EP4241316A1 - Fotoleiter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Fotoleiter und verfahren zu dessen herstellung

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EP4241316A1
EP4241316A1 EP21815905.1A EP21815905A EP4241316A1 EP 4241316 A1 EP4241316 A1 EP 4241316A1 EP 21815905 A EP21815905 A EP 21815905A EP 4241316 A1 EP4241316 A1 EP 4241316A1
Authority
EP
European Patent Office
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semiconductor layer
layer
photoconductive
photoconductive semiconductor
photoconductor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21815905.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
William Ted Masselink
Mykhaylo Petrovych Semtsiv
Björn GLOBISCH
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4241316A1 publication Critical patent/EP4241316A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/10—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices being sensitive to infrared radiation, visible or ultraviolet radiation, and having no potential barriers, e.g. photoresistors
    • H—ELECTRICITY
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    • H10F77/1468—Doped superlattices, e.g. N-I-P-I superlattices

Definitions

  • the invention relates to a photoconductor with a stack of layers that includes a plurality of photoconductive semiconductor layers.
  • a photoconductor is known, for example, from the German patent application DE 102016 202 216 A1.
  • Photoconductors can be used, for example, in combination with suitable antennas for receiving and/or transmitting electromagnetic radiation in the terahertz range, for example in the range between 0.1 and 10 THz.
  • the invention is based on the object of specifying a photoconductor with a stack of layers that is optimized with regard to the photoconductive properties.
  • the layer package comprises at least two subpackages, each of which includes at least a first photoconductive semiconductor layer and a second photoconductive semiconductor layer, with the first and second photoconductive semiconductor layer being doped to different levels in each of the subpackages.
  • An essential advantage of the photoconductor according to the invention is that due to the different design of the semiconductor layers with regard to the doping an individual optimization of the physical properties of the two semiconductor layers can be achieved. It is thus possible, for example, to provide specific recombination centers in the more highly doped layer, which serve to recombine electrons and holes and thus support the photoconductive effect of the photoconductor.
  • the respective other photoconductive semiconductor layer of each subpackage can have a different function, for example serving to reduce the background conductivity and to compensate for or reduce the generation of dark currents.
  • the first photoconductive semiconductor layer is doped at least 10 times, particularly preferably at least 100 times, more heavily than the second photoconductive semiconductor layer.
  • the dopant with which the first and/or second photoconductive semiconductor layer of each subpackage are doped differently is preferably a transition metal in each case, for example iron, ruthenium, rhodium or iridium.
  • the dopant in the first photoconductive semiconductor layer forms a higher concentration of dopant clusters than in the second photoconductive semiconductor layer and the dopant distribution in the second photoconductive semiconductor layer is homogeneous, at least more homogeneous than in the first photoconductive semiconductor layer.
  • the first photoconductive half of each of the subpackages is conductor layer has a higher recombination rate for electron-hole pairs than the second photoconductive semiconductor layer and in each of the subpackages the second photoconductive semiconductor layer has a greater electrical resistance than the first photoconductive semiconductor layer due to the different doping.
  • each of the semiconductor layers of each sub-package is preferably less than 10 nm.
  • the thickness of the layer package formed from the subpackages is preferably in a range between 0.5 and 2 ⁇ m.
  • the number of subpackages in the layer pack is preferably between 20 and 100.
  • the thickness of the first and second photoconductive semiconductor layer is preferably in the order of magnitude of the de Broglie wavelength of electrons located in the respective semiconductor layer and mobile in the respective layer plane.
  • the electron presence probability extends—seen perpendicularly to the layer plane of the semiconductor layers—preferably in each case at least over the first and second semiconductor layer.
  • the configuration of the layer thicknesses described and the probability of electron presence based thereon makes it easier for properties of layers to affect neighboring layers, for example dark currents which could cause the first semiconductor layers are compensated for by the second semiconductor layers.
  • an intermediate layer is arranged between the first and second semiconductor layer, which slows down the diffusion of the dopant from the first into the second semiconductor layer.
  • the first and second semiconductor layers are preferably doped InGaAs layers, respectively.
  • the dopant or dopants with which the first and second semiconductor layers are doped are preferably iron, rhodium and/or ruthenium.
  • the first and second semiconductor layers are preferably molecular beam epitaxial growth layers, respectively.
  • the dopant with which the first and second photoconductive semiconductor layers of each subpackage are differently doped is the same transition metal in the first and second photoconductive semiconductor layers.
  • the first photoconductive semiconductor layer is doped with a transition metal and the second photoconductive semiconductor layer is doped with another transition metal in at least one subpackage.
  • a photoconductive, preferably the first or the second, semiconductor layer of each subpackage is doped with a transition metal and one or the other photoconductive semiconductor layer of each subpackage is n-doped, p-doped or undoped.
  • At least one of the layers, preferably the first and/or the second photoconductive semiconductor layer, of each subpackage is doped with a dopant that is energetically in the region of the band center of the band gap of the semiconductor material of the respective layer, namely with a deviation from the band center of at most ⁇ 10% of the band gap energy of the band gap.
  • An antenna for emitting and receiving terahertz radiation is preferably connected to the photoconductor.
  • the invention also relates to a method for producing a photoconductor, in which a layer package with a plurality of photoconductive semiconductor layers is applied directly or indirectly to a substrate.
  • a layer package with at least two subpackages is applied to the substrate or a buffer layer located on the substrate, each of which comprises at least one photoconductive semiconductor layer and a second photoconductive semiconductor layer, with each of the subpackages the first and second photoconductive semiconductor layers are doped at different levels.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a photoconductor according to the invention
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a photoconductor according to the invention
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross section, an exemplary embodiment of a photoconductor 10 according to the invention, which can form part of a THz antenna which is not shown in any more detail.
  • the photoconductor 10 comprises a substrate 11 made of a preferably semi-insulating material, which can be, for example, InP material.
  • a non-conductive buffer layer 12 On the substrate 11 there is a non-conductive buffer layer 12.
  • a layer package 13 which has a plurality of subpackages 130, deposited, preferably by means of molecular beam epitaxy (MBE).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the subpackages 130 each have a first photoconductive semiconductor layer 131 and a second photoconductive semiconductor layer 132 .
  • the semiconductor layers 131 and 132 are preferably made of InGaAs material.
  • the thickness of the two semiconductor layers 131 and 132 is relatively small and is preferably less than 10 nanometers. Such a thickness of the photoconductive semiconductor layers 131 and 132 is of the order of magnitude of the de Broglie wavelength, so that the electron presence probability in each of the subpackages 130—seen perpendicular to the layer plane of the semiconductor layers 131 and 132—respectively at least extends over the first semiconductor layer 131 and the associated or adjacent second semiconductor layer 132 .
  • the number of subpackages 130 in the layer pack 13 is preferably in a range between 20 and 100, resulting in a total thickness of the layer pack 13 preferably in the range between 500 nanometers and 2 micrometers.
  • the semiconductor layers 131 and 132 are designed differently and differ with regard to their concentration of dopants and with regard to the spatial distribution of the dopants within the respective layer. Due to the different configuration of the semiconductor layers 131 and 132 and due to the large number of sub-packages 130, the stack of layers 13 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 forms a short-period semiconductor supergite ter SPSL, which is also referred to in technical terms as "Short Period Semiconductor Superlattice".
  • the first photoconductive semiconductor layer 131 has a relatively high concentration of a dopant that is at least 10 times, preferably at least 100 times, higher than the dopant concentration in the second photoconductive semiconductor layer 132 is.
  • a so-called transition metal is preferably used as the dopant in the semiconductor layer 131, which can be iron, ruthenium, rhodium and/or iridium, for example.
  • the inhomogeneous distribution of the dopants within the first semiconductor layer 131 is preferably selected to be large enough--for example by appropriate control of the molecular beam epitaxy--that clusters of dopant atoms form within the crystal lattice and the formation of defects and recombination centers, which results there or in the first semiconductor layer 131 a large recombination rate of charge carriers is achieved overall.
  • the disadvantage, however, is that the recombination centers can cause dark currents.
  • the dopant concentration in the second semiconductor layer 132 is preferably relatively small; in addition, the dopants are homogeneously distributed there, for example by appropriate control of the molecular beam epitaxy. Due to the small dopant concentration, the electrical resistance in the second semiconductor layer 132 will be relatively high, at least higher than in the first semiconductor layer 131, and the recombination rate will remain low, at least lower than in FIG first semiconductor layer 131. Due to the high resistance of the second semiconductor layer 132, dark currents of the first semiconductor layer 131 can be compensated.
  • the different configurations of the semiconductor layers 131 and 132 allow the layer properties to be individually optimized for specific physical effects.
  • the first semiconductor layer 131 due to its high dopant concentration and the inhomogeneous distribution of the dopants, is intended or designed to provide crystal defects which in turn act as recombination centers for ultrafast hole-electron recombination to serve.
  • the second semiconductor layer 132 has a different task. Due to its low electrical conductivity and due to the homogeneous distribution of the dopants within the layer, it helps to keep dark currents low and to compensate for background conductivity as best as possible.
  • the different optimization directions within each sub-package 130 can be combined--without disadvantages for the photoconductive properties of the photoconductor 10--because the low thickness of the semiconductor layers in the de Broglie wavelength range increases the probability of the presence of the electrons extends over several layers of the sub-packets 130.
  • this can be post-processed; For example, a mesa or rib structure can be etched into the stack of layers 130 for wave guidance, as is known, for example, from the German patent application DE 102016 202 216 A1 mentioned at the outset.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a photoconductor 10 according to the invention in a schematic cross section.
  • each of the subpackages 130 has four layers, namely a first photoconductive semiconductor layer 131, which can correspond to the first semiconductor layer 131 according to FIG. 1, and a second photoconductive semiconductor layer 132, which corresponds to the second semiconductor layer 132 Figure 1 can correspond, as well as two additional, preferably little or undoped semiconductor layers 133 and 134, each of which forms an intermediate layer between adjacent semiconductor layers 131 and 132.
  • the function of the intermediate layers 133 consists in preventing a diffusion of dopants between the two semiconductor layers 131 and 132 and thus at least delaying aging of the photoconductive properties of the photoconductor 130 .
  • both the first semiconductor layer 131 and the second semiconductor layer 132 are each doped with a transition metal; only the dopant concentration in the two semiconductor layers and the local one differ Distribution of the dopants (with and without cluster formation) as explained above.
  • transition metals have the advantage that they are energetically in the middle of the band gap of the respective semiconductor material in which they are inserted, which means that they are particularly efficient with a view to recombination of electrons and holes is reached. It is particularly advantageous if the dopants provided for the formation of recombination centers, in particular transition metals, are band-wise in the middle of the band with a deviation of at most ⁇ 10% of the band gap energy of the respective band gap.
  • At least one of the two semiconductor layers, preferably the second semiconductor layer 132, is doped with a different dopant, as a result of which n-doping or p-doping is achieved, for example.
  • FIGS. 3 to 6 show the resulting resistivity ⁇ in ⁇ cm and the recombination time ⁇ in picoseconds for different Fe or Rh cell temperatures T in degrees Celsius C during a gas source molecular beam epitaxy of InGaAs material for iron and rhodium. It can be seen in FIGS. 3 and 4 that a very high resistance can be achieved for iron at approx. 1000° C. (iron doping 0.9 ⁇ 10 19 cm -3 ), whereas a cell temperature of 1300° C. for short recombination times (iron doping 1.7 ⁇ 10 22 cm -3 ) is ideal; a suitable compromise temperature would thus be around 1150°C (doping 0.6 ⁇ 10 21 cm -3 ).
  • FIGS. 5 and 6 it can be seen that a high resistance can be achieved at approx. 1650° C. (doping 7.9 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) for rhodium, whereas a temperature of 1800° C. can be achieved for low ones recombination times (doping 4.9 ⁇ 10 20 cm -3 ) is ideal; a suitable compromise temperature would be around 1700° C. (doping 1.1 ⁇ 10 20 cm -3 ).
  • the first semiconductor layer 131 which should have a high recombination rate, an iron-doped layer at approx. 1300° C. and a doping of 1.7 ⁇ 10 19 cm -3 produced; accordingly, a rhodium-doped layer is preferably produced at approximately 1650° C. and a doping of 7.9 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 as the second semiconductor layer 132, which is intended to have a high resistance.
  • the ratio of the doping concentrations is more than 200.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf einen Fotoleiter (10) mit einem Schichtpaket (13), das mehrere fotoleitende Halbleiterschichten (131-134) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Schichtpaket (13) zumindest zwei Subpakete (130) umfasst, die jeweils zumindest eine erste fotoleitende Halbleiterschicht (131) und eine zweite fotoleitende Halbleiterschicht (132) umfassen, wobei bei jedem der Subpakete (130) die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) unterschiedlich hoch dotiert sind.

Description

Beschreibung
Fotoleiter und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Fotoleiter mit einem Schichtpaket, das mehrere fotoleitende Halbleiterschichten umfasst. Ein derartiger Fotoleiter ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102016 202 216 A1 bekannt.
Fotoleiter können beispielsweise in Kombination mit geeigne- ten Antennen zum Empfangen und/oder zum Senden von elektro- magnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich, beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 bis 10 THz, eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fotoleiter mit hinsichtlich der fotoleitenden Eigenschaften optimiertem Schichtpaket anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fotoleiter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fotoleiters sind in Un- teransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schichtpaket zumindest zwei Subpakete umfasst, die jeweils zumindest eine erste fotoleitende Halbleiterschicht und eine zweite fotolei- tende Halbleiterschicht umfassen, wobei bei jedem der Subpa- kete die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht un- terschiedlich hoch dotiert sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Fotoleiters besteht darin, dass sich durch die unterschiedliche Ausge- staltung der Halbleiterschichten mit Blick auf die Dotierung eine individuelle Optimierung der physikalischen Eigenschaf- ten der beiden Halbleiterschichten erreichen lässt. So ist es beispielsweise möglich, in der höher dotierten Schicht ge- zielt Rekombinationszentren vorzusehen, die zur Rekombination von Elektronen und Löchern dienen und somit die fotoleitende Wirkung des Fotoleiters unterstützen. Die jeweils andere fo- toleitende Halbleiterschicht eines jeden Subpakets kann eine andere Funktion haben, beispielsweise dazu dienen, die Hin- tergrundleitfähigkeit zu reduzieren und die Erzeugung von Dunkelströmen zu kompensieren bzw. zu verkleinern.
Vorteilhaft ist es mit Blick auf eine individuelle Optimie- rung der Halbleiterschichten, wenn bei jedem der Subpakete die erste fotoleitende Halbleiterschicht mindestens 10-mal, besonders bevorzugt mindestens 100-mal, höher dotiert ist als die zweite fotoleitende Halbleiterschicht.
Der Dotierstoff, mit dem die erste und/oder zweite fotolei- tende Halbleiterschicht jedes Subpakets unterschiedlich do- tiert sind, ist vorzugsweise jeweils ein Übergangsmetall, beispielsweise Eisen, Ruthenium, Rhodium oder Iridium.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn bei jedem der Subpakete der Dotierstoff in der ersten fotoleitenden Halb- leiterschicht eine höhere Konzentration an Dotierstoff- clustern bildet als in der zweiten fotoleitenden Halbleiter- schicht und die Dotierstoffverteilung in der zweiten fotolei- tenden Halbleiterschicht homogen, zumindest homogener als in der ersten fotoleitenden Halbleiterschicht, ist.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorge- sehen sein, dass bei jedem der Subpakete aufgrund der unter- schiedlichen Dotierung jeweils die erste fotoleitende Halb- leiterschicht eine größere Rekombinationsrate für Elektron- Loch-Paare aufweist als die zweite fotoleitende Halbleiter- schicht und bei jedem der Subpakete aufgrund der unterschied- lichen Dotierung jeweils die zweite fotoleitende Halbleiter- schicht einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als die erste fotoleitende Halbleiterschicht.
Die Dicke jeder der Halbleiterschichten jedes Subpakets ist vorzugsweise jeweils kleiner als 10 nm.
Die Dicke des aus den Subpaketen gebildeten Schichtpakets liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 μm.
Die Anzahl der Subpakete im Schichtpaket beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 100.
Die Dicke der ersten und zweiten fotoleitenden Halbleiter- schicht ist bei jedem Subpaket vorzugsweise jeweils in der Größenordnung der De-Broglie-Wellenlänge von in der jeweili- gen Halbleiterschicht befindlichen und in der jeweiligen Schichtebene beweglichen Elektronen.
Die Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit erstreckt sich bei jedem Subpaket - senkrecht zur Schichtebene der Halblei- terschichten gesehen - vorzugsweise jeweils zumindest über die erste und zweite Halbleiterschicht.
Die beschriebene Ausgestaltung der Schichtdicken und die dar- auf basierende Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit er- leichtert es, dass sich Eigenschaften von Schichten auf be- nachbarte Schichten auswirken, beispielsweise Dunkelströme, die die ersten Halbleiterschichten hervorrufen könnten, durch die zweiten Halbleiterschichten kompensiert werden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei zumindest einem der Subpakete oder bei allen Subpaketen je- weils zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist, die die Diffusion des Dotier- stoffs von der ersten in die zweite Halbleiterschicht bremst.
Die ersten und zweiten Halbleiterschichten sind vorzugsweise jeweils dotierte InGaAs-Schichten.
Der Dotierstoff oder die Dotierstoffe, mit denen die ersten und zweiten Halbleiterschichten dotiert sind, sind vorzugs- weise Eisen, Rhodium und/oder Ruthenium.
Die ersten und zweiten Halbleiterschichten sind vorzugsweise jeweils Molekularstrahlepitaxie-gewachsene Schichten.
Der Dotierstoff, mit dem die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht jedes Subpakets unterschiedlich dotiert sind, ist - bei einer bevorzugten Ausführungsvariante - in der ersten und zweiten fotoleitende Halbleiterschicht jeweils dasselbe Übergangsmetall.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante ist bei zu- mindest einem Subpaket die erste fotoleitende Halbleiter- schicht mit einem Übergangsmetall und die zweite fotoleitende Halbleiterschicht mit einem anderen Übergangsmetall dotiert.
Auch kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass eine fotoleitende, vorzugsweise die erste oder die zweite, Halb- leiterschicht jedes Subpakets mit einem Übergangsmetall do- tiert ist und eine oder die andere fotoleitende Halbleiter- schicht jedes Subpakets n-dotiert, p-dotiert oder undotiert ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine der Schichten, vorzugsweise die erste und/oder die zweite fotoleitende Halb- leiterschicht, jedes Subpakets mit einem Dotierstoff dotiert ist, der energetisch im Bereich der Bandmitte der Bandlücke des Halbleitermaterials der jeweiligen Schicht liegt, und zwar mit einer Abweichung von der Bandmitte von maximal ±10 % der Bandlückenenergie der Bandlücke.
Vorteilhaft ist es, wenn Licht eines Wellenlängenbereichs zwischen 0.5 μm und 2 μm in mindestens einem der Subpakete absorbiert wird.
Vorzugsweise ist eine Antenne zum Abstrahlen und Empfangen von Terahertz-Strahlung mit dem Fotoleiter verbunden.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen eines Fotoleiters, bei dem mittelbar oder un- mittelbar auf ein Substrat ein Schichtpaket mit mehreren fo- toleitenden Halbleiterschichten aufgebracht wird. Erfindungs- gemäß ist vorgesehen, dass auf das Substrat oder eine auf dem Substrat befindliche Pufferschicht ein Schichtpaket mit zu- mindest zwei Subpaketen aufgebracht wird, die jeweils zumin- dest eine fotoleitende Halbleiterschicht und eine zweite fo- toleitende Halbleiterschicht umfassen, wobei bei jedem der Subpakete die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht unterschiedlich hoch dotiert werden.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fotoleiter und dessen vorteilhafter Ausge- staltungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfin- dungsgemäßen Fotoleiter,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen er- findungsgemäßen Fotoleiter,
Fig. 3-4 Verläufe des resultierenden Widerstands und der resultierenden Rekombinationsrate für unter- schiedliche Wachstumstemperaturen bei Eisen- Dotierung von InGaAs-Material, und
Fig. 5-6 Verläufe des resultierenden Widerstands und der resultierenden Rekombinationsrate für unter- schiedliche Wachstumstemperaturen bei Rhodium- Dotierung von InGaAs-Material.
In den Figuren werden für identische oder vergleichbare Kom- ponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die Figur 1 zeigt in einem schematischen Querschnitt ein Aus- führungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Fotoleiter 10, der einen Bestandteil einer nicht weiter gezeigten THz- Antenne bilden kann. Der Fotoleiter 10 umfasst ein Substrat 11 aus einem vorzugsweise halbisolierenden Material, bei dem es sich beispielsweise um InP-Material handeln kann. Auf dem Substrat 11 befindet sich eine nichtleitende Pufferschicht 12. Auf die nichtleitende Pufferschicht 12 wurde ein Schicht- paket 13, das eine Vielzahl an Subpaketen 130 aufweist, abge- schieden, vorzugsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weisen die Subpake- te 130 jeweils eine erste fotoleitende Halbleiterschicht 131 und eine zweite fotoleitende Halbleiterschicht 132 auf. Die Halbleiterschichten 131 und 132 bestehen vorzugsweise aus In- GaAs-Material.
Die Dicke der beiden Halbleiterschichten 131 und 132 ist re- lativ gering und beträgt vorzugsweise weniger als 10 Nanome- ter. Eine solche Dicke der fotoleitenden Halbleiterschichten 131 und 132 liegt in der Größenordnung der De-Broglie-Wellen- länge, sodass sich die Elektronen-Aufenthaltswahrscheinlich- keit bei jedem der Subpakete 130 - senkrecht zur Schichtebene der Halbleiterschichten 131 und 132 gesehen - jeweils zumin- dest über die erste Halbleiterschicht 131 und die zugeordnete bzw. benachbarte zweite Halbleiterschicht 132 erstreckt.
Die Anzahl der Subpakete 130 in dem Schichtpaket 13 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 und 100, sodass sich eine Gesamtdicke des Schichtpakets 13 vorzugsweise im Bereich zwischen 500 Nanometer und 2 Mikrometer ergibt.
Die Halbleiterschichten 131 und 132 sind unterschiedlich aus- gestaltet und unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Konzent- ration an Dotierstoffen sowie hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der jeweiligen Schicht. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Halbleiter- schichten 131 und 132 sowie durch die hohe Anzahl an Subpake- ten 130 bildet das Schichtpaket 13 bei dem Ausführungsbei- spiel gemäß Figur 1 ein kurzperiodisches Halbleitersupergit- ter SPSL, das fachsprachlich auch als "Short Period Semicon- ductor Superlattice" bezeichnet wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weist die erste fo- toleitende Halbleiterschicht 131 eine relativ hohe Konzentra- tion eines Dotierstoffes auf, die zumindest 10-mal, vorzugs- weise zumindest 100-mal, höher als die Dotierstoffkonzentra- tion bei der zweiten fotoleitenden Halbleiterschicht 132 ist. Als Dotierstoff wird bei der Halbleiterschicht 131 vorzugs- weise ein sogenanntes Übergangsmetall eingesetzt, bei dem es sich beispielsweise um Eisen, Ruthenium, Rhodium und/oder Iridium handeln kann.
Die inhomogene Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der ers- ten Halbleiterschicht 131 ist - beispielsweise durch eine entsprechende Steuerung der Molekularstrahlepitaxie - vor- zugsweise so groß gewählt, dass es zu einer Clusterbildung von Dotierstoffatomen innerhalb des Kristallgitters und zur Ausbildung von Fehlstellen und Rekombinationszentren kommt, wodurch dort bzw. in der ersten Halbleiterschicht 131 insge- samt eine große Rekombinationsrate an Ladungsträgern erreicht wird. Nachteilig ist jedoch, dass die Rekombinationszentren Dunkelströme hervorrufen können.
Im Unterschied zur ersten Halbleiterschicht 131 ist die Do- tierstoffkonzentration in der zweiten Halbleiterschicht 132 vorzugsweise relativ klein; außerdem sind - beispielsweise durch eine entsprechende Steuerung der Molekularstrahlepita- xie - die Dotierstoffe dort homogen verteilt. Durch die klei- ne Dotierstoffkonzentration wird der elektrische Widerstand in der zweiten Halbleiterschicht 132 relativ groß, zumindest größer als in der ersten Halbleiterschicht 131, sein und die Rekombinationsrate bleibt klein, zumindest kleiner als in der ersten Halbleiterschicht 131. Durch die Hochohmigkeit der zweiten Halbleiterschicht 132 lassen sich Dunkelströme der ersten Halbleiterschicht 131 kompensieren.
Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Halbleiter- schichten 131 und 132 lassen sich die Schichteigenschaften jeweils individuell für bestimmte physikalische Effekte opti- mieren. So ist bei dem Ausführungsbeispiel die erste Halblei- terschicht 131 aufgrund ihrer hohen Dotierstoffkonzentration und der inhomogenen Verteilung der Dotierstoffe dafür gedacht bzw. dazu ausgelegt, Kristalldefekte zur Verfügung zu stel- len, die wiederum als Rekombinationszentren für eine ultra- schnelle Loch-Elektron-Rekombination dienen.
Die zweite Halbleiterschicht 132 hat demgegenüber eine andere Aufgabe. Aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit und aufgrund der homogenen Verteilung der Dotierstoffe inner- halb der Schicht hilft sie, Dunkelströme gering zu halten bzw. eine Hintergrundleitfähigkeit bestmöglich zu kompensie- ren.
Die unterschiedlichen Optimierungsrichtungen innerhalb eines jeden Subpakets 130 lassen sich dabei - ohne Nachteile für die fotoleitenden Eigenschaften des Fotoleiters 10 - kombi- nieren, weil sich aufgrund der geringen Dicke der Halbleiter- schichten im Bereich der De-Broglie-Wellenlänge die Elektro- nen-Aufenthaltswahrscheinlichkeit über mehrere Schichten der Subpakete 130 erstreckt.
Bei jedem der Subpakete 130 des Schichtpakets 13 wird zusam- mengefasst somit durch die unterschiedliche Ausgestaltung der darin enthaltenen Halbleiterschichten 131 und 132 jeweils ei- ne Optimierung hinsichtlich unterschiedlicher bzw. gegenläu- figer physikalischer Effekte erreicht, sodass insgesamt
- eine effiziente Konversion eintreffender optischer Strah- lung bzw. Lichts in Elektronen-Löcher-Paare,
- eine hohe Elektronenbeweglichkeit parallel zu den Schicht- ebenen der Halbleiterschichten 131 und 132,
- eine kurze Lebensdauer der Elektronen und
- ein hoher Widerstand erreicht werden können.
Nach der Molekularstrahlepitaxie des Schichtpakets 130 kann dieses nachbearbeitet werden; beispielsweise kann zur Wellen- führung eine Mesa- oder Rippenstruktur in das Schichtpaket 130 geätzt werden, wie dies beispielsweise aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift DE 102016 202 216 A1 bekannt ist.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Fotoleiter 10 in einem schematischen Quer- schnitt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist je- des der Subpakete 130 jeweils vier Schichten auf, nämlich ei- ne erste fotoleitende Halbleiterschicht 131, die der ersten Halbleiterschicht 131 gemäß Figur 1 entsprechen kann, eine zweite fotoleitende Halbleiterschicht 132, die der zweiten Halbleiterschicht 132 gemäß Figur 1 entsprechen kann, sowie zwei zusätzliche, vorzugsweise wenig oder undotierte Halblei- terschichten 133 und 134, die jeweils eine Zwischenschicht zwischen benachbarten Halbleiterschichten 131 und 132 bil- dent. Die Funktion der Zwischenschichten 133 besteht darin, eine Diffusion von Dotierstoffen zwischen den beiden Halblei- terschichten 131 und 132 zu vermeiden und somit eine Alterung der fotoleitenden Eigenschaften des Fotoleiters 130 zumindest zu verzögern. Bei den Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläutert worden sind, sind sowohl die erste Halbleiterschicht 131 als auch die zweite Halbleiterschicht 132 jeweils mit einem Übergangsmetall dotiert, es unterschei- det sich lediglich die Dotierstoffkonzentration in den beiden Halbleiterschichten sowie die lokale Verteilung der Dotier- stoffe (mit und ohne Clusterbildung), wie dies oben erläutert wurde.
Übergangsmetalle weisen bezüglich des Einsatzes in Fotolei- tern den Vorteil auf, dass sie energetisch im Bereich der Bandmitte der Bandlücke des jeweiligen Halbleitermaterials, in das sie eingefügt sind, liegen, wodurch eine besonders ho- he Effizienz mit Blick auf eine Rekombination von Elektronen und Löchern erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Bildung von Rekombinationszentren vorgesehen Dotier- stoffe, insbesondere Übergangsmetalle, bandmäßig im Bereich der Bandmitte mit einer Abweichung von max. ±10 % der Bandlü- ckenenergie der jeweiligen Bandlücke liegen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der bei- den Halbleiterschichten, vorzugsweise die zweite Halbleiter- schicht 132, mit einem anderen Dotierstoff dotiert ist, wo- durch beispielsweise eine n-Dotierung oder eine p-Dotierung erreicht wird.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen für Eisen und Rhodium jeweils den sich ergebenden spezifischen Widerstand ρ in Ωcm und die Re- kombinationszeit τ in Picosekunden für unterschiedliche Fe- bzw. Rh-Zellentemperaturen T in Grad Celsius C während einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie von InGaAs Material. Man erkennt in den Figuren 3 und 4, dass sich für Eisen ein sehr hoher Widerstand bei ca. 1000°C (Eisendotierung 0,9·1019cm-3) erreichen lässt, wohingegen eine Zellentempera- tur von 1300°C für geringe Rekombinationszeiten (Eisendotie- rung 1,7·1022cm-3) ideal ist; eine geeignete Kompromisstempe- ratur würde somit bei ca. 1150°C (Dotierung 0,6·1021cm-3) lie- gen.
In den Figuren 5 und 6 erkennt man, dass sich für Rhodium ein hoher Widerstand bei ca. 1650°C (Dotierung 7,9·1019cm-3) er- reichen lässt, wohingegen eine Temperatur von 1800°C für ge- ringe Rekombinationszeiten (Dotierung 4,9·1020cm-3) ideal ist; eine geeignete Kompromisstemperatur würde hier bei ca. 1700°C (Dotierung 1,1·1020cm-3) liegen.
Als erste Halbleiterschicht 131, die eine hohe Rekombinati- onsrate aufweisen soll, wird für die Subpakete des Fotolei- ters 10 gemäß den Figuren 1 und 2 demgemäß vorzugsweise eine Eisen-dotierte Schicht bei ca. 1300°C und einer Dotierung von 1,7·1019cm-3 hergestellt; als zweite Halbleiterschicht 132, die hochohmig sein soll, wird demgemäß vorzugsweise jeweils eine Rhodium-dotierte Schicht bei ca. 1650°C und einer Dotie- rung von 7,9·1019cm-3 hergestellt. Das Verhältnis der Dotier- konzentrationen beträgt in diesem Falle mehr als 200.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs- beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
10 Fotoleiter
11 Substrat 12 nichtleitende Pufferschicht
13 Schichtpaket
130 Subpaket
131 erste fotoleitende Halbleiterschicht
132 zweite fotoleitende Halbleiterschicht 133 wenig oder undotierte Halbleiterschicht
134 wenig oder undotierte Halbleiterschicht
C Grad Celsius
T Zellentemperaturen ρ spezifischer Widerstand τ Rekombinationszeit

Claims

Patentansprüche
1. Fotoleiter (10) mit einem Schichtpaket (13), das mehrere fotoleitende Halbleiterschichten (131-134) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Schichtpaket (13) zumindest zwei Subpakete (130) um- fasst, die jeweils zumindest eine erste fotoleitende Halb- leiterschicht (131) und eine zweite fotoleitende Halblei- terschicht (132) umfassen,
- wobei bei jedem der Subpakete (130) die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) unterschiedlich hoch dotiert sind.
2. Fotoleiter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Subpakete (130) die erste fotoleitende Halblei- terschicht (131) mindestens 10-mal höher dotiert ist als die zweite fotoleitende Halbleiterschicht (132).
3. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff, mit dem die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) jedes Subpakets (130) unter- schiedlich dotiert sind, jeweils ein Übergangsmetall ist.
4. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Subpakete (130)
- der Dotierstoff in der ersten fotoleitenden Halbleiter- schicht (131) eine höhere Konzentration an Dotierstoff- clustern bildet als in der zweiten fotoleitenden Halblei- terschicht (132) und - die Dotierstoffverteilung in der zweiten fotoleitenden Halbleiterschicht (132) homogen, zumindest homogener als in der ersten fotoleitenden Halbleiterschicht (131), ist.
5. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Subpakete (130) aufgrund der unterschiedlichen Dotierung
- jeweils die erste fotoleitende Halbleiterschicht (131) ei- ne größere Rekombinationsrate für Elektron-Loch-Paare auf- weist als die zweite fotoleitende Halbleiterschicht (132) und
- bei jedem der Subpakete (130) aufgrund der unterschiedli- chen Dotierung jeweils die zweite fotoleitende Halbleiter- schicht (132) einen größeren elektrischen Widerstand auf- weist als die erste fotoleitende Halbleiterschicht (131).
6. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke jeder der Halbleiterschichten (131-134) jedes Sub- pakets (130) jeweils kleiner als 10 nm ist.
7. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Dicke des aus den Subpaketen (130) gebildeten Schicht- pakets (13) in einem Bereich zwischen 0,6 und 2 μm liegt und/oder
- die Anzahl der Subpakete (130) im Schichtpaket (13) zwi- schen 20 und 100 beträgt.
8. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass - die Dicke der ersten und zweiten fotoleitenden Halbleiter- schicht (131, 132) bei jedem Subpaket (130) jeweils in der Größenordnung der De-Broglie-Wellenlänge von in der jewei- ligen Halbleiterschicht (131, 132) befindlichen und in der jeweiligen Schichtebene beweglichen Elektronen ist und
- sich die Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit bei jedem Subpaket (130) - senkrecht zur Schichtebene der Halblei- terschichten (131-134) gesehen - jeweils zumindest über die erste und zweite Halbleiterschicht (131) erstreckt.
9. Fotoleiter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei zumindest einem der Subpakete (130) oder bei allen Subpaketen (130) jeweils zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht (131, 132) eine Zwischenschicht (133) angeordnet ist, die die Diffusion des Dotierstoffs von der ersten in die zweite Halbleiterschicht bremst und/oder
- die ersten und zweiten Halbleiterschichten (131, 132) je- weils dotierte InGaAs-Schichten sind und/oder
- der Dotierstoff oder die Dotierstoffe, mit denen die ers- ten und zweiten Halbleiterschichten (131, 132) dotiert sind, Eisen, Rhodium oder Ruthenium ist bzw. sind und/oder
- die ersten und zweiten Halbleiterschichten (131, 132) je- weils Molekularstrahlepitaxie-gewachsene Schichten sind und/oder
- der Dotierstoff, mit dem die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) jedes Subpakets (130) unter- schiedlich dotiert sind, in der ersten und zweiten foto- leitende Halbleiterschicht (131, 132) jeweils dasselbe Übergangsmetall ist und/oder
- bei zumindest einem Subpaket (130) die erste fotoleitende Halbleiterschicht (131) mit einem Übergangsmetall und die zweite fotoleitende Halbleiterschicht (132) mit einem an- deren Übergangsmetall dotiert ist und/oder
- Licht eines Wellenlängenbereichs zwischen 0,5 μm und 2 μm in mindestens einem der Subpakete (130) absorbiert wird und/oder
- eine Antenne zum Abstrahlen und Empfangen von Terahertz- Strahlung mit dem Fotoleiter (10) verbunden ist, und/oder
- eine fotoleitende, vorzugsweise die erste oder die zweite, Halbleiterschicht (131, 132) jedes Subpakets (130) mit ei- nem Übergangsmetall dotiert ist und eine oder die andere fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) jedes Subpakets
(130) n-dotiert, p-dotiert oder undotiert ist und/oder
- zumindest eine der Schichten, vorzugsweise die erste und/oder die zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132), jedes Subpakets (130) mit einem Dotierstoff dotiert ist, der energetisch im Bereich der Bandmitte der Bandlü- cke des Halbleitermaterials der jeweiligen Schicht liegt, und zwar mit einer Abweichung von der Bandmitte von maxi- mal ±10 % der Bandlückenenergie der Bandlücke.
10. Verfahren zum Herstellen eines Fotoleiters (10), bei dem mittelbar oder unmittelbar auf ein Substrat (11) ein Schicht- paket (13) mit mehreren fotoleitenden Halbleiterschichten (131-134) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- auf das Substrat (11) oder eine auf dem Substrat (11) be- findliche Pufferschicht (12) ein Schichtpaket (13) mit zu- mindest zwei Subpaketen (130) aufgebracht wird, die je- weils zumindest eine erste fotoleitende Halbleiterschicht
(131) und eine zweite fotoleitende Halbleiterschicht (132) umfassen, - wobei bei jedem der Subpakete (130) die erste und zweite fotoleitende Halbleiterschicht (131, 132) unterschiedlich hoch dotiert werden.
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