DE3413175A1 - Fotoelektrischer detektor mit optischer immersion - Google Patents

Fotoelektrischer detektor mit optischer immersion

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DE3413175A1 DE19843413175 DE3413175A DE3413175A1 DE 3413175 A1 DE3413175 A1 DE 3413175A1 DE 19843413175 DE19843413175 DE 19843413175 DE 3413175 A DE3413175 A DE 3413175A DE 3413175 A1 DE3413175 A1 DE 3413175A1
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Description

DIPL.-ING. P.-C. SROKA, dr. H. FEDER, dipu-phys. dr. W.-D. FEDER
PATENTANWÄLTE & EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
KLAUS O. WALTER
RECHTSANWALT DOMlNlftANERSTR. 37, POSTFACH 111038
D-4OOO DÜSSELDORF 11 telefon (0211) 5740 22 telex 8584 550
5. April 1984 1-5412 -14/2
Societe dite:
S.A. DE TELECOMMUNICATIONS
Paris/Frankreich
Fotoelektrischer Detektor mit optischer Immersion
Die Erfindung betrifft einen fotoelektisehen Detektor mit optischer Immersion, der für Infrarotstrahlung empfindlich ist, bestehend aus einer für die Infrarotstrahlung tranparenten Schicht, auf dessen einer Seite ein Plättchen aus Halbleitermaterial mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (Leitungstyp) angeordnet ist, wobei dieses Plättchen auf der der Schicht entgegengesetzten Seite mindestens eine Zone mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfaßt, die mit dem Material des ersten Typs einen übergang PN bildet, wobei die Schicht auf der dem Plättchen gegenüberliegenden Seite die Form einer Linse aufweist.
Ein derartiger Detektor ist aus der FR-PS 79 29 470 bekannt»
■ Man fertigt heute derartige Detektoren aus einer CdTe-Schicht und einem Plättchen aus Hg,, Cd T, bei dem es sich um eine CdTe-Legierung handeft,xd.h. einem η Material mit einem breiten verbotenen Band, und aus HgTe, einem Halbmetall, wobei die Empfangswellenlänge von dem Wert von χ abhängig ist. Das Empfangsvermögen derartiger Detektoren, das definiert ist durch das Signal/Rausch-Verhältnis, und welches repräsentativ ist für das Leistungsvermögen der Detektoren, ist in bestimmten Fällen begrenzt durch das thermische Rauschen bzw. Wärmerauschen oder durch ihr kapazitives Rauschen, ohne daß sie beeinflußt ist durch das Umfeld und dessen Schwankungen. Derartige nicht durch das Umfeld beschränkte Infrarot-Fotodetektoren werden als sogenannte BLIP (background limited infrared photodetectors) bezeichnet. Man benutzt diese Detektoren gewöhnlich auf militärischem Gebiet für die Zielerfassung und die Telemetrie. Das Vergrößern des Signalniveaus bei gleichzeitigem Konstanthalten des Rauschniveaus führt zu einer Erhöhung des Empfangsvermögens. Dieses läßt sich durch optische Immersion erreichen, indem die freie Oberfläche des eigentlichen Detektors erhöht wird.
Diese freie Oberfläche kann mit dem Faktor η multipliziert werden, wobei η den Brechungsindex der Linse repräsentiert, wenn der Detektor im Zentrum einer halbkugelförmigen Linse angeordnet ist, oder mit dem Faktor η , wenn der Detektor am ersten Weierstrass-
Punkt einer hyper-halbkugelförmlgen Linse angeordnet ist, der sich jenseits des Zentrums der entsprechenden Kugel erstreckt.
Soweit es das Empfangsvermögen selbst trifft, wird es im Fall einer halbkugelförmigen Immersion mit
2
η multipliziert, und mit η im Fall einer hyper-halbkugelförmigen Linse, wenn sie nur durch das thermische
2 Rauschen begrenzt ist, und mit η im Fall einer halbkugelförmigen Immersion und mit η im Fall einer hyper-halbkugelförmigen Immersion, wenn sie nur durch das kapazitve Rauschen begrenzt ist.
Die optische "unmersion ermöglicht es schließlich, Detektoren zu verwirklichen, die bei einer Zwischentemperatur funktionsfähig sind oder bei einer erhöhten elektrischen Frequenz, und zwar mit erhöhten Leistungen gegenüber Nicht-Immersionsdetektoren, wenn die gleichen Bedingungen vorliegen.
2o
Es sind im wesentlichen zwei Verfahren zur Herstellung von iünmersionsdetektoren bekannt.
Bei dem einen Verfahren klebt man einzig und allein auf eine Linse einen auf andere Weise hergestellten Detektor.
Bei dem zweiten Verfahren arbeitet man nach dem Prinzip der Interdiffusion zwischen einem Plättchen aus einem Material mit einem ersten oben bereits erwähnten Leitfähigkeitstyps und einer die Linse bildenden Schicht bzw. einen Linsenmaterial, nachdem man das
I O I / ü
in Frage stehende Plättchen, in dem anschließend der Detektor verwirktlicht wird, verdünnt hat bzw. dünner gemacht hat, und bevor man die Schicht in die Form einer Linse gebracht hat. Es ist zu erwähnen, daß man mit einem derartigen Verfahren nur einen von der Rückseite her zu beleuchtenden Detektor herstellen kann.
Das zuerst behandelte Verfahren, bei dem ein Klebstoff verwendet wird, führt zu Nachteilen, Der Klebstoff, der eine Zwischenschicht mit einem ge-
j ringen Brechungsindex darstellt, begrenzt durch
: totale Reflexion den Beobachtungs- bzw. Erfassungswinkel des Detektors. Es ist weiterhin nicht leicht, einen Klebstoff zu finden, der gleichzeizig den Anforderungen hinsichtlich des Index, wie es gerade erläutert wurde, der Durchlässigkeit der Infrarotstrahlen der Wärmeausdehnungskoeffinzienten der mechanischen Festigkeit, der Entgasungsgrade
;2o usw. genügt.
Das zweite auf dem Interdiffusionsprinzip beruhende Verfahren bringt ebenfalls ein Problem mit sich, selbst wenn es den Vorteil hat, daß es den "Indexsprung" umgeht, wie er in dem ersten Fall infolge des Klebstoffes auftritt. Das Interdiffusionsverfahren benötigt demgegenüber eine Behandlung bei sehr hohen Temperaturen, gewöhnlich in der Größenordnung von 600 0C, wodurch es außerordentlich
3ο schwierig wird, ein Mosaik von Dioden herzustellen, von denen die einen wie die anderen eine ausreichende Qualität haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor des oben genannten Typs zu schaffen, der jedoch nicht die Nachteile der nach den beiden bis heute bekannten Verfahren hergestellten Detektoren aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Detektor dadurch gekennzeichnet, daß er zwischengeschaltet zwischen die Schicht und das Plättchen ein für Infrarotstrahlung transparentes Medium aufweist, welches ein Lösungsmittel für die Schicht und das Plättchen bildet.
Auf diese Weise sind die zur Bildung der Linse dienende Schicht und das Plättchen nicht mehr durch einen Klebstoff miteinander verbunden, sondern durch ein für Infrarotstrahlungen transparentes Verbindungsoder Verschweißungs-Lösungsmittel, wodurch sämtliche Nachteile des bisher verwendeten Klebstoffes entfallen. 2o
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Verbindungs-Lösungsmittel um ein solches mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, vorzugsweise im Bereich von etwa 500 0C, d.h. eine Temperatür, die niedriger liegt als die Interdiffusionstemperaturen der Linsenschicht und des Plättchens, wodurch die Nachteile des Interdiffusionsverfahrens ausgeschaltet sind.
Bei dem Verbindungsmittel bzw. Verbindungsmedium handelt es sich vorzugswise um Tellur, welches optimale Eigenschaften für das "Verschweißen" einer
O 4 I O I / ν/
CdTe-Schicht und eines Hg1 vCd Te-Plättchens mit einer Eindringtiefe von nur wenigen Mikron hat. Tellur hat im wesentlichen folgende Vorteile:
- Gutes Lösungsmittel für CdTe und HgTe;
- einen nicht zu hohen Schmelzpunkt von 449 0C, der niedriger ist als die Interdiffusionstemperatur von 600 0C, wobei er wiederum nicht zu niedrig ist, und zwar im Gegensatz zu dem Schmelzpunkt von 220 0C von Selen, was dann von Bedeutung ist, wenn eine anschließende Behandlung bei einer Temperatur in der Größenordnung von 300 0C durchgeführt werden muß;
- transparent für Infrarotstrahlungen, insbesondere für eine Wellenlänge von 6 ,um;
- ein wesntlicher Beobachtungs- bzw. Erfassungswinkel, wobei die geringe Dicke der Tellurschicht es schräg einfallenden Strahlen ermöglicht, als gedämpfte Wellen hindurchzutreten;
- gute Konstitution, und zwar dm Gegensatz zu Cadmium, welches pulvrig ist;
- gute Benetzbarkeit, und zwar im Gegensatz zu Selen.
Der erfindungsgemäße Detektor und sein Herstellungsverfahren werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer Ampulle zum Verbinden der eine Linse bildenden Schicht und eines Plättchen des erfindungsgemäßen Detektors, und Fig. 2 in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Immers ion sdetektor s,
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Detektors benutzt man einerseits eine für Infrarotstrahlung transparente übliche Schicht 1 insbesondere aus CdTe, und andererseits ein nicht weniger klassisches Plättchen 2 aus Halbleitermaterial, insbesondere Hg1 CdvTe. Der Wert von χ beträgt vorzugsweise 0,20 bis 1. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen der Schicht
1 und des Plättchen 2 werden sehr sorgfältig gereinigt, um im Hinblick auf die Reinheit soweit wie möglich vollkommene Oberflächenzustände zu erhalten.
Auf jeder dieser Oberflächen wird dann durch Kathodenzerstäubung ein dünner Tellurfilm mit einer Dicke von etwa 1 Mikron abgelagert.
15
Anschließend werden die Schicht 1 und das Plättchen
2 derart, daß die beiden Tellurfilme 10, 11 in Kontakt miteinander sind, in eine Quarzampulle 3 zwischen einen Quarzkolben 4, der von einziehbaren Stützzapfen 5 abgestützt ist, und eine Gegenplatte 6 eingeführt, die in Richtung auf den Quarzkolben 4 von einer Molybdänfeder 7 gedrückt wird die ihrerseits am Ampullenboden 8 abgestützt ist und die einzelnen Element bzw. Teile unter einem mechanischen Druck hält.
Anschließend füllt man vorzugsweise in die Ampulle eine kleinere Quecksilbermenge ein, die derart von dem Freiraum in der Ampulle abhängig ist, daß sich bei der im folgenden zu beschreibenden Verbindung
3ο der Schicht 1 mit dem Plättchen 2 bei 500 0C ein Quecksilberdruck von einer Atmosphäre einstellt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß man ebenso auch ohne Quecksilberdruck bei einer niedrigeren
I J I /
Temperatur arbeiten kann. In diesem Fall wäre der Abbau des Materials HgCdTe durch Austreiben von Hg der gleiche wie unter einer Hg-Atmosphäre bei erhöhter Temperatur.
Anschließend evakuiert man während einer Stunde den Luftinhalt der Ampulle auf ein Sekundärvakuum (etwa 1,3310 Millibar), bevor man die Ampulle 3 im Bereich des Quarzkolbens 4 luftdicht verschließt.
Die Ampulle 3, die die miteinander zu verbindende aus den Teilen 1 , 10f 2 und 11 bestehende Einheit enthält, wird dann in einen Ofen mit einer Temperatur von 500 0C gegeben. Man läßt die Ampulle etwa eine Stunde in diesem Ofen, d.h. ausreichend lange, daß die Einheit erhitzt wird, jedoch nicht so lange, daß die abschließende Strahlungsabsorption bei der im folgenden noch zu beschreibenden Beleuchtung von der Rückseite her nicht zu groß ist; nach dem Herausnehmen der Ampulle aus dem Ofen kühlt man die Ampulle und ihren Inhalt ab, und man öffnet die Ampulle und nimmt die Schicht mit dem Plättchen wieder heraus.
Während der thermischen Behandlung bei 500 0C hat das Tellur die Schicht und das Plättchen teilweise aufgelöst, wodurch im Bereich einer kleinen Dicke von etwa 5 bis 10 ,um das Verbinden oder das Verschweißen der Schicht mit dem Plättchen erfolgt wird. Im Fall der klassischen Interdiffusion geht vergleichs- ° weise der Mischungsgradient über eine bei weitem größere Dicke von etwa 30 /um.
Anschließend verdünnt man das Plättchen 2 aus Hg1 Cd„Te
parallel zur Verbindungsebne bis auf eine Dicke von 35
etwa 20 bis 30 ,um. Danach diffundiert man in üblicher Weise eine Zone 1 2 vom Leitungstyp (p oder n) entgegengesetzt zu den Leitungstyp (n oder p) des Ausgangsmaterials des Plättchens, um einen übergang für eine Beleuchtung von der Rückseite her zu erhalten.
Anschließend wird die Schicht 1 an der dem Plättchen 2 entgegengesetzt liegenden Seite in der Weise bearbeitet, daß man gemäß der Darstellung von Fig. 2 die Form einer halbkugelförmigen Linse oder einer hyper-halbkugeiförmigen Linse erhält, sowie es für den Fachmann zum Fachwissen gehört; auf die konvexe Oberfläche 9 der CdTe-Linse trägt man anschließend eine Antireflexschicht auf, wie es ebenfalls bekannt ist, um an dieser Oberfläche reflexionsbedingte optische Verlust zu begrenzen. Der Detektor wird anschließend in ebenfalls bekannter Weise fertiggestellt, indem man einen für Metallkontakt die Zone 1 2 und einen für das Material entgegengesetzter Leitfähigkeit anbringt.
Danach stellt man bei tiefer Temperatur einen Anschluß bzw. eine Verkettung her, um einen Immersionsdetektor zu erhalten, dessen Beobachtungs- bzw. Erfassungswinkel oder "Field of View" (FOV) nicht durch die Reflexionen der auf ein Zwischenmilieu mit geringen Index auftreffenden Strahlungen begrenzt ist.
Es ist festzustellen, daß das Arbeiten bei tiefer Temperatur es ermöglicht, auf ein und derselben Schicht ein Mosaik von Dioden zu verwirklichen, von denen die einen wie die anderen vollständig zufriedenzustellend sind, obwohl auf der Schicht gemäß Fig. 2 nur eine
einzige dargestellt ist. Die Möglichkeit, ausgehend von ein und derselben Schicht eine Vervielfältigung in einer großen Menge zu erhalten, ist ein sehr wesentliches Merkmal des oben beschriebenen Detektors. 5
Für den Fall einer halbkugelförmigen Linse aus CdTe gemäß Fig. 2 mit einem Brechungsindex n=2,7 wird die empfindliche Oberfläche um den Faktor 7 vervielfältigt. Dieses ist von großer Bedeutung beispielsweise in Verbindung mit der Zielerfassung bzw. -bestimmung und auf dem Gebiet der Telemetrie.
Im Falle eines Detektors, der nach dem Prinzip des thermischen Empfangsvermögens arbeitet, d.h. im Falle eines Detektors, dessen Leistungsfähigkeit nur durch das thermische Rauschen bzw. das Wärmerauschen beschränkt ist, kann man demzufolge für eine bestimmte empfindliche sichtbare Oberfläche die reelle Oberfläche verringern, indem man sie durch einen Faktor 7 dividiert, wobei man dann das thermische Rauschen durch einen Faktor 2,7 dividiert und demzufolge das Empfangsvermögen bzw. die Ansprechgenauigkeit mit einem Faktor 2,7 multipliziert.
3m Falle eines Detektors, der nach den prinzip einer Breitband-Empfindlichkeit bzw. Empfangsvermögen arbeitet - es handelt sich dabei um das Modulationfrequenzband -, d.h. im Fall eines Detektors, dessen Leistungsfähigkeit nur durch sein kapazitives Rauschen beschränkt ist, kann man demzufolge für eine bestimmte empfindliche sichtbare Oberfläche die reale Oberfläche verringern, indem man sie durch einen Faktor 7 dividiert, wobei man dann das kapazitive Rauschen durch den gleichen Faktor 7 dividiert und die Empfangsfähigkeit mit dem Faktor 7 multipliziert.

Claims (3)

  1. -S-
    Patentansprüche
    Fotoelektrischer Detektor mit optischer Immersion, der für Infrarotstrahlung empfindlich ist, bestehend aus einer für die Infrarotstrahlung transparenten Schicht (1), auf deren einer Seite ein Plättchen (2) aus Halbleitermaterial mit einem ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, wobei dieses Plättchen auf der der Schicht entgegengesetzten Seite mindestens eine Zone (12) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfaßt, die mit dem Material des ersten Typs einen übergang PN bildet, wobei die Schicht (1) auf der dem Plättchen (2) gegenüberliegenden Seite die Form einer Linse (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischengeschaltet zwischen die Schicht (1) und das Plättchen (2) ein für Infrarotstrahlung transparentes Medium (10, 11) aufweist, welches ein Lösungsmittel für die Schicht (1) und das Plättchen (2) bildet.
  2. 2. Fotoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmedium (10, 11) einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist.
  3. 3. Fotoelektrischer Detektor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmedium (10, 11)
    ein Medium mit einem erhöhten Brechungsindex ist. 30
    I J I /O
    4, Fotoelekrischer Detektor nach Anspruch 3f dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmedium (10, 11) Tellur ist.
DE19843413175 1983-04-08 1984-04-07 Fotoelektrischer detektor mit optischer immersion Granted DE3413175A1 (de)

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