DE9414895U1

DE9414895U1 - Heterodyn-Detektor für Infrarotlicht

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Publication number: DE9414895U1
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Authority: DE
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2004-09-14
Also published as: US5631489A

Description

P/ho-M 4300

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Obergegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements als Heterodyn-Strahlungsdetektor sowie optoelektronischen Wandler, die insbesondere im Strahlungsbereich von 3 bis 3 000 GHz betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein ein solches optoelektronisches Bauelement enthaltendes spektrometrisches System.

Aus H. P. Röser, R.U. Titz, G.W. Schwaab und M.F. Kimmitt Journal of Applied Physics, 72, 3194 - 3197 (1992) ist ein gattungsgemäßes optoelektronisches Bauelement in Form einer Punktdiode bekannt, die als Heterodyn-Strahlungsdetektor eingesetzt wird. Zu diesem Zweck weist diese Diode eine Antenne zur Einkopplung eines zu messenden Signals auf, wobei die Antenne mit der dotierten Halbleiterschicht unter Ausbildung eines Schottkyschen Punktkontakts der Querschnittsfläche A in Verbindung steht. Diese Schottkysche Diode wird als Mischer eingesetzt und übernimmt die Funktion, ein zu messendes Signal mit der Frequenz i/_s5g mittels der als Lokaloszillator (LO) dienenden Referenzstrahlungsquelle mit der Frequenz V₁₀ auf eine wesentlich niedrigere Zwischenfrequenz oder Differenzfrequenz &ngr;_lf = | &ngr;_sig - &ngr; _Lo j zu transformieren, bei der es dann mittels herkömmlicher Verstärker und spektrometrischer Systeme verstärkt bzw. spektral zerlegt werden kann.

Als Referenzstrahlungsquelle wird eine kohärente Mikrowellenquelle oder ein optisch gepumter Gaslaser verwendet.

Spektrometrische Systeme mit einem in der genannten Veröffentlichung beschriebenen Strahlungsdetektor sind seit ungefähr 10 Jahren als Teleskope sowohl in Bodenstationen als auch in Flugzeugen erfolgreich im Einsatz.

• ·

Neben der Verwendung als Strahlungsdetektoren können Bauelemente der eingangs genannten Art beispielsweise auch als Frequenz generatoren bzw. Wechselstroiaquellen zur Umwandlung eines eingestrahlten optischen Signals in ein elektrisches Signal verwendet werden.

Aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung (JAP, 72, 3194 (1992)) ist bekannt, daß bei einem Heterodyn-Detektor, bei dem die Leitungsengstelle mittels eines Schottkyschen Punktkontakts realisiert ist, die Elektronen diese Leitungsengstelle paketweise und ballistisch durchfließen, sofern die als Detektor arbeitende Schottky-diode von der Referenzstrahlungsquelle beleuchtet wird.

Ein ballistischer Transport tritt selbst bei Zimmertemperatur auf, da die Elektronen beim Durchfließen der Leitungsengstelle keine inelastischen Stoßprozesse erleiden. Dadurch bleiben die Elektronen beim Durchlaufen der Leitungsengstelle in Phase mit der eingestrahlten ReferenzStrahlungsquellenstrahlung.

Paketweiser Transport der Elektronen bedeutet, daß in jeder Referenzquellenperiode eine bestimmte Anzahl von Elektronen N_e die Leitungsengstelle - d.h. den Schottkykontaktbereich passiert. Die Anzahl N_s der Elektronen pro Paket ist unabhängig von der Referenzquellenfrequenz. Bei einem von außen an die Diode angelegten Meßstrom I gilt also

I = (N_e e) U₁₀ (1)

wobei mit e die Elektronenladung bezeichnet ist.

Bisher wurde angenommen, daß die Diode im Bereich des Schottky-Kontakts wie ein Kondensator funktioniert, der in jeder Periode der von der Referenzquelle stammenden Strahlung mit einer bestimmten Zahl von Elektronen N_e geladen und wieder entladen wird. Die Tiefe D_{d L} der sich bei diesem Vorgang

auf- und entladenden Verarmungszone in der an den Schottkyschen Kontakt angrenzenden dotierten Halbleiterschicht ergibt sich dann nach

D._enl = N / (N, * A) (2)

wobei N_d die Dotierungsdichte der dotierten Halbleiterschicht (Epitaxieschicht) ist.

Von zentraler Bedeutung ist die mit einer solchen Diode erzielbare Nachweisempfindlichkeit. Die Nachweisempfindlichkeit hängt hauptsächlich von dem in der Diode erzeugten Eigenrauschen ab.

Experimentell wurde festgestellt, daß eine maximale Empfindlichkeit (entspricht minimalem Rauschen) der untersuchten Dioden bei einem bestimmten Strom I^Opt erzielt wird, dessen Wert von Diode zu Diode unterschiedlich ist. Wird eine Diode von ihrem "optimalen" Strom I^Opt durchflossen, dann fließt gemäß Gleichung (1) eine bestimmte "optimale" Anzahl von Elektronen N_e ^Opt pro Zyklus durch den Schottkyschen Kontakt. Gleichung (1) lautet im optimierten Fall also

jopt _{= (Ne}0_Pt _e) &ldquor;_lo

Im Stand der Technik war unklar, warum sich die maximale Empfindlichkeit des Detektors bei einer bestimmten, "optimalen" pro Periode übertragenen Elektronenanzahl einstellt.

Dementsprechend war auch die Ursache für das Auftreten eines optimalen Meßstromflusses nicht verstanden, und die Werte für diesen optimalen Meßstromfluß konnten nicht vorhergesagt werden.

Ebenfalls nicht erklärt werden konnte die Tatsache, daß die aus Gl. (2) berechneten Verarmungstiefen D_{d L} von unterschiedlichen Detektoren, die verschiedene optimale Stromstärken aufwiesen, im wesentlichen immer gleich waren.

Neben der Wahl des Meßstromes wird das Eigenrauschen des Detektors auch durch die Wahl der Diodenparameter D (Dicke der dotierten Halbleiterschicht), N_d (Dotierungsdichte der dotierten Halbleiterschicht) und A (Querschnittsfläche der dotierten Halbleiterschicht am Schottkyschen Kontakt) beeinflußt.

Der Detektor kann in erster Näherung als eine sich mit der Spannung über der Diode ändernde Kapazität Cj, ein dazu parallel geschalteter nicht-linearer Diodenwiderstand Rj und ein zur Diode- in Serie geschalteter Serienwiderstand R₃ beschrieben werden. Dabei ist die Diodenkapazität Cj näherungsweise nach der Gleichung

Cj = ££₀A/D_depl (3)

bestimmt, wobei &egr; die Dielektrizitätskonstante der Epitaxieschicht und &egr;₀ die dielektrische Feldkonstante ist.

Die kritische Frequenz i/_co (cut-off frequency) des Detektors ist dann durch

&ngr;_m = (2 &pgr; R₅ Cj)"¹ (4)

gegeben.

Eine Erhöhung der kritischen Frequenz vergrößert deren Abstand von der Referenzfrequenz und der Signalfrequenz und verbessert somit im allgemeinen das Rauschverhalten des Detektors.

Aus der Gleichung- Cj = ££₀A/D_depl ist dann im Stand der Technik die Lehre gegeben, daß für einen rauscharmen Detektor die Fläche des Schottkyschen Kontaktes A möglichst klein und die Tiefe der Verarmungszone D_depl möglichst groß sein sollte.

Aus diesem Grunde wurde versucht, Verbesserungen der Detektoreigenschaften durch eine Verkleinerung der Kontaktfläche A sowie durch eine Erniedrigung der Dotierungsdichte N_d und einer Vergrößerung der Dicke der Epitaxieschicht D zu erzielen. Langwierige Versuchsreihen zeigten jedoch, daß durch diese Maßnahmen bei den besten im Stand der Technik beschriebenen Detektoren keine gezielten Verbesserung mehr erreichbar waren. Insbesondere war nicht klar, wie die konstruktiv vorgebbaren Detektorparameter A, D, N_d verändert werden sollten, damit sich bei der späteren experimentellen Optimierung durch Wahl des optimalen Stromes ein Detektor mit insgesamt verbessertem Rauschverhalten erzielen ließ. Es wurde also deutlich, daß nach Gleichung (3) keine weitere Optimierung der Detektoren möglich war.

Darüberhinaus zeigte sich, daß die Kühlung gattungsgemäßer Dioden von beispielsweise 300 K auf 20 K keine signifikante Verbesserung im Rauschverhalten herbeiführt. Dies steht im Gegensatz zu sonst üblichen Erfahrungen im Mikrowellen-, Ferninfrarot- und Infrarotbereich, wo eine solche Kühlung zumindest eine Verbesserung um einen Faktor 2 bis 4 ermöglicht. Aufgrund der sehr hohen Stromdichten von ca. 10⁶ A/cm² durch die Schottkysche Kontaktfläche wäre sogar zu erwarten gewesen, daß eine Kühlung des Detektors noch eine weitaus größere Rauschverbesserung hervorrufen müßte.

Aus den vorstehenden Bemerkungen wird deutlich, daß im Stand der Technik nicht klar war, wodurch eine Weiterentwicklung der untersuchten gattungsgemäßen Detektoren verhindert wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronxsches Bauelement der eingangs genannten Art, insbesondere einen Heterodyn-Strahlungsdetektor, zu schaffen, das besonders rauscharm ist, schnelle Schalt- bzw. Ansprechzeiten bei hohen Stromdichten ermöglicht und diese Eigenschaften insbesondere auch bei Raumtemperatur aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein spektrometrisches System im Frequenzbereich

zwischen 3 Gigahertz bis 3 Terahertz zu schaffen, das besonders rauscharm ist und insbesondere die notwendige Empfindlichkeit aufweist, sehr schwache Strahlung, beispielsweise mit einer Leistung von weniger als 10"¹⁴ Watt, nachzuweisen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch Verwendung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements als Heterodyn-Detektor sowie optoelektronischer Wandler gelöst. Die Aufgabe wird außerdem durch ein spektrometrisches System bestehend aus einem optoelektronischen Bauelement nach Anspruch 3 0 gelöst.

Die in Anspruch 1 angegebene Lösung besagt, daß sich in einem optoelektrischen Bauelement der gattungsgemäßen Art genau dann ein optimal rauscharmer, paketweiser und ballistischer Ladungstransport durch die Leitungsengstelle einstellt, wenn die Dicke der dotierten Halbleiterschicht gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 an die dort definierte Strecke D₁₁₁₀₃ (mes steht hier für mesoskopisch) angepaßt ist.

Der in Anspruch 1 angegebenen Lösung lag die durch eine Vielzahl von Versuchsreihen gefundene Beobachtung zugrunde, daß bei allen im Stand der Technik untersuchten Dioden das Quadrat der nach Gleichung (2) zu berechnenden Tiefe D_{d t} der Verarmungszone, die sich bei optimiertem Meßstromfluß unter Beleuchtung mit der Referenzstrahlungsquelle einstellt, proportional zu der Beweglichkeit &mgr; der Ladungsträger in der dotierten Halbleiterschicht ist.

Die Beweglichkeit &mgr; der Ladungsträger ist dabei eine Materialgröße der dotierten Halbleiterschicht, die wesentlich von der Dotierungsdichte N_d und der Temperatur beeinflußt ist.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß der experimentell ermittelte Proportionalitätsfaktor zwischen D² _{d L}

und. der Ladungsträgerbeweglichkeit &mgr; sehr nahe dem Wert (h/2e)=2,0678 * 10'¹⁵ Vs liegt. Dies ist der Wert des magnetischen Flußquantes, der aus der Physik der Supraleiter bekannt ist.

Wird somit nach

D² _mes := (h/2e) * &mgr; (5)

eine Länge D_n^₃ definiert, die allein von der quantenmechanischen Größe (h/2e) und der klassischen, die Driftgeschwindigkeit für ohmschen Transport kennzeichnenden Größe &mgr; bestimmt ist, heißt das, daß bei einem mit I^Opt betriebenen Detektor unter Bestrahlung stets eine Tiefe D_depl der Verarmungszone auftritt, die dieser Länge D_mes in etwa entspricht.

Mit Gleichung (5) läßt sich nun erstmals die Tiefe der Verarmungszone voraussagen, die sich bei optimalem Strom im rauschoptimierten Betrieb einstellt. Nach Gleichung (2) kann dann aus den bekannten Detektorparametern N_d und A erstmals die Größe N_e ^Opt und aus Gleichung (1) erstmals die Größe I^Opt vorhergesagt werden.

Die in Anspruch 1 angegebenen Lösung kann physikalisch so interpretiert werden, daß nur die sich bei I^Opt einstellende Verarmungszone der dotierten Halbleiterschicht (Epitaxieschicht) an dem Stromübertrag durch die Leitungsengstelle beteiligt ist. Restliche Bereiche der dotierten Halbleiterschicht sollten dann überflüssig sein und lediglich als unerwünschte Rauschquellen in Erscheinung treten.

Daher ist nach Gleichung (5) die Dicke der dotierten Halbleiterschicht der Länge D_mes anzupassen, so daß die Schichtdicke D zumindest näherungsweise auf die während des Betriebs herrschende Tiefe der Verarmungszone abgestimmt ist.

Die erste nach der Lehre des Anspruchs 1 gefertigte Diode (1T14) zeigte bereits bei ersten Messungen eine zwei- bis dreifach bessere Empfindlichkeit als die bis dahin empfindlichste Diode (1112). Hinsichtlich der im Stand der Technik herrschenden Meinung ist es bemerkenswert, daß diese Verbesserung der Empfindlichkeit erhalten wurde, obwohl die erfindungsgemäße Diode (1T14) aufgrund ihrer reduzierten Epitaxieschichtdicke D, ihrer höheren Dotierungsdichte N_d und ihrer größeren Kontaktfläche A eine zweifach höhere Kapazität als die beste aus dem Stand der Technik bekannte Diode (1112) aufweist.

Die oben angegebenen Zusammenhänge wurden zum leichteren Verständnis und aufgrund des in diesem Bereichs umfangreichen Stands der Technik am Beispiel von Heterodyn-Strahlungsdetektordioden erläutert. Sie beschränken sich jedoch nicht auf diesen Spezialfall sondern gelten in der in Anspruch 1 angegebenen Form für sämtliche optoelektronische Bauelemente der gattungsgemäßen Art.

Der Kerneffekt, der den vielfältigen Anwendungen eines solchen Bauelements zugrunde liegt, ist die Fähigkeit, eine vorbestimmte Anzahl von Ladungsträgern mit einer von der Referenzquelle bestimmten Frequenz paketweise durch die Leitungsengstelle zu transportieren, so daß aufgrund der Bestrahlung des Bauelements mit Photonen Elektronen wegen der Beibehaltung der quantalen Phasenkohärenz einen Wechselstrom bilden, der sowohl die gleiche Frequenz wie die Photonen aufweist als auch eine genau definierte Amplitude besitzt.

Besonders bemerkenswert sind drei Aspekte dieses Effekts. Erstens funktioniert der Effekt bei Raumtemperatur und beispielsweise bei 50⁰C genauso gut wie bei kryogenen Temperaturen von beispielsweise 20 K. Zweitens ist die Effizienz (oft als Quanteneffizienz bezeichnet) der Umwandlung von Photonen in Elektronen oder Löchern äußerst

hoch. Drittens ist es durch die erfindungswesentliche Gleichung (5) erstmals möglich, das Rauschverhalten eines diesen Effekt ausnutzenden Bauelements auf ein bisher nicht erzielbar niedriges Niveau zu verringern.

Hervorzuheben ist dabei, daß mit der in Anspruch 1 gegebenen Lehre erstmals die Bedeutung der Beweglichkeit &mgr; als Stellgröße für gattungsgemäße Bauelemente erkannt wurde.

Bei den im Stand der Technik bekannten Dioden wurde die Beweglichkeit &mgr; zur Auslegung von Dioden hingegen nicht herangezogen, da davon ausgegangen wurde, daß die Auslegung und Dimensionierung der Dioden nach Gleichung (3) zu erfolgen hat und der optimale Strom erst nach Fertigstellung jeder einzelnen Diode durch einen anschließenden Eichprozeß festgestellt werden kann.

Insbesondere bei einer kleinen Querschnittsfläche A treten in Bezug auf die Ausbildung der Verarmungszone zunehmend Randeffekte in Erscheinung, die bewirken, daß die tatsächliche Tiefe der Verarmungszone kleiner als die durch die Gleichung (2) bestimmte Verarmungszonentiefe D_depl ohne Randeffekte ist. Insbesondere bei kleiner Kontaktfläche A ist es deshalb bevorzugt, wenn D zwischen 0,5 und 1,0 * D_mes liegt.

Die dotierte Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus einem III-V Halbleiter, insbesondere GaAs, InP, InAs bzw. GaSb oder einer III-V-Verbindung, insbesondere GaInAs, GaAlAs, GaInP, GaInSb bzw. GaInAsP. Daneben können auch Silizium, Germanium oder deren Verbindungen verwendet werden.

Insbesondere bei einer Verwendung des Bauelements als Strahlungsdetektor hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das eingangsseitige Element als Antenne zum Einkoppeln der Referenzstrahlung und der zu messenden Strahlung ausgebildet ist.

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Die Antenne kann aus einem Whisker aus Metall, insbesondere einer Au-Ni-Legierung bestehen.

Der Schottkysche Kontakt ist bevorzugt aus einer Pt-Au-Legierung hergestellt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die dotierte Halbleiterschicht mit einer Abdeckschicht versehen ist, die eine Öffnung aufweist, durch welche das eingangsseitige Element die dotierte Halbleiterschicht kontaktiert. Hierdurch wird eine besonders stabile Diodenkonfiguration erreicht.

In den meisten praktischen Ausführungen wird die Abdeckschicht eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen. Hierdurch vereinfacht sich der Kontaktierungsprozeß bei der Herstellung, da nicht gezielt eine spezielle Öffnung gesucht werden muß, und es wird auch möglich, eine Mehrzahl von Antennen nebeneinander auf die dotierte Halbleiterschicht zu kontaktieren.

Die Abdeckschicht kann zweckmäßigerweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehen.

Durch Verwendung eines frequenzstabilisierten Ferninfrarotringlasers als Referenzquelle wird die mit einem erfindungsgemäßen Detektor erzielbare Empfindlichkeit vorteilhaft beeinflußt, da dieser die gewünschte Frequenz- und Amplitudenstabilität sowie die nötige Leistung liefert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung als Detektordiode,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung der Detektordiode aus Fig. 1 mit eingezeichnetem Ersatzschaltbild,

Fig. 3 eine Parametertabelle der Detektordioden J118, und 1112 aus dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Detektordioden &Ggr;&Ggr;14 und 1T15,

Fig. 4 ein Darstellung der Systemrauschtemperatur T_Sys der erfindungsgemäßen Detektordioden IT14 und 1T15 in Abhängigkeit von der Referenzquellenfrequenz,

Fig. 5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen spektrometrischen Systems, in dem eine erfindungsgemäße Detektordiode verwendet wird,

Fig. 6 ein Diagramm des D² _depl - &mgr; Verhaltens der Dioden 1112, 117 und J118 aus dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Diode 1T15,

Fig. 7 ein Diagramm, in dem die Spannung V₀ über der Verarmungszone gegen den normalisierten Strom I_Opt/N_e ^Opt für die Dioden 1T15, J118, 117 und 1112 aufgetragen ist, und

Fig. 8A und 8B schematische Darstellungen von zwei weiteren Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Detektordioden 1T14 und 1T15, der sich von dem Aufbau der aus dem Stand der Technik bekannten Dioden J118, 117 und lediglich durch die Wahl der Dicke der Epitaxieschicht unterscheidet. Die im folgenden angegebenen Werte beziehen

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sich auf die erfindungsgemäße Diode 1T14.

Die Diodenstruktur wird mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt und besteht aus einem hochdotierten, metallisch leitenden n⁺-GaAs Substrat 1, auf dessen Oberfläche eine entsprechende n⁺-GaAs Pufferschicht 2 der Dicke 1 &mgr;&igr;&agr; aufgewachsen ist. Auf der Pufferschicht 2 ist dann die dotierte Halbleiterschicht als n-GaAs Epitaxieschicht 3 der Dotierungsdichte N_d = 10¹⁸ cm'³ und einer Schichtdicke D = 30 nm aufgewachsen. Die Epitaxieschicht 3 ist von einer SiO₂-Abdeckschicht 4 der Dicke 170 nm überzogen, welche mehrere Kontaktlöcher 5 aufweist. Durch eines dieser Kontaktlöcher 5 wird die Epitaxieschicht 3 von einem metallischen Whisker 6 kontaktiert, der das den Schottkyschen Kontakt bildende eingangseitige Element darstellt und als Antenne für das zu messende Strahlungssignal und das durch Bezugszeichen 7 angedeutete Referenzquellensignal dient. Der Kontaktdurchmesser d des zwischen Whiskerspitze und Epitaxieschicht 3 gebildeten Schottky-Kontakts beträgt etwa 0,5 &mgr;&igr;&agr;.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Diode, wobei gleiche Teile mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind.

Der abgesetzte, schraffiert dargestellte Anodenbereich 8 des Whiskers 6, der die Epitaxieschicht 3 kontaktiert, wird wie im folgenden noch beschrieben - durch einen schweißartigen Kontaktierungsvorgang beim Herstellungsprozeß der Diode erzeugt.

Aus dem in Fig. 2 eingezeichneten Ersatzschaltbild ist ersichtlich, daß die Diode näherungsweise als ein Kondensator Cj mit einem parallelgeschalteten Widerstand Rj sowie einem Serienwiderstand R₅ aufgefaßt werden kann. Cj und Rj repräsentieren die Kapazität bzw. den Widerstand der Epitaxieschicht 3 mit dem Schottkyschen Kontakt, und der Serienwiderstand R₃ repräsentiert den Gesamtwiderstand des Substrats 1 und der Pufferschicht 2.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle, in der die Detektordaten der bekannten Dioden J118, 117, 1112 und der erfindungsgemäßen Dioden 1T14 und 1T15 wiedergegeben sind. Aus der Tabelle geht hervor, daß nur bei den erfindungsgemäßen Dioden IT14 und 1T15 die Dicke der Epitaxieschicht gemäß der in Anspruch 1 angegebenen Beziehung an die Tiefe der im Betrieb auftretenden Verarmungs&zgr;one angepaßt ist.

Wie bereits erwähnt weist die erfindungsgemäße Diode 1T14 eine etwa 2 bis 3-fach bessere Empfindlichkeit als die beste im Stand der Technik erhaltene Diode 1112 auf, obwohl sie eine fast doppelt so große Kapazität und eine größere Anodenfläche A als diese besitzt.

Vorstehend wurde die Verarmungszone immer ohne Randeffekte betrachtet, so daß ihre Tiefe nach der Gleichung (2) bestimmt ist. Insbesondere bei kleineren Kontaktquerschnittsflächen A ist es jedoch vorteilhaft, den Einfluß von Randeffekten zu berücksichtigen.

Dies kann für kreisförmige Kontaktflächen mit Durchmesser d (bzw. Radius R) dadurch erfolgen, daß die Verarmungszone im Randbereich der Kontaktfläche als viertelkreisförmig gebogen angenähert wird. Die aktive Verarmungszonendicke berechnet sich dann nach

N_e = R² TT D_depl N_d + 0,5 TT² R D_depl ² N_d (6)

Die nach dieser Gleichung für verschiedene Dioden berechneten Verarmungszonentiefen sind in der Tabelle neben den mit der Gleichung (2) berechneten Werten angegeben. Es ist ersichtlich, daß ein 10 bis 2 0 prozentiger Unterschied zwischen den jeweiligen Werten liegt, wobei der relative Unterschied für kleiner werdende Anodendurchmesser zunimmt.

Für die Diode IT15 mit dem kleinsten Durchmesser von 0,25 Mm liegen die entsprechenden Näherungswerte schon etwa

2 0% auseinander, während sie für die Diode J118 mit einem Durchmesser von 1,0 /im nur 10% auseinander liegen.

Aus den oben angegebenen Gleichungen folgt, daß die einfache Scheibennäherung nach Gleichung (2) (ohne Berüchsichtigung von Randeffekten) bei Dioden mit Anodendurchmessern von 0,5 &mgr;&kgr;&igr; ausreichend ist, während bei Anodendurchmessern von weniger als 0,25 &mgr;&igr;&agr; die Randeffekte gemäß Gleichung (6) berüchsichtigt werden sollten, um optimale Signal-Rauschverhältnisse zu erzielen.

Ein Vergleich des frequenzabhängigen Rauschverhaltens der beiden erfindungsgemäßen Dioden 1T14 und 1T15 ist in Fig. dargestellt.

In Fig. 4 ist die Empfindlichkeit des Gesamtsystems aus Diode und nachgeschaltetem Verstärker und Spektrometer durch die Systemrauschtemperatur T_sys ausgedrückt, wobei T_sys das Verhältnis von gemessenem Rauschpegel zum Signalpegel ist und durch das Eigenrauschen der verwendeten Diode dominiert wird. Die Systemrauschtemperatur T ist gemäß der Beziehung

NEP = k T_sys (7)

der sogenannten äquivalente Rauschleistung NEP (noise equivalent power) proportional, wobei mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet ist.

Fig. 4 zeigt zunächst, daß die Empfindlichkeit beider erfindungsgemäßen Dioden 1T14 und 1T15 über den gesamten Frequenzbereich besser als die Empfindlichkeit aller im Stand der Technik untersuchten Dioden ist, deren Daten in H. P. Röser, Infrared Phys., 32, 385 (1991) veröffentlicht wurden.

Bei etwa 800 GHz ist die Diode 1T15 etwas weniger empfindlich als die Diode 1T14. Andererseits ist bei etwa 2500 GHz die Diode 1T15 etwa um den Faktor 2 empfindlicher als die Diode 1T14. Dies zeigt, daß insbesondere bei den höheren

Frequenzen die kleinere Anodenkapazität von etwa 0,25 fF der Diode &Ggr;&Ggr;15 gegenüber der etwa vierfach größeren Anodenkapazität der Diode 1T14 bevorzugt ist.

Die Temperaturabhängigkeit der erfindungsgemäßen Dioden ist aufgrund des ballistischen Ladungstransportprozesses relativ gering. Eine Kühlung der Diode 1T14 von 300K auf 20 K verbessert die Empfindlichkeit der Diode lediglich um 3 0%.

Die Diode 1T14 erreicht bei 800 GHz eine Empfindlichkeit, die nur um den Faktor 52 oberhalb des Quantenrauschens liegt. Dies besagt, daß 52 Photonen pro Sekunde der Signal— strahlung gerade noch messbar sind. Bei 2547 GHz liegt die Nachweisschwelle dieser Diode um den Faktor 69 oberhalb des Quantenrauschens. Die Quanteneffizienz der Diode 1T15 beträgt 66 bei 803 GHz und 33 bei 2547 GHz.

Damit sind Strahlungsenergien im Bereich von 10"¹⁴ W ohne weiteres detektierbar, und zwar - um es nochmals zu betonen - ohne daß der Detektor gekühlt werden muß.

Die Herstellung der Dioden erfolgt unter einem Licht-Mikroskop. Dabei wird die Whiskerspitze in eines der Kontaktlöcher 5 eingeführt und durch einen kurzen Stromstoß an die Epitaxieschicht 3 angeschweißt.

Dabei spielt der vor dem Schweißvorgang von der Whiskerspitze auf die Epitaxieschicht 3 ausgeübte Druck für das Erreichen einer möglichst hohen Empfindlichkeit eine wichtige Rolle. Bei der Diode 1T14 ergab sich, daß eine optimale Empfindlichkeit bei einem Kontaktdruck von 1,25 * 10⁵ N/cm² erhalten wird.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines spektrometrischen Systems, das eine erfindungsgemäße GaAs-Detektordiode enthält. Als Referenzstrahlungsquelle wird hier ein optisch gepumpter, frequenzstabilisierter Ringlaser 9, beispielsweise bei einer Frequenz von 1,397 GHz, eingesetzt, der genügend Leistung

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(P_L0 > 50 mW) , eine hohe Leistungsstabilität (&Dgr;&Rgr; « 1% in Amplitude) und eine hohe Frequenzstabilität (Kv « 1 kHz) besitzt.

Das von der Diode zu detektierende Signal 10 weist in diesem Beispiel eine Frequenz von 1,382 GHz auf.

Das von der Diode im Mischbetrieb erzeugte Differenzsignal

11 besitzt dann eine Differenzfrequenz von V_n = 15 GHz und wird zur Signalverstärkung einem rauscharmen HEMT-Verstärker

12 (high electron mobility transistor amplifier) zugeführt. Zwischen der Diode und dem Eingang des HEMT 12 kann ein nicht dargestellter optimierter Impedanztransformator eingebaut sein, um Anpassungsverluste so klein wie möglich zu halten.

Das vom HEMT-Verstärker 12 ausgegebene Signal 13 durchläuft einen Filter 14 der Bandbreite Lu_BU = 1400 MHz und wird durch eine Signalleitung 15 einem akustooptischen Spektrometer (AOS) 16 zugeführt. Das akustooptische Spektrometer 16 zerlegt das ankommende Signal 15 gleichzeitig in beispielsweise 2048 Frequenzkanäle und erlaubt somit eine Auflösung von etwa 700 kHz pro Kanal bzw. Kvjv ~ 5 * 10'⁷. Das heißt, daß das System einen Qualitätsfaktor Q von etwa 2 * 10⁶ hat und somit in der Lage ist, Photonen, die bei 13 8 2 Gigahertz (6 meV) einen Energieunterschied von 3 * 1O"⁹ eV haben, voneinander zu unterscheiden.

Über eine zweite Signalleitung 17 kann das den Filter 14 verlassende Signal zusätzlich einem Breitbanddetektor 18 zugeführt werden.

In Fig. 6 ist die bereits diskutierte, mit der vorliegenden Erfindung überraschenderweise gefundene D² _{d t} - &mgr; Proportionalität graphisch dargestellt, die sowohl von den Dioden aus dem Stand der Technik 1112, 117 und J118 als auch der erfindungsgemäßen Diode 1T15 erfüllt wird, obwohl die einzelnen Dioden ganz unterschiedliche Detektorparameter D, A und N_d

aufweisen. Als Proportionalitätsfaktor ergibt sich eine fundamentale physikalische Größe, nämlich das magnetische Flußguant (h/2e).

Fig. 7 zeigt ein Diagramm, in dem für alle untersuchten Dioden und bei allen gemessenen Frequenzen die über der Verarmungszone der Tiefe D_d _{ anliegende Spannung V₀ gegen den normierten Stromfluß I_Opt/N_e ^Opt aufgetragen ist. Auch hier zeigen alle untersuchten Dioden gleiches Verhalten, und als experimentell ermittelter Proportionalitätsfaktor ergibt sich ein Wert R_e = 25,250 Ohm, der im Rahmen der Meßgenauigkeit gut mit dem Quanten-Hall-Widerstand R_H = (h/e²) übereinstimmt, der ebenfalls eine fundamentale Konstante in der Physik ist, die allerdings bis jetzt nur im Zusammenhang mit Tieftemperaturmessungen, z.B. bei 4 K, aufgetreten ist.

Das in Fig. 7 dargestellte Verhalten zeigt, daß beim optimal eingestellten Strom I^Opt die Leitungsengstelle einen Wiederstand von R_H/N_e ^Opt aufweist, gleichgültig, welche Parameter A, D, und &mgr; die Diode besitzt.

Die in den Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Ergebnisse gelten nicht nur für den Spezialfall von Schottky-Dioden - für die sie erstmals verifiziert wurden - sondern ganz allgemein für alle optoelektronischen Bauteile der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Der Anspruch 1 liefert somit eine Lehre zur Optimierung sämtlicher derartiger optoelektronischer Bauelemente hinsichtlich ihres Eigenrauschens.

In der Elektrotechnik wird angestrebt, Oszillatoren immer höherer Frequenz zu entwickeln, die beispielsweise als Taktgeber für Rechner und andere digitale Schaltkreise eingesetzt werden können. Bisher werden maximal 100 GHz erreicht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind erfindungsgemäße Bauelemente in der Lage, Wechselströme mit weitaus höheren Frequenzen als 100 GHz zu liefern und können daher insbesondere für Anwendungen in der Mikroelektronik im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 500 GHz eigesetzt werden.

Fig. 8A und 8B zeigen jeweils ein Beispiel eines optoelektronischen Bauelements, das keine Schottky-Diode enthält und beispielsweise als derartiger hochfrequenter Oszillator eingesetzt werden kann.

Ein solcher Oszillator ist extrem stabil in seiner Leistung, da der Oszillatorstrom nur von N_e ^Opt und der Referenzstrahlungsfrequenz abhängt. Weiterhin ist er in seiner Frequenz extrem stabil, da diese unmittelbar durch die Frequenz der Referenzstrahlungsquelle betimmt ist, die wiederum mit sehr hohen Q-Werten, d.h. sehr stabil, vorgebbar ist.

Das Bauelement 20 basiert auf einem n*-GaAs Substrat 21, auf das eine epitaktische metallisch leitende n⁺-GaAs Pufferschicht 22, eine n-GaAs Epitaxieschicht 23 der Dicke D und eine metallisch leitende P⁺-GaAs Schicht 24 aufgebracht sind. Dieser ursprüngliche Schichtaufbau ist in Fig. 8A durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die n-GaAs Epitaxieschicht 23 kann beispielsweise eine La— dungsträgerbeweglichkeit &mgr; = 3000 cm²/(Vs) aufweisen.

Durch das in der Halbleitertechnik bekannte reaktive Ionenätzen können die Schichten 22, 23, und 24 kontrolliert bis auf eine zurückbleibende Säule 2 5 der vorgebbaren Querschnittsfläche A weggeätzt werden. Die Säule 25 weist dann einen die ursprüngliche Schichtfolge 22, 23, 24 des Halbleitermaterials wiedergebenden Schichtaufbau 22a, 23a, 24a auf.

Das auf diese Weise erhaltene Bauelement 20 ist an der Säulenoberseite 2 6 und bei 27 am metallisch leitenden n⁺-GaAs Substrat 21 elektrisch kontaktierbar und wird im Betrieb mit einer Referenzstrahlung 7 beleuchtet.

Dies bewirkt, daß abhängig von der Intensität der Referenzstrahlung 7 pro Periode eine konstante Anzahl von Elektronen

von der substratseitigen Schichtzone 22a durch die epitaktische Schichtzone 23a in die substratferne Schichtzone 24a der Säule 25 übertreten.

An den Anschlüssen 26, 27 liegt daher ein der Referenzstrahlung 7 entsprechendes elektrisches Signal an. Das Bauelement 20 arbeitet somit als optoelektrischer Wandler.

Entsprechend der obigen Erläuterungen arbeitet das Bauelement 20 genau dann besonders rauscharm, wenn die Dicke D der die Leitungsengstelle bildenden epitaktischen Schichtzone 23a in der Säule 25 so gewählt ist, daß sich ein optimaler paketweiser und ballistischer Transport der Elektronen durch die Leitungsengstelle einstellt. Hierfür weist die Schicht 23 beispielsweise eine Dicke von D = 24,9 nm auf.

Fig. 8B zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bautelements 20', das aus einem metallisch leitenden n⁺-GaAs Substrat 21', einer darüber-1legenden n⁺-GaAs Pufferschicht 22', einer n-GaAs-Schicht 2 3' der Ladungsträgerbeweglichkeit &mgr; und einer metallisch leitenden n⁺-AlGaAs-Schicht 24' aufgebaut ist.

Der Schichtaufbau 22', 23', 24' wird wie im Beispiel in Fig. 8A durch reaktives Ionenätzen bis auf eine Säule 25' mit einer Schichtabfolge 23a¹ und 24a¹ entsprechend der ursprünglichen Schichten 23' und 24' entfernt. Da AlGaAs und GaAs ein unterschiedliches Ätzverhalten zeigen, kann durch selektives Ätzen erreicht werden, daß die n-GaAs-Schichtzone 23a¹ der Säule 25' gegenüber den übrigen Bereichen der Säule 25' eine reduzierte Querschnittsfläche A aufweist.

Das Bauelement 20' ist an der Säulenoberseite 26' und bei 27' am metallisch leitenden n*-GaAs Substrat 21' elektrisch kontaktierbar und wird im Betrieb zumindest im Bereich der Säule 25' mit einer Referenzstrahlung 7 beleuchtet.

Die Wirkungsweise des Bauelements 20' als optoelektronischer Wandler entspricht bei gleicher Auslegung der Engstellenparameter D und &mgr; der Wirkungsweise des in Fig. 8A dargestellten Bauelements 20.

Claims

Ms-M 4300 Ansprüche

1. Optoelektronisches Bauelement mit einer Leitungsengstelle für Stromfluß, die eine Engstellenquerschnittsflache von A < 2 &mgr;&idiagr;&eegr;² aufweist und aus einer dotierten Halbleiterschicht der Ladungsträgerbeweglichkeit &mgr; und der Schichtdicke D gebildet ist, welche eingangsseitig von einem metallisch leitenden, eingangseitigen Element und ausgangsseitig von einem metallisch leitenden, ausgangsseitigen Element kontaktiert ist, und wobei im Betrieb das optoelektronische Bauelement von einer kohärenten Referenzstrahlungsquelle bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke D der dotierten Halbleiterschicht größer als das Halbfache und kleiner als das Eineinhalbfache einer charakteristischen Strecke D_ms ist, d.h.

Dmes * 0,5 < D < D_mes * 1,5

wobei D² _mes durch das Flußquant (h/2e) multipliziert mit der Ladungsträgerbeweglichkeit &mgr; definiert ist, d.h.

D² _mes = (h/2e) * &mgr;

wobei h die Plancksche Konstante und e die Elementarladung bezeichnen.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Element mit einer Antenne zum Einkoppeln der Referenzstrahlung und einer zu messenden Strahlung zusammenwirkt.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem eingangseitigen

Element und der dotierten Halbleiterschicht ein Schottkyscher Kontakt vorliegt.

4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß D zwischen 0,75 und 1,25 mal D₁₁₁₆₃ liegt.

5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß D zwischen 0,5 und 1,0 mal D_mes liegt.

6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche A weniger als 0,2 &mgr;&idiagr;&eegr;² ist.

7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche A weniger als 0,05 /im² ist.

8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche A im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.

9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß D zwischen 15 und 40 nanometer, insbesondere 20 und 3 nanometer liegt.

10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsdichte N_d der dotierten Halbleiterschicht zwischen 5*1O¹⁶ und 2*l0¹⁸ cm"³ liegt.

11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der

• *

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsdichte N_d der dotierten Halbleiterschicht zwischen 4*1O¹⁷ und l_/l*l0¹⁸ cm"³ liegt.

12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Halbleiterschicht vom &eegr;-Typ ist.

13. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgangsseitige Element aus einem n⁺-Halbleiter besteht.

14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Element aus einer Au-Ni-Legierung besteht.

15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Element aus einem p⁺-Halbleiter besteht.

16. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Halbleiterschicht aus einem III-V Halbleiter, insbesondere GaAs, InP, InAs bzw. GaSb oder aus einer III-V-verbindung, insbesondere GaInAs, GaAlAs, GaInP, GaInSb bzw. GaInAsP, besteht.

17. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem eingangsseitigen Element zugewandte Seite der dotierten Halbleiterschicht mit einer Abdeckschicht versehen ist, die eine Öffnung aufweist, durch welche das eingangsseitige Element die dotierte Halbleiterschicht kontaktiert.

18. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) besteht.

19. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus einem Whisker aus Metall, insbesondere einer Au-Ni-Legierung, besteht.

20. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schottkysche Kontakt durch Verschweißung mit einer Pt-Au-Legierung realisiert ist.

21. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlungsquelle Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von 3 GHz bis 3 THz erzeugt.

22. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlungsquelle ein Ferninfrarotringlaser mit einer Frequenzstabilität von Q > 1O⁶ ist.

23. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlungsquelle eine Mikrowellenquelle ist, die mit dem Bauelement über einen Wellenleiter zusammenwirkt.

24. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Halbleiterschicht eingangsseitig von mehreren Antennen kontaktiert ist.

25. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgangsseitige Element eine metallisch leitende epitaktische Pufferschicht auf einem metallisch leitenden Halbleitersubstrat ist.

26. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisch leitende Pufferschicht und das metallisch leitende Halbleitersubstrat aus einem n⁺-Halbleiter, insbesondere n⁺-GaAs bestehen.

27. Spektrometrisches System zum Nachweisen von Strahlung in einem Frequenzbereich zwischen 3 GHz und 3 THz, bestehend aus einem optoelektronischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu messendes Lichtsignal das optoelektronische Bauelement eingangseitig bestrahlt und mit der Referenzstrahlungsquelle zusammenwirkt, um ausgangsseitig ein die Frequenzkomponenten des zu messenden Lichts enthaltendes elektronisches Mischsignal zu erzeugen, das über einen impedanzangepaßten Transformator einem Verstärker zugeführt ist, der das Mischsignal an ein Spektrometer weitergibt, das die Intensitäten bzw. Amplituden der Frequenzkomponenten ermittelt.