DE4101389C2

DE4101389C2 - Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, Halbleiter-Strahlungsdetektor zur Durchführung des Verfahrens und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Strahlungsdetektors

Info

Publication number: DE4101389C2
Application number: DE4101389A
Authority: DE
Inventors: Klaus V Prof Dr Klitzing; Gerhard Mueller; Edgar Diessel; Dieter Weiss
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1991-01-18
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: JPH06109534A; US5332911A; DE4101389A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Ferninfrarotbereich, sowie einen Halbleiter-Strahlungsdetektor zur Durchführung des Verfahrens und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Strahlungsdetektors.

Zur Ermittlung bzw. Beobachtung von elektromagnetischen Strahlungen im Bereich des Ferninfrarot (50 µm-1000 µm) gehören zwei Arten von Detektoren zum Stand der Technik. Die erste Art umfaßt Si- und Ge-Bolometer, bei denen der Detektionsmechanismus auf nichtresonanter Wärmeabsorption bei tiefen Temperaturen T bei etwa 1,6 K beruht. Solche Bolometer haben eine Zeitkonstante, d. h. zeitliche Resolution von etwa 1 msec und eine äquivalente Rauschleistung (NEP) von etwa 10^-14 Watt/. Spezielle Bolometer dieser Art sind von der Firma Infrared Laboratories, Inc. Tucson, Arizona, USA erhältlich.

Die zweite Art von Ferninfrarotdetektoren sind pyroelektri sche Detektoren, bei denen die Detektionsmethode auf einer nichtresonanten Erwärmung eines pyroelektrischen Kristalls bei Zimmertemperatur beruht. Hier liegt die Zeitkonstante bei etwa 0,2 ms und die äquivalente Rauschleistung bei 8×10^-10 Watt/. Solche Detektoren sind im Handel erhältlich, beispielsweise in Form des Modells 404 von Eltec Instruments S.A., Zürich, Schweiz.

Die schwerwiegendsten Nachteile von Si- und Ge-Bolometern bestehen in der auf nichtresonanter Wärmeabsorption beruhenden fehlenden Abstimmbarkeit und der aus gleichem Grund großen Zeitkonstante. Der Wert von 1 ms erlaubt keine zeitlich hoch auflösende Spektroskopie. Zur physikalischen Detektion von Ferninfrarotstrahlungen ist eine sehr viel kleinere Zeitkonstante erwünscht. Bolometer sind weiterhin, bedingt durch ihre Größe und dem verwendeten Konstruktionsprinzip, auf einem Chip nicht integrierbar. Auch läßt die mechanische Stabilität von Bolometerkonstruktionen zu wünschen übrig.

Analog zu den Bolometern sind pyroelektrische Detektoren für spektroskopische Zwecke relativ ungeeignet, da sie nicht durchstimmbar sind.

Auch bei pyroelektrischen Detektoren erlaubt das Material und das Konstruktionsprinzip keine Integration mit einer Auswerteelektronik auf einem Chip. Der Detektor reagiert nur auf eine wechselnde Strahlungsintensität und kann daher nur moduliert betrieben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung bzw. einen neuartigen Strahlungsdetektor vorzusehen, der insbesondere für den Ferninfrarotbereich, aber auch für kürzere und längere Wellenlängen geeignet ist, der in Halbleitertechno logie realisiert werden kann, so daß die Integration auf einen Chip, beispielsweise zusammen mit der erforderlichen Auswerteelektronik möglich ist. Weiterhin soll der Detektor im Vergleich zu den bekannten Detektoren eine höhere äquivalente Rauschleistung und eine kürzere Zeitkonstante aufweisen und er soll vorzugsweise auch durchstimmbar sein und/ oder so ausgelegt, daß Strahlungen verschiedener Wellenlängen mit einer Detektoreinheit feststellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren des Anspruches 1 vorgesehen.

Vorrichtungsmäßig betrifft die vorliegende Erfindung einen Halbleiterstrahlungsdetektor zur Durchführung dieses Verfahrens mit schichtweisem Aufbau und einem ein zweidimensionales oder quasi-eindimensionales Elektron- oder Lochgas aufweisenden leitfähigen Bereich, in dem wenigstens bereichsweise ein adiabatischer Transport in Randzuständen (auch Randkanäle genannt) stattfindet, sowie mit mindestens zwei Kontakten zu diesem leitfähigen Bereich, wobei der Transport in den Randzuständen durch Wechselwirkung mit der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung gestört wird, d. h. eine Erhöhung der Streurate zwischen den Randzuständen verursacht wird, welche zu einer Änderung des zwischen den Kontakten meßbaren Widerstands führt, was mit bekannten Meßverfahren feststellbar ist.

Adiabatischer Transport in zweidimensionalen Elektronengasen (2DEG) und die eintretende Widerstandsänderung beim Übergang zu sogenanntem äquilibrierten Transport ist für sich bekannt und beispielsweise in dem Aufsatz "Randkanäle und die Rolle von Kontakten im Quantum Hall-Bereich" in Physical Review B, Band 42, Nr. 12 vom 15. Oktober 1990 von G. Müller, D. Weiß, S. Koch und K. von Klitzing sowie H. Nickel, W. Schlapp und R. Lösch beschrieben. Dort wurde die Widerstandsänderung durch die Anbringung von geeigneten Spannungen an den vorgesehenen Gateelektroden realisiert, was zu einer Änderung der Füllfaktoren und damit der Zahl der besetzten Randkanäle (Randzustände) unterhalb der Gateelektroden führt, und zwar unabhängig von Füllfaktor im vom Gate nicht beeinflußten Material.

Wie im genannten Aufsatz zu lesen ist, wurde das Landauer-Büttiker-Modell in jüngster Zeit erfolgreich im Zusammenhang mit dem Quantum Hall-Effekt angewandt, um die auftretenden quantisierten Widerstandswerte zu erläutern. Innerhalb dieses Modells wird der Transport in starken Magnetfeldern und bei niedrigen Temperaturen durch eindimensionale Kanäle an den Rändern des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) bestimmt. Diese Randkanäle werden am Ort des Schnittpunktes des Fermi-Energieniveaus mit den nach oben gebogenen Landau-Niveaus an den Rändern des Bauteils gebildet. Klassisch betrachtet, entsprechen diese Randzustände kreisartigende Trajektorien, welche sich an entgegengesetzten Seiten der Probe in entgegengesetzten Richtungen entlang der Ränder bewegen. Die Anzahl der besetzten Randkanäle ist durch den Füllfaktor im 2DEG bestimmt. Ein Nettostrom I fließt aufgrund des Unterschiedes des elektrochemischen Potentials Δ µ zwischen beiden Seiten der Hallstruktur. Rückstreuung von einer Seite der Probe zur anderen Seite ist in diesem Modell der Grund für den meßbaren endlichen Widerstand.

Das elektrochemische Potential der Randkanäle wird durch die Kontakte, den Strom, das Magnetfeld und die Gateelektroden bestimmt. Sind alle verfügbaren Randzustände besetzt bis zum gleichen elektrochemischen Potential (auf einer Seite der Probe), wobei jede den gleichen Strom führt, so spricht man von äquilibriertem Transport. Dagegen bezeichnet man Transport mit einer ungleichen Verteilung des Stroms zwischen den Randkanälen als adiabatischen Transport. Der gemessene Widerstand ändert sich, je nach dem ob der Transport adiabatisch oder äquilibriert ist. Die Messung dieses Widerstands kann beispielsweise als eine übliche 4-Punkt-Widerstandsmessung vorgenommen werden, wie im zitierten Aufsatz nachzulesen ist. Auch ist eine 2-Punkt-Widerstandsmessung möglich.

Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung ist daher das Konzept des adiabatischen Transports (Abwesenheit von Streuung zwischen selektiv besetzten eindimensionalen Randzuständen) in hochbeweglichen zweidimensionalen Elektronen und Lochgasen. Der Erfindung liegt aber die besondere Erkenntnis zugrunde, daß die Absorption von Photonen (Photonenenergie ungefähr gleich der Zyklotronresonanzenergie) in einem Halbleiterbauteil dieser Art zu einer Ankopplung der selektiv besetzten Randkanäle führt, d. h. zu einem Übergang von adiabatischem zu äquilibriertem Transport, was sich in einer starken Änderung des Widerstands auswirkt, wobei diese für den Nachweis der eintretenden Strahlung ausgewertet werden kann. Die Bedingungen für einen adiabatischen Transport bei tiefen Temperaturen, kann z. B. mittels Schottky-Gates realisiert werden.

Das hier beschriebene erfindungsgemäße Konzept ist bereits erfolgreich an AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen getestet worden und es ist nachgewiesen worden, daß Ferninfrarotdetektion mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor möglich ist. Die Zeitkonstante der mit dem erfindungsgemäßen Strahlungs detektor durchgeführten Messungen, liegen um mindesten einen Faktor 1000 niedriger als die Zeitkonstante von bekannten Si- und Ge-Bolometern, so daß eine zeitlich hoch auflösende Spektroskopie mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor möglich ist. Die Empfindlichkeit ist um mindestens eine Größenordnung besser als die Empfindlichkeit von den pyroelektrischen Detektoren, so daß erfindungsgemäße Detek toren bestens für Ferninfrarotastronomie, Ferninfrarotfest körperspektroskopie, Ferninfrarotmolekülspektroskopie und zeitaufgelöste Ferninfrarotspektroskopie geeignet ist. Auch sind Anwendungsmöglichkeiten für ortsaufgelöste Ferninfra rotdetektion in Sicht. Weiterhin ist ein Strahlungsdetektor nach der Erfindung geradezu prädestiniert für Integration auf einem Chip (Auswerteelektronik und Detektor auf einem GaAs-Chip).

Obwohl der Betrieb des erfindungsgemäßen Detektors ohne angebrachtem Magnetfeld denkbar wäre (bei lateraler Kanaleinengung, welche später erläutert wird), zeichnet sich eine besonders bevorzugte praktische Ausführung durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes aus, welches wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zum Elektronen- bzw. Lochgas, d. h. zu den Schichten des Halbleiterbauelements anlegbar ist. Im unbestrahlten Zustand des Detektors bewirkt das Magnetfeld nämlich eine Verminderung der Streuung zwischen den Randzuständen, so daß die auftretende Widerstandsänderung beim Übergang in den bestrahlten Zustand noch höher ausfällt. Bei Verwendung des Halbleiterstrahlungsdetektors zur Feststellung einer Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge liegt die Stärke der genannten Komponente des Magnetfeldes im Bereich bis zu etwa 15 Tesla, insbesondere bei etwa 3 Tesla.

Durch Änderung der Stärke der genannten Komponente des Magnetfeldes wird die Frequenzempfindlichkeit des Strahlungs detektors verschoben. Mit anderen Worten ist der erfindungs gemäße Halbleiterstrahlungsdetektor durchstimmbar. Eine besondere Ausführungsform eines solchen Halbleiterstrahlungs detektors zeichnet sich daher dadurch aus, daß eine Einrich tung zur Veränderung der Stärke des Magnetfeldes bzw. der genannten Komponente desselben vorgesehen ist.

Die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds ist vorzugs weise eine Spule, wobei der leitfähige Bereich des Detektors vorzugsweise quer zur Achse der Spule in unmittelbarer Nähe der Spule und somit in einem homogenen Magnetfeld liegt. Die Spule ist vorzugsweise eine supraleitende Spule.

Der Halbleiterstrahlungsdetektor der Erfindung muß nämlich bei tiefen Temperaturen betrieben werden, beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 4K, vorzugsweise bei etwa 1,3K, so daß die Betriebstemperatur bereits so niedrig ist, daß su praleitende Materialien, ohne zusätzlichen nennenswerten Auf wand, verwendet werden können. Solche supraleitenden Spulen haben zudem den Vorteil, daß die Wärmeentwicklung im wesent lichen Null ist, so daß der für diese tiefen Temperaturen er forderliche Kryostat nicht unnötig belastet wird. Der Strom in der supraleitenden Spule kann bei Inbetriebnahme des De tektors einmalig induziert werden, und bleibt dann bis zur Fertigstellung der Messungen in der Spule erhalten.

In der einfachsten Ausführung zeichnet sich der Halbleiter strahlungsdetektor der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß die genannten Kontakte durch einen ersten und einen zwei ten Kontakt gebildet sind, welche im Abstand voneinander an jeweiligen Enden des leitfähigen Bereiches vorgesehen sind, wobei wenigstens eine Gatelektrode vorgesehen ist, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt angeordnet ist und den leitfähigen Bereich über einen Teil seiner Länge überdeckt.

Die Kontakte dienen für die Durchführung der erforderlichen Widerstandsmessung, während die Gateelektrode den Füllfaktor in dem darunterliegenden Teil des leitfähigen Bereiches bestimmt. Noch besser ist es eine zweite Gateelektrode vorzusehen, welche im Abstand von der ersten Gateelektrode ebenfalls den leitfähigen Bereich über einen weiteren Teil seiner Länge überdeckt, wobei der adiabatische Transport zwischen den Gates realisiert wird.

Von Vorteil ist es, wenn mindestens eine weitere Gateelektrode und vorzugsweise mehrere Gateelektroden in regelmäßigem Abstand über die Länge des leitfähigen Bereiches angeordnet sind und vorzugsweise alle die gleiche Spannung aufweisen, beispielsweise dadurch, daß sie aneinander angeschlossen sind. Durch die Mehrzahl von Gatelektroden wird die eintretende Widerstandsänderung und daher auch die Empfindlichkeit des Detektors erhöht.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gateelektroden eine periodisch angelegte Gatestruktur bilden, welche dann als Gitterkoppler dient, und eine ausgeprägte Widerstandsän derung durch Ankopplung der Randzustände Magnetoplasmonen bewirkt.

Durch Anbringung einer vorbestimmbaren Spannung an eine zusätzliche, auf der Probenrückseite angebrachte Gateelektrode, kann dann der Detektor durch den vorgesehenen Frequenzbereich durchgestimmt werden. Dies stellt daher eine Alternative zu dem Erreichen der Durchstimmbarkeit durch Änderung des Magnetfeldes dar. Es kann aber auch nützlich sein, sowohl die Gatespannung als auch die Stärke des Magnetfeldes zu verändern.

Obwohl lediglich zwei ohm′sche, d. h. ungeordnete Kontakte schließlich ausreichen, um den Widerstand des leitfähigen Bereiches zu messen, sind vorzugsweise zwei weitere Kontakte vorgesehen, wodurch eine an sich bekannte 4-Punkt-Messung des Widerstandes des leitfähigen Bereiches durchgeführt werden kann. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht.

Es können mit Vorteil mehrere erfindungsgemäße Detektoren auf einem Chip aufgebaut werden. Hierdurch ist es beispiels weise möglich, eine gewisse Redundanz zu schaffen, so daß beim Versagen des einen Detektors mittels einer geeigneten Schaltung auf einen weiteren Detektor umgeschaltet werden kann.

Besonders günstig ist es auch, wenn mehrere Detektoren auf einem Chip aufgebracht sind, und die einzelnen Detektoren zur Ermittlung von Strahlungen unterschiedlicher Wellen längen ausgelegt sind. Dies kann beispielsweise durch Verwen dung von Gatestrukturen mit unterschiedlichen Abmessungen oder Periodizität bei Ankopplung über Magnetoplasmonen und/oder durch Anbringung von unterschiedlichen Gatespannungen und/oder durch unterschiedliche Magnetfelder und/oder durch die Verwendung von nicht homogenen Magnetfeldern erreicht werden.

Wie bereits angedeutet, ist vorgesehen, daß auch die Einrichtung zur Durchführung der Widerstandsmessung und zur Anbringung von Steuerspannungen auf dem Chip integriert sind.

Die Spule zur Erzeugung des Magnetfelds kann ebenfalls auf dem Chip integriert werden, vorzugsweise in Form einer supraleitenden Schleife. Wichtig ist auch ein Fenster, welches der zu messenden Strahlung Zugang zu dem leitfähigen Bereich gestattet.

Obwohl der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor mit allen Halbleitersystemen zu realisieren ist, bei denen ein zweidi mensionales Elektron- oder Lochgas oder ein quasi-eindimen sionales Elektron- oder Lochgas realisiert werden kann, d. h. bei allen bekannten II-VI, III-V- oder IV-VI-Verbindungshalb leiter oder bei Silizium- oder Germanium-Halbleiter, wird dem GaAs/Al_xGa_1-xAs-Verbindungshalbleiter system der Vorzug gegeben. Ein Halbleiterstrahlungsdetektor nach diesem System ist gekennzeichnet durch den folgenden Schichtaufbau:

- auf einem GaAs-Substrat werden zunächst durch Epitaxie, vorzugsweise durch MBE, eine Pufferschichtanordnung und eine intrinsische, undotierte GaAs-Schicht mit einer Dicke im µm-Bereich aufgewachsen,
- auf diese letztere GaAs-Schicht wird ein undotierter Al_xGa_1-xAs-Spacer mit einer Schichtdicke im 10 nm-Bereich aufgewachsen,
- gefolgt von einer weiteren Schicht des gleichen Materials, jedoch mit einer Dotierung von Störstellen mit einer 3-D-Konzentration von vorzugsweise 2-7 10¹⁸ cm^-3, beispielsweise in Form einer homogenen Dotierung oder in Form einer Delta-Dotierung (beispielsweise nach dem US- Patent 48 82 609),
- wobei auf dieser dotierten Schicht eine Deckschicht von undotiertem GaAS aufgewachsen wird,
- und, nach erfolgter photolitographischer Begrenzung des leitfähigen Bereichs, bei der die unerwünschten Bereiche bis zu einer Höhe unterhalb des im Grenzbereich zwischen der undotierten GaAs-Schicht und dem Al_xGa_1-xAs-Spacer sich ausbildenden 2-D-Elektronengases entfernt werden, die Kontakte zu den 2DEG sowie die Gateelektrode(n) hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung, anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, in welcher zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsdetek tors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor der Fig. 1 nach erfolgter Ätzung und Anbringung der Kontakte und Gateelektroden,

Fig. 3 eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 2, jedoch von einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors,

Fig. 4 eine weitere Darstellung ähnlich der Fig. 2 und 3, jedoch von einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Strahlungsdetektors,

Fig. 5 eine schematische Darstellung von zwei auf einem Chip integrierten erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren,

Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich der Fig. 2 eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors, welcher zur Durchführung einer Hall-Widerstandsmessung ausgelegt ist,

Fig. 7 eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors ähnlich dem Detektor der Fig. 2, jedoch zur Durchführung einer 2-Punkt-Widerstandsmessung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors nach Fig. 5, jedoch in einem Kryostat eingebaut,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlendetektors mit einer einzigen Gateelektrode,

Fig. 10 eine abgewandelte Ausführung des Strahlungsdetektors gemäß Fig. 9,

Fig. 11 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors mit vier Kontakten, jedoch keine Gateelektrode,

Fig. 12 eine abgewandelte Ausführung des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors gemäß Fig. 11 mit einer einzigen Gateelektrode,

Fig. 13 eine Kurve zum Nachweis des adiabatischen Transports bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsde tektor,

Fig. 14 eine Kurve zur Darstellung der Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsdetektors,

Fig. 15 die induzierte Widerstandsänderung eines erfindungs gemäßen Halbleiterstrahlungsdetektors als Funktion des Meßstromes, diese Kurve zeigt wie das Maximum der Widerstandskurve b) der Fig. 14 vom Meßstrom abhängt, und

Fig. 16 den Verlauf des gemessenen Widerstandes

a) bei Photonenbestrahlung,
b) im unbestrahlten Zustand.

Fig. 1 zeigt zunächst den Schichtaufbau eines erfindungsge mäßen Halbleiterstrahlungsdetektors 2. Wie dort gezeigt, wird zunächst auf einem isolierenden GaAs-Substrat 10 eine Pufferschichtanordnung 12 mittels MBE aufgebaut, um ein sauberes Kristallgefüge zu verschaffen und zu verhindern, daß etwaige Verunreinigungen im Substrat sich in den aktiven Bereich des Halbleiters einschleichen. Solche Pufferschicht anordnungen sind bestens bekannt, und werden daher hier nicht näher erläutert. Auf die Pufferschichtanordnung 12 wird eine weitere Schicht 14 von undotiertem Galliumarsendid abgelagert, mit einer Schichtdicke von etwa 2 µm. Gefolgt ist diese Schicht 14 von einer Spacer-Schicht 16, bestehend aus undotiertem Al_0,25Ga_0,75As mit einer Schichtdicke von etwa 20 nm. Auf diese Spacer-Schicht wird dann eine weitere Schicht der gleichen Zusammensetzung ebenfalls durch MBE aufgebracht, d. h. eine Schicht aus Al_0,25Ga_0,75As mit einer Schichtdicke von beispielsweise 40 nm. Es handelt sich bei dieser Schicht 18 um eine dotierte Schicht, deren Aufgabe es ist, Ladungsträger in Form von Elektronen für die GaAs-Schicht 14 zur Verfügung zu stellen, so daß diese Elektronen ein zweidimensionales Elektronengas angrenzend an den Übergang zu der Spacer-Schicht 16 bilden. Zu diesem Zweck ist die Schicht 18 eine dotierte Schicht und kann beispielsweise eine homogen dotierte Schicht oder eine Schicht mit einer Dirac-Delta-Dotierung, so wie sie beispielsweise im US-Patent US 48 82 609 beschrieben ist. In beiden Fällen ist die Flächenkonzentration der Störatome (Silizium) ≈2 · 10¹³ cm^-2. Auf der Schicht 18 befindet sich dann eine Abschlußschicht aus undotiertem GaAs.

Nach Aufwachsen der verschiedenen Schichten durch MBE wird der Chip mittels an sich bekannter Photolitographieverfahren geätzt, um ein Halbleiterbauelement mit der Topographie, beispielsweise nach Fig. 2 zu erzeugen. Das Ätzverfahren wird so durchgeführt, daß der Chip bis zu dem Niveau 22 weggeätzt wird, d. h. zu einem Niveau unterhalb des 2DEG. Die geätzte Fläche ist mit schraffierten Linien in Fig. 2 (und auch in den weiteren Fig. 3 bis 8) dargestellt. Es verbleibt daher ein Balken 24 mit zwei in Fig. 2 nach unten ragenden Querschenkeln 26 und 28, wobei der Balken 24 links und rechts über die Schenkel 28 und 26 hinausragt. Da das zweidimensionale Elektronengas sich über den Balken 24 hinaus auf die Schenkel 26 und 28 erstreckt, besteht eine leitfähige Verbindung zwischen diesen Bereichen.

Als nächstes werden erste und zweite Kontakte 30 und 32 zu den jeweiligen Enden des Balkens und dritte und vierte Kontakte 34, 36 zu den jeweiligen freien Ende der Schenkel 26 und 28 sowie zwei Gateelektroden 38 und 40, welche im Abstand voneinander oberhalb des mittleren Bereichs des Balkens 24 angeordnet sind, vorgesehen. Es handelt sich bei den vier Kontakten 30, 32, 34, 36 um ohm′sche Kontakte aus Metall (AuGe/Ni) zu dem 2DEG. Die zwei Gates 38, 40 sind dagegen Schottky Gates, die jeweils aus einer 2 nm dicken Schicht aus einer NiCr-Legierung und einer 100 nm dicken Schicht aus Gold bestehen.

Die ohm′schen Kontakte werden während einer Wärmebehandlung in die Kristalle eindiffundiert. Die NiCr/Au-Schottky Gates werden anschließend auf dem Kristall aufgedampft.

Der Abstand d zwischen den Gateelektroden 38, 40 kann wesentlich kürzer sein als die zu detektierende Wellenlänge q, woraus ersichtlich ist, wie klein die Abmessungen des Bauelements selbst sein können. Bei dem gezeigten Beispiel betrug d = 50 µm. Die Elektronenkonzentration im 2DEG betrug 2.71·10¹¹/cm² und die Beweglichkeit wurde bei 560 000 cm²/Vs gemessen.

Im Betrieb wird das Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 und 2 in ein Kryostat bei einer Temperatur von vorzugsweise 1,3K gelegt und es wird über die Kontakte 30, 32, 34 und 36 eine 4-Punkt-Widerstandsmessung vorgenommen und zwar vorzugsweise in einem Magnetfeld, das in Pfeilrichtung 42 der Fig. 1 den leitfähigen Bereich des Balkens 24 durchdringt, d. h. ein Magnetfeld, das senkrecht zu der Ebene der Fig. 2 liegt.

Wenn die Stärke des Magnetfelds entsprechend den Zyklotron-Resonanzbedingungen an die zu detektierende Wellenlänge angepaßt ist, so wird eine ausgeprägte Widerstandsänderung zwischen dem unbestrahlten Zustand des Halbleiterstrahlungsdetektors (niedriger Widerstand) und dem bestrahlten Zustand (erhöhter Widerstand) festgestellt. Anstatt mit einer vorgegebenen Magnetfeldstärke zu arbeiten, kann man die Stärke des Magnetfelds ändern, beispielsweise im Bereich bis etwa 15 Tesla, wodurch der Detektor durchstimmbar wird, d. h. auf verschiedene Frequenzen abgestimmt werden kann. Es ist erforderlich, besondere Spannungen an die Gateelektroden 38, 40 anzulegen. Die Anlegung von solchen Spannungen ermöglicht eine Änderung der Zahl der besetzten Randzustände (Randkanäle) unterhalb der Gateelektroden, welche entsprechend der Theorie Auswirkungen auf den gemessenen Widerstand hat. Die Verwendung solcher Steuerspannungen ermöglicht daher eine Einstellung der Widerstandswerte in erwünschten Bereichen und vor allem eine ausgeprägte Widerstandsänderung zwischen den bestrahlten und unbestrahlten Zuständen.

Wie in dem genannten Aufsatz in Physical Review B, Band 42, Nr. 12 vom 15. Oktober 1990 angegeben ist, besteht der 4-Punkt-Widerstand in unbestrahltem Zustand aus:

wobei ν_g der Füllfaktor unterhalb der Schottky Gateelektroden ist und ν_b der Füllfaktor im Balkenbereich außerhalb der Gateelektroden, d. h. im ungegateten Bereich ist. Die Bezeichnungen R, h und e haben die übliche Bedeutung. Weiterhin ist ν durch folgende Gleichung angegeben:

ν = hN_s/eB (B)

wobei B die Stärke des Magnetfelds senkrecht zum 2DEG und N_s die Elektronendichte ist. Die oben angegebene Gleichung für den Widerstand gilt so lange, wie der Transport völlig adiabatisch ist. Bei Änderung dieses Transports in äquilibrierten Transport, d. h. im bestrahlten Zustand des Halbleiterstrahlungsdetektors gilt dann folgende Gleichung:

(wenn die Anzahl der Gateelektroden 2 ist).

Fig. 3 zeigt, daß die Erfindung keineswegs auf nur zwei Gateelektroden beschränkt ist. Daher werden in Fig. 3 drei Gateelektroden angewandt, die alle mit einer gemeinsamen Verbindungselektrode hergestellt sind, so daß alle Gateelektroden die gleiche Spannung aufweisen. Dies ist aber nicht erforderlich. Die Gateelektroden könnten mit unterschiedlichen Spannungen versehen werden, was durch Weglassen der Verbindungselektrode möglich ist.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung mit nunmehr vier Gateelektroden 38, 40, 44 und 48, die wiederum in diesem Beispiel über eine Verbindungselektrode 46 miteinander elektrisch verbunden sind.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel mit zwei erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsdetektoren, welche auf einem gemeinsamen Chip 1 ausgebildet sind. Dabei ist der Detektor 2 entsprechend dem Detektor der Fig. 2 ausgebildet, mit dem Unterschied, daß hier eine gemeinsame Verbindungselektrode 46 zwischen den beiden Gateelektroden 38 und 40 vorgesehen ist. Der zweite Halbleiterstrahlungsdetektor 3 ist in etwa entsprechend den Strahlungsdetektoren der Fig. 3 und 4 ausgebildet, jedoch mit fünf Gateelektroden 38, 40, 44, 48 und 50 versehen, wobei die Anzahl der Gateelektroden weitaus höher als fünf ohne Einschränkung liegen kann. Auch diese Gateelektroden sind durch eine gemeinsame Elektrode 46 miteinander verbunden.

Man merkt, daß die beiden Strahlungsdetektoren 2 und 3 einen gemeinsamen Schenkel 28 haben, d. h. es ist nicht notwendig, für jeden Detektor einen getrennten Schenkel 28 vorzusehen. Es ist ebenfalls nicht notwendig, für jeden Detektor erste und zweite Kontakte vorzusehen, sondern erste und zweite Kontakte 30 und 32 können den beiden Detektoren gemeinsam sein, so wie hier gezeigt. Zur Messung des 4-Punkt-Wider standes für den Detektor 2 werden daher bei der Ausführung der Fig. 5 die Kontakte 30, 34, 36 und 32 herangezogen. Zur Messung des 4-Punkt-Widerstandes für den Detektor 3 werden die Kontakte 30, 32, 36 und 52 herangezogen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Besonderheit. Die Gateelektroden 38, 40, 44, 48, 50 mit der gemeinsamen Verbindungselektrode 46 bilden eine periodische Gatestruktur, welche unter dem Einfluß des verwendeten Magnetfeldes zu einer Anregung durch die zu detektierende Strahlung von sich in der Struktur ausbildenden Magnetoplasmonen führt. Durch die Ankoppelung der Randzustände über Magnetoplasmonen wird eine ausgeprägtere Widerstandsänderung verursacht, so daß die Empfindlichkeit der Messung erhöht wird.

Eine alternative Messung ist mit der Anordnung gemäß Fig. 6 möglich, bei der der Halbleiterstrahlungsdetektor zur Durchführung einer Messung des Hallwiderstandes ausgelegt ist, entsprechend dem Vorschlag im genannten Aufsatz im Physical Review B, Band 42, Nr. 12 vom 15. Oktober 1990. Hier sind zusätzlich zu den Gateelektroden 38 und 40 der Fig. 2 zwei weitere Gateelektroden 54 und 56 vorgesehen, welche ebenfalls als Schottky-Elektroden ausgebildet, und auf jeweilige Schenkel 58, 60 eines Querbalkens 62 angeordnet sind, wobei sich das zweidimensionale Elektronengas vom Balken 24 in die Schenkel 58, 60 des Querbalkens 62 hineinerstreckt. An den freien Enden der jeweiligen Schenkel sind zwei weitere Kontakte 64 und 66 vorgesehen, die bei der Widerstandsmessung als Hall-Fühler dienen. Die weiteren Gateelektroden 54 und 56 dienen dazu, die Hall-Fühlkontakte 64, 66 elektrisch an- oder abzukoppeln.

Eine weniger genaue, aber auch weniger aufwendige Lösung zur Messung des Widerstandes des leitfähigen Bereiches 24 ist in Fig. 7 gezeigt. Der Halbleiterstrahlungsdetektor der Fig. 7 verfügt nämlich über nur zwei Kontakte 30 und 32, die an jeweiligen Enden des Balkens 24 angeordnet sind. In diesem Fall sind zwei Gateelektroden 38 und 40 vorgesehen, was aber keine Einschränkung darstellt. Es kann lediglich eine Gateelektrode vorgesehen werden, und es können aber auch mehrere, entsprechend der Fig. 5, zu einer periodischen Gatestruktur zusammengeschlossen werden. Wesentlich ist das ein freier Teil des leitfähigen Bereichs vorliegt, d. h. ein Teil dieses Bereiches, der nicht von einer Gateelektrode abgedeckt ist.

Fig. 8 zeigt schematisch den Einbau des Halbleiterdetektors der Fig. 5 in einen Kryostat. Der Chip 1 ist auf eine stabile Halterung 70 montiert, unterhalb eines Fensters 72, welche die zu detektierende Strahlung zu dem Halbleiterstrah lungsdetektor durchläßt. Wenn der Detektor von einem Satelliten oder einem Raumfahrzeug getragen wird, so ist ein Kryostat nicht mehr erforderlich, da die Betriebstemperatur im Weltraum bei etwa 1K liegt.

Der Chip 1 ist innerhalb oder direkt unterhalb einer Spule 74 in Form einer geschlossenen Schleife angeordnet, welche aus einem Material besteht, das bei der Betriebstemperatur des Kryostats supraleitend ist. Um einen Strom in diese supraleitende Schleife zu induzieren, erstreckt sich ein Leiter 76 senkrecht zu der Ebene der Schleife innerhalb desselben. Der Leiter 76 ist über zwei Zuleitungen 78 und 80 an einer Elektronik 82 angeschlossen, welche über die Leitung 84 von einem Netzteil 86 mit Strom versorgt wird. Der Leiter 76 in Verbindung mit der elektronischen Steuerung 82 ist im Stande in an sich bekannter Art und Weise einen Strom in die supraleitende Schleife 74 zu induzieren und auch zu variieren. Auf diese Weise kann das Magnetfeld B senkrecht zu der Ebene der Schleife 74, d. h. senkrecht zu der Fläche des Chips 1 variiert werden, um den Detektor durchzustimmen.

Die Kontaktelektroden und Gateelektroden der Detektoren 2 und 3 sind über Leitungen ebenfalls an die Elektronik 82 angeschlossen, welche die notwendigen Steuerspannungen anbringt und die Widerstandsmessungen durchführt. Die Ergebnisse der Widerstandsmessung werden über die Leitung 88 von einem Computer 90 aufgenommen, welcher die Widerstandswerte weiterverarbeiten kann. Die Ergebnisse der Verarbeitung durch den Computer werden auf dem Bildschirm 92 angezeigt und können ggf. ausgedruckt und gespeichert werden.

An dieser Stelle sollen einige besondere Varianten des Anmeldungsgegenstandes näher erläutert werden. Es ist bereits erwähnt worden, daß es im Prinzip möglich ist, erfindungsgemäße Ferninfrarotdetektoren im Bereich des adiabatischen Transports auch ohne Magnetfeld zu betreiben. Voraussetzung dafür ist, daß die laterale Breite des zweidimensionalen Systems (der geätzte Mesa-Berg) so klein wird, daß aus dem zweidimensionalen System ein quasi-eindimensionales System wird. Für diesen Fall übernehmen die eindimensionalen Subbänder die Funktion des Landau-Niveaus. Anstatt dem Abstand des Landau-Niveaus, das gleich der Zyklotronenergie ist, ist der energetische Abstand der eindimensionalen Subbänder allein durch die jetzt sehr starke laterale Einengung des Systems bestimmt. Die prinzipielle Geometrie mit zwei Gates, beispielsweise nach der Fig. 2 kann man beibehalten. Statt der Ferninfrarotresonanz bei der Zyklotronenergie würde man nun eine Resonanz bei sehr niedrigen Frequenzen beobachten, deren energetische Lage durch die laterale Eingrenzung des ursprünglich zweidimensionalen Systems bestimmt wird.

Man kann ausgezeichnete erfindungsgemäße Ferninfrarotde tektoren mit nur einem Gate realisieren. Hierfür gibt es zwei besondere Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit ist in Fig. 9 gezeigt.

Die Ausführung gemäß Fig. 9 ist der der Fig. 7 sehr ähnlich, nur ist lediglich eine, vorzugsweise mittig angeordnete Gateelektrode 38 vorgesehen, welche als semitransparentes Gate ausgebildet ist. Dieses Gate liegt über einem streifenartigen Mesa-Berg mit parallelen Seitenkanten und ist als Schottky-Gate ausgebildet. Die Bezugszeichen 30 und 32 deuten auch hier auf ohm′sche Kontakte hin, die zur Durchführung einer Zwei-Punkt-Widerstandsmessung erforderlich ist. Die Anordnung könnte aber auch entsprechend der Fig. 2 getroffen werden, mit weiteren Kontakten 34, 36, zwecks Durchführung einer Vier-Punkt-Widerstandsmessung. Semitransparente Gateelektroden sind bekannt und werden durch die Anwendung von dünnen Gateschichten erreicht.

Bei diesem Beispiel wird ein Füllfaktor von zwei im ungegateten Bereich erreicht, während der Füllfaktor im gegateten Bereich vier ist, was durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gate erreicht wird.

Wie bei den anderen Strukturen ist auch hier durch Einstrahlung von Photonen mit der Zyklotronenergie eine Ankopplung der beiden (unter dem Gate) kreisenden Randzustände an die beiden transmittierten Randzustände möglich. Ohne Ankopplung hat man adiabatischen Transport, mit Ankopplung äquilibrierten Transport. Der Übergang vom adiabatischen zum äquilibrierten Transport macht sich wieder in einer Widerstandsänderung bemerkbar.

Die zweite Möglichkeit ist in Fig. 10 gezeigt und ist zumindest in ihren Grundzügen der Ausführung nach Fig. 9 ähnlich. Genauer gesagt, wird die Ausführung gemäß Fig. 9 in folgender Art und Weise modifiziert. Zunächst wird ein Loch, vorzugsweise ein rechteckiges Loch 100 in das zweidimensionale System, d. h. im Streifen 24 weggeätzt. Zusätzlich zu den Kontakten 30 und 32 wird ein dritter Kontakt 34 vorgesehen, welcher jetzt mittig im Balken 24 plaziert wird und einen Kontakt zu dem 2DEG realisiert. Eine Gateelektrode 38 wird dann über den mittleren Bereich des leitenden Balkens 24 gelegt und weist eine Aussparung, beispielsweise in Form eines Schlüssellochs 102 auf, so daß der dritte Kontakt 34 innerhalb des quadratischen Teils des Schlüssellochs 102 liegt. Es soll ein Freiraum um den dritten Kontakt 34 herum innerhalb des Schlüssellochs vorliegen. Die genaue Gestalt der Aussparung ist nicht kritisch, sie könnte auch quadratische Form aufweisen. Man merkt, daß sich das weggeätzte Rechteck 100 vom dritten Kontakt 34 bis unterhalb der Gateelektrode 38 erstreckt.

Der Strom I fließt zwischen den Kontakten 30, 32 während eine Spannung U 34, 32 zwischen dem dritten Kontakt 34 und dem zweiten Kontakt 32 angelegt wird. Es entstehen im ungegateten Bereich ein Füllfaktor 4 und unterhalb dem gegateten Bereich ein Füllfaktor 2.

Wie bei Fig. 9 führt auch hier die Ferninfraroteinstrahlung bei der Zyklotronenergie zum Übergang vom adiabatischen zum äquilibrierten Transport. Dies macht sich wiederum in einer Widerstandsänderung von 30, 32; 34, 32 bemerkbar. Die in dieser Anmeldung genannten Formeln gelten für diese Geometrie nicht, es lassen sich allerdings analoge Formeln aufstellen. Sowohl die Ausführung gemäß Fig. 9 als auch die Ausführung gemäß Fig. 10 sind für den Betrieb mit einem senkrecht zur Zeichnungsebene angelegten Magnetfeld gedacht.

Neben den bisher vorgestellten Methoden mit einem oder mehreren Gates, gibt es auch eine Möglichkeit, was für die vorgesehenen Anwendungen sehr interessant ist, eine Struktur ohne jedwedes Gate zu verwenden. Ein solches Beispiel ist in Fig. 11 gezeigt und ist dem Beispiel gemäß Fig. 3 sehr ähnlich, nur wird die Gatestruktur 38, 44, 40 und 46 fortgelassen.

Es handelt sich auch hier um ein hochbewegliches 2DEG. Gemessen wird R_{30, 32; 34, 36}, wie bei den anderen Strukturen auch. Eine derartige Struktur ist sehr empfindlich auf Zyklotronresonanzphotonen in folgende Füllfaktorbereichen, und damit auch Magnetfeldbereichen:

7 <ν <6
5 <ν <4
3 <ν <2

Innerhalb dieser drei Frequenzfenster ist auch jetzt wieder der Detektor über das Magnetfeld durchstimmbar. Auch hier handelt es sich bei dem physikalischen Prozeß um einen Übergang zwischen adiabatischem und äquilibriertem Transport. Diese Identifizierung des physikalischen Prozesses ergibt sich aus der gleichen Strom- und Temperaturabhängigkeit des Widerstandes R_{30, 32; 34, 36} in diesen drei Magnetfeldfenstern, wie die des adiabatischen Transports, wie in [11] beschrieben ist.

Der Nachteil dieses Detektors, nämlich, daß es hier nur drei Fenster gibt, die sich nicht überlappen, und damit der Detektor nicht kontinuierlich mit dem Magnetfeld durchstimmbar ist, läßt sich umgehen, indem man eine zusätzliche Gatelektrode anbrigt. Dieses zusätzliche Gate hat die Funktion die Trägerdichte zu ändern. Durch Ändern der Trägerdichte verschieben sich die drei Füllfaktorfenster, an denen der Detektor sensitiv ist, zu höheren oder niedrigeren Magnetfeldern, je nach dem Vorzeichen der angelegten Vorspannung. Damit erreicht man auch hier eine kontinuierliche Durchstimmbarkeit. Verstehen, warum man auch bei ungegateten Proben, adiabatischen Transport beobachten kann, kann man dies, wenn man annimmt, daß es im Halbleitermaterial intrinsische Barrieren gibt, die jetzt die Funktion der Gatefinger übernehmen. Es gibt auch zwei Realisierungsmöglichkeiten diese Struktur mit einer zusätzlichen Gateelektrode. Die erste Möglichkeit ist in Fig. 12 gezeigt, bei der die Struktur gemäß Fig. 11 mit einem semitransparenten Topgate 38 versehen wird, welche nicht nur den mittleren Bereich des leitenden Streifens 24 sondern auch die beiden Schenkel 26 und 28 teilweise überdeckt.

Man kann aber auch bei einer zweiten Möglichkeit, mit einem sogenannten "Backgate" arbeiten. Dazu muß man die Probenstruktur gemäß Fig. 11 auf eine Dicke in Wachstumsrichtung von ca. 150 µm abschleifen. Diese Struktur wird dann z. B. mit einem Leitsilberkleber auf eine Goldschicht aufgeklebt. Diese Goldschicht dient dann als rückseitige Elektrode. Durch Anlegen einer Gatespannung zwischen dieser rückseitigen Elektrode und dem 2DEG kann man dann damit die Trägerdichte des 2DEG ändern.

Der Vollständigkeit halber wird nunmehr der physikalische Hintergrund näher erläutert, unter Bezugnahme auf Experimen te, die mit den erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsdetek toren durchgeführt worden sind sowie auf die Fig. 13 bis 16 mit Angaben zu wissenschaftlichen Veröffentlichungen, welche einem besseren Verständnis der Erfindung dienen.

Zweidimensionale Elektronengase in hochbeweglichen AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen sind deshalb für Ferninfrarotphotoleiter von Interesse, weil das Photoansprechverhalten in starken Magnetfeldern durch die scharfe (Δ E < 1 cm^-1) und abstimmbare Zyklotronresonanz (hω_c α B) bestimmt wird.

Im Vergleich zu früherer Arbeit im Zusammenhang mit Photoleitung in GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen [1, 2, 3, 4] werden nachfolgend Meßergebnisse vorgestellt für ein neues Konzept von Zyklotronresonanz (CR) Photoleitung (PC), welche von Elektronendichten-Diskontinuitäten Gebrauch macht, die von metallischen Gateelektroden auf der Oberfläche der Proben induziert werden. Die Grundidee folgt aus dem Randkanalmodell [5, 6] des Quantum Hall-Effekts, welche in diesem Transportregime zur Interpretation der Ergebnisse an diesen untersuchten Proben Anwendung findet [7]. Ziel dieser Erläuterung ist es zu zeigen, daß die Empfindlichkeit dieser neuen Photoleiter um mehr als eine Größenordnung erhöht werden kann, im Vergleich zu homogenen Proben. Zusätzlich führt die Auswertung der experimentellen Ergebnisse in Kenntnis des Randkanalmodells zu neuen Erkenntnissen bei den elektronischen Prozessen, welche zur Photoleitung führen.

Innerhalb der Landauer-Büttiker Beschreibung [5, 6] des Quantum Hall-Effekts ist der Strom durch eindimensionale Randzustände getragen, welche an der Grenze der Probe angeordnet sind, wie in Fig. 2 bei 4 schematisch angedeutet. Die Anzahl dieser Randkanäle bzw. Randzustände ist durch den Füllfaktor gegeben. Die Richtung des Stromes ist durch die Richtung des Magnetfelds bestimmt. An beiden Seiten fließen Ströme in entgegengesetzten Richtungen. Der Nettostrom durch die Probe ist durch den Unterschied der Ströme an den entgegengesetzten Kanten etabliert. Ideale ohm′sche Kontakte in Form von metallischen Quellen mit den elektrochemischen Potentialen µ_j speisen die Randkanäle an einer Kante gleichmäßig bis zu µ_j [8]. Die Randkanäle, welche von diesem Kontakt herausströmen, tragen den Strom [8].

I_our_(j) = N · e/h · µ_j (D)

wobei N die Anzahl der Randkanäle bedeutet.

Der Transportbereich, in dem starke Streuung zwischen den Randkanälen zu dem gleichen µ_j von benachbarten Randkanälen führt, ist als äquilibriert bezeichnet. Im Gegensatz ist adiabatischer Transport durch das Fehlen von Streuung zwischen den Randkanälen gekennzeichnet, welche eine ungleiche Stromverteilung zwischen den Randkanälen aufrechterhält.

Bei dem hier vorgeschlagenen Strahlungsdetektor, beispielsweise gemäß Fig. 1 und 2, wird adiabatischer Transport durch selektive Bevölkerung der Randkanäle mittels Schottky Gateelektroden realisiert. Die Elektronendichte unterhalb der Gateelektroden kann so eingestellt werden daß die oberen Randkanäle an den Grenzen der Gateelektroden reflektiert werden. In der Fig. 1 ist dieser Zustand für den Füllfaktor ν_b = 4 im Bereich ohne Gateelektrode und ν_g = 2 unterhalb der Gateelektroden 1 und 2 (Spin wird vernachlässigt) dargestellt. Unter dieser Bedingung wird der Strom in den Bereich zwischen den Gateelektroden nur durch den äußeren Randkanal (spinentartet) getragen. In Abwesenheit der Streuung zwischen den Randkanälen wird der innere Randkanal zwischen den Gateelektroden vom äußeren Randkanal entkoppelt. Dies bedeutet, daß die µ_j des inneren Kanals an entgegengesetzten Seiten der Probe gleich sind. Daher trägt dann dieser Randzustand keinen Strom. Ein Streuprozeß zwischen dem äußeren und dem inneren Randkanal führt zu einem Unterschied in µ_j des inneren Kanals an entgegengesetzten Rändern. Dieser wirkt sich in einen vergrößerten Längsmagnetowiderstand aus. Die Grundidee des vorliegenden Vorschlages liegt darin, daß Ferninfrarotzyklo tronresonanzphotonen den äußeren Randkanal zu dem inneren Randkanal koppeln und den Magnetowiderstand vom adiabati schen Wert zum äquilibrierten Wert vergrößern sollte. Für ganzzahlige Füllfaktoren in den Bereichen mit und ohne Gateelektroden errechnet man den adiabatischen 4-Punkt-Widerstand der Geometrie in Fig. 1 nach der Gleichung A:

Bei diesem Bezeichnungssystem wird der Strom zwischen den Kontakten 30 und 32 eingespeist, während der Spannungsabfall zwischen den Kontakten 34 und 36 gemessen wird. Meßergebnis von R^ad(kΩ) als Funktion der Gateelektrodenspannung V_g in Volt sind in Fig. 12 dargestellt (ohne Einstrahlung von Photonen, Strom als Parameter).

Das gleiche Ergebnis gilt für R^ad _{30, 32; 34, 36} der Vier-Gateelektroden-Fingerstruktur nach Fig. 4. Der Widerstand für den äquilibrierten Transport ist durch

gegeben.

Hier ist N die Anzahl der Finger der Gatestruktur.

Von diesen beiden Gleichungen ist zu erwarten, daß man ein verstärktes Photoansprechverhalten aufgrund des größeren Wertes von N erwarten sollte. Daher sind Proben angefertigt worden, mit zwei und vier Finger-Gatestrukturen, entsprechend den Fig. 2 und 4.

Das Grundmaterial der Halbleiterbauelemente entspricht, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, AlGasAs/GaAs-Heterostrukturen, welche nach dem MBE-Verfahren hergestellt sind, mit einer Elektronendichte von n_s=1,8-2,7 · 10¹¹/cm² und einer Beweglichkeit µ=0,6-1,2 · 10⁶ Vs/cm².

100 nm dicke NiCr/Au-Filme, welche Schottky Gateelektroden bilden, sind auf der geätzten Hallbalkengeometrie evaporiert worden, um die Elektronendichte unterhalb der Gateelektroden einstellen zu können. Die Proben wurden in flüssiges Helium eingetaucht und bei einer Temperatur von 1,3K gehalten. Das Magnetfeld senkrecht zu den Proben wurde von einem supraleitenden Magnet geliefert. Parallel zu dem Magnetfeld wurde der Ferninfrarotstrahl eines optisch gepumpten Molekül-Gaslaser mittels Lichtleitrohren zu den Proben geführt. Für die Messungen wurden die λ = 211, 232, 287, 311 und 392 µm Laserlinien benützt. Die Intensitäten am Ausgang der Lichtrohre lagen im Bereich von 10 µW/cm²-100 µW/cm². Oberhalb der Proben diente ein Kaltfilter zur Zurückhaltung der Schwarzkörperstrahlung von der Oberseite des Kryostats. Die Photoleitungsmessungen in Anwesenheit der Ferninfrarotstrahlung sind im Wechselstromverfahren durchgeführt worden. Dabei wurde der Laserstrahl mit 830 Hz zerhackt, während der Strom eine Frequenz von 13 Hz hatte. Dieses zusätzliche Diskriminierverfahren schließt photovoltaische Signale aus, welche in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung erörtert worden sind [10].

Bei dem ersten Schritt für die experimentelle Durchführung des erfindungsgemäßen Konzeptes ist zu verifizieren, ob der Transport adiabatisch ist. Dieser wurde mit Widerstandsmessungen nach (A) und (E) für ganzzahlige Füllfaktoren ν_b, ν_g durchgeführt. Im experimentellen Parameterbereich deuten die Ergebnisse auf beinahe rein adiabatischen Transport hin. Die gleiche Schlußfolgerung ist für nicht ganzzahlige ν_b, ν_g erreicht worden. Hier übertrifft deutlich die Summe der Widerstände R_{30, 32; 34, 36}, wobei nur Gate 38 in Betrieb ist, und R_{30, 32; 34, 36}, wobei nur Gate 40 in Betrieb ist, den Wert für den Fall, bei dem eine Spannung gleichzeitig auf beiden Elektroden angelegt ist. Diese ist im Einklang mit dem Verhalten mit ganzzahligen ν_b, ν_g nach den Gleichungen (A) und (E) und daher auch ein Nachweis des adiabatischen Transports.

Die überzeugende Leistung des Photoleiters und der Nachweis für das oben beschriebene Konzept sind in Fig. 14 dargestellt. Hier sind Photoleitungsspektra ΔR_{30, 32; 34, 36} für die Zwei-Finger-Gateelektrode der Fig. 2 unter drei Bedingungen gezeigt. Die auffallende Verstärkung des Photoleitungssignals durch mehr als eine Größenordnung ist durch Vergleich der Kurven a und b ersichtlich. Die erste Kurve zeigt das Signal für den Fall, wenn keine Spannung an den Gateelektroden angelegt ist. Für diese homogene Elektronendichte im 2DEG beobachtet man ein schwaches negatives Signal, welches resonanter CR-Heizung entspricht. Diese Schlußfolgerung ist durch Messungen der Temperaturabhängigkeit des Magnetwiderstandes in diesem Magnetfeldbereich unterstützt. Die Kurve b zeigt ein starkes positives Signal für den Fall, daß die Gatespannung V_g an beiden Gateelektroden angelegt wird, wie nach dem hier vorgestellten Modell zu erwarten war. Ähnliche Verstärkungsfaktoren sind auch mit unterschiedlichen Proben und Laserlinien beobachtet worden.

Der Nachweis für das erfindungsgemäße Konzept ist durch Vergleich der beiden Signale bestätigt, für den Fall, bei dem die Gatespannung an nur einer Gateelektrode angelegt wird und für den Fall, bei dem die Gatespannung an beiden Gateelektroden angelegt wird. Falls die Spannung nur an die eine Gatelektrode angelegt wird, existiert kein entkoppelter innerer Randkanal zwischen den Gateelektroden, und wir haben es mit äquilibriertem Transport zu tun. Daher ist ein verstärktes Photoleitungs-Ansprechverhalten nicht zu erwarten. Dies ist durch die Kurve c bestätigt, bei der die Gatespannung nur an die Gateelektrode 38 angelegt wird. Die Kurve für die Gateelektrode 40 ist die gleiche und daher fortgelassen. Die CR-Spitze von Kurve b erhebt sich deutlich von der Spitze der Kurve c. Zu schließen ist, daß im Falle von zwei Gateelektroden die CR-Photonen die Streurate zwischen den Randkanälen erhöhen, so wie sie durch die Erhöhung des Widerstandes nachgewiesen wird.

Weitere Unterstützung für das Photoleitungskonzept im adiabatischen Transportbereich ist zu sehen, wenn man die Analyse der Transportdaten nach Müller et al. [11] bei der Strom- und Temperaturabhängigkeit des Photoleitungssignals anwendet. Für die Gatestruktur mit zwei und vier Fingern bei T = 1,3K ist es wesentlich, daß der Meßstrom weit unterhalb 1 µA festgelegt wird, wie nach der Kurve in Fig. 15 für die Zwei-Finger-Gatestruktur ersichtlich ist, um ein möglichst großes Signal zu erhalten. Die Erhöhung der Temperatur von 1,3K bis 4,2K bei einem festen Strom von I=100nA reduziert das Photosignal um einen Faktor 2. Diese Beobachtungen sind im Einklang mit den Transportmessungen [11]. Die Erfinder haben nachgewiesen, daß die Erhöhung des Stromes und der Temperatur zu einer Äquilibrierung zwischen den Randkanälen führt. Unter diesen Umständen ist die Wahrscheinlichkeit für eine photoneninduzierte Äquilibrierung reduziert und man bekommt ein kleineres Photosignal. Das Photoleitungssignal in Fig. 2 kann durch Anwendung der Vier-Finger-Gatestruktur der Fig. 4 um einen Faktor 2 erhöht werden.

Für die Zwei-Finger-Gatestruktur und für die Vier-Finger- Gatestruktur wurde eine Erhöhung des Widerstandes um 7% und für eine Laserintensität von etwa 10^-5W/cm² erhalten. Bei den vorgestellten Messungen ist die 232 µm-Laserlinie der CR angepaßt, bei einem Füllfaktor ν_b = 3,5 im Bereich ohne Gateelektrode. Durch die Gatespannung V_g = -220mV wird der Füllfaktor unterhalb der Gateelektrode ν_g bei der CR-Position mit dem Wert 1 eingestellt. Diese Einstellungen erfüllen die zwei allgemeinen Voraussetzungen für ein verstärktes Photoansprechverhalten. Am Anfang muß der Füllfaktor ν_b größer als 2 sein, da die zwei untersten Landau-Niveaus lediglich durch die Spin-Zeemanenergie getrennt sind. Keine CR-Absorption ist hier möglich. Diese Voraussetzung wurde experimentell nachgeprüft, indem eine Laserlinie für die CR bei ν_b = 2 ausgewählt wurde. Weiterhin muß der Füllfaktor ν_g so eingestellt werden, daß mindestens der innere Randkanal von den anderen entkoppelt wird. Diese Aussage wurde durch Messung des Photoansprechverhaltens für drei unterschiedliche Füllfaktoren ν_b mit den entsprechenden unterschiedlichen Laserlinien bestätigt. Im Hinblick auf die Resonanzposition in Fig. 14 erhalten wir das gleiche Ergebnis in der Photoleitung und im entsprechenden Transmissionsexperiment.

Die Empfindlichkeit der Detektorstruktur ohne Schottky Gates gemäß Fig. 11 wird in eindrucksvoller Weise in Fig. 16 vorgeführt. Die Einstrahlung der 392 µm-Linie führt in Kurve a bei dem Magnetfeld von 1,8T zu einer großen Resonanz. Außerhalb des Resonanzmagnetfeldes unterscheiden sich die Widerstände des bestrahlten Detektors (Kurve a) nicht von denen des unbestrahlten Detektors (Kurve b). Hierdurch wird die Schmalbandigkeit des Detektors demonstriert.

Zusammenfassend wurde gezeigt, daß photoneninduzierte Streuung zwischen den Randkanälen bei den vorgestellten Multifinger-Gatestrukturen der dominierende Beitrag zu der Photoleitung ist. Obwohl der Photoleiter bei tiefen Temperaturen und in Anwesenheit eines Magnetfeldes betrieben werden muß, eignet er sich aufgrund der nachgewiesenen Empfindlichkeit von 6·10⁴V/W für eine Anwendung als schmalbandiger FIR-Detektor. Aufgrund der hohen Probenqualität ist die Auflösung bei 3,2T bereits r/Δ r = 40. Für weitere Verbesserung des Bauelements ist es notwendig, die Signalabhängigkeit in bezug auf die Anzahl und Abstände der Finger der Gatestruktur zu untersuchen. Weiterhin ist zu erwarten, daß höhere Probenbeweglichkeiten und geringere Temperaturen die Leistung des Photoleiters erhöhen werden, weil man unter diesen Bedingungen mehr an einen reinen adiabatischen Transport herankommt.

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[12] R. J. Haug and K. v. Klitzing, Europhys. Lett. 10, 489 (1989)

Claims

1. Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbes. im Ferninfrarotbereich, dadurch gekennzeichnet,

- daß die elektromagnetische Strahlung in Wechselwirkung mit einem zweidimensionalen Elektron- oder Lochgas in einem Bereich eines Halbleiterbauteils gebracht wird, wobei in diesem Bereich ein adiabatischer Transport in Randzuständen stattfindet und dieser adiabatische Transport durch die Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Strahlung gestört wird, und
- daß die Störung durch eine Widerstandsmessung festgestellt wird.

2. Halbleiter-Strahlungsdetektor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit schichtweisem Aufbau und einem ein zweidimensionales oder quasi eindimensionales Elektron- oder Lochgas aufweisenden leitfähigen Bereich, in dem wenigstens bereichsweise ein adiabatischer Transport in Randzuständen stattfindet sowie mit mindestens zwei Kontakten zu diesem leitfähigen Bereich, wobei der Transport in den Randzuständen durch Wechselwirkung mit der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung gestört wird, d. h. eine Erhöhung der Streurate zwischen den Randzuständen verursacht wird, welche zu einer Änderung des zwischen den Kontakten meßbaren Widerstands führt, und mit einer Einrichtung zur Messung der Widerstandsänderung.

3. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welches wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zu den Schichten des Strahlungsdetektors anlegbar ist, wobei das Magnetfeld in unbestrahltem Zustand des Detektors eine Verminderung der Streuung zwischen den Randzuständen bewirkt.

4. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, wobei die Komponente des Magnetfeldes eine vorgegebene Stärke im Bereich bis zu etwa 15 Tesla, insbesondere etwa 3 Tesla aufweist.

5. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung der Stärke des Magnetfeldes bzw. der genannten Komponente desselben vorgesehen ist.

6. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Spule ist, wobei der leitfähige Bereich des Detektors quer zur Achse der Spule in unmittelbarer Nähe der Spule und somit in einem homogenen Magnetfeld liegt, wobei die Spule eine supraleitende Spule ist.

7. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kontakte durch einen ersten und einen zweiten Kontakt gebildet sind, welche in Abstand voneinander an jeweiligen Enden des leitfähigen Bereiches vorgesehen sind, und daß wenigstens eine Gateelektrode vorgesehen ist, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt angeordnet ist und den leitfähigen Bereich über einen Teil seiner Länge überdeckt.

8. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Gateelektrode vorgesehen ist, welche im Abstand von der ersten Gateelektrode ebenfalls den leitfähigen Bereich über einen weiteren Teil seiner Länge überdeckt, wobei der adiabatische Transport zwischen den Gates realisiert wird.

9. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere weitere Gateelektroden in regelmäßigem Abstand über die Länge des leitfähigen Bereiches angeordnet sind, und im Betrieb alle die gleiche Spannung aufweisen.

10. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden eine periodisch angelegte Gatestruktur bilden, welche als Gitterkoppler dient und eine ausgeprägte Widerstandsänderung durch Ankopplung von Magnetoplasmonen bewirkt.

11. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Gateelektrode auf der Unterseite des Detektors vorgesehen ist, an der eine variable Spannung anlegbar ist.

12. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anbringung einer vorbestimmbaren Spannung an die Gateelektrode bzw. Gateelektroden bzw. Gatestruktur.

13. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gekennzeichnet durch zwei weitere Kontakte zur Durchführung einer an sich bekannten 4-Punkt-Messung des Widerstandes des leitfähigen Bereiches.

14. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 13, gekennzeichnet durch eine Auslegung zur Durchführung einer Hall-Messung zur Bestimmung des Widerstandes des leitfähigen Bereichs.

15. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solche Detektoren auf einem Chip vorgesehen sind.

16. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Detektoren zur Ermittlung von Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen ausgelegt sind, beispielsweise durch Verwendung von Gatestrukturen mit unterschiedlichen Abmessungen und/oder Periodizität und/oder durch Anbringung von unterschiedlichen Gatespannungen und/oder durch unterschiedliche Magnetfelder und/oder durch die Verwendung von nicht homogenen Magnetfeldern.

17. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Einrichtung zur Durchführung der Widerstandsmessung bzw. zur Anbringung von Steuerspannungen auf dem Chip integriert ist.

18. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes auf dem Chip integriert ist, vorzugsweise in Form einer supraleitenden Schleife.

19. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Kryostat untergebracht ist, der die Arbeitstemperatur unter 4K, vorzugsweise unterhalb 2K, insbesondere bei 1.3K hält.

20. Halbleiter-Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Fenster, welches der zu messenden Strahlung Zugang zu dem leitfähigen Bereich gestattet.

21. Halbleiterstrahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige, mittig angeordnete Gateelektrode vorgesehen ist und als semitransparente Gateelektrode ausgeführt ist.

22. Halbleiterstrahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode lichtundurchlässig ausgeführt ist, daß im mittleren Teil des leitfähigen Bereiches der Halbleiter weggeätzt ist, um ein Loch im zweidimensionalen Elektron- oder Lochgas zu schaffen, daß zusätzlich zu den ersten und zweiten Kontakten ein dritter Kontakt vorgesehen ist, welcher Kontakt zum mittleren Bereich des zweidimensionalen Elektron- oder Lochgas herbeiführt und teilweise um einen Teil des Umfanges des genannten Loches verläuft, und daß die Gateelektrode ebenfalls eine Aussparung (Schlüsselloch) aufweist, deren Abmessungen größer als die Abmessungen des dritten Kontaktes sind, wobei diese Gateelektrode ein Endteil des erstgenannten Loches überlappt, so daß sich das Loch vom dritten Kontakt durch einen Freiraum zwischen diesem dritten Kontakt und dem Schlüsselloch bis unterhalb der Gateelektrode erstreckt, wobei die Querabmessungen des dritten Kontaktes quer zum leitfähigen Bereich kleiner sind als die Querabmessungen des leitfähigen Bereiches.

23. Halbleiterstrahlungsdetektor nach Anspruch 13, bei dem der erste Kontakt und der zweite Kontakt an entgegengesetzten Enden eines streifenförmigen leitfähigen Bereiches angeordnet sind, von dem zwei Schenkel abzweigen, welche zu dritten und vierten Kontakten führen, wobei eine Gateelektrode vorgesehen ist, welche den leitfähigen Bereich und die beiden Schenkel zum Teil überlappt und als semitransparentes Topgate realisiert wird.

24. Halbleiterstrahlungsdetektor nach Anspruch 13, bei dem der erste Kontakt und der zweite Kontakt an entgegengesetzten Enden eines streifenförmigen leitfähigen Bereiches angeordnet sind, von dem zwei Schenkel abzweigen, welche zu dritten und vierten Kontakten führen, wobei eine Gateelektrode vorgesehen ist, welche den leitfähigen Bereich und die beiden Schenkel zum Teil überlappt und daß die Gatelektrode als Backgate realisiert ist, beispielsweise dadurch, daß der Halbleiter von der Substratseite her weggeschliffen ist und mittels eines leitfähigen Silbers auf eine Goldschicht geklebt ist.

25. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Strahlungsdetektors nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- auf einem GaAs-Substrat werden zunächst durch Epi taxie, eine Pufferschichtan ordnung und eine intrinsische, undotierte GaAs-Schicht mit einer Dicke im µm-Bereich aufgewachsen,
- auf diese letztere GaAs-Schicht wird ein undotierter Al_xGa_1-x As-Spacer mit einer Schichtdicke im 100 nm-Bereich aufgewachsen,
- gefolgt von einer weiteren Schicht des gleichen Materials, jedoch mit einer Dotierung von Störstellen mit einer 3-D-Konzentration von vorzugsweise 2-7 10¹⁸ cm^-3,
- wobei auf dieser dotierten Schicht eine Deckschicht von undotiertem GaAs aufgewachsen wird,
- und, nach erfolgter photolitographischer Begrenzung des leitfähigen Bereichs, bei der die unerwünschten Bereiche bis zu einer Höhe unterhalb des im Grenzbereich zwischen der undotierten GaAs-Schicht und dem Al_xGa_1-xAs-Spacer sich ausbildenden 2-D-Elektro nengases entfernt werden, die Kontakte zu den 2DEG sowie die Gateelektrode(n) hergestellt werden.