DE3587973T2

DE3587973T2 - Fotodetektor.

Info

Publication number: DE3587973T2
Application number: DE3587973T
Authority: DE
Inventors: Timothy Ashley; Charles Thomas Elliott
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1984-07-06
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2005-06-08
Also published as: GB8417303D0; EP0167305A2; DE3587973D1; EP0167305B1; JP2571760B2; EP0167305A3; US5016073A; JPS6126269A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Photodetektor aus Halbleitermaterial und speziell aber nicht ausschließlich auf einen Infrarotphotodetektor.
Halbleiter-Infrarotdetektoren sind allgemein bekannt, z.B. aus Cadmiumquecksilbertellurid (CMT). Sie werden normalerweise störstellenleitend betrieben, wobei die Gleichgewichtskonzentration der Majoritätsträger die intrinsische Trägerkonzentration bei weitem übersteigt. Um dies zu erreichen, werden im 8-12 um- und 3-5 um-Wellenlängenbereich CMT-Detektoren normalerweise auf etwa 80 ºK bzw. 200 ºK abgekühlt. Ein Vorteil ist, daß dann die Empfindlichkeit hoch ist, da sich die Ladungsträgerdichte bei Belichtung mit Infrarotstrahlung anteilmäßig stark ändert. Darüber hinaus ist der Störabstand hoch, da das Rauschen aufgrund von Fluktuationen der Gleichgewichtsdichte der Ladungsträger niedrig ist. Dieser Vorteil in bezug auf das Rauschen ist insbesondere bedeutsam in bezug auf Auger-Generations- Rekombinationsprozesse. Bei diesen ist der zugrundeliegende Prozeß die Erzeugung eines Elektronen-Lochpaares durch Elektronen-Stoßionisation, wobei die ionisierenden Elektronen eine thermische Energie haben, die über der der entsprechenden Halbleiterbandlücke liegt.
Ein Photodetektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus DE-A-3 015 527 bekannt.
Daß Infrarotdetektoren abgekühlt werden müssen, ist umständlich und teuer, insbesondere wenn die Elemente auf 80 ºK abgekühlt werden müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotdetektor to schaffen, der geringere Kühlanforderungen im Vergleich zum Stand der Technik stellt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Photodetektor mit vorgegebener Betriebstemperatur und der mit einem ersten, zweiten und dritten Halbleiterbereich und einer ersten und zweiten Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Bereich bzw. dem zweiten und dritten Bereich versehen ist, wobei erster und dritter Bereich ausreichend hochdotiert sind, so daß beide bei der Betriebstemperatur störstellenleitend sind, wobei
(a) der zweite Bereich der aktive photosensitive Bereich ist und niedrig dotiert ist,
(b) die erste Grenzfläche dazu dient, daß Minoritätsladungsträger nicht in den zweiten Bereich gelangen, und entweder ein Sperrkontakt für die Einspeisung des Vorspannungsstroms in den zweiten Bereich oder ein zusätzlicher pn-Übergang ist, der als Absaugelektrode dient,
(c) die zweite Grenzfläche ein pn-Übergang ist, der zum Absaugen der Minoritätsladungsträger aus dem zweiten Bereich dient, wenn Spannung in Sperrichtung anliegt,
(d) die erste und zweite Grenzfläche nicht mehr als eine Minoritätsträgerdiffusionslänge voneinander beabstandet sind,
wobei die Dotierung des zweiten Bereichs so ist, daß er bei der besagten Betriebstemperatur eigenleitend ist, wenn keine Spannung anliegt.
Wie erwähnt war es bisher nötig, komplexe, voluminöse und teure Detektorkühlgeräte vorzusehen, wenn Infrarotdetektoren im Störstellenleitungsbereich betrieben werden sollten. Jedoch ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Kühlanforderungen wesentlich zu senken. Der zweite Bereich eines erfindungsgemäßen Elementes ist photosensitiv bzw. lichtempfindlich. Wenn eine Vorspannung anliegt, wird die Minoritätsträgerkonzentration reduziert, da die benachbarte zweite Grenzfläche Minoritätsträger abzieht und außerdem keine Minoritätsträger über die erste Grenzfläche eindringen können. Dies entspricht dem Effekt, der durch Kühlung erreicht wird, wenn der Störstellenbetrag zur Leitfähigkeit reduziert werden soll, da aufgrund von Raumladungsbetrachtungen der Eigenleitungsanteil zur Majoritätsträgerkonzentration gleich der Minoritätsträgerkonzentration sein muß und sich mit ihr reduzieren muß. Die Reduktion der Minoritätsträgerkonzentration im zweiten Bereich, wie sie durch die Erfindung erreicht wird, stellt sich bei Vorspannung ein. Es ist demzufolge ein dynamischer Effekt, der bei Betrieb auftritt, anders als der statische Effekt, der bei Kühlung auftritt. Letzterer erzeugt eine Reduktion der Minoritätsträgerkonzentration mit oder ohne Anlegen einer Vorspannung an dem Element.
Der zweite Bereich kann einen Vorspannungskontakt haben oder einen oder mehrere pn-Übergänge als erste Grenzflächen, die dazu dienen, einen Minoritätsträgerfluß in den Bereich zu unterbinden. In diesem Fall können der zweite und dritte Bereich aus demselben Halbleitermaterial bestehen, jedoch mit unterschiedlichen Dotierstoffen. Darüber hinaus kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl von dritten Bereichen vorgesehen sein, die jeweils mit entsprechenden lichtempfindlichen zweiten Bereichen und zweiten Grenzflächen assoziiert sind und jeweils als Barriere für die jeweiligen Nachbarn dienen. Die lichtempfindlichen Bereiche haben vorzugsweise einen Abstand zum nächsten Nachbarn, der viel kleiner als die Minoritätsträgerdiffusionslänge ist. Das Material der zweiten Bereiche kann CdxHg1-xTe (CMT) mit x = 0,265 bzw. 0,19 für Betrieb bei Umgebungstemperatur (Abschneidewellenlänge λc = 5 um) und bei 200 ºK (λc = 11 um) sein. Die äquivalenten Betriebstemperaturen beim Stand der Technik bei ähnlichen Elementen wären 200 ºK bzw. 80 ºK, was die reduzierten Kühlungsanforderungen demonstriert, die gemäß Erfindung erreicht werden können.
Der erste Bereich kann andererseits dazu dienen, Minoritätsträger von dem Bereich fernzuhalten. Sperrkontakte sind bekannt, wie z.B. von Arthur et al., in Proc. Phys. Soc. LXVIII 1-B, S. 43-50 (1954) mit Bezug auf Germanium beschrieben. Ein solcher Kontakt hat die Eigenschaft, daß Minoritätsträger aus einem dem Kontakt benachbarten Bereich herausgedrängt werden, wenn dieser vorgespannt wird. Der Sperrkontakt kann gebildet werden durch einen bis zur Entartung dotierten ersten Bereich innerhalb des zweiten Bereichs von demselben Leitfähigkeitstyp; d.h. der bis zur Entartung dotierte erste Bereich ist n&spplus; oder p&spplus;, je nachdem ob der zweite Bereich vom n- bzw. p-Typ ist, und es ergibt sich eine n&spplus;n- oder p&spplus;p-Struktur. Der Sperrkontakt kann alternativ eine Heteroübergangsstruktur haben, die sich dadurch ergibt, daß der zweite Bereich mit einem ersten Bereich versehen wird, wobei eine Schicht von unterschiedlichem Halbleitermaterial vom gleichen Majoritätsträgertyp mit breiterer Bandlücke gebildet wird; d.h. die Struktur wäre nn oder pp, je nachdem ob der zweite Bereich vom n- oder p-Typ ist, wobei die Unterstreichung bei oder das Material mit der größeren Bandlücke bezeichnet. Beispiele hierfür sind CdxHg1-xTe (CMT), wobei sich der Zusammensetzungsparameter x von Region zu Region unterscheidet.
Zur vollständigen Erläuterung soll eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, und zwar lediglich als Beispiel, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, von denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Infrarotdetektors gemäß Erfindung ist;
Figur 2 die Anderung der Leitungsband- und Valenzbandenergien und der Minoritätsträgerkonzentration entlang des Elements gemäß Erfindung darstellt;
Figur 3 und 4 Drauf- und Seitenansichten des Photodetektors zeigen;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Minoritätsträgerkonzentration entlang des Elements in Figur 3 zeigt; und
Figur 6 und 7 weitere Photodetektoren gemäß Erfindung zeigen, die Vielfachabsaugelektroden besitzen.
In Figur 1 ist eine Infrarotdetektordiode 10 gezeigt, die aus einer Heterostruktur aus Cadmiumquecksilbertellurid-Legierungen besteht. Die Diode 10 hat einen -Bereich 12, einen schwach dotierten p-Typ oder lichtempfindlichen p&supmin;-Bereich 14 und einen n-Typ- oder -Bereich 16. Die Bereiche 12, 14 und 16 haben Grenzflächen 18 und 20, welche jeweils p und p&supmin; -Heteroübergänge sind. Die Unterstreichung (-) deutet einen Übergang zwischen unterschiedlichen Materialien an, bei denen oder das Material mit der größeren Bandlücke bezeichnet. Wie im folgenden beschrieben werden wird, ist der p-Heteroübergang 18 ein Sperrkontakt, der Minoritätsträgerinjektion von dem Bereich 12 in den Bereich 14 unterbindet, welcher als aktiver lichtempfindlicher Bereich dient. Darüber hinaus ist der p&supmin; -Heteroübergang 20 ein Absaugbereich, welcher innerhalb einer Diffusionslänge aus dem lichtempfindlichen Bereich 14 Minoritätsträger abzieht. Der Bereich 14 ist dementsprechend so ausgelegt, daß er in seiner Ausdehnung zwischen den Heteroübergängen 18 und 20 kleiner oder in etwa gleich der Minoritätsträgerdiffusionslänge ist. Für das Anlegen einer Vorspannung sind bei 22 und 24 Elektroden an der Diode 10 vorgesehen. Die Diode 10 erfaßt Infrarotphotonen, die wie durch den Pfeil 26 angedeutet longitudinal über den Bereich 16 in den Bereich 14 eindringen.
Das Diodenmaterial hat die Legierungszusammensetzung CdxMg1-xTe, wobei sich der Zusammensetzungsparameter x in den Bereichen 12, 14 und 16 jeweils ändert. Der Parameter x hängt außerdem von der gewünschten Diodenbetriebstemperatur und der optischen Abschneidewellenlänge λc ab. Tabelle 1 gibt die Werte für x für die Materialien der Bereiche 12, 14 und 16 bei einer Diodenbetriebstemperatur von 295 ºK und 190 ºK an. Entsprechende Werte der Abschneidewellenlängen werden ebenso angegeben. Tabelle 1 Zusammensetzungsparameter x Betriebstemperatur Bereiche
In Bereich 12 wird der Dotierungspegel hoch genug gewählt, um eine Minoritätsträgerverdrängung zu erreichen, d.h. elektrische Felder zu vermeiden, die Minoritätsträger (Elektronen) von dem Kontakt 22 zu dem p-Heteroübergang 18 verschieben. Dies ist erfüllt, wenn [NA] - [ND] 1 x 10 cm&supmin;³ gilt. Der Dotierungspegel im Bereich 14 ist ausreichend niedrig, um nahezu Störstelleneigenschaften bei der Diodenbetriebstemperatur unter Null Volt Bedingungen hervorzurufen. Dieses erfordert, daß [NA] - [ND] 1 x 10¹&sup6; cm&supmin;³ gilt. Im Bereich 16 ist der Dotierungspegel ausreichend hoch, so daß das Material von sich aus Störstelleneigenschaften bei der Diodenbetriebstemperatur zeigt, so daß Minoritätsträgerabzug ermöglicht wird, d.h. ein niedriger Umkehrsättigungsstrom bei dem pn-Heteroübergang 20 erreicht wird. Dies wird mindestens erreicht bei [ND] - [NA] 1 x 10¹&sup6; cm&supmin;³.
Der Bereich 12 wird ausreichend lang gewählt, so daß Minoritätsträger (Elektronen), die von dem Kontakt 22 injiziert werden, nicht mehr den p-Heteroübergang 18 erreichen. Dieses Kriterium wird erfüllt, wenn das elektrische Feld in dem Bereich 12 ausreichend niedrig ist, so daß Minoritätsträgertransport durch Diffusion stattfindet, und der Bereich 12 ist wenigstens dreimal so lang wie die Minoritätsträgerdiffusionslänge ist, oder größer als ca. 150 um für [NA] - [ND] über 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³. Die Legierungszusammensetzung und der Dotierungspegel des Bereiches 14 ändert sich graduell gegenüber dem Bereich 16 über einen Bereich von einigen Hundert Ångströms, so daß keine ausgeprägte Elektronenbarriere entsteht. Der Bereich 14 ist wenigstens so lang wie die optische Absorptionslänge, aber kürzer als oder in etwa gleich der Minoritätsträgerdiffusionslänge, wie bereits erwähnt wurde.
In Figur 2 sind die Diodeneigenschaften direkt unter den entsprechenden Bereichen der Diode 10 in Figur 1 dargestellt. Die Linien 30 und 32 stellen die ungefähre Änderung der Leitungsbandkante Ec und der Valenzbandkante Ev entlang der Diode 10 bei Null Volt dar. Die Minoritätsträger- oder Elektronkonzentrationen [n] in den Bereichen 12 und 14 sind in etwa auf einer logarithmischen Skala durch die Linien 34, 35, 36 und 38 angegeben, wobei durchgehende und gestrichelte Linien den Trägerkonzentrationen für das Gleichgewicht (Null Volt) bzw. Sperrspannungsbedingungen entsprechen. Die Linien 40 und 42 geben die Positionen der Sperrbzw. Abzugs-Heteroübergänge 18 und 20 an. Ein gestrichelter Abschnitt 44 der Linie 30 bezeichnet die Position einer Elektronenbarriere, welche sich bei einem Abzugs-Heteroübergang 20 ohne graduelle Änderung der Zusammensetzungs- und Dotierungspegel der Bereiche 14 und 16 bei der Verschmelzung der beiden ineinander ergeben würde.
Die Diode 10 wird wie folgt betrieben. Wie in Tabelle 1 angegeben, ist die Abschneidewellenlänge λc im Bereich 14 viel länger als in dem Bereich 12 und dem Bereich 16, da seine Bandlücke kleiner ist. Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen den Abschneidewerten der Bereiche 16 und 14 tritt durch den Bereich 16 wie durch den Pfeil 26 angedeutet hindurch und wird im Bereich 14 absorbiert. (Sie kann auch durch den Bereich 12 hindurchtreten.) Die Elektrode 22 ist gegenüber der Elektrode 24 negativ vorgespannt. Der lineare pn-Heteroübergang 20 ist für die Eigenschaften der Diode 10 verantwortlich und ist in Sperrichtung vorgespannt. Er verhindert aufgrund seiner Trägerabzugseigenschaften, daß ein Strom von sich von Bereich 16 zu Bereich 14 bewegender Löcher in Sperrichtung fließt. Der p- Heteroübergang 18 dient wie gesagt als Sperrkontakt; er ist ein Kontakt bekannter Art, bei welchem Löcher (Majoritätsträger) frei vom Bereich 14 in den Bereich 12 fließen können, jedoch nur ein sehr kleiner Elektronen-(Minoritätsträger-)Strom vom Bereich 12 in den Bereich 14 fließen kann. Wenn die Elektrode 22 negativ vorgespannt ist, fällt wie durch die Linien 36 und 38 angedeutet die Elektronendichte im Bereich 14. Dies rührt daher, daß Elektronen vom Bereich 14 in den Bereich 16 diffundieren, wo die Leitungsbandenergie niedriger ist (Linie 30), sie aber nicht über den Sperrkontakt-Heteroübergang 18 ersetzt werden können. Dieses hat den Effekt eines "Wehrs-" oder einer Senke, wohin Diffusion stattfindet, woher jedoch Minoritätsträgerrückkehr unterbunden ist. Das Ergebnis ist eine wesentlich niedrigere Minoritätsträgerkonzentration in dem lichtempfindlichen Bereich 14 verglichen mit dem normalen Eigenleitungspegel unter Gleichgewichtsbedingungen. Dementsprechend ist der Effekt der Vorspannung, daß eine dynamische Situation entsteht, die äquivalent zum Störstellenverhalten ist, das normalerweise bei Infrarotdetektoren nur unter Verwendung von umständlichen und teuren Kühlaggregaten erreicht werden kann. Infrarotdetektoren, die in dem 8 bis 12 um- Wellenlängenbereich sensitiv sind, werden normalerweise auf 80 ºK gekühlt, und solche, die im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 um empfindlich sind, auf 200 ºK. Die Erfindung verbessert dies auf 200 ºK bzw. Umgebungstemperatur und schafft dementsprechend einen Infrarotdetektor mit den Eigenschaften gekühlter Detektoren nach dem Stand der Technik, aber mit wesentlich reduzierten Kühlanforderungen.
Dieses Beispiel kann als Auger-unterdrückter Infrarotdiodendetektor bezeichnet werden, da hier unter anderem die Unterdrückung von dem Halbleiter-Auger-Effekt erzielt wurde, der vorher erwähnt wurde.
Während die Ausführungsform der Figuren 1 und 2 in Form einer Heterostrukturdiode beschrieben wurde, können die - und -Bereiche 12 und 14 ersetzt werden durch bis zur Entartung dotierte oder p&spplus;- bzw. n&spplus;-Bereiche. Letzteres erzeugt eine Homostruktur aus drei Bereichen 12, 14, 16 aus demselben Halbleitermaterial aber mit unterschiedlichen Dotierungen, und führt zu ähnlichen Eigenschaften.
In den Figuren 3 und 4 sind alternative Formen gezeigt, die die Minoritätsträgerinjektion in einen lichtempfindlichen Bereich des Elements verhindern. Die Figuren 3(a) und 3(b) sind Drauf- bzw. Seitenansicht eines Photodetektors 50 mit einem p-Bereich 52 und einem n&spplus;-Bereich 54 aus demselben Halbleitermaterial. Die Absaugelektrode ist ein pn-Übergang bei 56, zwischen 52 und 54. Der p-Bereich 52 hat eine Einschnürung 58 zwischen zwei zusätzlichen kontaktierbaren n&spplus;- Bereichen 60. Zusätzliche pn-Übergänge 62 befinden sich zwischen den Bereichen 60 und 52. Der Abstand (D) vom Zentrum der Einschnürung 58 zum Übergang 56 ist im wesentlichen gleich oder kleiner als und kann vorzugsweise sehr viel kleiner als eine Minoritätsträgerdiffusionslänge L sein. Ein lichtempfindlicher Bereich 64 ist zwischen der Einschnürung 58 und dem Abzugskontakt 56 vorgesehen. Die Vorspannungselektroden 66, 68 und 70 vervollständigen das Element 50. Eine ähnliche Struktur 80 ist in den Figuren 4(a) und 4(b) gezeigt, die jeweils wieder Drauf- und Seitenansicht darstellen. Hier werden durch die p- und n&spplus;-Bereiche 82 und 84 ein dazwischenliegender Abzugs-pn- Übergangskontakt 86 gebildet, und es ergibt sich eine Einschnürung 88 aufgrund eines zusätzlichen kontaktierbaren n&spplus;-Bereiches 90 mit dazugehörigem zusätzlichem pn-Übergang 92. Das Element 80 hat einen lichtempfindlichen Bereich 94 zwischen der Einschnürung 88 und dem Übergang 86. Ansteuerelektroden 96, 98 und 100 vervollständigen das Element 80.
Das Element 50 arbeitet wie folgt. Die Elektrode 66 wird negativ vorgespannt, und die Elektroden 68 und 70 werden positiv vorgespannt. Dieses spannt den Abzugskontakt oder pn-Übergang 56 in Sperrichtung vor und ebenso den zusätzlichen pn-Übergang 62. Minoritätsträger- (Elektronen-) Injektion von der Elektrode 66 in den p-Bereich 52 (und somit auch in den lichtempfindlichen Bereich 64) wird unterbunden durch die vorgespannten zusätzlichen pn-Übergänge 62. Darüber hinaus werden Minoritätsträger aus dem lichtempfindlichen Bereich 64 über den Abzugskontakt 56 extrahiert. Dieses drückt im wesentlichen die Minoritätsträgerkonzentration in dem lichtempfindlichen Bereich 64. Ähnliche Effekte treten in dem Element 80 auf.
In Figur 5 ist schematisch die Minoritätsträger- (Elektronen-)Konzentration n gegen den Abstand x entlang des Photodetektors 50 für den p-Bereich 52 dargestellt 110. Die Darstellung 110 entspricht dem Element 50 unter Vorspannung. Figur 5 ist im selben Maßstab dargestellt wie und befindet sich direkt unter Figur 3, um einen Vergleich zu erleichtern. Die Kurve 110 hat den Wert ni, die intrinsische Minoritätsträgerkonzentration, bei x = 0, wo sich die Elektrode 68 befindet. Der Effekt der zusätzlichen vorgespannten pn- Übergänge 62 kann aus dem Absinken der Kurve 110 von ni bei x = 0 bis x = x&sub1; in der Mitte der Einschnürung 58 bestimmt werden. Danach ist die Kurve 110 im wesentlichen konstant und hat einen niedrigen Wert, bis sie x = x&sub2; nahe der Mitte des lichtempfindlichen Bereichs 64 erreicht. Der Abzugskontakt 56 befindet sich bei x = x&sub3;, und von x = x&sub2; bis x&sub3; (der Abschnitt rechter Hand vom lichtempfindlichen Bereich 64) fällt die Kurve allmählich auf Null ab.
Die Kurve 110 gibt die Situation wieder, bei welcher D, die Länge des lichtempfindlichen Bereiches 64, vorher erwähnt und gleich x&sub1; - x&sub3;, sehr viel kleiner als L, die Minoritätsträgerdiffusionslänge im Bereich 52, ist. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform, da der Minoritätsträgerextraktionseffekt beim Kontakt 56 maximiert wird. Minoritätsträgerextraktion bei einem Abzugskontakt findet über einen Bereich statt, der sich über eine Länge erstreckt, die im wesentlichen gleich der Minoritätsträgerdiffusionslänge von dem Kontakt ist, aber der Effekt ist am größten in der Nähe des Kontakts. Die Länge D des lichtempfindlichen Bereiches sollte daher nicht wesentlich größer als die Minoritätsträgerdiffusionslänge L sein, vorzugsweise viel kleiner. Wenn D > L, bedeutet dies, daß aus dem lichtempfindlichen Bereich die Minoritätsträger nicht vollständig verdrängt sind und er nicht vom niedrigen Rauschen profitiert. Wenn D über L hinausgeht, steigt das Rauschen entsprechend an. Es gibt daher keine scharfe Änderung im Rauschverhalten, jedoch kommt es zu einer graduellen Verschlechterung. Fachleute auf dem Gebiet der Infrarotdetektoren werden erkennen, daß es einen Kompromiß zwischen Grad des Rauschens und der Größe des lichtempfindlichen Bereiches gibt, der bei den einzelnen Detektoranwendungen gefunden werden muß.
In Figur 6 ist eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Infrarotdetektors 120 dargestellt. Der Detektor 120 umfaßt einen großen p-Bereich 122 mit einer Außenelektrode 124 für eine negative Vorspannung. Der Bereich 120 ist mit einem zweidimensionalen regulären Array von eindiffundierten n&spplus;-Bereichen 126 versehen. Letztere dienen als pn-Übergangs-Abzugskontakte (nicht gezeigt) und sind versehen mit positiven Vorspannungselektroden (nicht gezeigt). Wie dargestellt ist das Array hexagonal mit einem Abstand zwischen nächsten n&spplus;-Bereich-Nachbarn von D « L. Der Parameter D entspricht hier ungefähr dem Durchmesser der jeweiligen lichtempfindlichen Bereiche, die sich in etwa D/2 von jedem n&spplus;-Bereich 126 ausdehnen.
Die Anordnung in Figur 6 ermöglicht es, daß der Minoritätsträgerextraktionseffekt ohne Beschränkung durch die Diffusionslänge ausgedehnt wird. Dementsprechend können lichtempfindliche Bereiche, aus denen Minoritätsträger verdrängt werden, unendlich ausgedehnt werden. In diesem Fall würden alle n&spplus;-Bereiche 126 miteinander verbunden, um einen gemeinsamen oder aufsummierten Photostrom zu ergeben. Alternativ kann der Photostrom von jedem Bereich 126 separat erfaßt werden, um individuelle Pixel für einen zweidimensionalen Array zu haben. Diese Ansätze können kombiniert werden, so daß jedes Pixel die Summe der Ausgänge von einigen verschiedenen individuellen Bereichen 126 ist.
Die Parameter für Beispiele von CMT-Elementen in den Figuren 3, 4 und 6 sind wie folgt. Die Elemente bestehen aus CdxHg1-xTe, wo x 0,265 oder 0,19 für eine 5 um-Abschneidewellenlänge bei Umgebungstemperatur bzw. eine 11 um-Abschneidewellenlänge bei 200 ºK ist. Der Dotierungspegel in allen n-Bereichen sollte ausreichend hoch sein (10¹&sup7; bis 10¹&sup8; cm&supmin;³, typischerweise 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³), um Störstellenleitung bei der Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Der p- oder lichtempfindliche Bereich sollte in jedem Fall schwach dotiert sein (10¹&sup5;-10¹&sup6; cm&supmin;³, typischerweise 5 x 10¹&sup5; cm&supmin;³), um sowohl Eigenleitung bei der Betriebstemperatur zu erreichen als auch die Minoritätsträgerlebensdauer aufgrund der Schockley-Read-Erzeugung/Rekombination zu limitieren. In Figur 6 sollte der Durchmesser von jedem n&spplus;-Bereich 126 in etwa 10 um betragen und die Beabstandung vom nächsten Nachbarn etwa 20 um.
In Figur 7 ist für eine einfachere Herstellung eine Schnittzeichnung (nicht maßstabsgetreu) eines Photodetektors 140 auf der Basis der Figur 6 dargestellt. Der Photodetektor 140 hat einen lichtempfindlichen p-Bereich 142 mit einer oberen Vorspannungselektrodenstruktur 144 und eindiffundierten n&spplus;-Bereichen 146, die Abzugskontakte darstellen. Die Elektrodenstruktur 144 kann entweder ein optisch durchlässiges Netzwerk von feinen Linienleitern oder eine elektrisch leitende transparente Schicht sein. Eine untere Vorspannungselektrodenstruktur 148 dient entweder als individuelle oder gemeinsame Verbindung für jeden n&spplus;-Bereich 146. Diese Anordnung ist verhältnismäßig leicht mit lithographischen Techniken herstellbar. Die Dicke t des p-Bereiches 142 ist vorzugsweise viel kleiner als die Diffusionslänge, ebenso wie der Abstand zwischen n&spplus;-Bereichen 126. Wie durch den Pfeil 150 angedeutet ist der Photodetektor 140 für Beleuchtung von oben gedacht.
In jedem der vorangegangenen Beispiele der Erfindung ist es wünschenswert, die Minoritätsträgererzeugungsrate an jeder Oberfläche des photoempfindlichen Bereiches zu minimieren. Wie dies durch Oberflächenpassivierung erreicht werden kann, ist allgemein auf dem Gebiet von CMT-Detektoren bekannt.

Claims

1. Photodetektor, der eine vorgegebene Betriebstemperatur hat und der mit einem ersten, zweiten und dritten Haibleiterbereich (12, 14, 16) und einer ersten und zweiten Grenzfläche (18, 20) zwischen dem ersten und zweiten Bereich (12, 14) bzw. dem zweiten und dritten Bereich (14, 16) versehen ist, wobei erster und dritter Bereich ausreichend hochdotiert sind, so daß beide bei der Betriebstemperatur störsteilenleitend sind, wobei

a) der zweite Bereich (14) der aktive photosensitive Bereich ist und niedrig dotiert ist,

b) die erste Grenzfläche (18) dazu dient, daß Minoritätsträger nicht in den zweiten Bereich (14) gelangen, und entweder ein Sperrkontakt (18) für die Einspeisung des Vorspannungsstroms in den zweiten Bereich (14) oder ein zusätzlicher pn-Übergang (62) ist, der als Absaugelektrode dient,

c) die zweite Grenzfläche ein pn-Übergang (20) ist, der zum Absaugen der Minoritätsladungsträger aus dem zweiten Bereich (14) dient, wenn Spannung in Sperrrichtung anliegt,

d) die erste und zweite Grenzfläche (18, 20 oder 62, 56) nicht mehr als eine Minoritätsträgerdiffusionslänge voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

die Dotierung des zweiten Bereichs (14) so ist, daß er bei der besagten Betriebstemperatur eigenleitend ist, wenn keine Spannung anliegt.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (12) aus Halbleitermaterial besteht, das eine größere Bandlücke als das des zweiten Bereichs (14) hat.

3. Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (16) eine größere Bandlücke als der zweite Bereich (14) hat.

4. Photodetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Material mit der Zusammensetzung CdxHg1-xTe besteht, wobei der Wert des Zusammensetzungs parameters x der Bandlücke entspricht, die für den jeweiligen Bereich (12, 14, 16) gefordert wird.

5. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erster und dritter Bereich (12, 15) stark dotiert sind und aus demselben Halbleitermaterial wie der zweite Bereich (14) bestehen.

6. Photodetetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von ersten Bereichen (68) und ersten Grenzflächen (62) hat, die die Versorgung des zweiten Bereichs (64) mit Minoritätsträgern verhindern.

7. Photodetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß erster und dritter Bereich (126) äquivalent sind und über den zweiten Bereich (122) verteilt sind, wobei jeder der Bereiche (126) sowohl die Versorgung des zweiten Bereichs (122) mit Minoritätsträgern verhindern als auch Minoritätsträger aus dem zweiten Bereich (122) abziehen und einen Vorspannungsstrom über den zweiten Bereich (122) aufnehmen soll.