DE102020000549A1 - Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement - Google Patents

Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement Download PDF

Info

Publication number
DE102020000549A1
DE102020000549A1 DE102020000549.7A DE102020000549A DE102020000549A1 DE 102020000549 A1 DE102020000549 A1 DE 102020000549A1 DE 102020000549 A DE102020000549 A DE 102020000549A DE 102020000549 A1 DE102020000549 A1 DE 102020000549A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
stack
layer
diode
sub
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020000549.7A
Other languages
English (en)
Inventor
Daniel Fuhrmann
Wolfgang Guter
Christoph Peper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Azur Space Solar Power GmbH
Original Assignee
Azur Space Solar Power GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Azur Space Solar Power GmbH filed Critical Azur Space Solar Power GmbH
Priority to DE102020000549.7A priority Critical patent/DE102020000549A1/de
Publication of DE102020000549A1 publication Critical patent/DE102020000549A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/1013Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation devices sensitive to two or more wavelengths, e.g. multi-spectrum radiation detection devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281Shape of the body

Abstract

Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement, aufweisend eine ersten Diodenteilstapel und mindestens eine darüber angeordnete Abfolge aus einem Zwischenschichtstapel und einem weiteren Diodenteilstapel, wobei jeder Diodenteilstapel mindestens eine Spannungsquelle mit einer Bandlückenenergie, eine metallische Vorderseitenkontaktschicht auf der Oberseite und eine metallische Rückseitenkontaktschicht aufweist, jeder Zwischenschichtstapel eine Querleitschicht und eine Barriereschicht aufweist, die Bandlückenenergie jeweils zunimmt, ein Durchmesser des Zwischenschichtstapels größer als ein Durchmesser des Diodenteilstapels derselben Abfolge und kleiner als ein Durchmesser jedes darunter angeordneten Diodenteilstapels ist, die metallische Rückseitenkontaktschicht des Diodenteilstapels jeder Abfolge mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels stoffschlüssig verbunden sind, die Unterseite des weiteren Diodenteilstapels jeder Abfolge stoffschlüssig mit einem zweiten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels derselben Abfolge verbunden ist, die Unterseite jedes Zwischenschichtstapels stoffschlüssig mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des jeweils darunter folgenden Diodenteilstapels verbunden ist, die metallische Rückseitenkontaktschicht des ersten Diodenteilstapels stoffschlüssig mit der Unterseite des ersten Diodenteilstapels verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement mit einem ersten Diodenteilstapel und mindestens einer darüber angeordneten Abfolge aus einem Zwischenschichtstapel und einem weiteren Diodenteilstapel.
  • Das stapelförmige Anordnen von mehreren Dioden als Sendebaustein ist beispielsweise aus der DE 1 2004 004 765 A1 bekannt, wobei die mehreren Dioden jeweils durch Tunneldioden getrennt und mittels eines gemeinsamen Rückseiten- und Vorderseitenanschlusses seriell verschaltet sind.
  • Ein Mehrfarben-Empfängerbaustein mit ähnlichem Aufbau ist beispielsweise aus der US 8,350,208 B1 oder aus der JP S55 16408 A bekannt.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement bereitgestellt, aufweisend einen ersten Diodenteilstapel und mindestens eine darüber angeordnete Abfolge aus einem Zwischenschichtstapel und einem weiteren Diodenteilstapel.
  • Jeder Diodenteilstapel weist eine Oberseite, eine Unterseite, einen Durchmesser, mindestens eine Spannungsquelle mit einer Bandlückenenergie, eine auf einem ersten Teilbereich der Oberseite angeordnete metallische Vorderseitenkontaktschicht und eine zumindest gebietsweise ausgebildete metallische Rückseitenkontaktschicht auf.
  • Jeder Zwischenschichtstapel weist eine Oberseite, eine Unterseite, einen Durchmesser, eine die Oberseite ausbildende Querleitschicht und eine unter der Querleitschicht angeordnete Barriereschicht auf.
  • Die Bandlückenenergie nimmt jeweils von dem ersten Diodenteilstapel zu jedem weiteren Diodenteilstapel zu. Der Durchmesser des Zwischenschichtstapels jeder Abfolge ist größer als der Durchmesser des weiteren Diodenteilstapels derselben Abfolge und kleiner als der Durchmesser jedes darunter angeordneten Diodenteilstapels.
  • Die metallische Rückseitenkontaktschicht des weiteren Diodenteilstapels jeder Abfolge ist jeweils mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels stoffschlüssig verbunden und die Unterseite des weiteren Diodenteilstapels jeder Abfolge ist stoffschlüssig mit einem zweiten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels derselben Abfolge verbunden.
  • Außerdem ist die Unterseite jedes Zwischenschichtstapels stoffschlüssig mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des jeweils darunter folgenden Diodenteilstapels verbunden und die metallische Rückseitenkontaktschicht des ersten Diodenteilstapels ist stoffschlüssig mit der Unterseite des ersten Diodenteilstapels verbunden.
  • Der stapelförmige Aufbau des photonischen III-V-Bauelements mit abnehmendem Durchmesser der einzelnen Teilstapel und den eine Querleitschicht und eine Barriereschicht umfassenden Zwischenschichtstapels ermöglicht ein einfaches Anschließens jedes einzelnen Diodenteilstapels über die eigene metallische Vorderseiten- und Rückseitenkontaktschicht.
  • Die metallischen Kontaktschichten sind beispielsweise als Pad oder flächig ausgebildet.
  • Es sei angemerkt, dass die metallischen Kontaktschichten jeweils elektrisch sehr gut leitfähig sind. Bevorzugt bestehen die metallischen Anschlusskontaktschichten aus einer oder mehreren Metallschichten, wobei die Metallschichten bevorzugt Ge und/oder Au und/oder Ag umfassen.
  • Die metallischen Kontaktschichten stellen zu der jeweiligen stoffschlüssig verbundenen Halbleiterschicht einen elektrisch niederohmigen Kontakt her.
  • Es versteht sich, dass die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche der Oberseiten der Teilstapel auf denen die metallischen Kontaktschichten bzw. die folgenden Teilstapel angeordnet sind, aneinander angrenzen oder zueinander beabstandet sind.
  • Als Querleitschicht wird eine Halbleiterschicht mit einer hohen Querleitfähigkeit, d.h. einem geringen Schichtwiderstand bezeichnet. Vorzugsweise liegt der Schichtwiderstand unterhalb von 15 Ohm/ □ oder unterhalb von 2 Ohm/ □ oder unterhalb von 0,5 Ohm/ □ . Entsprechend zu dem geringen Schichtwiderstand weist die Querleitschicht eine hohe Dotierung auf, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1•1017 N/cm3 und 5•1019 N/cm3.
  • Als Barriereschicht wird dagegen eine Halbleiterschicht bezeichnet, welche elektrisch isolierend wirkt. Die Barriereschicht weist entsprechend bevorzugt keine Dotierung auf, ist also undotiert.
  • Die Halbleiterschichten der Teilstapel bzw. des Gesamtstapels sind bevorzugt teilweise oder vollständig epitaktisch, z.B. mittels MOVPE oder mittel LPE oder mittels MBE, erzeugt. Alternativ oder ergänzend sind eine oder mehrere Schichten der Teilstapel bzw. des Gesamtstapels des stapelförmigen photonischen III-V-Halbleiterbauelements mittels eines Wafer-Bonds miteinander verbunden. Mittels des Halbleiterbonds lassen sich insbesondere Diodenteilstapel mit unterschiedlichen Gitterkonstanten kombinieren.
  • Durch die unterschiedlichen Bandlückenenergien werden von den Diodenteilstapeln jeweils unterschiedliche Wellenlängen detektiert bzw. erzeugt. Niedrigere Wellenlängen im sichtbaren Spektrum, z.B. grünes oder blaues Licht, lassen sich aufgrund der entsprechenden größeren Bandlückenenergien beispielsweise mittels eines AlInGaP-Diodenteilstapels bzw. mittels eines InGaN-Diodenstapels detektieren. Ein RGB-Empfängerbaustein weist beispielsweise einen ersten GaAs/GaAs Diodenteilstapel oder einen ersten InGaAs/InGaP hetero-Diodenteilstapel, einen mittleren InGaP oder einen mittleren AlInGaP-Diodenteilstapel und einen obersten InGaN-Diodenteilstapel auf.
  • Es wird angemerkt, dass jeder Diodenteilstapel zusätzlich zu der Spannungsquelle auch weitere Halbleiterschichten aufweisen kann, z.B. eine Substratschicht, eine Pufferschicht, eine Rückseitenfeld-Schicht, eine Tunneldiode und/oder eine Fensterschicht.
  • Die Halbleiterschichten des Gesamtstapels bzw. der einzelnen Teilstapel weisen jeweils bevorzugt eine plane Unterseite und eine plane Oberseite auf.
  • Es versteht sich auch, dass nur die Halbleiterschichten oder zumindest ein Großteil der Halbleiterschichten des photonischen III-V-Bauelements aus III-V-Materialien, z.B. GaAs, InGaP, InGaAs oder InP, bestehen.
  • Es sei angemerkt, dass in einer Ausführungsform das photonische III-V-Halbleiterbauelement auch zusätzlich Halbleiterschichten aus anderen Halbleitermaterialien oder zusätzliche Schichten aus anderen nicht-HalbleiterMaterialien umfasst.
  • Außerdem versteht es sich, dass eine aus einem III-V-Material bestehende Halbleiterschicht nur im Wesentlichen aus III-V-Material bestehen muss bzw. neben einem III-V-Material, also einem Material welches einen oder mehrere Elemente der III. und/oder V. Hauptgruppe umfasst, gegebenenfalls noch Verunreinigungen und/oder Dotierstoffe aufweist. Entsprechendes gilt für eine aus GaAs oder einer anderen ausdrücklich genannten Materialkombination bestehenden Halbleiterschicht.
  • Das „Aufweisen“ einer ausdrücklich genannten Materialkombination drückt aus, dass das Material der Schicht im Wesentlichen aus einer Verbindung der ausdrücklich genannten Materialien und gegebenenfalls weiteren Elementen der III. und/oder V. Hauptgruppe besteht. Eine GaAs aufweisende Schicht kann also beispielsweise eine InGaAs-Schicht sein.
  • Es versteht sich außerdem, dass das photonische Bauelement insbesondere zur Detektion von Strahlen so ausgerichtet wird, dass diese auf die Oberseite des Bauelements, also zuerst auf den obersten bzw. letzten Diodenteilstapel und zuletzt auf den ersten Diodenteilstapel auftreffen.
  • Die Begriffe „unten“ und „oben“ bzw. „unterhalb“ und „oberhalb“ dienen lediglich dazu, die Anordnung der einzelnen Schichten zueinander zu beschreiben und geben keine absolute Richtung an.
  • III-V-Halbleiter, insbesondere GaAs, liefern eine besonders hohe Ladungsträgerbeweglichkeit sowie einen im Vergleich zu Silizium höheren Absorptionskoeffizienten im infraroten und sichtbaren Bereich auf. Weiterhin ermöglichen III-V Halbleiter durch ihre direkte Energiebandlücke im Vergleich zum indirekten Halbleitermaterial Silizium eine höhere Ausgangsspannung der Bauteile und erlauben so eine höhere Konversionseffizienz bei der Umwandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie.
  • Ein weiterer Vorteil des stapelförmigen photonischen III-V Halbleiterbauelements ist, dass unterschiedliche Wellenlängen getrennt voneinander detektierbar bzw. erzeugbar sind. So können mehrere unabhängige Kanäle eines Empfängerbausteins in einem stapelförmigen Bauteil monolithisch realisiert werden. Das erfindungsgemäße photonische Bauelement eignet sich entsprechend besonders als Optokoppler und ermöglicht die Anzahl der Kanäle zu erweitern bzw. die Anzahl der Optokoppler in einem Modul zu verringern. Dabei sind die Kanäle parallel und gleichzeitig ansteuerbar.
  • Außerdem ist das erfindungsgemäße Bauelement im Vergleich zu Siliziumbasierten Bauelementen kostengünstiger herstellbar. Die monolithische stapelförmige Realisierung mehrerer unabhängiger Empfangskanäle bei gleichzeitig hoher Konversionseffizienz erlaubt es damit, kleinere Bauteile zu realisieren, wodurch insbesondere beim späteren anordnen in einem Gehäuse (packaging) erhebliche Kostensenkungen möglich sind.
  • In einer Ausführungsform weist der erste Diodenteilstapel unterhalb der Spannungsquelle eine Substratschicht und/oder eine metamorphe Pufferschichtfolge und/oder eine Tunneldiode auf.
  • Der metamorphe Puffer ist bevorzugt hoch n-dotiert oder hoch p-dotiert und beispielsweise aus InGaAs ausgebildet. Insbesondere weist die metamorphe Pufferschichtfolge bevorzugt eine Dotierstoffkonzentration größer als 5•1017 N/cm3 und eine Schichtdicke oberhalb 0,5 µm und kleiner als 20 µm auf.
  • In einer Ausführungsform besteht die metamorphe Pufferschichtfolge aus mehreren InxGa1-xAs-Schichten mit sich von Schicht zu Schicht unterscheidendem und/oder gleichbleibendem x. Es versteht sich, dass sich die Gitterkonstante innerhalb des Puffers mindestens einmal ändert.
  • In einer anderen Ausführungsform nimmt die Gitterkonstante ausgehend von einer untersten Schicht der Abfolge mit der ersten Gitterkonstanten hin zu der obersten Schicht der Abfolge mit der zweiten Gitterkonstante von Schicht zu Schicht beispielsweise zu.
  • Alternativ nimmt die Gitterkonstante ausgehend von der untersten Schicht der Abfolge von Schicht zu Schicht zuerst zu und dann ab oder auch zuerst ab und dann zu. Die Zunahme oder die Abnahme der Gitterkonstanten über die gesamte Abfolge verläuft entweder stufenförmig oder linear oder auch in einer beliebigen anderen Form.
  • Die Pufferschichtfolge ermöglicht eine freiere Wahl einer Substratschicht, da insbesondere Unterschiede hinsichtlich des Gitterabstands und des thermischen Verhaltens zwischen dem ersten Diodenteilstapel und der Substratschicht durch die Pufferschichtfolge ausgeglichen werden können.
  • In einer anderen Ausführungsform weist mindestens ein weiterer Diodenteilstapel und/oder der erste Diodenteilstapel eine die Oberseite des jeweiligen Diodenteilstapels ausbildende Fensterschicht auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist mindestens ein weiterer Diodenteilstapel und/oder der erste Diodenteilstapel jeweils unterhalb der mindestens einen Spannungsquelle eine hochdotierte Halbleiterkontaktschicht auf. Eine solche Halbleiterkontaktschicht dient als Rückseitenfeld-Schicht, erzeugt also ein Rückseitenfeld, um Rekombinationen an der Rückseite des jeweiligen Diodenteilstapels zu minimieren bzw. zu verhindern.
  • In einer anderen Weiterbildung weist jede Spannungsquelle eine p-dotierte erste Halbleiterschicht und eine n-dotierte zweite Halbleiterschicht auf und die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht bilden einen p-n Übergang aus. Es versteht sich, dass der p-n Übergang durch eine Basisschicht und eine Emitterschicht ausgebildet wird bzw. dass eine der beiden Halbleiterschichten eine Basisschicht und die andere Hableiterschicht eine Emitterschicht ist.
  • Es wird angemerkt, dass beide Halbleiterschichten aus demselben Material nur mit unterschiedlicher Dotierung bestehen oder auch unterschiedliche Materialien umfassen, also als Heterodiode ausgebildet sind.
  • In einer anderen Weiterbildung weist der erste Diodenteilstapel mindestens eine InGaAs oder GaAs aufweisende oder aus InGaAs oder GaAs bestehende Halbleiterschicht und/oder mindestens eine InGaP aufweisende oder aus InGaP bestehende Halbleiterschicht auf. Bevorzugt weist der ersten Diodenteilstapel ein InGaAs-Emitterschicht und eine InGaP-Basisschicht auf.
  • Es wird angemerkt, dass der Ausdruck „bestehend aus“ einem genannten Element oder einer genannten Verbindung von beispielsweise zwei, drei oder vier Elementen bedeutet, dass die entsprechende Halbleitersicht, z.B. Teilzelle, im Wesentlichen aus den genannten Materialien besteht bzw. neben den genannten Elementen gegebenenfalls noch Verunreinigungen und/oder Dotierstoffe, z.B. Zink oder Silizium oder Zinn oder Kohlenstoff, aufweist.
  • Der Ausdruck „aufweisend“ ein genanntes Element oder eine genannte Verbindung von Elementen, z.B. InP, bedeutet dahingegen, dass die Halbleiterschicht neben den ausdrücklich genannten Elementen gegebenenfalls weitere Elemente, insbesondere weitere Elemente der III. und/oder V. Hauptgruppe, z.B. Aluminium, aufweist bzw. umfasst, also aus einer Verbindung der genannten Elemente mit weiteren Elementen insbesondere der III. und/oder V. Hauptgruppe besteht. Eine InP aufweisende Halbleiterschicht, z.B. Teilzelle, schließt also beispielsweise eine InGaP-Schicht oder auch eine AlInGaP-Schicht ein.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist mindestens ein weiterer Halbleiterdiodenstapel mindestens eine InGaP aufweisende oder aus InGaP bestehende Halbleiterschicht auf. Bevorzugt weist mindestens ein weiterer Halbleiterdiodenstapel eine InGaP-Emitterschicht und InGaP-Basisschicht auf.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Querleitschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 5 µm oder zwischen 400 nm und 5 µm auf. Alternativ oder ergänzend ist die Querleitschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels n-dotiert oder p-dotiert und weist eine Dotierstoffkonzentration von n-typ Dotierstoffen bzw. von p-Dotierstoffen von mindestens 5•1017 N/cm3 auf. Bevorzugt weist die Querleitschicht der mindestens einen Abfolge GaAs oder AlGaAs oder InGaP auf oder besteht aus GaAs oder AlGaAs oder InGaP.
  • In einer anderen Weiterbildung ist die Barriereschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels undotiert ausgebildet. Alternativ oder ergänzend weist die Barriereschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels eine Schichtdicke größer 100 nm auf. Wiederum alternativ oder ergänzend weist die Barriereschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels AlGaAs auf oder besteht aus AlGaAs.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Barriereschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels einen p-n Übergang auf. Es versteht sich, dass der p-n Übergang in Sperrrichtung betrieben wird bzw. die Schichten entsprechend zwischen der darüber liegenden metallischen Vorderseitenkontaktschicht und der auf derselben Oberfläche angeordneten Rückseitenkontaktschicht angeordnet sind, dass die Sperrschicht einen Stromfluss unterbindet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das III-V-Halbleiterbauelement genau zwei Diodenteilstapel auf und die erste Vorderseitenkontaktschicht und die zweite Rückseitenkontaktschicht sind jeweils mit einem Massenpotential verbunden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die laterale und die vertikale Erstreckung sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
    • 1 eine Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines stapelförmigen photonischen III-V - Halbleiterbauelements,
    • 2 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des stapelförmigen photonischen III -V- Halbleiterbauelements,
    • 3 eine Querschnittsansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform des stapelförmigen photonischen III-V-Halbleiterbauelements,
    • 4 eine Aufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des stapelförmigen photonischen III-V-Halbleiterbauelements.
  • Die Abbildung der 1 zeigt ein stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement HLB, z.B. einen optischen Empfängerbaustein, aufweisend einen ersten Diodenteilstapel PD1 und eine darüber angeordnete Abfolge aus einem Zwischenschichtstapel ZW1 und einem weiteren Diodenteilstapel PD2.
  • Die Durchmesser der einzelnen Teilstapel nehmen von unten nach oben ab, so dass sich der Gesamtstapel des III-V-Bauelements HLB nach oben verjüngt.
  • Der erste Diodenteilstapel PD1 weist den größten Durchmesser auf, wobei auf einer Unterseite des ersten Diodenstapels PD1 eine erste metallische Rückseitenkontaktschicht MR1 flächig ausgebildet ist. Eine erste metallische Vorderseitenkontaktschicht MV1 ist auf einem ersten Teilbereich einer Oberseite des ersten Diodenteilstapels PD1 angeordnet. Auf einem zu dem ersten Teilbereich beabstandeten zweiten Teilbereich der Oberseite des ersten Diodenteilstapels PD1 ist der Zwischenschichtstapel mit einem entsprechend kleineren Durchmesser angeordnet.
  • Auf einer Oberseite des Zwischenschichtstapels ist der zweite Diodenteilstapel PD2 angeordnet, wobei dieser wiederum einen kleineren Durchmesser als der Zwischenschichtstapel aufweist und entsprechend nur einen zweiten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels überdeckt.
  • Auf einem zu dem zweiten Teilbereich beabstandeten ersten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels ist eine zweite metallische Rückseitenkontaktschicht MR2 angeordnet. Eine zweite metallische Vorderseitenkontaktschicht MV2 ist auf einem Teilbereich einer Oberseite des zweiten Diodenteilstapels PD2 angeordnet.
  • Jeder Diodenteilstapel PD1, PD2 weist eine aus einem p-n Übergang bestehende Spannungsquelle auf, wobei der p-n Übergang jeweils durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
  • Der Zwischenschichtstapel ZW1 weist ebenfalls mindestens zwei Schichten auf, nämlich zumindest eine Querleitschicht QL und eine unter der Querleitschicht QL angeordnete Barriereschicht SP, was wiederum durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
  • In der Abbildung der 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
  • Das stapelförmige photonische III-V-Halbleiterbauelement HLB weist drei jeweils durch die Zwischenschichtstapel ZW1 und ZW2 zueinander beabstandete Diodenteilstapel PD1, PD2 und PD3 bzw. den ersten Diodenteilstapel sowie zwei nacheinander darüber angeordnete Abfolgen aus jeweils einem Zwischenschichtstapel ZW1 bzw. ZW2 und einem weiteren Diodenteilstapel PD2 bzw. PD3 auf.
  • Die Durchmesser der Diodenteilstapel PD1, PD2 und PD3 nehmen von unten nach oben ab. Jeder Zwischenschichtstapel ZW1 bzw. ZW2 weist einen kleineren Durchmesser als der an die Unterseite des Zwischenschichtstapels ZW1 bzw. ZW2 angrenzende Diodenteilstapel PD1 bzw. PD2 und einen größeren Durchmesser als der an die Oberseite des Zwischenschichtstapels ZW1 bzw. ZW2 angrenzende Diodenteilstapel PD2 bzw. PD3 auf.
  • In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
  • Der erste Diodenteilstapel PD1 weist eine Substratschicht SUB mit einer ersten Gitterkonstanten, eine Pufferschichtfolge P, eine Tunneldiode TD, eine Rückseitenfeld-Schicht BSF, eine aus einer Basisschicht B und einer Emitterschicht E bestehende Spannungsquelle sowie eine Fensterschicht W auf, wobei die einzelnen Schichten in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind, jeweils plan ausgebildet sind und denselben Durchmesser aufweisen.
  • Die Pufferschichtfolge P weist an einer zu der Substratschicht SUB hin ausgerichteten Unterseite die erste Gitterkonstante und an einer zu der Tunneldiode TD hin ausgerichteten Oberseite eine zweite Gitterkonstante auf. Alle oberhalb der Pufferschichtfolge P folgenden Schichten weisen die zweite gitterkonstante auf.
  • Der Zwischenschichtstapel ZW1 weist eine Barriereschicht SP und eine über der Barriereschicht SP angeordnete Querleitschicht QL auf.
  • Der weitere Diodenteilstapel PD2 weist eine Rückseitenfeld-Schicht BSF, eine aus einer Basisschicht B und einer Emitterschicht E bestehende Spannungsquelle und eine Fensterschicht W auf, wobei die Schichten in der genannten Reihenfolge aufeinander angeordnet sind und alle denselben Durchmesser aufweisen. Außerdem weist der weitere Diodenteilstapel PD2 noch eine Schutzschicht C, auch cap-Schicht oder capping-Schicht genannt, auf, wobei die Schutzschicht einen geringeren Durchmesser als die weiteren Schichten des weiteren Diodenteilstapels PD2 aufweist und damit nur einen Teilbereich einer Oberseite der darunter angeordneten Fensterschicht W überdeckt. Die zweite metallische Vorderseitenanschlusskontaktschicht MV2 bedeckt eine Oberseite der Cap-Schicht C.
  • In der Abbildung der 4 ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform dargestellt. Das photonische III-V-Bauelement HLB weist einen durch den ersten Diodenteilstapel PD1 gegebenen rechteckigen Umfang auf. Der Zwischenschichtstapel ZW1 und der weitere Diodenteilstapel PD2 erstrecken sich jeweils über eine gesamte Tiefe des ersten Diodenteilstapels PD1 jedoch jeweils nur über einen Teil einer Breite des ersten Diodenteilstapels PD1, so dass der Zwischenschichtstapel ZW1 eine erste Kante K1 und der weitere Diodenteilstapel PD2 eine zweite Kante K2 ausbilden.
  • Die zweite metallische Rückseitenkontaktschicht MR2 sowie die erste und zweite metallische Vorderseitenkontaktschicht MV1 und MV2 sind jeweils als rechteckige Kontaktpads ausgebildet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 12004004765 A1 [0002]
    • US 8350208 B1 [0003]
    • JP 55016408 A [0003]

Claims (11)

  1. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB), aufweisend einen ersten Diodenteilstapel (PD1) und mindestens eine darüber angeordnete Abfolge aus einem Zwischenschichtstapel (ZW1, ZW2) und einem weiteren Diodenteilstapel (PD2, PD3), wobei - jeder Diodenteilstapel (PD1, PD2, PD3) eine Oberseite, eine Unterseite, einen Durchmesser (d1, d2, d3), mindestens eine Spannungsquelle mit einer Bandlückenenergie, eine auf einem ersten Teilbereich der Oberseite angeordnete metallische Vorderseitenkontaktschicht (MV1, MV2, MV3) und eine zumindest gebietsweise ausgebildete metallische Rückseitenkontaktschicht (MR1, MR2, MR2) aufweist, - jeder Zwischenschichtstapel (ZW1, ZW2) eine Oberseite, eine Unterseite, einen Durchmesser (d5, d6), eine die Oberseite ausbildende Querleitschicht (QL) und eine unter der Querleitschicht (QL1) angeordnete Barriereschicht (BS) aufweist, - die Bandlückenenergie von dem ersten Diodenteilstapel (PD1) zu jedem weiteren Diodenteilstapel (PD2, PD3) jeweils zunimmt, - der Durchmesser (d5, d6) des Zwischenschichtstapels jeder Abfolge größer als der Durchmesser (d2, d3) des weiteren Diodenteilstapels (PD2, PD3) derselben Abfolge und kleiner als der Durchmesser (d1, d2) jedes darunter angeordneten Diodenteilstapels (PD1, PD2) ist, - die metallische Rückseitenkontaktschicht des weiteren Diodenteilstapels (PD2, PD3) jeder Abfolge mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels (ZW1, ZW2) stoffschlüssig verbunden sind, - die Unterseite des weiteren Diodenteilstapels (PD2, PD3) jeder Abfolge stoffschlüssig mit einem zweiten Teilbereich der Oberseite des Zwischenschichtstapels (ZW1, ZW2) derselben Abfolge verbunden ist, - die Unterseite jedes Zwischenschichtstapels (ZW1, ZS2) stoffschlüssig mit einem ersten Teilbereich der Oberseite des jeweils darunter folgenden Diodenteilstapels (PD1, PD2) verbunden ist, - die metallische Rückseitenkontaktschicht (MR1) des ersten Diodenteilstapels (PD1) stoffschlüssig mit der Unterseite des ersten Diodenteilstapels (PD1) verbunden ist.
  2. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Diodenteilstapel (PD1) unterhalb der Spannungsquelle eine Substratschicht (SUB) und/oder eine metamorphe Pufferschichtfolge (P) und/oder eine Tunneldiode (TD) aufweist.
  3. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Diodenteilstapel (PD2, PD3) und/oder der erste Diodenteilstapel (PD1) eine die Oberseite des jeweiligen Diodenteilstapels (PD1, PD2, PD3) ausbildende Fensterschicht (W) aufweist.
  4. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Diodenteilstapel (PD2, PD3) und/oder der erste Diodenteilstapel (PD1) jeweils unterhalb der mindestens einen Spannungsquelle einen hochdotierte Halbleiterbarriereschicht (BSF) aufweist.
  5. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannungsquelle eine p-dotierte erste Halbleiterschicht und eine n-dotierte zweite Halbleiterschicht aufweist und die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht einen p-n Übergang ausbilden.
  6. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Diodenteilstapel (PD1) mindestens eine GaAs oder InGaAs aufweisende oder aus GaAs oder InGaAs bestehende Halbleiterschicht und/oder mindestens eine InGaP aufweisende oder aus InGaP bestehende Halbleiterschicht aufweist.
  7. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Halbleiterdiodenstapel mindestens eine InGaP aufweisende oder aus InGaP bestehende Halbleiterschicht aufweist.
  8. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querleitschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels eine Schichtdicke zwischen 400 nm und 5 µm und/oder einer Dotierstoffkonzentration von n-typ Dotierstoffen oder von p-Dotierstoffen von mindestens 5•1017 N/cm3 aufweist und/oder GaAs oder InGaP aufweist oder aus GaAs oder InGaP besteht.
  9. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht mindestens eines Zwischenschichtstapels undotiert ausgebildet ist und/oder eine Schichtdicke größer 100 nm aufweist und/oder AlGaAs aufweist oder aus AlGaAs besteht.
  10. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (BS) mindestens eines Zwischenschichtstapels einen p-n Übergang aufweist.
  11. Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement (HLB) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das III-V-Halbleiterbauelement (HLB) genau zwei Diodenteilstapel (PD1, PD2) aufweist und die erste Vorderseitenkontaktschicht (MV1) und die zweite Rückseitenkontaktschicht (MR2) jeweils mit einem Massenpotential verbunden sind.
DE102020000549.7A 2020-01-29 2020-01-29 Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement Pending DE102020000549A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020000549.7A DE102020000549A1 (de) 2020-01-29 2020-01-29 Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020000549.7A DE102020000549A1 (de) 2020-01-29 2020-01-29 Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020000549A1 true DE102020000549A1 (de) 2021-07-29

Family

ID=76753799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020000549.7A Pending DE102020000549A1 (de) 2020-01-29 2020-01-29 Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020000549A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5516408A (en) 1978-07-21 1980-02-05 Nec Corp Detector for multiple light communication
DE102004004765A1 (de) 2004-01-29 2005-09-01 Rwe Space Solar Power Gmbh Aktive Zonen aufweisende Halbleiterstruktur
US8350208B1 (en) 2010-01-21 2013-01-08 Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Of The State Of Arizona, Acting For And On Behalf Of Arizona State University Two-terminal multi-color photodetectors and focal plane arrays

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5516408A (en) 1978-07-21 1980-02-05 Nec Corp Detector for multiple light communication
DE102004004765A1 (de) 2004-01-29 2005-09-01 Rwe Space Solar Power Gmbh Aktive Zonen aufweisende Halbleiterstruktur
US8350208B1 (en) 2010-01-21 2013-01-08 Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Of The State Of Arizona, Acting For And On Behalf Of Arizona State University Two-terminal multi-color photodetectors and focal plane arrays

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1745518B1 (de) Solarzelle mit integrierter schutzdiode
EP3378104B1 (de) Solarzelle mit mehreren durch ladungsträger-selektive kontakte miteinander verbundenen absorbern
EP2430672B1 (de) Tunneldioden aus spannungskompensierten verbindungshalbleiterschichten
DE102014000156A1 (de) Mehrfachsolarzelle mit einer einen niedrigen Bandabstand aufweisenden Absorptionsschicht in der Mittelzelle
DE2607005C2 (de) Integrierte Tandem-Solarzelle
DE3111828A1 (de) Vorrichtung zur umsetzung elektromagnetischer strahlung in elektrische energie
DE10297371T5 (de) Vorrichtung und Verfahren für eine integrale Bypassdiode in Solarzelle
DE102015007326B3 (de) Optokoppler
DE102017005950A1 (de) Solarzellenstapel
DE102004055225B4 (de) Anordnung mit Solarzelle und integrierter Bypass-Diode
DE102012211296A1 (de) Verbesserungen der Leistung von III/V-Heteroübergangs-Solarzellen
DE102018203509A1 (de) Vierfach-Solarzelle für Raumanwendungen
DE102013112740B4 (de) Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
DE102015012007A1 (de) Skalierbare Spannungsquelle
EP3667742A1 (de) Stapelförmige monolithische aufrecht-metamorphe mehrfachsolarzelle
DE102015006379A1 (de) Skalierbare Spannungsquelle
DE102011115340A1 (de) Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau und hieraus gebildetes Modul
EP3065177B1 (de) Solarzellenvorrichtung
DE102015013514B4 (de) Optischer Empfängerbaustein
DE102020000549A1 (de) Stapelförmiges photonisches III-V-Halbleiterbauelement
EP3937260A1 (de) Monolithische metamorphe mehrfachsolarzelle
DE102020001353B3 (de) Stapelförmiges photonisches lll-V-Halbleiterbauelement und Optokoppler
DE102019003068A1 (de) Stapelförmige hochsperrende lnGaAS-Halbleiterleistungsdiode
EP3442036A1 (de) Optoelektronisches halbleiterbauelement
EP3965169B1 (de) Stapelförmige monolithische mehrfachsolarzelle

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication