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Die Erfindung betrifft ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement, insbesondere eine Fotodiode oder eine Solarzelle.
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Strahlungsdetektierende Halbleiterbauelemente, die auf den Materialien Silizium und Germanium basieren, werden zum Beispiel zur Herstellung von CMOS-kompatiblen Sensoren eingesetzt. Germanium-Silizium-Detektoren sind insbesondere für den nahen infraroten Spektralbereich bei Wellenlängen von mehr als 1000 nm geeignet.
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Bei Wellenlängen von mehr als 1100 nm erfolgt die Strahlungsabsorption im Wesentlichen in der Germanium-Schicht eines Germanium-Silizium-Detektors, da Silizium im infraroten Spektralbereich für Strahlung transparent ist. Die strahlungsabsorbierende Germanium-Schicht kann beispielsweise durch Heteroepitaxie auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden.
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Da die Absorptionslänge bei senkrechtem Strahlungseinfall durch die Dicke der Germanium-Schicht bestimmt wird, kann mit einer vergleichsweise dicken Germanium-Schicht eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Allerdings erhöht sich dadurch die Transitzeit der Ladungsträger, das heißt die Zeit, welche die erzeugten Ladungsträger zum Durchqueren der Absorptionsschicht benötigen. Durch eine Erhöhung der Schichtdicke der strahlungsabsorbierenden Schicht wird daher die Geschwindigkeit des Detektors und somit die Frequenzbandbreite des Detektors limitiert.
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Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, einen Detektor mit vergleichsweise dünner Germanium-Schicht innerhalb eines optischen Resonators hoher Güte herzustellen. Bei einer anderen Lösung wird eine Detektorgeometrie verwendet, bei der das Licht parallel zum Substrat in einen Wellenleiter eingekoppelt wird, dessen Kern aus dem Germanium-Absorber besteht. Die Ladungsträgerabführung erfolgt in diesem Fall senkrecht zur Richtung des Strahlungseinfalls, so dass die Transitlänge und die Absorptionsstrecke voneinander entkoppelt werden.
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Beide bekannten Lösungsansätze führen zu einer Erhöhung des Herstellungsaufwands. Die Verwendung von Resonatorstrukturen schränkt außerdem die optische Bandbreite ein.
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Die Druckschrift US 2012 / 0 234 382 A1 beschreibt eine Solarzelle, bei der eine Oberfläche eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist.
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Die Druckschrift US 2011 / 0 132 456 A1 betrifft eine Solarzelle, bei der monokristallines Silizium und eine SiGe-Schicht integriert sind.
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In der Druckschrift US 2012 / 0 167 973 A1 ist eine Solarzelle mit einem Halbleitersubstrat angegeben, bei dem eine Vorderseite des Halbleitersubstrats Nanostäbe aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement anzugeben, das sich durch eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere im infraroten Spektralbereich, auszeichnet und für Anwendungen bei hohen Frequenzen geeignet ist. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement soll sich weiterhin durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ein Siliziumsubstrat, das eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur einer Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Siliziumsubstrat hinein erstreckt.
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Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats ist vorzugsweise eine stochastische Struktur, dass heißt eine Struktur, die statistisch verteilte Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Eine stochastische Oberflächenstruktur kann beispielsweise mit vorteilhaft geringem Herstellungsaufwand durch einen Plasmaätzprozess erzeugt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren ist es vorteilhaft nicht notwendig, eine Maskenschicht auf die Oberfläche aufzubringen und zu strukturieren. Mit anderen Worten wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise mit einem maskenfreien Verfahren hergestellt.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Oberflächenstruktur eine deterministische Struktur ist, die beispielsweise durch ein Lithografieverfahren hergestellt wird.
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Weiterhin umfasst das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement eine strahlungsabsorbierende Schicht, die zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet ist. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist daher insbesondere zur Detektion von Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich geeignet. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere für Strahlung empfindlich, deren Wellenlänge oberhalb der Absorptionskante von Silizium liegt.
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Durch die der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements zugewandte Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats wird vorteilhaft eine reflexionsmindernde Wirkung für die einfallende Strahlung erzielt und auf diese Weise die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements erhöht. Insbesondere wird die einfallende Strahlung an der Oberfläche des Halbleiterbauelements, das das strukturierte Siliziumsubstrat aufweist, geringer reflektiert als bei einem Halbleiterbauelement mit einem ebenen Siliziumsubstrat.
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Darüber hinaus kann mit der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats nicht nur eine reflexionsmindernde Wirkung erzielt werden, sondern auch die Absorption in der strahlungsabsorbierenden Schicht verstärkt werden. Die Erhöhung der Absorption in der strahlungsabsorbierenden Schicht beruht insbesondere auf einer Streuung von Strahlung an der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats. Insbesondere wird zumindest ein Teil der einfallenden Strahlung derart an der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats gestreut, dass sie an einer gegenüberliegenden Grenzfläche des Halbleiterbauelements totalreflektiert wird. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement wird daher zumindest von einem Teil der einfallenden Strahlung zweifach oder sogar mehrfach durchquert, wodurch sich die Absorption in der strahlungsabsorbierenden Schicht erhöht.
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Die strahlungsabsorbierende Schicht weist vorteilhaft eine Dicke von weniger als 1 µm auf. Dadurch, dass das Siliziumsubstrat mit der Oberflächenstruktur durch eine Verminderung der Reflexion und durch Streuung der einfallenden Strahlung die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements erhöht, kann vorteilhaft mit einer vergleichsweise dünnen strahlungsabsorbierenden Schicht eine hohe Absorption erzielt werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der strahlungsabsorbierenden Schicht weniger als 500 nm, besonders bevorzugt weniger als 200 nm. Die geringe Schichtdicke der strahlungsabsorbierenden Schicht hat den Vorteil, dass sich die Transitzeit der erzeugten Ladungsträger vermindert. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement kann insbesondere zur Detektion von gepulster Strahlung mit einer Frequenz von mehr als 50 GHz vorgesehen sein.
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Die Funktion der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats als reflexionsmindernde Struktur und als lichtstreuende Struktur können durch die Größen der Strukturelemente der Oberflächenstruktur gezielt beeinflusst werden. Die Strukturelemente sind zum Beispiel eine Vielzahl von vorzugsweise statistisch verteilten Erhebungen.
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Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats Strukturelemente auf, deren Breite im Mittel zwischen 10 nm und 5 µm beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Breite der Strukturelemente zwischen nicht mehr als 1 µm, beispielsweise zwischen 100 nm und 1 µm. Die Breite der Strukturelemente ist vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung.
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Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats bewirkt einen Brechungsindexgradienten zum Umgebungsmedium oder zu einer an das Siliziumsubstrat angrenzenden Schicht. Dadurch wird die Reflexion der einfallenden Strahlung an einer Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements vermindert.
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Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats weist vorzugsweise Strukturelemente auf, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt. Die Höhe der Strukturelemente ist vorzugsweise größer als die Breite der Strukturelemente. Die Oberflächenstruktur zeichnet sich vorteilhaft durch ein hohes Aspektverhältnis aus. Das Aspektverhältnis der Oberflächenstruktur, das heißt das Verhältnis der Höhe zur Breite der Strukturen, beträgt vorteilhaft mindestens 1, bevorzugt mindestens 2, mindestens 5 oder sogar mindestens 10.
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Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats kann insbesondere nadelförmige Strukturen aufweisen. Die Herstellung derartiger Strukturen mit einem Plasmaätzverfahren ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert.
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Die strahlungsabsorbierende Schicht enthält vorzugsweise Germanium oder besteht daraus. Germanium ist insbesondere zur Herstellung eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements für Wellenlängen, die größer als 1100 nm sind, geeignet. Alternativ kann die strahlungsabsorbierende Schicht ein anderes Material, das zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet ist, aufweisen. Beispielsweise kann die strahlungsabsorbierende Schicht ein Metall oder Silizid wie beispielsweise Au oder PtSi aufweisen.
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Die strahlungsabsorbierende Schicht ist bei einer Ausgestaltung zwischen der Strahlungseintrittsfläche und dem Siliziumsubstrat angeordnet. Insbesondere kann die strahlungsabsorbierende Schicht auf der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats angeordnet sein. Die strahlungsabsorbierende Schicht ist vorzugsweise derart dünn, dass sie die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats im Wesentlichen konform nachbildet. Insbesondere ist die strahlungsabsorbierende Schicht vorteilhaft nicht derart dick, dass sie die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats planarisiert. Dadurch, dass die strahlungsabsorbierende Schicht die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats nachbildet, weist die Anordnung aus dem strukturierten Siliziumsubstrat und der strahlungsabsorbierenden Schicht in der Einfallsrichtung der einfallenden Strahlung einen Brechungsindexgradienten auf, durch den die Reflexion der einfallenden Strahlung vermindert wird.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements ist die strahlungsabsorbierende Schicht an einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüberliegenden Rückseite des Siliziumsubstrats angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung trifft die einfallende Strahlung zunächst auf die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats und erreicht die strahlungsabsorbierende Schicht nach der Durchquerung des Siliziumsubstrats. Die Rückseite des Siliziumsubstrats kann bei dieser Ausgestaltung eine ebene Fläche sein. Bei dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die Brechungsindizes des Siliziumsubstrats und der strahlungsabsorbierenden Schicht vorzugsweise nur geringfügig voneinander, so dass die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Grenzfläche zwischen der Rückseite des Siliziumsubstrats und der strahlungsabsorbierenden Schicht im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die strahlungsabsorbierende Schicht eine Germanium-Schicht ist, da sich die Brechungsindizes von Silizium und Germanium nur geringfügig voneinander unterscheiden.
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Bei einer Ausgestaltung ist zwischen dem Siliziumsubstrat und der strahlungsabsorbierenden Schicht mindestens eine Zwischenschicht angeordnet. Die mindestens eine Zwischenschicht ist beispielsweise eine Pufferschicht, die vorteilhaft die Gitterfehlanpassung zwischen Silizium und Germanium verringert und so das epitaktische Aufwachsen der Germanium-Schicht in hoher Schichtqualität ermöglicht. Die mindestens eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine Gradientenschicht mit räumlich variierender Materialzusammensetzung sein, die SixGe1-x mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweist. In der Gradientenschicht kann der Germaniumanteil beispielsweise in Richtung der Germanium-Schicht schrittweise oder kontinuierlich zunehmen.
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Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist vorzugsweise zur Detektion von Strahlung mit einer Pulsfrequenz von mehr als 50 GHz geeignet. Dies wird insbesondere durch die vergleichsweise dünne strahlungsabsorbierende Schicht und die daraus resultierende geringe Transitlänge der erzeugten Ladungsträger erreicht.
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Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement kann insbesondere ein Fotodetektor oder eine Solarzelle sein. Dadurch, dass das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement eine strahlungsabsorbierende Schicht enthält, die zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet ist, kann der Fotodetektor oder die Solarzelle vorteilhaft Strahlung im infraroten Spektralbereich detektieren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement sowohl Strahlung im sichtbaren Spektralbereich als auch Strahlung im infraroten Spektralbereich detektiert. Beispielsweise kann das strukturierte Siliziumsubstrat Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und die strahlungsabsorbierende Schicht, insbesondere ein Germaniumschicht, Strahlung im infraroten Spektralbereich absorbieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 7 näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats bei einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 5 eine grafische Darstellung der simulierten Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für zwei Ausführungsbeispiele des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements und ein Vergleichsbeispiel,
- 6 eine grafische Darstellung der simulierten Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für fünf weitere Ausführungsbeispiele des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements, und
- 7 eine grafische Darstellung der gemessenen Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für ein Ausführungsbeispiel des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements und zwei Vergleichsbeispiele.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 enthält ein Siliziumsubstrat 1, das eine Oberflächenstruktur 3 aufweist. Die Oberflächenstruktur 3 erstreckt sich mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 500 nm in das Siliziumsubstrat 1 hinein. Insbesondere kann das Siliziumsubstrat 1 Strukturelemente 4 in Form von statistisch verteilten Erhebungen aufweisen, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt. Die Breite der Strukturelemente 4 beträgt bevorzugt zwischen 10 nm und 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 1 µm. Eine derartige Oberflächenstruktur 3 kann vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand mittels eines Plasmaätzverfahrens hergestellt werden. Die Breite und die Höhe der Strukturelemente 4 können dabei durch die Ätzparameter des Plasmaätzprozesses eingestellt werden.
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Auf die Oberflächenstruktur 3 des Siliziumsubstrats 1 ist eine strahlungsabsorbierende Schicht 2 aufgebracht, bei der es sich bei dem Ausführungsbeispiel um eine Germanium-Schicht handelt. Germanium ist vorteilhaft zur Absorption von Strahlung mit Wellenlängen von mehr als 1100 nm geeignet, bei denen das Siliziumsubstrat 1 im Wesentlichen transparent ist und somit nur unwesentlich zur Absorption beiträgt.
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Die strahlungsabsorbierende Schicht 2 ist vorzugsweise derart auf die Oberflächenstruktur 3 des Siliziumsubstrats 1 abgeschieden, dass sie die Oberflächenstruktur 3 im Wesentlichen konform nachbildet und insbesondere die Oberflächenstruktur 3 nicht planarisiert. Die von dem Siliziumsubstrat 1 abgewandte Oberfläche der strahlungsabsorbierenden Schicht 2, welche die Strahlungseintrittsfläche 5 des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 bildet, weist daher im Wesentlichen die gleiche Struktur auf wie die Oberflächenstruktur 3 des Siliziumsubstrats 1.
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Aufgrund der Oberflächenstruktur 3 ändert sich der Brechungsindex an der Strahlungseintrittsfläche 5 nicht abrupt, sondern weist einen Gradienten auf, wobei der Brechungsindex vorzugsweise kontinuierlich in Richtung des Siliziumsubstrats 1 ansteigt. Auf diese Weise wird insbesondere die Rückwärtsstreuung der einfallenden Strahlung vermindert. Durch den in der Richtung der einfallenden Strahlung verlaufenden Brechungsindexgradienten wird die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Strahlungseintrittsfläche 5 vorteilhaft vermindert. Dadurch erhöht sich vorteilhaft die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10.
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Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Oberflächenstruktur 3 ist, dass die einfallende Strahlung zumindest teilweise an der Oberflächenstruktur 3 in Vorwärtsrichtung gestreut wird. Dies bewirkt, dass sich zumindest ein Teil der in das Siliziumsubstrat 1 eintretenden einfallenden Strahlung unter einem derartigen Winkel in dem Siliziumsubstrat 1 ausbreitet, dass sie an der Rückseite 6 des Siliziumsubstrat 1 totalreflektiert wird. Dieser Anteil der gestreuten Strahlung kann nach einer ein- oder mehrfachen Reflexion innerhalb des Substrats 1 erneut auf die strahlungsabsorbierende Schicht 2 auftreffen, wodurch sich die Absorption weiter erhöht. Die reflexionsmindernde Wirkung und die Streuwirkung der Oberflächenstruktur 3 bewirken zusammen eine signifikante Erhöhung der Absorption in dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement 10, die insbesondere ein Vielfaches der Absorption betragen kann, die bei Verwendung eines unstrukturierten Siliziumsubstrats erzielt würde.
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Aufgrund der durch die vorteilhaften Wirkungen der Oberflächenstruktur 3 erzielten hohen Absorptionseffizienz kann bei dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement 10 vorteilhaft eine vergleichsweise dünne strahlungsabsorbierende Schicht 2 verwendet werden. Insbesondere kann die Dicke der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 weniger als 1 µm, bevorzugt weniger als 500 nm oder besonders bevorzugt sogar weniger als 200 nm betragen. Durch die vergleichsweise geringe Dicke der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 verkürzen sich die Transitzeiten der in der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 durch Absorption erzeugten Ladungsträger. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement 10 kann daher vorteilhaft zur Detektion von Strahlung mit hohen Pulsfrequenzen eingesetzt werden, wobei die Pulsfrequenz insbesondere mehr als 50 GHz betragen kann.
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Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement kann insbesondere eine Fotodiode oder eine Solarzelle sein. Zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 können beispielsweise an der Rückseite des Substrats 6 sowie an der gegenüberliegenden Strahlungseintrittsfläche 5 jeweils Elektroden vorgesehen sein, die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind. An der Strahlungseintrittsfläche 5 wird vorzugsweise eine rahmenförmige, beispielsweise ringförmige Elektrode verwendet, welche nur einen geringen Teil der Strahlungseintrittsfläche 5 bedeckt.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 schematisch im Querschnitt dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die strahlungsabsorbierende Schicht 2, bei der es sich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel um eine Germanium-Schicht handelt, nicht auf die Oberflächenstruktur 3 des Siliziumsubstrats 1 aufgebracht ist, sondern an einer Rückseite 6 des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist. Die Oberflächenstruktur 3 entspricht hinsichtlich ihrer Funktionsweise und vorteilhaften Ausgestaltungen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 gegenüberliegende Oberfläche der Oberflächenstruktur 3 bildet die Strahlungseintrittsfläche 5 des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10. Aufgrund der Oberflächenstruktur 3 treten beim Eintritt der einfallenden Strahlung in das Siliziumsubstrat 1 nur sehr geringe Reflexionsverluste auf. Nach Durchquerung des Siliziumsubstrats 1 tritt die Strahlung in die strahlungsabsorbierende Schicht 2 ein und wird dort vorteilhaft absorbiert. Da sich die Brechungsindizes von Silizium und Germanium nur geringfügig voneinander unterscheiden, treten auch an der Grenzfläche 6 zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 nur sehr geringe Reflexionsverluste auf.
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Die Absorption in der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 erhöht sich vorteilhaft weiter durch Streuung der einfallenden Strahlung an der Oberflächenstruktur 3. Insbesondere kann die einfallende Strahlung durch Streuung in der Oberflächenstruktur 3 derart abgelenkt werden, dass zumindest ein Teil der Strahlung nach dem Eindringen in die strahlungsabsorbierende Schicht an der Rückseite 7 der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 total reflektiert wird. Dadurch wird vorteilhaft ein zwei- oder mehrfacher Durchgang der Strahlung durch die strahlungsabsorbierende Schicht 2 erzielt, wodurch sich die Absorption der einfallenden Strahlung weiter erhöht.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Absorption daher ein Vielfaches der Absorption betragen, die sich bei Verwendung eines unstrukturierten Siliziumsubstrats ergeben würde. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann daher eine vergleichsweise dünne strahlungsabsorbierende Schicht 2 verwendet werden, die vorteilhaft eine Dicke von weniger als 1 µm, bevorzugt von weniger als 500 nm und besonders bevorzugt von weniger als 200 nm aufweist.
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Bei beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen muss die strahlungsabsorbierende Schicht 2 nicht notwendigerweise unmittelbar an die Oberflächenstruktur 3 oder die Rückseite 6 des Siliziumsubstrats 1 angrenzen. Vielmehr ist es möglich, dass zwischen der strahlungsabsorbierenden Schicht 2 und dem Siliziumsubstrat 1 eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sind. Die mindestens eine Zwischenschicht kann insbesondere als Pufferschicht zur Erleichterung des epitaktischen Aufwachsens der strahlungsabsorbierenden Schicht 2, insbesondere einer Germanium-Schicht, auf das Siliziumsubstrat 1 dienen. Beispielsweise kann die Zwischenschicht SixGe1-x mit 0 < x < 1 enthalten. Die mindestens eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine Gradientenschicht sein, in der der Germaniumanteil schrittweise oder kontinuierlich variiert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Ausführungsbeispiels ergeben sich aus der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels und umgekehrt.
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Die 3 und 4 zeigen Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von beispielhaften Oberflächenstrukturen des Siliziumsubstrats bei Ausführungsbeispielen des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements. Bei den Oberflächenstrukturen handelt es sich jeweils um stochastische Strukturen, die durch einen Plasmaätzprozess, insbesondere durch induktiv gekoppeltes reaktives Ionenätzen (ICP-RIE) hergestellt sind. Die Herstellung derartiger Strukturen in Siliziumsubstraten mit einem Plasmaätzprozess ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Durch eine geeignete Einstellung der Ätzparameter bei dem Plasmaätzprozess kann die Breite und die Höhe der Strukturelemente der erzeugten Oberflächenstruktur gezielt beeinflusst werden. Die Herstellung der Oberflächenstruktur mit einem Plasmaätzprozess ist vorteilhaft ein maskenfreier Prozess, wodurch sich der Herstellungsaufwand im Vergleich zu lithografischen Herstellungsverfahren vorteilhaft vermindert.
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In 5 ist die Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für zwei Ausführungsbeispiele des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements dargestellt, bei denen sich die strahlungsabsorbierende Schicht wie im Ausführungsbeispiel der 2 jeweils auf der Rückseite des Siliziumsubstrats befindet. Kurve 51 zeigt die simulierte Absorption für das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der Oberflächenstruktur, die Kurve 52 die simulierte Absorption für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Oberflächenstruktur, und die Kurve 53 für ein Vergleichsbeispiel eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements, das ein planares unstrukturiertes Siliziumsubstrat aufweist. Die strahlungsabsorbierende Schicht ist jeweils eine 100 nm dicke Ge-Schicht.
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Die Simulationen zeigen, dass die Absorption bei den beiden Ausführungsbeispielen mit einem strukturierten Siliziumsubstrat im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis oberhalb von 1500 nm signifikant größer ist als bei dem Vergleichsbeispiel, das ein unstrukturiertes Siliziumsubstrat aufweist.
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In 6 ist die simulierte Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge für fünf Ausführungsbeispiele des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements dargestellt, bei denen die strahlungsabsorbierende Schicht jeweils eine Ge-Schicht ist, die auf der Rückseite eines Siliziumsubstrats angeordnet ist, welches die in 4 dargestellte Oberflächenstruktur aufweist.
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Die Absorption wurde für verschiedene Schichtdicken der strahlungsabsorbierenden Ge-Schicht simuliert. Dargestellt ist die Absorption für die Schichtdicke 100 nm (Kurve 61), 200 nm (Kurve 62), 300 nm (Kurve 63), 400 nm (Kurve 64) und 500 nm (Kurve 65). Erwartungsgemäß nimmt die Absorption A mit abnehmender Schichtdicke ab. Die Abnahme der Absorption mit abnehmender Schichtdicke ist aber erheblich geringer als im Fall eines unstrukturierten Siliziumsubstrats. Beispielsweise kann selbst mit einer nur 100 nm dicken strahlungsabsorbierenden Ge-Schicht im Wellenlängenbereich bis etwa 1400 nm noch eine Absorption von mehr als 50 % erzielt werden.
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Die vorteilhafte Erhöhung der Absorption in der strahlungsabsorbierenden Ge-Schicht mittels der Strukturierung des Siliziumsubstrats wurde weiterhin auch experimentell nachgewiesen. 7 zeigt die gemessene Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für ein Ausführungsbeispiel des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements, das die Oberflächenstruktur der 3 und eine 100 nm dicke strahlungsabsorbierende Ge-Schicht auf der Rückseite des Substrats aufweist (Kurve 71) im Vergleich zu Vergleichsbeispielen eines strukturierten Siliziumsubstrats ohne die strahlungsabsorbierende Ge-Schicht (Kurve 72)und eines polierten Siliziumsubstrats mit der 100 nm dicken Ge-Schicht auf der Rückseite (Kurve 73). Zusätzlich sind die Absorption der freien Ladungsträger im Siliziumsubstrat (gestrichelte Linie 74) und die Absorptionsgrenze von Silizium (gestrichelte Linie 75) eingezeichnet. Die Absorption wurde experimentell aus Reflexions-Transmissions-Messungen gewonnen, die in einer Ulbrichtkugel an den Proben durchgeführt wurden. Die experimentell ermittelte Steigerung der Absorption durch die Verwendung des strukturierten Siliziumsubstrats stimmt nach Abzug der Absorption durch freie Ladungsträger sehr gut mit der theoretisch erwarteten Steigerung der Absorption überein.
