DE19720926A1 - Photonendetektor und Verfahren zur Herstellung des Photonendetektors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Photonendetektor, bei dem zwischen elektrisch-leitfähigen Anschlüssen Material mit lichtabhängiger Leitfähigkeit angeordnet ist, und ein Verfahren zur Herstellung des Photonendetektors.

Zum Nachweis von Licht bzw. Photonen sind die verschiedensten Einrichtungen bekanntgeworden, beispielsweise Photozellen, bei denen in einem Hochvakuumgefäß die Photonen eine Emission von Elektronen aus einer Photokathode bewirken, oder Festkörperelemente, bei denen ein lichtabhängiger Widerstandswert in elektrische Signale umgewandelt wird. Beispiele für bekannte Photonendetektoren sind unter anderem in Photonendetektoren für UV L. Strüder, J. Kemmer, Neuartige Detektoren für die Röntgen-Astrophysik, Phys. Bl. 52 (1996) 21, MOS-CCD-Kameras der Elektronik- Industrien, Firmenkataloge und in Photo-Widerstände aus Halbleitermaterial: J.C. Gammel, H. Ohno, J.M. Ballantyne, "High Speed Photoconductive detectors using Ga InAs". IEEE j Quant. Electr. QE-17 (1981) 269-272 beschrieben. Die bekannten Einrichtungen reagieren teilweise träge auf den Lichteinfall, benötigen große Lichtintensitäten oder sind teuer in der Herstellung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Photonendetektor anzugeben, der bereits bei geringen Lichtmengen auswertbare Signale ergibt und der mit einfachen Prozessen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Material nanokristallines Verbundmaterial ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß das nanokristalline Verbundmaterial aus segregrierten Edelmetall-Einkristalliten gebildet ist, die in einer Matrix geringer Leitfähigkeit eingebettet sind, und/oder daß die Einkristallite eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen.

Der erfindungsgemäße Photonendetektor hat den Vorteil, daß bei seiner Herstellung kein besonderes Grundmaterial mit Halbleitereigenschaften, beispielsweise extrem reines Silizium, benötigt wird. Es ist auch keine Anwendung von hochgenauen lithographischen Techniken erforderlich. Das nanokristalline Verbundmaterial kann auf beliebige isolierende Substanzen, wie beispielsweise Quarz, aufgebracht werden. Lediglich eine leitfähige Anschlußstruktur zum Messen des durch Photonen induzierten Stromes ist erforderlich. Abgesehen davon entfallen mehrere halbleiter-technologische Prozeßschritte, was die Herstellung der erfindungsgemäßen Photonendetektoren wesentlich verbilligt.

Nanokristallines Verbundmaterial ist beispielsweise beschrieben in: J.B. Pendry, Journal of Modern Optics, Vol. 42, No. 2 (Februar 1994), 209.

Schon geringste Mengen des Verbundmaterials reichen aus, um Photonen nachzuweisen. So wurde beispielsweise zu Versuchszwecken ein erfindungsgemäßer Photonendetektor hergestellt, bei welchem das nanokristalline Verbundmaterial die Form eines Drahtes von 2 µm Länge und einem Querschnitt von 100 nm × 100 nm aufweist. Als Ausgangsmaterial für die Deposition wurde Dimethyl-Gold-Trifluoro-Acetylacetonat verwendet. Der derart hergestellte erfindungsgemäße Photonendetektor zeigte bereits einen Photonenstrom an, wie ihn eine 60-Watt-Lampe in einem Meter Entfernung aussendet. Flächige Detektoren mit 2 µm × 2 µm Größe aus platin-haltigem Material zeigen ähnliche Leitfähigkeitsänderungen.

Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird unter anderem bewirkt, daß die Einkristallite ein null-dimensionales Elektronengas mit stark gequantelten Energieabständen besitzen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Photonendetektors ist vorgesehen, daß das nanokristalline Verbundmaterial durch korpuskularstrahl-induzierte Deposition auf einen Träger aufgebracht wird, wobei als Ausgangsstoffe organo-metallische Verbindungen verwendet werden, die aufgrund ihres hohen Dampfdrucks auf der Oberfläche des Trägers adsorbiert sind. Insbesondere werden die Einkristallite dadurch gebildet, daß die mit einer Molekularstrahl-Einrichtung im Vakuum auf der Oberfläche des Substrats adsorbierten Schichten der organo-metallischen Verbindungen durch einen energiereichen Beschuß mit Korpuskularstrahlen in nanokristalline Verbindungen umgewandelt werden.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß während des Beschusses die Temperatur des Substrats zwischen 0°C und 100°C beträgt und/oder daß die organo-metallische Verbindung ein Edelmetall, vorzugsweise Platin oder Gold, enthält. Besonders gute Ergebnisse werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt, wenn als Korpuskularstrahlen energiereiche Elektronenstrahlen verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung mehrerer Einkristallite innerhalb des nanokristallinen Verbundmaterials,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Elektronenzustände in den Kristalliten zur Erläuterung der Entstehung des photonenabhängigen Stroms und

Fig. 3 zwei Ansichten eines erfindungsgemäßen Photonendetektors, der in großer Zahl rasterförmig angeordnet zur Bildaufnahme dient.

Fig. 1 zeigt schematisch nanokristallines Verbundmaterial, wie es bei dem erfindungsgemäßen Photonendetektor verwendet wird. Der Übersichtlichkeit halber wurde die Darstellung stark vereinfacht, beispielsweise dadurch, daß nur eine Ebene gezeigt ist und daß eine Kristallebene aller dargestellten Einkristallite in dieser Ebene liegt, was in Wirklichkeit nicht der Fall ist.

Auf der Oberfläche eines in Fig. 1 nicht dargestellten Substrats werden durch Korpuskularstrahl-Deposition Schichten aus organo-metallischen Verbindungen aufgebracht. Durch energiereichen lokalen oder flächigen Beschuß mit Korpuskularstrahlen hoher Energiedichte werden diese in nanokristalline Substanzen umgewandelt. Dabei befindet sich das Substrat auf Raumtemperatur oder auch auf erhöhter Temperatur von beispielsweise 100°C. Die Temperaturerhöhung bewirkt das verstärkte Abdampfen organischer Radikale, die aus den organo-metallischen Verbindungen beim Molekül-Zerfall entstehen und die dadurch in verringertem Umfang in die Schicht eingebaut werden.

So entstehen besonders leitfähige Einkristallite 1, mit einem spezifischen Widerstand von nahe dem des reinen Metalls. Die Einkristallite weisen einen Durchmesser von 1 nm bis 4 nm auf und bestehen aus beispielsweise 600 Atomen, die in Fig. 1 als schwarze Punkte 3 dargestellt sind. Die Einkristallite 1 sind in einer Matrix 2 eingebettet, die von organischen Radikalen gebildet wird und praktisch nicht leitfähig ist.

Die Einkristallite besitzen ein null-dimensionales Elektronengas mit aufgrund der Quantenbedingungen für Elektronen-Eigenzustände in den Nanokristalliten stark gequantelten Energiezuständen definierter Energie-Abstände. Durch die Größe der Nanokristallite und durch ihre Abstände zueinander ist eine Aktivierungsenergie für die Wanderung der Elektronen durch Hüpfen zum nächsten Nachbarn (NNH = Nearest neighbor hopping) der Elektronen nach der Theorie von Mott meßbar, die über der bei Raumtemperatur von 20°C zur Verfügung stehenden Energie von 27 meV liegt. Für Goldverbindungen beträgt die Aktivierungsenergie 20 meV bis 60 meV und liegt damit je nach Ausführungsform unter oder auch über der Anregungsenergie bei Raumtemperatur, während sie für platin-haltige Kristall-Verbundwerkstoffe je nach Herstellungsbedingungen zwischen 120 meV und 240 meV liegt. Entsprechend der Theorie für die Elektronenleitung durch Springen über variable Reichweite (VRH = Variable range hopping) folgt die bei verschiedenen Temperaturen gemessene Leitfähigkeit einem Exponentialgesetz G=a·T⁻^½. Derartige nanokristalline Metalle mit nicht leitfähiger Matrix kommen in der Natur nicht vor, werden jedoch unter den besonderen Bedingungen der korpuskularstrahl-induzierten Deposition erzeugt.

Der erfindungsgemäße Photonendetektor kann als supergekühlte Materie angesehen werden, da Photonen von Raumtemperatur nicht genügend Energie besitzen, um die Elektronen anzuregen. Dieses ist wegen der großen Energieabstände < 27 meV, die im Bereich der niedrigen Anregungszustände besonders groß sind, im null-dimensionalen Elektronengas der Nanokristallite nicht möglich.

Photonen hingegen von Infrarot-Strahlung besitzen bereits mehr als 500 meV Energie und können daher die Elektronen leicht in energetisch höher liegende Zustände anheben, was in Fig. 2 durch den senkrechten Pfeil angedeutet ist. Die Elektronen in diesen Bändern besitzen Orbitale größerer räumlicher Ausdehnung als diejenigen niedrigerer Energie und daher ist es ein Leichtes, die hochangeregten Elektronen zu nächsten Nachbarn durch Anlegen einer geringen Spannung δU zu bewegen und so den Photostrom bzw. den Spannungsabfall bei konstantem Strom zu erhalten.

Den Effekt kann man ebenso dadurch erklären, daß die Potentialtöpfe 5 (Fig. 2) der Nanokristallite zum Vakuum hin oder zum Nachbarn hin durch die Bildkraft beim Tunneleffekt abgerundet sind. Damit müssen Elektronen aus Zuständen höherer Energie (beispielsweise 8) nur einen schmaleren Potentialwall 6 zum Nachbartopf hin durchtunneln, als stärker gebundene (beispielsweise 7), was den erhöhten Tunnelstrom erklärt. Damit stellen die nanokristallinen Verbundmaterialien eine neue Klasse von rauscharmen Photonendetektoren dar, die mit besonders einfachen Fertigungsbedingungen hergestellt werden können und kein hochreines Halbleitermaterial als Ausgangssubstanz erfordern.

Die nanokristallinen Verbundmaterialien können auf allen isolierenden Stoffen, wie Glas, Quarz, oder Kunststoffen, durch korpuskularstrahl-induzierte Deposition aufgebracht werden. Diese kann mit Einzelstrahlen oder auch durch mit Schablonen strukturierte Großflächenstrahler, wie reaktive Ätzanlagen und Plasma-Entladungen, oder auch in unstrukturierter Weise in Gasentladungen erzeugt werden. So können großflächige Photonendetektoren hohen Wirkungsgrades und hoher Empfindlichkeit erzeugt werden. Derartige Schichten sind für die Anwendung in der Photovoltaik zur Energieumwandlung von Licht in elektrische Energie einsetzbar.

Werden durch geeignete Wahl der Prekursoren und Ausgangsmaterialien und der Depositionsbedingungen Stoffe mit metastabilen Zuständen erzeugt, so lassen sich auf diese Weise strukturierte oder auch unstrukturierte Laser-Materialien als Ausgangsstoffe für Laser und schmalbandige Lichtquellen herstellen und in Strukturen einfügen, die in der integrierten Optik und in Schaltungen für das Schalten von und das Rechnen mit Licht von großer Bedeutung sind.

Da der Leitungsmechanismus auf Hüpfen bzw. Tunneln von Elektronen basiert und dieser Prozeß der schnellste für Elektronenbewegung ist, stellen diese neuartigen Photonendetektoren aus Verbundwerkstoffen mit eindimensionalem Elektronengas sehr schnelle Detektoren dar, wie sie in der optischen Nachrichtentechnik und Signalverarbeitung im GHz-Bereich benötigt werden.

Für das Rechnen mit Licht und die kontrollierte Emission von Licht mit definierten Puls folgen und -längen wird ein schneller Detektor benötigt, um durch kontrollierte schnelle Eingriffe bei der Emission der Lichtwellen mit Hilfe von deterministischem Chaos Licht besonderer Eigenschaften herzustellen.

Die Fig. 3a und 3b zeigen einen Photonendetektor, der einen Punkt eines Flächensensors einer Bildaufnahmeeinrichtung bildet, und zwar Fig. 3a in Form eines Querschnitts, Fig. 3b als Ansicht von der Rückseite. Der Photonendetektor befindet sich am Kreuzungspunkt zweier ITO-Leiterbahnen 11, 12, die von einem Isolator 13 getrennt sind. Zur Farbselektion ist eine dielektrische Farbfilterschicht 14 vorgesehen, die in Einfallsrichtung des Lichts (Pfeil) vor der lichtempfindlichen Schicht 15 aus nanokristallinem Verbundmaterial aufgebracht ist. Rückwärtig ist die lichtempfindliche Schicht 15 mit einem dielektrischen Spiegel 16 abgedeckt, um Störungen durch von der Rückseite einfallendes Licht zu verhindern. Der dielektrische Spiegel 16 ist in Fig. 3b lediglich gestrichelt angedeutet, um den Blick auf die lichtempfindliche Schicht 15 freizugeben.

Claims (9)

1. Photonendetektor, bei dem zwischen elektrisch-leitfähigen Anschlüssen Material mit lichtabhängiger Leitfähigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material nanokristallines Verbundmaterial ist.

2. Photonendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nanokristalline Verbundmaterial aus segregrierten Edelmetall-Einkristalliten (1) gebildet ist, die in einer Matrix (2) geringer Leitfähigkeit eingebettet sind.

3. Photonendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallite (1) eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen.

4. Photonendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallite (1) ein null-dimensionales Elektronengas mit stark gequantelten Energieabständen besitzen.

5. Verfahren zur Herstellung des Photonendetektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nanokristalline Verbundmaterial durch korpuskularstrahl-induzierte Deposition auf einen Träger aufgebracht wird, wobei als Ausgangsstoffe organo-metallische Verbindungen verwendet werden, die aufgrund ihres hohen Dampfdrucks auf der Oberfläche des Trägers adsorbiert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Molekularstrahl-Einrichtung im Vakuum auf der Oberfläche des Substrats adsorbierten Schichten der organo-metallischen Verbindungen durch einen energiereichen Beschuß mit Korpuskularstrahlen in nanokristalline Verbindungen umgewandelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Beschusses die Temperatur des Substrats zwischen 0°C und 100°C beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die organo-metallische Verbindung ein Edelmetall, vorzugsweise Platin oder Gold, enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Korpuskularstrahlen energiereiche Elektronenstrahlen verwendet werden.