WO1998056045A1 - Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver photodetektor - Google Patents

Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver photodetektor Download PDF

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Hartmut Presting
Lorenzo Colace
Gianlorenzo Masini
Thomas Pearsall
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Definitions

  • the invention relates to a voltage-controlled wavelength-selective photodetector according to the preamble of patent claim 1 and a method for its use according to the preamble of patent claim 11.
  • Voltage-controlled wavelength-selective photodetectors can be used in optoelectronic converters, in signal processing and for logic switching networks. From a publication (Friedmann et al. In compound semiconductor, page 27, Nov. / Dec. 1996) photodetectors made of compound semiconductors are known which are used in two wavelength operation. In addition, a photodetector is described in a patent application (AZ 197 14 054) filed before the filing date but subsequently published, which is constructed from at least two stacked photodiodes made of the semiconductor material silicon / silicon germanium (Si / SiGe). These detectors are used, for example, in solar cells with the aim of generating the highest possible photocurrent by adding the charges generated in the individual detectors. The use of different bears
  • Semiconductor materials help to achieve high spectral sensitivity in addition to high efficiency.
  • the individual photocurrents generated in the detectors always overlap additively.
  • the detection of light signals with several photodetectors is thus used, but not the possibility of signal processing by subtracting the photocurrents.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an inexpensive, monolithically highly integrable photodetector which opens up a broad spectrum for signal conversion through wavelength selectivity and can be used in particular to improve the signal / noise ratio of an optical signal.
  • the invention is represented by the features of claims 1 and 11. The further claims contain advantageous refinements and developments of the invention.
  • the photodetector according to the invention is constructed from a double diode which consists of an Si Schottky diode which is polarized against one another and of an SiGe PIN diode.
  • the short-wave portion ( ⁇ ⁇ 0.9 ⁇ m) of light entering the detector through a window preferably generates electron-hole pairs in the Si Schottky detector, while the longer-wave portion (l ⁇ m ⁇ ⁇ 2 ⁇ m) passes through the substrate and in the epitaxially deposited SiGe Superlattice or the quantum well diode is preferably absorbed.
  • the photocurrents of both detectors flow physically in opposite directions and subtract, so that this leads to a wavelength-dependent sign of the photocurrent.
  • the level of the applied bias voltage decides whether the photocurrent of the Si Schottky diode or the photocurrent of the Si / Ge PIN diode determines the spectrum.
  • the layer structure shown is deposited on a lightly p-doped Si semiconductor substrate 1, for example by means of molecular beam epitaxy.
  • the layer structure consists of a graded SiGe buffer 2, a thickness of approximately 650 nm, with a final Ge concentration of, for example, 60 atom percent, a constant SiGe buffer 3, a thickness of approximately 500 nm, preferably with a final Ge concentration of the graded buffer 2 corresponding Ge concentration of 60 atom percent an n-doped Si-Ge superlattice 4 with a thickness of approximately 200 nm, consisting of a periodically repeating
  • the detector areas are electrically isolated from the surrounding semiconductor material, for example by silicon dioxide or trench etching.
  • the metallization of the substrate-side first contact 6, including the window 8, and the second metal contact 7 on the epitaxial layer, which acts as a Schottky contact, is also structured using standard semiconductor process technology.
  • the second metal contact 7 forms an ohmic contact due to the high doping of the thin cover layer 5.
  • Curve course of the photocurrent as a function of the incident light wavelength Depending on the bias bias of the detector, either one results Photocurrent 10 from the silicon diode or a photocurrent 11 from the PIN SiGe diode in the event that the voltage is chosen to be so high, for example ⁇ 1 V, that one of the two diodes always switches through and the other is operated in the blocking region.
  • the dynamic behavior of the detector used in the operating state arises for bias voltages that lie between the limits ⁇ 1 V.
  • the curves are entered in Fig. 4 for some intermediate values. With a suitably selected bias voltage, for example for 0.2V, the curve has both positive and negative values depending on the wavelength. For example, this can be used in an application to decode signals as follows.
  • the useful signal S can thus be separated from the noise level very easily.
  • 5 shows the signal / noise ratio (S / N) of a useful signal S which has been processed by decoding.
  • the course of the curve proves in this example that the signal / noise ratio is considerably increased by this method by superimposing the signals in the range of the selected wavelengths ⁇ and ⁇ 2 .

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Abstract

Ein spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor ist aus einer Doppeldiode aufgebaut, die aus einer gegeneinander gepolten Si-Schottkydiode und aus einer SiGe PIN-Diode besteht. Der kurzwellige Anteil (μ < 0,9νm) des durch ein Fenster in den Detektor eintretenden Lichts erzeugt bevorzugt Elektron-Lochpaare im Si-Schottky-Detektor, während der längerwellige Anteil (1νm < μ < 2νm) das Substrat passiert und im epitaktisch abgeschiedenen SiGe Übergitter bzw. der Quantum Well Diode bevorzugt absorbiert wird. Die Photoströme beider Detektoren fließen dabei physikalisch in entgegengesetzte Richtungen und subtrahieren sich, so daß dies zu einem wellenlängenabhängigen Vorzeichen des Photostroms führt. Die Höhe der angelegten Bias-Spannung entscheidet, ob der Photostrom der Si-Schottkydiode oder der Photostrom der Si/Ge PIN-Diode das Spektrum bestimmt. Dies kann beispielsweise in einer Anwendung zum Decodieren von Signalen genutzt werden, indem durch eine Umwandlung des Lichtsignals in ein elektrisches Ausgangssignal und durch Subtraktion der Photoströme der beiden Detektoren gerade der Rauschanteil herausgefiltert wird und damit das Signal/Rauschverhältnis eines Lichsignals erhöht wird.

Description

Beschreibung
Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor
Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten wellenlängenselektiven Photodetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Verwendung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Spannungsgesteuerte wellenlängenselektiven Photodetektoren können bei optoelektronischen Wandlern, bei der Signalaufbereitung und für logische Schaltnetze eingesetzt werden. Aus einer Schrift (Friedmann et al. in compound semiconductor, Seite 27, Nov./Dez. 1996) bekannt sind Photodetektoren aus Verbindungshalbleiter, die im zwei Wellenlängenbetrieb verwendet werden. Außerdem ist in einer vor dem Anmeldetag eingereichten, jedoch nachveröffentlichten Patentanmeldung (AZ 197 14 054) ein Photodetektor beschrieben, der aus zumindest zwei übereinander angeordneten Photodioden aus dem Halbleitermaterial Silicium/Silicium-Germanium (Si/SiGe) aufgebaut ist. Verwendung finden diese Detektoren beispielsweise in Solarzellen mit dem Ziel, durch eine Addition der in den einzelnen Detektoren entstehenden Ladungen einen möglichst hohen Photostrom zu erzeugen. Dabei trägt die Verwendung unterschiedlicher
Halbleitermaterialien dazu bei, neben einem hohen Wirkungsgrad eine hohe spektrale Empfindlichkeit zu erzielen. Die einzelnen in den Detektoren entstehenden Photoströme überlagern sich immer additiv. Damit wird zwar das detektieren von Lichtsignalen mit mehreren Photodetektoren angewandt, jedoch nicht die Möglichkeit einer Signalaufbereitung durch eine Subtraktion der Photoströme.
Zur Trennung eines Nutzsignals S vom Rauschen N und zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses (S/N) werden zur Signaldecodierung aufwendige Anordnungen und Verfahren, die aus mehreren Detektoren, Strahlteilern, Filtern und zusätzlicher Elektronik bestehen angewandt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen, monolithisch hochintergrierbaren Photodetektor anzugeben, der durch Wellenlängenselektivität ein breites Spektrum zur Signalumwandlung eröffnet und insbesondere zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses eines optischen Signals verwendbar ist. Die Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Photodetektor ist aus einer Doppeldiode aufgebaut, die aus einer gegeneinander gepolten Si-Schottkydiode und aus einer SiGe PIN- Diode besteht. Der kurzwellige Anteil (λ<0,9μm) des durch ein Fenster in den Detektor eintretenden Lichts erzeugt bevorzugt Elektron - Lochpaare im Si Schottky-Detektor, während der längerwellige Anteil (l μm<λ<2μm) das Substrat passiert und im epitaktisch abgeschiedenen SiGe Übergitter bzw. der Quantum Well Diode bevorzugt absorbiert wird. Die Photoströme beider Detektoren fließen dabei physikalisch in entgegengesetzte Richtungen und subtrahieren sich, so daß dies zu einem wellenlängenabhängigen Vorzeichen des Photostroms führt. Die Höhe der angelegten Bias-Spannung entscheidet, ob der Photostrom der Si- Schottkydiode oder der Photostrom der Si/Ge PIN-Diode das Spektrum bestimmt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
FigJ Aufbau eines Photodetektors,
Fig.2 Ersatzschaltbild der Doppeldiode eines Photodetektors,
Fig.3 Photostrom eines Detektors bei höherer positiver und negativer
Bias-Spannung als Funktion der Wellenlänge λ, Fig.4 Photostrom eines Detektors im Betriebszustand bei geringeren Bias-
Spannungen zwischen -0,3 und 0,4 Volt, Fig.5 Signal/Rauschverhältnis eines decodierten Signals. Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 wird auf ein gering p-dotiertes Si- Halbleitersubstrat 1 beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie die dargestellte Schichtstruktur abgeschieden. Die Schichtstruktur besteht dabei aus einem gradierten SiGe-Puffer 2, einer Dicke von ungefähr 650nm, mit einer Ge-Endkonzentration von beispielsweise 60 Atomprozent einem konstanten SiGe-Puffer 3, einer Dicke von ungefähr 500nm, bevorzugt mit einer der Ge-Endkonzentration des gradierten Puffers 2 entsprechenden Ge-Konzentration von 60 Atomprozent einem n-dotierten Si-Ge-Übergitter 4 mit einer Dicke von ungefähr 200nm, bestehend aus einer sich periodisch wiederholenden
Schichtenfolge aus beispielsweise sechs Monolagen Si und vier Monolagen Ge, mit einer Dotierstoffkonzentration (Sb) von 10I7pro cm3 einer hoch n-dotierten (1019pro cm3) Si-Deckschicht 5 einer Dicke von gefähr 2nm. Mit gängigen Verfahrensschritten der integrierten Halbleitertechnologie werden die Detektorbereiche beispielsweise durch Siliziumdioxid oder Grabenätzung elektrisch gegen das umgebende Halbleitermaterial isoliert. Ebenfalls mit Standard-Halbleiterprozeßtechnik wird die als Schottky-Kontakt wirkende Metallisierung des substratseitigen ersten Kontakts 6, einschließlich des Fensters 8, und der zweite Metallkontakt 7 auf der Epitaxieschicht strukturiert. Der zweite Metallkontakt 7 bildet durch die hohe Dotierung der dünnen Deckschicht 5 einen ohmschen Kontakt.
Das dem Schichtaufbau entsprechende Ersatzschaltbild der Doppeldiode A und B ist in Fig.2 abgebildet. Die Wirkungsweise der gegeneinandergeschalteten Dioden zeigt der
Kurververlauf des Photostroms als Funktion der eingestrahlten Lichtwellenlänge. Abhängig von der Bias-Vorspannung des Detektors ergibt sich entweder ein Photostrom 10 aus der Siliziumdiode oder ein Photostrom 11 aus der PIN-SiGe- Diode für den Fall, daß die Spannung so hoch gewählt wird, beispielsweise ±1 V, daß immer eine der beiden Dioden durchschaltet und die andere im Sperrbereich betrieben wird. Das im Betriebszustand genutzte dynamische Verhalten des Detektors stellt sich für Bias-Spannungen ein, die zwischen den Grenzen ±1 V liegen. Die Kurvenverläufe sind in Fig.4 für einige Zwischenwerte eingetragen. Bei geeignet gewählter Bias-Spannung, beispielsweise für 0,2V weist der Kurvenverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge sowohl positive wie auch negative Werte auf. Dies kann beispielsweise in einer Anwendung folgendermaßen zum decodieren von Signalen genutzt werden.
Bei einem einfallenden optischen Signal mit zwei Trägerfrequenzen λ, und λ2 ist die Responsivität R des Detektors gegeben durch die Beziehung: R = A, (S+N) + A2N ; wobei A, und A2 die spannungsabhängige Responsivität der einzelnen Dioden bei den Wellenlängen λ1 und λ2, S das Nutzsignal und N das Rauschsignal darstellt. Durch Anlegen einer geeigneten Bias-Spannung kann die Bedingung A, = -A2 erfüllt werden, indem so abgeglichen wird, daß die Photoströme der beiden Dioden entgegengesetzte Vorzeichen besitzen, woraus sich ergibt: R = A, S
Das Nutzsignal S kann damit sehr einfach vom Rauschpegel getrennt werden. Das Signal/Rauschverhältnis (S/N) eines Nutzsignals S, das durch Decodieren aufbereitet wurde zeigt Fig.5. Der Kurven verlauf beweist in diesem Beispiel, daß durch dieses Verfahren das Signal/Rauschverhältnis durch die Überlagerung der Signale im Bereich der ausgewählten Wellenlängen λ, und λ2 beträchtlich gesteigert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor aus mindestens zwei übereinander angeordneten und für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindliche Detektoren (A, B) aufgebaut ist, die elektrisch gegeneinander gepolt sind.
2. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor (A) aus einer Schottky-Diode besteht.
3. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (B) aus einer Si/SiGe pn-Diode oder PIN-Diode besteht.
4. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (B) mit integriertem Resonator ausgebildet ist.
5. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß über dem zweiten Detektor (B) ein Bragg-Reflektor angeordnet ist.
6. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Detektorschicht des zweiten Detektors (B) aus einer Si-Ge Vielschichtstruktur (4) besteht.
7. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Si-Ge Vielschichtstruktur als Ge/SiGe Quantentopfpotential ausgebildet ist.
8. Spannungs gesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Si-Ge Vielschichtstruktur als Si-Ge Übergitter ausgebildet ist.
9. Spannungs gesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einer am ersten Detektor (A) befindlichen ersten Kontaktschicht (6) Fenster für den Lichteintritt in den Detektor befinden.
10. Spannungsgesteuerter wellenlängenselektiver Photodetektor nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die am zweiten Detektor (B) befindliche zweite Kontaktschicht (7) auf einer hoch n-dotierten Siliciumschicht einen ohmschen Kontakt bildet.
11. Verfahren zur Verwendung eines spannungsgesteuerten wellenlängenselektiven Photodetektors mit mindestens zwei übereinander angeordneten Detektoren (A, B), die elektrisch gegeneinander gepolt sind, zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses eines Lichtsignals, bestehend aus dem Lichtanteil einer ersten Wellenlänge, der den Rauschanteil enthält und dem Lichtanteil einer zweiten Wellenlänge, der den Rauschanteil und das Nutzsignal enthält, durch eine Umwandlung des Lichtsignals in ein elektrisches Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kontakten der beiden Detektoren (A, B) eine Biasspannung angelegt wird, und die Bias-Spannung am Photodetektor so gewählt wird, daß sich durch die Subtraktion der Photoströme der beiden Detektoren gerade der Rauschanteil herausgefiltert wird.
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