DE19503093C2 - Optoelektronischer Diamantsensor für Magnetfelder - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optoelektronischen Diamantsensoren für Magnetfelder.

Die bekannten Halbleitersensoren für Magnetfelder umfassen Magnetowiderstände, Magnetdioden, Hallelemente oder Feldplatten-Magnetometer. Die Bauelemente werden als selbständige Einheiten oder als Teile eines integrierten Schaltkreises auf der Basis von Silizium (Si), Germanium (Ge) und Verbindungshalbleitern der III-V Gruppen des Periodensystems, z. B. Galliumarsenid (GaAs), hergestellt.

Eine p-i-n Magnetdiode z. B. hat die Form einer langen und dünnen Halbleiterplatte, die so dotiert ist, daß eine p-i-n-Struktur in Längsrichtung gebildet wird. Die beiden Oberflächenseiten der Platte werden auf unterschiedliche Weise präpariert, so daß sie sehr unterschiedliche Rekombinationsgeschwindigkeiten aufweisen (M.Arai, T.Yamada, Suppl. to the J. of the Jap. Soc. of Appl. Physics, vol. 40 (1997) 93-98). Im Arbeitsbetrieb werden die Elektronen und die Löcher in das i-Gebiet injiziert; sie driften aufgrund des elektrischen Felds E in Längsrichtung. Wenn das Bauelement einer magnetischen Induktion B senkrecht zu E und senkrecht zur Normalen der Rekombinations-Oberflächen ausgesetzt wird, werden die sich bewegenden Träger zu einer der beiden Rekombinationsoberflächen abgelenkt. Eine Erhöhung oder Verminderung der Oberflächenrekombinations-Rate führt zu einer niedrigeren oder höheren Konzentration der zur Leitfähigkeit beitragenden Träger und einem entsprechenden niedrigeren oder höheren Widerstand der Struktur, der ungefähr proportional zu der magnetischen Induktion ist.

Es ist sehr oft notwendig, daß elektronische Bauelemente bei Temperaturen von über 300°C arbeiten sowie in Umgebungen mit hoher chemischer Aktivität oder Strahlung. Auf Si und GaAs basierende Bauelemente können wegen der Begrenzung der Eigenschaften dieser Materialien nicht bei solchen "rauhen" Bedingungen arbeiten. Es ist wohlbekannt, daß bei über 200°C die thermische Elektron-Löcher Aktivierung in Silizium stattfindet. Derselbe Prozeß erscheint in GaAs bei Temperaturen von über 300°C. Daneben fördert die hohe Temperatur die Diffusion der dotierten elektrischen Verunreinigungen in diesen Substanzen, was zur Degradation der Bauelemente führt. Desweiteren sind die Materialien nicht widerstandsfähig genug gegenüber Strahlungsexposition und chemisch aggressiven Umgebungen. Die erzeugten Strahlungsdefekte sowie die chemisch veränderte Oberfläche des Bauelementes verursachen zusätzliche Energiezustände im verbotenen Band des Materials und veranlassen auch eine Umverteilung der Raumladungszonen in den pn-Übergängen der Bauelemente, was deren Frequenzgrenzen und der Nachweisempfindlichkeiten reduziert.

Es ist möglich, diese Schwierigkeiten zu überwinden, indem man elektronische Bauelemente aus Diamant herstellt, der bekannt ist als ein Halbleiter mit weiter Bandlücke. Im Vergleich mit den üblichen elektronischen Materialien besitzt Diamant die stärksten interatomaren Bindungen, die sein Gitter sehr widerstandsfähig gegen jede externe Kraftausübung machen. Diamant ist thermisch stabil bis 600°C an offener Luft. Desweiteren hat er exzellente elektronische Eigenschaften. Wegen eines hohen Bandabstandes (5,5 eV) beginnt eine nennenswerte Aktivierung der Leitfähigkeit erst ab 800°C. Die Werte der Elektronen- und Löcherbeweglichkeit in undotiertem Diamant bei Raumtemperatur liegen bei jeweils 2000 cm²/Vs und 1900 cm²/Vs. Das elektrische Durchbruchfeld liegt bei ungefähr 10⁷ V/cm. Alle diese Charakteristika machen es möglich, den Diamant als ein vielversprechendes Material für Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik zu betrachten.

Um alle diese Vorteile von Diamant zu nutzen, wurde vorgeschlagen, das undotierte Material als aktive Zone von elektronischen Bauelementen einzusetzen. Die Träger, die in das isolierende Substrat injiziert werden, haben die höchstmögliche Beweglichkeit im Material, weil es dort keine zusätzliche Streuung an den ionisierten Dotierverunreinigungen gibt. Benutzt man den undotierten Diamant als eine Zwischenschicht eines pn- oder Schottky-Überganges, ist es möglich, die gleichrichtenden Eigenschaften zu verbessern und die Durchbruchsspannung des Bauelements zu erhöhen. Eine Reihe von p-i-n, p-i-M, M₁-i-M₂ Gleichrichtern mit einer isolierenden Diamantzwischenschicht wurde in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 445 998 A1 berichtet. Der Zweck dieser Schicht ist derjenige, die Dichte der Gitterdefekte in den Grenzflächen von pn-Übergängen und Schottky- Kontakten zu reduzieren. Diese Defekte geben Anlaß zu zusätzlichen elektronischen Zuständen in der verbotenen Zone, was zu hohen Leckströmen führt.

Diamant ist auch ein sehr vielversprechendes Material für optoelektronische Anwen­ dungen. Wegen des hohen Bandabstandes ist es transparent im ultravioletten (UV) und im infraroten (IR) Spektralbereich. Das erzeugte lichtemittierende Bauelement (LED) hat die Möglichkeit, blaues und ultraviolettes Licht emittieren. Viele Farbzentren in einem weiten Spektralbereich sind im Diamantgitter bekannt. Diese Zentren können leicht durch Verunreinigungsdotierung erzeugt werden.

Eine p-i-n LED auf natürlichem isolierendem Diamant wurde durch M.I. Guseava et al. hergestellt [Soviet Phys. Semicond. 12(3) (1978) 505]. Die p- und n-Typ Injektions­ kontakte wurden jeweils durch Bor- und Lithiumimplantation hergestellt.

Ausgehend von dem oben bezeichneten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitersensor zu schaffen, mittels dessen Magnetfelder durch Änderung der optischen Strahlung nachgewiesen werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 19 bezeichnet.

Durch die Erfindung wird ein Halbleitersensor zum Nachweis von Magnetfeldern aus aus Diamant bestehenden p-i-n Dioden zur Verfügung gestellt, bei dem inhomogen verteilte optische Rekombinationszentren vorgesehen sind, um Magnetfelder durch Änderung der optischen Strahlung derartiger Dioden nachzuweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optoelektronischer Diamantsensor vorgestellt. Er besteht aus einem intrinsischen Diamantsubstrat, mindestens einem n- Typ leitfähigen Gebiet auf oder in diesem Substrat, mindestens einem p-Typ leitfähigen Gebiet auf oder in diesem Substrat, elektrischen Kontakten zu all diesen Gebieten, vorausgesetzt daß das Substrat dotiert ist mit Rekombinationszentren von verschiedenen Arten, von denen mindestens eine ein optisches Rekombinations­ zentrum darstellt und von denen mindestens eine nichthomogen verteilt ist, so daß sie Rekombinationsgebiete bildet, deren Durchmesser die mittlere freie Weglänge von Elektronen und Löchern innerhalb dieser Gebiete übertreffen und deren Abstände zwischen den Gebieten die freien Weglängen der Elektronen und Löcher im Substrat übertreffen.

Der Arbeitsbetrieb des Bauelements basiert auf der Ablenkung der Elektronen und Löcher, die in das Substrat injiziert wurden und sich dort aufgrund dieser Ablenkung durch ein Magnetfeld in Richtung der Gegenden mit Rekombinationszentren bewegen. Abhängig von der Natur der Rekombinationszentren (strahlende oder nichtstrahlende Rekombination; hohe oder geringe Rekombinationsausbeute) und deren räumlicher Verteilung im Substrat ist es möglich, entweder den Wert des Ausgangsstroms oder/und die Intensität oder/und das Spektrum der Ausgangselektrolumineszenz- Emission des Bauelements zu variieren.

In einer Version wird der Sensor gemäß der Erfindung auf natürlichem isolierendem Diamant hergestellt. Das Substrat des Bauelements umfaßt einen Kristall, der in der Form einer asymmetrischen Pyramide geschnitten ist. Das anfängliche Substrat enthält nichthomogen verteilte optische H3 Zentren (503 nm Nullphononlinie). Das Substrat wurde vor Prozessierung durch örtlich auflösende Kathololumineszenz ausgewählt. Die H3 Zentren werden als Zentren von strahlender Elektron-Löcher-Rekombination benutzt. Die Schichten der p- und n-Typ Leitfähigkeit werden durch Bor- und Lithiumplantation in zwei gegenüberliegenden, polierten und flachen Seiten des Substrats gebildet. Die Seitenflächen des Substrats sind absichtlich nicht poliert und besitzen daher eine hohe nichtstrahlende Rekombinationsausbeute. Die Kontakte zu den Injektionsgebieten wurden mit Silberpaste angebracht. Der Sensor ermöglicht die Beeinflussung des elektrischen Stroms und der Intensität der Elektrolumineszenz­ emission, wenn er einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt wird. Wenn der Sensor im Magnetfeld gedreht wird, zeigt er entweder einen Rückgang der Intensität des Ausgangsstroms/der Elektrolumineszenz oder eine Erhöhung derselben. Die Antwort des Bauelements hängt von dem Winkel zwischen den Vektoren des elektrischen Stroms und des Magnetfelds ab.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen optoelektronischen Magnetfeldsensors auf Diamant gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Abb. 2 ist ein schematischer Querschnitt der Verkörperung eines optoelektronischen Magnetfeldsensors auf Diamant, der auf einem natürlichen, isolierenden Diamantkristall gefertigt und zu einem elektrischen Schaltkreis hinzugefügt wird. Die Ebene der Sensordrehung im Magnetfeld ist eingezeichnet;

Abb. 3 ist ein Graph, der die Änderung des elektrischen Stromes des Sensor aus Abb. 2 als Funktion seiner Drehung in der Ebene eines konstanten Magnetfeldes B darstellt. Es gelten: B = 0,25 T, drei verschiedene angelegte Spannungen: 60 V, 70 V und 80 V. I_o bezeichnet den Wert des elektrischen Stromes bei Magnetfeld B = 0 T;

Abb. 4 ist ein Graph, der die Änderung des elektrischen Stroms des Sensor aus Abb. 2 als eine Funktion des Wertes des Magnetfelds bei zwei verschiedenen angelegten Spannungen von 60 V und 80 V darstellt. Der Sensor befindet sich im Magnetfeld unter einem Winkel der maximalen Empfindlichkeit Φ = 270° gemäß Abb. 3;
Tabelle 1 enthält die Energien und Dosen der Bor- und Lithiumimplantationen für die Herstellung von p- bzw. n-Typ Diamantschichten.

Darstellung

Die Erfindung basiert auf der Veränderung der Strahlungsrekombinationsrate der Elektronen und Löcher als Folge der Ablenkung der sich im Magnetfeld bewegenden Ladungsträger. Der Effekt wird durch eine nichthomogene Dotierung des Diamantsubstrats erzielt, wobei die Rekombinationszentren in einer Ebene senkrecht zu der Richtung des elektrischen Stroms durch das Substrat liegen, so daß diese Rekombinationsgebiete bilden. Die Rekombinationszentren können von verschiedenartiger Natur sein, d. h. sie können strahlende oder nichtstrahlende Rekombinationszentren sein. Außerdem können die Rekombinationszentren verschiedene Rekombinationsausbeute aufweisen. Gemäß der Erfindung ist es notwendig, daß mindestens eine Art der Rekombinationszentren optisch wirksam ist. Das angelegte magnetische Feld lenkt die Elektronen und Löcher in die Rekom­ binationsgebiete ab und ändert dadurch ihre Konzentration und die Intensität ihrer strahlenden Rekombination. Die Stärke dieses Effektes hängt von der Größe des mag­ netischen Feldes und seiner Richtung bezogen auf die Richtung des elektrischen Stromes ab. Durch Verteilung der Rekombinationszentren von verschiedener Art über verschiedene Rekombinationsgebiete ist es möglich, den elektrischen Strom durch das Diamantsubstrat als auch die Intensität und die spektrale Verteilung der emittierten Rekombinations-Strahlung einzustellen.

Eine Version des Sensors gemäß der Erfindung ist eine elektrolumineszierende p-i-n Diode aus Diamant, deren i-Zone nichthomogen mit strahlenden und nichtstrahlenden Rekombinationszentren dotiert wird, wobei vorausgesetzt wird, daß beide vergleichbare Rekombinationsausbeute aufweisen und daß die Rekombinationsgebiete mit den verschiedenen Rekombinationszentren nicht überlappen. In diesem Fall erzeugt die Ablenkung der injizierten Ladungsträger in beide Rekombinationsgebiete eine fast identische Änderung des elektrischen Stromes, vorausgesetzt daß diese Gebiete symmetrisch längs der Stromrichtung hergestellt werden. Im Gegensatz dazu ändert sich die Intensität der Elektrolumineszenz beträchtlich, wenn ein Teil des Stromes hin oder weg von den Gebieten der strahlenden Rekombination gelenkt wird, da dadurch die Rate der stahlenden Rekombination erhöht oder erniedrigt wird.

Wenn zwei strahlende Rekombinationszentren mit vergleichbarer Ausbeute vorhanden sind, ändert die Ablenkung der Ladungsträger durch ein angelegtes magnetisches Feld in ein bestimmtes Rekombinationsgebiet hinein den Anteil dieser Zentren an der angeregten Elektrolumineszenz und ändert damit das Spektrum der Elektro­ lumineszenz.

Falls das Substrat mit Zentren von wesentlich voneinander abweichender Rekom­ binationsausbeute dotiert ist, wird der Strom von der Rekombination durch Zentren mit der höchsten Ausbeute bestimmt, da die Konzentration der injizierten Elektronen und Löcher viel höher ist als die der intrinsischen Ladungsträger im isolierenden Substrat. Der Strom durch die p-i-n Diode ist dann durch den Rekombinationsvorgang begrenzt. In diesem Fall ist der Betrieb der Diode ähnlich zu dem einer üblichen p-i-n Magnetodiode mit dem Unterschied, daß im vorliegenden Fall es zwei Ausgangssignale gibt, nämlich das elektrische (den Strom durch die Diode) und das optische (die Intensität und das Spektrum der Elektroluminisszenz).

Ausführungsbeispiel

Ein halbleitender optoelektronischer Magnetfeldsensor wurde auf einem natürlichen Diamanten vom Typ IIa gebaut. Der mittels Kathodotopographie ausgewählte Kristall wies eine inhomogene örtliche Verteilung der optischen H3- Zentren (503 nm Null-Phononenlinie) auf und wurde als Substrat (10) des Sensors gebraucht. Die H3-Zentren dienten als Zentren der strahlenden Rekombination (15a) für Elektronen und Löcher, die ins Substrat injiziert worden waren. Wie in Abb. 2 gezeigt, wurde der Kristall in der Form einer asymmetrischen Pyramide geschnitten, um längsseitig eine grobe Oberfläche zu erhalten, die als eine Fläche mit nichtstrahlenden Rekombinationszentren benutzt wird (15b). Die Deck- und Grundflächen der Pyramide wurden mechanisch poliert. Die Bereiche der Elektronenleitfähigkeit (11) und der Löcherleitfähigkeit (12) wurden durch Lithium- und Borimplantation gebildet (s. Tab. 1) und stellten n- und p-Typ Diamanten dar. Die Parameter der Implantation waren so ausgewählt, daß eine gleichmäßige Verteilung der Dotierung über die implantierte Gebiete hin erzielt wurde und die oberflächen­ nahen Schichten (16, 17) in einen amorphen Kohlenstoff-ähnliche Zustand umgewandelt wurden. Die elektrischen Kontakte zu den n- und -leitfähigen Gebieten (11, 12) wurden durch zwei Drähte gebildet, die mittels Silberpaste (13, 14) an diese Gebiete angeschlossen wurden.

Der Sensor wurde in einen Schaltkreis eingebaut, der eine Gleichspannungsquelle U und ein Amperemeter A enthielt, das in Reihe zum Sensor gelegt war (Abb. 2).

Wenn eine Vorwärtsspannung von mehr als 20 V an die Kantakte angelegt wurde, wurde ein elektrischer Strom durch das Substrat beobachtet. Dieser war von einer grünen Lichtemission begleitet, die durch das optische Fenster aus dem intrinsischen Substrat heraustrat. Aufgrund des Spektrums der Emission wurde die Anregung des H3-Zentrums nachgewiesen. Es wurde gezeigt, daß die Gesamtintensität der Elektrolumineszenz linear vom elektrischen Strom bis zu etwa 2 mA abhing.

Der Sensor wurde zwischen zwei parallele Spulen N, S eines Magneten montiert. Der Magnet ermöglichte eine veränderbares Magnetfeld von bis zu 0,32 T. Der elektrische Strom sowie die Intensität der Lichtemission des Sensors hingen sowohl von der Stärke des Magnetfeldes als auch vom Winkel Φ der Sensordrehung in der Ebene normal zu dem Magnetfeld (siehe Abb. 2) ab.

Wie es in Abb. 3 gezeigt wird, führte die Drehung des Sensors im konstanten Magnetfeld in der Ebene normal zu dem Magnetfeld zu einer Änderung des elektrischen Stromes, der durch den Sensor floß. Die Intensität der Lichtemission änderte sich gemäß der Änderung des Stromes, weil sie eine lineare Funktion des Stromes ist. So ermöglichte der Sensor die Messung von Betrag und Richtung des Magnetfelds durch die Änderung des Stroms und der Intensität der Lichtemission.

Desweiteren wurde der Sensor in ein konstantes Magnetfeld B = 0,25 T gestellt bei dem Winkel der maximalen Empfindlichkeit Φ = 270° gemäß Abb. 2 und 3. Der Strom wurde als Funktion des Magnetfeldes gemessen. Wie es in Abb. 4 gezeigt wird, zeigte die Struktur in den Spannungsbereichen mit weniger als 65 V eine kubische Anhängigkeit vom Magnetfeld. In den Spannungsbereichen mit mehr als 65 V zeigte der Strom und die Emissionsintensität eine quadratische Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfelds. So ermöglichte der Sensor, die Messungen der Stärke des Magnetfelds durchzuführen.

Tabelle 1

Claims (19)

1. Optoelektronischer Halbleitersensor zum Nachweis von Magnetfeldern bestehend aus einem Diamantsubstrat (10), das mit mindestens einem Gebiet (11) mit Elektronenleitfähigkeit und mindestens einem Gebiet (12) mit Löcherleitfähigkeit verbunden ist, bei dem elektrische Kontakte (13, 14) an all diese Gebiete (11, 12) angeschlossen sind, und bei dem das Substrat (10) mit Rekombinationszentren (15a, 15b) von verschiedenartiger Natur dotiert ist, von denen mindestens eine optische Rekombinationszentren (15a) darstellt, wobei mindestens die optischen Rekombinationszentren (15a) inhomogen verteilt sind und zwar derart, daß sie Rekombinationsgebiete bilden mit Durchmessern, die die freien Weglängen der Elektronen und Löcher innerhalb dieser Rekombinationsgebiete übertreffen und deren Abstände untereinander die freien Weglängen im Substrat (10) übertreffen.

2. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß das Diamantsubstrat einen natürlichen Diamant-Einzelkristall, einen synthetischen Diamant-Einzelkristall, einen epitaktischen Einzelkristall-Diamantfilm oder einen polykristallinen Diamantfilm enthält.

3. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß Bereiche von Elektronen- und Löcherleitfähigkeit auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen des Substrates gebildet werden.

4. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 dergestalt, daß Rekombinationsgebiete auf den Seitenflächen des Substrates gebildet werden.

5. Sensor gemäß Anspruch 3 dergestalt, daß mindestens eine der Seitenflächen des Substrates nicht senkrecht zu den gegenüberliegenden Seitenflächen orientiert ist.

6. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß die Gebiete von Elektronen- und Löcherleitfähigkeit auf einer Fläche des Substrates gebildet werden.

7. Sensor gemäß Anspruch 6 dergestalt, daß die Rekombinationsgebiete auf der Flachseite zwischen den Gebieten der Elektronen- und Löcherleitfähigkeit gebildet werden.

8. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß sein Substrat Schichten enthält, von denen jede mit verschiedenen Arten von Rekombinationszentren dotiert ist.

9. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 dergestalt, daß die strahlenden Rekombinationszentren Stickstoff-induzierte H3-Zentren sind, und/oder A- Band-Zentren und/oder die Silizium-induzierten 738 nm Zentren.

10. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 dergestalt, daß die Rekombinationszentren ins Substrat durch Elektronen-, Neutronen- oder Ionenbestrahlung oder während des Substratwachstums eingeführt werden.

11. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 dergestalt, daß die Gebiete der Elektronenleitfähigkeit durch Metallabscheidung gebildet werden.

12. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 dergestalt, daß die Gebiete der Elektronen- und Löcherleitfähigkeit n-Typ und p-Typ Diamant enthalten.

13. Sensor gemäß Anspruch 12 dergestalt, daß die n- und p-Typ Diamantschichten durch Ionenimplantation von elektrisch aktiven Verunreinigungen in das Substrat oder/und durch epitaktisches Wachstum auf dem Substrat von Diamantschichten, die mit elektrisch aktiven Verunreinigungen dotiert werden, gebildet werden.

14. Sensor gemäß Anspruch 13 dergestalt, daß die n-Typ Schichten durch Lithium- Phosphor- oder Kohlenstoff-Implantation gebildet werden.

15. Sensor gemäß Anspruch 13 dergestalt, daß die p-Typ Schicht durch Bor- Implantation gebildet wird.

16. Sensor gemäß Anspruch 13 dergestalt, daß die p-Typ Schicht durch Abscheidung eines Bor-dotierten Filmes gebildet wird.

17. Sensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 dergestalt, daß die elektrischen Kontakte zu den p- und n-Typ Schichten Gebiete enthalten, die durch Ionen-Implantation mit einer vorherbestimmten Dosis gebildet werden, vorausgesetzt, daß die Oberfläche dieser Gebiete sich in einen amorphen Kohlenstoff-ähnlichen Zustand umwandelt.

18. Sensor gemäß Anspruch 1 dergestalt, daß die Gebiete der Elektronen- und Löcherleitfähigkeit in einer nicht-planaren Geometrie gebildet werden.

19. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 dergestalt, daß optische Fenster in mindestens einer Fläche des Substrates gebildet werden.