DE102016215331B4 - Optoelectronic mixer element - Google Patents

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Abstract

Optoelektronisches Mischerelement,bestehend aus einem p-dotiertem Basissubstrat (1) mit hohem Bandabstand,wobei innerhalb des Basissubstrats (1) zwei separate n+ dotierte Bereiche (2a, 2b) aufgebaut sind,aufbauend auf dem Basissubstrat (1) folgteine p dotierte Stoppschicht (3), eine intrinsische Absorberschicht (4) und eine p+ dotierte Filterschicht (5),wobei Stoppschicht (3) und Absorberschicht (4) aus einem Material mit einem Bandabstand < 0,8 eVund die Filterschicht (5) aus einem Material mit einem Bandabstand > 1,2 eV aufgebaut sind.Optoelectronic mixer element, consisting of a p-doped base substrate (1) with a high band gap, two separate n + doped areas (2a, 2b) being built up within the base substrate (1), followed by a p-doped stop layer (3) on top of the base substrate (1) ), an intrinsic absorber layer (4) and a p + doped filter layer (5), with the stop layer (3) and absorber layer (4) made of a material with a band gap <0.8 eV and the filter layer (5) made of a material with a band gap> 1.2 eV are built up.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Mischerelement und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to an optoelectronic mixer element and a method for operating such according to the preamble of the independent claims.

Aus der DE 197 04 496 A1 ist bereits ein Mischerelement bekannt das auf Basis von Modulations- und Akkumulationsgates eine empfangene Strahlung demoduliert. Ein solcher so genannter Photomischdetektor wird beispielsweise in Lichtlaufzeitkamerasystemen eingesetzt, die eine Lichtlaufzeit aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen.From the DE 197 04 496 A1 a mixer element is already known which demodulates received radiation on the basis of modulation and accumulation gates. Such a so-called photonic mixer is used, for example, in time-of-flight camera systems that obtain a time of flight from the phase shift of an emitted and received radiation.

Weiterhin ist aus US 2005 / 0 199 976 A1 ein rückseitig beleuchtbares Photodioden-Array für den Bereich der optischen Kommunikation zum Empfang einer Vielzahl optisches Signale bekannt, bei dem innerhalb eines p-dotierten Basissubstrats separate n+ dotierte Bereiche aufgebaut sind und diese an einer n- dotierten Absorberschicht angrenzen.Furthermore, from US 2005/0 199 976 A1 a photodiode array which can be illuminated from the rear is known for the area of optical communication for receiving a large number of optical signals, in which separate n + doped areas are built up within a p-doped base substrate and these are connected to an n- Adjacent doped absorber layer.

Aufgabe der Erfindung ist es die Effizienz der Demodulation zu erhöhen.The object of the invention is to increase the efficiency of the demodulation.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße optoelektronische Mischerelement und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst. The object is achieved in an advantageous manner by the optoelectronic mixer element and method according to the invention according to the preamble of the independent claims.

Vorteilhaft ist ein optoelektronisches Mischerelement vorgesehen, bestehend aus einem p-dotiertem Basissubstrat mit hohem Bandabstand, wobei innerhalb des Basissubstrats zwei separate n+ dotierte Bereiche aufgebaut sind,
aufbauend auf dem Basissubstrat folgt eine p dotierte Stoppschicht, eine intrinsische Absorberschicht und eine p+ dotierte Filterschicht,
wobei Stoppschicht und Absorberschicht aus einem Material mit niedrigem Bandabstand und die Filterschicht aus einem Material mit hohem Bandabstand aufgebaut sind.
An optoelectronic mixer element is advantageously provided, consisting of a p-doped base substrate with a high band gap, with two separate n + doped regions being built up within the base substrate,
building on the base substrate, there is a p-doped stop layer, an intrinsic absorber layer and a p + -doped filter layer,
wherein the stop layer and absorber layer are composed of a material with a low band gap and the filter layer is composed of a material with a high band gap.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass durch die Wahl der Bandabstände der Aufbau so gesteuert werden kann, dass die Filterschicht beispielsweise sichtbare Strahlung absorbiert und für IR-Strahlung transparent ist, die dann effektiv in der Absorberschicht in Ladungsträger umgewandelt werden kann.This arrangement has the advantage that the structure can be controlled through the choice of the band gaps so that the filter layer absorbs visible radiation, for example, and is transparent to IR radiation, which can then be effectively converted into charge carriers in the absorber layer.

Besonders vorteilhaft ist das optoelektronische Mischerelement aus III-V Verbindungshalbleitern aufgebaut.The optoelectronic mixer element is particularly advantageously constructed from III-V compound semiconductors.

Dieses Vorgehen ist von Vorteil, da aufgrund der hohen Absorptionskoeffizienten der III-V Verbindungshalbleiter, die einfallende Strahlung besonders effizient in Ladungsträgern umgewandelt werden kann. Ferner weisen diese Materialien eine besonders hohe Elektronenmobilität auf, so dass ein solches Element mit sehr hohen Modulationsfrequenzen bis in den GHz-Bereich betrieben werden kann.This procedure is advantageous because due to the high absorption coefficients of the III-V compound semiconductors, the incident radiation can be converted particularly efficiently into charge carriers. Furthermore, these materials have a particularly high electron mobility, so that such an element can be operated with very high modulation frequencies up into the GHz range.

Bevorzugt sind das Basissubstrat und die Filterschicht aus Indiumphosphid InP und die Stoppschicht und Absorberschicht aus Indiumgalliumarsenid Inx-1GaxAs aufgebaut.The base substrate and the filter layer are preferably composed of indium phosphide InP and the stop layer and absorber layer are composed of indium gallium arsenide In x-1 Ga x As.

Besonders nützlich ist es, zwischen Basissubtrat und Absorberschicht eine Stoppschicht zur Unterbindung des Durchgriffs einer Raumladungszone zwischen Diode A und B auszubilden. Diese Stoppschicht unterbindet die Ausdehnung der Raumladungszone der auf Vlow geschalteten Diode.It is particularly useful to form a stop layer between the base substrate and the absorber layer to prevent a space charge zone between diodes A and B from penetrating through. This stop layer prevents the expansion of the space charge zone of the diode connected to Vlow.

Vorteilhaft ist ferner, die Filterschicht zur Absorption von kurzwelligem Licht vorzugsweise von Licht mit einer Wellenlänge kleiner 900nm auszubilden.It is also advantageous to design the filter layer to absorb short-wave light, preferably light with a wavelength of less than 900 nm.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass in den nachfolgenden Schichten im Wesentlichen nur das gewünschte Nutzlicht zur Generierung von Ladungsträgen beiträgt.This procedure has the advantage that essentially only the desired useful light contributes to the generation of charge carriers in the subsequent layers.

Besonders vorteilhaft ist ein Pixel mit dem vorgenannten optoelektronischen Mischerelement ausgestattet, wobei das Pixel zur Akkumulation der von den Dioden A und B erfassten Ladungen auslesbare Speicherelemente aufweist.A pixel is particularly advantageously equipped with the aforementioned optoelectronic mixer element, the pixel having storage elements that can be read out for accumulating the charges detected by diodes A and B.

Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Mischerelements oder Pixel nach der vorgenannte Art, bei dem an der Basisschicht und an der Filterschicht ein Bezugspotenzial V_low anliegt,
wobei zur Demodulation eines auf das optische Mischerelement einfallende Licht, die Kathoden der Dioden A und B gegensinnig und abwechselnd auf ein positives Potenzial V_high und auf Bezugspotenzial V_low gelegt werden.
A method for operating an optoelectronic mixer element or pixel according to the aforementioned type, in which a reference potential V_low is applied to the base layer and the filter layer, is also advantageous,
wherein, in order to demodulate a light incident on the optical mixer element, the cathodes of diodes A and B are placed in opposite directions and alternately to a positive potential V_high and to reference potential V_low.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.

1 zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Mischerelements. Vom grundsätzlichen Aufbau sind in diesem Mischerelement zwei pin-Dioden A, B auf einem Basissubstrat 1 realisiert. Die Kathoden der beiden Dioden A, B sind als separate n+ dotierte Bereiche 2a, 2b im Basissubstrat 1 aufgebaut, während die intrinsische Schicht und die p+ dotierte Anode gemeinsam genutzt werden. Zur Abschirmung unerwünschter Raumladungen ist zwischen dem Basissubstrat 1 und somit auch den n+ Bereichen 2a und 2b eine p dotierte Stoppschicht 3 angeordnet. 1 shows schematically a structure of an optoelectronic mixer element according to the invention. In terms of the basic structure, this mixer element has two pin diodes A, B on a base substrate 1 realized. The cathodes of the two diodes A, B are as separate n + doped areas 2a , 2 B in the base substrate 1 built up while the intrinsic layer and the p + doped anode are shared. To shield unwanted space charges is between the base substrate 1 and thus also the n + areas 2a and 2 B a p-doped stop layer 3 arranged.

Als Basissubstrat 1 ist ein Material mit einem hohen Bandabstand, beispielsweise Indiumphosphid InP vorgesehen, welches eine p- Dotierung aufweist. Innerhalb des Basissubstrats 1 sind an einer Oberseite zwei separate, hochdotierte n+ Bereiche implementiert, die jeweils eine Kathode einer pin-Diode A, B bilden. Die p dotierte Basisschicht 1 und die n+ Bereiche 2a, 2b weisen jeweils eine Metallisierung zur elektrischen Kontaktierung auf.As a base substrate 1 a material with a high band gap, for example indium phosphide InP, is provided which has p-doping. Inside the base substrate 1 Two separate, highly doped n + areas are implemented on a top side, each of which forms a cathode of a pin diode A, B. The p-doped base layer 1 and the n + areas 2a , 2 B each have a metallization for electrical contacting.

Aufbauend an der Oberseite des Basissubstrats 1 folgen eine p dotierte Stoppschicht 3, eine intrinsische Absorberschicht 4 und eine p+ dotierte Filterschicht 5, die zugleich als gemeinsame Anode für die beiden pin-Dioden A, B dient. Die Filterschicht 5 weist ebenfalls eine Metallisierung zur elektrischen Kontaktierung auf.Building on the top of the base substrate 1 a p-doped stop layer follows 3 , an intrinsic absorber layer 4th and a p + doped filter layer 5 , which also serves as a common anode for the two pin diodes A, B. The filter layer 5 also has a metallization for electrical contacting.

Stoppschicht 3 und die intrinsische Absorberschicht 4 sind aus dem gleichen Material mit einem niedrigen Bandabstand vorzugsweise < 0,8 eV gefertigt, z.B. Inx-1GaxAs.Stop shift 3 and the intrinsic absorber layer 4th are made of the same material with a low band gap preferably <0.8 eV, eg In x-1 Ga x As.

Die Filterschicht 5 ist aus einem Material mit hohem Bandabstand vorzugsweise > 1,2 eV, z.B. InP, aufgebaut. Durch geeignete Wahl der Materialen und des Bandabstands, kann die Filterschicht insbesondere für die Absorption kurzwelliger Strahlung < 900 nm ausgebildet sein. Wie bereits beschrieben, dient die Filterschicht 5 als gemeinsame Anode der über die Schichten 5, 4, 3 und 2a, 2b aufgebauten pin-Dioden A, B. Beim Betreiben des optoelektronischen Mischers wird diese Anode auf ein Bezugspotenzial V_low gelegt. Neben der Filterschicht 5, die hier als gemeinsame Anode für die pin-Diode A, B dient, liegt im Betrieb auch die p-dotierte Basisschicht 1 auf dem Bezugspotenzial V_low.The filter layer 5 is composed of a material with a high band gap, preferably> 1.2 eV, eg InP. By suitable selection of the materials and the band gap, the filter layer can be designed in particular for the absorption of short-wave radiation <900 nm. As already described, the filter layer is used 5 as the common anode of the layers 5 , 4th , 3 and 2a , 2 B built-up pin diodes A, B. When the optoelectronic mixer is operated, this anode is connected to a reference potential V_low. Next to the filter layer 5 , which here serves as the common anode for the pin diode A, B, the p-doped base layer is also located during operation 1 on the reference potential V_low.

Um ein Durchgreifen der Raumladungszone zwischen pin-Diode A und B und insbesondere auf die auf Bezugspotenzial V_low liegende Kathode zu unterbinden, ist auf dem Basissubstrat 1 und somit zwischen der intrinsischen Absorberschicht 4 und den n+ Bereichen 2a, 2b eine p dotierte Stoppschicht 3 angeordnet.In order to prevent reaching through the space charge zone between pin diodes A and B and in particular to the cathode, which is at reference potential V_low, is on the base substrate 1 and thus between the intrinsic absorber layer 4th and the n + areas 2a , 2 B a p-doped stop layer 3 arranged.

Die Stoppschicht 3 ist so ausgebildet, dotiert und dimensioniert, dass der Durchgriff der Raumladungszone der auf V_high geschalteten Kathode in die Absorberschicht 4 möglichst groß ist, wobei gleichzeitig jedoch ein Durchgriff auf die auf V_low geschaltete Kathode durch die Stoppschicht 3 unterbunden bzw. möglichst gering ist.The stop layer 3 is designed, doped and dimensioned in such a way that the space charge zone of the cathode switched to V_high penetrates into the absorber layer 4th is as large as possible, but at the same time a penetration of the cathode switched to V_low through the stop layer 3 prevented or as low as possible.

Als oberste Schicht wird eine Filterschicht 5 aufgebracht. Diese Schicht ist stark p-dotiert. Die dort generierten Löcher werden über die Anode abgeführt. Die generierten Elektronen haben durch die starke Dotierung bedingt nur eine geringe Lebensdauer und rekombinieren, ehe sie die Absorberschicht 4 erreichen können.A filter layer is used as the top layer 5 upset. This layer is heavily p-doped. The holes generated there are discharged via the anode. Due to the heavy doping, the generated electrons only have a short lifespan and recombine before they reach the absorber layer 4th reachable.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in der Absorberschicht 4 im Wesentlichen nur die durch Nutzlicht generierten Ladungsträger zum Photostrom an den pin-Dioden A, B beitragen.This configuration has the advantage that in the absorber layer 4th essentially only the charge carriers generated by the useful light contribute to the photocurrent at the pin diodes A, B.

Das erfindungsgemäße Mischerelement ist insbesondere nützlich für den Aufbau eines demodulierenden Pixels, insbesondere für ein Pixel zur Bestimmung einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen modulierten Strahlung. Zur Demodulation wäre beispielsweise folgende Betriebsweise geeignet:

  • Die Anoden der Filterschicht 5 und der Basisschicht 1 liegen auf eine Bezugsspannung V_low = 0V. Die beiden Kathoden 2a, 2b der pin-Dioden A, B werden abwechselnd auf ein positives Potenzial V_high und auf die Bezugsspannung V_low = 0V geschaltet. Dabei breitet sich eine Raumladungszone der jeweils auf dem positiven Potenzial Vhigh geschalteten Kathode in die Absorberschicht 4 aus, mit einem Potenzialgefälle innerhalb der Absorberschicht 4 hin zu der auf V_low geschalteten Diode.
The mixer element according to the invention is particularly useful for the construction of a demodulating pixel, in particular for a pixel for determining a phase shift of an emitted and received modulated radiation. For example, the following operating mode would be suitable for demodulation:
  • The anodes of the filter layer 5 and the base layer 1 are on a reference voltage V_low = 0V. The two cathodes 2a , 2 B the pin diodes A, B are alternately switched to a positive potential V_high and to the reference voltage V_low = 0V. In the process, a space charge zone of the cathode, which is connected to the positive potential Vhigh, spreads into the absorber layer 4th off, with a potential gradient within the absorber layer 4th towards the diode switched to V_low.

In einer bevorzugten, bestimmungsgemäßen Verwendung fallen moduliertes Nutzlicht und unmoduliertes Umgebungslicht gleichzeitig, vorzugsweise senkrecht, auf die Filterschicht 5. Dabei werden alle spektralen Anteile absorbiert, die eine höhere Photonenenergie haben als die Bandlücke des Materials der Filterschicht 5. Die entsprechend photogenerierten Löcher werden durch den Anodenanschluss abgeführt. Die photogenerierten Elektronen rekombinieren innerhalb der Filterschicht 5.In a preferred, intended use, modulated useful light and unmodulated ambient light fall simultaneously, preferably perpendicularly, onto the filter layer 5 . All spectral components that have a higher photon energy than the band gap of the material of the filter layer are absorbed 5 . The corresponding photogenerated holes are drained through the anode connection. The photo-generated electrons recombine within the filter layer 5 .

Alle spektralen Anteile mit einer geringeren Energie als die Bandlücke der Filterschicht 5 passieren die Filterschicht 5 und gelangen in die Absorberschicht 4. Dort werden aufgrund der erfindungsgemäß deutlich niedrigeren Bandlücke Elektronen- Lochpaare generiert. Die Löcher werden zu den Anodenanschlüssen in der Basisschicht 1 und Filterschicht 5 hin abgeführt. Die Elektronen gelangen entlang des Potentialgefälles innerhalb der Absorberschicht 4 zur der auf positiven Potenzial V_high geschalteten Kathode und können dort ausgelesen werden.All spectral components with a lower energy than the band gap of the filter layer 5 pass the filter layer 5 and get into the absorber layer 4th . Because of the significantly lower band gap according to the invention, electron hole pairs are generated there. The holes become the anode terminals in the base layer 1 and filter layer 5 led away. The electrons arrive along the potential gradient within the absorber layer 4th to the cathode switched to positive potential V_high and can be read out there.

Dieser Photostrom kann dann beispielsweise in einer nachgeordneten Schaltung ausgewertet werden. Insbesondere kann für eine Phasenbestimmung der über die Dioden A, B fließende Strom integriert und nach einem beispielsweise in der 197 04 496 A1 dargestellten Time-of-Flight-Prinzip ausgewertet werden.This photocurrent can then be evaluated in a downstream circuit, for example. In particular, for a phase determination, the current flowing through the diodes A, B can be integrated and evaluated according to a time-of-flight principle shown, for example, in DE 197 04 496 A1.

Zusammengefasst zeichnet sich das erfindungsgemäße optoelektronische Mischerelement durch folgende Aspekte aus:

  • Vorteilhaft kann eine optische Distanzmessung nach dem Time-of-Flight Prinzip mit Hilfe von Heterojunction-Dioden ausgeführt werden. Bevorzugt ist das Mischerelement aus III-V Verbindungsleitern hergestellt und ermöglichen so hohe Elektronenmobilität und hohe Absorptionseffizienz. Die Aufbringung einer Stoppschicht unterbindet vorteilhaft einen Durchgriff der Raumladungszone von Diode A nach Diode B und begrenzt die Ausdehnung der Raumladungszone der auf V_low geschalteten Diode. Weiterhin erlaubt die aufgebrachte Filterschicht eine Absorption von kurzwelligem Fremdlicht.
In summary, the optoelectronic mixer element according to the invention is characterized by the following aspects:
  • An optical distance measurement can advantageously be carried out according to the time-of-flight principle with the aid of heterojunction diodes. The mixer element is preferably made from III-V connecting conductors and thus enable high electron mobility and high absorption efficiency. The application of a stop layer advantageously prevents the space charge zone from reaching through from diode A to diode B and limits the expansion of the space charge zone of the diode connected to V_low. Furthermore, the applied filter layer allows short-wave extraneous light to be absorbed.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Basissubstrat, AnodeBase substrate, anode
2a2a
erste Diode A, Kathodefirst diode A, cathode
2b2 B
zweite Diode B, Kathodesecond diode B, cathode
33
StoppschichtStop shift
44th
AbsorberschichtAbsorber layer
55
Filterschicht, AnodeFilter layer, anode

Claims (7)

Optoelektronisches Mischerelement, bestehend aus einem p-dotiertem Basissubstrat (1) mit hohem Bandabstand, wobei innerhalb des Basissubstrats (1) zwei separate n+ dotierte Bereiche (2a, 2b) aufgebaut sind, aufbauend auf dem Basissubstrat (1) folgt eine p dotierte Stoppschicht (3), eine intrinsische Absorberschicht (4) und eine p+ dotierte Filterschicht (5), wobei Stoppschicht (3) und Absorberschicht (4) aus einem Material mit einem Bandabstand < 0,8 eV und die Filterschicht (5) aus einem Material mit einem Bandabstand > 1,2 eV aufgebaut sind.Optoelectronic mixer element, consisting of a p-doped base substrate (1) with a high band gap, two separate n + doped regions (2a, 2b) being built up within the base substrate (1), building on the base substrate (1) follows a p-doped stop layer (3), an intrinsic absorber layer (4) and a p + doped filter layer (5), wherein the stop layer (3) and absorber layer (4) made of a material with a band gap <0.8 eV and the filter layer (5) are constructed from a material with a band gap> 1.2 eV. Optoelektronisches Mischerelement nach Anspruch 1, bei dem das optoelektronische Mischerelement aus III-V Verbindungshalbleitern aufgebaut ist.Optoelectronic mixer element according to Claim 1 , in which the optoelectronic mixer element is made up of III-V compound semiconductors. Optoelektronisches Mischerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Basissubstrat (1) und die Filterschicht (5) aus Indiumphosphid InP und die Stoppschicht (3) und Absorberschicht (4) aus Indiumgalliumarsenid In1-xGaxAs aufgebaut sind.Optoelectronic mixer element according to one of the preceding claims, in which the base substrate (1) and the filter layer (5) are made from indium phosphide InP and the stop layer (3) and absorber layer (4) are made from indium gallium arsenide In 1-x Ga x As. Optoelektronisches Mischerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zwei separaten n+ dotierten Bereiche (2a, 2b) zusammen mit dem p-dotierten Basissubtrat (1) eine Diode A und Diode B bilden, wobei die Stoppschicht (3) zwischen den Dioden A und B und der Absorberschicht (4) angeordnet ist.Optoelectronic mixer element according to one of the preceding claims, in which the two separate n + doped regions (2a, 2b) together with the p-doped base substrate (1) form a diode A and diode B, the stop layer (3) between diodes A and B and the absorber layer (4) is arranged. Optoelektronisches Mischerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Filterschicht (5) zur Absorption von Licht kleiner 900 nm ausgebildet ist.Optoelectronic mixer element according to one of the preceding claims, in which the filter layer (5) is designed to absorb light of less than 900 nm. Pixel mit einem optoelektronischen Mischerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Akkumulation der von den Dioden A und B erfassten Ladungen auslesbare Speicherelemente aufweist.Pixel with an optoelectronic mixer element according to one of the preceding claims, which has storage elements which can be read out in order to accumulate the charges detected by diodes A and B. Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Mischerelements nach Anspruch 1 bis 5 oder Pixel nach Anspruch 6, bei dem an der Basisschicht (1) und an der Filterschicht (5) ein Bezugspotenzial (V_low) anliegt, wobei zur Demodulation des auf das optische Mischerelement einfallenden Lichts, die Kathoden der Dioden A und B gegensinnig und abwechselnd auf ein positives Potenzial (V_high) und auf ein Bezugspotenzial (V_low) gelegt werden.Method for operating an optoelectronic mixer element according to Claim 1 to 5 or pixels after Claim 6 , in which a reference potential (V_low) is applied to the base layer (1) and the filter layer (5), with the cathodes of the diodes A and B alternately and in opposite directions to a positive potential (V_high ) and to a reference potential (V_low).
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