CN101958356A

CN101958356A - 光电探测器元件

Info

Publication number: CN101958356A
Application number: CN2010102296473A
Authority: CN
Inventors: 萨利姆·布塔米; 罗奇·埃斯皮奥德拉马埃斯特; 杰罗姆·勒佩奇科
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2011-01-26
Also published as: EP2276072B1; ATE534147T1; JP5785698B2; US8125043B2; EP2276072A1; FR2947956A1; JP2011023720A; US20110018087A1

Abstract

一种在真空中波长接近于值λ₀的辐射的光电探测元件，包括：指数为ns且厚度在λ₀/4ns与λ₀/20ns之间的半导体层；在该半导体层的一个面上的、指数n1小于ns的、透得过所述波长的第一介质；在该半导体层的另一面上的：指数n2小于ns、宽度L基本等于λ₀/ns的第二介质的区域，以及在所述区域的任一面上的、指数n3大于指数n2的、由第二介质形成反射界面的第三介质。

Description

光电探测器元件

技术领域

本发明涉及一种光电探测器。本发明更具体地涉及一种包括厚度小于被测光的波长的半导体层的光电探测器。

背景技术

当前的光电探测器一般包括与电荷转移器件有关的半导体层。当光束照射半导体层时，入射光子会在那里形成电子空穴对。然后载流子通过电荷转移器件被转移到能够使它们量化的电子电路。

在半导体层中形成电子空穴对的平均深度取决于入射光束的波长和使用的半导体材料：波长越长，电子空穴对形成在半导体层中很可能就越深。例如，为了吸收大约99％的红光，必须具有厚度约为10μm的硅层。对于蓝光，厚度为3μm级的硅层足够达到这样的吸收率。这种厚度大大大于想要检测的光波的波长，并且这种厚度在远红外波或太赫波的情况下会受抑制。

在图像探测器的情况下，通常希望减小基本光电探测器的像素尺寸。半导体层上的每个像素占据的表面面积的减小主要引起了使感光区域相互隔离的问题。甚至，为了避免邻近像素之间的干扰，通常提供以在它们中的每个像素的周围形成隔离沟槽。如果半导体层比较厚，则隔离沟槽会占据半导体层的不可忽略的表面面积，这与一般像素尺寸的减小相矛盾。因此，不得不减小半导体层的厚度。然而，如前所述，形成极薄的有源层通常不能够吸收并且检测所有的入射光。

因此通过具有越过该层两倍或几倍的光子提供以增加半导体光电探测器层的等效厚度。因此，可以将反射镜提供在半导体层的一个面上以在那里提供双重传播。还可以将反射元件提供在半导体层的任一面上以形成法布里-珀罗(Fabry-Pérot)型结构。实际上，反射元件是布拉格反射镜，通常很厚，例如由从10至30的四分之一波长层的叠层形成。因而将失去减小有源半导体层的厚度的优势。

为了减小半导体光电探测器层的厚度，已提供利用集体电子电荷振动(等离子体振子共振)的物理现象。然而，使用等离子体振子共振通常意味着提供使探测器在波长和入射角方面有充分选择性的周期性结构。此外，使用等离子体振子共振的结构必须以高精确方式按规定尺寸制作，这使得制造困难。

发明内容

此外，希望能够形成光电探测器，其中半导体材料能够从宽范围的半导体化合物中选择，能够将它们中的一些仅沉积在极薄的层中。

本发明的目的在于提供一种包括极薄半导体层并且具有下列特征中的至少之一的光电探测器：

几乎不根据频率选择；

在响应间隔中不必或仅轻微反射；

必须对入射光束的入射角完全不敏感；

必须对入射光束的偏置完全不敏感；

必须能够选择两个基本极性中的一个极性；以及

必须有小于被测光束的波长的尺寸。

因此，本发明的实施例提供了一种在真空中波长接近于值λ₀的辐射的光电探测元件，包括指数为ns且厚度在λ₀/4ns与λ₀/20ns之间的半导体层；在该半导体层的一个面上的、指数n1小于ns的、透得过所述波长的第一介质；以及，在该半导体层的另一面上的、指数n2小于ns的、宽度L基本等于λ₀/ns的第二介质的区域，和在所述区域的任一面上的、指数n3大于指数n2的、由第二介质形成反射界面的第三介质。

根据本发明的实施例，该半导体层具有在λ₀/4ns与λ₀/10ns之间的厚度。

根据本发明的实施例，第二介质与第一介质相同。

根据本发明的实施例，第二介质的指数大于第一介质的指数。

根据本发明的实施例，第三介质是金属。

根据本发明的实施例，第三介质具有大于λ₀/10的厚度。

根据本发明的实施例，HgCdTe半导体层形成在CdTe衬底上，第二介质也是CdTe，并且第三介质是金。

本发明还提供了诸如上述的平行连接的以形成大尺寸光电探测器的光电探测器元件的组件。

根据本发明的实施例，该组件包括诸如上述的分离连接的以形成像素阵列的光电探测器元件。

根据本发明的实施例，该组件包括诸如上述的能够在相同或不同波长下操作的光电探测器元件。

在结合附图对特定实施例的下列非限制性描述中，将详细地论述本发明的前述目的、特征和优势。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的光电探测器的原理的极简化截面图；

图2是根据本发明实施例的光电探测器的实施例的截面图；以及

图3、4和5是沿根据本发明的不同实施例的光电探测器的图2的截面平面A-A的顶视图。

具体实施方式

在微/纳米部件的表示中像往常一样，不同的图没有按比例绘制。

在本描述中，将被测辐射在真空中的波长指定为λ₀，并且将该辐射在考虑介质中的波长指定为λ。通常，介质中的波长λ等于λ₀/n_e，n_e是相应考虑介质的区域中的有效指数。应该注意，在尺寸小于波长的结构中，该有效指数通常不严格等于介质的指数，而要考虑邻近介质的指数。

如图1所示，在这里描述的光电探测器包括指数为ns、厚度e大大小于波长例如在λ/4与λ/10之间的、优选接近于λ/4的半导体材料的薄层1。在层1的一个面上，在图中的顶面上，是指数为n1的透明介质3。在层1的另一面上是指数为n2的、宽度L基本等于指数为ns的层1中的有效波长λ的区域5。区域5被区域7包围，区域7的材料选择为使区域5与7之间的界面为强反射的，例如金属、而且还可能是高指数的电介质或半导体材料。

不同的层和区域的材料是这样的，指数n1和n2小于指数ns，并且优选n2大于n1。在这种情况下，看来似乎将光主要捕获在用图1中的虚线包围的区域9中。光的捕获可以由双Fabry-Pérot型效应引起。首先，光被捕获在薄半导体层1中，是由于该层具有大于位于其任一面上的指数为n1和n2的邻近介质的指数的事实引起的。而且，在两个反射体7之间的宽度λ的区域5中，存在使层5与7之间的界面为强反射的真实的Fabry-Pérot效应。如果区域5的指数n2大于介质3的指数n1，则会使该Fabry-Pérot效应的作用增强，与使光趋向于介质3相比则更优选使光趋向于区域5。通常，本发明的发明人指出，区域5与7之间的界面的高度必须至少等于λ₀/10。

该结构具有提供相对不依赖于有关垂直于用于某些材料组件的探测器平面的方向的入射角范围为±30°、甚至为±70°的入射光的特征的优势。

图2示出了在接近于4-μm波长的红外线范围的探测器的特定情况下的图1器件的应用实施例，该薄半导体层是HgCdTe层。

从CdTe衬底3开始并且实施下列连续步骤：

在衬底上通过外延形成薄HgCdTe层1；

在层1上沉积层7，例如金层；

在层7中形成一个或几个开口；以及

沉积CdTe层6，CdTe层6的一部分位于对应图1的区域5的层7中的开口中。

在该实例的构架内，公认，波长接近于4μm的波的吸收至少比没有开口的两个CdTe层之间的同一HgCdTe层大5倍。

该实例示出了，用当前的技术制造根据本发明的结构比较简单。然而可以提供许多可选的实施例。例如，能够从作为衬底的层6开始并且在该衬底上生长其它的层。然后至少在区域5上形成半导体层1。

再参考图1，从介质3向层6的来自于顶部的入射光，集中在区域9中并在那里产生电子/空穴对，然后必须测量它们以获得光电探测器功能。可以使用许多方法来聚集这些电荷。此后将看到，当层7的材料是金属时其可以用作该目的。为了聚集电子和/或空穴，还可以形成横向二极管型的结构和/或可以沉积除示出的层以外的薄导电层。

如前所述，在这里描述的器件的操作形成了单端光电探测器，并且其操作不是基于阵列结构的。然而可以形成多个电互连或隔离的光电探测器的组件以获得大表面面积探测或者图像阵列探测。在光电探测器相互连接并且完全相同的情况下，信号会聚集在分离的每个光电探测器的表面的大表面面积上。如果光电探测器不相同，则最终的光电探测器的光谱范围将会加宽。在形成分别读取光电探测器的组件的情况下，获得了吸收的空间图像或根据波长区别的图像。由于该宽度L(等于λ₀/ns)决定光电探测器的中心频率，因此区域5的不同长度L可以用于不同的光电探测器，例如，用于三色图像的三个不同的宽度。

图3、4和5是示出区域5的组件的各种可能形式的图2的截平面A-A的顶视图。在这些图中能够看到形成在导电平面7中的窗口5。

在图3的情况下，尺寸为L的窗口是正方形。它们可以具有任何其它希望的形状。例如可以设想为具有允许更易于光谱分类的宽度为λ的臂状物的交叉形状。

在图4的实施例中，窗口具有带的形状，因此，电极7-1和7-2可以是梳状以读取在窗口5的位置处的光电探测器中累积的电荷。

图3、4和5仅是可能存在的形状的实例。可以使用许多其它的布局。例如，可以提供具有梯形截面或者弯曲形状的组合的区域。

还可以采用更复杂的形状，诸如通过引用结合于此的图5中作为实例示出的形状。在该图的情况下，四个元件中至少两个元件的尺寸可以不同以检测至少两个波长。

当然，本发明很可能具有许多其它的变形。例如代替简单的半导体层，可以在半导体1与邻近的介质之间提供界面层。还可以提供连续沉积的掺杂区域以获得二极管结构。还可以提供形成横向二极管以允许特定类型的探测。

根据使用的材料，共振结构可以应用于可见或红外线(近、中或远红外线)范围、乃至太赫波段。

关于区域7，在操作范围中可以使用尽可能少吸收的高反射金属材料，即，主要是在红外线和可见范围中的贵金属(金、银、铝以及具有相似光学特性的合金)，在红外线范围中的离子晶体(诸如SiC)和重掺杂半导体，以及在太赫范围中的二维电子气体。还可以使用高指数的电介质和半导体材料，例如，在近红外线范围中用于探测器的硅或在可见范围中的氮化硅。

关于层1的半导体，将选择适合于想要被测波长的半导体。它可以是用于可见范围的硅(晶体、多晶体或非结晶)或者GaAs；用于红外线范围的Ge、InSb、GaSb、InGaAs或HgCdTe。

如前所述，在用衬底3开始形成光电探测器的情况下，该衬底层由允许生长这些半导体中的一种或另一种的透明材料制成。因此能够提供下列的衬底/吸收层耦合：Ge/Si、SiGe/Si、GaAs/Si、InSb/GaAs、GaSb/GaAs、InGaAs/InP、CdTe/HgCdTe。

如果必须提供透明电极层，则可以提供ITO层。

Claims

1.一种在真空中波长接近于值λ₀的辐射的光电探测元件，包括：

指数为ns且厚度在λ₀/4ns与λ₀/20ns之间的半导体层(1)；

在该半导体层的一个面上的、指数n1小于ns的、透得过所述波长的第一介质(3)；

在该半导体层的另一面上的：

指数n2小于ns、宽度L基本等于λ₀/ns的第二介质(6)的区域(5)，以及

在所述区域的任一面上的、指数n3大于指数n2的、由第二介质形成反射界面的第三介质(7)。

2.如权利要求1所述的光电探测器元件，其中半导体层(1)具有在λ₀/4ns与λ₀/10ns之间的厚度。

3.如权利要求1所述的光电探测器元件，其中第二介质(6)与第一介质(3)相同。

4.如权利要求1所述的光电探测器元件，其中第二介质(6)的指数大于第一介质(3)的指数。

5.如权利要求1所述的光电探测器元件，其中第三介质(7)是金属。

6.如权利要求5所述的光电探测器元件，其中第三介质(7)具有大于λ₀/10的厚度。

7.如权利要求1所述的光电探测器元件，其中HgCdTe半导体层形成在CdTe衬底上，第二介质也是CdTe，并且第三介质是金。

8.如权利要求1所述的光电探测器元件的组件，平行连接以形成大尺寸的光电探测器。

9.如权利要求1所述的光电探测器元件的组件，分离连接以形成像素阵列。

10.如前述权利要求中的任一项所述的光电探测器元件的组件，包括能够在相同或不同波长下操作的光电探测器元件。