DE4410799C2 - Diode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diode mit halbleitender Schicht und mit dieser Schicht flächenhaft verbundenen, metallisch leitenden Schichten.

Die moderne Optokommunikation mit ihren extrem hohen Übertragungsbandbreiten macht die Entwicklung von immer schnelleren Rauelementen zur Informationsverarbeitung erforderlich. Die Information, die mittels Lichtpulsen in Glasfaserkabeln übetragen wird, muß zur Signalverar­ beitung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dies geschieht mit schnellen Photodioden, deren elek­ trischer Widerstand sich bei Einstrahlung von Licht än­ dert. Wird eine elektrisch vorgespannte Photodiode mit einem kurzen Lichtpuls beleuchtet, so wird ein Span­ nungspuls erzeugt, der mit einer nachgeschalteten Elek­ tronik weiterverarbeitet werden kann. Um eine schnelle Schaltzeit der Dioden zu erreichen, muß die Lebensdauer der durch den Lichtpuls erzeugten Ladungsträger mög­ lichst kurz sein.

Es ist aus Appl. Phys. Lett. 61 (15), S. 1760-1762, be­ kannt, dazu sog. MSM-(metal-semiconductor-metal)-Dioden mit einem möglichst geringen Elektrodenabstand zu ver­ wenden. Dabei ist auf einem Substrat eine erste metal­ lisch leitende Schicht und eine weitere zweite metal­ lisch leitende Schicht zwecks Bildung zweier Elektroden vorgesehen. Um zum einen den Lichtfokus optimal auszu­ nutzen, zum anderen die stromdurchflossenen Bereiche im halbleitenden Material von Elektrode zu Elektrode mög­ lichst kurz auszuführen, werden die Elektroden planar als ineinandergreifende Fingerstrukturen ausgeführt. Im Ergebnis werden dadurch kurze Elektrodenabstände von einigen µm erreicht, wobei die Schaltzeit solcher Di­ oden dann im wesentlichen von der Laufzeit der Ladungs­ träger zwischen den Elektroden bestimmt ist. Typische Schaltzeiten bei einem Fingerabstand von 1 µm liegen in der Größenordnung von 10-20 ps. Nachteilig bei sol­ chen Dioden ist jedoch, daß wegen der lithographischen Auflösung der Verringerung der Fingerabstände Grenzen gesetzt sind, so daß insofern auch die erreichbaren Schaltzeiten begrenzt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Diode der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Schaltzeit ver­ bessert ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gesamtheit der Merk­ male gemäß Anspruch 1.

Es wurde erkannt, daß bei Verwendung einer vertikalen Anordnung der ersten metallisch leitenden, halbleiten­ den und zweiten metallisch leitenden Schicht die Tran­ sitzeit der Ladungsträger soweit verringert wird, daß die Schaltzeit der Diode nicht mehr von der Laufzeit der erzeugten Ladungsträger, sondern lediglich noch von der RC-Zeitkonstante der Schichtstruktur bestimmt wird. Da die Länge des Stromkanals der Ladungsträger in die­ sem Falle von der Schichtdicke der halbleitenden Schicht bestimmt und diese mit Hilfe in an sich bekann­ ter Techniken sehr klein gewählt werden kann, insbeson­ dere mit Schichtdicken weit unterhalb von 1 µm, insbe­ sondere im Bereich von 0,1-0,4 µm, besitzt die erfin­ dungsgemäße Diode gegenüber bekannten, horizontal strukturierten MSM-Dioden eine wesentlich bessere Schaltzeit.

Es ist dabei zweckmäßig, gemäß Anspruch 2 vorzusehen, daß die eine metallisch leitende Schicht lichtdurchläs­ sig ausgebildet, die andere metallisch leitende Schicht mit einem Substrat verbunden ist. Je nach Auswahl des Materials der halbleitenden Schicht ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 3 gegeben, wenn als Material für die lichtdurchlässige Schicht ein solches vorgesehen ist, das mit dem Material der halb­ leitenden Schicht eine möglichst hohe Schottky-Barriere bildet.

Für die im Bereich der Optokommunikation bedeutsamen Silicium-Technologie kann als weitere vorteilhafte Va­ riante der erfindungsgemäßen Diode gemäß Anspruch 4 vorgesehen werden, daß als Material für die mit dem Substrat verbundene metallische Schicht CoSi₂ vorgese­ hen ist. Sie kann dabei als Grundfläche in Form einer in einem Silicium-Substrat vergrabenen, metallischen CoSi₂-Schicht ausgebildet sein. Hergestellt werden kann eine solche Struktur beispielsweise mit der Ionen­ strahlsynthese, wie in Appl. Phys. Lett. 50 (1987), S. 95 beschrieben ist, aber auch mit Hilfe des sog. Al­ lotaxie-Verfahrens, wie es beispielsweise aus DE-OS 41 13 143 bekannt ist. In vorteilhafter Weise liegt dabei die metallische CoSi₂-Schicht im Silicium vergraben vor, wobei das darüberliegende Silicium einkristallin ist, so daß die Kompatibilität zur Silicium-Elektronik vollständig gewährleistet ist.

Als Material für die in ihrer Funktion als Gegenelek­ trode ausgebildete, erste metallisch leitende Schicht kann grundsätzlich ein beliebiges Metall gewählt wer­ den. Soweit gemäß Anspruch 3 dieses Material mit dem halbleitenden Material ein möglichst hohe Schottky-Bar­ riere, insbesondere auf Silicium, ausbildet, wird da­ durch der Dunkelstrom des Photoschalters in vorteilhaf­ ter Weise minimiert.

Die Schichtdicke dieser lichtdurchlässigen Gegenelek­ trode kann dabei so gewählt werden, daß sie semitrans­ parent ist und beispielsweise 50% des verwendeten Lichts hindurchläßt. Die Kontaktierung der Diode ist in üblicher Koplanarleitungstechnik, aber auch Mikrostrei­ fenleitungstechnologie möglich, wobei die CoSi₂-Schicht als geerdete Grundfläche dienen kann.

Insgesamt zeigt die erfindungsgemäße Diode zusammenfas­ send folgende Vorteile:

• 1. Eine Sub-Mikrometer-Strukturierung bei der Herstel­ lung einer solchen Diode ist nicht erforderlich,
• 2. die Kompatibilität zur Silicium-Technologie insbesondere bei Wahl einer vergrabenen CoSi₂-Schicht mit darüberliegender einkristallinen Decksilicium ist voll gewährleistet,
• 3. eine Ankopplung an andere Bauelemente, wie z. B. Transistoren, in Mikrostreifenleitungstechnologie ist möglich, insbesondere dann, wenn als geerdete Grund­ fläche vergrabenes CoSi₂ vorgesehen ist,
• 4. die erfindungsgemäße Diode kann eine Schaltzeit ha­ ben, die nicht mehr von der Transitzeit, sondern nur noch von der RG-Zeitkonstante der Diode begrenzt wird, wenn die von den beiden metallisch leitenden Schichten benachbarte, halbleitende Schicht möglichst dünn ausge­ bildet wird. Gegenüber bekannten Dioden dieser Art wird dadurch eine erhebliche Verbesserung der Schaltzeit er­ reicht.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Diode mit vertikaler Metall-Halbleiter-Metall-Strukturschicht 1, 2 und 3 in Mikrostreifenleitungausführung mit semitransparentem Metall als Gegenelektrode 2 schematisch dargestellt. Dabei kann als Gegenelektrode eine 10 nm dicke Aluminium- oder Chromschicht vorgesehen sein.

Aus Fig. 2 in einer schematischen Querschnitts­ darstellung der erfindungsgemäßen Diode ist gezeigt, wie das Licht durch die semitransparente Alumi­ niumelektrode 2 in den halbleitenden Siliciumbereich 1 zur Bildung von Ladungsträger gelangt. Es handelt sich bei der dargestellten Diode um eine solche, bei der, in einem Siliciumsubstrat 4 vergraben, die andere me­ tallisch leitende Schicht 3 in Form von CoSi₂ ausgebil­ det ist. Die Schichtdicke der halbleitenden Silicium- Schicht 1 hatte beispielsweise einen Wert im Bereich von 50-500 nm, die Schichtdicke der vergrabenen Co­ balt-Silicid-Grundelektrode hatte einen Wert von bei­ spielsweise 100 nm.

Claims (4)

1. MSM-Diode mit halbleitender Schicht (1) und mit dieser flächenhaft verbundenen, metallisch lei­ tenden Schichten (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß die eine leitende Schicht (2) mit einer Ober­ fläche (4) der halbleitenden Schicht (1), die an­ dere leitende Schicht mit der der ersteren gegenüberliegenden Oberfläche (5) der halbleiten­ den Schicht (1) elektrisch verbunden ist.

2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die eine metallisch leitende Schicht (2) lichtdurchlässig ausgebildet und die andere me­ tallisch leitende Schicht (3) mit einem Substrat (4) verbunden ist.

3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß als Material für die lichtdurchlässige Schicht (2) ein solches vorgesehen ist, das mit dem Material der halbleitenden Schicht (1) eine möglichst hohe Schottky-Barriere bildet.

4. Diode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß als Material für die andere metallische Schicht (3) CoSi₂ vorgesehen ist.