DE69025169T2

DE69025169T2 - Optische Vorrichtung mit Gitterstruktur

Info

Publication number: DE69025169T2
Application number: DE69025169T
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Morgan
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: US5056889A; EP0448868B1; EP0448868A1; JPH04123472A; DE69025169D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft optische Einrichtungen mit einem Gitter

Hintergrund der Erfindung

Für die Gleichrichtung oder Modulation von optischer Strahlung, besonders bei Infrarotfrequenzen, wurden Einrichtungen, die auf eine Zwischenunterbandträgeranregung oder auf eine vom Gebundenen ins Kontinuum führende Anregung in Quantenmulden basieren, in Applied Physics Letters, 50, Seiten 273-275, 2. Februar 1987 (Levine et al. I) und in Applied Physics Letters, 53, Seiten 296-298, 25. Juli 1988 (Levine et al. II) offenbart. Der erstgenannte Artikel umfaßt die Zwischenunterbandabsorption, der letztgenannte Artikel umfaßt die Absorption vom gebundenen Zustand ins Kontinuum.
Die beschriebenen Einrichtungen enthalten eine Substrat-getragene beschichtete Struktur mit Quantenmulden zwischen den Sperrschichten. Die Einrichtungen weisen ineinandergeschachtelte Schichten mit breiter und schmaler Bandlücke auf und sind zweckmäßig implementiert, z.B. mit Hilfe von dotierten Gallium-Arsenid-Muldenschichten und Aluminium-Gallium-Arsenid-Sperrschichten an einem Gallium- Arsenid-Substrat. Wenigstens eine Schicht mit schmaler Bandlücke bildet eine Quantenmulde aus. Ein geeignetes Auswählen der Schichtendicken und Zusammensetzungen erlaubt, daß die Einrichtungen eine Spitzenabsorption bei jeder gewünschten Wellenlänge in dem sich von 8 bis 14 Mikrometer erstreckenden "atmosphärischen Fenster"-Bereich aufweisen. Die Einrichtungen werden für einen Einsatz bei z.B. Brennebenenanordnung, Hochgeschwindigkeitsdetektoren, optischen Überlagerungsempfängern und vertikal integrierten Infrarotspektrometern für geeignet erachtet.
Infolge der quantenmechanischen Auswahlregeln hängt die Absorption bei diesen Einrichtungen von der Richtung der einfallenden Strahlung in Bezug auf die geschichtete Struktur ab und dort existiert für eine Strahlung, die senkrecht zur geschichteten Struktur einfällt, im wesentlichen eine Absorption von Null. Eine Wellenleiterkonfiguration erlaubt Lichtabsorption, aber wird nicht einfach implementiert; Gitterkoppler wurden vorgeschlagen, um die Absorptionswirksamkeit zu steigern. Z.B. offenbart Applied Physics Letters, 47, Seiten 1257- 1259, 15. Dezember 1985 die Anwendung eines Gitters, um die Absorptionswirksamkeit zu steigern. Das Gitter, gemustertes GaAs, bedeckt durch eine Metallschicht, wurde konstruiert, um einfallende Strahlung in abklingenden Moden mit einer zu den Quantenmuldenschichten senkrechten elektrischen Feldkomponente zu wandeln und somit ein Absorbieren zu gestatten. Zusätzlich beschreiben die Applied Physics Lelters, 53, Seiten 1027-1029, 19. September 1988 eine der Struktur des vorangegangenen Artikel ähnlichen Struktur, die jedoch Licht auch durch Beugung der einfallenden Strahlung zurück durch die beschichtete Struktur absorbiert. Die gebeugte Strahlung ist zu den Quantenmuldenschichten nicht normal und kann daher absorbiert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine optische Einrichtungsstruktur mit einer vielschichtigen Struktur, die einen Quantenmuldenbereich und Gittervorrichtungen besitzt zum Koppeln von optischer Strahlung in diesem Quantenmuldenbereich, wobei die Gittervorrichtungsgestaltung eine optische Wegdifferenz von π zwischen benachbarten Zähnen einführt. Für ein bei der Reflexion verwendetes binäres Gitter beträgt das Verhältnis der Gittervorrichtungsgestaltung annähernd nh=λ/4, wobei n der Brechungsindex der Gittermaterials, h die Dicke des Gitters und λ die interessierende Hauptwellenlänge darstellt. Der Quantenmuldenbereich besitzt wenigstens eine Schicht mit schmaler Bandlücke, die eine Quantenmulde ausbildet. Das Gitter beugt die einfallende Strahlung in den Quantenmuldenbereich, wo sie absorbiert wird, weil die Fortpflanzungskonstante eine bedeutende nicht normale Komponente besitzt. Die Phasenverschiebung von π minimiert die Reflexion bei der nullten Ordnung.
Das Gitterschichtenmaterial kann sich von dem Quantenmuldenbereichsmaterial unterscheiden, so daß das Quantenmuldenbereichsmaterial praktischerweise als ein Ätzstop während der Herstellung wirkt. Z.B. kann an einer GaAs-AlGaAs-Einrichtung polykristallines Silizium gebildet und auf diese Art geätzt werden, um das Gitter auszubilden.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt eine schematische Vorderansicht einer Einrichtung, umfassend eine Vielzahl von optischen Detektoren mit Gittern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 zeigt ein Schaubild, welches experimentell ermittelte Beziehungen zwischen der Wellenlänge und der Strahlungsflußansprechempfindlichkeit bei einer bevorzugten Einrichtung gemäß der Erfindung aufzeigt.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine Einrichtungsstruktur mit einem Substrat 10, einer ersten und einer zweiten Kontaktschicht 11 bzw. 12, einem Quantenmuldenbereich 13, der ineinandergeschachtelte Schichten mit breiter und schmaler Bandlücke besitzt, wobei wenigstens eine Schicht mit schmaler Bandlücke eine Quantenmulde ausbildet, eine Gitterstruktur 14 und Kontakte 15. Aus Gründen der Klarheit sind die Elemente der Einrichtung nicht maßstabsgerecht dargestellt.
Die Materialien werden von Fachleuten leicht auszuwählen sein. Die Schichten 11 und 12 und der Bereich 13 werden typischerweise Gruppe-II-V-Materialien umfassen, obgleich der Einsatz von Gruppe-II-VI- und gemischten Gruppe-IV-Materialien vorgesehen ist. Die Kontaktschichten werden typischerweise hochdotierte Halbleiter sein, um die Ladungsansammlung zu erleichtern. Diese Materialien sind Fachleuten gut bekannt und deren Wachstum ist selbstverständlich und leicht zu praktizieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gruppe-III-V- Materialien GaAs und AlGaAs. Die Gittermaterialien werden auch leicht auszuwählen sein. Z.B. kann polykristallines Silizium verwendet werden. Die Gittergestaltung wird später im einzelnen diskutiert werden. Die Kontaktmaterialien werden von Fachleuten leicht auszuwählen sein. Ein geeigneter Herstellungsablauf wird von Fachleuten leicht auszuwählen sein und braucht im einzelnen nicht diskutiert zu werden.
Die Ausdrücke "breite" und "schmale" Bandlücke bedürfen einiger Erklärung. Der Photodetektor verwendet vorzugsweise eine Anregung der Träger von einem gebundenen Zustand zum Kontinuum zur Lichtabsorption. Die Schichten mit breiter und schmaler Bandlücke sollten Bandlücken und Schichten mit derart ausgewählten Dicken aufweisen, so daß nur ein einziger gebundener Elektronenzustand in der schmalen oder Quantenmulden-Bandlückenschicht vorkommt.
Fig. 2 zeigt Kurven 21 und 22, wobei die Kurve 21 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, enthaltend ein Gitter, entspricht und die Kurve 22 einer früheren Einrichtung entspricht, die mittelbar über eine 45º abgeschrägte Stirnfläche in den Substrat beleuchtet wird. Die Kurven geben vertikal dargestellt die Flußansprechgeschwindigkeit mit der Einheit µa/W cm² über der horizontal dargestellten Wellenlänge mit der Einheit µm wieder. Die Strahlungsquelle bestand aus einer 500ºC schwarzen Strahlung und der Detektor wurde auf eine Temperatur von 77ºK gekühlt. Eine bessere Ansprechempfindlichkeit einer ein Gitter enthaltenden Einrichtung wird leicht aus einem Vergleich der Kurve 21 mit der Kurve 22 ersichtlich.
Die Einrichtung ist konstruiert, um Photostrom zu optimieren, vorausgesetzt, daß das Rauschen nicht disproportional ansteigt, wenn eine Strahlung von einer typischerweise als eine schwarze oder thermische Strahlungsquelle bezeichneten Quelle empfangen wird. Abweichungen von dem idealisierten Verhältnis von 15 Prozent oder weniger ergeben sich bei einer solchen Optimierung. Die Gittergestaltung umfaßt das Auswählen einer Gitterschichtendicke und einer Brechungsindexstruktur, beispielsweise ein binäres Gitter mit einem 50-prozentigen Tastgrad und einer Gitterperiode. Fur ein bei der Reflexion verwendetes binäres Gitter steht die bevorzugte Gitterschichtendicke zum Brechungsindex des Gittermaterials in einem umgekehrten Verhältnis gemäß der idealisierten Gitterentwurfsbeziehung,
nh = λ/4,
wobei λ eine interessierende Wellenlänge, n der Brechungsindex des Gitterschichtenmaterials und h die Gitterschichtendicke darstellt. Wie erläutert stellt dies eine idealisiert Beziehung dar und es können sich bis 15- prozentige Gleichheitsabweichungen ergeben. Eine typische interessierende Wellenlänge stellt die Spitze des schwarzen Strahlungsemissionsspektrums dar. Bei dem dargestellten Reflexionsgitter führt die Beziehung eine Phasenverschiebung von π ein. Ein sich an die idealisierte Beziehung angepaßtes Gitter minimiert die nullte Ordnung. Z.B. ist mit λ = 10 Mikrometer und n 3,4 (wie bei Silizium) die bevorzugte Gitterschichtendicke h ungefähr 0,75 Mikrometer. Wenn das Gitter zur Übertragung verwendet wird, ist die Beziehung (n&sub2;n&sub1;) h=λ/2. Für minimierte Gitterschichtendicken werden Materialien mit einem hohen Brechungsindex als Gittermaterialien bevorzugt. Die Leistungsfähigkeit eines Gitters kann auch durch geeignetes Auswählen eines überlagernden Materials, beispielsweise eines metallisierten Kontaktmaterials gesteigert werden.
Die bevorzugte Periode hängt von der Strahlungseinfallrichtung ab und kann durch das Begehren nach einem gebeugten Strahl der ersten Ordnung begründet sein, um sich in einer Richtung parallel zur beschichteten Struktur fortzupflanzen. Z.B. ist in dem Fall eines senkrechten Einfalls eine bevorzugte Gitterperiode ungefähr d = λ/n für eine interessierende Wellenlänge.
Wie durch Fig. 1 veranschaulicht kann ein Gitter ein rechtwinkliges Profil aufweisen und ist an dem Quantenmuldenbereich angeordnet. Unter den zu wählenden Gittern innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befinden sich dreieckige Profile und die Herstellung des Gitters an dem Substrat. Auch können Gitter an der Einrichtungsstruktur genauso wie an dem Substrat vorhanden sein. Bevorzugte Gitter können leicht dazu dienen, um beispielsweise eine Strahlung in zweidimensionale Brennebenendetektoranordnungen zu koppeln.
Die Einrichtungen werden typischerweise thermische oder schwarze Strahlung erkennen, die natürlich eher ein Kontinuum als eine Strahlung von im wesentlichen einer Wellenlänge darstellt. Aus Konstruktionsgründen wird bequemerweise die interessierende Wellenlänge als die Spitze des schwarzen Strahlungsemissionsspektrums genommen. Eine genaue Betrachtung der Form der Quelle und der Absorptionsspektren kann zu Gleichheitsabweichungen der idealisierten Beziehung von mehr als 15 Prozent führen. Der Ausdruck "ungefähr" in Verbindung mit der idealisierten Beziehung bedeutet, daß die Gleichheitsabweichungen 15 Prozent oder weniger von nh betragen.
Eine Einrichtung, deren Leistungseigenschaft in Fig. 2, Kurve 21 veranschaulicht ist, wurde nach dem folgenden Beispiel geschaffen. Die numerischen Werte waren entweder nominell oder angenähert. Beispiel: An einem halbisolierenden Gallium-Arsenid-Substrat wurde eine erste 1-Mikrometer-Kontaktschicht aus Gallium-Arsenid abgeschieden (dotiertes n=2x10¹&sup8;cm&supmin;³), gefolgt von einer Detektorstruktur, bestehend aus 50 Perioden von 4 Nanometer dicken Gallium- Arsenid-Quantenmuldenschichten (dotiertes n=2x10¹&sup8;cm&supmin;³) zwischen 30 Nanometer dicken undotierten Al&sub0;,&sub2;&sub6;Ga&sub0;,&sub7;&sub4;As- Sperrschichten (ergibt eine Sperrhöhe von ungefähr 250 meV). Eine zweite Kontaktschicht von 0,5 Mikrometer Gallium- Arsenid wurde abgeschieden, dotiertes n=2x10&sub1;&sub8;cm&supmin;³. Die Schichten wurden wie oben beschrieben mittels molekularer Strahlenepitaxie abgeschieden.
An der zweiten Kontaktschicht wurde eine 750 Nanometer dicke Schicht aus Polysilizium durch eine e- Strahlenverdampfung abgeschieden. Ein Gitter mit einer Periode von 4 Mikrometern wurde in der Polysiliziumschicht durch reaktives Ionenätzen mit einer Photoresistschicht als Ätzmaske ausgebildet. Das Ätzgas bestand aus ungefähr 95 Prozent CF&sub4; und 5 Prozent Sauerstoff pro Volumen. Die zweite Kontaktschicht (unterhalb der Polysiliziumschicht) wurde als Ätzstop verwendet. Eine Prüfung unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigte, daß das Gitter ein im wesentlichen quadratisches Profil besaß mit einem 1,9 Mikrometer/2,1 Mikrometer Tastgrad. Eine 50-prozentige Auslastung ist optimal.
Nach Ausbildung der Gitter wie beschrieben wurde eine Mesastruktur mit einem ungefähren Durchmesser von 250 Mikrometern chemisch im Beisein von einer Photoresistmaske geätzt. Metallische Kontaktschichten wurden durch aufeinanderfolgendes e-Strahlaufdampfen von Germanium-Gold (20 Nanometer), Silber (50 Nanometer) und Gold (75 Nanometer) im Beisein von einer Lift-off-Maske abgeschieden.

Claims

1. Fotoempfindliche Einrichtung mit einem Substrat (10), einem Quantenmuldenbereich (13) an dem Substrat, wobei der Bereich ineinander geschachtelte Schichten mit breiter und schmaler Bandlücke umfaßt, wobei wenigstens eine der Schichten mit schmaler Bandlücke eine Quantenmulde ausbildet, und mit einem Gitter (14) zum Koppeln optischer Strahlung in den Quantenmuldenbereich, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter derart ausgebildet ist, daß es eine Phasenverschiebung für normal einfallendes Licht von π zwischen jedem Zahn und dem benachbarten Tal einführt, wobei die nullte Beugungsordnung des gebeugten Strahls minimiert wird, und die Periode des Gitters derart ist, daß der in erster Ordnung gebeugte Strahl sich in eine Richtung parallel zu den Schichten ausbreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gitter ein binäres Beugungsgitter ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher das Gitter in Reflektion verwendet wird und derart konstruiert ist, daß n x h = λ/4 ist, wobei n der Brechungsindex des Gittermaterials, h die Dicke des Gitters und λ die interessierende Wellenlänge ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, in welcher Einrichtungen von der Gleichförmigkeit der Gitterkonstruktion niedriger als 15 % von n x h sind.

5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher das Gitter eine Periode hat, die ungefähr gleich λ/n ist, wobei n der Brechungsindex des Gittermaterials ist und λ die interessierende Wellenlänge ist.