Fotodetector PIN.

Un fotodetector PIN (10; 110) que comprende:

una primera capa de contacto semiconductora configurada como una estructura de mini-mesa

(16; 116);

una capa de absorción semiconductora (22; 122), teniendo la estructura de mini-mesa (16; 116) un área más pequeña que la capa de absorción semiconductora (22; 122);

una capa de pasivación semiconductora (18; 118) colocada entre la estructura de mini-mesa (16; 116) y la capa de absorción semiconductora (22; 122), en relación con la capa de pasivación (18; 118) y la capa de absorción (22; 122), estando la estructura de mini-mesa (16; 116) en contacto físico directo solo con la capa de pasivación (18; 118); y

una segunda capa de contacto semiconductora (12; 112), estando colocadas la capa de absorción semiconductora (22; 122) y la capa de pasivación (18; 118) entre la estructura de mini-mesa (16; 116) y la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112), y siendo la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) y la estructura de mini-mesa (16; 116) de tipo de conductividad opuesto, caracterizado por que

la capa de pasivación (18; 118) es de InAlAs y la capa de absorción semiconductora (22; 122) es de InGaAs.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2004/013464.

Solicitante: PICOMETRIX, LLC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 2925 BOARDWALK ANN ARBOR, MI 48104 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: KO,CHENG C, LEVINE,BARRY.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > H01L31/00 (Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > H01L33/00 (Dispositivos semiconductores que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie especialmente adaptados para la emisión de luz; Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Detalles (H01L 51/50  tiene prioridad; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores formados en o sobre un sustrato común y que incluyen componentes semiconductores con al menos una barrera de potencial o de superficie, especialmente adaptados para la emisión de luz H01L 27/15; láseres de semiconductor H01S 5/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/105 (siendo la barrera de potencial de tipo PIN)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/0304 (comprendiendo, aparte de los materiales de dopado u otras impurezas, únicamente compuestos A III B V )
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes... > H01L27/14 (con componentes semiconductores sensibles a los rayos infrarrojos, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas o a la radiación corpuscular, y adaptados para convertir la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien como dispositivos de control de la energía eléctrica por tales radiaciones (componentes sensibles a las radiaciones asociados estructuralmente a una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 31/14; dispositivos de acoplamiento de guías de luz con elementos opto-electrónicos G02B 6/42))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/062 (siendo las barreras de potencial únicamente del tipo metal-aislante-semiconductor)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/113 (del tipo conductor-aislante-semiconductor, p. ej. transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor)

PDF original: ES-2461524_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Fotodetector PIN

Antecedentes La presente invención se refiere, en general, al campo de la fotodetección. Más específicamente, la invención se refiere a la detección de fotones usando un fotodetector semiconductor.

Debido a la interacción conocida entre fotones y electrones, en los últimos años se han realizado avances en el campo de los fotodetectores, en particular en aquellos fotodetectores que utilizan materiales semiconductores. Un tipo de fotodetector basado en semiconductores, que se conoce como fotodetector PIN, incluye un número de materiales semiconductores que sirven para diferentes fines, tales como absorción y pasivación.

Con muchos tipos de fotodetectores PIN, la sensibilidad y la fiabilidad de los fotodetectores se deterioran con el tiempo. Además, los fotodetectores experimentan fatiga general y desgaste y desgarro. Por lo tanto, es deseable presentar un fotodetector que mantenga un alto factor de respuesta, un alto ancho de banda y una baja corriente de oscuridad a lo largo de su vida útil prevista, así como que sea simple de fabricar.

La patente de los Estados Unidos 5.448.099 divulga a un dispositivo receptor de luz de tipo pin. En este dispositivo receptor de luz de tipo pin, se forman de manera secuencial una capa PD n, una capa PD i, una capa PD p, una capa de detención de ataque químico, y una capa PD p sobre un sustrato semiconductor. A la capa PD p se le da forma de mesa para constituir la primera mesa que tiene una forma de tronco de cono. A la capa de detención de ataque químico, la capa PD p y la capa PD i se les da forma de mesa para constituir la segunda mesa que tiene una forma de tronco de cono. El diámetro de la primera mesa se conforma más pequeño que el de la segunda mesa. A la capa PD n se le da forma de mesa para constituir la tercera mesa que tiene una forma de tronco de cono. Una capa de electrodo óhmica n se forma sobre la capa PD n en una posición predeterminada. Unas capas de electrodo óhmicas p se forman sobre la capa PD p en posiciones predeterminadas. Una capa de pasivación se forma sobre la superficie de cada mesa.

La capa PD i consiste en GaInAs o GalnAsP no intencionalmente dopado con un dopante (a una concentración de dopante de aproximadamente 1 x 1015 a 2 x 1015 cm-3) . La capa PD p consiste en GalnAs o GalnAsP dopado con Zn a una concentración de dopante de aproximadamente 1 x 1019 cm-3. La capa de detención de ataque químico consiste en InP o GalnAsP dopado con Zn a una concentración de dopante de aproximadamente 5 x 1018 cm-3.

La solicitud de patente de los Estados Unidos 2003/0226952, presentada el 07 de junio de 2002 y publicada el 11 de diciembre de 2003, divulga un fotodiodo de avalancha que comprende un sustrato que incluye un primer material semiconductor, una capa de multiplicación por encima del sustrato, teniendo la capa de multiplicación una región sin dopar de un segundo material semiconductor, una capa de dosis por encima de la capa de multiplicación, teniendo la capa de dosis una región dopada de un tercer material semiconductor, una capa absorbente que recibe los fotones incidentes y genera portadores de carga, estando la capa absorbente por encima de la capa de dosis y teniendo una región sin dopar de un cuarto material semiconductor y por lo menos dos contactos eléctricos que aplican un voltaje a través del fotodiodo.

Sumario de la invención La presente invención proporciona un fotodetector PIN que incluye una primera capa de contacto semiconductora configurada como una estructura de mini-mesa, una capa de absorción semiconductora que tiene un área más grande que la estructura de mini-mesa, una capa de pasivación semiconductora que tiene un área más grande que la estructura de mini-mesa, y colocada entre la estructura de mini-mesa y la capa de absorción, y una segunda capa de contacto semiconductora. La capa de absorción semiconductora y las capas de pasivación están colocadas entre la estructura de mini-mesa y la segunda capa de contacto semiconductora como en la figura 1. La capa de pasivación es de InAlAs. Además, la segunda capa de contacto semiconductora y la estructura de mini-mesa son de tipo de conductividad opuesto.

Cuando el fotodetector se encuentra en uso, el campo eléctrico cerca del centro de la capa de absorción semiconductora es más grande que el campo eléctrico cerca de los bordes de la capa de absorción semiconductora tal como se indica en la figura 2, y la capacidad del fotodiodo también está determinada por el área de la pequeña estructura de mini-mesa. El fotodetector puede tener un ancho de banda 3 dB más grande que 20 GHz. En determinadas realizaciones, el fotodiodo tiene un comportamiento de corriente de oscuridad que es sustancialmente constante a lo largo de unos periodos de tiempo prolongados (por ejemplo, 20 años) en relación con un valor inicial.

Las realizaciones de la invención pueden tener una o más de las siguientes ventajas. La configuración tiene una vida útil aumentada y unas características de envejecimiento por temperatura mejoradas. La primera capa de contacto 65 semiconductora define una estructura de mini-mesa que es ventajosa para un PIN de alto rendimiento de absorción potenciada y de alto ancho de banda. Además, se simplifica la fabricación del fotodetector PIN de mini-mesa debido a que se elimina la necesidad de una etapa de difusión p para formar un contacto p localizado.

Otras características y ventajas serán evidentes a partir de la descripción y de las reivindicaciones. 5 Breve descripción de los dibujos

la figura 1 es una vista lateral de una estructura PIN de acuerdo con una realización de la invención; la figura 2 es una gráfica que muestra el perfil de campo eléctrico a través de la capa de absorción de la estructura PIN de la figura 1; la figura 3 es una gráfica que muestra el comportamiento de corriente de oscuridad para un grupo de dispositivos de mesa convencionales envejecidos a 125 ºC con una polarización de voltaje constante; la figura 4 es una gráfica que muestra el comportamiento de corriente de oscuridad para un grupo de estructuras PIN de la figura 1 envejecidas a 175 ºC con una polarización de voltaje constante;

la figura 5 es una vista lateral de una realización alternativa de una estructura PIN de acuerdo con la invención.

Descripción detallada Haciendo referencia a continuación a los dibujos, un fotodetector PIN de mini-mesa que realiza los principios de la presente invención se ilustra en los mismos y se designa en 10. Como sus componentes primarios, el fotodetector PIN 10 incluye una capa de contacto n+ 12, una capa de contacto de metal p+ 14, y una mini-mesa p+ 16. Una capa de absorción de InGaAs 22 está dispuesta entre la mini-mesa p+ 16 y la capa de contacto n+ 12. Un par de capas de graduación de banda prohibida 20 limitan la capa de absorción de InGaAs 22. Una capa de pasivación de nid

(“not intentionally doped”, no intencionalmente dopado) 18 también está dispuesta entre la capa de absorción de InGaAs 22 y la mini-mesa p+ 16. En realizaciones particulares, una capa de pasivación 24 está dispuesta sobre la superficie exterior del fotodetector PIN 10. La capa de pasivación 24 puede ser de BCB (benzociclobuteno) , dióxido de silicio, nitruro de silicio, o poliimida. Un contacto de metal n 26 capta electrones y está colocado sobre la capa de contacto n+ 12.

Debido a que la mini-mesa 16 tiene un área reducida, los campos eléctricos en los bordes de la gran mesa n se reducen sustancialmente, reduciendo de este modo los efectos perjudiciales de cualesquiera estados superficiales u otros defectos superficiales. Además, debido a que la corriente también se reduce en estas superficies, se reducen cualesquiera estados de interfase o carga en estos... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un fotodetector PIN (10; 110) que comprende:

una primera capa de contacto semiconductora configurada como una estructura de mini-mesa (16; 116) ; una capa de absorción semiconductora (22; 122) , teniendo la estructura de mini-mesa (16; 116) un área más pequeña que la capa de absorción semiconductora (22; 122) ; una capa de pasivación semiconductora (18; 118) colocada entre la estructura de mini-mesa (16; 116) y la capa de absorción semiconductora (22; 122) , en relación con la capa de pasivación (18; 118) y la capa de absorción (22; 122) , estando la estructura de mini-mesa (16; 116) en contacto físico directo solo con la capa de pasivación (18; 118) ; y una segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) , estando colocadas la capa de absorción semiconductora (22; 122) y la capa de pasivación (18; 118) entre la estructura de mini-mesa (16; 116) y la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) , y siendo la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) y la estructura de mini-mesa (16; 116) de tipo de conductividad opuesto, caracterizado por que la capa de pasivación (18; 118) es de InAlAs y la capa de absorción semiconductora (22; 122) es de InGaAs.

2. El fotodetector de la reivindicación 1, en el que la estructura de mini-mesa (16) es de un tipo p y la segunda capa de contacto semiconductora (12) es de un tipo n.

3. El fotodetector de la reivindicación 1, en el que la estructura de mini-mesa (116) es de un tipo n y la segunda capa de contacto semiconductora (112) es de un tipo p.

4. El fotodetector de la reivindicación 3, en el que la estructura de mini-mesa (16; 116) y la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) son de InAlAs.

5. El fotodetector de la reivindicación 1, que comprende además una segunda capa de pasivación semiconductora (24; 126) colocada alrededor de la primera capa de pasivación semiconductora (18; 118) y la capa de absorción semiconductora (22; 122) .

6. El fotodetector de la reivindicación 1, que comprende además un primer contacto de metal (14; 114) colocado junto a la estructura de mini-mesa y por lo menos un segundo contacto de metal (26; 128) colocado junto a la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) .

7. El fotodetector de la reivindicación 6, en el que el primer contacto de metal (14) es de un tipo p y el segundo contacto de metal (26) es de un tipo n.

8. El fotodetector de la reivindicación 6, en el que el primer contacto de metal (114) es de un tipo n y el segundo contacto de metal (128) es de un tipo p.

9. El fotodetector de la reivindicación 1, que comprende además una primera capa de graduación de banda prohibida (20; 120) colocada entre la capa de pasivación semiconductora (18; 118) y la capa de absorción semiconductora (22; 122) y una segunda capa de graduación de banda prohibida (20; 120) colocada entre la capa de absorción semiconductora (22; 122) y la segunda capa de contacto semiconductora (12; 112) .

10. Un método de fabricación de un fotodetector PIN (10; 110) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende:

proporcionar una capa de contacto semiconductora inferior (12; 112) ; depositar una capa de absorción semiconductora (22; 122) , siendo la capa de absorción semiconductora (22; 122) de InGaAs; depositar una capa de pasivación semiconductora (18; 118) , siendo la capa de pasivación (18; 118) de InAlAs; y depositar o fabricar una capa de contacto semiconductora superior configurada como una estructura de minimesa (16; 116) que tiene un área más pequeña que la capa de absorción semiconductora (22; 122) , en relación con la capa de pasivación (18; 118) y la capa de absorción (22; 122) , estando la estructura de mini-mesa (16; 116) en contacto físico directo solo con la capa de pasivación (18; 118) .

11. El método de la reivindicación 10, en el que la capa de contacto semiconductora inferior (12) es de un tipo n y la estructura de mini-mesa (16) es de un tipo p.

12. El método de la reivindicación 10, en el que la capa de contacto semiconductora inferior (112) es de un tipo p y la estructura de mini-mesa (116) es de un tipo n.

13. El método de la reivindicación 12, en el que ambas capas de contacto semiconductoras (12; 112; 16; 116) son de InAlAs.

14. El método de la reivindicación 10, que comprende además depositar una segunda capa de pasivación semiconductora (24; 126) alrededor de la primera capa de pasivación semiconductora (18; 118) y la capa de absorción semiconductora (22; 122) .

15. El método de la reivindicación 10, que comprende además depositar una primera capa de graduación (20; 120) sobre la capa de contacto semiconductora inferior (12; 112) y depositar una segunda capa de graduación (20; 120) sobre la capa de absorción semiconductora (22; 122) .