DE60133365T2

DE60133365T2 - Photodetektor mit senkrechtem Metall-Halbleiter, Mikroresonator und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60133365T2
Application number: DE60133365T
Authority: DE
Inventors: Fabrice Pardo; Stephane Collin; Roland Teissier; Jean-Luc Pelouard
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: FR2803950A1; JP2003520438A; US6713832B2; AU2001231887A1; EP1247301A1; JP4694753B2; WO2001052329A1; CA2396951C; DE60133365D1; FR2803950B1; US20030010979A1; ATE390717T1; EP1247301B1; CA2396951A1

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Fotodetektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
Wie im Folgenden besser zu sehen ist, hat die Vorrichtung, die Gegenstand dieser Erfindung ist, eine große Auswahl an Wellenlängen, extreme Schnelligkeit und eine sehr hohe Empfindlichkeit.
Sie ist auf allen Gebieten einzusetzen, in den zumindest eine dieser Eigenschaften zu nutzen ist, z. B. durch spektroskopische Erkennung von Molekülen und insbesondere optische Telekommunikation mit sehr hoher Übertragungsgeschwindigkeit, die größer gleich 100 Gbits pro Sekunde ist.
Vorheriger Stand der Technik
Die Fotodetektoren vom Typ MSM (Metall-Halbleiter-Metall) sind generell einfach herzustellen, leicht in die Transistorenschaltkreise mit Feldeffekt einzubauen (« field effect transistors »), ermöglichen relativ hohe Geschwindigkeiten zu Lasten des Wirkungsgrads. Wir erörtern nachstehend die bekannten MSM-Fotodetektoren und deren Nachteile.
In einem bekannten Fotodetektor aus In-GaAs, mit einem Wirkspalt von 1 μm beträgt die Durchgangszeit durch die Löcher 10 ps, was einer Grenzfrequenz von weniger als 20 GHz entspricht. Die Entfernung zwischen den Elektroden muss also gesenkt werden, um die Durchgangszeit der Löcher zu verringern. Fällt der Wirkspalt unter 0,1 μm, kann der Transport nicht mehr als stationär angesehen werden. Die Durchgangszeit liegt in diesem Fall weit unter 1 ps.
Die Maskierung des aktiven Bereichs durch Elektroden ist eine der Hauptnachteile der bekannten MSM-Strukturen und schränkt deren Quantenwirkungsgrad ein. Wegen der beschränkten Absorption der benutzten Materialien in diesen Strukturen (die Absorptionslänge ist größer als 1 μm), muss die Dicke des Absorptionsbereichs eingeschränkt werden, um zu vermeiden, dass Ladungsträger fern der Elektroden entstehen. Der Quantenwirkungsgrad der bekannten Fotodetektoren, die einen Wirkspalt unter 0,1 μm aufweisen, ist folglich extrem schlecht.
Umgekehrt haben die bekannten MSM-Strukturen mit gutem externem Quantenwirkungsgrad eine geringe Geschwindigkeit. Im Dokument S. Y. Chon et al.: "Nanoscale Tera-Hertz Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors", IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 28, Nr. 10, Oktober 1992, Seiten 2358–2368, wird ein Fotodetektor vom Typ MSM aus Halbleitermaterial III–V, ohne elektrisch isolierende Beschichtung beschrieben, auf der die Elektroden auf der aktiven Oberfläche positioniert werden.
Doch ein ultraschneller Fotodetektor (dessen Antwortzeit unter 1 ps liegt) ist heute ein entscheidendes Element für die optische Telekommunikation mit sehr hoher Bitgeschwindigkeit (100 Gbit/s und mehr). Gesucht wird eine sehr hohe Empfindlichkeit und ein breite Bandbreite mit den Wellenlängen 1,3 μm und 1.55 μm. Um welche Art von Fotodetektor es sich auch handelt (Diode P(I) N oder Struktur Metall-Halbleiter-Metall) setzt das Ziel der hohen Geschwindigkeit voraus, dass der Wirkspalt klein ist (kleiner als 100 nm) und das zu detektierende Licht in einem minimalen Volumen absorbiert wird.
So hat der Halbleiter aus massiv InGaAs ("bulk") eine charakteristische Absorptionslänge von ca. 3 μm bei einer Wellenlänge von 1,55 μm.
In den PIN-Dioden und den MSM-Strukturen steht die Verringerung der Ladungsträgerlaufzeit im direkten Zusammenhang mit einer Verringerung des externen Quantenwirkungsgrads.
Bei der Entwicklung der bekannten Fotodetektoren wurde also zwangsläufig ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Geschwindigkeit eingegangen.
Ausführung zur Erfindung
Mit der Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, soll dieser Kompromiss von Grund auf in Frage gestellt werden. Hierfür wird ein vertikaler Mikroresonator benutzt, wodurch beispielsweise ein Wirkungsgrad von über 70% in einer Struktur mit geringer Kapazität möglich ist, deren Wirkspalt unter 50 nm betragen und zu einer Bandbreite von über 1 THz führen kann.
Das Prinzip einer Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, das Licht, das man feststellen möchte, in einer Struktur vom Typ MSM mit geringem Volumen durch die Benutzung des schnellen Rückgangs erregter abfallender Wellen an der Metall/Halbleiter-Schnittstelle nach dem Resonanzprinzip zu konzentrieren.
Dieses Ziel kann mit den Modi der Oberflächensplasmone erreicht werden. In dem Dokument J. Meléndez et al.: "Development of a surface plasmon resonance sensor for commercial applications", Sensors and Actuators B, Vol. 39, Nr. 1–3, 1. März 1997, Seiten 375–379, wird ein Fotodetektor beschrieben, der die Resonanz der Oberflächenplasmon-Modi nutzt.
Die Plasmone breiten sich im Gegensatz zu den bekannten Strukturen nicht horizontal aus (d. h. parallel zum Substrat der Struktur), sondern bleiben entlang der senkrechten Oberfläche der Elektroden der Struktur eingeschlossen.
Vorliegende Erfindung hat konkret eine Fotodetektionsvorrichtung zum Gegenstand, die zur Feststellung eines einfallenden Lichts einer vordefinierten Wellenlänge bestimmt ist, das sich in einem Verbreitungsmilieu verbreitet, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, ist, dass sie eine elektrisch isolierende Schicht, die dieses Licht nicht absorbiert, und auf dieser Schicht wenigstens ein Element mit einem Halbleitermaterial und wenigstens zwei Polarisationselektroden umfasst, die jeweils dazu bestimmt sind, auf voneinander unterschiedliche Potenziale zueinander gebracht zu werden, wobei die Elektroden das Element einrahmen, wobei die vom Element und den Elektroden gebildete Struktur geeignet ist, das einfallende Licht zu absorbieren (anders gesagt, das Element und/oder die Elektroden sind in er Lage, dieses Licht zu absorbieren), wobei das Element und die Elektroden eine deutlich parallelflache Form aufweisen und sich gemäß einer und derselben Richtung (D) erstrecken, wobei die Abmessungen der Elektroden und des Elements (6), die transversal zu dieser Richtung gezählt werden, in Abhängigkeit von der vordefinierten Wellenlänge derart ausgewählt werden, dass die Lichtintensität in der vom Element und den Elektroden gebildeten Struktur im Verhältnis zum einfallenden Licht erhöht wird, indem wenigstens einer der zwei Modi in Resonanz gebracht wird, nämlich einem ersten Modus, der ein Oberflächen-Plasmonmodus ist und der zwischen den Schnittstellen in Resonanz gebracht wird, der diese Struktur mit der isolierenden Schicht und dem Verbreitungsmilieu aufweist, wobei die Resonanz dieses ersten Modus an der Schnittstelle zwischen dem Element und wenigstens einem der Elektroden dieses ersten Modus durch die Komponente des dem einfallenden Licht zugeordneten magnetischen Feldes angeregt wird, wobei die Komponente parallel zu den Elektroden ist, und ein zweiter Modus, der ein elektrischer Transversalmodus eines optischen Wellenführers ist, der senkrecht zur isolierenden Schicht verläuft und die zwei Elektroden umfasst, wobei dieser zweite Modus durch die Komponente des dem einfallenden Licht zugeordneten elektrischen Feldes angeregt wird, wobei die Komponente parallel zu den Elektroden verläuft.
Wird vorzugsweise der Oberflächen-Plasmon-Modus in Resonanz gebracht, ist die Breite jedes Elements, die senkrecht zur Richtung der Elektroden gezählt wird, kleiner als λ und größer als 0,02 xλ oder λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts, und die Dicke jedes Elements ist geringer als λ/(2n), bei der n der durchschnittliche Refraktionsindex jedes Elements ist.
Nach einer ersten besonderen Herstellungsart der Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, sind die Elektroden aus ein und demselben elektrisch leitenden Material gefertigt und haben die gleiche Höhe, die senkrecht zur isolieren Schicht gezählt wird.
Nach einer zweiten besonderen Herstellungsart haben die Elektroden wenigstens eine der zwei Eigenschaften (a), aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien hergestellt zu sein und (b) unterschiedliche Höhen zu haben, die senkrecht zur isolierenden Schicht derart gezählt werden, dass die Resonanz im Wesentlichen auf der Seite der Elektrode stattfindet, die bei der Polarisation der Elektroden die langsamen Lastenträger aufnimmt.
Das Element, das die Vorrichtung umfasst, kann eine Halbleiter-Heterostruktur umfassen.
Nach einer besonderen Herstellungsart umfasst die Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, mehrere Elemente und Elektroden, die auf der isolierenden Schicht alternieren, wobei jede Elektrode aus einem einzigen Metall oder aus zweiunterschiedlichen Metallen hergestellt ist.
In diesem Fall sind die Elektroden in einer ersten besonderen Verwendungsform dazu bestimmt, auf Potenziale gebracht zu werden, die von einer Endelektrode zur anderen Endelektrode der Struktur der Elektroden größer wird.
Die Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, kann in diesem Fall darüber hinaus ein ein Potenzial stabilisierendes, resistives Material umfassen, das mit den Elektroden in Kontakt ist und von einer Endelektrode zur anderen Endelektrode der Struktur der Elektroden verläuft. Dies ermöglicht die Polarisierung der Elemente unter starker Spannung.
In einer zweiten besonderen Verwendungsform sind die Elektroden dazu bestimmt, auf Potenziale gebracht zu werden, deren absolute Werte gleich sind und deren Zeichen alternieren.
Nach einer bevorzugten Herstellungsart der Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, umfasst diese Vorrichtung darüber hinaus ein Reflektionsmittel, das zwischen dem Substrat der Vorrichtung und der elektrisch isolierenden Schicht inbegriffen ist und das vorgesehen ist, um das nicht absorbierte Licht zu reflektieren, das die isolierende Schicht durchquert, wobei die Dicke dieser isolierenden Schicht ausgewählt ist, damit das vom Reflektionsmittel reflektierte Licht mit den Lichtwellen in einer Phase ist, die in der Struktur vorhanden sind, die durch jedes Element und die Elektroden gebildet wird und zur Resonanz beiträgt.
In einem ersten Beispiel ist die Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, zur Feststellung eines einfallenden Lichts bestimmt, dessen Wellenlänge rund 0,8 μm wert ist, wobei diese Vorrichtung auf einem GaAs-Substrat gebildet wird, wobei das Element in GaAs ist, die Elektroden aus Ag, die isolierende Schicht aus AlAs oder aus einem Material Al_xGa_1-xAs, wobei x derart ausgewählt wird, dass das Material nicht das einfallende Licht absorbiert, sondern eine selektive Gravur des GaAs erlaubt, und das Reflektionsmittel (8) ein vielschichtiger Spiegel AlAs/AlGaAs ist.
In einem zweiten Beispiel ist die Vorrichtung dazu bestimmt, ein einfallendes Licht festzustellen, dessen Wellenlänge rund 1,55 μm wert ist, wobei diese Vorrichtung auf einem Substrat aus InP gebildet wird, wobei das Element aus InGaAs ist, die Elektroden aus Ag, die isolierende Schicht aus AlInAs und das Reflektionsmittel ein vielschichtiger Spiegel GaInAsP/InP oder AlGaInAs/AlInAs ist. Als Variante wird die Vorrichtung auf einem GaAs-Substrat gebildet, wobei das Element in InGaAsNSb ist, die Elektroden aus Ag, die isolierende Schicht aus AlAs oder aus einem Material Al_xGa_1-xAs, wobei x derart ausgewählt wird, dass das Material nicht das einfallende Licht absorbiert, sondern eine selektive Gravur des GaAs erlaubt und das Reflektionsmittel ein vielschichtiger Spiegel GaAs/AlAs ist.
In einem dritten Beispiel ist die Vorrichtung dazu bestimmt, ein einfallendes Licht festzustellen, dessen Wellenlänge zum Infrarotbereich gehört und in der die Elektroden im Wesentlichen aus Ag oder Au sind, um das einfallende Licht zu absorbieren, wobei das Element dieses einfallende Licht nicht absorbiert.
Nach einer ersten besonderen Herstellungsart der Erfindung ist das Verbreitungsmilieu Luft.
Nach einer zweiten besonderen Herstellungsart ist das Verbreitungsmilieu eine zur der Richtung parallele Luftführung, in der sich die Elektroden jedes Elements erstrecken.
Vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren der Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, in dem eine bestimmte Dicke des Halbleitermaterials des Elements auf der isolierenden Schicht vergrößert wird, dieses Halbleitermaterial selektiv graviert wird, um daraus Abschnitte aus den den Elektroden entsprechenden Stellen zu eliminieren, und diese Elektroden an diesen Stellen gebildet werden.
Nach einer besonderen Verwendungsform des Verfahrens, das Gegenstand dieser Erfindung ist, verwendet man eine und dieselbe Maske, um das Element selektiv zu gravieren und dann die Elektroden zu bilden.
Nach einer zweiten besonderen Verwendungsform verwendet man eine Maske, um das Element selektiv zu gravieren, man entfernt diese Maske, man bildet die Elektroden mittels wenigstens eines Metalls und man entfernt den Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen Polierens.
In diesem Fall wird nach einer besonderen Herstellungsart der Erfindung der Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen selektiven Polierens des Metalls im Verhältnis zum Element entfernt, wobei dieses Element aus einem Material gebildet wird, dessen Härte angesichts der des Metalls groß ist.
Nach einer weiteren besonderen Herstellungsart wird das Element aus einer Halbleiterschicht gebildet, die das festzustellende Licht absorbiert und auf der zuvor eine dielektrische Schicht eines Materials aufgebracht wurde, dessen Härte angesichts der des Metalls groß ist, und der Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen selektiven Polierens des Materials im Verhältnis zum Element entfernt.
Zur Bildung der Elektroden kann man auch zwei unterschiedliche Metalle verwenden, die sukzessive schräg im Verhältnis zur isolierenden Schicht aufgebracht werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer großen Anzahl von Elementen, zwischen denen Elektroden angeordnet sind, anstelle der Verwendung eines einzigen Elements zwischen zwei Elektroden, ein Gitter gebaut werden kann, dessen elektromagnetische Modellgestaltung sehr viel einfacher ist.
Man kann also zeigen, dass man den ersten Modus, der den vertikalen Plasmonen entspricht, die paarweise schwach aneinander gekoppelt sind, zur Resonanz bringen kann.
Die unteren und oberen Enden der senkrechten Flächen der Elektroden haben eine Spiegelwirkung auf die Plasmone der Metall-Halbleiter-Schnittstelle, was die Bildung einer Resonanz vom Typ Fabry-Pérot ermöglicht und somit die Absorption eines Großteils der einfallenden polarisierten TM-Welle (Tranverse magnetic).
Auch die Modellgestaltung ermöglicht das Aufzeigen dieses Resonanzphänomens vom Typ Fabry-Pérot für die Modi TE (Transverse electric) der flachen Wellenführung, die zwischen zwei Elektroden gebildet wird, die durch ein Element getrennt werden, und somit das Absorbieren eines Großteils des polarisierten einfallenden Lichts TE für die Einstellungen der Vorrichtung, die angemessen ausgewählt wurden.
Bei einer TM-Polarisierung kann wie bei der TE-Polarisierung die komplette Absorption erzielt werden, wenn man einen Bragg-Spiegel unter den Elektroden einsetzt, um die in die isolierende Schicht übertragene Welle zu reflektieren.
Die Abbildungen der beigefügten Zeichnungen zeigen auf, dass im Gegensatz zur Erregung der Plasmone horizontaler Flächen (d. h. parallel zur isolierenden Schicht) die Resonanz nicht empfindlich auf die Neigung der einfallenden Lichtwelle, die man feststellen möchte, reagiert. Es ist folglich möglich, diese Lichtwelle auf die Vorrichtung zu fokussieren und nur eine geringe Anzahl von Elementen einzusetzen (z. B. 3 bis 5), wobei der Quantenwirkungsgrad der Vorrichtung (im Vergleich zu dem Fall, in dem man eine große Anzahl von Elementen benutzt) nur geringfügig verringert wird.
Im Falle der TM-Polarisierung sollte die Dicke eines jeden Elements genau beachtet werden, wohingegen dies nicht der Fall bei transversalen Richtungen der Elemente und Elektroden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorliegende Erfindung versteht man besser beim Lesen der Beschreibung der nachstehenden Herstellungsbeispiele, die rein informativ und in keiner Weise einschränkend sind, und in der Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, auf denen:
1 eine perspektivische schematische Teilansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.
die 2 und 3 schematische Teilansichten von Schnitten anderer Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind,
4 die Variationen des Reflektionsgrads in Abhängigkeit vom Einfallwinkel des festzustellenden Lichtes für zwei unterschiedliche Werte der Höhe des Gitters zeigt, das durch dieses Elemente und die Elektroden einer Vorrichtung gemäß Erfindung gebildet wird,
5 Reflexionsgradvarianten in Abhängigkeit von dieser Höhe, in einer Vorrichtung gemäß Erfindung zeigt,
die 6A und 6E schematisch die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulichen,
die 6F und 6H schematisch die Verfahren aufzeigen und
7 eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Vorrichtung gemäß Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der besonderen Herstellungsarten
Eine Vorrichtung gemäß Erfindung wir aus perspektivischer Ansicht schematisch teilweise auf 1 dargestellt. Es handelt sich um eine Struktur, die ein Netz aus Metall-Halbleiter-Metall-Detektoren bildet, auch MSM genannt, und die auf einer elektrisch isolierenden Schicht 2 angeordnet ist.
Dieses Gitter ist eine Struktur von Metallelektroden 4, die mit den Halbleiterelementen 6 alternieren.
Diese Elektroden und diese Elemente haben eine annähernd parallelflache Form und erstrecken sich in ein und dieselbe Richtung D auf der Schicht 2.
Im Beispiel von 1 gibt es mehrere Halbleiterelemente. In einer nicht dargestellten Variante verwendet man lediglich ein Halbleiterelement 6 zwischen zwei Elektroden 4.
Eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in einem schematischen Teilquerschnitt in 2 dargestellt. Die Vorrichtung von 2 ist die gleiche, wie auf 1, nur umfasst sie außerdem einen vielschichtigen Spiegel 8, den man auch Bragg-Spiegel nennt.
Dieser vielschichtige Spiegel ist eine Stapelung von alternierenden Schichten, die kein Licht absorbieren, mit den unterschiedlichen Refraktionsindexen nA und nB. Die jeweiligen Dicken hA und hB dieser Schichten werden unter Berücksichtigung der Reihe der zu reflektierenden Wellenlängen berechnet.
Man sieht außerdem, dass die Vorrichtung von 2 auf einem Substrat 9 gebildet wird. Der Spiegel 8 ist zwischen diesem Substrat und Schicht 2.
Man kann diese Vorrichtung von 2 (und folglich die Vorrichtung von 1) in die drei Bereiche I, II und II zerlegen.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass die einfallende Lichtwelle 10, die man mit der Vorrichtung feststellen möchte, auf letzterer über den Bereich I auftrifft, der aus Luft besteht.
Man kann auf ähnliche Art und Weise den Fall einer Vorrichtung gemäß Erfindung beschreiben, der in Kontakt mit einer Lichtwellenführung positioniert und, in der sich ein mit der Vorrichtung zu erkennendes Licht verbreitet. Dieser Fall wir schematisch in einer Teilansicht auf 3 veranschaulicht. Die Führung hat hier die Kennung 12. Diese Führung 12 erstreckt sich in Richtung D parallel zu den Elektroden 4 und den Halbleiterelementen 6.
Betrachtet man sich erneut 2, besteht der Bereich II aus dem Gitter der Metallelektroden 4 mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt und den Elementen 6, die aus einem Halbleiter bestehen, der das einfallende Licht absorbiert, wobei die Wellenlänge dieses Lichts bekannt ist.
In einer Variante, die nicht dargestellt ist, besteht jedes Element 6 aus einer Schicht eines Halbleitermaterials, die das einfallende Licht absorbiert, und einer dielektrischen Schicht, die diese Halbleitermaterialschicht bedeckt.
Bereich III ist die Schicht 2, die aus einem nicht absorbierenden Halbleiter besteht, der an den Halbleiter von Bereich II gitterangepasst ist. Dieser Bereich III kann, wie wir schon gesehen haben, einen Bragg-Spiegel umfassen, der die von Bereich II bis in Bereich III übertragenen Lichtwellen reflektiert.
Das zu erkennende einfallende Licht 10, das man in polarisiertes TM-Licht und polarisiertes TE-Licht unterteilen kann, trifft über Bereich I auf die Struktur auf. Das polarisierte Licht TM erregt die Oberflächenplasmon-Modi entlang der Schnittstelle zwischen dem Metall und dem Halbleiter von Bereich II. Die diesen Modi entsprechenden Wellen werden an den Schnittstellen der Bereiche II/III und II/I reflektiert.
Dieses Resonanzphänomen wird für eine TM-Polarisierung auf 2 schematisch dargestellt. Die Resonanzoberflächenplasmone 14 sind symbolisch dargestellt.
Die Höhe hm zwischen der Schnittstelle II/III und dem Spiegel Bragg 8 wird so berechnet, dass die aus dem Bereich II in den Bereich III übertragene Welle, die von diesem Spiegel 8 reflektiert wird, sich in einer Phase mit den Wellen (Plasmonen) in Milieu II befindet und zur Resonanz beiträgt.
Das polarisierte Licht TE erregt die Modi der flachen Wellenführung zwischen zwei Elektroden 4. Diese Modi werden auch an den Schnittstellen II/III und II/I reflektiert und die in Bereich III übertragenen Wellen werden von dem Bragg-Spiegel 8 reflektiert.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ist in der Folge ähnlich wie die einer herkömmlichen MSM-Struktur:
Auf die Elektroden werden jeweils Potenziale angewendet (mittels der nicht dargestellten Polarisierung); diese Potenziale können von einer Elektrode zur anderen größer werden (progressive Polarisierung) oder diese Potenziale können die gleichen absoluten Werte, jedoch von Elektrode zu Elektrode alternierende Zeichen haben.
Bei dem Halbleiter des Bereichs II erfolgt die Absorption des Lichts über die Bildung eines Elektron-Loch-Paars für jedes absorbierte Photon (dessen Energie über der verbotenen Bandbreite liegt, oder « Gap » des Halbleiters). Unter der Wirkung des elektrischen Feldes wird das Elektron von jener der beiden nächstgelegenen Elektroden angezogen, die das höchste Potenzial hat, und das Loch von jener dieser beiden Elektroden, die das geringste Potenzial hat. Diese Ladungsverschiebung erzeugt in den Elektroden elektrischen Strom.
Die Schnelligkeit der Antwort des Fotodetektors hängt von den Abständen zwischen den Elektroden und den Potenzialen statt, auf welche diese Elektroden gebracht werden.
Wir weisen darauf hin, dass ein Teil der einfallenden Welle von dem Metall, aus dem die Elektroden gemacht sind, absorbiert werden kann.
Diese Absorption trägt teilweise zur Bildung von Ladungsträgern in den Halbleiterelementen 6 bei: die erregten Elektronen können die Potenzialschranke überschreiten oder sie durch den Tunneleffekt durchlaufen.
Die verschiedenen Materialien (Metall der Elektroden, absorbierende und nicht absorbierende Halbleiter) werden unter Berücksichtigung der Wellenlänge der zu absorbierenden einfallenden Welle ausgewählt. So können die Metallelektroden beispielsweise aus Silber sein, ein Metall dessen Reflexionskoeffizient (bei massivem Ag) hoch ist, was folglich eine starke Resonanz ermöglicht. Es können aber auch Gold, Platin, Aluminium oder andere, stark reflektierende Metalle benutzt werden. Wir weisen auch darauf hin, dass die Elektroden aus Gründen, die wir weiter unten erörtern werden, aus zwei Metallen bestehen können.
Für eine Absorption um 0,8 μm wählt man GaAs als absorbierenden Halbleiter und AlAs als nicht absorbierenden Halbleiter (oder anstatt AlAs ein Material Al_xGa_1-xAs, wobei x so gewählt wird, dass dieses Material nicht das Licht absorbiert, dessen Wellenlänger vordefiniert ist, sondern eine selektive Gravur von GaAs ermöglicht). Der Bragg-Spiegel besteht aus AlAs und Al_0,2Ga_x0,8As. Für eine Absorption um 1,55 μm wählt man In_0,53Ga_0,47As als absorbierenden Halbleiter und InP als nicht absorbierenden Halbleiter. Der Bragg-Spiegel besteht aus GaInAsP/InP oder AlGaInAs/AlInAs.
Zum anderen sind die verschiedenen Einstellungen der Vorrichtung e (Breite der Elektroden), d (kein Gitter) und h (Höhe des Netwerks, d. h. Dicke der Elektroden und der Halbleiterelemente) sowie die Dicke hm der isolierenden Schicht 2 – siehe 2 – so angeglichen, dass entweder die Oberflächenplasmone für die TM-Polarisierung oder die TE-Modi erregt werden, und zwar dergestalt, dass für diese Modi die Fabry-Pero-Resonanz erzielt wird. Es ist ferner möglich, diese Einstellungen so auszuwählen, dass die beiden Modi gleichzeitig optimal erregt werden.
Wir präzisieren, dass der Abstand d–e zwischen zwei nebeneinander liegenden Elektroden (d. h. die Breite jedes Elements) zwischen λ und 0,02xλ liegt oder λ die Wellenlänge des festzustellenden Lichts ist und dass h kleiner als λ/(2n) ist oder n der durchschnittliche Brechungskoeffizient der Elemente 6 ist. Man erhält somit eine Vorrichtung mit geringer Laufzeit und geringer Kapazität.
Als Beispiel kann man eine Anzahl N von Elementen benutzen mit 2 ≤ N ≤ 20, wobei der Abstand d zwischen 0,1xλ und 1xλ beträgt.
A λ = 0,8 μm und mit den oben stehenden Materialien erhält man eine Gesamtabsorption (über 99%) der polarisierten einfallenden TM-Welle durch Auswählen eines Gitterabstands von d = 150 nm, eines Deckungsgrads (r = e/d) von r = 0,5 (50%), einer Höhe h des Gitters von 55 nm und eines Bragg-Spiegels, der aus 20 Schichten besteht. Die vom Halbleiter des Bereichs II absorbierte Energie liegt bei 74%, der Rest (26%) wird vom Metall absorbiert.
Die einfallende polarisierte TE-Welle wird ebenfalls vollständig absorbiert, wenn man als Werte d = 150 nm, r = 0,4 und h = 305 nm wählt. Für eine nicht polarisierte Welle ermöglicht die Wahl der Einstellungen d = 150 nm, r = 0,5 und h = 210 nm eine Reflektion der einfallenden Welle von 16% und eine Absorption in dem Halbleiter von 72%.
Die Kurven der 4 und 5 ermöglichen die Charakterisierung der Leistungen der Vorrichtungen gemäß der Erfindung.
4 zeigt die Variationen des Reflektionsgrads T (in %), das Verhältnis zwischen der von der Vorrichtung reflektierten Lichtstärke zur Lichtstärke, die auf diese Vorrichtung einfällt, unter Berücksichtigung des Einfallwinkels θ (in Radianten), den man auf 2 sieht, für die nachstehenden Einstellungswerte: d = 0,15 μm, r = 0,5 und h = 53 nm für Kurve I und h = 55 nm für Kurve II.
5 zeigt die Schwankungen des Reflektionsgrads T (in %) unter Berücksichtigung der Höhe h des Gitters (in μm) für d = 0,15 μm, r = 0,5 und θ = 0° (normaler Einfall).
Die Herstellung einer Vorrichtung gemäß Erfindung, z. B. die Vorrichtung von 2, erfolgt in den fünf Schritten, die auf den 6A bis 6E schematisch abgebildet sind.
Die Schichten 16 und 18 des Bragg-Spiegels, die Schicht 2 aus AlAs und die Schicht 22 aus GaAs, die sich auf der Schicht 2 befindet (6A), wurden durch Epitaxie hergestellt (z. B. durch Molekularstrahlepitaxie) auf einem Substrat 9 von GaAs, anschließend stellt man die elektronische Maske aus den Motiven des Gitters her (6B). Man definiert somit dank des Maskierungs-Auftrags 24 (z. B. PMMA-Auftrag) die Bereiche, die den Elektroden entsprechen. Anschließend führt man eine reaktive ionische Gravur der Schicht GaAs durch (6C). Schließlich trägt man (6D) unter Vakuum einer Schicht Silber 25 auf, um die Elektroden 4 zu bilden, und eine Schälung ("lift off"), die zur Struktur von 6E führt.
Die selektive Gravur der Schicht GaAs auf AlAs wird durch die Einführung von Sauerstoff in das Gestell, in dem die Fertigung stattfindet, erzielt: Wird das GaAs graviert, bildet sich an der Oberfläche der Schicht AIRS eine dünne Oxidschicht; sie senkt die Gravurgeschwindigkeit erheblich und ermöglicht das Stoppen der Gravur auf dieser Schicht. Diese Selektivität kann generalisiert werden, z. B. für InGaAs durch das Einfügen einer Schicht InAlAs.
Der Wert von Einstellung h (2), dessen Aufgabe in der Resonanz entscheidend ist, wird folglich zum Zeitpunkt der Epitaxie bis auf die einzelne Schichten genau kontrolliert (0,5 nm).
Der Schritt der Metallisierung und des Lift-off kann nach der Entnahme der Aufträge 24 (siehe 6F) ersetzt werden durch eine Metallisierung und Damaszierung ("Damascene-Technik"), d. h. durch mechanisches oder mechanisch-chemisches Polieren des Metalls unter Beachtung der Elemente 6. Der Pfeil F in 6F zeigt die Grenze dieses Polierens auf.
Um die Selektivität des Polierens zu erleichtern, kann jedes Element 6 aus einer Halbleiterschicht 6a bestehen, die das zu erkennende Licht absorbiert und auf der man vorher eine dielektrische Schicht 6b aufgebracht hat. Diese dielektrische Schicht 6b kann beispielsweise aus Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen, dessen Poliergeschwindigkeit im Vergleich zu der von Metall, wie z. B. Silber, das man verwenden kann, sehr langsam ist. Die dielektrische Schicht, die zu der Struktur der Schichten 6b führt (und als Schicht dient, die den Poliervorgang dank des Härtunterschieds zwischen dem Metall und der dielektrischen Schicht stoppt), kann durch Aufsprühen („sputtering") aufgetragen werden, nachdem die absorbierende Halbleiterschicht, die zur Struktur der Schichten 6a führt, vergrößert wurde. Anschließend trägt man eine Maske auf, z. B. aus Nickel, die dazu dient, die Bereiche für Element 6 bei den ionischen reaktiven Gravuren der dielektrischen Schicht zu schützen (fluorierte Gravuren beispielsweise), und dann die absorbierende Halbleiterschicht (gechlorte Gravuren beispielsweise).
Führt man die Metallisierung und die Damaszierung durch, ermöglichen zwei Metallisierungen 25a und 25b (siehe 6G und 6H) mit den im Verhältnis zum Substrat geneigten Quellen, durch Verwendung von zwei unterschiedlichen Metallen das Bauen von Bimetall-Elektroden (Fall von 7).
Die Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, kann an einen breiten Wellenlängenbereich angepasst werden, der vom sichtbaren Spektrum bis zum Infrarotspektrum reicht (mehrere μm). Zum anderen kann er mit einer breiten Auswahl von Halbleitermaterialien hergestellt werden.
Es ist möglich, verschiedene Halbleitertypen in Bereich II zu verwenden (2), z. B. in Form von Heterostrukturen (durch Epitaxie behandelte Schichten), um den Transport der Ladungen zu verbessern und folglich die Schnelligkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Die Berechnungen haben gezeigt, dass ein trapezförmiger oder teilweise abgerundeter Abschnitt der Elektroden die Funktionsweise der Vorrichtung nicht grundlegend ändert. Die Höhe h der Elemente spielt folglich eine große Rolle.
Das Hinzufügen einer dielektrischen Schicht zu jedem Element 6 ändert die Funktionsweise der Vorrichtung auch nicht grundlegend, doch die jeweiligen Höhen der verschiedenen Schichten müssen neu definiert werden und sind sehr wichtig.
Es ist ferner möglich, dysymmetrische Elektroden zu benutzen, um die Resonanz auf der negativsten Elektrode zu begünstigen und somit die Strecke der langsamen Ladungsträger (die Löcher im betreffenden Beispiel) in Bezug auf die Strecke der schnellen Ladungsträger (die Elektronen) zu verringern.
Wie man gesehen hat, ist es möglich, für die Elektroden zwei unterschiedliche Metalle mit zwei voneinander unabhängigen Zielen zu verwenden. Eines gleicht dem vorhergehenden Metall und bezweckt die Begünstigung der Resonanz auf der negativsten Elektrode, wohingegen die andere die Optimierung der Höhen der Sperren bei jedem der beiden Ladungsträgertypen und folglich die Reduzierung des Dunkelstroms ermöglicht.
Die Bildung von Trägern im Metall kann bei Photonen mit einer Energie, die unter der verbotenen Bandbreite des Halbleiters der Elemente 6 (größte Wellenlänge) liegt, stattfinden, was den Anwendungsbereich der Erfindung vergrößert.
Auf 7 ist eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Man sieht hier noch die isolierende Schicht und den Bragg-Spiegel 8.
Man sieht ferner die Elemente 6, die durch Elektroden getrennt sind, die im betreffenden Beispiel jeweils in zwei nebeneinander liegenen Teilen 26 und 28 aus zwei unterschiedlichen Metallen gefertigt sind. Man sieht, dass sich zwischen einem Teil 26 und einem Teil 28 ein Element 6 befindet, und folglich zwischen zwei unterschiedlichen Metallen.
Auf 7 zeigen die Kennzeichnungen 30 und 31 Reste der Schicht 22 an den beiden Enden der Vorrichtung.
Man sieht ferner einen Kathodenkontakt 32 und einen Anodenkontakt 34, die jeweils mit den Endelektroden in Kontakt sind. Der Anoden- und der Kathodenkontakt sind über eine resistives Element 36, welches mit jeder Elektrode in Kontakt ist und die Stabilisierung der Potenziale dieser Elektroden ermöglicht, miteinander verbunden.
Für die Funktionsweise der Vorrichtung auf 7 wird zwischen den Kontakten 32 und 34 eine Spannung angewendet.

Claims

Fotodetektionsvorrichtung, die zur Feststellung eines einfallenden Lichts (10) einer vordefinierten Wellenlänge bestimmt ist, das sich in einem Verbreitungsmilieu (I, 12) verbreitet, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, ist, dass sie eine elektrisch isolierende Schicht (2), die dieses Licht nicht absorbiert, und auf dieser Schicht wenigstens ein Element (6) mit einem Halbleitermaterial und wenigstens zwei Polarisationselektroden (4) umfasst, die jeweils dazu bestimmt sind, auf voneinander unterschiedliche Potenziale zueinander gebracht zu werden, wobei die Elektroden (4) das Element (6) einrahmen, wobei die vom Element (6) und den Elektroden (4) gebildete Struktur geeignet ist, das einfallende Licht zu absorbieren, wobei das Element (6) und die Elektroden (4) eine deutlich parallelflache Form aufweisen und sich gemäß einer und derselben Richtung (D) erstrecken, wobei die Abmessungen der Elektroden (4) und des Elements (6), die transversal zu dieser Richtung gezählt werden, in Abhängigkeit von der vordefinierten Wellenlänge derart ausgewählt werden, dass die Lichtintensität in der vom Element (6) und den Elektroden (4) gebildeten Struktur im Verhältnis zum einfallenden Licht erhöht wird, indem wenigstens einer der zwei Modi in Resonanz gebracht wird, nämlich einem ersten Modus, der ein Oberflächen-Plasmonmodus ist und der zwischen den Schnittstellen in Resonanz gebracht wird, der diese Struktur mit der isolierenden Schicht (2) und dem Verbreitungsmilieu (I, 12) aufweist, wobei die Resonanz dieses ersten Modus an der Schnittstelle zwischen dem Element (6) und wenigstens einem der Elektroden (4) dieses ersten Modus durch die Komponente des dem einfallenden Licht zugeordneten magnetischen Feldes angeregt wird, wobei die Komponente parallel zu den Elektroden (4) ist, und ein zweiter Modus, der ein elektrischer Transversalmodus eines optischen Wellenführers ist, der senkrecht zur isolierenden Schicht (2) verläuft und die zwei Elektroden (4) umfasst, wobei dieser zweite Modus durch die Komponente des dem einfallenden Licht zugeordneten elektrischen Feldes angeregt wird, wobei die Komponente parallel zu den Elektroden (4) verläuft.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in der der Oberflächen-Plasmonmodus in Resonanz gebracht wird und in dem die Breite (d–e) jedes Elements (6), die senkrecht zur Richtung (D) gezählt wird, kleiner ist als λ und größer ist als 0,02 x λ und bei der λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist und die Dicke (h) jedes Elements geringer ist als λ/(2n) ist, bei der n der durchschnittliche Refraktionsindex jedes Elements (6) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, in der die Elektroden (4) aus einem und demselben elektrisch leitenden Material hergestellt sind und dieselbe Höhe haben, die senkrecht zur isolierenden Schicht gezählt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, in der die Elektroden (4) wenigstens eine der zwei Eigenschaften (a) haben, aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien hergestellt zu sein und (b) unterschiedliche Höhen zu haben, die senkrecht zur isolierenden Schicht derart gezählt werden, dass die Resonanz im Wesentlichen auf der Seite der Elektrode stattfindet, die bei der Polarisation der Elektroden (4) die langsamen Lastenträger aufnimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, in der das Element (6) eine Halbleiter-Heterostruktur umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5 mit mehreren Elementen (6) und Elektroden (4), die auf der isolierenden Schicht alternieren, wobei jede Elektrode aus einem einzigen Metall oder aus zwei unterschiedlichen Metallen hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, in der die Elektroden (4) dazu bestimmt sind, auf Potenziale gebracht zu werden, die von einer Endelektrode zur anderen Endelektrode der Struktur der Elektroden größer wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, die darüber hinaus ein ein Potenzial stabilisierendes, resistives Material (36) umfasst, das mit den Elektroden (4) in Kontakt ist und von einer Endelektrode zur anderen Endelektrode der Struktur der Elektroden (4) verläuft.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, in der die Elektroden (4) dazu bestimmt sind, auf Potenziale gebracht zu werden, deren absolute Werte gleich sind und deren Zeichen alternieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 9, die darüber hinaus ein Reflektionsmittel (8) umfasst, das zwischen dem Substrat (9) der Vorrichtung und der elektrisch isolierenden Schicht (2) inbegriffen ist und das vorgesehen ist, um das nicht absorbierte Licht zu reflektieren, das die isolierende Schicht (2) durchquert, wobei die Dicke (hm) dieser isolierenden Schicht (2) ausgewählt ist, damit das vom Reflektionsmittel (8) reflektierte Licht mit den Lichtwellen in einer Phase ist, die in der Struktur vorhanden sind, die durch jedes Element (6) und die Elektroden (4) gebildet wird und zur Resonanz beiträgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die zur Feststellung eines einfallenden Lichts bestimmt ist, dessen Wellenlänge rund 0,8 μm wert ist, wobei diese Vorrichtung auf einem GaAs-Substrat gebildet wird, wobei das Element (6) in GaAs ist, die Elektroden (4) aus Ag, die isolierende Schicht (2) aus AlAs oder aus einem Material Al_xGa_1-xAs, wobei x derart ausgewählt wird, dass das Material nicht das einfallende Licht absorbiert, sondern eine selektive Gravur des GaAs erlaubt und das Reflektionsmittel (8) ein vielschichtiger Spiegel AlAs/AlGaAs ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die dazu bestimmt ist, ein einfallendes Licht festzustellen, dessen Wellenlänge rund 1,55 μm wert ist, wobei diese Vorrichtung auf einem Substrat aus InP gebildet wird, wobei das Element (6) aus InGaAs ist, die Elektroden (4) aus Ag, die isolierende Schicht (2) aus AlInAs und das Reflektionsmittel (8) ein vielschichtiger Spiegel GaInAsP/InP oder AlGaInAs/AlInAs ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die dazu bestimmt ist, ein einfallendes Licht festzustellen, dessen Wellenlänge rund 1,55 μm wert ist, wobei diese Vorrichtung auf einem Substrat aus GaAs gebildet wird, wobei das Element (6) aus einer Legierung InGaAsNSb ist, die Elektroden (4) aus Ag, die isolierende Schicht (2) aus AlAs oder aus einem Material Al_xGa_1-xAs, wobei x derart ausgewählt ist, dass dieses Material das einfallende Licht nicht absorbiert, sondern eine selektive Gravur des GaAs erlaubt und das Reflektionsmittel ein vielschichtiger Spiegel GaAs/AlAs ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 10, die dazu bestimmt ist, ein einfallendes Licht festzustellen, dessen Wellenlänge zum Infrarotbereich gehört und in der die Elektroden (4) im Wesentlichen aus Ag oder Au sind, um das einfallende Licht zu absorbieren, wobei das Element (6) dieses einfallende Licht nicht absorbiert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 14, in der das Verbreitungsmilieu Luft (I) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 14, in der das Verbreitungsmilieu eine zur der Richtung (D) parallele Luftführung (12) ist, in der sich die Elektroden jedes Elements erstrecken.
Herstellungsverfahren der Fotodetektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 16, in dem eine bestimmte Dicke des Halbleitermaterials des Elements auf der isolierenden Schicht (2) vergrößert wird, dieses Halbleitermaterial selektiv graviert wird, um daraus Abschnitte aus den Elektroden (4) entsprechenden Stellen zu eliminieren und diese Elektroden an diesen Stellen gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 17, in dem eine und dieselbe Maske verwendet wird, um das Element selektiv zu gravieren und dann die Elektroden (4) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 17, in dem eine Maske verwendet wird, um das Element selektiv zu gravieren, diese Maske entfernt wird, die Elektroden (4) mittels wenigstens eines Metalls gebildet werden und der Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen Polierens entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19, in dem der Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen selektiven Polierens des Metalls im Verhältnis zum Element entfernt wird, wobei dieses Element aus einem Material gebildet wird, dessen Härte angesichts der des Metalls groß ist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, in dem das Element aus einer Halbleiterschicht (6a) gebildet wird, die das festzustellende Licht absorbiert und auf der zuvor eine dielektrische Schicht (6b) eines Materials aufgebracht wurde, dessen Härte angesichts der des Metalls groß ist, und der Überschuss dieses Materials mittels eines mechanischen oder mechanisch-chemischen selektiven Polierens des Materials im Verhältnis zum Element entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19, in dem zur Bildung der Elektroden (4) zwei unterschiedliche Metalle verwendet werden, die sukzessive schräg im Verhältnis zur isolierenden Schicht (2) aufgebracht werden.