DE3437334A1

DE3437334A1 - Infrarotdetektor

Info

Publication number: DE3437334A1
Application number: DE19843437334
Authority: DE
Inventors: Colin Raymond Brewitt-Taylor; Charles Thomas Elliott; Huw David Rees; Anthony Michael White
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1983-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2004-10-12
Also published as: GB2260218B; NL193233B; IT8448980A0; GB8425064D0; FR2689685A1; DE3437334C2; GB2260218A; NL193233C; IT1236501B; US5248884A; FR2689685B1; NL8403092A

Description

Die Erfindung betrifft Infrarotdetektoren mit einer oder mehreren Antennen, d. h. sog. antennengekoppel te Infrarotdetektoren.

Bei herkömmlichen Infrarotdetektoren wird ein und dasselbe Element zum Abfangen, Sammeln und Erfassen von Strahlung verwendet. Durch Vorsehen von Antennen kann ein verbesserter Einfangsquerschnitt zum Sammeln der Strahlungsenergie herangezogen werden.

Infrarotdetektoren werden beispielsweise zur Er zeugung von Temperaturbildern, zum Aufsuchen von Wär mequellen sowie etwa zur Alarmerfassung herangezogen.

Herkömmliche antennenlose Infrarotdetektoren, bei spielsweise Bolometer, photovoltaische Detektoren (Dioden) und photoleitende Detektoren, sind von einer wirksamen Absorption der einfallenden Strahlung abhängig. Diese Forderung nach einer wirksamen Absorption bringt eine Mindestdicke für den Aufbau eines entsprechenden Elements mit sich. Im Fall photovoltaischer und photoleitender Detektoren, d. h. von Photodetektoren, werden Eigenhalbleiter materialien allgemein angewandt.

Die optischen Absorptionskoeffizienten α für Infrarotstrahlung liegen für derartige Materialien typischerweise im Bereich von 10³ bis 10⁴ cm^-1. Die Dicke der Elemente muß in der Größenordnung von 1/α liegen oder größer sein. Für den Bereich ternärer Legierungsmaterialien auf der Basis von Cadmium-Quecksilber-telluriden (Cd_xHg_1-xTe) führt dies zu einer Absorptionsdicke (d. h. 1/α) von etwa 10 µm. Fehlstellen-Halbleiter wurden ebenfalls hier für eingesetzt. Der Absorptionsmechanismus ist allerdings in diesen Fällen erheblich weniger wirk sam.

Bei zahlreichen Anwendungsbeispielen ist die Leistungsfähigkeit der Photodetektoren, insbesonde re das Detektionsvermögen, durch Erzeugungs-Rekombi nationsrauschen (g-r-Rauschen) begrenzt. Diese Be grenzung tritt beispielsweise immer dann auf, wenn der auf den Detektor einfallende Untergrundstrahlungs fluß sehr niedrig ist, oder wenn die Detektoren nicht auf sehr niedere Temperaturen gekühlt werden können. Das Erzeugungs-Rekombinationsrauschen in Halbleitern ist ein volumabhängiger Effekt, der proportional der Quadratwurzel des Volumens ist. Da die erforderliche Detektordicke groß ist, ist entsprechend das Rauschen hoch und das Detektionsvermögen entsprechend gering.

Auch Überschußträger, die durch Photoumwandlung er zeugt sind, werden über ein großes Volumen verteilt, weshalb sowohl die Überschußträgerkonzentration als auch das Ansprechvermögen gering sind. Bei photo leitenden Detektoren führt ferner die große Dicke zu einem niederen Widerstand und demzufolge einer hohen Verlustleistung beim Vorspannungsfeld.

Nichtlineare Dioden, Metallwhisker, antennen gekoppelte Detektoren, Vorrichtungen mit Metall- Isolator-Metall-Struktur und Metall-Halbleiter- Übergangsstruktur wurden ebenfalls bereits ange geben (vgl. Hocker et al., Appl. Phys.Lett. 12 (1968) 401 sowie Tsang et al. , Appl. Phys. Lett. 30 (1977) 263). Bei diesen Detektoren sammeln die An tennen Energie aus dem Strahlungsfeld und führen sie in Form einer Spannung bei der JR-Frequenz zu den Übergängen. Hierdurch wird eine Änderung in einer Gleichspannung oder einem Gleichstrom er zeugt. Dies wurde als Gleichrichtung des JR-Frequenz stroms aufgrund der Nichtlinearität der Stromspannungs charakteristik an den Übergängen erklärt (vgl. Faris et al. , Appl. Phys. Lett. 27 (1975) 629). Eine allge meinere theoretische Studie bezüglich antennengekoppel ten Infrarotdetektoren wurde von Schwartz et al. gegeben (J. Appl. Phys. 48 (5) (1977) 1870-3). Diese Studie zeigte, daß die dem Rauschen entsprechen de Leistung durch sorgfältige Auslegung der Bolo meter beträchtlich verringert werden kann. Derartige Bolometer weisen im einzelnen eine Anzahl wärme empfindlicher Elemente auf, die durch leitfähige Verbindungen miteinander verbunden sind, die auch so angeordnet sind, daß eine Antennenkopplung resultiert. In dieser Studie ist auch ein photo voltaischer Metallwhiskerdetektor im Detail beschrie ben, bei dem ein geschärfter Wolframwhisker in Punkt kontakt mit einem IR-strahlungsempfindlichen Halb leitermaterial eingesetzt wird. Die Whisker/Halb leitermaterial-Kombination stellt eine Punktkontakt diode dar, da ein gleichrichtender Kontakt vorliegt. Die Signale werden über den Whisker abgenommen. Darüber hinaus hat der Whisker antennenartige Eigenschaften bei zu seinen linearen Abmessungen passenden Frequenzen. Zur Herstellung eines antennengekoppelten Infrarot detektors auf der Basis einer solchen Anordnung ist es erforderlich, daß Feldfolgeeigenschaften erzielt werden, d. h., daß der Detektor Signalen mit Infrarotfrequenz folgen und diese gleichrichten muß. Hieraus resultieren gravierende Einschränkun gen wie etwa die Forderung nach sehr kleinen Geometrien zur Erzielung niederer Kapazitätswerte. Als Ergebnis resultieren eine hohe Induktivität und ein hoher Widerstand und dementsprechend niederer Wirkungsgrad und entsprechendes Rauschen. Die oben angegebene Fachstudie kommt zu dem Schluß, daß es zweifelhaft ist, ob eine günstige Verringerung des Rauschens bei Photodetektoren durch Antennenkopplung erziel bar ist.

Die Erfindung gibt einen Infrarotdetektor an, der folgende wesentlichen Bestandteile aufweist:

(a) Ein Fühlerelement aus einem IR-absorbierenden strahlungsempfindlichen Halbleitermaterial;

(b) Kontakte zum Halbleitermaterial, die elektri sche Verbindungen zum Fühlerelement herstel len, und

(c) eine Struktur mit Antenneneigenschaften, die von den Kontakten getrennt und so angeordnet ist, daß sie auf Einstrahlung von JR-Strahlung interaktive Randfeldkopplung mit dem Fühler element ergibt.

Angesichts des bestehenden fachmännischen Vorurteils war die erfindungsgemäße Feststellung umso überraschen der, daß es möglich ist, mit den erfindungsgemäßen Mit teln eine signifikante Verringerung des Rauschens zu erzielen. Darüber hinaus sind Verbesserungen sowohl im Ansprechvermögen als auch im Detektionsvermögen erzielbar. Die Erfindung ermöglicht dies durch Tren nung des Kontakts und der Struktur mit Antenneneigen schaften, so daß ihre Konstruktion bzw Auslegung un abhängig voneinander vorgenommen werden kann.

Das Fühlerelement kann ohmsche Kontakte sowie eine Dicke aufweisen, die im Vergleich zur Absorptions länge des lichtempfindlichen Materials klein ist. Die Struktur mit Antenneneigenschaften ergibt eine lokale Vergrößerung der Strahlungsenergiedichte im Fühler element, das entsprechend erheblich dünner ausgebildet werden kann, als dies beim Stand der Technik möglich war. Hierdurch wird das volumabhängige Erzeugungs- Rekombinationsrauschen verringert und demzufolge das Ansprechvermögen und das Detektionsvermögen vergrößert. Darüber hinaus ermöglicht die verringerte Dicke des Elements einen höheren Widerstand. Dies ist bei photoleitenden Detektoren vorteilhaft, da hierdurch die Verlustleistung bei einer gegebenen Vorspannung verringert wird.

Der erfindungsgemäße Infrarotdetektor kann ein Trägersubstrat für das Fühlerelement aus einem IR- durchlässigen dielektrischen Material in optischem Kontakt mit dem Fühlerelement sowie eine oder mehrere planare Metallantennen aufweisen, die parallel und zumindest dicht an der freien Oberfläche des Fühler elements angeordnet sind. Die Antenne(n) ergeben eine interaktive Kopplung mit dem Fühlerelement über Rand felder, die sich an den Antennenenden ausbilden.

Das Fühlerelement kann einen photoleitenden Auf bau aufweisen, d. h. aus einer einzigen Schicht dieses Materials bestehen, wobei die Kontakte voneinander beabstandet und in ohmschem Kontakt damit sind. Die durch diese Konstruktion ermöglichte dünne Material schicht erlaubt die Erzielung eines höheren Kontakt- Kontakt-Widerstands, als dies bisher möglich war, mit dem gleichzeitigen Vorteil einer niedrigeren Verlustleistung bei einem gegebenen Vorspannungs feld.

Alternativ dazu kann das Fühlerelement auch photo voltaischen Aufbau besitzen, d. h. aus zwei Material schichten bestehen, die jeweils von unterschiedli chem Überschußträgertyp sind, wobei die ohmschen Kontakte an beiden Seiten des Obergangs angeordnet sind, der durch diese beiden Schichten vorgegeben ist.

Es ist ferner bevorzugt, daß die Antenne eine solche Länge aufweist, daß sie bei einer Strahlungs wellenlänge in Resonanz ist, die innerhalb der Absorptionsbande des Materials des Fühlerelements liegt. Ferner ist eine solche Länge bevorzugt, daß diese Resonanz von niedrigster Ordnung ist, d. h., daß Halbwellenresonanz bzw Resonanz bei der halben Wellen länge vorliegt. Dies hat den Vorteil, daß Antennen abstände realisierbar sind, die der Beugungspunkt größe bestangepaßter Optiken entsprechen, wodurch eine Maximierung des Strahlungseinfangs erzielbar ist.

Die obigen Antennen können schmales oder weites rechteckiges Profil, schleifenförmige Anordnung oder elliptische Form aufweisen. Weniger polarisationsempfind liche Strukturen wie Kreis- oder Quadratform sind eben falls anwendbar.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fühlerelement mit mehreren regelmäßig beabstandeten Antennen gekoppelt. Das Material des Fühlerelements zwischen den Antennen kann auch fehlen, da dieses Material, das außerhalb des wirksamen Randfeldbe reichs liegt, hierzu keinen Beitrag leistet. Bei diesem letztgenannten Aufbau werden ohmsche Kontakte zur Verbindung der getrennten Unterelemente des Füh lerelements vorgesehen.

Beste optische Anpassung für kurze Antennen ist mit F/0,7-Optiken erzielbar. Das Substrat selbst kann in Verbindung mit dem Schichtmaterial so geformt sein, daß es als Verbundlinse wirkt. Es kann dann für Weitwinkelanwendungen herangezogen oder mit Fern rohr- oder anderen geeigneten Optiken zur Bild erzeugung oder anderen Anwendungen kombiniert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnun gen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 und 2 Eine schematische Draufsicht bzw Querschnittsansichts eines antennenge koppelten Photodetektors und einen er findungsgemäßen photoleitenden Detektor;

Fig. 3 und 4 Polardiagramme zum Antennengewinn für eine planare Antenne auf einem di elektrischen Substrat für die H-Ebene bzw die E-Ebene;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mit einer Linse versehenen Detektors mit der optischen Anordnung;

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines antennen gekoppelten photovoltaischen Detektors;

Fig. 7 und 8 eine Draufsicht bzw Querschnittsan sicht eines netzförmigen antennengekoppel ten Detektors und

Fig. 9: eine Draufsicht auf einen integrierenden photoleitenden Detektor mit gekoppelter Streifenantenne.

Die Erfindung wird im folgenden anhand beispiel hafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeich nung näher erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist ein antennengekoppelter Infrarotdetektor 1 dargestellt. Der Photodetektor weist ein einziges photoleitendes Element auf, das aus einer einzelnen dünnen Schicht 3 aus einem IR-absorbierenden strahlungsempfindlichen Material besteht, und ist mit zwei Vorspannungskontakten, den ohmschen Kontakten 5 und 7, versehen. Die dünne Schicht 3 wird von einem Trägersubstrat 9 aus einem infrarotdurchlässigen dielektrischen Material ge tragen und steht in innigem optischen Kontakt da mit. Die Oberflächenpassivierung des Schichtma terials wird durch eine sehr dünne Oberflächenbe schichtung 11 erzielt, die nur wenige A dick ist. Eine Anzahl metallischer Antennen 13 sind auf der beschichteten Oberfläche der Schicht 3 und in Kon takt mit ihr angeordnet. Die Antennen sind planar ausgebildet und über die Oberfläche gleichmäßig von einander beabstandet.

Im folgenden werden die Faktoren näher erläutert, welche die Materialwahl, die Geometrie der Vorrichtung und die optische Auslegung beeinflussen.

Materialwahl

Das lichtempfindliche Material kann entweder ein Stör- bzw Fehlstellenmaterial oder ein Eigenhalb leiter sein. Letztere sind erheblich bevorzugter, da derartige Materialien einen höheren Strahlungs umwandlungsgrad ergeben. Von den Eigenhalbleitern sind unter ternären Legierungen auf der Basis von Cadmium-Quecksilber-telluriden Cd_xHg_1-xTe ausge wählte Materialien sehr geeignet. Die Energieband abstandscharakteristik dieser Gruppe von Legie rungen kann durch Wahl der Legierungszusammensetzung so gewählt werden, daß sie für den speziellen IR- Anwendungsfall passend ist. Die Legierungszusammen setzung kann so gewählt werden, daß sie optimale Photoumwandlung bei atmosphärischen Fenstern im Wellenlängenband von 3 bis 5 µm oder von 8 bis 14 µm ergibt. Die Dielektrizitätskonstante variiert vom Wert 12 (x=1 , CdTe) bis zum Wert 20 (x=O, HgTe) über den Zusammensetzungsbereich. So hat beispielsweise die Cadmium-Quecksilber-telluridlegierung Cd_xHg_1-xTe mit x=0,205 eine Abschirmung bei einer Wellenlänge λ_c≃10 µm bei einer Temperatur von 150 K (-123°C) und kann folglich für die Erfassung des Wellenlängen bands von 8 bis 10 µm ausgewählt werden. Die Dielektri zitätskonstante dieses ausgewählten Materials be trägt etwa 18.

Bei Detektoren der vorliegenden Art wird die Strahlung durch das Substratmedium auf die Antennen gerichtet. Demzufolge ist hierfür ein infrarot durchlässiges Material erforderlich; die Dämpfung sollte zugleich minimal sein. Cadmiumtellurid wird hierfür als geeignet angesehen. Es ist für Strahlung sowohl im 3-bis 5-µm-Band als auch im 8- bis 14-µm-Band durchlässig. Es weist ferner eine günstige Gitterkonstante und einen günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, die an die entsprechenden Bereiche der Cadmium-Quecksilber telluridlegierungen angepaßt sind. Dieses Material stellt daher ein geeignetes Substrat für die epitaxiale Abscheidung von Cadmium-Quecksilber tellurid dar und weist mechanische Widerstands fähigkeit auf, wenn es normalen thermischen Zyklen unterworfen wird. Die Brechungsindices von Cadmium tellurid und der entsprechenden Gruppe der Cadmium-Quecksilbertelluridlegierungen sind eben falls ähnlich, da sie nur um einen Faktor zwischen 0,8 und 1,0 über den Gesamtbereich differieren; demzufolge ist die wegen optischer Fehlanpassung auftretende Reflexion an der Substrat-Schicht- Grenzfläche 9/3 nur minimal. Wenn die Schicht 3 sehr dünn ist, d. h. dünn in Bezug auf die Wellenlänge im Material, werden die Antenneneigenschaften vom Substrat material beeinflußt. In diesem Fall ist ein Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 8 oder darüber bevorzugt. Die Dielektrizitätskonstante 8 von Cadmiumtellurid besitzt den Wert 12.

Es ist ferner wünschenswert, daß ein möglichst großer Teil der von den Antennen gesammelten Strah lung wieder abgestrahlt und in die absorbierende Schicht 3 geleitet wird. Daraus folgt, daß das An tennenmetall so ausgewählt werden sollte, daß es nur zu einem minimalen ohmschen Verlust führt. Am besten geeignete Materialien sind solche Metalle, die sowohl eine hohe Elektronendichte als auch hohe Elektronenbeweglichkeit besitzen, beispielsweise Kupfer, die Edelmetalle Silber und Gold sowie etwa die Alkalimetalle.

Die Verluste sind durch Skineffektwiderstand bei JR-Frequenzen bedingt. Dabei wird berücksichtigt, daß dieser Effekt anomal ist; das Elektronenstreu verhältnis 1/τ ist kleiner als die Kreisfrequenz ω der Strahlung. Die Stromdichte J(ω) und das elektrische Feld E(ω) stehen durch folgenden Ausdruck miteinander in Beziehung:

J(ω) = {σ_o/(1=jωτ) + jωε} · E(ω (1),

worin d₀ die Gleichstromleitfähigkeit, T die Impulsrelaxationszeit und ε_o die absolute Di elektrizitätskonstante (Vakuumdielektrizitäts konstante) bedeuten.

Der effektive Schichtwiderstand des Metalls bei Mikrowellenfrequenzen (ωµ_p/2σ_o)1/2 bei ω=1/τ und damit bei Infrarotfrequenzen einen Sättigungswert:

R_s = (µ_o/2σ_o · τ) 1/2 (2).

Dieser Wert ist bei hoher Elektronenbeweglichkeit und hoher Elektronendichte am kleinsten. Durch Einsetzen in Gleichung (2) ergibt sich ein typischer Wert R_s von

R_s ∼ 0.5 Ω/ @300 K (30°C)

für Silber.

Geometrie der Vorrichtung (i) Abmessungen und Form der Antenne

Das Ansprechverhalten der Antenne ist bei der Resonanzwellenlänge am wirkungsvollsten. Die Antennen länge wird vorzugsweise so gewählt, daß die Antenne bei einer Frequenz in Resonanz ist, die innerhalb des interessierenden Wellenlängenbands liegt. Fer ner ist eine zur "Halbwellen"-Resonanz führende Länge gegenüber längeren Resonanzlängen bevorzugt, da diese Länge eine dichtere Packung der Antennen ermöglicht und derartige Antennen, wie im folgenden erläutert ist, einen Beugungsfleckdurchmesser be abstandet dicht gepackt werden können, was die wirkungsvollste Sammlung der einfallenden Strahlung erlaubt. Eine derartige dichte Packung läßt sich für anderthalb Wellenlängen und längere Resonanzstruk turen nicht realisieren, weshalb die Strahlungsauf nahme in diesen Fällen weniger wirksam wäre.

Die Halbwellenresonanzlänge L 1/2 kann durch die Wellenlänge Λ_v der Strahlung, das Verhältnis ε_r der Dielektrizitätskonstanten der Medien an beiden Seiten der Antennen und einen Zahlenfaktor K_s aus gedrückt werden, der von der Antennenform abhängt:

wobei

die Wellenlänge der Strahlung innerhalb des Schichtmaterials ist (wenn die Schicht 3 sehr dünn ist, muß das Substrat 9 berücksichtigt und der obige Ausdruck entsprechend modifiziert werden).

Die Wahl der Antennenform ist nicht kritisch. Der Formfaktor K_s nähert sich einem Wert von 0,5 für sehr dünne Antennen, besitzt einen Wert von 0,45 für ein Geometrieverhältnis (Verhältnis Länge/Breite) von 10:1 und weist einen Wert von etwa 0,35 für breitere oder schleifenförmige Antennen auf.

Die Auswertung der Gleichung (3a) für das gewählte Cadmium-Quecksilber-telluridmaterial und Anbringung gegen Luft (ε_r=18) ergibt eine Antennenlänge von
L 1/2≃1.5 µm , Geometrieverhältnis 10 : 1@10 µm Wellenlänge.

Andere Antennenformen, wie quadratische, elliptische, kreuzförmige oder kreisförmige Antennen, können eben falls verwendet werden, wobei diese Formen weniger empfindlich gegenüber optischer Polarisation oder unabhängig davon sind. Diese Formen entsprechen ver schiedenen Werten des Formfaktors K_s, wobei Länge und Abstand der Antennen entsprechend ausgewählt werden müssen.

Die optische Beabstandung der Antenne und die Auslegung der Optik stehen miteinander in Beziehung; die Beabstandung wird später erläutert.

(ii) Schichtdicke

Unter der Annahme, daß die Schicht 3 sehr dünn ist (≲λ_m/15) wird festgestellt, daß der Infra rotabsorptionwirkungsgrad eher vom Schichtwider stand als von den unabhängig gewählten Größen Schichtdicke und Leitfähigkeit abhängt. Die Schicht dicke wird so gewählt, daß sich ein geeigneter Wert des Schichtwiderstands ergibt, der für die beab sichtigte Anwendung zufriedenstellend ist.

Zur Berechnung der Absorption kann die infra rotabsorbierende Schicht als verlustbehaftete leit fähige Schicht behandelt werden bzw von einer über jede Antenne 13 verteilten Belastung ausge gangen werden. Die Maxwell′schen Gleichungen wurden numerisch für dünne Halbwellenresonanzantennen auf einer leitfähigen Schicht berechnet. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind in der nachstehenden Tabel le aufgeführt. Für Vergleichszwecke wurde auch die von antennenlosen Detektoren gleichen Schicht widerstands resultierende Absorption berechnet und in der Tabelle aufgeführt.

Bei einem verlustbehafteten leitfähigen Medium ist die Ausbreitungskonstante K (K=α+jβ) komplex:

K² = ω²µε (1-jσ//ωε).

Für Cadmium-Quecksilber-telluridmaterial ist das Verhältnis σ/ωε von Leitung zu Verschiebungsstrom klein (∼1/30):

Nach Durchgang durch das verlustbehaftete Medium ist die Strahlungsleistung um einen Faktor exp(-2βt) geschwächt, wobei t die Schichtdicke bedeutet.

Der Verlustanteil der Leistung P, d. h. der absorbierte Anteil, ist

d. h., das Verhältnis der charakteristischen Impedanz des Mediums zum Schichtwiderstand der Schicht.

Für das gewählte Cadmium-Quecksilber-tellurid material (ε=18) beträgt die charakteristische Impedanz 89 Ω.

Absorption durch leitende Schicht mit und ohne Antennenkopplung

Aus den Werten der Tabelle geht hervor, daß eine antennengekoppelte Schicht mit einem Schichtwiderstand von 500 Ω/ zu einer etwa 65%igen Absorption der einfallenden Strahlung führen würde (hierbei ist voraus gesetzt, daß die einfallende Strahlung mit einem Wir kungsgrad von 100% aufgenommen wird und der Metall verlust vernachlässigbar ist). Für höhere Schichtwi derstände ist der Absorptionswirkungsgrad verringert und beträgt im einzelnen für Schichtwiderstände von 1 Ω/ und 10 kΩ/ etwa 50% bzw 15%. Für Schichtwiderstände über etwa 10 kΩ/ ändert sich die Absorption reziprok zum Schichtwiderstand. Die Absorption ist im Fall der Antennenkopplung größer als bei einer antennenlosen Struktur, insbesondere für höhere Schichtwiderstände, bei denen die Absorption eine Größenordnung weniger wirksam ist. Der praktische Schichtwiderstand für ein eigenleiten des Absorptionsmaterial wie eine Schicht aus Cadmium- Quecksilber-tellurid liegt in der Größenordnung von 10 kΩ/ bei einer Schichtdicke von 0,1 µm. Für eine derartig dünne Schicht ist die relative Zunahme der Absorption durch Antennenkopplung groß (etwa um den Faktor 10). Die Verwendung dickerer Schichten (d. h. kleinerer Schichtwiderstände) erlaubt lediglich eine vergleichsweise geringe relative Verbesserung aufgrund der Antennenwirkung, kann jedoch wünschens wert sein, um den Beitrag der Rekombinations-Erzeu gungsprozesse an der Schichtgrenzfläche zum Substrat 9 zu kompensieren.

Weitere Designkriterien Auslegung der Optik und Wahl der Antennenabstände

Die Berechnung der Transmissionseigenschaften planarer Dipolantennen auf einer dielektrischen Oberfläche zeigt, daß sie durch die strenge Richt wirkung der Strahlung gekennzeichnet sind, wobei die Leistungsverteilung in jedem Medium etwa mit ε_r ^3/2 variiert (vgl. Brewitt-Taylor et al., Planar antennas on a dielectric surface, Electronic Letters 1^st October 1981, Vol. 17 Nr. 20 p. 729-731). Die Fig. 3 und 4 stellen hierzu Fernfeld-Polar diagramme dar.

Die Fig. 3 und 4 zeigen

Fernfeld-Polardiagramme für einen Dipol an einer Dielektrikum/Luft-Grenz fläche für ein Verhältnis der Dielektrizitätskonstan ten von 1, 4 und 12. Diese Diagramme gelten für Resonanzdipole, jedoch ist die Frequenzempfindlich keit sehr schwach. Fig. 3 gilt für die H-Ebene, d. h. die in Normalrichtung zum Dipolstrom liegende Ebene, während Fig. 4 für die E-Ebene gilt. Für ε_r≲8 kann der durchgelassene Strahl im Dielektri kum durch einen Kegel mit einem Halbwinkel von 45° angenähert werden. Eine Konsequenz besteht darin, daß eine derartige Antenne auch nur auf Strahlung anspricht, die in einen Kegel gleichen Halbwinkels gerichtet ist.

Die optimale Auslegung der Optik für den Detek tor 1 ist folglich so, daß die vom Fernfeld gesammel te Strahlung in einen Strahl konvergiert, der einen Konus mit einem Halbwinkel R≃45° (d. h. 0,7 radian) am Ende aufweist. Eine derartige optische Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Linse dieser Anordnung ist, wie dargestellt, eine Verbundlinse, die aus der infrarotabsorbierenden Schicht 3 und dem di elektrischen Substrat 9 besteht. Die Vorderfläche 15 des dielektrischen Substrats 9 ist als hyper hemisphärische Linse ausgebildet, deren Krümmung so gewählt ist, daß Strahlung auf die Antennen 13 fokussiert wird, die in der Brennebene der Ver bundlinse liegen. Die F-Zahl dieser Linse mit einer Brennweite F und einem Durchmesser D ist folglich gegeben durch:

F=0,7, d. h. bestmögliche Anpassung, wird durch eine F/0,7-Linse erzielt. Wenn die Linse bei gleicher Brennweite einen größeren Durchmesser aufweist, d. h. F<0,7 ist, wird lediglich ein Teil der von der Linse gesammelten Strahlung in den Konus mit dem Halbwinkel 45° konvergieren. Die von der Peripherie der Linse konvergierende Strahlung würde nicht wirksam mit den Antennen koppeln. Wenn die Linse andererseits einen kleineren Durchmesser aufweist, d. h. F<0,7 ist, würde ein zu großer Wirkungsgrad verlust auftreten bzw würde die Größe der Beugungs punkte unnötig groß.

Das Gesichtsfeld des optischen Systems kann durch Einbringen von Teleskopoptiken 17, 19 (d. h. ein- und ausfallende Strahlen parallel) jeder er wünschten Winkelvergrößerung geändert werden, wo bei ein derartiges System die Größe des Beugungs flecks nicht verändert. Eine Bedingung besteht darin, daß das optische System keine Blende enthält, die so klein ist, daß die Größe des Beugungsflecks über die Größe hinaus verkleinert wird, die durch die Apertur der oben erläuterten Endlinse gegeben ist.

Zur Erzielung optimaler Antennenabstände wird so angeordnet, daß jede Antenne im ersten Beugungs null des Bildmusters der angrenzenden Antennen liegt, was bedeutet, daß der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Antennen dem Durchmesser eines Beugungsflecks entspricht. Die Größe d des Beugungsflecks ist eine Funktion der F-Zahl der Linse und der Wellen länge:

d = 1,22 F λ_m (6).

Aus den obigen Gleichungen (3a) und (6) folgt nachstehende Beziehung zwischen der Antennenlänge und den Abständen:

Bei größeren Abständen würde weniger Strahlung ge sammelt und würde außerhalb der Antennenaperturen lie gen, was einen Wirkungsgradverlust mit sich bringen würde.

Dementsprechend werden bei einem quadratisch aus gebildeten Detektor von 10 µm Seitenlänge einige 25 Antennen (5×5 quadratische Gitteranordnung) oder einige 60 Antennen (hexagonal dichtgepackte 2-D-Gitteranordnung) möglich.

Für Antennen mit dazwischenliegender Länge

verengt sich das Strahlungsbild in der Ebene der Antennenlänge:

R = λ_m/L.

Die entsprechende Beziehung zwischen Abstand und Länge ergibt sich zu

Dieser Wert ist kleiner als die Antennenlänge, weshalb die Antennen bei diesem Abstand nicht gepackt werden können. Die Möglichkeit der Beabstandung um den Beugungsfleck hängt von der Verwendung kleiner Antennen ab. Wenn große Antennen verwendet werden, kann der Beugungsabstand durch Anwendung einer größeren Brennweite bei gleichem Optikdurchmesser vergrößert werden; hierdurch würde allerdings ein Wirkungsgrad verlust durch Fehlanpassung an das Strahlungsbild hervorgerufen.

Für lange Antennen (d. h. L<2,2Λ_m) besitzt das Strahlungsbild eine abweichende Form, die keine gute Kopplung an das optische System ergibt, so daß An tennen dieser Länge unerwünscht sind.

In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß eine Antenne mit Halbwellenresonanz für Strahlung im Be reich von 8 bis 12 µm auch eine Antenne mit ,andert halb Wellenlängen′ -Resonanz für Strahlung im Bereich von 3 bis 5 µm sein kann, obgleich der Wirkungsgrad im letztgenannten Frequenzband notwendigerweise etwas gering wäre.

Ein antennengekoppelter photovoltaischer Infra rotdetektor ist in Fig. 6 dargestellt. Das Fühler element 3 besitzt Doppelschichtstruktur und stellt eine Flächendiode als Photodiode dar, die aus einer an die Antenne angrenzenden p-Typ-Schicht 3a und einer darunterliegenden n-Typ-Schicht 3b besteht und ringförmige ohmsche Kontakte 5 und 7 aufweist, die nebeneinander liegen. Die Gesamtdicke der Doppelschichtstruktur ist ähnlich der Dicke der Einzelschicht der oben erläuterten photoleitenden Struktur.

Eine andere Weiterbildung in Form eines netz artig ausgebildeten antennengekoppelten photoleiten den Detektors ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Das photoleitende Material 3 ist hier netzförmig aus gebildet, wobei kleine Inselbereiche 3′ aus dem Ma terial stehengelassen wurden. Auf jedem Inselbereich befindet sich eine einzelne Antenne 13. Die Inselbe reiche 3′ sind über ohmsche Verbindungen 21 mitein ander verbunden. Sämtliche Inselbereiche 3′ sind meanderartig miteinander in Serie geschaltet.

Das Erfindungskonzept läßt sich auch auf integrieren de Streifendetektoren (vgl. die GB-PS 14 88 258) an wenden. Bei diesem Detektortyp liegt das Fühler element 3 in Form eines länglichen Streifens vor, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Das Fühlerelement weist Kontakte 5, 7 zum Anlegen der Vorspannung sowie dazwischen einen Ausgangskontakt 23 auf, der ein ohmscher Kontakt oder ein Diodenkontakt sein kann. Dieser Detektor weist eine Anordnung von Antennen 13 auf seiner Oberfläche auf. Im Be trieb wird ein Bild längs des Detektors zum Ausgang hin abgetastet. Der Vorspannungsstrom wird über die Kontakte 5 und 7 angelegt, wobei der Strompegel so eingestellt wird, daß die erzwungene Verschiebung der Phototräger zum Ausgang hin mit einer Geschwindig keit erfolgt, die an die Geschwindigkeit der Bild bewegung angepaßt ist. Mit der Verschiebung der Phototräger unterhalb der Antennen und der Sammlung der erzeugten Träger in den Randfeldern tritt ent sprechend eine stufenweise diskrete Summierung der Phototräger auf.

Der in Fig. 9 dargestellte streifenförmige Detektor kann auch im quastistationären Verfahren (Staring mode) betrieben werden. Bei dieser An wendung können sich die Phototräger ansammeln, wobei ein Vorspannungsimpuls angelegt wird, um die Photo träger nach einer Integrationsperiode zum Ausgang zu treiben.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf diskrete Metallantennen 13, die zwar an das strahlungsempfind liche Material 3 angrenzen, jedoch von ihm getrennt sind; es können jedoch im Rahmen der Erfindung auch andere Antennenformen verwendet werden. Dabei ist es erforderlich, eine Struktur mit Antenneneigenschaf ten vorzusehen, die von den elektrischen Kontakten 5 und 7 am Material 3 getrennt und so angeordnet ist, daß sie eine interaktive Randfeldkopplung zum Material 3 unter Ansprechen auf Infrarotstrahlung er gibt. Derartige Strukturen können in zahlreichen Formen ausgebildet sein und müssen im einzelnen nicht zwingend auf der Oberfläche eines Fühler elements oder seiner Passivierungsschicht liegen. Beispiele für geeignete Strukturen sind antennen artige Bereiche etwa wie folgt:

(1) Geeignet dotierte Halbleiterbereiche,

(2) auf einem Material mit unterschiedlicher Dotierung oder chemischer Zusammensetzung auf gewachsene Inselbereiche,

(3) in einem Material unterschiedlicher chemi scher Zusammensetzung eingebettete Berei che und

(4) Schlitze, Nuten oder Hohlräume im Fühler element.

Die Leitfähigkeit der Struktur und ihre Geometrie müssen notwendigerweise durch Rechnung anhand der oben erläuterten Grundzusammenhänge bestimmt werden.

Claims

1. Infrarotdetektor mit
(a) einem Fühlerelement (3) aus einem IR-absorbierenden strahlungsempfindlichen Halbleitermaterial und
(b) Kontakten (5, 7) zum Halbleitermaterial, die elektrische Verbindungen zum Fühlerelement (3) herstellen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotdetektor (1) ferner eine Struktur (13) mit Antenneneigenschaften aufweist, die von den Kontakten (5, 7) getrennt und so angeordnet ist, daß sie auf Einstrahlung von JR-Strahlung inter aktive Randfeldkopplung mit dem Fühlerelement (3) ergibt.

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fühlerelement (3) mindestens eine Schicht aus einem IR-absorbierenden strahlungsempfind lichen Halbleitermaterial einer Dicke aufweist, die klein ist im Vergleich zur Absorptionslänge des Halb leitermaterials bei den in Frage kommenden JR-Wellenlängen.

3. Infrarotdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägersubstrat (9) für das Fühlerelement vorgesehen ist, das aus einem JR-durch lässigen dielektrischen Material in optischem Kontakt mit dem Fühlerelement (3) besteht und durch das hin durch Infrarotstrahlung zum Fühlerelement (3) gelangen kann.

4. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (3) photo leitend ist und eine einzige Schicht aus einem strah lungsempfindlichen Material aufweist, wobei die Kon takte (5, 7) daran voneinander beabstandet sind.

5. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (3) zwei Schichten (3a, 3b) aus lichtempfindlichem Material unterschiedlichen Überschußträgertyps mit einer da zwischenliegenden Grenzschicht aufweist und die Kontakte (5, 7) an beiden Seiten eines durch die Grenzschicht vorgegebenen Übergangs angeordnet sind.

6. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (13) mit Antenneneigenschaften mindestens eine Metallantenne umfaßt.

7. Infrarotdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die zumindest eine Metallantenne (13) planar ausgebildet und parallel zu einer freien Ober fläche des Fühlerelements (3) angeordnet ist.

8. Infrarotdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die linearen Abmessungen der Antenne für eine Antennenresonanz für Strahlung einer Wel lenlänge innerhalb der Absorptionsbande des Materials des Fühlerelements ausgelegt sind.

9. Infrarotdetektor nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die linearen Abmessungen der Antenne für Halbwellenresonanz ausgelegt sind.

10. Infrarotdetektor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antennenkonfiguration recht eckig, schleifenförmig, elliptisch, kreisförmig, kreuzförmig oder quadratisch ist.

11. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruk tur (13) eine Anordnung regelmäßig beabstandeter Antennen umfaßt.

12. Infrarotdetektor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Fühlerelement (3) netzförmig ausgebildet ist und getrennte kleine Inselbereiche (3′) vorgibt, die jeweils eine entsprechende Antenne (13) aufweisen.

13. Infrarotdetektor nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Inselbereiche (3′) in Serie miteinander verbunden sind.

14. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (9) und mindestens eine Materialschicht (3) so ange ordnet sind, daß sie eine Verbundlinse zur Fokussie rung der Infrarotstrahlung auf die Struktur (13) mit Antenneneigenschaften bilden.

15. Infrarotdetektor nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verbundlinse eine F-Zahl von etwa 0,7 aufweist.

16. Infrarotdetektor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat hyperhemisphärisch ausgebildet ist.

17. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (3) aus einem Cadmium-Quecksilber-telluridmaterial oder -materialien mit einer darauf vorgesehenen Passi vierungsschicht (11) besteht, wobei die Struktur (13) mit Antenneneigenschaften auf der Passivie rungsschicht (11) vorgesehen ist.

18. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (5, 7) ohmsche Kontakte sind.