DE69032732T2 - Infrarotdetektor und Bildaufnahmeeinrichtung - Google Patents
Infrarotdetektor und BildaufnahmeeinrichtungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Infrarotdetektor wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist. Darüber hinaus bezieht sie sich auf einen Infrarotbildsensor.
- Die Erkennung von infraroter und durch warme Körper ausgestrahlter Strahlung stellt ein wichtiges Verfahren zur Nachtsicht (Wahrnehmung ohne sichtbares Licht) dar. Es gibt Infrarotdetektoren verschiedener Typen, zu denen Halbleiter mit kleinem Bandabstand gehören, die in Form von Photodioden oder Photokondensatoren aufgebaut sind. Legierungen aus Quecksilbertellurid und Cadmiumtellurid, die gattungsmäßig als Hg1-xCdxTe bezeichnet werden, werden verbreitet als lichtempfindliches Halbleitermaterial bei solchen Detektoren verwendet. Hg0,8Cd0,2Te besitzt einen Bandabstand von ungefähr 0,1 eV und ein 0,1 eV Photon besitzt eine Wellenlänge von 12 um, während Hg0,73Cd0,27Te einen Bandabstand von ungefähr 0,24 eV besitzt und ein 0,24 eV Photon eine Wellenlänge von 5 um besitzt. Diese beiden Wellenlängen liegen in den beiden atmosphärischen Fenstern, die für Infrarotdetektoren von größtem Interesse sind.
- Ein Infrarotbildsensor mit einer Matrix aus MIS-Photokondensatordetektoren aus Hg1-xCdxTe ist in der US-Patentschrift mit der Nr. 4,684,812 (Tew und Lewis) offenbart. Die Fig. 1a-b sind eine Querschnittsaufrißansicht bzw. eine Draufsicht eines einzelnen Photokondensators und zeigen das transparente Nickelgate. Das Transmissionsvermögen und die elektrische Leitfähigkeit des Nickelgates sind gegeneinander abzuwägen, und typischerweise ist das Transmissionsvermögen von Photonen mit einer Wellenlänge von 10 um 50-60% bei einem Schichtwiderstand von 100-200Ω/ . Es sind Transmissionsvermögen von bis zu 75% erreicht worden, jedoch wird die Nickelschicht dann so dünn (ungefähr 50 Å), daß Unstetigkeiten aufzutreten beginnen und die Herstellung schwierig wird. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Vorrichtungen, die Hg1-xCdxTe enthalten, Verarbeitungstemperaturen, die unter 200ºC liegen, um die Zersetzung des Hg1-xCdxTe zu vermeiden, und dieses verschlimmert das Problem des Auftretens von Unstetigkeiten. Jedoch geht die Entwicklung bei Infrarotbildsensoren zu einem Transmissionsvermögen von wenigstens 70% hin und selbst dünnere Nickelgates werden benötigt werden.
- So besteht ein Problem bei den bekannten im Infrarotbereich transparenten Gates darin, gleichzeitig ein hohes Transmissionsvermögen, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine praktikable Herstellbarkeit zu erreichen.
- Gemäß der Erfindung umfaßt ein Infrarotdetektor des oben beschriebenen Typs die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
- Die Erfindung schafft Materialien mit hohem Transmissionsvermögen im Infrarotbereich für relativ dicke Schichten, die einen mäßigen spezifischen Widerstand aufweisen und Wismut und Antimon enthalten. Die Erfindung liefert darüber hinaus Infrarotdetektoren, die diese Materialien für die Gates von Photokondensatoren verwenden.
- Der Übersichtlichkeit halber sind die Zeichnungen nur schematisch ausgeführt.
- Die Fig. 1a-b sind eine Querschnittsaufrißansicht bzw. eine Draufsicht eines zum Stand der Technik gehörenden Infrarotphotokondensatordetektors.
- Die Fig. 1a-b zeigen in Querschnittsaufrißansicht bzw. Draufsicht ein einzelnes Pixel (das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet ist) eines zum Stand der Technik gehörenden Hg1-xCdxTe-Photokondensatorinfrarotbildsensors und zeigen die Passivierung 102 aus anodischem Oxid des Hg1-xCdxTe 104 zusammen mit dem Gate-Dielektrikum 106 aus ZnS und das Nickelgate 108. Die Fig. 1a ist ein Querschnitt, der entlang der Linie a-a in der Fig. 1b genommen wurde. Die Figuren zeigen darüber hinaus den unter allem liegenden Siliciumprozessor 110 für den Bildsensor, die Metallverbindung (112- 114-116) des Gates 108 mit dem Siliciumprozessor 110, die ZnS- Isolation 120 und das Epoxid 122, das das Hg1-xCdxTe an dem Siliciumprozessor befestigt. Das Nickel-Gate 108 ist typischerweise 7 nm (70 Å) dick und besitzt einen Schichtwiderstand von ungefähr 100-200Ω/ und ein Transmissionsvermögen von 50-60% für Photonen mit einer Wellenlänge von 10 um. Kurz gesagt, besitzt Nickel einen relativ großen Extinktionskoeffizienten, und das Gate muß daher ziemlich dünn sein.
- Als Ausgangspunkt für die Auswahl der Gate-Materialien der bevorzugten Ausführungsform betrachte man das Transmissionsvermögen elektromagnetischer Strahlung durch ein Material unter Verwendung des Drude-Modells eines Gases aus Elektronen, die festgelegte positive Kerne umkreisen. Die Maxwellschen Gleichungen werden auf die Wellengleichung mit einer komplexen Dielektrizitätskonstanten reduziert, die von der Strahlungsfrequenz abhängt:
- ε(ω) = 1 + 4πiσ/ω
- Hierbei ist ω die (Kreis-)Frequenz und σ die komplexe Leitfähigkeit des Materials, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:
- σ(ω) = σ&sub0;/1-iωt, σ&sub0; = Ne²τ/m
- wobei τ die Elektronenrelaxationszeit (Zeit zwischen Stößen), N die Anzahl an Elektronen pro Volumeneinheit, e die Elektronenladung und m die Elektronenmasse ist. Für Frequenzen, die weit über der Elektronenstoßwahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit (d. h. ωτ > > 1) liegen, kann die Dielektrizitätskonstante durch die folgende Gleichung angenähert werden:
- e(ω) = 1 - ω²p/ω²
- wobei die Plasmafrequenz ist, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird:
- ω²p = 4πNe²/m
- Wenn ω > ωp ist, ist die Dielektrizitätskonstante näherungsweise reell und positiv und die elektromagnetischen Wellen können sich in dem Material ausbreiten, während dann, wenn ω < ωp ist, die Dielektrizitätskonstante näherungsweise reell und negativ ist und die elektromagnetischen Wellen exponentiell in dem Material abfallen. Insbesondere lassen sich die elektromagnetischen Wellen, die sich in der x-Richtung ausbreiten, durch die folgende Gleichung beschreiben:
- wobei (n+ik)²=ε; n der Brechungsindex und k der Abschwächungs- oder Extinktionskoeffizient ist. Daher ist dann, wenn ε näherungsweise reell und positiv ist, k ungefähr Null und es gibt eine geringe Abschwächung; jedoch ist dann, wenn ε näherungsweise reell und negativ ist, n ungefähr Null und es gibt lediglich einen exponentiellen Abfall.
- Es wurde festgestellt, daß die Alkalimetalle gegenüber ultraviolettem Licht transparent, jedoch gegenüber sichtbarem Licht undurchlässig sind. Das Einsetzen von typischen Werten für N und τ für die Alkalimetalle ergibt eine Plasmafrequenz von ungefähr 6 · 10&sup5;/s, woraus eine Wellenlänge von ungefähr 0,3 um resultiert, was beobachtet worden ist. Somit sollte dann, wenn man ein Material wünscht, das im Infrarotbereich (Wellenlängen bis zu 12 um) transparent ist, die Plasmafrequenz um einen Faktor 40 kleiner sein als die der Alkalimetalle und dieses impliziert, daß N um einen Faktor 1600 kleiner sein muß. Mit anderen Worten gehören Materialien mit Leitungselektronendichten von weniger als 10¹&sup9;/cm³ oder Leitungselektronendichten in dieser Größenordnung zu möglichen Kandidaten, und hierzu gehören Halbmetalle und Halbleiter. Natürlich implizieren niedrige Leitungselektronendichten große spezifische Widerstände.
- Das Material der bevorzugten Ausführungsform für ein im Infrarotbereich transparentes Gate ist Wismut (Bi). Wismut wird durch Aufdampfung bis auf eine Schichtdicke von 500 Å abgeschieden und Gates werden durch photolithographische Strukturierung und Ätzung des Wismuts durch ein Plasma aus CF&sub4;/O&sub2; oder einen Naßätzprozeß mit 0,5% Brom in Methanol gebildet. Der Schichtwiderstand der Wismutschicht beträgt ungefähr 400 Ω/ bei 77ºK und das Transmissionsvermögen liegt bei einer Wellenlänge von 10 um bei ungefähr 85%. Der Brechungsindex zusammen mit dem Extinktionskoeffizienten n+ik liegt bei ungefähr 8,2- i1,02 bei einer Wellenlänge von 10 um, verglichen mit Nickel, bei dem n+ik 5,8-123,3 beträgt. So können Wismut-Gates bei gleichem Transmissionsvermögen viel dicker hergestellt werden als Nickel-Gates. Dieses vereinfacht die Probleme der Herstellung. In der Tat besitzt das 50nm(500 Å) dicke Wismut-Gate ungefähr den gleichen Schichtwiderstand wie ein 6nm(60 Å) dickes Nickelgate, wobei jedoch das Nickelgate lediglich ein Transmissionsvermögen von ungefähr 60% bei einer Wellenlänge von 10 um aufweist.
- Kapazität-Spannungstests (bei 100 kHz) von Photokondensatoren, die mit 500 Å dicken Wismut-Gates auf einem ZnS-Dielektrikum auf passiviertem Hg1-xCdxTe hergestellt wurden, zeigen, daß die Grenzschicht Bi/ZnS gut funktioniert.
- Darüber hinaus ist Antimon (Sb) ebenso wie Wismut ein Halbmetall und kann anstelle von Wismut verwendet werden. Antimon besitzt im Vergleich zu Wismut eine größere Leitungselektronendichte (ungefähr 5 · 10¹&sup9; verglichen mit 3 · 10¹&sup7;) und weist daher eine stärkere Absorption durch freie Ladungsträger auf.
- Darüber hinaus können auch Kombinationen aus Wismut und Antimon verwendet werden.
- Modifikationen der Vorrichtungen der bevorzugten Ausführungsform können durchgeführt werden, wobei die Merkmale hohen Transmissionsvermögens im Infrarotbereich und ausreichender elektrischer Leitfähigkeit erhalten bleiben.
- Z. B. können die Bemessungen und Formen der Detektoren verändert werden, das Halbleitermaterial mit geringem Bandabstand kann aus HgCdZnTe, HgMnZnTeSe oder anderen II-VI-Halbleitern oder epitaxialen Schichten solcher Materialien auf Substraten wie CdTe oder GaAs bestehen, der Halbleiter mit geringem Bandabstand kann unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, um zwei oder mehrere Spektralbänder infraroter Strahlung zu erkennen, der Halbleiter kann eine Heterostruktur aufweisen, der Gate-Isolator kann aus unterschiedlichen Dielektrika bestehen, wobei er auch Dotierstoffe enthalten kann, um die Dielektrizitätskonstante zu vergrößern, usw. Die Schichten des im Infrarotbereich transparenten, elektrisch leitfähigen Materials können in elektrooptischen Vorrichtungen oder Flugkörperhauben sowie als Infrarotbildsensorgates verwendet werden.
- Die Erfindung stellt die Vorteile einer im Infrarotbereich transparenten, elektrisch leitfähigen dünnen Schicht bereit, die bei relativ niedrigen Temperaturen erzeugt wurde.
Claims (4)
1. Infrarotdetektor mit einem aus einem Halbleitermaterial
bestehenden Substrat und einem im Infrarotbereich durchlässigen
isolierten und auf dem Substrat angeordneten Gate, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gate aus Wismut, Antimon oder
Verbindungen aus beiden besteht.
2. Infrarotbildsensor mit
mehreren photokapazitiven Detektoren, von denen jeder:
(i) ein Halbleitermaterial mit einem zur Energie der
Infrarotphotonen vergleichbaren Bandabstand; und
(ii) ein im Infrarotbereich durchlässiges isoliertes
und auf dem Halbleitermaterial angeordnetes Gate aufweist, das
aus Wismut, Antimon oder Verbindungen aus beiden besteht.
3. Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem
der spezifische Widerstand des Gatematerials wenigstens
0,001 Ω cm beträgt.
4. Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem
eine einzelne Schicht aus Gatematerial mehrere Gates und
mehrere Verbindungen für die Gates umfaßt.
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