DE3101700A1

DE3101700A1 - Photodiode

Info

Publication number: DE3101700A1
Application number: DE19813101700
Authority: DE
Inventors: Hubert Prof. Dr. 6900 Jena Pohlack
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-01-21
Publication date: 1982-01-14
Also published as: JPS56151903A; DD158198A3; SU1292075A1

Abstract

Photodiodes having high sensitivity for detecting and/or measuring the intensity of, preferably, monochromatic electromagnetic radiation having high pulse repetition frequencies, for example for use in optical telecommunications, in particular semiconductor diodes having at least one barrier layer in the form of a p-n or p-i-n junction. The invention relates to photodiodes having optical structures of such a type which largely eliminate those radiated power conversion pulses which occur in conventional photodiodes as a result of incomplete absorption in the barrier layer region and also the reflection losses for a given wavelength range. This is done essentially by dimensioning the optical layer thickness of the semiconductor in accordance with the patent claims and backing said optical layer in accordance with the invention with a sequence of interference layers. <IMAGE>

Description

PhotodiodePhotodiode

Die Erfindung betrifft Photodioden mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/oder zur Intensitätsinessung, vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer Strahlung hoher Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise zur Anwendung in der Lichtnachrichtenübertragung.The invention relates to photodiodes with high sensitivity for detection and / or for intensity measurement, preferably monochromatic electromagnetic Radiation of high pulse repetition frequencies, for example for use in light communication.

Photodioden zum Nachweis und/oder zur Intensitätsmessung elektromagnetischer Strahlung sind in zahlreichen AusfUhrungsformen bekannt. Sie bestehen meist aus einem Halbleiter mit mindestens einer Sperrschicht in Form eines als PN-Übergang, PIN-Ubergang oder Schottky-Vbergang ausgebildeten Bereichs, dessen elektrisches Feld der Trennung der von den eindringenden Photonen erzeugten freien Ladungsträgerpaare dient. Durch eine äußere, in Sperrrichtung angelegte elektrische Spannung wird ein äußerer Strom erzeugt, der monoton mit der Anzahl der absorbierten Photonen wächst, insoweit die Energie der eindringenden Photonen größer als der Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungaband des Halbleiters ist, bzw. insoweit die eindringende elektromagne tische Strahlung innerhalb des Spektralbereichs liegt, in welchem die Halbleitersubstanz absorbiert.Photodiodes for detecting and / or measuring the intensity of electromagnetic Radiation are known in numerous embodiments. They mostly consist of a semiconductor with at least one barrier layer in the form of a PN junction, PIN transition or Schottky transition formed area whose electrical Field of separation of the free charge carrier pairs generated by the penetrating photons serves. An external electrical voltage applied in the reverse direction causes a generates external current that grows monotonically with the number of absorbed photons, as far as the energy of the penetrating photons is greater than the energy distance between Is the valence and conduction band of the semiconductor, or insofar as the penetrating electromagnetism table radiation lies within the spectral range in which the semiconductor substance absorbed.

Es ist bekannt, daß - in vereinfachter Betrachtungsweise -nur diejenigen Elektron-Loch-Paare für den Photostrom wirksam werden, die in dem von der Sperrschicht gebildeten Feld bzw. in der sogenannten "Verarmungszone" der PN-, PIN- oder Schottky-Struktur oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft gebildet werden, da weit außerhalb dieser Zone entstehende freie Ladungsträger vor ihrer Diffusion in das Feld der Sperrschicht rekombinieren.It is known that - in a simplified way - only those Electron-hole pairs for the photocurrent are effective in that of the barrier layer formed field or in the so-called "depletion zone" of the PN, PIN or Schottky structure or are formed in their immediate vicinity, as far outside of them Free charge carriers that arise in the zone before their diffusion into the field of the barrier layer recombine.

Der Eindringtiefe der in den Halbleiter eindringenden Photonen kommt daher bezüglich der Empfindlichkeit von Photodioden eine hohe Bedeutung zu. Befindet sich nämlich das durch die Sperrschicht erzeugte elektrische Feld in einem Abstand von der Lichteintrittsfläche, die größer ist als die Eindringtiefe relativ energiereicher Photonen bzw. relativ kurzwelliger Strahlung, so werden diese Photonen für die Bildung des äußeren Photostroms nicht oder nur wenig wirksam. Liegt das Sperrschichtfeld hingegen unmittelbar hinter der Eintrittsfläche, also innerhalb der Reichweite der energiereicheren Photonen, so werden bei bisher bekannten Photodioden-Anordnungen die Photonen niedrigerer Energie, welche relativ große Eindringtiefen besitzen bzw. die längerwellige Strahlung nur zu einem geringen Anteil für den Photoeffekt genutzt, weil sich die Absorption über einen Bereich des Halbleiters verteilt, der sehr viel größer ist als die Verarmungszone.The penetration depth of the photons penetrating the semiconductor comes therefore, with regard to the sensitivity of photodiodes, it is of great importance. Located namely, the electric field generated by the barrier layer is at a distance from the light entry surface, which is larger than the penetration depth, relatively more energetic Photons or relatively short-wave radiation, these photons are used for formation of the external photocurrent not or only slightly effective. Is the junction field on the other hand, immediately behind the entry area, i.e. within the range of the Higher energy photons are used in previously known photodiode arrangements the photons of lower energy, which have relatively large penetration depths or the longer-wave radiation is only used to a small extent for the photo effect, because the absorption is distributed over an area of the semiconductor that is very large larger than the depletion zone.

In den bisher bekannten Photodioden wird daher, insbesondere bei nur wenig über dem Bandabstand des Halbleiters liegenden Photonenenergien, die räumliche Übereinstimmung von Sperrschichtfeld bzw. Verarmungszone und Absorptionsbereich nicht oder nur ungenügend realisiert.In the previously known photodiodes, therefore, especially when only photon energies slightly above the band gap of the semiconductor, the spatial ones Correspondence of junction field or depletion zone and absorption area not or only inadequately implemented.

Darüber hinaus treten bei den bekannten Halbleiterphotodioden hohe zusätzliche Verluste durch Reflexion an der Eintrittsfläche auf, die durch aufwendige Entspiegelungsmaßnahmen kompensiert werden müssen.In addition, the known semiconductor photodiodes cause high additional losses due to reflection at the entry surface caused by complex Anti-reflective measures have to be compensated.

Ziel der Erfindung sind Photodioden, die einen solchen geometrischen Aufbau und eine solche optische Struktur aufweisen, daß die in bekannten Photodioden-Anordnungen durch unvollständige Absorption im Sperrschichtbereich auftretenden Umwandlungsverluste bei vorgegebener Wellenlänge aufgehoben oder wesentlich herabgesetzt werden. Zugleich wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Beseitigung der bei Halbleitern im allgemeinen hohen Reflexionsverluste beim Eintritt der Strahlung bewirkt.The aim of the invention are photodiodes that have such a geometric Design and have such an optical structure that in known photodiode arrangements conversion losses caused by incomplete absorption in the barrier layer area can be canceled or significantly reduced at a given wavelength. Simultaneously is with the arrangement according to the invention an elimination of the at Semiconductors generally have high reflection losses when the radiation enters causes.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem Halbleiter mit einer als PN- oder PIN-Ubergang ausgebildeten Sperrschicht, wobei durch Hinterlegung des Halbleiters mit einer Interferenzschichtenfolge hohen Reflexionsgrades sowie durch geeignete Bemessung der Halbleiterdicke die effektive Eindringtiefe herabger setzt und auf diese Weise ein sehr viel höherer Anteil der Strahlungsenergie bei der gewünschten Wellenlänge für den äußeren elektrischen Photostrom wirksam gemacht wird.The arrangement according to the invention consists of a semiconductor with a designed as a PN or PIN junction barrier layer, whereby by depositing the Semiconductor with an interference layer sequence of high reflectance and by Appropriate dimensioning of the semiconductor thickness reduces the effective penetration depth and in this way a much higher proportion of the radiant energy at the desired level Wavelength for the external electrical photocurrent is made effective.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Halbleiter eine optische Dicke von n ~ d = m aufweist, wobei A die gewünschte Wellenlänge ist, bei welcher der Absorptionskoeffizient des Halbleiters den Wert k annimmt, n die Brechungszahl des Halbleiters bei der Wellenlänge Pt bedeutet und m eine ganze Zahl in der Nähe des Wertes 2/n ~ k ist. Die Interferenzschicbtenfolge besteht gemäß der Erfindung aus / /4-Schichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen bei geraden m bzw. mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen bei ungeraden m.This goal is achieved according to the invention in that the semiconductor has an optical thickness of n ~ d = m, where A is the desired wavelength, at which the absorption coefficient of the semiconductor assumes the value k, n die The refractive index of the semiconductor at the wavelength Pt means and m is an integer is close to the value 2 / n ~ k. The interference sequence consists according to of the invention from / / 4 layers with alternating low and high refractive indices for even m or with alternating high and low refractive indices for odd ones m.

Dabei kann entsprechend der Erfindung die erste Schicht der Interferenzschichtenfolge in Form einer elektrisch leitenden transparenten Schicht ausgebildet werden und die Funktion der rückwärtigen Elektrode ausüben.According to the invention, the first layer of the interference layer sequence can be used be in the form of an electrically conductive transparent layer and perform the function of the rear electrode.

Die Erfindung läßt für die Bemessung der Halbleiterdicken und der hinterlegten Interferenzschichtenfolge einen sowohl senkrecht als auch parallel zur Sperrschicht gerichteten Strahlungseinfall zu.The invention allows for the dimensioning of the semiconductor thicknesses and deposited interference layer sequence both perpendicular and parallel incidence of radiation directed towards the barrier layer.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer (nicht maßstabsgerechten) Figur durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is described below on the basis of a (not to scale) Figure explained in more detail by an embodiment.

Es handelt sich um eine Photodiode aus einer amorphen Siliziumschicht, welche nach einer der bekannten Herstellungstechnolgien erzeugt wurde, wobei die Sperrschicht in bekannter Weise durch eine PIN-Struktur, bestehend aus einem hoch dotierten P-Bereich 1, einem "Intrinsic't-Bereich hoher Halbleitereinheit 2 und einem dotierten N-Bereich 3 gebildet wird. Die nachzuweisende bzw. zu messende Strahlung 4 der Wellenlänge 0,920/um trifft senkrecht auf die PIN-Grenzflächen auf. Die Außenkontakte (in der Figur nicht gezeichnet), an welchen die Dioden-Sperrspannung angelegt ist, können in bekannter Weise als Randkontakte ausgebildet werden. Die hinterlegte Interferenzschichtenfolge besteht aus vier Schichtpaaren, wobei die Einzelschichten mit den optischen Schichtdicken /t/4 abwechselnd niedrige Brechungszahlen 5 (nn = 1.34) und hohe Brechungszahlen 6 (nn = 2.4) aufweisen; lediglich die erste, dem Halbleiter unmittelbar anliegende Interferenzschicht 7, die aus dem Indiumoxid dotierten Zinnoxid besteht und als rückwärtige Elektrode dient, besitzt die dieser Substanz zukommende Brechungszahl von ungefähr 1.8. Das gesamte System befindet sich auf einer stabilen Unterlage 3#, beispielsweise aus Glas der Brechungszahl 1.5, die im Sinne der Erfindung keine wesentliche Funktion ausübt.It is a photodiode made of an amorphous silicon layer, which was produced according to one of the known manufacturing technologies, the Barrier layer in a known manner by a PIN structure consisting of a high doped P-area 1, an "intrinsic area" high semiconductor unit 2 and an N doped region 3 is formed. The radiation to be detected or measured 4 of the wavelength 0.920 / µm impinges perpendicularly on the PIN interfaces. The external contacts (not shown in the figure) to which the diode reverse voltage is applied, can be designed as edge contacts in a known manner. The deposited sequence of interference layers consists of four pairs of layers, with the individual layers having the optical layer thicknesses / t / 4 alternating low refractive indices 5 (nn = 1.34) and high refractive indices 6 (nn = 2.4); only the first, directly adjacent to the semiconductor Interference layer 7, which consists of the indium oxide doped tin oxide and as The rear electrode is used, has the refractive index attributable to this substance from about 1.8. The entire system is on a stable base 3 #, for example made of glass with a refractive index of 1.5, which in the context of the invention does not performs an essential function.

Brechungszahl und Absorptionskoeffizient der Siliziumschicht betragen bei der Wellenlänge 0,920/um n = 3.80 und k = 0,01. Dementsprechend ergibt sich für den Wert m, der der Festlegung der optischen Dicke dient, aus m # 2/#. k = 63,66 der ganzzahlige Wert m = 64, und damit wird die optische Dicke des Halbleiters n ~ d = in /4 ~ 64 ~ A/4 bzw. die geometrische Dicke d = m #/4n = 3,874/Um. Der P-Bereich ist mit ungefähr 0,1 bis 1/um bemessen.Refractive index and absorption coefficient of the silicon layer at the wavelength 0.920 / µm n = 3.80 and k = 0.01. Accordingly it results for the value m, which is used to determine the optical thickness m # 2 / #. k = 63.66 the integer value m = 64, and thus the optical thickness of the semiconductor n ~ d = in / 4 ~ 64 ~ A / 4 or the geometric thickness d = m # / 4n = 3.874 / µm. The P range is approximately 0.1 to 1 µm.

Da die genaue Einstellung der optimalen Halbleiterdicke wegen möglicher geringfügiger Abweichungen von Brechungszahl und Absorptionskoeffizient auf direktem Wege kompliziert ist, wird während der Beschichtung in bekannter Weise der mit wachsender Schichtdicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der Wellenlänge 0,920#um gemessen, und der Beschichtungsprozeß wird abgebrochen, sobald das tiefste Reflexionsminimum erreicht ist. Errechnet man die für die mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Photodioden-Anordnung den Transinissionsgrad t , den Reflexionsgrad s und daraus die Absorption cA der auftreffenden Strahlung der Wellenlänge 0,920/um, so erhält man für 2 ungefähr 2% und für g weniger als 0,0001%, so daß also ungefähr 98% der auftreffenden Strahlung in der Photodiode absorbiert werden, wobei der Absorptionsbereich entsprechend der geometrischen Anordnung nur wenig größer als das Sperrschichtfeld bzw. die Verarmungszone ist und somit alle auftreffenden Photonen für den Photostrom wirksam werden. Zugleich besitzt die in der beschriebenen Anordnung realisierte Verarmungszone größenordnungsmäßig einen solchen Wert, wie er aus bekannten Uberlegungen und Berechnungen für die Verarbeitung sehr hoher Impulsfolgefrequenzen erforderlich ist.Because the exact setting of the optimal semiconductor thickness because of possible slight deviations in the refractive index and absorption coefficient on direct Paths is complicated, is growing in a known manner during the coating Layer thickness maxima and minima exhibiting degree of reflection at the wavelength 0.920 μm measured, and the coating process is stopped as soon as the lowest reflection minimum is reached. One calculates the one described for this embodiment Photodiode arrangement the degree of transmission t, the degree of reflection s and from it the absorption cA of the incident radiation with a wavelength of 0.920 / µm is obtained for 2 about 2% and for g less than 0.0001%, so that about 98% of the Impinging radiation is absorbed in the photodiode, the absorption range in accordance with the geometric arrangement, only slightly larger than the junction field or the depletion zone and thus all incident photons for the photocurrent be effective. At the same time, it has the arrangement implemented in the described arrangement Depletion zone is of the order of magnitude as it is based on known considerations and calculations required to process very high pulse repetition rates is.

Geht man davon aus, daß für schnelle Siliziuinphotodioden die Verarmungszone eine Größe von 4,5/um nicht wesentlich überschreiten sollte und deshalb die Halbleiterbereiche in einer Entfernung ab etwa 5,5zum von der Eintrittsfläche nicht mehr wesentlich zur Bildung photostromwirksamer Absorptionsvorgänge beitragen, so ergibt sich für eine konventionelle Photodiodenanordnung bei den optischen Konstanten des Siliziums für die Wellenlänge 0,920zum, daß die einfallende Strahlung nur zu etwa 50% genutzt wird, weil die restlichen 50% in Halbleiterbereichen absorbiert werden, die wesentlich hinter der Verarmungszone liegen. Bei dieser Überlegung wurden die Reflexionsverluste der Eintrittafläche noch nicht einmal berücksichtigt. In Wirklichkeit ist also die Gesamtausbeute der auftreffenden Strahlung noch erheblich größer, wenn die Eintrittsfläche nicht weitgehend entspiegelt wird.It is assumed that the depletion zone for fast silicon photodiodes a size of 4.5 / µm should not significantly exceed and therefore the semiconductor areas at a distance of about 5.5 µm from the entry surface no longer significant contribute to the formation of photocurrent effective absorption processes, it results for a conventional photodiode array at the optical constants of silicon for the wavelength 0.920 to the fact that the incident radiation is only used to about 50% because the remaining 50% is absorbed in semiconductor areas, which is essential lie behind the depletion zone. With this consideration, the reflection losses the entrance area is not even taken into account. So in reality it is The overall yield of the incident radiation is considerably greater if the entry surface is not largely anti-reflective.

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Claims

Liability claims: S photodiode with high sensitivity for detection and / or for intensity measurement, preferably monochromatic electromagnetic Radiation consisting of a semiconductor with a PN or PIN junction Barrier layer structure, characterized in that the semiconductor has an interference layer sequence high reflectance is stored and an optical measured in the direction of radiation Thickness n ~ d = in h, where? Y is the desired detection wavelength, at which the absorption coefficient assumes the value k, n the refractive index of the semiconductor at wavelength A and m means an integer close to the value 2 / # ' k is.

2. Photodiode according to item 1, characterized in that the interference layer sequence, with which the semiconductor is deposited, from ~% / 4 layers with alternating low and high indices of refraction with even m or with alternating high and low Refractive indices exist at odd m.

3. photodiode according to item 1 and 2, characterized in that the the semiconductor adjacent first layer of the interference layer sequence from a electrically conductive substance transparent at wavelength #N, e.g. B. Tin and / or indium oxide.