DE112004001156B4

DE112004001156B4 - Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors

Info

Publication number: DE112004001156B4
Application number: DE112004001156T
Authority: DE
Inventors: Martin Mikulics; Michel Marso; Peter Kordos
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2024-06-20
Also published as: WO2005011003A1; DE10333669A1; DE112004001156D2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors mit den Schritten:
– Herstellung einer leitenden Absorptionsschicht (32) auf einem isolierenden oder semiisolierenden Halbleitermaterial als Substrat (34),
– Herstellung von mindestens zwei Elektroden (31) als ohmsche Kontakte auf und/oder in der leitenden Absorptionsschicht (32),
– Modifizierung der leitenden Absorptionsschicht (32) zwischen den ohmschen Kontakten durch Ionen, so dass zwischen den Elektroden ein homogenes elektrisches Feld erzeugt werden kann, wobei die Elektroden (31) als Maske während der Implantation wirken,
– Kontaktierung des Photodetektors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors.
Photodetektoren werden zur Umsetzung von Lichtsignalen in elektrische Signale benutzt und z. B. in der optischen Nachrichtenübertragung eingesetzt.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Photodetektor besteht aus zwei Metallkontakten auf der Oberfläche eines Halbleiters. Bei diesem sogenanntem MSM-Photodetektor (MSM: Metal-Semiconductor-Metal) können die Elektroden z. B. als Schottky-Kontakte ausgelegt werden. Dann funktioniert das Bauelement als Photodiode mit zwei antiseriell geschalteten Schottkydioden. Werden die Elektroden hingegen als ohmsche Kontakte ausgelegt, dann erhält man einen Photowiderstand.
MSM-Photodetektoren werden gemäß Stand der Technik auf allen gängigen Halbleitermaterialien hergestellt, z. B. auf Si, GaAs, InP, GaN, sowohl mit Schottky-Kontakten als auch als Photowiderstände.
Aus EP 0 651 448 A1 ist ein MSM-Photodetektor bekannt.
Aus DE 196 21 965 A1 ist ein Photodetektor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
Aus EP 0 178 148 A2 ist ein Dünnschichtphotodetektor bekannt.
Zur Herstellung von ultraschnellen Photowiderständen eignen sich insbesondere Materialien mit einer hohen Dichte an Rekombinationszentren, welche die Lebensdauer der photogenerierten Ladungsträger stark herabsetzen. Ein Beispiel ist das sogenannte low temperature grown GaAs (LT-GaAs), welches bei für Epitaxiebedingungen niedrige Temperaturen von z. B. 200°C hergestellt wird.
In Frage kommen auch Halbleiter, bei denen durch Implantation mit geeigneten Ionen tiefe Störstellen erzeugt werden. Die Ionenimplantation wird auch benutzt zur Isolierung elektrischer Bauelemente durch eine starke Verminderung der Leitfähigkeit in den Bereichen zwischen den Bauelementen.
In beiden Ausführungen, das heißt sowohl bei der Ausführung der Elektroden als Schottky-Kontakte, als auch bei deren Ausführung als ohmsche Kontakte, wird beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld im Halbleitererzeugt. Dieses Feld bewegt photogenerierte Ladungsträger und erzeugt so einen Photostrom. Das elektrische Feld ist inhomogen, das heißt es wird mit zunehmender Tiefe im Halbleiter schwächer, wie in 1 zum Stand der Technik dargestellt. Weil die Geschwindigkeit der photogenerierten Ladungsträger von der elektrischen Feldstärke abhängt, erhöhen die in der Tiefe photogenerierten Ladungsträger nachteilig die Antwortzeit des Detektors.
Weiterhin nachteilig führen die, durch die inhomogene Feldverteilung erzeugten, Feldspitzen zu einer verminderten Spannungsfestigkeit des Detektors.
Bei der Ausführung des MSM-Photodetektors als Photowiderstand, steht die Forderung nach einem hohen elektrischen Widerstand des Halbleiters zur Erzielung eines möglichst niedrigen Dunkelstromes im Widerspruch zum Wunsch nach einem niedrigen Kontaktwiderstand der Elektroden, welcher einen möglichst kleinen Widerstand des Halbleitermaterials voraussetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors mit einem hohen elektrischen Widerstand des Halbleiters zur Erzielung eines möglichst niedrigen Dunkelstromes bereit zu stellen, der einen niedrigen Kontaktwiderstand der Elektroden mit möglichst kleinen Widerstand des Halbleitermaterials aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Der Photodetektor umfasst eine Absorptionsschicht und mindestens zwei als ohmsche Kontakte ausgeführte Elektroden auf und/oder in der Absorptionsschicht. Der spezifische Widerstand der Absorptionsschicht im Bereich zwischen den Elektroden ist im Verhältnis zum spezifischen Widerstand der Absorptionsschicht im unmittelbaren Bereich an den Elektroden größer eins.
Das Verhältnis beträgt vorteilhaft mindestens 10. Der spezifische Widerstand zwischen den Elektroden kann beispielsweise im Megaohm- oder Gigaohm-Bereich, der Widerstand im unmittelbaren Bereich der Elektroden im Ohm oder Kiloohm-Bereich liegen.
Zur Erniedrigung des Dunkelstromes des Photodetektors weist die Absorptionsschicht zwischen den Elektroden somit einen vergleichsweise hohen Widerstand auf. Unterhalb der Elektroden, die in der Absorptionsschicht angeordnet sind, weist die Absorptionsschicht einen niedrigeren Widerstand auf.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Kontaktwiderstand erniedrigt ist.
Der spezifische Widerstand der Absorptionsschicht zwischen den Elektroden bzw. im unmittelbaren Bereich an den Elektroden ist dabei derartig eingestellt, dass zwischen den Elektroden jedenfalls ein homogenes elektrisches Feld vorliegt.
Durch einen hohen Widerstand der Absorptionsschicht im Bereich zwischen den Kontakten entsteht dort ein homogenes elektrisches Feld, das im wesentlichen parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist, wenn eine elektrische Spannung zwischen den Kontakten anliegt. Dadurch wird die Reduzierung der Geschwindigkeit des Detektors durch die Generierung von Ladungsträgern in Niedrigfeldbereichen unterdrückt, und es werden Feldspitzen vermieden, welche zum Durchbruch schon bei niedrigen angelegten Spannungen führen.
Es ist, wie erwähnt, auch denkbar die Elektroden in der Absorptionsschicht anzuordnen, sofern dann zur Oberfläche der Absorptionsschicht hin bzw. zum Substrat hin ein niedrigerer Widerstand als im Bereich zwischen den Elektroden einstellbar ist.
Die zwei Elektroden sind zwecks besserer Kontaktierbarkeit aber in der Regel auf einer n- oder p-dotierten Halbleiterschicht als Absorptionsschicht angeordnet. Der Bereich zwischen den Kontakten ist mit so vielen Störstellen versehen, dass der ohmsche Widerstand stark erhöht ist und photogenerierte Ladungsträger schnell rekombinieren. Die Absorptionsschicht unterhalb des Kontaktes ist hingegen gut leitend.
Ein Bereich mit niedriger Feldstärke in der Absorptionszone wird vermieden, welche das Bauelement verlangsamen würde. Die Widerstandserhöhung durch Ionenimplantation bewirkt gleichzeitig eine Isolierung des Bauelementes gegenüber anderen Bauelementen auf demselben Substrat und macht somit vorteilhaft eine Mesa-Ätzung überflüssig.
Die Anordnung aus Absorptionsschicht und Elektroden ist vorteilhaft auf einem isolierenden oder semiisolierenden Substrat als Tragschicht angeordnet.
Derartige Photodetektoren stellen somit Bauelemente auf Halbleiterbasis zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom dar. Das Licht dringt im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche von oben in das Bauelement ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Photodetektors umfasst die Schritte:

– Herstellung einer leitenden Absorptionsschicht auf einem isolierenden oder semiisolierenden Halbleitermaterial als Substrat,
– Herstellung von mindestens zwei Elektroden als ohmsche Kontakte auf und/oder in der leitenden Absorp tionsschicht,
– Modifizierung der leitenden Absorptionsschicht zwischen den Elektroden, so dass zwischen den Elektroden ein homogenes elektrisches Feld erzeugt werden kann, wobei die Modifizierung der Absorptionsschicht mittels Implantation mit geeigneten Ionen erfolgt,
– Kontaktierung der Elektroden des Photodetektors.

Die Ionenimplantation wird mit einer Dosis und Energie ausgeführt die ausreicht, um den Widerstand der Absorptionsschicht im Bereich zwischen den Elektroden von dessen Oberfläche bis zum Substrat zu erhöhen. Das Material der Absorptionsschicht zwischen den Elektroden wird dabei so verändert, dass durch die Erzeugung von Rekombinationszentren die Geschwindigkeit des Photodetektors insgesamt erhöht wird und die Lebensdauer der photogenerierten Ladungsträger verringert wird.
Die Ionenimplantation erfolgt mit geeigneten Elementen, wie z. B. Stickstoff oder Silizium, die den ohmschen Widerstand zwischen den Elektroden stark erhöhen, so dass photogenerierte Ladungsträger schneller rekombinieren.
Die Kontaktierung des Photodetektors erfolgt z. B. mittels Isolationsschichten, Kontaktpads und so weiter.
Ein derartiger Photodetektor besitzt die bekannten Vorteile der MSM-Bauelemente. Es handelt sich um ein pla nares Bauelement, das heißt es werden keine Ätzungen benötigt, wodurch Arbeitsschritte gespart und nachfolgende Fertigungsschritte, insbesondere die Lithographie vereinfacht werden.
Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials unterhalb der ohmschen Kontakte kann dabei ohne Rücksicht auf den Dunkelstrom des Photodetektors gewählt werden.
Das Verfahren mittels Ionenimplantation erfolgt selbstjustierend nur in den Bereichen außerhalb der ohmschen Kontakte, weil das Kontaktmaterial erfindungsgemäß selbst als Implantationsmaske wirkt. Dies erspart kostspielige lithographische Prozessierungsschritte und erlaubt kleinere Abmessungen zwischen den Elektroden, weil keine Justiertoleranzen eingeplant werden müssen.
Im weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher beschrieben.
1 zeigt einen Photodetektor gemäß Stand der Technik.
2 zeigt einen Photodetektor.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Photodetektors.
In 1 wird beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 1 ein elektrisches Feld 3 im Halbleiter erzeugt. Dieses Feld 3 bewegt photogenerierte Ladungsträger und erzeugt so einen Photostrom.
Das elektrische Feld ist aber nachteilig inhomogen, das heißt, es wird mit zunehmender Tiefe im Halbleiter schwächer, wie in 1 zum Stand der Technik dargestellt. Weil die Geschwindigkeit der photogenerierten Ladungsträger von der elektrischen Feldstärke abhängt, erhöhen die in der Tiefe photogenerierten Ladungsträger nachteilig die Antwortzeit des Detektors. Weiterhin nachteilig führen die, durch die inhomogene Feldverteilung erzeugten, Feldspitzen zu einer verminderten Spannungsfestigkeit des Detektors.
In 2 ist ein MSM-Photowiderstand basierend auf GaAs, mit einer zu detektierenden Wellenlänge von kleiner 910 Nanometern dargestellt.
Das Substrat 24 besteht aus semiisolierendem GaAs. Die Absorptionsschicht 22 besteht aus GaAs und weist eine Dicke von beispielsweise 0,1 bis 10 Mikrometer auf. In die Absorptionsschicht 22 dringen im vorliegenden Beispiel Photonen mit 850 Nanometern Wellenlänge in GaAs bis zu 1 Mikrometer tief ein. Die Dotierung der Absorptionsschicht erfolgte mit N_D = 10¹⁶ bis 10¹⁹ cm^–3 und mit Silizium als Dotierelement. Die Absorptionsschicht 22 ist somit vom n-Typ.
Die Elektroden 21 umfassen eine metallische Schichtenfolge aus Ni/AuGe/Ni mit jeweiligen Dicken von 5, 90 und 25 Nanometern. Bei Bedarf können die Elektroden durch eine zusätzliche Metallschicht (z. B. Gold) mit einer Dicke von 50 bis 500 Nanometern zur besseren Abschirmung bei der Ionenimplantation verstärkt werden.
Die Elektroden 21 weisen eine Länge von 100 Nanometern bis 20 Mikrometer und einen Abstand von 100 Nanometer bis 20 Mikrometer auf. 2 zeigt in Bezug auf die Elektroden 21 ein 2-Finger Layout. Es kann aber genauso gut ein interdigitales Multifinger-Layout realisiert werden.
Gemäß der 3a erfolgt zunächst die Herstellung einer leitenden Absorptionsschicht 32 auf einem isolierenden oder semiisolierenden Halbleitermaterial als Substrat 34, z. B. durch Epitaxie oder durch Ionenimplantation.
Sodann erfolgt die Herstellung von Elektroden 31 als ohmsche Kontakte auf der leitenden Schicht 32, z. B. durch Aufbringen von geeigneten Metallschichten und Einlegieren (3b).
Der Implantationsprozess, der in 3c durch Pfeile angedeutet ist, verläuft erfindungsgemäß selbstjustierend nur in den Bereichen zwischen den Kontakten 31. Gegebenenfalls können die ohmschen Kontakte 31 durch Aufbringen geeigneter Materialien verstärkt werden.
Die Ionenimplantation erfolgt mit N, Ar, O, H, He, Si oder einem anderen geeigneten Element. Die Beschleunigungsspannung beträgt beispielsweise 10 kV bis 10 MV. Die Dosis beträgt beispielsweise 10¹² bis 10¹⁸ cm^–2.
Zur Verbesserung der Tiefenhomogenität können mehrere Implantationen mit verschiedenen Dosen und Beschleunigungsspannungen vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors mit den Schritten: – Herstellung einer leitenden Absorptionsschicht (32) auf einem isolierenden oder semiisolierenden Halbleitermaterial als Substrat (34), – Herstellung von mindestens zwei Elektroden (31) als ohmsche Kontakte auf und/oder in der leitenden Absorptionsschicht (32), – Modifizierung der leitenden Absorptionsschicht (32) zwischen den ohmschen Kontakten durch Ionen, so dass zwischen den Elektroden ein homogenes elektrisches Feld erzeugt werden kann, wobei die Elektroden (31) als Maske während der Implantation wirken, – Kontaktierung des Photodetektors.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (32) durch Ionenimplantation oder Eindiffusion von Dotierstoffen oder durch Epitaxie mit oder ohne Übergangsschicht hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ohmschen Kontakte (31) durch Aufbringen von geeigneten Metallschichten und/oder durch Einlegieren hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (22; 32) so dick ist, und/oder bei welchem das Substrat (24; 34) derartig ausgeführt ist, dass das einfallende Licht im wesentlichen nur Ladungsträger in der Absorptionsschicht (22; 32) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (21; 31) als interdigitale Fingerstruktur ausgelegt werden.