DE3736201C2 - Wellenlängenselektives Diodenarray - Google Patents
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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 zu Verfügung zu haben.
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.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 27, No. 8, Januar
1985, Seite 4584 und 4585 ist eine Anordnung von Fotodioden,
die nebeneinander angeordnet sind und die in unterschied
lichen Wellenlängenbereichen empfindlich sind, bekannt. Die An
ordnung ist als Schichtaufbau aus InxGa1-xAs realisiert, wobei
sich der Bandabstand des Halbleitermaterials von Schicht zu
Schicht ändert. Die Oberflächen der Anordnung werden durch eine
Schicht aus GaAs und an der gegenüberliegenden Seite aus InAs
gebildet. Dazwischen sind drei Schichten mit speziellen
Zusammensetzungen des Halbleitermaterials mit jeweils
speziellen x-Werten angeordnet. In dieser Anordnung wird Licht
senkrecht zur Schichtenfolge von der aus GaAs bestehenden Ober
fläche her eingestrahlt. Die Schichten mit spezieller Halb
leitermaterialzusammensetzung sind senkrecht zum Lichteinfall
an gegenüberliegenden Seiten mit Kontakten versehen, über die
Fotosignale abgegriffen werden.
Aus W. Harth, Sende- und Empfangsdioden für die optische Nach
richtentechnik, Teubner 1984, Seite 24 bis 31 ist bekannt, daß
ternäre oder quaternäre Mischkristallsysteme der III-V-Cruppe
des periodischen Systems der Elemente - darunter auch das Misch
kristallsystem InPAs, vgl. Bild 2.6 - als Halbleitermaterialien
für Sende- und Photodioden in der optischen Nachrichtentechnik
im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 5 µm geeignet sind.
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 im ferneren infraroten
Bereich empfindlich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein wellenlängen
selektives Diodenarray mit den im Anspruch angegebenen Merk
malen gelöst.
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 aus InP. Auf das Substrat 1 folgt ein Schichtaufbau 2.
Der Schichtaufbau 2 besteht aus InP1-xAsx mit stetig ver
änderlichem x, wobei x Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Der
Bandabstand im Mischkristall nimmt vom Substrat 1 her im
Schichtaufbau 2 stetig ab. Im Substrat 1 ist der Bandabstand am
größten, an der dem Substrat 1 abgewandten Seite des Schicht
aufbaus 2 ist er am kleinsten. Der Bandabstand verändert sich
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 aus pn-Übergängen, die im Betrieb des Diodenarrays in
Sperrichtung gepolt sind. Die lichtempfindlichen Kontakte 4
sind so auf der schiefen Ebene 3 aufgebracht, daß jeder licht
empfindliche Kontakt 4 auf einer Schicht mit anderem Bandab
stand 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 InP wird Licht mit einer Wellenlänge
von 0,95 µm absorbiert. Im Schichtaufbau 2 an der dem Substrat
1 abgewandten Seite aus 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 Fehlstellen im Kristall.
Mischkristalle der Zusammensetzung InP1-xAsx mit 0≦x≦1
erfüllen diese Bedingung recht gut. Ein wellenlängenselektives
Diodenarray aus InP1-xAsx 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
Substrat 311. Das Substrat 311 besteht aus
InP. Auf das Substrat 311 folgt ein Schichtauf
bau 312. Der Schichtaufbau 312 besteht aus InP1-xAsx mit
stetig veränderlichem x, wobei x Werte zwischen 0 und 1 an
nimmt. Der Bandabstand im Mischkristall nimmt vom
Substrat 311 her im Schichtaufbau 312 stetig ab. Im
Substrat 311 ist der Bandabstand am größten, an der dem
Substrat 311 abgewandten Seite des
Schicht
aufbaus 312 ist er am kleinsten. Der Bandabstand verändert sich
von 1,3 eV im Substrat 311 aus InP auf 0,4 eV an der
dem Substrat 311 abgewandten Seite des Schicht
aufbaus 312 aus InAs.
Die dem Substrat 311 ab gewandte Oberfläche des zweiten
Schichtaufbaus 312 ist schräg zur Schichtenfolge abgeschliffen,
wobei eine schiefe Ebene 313 entsteht. Auf der
schiefen Ebene 313 sind lichtempfindliche Kontakte 314
aufgebracht. Die lichtempfindlichen Kontakte 314 be
stehen aus pn-Übergängen, die im Betrieb des Diodenarrays in
Sperrichtung gepolt sind. Die lichtempfindlichen
Kontakte 314 sind so auf der schiefen Ebene 313 aufge
bracht, daß jeder lichtempfindliche Kontakt 314 auf
einer Schicht mit anderem Bandabstand sitzt als der benachbarte.
Auf der dem Schichtaufbau 312 abgewandten Seite des
Substrats 311 ist ein ohmscher Kontakt 315
aufgebracht. Der ohmsche Kontakt 315 ist so mit
Aussparungen 317 versehen, daß Licht, angedeutet als Pfeile 36,
durch das Substrat 311 hindurch in den ersten Bestand
teil 31 des wellenlängenselektiven Diodenarrays gelangen kann.
Das Licht dringt soweit in den Schichtaufbau 312 ein,
bis es eine Schicht mit einem Bandabstand erreicht, in der es
aufgrund seiner Wellenlänge absorbiert wird. Im
Substrat 311 aus InP wird Licht mit einer Wellenlänge von 0,95
µm absorbiert. Im Schichtaufbau 312 an der dem
Substrat 311 abgewandten Seite aus 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 314 ein Signal.
Die Signale jedes 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 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
Substrat 321. Das dritte Substrat 321 besteht aus
GaAs0,6P0,4. Auf das dritte Substrat 321 folgt ein
Schichtaufbau 322. Der Schichtaufbau 322 besteht aus
GaAs1-pPp mit stetig veränderlichem p, wobei p Werte zwischen
0,4 und 0 annimmt. Der Bandabstand im Mischkristall nimmt vom
Substrat 321 her zum Schichtaufbau 322 stetig
ab. Im Substrat 321 ist der Bandabstand am größten, an
der dem Substrat 321 abgewandten Seite des
Schichtaufbaus 322 ist er am kleinsten. Der Bandabstand ver
ändert sich von 1,9 eV im Substrat 321 aus CaAs0,6P0,4
auf 1,4 eV an der dem Substrat 321 abgewandten Seite
des Schichtaufbaus 322 aus GaAs.
Die dem Substrat 321 abgewandte Oberfläche des
Schichtaufbaus 322 ist schräg zur Schichtenfolge abgeschliffen,
wobei eine schiefe Ebene 323 entsteht. Auf der
schiefen Ebene 323 sind lichtempfindliche Kontakte 324
aufgebracht. Die lichtempfindlichen Kontakte 324 be
stehen aus Schottky-Übergängen, die im Betrieb des Diodenarrays
in Sperrichtung gepolt sind. Die lichtempfindlichen
Kontakte 324 sind so auf der schiefen Ebene 323 aufge
bracht, daß jeder lichtempfindliche Kontakt 324 auf
einer Schicht mit anderem Bandabstand sitzt als der benachbarte.
Auf der dem Schichtaufbau 322 abgewandten Seite des
Substrats 321 ist ein ohmscher Kontakt 325
aufgebracht. Der ohmsche Kontakt 325 ist so mit
Aussparungen 327 versehen, daß Licht, angedeutet als Pfeile 36,
durch das Substrat 321 hindurch in den zweiten Bestand
teil 32 des wellenlängenselektiven Diodenarrays gelangen kann.
Das Licht dringt soweit in den Schichtaufbau 322 ein,
bis es eine Schicht mit einem Bandabstand erreicht, in der es
aufgrund seiner Wellenlänge absorbiert wird. Im Sub
strat 321 aus GaAs0,6P0,4 wird Licht mit einer Wellenlänge von
650 nm absorbiert. Im Schichtaufbau 322 an der dem
Substrat 321 abgewandten Seite aus z. B. GaAs wird
Licht mit einer Wellenlänge von 900 nm absorbiert.
Bei der Absorption von Licht im Halbleiter werden Ladungs
träger erzeugt. Diese Ladungsträger verursachen an dem ent
sprechenden lichtempfindlichen Kontakt 324 ein Signal.
Die Signale jedes 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 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 Diodenarrys gleichzeitig betrieben. Dadurch
ist dieses wellenlängenselektive Diodenarray für den gesamten
Wellenlängenbereich empfindlich, der von den beiden Bestand
teilen überdeckt wird.
Claims (1)
1. Wellenlängenselektives Diodenarray mit Diodenelementen, die
jeweils für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich empfind
lich sind und deren Empfindlichkeitsbereiche sich teilweise
überlappen, mit folgenden Merkmalen:
- a) es ist ein Substrat (1) aus InP1-xAsx mit 0x<1 vor gesehen,
- b) auf das Substrat (1) folgt ein Schichtaufbau (2) aus InP1-yAsy mit x<y1,
- 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 Kon takte (4) pn-Übergänge vorgesehen, wobei jeder lichtemp findliche Kontakt ein Diodenelement definiert.
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