DE2850930A1

DE2850930A1 - Detektor fuer lichtstrahlen

Info

Publication number: DE2850930A1
Application number: DE19782850930
Authority: DE
Inventors: Rupert Koepl; Ludwig Dr Techn Treitinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1980-06-19

Description

Detektor für Lichtstrahlen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor für Lichtstrahlen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und einem Metall-Halbleiterübergang.
Für die drahtlose Signalübertragung werden bekanntlich elektronische Bauelemente mit einkristallinem Halbleiterkörper zur Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale und umgekehrt verwendet. Als Anwendungen kommen beispielsweise optische Nachrichtenübertragung über Glasfasern, Optokoppler und optische Positionsanzeigen sowie andere Anwendungen in Frage, die als Lichtquelle Galliumarsenid-Leuchtdioden oder auch Helium-Neonlaser oder lichtquellenähnliche Wellenlänge benutzen.
Der Signalempfänger enthält dann einen Detektor für die Lichtstrahlen, der die Strahlungsenergie in elektrische Energie umsetzt. Je näher der Wert der Strahlungsenergie dem Wert des Bandabstandes des betreffenden Halb- leiters kommt, um so größer wird die Eindringtiefe der Photonen und um so größer muß somit auch das Sammelvolumen, nämlich die felderfüllte Zone der Diode, gemacht werden. In einem undotierten, eigenleitenden Halbleiter existieren keine Raumladungen. Befindet sich zwischen dem p- und dem n-Gebiet einer Diode eine eigenleitende Zone, die man allgemein als I-Zone (intrinsic) bezeichnet, so wird die angelegte Sperrspannung in der eigenleitenden Schicht abfallen und dort ein örtlich konstantes Feld hervorrufen. Die Weite der Raumladungszone wird damit gleichsam bei der Herstellung der Diode durch die Länge der eigenleitenden Zone festgelegt. Sie ist spannungsunabhängig und kann bis zu'einigen 100 /um dick gemacht werden. Die Auslegung richtet sich nach dem Wirkungsgrad bei einer vorbestimmten Wellenlänge und der gewUnschten Grenzfrequenz. Siliziumphotodioden mit eigenleitender Zwischenzone, sogenannte PIN-Dioden mit einer beispielsweise 10 /um dicken eigenleitenden Zone, haben ihr Empfindlichkeitsmaximum bei einer Welllenlänge von etwa 0,6 /um. In einer besonderen Ausführungsform sind diese PIN-Dioden auch für seitlich einfallende Strahlung geeignet und haben einen hohen Wirkungsgrad bei kurzer Ansprechzeit ("Halbleiter-Optoelektronik", A. Hüthig Verlag Heidelberg, 1976, Seiten 65 bis 67).
Es sind ferner Photodioden bekannt, bei denen der gleichrichtende Übergang durch einen Metall-Halbleiter-Ubergang, einen sogenannten Schottky-Kontakt, gebildet wird. Polt man den n-Typ-Halbleiter positiv gegenüber dem Metall, so vergrößert sich die Potential-Barriere und sperrt den Fluß der Ladungsträger. Bei entgegengesetzter Vorspannung gelangen Elektronen vom Halbleiter ins Metall und man erhält für den Schottky-Kontakt die Strom-Spannungs-Charakteristik eines pn-Uberganges. Eingestrahlte Photonen mit ausreichender Energie erzeugen im Halbleiter Elektron-Loch-Paare, die im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt werden. Wie bei einem pn-Übergang bewegen sich die Elektronen zum neutralen Halbleiter und die Löcher zum Metall. Den Stromtransport beim Schottky-Kontakt bewirken nur die Ma#oritätsträger. Solche Schottky-Dioden sind deshalb für hohe Schaltgeschwindigkeit und hohe Grenzfrequenzen geeignet. Man erreicht mit diesen Detektoren Frequenzen bis zu 20 GHz (Halbleiter-Optoelektronik, A. Hüthig-Verlag Heidelberg, 1976, Seiten 75 bis 77).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Detektor für Lichtstrahlen zu schaffen, dessen Empfindlichkeitsmaximum bei der Wellenlänge des Helium-Neon-Lasers liegt und der in einfacher Weise hergestellt werden kann und außerdem sehr schmalbandig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Detektor der eingangs genannten Art mit einem Schottky-Kontakt der Halbleiterkörper aus Kadmium-Indium-Sulphospinell CdIn2S4 besteht. Es wurde nämlich erkannt, daß ein Detektor mit diesem Halbleiterkörper sein Empfindlichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge von 0,6328 /um hat und dessen Empfindlichkeitsbereich beiderseits dieser Wellenlänge stark abfällt, so daß er nur in einem schmalen Bereich der Wellenlänge anspricht.
Als Metallauflage ist vorzugsweise Gold oder beispielsweise auch Aluminium geeignet.
Der einkristalline Halbleiterkörper für den Detektor kann vorzugsweise mittels Gasphasentransport aus einem Pulvergemisch aus Kadmium- und Indiumsulfid hergestellt werden. Eine ebene Flachseite des scheibenförmigen Halbleiterkörpers wird mit der Metallschicht versehen, die den Schottky-Kontakt bildet. Diese Metallschicht wird dann mit einem elektrischen Anschlußleiter verbunden und zweckmäßig noch passiviert.
Die Metallschicht kann vorzugsweise aufgesputtert und anschließend eindiffundiert werden.
Dieser Detektor kann sowohl in einer Bauform hergestellt werden, die für eine Lichteinstrahlung senkrecht zum Schottky-Kontakt oder auch für seitliche Lichte in strahlung vorgesehen ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 bis 3 verschiedene AusfUhrungsbeisplele des Detektors nach der Erfindung Jeweils als Schnittbild schematisch veranschaulicht sind. Figur 4 zeigt eine Kennlinie des Detektors.
In der Ausführungsform des Detektors nach Fig. 1 ist ein einkristalliner Halbleiterkörper 2 aus der ternären Verbindung Kadmium- Indium-Sulphospinell CdIn2S4 auf seiner oberen Flachseite mit einer Metallauflage 4 versehen, die vorzugsweise aus Gold oder beispielsweise auch aus Aluminium bestehen kann. Diese Metallauflage 4 ist über eine Verstärkung 6 mit einem elektrischen Anschlußleiter 8 verbunden und zweckmäßig noch passiviert, beispielsweise mittels einer Schutzschicht 10. Der Detektor wird an seiner unteren Flachseite mit einem in der Figur nicht dargestellten sperrfreien Kontakt versehen, der beispielsweise aus Indium bestehen kann, und in ein Gehäuse eingesetzt, das über der wirksamen Ober- fläche der Metallauflage 4 zur Lichteinstrahlung mit einem Fenster versehen ist, wie es in der Figur durch Pfeile 12 angedeutet ist.
Zur Herstellung des Detektors wird zunächst ein Halbleiterkörper aus Kadmium-Indium-Sulphospinell CdIn2S4 vorzugsweise mittels Gasphasentransport aus einem Pulvergemisch der beiden Komponenten Kadmiumsulfid und Indiumsulfid bei einer Temperatur zwischen etwa 800 0C und 1000 0C, vorzugsweise von etwa 900 bis 970 0C, insbesondere etwa 950 °C, hergestellt. Dieser Halbleiterkörper wird dann in einzelne Scheiben mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm aufgetrennt und die Oberfläche der zu metallisierenden Flachseite wird geschliffen, poliert und anschließend gereinigt und getrocknet. Die Reinigung erfolgt beispielsweise mittels Aceton im Ultraschallbad. Die so vorbereitete Oberfläche wird mit der Metallschicht 4 versehen, deren Dicke so gering gewählt wird, daß sie für die Lichtstrahlung 12 durchlässig ist und am Halbleiterkörper 2 gut haftet. Die Dicke wird deshalb 100 nm nicht wesentlich überschreiten. Ihre Kontaktierung wird jedoch schwierig, wenn ihre Dicke geringer ist als etwa 20 am.
Sie wird deshalb vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 50 bis 100 nm gewählt.
Als Metallauflage wird zwar vorzugsweise Gold verwendet, es ist jedoch beispielsweise auch eine Gold-Palladium-Legierung oder auch Platin zur Bildung des Schottky-Kontaktes geeignet.
Eine gute Haftung der Metallauflage 4 am Halbleiterkörper 2 erhält man, wenn das Metall aufgesputtert wird. Die Metallschicht 4 kann aber beispielsweise auch durch Aufdampfen aufgebracht werden.
Die Metallauflage 4 kann anschließend zweckmäßig in die Grenzschicht des Halbleiterkörpers 2 eindiffundiert werden. Diese Diffusion erfolgt bei der Verwendung von Gold in einem Temperaturbereich von etwa 150 bis 300 °C während einer Zeit, die von der Temperatur abhängig ist.
Die Diffusion kann beispielsweise bei einer Temperatur von 1500 etwa eine Stunde und bei einer Temperatur von 3000 nur wenige Minuten, beispielsweise etwa 5 bis 10 Minuten, betragen. Bei einer Temperatur von 2000 erhält man eine ausreichende Diffusion in etwa 20 Minuten.
Das Anbringen des elektrischen Anschlußleiters 8, der vorzugsweise aus Gold, aber beispielsweise auch aus Aluminium bestehen kann, erfolgt nach dem Anbringen der Verstärkung 7 vorzugsweise durch Kalt schweißung mit Ultraschall, sogenanntes Ultraschallbonden. Die Verbindung des elektrischen Anschlußleiters 8 mit der Verstärkung 6 kann aber beispielsweise auch durch Thermokompression oder Widerstandsschweißung erfolgen. Nach dem Anbringen des elektrischen Anschlußleiters 8 wird die Metallauflage 4 vorteilhaft noch passiviert mit Hilfe der durchsichtigen Schutzschicht 10, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid SiO2 oder auch aus Glas bestehen kann. Außerdem kann der so vorbereitete Halbleiterkörper 2 auch in durchsichtiges Kunstharz eingegossen werden.
In der AusfUhrungsform des Detektors nach Fig. 2 ist der Halbleiterkörper 2 mit einer Metallauflage 14, beispielsweise aus Gold, versehen, die aus parallel zueinander angeordneten Streifen besteht. Es kann in dieser Ausführungsform aber auch ein Metall, beispielsweise Platin, verwendet werden, das für Lichtstrahlen undurchlässig ist. Die Streifen 14 werden am Rand des Halbleiterkörpers 2 mit einer elektrischen Verbindung 16 -und außerdem mit dem gemeinsamen elektrischen Anschlußleiter 8 versehen. In dieser Ausführungsform des Detektors sind nur die Randbereiche der Streifen für den Photoeffekt wirksam. Es werden deshalb schmale Streifen 14 verwendet, deren Breite im allgemeinen wenige Zehntel Millimeter nicht wesentlich überschreitet und beispielsweise etwa 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise etwa 0,2 mm, betragen kann. Diese Streifen werden in einem geringen Abstand voneinander angeordnet, der vorzugsweise etwas größer sein kann als die Breite der Streifen 14. Anstelle der schmalen Streifen 14 kann auch ein feinmaschiges Gitter aus solchen Streifen hergestellt werden.
Die einfallende Lichtstrahlung 12 erzeugt im Halbleiterkörper 2 Ladungsträgerpaare, die am Halbleiter-Metallkontakt getrennt und dann über das Gitter gesammelt werden.
Die Herstellung dieser Metallstreifen 14 bzw. des Metallgitters erfolgt beispielsweise mit Hilfe der bekannten Photolithographie.
Eine mechanisch besonders widerstandsfähige und verhältnismäßig leicht herstellbare Ausführungsform nach Fig. 3 ist für seitlichen Einfall der Lichtstrahlung 12 vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist der Halbleiterkörper 2 aus Kadmium-Indium-Sulphospinell CdIn2S4 mit einer Dicke von beispielsweise etwa 0,2 mm auf seiner unteren Flachseite mit einem sperrfreien Kontakt 20 versehen, der beispielsweise aus einer Indiumschicht mit einer Dicke von etwa 200 nm bestehen kann.
Auf den Kontakt 20 ist eine Metallplatte mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter, beispielsweise etwa 0,4 mm, aufgebracht, beispielsweise aufgelötet, die aus Kupfer bestehen kann. An der oberen Flachseite ist der Halbleiterkörper 2 mit einer Metallauflage 4 versehen, die vorzugsweise aus Gold bestehen kann. Diese Goldschicht ist ebenfalls mit einer Metallauflage 18 versehen, die beispielsweise 0,4 mm dick sein und aus Kupfer bestehen kann. Die Kupferkontakte 18 und 22 sind dann Jeweils mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleiter versehen. Der fertige Detektor wird in ein Gehäuse eingesetzt, das an der rechten Stirnkante der Metallauflage 4 mit einem entsprechenden Fenster für die Zuführung der Lichtstrahlung 12 versehen ist. In dieser Ausführungsform des Detektors wird die Lichtstrahlung 12 vorzugsweise in fokussierter Form als Lichtbündel zugeführt. Durch die Metallauflagen 18 und 22 erhält man eine mechanisch stabile und gegen Beschädigungen des Metall-Halbleiter-Übergangs geschützte Ausführungsform des Detektors.
Aus dem Diagramm der Fig. 4, in dem die Empfindlichkeit E in Prozenten über der Wellenlänge A aufgetragen ist, kann man die geringe Bandbreite des Detektors entnehmen. Ein Detektor in der Ausführungsform nach Fig. 3 mit einem gleichrichtenden Goldkontakt und einem sperrfreien Indium-Gallium-Kontakt und einer seitlichen Beleuchtung mit einem Helium-Neonlaser mit 0,6 mW in einer Entfernung von 0,5 m hat sein Empfindlichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm. Unterhalb einer Wellenlänge von etwa 540 nm und oberhalb einer Wellenlänge von etwa 860 nm beträgt seine Empfindlichkeit jeweils weniger als ein Zehntel des Empfindlichkeitsmaximums. Er hat somit nur eine geringe Empfindlichkeit für Strahlung mit einer Wellenlänge, die am Rande dieses Bereiches liegt und reagiert nicht auf eine Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb 500 nm und oberhalb 900 nm. 5 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprttche Detektor fUr Lichtstrahlen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und einem Metall-HalbleiterUbergang, d a d u r c h g e k e n n z e i 0 h n e t , daß der Halbleiterkörper (2) aus Kadmium-Indium-Sulphospinell CdIn2S4 besteht.
2. Verfahren zum Herstellen eines Detektors nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß ein einkristalliner Halbleiterkörper (2) mittels Gasphasentransport aus einem Pulvergemisch mit Wadmium-und Indiumsulfid bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000 °C hergestellt und scheibenförmig mit einer ebenen Flachseite gestaltet wird, die mit einer Metallauflage (12, 14) versehen wird, die mit dem Halbleiterkörper (2) einen Metall-Halbleiterübergang bildet und mit einem elektrischen Anschlußleiter (8). verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Metallauflage (4, 14) Gold verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Metallauflage (4, 14) aufgesputtert und anschließend in den Halbleiterkörper (2) eindiffundiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Metallauflage (4, 14) passiviert wird.