DE10228311B4

DE10228311B4 - Polarisationsempfindliches Photodetektorbauelement und Verfahren zum Detektieren der Polarisation

Info

Publication number: DE10228311B4
Application number: DE10228311A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Grahn Holger; Dr. Ghosh Sandip
Original assignee: Paul Drude Institut fuer Festkoerperelektronik
Current assignee: Paul Drude Institut fuer Festkoerperelektronik
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: DE10228311A1

Abstract

Photodetektorbauelement zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls (36) mit zumindest einer photoempfindlichen Schicht (18), die für in einer ersten Richtung polarisiertes Licht einen hohen Absorptionskoeffizienten und für in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung polarisiertes Licht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist, wobei die photoempfindliche Schicht (18) zumindest ein Halbleitermaterial mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und eine (1 1 00)-Orientierung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photodetektorbauelement zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls mit zumindest einer photoempfindlichen Schicht, die für in einer ersten Richtung polarisiertes Licht einen hohen Absorptionskoeffizienten und für in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung polarisiertes Licht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist.
Die Detektion des Polarisationszustandes oder von Änderungen des Polarisationszustandes eines einfallenden Lichtstrahls wird beispielsweise für das Auslesen von magneto-optischen Datenspeichern benötigt, die auf dem Prinzip des magneto-optischen Kerr-Effekts basieren, oder für optische Schaltungen, die auf einer polarisationsverschlüsselten Logik basieren.
Eine einfache Anordnung für eine solche Anwendung besteht in einer Kombination von einem lichtempfindlichen Detektor und einem externen Polarisationselement, beispielsweise einer organischen Folie oder einem Prisma. Sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus mechanischen Überlegungen sind solche Kombinationen von Detektor und Polarisator aufgrund bspw. ihrer Größe und Justage für die oben genannten Großintegrations-Anwendungen, sog. ”large-scale integration”(LSI)-Anwendungen, jedoch ungeeignet.
Üblicherweise werden für LSI-Anwendungen deshalb Halbleiter-Photodetektoren verwendet. Damit das Halbleitermaterial aus sich heraus empfindlich auf den Polarisationszustand eines einfallenden Lichtstrahls reagiert, muss es eine Polarisationsanisotropie aufweisen, d. h. es muss einen hohen Absorptionskoeffizienten α für in einer bestimmten Richtung linear polarisiertes Licht und einen kleinen Absorptionskoeffizienten α für eine Polarisation senkrecht zu dieser Richtung aufweisen. Je nach Polarisation des einfallenden Lichts wird auf diese Weise ein großes Detektionssignal oder ein kleines Detektionssignal erzeugt.
Da die elektronische Bandstruktur und dadurch auch die Polarisationseigenschaften der optischen Übergänge in Hableiterkristallen stark durch die Kristallsymmetrie beeinflusst werden, weisen die üblicherweise verwendeten Gruppe-IV oder III-V Halbleiterdetektoren keine wesentliche Polarisationsanisotropie auf. Folgende Versuche wurden unternommen, um dennoch künstlich eine Polarisationsanisotropie zu erzeugen:
Strukturen mit chemisch geätzten Oberflächenriefen sind für polarisationsempfindliche Photodetektoren im infraroten Wellenlängenbereich (C. J. Chen et al., Appl. Phys. Lett. 74, 862 (1999)) geeignet.
Polarisationsanisotropie kann bei dem Absorptionssepktrum einer III-V-Halbleiter-Quantentopfstruktur mit unterschiedlichen Energiebandlücken für die Valenzbandzustände der schweren Löcher und der leichten Löcher auftreten (G. Bastard, Wave Mechanics Applied to Semiconductor Heterostructures (Halstead Press, New York, 1988)). Diese Anisotropie tritt jedoch ausschließlich bei Licht auf, das sich parallel zur Ebene der Quantentopfstruktur ausdehnt. Die Verwendung eines derartigen Materials in einem polarisationsempfindlichen Photodetektor erfordert deshalb zusätzliche Mittel, die das Licht in die Ebene der Quantentopfstruktur lenken.
Geordnete In_0,5Ga_0,5P-Legierungen wurden verwendet, wobei der Unterschied im Absorptionskoeffizienten α für entlang der [011]-Richtung und der [01 1 ]-Richtung polarisiertes Licht bei einer Änderung von Δα ≈ 4 × 10³ cm^–1 über einen Bereich von 13 nm um 670 nm herum ausgenutzt wurde. Verschiedene Bauelemente, wie beispielsweise polarisationsempfindliche Photodetektoren, Schwellwertschalter und Reset-Set-Flip-Flops, wurden mit diesem Material realisiert (E. Greger et al., Appl. Phys. Lett. 71, 3245 (1997); J. Krauss et al., Electron. Lett. 35, 1878 (1999)). Das hochdichte magneto-optische Speichern und Auslesen erfordert jedoch kürzere Betriebswellenlängen. Der enge Bereich der in Frage kommenden Wellenlänge schränkt die Verwendung von In_0,5Ga_0,5P aber ein, weil eine Legierungsordnung vom Typ Cu-Pt_B und die daraus resultierende Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α schwächer wird, wenn eine höhere Ga-Konzentration verwendet wird, um die Energiebandlücke zu vergrößern.
Auch selbstorganisierte laterale Anordnungen in III-V Halbleitern, beispielsweise bei Ga-reichen und In-reichen Bereichen während des Wachstums von kurzperiodischen GaP/InP-Übergittern, kann zu einer Polarisationsanisotropie in der Schichtebene führen. Diese Anisotropie ist üblicherweise jedoch nicht sehr groß. Da der Selbstorganisationsprozess ausschließlich in einem engen Zusammensetzungsbereich auftritt (wie es bei den oben genannten geordneten Legierungen der Fall ist), sind außerdem die Energiebandlücke und dadurch die zentrale Betriebswellenlänge festgelegt. Durch die festgelegte Betriebswellenlänge ist somit auch die Zahl der Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt.
Das Aufwachsen von hexagonalem M-flächen-GaN auf γ-LiAlO₂(100)-Substraten ist aus der DE 199 53 839 A1 bekannt.
Die US 6 072 197 A offenbart einen Halbleiterlaser mit definierter Polarisation des emittierten Lichts. Die aktive Schicht des Lasers umfasst M-flächen-GaN auf einem SiC- oder LiAlO₂-Substrat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen polarisationsempfindlichen Photodetektor zu schaffen, der eine vereinfachte Bauweise aufweist und dadurch für LSI-Anwendungen geeignet ist und der innerhalb eines größeren Wellenlängenbereichs an die jeweilige Wellenlänge des zu analysierenden Lichtstrahls anpassbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Photodetektorbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Photodetektorbauelement zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls weist zumindest eine photoempfindliche Schicht auf, die für in einer ersten Richtung polarisiertes Licht einen hohen Absorptionskoeffizienten und für in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung polarisiertes Licht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist, wobei die photoempfindliche Schicht zumindest ein Halbleitermaterial mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und eine (1 1 00)-Orientierung aufweist.
Eine derart orientierte Halbleiterschicht mit Wurtzit-Kristallstruktur, die wegen ihrer Orientierung auch ”M-plane”-Schicht genannt wird (vgl. dazu 3), weist aus sich heraus eine Polarisationsanisotropie auf, wobei sich diese Polarisationsanisotropie durch eine geeignete Verspannung der Halbleiterschicht zusätzlich weiter verstärken lässt. Aufgrund dieser intrinsischen polarisationsempfindlichen Eigenschaft der Halbleiterschicht mit Wurtzit-Kristallstruktur kann bei dem erfindungsgemäßen Photodetektorbauelement auf zusätzliche polarisierende Komponenten, wie beispielsweise organische Folien oder Prismen, verzichtet werden, so dass sich die Anzahl erforderlicher Bauteile reduziert und sich das erfindungsgemäße Photodetektorbauelement in seiner Bauweise insgesamt vereinfacht.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die photoempfindliche Schicht ein Gruppe-III-Nitrid auf. In einer (1 1 00)-orientierten Schicht eines Gruppe-III-Nitrids mit einer Wurtzit-Kristallstruktur können, insbesondere wenn die Schicht zusätzlich verspannt ist, die drei möglichen Interbandübergänge, die hier mit T₁, T₂ und T₃ bezeichnet werden, an der fundamentalen Energiebandlücke der Wurtzit-Struktur entsprechend vollständig x-, z- und y-polarisiert werden (zur Orientierung des Koordinatensystems vgl. 3). in diesem Fall weist die Schicht einen hohen Absorptionskoeffizient α für Licht auf, das entlang der x- oder z-Richtung in der Schichtebene linear polarisiert ist, auf, was zu einem großen Photodetektorsignal führt, und eine vernachlässigbare Absorption für Licht, das senkrecht zu dieser Richtung, d. h. in z- oder x-Richtung, polarisiert ist, was zu einem verschwindend kleinen Photodetektorsignal führt. Bei zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht reagiert der Detektor empfindlich auf eine Änderung im Elliptizitätsgrad der Polarisation.
Vorzugsweise weist die Schicht Galliumnitrid auf. In einer derartigen Schicht lässt sich eine besonders starke Polarisationsanisotropie erzielen, was die Herstellung eines besonders effizienten polarisationsempfindlichen Photodetektorbauelements ermöglicht.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es erst vor kurzem gelungen ist, (1 1 00)-orientierte GaN-Schichten tatsächlich zu realisieren (P. Waltereit et al., J. Cryst. Growth 218, 143 (2000); P. Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)). Anhand von lichtemittierenden Bauelementen auf Basis von ”M-plane”-GaN mit Wurtzit-Kristallstruktur konnte eine Polarisationsanisotropie in ”M-plane”-GaN daher erst vor kurzem experimentell bestätigt werden (S. Ghosh et al., Appl. Phys. Lett. 80, 413 (2002)). Bei dieser Untersuchung wurde auch der Einfluss der Schichtverspannung auf die Polarisationsanisotropie der lichtemittierenden Bauelemente untersucht. Theoretische Studien zu diesem Thema finden sich in K. Domen et al., Appl. Phys. Lett. 70, 987 (1997); A. Niwa et al., Appl. Phys. Lett. 70, 2159 (1997); B. Gil und A. Alemu, Phys. Rev. B 56, 12446 (1997).
Vorteilhafterweise besteht die Schicht aus Al_xGa_1-xN, In_xGa_1-xN oder Al_xIn_yGa_1-x-yN. Durch die Verwendung derartiger Materialien kann die Lichtempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Photodetektorbauelements an einen jeweils zu detektierenden Wellenlängenbereich angepasst werden. Je nach Wahl des Schichtmaterials ist der detektierbare Wellenlängenbereich auf den ultravioletten Wellenlängenbereich bis hin zum sichtbaren Wellenlängenbereich einstellbar.
Vorzugsweise ist die Schicht in der M-Ebene anisotrop verspannt. Durch eine derartige Verspannung kann die Polarisationsanisotropie in der photoempfindlichen Schicht besonders verstärkt werden.
Vorteilhafterweise ist die Schicht mit einer Gitterfehlanpassung und/oder mit einem Unterschied im thermischen Expansionskoeffizienten auf einem Substrat angeordnet. Sowohl die Gitterfehlanpassung als auch der Unterschied im thermischen Expansionskoeffizienten führen zu einer Verspannung der photoempfindlichen Schicht, welche die Polarisationsanisotropie zusätzlich verstärken kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Unterschied in den Gitterkonstanten und dem thermischen Expansionskoeffizienten zwischen der Schicht und dem Substrat in x- und z-Richtung unterschiedlich groß sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht auf einem Substrat angeordnet, durch das eine anisotrope Verspannung in der M-Ebene der Schicht induzierbar ist. Durch eine geeignete Wahl des Substrats kann auf diese Weise eine gewünschte Verspannung der Schicht eingestellt werden und somit die Polarisationsanisotropie der Schicht gezielt verstärkt werden.
Vorteilhafterweise ist die photoempfindliche Schicht auf einem Substrat aus LiAlO₂, insbesondere aus (100)-orientiertem γ-LiAlO₂ angeordnet. Auf einem derartigen Substrat wurde eine besonders hohe Polarisationsanisotropie in einer (1 1 00)-orientierten GaN-Schicht erzielt.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls, bei dem eine photoempfindliche Schicht dem Lichtstrahl ausgesetzt wird, die zumindest ein Halbleitermaterial mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und eine (1 1 00)-Orientierung aufweist und die in einer ersten Richtung an einen hohen Absorptionskoeffizienten und in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist, bei dem die photoempfindliche Schicht ein großes Detektionssignal erzeugt, wenn der Lichtstrahl parallel zur ersten Richtung polarisiert ist, und ein kleines Detektionssignal erzeugt, wenn der Lichtstrahl parallel zur zweiten Richtung polarisiert ist, und bei dem das entsprechende Detektionssignal detektiert und ausgewertet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die voranstehend genannten Vorteile eines erfindungsgemäßen Photodetektorbauelements mit einer polarisationsempfindlichen Schicht aus einem Halbleitermaterial mit Wurtzit-Kristallstruktur besonders gut ausnutzen.
Nachfolgend wird die folgende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Photodetektorbauelements;
2 eine Draufsicht auf das Photodetektorbauelement von 1;
3 eine schematische Darstellung der Galliumnitrid-Einheitszelle mit einer Wurtzit-Kristallstruktur, die sowohl die C- und M-Ebene als auch die Ausrichtung des Koordinatensystems zeigt;
4 eine schematische Darstellung der Energiebandstruktur von unverspanntem Galliumnitrid, welches die Exzitonenübergänge und die Symmetrie der Wellenfunktionen des Valenzbandes im Zentrum der Brillouin-Zone zeigt;
5 Konturkurvendarstellungen der Übergangswellenlängen λ_i (in nm) der drei Übergange T_i (i = 1, 2, 3) an der fundamentalen Bandlücke von Galliumnitrid bei 295 K als Funktion der Verspannung ε_xx und ε_zz der M-Ebene;
6 eine Grauskaladarstellung der relativen Größe der Oszillatorstärkenkomponenten f_iβ (i = 1, 2, 3 und β = x, y, z) der drei Übergänge T_i an der fundamentalen Bandlücke von Galliumnitrid als Funktion der Verspannung ε_xx und ε_zz der M-Ebene (die gestrichelte Linie in der ersten Darstellung zeigt die isotrope Verspannungstrajektorie ε_xx = ε_zz der M-Ebene);
7 (a) die Beiträge f_x(λ) und f_z(λ) der Oszillatorstärke gegenüber der Wellenlänge für die drei Bandkantenübergänge T_i (i = 1, 2, 3), die durch die entsprechenden Übergangswellenlängen λ_i in nicht verspanntem Galliumnitrid bei 295 K gekennzeichnet sind, und (b) die Wellenlängenabhängigkeit von der Polarisationsanisotropie Δf = f_x(λ) – f_z(λ) in der Ebene; und
8 eine Darstellung von Δf (links), λ₀ (Mitte) und Δλ (rechts) als Funktion der Verspannung ε_xx und ε_zz der M-Ebene für drei Regime der Verwendung von Galliumnitrid mit verspannter M-Ebene in dem erfindungsgemäßen polarisationsempfindlichen Photodetektorbauelement: (a) Regime I zwischen λ₁ und λ₂, wobei Δf = Δf¹², λ₀ = λ₀ ¹² und Δλ = Δλ¹² ist; (b) Regime II zwischen λ₂ und λ₃, wobei Δf = Δf²³, λ₀ = λ₀ ²³ = und Δλ = Δλ²³ ist; (c) Regime III zwischen λ₁ und λ₃, wobei Δf als der kleinere der zwei Werte Δf¹² und Δf²³ angenommen wird und λ₀ = λ₀ ¹³ und Δλ = Δλ¹³ ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen polarisationsempfindlichen Photodetektorbauelements mit einer pin-Photodiodenstruktur, die auf einem Substrat 10 angeordnet ist.
Das Substrat 10 ist durch einen ungefähr 200 μm dicken Wafer aus (100)-orientiertem γ-LiAlO₂ gebildet. Derartige Wafer können beispielsweise aus einem mit Hilfe des Czochalski-Verfahrens hergestellten Kristallstabes mit einem Durchmesser von ungefähr 35 mm gewonnen werden, der zersägt und anschließend poliert wird, wie es von P. Waltereit et al. in J. Cryst. Growth 218, 143 (2000) beschrieben ist. Das LiAlO₂ weist eine tetragonale Einheitszelle auf, deren Abmessungen a = b = 0,51687 nm und c = 0,62679 nm betragen. Der Pfeil 12 gibt die [010]-Richtung des LiAlO₂ an (a-Richtung).
Auf dem LiAlO₂-Substrat 10 ist eine n-leitende Galliumnitridschicht 14 angeordnet. Die GaN-Schicht weist eine Wurtzit-Kristallstruktur auf, d. h. die Einheitszelle der Kristallstruktur weist die in 3 gezeigte Gestalt auf. Die auf dem Substrat 10 angeordnete GaN-Schicht 14 ist (1 1 00)-orientiert, d. h. die [0001]-Richtung der Wurtzit-Einheitszelle (c-Richtung) verläuft in Richtung des Pfeils 16 und somit also parallel zur a-Richtung 12 des LiAlO₂-Substrats 10. Die Oberflächen der GaN-Schicht 14 sind folglich parallel zur M-Ebene der Wurtzit-Einheitszelle orientiert (vgl. 3), weshalb die (1 1 00)-orientierte GaN-Schicht 14 auch als eine ”M-plane”-Schicht bezeichnet wird.
Die GaN-Schicht 14 weist eine Dicke im Bereich von einigen hundert nm auf. Sie kann beispielsweise mittels HF-plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf dem Substrat 10 abgeschieden werden. Die Auswahl eines geeigneten Substratmaterials, in diesem Fall eines (100)-orientierten tetragonalen γ-LiAlO₂-Substrats 10, sorgt dafür, dass die GaN-Schicht 14 mit einer (1 1 00)-Orientierung, d. h. als ”M-plane”-Schicht abgeschieden wird.
Das Aufwachsen der GaN-Schicht 14 mit (1 1 00)-Orientierung auf dem LiAlO₂-Substrat 10 mit (100)-Orientierung führt zu einer Gitterfehlanpassung zwischen der Galliumnitridschicht 14 und dem Substrat 10. Die Gitterfehlanpassung beträgt ungefähr –0,3% in der c-Richtung, d. h. der [0001]-Richtung, und ungefähr –1,7% in der Richtung, die in der M-Ebene der GaN-Schicht 14 liegt und zur c-Richtung senkrecht ist.
Zur Erleichterung der Benennung der verschiedenen Orientierungen sei an dieser Stelle ein kartesisches Koordinatensystem eingeführt, dessen z-Achse parallel zur [0001]-Richtung (c-Richtung) der Wurtzit-Einheitszelle des GaN orientiert ist, dessen x-Achse in der M-Ebene der Wurtzit-Einheitszelle liegt und senkrecht zur z-Achse orientiert ist und dessen y-Achse senkrecht auf der x- und der z-Achse, d. h. senkrecht auf der M-Ebene der Wurtzit-Einheitszelle steht (siehe dazu 3).
Die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat 10 und der GaN-Schicht 14 beträgt also –1,7% in x-Richtung und –0,3% in z-Richtung. Dies führt zu einer anisotropen Verspannung der GaN-Schicht 14 in der M-Ebene, d. h. die Verspannungen der GaN-Schicht 14 sind in x- und z-Richtung jeweils unterschiedlich stark. Insbesondere ist die Verspannung in x-Richtung wegen der größeren Gitterfehlanpassung stärker als in z-Richtung.
Wie in 1 dargestellt ist, ist auf der n-leitenden GaN-Schicht 14 eine intrinsische GaN-Schicht 18 angeordnet. Auch die GaN-Schicht weist eine Wurtzit-Kristallstruktur auf und ist wie die GaN-Schicht 14 (1 1 00)-orientiert. Die Dicke der GaN-Schicht 18 beträgt einige hundert nm.
Auf der GaN-Schicht 18 ist eine p-leitende GaN-Schicht 20 angeordnet. Auch diese GaN-Schicht 20 weist eine Wurtzit-Kristallstruktur auf und ist (1 1 00)-orientiert. Die Dicke der p-leitenden GaN-Schicht 20 liegt im Bereich weniger μm.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, ist auf die n-leitende GaN-Schicht 14 und die p-leitende GaN-Schicht 20 jeweils ein Metallkontakt 22 bzw. 24 aufgebracht. Die Metallkontakte 22, 24 dienen dazu, das Photodetektorbauelement mit Hilfe von Kontaktpunkten 26, 28 und Leitungen 30, 32 in einen nicht gezeigten Auswerteschaltkreis einzubinden. Wie insbesondere in 2 zu erkennen ist, sind die Metallkontakte 22, 24 jeweils rahmenartig ausgebildet. Damit der n-Kontakt 22 allein die n-leitende Galliumnitridschicht 14 kontaktiert, weisen die intrinsische GaN-Schicht 18 und die p-leitende GaN-Schicht 20 eine Fläche auf, die um so viel kleiner als die Fläche der n-leitenden GaN-Schicht 14 ist, dass sie vollständig im Inneren des rahmenartigen n-Kontakts 22 Platz findet, wobei der Abstand zwischen der intrinsischen und p-leitenden GaN-Schicht 18, 20 und dem n-Kontakt groß genug ist, um eine unerwünschte Kontaktbildung, d. h. Kurzschlussbildung, zu verhindern. Der auf der p-leitenden GaN-Schicht 20 angeordnete p-Kontakt 24 ist ebenfalls rahmenartig ausgebildet, wobei das Innere des p-Kontakts 24 die Detektionsfläche 24 des Photodetektorbauelements definiert.
Die intrinsische GaN-Schicht 18 stellt die photoempfindliche Schicht des Photodetektorbauelements dar. Wird der Detektionsbereich 34 der GaN-Schicht 18 einem einfallenden Lichtstrahl 36 ausgesetzt, so wird der einfallende Lichtstrahl 36 unter Bildung von Elektron/Loch-Paaren in der intrinsischen GaN-Schicht 18 absorbiert, sofern die Energie des einfallenden Lichts groß genug ist (die Wellenlänge kurz genug ist), um die Elektronen bzw. Löcher mit ausreichend Energie anzuregen, damit diese die Bandlücke des GaN überwinden und aus dem Valenzband in das Leitungsband bzw. aus dem Leitungsband in das Valenzband gelangen können. Die angeregten Elektron/Loch-Paare werden durch Anlegung einer Sperrspannung an der pin-Diode getrennt und über die Metallkontakte 22, 24 bzw. die Kontaktpunkte 26, 28 und Leitungen 30, 32 als Photostrom an eine Auswerteeinheit übermittelt.
Die anisotrope Verspannung der n-leitenden GaN-Schicht 14 überträgt sich auf die photoempfindliche GaN-Schicht 18, so dass auch die Verspannung der GaN-Schicht 18 in x-Richtung größer ist als in z-Richtung. Die anisotrope Verspannung der GaN-Schicht 18 in der M-Ebene der Wurtzit-Einheitszelle wirkt sich direkt auf die Absorptionseigenschaften der photoempfindlichen Galliumnitridschicht 18 aus. So ist die Absorption für Licht mit einem Polarisationsvektor in Richtung der höheren Verspannung größer als für Licht mit einem Polarisationsvektor in Richtung der geringeren Verspannung. Dies bedeutet, dass die GaN-Schicht 18 für Licht mit einem Polarisationsvektor in einer zur x-Richtung parallelen Richtung einen höheren Absorptionskoeffizienten aufweist als für Licht mit einem Polarisationsvektor in einer zur z-Richtung parallelen Richtung.
Diese Anisotropie im Absorptionskoeffizienten der GaN-Schicht 18 führt dazu, dass ein einfallender Lichtstrahl 36, der parallel zur x-Richtung polarisiert ist, d. h. dessen E-Vektor parallel zur x-Richtung orientiert ist, stärker absorbiert wird als ein Lichtstrahl, der in z-Richtung polarisiert ist. Das heißt, dass ein in z-Richtung polarisierter Lichtstrahl 36 eine größere Anzahl von Elektron/Loch-Paaren erzeugt als ein in y-Richtung polarisierter Lichtstrahl. Dies führt dazu, dass das Photodetektorbauelement bei Detektion eines in x-Richtung polarisierten einfallenden Lichtstrahls 36 ein größeres Detektionssignal an die Auswerteeinheit ausgibt als dies bei einem in z-Richtung polarisierten Lichtstrahl 36 der Fall wäre. Durch das erfindungsgemäße polarisationsempfindliche Photodetektorbauelement lässt sich auf diese Weise der Polarisationszustand eines einfallenden Lichtstrahls 36 ermitteln.
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektorbauelements ist es auch möglich auf die instrinsische GaN-Schicht 18 zu verzichten. Denkbar ist es außerdem, den Leitfähigkeitstyp des Substrats 10 und entsprechend auch den Leitfähigkeitstyp der GaN-Schichten 14, 18 und 20 jeweils umzukehren, so dass die polarisationsempfindliche GaN-Schicht 20 n-leitend ist. Des weiteren ist auch die Form der Metallkontakte 22, 24 nicht auf die rahmenartige Gestalt beschränkt. Ähnlich wie bei Solarzellen kann es bspw. möglich sein, die Metallkontakte nur punktuell auszubilden oder den Metallkontakt der photoempfindlichen Schicht ähnlich wie bei einer Solarzelle gitterartig auszubilden, was bei einer begrenzten Querleitfähigkeit der photoempfindlichen Schicht insbesondere bei größeren Detektorflächen vorteilhaft sein kann.
Um die Darstellung der Erfindung zu vervollständigen, wird die nachfolgende Darstellung hilfreich sein, die im Zusammenhang mit der Anisotropie im Absorptionskoeffizienten einer (1 1 00)-orientierten GaN-Schicht mit Wurtzit-Kristallstruktur gegeben wird.
Zunächst wird der Einfluss der Verspannung einer GaN-Schicht auf deren elektronische Bandstruktur abgeschätzt. Für diese Berechnung ist eine Beziehung zwischen den Verspannungskomponenten (ε_xx, ε_zz) in der M-Ebene und der Verspannungskomponente (ε_yy) senkrecht zur M-Ebene erforderlich. Eine ”M-plane”-Schicht lässt sich unter einer in der M-Ebene wirkenden, biaxialen Belastung frei in einer zur Ebene senkrechten Richtung ausdehnen oder zusammenziehen. Dies bedeutet, dass die außerhalb der Ebene liegende Stresskomponente σ_yy gleich Null ist, was zu der folgenden Beziehung zwischen den verschiedenen Verspannungskomponenten führt:
C_ij bezeichnet die elastischen Konstanten der Steifheit (J. F. Neye, Physical Properties of Crystals (Clarendon Press, Oxford, 1969)). Experimentelle Untersuchungen an auf LiAlO₂ gewachsenem (1 1 00)-orientiertem GaN haben für eine 1,22 μm dicke Schicht eine asymmetrische Verspannung in der M-Ebene mit Werten von ε_xx = –0,56% und ε_zz = –0,31% ergeben. Die folgenden Berechnungen werden daher auf einen willkürlichen Wertebereich von |ε_xx| und |ε_zz| ≤ 0,6% für die Verspannung in der M-Ebene beschränkt.
Unverspanntes Wurtzit-GaN weist drei eng voneinander beabstandete Valenzbänder (VBs) im Zentrum der Brillouin-Zone auf. Das Leitungsband (CB) ist aus s-Orbitalen aufgebaut, die symmetrische Wellenfunktionen vom Typ |S〉 aufweisen. Die Valenzbänder sind aus p-Orbitalen aufgebaut, die Wellenfunktionen mit einer Mischung aus |X〉-, |Y〉- und (Z〉-Typ Symmetrie aufweisen (M. Suzuki et al., Phys. Rev. B 52, 8132 (1995)). Die c-Achse definiert die z-Richtung. Bei unverspanntem GaN werden die Exzitonenübergänge, an denen die Elektronen in den Leitungsbändern und die Löcher in diesen drei Valenzbändern beteiligt sind, als die A-, B- und C-Exzitonenübergänge bezeichnet (vgl. 4). Durch eine Verspannung werden die Valenzbandzustände miteinander vermischt. Dies führt dazu, dass sich die Energien und die Polarisationseigenschaften dieser drei Übergänge ändern.
Unter Verwendung der k·p-Näherung kann der Einfluss der Verspannung auf die Zustande des Leitungsbandes und der Valzenzbänder im Zentrum der Brillouin-Zone bestimmt werden (Wellenvektor k = 0). Die große Energiebandlücke des GaN verringert die Wechselwirkung zwischen den Valenzband- und den Leitungsbandzuständen (M. Suzuki et al., Phys. Rev. B 52, 8132 (1995)). Ihre Abhängigkeit von der Verspannung kann deshalb getrennt berechnet werden. Wird für die Valenzbandzustände der Bir-Pikus-Hamiltonoperator (6×6 Matrix H^VB) diagonalisiert, so führt dies zu drei voneinander unterscheidbaren Valzenzbandmaxima mit den jeweiligen Energien E_i ^VB (G. L. Bir und G. E. Pikus, Symmetry and Strain Induced Effects in Semiconductors (Wiley, New York, 1974)). Die Verspannungsabhängigkeit des Leitungsbandminimums E^CB erhält man aus einem zweiten Hamiltonoperator H^CB (2×2 Matrix), so dass sich die drei Exzitonenübergangsenergien aus dem folgenden Ausdruck ergeben: E_i = E* + E^CB – E_i ^VB – E^b _ex. (2) E* = 3,462 eV wird so gewählt, dass die Energie E^A des A-Exzitonenübergangs im unverspannten GaN 3,410 eV bei 295 K beträgt, wie durch Experimente belegt wird. E^b _ex bezeichnet die Exzitonenbindungsenergie, die für alle drei Übergänge als gleich angenommen wird. Eine genauere Beschreibung dieser Rechnung ist in S. Ghosh et al., Phys. Rev. B 65, 075202 (2002) angegeben.
Die nachfolgenden Erläuterungen erfolgen anhand der Übergangswellenlängen λ_i, die für polarisationsempfindliche Photodetektorbauelemente relevanter sind als die Übergangsenergien E_i.
Verspannungen führen zu einer erheblichen Veränderung der Polarisationseigenschaften der drei Bandkantenübergänge. Es ist deshalb nicht länger möglich, diese Übergänge anhand der A-, B- und C-Exzitonen des unverspannten GaN zu identifizieren. Es werden daher die Größen T_i (i = 1, 2, 3) in der Reihenfolge abnehmender (zunehmender) Übergangswellenlängen λ_i(-energien E_i) eingeführt. Alle drei T_i tragen zu dem Absorptionskoeffizienten α in der Nähe der fundamentalen Energielücke bei. Der Hauptparameter, der die Polarisationsanisotropie von α bestimmt, ist die Oszillatorstärke f_iβ für jedes T_i, wobei β = x, y oder z sein kann. Die f_iβ erhält man aus Impulsmatrixelementen vom Typ |〈Ψ^CB|p_β|Ψ^CB _i〉|². |Ψ^CB〉 = |S〉 und |Ψ_i ^VB〉 = a_ix|X) + a_iy|Y〉 + a_iz|Z〉 stellen hierbei jeweils den Orbitalteil der Wellenfunktionen der Valzenzbänder und des Leitungsbands dar. Die komplexen Koeffizienten a_iβ erhält man durch die Bestimmung der Eigenvektoren von H^VB. Die Werte für |〈S|p_x|X〉)|², |〈S|p_y|Y〉|² und |〈S|p_z|Z〉|² sind laut M. Suzuki und T. Uenoyama, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 35, 1420 (1996) alle auf den gleichen Wert normalisiert.

Da lediglich der Übergang bei k = 0 von Interesse ist, reduziert sich die erforderliche Anzahl von Parameter für die obige Rechnung. Diese schließen die Deformationspotentiale für das Leitungsband und die Valenzbänder, die Spinorbital- und die Kristallfeldaufspaltungsenergie ein. Die Werte dieser Parameter erhält man unter Verwendung der quasi kubischen Näherung. Die Werte für alle relevanten Parameter, die in der obigen Rechnung verwendet wurden, sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt:

Deformationspotentiale^1,2	D^CB = –44,5 eV
	D₁ ^VB = –41,4 eV
	D₂ ^VB = –33,3 eV
	D₃ ^VB = 8,2 eV
	D₄ ^VB = –4,1 eV
	D₅ ^VB = –4,7 eV
Kristallfeldaufspaltungsenergie²	Δ₁ = 22 meV
Spinorbitalaufspaltungsenergie²	Δ₂ = 5 meV
Exzitonenbindungsenergie²	E^b _ex = 26 meV
A-Exzitonenübergangsenergie (unverspannt) bei 295 K	E^A = 3,410 eV
Elastische Steifheitskonstanten³	C₁₁ = 390 GPa
	C₁₂ = 145 GPa
	C₁₃ = 106 GPa
	C₃₃ = 398 GPa

Die mit dem Index 1, 2 und 3 gekennzeichneten Werte wurden entsprechend den Veröffentlichungen (1) S. Ghosh et al., Phys. Rev. B 65, 075202 (2002); (2) A. Shikanai et al., J. Appl. Phys. 81, 417 (1997); und (3) A. Polian et al., J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996) entnommen.
Für den Fall einer Legierung mit Al oder In müssen diese Parameter angepasst werden. Zu diesem Zweck kann Vegards Gesetz als erste Näherung dienen.
5 zeigt in drei Konturkurvendarstellungen die berechnete Abhängigkeit der Exzitonenübergangswellenlängen λ_i bei 295 K von der Verspannung.
6 zeigt in neun Darstellungen mit Grauabstufungen die berechnete Abhängigkeit der relativen Größen f_iβ von der Verspannung. Die einzelnen Darstellungen von 6 zeigen, dass die Komponenten f_iβ den folgenden zwei Summenregeln gehorchen: f_ix + f_iy + f_iz = 1 und (3) f_1β + f_2β + f_3β = 1. (4)
Diese Ergebnisse von 6 zeigen, dass eine Verspannung in der M-Ebene erfindungsgemäß zu Übergängen führen kann, die rein x-, y- oder z-polarisiert sind. Insbesondere ist sogar für eine isotrope Verspannung (ε_xx = ε_zz) der ”M-plane”-Schicht die Existenz eines rein x-polarisierten oder rein y-polarisierten Übergangs möglich und eine Folge der durch die Verspannung gebrochenen Symmetrie in der xy-Ebene, d. h. einer Ebene senkrecht zur c-Achse.
Jedes T_i weist bei λ_i einen Einsatz auf und setzt sich für λ < λ_i fort. Dies in Betracht ziehend ist in 7(a) die x-Komponente f_x(λ) und die z-Komponente f_z(λ) der Oszillatorstärke in der Nähe der Bandkante von unverspanntem GaN bei 295 K aufgetragen. Eine Rotverschiebung aufgrund von exzitonischen Effekten wurde in λ_i berücksichtigt. Da die Exzitonenübergänge bei einer typischen Betriebstemperatur, wie beispielsweise 300 K, erheblich aufgeweitet sind, wird jedoch der Anstieg der Resonanz in f_x(λ) und f_z(λ) in der Nähe der Energielücke vernachlässigt. Bei einer unverspannten ”M-plane” GaN-Schicht ist α(λ) direkt proportional zu f_x(λ) und f_z(λ), wenn der elektrische Feldvektor E eines senkrecht einfallenden Lichtstrahls entsprechend senkrecht zu c(E||x) und parallel zu c(E||z) polarisiert ist. Die Differenz Δf = f_x(λ) – f_z(λ) ist über einen Wellenlängenbereich Δλ ungleich Null, was zu einer Änderung im Absorptionskoeffizienten α führt, die abhängig von der Polarisation ist (7(b)). Diese Eigenschaft des ”M-plane” GaN wird erfindungsgemäß zur Herstellung des polarisationsempfindlichen Photodetektorbauelements ausgenutzt.
Im folgenden wird beschrieben, wie sich geeignete Verspannungswerte zur Optimierung des erfindungsgemäßen Polarisationsempfindlichen Photodetektorbauelements bestimmen lassen.
Die oben definierten Größen Δf und Δλ sind die zwei Größen, welche die Polarisationsempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Photodetektorbauelements maßgeblich beeinflussen. In einem für das Photodetektorbauelement geeigneten Material müssen beide Parameter groß sein. Ein über ein großes Δλ gleichbleibendes Δf stellt außerdem eine geringere Temperaturempfindlichkeit sicher. Anhand von GaN wird im folgenden zunächst diskutiert, inwieweit sich eine Verspannung auf Δf und Δλ auswirkt, und dann gezeigt, welche Verspannungswerte für ein erfindungsgemäßes Photodetektorbauelement besonders geeignet sind.
Für λ < λ₃ tragen alle drei Übergänge zu dem Absorptionskoeffizienten α(λ) bei. Aufgrund der Gleichung (4) gilt jedoch die Beziehung
Eine erhebliche Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α kann daher nur für λ > λ₃, d. h. zwischen λ₁ und λ₃ bestehen. Dieser Wellenlängenbereich wird in drei Regime aufgeteilt. Regime I ist der Bereich zwischen λ₁ und λ₂. Hier trägt ausschließlich T₁ zu α bei, so dass Δf = Δf¹² = |f_1x – f_1z| ist. Die Verspannungswerte, bei denen Δf¹² groß ist, sind durch die dunkleren Bereiche der Grauskaladarstellung in 8(a) dargestellt. In den mit x (z) markierten Bereichen ist α groß, wenn E||x(E||z) ist. Bei einem Verspannungswert mit einem großen Δf¹² kann man aus der benachbarten Konturdarstellung die zentrale Betriebswellenlänge λ₀ = λ₀ ¹² = (λ₁ + λ₂)/2 und den Betriebsbereich Δλ = Δλ¹² = λ₁ – λ₂ für eine Anwendung in dem Photodetektorbauelement ablesen.
Das Regime II entspricht den Wellenlängen zwischen λ₂ und λ₃. In diesem Bereich tragen normalerweise sowohl T₁ als auch T₂ zu Absorptionskoeffizienten α bei, so dass Δf = Δf²³ = |f_1x + f_2x – f_1z – f_2z| ist. Die Verspannungswerte, für die Δf²³ groß ist, sind durch die dunkleren Bereiche der Grauskalendarstellung in 8(b) dargestellt. Hier gilt λ₀ = λ₀ ²³ = (λ₂ + λ₃)/2 und Δλ = Δλ²³ = λ₂ – λ₃ (vgl. benachbarte Konturdarstellung). Für Verspannungswerte, bei denen im Regime II Δf ≈ 1 und im Regime I Δf ≈ 0 ist, gilt, dass f_1y ≈ 1 ist. Daraus folgt nach Gleichung (3), dass f_1x ≈ 0 und f_1z ≈ 0 sind (siehe 6). Für derartige Verspannungswerte trägt deshalb T₁ nicht zu α bei, so dass λ₂ die effektive optische Bandlücke der ”M-plane”-Schicht definiert.
Man beachte, dass es Verspannungswerte gibt, für die sowohl Δf¹² als auch Δf²³ groß sind. Für diese Verspannungswerte kann es für Wellenlängen von λ₁ bis λ₃ deshalb eine große und gleichmäßige Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α geben. Dieser Bereich zwischen λ₁ und λ₃ wird Regime III genannt, wobei Δf als der kleinere der zwei Werte Δf¹² und Δf²³ angenommen wird. Δf stellt die minimale Anisotropie dar, die über den gesamten Bereich zwischen λ₁ und λ₃ erreichbar ist.
Die Abhängigkeit der Verspannung von Δf ist durch die Grauskaladarstellung in 8(c) dargestellt. Die benachbarten Konturdarstellungen zeigen, dass λ₀ = λ₀ ¹³ = (λ₁ + λ₃)/2 und Δλ = Δλ¹³ = λ₁ – λ₃ ist. Der Grund dafür, dass man sowohl zwischen λ₁ und λ₂ als auch zwischen λ₂ und λ₃ ein Δf ≈ 1 erreichen kann, liegt darin, dass für diese Verspannungswerte f_2y ≈ 1 gilt (vgl. 6). In diesem Fall gilt nach Gleichung (3), dass f_2x ≈ 0 und f_2z ≈ 0 sind, so dass sogar zwischen λ₂ und λ₃ im wesentlichen Δf¹² das Δf bestimmt, d. h. T₂ trägt nicht zum Absorptionskoeffizienten α der ”M-plane”-Schicht bei.

In Tabelle II sind typische Werte von Δf und Δλ aufgeführt, die in (1

1

00)-orientiertem GaN erreichbar sind:

Gesamtverspannungszustand	Regime	ε_xx	ε_zz	Δf	Δλ (nm)
unverspannt	I	0,0%	0,0%	0,5	0,8
unverspannt	II	0,0%	0,0%	0,83	2,3
druckverspannt	I	–0,3%	–0,2%	0,96	3,4
zugverspannt	II	0,2%	0,3%	0,93	3,2
antisymmetrisch	III	–0,2%	0,2%	0,95	6,2

Man erkennt, dass relativ kleine Verspannungswerte sowohl Δf als auch Δλ vergrößern. Entscheidend ist, dass im Gegensatz zu geordneten Legierungen und selbstorganisierten lateralen Quantenstrukturen, wie sie in der Einleitung beschrieben wurden, bei (1 1 00)-orientierten Nitriden λ₀ über einen weit größeren Wellenlängenbereich (vom UV bis zum sichtbaren Bereich) variiert werden kann, indem das Nitrid erfindungsgemäß entweder mit Al oder In legiert wird, um die Energiebandlücke zu variieren.
Im Vergleich mit geordneten Legierungen kann durch eine Legierung eines (1 1 00)-orientierten Nitrids ein um eine Größenordnung größeres Δα ≈ 5 × 10⁴ cm^–1 bei Δf ≈ 0,9 erreicht werden. Für diese Legierungen kann die oben beschriebene Rechnung analog durchgeführt werden, wodurch man ähnliche Darstellungen erhält, wie sie in 8 gezeigt sind. Aus den Darstellungen kann man dann leicht einen Verspannungswert, bei dem die Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α in der M-Ebene besonders groß ist, und den entsprechenden Detektionswellenlängenbereich bestimmen.
Grundsätzlich ist eine Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α auch bei Schichten möglich, die parallel zur C-Ebene orientiert sind und die eine hohe anisotrope Verspannung in der Ebene aufweisen (A. A. Yamaguchi et al., Appl. Phys. Lett. 71, 374 (1997); A. Alemu et al., Phys. Rev. B 57, 3761 (1998)). Derartige Schichten werden normalerweise aber auf Saphir oder SiC-Substraten gewachsen, die eine hexagonale Symmetrie aufweisen, so dass eine resultierende Verspannung isotrop ist. In diesem Fall kann keine Polarisationsanisotropie im Absorptionskoeffizienten α erwartet werden.
Im Gegensatz dazu weisen erfindungsgemäße Gruppe-III-Nitridschichten, die parallel zur M-Ebene orientiert sind, aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten und thermischen Expansionskoeffizienten entlang der x- und z-Richtung unweigerlich eine asymmetrische Verspannung auf. Bei einer geeigneten Wahl des Substrats kann es sogar möglich sein, eine asymmetrische Verspannung in der Ebene zu erreichen, wie sie für das Regime III erforderlich ist (vgl. Tabelle II).
Verschiedene Arten von Detektoren können mit Hilfe von verspannten, in der M-Ebene orientierten Schichten aus einem Gruppe-III-Nitrid mit Wurtzit-Kristallstruktur für polarisationsdetektierende Anwendungen hergestellt werden, beispielsweise photoleitfähige Bauelemente, pn- oder pin-Photodioden oder Phototransistoren. Die Prinzipien, die bei der Herstellung derartiger Standardtypen von Photodetektoren beachtet werden müssen, sind wohlbekannt (J. Y. Duboz und M. A. Khan, in Group III Nitride Semiconductor Compounds, edited by B. Gil (Clarendon, Oxford 1998)) und können gleichermaßen zur Herstellung von erfindungsgemäßen Photodetektoren verwendet werden, die eine verspannte Schicht eines parallel zur M-Ebene orientierten Nitrids aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
12: [010]-Richtung
14: GaN-Schicht
16: [0001]-Richtung
18: GaN-Schicht
20: GaN-Schicht
22: Metallkontakt
24: Metallkontakt
26: Kontaktpunkt
28: Kontaktpunkt
30: Leitung
32: Leitung
34: Detektionsbereich
36: Lichtstrahl

Claims

Photodetektorbauelement zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls (36) mit zumindest einer photoempfindlichen Schicht (18), die für in einer ersten Richtung polarisiertes Licht einen hohen Absorptionskoeffizienten und für in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung polarisiertes Licht einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist, wobei die photoempfindliche Schicht (18) zumindest ein Halbleitermaterial mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und eine (1 1 00)-Orientierung aufweist.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) einen Nitrid-Halbleiter aufweist.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) ein Gruppe-III-Nitrid aufweist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) Galliumnitrid aufweist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) aus Al_xGa_1-xN, In_xGa_1-xN oder Al_xIn_yGa_1-x-yN besteht.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) eine Dicke im Bereich von einigen 100 nm bis einigen μm, insbesondere zwischen 1 μm und 1,5 μm und vorzugsweise von 1,22 μm aufweist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) eine Verspannung aufweist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung unterschiedlich stark verspannt ist.
Photodetektorbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) in der M-Ebene anisotrop verspannt ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) auf einem Substrat (10) angeordnet ist, durch das eine anisotrope Verspannung in der M-Ebene der Schicht (18) induzierbar ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) mit einer Gitterfehlanpassung und/oder mit einem Unterschied im thermischen Expansionskoeffizienten auf einem Substrat (10) angeordnet ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterfehlanpassung in der ersten Richtung kleiner als 1% und in der zweiten Richtung größer als 1% ist und insbesondere in der ersten Richtung ungefähr 0,3% und in der zweiten Richtung ungefähr 1,7% beträgt.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) auf einem Substrat (10) mit tetragonaler Kristallstruktur angeordnet ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) auf einem Substrat (10) aus LiAlO₂, insbesondere aus γ-LiAlO₂ angeordnet ist.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) auf einem (100)-orientierten Substrat (10) aus LiAlO₂ angeordnet ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Photodiode ausgebildet ist.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine pn-Übergangsstruktur oder eine pin-Diode.
Photodetektorbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtfolge, die eine n-leitende Schicht (14) und eine p-leitende Schicht (20) aus jeweils (1 1 00)-orientiertem GaN umfasst.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge eine zwischen der n-leitenden Schicht (14) und der p-leitenden Schicht (20) angeordnete intrinsische Schicht (18) aus (1 1 00)-orientiertem GaN umfasst.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge auf einem Substrat (10) aus (100)-orientiertem LiAlO₂ angeordnet ist.
Photodetektorbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schicht (18) an die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls (36) angepasst ist, wobei eine Anpassung der Schicht (18) an Wellenlängen innerhalb des Bereiches möglich ist, der vom Ultraviolet-(UV) bis zum sichtbaren (VIS) Bereich des optischen Spektrums reicht.
Verfahren zum Detektieren der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls, bei dem eine photoempfindliche Schicht (18) dem Lichtstrahl (36) ausgesetzt wird, die zumindest ein Halbleitermaterial mit einer Wurtzit-Kristallstruktur und eine (1 1 00)-Orientierung aufweist und die ein großes Detektionssignal erzeugt, wenn der Lichtstrahl in einer ersten Richtung polarisiert ist, und ein kleines Detektionssignal erzeugt, wenn der Lichtstrahl in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung polarisiert ist, und das entsprechende Detektionssignal detektiert und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) aus GaN gebildet und auf einem (100)-orientierten γ-LiAlO₂ Substrat (10) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf dem Substrat (10) abgeschieden ist.