DE69530505T2 - Heteroübergangsstruktur mit energiegradient - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf (InGa)As-InP Heteroübergangseinrichtungen, welche einen InP:∅-Kollektor verwenden, um Elektronen aus einer (InGa)As:p-Schicht zu extrahieren und im Besonderen auf Heteroübergangseinrichtungen mit einem geglätteten und monotonen Gradienten der potentiellen Energie bei dem Heteroübergang zum Aufbau einer Drift von Leitungselektronen von der (InGa)As:p-Schicht zu der InP:∅-Schicht.
  • Bisher wurde die effiziente Übertragung von Elektronen von (InGa)As:p zu InP:n in Kollektorübergängen von Heteroübergangs-Biopolar-Transistoren erreicht durch die Verwendung von Staffelungsschichten, um die Leitungsbanddiskontinuität zu glätten. Diese Einrichtungen beruhen auf dem Einbaufeld einer extrinsischen stark dotierten (InGa)As:p-Basis und einem InP:n-Kollektor oder auf extern angewandten Sperrvorspannungen des stark dotierten Basis-Kollektorübergangs, um das elektrische Feld bereitzustellen, welches notwendig ist, um die Leitungsbandbarriere an dem Übergang zu entfernen. Obwohl diese Einrichtungen eine geglättete und monotone Änderung in dem Leitungsband bei dem Heteroübergang bereitstellen, sind sie auf die Verwendung von extrinsischen p-n-Heteroübergängen beschränkt, welche ein ausreichend starkes elektrisches Feld unterstützen können. Die Einführung einer intrinsischen Schicht in diesen Übergang, wie sie beispielsweise gewünscht werden kann, um die Basis-Kollektorkapazität zu reduzieren, würde das elektrische Feld an dem Übergang reduzieren und die Ausbildung von Barrieren der potentiellen Energie für die Leitungselektronen verursachen.
  • Die Anwendung von irgendwelchen dieser Staffelungsstrukturen auf (InGa)As-Fotodetektoren wurde bisher nicht berichtet. Herkömmliche p-i-n (InGa)As-InP Fotodetektoren verwenden eine gering dotierte (InGa)As Absorptionsschicht und extrinsische n- und p-InP-Kontaktschichten, um Probleme zu umgehen, welche mit den Diskontinuitäten des Leitungs- und Valenzbandes verbunden sind. Diese Vorgehensweise schließt die Verwendung von dicken InP:Ř Schichten aus, welche die lichterzeugten Elektronen an den Banddiskontinuitäten einfangen würden und die Effizienz der Fotodiode stark reduzieren würden. Die Einführung eines dicken intrinsischen Gebietes ist notwendig, um die Übergangskapazität zu vermindern und den Frequenzgang der Diode zu verbessern. Herkömmliche Fotodioden beruhen auf der Verarmung des (InGa)As-Absorptionsgebietes, um die Übergangskapazität zu vermindern. Diese Vorgehensweise erfordert die Verwendung von großen angewendeten Spannungen, um die Absorptionsschicht zu verarmen entsprechend ihres restlichen Dotierungshintergrundes und resultiert in großen Dunkelströmen aufgrund von thermisch erzeugten Elektronen in dem Verarmungsgebiete mit kleinen Bandabstand.
  • Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung, ein wirksames Mittel zur Übertragung von Elektronen von einer extrinsischen (InGa)As:p-Schicht auf eine InP:∅-Kollektorschicht bereitzustellen.
  • Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, die Kapazität von (InGa)As:p-InP:n und (In-Ga)As:p-Inp:p Heteroübergängen durch die Verwendung einer verarmten InP:Ř-Schicht ohne wesentliche Abschwächung des effizienten Transfers von Leitungselektronen von der (InGa)As:p Schicht zu der InP-Schicht oder den thermisch erzeugten Strom, welcher mit verarmten Schichten mit geringem Bandabstand verbunden ist, zu verstärken.
  • Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine (InGa)As:p-InP:∅-InP:n Struktur bereitzustellen, welche in effizienter Weise Leitungselektronen von der (InGa)As:p Schicht zu der InP:n Schicht ohne eine extern angelegte Vorspannung zu übertragen.
  • Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung eine (InGa)As:p-InP:∅-InP:p Struktur bereitzustellen, welche in effizienter Weise Leitungselektronen von (InGa)As:p Schicht zu der InP:p Schicht mit kleinen, extern angelegten Vorspannungen überträgt.
  • Zusammengefasst werden diese und andere Ziele erreicht durch das Einfügen einer Halbleiterlegierungs-Staftelungsschicht und einer n-InP-Einbau-Feldschicht zwischen die (InGa)As:p-Schicht und die InP:∅-Schicht der Heteroübergangseinrichtung. Ausgehend von der kristallinen (InGa)As:p-Schicht des Übergangs, wird eine p-Halbleiterlegierungsschicht aufgewachsen, in welcher die Zusammensetzung der Legierung derartig gesteuert wird, dass die Elektronenaffinität der Legierung sich stufenweise von der der (InGa)As:p-Schicht zu der der InP:∅-Schicht ändert. Beispiele für Halbleiterlegierungssysteme, welche für diese Schicht geeignet sind, schließen InXGa1 –YAs1 –yPy und (AlsGa1 – s)1 –tIntAs ein, wobei x und y oder s und t, die Anteile der Legierungsbestandteile, geändert werden, um die passenden Änderungen der Elektronenaffinität zu erhalten. Die zwei Legierungsanteilsvariablen in diesen quaternären Legierungen stellen die erforderliche Änderung in der Elektronenaffinität bereit mit einem weiteren Freiheitsgrad, welcher bereitgestellt ist, um Wachstumseinschränkungen zu begegnen. Ein Beispiel für eine solche zusätzliche Einschränkung könnte die Anforderung sein, dass eine gleichförmige Gitterkonstante über das gesamte Wachstum der Staftelungsschichten erreicht wird. Nachfolgend dem Aufwachsen der Legierungsstaftelungsschicht wird eine n-InP-Schicht aufgewachsen, um das Einbaufeld freizustellen, und die undotierte InP-Kollektorschicht wird aufgewachsen. Die Dotierungskonzentration in der p-Legierungsstaftelungsschicht und der n-InP-Einbaufeldschicht, die Dicken dieser Schichten, und das Profil der Zusammensetzungsänderung mit der Position in der Legierungsstaftelungsschicht werden alle derart ausgewählt, dass die Energie des Leitungsbandes eine stufenweise Abnahme von der (InGa)As:p-Schicht zu der InP:∅-Schicht aufweist unter dem Einfluss von extern angelegten Spannungen, welche beim Betrieb der fertigen Einrichtung verwendet werden müssen. Dies wird im Allgemeinen erfordern, dass sowohl die Halbleiterlegierungs-Staffelungsschicht und die InP:n-Einbau-Feldschicht vollständig verarmt sind mit einem stufenweisen Abfall in der Energie des Leitungsbandes von der (InGa)As:p zu der InP:∅ ohne extern angelegte Spannungen. Zusätzliche Schichten können auf der InP:Ř-Schicht aufgewachsen werden entsprechend den Erfordernissen durch die Auslegung der endgültigen Einrichtung. Umgekehrt könnte diese Erfindung angewandt werden durch den Anfang mit der InP:∅-Schicht und durch Umkehrung der Reihenfolge der Abscheidung der Schichten und des Profils der Legierungszusammensetzung der Legierungs-Staftelungsschicht.
  • Der geglättete, monotone Abfall in der Leitungsbandenergie von der (InGa)As:p-Schicht zu der InP:∅-Schicht, welcher durch die Änderungen in der Zusammensetzung der Legierungs-Staftelungsschicht verursacht wird, und die feste Ladung, welche von den ionisierten Dotierungen in der Halbleiterlegierungsschicht und den InP:n-Einbau-Feldschichten verursacht werden, bedingen ein elektrochemisches Feld, welches die Drift von Elektronen von der (InGa)As:p Schicht zu der InP:∅ Schicht verursachen. (In-Ga)As:p Leitungselektronen, welche dieses Gebiet der Struktur erreichen, werden über die zwischenliegenden Schichten aufgrund dieses Feldes mit einem minimalen Verlust von Leitungsbandelektronen geschwemmt aufgrund von Einfang an der Potentialsperre oder von Rekombination in diesem Gebiet. Auf diese Weise werden Leitungselektronen wirksam übertragen von der extrinsischen (InGa)As:p-Schicht mit kleinem Bandabstand zu dem intrinsischen InP:∅-Kollektor mit großem Bandabstand, was dazu verwendet werden, um die Übergangskapazität zu reduzieren, ohne exzessiven Beitrag zu dem gesammelten, thermisch erzeugten Strom. Die Extraktion von Elektronen von der (In-Ga)As:p-Schicht wird eine Diffusionsstrom in der (InGa)As:p-Schicht bereitstellen, welcher zusätzlich den Fluss von Leitungselektronen von dem Großteil dieser extrinsischen Schicht unterstützt. Die Leitungselektronen, welche durch die Fotoabsorption über den Großteil der (InGa)As Schicht eingeführt werden oder an dem eingelagerten Übergang durch Anwendung einer Vorwärtsvorspannung eingeführt werden, wie in einem Heteroübergangsbipolartransistor, werden zu dem Heteroübergang geleitet unter dem Einfluss eines Diffusionsstroms und durch den Heteroübergang unter dem Einfluss eines Driftstroms.
  • Obwohl die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen auf den effizienten Transfer von Elektronen an (InGa)As/InP-Heteroübergängen gerichtet ist, ist die allgemeinste Ausbildung dieser Erfindung anwendbar auf eine große Vielfalt von Halbleiterheteroübergängen. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf jeden Heteroübergang, wo es gewünscht ist, Elektronen von einem p-Halbleiter mit kleinem Bandabstand und großer Elektronenaffinität zu einem undotierten oder n-Halbleiter mit großem Bandabstand und kleiner Elektronenaffinität zu übertragen. Die Anwendung dieser Erfindung erfordert nur, dass eine stufenweise abgestufte Legierung oder virtuelle Legierung an dem Heteroübergang aufgewachsen wird, welche die Anpassung der Elektronenaffinität der zwei Halbleitermaterialien bereitstellt. Beispiele von Heteroübergangssystemen, welche geeignet für diese Erfindung sind, schließen die GaAs/(AlGa)As- und GaAs/(InGa)P-Systeme ein.
  • Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung und die Ursachen und der Betrieb des Gradienten der potentiellen Energie werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen offenbar.
  • 1 ist ein schematischer Schnitt der Erfindung,
  • 2 ist ein Energieniveaudiagramm des Leitungsbandes in einer Anwendung dieser Erfindung mit einer quadratischen Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung von der Position in dem abgestuften Gebiet unter der Bedingung von Null extern angelegter Vorspannung,
  • 3 ist ein Vergleich des quadratischen und stückweise linearen Staffelprofils einer Legierungszusammensetzung,
  • 4 ist ein Gleichgewichtsenergieniveaudiagramm des Leitungsbandes in einer Anwendung dieser Erfindung mit einer stückweise linearen Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung von der Position in dem Staffelungsgebiet unter der Bedingung von Null extern angelegter Vorspannung,
  • 5 ist ein schematischer Querschnitt einer p-i-n-Fotodiodenstruktur unter Einbeziehung der Erfindung,
  • 6 ist eine Energieniveaudiagramm der p-i-n-Diode der 4 unter der Bedingung von Null extern angelegter Vorspannung,
  • 7 ist ein schematischer Querschnitt einer Übertragungselektronen-Fotokathodenstruktur unter Einbeziehung der Erfindung, und
  • 8 ist ein Energieniveaudiagramm der übertragenen Fotokathode der 6 unter der Bedingung von 2,1 Volt extern angelegter Vorspannung.
  • Mit Bezug auf 1 wird die schematische Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung mit der Halbleiterlegierungs-Staffelungsschicht 16 und der InP:n-Einbau-Feldschicht 18 gezeigt, welche an dem Übergang zwischen der p-(InGa)As-Schicht 14 und der nichtdotierten InP-Schicht 20 eingebracht ist. Die Staffelungsschicht in dieser Struktur ist zusammengesetzt aus einer Halbleiterlegierung, deren Zusammensetzung angepasst werden kann, um eine Elektronenaffinität zu erreichen, welche gleich zu derjenigen des Materials mit dem großen Bandabstand ist, wie etwa InP als eine Zusammensetzung, und gleich zu derjenigen des Materials mit dem kleinen Bandabstand, wie etwa (InGa)As, und für andere Zusammensetzung aufgrund von irgendwelchen weiteren Ein schränkungen, welche durch den Wachstumsprozess oder durch die Auslegung der Einrichtung aufgegeben sind. Zum Zwecke dieser Erörterung der bevorzugten Ausführungsformen wird angenommen, dass das Erhalten eines Gitterabgleichs zu InP eine solche Einschränkung ist, obwohl dies nicht strikt für diese Erfindung gefordert werden möge. Die InxGa1–yAs1·yPy und (AlsGa1–s)1–tIntAs Legierungssysteme sind beide geeignet für diese Erfindung. In dem InxGa1–yAs1–yPy System kann die Einschränkung zum Erreichen eines Gitterabgleichs zu InP erreicht werden, wenn die Zusammensetzungen der Gruppe III und der Gruppe V zueinander in Beziehung stehen durch x = 0,532 + 0,468 y, und die Legierung eine Elektronenaffinität aufweisen kann, welche gleich zu derjenigen von InP für y = 1 und gleich ist zu derjenigen des gitterabgeglichenen In0,532Ga0,468As für y = 0. Obwohl dieses Materialsystem die einfachste Auslegung der vorliegenden Erfindung darstellt, leidet es durch derzeitige technologische Beschränkungen in der Weise, dass es schwierig ist, gitterabgeglichene Staffelungen über die Gruppe V Zusammensetzung mit einem Bereich von 0 ≤ y ≤ 1 und der Einbringung von Dotierungen in die Legierung ändert sich drastisch mit der Legierungszusammensetzung. Bei dem (AlS– Ga1–5)1–tIntAs Legierungssystem kann ein Gitterabgleich zu InP nahezu erreicht werden für einen Indiumanteil von 0,532 unabhängig von den relativen Zusammensetzungen von Aluminium und Gallium. Die gitterabgeglichene Legierung hat eine Elektronenaffinität, welche gleich ist zu derjenigen von In0,532Ga0,468As für die Zusammensetzung s = 0 und eine Elektronenaffinität gleich zu derjenigen von InP für die Zusammensetzung s = 0,44. Dieser Wert der Zusammensetzung für einen Elektronenaffinitätsabgleich zu InP ist von dem 0,16 eV-Valenzbandabstand bestimmt, zwischen dem gitterangeglichenen (InAl)As und InP; dem 0,50 eV Leitungsbandabstand zwischen (InAl)As und (InGa)As, und der linearen Abhängigkeit der Bandlückenenergie von dem Aluminiumanteil, s in diesem Legierungssystem. Unabhängig von der Genauigkeit der Identifikation der Zusammensetzung s = 0,44 als diejenige, welche einen Elektronenaffinitätsabgleich zu InP liefert, ist es klar, dass diese Legierung einen Elektronenaffinitätsabgleich zu InP aufweisen wird für einige gitterabgeglichene Zusammensetzungen. Dieses Legierungssystem kann leicht aufgewachsen werden über Bereiche der Zusammensetzung, welche günstig für die vorliegende Erfindung sind und liefert eine gleichförmige Dotierungseinlagerung über diesen Zusammensetzungsbereich oder vernünftigen Wachstumsbedingungen. Die Bandlückenenergie der gitterangeglichenen Legierungszusammensetzung s = 0,44 ist 1,07 eV, welche eine Valenzbanddiskontinuität von 0,28 eV zu der InP:∅- Schicht zurücklässt. Diese Valenzbanddiskontinuität hat keine Auswirkung auf die Funktion der vorliegenden Erfindung.
  • Ein weiteres Verfahren zur Verwendung der Halbleiter-Staftelungsschicht 16 besteht in der Verwendung eines Übergitters, bzw. superlattice, weiches räumlich sich ändernde Schichtdicken aufweist, um eine virtuelle Legierung zu erzeugen mit der gewünschten stufenweisen Änderung der Elektronenaffinität. Beispielsweise könnte ein Übergitter, welches aus (InGa)As:p-Töpfen und InP:p-Barrieren besteht, verwendet werden mit stufenweise sich ändernden Schichtdicken, um die gewünschte Änderung der Elektronenaffinität zu bewirken. Nahe an der p-(InGa)As-Schicht würde ein derartiges Übergitter aus relativ dicken Töpfen und dünnen Barrieren bestehen, um eine virtuelle Legierung zu erhalten, welche beliebig nahe in dem Elektronenaffinitätsabgleich zu der (InGa)As-Schicht ist. Nahe dem Ende des Staffelungsgebietes würde das Übergitter aus relativ dünnen Töpfen und dicken Barrieren bestehen, um einen engen Elektronenaffinitätsabgleich zu InP zu erhalten. In dem dazwischen liegenden Gebiet würden die Dicken der Töpfe und Barrieren verändert werden, um eine virtuelle Legierung zu erhalten mit dem gewünschten Elektronenaffinitätsprofil, geeignet für diese Erfindung.
  • Die Fähigkeit, die Leitungsbanddiskontinuitäten räumlich zu verteilen, stellt eine Anforderung der vorliegenden Erfindung dar. Eine andere Anforderung besteht in der Fähigkeit, eine elektrostatische potentielle Energie bereitzustellen, welche an allen Stellen in der Staffelungsschicht die chemische potentielle Energie übersteigt, entweder durch Einbau solch eines elektrostatischen Potentials oder durch die Anwendung einer externen Vorspannung. Auf diese Weise besteht eine abgestufte Abnahme in dem elektrochemischen Potential für Leitungselektronen, welche von (InGa)As:p zu InP:∅ sich bewegen. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein ausreichendes elektrostatisches Potential bereitgestellt durch die Gleichgewichtsverarmung der InP:n-Einbau-Feldschicht, so dass keine externe Vorspannung benötigt wird, um die Leitungsbandbarriere zu eliminieren für die Drift von Elektronen von (InGa)As zu InP. Diese Ausführungsform benötigt, dass die Dicke der Staffelungsschicht kleiner oder gleich der Verarmungstiefe in der p-Schicht ist, welche durch die InP:n-Einbau-Feldschicht und zusätzliche Schichten der gesamten Struktur der Einrichtung verursacht ist, und dass die InP:n-Einbau-Feldschicht vollkommen verarmt ist unter der Bedingung keiner anliegenden Vorspannung. Beispielsweise wird die Verarmungstiefe ungefähr 550 Å in die Staffelungsschicht und 220 Å in die Einbau-Feldschicht betragen, wenn eine gleichförmige Akzeptorkonzentration von 2 × 1017 cm–3 in der Staffelungsschicht verwendet wird und eine gleichförmige Donatorenkonzentration von 5 × 1017 cm–3 in der InP:n-Einbau-Feldschicht verwendet wird. Unter diesen Bedingungen ist eine Staffelungsschicht, welche weniger oder gleich 550 Å dick ist und eine Einbaufeldschicht, welche 220 Å dick ist, angemessen. Ein derartiger Übergang stellt ein EinbauPotential von 0,87 V dar, von welchem 0,40 V über die Staffelungsschicht abfällt. Dieser elektrostatische Nettopotentialenergieabfall von 0,40 eV ist mehr als ausreichend, um die Nettozunahme der chemischen potentiellen Energie von 0,22 eV in der Staffelungsschicht auszugleichen.
  • Um sicherzustellen, dass die elektrostatische potentielle Energie den Beitrag der chemischen potentiellen Energie in dem Leitungsband an allen Punkten in der Staffelungsschicht überwindet, muss das Profil der Zusammensetzung des Staffelungsgebietes mit der Position ein gutes Verhalten aufweisen. Unter der typischen Verarmungsapproximation, variiert das elektrostatische Potential mit der Position in Form einer quadratischen Abhängigkeit:
    Figure 00080001
  • Hier bedeutet q die Ladung des Elektrons, Na ist die Akzeptorkonzentration und εP ist die relative Dielektrizitätskonstante der Staffelungsschicht (beide werden als konstant vorausgesetzt), xP ist die Verarmungstiefe in der Abstufung, und x ist die Position in der Abstufung mit –xp ≤ × ≤ 0. Die Größe α ist gleich dem Nettoabfall der elektrostatischen potentiellen Energie über den Staffelungsbereich gemäß der Verarmung: für das oben aufgeführte Beispiel hat sie den Wert von 0,40 eV. Wenn die chemische potentielle Energie derselben funktionalen Form genügt, aber eine geringere Größe aufweist als die elektrostatische potentielle Energie, dann wird die elektrochemische potentielle Energie eine graduelle Abnahme aufweisen von dem (InGa)As zu dem InP, welches der Schlüssel der vorliegenden Erfindung ist. Somit wird eine (AlGaIn)As-Abstufung mit einem Zusammensetzungsprofil
    Figure 00090001
    oder eine (InGa)(AsP)-Staffelung mit einem Profil
    Figure 00090002
    wird ein elektrochemisches Potential für Leitungselektronen ergeben von
    Figure 00090003
    wobei hier β die Nettodifferenz der chemischen potentiellen Energie über den Staftelungsbereich (gleichbedeutend die Diskontinuität des Leitungsenergiebandes oder die Differenz der Elektronenaffinität zwischen (InGa)As und InP) und gleich 0,22 eV für die gitterangeglichene Legierung ist. Die elektrochemische Energie für Leitungselektronen in dem Staffelungsbereich ist unter diesem Staftelungsschema somit
    Figure 00090004
    welche die gewünschte graduelle Abnahme in der Leitungsbandenergie liefert. Das Verhalten ist in 2 gezeigt, welche ein Energiediagramm des Leitungsbandes für die in 1 dargestellte Struktur zeigt mit den oben aufgeführten Dotierungskonzentrationen und dem quadratischen Profil der Legierungszusammensetzung. In dieser Figur befindet sich die (InGa)As-Schicht in einem Gebiet x < –500 Å, die Legierungsstaftelungsschicht befindet sich in dem Gebiet –550 Å < x < 0, die verarmte InP:n-Schicht in dem Gebiet 0 < x < 220 Å und die undotierte InP:∅-Schicht in dem Gebiet x > 220 Å. Dieses Banddiagramm gilt für den Fall von keinen extern angelegten Vorspannungen und zeigt deutlich den 0,18 eV-Abfall der potentiellen Energie für Leitungselektronen von (InGa)As zu dem Heteroübergang x = 0 und einen zusätzlichen Abfall der potentiellen Energie von 0,18 eV für Leitungselektronen von der Kante des Heteroübergangs zu der Kante der Einbau-Feldschicht bei x = 220 Å. Der vorstehende Abfall der potentiellen Energie von 0,18 eV ist lediglich der Nettoabfall der elektrochemischen potentiellen Energie α–β, wie oben erwähnt.
  • Obwohl quadratische Abstufungen der Zusammensetzung in klarer Weise ausreichend für das Gebiet der Staffelungslegierung der vorliegenden Erfindung sind, sind sie nicht notwendig und sind nicht ohne Weiteres in dem Aufwachsen der Struktur zu bewerkstelligen. Eine Vielzahl von anderen passenden Staffelungsprofilen können leicht erhalten werden, welche die gewünschte Wirkung eines allmählichen monotonen Abfalls in dem elektrochemischen Potential für Leitungselektronen erzeugen. Ein Beispiel für ein derartiges alternatives Zusammensetzungsprofil ist das stückweise lineare Profil, definiert als
    Figure 00100001
    wobei y' = y für (InGa)(AsP)-Abstufungen und y' = s/0,44 für (AlGaIn)As-Abstufungen. Dieses Profil ist grafisch in 3 dargestellt gemeinsam mit dem Profil der quadratischen Staffelung. Das stückweise lineare Profil ist eine einfache Annäherung an das quadratische Profil. Das berechnete Diagramm für die Leitungsbandenergie für die vorliegende Erfindung unter Verwendung einer stückweise linearen Abstufung der Legierungszusammensetzung ist in 4 gezeigt. Dieses Energiebanddiagramm weist einen sanften monotonen Abfall der potentiellen Energie mit einigen Knickstellen auf, welche mit den Änderungen in der Rate der Änderung der Zusammensetzung mit der Position verbunden sind, weist jedoch keine Potentialbarrieren auf.
  • Eine alternative Vorgehensweise für diese Erfindung ist die Verwendung des letzten Abschnitts des Staffelungsbereichs als Einbau-Feldschicht, statt eine InP:n-Schicht zu verwenden. Bei dieser Vorgehensweise würde die Staffelungsschicht, die Schicht 16 der 1, in einer teilweisen Abstufung der p-Legierung der Einbau-Feldschicht, der Schicht 18 von 1, bestehen und würde bestehen aus dem Rest der Legierungsstaffelung mit n-Dotierung. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der gesamte Abfall des elektrostatischen Potentials in einem Bereich gehalten wird, wo die Zunahme des chemischen Potentials stattfindet, statt einen Teil des Abfalls des elektrostatischen Potentials. entstehen zu lassen in einem Bereich konstanten chemischen Potentials.
  • Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine p-i-n-Fotodiodenstruktur und auf eine Übertragungselektronen-Fotokathodenstruktur sind in einem schematischen Querschnitt in 5 und 7 jeweils gezeigt. 5 zeigt den Rückseitenkontakt 10, das InP:p-Substrat 12, die (InGa)As-Absorptionsschicht 14, die Halbleiterlegierungs-Staffelungsschicht 16, die Einbau-Feldschicht 18, den InP:∅-Driftbereich 20, die InP:n+ Kontaktschicht 22, und das ohmsche Oberseiten-Kontaktmetall 24. Licht, welches auf die Oberseitenchicht dieser Struktur einfällt, wird Fotoelektronen der (InGa)As-Absorptionsschicht 14 erzeugen, welche die InP:∅-Driftschicht durchqueren müssen, um an dem Fotostrom der Einrichtung beizutragen. Die vorliegende Erfindung stellt eine wirksame Übertragung der Fotoelektronen von der Absorptionsschicht zu der Driftschift durch die Vermeidung von Potentialbarrieren und Einfang-Diskontinuitäten bereit. Das Banddiagramm für eine Auslegung einer solchen Einrichtung ist in 6 gezeigt, welche sowohl das Leitungsenergieband, das Valenzenergieband, und das mittlere elektrochemische Potential für die Einrichtung im Gleichgewicht zeigt. In diesem Diagramm ist das InP:p-Substrat angeordnet bei x < –2 μm, der (InGa)As:p-Absorber in dem Bereich – 2 μm < x < 0, die Legierungsstaffelungsschicht und die Einbaufeldschicht in der Umgebung von x = 0, die InP:∅-Driftschicht in dem Bereich 0 < x < 5 μm, und die InP:n+ Kontaktschicht in dem Bereich x ≤ 5 μm. Das Fehlen von Potentialbarrieren für die Ladungsträgerdrift von der Absorptionsschicht zu der Driftschicht ist offensichtlich aus dem Leitungsband der 6. Diese Einrichtung wird eine wesentlich höhere Betriebsgeschwindigkeit gemäß der kleinen Kapazität aufgrund des dicken Driftbereichs aufweisen und einen geringen Dunkelstrom aufgrund der extrinsischen Eigenart der Absorptionsschicht im Vergleich zu bekannten (InGa)As p-i-n Detektoren.
  • Die Übertragungselektronen-Fotokathodenstruktur der 7 besteht aus einem Glasfenster 30, InP:p- Substrat 32, ohmschen Substratkontakt 34, Absorptionsschicht 14, Halbleiter-Staffelungsschicht 16, Einbau-Feldschicht 18, InP:∅-Driftbereich 20, Hochfeld-InP:p-Schicht 44, Schottky-Barrierenmetallisierung 46 und Cäsium/Cäsiumoxid Aktivierungsschicht 48. Bei dieser Einrichtung erzeugt Licht, welches auf das Glasfenster 30 fällt, in der (InGa)As Absorptionsschicht Fotoelektronen, welche zu der InP:Ř Schicht übertragen werden müssen und in der Hochfeld-InP:p Schicht erhitzt werden müssen, um von der Fotokathode emittiert zu werden und zu dem gesammelten Strom der Einrichtung beizutragen. Diese Einrichtung erfordert eine extern angelegte Spannung von größer als 2 V, welche an den Kontakt der Schottky-Barriere angelegt ist in Bezug auf den ohmschen Substratkontakt, um einen Hochfeld-Oberflächenbereich zu erzeugen und die Potentialbarriere zu Elektronen hinzuziehen, welche im Gleichgewicht durch die p-n-i-p-Struktur angeboten werden. Das Energiebanddiagramm für diese Einrichtung unter einer angewandten Vorspannung von 2 V ist in 8 gezeigt. In dieser Figur ist das InP:p-Substrat im Bereich x < –1 μm angeordnet, die Absorptionsschicht in dem Gebiet –1 μm < x < 0, die Legierungsstaffelungsschicht und die Einbau-Feldschicht nahe x = 0, die Driftschicht in dem Bereich 0 < x < 0,5 μm, die InP:p Hochfeldschicht in dem Bereich 0,5 μm < x < 0,65 μm und die Schottky-Barriere im Bereich x > 0,65 μm. Die Eliminierung von Potentialbarrieren für Fotoelektronen, welche von der Absorptionsschicht zu der Driftschicht sich bewegen, ist deutlich aus dem Leitungsband dieses Diagramms zu erkennen.
  • Es ist offensichtlich für den Fachmann, dass die Ziele dieser Erfindung erreicht wurden durch die Bereitstellung eines Gradienten in der potentiellen Energie für Leitungselektronen, welche sich von einer (InGa)As-Schicht zu einer InP:Ř Schicht bewegen zum Zweck, die Wirksamkeit der Elektronensammlung zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von extrinsischen (InGa)As Absorptionsschichten mit geringem Bandabstand und der verarmten InP:∅ Schicht mit großem Bandabstand, um die Sammlung von thermisch erzeugtem Strom von dem verarmten Material mit geringem Bandabstand zu vermindern, die Kapazität des aneinandergereihten Heteroübergangs zu verringern, und das Zeitverhalten des Übergangs zu verbessern. In ihrer allgemeinsten Form kann diese Erfindung verwendet werden, um wirksam Elektronen zu übertragen von einem Halbleiter mit kleinem Bandabstand und großer Elektronenaffinität auf einen Halbleiter mit großem Bandabstand und kleiner Elektronenaffinität.

Claims (9)

  1. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur zum Bewegen von Trägern von einer Schicht mit geringem Bandabstand zu einer Schicht mit großem Bandabstand, die umfasst: eine p-Elektronenquellenschicht (14), die einen geringen Bandabstand und eine große Elektronenaffinität aufweist; eine verarmte p-Halbleiter-Staftelungsschicht (16), die über der Elektronenquellenschicht (14) liegt und in ihrer anfänglichen Zusammensetzung eine Elektronenaffinität-Anpassung an die p-Schicht und in ihrer abschließenden Zusammensetzung eine Elektronenaffinität-Anpassung an die folgende Schicht bewirkt; eine verarmte n-Halbleiter-Einbau-Feldschicht (18), die über der verarmten p-Halbleiter-Staftelungsschicht (16) ausgebildet ist, wobei die verarmte p-Halbleiter-Staffelungsschicht (16) eine erhebliche Elektronenaffinitäts-Anpassung an der Fläche aufweist, die mit der Einbau-Feldschicht (18) in Kontakt ist; und eine verarmte Elektronensammelschicht (20), die über der Einbau-Feldschicht (18) ausgebildet ist, wobei die verarmte Elektronensammelschicht (20) einen großen Bandabstand und eine kleine Elektronenaffinität aufweist.
  2. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach Anspruch 1, wobei die p-Elektronenquellenschicht (14) aus den Materialien (InGa)As, (AlGaIn)As und (InGa) (AsP) ausgewählt wird und Elektronen darin durch Fotogeneration erzeugt werden, die verarmte p-Staffelungsschicht (16) ein III-V-Halbleiter ist, die verarmte n-Einbau-Feldschicht (18) InP umfasst und die verarmte Elektronensammelschicht (20) InP:Ř umfasst.
  3. PIN-Diode, die eine Halbleiter-Heteroübergangsstruktur zum Bewegen von Trägern von einer Schicht mit geringem Bandabstand zu einer Schicht mit großem Bandab stand nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 umfasst, wobei die p-Elektronenquellenschicht (14) eine (InGa)As-Schicht ist, die verarmte p-Halbleiter-Staftelungsschicht (16) eine III-V-Halbleiterschicht ist und die verarmte Elektronensammelschicht (20) eine InP-Schicht ist, wobei die PIN-Diode des Weiteren umfasst: ein InP:p-Substrat (12) mit einem Ohmschen Kontakt (10) an einer Fläche desselben, wobei die p-Elektronenquellenschicht (14) mit der anderen Fläche desselben in Kontakt ist; und eine n-InP-Schicht (22) mit einem darüber liegenden Ohmschen Kontakt (24), wobei die n-InP-Schicht (22) über der verarmten Sammelschicht (20) ausgebildet ist.
  4. Fotokathode, die eine Halbleiter-Heteroübergangsstruktur zum Bewegen von Trägern von einer Schicht mit geringem Bandabstand zu einer Schicht mit großem Bandabstand nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 umfasst, wobei die p-Elektronenquellenschicht (14) eine (InGa)As-Schicht ist, die verarmte p-Halbleiter-Staffelungsschicht (16) eine III-V-Halbleiterschicht ist und die verarmte n-Halbleiter-Einbauschicht (18) eine InP-Schicht ist, wobei die Fotokathode des Weiteren umfasst: ein InP:p-Substrat (32), wobei die p-Elektronenquellenschicht (14) über dem Substrat ausgebildet ist; einen Ohmschen Kontakt (34) an dem Substrat (32) oder der Absorptionsschicht (14); und eine Schottky-Barriere (46), wobei die Schottky-Barriere (46) über der Einbau-Feldschicht (44) ausgebildet ist, die ihrerseits über der verarmten Elektronensammelschicht (20) ausgebildet ist.
  5. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Segment der Staffelungsschicht innerhalb der n-Einbau-Feldschicht (18) liegt.
  6. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Segment der Staftelungsschicht sich über die verarmte p-Halbleiterschicht (16) und die verarmte n-Halbleiter-Einbau-Feldschicht (18) erstreckt.
  7. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Staffelungsschicht vollständig innerhalb der verarmtem Einbau-Feldschicht (18) liegt.
  8. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Segment der Staftelungsschicht innerhalb der verarmten p-Halbleiterschicht (16) liegt und die Staftelungsschicht mit einer Übergitterstruktur ausgeführt ist, die gestaffelte Schichtdicke aufweist, um eine virtuelle Legierungsstaffelung zu erreichen.
  9. Halbleiter-Heteroübergangsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Staffelungsschicht vollständig innerhalb der verarmten p-Halbleiterschicht (16) liegt.
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