DE3736201A1 - Wellenlaengenselektives diodenarray - Google Patents

Wellenlaengenselektives diodenarray

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Description

Die Erfindung betrifft ein wellenlängenselektives Diodenarray mit Diodenelementen, die jeweils für einen vorbestimmten Wellen­ längenbereich empfindlich sind und deren Empfindlichkeitsbe­ reiche sich teilweise überlappen.
Spektroskopische Methoden spielen in der Physik und der Chemie eine bedeutende Rolle. In vielen Anwendungen ist es wünschens­ wert, handliche kompakte Spektrometer zur Verfügung zu haben.
Es ist bekannt (siehe zum Beispiel R. F. Wolffenbuttel, Procee­ dings of the International Conference on Solid State Sensors and Actuators - Transducer 87, Tokyo 1987, Seite 219 ff., F. Koike et. al., A new type amorphous silicon full color sensor, Transducers 87, Tokyo 1987, Seite 223 ff.), Photodioden mit "integriertem" Farbfilter als Spektrometer zu verwenden. Dabei wird ausgenutzt, daß die Eindringtiefe von optischer Strahlung in Silizium wellenlängenabhängig ist. Der Einzugsbereich für Ladungsträger und damit die gesamte Wellenlängenabhängigkeit des Photostroms kann durch die an die Diode angelegte Sperr­ spannung gesteuert werden. Die Photodiode wird so betrieben, daß sie drei Farbempfindlichkeitsbereiche hat.
Aus W. Albertshofer, A. Gerhard, Flüssigkeitsanalyse unter Ver­ wendung einer Spektrometerdiode, Proceedings of Sensoren-Tech­ nologie und Anwendung, Bad Nauheim, FRG, 1986, NTG-Fachberich­ te 93, appendix Seite 30, ist eine sogenannte Spektrometerdiode bekannt. Diese Spektrometerdiode ist eine Anordnung von Photo­ dioden, die nebeneinander angeordnet sind und die in unterschied­ lichen Wellenlängenbereichen empfindlich sind. Die Diode ist als Schichtaufbau aus einem Halbleitermaterial mit stetig ver­ änderlichem Bandabstand realisiert. Die Diode wird von der Sei­ te mit dem größeren Bandabstand her bestrahlt. Die Photonen dringen bis in die Tiefe in den Halbleiter ein, in der sie auf­ grund des Bandabstandes absorbiert werden können. Durch Schräg­ schliff der Rückseite der Diode ist es möglich, an Stellen verschiedenen Bandabstandes Schottky-Kontakte anzubringen, an denen jeweils ein der entsprechenden Wellenlänge zuzuordnendes Signal abgegriffen wird.
Die beschriebenen Dioden weisen Empfindlichkeitsbereiche auf, die im sichtbaren Spektralbereich zwischen etwa 650 nm und 900 nm liegen.
Viele Anwendungen wie z. B. die Untersuchung körpereigener Flüssigkeiten machen die Spektroskopie außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs erforderlich, da im sichtbaren Teil des Spektrums zu wenig Information enthalten ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wellenlängen­ selektives Diodenarray anzugeben, das auch in einem anderen als dem sichtbaren Bereich empfindlich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein wellenlängen­ selektives Diodenarray nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ geben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Das wellenlängenselektive Diodenarray nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß ein größerer Wellenlängenbereich auf einmal abge­ deckt werden kann.
Das wellenlängenselektive Diodenarray ist besonders vorteil­ haft zur Untersuchung von körpereigenen Flüssigkeiten, wie z. B. Blut oder Harn, da es im infraroten Teil des Spektrums empfindlich ist und deshalb zur Infrarotspektroskopie geeignet ist. Hochmolekulare Verbindungen weisen im allgemeinen ein charakteristisches Infrarotspektrum auf, da die zur Anregung von Vibrationen oder Rotationen benötigten Energien in diesem Bereich liegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein wellenlängenselektives Diodenarray.
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Bandabstand und Gitter­ konstante für verschiedene III-V-Halbleiter.
Fig. 3 zeigt ein wellenlängenselektives Diodenarray, das zwei Bestandteile enthält.
In Fig. 1 ist ein wellenlängenselektives Diodenarray darge­ stellt. Das Diodenarray enthält ein Substrat 1. Das Substrat 1 besteht z. B. aus InP. Auf das Substrat 1 folgt ein Schichtauf­ bau 2. Der Schichtaufbau 2 besteht z. B. aus InP1 -x As x mit stetig veränderlichem x, wobei x Werte zwischen 0 und 1 an­ nimmt. Der Bandabstand im Mischkristall nimmt vom Substrat 1 her im Schichtaufbau 2 stetig ab. Im Substrat 1 ist der Band­ abstand am größten, an der dem Substrat 1 abgewandten Seite des Schichtaufbaus 2 ist er am kleinsten. Der Bandabstand verändert sich z. B. von 1,3 eV im Substrat 1 aus InP auf 0,4 eV an der dem Substrat 1 abgewandten Seite des Schichtaufbaus 2 aus InAs.
Die dem Substrat 1 abgewandte Oberfläche des Schichtaufbaus 2 ist schräg zur Schichtenfolge abgeschliffen, wobei eine schiefe Ebene 3 entsteht. Auf der schiefen Ebene 3 sind lichtempfind­ liche Kontakte 4 aufgebracht. Die lichtempfindlichen Kontakte 4 bestehen z. B. aus pn-Übergängen, die im Betrieb des Dioden­ arrays in Sperrichtung gepolt sind. Die lichtempfindlichen Kontakte 4 sind so auf der schiefen Ebene 3 aufgebracht, daß jeder lichtempfindliche Kontakt 4 auf einer Schicht mit anderem Bandabstand sitzt als der benachbarte.
Auf der dem Schichtaufbau 2 abgewandten Seite des Substrats 1 ist ein ohmscher Kontakt 5 aufgebracht. Der ohmsche Kontakt 5 ist so mit Aussparungen 7 versehen, daß Licht, angedeutet als Pfeile 6, durch das Substrat 1 in das wellenlängenselektive Diodenarray gelangen kann. Das Licht dringt soweit in den Schichtaufbau 2 ein, bis es eine Schicht mit einem Bandabstand erreicht, in der es aufgrund seiner Wellenlänge absorbiert wird. Im Substrat 1 aus z. B. InP wird Licht mit einer Wellen­ länge von 0,95 µm absorbiert. Im Schichtaufbau 2 an der dem Substrat 1 abgewandten Seite aus z. B. InAs wird Licht mit einer Wellenlänge von 3,1 µm absorbiert.
Bei der Absorption von Licht im Halbleiter werden Ladungs­ träger erzeugt. Diese Ladungsträger verursachen an dem ent­ sprechenden lichtempfindlichen Kontakt 4 ein Signal. Die Signale jedes lichtempfindlichen Kontakts 4 stammen von Licht aus einem bestimmten, glockenförmigen Empfindlichkeitsbereich. Das wellenlängenselektive Diodenarray entspricht daher einer integrierten Anordnung von so vielen einzelnen Diodenelementen mit glockenförmigem Empfindlichkeitsbereich, wie lichtempfind­ liche Kontakte 4 vorhanden sind. Die einzelnen Empfindlich­ keitsbereiche benachbarter Diodenelemente überlappen teilweise.
In Fig. 2 ist der Zusammenhang zwischen dem Bandabstand und der Gitterkonstante in III-V-Halbleiterkristallen veranschau­ licht. In einem Halbleiter kann Licht derjenigen Wellenlänge absorbiert werden, die mindestens dem Bandabstand im Halb­ leiter entspricht. Licht kürzerer Wellenlänge, das damit höher energetisch ist, kann ebenfalls absorbiert werden. In Fig. 2 ist ebenfalls die dem Bandabstand entsprechende Wellenlänge ange­ geben. Um den Schichtaufbau 2 mit stetig veränderlichem Band­ abstand aufzubauen, muß ein Mischkristall verwendet werden, bei dem sich bei Variation der Zusammensetzung die Gitterkonstante nur schwach ändert. Große Änderungen der Gitterkonstante führen zu Fehlstellungen im Kristall.
Mischkristalle der Zusammensetzung InP1 -x As x mit 0≦x≦1 erfüllen diese Bedingung recht gut. Ein wellenlängenselektives Diodenarray aus InP1 -x As x mit 0≦x≦1 ist für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 0,95 µm und 3,1 µm empfindlich. Der Wert 0,95 µm liegt für x = 0 in Fig. 2 an einem Anfangspunkt 81. Der Wert 3,1 µm liegt für x = 1 an einem Endpunkt 82. Für x-Werte zwischen 0 und 1 liegen die entsprechenden Wellenlängen bzw. Bandabstände in Fig. 2 entlang einer Kurve 8. Durch Einengen des Wertebereichs von x kann der Empfindlichkeitsbe­ reich des wellenlängenselektiven Diodenarrays verkleinert werden.
In Fig. 3 ist ein wellenlängenselektives Diodenarray darge­ stellt, das einen ersten Bestandteil 31 und einen zweiten Bestandteil 32 enthält. Der erste Bestandteil 31 enthält ein zweites Substrat 311. Das zweite Substrat 311 besteht z. B. aus InP. Auf das zweite Substrat 311 folgt ein zweiter Schichtauf­ bau 312. Der zweite Schichtaufbau 312 besteht z. B. aus InP1 -x As x mit stetig veränderlichem x, wobei x Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Der Bandabstand im Mischkristall nimmt vom zweiten Substrat 311 her im zweiten Schichtaufbau 312 stetig ab. Im zweiten Substrat 311 ist der Bandabstand am größten, an der dem zweiten Substrat 311 abgewandten Seite des zweiten Schichtaufbaus 312 ist er am kleinsten. Der Bandabstand ver­ ändert sich z. B. von 1,3 eV im zweiten Substrat 311 aus InP auf 0,4 eV an der dem zweiten Substrat 311 abgewandten Seite des zweiten Schichtaufbaus 312 aus InAs.
Die dem zweiten Substrat 311 abgewandte Oberfläche des zweiten Schichtaufbaus 312 ist schräg zur Schichtenfolge abgeschliffen, wobei eine zweite schiefe Ebene 313 entsteht. Auf der zweiten schiefen Ebene 313 sind zweite lichtempfindliche Kontakte 314 aufgebracht. Die zweiten lichtempfindlichen Kontakte 314 be­ stehen z. B. aus pn-Übergängen, die im Betrieb des Diodenarrays in Sperrichtung gepolt sind. Die zweiten lichtempfindlichen Kontakte 314 sind so auf der zweiten schiefen Ebene 313 auf­ gebracht, daß jeder zweite lichtempfindliche Kontakt 314 auf einer Schicht mit anderem Bandabstand sitzt als der benachbarte.
Auf der dem zweiten Schichtaufbau 312 abgewandten Seite des zweiten Substrats 311 ist ein zweiter ohmscher Kontakt 315 aufgebracht. Der zweite ohmsche Kontakt 315 ist so mit zweiten Aussparungen 317 versehen, daß Licht, angedeutet als Pfeile 36, durch das zweite Substrat 311 hindurch in den ersten Bestand­ teil 31 des wellenlängenselektiven Diodenarrays gelangen kann. Das Licht dringt soweit in den zweiten Schichtaufbau 312 ein, bis es eine Schicht mit einem Bandabstand erreicht, in der es aufgrund seiner Wellenlänge absorbiert wird. Im zweiten Substrat 311 aus z. B. InP wird Licht mit einer Wellenlänge von 0,95 µm absorbiert. Im zweiten Schichtaufbau 312 an der dem zweiten Substrat 311 abgewandten Seite aus z. B. InAs wird Licht mit einer Wellenlänge von 3,1 µm absorbiert.
Bei der Absorption von Licht im Halbleiter werden Ladungs­ träger erzeugt. Diese Ladungsträger verursachen an dem ent­ sprechenden zweiten lichtempfindlichen Kontakt 314 ein Signal. Die Signale jedes zweiten lichtempfindlichen Kontakts 314 stammen von Licht aus einem bestimmten, glockenförmigen Empfindlichkeitsbereich. Der erste Bestandteil 31 des wellen­ längenselektiven Diodenarrays entspricht daher einer inte­ grierten Anordnung von so vielen einzelnen Diodenelementen mit glockenförmigem Empfindlichkeitsbereich, wie zweite licht­ empfindliche Kontakte 314 vorhanden sind. Die einzelnen Empfindlichkeitsbereiche benachbarter Diodenelemente überlappen teilweise.
Das wellenlängenselektive Diodenarray umfaßt ferner einen zweiten Bestandteil 32. Der zweite Bestandteil 32 enthält ein drittes Substrat 321. Das dritte Substrat 321 besteht z. B. aus GaAs0,6P0,4. Auf das dritte Substrat 321 folgt ein dritter Schichtaufbau 322. Der dritte Schichtaufbau 322 besteht z. B. aus GaAs1 -p P p mit stetig veränderlichem p, wobei p Wert zwischen 0,4 und 0 annimmt. Der Bandabstand im Mischkristall nimmt vom dritten Substrat 321 her zum dritten Schichtaufbau 322 stetig ab. Im dritten Substrat 321 ist der Bandabstand am größten, an der dem dritten Substrat 321 abgewandten Seite des dritten Schichtaufbaus 322 ist er am kleinsten. Der Bandabstand verändert sich z. B. von 1,9 eV im dritten Substrat 321 aus GaAs0,6P0,4 auf 1,4 eV an der dem dritten Substrat 321 abge­ wandten Seite des dritten Schichtaufbaus 322 aus GaAs.
Die dem dritten Substrat 321 abgewandte Oberfläche des dritten Schichtaufbaus 322 ist schräg zur Schichtenfolge abgeschliffen, wobei eine dritte schiefe Ebene 323 entsteht. Auf der dritten schiefen Ebene 323 sind dritte lichtempfindliche Kontakte 324 aufgebracht. Die dritten lichtempfindlichen Kontakte 324 be­ stehen z. B. aus Schottky-Übergängen, die im Betrieb des Diodenarrays in Sperrichtung gepolt sind. Die dritten licht­ empfindlichen Kontakte 324 sind so auf der dritten schiefen Ebene 323 aufgebracht, daß jeder dritte lichtempfindliche Kontakt 324 auf einer Schicht mit anderem Bandabstand sitzt als der benachbarte.
Auf der dem dritten Schichtaufbau 322 abgewandten Seite des dritten Substrats 321 ist ein dritter ohmscher Kontakt 325 aufgebracht. Der dritte ohmsche Kontakt 325 ist so mit dritten Aussparungen 327versehen, daß Licht, angedeutet als Pfeile 36, durch das dritte Substrat 321 hindurch in den zweiten Bestand­ teil 32 des wellenlängenselektiven Diodenarrays gelangen kann. Das Licht dringt soweit in den dritten Schichtaufbau 322 ein, bis es eine Schicht mit einem Bandabstand erreicht, in der es aufgrund seiner Wellenlänge absorbiert wird. Im dritten Sub­ strat 321 aus z. B. GaAs0,6P0,4 wird Licht mit einer Wellen­ länge von 900 nm absorbiert. Im dritten Schichtaufbau 322 an der dem dritten Substrat 321 abgewandten Seite aus z. B. GaAs wird Licht mit einer Wellenlänge von 650 nm absorbiert.
Bei der Absorption von Licht im Halbleiter werden Ladungs­ träger erzeugt. Diese Ladungsträger verursachen an dem ent­ sprechenden dritten lichtempfindlichen Kontakt 324 ein Signal. Die Signale jedes dritten lichtempfindlichen Kontakts 324 stammen von Licht aus einem bestimmten, glockenförmigen Empfindlichkeitsbereich. Das wellenlängenselektive Diodenarray entspricht daher einer integrierten Anordnung von so vielen einzelnen Diodenelementen mit glockenförmigen Empfindlichkeits­ bereich, wie dritte lichtempfindliche Kontakte 324 vorhanden sind. Die einzelnen Empfindlichkeitsbereiche benachbarter Diodenelemente überlappen teilweise.
Beim Betrieb des wellenlängenselektiven Diodenarrays werden der erste Bestandteil 31 und der zweite Bestandteil 32 des wellen­ längenselektiven Diodenarrays gleichzeitig betrieben. Dadurch ist dieses wellenlängenselektive Diodenarray für den gesamten Wellenlängenbereich empfindlich, der von den beiden Bestand­ teilen überdeckt wird.

Claims (6)

1. Wellenlängenselektives Diodenarray mit Diodenelementen, die jeweils für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich empfindlich sind und deren Empfindlichkeitsbereiche sich teilweise über­ lappen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Diodenelemente einen Empfindlichkeits­ bereich im infraroten Spektralbereich hat.
2. Wellenlängenselektives Diodenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenlängenempfind­ lichkeitsbereich den Bereich zwischen 0,95 µm und 3,1 µm ent­ hält.
3. Wellenlängenselektives Diodenarray nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) es ist ein Substrat (1) aus InP1 -x As x mit 0≦x<1 vorgesehen,
  • b) auf das Substrat (1) folgt ein Schichtaufbau (2) aus InP1 -y As y mit x<y≦1,
  • c) der Schichtaufbau (2) ist an der dem Substrat (1) abge­ wandten Seite schräg zur Schichtenfolge zu einer schiefen Ebene (3) abgeschliffen,
  • d) auf der schiefen Ebene (3) sind als lichtempfindliche Kontakte (4) pn-Übergänge vorgesehen.
4. Wellenlängenselektives Diodenarray nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß x größer als 0 ist.
5. Wellenlängenselektives Diodenarray nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß y kleiner als 1 ist.
6. Wellenlängenselektives Diodenarray nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) es ist ein hybrider Aufbau vorgesehen, der einen ersten Be­ standteil (31) und einen zweiten Bestandteil (32) enthält,
  • b) der erste Bestandteil (31) ist auf einem zweiten Substrat (311) aus InP1 -x As x mit 0≦x<1 aufgebaut,
  • c) auf das zweite Substrat (311) folgt ein zweiter Schichtauf­ bau (312) aus InP1 -y As y mit x<y≦1,
  • d) der zweite Schichtaufbau (312) ist an der dem zweiten Sub­ strat (311) abgewandten Seite schräg zur Schichtenfolge zu einer zweiten schiefen Ebene (313) abgeschliffen,
  • e) auf der zweiten schiefen Ebene (313) sind als zweite licht­ empfindliche Kontakte (313) pn-Übergänge vorgesehen,
  • f) der zweite Bestandteil (32) ist auf einem dritten Substrat (321) aus GaAs1 -q P q mit 0<q≦1 aufgebaut,
  • g) auf das dritte Substrat (321) folgt ein dritter Schichtauf­ bau (322) aus GaAs1 -p P p mit 0≦p<q,
  • h) der dritte Schichtaufbau (322) ist an der dem dritten Sub­ strat (321) abgewandten Seite schräg zur Schichtenfolge zu einer dritten schiefen Ebene (323) abgeschliffen,
  • i) auf der dritten schiefen Ebene (323) sind als dritte licht­ empfindliche Kontakte (324) Schottky-Kontakte vorgesehen,
  • j) de beiden Bestandteile (31, 32) werden gleichzeitig betrieben.
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