• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor. Dieser weist wenigstens eine erste und eine zweite Halbleiterschicht aus. Es sind Mittel zur Kontaktierung einer Spannung an die Halbleiterschichten vorgesehen. Dabei ist die Spannung in einem ersten Spannungsbereich so einstellbar, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht begrenztes elektrisches Feld zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugt wird. Der obere Grenzwert des ersten Bereichs ist von der Schichtdicke und dem verwendeten Material abhängig. Bei Einstellung der Spannung in einem zweiten Bereich, beispielsweise im Vergleich zum ersten Bereich von höherer Spannung, dehnt sich das elektrische Feld zusätzlich in die zweite oder weitere Halbleiterschicht zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger aus. Dadurch wird erreicht, dass durch Variation der anliegenden Spannung bei unveränderter Intensität des einstrahlenden Lichtes die Anzahl der photogenerierten Ladungsträger erhöht wird und damit der Photostrom sprunghaft ansteigt. Die Empfindlichkeit des Photodetektors ist somit im Vergleich einfach und effektiv zu regeln. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung unterscheiden sich die erste und zweite Halbleiterschicht in ihrer spektralen Empfindlichkeit. Dadurch wird erreicht, dass sich die spektralen Empfindlichkeiten durch Variation der anliegenden Spannung verändern und einstellen lassen. In Abhängigkeit der anliegenden Halbleiterschichten tragen unterschiedliche ...
    公开号:DE102004018549A1
    申请号:DE200410018549
    申请日:2004-04-14
    公开日:2005-11-03
    发明作者:Peter Prof. Dr. Kordos；Michel Dr. Marso；Mike Wolter
    申请人:Forschungszentrum Julich GmbH；
    IPC主号:H01L31-108
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor sowie dessenVerwendung. Die spektrale Empfindlichkeit bekannter Photodetektorenwird in erster Linie durch die verwendeten Materialien vorgegeben. EineBeeinflussung, d.h. spektrale Verschiebung der Empfindlichkeit wirddurch Vorschalten von Filtern erreicht. So wird bei Photodektoren,die in einem Array angeordnet sind, beispielsweise bei einem CMOS-Sensor oderCCD, das Prinzip der additiven Farbmischung, die Farbmischung derdrei Grundfarben Rot, Blau und Grün, angewandt. Mittels speziellerRGB-Farbfilter wird das sichtbare Licht in seine Bestandteile aufgeteiltund getrennt ausgewertet. Nachgeschaltete Software berechnet danndie einzelnen Informationen und fügt diese schließlich zueinem kompletten farbigen Bild zusammen.
    [0002] Beimso genannten „One-Shot-Verfahren" sind die Pixel aufdem Chip mit den RGB-Filtern bedampft. Damit erfolgt die Trennungder Grundfarben unmittelbar auf dem Chip selbst. Nachteil diesesVerfahren sind Einbußenin der Farbtreue und Detailzeichnung, da bei diesem Verfahren immer3 oder 4 Pixel das Ausgangsmaterial für einen einzigen Bildpunktliefern. Beim so genannten „Three-Shot-Verfahrenspaltet ein komplexes Prismensystem das einfallende Licht spektralauf und lenkt es auf drei separate Flächensensoren. Diese wiederumbürgenfür genauereErgebnisse und höhereFarbtreue. Nachteil diese Verfahren ist die Komplexität der gesamtenMechanik, die sehr aufwendig und dadurch auch mitunter störungsanfälliger seinkann als das One-Shot-Verfahren. Außerdem sind Photodetektorenmit übereinandergeschichteten Farbsensoren fürblau, grünund rot bekannt: die Foveon – X3Technologie. Zur Farbseparation nutzt man die wellenlängenabhängige Eindringtiefedes Lichtes. Eine spannungsabhängigeSteuerung der Empfindlichkeit der einzelnen Schichten ist nichtmöglich.Aus „Stackedamorphous silicon color sensors",D. Knipp, P.G. Herzog und H. Stiebig, IEEE Transactions on ElectronDevices, 49 (2002), 170-176 sind ferner Stapel unterschiedlich dotierter,amorpher Silizium- und Siliziumgermaniumschichten bekannt, die unterschiedlichespektrale Empfindlichkeit aufweisen. Die beiden letzt genanntenTechnologien weisen den Nachteil auf, dass die so hergestelltenDetektoren vergleichsweise teuer sind und die elektrische Feldverteilungnachteilig füreine schnelle Abtastung senkrecht zur Bauelementoberfläche verläuft.
    [0003] Aus „16 GHzBandwith MSM Photodetector and 45/85 GHz fT/fmax HEMT prepared onan identical InGaAs/InP Layer Structure", M. Horstmann, K. Schimpf, M. Marso,A. Fox und P. Kordos, Electronics Letters Vol. 32, pp. 763-764 (1996)sind ferner MSM-2DEG Dioden als schnelle Photodetektoren bekannt. „Electrical Behaviourof the InP/InGaAs based MSM-2DEG Diode", M. Marso, M. Horstmann, H. Hardtdegen,P. Kordos und H. Lüth,Solid-State Electronics Vol. 41 , pp. 25-31 (1997) offenbart dieVerwendung einer MSM-2DEG Diode als Varaktor-Diode.
    [0004] Vordem Hintergrund der oben beschriebenen Nachteile ist es daher Aufgabeder vorliegenden Erfindung, einen Photodetektor sowie eine zugehörige Verwendungenbereitzustellen, der eine verbesserte, steuerbare Empfindlichkeitaufweist sowie vergleichsweise preiswert herzustellen ist.
    [0005] DieseAufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. VorteilhafteAusgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    [0006] Dererfindungsgemäße Photodetektorweist wenigstens eine erste und zweite Halbleiterschicht aus. Essind Mittel zur Kontaktierung einer Spannung an die Halbleiterschichtenvorgesehen. Dabei ist die Spannung in einem ersten Spannungsbereichso einstellbar, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschichtbegrenztes elektrisches Feld zum Abtransport photogenerierter Ladungsträger erzeugtwird. Der obere Grenzwert des ersten Bereichs ist von der Schichtdickeund dem verwendeten Material abhängig.Bei Einstellung der Spannung in einem zweiten Bereich, beispielsweiseim Vergleich zum ersten Bereich von höherer Spannung, dehnt sichdas elektrische Feld zusätzlichin die zweite oder weitere Halbleiterschicht zum Abtransport photogenerierterLadungsträgeraus. Dadurch wird erreicht, dass durch Variation der anliegendenSpannung bei unveränderterIntensitätdes einstrahlenden Lichtes die Anzahl der photogenerierten Ladungsträger erhöht wirdund damit der Photostrom sprunghaft ansteigt. Die Empfindlichkeitdes Photodetektors ist somit im Vergleich einfach und effektiv zuregeln.
    [0007] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jeweils zwischenden Halbleiterschichten ein hochleitender Bereich angeordnet. HochleitenderBereich ist dabei so zu verstehen, dass die elektrische Leitfähigkeit gegenüber denHalbleiterschichten wesentlich erhöht ist. Die Anzahl der im hochleitendenBereich vorhandenen freien Ladungsträger ist gegenüber denHalbleiterschichten erhöht.Beispielsweise wird der hochleitende Bereich durch unterschiedlicheelektrische Polarisation der angrenzenden Halbleiterschichten erreicht.Der elektrische Widerstand ist, vorausgesetzt die Ladungsträger erfahrenhier keine Rückwärtsstreuungan Störungen,vorteilhaft auf einen materialunabhängigen Wert reduziert und hängt nurvon den Fundamentalkonstanten h/e2 (Klitzing-Konstante)ab. Die im hochleitenden Bereich vorhandenen freien Ladungsträger habendie vorteilhafte Wirkung, dass sie abschirmend auf das in der erstenHalbleiterschicht vorhandene elektrische Feld wirken. Werden diefreien Ladungsträgeraus dem hochleitenden Bereich entfernt, beispielsweise durch Anlegender oben genannten Spannung, kann sich das elektrische Feld in dieweiteren Halbleiterschichten ausdehnen. Durch diesen zusätzlichenEffekt wird erreicht, dass der Sprung in der Empfindlichkeit desPhotodetektors bei Variation der anliegenden Spannung besondersausgeprägtist.
    [0008] Ineiner Ausgestaltung der Erfindung wird der hochleitende Bereichdurch eine gegenüberden Halbleiterschichten erhöhteDotierung erreicht. Dadurch kann der hochleitende Bereich vergleichsweiseeinfach hergestellt werden.
    [0009] Ineiner weiteren Ausgestaltung weist der hochleitende Bereich einElektronen- oder Löchergasauf. Beispielsweise handelt es sich um ein zweidimensionales Elektronengas(2DEG), das sich in der Grenzfläche zwischender ersten und zweiten Halbleiterschicht im Material mit der niedrigerenBandlückeausbildet.
    [0010] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung unterscheiden sich dieerste und zweite Halbleiterschicht in ihrer spektralen Empfindlichkeit.Dadurch wird erreicht, dass sich die spektralen Empfindlichkeitendurch Variation der anliegenden Spannung verändern und einstellen lassen.In Abhängigkeitder anliegenden Halbleiterschichten tragen unterschiedliche Halbleiterschichtenzum Photostrom bei und ihre Empfindlichkeiten addieren sich. Sokann es in Abhängigkeitder gewähltenMaterialien zu einer ausgeprägtenspektralen Abhängigkeitder Empfindlichkeit kommen, die insbesondere spannungsabhängig unterschiedlicheVerläufezeigt. Die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors lässt sichso leicht durch Veränderungder anliegenden Spannung einstellen. Es müssen für verschiedene Spektren deszu detektierenden Lichts keine unterschiedlichen Detektoren odermit Verlust behaftete Filter eingesetzt werden. Ferner kann dieserEffekt ausgenutzt werden, um bei spannungsabhängiger Aktivierung weitererSchichten eine möglichstgleichmäßige Empfindlichkeit über einenbestimmten Wellenlängenbereichoder sich übereinen möglichstgroßenWellenlängenbereich erstreckendeEmpfindlichkeit zu erreichen. Im Folgenden sind die Empfindlichkeitsmaximaeiniger der verwendeten Halbleitermaterialien angegeben. Dies istauch jeweils die größte Wellenlänge, beider die entsprechenden Materialien noch empfindlich sind. GaAs 870nm AlAs 564nm InP 932nm InGaAs(gitterangepasst auf InP) 1700nm InAlAs(gitterangepasst auf InP) 867nm
    [0011] Ineiner weiteren Ausführungsformsind die Mittel zur Kontaktierung an der ersten Halbleiterschicht vorgesehen.Beispielsweise sind sie an der Oberseite, also an der von der Substratschichtweg liegenden Seite, vorgesehen. Dadurch kann der Aufbau des Photodetektorsvergleichsweise einfach gehalten werden und auf bekannte Halbleitertechnologie,wie Epitaxie und Photolithografie, zurückgegriffen werden.
    [0012] Gemäß einerweiteren Ausführungsformweisen die Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen ohmschen Kontaktauf. Bei einem ohmschen Kontakt ist der Spannungsabfall im Vergleichzu einem in Durchlass geschalteten Schottky- oder pn-Kontakt kleiner,so dass mehr Spannung fürdas Sammeln der lichtinduzierten Ladungsträger zur Verfügung steht.
    [0013] Ineiner weiteren Ausgestaltung weisen die Mittel zur Kontaktierungwenigstens einen Schottky-Kontakt, barrierenerhöhten Schottky-Kontakt oderpn-Kontakt auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Raumladungszone erzeugt.Am einfachsten geschieht dies durch einen in Sperrrichtung geschaltetenSchottkykontakt. Bei einigen Halbleitern, z.B. InAs oder InGaAsmit geringem Ga-Anteil, ist die Schottkybarriere zu niedrig (hoheSperrströme,kleine Durchbruchspannung) oder das Vorsehen eines Schottkykontaktesgar nicht möglich.In diesen Fällenwird die Raumladungszone durch einen barrierenerhöhten Schottkykontaktoder durch einen pn-Übergangerzeugt.
    [0014] Gemäß einerweiteren Ausführungsformbesteht der Photodetektor aus einer Metall-Halbleiter-Metall Diode,wobei der Halbleiter den Schichtaufbau eines High-Electron-Mobility-Transistors(HEMT) aufweist. Damit beruht der Detektor ausschließlich aufder etablierten HEMT-Technologieund ist problemlos in HEMT-Schaltungen zu integrieren. Ferner weistder Photodetektor die besonderen Vorteile der HEMT-Technologie auf:hohe Schaltgeschwindigkeiten, vergleichsweise geringe Empfindlichkeitgegen ionisierende Strahlung. Bei der MSM-Technologie handelt essich um eine planare Technologie, d.h. entsprechende Detektorensind sehr einfach in wenigen Prozessschritten und damit preiswertherzustellen. MSM-Bauelemente haben bei gleicher Fläche eineviel niedrigere elektrische Kapazität als herkömmliche Detektoren in Formvon pn-Dioden und arbeiten deshalb erheblich schneller, was ihremEinsatz in der digitalen Bildverarbeitung entgegen kommt.
    [0015] Beispielsweisehandelt es sich um die folgenden Schichtkombinationen (erste/zweiteSchicht): InP/InGaAs InAlAs/InGaAs AlGaAs/GaAs AlGaN/GaN.
    [0016] 1 zeigtden Schichtaufbau eines Photodetektors mit HEMT-Schichtaufbau;
    [0017] 2 zeigtden Feldverlauf des elektrischen Feldes, das auf die erste Halbleiterschichtbegrenzt ist;
    [0018] 3 zeigtdie Ausdehnung des elektrischen Feldes in die zweite Halbleiterschicht;
    [0019] 4a zeigtdie Photoempfindlichkeit in Abhängigkeitder Wellenlängedes einstrahlenden Lichtes der einzelnen Schichten unabhängig voneinander;
    [0020] 4b zeigtdie Photoempfindlichkeit in Abhängigkeitder Wellenlängedes einstrahlenden Lichtes des Photodetektors.
    [0021] BeimPhotodetektor in 1 handelt es sich um eine MSM-2DEGPhotodiode (Metall-Halbleiter-Metall-Diode mit 2-dimensionalem Elektronengas).Diese weist einen HEMT-Schichtaufbau 5 auf, der im Wesentlichenaus zwei Schichten unterschiedlicher Halbleiter; einer ersten Schicht 1 undeiner zweiten Schicht 2 besteht, diese sind auf einem Substrat 4 oderweiteren nicht gezeigten Pufferschichten aufgebracht und weisen unterschiedlichespektrale Empfindlichkeit auf. An der Grenzfläche der Schichten 1 und 2 bildetsich im Material mit der niedrigeren Bandlücke ein Bereich 3 mit2-diensionalem Elektronengas (2DEG) aus. Dieser Bereich 3 kanndurch geeignete Dotierung oder durch unterschiedliche elektrischePolarisation der beiden Halbleiter oder durch Kombination der beidenMaßnahmenerzeugt werden. Die Mittel zur Kontaktierung einer Spannung an dieHalbleiterschichten umfassen zwei Elektroden 6 und 7,die in Form von Schottky-Kontakten ausgestaltet sind. Beim Anlegeneiner Spannung zwischen beiden Kontakten 6 und 7 wirdein Schottky-Kontakt in Durchlassrichtung, der andere in Sperrrichtunggeschaltet. Die Elektronen weisen eine Zweifinger- oder interdigitale Multifingerstrukturauf, die Fingerbreite beträgtbeispielsweise 100nm–10μm und derFingerabstand 100nm–10μm; beidebrauchen in Ihrer Bemaßungjedoch nicht übereinstimmen.
    [0022] Beiniedriger Spannung V1 wird, wie in 2 gezeigtist, die Ausdehnung der Raumladungszone des in Sperrrichtung gepoltenKontakts vom hochleitenden 2DEG begrenzt. Ein elektrisches Feld 8 kannsich nur in der ersten Halbleiterschicht 1 zwischen 2DEGund Oberflächeausbilden. Bei Beleuchtung könnendeshalb auch nur photogenerierte Ladungsträger aus diesem Bereich zurErzeugung eines Photostroms beitragen.
    [0023] BeiErhöhungder angelegten Spannung auf einen Wert V2, wie in 3 gezeigtist, entleert die Raumladungszone des in Sperrrichtung geschaltetenKontaktes das 2DEG. Das elektrische Feld 8 kann sich dann auchin die zweite Halbleiterschicht 2 ausdehnen. Bei einerSpannung V2, tragen also photogenerierte Ladungsträger ausbeiden Schichten zum Photostrom bei.
    [0024] 4a zeigtdie unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Halbleiterschichtenim Einzelvergleich, die bei der MSM-2DEG zu den beiden spannungsabhängigen Kurvenverläufen gemäß 4b kumulieren.Es zeigt sich in Abhängigkeitder anliegenden Spannung deutlich unterschiedliche Verläufe derspektralen Empfindlichkeit.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Photodetektor mit wenigstens einer ersten (1)und zweiten Halbleiterschicht (2), mit Mitteln zur Kontaktierungeiner Spannung (6, 7) an die Halbleiterschichten,mit einer Ausgestaltung, dass die Spannung in einem ersten Spannungsbereichso einstellbar ist, dass ein im Wesentlichen auf die erste Halbleiterschicht(1) begrenztes elektrisches Feld (8) zum Abtransportphotogenerierter Ladungsträgererzeugt wird und in einem zweiten Spannungsbereich einstellbar ist,dass sich das elektrische Feld (8) zusätzlich in die zweite oder weitereHalbleiterschicht (2) zum Abtransport photogenerierterLadungsträgerausdehnt.
    [2] Photodetektor nach dem vorhergehenden Anspruch miteinem jeweils zwischen den Halbleiterschichten angeordneten, hochleitendenBereich (3).
    [3] Photodetektor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobeider hochleitende Bereich (3) eine gegenüber den HalbleiterschichtenerhöhteDotierung aufweist.
    [4] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder3, wobei der hochleitende Bereich (3) ein Elektronen- oderLöchergasaufweist.
    [5] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobeisich die erste und zweite Halbleiterschicht in ihrer spektralenEmpfindlichkeit unterscheiden.
    [6] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobeidie Mittel zur Kontaktierung (6, 7) an der erstenHalbleiterschicht (1) vorgesehen sind.
    [7] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobeidie Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen ohmschen Kontakt umfassen.
    [8] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobeidie Mittel zur Kontaktierung (6, 7) wenigstenseinen Schottky-Kontakt umfassen.
    [9] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobeidie Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen barrierenerhöhten Schottky-Kontakt umfassen.
    [10] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobeidie Mittel zur Kontaktierung wenigstens einen pn-Kontakt umfassen.
    [11] Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, auseiner Metall-Halbleiter-Metall Diode, wobei der Halbleiter den Schichtaufbau(5) eines High-Electron-Mobility-Transistors aufweist.
    [12] Vorrichtung mit einem Array mehrerer Photodetektorengemäß einerder vorhergehenden Ansprüche.
    [13] Verwendung der Vorrichtung gemäß einer der vorhergehendenAnsprüchein der optischen Bilderfassung.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-03| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2009-02-26| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-07-22| 8330| Complete disclaimer|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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