DE3736201C2 - Wellenlängenselektives Diodenarray - Google Patents

Wellenlängenselektives 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 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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