DE69721112T2

DE69721112T2 - Drei- oder Vier-Band-multispektrale Strukturen mit zwei gleichzeitigen Ausgangssignalen

Info

Publication number: DE69721112T2
Application number: DE69721112T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Goleta Kosai
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: EP0797256A2; IL120365A0; IL120365A; EP0797256B1; DE69721112D1; JP3124732B2; US5731621A; EP0797256A3; JPH1054757A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Festkörper-Strahlungsdetektoren und, im Besonderen, Stahlungsdetektoren, welche gegenüber Strahlung innerhalb einer Mehrzahl von Spektralbändern oder mehreren "Farben" empfindlich sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine wünschenswerte Art von Fotodetektoren ist ein Zweifarben-Infrarotstrahlungsdetektor (IR) mit einer gleichzeitigen Empfindlichkeit in zwei Spektralbändern. Die Spektralbänder können kurzwellige Infrarotstrahlung (SWIR), Infrarotstrahlung im mittleren Wellenbereich (MWIR), langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) und sehr langwellige Infrarotstrahlung (VLWIR) umfassen. Eine Gruppenanordnung von Zweifarben-Infrarotdetektoren kann in einer Anzahl von Abbildungseinrichtungen verwendet werden, bei denen es notwendig ist, gleichzeitig Strah-lung innerhalb von zwei Spektralbändern aus einer Szenerie innerhalb eines Gesichtsfeldes der Gruppenanordnung zu detektieren. Beispielsweise kann die Gruppenanordnung auf LWIR oder MWIR oder auf LWIR und SWIR ansprechen.
1 zeigt einen Zweifarbendetektor einer Art ähnlich derjenigen, wie sie in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 5,113,076, erteilt am 5.12.1992, mit dem Titel "Two Terminal Multiband Infrared Radiation Detector", E. F. Schulte, offenbart ist. Dieses gemeinsam übertragene Patent offenbart einen Strahlungsdetektor mit zwei Heteroübergängen, welche in einer Weise analog zu Rücken an Rücken liegenden Fotodioden arbeiten. Jede der Fotodioden spricht auf Strahlung innerhalb eines unterschiedlichen Infrarot-Spektralbandes, beispielsweise LWIR und MWIR, an. Die Detektierung eines bestimmten Wellenlängen-Bandbereiches geschieht durch Schalten einer Vorspannungsquelle. Offenbarte Konfigurationen umfassen einen n-p-n-Aufbau, eine p-n-p-Konfiguration und eine p-n-p-n-Konfiguration. Es sei auch auf das gemeinsam übertragene US-Patent 5,149,956, erteilt am 22. September 1992, Bezug genommen welches den Titel "Two-Color Radiation Detector Array and Methods of Fabricating Same" hat und durch P. R. Norton angemeldet wurde. Dieses Patent beschreibt die Bildung einer im wesentlichen kontinuierlichen gemeinsamen Schicht zwischen Halbleiterbereichen, welche auf unterschiedliche Wellenlängenbänder (beispielsweise MWIR und LWIR) ansprechen. Ein Kontakt 28 wird zu der gemeinsamen Schicht gebildet, um sie an eine Ausleseelektronik zu ankoppeln.
Weiter sei Bezug genommen auf das gemeinsam übertragene US-Patent 5,380,669, erteilt am 1. Oktober 1995, mit dem Titel "Method of Fabricating a Two-Color Radiation Detector Using LPE Crystal Growth", von P. R. Norton. Dieses Patent beschreibt die Verwendung einer Flüssigphasen-Epitaxy (LPE) zum Aufwachsenlassen einer n-leitenden LWIR-Schicht, einer p-leitenden MWIRSchicht und einer n-leitenden MWIR-Schicht auf einem verlorenem Substrat. Eine Passivierungsschicht wird dann über der n-leitenden MWIR-Schicht gebildet, ein infrarotstrahlungsdurchlässiges Substrat wird auf der Passivierungsschicht befestigt und das verlorene Substrat wird dann entfernt. Die resultierende Struktur wird dann weiterbearbeitet, um eine Gruppe oder Reihenordnung von ZweifarbenDetektoren zu bilden.
Weiter kann in diesem Zusammenhang Bezug auf das gemeinsam übertragene US-Patent 5,457,331 Bezug genommen werden, das am 10. Oktober 1995 erteilt wurde und den Titel "Dual Band Infrared Radiation Detector Optimized for Fabrication in Compositionally Granded HgCdTe", welches von K. Kosai und G. R. Chapman angemeldet wurde. Weiter kann Bezug genommen werden auf den n-p+-n-Dualbanddetektor, welcher von J. M. Arias u. a. in der Veröffentlichung Journal of Applied Physics, 70(8), 15. Oktober 1991, Seiten 480 bis 4822 beschrieben ist. In dieser Dreifachschicht-n-p+-n-Struktur geschieht MWIR-Absorption in der unteren n-leitenden Schicht, und die LWIR-Absorption geschieht in der oberen n-leitenden Schicht.
In dem US-Patent 4,847,489 vom 11. Juli 1998 mit dem Titel "Light Sensitive Superlattice Detector Arrangement with Spectral Sensitivity" offenbart Dietrich eine Detektoranordnung, welche eine Mehrzahl von fotoempfindlichen Detektorelementen enthält. Jedes der Detektorelemente besitzt eine mehrschichtige Struktur von abwechselnd positiv und negativ dotieren fotoempfindlichen Halbleiterrnaterialien mit einer Übergitterstruktur oder Superlattice-Struktur. Eine Steuerspannung soll die spektrale Lichtempfindlichkeit steuern und es ist eine optische Filteranordnung vorgesehen, um die Fotodetektoren in eine obere und eine untere effektive Spektralbereichsgruppe aufzuteilen.
In dem US-Patent 4,753,684 vom 28. Juni 1988 mit dem Titel "Photovoltaic Heterojunction Structures" beschreiben Ondris u. a. eine dreischichtige Fotovaltaische Struktur mit doppeltem Heteroübergang der Gruppe II–VI.
In dem japanischen Patent Nr. 55-101832 vom 4. August 1980 offenbart Makoto Itou in dem Abstract einen Infrarotdetektor, welcher n-leitendes HgCdTe enthält, und Elektroden 2 und 3 aufweist, die auf gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind. Die Polarität einer Vorspannung ist schaltbar an die Elektroden 2 und 3 angekoppelt und dieses Gerät soll in der Lage sein, Strahlen von weiten Wellenlängenbereichen durch nur einen einzigen Halbleiterdetektor zu detektieren.
In dem US-Patent 3,478,214 vom 11. November 1969 beschreibt Dillman ein Fotodetektorgerät, das eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten aus Halbleitermaterial aufweist, die eine Bandlückenenergie aufweisen, die jeweils größer als in der vorausgehenden Schicht ist. Eine Mehrzahl von elektrischen Ohm'schen Kontakten entsprechend der Mehrzahl von Halbleiterschichten ist jeweils mit je einer Schicht verbunden, um eine Abnahme der Signale zu ermöglichen.
Allgemeine Informationen bezüglich Infrarot empfindlichen Materialien können in einer Veröffentlichung mit dem Titel "HgCdTe und zugehörige Legierungen" von D. Long und J. L. Schmit in "Semiconductors und Semimetals", Band 5, IR Detectors, Academic Press 1970, gefunden werden.
Eine Veröffentlichung mit dem Titel "Some Properties of Photovoltaic CdxHgl-xTE Detectors for Infrared Radiation" von J. M. Pawlikowski und P. Becla, Infrared Physics, Band 15, (1975) Seiten 331 bis 337 beschreibt fotovoltaische p-n-Übergangsdetektoren, welche aus HgCdTe Kristallen und epitaktischen Filmen aufgebaut sind. Die Authoren berichten, daß sich die Lage eines Fotoempfindlichkeitsmaximumsinnerhalb eines Spektralbereiches von 1 bis 9 μm durch Ändern des Molbruches von Cadmium verschiebt.
Optische Sensoren, welche auf drei oder mehrere Wellenlängen ansprechen, haben nach herkömmlicher Lehre notwendige Strahlaufspalter und gesonderte Optiken für jedes Wellenlängenband. Die Verwendung dieser zusätzlichen Komponente erhöht jedoch die Masse, das Volumen, die Kompliziertheit und die Kosten des optischen Sensors.
Es ist vorgeschlagen worden, einen Detektor, der auf mehr als zwei Spektralbändern anspricht, durch Hinzufügen eines zusätzlichen Detektors oder von Detektoren auf einer Seite eines transparenten Substrates (beispielsweise eines CdZnTe-Substrates) gegenüberliegend der Seite herzustellen, auf welcher ein Zweifarbendetektor, gebildet ist. Diese Lösung würde jedoch deutlich in einer wesentlichen Komplizierung der Verfahrend es Aufwachsen Lassens der Schichten und der Detektorfabrikation resultieren und würde auch beachtlich die erforderlichen Verbindungen zu einer integrierten Ausleseschaltung in einer Ausführungsform einer Fokalebenen-Gruppe (FPA) kompliziert machen.
ZIELE DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Mehrfarben-Infrarotdetektor und eine damit gebildete Gruppenanordnung zu schaffen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Dreifarben- oder Vierfarben-Infrarotdetektorgruppe zu schaffen, welche an existierende Halbleiterverarbeitungsmethoden angepasst ist. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Dreifarben- oder Vierfarben-Infrarotdetektorgruppe zu schaffen, die an existierende Architekturen der integrierten Ausleseschaltungen angepaßt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Festkörper-Gruppenanordnung mit einer Mehrzahl von Strahlungsdetektoreinheit-Zellen geschaffen, von denen die einzelnen Zellen einen multispektralen Fotodetektor enthalten, wobei jeder multispektrale Fotodetektor folgendes enthält:
einen ersten Zweifarbendetektor; und
erste und zweite elektrischen Kontakte.
Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, das der erste Zweifarbendetektor eine erste, eine zweite und eine dritte Schicht aus Halbleitermaterial abwechselnden elektrischen Leitfähigkeitstyps enthält, welche einen ersten und einen zweiten p-n-Übergang zwischen der ersten und der zweiten, sowie zwischen der zweiten und der dritten Schicht ausbilden; wobei die erste Schicht eine Bandlücke aufweist, die so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines ersten Spektralbandes absorbiert wird, und die dritte Schicht einen Bandlücke aufweist, welche schmäler ist als diejenige der ersten Schicht, und wobei jene Bandlücke so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines zweiten Spektralbandes absorbiert wird; und wobei weiter der erste und der zweite elektrische Kontakt mit der ersten und der dritten Schicht gekoppelt sind, um Vorspannungen wechselnder Polaritäten anzulegen, um den ersten und den zweiten p-n-Übergang selektiv in Gegenrichtung vorzuspannen. Die Gruppenanordnung ist weiter gekennzeichnet durch einen einzelnen Fotodetektor, der mit dem zweiten elektrischen Kontakt gekoppelt ist, sowie durch einen dritten elektrischen Kontakt. Der einzelne Fotodetektor enthält eine vierte und eine fünfte Schicht aus Halbleitermaterial unterschiedlichen elektrischen Zeitfähigkeitstyps, um einen dritten p-n-Übergang dazwischen auszubilden, derart, daß die dritte und die vierte Schicht von demselben elektrischen Leitfähigkeitstyp sind, wobei die vierte Schicht eine Bandlücke aufweist, die schmaler als diejenige der dritten Schicht ist und so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines dritten Spektralbandes absorbiert wird, wobei der zweite und der dritte elektrische Kontakt mit der vierten bzw. der fünften Schicht gekoppelt sind, um den genannten dritten p-n-Übergang in Gegenrichtung vorzuspannen, derart, daß im Gebrauch einfallende Strahlung der Reihe nach die Schichten trifft, wobei die Bandlücke in den aufeinanderfolgenden Schichten schmäler wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben dargelegten und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich noch deutlicher durch Studium der detallierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In diesen stellen dar:
1 eine Querschnittsansicht eines nicht maßstabsgerecht gezeichneten zweibandigen (für zwei Farben bestimmten) Infrarotdetektors nach dem Stande der Technik;
2A einen nicht maßstabsgerechte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Vierfarben-Infrarotdetektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2B eine nicht maßstabsgerecht gezeichnete Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Dreifarben-Infrarotdetektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3A und 3B schematische Schaltbinder der Vierfarben-Infrarotdetektorstruktur gemäß 2A bzw. der Dreifarben-Infrarotdetektorstruktur gemäß 2B der vorliegenden Erfindung;
4A eine nicht maßstabsgerecht gezeichnete Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vierfarben-Infrarotdetektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4B eine nicht maßstabsgerecht gezeichnete Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Dreifarben-Infrarotdetektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5A und 5B schematische Schaltbilder der Vierfarben-Infrarotdetektorstruktur gemäß 4A bzw. der Dreifarben-Infrarotdetektorstruktur gemäß 4B nach der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dem hier verwendeten Sprachgebrauch wird als kurzwellige Infrarotstrah-lung (SWIR) Strahlung in einem Spektralbereich angesehen, der von annähernd 1000 nm bis annähemd 3000 nm reicht. Mittelwellige Infrarotstrahlung (WMIR) wird als eine Strahlung angesehen, welche einen Spektralbereich enthält, der von annähernd 3000 nm bis annähemd 8000 nm reicht. Langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) wird als solche betrachtet, welche einen Spektralbereich enthält, der von annähernd 7000 nm bis annähernd 14000 nm reicht. Sehr langwellige Infrarotstrahlung (VLWIR) wird als solche angesehen, die einen Spektralbereich enthält, der von annähernd 12000 nm bis annähernd 30000 nm reicht. Zwar überlappen sich die Bänder in gewissem Maße, doch wird für die hier offenbarten Zwecke die Überlappung nicht als wesentlich angesehen. Ferner wird gemäß dem hier verwendeten Sprachgebrauch ein Halbleitermaterial als wesentliche Empfindlichkeit gegenüber einem gegebenen Spektralband zeigend angesehen, wenn das Halbleitermaterial ein Maximum oder im wesentlichen ein Maximum der Fotoempfindlichkeit gegenüber Wellenlängen innerhalb des gegebenen Spektralbandes zeigt. Die hier offenbarten Strahlungsdetektoren können durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) hergestellt werden. Geeignete LPE-Aufwachstechniken sind in den folgenden beiden Veröffentlichungen beschrieben: T. Tung, M. H. Kalisher, A. P. Stevens und P. E. Herning in "Materials for Infrared Detectors and Sources" Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Band 90 (Mater. Res. Soc., Pittsburgh, PA, 1987) Seite 321; sowie T. Tung "Infinite-Melt Vertical Liquid-Phase Epitaxy of HgCdTe from Hg Solution", Status and Prospects, J. Crystal Growth 86 (1988), Seiten 161 bis 172.
Es ist jedoch zu bevorzugen, einen Molekularstrahlepitaxie (MBE) zu verwenden, um die Detektorstrukturen herzustellen. Dies beruht zumindest teilweise auf den verminderten Schichtdicken, welche mit der MBE-Epitaxie im Verhältnis zur LPE-Epitaxie erhalten werden können. Beispielsweise lassen sich mit der MBE-Epitaxie im Vergleich zur LPE-Epitaxie Schichtdickenverminderungen von annähernd 20% bis 40% erreichen.
Die Verwendung der MBE-Aufwachstechnik oder der LPE-Aufwachstechnik ist jedoch nicht als eine Beschränkung bezüglich der praktischen Verwertung der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
Es sein nun auf die 2A und 3A Bezug genommen, um eine erste Ausführungsform eines auf vier Farben von Infrarotstrahlung ansprechenden Strahlungsdetektors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Der Detektor 10 nimmt eine Strahlungsdetektoreinheit-Zellenfläche ein und enthält vier Fotodetektoren D1 bis D4. Die verschiedenen Schichtdicken, welche unten beschrieben werden, gelten für den Fall einer LPE-Aufwachstechnik. Wenn eine MBE-Aufwachstechnik verwendet wird, dann können die Schichtdicken entsprechend reduziert werden. Eine Detektorgruppenanordnung enthält eine Mehrzahl solcher Fotodetektoreinheit-Zellen von denen jede einen Detekorpunkt oder ein Pixel definiert. Die vergrößerte Querschnittsansicht von 2A gilt für einen Vierfarben-Detektor, welcher dem schematischen Schaltbild von 3A entspricht. Modifikationen an dieser Struktur zum Bilden der ersten Ausführungsform des Dreifarben-Detektors von 2B und 3B werden unten beschrieben.
Der Detektor 10 wird auf einem transparenten Substrat 12 aufgebaut (transparent bei den interessierenden Wellenlängen λ₁ bisλ₄), beispielsweise aus einem Material der Gruppe II–VI, etwa CdZnTe. Das Substrat 12 kann auch aus einem anderen Material als einem der Gruppe II–VI bestehen, beispielsweise aus einem Material der Gruppe IV, etwa Si, oder einem Material der Gruppe III–V, beispielsweise GaAs. Über eine Oberfläche des Substrates 12 wird eine n-leitende, auf Strahlung einer ersten Farbe (λ_c1,) ansprechende, absorbierende Schicht 14 zum Aufwachsen gebracht. Die Schicht 14 hat eine Dicke im Bereich von beispielsweise 8 bis 10 μm und wird beispielsweise mit Indium in einer Konzentration von annähernd 3 × 10¹⁵ Atomen/cm³ n-leitend dotiert. Über der Schicht 14 liegt eine p⁺-Schicht 16 mit einer Energiebandlücke, welche ihr eine Abschneidwellenlänge oder eine Grenzwellenlänge λ_c gibt, welche kleiner als λ_c1 ist. Die Schicht 16 hat eine Dicke im Bereich von beispielsweise 3 bis 4 μm und ist p-leitend beispielsweise mit Arsen dotiert. Über der Schicht 16 befindet sich eine n-leitende, auf Strahlung einer zweiten Farbe (λ_c2), wobei λ_c2>λ_c1) ansprechende, absorbierende Schicht 18. Die Schicht 18 hat eine Dicke im Bereich von 8 bis 10 μm und ist n-leitend beispielsweise mit Indium in einer Konzentration von annähernd 3 × 10¹⁵ Atomen/cm3 dotiert. Über der Schicht 18 befindet sich eine n⁺-leitende Schicht 20 mit einer Energiebandlücke, welche ihr eine Grenzwellenlänge oder Abschneidwellenlänge λ_c verleiht, welche kleiner als λ_c2 ist. Die Schicht 20 hat eine Dicke im Bereich von 3 bis 4 μm und ist n-leitend. Über der Schicht 20 befindet sich eine n-leitende, auf eine dritte Farbe (λ_c3, wobei λ_c3>λ_c2) ansprechende, strahlungsabsorbierende Schicht 22. Die Schicht 22 hat eine Dicke im Bereich von 8 bis 10 μm und ist n-leitend beispielsweise mit Indium in einer Konzentration von annähernd 3 × 10¹⁵ Atomen/cm³ dotiert. Über der Schicht 22 befindet sich eine p⁺-leitende Schicht 24 mit einer Energiebandlücke, die ihr eine Abschneidwellenlänge oder Grenzwellenlänge λ_c verleiht, welche kleiner als λ_c3 ist. Die Schicht 24 hat auch eine Dicke im Bereich von 3 bis 4 μm und ist p-leitend beispiels weise mit Arsen dotiert. Über der Schicht 24 befindet sich eine n-leitende, auf eine vierte Farbe (λ_c4, wobei λ_c4>λ_c3) ansprechende, strahlungsabsorbierende Schicht 26. Die Schicht 26 hat eine mit der Dicke der Schichten 14, 18 und 22 vergleichbare Dicke und ist n-leitend beispielsweise mit Indium in einer Konzentration von annähemd 3 × 10¹⁵Atomen/cm³ dotiert.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehend angegebenen Schichtdicken, Dotierungsmittelarten und Dotierungskonzentrationen beispielsweise genannt sind und nicht in beschränktem Sinne bezüglich der Verwirklichung der Lehre der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind.
In der Ausführungsform nach 2A ist die vielschichtige Struktur durch senkrecht zueinander verlaufende Gräben unterteilt, um eine Anzahl von Mesastrukturen zu bilden, und das optisch aktive Volumen jedes Detektors 10 ist innerhalb einer der Mesastrukturen enthalten. Die Mesastruktur hat eine oben liegende Oberfläche 10a und sich nach abwärts abschrägende Seitenwände 10b, welche an der Oberfläche des Substrates 12 enden. Kontaktmetallisierungsen oder Anschlüsse 28, 30 und 32 in Verbindung mit einem geeigneten Anschlußsystem, beispielsweise Indium-Vorsprünge (nicht dargestellt) sind für das Ankoppeln der Mesastruktur an äußere Vorspannungs- und Ausleseelektroniken vorgesehen, welche in der Ausführungsform einer FPA-Gruppenanordnung typisch durch eine integrierte Ausleseschaltung gebildet sind. Die Verwendung bekannter Indium-Anschlußvorsprünge oder -höcker ermöglicht es, daß die Anordnung nachfolgend mit der zugehörigen integrierten Ausleseschaltung hybridisiert wird, indem die Indiumvorsprünge mit entsprechenden Indiumvorsprüngen an einer Oberfläche der integrierten Ausleseschaltung kalt verschweißt werden. Verfahren zum Hybridisieren von Strahlungsdetektor-Gruppenanordnungen mit integrierten Ausleseschaltungen sind in der Technik bekannt.
In der vorliegenden Ausführungsform wirkt die n⁺-Schicht 20 als eine elektrische gemeinsame Schicht und wirkt weiter als Sperrschicht mit breiter Bandlücke, welche Minoritätsladungsträger, die in der dritten Schicht (Grenzwellenlänge λ_c2,) und fünften Schicht (Grenzwellenlänge λ_c3) erzeugt werden, abtrennt und sie an den richtigen sammelnden p-n-Übergang führt. Das bedeutet, daß in der Schicht 18 erzeugte Foto-Ladungsträger daran gehindert werden, in die Schicht 22 hineinzuwandern, sondern vielmehr durch den p-n-Übergang an der Trennfläche zwischen den Schicht 18 und 16 gesammelt werden. In gleicher Weise werden Foto-Ladungsträger, die in der Schicht 22 erzeugt werden, an einem Hineinqueren in die Schicht 18 gehindert und werden vielmehr durch den p-n-Übergang an der Trennfläche zwischen den Schichten 22 und 24 gesammelt.
Eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht, vorzugsweise eine Passivierungsschicht mit großer Bandlücke, beispielsweise eine Schicht aus CdTe, kann über die freiliegenden Oberflächen 10a und 10b der Mesastrukturen gelegt werden. Die Passivierungsschicht vermindert in vorteilhafter Weise Oberflächenzustände und verbessert das Signal-/Rauschverhältnis des Detektors 10.
Geeignete Vorspannungseinrichtungen für die in den 2A und 3A gezeigte Ausführungsform bestehen in einem Anschluß 32, welcher mit ±50 mV gegenüber dem Anschluß 30 vorgespannt ist, und dem Anschluß 28, der mit ±50 mV gegenüber dem Anschluß 30 vorgespannt ist. Wenn beispielsweise der Anschluß 32 mit Bezug auf den Anschluß 30 positiv ist, der wiederum positiv mit Bezug auf den Anschluß 28 ist, dann kann ein Fotostrom, der durch die Wellenlänge λ_c4 verursacht wird, an dem Anschluß 32 abgenommen werden, ein Fotostrom, der durch die Wellenlänge λ_c2, eingeführt wird, kann an dem Anschluß 28 abgenommen werden, und ein Fotostrom, welcher eine Differenz zwischen λ_c4 und λ_c2, repräsentiert, kann an dem Anschluß 30 abgenommen werden. Wird der Anschluß 30 gegenüber dem Anschluß 28 positiv gehalten, dann kann ein Fotostrom, welcher eine Summe von λ_c4 und λ_c1, repräsentiert, an dem Anschluß 30 abgenommen werden.
Es sein nun auf die Ausführungsform 10' nach den 2B und 3B mit drei Fotodetektoren (D1 bis D3) Bezug genommen. Es ist festzustellen, daß die Struktur im wesentlichen identisch zu derjenigen der Ausführungsform nach 2A mit vier Fotode tektoren ist. Die wichtigste Ausnahme besteht darin, daß die Schicht 26 nicht vorgesehen ist, und daß der Anschluß 32 elektrisch mit der Schicht 24 gekoppelt ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die obere Fotodiode (Schichten 22 und 24) umgedreht werden könnte (d.h. die Anode könnte benachbart zu der gemeinsamen Schicht 20 liegen), indem die Reihenfolge der n- und p⁺-Schichten 22 und 24 umgedreht wird. In diesem Falle ist der gemeinsame Anschluß 30 mit den beiden Schichten 20 und 22 verbunden.
Die resultierenden Strukturen von multispektralen Geräten sind für eine Detektierung in drei Bändern (3B) oder vier Bänder (3A) geeignet. Im wesentlichen ist eine vorspannungsgeschaltete, zwei Anschlüsse aufweisende Zweifarben-Detektorstruktur (Schichten 14 bis 18) vorgesehen, und oben auf dieser Struktur befindet sich entweder eine dritte Fotodiode (3) oder ein zweiter vorspannungsgeschalteter Zweifarben-Detektor (3A). Die Polarität der Vorspannungspotentiale (+V_B, -V_B) bedingt eine Auswahl der spektralen Empfindlichkeiten des Gerätes, da nur der in Gegenrichtung gespannte p-n-Übergang, die durch Photonen erzeugten Träger sammelt. Der Vierfarben-Detektor 10 arbeitet somit wie zwei unabhängige vorspannungsgeschaltete Geräte, welche dieselbe FPA-Einheiten-Zelle einnehmen. In dem Dreifarbendetektor 10' von 3B hat nur die untere Detektorstruktur eine durch die Vorspannung schaltbare spektrale Empfindlichkeit.
Es sei angemerkt, daß die dritte Fotodiode in der Ausführungsform nach 3B und auch der zweite Zweifarbendetektor von 3A durch die eine breitere Bandlücke aufweisende gemeinsame Schicht 20 von dem darunterliegenden, vorspannungsgeschalteten Zweifarbendetektor getrennt sind.
Es sei weiter darauf hingewiesen, daß die beiden Detektoren 10 und 10' nur zwei Indiumvorsprüne innerhalb jedes Picksels (für die Anschlüsse 28 und 32 von 3A und die Anschlüsse 28 und 32 von 2B) benötigen und daher mit herkömlichen Ausleseschaltungsarchitekturen kompatibel sind. Der gemeinsame Anschluß 30 kann mit einer Metallisierung gekoppelt sein, die sich innerhalb der Gruppenanordnung befindet und durch sie verläuft, wobei der elektrische Kontakt an einem Ort oder mehreren Orten am Rande der Gruppenanordnung (und damit weg von der optisch aktiven Fläche) hergestellt wird.
In dem Dreifarbendetektor 10' von 3B ist der gemeinsame Anschluß der Anschluß 30, der Ausgangsstrom entsprechend dem dritten Band ist stets an dem Anschluß 32 verfügbar, während an dem Anschluß 28 entweder der Fotostrom entsprechend dem ersten Band oder entsprechend dem zweiten Band auftritt, welcher durch geeignete Veränderung der relativen Vorspannung zwischen den Anschlüssen 28 und 30 gewählt wird. In dem Vierfarben-Fotodetektor 10 von 3A kann das Signal an dem Anschluß 32 zwischen dem dritten Band und dem vierten Band durch Änderung der Vorspannung am Anschluß 32 relativ zum Anschluß 30 umgeschaltet werden.
Es sei nun auf die 4A und 4B sowie 5A und 5B Bezug genommen, welche zur Darstellung von zweiten Ausführungsformen des Vierfarbendetektors 11 bzw. des Dreifarbendetektors 11' dienen. In den Ausführungsformen nach den 4A und 4B ist die vielschichtige Struktur durch orthoganal angeordnete Gräben unterteilt, um eine Mehrzahl von Mesastrukturen zu bilden. In diesem Fall hat jede Mesastruktur nach abwärts schräg verlaufende Seitenwände, welche in der n-leitenden-Schicht 14 enden, und nicht an der Oberfläche des Substrates 12. Die Anschlüsse 28 und 30 sind auch neu geordnet, so daß der gemeinsame Anschluß 30 mit der n-leitenden-Schicht 14 gekoppelt ist, welche dann eine gemeinsame Kontaktschicht für sämtliche der Fotodetektoren der Gruppenanordnung bildet. Es seinen nun auch die 5A und 5B betrachtet. Die Vorspannungsquellen sind nun auf die gemeinsame Kontaktschicht 14 bezogen. In allen anderen wesentlichen Punkten sind die Fotodetektoren 11 und 11' identisch mit den Fotodetektoren 10 und 10' nach 2A bzw. nach 2B. Ein Vorteil der in den 4A und 4B gezeigten Struktur besteht darin, daß im allgemeinen größere Anordnungen (d. h., mehr Fotodetektoren) hergestellt werden können als bei den Ausführungsformen nach den 2A und 2B.
Es sei bemerkt, daß dann, wenn die Vorspannungszuführung zu dem Anschluß 28 umgeschlatet wird, eine entsprechende Vorspannungsänderung an dem Anschluß 32 ausgeführt wird, um ein verhältnismäßig konstantes Vorspannungspotential zwischen den Anschlüssen 28 und 32 aufrecht zu erhalten.
Die Fotodetektoren 10, 10', 11, 11' können so aufgebaut werden, daß sie auf eine Anzahl von Kombinationen von Wellenlängenbändern ansprechen, beispielsweise SWIR/MWIR/LWIRNLWIR (Fotodetektoren 10 und 11), SWIR/MWIR/LWIR (Fotodetektoren 10' und 11', und MWIR,/MWIR,NLWIR, wobei MWIR, eine Wellenlänge im Bereich von beispielsweise 4.000nm bis 5.000 nm umfaßt, und wobei MWIR₂ eine Wellenlänge im Bereich von beispielsweise 6.000 nm bis 7.000 nm umfaßt.
Die Anordnung der strahlungsabsorbierenden Schichten in diesen verschiedenen Ausführungsformen ist derart, daß die einfallende Strahlung erst das Halbleitermaterial mit der breiteren Bandlücke trifft, und daß die Bandlücke der darauffolgenden Schichten schmäler wird.
Man erkennt, daß vielerlei Materialarten, Abmessungen und Dicken als Beispiele angegeben sind und nicht in einem beschränkenden Sinnne bezüglich der Ausübung der Lehre der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind. Auch die Leitfähigkeitsarten der verschiedenen Schichten können umgedreht werden und die Vorspannungspotentiale können entsprechend eingestellt werden.

Claims

Festkörper-Gruppenanordnung mit einer Mehrzahl von Strahlungsdetektoreinheit-Zellen, von denen die Einzelnen einen multispektralen Photodetektor (10', 11' enthalten, wobei jeder multispektrale Photodetektor folgendes enthält: einen ersten Zweifarbendetektor (D1, D2); und erste (28) und zweite (30) elektrische Kontakte; wobei der erste Zweifarbendetektor (D1, D2) eine erste (14), eine zweite (16) und eine dritte (18) Schicht aus Halbleitermaterial abwechselnden elektrischen Leitfähigkeitstyps enthält, welche einen ersten und einen zweiten p-n-Übergang zwischen der ersten (14) und der zweiten (16) sowie zwischen der zweiten (16) und der dritten (18) Schicht ausbilden, und wobei die erste Schicht (14) eine Bandlücke aufweist, die so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines ersten Spektralbandes absorbiert wird, und die dritte Schicht (18) eine Bandlücke aufweist, welche schmäler ist als diejenige der ersten Schicht (14), und wobei jene Bandlücke so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines zweiten Spektralbandes absorbiert wird; und wobei der erste (28) und der zweite (30) elektrische Kontakt mit der ersten (14) und der dritten (18) Schicht gekoppelt sind, um Vorspannungen wechselnder Polaritäten anzulegen, um den ersten und den zweiten p-n-Übergang selektiv in Gegenrichtung vorzuspannen; und wobei der multispektrale Photodetektor weiter einen einzelnen Photodetektor (D3), der mit dem zweiten (30) elektrischen Kontakt gekoppelt ist, sowie einen dritten (32) elektrischen Kontakt enthält; wobei der einzelne Photodetektor (D3) eine vierte (22) und eine fünfte (24) Schicht aus Halbleitermaterial unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeitstyps enthält, um einen dritten p-n-Übergang dazwischen auszubilden, derart, daß die dritte (18) und die vierte (22) Schicht von demselben elektrischen Leitfähigkeitstyp sind, wobei die vierte Schicht (22) eine Bandlücke aufweist, die schmaler als diejenige der dritten Schicht (18) ist und so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb eines dritten Spektralbandes absorbiert wird, wobei der zweite (30) und der dritte (32) elektrische Kontakt mit der vierten (22) bzw. der fünften (24) Schicht gekoppelt sind, um den genannten dritten p-n-Übergang in Gegenrichtung vorzuspannen, derart, daß im Gebrauch einfallende Strahlung der Reihe nach die Schichten trifft, wobei die Bandlücke in den aufeinanderfolgenden Schichten schmäler wird.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 1, welche weiter eine sechste Schicht (26) aus Halbleitermaterial von demselben elektrischen Leitfähigkeitstyp wie die vierte Schicht (22) enthält, so daß der einzelne Photodetektor (D3) ein zweiter Zweifarbendetektor (D3, D4) wird, wobei ein vierter p-n-Übergang zwischen der fünften (24) und der sechsten (26) Schicht gebildet wird und die sechste (26) Schicht eine Bandlücke aufweist, die schmäler als diejenige der genannte vierten Schicht (22) ist und so gewählt wird, daß Strahlung innerhalb eines vierten Spektralbandes absorbiert wird, wobei der dritte elektrische Kontakt (32) mit der sechsten Schicht (26) anstatt mit der fünften Schicht (24) gekoppelt ist, um Vorspannungen alternierender Polaritäten anzulegen, um selektiv den dritten und vierten p-n-Übergang in Gegenrichtung vorzuspannen.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 1, bei welcher der genannte multispektrale Photodetektor (10', 11') weiter eine siebente Schicht (20) aus Halbleitermaterial enthält, die zwischen der genannte dritten (18) und der genannte vierten (22) Schicht gelegen ist, wobei die siebente Schicht (20) eine Bandlücke aufweist, die so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb des dritten Spektralbandes durchgelassen wird und wobei eine Leitung von Ladungsträgem zwischen dem genannte ersten Zweifarbendetektor (D1, D2) und dem genannte einzelnen Photodetektor (D3) verhindert wird.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 2, bei welcher der genannte multispektrale Photodetektor (10, 11) eine siebente Schicht (20) aus Halbleitermaterial enthält, die zwischen der genannte ersten (18) und der genannte vierten (22) Schicht gelegen ist, wobei die siebente Schicht (20) eine Bandlücke aufweist, die so gewählt ist, daß Strahlung innerhalb des dritten und vierten Spektralbandes durchgelassen wird und wobei eine Leitung von Ladungsträgern zwischen dem ersten Zweifarbendetektor (D1, D2) und dem genannte zweiten Zweifarbendetektor (D3, D4) verhindert wird.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 1, bei welcher sämtliche genannte Schichten aus einem Halbleitermaterial der Gruppe II–VI bestehen.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 1, welche weiter ein Substrat (12) mit einer ersten Oberfläche aufweist, die unter einer Fläche der genannte ersten Schicht (14) liegt, wobei das Substrat aus einem Material besteht, das so gewählt ist, daß es im wesentlichen gegenüber elektromagnetischer Strahlung innerhalb des ersten, des zweiten und des dritten Spektralbandes transparent ist.
Festkörper-Gruppenanordnung nach Anspruch 2, welche weiter ein Substrat (12) enthält, das mit einer ersten Oberfläche unter einer Oberfläche der ersten Schicht (14) gelegen ist, wobei das Substrat aus einem Material besteht, das so gewählt ist, daß es im wesentlichen gegenüber elektromagnetischer Strahlung innerhalb des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Spektralbandes transparent ist.