DD157744A1 - SILICON PHOTO DETECTOR - Google Patents
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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.Silicon photodetector with a high efficiency in a wide spectral range, which focuses in particular the long-wave radiation fraction in the boundary layer of the semiconductor detector. A silicon photodetector, consisting of a semiconductor layer with a photoelectric transition located on a surface and with a metal layer located on the opposite surface of the semiconductor layer, achieves the object according to the invention in that the surface of the semiconductor layer facing the photoelectric transition acts as a reflection hologram, which is a focal plane produced in the boundary layer, is structured. Furthermore, on the photoelectric transition an optically well-permeable layer u. a kinoform layer may be provided on this layer, the thickness of the optically well-permeable layer corresponding to the optical path length of the kinoform layer, and the kinoform layer also producing a focal surface in the boundary layer. The silicon photodetector is used as a radiation detector.
Description
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Titel Silizium-Fotodetektor Title silicon photodetector
Fotodetektoren dienen zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlen in elektrische Signale, sie werden als Strahlungsdetektoren eingesetzt.Photodetectors are used to convert electromagnetic radiation into electrical signals, they are used as radiation detectors.
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.There are radiation detectors are known which consist of a monocrystalline semiconductor substrate on which extends an epitaxial layer of semiconductor material of the same conductivity type as in the substrate and in the near-surface region is a zone of semiconductor material of opposite conductivity type, so that at the boundary layer of the oppositely conducting materials a pn-transition develops. It is also possible to generate the pn junction directly in the substrate by incorporating dopants into its near-surface region which form a conductivity type opposite to the substrate material. Since the light absorption of the active material, usually silicon, is the lower, the longer the wavelength of the incident light, a thick layer of active material was required to absorb the long wavelength fraction of the solar spectrum. To ensure that the life of the minority carrier produced is sufficiently large to generate a current, the active material had to be of high quality. A solar cell therefore consisted of a thick layer of high purity active material.
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.DE-OS 2509 533 describes a solar cell which has only a thin layer of only moderately pure active material, but absorbs sunlight to a great extent.
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.The solar cell consists of a transparent, at least a pair of opposing surfaces having substrate and arranged on one of these surfaces, the light incidence facing active layer of semiconducting material for conversion of light energy into electrical energy, the active layer consists of an η-conductive zone and a p-type zone and has a pn junction between the zones. In the surface of the substrate facing away from the incidence of light groove-shaped depressions and on the surface of the recesses a reflective layer are provided. By reflection at the reflecting layer and total reflection at the active layer, the sunlight passes through the active layer several times, so that a high absorption is achieved.
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.By using the means for total internal reflection and multiple reflection either limits for miniaturization of the detectors are set, or with the number of total internal reflections increasing reflection losses occur.
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-In DE-AS 1764 639 a photoelectric device is described in which the improvement of the quantum efficiency, the efficiency of the detectors, is achieved by bringing about a focussing of a part of the incident radiation in the boundary layers. The focusing in the boundary layers of the photoelectric device is achieved by a Fresnel optical system in integrated combination with the photoelectric device, the Fresnel optical system in the simplest case is a zone plate, which consists of a system of radiation-transmissive zones on a 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.permeable insulating layer are applied to the photoelectric device. Due to the focusing means only a part of the radiation is really focused. In addition, it is disadvantageous that Fresnel zone lenses have several focal points corresponding to the number of existing diffraction orders, which are not all in the boundary layer.
Ziel der Erfindung ist ein miniaturisierungsfrendlicher Fotodetektor mit hohem Wirkungsgrad in einem breiten Spektralbereich.The aim of the invention is a Miniaturaturisierungsfrendlicher photodetector with high efficiency in a wide spectral range.
'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 bestehendenThe invention has for its object to provide a silicon photodetector, which focuses in particular, the long-wave component of the incident radiation in aer boundary layer of the semiconductor detector. The object is achieved by a silicon photodetector with a semiconductor layer having at least one pair of opposing surfaces, which has on one surface a photovoltaic transition made of a η-conductive zone, a p-conductive zone and a pn junction located between the zones. Transition, at this surface has a boundary layer and on aer opposite surface has a metal layer, according to the invention solved in that the photoelectric transition surface opposite the semiconductor layer is structured as a reflection hologram, the reflection hologram according to the invention generates a focal surface in the boundary layer. Advantageously, the efficiency of the photodetector is increased by providing on the photoconductive transition an optically well-permeable layer and on this layer a kinoform layer, wherein the optically well-permeable layer consists of a transition from the semiconductor layer and domrachtelektriochen transition
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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.Or the thickness of the optically well-transmissive layer corresponds to the optical path length of the kinoform layer. It is advantageous if the number of diffraction orders of the kinoform layer is limited and preferably only those of the order of magnitude occur. Moreover, it is advantageous if the kinoform layer, the boundary layer and the surface of the semiconductor layer structured as a reflection hologram are optically conjugate.
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.Light incident on the photoelectric transition is partly absorbed in the semiconductor compound, with little absorption for long-wave radiation. This portion of the radiation is reflected by the reflection hologram and the metal layer after passing through the semiconductor layer. The reflection hologram creates a focal surface in the boundary layer so that the reflected radiation is largely focused in the boundary view. Due to the kinoform layer and the optically well-permeable layer whose thickness corresponds to the optical path length between the kinoform layer and the boundary layer, a portion of incident radiation is concentrated as partially diffuse radiation in the boundary layer into a focal surface; the proportion of radiation passing through the semiconductor layer is reflected by the reflection hologram and the metal layer in such a way that it is likewise focused in the boundary layer. By limiting the number of diffraction orders of the kinoform layer is achieved that only one focal surface exists and this is in the boundary layer. If the kinoform layer, the boundary layer and the reflection hologram are optically conjugate layers, it is achieved that, when coherent radiation is used or the otherwise partially coherent radiation components in the semiconductor material are present, the formation of a system of standing optical waves occurs.
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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.The invention will be explained in more detail with reference to two AusfDhrungsbeispiele shown in the drawing. The silicon photodetector according to the invention in FIG. 1 consists of a photoelectric transition 3, a semiconductor layer 6, a boundary layer 5 belonging to the semiconductor layer and a metal layer 8. The surface 7 of the semiconductor layer 5 is structured as a reflection hologram which generates a focal surface in the boundary layer 5. The incident radiation 4 is partly absorbed in the light and electrical junction 3 and in the semiconductor layer 1b, the long-wave radiation fraction being only slightly absorbed. This radiation component penetrates the semiconductor layer 6 and is reflected by the metal layer 8 and the reflection hologram on the surface 7 of the semiconductor layer 6 and focused in the boundary layer 5. A further photodetector according to the invention is shown in FIG. 2 and consists of a kinoform layer 1, an optically well-permeable layer 2, a photoelectric transition 3, a semiconductor layer 6 to which a boundary layer 5 belongs and whose surface 7 is structured as a reflection hologram, and a metal layer 8th.
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.The incident radiation 4 is concentrated by means of the kinoform layer 1 stored on the optically well-permeable layer 2 as partially diffuse radiation in the boundary layer 5 to form a focal surface. The particular long-wave radiation component penetrating the semiconductor layer 6 is reflected by the metal layer 8 and the reflection hologram structured on the surface 7 of the semiconductor layer 1b and focused in the boundary layer 5.
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