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Dokumentenidentifikation DE69735990T2 04.01.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000849798
Titel Photoleitender Detektor
Anmelder Thales, Paris, FR
Erfinder Costard, Eric, 94117 Arcueil Cedex, FR;
Bois, Philippe, 94117 Arcueil Cedex, FR;
Herniou, Eric, 94117 Arcueil Cedex, FR;
Audier, Marcel, 94117 Arcueil Cedex, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69735990
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 02.12.1997
EP-Aktenzeichen 974028946
EP-Offenlegungsdatum 24.06.1998
EP date of grant 31.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.01.2007
IPC-Hauptklasse H01L 25/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 27/146(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Detektor für elektromagnetische Wellen, und insbesondere einen mit Photoleitung arbeitenden Detektor.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Detektorarchitektur, die es ermöglicht, den Dunkelstrom und den Photostrom zu unterdrücken, der von der beobachteten Szene stromaufwärts vor der Leseschaltung erzeugt wird.

Die Infrarot-Erfassungssysteme vom Matrixtyp, die auf einer Leseschaltung aus Silicium hybridisiert sind, werden bezüglich der Dynamik und der Betriebstemperatur durch die Dunkel- und Szeneströme eingeschränkt. Jedem Pixel der aktiven Erfassungsmatrix entspricht eine Integrations- und Leseschaltung auf dem Siliciumchip. Je größer das Format der Matrix wird, desto mehr nehmen die verfügbare Fläche pro Pixel für die Leseschaltung und insbesondere die Speicherkapazität ab (die verfügbare Fläche für die Leseschaltung eines Pixels einer Matrix mit einem Format von mehr als 2562 liegt unter 30 × 30 &mgr;m2). Die Hintergrund- und Dunkelströme erzeugen ein Offset, das die Speicherkapazität des Nutzsignals begrenzt. Der Dunkelstrom variiert exponential mit der Betriebstemperatur der Erfassungsmatrix. Ein anderer Weg besteht darin, diese Stromunterdrückung in Höhe der Silicium-Leseschaltung durchzuführen. Diese neue Funktion der Si-Schaltung erzeugt aber Rauschen und greift auf die Fläche der Speicherkapazität über.

Aus dem Stand der Technik US 5 552 603 ist es bekannt, einen Mehrwellenlängendetektor herzustellen, indem mindestens zwei aktive Detektorelemente gestapelt werden. Es werden aber keine spezifischen Mittel vorgeschlagen, um das Problem des Dunkelstroms zu lösen.

Die Erfindung betrifft also einen Detektor für elektromagnetische Wellen mit Photoleiter, der aufweist:

  • – mindestens zwei aktive Detektorelemente mit Photoleitern ebener Form, die gestapelt sind und durch eine gemeinsame Schicht getrennt werden;
  • – ein erstes Verbindungsmittel, das mit den beiden Detektorelementen gemeinsam verbunden ist, ein zweites Verbindungsmittel, das mit dem ersten Detektormittel verbunden ist, und ein drittes Verbindungsmittel, das mit dem zweiten Detektorelement verbunden ist;
  • – Mittel, um an jedes Verbindungsmittel Steuerspannungen anzulegen, wobei ein an das erste Verbindungsmittel angelegtes Potential einen Wert hat, der zwischen den an das zweite und dritte Verbindungsmittel angelegten Potentialen liegt;
  • – Mittel, die mit dem ersten Verbindungsmittel verbunden sind, um Photoleitungsströme der beiden Detektorelemente zu erfassen, wobei die Ströme auf die zu erfassende Wellenlänge (I1, I2) zurückzuführende Ströme und Dunkelströme oder Dunkelströme und Szene-Ströme (I1opt, I2opt) aufweisen,

    dadurch gekennzeichnet, dass:
  • – die beiden Detektorelemente auf der gleichen Wellenlänge photoleitend sind;
  • – die an das zweite Verbindungsmittel angelegte Steuerspannung (V1) oder die an das dritte Verbindungsmittel angelegte Steuerspannung (V2) so geregelt wird, dass die Dunkelströme (I1d, I2d) in den beiden aktiven Detektorelementen (D1, D2) geregelt werden;
  • – die Mittel zur Erfassung der Photoleitungsströme der beiden Detektorelemente die Differenz zwischen den auf die Wellenlänge &lgr;(I1 – I2) zurückzuführenden Strömen erfassen.

Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:

1a ein vereinfachtes Beispiel eines erfindungsgemäßen Detektors;

1b einen elektrischen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Detektors;

2 ein detailliertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors;

die 3a und 3b eine erfindungsgemäße Detektormatrix in Draufsicht bzw. in einer Schnittansicht;

die 4a bis 4c ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Detektors;

die 5 bis 9 Ausführungsvarianten der Erfindung.

Wie vereinfacht in 1a dargestellt, weist der erfindungsgemäße Detektor auf ein Substrat gestapelt auf:

  • – eine Kontaktschicht C2
  • – eine aktive photoleitende Schicht D2
  • – eine gemeinsame Kontaktschicht Cc
  • – eine aktive photoleitende Schicht D1
  • – und eine Kontaktschicht C1

Die aktiven photoleitenden Schichten D1, D2 können Schichten aus photoleitendem Halbleitermaterial sein, wie zum Beispiel Silicium. Sie können ebenfalls in Form eines Stapels von Schichten hergestellt werden, die Detektoren mit Quantentrögen bilden. Die beiden aktiven Schichten D1, D2 sind auf der gleichen Wellenlänge &lgr; photoleitend. Eine der aktiven Schichten ist konzipiert, um bei der Wellenlänge &lgr; sehr absorbierend zu sein, während die andere Schicht vorgesehen ist, um sehr wenig oder praktisch gar nicht absorbierend zu sein. Dies kann durch verschiedene Stärken der aktiven Schichten oder durch stärkere Dotierung der Schichten von Quantentrögen der stärker absorbierenden aktiven Schicht vorgesehen werden.

Da der Detektor von der zu erfassenden Strahlung beleuchtet wird, wie dies in den 1a und 2 dargestellt ist, empfängt die aktive Schicht D2 die Strahlung zuerst.

Wenn die Schicht D1 stärker absorbierend ist als die Schicht D2, kann man in Zuordnung zu der Fläche der Schicht D1, die die Kontaktschicht C1 trägt, ein Beugungsgitter vorsehen. Dieses Gitter empfängt das Licht, das bei der ersten Durchquerung der Schicht D1 nicht absorbiert wurde, und beugt es zur Schicht D1. Das gebeugte Licht wird von der Schicht D1 absorbiert oder praktisch absorbiert.

Wenn die Reaktion der Schicht D2 wesentlich stärker ist als diejenige der Schicht D1, absorbiert sie praktisch die ganze Strahlung auf der Wellenlänge. Außerdem kann die Schicht Cc vorgesehen sein, um die Wellenlänge &lgr; zu blockieren. Diese Schicht kann zum Beispiel metallisch oder aus Halbleitermaterial sein, das die Wellenlänge &lgr; blockiert.

Die Kontaktschichten C1 und C2 ermöglichen das Anlegen von Steuerspannungen. Die Kontaktschicht Cc ist den beiden die aktiven photoleitenden Schichten enthaltenden Detektorelementen gemeinsam.

Sie wird auf ein Bezugspotential gebracht und ermöglicht die Erfassung von Photoströmen, die von den Detektoren D1, D2 erzeugt werden.

2a stellt eine detailliertere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors dar, gemäß der der Detektor in einem isolierenden Material IS verkapselt ist. Die Kontaktplättchen P1, P2, Pc durchqueren diese Isolierung und ermöglichen die Kontaktaufnahme auf den Kontaktschichten C1, C2 bzw. Cc.

Das Substrat ist für die zu messende Wellenlänge transparent. Der Detektor empfängt also die Strahlung RZ durch das Substrat hindurch.

Wenn der Detektor eine Strahlung RZ empfängt, wird zur Erfassung der Wellenlänge &lgr; (oder des Wellenlängenbereichs) angelegt:

  • – eine Spannung V1 an die Kontaktschicht C1
  • – eine Spannung V2 an die Kontaktschicht C2
  • – eine zwischen V1 und V2 liegende, schwebende Spannung (oder Masse) Vc an die gemeinsame Kontaktschicht Cc.

Im Aufbau D1 fließt ein Strom I1 = I1d + I1opt und im Aufbau D2 fließt ein Strom I2 = I2d + I2opt

Die Ströme I1d und I2d sind Dunkelströme in D1 und D2. Die Ströme I1d und I2d können auch die Summe eines Dunkelstroms und eines Szenestroms darstellen. Die Ströme I1opt und I2opt sind die Ströme von der in D1 und D2 zu erfassenden Wellenlänge &lgr; stammenden Ströme.

Gemäß 1b hat der von der Leseschaltung gesammelte Strom i den Wert: I = I1 – I2

Durch Regelung der Spannung V1 oder V2 ist es möglich, I1d = I2d zu regeln. Der Wert des erfassten Stroms ist also: I = I1opt – I2opt

Indem man vorsieht, dass eine der beiden aktiven Schichten nur sehr wenig Energie der Welle &lgr; absorbiert, ist der Strom I also derjenige, der von der aktiven Schicht erzeugt wird, welche die stärkste Reaktion hat.

Die 3a und 3b stellen in einer Draufsicht und im Schnitt eine Matrix-Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bispektralen Detektors dar.

Die verschiedenen Detektoren werden auf einer Steuerkontaktschicht C2 hergestellt, die allen Detektoren gemeinsam ist. Das Verbindungskontaktplättchen P2 ist also der ganzen Matrix gemeinsam. Jeder Detektor der Matrix weist ein Detektorelement D1 und ein Detektorelement D2 sowie die Kontaktschichten C1 und Cc und die Verbindungskontaktplättchen P1 und Pc auf. Die Verbindungskontaktplättchen P1 sind alle miteinander verbunden, um an alle Detektorelemente D1 der Matrix eine Spannung V1 (siehe oben) anzulegen. Da die Kontaktschicht C2 und das Verbindungskontaktplättchen P2 der ganzen Matrix gemeinsam sind, wird die an das Kontaktplättchen P2 angelegte Spannung V2 an alle Detektorelemente D2 der Matrix angelegt.

Zum Lesen der Detektoren der Matrix befindet sich jeder Detektor am Kreuzungspunkt eines Netzes von Zeilen- und Spaltenleitern. In 3c ist nur das Verbindungskontaktplättchen Pc jedes Detektors dargestellt. An jedem Kreuzungspunkt ist zum Beispiel ein Transistor Tr vorgesehen, dessen Basis mit dem Zeilendraht verbunden ist. Der Emitter und der Kollektor sind je mit einem Kontaktplättchen Pc und mit einem Spaltendraht verbunden. Das Anlegen einer geeigneten Spannung an einen Zeilendraht ermöglicht die Steuerung aller Transistoren der Zeile und die Verbindung aller Kontaktplättchen Pc einer Zeile mit Spaltendrähten. So ist es möglich, auf jedem Spaltendraht den Photostrom zu lesen, der von dem mit diesem Spaltendraht verbundenen Detektor erzeugt wird.

In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Schichten C1 miteinander verbunden und werden von der gleichen Spannung gesteuert. Gleiches gilt für die Kontaktschichten C2, die mit dem Kontaktplättchen P2 verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsvariante sieht man aber vor, dass die Steuerkontaktschicht C2 in Streifen geschnitten ist, so dass jeder Streifen zu einer Zeile von Detektoren gehört. Dann hat man ein Kontaktplättchen P2 pro Kontaktstreifen C2, d.h. pro Zeile von Detektoren.

In ähnlicher Weise werden alle Kontaktplättchen P1, anstatt sie alle miteinander zu verbinden, pro Zeilen von Detektoren verbunden. Es gibt ein Kontaktplättchen P1 pro Zeile von Detektoren.

Die Kontaktplättchen Pc der Detektoren sind über Spaltendrähte der Matrix miteinander verbunden.

Der Betrieb der Detektormatrix erfolgt dann sequentiell zeilenweise.

Unter Bezugnahme auf die 4a bis 4c wird nun ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Detektors beschrieben.

Auf einem für die zu erfassenden Wellenlängen transparenten Substrat werden nacheinander eine Kontaktschicht C2, eine oder mehrere das Photodetektorelement D2 bildende photoleitende Schichten D2, eine gemeinsame Kontaktschicht Cc, eine oder mehrere das Photodetektorelement D bildende photoleitende Schichten D1, eine Kontaktschicht C1 hergestellt (4a).

Das obere Detektorelement D1 wird durch das Ätzen der Schichten C1 und D1 mit Beenden des Ätzens auf der Kontaktschicht Cc bestimmt (4b).

Das untere Detektorelement D2 wird anschließend durch Ätzen der Schichten Cc und D2 mit Beenden des Ätzens auf der Kontaktschicht C2 bestimmt (3c).

Die Einheit wird anschließend mit einer Isolierschicht IS bedeckt (2).

Dann werden drei Löcher in der Isolierschicht hergestellt, um zu den drei Kontaktschichten Zugang zu erhalten, und es werden Metallüberzüge in diesen Löchern hergestellt, um die Kontaktplättchen P1, P2 und Pc zu erhalten.

Zum Herstellen einer Detektormatrix werden die verschiedenen Detektoren wie oben beschrieben kollektiv hergestellt. Man erhält dann einen Aufbau, wie er in 3b dargestellt ist. Wie man gesehen hat, ist das Kontaktplättchen P2 der ganzen Matrix gemeinsam. Dann müssen also nur noch an der Oberfläche der Matrix die Verbindungsleiter der Kontaktplättchen P1 und dann das Verbindungsmatrixgitter der Kontaktplättchen Pc hergestellt werden.

Bisher wurde die Erfindung durch die Herstellung von Detektoren mit senkrechtem Transport, wie die Detektoren mit Mehrfach-Quantentrögen, beschrieben. Nun wird die Erfindung mit Detektoren mit waagrechtem Transport beschrieben.

Der Detektor besteht aus zwei aktiven Schichten, die durch eine Isolierschicht Cc getrennt sind (siehe 5).

Ohmsche Kontakte sind an den beiden Enden jeder aktiven D1, D2 definiert. An einem der Enden des Detektors werden die ohmschen Kontakte zusammengeschlossen, um den Lesekontakt Pc zu definieren. Dieser Kontakt Pc (ein Kontakt pro Pixel) gewährleistet die Verbindung mit der Eingangsstufe der Leseschaltung. Der untere Kontakt P2 ist mit der aktiven Schicht D2 verbunden. Der obere Kontakt P1 ist mit der aktiven Schicht D1 verbunden. Man sieht also, dass, wenn die aktiven Schichten geeignet vorgespannt werden, der Detektor einen ähnlichen Betrieb hat, wie er oben beschrieben wurde, mit dem Unterschied, dass man einen Stromfluss entlang der Ebene der aktiven Schichten anstatt senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht hat.

In 5 wurde eine Isolierschicht IS1 zwischen der aktiven Schicht D2 und dem Substrat vorgesehen.

6 stellt eine Matrixanordnung von Detektoren wie denjenigen der 5 dar. In dieser Anordnung sind alle Kontakte P1 miteinander über Spaltendrähte verbunden. Gleiches gilt für die Kontakte P2 und Pc. Ein zentrales Testkontaktplättchen Pt pro Detektor ermöglicht die Durchführung eines Stromtests.

7 stellt eine Ausführungsvariante der 5 dar, die eine leitende Schicht C3 aufweist, die auf dem Substrat angeordnet ist und auf der der Aufbau der 5 ausgebildet ist.

8 stellt eine Matrixanordnung von Detektoren der 7 dar. Die Schicht C3 ermöglicht es in dieser Matrixanordnung, ein einziges Verbindungskontaktplättchen P2 zu haben, das allen Detektorpixeln gemeinsam ist.

Eine gewisse Anzahl zusätzlicher Möglichkeiten können genutzt werden:

  • – die Möglichkeit, Beugungsgitter vorzusehen, die auf die Oberseite des Detektors geätzt sind, um die Stärke der aktiven Schicht zu minimieren und die Ansprechempfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen; sie ermöglichen es ebenfalls, die Reaktion der beiden Stufen unsymmetrisch zu gestalten;
  • – die Möglichkeit, eine "Schlangenform"-Geometrie herzustellen (siehe 9), die es ermöglicht, den Widerstand des Pixels (Erhöhung der entwickelten Länge und Verringerung der äquivalenten elektrischen Fläche für eine im wesentlichen gleiche optische Fläche) zu erhöhen; diese Geometrie ergibt ebenfalls etwas Flexibilität bezüglich der metallurgischen Fehler, da diese dann nur noch lokale Kurzschlüsse erzeugen.


Anspruch[de]
Detektor für elektromagnetische Wellen mit Photoleiter, der aufweist:

– mindestens zwei aktive Detektorelemente mit Photoleitern (D1, D2) ebener Form, die gestapelt sind und durch eine gemeinsame Schicht (Cc) getrennt werden;

– ein erstes Verbindungsmittel (Pc), das mit den beiden Detektorelementen gemeinsam verbunden ist, ein zweites Verbindungsmittel (P1), das mit dem ersten Detektormittel verbunden ist, und ein drittes Verbindungsmittel (P2), das mit dem zweiten Detektorelement verbunden ist;

– Mittel, um an jedes Verbindungsmittel Steuerspannungen (V1, V2) anzulegen, wobei ein an das erste Verbindungsmittel angelegtes Potential einen Wert hat, der zwischen den an das zweite und dritte Verbindungsmittel angelegten Potentialen (V1, V2) liegt;

– Mittel, die mit dem ersten Verbindungsmittel verbunden sind, um Photoleitungsströme der beiden Detektorelemente zu erfassen, wobei die Ströme auf die zu erfassende Wellenlänge (I1, I2) zurückzuführende Ströme und Dunkelströme oder Dunkelströme und Szene-Ströme (I1opt, I2opt) aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass:

– die beiden Detektorelemente auf der gleichen Wellenlänge photoleitend sind;

– die an das zweite Verbindungsmittel angelegte Steuerspannung (V1) oder die an das dritte Verbindungsmittel angelegte Steuerspannung (V2) so geregelt wird, dass die Dunkelströme (I1d, I2d) in den beiden aktiven Detektorelementen (D1, D2) geregelt werden;

– die Mittel zur Erfassung der Photoleitungsströme der beiden Detektorelemente die Differenz zwischen den auf die Wellenlänge &lgr;(I1 – I2) zurückzuführenden Strömen erfassen.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schicht (Cc) eine elektrische Kontaktschicht ist, wobei das erste Verbindungsmittel (Cc) mit dieser gemeinsamen Schicht verbunden ist, und dass die Einheit der beiden Detektorelemente zwischen zwei Kontaktschichten elektrischer Steuerung (C1, C2) eingeklemmt sind, wobei das zweite und das dritte Verbindungsmittel (P1, P2) je mit einer Steuerkontaktschicht verbunden sind. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schicht (Cc) eine isolierende Schicht ist, dass das erste Verbindungsmittel mit einem ersten Ende jedes Detektorelements verbunden ist, und dass das zweite und das dritte Verbindungselement je mit einem zweiten Ende eines Detektorelements verbunden sind, wobei das erste Ende und das zweite Ende jedes Detektorelements einander entgegengesetzte Enden des Detektorelements sind. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion eines der Detektorelemente deutlich stärker ist als die Reaktion des anderen Detektorelements, so dass es praktisch die gesamte Lichtenergie bei der Wellenlänge absorbiert, für die es photoleitend ist. Detektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schicht (Cc) für die zu erfassende Wellenlänge nicht transparent ist, so dass die aktive Schicht eines der Detektorelemente (D1) diese Wellenlänge nicht empfängt. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Potentiale des zweiten oder des dritten Verbindungsmittels so geregelt wird, dass die Dunkelströme oder die Summen der Dunkel- und Szene-Ströme der beiden Detektorelemente gleich sind. Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Matrix aus Detektoren nach Anspruch 2 aufweist, die auf einem Substrat hergestellt ist, wobei eine erste Steuerkontaktschicht (C2) sich auf der Fläche des Substrats befindet und allen Detektoren gemeinsam ist, wobei jeder Detektor auf dieser ersten Steuerkontaktschicht ein erstes Detektorelement (D2) aus photoleitendem Material, eine Lesekontaktschicht (Cc), ein zweites Detektorelement (D1) aus photoleitendem Material, eine zweite Steuerkontaktschicht (C2) aufweist, wobei die zweiten Steuerkontaktschichten (C2) der verschiedenen Detektoren der Matrix miteinander verbunden sind. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Matrix aus Zeilenleitern und Spaltenleitern aufweist, die über die Matrix aus Detektoren gelegt ist, wobei jeder Detektor sich im Wesentlichen an einem Kreuzungspunkt der Matrix aus Zeilenleitern und Spaltenleitern befindet und mit dem Spaltendraht des Kreuzungspunkts über eine Schaltvorrichtung verbindbar ist, die von einem Potential gesteuert werden kann, das an den Zeilendraht des Kreuzungspunkts angelegt wird. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass:

– die erste Steuerkontaktschicht (C2) in Form von Streifen hergestellt ist, wobei eine Zeile von Detektoren auf jedem Streifen ausgebildet ist;

dass:

– die zweiten Kontaktschichten der Detektoren jeder Zeile von Detektoren auch miteinander verbunden sind;

– und dass die Lesekontaktschichten eines Detektors jeder Zeile von Detektoren miteinander verbunden sind, um Spalten von Detektoren zu bilden.
Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Matrix aus Detektoren nach Anspruch 3 aufweist, die auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei eine leitende Schicht (C3) sich auf der Fläche des Substrats befindet und allen Detektoren gemeinsam ist, wobei diese Schicht mit einer isolierenden Schicht (IS1) bedeckt ist, wobei jeder Detektor auf dieser isolierenden Schicht ein erstes Detektorelement (D2) aus photoleitendem Material, eine gemeinsame isolierende Schicht (Cc), ein zweites Detektorelement (D1) aus photoleitendem Material aufweist, wobei die zweiten Verbindungselemente wie auch die dritten Verbindungselemente miteinander verbunden sind.






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