DE69214991T2 - Infrarotdetektor - Google Patents

Infrarotdetektor

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Description

  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotdetektor mit geringem Rauschen bereitzustellen.
  • 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.
  • Schließlich liegt der vorliegenden Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, das Rauschen zu verringern, ohne daß die Abmessungen des Infrarotdetektors deutlich größer werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines bekannten Infrarotdetektors mit einem Mehrfach-Potentialtopf,
  • 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,
  • Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Infrarotdetektors,
  • Fig. 4 zeigt ein Energiebanddiagramm des in Fig. 3 dargestellten Mehrfach- Potentialtopfes,
  • Fig. 5 zeigt einen Kurvenverlauf zur Verdeutlichung eines den Dunkelstrom verringernden erfindungsgemäßen Effekts, und
  • Fig. 6 zeigt einen Kurvenverlauf, wobei die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Infrarotdetektors mit der Empfindlichkeit des bekannten Infrarotdetektors verglichen wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

1. Infrarotdetektor, umfassend
eine Vielzahl von Potentialtopfschichten (4) und eine Vielzahl von Sperrschichten (3), wobei jede der Potentialtopfschichten (4) aus einem ersten Halbleiter mit einem größeren Bandabstand als die Quantenenergie einer zu erfassenden Infrarotstrahlung gefertigt und zwischen zwei benachbarten Sperrschichten (3) angeordnet ist, und wobei jede der Sperrschichten (3) aus einem zweiten Halbleiter mit einem größeren Bandabstand als der erste Halbleiter gefertigt ist,
ein Paar von Kontaktschichten (2), die jeweils aus einem Halbleiter gefertigt sind, dessen Leitungsbandunterkante niedriger als die der Sperrschichten (3) ist, und die derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen die Potentialtopfschichten (4) und die Sperrschichten (3) eingeschlossen sind, und
ein Paar von Elektroden (6) für externe Verbindungen, die einen ohmschen Kontakt mit den Kontaktschichten (2) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Sperrschichten (3) 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
daß jede der Potentialtopfschichten (4) ein erstes Anregungsniveau aufweist, welches höher als das obere Ende des Bandabstands des die Sperrschichten (3) bildenden zweiten Halbleiters ist.
2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Potentialtopfschichten (4) ein Grundniveau aufweist, welches höher als das obere Ende des Bandabstandes des die Potentialtopfschichten (4) bildenden ersten Halbleiters und niedriger als das obere Ende des Bandabstandes des die Sperrschichten (3) bildenden zweiten Halbleiters ist.
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