DE3883526T2 - Verfahren und vorrichtung zur detektion von infrarotstrahlung. - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur detektion von infrarotstrahlung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Infrarotdetektion, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Infrarotstrahlung.
- Elementare Infrarotdetektoren werden oft in Überwachungs-, Zielsuch- und Bildsuch- und Verfolgungssystemen verwendet, um das Vorhandensein von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 1 - 30 um zu erfassen. Um die Infrarotstrahlung zu detektieren, verwenden diese elementaren Detektoren oft temparatursensitive pyroelektrische und ferroelektrische Materialien wie Triglycinsulfat und lantandotierte Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle. Diese Kristalle zeigen eine spontane elektrische Polarisation als Antwort auf einfallende Infrarotstrahlung, was einen Potentialabfall an zwischen den Kristallen angebrachten Elektroden erzeugt. Fotoleitende Materialien wie Bleisulfid und Quecksilber-Cadmium-Tellurid können auch verwendet werden, bei denen der Widerstand des Materials sich als Funktion der einfallenden Strahlung ändert. Schließlich können auch photovoltaische Geräte, wie sie aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Indium- Antimonid oder ähnlichen Materialien hergestellt werden, verwendet werden, bei denen intrinsische Band-zu-Band-Elektron/Loch-Anregungen einen Strom oder eine Spannung generieren, der bzw. die proportional zu dem einfallenden Strahlungsfluß ist.
- Feldanordnungen dieser elementaren Detektoren können verwendet werden, um thermische Bildsysteme zu formen. In thermischen Echtzeitbildsystemen, wie in vorwärtsschauenden Infrarotbildsensoren ("FLIR"), werden oszillierende Prismenspiegel verwendet, um von einer Quelle emittierte Strahlung über ein eindimensionales Feld von Elementardetektoren zu führen. Wenn die Elementardetektoren in dieser Weise verwendet werden, können die zeitlichen Ausgaben der Detektoren verwendet werden, um eine zweidimensionale Darstellung des Bildes zu erzeugen. In zweidimensionalen Detektorfeldbildsystemen, die entweder starre oder abtastende Feldanordnungen verwenden, erzeugen die Elementardetektoren freie Ladungsträger oder Ströme, die dann mittels geeigneter integrierter Ausleseschaltungen, wie CCDs, erfaßt werden. Der Ausgang der CCDs kann mittels verschiedener Techniken, wie zum Beispiel Zeitverzögerung und Integration oder Parallel-zu-Seriell-Abtastungskonversion verarbeitet werden, wobei die Wahl von den Systemanforderungen, wie Rahmenrate, Signal- /Rauschverhältnissen etc., abhängt. Andere Auslesegeräte können ebenfalls verwendet werden.
- Während die vorstehenden Detektorstrukturen durchaus effektiv sind, haben sie im allgemeinen hinsichtlich ihrer Herstellung mehrere Nachteile. Erstens sind viele dieser Detektorstrukturen hybridisiert, wobei der Detektor und die Auslesevorrichtungen getrennt hergestellt und dann mechanisch miteinander verbunden werden. Da die Bildung von hybridisierten Strukturen zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert, neigen derartige Strukturen zu höheren Ausschußraten während der Produktion im Vergleich zu monolithischen Vorrichtungen (d.h. Vorrichtungen, in denen der Detektor und die Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreise in einem Materialsystem gefertigt werden). Zusätzlich besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß Defekte unbeabsichtigt während der Herstellung mit einfließen, was zu einer geringeren Zuverlässigkeit und zu reduzierter Leistung führt. Während monolithische Detektoren die für die Hybridisierung zusätzlichen Verarbeitungsschritte vermeiden, leiden sie an der Notwendigkeit, daß für die Signalverarbeitungsschaltkreise und den Infrarotdetektor das gleiche Material verwendet werden muß. Dieses Material (z.B. HgcdTe oder InSb) führt zwangsläufig zu weniger leistungsfähigen Signalverarbeitungsschaltkreisen gegenüber Schaltkreisen, die aus Silizium oder Gallium-Arsenid gefertigt sind, für die eine gut entwickelte Fertigungstechnologie existiert.
- Aus US-A-4 553 152 ist eine monolithische Infrarotdetektorstruktur bekannt, die ein Substrat aus Gallium-Arsenid aufweist, wobei die oberste Region des Substrats n-dotiert ist. Auf dem Substrat einander gegenüberliegend sind erste und zweite Halbleiterschichten, die den IR-Detektionsteil bilden, und Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreise vorgesehen. Die Schichten, die den IR-Detektorteil bilden, sind mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt, wodurch sich eine kristalline Kontinuität mit dem Substrat ergibt und daher eine monolithische Struktur mit dem Substrat geformt wird.
- Diese bei der Beschreibung des vorstehenden Standes der Technik gezeigten Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung überwunden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 und durch Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 und 15.
- Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Durchschnittsfachmann beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung:
- Die FIGUR ist eine Querschnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Detektieren von Infrarotstrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur 10 zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgesehen, wie in der FIGUR gezeigt. Die Struktur 10 kann als ein einzelnes Detektionselement oder als Teil eines Mehrfachelementbildgeräts verwendet werden. Die Struktur 10 umfaßt ein Substrat 12, das aus Silizium, Galliuin-Arsenid oder Germanium hergestellt werden kann, wobei es sich aber versteht, daß auch andere geeignete Materialien verwendet werden können. Das Substrat 12 umfaßt geeignete Ausleseund Signalverarbeitungsschaltkreise, im weiteren mit dem Bezugszeichen 14 versehen, um die Ausgänge der nachfolgend beschriebenen Halbleiterschichten in weiterverarbeitbare Signale umzuwandeln. Die Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreise 14 können ähnlich denen sein, wie sie in Bluzer, N., and Stehlac, R., "Buffered Direct Injection of Photocurrents into Charge-Coupled Devices", IEEE Transactions on Electron Devices, ED 25 n.2 p. 160 February 1978, beschreiben sind, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird. Es versteht sich jedoch, daß auch andere geeignete Mittel zum Verarbeiten der Ausgänge von den Halbleiterschichten verwendet werden können.
- Um die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche des Substrats zu kontrollieren, ist eine erste Passivierungsschicht 16 vorgesehen. Die erste Passivierungsschicht 16 wird aus Materialien ausgewählt, die eine optimale Passivierung des Substrats 12 bereitstellen. Solche Materialien umfassen SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, wobei es sich wiederum versteht, dar andere geeignete Materialien verwendet werden können. Eine zweite Passivierungsschicht 18 wird auf der ersten Passivierungsschicht 16 aufgebracht. Die zweite Passivierungsschicht 18 wird aus einem von mehreren Materialien geformt, die eine optimale Passivierung für die nachfolgend beschriebenen infrarot-aktiven Halbleiterschichten gewährleisten, und formt eine Oberfläche, auf der keine Kristallisationskeimbildung der infrarot-aktiven Halbleiterschichten stattfindet. Solche Materialien können SiO&sub2; oder ZnS umfassen, wobei es sich jedoch versteht, daß auch andere geeignete Materialien verwenden werden können. Die erste und zweite Passivierungsschicht 16 und 18 weisen einen ohmschen Kontakt 20 und eine Mehrzahl von Kristallisationskeimbildungsfenstern 22 bis 26 auf. Der ohmsche Kontakt 20 wird verwendet, um elektrische Kommunikation zwischen der nachfolgend beschriebenen zweiten Halbleiterschicht und den Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 14 herzustellen. Die Kristallisationskeimbildungsfenster 22 bis 26 werden verwendet, um Örtlichkeiten für die Kristallisationskeimbildung der ersten Halbleiterschicht bereitzustellen. Zusätzlich erlaubt das Kristallisationskeimbildungsfenster 24 die elektrische Kommunikation zwischen der ersten Halbleiterschicht und den Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 14.
- Um als Antwort auf die einfallende Strahlung einen Photostrom zu generieren, umfaßt die Struktur 10 des weiteren eine erste Halbleiterschicht 28 und eine zweite Halbleiterschicht 30. Die erste und die zweite Halbleiterschicht 28 und 30 bilden zusammen die Basis- und Kollektorschicht einer Heteroübergang-Photodiode. Die erste Halbleiterschicht 28 umfaßt eine Schicht aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid mit einem stöchiometrischen Verhältnis, das durch Hg1-xCdxTe gegeben ist. Der Zusammensetzungswert x wird so gewählt, daß die erste Halbleiterschicht 28 für Infrarotstrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge im infraroten Spektrum sensitiv ist. Falls beispielsweise für den Zusammensetzungswert x ungefähr 0,2 gewählt wird, ist die erste Halbleiterschicht 28 für langwellige Infrarotstrahlen sensitiv, die eine Grenzfrequenzwellenlänge von ungefähr 10 - 12 um bei einer gewünschten Betriebstemperatur (z. B. 77 Kelvin) haben. Es versteht sich jedoch, daß die erste Halbleiterschicht auch andere geeignete Materialien, wie z.B. Quecksilber-Zink-Tellurid, Quecksilber-Cadmium-Selenid, Quecksilber-Zink-Selenid, Quecksilber-Cadmium-Sulfid, Quecksilber-Zink-Sulfid, Blei- Zinn-Tellurid, Blei-Zinn-Selenid, Blei-Zinn-Sulfid, Indium- Arsenid-Antimonid, Gallium-Indium-Antimonid oder Gallium-Antimonid-Arsenid umfassen kann.
- Die zweite Halbleiterschicht 30 umfaßt eine Schicht aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung, die durch Hg1-yCdyTe gegeben ist. Der Zusammensetzungswert y kann größer als der Zusammensetzungswert x der ersten Halbleiterschicht 28 gewählt werden und typischerweise einen Wert von 0,3 haben. Es versteht sich jedoch, daß auch andere geeignete Werte für y gewählt werden können und auch andere geeignete Materialien, wie z.B. Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Quecksilber-Zink-Tellurid, Quecksilber-Cadmium-Selenid, Quecksilber-Zink-Selenid, Quecksilber-Cadmium-Sulfid, Quecksilber-Zink-Sulfid, Blei- Zinn-Tellurid, Blei-Zinn-Selenid, Blei-Zinn-Sulfid, Indium- Arsenid-Antimonid, Gallium-Indium-Antimonid oder Gallium-Antimonid-Arsenid gewählt werden können.
- Die erste Halbleiterschicht 28 wirkt als Photodiodenbasisschicht, während die zweite Halbleiterschicht als Photodiodenkollektorschicht wirkt. Um die Kollektor-Effizienz der Struktur 10 zu erhöhen, können jedoch die Rollen der ersten und zweiten Halbleiterschichten 28 und 30 vertauscht werden (d.h. die zweite Halbleiterschicht 30 wird Basisschicht und die erste Halbleiterschicht 28 wird die Kollektorschicht).
- In diesem Fall wird der Zusammensetzungswert y ungefähr 0,2 und der Zusammensetzungswert x wird ungefähr 0,3. Allgemeiner ausgedrückt, wird jedoch die zweite Halbleiterschicht 30 aus Material mit der engeren Bandlücke und die erste Halbleiterschicht 28 aus Material mit einer breiteren Bandlücke bestehen. Die Schichten 28 und 30 werden mit Verunreinigungen von entgegengesetztem Typ dotiert, d. h. die erste Halbleiterschicht 28 ist p-dotiert und die zweite Halbleiterschicht 30 ist n-dotiert oder umgekehrt. Es versteht sich jedoch, daß auch isotype Heteroübergänge verwendet werden können.
- Wenn ein Lichtphoton in dem interessierenden Infrarotspektrum durch die Struktur 10 absorbiert wird, wird ein Elektron-/Loch-Paar erzeugt. Falls das Elektron-/Loch-Paar an der Grenzschicht zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht 28 und 30 ankommt, bevor es rekombinieren kann, wird das elektrische Feld an der Grenzschicht zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht 28 und 30 bewirken, daß sich das Elektron in die n-Typ-Halbleiterschicht und das Loch sich in die p-Typ-Halbleiterschicht bewegt. Diese Elektron- /Loch-Migration erzeugt einen Photostrom, der proportional zur Zahl der empfangenen Photonen ist.
- Um den in der ersten und zweiten Halbleiterschicht 28 und 30 erzeugten Photostrom zu erfassen, umfaßt das Substrat 12 weiter stark dotierte Regionen 32 und 34. Die stark dotierte Region 32 erlaubt elektrische Kommunikation zwischen den Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 14 und der ersten Halbleiterschicht 28 durch das Kristallisationskeimbildungsfenster 24. Das in dem Kristallisationskeimbildungsfenster 24 eingelagerte Material kann HgTe oder ein ähnliches Halbmetall mit einer Kristallstruktur und einer Gitterkonstanten ähnlich dem der Halbleiterschicht 28 sein (daher kann HgSe, HgS, PbTe, PbSe, PbS und Grauzinn alternativ verwendet werden). Dies stellt einen besseren ohmschen Kontakt zwischen der stark dotierten Region 32 und der ersten Halbleiterschicht 28 bereit. Das gleiche Material wird gleichzeitig in die Kristallisationskeimbildungsfenster 22 und 26 eingelagert, dort dient es jedoch nur als Kristallisationskeim für die erste Halbleiterschicht 28 und nicht als ohmscher Kontakt. Zusätzlich erlaubt die stark dotierte Region 34 die elektrische Kommunikation zwischen den Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 14 und der zweiten Halbleiterschicht 30 durch eine Metallisierungsschicht 36 und den ohmschen Kontakt 20. Der ohmsche Kontakt 20 und 36 können zwei unterschiedliche Metalle sein, wobei der ohmsche Kontakt 20 gewählt wird, um einen guten ohmschen Kontakt der stark dotierten Region 34 herzustellen und die Metallisierungsschicht 36 gewählt wird, um einen guten ohmschen Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 30 herzustellen, wie z.B. Platin für einen n-Typ und Gold für einen p-Typ. Die Metallisierungsschicht 36 muß auch so gewählt werden, dar sie aus einem Material besteht, auf dem die Keimbildung für die erste Halbleiterschicht 28 unterdrückt wird.
- Wenn die zweite Halbleiterschicht 30 als Basis der Photodiode wirkt, driften die freien Ladungsträger im Inneren der zweiten Halbleiterschicht 30 in Richtung auf die Grenzschicht zu der ersten Halbleiterschicht 28 und rekombinieren. Als Ergebnis dieser Rekombination wird die Effizienz, mit der freie Ladungsträger durch die erste Passivierungsschicht 16 aufgesammelt werden, verringert. Um die Rekombinationsgeschwindigkeit der freien Ladungsträger in der zweiten Halbleiterschicht 30 zu reduzieren, wenn die zweite Halbleiterschicht 30 als Basis der Photodiode wirkt, wird eine dritte Halbleiterschicht 38 vorgesehen. Die dritte Halbleiterschicht 38 kann aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid gefertigt werden, deren stöchiometrisches Verhältnis durch Hg1-zCdzTe definiert ist, wobei der Zusammensetzungswert z größer als y gewählt wird. Es versteht sich jedoch, daß auch andere geeignete Materialien, wie z.B. Quecksilber-Cadmium- Tellurid, Quecksilber-Zink-Tellurid, Quecksilber-Cadmium-Selenid, Quecksilber-Zink-Selenid, Quecksilber-Cadmium-Sulfid, Quecksilber-Zink-Sulfid, Blei-Zinn-Tellurid, Blei-Zinn-Selenid, Blei-Zinn-Sulfid, Indium-Arsenid-Antimonid, Gallium-Indium-Antimonid oder Gallium-Antimonid-Arsenid verwendet werden können.
- Die Struktur 10 umfaßt weiter eine Anti-Reflexionsbeschichtung 40. Die Anti-Reflexionsbeschichtung 40 befindet sich auf der dritten Halbleiterschicht 38 und wird verwendet, um die Reflexion von einfallender Infrarotstrahlung zu verringern. Die Anti-Reflexionsbeschichtung 40 wird aus einem Material hergestellt, das einen Brechungsindex zwischen dem von Luft und dem der dritten Halbleiterschicht 38 aufweist. Die Anti-Reflexionsbeschichtung 40 kann aus Zink-Sulfid, Zink-Selenid oder Zink-Tellurid oder auch anderen geeigneten Materialen hergestellt werden. Die Struktur 10 umfaßt auch die Feldplattenregionen 42, die verwendet werden, um das relative Potential der ersten und zweiten Halbleiterschichten 28 und 30 wie auch der ersten Passivierungsschicht 16 zu steuern. Die Feldplatten 42 befinden sich unterhalb der Region, in der die erste und zweite Halbleiterschicht 28 und 30 auf die erste Passivierungsschicht 16 treffen. Die Feldplattenregionen 42 können entweder dotierte Regionen in dem Substrat 12 oder Metalleinlagerungen auf der Oberfläche des Substrats 12 sein.
- Die Steuerung des elektrischen Potentials in der Region, in der die Schichten 28, 30 und 18 sich überschneiden, ist wesentlich für die Leistung der Vorrichtung. Um das elektrische Potential in dieser Region zu steuern, wird die zweite Passivierungsschicht 18 gewählt, um stabile Oberflächenpotentiale nahe dem Flachbandpotential in der ersten und zweiten Halbleiterschicht 28 und 30 bereitzustellen (d.h. die zweite Passivierungsschicht 18 wird gewählt, um die erste und zweite Halbleiterschicht 28 und 30 zu passivieren und durch Verwendung der Feldplattenregionen 42, um jegliche Abweichung von der Flachbandbedingung durch Verwendung eines angelegten Potentials zu kompensieren, in gleicher Weise wie ein Gate verwendet wird, um die Leistung von Photodioden in herkömmlicher Technik zu optimieren.
- Das Aufwachsen der ersten und zweiten Halbleiterschichten 28 und 30 über der zweiten Passivierungsschicht 18 stellt automatisch einen selbst-passivierten verborgenen Übergang bereit. Die Existenz der Feldplattenregion 42 erlaubt die Optimierung des Oberflächenpotentials in der Übergangsregion durch Kontrolle der Gate-Spannung.
- Durch Bereitstellen der vorstehend beschriebenen Struktur wird die Leistung der Struktur 10 sowohl hinsichtlich der Signalverarbeitung als auch der Infrarotdetektion optimiert. Das Substrat 12 kann Silizium, Galliumarsenid oder Germanium sein, aus dem Signalverarbeitungsschaltkreise mit optimaler Leistung hergestellt werden können. Die erste und zweite Halbleiterschicht 28 und 30, für die ein Material gewählt wird, das die Infrarotdetektion optimiert, werden dann auf dem Substrat mittels heteroepitaxialer Ablagerung auf ausgewählten Flächen abgelagert. Die Kombination der Detektorstruktur und des Substrats 12 stellt somit ein monolithisches, heteroepitaxiales Brennebenenfeld dar und weist die Nachteile von hybridisierten Strukturen nicht auf.
- Die Struktur 10 kann in nachfolgend beschriebener Weise hergestellt werden. Wenn einmal das Substrat 12 mit den Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen 14 gebildet worden ist, werden sowohl die stark dotierten Regionen 32 und 34 als auch die Feldplattenregionen 42 gebildet. Die Passivierungsschichten 16 und 18 werden dann auf dem Substrat 12 aufgebracht. Über der stark dotierten Region 34 wird dann in den Passivierungsschichten 16 und 18 ein Kontaktfenster mittels Photolithographie geöffnet. Eine erste Metallschicht wird mittels Vakuumabscheidung aufgetragen und abgehoben, um den ohmschen Kontakt 20 für die stark dotierte Region 34 zu bilden. Ein zweiter photolithographischer Schritt wird dann ausgeführt, um die Metallisierungsschicht 36 zu bilden. Die Form der Metallisierungsschicht 36 wird gewählt, um die Grenze der Struktur 10 zu bilden und ist ausgewählt, um einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 30 herzustellen.
- Ein dritter photolithographischer Schritt wird dann verwendet, um die Kristallisationskeimbildungsfenster 22 - 26 in den Passivierungsschichten 16 und 18 zu öffnen. Die Form, Größe und der Abstand der Kristallisationskeimbildungsfenster 22 - 26 wird durch die gewünschte Detektorgeometrie und die Charakteristiken des epitaxialen Aufwachsprozesses bestimmt. Wenn beispielsweise das laterale Wachstum aus dem Kristallisationskeimbildungsfenster mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt wie das vertikale Wachstum, würde der Abstand zwischen den Fenstern gleich der Breite der Fenster sein. Die Zahl der Kristallisationskeimbildungsfenster sollte auch minimiert werden, da eine übergroße Zahl von Kristallisationskeimbildungsfenster räumliche Einschränkungen für die Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreise in dem Substrat 12 nach sich zieht. Die Zahl und die Größe der Kristallisationskeimbildungsfenster 22 - 26 kann minimiert werden, indem das Verhältnis von lateraler Wachstumsgeschwindigkeit zu vertikaler Wachstumsgeschwindigkeit der ersten Halbleiterschicht 28 maximiert wird. Zusätzlich kann das Verhältnis der lateralen Wachstumsgeschwindigkeit zu der vertikalen Wachstumsgeschwindigkeit der zweiten Halbleiterschicht auch maximiert werden, um den größtmöglichen Abstand zwischen dem Aufeinandertreffen der ersten und zweiten Halbleiterschichten 28 und 30 und der Metallisierungsschicht 36 zu ermöglichen. Indem die erste Halbleiterschicht 28 als dicke Schicht ausgebildet wird, wird die Zahl der nötigen Kristallisationskeimbildungsfenster 22 - 26 reduziert. Das Dickermachen der zweiten Halbleiterschicht 30 erlaubt eine größere Toleranz der lateralen Wachstumsgeschwindigkeitsvariationen, da die Distanz zwischen der Metallisierungsschicht 36 und der Grenzschicht zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht 28 und 30 größer wird.
- Nach dem Öffnen der Kristallisationskeimbildungsfenster 22 - 26 in den Passivierungsschichten 28 und 30 wird der verbleibende Photolack von der Passivierungsschicht 16 entfernt, und das Substrat 12 wird in einen Reaktor für metallorganische Dampfphasenepitaxie für niederige Temperaturen plaziert, so daß in-situ-Reinigung der Oberfläche des Substrats 12 durchgeführt werden kann. Die in-situ-Oberflächenreinigung kann Ultraviolett-Ozon-Ätzen, Ätzen mit atomarem Wasserstoff oder Ätzen mit anderen freien Radikalen, die aus geeigneten Reaktantenquellen in einem Ultraviolett- oder Plasmafeld erzeugt worden sind, umfassen.
- Die Keimkristalle werden dann in den Kristallisationskeimbildungsfenstern 22 - 26 der Passivierungsschichten 16 und 18 gezüchtet. Da die Materialien, aus denen die Passivierungsschicht 18 und die Metallisierungsschicht 36 gebildet sind, der Bildung von Kristallkeimen widerstehen, bilden sich die Kristallkeime nur in den Kristallisationskeimbildungsfenstern 22 - 26. Der Fluß von Reaktanten in den metallorganischen Dampfphasenepitaxiereaktor wird dann geändert, um die erste Halbleiterschicht 28 auf zuwachsen, die sich von den Keimkristallen in den Kristallisationskeimbildungsfenstern 22 - 26 beginnend aufbaut. Der Fluß von Reaktanten bzw. Reaktionspartnern wird dann wieder geändert, um die zweite Halbleiterschicht 30 aufzuwachsen. Eine letzte Änderung des Flusses von Reaktionspartnern erlaubt dann das Aufwachsen der dritten Halbleiterschicht 38. Schließlich wird die Antireflexionsschicht 40 auf der dritten Halbleiterschicht 38 mittels Vakuumverdampfung außerhalb des metallorganischen Dampfphasenreaktors gebildet. Folglich wird klar, daß die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren von Infrarotstrahlung bereitstellt, in der das Infrarotmaterial gewählt werden kann, um die Infrarotdetektion zu optimieren, während das Signalverarbeitungsmaterial gewählt werden kann, um die Signalverarbeitungsschaltkreise zu optimieren.
Claims (17)
1. Monolithische Struktur zum Detektieren infraroter
Strahlung mit:
einem Substrat (12) mit darin integrierten
Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen (14),
wobei das Substrat aus einem Material gebildet ist, das
aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Galliumarsenid
oder Germanium ausgewählt ist;
einer ersten Halbleiterschicht (28) von einem
ersten Leitfähigkeitstyp, die auf dem Substrat (12) aus
einem Material aufgewachsenen ist, das aus der Gruppe
bestehend aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid,
Quecksilber-Zink-Tellurid, Quecksilber-Cadmium-Selenid,
Quecksilber-Zink-Selenid, Quecksilber-Cadmium-Sulfid,
Quecksilber-Zink-Sulfid, Blei-Zinn-Tellurid,
Blei-Zinn-Selenid, Blei-Zinn-Sulfid, lndium-Arsenid-Antimonid,
Gallium-Indium-Antimonid und Gallium-Antimonid-Arsenid
ausgewählt ist;
einer ersten Passivierungsschicht (16), die
zwischen dem Substrat (12) und der ersten
Halbleiterschicht (28) angeordnet ist;
einer Mehrzahl von
Kristallisationskeimbildungsfenstern (22, 24, 26), die in der ersten
Passivierungsschicht (16) angeordnet sind und die Bildung der ersten
Halbleiterschicht (28) steuern, wobei wenigstens eines
der Kristallisationskeimbildungsfenster die elektrische
Kommunikation zwischen der ersten Halbleiterschicht
(28) und den Auslese- und
Signalverarbeitungsschaltkreisen (14) erlaubt;
einer Mehrzahl von in den
Kristallisationskeimbildungsfenstern (22, 24, 26) geformten Keimkristallen,
wobei die Keimkristalle aus einem Material gebildet
sind, das aus der Gruppe bestehend aus
Quecksilbertellurid, Quecksilberselenid, Quecksilbersulfid,
Bleitellurid, Bleiselenid, Bleisulfid und Grauzinn
ausgewählt ist; und
einer zweiten auf der ersten Halbleiterschicht
(28) aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht (30) von
einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die erste und
die zweite Halbleiterschicht ausgelegt sind, den
Auslese- und Signalverarbeitungsschaltkreisen (14)
elektrische Signale als Antwort von durch die erste
(28) und zweite (30) Halbleiterschicht empfangene
Infrarotstrahlung zuzuführen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine
zweite Passivierungsschicht (18), die zwischen der
ersten Passivierungsschicht (16) und und der ersten
Halbleiterschicht (28) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die zweite
Halbleiterschicht (30) sich über die erste Halbleiterschicht
(28) erstreckt, um die zweite Passivierungsschicht (18)
zu kontaktieren, wobei die zweite Passivierungsschicht
(18) ausgewählt ist, um für die erste und die zweite
Halbleiterschicht (28, 30) Passivierung
bereitzustellen.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
3, worin die Kristallisationskeimbildung der ersten
Halbleiterschicht (28) nur in den
Kristallisationskeimbildungsfenstern (22, 24, 26) geschieht.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
4, desweiteren eine dritte auf der zweiten
Halbleiterschicht (30) angeordnete Halbleiterschicht (38)
umfassend, wobei die dritte Halbleiterschicht (38) eine
Verringerung der Obeflächenrekombinationsgeschwindigkeit
der freien Ladungsträger in der zweiten
Halbleiterschicht (30) bewirkt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dewseiteren umfassend eine
auf der dritten Halbleiterschicht (38) aufgebrachte
Schicht (40) aus einem Anti-Reflexionsmaterial, wobei
das Anti-Reflexionsmaterial einen Brechungsindex
aufweist, der zwischen dem von Luft und dem der dritten
Halbleiterschicht (38) liegt.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
6, worin die erste, zweite und dritte Halbleiterschicht
(28, 30, 38) mittels metallorganischer
Gasphasenepitaxie aufgewachsen sind.
8. Verfahren zum Detektieren von Infrarotstrahlung mit:
Ausbilden von einer ersten (28) und einer zweiten (30)
Schicht aus Halbleitermaterial durch Züchten von
Keimkristallen in Kristallisationskeimbildungsfenstern
(22, 24, 26) einer ersten Passivierungsschicht (16),
die auf einem Substrat (12) angeordnet ist, wobei die
Keimkristalle aus einem Material gebildet sind, das aus
der Gruppe bestehend aus Quecksilbertellurid,
Quecksilberselenid, Quecksilbersulfid, Bleitellurid,
Bleiselenid, Bleisulfid oder Grauzinn ausgewählt sind;
die erste Schicht (28) und die zweite Schicht (30)
einer Infrarotstrahlungsquelle aussetzen, wobei die
erste und die zweite Halbleiterschicht aus einem
Material geformt sind, das aus der Gruppe bestehend aus
Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Quecksilber-Zink-
Tellurid, Quecksilber-Cadmium-Selenid, Quecksilber-
Zink-Selenid, Quecksilber-Cadmium-Sulfid, Quecksilber-
Zink-Sulfid, Blei-Zinn-Tellurid, Blei-Zinn-Selenid,
Blei-Zinn-Sulfid ausgewählt ist;
Erzeugen eines Photostroms in der ersten (28) und
zweiten (30) Schicht aus Halbleitermaterial;
Erfassen des Photostroms mittels in dem Substrat (12),
auf dem die erste und die zweite Halbleiterschicht (28,
30) aufgewachsen sind, angeordneten Auslese- und
Signalverarbeitungsschaltkreisen (14), wobei das
Substrat (12) aus einem Material aus der Gruppe
bestehend aus Silizium, Galliumarsenid und Germanium
ausgewählt ist; und
Bewirken von elektrischer Kommunikation zwischen der
ersten Halbleiterschicht (28, 30) und den Auslese- und
Signalverarbeitungsschaltkreisen (14) über wenigstens
eines der Kristallisationskeimbildungsfenster.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die erste Schicht (28)
aus Halbleitermaterial, die zweite Schicht (30) aus
Halbleitermaterial und das Substrate (12) eine
monolithische Struktur umfassen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin die erste
Passivierungsschicht (16) von der zweiten Schicht (30) aus
Halbleitermaterial durch eine zweite
Passivierungsschicht (18) getrennt ist.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10,
mit dem zusätzlichen Schritt die
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von freien Ladungsträgern durch
Aufbringen einer dritten Schicht (38) aus
Halbleitermaterial auf der zweiten Schicht (30) aus
Halbleitermaterial zu verringern.
12. Verfahren nach Anspruch 11, desweiteren mit dem
zusätzlichen Schritt zu erlauben, daß Infrarotstrahlung
eine Schicht (40) aus Anti-Reflexionsmaterial, das
einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von
Luft und dem der dritten Halbleiterschicht (38) liegt,
durchdringt.
13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12,
worin die erste, zweite und dritte Halbleiterschicht
(28, 30, 38) mittels metallorganischer
Gasphasenepitaxie gebildet werden.
14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 13,
worin die Keimkristalle in den
Kristallisationskeimbildungsfenstern (22, 24, 26)
mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie gebildet
werden.
15. Feldanordnung aus monolithischen Strukturen (10) zum
Detektieren von infrarotstrahlung, wobei jeder der
monolithischen Strukturen (10) eine Vorrichtung nach
wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
16. Feldanordnung nach Anspruch 15, worin eine Mehrzahl von
Passivierungsschichten (16, 18) zwischen dem Substrat
(12) und der ersten Schicht (28) aus Halbleitermaterial
jeder der monolithischen Strukturen (10) angeordnet
sind.
17. Feldanordnung nach Anspruch 15 oder 16, worin jede
monolithische Struktur (10) weiter einen ohmschen
Kontakt (20) aufweist, der die elektrische
Kommunikation zwischen der ersten und zweiten
Halbleiterschicht (28, 30) und den Auslese- und
Signalverarbeitungsschaltkreisen (14) erlaubt.
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