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
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.
Als Basissubstrat
Aufbauend an der Oberseite des Basissubstrats
Stoppschicht
Die Filterschicht
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
Die Stoppschicht
Als oberste Schicht wird eine Filterschicht
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in der Absorberschicht
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 derBasisschicht 1 liegen auf eine Bezugsspannung V_low = 0V. Die beidenKathoden 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 dieAbsorberschicht 4 aus, mit einem Potenzialgefälle innerhalb derAbsorberschicht 4 hin zu der auf V_low geschalteten Diode.
- The anodes of the
filter layer 5 and thebase layer 1 are on a reference voltage V_low = 0V. The twocathodes 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 layer4th off, with a potential gradient within the absorber layer4th towards the diode switched to V_low.
In einer bevorzugten, bestimmungsgemäßen Verwendung fallen moduliertes Nutzlicht und unmoduliertes Umgebungslicht gleichzeitig, vorzugsweise senkrecht, auf die Filterschicht
Alle spektralen Anteile mit einer geringeren Energie als die Bandlücke der Filterschicht
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.
- 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
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