DE4107331A1

DE4107331A1 - Bandabstands-Strahlungsdetektor sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE4107331A1
Application number: DE4107331A
Authority: DE
Inventors: Dayton Dale Eden; William Edward Case; Thomas Robert Schimert
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2011-03-08
Also published as: FR2803948A1; GB2348539A; IT1314365B1; GB2348539B; CA2036874A1; DE4107331B4; ITRM910248A0; FR2803948B1; ITRM910248A1; JP2001318157A; GB9119200D0

Abstract

Eine Strahlungsdetektoreinrichtung für Strahlung in dem infraroten Spektralbereich und in Regionen kürzerer Wellenlänge umfaßt eine Dipolantenne, die auf einem Substrat montiert ist und die mittels Sperrkontakten mit einem Bandabstandsdetektorelement verbunden ist. Die Dipolantenne weist eine Länge auf, welche ungefähr der halben Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung entspricht. Das Bandabstandsdetektorelement weist lineare Abmessungen auf, welche jeweils erheblich kleiner sind als die Wellenlänge der detektierten Strahlung. Eine Gruppe von Detektoreinrichtungen wird kombiniert, um ein Array zu bilden, das ein Pixelsignal für ein Bild erzeugt. Im Gegensatz zu bekannten Infrarotstrahlungsdetektoren ist die offenbarte Detektoreinrichtung in der Lage, ein brauchbares Ausgangssignal zu erzeugen, ohne dabei unterhalb die Umgebungstemperatur gekühlt werden zu müssen. Eine weitere Infrarotstrahlungsdetektoreinrichtung weist ein Array von Detektoren auf, welche jeweils aus einem Muster von parallelen Detektorelementen bestehen. Jeder Detektor erzeugt ein Pixelsignal für ein Bild. Die Elemente der Detektoren bestehen aus fotoleitenden oder fotoelektrischen Bandabstandsmaterialien, und die Elemente sind zueinander in einem Abstand angeordnet, welcher kleiner oder gleich der Wellenlänge der empfangenen Strahlung ist. Zusätzlich geschichtete Strukturen oberhalb und/oder unterhalb der Detektorelemente erlauben eine Impedanzanspassung zwischen der Strahlung im freien Raum ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Strahlungsdetektions-Einrichtungen im allgemeinen und insbesondere Einrichtungen zur Detektion von Strahlung in dem infraroten Spektralbereich und in kürzerwelligen Spektralbereichen.
Strahlungsdetektoren wie Infrarotdetektoren werden schon seit langem in thermischen Abbildern verwendet, um bei Nacht, oder durch Wolken, Rauch und Staub hindurch beobachten zu können. Ein konventioneller Infrarotabbilder weist ein Array von großflächigen Detektoren auf, worin jeder Detektor einem einzelnen Bildelement (Pixel) eines Bildes entspricht. Jeder Detektor ist von ebener Struktur wobei sowohl seine Längen- als auch seine Breitenabmessungen größer sind als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung, so daß der Detektor einen ausreichenden Sammelbereich für die einfallende Strahlung aufweist. Ein bekannter Detektor dieses Typs wird in "Semiconductors and Semimetals," Vol. 18, Mercury Cadmium Telluride, Acedamic Press, 1981, Seiten 162-163, beschrieben.
Eine grundsätzliche Einbschränkung in der Verwendung von konventionellen Infrarotabbildern liegt in der Anforderung, daß die abbildende Einrichtung innerhalb einer sehr kalten Kammer aufbewahrt werden muß. Die Kühlung für derartige Einrichtungen wird meist durch das Verdampfen von flüssigen Gasen, wie beispielsweise Stickstoff bereitgestellt. Indessen ist die Lagerung, die Leitung und das Umgehen mit derartigen Kühlmitteln wie flüssigem Stickstoff schwierig, zeitaufwendig und teuer.
Obwohl bekannte Strahlungsdetektoren in befriedigender Art und Weise brauchbare Bilder herstellen können, weisen sie in ihrem Betrieb ernsthafte Beschränkungen auf. Für eine gegebene Eingangsleistung von einfallender Strahlung ist die sich ergebende Signalstärke dieser Einrichtungen vergleichsweise gering.
Daher existiert ein großer Bedarf an verbesserten Infrarotdetektoren für Strahlung in dem infraroten Bereich und in kürzerwelligen Spektralbereichen, welche ein Signal mit größerer Amplitude bereitstellen und dabei die Anforderungen an eine komplexe Kühlvorrichtung vermindern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Detektorvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 11 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung gemäß dem Anspruch 19.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zum Detektieren von einfallender Strahlung. Die Einrichtung umfaßt eine Tragestruktur, auf die eine Dipolantenne befestigt ist. Die Länge der Antenne entspricht ungefähr der Hälfte der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Die Einrichtung weist desweiteren ein Quantendetektorelement auf, welches auf der Tragestruktur befestigt und mit der Dipolantenne verbunden ist. Das Detektorelement ist derartig hergestellt, daß jede seiner linearen Dimensionen erheblich kleiner ist als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Die einfallende Strahlung wird durch die Dipolantenne eingefangen und zu dem Detektorelement transferiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Detektion von auf die Einrichtung einfallende Strahlung anzeigt.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Array von derartigen Einrichtungen und einen Abbilder, welcher eine Mehrzahl derartiger Arrays aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Arrays von Einrichtungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, zum Detektieren von einfallender Strahlung,
Fig. 2 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines Arrays von Infrarotstrahlungsdetektionseinrichtungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Infrarotstrahlungsdetektionseinrichtung von Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Infrarotstrahlungsabbilders in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welcher einen der Infrarotstrahlungsdetektorarrays verwendet, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind,
Fig. 5 eine Draufsicht, die einen bekannten Infrarotstrahlungsdetektor darstellt,
Fig. 6 eine Draufsicht eines Infrarotstrahlungsdetektors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 des in Fig. 6 dargestellten Strahlungsdetektors,
Fig. 8 eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 einen Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche orthogonale Detektorsätze verwendet,
Fig. 10 eine ebene, partiell ausgeschnittene Ansicht der Ausführungsform mit zwei Detektorsätzen, die in Fig. 9 dargestellt ist,
Fig. 11 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 einen Draufsicht eines Strahlungsabbilders, welcher den Infrarotstrahlungsdetektor der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 1x ein perspektivische Ansicht eines Pixelelementes eines Infrarotdetektors, welcher in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist,
Fig. 2x eine Schnittansicht, entlang der Linie 2x-2x des in Fig. 1 dargestellten Detektors,
Fig. 3Ax-3Kx die Schritte in dem Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1x dargestellten Detektors,
Fig. 4x ein Diagramm, welches das Strahlungsabsorptionsverhalten von Quecksilber- Cadmium-Tellurid bei Raumtemperatur für zwei verschiedene Quecksilberkonzentrationen zeigt,
Fig. 5x eine Darstellung der Gesamtabsorption des Infrarotstrahlungsdetektors von Fig. 1,
Fig. 6x eine perspektivische Ansicht eines nicht polarisierten Infrarotstrahlungsdetektors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7x eine Draufsicht einer alternativen Ausgestaltung des Infrarotdetektors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8x eine Schnittansicht entlang der Linie 8x-8x des in Fig. 7x dargestellten Detektors,
Fig. 9x eine perspektivische Ansicht des in den Fig. 7x und 8x dargestellten Infrarotdetektors,
Fig. 10x eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11Ax-11Lx Schritte in dem Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 7x bis 9x dargestellten Detektors,
Fig. 12x ein elektrisches Schaltschema eines Detektors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13x eine Darstellung eines Infrarotabbildungssystemes, welches ein Detektorarray aufweist, das die Detektorelemente in Übereinstimmung mit der vorliegenen Erfindung verwendet,
Fig. 14x eine perspektivische Ansicht eines Infrarotdetektors, welcher Streifen eines fotoempfindlichen Materials aufweist, die zwischen parallelen Leitern angeordnet sind, und
Fig. 15Ax-15Hx Schritte in dem Verfahren zum Herstellen des in Fig. 14x dargestellten Detektors.
In Fig. 1 ist ein Infrarot (IR) Strahlungsdetektorarray 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Array 10 umfaßt eine Tragestruktur 12, welche den physikalischen Halt und die benötigten elektrischen Eigenschaften wie beispielsweise Nichtleitfähigkeit bereitstellt. Eine Mehrzahl von identischen Detektoreinrichtungen 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 bilden eine 3 × 3-Matrix für das Array 10. Die Detektionseinrichtung 16 wird im folgenden detailliert beschrieben werden, indessen ist sie stellvertretend auch für die verbleibenden Einrichtungen des Arrays 10 aufzufassen. Die Detektionseinrichtung 16 umfaßt einen Dipolantenne 36, welche Antennenelemente 36a und 36b umfaßt. Die Antenne 36 ist aus einem leitenden Material hergestellt, wie beispielsweise aus Aluminium. Die Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist durch das Symbol Lambda (λ) dargestellt. Die Länge der Dipolantenne 36 entspricht ungefähr der halben Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Jede der detektierenden Einrichtungen 14 bis 30 weist einen Einfangbereich auf, der für die Detektoreinrichtung 22 durch das gestrichelte Oval 38 dargestellt ist, das die Einrichtung 22 umfaßt. Wie man der Figur entnehmen kann, sind die detektierenden Einrichtungen 14 bis 30 derart angeordnet, daß ein wesentlicher Teil der einfallenden Strahlung durch die Dipolantennen eingefangen wird.
Zwischen den Antennenelementen 36a und 36b ist ein Bandabstandsdetektorelement 40 bereitgestellt, das auf die Tragestruktur 12 aufgebracht und mit den Antennenelementen 36a und 36b elektrisch verbunden ist. Sperrkontakte, welche im folgenden noch beschrieben werden, stellen elektrische Verbindungen zwischen den Antennenelementen 36a, 36b und dem Detektorelement 40 bereit.
Die Tragestruktur 12 weist eine Dicke auf, welche ungefähr einem Viertel der Wellenlänge der einfallenden Strahlung entspricht. Zu wählende Materialien für die Struktur 12 sind beispielsweise Zinkselenid oder Zinksulfid.
Das Array 10 kann als ein Pixelelement in einem Infrarotabbilder dienen, wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden wird. In einer derartigen Anwendung sind die Detektoreinrichtungen wie 16 für alle Detektoreinrichtungen in dem Array 10 miteinander verbunden, um eine Pixelsignal zu erzeugen.
Indessen ist es aber auch möglich, daß jede Detektoreinrichtung, wie die Detektoreinrichtung 16, individuell ein Pixelsignal erzeugt.
In Fig. 2 ist eine zweite Konfiguration der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform besteht aus einem Array 50, welches eine Tragestruktur 52 aufweist. Die Struktur 52 ähnelt der zuvor beschriebenen Struktur 12. Das Array 50 ist eine 2 × 4 Matrix, welche aus den Detektoreinrichtungen 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 und 68 besteht. Jede der Detektoreinrichtungen, wie die Detektoreinrichtung 56, weist ein Detektionselement und einen Dipolantenne auf. Die Detektoreinrichtungen 54 bis 58 beinhalten jeweils die Detektorelemente 72 bis 86. Jedes Detektorelement ist zwischen zwei ebenen Metallantennenelementen, welche als Dipolantenne für jedes Detektorelement dienen, angeordnet und mit ihnen verbunden. Die Antennenelemente sind in den Metallbereichen 94, 96 und 98 enthalten. Zum Beispiel enthält die Einrichtung 56 das Detektorelement 74, welches mittels Sperrkontakten, die später beschrieben werden, mit einer Dipolantenne verbunden ist, die die Metallteile 102 und 104 umfaßt, welche jeweils Teile der Metallbereiche 94 und 96 sind.
Die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration erlaubt die Erzeugung eines Ausgangssignales zwischen den Metallbereichen 94 und 96 infolge der elektrischen Antwort, die durch die Detektorelemente 72 bis 86 beim Empfang von einfallender Strahlung erzeugt wird.
Der horizontale Zellenabstand der Struktur 50 ist durch die Linie 106, der vertikale Zellenabstand durch die Linie 108, die horizontale Zellenapertur durch die Linie 110 und die vertikale Zellenapertur durch die Linie 112 dargestellt. Um Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 10 µm zu detektieren, müssen die horizontalen und vertikalen Zeilenabstände umgefähr 5 µm und die Zellenaperturen ungefähr 4,5 µm betragen. Jedes der Detektorelemente 72 bis 86 weist Dimensionen in dem Größenordnungsbereich von ungefähr 0,75 × 0.25 µm auf. Infolgedessen sind die Dimensionen der Detektorelemente erheblich geringer als die Wellenlänge der eingefangenen Strahlung. Für IR-Strahlung einer Wellenlänge von 5 µm wird jede der obigen linearen Dimensionen um ungefähr die Hälfte reduziert, aber das Detektorelement weist nach wie vor ungefähr die gleiche Größe auf.
Das Array 50 kann gleichfalls als eine Pixelsignalquelle innerhalb eines Abbilders dienen, welcher eine große Anzahl von derartigen Arrays enthält, wie in Fig. 4 dargestellt. Das Array 50 ist nochmals in einer Schnittansicht in Fig. 3 dargestellt. Eine reflektierende Schicht 116, bspw. aus einem Metall wie Aluminium oder einer dielektrischen Vielfachschicht, ist zwischen der Tragestruktur 52 und einen isolierenden Substrat 118 angeordnet. Die Schicht 116 dient als eine Grundebene. Eine bevorzugte Zusammensetzung des Substrates 118 weist ein Siliciumsubstrat auf, welches Teil eines Silicium "Charge Coupled Device (CCD)" Chips ist, der die von dem Array 50 erzeugten Signale verarbeitet.
Das Detektorelement 74 wird mit den Dipolantennenmetallteilen 102 und 104 mittels Sperrkontakten elektrisch verbunden. Die Elemente 72 bis 86 bestehen vorzugsweise aus einer Legierung aus Quecksilber-Cadmium- Tellurid, in der der Bruchteil von Cadmium durch ein x dargestellt wird, und in der der Bruchteil von Quecksilber durch 1-x dargestellt wird. Die bevorzugte Quecksilber- Cadmium-Tellurid-Legierung für die Detektorelemente 72 bis 86 weist einen Wert von x = 0,15 auf. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist das Array 50 Sperrkontakte 120, 122, 124 und 126 auf. Der Kontakt 120 ist eine Schicht, welche sich auf und in Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Detektors 74 befindet. Das Metallteil 102 ist direkt auf dem Kontakt 120 aufgebracht. Das Teil 102 wird elektrisch mit dem Kontakt 120 verbunden, es ist aber nicht direkt mit dem Detektor 74 verbunden. Der Kontakt 122 ist auf ähnliche Art und Weise zwischen dem Detektor 74 und dem Metallteil 104 angeordnet. Der Kontakt 124 ist zwischen dem Detektor 82 und einem Teil des Metallbereiches 96 angeordnet. Auf ähnliche Art und Weise ist der Sperrkontakt 126 zwischen dem Detektor 82 und einem Teil des Metallbereiches 98 angeordnet. Die Sperrkontakte 120, 122, 124 sowie 126 bestehen aus einer Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Legierung, welche einen x-Wert von x = 0,19 aufweist.
Der Sinn der Sperrkontakte 120, 122, 124 und 126 liegt darin, die Diffusion von Ladungsträgern aus den Detektorelementen, wie aus dem Detektorelement 74, in die Aluminiummetallteile, wie in die Teile 102 und 104, zu verhindern. Dabei ist es wünschenswert, daß die Rekombinationsgeschwindigkeit geringer als 500 cm/sec ist, aber ein direkter Aluminiumkontakt mit dem Detektor führt zu einer Rekombinationsgeschwindigkeit, die sich unendlich nähert. Durch das Einfügen von Sperrkontakten, wie den Kontakten 120, 122, 124 und 126, zwischen die Detektorelemente und den Metalldipolteilen wird die Rekombinationsgeschwindigkeit der Träger auf einen Bereich zwischen 300 bis 500 cm/s vermindert. Die Sperrkontakte und die mit ihnen verbundenen Elemente funktionieren so wie Hochfrequenzkopplungskapazitäten, welche eine dc-Isolierung der Träger bereitstellen aber nur eine kleine Impedanz zwischen den Detektorelementen und den Dipolantennenelementen darstellen. Die Theorie und die genaue Funktionsweise eines Sperrkontaktes diesen Typs ist beschrieben in "HgCdTe Heterojunction Contact Photoconductor," Applied Physics Letters 45(1), 1. Juli 1984, Seiten 83-85, von D. L. Smith, D. K. Arch, P. a. Wood und M. Walter Scott.
Die Detektorelemente, wie die oben beschriebenen Elemente 40 und 74 sind direkte Bandabstandsdetektoren. Ein Bandabstandsdetektor dieses Typs erzeugt ein elektrisches Signal infolge einer Wechselwirkung zwischen einem einfallenden Photon und den Elektronen (Löchern) in dem Material. Ein Detektorelement dieses Typs ist keinem thermischen (Phononen) Austauschrauschen unterworfen, wie Bolometerdetektoren oder ähnliches. Bandabstandsdetektoren sind daher nicht ernsthaft in ihrer Leistungsfähigkeit bei hohen (Umgebungs-)Temperaturen begrenzt, wie konventionelle Bolometer und ähnliche Detektoren.
Ein bevorzugtes Material für die Detektorelemente 40 sowie 72 bis 86 ist ein Kristall aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid. Ein weiteres Material kann Indium Antimonid sein. Ein weiteres geeignetes Detektorelement kann aus einem Halbleitersupergitter bestehen, wie beschrieben in Scientific American, "Solid State Superlattices," November 1983 von Gottfried H. Dohler. Ein weiteres Detektorelement kann ein organisches Material sein, wie es in Laserfocus, "Organic Crystals and Polymers - A new Class of Nonlinear Optical Materials," Februar 1982, Seiten 59-64, von Anthony F. Garito und Kenneth H. Singer, beschrieben wurde. Durch die Verwendung von organischen Materialien, wie sie von Garito und Singer beschrieben worden sind, wird es möglich, eine kohärente Detektion der einfallenden Strahlung zu erhalten.
Ein Abbilder 130 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Abbilder umfaßt eine Mehrzahl von individuellen Arrays wie beispielsweise das Array 132. Das Array 132 kann beispielsweise eines der zuvor beschriebenen Arrays 10 oder 50 sein. Ein Infrarotbild wird mittels einer Linse 134 auf den ebenen Abbilder 130 übermittelt. Jedes der Arrays erzeugt ein Pixelsignal, welches, für das Array 132, mittels einer Leitung 136 übermittelt wird. Es existiert eine entsprechende Leitung für jedes Array innerhalb des Abbilders 130. Die Sammlung und die Verarbeitung aller Pixelsignale bildet eine Reproduktion des Originalbildes, welches durch die Linse 134 übermittelt wurde. Eine Leitung 138 kann eine gemeinsame Erde bereitstellen, die sich durch den Abbilder 130 erstreckt.
Ein Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der Bandabstanddetektorelemente wird im folgenden beschrieben. Eine Schicht aus Cadmium- Tellurid wird zunächst epitaxisch auf ein Substrat bis zu einer Dicke von 1 bis 2 µm aufgewachsen. Diese gewachsene Cadmium-Tellurid-Schicht wird dann Quecksilber ausgesetzt, um einen Oberflächenschichtkristall aus Quecksilber-Cadmium- Tellurid zu bilden. Schließlich wird die Schicht aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid geätzt, um ein vorher bestimmtes Array von Detektorelementen, wie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 dargestellt, zu bilden. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Quecksilber-Cadmium- Tellurid-Kristalls für die Detektoren und die Sperrkontakte der vorliegenden Erfindung ist beschrieben in "Molecular Beam Epitaxial Growth of High Quality HgTe und Hg_1-xCd_xTe onto GaAs (001) Substrates," Applied Physics Letters 45(12), vom 15. Dezember 1984, von J. P. Fauve, S. Sivananthan, M. Boukerche und J. Reno.
Ein grundlegender Vorteil der Struktur der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Fähigkeit, ein Ausgangssignal für ein detektiertes Infrarotsignal zu erzeugen, ohne dabei, wie üblicherweise, die Detektorelemente kühlen zu müssen. Ein bekanntes Infrarotdetektorelement ist ein ebenes Element, welches einen Bereich mit Abmessungen aufweist, die erheblich größer als die Wellenlänge der einfallenden ,Strahlung sind. Diese großflächigen Elemente müssen die einfallende Infrarotstrahlung auffangen.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Detektor, ein Array und einen Abbilder umfaßt, welche grundsätzlich für die Detektion von Infrarotstrahlung entworfen sind, indem unter Verwendung von Dipolantennen einfallende Strahlung aufgefangen wird und zu einem Bandabstandsdetektorelement transferiert wird. Das Detektorelement weist Dimensionen auf, welche erheblich kleiner sind als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Ein grundsätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Erzeugung von Infrarotabbildungssignalen, ohne dabei die Detektorelemente zwingenderweise kühlen zu müssen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Infrarotstrahlungsdetektor, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, wenn er Infrarotstrahlung ausgesetzt wird. Ein konventioneller Infrarotdetektor 200 gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 5 dargestellt. Infrarotstrahlung mit Wellenlängen von 8-12 µm ist für die Detektion aufgrund ihrer Wandereigenschaften durch die Atmosphäre von grundlegendem Interesse. Der konventionelle Detektor 200 weist großflächige Detektorelemente auf, wie beispielsweise das Element 212, um einfallende Infrarotstrahlung einzufangen. Das Detektorelement 212 hat typische Längen- und Breitendimensionen von ca. 50 µm. Die Dimensionen von 50 µm sind erheblich größer als die Wellenlänge der einzufangenden Strahlung (8-12 µm). Diese großflächige Detektorkonfiguration dient dazu, die einfallende Strahlung über Bereiche einzufangen, welche ungefähr der Größe eines Pixels (Bildelementes) in einem Bild entsprechen. Jedes der Detektorelemente, wie beispielsweise das Element 212, erzeugt ein Pixelsignal und diese Signale werden in Kombination verwendet, um ein Bild zu erstellen.
Ein weiterer Infrarotstrahlungsdetektor 214 in Übereinstimmung mit der folgenden Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Der Detektor 214 weist ein periodisches, paralleles Muster von fotoleitenden oder fotoelektrischen Bandabstandsdetektorelementen 216, 218, 220, 222, 224, 226, 228 und 230 auf. Diese Elemente müssen aus einem Strahlungsabsorbierenden Material hergestellt sein. Ein bevorzugtes Material für diese Detektorelemente ist Quecksilber-Cadmium- Tellurid, welches als Hg_(1-x)Cd_(x)Te beschrieben wird, wobei ein bevorzugter Wert von x 0,2 ist. Die Detektorelemente 216 bis 230 sind miteinander bei gegenüberliegenden Enden mittels jeweils gemeinsamen Leitungen 236 und 238 verbunden, welche typischerweise aus Metall sind, wie beispielsweise aus Aluminium. In einer bestimmten Ausführungsform sind die Detektorelemente 216 bis 230 aus einer einzelnen Schicht aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid geätzt.
Die Detektorelemente 216 bis 230 und die gemeinsamen Leitungen 236, 238 sind auf einer Substruktur 240 aufgebracht, die mehrere Funktionen erfüllt. Die Substruktur 240 stellt eine Tragestruktur für die Elemente 216 bis 230 und die Leitungen 236, 238 bereit, und, was besonders wichtig ist, sie stellt eine Impedanzanpassung zwischen der Strahlung im freien Raum und der Strahlungsimpedanz des Musters der Detektorelemente 216 bis 230 bereit. Die Substruktur 240 umfaßt Schichten mit einem Brechungsindex (n), der von dem von Luft oder vom freien Raum verschieden ist. Die Substruktur 240 erhöht die Strahlungsabsorption des Detektors 214.
Wie der Fig. 7 zu entnehmen, umfaßt die Substruktur 240 separate Schichten 242 und 244. Die Schicht 242 besteht vorzugsweise aus Indium Antimonid und die Schicht 244 besteht vorzugsweise aus Cadmium-Tellurid. Die Schicht 242 weist einen Brechungsindex von n = 4 und die Schicht 244 einen Brechungsindex von n = 2,7 auf, wobei n = 1 der Brechungsindex für den freien Raum ist.
Das in Fig. 6 dargestellte Muster der Detektorelemente 216 bis 230 umfaßt ein Pixel, welches Gesamtdimensionen von 50 × 50 µm hat. Diese Struktur ist entworfen, um Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 8-12 µm zu empfangen. Jedes der Detektorelemente 216 bis 230 weist eine Breite von ungefähr 0,5 µm und eine Länge von ungefähr 50 µm auf. Die bevorzugte Periode des Abstandes von Mittellinie zu Mittellinie zwischen den Elementen 216 bis 230 beträgt 3 µm. Eine bevorzugte Dicke für jedes der Elemente 216 bis 230 ist 0,5 µm. Eine bevorzugte Dicke für jede der Schichten 242 und 244 liegt in dem Bereich von 0,1 bis 10 µm.
Es hat sich gezeigt, daß es ein begrenzendes Kriterium für den effektiven Betrieb der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, gibt. Für normal einfallende Strahlung weist dieses Kriterium zwei Aspekte auf: Zunächst muß die Wellenlänge (λ) der einfallenden Strahlung größer oder gleich dem Produkt des periodischen Abstandes (p) zwischen den Detektorelementen und dem Brechungsindex (n₂) für die untere Schicht, d. h. der Schicht 244 in Fig. 7, sein. Dies wird ausgedrückt durch λ ≥ n₂.p. Zweitens muß die obere Schicht 242 einen größeren Brechungsindex (n₁) als den Brechungsindex (n₂) der unteren Schicht 244 haben. Dies wird ausgedrückt durch n₁ > n₂. Wenn diese beiden Aspekte erfüllt sind, kann die Absorption der einfallenden Strahlung bei der vorliegenden Erfindung sich 100% nähern. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, erreicht ein Detektor, wie er beispielsweise als Detektor 214 in Fig. 7 dargestellt ist, nur eine begrenzte maximale Absorption von weniger als 50%.
Während die genaue theoretische Funktionsweise der vorliegenden Erfindung noch nicht vollständig verstanden wurde, scheint es so zu sein, daß die einfallende Strahlung, welche nicht direkt durch die Detektorelemente 216 bis 230 absorbiert worden ist, im wesentlichen in der Schicht 242 eingefangen wird, infolge der verschiedenen Brechungsindezes der Schichten 242 und 244 auf der einen Seite und der Schicht 242 und dem freien Raum auf der anderen Seite.
Die einfallende Strahlung wird wahrscheinlich durch die Detektorelemente 216 bis 230 gebeugt, um ihre Ausbreitungsrichtung von dem normalen Einfallspfad abzulenken. Die eingefangene Strahlung wird absorbiert, wenn sie schließlich die Detektorelemente 216 bis 230 nach möglicherweise vielen Reflexionen streift. Es scheint so zu sein, daß die Strahlung, welche aus der Schicht 242 zurück in den freien Raum durch die Ebene der Detektorelemente 216 bis 230 austritt, durch die hereintretende einfallende Strahlung aufgehoben wird, was zu einer Gesamtabsorption der einfallenden Strahlung führt.
Alle Detektorelemente 216 bis 230 werden zwischen den Leitungen 236 und 238 parallel verbunden. Die Leitung 236 wird über einen Leiter 246 an einen Anschluß einer dc-Quelle oder Batterie 248 angeschlossen. Die Leitung 238 wird über einen Leiter 250 an einen Anschluß 252 angeschlossen. Ein Widerstand 254 wird zwischen dem Anschluß 252 und einem Anschluß 256 angeschlossen. Der verbleibende Anschluß der Batterie 248 wird mit dem Anschluß 256 verbunden. Die Batterie 248 legt eine Vorspannung über die Detektorelemente 216 bis 230, und der Widerstand 254 dient als ein Lastreihenwiderstand. Wenn Infrarotstrahlung durch den Detektor 214 eingefangen wird, werden Elektronen in den Detektorelementen 216 bis 230 in höhere Energiebänder angehoben, welche den Stromfluß beeinflussen, der in der Batterie 248 erzeugt wird. Dies führt zu Änderungen in dem Strom durch den Widerstand 254, der die Spannung zwischen den Anschlüssen 252 und 256 beeinflußt. Daher erzeugt der Detektor 214 ein Pixelsignal an den Anschlüssen 252 und 256. Ein Array aus Detektoren, wie beispielsweise aus dem Detektor 214, erzeugt ein komplettes Bild, indem ein Signal für jedes Pixel erzeugt wird.
Der Detektor nach der vorliegenden Erfindung weist eine höhere Empfindlichkeit infolge der höheren eingefangenen Strahlungsleistungsdichte in dem empfindlichen Material auf, als bekannte Infrarotdetektoren. Zum Beispiel weisen der Detektor 212 in Fig. 5 (Stand der Technik) und der Detektor 214 in Fig. 6 die gleichen ebenen Gesamtabmessungen auf. Der Detektor 212 hat einen aktiven Bereich von 2500 µm², mit einer typischen Dicke von 10 µm, wohingegen der Detektor 214 einen aktiven Bereich von nur 425 µm² aufweist, mit einer typischen Dicke von 0,5 µm. Mit gleicher einfallender Strahlungsintensität wird der Detektor 214 eine ungefähr 120 mal so große Leistungsdichte in dem empfindlichen Element haben, was ein erhebliches Anwachsen der Leistungsfähigkeit bedeutet. Wenn die Breiten der Elemente in dem Detektorelement 214 kleiner werden, wird das Anwachsen in der Leistungsdichte größer werden. Der Detektor der vorliegenden Erfindung stellt daher einen erheblichen Leistungsvorteil gegenüber bekannten großflächigen Detektoren bereit.
Die Substruktur 240 dient dazu, eine Impedanzanpassung zwischen der Strahlungsimpedanz im freien Raum und der Strahlungsimpedanz der Detektorelemente 216 bis 230 des Detektors 214 bereitzustellen. Ein grundlegendes Maß der Leistungsfähigkeit für einen Strahlungsdetektor liegt in dem Prozentsatz der Absorption für einfallenden Strahlung. Ohne die Substruktur 240 weisen die Elemente 216 bis 230 eine Strahlungsabsorption von weniger als 5% auf, wohingegen das Hinzufügen der Substruktur 240, welche die obigen Kriterien erfüllt, die Absorption auf mehr als 80% erhöht, wie durch Computersimulationen errechnet wurde.
Die verschiedenen Detektoren, die für diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt wurden, verwenden parallele Detektorstreifen, wobei aber grundsätzlich auch periodische Elemente beliebiger Form verwendet werden können, unter der Voraussetzung, daß der Abstand zwischen den Elementen kleiner oder gleich der Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Der dort dargestellte Detektor 260 ähnelt den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Detektor 214, weist aber eine zusätzliche Superstruktur auf, um eine zusätzliche Impedanzanpassung zwischen den Detektorelementen und der Impedanz des freien Raumes bereitzustellen. Der Detektor 260 weist einen Satz von parallelen Detektorelementen 262, 264, 266, 268, 270, 272, 274 und 276 auf, welche den Detektorelementen 216 bis 230 des Detektors 214 entsprechen. Der Detektor 260 umfaßt eine Substruktur 280, welche die Schichten 282 und 284 enthält, die den Schichten 242 und 244im Detektor 214 entsprechen. Der Detektor 260 umfaßt desweiteren eine Superstruktur 286, die aus den Schichten 288 und 290 besteht. Die Schicht 288 ähnelt der Schicht 242 im Detektor 214, und die Schicht 290 ähnelt der Schicht 244 im Detektor 214. Die Superstruktur 286 arbeitet wie die Substruktur 240, um die Impedanzanpassung zwischen den Elementen 262 bis 276 und der Impedanz der Strahlung des freien Raumes zu verbessern.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor 296, der in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist. Der Detektor 296 weist Sätze von Detektorelementen 298 und 300 auf, welche jeweils den Detektorelementen 216 bis 230 im Detektor 214 entsprechen, der in Fig. 6 dargestellt ist, und die jeweils in der gleichen Art und Weise elektrisch verbunden sind. Indessen sind die Detektorelemente im Satz 298 orthogonal zu den Detektorelementen des Satzes 300 angeordnet. Die detektierten Signale aus den beiden Sätzen können elektrisch kombiniert werden. Der Detektor 296 weist eine Substruktur 302 auf, eine Superstruktur 304 und eine mittlere Struktur 306. Die Substruktur 302 umfaßt Schichten 308 und 310, und die Superstruktur 304 umfaßt die Schichten 312 und 314. Die Substruktur 302 entspricht der Substruktur 280, und die Superstruktur 304 entspricht der Superstruktur 286. Die mittlere Struktur 306 weist Schichten 316 und 318 auf, welche jeweils vorzugsweise aus einem Material wie Cadmium-Tellurid bestehen, mit einer Dicke von ungefähr 0,1-10 µm. Der Detektorsatz 298 liegt in der Schicht 316, und der Detektorsatz 300 in der Schicht 318. Die zwei Sätze von Detektorelementen 298 und 300 sind orthogonal bezüglich der Einfangsorthogonalpolarisationen der einfallenden Strahlung orientiert. Die in Fig. 6 dargestellte Struktur fängt nur eine Polarisation ein. Eine Schnittdraufsicht des Detektors 296 ist in Fig. 10 dargestellt, wobei die Superstruktur 304 entfernt wurde und der Satz von Detektorelementen 300 mit gestrichelten Linien dargestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor 320, wie er in Fig. 11 dargestellt ist. Dieser Detektor weist eine Substruktur 322 auf, welche zum Beispiel eine dielektrische Schicht oder Platte 330 ist und vorzugsweise aus Cadmium-Tellurid mit einer Dicke von 0,1-10 µm hergestellt wird. Auf der Oberfläche der Substruktur 322 sind eine Mehrzahl von parallelen Detektorelementen wie 324, 326 und 328 angeordnet. Diese Elemente sind wie die in Fig. 6 dargestellten Elemente 216 bis 230 angeordnet und verbunden. Die Elemente 324 bis 328 sind aus dem gleichen Material hergestellt wie die Elemente 216 bis 230. Auf der unteren Oberfläche der Platte 330 ist eine Schicht 332 bereitgestellt, welche aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium besteht. Die Schicht 332 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,5 µm. Die Substruktur 322 umfaßt die dielektrische Platte 330 und die Metallschicht 332.
Die dielektrische Platte 330 weist eine bevorzugte Dicke auf, die von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängig ist. Die bevorzugte Dicke ist ein ungeradzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge der empfangenen Strahlung. Für einen Strahlung mit einer Wellenlänge von 12 µm ist eine Dicke von bis zu 10 µm akzeptierbar. Computersimulationen haben gezeigt, daß der Detektor 320, mit den dargestellten Abmessungen, eine Strahlungsabsorption von nahezu 100% haben wird.
Der Detektor 320 arbeitete ebenso wie der zuvor beschriebene Detektor 214. Die Metallschicht 332 stellt die untere reflektierende Oberfläche bereit, genau wie die Schnittstelle zwischen den Schichten 242 und 244 eine reflektierende Oberfläche bereitstellt.
Ein Infrarotabbilder gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 12 dargestellt. Der Abbilder 330 weist ein Array aus Detektoren auf, wie beispielsweise aus dem Detektor 332. Jeder der Detektoren, wie der Detektor 332, erzeugt ein Pixelsignal und die Sammlung der Pixelsignale zusammen erzeugt das Bild. Jeder der Detektoren des Abbilders 330 weist eine separate Ausgangsleitung für das Pixelsignal des Detektors auf. Der Abbilder 330 kann für die Detektoren 332 jeden der zuvor beschriebenen Detektoren verwenden, inklusive den oben beschriebenen Detektoren 214, 260, 296 oder 320.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 1x bis 15Ax-15Hx beschrieben.
Ein Infrarotdetektor 20x, welcher nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ist in einer perspektivischen Ansicht in Fig. 1x dargestellt und in einer Schnittansicht in der Fig. 2x. Diese Ansichten sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht. Eine detaillierte Beschreibung für die Schritte zur Herstellung des Detektors 20x in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist in Zusammenhang mit den Fig. 3Ax-3Kx dargestellt. Der Detektor 20x enthält ein Substrat 22x welches vorzugsweise aus Saphir hergestellt ist, aber optional auch aus Cadmium- Tellurid oder Silicium bestehen kann. Die bevorzugte Dicke des Substrates 22x beträgt ungefähr 2 mm. Auf der oberen Oberfläche des Substrates 22x befindet sich eine reflektierende Ebene 24x, welche vorzugsweise eine Schicht aus Aluminium ist, die eine Dicke von ungefähr 500 bis 1000 Å aufweist. Eine Klebeverbindungsschicht bindet die reflektierende Ebene 24x an das Substrat 22x.
Auf der Oberfläche der Ebene 24x ist ein rechteckiges Array von isolierenden Blöcken bereitgestellt, die durch die Blöcke 26Ax bis 26Ex dargestellt sind. Diese Blöcke sind vorzugsweise aus Cadmium-Tellurid hergestellt und haben laterale Dimensionen von ungefähr 4 × 1 µm und eine Dicke von ungefähr 0,3 µm. Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt dieser Blöcke beträgt ungefähr 8 µm. Alle der Dimensionen, die im Zusammenhang mit dem Detektor 20x vorgetragen wurden, basieren auf ein Design, welches eine optimale Antwort für ein Wellenlängenband von 8-12 µm für die einfallende Infrarotstrahlung bereitstellt. Diese Dimensionen würden für eine andere Wellenlänge entsprechend proportional skaliert werden.
Unmittelbar oberhalb eines jeden der isolierenden Blöcke 26A bis 26E befindet sich ein Satz von Segmenten, welche fotoempfindlich für Infrarotstrahlung in dem Bereich von 8-12 µm sind. Es handelt sich um die fotoempfindlichen Segmente 28Ax-28Ex, welche im wesentlichen die gleichen lateralen Dimensionen aufweisen wie die Segmente 26Ax-26Ex und eine Dicke von ungefähr 0,5 µm aufweisen. Diese Segmente enthalten Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT), das ein x-Verhältnis von ungefähr 0,15 aufweist, entsprechend einer Betriebstemperatur bei 300°K. Quecksilber-Cadmium-Tellurid wird durch Bruchteile spezifiziert, wobei der Bruchteil des Cadmiums durch das Legierungsverhältnis x und der Bruchteil des Quecksilbers durch das Legierungsverhältnis 1-x dargestellt ist.
Der Übergang zwischen den Blöcken 26Ax-26Ex und den entsprechenden Segmenten 28Ax-28Ex ist ein Sperrübergang, welcher den Übergang von allen Trägern, sowohl von Majoritäten als auch von Minoritäten, verhindert. Dieser Übergang kann derart hergestellt werden, daß er einen kurzen Übergang zwischen den fotoempfindlichen und den fotounempfindlichen Segmenten bereitstellt.
Unmittelbar oberhalb der fotoempfindlichen Segmente 28 Ax--28Ex befinden sich verbindende, nicht fotoempfindliche Segmente 30Ax-30Fx. Die verbindenden Segmente 30Ax-30Fx bestehen aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, wobei das x-Legierungsverhältnis größer oder gleich 0,2 ist. Mit diesem x- Verhältnis sind die Segmente 30Ax-30Fx für Infrarotstrahlung in dem Wellenlängenband von 8-12 µm bei einer Betriebstemperatur von ungefähr 300°K nicht fotoempfindlich. Jedes der Segmente 30Ax-30Fx überbrückt ein Paar von Segmenten 28 Ax--28Ex. Zum Beispiel überbrückt das Segment 30Bx die Segmente 28Ax und 28Bx. Für jedes der Segmente 30Ax-30Fx beträgt eine bevorzugte Länge ungefähr 6 µm, eine bevorzugte Breite ungefähr 1 µm und eine bevorzugte Dicke ungefähr 0,25 µm. Die Lücke zwischen den Segmenten 30Ax-30Fx beträgt ungefähr 2 µm.
Jedes der Segmente 30Ax-30Fx befindet sich mit zweien der Segmente 28Ax-28Ex in Kontakt. Der Übergang zwischen diesen Segmenten ist ein selektiv sperrender Übergang, eine Heterojunction. Dieser Übergang sperrt den Durchgang von Minoritätsträgern, aber erlaubt das Hindurchtreten von Majoritätsträgern. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Minoritätsträger p-Typ Löcher und die Majoritätsträger Elektronen. Daher treten die Elektronen frei durch den Übergang hindurch, während die p-Typ Löcher gesperrt werden. Ein Verfahren um diesen Typ von Übergang zu erhalten liegt in der Abstufung des Überganges des Legierungsverhältnisses zwischen den zwei Segmenten über eine Entfernung von ungefähr 1000 Å. Weitere Techniken sind hinreichend bekannt.
Die Kombination der Blöcke 26Ax-26Ex, der Segmente 28Ax-28Ex sowie der Segmente 30Ax-30Fx ergibt eine Struktur 32x, die sich in den identischen Strukturen 34x, 36x, 38x und 40x wiederholt. Jeder dieser Strukturen ist ein langgezogenes, segmentiertes, elektrisch leitendes Teil. Die Strukturen 32x-40x sind parallel zueinander und in einem Abstand voneinander angeordnet, der geringer ist als die Wellenlänge der interessierenden einfallenden Infrarotstrahlung. Ein gewählter Abstand von Mittellinie zu Mittellinie beträgt 8 µm.
Die Kombination der Segmente 30Ax-30Fx und 28Ax-28Ex ergibt ein längliches, segmentiertes, elektrisch leitendes Teil, welches dazu dient, einfallende Infrarotstrahlung aufzufangen und die Energie der Strahlung zu den fotoempfindlichen Segmenten 28Ax-28Ex zu transferieren, worin ein Detektionssignal erzeugt wird und elektrisch durch das Teil übergeben wird. Die Mehrzahl der Detektionssignale, die durch die vielen fotoempfindlichen Segmente 28Ax-28Ex erzeugt worden sind, werden entlang dem segmentierten, elektrisch leitenden Teil addiert.
Die fotoempfindlichen Segmente 28Ax-28Ex und die entsprechenden Segmente in den anderen Strukturen, sind in dieser Ausführungsform voneinander vorzugsweise in einem Abstand angeordnet, der geringer ist als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Die reflektierende Ebene 24x ist von der Ebene der fotoempfindlichen Segmente 28Ax-28Ex in einem Abstand angeordnet, der geringer ist als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung, und vorzugsweise in einem Abstand, der einem Viertel der Wellenlänge entspricht.
Das Segment 30Ax und die entsprechenden Segmente in den Strukturen 34x, 36x, 38x und 40x sind mit einem leitenden Teil 42x verbunden, welches aus dem gleichen Material besteht wie das Segment 30Ax und vorzugsweise eine Verlängerung davon ist. Ein ähnliches leitendes Teil 44x ist mit einem Segment 30Fx und den entsprechenden Segmenten in den Strukturen 34x, 36x, 38x und 40x verbunden. Eine leitende Verbindungsanschlußfläche 46x, vorzugsweise eine Indiumschicht, ist auf der Oberfläche des Teiles 42x ausgebildet, um einen elektrischen Kontakt mit dem Teil 42x herzustellen. Eine ähnliche Anschlußfläche 48x ist auf dem Teil 44x bereitgestellt. Die Anschlußflächen 46x und 48x sind mit einer Spannungsvorspannung verbunden, wie im folgenden beschrieben werden wird und dienen dazu, die Detektionssignale, die innerhalb der Strukturen 32x-40x erzeugt worden sind, zu sammeln.
Wenn das Material der Teile 42x und 44x vom n-Typ ist, ist Indium das bevorzugte Material für die Anschlußflächen 46x und 48x. Wenn das Material für die Teile 42x und 44x vom p- Typ ist, ist Gold das bevorzugte Material für die Anschlußflächen 46x und 48x.
Leiter 50x, 52x, 54x, 56x, 58x und 60x erstrecken sich transversal zu den Strukturen 32x-40x und sind unmittelbar oberhalb der jeweiligen Segmente 30Ax, 30Bx, 30Cx, 30Dx, 30Ex und 30Fx und den entsprechenden Segmenten innerhalb den Strukturen 34x-40x angeordnet. Jeder der Leiter 50x-60x ist elektrisch von jedem anderen Schaltkreiselement in dem Detektor 20x isoliert. Diese Leiter bestehen vorzugsweise aus Aluminium mit einer Breite von 2 µm und einer Dicke von 0,1 µm. Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt ungefähr 8 µm. Diese Leiter erstrecken sich über das gesamte Array, welches aus einer Vielzahl von Detektoren 20x besteht. Diese Leiter haben die Funktion, einen größeren Betrag der Energie der einfallenden Infrarotstrahlung in die fotoempfindlichen Segmente, wie 28Ax-28Ex, einzukoppeln.
Der Detektor 20x in Fig. 1x ist mit im wesentlichen offenen Räumen zwischen den Blöcken und den Segmenten der verschiedenen Strukturen dargestellt. Indessen sind die offenen Räume, die in Fig. 1x unterhalb der Ebene der Leiter 50x-60x dargestellt, mit einem nicht leitenden Material wie Zinksulfid gefüllt. Dieses Füllmaterial wurde in Fig. 1x weggelassen, um einen besseren Überblick über die Struktur des Detektors 20x zu ermöglichen. Das Füllmaterial ist in den Fig. 3Dx-3Kx dargestellt.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1x wird im Betrieb einfallende Infrarotstrahlung durch den Detektor 20x empfangen, wie durch die Pfeile dargestellt. Die Infrarotstrahlung fällt auf die obere Oberfläche des Detektors 20x ein, wie in Fig. 1x dargestellt. Die einfallende Infrarotstrahlung wird im wesentlichen durch die strukturelle Kombination der reflektierenden Ebene 24x, den nicht fotoempfindlichen Segmenten und der fotoempfindlichen Segmenten, zusammen mit den Leitern 50x-60x eingefangen. Die Infrarotenergie wird zu den fotoempfindlichen Elementen 28Ax-28Ex übertragen, sowie zu entsprechenden Elementen, wobei die Struktur als gesamtes eine substantielle Impedanzanpassung mit dem einfallenden Feld bereitstellt. Der Sinn der nicht fotoempfindlichen Elemente 30Ax-30Fx liegt darin, die Impedanzanpassung zu verbessern und einen kontinuierlichen dc-Strompfad bereitzustellen, um den fotoerzeugten Signalstrom zu extrahieren. Das Fotostromdetektionssignal, das durch die fotoempfindlichen Elemente erzeugt worden ist, wird durch die dc-vorgespannten Elektrodenanschlußflächen 46x und 48x entnommen.
Die Leiter 50x-60x können sich über den oberen Teil des Detektors 20x erstrecken und sind vorzugsweise in einem Abstand von 8 µm voneinander angeordnet. Die Leiter 50x-60x können sich über ein Array von Detektoren 20x erstrecken und dienen dazu, die Sammlung der einfallenden Infrarotstrahlung zu verbessern. Ohne die Leiter 50x-60x sammelt der Detektor 20x ungefähr 50% der einfallenden Infrarotstrahlung über das Wellenlängenband von 8-12 µm. Unter Einbeziehung der Leiter 50x-60x hingegen wird die Sammlung von einfallender Strahlung auf bis zu ungefähr 70% über das jeweilige interessierende Band erhöht. Die Leiter 50x-60x reduzieren die Polarisationsempfindlichkeit des Detektors 20x. Diese Prozentsätze sind durch Computersimulationen für die beschriebene Struktur ermittelt worden.
Der Detektor 20x ist desweiteren in einer Schnittansicht in Fig. 2x dargestellt. Diese Schnittansicht ist entlang der Linie 2x-2x der Fig. 1x entnommen.
Der Detektor 20x, der in den Fig. 1x und 2x dargestellt ist, kann ein einzelnes Pixel innerhalb eines Bildes darstellen. Ein zweidimensionales Array von Detektoren 20x, wie in Fig. 13x dargestellt, kann dazu verwendet werden, ein Infrarotbild zu erzeugen.
Eine Sequenz von Schritten zum Herstellen des Detektors 20x gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3Ax-3Kx dargestellt. Wie in Fig. 3Ax dargestellt, wird zunächst ein Substrat 70x bereitgestellt, welches vorzugsweise aus Cadmium-Zink-Tellurid besteht, das eine Kristallorientierung von 2° zu der <100> Ebene aufweist (a crystal orientation of 2° off <100>). Das Substrat 70x weist eine Dicke von ungefäht 2 mm auf. Auf der Oberfläche des Substrates 70x ist eine Schicht 72x aus Quecksilber-Cadmium- Tellurid aufgewachsen, welches ein Legierungsverhältnis von x = 0,2 aufweist und eine Dicke von ungefähr 2,0 µm. Auf die Oberfläche der Schicht 72x ist eine Schicht 74x aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid aufgewachsen, welches ein Legierungsverhältnis von x = 0,15 aufweist, mit einer Dicke von ungefähr 0,5 µm. Auf der Oberfläche der Schicht 74x wird eine Schicht 76x aus Cadmium-Tellurid bereitgestellt. Die Schicht 76x enthält kein Quecksilber und weist daher ein Legierungsverhältnis von x = 1,0 auf. Die Schicht 76x weist eine maximale bevorzugte Dicke von 1 µm auf. Jede dieser Schichten 72x, 74x und 76x wird vorzugsweise mittels eines Epitaxieverfahrens unter Verwendung eines metallorganischen Vakuumverdampfungsverfahrens (MOCVD) oder der Molekularstrahlepitaxie (MBE) gebildet.
In Fig. 3Bx ist ein Schritt zum Präzisionsverdünnen der CdTe-Schicht 76x mittels entweder nassem Ätzen unter Verwendung von verdünntem Brom-Methanol oder mittels Trockenplasmaätzen mit freien Methylradikalen. Die bevorzugte Möglichkeit ist das Trockenplasmaätzen. Die Enddicke wird mittels der NIR (Nahinfrarot) Interferenzspektroskopie bei 0,8-2,5 µm bestimmt. Das Trockenplasmaätzen kann mittels eines Sekundärnachglühreaktors (secondary afterglow reactor) durchgeführt werden. In einem derartigen Reaktor wird eine Mikrowellenentladung in einem Flour Quellengas erzeugt. Dies erzeugt ein fließendes Nachglühen. Das Methan wird in das fließende Nachglühen injiziert, um die Methylradikale zu erzeugen, die das Cadmium-Tellurid ätzen. Die Ausrüstung zur Durchführung dieses Verfahrens wird durch die Firma PlasmaQuest, Inc. of Richardson, Texas hergestellt.
In Fig. 3Cx wird ein Fotoresist auf die Oberfläche der Schicht 76x aufgebracht und mittels Verwendung von Fotolithographietechniken werden die Schichten 76x und 74x geätzt, um die isolierenden Blöcke 76Ax und 76Bx sowie die fotoempfindlichen Segmente 74Ax und 74Bx zu erzeugen. Ein gewählter Fotoresist ist AZ5214 und ein gewähltes Ätzmittel ist ein freies Methylradikal, wie oben beschrieben. Die isolierenden Blöcke 76Ax und 76Bx entsprechen den isolierenden Blöcken 26Ax-26Ex aus Fig. 1x. Gleichsam entsprechen die fotoempfindlichen Segmente 74Ax-74Bx den fotoempfindlichen Segmenten 28Ax-28Ex, wie in Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 3Dx wird ein Zinksulfidfüllmaterial 78x verwendet, das die offenen Bereiche zwischen den geätzten Stapeln, die die Blöcke 76Ax-76Bx und die Segmente 74Ax-74Bx umfassen, füllt. Das Füllmaterial 78x erstreckt sich bis zur Oberfläche der Blöcke 76Ax und 76Bx. Das Füllmaterial 78x wird vorzugsweise mittels einem Elektronenstrahlverdampfungsverfahrens aufgebracht.
In Fig. 3Ex wird die reflektierende Ebene 24x mittels einer Elektronenstrahlverdampfung von Aluminium auf die obere Oberfläche des Füllmaterials 78x und die Oberfläche der Blöcke 76Ax und 76Bx aufgebracht. Die Aluminiumschicht, die die Ebene 24x umfaßt, weist vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 500-1000 Å auf. Diese Ebene wirkt reflektierend für Infrarotstrahlung.
In Fig. 3Fx wird auf die Oberfläche der Ebene 24x eine Kleberschicht 80x aufgebracht, welche vorzugsweise aus einem Harz besteht, wie beispielsweise das "Epoxy Technology 301- 2". Die Schicht 80x weist eine Dicke von ungefähr 0,5 µm auf. Die Harzschicht 80x entspricht der Schicht 23x, die in Fig. 1x dargestellt ist. Ein Superstrat, welches dem Substrat 22x in Fig. 1x entspricht, wird auf die Harzkleberschicht 80x aufgebracht, so daß das Superstrat, das Substrat 22x, mit der Struktur verbunden wird, die die reflektierende Ebene 24x, das Füllmaterial 78x, die Blöcke 76Ax, 76Bx, die Segmente 74Ax, 74Bx, die Schicht 72x und das Substrat 70x umfaßt.
In Fig. 3Gx ist ein weiterer Schritt in dem Herstellungsverfahren zum Erzeugen des Detektors 20x dargestellt. In dem in Fig. 3Gx dargestellten Schritt ist das Substrat 70x entfernt worden, vorzugsweise mittels eines Ätzverfahrens. Desweiteren wurde die Orientierung der Einrichtung mittels einer 180° Drehung geändert. Dies wurde in Fig. 3Gx gemacht, um die Beschreibung des Verfahrens verständlicher zu machen und um die sich ergebende Einrichtung in der gleichen Orientierung bereitzustellen, wie den Detektor 20x in Fig. 1x.
Das Substrat 70x kann mittels einer beliebigen Technik aus einer Vielzahl von Techniken entfernt werden, wie beispielsweise mit Läppen oder mit konventionellem Ätzen. Eine bevorzugte Technik ist das Ätzen mittels einer Technik, die in einem Artikel mit dem Titel "Selective Etching of CdTe and ZnCdTe Substrate form HgCdTe Epilayers" von G. M. Metze, D. L. Spears und N. P. Walsh der Lincoln Laboratory, MIT, veröffentlicht in "Proceedings of the 1985 Meeting of the IRIS Specialty Group on Infrared Detectors", abgehalten vom 6-8. August 1985, Vol. 2, Seiten 123-132 vom 7. August 1985, beschrieben wurde.
In Fig. 3Hx wird die Schicht 72x mittels fotolithographischer Verfahren geätzt, um die überbrückenden Segmente 72Ax, 72Bx und 72Cx zu erzeugen. Ein gewählter Fotoresist ist AZ5214 und ein gewähltes Ätzmittel sind freie Methylradikale, wie oben beschrieben. Diese Segmente entsprechen den nicht fotoempfindlichen Segmenten 30Ax-30Fx, die in Fig. 1x dargestellt sind.
In Fig. 3Ix ist ein Schritt zum Anordnen der Aluminiumleiter 82x, 84x und 86x dargestellt, die den Leitern 50x-60x entsprechen. Dies wird mittels Verwendung der konventionellen Aluminiumelektronenstrahlverdampfungs-Fotolithographie durchgeführt. Indiumleiter für die Anschlußflächen 46x und 48x werden in einem nachfolgenden Schritt gebildet.
In Fig. 3Jx wird eine passivierende Schicht 88x auf die Oberfläche der Leiter 82x-86x, den freien Oberflächen der Segmente 72Ax, 72Bx und 72Cx sowie auf die freien Oberflächen der Segmente 74Ax und 74Bx aufgebracht. Daher wird die gesamte freie Oberfläche der Einrichtung von der passivierenden Schicht 88x bedeckt. Die Schicht 88x besteht vorzugsweise aus Zinksulfid mit einer Dicke von ungefähr 0,1 µm.
In Fig. 3Kx ist symbolisch der Schritt des Anheftens von Leitungen an die geeigneten Oberflächenleiter der Einrichtung dargestellt, gefolgt durch Verpacken der Einrichtung. Dieser Schritt besteht aus konventionellem Leiteranheften und Verpacken von Halbleitereinrichtungen.
Die Infrarotabsorptionscharakteristiken für fotoempfindliche und fotounempfindliche Segmente, die in den Fig. 1x-3x dargestellt sind, sind in Fig. 4x gezeigt. Der Ausdruck "fotoempfindlich" bezieht sich auf das jeweils interessierende Infrarotband. Das Diagramm von Fig. 4x zeigt die Infrarotstrahlungsabsorptionscharakteristiken für Quecksilber- Cadmium-Tellurid (MCT). Die Kurve 90x zeigt die Absorptionscharakteristik für MCT, welches ein Legierungsverhältnis von ungefähr x = 0,2 aufweist. Wie der Kurve zu entnehmen ist, ist MCT mit diesem Verhältnis für Infrarotstrahlung im wesentlichen im Bereich von 4-8 µm absorbierend. Die Kurve 92x zeigt das Absorptionsverhalten von MCT, welches einen x- Wert von x = 0,15 aufweist. Wie der Kurve zu entnehmen ist, weist das MCT mit diesem Verhältnis eine hohe Absorption in dem Bereich von 8-12 µm auf. Diese Absorptionskurven gelten für MCT bei Raumtemperatur. Die Kurve 90x entspricht den nicht fotoempfindlichen Brückensegmenten 30Ax-30Fx. Die Kurve 92x repräsentiert die fotoempfindliche Charakteristik der Segmente 28Ax-28Ex.
In Fig. 5x ist eine Infrarotabsorptionskurve 94x dargestellt, welche das Gesamtinfrarotabsorptionsverhalten der Einrichtung 20x darstellt, die in den Fig. 1x und 2x dargestellt ist. Wie dem Diagramm zu entnehmen, weist diese Einrichtung einen hohen Absorptionsprozentsatz in dem Bereich von 8-12 µm auf. Die Absorption erreicht bei einer Wellenlänge in dem interessierenden Band nahezu 100%. Dieser Wellenlängenbereich ist von grundsätzlichem Interesse bei der thermischen Abbildung. Die Absorptionskurve wurde mittels eines Computermodells für den Detektor 20x bestimmt.
Eine weitere Detektorausführung ist der Strahlungsdetektor 90x, der in Fig. 6x dargestellt ist. Der Detektor 90x ist eine nicht polarisierte Ausführungsform des in Fig. 1x dargestellten Detektors 20x. Der Detektor 90x weist ähnliche Grundstrukturen 22x, 23x und 24x auf. Indessen sind die langgezogenen Leiter 50x-60x durch zusätzliche langgezogene Strukturen ersetzt, die den Detektor 90x polarisationsunempfindlich machen. Der Detektor 90x sammelt sowohl horizontal als auch vertikal polarisierte Infrarotstrahlung. Der Detektor 90x weist eine Mehrzahl von langgezogenen Strukturen 92x, 93x, 94x, 95x und 96x auf. Die Struktur 92x wird im folgenden detailliert als Repräsentant der anderen Strukturen beschrieben werden. Die Struktur 92x enthält rechteckige isolierende Blöcke 98Ax, 98Bx, 98Cx, 98Dx und 98Ex. Diese entsprechen den Blöcken 26Ax-26Ex, die in Fig. 1 dargestellt sind.
Auf der Oberfläche der Blöcke 98Ax-98Ex sind ähnlich geformte fotoempfindliche Segmente 100Ax, 100Bx, 100Cx, 100Dx und 100Ex aufgebracht. Diese entsprechen den fotoempfindlichen Segmenten 28Ax-28Ex, die in Fig. 1 dargestellt sind. Der Detektor 90x enthält desweiteren x-förmige nicht fotoempfindliche Brückensegmente 101x, 102x, 103x und 104x. Diese bestehen aus dem gleichen Material wie die Segmente 30Ax-30Ex, die in Fig. 1 dargestellt sind. Das Segment 101x bildet eine Brücke über die Segmente 100Ax und 100Bx. Die Segmente 102x, 103x und 104x bilden in ähnlicher Weise eine Brücke über entsprechende fotoleitende Segmente.
Transversal zu den Strukturen 92x-96x werden Strukturen 105x, 106x, 107x und 108x bereitgestellt. Die Struktur 108x wird im folgenden im Detail als ein Repräsentant der verbleibenden parallelen Strukturen 105x-107x beschrieben werden. Die Struktur 108x enthält isolierende Blöcke 110Ax, 110Bx, 110Cx, 110Dx, 110Ex und 110Fx. Diese entsprechen in ihrer Größe und in ihrem Material den Blöcken 26Ax-26Ex, die in Fig. 1x dargestellt sind.
Auf der Oberfläche der Blöcke 110Ax-110Fx sind entsprechende fotoempfindliche Segemente 112Ax, 112Bx, 112Cx, 112Dx, 112Ex und 112Fx aufgebracht. Diese entsprechen in ihrer Größe und Material den fotoempfindlichen Segmenten 28Ax-28Ex, die in Fig. 1x dargestellt sind.
Das nicht fotoempfindliche Brückensegment 101x überbrückt gleichsam die fotoempfindlichen Segmente 112Ax und 112Bx. Entsprechende Brückensegmente 113x, 114x, 115x und 116x in der Struktur 108x überbrücken entsprechende Elemente 112 Bx--112Fx.
Die Herstellung des Detektors 90x ist praktisch die gleiche wie die zuvor beschriebene für den Detektor 20x, aber mit geeignet geänderten Masken, um die zusätzlichen Elemente und die geänderten Formen zu erzeugen.
Der Detektor 90x umfaßt desweiteren leitende Teile 114x und 116x. Das Teil 114x besteht aus dem gleichen Material wie die Brückenstrukturen, nämlich die Strukturen 101x-104x, und ist eine Verlängerung dieser Teile an der Kante des Detektors 90x. Auf der Oberfläche des Teiles 114x wird eine Verbindungsanschlußfläche 115x bereitgestellt, welche vorzugsweise aus einem Indiumkontakt besteht. Das leitende Teil 116x entspricht dem Teil 114x und weist eine ähnliche Verbindungsanschlußfläche 117x auf sich auf. Die Teile 114x und 116x werden durch jeweils isolierende Teile 118x und 119x getragen. Eine DC-Vorspannung für den Detektor 90x wird zwischen den Anschlußflächen 115x und 117x angelegt und das detektierte Signal wird gleichfalls von ihnen entnommen.
Der Detektor 90x arbeitet in der gleichen Art und Weise wie der zuvor beschriebene Detektor 20x, er weist allerdings eine verbesserte Leistungsfähigkeit infolge der Sammlung von transversal polarisierter einfallender Strahlung auf. Dies macht die Leiter 50x-60x, die in Fig. 1x dargestellt sind unnötig.
Ein weiterer Strahlungsdetektor 200x, der in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ist in den Fig. 7x, 8x und 9x dargestellt. Der Detektor 200x ist gleichsam entworfen, um einfallende Infrarotstrahlung in dem Wellenlängenbereich von 8-12 µm einzufangen. Elemente des Detektors 200x sind auf einem dielektrischen Substrat 212x aufgebracht, welches beispielsweise aus Cadmium-Tellurid besteht, genau wie das Substrat 22x, das in Fig. 1x dargestellt ist. Eine Mehrzahl von elektrisch leitenden, segmentierten, langgezogenen Teilen 214x, 216x, 218x, 220x, 222x und 224x sind auf die Oberfläche des Substrates 212x aufgebracht. Eine repräsentative Abmessung für jedes dieser Teile umfaßt eine Breite von 1,0 µm, eine Dicke von 0,5 µm, und eine Länge von 50 µm.
Bei gegenüberliegenden Enden der Teile 214x-224x sind elektrisch leitende Endteile 226x und 228x bereitgestellt, welche die Enden der Teile 214x-224x parallel verbinden. Die Teile 226x und 228x sind vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die nicht fotoempfindlichen aber leitenden Segmente, wie die Segmente 30Ax-30Fx, die in Fig. 1x dargestellt sind. Jedes der Teile 226x und 228x weist vorzugsweise eine Breite von ungefähr 2-5 µm und eine Dicke von ungefähr 0,5 µm auf. Das Teil 226x weist auf einer Oberfläche von ihr eine Anschlußfläche 227x auf, die vorzugsweise eine Indiumschicht ist. Das Teil 228x weist in ähnlicher Weise eine leitende Anschlußfläche 229x auf sich auf.
Jedes der Teile 214x-224x weist eine Mehrzahl von Segmenten entlang seiner Länge auf. Ein bevorzugtes Material für diese langgezogenen Teile ist Quecksilber-Cadmium-Tellurid. Die fotoempfindlichen Charakteristiken dieses Materials werden durch die Verhältnisse der Quecksilber- und Cadmium-Elemente bestimmt. Jedes der Teile 214x-224x enthält Quecksilber- Cadmium-Tellurid, aber alternierende Segmente weisen verschiedene Legierungsverhältnisse auf, welche das fotoempfindliche Verhalten der Segmente bezüglich der Wellenlänge der einfallenden Strahlung ändern. Für diese Ausführungsform weist jedes fotoempfindliche Segment eine Länge von ungefähr 3 µm auf, und jedes nicht fotoempfindliche Segment eine Länge von ungefähr 5 µm.
Das Teil 224x wird im folgenden als Repräsentant für alle Teile 214x-224x beschrieben werden. Das Teil 224x besteht aus Segmenten 224Ax-224Kx, die in Reihe verbunden sind. Das Segment 224Ax ist elektrisch mit dem leitenden Teil 226x verbunden. Das Segment 224Kx ist in ähnlicher Weise mit dem elektrisch leitenden Teil 228x verbunden.
Jedes der Teile 214x-224x ist aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid hergestellt, aber die Legierungsverhältnisse der Segmente sind verschieden. Für Betrieb bei Raumtemperatur weisen die Segmente 224Ax, 224Cx, 224Ex, 224Gx und 224Hx x- Werte größer gleich 0,2 auf, was ausreicht, das Material für Infrarotstrahlung in dem interessierenden Wellenlängenbandbereich, d. h. von 8-12 µm, transparent zu machen. Für die Segmente 224Bx, 224Dx, 224Fx, 224Hx und 224Jx beträgt der Wert des Legierungsverhältnisses von x ungefähr 0,15, was das Material absorbierend, d. h. fotoempfindlich, in dem Wellenlängenbereich von 8-12 µm macht. Demnach werden die Segmente 224Bx, 224Dx, 224Fx, 224Hx und 224Jx fotoempfindlich, während die verbleibenden Segmente in dem interessierenden Wellenlängenbandbereich nicht fotoempfindlich sind. Demnach entsprechen die Segmente 224Ax, 224Cx, 224Ex, 224Gx, 224Ix und 224Kx den nicht fotoleitenden Segmenten 30Ax-30Fx, die in Fig. 1x dargestellt sind. Auf ähnliche Art und Weise entspricht die Zusammensetzung und die Funktion der Segmente 224Bx, 224D, 224Fx, 224Hx und 224Jx den fotoempfindlichen Segmenten 28Ax-28Ex, die in Fig. 1x dargestellt sind.
Der Detektor 200x ist in einer Schnittansicht in Fig. 8x dargestellt. Eine reflektierende Ebene der Schicht 236x, welche vorzugsweise eine Schicht aus Aluminium ist und die eine Dicke von ungefähr 500-1000 Å aufweist, wird von den Teilen 214x-224x um eine Distanz von weniger als 0,5 µm verschoben, was weniger als die Wellenlänge der interessierenden Strahlung ist. Eine Schicht 235x aus Zinksulfid wird zwischen den Schichten 236x und dem Substrat 212x angeordnet. Der bevorzugte Verschiebungsabstand ist ein Viertel der optischen Wellenlänge der Strahlung beim Zentrum des interessierenden Bandes. Die Strahlungswellenlänge innerhalb des Detektormaterials ist erheblich kürzer als im freien Raum.
Ein zusätzlicher Substratbereich 238x kann unterhalb der reflektierenden Schicht 236 bereitgestellt werden, um die strukturelle Integrität zu erhöhen. Der Substratbereich 238x wird mit der reflektierenden Schicht 235x mittels einer Harzschicht 237x verbunden. Das Substratmaterial 238x kann das gleiche sein wie das des Substrates 212x.
Die reflektierende Ebene, nämlich die Schicht 236x, kann optional eine dielektrische Diskontinuität zwischen den Substraten 212 und 236 sein, wobei die Diskontinuität dazu dient, die Infrarotstrahlung zu reflektieren. Derartige Diskontinuitäten können durch die benachbarten Substratschichten bereitgestellt werden, die verschiedene dielektrische Indizes aufweisen. In einer derartigen Konfiguration wird die Aluminiumschicht 236x nicht benötigt.
In den Fig. 7x-9x dargestellten Ausführungsformen beträgt die gewählte Dicke der Teile 214x-224x 0,5 µm. Eine gewählte Dicke des unteren Substrates 238x ist 2 mm.
Der Betrieb des Detektors 200x wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 7x-9x beschrieben. Infrarotstrahlung wird durch eine Linse (welche in Fig. 13x dargestellt ist) zu der Oberfläche des Detektors 200x geleitet. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hohen Prozentsatz der einfallenden Strahlung einzufangen und die Energie der Strahlung zu den fotoempfindlichen Detektorelementen zu leiten. Diese umfassen die fotoempfindlichen Segmente wie 224Bx, 224Dx, etc., welche ein Detektionssignal erzeugen, das proportional zu der Amplitude der einfallenden Strahlung ist. Infrarotstrahlung wird, für das bevorzugte Beispiel, durch die Kombination der Strukturen eingefangen, die aus der reflektierenden Schicht 236x, und der Struktur der langgezogenen Teile 214x-224x besteht, welche sowohl nicht fotoempfindliche als auch fotoempfindliche Segmente enthält.
Die fotoempfindlichen Segmente 28Ax-28Ex (Fig. 1x) und die Segmente 224Bx, 224Dx, 224Fx, 224Hx und 224Jx (Fig. 6x) weisen die folgenden physikalischen Eigenschaften auf:

1. Eine von Null verschiedene Leitfähigkeit, d. h. sie leiten DC-Strom.
2. Ihre Infrarotstrahlungsleitfähigkeit ist endlich, nicht Null.
3. Sie sind dielektrisch mit einem bevorzugten Index n zwischen n = 3,6-3,8.
4. Das Legierungsverhältnis x ist vorzugsweise 0,15 bei Raumtemperatur.
5. Sie weisen eine von Null verschiedene Infrarotstrahlungsabsorption auf.

Die nicht fotoempfindlichen Segmente 30Ax-30Fx (Fig. 1x) und die Segmente 224Ax, 224Cx, 224Ex, 224Gx und 224Ix und 224Kx (vgl. Fig. 6x) weisen die folgenden physikalischen Eigenschaften auf:

1. Eine von Null verschiedene Leitfähigkeit, d. h. sie leiten eine DC-Strom.
2. Ihre Infrarotstahlungsleitfähigkeit ist Null.
3. Das Legierungsverhältnis x ist vorzugsweise größer als 0,2 bei Raumtemperatur.
4. Sie sind dielektrisch mit einer bevorzugten Konstante von n = 3,6.
5. Sie weisen keine Infrarotabsorptionen auf.

Eine weitere Ausführungsform, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, ist in Fig. 10x dargestellt. Ein Detektor 300x weist eine Struktur auf, wie die in Fig. 9x gezeigte, allerdings mit zusätzlichen leitenden Leitungen 302x, 304x, 306x und 308x. Die verbleibenden Strukturelemente sind die gleichen wie die in Fig. 9x und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die leitenden Leitungen 302x, 304x, 306x und 308x sind vorzugsweise aus Aluminium und erstrecken sich transversal über die langgezogenen Teile 214x-224x hin. Die leitenden Aluminiumleitungen 302x-308x sind jeweils unabhängig und sind nicht miteinander oder mit einem anderen Element des Detektors 300x verbunden. Die Leitungen 202x-208x dienen dazu, um das Sammeln von Strahlung mittels des Detektors 300x zu verbessern, genau wie die Leiter 50x-60x, die in Fig. 1 dargestellt sind.
Für die Detektoren 200x und 300x wird ein DC-Vorspannsignal zwischen den elektrisch leitenden Teilen 226x und 228x angelegt. Die fotoempfindlichen Detektorsegmente erzeugen Ladungsträger und wechseln ihre Impendanz beim Empfang von infraroter Strahlung. Diese Impedanzwechsel modifizieren das angelegte Vorspannsignal. Amplitudenänderungen in dem Vorspannsignal enthalten das detektierte Signal.
Für den Detektor 300x enthält die Einfangstruktur auch die Sammlung von leitenden Leitungen, welche die Leitungen 302 x--303x enthalten. Diese strukturelle Kombination kann einen hohen Prozentteil der gesamt einfallenden Strahlung in einem gegebenen Band einfangen. Ein Diagramm des Einfanges derartiger Strahlung für den Detektor 300x, das auch in Fig. 5x gezeigt ist, wurde durch ein theoretisches Modell ermittelt. Der erreichte Prozensatz nähert sich 100% für die Designwellenlänge.
Das Verfahren zur Herstellung der Detektoren 200x und 300x in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 11Ax-11Lx dargestellt. In Fig. 11Ax ist ein Substrat 250x dargestellt, welches vorzugsweise aus Cadmium-Tellurid ist und eine Dicke von 2 mm aufweist. Eine Quecksilber-Cadmium-Telluridschicht 213x ist mittels MOCVD oder MBE-Verfahren auf die Oberfläche des Substrates 250x aufgewachsen. Eine Schicht 212x von Cadmium-Tellurid ist auf die Oberfläche der Schicht 213x aufgewachsen. Die Schicht 213x weist eine Dicke von vorzugsweise 2 µm auf, wohingegen die Schicht 212x eine Dicke von vorzugsweise 0,5 µm hat.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11Bx wird die Schicht 212x aus Cadmium-Tellurid mittels einem von beliebigen Verfahren verdünnt. Das Material, aus dem die Schicht 212x besteht, kann mittels nassem Ätzen oder trockenem Ätzen verdünnt werden. Das nasse Ätzen kann mittels Zuhilfenahme von verdünnten Brommethanol durchgeführt werden. Das trockene Ätzen kann mittels der Verwendung von freien Methylradikalen, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3Bx beschrieben, durchgeführt werden. Typischerweise ist das nasse Ätzen im Materialentfernen schneller, aber das trockene Ätzen kann besser gesteuert werden, um ein präzises Ätzen der Schicht 212x zu erreichen. Die gewünschte Enddicke der Schicht 212x ist ungefähr 0,3 µm. Dies kann mittels der Verwendung von NIR (Nahinfrarot) Interferenzspektroskopie bei 0,8-2,5 µm gemessen werden. Die Schicht 212x wird genauestens verdünnt, um den Abstand zwischen den fotoempfindlichen Elementen und der reflektierenden Ebene zu justieren.
In Fig. 11Cx ist dargestellt, wie eine isolierende Schicht 235x aus Zinksulfid auf der Oberfläche der verdünnten Cadmium-Telluridschicht 212x aufgebracht wird. Eine Schicht 236x aus Aluminium, welche als reflektierender Spiegel dient, wird auf der Oberfläche der Zinksulfidschicht 235x aufgebracht. Die bevorzugte Dicke der Zinksulfidschicht 235x beträgt 0,1 µm, wohingegen die bevorzugte Dicke der Aluminiumschicht 236x in dem Bereich zwischen 500 und 1000 Å liegt. Die Zinksulfidschicht dient als zusätzlicher Isolator, um einen Leckstrom von den fotoempfindlichen Segmenten und Leitern in das Substrat zu verhindern. Wenn die Cadmium- Telluridschicht 212x von aureichend reiner Qualität ist, stellt sie einen hervorragenden Isolator dar und eine zusätzliche Schicht 235x aus Zindsulfid wird dann nicht mehr benötigt.
In Fig. 11Dx wird eine Superstruktur, welche das Substrat 238x umfaßt, mittels der Verwendung einer Harzschicht 237x mit der Oberfläche der Aluminiumschicht 236x verbunden.
In Fig. 11Ex wird das Substrat 250x von der Gesamtstruktur mittels einem beliebigen von vielen möglichen Verfahren entfernt. Dies geschieht in der gleichen Art und Weise, wie vorher im Zusammenhang mit dem Entfernen des Substrates 70x in Bezugnahme auf die Fig. 3Fx und 3Gx beschrieben worden ist. Wie dort beschrieben wurde, kann die Schicht 70x mittels mechanischem Läppen oder Ätzen unter Verwendung der beschriebenen Verfahren entfernt werden. In Fig. 11Ex ist die Struktur um 180° gedreht worden, um die Beschreibung der nachfolgendne Schritte zu erleichtern und um der Orientierung der dargestellten Detektoren 200x und 300x zu entsprechen.
In Fig. 11Ex wird die Schicht 213x auf eine gewünschte Dicke von ungefähr 0,5 µm verdünnt. Das Material kann entfernt werden, indem ein beliebiges von verschiedenen Verfahren verwendet wird, inklusive mechanisches Läppen und Ätzen, entweder naß oder trocken. Ein ausgewähltes nasses Ätzmittel ist verdünntes Brommethanol. Trockenätzen kann genauso durchgeführt werden, wie zuvor im Zusammenhang mit der Schicht 76x von Fig. 3Bx beschrieben wurde. Die Dicke der Schicht 213x kann mittels der Verwendung von Infrarotinterferenzspektroskopie gemessen werden.
In Fig. 11Fx wir die Schicht 213x in einem fotolithographischen Verfahren geätzt, wobei AZ5214 als ein gewählter Fotoresist und freie Methylradikale, wie zuvor beschrieben, als Ätzmittel verwendet werden. Dieses Verfahren erzeugt eine Mehrzahl von fotoempfindlichen Segmenten 213Ax, 213Bx und 213Cx. Diese entsprechen den fotoempfindlichen Segmenten 224Bx, 224Dx, etc., die in Fig. 9x dargestellt sind. Eine perspektivische Ansicht der in dem Schritt von Fig. 11Fx erzeugten Struktur ist in der Fig. 11Gx dargestellt.
In Fig. 11Hx wird eine Schicht aus Quecksilber-Cadmium- Tellurid 240x, welche ein Legierungsverhältnis von x = 0,2 aufweist, mittels MOCVD oder MBE auf die Oberfläche der Struktur aufgewachsen. Die Schicht 240x bedeckt die Oberfläche der Schicht 212x genauso wie die Detektorsegmente 213Ax, 213Bx und 213Cx.
In der Draufsicht auf den Detektor 200x oder 300x gemäß Fig. 11Ix wird die Schicht 240x gemustert und mittels fotolithographischer Verfahren geätzt, um das Material der Schicht 240x zu entfernen, das zwischen den zuvor gebildeten Zeilen der fotoempfindlichen Segmente angeordnet ist, wie eine Zeile, die die Segmente 213Ax, 213Bx und 213Cx enthält. Die fotoempfindlichen Segmente sind zwischen den gestrichelten Linien angedeutet.
In der Fig. 11Jx wird die Schicht 240x weitergeätzt, wo sie direkt die zuvor gebildeten fotoempfindlichen Segmente bedeckt, wie bei 213Ax, 213 Bx und 213Cx. Das verbleibende zwischengelagerte Material umfaßt die nicht fotoempfindlichen, leitenden Segmente 240Ax und 240Bx. Eine Draufsicht der in Fig. 11Jx dargestellten Struktur ist in der Fig. 11Kx dargestellt. Nun sind kontinuierliche Streifen ausgebildet, welche alternierend Segmente umfassen, die fotoempfindlich sind, mit anderen Segmenten, die leitend aber für die Wellenlänge der interessierenden Infrarotstrahlung nicht fotoempfindlich sind.
In Fig. 11Lx ist ein Schritt dargestellt, der das Hinzufügen einer passivierenden Schicht 242x auf die Oberfläche der Struktur umfaßt. Diese Schicht ist vorzugsweise aus einem Material wie Zinksulfid. Schließlich werden Kontakte bei geeigneten Leitungsteilen des dargestellten Detektors ausgeformt, wie beispielsweise ein Kontakt 244x. Derartige Kontakte sind vorzugsweise aus Indium. Schließlich werden an der Gesamteinrichtung Leitungen angefügt und sie wird in einer konventionellen Art und Weise verpackt. Wenn ein individueller Detektor benötigt wird, wird ein Infrarotfenster auf der Packung bereitgestellt. In einem Brennebenenarray wird eine Mehrzahl von Einrichtungen in einer evakuierten Umgebung bereitgestellt, in der sie ein Infrarotbild empfangen können.
Eine schematische Schaltkreisdarstellung des Detektors 20x, und der ähnlichen Detektoren 90x, 200x und 300x ist in Fig. 12x dargestellt. In Fig. 12x werden die Detektorsegmente, nähmlich die fotoempfindlichen Segmente in dem Infrarotdetektor, als Signalquellen 28Ax-28Ex dargestellt, welche zwischen den leitenden Anschlußflächen 46x und 48x (Fig. 1x) verbunden sind. Ein Vorspannsignal wird von einer DC-Quelle 314x angelegt, welche in Reihe mit einem Lastwiderstand 321x zwischen den leitenden Anschlußflächen 46x und 48x verbunden ist. Wenn die Detektoren, die die Segmente 28Ax und 28Ex enthalten, Energie einer eingefangenen Infrarotstrahlung empfangen, wird diese Energie in eine Impedanzvariation übersetzt, die die Amplitude des DC-Vorspannsignales alterniert und ein Detektionssignal zwischen den Ausgangsanschlüssen 320x und 322x erzeugt. Dies ist das Ausgangssignal für ein einzelnes Pixelelement in einem Array derartiger Schaltkreise.
Ein Detektorarray 324x ist in Fig. 13x dargestellt. Das Array 324x umfaßt eine Mehrzahl von einzelnen Pixeldetektoren, wie durch die Detektoren 326x dargestellt. Die Detektoren 326x können beliebige der Detektoren 20x, 90x, 200x oder 300x sein, wie sie in den Fig. 1x, 6x, 7x, 9x und 10x dargestellt sind. Alle der Detektoren innerhalb des Arrays 24x können eine gemeinsame Vorspannleitung haben, aber jede muß eine separate Ausgangssignalleitung haben, mit Leitungen 328x für die Detektoren 326x. Jeder der Pixeldetektoren innerhalb des Arrays 324x hat eine separate Signalleitung.
Das Array 324x ist ein Teil eines Infrarotabbildungssystemes 325x. Die Sammlung von allen Pixeldetektoren innerhalb des Arrays 324x kann ein Bild als ein Ergebnis des Fokussierens von Infrarotstrahlung auf die Oberfläche des Arrays 324x mittels einer Linse 330x erzeugen. Das Bild ist das Signal an den Ausgangssignalleitungen, wie den Leitungen 328x. Darüberhinaus können alle individuellen Pixeldetektoren, wie die Detektoren 326x, auf einem einzelnen gemeinsamen Substrat hergestellt werden, wie das Substrat 22x, das in Fig. 1x dargestellt ist.
In Fig. 14x ist ein Infrarotdetektor 400x dargestellt, welcher eine Mehrzahl von fotoempfindlichen Streifen 402x, 404x, 406x, 408x, 410x und 412x aufweist, die auf einer gemeinsamen Substratschicht 418x aufgebracht sind. Die Streifen 402x-412x enthalten Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT), welches ein x-Verhältnis von ungefähr 0,15 aufweist, entsprechend einer Betriebstemperatur von 300°K. Die Schicht 418x besteht vorzugsweise aus Cadmium-Tellurid.
Die Streifen 402x-412x weisen eine Dicke von ungefähr 0,5 µm auf, eine Breite von ungefähr 1 µm und eine Länge von 50 µm. Die Schicht 418x ist vorzugsweise 0,3 µm dick.
Bei gegenüberliegenden Enden der Streifen 402x-412x befinden sich leitende Teile 420x und 422x, welche vorzugsweise aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid sind, und welche ein x-Legierungsverhältnis größer gleich 0,2 aufweisen. Mit diesem Verhältnis sind die Teile 420x und 422x elektrisch leitend, aber in dem 8-12 µm Band bei 300°K nicht fotoempfindlich. Indiumkontakte 424x und 426x sind jeweils oberhalb der leitenden Teile 420x und 422x angeordnet und befinden sich im ohmschen Kontakt mit den Teilen 420x und 422x.
Die Schicht 418x ist auf einer Schicht 430x angeordnet, welche Zinksulfid mit einer Dicke von ungefähr 0,1 µm enthält.
Eine Aluminiumschicht 432x wird zwischen den Schichten 430x und einer Harzverbindungsschicht 434x angeordnet. Die Schicht 432x ist eine Infrarot-reflektierende Ebene und weist eine Dicke von ungefähr 500-1000 Å auf.
Ein Substrat 436x, vorzugsweise aus Saphir, weist eine Dicke von ungefähr 2 mm auf. Die Harzschicht 434x verbindet die Aluminiumschicht 432x mit dem Substrat 436x.
In den Fig. 15Ax-15Hx ist ein Verfahren zur Herstellung eines Detektors dargestellt, wie er in Fig. 14x gezeigt ist. Dieses Verfahren ähnelt dem Herstellungsverfahren sehr, das in Zusammenhang mit den Fig. 3Ax-3Kx beschrieben wurde. In Fig. 15Ax wird eine Schicht 442x aus Quecksilber-Cadmium- Tellurid mit einem x-Wert von x = 0,15 auf die Oberfläche einer dielektrischen Platte 440x aus Cadmium-Zink-Tellurid aufgewachsen. Die Schicht 442x wird geätzt, wie im folgenden beschrieben werden wird, um zu den Streifen 402x-412x zu werden. Eine Schicht 418x aus Cadmium-Tellurid wird auf die Oberfläche der Schicht 442x aufgewachsen.
In Fig. 15Bx wird die Schicht 418x in der gleichen Art und Weise verdünnt, wie zuvor die Schicht 76x in Fig. 3Bx.
In der Fig. 15Cx wird die Schicht 430x auf die Oberfläche der Schicht 418x aufgewachsen. Die Aluminiumschicht 432x wird auf der Oberfläche der Schicht 430x ausgebildet, wie zuvor für die Ebene 24x beschrieben, die in Fig. 3Ex dargestellt ist.
In Fig. 15Dx wird eine Harzschicht 434x auf die freie Oberfläche der Aluminiumschicht 432 aufgebracht, um das Substrat 436x mit der verbleibenden Struktur zu verbinden.
In der Fig. 15Ex ist die Platte 440x auf der gleichen Art und Weise entfernt worden, wie das Substrat 70x, das in Fig. 3Fx dargestellt ist. Die Struktur wurde in der Fig. 15Ex bezüglich der in Fig. 15Dx gezeigten invertiert.
Die Schicht 442x wird, wie in Fig. 15Fx gezeigt, mittels eines Trockenätzverfahrens mit Methylradikalen verdünnt, um die gewünschte Dicke der Streifen 402x-412x zu erreichen.
In Fig. 15Gx wird ein Resist 450x, wie zuvor beschrieben, auf die Schicht 442 aufgebracht und gemustert, um selektiv die Schicht 242x zu ätzen, um die Streifen 402x-412x zu erzeugen. Der Resist 450x wird dann entfernt.
In Fig. 15Hx wird eine passivierende Schicht 454x auf die freie Oberfläche der Detektorstruktur aus Schutzgründen aufgebracht. Der Detektor wird mittels bekannter Verfahrensschritte des Indiumkontaktierens, des Leitungsanfügens und der Verpackung vervollständigt.
Der in Fig. 14x dargestellte Detektor 400x darf im Vergleich zu dem Detektor 200x, der in Fig. 9x dargestellt ist, eine geringere Detektivität bei der gleichen Größe und Geometrie haben, aber er kann aufgrund seiner geringeren Komplexität und seiner wenigeren Herstellungsschritte einfacher hergestellt werden. Demgegenüber ist seine Funktionalität im wesentliche die gleiche.
Infrarotdetektoren, die wie zuvor beschrieben hergestellt werden, weisen eine erheblich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber bekannten Designs auf. Diese erhöhte Empfindlichkeit kann verwendet werden, um die Anforderung an die Kühlausrüstung zu vermindern, während man die Standardempfindlichkeit beibehält, oder, wenn man eine Kühlausrüstung verwendet, kann der Detektor, der in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine erheblich verbesserte Empfindlichkeit erreichen.
Die fotoempfindlichsten Segmente, die hier für die offenbarten Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid hergestellt, welches ein bestimmtes Legierungsverhältnis aufweist. Dieses Material ist fotoleitend, d. h. es ist ein Bandabstandsmaterial, welches Ladungsträger in Antwort auf einfallende Strahlung produziert. Die fotoempfindlichen Segmente können auch aus einer fotoelektrischen Struktur hergestellt sein, wie beispielsweise aus einem Quecksilber-Cadmium-Tellurid p-n-Übergang, welcher eine Spannung in Antwort auf einfallende Strahlung erzeugt.
Demnach beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Infrarotdetektoren. Die Detektoren weisen eine Mehrzahl von elektrisch leitenden langgezogenen Teilen auf, die fotoempfindliche Segmente enthalten, die getrennt durch, aber in Kontakt mit, nicht fotoempfindlichen leitenden Segmenten sind. In einem weiteren Aspekt werden elektrisch isolierte parallele leitende Leitungen unmittelbar oberhalb der Detektoroberfläche angeordnet und in einem Abstand von weniger als der Strahlungswellenlänge voneinander positioniert, um den Einfang der Infrarotstrahlung zu erhöhen.
Zusammenfassend kann also festgehalten werden, daß eine Strahlungsdetektoreinrichtung für Strahlung in dem infraroten Spektralbereich und in Regionen kürzerer Wellenlänge eine Dipolantenne umfaßt, die auf einem Substrat montiert ist, und die mittels Sperrkontakten mit einem Bandabstandsdetektorelement verbunden ist. Die Dipolantenne weist eine Länge auf, welche ungefähr der halben Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung entspricht. Das Bandabstandsdetektorelement weist lineare Abmessungen auf, welche jeweils erheblich kleiner sind als die Wellenlänge der detektierten Strahlung. Eine Gruppe von Detektoreinrichtungen wird kombiniert, um ein Array zu bilden, das ein Pixelsignal für ein Bild erzeugt. Im Gegensatz zu bekannten Infrarotstrahlungsdetektoren ist die offenbarte Detektoreinrichtung in der Lage, ein brauchbares Ausgangssignal zu erzeugen, ohne dabei unterhalb die Umgebungstemperatur gekühlt werden zu müssen. Eine weitere Infrarotstrahlungsdetektoreinrichtung weist ein Array von Detektoren auf, welche jeweils aus einem Muster von parallelen Detektorelementen bestehen. Jeder Detektor erzeugt ein Pixelsignal für ein Bild. Die Elemente der Detektoren bestehen aus fotoleitenden oder fotoelektrischen Bandabstandsmaterialien, und die Elemente sind zueinander in einem Abstand angeordnet, welcher kleiner oder gleich der Wellenlänge der empfangenen Strahlung ist. Zusätzlich geschichtete Strukturen oberhalb und/oder unterhalb der Detektorelemente erlauben eine Impedanzanpassung zwischen der Strahlung im freien Raum und der Strahlungsimpedanz der Detektorelemente, um das Einfangen der Strahlung zu erhöhen.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der beigefügten Zeichnung und der vorangegangenen Beschreibung beschrieben worden sind, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß vielmehr eine Vielzahl von Neuanordnungen, Modifikationen und Substitutionen durchgeführt werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Detektor für Strahlung in dem infraroten Spektralbereich und für Bereiche kürzerer Wellenlänge, mit:
einem Array von Bandabstandsfotodetektorelementen, welche in einer Ebene angeordnet sind und welche voneinandern in einem Abstand von weniger als ungefähr der Wellenlänge der Strahlung angeordnet sind,
einer Mehrzahl von periodischen Strahlungssammelstrukturen, welche jeweils mit den Fotodetektorelementen verbunden sind, und
einer die Strahlung reflektierenden Ebene, welche von der Ebene der Detektorelementen um weniger als die Wellenlänge der Strahlung verschoben ist, worin die Kombination der Strahlungssammelstrukturen und der reflektierenden Ebene die Strahlung einfängt und sie den Detektorelementen übergibt, um in ihnen ein Detektorsignal zu erzeugen.

2. Detektor nach Anspruch 1, worin jede der linearen Dimensionen der Detektorelemente kürzer als die Wellenlänge der Strahlung ist.

3. Detektor nach Anspruch 1, welcher leitende Leitungen aufweist, die mit den Strahlungssammelstrukturen verbunden sind, um das Detektionssignal zu übermitteln.

4. Detektor nach Anspruch 1, worin die Fotodetektorelemente Quecksilber-Cadmium-Tellurid enthalten.

5. Detektor nach Anspruch 1, worin die Detektorelemente Indiumantimonid enthalten.

6. Detektor nach Anspruch 1, worin die Fotodetektorelemente ein Halbleitersupergitter enthalten.

7. Detektor nach Anspruch 1, worin die die Strahlung reflektierende Ebene eine Metallschicht ist.

8. Detektor nach Anspruch 1, worin die die Strahlung reflektierende Ebene eine dielektrische Vielfachschicht ist.

9. Detektor nach Anspruch 1, worin jede der Strahlungssammelstrukturen eine Dipolantenne enthält.

10. Detektor nach Anspruch 1, welcher Sperrkontakte aufweist, zum Verbinden der Fotodetektorelemente mit den Strahlungssammelstrukturen.

11. Detektor für Strahlung, mit:
einem periodischen Muster von parallelen, länglichen, fotoleitenden oder fotoelektrischen Bandabstandsdetektorelementen, welche voneinander in einem Abstand mit einer Periode angeordnet sind, die geringer als ungefähr die Wellenlänge der Strahlung ist, wobei das Muster der Detektorelemente eine gegebene Strahlungsimpedanz aufweist,
Substrukturvorrichtungen, zum Tragen der Detektorelemente und zum Bereitstellen einer Impedanzanpassung zwischen der Strahlungsimpedanz der Detektorelemente und der Impedanz der Strahlung im freien Raum, und
Vorrichtungen zum elektrischen Verbinden der Detektorelemente zum Erzeugen eines Detektorsignals wenn der Detektor der Strahlung ausgesetzt wird.

12. Detektor nach Anspruch 11, worin jede der linearen Dimensionen der Detektorelemente kürzer als die Wellenlänge der Strahlung ist.

13. Detektor nach Anspruch 11, worin die Substrukturvorrichtungen eine dielektrische Platte enthalten, welche die Detektorelemente auf ihrer einen Oberfläche und eine Metallschicht auf ihrer gegenüberliegenden Oberfläche aufweist.

14. Detektor nach Anspruch 11, welcher eine Superstrukturvorrichtung aufweist, welche in der Nachbarschaft zu dem Muster der Detektorelemente und gegenüberliegend zu den Substrukturvorrichtungen angeordnet ist, zum Bereitstellen einer Impedanzanpassung zwischen den Detektorelementen und der Impedanz des freien Raumes.

15. Detektor nach Anspruch 11, worin die Detektorelemente Quecksilber-Cadmium-Tellurid enthalten.

16. Detektor nach Anspruch 11, worin die Substrukturvorrichtungen eine erste und eine zweite Schicht enthalten, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen.

17. Detektor nach Anspruch 16, worin die erste Schicht aus Indiumantimonid ist und die zweite Schicht aus Cadmium- Tellurid.

18. Detektor nach Anspruch 11, welcher ein zweites periodisches Muster von parallelen, ausgedehnten fotoleitenden oder fotoelektrischen Bandabstandsdetektorelementen aufweist, welche voneinander in einem Abstand mit einer Periode angeordnet sind, die gleich oder kürzer als die Wellenlänge der Strahlung ist, wobei das zweite Muster von Detektorelementen orthogonal zu dem ersten Muster der Detektorelemente und in einer Ebene angeordnet ist, die zu dem ersten Muster der Detektorelemente parallel und von ihr verschoben ist, sowie Vorrichtungen zum elektrischen Verbinden des zweiten Musters der Detektorelemente, zum Erzeugen eines Detektionssignales wenn der Detektor der Strahlung ausgesetzt wird.

19. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zum Detektieren von Strahlung in dem infraroten Spektralbereich und in Bereichen von kürzerer Wellenlänge, welches die Schritte umfaßt:
Ausbilden einer Mehrzahl von Gruppen von fotoempfindlichen Segmenten in einem ebenen Array, wobei die fotoempfindlichen Segmente für die Strahlung empfindlich sind und die fotoempfindlichen Segemente eine Dicke aufweisen, die geringer ist als die Wellenlänge der Strahlung, wobei die fotoempfindlichen Segemente eine Mehrzahl von Gruppen aufweisen, wobei jede Gruppe eine Mehrzahl der fotoempfindlichen Segmente umfaßt, die in einem länglichen Muster angeordnet sind, wobei die fotoempfindlichen Segmente in jeder Gruppe voneinander um eine Entfernung verschoben sind, die kürzer als ungefähr die Wellenlänge ist und wobei die lateralen Dimensionen der fotoempfindlichen Segmente kürzer sind als die Wellenlänge,
Ausbilden einer Mehrzahl von elektrisch leitenden Segmenten zum Verbinden von benachbarten fotoempfindlichen Segmenten in jede der Gruppen, wobei die elektrisch leitenden Segmente für die einfallende Strahlung nicht fotoempfindlich sind, wobei jede Gruppe der fotoempfindlichen Segmente zusammen mit den entsprechenden leitenden Segmenten entlang ihrer Länge elektrisch leitend ist,
Ausbilden einer Ebene, welche reflektierend für die Strahlung ist, wobei das ebene Array von fotoempfindlichen Segmenten und die reflektierende Ebene voneinander um weniger als die Wellenlänge verschoben sind, und
paralleles elektrisches Verbinden einer Mehrzahl der Gruppen der fotoempfindlichen Segmente, um einen Leitungspfad für die Detektionssignale bereitzustellen, die in den fotoempfindlichen Segmenten in Antwort auf die Infrarotstrahlung erzeugt worden sind.

20. Verfahren zum Herstellen einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 19, worin die elektrisch leitenden Segmente in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu aber verschoben von der Ebene der fotoempfindlichen Segmente ist.

21. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 19, worin die elektrisch leitenden Segmente in einer Ebene angeordnet sind, welche koplanar mit der Ebene der fotoempfindlichen Segmente ist.

22. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 19, das den Schritt des Ausbildens einer Heterojunction an jeder Schnittstelle zwischen den fotoempfindlichen Segmenten und den elektrisch leitenden Segmenten enhält.

23. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 19, das den Schritt des Herstellens von isolierendem Material enthält, zum Separieren der reflektierenden Ebene von den fotoempfindlichen Segmenten, wobei das isolierende Material in Kontakt mit den fotoempfindlichen Segmenten ist.

24. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 23, welches desweiteren den Schritt des Ausbildens eines Sperrübergangs an jeder Schnittstelle zwischen den fotoempfindlichen Segmenten und dem isolierendem Material enthält.

25. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung nach Anspruch 19, worin der Schritt des Ausbildens einer reflektierenden Ebene den Schritt des Ausbildens einer Schicht aus Aluminium umfaßt.