CN104040731A - 半导体结构、包括这种结构的装置以及制造半导体结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体结构(5)，其能够接收电磁辐射并且将该电磁辐射转换为电信号，其包括具有相同传导性类型并且由相同元素构成的第一和第二区域(20，60)。该结构还包括势垒区域(40)，其设置在第一和第二区域(20，60)之间，用作在势垒厚度上第一和第二区域(20，60)的多数载流子的势垒。第一接合区域(30)在第一接合厚度(e2)上形成第一区域(20)和势垒区域(40)之间的接合，第二接合区域(50)在第二接合厚度(e3)上被布置在势垒区域(40)和第二区域(60)之间。接合区域(30，50)具有分别从第一和第二材料区域变化到势垒成分的元素成分，第一接合厚度(e2)至少等于势垒厚度(e1)的一半，第二接合厚度(e3)小于势垒厚度(e1)的一半。

Description

半导体结构、包括这种结构的装置以及制造半导体结构的方法
技术领域
本发明涉及电磁辐射的检测和/或测量领域，以及实施这种检测和/或测量的装置。
与微电子技术适用于引导带隙半导体相关的光电子学的迅速发展，促使了检测和/或测量电磁辐射的装置的发展，该装置在从紫外线到红外线的波长范围内是紧凑的。
这些装置通常使得半导体结构能够接收电磁辐射并且将其转换为电信号。
本发明尤其涉及一种能够接收电磁辐射并且将其转换为电信号的半导体结构，涉及一种包括至少一种这样半导体结构的半导体装置以及一种制造这种半导体结构的方法。
现有技术
能够接收电磁辐射并且将其转换为电信号的半导体结构通常是试图反向偏置的二极管型半导体结构。
这种结构，当用于电磁辐射的检测和/或测量时，具有暗电流。这种暗电流，与当这种结构不受电磁辐射影响时的运转中二极管电流相对应，表现出了这种结构的主噪声源，并且因此限制了其信噪比，以及其灵敏度。在温度低于170K的低温情况下，这种暗电流基本上与空间电荷区有关系。当然，这是产生和重组电子空穴对的电流，和缺陷辅助隧道电流和带带隧道电流，的地方，这引起了大多数的低温暗电流。
已知的是，为了限制这种低温暗电流，使用了势垒型半导体结构，这种半导体结构包括由势垒区域隔开的具有相同传导性类型的第一区域和第二区域。具有相同传导性类型的第一区域和第二区域，包括相等的多数载流子，其由该结构的多数载流子所限定。势垒区域包括对于大多数载流子适于作为势垒，以及忽视少数载流子的带隙。为此，在不同区域之间，势垒区域具有比存在能量差的第一区域和第二区域更高的带隙能量，对应于少数载流子，能带尽可能低，也就是说，对应于少数载流子是空穴的价带，以及对应于少数载流子是电子的导带。因此，通过在第一和第二区域的带隙能量差值，该势垒区域产生了对于多数载流子的强烈的电势垒(potential barrier)。对于少数载流子而言，它是低的或者甚至消除，因为，对于少数载流子而言，能带是低的能量差值。
如此，当相对于第二区域，第一区域是反向偏置时，在第一区域中由光子产生了电子空穴对，产生的少数载流子从第一区域转换到第二区域并且由这种偏置来加速。如此，少数载流子在相同的方式集中。这种结构无需在小间隙材料中存在空间电荷区，而且免除了在空间电荷区存在的噪声，因此，具有相对于二极管型结构，减少的低温暗电流。
然而，如果对于低温操作，这种结构实现了降低的暗电流，由于用于势垒形成的带隙能量差，这种结构必然是一种异质结构。因此，这种结构通常包括包含不同元素的材料以及因此具有通常较高的点阵参数差值，和在该结构的不同区域之间的接合缺陷。这种缺陷，潜在地提高了噪声，因此限制了该结构的价值。
已知的是，特别是在美国专利US4679063所描述的，为了限制这种接合缺陷的量，使用了由相同元素构成的材料，例如CdXHg1-XTe汞碲化镉型材料。这种材料具有，对于不同元素的比例，通常减少的点阵参数差值，并且当这些差值较高时，包括精细的匹配层，沿着此层元素比例发生变化，以降低在接合处的压力，因此降低了接合缺陷的量。
然而，如果包括此材料的结构具有降低的接合缺陷密度，用于形成所述结构的材料必须实现两个准则：
-该材料必须具有作为元素比例函数的强烈的带隙能量变化，
-该材料必须提供，对于至少一个传导性类型，在带隙能量中强烈变化的可能性，具有对于少数载流子的能带而言较低的能量差值。
在文献US4679063中描述的解决方案中为了满足第二准则，使用了势垒区域的适当的掺杂质。这种解决方案对于一些材料而言难以实现第一准则，例如镉－碲化汞，具有技术制约的足够的搀杂质很难不与工业生产发生矛盾。
发明内容
本发明旨在克服此缺点。
本发明的一个目的在于提供一种半导体结构，其能够接收电磁辐射并且将其转换为电信号，该结构由势垒类型的半导体材料构成，该材料由相同的元素组成，而不需要与第一和第二区域的元素不同的势垒区域的掺杂质类型，在运行过程中，对于少数载流子，电势垒是无效的，而对于多数载流子，电势垒仍然保持有效，甚至对于该结构的高的反向偏压的情况。
为此，本发明涉及一种半导体结构，其能够接收：
－第一和第二区域，它们具有相同的传导性类型并且分别由第一和第二半导体材料制成，所述第一和第二半导体材料两者由相同的元素构成，所述元素称为组成元素，这些组成元素中的至少两种的不同比例与所述材料的带隙能量差相对应，第一材料是直接带隙半导体材料，
－势垒区域，其设置在第一和第二区域之间，并且在势垒厚度上作为第一和第二区域的多数载流子的势垒，所述势垒区域由组成元素构成并且在整个势垒厚度上具有组成元素的比例，使得势垒区域具有比第一区域的带隙能量高的带隙能量最低值，并且使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的相同极值的能量，使势垒区域具有最低带隙能量的组成元素的比例限定了势垒比例，
-设置为在第一接合厚度上接合第一区域和势垒区域的第一接合区域，第一接合区域具有在整个接合厚度上以及从第一区域到势垒区域上从与第一材料的比例相对应的比例变化到势垒比例的组成元素成分，第一接合厚度至少等于势垒厚度的一半，
并且其中，提供有设置为在第二接合厚度上接合势垒区域和第二区域的第二接合区域，第二接合区域具有在整个第二接合厚度上，以及从势垒区域到第二区域上从势垒比例变化到与第二材料的比例相对应的成分的组成元素成分，第二接合厚度小于势垒厚度的一半。
对于势垒区域，这意味着结构的能带极值在其上对应于多数载流子的区域与第二区域的导带底具有差值，该差值等于最大工作温度处的热能的至少10倍。通过扩展，对于势垒厚度，这意味着势垒区域的厚度。
对于直接带隙半导体材料，这意味着这样一种半导体材料，该半导体材料的位于波矢量k的值处的价带能量最大量和导带能量最低值在所述半导体材料的能量分布图中大体相等。
对于半传导结构的工作温度额定值，这意味着通过具有额定信噪比来运行半导体结构的最大温度。实际上，这种结构，例如用于红外线的检测应用，必须在明确限定的温度下操作，所述明确限定的温度在此例子中大约是80K，并且对于更高温度，这种结构具有相对于减少的信噪比具有退化的灵敏度。根据另一个例子，意欲在室温下操作的半导体结构其将具有80℃，即353K的工作温度额定值。
这种工作温度额定值限定了对应于在该温度额定值下分子的平均动能的热能。此热能ET由波耳兹曼常数k通过ET＝kT限定，其中T是温度。通过再次考虑用于远红外线检测应用的半导体结构的例子，获得的热能大约是7meV。
如此，通过沿着第一接合厚度，第一接合区域至少等于势垒厚度的一半，在与第一区域的比例相对应的比例和势垒比例之间的组成元素的变化在第一区域相对于第二区域反向偏置时吸收第一和第二区域之间的势差的一部分，使得由所述部分引起的价带的变形除去少数载流子的电势垒，该电势垒由势垒区域与第一和第二区域之间的带隙能量差产生。如此，这种结构不需要势垒区域的特别搀杂，使得所述结构在第一区域相对于第二区域反向偏置时不具有少数载流子的电势垒。
第二接合区域，通过相对于势垒区域和第一接合区域两者具有较小的厚度，产生突变势的势垒，以在第一区域相对于第二区域反向偏置期间，提供给多数载流子减小的势垒变形。该结构接收这种第二接合区域，第一区域的反向偏压(通过此偏压，势垒的变形将对于多数载流子是充分的)可能通过高的势垒(barrier)。
如此，在运行中，具有这种第一和第二接合区域的结构仅仅对于多数载流子是电势垒，其甚至对于结构的高反向偏置而言仍然保持有效，而不需要势垒区域具有与第一和第二区域不同的传导性类型。
该结构是nBn结构，也就是第一和第二区域为多数载流子是电子的传导性类型，势垒区域由组成元素构成并且在整个势垒厚度上具有组成元素的比例使得势垒区域具有比第一区域的带隙能量高的带隙能量最低值，并且使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
如此，本发明还涉及能够接收电磁辐射并且将该电磁辐射转换为电信号的nBn类型的半导体结构，所述结构包括工作温度额定值，如此结构包括：
-第一和第二区域，它们与多数载流子是电子的传导性类型具有相同的传导性类型并且分别由第一和第二半导体材料制成，所述第一和第二半导体材料两者由相同的元素构成，所述元素称为组成元素，这些组成元素中的至少两种的不同比例与所述材料的带隙能量差相对应，第一材料是直接带隙半导体材料，
-势垒区域，其设置在第一和第二区域之间，并且在势垒厚度上作为第一和第二区域的多数载流子的势垒，所述势垒区域由组成元素构成并且在整个势垒厚度上具有组成元素的比例，使得势垒区域具有比第一区域的带隙能量高的带隙能量最低值，并且使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量，使势垒区域具有最低能隙的组成元素的比例限定了势垒比例，
-在第一接合厚度上接合第一区域和势垒区域的第一接合区域，第一接合区域具有在整个接合厚度上以及从第一区域到势垒区域上从与第一材料的比例相对应的比例变化到势垒比例的组成元素成分，第一接合厚度至少等于势垒厚度的一半，
并且其中，所述结构被提供有设置为在第二接合厚度上接合势垒区域和第二区域的第二接合区域，第二接合区域具有在整个第二接合厚度上以及从势垒区域到第二区域(60)上从势垒比例变化到与第二材料的比例相对应的成分的组成元素成分，第二接合厚度小于势垒厚度的一半。
第一接合厚度可等于或者大于势垒厚度。
第一和第二材料可具有大体上相等的组成元素的比例。
如此，第一和第二材料具有大体上相同的带隙能量，使得少数载流子从第一区域穿过到第二区域更加容易。
根据本发明的特别应用，该组成元素是镉、汞和碲。
如此组成元素特别适合于在红外线范围内电磁辐射在低温下的检测和测量，在镉和汞比例上的变化将使得，对于80k工作温度，带隙能量能从0eV到超过1.6eV的范围内变化，也就是说，对于给定的多数载流子浓度，在1.2eV的相应的导带的底部之间的差值。而且，这种组成元素还使得在按组成元素的比例下，整个变化范围内形成了具有类似的点阵参数的材料，这在制造如此结构情况下，限制了接合缺陷的出现。
第一接合厚度在一倍势垒厚度和两倍势垒厚度之间。
在第一区域相对于第二区域反向偏置的应用期间，如此结构具有足够宽的接合厚度，使得甚至对于第一区域相对于第二区域的低的反向偏置而言，对于多数载流子的电势垒可以被消除。
组成元素的比例可在整个接合厚度上大体上均匀地变化。
在这种组成元素的比例的变化下，第一接合区域在带隙能量上具有连续变化，如此在对应于少数载流子的能带能量中也类似，此变化使得价带发生严重变形。
组成元素的比例可在整个接合厚度上大体上线性变化。
根据本发明的另一个可能性，在整个接合厚度上，组成元素的比例可以大体上根据误差函数变化，所述误差函数又名高斯误差函数。
在比例上的如此变化对应于在组成元素的一种的互扩散的线性梯度。
可提供第二接合区域，其设置为在第二接合厚度上接合势垒区域和第二区域，第二接合区域具有在整个第二接合厚度上以及从势垒区域到第二区域上从势垒比例变化到与第二材料的比例相对应的比例的组成元素成分，第二接合厚度小于势垒厚度的一半。
第二接合厚度可以小于势垒厚度的三分之一，并且优选小于势垒厚度的十分之一。
这种第二接合区域，通过相对于势垒区域和第一接合区域两者具有特别小的厚度，产生急剧的电势垒，以在第一区域相对于第二区域反向偏置期间，提供给多数载流子减小的势垒变形。这样，该结构接收第一区域的反向偏压，通过此偏压，势垒的变形将对于多数载流子是充分的，它们可能通过更高的势垒。
该势垒厚度在100和300纳米之间。
这样的厚度使得提供了充分宽的电势垒来限制隧道电流通过该势垒，而且在第二区域和第一区域之间堵塞多数载流子的通过，而在第一区域相对于第二区域的反向偏置期间，该电势垒足够薄以便迅速耗尽。
本发明还涉及一种半导体装置，其包括多个半导体结构，所述结构中的至少一个是根据本发明的结构。
这种装置使得能够利用所述结构中的至少一个进行低温电磁辐射的检测和/或测量，该结构由具有相同组成元素且势垒区域的掺杂类型不需要区别于第一和第二区域的掺杂类型的半导体材料制成，并且在运行中不具有少数载流子的电势垒。
可提供有光学部件和处理部件，该光学部件包括多个半导体结构，所述半导体结构称为光学结构，其能够接收电磁辐射并且将该电磁辐射转换为电信号，所述结构中的至少一个是至少一个根据本发明的结构，处理部件包括设置在它们之间的半导体结构，以处理光学结构的电信号。
光学半导体结构放置元件的光学部件上，用于处理来自光学结构的信号的半导体结构放置在所述元件的光学部件之外的部分上，这两种放置使得能够在相同元件上结合：由被优化用于待检测电磁辐射的检测和/或测量的半导体材料支撑的光学结构的优点、适合于处理由适于进行处理的材料例如硅制成的光学半导体结构的电信号的结构的优点。
本发明还涉及一种制造根据本发明的半导体结构的方法，并且包括如下步骤：
－提供第一传导性类型的并且由第一半导体材料制成的第一区域，第一材料由所谓的组成元素构成，使得所述组成元素中的至少两种的不同比例与所述材料的带隙能量的变化相对应，
－形成与第一区域接触的第一接合区域，第一接合区域具有第一接合厚度和在整个接合厚度上从与第一材料的比例相对应的比例变化到势垒比例的组成元素的成分，
－形成与接合区域接触的势垒区域，使得接合区域与第一区域和势垒区域接合，势垒区域的势垒厚度至少小于两倍第一接合厚度，势垒区域由组成元素构成，并且在整个势垒厚度上具有一比例，使得势垒区域具有比第一区域的带隙能隙高的带隙能量，使势垒区域具有最低带隙能量的组成元素的比例等于势垒比例，
－在第二接合厚度上形成第二接合区域，该第二接合区域设置为接合势垒区域和第二区域，第二接合区域的组成元素的成分从势垒比例变化到与第二材料的比例相对应的比例，第二接合厚度小于势垒厚度的一半，并且优选小于十倍势垒厚度，
－形成与第一区域相同传导性类型的第二区域，第二区域由第二半导体材料制成，第二半导体材料由组成元素构成，第二区域设置为使得势垒区域设置在第一和第二区域之间，第二区域的带隙能量使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
这种方法使得，在运行中，结构的变形能够接收电磁辐射并且将该电磁辐射转换为电信号，而所述结构不需要势垒区域的搀杂质类型不同于第一和第二区域。因此，这种方法使得提供了多于多数载流子的具有急剧的电势垒的结构，并且在第一区域相对于第二区域反向偏置期间降低的势垒变形。该结构接收第一区域的反向偏压，通过此偏压，势垒的变形将对于多数载流子是充分的，它们可能通过更高的势垒。
如此，这种方法使得，在运行中，具有这种第一和第二接合区域的结构的变形仅仅对于仍然保持有效的多数载流子是电势垒，甚至对于结构的高反向偏置而言，而不需要势垒区域具有与第一和第二区域不同的传导性类型。
在形成第二区域的步骤种，第二区域可由组成元素构成的第二半导体材料制成，该第二区域设置为使得势垒区域在第一和第二区域之间，第二区域的带隙能量设置为使得在两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
附图简述
本发明结合附图，通过给定的目的并且不作为限制，阅读示例的实施例将得到更佳的理解：
图1例示出根据本发明的以横截面图示出的示例结构；
图2是表示随着图1所示结构的Z轴线的镉比例变化的图表，
图3a和3b分别是不存在偏置期间和在第一区域相对第二区域的反向偏置期间图1所示结构的能带图，
图4示出了根据本发明的半导体元件的光学部件的横截面示意图。
相等的，不同附图的类似或者相同部分是相同的附图标记，以便促进从一个附图转换到另一个附图。
在附图中示出的不同部分没有必要绘制成均匀标度，是为了附图更容易理解。
具体实施方式
图1示出了半导体结构5，其能够接收电磁辐射并且将该电磁辐射转换为电信号。该结构5包括工作温度额定值，低于该额定值，其具有额定的信噪比。
这种结构5适于检测和/或测量电磁辐射λ，电磁辐射λ的波长在从紫外线到红外线的波长范围之内。在本文的延续部分中描述的此值适于红外辐射λ的检测和/或测量应用。这种数值目的仅仅用于本发明的特殊应用。此特殊应用将在此文献下文中引入。
这种结构5包括：
-半导体支撑件10，
-第一半导体区域20与支撑件10接触，第一区域20设置有电触点70并且由第一材料制成。
-与第一区域20接触的第一接合区域30，该第一接合区域30具有第一接合厚度e2，
-与第一接合区域30接触的势垒区域40，该势垒区域40具有势垒厚度e1，
-与势垒区域40接触的第二接合区域50，第二接合区域50具有第二接合厚度e3，
-与第二接合区域50接触的第二半导体区域60，第二区域60设置有第二电触点75并且由第二材料制成，和
-表面钝化层80，适合于钝化第一和第二电触点70，75之外的结构5的表面，所述钝化层还充当电绝缘层。
-第一区域20、第二接合区域30、势垒区域40、第二接合区域50和第二区域60由相同的组成元素构成。
选择组成元素使得，包括组成元素中的至少两种具有不同的比例的两种半导体材料具有不同的带隙能量。带隙能量发生变化的范围使得，在包括提供最低带隙能量的组成元素的比例的材料和包括提供最大带隙能量的组成元素的比例的材料之间，该带隙能量差适于对于至少一个传导性类型形成电势垒。
满足了这样一种情况，例如，在导带的底部，在具有组成元素的情况下，通过改变组成元素的比例所获得的在分别在最低和最大带隙能量之间的能量差，是在最大工作温度下热能的至少10倍(在第一区域和第二区域，以及势垒区域中，对于是电子的多数载流子和多数载流子浓度是相等的)。该组成元素是镉Cd、汞Hg和碲Te，其中该材料的成分是CdXHg1-XTe型。这种组成元素使得后面的情况适于实现。实际上，对于80K的工作温度额定值，CdXHg1-XTe型的两种材料，分别具有0.18和1的镉比例X，差值大约是1.2eV。大约7meV的热能为80K，获得的差值比该热能的10倍更高，大约是70meV。
这对于更高温度也是成立的。如此，在室温下，热能大约是26meV，这就是比260meV更高的差值。在组成元素是镉Cd、汞Hg和碲Te的情况下，该值还是可实现的。
接着，对于本发明的特别应用，通过改变组成元素的比例，这意味着镉的比例，直接给予了汞和碲的比例，根据本发明的特别应用构成的结构的材料是CdXHg1-XTe型，X是镉的比例。
该半导体支撑件10是适于形成第一区域20的材料生长的半导体材料。如此，对于本发明的特别应用而言，组成元素是镉Cd、汞Hg和碲Te，例如该半导体支撑件是镉和碲化锌(CdZnTe)。
在图1所示，该半导体支撑件10是具有第一和第二表面的大体上平的支撑。
第一区域20与该支撑件10的第二表面接触。第一区域20是大体上平面层并且一个表面与支撑件10接触。
第一区域20由第一材料制成。第一材料由组成元素构成。第一材料是直接带隙半导体材料。第一材料的带隙能量适于检测和/或测量的电磁辐射λ的波长。这种对于第一材料的带隙能量的适用，通过组成元素的比例X1来实现，该比例适于第一材料的带隙能量，该能量与比检测的电磁辐射λ的能量更低。
第一材料具有对于多数载流子和少数载流子的第一传导性类型。接着，通过多数载流子和少数载流子，这意味着是大多数和少数的载流子分别在第一材料中。
第一电触点70是适于第一材料和其具有的传导性类型的电触点。
根据本发明的特别应用，第一材料包括，对于在低于3微米的中波长红外线范围内检测和/或测量电磁辐射λ的结构而言，组成元素的比例X1等于0.4，和对于在低于5微米的中波长红外线范围内检测和/或测量电磁辐射λ的结构，组成元素的比例X1等于0.3。对于在低于10微米的红外线范围的电磁辐射λ的检测和/或测量情况下，第一材料的组成元素的比例X1等于0.22。
根据此相同特定应用，第一材料具有传导性，使得第一区域的多数载流子是电子，因此，少数载流子是空穴h+。这种传导性类型可通过从通过在第一材料中掺杂非组成元素的杂质来实现，以提供过量电子，例如铟(In)。多数载流子的浓度在5.1014和5.1015cm-3之间。
根据本发明的特别应用，第一电触点70是金触点，使得该触点适于电接触CdXHg1-XTe型材料。
第一区域20，是适于吸收电磁辐射λ的结构的区域，具有适于此种吸收的厚度。如此，对于本发明的特别应用而言，第一区域20的厚度至少等于2微米，并且优选大约为该结构所适合的波长。
在本文的上文以及下文中，沿着从第一区域到第二区域延伸的轴线，结构的区域的厚度意味着该区域的尺寸。根据在图1所示的实施例和对于每个区域而言，此轴线垂直于该区域接触的另一个区域的接合面。在此文献中描述的实施例中，该轴线是在图1所示的Z轴线。
第一区域20具有与支撑件10接触的表面，以及与该支撑件10相反的表面。
在与支撑件10相反的第一区域的表面上，第一接合区域30与第一区域20接触。在与支撑件10相反的第一区域20的表面上，第一接合区域30是与第一区域20接触的大体平面层。
在整个接合厚度e2上以及从第一区域20到势垒区域40，从与第一材料X1的比例相对应的比例到势垒比例Xb，第一接合区域30具有从第一区域20改变到势垒区域40的组成元素成分。
在整个接合厚度e2上，第一接合区域30的组成元素的比例大体上均匀变化。
在第一接合区域30的组成元素的比例是在整个接合厚度e2上大体上线性变化的，如图2所示。
第一接合区域30具有与第一区域20接触的表面，并且与第一区域20接触的表面相反的表面与势垒区域40接触。
势垒区域40对于第一和第二区域20、60的多数载流子是充当势垒的结构5的区域。该势垒区域40是大体上平面层。
势垒厚度e1是势垒区域40具有带隙能量的厚度，其使得在两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
该势垒厚度e1对于势垒区域具有足够宽的尺寸，以对于多数载流子充当势垒，并堵塞第二区域60和第一区域10之间的多数载流子的通过。势垒厚度e1还足够的低，以允许在相对于第二区域60的第一区域的反向偏置期间，势垒区域的迅速的消耗。
势垒比例Xb是包括势垒比例Xb的材料的带隙能量所必需的组成元素的比例，其使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
如图2所示，在势垒区域中的组成元素的比例在势垒比例Xb和最大宽度比例Xm之间变化。最大宽度比例Xm是势垒区域40具有最大带隙能量的组成元素的比例。
根据本发明的特别应用，对于适于在低于3微米的中波长红外线的范围内检测电磁辐射λ的结构而言(X1＝0.4)，势垒比例Xb和最大宽度比例Xm分别等于0.8和0.85，而适于在低于5微米的中波长红外线的范围内检测电磁辐射λ的结构而言(X1＝0.3)，上述值分别为0.6和0.65。为了在低于10微米的远红外线范围内检测(X1＝0.22)，势垒比例Xb和最大宽度比例Xm分别等于0.55和0.6。根据这些特别应用，对于在近红外的、中波长红外线和远红外的检测而言，该结构的工作温度额定值分别是80K、120K和170K，在这些结构的每个中在10倍KT处的标准被广泛实现，甚至在更高温度下(接近室温)。
势垒区域40沿着势垒厚度e1，和从第一接合区域30和到第二势垒区域50，连续地具有：
-第一部分，沿着该部分，组成元素的比例从势垒比例Xb线性变化到最大宽度比例Xm，
-第二部分，沿着该部分，组成元素的比例大体上恒定并且等于最大宽度比例Xm，
-第三和最后的部分，沿着这些部分，组成元素的比例从屏最大宽度比例Xm线性变化到势垒比例Xb。
为了具有有效的电势垒，第二部分呈现为大部分的势垒区域40。
根据本发明的特别应用，势垒厚度e1在100和300纳米之间，优选等于300纳米。
势垒区域40具有与接合区域30接触的表面和与接合区域30接触的表面相反的表面，该相反的表面与第二接合层50接触。
在与第一接合区域30相反的势垒区域40的表面上，第二接合区域50是与势垒区域40接触的大体平面层。
在整个接合厚度e3上和从势垒区域40到第二区域，，第二接合区域50具有从与势垒比例Xb相对应的比例变化到与第二材料X2相对应的比例的组成元素成分。
在整个第二接合厚度e3上，第二接合区域50的组成元素的比例大体上均匀变化。第二接合区域50中的组成元素的比例在整个接合厚度e3上大体上均匀变化，如图2所示。
第二接合厚度e3尽可能小，并且小于势垒厚度e1的1/3，并且优选小于势垒厚度e1的1/10。
根据本发明的特别应用，势垒厚度e1小于30纳米。
第二接合区域50具有与势垒区域40接触的表面和与势垒区域接触的表面相反的表面，该相反的表面与第二区域60接触。
在与势垒区域40相反的第二接合区域50的表面上，第二区域60是与第二接合区域50接触的大体平面层。
如图2所示，第二区域60由第二材料制成，第二材料的组成元素的比例X2大体上与第一材料的组成元素的比例X1相等。
第二材料具有传导性类型和大体上等于第一材料的多数载流子的浓度。
第二区域60设置有第二电触点75，第二电触点75适于使得第二区域60偏置，因此适合于第二材料。
根据本发明的特别应用，第二电触点75是钛和/或金触点，使得该触点适于HgXCd1-XTe类型材料。
该结构5在除了第一和第二电触点70，75的表面上设置有表面钝化层80，此表面钝化层18还具有对于结构5的表面的电绝缘功能。
根据本特别应用，表面钝化部80由碲化镉CdTe或硫化锌Zns构成。
当是根据本发明的特别应用时，该结构5具有如图3a所示的能带结构，不具有偏置。
第一区域在其整个厚度上具有恒定的能隙，该能隙的带隙能量稍低于检测和/或测量的电磁辐射λ的能量。
由于在沿着第一接合厚度e2上组成元素的比例发生改变，第一接合区域30具有在整个第一接合厚度e2上增加的带隙能量。由于组成元素是汞、镉和碲，相对于镉的增加比例，带隙能量的加宽是不平衡的，接近20％的增加分配在价带上，接近80％的增加分配在导带上。
在势垒区域中，带隙能量迅速增加以达到最大带隙能量。一旦达到最大带隙能量，势垒区域40在大部分的势垒厚度e1上具有大体恒定的带隙能量。
势垒区域的能带结构，主要对应于导带Ec朝向高能量相对于第一和第二区域的偏差，形成有多数载流子的电子的电势垒。能带结构还具有相对于第一和第二区域的朝向低能量的价带Ev的偏差，因此，还形成有少数载流子的空穴的电势垒。因此，由于对于传导和价带的偏差不对称，势垒区域对于电子和空穴分别具有强的和低的电势垒。
在势垒厚度的一端，带隙能量减少到与具有势垒比例Xb的材料的带隙能量值相对应。
在第二接合区域50中，沿着第二接合厚度e3的组成元素的比例变化导致在整个第二接合厚度e3上减少的带隙能量。由于第二接合厚度e3的适应性，相对于第一接合区域30的变化，在带隙能量上的变化是急剧的。
第二接合区域50具有大体上与第一区域20的带隙能量相等的带隙能量，这促进了在运行中少数载流子从第一区域20到第二区域的转换。
通过执行根据本发明的结构5，第一区域20相对于第二区域60反向偏置，此偏置依靠第一和第二电触点70、75实施。通过在此偏置过程中具有与图3b所示结构相同的类型，该结构5能够检测电磁辐射λ。实际上，对于在第一区域20产生的任何电子空穴对，少数载流子对通过在第一和第二区域20、60之间产生的势差发生加速，并且通过在势垒40和它的接合面30中产生的电场直接地集中。当然，多数载流子当通过势垒区域时不会碰见电势垒。
涉及根据本发明的特别应用的结构5的图3b使得该操作更好理解。
对于这种结构5，被施加以使得能够进行红外线电磁辐射λ的测量和/或检测的电压必须约为几百毫伏。在图3b中，在第一区域相对于第二区域的反向偏置期间，可以看到，电势变化主要在第一接合区域30和势垒区域40之间改变。
因此，在第一接合区域30和势垒区域40中，存在价带和导带上升到高的能量。对于第一接合区域30和从运行阈值电压开始，此上升充分地使得价带变形，以除去少数载流子的电势垒。在第二接合区域50处的导带和价带的变形仍然降低，势垒区域持续形成电势垒，以防止在第二区域60和第一区域20之间的任何多数载流子流动。
因此，在不存在电磁辐射λ的情况下，没有多数载流子电流通过结构5输运。在将结构5暴露到具有足够能量的电磁辐射λ的情况下，在第一区域20由光子产生电子空穴对，在其被收集的第二区域60中，空穴对的空穴被加速并且通过，而不会遇到电势垒。如此产生的具有合适电子器件的电流使得电磁辐射λ能够被检测和/或测量。
根据此特别应用的结构5将由此制造方法制成，该方法包括如下步骤：
-提供镉和碲化锌(CdZnTe)的半导体支撑件10，
-将组成元素沉积在支撑件10上，以便形成构成第一区域20的第一材料层，
-将组成元素沉积在第一区域20上，以便形成第一接合区域30，该组成元素被沉积为一层，并且具有在第一接合厚度e1上从对应于第一材料的比例X1变化到势垒比例Xb的组成元素成分，
-将组成元素沉积在第一接合区域30上，以便形成势垒区域40，该组成元素被沉积为一层，该层的厚度是势垒厚度e1，在势垒区域40中的组成元素的比例包含在势垒比例Xb和最大宽度比例Xm之间，
-将组成元素沉积在势垒区域40上，以便形成第二接合区域50，该组成元素被沉积为一层，并且具有在第二接合厚度e3上从势垒比例Xb变化到对应于第二区域的比例X2的组成元素成分，
-将组成元素沉积在第二接合区域50上，以便形成构成第二区域60的第二材料的层，
-分别在第一和第二区域60上形成第一和第二电触点70，75，
-在所述结构的除金属触点70、75之外的表面上沉积表面钝化部80。
对于本发明的特别应用，由沉积组成元素的组成的步骤可通过分子束外延或金属有机物蒸汽相外延沉淀来实现。
可以理解的是，为了在结构的区域10、20、30、40、50和60中限定传导性类型和多数载流子的浓度，在形成不同区域10、20、30、40、50和60的情况下，掺杂元素附随地沉积到组成元素的沉积物中。根据掺杂元素的类型，制造结构5的方法包括活化掺杂元素的步骤，例如加热退火步骤。
本发明还涉及一种装置1，在图4中部分示出的，根据本发明，其包括结构5a、5b、5c、5d。
这种装置1包括第一所谓的光学部件2和未示出的第二所谓的处理部件。
根据本发明，在图4所示的光学部件2具有四个结构5a、5b、5c和5d。
该光学部件2包括：
-对于所有结构5a、5b、5c和5d共用的半导体支撑件10，
-第一半导体区域20，其于半导体支撑件10接触，第一区域具有第一电触点70并且由第一材料制成，所述第一区域20对于所有的结构5a、5b、5c和5d是共用的，
-与第一区域20接触的第一接合区域30，所述第一接合区域30对于所有的结构5a、5b、5c和5d是共用的，
-与第一接合区域30接触的势垒区域40，所述势垒区域40对于所有的结构5a、5b、5c和5d是共用的
-与势垒区域40接触的第二接合区域50，所述第二接合区域50对于所有的结构5a、5b、5c和5d是共用的，
-对应每个结构的第二半导体区域60a、60b、60c和60d，与第二接合区域50接触，每个第二区域60a、60b、60c和60d具有第二电触点75a、75b、75c和75d，并且由第二材料制成，和
-表面钝化层80，其适于钝化光学部件2的除了第一和第二电触点70、75a、75b、75c和75d之外的表面，。
光学部件2的结构5a、5b、5c和5d与前面所述的结构5采用相同的操作规则，光学部件2的不同区域10、20、30、40、50和60a，b，c，d具有与前述结构相同的特征。
为了允许在装置的处理部件上的光学部件2的铟混合，光学部件2的所有电触点被布置为限定一个混合计划，该混合计划适于通过铟混合实现光学部件到处理部件的联系，以便形成该装置。
处理部件是包括半导体结构的部分，这些半导体结构互连到一起以形成适于处理光结构5a、5b、5c和5d的电信号的处理电路。这种处理部件使用晶体管型结构并且由硅树脂制成。该处理部件还包括适于通过铟杂交实现与光学部件的联系的电触点。如此，这种装置实现了下述优点的结合：使用光学半导体材料例如CdXHg1-XTe的优点、，通过由硅树脂结构提供的低噪声敏捷电子技术的处理的优点。
对于其光学部件，该装置1的实施与根据本发明的结构类似。
用于制造此装置1的方法与根据本发明的结构5的方法类似，除了与制造第二区域60a，b，c，d和它们的第二电触点(该电触点对于每个光结构5a，b，c，d是特有的)相关的光刻掩蔽步骤的实施之外。
在上述实施例中，如果根据本发明的结构5具有势垒区域40，该势垒区域40包含具有第二部分的表示了势垒区域的大部分的三个部分，并且具有大体上不变的元素比例，则势垒区域40可在大多数势垒厚度e1上具有组成元素的任意比例变化，而不会脱离本发明的范围。根据此可能性，沿着势垒厚度e1的组成元素的比例变化使得在整个势垒区域40上的带隙能量等于或者高于对应于势垒比例Xb的带隙能量。
在上述实施例中，如果根据本发明的结构5在第二材料中的组成元素的比例X2大体上等于在第一材料中的组成元素的比例X1，则在第二材料中的组成元素的比例X2可与第一材料中的不同，这不会脱离本发明的范围。
在本发明的特别应用中，多数载流子是电子并且该结构是nBn型结构(n是第一和第二区域的掺杂质类型并且B是用于势垒)。在不脱离本发明的范围内，根据本发明的结构还具有对于多数载流子是空穴的传导性类型，根据此可能性，该结构可能是pBp型结构(p是用于第一和第二区域的掺杂质类型，并且B是用于势垒)。
进一步，如果在此文献描述的实施例中，第一和第二接合区域每个沿着相应的厚度具有线性的组成元素的比例变化，则在第一和第二区域中的至少一个的元素比例变化可具有除了线性之外的变化，而不脱离本发明的范围。
如果在此文献描述的实施例中，组成元素的比例在第一和第二接合区域是线性变化，在不脱离本发明的范围内，值得考虑，每个或者两者的接合区域的组成元素的比例的变化可以不是线性的。因此，还值得考虑对于每个或者两个接合区域，组成元素的比例可以根据误差函数(又名高斯误差函数)变化。

Claims (11)

1.一种半导体结构(5)，其能够接收电磁辐射(λ)并且将该电磁辐射转换为电信号，所述结构包括工作温度额定值，这种结构(5)包括：
－第一和第二区域(20，60)，它们具有相同的传导性类型并且分别由第一和第二半导体材料制成，所述第一和第二半导体材料两者由相同的元素构成，所述元素称为组成元素，这些组成元素中的至少两种的不同比例与所述材料的带隙能量差相对应，第一材料是直接带隙半导体材料，
－势垒区域(40)，其设置在第一和第二区域(20，60)之间，并且在势垒厚度(e1)上作为第一和第二区域(20，60)的多数载流子的势垒，所述势垒区域(40)由组成元素构成并且在整个势垒厚度(e1)上具有组成元素的比例，使得势垒区域(40)具有比第一区域(20)的带隙能量高的带隙能量最低值，并且使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的相同极值的能量，使势垒区域(40)具有最低带隙能量的组成元素的比例限定了势垒比例(Xb)，
此结构(5)特征在于，其包括设置为在第一接合厚度(e2)上接合第一区域(20)和势垒区域(40)的第一接合区域(30)，第一接合区域具有在整个接合厚度(e2)上以及从第一区域(20)到势垒区域(40)上从与第一材料的比例相对应的比例变化到势垒比例(Xb)的组成元素成分，第一接合厚度(e2)至少等于势垒厚度(e1)的一半，并且其中，所述结构(5)被提供有设置为在第二接合厚度(e3)上接合势垒区域(40)和第二区域(60)的第二接合区域(50)，第二接合区域(50)具有在整个第二接合厚度(e3)上以及从势垒区域(40)到第二区域(60)上从势垒比例(Xb)变化到与第二材料的比例(X2)相对应的成分的组成元素成分，第二接合厚度(e3)小于势垒厚度(e1)的一半。
2.如权利要求1所述的结构(5)，其中该结构是nBn结构，也就是第一和第二区域为多数载流子是电子的传导性类型，势垒区域(40)由组成元素构成并且在整个势垒厚度(e1)上具有组成元素的比例，使得势垒区域(40)具有比第一区域(20)的带隙能量高的带隙能量最低值，并且使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
3.如权利要求1或2所述的结构(5)，其中第一和第二材料具有大体上相等的组成元素的比例。
4.如前述任一权利要求所述的结构(5)，其中组成元素是镉(Cd)、汞(Hg)和碲(Te)。
5.如前述任一权利要求所述的结构(5)，其中第一接合厚度(e2)在一倍势垒厚度(e1)和两倍势垒厚度(e1)之间。
6.如前述任一权利要求所述的结构(5)，其中组成元素的比例在整个第一接合厚度(e2)上大体上均匀地变化。
7.如前述任一权利要求所述的结构(5)，其中第二接合厚度(e3)小于势垒厚度(e1)的三分之一，并且优选小于势垒厚度(e1)的十分之一。
8.如前述任一权利要求所述的结构(5)，其中势垒厚度(e1)在100和300纳米之间。
9.一种半导体装置(1)，其包括多个半导体结构(5a、b、c、d)，其特征在于，所述结构(5a、b、c、d)中的至少一个是根据前述任一项权利要求所述的结构。
10.如权利要求9所述的半导体装置(1)，其中提供有光学部件(2)和处理部件，该光学部件(2)包括多个半导体结构(5a、b、c、d)，所述半导体结构称为光学结构，其能够接收电磁辐射(λ)并且将该电磁辐射转换为电信号，所述结构(5a、b、c、d)中的至少一个是至少一个根据权利要求1至8中的一项所述的结构，处理部件包括设置在它们之间的半导体结构，以处理光学结构(5a、b、c、d)的电信号。
11.一种制造根据权利要求1至8中的一项所述的半导体结构(5)的方法，其包括如下步骤：
－提供第一传导性类型的并且由第一半导体材料制成的第一区域(20)，第一材料由所谓的组成元素构成，使得所述组成元素中的至少两种的不同比例与所述材料的带隙能量的变化相对应，
－形成与第一区域(20)接触的第一接合区域(30)，第一接合区域(30)具有第一接合厚度(e2)和在整个接合厚度(e2)上从与第一材料的比例相对应的比例变化到势垒比例的组成元素的成分，
－形成与接合区域(30)接触的势垒区域(40)，使得接合区域(40)与第一区域(20)和势垒区域(40)接合，势垒区域(40)的势垒厚度(e1)至少小于两倍第一接合厚度(e2)，势垒区域(40)由组成元素构成，并且在整个势垒厚度(e1)上具有一比例，使得势垒区域(40)具有比第一区域(20)的带隙能隙高的带隙能隙，使势垒区域(40)具有最低带隙能量的组成元素的比例等于势垒比例(Xb)，
－在第二接合厚度(e3)上形成第二接合区域(50)，第二接合区域的组成元素的成分从势垒比例(Xb)变化到与第二材料的比例相对应的比例，第二接合厚度(e3)小于势垒厚度(e1)的一半，
－形成与第一区域(20)相同传导性类型的第二区域(60)，第二区域(20)由第二半导体材料制成，第二半导体材料由组成元素构成，第二区域(60)设置为使得势垒区域(40)设置在第一和第二区域(20，60)之间，第二区域(60)的带隙能量使得两种能量之间的绝对值差值等于在工作温度额定值处的热能的至少10倍，该两种能量一种是与势垒区域的带隙能量最低值的多数载流子相对应的能带极值的能量，另一种是第二区域的导带的相同极值的能量。
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