DE2247966A1 - Halbleiteranordnung zum nachweis von lichtstrahlen - Google Patents

Halbleiteranordnung zum nachweis von lichtstrahlen

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Description

Prof. Drβ rero nat» Heinz Beneking 51 Aachen, Teraplergraben 55
Heilbronn, den 22<>9ol972 PT~Ma/sr ~ HN" 72/4%
Halbleiteranordnung zum Nachweis von Lichtstrahlen
Bisher wurden eintreffende Photonen im unsichtbaren Spektralbereich mittels Vakuumgeräten nachgewiesene Dies geschieht beispielsweise unter Verwendung großflächiger Photokathoden und über die elektronen-optische Abbildung auf einem Leuchtschirm,, Ferner sind optoelektronische Halbleiteranordnungen bekannt, die Strom in Licht um= wandeln» Das dabei erzeugte Licht kann in einem direkt angekoppelten Halbleiterbauelement oder in einem durch eine Übertragungsstrecke von dem lumineszierendem Halbleiterbauelement getrennten Bauelement einen meßbaren Strom auslösen» Dieses Empfängereleraient ist dann bei·= spielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor.»
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung anzugeben, dxe zum Wachweis von Lichtstrahlen-geeignet isto Diese Aufgabe wird
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erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anordnung aus mindestens zwei aneinander angrenzenden Bereichen aus Halbleitermaterial unterschiedlichen Bandabstands be= steht, und daß diese Bereiche so gewählt sind, daß die im Bereich kleineren Bandabstands durch Lichteinstrahlung erzeugten Ladungsträger im Bereich größeren Bandabstands unter Abgabe von Lichtstrahlung rekombinieren.
Unter Bandabstand wird die Breite des verbotenen Bandes verstanden, im Bändermodell somit ^er Abstand der potentiellen Energie der Elektronen zwischen der oberen Grenze des Valenzbandes und der unteren Kante des Leitungsbandes, Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß in einem Bauelement Halbleiterbereiche integriert sind, die sich gegenüber auftreffenden Photonen ganz unterschiedlich verhalten. Ein Halbleiterbereich weist einen so kleinen Bandabstand auf, daß dort durch das Auftreffen der Strahlungsenergie Ladungs trägerpaare gebildet werden und somit die Zahl der aktiven Ladungsträger durch die Einstrahlung wesentlich erhöht wird« Im. anderen. Bereich, mit hohem Bandabstand löst die einfallende Strahlung praktisch keine Ladungsträgerpaarbildung aus, Dagegen rekombinieren die in dieses Gebiet eindringenden Ladungsträger aufgrund des hohen Bandabstandes
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sehr leicht, wobei Strahlungsenergie frei wird»
Eine Anordnung der «srf in dung, s gemäß «n Art eignet sich da=» her zur· Strahlungsregistnerung oder als Bildwandler» Im unsichtbaren Spektralbereieh auf das Bauelement auf=» treffende Strahlung kann, i.xi ein Bild im sichtbaren Spek=» tralbereich umgewandelt werden= Insgesamt sind beliebige Frequenzwandlungen mögliche
Zur Herstellung der eri'mdungs gemäß en Anordnung müssen Halbleiterberexche aus unterschiedlichem Halbleitermaterial übereinander angeordnet werdenβ Hierbei bilden sich zwischen den einzelnen Bereichen sogenannte Hetero= Übergänge» ·
Derartige Bereichs» oder Zonenf'olgen aus unterschiedlichem Halbleitermaterial werden vorzugsweise durch das epitaktische Abscheiden von Halbleiterschichten hergestellt<= Als unterschiedliche Materalien eignen sich beispiels= weise Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid und Gallium= aluminimn=Arsenido
Die Zahl der 'Halbleiterzonen oder Halbleiterbereiche sowie deren räumliche Ausdehnung kann bei der erfindungsgemäßen
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Anordnung sehr unterschiedlich sein,, Wesentlich ist immer, daß die Dotierung und der Bandabstand des einen verwendeten Materials eine spürbare Ladungsträgerpaarbil= dung beim Einfall von Strahlungsenergie zuläßt. Es müssen dann Mittel vorgesehen sein, die dafür sorgen, daß die erzeugten Ladungsträger in das benachbarte Gebiet des höheren Bandabstands transportiert werden» Material, Dotierung und Bandabstand dieses zweiten Bereichs muß dann eine rasche Rekombination der Ladungsträger unter Freisetzung von Strahlungsenergie der gewünschten Frequenz zulassen., Der Transport der Ladungsträger wird vorzugsweise durch ein Feld verursacht, das seinerseits durch die an das Bauelement angelegte Spannung entsteht.
Eine Rückwirkung des erzeugten Lichtes kann z» B0 durch die gewählte räumliche Anordnung unterdrück oder besonders hervorgehoben werden»
Im einfachsten Fall wird die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung aus nur zw«i Bereichen bestehen«. Der eine Bereich kann beispielsweise wie ein Fotowiderstand wirken, der zusammen mit dem anderen Bereich eine Lumineszenzdiode bildet
Andere geeignete Halbleiteranordnungen können die Zonenfolge
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eines Transistors aufweisen. Einzelne Zonen, dieser Tran= sistorstruktur können wiederum in Bereiche mit unterschiedlichem Bandabstand aufgeteilt werdene Der jeweilige Aufbau der Anordnung wird sich auch nach dem Verwendungszweck richten ο Wenn beispielsweise mit der erf"indungsgemäßen Anordnung Laserstrahlen nachgewiesen werden sollen, wird eine Anordnung aus zwei Zonen ausreichenÄ Wenn die Anordnung dagegen als Bildwandler eingesetzt werden soll, wird man, um bessere· Auflösungseigenschaften zu erzielen, Halbleiteranordnungen mit mehr als zwei Zonen den Vorzug gebenο
Gerade bei Bildwandlern muß dafür gesorgt werden, daß der die Strahlung abgebende Rekombinationsbereich großflächig ausgebildet: ist«, Die Einfall.rich.tung der Lichtquanten auf das Bauelement muß außerdem so gewählt werden, daß durch die Ladungsträgerrekombinatloja ein differenziertes, räumlich aufgelöstes Bild der einfallenden Strahlung entsteht« Die Lichtquanten werden daher vorzugsweise senk« recht auf die pn-Übergangsfläche auftreffen« Der Abstand zwischen der Paarerzeugüngs= und Rekombinationsstelle muß sich nach der gewünschten «Auflösung riehteno
Die Erfindung soll im weiteren anhand einiger Ausführungsbeispiele naher erläutert werden»
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In der Figur 1 ist die Kombination eines FotowiderStandes mit einer Lumineszenzdiode dargestellt, wobei zwischen den einzelnen Bereichen dieses Kombinationsbaueleraentes ein Heteroübergang besteht,
Das Halbleiterbauelement besteht aus den Zonen 1 und 2c Die Zone 1, die den Photowideratand bildet und damit aus einem Material mit kleinerem Bandabstand bestehen muß, ist beispielsweise aus relativ hochohmigem η leitendem Gallium-Arsenido An diesen Gallium-Arsenid Bereich grenzt die niederohmige und p- leitende Zone 2 an, die, um einen höheren Bandabstand zu erhalten, beispielsweise aus Galliuaallurainiua-Arsenid besteht. Hierbei richtet aich dar Bandabstand auch nach dar prozentualen Verteilung der verschiedenen Bestandteile das Verbindungshalbleiter. Man kann beispielsweise dia Materialzusammensetzung Gt-Al wählan, wobei dar Wart χ In einem Fall beispielsweise 2/3 ist, Ola Ga Al As-Schicht 1st beiepialewaisa mit Zink dotiert und waist eine Störstellenkonzentration von 101 «10 Atomen Je cm"3 auf. An die Halbleiteranordnung wird eine Spannung so angelegt, daß die durch den Hetaro-Übergang zwischen den Zonen 1 und 2 gebildete Lumineszenzdiode in Flußrichtung gepolt iete Wann nun beispielsweise auf die Halbleiterschicht 1 Infrarot-
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Strahlen 3 auftreffen, so wird, entsprechend der einge« fallenen Strahlungsenergie der Widerstand der Zone 1 infolge der Ladungsträger erzeugung abgesenkt., Die in der Zonp i erzeugter* Elektronen gelangen aufgrund der angeleg·= ten Spannung an di*i Zone 2 und rekombinieren hier unter Abgabe von Strahlungο Bei der angegebenen Materialzusammensetzung handelt es sich bei der abgegebenen Strahlung um sichtbares Rotlichte Wenn die eiflndungsgemäße Halbleiteranordnung beispielsweise in einen unsichtbaren Laser-Strahl eingeschwenkt wird, leuchtet das Bauelement auf und zeigt damit das Vorhandensein des Laserstrahls bzwo deaen örtliche Lage an»
Im unteren Teil der Figur- 1 ist das Ersatzschaltbild .der Halbleiteranordnung aus hintereinander geschaltetem Fotowiderstand 5 und Lumineszenzdiode 6 dargestellte
Gemäß Figur 2 kann die et:findungsgemäße Anordnung Z0 B, auch aus drei Bereichen mit der Zonenfolge npn- ρder pnp bestehen«. Diese Transistorstruktur wird dann so be= trieben^ daß diese durch den Hetero-Übergang gebildete Diode in Sperrichtung betrieben wird und der Arbeits-ρunkt im Kennlinienknick des Durchbruchsbereich liegte Durch das Auftreffen von Lichtquanten wird in diesem Fall
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der Sperrstrom wesentlich erhöht; die Ladungsträger gelangen in den Halbleiterbereich hohen Bandabstande und rekombinieren dort unter der Abgabe von Strahlung» Die Anordnung der Figur } besteht aus drei Zonen 7* β und 9<> Als Substrat wird beispielsweise die p-leitende Zone 7 aus Galliumarsenid verwendet, die beispielsweise eine
17 3
Störstellenkonzentration von 10 Atomen je cm aufweist» Aui diesen Substratkörper wird dann durch epitaktische Abscheidung eine n- leitende Zone 8 aus Ga Al. As (z, B. X/^2/3) aufgebrachte Hierfür ist die epitaktische Abscheidung aus der flüssigen Phase besondere geeignete Die η-leitende Zone ist beispielsweise mit Tellur dotiert
18 und weist eine Störstellenkonzentration von 10 Atomen
3
je cm auf. Die Schichtdicke dieser Zone liegt bei ca» 1 ,um, Auf die n^leitende Zone 8 wird dann noch - Vorzugsweise auch durch epitaktische Abscheidung aus der flüssigen Phase « eine p^leitende Zone 9 aus Ga Al As mit einer
Jt X "^* Ji
18 Schichtdicke von ca« 1 ,um und einer Dotierung von 10
3
Atomen je cm aufgebracht» Als Dotierungsstoff ist Zink geeignete Der pn-übergang zwischen den Zonen 7 und 8 wird in Spi?rr.i chtung beansprucht, wobei der Arbeitspunkt im Kennlinienknick des Durchbruchsbereichs lxegt» Hierdurch kann als innere Verstärkung die Ladungetrager-Verviel·» fachung herangezogen werden. Die im Halbleiterberiich
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kleinen Bandabstands erzeugten Ladungsträger und die in der Folge durch Ladungsträger-Vervielfachung entstehenden Ladungsträger rekombinieren in dem Halbleiterbereich großen Bandabstards unter der Abgabe von Licht« Der Spektralbereich des lichtes ist dabei von der Materialwahl abhängig; bei dem ausgeführten Beispiel kann wiedfrum Infrarotlicht in sichtbares Rotlicht umgewandelt werden=, Ein Verstärkungseffekt kann auch dadurch erhielt werden, daß das erzeugte Licht rückwirkt und seinerseits Träger« paare erzeugte
Die Halbleiteranordnung nach der Figur 3 entspricht in wesentlichen der Anordnung gemäß Figur 2. Die äußere p-leitende Zone großen Bandabstands wurde allerdings in zwei Teilbereiche 12 und 13 aufgeteilt,.wobei der äußere Bereich 13 au· einen Material besteht, dessen Bandabstand noch größer ist als der des innen liegenden Bereichs 12c Beide Bereiche 12 und 13 besteh»** vorzugsweise aus Ga Al As, wobei bei dem Bereich 12 χ den Wert χ » 2/3 und bei dem Bereich 13 den W>rt x. ? i/3 hat« Durch diese Aufteilung des Bereiche höheren Bandabstands erhalt man eine bessere räumliche Auflösung dee wiederzugebenden Bildes von der aufgenommenen Strahlung,,
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Abhangig von der Art der gewählten inneren Verstärkung kann ee sich enpfehlen, die elektrische Betriebsspannung intermittierend anzulegen. Dxe Gradation des erzeugten Bildes wird dann verbessert und bewegte Bilder werden besser wiedergegeben. Die Zonen 11 und 12 der Figur 3 entsprechen den Zonen 7 und 8 der Figur 2. Auch diese Anordnung wird so betrieben, daß der Hetero-Übergang in Sperr richtung beansprucht wird und der Arbeitspunkt im Kennlinien knick des Durchbruchsbereichs liegt. Da der Substratkor per 10 relativ dick ist, wird man die Anordnung vorzugsweise so in dem auftreffenden Strahlengang anordnen, daß die Lichtquanten 3 auf die Oberfläche der Zone 13 gelangen, Die Lichtquanten durchdringen dl· Zonen 11, 12 und 13 ohne dort Ladungsträger cu erzeugen, da der hohe Bandabstand in diesen Bereichen eine Ladungsträgerpaarbildung hier nicht zulässt. Die Ladungsträger werden erat im Dereich der Sperrschicht »wischen den Zonen 11 und 10 und ie Grundkörper 10 erzeugt. Diese Ladungsträger gelangen nach der Möglichen Vervielfachung in die Gebiete höheren Band abstande und rekonbinieren dort unter der Abgabe von Licht k. Da die pn-Übergänge sehr großflächig sind und sich über den tanzen Querschnitt des Halbleiterkörpers erstrecken, ist so die Widergabe eines in einem anderen Spektralbereich aufgetroffenen Bildes mit guter Auflösung möglich.
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Bei der Anordnung nach der Figur 4 wurde die n»leitende Zone in z.wei Bereiche aufgeteilt» Der neu hinzugekommene Teil Ik besteht vorzugsweise aus η-leitendem Gallium= Arsenide der beispielsweise mit einer Störstellenkonzen= tration von 10 Atomen je cm versehen ist0 Die Gesamtan= Ordnung besteht somit aus einer Diode aus den Zonen und lk, die aus- dem gleichen Material zusammengesetzt sind und damit auch einen gleichen Bandabstand aufweisen« Diese Diode wird in Sperrichtung beanspruchte
Der durch Lichtquanten ausgelöste erhöhte Sperrstrom gelangt in die Zonen 11, 12 und 13 und löst dort durch Rekombination Strahlung k .aus o
Die äußeren Zonen der Halbleiteranordnungen müssen jeweils mit Anschlußkontakten versehen werden» die so gewählt sein müssen« daß der Lichteintritt bzw ο der Licht= austritt nicht oder nur unwesentlich bebindert wirdo Dies kann beispielsweise durch gitterförmige Kontakte oder durch sehr dünne Kontakte, die dann noch durchsichtig sind, realisieret werdeno
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Claims (1)

  1. P a t α η t a u s ρ r ü ehe
    1)) Halbl ext er anordnung zum Nachweis von Lichtstrahlen, Ό'
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung »US mindestens zwei aneinander grenzenden Bereichen aus Halbleitermaterial unterschiedlichen Bandabs lands bestehtt und daß diese Dereiche so gewählt sind, daß die im Bereich kleineren Bandabstands durch Lichteinstrahlung erzeugten Ladungsträger im Bereich größeren Bandabtstands unter Ab.g-a.be von Lichtstrahlung rekombiniereno
    2) Halbleiteranordnung nach Anspruch lt dadurpfc gekennzeichnet, daß der ein-i Halbleiterbereich einen lichtempfindlichen Photowiderstand des einen Leitungstyps bildet, an den ein Halbleiterbereich vom anderen Leitungstyp angrenzt, der zusammen mit dem Phototoiderstand eine Lumineszenzdiode bildet·
    3) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn« zeichnet, daß der Photowiderstand aus n~l eit©nd©in Gallium·« Arsenid besteht, wahrend der angrenzende p^leitende Halbleiterbereich aus Galliumaluminium-Arsenid besteht.
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    k) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Strahlung
    abgebende Rekomb inatlonsber eich großflächig ausgebildet ist und daß die Einfailrichtung der Lxchtquanten derart gewählt wird, daß durch die Ladungsträgerrekombination
    ein dif"fernz.iertes, räumlich aufgelöstes Bild der eingefallenen Strahlung entsteht.
    5) Halb leiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn= zeichnet, daß die Lxchtquanten senkrecht auf die pn=
    übergangsfläche auftreffen»
    6) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden An= sprüche, dadurch gekennzeichnet., daß die Anordnung aus
    drei Bereichen mit der Zonenfolge pnp oder npn besteht.
    7) Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der äußeren Zone aus einem Halb=
    leitermaterial besteht, dessen Bandabstand kleiner ist
    als der der übrigen Zonen.
    8) Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus vier
    Zonen mit der Zonenfolge, pnpp besteht,
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    9) Halbleiteranordnung nach Anspruch b1 , dadurch gekenn zeichnet, daß von den beiden aufeinander folgenden ρ lei tenden Zonen di* äußere Zone- aus einem Material, besteht, dessen Bandab»tand großer ist als der d~r inneren ρ lei t*»nden Zone.
    10) Halbleiteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß αϊ* äußere, an die η leiUndi Zor>e angrenzende p-lei.tende /one aus einem Material mit einem Brndabbtand besteht, der kleiner ist als der der η lei tender) Zone =
    11) Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche Ö bis dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Zone aus zwei Teilbereichen besteht» wobei der an die äußere ρ-leitende Zone angrenzende Bereich aus einem Material besteht, dessen Bandabstand kleiner ist ala der des anderen η-leitenden Bereichs»
    12) Halbleiteranardüung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen aus einem Material mit dem kleineren Bandab3tand aus Galliumarsenid und die .Zonen aus dem Material mit höherem Bandabstand aus GaIl iuma turm ni um Arsem d bestehen,
    BAO ORIGINAL 409815/0962 ~"
    1.3) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ali·= sprüche, gekennzeichnet durch ihre, Verwendung zur Umwandlung von unsichtbarem in sichtbares Lichte
    Halb!exteranorrinung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Erkennung von Laserstrahl en,
    15) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Bild« wandler.
    A09815/0962
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