DE2160033C3

DE2160033C3 - Halbleiteranordnung zur Umwandlung von Infrarotstrahlen in elektrische Signale

Info

Publication number: DE2160033C3
Application number: DE2160033A
Authority: DE
Inventors: Michel Antony Berth; Francois Bourg-La-Reine Desvignes; Claude Yerres Piaget
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1980-08-07
Also published as: GB1379029A; US3743899A; FR2116866A5; DE2160033A1; JPS5118313B1; DE2160033B2; JPS4712273A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Halbleiteranordnung dieser Art ist aus der US-PS 34 08 521 bekannt

Bekanntlich wird in bestimmten r'ernsehaufnahmeröhren die Erscheinung von Photoleitung in einer Halbleiterschicht auf der über ein gee.gnetes optisches System die zu beobachtende Szene abgebildet wird, benutzt

Die Halbleiterschicht wird periodisch durch Abtastung mit einem Elektrodenstrahl geringen Querschnittes aufgeladen, wobei der Aufladestrom umso größer ist je stärker der betreffende Punkt des Halbleiterkörpers der Auftreffplatte beleuchtet wird. Das Oberflächenelement der Auftroffplatte verhält sich nämlich wie ein Kondensator, dessen Leckstrom von Eigenschaften des Halbleiters, wie dem spezifischen Widerstand und dem Gradienten der Dotierungskonzentration, und von Eigenschaften der einfallenden Strahlung, wie der Energie und der Intensität, abhängig ist; der Kondensator entlädt sich umso schneller, je größer die Intensität der Strahlung ist soweit die Energie der Strahlung oberhalb eines Schwellwertes liegt, der dem Bandabstand des Halbleiters entspricht Die Auftreffplatte kann entweder aus einer dünnen Schicht eines leitenden Materials mit hohem spezifischem Widerstand, oder aus einem Mosaik von von dem Elektronenstrahl in der Sperrichtung polarisierten Halbleiterübergängen bestehen.

In der FR-PS 11 10302 ist die Struktur einer photoleitenden makroskopisch homogenen Auftreffplatte aus PbQ beschrieben, die durch Aufdampfen von PbO in einer Restatmosphäre von Sauerstoff und Wasser auf der Innenfläche des Eingangsfensters der Röhre erhalten ist, auf der zuvor eine Schicht aus leitendem SnO₂ angebracht ist Die Anordnung arbeitet bei Zimmertemperatur und ist für Strahlungen mit einer Wellenlänge von weniger als 0,6 μηι empfindlich, welcher Wert dem Bandabstand von PbO entspricht, der etwa 2 eV beträgt. Der spezifische Widerstand ist sehr hoch (in der Größenordnung von J on Ω · cm) was einerseits auf den großen Bandabstand und andererseits auf die mikroskopisch diskontinuierliche Struktur der Schicht zurückzuführen ist. Dadurch können sehr geringe Dunkelstromwerte erhalten werden, die für die befriedigende Wirkung einer »Vidikon«-Röhre erforderlich sind. Vorzugsweise ist die Stromdichte des Dunkelstromä kleiner als 10-* A/cm²,

Diese Eigenschaften werden annähernd für AuUreffplatten gefunden die aus anderen Halbleitermaterialien, wie Se, Sb₂S₃ oder CdS-CdSe, hergestellt sind.

Für Auftreffplatten, die für Strahlung größerer Wellenlänge, z. B. im Infrarotbereich, empfindlich sind, ist es erforderlich, daß Halbleiter mit einem kleineren Bar.dabstand verwendet werden. Es ist dann praktisch unmöglich, den für die befriedigende Wirkung einer »Vidikon«-Röhre erforderlichen Bedingungen zu entsprechen. Da der spezifische Widerstand des Materials schnell mit dem Bandabstand abnimmt wird namentlich der Dunkelstrom zu groß.

Auch können die Sammeleigenschaften von Obergängen benutzt werden. In diesem Fall besteht die Auftreffplatte aus einem Mosaik von pn-Übergängen. Mit einem solchen Mosaik können die erforderlichen Eigenschaften, wie eine an die Abtastfrequenz des Elektronenstrahls angepaßte Entladezeitkonstante und eine zum Erhalten eines genau definierten Bildes genügend niedrige seitliche Leitfähigkeit erzielt werden. In diesem Falle ergeben sich die gleichen Probleme wie bei einer Auftreffplatte mit einer homogenen Schicht: der Dunkelstrom eines Obergangs ist umso größer, je kleiner der Bandabstand des Halbleiters ist

Aus diesem Grunde ist es erforderlich, eine Aufnahmeröhre mit einem Mosaik von Germanium-Obergängen (siehe die FR-PS 12 52 824) bei einer Temperatur zu betreiben, die höchstens gleich der von Kohlensäureschnee ist wobei ihre spektrale Empfindlichkeit bei etwa 1,7 μηι liegt Die spektrale Empfindlichkeit könnte dadurch weiter verschoben werden, daß Halbleiter mit einem kleinen Bandabstand, wie InAs oder InSb, verwendet werden, die dann jedoch auf mindestens 77° K gekühlt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art nun so auszugestalten, daß auf einfache Weise Infrarotstrahlung möglichst hoher Wellenlänge in elektrische Signale umgewandelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bildet das für die einfallende Strahlung praktisch durchlässige Substrat, auf dem das erste Halbleitergebiet niedergeschlagen ist, einen ohmschen Kontakt mit dem ersten Halbleitergebiet

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch ein Banddiagramm, das korrespondiert mit einer strahlungsempfindlichen HaIbleiteranordnung und

F i g. 2 zeigt schematisch eine Bildaufnahmeröhre, die eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung ent· hält

Die Wahl des Materials des ersten Gebietes, in dem

die Absorption stattfindet, ist von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängig. So ist InAs für

Detektion von Strahlung bis zu einer Wellenlänge von

34 μπί und InSb für die Detektion von Strahlung bis zu

einer Wellenlänge von 5,6 μτη geeignet.

Die Sammelfunktion kann nicht von demselben Halbleiter erfüllt werden, es sei denn, daß auf sehr niedrige Temperatur abgekühlt wird. Daher wird für das die Sammelfunktion ausübende zweite Gebiet ein anderes Halbleitermaterial mit einem größeren Bandabstand, und zwar Germanium oder Silicium verwendet.

Es sei bemerkt, daß für Materialien mit einem Bandabstand von weniger als 1,5 eV, der spezifische Widerstand noch niedriger ist als in diesem Falle to erwünscht ist, so daß dieser entweder durch Abkühlung oder durch die Herstellung einer gestörten oder amorphen Kristallstruktur über mindestens einen Teil der Dicke der Schicht erhöht werden muß. Diese Kristallstruktur wird entweder durch Niederschlagen im Vakuum unter geeigneten Bedingungen, bei einer geeigneten Substrattemperatur oder mit einer geeigneten Aufdampfgeschwindigkeit, oder nachher durch einen lonenbeschuß der niedergeschlagenen Schicht erhalten.

Es sei z. 8. die Detektion einer Strahlung mit einer Wellenlänge Λ = 5 um betrachtet. Das Halbleitermaterial, das an die Detektion dieser Strahlung angepaßt ist, ist JnSb. Die Anordnung kann z. B. auf folgende Weise hergestellt werden:

Auf einem Halbleitersubstrat aus z.B. n-leitendem Germanium wird eine InSb-Schicht durch das sogenannte »Drei-Temperaturen«-Verfahren mit einer Dikke von bis zu z.B. 20μπι niedergeschlagen. Die niedergeschlagene Schicht weist den n-Leitfähigkeitstyp auf und hat eine Donatorkonzentration N_D = einige 10¹⁶Cm-³. Auf dieser Schicht wird durch Aufdampfen im Hochvakuum eine Schicht aus praktisch eigenleitendem Germanium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 50 Ω - cm und einer Dicke von einigen Mikrometern niedergeschlagen. Dann wird an der Oberfläche der spezifische Widerstand dieser Germaniumschicht durch einen Beschüß mit A⁺-lonen mit einer Energie von etwa 1 keV unter einem auf etwa I^ · 10-' mbar herabgesetzten Druck erhöht, wobei der Halbleiterkörper etwa auf Zimmertemperatur gehalten wird. Dieser Beschüß wird fortgesetzt, bis ein Wert erreicht ist, der nahezu gleich etwa 10^Ι3Ω - cm (bei 77° K) ist Versuche haben ergeben, daß eine spätere thermische Behandlung in Wasserstoff oder im Vakuum, durch die der spezifische Widerstand herabgesetzt wird, auch die Empfindlichkeit der Anordnung vergrößern kann.

Auch ist es möglich, statt einer dünnen aufgedampften InSb-Schicht eine Platte aus einkristallinem InSb zu so verwenden, deren nützlicher Teil zuvor dadurch dünner gemacht worden ist, daß sehr sorgfältig chemisch geätzt wird, bis eine Dicke von 20 bis 50 μπι erhalten ist. Die Bearbeitungen ergeben dann dasselbe Resultat.

Im ersten Falle kann ein ringförmiger thermischer

und elektrischer Kontakt auf dem Germaniumsubstrat und in dem zweiten Falle auf dem äußeren nicht dünner gemachten Ring der InSb-Platte angebracht werden. Der Lötvorgang erfolgt durch Legierung mit Indium in reinem Wasserstoff auf einem Flansch aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem geeigneten Ausdehnungskoeffizienten, welcher Flansch auf dem Kühlglied befestigt werden kann.

Eine derartige Auftreffplatte kann wegen des Vorhandenseins von InSb (Halbleiter mit sehr kleinem Bandabstand nur bei niedriger Temperatur arbeiten.

F i g. 1 zeigt ein schematisches Banddiagramm, das einer derartigen Auftreffplatte entspricht Die negative Polarisierung der Oberfläche des zweiten Gebietes (II), in dem Ladungsträger angesammelt werden, wird von dem Abtastelektronenstrahl hervorgerufen. Dieser Elektronenstrahl führt einen Potentialgradienten herbei, der hauptsächlich im Germanium (II) mit hohem spezifischem Widerstand vorhanden ist Wenn die ausgelösten Träger in dem ersten Geb;.;.{!), in dem die Absorption stattfindet, mit einem Wirkungsgrad ungleich 0 über die Grenzfläche in das zweite Gebiet entweder durch einen thermischen Effekt oder Feldeffekt, oder durch Tunneleffekt von Band zu Band oder von Band zu Rekombinationszentram, injiziert werden, ergibt sich im betrachteten Punkt eine Änderung des Potentialunterschiedes zwischen den Oberflächen der Schicht (II) und somit eine Änderung des Leckstroms.

Auf diese Weise kann mit Hilfe eines einzigen Obergangs ein Ladungsmuster in der Auftreffplatte erhalten werden, daß der Intensitätsverteilung der auf die Auftreffplatte einfallenden Strahlung entspricht welches Ladungsmuster mit Hilfe einer üblichen Abtastvorrichtungen ausgelesen werden kann.

Übrigens enthält die Bildaufnahmeröhre (Fig.2) innerhalb einer Umhüllung 8, die mit einem für die einfallende Strahlung durchlässigen Fenster 1 versehen ist einen durchlässigen Träger 2 mit einem Durchmesser von etwa 25 mm, auf dem die Schichten 3 aus InSb und Ge niedergeschlagen ist wobei dieser Träger von einem Kühlring 4 umgeben ist auf dem eine Blende 5 befestigt ist die auf der Rückseite die Strahlung der Umgebung beschränkt

Nach einer weiteren Ausführungsform wird auf dem InSb eine CdTe-Schicht niedergeschlagen.

In diesen verschiedenen Ausführungsformen erfolgt die Kühlung, die zur Herabsetzung der Anzahl freier Träger im InSb dient auf eine Temperatur (flüssiger Stickstoff 77⁰K), die beträchtlich höher als die Temperatur ist die bei diesem Halbleiter benötigt wird, um mit Hilfe eines pn-Übergangs Ladungsträger ansammeln zu können (flüssiges Helium 4° K).

Ein üHicJies elektronenoptisches System 7 ermöglicht die Abtastung und die Fokussierung des von einem Erzeugungssystem 6 stammenden Elektronenstrahls.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Halbleiteranordnung zur Umwandlung von Infrarotstrahlen in elektrische Signale, die einen Halbleiterkörper mit mindestens einem Heteroübergang zwischen zwei Halbleitergebieten aus verschiedenen Materialien enthält, wobei das erste Gebiet einfallende Strahlung unter Erzeugung von Ladungsträgern absorbiert und das zweite Gebiet die im ersten Gebiet erzeugten Ladungsträger sammelt und die Dotierung des zweiten Gebietes so gewählt ist, daß Minoritätsladungsträger aus dem ersten Gebiet über den HeteroÜbergang in das zweite Gebiet injiziert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet Indiurnarsenid oder Indiumantimonid enthält und das zweite Gebiet aus Germanium oder Silicium besteht
2. Halbleiteranordnung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die einfallende Strahlung praktisch durchlässige Substrat, auf dem das erste HalhleUergebiet niedergeschlagen ist, einen praktisch ohmschen Kontakt mit dem ersten Halbleitergebiet bildet