DE69738183T2

DE69738183T2 - Infrarotdetektor

Info

Publication number: DE69738183T2
Application number: DE69738183T
Authority: DE
Inventors: Carl John Great Malvern ANTHONY; Kevin Michael Great Malvern BRUNSON; Charles Thomas Great Malvern ELLIOTT; Neil Thomson Great Malvern GORDON; Timothy Jonathan Great Malvern PHILLIPS; Michael John Great Malvern UREN
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: WO1998021757A1; US6420707B1; DE69738183D1; JP3926851B2; EP0946992A1; EP0946992B1; JP2001504274A; GB9623704D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Infrarotdetektoren und bezieht sich im Besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, auf Infrarotdetektoren zum Nachweis von Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 8 bis 14 µm.
Eine Vielzahl von Infrarotdetektoren wurde bereits beschrieben. Zum Beispiel wird in der Patentschrift No. 1 488 258 des Vereinigten Königreichs eine Wärmebildvorrichtung beschrieben, die einen Streifen eines photoleitenden Materials umfasst und bei der die infrarote Strahlung eines Motivs sequenziell auf den photoleitenden Streifen übertragen wird. Der in der Schrift beschriebene photoleitende Streifen wird von einem Streifen aus Cadmiumquecksilbertellurid, Indiumantimonid oder Bleizinntellurid gebildet. In der US-Patentschrift No. 5 016 073 wird ein integrierter photoleitender Detektor beschrieben, der eine aus Cadmiumquecksilbertelluridlegierungen gebildete Heterostruktur umfasst.
Die oben erwähnten Detektoren weisen den Nachteil auf, dass sie mit den Herstellungsverfahren für integrierte Siliciumschaltkreise nicht ohne weiteres kompatibel sind. Es wäre wünschenswert, einen Infrarotdetektor herzustellen, der, um die Herstellungskosten zu senken und möglicherweise auch um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern, mühelos mit einem integrierten Siliciumschaltkreis kombiniert werden könnte.
Außerdem sind laterale Hot-Electron-Phototransistoren (LHEPT) bekannt. In 'Semiconductor Science and Technology, Bd. 9, No. 7, 1. Juli 1994, Seite 1391-1394' ist ein thermischer LHEPT-Detektor beschrieben, bei dem die absorbierte Infrarotstrahlung thermische E lektronen erzeugt, die eine nachweisbare Änderung der elektrischen Eigenschaften des Transistors bewirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen alternativen Infrarotdetektor anzugeben.
Die vorliegende Erfindung gibt einen Infrarotdetektor an, der einen Detektionsbereich und einen Kollektorbereich umfasst, zwischen denen ein Barrierenbereich so angeordnet ist, dass während des Betriebs auftreffende Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge aus einem nutzbaren Band innerhalb des Detektionsbereichs Elektronen in einen angeregten Zustand überführen kann, bei dem die Elektronen eine Energie entsprechend einem Subband-Energieniveau aufweisen, und die Elektronen dadurch den Barrierenbereich, der eine Energie aufweist, die geringer als die Energie der Subband-Energieniveaus ist, überschreiten können, um in dem Kollektorbereich nachweisbar zu sein, wobei der Detektionsbereich, der Barrierenbereich und der Kollektorbereich an einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats lateral zueinander versetzt angeordnet sind.
Ein Infratordetektor, bei dem die aktiven Bereiche zueinander versetzt an einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, ist für die Vereinfachung des Herstellungsprozesses im Vergleich zu bisherigen Infrarot-Halbleiterdetektoren, bei denen die aktiven Elemente nacheinander auf einem Substrat angeordnet werden, potentiell von Vorteil.
Der erfindungsgemäße Detektor kann auf einem Siliciumsubstrat angeordnet werden.
Von Wheeler und Goldberg wurde in 'IEEE Trans. Electron Devices, ED-22 (11), 1975, Seite 1001' ein mittels einer Spannung abstimm barer Infrarotdetektor vorgeschlagen, bei dem als Detektionsmechanismus eine Inter-Subband-Absorption in einer Silicium-MOSFET Inversionsschicht genutzt wird. Inter-Subband-Übergänge werden von Reitmann und Mackens in 'Physical Review B, Band 33, Nummer 12, 1986, Seite 8269 bis 8283' beschrieben. In einem Metall-Siliciumdioxid-Silicium-Bauelement kann an der Grenzfläche vom Silicium zum Siliciumdioxid wie in 1 gezeigt ein Potentialtopf ausgebildet werden. In diesem schmalen "dreieckförmigen" Topf ist die Bewegung der Elektronen in z-Richtung quantisiert, wobei die Bewegung der Elektronen in x- und y-Richtung nicht beeinflusst wird. Das Ein-Teilchen-Energiespektrum der Elektronen,
worin m_x und m_y jeweils die effektiven Massen in x- bzw. y-Richtung darstellen und k_x und k_y die Wellenzahlen in x- bzw. y-Richtung bedeuten, besteht aus einem Satz von Subbändern (Index i), der von der quantisierten Bewegung senkrecht zur Grenzfläche und der kontinuierlichen Verteilung parallel zur Grenzfläche herrührt.
Elektronen können durch Absorption eines infraroten Photons, dessen Energie dem Energieabstand zwischen den Subbändern entspricht, auf ein höheres Subband gehoben werden. Verglichen mit der Absorption durch ein freies Elektron weist dieser Vorgang eine hohe Wahrscheinlichkeit auf, da k in diesem Fall erhalten bleiben kann. Die Energieniveaus der Subbänder können unter der Annahme eines dreieckförmigen Potentialtopfes mithilfe der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung berechnet werden. In diesem einfachen Fall, ergibt die Berechnung:
worin q die Ladung darstellt, F_s das elektrische Feld bedeutet und m_z die effektive Masse senkrecht zur Grenzfläche bildet.
Die Funktion eines Inter-Subband-Infrarotdetektors beruht darauf, dass er einen Energieabstand aufweist, der ungefähr der nachzuweisenden Photonenenergie entspricht. Der Energieabstand nimmt mit der Dotierstoffkonzentration im Silicium zu. Für die E₁- und E₀-Subbänder wird bei {100}-Silicium geschätzt, dass der Energieabstand bei einem Oberflächenpotential, das dem Bandabstand in Silicium entspricht, von etwa 10 meV bei einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 auf 100 meV bei 10¹⁸ cm^–3 ansteigt. Bei {110}- und {111}-Oberflächen sind die Energieabstände bei gleicher Dotierstoffkonzentration etwas größer. Der Abstand nimmt mit zunehmendem Oberflächenpotential zu, wobei der maximale Energieabstand des 0-1-Übergangs von der Durchbruchsfeldstärke des Oxids begrenzt wird.
In der zuvor zitierten Veröffentlichung von Reitmann und Mackens werden experimentelle Messungen an Gittervorrichtungen beschrieben, bei denen Hinweise für Inter-Subband-Übergange erhalten wurden, indem die Strahlung, die die Vorrichtung durchdrang, wenn an das Gate eine höhere als die Schwellspannung angelegt wurde, mit jener verglichen wurde, bei der die Spannung am Gate der Schwellspannung entsprach oder kleiner als diese war. Die in der Veröffentlichung beschriebene Anordnung erforderte daher einen gesonderten Infrarotdetektor zum Nachweis der durchgelassenen Strahlung. Bei der beschriebenen Vorrichtung handelt es sich nicht um einen Infra rotdetektor, sondern um eine Vorrichtung zur Messung von Inter-Subband-Übergangen.
Die Funktion der Vorrichtung kann durch an die Bereiche angrenzende Gates gesteuert werden. An die jeweiligen Gates angelegte Potentiale steuern das Passieren von Elektronen zwischen den unterschiedlichen Bereichen in Reaktion auf die empfangene Strahlung.
Vorzugsweise weist das Siliciumsubstrat eine kristallographische {111}-Orientierung auf, so dass zum Erzeugen einer senkrecht zur Oberfläche ausgerichteten Komponente des elektrischen Feldes erforderliche Prismen oder Beugungsgitter an der Oberfläche des Detektors vermieden werden können. Falls der lateral angeordnete Detektor eine ineinander verschränkte Struktur aufweist, kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, von denen
1 eine schematische Darstellung eines Potenzialtopfs an einer Metall-Oxid-Silicium-Grenzschicht wiedergibt,
2 eine Querschnittsansicht eines schematisierten erfindungsgemäßen Infrarotdetektors darstellt,
3 eine Draufsicht auf den Detektor von 2 darstellt,
4 die Stufen bei der Herstellung des Detektors von 2 in schematisierter Form zeigt,
5 ein schematisiertes Diagramm der Energieniveaus der Vorrichtung von 2 in einem vorgespannten Zustand darstellt,
6 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Detektor mit verschränkter Struktur wiedergibt und
7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Detektor mit vertikalem Transfer darstellt.
In der 2 ist in schematisierter Form eine Querschnittsansicht eines allgemein mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Infrarotdetektors dargestellt. Der Detektor 10 weist einen Sourcekontakt 20 und einen Drainkontakt 22 auf, die jeweils über die Kontaktbereiche 26 bzw. 28, die mit einer Dotierstoffkonzentration von mehr als 3 × 10¹⁸ cm^–3 eine sehr starke (degenerative) n-Dotierung aufweisen, mit einem {111} p-dotierten-Siliciumsubstrat 24 (bordotiert) verbunden sind. Der Detektor 10 besitzt drei Gates, ein Detektorgate 30, ein Transfergate 32 und ein Kollektorgate 34, von denen jedes jeweils aus einer abgeschiedenen Polysiliciumschicht hergestellt ist. Diese Gates sind durch einen Oxidbereich 36 gegeneinander und gegenüber dem Substrat 24 elektrisch isoliert. Der Detektor 10 weist einen Detektionsbereich 38 auf, der eine höhere Dotierstoffkonzentration als der Bereich 40 des Substrats 24 unterhalb des Transfergates und des Kollektorgates 34 aufweist. Eine oben liegende Oxidschicht 42 dient als Deckschicht.
Die Gesamtbreite des Detektors 10 beträgt ungefähr 6 μm. Die Breite W des Transfergates 32 beträgt ungefähr 250 nm. Das Transfergate ist von dem Substrat 24 durch den Oxidbereich 36 getrennt, der eine ungefähre Dicke von 29 nm aufweist. Der Detektionsbereich 38 ist mit Bor in einer Konzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert.
In der 3 ist eine Draufsicht auf den Detektor 10 gezeigt. Der Detektor weist zusätzlich zu den unter Verweis auf die 2 beschriebenen Komponenten eine Vorspannungsverbindung 44 über den stark p-dotierten Kontaktbereich 45 zum Substrat 24 auf. Der Detektor 10 besitzt eine laterale Breite d von ungefähr 25 µm.
Der Sourcekontakt 20 und der Drainkontakt 22 sind jeweils mit metallisierten Bahnen 50 bzw. 52 verbunden. Das Gate 30 des Detektors ist über ein metallisiertes Kontaktloch 56 und eine Polysilicium-Verlängerung 58 des Gates 30 mit einer metallisierten Bahn 54 verbunden. Das Transfergate 32 ist mit einer metallisierten Bahn 60 über ein metallisiertes Kontaktloch 62 und einer zum Gate 32 führenden Polysilicium-Verlängerung 64 verbunden. In ähnlicher Weise ist das Kollektorgate 34 über ein metallisiertes Kontaktloch 68 mit einer metallisierten Bahn 66 verbunden. Die Spannungsanschluss 44 ist mit einer metallisierten Bahn 70 verbunden. Die metallsisierten Bahnen 50, 52, 54, 60, 66 und 70 führen jeweils zu (nicht gezeigten) Kontaktflächen, die mithilfe von Testnadeln oder Drahtverbindungen elektrisch kontaktiert werden können.
Der Detektor 10 wird wie nachfolgend ausgeführt hergestellt. Borionen werden in einen nach dem Czochralskiverfahren gezogenen, p-dotierten, {111}-Siliciumwafer mit einem Schichtwiderstand von 30 Ohm·cm bei einer Energie von 80 keV und einer Dosis von 2 × 10¹² cm^–2 implantiert. Danach wird der Wafer in Argon mit 2% Sauerstoff über 420 Minuten bei 1100 °C ausgeheilt. Eventuell dabei auf dem Wafer entstandene Oxidschichten werden mit einer verdünnten Flusssäure (HF) entfernt. Dann wird die Fläche für den Detektor 10 unter Verwendung eines LOCOS-Isolationsverfahrens von anderen Flächen auf demselben Wafer isoliert. Anschließend lässt man auf der Oberfläche des Siliciums bei einer Temperatur von 800 °C eine standardmäßige Oxidschicht zur Spannungsreduktion aufwachsen, so dass eine ungefähr 40 nm dicke Oxidschicht ausgebildet wird. Auf dem gesamten Wafer wird eine 100 nm dicke Siliciumnitridschicht abgeschieden und diese wird lithographisch so geätzt, dass über der Fläche für den Detektor 10 eine Überdeckung belassen wird. Anschließend lässt man um die Detektorfläche ein Feldoxid aufwachsen, wobei, um eine Oxiddicke von ungefähr 550 nm zu erhalten, über 120 Minuten ein Verfahren zur Nassoxidation bei 1000 °C verwendet wird. Danach wird die Nitridüberdeckung entfernt, woraufhin eventuell auf der Detektorfläche verbliebene Oxide mit verdünnter Flusssäure entfernt werden.
Sodann wird auf der Oberfläche des Siliciums im Detektionsbereich eine Oxidschicht aufgebracht. Man lässt eine 40 nm dicke Oxidschicht bei 900 °C in trockener Sauerstoffatmosphäre aufwachsen, dem ein Ausheilen über 30 Minuten in Argon folgt. Dann wird auf dem Gateoxid eine 500 nm dicke Polysilicium-I-Gateschicht (erste Polysiliciumschicht) abgeschieden und mittels einer Temperaturbehandlung bei 900 °C in POCL₃ für 50 Minuten mit Phosphor dotiert. Bei dem Dotiervorgang mit POCL₃ eventuell entstandenes Oxid wird mit verdünnter Flusssäure entfernt. Die Polysilicium-I-Schicht wird dann zum Erstellen des Kollektorgates 34 photolithographisch strukturiert. Das überschüssige Polysilicium wird unter Verwendung eines Plasmaätzverfahrens entfernt, so dass man Gatekanten mit Winkeln von mehr als 85 Grad erhält.
Anschließend wird auf dem Polysilicium eine Oxidisolationsschicht aufgebracht, die eine nominelle Dicke von 40 nm aufweist. Daraufhin wird die Polysilicium-II-Gateschicht mit einer Dicke im Bereich von 400 bis 500 nm abgeschieden und wie zuvor unter Verwendung von POCl₃ dotiert. Dem folgt ein Entfernen von Oxiden. Danach wird das Polysilicium-II geätzt, wobei um die Kante des Kollektorgates 34 eine Materialfüllung belassen wird, die das Transfergate 32 und die Verlängerung 64 bildet. Für diesen Vorgang wird ein Plasmaätzverfahren verwendet. Um die Materialfüllung an bestimmten nicht erwünschten Bereichen zu entfernen, zum Beispiel an der linken Kante des Kollektorgates in 2, wird ein weiterer Ätzprozess durchgeführt. Danach lässt man auf dem verbleibenden Polysilicium-II eine 40 nm dicke Oxidschicht mittels einer Temperaturbehandlung bei 800 °C, jeweils 60 Minuten in nassem Sauerstoff, 20 Minuten in trockenem Sauerstoff und schließlich 20 Minuten in Argon, aufwachsen. Dem Aufwachsen der Oxidschicht folgt eine Borionenimplantation, die mit einer Energie von 50 keV und einer Dosis von 7 × 10¹² cm^–2 durchgeführt wird. Mit dieser Ionenimplantation wird die höhere Dotierstoffkonzentration für den Detektionsbereich 38 geschaffen. Die Ionenimplantation zur Ausbildung des Detektionsbereichs 38 justiert sich selbst zur oxidierten Kante des Transfergates 32. Nach der Ionenimplantation wird eine 500 nm dicke Polysilicium-III-Schicht abgeschieden, die anschließend in POCL₃ mittels einer 50 Minuten dauernden Temperaturbehandlung bei 900 °C mit dem zusätzlichen Effekt dotiert wird, dass der ionenimplantierte Detektionsbereich ausgeheilt wird. Danach wird die Polysilicium-III-Schicht zur Ausbildung des Detektorgates 30 unter Verwendung eines Plasmaätzverfahrens strukturiert.
Der stark p-dotierte (degenerierte) Kontaktbereich 45 wird mittels einer Implantation von Borionen bei einer Energie von 35 keV und einer Dosis von 2 × 10¹⁵ cm^–2 ausgebildet, die durch ein Fenster in einer Photolackmaskierung erfolgt. Die n-dotierten Kontaktbereiche 26 und 28 werden mittels einer Implantation von P⁺-Ionen bei einer Energie von 80 keV und einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^–3 ausgebildet, die durch ein Fenster in einer Photolackmaskierung erfolgt, das sich über den gesamten aktiven Bereich des Detektors 10 erstreckt. Durch die Implantation werden die Polysiliciumgates dotiert und die Kontaktbereiche 26 und 28 durch Selbstjustierung auf die linke Kante des Kollektorgates 34 bzw. die rechte Kante des Detektorgates 30 ausgebildet. Die von der Implantation verursachten Defekte werden über 30 Minuten bei 550 °C in Stickstoff ausgeheilt. Über dem Detektor 10 wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition) ein Niedertemperatur-Siliciumdioxid (LTO, für Low-Temperature-Oxide) ausgebildet, das nach dem Verdichten ein Dicke von ungefähr 650 nm aufweist. Die Verdichtung wird durch Ausheilen bei 990 °C jeweils in Stickstoff für 15 Minuten, in nassem Sauerstoff für 30 Minuten und schließlich in Stickstoff für 15 Minuten erreicht. Dann werden in dem LTO die Kontaktlöcher ausgebildet und mit Aluminium ausgefüllt, das 1% Silicium enthält. Schließlich werden die metallisierten Bahnen aus Aluminium mit 2% Siliciumanteil gebildet, wobei eine Kontaktsinterung bei 425 °C in Formiergas ausgeführt wird.
Der Herstellungsablauf ist in 4 schematisch dargestellt. In der 4a ist der Detektor im Stadium nach der LOCOS Bauelementisolierung und der Gateoxidation gezeigt. In der 4b ist die Vorrichtung nach der Abscheidung und Strukturierung des Kollektorgates dargestellt. In 4c wurde das Kollektorgate oxidiert. In 4d ist die Polysilicium-II-Schicht abgeschieden. In der 4e ist die Vorrichtung nach dem anisotropen Ätzen der Polysilicium-II-Schicht zur Ausbildung der Füllung und nach dem teilweisen Entfernen der Füllung zu sehen. In der 4f wurden die verbleibende Polysiliciumfüllung oxidiert und die selbstjustierende Ionenimplanta tion zur Ausbildung des Detektionsbereichs ausgeführt. 4g zeigt die Vorrichtung schließlich nach dem Ausformen des Detektorgates aus der Polysilicium-III-Schicht.
Der Herstellungsprozess wurde für eine standardmäßige Herstellungslinie für Strukturgrößen von 2,0 µm entwickelt. Selbstverständlich können auch andere Herstellungsverfahren für Herstellungslinien ausgearbeitet werden, die Strukturgrößen im Submikrometerbereich ermöglichen, wobei die Strukturierung des Transfergates mit einer Breite im Submikrometerbereich möglicherweise einfacher wird. Idealerweise sollte sich unterhalb des Detektorgates 30 weniger Gateoxid befinden als unter dem Kollektorgate. Um jedoch die selbstjustierende Ionenimplantation zur Ausbildung des Detektionsbereichs 38 ausführen zu können, müssen das Kollektorgate und das Transfergate 32 zuerst abgeschieden werden. Dadurch wird das Gateoxid unter dem Detektorgate dicker als unter dem Transfergate. In einem alternativen Herstellungsablauf kann das Gateoxid unter dem Detektorgate möglicherweise vor dem Abscheiden der Polysilicium-III-Schicht gedünnt werden.
Für den erforderlichen Abstand der Energieniveaus zwischen den Subbändern sollte die Dotierstoffkonzentration unter dem Detektorgate im Bereich von 3 × 10¹⁷ bis 1 × 10¹⁸ cm^–3 liegen. Das Dotierniveau des Detektors kann zur Änderung des Abstands zwischen den Subbändern angepasst werden. Hierüber wird die langwellige Empfindlichkeitskante des Detektors festgelegt. Der oben angegebene Dotierungsbereich eignet sich für die Erfassung in einem Band von 8 bis 14 µm. Die Dotierung unter dem Transfergate sollte geringer als die unter dem Detektorgate sein, sie muss jedoch hoch genug sein, um einen "Durchbruch" ("punch-through") vom Kollektor zu minimieren.
In der 5 ist eine schematische Bandstruktur des Detektors 10 gezeigt, nachdem an die Gates Vorspannungen angelegt wurden. Ein Detektionstopf 80 ist mit einer Dotierstoffkonzentration von über 10¹⁷ cm^–3 hoch dotiert. Ein an das Transfergate angelegtes Potential erzeugt eine Potentialbarriere 82 von etwa 100 meV, die dem Energieabstand der quantisierten Subbänder entspricht. Ein Speichertopf 84 besitzt, um eine gesteigerte Speicherkapazität zu bieten, eine niedrige Dotierung. Photonisch angeregte Elektronen weisen eine zum Überwinden der Barriere 82 ausreichende Energie auf, woraufhin sie zum Auslesen nach einem Verfahren, wie es ähnlich bei ladungsgekoppelten Baugruppen (charge-coupled device systems) verwendet wird, in dem Speichertopf gesammelt werden. Zur Messung an den Testvorrichtungen wurde zwischen Source 22 und Drain 24 des Detektors jedoch ein konstanter Strom hindurch geleitet. Die am Kanal abfallende Spannung wird verstärkt, bevor sie als externes Detektorsignal einem Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer zugeführt wird.
Gemäß einer Schätzung auf Grundlage der wissenschaftlichen Veröffentlichung von T. Ando in Z. Physik B, Band 26, 1977, Seite 263, ist bei einer Dotierstoffkonzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 und einem Energieabstand von 100meV eine Oberflächenladungsdichte von 1,2 × 10¹³ cm^–2 erforderlich. Bei einem 29 nm dicken Gateoxid entspricht dies einer Spannung am Detektorgate von 16 V.
Bei einer lateralen Transfervorrichtung sollte die Barriere für den lateralen Elektronenfluss im angeregten Zustand kleiner als im Grundzustand oder nicht vorhanden sein. Erreicht wird dies, indem das unter dem Detektorgate quer verlaufende elektrische Feld höher ist, als unter dem Transfergate, wozu eine höhere Dotierung und eine höhere Gatespannung verwendet werden. Im oberen Zustand angeregte E lektronen diffundieren zum Transferbereich noch vor eine Intersubbandstreuung in den Grundzustand. Sobald sie sich im Transferbereich befinden, können die Elektronen in den Detektionstopf zurück diffundieren, wobei der Diffusionsstrom umgekehrt proportional zur Länge des Transfergates ist. Man schätzt, dass die Lebensdauer des angeregten Zustands in etwa 1ps beträgt, woraus man einen Wert von ungefähr 30 nm für die Diffusionslänge im angeregten Zustand erhält. Man kann daher annehmen, dass in den oberen Zustand angeregte Elektronen in den Transferbereich diffundieren können, wenn sie von diesem weniger als ungefähr 30 nm entfernt sind. Wenn sich zwischen dem Detektionstopf und dem Maximum der Transferbarriere ein Transferbereich befindet, so sollte dieser weniger als 30 nm breit sein. Den hauptsächlichen Energieverlustmechanismus bei angeregten Ladungsträgern bildet die Emission optischer Phononen. Da die optische Phononenenergie in Silicium 63 meV beträgt, ist dieser Energieverlustmechanismus über einem Großteil des Übergangsbereichs nicht möglich, so dass der Übergangsbereich ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades wesentlicher langer als die Diffusionslänge angeregter Ladungsträger sein kann.
Eine im Grundzustand befindliche Diffusionsbarriere zum Verhindern, dass Elektronen in den Detektionstopf zurückfallen, würde die Verwendung eines längeren Transfergates ermöglichen. Dies würde sich als eine kleine, in der 5 als gepunktete Linie 86 gezeigte, Barriere an der linken Seite des Grundzustands des Transferbereichs manifestieren.
Es wird geschätzt, dass die von einem Schwarzen Körper bei 300 K absorbierte Gesamtleistung bei Optiken mit einem Öffnungsverhältnis von 1:1 (f/1-optics) 2,0 × 10¹⁴ Elektronen s^–1 und cm^–2 entspricht, und daher innerhalb einer Zeitspanne von 1/25 s insgesamt 8 × 10¹² Elektronen cm^–2 für den Nachweis zur Verfügung standen. Inhärente Übertragungsineffizienzen können diesen Wert um etwa drei Größenordnungen verringern. Die Betriebstemperatur des Detektors 10 wird als die Temperatur bestimmt, bei der die Rate der thermischen Generation von Elektronen in dem oberen Subband die Rate für die optische Anregung unterschreitet und der Detektor eigenbeschränkt wird. Diese Temperatur wird als T_BLIP bezeichnet. Die Temperatur T_BLIP ergibt sich aus der Gleichung:
worin n₀ und n₁ die Besetzungen des ersten bzw. zweiten Subbands im thermischen Gleichgewicht darstellen, E₀₁ den Abstand der Subbänder bezeichnet und τ die Lebensdauer des angeregten Zustands angibt. R_opt gibt die optische Anregungsrate wieder, die auf 2,0 × 10¹⁴ Elektronen s^–1 und cm^–2 geschätzt wird, woraus sich ein T_BLIP von etwa 48 K ergibt.
Zum Erhöhen des Absorptionswirkungsgrads können Antennenkonzentratoren verwendet werden. Antennenkonzentratoren sind in der US Patentschrift No. 5 248 884 beschrieben. Bei einer solchen Vorrichtung werden quadratische metallische Antennen an der Oberfläche des Detektors zur Konzentration des elektrischen Feldes einer einfallenden Strahlung auf das Gebiet an der Grenzfläche von Detektionstopf und Transfergate angeordnet, wodurch sich der Quantenwirkungsgrad verbessert und somit die Betriebstemperatur erhöht wird.
Der Detektor 10 ist zum Nachweis senkrecht einfallender Infrarotstrahlung ausgebildet. Bei {111}-Siliciumoberflächen sind Inter-Subbandübergänge möglich, bei denen sich die Elektronen parallel zur Oberfläche bewegen. Bei {100}-Siliciumoberflächen erfolgt die quantisierte Bewegung der Elektronen senkrecht zur Oberfläche und daher sollte das elektrische Feld der auftreffenden Strahlung ebenfalls senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sein. Bei Detektoren, die dem Detektor 10 ähneln aber aus {100}-Silicium hergestellt sind, wäre es daher notwendig, den Detektor durch ein Prisma oder durch ein der Oberfläche des Detektors hinzugefügtes Beugungsgitter zu beleuchten, um eine senkrecht zur Oberfläche verlaufende Komponente des elektrischen Feldes der einfallenden Strahlung zu erhalten.
In der 6 ist eine Draufsicht auf einen verschränkt ausgeführten Detektor gemäß der Erfindung zu sehen, der ganz allgemein mit 100 bezeichnet ist. Der Detektor weist einen Sourcekontakt 120 und einen Drainkontakt 122 auf, die jeweils mit den Kontaktbereichen 126 bzw. 128 verbunden sind, die eine starke n-Dotierung aufweisen. Zwischen Source und Drain befindet sich eine Detektorgate 130, das über einem Transfergate 132 liegt und teilweise über einem Kollektorgate 134 liegt. Außerdem weist der Detektor 100 einen Spannungsanschluss 144 an das Substrat 124 auf. Die Funktionen der Komponenten des Detektors 100 entsprechen denen des Detektors 10 von 2, wobei die Komponenten des Detektors 100 denen des Detektors 10 mit dem Präfix 1 vorangestellt entsprechen.
Der Detektor 100 eignet sich zum Einbinden in eine Anordnung mit ähnlichen Detektoren, bei der jeder der Detektoren das Detektorelement für einen Pixel bildet. Der Detektor 100 ist mit einem Musterwiederholungsabstand S von 8 µm verschränkt, wodurch sich die Fläche pro Siliciumpixel erhöht, die zum Nachweis der angeregten Elektronen verfügbar ist. Falls nur Anregungen innerhalb einer Diffusionslänge des Transfergates nachgewiesen werden, entspricht der Sammlungswirkungsgrad [(30 nm × 2)/8 µm] = 0,8 %. Eine Analyse des voraussichtlichen Transferwirkungsgrads bei Transfergatebarrieren unterschiedlicher Höhen lässt vermuten, dass der Wirkungsgrad des Transfers in etwa bei 50 % liegt. Für jedes Pixel werden Speicherkapazitäten zum Speichern der Ladung aus dem Photostrom und den Auslesetransistoren benötigt. Für ein 50 µm großes Pixel wird geschätzt, dass diese Komponenten ungefähr 35 % der verfügbaren Fläche einnehmen, woraus sich ein Füllfaktor von etwa 65 % ergibt. Der Gesamtwirkungsgrad läge daher bei ungefähr 0,0025 %. Eine Kombination dieser Zahl mit der Anzahl der während einer Aufnahmedauer für ein Einzelbild pro Einheitsfläche angeregten Elektronen und der Größe der Pixel ergibt ungefähr 4,9 × 10⁵ als Gesamtzahl N der während der Aufnahmedauer für ein Einzelbild gespeicherten Elektronen.
Der dem Rauschen entsprechende Temperaturunterschied (noise equivalent temperature difference) NEID ergibt sich zu:
worin der Kontrast c die fraktionelle Änderung des Flusses mit der Temperatur angibt, die bei dieser Wellenlänge gegeben ist durch:
und wobei N_total thermisch erzeugte Ladungsträger einschließt. Damit erhält man bei einer Temperatur, bei der
= 0,992 ist, ein NEID von 106 mK. Bei einem verdoppelten Quantenwirkungsgrad, der zum Beispiel mit einer oberen Antireflex-Beschichtung, einer verspiegelten Rückseite und der Anwendung von 0,3 µm Entwurfsrichtlinien erzielt werden kann, kann man ein NEID von 41 mK erhalten.
Eine Verringerung des NEID auf 20 mK, ähnlich wie bei hybriden Cadmiumquecksilbertellurid/Silicium – Detektoren, die bei 77 K betrieben werden, würde einen fünffache Steigerung des Wirkungsgrads erfordern. Diese Steigerung könnte erzielbar sein, wenn oberhalb des Transfergates Antennenkonzentratoren angeordnet werden. Der Wirkungsgrad könnte auch durch die Verwendung von Elektronenstrahllithographie zur Verringerung der Strukturgröße auf 0,1 µm gesteigert werden. Eine optische Immersion unter Verwendung von Mikrolinsen kann ebenfalls einen Weg zur Steigerung des Wirkungsgrads weisen.
Beide Detektoren 10 und 100 umfassen ein Polysilicium-Transfergate. Alternative Detektoranordnungen könnten die gewünschte Barrierenstruktur bieten. Möglicherweise könnte eher die Dicke des Gateoxids geändert werden, als dass ein separates Transfergate vorgesehen wird. Eine solche Vorrichtung könnte den Füllfaktor verbessern, würde im Vergleich mit den Detektoren 10 und 100 aber die Abstimmbarkeit reduzieren.
Eine außerdem mögliche Anordnung ist in der 7 dargestellt. 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Detektor 200 mit vertikaler Auslesung. Photonisch angeregte Elektronen des Detektionsbereichs 202 aus leicht n-dotiertem Silicium werden über eine, von einer dünnen p-dotierten Schicht 204 mäßig hoher Dotierstoffkonzentration gebildeten, Barriere in einen Kollektorbereich 206 überführt, der mit hoher Konzentration n-dotiert ist und aus dem die Ladungen ausgelesen werden können. Mittels einer am vergrabenen Kollektor relativ zum Detektionsbereich 202 erzeugten Spannungsdifferenz kann die p-dotierte Schicht 204 vollständig geleert werden, und indem die Spannungsdifferenz weiter erhöht wird, kann die Barrierenhöhe reduziert werden bis sie verschwindet, so dass der Strom direkt vom Detektionsbereich in den Bereich des vergrabenen Kollektors fließt. Die Höhe der Barriere hängt von der Gleichmäßigkeit der Dotierung und der Dicke der Schicht 204 ab, so dass für eine Anordnung von Detektoren 200 in der Praxis ein auf jeden einzelnen Pixel zugeschnittenes Spannungsversorgungsschema festgelegt werden muss, da eine gemeinsame Spannung für alle zu unterschiedlichen Barrierenhöhen auf der Anordnung führen würde.
Zur Herstellung des Detektors 200 kann ein Oberflächenbereich eines p-dotierten Siliciumwafers sehr stark n-dotiert werden, woraufhin über dem (degenerativ) n-dotierten Bereich eine epitaxiale Siliciumschicht zur Bildung der Schicht 204 aufgebracht wird. Der Detektionsbereich kann dann mithilfe der Ionenimplantation ausgebildet werden. Das Detektorgate sowie die Source- und Drainkontakte werden auf ähnliche Weise wie die des Detektors 10 hergestellt.

Claims

Infrarotdetektor (10), der einen Detektionsbereich (38) und einen Kollektorbereich umfasst, zwischen denen ein Barrierenbereich so angeordnet ist, dass während des Betriebs auftreffende Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge aus einem nutzbaren Band innerhalb des Detektionsbereichs Elektronen in einen angeregten Zustand überführen kann, bei dem die Elektronen eine Energie entsprechend einem Subband-Energieniveau aufweisen, und die Elektronen dadurch den Barrierenbereich, der eine Energie aufweist, die geringer als die Energie der Subband-Energieniveaus ist, überschreiten können, um in dem Kollektorbereich nachweisbar zu sein, wobei der Detektionsbereich (38), der Barrierenbereich und der Kollektorbereich an einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats lateral zueinander versetzt angeordnet sind.
Detektor nach Anspruch 1, worin der Detektor ein Detektorgate (30), ein Transfergate (32) und ein Kollektorgate (34) umfasst, so dass die Funktion des Detektors durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials an jedes der Gates gesteuert wird.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, worin der Detektor in einem Siliciumsubstrat (24) angeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 3, worin das Siliciumsubstrat (24) eine Oberfläche mit einer kristallographischen {111}-Orientierung aufweist.
Detektor nach Anspruch 3 oder 4, worin der Detektionsbereich (38) eine Dotierstoffkonzentration im Bereich von 3 × 10¹⁷ bis 1 × 10¹⁸ cm^–3 aufweist.
Detektor nach Anspruch 1, worin der Detektor ein Detektorgate (30) und ein Kollektorgate (34) umfasst, so dass die Funktion des Detektors durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials an jedes der Gates gesteuert wird.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Bereiche ineinander verschränkt sind.