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Modellierung von Halbleiterdioden für den infraroten Spektralbereich

08.01.2008

Bild: Spektrale Empfindlichkeit einer InGaAs-Photodiode gemessen in s- und p-Polarisation unter 7° und 45° Einfallswinkel. + and s-Polarisation unter 7° bzw. 45°. x und p-Polarisation unter 7° bzw. 45°. Die Linien stellen die mit dem Matrixmodell berechneten spektralen Empfindlichkeiten dar. Die Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Werten sind im oberen Graphen gezeigt.

Germanium- und Indium-Gallium-Arsenid-Photodioden sind aufgrund ihrer hohen spektralen Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich um 1300 nm und um 1550 nm weit verbreitete Photodetektoren für den infraroten Spektralbereich, speziell auch für die Messung der optischen Strahlungsleistung in der optischen Nachrichtentechnik. Im allgemeinen hängt die spektrale Empfindlichkeit sowohl von der internen Quanteneffizienz als auch vom spektralen Reflexionsgrad der Photodiode ab. Der spektrale Reflexionsgrad und die spektrale Empfindlichkeit von Ge- und InGaAs-Photodioden wurden unter nahezu senkrechtem Einfall und unter 45° Einfallswinkel der Strahlung bestimmt. Die Messungen wurden in s- und p-Polarisation der einfallenden Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 1260 nm und 1640 nm und damit im für die optische Nachrichtentechnik interessantem Bereich durchgeführt. Die erhaltenen Daten erlauben die Berechnung der Reflexion und der Empfindlichkeit für sämtliche Einfallswinkel. Diese Messgrößen wurden mithilfe einer Matrixbeschreibung von Dünnschichtsystemen modelliert. Der Vergleich zwischen berechnetem und gemessenem Reflexionsgrad zeigt eine Differenz von weniger als 2,2 % für die Ge-Diode und von weniger als 6 % für die InGaAs-Photodiode. Trotz der größeren Differenz im Reflexionsgrad für die InGaAs-Photodiode ist der Unterschied in der spektralen Empfindlichkeit für die InGaAs-Photodiode kleiner, d.h.  1,2 % für die InGaAs-Photodiode verglichen mit  2,2 % für die Ge-Photodiode. Der Grund liegt im absolut kleineren Gesamtreflexionsgrad der InGaAs-Photodiode. Diese Beobachtung unterstreicht die Wichtigkeit kleiner Reflexionsgrade für Photodioden, d.h. im speziellem von sehr gut angepassten Antireflexbeschichtungen. Die relativen Standardmessunsicherheiten für die berechneten spektralen Empfindlichkeiten betragen 2,2 % für die Ge-Photodiode und 1,2 % für die InGaAs-Photodiode für alle untersuchten Polarisationen und Einfallswinkel im gesamten untersuchten Wellenlängenbereich. Die gewonnenen Daten für die Photodioden ermöglichen auch die Berechnung der Empfindlichkeiten von Ge- und InGaAs-Trap Empfängern.