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Die vorliegende Erfindung betrifft einen photoleitfähigen Infrarotdetektor mit einem
Mehrfach-Potentialtopf, wobei mehrere Halbleiterschichten mit unterschiedlichen
Bandabständen abwechselnd aufgewachsen sind, und insbesondere einen Detektor, der
auf Strahlung im weit-infraroten Bereich mit Wellenlängen zwischen 7 und 12µm
anspricht. Aufgrund der in den letzten Jahren verbesserten Verbundhalbleiter-
Epitaxietechnologie wurde die Herstellung von Mehrfach-Potentialtöpfen aus GaAs-
Verbundhalbleitern möglich, die hervorragende Kristalleigenschaften aufweisen und
deren Strukturen und Zusammensetzungen zufriedenstellend gesteuert werden können.
Es wurden aus derartigen Potentialtöpfen hergestellte Infrarotdetektoren und
Bildaufnahmegeräte mit einer Vielzahl von auf einem GaAs-Substrat angeordneten
Infrarotdetektoren entwickelt.
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Ein Infrarotdetektor mit einem Mehrfach-Potentialtopf wurde bereits vorgeschlagen
(B.F. Levine et al., Appl. Phys. Lett. Vol 53, No. 44, Seiten 296-298, 25. Juli 1988).
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der oben beschriebene Infrarotdetektor einen Aufbau auf,
bei dem aufeinanderfolgend eine ca. 1µm dicke Kontaktschicht 2-1 aus GaAs mit einer
Elektronendichte (n) von n=2x10¹&sup8;/cm³, ein Mehfach-Potentialtopf 31, wobei ca. 50
Sperrschichten 3 mit einer Dicke von ca. 300nm aus undotiertem Al0,31Ga0,69As und
ca. 50 Potentialtopfschichten 4 mit einer Dicke von ca. 4nm aus GaAs mit einer
Elektronendichte von n=2x10¹&sup8;/cm³ aufgewachsen sind, und eine ca. 0,5µm dicke
Kontaktschicht 2-2 aus GaAs mit einer Elektronendichte (n) von n = 2x10¹&sup8;/cm³
ausgebildet sind. Die obere Kontaktschicht 2-2 und der Mehrfach-Potentialtopf 31 sind
teilweise geätzt, so daß ein Teil der Oberfläche der unteren Kontaktschicht 2-1 freiliegt.
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Anschließend wird eine Elektrode 6, die durch eine Legierungsschicht (Au-Ge) aus
Gold und Germanium gebildet wird, auf der Oberfläche der beiden Kontaktschichten 2-
1 und 2-2 ausgebildet.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf der Energiebänder des Mehrfach-Potentialtopfes 31. Die
durchgezogene Linie bezeichnet das Energieniveau der Unterkante des Leitungsbandes.
Fig. 2(a) bzw. 2(b) zeigen einen Zustand, bei dem zwischen den Kontaktelektroden 2-1
und 2-2 keine Vorspannung anliegt bzw. einen Zustand, bei dem eine Vorspannung
zwischen den Kontaktelektroden 2-1 und 2-2 anliegt. Die Bezugszeichen E&sub1; und E&sub2;
bezeichnen ein Grundniveau bzw. ein erstes Anregungsniveau in den Leitungsbändern.
Der Bandabstand zwischen diesen Energieniveaus beträgt in Hinsicht auf die
Wellenlänge der Photonen 8,3µm. Die meisten der thermisch in das Leitungsband
angeregten Elektronen befinden sich auf dem Grundniveau E&sub1; in einem Zustand, wo
kein Licht auf den Mehrfach-Potentialtopf 31 einfällt. Fällt Licht mit einer
Photonenenergie von hn (≥ E&sub2;-E&sub1;) auf den Mehrfach-Potentialtopf 31, so werden, wie
durch den Pfeil A angedeutet, auf dem Grundniveau E&sub1; befindliche Elektronen in das
Anregungsniveau E&sub2; angeregt. In dem Fall, daß eine Vorspannung zwischen die
Kontaktelektroden 2-1 und 2-2 anliegt, werden die Elektronen, wie durch den Pfeil C
angedeutet, gemäß ihrer Polarität in den Leitungsbändern bewegt und als
photoelektrischer Strom (Ip) erfaßt.
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Für den Fall, daß zwar zwischen den Kontaktelektroden 2-1 und 2-2 eine Vorspannung
anliegt, jedoch kein Licht auf den Mehrfach-Potentialtopf 31 fällt, passieren die auf
dem Grundniveau E&sub1; befindlichen Elektronen, wie durch den Pfeil B angedeutet,
aufgrund eines Tunneleffekts das verbotene Band der Sperrschicht 3. Dieser
Tunnelstrom ist eine Dunkelstrom (Id), der davon unabhängig ist, ob Licht auf den
Mehrfach-Potentialtopf fällt oder nicht.
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Im allgemeinen ist der Signal-Rauschabstand (S/N) eines Infrarotdetektors einer
derjenigen Faktoren, die die Empfindlichkeit des Detektors bestimmen. Die
Verringerung des Rauschens (N) ist für die Verbesserung der Empfindlichkeit von
großer Bedeutung. Das Rauschen eines durch einen Halbleiter fließenden elektrischen
Stroms kann durch N=(2qId)l1/2 ausgedrückt werden (q: elektrische Ladung der
Elektronen). Demzufolge kann durch Verringerung des Dunkelstroms (Id) das Rauschen
(N) reduziert werden. Bei einem bekannten Infrarotdetektor, insbesondere bei einem
Detektor zur Erfassung von Strahlung im weit-infraroten Bereich mit einer Wellenlänge
zwischen 7 und 12µm, wird der Dunkelstrom durch Abkühlen des Detektors auf eine
niedrige Temperatur reduziert. Wie bereits oben beschrieben, wird jedoch der
Dunkelstrom (Id) des in Fig. 1 und 2 gezeigten Infrarotdetektors selbst bei Kühlen des
Detektors nicht reduziert, da der Strom ein Tunnelstrom ist, der durch die Sperrschicht
3 fließt.
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In der Druckschrift "Applied Physics Letters", Vol 56, No. 9, 26. Februar 1990,
Seiten 851-853, wird vorgeschlagen, den Tunnel-Dunkelstrom durch Erhöhen der
Sperrbreite sämtlicher Sperrschichten zu verringern. Dies hat jedoch einerseits sehr
große Detektorabmessungen und andererseits einen verringerten photoelektrischen
Strom zur Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotdetektor mit geringem
Rauschen bereitzustellen.
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Des weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Infrarotdetektor mit hoher Empfindlichkeit durch Verringern des Dunkelstroms zu
schaffen, ohne daß der photoelektrische Strom verringert wird.
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Schließlich liegt der vorliegenden Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, das Rauschen
zu verringern, ohne daß die Abmessungen des Infrarotdetektors deutlich größer werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Infrarotdetektor geschaffen, umfassend eine Vielzahl von
Potentialtopfschichten und eine Vielzahl von Sperrschichten, wobei jede der
Potentialtopfschichten aus einem ersten Halbleiter mit einem größeren Bandabstand als
die Quantenenergie einer zu erfassenden Infrarotstrahlung gefertigt und zwischen zwei
benachbarten Sperrschichten angeordnet ist, und wobei jede der Sperrschichten aus
einem zweiten Halbleiter mit einem größeren Bandabstand als der erste Halbleiter
gefertigt ist, ein Paar von Kontaktschichten, die jeweils aus einem Halbleiter gefertigt
sind, dessen Leitungsbandunterkante niedriger als die der Sperrschichten ist, und die
derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen die Potentialtopfschichten und die
Sperrschichten eingeschlossen sind, und ein Paar von Elektroden für externe
Verbindungen, die einen ohmschen Kontakt mit den Kontaktschichten aufweisen, wobei
eine der Sperrschichten eine größere Dicke als die verbleibenden Sperrschichten
aufweist, wobei die größere Dicke derart ist, daß das Durchtunneln der Elektronen
durch die entsprechende Sperrschicht deutlich reduziert ist, und wobei jede der
Potentialtopfschichten ein erstes Anregungsniveau aufweist, welches höher als das obere
Ende des Bandabstands des die Sperrschichten bildenden zweiten Halbleiters ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotdetektor mit einem Mehrfach-
Potentialtopf, wobei durch Vergrößern der Dicke von mindestens einer den Mehrfach-
Potentialtopf bildenden Sperrschicht ein Tunnelstrom, der einen Dunkelstrom erzeugt,
unterdrückt wird. Demzufolge kann das Rauschen verringert werden, ohne daß der
photoelektrische Strom reduziert wird oder die Abmessungen des Detektors größer
werden.
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Die zuvor beschriebenen Aufgaben und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf
die anliegende Zeichnung offensichtlich.
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Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines bekannten Infrarotdetektors mit
einem Mehrfach-Potentialtopf,
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Fig. 2 zeigt ein Energiebanddiagramm des in Fig. 1 dargestellten Mehrfach-
Potentialtopfes, wobei Fig. 2(a) einen Zustand zeigt, in dem keine Vorspannung
angelegt ist, und Fig. 2(b) einen Zustand zeigt, in dem eine Vorspannung angelegt ist,
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Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines erfindungsgemäßen
Infrarotdetektors,
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Fig. 4 zeigt ein Energiebanddiagramm des in Fig. 3 dargestellten Mehrfach-
Potentialtopfes,
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Fig. 5 zeigt einen Kurvenverlauf zur Verdeutlichung eines den Dunkelstrom
verringernden erfindungsgemäßen Effekts, und
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Fig. 6 zeigt einen Kurvenverlauf, wobei die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen
Infrarotdetektors mit der Empfindlichkeit des bekannten Infrarotdetektors verglichen
wird.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine ca. 1µm dicke Kontaktschicht 2-1 aus GaAs mit
einer Elektronendichte von 2x10¹&sup8;/cm³ durch Epitaxiewachstum auf der Oberfläche
eines halbisolierenden GaAs-Substrats 1 mit einer (100)-Oberfläche und des weiteren
darauf eine Sperrschicht 11 aus undotiertem AlGaAs durch Epitaxiewachstum
aufgebracht. Das Wachstum dieser Schichten kann durch das gut bekannte
Molekularstrahl-Epitaxieverfahren (MBE) oder ein metallorganisches Chemical-Vapour-
Deposition-Verfahren (MOCVD) herbeigeführt werden.
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Anschließend werden abwechselnd 50 Potentialtopfschichten 4 aus GaAs mit einer
Elektronendichte von 2x10¹&sup8;/cm³ mit einer Dicke von 4nm und 50 Sperrschichten 3
aus undotiertem AlGaAs mit einer Dicke von 30nm durch Epitaxiewachstum
aufgebracht, so daß ein Mehrfach-Potentialtopf 31 ausgebildet wird. Die
Zusammensetzung der Sperrschicht 3 wird gemäß den gewünschten spektralen
Empfindlichkeitseigenschaften des Infrarotdetektors entsprechend der Formel
Al0,31Ga0,69As eingestellt, wenn die maximale Empfindlichkeit beispielsweise bei
8,3µm vorhanden sein soll. Die Zusammensetzung der Sperrschicht 11 wird derart
gesteuert, daß sie der Zusammensetzung der Sperrschicht 3 entspricht. Anschließend
wird eine ca. 1µm dicke Kontaktschicht 2-2 aus GaAs mit einer Elektronendichte von
2x10¹&sup8;/cm³ durch Epitaxiewachstum aufgebracht. Das Wachstum dieser Schichten
kann durch das MBE-Verfahren oder das MOCVD-Verfahren herbeigeführt werden.
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Anschließend werden die Kontaktschicht 2-2 und der Mehrfach-Potentialtopf 31, wie
gezeigt, mit Hilfe eines Litographieverfahrens durch die Verwendung einer (nicht
gezeigten) Schutzlackmaske und einer Ätzflüssigkeit, in der Flußsäure (HF), H&sub2;O&sub2; und
H&sub2;O in einem Volumenverhältnis von 1:60:5000 gemischt sind, teilweise geätzt. Des
weiteren wird ein Teil der Oberfläche der Kontaktschicht 2-1 durch Entfernen des
Endbereichs der Sperrschicht 11 mit Hilfe eines zu dem oben beschriebenen Verfahren
ähnlichen Ätzverfahrens freigelegt. Danach wird eine aus einer Au-Ge-Legierung
gefertigte Elektrode 6 sowohl auf der Oberfläche der Kontaktschicht 2-2 als auch auf
der freigelegten Oberfläche der Kontaktschicht 2-1 mit Hilfe eines gut bekannten
Vakuum-Niederschlagsverfahren und eines Lift-Off-Verfahrens ausgebildet. Des
weiteren wird die Anordnung einer Hitzebehandlung unterzogen, so daß anschließend
der erfindungsgemäße Infrarotdetektor fertiggestellt ist. Mit dem oben beschriebenen
teilweisen Ätzvorgang kann auch zugleich die Sperrschicht 11 geätzt werden.
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Fig. 4 zeigt ein Energiebanddiagramm für den Fall, daß zwischen den Elektroden 6 des
gemäß Fig. 3 aufgebauten Infrarotdetektors eine Vorspannung anliegt, wobei
beispielsweise die Sperrschicht 11 für die positive Polarität verwendet wird. In der
Potentialtopfschicht 4 treten ein mit E&sub1; bezeichnetes Grundniveau und ein mit E&sub2;
bezeichnetes erstes Anregungsniveau auf. Das Grundniveau E&sub1; ist höher als das obere
Ende des Bandabstandes des die Potentialtopfschicht 4 bildenden Halbleiters und
niedriger als das obere Ende des Bandabstandes des die Sperrschicht 3 bildenden
Halbleiters. Dagegen ist das erste Anregungsniveau E&sub2; höher als das obere Ende des
Bandabstandes des die Sperrschicht 3 bildenden Halbleiters. Diese Niveaus E&sub1; und E&sub2;
werden vor allem durch die Dicke der Potentialtopfschicht (z.B. der GaAs-Schicht 4)
und durch die Energiedifferenz zwischen den Leitungsbandunterkanten der
Potentialtopfschicht und der Sperrschicht (z.B. der AlGaAs-Schicht 3) festgelegt. Die
auf dem Grundniveau E&sub1; vorhandenen Elektronen werden durch Bestrahlung mit einer
Infrarot-Strahlung auf das erste Anregungsniveau E&sub2; angehoben und bewegen sich in
dem Leitungsband wie durch den Pfeil C angedeutet. Die infolge eines Tunneleffekts
die Sperrschicht 3 passierenden Elektronen bewegen sich wie durch den Pfeil B
dargestellt. Da diese Tunnelelektronen durch die dicke Sperrschicht 11 blockiert
werden, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, daß sie die Kontaktschicht 2-1
erreichen. Daher wird der durch die Tunnelelektronen hervorgerufene Dunkelstrom (Id)
verringert. Da der photoelektrische Strom (Ip) durch Elektronen hervorgerufen wird,
die sich wie durch den Pfeil C angedeutet in dem Leitungsband bewegen, wird der
photoelektrische Strom kaum durch die Dicke der Sperrschicht 11 beeinflußt.
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Fig. 5 zeigt einen Kurvenverlauf zur Verdeutlichung des den Dunkelstrom
verringernden erfindungsgemäßen Effekts. Auf der horizontalen Achse ist eine
zwischen den Kontaktschichten 2-1 und 2-2 angelegte Vorspannung und auf der
vertikalen Achse der Dunkelstrom (Id) aufgetragen. Die Kurve 22 bezeichnet den
Dunkelstromverlauf des erfindungsgemäßen Infrarotdetektors. Die zum Vergleich
dargestellte Kurve 21 bezeichnet den Dunkelstromverlauf des in Fig. 1 gezeigten
bekannten Infrarotdetektors, der nicht die dicke Sperrschicht 11 aufweist. Es ist
offensichtlich, daß der Dunkelstrom auf ein Drittel oder weniger verringert werden
kann, indem - wie in Fig. 5 gezeigt - die Dicke der einen Sperrschicht 11 doppelt so
groß wie die der anderen Sperrschichten gewählt wird. Da der Kurvenverlauf von links
nach rechts nahezu symmetrisch ist, ist zudem ersichtlich, daß derselbe Effekt auftritt,
wenn die Sperrschicht 11 entweder auf der Seite der Kontaktschicht 2-1 oder auf der
Seite der Kontaktschicht 2-2 vorhanden ist.
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Fig. 6 zeigt einen Kurvenverlauf der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen
Infrarotdetektors. Auf der horizontalen Achse ist eine zwischen den Kontaktschichten 2-
1 und 2-2 angelegte Vorspannung und auf der vertikalen Achse die Empfindlichkleit,
d.h. der pro Energieeinheit der einfallenden Strahlung auftretende photoelektrische
Strom, aufgetragen. Die weißen Kreise betreffen den Verlauf des erfindungsgemäßen
Infrarotdetektors, während sich die schwarzen Kreise auf den Verlauf des bekannten
Detektors beziehen, der zum Vergleich ebenfalls dargestellt ist. Die Lichtquelle ist die
Strahlung eines schwarzen Körpers mit 500K. Es ist, wie in Fig. 6 dargestellt,
offensichtlich, daß sich der photoelektrische Strom selbst bei Vorhandensein der dicken
Sperrschicht 11 kaum verändert.
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Wie oben beschrieben, wird bei dem Infrarotdetektor der vorliegenden Erfindung der
durch die Tunnelelektronen hervorgerufene Dunkelstrom (Id) durch Verbreitern der
Sperrschicht 11 verringert. Werden alle Sperrschichten verbreitert, treten jedoch
folgende Nachteile auf: (i) die Dicke des Mehfach-Potentialtopfes 31 wird größer, so
daß der gesamte Infrarotdetektor größer wird, und (ii) die Gitterstreuung und die
Rekombinationswahrscheinlichkeit der die Sperrschicht 3 passierenden angeregten
Elektronen wird erhöht und der photoelektrische Strom (Ip) wird daher verringert. Es
ist bezüglich der in Fig. 5 und 6 dargestellten Ergebnissen ausreichend, daß die Dicke
nur einer der Sperrschichten groß gewählt wird. Der Effekt wird deutlich, wenn die
Dicke der Sperrschicht verdoppelt wird. Da sich, wie oben beschrieben, der Verlauf der
Dunkelstromkurve kaum abhängig von der Position der Sperrschicht 11 verändert, ist
offensichtlich, daß die dicke Sperrschicht an jeder gewünschten Stelle innerhalb des
Mehrfach-Potentialtopfes 31 angeordnet werden kann.
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Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die vorliegende Erfindung auf
einen Infrarotdetektor mit einem aus einer GaAs-Schicht und einer AlGaAs-Schicht
gebildeten Mehrfach-Potentialtopf 31 angewendet worden ist, kann die vorliegende
Erfindung selbstverständlich auch auf Infrarotdetektoren angewendet werden, bei denen
die Photoleitfähigkeit in einem Mehrfach-Potentialtopf ausgenutzt wird, der aus anderen
Halbleiterschichten hergestellt ist.