DD158198A3 - PHOTODIODE - Google Patents
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Abstract
Photodioden mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/oder zur Intensitaetsmessung, vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer Strahlung hoher Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise zur Anwendung in der Lichtnachrichtenuebertragung. Insbesondere handelt es sich um Halbleiterdioden mit mindestens einer Sperrschicht in Form eines PN- oder PIN-Uebergangs. Ziel der Erfindung sind Photodioden mit solchen optischen Strukturen, durch welche die bei konventionellen Photodioden durch unvollstaendige Absorption im Sperrschichtbereich auftretenden Umwandlungsverluste der Strahlungsenergie und zugleich die Reflexionsverluste fuer einen vorgegebenen Wellenlaengenbereich weitgehend aufgehoben werden. Das geschieht im wesentlichen durch die gemaess der Erfindungsansprueche vorgenommene Bemessung der optischen Schichtdicke des Halbleiters und dessen erfindungsgemaesse Hinterlegung mit einer Interferenzschichtenfolge.Photodiodes with high sensitivity for detection and / or intensity measurement, preferably monochromatic electromagnetic radiation of high pulse repetition frequencies, for example for use in the Lichtnachrichtenuebertragung. In particular, these are semiconductor diodes with at least one barrier layer in the form of a PN or PIN junction. The aim of the invention are photodiodes with such optical structures, by which the conversion losses of the radiation energy occurring in conventional photodiodes by incomplete absorption in the barrier layer region and at the same time the reflection losses for a given wavelength range are largely canceled. This is done essentially by the dimensioning of the optical layer thickness of the semiconductor made in accordance with the invention claims and its deposition according to the invention with an interference layer sequence.
Description
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Titel: Photodiode Title: Photodiode
Die Erfindung betrifft Photodioden mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/oder zur Intensitätsmessung, vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer Strahlung hoher Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise zur Anwendung in der Lichtnachrichtenübertragung.The invention relates to photodiodes with high sensitivity for the detection and / or intensity measurement, preferably monochromatic electromagnetic radiation high pulse repetition frequencies, for example, for use in the Lichtnachrichtenübertragung.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Photodioden zum Nachweis und/oder zur Intensitätsmessung elektromagnetischer Strahlung sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie bestehen meist aus einem Halbleiter mit mindestens einer Sperrschicht in Form eines als PN-Obergang, PIN-Obergang oder Schottky-Obergang ausgebildeten Bereichs, dessen elektrisches Feld der Trennung der von den eindringenden Photonen erzeugten freien Ladungsträgerpaare dient. Durch eine äußere, in Sperrrichtung angelegte elektrische Spannung wird ein äußerer Strom erzeugt, der monoton mit der Anzahl der absorbierten Photonen wächst, insoweit die Energie der eindringenden Photonen größer als der Energieabstand zwischen Va^- lenz- und Leitungsband des Halbleiters ist, bzw. insoweit die eindringende elektromagnetische Strahlung innerhalb des Spektralbereichs liegt, in welchem die Halbleitersubstanz absorbiert. Characteristic of the Known Technical Solutions: Photodiodes for detecting and / or measuring the intensity of electromagnetic radiation are known in numerous embodiments. They usually consist of a semiconductor with at least one barrier layer in the form of a PN junction, PIN transition or Schottky junction, whose electric field serves to separate the free charge carrier pairs generated by the penetrating photons. An external electric current applied in the reverse direction generates an external current which grows monotonically with the number of absorbed photons, insofar as the energy of the penetrating photons is greater than the energy gap between the semiconductor and conduction band of the semiconductor, or insofar the penetrating electromagnetic radiation lies within the spectral range in which the semiconductor substance absorbs.
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- 2 - 22 0 0 6 3- 2 - 22 0 0 6 3
Es ist bekannt, daß - in vereinfachter Betrachtungsweise - nur diejenigen Elektron-Loch-Paare für den Photostrom wirksam werden, die in dem von der Sperrschicht gebildeten Feld bzw. in der sogenannten "Verarmungszone" der PN-, PIN- oder Schottky-Struktur oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft gebildet werden, da weit außerhalb dieser Zone entstehende freie Ladungsträger vor ihrer Diffusion in das Feld der Sperrschicht rekombinieren.It is known that - in a simplified way - only those electron-hole pairs for the photocurrent are effective in the field formed by the barrier layer or in the so-called "depletion zone" of the PN, PIN or Schottky structure or be formed in their immediate vicinity, since far outside this zone resulting free charge carriers recombine before their diffusion in the field of the barrier layer.
Der Eindringtiefe der in den Halbleiter eindringenden Photonen kommt daher bezüglich der Empfindlichkeit von Photodioden eine hohe Bedeutung zu. Befindet sich nämlich das durch die Sperrschicht erzeugte elektrische Feld in einem Abstand von der Lichteintrittsfläche, die größer ist als die Eindringtiefe relativ energiereicher Photonen bzw. relativ kurzwelliger Strahlung, so werden diese Photonen für die Bildung des äußeren PhotostromsThe penetration depth of the photons entering the semiconductor is therefore of great importance with regard to the sensitivity of photodiodes. In fact, if the electric field generated by the barrier layer is located at a distance from the light entry surface which is greater than the penetration depth of relatively high-energy photons or relatively short-wave radiation, these photons become responsible for the formation of the outer photocurrent
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nicht oder nur wenig wirksam. Liegt das Sperrschichtfeld hingegen unmittelbar hinter der Eintrittsfläche, also innerhalb der Reichweite der energiereicheren Photonen, so werden bei bisher bekannten Photodioden-Anordnungen die Photonen niedrigerer Energie, welche relativ große Eindringtiefen besitzen bzw. die längerwellige Strahlung nur zu einem geringen Anteil für den Photoeffekt genutzt, weil sich die Absorption über einen Bereich des Halbleiters verteilt, der sehr viel größer ist als die Verarmungszone.not or only slightly effective. In contrast, if the junction field lies directly behind the entrance surface, that is to say within the range of the higher-energy photons, then the photons of lower energy which have relatively large penetration depths or the longer-wave radiation are utilized to a limited extent for the photoeffect in previously known photodiode arrangements, because the absorption spreads over a region of the semiconductor that is much larger than the depletion zone.
In den bisher bekannten Photodioden wird daher, insbesondere bei nur wenig über dem Bandabstand des Halbleiters liegenden Photonenenergien, die räumliche Übereinstimmung von Sperrschichtfeld bzw. Verarmungszone und Absorptionsbereich nicht oder nur ungenügend realisiert. Darüber hinaus treten bei den bekannten Halbleiterphotodioden hohe zusätzliche Verluste durch Reflexion an der Eintrittsfläche auf, die durch aufwendigeIn the photodiodes known hitherto, the spatial coincidence of the barrier layer field or depletion zone and the absorption region is therefore not or only insufficiently realized, in particular with photon energies lying only slightly above the band gap of the semiconductor. In addition, occur in the known semiconductor photodiodes high additional losses due to reflection at the entrance surface, which by consuming
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Entspiegelungsmaßnahmen kompensiert werden müssen.Antireflective measures must be compensated.
Ziel der Erfindung sind Photodioden, die einen solchen geometrischen Aufbau und eine solche optische Struktur aufweisen, daß die in bekanten Photodioden-Anordnungen \durch unvollständige Absorption im Sperrschichtbereich auftretenden Umwandlungsverluste bei vorgegebener Wellenlänge aufgehoben oder wesentlich herabgesetzt werden. Zugleich wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Beseitigung der bei Halbleitern im allgemeinen hohen Reflexionsverluste beim Eintritt der Strahlung bewirkt.The aim of the invention are photodiodes, which have such a geometric structure and such an optical structure, that in bekanten photodiode arrays occurring by incomplete absorption in the barrier region conversion losses at a given wavelength canceled or substantially reduced. At the same time, with the arrangement according to the invention, elimination of the generally high reflection losses in the case of semiconductors is effected when the radiation enters.
Darlegung des Wesens Presentation of the essence der the Erfindung;Invention;
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem HaIbleiter mit einer als PN- oder PIN-Übergang ausgebildeten Sperrschicht, wobei durch Hinterlegung des Halbleiters mit einer Interferenzschichtenfolge hohen Reflexionsgrades sowie durch geeignete Bemessung der Halbleiterdicke die effektive Eindringtiefe herabge-The arrangement according to the invention consists of a semiconductor with a barrier layer in the form of a PN or PIN junction, wherein the effective penetration depth is reduced by deposition of the semiconductor with an interference layer sequence of high reflectance and by suitable dimensioning of the semiconductor thickness.
setzt und auf die,se Weise ein sehr viel höherer Anteil der Strahlungsenergie bei der ,gewünschten Wellenlänge für den äußeren elektrischen Photostrom wirksam gemacht wird.and, in this way, a much higher proportion of the radiant energy is made effective at the desired wavelength for the external electrical photocurrent.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Halbleiter eine optische Dicke von η *d = m (\/A This object is inventively achieved in that the semiconductor has an optical thickness of η * d = m ( \ / A
aufweist, wobei Λ die gewünschte Wellenlänge ist, bei welcher der Absorptionskoeffizient des Halbleiters den Wert k annimmt, η die Brechungszahl des Halbleiters bei der Wellenlänge /\ bedeutet und m eine ganze Zahl in der Nähe des Wertes 2/fr»k ist. Die Interferenzschichtenfolge besteht gemäß der Erfindung aus /V /4-Schichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen bei geraden m bzw. mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen bei ungeraden m.where Λ is the desired wavelength at which the absorption coefficient of the semiconductor takes the value k, η is the refractive index of the semiconductor at the wavelength / \ and m is an integer near the value 2 / fr »k. According to the invention, the interference layer sequence consists of / V / 4 layers with alternately low and high refractive indices in the case of even m and with alternately high and low refractive indices in the case of odd m.
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Dabei kann entsprechend der Erfindung die erste Schicht ' der Interferenzschichtenfolge in Form einer elektrisch leitenden transparenten Schicht ausgebildet werden und die Funktion der rückwärtigen Elektrode ausüben.In this case, according to the invention, the first layer 'of the interference layer sequence can be formed in the form of an electrically conductive transparent layer and exert the function of the rear electrode.
Die Erfindung läßt für die Bemessung der Halbleiterdicken und der hinterlegten Interferenzschichtenfolge einen sowohl senkrecht als auch parallel zur Sperrschicht gerichteten Strahlungseinfall zu.For the dimensioning of the semiconductor thicknesses and the deposited interference layer sequence, the invention permits a radiation incidence directed both vertically and parallel to the barrier layer.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer (nicht maßstabsgerechten) Figur durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to a (not to scale) figure by an embodiment.
Es handelt sich um eine Photodiode aus einer amorphen Siliziumschicht, welche nach einer der bekannten Her-Stellungstechnologien erzeugt wurde, wobei die Sperrschicht in bekannter Weise durch eine PIN-Struktur, bestehend aus einem hoch dotierten P-Bereich 1, einem "Intrinsic"-Bereich hoher Halbleitenreinheit 2 und einem dotierten N-Bereich 3 gebildet wird. Die nachzuweisende bzw. zu messende Strahlung 4 der Wellenlänge 0,920,Um trifft senkrecht auf die PIN-Grenzflachen auf. Die Außenkontakte (in der Figur nicht gezeichnet), an welche die Dioden-Sperrspannung angelegt ist, können in bekannter Weise als Randkontakte ausgebildet werden. Die hinterlegte Interferenzschichtenfolge besteht aus vier Schichtpaaren, wobei die Einzelschichten mit den optischen Schichtdicken Λ/4 abwechselnd niedrige Brechungszahlen 5 (n = 1.34) und hohe Brechungszahlen 6 (n = 2.4), aufweisen; lediglich die erste, dem Halbleiter unmittelbar anliegende Interferenzschicht 7, die aus mit Indiumoxid dotiertem Zinnoxid besteht und als rückwärtige Elektrode dient, besitzt die dieser Substanz zukommende Brechungszahl von ungefähr 1.8. Das gesamte System befindet sich auf einer stabilen Unterlage 8, beispielsweise aus GlasIt is a photodiode of an amorphous silicon layer, which was produced according to one of the known Her-position technologies, wherein the barrier layer in a known manner by a PIN structure consisting of a highly doped P-region 1, an "intrinsic" area high semiconductor purity 2 and a doped N-region 3 is formed. The radiation 4 to be detected or measured of the wavelength 0.920, Um is perpendicular to the PIN interfaces. The external contacts (not shown in the figure), to which the diode blocking voltage is applied, can be formed in a known manner as edge contacts. The deposited interference layer sequence consists of four pairs of layers, wherein the individual layers with the optical layer thicknesses Λ / 4 have alternately low refractive indices 5 (n = 1.34) and high refractive indices 6 (n = 2.4); only the first, directly adjacent to the semiconductor interference layer 7, which consists of indium oxide doped tin oxide and serves as a rear electrode, has the substance of this substance refractive index of about 1.8. The entire system is located on a stable base 8, for example made of glass
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der Brechungszahl 1.5, die im Sinne der Erfindung keine wesentliche Funktion ausübt.the refractive index 1.5, which exercises no essential function in the context of the invention.
Brechungszahl und Absorptionskoeffizient der Siliziumschicht betragen bei der Wellenlänge 0,920,Um η = 3.80Refractive index and absorption coefficient of the silicon layer are at the wavelength 0.920, Um η = 3.80
und l< = 0,01. Dementsprechend ergibt sich für den Wert m, der der Festlegung der optischen Dicke dient, aus m a? 2/tf . k β 63,66 der ganzzahlige Wert m = 64, und damit wird die optische Dicke des Halbleiters η . d =and l <= 0.01. Accordingly, the value m that serves to determine the optical thickness is m a? 2 / tf. k β 63,66 the integer value m = 64, and thus the optical thickness of the semiconductor η. d =
m 7^/4 = 64 . Λ/4 bzw. die geometrische Dicke d = m fr. /4n = 3,874,um. Der P-Bereich ist mit ungefähr 0,1 bis 1 ,um bemessen".m 7 ^ / 4 = 64. Λ / 4 or the geometric thickness d = m fr. / 4n = 3,874, um. The P range is approximately 0.1 to 1 ".
Da die genaue Einstellung der optimalen Halbleiterdicke wegen möglicher geringfügiger Abweichungen von Brechungszahl und Absorptionskoeffizient auf direktem Wege kompli- ziert ist, wird während der Beschichtung in bekannter Weise der mit wachsender Schichtdicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der Wellenlänge 0,920,um gemessen, und der Beschichtungsprozeß wird abgebrochen, sobald das tiefste Reflexionsminimum erreicht ist. Errechnet man _ fur die mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Photodioden-Anordnung den Transmissionsgrad X , den Reflexionsgrad ^ und daraus die Absorption C*. der auf treffenden Strahlung der Wellenlänge 0,920,um, so erhält man für V ungefähr 2% und für ^ weniger als 0,0001%, so daß also ungefähr ''"98% der auf treffenden Strahlung in der Photodiode absorbiert werden, wobei der Absorptionsbereich entsprechend der geometrischen Anordnung nur wenig größer als das Sperrschichtfeld bzw. die Verarmungszone ist und somit alle auf treffenden Photonen für den Photostrom wirksam werden. Zugleich besitzt die in der beschriebenen Anordnung realisierte Verarmungszone größenordnungsmäßig einen solchen Wert, wie er aus bekannten Überlegungen und Berechnungen für die Verarbeitung sehr hoher Impulsfolgefrequenzen erforder-Since the exact setting of the optimum semiconductor thickness is directly complicated because of possible slight deviations from refractive index and absorption coefficient, the reflectance at the wavelength 0.920 μm measured with the increasing layer thickness and the coating process are measured in a known manner during the coating is canceled as soon as the lowest reflection minimum is reached. If one calculates the transmittance X , the reflectance und and hence the absorption C * for the photodiode arrangement described with this exemplary embodiment. for incident radiation of the wavelength 0.920 μm, for V approximately 2% and for weniger less than 0.0001% are obtained, so that approximately "98% of the incident radiation is absorbed in the photodiode, the absorption range According to the geometric arrangement, it is only slightly larger than the barrier layer or depletion zone, and thus all the photons are incident on the incident photons, while the depletion zone realized in the described arrangement has the same order of magnitude as known from known considerations and calculations for the Processing of very high pulse repetition frequencies required
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-s- 22 0 06 3-s 22 0 06 3
lieh ist.is lent.
Geht man davon aus, daß für schnelle Siliziumphotodioden die Verarmungszone eine Größe von 4,5,um nicht wesentlich überschreiten sollte und deshalb die Halbleiterbereiche in einer Entfernung ab etwa 5,5 ,um von der Eintrittsfläche nicht mehr wesentlich zur Bildung photostromwirksamer Absorptionsvorgänge beitragen, so ergibt sich für eine konventionelle Photodiodenanordnung bei den optischen Konstanten des Siliziums für die VVeI- ' lenlänge 0,920,Um, daß die einfallende Strahlung nur zu etwa 50% genutzt wird, weil die restlichen 50% in Halbleiterbereichen absorbiert werden, die wesentlich hinter der Verarmungszone liegen. Bei dieser Überlegung wurden die Reflexionsverlüste der Eintrittsfläche noch nicht einmal berücksichtigt. In Wirklichkeit ist also die Gesamtausbeute der auf treffenden Strahlung noch erheblich größer, wenn die Eintrittsfläche nicht weitgehend entspiegelt wird.Assuming that, for fast silicon photodiodes, the depletion zone should not exceed 4.5 by size, and therefore the semiconductor regions at a distance above about 5.5 to no longer significantly contribute to the formation of photocurrent-efficient absorption processes from the entrance surface For a conventional photodiode array with the optical constants of silicon for the vertical length 0.920, um, the incident radiation is used to only about 50% because the remaining 50% is absorbed in semiconductor regions that are substantially behind the depletion zone , With this consideration, the reflection losses of the entrance surface were not even considered. In reality, therefore, the overall yield of the incident radiation is still significantly greater if the entrance surface is not largely coated.
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