DD157744A1

DD157744A1 - Silizium-fotodetektor

Info

Publication number: DD157744A1
Application number: DD81228739A
Authority: DD
Inventors: Lutz Wolf; Hartmut Reichstein
Original assignee: Lutz Wolf; Hartmut Reichstein
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1982-12-01
Also published as: DE3201185A1

Abstract

Silizium-Fotodetektor mit einem hohen Wirkungsgrad in einem breiten Spektralbereich, der insbesondere den langwelligen Strahlungsanteil in der Grenzschicht des Halbleiterdetektors konzentriert. Ein Silizium-Fotodetektor, bestehend aus einer Halbleiterschicht mit einem auf einer Oberflaeche befindlichen lichtelektrischen Uebergang und mit einer auf der gegenueberliegenden Oberflaeche der Halbleiterschicht befindlichen Metallschicht, loest die Aufgabe erfindungsgemaess dadurch, dass die dem lichtelektrischen Uebergang gegenueberliegende Oberflaeche der Halbleiterschicht als Reflexionshologramm, das eine Brennflaeche in der Grenzschicht erzeugt, strukturiert ist. Weiterhin kann auf dem lichtelektrischen Uebergang eine optisch gut durchlaessige Schicht u. auf dieser Schicht eine Kinoformschicht vorgesehen sein, wobei die Dicke der optisch gut durchlaessigen Schicht der optischen Weglaenge der Kinoformschicht entspricht und die Kinoformschicht ebenfalls eine Brennflaeche in der Grenzschicht erzeugt. Der Silizium-Fotodetektor findet als Strahlungsdetektor Anwendung.

Description

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Titel Silizium-Fotodetektor

Anwendungsgebiet der Erfindung

Fotodetektoren dienen zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlen in elektrische Signale, sie werden als Strahlungsdetektoren eingesetzt.

Charakteristik der bekennten technischen.Losungen

Es sind Strahlungsdetektoren bekannt, die aus einem monokristallinen Halbleitersubstrat bestehen, auf dem sich eine epitaktische Schicht aus Halbleitermaterial gleichen Leitungstyps wie im Substrat erstreckt und in deren oberflächennahem Gebiet sich eine Zone mit Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps befindet, so daß sich an der Grenzschicht der entgegengesetzt leitenden Materialien ein pn-übergang herausbildet. Es ist auch möglich, den pn-Obergang direkt im Substrat zu erzeugen, indem man in sein oberflächennahes Gebiet dotierende Stoffe einbaut, die einen dem Substratmaterial entgegengesetzten Leitungstyp bilden. Da die Lichtabsorption des aktiven Materials, üblicherweise Silizium, umso geringer ist, je länger die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes ist, war zur Absorption des langwelligen Anteiles des Sonnenspektrums eine dicke Schicht aus aktivem Material erforderlich. Um sicherzustellen, daß die Lebensdauer des erzeugten Minoritätsträgers hinreichend groß zur Erzeugung eines Stromes ist, mußte das aktive Material von hoher Qualität sein. Eine Sonnenzelle bestand daher aus einer dicken Schicht hochreinem aktiven Materials.

In DE-OS 2509 533 ist eine Sonnenzelle beschrieben, die nur eine dünne Schicht nur mäßig reinen aktiven Materials aufweist, dabei jedoch das Sonnenlicht in hohem Maße absorbiert.

Die Sonnenzelle besteht aus einem transparenten, wenigstens ein Paar gegenüberliegender Oberflächen aufweisenden Substrat und einer auf einer dieser Oberflächen angeordneten, dem Lichteinfall zugewandten aktiven Schicht aus halbleitendem Material zur Umwandlung von Lichtenergio in elektrische Energie, Die aktive Schicht besteht aus einer η-leitenden Zone und einer p-leitenden Zone und weist zwischen den Zonen einen pn-übergang auf. In der dem Lichteinfall abgewandten Oberfläche des Substrates sind nutförmige Vertiefungen und auf der Oberfläche der Vertiefungen eine reflektierende Schicht vorgesehen. Durch Reflexion an der reflektierenden Schicht und Totalreflexion an der aktiven Schicht durchläuft das Sonnenlicht die aktive Schicht mehrfach, so daß eine hohe Absorbtion erzielt wird.

Durch Anwendung der Mittel zur inneren Total- und Mehrfachreflexion sind entweder Grenzen für eine Miniaturisierung der Detektoren gesetzt, oder mit der Zahl der inneren Totalreflexionen treten zunehmende Reflexionsverluste auf.

In DE-AS 1764 639 ist ein lichtelektrisches Bauelement beschrieben, bei dem die Verbesserung der Quantenausbeute, der Wirkungsgrad der Detektoren, durch Herbeiführung einer Fokussierung eines Teils der einfallenden Strahlung in den Grenzschichten erreicht wird. Die Fokussierung in den Grenzschichten des lichtelektrischen Bauelementes wird durch ein Fresnel-optisches System in integrierter Vereinigung mit dem lichtelektrischen Bauelement erzielt, wobei das Fresnel-optische System im einfachsten Fall eine Zonenplatte ist, die aus einem System von strahlungsdurchlässigen Zonen besteht, die auf einer strah-

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lungsdurchlässigen Isolierschicht auf dem lichtelektrischen Bauelement aufgebracht sind. Durch die fokussierenden Mittel wird nur ein Teil der Strahlung wirklich fokussiert. Außerdem ist es nachteilig, daß Fresnelsche-Zonenlinsen entsprechend der Zahl der vorhandenen Beugungsordnungen mehrere Brennpunkte besitzen, die nicht alle in der Grenzschicht liegen.

Ziel der Erfindung ist ein miniaturisierungsfrendlicher Fotodetektor mit hohem Wirkungsgrad in einem breiten Spektralbereich.

Darlegung des Wesens der Erfindung

'Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Silizium-Fotodetektor zu schaffen, der insbesondere, den langwelligen Anteil der einfallenden Strahlung in aer Grenzschicht des Halbleiterdetektors konzentriert. Die Aufgabe wird durch einen Silizium-Fotodetektor mit einer wenigstens ein Paar gegenüberliegender Oberflächen aufweisenden Halbleiterschicht, die auf einer Oberfläche einen aus Halbleitermaterial best.ehenden lichtelektrischen Obergang aus einer η-leitenden Zone, einer p-leitenden Zone und einem zwischen den Zonen befindlichen pn-übergang, an dieser Oberfläche eine Grenzschicht und auf aer gegenüberliegenden Oberfläche eine Metallschicht aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem lichtelektrischen Obergang gegenüberliegende Oberfläche der Halbleiterschicht als Reflexionshologramm strukturiert ist, wobei das Reflexionshologramm erfindungsgemäß eine Brennfläche in der Grenzschicht erzeugt. Vorteilhaft wird der Wirkungsgrad des Fotodetektors dadurch erhöht, indem auf dem lichtelektrischen Übergang eine optisch gut durchlässige Schicht und auf dieser Schicht eine Kinoformschicht vorgesehen sind, wobei die optisch gut durchlässige Schicht einem aus der Halbleitorschicht und dom liehtelektriochen übergang bestehenden

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Halbleiterverbund angehören oder eine andere Schicht sein kann'und die Dicke der optisch gut durchlässigen Schicht der optischen Weglänge der Kinoformschicht entspricht. Es ist vorteilhaft, wenn die Zahl der Beugungsordnungen der Kinoformschicht begrenzt ist und vorzugsweise nur solche +^ 1. Ordnung auftreten. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Kinoformschicht, die Grenzschicht und die als Reflexionshologramm strukturierte Oberfläche der Halbleiterschicht optisch konjugiert sind.

Auf den lichtelektrischen Obergang einfallendes Licht wird zum Teil im Halbleiterverbund absorbiert, wobei für langwellige Strahlung eine geringe Absorption zu verzeichnen ist. Dieser Anteil der Strahlung wird nach Durchgang durch die Halbleiterschicht durch das Reflexionshologramm und die Metallschicht reflektiert. Das Reflexionshologramm erzeugt eine Brennfläche in der Grenzschicht, so daß die reflektierte Strahlung zum großen Teil in der Grenzshicht fokussiert wird. Durch die Kinoformschicht und die optisch gut durchlässige Schicht, deren Dicke der optischen Weglänge zwischen der Kinoformschicht und der Grenzschicht entspricht, wird ein Teil äer einfallenden Strahlung als teilweise diffuse Strahlung in der Grenzschicht zu einer Brennfläche gebündelt; der die Halbleiterschicht durchgehende Strahlungsanteil wird durch das Reflexionshologramm und die Metallschicht so reflektiert, daß er •ebenfalls in der Grenzschicht fokussiert wird. Durch die Begrenzung der Zahl der Beugungsordnungen der Kinoformschicht wird erreicht, daß nur eine Brennfläche existiert und diese in der Grenzschicht liegt. Sind die Kinoformschicht, die Grenzschicht und das Reflexionshologramm optisch konjugierte Schichten, wird erreicht, daß es bei Verwendung kohärenter Strahlung bzw. bei den sonst vorhandenen partiell kohärenten Strahlungsanteilen im Halbleitermaterial zur Ausbildung eines Systems stehender optischer Wellen kommt.

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Ausföhrungsbeispiele

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung dargestellter AusfDhrungsbeispiele näher erläutert. Der erfindungsgemäße Silizium-Fotodetektor in Figur 1 besteht aus einem lichtelektrischen Übergang 3, einer Halbleiterschicht 6, einer zur Halbleiterschicht gehörenden Grenzschicht 5 und einer Metallschicht 8. Die Oberfläche 7 der Halbleiterschicht 5 ist als Reflexionshologramm strukturiert, das eine Brennfläche in der Grenzschicht 5 erzeugt. Die einfallende Strahlung 4 wird zum Teil im licht&ektrischen Übergang 3 und in der Halbleiterschicht б absorbiert, wobei der langwellige Strahlungsanteil nur gering absorbiert wird. Dieser Strahlungsanteil durchdringt die Halbleiterschicht 6 und wird durch die Metallschicht 8 und das Reflexionshologramm an der Oberfläche 7 der Halbleiterschicht 6 reflektiert und in der Grenzschicht 5 fokussiert. Ein., weiterer erfindungsgemäßer Fotodetektor ist in Figur 2 dargestellt und besteht aus einer Kinoformschicht 1, einer optisch gut durchlässigen Schicht 2, einem lichtelektrischen Übergang 3, einer Halbleiterschicht 6, der eine Grenzschicht 5 angehört und deren Oberfläche 7 als Reflexionshologramm strukturiert ist und einer Metallschicht 8.

Die einfallende Strahlung 4 wird mittels der auf der optisch gut durchlässigen Schicht 2 gelagerten Kinoformschicht 1 als teilweise diffuse Strahlung in der Grenzschicht 5 zu einer Brennfläche gebündelt. Der die Halbleiterschicht 6 durchdringende insbesondere langwellige Strahlungsanteil wird durch die Metallschicht 8 und das an der Oberfläche 7 der.Halbleiterschicht б strukturierte Reflexionshologramm reflektiert und in der Grenzschicht 5 fokussiert.

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Claims

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1. Silizium-Fotodetektor mit einer wenigstens ein Paar gegenüberliegender Oberflächen aufweisenden Halbleiterschicht, die auf einer Oberfläche einen aus Halbleitermaterial bestehenden lichtelektrischen Obergang aus einer n-leitenden Zone, einer p-leitenden Zone und einem zwischen den Zonen befindlichen pn-Obergang, an dieser Oberfläche eine Grenzschicht und auf der gegenüberliegenden Oberfläche eine Metallschicht aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die dem lichtelektrischen Obergang (3) gegenüberliegende Oberfläche (7) der Halbleiterschicht (6) als. Reflexionshologramm strukturiert ist.

2. Silizium-Fotodetektor nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß auf dem lichtelektrischen Obergang (3) eine optisch gut durchlässige Schicht (2) und auf dieser Schicht eine Kinoformschicht (1) vorgesehen sind,

3. Silizium-Fotodetektor nach Punkt 1 oder 2igekennzeichnet dadurch, daß das auf der Oberfläche (7) der Halbleiterschicht (6) befindliche Reflexionshologramm eine Brennfläche in der Grenzschicht (5) erzeugt.

4. Silizium-Fotodetektor nach Punkt 2,gekennzeich~ net dadurch, daß die optisch gut durchlässige Schicht (2) einem aus der Halbleiterschicht (6) und dem lichtelektrischen Obergang (3) bestehenden Halbleiterverbund angehören oder eine andere Schicht sein kann und die Dicke der optisch gut durchlässigen Schicht (2) der optischen Weglänge der Kinoformschicht (1) entspricht.

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5. ^ilizium-Fotodetektor nach Punkt 2,gekennzeichnet dadurch, daß die Zahl der Beugungsordnungen der Kinoformschicht (1) begrenzt ist und vorzugsweise nur solche +_ 1, Ordnung auftreten.

6, Silizium-Fotodetektor nach Purkt 2,gekennzeichnet dadurch, daß die Kinoformschicht (1), die Grenzschicht (5) und die als Reflexionshologramm strukturierte Oberfläche (7) der Halbleiterschicht (6) optisch konjugiert sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnungjon