JPS63503266A - グレーデッドギャップ反転層フオトダイオードアレイ - Google Patents
グレーデッドギャップ反転層フオトダイオードアレイInfo
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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】
この発明は赤外フォトダイオードアレイに関し、より詳細には、グレーデッド組
成の材料層にエツチングされた複数のメサと、固定正電荷を有する表面パシベー
ションのオーバレイ層とを有し、水銀カドミウムテルル化物のフォトダイオード
アレイ検知器に関する。赤外フォトダイオードアレイ検知器は、入射赤外線を検
知可能な電流に変換するのに使用される。概して、そのようなアレイは直線状又
は2次元マトリクス状に配置された多数の個々のフォトダイオードから成る。
アレイ内の各ダイオードによって発生される電流の大きさは各ダイオードに当た
る入射赤外線の束密度に直接関係がある。
HgCdTeのフォトダイードアレイは概して、水銀カドミウムテルル化物のベ
ース層を具備し、ベース層にp形半導体材料の特性を与えるのに適した物質で一
様にドーピングされる。その後、このp形ベース層の表面内に多くのn形半導体
領域が形成される。各n影領域とp形ベース層との界面にp−nダイオード接合
が形成される。ベース層が入射赤外線を吸収する時に生成される帯電フォトキャ
リアによって電流が各ダイオード接合を通じて流れる。これらのフォトキャリア
がダイオードp−n接合へ拡散してダイオード電流となる。
このタイプのフォトダイードアレイにおいて特に問題となるのはp−n接合を囲
むベース層の表面に漏れ電流が発生することである。この漏れ電流はアレイに全
熱光線が当たらないときでも流れ、一般に暗電流と呼ばれている。暗電流はフォ
トダイオードアレイの信号対雑音比に悪影響において、従来のフォトダイオード
はベース層の表面電位を制御すべくフィールドプレートを使用している。しかし
ながら、この方法は金属被覆の際にフィールドプレートを製造することが要求さ
れる。これにより金属被覆方法によってアレイを製造するのが困難かつ高価にな
る。フィールドプレートを使用した場合、プレートを正しくバイアスするのに外
部電源を必要とする欠点がある。
他の問題は、以前のHgCdTeアレイはベース層材料が本来、組成上一様であ
ることである。水銀とカドミウムとの比がベース層全体に渡って実質的に一定で
あるのでベース層全体が1つのエネルギバンドギャップとなり光線を吸収可能と
なる。すなわち、帯電フォトキャリアがベース層のどこにでも生成される。それ
ゆえ、フォトキャリアは自由となりベース層内でどの方向にでも運動する。すな
わち、2つの隣合うダイオード間に生成されたフォトキャリアは自由となり両方
向に運動し、ダイオード間のいわゆる漏話(クロストーク)として知られる問題
を引起こす。過剰な漏話はアレイの信号対雑音比に有害な影響を与え、結果的に
、アレイによって撮像される像の明瞭度を損う。
表面漏れ及び漏話によって減少した信号対雑音比を補償するだめに、以前のフォ
トダイオードアレイはしばしばより高い不純物ドーピングレベルを使用する。こ
れは表面漏れ効果を減らし漏話を最小にすべく行われる。
しかしながら、高いドーピングレベルを使用した場合、半導体材料の使用寿命が
減少するという付加的問題を引起こし、アレイの変換効率が減少する。さらに、
アレイ内のダイオード両端の漏れ電流が増加し、結果的に暗電流が増加する。高
いドーピングレベルはまた各ダイオードの接合容量の有害な増加を招き、読出し
装置に接続された時にフォトダイオードアレイの信号対雑音比がそれに応答して
減少してしまう。
発明の摘要
グレーデッド組成された半導体材料層にエツチングされた複数のメサを有する本
発明のフォトダイオード撮像アレイによって前述の問題が克服され他の利点が提
供される。これらのメサの上に配置されたのが固定正電荷を含むパシベーション
層である。
本発明の1実施例において、メサ状アレイは、ベース層とその下に配置され該ベ
ース層によって支持されたバッファ層とを具備する積層半導体構造内に形成され
る。前記メサは低濃度でドーピングされたp形HgCdTeのベース層を完全に
通るようにかつ、より高濃度にドーピングされたp形HgCdTeの前記バッフ
ァ層を部分的に通るようにエツチングすることによって形成される。前記ベース
層と前記バッファ層内のHgのCdに対する相対比は、前記バッファ層が広いエ
ネルギバンドギャップを持ち、従って所望の波長の光線に透過であり、同時に前
記ベース層が光線を吸収すべく狭いエネルギバンドギャップをもつように変化さ
れる。各メサごとに前記ベース層の上部にn形HgCdTeのキャツピング層が
配置される。前記ベース層による光線の吸収によりフォトキャリアが生成され前
記キャツピング層に拡散する。各メサにおいて、前記ベース層と前記キャツピン
グ層との界面がフォトダイオードを構成する。
前記各キャツピング層の上部表面に接触しているのがその下に配置されたダイオ
ードを読出し装置に接続するのに適した接触金属被覆の領域である。接触金属被
覆の第2領域は高濃度でドーピングされて電気伝導性の前記バッファ層に接触す
る。この金属被覆第2領域は前記アレイの全てのダイオード素子に共通する電気
的結合を提供する。
前記ダイオード接触金属被覆を取囲みかつ前記メサ表面を完全に覆うのが、固定
正電荷を含むパシベーション層である。
前記パシベーション層内の前記正電荷により低濃度でドーピングされ、その下に
位置するp形ベース層の表面が反転する。
しかしながら、前記パシベーションに接触しているがより高濃度でドーピングさ
れた前記バッファ層の表面は反転しない。
上述された構造の下に配置される基板は電気絶縁体として機能しCdTe又はC
dZnTe層からなる。前記基板層は検知される波長の赤外線に透過であり、前
記赤外線は前記基板層の底面を通じて前記アレイに入射する。
図面の簡単な説明
本発明は、次の図面を参照して説明され、同様の素子については共通の参照番号
を用いる。
第1図は、本発明の実施例に従って、ブレデッド組成の材料層と固定正電荷を含
むパシベーション層とを具備するフォトダイオードアレイを示す様式化された斜
視図である。
第2図は、第1図の線2−2について切断したフォトダイオードアレイの断面図
である。
詳細な説明
第1図及び第2図において、模範的なフォトダイオードアレイ10が示されてい
る。前記アレイ10は中間波長の赤外線に特に感応する。概して中間波長赤外線
は約3から6ミクロンの波長域に相応する周波数を具備するものと考えられる。
しかしながら、本発明の教義は他の波長域の光線に感応するフォトダイオードを
構成するのにも使用される。例えば、8から12ミクロンの波長域をもつ光線に
感応するフォトダイオードアレイは前記波長の光線を吸収するのに適した組成を
有するHgCdTeを使用することによって構成される。
本発明の実施例のアレイ10は基板12とバッファ層14とベース層16とを具
備する。前記アレイ10は、形状として前記ベース層16を通って延長しかつ部
分的に前記バッファ層14へと延長するメサ領域を有する。各メサはキャツピン
グ層18を含む。パシベーション層22はメサ表面を環境汚染から保護すべく提
供される。前記各メサに含まれるのは中間波長の赤外線に感応するフォトダイオ
ードである。
さらに、前記パシベーション22は、反転層24を形成すべくその下に位置する
前記ベース層16の表面と相互作用する固定正電荷を含む。前記反転層24は前
記アレイ10の表面漏れ効果を全体的に減少させ、性能を改善する。複数のダイ
オード接触金属被覆領域20と電気伝導性の前記バ・ソファ層14に接触する共
通接触金属被覆領域26とによって前記アレイ10に対する電気的接触が形成さ
れる。構成要素をより詳細に考慮すれば、前記アレイ10は中間波長の赤外線に
実質的に透過な絶縁基板12上に製造される。概して、前記基板12はCdTe
又はCdZnTeからなり約760ミクロンの厚さを有する。前記バッファ層1
4は前記基板12上にエピタキシャルによって概して10ミクロンの厚さに成長
される。好ましくは、前記層14はひ素等のp形アクセプタ不純物によってドー
ピングされたHg1−x Cdx Teを具備する。立法センチメートルあたり
のアクセプタ原子の数は約1xlO16であり、これによって前記層14が電気
伝導体となる。
Hg1−x Cdx Teの前記バッファ層14におけるXの値は約0945で
ある。すなわち、前記層14は約2ミクロンよりも大きな波長の赤外線に実質的
に透過である。
前記層14の上に配置されているのが8ミクロンの代表的な厚さを持つ前記ベー
ス層16である。好ましくは、前記層16は、ひ素等のp形アクセブタ不純物で
ドーピングしたHg1−x Cdx Teを具備する。アクセプタ原子の濃度は
概して立法センチメートルあたり3x1015から5X1015の範囲であり、
前記バッファ層14の濃度よりもより小さい。
この前記バッファ層14と前記ベース層16とのアクセプタ不純物原子の濃度の
違いは、後程議論されるが、本発明の重要な特徴となる。
Hg1−x Cdx T eの前記ベース層16におけるXの値は約0.3であ
り、したがって前記層16のバンドギャップが前記層14よりもより狭いバンド
ギャップとなる。それゆえ、実質的に透過な前記ベース層12及び前記層14を
通過した中間波長の赤外線は前記層16に吸収される。この赤外線吸収により前
記層16内に帯電フォトキャリアが生成される。
本発明に記載の目的がフォトダイオードアレイを形成することにあるから、これ
までに記載された構造を複数の検知領域に区分し、各区分領域が前記アレイ10
内でフォトダイオードとして機能するようにする必要がある。
本発明の実施例においては、前記区分は前記ベース層16と前記バッファ層14
内に複数のメサ構造を形成することによって達成される。
前記メサ30は、2対の交差するU字形溝32をエツチングして形成され1対の
溝は等間隔で配設され互いに平行である。前記1対の溝は、それらが他の対に対
して実質的に直交するように配設されている。平行な隣接する溝間の間隔は概し
て50ミクロンである。溝は、一番広いところで概して。
20ミクロンの広さであり概して5ミクロンの深さを有する。
各U字形溝32は前記層16を完全に通りかつ前記層14を通るようにエツチン
グされる。すなわち前記各メサ30の中に含まれた前記層16の部分は、他の全
ての複数の前記メサ30内に含まれる前記層16の部分から物理的に分離される
。
これは本発明の重要な特徴であり後程議論される。
前記各メサ30内に含まれた前記層16の部分の上に配置されたのは概して2ミ
クロンの厚さを有しエピタキシャルによって成長されるキャツピング層18であ
る。好ましくは、前記キャツピング層18はインジウムなどのn形ドナー不純物
でドーピングされたHg1−x Cdx Teを具備する。前記キャツピング層
18は概して立方センナメートルあたり2X1016の濃度のドナー原子を含む
。Hg1−x Cdx Teの前記キャツピング層18におけるXの値は概して
0. 3である。
前記層16と前記オーバレイ層18との界面はp−nダイオード接合34を形成
する。前述の前記層16内に形成された光線誘導によるフォトキャリアは前記接
合34を通って前記層18へ拡散し、結果的に前記ダイオード接合34を通じて
電流が流れる。
集積回路マルチプレクサなどの適当な読出し装置28によってダイオード電流を
測定するために、前述した接触金属被覆20は前記各メサ30の頭部表面の中央
、すなわちその下に配置されたダイオード接合34の上に配置されるように供給
される。前記金属被覆20は概してパラジウム、又は当該技術においてよく知ら
れている他の金属層を具備する。複数の前記メサ30の露出表面の上に配置され
たのが前述したパシベーション層22であり概して二酸化けい素を具備する。
前記パシベーション層22は好ましくは光化学蒸着によって供給され永久的正電
荷となって前記二酸化けい素に入りこむ。
すなわち、前記パシベーション層22は前記パシベーション層22に固定された
永久的正電荷を有する。
前記パシベーション層22内の固定正電荷は前記パシベーション層22の下方に
配設された前記ベース層16の表面と相互作用する。この相互作用により前記パ
シベーション層22の下に配置された前記層16の表面内にn形の反転層24が
形成される。前記反転層24は前記キャツピング層18と接触する。前記バッフ
ァ層14も前記パシベーション層22と接触するが、これは反転しない。前記パ
シベーション層22内の固定正電荷量は、前記反転層24を提供すべく前記ベー
ス層16の表面を反転させるのに十分な大きさである。しかしながら、前記電荷
はより高い濃度でドーピングされより広いバンドギャップのバッファ層14を反
転させるほど十分大きくはない。すなわち、前記各メサ30内に含まれた前記反
転層24は前記層14と前記パシベーション層22の門人材料によって周囲のメ
サ30内の前記反転層24から分離される。容易に分かるように、前記層14と
パシベーション層22の前記門人材料がない場合は前記各メサ30内のそれぞれ
の反転層24は電気的に接触状態にある。この場合、検知素子の区分が無くなる
ので前記接触により前記装置はフォトダイオードとして使用不可能となる。
前述したように、前記接触金属被覆26の領域が前記層14に供給される。前述
したように、前記層14は電気伝導性であり、前記アレイ10内の全ての前記メ
サ30の下に配置される。それゆえ、前記金属被覆26は複数の前記メサ30に
対して共通の電気的結合を形成する。したがって、前記アレイ10から前記読出
し装置28への接続を共通にする手段が提供される。前記金属被覆26は概して
、金かプラチナか又は当該技術においてよく知られている他の金属層である。
前述のパシベーション層22内の固定正電荷は、ブレデッド組成された前記層1
4及び前記層16と共に従来のHgCdTeのフォトダイオードアレイと比べて
いくつかの利点を提供する。
その1つは、前記反転層24は前記層16の表面電位を制御すべく作用し、表面
状態による漏れ電流を減少させる。したがって、分離金属被覆層及び外部バイア
ス電圧源の欠点なしにフィールドプレートの有益な効果が形成される。前記ダイ
オード接合34両端の漏れ電流が減少すると前記ダイオードに対するROA積が
直接増加する。前記RoAは前記接合両端で測定された抵抗の大きさである。理
想的な光検知ダイオードは本質的に大きな内部インピーダンスをもつ電流源とし
て特徴づけられるので、これは重要な特徴である。したがって、漏れ電流の減少
によって接合34の有効抵抗値が増加するとき等価ダイオード電流源の内部イン
ピーダンスが増加し、理想のフォトダイオードにより近似する。
前記反転層24は他方、RoA積を増加すべく作用する。
よく知られているように、p形半導体の表面内の反転層は本質的にn形層である
。本発明においては、前記反転層24は前記n形キャッピング層18を拡大すべ
く作用し、より太きなp−nダイオード接合を形成する。前記ダイオード接合領
域が増加するとき、RoA積も同様に増加する。
接合領域の前記増加はダイオードの変換効率を改善すべく付加的に作用する。変
換効率はダイオード電流を発生するフォトキャリア捕獲の基準となる。前記接合
34の領域が大きければ大きいほどフォトキャリアが捕獲される確率が大きくな
る。すなわち、本発明においては、拡大された前記接合34は入射光線のフォト
ンを検知する確率を増加させる。
本発明は他方、より大きな変換効率を持つダイオードをもたらす。前記層14は
フォトキャリアが前記層14と前記ベース層16間の界面を横切らないように反
発する。したがって、フォトキャリアは前記アレイ10の前記ベース層16内に
残るので捕獲される確率がより大きくなる。
前記反転層24によって与えられる他の利点はダイオードのリバースブレークダ
ウン特性が改善されることである。前記読出し装置28は概して集積回路マルチ
プレクサであり、そのようなマルチプレクサの典型的動作モードにおいては、各
ダイオードが反転バイアス状態を保持する必要がある。したがって、本発明は、
そのようなマルチプレクサ読出し装置と共に動作するのにより適したダイオード
を提供する。
本発明によって使用されるメサ構造の物理的特性は、従来のフォトダイオードア
レイと比べてさらなる利点を提供する。
前記溝32は前記光線吸収層16と前記反転層24の下方に延長するので、フォ
トキャリアは容易に隣のダイオードに移収半導体材料を物理的に除去することに
よってこの領域にはフォトキャリアが生成されないことが確実になる。したがっ
て、隣接ダイオード間の前述された漏話の問題は大幅に減少され、アレイによっ
て撮像される像の明瞭度及び鮮明度が大きく改善される。
本発明によって提供されるアレイ構造の他の利点は、比較的高濃度のドーピング
のバッファ層14が全ての個々のダイオード素子に対して一様で低抵抗の接触を
提供し、各ダイオードに関する直列抵抗を減少させてダイオード変換効率を増加
させることである。
本発明に従って構成されたダイオードアレイから得られるもう1つの利点は、ガ
ンマ線やX線等の高エネルギ放射による損害に対する感受性が低くなることであ
る。前記パシベーション層22内の固定正電荷によって形成された前記反転層2
4は、このような高エネルギ放射によって引起こされた変化に対する反転表面の
感光度を減少させる。
本発明の上述された実施例は単なる実例であり、その変更態様が熟練者によって
想定される。そのような変更態様は、n形のドーパン1によってバッファ層及び
アレイ状ベース層をドーピングし、p形のドーパントでキャツピング層をドーピ
ングすることによって達成される。この場合ベース層内に反転層を誘導させるに
は、パシベーション層が固定された負の電荷を含むことが必要となる。よって、
本発明はここに開示された実施例に限定されず、添附の請求の範囲によって定義
された発明によってのみ限定される。
国際調査報告
A−NNEX To TH+:工NTERNATIONAL 5EARCHRE
PORT ONeport
US−A−418303508101/80 NoneUS−A−420600
303106/80 1JS−A−4137514430101/79
Claims (17)
- 1.底面に入射する光を検知するフォトダイオードアッセンブリであって、 フォトダイオードアレイと、 前記底面に配設され、前記フォトダイオードアレイを支持する共通基板と、 前記フォトダイオードアレイの下方に伸張して前記基板上に配設された半導体バ ッファ層とを具備し、前記基板と前記バッファ層が前記光線に透過であり、前記 基板が電気絶縁体であり、前記バッファ層が電気伝導性にすべくドーピングされ て前記フォトダイオードに対する共通端子となり、 前記フォトダイオード群のそれぞれが、電荷キャリアを生成すべく前記光線と相 互作用するように前記バッファ層上に配置され、電気伝導性にすべくドーピング された半導体ベース層と、 前記ベース層との間の界面に、前記電荷キャリアの電流供給を可能にするp−n 接合を供給すべく前記ベース層と逆の電気伝導性ドーパントでドーピングされた キャッピング層と、前記キャッピング層上に配置された電気端子とを具備し、前 記アッセンブリが、前記各フォトダイオードの電流を電気的に分離すべく前記各 フォトダイオードを覆いかつ前記キャッピング層と前記ベース層を通って各フォ トダイオードの回りの前記バッファ層へ伸張する帯電性電気絶縁パシベーション 層をさらに具備し、前記帯電パシベーション層が、前記P−n接合を延長すべく かつフオトダイオードのフォトン収集能力を高めるべく前記パシベーション層の 界面に沿って前記各フォトダイオードの前記ベース層に反転層を誘導し、前記バ ッファ層のドーピングが、前記パシベーション層と前記バッファ層間の界面に沿 つた反転層の形成を禁止すべく前記ベース層のドーピングよりも十分大きいフォ トダイオードアッセンブリ。
- 2.前記バッファ層と前記ベース層と前記キャッピング層とが水銀カドミウムテ ルル化物を具備する請求の範囲第1項に記載のフォトダイオードアッセンブリ。
- 3.前記バッファ層におけるカドミウムに対する水銀の比が、赤外線に対する透 過性を提供すべく選択される請求の範囲第2項に記載のフォトダイオードアッセ ンブリ。
- 4.カドミウムに対する水銀の比が、前記ベース層と前記キャッピング層とにお いて同じであり、さらに前記比が前記バッファ層におけるエネルギギャップより もより狭いエネルギギャップを提供すべく選択され、前記ベース層と前記キャッ ピング層におけるエネルギギャップか前記電荷キャリアを生成すべく前記赤外線 との相互作用を提供する請求の範囲第3項に記載のフォトダイオードアッセンブ リ。
- 5.前記パシベーション層が二酸化けい素である請求の範囲第4項に記載のフォ トダイオードアッセンブリ。
- 6.前記バッファ層と前記ベース層がp形伝導性をもち前記キャッピング層がn 形伝導性を持つ請求の範囲第5項に記載のフォトダイオードアッセンブリ。
- 7.前記バッファ層におけるアクセプタ原子の濃度が立法センチメートル当り約 1×1016である請求の範囲第6項に記載のフォトダイオードアッセンブリ。
- 8.前記ベース層におけるアクセプタ原子の濃度が、前記バッファ層における濃 度の約2分の1である請求の範囲第7項に記載のフォトダイオードアッセンブリ 。
- 9.前記キャッピング層におけるドナー原子の濃度が、前記バッファ層のドーパ ント濃度よりも約50%程大きい請求の範囲第8項に記載のフォトダイオードア ッセンブリ。
- 10.前記基板がカドミウムテルル化物を具備する請求の範囲第9項に記載のフ ォトダイオードアッセンブリ。
- 11.前記基板がカドミウム亜鉛テルル化物を具備する請求の範囲第9項に記載 のフォトダイオードアッセンブリ。
- 12.半導体フォトダイオード撮像アレイであり、前記基板の低面に入射し、前 記アレイによって検知される光線に対して透過な絶縁基板と、 前記基板の上に配置されp形不純物第1濃度を有しかつ前記光線に透過な電気伝 導性水銀カドミウムテルル第1層と、前記第1層の上に配置されp形不純物第2 濃度を有しかつ前記光線を吸収してフォトキャリアの比例数を生成するのに適し たカドミウムに対する水銀の比を有する電気伝導性水銀カドミウムテルル第2層 と、 前記第2層の上に配置されてn形不純物濃度を持ち、前記第2層との間の界面が p−n接合を形成する電気伝導性水銀カドミウムテルル第3層と、 互いに平行に配設され前記第3及び第2層を通りかつ前記第1層を部分的に通っ て下方に延長して前記第1、第2、及び第3層の各断面を露出する複数の第1溝 と、互いに平行に配置され前記第1溝に直交し、前記第3及び第2層を通りかつ 前記第1層を部分的に通って下方に延長して前記第1、前記第2及び前記第3層 の各断面を露出し、前記第1溝と共に複数のメサ領域を規定し、前記メサ領域の それぞれが頭部表面と外方に傾斜する4つの側部表面を有しかつ前記メサ領域の それぞれがフォトダイオードを形成している前記第1、前記第2及び前記第3層 の各部を含む複数の第2溝と、 前記各メサの前記頭部表面に形成され、前記各フォトダイオードを読出し装置に 接続するのに適した第1接触金属被覆の領域と、 前記各メサ領域の前記頭部表面と前記側部表面の上に配置されかつ正電荷を有す る絶縁パシベーション層と、前記第1層の一部に形成され、前記第1層を前記読 出し装置に接続するのに適し、前記第1層を通じて前記フォトダイオードに対し て共通の電気的結合を形成する第2接触金属被覆の領域とを具備する半導体フォ トダイオード撮像アレイ。
- 13.前記第1層が前記第2層よりもより大きい濃度の前記p形不純物でドーピ ングされた請求の範囲12項に記載の半導体フォトダイオード撮像アレイ。
- 14.前記パシベーション層内の前記正電荷が、前記溝に沿って前記パシベーシ ョン層に隣接する前記第2層表面内に反転層を誘導し、前記反転層が前記第3層 に電気接触することによって前記p−n接合が前記反転層の表面領域に等しい量 だけ拡大される請求の範囲第13項に記載の半導体フォトダイオード撮像アレイ 。
- 15.前記p形第1濃度が、前記パシベーション層内の前記固定正電荷の下に配 置された前記第1層の表面がp形材料として残るような大きさであり、前記各メ サ領域内に含まれた前記拡大p−n接合が他の前記各メサ領域内の拡大p−n接 合から電気的に分離される請求の範囲第14項に記載の半導体フォトダイオード 撮像アレイ。
- 16.前記基板がカドミウムテルル化物を具備する請求の範囲第15項に記載の 半導体フォトダイオード撮像アレイ。
- 17.前記基板がカドミウム亜鉛テルル化物を具備する請求の範囲第15項に記 載の半導体フォトダイオード撮像アレイ。
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