DD158198A3

DD158198A3 - Photodiode

Info

Publication number: DD158198A3
Application number: DD22006380A
Authority: DD
Inventors: Hubert Pohlack
Original assignee: Hubert Pohlack
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1980-03-31
Publication date: 1983-01-05
Also published as: SU1292075A1; JPS56151903A; DE3101700A1

Abstract

Photodioden mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/oder zur Intensitaetsmessung, vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer Strahlung hoher Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise zur Anwendung in der Lichtnachrichtenuebertragung. Insbesondere handelt es sich um Halbleiterdioden mit mindestens einer Sperrschicht in Form eines PN- oder PIN-Uebergangs. Ziel der Erfindung sind Photodioden mit solchen optischen Strukturen, durch welche die bei konventionellen Photodioden durch unvollstaendige Absorption im Sperrschichtbereich auftretenden Umwandlungsverluste der Strahlungsenergie und zugleich die Reflexionsverluste fuer einen vorgegebenen Wellenlaengenbereich weitgehend aufgehoben werden. Das geschieht im wesentlichen durch die gemaess der Erfindungsansprueche vorgenommene Bemessung der optischen Schichtdicke des Halbleiters und dessen erfindungsgemaesse Hinterlegung mit einer Interferenzschichtenfolge.

Description

-/

220063

Titel: Photodiode

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft Photodioden mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/oder zur Intensitätsmessung, vorzugsweise monochromatischer elektromagnetischer Strahlung hoher Impulsfolgefrequenzen, beispielsweise zur Anwendung in der Lichtnachrichtenübertragung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Photodioden zum Nachweis und/oder zur Intensitätsmessung elektromagnetischer Strahlung sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie bestehen meist aus einem Halbleiter mit mindestens einer Sperrschicht in Form eines als PN-Obergang, PIN-Obergang oder Schottky-Obergang ausgebildeten Bereichs, dessen elektrisches Feld der Trennung der von den eindringenden Photonen erzeugten freien Ladungsträgerpaare dient. Durch eine äußere, in Sperrrichtung angelegte elektrische Spannung wird ein äußerer Strom erzeugt, der monoton mit der Anzahl der absorbierten Photonen wächst, insoweit die Energie der eindringenden Photonen größer als der Energieabstand zwischen Va^- lenz- und Leitungsband des Halbleiters ist, bzw. insoweit die eindringende elektromagnetische Strahlung innerhalb des Spektralbereichs liegt, in welchem die Halbleitersubstanz absorbiert.

3581

1QJÜÜ98G*S7i:LO::

- 2 - 22 0 0 6 3

Es ist bekannt, daß - in vereinfachter Betrachtungsweise - nur diejenigen Elektron-Loch-Paare für den Photostrom wirksam werden, die in dem von der Sperrschicht gebildeten Feld bzw. in der sogenannten "Verarmungszone" der PN-, PIN- oder Schottky-Struktur oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft gebildet werden, da weit außerhalb dieser Zone entstehende freie Ladungsträger vor ihrer Diffusion in das Feld der Sperrschicht rekombinieren.

Der Eindringtiefe der in den Halbleiter eindringenden Photonen kommt daher bezüglich der Empfindlichkeit von Photodioden eine hohe Bedeutung zu. Befindet sich nämlich das durch die Sperrschicht erzeugte elektrische Feld in einem Abstand von der Lichteintrittsfläche, die größer ist als die Eindringtiefe relativ energiereicher Photonen bzw. relativ kurzwelliger Strahlung, so werden diese Photonen für die Bildung des äußeren Photostroms

-· » · -

nicht oder nur wenig wirksam. Liegt das Sperrschichtfeld hingegen unmittelbar hinter der Eintrittsfläche, also innerhalb der Reichweite der energiereicheren Photonen, so werden bei bisher bekannten Photodioden-Anordnungen die Photonen niedrigerer Energie, welche relativ große Eindringtiefen besitzen bzw. die längerwellige Strahlung nur zu einem geringen Anteil für den Photoeffekt genutzt, weil sich die Absorption über einen Bereich des Halbleiters verteilt, der sehr viel größer ist als die Verarmungszone.

In den bisher bekannten Photodioden wird daher, insbesondere bei nur wenig über dem Bandabstand des Halbleiters liegenden Photonenenergien, die räumliche Übereinstimmung von Sperrschichtfeld bzw. Verarmungszone und Absorptionsbereich nicht oder nur ungenügend realisiert. Darüber hinaus treten bei den bekannten Halbleiterphotodioden hohe zusätzliche Verluste durch Reflexion an der Eintrittsfläche auf, die durch aufwendige

in !Ii! IqGfUR¹TM ,V- ³⁵⁸¹

22 00 63

Entspiegelungsmaßnahmen kompensiert werden müssen.

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung sind Photodioden, die einen solchen geometrischen Aufbau und eine solche optische Struktur aufweisen, daß die in bekanten Photodioden-Anordnungen \durch unvollständige Absorption im Sperrschichtbereich auftretenden Umwandlungsverluste bei vorgegebener Wellenlänge aufgehoben oder wesentlich herabgesetzt werden. Zugleich wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Beseitigung der bei Halbleitern im allgemeinen hohen Reflexionsverluste beim Eintritt der Strahlung bewirkt.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem HaIbleiter mit einer als PN- oder PIN-Übergang ausgebildeten Sperrschicht, wobei durch Hinterlegung des Halbleiters mit einer Interferenzschichtenfolge hohen Reflexionsgrades sowie durch geeignete Bemessung der Halbleiterdicke die effektive Eindringtiefe herabge-

setzt und auf die,se Weise ein sehr viel höherer Anteil der Strahlungsenergie bei der ,gewünschten Wellenlänge für den äußeren elektrischen Photostrom wirksam gemacht wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Halbleiter eine optische Dicke von η *d = m ₍\/A

aufweist, wobei Λ die gewünschte Wellenlänge ist, bei welcher der Absorptionskoeffizient des Halbleiters den Wert k annimmt, η die Brechungszahl des Halbleiters bei der Wellenlänge /\ bedeutet und m eine ganze Zahl in der Nähe des Wertes 2/fr»k ist. Die Interferenzschichtenfolge besteht gemäß der Erfindung aus /V /4-Schichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen bei geraden m bzw. mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen bei ungeraden m.

3581

-4- 22 00 6 3

Dabei kann entsprechend der Erfindung die erste Schicht ' der Interferenzschichtenfolge in Form einer elektrisch leitenden transparenten Schicht ausgebildet werden und die Funktion der rückwärtigen Elektrode ausüben.

Die Erfindung läßt für die Bemessung der Halbleiterdicken und der hinterlegten Interferenzschichtenfolge einen sowohl senkrecht als auch parallel zur Sperrschicht gerichteten Strahlungseinfall zu.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer (nicht maßstabsgerechten) Figur durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es handelt sich um eine Photodiode aus einer amorphen Siliziumschicht, welche nach einer der bekannten Her-Stellungstechnologien erzeugt wurde, wobei die Sperrschicht in bekannter Weise durch eine PIN-Struktur, bestehend aus einem hoch dotierten P-Bereich 1, einem "Intrinsic"-Bereich hoher Halbleitenreinheit 2 und einem dotierten N-Bereich 3 gebildet wird. Die nachzuweisende bzw. zu messende Strahlung 4 der Wellenlänge 0,920,Um trifft senkrecht auf die PIN-Grenzflachen auf. Die Außenkontakte (in der Figur nicht gezeichnet), an welche die Dioden-Sperrspannung angelegt ist, können in bekannter Weise als Randkontakte ausgebildet werden. Die hinterlegte Interferenzschichtenfolge besteht aus vier Schichtpaaren, wobei die Einzelschichten mit den optischen Schichtdicken Λ/4 abwechselnd niedrige Brechungszahlen 5 (n = 1.34) und hohe Brechungszahlen 6 (n = 2.4), aufweisen; lediglich die erste, dem Halbleiter unmittelbar anliegende Interferenzschicht 7, die aus mit Indiumoxid dotiertem Zinnoxid besteht und als rückwärtige Elektrode dient, besitzt die dieser Substanz zukommende Brechungszahl von ungefähr 1.8. Das gesamte System befindet sich auf einer stabilen Unterlage 8, beispielsweise aus Glas

220063

der Brechungszahl 1.5, die im Sinne der Erfindung keine wesentliche Funktion ausübt.

Brechungszahl und Absorptionskoeffizient der Siliziumschicht betragen bei der Wellenlänge 0,920,Um η = 3.80

und l< = 0,01. Dementsprechend ergibt sich für den Wert m, der der Festlegung der optischen Dicke dient, aus m a? 2/tf . k β 63,66 der ganzzahlige Wert m = 64, und damit wird die optische Dicke des Halbleiters η . d =

m 7^/4 = 64 . Λ/4 bzw. die geometrische Dicke d = m fr. /4n = 3,874,um. Der P-Bereich ist mit ungefähr 0,1 bis 1 ,um bemessen".

Da die genaue Einstellung der optimalen Halbleiterdicke wegen möglicher geringfügiger Abweichungen von Brechungszahl und Absorptionskoeffizient auf direktem Wege kompli- ziert ist, wird während der Beschichtung in bekannter Weise der mit wachsender Schichtdicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der Wellenlänge 0,920,um gemessen, und der Beschichtungsprozeß wird abgebrochen, sobald das tiefste Reflexionsminimum erreicht ist. Errechnet man _ fur die mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Photodioden-Anordnung den Transmissionsgrad X , den Reflexionsgrad ^ und daraus die Absorption C*. der auf treffenden Strahlung der Wellenlänge 0,920,um, so erhält man für V ungefähr 2% und für ^ weniger als 0,0001%, so daß also ungefähr ''"98% der auf treffenden Strahlung in der Photodiode absorbiert werden, wobei der Absorptionsbereich entsprechend der geometrischen Anordnung nur wenig größer als das Sperrschichtfeld bzw. die Verarmungszone ist und somit alle auf treffenden Photonen für den Photostrom wirksam werden. Zugleich besitzt die in der beschriebenen Anordnung realisierte Verarmungszone größenordnungsmäßig einen solchen Wert, wie er aus bekannten Überlegungen und Berechnungen für die Verarbeitung sehr hoher Impulsfolgefrequenzen erforder-

/! η n;i ino Γι , C >·" ; i [ Γ\ '~

-s- 22 0 06 3

lieh ist.

Geht man davon aus, daß für schnelle Siliziumphotodioden die Verarmungszone eine Größe von 4,5,um nicht wesentlich überschreiten sollte und deshalb die Halbleiterbereiche in einer Entfernung ab etwa 5,5 ,um von der Eintrittsfläche nicht mehr wesentlich zur Bildung photostromwirksamer Absorptionsvorgänge beitragen, so ergibt sich für eine konventionelle Photodiodenanordnung bei den optischen Konstanten des Siliziums für die VVeI- ' lenlänge 0,920,Um, daß die einfallende Strahlung nur zu etwa 50% genutzt wird, weil die restlichen 50% in Halbleiterbereichen absorbiert werden, die wesentlich hinter der Verarmungszone liegen. Bei dieser Überlegung wurden die Reflexionsverlüste der Eintrittsfläche noch nicht einmal berücksichtigt. In Wirklichkeit ist also die Gesamtausbeute der auf treffenden Strahlung noch erheblich größer, wenn die Eintrittsfläche nicht weitgehend entspiegelt wird.

in hü iqp.!i*fs7i ί 0: ³⁵⁸¹

Claims

~ J. —

1. Photodiode mit hoher Empfindlichkeit zum Nachweis und/ oder zur Intensitätsmessung vorzugsweise monochromatische] elektromagnetischer Strahlung, bestehend aus einem Halbleiter mit einer als PN- oder PIN-Übergang ausgebildeten Sperrschichtstruktur, die mit einem Schichtsystem hohen Reflexionsgrades hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet,-daß der Halbleiter eine in Strahlungsrichtung gemessene optische Dicke nd = ηι«λ/4 aufweist, wobei λ die Wellenlänge ist, bei welcher der Absorptionskoeffizient des

K) Halbleiters den Wert k und die Brechungszahl den Wert η annimmt und m eine ganze Zahl in der Uähe des Wertes 2/TTk ist.

2. Photodiode nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochreflektierende Schichtsystem, mit welchem der Halbleiter hinterlegt ist, eine unmittelbar an den Halbleiter grenzende Interferenzschicht niedriger Brechungszahl bei geradem m und eine Interferenzschicht hoher Brechungszahl bei ungeradem m enthält.

2 2 0 0 6 3

Erfindungsanspruch:

f~

3· Photodiode nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar an den Halbleiter grenzende Inter- ferenzschicht des hinterlegten hochreflektierenden Schicht systems aus einer elektrisch leitenden, bei der Wellenlänge transparenten Substanz, zum Beispiel Zinn- und/oder Indiumoxid besteht.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

3581