DE3211769C2 - Photoleitender Detektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen photoleitenden Detektor, d. h. eine Vorrichtung aus photoleitendem Halbleitermaterial mit einer Eingangselektrode und einer Ausgangselektrode. Eine derartige Vorrichtung kann auch einen oder mehrere zusätzliche Kontakte, beispielsweise einen Spannungskontakt oder Spannungskontakte, aufweisen, um die Strahlungserfassung zu erleichtern.

Zahlreiche derzeit verwendete Photodetektoren benutzen Cadmiumquecksilbertellurid (CMT) für das photoleitende Halbleitermaterial und haben Kontakte aus Gold, Indium oder Aluminium (vgl. beispielsweise GB-PS 1 488 258 = US-PS 3 995 159). Gewöhnlich haben Photodetektoren eine geradlinige Geometrie, d. h., das Halbleitermaterial ist in quadratischer oder rechteckiger Form vorgesehen, und die Kontakte sind an den Enden des Materials angeordnet und jeweils mit einer senkrechten geradkantigen Grenze zwischen dem Metall und dem Halbleitermaterial strukturiert. Einige Detektoren, insbesondere solche, die in integrierten Anordnungen enthalten sind, können mit Kontakten versehen werden, die nicht aus Metall, sondern aus einem stark dotierten Halbleitermaterial bestehen, d. h., ein Kontakt kann an der Zwischenfläche zwischen leicht dotierten oder eigenleitendem photoleitendem Material und Bereichen eines stark dotierten leitenden Materials gebildet werden, so daß sog. "Leicht-Stark" (l-h)-Kontakte entstehen.

Infrarot-Photodetektoren aus CMT-Material, insbesondere dem nunmehr verfügbaren CMT-Material von hoher Reinheit, haben die Eigenschaft einer langen Überschuß-Ladungsträger- (d. h. Phototräger-)Lebensdauer. Die typische Volumen- Lebensdauer liegt zwischen 1 und 4 µs (8 bis 14 µm Bandbreite eines empfindlichen CMT-Materials) und zwischen 10 und 20 µs (3 bis 5 µm Bandbreite eines empfindlichen CMT-Materials). Dies macht Detektoren insbesondere für Speicher- und Ansammlungseffekte empfänglich. Die Vorrichtungen würden ohne Speichereffekte gewöhnlich in einem "ausgeschwemmten" Zustand betrieben, in dem die effektive Überschuß-Minoritätsträger-Lebensdauer durch die Transitzeit der Minoritätsträger durch die Vorrichtung bestimmt wird, die viel kleiner als die Volumen-Lebensdauer ist, so daß die verzögerte Rekombination der Überschuß-Ladungsträger am Kontakt, d. h. die Speicherung, zu einer gesteigerten effektiven Lebensdauer führt (die Erscheinung der Ladungsträgerspeicherung oder -ansammlung in Halbleitern wurde zuerst durch Low ("Proc. Phys. Soc.", London, B68, Seite 310 (1955)) beschrieben, wobei die Theorie durch Gunn ("Journal Electronics & Control" 4, Seite 17 (1958)) entwickelt wurde).

Die Ladungsträgerspeicherung hat zwei Konsequenzen für die Eigenschaften des Detektors. Zunächst nimmt die Ausgangs-Detektorempfindlichkeit (definiert als Spannung oder Ersatzspannung) entsprechend einem Strahlungsfluß von 1 W auf den Detektor oder bei Strukturen mit drei Leitern (vgl. beispielsweise GB-PS 1 488 258) entsprechend einem Strahlungsfluß von 1 W je Detektorbreite im Quadrat zu. Dies folgt daraus, daß die durch die Überschuß-Ladungsträger im Detektor verbrachte Zeit zunimmt, d. h., die Ausschwemmzeit ist verlängert. An zweiter Stelle wird jedoch der Frequenzgang des Detektors verschlechtert. Für den in der GB-PS 1 488 258 beschriebenen Detektor zeigt sich dies als eine Herabsetzung der durch den Detektor gebotenen räumlichen Auflösung.

Aus "Revue de Physique Appliqu´e", Band 12 (1977), Seiten 303-310 ist ein photoleitender Detektor bekannt, der eine halbkugelförmige Eingangselektrode und eine im Bereich des Mittelpunkts der Halbkugel liegende Ausgangselektrode aufweist, wodurch eine Konzentration des elektrischen Feldes im Bereich der Ausgangselektrode bewirkt wird. Dieser Detektor dient der Energieauflösung in der Kernspektroskopie.

Die Erfindung soll eine gute oder hohe Empfindlichkeit als Ergebnis einer Speicherung ohne die Gefahr eines verschlechterten Frequenzganges oder räumlicher Auflösung liefern. Es hat sich gezeigt, daß die Speicherungszeit für Ladungsträger in unmittelbarer Nähe der Ausgangselektrode, d. h. des Kontaktes, zu dem die Photoladungsträger strömen, merklich verringert werden kann, sofern das Ansteuerfeld unmittelbar neben der Ausgangselektrode erhöht wird. Die Empfindlichkeit bleibt hoch, da die gespeicherten photoerzeugten Ladungsträger trotz ihrer verringerten Speicherungszeit die Leitfähigkeit in einer Region eines erhöhten (elektrischen) Feldes modulieren. Die Basis der unten beschriebenen Detektorstrukturen liegt in der Verwendung des Speicherungseffektes in Kontaktbereichsgeometrien, so daß das lokale elektrische Feld hoch ist, wodurch der Vorteil einer erhöhten Empfindlichkeit ohne die Gefahr eines merklich herabgesetzten Frequenzganges oder einer räumlichen Auflösung gewonnen wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den photoleitenden Detektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Vorzugsweise ist die Ausgangselektrode lagemäßig bezüglich der Seiten des photoleitenden Halbleitermaterials so angeordnet, daß das elektrische Feld symmetrisch konzentriert wird. Diese Anordnung macht die Transitzeitstreuung der auf die Ausgangselektrode einfallenden Photoladungsträger möglichst klein.

Wenn der Detektor aus n-leitendem Material besteht, ist die Ausgangselektrode negativ vorgespannt, und wenn dagegen der Detektor aus p-leitendem Material besteht, ist die Ausgangselektrode positiv vorgespannt.

Der Detektor kann auch eine geformte Ausgangselektrode und einen gestalteten Ausgangsbereich besitzen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Photodetektor mit einer geformten Ausgangselektrode,

Fig. 2 eine Draufsicht eines anderen, lediglich teilweise gezeigten Photodetektors, der mit einer geformten Ausgangselelektrode versehen ist und eine unterschiedliche Auslesegeometrie hat,

Fig. 3 eine Draufsicht eines lediglich teilweise gezeigten anderen Photodetektors, der mit zwei Schlitzen in der Nähe der Ausgangselektrode versehen ist,

Fig. 4 eine Draufsicht eines anderen, lediglich teilweise gezeigten Photodetektors, dessen Ausgangselektrode profiliert ist, und

Fig. 5 eine Draufsicht einer Photodetektoranordnung, die mit mehreren geformten Ausgangselektroden versehen ist.

Fig. 1 zeigt einen Photodetektor 101 mit einer Streifenleitung 103 aus n-leitendem Cadmiumquecksilbertellurid- Material mit einer Länge von etwa 700 µm und einer Breite (w) von etwa 62,5 µm. Die Elektronendichte liegt zwischen 5×10¹⁴ und 1×10¹⁵ cm^-3. Das Material hat die Zusammensetzung Cd_0,2Hg_0,8Te und ist auf Infrarotstrahlung im Bandbereich des Spektrums von 8 bis 14 µm empfindlich. Bei Kältetemperaturen von etwa 80°K zeichnet es sich durch eine Phototräger-Volumenlebensdauer zwischen 1 und 4 µs aus, wenn es in einer Stickstofftemperatur-Kälteabschirmung (F-3) liegt. Der Streifen 103 ist auf einem Saphir-Isoliersubstrat (nicht gezeigt) aufgebracht und in seine Form durch Ionenstrahlfräsen einer größeren CMT-Scheibe gestaltet. Gold-Metallkontakte 105 und 107 sind an jedem Ende des Streifens 103 durch Aufdampfen des Metalls hergestellt, um einen Film über der Oberfläche des Streifens 103 zu bilden, und diese werden photolithographisch strukturiert. An einem Ende des Streifens 103 ist das Material gegabelt, was einen Spannungskontaktsockel 109 liefert. Dieser Sockel 109 hat einen Gold-Metallkontakt 111 auf seiner Oberseite. Dieser wird auch während des photolithographischen Aufdampf- und Ätzprozesses gebildet. Der Gabelungskanal-Schlitz 113 zwischen dem Sockel 109 und dem Endbereich des Detektorstreifens 103 wird durch Ionenstrahlfräsen gebildet und ist ungefähr 12 µm breit. Am gegabelten Ende des Streifens 103 wird der Gold-Metallkontakt 107, die Ausgangselektrode, geformt, um eine lokale Verzerrung des elektrischen Feldes im Streifen 103 hervorzurufen, nämlich eines Feldes, das erzeugt wird, wenn eine Vorspannung an den beiden Elektroden 105 und 107 liegt. Die Ausgangselektrode 107 hat, wie dargestellt ist, eine hervorgehobene Längserstreckung, d. h., sie erstreckt sich vom gegabelten Ende des Streifens in die Richtung der Eingangselektrode 105. Sie liegt in der Form eines Metallfingers vor, der etwa 50 µm lang und 15 µm breit (d) ist sowie zwischen den Seiten des Endbereichs des Streifens 107 zentriert wird. Der Fingerkontakt 107 hat eine glatte Kontur und keine scharfen Kanten. Dies gewährleistet eine regelmäßige Verzerrung des elektrischen Feldes, und außerdem ist der Fingerkontakt besser reproduzierbar, da jedenfalls scharfkantige Metallmuster schwierig herzustellen sind.

Für diese Geometrie des Detektors wird das Feld E am Kontakt geschätzt auf:

E ≈ (W/d) E₀ ≈ 120 V · cm^-1

wobie E₀, nämlich das Feld im Hauptteil der Vorrichtung, bei etwa 30 V·cm^-1 unter typischen Betriebsbedingungen liegt. Dieses Feld wird etwa vierfach konzentriert.

Der Frequenzgang für diesen Detektor kann aus der Rekombinationsgeschwindigkeit S für den Kontakt, insbesondere 1000 cm·s^-1 bis 500 cm·s^-1 berechnet werden. Wenn eine auf den Detektor einfallende Strahlungslinie betrachtet wird, dann fällt der durch diese Strahlung erzeugte Ausgangsimpuls auf 1/e seines Wertes in einer Zeit T ab:

T ≈ 0,7 × 10^-7 s (S = 1000 cm s^-1)
T ≈ 1,2 × 10^-7 s (S =  500 cm s^-1)

Dies setzt voraus, daß die einzige Quelle für eine Impulsverbreiterung die Ladungsträgerspeicherung ist. (Tatsächlich wird im vorliegenden Fall die Verbreiterung dann durch thermische Diffusion der Ladungsträger beherrscht.) Wenn der Detektor in einem Abtast-Abbildungssystem (vgl. GB-PS 1 488 258) verwendet wird, entspricht diese Verbreiterung des Ansprechens einer Einschränkung der räumlichen Auflösung. Für eine Bildabtastgeschwindigkeit von 130 m/s beträgt somit in einem typischen Wert die berechnete Auflösung:

 8 µm für S = 1000 cm · s^-1 und
14 µm für S =  500 cm · s^-1

Diese Grenze der räumlichen Auflösung ist unbedeutend im Vergleich mit derjenigen, die für thermische Diffusion typisch ist, welche in der beschriebenen Vorrichtung bei etwa 50 µm liegt.

Die Ansprechempfindlichkeit R des Detektors wird durch den Speicherungseffekt gesteigert. Der Beitrag des Speicherungseffekts wird lediglich geschätzt zu:

mit
D = Ladungsträger-Diffusionskoeffizient,
E = Feldstärke am Kontakt,
N = Elektronendichte im Gleichgewicht, und
Φ_s = Photonenfluß entsprechend 1 W/Breite² einer Signalstrahlung (Wellenlänge von 11 µm).

Mit typischen Werten für die Lebensdauer τ≈2 µs, Detektordicke t=8 µm, Quantenwirkungsgrad η=1, Rekombinationsgeschwindigkeit S=1000 cm · s^-1, N=1×10¹⁵ cm^-3, E=120 V cm^-1 ergibt sich:

R_ACC (11 µm) ≈ 1,3 × 10⁶ VW^-1

Diese Ansprechempfindlichkeit ist um einen Faktor 6 größer als diejenige, die mit einer herkömmlichen Ausgangselektrode erzielt wird.

Der Detektor 201, dessen Endteil in Fig. 2 dargestellt ist, hat einen abgewandelten Auslesebereich am Ende des photoleitenden Streifens 203. Wie im Beispiel von Fig. 1 hat er einen länglichen Kontaktfinger 207, der die Ausgangselektrode liefert. Jedoch ist ein Spannungskontakt 211 neben diesem Finger 207 vorgesehen. In dem nächst der Spitze des Kontaktfingers 207 liegenden Bereich entspricht der Spannungskontakt der Kontur eines "ungestörten" Spannungsäquipotentials (d. h. einem Äquipotential, das für den Detektor ohne den vorliegenden Spannungskontakt berechnet ist). In diesem Fall ist der Feldverlauf in der Nähe der Ausgangselektrode 207 dann relativ ungestört.

Der in Fig. 3 gezeigte Dekoder 301 hat einen alternativen Aufbau. Der Streifen 303 ist in der Nähe der Ausgangselektrode 307 gestaltet. Ein Teil des photoleitenden Halbleitermaterials wurde durch Ionenstrahlfräsen oder -ätzen entfernt, um zwei entgegengesetzte Schlitze 315 und 317 zu erzeugen. Die Breite des Detektorstreifens 303 ist so begrenzt, und wenn eine Vorspannung an den Elektroden liegt, wird das Feld in der unmittelbaren Nähe der Ausgangselektrode verzerrt. Die Breite der Einschnürung beträgt etwa 10 µm. Die Schlitze 315 und 317 haben die gleiche Länge und Breite und dienen zu einer symmetrischen Verzerrung des elektrischen Feldes. Die Ladungsträger, die zum Kontakt 307 von einem Bereich des Streifens 303 driften, wo das Feld ausreichend gleichmäßig ist, beispielsweise von der in Fig. 3 gezeigten Linie X-X, kommen an der Elektrode 307 mit einer Streuung der Ankunftszeiten an. Die eingeführte Symmetrie gewährleistet, daß diese Streuung minimal ist. Die Schlitze 315 und 317 grenzen an die Elektrode 307 an. Sie können jedoch von der Elektrode 307 versetzt sein, jedoch sollte jeglicher Abstand klein im Vergleich mit der Breite der Einschnürung d sein, da sonst das Betriebsverhalten beeinträchtigt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Der Detektor 401 ist am En des Streifens 403 profiliert oder strukturiert. Die Breite des Streifens 403 ändert sich graduell oder schrittweise mit der Annäherung an die Ausgangselektrode 407. Die Strukturierung oder Profilierung ist symmetrisch, um die Streuung der Ladungsträger-Transitzeit möglichst klein zu machen.

Eine diskrete Detektoranordnung mit schneller und hoher Ansprechempfindlichkeit ist in Fig. 5 gezeigt. Dieser Detektor 501 umfaßt eine Scheibe 503 aus CMT-Material oder einem anderen n-leitenden photoleitenden Material. Eine gemeinsame Eingangselektrodenmetallisierung 505 ist am Ende der Scheibe vorgesehen. Verschiedene Ausgangselektroden 507 - drei Ausgangselektroden sind gezeigt - werden am anderen Ende der Scheibe 503 vorgesehen. Jede der Elektroden 507 ist als ein Metallfinger mit einer Breite (d) von etwa 10 µm und mit einem Mitten-Mitten-Abstand zwischen benachbarten Fingern von etwa 50 µm gestaltet. Dieser Abstand ist etwa mit der doppelten, durch die Lebensdauer begrenzten Diffusionsstreuung der Ladungsträger in CMT (Material mit einer Bandbreite von 8 bis 14 µm) vergleichbar. Der Detektor 501 ist so wirksam in drei Spuren mit jeweils einer Breite von 50 µm (W) geteilt. Jedoch können diese Spuren gegebenenfalls hergestellt werden, indem Schlitze 513 zwischen den Kontakten 507 eingeführt werden.

Für diesen Detektor 501 wird die Ansprechempfindlichkeit aufgrund der Speicherung geschätzt:

wobei R₀ die durch Ausschwemmen begrenzte Ansprechempfindlichkeit eines herkömmlichen Detektors ist;

R₀ ≈ (2E_λµ_pNt)^-1

wobei E_λ die Photonenenergie und µ_p die Löcherbeweglichkeit bedeuten.

Werte sind in der folgenden Tabelle gegeben:

Die in den obigen Beispielen beschriebenen Detektoren können in Abbildungsanwendungen eingesetzt werden. In üblicher Weise können sie gekühlt werden und jeweils einzeln oder in einer Anordnung in der Bildebene einer geschirmten optischen Einheit vorgesehen sein. Ein durch diese Einheit fokussiertes Bild kann entweder statisch oder abgetastet sein, wobei die Einheit im letzteren Fall Drehspiegel oder Klappenspiegel oder beides hat, um das Bild über jedem Detektor abzutasten.

Mittels Detektoren mit zwei Kontakten kann die Signalinformation durch Messen des Vorstromes (bei konstanter Vorspannung) oder durch Messen der Spannung zwischen den Elektroden (bei konstantem Vorstrom) abgeleitet werden. Detektoren einschließlich zusätzlich eines oder mehrerer Spannungskontakte können ebenfalls benutzt werden, wobei die Spannung zwischen den Spannungskontakten oder einem Spannungskontakt und der Ausgangselektrode (bei konstantem Vorstrom) gemessen wird.

Claims (7)

1. Photoleitender Detektor (101, 201, 301, 401) mit einem streifenförmigen Detektorelement (103, 203, 303, 403) aus n- oder p-leitendem Halbleitermaterial, Eingangs- (105) und Ausgangsvorspannungskontakten (107, 207, 307, 407), die zur Bildung einer Vorspannungsstrombahn im Detektorelement (103, 203, 303, 403) angeordnet und längs dazu gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (101, 201, 301, 401) zur Vorspannungsfeldkonzentration zum Ausgangsvorspannungskontakt (107, 207, 307, 407) hin eine bezüglich der Detektorelementstreifenbreite (w) verringerte Querausdehnung (d) des Ausgangsvorspannungskontakts (107, 207, 407) und/oder eine Einschnürung (315, 317) des Detektorelements (303, 403) angrenzend an den Ausgangsvorspannungskontakt (307, 407) aufweist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsvorspannungskontakt als Finger (107, 207) ausgebildet ist, der sich auf der Detektorelementoberfläche zum Eingangsvorspannungskontakt (105) hin erstreckt.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (103, 203) zu den Rändern des Fingers (107, 207) parallele Längsseiten hat.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (103) einen Schlitz (113) aufweist, der den Ausgangsvorspannungskontakt (107) von einem Spannungskontakt (111) trennt.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungskontakt (211) auf der Detektorelementoberfläche längs einer Bahn angeordnet ist, die einem Äquipotential bezüglich des Ausgangsvorspannungskontakts (207) in Abwesenheit des Spannungskontakts (211) entsprechen würde.

6. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (501) eine Mehrzahl gleicher Ausgangsvorspannungskontakte (507) aufweist, die entsprechende Vorspannungsstrombahnen definieren und an denen jeweils die Vorspannungsfeldkonzentration auftritt.

7. Detektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schlitze (513) zum Abgrenzen der Vorspannungskonzentration zu den entsprechenden Ausgangsvorspannungskontakten (507) aufweist.