DE102004018549B4

DE102004018549B4 - Photodetektor mit spannungsabhängiger spektraler Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE102004018549B4
Application number: DE200410018549
Authority: DE
Inventors: Michel Dr. Marso; Mike Wolter; Peter Prof. Dr. Kordos
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: EP1756873A1; WO2005101529A1; DE102004018549A1

Abstract

Photodetektor mit wenigstens einer ersten (1) und zweiten Halbleiterschicht (2), mit Mitteln zur Kontaktierung einer Spannung (6, 7) an die Halbleiterschichten, mit einer Ausgestaltung, dass die Spannung in einem ersten Spannungsbereich so einstellbar ist, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht (1) begrenztes elektrisches Feld (8) zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugt wird und in einem zweiten Spannungsbereich einstellbar ist, dass sich das elektrische Feld (8) zusätzlich in die zweite Halbleiterschicht (2) zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger ausdehnt, mit einem jeweils zwischen den Halbleiterschichten angeordneten, hochleitenden Bereich (3), der ein Elektronen- oder Löchergas aufweist, wobei sich die erste und zweite Halbleiterschicht in ihrer spektralen Empfindlichkeit unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor sowie dessen Verwendung. Die spektrale Empfindlichkeit bekannter Photodetektoren wird in erster Linie durch die verwendeten Materialien vorgegeben. Eine Beeinflussung, d. h. spektrale Verschiebung der Empfindlichkeit wird durch Vorschalten von Filtern erreicht. So wird bei Photodektoren, die in einem Array angeordnet sind, beispielsweise bei einem CMOS-Sensor oder CCD, das Prinzip der additiven Farbmischung, die Farbmischung der drei Grundfarben Rot, Blau und Grün, angewandt. Mittels spezieller RGB-Farbfilter wird das sichtbare Licht in seine Bestandteile aufgeteilt und getrennt ausgewertet. Nachgeschaltete Software berechnet dann die einzelnen Informationen und fügt diese schließlich zu einem kompletten farbigen Bild zusammen.
Die Druckschriften DE 196 37 126 C2 , DE 196 13 820 A1 sowie M. Marso et al.: Electrical Behaviour oft he InP/InGaAs based MSM-„DEG Diode. In: Solid-State Electronics, 1997, Vol. 41, No. 1, S. 25–31, offenbaren photoempfindliche elektronische Bauelemente mit wenigstens einer ersten und zweiten Halbleiterschicht, mit Mitteln zur Kontaktierung einer Spannung an die Halbleiterschichten, mit einer Ausgestaltung, dass die Spannung in einem ersten Spannungsbereich so einstellbar ist, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht begrenztes elektrisches Feld zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugt wird und in einem zweiten Spannungsbereich einstellbar ist, dass sich das elektrische Feld (8) zusätzlich in die zweite Halbleiterschicht zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger ausdehnt. Aus der Druckschrift WO 96/13865 A1 geht ein Drei-Farbensensor hervor, der Schottkykontakte umfasst.
Beim so genannten „One-Shot-Verfahren” sind die Pixel auf dem Chip mit den RGB-Filtern bedampft. Damit erfolgt die Trennung der Grundfarben unmittelbar auf dem Chip selbst. Nachteil dieses Verfahren sind Einbußen in der Farbtreue und Detailzeichnung, da bei diesem Verfahren immer 3 oder 4 Pixel das Ausgangsmaterial für einen einzigen Bildpunkt liefern. Beim so genannten „Three-Shot-Verfahren spaltet ein komplexes Prismensystem das einfallende Licht spektral auf und lenkt es auf drei separate Flächensensoren. Diese wiederum bürgen für genauere Ergebnisse und höhere Farbtreue. Nachteil dieser Verfahren ist die Komplexität der gesamten Mechanik, die sehr aufwendig und dadurch auch mitunter störungsanfälliger sein kann als das One-Shot-Verfahren. Außerdem sind Photodetektoren mit übereinander geschichteten Farbsensoren für blau, grün und rot bekannt: die Foveon-X3 Technologie. Zur Farbseparation nutzt man die wellenlängenabhängige Eindringtiefe des Lichtes. Eine spannungsabhängige Steuerung der Empfindlichkeit der einzelnen Schichten ist nicht möglich. Aus „Stacked amorphous silicon color sensors", D. Kniop, P. G. Herzog und H. Stiebig, IEEE Transactions an Electron Devices, 49 (2002), 670–176 sind ferner Stapel unterschiedlich dotierter, amorpher Silizium- und Siliziumgermaniumschichten bekannt, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Die beiden letzt genannten Technologien weisen den Nachteil auf, dass die so hergestellten Detektoren vergleichsweise teuer sind und die elektrische Feldverteilung nachteilig für eine schnelle Abtastung senkrecht zur Bauelementoberfläche verläuft.
Aus „16 GHz Bandwith MSM Photodetector and 45/85 GHz fT/fmax HEMT prepared an an identical InGaAs/InP Layer Structure", M. Horstmann, K. Schimpf, M. Marso, A. Fox und P. Kordos, Electronics Letters Vol. 32, pp. 763–764 (1996) sind ferner MSM-2DEG Dioden als schnelle Photodetektoren bekannt. „Electrical Behaviour of the InP/InGaAs based MSM-2DEG Diode", M. Marso, M. Horstmann, H. Hardtdegen, P. Kordos und H. Lüth, Solid-State Electronics Vol. 41, pp. 25–31 (1997) offenbart die Verwendung einer MSM-2DEG Diode als Varaktor-Diode.
Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Nachteile ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Photodetektor sowie eine zugehörige Verwendungen bereitzustellen, der eine verbesserte, steuerbare Empfindlichkeit aufweist sowie vergleichsweise preiswert herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Photodetektor weist wenigstens eine erste und zweite Halbleiterschicht aus. Es sind Mittel zur Kontaktierung einer Spannung an die Halbleiterschichten vorgesehen. Dabei ist die Spannung in einem ersten Spannungsbereich so einstellbar, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht begrenztes elektrisches Feld zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugt wird. Der obere Grenzwert des ersten Bereichs ist von der Schichtdicke und dem verwendeten Material abhängig. Bei Einstellung der Spannung in einem zweiten Bereich, beispielsweise im Vergleich zum ersten Bereich von höherer Spannung, dehnt sich das elektrische Feld zusätzlich in die zweite oder weitere Halbleiterschicht zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger aus. Dadurch wird erreicht, dass durch Variation der anliegenden Spannung bei unveränderter Intensität des einstrahlenden Lichtes die Anzahl der photogenerierten Ladungsträger erhöht wird und damit der Photostrom sprunghaft ansteigt. Die Empfindlichkeit des Photodetektors ist somit im Vergleich einfach und effektiv zu regeln.
Jeweils zwischen den Halbleiterschichten ist ein hochleitender Bereich angeordnet. Hochleitender Bereich ist dabei so zu verstehen, dass die elektrische Leitfähigkeit gegenüber den Halbleiterschichten wesentlich erhöht ist. Die Anzahl der im hochleitenden Bereich vorhandenen freien Ladungsträger ist gegenüber den Halbleiterschichten erhöht.
Beispielsweise wird der hochleitende Bereich durch unterschiedliche elektrische Polarisation der angrenzenden Halbleiterschichten erreicht. Der elektrische Widerstand ist, vorausgesetzt die Ladungsträger erfahren hier keine Rückwärtsstreuung an Störungen, vorteilhaft auf einen materialunabhängigen Wert reduziert und hängt nur von den Fundamentalkonstanten h/e² (Klitzing-Konstante) ab. Die im hochleitenden Bereich vorhandenen freien Ladungsträger haben die vorteilhafte Wirkung, dass sie abschirmend auf das in der ersten Halbleiterschicht vorhandene elektrische Feld wirken. Werden die freien Ladungsträger aus dem hochleitenden Bereich entfernt, beispielsweise durch Anlegen der oben genannten Spannung, kann sich das elektrische Feld in die weiteren Halbleiterschichten ausdehnen. Durch diesen zusätzlichen Effekt wird erreicht, dass der Sprung in der Empfindlichkeit des Photodetektors bei Variation der anliegenden Spannung besonders ausgeprägt ist.
Der hochleitende Bereich weist ein Elektronen- oder Löchergas auf. Beispielsweise handelt es sich um ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG), das sich in der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht im Material mit der niedrigeren Bandlücke ausbildet.
Die erste und zweite Halbleiterschicht unterscheiden sich in ihrer spektralen Empfindlichkeit. Dadurch wird erreicht, dass sich die spektralen Empfindlichkeiten durch Variation der anliegenden Spannung verändern und einstellen lassen. In Abhängigkeit der anliegenden Halbleiterschichten tragen unterschiedliche Halbleiterschichten zum Photostrom bei und ihre Empfindlichkeiten addieren sich. So kann es in Abhängigkeit der gewählten Materialien zu einer ausgeprägten spektralen Abhängigkeit der Empfindlichkeit kommen, die insbesondere spannungsabhängig unterschiedliche Verläufe zeigt. Die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors lässt sich so leicht durch Veränderung der anliegenden Spannung einstellen. Es müssen für verschiedene Spektren des zu detektierenden Lichts keine unterschiedlichen Detektoren oder mit Verlust behaftete Filter eingesetzt werden. Ferner kann dieser Effekt ausgenutzt werden, um bei spannungsabhängiger Aktivierung weiterer Schichten eine möglichst gleichmäßige Empfindlichkeit über einen bestimmten Wellenlängenbereich oder sich über einen möglichst großen Wellenlängenbereich erstreckende Empfindlichkeit zu erreichen. Im Folgenden sind die Empfindlichkeitsmaxima einiger der verwendeten Halbleitermaterialien angegeben. Dies ist auch jeweils die größte Wellenlänge, bei der die entsprechenden Materialien noch empfindlich sind.

GaAs 870 nm

AlAs 564 nm

InP 932 nm

InGaAs (gitterangepasst auf InP) 1700 nm

InAlAs (gitterangepasst auf InP) 867 nm
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der hochleitende Bereich durch eine gegenüber den Halbleiterschichten erhöhte Dotierung erreicht.
Dadurch kann der hochleitende Bereich vergleichsweise einfach hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zur Kontaktierung an der ersten Halbleiterschicht vorgesehen. Beispielsweise sind sie an der Oberseite, also an der von der Substratschicht weg liegenden Seite, vorgesehen. Dadurch kann der Aufbau des Photodetektors vergleichsweise einfach gehalten werden und auf bekannte Halbleitertechnologie, wie Epitaxie und Photolithografie, zurückgegriffen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen ohmschen Kontakt auf. Bei einem ohmschen Kontakt ist der Spannungsabfall im Vergleich zu einem in Durchlass geschalteten Schottky- oder pn-Kontakt kleiner, so dass mehr Spannung für das Sammeln der lichtinduzierten Ladungsträger zur Verfügung steht.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen Schottky-Kontakt, barrierenerhöhten Schottky-Kontakt oder pn-Kontakt auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Raumladungszone erzeugt. Am einfachsten geschieht dies durch einen in Sperrrichtung geschalteten Schottkykontakt. Bei einigen Halbleitern, z. B. InAs oder InGaAs mit geringem Ga-Anteil, ist die Schottkybarriere zu niedrig (hohe Sperrströme, kleine Durchbruchspannung) oder das Vorsehen eines Schottkykontaktes gar nicht möglich. In diesen Fällen wird die Raumladungszone durch einen barrierenerhöhten Schottkykontakt oder durch einen pn-Übergang erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der Photodetektor aus einer Metall-Halbleiter-Metall Diode, wobei der Halbleiter den Schichtaufbau eines High-Electron-Mobility-Transistors (HEMT) aufweist. Damit beruht der Detektor ausschließlich auf der etablierten HEMT-Technologie und ist problemlos in HEMT-Schaltungen zu integrieren. Ferner weist der Photodetektor die besonderen Vorteile der HEMT-Technologie auf: hohe Schaltgeschwindigkeiten, vergleichsweise geringe Empfindlichkeit gegen ionisierende Strahlung. Bei der MSM-Technologie handelt es sich um eine planare Technologie, d. h. entsprechende Detektoren sind sehr einfach in wenigen Prozessschritten und damit preiswert herzustellen. MSM-Bauelemente haben bei gleicher Fläche eine viel niedrigere elektrische Kapazität als herkömmliche Detektoren in Form von pn-Dioden und arbeiten deshalb erheblich schneller, was ihrem Einsatz in der digitalen Bildverarbeitung entgegen kommt.
Beispielsweise handelt es sich um die folgenden Schichtkombinationen (erste/zweite Schicht):
InP/InGaAs
InAlAs/InGaAs
AlGaAs/GaAs
AlGaN/GaN.
Zu den Figuren:
1 zeigt den Schichtaufbau eines Photodetektors mit HEMT-Schichtaufbau;
2 zeigt den Feldverlauf des elektrischen Feldes, das auf die erste Halbleiterschicht begrenzt ist;
3 zeigt die Ausdehnung des elektrischen Feldes in die zweite Halbleiterschicht;
4a zeigt die Photoempfindlichkeit in Abhängigkeit der Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes der einzelnen Schichten unabhängig voneinander;
4b zeigt die Photoempfindlichkeit in Abhängigkeit der Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes des Photodetektors.
Beim Photodetektor in 1 handelt es sich um eine MSM-2DEG Photodiode (Metall-Halbleiter-Metall-Diode mit 2-dimensionalem Elektronengas). Diese weist einen HEMT-Schichtaufbau 5 auf, der im Wesentlichen aus zwei Schichten unterschiedlicher Halbleiter: einer ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2 besteht, diese sind auf einem Substrat 4 oder weiteren nicht gezeigten Pufferschichten aufgebracht und weisen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf. An der Grenzfläche der Schichten 1 und 2 bildet sich im Material mit der niedrigeren Bandlücke ein Bereich 3 mit 2-diensionalem Elektronengas (2DEG) aus. Dieser Bereich 3 kann durch geeignete Dotierung oder durch unterschiedliche elektrische Polarisation der beiden Halbleiter oder durch Kombination der beiden Maßnahmen erzeugt werden. Die Mittel zur Kontaktierung einer Spannung an die Halbleiterschichten umfassen zwei Elektroden 6 und 7, die in Form von Schottky-Kontakten ausgestaltet sind. Beim Anlegen einer Spannung zwischen beiden Kontakten 6 und 7 wird ein Schottky-Kontakt in Durchlassrichtung, der andere in Sperrrichtung geschaltet. Die Elektroden weisen eine Zweifinger- oder interdigitale Multifingerstruktur auf, die Fingerbreite beträgt beispielsweise 100 nm–10 μm und der Fingerabstand 100 nm–10 μm; beide brauchen in Ihrer Bemaßung jedoch nicht übereinstimmen.
Bei niedriger Spannung V1 wird, wie in 2 gezeigt ist, die Ausdehnung der Raumladungszone des in Sperrrichtung gepolten Kontakts vom hochleitenden 2DEG begrenzt. Ein elektrisches Feld 8 kann sich nur in der ersten Halbleiterschicht 1 zwischen 2DEG und Oberfläche ausbilden. Bei Beleuchtung können deshalb auch nur photogenerierte Ladungsträger aus diesem Bereich zur Erzeugung eines Photostroms beitragen.
Bei Erhöhung der angelegten Spannung auf einen Wert V2, wie in 3 gezeigt ist, entleert die Raumladungszone des in Sperrrichtung geschalteten Kontaktes das 2DEG. Das elektrische Feld 8 kann sich dann auch in die zweite Halbleiterschicht 2 ausdehnen. Bei einer Spannung V2, tragen also photogenerierte Ladungsträger aus beiden Schichten zum Photostrom bei.
4a zeigt die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Halbleiterschichten im Einzelvergleich, die bei der MSM-2DEG zu den beiden spannungsabhängigen Kurvenverläufen gemäß 4b kumulieren. Es zeigt sich in Abhängigkeit der anliegenden Spannung deutlich unterschiedliche Verläufe der spektralen Empfindlichkeit.

Claims

Photodetektor mit wenigstens einer ersten (1) und zweiten Halbleiterschicht (2), mit Mitteln zur Kontaktierung einer Spannung (6, 7) an die Halbleiterschichten, mit einer Ausgestaltung, dass die Spannung in einem ersten Spannungsbereich so einstellbar ist, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht (1) begrenztes elektrisches Feld (8) zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugt wird und in einem zweiten Spannungsbereich einstellbar ist, dass sich das elektrische Feld (8) zusätzlich in die zweite Halbleiterschicht (2) zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger ausdehnt, mit einem jeweils zwischen den Halbleiterschichten angeordneten, hochleitenden Bereich (3), der ein Elektronen- oder Löchergas aufweist, wobei sich die erste und zweite Halbleiterschicht in ihrer spektralen Empfindlichkeit unterscheiden.
Photodetektor nach Anspruch 1, wobei der hochleitende Bereich (3) eine gegenüber den Halbleiterschichten erhöhte Dotierung aufweist.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Mittel zur Kontaktierung (6, 7) an der ersten Halbleiterschicht (1) vorgesehen sind.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen ohmschen Kontakt umfassen.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Mittel zur Kontaktierung (6, 7) wenigstens einen Schottky-Kontakt umfassen.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen barrierenerhöhten Schottky-Kontakt umfassen.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen pn-Kontakt umfassen.
Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aus einer Metall-Halbleiter-Metall Diode, wobei der Halbleiter den Schichtaufbau (5) eines High-Electron-Mobility-Transistors aufweist.
Vorrichtung mit einem Array mehrerer Photodetektoren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche in der optischen Bilderfassung.