DE10341086A1

DE10341086A1 - Strahlungsempfangender Halbleiterkörper mit einer integrierten Filterschicht

Info

Publication number: DE10341086A1
Application number: DE10341086A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Philippens; Glenn-Yves Plaine; Tony Albrecht; Peter Dr. Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-09-06
Also published as: DE10341086B4

Abstract

Ein strahlungsempfangender Halbleiterkörper, der zumindest einen strahlungsabsorbierenden aktiven Bereich (2) zwischen zumindest zwei Kontaktschichten (6, 7) aufweist und elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen lambda¶1¶ und lambda¶2¶ empfängt, wobei lambda¶2¶ > lambda¶1¶, weist eine Filterschicht (5) zwischen dem aktiven Bereich (2) und einer Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) auf. Der aktive Bereich (2) detektiert elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge kleiner als lambda¶2¶ aufweist. Die Filterschicht (5) absorbiert elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge kleiner als lambda¶1¶ aufweist, und läßt elektromagnetische Strahlung durch, die eine Wellenlänge größer als lambda¶1¶ aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen strahlungsempfangenden Halbleiterkörper, der zumindest einen strahlungsabsorbierenden aktiven Bereich aufweist und elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂ empfängt, wobei λ₂ größer ist als λ₁. Sie betrifft insbesondere einen Halbleiterkörper, der als Photodiode oder als Phototransistor ausgebildet ist.
Üblicherweise wird die Leistung von strahlungsempfangenden Bauelementen, in denen Halbleiterkörper der eingangs genannten Art integriert sind, durch Umgebungs- oder Streulicht negativ beeinflußt. Bei der optischen Freiraumübertragung von Signalen oder Daten wird das zu detektierende Signal in den häufigsten Fällen durch Umgebungs- oder Streulicht gestört bzw. verfälscht. Deshalb werden oft optische Filter vor dem Detektor eingebaut, um das Signal von diesem störenden Licht zu trennen. Mit noch höherem Aufwand kann das Signal alternativ oder zusätzlich elektronisch aufbereitet werden. Solche externen Maßnahmen rufen einen größeren Zeit- und Kostenaufwand hervor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen strahlungsempfangenden Halbleiterkörper der eingangs genannten Art zu entwickeln, der einen verbesserten Schutz gegen Störung bzw. Verfälschung des zu detektierenden Signals aufweist und der ohne großen technischen Aufwand reproduzierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen strahlungsempfangenden Halbleiterkörper mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß weist ein strahlungsempfangender Halbleiterkörper mit zumindest einem strahlungsabsorbierenden aktiven Bereich eine Filterschicht auf, die zwischen dem aktiven Bereich und einer Strahlungs-Einkopplungsseite angeordnet ist. Der aktive Bereich detektiert nur elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge kleiner als λ₂ aufweist. Die Filterschicht absorbiert elektromagnetische Strahlung, denen Wellenlänge kleiner als λ₁ ist, und läßt elektromagnetische Strahlung durch, die eine Wellenlänge größer als λ₁ aufweist. Die von der Filterschicht absorbierte Strahlung wird vorzugsweise in Strahlung umgewandelt, deren Wellenlänge größer als λ₂ ist und die somit nicht vom aktiven Bereich detektiert wird. Durch die kombinierte Wirkung des aktiven Bereichs und der Filterschicht empfängt der Halbleiterkörper elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂, wobei λ₂ > λ₁ ist.

Im folgenden wird Strahlung, die eine Wellenlänge größer als λ₂ aufweist, als langwellige Strahlung genannt und Strahlung, die eine Wellenlänge kleiner als λ₁ aufweist, als kurzwellige Strahlung. Das gleiche gilt auch für kurzwelliges und langwelliges Licht.

Vorzugsweise ist eine Strahlungs-Einkopplungsfläche zumindest teilweise durch die vom aktiven Bereich abgewandte Oberfläche der Filterschicht gebildet. Die Kontaktschicht seitens der Strahlungs-Einkopplungsfläche ist bevorzugt strukturiert und kann zumindest teilweise auf der Filterschicht aufgebracht werden. Damit wird ein Bauelement erzielt, das kompakter ist als vergleichbare herkömmliche Bauelemente.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der aktive Bereich zwischen zwei Spiegeln angeordnet, wobei der zwischen dem aktiven Bereich und der Strahlungs-Einkopplungsfläche angeordnete Spiegel teildurchlässig ist. Vorzugsweise ist dieser teildurchlässige Spiegel mindestens für Strahlung im Wellenbereich zwischen λ₁ und λ₂ teildurch lässig. Die Spiegel sind bevorzugt als Bragg-Spiegel ausgebildet. Durch konstruktive Interferenz wird das zu detektierende Signal vorteilhaft verstärkt. Weiterhin können die Spiegel derart um den aktiven Bereich angeordnet sein, daß sie einen Resonator bilden, der auf Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂ abgestimmt ist. Ein solcher Resonator hat den Vorteil, dass eine erhöhte Sensitivität des Bauelements in dem gewünschten Wellenlängenbereich, nämlich zwischen λ₁ und λ₂, erreicht werden kann. Vorzugsweise sind die Spiegel aus Halbleitermaterial hergestellt.

In einer weiteren Ausführungsform kann der aktive Bereich aus einem Halbleitermaterial hergestellt und als Quantentopfstruktur ausgebildet werden. Vermittels einer Quantentopfstruktur im aktiven Bereich können die spektrale Empfindlichkeit und Selektivität vorteilhaft erhöht werden.

Die Filterschicht ist bevorzugt als eine Schichtenfolge ausgebildet, die weiter bevorzugt aus verschiedenen Halbleitermaterialien hergestellt ist. Vorteilhafterweise kann die Filterschicht dann im selben epitaktischen Herstellungsschritt gewachsen werden wie der darunterliegende aktive Bereich und ggf. Spiegel. Das heißt, der aktive Bereich, die Filterschicht und ggf. die zwei Spiegel in einem Epitaxieschritt auf einem Substrat aufgewachsen werden können. Dadurch können Zeit und Kosten in der Herstellung gespart werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Filterschicht eine Quantentopfstruktur auf. Das in der Filterschicht absorbierte Licht erzeugt Ladungsträger, die vor einer Re-Emission in der Quantentopfstruktur eingefangen werden und dort energetisch relaxieren. In der Quantentopfstruktur rekombinieren diese Ladungsträger und erzeugen eine Strahlung, deren Wellenlänge vorzugsweise größer als λ₂ ist, also langwellige Strahlung. Diese langwellige Strahlung wird von einer anderen Schicht bzw. Struktur in dem Halbleiterkörper im wesentlichen nicht absorbiert. Damit verläßt die langwellige Strahlung den Halbleiterkörper, ohne detektiert zu werden. Die Filterschicht funktioniert hierbei wie ein Kanten-Filter, der kurzwelliges Licht mit einer Wellenlänge kleiner λ₁ absorbiert und langwelliges Licht durchlässt. In Verbindung mit der aktiven Schicht wird somit ein Bandpaß gebildet, der störendes Licht heraus filtert, so dass nur Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ₁ und λ₂ detektiert wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterkörper als Photodiode oder als Phototransistor ausgebildet.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den 1 bis 3.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterkörpers,
2 ein Diagramm der Bandabstände in den verschiedenen Schichten des Halbleiterkörpers von der Strahlungs-Einkopplungsfläche bis zum Substrat und
3 ein Diagramm der Indium- und Aluminium-Konzentrationen in den verschiedenen Schichten des Halbleiterkörpers von der Strahlungs-Einkopplungsfläche bis zum Substrat.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen. Zum besseren Verständnis sind insbesondere die Dicken der Schichten in den Figuren nicht maßstabsgerecht dargestellt.
Der in 1 dargestellte Halbleiterkörper ist beispielsweise als eine resonante Photodiode ausgebildet. Der Halbleiterkörper weist einen aktiven Bereich 2 auf, der beispielsweise eine Quantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von GaAs Quantum-Wells umfasst. Der aktive Bereich 2 ist vorzugsweise zwischen zwei Spiegeln 3, 4 angeordnet. Die Spiegel 3, 4 können als Halbleiter-Bragg-Spiegel ausgebildet sein, die beispielsweise mehrere Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.9Ga_0.1As-Perioden aufweisen. Vorzugsweise ist der Spiegel 4 für zumindest das zu detektierende Signal teildurchlässig und beispielsweise p-dotiert, der Spiegel 3 entsprechend n-dotiert. Die zwei Spiegel 3, 4 bilden einen Resonator 10, der genau auf das Licht des zu detektierenden Signals abgestimmt ist. Beispielsweise weist der Spiegel 3 36 Perioden auf und der Spiegel 4 zehn Perioden. Die im aktiven Bereich 2 absorbierte Strahlung erzeugt freie Ladungsträger, die in einem elektrischen Feld zu einem Photostrom führen.
Auf dem Spiegel 4 ist bevorzugt eine Filterschicht 5 aufgewachsen, die aus einem Material besteht, das für das Licht des zu detektierenden Signals weitestgehend transparent ist. Je nach Wellenlängenbereich kann hierfür eine Al_0.1Ga_0.9As-basierende Filterschicht 5 verwendet werden. Die Filterschicht 5 wird vorzugsweise in dem selben epitaktischen Schritt wie der aktive Bereich 2 gewachsen.
Kurzwelliges Licht wird in der Filterschicht 5 weitestgehend absorbiert. Vor einer Re-Emission werden die erzeugten Ladungsträger, die sich auch in dieser Filterschicht 5 befinden, in Quantum-Wells eingefangen und relaxieren dort energetisch. Beispielsweise besteht die Quantentopfstruktur aus In_0.2Ga_0.8As. In den Quantum-Wells rekombinieren diese Ladungsträger und erzeugen eine langwellige Strahlung, die im wesentlichen von keiner anderen Schicht des Halbleiterkörpers absorbiert werden kann.
Alternativ kann die Rekombination der erzeugten Ladungsträger über Oberflächenzustände stattfinden. In diesem Fall werden in der Regel keine Strahlung emittiert. Die Rekombination über Oberflächenzustände ist insbesondere möglich, wenn die Filterschicht 5 relativ dünn ausgebildet ist, d. h. in der Größenordnung von bis zum 10^–6 m. Bei einer relativ dünnen Filterschicht 5 ist es wahrscheinlicher, dass die Ladungsträger an die Oberfläche gelangen und dort über Oberflächenzustände rekombinieren.
Auf der Filterschicht 5 ist eine Kontaktschicht 6 aufgebracht. Vorzugsweise ist die Kontaktschicht 6 strukturiert. In diesem Beispiel ist die Kontaktschicht 6 auf Au:Zn basiert und p-dotiert. Die Flächen der Filterschicht 5, die nicht mit der Kontaktschicht 6 bedeckt sind, bilden die Strahlungs-Einkopplungsfläche 9. Das zu detektierende Signal wird durch die Pfeile 8 angedeutet.
Der Spiegel 3 ist auf einem Substrat 1 angeordnet, das beispielsweise GaAs enthält. Vorzugsweise ist das Substrat 1 elektrisch leitfähig. Auf der vom Spiegel 3 abgewandte Oberfläche des Substrats 1 ist eine Kontaktschicht 7 aufgebracht. Beispielsweise ist die Kontaktschicht 7 ganzflächig aufgebracht. In diesem Beispiel ist die Kontaktschicht 7 n-dotiert und enthält eine Legierung aus AuGe.
In 2 sind die Bandabstände der verschiedenen Schichten des Halbleiterkörpers gezeigt. Bandabstände sind gegen die Schichtenabfolge, die längst der horizontalen Achse dargestellt ist, aufgetragen.
Außer einer Cap-Schicht 13, die auf der Filterschicht 5 angeordnet ist, weist der in 2 dargestellte Halbleiterkörper den gleichen Aufbau wie das in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Cap-Schicht 13 ist beispielsweise aus GaAs und sehr dünn (in der Größenordnung von 10^–9 m) ausgebildet. Sie dient als Schutz gegen die Oxidation der Filter schicht 5. Die Filterschicht 5 enthält in der Regel relativ hohe Konzentrationen von Aluminium, das schnell in einer Luft-Umgebung oxidieren kann. Die Cap-Schicht 13 enthält vorzugsweise kein oder kaum Aluminium-Anteile und verhindert daher die Oxidation von Aluminium an der Luft/Halbleiter-Grenzfläche. Eine solche Oxidation kann zur Störung der elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschichtenfolge führen.
Durch die Pfeile 11 ist symbolisch kurzwelliges Licht dargestellt. Das kurzwellige Licht 11 dringt in den Halbleiterkörper bis in die Filterschicht 5 ein. Hier wird das kurzwellige Licht 11 weitgehend absorbiert und beispielsweise durch die in der Filterschicht 5 vorhandene Quantentopfstruktur in langwelliges Licht umgewandelt. Optional kann die Filterschicht 5 eine hohe Energiebarriere 5a für die Ladungsträger an der zur Strahlungs-Einkopplungsfläche 9 hingewandten Oberfläche aufweisen. Eine solche Energiebarriere 5a enthält in der Regel eine viel höhere Aluminium-Konzentration als der Rest der Filterschicht 5. In 2 sind die Quantentopfstrukturen in der Filterschicht 5 und in dem aktiven Bereich 2 durch große vertikale Bandabstände erkennbar.
Langwelliges Licht ist durch die Pfeile 12 symbolisch dargestellt. Das langwellige Licht umfaßt das mittels der Filterschicht 5 umgewandelte Licht sowie langwelliges Umgebungslicht und wird durch den Halbleiterkörper weitgehend durchgelassen. Die zu detektierende Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen λ₁ und λ₂ ist durch die Pfeile 8 angedeutet. Die Strahlung 8 wird durch die Filterschicht 5 und der teildurchlässige Spiegel 4 weitgehend durchgelassen. Die Resonanzwellenlänge des mittels der Spiegel 4, 3 gebildeten Resonators 10 entspricht im wesentlichen der Wellenlänge der Strahlung 8.
In der 3 werden beispielsweise die Indium- und Aluminium-Konzentrationen der Schichten des gleichen Halbleiterkörpers wie in 2 dargestellt. Von der 3 in Verbin dung mit der 3 ist zu erkennen, daß eine höhere Aluminiumkonzentration einem höheren Bandabstand entspricht. Umgekehrt entspricht eine höhere Indiumkonzentration einem niedrigeren Bandabstand.
Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

Strahlungsempfangender Halbleiterkörper, der zumindest einen strahlungsabsorbierenden aktiven Bereich (2) aufweist und elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂ empfängt, wobei λ₂ > λ₁, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine Filterschicht (5) zwischen dem aktiven Bereich (2) und einer Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) umfaßt, wobei – der aktive Bereich (2) elektromagnetische Strahlung detektiert, die eine Wellenlänge kleiner als λ₂ aufweist, – die Filterschicht (5) elektromagnetische Strahlung absorbiert, die eine Wellenlänge kleiner als λ₁ aufweist, und – die Filterschicht (5) elektromagnetische Strahlung durchläßt, die eine Wellenlänge größer als λ₁ aufweist.
Halbleiterkörper nach Anspruch 1, bei dem die Filterschicht (5) zumindest eine Quantentopfstruktur aufweist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Filterschicht (5) die von der Filterschicht (5) absorbierte Strahlung im Licht umwandelt, das eine Wellenlänge größer als λ₂ aufweist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) durch eine vom aktiven Bereich (2) abgewandte Oberfläche der Filterschicht (5) oder durch eine hierauf aufgebrachte Halbleiterschicht gebildet ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Filterschicht (5) als Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der aktive Bereich (2) als Quantentopfstruktur ausgebildet ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine erste Kontaktschicht (6), die auf der der Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) zugewandten Seite des aktiven Bereichs (2) angeordnet ist, zumindest teilweise auf der Filterschicht (5) aufgebracht ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Substrat (1) zwischen dem aktiven Bereich (2) und einer zweiten Kontaktschicht (7) angeordnet ist, die auf der von der Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (2) auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist.
Halbleiterkörper nach Anspruch 8, bei dem das Substrat (1) elektrisch leitfähig ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der aktive Bereich (2) zwischen zwei Spiegeln (3 ,4) angeordnet ist, wobei der zwischen dem aktiven Bereich (2) und der Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) angeordnete Spiegel (4) teildurchlässig ist.
Halbleiterkörper nach Anspruch 10, bei dem der zwischen dem aktiven Bereich (2) und der Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) angeordnete Spiegel (4) zumindest für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂ teildurchlässig ist.
Halbleiterkörper nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Spiegel (3, 4) als Bragg-Spiegel ausgebildet sind.
Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die zwei Spiegel (3,4) einen Resonator bilden, der auf Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₂ abgestimmt ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Spiegel (4) seitens der Strahlungs-Einkopplungsfläche (9) zwischen der Filterschicht (5) und dem aktiven Bereich (2) angeordnet ist.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Spiegel (3, 4) ein Halbleitermaterial enthalten.
Halbleiterkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, der als Photodiode oder als Phototransistor ausgebildet ist.