Diode sowie eine solche enthaltendes Bauelement

Die Erfindung betrifft eine Diode mit halbleitender Schicht und mit dieser Schicht flächenhaft verbundenen, metallisch leitenden Schichten. Die Erfindung betrifft ferner ein eine solche Diode enthaltendes Bauelement.

Die moderne Optokommuni ation mit ihren extrem hohen Übertragungsbandbreiten macht die Entwicklung von immer schnelleren Bauelementen zur In ormationsverarbeitung erforderlich. Die Information, die mittels Lichtpulsen in Glasfaserkabeln übertragen wird, muß zur Signal¬ verarbeitung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dies geschieht mit schnellen Photodioden, deren elektrischer Widerstand sich bei Einstrahlung von Licht ändert. Wird eine elektrisch vorgespannte Photodiode mit einem kurzen Lichtpuls beleuchtet, so wird ein

Spannungspuls erzeugt, der mit einer nachgeschalteten Elektronik weiterverarbeitet werden kann.

Es ist aus Appl. Phys . Lett. 1 (15), S. 1760-1762, be- kannt, dazu sog. MSM-(metal-semiconductor-metal)-Dioden mit einem möglichst geringen Elektrodenabstand zu ver¬ wenden. Dabei ist auf einem Substrat eine erste metal¬ lisch leitende Schicht und eine weitere zweite metal¬ lisch leitende Schicht zwecks Bildung zweier Elektroden vorgesehen. Um zum einen den Lichtfokus optimal aus'zu-

nutzen, zum anderen die stromdurchflossenen Bereiche im halbleitenden Material von Elektrode zu Elektrode mög¬ lichst kurz auszuführen, werden die Elektroden planar als ineinandergreifende Fingerstrukturen ausgeführt. Im Ergebnis werden dadurch kurze Elektrodenabstände von einigen μ erreicht, wobei die Schaltzeit solcher Di¬ oden dann im wesentlichen von der Laufzeit der Ladungs¬ träger zwischen den Elektroden bestimmt ist. Typische Schaltzeiten bei einem Fingerabstand von 1 μm liegen in der Größenordnung von 10 - 20 ps . Nachteilig bei sol¬ chen Dioden ist jedoch, daß wegen der lithographischen Auflösung der Verringerung der Fingerabstände Grenzen gesetzt sind, so daß insofern auch die erreichbaren Schaltzeiten begrenzt sind.

Der Elementhalbleiter Silizium zeichnet sich durch eine gute technologische Beherrschbarkeit aus, auch bei im¬ mer höher werdenden Integrationsdichten von Bauelemen¬ ten. Aus physikalischen Gründen ist es aber nicht mög- lieh, optoelektronische Bauelemente herzustellen, wie z.B. Photodioden und Halbleiterlaser. Auf der anderen Seite ist es sehr wünschenswert, die wichtigsten Kom¬ ponenten der in der Zukunft immer wichtiger werdenden, optischen Kommunikationstechnik auf Siliciumbasis zu realisieren. Z.Zt. werden große Anstrengungen auf dem Gebiet der Datenübertragung unternommen, um die opti¬ sche Glasfaser bei einer Wellenlänge von 1,54 μm zu be¬ treiben, da sie dort ein absolutes Minimum in der Ab¬ sorption besitzt. Dabei wurden schon Übertragungsraten von 10 Gbit/s erzielt. Auch die Erzeugung einer solch hohen Datenrate ist heute durch den Einsatz von Lasern mit Modulatoren kein Problem mehr. Ein Problem ist aber das "Lesen" dieser großen Datenmengen, d.h. die schnelle Detektion von ultrakurzen optischen Pulsen. Konventionelle Photodektoren aus III-IV-Halbleitern

oder auch aus Silicium sind nicht in der Lage, diese Datenmengen zu verarbeiten. Das Auslesen der Daten bil¬ det z.Zt. einen Engpaß in der optischen Kom¬ munikationstechnik.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Diode, insbesondere eine Photodiode, der eingangs genannten Art zu schaf¬ fen, bei der die Schaltzeit verbessert ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung ein Bauelement mit einer solchen Diode zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine die Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 1 aufweisende Diode. Weitere zweckmäßig oder vorteilhaft ausgebildete Ausführungs- formen finden sich in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 4.

Es wurde erkannt, daß bei Verwendung einer vertikalen Anordnung der ersten metallisch leitenden, halbleiten- den und zweiten metallisch leitenden Schicht die Tran¬ sitzeit der Ladungsträger soweit verringert wird, daß die Schaltzeit der Diode nicht mehr von der Laufzeit der erzeugten Ladungsträger, sondern lediglich noch von der RC-Zeitkonstante der Schichtstruktur bestimmt wird. Da die Länge des Stromkanais der Ladungsträger - die¬ sem Falle von der Schichtdicke der halbleitende;. Schicht bestimmt und diese mit Hilfe in an sich bekann¬ ter Techniken sehr klein gewählt werden kann, insbeson¬ dere mit Schichtdicken weit unterhalb von 1 μm, insbe- sondere im Bereich von 0,1 - 0,4 μm, besitzt die erfin¬ dungsgemäße Diode gegenüber bekannten, horizontal strukturierten MSM-Dioden eine wesentlich bessere Schaltzeit.

Es ist dabei zweckmäßig, gemäß Anspruch 2 vorzusehen,

daß die eine metallisch leitende Schicht lichtdurch¬ lässig ausgebildet, die andere metallisch leitende Schicht mit einem Substrat verbunden ist. Je nach Auswahl des Materials der halbleitenden Schicht ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 3 gegeben, wenn als Material für die licht¬ durchlässige Schicht ein solches vorgesehen ist, das mit dem Material der halbleitenden Schicht eine mög¬ lichst hohe Schottky-Barriere bildet.

Für die im Bereich der Optokommunikation bedeutsamen Silizium-Technologie kann als weitere vorteilhafte Va¬ riante der erfindungsgemäßen Diode gemäß Anspruch 4 vorgesehen werden, daß als Material für die mit dem Substrat verbundene metallische Schicht CoSi2 vorgese¬ hen ist. Sie kann dabei als Grundfläche in Form einer in einem Silizium-Substrat vergrabenen, metallischen CoSi2-Schicht ausgebildet sein. Hergestellt werden kann eine solche Struktur beispielsweise mit der Ionen- Strahlsynthese, wie in Appl . Phys . Lett. .50. (1987),

S.95 beschrieben ist, aber auch mit Hilfe des sog. Al- lotaxie-Verfahrens, wie es beispielsweise aus DE-OS 41 13 143 bekannt ist. In vorteilhafter Weise liegt dabei die metallische CcSi2 ^_ Schicht im Silizium ver- graben vor, wobei das darüberliegende Silizium ein¬ kristallin ist, so daß die Kompatibilität zur Silizium- Elektronik vollständig gewährleistet ist.

Als Material für die in ihrer Funktion als Gegenelek- trode ausgebildete, erste metallisch leitende Schicht kann grundsätzlich ein beliebiges Metall gewählt wer¬ den. Soweit gemäß Anspruch 3 dieses Material mit dem halbleitenden Material ein möglichst hohe Schottky-Bar¬ riere, insbesondere auf Silizium, ausbildet, wird da- durch der Dunkelstrom des Photoschalters in vorteilhaf-

ter Weise minimiert.

Die Schichtdicke dieser lichtdurchlässigen Gegenelek¬ trode kann dabei so gewählt werden, daß sie semitrans¬ parent ist und beispielsweise 50 % des verwendeten Lichts hindurchläßt. Die Kontaktierung der Diode ist in üblicher Koplanarleitungstechnik, aber auch Mikro- streifenleitungstechnologie möglich, wobei die CoSio- Schicht als geerdete Grundfläche dienen kann.

Insgesamt zeigt die erfindungsgemäße Diode zusammen¬ fassend folgende Vorteile:

1. Eine Sub-Mikrometer-Strukturierung bei der Herstel- lung einer solchen Diode ist nicht erforderlich,

2. die Kompatibilität zur Silizium-Technologie insbe¬ sondere bei Wahl einer vergrabenen CoSi2~Schicht mit daruberliegender einkristallinen Decksilizium ist voll gewährleistet,

3. eine Ankopplung an andere Bauelemente, wie z.B. Transistoren, in Mikrostreifenleitungstechnoiogie ist möglich, insbesondere dann, wenn als geerdete Grund- fläche vergrabenes CoSi2 vorgesehen ist,

4. die erfindungsgemäße Diode kann eine Schaltzeit ha¬ ben, die nicht mehr von der Transitzeit, sondern nur noch von der RC-Zeitkonstante der Diode begrenzt wird, wenn die von den beiden metallisch leitenden Schichten benachbarte, halbleitende Schicht möglichst dünn aus¬ gebildet wird. Gegenüber bekannten Dioden dieser Art wird dadurch eine erhebliche Verbesserung der Schalt¬ zeit erreicht.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein die Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 5 aufweisendes Bauelement. Weitere vorteilhafte Ausführungformen bilden die Gegenstände der rückbezogenen Ansprüche 6 und 7.

Falls das Material des Wellenleiter mit dem halbleitenden Material nach Anspruch 6 identisch ist, vereinfacht sich damit der Aufbau des Bauelements. Soweit als Material Silizium gewählt wird, ist dies für die Optokommunikation bei der bevorzugten Wellenlänge von 1,54 μm einsetzbar. Im Falle der Wahl des Si0 ₂ kann auch sichtbares Licht zur Übertragung genutzt werden.

Die obigen Ausführungen für die erfindungsgemäße Diode sind insoferne auch für das beanspruchte Bauelement zutreffend.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausfüh¬ rungsbeispielen und Figuren näher erläutert.

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Diode mit vertikaler Metall-Halbleiter-Metall-StrukturSchicht 1, 2 und 3 in Mikrostreifenleitungausführung mit semitransparentem Metall als Gegenelektrode 2 in Draufsicht schematisch dargestellt. Dabei kann als

Gegenelektrode eine 10 nm dicke Aluminium- oder Chrom¬ schicht vorgesehen sein.

Aus Figur 2 in einer schematischen Querschnittsdar- Stellung der erfindungsgemäßen Diode (in der A-A'-Ebene der Figur 1) ist gezeigt, wie das Licht durch die semitransparente Aluminiumelektrode 2 in den halblei¬ tenden Siliziumbereich 1 zur Bildung von Ladungsträger gelangt. Es handelt sich bei der dargestellten Diode um eine solche, bei der, in einem Siliziumsubstrat 4 ver-

graben, die andere metallisch leitende Schicht 3 in Form von CoSi2 ausgebildet ist. Die Schichtdicke der halbleitenden Silizium-Schicht 1 hatte beispielsweise einen Wert im Bereich von 50 - 500 nm, die Schichtdicke der vergrabenen Cobalt-Silicid-Grundelektrode hatte einen Wert von beispielsweise 100 nm.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht beschränkt auf eine vertikale Anordnung einer Schichtenfolge aus nacheinander metallischer, halbleitender und metal¬ lischer Schicht auf einer Substratoberfläche. Vielmehr kann die senkrechte Orientierung der Schichtenfolge auch parallel zur Substratoberfläche verlaufen. Damit können die Schichten der MSM-Dioden-funktion zur Sub- stratoberflache senkrecht angeordnet sein, wie in Figuren 4 und 5 beispielhaft in Vergleich zu einer - zweifachen - MSM-Diode-Struktur in Figur 3 darge¬ stellt. Die senkrechte Schichtorientierung der MSM- Diode-Struktur ist durch einen Pfeil in den Figuren 3 bis 5 angedeutet.

Im einzelnen ist in der Figur 3 eine Struktur in Silizium gezeigt mit zwei durch elektrisch isolierendes Material getrennten MSM-Dioden. Als Isolator kann dabei SiC>2 gewählt werden. Als Material für die jeweilige vergrabene Elektrode der jeweiligen Diode wurde CoSi2 gewählt. Als Substratmaterial wurde beispielsweise AI2O3 gewählt. Schematische dargestellt für die MSM- Diode auf der rechten Seite ist das Abgreifen des elektrischen Signals an den beiden metallischen Elek¬ troden 2 und 3 bzw. "Metall" und "CoSi ₂ ".

In den Figuren 4 und 5 sind in einer halbleitenden Silizium-Schicht 1 ein ersterer und ein weiterer CoSi2~ Bereich 2 bzw. 3 gebildet. Die Silizium-Schicht 1 wurde

auf einem Substrat 4 aus AI2O3 gebildet. Die metal¬ lische Schicht 2 bzw. 3 ist dabei an der Kontaktfläche 6 bzw. 5 der Silizium-Schicht 1 mit dieser verbunden. Die Siliziumbereiche 11 und 12 in der Figur 5 können zur Bildung weiterer MSM-Diodenfunktionen vorgesehen werden. Je nach Wahl der Randbedingungen können ein oder mehrere der CoSi2-Bereiche lichtdurchlässig aus¬ gebildet sein.

Verfahrensmäßig kann zur Bildung von metallischen

CoSi2~Bereichen in einer solchen Silizium-Schicht eine Implantation mit Co mit Hilfe geeigneter Maskentech¬ niken in diese Schicht gewählt werden. Auf diese Weise erhält man auf relativ einfache Weise eine mehr oder weniger hohe Anzahl von MSM-Diodenfunktionen in für die Siliziumtechnologie bedeutsamer, integrierter Form.

Typische Abmessungen der Elementen einer erfindungs¬ gemäßen MSM-Diodenstruktur für ultra-kurze Pulsant- wortzeiten lagen im Bereich von 10 nm (für die Ausbil¬ dung einer halbdurchlässigen Elektrode für einfallendes Licht) bis zu 200 nm für die Dicke a der metallischen Schicht 2, im Bereich von 70 nm bis zu 500 nm für die Dicke d der halbleitenden Siliziumschicht 1 und im Bereich von 100 nm bis zu 300 nm für die Dicke c der metallischen CcSi2~Schicht 3. Die laterale Abmessung b der MSM-Diodenstruktur lag im Bereich von 5 μm bis zu 40 μm. Die Diode wurde dabei lateral quadratisch aber für spezielle Zwecke auch schon rechteckig ausgebildet. Die Abmessungen a, b, c, und d sind in Figur 6 schematisch angegeben. Die erfindungsgemäße MSM-Diode ist nicht auf die hier angegebenen Dimensionierungen beschränkt.

Weitere Figuren beziehen sich auf ein Bauelement, wel-

ches einen Lichtwellenleiter und eine vertikale Metall- Halbleiter-Metall-Diode auf einem insbesondere isolierenden Substrat enthält. Mit Hilfe des internen Photoeffektes können Photonen, die von einer Glasfaserleitung in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, bei einer der Metallelektroden Elektronen über die Schottky-Barriere anregen. Diese werden anschließend von einem hohen elektrischen Feld zwischen den Metallschichten zu der anderen Elektrode beschleunigt, was zu einem kurzen Stromfluß bzw. einem Spannungspuls führt.

Im folgenden wird ein Bauelement mit MSM-Diode und ge¬ koppeltem, integriertem Wellenleiter vorgestellt, das eine Detektion ultrakurzer Pulse erlaubt und obendrein in die Siliziumtechnologie integrierbar ist. Dieses Bauelement ist in den nachfolgenden Figuren, insbeson¬ dere Figur 6a näher erläutert.

Das Wesentliche dieser Struktur ist die vertikale MSM- Diode. Diese Diode zeichnet sich dadurch aus, daß aufgrund des Schottky-Effektes und durch Anlegen einer externen Spannung das Leitungs- und Valenzband im Halbleiter so modifiziert wird, daß sich keine freien Ladungsträger zwischen den Metallschichten befinden bzw. jede Erzeugung von Ladungsträgern dazu führt, daß die Elektronen und die Löcher zu den Metallelektroden hin beschleunigt werden.

Der Bandverlauf ist in Figur 6b schematisch darge¬ stellt, wobei die zweite Metallschicht relativ zu Me¬ tall 1 positiv vorgespannt ist. Die einfallenden Pho¬ tonen (1,54 μm, das einer Energie von ca. 0,8 eV ent¬ spricht) sind nicht in der Lage, Elektronen-Paare in Silizium zu erzeugen, wohl aber ist es möglich, Elek-

tronen in den Metall-elektroden anzuregen. Erfolgt die Anregung wie in Figur 6b im Metall 2 über die Schottky- Barriere θ _ß , so können die Elektronen in den Halbleiter eindringen und wegen des vorhandenen elektrischen Fel- des zur Gegenelektrode beschleunigt werden. Diesen Ef¬ fekt nennt man interner Photoeffekt.

Als Metallelektrode eignet sich besonders vergrabenes .CoSi2, da ein epitaktisches Überwachsen mit Silizium möglich ist. Außerdem ist die Schottky-Barrierenhöhe von CoSi2 mit ca. 0,64 eV kleiner als 0,8 eV, so daß eine Anregung von Elektronen über die Barriere möglich ist. Da die Siliziumschicht relativ dünn (ca. 100 nm) ist, liegt ein relativ hohes elektrisches Feld zwischen den Metallkontakten an. Dies führt zusätzlich zu einer leichten Abnahme der Schottky-Barrierenhöhe (wegen der Bildladung) bzw. zu einer Erhöhung der Anzahl der Elektronen, die zur Gegenelektrode beschleunigt werden. Mit Hilfe dieser Dioden lassen sich elektrische Pulse mit einer Halbwertsbreite von kleiner als 10 ps realisieren. Damit parazitäre Effekte ausgeschlossen werden, wird ein isolierendes Substrat verwendet. Hier bieten sich SIMOX-Substrate (mit einer vergrabenen SiG^-Schicht) oder SOS-Substrate (epitaktisches Sili- zium auf Saphir) an. Diese Substrate sind erwünscht, um einen Sprung im Brechungsindex von Silizium zum Sub¬ strat zu erreichen, zur Realisierung des Silizium- Wellenleiters .

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes mit einer MSM-Diodenstruktur mit daran angekoppelter, in¬ tegrierten Wellenleiter ist in den nachfolgenden Figu¬ ren 7 bis 10 näher erläutert.

In der Figur 7 ist ein Substrat 4, z.B. aus Silizium,

verbunden mit einer metallischen CoSi2~Schicht 3 ge¬ zeigt. Auf der metallischen Schicht ist eine halblei¬ tende Silizium-Schicht 1 vorgegeben. Im folgenden wird zur Bildung eines definierten Wellenleiterbereichs aus Silizium zur Begrenzung benachbarter Gebiete die Sili¬ zium-Schicht 1 oxidiert zu Siθ2 (Figur 8). Danach wird, wie in Figur 9 dargestellt, ein metallischer Topkon¬ takt 2 auf einem Teil der Oberfläche der bis dann be¬ arbeiteten Schichtstruktur aufgebracht. Mit dem Top- kontakt 2 verbunden ist eine Zuleitung 2' aus demselben oder ggfs. aus einem anderen metallischen Material.

In der Figur 10 ist im Ergebnis die Struktur gemäß Fi¬ gur 9, von oben betrachtet, dargestellt, nachdem zur Bildung der Geometrie des Wellenleiters ein Teil des auf der CoSi2~Schicht beidseitig des Wellenleiters befindlichen Siθ2 bis an die CoSi2~Schicht entfernt wurde.

Die elektrische Zuleitung 2' führt zum metallischen Topkontakt 2 der MSM-Diode. Unterhalb des Topkon¬ taktes 2 verdeckt sind die halbleitende Schicht 1 aus Silizium sowie die weitere metallische CoSi2~Schicht 3 zur Bildung der MSM-Diodenf nktion. An der halb- leitenden Schicht 1 dieser Diode ist ein streifen- förmiger Siθ2~Schichtbereich 1' angekoppelt, der die Funktion des integrierten Wellenleiters ausübt. An diesen Wellenleiter kann insbesondere sichtbares Licht einer externen Glasfaser ange-koppelt, in die MSM-Diode weitergeleitet und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Im übrigen ist es vorstellbar, den Topkontakt ggf. lichtdurch-lässig auszubilden.

In Abwandlung des in den Figuren 7 bis 10 dargestellten Bauelements ist es vorstellbar den zur Bildung des

Wellenleiters vorgesehenen Siθ2~Bereich nicht zu oxidieren um auf diese Weise einen Wellenleiter aus Silizium zu bilden, der dann eine ununterbrochene Verbindung mit der halbleitenden Silizium-Schicht der MSM-Diode hat. Ein solches einen Wellenleiter mit MSM- Diode enthaltendes Bauelelement ist in der für die Optokommunikation bedeutsame Wellenlänge von 1,54 μm von größter Bedeutung.