DE4242035C2 - Schottky-Barrieren-Photodetektor - Google Patents

Description

Schottky-Infrarotdetektoren verwenden eine Metall-Halbleiter (Silizium-) Grenzflächenstruktur, über die durch Licht angeregte Ladungsträger im Metall einen Photostrom erzeugen. Ein Vorteil solcher Photodetektoren ist die Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial. Die Silizi­ um-Technologie wird gut beherrscht, so daß großflächige Detektorarrays mit vielen Einzeldetektoren und integrierter Signalauswertung herge­ stellt werden können. Ein Nachteil von Schottky-Photodetektoren ist je­ doch deren geringe Quantenausbeute. Dies ist bedingt durch den Umstand, daß die im Metall durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung entstandenen energiereichen Ladungsträger die Energiebarriere des Me­ tall-Halbleiterkontakts nur dann überschreiten können, wenn diese in ei­ nem engen Winkelbereich um die Normale auf die Grenzschicht auftreffen. Ferner wird langwellige elektromagnetische Strahlung von Metallschichten im allgemeinen reflektiert.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad der Anordnung zu verbessern, insbesondere die Quantenausbeute.

Lösung der Erfindung

Wird nun die Grenzschicht so strukturiert, daß wenigstens in einem be­ stimmten Bereich der Oberfläche die Flächennormale stark wechselt, so wird eine erhöhte Übergangswahrscheinlichkeit erreicht.

Auch die Absorption der einfallenden optischen Strahlung in der Metall­ schicht selbst kann durch eine Strukturierung einhergehend mit der Ober­ flächenvergrößerung dieser Schicht verbessert werden. Dazu müssen die typischen Strukturgrößen bis im Bereich der Lichtwellenlänge gehalten werden.

Eine Strukturierung der Si-Oberfläche vor Aufbringen der Metallschicht kann durch geeignete isotrope und anisotrope Silizium-Ätzverfahren er­ reicht werden, wobei auch geeignete Ätzmasken gewählt werden können.

Insbesondere können die Ätzmasken so gewählt werden, daß eine gezielte Strukturierung (periodische Linien, Raster) im Bereich der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung erreicht werden. Eine Ätzung ohne Masken ergibt willkürlich verteilte pyramidenartige Strukturen, die sich vom Nanometer- in den Mikrometerbereich erstrecken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung rein schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Silizium-Halbleiter als Träger für eine Dünnschichtmetallisierung,

Fig. 2 eine Oberflächen(Grenzflächen-) Rauhigkeit im Mikrometerbereich

Fig. 3 eine Oberfläche wie in Fig. 2 dargestellt weiter abgewandelt durch zusätzliche Rauhigkeit im Nanometerbereich,

Fig. 4ä, b, c verschiedene Gitterformen der Oberfläche (Grenzfläche), 1-dimensional dargestellt und

Fig. 5ä und b verschiedene Gitterformen, 2-dimensional dargestellt.

Auf der Basis oder dem Träger 1 aus möglichst reinem Silizium (Si) als Halbleitermaterial für den Photodetektor ist (siehe Fig. 1) eine übliche metallische Dünnschicht nach einem physikalischen oder chemischen Ab­ scheideverfahren, wie PVD- oder CVD-Verfahren bekannter Technologie, als die Siliziumoberfläche bedeckende und deren Struktur folgende Schicht 2 aufgebracht. Die Struktur bildet dann die Grenzfläche Metall-Silizium 3.

Die einfallende optische, insbesondere infrarote Strahlung ist mit 4 oder mit 5 bezeichnet, je nachdem von welcher Seite sie einfällt.

Üblicherweise fällt nur von einer Seite (in der Zeichnung von unten) Strahlung ein. Strahlungseinfall von der Oberseite kann mit bekannten Mitteln unterdrückt, abgeschottet, vernachlässigt, kompensiert oder re­ flektiert werden, wie im Einzelfall gewünscht.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist zu der Oberfläche/Grenzfläche zur dünnen Metallschicht bei diesem Ausführungsbeispiel eine Rauhigkeit durch aus der Halbleitertechnologie bekanntes anisotropes chemisches Ätzen, im Be­ reich der Lichtwellenlänge (-Mikrometerbereich) erzeugt, und darauf wird mit einem der bekannten Dünnschichtverfahren, wie im Vakuum Abscheiden auf physikalischem Wege (PVD) durch Aufdampfen, Aufputtern oder (plasma­ unterstützte) chemische Dampfabscheidung (CVD) eine dünne Schicht von Metallen, wie solchen der Platingruppe, z. B. Pt, Pd, oder solche der Ei­ sengruppe, z. B. Co, Ni des Periodensystems der Elemente, entweder als reine Metalle die auf dem Träger eine Verbindung eingehen oder als Me­ tallverbindungen, wie Silizide (z. B. Pt-Silizide, Co-Silizide) erzeugt.

Die Verteilung der Rauhigkeitsspitzen ist I. nach Fig. 2, Fig. 3 sta­ tistisch/zufällig oder II. regelmäßig z. B. nach Fig. 4a, b, c oder 5a, b.

In Fig. 3 ist, ausgehend von einer Oberfläche/Grenzfläche gemäß Fig. 2 zur dünnen Metallschicht, bei diesem Ausführungsbeispiel eine Rauhigkeit im Bereich der Streulänge der Ladungsträger im Metall an den Spitzen er­ zeugt.

Die so erzeugte Rauhigkeit liegt im Nanometerbereich, ist also etwa drei Größenordnungen kleiner (als bei Fig. 2).

Die Erzeugung dieser Rauhigkeit im Nanometerbereich erfolgt durch an sich bekanntes (weiteres) anisotropes chemisches Ätzen aus der Halblei­ tertechnologie und/oder physikalisch z. B. durch Kathodenstrahlätzung (vor oder während dem Sputtern) oder durch Laser- oder Elektronenstrahl­ ätzung. Darauf wird die der Rauhigkeit zu der Grenzfläche folgende Me­ tallisierung wie im Beispiel der Fig. 2 aufgebracht, wobei jegliche Kom­ bination der dort erwähnten Verfahrensschritte möglich ist.

Der Rauhigkeitserzeugung - gemäß Fig. 3 - im Nanometerbereich muß jedoch nicht in jedem Falle die Rauhigkeitserzeugung gemäß Fig. 2 vorausgehen.

Claims (4)

1. Schottky-Photodetektor, insbesondere für einfallende Strahlung im Infrarotbereich des Spektrums mit (Rein-)Silizium als Halbleitermate­ rial, dessen der ankommenden Strahlung zugekehrte Oberfläche durch Ätzen strukturiert, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sie mit einer üblichen metallischen Dünnschicht nach einem physikali­ schen oder chemischen Abscheideverfahren, wie PVD- oder CVD-Verfahren bekannter Technologie überzogen wurde, als die Siliziumoberfläche be­ deckende und deren Struktur folgende Schicht (2),
• - die Grenzfläche Metall - Silizium (3) so gestaltet ist, daß eine kurz­ reichweitige Rauhigkeit (im Nanometerbereich bzw. im Bereich der Streulänge der Ladungsträger im Metall) und eine längerreichweitige (im Mikrometerbereich bzw. im Bereich der Wellenlänge der Strahlung) übereinander erzeugt sind.

2. Schottky-Photodetektor, insbesondere für einfallende Strahlung im Infrarot-Bereich des Spektrums, auf der Basis von Silizium als Halblei­ termaterial, dessen Oberfläche in wenigstens einem (Nutz-)Bereich einer Ätzung unterworfen wurde, mit zusätzlicher Metallisierung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ätzung so gewählt wird, daß eine Oberfläche der Grenzschicht des Halbleiters bzw. ein Oberflächenbereich hiervon eine solche Struktur aufweist, daß die Strukturschwankungen (eindimensional in Richtung zur Oberflächennormale der Basis) in der Größenordnung der Wellenlängen bzw. sehr viel kleiner sind als die Wellenlänge der zu mes­ senden Strahlung und die Flächennormalen auf den strukturierten Teilflä­ chen des geätzten Bereichs - soweit nebeneinander - ständig wechseln, und daß eine darauf aufgebrachte Metallisierung dieser Strukturierung folgt, wobei an der Siliziumoberfläche übereinander zunächst eine Grob­ ätzung zur Erzeugung langreichweitiger Rauhigkeit im Bereich der Licht­ wellenlänge und darüber eine Feinätzung zur Erzeugung kurzreichweitiger Rauhigkeit im Bereich der Streulänge der Ladungsträger im Metall vorge­ nommen ist.

3. Schottky-Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Siliziumoberfläche periodisch oder willkürlich struk­ turiert ist im Mikrometerbereich (dem Bereich der Lichtwellenlänge bezo­ gen auf die Tiefe der Strukturen und deren Periodizität, insbesondere in einer, vorzugsweise in zwei Richtungen quer zur Flächennormale).

4. Schottky-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Siliziumoberfläche die Strukturie­ rung regelmäßig, wie wellenförmig (Berg/Tal) oder pyramidenförmig ausge­ führt ist.