Optoelektronisch integrierte Schaltungen mit Multi Junction Photodioden

Abstract

In dieser Arbeit werden opto elektronisch integrierte Schaltungen mit einem speziellen Typ von Photodetektor behandelt. Dieser Detektor fällt unter den Begriff Mulit Junction Photodioden. Dabei werden mehrere PN-Übergänge vertikal übereinander integriert. Die Anzahl hängt dabei von der verwendeten Halbleitertechnologie ab und kann von zwei bis vier PN-Übergängen gehen. Durch die physikalische Eigenschaft, dass unterschiedlich farbiges Licht unterschiedlich tief in den Halbleiter eindringen kann, erreicht man dass die einzelnen PN-Übergänge unterschiedlich stark auf das eingestrahlte Licht reagieren. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Implementierung von solchen Photodioden in Standardhalbleiterprozessen. Dabei spielen vor allem wirtschaftliche Überlegungen, sprich die Kosten, eine gewichtige Rolle. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um BiCMOS (0, 6-m) und CMOS Prozesse (90nm, 0, 35-m). Dabei zeigt sich, dass diese Prozesse unterschiedlich gut für diese Art von Detektor geeignet sind. Es zeigt sich dabei, dass jene Prozesse besonders gut geeignet sind, die es ermöglichen die Passivierung (hauptsächlich SiO2) über den Photodioden zu entfernen. In dieser Arbeit liegt auch ein starker Fokus auf der Anwendung dieser Detektoren. Aus diesem Grund werden exemplarisch drei Anwendungen vorgestellt und untersucht. Dabei handelt es sich um die Wellenlängenbestimmung, die Biosensorik und die Datenkommunikation. Aus diesen Untersuchungen wird dann ein Konzept für opto elektronisch integrierte Schaltungen abgeleitet und vorgestellt. Es werden auch die erzielten Ergebnisse vorgestellt.

In this work are opto electronic integrated circuits presented. They use a special kind of photo detector which is known as Multi Junction photo detector. This device uses vertically stacked PN junctions. The number of pn junctions is determined by the application and the used semiconductor process. The number can range from two to four in common processes. The penetration depth of light in the semiconductor is dependent on the color of the light. Therefore the different pn-junctions have a different responsivity for light. In this work the focus is on the implementation of these photodiodes in a standard semiconductor process. The usage of a standard process is driven by the demand of being economically competitive. Different semiconductor processes were investigated. One BiCMOS (0.6-m) and two CMOS (90nm, 0.35-m) processes were used. The results show that the different processes are not equally suitable for this type of detector. Especially suitable are processes which enable the designer to remove the passivation on top of the photo diode (mostly SiO2). In this work a strong focus is on the application of these photo diodes. Three applications were investigated, wavelength detection, biomedical sensors and data transmission. With the results of these investigations opto electronic IC are developed and characterized.