DE3109653A1

DE3109653A1 - "resonanzabsorber"

Info

Publication number: DE3109653A1
Application number: DE19813109653
Authority: DE
Inventors: Hubert Prof. Dr. DDR 6900 Jena Pohlack
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1982-01-28
Also published as: FR2479482A1; FR2479482B1; US4441789A

Description

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Resonanzabsorber

Die Erfindung betrifft Resonanzabsorber aus mäßig.oder schwach absorbierenden optischen Materialien, beispielsweise aus Halbleitermaterialien, zur Umwandlung von Photonenenergie bzw, von elektromagnetischer Strahlungsenergie in andere Energieformen in der Anwendung auf HaIbleiter-Photodiöden, Photowiderstände, Wellenleiterlaser, irreversible optische Aufzeichnungsmedien, photothermische Wandler ftir Solarenergie und andere physikalische Funktionselemente.

Absorber aus mäßig oder schwach absorbierenden Materialien für auftreffende Photonen bzw. elektromagnetische Strahlung sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie besitzen häufig eine geometrische Ausdehnung in der Größenordnung der Eindringtiefe der"Photonen bzw. der elektromagnetischen Strahlung, wobei die Eindringtiefe definiert.ist als die Weglänge, längs welcher die Anzahl der Photonen bzw. die Strahlungsintensität auf den Bruchteil e~™ abgenommen hat. Da die Strahlungsintensität I in Substanzen mit dem Absorptionskoeffizienten k bekanntlich nach dem Gesetz I = I_oexp(--£ kx) abklingt, wobei I_Q die Intensität an der Stelle χ = 0 darstellt, χ die von der Strahlung zurückgelegte Weglänge und A die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, wird die Eindringtiefe x_E=Vt Auf Grund der an .Grenzflächen aborbierender Materialien auftretenden Reflexion wird die auf die Oberfläche auftreffende Strahlung nur unvollständig absorbiert. Häufig werden daher die bekannten Verfahren zur Reflexionsverminderung, angewandt, so daß dann bis nahe 100 % der auftreffenden Strahlung in den Absorber eintreten und längs der Eindringtiefe absorbiert werden.

In zahlreichen Absorberanordnungen vollziehen sich jedoch die physikalischen Prozesse, die durch die Photonen- bzw. Strahlungsabsorption ausgelöst werden, in einem Teilbereich

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des absorbierenden Materials, der klein gegenüber der Eindringtiefe ist, beispielsweise in der unmittelbar an die Oberfläche des Absorbers angrenzenden Zone* Der außerhalb ■ dieser Zone absorbierte Energieanteil geht dann dem gewünschten Prozeß verloren. Das macht sich zum Beispiel sehr nachteilig bei Halbleitersubstanzen in Wellenlängenbereichen bemerkbar, in denen kleine Absorptionskoeffizienten und damit große Eindringtiefen auftreten.

Es könnten deshalb absorbierende Anordnungen als Resonanzabsorber mit relativ geringer Ausdehnung ausgebildet werden, deren Begrenzungsflächen teildurchlässig reflektieren, so daß sich zwischen diesen Flächen im absorbierenden Material stehende Wellen ausbilden. T^otz ihres Vorteils einer relativ geringen Absorberlänge würden derartige Resonanzabsorber aus mäßig oder schwach absorbierenden Materialien die Ansprüche nur ungenügend erfüllen. Auch wenn die Reflexion der vorderen Begrenzungsfläche von außen durch Entspiegelungsmaßnahmen sehr weitgehend herabgesetzt wird und die hintere Begmzung etwa durch eine hochreflektierende dicke Metallschicht abgeschlossen wird, die bewirkt, daß durch das Gesamtsystem keine Strahlungsenergie mehr hindurohtritt, so wird innerhalb des Resonanzabeorbers dennoch die auftreffende Strahlung nur unvollkommen absorbiert, da ein erheblicher Anteil der Strahlungsenergie aus dem Resonanzabsorber in das Metall eintritt und dort absorbiert wird, also nicht dem gewünschten physikalischen Prozeß in dem funktionsbestimmenden Absorber, zum Beispiel dem Halbleiter, zugute kommt.

Durch die Erfindung soll ein Resonanzabsorber kleiner Ausdehnung geschaffen werden, bei dem die verfügbare Strahlungs- bzw. Photonenenergie vollständig oder zumindest nahezu vollständig für den Energiewandlungsprozeß im absorbierenden Material verwendet wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonanzabsorber zur Absorption auftreffender Photonen oder elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, bei dem der räumliche Absorptionsbereich auf eine solche Zone des absorbierenden Materials eingeengt ist, die für die Energieumwandlung technisch relevant ist.

Gemäß der Erfindung w£rd die Aufgabe unter Verwendung eines absorbierenden Materials mit einem geringen, vorzugsweise unter 1 liegenden Absorptionskoeff izienien uncfc von zumindest an der Rückseite des Absorptionsmaterials anliegenden Interferenzschichten dadurch gelöst, daß die Absorberlänge d = m,<A/4n durch m als der einem Zahlenwert 2n /jrk am nächsten liegenden ganzen Zahl festgelegt ist, wobei die Wellenlänge «λ den Schwerpunkt eines bestimmten, aus-'/zählbaren spektralen Abs orptionsher eich.es darstellt, bei ^Λ der das Äbsorbermaterial die Brechungszahl η und den Absorptionskoeffizienten k hat und η die Brechungszahl eines dem Absorptionsmaterial vorgelagerten ausgedehnten Mediums ist. Die an der Rückseite des Absorptionsmaterials -anliegenden Interferenzschichten haben Jede eine optische Dicke von ⁰V 4 und weisen abwechselnd niedrige und hohe Brechungszahlen "bei geradem m oder abwechselnd hohe und niedrige Brechungszahlen bei ungeradem m auf· Die Anzahl der ^/4-Interferenzschichten ist so gewählt, daß sich gemäß dem Brechungszahl-Äquivalenzprinzip (Jenaer Jahrbuch 1554 2,Teil Seite 436, Gustav-Fischer-Verlag Jena) eine äquivalente Brechungszahl eines rückwärtigen optischen Außenmediums von nahezu O bei geradem m oder von einem gegen strebenden; Wert bei ungeradem m einstellt· Durch die Erfindung wird der Bereich, in dem die Photonen oder die elektromagnetische Strahlung zumindest nahezu vollständig absorbiert wird, klein gegenüber der normalen Binäringtiefe in das gleiche Absorptionsmaterial bei derselben 'Wellenlänge, Das Absorptionsmaterial kann als Schicht oder

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Platte ausgebildet sein oder eine andere geometrische Struktur aufweisen, wenn diese nur allen Teilbiindeln der auftreffenden Strahlung ermöglicht, von ihrem Eintritt in den Absorber Ms zu ihrem Austritt die gleiche optische 'Jfeglänge zurückzulegen.

Zur Variation der optimalen Absorberlänge innerhalb weiter Grenzen können zwischen dem Absorptionsmaterial und einem vorgelagerten optischen Außenmedium ebenfalls ^/4-Interferenzschichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen oder abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen angeordnet sein* Diese Interferenzschichten erzeugen die zur Einstellung der gewünschten Absorberlänge erforderlichen äquivalenten Außenbrechungszahlen, Damit ist die Absörberlänge innerhalb von sehr viel weiteren Grenzen var|ierbar als dies durch unmittelbare BreehungsziöMväriation eines ausgedehnten vorgelagerten einfachen optischen Mediums möglich wäre.

Die iRterferenzsohichten sowie die AbsorberlMnge bzw. die optischen f/egläagen für die Teilbtindel sind so aufeinander abgestimmt, daß die effektive Eindringtiefe der Strahlung in den Absorber herabgesetzt und damit eine hohe Volumendichte der vollständig oder nahezu vollständig absorbierten Strahlungsenergie· erreicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der schematischen, nicht -mäßstabsgetreuen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen; Pig, 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Pig, 2-ein zweites Ausführungsbeispiel und Pig. 3 die Anwendung der Erfindung auf eine Photodiode.

In Pig» 1 besteht eine Resonanzabsorberschicht 1 aus amorphem Silizium; sie wird nach einer der bekannten Herstellungstechnologien erzeugt. Elektromagnetische Strahlung 2 der Wellenlänge A = 0,920,um trifft.in einem vorgelagerten Außenmedium 3 der Brechungszahl η =1.0 senkrecht oder

nahezu senkrecht auf die vordere Begrenzungsfläche der . 3588

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Resonanzabsorberschicht 1. auf. Eine hinterlegte Interferenzschiehtenfolge 4, die zwischen der Eesonanzabsorberschicht 1 und einem' ausgedehnten rückwärtigen Außenmedium der Brechungszahl n, = 1*52 angeordnet ist, besteht aus vier Schichtpaaren. Jedes Schichtpaar ist aus einer niedrigbrechenden Interferenzschicht 41 (Br,echungszahl η = 1.38) und einer hochbrechenden Interferenzschicht 42 (Breehungefzahl n. = 2,3) zusammengesetzt. Die Dicke jeder einzelnen Interferenz,schicht beträgt d = **v4n_n bzw, d = ^/4ru · Damit errechnet sich auf- Qrund des -bekannten Äquivalenzprinzips for Brechungszahlen dünner optischer Schichten aus der Formel n, ~ ^ = (^„/^S) *^η>, (¹^i* P = Anzahl der Schichtpaare) die" wirksam^ Brechungszahi für das rückwärtige Außenmedium zu H₁, ..-", «^ 0.026. also zu

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einem Wert, der entsprechend den Merkmalen der Erfindung hinreichend nahe bei UuIl liegt» Br^ehungszahl η und Absorptionsköeffizient k der Siliziumschicht betragen bei der Wellenlänge A = 0,920/um η = 3*80 und k ==0,01. Dementsprechend ergibt sich wegen n_a = 1.0 aus der erfindungsgemäßen Beziehung m« 2n /JTk ='63,66. der nächst-'

a .

liegende ganzzahlige Wert m = <64, und damit wird die optische Dicke der Resonanzabsorberschicht 1 nd = ra-A/4 = 64 ^/4 und die geometrische Dicke d = m A/4n = 3,874/um.

Da die genaue Einstellung der optischen Absorberlänge, das heißt der ResonanzabsorberschichtdiGke, auf direktem Wege kompliziert ist, kann während der Beschichtung in bekannter Weise der mit wachsender Schichtdicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der Wellenlänge Λ = 0,920/um gemessen und der Beschichtungsprozeß abgebrochen werden, sobald das tiefste Reflexionsminimum erreicht ist. Für dieses Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzabsorbers läßt sich ein Transmissionsgrad von ungefähr 2 % und ein Reflexionsgrad von weniger als 10 % ermitteln, so daß also ungefähr 98 % der auftreffenden Strahlung in der Resonanzabsorberschicht der Schichtdicke 3,874/um absorbiert werden.

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Gemäß Pig· '2 besteht eine Resonanzabsorberschicht 6 ebenfalls aus amorphem Silizium mit der Brechungszahl η = 3#3 und dem Absorptionskoeffizienten k = 0,01 bei der Wellenlänge A = 0,920/am einer senkrecht oder nahezu senkrecht auftreffenden elektromagnetischen Strahlung 7· Eine hinterlegte Interferenzschichtenfolge 8 ist aus acht Interferenzschichtpaaren, bestehend aus je einer niedrig- und einer hochbrechenden Interferenzschicht 81, 82 und angeordnet zwischen der Resonanzabsorberachicht 6 und einem Außenmedium 9 der Brechungszahl n» = 1.52, zusammengesetzt, so daß eine wirksame Brechungszahl für das rückwärtige Außenmedium 9 üy. « kleiner als 10 folgt. Für m wurde der Zahle;nwert 2 festgelegt, um die sehr kleine Absorberschichtdicke d = m >λ/4η = °V2n = 0,121 /um zu realisieren. Damit ergibt sich aus der Beziehung m ft* 2n /JTk für

die wirksame äquivalente Brechungszahl eines vorderen Au-

ßenmediums η .. „«* JTk = 0, 0314, was durch Einschalten a, äcju

einer Interferenzschichtenfolge 10 aus drei Paaren je einer niedrig- und einer»hochbrechenden Interferenzschicht 101, 102 zwischen die Resonanzabsorberschicht 6 und das ausgedehnte vordere Außenmedium 11 angenähert werden kann·

Daraus ergibt sich für das zweite Ausführungsbeispiel ein Transmissionsgrad von nahezu Hull, ein Reflexionsgrad von etwa 10"-⁵ und damit eine Absorption von nahezu 100 % innerhalb der Resonanzabsorberschicht von wenig mehr als 100 nm Dicke·

In Pig· 3 ist eine Photodiode aus einer amorphen Siliziumschicht dargestellt, deren Sperrschicht durch eine PIH-Struktur gebildet wird, die aus einem hochdotierten P-Bereich 12, einem Intrinsic-Bereich hoher Halbleiterreinheit 13 und einem dotierten N-Bereich 14 gebildet wird. Eine nachzuweisende bzw, zu messende Strahlung 15 trifft senkrecht auf die PIH-Grenzfläche 16, auf der sich eine Ringelektrode 17 befindet· An den ΪΓ-Bereich schließt sich

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< eine Interferenzschichtenfolge 18, 19, 20 an, in der jede

Einzelschicht eine optische Schichtdicke von A/4 aufweist und die Interferenzschicht 18 aus mit Indiumoxid dotiertem Zinnoxid besteht, als Elektrode dient und eine Brechungszahl

ι von ungefähr 1.8 aufweist. Die Interferenzschichten 19, 20

•wechseln einander a"b und haben niedrige (η = 1,34) bzw* c η

hohe (ru = 2.40) Brechungszahlen, Die gesamte Anordnung be- - findet sieh auf einer stabilen Unterlage 21, die beispiels

weise aus Glas besteht. Die Elektroden 1? und 18 sind über Kontakte 22, 23 mit einer Spannungsquelle 24 zur Anlegung der Dioden-Sperrspannung verbunden. Unter Beachtung der bereits zu Pig, 1 berechneten Werte für m und d ist der P-Bereich mit 0,1 bis 1 ,um bemessen; 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 Schicht-

^{ dicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der

Wellenlänge 0,920/um gemessen, und der Beschichtungsprozeß

^f wird abgebrochen, sobald das tiefste Reflexionsminimum erreicht ist, Pur die in Pig, 3 beschriebene Photodiodenanordnung ergibt sich ein TransmissionsgradT t&2 %, ein Reflexionsgrad <p a*0,0001 % und eine Absorption-uc«*98: %, wobei der Bereich, in dem die Absorption stattfindet, 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 Verannungszone größenordnungsmäßig einen solchen Wert, wie er aus bekann-

a ' ten-Überlegungen und Berechnungen für die Verarbeitung

sehr hoher laser-Impulsfolgefrequenzen erforderlich ist.

Die Strahlung 15 kann auch parallel zur Sperrschicht einfallen. In diesem Pail müssen die Interferenzschichten 18, 19, 20 so nachgeordnet sein, daß sie rechtwinklig zu den τ Trennlinien der Bereiche 12, 13, 14. liegen,

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Claims

Patentansprüche

1, Resonanzabsorber zur Absorption auftreffender Photonen oder elektromagnetischer Strahlung, der aus einem Absorptionsmaterial mit einem Absorptionskoeffizienten vorzugsweise kleiner als 1 besteht, dem ein augedehntes optisches Außerimedium vorgelagert und nachgeordnet und eine Folge von Interferenzschichten zugeordnet sind, von denen jede Interferenzschicht eine optische Dicke von im wesentlichen einem Viertel der Schwerpunktwellenlänge eines spektralen Absorptionsbereichs beträgt und von denen die aufeinander folgenden Interferenzschichten abwechselnd niedrige und hohe Brechungszahlen aufweisen, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorberlänge d = m-A/4n mit m als der einem Zahlenwert 2n /JT-k am nächsten

^a * liegenden ganzen Zahl festgelegt ist, wobei Λ die

Schwerpunktwellenlänge darstellt, bei der das Absorptionsmaterial die Brechungszahl η und den Absorptions-ι koeffiz4enten k hat und η die Brechungszahl des vor-

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gelagerten ausgedehnten Mediums bedeutet, und daß die Interfernzsehichten zumindest zwischen dem Absorp- . tionsmaterial und dem nachgeordneten Außenmedium liegen und abwechselnd niedrige und hohe Brechungszahlen bei geradzahligem m und abwechselnd hohe und niedrige ' Brechungszahlen bei ungeradzahligem m haben«

2# Resonanzabsorber nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Absorptionsmaterial und dem vorgelagerten Außenmedium eine Folge von Interferenzschichten angeordnet ist, deren optische Dicken im wesentlichen ein Viertel der Schwerpunktwellenlänge des spektralen Absorptionsbereichs betragen und die paarweise unterschiedlich große Brechungszahlen aufweisen.

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