DE4317834C2 - Spectral sensitive optoelectric detector - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen spektralempfindlichen optoelektrischen Detektor, bei welchem eine zu detektierende optoelektrische Strahlung der Wellenlänge λ mittels eines Resonators mehrfach durch eine aktive Schicht verläuft.The invention relates to a spectrally sensitive optoelectric Detector, in which an optoelectric radiation to be detected the wavelength λ by means of a resonator several times by an active one Layer runs.
Eine derartige Anordnung ist in Form eines wellenlängenselektiven Photodetektors in der DE 40 04 398 A1 beschrieben. Diese besteht aus einer Kombination einer speziellen Photodiode mit einem Kantenfilter, wobei die Photodiode so ausgebildet ist, daß durch Mehrfachreflexion des einfallenden Lichtes innerhalb der aktiven Schicht die Interferenzbedingungen für ein konstruktives Interferenzmaximum in einem geeigneten Bereich der spektralen Empfindlichkeit der Diode erfüllt werden. Dieser Bereich ist mit der Kantenwellenlänge des Kantenfilters abgestimmt. Der Photodetektor besitzt einen Schichtaufbau, bei welchem auf einem Glassubstrat zuerst eine transparente leitfähige Elektrodenschicht, darauf eine Diode aus amorphem Silizium und schließlich eine Metallschicht aufgebracht ist. Die zu detektierende Strahlung tritt über ein vor der transparenten, elektrisch leitfähigen Elektrodenschicht angeordnetes Kantenfilter in die aktive Schicht der Diode ein und wird zwischen den beiden Elektrodenschichten mehrfach reflektiert. Die Stromflußrichtung ist also parallel zur Strahlungseinfallrichtung. Dies führt jedoch aus folgenden Gründen zu Einschränkungen beim Aufbau des optischen Resonators:Such an arrangement is in the form of a wavelength selective Photodetectors described in DE 40 04 398 A1. This consists of a combination of a special photodiode with an edge filter, wherein the photodiode is designed so that by multiple reflection of the incident light within the active layer Interference conditions for a constructive interference maximum in one suitable range of the spectral sensitivity of the diode is met become. This range is with the edge wavelength of the edge filter Voted. The photodetector has a layer structure, in which on a glass substrate first a transparent conductive Electrode layer, on it a diode made of amorphous silicon and finally a metal layer is applied. The one to be detected Radiation occurs in front of the transparent, electrically conductive Edge filter arranged in the active layer of the electrode layer Diode on and becomes multiple between the two electrode layers reflected. The current flow direction is therefore parallel to Direction of radiation incidence. However, this leads to the following reasons Limitations in the construction of the optical resonator:
Entweder müßten sämtliche zum Resonator gehörenden Schichten, wie in der oben beschriebenen Anordnung, elektrisch leitend bzw. photoleitend sein oder es müßten zumindest die Kontaktschichten mit in den Resonator eingebracht werden. Ersteres würde, sofern es überhaupt möglich ist, die optischen und elektrischen Erfordernisse in Einklang zu bringen, eine nicht unerhebliche Einschränkung der brauchbaren Materialien bedeuten; letzteres würde zu einer Störung des resonanten Absorptionsverhaltens und damit zu Mehrfachlinien führen. Ferner ist bei der Einbringung von Dioden in den optischen Resonator die Dicke der Raumladungszone immer beschränkt durch den Wert der Wellenlänge λ.Either all layers belonging to the resonator would have to be as in the Arrangement described above, be electrically conductive or photoconductive or at least the contact layers would have to be in the resonator be introduced. The first would, if possible, the to reconcile optical and electrical requirements not insignificant limitation of the usable materials mean; the latter would interfere with the resonant absorption behavior and thus lead to multiple lines. Furthermore, the introduction of Diodes in the optical resonator always have the thickness of the space charge zone limited by the value of the wavelength λ.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen spektralempfindlichen optoelektrischen Detektor zu schaffen, welcher nicht nur miniaturisierbar ist, sondern durch Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine höhere spektrale Auflösung ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to to create spectrally sensitive optoelectric detector which is not only miniaturizable, but by avoiding the disadvantages the prior art allows a higher spectral resolution.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten optoelektrischen Detektor.This problem is solved by a according to the characteristics of Claim 1 trained optoelectric detector.
In dem erfindungsgemäßen optoelektrischen Detektor wird als aktive Schicht nicht eine Diode, sondern ein Photoleiter verwendet, dessen Schichtdicke nun nicht mehr von elektrischen Randbedingungen, wie z. B. der Raumladungszone bestimmt wird, sondern ausschließlich durch die Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung. Außerdem verlaufen bei dem erfindungsgemäßen optoelektrischen Detektor die Resonatorachse und die Stromflußrichtung nun nicht mehr parallel, sondern senkrecht zueinander. Als Spiegelschichten können deshalb auf die jeweilige Strahlung optimierte, elektrisch isolierende Schichten verwendet werden; weiterhin unterliegen die elektrischen Kontakte nunmehr keinen optischen Randbedingungen mehr.In the optoelectric detector according to the invention is used as an active Layer uses not a diode, but a photoconductor whose Layer thickness no longer from electrical boundary conditions, such as. B. the space charge zone is determined, but only by the Wavelength of the radiation to be detected. Also run at the optoelectric detector according to the invention, the resonator axis and Current flow direction no longer parallel, but perpendicular to each other. The respective radiation can therefore be used as mirror layers optimized, electrically insulating layers are used; Farther The electrical contacts are now not subject to any optical ones Boundary conditions more.
Das erfindungsgemäße optoelektrische Detektor weist somit bei geringerer Halbwertsbreite eine höhere spektrale Empfindlichkeit auf.The optoelectric detector according to the invention thus has less Half-value width a higher spectral sensitivity.
Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaues des optoelektrischen Detektors können nunmehr mit Vorteil die Spiegelschichten des Resonators aus paarweise angeordneten λ/4-Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, z. B. aus wasserstoffhaltigem amorphem Silizium (a-Si:H) bzw. einer wasserstoffhaltigen amorphen Silizium-Kohlenstoff-Legierung (a-SixC₁-x:H) bestehen.Due to the construction of the optoelectric detector described above, the mirror layers of the resonator can now advantageously be made of λ / 4 layers arranged in pairs with different refractive indices, e.g. B. from hydrogen-containing amorphous silicon (a-Si: H) or a hydrogen-containing amorphous silicon-carbon alloy (a-Si x C₁-x: H).
Mit steigender Anzahl der λ/4-Schichtpaare nimmt zwar einerseits die Absorption der Strahlung bei der Einkopplung in den Resonator zu, andererseits erhöht sich jedoch das elektrische Signal im Photoleiter, wobei die Halbwertsbreite der Absorptionsspitze bei der Wellenlänge λ abnimmt. Ein Optimum ist in Abhängigkeit vom verwendeten Schichtmaterial bei etwa sieben bis acht Schichtpaaren zu erreichen. With increasing number of λ / 4-layer pairs, on the one hand, the Absorption of the radiation when coupled into the resonator, on the other hand, however, the electrical signal in the photoconductor increases, where the half-width of the absorption peak at the wavelength λ decreases. An optimum is dependent on the layer material used to reach at about seven to eight pairs of layers.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigenThe invention is described below with the aid of a few exemplary embodiments described in more detail. Show it
Fig. 1a und b eine Aufsicht sowie einen Querschnitt auf ein spektral empfindlichen optoelektrischen Detektor; Figs. 1a and b a plan view and a cross-section of a spectrally sensitive opto-electrical detector;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen spektralempfindlichen optoelektrischen Detektor, bei dem lediglich die aktive Schicht kontaktiert ist; ., Figure 2 is a cross section through a spectral sensitive opto-electrical detector, in which only contacted by the active layer;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen optoelektrischen Detektor mit ortsabhängiger Spektralempfindlichkeit und Fig. 3 shows a cross section through an opto-electric detector having position-dependent spectral and
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf einen optoelektrischen Detektor mit gestufter ortsabhängiger Spektralempfind lichkeit. Fig. 4 is a perspective view of an optoelectric detector with a stepped location-dependent spectral sensitivity.
Bei dem in den Fig. 1a und b dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einem Substrat 1, z. B. aus Glas (CG7059) eine erste Spiegelschicht 2 bestehend aus sieben Paaren von λ/4-Schichten aufgebracht, die abwechselnd aus wasserstoffhaltigem amorphem Silizium (a-Si:H) mit dem Brechungsindex n₁ = 3,6 bzw. aus einer wasserstoffhaltigen amorphen Silizium-Kohlenstoff-Legierung (a-SixC1-x:H) mit dem Brechungsindex n₂ = 2 bestehen.In the embodiment shown in FIGS. 1a and b is on a substrate 1 , z. B. made of glass (CG7059) a first mirror layer 2 consisting of seven pairs of λ / 4 layers, which alternately made of hydrogen-containing amorphous silicon (a-Si: H) with the refractive index n₁ = 3.6 or from a hydrogen-containing amorphous Silicon-carbon alloy (a-Si x C 1-x : H) with the refractive index n₂ = 2 exist.
Auf diese erste Spiegelschicht 2 ist die eigentliche aktive Schicht 3 aufgebracht, die als Photoleiter z. B. aus amorphem Silizium (a-Si:H) besteht, welches für Photonenenergien oberhalb der optischen Bandlücke eine hohe Absorption aufweist. Für Energien unterhalb dieser Bandlücke fällt die Absorption exponentiell ab. Für kleine Photonenenergien, also für große Wellenlängen, ist der Absorptionskoeffizient annähernd 0. Die Schichtdicke d dieser aktiven Schicht beträgt λ/2np oder ein Vielfaches davon, wobei np der Brechungsindex der aktiven Schicht 3 ist. On this first mirror layer 2 , the actual active layer 3 is applied, which as a photoconductor z. B. consists of amorphous silicon (a-Si: H), which has a high absorption for photon energies above the optical band gap. For energies below this band gap, the absorption drops exponentially. For small photon energies, ie for long wavelengths, the absorption coefficient is approximately 0. The layer thickness d of this active layer is λ / 2n p or a multiple thereof, where n p is the refractive index of the active layer 3 .
An die aktive Schicht 3 schließt sich eine zweite Spiegelschicht 4 an, die analog zu der ersten Spiegelschicht 2 aufgebaut ist.The active layer 3 is followed by a second mirror layer 4 , which is constructed analogously to the first mirror layer 2 .
Die beiden Spiegelschichten 2 und 4 bilden einen optischen Resonator, in dem die einfallende Strahlung λ mehrfach hin und her reflektiert wird, also die aktive Schicht 3 mehrfach durchläuft und darin absorbiert wird, wobei sich deren Leitfähigkeit entsprechend erhöht. Da die Absorption auf die Wellenlänge λ abgestimmt ist und somit resonanzartig einsetzt, reagiert auch die Leitfähigkeit entsprechend selektiv auf die Wellenlänge λ.The two mirror layers 2 and 4 form an optical resonator in which the incident radiation λ is reflected back and forth several times, that is to say it passes through the active layer 3 several times and is absorbed therein, its conductivity increasing accordingly. Since the absorption is tuned to the wavelength λ and thus starts to resonate, the conductivity also reacts selectively to the wavelength λ.
Zur Messung der Leitfähigkeit wird eine Kontaktierung der aktiven Schicht 3 dadurch vorgenommen, daß diese zum einen zusammen mit den Spiegelschichten 2 und 4 an zwei seitlichen Rändern kammförmig abgeätzt wird (5, 6) womit eine Vergrößerung der seitlichen Randfläche der aktiven Schicht 3 bewirkt wird. Anschließend werden über diese kammartigen Ränder Metallschichten 7 und 8 aufgedampft, so daß die Leitfähigkeit senkrecht zur Einfallsrichtung der Strahlung λ gemessen werden kann.To measure the conductivity, contact is made with the active layer 3 by etching it comb-shaped together with the mirror layers 2 and 4 at two lateral edges ( 5 , 6 ), which causes an increase in the lateral edge area of the active layer 3 . Metal layers 7 and 8 are then vapor-deposited over these comb-like edges, so that the conductivity can be measured perpendicular to the direction of incidence of the radiation λ.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Verbesserung des Rausch-Signalabstandes lediglich die aktive Schicht 23 mit Kontakten 27 und 28 versehen. Analog zu dem in Fig. 1a und b dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aktive Schicht 23 von zwei aus λ/4-Schichten aufgebauten Spiegeln 22 und 24, welche einen optischen Resonator bilden, eingeschlossen. Die gesamte Anordnung ist auf einem Glassubstrat 21 aufgebracht.In the embodiment shown in FIG. 2, only the active layer 23 is provided with contacts 27 and 28 to improve the signal-to-noise ratio. Analogous to the exemplary embodiment shown in FIGS. 1a and b, the active layer 23 is enclosed by two mirrors 22 and 24 , which are constructed from λ / 4 layers and form an optical resonator. The entire arrangement is applied to a glass substrate 21 .
Fig. 3 zeigt in einer Seitenansicht ein optoelektrisches Element, dessen Spektralempfindlichkeit ortsabhängig ist. Dies wird dadurch erreicht, daß eine aktive Schicht 33, welche wie in den vorhergehenden Beispielen zwischen zwei Spiegelschichten 32 und 34 eingeschlossen ist, eine über die Länge l variierende Schichtdicke aufweist, wobei die Schichtdicke d₁ an eine untere Wellenlänge λu über die Beziehung d₁ = λu/2np und die Schichtdicke d₂ an eine obere Wellenlänge λo über die Beziehung d₂ = λo/2np angepaßt ist. Die Resonanzbedingung für eine über ein Kantenfilter 30 auf dan optoelektrischen Detektor auftreffende Strahlung λx variiert also über der Länge l. Durch eine nicht dargestellte, über die Länge l verschiebbare Blende läßt sich der Ort maximaler Absorption und damit maximaler Leitfähigkeit der aktiven Schicht 33 für eine unbekannte Strahlung λx feststellen, woraus sich nach vorhergehender Eichung die Schwerpunktswellenlänge der unbekannten Strahlung ermitteln läßt. Fig. 3 shows a side view of an opto-electric element whose spectral sensitivity is location-dependent. This is achieved in that an active layer 33 , which, as in the preceding examples, is enclosed between two mirror layers 32 and 34 , has a layer thickness which varies over the length l, the layer thickness d 1 at a lower wavelength λ u via the relationship d 1 = λ u / 2n p and the layer thickness d₂ is adapted to an upper wavelength λ o via the relationship d₂ = λ o / 2n p . The resonance condition for a radiation λ x impinging on the optoelectric detector via an edge filter 30 thus varies over the length l. The location of maximum absorption and thus maximum conductivity of the active layer 33 for an unknown radiation λ x can be determined by means of a diaphragm (not shown) which can be displaced over the length l, from which the center wavelength of the unknown radiation can be determined after prior calibration.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel für einen optoelektrischen Detektor mit ortsabhängiger spektraler Empfindlichkeit kann die Wellenlängenbestimmung der unbekannten Strahlung λx auf rein elektrischem Wege ermittelt werden. Dazu sind auf einem Glassubstrat 41 mehrere spektralempfindliche optoelektrische Detektoren nebeneinander angeordnet, die entsprechend demjenigen von Fig. 1 aufgebaut sind und deren aktive Schichten 43.1, 43.2, . . . 43.n ebenso wie die aus λ/4-Schichtpaaren bestehenden Spiegelschichten 42.1, 42.2, . . . 42.n bzw. 44.1, 44.2, . . . 44.n an unterschiedliche Wellenlängen angepaßt und damit unterschiedlich dick sind. Jeder dieser optoelektrischen Detektore ist mit einer eigenen Kontaktierung 47.1, 48.1 bzw. 47.2, 48.2, . . . bzw. 47.n, 48.n versehen, so daß derjenige Detektor mit der höchsten Leitfähigkeit die Schwerpunktswellenlänge der Strahlung λx anzeigt. Die Anordnung gemäß Fig. 4 kann z. B. durch streifenweises Ätzen einer Anordnung gemäß Fig. 3 hergestellt werden, wobei die Schichtdicken innerhalb der so entstandenen Einzelelemente als hinreichend konstant angesehen werden können.In the exemplary embodiment shown in FIG. 4 for an optoelectric detector with location-dependent spectral sensitivity, the wavelength determination of the unknown radiation λ x can be determined in a purely electrical way. For this purpose, a plurality of spectrally sensitive optoelectric detectors are arranged side by side on a glass substrate 41 , which are constructed in accordance with that of FIG. 1 and whose active layers 43.1 , 43.2,. . . 43 .n as well as the mirror layers 42.1 , 42.2,. Consisting of λ / 4-layer pairs . . . 42 .n or 44.1 , 44.2 ,. . . 44 .n adapted to different wavelengths and are therefore of different thickness. Each of these optoelectric detectors has its own contact 47.1 , 48.1 or 47.2 , 48.2 ,. . . or 47 .n, 48 .n so that the detector with the highest conductivity indicates the center wavelength of the radiation λ x . The arrangement of FIG. 4 can, for. B. by strip-wise etching an arrangement according to FIG. 3, the layer thicknesses within the individual elements thus created can be regarded as sufficiently constant.
Das in Fig. 3 dargestellte Kantenfilter 30 kann grundsätzlich auch vor allen anderen dargestellten Ausführungsbeispielen angeordnet sein und bewirkt, daß die insbesondere bei amorphem Silizium bei sehr kleinen Wellenlängen ansteigende Absorption, welche zu einem erhöhten Photoleitsignal führen würde, unterdrückt werden kann. Die Wellenlänge der Absorptionskante des Kantenfilters bestimmt dann die kleinste noch zu detektierende Wellenlänge für den optoelektrischen Detektor.The edge filter 30 shown in FIG. 3 can in principle also be arranged before all the other exemplary embodiments shown and has the effect that the absorption, which would increase in particular in the case of amorphous silicon at very small wavelengths and which would lead to an increased photoconductive signal, can be suppressed. The wavelength of the absorption edge of the edge filter then determines the smallest wavelength still to be detected for the optoelectric detector.
Mit den leicht zu realisierenden Schichtdicken im Bereich von 100 nm für die aktiven Schichten lassen sich mit den einzelnen Ausführungsbeispielen Wellenlängen im Bereich von 500 nm bis 1500 nm erfassen mit einer spektralen Auflösung von ca. 1 nm. Bei einer Anordnung gemäß Fig. 4 können bei einer Breite der einzelnen Detektoren von 1 µm und einem Abstand von ebenfalls 1 µm zwischen zwei Detektoren auf einer Länge von 1 mm ca. 500 Detektoren angeordnet sein, so daß beispielsweise ein Bereich von 500 nm bis 1000 nm Wellenlänge mit einer Auflösung von 1 nm erfaßt werden kann.With the easy-to-implement layer thicknesses in the range of 100 nm for the active layers, wavelengths in the range from 500 nm to 1500 nm can be detected with the spectral resolution of approximately 1 nm with the individual exemplary embodiments. With an arrangement according to FIG a width of the individual detectors of 1 .mu.m and a distance of likewise 1 .mu.m between two detectors over a length of 1 mm approximately 500 detectors can be arranged, so that, for example, a range from 500 nm to 1000 nm wavelength is detected with a resolution of 1 nm can be.
Claims (9)
daß die aktive (3, 23, 33, 43) Schicht als Photoleiter mit einem Brechungsindex np ausgebildet ist und eine Schichtdicke d = (mπ + ϕ/2)λ/2πnp cosR (m = 0, ± 1, ± 2, . . . ;
ϕ = Summe der Phasenverschiebungen an den Grenzflächen der aktiven Schicht;
R = Einfallswinkel der Strahlung (R = 0° für senkrechten Einfall)) aufweist und daß die aktive Schicht an zwei gegenüberliegenden seitlichen Rändern elektrische Kontakte (7, 8; 27, 28; 47, 48) aufweist derart, daß ein Stromfluß durch die aktive Schicht im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der optischen Strahlung (λ) erfolgt.1. Spectral-sensitive optoelectric detector in which an optoelectric radiation of wavelength λ to be detected runs several times through an active layer by means of a resonator, characterized in that the resonator consists of two parallel mirror layers which are electrically insulating or at least have a dark conductivity that is not too high ,
that the active ( 3 , 23 , 33 , 43 ) layer is designed as a photoconductor with a refractive index n p and a layer thickness d = (mπ + ϕ / 2) λ / 2πn p cosR (m = 0, ± 1, ± 2, ...;
ϕ = sum of the phase shifts at the interfaces of the active layer;
R = angle of incidence of the radiation (R = 0 ° for vertical incidence)) and that the active layer has two opposite lateral edges with electrical contacts ( 7 , 8 ; 27 , 28 ; 47 , 48 ) such that a current flow through the active Layer takes place essentially perpendicular to the course of the optical radiation (λ).
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