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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Photonenstrahlungsdetektor
mit großen
Abmessungen.
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Stand der
Technik
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Die
gegenwärtig
am meisten benutzten IR-Hochleistungsdetektoren basieren auf einer
Technik zur Hybridisierung eines Detektionschips auf einem Lesechip
mittels eines Gitters aus Mikrokugeln (zum Beispiel auf Indiumbasis),
das die elektrische und mechanische Verbindung der beiden Chips
gewährleistet.
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Die
Leseschaltung, die ermögliche,
die durch jedes Pixel detektierten Signale zu lesen und auf einem
einzigen Ausgang oder einer kleinen Anzahl von Ausgängen zu
multiplexen, ist eine analoge Schaltung auf Siliciumbasis. Die Komplexität dieser
Schaltungen (Größe, Dichte,
analoger Charakter) verhindert nämlich
eine Realisierung in jeder anderen Technik.
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Die
Detektionsschaltung wird generell durch eine große Anzahl von Pixeln gebildet,
angeordnet gemäß einer
zweidimensionalen oder mosaikartigen Struktur mit ixj Pixeln (zum
Beispiel 128×128, 256×256, 640×640 Pixel)
oder eventuell gemäß einer eindimensionalen
oder quasi-eindimensionalen Struktur mit ixj Pixeln mit i = 1 oder
i << j (zum Beispiel 288×4, 480×4 Pixel).
Um Hochleistungsbauteile herzustellen, wird als Material meistens
eine Legierung CdxHg1-xTe
verwendet und mittels irgendeiner Epitaxietechnik (LPE, MBE, MOVPE,
ISOVPE usw.) auf einem Substrat aus Cd1-zZnzTe (0 ≤ z ≤ 1) mit Maschenparameteranpassung
abgeschieden. Das photosensible Elementarbauteil besteht aus einer N/P-Diode,
realisiert in einer CdHgTe-Schicht.
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Es
existieren mehrere technische Varianten zur Herstellung dieser Übergänge. Die
aktuell ausgereifteste Technik beruht auf einem Planarverfahren mit
einer Ionenimplantationstechnik zur Bildung des Übergangs, wie beschrieben in
den am Ende der vorliegenden Beschreibung genannten Dokumenten [1] oder
[2]. Man kann hervorheben, dass die Kontaktnahme, die in der N-Zone
in Höhe
jedes Pixels stattfindet, in der P-Zone üblicherweise für alle die
Vorrichtung bildenden Elementardioden gemeinsam erfolgt. Diese Technik
hat im Vergleich mit anderen Techniken zahlreiche Vorteile, die
im Wesentlichen mit ihrer relativen Einfachheit verbunden sind,
die eine sehr gute Reproduzierbarkeit/Verlässlichkeit bewirkt: kein Ätzen zur
Definition von aktiven Flächen, ein
metallurgisch einfacher Stapel (diese Struktur erfordert nur eine
einzige Schicht, während
man für
die Strukturen mit Heteroübergängen mindestens
zwei Schichten benötigt),
geringere Empfindlichkeit des Niederfrequenzrauschpegels der Detektoren
bei der Polarisation der Vorrichtung. Die Robustheit und die Zuverlässigkeit
dieser Technik werden durch die Tatsache bewiesen, dass die so hergestellten
Bauteile die ersten gewesen sind, die industriell verfügbar waren.
Zudem wurde kürzlich
gezeigt, dass man bei diesen Strukturen mit N-P-Übergang, wie in den 1A und 1B dargestellt
und in dem Referenzdokument [3] beschrieben, das gleiche Stromniveau
erreichen kann wie bei den Heteroübergangsstrukturen, wo die
P-Zone sich über
der N-Zone befindet, wie dargestellt in der 2.
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Die 1A und 1B zeigen
jeweils eine schematische Ansicht eines hybridisierten zweidimensionalen
IR-Strahlungsdetektors auf seiner Leseschaltung und eine Vergrößerung eines
Pixels, die einen Schnitt eines Detektionselements darstellt.
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In
der 1A sind insbesondere ein Detektorchip 10,
eine Siliciumschaltung 11 und metallische Verbindungen 12 dargestellt
(zum Beispiel Indium-Mikrokugeln), wobei das Videosignal an 13 liegt.
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Die 1B entspricht
einer Vergrößerung des
in der 1A mit 14 bezeichneten
Ausschnitts. In dieser Figur sind eine ScZnTe-Substrat 20,
eine CdHgTe-Schicht 21, eine N/D-Diode 22, erzeugt in dieser
Schicht 21, eine Passivierungsschicht 23, eine Antireflexschicht 24,
ein Kontakt 25, eine Indium-Mikrokugel 12 und
eine Siliciumschaltung 27, wobei die empfangene Strahlung 28 eine
IR-Strahlung ist.
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Die 2 zeigt
einen Detektor mit "P-auf-N"-Heteroübergang,
mit einer CdZnTe-Substratschicht 30,
unter einer Detektionsschicht 31 des Typs N aus CdxHg1-xTe, einer Detektionsschicht 32 des
Typs P aus CdyHg1-yTe,
mit y > x, und einer
Passivierungsschicht 33. In dieser 2 sind auch
ein Pixelkontakt 34 und ein für alle Pixel gemeinsamer "Substratkontakt" 35 dargestellt,
der sich am Ende des Mosaiks befindet.
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Gegenwärtig nimmt
der Bedarf an zweidimensionalen Schaltungen mit sehr hohen Pixelzahlen,
zum Beispiel Formate mit 256×256
Elementen oder mehr, immer stärker
zu. Bei diesen Bauteilen, wenn man versucht, ein großes Signal
zu detektieren, wie dies zum Beispiel bei thermischen Kameras der
Fall ist, die in dem 8–12 μm-Band arbeiten,
und dies bei der Beobachtung einer Szene mit einer Temperatur von
ungefähr
300 K, kann man insbesondere bei den N-auf-P-Planarstrukturen ein
Phänomen
der Entpolarisierung der Dioden beobachten, die weit entfernt sind
von den in der Folge der Beschreibung "Substratkontakte" genannten Kontaktaufnahmestellen, die
sich normalerweise am Rand der Matrix befinden und für alle Pixel
gemeinsam sind, wie weiter oben erwähnt. Dieses Phänomen kann
den Betrieb der Vorrichtung sehr stören und sie sogar unverwendbar
machen. Es ist verbunden mit dem Wert des Zugriffswiderstands dieser
Dioden im Zentrum des Bauteils. Im Falle der Planarstrukturen des
Typs N-auf-P, wird dieser Zugriffswiderstand bestimmt durch die
Transporteigenschaften der P-Zone der CdHgTe-Schicht 21 (typische
Dotierung im Bereich von einigen 1016 cm–3,
typische Mobilität
der Träger (Löcher) in
dem Bereich 300–500
cm2/V/s) sowie natürlich durch die Größe des Bauteils.
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Um
dieses Problem zu beseitigen, können einige "selbstverständliche" Lösungen vorgeschlagen
werden. Unter diesen Lösungen
kann man einen Substratkontakt in der Nähe jeder Diode oder Diodengruppe
in Betracht ziehen (i.e. im Falle der Planarstrukturen in der P-Zone der Schicht 21),
der so klein ist, dass jegliches Entpolarisierungsproblem vermieden
wird. Dies erfordert jedoch eine Reduzierung des Füllfaktors
des Mosaiks und infolgedessen eine Reduzierung seiner Leistung,
sei es in Bezug auf jedes Pixels oder jede Pixelgruppe, sowie eine größere technische
Komplexität
(Verbindung zwischen allen Substratkontakten). Eine andere Lösung besteht
darin, die Dicke der CdHgTe-Schicht 21 in Bezug auf die üblicherweise
benutzte Schicht (Dicke ec) zu erhöhen und
folglich die der P-Zone zu erhöhen,
die nach der Ionenimplantation der N-Zonen vorhanden ist im Falle
der Planarstrukturen des Typs N-auf-P. Auch hier verschlechtert
sich die Leistung der Vorrichtung: entweder nimmt die Quantenausbeute
ab (zum Beispiel wenn e0 größer ist
als die Diffusionslänge
der Minoritätsträger) oder
der Dunkelstrom nimmt zu (wenn e0 kleiner
ist als die Diffusionslänge
der Minoritätsträger), oder
es tritt beides ein (wenn e0 größer ist
als die Diffusionslänge
der Minoritätsträger und
wenn e0 kleiner ist als die Diffusionslänge der
Minoritätsträger). In
allen Fällen
nimmt das Verhältnis
zwischen dem Photonenstrom und dem Dunkelstrom ab.
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Diese
Zugriffswiderstandsproblem ist wesentlich weniger groß bei den
Heteroübergangstrukturen,
die eine P-auf-N-Struktur haben, wie dargestellt in der 2,
und von den exzellenten Leiteigenschaften der Schichten des N-Typs
profitieren, verbunden mit der sehr hohen Mobilität der Elektronen
in diesen Schichten. Bei diesen Strukturen ist es diese Schicht
des N-Typs, die den gemeinsamen Substratkontakt aller Dioden darstellt.
Jedoch hat diese Technik ernsthafte Nachteile in Bezug auf die N-auf-P-Planartechnik.
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Das
Referenzdokument [8] beschreibt eine schnelle HgCdTe-Fotodiode,
realisiert in einer HgCdTe-Halbleiterschicht des P-Typs. Auf einer
Seite dieser Schicht ist eine dotierte Zone des N-Typs vorhanden.
Eine Metallisierung hat Kontakt mit einer semimetallischen HgTe-Schicht,
die sich auf der anderen Seite der HgCdTe-Halbleiterschicht befindet,
gegenüber
dem PN-Übergang.
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Das
Referenzdokument [9] beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der
elektrischen Eigenschaften einer Hg0,8Zn0,06Te-Struktur, abgeschieden durch Flüssigphasenepitaxie,
indem man zwischen der Epitaxieschicht aus Hg0,8Cd0,2Te und dem Substrat aus Cd0,97Zn0,03Te eine Pufferschicht aus Cd0,94Zn0,06Te einfügt.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, das Problem eines hohen Serienwiderstands
bei den Dioden zu beseitigen, die mit der oben beschriebenen Planartechnik
hergestellt werden und sich im Zentrum großer zweidimensionaler Mosaiken
mit ixj Pixeln befinden (wobei i und j groß sind, zum Beispiel größer als 128)
und die dazu bestimmt sind, hohe Signalpegel zu detektieren, und
außerdem
die Aufgabe, die elektrooptischen Eigenschaften der Detektoren beizubehalten.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen zweidimensionalen Photonstrahlungsdetektor,
basierend auf einer Technik zur Hybridisierung eines Detektionschips
auf einem Lesechip mittels eines die elektrische und mechanische
Verbindung der beiden Chips gewährleistenden
Mikrokugelngitters, wobei der Detektionschip gebildet wird durch
eine zweidimensionale Struktur aus ixj Pixeln, einer auf einem Substrat abgeschiedenen
aktiven Schicht, wobei jedes photosensible Elementarelement durch
eine in der aktiven Schicht realisierten N/P- oder P/N-Diode gebildet wird,
der Kontakt mit der N- oder P-Zone bei jedem Pixel einzeln erfolgt,
der Kontakt mit der anderen P- oder N-Zone für alle Dioden gemeinsam ist,
dadurch gekennzeichnet, dass er eine Zwischenschicht mit einer größeren Bandlücke als
derjenigen der aktiven Schicht umfasst, wobei diese Zwischenschicht
für die Wellenlängen, die
man detektieren will, optisch transparent ist, und elektrisch neutral
ist, was einen vernachlässigbaren
Beitrag der Zwischenschicht zu dem Dunkelstrom des Detektors gewährleistet,
diese Zwischenschicht auf dem Substrat abgeschieden ist, die aktive
Schicht auf dieser Zwischenschicht abgeschieden ist, die aktive
Schicht und die Zwischenschicht CdHgTe-Schichten mit unterschiedlichen
Zusammensetzungen sind, wobei die Zwischenschicht eine CdyHg1-yTe-Schicht
mit y < 1 ist.
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Vorteilhafterweise
ist die aktive Schicht eine CdxHg1-xTe-Schicht mit 0 ≤ x ≤ 1, ist das Substrat eine Cd1-zZnzTe-Schicht
mit 0 ≤ z ≤ 1 und die
Zwischenschicht ist eine für
diejenigen Wellenlängen
transparente CdyHg1-yTe-Schicht,
die man detektieren will, so dass x + ε < y < 1,
mit ε > 0, wo x die Zusammensetzung
der CdxHg1-xTe-Legierung
ist, die die aktive Schicht bildet. Man kann xmax < y wählen, wo
xmax die Zusammensetzung einer CdxHg1-xTe-Schicht wäre, deren
Bandlücke
gleich hc/qλmin ist (h: Planck-Konstante; c: Lichtgeschwindigkeit;
q: Elektronenladung; λmin: minimale Wellenlänge, die man detektieren will), wobei
die maximale Wellenlänge
durch die Bandlücke
der CdxHg1-xTe-Schicht
definiert wird. Zudem wird y vorzugsweise niedriger als λmax +
0.1 gewählt,
um eine sehr gute Kristallgitterübereinstimmung
zwischen dem Substrat, der Zwischenschicht und dem Rest der Struktur
(optisch aktive Zone) zu wahren.
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Vorteilhafterweise
ist die Dicke der Zwischenschicht zwischen 10 und 30 μm enthalten.
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Bei
einer ersten Variante der Erfindung wird diese Schicht abweichend
von der Stöchiometrie
dotiert.
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Bei
einer zweiten Variante erhält
diese Schicht eine extrinsische P-Typ-Dotierung mit einer Verunreinigung.
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Die
vorliegende Erfindung findet Anwendung:
- – in der
Strahlungsdetektion;
- – in
der IR-Strahlungsdetektion im Bereich 3–30 μm, insbesondere in den atmosphärischen
Transmissionsfenstern 3–5 μm und 8–12 μm;
- – in
der Wärmebildherstellung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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– Die 1A und 1B zeigen
jeweils eine schematische Ansicht eines hybridisierten zweidimensionalen
IR-Strahlungsdetektors auf seiner Leseschaltung nach dem Stand der
Technik und eine vergrößerte Ansicht
eines Pixels, die einen Schnitt eines Detektorelements darstellt;
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– die 2 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines "P-auf-N"-Heteroübergangdetektors nach dem Stand
der Technik;
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– die 3 zeigt
in der Erfindung benutzten Mehrschichtenstapel.
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Detaillierte
Darstellung von Realisierungsarten
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Die
Erfindung besteht darin, zwischen dem Substrat aus CdZnTe 40 und
der aktiven CdxHg1-xTe-Schicht 41 eines
Detektor wie dem in der 1 dargestellten
eine optisch und elektrisch durchlässige CdyHg1-yTe-Schicht 42 einzufügen, wobei
diese Schicht 42 eine Schicht mit einer großen Bandlücke (oder
Breite des verbotenen Bands) ist, und die aktive CdxHg1-xTe-Schicht 41 eine Schicht mit einer
kleinen Bandlücke
ist.
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Eine
solche Struktur wird gebildet durch eine CdyHg1-yTe-Schicht 42, abgeschieden auf
einem Substrat 40 aus Cd1-zZnzTe durch irgend eine Epitaxietechnik, wobei
diese Schicht selbst von einer aktiven CdxHg1-xTe-Schicht 41 bedeckt wird, auch
durch irgend eine Epitaxietechnik erzeugt, vorzugsweise durch dieselbe
Technik wie die Schicht 42 (aber nicht unbedingt). Die 3 zeigt
den realisierten metallurgischen Stapel.
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Vorzugsweise
weist der durch die Nachbarschaft von CdHgTe-Materialien unterschiedlicher
Zusammensetzung hergestellte Heteroübergang eine ausreichende Gradualität auf, um
die Präsenz
einer eventuellen Potentialschwelle zu vermeiden, die sich dem Durchgang
der Löcher
der CdyHg1-yTe-Schicht widersetzen
würde.
Diese Gradualität
kann sich bei dem Epitaxie-Wachstum oder einer thermischen Behandlung
nach dem Wachstum ausbilden.
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Die
Zusammensetzung der CdyHg1-yTe-Schicht 42 ist
so, dass diese Schicht durchlässig
für die
Wellenlängen
ist, die man detektieren will: x + ε < y < 1,
mit ε > 0, wo x die Zusammensetzung
der CdxHg1-xTe-Legierung
ist, die die aktive Schicht bildet. Noch genauer wählt man
xmax < y, wo
xmax die Zusammensetzung der Legierung ist,
deren Bandlücke
gleich hc/qλmin ist (h: Planck-Konstante; c: Lichtgeschwindigkeit;
q: Elektronenladung; λmin: minimale Wellenlänge, die man detektieren will),
wobei die maximale Wellenlänge
durch die Bandlücke der
CdxHg1-xTe-Schicht 42 definiert
wird. Zudem wird y vorzugsweise niedriger als xmax +
0.1 gewählt,
um eine sehr gute Kristallgitterübereinstimmung
zwischen dem Substrat 40 aus Cd1-zZnzTe, der Schicht 42 aus CdyHg1-yTe und dem
Rest der Struktur (optisch aktive Zone) zu wahren.
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Die
Dicke der CdyHg1-yTe-Schicht 42 ist
typisch zwischen 10 und 30 μm
enthalten (andere Dicken sind jedoch möglich). Bei einer ersten Variante der
Erfindung wird diese Schicht abweichend von der Stöchiometrie
dotiert. Bei einer zweiten Variante erhält diese Schicht 42 eine
extrinsische P-Typ-Dotierung mit einer Verunreinigung. Vorzugsweise
wird eine in CdHgTe wenig diffundierende Verunreinigung verwendet,
zum Beispiel As oder Sb. Die P-Dotierung von CdHgTe mit solchen
Verunreinigungen wurde in der Vergangenheit benutzt, zum Beispiel
in den Referenzdokumenten [4], [5] und [6].
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Der
Zugriffswiderstand der Pixel eines 2D-Mosaiks aufgrund eines Substratkontakts,
der sich am Rand des Mosaiks befindet, wird durch das Hinzufügen dieser
Schicht 42 wesentliche verringert; je nach Dicke dieser
Schicht und ihrem Dotierungsniveau (typisch zwischen 10–6 und
1017 cm–3,
einerseits um einen niedrigen Quadratwiderstand dieser Schicht zu
gewährleisten,
und andererseits um eine signifikante Absorption der Strahlung,
die man detektieren will, durch die freien Träger der Schicht zu vermeiden)
kann man eine Reduzierung des Pixelzugriffswiderstand eines zweidimensionalen
Mosaiks von einem Substratkontakt aus, der sich am Rand des Mosaiks
befindet, um einen Faktor 2 bis 10 und sogar höher erreichen.
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Die
CdyHg1-yTe-Schicht 42,
die abgeschieden wird, beeinflusst die elektrooptischen Eigenschaften der
Elementardetektoren nicht. Diese Schicht ist nämlich durchlässig für die Wellenlängen, die
man detektieren will, und sie ist zudem elektrisch neutral: der
Zusammensetzungsunterschied x-y, der typisch zwischen 0.1 und xmax – x
+ 0.1 gewählt
werden kann, ermöglicht,
einen vernachlässigbaren
Beitrag der CdyHg1-yTe-Schicht 42 zum
Dunkelstrom des Detektors zu gewährleisten,
bei Betriebstemperatur.
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Wie
oben erwähnt,
kann der in der 3 dargestellte metallurgische
Stapel durch irgend eine Epitaxietechnik realisiert werden. Jedoch
kann man nur beispielsweise und nicht einschränkend Flüssigphasenepitaxie oder Molekularstrahlenepitaxie
benutzen, die ihre Fähigkeit
schon bewiesen haben, noch komplexere als die hier verlangten Mehrschichtenstapel
wachsen zu lassen, wie zum Beispiel beschrieben in den Referenzdokumenten
[6] und [7]. Das technische Verfahren zur Herstellung der N/P-Detektorübergänge in diesen
Zweischichtenstrukturen, beschrieben in den Referenzdokumenten [1]
und [2] kann dann angewendet werden, um die Vorrichtungen herzustellen.
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Dieses
Konzept zur Reduzierung von Serienwiderständen bei einem Bauteil zur
zweidimensionalen Detektion mit einem gemeinsamen Kontakt durch
Hinzufügen
einer Schicht mit einer großen Bandlücke, optisch
durchlässig
(und elektrisch, da mit einer noch größeren Bandlücke), nach der Erfindung, ist
bei allen Detektionsstrukturen anwendbar (eventuell auf der Basis
anderer Halbleiter als den CdHgTe-Legierungen, oder auf der Basis
anderer Detektionselemente als den P/N-Dioden), hybridisiert oder
nicht.
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Ein
industrielles Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors
ist das der Wärmebildkameras
auf CdHgTe-Basis.
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REFERENZEN
-
- [1] "HgCdTe
Infrared Diode Arrays" von
G.L. Destefanis (Semicond. Sci. Technol., 6, 1991, Seiten 88–92)
- [2] "Hybrid
256 × 256
LWIR FPA Using MBE Grown HgCdTe On GaAs" von A. Kawahara et al. (Proc. SPIE,
Vol. 2552, 9.–13.
Juli 1995, San Diego, Seiten 411–420)
- [3] "Large Improvement
In HgCdTe Photovoltaic Detector Performence At LETI" von G. Destefanis,
J.P. Chamonal (J. of Electron. Mater., Band 22, Nr. 8, 1993, Seiten
1027–1032
- [4] "HgCdTe
MBE Technology: A Focus On Chemical Doping" von O.K. Wu (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band
302, 1993, Seiten 423–431
- [5] "Controlled
p-Type Sb Doping In LPE Grown Hg1-xCdxTe Epilayers" von T.C. Harman (J. of Electron Mater.,
Band 22, Nr. 9, 1993, Seiten 1165–1172)
- [6] "Hg-Rich
Liquid Phase Epitaxy of Hg1-xCdxTe" von M.H. Kalisher
et al. (Prog. Crystal Growth and Charact., Band 29, 1994, Seiten
41–83
- [7] "Low Treshold
Injection Laser In HgCdTe" von
P. Bouchut et al (J. Electron. Mater., Band 22, Nr. 8, 1993, Seiten
1061–1065)
- [8] FR-A-2 612 335
- [9] Hg0,8Cd0,2Te
grown by liquid phase epitaxy using Cd0,94Zn0,06Te buffer layer" von N.J. Kwak, I.H. Choi, S.W. Lim
und S.H. Suh (Journal of Crystal Growth, vol. 138, Nos 1/4 2. April
1994, Seiten 950-955, XP 000474560).