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DE102005006026B4 - photodetector - Google Patents

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Abstract

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.photodetector of a semiconductor material having at least two contacts, thereby characterized in that the semiconductor material is doped and a has such a small thickness that on the surface of the semiconductor material a depletion boundary layer is formed such that the interior of the semiconductor material has no mobile charge carriers.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor.The The invention relates to a photodetector.

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.Out Photoresistors and photoconductors are known in the art Basis of nanopillars or Nanowhiskern known from semiconducting material. The nanopillars will be by self-organized epitaxial growth of the corresponding Semiconductor produced.

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.adversely follows in photoresistors as per stand the technology of the photocurrent of a change of lighting only delayed especially with a reduction in the illuminance. in the English usage, this property is also considered persistent referred to photoconductivity.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen schnell auf Änderungen der Beleuchtung reagierenden Photodetektor auf Halbleiterbasis bereit zu stellen.task The invention is to respond quickly to changes in lighting To provide a photodetector on a semiconductor basis.

Die Aufgabe wird durch einen Photodetektor nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gemäß Nebenanspruch gelöst.The The object is achieved by a photodetector according to claim 1 and a method for the preparation of such solved according to the independent claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.advantageous Embodiments result from the claims referring back.

Der erfindungsgemäße Photodetektor aus einem dotierten Halbleiter-Material weist mindestens zwei Kontakte auf.Of the Photodetector according to the invention of a doped semiconductor material has at least two contacts on.

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.The Semiconductor material according to the invention has such a small thickness, that on the surface of the semiconductor material, a depletion boundary layer is so forms that the interior of the semiconductor material is not moving charge carrier having.

Die Dicke, bei welcher dieser Zustand gerade erreicht wird, wird im Weiteren auch als die kritische Dicke dkrit bezeichnet.The thickness at which this condition is just reached is referred d crit to below as the critical thickness.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Rekombinationsgeschwindigkeit der photogenerierten Elektronen und Löcher im Halbleiter-Material von der elektrischen Potentialbarriere Φ 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.in the Within the scope of the invention, it was recognized that the recombination rate photogenerated electrons and holes in the semiconductor material from the electrical potential barrier Φ between the interior of the semiconductor material and its surface dependent is. The lower the potential barrier, the higher the recombination rate. It was surprisingly found that the potential barrier is smaller, the smaller the thickness of the Semiconductor material is. If the critical thickness is undershot, the recombination speed increases quickly and the photodetector reacts faster.

Im Effekt ist die Potentialbarriere zwischen dem Innern des Photodetektors und dessen Oberfläche kleiner, als bei einem Photodetektor, welcher im Innern noch Ladungsträger enthält.in the Effect is the potential barrier between the interior of the photodetector and its surface smaller, as with a photodetector, which still contains charge carriers inside.

Es gilt der Allgemeine und von der Form des Photodetektors unabhängige Zusammenhang: Φ < ΦB – (EL – EF),mit

ΦB
Schottkybarriere an der Oberfläche,
EF
Ferminiveau und
EL
Energie der Leitungsbandkante im neutralen Gebiet mit Ladungsträgern.
The general and independent of the form of the photodetector applies: Φ <Φ B - (E. L - E F ) With
Φ B
Schottky barrier on the surface,
E F
Fermi level and
E L
Energy of the conduction band edge in the neutral area with charge carriers.

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.Advantageous has a photodetector according to the invention a very small dark current, because without lighting, so to speak no moving charge carriers for the Electricity transport available stand. By this is meant that the charge carrier density by the structure according to the invention the structure crucial, that is reduced by 10 powers over the prior art becomes.

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.There the speed of the photodetector at the recombination rate increases, however, the sensitivity may drop, depending on the desired Application one possible good compromise between speed and sensitivity with Help the diameter be adjusted.

Mit dem Begriff Halbleiter-Material sind insbesondere als Nanosäulen und Schichten ausgeführte Halbleiter umfasst, wenngleich die Erfindung nicht auf diese Formen beschränkt ist.By the term semiconductor material are particularly designed as nanocolumns and layers Semiconductor includes, although the invention is not limited to these forms.

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 Φ durch die Schottkybarriere ΦB der gepinnten Oberfläche und dem Abstand der Leitungsbandkante EL im nicht-verarmten Halbleitermaterial zum Ferminiveau EF bestimmt.If a column is so thick that there is still a neutral, that is not depleted, area without electric field inside the column, the potential barrier Φ is through the pebble barrier Φ B of the pinned surface and the conduction band edge E L in the non-depleted semiconductor material determined to Fermi level E F.

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

Figure 00040001
wobei e die Elementarladung, e die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und Φ die Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet ist.The diameter of a column at which the neutral region just disappears can be calculated from the doping N D of the semiconductor. In the case of photodetectors in the form of a nanopillar according to the invention, this is the critical thickness d crit
Figure 00040001
where e is the elementary charge, e is the dielectric constant of the semiconductor, and Φ is the potential barrier of a thick neutral-area column.

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.For pillars with a smaller diameter than d crit , the entire semiconductor material inside is charge carrier free. The electric field of the depletion boundary layer can only build up a smaller potential barrier between the interior of the column and the surface. The recombination rate increases accordingly.

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.The However, invention is by no means restricted to nano-columns. Rather, you can too thin semiconductor layers as photodetectors be used, wherein the layer thickness is chosen so that at the surface of Layer, a depletion boundary layer is formed such that the interior of which has no mobile charge carriers.

Die Beziehung für die kritische Schichtdicke lautet dann, sofern nur eine Oberfläche eine Verarmungsrandschicht erzeugt, wie folgt:

Figure 00040002
wobei e die Elementarladung, ϵ die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und Φ die Potentialbarriere einer dicken Schicht mit neutralem Gebiet ist.The relationship for the critical layer thickness, if only one surface creates a depletion boundary layer, is as follows:
Figure 00040002
where e is the elementary charge, ε the dielectric constant of the semiconductor and Φ the potential barrier of a thick layer with a neutral area.

Wenn zwei sich gegenüber liegende Oberflächen Verarmungsrandschichten erzeugen, verdoppelt sich die kritische Dicke.If two opposite each other lying surfaces Create depletion margins, doubles the critical Thickness.

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.One Method for producing a photodetector therefore provides to arrange a semiconductor material on a substrate and to dope. It is characterized in that the thickness of the semiconductor material is so chosen low that will be on the surface of the semiconductor material, a depletion boundary layer is so forms that the interior of the semiconductor material has no mobile charge carriers.

Das Halbleiter-Material kann in Form einer Nanosäule oder einer Schicht gewählt werden.The Semiconductor material may be selected in the form of a nanocolumn or a layer.

Die Dicke des Halbleiter-Materials wird geringer als die kritische Dicke dkrit gemäß Formel 1 oder Formel 2 gewählt.The thickness of the semiconductor material is less than the critical thickness d crit according to formula 1 or formula chosen. 2

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher beschrieben.in the Further, the invention with reference to an embodiment and the accompanying figures described in more detail.

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. 1 shows a scanning electron micrograph of a GaN nanocolumn 1 on an insulating substrate 2 with two electrical contacts 3a . 3b , From the prior art these photodetectors are known with column diameters larger than the critical thickness d crit . They are characterized by a delayed recombination of the charge carriers.

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. 2 schematically shows the relationship between the hatched depletion boundary layer 1 and the conduction (E L ) and valence band profile (E V ) of a nanocolumn depending on the diameter of the column. The example shows an n-doped semiconductor.

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.In the example, a column according to the prior art is shown on the right and the photodetector according to the invention on the left. reference numeral 2 refers to the neutral area inside the column.

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.For semiconductor materials with a depletion surface layer on the surface, as shown to the right in FIG 2 As shown by Fermilevel pinning, the photogenerated electrons and holes are separated by the electric field of this depletion layer. For example, with n-doped material, the electrons are collected inside the column as the holes move to the surface. The reverse is true with p-doped material. This spatial separation adversely delays the recombination of the generated charge carriers.

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.In the middle part of the 2 a column is shown in which the depletion layer at the surface just just penetrates into the entire column. The diameter of this column is referred to as the critical thickness d krit .

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.A photodetector from a column with the diameter d crit shows no increase in speed compared to a thicker column, but the dark current is advantageously much lower, because virtually no mobile charge carriers in the dark are available for current transport through the depletion boundary layer.

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.In the left part of the 2 is a column with a smaller thickness than d crit shown. The depletion layer on the surface also penetrates into the entire column here.

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.However, since a smaller thickness according to the invention is chosen according to formula 1, the depletion edge layer can only have a lower potential barrier than in the middle and right part of FIG 2 build up.

Die Rekombinationsgeschwindigkeit der photogenerierten Ladungsträger steigt, und ein Photodetektor mit dieser Säule wird schneller.The Recombination rate of photogenerated charge carriers increases, and a photodetector with this column becomes faster.

Nur beispielhaft sei dieser Effekt für einen Photodetektor aus einer GaN-Nanosäule gezeigt. Die Nanosäule wurde mittels MBE auf Silizium (111) erzeugt.Just This effect is exemplary for a photodetector of a GaN nanopillar shown. The nanopillar was generated by MBE on silicon (111).

Bei einer typischen n-Dotierung von 1017 cm–3, einem Oberflächenpinning ΦB 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 konventio nelles Bauelement basierend auf einer Säule, welche dicker als 200 nm ist.With a typical n-doping of 10 17 cm -3 , a surface pinning Φ B of 0.55 eV and a distance of the conduction band edge to the Fermi level E F of 81.5 meV, the critical thickness d crit is 200 nanometers. A photodetector from a nano-column with a diameter of 50 nm and two ohmic contacts ( 1 ) is then several orders of magnitude faster than a conventional device based on a column thicker than 200 nm.

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 übertragenOn Reason of the above relationships and explanations can be for different Semiconductor materials and given doping can easily calculate the thicknesses below which a device such as the photodetector mentioned here particularly fast responding. It is conceivable that this procedure also applies to other components as transferred to photodetectors

Claims (11)

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.A photodetector of a semiconductor material having at least two contacts, characterized in that the semiconductor material is doped and has a small thickness such that on the surface of the semiconductor material, a depletion edge layer is formed such that the interior of the semiconductor material no having movable charge carriers. 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:
Figure 00090001
mit e = Elementarladung, ϵ = Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, Φ = Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet und ND = Dotierung des Halbleiters.
Photodetector according to the preceding claim, characterized by a thickness of the semiconductor material equal to or less than the critical thickness d crit according to the following formulas 1 or 2:
Figure 00090001
with e = elementary charge, ε = dielectric constant of the semiconductor, Φ = potential barrier of a thick column with a neutral region and N D = doping of the semiconductor.
Photodetektor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine mindestens zweifach geringere Dicke, insbesondere vierfach geringere Dicke als die kritische Dicke dkrit Photodetector according to the preceding claim, characterized by at least two times smaller thickness, in particular four times smaller thickness than the critical thickness d crit 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.Photodetector according to one of the preceding claims by GaN, AlN, InN, Si, Ge, GaAs, AlAs, InP, InAs or an alloy from one or more of these materials as a semiconductor material. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Nanosäule oder Nanoschicht ausgebildet ist.Photodetector according to one of the preceding claims, characterized characterized in that this formed as a nanocolumn or nanolayer is. Photodetektor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine Nanosäule mit einem Durchmesser kleiner 90 Nanometer Durchmesser.Photodetector according to the preceding claim, characterized through a nanopillar with a diameter of less than 90 nanometers in diameter. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Kontakte als Ohmsche Kontakte ausgebildet sind.A photodetector according to any preceding claim, wherein which the contacts are designed as ohmic contacts. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1–6, bei welchem wenigstens ein Kontakt als Schottkykontakt ausgebildet ist.A photodetector according to any one of claims 1-6, wherein which at least one contact is designed as a Schottky contact. 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.A method for producing a photodetector according to one of the preceding claims, wherein a semiconductor material disposed on a substrate and is doped, characterized in that in dependence of the doping the thickness of the semiconductor material is chosen so small that on the surface of the Semiconductor material such that a depletion boundary layer is formed, the interior of the semiconductor material has no mobile charge carriers. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter-Material in Form einer Nanosäule oder einer Schicht gewählt wird.Method according to the preceding claim, characterized characterized in that a semiconductor material in the form of a nanopillar or a layer chosen becomes. 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:
Figure 00110001
mit e = Elementarladung, ϵ = Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, Φ = Potentialbarriere einer dicken Säule mit neutralem Gebiet und ND = Dotierung des Halbleiters.
Method according to one of the preceding claims 9 or 10, wherein a thickness of the semiconductor material is chosen equal to or less than the critical thickness d crit according to the following formulas 1 or 2:
Figure 00110001
with e = elementary charge, ε = dielectric constant of the semiconductor, Φ = potential barrier of a thick column with a neutral region and N D = doping of the semiconductor.
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