DE3234096C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektrisches Bauelement aus Silizium zur Detektion von Licht im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 µm mit einem Schottky- Übergang aus p-dotiertem Silizium und einem Metall mit vorgegebener Austrittsarbeit.

Ein derartiges Bauelement ist aus der DE-OS 31 45 840 bekannt. Der Schottky-Übergang wird bei diesem bekannten Bauelement durch Vakuumaufdampfung von Platin oder Platinsilizid aus dem Silizium-Substrat gebildet.

Bei der Photodetektion von Licht im sichtbaren und nahen Infrarot spielen Detektoren aus Halbleiter- Silizium eine sehr wichtige Rolle. Die Si-Detektoren werden dabei z. B. in Form von pn-Photodioden, PIN- Photoelementen, Schottkybarrierenelementen oder MOS- Elementen gestaltet. Diese Si-Bauelemente haben im sichtbaren und nahen Infrarot eine hohe Quantenausbeute. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Si liegt darin, daß man auf Grund der hochentwickelten Technologie dieses Materials in der Lage ist eindimensionale Zeilen und sog. zweidimensionale Arrays zu fertigen, die eine Vielzahl von gleichmäßig empfindlichen Detektoren z. B. 256 × 256 mit Abmessungen von 25 × 25 µm enthalten. Zusätzlich kann das Auslesen und die Weiterverarbeitung der Signale den einzelnen Detektorelementen mit Bauelementen erfolgen, die ebenfalls in demselben Siliziumchip integriert sind, in dem auch die Detektorelemente enthalten sind. Diese Bauweise hat einen hohen Entwicklungsstand, es werden bereits Festkörpervidikons auf Si-Basis hergestellt.

Von großem Interesse ist die Detektion und Bildaufnahme von Licht mit Wellenlängen oberhalb von 1 µm, insbesondere im Spektralbereich 3-5 µm und 8-12 µm. Hierfür werden insbesondere Halbleiter mit kleiner, diesem Spektralbereich angepaßter Energielücke verwendet. Solche Halbleiter sind z. B. Indiumantimonid (In Sb) und Cadmium-Quecksilbertellurid (CdHgTe). Obwohl die Kristallzucht dieser Materialien und die Herstellung von Bauelementen hieraus wesentlich schwieriger ist als bei Silizium, hat man doch bereits Arrays mit einer relativ geringen Zahl von Detektorelementen realisiert.

Außerdem ist es gelungen, in Silizium mit einer anderen Art von Detektorelement als dem oben Beschriebenen, die Detektoren von IR bei 3-5 µm zu erreichen. Diese Detektoren nützen den Effekt der sog. internen Photoemission mittels einer Schottky-Barriere aus. Bringt man auf die Frontseite von geeignet präpariertem Silizium Kontakte aus Metallen mit passender Austrittsarbeit auf, so entstehen an der Grenzfläche Metall/Silizium- Barrieren, die zur Detektion von IR im Bereich von 3-5 µm geeignet sind. Insbesondere die Edelmetalle Palladium und Platin erwiesen sich als hierfür geeignet. Mit Pt und p-dotiertem Si werden Barrieren von 0,27 eV erhalten (z. B. "Evaluation of a Schottky IR- CCD Staring Mosaic Focal Plane, by B. Capone e.a. in SPIE, Vol. 156, Modern Utilization of Infrared Technology IV (1978) S. 120-131 "oder auch Platinum Silicide Schottky-Barrier IR-CCD Image Sensors by M. Kimata e.a. in Japanese Journal of Applied Physics Vol. 21, S. 231-235, (1982)"). Diese Detektorelemente besitzen zwar eine - verglichen mit intrinsischen Halbleiterdetektoren - geringe Quantenausbeute, sie können jedoch mit sehr großer Uniformität hergestellt werden und sind deshalb für die Herstellung größerer Arrays mit vielen Detektorelementen gut geeignet. Zum Auslesen der einzelnen Detektorsignale können in das Silizium wiederum geeignete Strukturen z. B. die bekannten CCD′s (Charge Coupled Devices) mitintegriert werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Detektoren bzw. Detektorarrays vom eben beschriebenen Schottky-Barrieren- Typ auch für das längerwellige, sog. thermische IR bei 8-12 µm herzustellen. Hierzu ist die Formierung von Barrieren der Größe 0,10-0,15 eV nötig. Durch Aufbringen von Metallen auf Silizium ist jedoch eine Erreichung der erwünschten Barrierenhöhe infolge der festliegenden physikalisch bedingten Austrittsarbeiten der Metalle und des Siliziums nicht möglich.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Ein- oder Aufbringen einer extrem dünnen Dotierschicht mit einer kontrollierten hohen Dotierkonzentration in den ansonsten schwach dotierten Halbleiter unmittelbar an der Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter, wird ein elektrisches Feld E erzeugt und damit eine gewünschte Barriere erhalten unter gleichzeitiger Beibehaltung der guten Sperreigenschaften (geringer Sperrstrom) des Überganges.

Zwar ist schon von den Schottky′schen Arbeiten her bekannt (siehe z. B. "Fundaments of Semiconductor Devices, by E.S. Yang, Mc Graw-Hill Book Company, 1978, S. 133"), daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes E an einem Metall/ Halbleiter-Kontakt eine Erniedrigung der vorhandenen Barriere, entsprechend

stattfindet (q = Elementarladung, ε = absolute Dielektrizitätskonstante, ε _si = relative Dielektrizitätskonstante von Silizium). Das benötigte hohe Feld E wird an der Grenzfläche Metall/Halbleiter jedoch nur erreicht, wenn der Halbleiter sehr hoch dotiert wird (z. B. höher als 10¹⁷ Dotieratome pro cm³.) Eine derartig hohe Dotierung führt jedoch dazu, daß am Metall/Halbleiter ein so hoher Sperrstrom fließt, daß die Anordnung für Detektoranwendungen gänzlich ungeeignet ist.

Mittels der dünnen Dotierschicht wird nach obiger Gleichung für die Barriere ΔΦ das benötigte hohe Feld E in der Grenzfläche erzeugt; die geringe Dotierung des übrigen Halbleiters im Volumen ist maßgebend für gute Sperreigenschaften.

Im Fall der Verwendung von Platin und Silizium wird eine Barriere von Φ = 0,10 - 0,15 eV die zur Detektion von infrarotem Licht im Bereich 8-12 µm dann erhalten, wenn p-Si (10-50 Ωcm) verwendet wird und als Barrierenmetall Platin dient. Vor dem Aufbringen des Platin durch Aufdampfen oder Aufsputtern in einem definierten Flächenbereich wird eine 5 bis 20 nm, vorzugsweise 10 nm dünne Schicht im p-Si an der Grenzfläche zum Metall durch Implantation von dreiwertigen Elementen vorzugsweise Bor, stark p⁺ dotiert mit einer Dotierkonzentration von 5 · 10¹⁸ - 5 · 10¹⁹.

In der Figur ist ein Schnitt durch ein optoelektrisches Bauteil für den fernen IR-Bereich gezeigt. Das zu detektierende IR-Licht wird rückwärts von der Seite der Si-Schicht eingestrahlt und dringt durch das Silizium zum Metall-Silizium-Übergang vor. Vom Licht im Metall 2 erzeugte Ladungsträger mit einer Energie, die größer als die Barrierehöhe ΔΦ ist, können diese überqueren und aus der Raumladungszone 4 in das Silizium gelangen. Über elektrische Leitungen 5 und 6 können die so freigewordenen Ladungsträger abgezogen und nachgewiesen werden.

Unter Verwendung der vorher beschriebenen Bauelemente läßt sich eine Anordnung aufbauen, bei welcher ein Array abwechselnd Detektorelemente der angegebenen Art für eine Detektion von IR-Strahlung zwischen 8-12 µm und zusätzlich Schottky-Barrier-Elemente, die für IR- Strahlung von 3-5 µm empfindlich sind, enthält. Auf diese Weise können Bilder in unterschiedlichen IR-Bereichen parallel oder sersiell erhalten werden. Es ist auch die Kombination von IR-Detektoren in einem der beiden angegebenen Bereiche mit Detektoren von z. B. des intrinsischen np-Typs, welcher empfindlich im sichtbaren und nahen IR sind, im selben Silizium oder aller drei verschiedenen Detektortypen möglich.

Claims (3)

1. Optoelektrisches Bauelement aus Silizium zur Detektion von Licht im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 µm mit einem Schottky-Übergang aus p-dotiertem Silizium und einem Metall mit vorgegebener Austrittsarbeit, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche des Siliziums (1) zum Metall (2) eine Schicht (3) aus p⁺-Silizium mit einer Dotierungskonzentration von 5 · 10¹⁸ - 5 · 10¹⁹ und einer Schichtdicke d von 5 bis 20 nm vorgesehen ist.

2. Optoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Platin verwendet wird und durch Tempern der auf das Silizium (1, 3) aufgebrachten Platinschicht (2) im Temperaturbereich zwischen 350 und 500°C Platinsilizid gebildet wird, welches teilweise in die hochdotierte p⁺-Siliziumschicht (3) einlegiert wird.

3. Verwendung von optoelektrischen Bauelementen gemäß Anspruch 1 für eine Anordnung, in der sie paarweise mit an sich bekannten Bauelementen, die in einem anderen Infrarotbereich und/oder im sichtbaren Spektralbereich empfindlich sind, angeordnet sind.