JP2017506436A - 同時デュアルバンド検出器 - Google Patents

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Abstract

放射線検出器（１２）は、共通層上に配置された一対の隣接するメサ（２２、２４）を有し、共通層は、第１の導電型と第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第１の半導体層（１６）を有し、メサの各々が、第２の半導体層（１８）と、第２の半導体層上に配置され、第１の導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層（２０）とを有する。第２の半導体層は、第１導電型とは逆の導電型を持つことができ、あるいは、これら３つの層がｎＢｎ又はｐＢｐ構造を提供してもよい。第２のメサの第３の半導体層は、第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって共通層に流れる少数キャリアを生み出す。共通層内にバリア領域が配設される。

Description

本開示は、概して焦点面（フォーカルプレーン）アレイに関し、具体的には、複数の異なるスペクトルバンド内の赤外線（ＩＲ）放射を同時に検出するために、集積された光起電力検出器（例えば、“二色検出器”）を使用するスターリング焦点面アレイに関する。
技術的に知られているように、撮像システムは典型的に、検出器のアレイを用いてターゲットの画像を生成する。個々の検出器が各々、検出器素子上に入射する電磁波エネルギー又は放射（例えば、赤外線（ＩＲ）放射又は可視光放射）の強さを測定し、出力画像の１つの画素を形成する。一部の用途において、２つの異なる色又は波長のエネルギーを検出すること、すなわち、各画素が２つの異なるスペクトルバンドにおいて感度を持つことが望ましい。それらのスペクトルバンドは、短波長ＩＲ（ＳＷＩＲ）、中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）、長波長ＩＲ（ＬＷＩＲ）、及び超長波長ＩＲ（ＶＬＷＩＲ）を含み得る。二色ＩＲ検出器のアレイは、アレイの視野内のシーンから２つのスペクトルバンド内の放射を同時に検出することを必要とする数多くの撮像用途で使用され得る。例として、アレイは、ＬＷＩＲとＭＷＩＲとを検出し、あるいはＬＷＩＲとＳＷＩＲとを検出し得る。これに関連して、１９９２年５月１２日に発行された“Ｔｗｏ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ”なるタイトルのＥ．Ｆ．Ｓｃｈｕｌｔｅへの米国特許第５１１３０７６号（特許文献１）を参照する。このタイプの装置においては、特定の波長帯域の検出が、バイアス供給を切り換えることによって達成されている。例えば、図１を参照するに、例えばＨｇ（１．０−ｘ）ＣｄｘＴｅといったＩＩ−Ｖ族材料からなる背面照射型半導体放射線検出器が示されている。この検出器は、ここでは、中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）放射に応答するエネルギーバンドギャップを持つｎ型ベース層を含んだ、二端子の三層ヘテロ接合（ＴＬＨＪ）半導体放射線検出器である。ベース層の上は、ベース層とヘテロ接合を形成する高濃度ドープされたｐ型短波ＩＲ（ＳＷＩＲ）応答層であるＳＷＩＲ層であるが、有意数のＳＷＩＲフォトン生成キャリアに寄与しない。というのは、大部分のＳＷＩＲ放射（例えば、１０００ｎｍからおよそ４０００ｎｍ）がベース層を貫通しないからである。故に、この接合は、実質的にＭＷＩＲ放射（例えば、３０００ｎｍからおよそ８０００ｎｍ）のみに応答する短波長ジャンクションである。ＳＷＩＲ層の上に、ｎ型長波ＩＲ（ＬＷＩＲ）応答層が設けられている。ＬＷＩＲ層は、下に位置する２つの層を貫通したＬＷＩＲ放射（例えば、７０００ｎｍからおよそ１４０００ｎｍ）を吸収するのに大いに十分な厚さを備えている。ＳＷＩＲ層とＬＷＩＲ層との間にヘテロ接合が形成され、このヘテロ接合は、実質的にＬＷＩＲ放射のみに応答する長波長ジャンクションである。
ＬＷＩＲ層のバンドギャップは、ＭＲＩＷ層のバンドギャップよりも小さい。ＬＷＩＲ層のバンドギャップは、ＭＷＩＲ層に意図された電磁波エネルギーを吸収するものであり、故に、この構造は、図示のように背面から照射される。光が吸収されるとき、それにより電子−正孔対が生成される。ＳＷＩＲエネルギーはＳＷＩＲ層に到達し得る前にベース層内で吸収されるので、ＳＷＩＲ層内では電磁波エネルギーが吸収されない。
より具体的には、図１の三層検出器構造では、２つのヘテロ接合は、直列に結合されて、電気的に、２つの背中合わせのダイオードとして機能する。使用中、検出器電極が切り換え可能なバイアス源に結合され、バイアスの極性が切り換えられる。正バイアスがＭＷＩＲ層に印加されると、ＬＷＩＲ層とＳＷＩＲ層との間のｎｐ接合は、大いに順バイアスにあって低抵抗の導電体として機能し、それにより、回路への有意量の光電流に寄与せず、その一方で、ＳＷＩＲ層とＭＷＩＲ層との間の接合は、逆バイアス状態にあって、ＭＷＩＲ光子束に比例して回路電流を変調する。逆に、負バイアスがＭＷＩＲ層に印加されると、ＭＷＩＲ層とＳＷＩＲ層との間の接合は、順バイアスにあって、回路への有意な光電流に寄与しない。ＳＷＩＲ層とＬＷＩＲ層との間の接合は、逆バイアスされて、検出器に入射するＬＷＩＲ束に比例した電流変調を生み出す。変調された電流が、読出し（リードアウト）回路（図示せず）を介して従来手法で読み出される。
次いで図２を参照するに、異なる二色検出器が示されている。ここでは、この検出器は、一対のメサ構造を隣り合わせ関係で含んでいる。これら２つの隣り合わせのメサ構造は、領域１及び領域２という一対の画素領域を形成するようにレイヤ群をエッチングすることによって形成される。下側のｎ型層のバンドギャップは、上側のｎ型ドープト層のバンドギャップよりも大きく、ｐ型層のバンドギャップは、上側及び下側のｎ型ドープト層のバンドギャップの双方よりも大きい。
技術的に知られているように、半導体には、２つの認識されたタイプの電荷キャリアが存在する。一方は、負電荷を担持するものである電子である。加えて、価電子帯の電子集団内の移動する空孔（正孔）を、電子の電荷と大きさ的に等しい正電荷を担持する第２のタイプの電荷キャリアとして取り扱うと都合が良い。より豊富な電荷キャリアは、多数キャリアと呼ばれており、半導体のピース（断片）内で電流輸送を主として担うものである。ｎ型半導体では、多数キャリアは電子であり、ｐ型半導体では、多数キャリアは正孔である。豊富でない方の電荷キャリアは、少数キャリアと呼ばれており、ｎ型半導体では正孔であり、ｐ型半導体では電子である。これまた知られているように、電子が正孔と出会うと、それらは再結合し、これらの自由キャリアは実効的に消滅する。再結合とは、価電子帯から伝導帯へと励起された電子が、正孔として知られる価電子帯内の空（エンプティ）状態に落ち戻ることを意味する。正孔は、電子がエネルギーギャップを越えるためのエネルギーを得て励起されるときに、価電子帯内に作り出される空状態である。
再び図２を参照するに、指し示されているように、これら２つの領域にオーミックコンタクトが形成される。画素領域１のコンタクトが負電圧でバイアスされ（上側のｎ型層とｐ型層との間の接合（ダイオード２）を順バイアスし、ｐ型層と下側のｎ型層との間の接合を逆バイアスする）、短めの波長λ１を持つ電磁波エネルギーを受けることに応答して下側のｎ型層内で生成されるキャリア（ここでは、多数キャリアである電子）が検出され、その一方で、画素領域２のコンタクトが正電圧でバイアスされ（上側のｎ型層とｐ型層との間の接合（ダイオード２）を逆バイアスし、ｐ型層と下側のｎ型層との間の接合を順バイアスする）、長めの波長λ２を持つ電磁波エネルギーを受けることに応答して生成される上側のｎ型層内の少数キャリア（ここでは、正孔）が検出される。
画素領域２を考えるに、長い方の波長λ２を持つ電磁波エネルギーを受けることは、上側のｎ型ドープト層内に電子及び正孔キャリアを生成し、これらのキャリアが、長波長ジャンクション（すなわち、上側のｎ型層とｐ型層との間に形成される接合、すなわち、ダイオード２）の負バイアスすなわち逆バイアスによって、指し示されるように、正孔（ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離され、電子ｅ−が、画素領域２へのコンタクトを介して多数キャリア信号を生成する。なお、短波長ジャンクション（すなわち、下側のｎ型層とｐ型層との間に形成される接合、すなわち、ダイオード１）は、順バイアスされており、故に、短波長λ１の電磁波エネルギーを受けることに応答して生成されるキャリアを分離しない。
画素領域１を考えるに、短い方の波長λ１を持つ電磁波エネルギーを受けることは、下側のｎ型ドープト層内に電子及び正孔キャリアを生成し、これらのキャリアが、短波長ジャンクション（すなわち、下側のｎ型層とｐ型層との間に形成される接合、すなわち、ダイオード１）の負バイアスすなわち逆バイアスによって、指し示されるように、正孔（ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離され、それにより、上側のｎ型層内の正孔ｈ＋（少数キャリア）が、画素領域１へのコンタクトを介して少数キャリア信号を生成する。なお、長波長ジャンクション（すなわち、上側のｎ型層とｐ型層との間に形成される接合、すなわち、ダイオード２）は、順バイアスされており、故に、長波長λ２の電磁波エネルギーを受けることに応答して生成されるキャリアを分離しない。
故に、言及しておくことには、これらのメサの各メサが、ここでは上側ｎ型層である同種のドーパントでドープされたドープト層を有し、これらのメサの各メサのコンタクトが、対応するドープト層とオーミックコンタクトしており、これらのドープト層のうちの一方が、長波長を持つ電磁波エネルギーに応答して多数キャリアを生み出し、これらのドープト層のうちの他方が、短波長を持つ電磁波エネルギーに応答して少数キャリアを生み出す。
言及しておくことには、長波長の電磁波エネルギーによって画素領域２内で生成される正孔ｈ＋（少数キャリア）が、望ましくないことに、２つのメサ構造を分離している領域の下を拡散することによって領域１に注入される。画素領域１へと拡散する領域２からのこれら正孔ｈ＋（少数キャリア）は、画素領域１内の上側ｎ型層へのコンタクトを介する少数キャリア流によって検出される短波長電磁波エネルギーに応答して生成される正孔ｈ＋（少数キャリア）から、区別ができない。故に、画素領域１内の上側ｎ型層へのコンタクトは、短波長電磁波エネルギーからの正孔ｈ＋（少数キャリア）流を検出するだけでなく、画素領域２から望ましくなく注入されるｈ＋（少数キャリア）の結果として、長波長電磁波エネルギーをも検出し、それにより、短波長電磁波エネルギーを受けることに応答して画素領域１の上側ｎ型層へのコンタクトによって生成される信号を破損するクロストークが生じる。
米国特許第５１１３０７６号明細書
本開示によれば、共通層上に配置された一対の隣接するメサを有する検出器が提供される。共通層は、第１の導電型と第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第１の半導体層を有する。メサの各々が、共通層上に配置された第２の半導体層と、第２の半導体層上に配置され、第１の導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層とを有する。
一実施形態において、第２の層は、第１の層の導電型とは逆の導電型を持つ。
一実施形態において、第２の層はバリア層である。
一実施形態において、第１、第２及び第３の半導体層は、ｎＢｎ構造又はｐＢｐ構造を提供する。
第２のメサの第３の半導体層は、第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって共通層に流れる少数キャリアを生み出す。不所望のキャリアが第２のメサから第１のメサへと渡ることを防止するよう、共通層内にバリア層が配設される。
一実施形態において、共通層上に配置された一対の隣接するメサを有する放射線検出器が提供される。共通層は、第１の導電型と第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第１の半導体層を有する。メサの各々が、共通層上に配置され、第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、第２の半導体層上に配置され、第１の導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層とを有する。第２のメサの第３の半導体層は、第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって共通層に流れる少数キャリアを生み出す。不所望のキャリアが第２のメサから第１のメサへと渡ることを防止するよう、共通層内にバリア領域が配設される。
一実施形態において、第３の半導体材料は所定のドーピング濃度を持ち、バリア領域は、第１の導電型を持つとともに該所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である。
一実施形態において、バリア領域は、第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、第１の半導体材料は所定のドーピング濃度を持ち、第４の半導体層は、第１の導電型を持つとともに該所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ。
一実施形態において、バリア領域は、メサ間でバリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす。
一実施形態において、再結合の領域は、不所望の少数キャリアをバリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、メサ間で不所望のキャリアが渡されることを抑制する。
一実施形態において、メサは単結晶であり、バリア領域は多結晶である。
一実施形態において、バリア領域は、イオン注入された領域である。
一実施形態において、共通層上に配置された一対の隣接するメサ構造を有する放射線検出器が提供され、共通層は、第１の導電型と第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第１の半導体層を有する。メサの各々が、共通層上に配置された第２の半導体層であって第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、第２の半導体層上にそれに接触して配置された第３の半導体層であって第１の導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層とを有する。メサ構造のうちの第１のメサ構造が、第２の半導体層と第３の半導体層との間のジャンクションを順バイアスする電圧に結合される。メサ構造のうちの第２のメサ構造が、第２の半導体層と第３の半導体層との間のジャンクションを逆バイアスする電圧に結合される。メサ構造のうちの第２のメサ構造の第３の半導体層は、第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、少数キャリアを生成し、該生成された少数キャリアの一部が、不所望のキャリアとして、メサ構造のうちの第１のメサに向かって共通層に流れる。一対のメサ構造の間で共通層内にバリア領域が配設され、不所望のキャリアが一対のメサ構造のうちの第２のメサ構造から一対のメサ構造のうちの第１のメサ構造へと当該バリア領域を通り抜けることが防止される。
一実施形態において、第３の半導体材料は所定のドーピング濃度を持ち、バリア領域は、第１の導電型を持つとともに該所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である。
一実施形態において、バリア領域は、第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、第１の半導体材料は所定のドーピング濃度を持ち、第４の半導体層は、第１の導電型を持つとともに該所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ。
このような構成を用いて、同時デュアルバンド検出器構造は、各メサがデュアルバンド検出器の画素領域を提供する隣接する隣り合わせのメサ構造の間で、キャリアの流れを抑制し、各領域が、デュアルバンドの各々のバンドに関してバイアスされる。成長又はイオン注入の何れかを介して、検出器の裏面側に短キャリアライフタイム層が配設され、例えば、少数キャリアと多数キャリアとの再結合を増加させることによって、隣接する画素領域間で拡散する少数キャリアの数が減らされる。再結合は、例えば、２つの画素領域間の領域におけるドーピングを増やすこと、又はそのような領域に格子ダメージを導入することによって生み出され得る。この層は、画素領域から隣接画素領域へと移動する全てのキャリアがこの短キャリアライフタイム層を通り抜けなければならないように、十分に厚くされる。短いライフタイムにより、このクロストークに寄与するであろうキャリアが、その代わりに、隣接画素領域に到達する前にこの短キャリアライフタイム層内で再結合される。他の例では、短ライフタイム層の代わりに、短ライフタイム領域が隣接画素領域間に形成されてもよい。この短ライフタイム領域は、パターンを持ったイオン注入によって形成され得る。短ライフタイム領域は、光生成されたキャリアを収集する上で困難を生じさせ得るので、通常、短ライフタイム領域はアブソーバ内で避けられるが、ここでは、同時デュアルバンド動作において発生し得る隣接画素領域間での電気的なクロストークを防止するように短ライフタイム領域が設計される。
本開示の１つ以上の実施形態の細部が、添付の図面及び以下の記載にて説明される。本開示のその他の特徴、目的及び利点が、これらの記載及び図面並びに請求項から明らかになる。
従来技術に従ったデュアルバンド検出器の図式的な断面の略図である。 従来技術に従ったデュアルバンド検出器の図式的な断面の略図である。 本発明に従った焦点面アレイの一部の図式的な側断面図である。 本開示に従った、図３のアレイで使用されるデュアルバンド検出器を例示したものの図式的な断面の略図である。 本開示の他の一実施形態に従った、図３のアレイで使用されるデュアルバンド検出器の図式的な断面の略図である。 様々な図中の似通った参照符号は同様の要素を指し示している。
ここで図３を参照するに、ここでは例えばスターリングアレイである焦点面アレイ９が示されており、図３に示すようなスタック構成にて、ＩＩ−ＶＩ族半導体の検出器アレイチップ１１が、ここではインジウムバンプ接合（ボンディング）テクノロジーを用いて、例えばインジウム電気コンタクト又は“バンプ”３０、３２を介して、第１の半導体（ここでは例えばシリコン）ＲＯＩＣチップ１３に電気的に接続されている。
より具体的には、チップ１１は、ターゲットの画像を生成するための、電磁波エネルギー又は放射線の検出器１２（ここでは例えばＩＲ検出器）のアレイを有している。各検出器１２は、領域１及び領域２という２つの領域を有しており、アレイ１０の複数の画素のうちの対応する画素を提供する。より具体的には、各検出器はデュアルバンド検出器であり、領域１が１つのバンド（帯域）又は色のエネルギーを検出し、領域２が異なるバンド又は色のエネルギーを検出する。故に、個々の検出器１２の各々が、検出器素子上に入射する２つのバンド内の電磁波エネルギー又は放射線（ここでは例えば赤外（ＩＲ）放射）の強度を測定して、出力画像の１つの画素を形成する。
検出器１２の１つの例示的な検出器を、ここでは例えば単結晶基板１４（ここではＣｄＺｎＴｅ又はシリコン）であるベースを含むように図４に示す。単結晶のｎ型ドープされたＨｇＣｄＴｅの層１６が、基板１４上にエピタキシャル成長される。単結晶ＨｇＣｄＴｅのｐ型ドープト層１８が、ｎ型ドープト層１６上にエピタキシャルに形成される。単結晶ＨｇＣｄＴｅの第２のｎ型ドープト層２０が、ｐ型ドープト層１８上にエピタキシャルに形成される。この構造が、図示のように層２０、１８を縦方向に通り抜けて共通層１６の上部まで入るトレンチ１９を形成し、それにより、検出器１２を、ｎ型ドープト層１６を共通のｎ型ドープト層として有する２つのメサ２２、２４へと分割するように、従来からのフォトリソグラフィ化学エッチング技術を用いて処理される。メサ２２は、ここでは、例えば３μｍと６μｍとの間といった、短波長バンドの波長である、１つのバンド内の波長を持つＩＲエネルギーに応答し、メサ２４は、ここでは、例えば６μｍと１０μｍとの間といった、より長波長バンド内のＩＲエネルギーに応答する。
理解されるべきことには、検出器１２は、２つの同じ導電型の半導体層の間にバリア層Ｂを配置したｎＢｎ検出器又はｐＢｐ検出器とすることができ、その場合、層１８がｎＢｎ又はｐＢｐ構造を提供するバリア層となる。
ここで、層１６の厚さは１ミクロンと１０ミクロンとの間である。層１８の厚さは１ミクロンと５ミクロンとの間であり、層２０の厚さは１ミクロンから１０ミクロンである。図示のように、第１の電気コンタクト３０は、メサ２２の上側のｎ型層２０とのオーミックコンタクトであり、第２の電気コンタクト３２は、メサ２４の上側のｎ型層２０とのオーミックコンタクトである。下型のｎ型層１６は接地される。下側ｎ型層１６のバンドギャップは、上側ｎ型層２０のバンドギャップよりも大きく、ｐ型層１８のバンドギャップは、上側ｎ型層２０及び下側ｎ型層１６のどちらのバンドギャップよりも大きい。より具体的には、層１６は、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップを有し、層２０は、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップを有する。
コンタクト３０は、負電圧源に接続され、メサ２２の層１８と層２０との間に形成されるｐｎ接合を順バイアスする。コンタクト３２は、正電圧源に接続され、メサ２４の層１８と層２０との間に形成されるｐｎ接合を逆バイアスする。故に、メサ２２は負電圧でバイアスされる（上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間の接合を順バイアスする）。メサ２４は正電圧でバイアスされる（上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間の接合を逆バイアスする）。
より具体的には、長い方の波長λ２を持つ電磁波エネルギーを受けることは、上側のｎ型ドープト層２０内に電子及び正孔キャリアを生成し、これらのキャリアが、長波長ジャンクション（すなわち、上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間に形成される接合）の負バイアスすなわち逆バイアスによって、指し示されるように、正孔（ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離され、電子ｅ−が、メサ２４へのコンタクト３２を介して多数キャリア信号を生成する。なお、短波長ジャンクション（すなわち、下側ｎ型層１６とｐ型層１８との間に形成される接合）は、順バイアスされており、故に、短波長λ１の電磁波エネルギーを受けることに応答して生成されるキャリアを分離しない。短い方の波長λ１を持つ電磁波エネルギーを受けることは、下側のｎ型ドープト層１６内に電子及び正孔キャリアを生成し、これらのキャリアが、短波長ジャンクション（すなわち、下側ｎ型層１６とｐ型層１８との間に形成される接合）の逆バイアスによって、指し示されるように、正孔（ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離され、メサ２２内に信号が生成される。なお、長波長ジャンクション（すなわち、上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間に形成される接合）は、順バイアスされており、故に、長波長λ２の電磁波エネルギーを受けることに応答して生成されるキャリアを分離しない。
この構造は、一対のメサ２２、２４の間で共通層１６内に配置されたバリア領域４０を含むことで、メサ２４内で生成された、ここでは少数キャリア（正孔ｈ＋）である不所望のキャリアが、メサ２４からメサ２２へとバリア領域４０を通り抜けることを防止している。ここで、例えば、バリア領域４０は、メサ２２、２４間の領域を通る不所望の少数キャリアを再結合させるように一対のメサ２２、２４の間で共通層１６内に配置された再結合領域である。
ここで、例えば、バリア領域４０は、層１６におけるｎ型ドーピング濃度よりも高いドーピング濃度である高ドーピング濃度のｎ型ドーパント（すなわち、ｎ＋ドープト領域）を有し、それにより、メサ２４からメサ２２に向かって拡散して２つのメサ間でクロストークを起こす傾向にある少数キャリア（正孔ｈ＋）の、再結合を生じさせる。それに代わる領域４０は、ダメージを与えられた結晶構造の領域、又は多結晶領域へと転換された領域とし得る。故に、バリア領域４０は、再結合領域４０であり、少数キャリアと多数キャリアとの再結合を増加させることによって隣接メサ２２、２４間で渡されるキャリアの数を減らす短キャリアライフタイム層を含む。
次いで図５を参照するに、検出器１２”は、下層部分１６ａ及び上層部分１６ｂという２つのレイヤ部分に分離された下側層１６を有している。下側層１６の下層部分１６ａは、ここではｎ＋型の層（ここでは、図４の領域４０に使用されるのと同じ、いっそう高濃度のｎ型ドーピング濃度）であるメサ２２、２４の共通層であり、上層部分１６ｂは、２つのメサ２２、２４間で分割され、双方がｎ型ドーピング濃度（ここでは例えば、図４の層１６のドーピング濃度と同じ）を有している。ここで、下層部分１６ａは、ここでは例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって形成され、１−５ミクロンの厚さを有し、上層部分１６ｂも１−５ミクロンの厚さを有し、故に、下層部分１６ａと上層部分１６ｂとで構成される層１６の総厚さは、図４の層１６の厚さと同じである。ｎ型上層部分１６ｂのバンドギャップは、上側ｎ型ドープト層２０のバンドギャップよりも大きく、ｐ型層１８のバンドギャップは、上層部分１６ｂ及び層１８のどちらのバンドギャップよりも大きい。ここでは、この構造が、図示のように層２０、１８、及び層１６の上層部分１６ｂを縦方向に通り抜けて層１６の下層部分１６ａまで入るトレンチ１９を形成し、それにより、検出器１２’を、ｎ型ドープされた上層部分１６ｂを有する２つのメサ２２、２４へと分割するように、従来からのフォトリソグラフィ化学エッチング技術を用いて処理される。この場合も、メサ２２は、ここでは、例えば３μｍと６μｍとの間といった、短波長バンドの波長である、１つのバンド内の波長を持つＩＲエネルギーに応答し、メサ２４は、ここでは、例えば６μｍと１０μｍとの間といった、より長波長バンド内のＩＲエネルギーに応答する。
故に、メサ２２は、受けた短めの波長λ１を持つ電磁波エネルギーを検出するよう、負電圧でバイアスされ（上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間の接合を順バイアスする一方で、ｐ型層１８とｎ型層１６の上層部分１６ｂとの間の接合を逆バイアスする）、メサ２４は、受けた長めの波長λ２を持つ電磁波エネルギーを検出するよう、正電圧でバイアスされる（上側ｎ型層２０とｐ型層１８との間の接合を逆バイアスする）。
高濃度ドープされたｎ＋層である層１６の下層部分１６ａは、メサ２２、２４間の領域を通る不所望の少数キャリアの再結合を生じさせることによって、バリア領域４０を提供する。
もはや理解されるはずであることには、本開示に従った放射線検出器は、共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、前記共通層は、第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層を有し、前記メサの各々が、前記共通層上に配置され、前記第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層とを有し、第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、一対のメサと、前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域とを含む。この放射線検出器は、以下の特徴のうちの１つ以上を、独立に、あるいは別の特徴と組み合わせて含み得る：前記第３の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記バリア領域は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である；前記バリア領域は、前記第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記第４の半導体層は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ；前記バリア領域は、前記一対のメサ間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす；前記再結合の領域は、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、前記メサ間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する；前記メサは単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である；又は、前記バリア領域はイオン注入領域である。
やはり理解されるはずであることには、本開示に従った放射線検出器は、共通層上に配置された一対の隣接するメサ構造であり、前記共通層は、第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層を有し、前記メサ構造の各々が、前記共通層上に配置された第２の半導体層であり、前記第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、前記第２の半導体層上にそれに接触して配置された第３の半導体層であり、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層とを有し、当該メサ構造のうちの第１のメサ構造が、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間のジャンクションを順バイアスする電圧に結合され、当該メサ構造のうちの第２のメサ構造が、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間のジャンクションを逆バイアスする電圧に結合され、当該メサ構造のうちの前記第２のメサ構造の前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、少数キャリアを生成し、該生成された少数キャリアの一部が、不所望のキャリアとして、当該メサ構造のうちの前記第１のメサ構造に向かって前記共通層に流れる、一対のメサ構造と、前記一対のメサ構造の間で前記共通層内に配置されたバリア領域であり、前記不所望のキャリアが前記一対のメサ構造のうちの前記第２のメサ構造から前記一対のメサ構造のうちの前記第１のメサ構造へと当該バリア領域を通り抜けることを防止するバリア領域とを含む。この放射線検出器は、以下の特徴のうちの１つ以上を、独立に、あるいは別の特徴と組み合わせて含み得る：前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記バリア領域は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である；前記バリア領域は、前記第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記第４の半導体層は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ；前記バリア領域は、前記一対のメサ構造間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす；前記再結合の領域は、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、前記メサ構造間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する；前記一対のメサ構造は単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である；又は、前記バリア領域はイオン注入領域である。
理解されるはずであることには、本開示に従ったデュアルバンド検出器構造は、第１導電型のドーパントを持つとともに、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップを持つ第１の半導体層と、前記第１導電型とは逆の第２導電型のドーパントを持つ第２の半導体層であり、前記第１の半導体層と当該第２の半導体層とが第１のｐｎ接合を形成する、第２の半導体層と、前記第２の半導体層上の、前記第１導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層であり、前記第２の半導体層と当該第３の半導体層とが第２のｐｎ接合を形成する、第３の半導体層と、縦方向に前記第３の半導体層を貫き、前記第２の半導体層を貫き、且つ前記第１の半導体層の上側部分の中まで通って、当該検出器構造を一対の検出器領域へと分離するトレンチと、前記一対の検出器領域のうちの第１の検出器領域の前記第３の半導体層に接続された第１の電気コンタクトと、前記一対の検出器領域のうちの第２の検出器領域の前記第３の半導体層に接続された第２の電気コンタクトと、前記第１の電気コンタクトに接続されて、前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第２のｐｎ接合を逆バイアスするとともに、前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第１のｐｎ接合を順バイアスする第１の電圧と、前記第２の電気コンタクトに接続されて、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域の前記第２のｐｎ接合を順バイアスするとともに、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域の前記第１のｐｎ接合を逆バイアスする第２の電圧とを含み、前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、少数キャリアを生成し、該生成された少数キャリアの一部が、不所望のキャリアとして、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域に向かって流れ、当該検出器構造は、前記一対の検出器領域の間に配置されたバリア領域であり、前記不所望のキャリアが前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域から前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域へと当該バリア領域を通り抜けることを防止するバリア領域を含む。このデュアルバンド検出器構造は、以下の特徴のうちの１つ以上を、独立に、あるいは別の特徴と組み合わせて含み得る：前記バリア領域は、前記一対の検出器領域間で前記バリア領域を通る不所望のキャリアに再結合をもたらすように前記一対の検出器領域の間で前記第１の半導体層内に配置された再結合領域である；前記再結合領域は、前記一対のメサ構造間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす；前記再結合領域は、少数キャリアと多数キャリアとの再結合を増加させることにより、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、隣接するメサ構造間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する；前記再結合領域は、前記第１の半導体層のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度で、前記第１の半導体層と同じ導電型のドーパントを有する；前記一対の検出器領域は単結晶であり、前記再結合領域は多結晶である；前記一対の検出器領域は単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である；又は、前記バリア領域はイオン注入領域である。
やはり理解されるはずであることには、本開示に従った放射線検出器は、共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、前記共通層は、第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層を有し、前記メサの各々が、前記共通層上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層とを有し、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間での多数キャリアの流れを阻止し、第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、一対のメサと、前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域とを含む。
やはり理解されるはずであることには、本開示に従った放射線検出器は、共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、前記共通層は、第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層を有し、前記メサの各々が、前記共通層上に配置された第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層とを有し、第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、一対のメサと、前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域とを含む。この放射線検出器は、以下の特徴のうちの１つ以上を、独立に、あるいは別の特徴と組み合わせて含み得る：前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の導電型とは逆の導電型を持つ；前記第２の半導体層はバリア層である；前記第１、第２及び第３の半導体層は、ｎＢｎ構造又はｐＢｐ構造を提供する。
本開示の多数の実施形態を説明してきた。そうとはいえ、理解されるように、本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が為され得る。例えば、関心ある波長は、上に挙げたものとは異なっていてもよい。バンド１の６μｍと８μｍとの間での応答と、バンド２の８μｍと１０μｍとの間での応答とを持つデュアルバンド長波検出器を想像することができる。様々な層の厚さは、具体的な用途に合わせて検出器性能を改善及び最適化するために調節され得る。代わりの半導体、基板材料、及び検出器設計も使用することができる。例えば、ＧａＳｂ、サファイア、又はＳｉＣなどの代替基板上のＩＩＩ−Ｖ族型半導体である。従って、その他の実施形態も以下の請求項の範囲内にある。

Claims (27)

  1. 共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、
    前記共通層は、
    第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層
    を有し、
    前記メサの各々が、
    前記共通層上に配置され、前記第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層と
    を有し、
    第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、
    一対のメサと、
    前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域と、
    を有する放射線検出器。
  2. 前記第３の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記バリア領域は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である、請求項１に記載の放射線検出器。
  3. 前記バリア領域は、前記第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記第４の半導体層は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ、請求項１に記載の放射線検出器。
  4. 前記バリア領域は、前記一対のメサ間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす、請求項３に記載の放射線検出器。
  5. 前記再結合の領域は、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、前記メサ間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する、請求項４に記載の放射線検出器。
  6. 前記メサは単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である、請求項１に記載の放射線検出器。
  7. 前記バリア領域はイオン注入領域である、請求項１に記載の放射線検出器。
  8. 共通層上に配置された一対の隣接するメサ構造であり、
    前記共通層は、
    第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層
    を有し、
    前記メサ構造の各々が、
    前記共通層上に配置された第２の半導体層であり、前記第１の導電型とは逆の導電型を持つ第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上にそれに接触して配置された第３の半導体層であり、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層と
    を有し、
    当該メサ構造のうちの第１のメサ構造が、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間のジャンクションを順バイアスする電圧に結合され、
    当該メサ構造のうちの第２のメサ構造が、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間のジャンクションを逆バイアスする電圧に結合され、
    当該メサ構造のうちの前記第２のメサ構造の前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、少数キャリアを生成し、該生成された少数キャリアの一部が、不所望のキャリアとして、当該メサ構造のうちの前記第１のメサ構造に向かって前記共通層に流れる、
    一対のメサ構造と、
    前記一対のメサ構造の間で前記共通層内に配置されたバリア領域であり、前記不所望のキャリアが前記一対のメサ構造のうちの前記第２のメサ構造から前記一対のメサ構造のうちの前記第１のメサ構造へと当該バリア領域を通り抜けることを防止するバリア領域と、
    を有する放射線検出器。
  9. 前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記バリア領域は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ半導体領域である、請求項８に記載の放射線検出器。
  10. 前記バリア領域は、前記第１の半導体層上に配置された第４の半導体層を有し、前記第１の半導体層は所定のドーピング濃度を持ち、前記第４の半導体層は、前記第１の導電型を持つとともに前記所定のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を持つ、請求項８に記載の放射線検出器。
  11. 前記バリア領域は、前記一対のメサ構造間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす、請求項１０に記載の放射線検出器。
  12. 前記再結合の領域は、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、前記メサ構造間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する、請求項１１に記載の放射線検出器。
  13. 前記一対のメサ構造は単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である、請求項８に記載の放射線検出器。
  14. 前記バリア領域はイオン注入領域である、請求項８に記載の放射線検出器。
  15. デュアルバンド検出器構造であって、
    第１導電型のドーパントを持つとともに、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップを持つ第１の半導体層と、
    前記第１導電型とは逆の第２導電型のドーパントを持つ第２の半導体層であり、前記第１の半導体層と当該第２の半導体層とが第１のｐｎ接合を形成する、第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上の、前記第１導電型と第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップとを持つ第３の半導体層であり、前記第２の半導体層と当該第３の半導体層とが第２のｐｎ接合を形成する、第３の半導体層と、
    縦方向に前記第３の半導体層を貫き、前記第２の半導体層を貫き、且つ前記第１の半導体層の上側部分の中まで通って、当該検出器構造を一対の検出器領域へと分離するトレンチと、
    前記一対の検出器領域のうちの第１の検出器領域の前記第３の半導体層に接続された第１の電気コンタクトと、
    前記一対の検出器領域のうちの第２の検出器領域の前記第３の半導体層に接続された第２の電気コンタクトと、
    前記第１の電気コンタクトに接続されて、前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第２のｐｎ接合を逆バイアスするとともに、前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第１のｐｎ接合を順バイアスする第１の電圧と、
    前記第２の電気コンタクトに接続されて、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域の前記第２のｐｎ接合を順バイアスするとともに、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域の前記第１のｐｎ接合を逆バイアスする第２の電圧と
    を有し、
    前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域の前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、少数キャリアを生成し、該生成された少数キャリアの一部が、不所望のキャリアとして、前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域に向かって流れ、
    当該検出器構造は、
    前記一対の検出器領域の間に配置されたバリア領域であり、前記不所望のキャリアが前記一対の検出器領域のうちの前記第１の検出器領域から前記一対の検出器領域のうちの前記第２の検出器領域へと当該バリア領域を通り抜けることを防止するバリア領域
    を有する、
    検出器構造。
  16. 前記バリア領域は、前記一対の検出器領域間で前記バリア領域を通る不所望のキャリアに再結合をもたらすように前記一対の検出器領域の間で前記第１の半導体層内に配置された再結合領域である、請求項１５に記載の検出器構造。
  17. 前記再結合領域は、前記一対のメサ構造間で前記バリア領域を通る少数キャリアに再結合をもたらす、請求項１６に記載のデュアルバンド検出器構造。
  18. 前記再結合領域は、少数キャリアと多数キャリアとの再結合を増加させることにより、前記不所望の少数キャリアを前記バリア領域内の多数キャリアと再結合させることによって、隣接するメサ構造間で前記不所望のキャリアが渡されることを抑制する、請求項１７に記載のデュアルバンド検出器構造。
  19. 前記再結合領域は、前記第１の半導体層のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度で、前記第１の半導体層と同じ導電型のドーパントを有する、請求項１７に記載のデュアルバンド検出器構造。
  20. 前記一対の検出器領域は単結晶であり、前記再結合領域は多結晶である、請求項１６に記載のデュアルバンド検出器構造。
  21. 前記一対の検出器領域は単結晶であり、前記バリア領域は多結晶である、請求項１５に記載のデュアルバンド検出器構造。
  22. 前記バリア領域はイオン注入領域である、請求項１５に記載のデュアルバンド検出器構造。
  23. 共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、
    前記共通層は、
    第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層
    を有し、
    前記メサの各々が、
    前記共通層上に配置された第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層と
    を有し、
    前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間での多数キャリアの流れを阻止し、
    第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、
    一対のメサと、
    前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域と、
    を有する放射線検出器。
  24. 共通層上に配置された一対の隣接するメサであり、
    前記共通層は、
    第１の導電型と、第１のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第１の半導体層
    を有し、
    前記メサの各々が、
    前記共通層上に配置された第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上に配置され、前記第１の導電型と、第２のスペクトル領域内の放射線に応答するエネルギーバンドギャップと、を持つ第３の半導体層と
    を有し、
    第２のメサの前記第３の半導体層は、前記第２のスペクトル領域内の放射線に応答して、不所望のキャリアとして、第１のメサに向かって前記共通層に流れる少数キャリアを生み出す、
    一対のメサと、
    前記共通層内に配置され、前記不所望のキャリアが前記第２のメサから前記第１のメサへと渡ることを防止するバリア領域と、
    を有する放射線検出器。
  25. 前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の導電型とは逆の導電型を持つ、請求項２４に記載の放射線検出器。
  26. 前記第２の半導体層はバリア層である、請求項２４に記載の放射線検出器。
  27. 前記第１、第２及び第３の半導体層は、ｎＢｎ構造又はｐＢｐ構造を提供する、請求項２４に記載の放射線検出器。
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