DE4019853C2

DE4019853C2 - Halbleiter-Fotodiode mit Antireflex-Beschichtung

Info

Publication number: DE4019853C2
Application number: DE4019853A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Schmid
Original assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Current assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2010-06-23
Also published as: US5736773A; DE4019853A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Fotodiode mit Antireflex- Beschichtung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, Halbleiter-Fotodioden als Empfangselemente, d. h. als Licht/Stromwandler, in der optischen Nachrichtentechnik und in der Meßtechnik einzusetzen. Der Umwandlungsprozeß Licht/Strom ist wellenlängenabhängig, wobei eine ideale Fotodiode mit dem Quantenwirkungsgrad η reflexionsfrei wäre und somit folgende Eigenschaft hätte:

Dabei ist r_intrinsic der mit steigender Wellenlänge zunehmende intrinsische Umsetzfaktor, der auch bei realen Fotodioden vorhanden ist und zusätzlich beeinflußt wird durch den Quantenwirkungsgrad η, der im allgemeinen nur in einem mittleren Wellenlängenbereich von ca. 1 µm bis 1,5 µm annähernd konstant sowie kleiner als 100% ist. Außerdem wird dieser Umsetzfaktor durch den Brechzahlsprung zwischen Luft und Halbleiter und die sich daraus ergebende externe Reflexion beeinflußt, wobei dieser extrinsische Reflexionsfaktor folgender Gleichung genügt:

Typische Werte liegen für n_L=1 und n_HL=3,5 bei r_ext≈30%.

Die extrinsische Reflexion mindert den Gesamt- Umsetzfaktor, weshalb im allgemeinen Fotodioden mit einer breitbandigen Antireflex-Beschichtung versehen werden, die bei Anwendungen in der Nachrichtenübertragungstechnik vergl. DE-OS 25 45 136 meist auf eine mittlere Standard-Wellenlänge optimiert ist, d. h. daß der wellenlängenabhängige Verlauf der extrinsischen Reflexion dem intrinsischen Verlauf möglichst nahe kommt. Damit wird eine Forderung der optischen Nachrichtenübertragung erfüllt, die bei jeder Wellenlänge nach jeweils möglichst hohem Umsetzfaktor strebt.

Um für Anwendungen in der optischen Meßtechnik möglichst geringe Meßunsicherheiten für unterschiedliche Meßwellenlängen zu erreichen, ist es bekannt, die wellenlängenabhängige Umsetzung jeder Fotodiode individuell aufzunehmen und im betreffenden Meßgerät abzuspeichern. Bei der Durchführung der Messung wird die aktuelle Meßwellenlänge vom Benutzer eingegeben, damit das Meßgerät auf Grund der abgespeicherten Parameter eine Korrektur des Umsetzfaktors vornehmen kann. Voraussetzung dabei ist jedoch, daß die Meßwellenlänge bekannt ist, was jedoch häufig nicht der Fall ist. Diese bekannte Korrektur des Umsetzungsfaktors führt daher bei Abweichungen der eingegebenen Wellenlänge oder bei völlig unbekannten Wellenlängen zu stark fehlerbehafteten Meßergebnissen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fotodiode zu schaffen, die für einen vorgegebenen Meßbereich auch bei nicht bekannter Meßwellenlänge eine Lichtleistungsmessung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale erhalten. Die Schichtdicke der Antireflex-Beschichtung wird so gewählt, daß in einem vorgegebenen Meßbereich, der beispielsweise zwischen einer Wellenlänge von 1 µm bis 1,6 µm liegen kann, ein annähernd konstanter spektraler Transmissionsverlauf erhalten wird. Dies wird dadurch erhalten, daß der intrinsische Transmissionsverlauf mittels des durch die Antireflex-Beschichtung realisierbaren extrinsischen Reflexionsverlaufs derart kompensiert wird, daß für den gewünschten Wellenlängenbereich ein nahezu konstanter Transmissionsfaktor erhalten wird.

Die Antireflex-Beschichtung kann aus einer Einfachschicht aus Siliziumdioxid oder dergleichen bestehen. Für den Meßbereich 1 µm bis 1,6 µm und einer Einfachschicht aus SiO₂ (n≈1,5) ergibt sich dann eine Schichtdicke von d=0,54 µm.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Diagramme näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den von der Schichtdicke und der Brechzahl abhängigen Transmissionsverlauf der Antireflex-Beschichtung und

Fig. 2 mehrere von der Wellenlänge abhängigen Transmissionsverläufe und Umsetzfaktoren.

Die für Fotodioden vorgesehene Antireflex-Beschichtung, die auch als zusätzliche Passivierung des Halbleiters dient, besteht aus einer Einfachschicht aus SiO₂ oder Si₃N₄ und weist damit eine Brechzahl von n≈1,5 bis 2,0 auf. Zur Erreichung einer kompletten Reflexionsbeseitigung müssen zwei Bedingungen erfüllt werden:

1. Amplitudenbedingung:
2. Phasenbedingung:

wobei n_L die Brechzahl der Luft, n die Brechzahl der Beschichtung und n_HL die Brechzahl des Halbleiters ist.

Die Phasenbedingung kann also optimal nur für eine einzige Wellenlänge erfüllt werden. Für die Amplitudenbedingung erhält man im vorliegenden Fall:

Bei den üblichen Standard-Beschichtungsmaterialien, die eine Brechzahl von n≈1,5 besitzen, wird diese Amplitudenbedingung nicht erfüllt, so daß selbst bei Erfüllung der Phasenbedingung keine vollständige Reflexionsbeseitigung erreicht wird.

Allgemein kann die Reflexionsminderung als Dreischichtproblem dargestellt werden, wie dies beispielsweise beschrieben ist in "Präzisionsoptik", Spindler & Hoyer-Katalog 1987/88, Seite T2. Der Leistungs-Reflexionsfaktor beträgt danach:

wobei

und

Daraus berechnet sich die Transmission:

Für den vorliegenden Fall (n_L=1, n=1,5, n_HL=3,5) wird:

r₁=-0,2 bzw. r₁²=0,04
r₂=-0,4 bzw. r₂²=0,16

und damit ergibt sich ein Transmissionsverlauf

Dieser Verlauf ist in Fig. 1 dargestellt.

Eine typische bekannte Optimierung für Fotodioden im längerwelligen Übertragungsbereich (1,3 bis 1,5 µm) legt das Maximum der Transmission in den Bereich bei λ=1,3 µm, d. h. n · d/1,3 µm = 1/4. Daraus resultiert eine Schichtdicke von = 0,22 µm und damit ein wellenlängenabhängiger Transmissionsverlauf, wie er in Fig. 2 als Kennlinie K1 angegeben ist.

Ein typischer Quantenwirkungsgrad liegt bei ca. 75%, so daß man einen intrinsischen Umsetzfaktor entsprechend der Kennlinie K2 erhält. Kombiniert mit dem Transmissionsverlauf ergibt sich der Gesamt-Umsetzungsfaktor gemäß der Kennlinie K3.

Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, die Schichtdicke so zu verändern, daß die Wellenlängenabhängigkeit des intrinsischen Umsetzfaktors durch eine gegenläufige Transmission der Antireflex-Beschichtung kompensiert wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, muß man dazu die Dicke d so wählen, daß sich eine mit der Wellenlänge abnehmende Transmission T ergibt. Mögliche Arbeitspunkte sind dabei

Darüber hinaus muß der Arbeitspunkt so gewählt werden, daß über den zu linearisierenden Wellenlängenbereich λ_min bis λ_max die Steigung des Transmissionsverlaufs betragsmäßig gleich derjenigen des intrinsischen Umsetzfaktors ist. Dies ist der Fall im Bereich

Will man z. B. den Transmissionsverlauf dem Wellenlängenbereich 1 µm bis 1,6 µm linearisieren, so wird man die mittlere Wellenlänge

auf den Wendepunkt der Transmissionskurve legen, d. h. die Schichtdicke auf der Grundlage folgender Gleichung berechnen

Daraus erhält man bei n≈1,5 für die Schichtdicke d= 0,54 µm. Den dazugehörigen spektralen Transmissionsverlauf zeigt die Kennlinie K4 und die Kombination mit dem intrinsischen Umsetzfaktor ersieht man aus der Kennlinie K5.

Die Kennlinie K5 zeigt somit den Gesamt-Umsetzfaktor r für eine erfindungsgemäß ausgestattete Fotodiode, d. h. eine Fotodiode mit einer derart bemessenen Schichtdicke d der Antireflex-Beschichtung, daß über einen Wellenlängenbereich von etwa 1 µm bis 1,6 µm ein nahezu konstanter Gesamt-Umsetzfaktor erhalten wird.

Claims

1. Halblbeiter-Fotodiode mit Antireflex-Beschichtung für den Einsatz in optischen Meßgeräten, zur Messung der Lichtleistung bei Wellenlängen im Mikrometer-Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß für übliche Halbleiter mit einer linearen Abhängigkeit des intriusischen Umsetzfaktors in dem Wellenlängenbereich von 1 bis 1,6 µm und mit einer Antireflex-Einfachschicht zur Kompensation der Wellenlängenabhängigkeit des intriusischen Umsetzfaktors die Schichtdicke der Antireflex-Beschichtung so gewählt wird, daß die Gleichung erfüllt wird und sich ein annähernd konstanter spektraler Gesamt-Umsetzfaktor ergibt, wobei der Brechungsindex der Antireflex-Beschichtung und λ_min die Mindestwellenlänge und λ_max der Maximalwellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs ist.

2. Halbleiter-Fotodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Einfachschicht aus Siliziumdioxid mit der Brechzahl n=1,5 und einem Halbleitermaterial mit der Brechzahl n_HL=3,5 λ_min=1 µm bis λ_max =1,6 µm die Schichtdicke d=0,54 µm beträgt.