JPH02502326A - 赤外線放射検出装置 - Google Patents

赤外線放射検出装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 赤外線放射検出方法および装置 1、発明の分野 本発明は赤外線感知の分野、特に赤外線放射検出方法および装置に関する。
2、従来技術の説明 基本的な赤外線検出器は、調査、目標捜査および1乃至30μmの波長を有する 電磁放射波の存在を感知する探査および追跡映像システムにおいてしばしば使用 される。赤外線放射を検出するためにこれらの基本検出器は、トリグリシンサル フェートおよびランタントープされたジルコン酸チタン酸鉛結晶のような温度感 応性熱電気および強誘電材料をしばしば使用する。このような結晶は、結晶に取 付けられた電極に対して電位降下をもたらす入射した赤外線放射波に応答して瞬 間的な電気偏波を示す。材料の抵抗が入射した放射線の関数として変化する硫化 鉛および水銀・カドミウム・テルルのような光導電性材料が使用されてもよい。
最後に、固有のバンド・トウ・バンド電子ホール励起が入射した赤外線束に比例 する電流または電圧を発生する水銀・カドミウム・テルル、インジウム・アンチ モンまたは類似した材料から構成されるような光起電装置が使用されてもよい。
このような基本的検出器のアレイは熱映像システムを形成するために使用されて もよい。実時間において前方観察赤外線(“FLIR”)映像センサのようなプ リズム反射鏡を回動する熱映像システムは基本検出器の1次元のアレイにわたっ てソースによって放出された放射線を走査するために使用される。基本的検出器 がこのように使用された場合、検出器の一時的な出力は映像の2次元表示を生成 するように使用されてもよい。観察または走査アレイのいずれかを使用すること ができる2次元検出アレイ映像システムにおいて、基本的検出器は自由電荷キャ リアまたは電流を生成し、それは電荷結合装置(“CCD”)のような適切な読 出し集積回路によって監視されてもよい。CCDからの出力は時間遅延および積 分または並列直列走査変換等の種々の技術によって処理されることが可能であり 、フレーム速度、信号・雑音比等のシステム要求にしたがって選択される。その 他の読出し装置が使用されてもよい。
上記の検出器構造は能率的であるが、それらは一般的にいくつかの製造に関連す る欠点を有する。第1に、検出器および読出し装置が別々に構成され、その後機 械的に結合される多数のこのような検出器構造はハイブリッド的に形成される。
ハイブリッド構造の形成は付加的な処理ステップを含むため、このような構造は モノリシック装置(すなわち、検出器と読出しおよび信号処理回路が1つの材料 のシステム中に形成されている装置)と比較して生産効率が低い傾向がある。さ らに、形成中に意図しない欠陥が誘起されて信頼性を低め、特性を損うという可 能性が高い。モノリシック検出器はハイブリッド形成に必要な付加的な処理ステ ップを回避するが、信号処理回路のために赤外線検出器と同一の材料を使用する 必要がある。この材料(例えばHg Cd TeまたはInSb)は製造技術が 充分に開発されているシリコンまたはヒ化ガリウムから形成される回路よりも常 に低い特性の信号処理回路本発明の好ましい実施例によると、赤外線放射を検出 する方法および装置が開示されている。装置は読出しおよび信号処理回路が集積 された基体を含む。基体はシリコン、ヒ化ガリウムおよびゲルマニウムから成る グループから選択された材料から形成されている。第1の半導体の層は水銀・カ ドミウム・テルル、水銀φ亜鉛・テルル、水銀φカドミウムやセレニウム、水銀 ・亜鉛・セレニウム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫黄、鉛・錫・テ ルル、鉛・錫・セレニウム、鉛・錫・硫黄、インジウム瞼ヒ素・アンチモン、ガ リウム・インジウム−アンチモンまたはガリウム・アンチモン・ヒ素から成るグ ループから選択された材料から基体上に成長される。第2の半導体の層がそれか ら第1の半導体の層上に形成される。
図面の簡単な説明 本発明の種々の利点が以下の説明および図面から当業者に明らかになるであろう 。
図面は本発明による赤外線放射を検出する装置の好ましい実施例の断面図である 。
好ましい実施例の説明 本発明の好ましい実施例によると、赤外線放射を検出する構造10は図中で4で 示されるように設けられる。構造10は単一の検出素子として使用されてもよい し、もしくは多数素子の映像装置の一部であってもよい。構造lOはシリコン、 ヒ化ガリウムまたはゲルマニウムから形成されてもよい基体12を含む。しかし その他の適切な材料が使用されてよいことが理解されるべきである。基体12は 、以下に説明される半導体の層の出力を使用可能な形態に変換する符号14によ って示された適切な読出しおよび信号処理回路を含む。読出しおよび信号処理回 路14は、ここで参照されているBluzer、N。
および5tehlac、 R,による文献(“Buffered Direct I njection of Photocurrents 1nto Cha rge−CoupledDevice ’ 、 IEEE Transacti ons on Electron Devices 。
ED25. n、2.p、160 、1978年2月)に記載されたものに類似 していてもよい。半導体の層からの出力を処理するその他の適切な手段が使用さ れてもよい。
基体表面の電気特性を制御するために第1のパッシベイション層16が設けられ ている。第1のパッシベイション層16は基体12に最適なパッシベイション状 態を提供する材料から選択される。このような材料は5i02またはSiN、を 含む。
しかしその他の適切な材料が使用されてよいことが理解されるべきである。第2 のパッシベイション層18は第1のパッシベイション層16上に付着される。第 2のパッシベイション層18は以下に説明される赤外線能動半導体層に最適なパ ッシベイション状態を提供し、赤外線能動半導体層の核が発生しな。
い面を形成する複数の材料の1つから形成される。このような材料は5i02ま たはZnSを含んでもよい。しかしその他の適切な材料が使用されてよいことが 理解されるべきである。第1および第2のパッシベイション層1Bおよび18は オーム接触子20および複数の核ウィンドウ22乃至2Bを有する。オーム接触 子20は、以下に説明される第2の半導体層と読出しおよび信号処理回路14と の間に電気結合を行うために使用される。核ウィンドウ22乃至2Bは第1の半 導体層の核にシード位置を与えるために使用される。さらに核ウィンドウ24は 第1の半導体層と読出しおよび信号処理回路14との間の電気結合を可能にする 。
入射した赤外線に応答して光電流を発生するために構造10は、第1の半導体層 28および第2の半導体層30を含む。第1および第2の半導体層28および3 0は共にベースおよびペテロ接合フォトダイオードのコレクタ層を含む。第1の 半導体層28はHgx−x CcL Teで定められた化学量的関係を有する水 銀・カドミウム・テルルの層から構成される。Xの組成値は、第1の半導体層2 8が赤外線スペクトル中の特定の波長の赤外線放射に感応するように選択される 。例えば、Xの組成値が約0.2であるように選択された場合、第1の半導体層 28は所望の動作温度(例えば絶対温度77度)で約lO乃至12mのカットオ フ波長を有する長い波長の赤外線放射波に感応する。
しかしながら、第1の半導体層28は水銀・亜鉛・テルル、水銀・カドミウム・ セレニウム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫黄、水銀・亜鉛・セレニ ウム、鉛・錫・テルル、鉛・錫・セレニウム、鉛・錫・硫黄、インジウム・ヒ素 ・アンチモン、ガリウム・インジウム・アンチモン、またはガリウム・アンチモ ン・ヒ素、のようなその他の適切な材料を含んでもよいことが理解されるべきで ある。
第2の半導体層30はHg 1□Cd、Teで定められる化学量的な関係を有す る水銀・カドミウム・テルルの層を含む。
yの組成値は第1の半導体層28の組成値Xよりも大きいように選択され、典型 的に0.3の値を有する。しかしながら、その他の適切なyの値が選択され、ま た水銀・カドミウム・テルル、水銀・亜鉛・テルル、水銀・カドミウム・セレニ ウム、水銀・亜鉛・セレニウム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫黄、 鉛・錫・テルル、鉛・錫・セレニウム、鉛・錫・硫黄、インジウム・ヒ素・アン チモン、ガリウム・インジウム・アンチモンまたはガリウム・アンチモン・ヒ素 を含むその他の適切な材料が選択されてもよいことが理解されるべきである。
第1の半導体層28はフォトダイオードベース層として動作し、一方第2の半導 体層30はフォトダイオードコレクタ層として動作する。しかしながら構造lO の収集効率を高めるために第1および第2の半導体層28および30の役割が逆 にされてもよい(すなわち第2の半導体層30がベース層になり、第1の半導体 層28がコレクタ層になる)。この場合、yの組成値は約0.2であり、Xの組 成値は約0,3である。しかしながら、一般的には第2の半導体層30は狭いバ ンドギャップ材料となり、第1の半導体層28は広いバンドギャップ材料となる 。層28および30は反対の型の混合物を有するようにドープされる。
すなわち第1の半導体層28はp型にドープされ、第2の半導体層はn型にドー プされ、その逆も可能である。しかしながら、同じ型のへテロ接合も使用されて よいことが理解されるべきである。
赤外線スペクトルにおける光の光子が装置構造10によって吸収されたとき、電 子ホール対が発生される。電子ホール対が再結合する前に第1および第2の半導 体層28および30の間の接合部に到達した場合、第1および第2の半導体層2 8および30の間の接合部における電界は電子をn型半導体層の中に移動させ、 ホールをp型半導体層中に移動させる。この電子ホール移動は受光された光子の 数に比例する光電流を生成する。
第1および第2の半導体層28および30において発生された光電流を感知する ために、基体12はさらに重くドープされた領域32および34を含む。重くド ープされた領域32は核ウィンドウ24を通して読出しおよび信号処理回路14 と第1の半導体層28との間に電気結合を可能にする。核ウィンドウ24に付着 される材料はHgTeまたは半導体層28に類似した結晶構造および格子定数を 有する類似した半金属性の材料であることができる(すなわち、HgSe、Hg S、PbTe。
Pb5e、PbS、およびグレイSnが代わりに選択されることができる)。こ れは重くドープされた領域32と第1の半導体層28との間に良好なオーム接触 を提供する。同一の材料は同時に核ウィンドウ22および26中に付着されるが 、それは第1の半導体層28に対して、オーム接触ではなく核位置としてのみ作 用する。さらに、重くドープされた領域34は金属化層3Bおよびオーム接触子 20を通じて読出しおよび信号処理回路14と第2の半導体層30との間に電気 結合を提供する。オーム接触子20および3Bは2つの異なる金属であることが でき、オーム接触子20は重くドープされた領域34との良好なオーム接触を生 じるように選択され、金属化層36はn型用のプラチナおよびp型用の金のよう に第2の半導体層30との良好なオーム接触を形成するように選択される。金属 化層36はまた第1の半導体層28の核が抑制される材料であるように選択され なければならない。
第2の半導体層30がフォトダイオードのベースとして動作する場合、第2の半 導体層30の内部における自由電荷キャリアは第2の半導体層28との境界面に 向かってドリフトし再結合する。この再結合の結果、自由電荷キャリアが第1の パッシベイション層16によって収集される効率が減少される。第2の半導体層 30中の自由電荷キャリアの再結合の速度を減少するために、第2の半導体層3 0がフォトダイオードのベースとして動作するとき第3の半導体層38が設けら れる。第3の半導体層38は2の組成値がyよりも大きいように選択されたH  g >−* Cd z T eで定められた化学量的関係を有する水銀・カドミ ウムQテルルから形成されてもよい。しかしながら、水銀・カドミウム・テルル 、水銀・亜鉛・テルル、水銀・カドミウム・セレニウム、水銀・亜鉛・セレニウ ム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫黄、鉛・錫・テルル、鉛・錫・セ レニウム、鉛・錫・硫黄、インジウム・ヒ素・アンチモン、ガリウム争インジウ ム・アンチモンまたはガリウム・アンチモン・ヒ素のようなその他の適切な材料 が使用されてもよいことが理解されるべきである。
さらに構造10は反射防止被覆40を含む。反射防止被覆40は第3の半導体層 38上に設けられ、入射した赤外線放射の反射を減少するために使用される。反 射防止被覆40は大気と第3の半導体層38の屈折率の間の屈折率を有する材料 から形成される。反射防止被覆40は硫化亜鉛、セレン化亜鉛またはテルル化亜 鉛から形成されてもよく、その他の適切な材料が使用されてもよい。構造10は また第1のパッシベイション層1B並びに第1および第2の半導体層2Bおよび 30の相対電位を制御するために使用されるフィールドプレート領域42を含む 。フィールドプレート42は第1および第2の半導体層28および30が第1の パッシベイション層16と交差する領域の下に設けられる。フィールドプレート 領域42は基体12中にドープされるか、もしくは基体12の表面上に金属を付 着させてもよい。
層28.30および16が交差する領域における電位の制御は装置特性にとって 重要である。この領域における電位を制御するために、第1のパッシベイション 層16は第1および第2の半導体層28および30の中の平坦なバンド電位の近 くにおいて、電流動作におけるフォトダイオード特性を最適化するためにゲート が使用されるように供給電位の使用による平坦なバンド状態からの任意の偏差を 補償するフィールド領域42を使用することによって安定した表面電位を与える ように選択される(すなわち、第1のパッシベイション層1Bは第1および第2 の半導体層2Bおよび30をパッシベイション化するように選択される)。
第1のパッシベイション層16上で第1および第2の半導体層28および30が 成長することにより自動的に自己パッシベイション埋設接合がもたらされる。フ ィ・−ルドプレート領域42の存在はゲート電圧制御による接合領域中の表面電 位の最適化を可能にする。
上記の構造を与えることによって、構造1oの特性は信号処理および赤外線検出 の両観点から最適化されることができる。
基体12は最適な特性の信号処理回路が形成されることができるシリコン、ヒ化 ガリウムまたはゲルマニウムであってよい。
それから赤外線検出を最適化する材料から選択された第1および第2の半導体2 8および30がへテロエピタキシャル選択領域付着によって基体12上に設けら れる。したがって、この検出器構造と基体12との組合せはモノリシックへテロ エピタキシャル焦点平面アレイを構成し、ハイブリッド化された構造に関連した 欠点の弊害を受けない。
構造10は以下に説明された方法で形成されることができる。
基体12が読出しおよび信号処理回路14と共に形成された後、重くドープされ た領域32および34並びにフィールドプレート領域42が形成される。それか らパッシベイション層16および18が基体12上に設けられる。それから接触 ウィンドウはフォトリングラフによって重くドープされた領域34を覆うパッシ ベイション層1Bおよび1B中に開けられる:第1の金属層は、重くドープされ た領域34に対するオーム接触子20を形成するために真空蒸着により供給され リフトオフされる。その後、金属化層3Bを形成するために第2のフォトリソグ ラフステップが実行される。金属化層36の形態は構造10の境界を形成し、第 2の半導体層30とオーム接触するように選択される。
その後、パッシベイション層16および18中に核ウィンドウ22乃至26を開 くために第3のフォトリソグラフステップが使用される。核ウィンドウ22乃至 26の形態、寸法および間隔は所望の検出器の幾何学形状および使用されるエピ タキシャル成長過程の特性によって決定される。例えば、核ウィンドウから横方 向の成長が垂直方向の成長と同じ速度で生じた場合、ウィンドウはそれらと同程 度広く離されて位置されているべきである。多過ぎる個数の核ウィンドウは基体 12中の読出しおよび信号処理回路14に対して空間的な制限を与えるため、核 ウィンドウの数はまた最小にされるべきである。核ウィンドウ22乃至26の個 数および寸法は第1の半導体層28の垂直方向の成長速度に対する横方向の成長 速度の比率を最大にすることによって最小化されることができる。さらに第2の 半導体層30の垂直方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比率はまた第1 および第2の半導体層2gおよび3Cの間の接合部と金属化層36との間に最大 の可能な距離を与えるように最大にされるべきである。第1の半導体層28を厚 い層に形成することによって、要求される核ウィンドウ22乃至26の数は減少 される。第2の半導体層30をさらに厚く形成することにより、金属化層36と 第1および第2の半導体層28および30間の接合部との間の距離がより大きく なるので、横方向の成長速度のバリエーションに対してさらに許容性が与えられ る。
パッシベイション層28および30に核ウィンドウ22乃至26を開けた後、残 りのフォトレジストはパッシベイション層16から除去され、基体12はその表 面の現場浄化が行われるように低温金属的気相エピタキシャル反応器中に位置さ れる。現場表面浄化は紫外線オゾンエツチング、原子水素エツチングまたは紫外 線またはプラズマフィールド中の適切な反応物から生じたその他の遊離基による エツチングを含む。
核結晶はパッシベイション層16および18の核ウィンドウ22乃至26の中で 成長する。パッシベイション層18および金属化層36が形成される材料は核結 晶の形成を妨げるため、核結晶は核ウィンドウ22乃至26中でのみ生じる。金 属的気相エピタキシャル反応器中への反応物の流入は、核ウィンドウ22乃至2 6中の核結晶上で核化する第1の半導体層28を成長させるように変化される。
反応物流入はさら4に第2の半導体層30を成長させるように変化される。反応 物流入における最終変化により第3の半導体層38が成長させられることかで寺 る。最後に、反射防止層40が金属的気相反応器の外側で真空蒸着によって第3 の半導体層38上に形成される。
したがって、本発明は赤外線検出を最適にするように赤外線材料が選択され、− 力信号処理回路を最適化するように信号処理材料が選択されることができる赤外 線放射を検出する装置を提供することができることが理解されるであろう。それ 故、本発明はここに示された特定の実施例により限定されるものではない。例え ば、別の適切な領域選択エピタキシャル成長技術が第1の半導体層を形成するた めに使用されてもよい。第1および第2の半導体層の相対的ドーピング並びにそ れらが実行する作用(すなわちベースまたはコレクタ)も変化されてよい。その 他の修正は明細書、図面および以下の請求の範囲の各項を検討することにより当 業者に明らかになるであろう。
国際調査報告 1″″″−^″−”−I′@′PCT/US If/n’17Q5国際調査報告 SA       26299

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)読出しおよび信号処理回路が集積されており、シリコン、ヒ化ガリウムま たはゲルマニウムから成るグループから選択された材料で形成された基体と、 水銀・カドミウム・テルル、水銀・亜鉛・テルル、水銀・カドミウム・セレニウ ム、水銀・亜鉛・セレニウム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫黄、鉛 ・錫・テルル、鉛・錫・セレニウム、鉛・錫・硫黄、インジウム・ヒ素・アンチ モン、ガリウム・インジウム・アンチモン、またはガリウム・アンチモン・ヒ素 から成るグループから選択された材料から成る前記基体上に成長された第1の半 導体層と、前記第1の半導体層上に成長された第2の半導体層とを含み、前記第 1および第2の半導体層が受けた赤外線放射波に応答して前記基体中の前記読出 しおよび信号処理回路に電気信号を伝送するように動作可能である赤外線放射波 検出用のモノリシック構造。
  2. (2)前記基体と前記第1の半導体層との間に設けられた第1のパッシベイショ ン層を含む請求項1記載の装置。
  3. (3)前記第1のパッシベイション層と第1の半導体層との間に設けられた第2 のパッシベイション層を含む請求項2記載の装置。
  4. (4)前記第1および第2のパッシベイション層は、前記第1の半導体層の形成 を制御するように動作可能な複数の核ウインドウを含む請求項3記載の装置。
  5. (5)前記第1の半導体層の核化は前記核ウインドウ中でのみ生じる請求項4記 載の装置。
  6. (6)前記第2の半導体層上に設けられた第3の半導体層を含み、前記第3の半 導体層は前記第2の半導体層中における自由電荷キャリアの表面再結合速度を減 少するように動作することができる請求項4記載の装置。
  7. (7)前記第1、第2および第3の半導体層は金属的気相エピタキシによって成 長される請求項6記載の装置。
  8. (8)前記第3の半導体層上に設けられた反射防止材料の層を含む請求項1記載 の装置。
  9. (9)水銀・カドミウム・テルル、水銀・亜鉛・テルル、水銀・カドミウム・セ レニウム、水銀・亜鉛・セレニウム、水銀・カドミウム・硫黄、水銀・亜鉛・硫 黄、鉛・錫・テルル、鉛・錫・セレニウム、鉛・錫・硫黄から成るグループから 選択された材料から形成された第1および第2の半導体材料の層を赤外線放射源 に露出し、 前記半導体材料の第1および第2の層において光電流を発生し、 その上に前記第1および第2の半導体層が成長し、シリコン、ヒ化ガリウムまた はゲルマニウムから成るグループから選択された材料から形成された基体内に設 けられた読出しおよび信号処理回路によって前記光電流を感知することを含む赤 外線放射を検出する方法。
  10. (10)前記第1の半導体材料の層、前記第2の半導体材料の層および前記基体 はモノリシック構造を含む請求項9記載の方法。
  11. (11)前記第1の半導体材料の層は第1のパッシベイション層によって前記基 体から分離されている請求項9記載の方法。
  12. (12)前記第1のパッシベイション層は第2のパッシベイション層によって半 導体材料の前記第1の層から分離されている請求項11記載の方法。
  13. (13)前記第1および第2のパッシベイション層は前記第1の半導体材料の層 の形成を制御するように動作可能な複数の核ウインドウを含む請求項12記載の 方法。
  14. (14)前記第2の半導体材料の層上に前記第3の半導体材料の層を設けること によって前記第2の半導体材料の層における自由電荷キャリアの表面再結合速度 を減少する付加的なステップを含む請求項9記載の方法。
  15. (15)前記第1、第2および第3の半導体層は金属的気相エピタキシによって 形成される請求項14記載の方法。
  16. (16)赤外線放射に反射防止材料の層を通過させることを可能にする付加的な ステップを含む請求項9記載の方法。
  17. (17)読出しおよび信号処理回路が集積されており、前記読出しおよび信号処 理回路の特性を最適化するように選択された材料で形成された基体と、 赤外線検出を最適化するように選択された材料から前記基体上に成長された第1 の半導体層と、 前記基体と前記第1の半導体材料の層との間に設けられた複数のパッシベイショ ン層と、 前記第1および第2の半導体層が受けた赤外線放射波に応答して前記基体中の前 記読出しおよび信号処理回路に電気信号を伝送するように動作可能な前記第1の 半導体層上に設けられた第2の半導体層と、 第2の半導体層における自由電荷キャリアの表面再結合速度を減少するように動 作可能な前記第2の半導体層上に設けられた第3の半導体層と、 前記第3の半導体層上に設けられ、大気と第3の半導体層の屈折率の間の屈折率 を有する反射防止被覆とを含む赤外線放射波を検出するためのモノリシック構造 のアレイ。
  18. (18)前記複数のパッシベイション層は前記第1の半導体層の成長を制御する ように動作可能な複数の核ウインドウを含む請求項17記載のアレイ。
  19. (19)前記核ウインドウの1つは前記第1の半導体層と前記読出しおよび信号 処理回路との間における電気結合を可能にする請求項18記載のアレイ。
  20. (20)前記モノリシック構造は、さらに前記第1および第2の半導体層と前記 読出しおよび信号処理回路との間における電気結合を可能にするオーム接触を含 む請求項19記載のアレイ。
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