DE102024115314A1

DE102024115314A1 - Infrarot-Photodetektor und Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors

Info

Publication number: DE102024115314A1
Application number: DE102024115314.8A
Authority: DE
Inventors: Yonder Berencén; Mohd Saif Shaikh; Shengqiang Zhou
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2024-06-03
Filing date: 2024-06-03
Publication date: 2025-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Photodetektor und ein Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors, wobei der Infrarot-Photodetektor ein Siliziumelement mit einem chalkogendotierten Bereich mit einer Chalkogenkonzentration von maximal 5·1019cm-3als Infrarot-sensitives Detektionsvolumen aufweist.

Description

TECHNISCHES FELD
Die vorliegende Anmeldung betrifft Infrarot-Photodetektoren, d.h. Photodetektoren zum Detektieren von Infrarot-Strahlung. Die Anmeldung betrifft zudem Verfahren zum Herstellen von Infrarot-Photodetektoren.
HINTERGRUND
Photodetektoren setzen empfangenes Licht in ein elektrisches Signal um. In einem Halbleiter-Photodetektor erzeugt ein Photon ausreichender Energie ein Elektron-Loch-Paar in einem durch zwei Elektroden elektrisch vorgespannten Halbleiterkörper. Das mittels der beiden Elektroden generierte elektrische Feld trennt die erzeugten Ladungsträger entsprechend ihrer Polarität. Die derart durch Photonen erzeugten Ladungsträger fließen über die Elektroden ab und prägen in einem die beiden Elektroden außerhalb des Halbleiterkörpers verbindenden Laststromkreis einen Photostrom ein. Der Photostrom ist ein Maß für die detektierte Infrarot-Strahlung, wobei z.B. die Stromstärke des Photostroms als ein Maß für die Anzahl der detektierten Photonen dienen kann.
Infrarot-Photodetektoren (kurz als „IR-Photodetektoren“ bezeichnet, wobei IR hier und im Folgenden als Abkürzung für „Infrarot“ verwendet wird) sind Photodetektoren zum Nachweis bzw. zur Detektion von Infrarot-Strahlung. Infrarot-Strahlung (IR-Strahlung) ist elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich ungefähr von 780 nm bis 1 mm bzw. im Frequenzbereich ungefähr von 300 GHz bis 400 THz. Infrarot-Photodetektoren können insbesondere in der optischen Datenkommunikation im sogenannten O-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1260 nm bis 1360 nm und im sogenannten C-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1530 nm bis 1565 nm Anwendung finden. Diesbezüglich sind insbesondere siliziumbasierte Infrarot-Photodetektoren von Interesse.
Siliziumbasierte IR-Photodetektoren sind z.B. basierend auf chalkogendotiertem Silizium realisierbar, siehe z.B. „Extended infrared photoresponse in Te-hyperdoped Si at room temperature“ (M. Wang et al., Phys. Rev. Appl. 10, S. 024054, 2018). Herkömmlich basieren solche IR-Photodetektoren auf einem Siliziumsubstrat, in das mittels Ionenimplantation ein Chalkogenelement (z.B. Tellur) mit einer relativ hohen Konzentration eingebracht wird. In dem vorgenannten Artikel wurden z.B. Tellurkonzentrationen ab 0,25 Atomprozent (At.-%) untersucht, wobei eine Zunahme der IR-Absorption mit zunehmender Tellurkonzentration festgestellt wurde und eine Tellurkonzentration von über 1 At.-% bzw. 5·10²⁰ cm^-3 als geeignet zur IR-Photodetektion ermittelt wurde. Das chalkogendotierte Siliziumsubstrat wird herkömmlich einer thermischen Behandlung im Subsekundenbereich unterzogen, indem das chalkogendotierte Siliziumsubstrat unter Nichtgleichgewichtsbedingungen z.B. mittels Blitzlampentemperung (englisch „flash lamp annealing“, auch als FLA bezeichnet) im Millisekundenbereich oder mittels Pulslasertemperung (englisch „pulsed laser annealing“, auch als PLA bezeichnet) im Nanosekundenbereich wärmebehandelt wird. Dabei erfolgt unter diskontinuierlichem Energieeintrag ein lokales Aufschmelzen und anschließendes schnelles Rekristallisieren der chalkogendotierten Bereiche an der bestrahlten Oberfläche des Siliziumsubstrats, wobei die Erwärmung im Wesentlichen auf das oberflächennahe Volumen des Siliziumsubstrats unterhalb des bestrahlten Bereichs begrenzt bleibt und das Dotierprofil der Chalkogendotierung auch bei den verwendeten hohen Dotierkonzentrationen im Wesentlichen erhalten bleibt. Derartige Kurzzeit-Temperverfahren, bei denen die Temperdauer im Subsekundenbereich liegt und die Behandlungsdauer den Bruchteil einer Sekunde beträgt, werden auch als Ultra-Kurztemper-Verfahren bezeichnet.
Der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kosteneffektiven siliziumbasierten Infrarot-Photodetektor bereitzustellen, insbesondere zur Anwendung für die optischen Telekommunikationsbänder O bis U im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm, mittels dessen eine verbesserte Detektion von Infrarot-Strahlung ermöglicht ist. Durch die Anmeldung sollen zudem kosteneffektive und unkomplizierte Verfahren zum Herstellen derartiger siliziumbasierter Infrarot-Photodetektoren bereitgestellt werden.
Derartige Infrarot-Photodetektoren und Verfahren zum Herstellen entsprechender Infrarot-Photodetektoren werden durch die unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstandes erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus den beiliegenden Figuren. Die in den schematischen Figuren gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente, Strukturen und Merkmale.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Infrarot-Photodetektor gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt in der oberen Teilfigur eine Geometrie eines Infrarot-Photodetektors gemäß einer Ausführungsform in der Draufsicht und in der unteren Teilfigur einen Querschnitt durch einen Abschnitt des Infrarot-Photodetektors.
4 zeigt ein Dotierprofil für einen n-dotierten Bereich (4a), ein Dotierprofil für einen p-dotierten Bereich (4b), und zwei unterschiedliche Dotierprofile für einen chalkogendotierten Bereich (4c).
5 zeigt die Dunkelkennlinien von Infrarot-Photodetektoren mit einer Geometrie gemäß 3 für unterschiedliche Konfigurationen.
6 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Ansprechvermögens von Infrarot-Photodetektoren mit einer Geometrie gemäß 3 für unterschiedliche Konfigurationen.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Infrarot-Photodetektor gemäß einer weiteren Ausführungsform.

DETAILBESCHREIBUNG
Nachfolgend werden Infrarot-Photodetektoren und Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors erläutert, wobei die in Bezug auf die Infrarot-Photodetektoren beschriebenen Merkmale analog für die Herstellungsverfahren angewendet werden können und umgekehrt.
Gemäß einem Aspekt wird ein Detektor zum Erfassen bzw. Detektieren von Infrarot-Strahlung bereitgestellt, der auch als Photodetektor oder Infrarot-Photodetektor bezeichnet wird. Der Infrarot-Photodetektor kann insbesondere zum Detektieren von Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm (entsprechend den optischen Telekommunikationsbändern O bis U) vorgesehen sein.
Der Infrarot-Photodetektor weist ein Siliziumelement auf. Das Siliziumelement ist bevorzugt einkristallin. Das Siliziumelement besteht (abseits der nachstehend erläuterten dotierten Bereiche) zudem bevorzugt aus undotiertem Silizium.
In dem Siliziumelement ist ein chalkogendotierter Bereich ausgebildet, d.h. ein mit einem Element der Chalkogene dotierter Bereich. Der chalkogendotierte Bereich ist derart in dem Siliziumelement ausgebildet, dass der chalkogendotierte Bereich eine Chalkogenkonzentration von maximal 5·10¹⁹ cm^-3 aufweist. Eine Chalkogenkonzentration von 5·10¹⁹ cm^-3 entspricht einer Chalkogenkonzentration von 0,1 Atomprozent (At.-%) in Silizium. Der chalkogendotierte Bereich kann auch als chalkogenhaltiger Bereich bezeichnet werden.
Es hat sich gezeigt, dass Silizium mit derart geringen Chalkogenkonzentrationen von maximal 5·10¹⁹ cm^-3 bzw. 0,1 At.-% eine effektive Detektion von Infrarotstrahlung ermöglicht. Indem die Infrarot-Photodetektoren mit derart geringen Chalkogenkonzentrationen ausgebildet werden können, sind sie mit entsprechend geringem Materialeinsatz und entsprechend geringen Herstellungszeiten (z.B. Implantationszeiten) und Herstellungskosten herstellbar. Es hat sich zudem gezeigt, dass auf Silizium mit derart geringen Chalkogenkonzentrationen von maximal 5·10¹⁹ cm^-3 bzw. 0,1 At.-% basierende Infrarot-Photodetektoren gegenüber siliziumbasierten Infrarotdetektoren mit höheren Chalkogenkonzentrationen bessere Werte hinsichtlich des Ansprechvermögens (englisch „responsivity“), der Sensitivität (englisch „sensitivity“) und/oder der Verstärkung (englisch „rectification ratio“) ermöglichen, insbesondere bei Raumtemperatur.
Der chalkogendotierte Bereich weist eine erhöhte Absorption für einfallende Infrarotstrahlung auf, wobei in dem chalkogendotierten Bereich Infrarot-Strahlung unter Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren absorbiert wird. Der chalkogendotierte Bereich fungiert somit als detektionssensitiver, für zu detektierende Infrarot-Strahlung sensitiver Bereich bzw. IR-sensitives Detektionsvolumen des Infrarot-Photodetektors. Der Infrarot-Photodetektor ist bzw. wird insbesondere derart ausgebildet, dass der chalkogendotierte Bereich für externe, von außerhalb des Infrarot-Photodetektors kommende Infrarotstrahlung (mindestens in einer Richtung) zugänglich ist bzw. gegenüber derartiger externer Infrarot-Strahlung (mindestens in einer Richtung) nicht abgeschirmt ist, sodass bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Infrarot-Photodetektors zu detektierende Infrarot-Strahlung in den chalkogendotierten Bereich eintreten kann.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor ein Strahlungseintrittsfenster bzw. eine Strahlungseintrittsfläche zum Empfangen und Einlassen zu detektierender Infrarotstrahlung aufweist, und dass der chalkogendotierte Bereich hinter der Strahlungseintrittsfläche (d.h. auf der der Strahlungseintrittsseite entgegengesetzten Seite der Strahlungseintrittsfläche) derart angeordnet ist, dass von außen auf die die Strahlungseintrittsfläche auftreffende Infrarotstrahlung in den chalkogendotierten Bereich eintritt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Strahlungseintrittsfläche nach außen hin bloßliegend bzw. unbedeckt ist und z.B. nicht durch metallische Schichten (z.B. in Form von Elektroden) bedeckt ist. Die Strahlungseintrittsfläche kann z.B. durch eine Oberfläche (d.h. eine Teilfläche der Gesamt-Außenfläche) des Siliziumelements bzw. Siliziumsubstrats gegeben sein. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich an die Oberfläche des Siliziumelements angrenzend ausgebildet ist bzw. wird, wobei die Strahlungseintrittsfläche die an die Oberfläche des Siliziumelements angrenzende Fläche des chalkogendotierten Bereichs umfassen oder durch dieselbe gegeben sein kann.
Der Infrarot-Photodetektor ist zum Erfassen von in dem chalkogendotierten Bereich unter Absorption von Infrarot-Strahlung generierten elektrischen Ladungsträgern ausgebildet. Der Infrarot-Photodetektor ist insbesondere zum Detektieren bzw. Erfassen von zu detektierender Infrarot-Strahlung basierend auf in dem chalkogendotierten Bereich unter Absorption von Infrarot-Strahlung generierten elektrischen Ladungsträgern ausgebildet.
Zum Betreiben des Infrarot-Photodetektors kann dieser insbesondere elektrische Kontakte bzw. Elektroden aufweisen, mittels derer der Infrarot-Photodektor elektrisch kontaktiert werden kann. Demgemäß kann vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode zum elektrischen Kontaktieren des Infrarot-Photodetektors aufweist. Jede dieser beiden Elektroden steht im physischen und elektrischen Kontakt zu dem Siliziumelement, wobei die erste und die zweite Elektrode das Siliziumelement an unterschiedlichen Positionen kontaktieren. Mittels der beiden Elektroden kann eine elektrische Spannung an das Siliziumelement angelegt werden und ein elektrisches Feld in dem Siliziumelement generiert werden. Durch Absorption von IR-Strahlung in dem chalkogendotierten Bereich erzeugte Ladungsträger können mittels des elektrischen Feldes entsprechend ihrer Polarität getrennt werden und mittels der beiden Elektroden unter Ausbildung eines als Ausgangssignal des Infrarot-Photodetektors fungierenden elektrischen Signals erfasst werden. Durch Absorption von IR-Strahlung in dem chalkogendotierten Bereich erzeugte Ladungsträger können insbesondere mittels des elektrischen Feldes entsprechend ihrer Polarität getrennt werden und mittels der beiden Elektroden unter Ausbildung eines Photostroms erfasst werden, wobei der Photostrom als Ausgangssignal des Infrarot-Detektors fungiert.
Demgemäß kann vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor zwei im Kontakt zu dem Siliziumelement derart angeordnete Elektroden aufweist, dass in dem chalkogendotierten Bereich unter Absorption von Infrarot-Strahlung erzeugte elektrische Ladungsträger mittels eines durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die beiden Elektroden erzeugten elektrischen Feldes entsprechend ihrer Polarität unter Erzeugung eines elektrischen Signals (z.B. eines zwischen den beiden Elektroden fließenden Photostroms) trennbar sind. Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Infrarot-Phototdetektor zum Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen die beiden Elektroden ausgebildet ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor zum Erfassen des generierten elektrischen Signals ausgebildet ist und z.B. zum Detektieren bzw. Erfassen von zu detektierender Infrarot-Strahlung basierend auf dem erfassten elektrischen Signal ausgebildet ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor zum Erfassen des zwischen den beiden Elektroden generierten Photostroms ausgebildet ist und z.B. zum Detektieren bzw. Erfassen von zu detektierender Infrarot-Strahlung basierend auf dem erfassten Photostrom ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Siliziumelement zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich einen p-dotierten Bereich auf. In dem p-dotierten Bereich liegt eine Dotierung des Siliziumelements mit Fremdatomen vor, die als Akzeptor fungieren, wie z.B. Bor oder ein anderes Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich und der p-dotierte Bereich in dem Siliziumelement unter Ausbildung eines p-n-Übergangs angeordnet sind, z.B. indem der chalkogendotierte Bereich und der p-dotierte Bereich im direkten Kontakt zueinander angeordnet sind. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode im Kontakt zu dem chalkogendotierten Bereich angeordnet ist und die zweite Elektrode im Kontakt zu dem p-dotierten Bereich angeordnet ist, sodass mittels Anlegens einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen die beiden Elektroden Ladungsträger, die in dem chalkogendotierten Bereich unter Absorption von IR-Strahlung generiert wurden, gemäß ihrer Polarität getrennt und erfasst werden können. Chalkogene fungieren in Silizium als Donatoren bzw. n-Dotierung, insbesondere als zweiwertige Donatoren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Siliziumelement zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich einen n-dotierten Bereich auf. In dem n-dotierten Bereich liegt eine Dotierung des Siliziumsubstrats mit Fremdatomen vor, die als Donator fungieren, wie z.B. Phosphor oder ein anderes Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Vorliegend wird mit dem n-dotierten Bereich ein nicht mit dem chalkogendotierten Bereich identischer, sondern zusätzlich dazu vorgesehener Bereich mit einer n-Dotierung bezeichnet, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Demgemäß kann vorgesehen sein, dass das Siliziumelement einen chalkogendotierten Bereich, einen n-dotierten Bereich und einen p-dotierten Bereich aufweist, wobei der n-dotierte Bereich und der p-dotierte Bereich in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform kann insbesondere vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich bezüglich einer durch eine Verbindungsgerade zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich vorgegebenen Richtung an einer Position zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich angeordnet ist. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich angeordnet ist. Bei Ausgestaltung des Siliziumelements mit einem chalkogendotierten Bereich, einem n-dotierten Bereich und einem p-dotierten Bereich kann insbesondere vorgesehen sein, dass die erste Elektrode im Kontakt zu dem n-dotierten Bereich angeordnet ist und die zweite Elektrode im Kontakt zu dem p-dotierten Bereich angeordnet ist, sodass mittels Anlegens einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen die beiden Elektroden Ladungsträger, die in dem chalkogendotierten Bereich unter Absorption von IR-Strahlung generiert wurden, gemäß ihrer Polarität getrennt und erfasst werden können.
Jede der beiden Elektroden besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei z.B. jede der beiden Elektroden aus einem metallischen Material bestehen kann und z.B. ein Metall oder mehrere Metalle aufweisen kann. Es kann vorgesehen sein, dass jede der Elektroden einen Schichtstapel mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aufweist, wobei die erste Schicht aus einem ersten Metall besteht und die zweite Schicht aus einem (anderen) zweiten Metall besteht, und wobei die erste Schicht im physischen Kontakt zu dem jeweiligen dotierten Bereich angeordnet ist bzw. wird und die zweite Schicht auf der dem jeweiligen dotierten Bereich abgewandten Seite der ersten Schicht im physischen Kontakt mit derselben angeordnet ist bzw. wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das erste Metall Titan und das zweite Metall Gold ist. Die erste Schicht weist bevorzugt eine kleinere Schichtdicke auf als die zweite Schicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors mit einem entsprechenden Siliziumelement bzw. die Verwendung eines entsprechenden Verfahrens zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors bereitgestellt.
Ein derartiges Siliziumelement mit einem entsprechenden chalkogendotierten Bereich kann z.B. hergestellt werden, indem zunächst ein Siliziumelement bereitgestellt wird. Bevorzugt ist das bereitgestellte Siliziumelement ein einkristallines Siliziumelement, d.h. besteht aus einkristallinem Silizium. Bevorzugt ist das bereitgestellte Siliziumelement ein undotiertes Siliziumelement, d.h. besteht aus undotiertem Silizium (auch als intrinsisches Silizium bezeichnet). Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass das bereitgestellte Siliziumelement ein einkristallines, undotiertes Siliziumelement ist.
In dem Siliziumelement wird ein chalkogendotierter Bereich derart ausgebildet, dass der chalkogendotierte Bereich eine Chalkogenkonzentration von maximal 5·10¹⁹ cm^-3 aufweist. Das Ausbilden des chalkogendotierten Bereichs kann insbesondere erfolgen, indem ein jeweiliges Chalkogen mittels Ionenimplantation in das Siliziumelement eingebracht wird.
Bei Ausgestaltung des Infrarot-Photodetektors bzw. des Siliziumelements mit einem p-dotierten Bereich oder mit einem p-dotierten Bereich und einem (zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich vorgesehenen) n-dotierten Bereich werden auch diese Bereiche in dem Siliziumelement ausgebildet, was z.B. ebenfalls mittels Ionenimplantation entsprechender Fremdelemente in das Siliziumsubstrat erfolgen kann. Der chalkogendotierte Bereich, der p-dotierte Bereich und gegebenenfalls der n-dotierte Bereich können in einer beliebigen Reihenfolge ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Herstellung zudem eine thermische Behandlung, die nach Ausbildung des chalkogendotierten Bereichs erfolgt. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung nach der Chalkogen-Ionenimplantation erfolgt. Bei Ausgestaltung des Infrarot-Photodetektors bzw. des Siliziumelements mit einem p-dotierten Bereich oder mit einem p-dotierten Bereich und einem (zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich vorgesehenen) n-dotierten Bereich kann insbesondere vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung erfolgt, nachdem der chalkogendotierte Bereich, der p-dotierte Bereich und gegebenenfalls der n-dotierte Bereich in dem Siliziumelement ausgebildet wurden. Demgemäß kann z.B. vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung erfolgt, nachdem die Chalkogene, die p-Dotanden und gegebenenfalls die n-Dotanden mittels Ionenimplantation in das Siliziumsubstrat eingebracht wurden. Die thermische Behandlung kann auch als Wärmebehandlung bezeichnet werden.
Bei der thermischen Behandlung wird das Siliziumelement für eine Zeitdauer (bzw. kurz „Dauer“) von mindestens 3 Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 800 °C gebracht, wobei das gesamte Siliziumelement für eine ununterbrochene Zeitdauer von mindestens 3 Sekunden eine Temperatur von mindestens 800 °C aufweist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Siliziumelement bei der thermischen Behandlung für eine Zeitdauer von mindestens 5 Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 900 °C gebracht wird, wobei das gesamte Siliziumelement für eine ununterbrochene Zeitdauer von mindestens 5 Sekunden eine Temperatur von mindestens 900 °C aufweist. Die Zeitdauer beträgt bevorzugt maximal 30 Sekunden. Die Wärmebehandlung erfolgt zudem bevorzugt derart, dass während der gesamten Wärmebehandlung kein Aufschmelzen des Siliziumelements erfolgt, d.h. dass an keiner Stelle des Siliziumelements ein Aufschmelzen des Siliziumelements erfolgt. Demgemäß erfolgt die Wärmebehandlung derart, dass während der gesamten Wärmebehandlung die Temperatur des Siliziumelements über das gesamte Siliziumelement hinweg unterhalb von dessen Schmelztemperatur liegt. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Temperatur während der thermischen Behandlung maximal 1200 °C beträgt. Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass das gesamte Siliziumelement mit dem chalkogendotierten Bereich für eine ununterbrochene Zeitdauer zwischen 3 Sekunden und 30 Sekunden (bevorzugt zwischen 5 Sekunden und 30 Sekunden) auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1200 °C (bevorzugt zwischen 900 °C und 1200 °C) gebracht wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das Siliziumelement bei der thermischen Behandlung für eine vorgegebene Zeitdauer (auch als Temperdauer bezeichnet) auf eine vorgegebene Temperatur (auch als Tempertemperatur bezeichnet) gebracht wird, wobei das gesamte Siliziumelement über die gesamte Temperdauer hinweg auf der Tempertemperatur gehalten wird, und wobei die Temperdauer mindestens 3 Sekunden (bevorzugt mindestens 5 Sekunden) beträgt und die Tempertemperatur mindestens 800 °C (bevorzugt mindestens 900 °C) beträgt, wobei zudem vorgesehen sein kann, dass die Temperdauer höchstens 30 Sekunden beträgt und/oder die Tempertemperatur höchstens 1200 °C beträgt. Die thermische Behandlung erfolgt bevorzugt mittels eines über die gesamte thermische Behandlung bzw. Temperdauer hinweg fortdauernden, ununterbrochenen Energieeintrages in das Siliziumelement. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Energieeintrag zum Tempern des Siliziumelements mittels Bestrahlens des Siliziumelements mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt, z.B. indem das Silizium mittels einer Halogenlampe oder mittels eines Lasers bestrahlt wird. Die thermische Behandlung kann vorliegend auch als Kurzzeittempern (englisch „Rapid Thermal Anneal“ bzw. RTA) bezeichnet werden.
Es hat sich gezeigt, dass mittels der vorstehend erläuterten Parameter für die thermische Behandlung mit einer relativ großen Temperdauer von mindestens 3 Sekunden hergestellte Siliziumelemente gegenüber mittels kürzeren Temperdauern (insb. im Subsekundenbereich) hergestellten Siliziumelementen bessere Werte hinsichtlich des Ansprechvermögens, der Sensitivität und/oder der Verstärkung ermöglichen, insbesondere in Kombination mit den vorstehend genannten geringen Chalkogenkonzentrationen. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass die mittels dieser Parameter erzielbaren Werte für die IR-Absorption sowie die Lebensdauer und die Beweglichkeit der dadurch generierten elektrischen Ladungsträger im Zusammenspiel eine besonders effektive IR-Detektion ermöglichen. Die genannten Parameter für die Wärmebehandlung ermöglichen zudem ein gleichzeitiges Aktivieren der Chalkogen-Dotanden, der p-Dotanden in dem p-dotierten Bereich und der n-Dotanden in dem n-dotierten Bereich. Das entsprechende Herstellungsverfahren ist zudem kompatibel mit standardmäßigen Methoden zur Herstellung siliziumbasierter Mikroelektronik.
Es kann vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung unter einer Inertgas-Atmosphäre erfolgt, z.B. unter Stickstoff-Atmosphäre. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung unter strömender Inertgas-Atmosphäre erfolgt, wobei das Siliziumelement während der thermischen Behandlung einem vorgegebenen Volumenstrom eines entsprechenden Inertgases ausgesetzt ist. Dadurch können unerwünschte Reaktionen verhindert und eine gleichbleibend hohe Qualität der hergestellten Siliziumsubstrate sichergestellt werden.
Der Infrarot-Photodetektor weist ein Siliziumelement mit einem chalkogendotierten Bereich auf, wobei der Infrarot-Photodetektor zudem einen p-dotierten Bereich und ggf. einen (zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich vorgesehenen) n-dotierten Bereich aufweisen kann. Bei dem chalkogendotierten Bereich, dem p-dotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich handelt es sich jeweils um Teilvolumina des Siliziumelements, die mit entsprechenden Dotanden dotiert sind.
Die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich beträgt maximal 5·10¹⁹ cm^-3. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Siliziumelement an keiner Stelle eine darüber hinaus gehende Chalkogenkonzentration aufweist, d.h. dass das Siliziumelement an keiner Stelle eine Chalkogenkonzentration von größer als 5·10¹⁹ cm^-3 aufweist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement an keiner Stelle eine Chalkogenkonzentration aufweist, die größer ist als die Chalkogenkonzentration, die in dem (als detektionssensitiver, für zu detektierende Infrarot-Strahlung sensitiver Bereich bzw. IR-sensitives Detektionsvolumen des Infrarot-Photodetektors fungierenden) chalkogendotierten Bereich vorliegt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement außerhalb dieses chalkogendotierten Bereichs keine Chalkogendotierung aufweist.
Bei Ausgestaltung des Siliziumelements mit einem chalkogendotierten Bereich und einem p-dotierten Bereich, die unter Ausbildung eines p-n-Übergangs (z.B. im direkten Kontakt zueinander) angeordnet sind, kann demgemäß vorgesehen sein, dass das Siliziumelement an keiner Stelle eine Chalkogenkonzentration aufweist, die größer ist als die Chalkogenkonzentration, die in dem an dem p-n-Übergang beteiligten chalkogendotierten Bereich vorliegt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement außerhalb des chalkogendotierten Bereichs des p-n-Übergangs keine Chalkogendotierung aufweist, sondern z.B. außerhalb des p-dotierten Bereichs und des chalkogendotierten Bereichs des p-n-Übergangs undotiert ist bzw. aus intrinsischem Silizium besteht. Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement außerhalb des p-dotierten Bereichs und des chalkogendotierten Bereichs ausschließlich aus Silizium besteht und keine anderen Halbleiter oder sonstigen Fremdmaterialien aufweist.
Bei Ausgestaltung des Siliziumelements mit einem in einem Abstand zueinander angeordneten n-dotierten Bereich und p-dotierten Bereich und einem dazwischen angeordneten chalkogendotierten Bereich kann demgemäß vorgesehen sein, dass das Siliziumelement an keiner Stelle eine Chalkogenkonzentration aufweist, die größer ist als die Chalkogenkonzentration, die in dem zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich angeordneten chalkogendotierten Bereich vorliegt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement außerhalb des zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich angeordneten chalkogendotierten Bereichs keine Chalkogendotierung aufweist, sondern z.B. außerhalb des n-dotierten Bereichs, des p-dotierten Bereichs und des dazwischen angeordneten chalkogendotierten Bereichs undotiert ist bzw. aus intrinsischem Silizium besteht. Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass das Siliziumelement außerhalb des n-dotierten Bereichs, des p-dotierten Bereichs und des chalkogendotierten Bereichs ausschließlich aus Silizium besteht und keine anderen Halbleiter oder sonstigen Fremdmaterialien aufweist.
Durch die vorgenannten Ausgestaltungen können Störeffekte minimiert und bei unkompliziertem Aufbau eine IR-Strahlungsdetektion mit einem guten Ansprechvermögen, einer hohen Sensitivität und/oder einer guten Verstärkung ermöglicht bzw. zusätzlich unterstützt werden.
In dem chalkogendotierten Bereich, dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich ist das Siliziumsubstrat mit unterschiedlichen Fremdelementen dotiert. Die Chalkogenelemente sind durch die Elemente der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems gegeben, wobei vorliegend bevorzugt Tellur, Selen und/oder Schwefel als Chalkogenelemente verwendet werden. Bevorzugt weist der chalkogendotierte Bereich lediglich ein einziges Element der Chalkogene (z.B. Tellur) auf. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das in dem chalkogendotierten Bereich vorliegende Chalkogen Tellur ist, und dass die Chalkogenkozentration durch die Tellurkonzentration gegeben ist.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich maximal 5·10¹⁸ cm^-3 (was einer Chalkogenkonzentration von 0,01 At.-% entspricht), bevorzugt maximal 5·10¹⁷ cm^-3 (was einer Chalkogenkonzentration von 0,001 At.-% entspricht). Mittels derart geringer Chalkogenkonzentrationen sind besondere Verbesserungen hinsichtlich des Ansprechvermögens, der Sensitivität und der Verstärkung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich maximal 5·10¹⁶ cm^-3 (bzw. 0,0001 At.-%), bevorzugt maximal 1·10¹⁶ cm^-3 (bzw. 0,00002 At.-%), und liegt somit im Bereich der Löslichkeit der Chalkogene in Silizium. Derart geringe Chalkogenkonzentrationen nahe oder unterhalb der Chalkogenlöslichkeit in Silizium ermöglichen insbesondere Infrarot-Photodetektoren mit einer hohen thermischen Stabilität.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Dotandenkonzentration bzw. die Teilchendichte der Dotanden in dem (zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich vorgesehenen) n-dotierten Bereich und/oder in dem p-dotierten Bereich maximal 10¹⁸ cm^-3. Demgemäß beträgt die Teilchendichte der Donatoren in dem n-dotierten Bereich und/oder die Teilchendichte der Akzeptoren in dem p-dotierten Bereich maximal 10¹⁸ cm^-3. Derart geringe Dotandenkonzentrationen können, insbesondere in Kombination mit Chalkogenkonzentrationen von maximal 5·10¹⁶ cm^-3, zur Unterdrückung unerwünschter Leckströme und z.B. zur Verringerung des Dunkelstromes beitragen.
Bei Ausgestaltung des Siliziumelements mit einem n-dotierten Bereich und einem p-dotierten Bereich, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, und einem chalkogendotierten Bereich, der bezüglich einer durch eine Verbindungsgerade zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich vorgegebenen Richtung an einer Position zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich (z.B. zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich) angeordnet ist, ist bzw. wird gemäß einer Ausführungsform der chalkogendotierte Bereich in einem Abstand zu dem n-dotierten Bereich und/oder in einem Abstand zu dem p-dotierten Bereich angeordnet. Demgemäß kann vorgesehen sein, dass zwischen dem chalkogendotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich ein Bereich des Siliziumelements (z.B. ein unveränderter Abschnitt des bereitgestellten Siliziumelements) angeordnet ist und/oder zwischen dem chalkogendotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich ein Bereich des Siliziumelements (z.B. ein unveränderter Abschnitt des bereitgestellten Siliziumelements) angeordnet ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass zwischen dem chalkogenhdotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich ein undotierter Bereich des Siliziumelements angeordnet ist und/oder zwischen dem chalkogendotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich ein undotierter Bereich des Siliziumelements angeordnet ist. Demgemäß kann z.B. vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich mittels eines unveränderten bzw. undotierten Bereichs des Siliziumelements derart mit dem n-dotierten Bereich verbunden ist, dass der unveränderte bzw. undotierte Bereich direkt an den chalkogendotierten Bereich und den n-dotierten Bereich angrenzend zwischen dem chalkogendotierten Bereich und dem n-dotierten Bereich angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann z.B. vorgesehen sein, dass der chalkogendotierte Bereich mittels eines unveränderten bzw. undotierten Bereichs des Siliziumemlements derart mit dem p-dotierten Bereich verbunden ist, dass der unveränderte bzw. undotierte Bereich direkt an den chalkogendotierten Bereich und den p-dotierten Bereich angrenzend zwischen dem chalkogendotierten Bereich und dem p-dotierten Bereich angeordnet ist. Eine derartige beabstandete Anordnung des chalkogendotierten Bereichs ermöglicht eine Verringerung des Rauschens bzw. eine Verbesserung des NEP-Wertes (wobei NEP für das englische „noise-equivalent power“ steht) und somit der Sensitivität des Infrarot-Photodetektors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Infrarot-Photodetektor eine Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf (z.B. eine SiO₂-Schicht) auf bzw. wird mit einer solchen Isolierschicht ausgebildet, wobei das Siliziumelement mit den jeweiligen dotierten Bereichen (d.h. mit dem chalkogendotierten Bereich sowie gegebenenfalls dem p-dotierten Bereich und gegebenenfalls dem n-dotierten Bereich) auf der Isolierschicht angeordnet ist bzw. wird. Demgemäß sind bzw. werden das Siliziumelement und die Isolierschicht unter Ausbildung einer SOI-Struktur angeordnet (wobei SOI für das englische „Silicon-On-Insulator“ steht, deutsch etwa „Silizium auf Isolator“). Mittels einer derartigen Ausgestaltung als SOI-Struktur können die Infrarot-Detektion beeinflussende Störeinflüsse unterbunden bzw. reduziert werden, wodurch zu einer verbesserten Messung beigetragen wird.
Vorstehend wurden der Infrarot-Photodetektor und das Herstellungsverfahren mit Bezug auf einen einzigen chalkogendotierten Bereich, einen einzigen p-dotierten Bereich und einen einzigen (zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich vorgesehenen) n-dotierten Bereich erläutert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor bzw. das Siliziumelement mehrere chalkogendotierte Bereiche, mehrere p-dotierte Bereiche und mehrere n-dotierte Bereiche aufweist, die entsprechend den vorstehenden Erläuterungen ausgebildet, angeordnet und elektrisch kontaktiert sind.
Die Konzentrationen der jeweiligen Fremdatome bzw. Dotanden in dem Siliziumelement (wie z.B. die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich, die Konzentration der Donatoren in dem n-dotierten Bereich und die Konzentration der Akzeptoren in dem p-dotierten Bereich) kann z.B. als Teilchendichte in der Einheit cm^-3 oder auch als Stoffmengenanteil in der Einheit Atomprozent (At.-%) angegeben werden. Die Teilchendichte, die auch als Anzahldichte bezeichnet werden kann, gibt die Anzahl der jeweiligen Dotieratome pro Volumen in einem entsprechend dotierten Volumen des Siliziumelements an. Der Stoffmengenanteil in Atomprozent gibt den prozentualen Anteil der jeweiligen Dotieratome an der Gesamtanzahl der Atome in einem entsprechend dotierten Volumen des Siliziumelements an. Da ein undotierter Siliziumkristall ca. 5·10²² Siliziumatome pro cm³ aufweist, d.h. eine Teilchendichte von n_Si = 5·10²² cm^-3 hat, entspricht eine Teilchendichte n_D der Dotanden von n_D = 5·10²⁰ cm^-3 einer Dotandenkonzentration von 1 At.-%. Vorliegend soll für die Umrechnung zwischen Atomprozent-Angaben und Teilchendichten-Angaben der jeweiligen Dotandenkonzentration in dem Siliziumsubstrat gelten, dass 1 At.-% einer Teilchendichte von 5·10²⁰ cm^-3 entspricht. Eine jeweilige Dotandenkonzentration kann auch als Dotandengehalt bezeichnet werden.
Mittels der erläuterten Merkmale sind Infrarot-Photodetektoren mit guten Werten hinsichtlich des Ansprechvermögens (englisch „responsivity“), der Sensitivität (englisch „sensitivity“) und/oder der Verstärkung (englisch „rectification ratio“), insbesondere bei Raumtemperatur, ermöglicht. Die entsprechenden Infrarot-Photodetektoren können insbesondere ohne Kühlung betrieben werden bzw. ohne Kühlung zum Detektieren von Infrarot-Strahlung verwendet werden. Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor ohne Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Die entsprechenden Infrarot-Photodetektoren können insbesondere auch bei Temperaturen über 0 °C (z.B. bei Raumtemperatur von 20 °C und darüber) ohne Kühlung betrieben werden bzw. auch bei solchen Temperaturen ohne Kühlung zum Detektieren von Infrarot-Strahlung verwendet werden.
Die Infrarot-Photodetektoren können insbesondere zur optischen Datenkommunikation im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm (entsprechend den optischen Telekommunikationsbändern O bis U) verwendet werden, insbesondere zur Datenkommunikation im O-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1260 nm bis 1360 nm und im C-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1530 nm bis 1565 nm. Demgemäß wird eine Datenkommunikationsvorrichtung zur Datenkommunikation im Infrarot-Wellenlängenbereich (insbesondere im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm) bereitgestellt, die einen Infrarot-Photodetektor gemäß einer der vorstehend erläuterten Ausführungen aufweist und zum Empfangen von Daten im entsprechenden Wellenlängenbereich mittels des Infrarot-Photodetektors ausgebildet ist. Die Datenkommunikationsvorrichtung kann z.B. eine Datenempfangsvorrichtung sein. Die Datenkommunikationsvorrichtung kann z.B. eine Telekommunikationsvorrichtung sein.
Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Figuren. Die Figuren zeigen u.a. spezifische Ausführungsformen zum Realisieren der Erfindung. Neben den in den Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen gibt es weitere Ausführungsformen. An den in den Figuren dargestellten und erläuterten Ausführungsformen sind strukturelle und/oder logische Änderungen möglich, ohne dass dabei von den beanspruchten Gegenständen abgewichen wird. Insbesondere können Merkmale der in den Figuren dargestellten und erläuterten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt. Richtungsangaben wie z.B. „vorne“, „hinten“, „unten“, „oben“ usw. werden mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Infrarot-Photodetektor 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Infrarot-Photodetektor 1 weist ein Siliziumelement 3 in Form eines Siliziumsubstrats 3 auf. Das Siliziumsubstrat 3 weist einen n-dotierten Bereich 5, einen p-dotierten Bereich 7 und einen zwischen dem n-dotierten Bereich 5 und dem p-dotierten Bereich 7 angeordneten chalkogendotierten Bereich 9 auf.
In dem n-dotierten Bereich 5 liegt eine Dotierung des Siliziumsubstrats 3 mit einem als Donator fungierenden Fremdelement vor, z.B. mit Phosphor. In dem p-dotierten Bereich liegt eine Dotierung des Siliziumsubstrats 3 mit einem als Akzeptor fungierenden Fremdelement vor, z.B. mit Bor. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Dotierkonzentration in dem n-dotierten Bereich und/oder in dem p-dotierten Bereich maximal 10¹⁸ cm^-3 beträgt.
In dem chalkogendotierten Bereich 9 liegt eine Dotierung des Siliziumsubstrats 3 mit einem Element der Chalkogene (z.B. mit Tellur) vor, wobei in dem chalkogendotierten Bereich 9 die Chalkogenkonzentration (z.B. die Tellurkonzentration) maximal 5·10¹⁹ cm^-3 beträgt. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich 9 maximal 5·10¹³ cm^-3, bevorzugt maximal 5·10¹⁷ cm^-3, beträgt. Gemäß weiteren exemplarischen Ausführungsformen kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich 9 maximal 5·10¹⁶ cm^-3 beträgt, bevorzugt maximal 1·10¹⁶ cm^-3. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Chalkogen Tellur ist, und dass die Chalkogenkozentration durch die Tellurkonzentration gegeben ist.
Das Siliziumsubstrat 3 weist an keiner Stelle eine Chalkogenkonzentration auf, die größer ist als die in dem chalkogendotierten Bereich 9 vorliegende Chalkogenkonzentration. Vorliegend weist das Siliziumsubstrat 3 außerhalb des chalkogendotierten Bereichs 9 überhaupt keine Chalkogendotierung auf. Das Siliziumsubstrat 3 ist ein einkristallines Siliziumsubstrat, das außerhalb des n-dotierten Bereichs 5, des p-dotierten Bereichs 7 und des chalkogendotierten Bereichs 9 undotiert bzw. intrinsisch ist.
Der chalkogendotierte Bereich 9 ist in einem Abstand zu dem n-dotierten Bereich 5 und in einem Abstand zu dem p-dotierten Bereich 7 angeordnet. Zwischen dem chalkogendotierten Bereich 9 und dem n-dotierten Bereich 5 befindet sich ein undotierter Abschnitt des Siliziumsubstrats 3. Zwischen dem chalkogendotierten Bereich 9 und dem p-dotierten Bereich 7 befindet sich ebenfalls ein undotierter Abschnitt des Siliziumsubstrats 3.
Der Infrarot-Photodetektor 1 weist zudem eine Isolierschicht 10 aus einem elektrisch isolierenden Material auf, wobei das Siliziumelement 3 mit dem chalkogendotierten Bereich 9, dem p-dotierten Bereich 7 und dem n-dotierten Bereich 5 auf der Isolierschicht 10 angeordnet ist. Vorliegend ist das elektrisch isolierende Material als Beispiel SiO₂, sodass die Isolierschicht 10 eine SiO₂-Schicht ist.
Der Infrarot-Photodetektor 3 weist eine im physischen und elektrischen Kontakt zu dem n-dotierten Bereich 5 angeordnete erste Elektrode 11 und eine im physischen und elektrischen Kontakt zu dem p-dotierten Bereich 7 angeordnete zweite Elektrode 13 auf. Sowohl der n-dotierte Bereich 5 als auch der p-dotierte Bereich 7 grenzen an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 an, wobei die erste Elektrode 11 auf die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 grenzende Fläche des n-leitenden Bereichs 5 aufgebracht ist, und wobei die zweite Elektrode 13 auf die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 grenzende Fläche des p-leitenden Bereichs 7 aufgebracht ist. Die beiden Elektroden 11, 13 bestehen aus einem metallischen Material und sind zum elektrischen Kontaktieren und Betreiben des Infrarot-Photodetektors 3 vorgesehen.
Der chalkogendotierte Bereich 9 grenzt ebenfalls an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 an. Der zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 13 liegende Abschnitt der Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 fungiert als Strahlungseintrittsfläche 15 zum Empfangen und Einlassen zu detektierender Infrarotstrahlung. Die Strahlungseintrittsfläche 15 umfasst somit die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 angrenzende Fläche des chalkogendotierte Bereichs 9. Die Strahlungseintrittsfläche 15 ist nach außen hin bloßliegend bzw. unbedeckt, sodass auf den zentralen Abschnitt der Strahlungseintrittsfläche 15 auftreffende Infrarotstrahlung in den chalkogendotierten Bereich 9 eintritt und hier zumindest teilweise unter Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren absorbiert wird. Die Strahlungseintrittsfläche 15 kann auch als Strahlungseintrittsfenster 15 des Infrarot-Photodetektors 3 bezeichnet werden. Mittels einer über die beiden Elektroden 11, 13 angelegten elektrischen Spannung und des dadurch generierten elektrischen Feldes können die derart erzeugten Ladungsträger in bekannter Weise entsprechend ihrer Polarität getrennt und über die Elektroden unter Erzeugung eines Photostromes abgegriffen werden, dessen Stromstärke als Maß für die detektierte Infrarotstrahlung fungieren kann.
Der Infrarot-Photodetektor 1 ist zum Erfassen von in dem chalkogendotierten Bereich 9 unter Absorption von Infrarot-Strahlung generierten elektrischen Ladungsträgern ausgebildet. Der Infrarot-Photodetektor 1 ist insbesondere zum Detektieren bzw. Erfassen von zu detektierender Infrarot-Strahlung basierend auf in dem chalkogendotierten Bereich 9 unter Absorption von Infrarot-Strahlung generierten elektrischen Ladungsträgern ausgebildet.
Der Infrarot-Photodetektor 1 ist insbesondere (z.B. mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die beiden Elektroden 11, 13 derart ausgebildet, dass mittels des durch die Spannung in dem Siliziumsubstrat 3 hervorgerufenen elektrischen Feldes Ladungsträger, die in dem chalkogendotierten Bereich 9 unter Absorption von Infrarot-Strahlung generiert werden, entsprechend ihrer Polarität getrennt werden und unter Ausbildung eines Photostroms über die Elektroden 11, 13 abfließen. Diesbezüglich kann insbesondere vorgesehen sein, dass die den n-dotierten Bereich 5 kontaktierende erste Elektrode 11 gegenüber der den p-dotierten Bereich 7 kontaktierenden zweiten Elektrode 13 mit einem positiven Spannungspotenzial beaufschlagt wird, z.B. indem die erste Elektrode 11 mit dem positiven Pol einer dafür vorgesehenen Spannungsquelle verbunden ist bzw. wird und die zweite Elektrode 13 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist bzw. wird. Der Infrarot-Photodetektor 1 ist zudem (z.B. mittels der Auswerteeinrichtung) zum Erfassen des Photostroms als Maß für die detektierte Infrarot-Strahlung ausgebildet und somit zum Detektieren der Infrarot-Strahlung basierend auf dem erfassten Photostrom ausgebildet.
2 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Herstellen des Infrarot-Photodetektors 1 gemäß 1.
In einem ersten Verfahrensschritt 17 wird das Siliziumsubstrat 3 mit der Isolierschicht 10 bereitgestellt, wobei das Siliziumsubstrat 3 als Beispiel ein einkristallines und undotiertes Siliziumsubstrat 3 ist.
In dem Siliziumsubstrat 3 werden der n-dotierte Bereich 5, der p-dotierte Bereich 7 und der chalkogendotierte Bereich 9 ausgebildet, z.B. mittels Ionenimplantation entsprechender Fremdelemente in das Siliziumsubstrat 3. Vorliegend wird als Beispiel in einem zweiten Verfahrensschritt 19 der n-dotierte Bereich 5 mittels Implantation von Phosphor-Ionen oder anderen Donator-Ionen in das Siliziumsubstrat 3 ausgebildet, in einem dritten Verfahrensschritt 21 der p-dotierte Bereich 7 mittels Implantation von Bor-Ionen oder anderen Akzeptor-Ionen in das Siliziumsubstrat 3 ausgebildet, und in einem vierten Verfahrensschritt 23 der chalkogendotierte Bereich 9 mittels Implantation von Tellur-Ionen oder anderen Chalkogen-Ionen in das Siliziumsubstrat 3 ausgebildet. Der chalkogendotierte Bereich 9 kann auch als chalkogenhaltiger Bereich 9 bezeichnet werden.
In einem fünften Verfahrensschritt 25 erfolgt eine thermische Behandlung des mit dem chalkogendotierten Bereich 9 versehenen Siliziumsubstrats 3. Vorliegend erfolgt insbesondere eine thermische Behandlung des mit dem n-dotierten Bereich 5, dem p-dotierten Bereich 7 und dem chalkogendotierten Bereich 9 versehenen Siliziumsubstrats 3. Bei der thermischen Behandlung wird das mit dem n-dotierten Bereich 5, dem p-dotierten Bereich 7 und dem chalkogendotierten Bereich 9 versehene Siliziumsubstrat 3 für eine Zeitdauer von mindestens 3 Sekunden und bevorzugt höchstens 30 Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 800 °C und bevorzugt höchstens 1200 °C gebracht. Vorliegend wird das Siliziumsubstrat 3 als Beispiel für eine Zeitdauer von 7 Sekunden auf eine Temperatur von 1100 °C gebracht, wobei während der gesamten thermischen Behandlung die Temperatur des Siliziumelements 3 über das gesamte Siliziumelement 3 hinweg unterhalb von dessen Schmelztemperatur liegt. Die thermische Behandlung erfolgt bevorzugt unter einer Inertgas-Atmosphäre, z.B. unter strömender Stickstoff-Atmosphäre.
In einem sechsten Verfahrensschritt 27 werden die erste Elektrode 11 auf die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 grenzende Fläche des n-leitenden Bereichs 5 aufgebracht und die zweite Elektrode 13 auf die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 grenzende Fläche des p-leitenden Bereichs 7 aufgebracht.
Im Übrigen gelten die mit Bezug auf 1 für den Infrarot-Photodetektor 3 erläuterten Merkmale analog für das mit Bezug auf 2 erläuterte Verfahren zum Herstellen eines solchen Infrarot-Photodetektors.
Der Infrarot-Photodetektor 3 kann ohne Kühlvorrichtung ausgebildet sein und insbesondere auch bei Temperaturen oberhalb von 0 °C (z.B. bei Raumtemperatur von 20 °C und darüber) ohne Kühlung betrieben werden bzw. auch bei solchen Temperaturen ohne Kühlung zum Detektieren von Infrarot-Strahlung verwendet werden.
Der Infrarot-Photodetektor 3 kann insbesondere zur optischen Datenkommunikation im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm, insbesondere im O-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1260 nm bis 1360 nm und im C-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1530 nm bis 1565 nm, verwendet werden. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Infrarot-Photodetektor 3 als Bestandteil einer Datenkommunikationsvorrichtung zur Datenkommunikation im Infrarot-Wellenlängenbereich (insbesondere im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm, z.B. im O-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1260 nm bis 1360 nm und im C-Band im Wellenlängenbereich von ca. 1530 nm bis 1565 nm) vorgesehen ist, wobei die Datenkommunikationsvorrichtung zum Empfangen von Daten im entsprechenden Wellenlängenbereich mittels des Infrarot-Photodetektors 3 ausgebildet ist.
3 zeigt in der oberen Teilfigur eine Geometrie eines Infrarot-Photodetektors 1 gemäß einer Ausführungsform in der Draufsicht und in der unteren Teilfigur einen parallel zur xz-Ebene des dargestellten kartesischen xyz-Koordinatensystems verlaufenden Schnitt durch einen Abschnitt dieses Infrarot-Photodetektors 1 entlang der Schnittlinie 29. Der Infrarot-Photodetektor 3 gemäß 3 ist als planarer Flächendetektor mit einer Gesamtfläche von 0,09 cm² ausgeführt. Der Infrarot-Photodetektor 1 weist ein Siliziumsubstrat 3 mit einem n-dotierten Bereich 5, einem p-dotierten Bereich 7 und einem chalkogendotierten Bereich 9 auf. Der Infrarot-Photodetektor 1 weist zudem eine im Kontakt zu dem n-dotierten Bereich 5 angeordnete erste Elektrode 11 und eine im Kontakt zu dem p-dotierten Bereich 7 angeordnete zweite Elektrode 13 auf. Außerhalb des n-dotierten Bereichs 5, des p-dotierten Bereichs 7 und des chalkogendotierten Bereichs 9 ist das Siliziumsubstrat 3 undotiert bzw. intrinsisch. Das Siliziumsubstrat 3 ist zudem einkristallin. Analog zu der Ausführung nach 1 kann auch bei dem Infrarot-Photodetektor 1 gemäß 3 vorgesehen sein, dass das Siliziumsubstrat 3 an seiner den Elektroden 11, 13 abgewandten Seite ganzflächig eine Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material (z.B. eine SiO₂-Schicht) aufweist (in 3 nicht dargestellt).
Die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode 13 sind bei der Ausführungsform nach 3 als sogenannte Interdigitalelektrode ausgeführt, d.h. als ein Paar kammförmiger, ineinandergreifend bzw. ineinander verzahnt angeordneter Elektroden. Jede der beiden Elektroden 11, 13 ist somit kammförmig mit mehreren von einem gemeinsamen Verbindungsabschnitt abgehenden Elektrodenabschnitten ausgebildet, wobei ein solcher Elektrodenabschnitt auch als Elektrodenfinger bezeichnet wird.
Unterhalb der ersten Elektrode 11 (zumindest unterhalb der Elektrodenfinger der ersten Elektrode 11) ist das Siliziumsubstrat 3 n-dotiert, unterhalb der zweiten Elektrode 13 (zumindest unterhalb der Elektrodenfinger der zweiten Elektrode 13) ist das Siliziumsubstrat 3 p-dotiert, sodass ineinander verzahnt angeordnete n-dotiere und p-dotierte Bereiche vorliegen. Im Bereich mittig zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 13 (zumindest zwischen den Elektrodenfingern der ersten Elektrode 11 und den Elektrodenfingern der zweiten Elektrode 13) ist das Siliziumsubstrat 3 chalkogendotiert.
Der Infrarot-Photodetektor 1 gemäß 3 wurde für zwei unterschiedliche Chalkogendotierungen messtechnisch charakterisiert. In 4 sind die für die für die charakterisierten Infrarot-Photodetektoren 1 verwendeten Implantationsprofile anhand von SRIM-Simulationen gezeigt (wobei SRIM für das englische „Stopping and Range of Ions in Materials“ steht).
4a zeigt das Dotierprofil für den n-dotierten Bereich 5, wobei eine n-Dotierung mit Phosphor (P) erfolgte. Für die n-Dotierung erfolgte eine Ionenimplantation von Phosphor in drei Schritten mit unterschiedlichen Implantationsparametern, nämlich eine Implantation mit einer Energie von 20 keV und einer Flächendichte von 5·10¹⁵ cm^-2, eine Implantation mit einer Energie von 45 keV und einer Flächendichte von 8·10¹³ cm^-2, und eine Implantation mit einer Energie von 80 keV und einer Flächendichte von 3·10¹⁴ cm^-2. Damit resultiert eine Phosphor-Dotierung mit einem höheren Dotierniveau mit einer Dotierkonzentration von maximal ca. 1·10²¹ cm^-3 in einem oberflächennahen Bereich und einem daran anschließenden, bis zu einer Tiefe von ca. 200 nm reichenden niedrigeren Dotierniveau mit einer Dotierkonzentration von maximal ca. 2,5·10¹⁹ cm^-3, wobei das oberflächennahe höhere Dotierniveu zur Ausbildung eines besseren ohmschen Kontakts zu der ersten Elektrode 11 dient. 4a zeigt die resultierende Phosphor-Konzentration in Abhängigkeit von der Implantationstiefe.
4b zeigt das Dotierprofil für den p-dotierten Bereich 7, wobei eine p-Dotierung mit Bor (B) erfolgte. Für die p-Dotierung erfolgte eine Ionenimplantation von Bor in drei Schritten mit unterschiedlichen Implantationsparametern, nämlich eine Implantation mit einer Energie von 7 keV und einer Flächendichte von 5·10¹⁵ cm^-2, eine Implantation mit einer Energie von 32 keV und einer Flächendichte von 3·10¹⁴ cm^-2, und eine Implantation mit einer Energie von 15 keV und einer Flächendichte von 1·10¹⁴ cm^-2. Damit resultiert eine Bor-Dotierung mit einem höheren Dotierniveau mit einer Dotierkonzentration von maximal ca. 1·10²¹ cm^-3 in einem oberflächennahen Bereich und einem daran anschließenden, bis zu einer Tiefe von ca. 200 nm reichenden niedrigeren Dotierniveau mit einer Dotierkonzentration von maximal ca. 2,5·10¹⁹ cm^-3, wobei das oberflächennahe höhere Dotierniveau zur Ausbildung eines besseren ohmschen Kontakts zu der zweiten Elektrode 13 dient. 4b zeigt die resultierende Bor-Konzentration in Abhängigkeit von der Implantationstiefe.
Für die Chalkogendotierung erfolgte eine Dotierung mit Tellur (Te), wobei zwei unterschiedliche Varianten für die Tellur-Dotierung untersucht wurden, welche in 4c dargestellt sind.
Für die erste Dotiervariante erfolgte eine Ionenimplantation von Tellur in zwei Schritten mit unterschiedlichen Implantationsparametern, nämlich eine Implantation mit einer Energie von 50 keV und einer Flächendichte von 1,25·10¹⁴ cm^-2, und eine Implantation mit einer Energie von 150 keV und einer Flächendichte von 3,12·10¹⁴ cm^-2. Damit resultiert eine Tellur-Dotierung mit einer bis zu einer Tiefe von ca. 100 nm reichenden Dotierkonzentration von ca. 5·10¹⁹ cm^-3, was einer Tellur-Konzentration von ca. 0,1 At.-% in Silizium entspricht. In 4c zeigt die mit „0,1 At.-%“ gekennzeichnete obere Kennlinie die resultierende Tellur-Konzentration in Abhängigkeit von der Implantationstiefe. Für dieses Dotierprofil mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,1 At.-% wurde ein Infrarot-Photodetektor 1 mit einer Geometrie nach 3 hergestellt und untersucht, in welcher der n-Bereich 5, der p-Bereich 7 und die Elektrodenfinger jeweils eine Breite von a = 15 µm aufweisen, der chalkogendotierte Bereich 9 ebenfalls eine Breite von b = 15 µm aufweist, und zwischen dem n-dotierten Bereich 5 und dem p-dotierten Bereich 7 ein Abstand mit einer Breite von c = 60 µm vorliegt. Der Infrarot-Photodetektor 1 gemäß dieser ersten Dotiervariante mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,1 At.-% und der vorstehend erläuterten Geometrie wird auch als 0,1%-Konfiguration bezeichnet.
Für die zweite Dotiervariante erfolgte eine Ionenimplantation von Tellur in zwei Schritten mit unterschiedlichen Implantationsparametern, diesmal eine Implantation mit einer Energie von 50 keV und einer Flächendichte von 1,25·10¹¹ cm^-2, und eine Implantation mit einer Energie von 150 keV und einer Flächendichte von 3,12·10¹¹ cm^-2. Damit resultiert eine Tellur-Dotierung mit einer bis zu einer Tiefe von ca. 100 nm reichenden Dotierkonzentration von ca. 5·10¹⁶ cm^-3, was einer Tellur-Konzentration von ca. 0,0001 At.-% in Silizium entspricht. In 4c zeigt die mit „0,0001 At.-%“ gekennzeichnete untere Kennlinie die resultierende Tellur-Konzentration in Abhängigkeit von der Implantationstiefe. Für dieses Dotierprofil mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,0001 At.-% wurde ein Infrarot-Photodetektor 1 mit einer Geometrie nach 3 hergestellt und untersucht, in welcher der n-Bereich 5, der p-Bereich 7 und die Elektrodenfinger jeweils eine Breite von a = 15 µm aufweisen, der chalkogendotierte Bereich 9 eine Breite von b = 5 µm aufweist, und zwischen dem n-dotierten Bereich 5 und dem p-dotierten Bereich 7 ein Abstand mit einer Breite von c = 15 µm vorliegt. Der Infrarot-Photodetektor 1 gemäß dieser zweiten Dotiervariante mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,0001 At.-% und der vorstehend erläuterten Geometrie wird auch als 0,0001%-Konfiguration bezeichnet.
Zur Herstellung der entsprechenden Ausführungen des Infrarot-Photodetektors 1 wurde zunächst ein undotiertes bzw. intrinsisches Siliziumsubstrat 3 bereitgestellt und anschließend die jeweiligen n-dotierten Bereiche 5, p-dotierten Bereiche 7 und chalkogendotierten Bereiche 9 mittels Ionenimplantation mit den vorstehend erläuterten Parametern ausgebildet. Im Anschluss daran wurde das derart dotierte Siliziumsubstrat 3 einer thermischen Behandlung unterzogen, um die drei Dotanden Phosphor, Bor und Tellur zu aktivieren. Im Anschluss an die thermische Behandlung wurden jeweils die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode aufgebracht, wobei jede Elektrode in Form eines zweilagigen Schichtstapels mit einer 10 nm dicken Titan-Schicht und einer 120 nm dicken Gold-Schicht ausgebildet wurde, indem zunächst die Titan-Schicht auf den n-dotierten Bereich 5 bzw. den p-dotierten Bereich 7 aufgebracht wurde und anschließend die Gold-Schicht auf die Titan-Schicht aufgebracht wurde.
Für die 0,1%-Konfiguration des Infrarot-Photodetektors 1 mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,1 At.-% wurden zwei unterschiedliche Wärmebehandlungsvarianten des dotierten Siliziumsubstrats 3 untersucht.
Für die erste Wärmebehandlungsvariante wurde das dotierte Siliziumsubstrat 3 mittels Pulslasertemperns (englisch „Pulsed Laser Annealing“, kurz PLA) getempert, indem die mit den dotierten Bereichen 5, 7, 9 versehene Seite des Siliziumsubstrats 3 mittels eines gepulsten Lasers mit einer Energiedichte von 1,1 J/cm² abgerastert wurde. Dabei wird lediglich ein oberflächennaher Bereich des Siliziumsubstrats 3 kurzzeitig für 30 Nanosekunden lokal erhitzt und aufgeschmolzen, wohingegen keine wesentliche globale Erhitzung des gesamten Siliziumsubstrats 3 erfolgt und z.B. die der Laserstrahlung abgewandte Seite des Siliziumsubstrats 3 im Wesentlichen auf Raumtemperatur verbleibt. Der mit dieser ersten Wärmebehandlungsvariante mittels PLA hergestellte Infrarot-Photodetektor 1 mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,1 At.-% wird auch als 0,1%-PLA-Konfiguration bezeichnet.
Für die zweite Wärmebehandlungsvariante wurde das gesamte dotierte Siliziumsubstrat 3 mittels Kurzzeittemperns (englisch „Rapid Thermal Annealing“, kurz RTA) für eine ununterbrochene Zeitdauer von 7 Sekunden auf eine Temperatur von 1100 °C gebracht, indem das Siliziumsubstrat 3 von seiner dotierten Seite her mit Halogenlampen bestrahlt wurde. Der mit dieser zweiten Wärmebehandlungsvariante mittels RTA hergestellte Infrarot-Photodetektor 1 mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,1 At.-% wird auch als 0,1%-RTA-Konfiguration bezeichnet.
Für die 0,0001%-Konfiguration des Infrarot-Photodetektors 1 mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,0001 At.-% wurde lediglich die zweite Wärmebehandlungsvariante untersucht, d.h. das gesamte dotierte Siliziumsubstrat 3 wurde wie vorstehend erläutert mittels RTA für eine Zeitdauer von 7 Sekunden auf eine Temperatur von 1100 °C gebracht. Der mit dieser zweiten Wärmebehandlungsvariante mittels RTA hergestellte Infrarot-Photodetektor 1 mit einer oberflächennahen Tellur-Dotierung von ca. 0,0001 At.-% wird auch als 0,0001%-RTA-Konfiguration bezeichnet.
In 5 sind für die Infrarot-Photodetektoren 1 gemäß den drei vorgenannten Konfigurationen die Dunkelkennlinien dargestellt, d.h. die Strom-Spannungs-Kennlinien welche den gemessenen Dunkelstrom (d.h. den ohne Lichteinfall gemessenen elektrischen Strom) in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung kennzeichnen. Für positive Spannungen ist dabei die erste Elektrode 11 und somit der n-Bereich 5 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden, wohingegen die zweite Elektrode 13 und somit der p-Bereich 5 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden ist (Durchlassrichtung). Für negative Spannungen ist die erste Elektrode 11 und somit der n-Bereich 5 mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden, wohingegen die zweite Elektrode 13 und somit der p-Bereich 5 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist (Sperrrichtung). 5a zeigt die Dunkelkennlinie für die Infrarot-Photodetektoren 1 gemäß der 0,1%-PLA-Konfiguration (in 5a mittels der gestrichelten und mit „0, 1% PLA“ gekennzeichneten Linie dargestellt) und gemäß der 0,1%-RTA-Konfiguration (in 5a mittels der durchgezogenen und mit „0, 1 % RTA“ gekennzeichneten Linie dargestellt). 5b zeigt die Dunkelkennlinie für die Infrarot-Photodetektoren 1 gemäß der 0,0001%-RTA-Konfiguration (in 5b mit „0,0001% RTA“ gekennzeichnet).
Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-PLA-Konfiguration weist basierend auf den bei einer Spannung von +1 V und -1V gemessenen Strömen eine Verstärkung (englisch „rectification ratio“) von 937 bei einer Dunkelstromdichte von 1,7·10^-4 A/cm² auf. Die Verstärkung bzw. das Verstärkungsverhältnis gibt dabei das Verhältnis zwischen dem bei einer in Durchlassrichtung anliegenden Spannung von +1V gemessenen Strom und dem bei einer in Sperrrichtung anliegenden Spannung von -1V gemessenen Strom an. Die Dunkelstromdichte gibt die Stromdichte pro Detektorfläche (vorliegend 0,09 cm²) an. Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-RTA-Konfiguration hingegen weist basierend auf den bei einer Spannung von +1 V und -1V gemessenen Strömen eine höhere Verstärkung von 1167 bei einer niedrigeren Dunkelstromdichte von 1,8·10^-5A/cm² auf.
Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,0001%-RTA-Konfiguration wiederum weist basierend auf den bei einer Spannung von +1 V und -1V gemessenen Strömen eine Verstärkung von 333 bei einer Dunkelstromdichte von 3,3·10^-3 A/cm² auf. Als Ursache für diese geringere Verstärkung und die höhere Dunkelstromdichte werden die hohe Bor- und Phosphorkonzentration sowie der geringere Abstand von 5 µm des n-Bereichs 5 und des p-Bereichs 7 zu dem chalkogendotierten Bereich 9 in der 0,0001%-Konfiguration gesehen, wofür insb. Oberflächenleckströme ursächlich gesehen werden, die aufgrund der für die Tempertemperatur von 1100 °C während der RTA vorliegenden erhöhten Diffusionskoeffizienten der Bor- und Phosphor-Atome resultieren. Dem kann z.B. mittels Verwendung geringerer Dotierkonzentrationen in dem n-Bereich 5 und dem p-Bereich 7 entgegengewirkt werden, z.B. indem der n-dotierte Bereich 5 mit einer Phosphor-Konzentration von maximal 10¹⁸ cm^-3 ausgebildet wird und der p-dotierte Bereich 7 mit einer Bor-Konzentration von maximal 10¹⁸ cm^-3 ausgebildet wird.
In 6 ist das Ansprechvermögen (englisch „responsivity“) der Infrarot-Photodetektoren 1 für die 0,1%-RTA-Konfiguration und die 0,0001%-RTA-Konfiguration in Abhängigkeit von der auf den Infrarot-Photodetektor 1 auftreffenden Wellenlänge für einen Teilbereich des Infrarot-Spektrums dargestellt. Das Ansprechvermögen gibt das Verhältnis zwischen dem elektrischen Strom, der bei einer vorgegebenen anliegenden elektrischen Spannung durch auf den Infrarot-Photodetektor auftreffende Infrarot-Strahlung hervorgerufen wird, und der Strahlungsleistung der auftreffenden Infrarot-Strahlung an.
6a zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Ansprechvermögens des Infrarot-Photodetektors 1 für die 0,1%-RTA-Konfiguration für eine anliegende Spannung von -1 V (in 6a mittels der durchgezogenen und mit „-1 V“ gekennzeichneten Linie dargestellt) und für eine anliegende Spannung von -4 V (in 6a mittels der gestrichelten und mit „-4 V“ gekennzeichneten Linie dargestellt). Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-RTA-Konfiguration weist für eine Wellenlänge von 1500 nm für eine anliegende Spannung von -1 V ein Ansprechvermögen von 1,7·10^-3 A/W und für eine anliegende Spannung von -4 V ein Ansprechvermögen von 6,5·10^-3 A/W auf. Hingegen weist ein entsprechender Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-PLA-Konfiguration für eine Wellenlänge von 1500 nm für eine anliegende Spannung von -1 V ein Ansprechvermögen von 2,2·10^-5 A/W und für eine anliegende Spannung von -4 V ein Ansprechvermögen von 2,0·10^-4 A/W auf (nicht dargestellt). Somit sind diese Werte für die 0,1%-RTA-Konfiguration um mehr als eine Größenordnung höher als für die 0,1%-PLA-Konfiguration. Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-RTA-Konfiguration weist zudem für eine Wellenlänge von 1500 nm für eine anliegende Spannung von -1 V eine Quanteneffizienz von 1,4·10^-3 auf, wohingegen ein entsprechender Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-PLA-Konfiguration für eine Wellenlänge von 1500 nm für eine anliegende Spannung von -1 V lediglich eine Quanteneffizienz von 1,8·10^-5 aufweist. Somit ist dieser Wert für die 0,1%-RTA-Konfiguration um fast zwei Größenordnungen höher als für die 0,1%-PLA-Konfiguration. Die Quanteneffizienz ist ein Maß für das Verhältnis zwischen der Anzahl der Ladungsträger, die bei Photonenbestrahlung des Detektors von demselben erfasst werden, und der Anzahl der Photonen.
6b zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Ansprechvermögens des Infrarot-Photodetektors 1 für die 0,0001%-RTA-Konfiguration für eine anliegende Spannung von -1 V (in 6b mittels der durchgezogenen und mit „-1 V“ gekennzeichneten Linie dargestellt) und für eine anliegende Spannung von -4 V (in 6b mittels der gestrichelten und mit „-4 V“ gekennzeichneten Linie dargestellt). Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,0001%-RTA-Konfiguration weist für eine Wellenlänge von 1500 nm für eine anliegende Spannung von -1 V ein Ansprechvermögen von 2,5·10^-4 A/W und für eine anliegende Spannung von -4 V ein Ansprechvermögen von 1,3·10^-2 A/W auf, wobei letzteres dem höchsten Wert für die charakterisierten Konfigurationen entspricht. Die 0,0001%-RTA-Konfiguration gemäß 6b weist über den betrachteten Wellenlängenbereich hinweg eine eher allmähliche Abnahme des Ansprechvermögens mit zunehmender Wellenlänge auf, wohingegen im Vergleich dazu die 0,1%-RTA-Konfiguration eine steilere Abnahme aufweist.
Für die erläuterten Konfigurationen wurden zudem die Werte für die rauschäquivalente Leistung (auch als NEP-Werte bezeichnet, wobei NEP für das englische „noise-equivalent power“ steht) für eine Wellenlänge von 1550 nm und eine Bandbreite von 70 Hz ermittelt Dieser NEP-Wert ist ein Maß für die bei einer Wellenlänge von 1550 nm auf den Detektor auftreffende Strahlungsleistung, für die das resultierende Ausgangssignal bei einer Ausgangsbandbreite von 70 Hz ein Signal-Rausch-Verhältnis von 1 hat. Der NEP-Wert ist ein Maß für die Sensitivität des Infrarot-Photodetektors, wobei eine kleinerer NEP-Wert einer höheren Sensitivität entspricht. Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-RTA-Konfiguration weist für die angegebenen Parameter einen NEP-Wert von 3,2·10^-8 W·Hz^-0,5 auf, wohingegen der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-PLA-Konfiguration für die angegebenen Parameter einen NEP-Wert von 2,2·10^-6 W·Hz^-0,5 aufweist. Der Infrarot-Photodetektor 1 in der 0,1%-RTA-Konfiguration weist somit gegenüber der 0,1%-PLA-Konfiguration einen um mehr als zwei Größenordnungen kleineren NEP-Wert und somit eine höhere Sensitivität auf.
Die Infrarot-Photodetektoren 1 gemäß den 1 und 3 sind planar aufgebaut. Im Unterschied dazu zeigt 7 einen Querschnitt durch einen Infrarot-Photodetektor 1 gemäß einer Ausführungsform mit vertikalem Aufbau. Der Infrarot-Photodetektor 1 gemäß 7 weist ein Siliziumelement in Form eines Siliziumsubstrats 3 auf, wobei der obere Abschnitt des Siliziumsubstrats 3 unter Ausbildung eines chalkogendotierten Bereichs 9 mit einem Chalkogen (z.B. Tellur) dotiert ist, und wobei der untere Abschnitt des Siliziumsubstrats 3 unter Ausbildung eines p-dotierten Bereichs 7 mit einem als Donator fungierenden Fremdelement (z.B. Phosphor) dotiert ist. In dem chalkogendotierten Bereich 9 beträgt die Chalkogenkonzentration maximal 5·10¹⁹ cm^-3. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen kann auch gemäß der Ausführung nach 7 bevorzugt vorgesehen sein, dass die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich 9 maximal 5·10¹⁸ cm^-3, bevorzugt maximal 5·10¹⁷ cm^-3, beträgt. Gemäß weiteren exemplarischen Ausführungsformen kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich 9 maximal 5·10¹⁶ cm^-3 beträgt, bevorzugt maximal 1·10¹⁶ cm^-3. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich 9 maximal der (bei Standardbedingungen mit einer Temperatur von 273,15 K und einem Umgebungsdruck von 1 bar vorliegenden) Löslichkeit des in dem chalkogendotierten Bereich 9 vorliegenden Chalkogen-Elements in Silizium entspricht bzw. diese nicht übersteigt.
Bei dem Infrarot-Photodetektor 1 nach 7 sind der chalkogendotierte Bereich und der p-dotierte Bereich unter Ausbildung eines p-n-Übergangs im direkten Kontakt zueinander angeordnet. Der Inrarot-Photodetektor 1 nach 7 weist zwei Elektroden 11, 13 auf, wobei die erste Elektrode 11 im Kontakt zu dem chalkogendotierten Bereich 9 angeordnet ist und die zweite Elektrode 13 im Kontakt zu dem p-dotierten Bereich 7 angeordnet ist. Zumindest die erste Elektrode 11 ist für Infrarot-Strahlung durchlässig ausgebildet, z.B. mittels einer entsprechenden Strukturierung oder mittels Ausbildung aus einem für Infrarot-Strahlung durchlässigen Material.
Im Unterschied zu dem Infrarot-Photodetektor 1 gemäß den 1 und 3 weist der Infrarot-Photodetektor 1 gemäß 7 keinen weiteren n-dotierten Bereich zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich 9 auf. Ansonsten gelten hinsichtlich der Herstellung (insbesondere hinsichtlich der thermischen Behandlung), der Funktionsweise und der Verwendung des Infrarot-Detektors nach 7 die mit Bezug auf den Infrarot-Photodetektor 1 nach 1 gemachten Erläuterungen analog, sodass diesbezüglich auf die Erläuterungen mit Bezug auf die 1 und 2 verwiesen wird.
Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 I: nfrarot-Photodetektor
3: Siliziumsubstrat
5: n-dotierter Bereich
7: p-dotierter Bereich
9: chalkogendotierter Bereich
10: Isolierschicht / SiO₂-Schicht
11: erste Elektrode
13: zweite Elektrode
15: Strahlungseintrittsfläche / Strahlungseintrittsfester
17: Verfahrensschritt des Bereitstellens des Siliziumsubstrats
19: Verfahrensschritt des Ausbildens des n-dotierten Bereichs 5
21: Verfahrensschritt des Ausbildens des p-dotierten Bereichs 7
23: Verfahrensschritt des Ausbildens des chalkogendotierten Bereichs 9
25: Verfahrensschritt der thermischen Behandlung
27: Verfahrensschritt des Ausbildes der Elektroden 11, 13
29: Schnittlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Wang et al., Phys. Rev. Appl. 10, S. 024054, 2018 [0004]

Claims

Infrarot-Photodetektor (1) zum Detektieren von Infrarot-Strahlung, aufweisend ein Siliziumelement (3) mit einem chalkogendotierten Bereich (9) mit einer Chalkogenkonzentration von maximal 5·10¹⁹ cm^-3.
Infrarot-Photodetektor nach Anspruch 1, wobei die Chalkogenkonzentration in dem chalkogendotierten Bereich (9) maximal 5·10¹⁶ cm^-3 entspricht.
Infrarot-Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Siliziumelement (3) einen p-dotierten Bereich (7) aufweist.
Infrarot-Photodetektor nach Anspruch 3, wobei das Siliziumelement (3) zusätzlich zu dem chalkogendotierten Bereich (9) einen n-dotierten Bereich (5) aufweist.
Infrarot-Photodetektor nach Anspruch 4, wobei der n-dotierte Bereich (5) in einem Abstand zu dem chalkogendotierten Bereich (9) angeordnet ist und/oder der p-dotierte Bereich (7) in einem Abstand zu dem chalkogendotierten Bereich (9) angeordnet ist.
Infrarot-Photodetektor nach Anspruch 5, wobei das Siliziumelement (3) in dem Bereich zwischen dem n-dotierten Bereich (5) und dem chalkogendotierten Bereich (9) und/oder in dem Bereich zwischen dem p-dotierten Bereich (7) und dem chalkogendotierten Bereich (9) undotiert ist.
Infrarot-Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend eine Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wobei das Siliziumelement auf der Isolierschicht angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Photodetektors (1), aufweisend das Bereitstellen eines Siliziumelements (3) und das Ausbilden eines chalkogendotierten Bereichs (9) in dem Siliziumelement (3) derart, dass der chalkogendotierte Bereich (9) eine Chalkogenkonzentration von maximal 5·10¹⁹ cm^-3 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Siliziumelement (3) mit dem chalkogendotierten Bereich (9) einer thermischen Behandlung derart unterzogen wird, dass das Siliziumelement für eine Dauer von mindestens 3 Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 800°C gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dauer mindestens 5 Sekunden beträgt und/oder die Temperatur mindestens 900 °C beträgt.