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Dokumentenidentifikation DE102005006026B4 31.05.2007
Titel Photodetektor
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Marso, Michel, Dr., 52428 Jülich, DE;
Calarco, Raffaella, Dr., 52428 Jülich, DE;
Lüth, Hans, Prof. Dr., 52076 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 09.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005006026
Offenlegungstag 17.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 31/09(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B82B 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor.

Aus dem Stand der Technik sind Photowiderstände und Photoleiter auf der Grundlage von Nanosäulen bzw. Nanowhiskern aus halbleitendem Material bekannt. Die Nanosäulen werden durch selbstorganisiertes epitaktisches Wachstum des entsprechenden Halbleiters hergestellt.

Nachteilig folgt in Photowiderständen gemäß Stand der Technik der Photostrom einer Änderung der Beleuchtung nur verzögert, insbesondere bei einer Verringerung der Beleuchtungsstärke. Im englischen Sprachgebrauch wird diese Eigenschaft auch als persistent photoconductivity bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen schnell auf Änderungen der Beleuchtung reagierenden Photodetektor auf Halbleiterbasis bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird durch einen Photodetektor nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gemäß Nebenanspruch gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Photodetektor aus einem dotierten Halbleiter-Material weist mindestens zwei Kontakte auf.

Das Halbleiter-Material weist erfindungsgemäß eine so geringe Dicke auf, dass an der Oberfläche des Halbleiter-Materials eine Verarmungsrandschicht sich derartig ausbildet, dass das Innere des Halbleiter-Materials keine beweglichen Ladungsträger aufweist.

Die Dicke, bei welcher dieser Zustand gerade erreicht wird, wird im Weiteren auch als die kritische Dicke dkrit bezeichnet.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Rekombinationsgeschwindigkeit der photogenerierten Elektronen und Löcher im Halbleiter-Material von der elektrischen Potentialbarriere &PHgr; zwischen dem Inneren des Halbleiter-Materials und ihrer Oberfläche abhängig ist. Je niedriger die Potentialbarriere ist, umso höher ist die Rekombinationsgeschwindigkeit. Es wurde überraschend gefunden, dass die Potentialbarriere umso kleiner ist, je geringer die Dicke des Halbleiter-Materials ist. Bei Unterschreitung der kritischen Dicke steigt die Rekombinationsgeschwindigkeit rasch an und der Photodetektor reagiert schneller.

Im Effekt ist die Potentialbarriere zwischen dem Innern des Photodetektors und dessen Oberfläche kleiner, als bei einem Photodetektor, welcher im Innern noch Ladungsträger enthält.

Es gilt der Allgemeine und von der Form des Photodetektors unabhängige Zusammenhang: &PHgr; < &PHgr;B – (EL – EF), mit

&PHgr;B
Schottkybarriere an der Oberfläche,
EF
Ferminiveau und
EL
Energie der Leitungsbandkante im neutralen Gebiet mit Ladungsträgern.

Vorteilhaft weist ein erfindungsgemäßer Photodetektor einen sehr kleinen Dunkelstrom auf, weil ohne Beleuchtung quasi keine beweglichen Ladungsträger für den Stromtransport zur Verfügung stehen. Damit ist gemeint, dass die Ladungsträgerdichte durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Struktur entscheidend, das heißt um 10-er Potenzen gegenüber dem Stand der Technik verringert wird.

Da die Geschwindigkeit des Photodetektors mit der Rekombinationsgeschwindigkeit steigt, die Empfindlichkeit jedoch fällt, kann je nach gewünschter Anwendung ein möglichst guter Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Empfindlichkeit mit Hilfe des Durchmessers eingestellt werden.

Mit dem Begriff Halbleiter-Material sind insbesondere als Nanosäulen und Schichten ausgeführte Halbleiter umfasst, wenngleich die Erfindung nicht auf diese Formen beschränkt ist.

Sofern eine Säule so dick ist, dass noch ein neutrales, das heißt nicht verarmtes Gebiet ohne elektrisches Feld im Inneren der Säule vorliegt, ist die Potentialbarriere &PHgr; durch die Schottkybarriere &PHgr;B der gepinnten Oberfläche und dem Abstand der Leitungsbandkante EL im nicht-verarmten Halbleitermaterial zum Ferminiveau EF bestimmt.

Der Durchmesser einer Säule, bei welchem das neutrale Gebiet eben verschwindet, kann aus der Dotierung ND des Halbleiters berechnet werden. Bei erfindungsgemäßen Photodetektoren in Form einer Nanosäule ist dies die kritische Dicke dkrit wobei e die Elementarladung, e die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und &PHgr; die Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet ist.

Bei Säulen mit geringerem Durchmesser als dkrit ist das ganze Halbleiter-Material im Innern ladungsträgerfrei. Das elektrische Feld der Verarmungsrandschicht kann nur eine geringere Potentialbarriere zwischen dem Inneren der Säule und der Oberfläche aufbauen. Die Rekombinationsgeschwindigkeit erhöht sich entsprechend.

Die Erfindung ist aber keineswegs auf Nanosäulen beschränkt. Vielmehr können auch dünne Halbleiter-Schichten als Photodetektoren eingesetzt werden, wobei die Schichtdicke so gewählt wird, dass an der Oberfläche der Schicht eine Verarmungsrandschicht sich derartig ausbildet, dass deren Inneres keine beweglichen Ladungsträger aufweist.

Die Beziehung für die kritische Schichtdicke lautet dann, sofern nur eine Oberfläche eine Verarmungsrandschicht erzeugt, wie folgt: wobei e die Elementarladung, ϵ die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und &PHgr; die Potentialbarriere einer dicken Schicht mit neutralem Gebiet ist.

Wenn zwei sich gegenüber liegende Oberflächen Verarmungsrandschichten erzeugen, verdoppelt sich die kritische Dicke.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors sieht daher vor, ein Halbleiter-Material auf einem Substrat anzuordnen und zu dotieren. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Halbleiter-Materials so gering gewählt wird, dass an der Oberfläche des Halbleiter-Materials eine Verarmungsrandschicht sich derartig ausbildet, dass das Innere des Halbleiter-Materials keine beweglichen Ladungsträger aufweist.

Das Halbleiter-Material kann in Form einer Nanosäule oder einer Schicht gewählt werden.

Die Dicke des Halbleiter-Materials wird geringer als die kritische Dicke dkrit gemäß Formel 1 oder Formel 2 gewählt.

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher beschrieben.

1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer GaN-Nanosäule 1 auf einem isolierenden Substrat 2 mit zwei elektrischen Kontakten 3a, 3b. Aus dem Stand der Technik sind diese Photodetektoren bekannt mit Säulendurchmessern, welche größer als die kritische Dicke dkrit sind. Sie zeichnen sich durch eine verzögerte Rekombination der Ladungsträger aus.

2 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen der schraffierten Verarmungsrandschicht 1 und dem Leitungs-(EL)- und Valenzbandverlauf (EV) einer Nanosäule in Abhängigkeit vom Säulendurchmesser. Das Beispiel zeigt einen n-dotierten Halbleiter.

Im Beispiel ist rechts eine Säule gemäß Stand der Technik gezeigt und links der erfindungsgemäße Photodetektor. Bezugszeichen 2 bezeichnet das neutrale Gebiet im Innern der Säule.

Bei Halbleitermaterialien mit einer Verarmungsrandschicht an der Oberfläche, wie rechts in der 2 gezeigt, kommt es aufgrund von Fermilevel-Pinning zu einer Trennung der photogenerierten Elektronen und Löcher durch das elektrische Feld dieser Verarmungsrandschicht. So werden bei n-dotiertem Material die Elektronen im Innern der Säule gesammelt, während die Löcher an die Oberfläche wandern. Entsprechend umgekehrt verhält es sich mit p-dotiertem Material. Diese räumliche Trennung verzögert nachteilig die Rekombination der generierten Ladungsträger.

Im mittleren Teil der 2 ist eine Säule gezeigt, bei welcher die Verarmungsrandschicht an der Oberfläche gerade eben in die gesamte Säule eindringt. Der Durchmesser dieser Säule wird als die kritische Dicke dkrit bezeichnet.

Ein Photodetektor aus einer Säule mit dem Durchmesser dkrit zeigt keine Erhöhung der Geschwindigkeit gegenüber einer dickeren Säule, der Dunkelstrom ist jedoch vorteilhaft wesentlich niedriger, weil durch die Verarmungsrandschicht quasi keine beweglichen Ladungsträger im Dunkeln zum Stromtransport zur Verfügung stehen.

Im linken Teil der 2 ist eine Säule mit einer geringeren Dicke als dkrit dargestellt. Die Verarmungsrandschicht an der Oberfläche dringt auch hier in die gesamte Säule ein.

Da aber erfindungsgemäß eine geringere Dicke gemäß Formel 1 gewählt wird, kann die Verarmungsrandschicht nur eine niedrigere Potentialbarriere als im mittleren und rechten Teil der 2 aufbauen.

Die Rekombinationsgeschwindigkeit der photogenerierten Ladungsträger steigt, und ein Photodetektor mit dieser Säule wird schneller.

Nur beispielhaft sei dieser Effekt für einen Photodetektor aus einer GaN-Nanosäule gezeigt. Die Nanosäule wurde mittels MBE auf Silizium (111) erzeugt.

Bei einer typischen n-Dotierung von 1017 cm–3, einem Oberflächenpinning &PHgr;B von 0,55 eV und einem Abstand der Leitungsbandkante zum Ferminiveau EF von 81,5 meV beträgt die kritische Dicke dkrit 200 Nanometer. Ein Photodetektor aus einer Nanosäule mit einem Durchmesser von 50 nm und zwei Ohmschen Kontakten (1) ist dann um mehrere Größenordnungen schneller als ein konventionelles Bauelement basierend auf einer Säule, welche dicker als 200 nm ist.

Auf Grund der oben genannten Beziehungen und Erläuterungen lassen sich für verschiedene Halbleiter-Materialien und gegebener Dotierung leicht die Dicken berechnen, unterhalb derer ein Bauelement wie der hier genannte Photodetektor besonders schnell reagiert. Es ist denkbar, diese Vorgehensweise auch auf andere Bauelemente als auf Photodetektoren zu übertragen


Anspruch[de]
Photodetektor aus einem Halbleiter-Material mit mindestens zwei Kontakten, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Material dotiert ist und eine so geringe Dicke aufweist, dass an der Oberfläche des Halbleiter-Materials eine Verarmungsrandschicht sich derartig ausbildet, dass das Innere des Halbleiter-Materials keine beweglichen Ladungsträger aufweist. Photodetektor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine Dicke des Halbleiter-Materials gleich oder geringer als die kritische Dicke dkrit gemäß nachstehender Formeln 1 oder 2: mit e = Elementarladung, ϵ = Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, &PHgr; = Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet und ND = Dotierung des Halbleiters. Photodetektor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine mindestens zweifach geringere Dicke, insbesondere vierfach geringere Dicke als die kritische Dicke dkrit Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch GaN, AlN, InN, Si, Ge, GaAs, AlAs, InP, InAs oder einer Legierung aus einer oder mehrerer dieser Materialien als Halbleiter-Material. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Nanosäule oder Nanoschicht ausgebildet ist. Photodetektor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine Nanosäule mit einem Durchmesser kleiner 90 Nanometer Durchmesser. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Kontakte als Ohmsche Kontakte ausgebildet sind. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1–6, bei welchem wenigstens ein Kontakt als Schottkykontakt ausgebildet ist. Verfahren zur Herstellung eines Photodetektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Halbleiter-Material auf einem Substrat angeordnet und dotiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Dotierung die Dicke des Halbleiter-Materials so gering gewählt wird, dass an der Oberfläche des Halbleiter-Materials eine Verarmungsrandschicht sich derartig ausbildet, dass das Innere des Halbleiter-Materials keine beweglichen Ladungsträger aufweist. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter-Material in Form einer Nanosäule oder einer Schicht gewählt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, bei dem eine Dicke des Halbleiter-Materials gleich oder geringer als die kritische Dicke dkrit gemäß nachstehender Formeln 1 oder 2 gewählt wird: mit e = Elementarladung, ϵ = Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, &PHgr; = Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet und ND = Dotierung des Halbleiters.






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