JP2000503170A - 大規模光子放射検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は２次元光子放射センサに関するものである。該センサは、検出チップを読み取りチップ上に、両チップを電気的かつ機械的に相互接続させるマイクロ−ビード・ ネットワークを介して混成する技術に基づいている。前記検出チップは、ｉｘｊ画素の２次元構造と、基板４０上のエピタキシャル活性層４１と、該活性層４１内に作られた１つのＮ／Ｐ型またはＰ／Ｎ型ダイオードから成る各感光基本構成要素とにより構成され、Ｎ型領域またはＰ型領域上の接点が各画素に作られ、他のＰ型領域またはＮ型領域の接点は全ダイオードに共通である。該センサにおいては、センサが広幅ギャップの、光学的かつ電気的に透明な中間層４２を含み、該中間層が活性層４１と基板４０との間に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 大規模光子放射検出器 技術分野 本発明は大規模光子放射検出器に関するものである。 従来の技術 現在、最も多く使用されている高性能の赤外線検出器は、２個のチップ間を電 気的かつ機械的に接続するマイクロ−ボール（例えばインジウム基）のネットワ ークにより、読み取りチップ上に検出チップを混成する技術に基づいている。 各画素によって検知された信号を読み取り、該信号を単一出力部または少数の 出力部で多重化する読み取り回路は、アナログ式のシリコン基回路である。これ らの回路は複雑なため（寸法、密度、アナログの性質の点で）、適当な他のなん らかの製造技術を考えることが不可能となっている。 検出チップは、通常、多数の画素から成り、該画素は、ｉｘｊ画素（例えば１ ２８×１２８、２５６×２５６、６４０×６８０画素）を有する２次元構造また はモザイク構造にしたがって配置されるか、またはｉ＝１またはＩ＜＜ｊ（例え ば２８８×４または４８０×４画素）である単次元もしくは準単次元の構造にし たがって配置される。高性能の構成要素を作るため、現在、最もしばしば使用さ れている検出材料は、Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ合金（０≦ｘ≦１）である。該合金は メッシュパラメータ化されたＣｄ_1-z Ｚｎ_z Ｔｅ基板（０≦ｚ≦１）上になんら かの技術（ＬＰＥ，ＭＢＥ，ＭＯＶＰＥ，ＩＳＯＶＰＥ等々）によってエピタキ シャル成長せしめられる。基本的な感光構成要素は、ＣｄＨｇＴｅ層内に形成さ れるＮ／Ｐ型ダイオードから成っている。 これらの接合を作るには、いくつかの技術的な変化形がある。現在、最も成熟 した技術は、本明細書の終わりに挙げた参考文献［１］または［２］に記載のよ うに、イオン注入により接合を形成するプレーナ接合技術に基づくものである。 Ｎ型領域の接点が各画素レベルにある場合、Ｐ型領域の接点は、通常、当該デバ イスを形成する全基本ダイオードに共通であることに注目する必要がある。該デ バイスは、他の技術に比較して多くの利点を有している。これらの利点は、主と して、極めて高い再現性／信頼性を生む相対的な単純性、活性面を形成するエッ チングが不要な点、簡単な金属の積層（この構造には単一層が必要であるのに対 し、ヘテロ接合構造には少なくとも２層が必要）、デバイス分極時に検出器の低 周波ノイズ感度が低い点に関わるものである。この技術の確実性と信頼性は、こ の技術で作られた構成要素が、まず第１に工業的に利用可能である点に示されて いる。さらに、最近判明した点は、図１Ａおよび図１Ｂに示され、かつ参考文献 ［３］に説明されているように、Ｎ型材料接合がＰ型材料上に形成されているそ れらの構造内には、図２に示したようにＰ型領域がＮ型領域上方に存在するヘテ ロ接合の場合に得られるのと同じ暗電流が得られるという点である。 図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、読み出し回路上のハイブリッド２次元赤外 線放射検出器の略図と、検出素子の断面を示す、画素の拡大図である。 図１には、また検出チップ１０と、シリコン回路１１と、金属接続部（例えば インジウムのマイクロ−ボール）とが示されている。ビデオ信号が符号１３のと ころから得られる。 図１Ｂは、図１Ａの符号１４の部分の拡大図である。この図には、 ＣｄＺｎＴｅ基板２０と、ＣｄＨｇＴｅ層２１と、この層２１内に形成されてい るＮ／Ｐ型ダイオード２２と、不活性化層２３、反射防止層２４と、接点２５と インジウムのマイクロ−ボール１２、シリコン回路２７と、赤外線照明である放 射２８とが示されている。 図２には、ＣｄＺｎＴｅ基板３０を有する「Ｐ/ Ｎ型」ヘテロ接合検出器を示 し、基板３０の頂面には、Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ製のＮ型検出層３１と、ｙ＞ｘで あるＣｄ_x Ｈｇ_1-y Ｔｅ製のＰ型検出層３２と、不活性化層３３とが形成されて いる。図２には、また画素接点３４と、モザイク端部に位置する全接点に共通の 「基板」接点３５とが示されている。 現在、例えば２５６×２５６素子を超える極めて多数の画素を有する２次元回 路の必要性が急激に増大している。これらの構成要素には、例えば、８〜１２μ ｍ帯域で動作する熱カメラ・モードの場合のように、強力な信号を検出する試み がなされる場合や、３００Ｋに近い温度でのシーンを観察する場合、以下で 「基板接点」と呼ぶ接点から離れて位置するダイオードに、減極現象が観察され る。該接点は、通常、マトリックスの縁辺に位置し、特にＮ/ Ｐ型プレーナ構造 では、前述のようにマトリックス内の全画素に共通である。この現象は、デバイ スを動作させるさい、往々にして極めて厄介な事態を発生させ、デバイスを使用 不能にすることすらある。この現象は、構成要素の中心からの、それらダイオー ドのアクセス抵抗の値に関係している。Ｎ/ Ｐ型プレーナ構造の場合、このアク セス抵抗は、ＣｄＨｇＴｅ層２１内のＰ型領域からの、明らかに構成要素の寸法 による輸送特性に依存する（数１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲の通常のドーピング、３００ 〜５００ｃｍ² ／Ｖ／ｓの範囲内での複数キャリア（複数正孔）の通常の移動度 ）。 この問題の解決を示唆するいくつかの「目につく」解決策がある。それらの解 決策には、減極問題の発生を防止するため、十分に小寸法の、各ダイオードまた は各ダイオード群に近い基板接点（すなわち、ＣｄＨｇＴｅ層２１内のＰ型層上 のプレーナ構造の場合）を含んでいる。しかし、このことは、モザイク充填率（ filling factor）の低下を伴い、したがって、各画素または各画素群での性能の 低下を伴い、技術的な複雑さの増大（全基板接点間の接続）を伴う。別の解決策 では、通常に使用される層に比して、ＣｄＨｇＴｅ層２１の厚さが、したがって 、Ｎ/ Ｐ型プレーナ構造の場合にＮ型領域のイオン注入後に残るＰ型領域の厚さ が、より厚くされる。この場合も、デバイス性能は低下する。その場合には、量 子収率が低下するか（例えばｅ₀ が少数キャリアの拡散波長より大の場合）、暗 電流が増大するか（ｅ₀ が少数キャリアの拡散波長未満の場合）、または量子収 率低下と暗電流増大の両方が生じる（ｅ₀ が少数キャリアの拡散波長未満で、層 の最終厚が少数キャリアの拡散波長を超える場合）。これらのすべての場合、光 子電流と暗電流との比が減少する。 図２に示したようなＰ／Ｎ型構造を用い、Ｎ型層内の極めて高い電子移動度に 関係するＮ型層の優れた導電特性から恩恵を受けているヘテロ接合構造では、前 記アクセス抵抗の問題は、はるかに低いレベルで発生する。該ヘテロ接合構造で は、このＮ型層は、すべてのダイオードに共通の基板接点を形成している。しか し、この技術は、Ｎ／Ｐ型「プレーナ」技術と比較して、重大な欠点を有してい る。 本発明の目的は、前述のプレーナ技術を用いて製造されて、大型２次元モザイ クの中心に配置されるダイオードに発生する高い直列抵抗の問題を克服すること である。前記モザイクは、高い信号レベルを検出する一方、検出器の電気・光学 的特性を維持するように設計されたｉｘｊ画素（ｉとｊとは大きく、例えば１２ ８を超える）を有するモザイクである。 発明の開示 本発明は、２個のチップ間を電気的・機械的に相互接続するマイクロ−ボール ネットワークによって、読み取りチップ上に検出チップを混成（ハイブリッド化 ）する技術に基づく大型２次元光子放射検出器、それも、前記検出チップが、ｉ ｘｊ画素の２次元構造と、基板上にエピタキシャル成長させた活性層と、該活性 層内に形成されたＮ／Ｐ型またはＰ／Ｎ型ダイオードから成る各基本感光構成要 素とから構成されており、さらにＮ型領域またはＰ型領域上の接点が各画素に作 られ、別のＰ型領域またはＮ型領域に全ダイオードに共通の接点が設けられてい る形式のものに関し、前記２次元光子放射検出器が、広幅ギャップ（または禁制 帯域幅）の中間層を含み、該中間層が、活性層と基板との間に配置され、光学的 かつ電気的に透明であることを特徴としている。 好ましくは、前記活性層は、０≦ｘ≦１のＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ層であり、前記 基板は、０≦ｚ≦１のＣｄ_1-ｚ Ｚｎ_z Ｔｅ層であり、前記中間層は、被検出波 長に対し透明な、ｘ＋ε＜ｙ＜１のＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層である。そのさい、ε ＞０であり、ｘは、活性層を形成するＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ層の組成である。我々 は、ｘ_max ＜ｙの値を選択でき、そのさいｘ_max は、ｈｃ／ｑλ_min（ｈはプラ ンク定数、ｃは光速、ｑは帯電価、λ_min は被検出最小波長）に等しいギャップ を有するＣｄＨｇＴｅ層の組成であり、被検出最大波長は、Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ 層内のギャップによって定められる。さらに、ｙには、好ましくはｘ_max ＋０． １未満の値を選択し、基板と、中間層と、残りの構造（光学的に活性の領域）と の間のメッシュ内で優れた整合が維持されている。 好ましくは、中間層の厚さは１０〜３０μｍである。 本発明の第１変化形では、中間層は化学量論とは異なるようにドーピングされ る。 本発明の第２変化形では、中間層は、Ｐ型に外因的に不純物がドーピングされ る。好ましくは、ＣｄＨｇＴｅ内にあまり拡散しない不純物、例えばＡｓまたは Ｓｂが用いられる。 本発明は、次の用途を有している： − 放射線検出 − ３〜３０μｍ以内での赤外線放射の検出、特に３〜５μｍおよび８〜１ ２μｍの赤外線放射を大気透過窓（atmospheric transmission windows）内で検 出する − 熱映像（thermal imagery） 図面の簡単な説明 図１Ａおよび図１Ｂは、読み取り回路上に混成された、先行技術による２次元 赤外線放射検出器の略図と、検出素子の断面を示す画素拡大図。 図２は、先行技術による「Ｐ／Ｎ型」ヘテロ接合検出器の模式断面図。 図３は、本発明による検出器に用いる多層積層体の図。 実施例の詳細な説明 本発明では、光学的かつ電気的に透明なＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２が、検出器 のＣｄＺｎＴｅ基板４０とＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ活性層４１との間に、図１に示し たように挿入されている。前記層４２は、広幅ギャップ（または禁制帯域幅）層 であり、Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ活性層４１は、狭幅ギャップ層である。 この型の構造は、Ｃｄ_1-z Ｚｎ_z Ｔｅ基板４０上に何らかのエピタキシー技術 によって析出させたＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２を含み、この層自体は、 Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ活性層４１により被覆されている。活性層４１は、何らかの エピタキシー技術、好ましくはＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層に使用したのと同じ技術に よって作る（しかし、それに限定はしない）。図３は、そのようにして製造され た金属積層体である。 異なる組成のＣｄＨｇＴｅ材料を一緒にすることで形成されたヘテロ接合は、 Ｃｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層からＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ層への正孔の移動を阻むポテンシ ャルバリアを防止するのに十分な累進度(progressiveness)を有するのが、好ま しい。この累進度は、エピタキシャル成長の間に、または成長後の熱アニール（ 焼なまし）によって形成できる。 Ｃｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２の組成は、被検出波長に対し透明となるように、ｘ ＋ε＜ｙ＜１とされ、その場合、ε＞０であり、ｘは、活性層を形成するＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ合金の組成である。さらに詳しく言えば、ｘ_max ＜ｙは、ｘ_max が ｈｃ／ｑλ_min（ｈ＝プランク定数、ｃ＝光速、ｑ＝帯電価、λ_min ＝被検出最 小波長）に等しいギャップを有する合金の組成であり、被検出最大波長は、Ｃｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ層４２内のギャップによって定められる場合に、選択される。さ らに、ｙは、好ましくはｘ_max ＋０．１より小さく選択されて、Ｃｄ_1-z Ｚｎ_z Ｔｅ基板４０と、Ｃｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２と、残りの構造（光学的に活性の領 域）との間にすぐれたメッシュの整合が維持されるようにする。 Ｃｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２の厚さは、通常、１０〜３０μｍである（しかし、 別の厚さも可能である）。本発明の第１変化形では、この層４２は、化学量論と は異なるようにドープされている。第２変化形では、この層４２は、不純物によ り外因的にＰ型ドープされる。ＣｄＨｇＴｅ内でほとんど拡散しない不純物、例 えばＡｓまたはＳｂを用いるのが好ましい。この種の不純物によるＣｄＨｇＴｅ のＰ型ドーピングは、これまで利用されて来たもので、例えば参考文献［４］、 ［５］［６］に記載されている。 モザイクの縁部に配置された基板接点から、２Ｄモザイク内の画素へのアクセ ス抵抗は、この層４２の添加によってかなり低減される。この層４２の厚さと、 そのドーピングレベル（通常、１０¹⁶〜１０¹⁷ｃｍ^-3、第１に、この層４２の単 位面積当たりの低い抵抗が得られ、第２に、層内の自由電荷担体による被検出放 射の著しい吸収が防止される）とによって、２次元のモザイクの縁部に位置する 基板接点からの、該モザイク内の画素へのアクセス抵抗は、２〜１０以上の低減 率で低減される。 析出されるＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２は、基本検出器の電気的・光学的特性に 影響を与えない。この層は、被検出波長に対し透明であり、電気的にはさらに中 性である。通常、０．１と（ｘ_max −ｘ＋０．１）との間で選択できる組成の差 y-ｘによって、作動温度での検出器の暗電流に対するＣｄ_y Ｈｇ_1-y Ｔｅ層４２ の寄与が無視できることが保証される。 前述のように、図３に示した金属積層体は、何らかのエピタキシー技術によっ て形成されている。しかし、非限定的な例として、液相のエピタキシーまたは分 子流ジェットによるエピタキシーの使用も可能である。これらは、例えば参考文 献［６］、［７］に記載のように、本明細書で要求されている積層体より複雑な 多層積層体の成長にも有効であることが、既に判明している。参考文献［１］お よび［２］に記載されたこれら２層構造上でのＮ／Ｐ型検出接合のための技術的 処置を、デバイスを得るために使用できる。 共通の接点を用いることによって２次元検出構成要素内の直列抵抗を低減する この構想は、本発明により、光学的に透明な広幅ギャップ層（広幅ギャップのた め電気的にも透明）を付加することによって、混成可能な、または混成不可能な どのような検出構造（例えばＣｄＨｇＴｅ合金等の別の半導体、またはＰ／Ｎ型 ダイオードとは別の検出素子をベースとした構造）にも適用可能である。 本発明による検出器の工業利用の例は、ＣｄＨｇＴｅをベースとした熱映像カ メラである。 参考文献 [１]“HgCdTe Infrared Diode Arrays”by G.L．Destefanis（Semicond． Sci．Technol.，6，1991，pages 88-92） [２]“Hybrid 256x256 LWIR FPA Using MBE Grown HgCdTe On GaAs”by A. Kawahara et Al.（Proc．SPIE，vol．2552，July 9-13，1995， San Diego，pages 411-420） [３]“Large Improvement In HgCdTe Photovoltaic Detector Performance At LETI ”by G.Destefanis，J.P．chamonal（J．of Electron．Mater.， Vol．22，No.8，1993，pages 1027-1032） [４]“HgCdTe MBE Technology: A Focus On Chemical Doping ”by O.K．Wu （Mat．Res．Soc．Symp．Proc.，Vol．302，1993，pages 423-431） [５]“Controlled p-Type Sb Doping In LPE Grown Hg_1-xCd_xTe Epilayers” by T.C．harman（J.of Electron Mater.，Vol 22，No．9，1993，pages 1165-1172） [６]“Hg-Rich Liquid Phase Epitaxy of Hg_1-xCd_xTe”by M.H.Kalisher et Al.(Prog．Crystal Growth and Charact.，Vol 29，1994，pages 41- 83) [７]“Low Threshold Injection laser in HgCdTe ”by P.Bouchut et Al.(J. Electron．Mater.，vol.22，No.8，1993，pages 1061-1065）.

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ２次元光子放射検出器であって、該検出器が、２個のチップ間を電気的 かつ機械的に相互接続するマイクロ−ボール・ネットワークによって、検出チッ プを読み取りチップ上に混成する技術に基づいており、前記検出チップが、ｉｘ ｊ画素の２次元構造と、基板（４０）上にエピタキシャル成長させた活性層（４ １）と、該活性層（４１）内に形成されたＮ／Ｐ型またはＰ／Ｎ型ダイオードか ら成る各基本感光構成要素とから構成され、Ｎ型領域またはＰ型領域上の接点が 各画素に作られており、他のＰ型領域またはＮ型領域上の接点は全ダイオードに 共通である形式のものにおいて、 該検出器が、広幅ギャップの、光学的かつ電気的に透明な中間層（４２）を含 み、該中間層が活性層（４１）と基板（４０）との間に配置されていることを特 徴とする２次元光子放射検出器。 ２． 活性層（４１）が、０≦ｘ≦１であるＣｄ_x Ｈｇ_1-x Ｔｅ層であり、基 板（４０）が、０≦ｚ≦１であるＣｄ_1-z Ｚｎ_z Ｔｅ層（４０）であり、中間層 （４２）が、被検出波長に対し透明な、ｘ＋ε＜ｙ＜１であるＣｄ_y ｇ_1-y Ｔｅ 層であり、そのさいε＞０、ｘは活性層（４１）を形成する合金の組成であるこ とを特徴とする請求項１に記載された検出器。 ３． ｘ_max ＜ｙであり、その場合、ｘ_max は、ｈｃ／ｑλ_min（ｈ＝プラン ク定数、ｃ＝光速、ｑ＝帯電価、λ_min ＝被検出最小波長）に等しいギャップを 有するＣｄＨｇＴｅ層の組成であり、被検出最大波長が活性層（４１）内のギャ ップにより定められることを特徴とする請求項２に記載された検出器。 ４． 基板（４０）と、中間層（４２）と、残りの構造との間で、すぐれたメ ッシュ整合を維持するために、ｙが、ｘ_max ＋０．１より小さい、請求項３に記 載された検出器。 ５． 中間層（４２）の厚さが１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項 １から請求項４までのいずれか１項に記載された検出器。 ６． 中間層（４２）が化学量論とは異なるようにドープされている請求項５ に記載された検出器。 ７． 中間層（４２）が外因的に不純物によってＰ型にドープされていること を特徴とする請求項５に記載された検出器。 ８． 前記不純物が、ＣｄＨｇＴｅ内でほとんど拡散しないことを特徴とする 請求項７に記載された検出器。 ９． 前記不純物がＡｓまたはＳｂ等であることを特徴とする請求項８に記載 された検出器。