden, daß die Sperrschicht in einer Tiefe angeordnet wird, die ungefähr gleich der Photonen-Eindringtiefe ist und daß die durch die Sperrschicht gebildete Diode in Sperrichtung vorgespannt wird. Die bekannten Photo-(Dioden)-Detektoren sprechen auf einen breiten Bereich von Photonenenergien an, solange diese größer als der Bandabstand des Detektormaterials ist.Photodiode detectors, in particular solid-state or semiconductor photodiode detectors are mostly used in such a way that a light beam strikes the plane of the barrier layer perpendicularly. In this context, the term "barrier layer" is used to mean an interface running through the semiconductor material denotes opposite conductivity type between semiconductor areas. Photons with energy values that are greater as the band gap of the detector material expressed in energy value are absorbed at low penetration depth and electron / hole pairs are generated. The charge carriers detected by the barrier layer are applied in a electrical circuit detected as a current. This detection of charge carriers can be optimized in that the barrier layer is located at a depth approximately equal to the photon penetration depth and that is through the barrier layer formed diode is reverse biased. The well-known photo (diode) detectors speak to you wide range of photon energies as long as it is larger than the band gap of the detector material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Photodetektor zu schaffen, mit dem Photonen unterschiedlicher Energie getrennt erfaßbar sind. Mit einem solchen Detektor können beispielsweise mit Photoneff'Srnterschiedlicher Energie gleichzeitig über eine Lichtstrecke übertragene Signale (Photo-Multiplexsignale) wieder voneinander getrennt (demultiplexiert) werden.The invention is based on the object of creating a photodetector with which photons of different energies are separated are detectable. With such a detector, for example, different energies can be used at the same time Signals transmitted over a light path (photo multiplex signals) separated from each other again (demultiplexed) will.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Photodioden-Detektor nach dem Anspruch 1.This object is achieved with a photodiode detector according to claim 1.

Infolge der Einkopplung der Photonen in das gemeinsame Substrat werden diese von den einzelnen Detektorbereichen erfaßt. Dabei werden jeweilige Absorptionswerte durch angelegte Polungsspannungen bestimmt und in zugehörigen Schwellendetektoren können die Signale, die entsprechend der erfaßten Photonenenergie unterschiedliche Größe aufweisen, getrennt und einer weiteren Verarbeitungsschaltung zugeführt werden. Damit ergibt sich ein einfach einsetzbares, insbesondere raumsparendes Gerät zur Demultiplexierung von Licht-Multiplex-Signalen.As a result of the coupling of the photons into the common substrate, they are detected by the individual detector areas recorded. The respective absorption values are determined by applied polarity voltages and in associated Threshold detectors can detect the signals, which have different sizes according to the detected photon energy, separated and fed to a further processing circuit. This results in an easy-to-use, especially space-saving device for demultiplexing light multiplex signals.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.Advantageous further developments result from claims 2 to 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing; in this shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verschiebung der Bandkante in einem Halbleiter bei in Sperrichtung gepolter, anliegender Spannung,1 shows a schematic representation of the displacement of the band edge in a semiconductor at in Reverse direction polarized, applied voltage,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Photodioden-Detektor,2 shows a schematic representation of a cross section through a photodiode detector,

Fig. 3 eine Darstellung der Energiebänder der Anordnung nach Fig. 2,FIG. 3 shows the energy bands of the arrangement according to FIG. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung von zwei Abschnitten des Photodioden-Detektors nach Fig. 2 mit entsprechender Beschaltung, und4 shows a schematic representation of two sections of the photodiode detector according to FIG Fig. 2 with appropriate wiring, and

Fig. 5 eine Anwendung des Photodioden-Detektors nach Fig. 2 zur Energie-Demultiplexierung eines Signalzugs.5 shows an application of the photodiode detector according to FIG. 2 for energy demultiplexing a signal train.

Bei einer Heterostrukturanordnung besitzt die Absorptionskante im Wellenleitbereich üblicherweise die durch Kurve 10 in Fig. 1 wiedergegebene Form. Die Energie E₂. wird durch den Grundaufbau des verwendeten Materials bestimmt und liegt bei GaAs bei Zimmertemperatur etwa bei 1,4 eV.In the case of a heterostructure arrangement, the absorption edge in the waveguide region usually has the shape shown by curve 10 in FIG. 1. The energy E ₂ . is determined by the basic structure of the material used and is around 1.4 eV for GaAs at room temperature.

E Wird eine Gegenspannung angelegt, so verschiebt sich dieE If an opposing voltage is applied, it shifts

|l Absorptionskante, wie es durch Kurve 11 dargestellt ist.| l absorption edge as shown by curve 11.

i:j Das Ausmaß der Verschiebung hängt von der angelegten ,g Gegenspannung V_R ab.i: j The extent of the shift depends on the applied counter voltage V _R.

Nimmt man an, daß die Absorptionskanten senkrecht verlaufen, wie es beispielsweise durch die strichpunktierten Linien 10a und 11a dargestellt ist, dann würden durch den Aufbau sämtliche Photonen mit Energien E absorbiert werden, die den Energiewert E_ bzw. E' überschreiten. Dabei wäre die Absorptionswirksamkeit jeweils eu . Da jedoch die Absorptionskante nicht senkrecht verläuft, sondern geneigt ist, wie die Ii Kurven 10 bzw. 11 zeigen, ergibt sich ein gewisser Anstieg !| der Absorption von einem unteren Schwellwert (ZV^¹) bei ;|s Energien, die kleiner sind als Ε_Δ bzw. E¹ und die Absorption ist etwas geringer als Oi. (ΔΛ¹) bei Energien, die größerIf one assumes that the absorption edges run vertically, as shown for example by the dash-dotted lines 10a and 11a, then all photons with energies E which exceed the energy value E_ or E 'would be absorbed by the structure. The absorption efficiency would be eu in each case. However, since the absorption edge does not run vertically, but is inclined, as the curves 10 and 11 show, there is a certain increase! | the absorption of a lower threshold value (ZV ^ ¹ ) at; | s energies that are smaller than Ε _Δ or E ¹ and the absorption is slightly lower than Oi. (ΔΛ ¹ ) at energies that are greater

maxMax

als E bzw. E¹ sind. Diese Absorptionsveränderungen sind jedoch klein gegenüber dem Wert OU Es wird deshalb beias E and E are ¹ , respectively. However, these changes in absorption are small compared to the value OU Es is therefore at

max.Max.

der nachfolgenden Diskussion zunächst angenommen, daß vertikal verlaufende Absorptionskanten entsprechend den Linien 10a bzw. 11a vorliegen, obwohl dies von dem tatsächlichen Verhalten des Halbleitermaterials abweicht.the following discussion initially assumed that vertically extending absorption edges corresponding to the lines 10a or 11a are present, although this deviates from the actual behavior of the semiconductor material.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung aus mehreren Photodetektoren mit der diese Möglichkeit der Einstellung oder Verschiebung der Absorptionskanten durch Anlegen von Sperrspannung ausgenützt wird. Damit kann der gezeigt Photodioden-Detektor Signale abgeben, die allgemein unterschiedliche Energiewerte kennzeichnen und es kann auch die Bandbreite für die verschiedenen '<,:· Energieniveaus variiert werden.Fig. 2 shows an arrangement of several photodetectors with which this possibility of setting or shifting the absorption edges by applying reverse voltage is used. This allows the photodiode detector shown give signals specific to the generally different energy values and it can also be the bandwidth for the various'<,: · energy levels are varied.

'••••I ·· Ii ,'•••• I ·· Ii,

" · · «III ¹ «·· · ( j • · III"· ·« III ¹ «·· · (j • · III

I I M · < I I-I I M <I I-

» I 1 · · · I I I 1,»I 1 · · · I I I 1,

'«•7, J ί ..' u'«• 7, J ί ..' u

Der Aufbau der Photodiodenanordnung nach Fig. 2 besteht aus iThe structure of the photodiode arrangement according to FIG. 2 consists of i

einer Doppelt-Heterostruktur mit einem Substrat 20, an '■ a double heterostructure with a substrate 20, an '■

dessen einer Seite sich aufgewachsene Epitaxialschichten I'one side of which has grown epitaxial layers I '

21, 22, 23 und 24 befinden. Die Schicht 21 ist eine Be- ,21, 22, 23 and 24 are located. Layer 21 is a loading,

grenzungsschicht und weist die gleiche Dotierungsart wie jboundary layer and has the same type of doping as j

das Substrat 20 auf, z.B. η-Dotierung. Die Schicht 21 be- |the substrate 20, e.g., η-doping. The layer 21 loads |

steht aus GaAlAs. Die Schicht 22, die als aktive oder £is made of GaAlAs. The layer 22, which is called active or £

wellenleitende Schicht dient, ist ebenfalls vom Dotierungs- _; waveguiding layer is used, is also from doping _;

typ η und besteht aus GaAs; es kann eine geringe Menge ;:?type η and consists of GaAs; it can be a small amount;:?

Aluminium, beispielsweise weniger als 10%, zugesetzt werden. ΐ Aluminum, for example less than 10%, can be added. ΐ

&, Die Schicht 23 ist eine weitere Begrenzungsschicht und weist einen Dotierungstyp auf, der demjenigen der Schicht 22 entgegengesetzt ist, also z.B. p-Dotierung und besteht aus GaAlAs. Die Schicht 24 ist eine Abdeckschicht mit der gleichen Dotierungsart wie die Schicht 23 und besteht aus GaAs. Auf der Schicht 24 ist eine metallische Anschlußdeckschicht 25 ausgebildet und ebenso ist eine metallische Anschlußdeckschicht auf der entgegengesetzt liegenden Oberfläche des Substrats 20 vorhanden. & The layer 23 is a further confinement layer and has a doping type on which that of the layer 22 is opposite, eg p-doping and consists of GaAlAs. The layer 24 is a covering layer with the same type of doping as the layer 23 and consists of GaAs. A metallic connection cover layer 25 is formed on the layer 24 and a metallic connection cover layer is likewise provided on the opposite surface of the substrate 20.

Nach dem Aufwachsen der Schichten 21, 22, 23 und 24 und der Ausbildung der Anschlußabdeckschichten 25 und 26 wird der Aufbau so geätzt, daß eine Reihe von elektrisch isolierten Abschnitten 30, 31, 32, 33 und 34 voneinander abgegrenzt werden. An jeden Abschnitt wird eine Sperrspannung so angelegt, daß die mit ansteigenden Zahlen bezeichneten Abschnitte stufenweise negativer gepolt sind. Licht wird in die wellenleitende Schicht 22 beim Lichteintrittsende oder an der Lichteintrittsstelle in Richtung des Pfeiles X eingeleitet.After the layers 21, 22, 23 and 24 have grown and the terminal cover layers 25 and 26 are formed, the Structure etched so that a series of electrically isolated sections 30, 31, 32, 33 and 34 are delimited from one another will. A reverse voltage is applied to each section so that the sections labeled with increasing numbers are gradually more negative. Light is in the waveguide Layer 22 is initiated in the direction of arrow X at the light entry end or at the light entry point.

Jeder Abschnitt registriert nun die Photonen, die dort absorbiert werden. In Fig.3 sind die Energiebänder für die in Fig. 2 gezeigte Anordnung dargestellt, wobei die Kurven 38 bis 42 die Energieoberkanten für die jeweiligen Abschnitte 34 bis 30 darstellen. Wie bereits in Verbindung mit Fig. 1 erklärt, ergibt sich ein gewisser Absorptionsanteil für Energien unterhalb eines speziellen Wertes und es ergibt sich eine etwasEach section now registers the photons that are absorbed there. In Fig. 3 the energy bands for the in Fig. 2 shown arrangement, the curves 38 to 42 the upper energy edges for the respective sections 34 to 30 represent. As already explained in connection with FIG. 1, there is a certain amount of absorption for energies below of a special value and it results in something

I II I

···· Il···· Il

Il iIl i

• · I• · I

geringere Absorption von Werten oberhalb des jeweiligen Wertes infolge der Neigung der Absorptionskanten.lower absorption of values above the respective value due to the inclination of the absorption edges.

Das Ausgangssignal eines damit verbundenen Detektors hängt nun von der Größe des Absorptionskoeffizienten et, ab. Ist cC groß, d.h. wird ein großer Anteil des Lichts absorbiert, ergibt sich auch ein hoher Photostrom. Nach Fig. 1 ergibt sich eine maximale Ausgangsspannung, die durch den Abfall dieses Photostromes an einem Widerstand in der Schaltung erzeugt wird, wenn Ct = Λ ist. Der Photostrom oder die I/· . dadurch abgeleitete Ausgangsspannung ergibt eine Kurve, die qualitativ gleich verläuft, wie in Fig. 1 gezeigt. Es ergibt sich also bei einer Energie E_A eine Ausgangsspannung ν.. Wenn ein Detektor bzw. ein Detektorbereich beispielsweise nur auf Photonen mit einem Energiewert E > E_A ansprechen soll, dann ist eine Schaltung vorzusehen, die nur auf eine Ausgangsspannung V >■ V- anspricht und Werte V < V_A unterdrückt.The output signal of a detector connected to it now depends on the size of the absorption coefficient et. If cC is high, ie a large proportion of the light is absorbed, there is also a high photocurrent. According to FIG. 1, there is a maximum output voltage which is generated by the drop in this photocurrent across a resistor in the circuit when Ct = Λ. The photocurrent or the I / ·. The output voltage derived in this way produces a curve which is qualitatively the same, as shown in FIG. 1. This results in an output voltage ν with an energy E _A. If a detector or a detector area is only to respond to photons with an energy value E> E _A, for example, then a circuit must be provided that only responds to an output voltage V> ■ V - responds and values V <V _A suppressed.

Eine Schaltung, die dies vermag, ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, die zwei Bereiche des Aufbaus nach Fig. 2, nämlich die Bereiche 30 und 31 zeigt. Die Bereiche 30 und 31 sind hier als getrennte Bereiche dargestellt, sie befinden sich jedoch bei der praktisch Ausführung auf einem gemein-V samen Substrat 20 nach Fig. 2. Die Rückseite eines jeden Bereiches ist mit einem gemeinsamen Stromanschluß - normalerweise dem Masseanschluß - verbunden. Dieses ermöglicht die Anschluß-Deckschicht 26 nach Fig. 2. Jeder Bereich ist dadurch in Sperrichtung vorgespannt, daß eine Vorspannungsquelle 35 angelegt ist, die nach Fig. 4 als veränderliche Spannungsquelle ausgeführt sein kann. Die Vorspannungsquelle wird normalerweise parallel zu einem Kondensator 36 angelegt. Vorspannungsquelle 35 und Kondensator 36 sind über einen Serienwiderstand 37 mit Masse verbunden, und zu dem Widerstand 37 parallel ist ein Verstärker 43 gelegt, der so ausgebildet ist,daß er ein Ausgangssignal oder einenA circuit which is capable of this is shown schematically in FIG. 4, the two areas of the structure according to FIG. 2, namely, areas 30 and 31 shows. The areas 30 and 31 are shown here as separate areas, they are located however, in the practical implementation on a common substrate 20 according to FIG. 2. The rear side of each Area is connected to a common power connection - usually the ground connection. This enables Terminal cover layer 26 of FIG. 2. Each area is reverse biased by the application of a bias source 35 which is shown in FIG. 4 as being variable Voltage source can be performed. The bias source is normally applied in parallel with a capacitor 36. Bias source 35 and capacitor 36 are connected to ground via a series resistor 37, and to the Resistor 37 is connected in parallel to an amplifier 43, which is designed so that it has an output signal or a

Il Il Il Il Kill·Il Il Il Il Kill

»III II·· III»III II ·· III

I »I··· IIII »I ··· III

• t·· Il III I··• t ·· Il III I ··

hu mi TiS iT · Iihu mi TiS iT · Ii

Ausgangsimpuls nur dann durchläßt bzw. abgibt, wenn die am Widerstand 37 abfallende Spannung einen bestimmten, voreingestellten Spannungswert überschreitet. Die Gegenspannung wird, wie im folgenden beschrieben, für aufeinanderfolgende Abschnitte stufenweise verändert.Output pulse only passes or emits when the voltage drop across resistor 37 exceeds a certain, preset voltage value. The counter tension is changed in stages for successive sections, as described below.

Es wird nun angenommen, daß ein Lichtimpuls mit einer Energie E₃₀ > E > E₃₁ einfällt, wie es in Fig. 3 mit der Linie bezeichnet ist. Die Kurve 42 stellt die Absorptionskante für den Abschnitt 30, die Linie 41 die Absorptionskante für den Abschnitt 31 dar. Für den Abschnitt 30 ergibt sich ein Absorptionskoeffizient 06 _A, so daß hier nur eine kleine Ausgangsspannung erzeugt wird.It is now assumed that a light pulse with an energy E ₃₀ >E> E _{31 is} incident, as indicated by the line in FIG. 3. Curve 42 represents the absorption edge for section 30, line 41 the absorption edge for section 31. For section 30, there is an absorption coefficient 06 _A , so that only a small output voltage is generated here.

Für den Abschnitt 31 ist dagegen ein Absorptionskoeffizient QC- erreicht, der sehr hoch ist. Damit ist auch die entsprechende Ausgangsspannung V sehr groß. Wird der Verstärker 43 nun so eingerichtet, daß er nur auslöst, wenn eine Spannung den Wert übersteigt, der durch die gestrichelte Linie 46 wiedergegeben wird, dann zeigt der Abschnitt 31 die Erfassung eines Energieimpulses an, während dieser Effekt im Abschnitt 30 nicht eintritt. Die Linie 46 kann auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden. Die Linie 35 ist hier nur beispielsweise für einen bestimmten Energiewert E angegeben.For section 31, however, an absorption coefficient QC- is achieved which is very high. This is also the corresponding one Output voltage V very high. If the amplifier 43 is set up so that it only triggers when a voltage exceeds the value represented by dashed line 46, then section 31 shows the detection of a Energy pulse, while this effect does not occur in section 30. Line 46 can be at any desired Value can be set. The line 35 is only given here for a specific energy value E, for example.

Wenn die an jedem Detektorabschnitt angelegte Sperrspannung variierbar ist, so kann die Absorptionsbandbreite dieses Abschnitts gleichfalls variiert werden. Damit ist es möglich eine Steuerung für die an jeden Abschnitt angelegte Gegnspannung vorzusehen, einen speziellen begrenzten Energiebereich auszuwählen und es können zwei, drei oder auch mehr Abschnitte dazu verwendet werden, daß sie jeweils in einem gegen die anderen Abschnitte abgegrenzten Bereich arbeiten. Es wird damit in jedem Abschnitt eine bestimmte Registrierung,When the reverse voltage applied to each detector section is variable, the absorption bandwidth of this section can also be varied. With that it is possible provide a control for the counter voltage applied to each section, a specific limited range of energy and it can be used two, three or even more sections that they are each in one work against the other sections demarcated area. In this way, a specific registration is created in each section,

• a····«·· tii• a ···· «·· tii

• · «it« « I• · «it« «I

• 111 ι ι ■ > .· · *] Q · .. · it• 111 ι ι ■ >. · · *] Q · .. · it

d.h. die Erfassung eines bestimmten Energiewertes vorgenommen, während d,@r restliche Anteil des eingefallenen Lichtes von dem oder den übrigen Bereichen erfaßt wird. Es kann statt gleiche Abstände nach Fig. 3 vorzusehen, auch vorgesehen werden, unterschiedliche Abstände der Energiewerte einzustellen. i.e. a certain energy value has been recorded, while d, @ r the remaining portion of the incident light is detected by the other area or areas. Instead of providing the same distances according to FIG. 3, provision can also be made to set different distances between the energy values.

Es muß dabei mit in Betracht gezogen werden, daß die Neigung der die Absorptionskanten darstellenden Kurven mit ansteigender Gegenspannung oder Sperrspannung geringer wird. In Fig. 3 sind zunächst die Kurven 38, 39, 40, 41 und 42 mit gleicher Steigung bzw. Steilheit aufgezeichnet. Tatsächlich nehmen die Steilheiten den etwa in den gestrichelten Kurven 38a, 39a, 40a und 41a dargestellten Verlauf. Damit die gleiche effektive Bandbreite aufrechterhalten wird, ist es nötig, die jeweils erhöhte Gegenspannung mit immer größeren Schritten anwachsen zu lassen. Bei den erwähnten veränderlichen Effektivabständen ist es also erforderlich, zusätzliche Veränderungen der angelegten Sperrspannungen vorzunehmen. Um den Effekt dieser veränderlichen Steilheit auszugleichen, kann beispielsweise die Länge des jeweiligen Detektorbereichs erhöht werden, d.h. der Bereich 34 ist dann länger als der Bereich 33, dieser wiederum länger als der Bereich 32 usw.It must be taken into account that the slope of the curves representing the absorption edges increases with increasing Counter voltage or reverse voltage becomes lower. In Fig. 3, the curves 38, 39, 40, 41 and 42 are initially the same Incline or steepness recorded. In fact, the steepnesses take the curve shown in dashed lines 38a, 39a, 40a and 41a shown course. In order to maintain the same effective bandwidth it is necessary to to let the increased counter-tension grow with ever larger steps. With the mentioned variable effective distances it is therefore necessary to make additional changes to the applied reverse voltages. To the effect To compensate for this variable slope, the length of the respective detector area can be increased, for example, i.e. the area 34 is then longer than the area 33, this in turn longer than the area 32 and so on.

Dieser Aufbau ist nun als eine Demultiplexeinrichtung verwendbar und ermöglicht das Aussortieren von gemultiplexten digitalen optischen Impulsen. Ein solcher Anwendungsfall ist in Fig. 5 mit einer Serie von optischen Multiplexsxgnalen gezeigt, die mit den Bezugszeichen 50a bis 5Of dargestellt sind. Die verschiedenen Impulse besitzen unterschiedliche Energiewerte und unter jedem optischen Signal ist der zagehörige Energiewert unter Bezug auf den zugehörigen Photodetektorbereich angegeben. Der Impuls 50a besi^t z.B. einen Energiewert, der vom Bereich 30 absorbiert wird, der Impuls 50b wird vom Bereich 34, der Impuls 50c vom Bereich 32, der Impuls 5Od vom Bereich 33, der Impuls 5Oe vom Bereich 31 und der Impuls 5Of vom Bereich 34 absorbiert. Die Ausgangs-This structure can now be used as a demultiplexing device and enables multiplexed ones to be sorted out digital optical pulses. One such application is shown in FIG. 5 with a series of optical multiplex signals shown, which are shown with the reference numerals 50a to 50f. The different impulses have different ones Energy values and under each optical signal is the associated energy value with reference to the associated photodetector area specified. The pulse 50a has e.g. Energy value that is absorbed by area 30, pulse 50b is from area 34, pulse 50c from area 32, the Pulse 50d from area 33, pulse 50e from area 31 and pulse 50f from area 34. The initial

Mtl CCItMtl CCIt

fit ·!«fit ·! «

* ι a* ι a

signale der Bereiche sind mit Bezugszeichen 51 bis 55 jeweils entsprechend den Bereichen 30 bis 34 bezeichnet.signals of the areas are denoted by reference numerals 51 to 55 each designated corresponding to the areas 30 to 34.

Die Impulse sind hier zeitlich getrennt dargestellt, das ist jedoch nicht wesentlich. Es können auch zeitlich zusammenfallende Impulse mit unterschiedlichen Energiewerten anfallen und die verschiedenen Bereiche erzeugen Ausgangssignale, mit denen ein Auseinanderziehen der Impulse nach Energiewerten erreicht wird.The pulses are shown here separated in time, but this is not essential. It can also be timed coinciding impulses with different energy values occur and generate the different areas Output signals with which the impulses are drawn apart according to energy values.

Es soll im folgenden auf die Herstellung eines derartigen Photodioden-Detektors eingegangen werden.The production of such a photodiode detector will be discussed below.

Die Schichten 21, 22, 23 und 24 werden nacheinander durch Flüssigphasen-Epitaxie nach den wohlbekannten Verfahren aufgewachsen, wie sie beispielsweise in der Druckschrift Nr. 24 des Symposiums über Gallium-Arsenid, 1972, unter dem Titel "Preparation of GaAs p-n Junctions" von B.I. Miller und H.C. Casey jr. sowie in der CA-PS 902 803 beschrieben sind.Layers 21, 22, 23 and 24 are successively formed by liquid phase epitaxy according to well known methods grew up, for example in the pamphlet no. 24 of the Symposium on Gallium Arsenide, 1972, under entitled "Preparation of GaAs p-n Junctions" by B.I. Miller and H.C. Casey jr. as well as in the CA-PS 902 803 described are.

Dabei werden beispielsweise Substratscheiben in einem aus Kohlenstoff bestehenden Schieber angebracht, der nacheinander unter Behältern durchgeführt wird, welche eine Epitaxie-Lösung enthalten. An jedem Behälter werden Substrat und Lösung gekühlt, damit ein Epitaxie-Wachstum entsteht. Nach dem Aufwachsvorgang werden die Substrate schließlich abgekühlt und gereinigt.For example, substrate disks are attached to a slide made of carbon, one after the other is carried out under containers which contain an epitaxial solution. Substrate and solution are added to each container cooled so that an epitaxial growth occurs. After the growth process, the substrates are finally cooled and cleaned.

In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften der verschiedenen Schichten und die Dotierungskonzentrationen in mg/4 g Schmelze dargestellt:The following table lists the characteristics of the various Layers and the doping concentrations shown in mg / 4 g melt:

Schicht Typ Al Te Ge Dicke Ladungsträger-Layer Type Al Te Ge Thickness Carrier

( ,um) konzentration(to) focus

21 n-Ga^ ^cAl- .,.As 6 2- * 3 >5 χ 1O¹⁷Cm""³ 21 n-Ga ^ ^ cAl-.,. As 6 2- * 3> 5 χ 1O ¹⁷ cm "" ³

16 ^—^16 ^- ^

22 n-Ga_{n Qq}Al ,.As 1 Sn - £ 1 £2 χ 10 cm22 n-Ga _{n Qq} Al, .As 1 Sn - £ 1 £ 2 χ 10 cm

^υ'" ^υ'^υ:3 20mg ^υ '" ^υ ' ^{υ: 3} 20mg

23 P~^Gao 65^A1O 35^{As 7} " 120 > 1 >5 x 1O¹⁷Cm"³ 23 P ~ ^Ga o 65 ^A1 O 35 ^{As 7} "120>1> 5 x 1O ¹⁷ cm" ³

24 p-GaAs - - 40-1,5 * 1O¹⁸CnT³ 24 p-GaAs - - 40-1.5 * 10 ¹⁸ CnT ³

Zu den Schichten 21 und 23 kann eine geringe Menge GaP zugegeben werden. Der Anteil beträgt 100 /Ug/4 g Schmelze und ergibt eine Schicht allgemein von der Form Ga-. ,rAL -3CAs₁ P„;A small amount of GaP can be added to layers 21 and 23. The proportion is 100 / Ug / 4 g of melt and results in a layer generally of the form Ga-. , rAL -3CAs ₁ P ";

UfDj KJ j-j D I — y yUfDj KJ jj D I - yy

der Wert y wird dabei kleiner als 0,02 eingeschätzt. Durch die Einlagerung von Phosphor ergibt sich eine Herabsetzung der inneren Spannungen an den Zwischenflächen zwischen den Schichten 21 und 22 und 22 und 23.the value y is estimated to be less than 0.02. The storage of phosphorus results in a reduction the internal stresses at the interfaces between layers 21 and 22 and 22 and 23.

Es kommt auf die Stärke der Schichten 21 und 23 nicht sehr an, vorzugsweise sind sie > 1,0 ,um, um eine gute Wellenleiteigenschaft zu erreichen. Die Schicht 22 sollte etwa 1,0 ,um stark sein, sie kann aber auch dünner ausgeführt werden. Die Dotierungswerte der Einzelschichten sind ziemlich kritisch. Allgemein sollten die Schichten 21 und 23 eine Dotierung enthalten, die eine Größenordnung höher als die der Schicht 22 liegt. Dadurch reicht der größte Teil des angelegten elektrischen Feldes über die Schicht 22 hinweg und beeinflußt so das Licht im Wellenleiter. Bei Ladungs-The thickness of layers 21 and 23 is not very important, preferably they are> 1.0 µm to achieve good waveguiding property. Layer 22 should be about 1.0 µm thick, but it can also be made thinner. The doping values of the individual layers are pretty critical. In general, the layers 21 and 23 should contain a doping which is an order of magnitude higher than which is the layer 22. As a result, most of the applied electric field extends over the layer 22 and so affects the light in the waveguide. In the case of cargo

16 —3 trägerkonzentrationen von 2 χ 10 cm ist die Schicht 22 mit einer Stärke von 1,0 ,um auch bei einer angelegten Spannung 0 vollständig frei von freien Ladungsträgern (d.h. die Verarmungsschicht beträgt ca. 1 ,um bei einer Ladungsträgerkon-Layer 22 is 16-3 carrier concentrations of 2 × 10 cm with a strength of 1.0, in order to be completely free of free charge carriers (i.e. the depletion layer is approx. 1 in order to

16 —3
zentration von etwa 2 χ 10 cm . Aus diesem Grunde ist die Dotierung und die Stärke der Schicht 22 ziemlich kritisch für ein optimales Arbeiten des Photodetektors. Durch eine16-3
centering about 2 χ 10 cm. For this reason, the doping and the thickness of the layer 22 is quite critical for an optimal operation of the photodetector. By a

• · ■ r I I ItI*• · ■ r I I ItI *

stärkere Schicht 22 ergibt sich eine weniger wirksame Kopplung zwischen Licht und elektrischem Feld, während bei geringeren Stärken als 1 ,um das Einkoppeln des Lichts in den schmäleren Wellenleiter schwieriger ist.thicker layer 22 results in a less effective coupling between light and electric field, while at strengths less than 1, in order to couple the light into the narrower waveguide is more difficult.

Die Schicht 24 ist wahlweise hinzugefügt und die Vorrichtung arbeitet auch bei nicht vorhandener Schicht 24 zufriedenstellend .Layer 24 is optionally added and the device operates satisfactorily even in the absence of layer 24 .

Normalerweise werden gleichzeitig mehrere Photodetektorbereiche auf einem Substrat hergestellt. Dazu werden folgende Verfahrensschritte verwendet:Typically, multiple photodetector areas are fabricated on a substrate at the same time. To do this, the following Process steps used:

Nachdem die Schichten 21, 22, 23 und 24 in der beschriebenen Weise aufgewachsen wurden, wobei die Schicht 22 η-dotiert ist, um eine geeignete elektrische Isolation zu liefern, wirdAfter layers 21, 22, 23 and 24 in the described Manner, with the layer 22 being η-doped to provide suitable electrical insulation

a) in die Schicht 24 Zn eindiffundiert unter Verwendung einer ZnASj-Quelle in einer Stickstoffatmosphäre während einer Dauer von 15 min bei 600 C;a) Zn diffused into layer 24 using a ZnASj source in a nitrogen atmosphere during a duration of 15 min at 600 C;

b) es wird eine Goldschicht von 200 nm auf Schicht 24 aufgedampft, wobei das Substrat während des AufdampfVorganges auf 200°C gehalten wird;b) a gold layer of 200 nm is vapor-deposited on layer 24, wherein the substrate is kept at 200 ° C during the vapor deposition process;

c) das n-GaAs-Substrat wird auf eine Stärke von etwa 100 /Um abgeläppt;c) the n-GaAs substrate is made to a thickness of about 100 / µm lapped off;

d) es erfolgt ein Reinigungsvorgang und ein Aufdampfen von Au (12% Ge) mit 400 nm auf die geläppte Oberfläche, wobei das Substrat auf 200 C gehalten wird;d) there is a cleaning process and a vapor deposition of Au (12% Ge) with 400 nm on the lapped surface, wherein the substrate is kept at 200 C;

e) es wird 3 min eine Temperatur von 450 C in Stickstoffatmosphäre gehalten, um den n-Kontakt 26 auszubilden;e) it is 3 min a temperature of 450 C in a nitrogen atmosphere held to form the n-contact 26;

f) es wird ein Muster auf der Heterostrukturseite des Aufbaus photograviert, um die Streifen festzulegen, aus denen die Rillen 48 nach Fig. 2 gebildet werden sollen, wobei die Streifen eine Breite von 50 ,um und einen Mittenabstand von 500 ,um besitzen und parallel zur Trennkante des Substrates ausgerichtet sind;f) a pattern is photo-engraved on the heterostructural side of the build-up to define the strips from which the grooves 48 of FIG. 2 are to be formed, the strips having a width of 50 μm and a center-to-center spacing of 500 µm and aligned parallel to the separating edge of the substrate;

g) die Au-Schicht 25 wird längs der Streifen mit einer Ätzlösung aus KIrI-:H-O im Mengenverhältnis 25Og : 15g : 25Og in 30 bis 60 s bei Zimmertemperatur entfernt (bei 75 C sind kürzere Ätzzeiten erforderlich);g) the Au layer 25 is coated along the strips with an etching solution of KIrI-: H-O in a quantity ratio of 250g: 15g: 250g removed in 30 to 60 s at room temperature (shorter etching times are required at 75 C);

h) die Schicht 24 auf den Streifen wird durch Anwendung von H₂O₂:NH₄OH (etwa im Verhältnis 700:1 mit einem pH-Wert von 7,0) abgeätzt, wobei solange gerührt wird, bis die Schicht 24 abgetragen ist. Typische Ätzraten betragen 0,1 ,um/min. Dadurch wird bevorzugt die Schicht 24, jedoch nicht die Schicht 23 abgetragen, die einen wesentlich größeren Al-Gehalt aufweist;h) the layer 24 on the strip is etched off by using H ₂ O ₂ : NH ₄ OH (approximately in the ratio 700: 1 with a pH value of 7.0), with stirring until the layer 24 is removed . Typical etch rates are 0.1 µm / min. As a result, the layer 24 is preferably removed, but not the layer 23, which has a significantly higher Al content;

i) die Schicht 23 wird durch Anwendung von konzentrierter HF abgeätzt. Typische Ätzzeiten betragen 10 min., um 1 \um abzutragen. Dadurch wird bevorzugt die Schicht 23, jedoch nicht die Schicht 22 mit einem niedrigeren Al-Gehalt abgetragen; i) the layer 23 is etched away using concentrated HF. Typical etching times are 10 minutes to 1 μm to be removed. As a result, the layer 23 is preferably removed, but not the layer 22 with a lower Al content;

j) die Bereiche werden so aufgespalten, daß jeweils 4 oder Anordnungen in Reihe hintereinander erhalten werden. Die Gesamtlänge der Anordnungen bei 5 Bereichen beträgt etwa 2,5 mm, die Breite typischerweise 0,25 mm.j) the areas are split up in such a way that 4 or more arrays are obtained one after the other. the The total length of the arrangements with 5 areas is about 2.5 mm, the width typically 0.25 mm.

Der Schritt (i) kann auch durch eine Anwendung einer Ätzlösung aus KI:I₂:H 0 im Verhältnis 275g : 15g : 25Og bei 75°C wie im Schritt (g) durchgeführt werden. Typischerweise werden in bis 30 s 1 bis 2 .um p-GaAlAs abgetragen.Step (i) can also be carried out by using an etching solution of KI: I ₂ : H 0 in the ratio 275g: 15g: 250g at 75 ° C. as in step (g). Typically, 1 to 2 μm p-GaAlAs are removed in up to 30 s.

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Um die Kapazität der Einrichtung und damit die Ansprechzeit um ungefähr einen Paktor 10 zu verringern, kann die Kontakt-Deckschicht als Streifenkontakt ausgebildet werden. Derartige Streifenkontakte können beispielsweise durch Protonenbeschuß gebildet werden. Dieser Vorgang wird nach dem Schritt (i) durchgeführt und zwar werden eine Anordnung aus parallelen Drähten mit typischerweise einem Durchmesser von 25 ,um und einem Mittenabstand von 250 ,um über der Struktur angebracht, wobei die Drähte senkrecht zur Spaltkante und den geätzten Rillen verlaufen. Dann wird der Aufbau mit Protonen mit einer Energie von 300 bis 400 keV und einer Dichte vonIn order to reduce the capacity of the device and thus the response time by approximately a factor of 10, the contact cover layer be designed as a strip contact. Such strip contacts can, for example, by proton bombardment are formed. This process is carried out after step (i), namely an arrangement of parallel Wires with a typical diameter of 25 µm and a center-to-center spacing of 250 µm placed over the structure, the wires running perpendicular to the cleavage edge and the etched grooves. Then the building is made with protons an energy of 300 to 400 keV and a density of

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3 χ 10 /cm beschossen. Die Protonen erzeugen ein Material mit hohem Widerstand von der Oberfläche bit? zu einer Tiefe, die über die Trennschicht hinausgeht. Unter den Drähten ergibt sich Material mit niedrigem Widerstand und dadurch verringert sich die Kapazität der Anordnung ungefähr um einen Paktor 10 und entsprechend die Ansprechzeit des Detektors. Ein derartiges Verfahren ist in"Proceedings of the IEEE", Band 60, Nr. 6, Juni 1972, S. 726 mit der Bezeichnung "Proton bombardment formation of stripe-geometry heterostructure lasers for 300K CW operation" von J.D. Dyment, L.A.D'Asaro, J.C. North, B.I. Miller uns J.E. Ripper erschienen.Shot at 3 χ 10 / cm. The protons create a material with high resistance from the surface bit? to a depth which goes beyond the separating layer. Under the wires there is material with low resistance and therefore reduced the capacity of the arrangement is approximately a factor of 10 and accordingly the response time of the detector. One such method is described in Proceedings of the IEEE, Vol. 60, No. 6, June 1972, p. 726, entitled "Proton bombardment formation of stripe-geometry heterostructure lasers for 300K CW operation" by J.D. Dyment, L.A. D'Asaro, J.C. North, B.I. Miller US J.E. Ripper appeared.

Am Ankopplungs- oder Einstrahlungsende jedes Detektors kann eine andere Reflexionsschicht aufgedampft werden, um das Einkoppeln zu verbessern.At the coupling or irradiation end of each detector, a different reflective layer can be vapor-deposited Improve coupling.

Statt der beschriebenen η-dotierten Ausbildung des Substrats 20 und der Schichten 21,und 22 und der p-Dotierung der Schichten 23 und 24 können auch umgekehrte Dotierungen vorgenommen werden, so daß die Schichten 21 und 22 p-leitend und die Schichten 23 und 24 η-leitend sind.Instead of the described η-doped formation of the substrate 20 and the layers 21, and 22 and the p-doping of the Layers 23 and 24 can also be doped in the opposite direction, so that layers 21 and 22 are p-conductive and layers 23 and 24 are η-conductive.

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Ebenfalls kann statt der elektrischen Isolierung durch Einätzen von Rillen oder Spalten eine Isolierung durch andere Verfahren, beispielsweise mit Protonenbeschuß er' zielt werden.Instead of electrical insulation by etching grooves or gaps, insulation can also be provided other methods, for example with proton bombardment he ' aims to be.

Claims

Protection claims

Photodiode detector with a common substrate, characterized in that a plurality of detector areas (30, 31, 32, 33, 34) on one Substrate (20) are arranged in series from a light entry side (X) and that the substrate (20) in its entirety as well as each detector area (30, 31, 32, 33, 34) individually, each with a connection cover layer (26; 25) is provided.

MANlTZ ■ FINSTERWALD · HEYN ■ MORGAN ■ 800£l MÖNCHEN 22· ROaBRT-KOCH-St 9ASSE1 · TEL. (089) 22 4211 ■MANlTZ ■ FINSTERWALD · HEYN ■ MORGAN ■ £ 800 l MÖNCHEN 22 · ROaBRT-KOCH-St 9ASSE1 · TEL. (089) 22 4211 ■

—UTTGART 50 (ÖAO CANNSTATT) -SeEbBERGSTR. 23/25 ■ TEL. (0711) 56 72 61—UTTGART 50 (ÖAO CANNSTATT) -SeEbBERGSTR. 23/25 ■ TEL. (0711) 56 72 61

TELEX 05-29 672 PATMFTELEX 05-29 672 PATMF

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2. photodiode detector according to claim 1, characterized in g e that the substrate is a semiconductor layer (20) of a certain conductivity type on which a delimitation layer (21) made of semiconductor material with the same conductivity type, an active one, one after the other or waveguide layer (22) with the same conductivity type, a further boundary layer (23) with the opposite one Line type and a metallic connection cover layer follow that on the opposite side of the

, Substrates the common connection cover layer (26) is provided is, and that the detector areas (30, 31, 32, 33, 34) through from the detector connection cover layers (25) incisions (48) reaching up to the active layer (22) are separated from one another.

3. photodiode detector according to claim 2, characterized in that g e that the layers (21, 22, 23, 24) except for the metallic connection cover layers are epitaxial layers.

4. photodiode detector according to claim 3, characterized in that the substrate is an n-doped Gallium arsenide substrate (20) is that the boundary layer is an η-doped gallium aluminum arsenide boundary layer (21) is that the active waveguide layer is a gallium-aluminum-arsenide layer (22) with n-doping, however lower doping level than the delimitation layer (21) and that the further delimitation layer is a p-doped gallium arsenide layer (23) with a higher doping level than the active layer (22) and that the cover layer (24) also has a p-doped gallium arsenide layer (24) with a higher doping level than the further delimitation layer (23).

5. photodiode detector according to claim 3, characterized in that the substrate is a p-doped Gallium arsenide substrate (20) is that the boundary layer is a p-doped gallium aluminum arsenide boundary layer (21) is that the active waveguide layer is a gallium-aluminum-arsenide layer (22) with p-doping, however lower doping level than the delimitation layer (21) and that the further delimitation layer is an η-doped gallium arsenide layer (23) with a higher doping level than the active layer (22) and that the cover layer (24) also has an η-doped gallium arsenide layer (24) with, in turn, a higher doping level than the further delimitation layer (23).