EP0753206A1 - Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement - Google Patents

Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement

Info

Publication number
EP0753206A1
EP0753206A1 EP95914276A EP95914276A EP0753206A1 EP 0753206 A1 EP0753206 A1 EP 0753206A1 EP 95914276 A EP95914276 A EP 95914276A EP 95914276 A EP95914276 A EP 95914276A EP 0753206 A1 EP0753206 A1 EP 0753206A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
diode
silicon
semiconducting
metallic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP95914276A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Olaf Hollricher
Frank RÜDERS
Christoph Buchal
Hartmut Roskos
Jens Peter Hermanns
Elard Stein V. Kamienski
Klaus Radermacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP0753206A1 publication Critical patent/EP0753206A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type
    • H01L31/1085—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type the devices being of the Metal-Semiconductor-Metal [MSM] Schottky barrier type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type

Definitions

  • the invention relates to a diode with a semiconducting layer and with metallically conductive layers that are connected to this layer.
  • the invention further relates to a component containing such a diode.
  • Voltage pulse generated which can be further processed with a downstream electronics.
  • MSM metal-semiconductor-metal
  • a first metallically conductive layer and a further second metallically conductive layer are provided on a substrate for the purpose of forming two electrodes.
  • the electrodes are designed planar as interlocking finger structures. As a result, short electrode spacings of a few ⁇ are achieved, the switching time of such diodes then being essentially determined by the running time of the charge carriers between the electrodes.
  • Typical switching times with a finger spacing of 1 ⁇ m are in the order of 10-20 ps.
  • a disadvantage of such diodes is that there are limits to the reduction in finger spacing due to the lithographic resolution, so that the switching times that can be achieved are also limited.
  • the element semiconductor silicon is characterized by good technological controllability, even with ever increasing integration densities of components. For physical reasons, however, it is not possible to manufacture optoelectronic components, such as photodiodes and semiconductor lasers. On the other hand, it is very desirable to implement the most important components of the silicon-based optical communication technology that will become increasingly important in the future.
  • the transit time of the charge carriers is reduced to such an extent that the switching time of the diode no longer depends on the runtime of the charge carriers generated, but rather only is determined by the RC time constant of the layer structure. Since the length of the current channel of the charge carriers - in this case the semiconducting layer thickness. Layer determined and this can be chosen very small with the help of techniques known per se, in particular with layer thicknesses far below 1 .mu.m, in particular in the range of 0.1-0.4 .mu.m, has the inventive Diode has a significantly better switching time than known, horizontally structured MSM diodes.
  • the one metallic conductive layer is made translucent, the other metallic conductive layer is connected to a substrate.
  • the material for the translucent layer is one that forms the highest possible Schottky barrier with the material of the semiconducting layer.
  • CoSi2 is provided as the material for the metallic layer connected to the substrate. It can be designed as a base in the form of a metallic CoSi2 layer buried in a silicon substrate.
  • Such a structure can be produced, for example, using ion beam synthesis, as described in Appl. Phys. Lett. .50. (1987),
  • any metal can be selected as the material for the first metallically conductive layer, which functions as a counterelectrode. If, according to claim 3, this material forms the highest possible Schottky barrier, in particular on silicon, with the semiconducting material, the dark current of the photoswitch is thereby advantageously minimized.
  • this translucent counterelectrode can be chosen so that it is semitransparent and, for example, allows 50% of the light used to pass through.
  • the diode can be contacted using conventional coplanar line technology, but also microstrip line technology, where the CoSio layer can serve as an earthed base area.
  • a sub-micron structuring is not necessary when manufacturing such a diode
  • the diode according to the invention can have a switching time which is no longer limited by the transit time but only by the RC time constant of the diode if the semiconducting layer adjacent to the two metallically conductive layers is made as thin as possible . Compared to known diodes of this type, this considerably improves the switching time.
  • the object is further achieved by a component having the entirety of the features according to claim 5. Further advantageous embodiments form the subjects of the dependent claims 6 and 7.
  • the material of the waveguide is identical to the semiconducting material according to claim 6, the structure of the component is simplified. If silicon is selected as the material, this can be used for optocommunication at the preferred wavelength of 1.54 ⁇ m. If Si0 2 is selected , visible light can also be used for transmission.
  • FIG. 1 schematically shows a top view of a diode according to the invention with a vertical metal-semiconductor-metal structure layers 1, 2 and 3 in microstrip line design with semi-transparent metal as counter electrode 2. It can be as
  • a 10 nm thick aluminum or chromium layer can be provided against the counter electrode.
  • FIG. 2 shows in a schematic cross-sectional representation of the diode according to the invention (in the A-A 'plane of FIG. 1) how the light passes through the semitransparent aluminum electrode 2 into the semiconducting silicon region 1 to form charge carriers.
  • the diode shown is one in which, in a silicon substrate 4, dig, the other metallically conductive layer 3 is in the form of CoSi2.
  • the layer thickness of the semiconducting silicon layer 1 had, for example, a value in the range from 50 to 500 nm
  • the layer thickness of the buried cobalt silicide base electrode had a value of, for example, 100 nm.
  • the object of the invention is not limited to a vertical arrangement of a layer sequence of successively metallic, semiconducting and metallic layers on a substrate surface. Rather, the vertical orientation of the layer sequence can also run parallel to the substrate surface.
  • the layers of the MSM diode function can thus be arranged perpendicular to the substrate surface, as illustrated in FIGS. 4 and 5 by way of example in comparison to a — double — MSM diode structure in FIG. 3.
  • the vertical layer orientation of the MSM diode structure is indicated by an arrow in FIGS. 3 to 5.
  • SiC> 2 can be selected as the insulator.
  • CoSi2 was chosen as the material for the respective buried electrode of the respective diode.
  • the tapping of the electrical signal at the two metallic electrodes 2 and 3 or "metal" and "CoSi 2 " is shown schematically for the MSM diode on the right-hand side.
  • a first and a further CoSi 2 region 2 and 3 are formed in a semiconducting silicon layer 1.
  • the silicon layer 1 was formed on a substrate 4 made of Al2O3.
  • the metallic layer 2 or 3 is connected to the contact surface 6 or 5 of the silicon layer 1.
  • the silicon regions 11 and 12 in FIG. 5 can be provided to form further MSM diode functions.
  • one or more of the CoSi2 regions can be made translucent.
  • the process can be used to form metallic
  • CoSi2 regions in such a silicon layer an implantation with Co using suitable masking techniques can be selected in this layer. In this way, a more or less high number of MSM diode functions in an integrated form that is important for silicon technology is obtained in a relatively simple manner.
  • Typical dimensions of the elements of an MSM diode structure according to the invention for ultra-short pulse response times were in the range from 10 nm (for the formation of a semipermeable electrode for incident light) to 200 nm for the thickness a of the metallic layer 2, in the range from 70 nm to 500 nm for the thickness d of the semiconducting silicon layer 1 and in the range from 100 nm to 300 nm for the thickness c of the metallic CcSi2 layer 3.
  • the lateral dimension b of the MSM diode structure was in the range from 5 ⁇ m up to 40 ⁇ m.
  • the diode was made laterally square but also rectangular for special purposes.
  • the dimensions a, b, c, and d are shown schematically in FIG. 6.
  • the MSM diode according to the invention is not limited to the dimensions specified here.
  • FIG. 1 Another figure relate to a component which ches contains an optical waveguide and a vertical metal-semiconductor-metal diode on a particularly insulating substrate.
  • photons that are coupled into a waveguide from a glass fiber line can excite electrons at one of the metal electrodes via the Schottky barrier. These are then accelerated by a high electric field between the metal layers to the other electrode, which leads to a short current flow or a voltage pulse.
  • This diode is characterized in that due to the Schottky effect and by applying an external voltage, the conduction and valence band in the semiconductor is modified so that there are no free charge carriers between the metal layers or any generation of charge carriers leads to the fact that the Electrons and the holes are accelerated towards the metal electrodes.
  • the band course is shown schematically in FIG. 6b, the second metal layer being biased positively relative to metal 1.
  • the incident photons (1.54 ⁇ m, which corresponds to an energy of approx. 0.8 eV) are not able to generate electron pairs in silicon, but it is possible to to excite trons in the metal electrodes. If the excitation takes place in metal 2 via the Schottky barrier ⁇ ⁇ as in FIG. 6b, the electrons can penetrate into the semiconductor and be accelerated to the counterelectrode due to the existing electrical field. This effect is called the internal photo effect.
  • Buried .CoSi2 is particularly suitable as a metal electrode, since epitaxial overgrowth with silicon is possible.
  • the Schottky barrier height of CoSi2 is approximately 0.64 eV, less than 0.8 eV, so that electrons can be excited across the barrier. Since the silicon layer is relatively thin (approx. 100 nm), there is a relatively high electric field between the metal contacts. This also leads to a slight decrease in the Schottky barrier height (due to the image charge) or to an increase in the number of electrons that are accelerated to the counterelectrode. With the help of these diodes, electrical pulses with a half-width of less than 10 ps can be realized. An isolating substrate is used to avoid paritarian effects.
  • SIMOX substrates with a buried SiG ⁇ layer
  • SOS substrates epitaxial silicon on sapphire
  • FIG. 7 shows a substrate 4, for example made of silicon, connected to a metallic CoSi2 layer 3.
  • a semiconducting silicon layer 1 is predefined on the metallic layer.
  • the silicon layer 1 is oxidized to SiO 2 to form a defined waveguide area made of silicon to delimit adjacent areas (FIG. 8).
  • a metallic top contact 2 is applied to part of the surface of the layer structure which has been processed until then.
  • FIG. 10 shows the structure according to FIG. 9, viewed from above, after a part of the SiO 2 located on the CoSi 2 layer on both sides of the waveguide has been removed up to the CoSi 2 layer to form the geometry of the waveguide.
  • the electrical lead 2 'leads to the metallic top contact 2 of the MSM diode.
  • the semiconducting layer 1 made of silicon and the further metallic CoSi 2 layer 3 for forming the MSM diode function are hidden below the top contact 2.
  • a stripe-shaped SiO 2 layer region 1 ' is coupled to the semiconducting layer 1 of this diode and performs the function of the integrated waveguide. Visible light from an external glass fiber, in particular, can be coupled to this waveguide, forwarded to the MSM diode and converted there into an electrical signal. Otherwise, it is conceivable to make the top contact translucent if necessary.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Diode mit halbleitender Schicht und mit dieser flächenhaft verbundenen, metallisch leitenden Schichten. Es ist dabei Aufgabe der Erfindung, eine solche Diode zu schaffen, bei der die Schaltzeit verbessert ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die eine metallisch leitende Schicht lichtdurchlässig ausgebildet und die andere metallisch leitende Schicht mit einem Substrat verbunden. Es wurde erkannt, daß bei Verwendung einer vertikalen Anordnung die Transitzeit der Ladungsträger so weit verringert wird, daß die Schaltzeit lediglich noch von der RC-Zeitkonstante der Schichtstruktur bestimmt ist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Diode sowie eine solche enthaltendes Bauelement
Die Erfindung betrifft eine Diode mit halbleitender Schicht und mit dieser Schicht flächenhaft verbundenen, metallisch leitenden Schichten. Die Erfindung betrifft ferner ein eine solche Diode enthaltendes Bauelement.
Die moderne Optokommuni ation mit ihren extrem hohen Übertragungsbandbreiten macht die Entwicklung von immer schnelleren Bauelementen zur In ormationsverarbeitung erforderlich. Die Information, die mittels Lichtpulsen in Glasfaserkabeln übertragen wird, muß zur Signal¬ verarbeitung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dies geschieht mit schnellen Photodioden, deren elektrischer Widerstand sich bei Einstrahlung von Licht ändert. Wird eine elektrisch vorgespannte Photodiode mit einem kurzen Lichtpuls beleuchtet, so wird ein
Spannungspuls erzeugt, der mit einer nachgeschalteten Elektronik weiterverarbeitet werden kann.
Es ist aus Appl. Phys . Lett. 1 (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 aus'zu- 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 μ 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.
Der Elementhalbleiter Silizium zeichnet sich durch eine gute technologische Beherrschbarkeit aus, auch bei im¬ mer höher werdenden Integrationsdichten von Bauelemen¬ ten. Aus physikalischen Gründen ist es aber nicht mög- lieh, optoelektronische Bauelemente herzustellen, wie z.B. Photodioden und Halbleiterlaser. Auf der anderen Seite ist es sehr wünschenswert, die wichtigsten Kom¬ ponenten der in der Zukunft immer wichtiger werdenden, optischen Kommunikationstechnik auf Siliciumbasis zu realisieren. Z.Zt. werden große Anstrengungen auf dem Gebiet der Datenübertragung unternommen, um die opti¬ sche Glasfaser bei einer Wellenlänge von 1,54 μm zu be¬ treiben, da sie dort ein absolutes Minimum in der Ab¬ sorption besitzt. Dabei wurden schon Übertragungsraten von 10 Gbit/s erzielt. Auch die Erzeugung einer solch hohen Datenrate ist heute durch den Einsatz von Lasern mit Modulatoren kein Problem mehr. Ein Problem ist aber das "Lesen" dieser großen Datenmengen, d.h. die schnelle Detektion von ultrakurzen optischen Pulsen. Konventionelle Photodektoren aus III-IV-Halbleitern oder auch aus Silicium sind nicht in der Lage, diese Datenmengen zu verarbeiten. Das Auslesen der Daten bil¬ det z.Zt. einen Engpaß in der optischen Kom¬ munikationstechnik.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Diode, insbesondere eine Photodiode, der eingangs genannten Art zu schaf¬ fen, bei der die Schaltzeit verbessert ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung ein Bauelement mit einer solchen Diode zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine die Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 1 aufweisende Diode. Weitere zweckmäßig oder vorteilhaft ausgebildete Ausführungs- formen finden sich in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 4.
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 Stromkanais der Ladungsträger - die¬ sem Falle von der Schichtdicke der halbleitende;. 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 lichtdurch¬ lässig 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 licht¬ durchlässige Schicht ein solches vorgesehen ist, das mit dem Material der halbleitenden Schicht eine mög¬ lichst hohe Schottky-Barriere bildet.
Für die im Bereich der Optokommunikation bedeutsamen Silizium-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 Silizium-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 CcSi2_Schicht im Silizium ver- graben vor, wobei das darüberliegende Silizium ein¬ kristallin ist, so daß die Kompatibilität zur Silizium- 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 Silizium, 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 Mikro- streifenleitungstechnologie möglich, wobei die CoSio- Schicht als geerdete Grundfläche dienen kann.
Insgesamt zeigt die erfindungsgemäße Diode zusammen¬ fassend folgende Vorteile:
1. Eine Sub-Mikrometer-Strukturierung bei der Herstel- lung einer solchen Diode ist nicht erforderlich,
2. die Kompatibilität zur Silizium-Technologie insbe¬ sondere bei Wahl einer vergrabenen CoSi2~Schicht mit daruberliegender einkristallinen Decksilizium ist voll gewährleistet,
3. eine Ankopplung an andere Bauelemente, wie z.B. Transistoren, in Mikrostreifenleitungstechnoiogie 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 RC-Zeitkonstante der Diode begrenzt wird, wenn die von den beiden metallisch leitenden Schichten benachbarte, halbleitende Schicht möglichst dünn aus¬ gebildet wird. Gegenüber bekannten Dioden dieser Art wird dadurch eine erhebliche Verbesserung der Schalt¬ zeit erreicht. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein die Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 5 aufweisendes Bauelement. Weitere vorteilhafte Ausführungformen bilden die Gegenstände der rückbezogenen Ansprüche 6 und 7.
Falls das Material des Wellenleiter mit dem halbleitenden Material nach Anspruch 6 identisch ist, vereinfacht sich damit der Aufbau des Bauelements. Soweit als Material Silizium gewählt wird, ist dies für die Optokommunikation bei der bevorzugten Wellenlänge von 1,54 μm einsetzbar. Im Falle der Wahl des Si02 kann auch sichtbares Licht zur Übertragung genutzt werden.
Die obigen Ausführungen für die erfindungsgemäße Diode sind insoferne auch für das beanspruchte Bauelement zutreffend.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausfüh¬ rungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Diode mit vertikaler Metall-Halbleiter-Metall-StrukturSchicht 1, 2 und 3 in Mikrostreifenleitungausführung mit semitransparentem Metall als Gegenelektrode 2 in Draufsicht schematisch dargestellt. Dabei kann als
Gegenelektrode eine 10 nm dicke Aluminium- oder Chrom¬ schicht vorgesehen sein.
Aus Figur 2 in einer schematischen Querschnittsdar- Stellung der erfindungsgemäßen Diode (in der A-A'-Ebene der Figur 1) ist gezeigt, wie das Licht durch die semitransparente Aluminiumelektrode 2 in den halblei¬ tenden Siliziumbereich 1 zur Bildung von Ladungsträger gelangt. Es handelt sich bei der dargestellten Diode um eine solche, bei der, in einem Siliziumsubstrat 4 ver- graben, die andere metallisch leitende Schicht 3 in Form von CoSi2 ausgebildet ist. Die Schichtdicke der halbleitenden Silizium-Schicht 1 hatte beispielsweise einen Wert im Bereich von 50 - 500 nm, die Schichtdicke der vergrabenen Cobalt-Silicid-Grundelektrode hatte einen Wert von beispielsweise 100 nm.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht beschränkt auf eine vertikale Anordnung einer Schichtenfolge aus nacheinander metallischer, halbleitender und metal¬ lischer Schicht auf einer Substratoberfläche. Vielmehr kann die senkrechte Orientierung der Schichtenfolge auch parallel zur Substratoberfläche verlaufen. Damit können die Schichten der MSM-Dioden-funktion zur Sub- stratoberflache senkrecht angeordnet sein, wie in Figuren 4 und 5 beispielhaft in Vergleich zu einer - zweifachen - MSM-Diode-Struktur in Figur 3 darge¬ stellt. Die senkrechte Schichtorientierung der MSM- Diode-Struktur ist durch einen Pfeil in den Figuren 3 bis 5 angedeutet.
Im einzelnen ist in der Figur 3 eine Struktur in Silizium gezeigt mit zwei durch elektrisch isolierendes Material getrennten MSM-Dioden. Als Isolator kann dabei SiC>2 gewählt werden. Als Material für die jeweilige vergrabene Elektrode der jeweiligen Diode wurde CoSi2 gewählt. Als Substratmaterial wurde beispielsweise AI2O3 gewählt. Schematische dargestellt für die MSM- Diode auf der rechten Seite ist das Abgreifen des elektrischen Signals an den beiden metallischen Elek¬ troden 2 und 3 bzw. "Metall" und "CoSi2".
In den Figuren 4 und 5 sind in einer halbleitenden Silizium-Schicht 1 ein ersterer und ein weiterer CoSi2~ Bereich 2 bzw. 3 gebildet. Die Silizium-Schicht 1 wurde auf einem Substrat 4 aus AI2O3 gebildet. Die metal¬ lische Schicht 2 bzw. 3 ist dabei an der Kontaktfläche 6 bzw. 5 der Silizium-Schicht 1 mit dieser verbunden. Die Siliziumbereiche 11 und 12 in der Figur 5 können zur Bildung weiterer MSM-Diodenfunktionen vorgesehen werden. Je nach Wahl der Randbedingungen können ein oder mehrere der CoSi2-Bereiche lichtdurchlässig aus¬ gebildet sein.
Verfahrensmäßig kann zur Bildung von metallischen
CoSi2~Bereichen in einer solchen Silizium-Schicht eine Implantation mit Co mit Hilfe geeigneter Maskentech¬ niken in diese Schicht gewählt werden. Auf diese Weise erhält man auf relativ einfache Weise eine mehr oder weniger hohe Anzahl von MSM-Diodenfunktionen in für die Siliziumtechnologie bedeutsamer, integrierter Form.
Typische Abmessungen der Elementen einer erfindungs¬ gemäßen MSM-Diodenstruktur für ultra-kurze Pulsant- wortzeiten lagen im Bereich von 10 nm (für die Ausbil¬ dung einer halbdurchlässigen Elektrode für einfallendes Licht) bis zu 200 nm für die Dicke a der metallischen Schicht 2, im Bereich von 70 nm bis zu 500 nm für die Dicke d der halbleitenden Siliziumschicht 1 und im Bereich von 100 nm bis zu 300 nm für die Dicke c der metallischen CcSi2~Schicht 3. Die laterale Abmessung b der MSM-Diodenstruktur lag im Bereich von 5 μm bis zu 40 μm. Die Diode wurde dabei lateral quadratisch aber für spezielle Zwecke auch schon rechteckig ausgebildet. Die Abmessungen a, b, c, und d sind in Figur 6 schematisch angegeben. Die erfindungsgemäße MSM-Diode ist nicht auf die hier angegebenen Dimensionierungen beschränkt.
Weitere Figuren beziehen sich auf ein Bauelement, wel- ches einen Lichtwellenleiter und eine vertikale Metall- Halbleiter-Metall-Diode auf einem insbesondere isolierenden Substrat enthält. Mit Hilfe des internen Photoeffektes können Photonen, die von einer Glasfaserleitung in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, bei einer der Metallelektroden Elektronen über die Schottky-Barriere anregen. Diese werden anschließend von einem hohen elektrischen Feld zwischen den Metallschichten zu der anderen Elektrode beschleunigt, was zu einem kurzen Stromfluß bzw. einem Spannungspuls führt.
Im folgenden wird ein Bauelement mit MSM-Diode und ge¬ koppeltem, integriertem Wellenleiter vorgestellt, das eine Detektion ultrakurzer Pulse erlaubt und obendrein in die Siliziumtechnologie integrierbar ist. Dieses Bauelement ist in den nachfolgenden Figuren, insbeson¬ dere Figur 6a näher erläutert.
Das Wesentliche dieser Struktur ist die vertikale MSM- Diode. Diese Diode zeichnet sich dadurch aus, daß aufgrund des Schottky-Effektes und durch Anlegen einer externen Spannung das Leitungs- und Valenzband im Halbleiter so modifiziert wird, daß sich keine freien Ladungsträger zwischen den Metallschichten befinden bzw. jede Erzeugung von Ladungsträgern dazu führt, daß die Elektronen und die Löcher zu den Metallelektroden hin beschleunigt werden.
Der Bandverlauf ist in Figur 6b schematisch darge¬ stellt, wobei die zweite Metallschicht relativ zu Me¬ tall 1 positiv vorgespannt ist. Die einfallenden Pho¬ tonen (1,54 μm, das einer Energie von ca. 0,8 eV ent¬ spricht) sind nicht in der Lage, Elektronen-Paare in Silizium zu erzeugen, wohl aber ist es möglich, Elek- tronen in den Metall-elektroden anzuregen. Erfolgt die Anregung wie in Figur 6b im Metall 2 über die Schottky- Barriere θß, so können die Elektronen in den Halbleiter eindringen und wegen des vorhandenen elektrischen Fel- des zur Gegenelektrode beschleunigt werden. Diesen Ef¬ fekt nennt man interner Photoeffekt.
Als Metallelektrode eignet sich besonders vergrabenes .CoSi2, da ein epitaktisches Überwachsen mit Silizium möglich ist. Außerdem ist die Schottky-Barrierenhöhe von CoSi2 mit ca. 0,64 eV kleiner als 0,8 eV, so daß eine Anregung von Elektronen über die Barriere möglich ist. Da die Siliziumschicht relativ dünn (ca. 100 nm) ist, liegt ein relativ hohes elektrisches Feld zwischen den Metallkontakten an. Dies führt zusätzlich zu einer leichten Abnahme der Schottky-Barrierenhöhe (wegen der Bildladung) bzw. zu einer Erhöhung der Anzahl der Elektronen, die zur Gegenelektrode beschleunigt werden. Mit Hilfe dieser Dioden lassen sich elektrische Pulse mit einer Halbwertsbreite von kleiner als 10 ps realisieren. Damit parazitäre Effekte ausgeschlossen werden, wird ein isolierendes Substrat verwendet. Hier bieten sich SIMOX-Substrate (mit einer vergrabenen SiG^-Schicht) oder SOS-Substrate (epitaktisches Sili- zium auf Saphir) an. Diese Substrate sind erwünscht, um einen Sprung im Brechungsindex von Silizium zum Sub¬ strat zu erreichen, zur Realisierung des Silizium- Wellenleiters .
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes mit einer MSM-Diodenstruktur mit daran angekoppelter, in¬ tegrierten Wellenleiter ist in den nachfolgenden Figu¬ ren 7 bis 10 näher erläutert.
In der Figur 7 ist ein Substrat 4, z.B. aus Silizium, verbunden mit einer metallischen CoSi2~Schicht 3 ge¬ zeigt. Auf der metallischen Schicht ist eine halblei¬ tende Silizium-Schicht 1 vorgegeben. Im folgenden wird zur Bildung eines definierten Wellenleiterbereichs aus Silizium zur Begrenzung benachbarter Gebiete die Sili¬ zium-Schicht 1 oxidiert zu Siθ2 (Figur 8). Danach wird, wie in Figur 9 dargestellt, ein metallischer Topkon¬ takt 2 auf einem Teil der Oberfläche der bis dann be¬ arbeiteten Schichtstruktur aufgebracht. Mit dem Top- kontakt 2 verbunden ist eine Zuleitung 2' aus demselben oder ggfs. aus einem anderen metallischen Material.
In der Figur 10 ist im Ergebnis die Struktur gemäß Fi¬ gur 9, von oben betrachtet, dargestellt, nachdem zur Bildung der Geometrie des Wellenleiters ein Teil des auf der CoSi2~Schicht beidseitig des Wellenleiters befindlichen Siθ2 bis an die CoSi2~Schicht entfernt wurde.
Die elektrische Zuleitung 2' führt zum metallischen Topkontakt 2 der MSM-Diode. Unterhalb des Topkon¬ taktes 2 verdeckt sind die halbleitende Schicht 1 aus Silizium sowie die weitere metallische CoSi2~Schicht 3 zur Bildung der MSM-Diodenf nktion. An der halb- leitenden Schicht 1 dieser Diode ist ein streifen- förmiger Siθ2~Schichtbereich 1' angekoppelt, der die Funktion des integrierten Wellenleiters ausübt. An diesen Wellenleiter kann insbesondere sichtbares Licht einer externen Glasfaser ange-koppelt, in die MSM-Diode weitergeleitet und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Im übrigen ist es vorstellbar, den Topkontakt ggf. lichtdurch-lässig auszubilden.
In Abwandlung des in den Figuren 7 bis 10 dargestellten Bauelements ist es vorstellbar den zur Bildung des Wellenleiters vorgesehenen Siθ2~Bereich nicht zu oxidieren um auf diese Weise einen Wellenleiter aus Silizium zu bilden, der dann eine ununterbrochene Verbindung mit der halbleitenden Silizium-Schicht der MSM-Diode hat. Ein solches einen Wellenleiter mit MSM- Diode enthaltendes Bauelelement ist in der für die Optokommunikation bedeutsame Wellenlänge von 1,54 μm von größter Bedeutung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Diode mit halbleitender Schicht ( 1 ) und mit die¬ ser flächenhaft verbundenen, metallisch leitenden Schichten ( 2, 3 ) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die eine leitende Schicht (2) mit der einen
Kontaktfläche ( 6) , die andere leitende Schicht mit der anderen Kontaktfläche (5) der halbleiten¬ den Schicht (1) elektrisch verbunden ist.
2. Diode nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß als Material für die andere metallische Schicht (3) CoSi2 vorgesehen ist.
5. Bauelement mit einer Diode gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß an der halbleitenden Schicht ( 1 ) eine Schicht (1') mit Wellenleiterfunktion angekoppelt ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß als Material für die Schicht (!' ) mit
Welienleiterfunktion das Material der halb¬ leitenden Schicht (1) vorgesehen ist.
7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß als Material für die Schicht (1') mit Wellen¬ leiterfunktion Silizium oder Siθ2 vorgesehen ist.
EP95914276A 1994-03-29 1995-03-28 Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement Ceased EP0753206A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4410799 1994-03-29
DE4410799A DE4410799C2 (de) 1994-03-29 1994-03-29 Diode
PCT/DE1995/000422 WO1995026572A1 (de) 1994-03-29 1995-03-28 Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0753206A1 true EP0753206A1 (de) 1997-01-15

Family

ID=6514097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP95914276A Ceased EP0753206A1 (de) 1994-03-29 1995-03-28 Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5859464A (de)
EP (1) EP0753206A1 (de)
JP (1) JPH09510832A (de)
DE (2) DE4410799C2 (de)
WO (1) WO1995026572A1 (de)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10053670A1 (de) * 2000-10-28 2002-05-08 Daimler Chrysler Ag Optisches Signalübertragungssystem
US6649990B2 (en) * 2002-03-29 2003-11-18 Intel Corporation Method and apparatus for incorporating a low contrast interface and a high contrast interface into an optical device
US8436444B2 (en) 2008-12-10 2013-05-07 Si-Nano Inc. Thin film photoelectric conversion device and method for manufacturing thin film photoelectric conversion device
US20110215434A1 (en) * 2009-08-11 2011-09-08 Si-Nano Inc. Thin-film photoelectric conversion device and method of manufacturing thin-film photoelectric conversion device
US9105790B2 (en) * 2009-11-05 2015-08-11 The Boeing Company Detector for plastic optical fiber networks
US8983302B2 (en) * 2009-11-05 2015-03-17 The Boeing Company Transceiver for plastic optical fiber networks
JP5437486B2 (ja) * 2010-06-03 2014-03-12 ｎｕｓｏｌａ株式会社 光電変換素子
JP6324945B2 (ja) * 2012-04-19 2018-05-16 カーネギー−メロン ユニバーシティＣａｒｎｅｇｉｅ−Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 金属−半導体−金属（ｍｓｍ）ヘテロジャンクションダイオード
US9543423B2 (en) 2012-09-04 2017-01-10 Carnegie Mellon University Hot-electron transistor having multiple MSM sequences

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2144266B (en) * 1983-06-29 1987-03-18 Citizen Watch Co Ltd Method of manufacture for ultra-miniature thin-film diodes
JPS60220967A (ja) * 1984-04-18 1985-11-05 Fuji Xerox Co Ltd 半導体装置
US4884112A (en) * 1988-03-18 1989-11-28 The United States Of America As Repressented By The Secretary Of The Air Force Silicon light-emitting diode with integral optical waveguide
US5006906A (en) * 1988-08-29 1991-04-09 Bell Communications Research, Inc. Integrated semiconductor waveguide/photodetector
EP0378112B1 (de) * 1989-01-09 1996-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zum optischen Koppeln eines optischen Wellenleiters um eine Photodiode auf einem Substrat aus Silizium
US5005901A (en) * 1989-11-16 1991-04-09 Seatector Hawaii, Inc. Removable seat cover
FR2660114B1 (fr) * 1990-03-22 1997-05-30 France Etat Dispositif de detection optique a seuil de detection variable.
US5122852A (en) * 1990-04-23 1992-06-16 Bell Communications Research, Inc. Grafted-crystal-film integrated optics and optoelectronic devices
DE4113143C2 (de) * 1991-04-23 1994-08-04 Forschungszentrum Juelich Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems und Schichtsystem
US5359186A (en) * 1992-05-22 1994-10-25 Pennsylvania State University Particle detector for detecting ionizing particles having a potential barrier formed in a region of defects
US5448099A (en) * 1993-03-04 1995-09-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Pin-type light receiving device, manufacture of the pin-type light receiving device and optoelectronic integrated circuit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9526572A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE4410799A1 (de) 1995-10-05
US5859464A (en) 1999-01-12
JPH09510832A (ja) 1997-10-28
WO1995026572A1 (de) 1995-10-05
DE19580246D2 (de) 1997-07-17
DE4410799C2 (de) 1996-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3011484C2 (de) Optisch steuerbare Halbleitervorrichtung
EP0524219B1 (de) Halbleiterelement mit einer silizium-schicht
DE19618593A1 (de) Strahlungsempfindliches Detektorelement und Verfahren zur Herstellung desselben
DE3546717C2 (de)
DE3727177A1 (de) Optische steuerschaltung und halbleitereinheit zur schaltungsausfuehrung
EP0753206A1 (de) Diode sowie eine solche enthaltendes bauelement
EP0182088A1 (de) Schottky-Kontakt auf einer Halbleiteroberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung
DE3638018A1 (de) Fotodiode, hieraus gebildete fotodioden-anordnung, sowie verfahren zur herstellung einer fotodiode
DE3112209C2 (de)
DE19621570A1 (de) Feldemissions-Elektronenquelle und Verfahren zu deren Herstellung
EP1055141B1 (de) Optische struktur und verfahren zu deren herstellung
DE102020102533A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer elektro-optischen Einrichtung, elektro-optische Einrichtung, Halbleitereinrichtung und Halbleitervorrichtung
DE4201571A1 (de) Verfahren zur herstellung einer fuer licht teildurchlaessigen solarzelle und verfahren zur herstellung eines entsprechenden solarmoduls
DE3227263C2 (de) Verfahren zur Herstellung einer planaren Avalanche-Fotodiode mit langwelliger Empfindlichkeitsgrenze über 1,3 μ
EP3176832B1 (de) Dünnschichtsolarmodul
EP0524213B1 (de) Halbleiterelement mit einer schwach dotierten silizium-schicht mit einer pin-diodenstruktur
DE4339741A1 (de) Transistor mit einem optischen Gate und Verfahren zum Herstellen desselben
EP0378112A2 (de) Anordnung zum optischen Koppeln eines optischen Wellenleiters um eine Photodiode auf einem Substrat aus Silizium
DE102016110965B4 (de) Halbleiter-Bauelement mit vorder- und rückseitiger Elektrode und Verfahren zu dessen Herstellung
EP1091421A2 (de) Verfahren zur Umwandlung von Lichtpulsen in elektrische Signale
DE102021130159A1 (de) Optoelektronisches bauteil und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen bauteils
WO2020182621A1 (de) Verfahren zur herstellung von optoelektronischen halbleiterbauteilen und optoelektronisches halbleiterbauteil
WO1997002608A1 (de) Ohmscher kontakt sowie verfahren zu seiner herstellung
DE4208560A1 (de) Anregung von elektromagnetischer strahlung durch anlegen von elektrischer spannung an materialien und materialaufbau fuer ihre durchfuehrung
EP0836750A1 (de) Elektronisches bauelement sowie verfahren zu seiner herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19961007

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH DE FR GB LI NL

17Q First examination report despatched

Effective date: 19971120

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 19990309