AT528654B1 - Schottky-Fotodetektor - Google Patents

Schottky-Fotodetektor

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AT528654B1
AT528654B1 ATA50002/2025A AT500022025A AT528654B1 AT 528654 B1 AT528654 B1 AT 528654B1 AT 500022025 A AT500022025 A AT 500022025A AT 528654 B1 AT528654 B1 AT 528654B1
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Univ Wien Tech
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Abstract

Schottky-Fotodetektor, umfassend einen ersten Leitungsabschnitt (1), einen zweiten Leitungsabschnitt (2), ein zwischen den Leitungsabschnitten (1, 2) angeordnetes Halbleitersegment (3), wobei das Halbleitersegment (3) mit dem ersten Leitungsabschnitt (1) einen ersten Schottkykontakt (4) bildet, wobei der erste Leitungsabschnitt (1) dazu ausgebildet ist, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt (4) weiterzuleiten, oder dass der erste Leitungsabschnitt (1) einen plasmonischen Wellenleiterabschnitt (6) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt (4) weiterzuleiten.

Description

Beschreibung
SCHOTTKY-FOTODETEKTOR
[0001] Die Erfindung betrifft einen Schottky-Fotodetektor mit einem ersten Leitungsabschnitt, einem zweiten Leitungsabschnitt, und einem dazwischen angeordneten Halbleitersegment, das mit dem ersten Leitungsabschnitt einen ersten Schottkykontakt bildet.
[0002] Derartige Metall-Halbleiter-Strukturen sind auch als Schottky-Fotodioden bekannt. Die Metallseite des Schottkykontakts bildet eine erste Elektrode, und die Halbleiterseite eine zweite Elektrode. Einstrahlenden Photonen durchdringen die transparente Metallschicht und werden im Halbleiter absorbiert, wodurch Ladungsträgerpaare freigesetzt werden. Als Halbleiter werden in der Regel direkte Halbleiter, insbesondere IIl-V Verbindungshalbleiter verwendet. Die erzeugten freien Ladungsträger werden durch das angelegte elektrische Feld aus der Verarmungsschicht herausgelenkt und bilden den Fotostrom. In anderen Ausbildungen werden die Photonen in der Metallschicht des Übergangs absorbiert (sog. interne Photoemission). Wenn die angeregten Elektronen genügend Energie erhalten, können sie die Barriere überwinden und zum Fotostrom beitragen. In beiden Fällen ist die Stärke des Fotostroms abhängig von der Fläche des MetallHalbleiter-Übergangs und kann als Maß für die Menge der empfangenen Photonen herangezogen werden.
[0003] Ein Vorteil derartiger Fotodioden ist ihre sehr schnelle Reaktionszeit. Sie nutzen im Allgemeinen miniaturisierte Strukturen, die schnell reagieren können. Schottky-Fotodioden mit Bandbreiten im Gigahertz-(GHz)-Bereich sind im Handel erhältlich. Sie bilden die ideale Wahl für optische Kommunikationsverbindungen mit hoher Bandbreite.
[0004] Beispielsweise beschreiben die CN 114300578 A einen Schottky-Fotodetektor mit einem Metall-Halbleiterübergang. Die Druckschriften US 2023014361 A1, WO 2019074441 A1, und US 9329339 B2 zeigen auf Halbeiterdetektoren zur Detektion von Oberflächenplasmonen.
[0005] Dabei erfolgt die Detektion und Absorption der eintreffenden Photonen an ein und derselben Stelle, nämlich der Metall-Halbleiter-Grenzfläche. Bei herkömmlichen Schottky-Fotodioden ist es deshalb erforderlich, die Metall-Halbleiter-Grenzfläche möglichst großflächig auszubilden, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit bei möglichst geringem Dunkelstrom zu erreichen. Hingegen erfordert ein miniaturisiertes Schaltungsdesign eine möglichst kleine Ausbildung der Metall-Halbleiter-Grenzfläche.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die Empfindlichkeit bestehender SchottkyFotodioden zu erhöhen und gleichzeitig die Fläche der Fotodiode klein zu halten, um diese in miniaturisierte Schaltkreise, insbesondere CMOS-Schaltkreise integrieren zu können. Auch eine Integration in optische Schaltkreise, welche miniaturisierte Lichtwellenleiter aufweisen, soll ermöglicht werden.
DIESE UND ANDERE AUFGABEN WERDEN DURCH EINE SCHOTTKY-FOTODIODE NACH ANSPRUCH 1 GELÖST.
[0007] Eine erfindungsgemäße Fotodiode umfasst einen ersten Leitungsabschnitt, einen zweiten Leitungsabschnitt, und ein zwischen den Leitungsabschnitten angeordnetes Halbleitersegment. Das Halbleitersegment bildet mit dem ersten Leitungsabschnitt einen ersten Schottkykontakt. Dies bedeutet, dass sich am Metall-Halbleiter-Übergang eine Potentialbarriere bildet, die nur durch hochenergetische Ladungsträger überwunden werden kann. Das Halbleitersegment kann mit dem zweiten Leitungsabschnitt einen ohmschen Kontakt oder einen Schottkykontakt bilden.
[0008] Der erste Leitungsabschnitt kann ein Metall umfassen, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Der zweite Leitungsabschnitt kann ebenfalls ein Metall umfassen, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Der zweite Leitungsabschnitt kann aber auch ein hoch dotiertes Halbleitermaterial umfassen, beispielsweise Polysilizium.
[0009] Das Halbleitersegment kann insbesondere Silizium oder Germanium umfassen. Das 117111
Halbleitersegment kann n-dotiert oder p-dotiert sein.
[0010] Der erste Leitungsabschnitt ist dazu ausgebildet, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt weiterzuleiten. Oberflächenplasmonen sind longitudinale Schwingungen freier Elektronen an der Oberfläche eines Metalls, die durch eintreffende Photonen mit sogenannten Photonen-Plasmonenkonvertern erzeugt werden können. Die Oberflächenplasmonen werden in hoher Geschwindigkeit an den ersten Schottkykontakt weitergeleitet und zerfallen dort in Elektron-Loch-Paare hoher Energie, welche sodann die Potentialbarriere in den Halbleiter überwinden und im zweiten Leitungsabschnitt zu einem messbaren Fotostrom führen. Dies erlaubt insbesondere auch die Verwendung indirekter Halbleiter wie Silizium oder Germanium im Halbleitersegment.
[0011] Der erfindungsgemäße Fotodetektor basiert also auf der Umwandlung von Photonen in propagierende Oberflächenplasmonen, der Weiterleitung dieser Oberflächenplasmonen zu einer Metall-Halbleiter Grenzschicht, dem dortigen Zerfall in heiße Ladungsträger, deren Injektion und Transport im Halbleitersegment sowie der Detektion als Photostrom im zweiten Leitungsabschnitt.
[0012] Durch diesen erfindungsgemäßen Einsatz von Oberflächenplasmonen im ersten Leitungsabschnitt wird ermöglicht, die Detektion der eintreffenden Photonen von deren Absorption zu separieren. Die Photonen können beispielsweise an einer entfernten Stelle des Leitungsabschnitts absorbiert und in Oberflächenplasmonen umgewandelt werden, welche erst am Schottkykontakt absorbiert werden und in Ladungsträgerpaare hoher Energie zerfallen.
[0013] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der erste Leitungsabschnitt einen plasmonischen Wellenleiterabschnitt aufweist oder ein plasmonischer Wellenleiterabschnitt ist, der dazu ausgebildet ist, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt weiterzuleiten.
Der plasmonische Wellenleiterabschnitt kann ein Metall umfassen, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Durch den Wellenleiterabschnitt können die Oberflächenplasmonen zum Schottkykontakt geleitet werden, sodass eine bessere Separierung der Photonen-Detektion von der Photonen-Absorption erreicht wird.
[0014] Die Erfindung umfasst insbesondere eine monolithische Metall-Halbleiter-Metall Heterostruktur mit vorzugsweise modulierbaren Schottky-Barrieren an den Grenzschichten. Die effektive Höhe der Schottky-Barrieren bestimmt die Injektion heißer Ladungsträger, die an der Grenzschicht durch den nichtstrahlenden Zerfall der herangeführten Oberflächenplasmonen gebildet werden. Die Metallzuleitungen dienen dabei gleichzeitig als elektrische Kontakte sowie als Wellenleiter für die propagierenden Oberflächenplasmonen.
[0015] Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, die Absorption des zu detektierenden Lichtes räumlich getrennt vom eigentlichen Detektor durchzuführen. Dies erlaubt es, die Lichtabsorption bzw. die Detektion der heißen Ladungsträger unabhängig voneinander zu optimieren. Damit kann einerseits maximale Lichtabsorption erzielt werden um hohe Responsivität des Detektors zu ermöglichen bzw. ein bestimmter Wellenlängenbereich ausgewählt werden. Andererseits wird erreicht, dass das Detektorelement selbst möglichst klein ist und damit als Detektor für hohe Frequenzen geeignet ist.
[0016] Um die eintreffenden Photonen am Wellenleiterabschnitt in Oberflächenplasmonen umzuwandeln, kann vorgesehen sein, dass der erste Leitungsabschnitt an seiner Oberfläche einen ausgedehnten Detektionsbereich mit einer Absorberstruktur aufweist, wobei die Absorberstruktur dazu ausgebildet ist, Photonen aufzunehmen und in Oberflächenplasmonen umzuwandeln. Der Detektionsbereich kann Teil des ersten Leitungsabschnitts sein und direkt an den Wellenleiterabschnitt anschließen. Der Detektionsbereich kann eine größere Oberfläche aufweisen, als das Halbleitersegment, um eine bessere Detektion der Photonen zu erreichen.
Beispielsweise kann die Oberfläche des Detektionsbereichs um einen Faktor von 2, 5, 10, 20, oder 100 größer sein als die Oberfläche des Halbleitersegments. Der Leitungsabschnitt kann sich vom Detektionsbereich zum Wellenleiterabschnitt hin verjüngen, gegebenenfalls auf eine Breite
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von 50%, 25%, 10% oder 5% der Breite des Detektionsbereichs.
[0017] Die Absorberstruktur kann beispielsweise als Gitterkoppler, insbesondere als fokussierender Gitterkoppler ausgebildet sein. Ein derartiger Gitterkoppler kann vorzugsweise direkt in eine Metallisierung des Detektionsbereichs integriert sein.
[0018] Die Länge des Wellenleiterabschnitts ist grundsätzlich nicht beschränkt, der Wellenleiterabschnitt kann jedoch eine größere Längserstreckung aufweisen, als das Halbleitersegment. Beispielsweise kann die Längserstreckung des Wellenleiterabschnitts um einen Faktor von 2, 5, 10, 20, oder 100 größer sein als die Längserstreckung des Halbleitersegments. Der Wellenleiterabschnitt sollte im Allgemeinen jedoch möglichst kurz sein, da die Dämpfung der Oberflächenplasmonen mit der Länge des Wellenleiterabschnitts steigt.
[0019] Erfindungsgemäß kann auch ein photonischer Wellenleiter vorgesehen sein, der an den Wellenleiterabschnitt anschließt. Der photonische Wellenleiter kann beispielsweise ein Lichtwellenleiter sein. Der Wellenleiter oder die Schnittstelle zwischen dem Wellenleiter und dem Wellenleiterabschnitt können dazu ausgebildet sein, im Wellenleiter geführte Photonen in Oberflächenplasmonen umzuwandeln und diese in den Wellenleiterabschnitt einzuspeisen. Eine derartige Umwandlung von in einem Wellenleiter geführten Photonen in Oberflächenplasmonen kann durch Störstellen an der Schnittstelle passieren (sog. Nahfeldkopplung) und wurde beispielsweise von Agio et al., Highly Efficient Interfacing of Guided Plasmons and Photons in Nanowires, Nano Letters, 9, 11, 3756 (2009) beschrieben.
[0020] Die Leitungsabschnitte und das Halbleitersegment können in lateral strukturierter Bauweise ausgebildet sein und insbesondere auf einem Isolator, beispielsweise SiO2, und einem darunterliegenden Trägersubstrat, beispielsweise Si, aufgebracht sein. Die Leitungsabschnitte und das Halbleitersegment können eine Dicke von wenigen Nanometern bis wenigen Mikrometern aufweisen, beispielsweise 5nm, 20nm, 50nm, 100nm, 200nm, 1um oder bis zu 4um. Mit der Dicke des Halbleitersegments steigt jedoch dessen Kapazität, sodass ein möglichst dünnes Halbleitersegment vorteilhaft ist.
[0021] Die Leitungsabschnitte und das Halbleitersegment können aber auch in vertikal geschichteter Bauweise ausgebildet sein und insbesondere auf einem Isolator, beispielsweise SiO2, und einem Trägersubstrat, beispielsweise Si, aufgebracht sein.
In diesem Fall kann die laterale Ausdehnung des Fotodetektor-Stacks an die Strukturgröße gängiger CMOS-Technologieknoten angepasst sein, beispielsweise 22nm, 14nm, oder kleiner.
[0022] Die Leitungsabschnitte und gegebenenfalls auch das Trägersubstrat können elektrisch kontaktiert sein. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Einstellung der Schottkybarriere der erste Schottkykontakt, der zweite Schottkykontakt und/oder ein unter den Leitungsabschnitten angeordnetes Trägersubstrat mit einer elektrisch kontaktierbaren, gegebenenfalls isolierten Elektrode versehen sind.
[0023] Die Erfindung betrifft ferner eine optoelektronische Schaltung, insbesondere einen Infrarot-Fotodetektor, umfassend einen erfindungsgemäßen Fotodetektor und einen elektronischen Detektorschaltkreis, insbesondere einen CMOS-Schaltkreis, der zur Detektion und Verstärkung des im Fotodetektor generierten Fotostroms ausgebildet ist.
[0024] Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht-ausschließlichen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0025] Es zeigen:
[0026] Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schottky-Fotodetektors;
[0027] Fig. 2 eine schematische Darstellung des energetischen Banddiagramms der Ausführungsform in Fig. 1;
[0028] Fig. 3 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schottky-Fotodiode;
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[0029] Fig. 4 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schottky-Fotodiode.
[0030] Fig. 1 zeigt schematisch eine grundlegende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen plasmavoltaischen Schottky-Fotodetektors in lateraler Ausführung (sogenannte Hundeknochenstruktur). Die Metall-Halbleiter-Metall Struktur ist durch einen Isolator 9, nämlich eine dielektrische Schicht, vom Trägersubstrat 10 elektrisch isoliert.
Der Schottky-Fotodetektor umfasst einen ersten metallischen Leitungsabschnitt 1, einen zweiten metallischen Leitungsabschnitt 2, sowie ein zwischen den Leitungsabschnitten 1, 2 angeordnetes Halbleitersegment 3, welches mit dem ersten Leitungsabschnitt 1 einen ersten Schottkykontakt 4 und mit dem zweiten Leitungsabschnitt 2 einen zweiten Schottkykontakt 5 bildet.
[0031] Der erste metallische Leitungsabschnitt 1 umfasst einen plasmonischen Wellenleiterabschnitt 6, der dazu ausgebildet ist, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt 4 weiterzuleiten.
[0032] Der erste metallische Leitungsabschnitt 1 weist an seiner Oberfläche einen flächig ausgedehnten Detektionsbereich 7 mit einer metallischen Absorberstruktur 8 auf, wobei der Detektionsbereich 7 direkt an den Wellenleiterabschnitt 6 anschließt. Der Wellenleiterabschnitt 6 und der Detektionsbereich 7 können in Form einer dünnen Metallisierungsschicht ausgebildet sein. Die Absorberstruktur 8 (sogenannter Photonen-Plasmonenkonverter) ist dazu ausgebildet, Photonen aufzunehmen, in Oberflächenplasmonen umzuwandeln, und die Oberflächenplasmonen in den Wellenleiterabschnitt 6 einzuspeisen.
[0033] Der Lichteinfall erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Richtung, welche im Wesentlichen normal auf die durch die Oberfläche des Halbleitersegments 3 aufgespannte Ebene liegt. Die Leitungsabschnitte 1, 2 und das Halbleitersegment weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke von lediglich etwa 70nm auf.
[0034] Das Halbleitersegment 3 ist durch einen Schottkykontakt 4 vom Wellenleiterabschnitt 6 getrennt und grenzt über einen weiteren Schottkykontakt 5 an den zweiten metallischen Leitungsabschnitt 2 an, der als elektrischer Anschluß dient. Das Messignal wird zwischen den Kontakten Va und Vb abgegriffen. Ein weiterer Kontakt BG an das elektrisch leitende Trägersubstrat 10 ermöglicht elektrostatisch die effektive Höhe der Schottkybarrieren zu modulieren.
[0035] Die zu detektierenden Photonen werden in der Absorberstruktur 8 in Oberflächenplasmonen umgewandelt (sogenannter Photonen-Plasmonkonverter).
Die Absorberstruktur 8 ist exemplarisch als fokussierender Gitterkoppler ausgeführt. Die Absorberstruktur 8 kann breitbandig oder für eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt sein, um einen breitbandigen oder wellenlängenselektiven Detektor zu realisieren. Die Absorberstruktur 8 kann in die Metallisierung integriert sein.
[0036] Die Absorberstruktur 8 kann aber auch als Butt-Koppler, als sinusförmige Gitterstruktur oder als Prismenkoppler ausgebildet sein. Ebenso kann die Konversion von Photonen zu Plasmonen an einer Metallkante oder generell an einer rauen Oberfläche erfolgen. Die erzeugten Oberflächenplasmonen propagieren entlang des plasmonischen Wellenleiterabschnitts 6 zu dem ersten Schottkykontakt 4.
[0037] Der plasmonische Wellenleiterabschnitt 6 ist als Teil des Leitungsabschnitts 1 in Form einer Metallbahn ausgebildet und dient gleichzeitig als elektrischer Anschluss. Damit die Ausbreitung von Oberflächenplasmonen bei der zu detektierenden Lichtwellenlänge stattfinden kann, werden geeignete Materialien verwendet. Für sichtbares und infrarotes Licht sind dies etwa Au, Ag, Cu, Al, wobei auch andere Metalle und Metallverbindungen bevorzugt mit Si oder Ge möglich sind, nämlich Silizide oder Germanide.
[0038] Die Geometrie des Wellenleiterabschnitts 6 ist auf verlustarme Leitung der propagierenden Oberflächenplasmonen ausgerichtet, sodass der Wellenleiterabschnitt möglichst kurz sein sollte, insbesondere nur wenige Nanometer. Der Wellenleiterabschnitt 6 sollte auch dünn, typischweise etwa 30nm, ausgeführt sein, um sogenannte “long range surface plasmons” zu ermöglichen die sich mit geringer Dämpfung über weite Strecken ausbreiten können. Hier können
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alle bereits bekannten Plasmonenwellenleiter mit geringer Dämpfung integriert werden wie z.B. koaxiale Metall-Isolator-Metall Wellenleiter.
[0039] Am ersten Schottkykontakt 4 zerfallen die Oberflächenplasmonen in einem nichtstrahlenden Prozess in heiße Ladungsträger (Elektronen und Löcher). Jene heißen Ladungsträger mit ausreichend Energie und geeignetem Impuls werden über die Schottkybarriere in das anschließBende Halbleitersegment 3 injiziert.
[0040] An der Schnittstelle zwischen dem plasmonischen Wellenleiterabschnitt 6 und dem Halbleitersegment 3 bildet sich eine Schottkybarriere aus. Der erste Schottkykontakt 4 ist abrupt und für Ladungsträger mit Energien höher als die Schottkybarriere hochtransparent ausgeführt. Ein abruptes Interface kann durch einen thermisch induzierten Austauschprozess realisiert werden. Die Grenzfläche ist ausreichend klein zu realisieren um das Produkt aus Schaltkreiswiderstand und Schaltkreiskapazität (RC Zeitkonstante) klein zu halten und hohe Frequenzen zu gewährleisten.
[0041] Die effektive Höhe der Schottkybarriere des ersten Schottkykontakts 4 kann variiert werden, um den zu detektierenden Wellenlängenbereich festzulegen. Die Modulation der effektiven Höhe der Schottkybarriere kann elektrostatisch durch ein back-gate oder top-gate erfolgen.
[0042] Fig. 2 zeigt das Bandschema des plasmovoltaischen Fotodetektors und die Wirkungsweise der Variation der effektiven Barrierenhöhe an den Metall-Halbleitergrenzschichten 4, 5 für heiße Elektronen. Die zur Metall-Halbleitergrenzschicht 4 propagierenden Oberflächenplasmonen zerfallen in einem nichtstrahlenden Prozess in heiße Elektronen und Löcher. Jene Elektronen mit ausreichend Energie und geeignetem Impuls können die Barriere an der Metal-Halbleitergrenzschicht überwinden (a) und in das Halbleitersegment gelangen. Jene mit zu geringer Energie (b) werden an der Grenzschicht 4 reflektiert, thermalisieren und tragen damit nicht zum Detektorsignal bei.
[0043] Die Barrierenhöhe kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes variiert werden und damit eine untere Schranke des Energiebereich der injizierten Ladungsträger und damit auch der Energie der detektierten Photonen festgelegt werden. Ohne Einschränkung der Funktionsweise können bei geeigneter Modulation der Barrierenhöhe auch heiße Löcher detektiert werden.
[0044] Durch DrifY/Diffusion gelangen die im Halbleitersegment 3 injizierten Ladungsträger zum gegenüberliegenden Schottkykontakt 5. Nach Überwindung des im Idealfall als nichtsperrend ausgeführten Schottkykontaktes 5 generieren diese einen detektierbaren und dem zu detektierenden Photonenstrom proportionalen elektrischen Strom.
Dazu kann an den elektrischen Kontakten Va und \Vb in Fig. 1 eine elektrische Vorspanung angelegt werden oder der Detektor spannungsfrei betrieben werden wodurch praktisch kein Dunkelstrom generiert wird.
[0045] Ein derartiger plasmavoltaischer Fotodetektor ist sensitiv, ultraschnell, und kann bei Raumtemperatur und ohne elektrischer Vorspannung betrieben werden. Seine Konzeption und Betriebsweise bedingt geringes Rauschen und praktisch keinen Dunkelstrom. Weiters umfasst seine Herstellung gängige Verfahren der Halbleiterproduktion. Er ist CMOS und mit integrierten photonischen Schaltkreisen kompatibel und die verwendeten Materialien sind gut verfügbar und ungiftig.
[0046] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des plasmonischen Photodetektors für die monolithische Integration in photonische integrierte Systeme. Hierbei wird das zu detektierende Lichtsignal in einem photonischen Wellenleiter 11 geführt und durch geeignete Kopplung mit hoher Ausbeute, wie z.B. in Agio et al. Nano Letters, 9, 11, 3756 (2009), an der Schnittstelle 12 zum plasmonischen Wellenleiterabschnitt 6 in propagierende Oberflächenplasmonen überführt. Die weitere Funktionsweise ist gleich wie für den Detektor mit direkter Einkopplung wie in Fig. 1.
[0047] Fig. 4 zeigt exemplarisch eine weitere Ausführung mit zwei top gates (TG1 und TG2), die es ermöglichen, unabhängig die Barrierenhöhe am ersten Schottkykontakt 4 und am zweiten Schottkykontakt 5 einzustellen. Die beiden Top-Gate-Elektroden 13, 14 sind dabei direkt über den Metall-Halbleiterübergängen 4, 5 angeordnet, von diesem jedoch elektrisch durch ein dünnes
abgeschiedenes Dielektrikum getrennt.
[0048] Alternativ kann die effektive Höhe der Schottkybarrieren auch nur durch Abscheidung eines entsprechenden Metalls mit geeigneter Austrittsarbeit als Top-Gate-Elektrode oder eines Dielektrikums oder Ferroelektrikums über den Metall-Halbleitergrenzschichten 4, 5 variiert werden. Ebenso kann die effektive Höhe der Schottkybarrieren durch eine lokal unterschiedliche Dotierung des Halbleitersegmentes 3 eingestellt werden.
[0049] Das Halbleitersegment 3 ist im Idealfall epitaktisch mit dem Metall verbunden und weist eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf, um einen schnellen Transfer der injizierten Ladungsträger zur Gegenelektrode zu gewährleisten. Weiters ist das Halbleitersegment 3 im Bezug auf die gewünschte Barrierenhöhe mit dem Metall abzustimmen. Bevorzugt zum Einsatz kommen Si und Ge aber auch weitere Halbleiter wie GaAs, GaN oder InSb.
[0050] Die Oberfläche des Halbleitersegmentes 3 ist ausgeheilt und/oder passiviert um Hystereseeffekte zu minimieren. Dies erfolgt für Si z.B. durch Ausbildung von SIO2 durch thermische Oxidation oder wie auch für Ge und die anderen Halbleiter durch Atomic Layer Deposition (ALD) Abscheidung von gängigen Dielektrika wie Alz2O3, HfO2 ZrO2 oder Ferroelektrika.
[0051] Das Halbleitersegment 3 ist möglichst kurz zu halten (<100nm) um die Drift/Diffusionslänge und damit die Transferzeit der Ladungsträger gering zu halten. Entlang des Halbleitersegmentes können ein Dotiergradient oder unterschiedliche Dotierungen (p-n, n-p) realisiert werden um den gerichteten Transport von Ladungsträgern zu erzwingen. Dieser Dotierungsgradient oder unterschiedliche Dotierung kann auch elektrostatisch etwa durch die in Fig. 4 gezeigten Top Gates erzeugt werden.
[0052] Der zweite Schottkykontakt 5 zwischen dem Halbleitersegment 3 und dem zweiten metallischen Leitungsabschnitt 2 ist ausreichend klein zu realisieren um die RC-Zeitkonstante klein zu halten und hohe Detektionsgeschwindigkeiten zu gewährleisten. An der Grenzschicht zwischen dem Halbleitersegment 3 und dem zweiten metallischen Leitungsabschnitt 2 bildet sich eine Schottkybarriere aus deren effektive Barrierenhöhe variiert werden kann.
[0053] Die effektive Höhe der Schottkybarriere an der Grenzschicht zwischen Halbleitersegment 3 und metallischem Leitungsabschnitt 2 kann elektrostatisch durch ein back-gate oder top-gate, durch Abscheidung eines Dielektrikums oder Ferroelektrikums über der Metall-Halbleitergrenzschicht oder durch Dotierung des Halbleitersegmentes eingestellt werden.
Ziel ist es dabei, die Barrierenhöhe am zweiten Schottkykontakt 5 zu minimieren, damit die Ladungsträger möglichst widerstandsfrei in den elektrischen Anschlußkontakt Vb gelangen und damit einen detektierbaren Strom generieren.
[0054] Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und umfasst insbesondere auch erfindungsgemäße Fotodetektoren mit anderen Metallen oder Halbleitermaterialien.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Erster Leitungsabschnitt
2 Zweiter Leitungsabschnitt
3 Halbleitersegment
4 Erster Schottkykontakt
5 Zweiter Schottkykontakt
6 Plasmonischer Wellenleiterabschnitt
7 Detektionsbereich
8 Absorberstruktur
9 Isolator
10 Trägersubstrat
11 _ Photonischer Wellenleiter
12 Schnittstelle zwischen photonischem Wellenleiter und plasmonischem Wellenleiter
13 Erste Top-Gate-Elektrode
14 Zweite Top-Gate-Elektrode
7111

Claims (15)

Patentansprüche
1. Schottky-Fotodetektor, umfassend
a. einen ersten Leitungsabschnitt (1),
b. einen zweiten Leitungsabschnitt (2),
C. ein zwischen den Leitungsabschnitten (1, 2) angeordnetes Halbleitersegment (3), wobei das Halbleitersegment (3) mit dem ersten Leitungsabschnitt (1) einen ersten Schottkykontakt (4) bildet,
wobei der erste Leitungsabschnitt (1) dazu ausgebildet ist, Oberflächenplasmonen zu erzeugen oder entgegenzunehmen und an den ersten Schottkykontakt (4) weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Schottkybarriere der erste Schottkykontakt (4) und/oder ein zweiter Schottkykontakt (5) und/oder ein unter den Leitungsabschnitten (1, 2) angeordnetes Trägersubstrat (10) mit einer elektrisch kontaktierbaren, gegebenenfalls isolierten Elektrode (13, 14) versehen sind.
2. Fotodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungsabschnitt (1) einen plasmonischen Wellenleiterabschnitt (6) aufweist oder ein plasmonischer Wellenleiterabschnitt (6) ist.
3. Fotodetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungsabschnitt (1) an seiner Oberfläche einen ausgedehnten Detektionsbereich (7) mit einer Absorberstruktur (8) aufweist, wobei die Absorberstruktur (8) dazu ausgebildet ist, Photonen aufzunehmen und in Oberflächenplasmonen umzuwandeln.
4. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersegment (3) mit dem zweiten Leitungsabschnitt (2) einen ohmschen Kontakt oder einen zweiten Schottkykontakt (5) bildet.
5. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungsabschnitt (1) und/oder der zweite Leitungsabschnitt (2) und/oder der Wellenleiterabschnitt (6) ein Metall umfasst, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium.
6. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitungsabschnitt (2) ein hoch dotiertes Halbleitermaterial umfasst, beispielsweise Polysilizium.
7. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionsbereich (7) eine größere Oberfläche aufweist, als das Halbleitersegment (3), wobei die Oberfläche des Detektionsbereichs (7) gegebenenfalls um einen Faktor von 2, 5, 10, 20, oder 100 größer ist als die Oberfläche des Halbleitersegments (3).
8. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Leitungsabschnitt (1) vom Detektionsbereich (7) zum Wellenleiterabschnitt (6) hin verjüngt, gegebenenfalls auf eine Breite von 50%, 25%, 10% oder 5% der Breite des Detektionsbereichs (7).
9. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberstruktur (8) als Gitterkoppler, insbesondere als fokussierender Gitterkoppler ausgebildet ist, der vorzugsweise direkt in eine Metallisierung des Detektionsbereichs (7) integriert ist.
10. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiterabschnitt (6) eine größere Längserstreckung aufweist, als das Halbleitersegment (3), wobei die Längserstreckung des Wellenleiterabschnitts (6) gegebenenfalls um einen Faktor von 2, 5, 10, 20, oder 100 größer ist als die Längserstreckung des Halbleitersegments (3).
11. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein photonischer Wellenleiter (11) vorgesehen ist, der an den Wellenleiterabschnitt (6) anschließt, wobei der Wellenleiter (11) oder eine Schnittstelle (12) zwischen dem Wellenleiter (11) und dem Wellenleiterabschnitt (6) dazu ausgebildet ist, im Wellenleiter (11) geführte Photonen in Oberflächenplasmonen umzuwandeln und diese in den Wellenleiterabschnitt (6) einzuspeisen.
12. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (1, 2) und das Halbleitersegment (3) in lateral strukturierter Bauweise ausgebildet sind und insbesondere auf einem Isolator (9), beispielsweise SiO2, und einem darunterliegenden Trägersubstrat (10), beispielsweise Si, aufgebracht sind.
13. Fotodetektor nach einem derAnsprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (1, 2) und das Halbleitersegment (3) in vertikal geschichteter Bauweise ausgebildet sind und insbesondere auf einem Isolator (9), beispielsweise SiO2, und einem Trägersubstrat (10), beispielsweise Si, aufgebracht sind, und wobei die Leitungsabschnitte (1, 2) und gegebenenfalls das Trägersubstrat (10) elektrisch kontaktiert sind.
14. Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersegment (3) eine Dicke im Bereich von etwa 5nm, 20nm, 50nm, 100nm, 200nm, 1um, oder bis zu etwa 4um aufweist.
15. Optoelektronische Schaltung, insbesondere Infrarot-Fotodetektorschaltung, umfassend einen Fotodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und einen elektronischen Detektorschaltkreis, insbesondere einen CMOS-Schaltkreis, der zur Detektion und Verstärkung des im Fotodetektor generierten Fotostroms ausgebildet ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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