NO843615L

NO843615L - INFRA-ROED DETECTOR.

Info

Publication number: NO843615L
Application number: NO843615A
Authority: NO
Inventors: Peter Knowles; Graham Thomas Jenkin
Original assignee: Marconi Co Ltd
Priority date: 1983-09-13
Filing date: 1984-09-12
Publication date: 1988-03-01
Also published as: GB2201835A; SE8504829D0; GB8423179D0; GB2201835B; DK437084A; IT8567525A0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår infrarøde fotodetektorer av den typen som har kadmiumkvikksølvtellurid (CdxHg1-X Te) som fotofølsomt materiale og angår spesielt fotoledende detektorer av denne typen. The present invention relates to infrared photodetectors of the type that have cadmium mercury telluride (CdxHg1-X Te) as photosensitive material and relates in particular to photoconductive detectors of this type.

Minoritetsbærerens levetid er en viktig materialparameter ved cadmiumkvikksølvtellurid fotoledende detektorer, spesielt ved anvendelser hvor det er nødvendig med høy føl-somhet eller lange minoritetsbærerdriftlengder. Den effek-tive minoritetsbærerlevetiden er begrenset av masse rekom-binasjonsprosessen og av overflaterekombinasjonshastigheten. Overflaterekombinasjonshastigheten er svært følsom for prosessteknikkene anvendt ved fremstilling av fotodetektorer. The lifetime of the minority carrier is an important material parameter for cadmium mercury telluride photoconductive detectors, especially in applications where high sensitivity or long minority carrier operating lengths are required. The effective minority carrier lifetime is limited by the mass recombination process and by the surface recombination rate. The surface recombination rate is very sensitive to the process techniques used in the manufacture of photodetectors.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en infrarød fotodetektor av typen kadmiumkvikksølvtellurid med høy ytelse ved hjelp av en konstruksjon som øker den gjennomsnittlige levetiden for minoritetsbærerne. An object of the present invention is to provide an infrared photodetector of the cadmium mercury telluride type with high performance by means of a construction which increases the average lifetime of the minority carriers.

Ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter en fotodetektor flere overlagrede tynne epitaksiale sjikt som strekker seg mellom et par kontakter anordnet ved bruk for å generere et elektrisk felt hovedsakelig i planet til sjiktene, kjennetegnet ved at sjiktene er sammensatt av kamiumkvikk-sølvtellurid, et sett av vekselvise sjikt er isolert fra det andre settet med vekselvise sjikt og nevnte sett ad-skilles fra hverandre i ledeevnekarakteristikk for således å ha en tendens ved bruk å separere fotoeksiterte elektroner fra fotoeksiterte hull. According to the present invention, a photodetector includes a plurality of superimposed thin epitaxial layers extending between a pair of contacts arranged in use to generate an electric field substantially in the plane of the layers, characterized in that the layers are composed of calcium mercury-silver telluride, a set of alternating layers being isolated from the second set of alternating layers and said sets are separated from each other in conductivity characteristics so as to tend in use to separate photoexcited electrons from photoexcited holes.

Fotodetektoren innbefatter fortrinnsvis flere av nevnte sjikt - typisk 10 eller flere. Fortrinnsvis er sjiktene mindre enn 1/am tykke. The photodetector preferably includes several of said layers - typically 10 or more. Preferably, the layers are less than 1 µm thick.

To sett med sjikt kan være dopet forskjellig slik at et sett med sjikt har ledeevne av p-typen og det andre settet med sjikt har ledeevne av n-typen. Alternativt kan begge settet med sjikt være av p-typen (eller begge av n-typen), men være forskjellig med hensyn til deres grad av doping. Two sets of layers can be doped differently so that one set of layers has p-type conductivity and the other set of layers has n-type conductivity. Alternatively, both sets of layers may be p-type (or both n-type) but differ in their degree of doping.

Sjiktene kan være brakt til vokst ved molekular stråleepi-taksi, organisk metalldampfaseepitaksi eller ved hjelp av andre egnede kjente epitaksiale vekstmetoder på egnet substrat . The layers can be grown by molecular beam epitaxy, organic metal vapor phase epitaxy or by means of other suitable known epitaxial growth methods on a suitable substrate.

I løpet av avsetningen av sjiktene kan dopearten (p-typen eller n-typen) og/eller graden av dopingen blir variert kontinuerlig eller diskontinuerlig avhengig av den ønskede lede- og valensbåndprofilen. Sammensetningen av kadmium-kvikksølvtellurid kan bli variert i løpet av avsetningen ved periodisk å variere kadmiumet: kvikksølvforholdet, som derved definerer en stabel med sjikt ved hvilken verdien x i formelen C<d>xHg1_xTe varierer periodisk. During the deposition of the layers, the type of doping (p-type or n-type) and/or the degree of doping can be varied continuously or discontinuously depending on the desired conduction and valence band profile. The composition of cadmium-mercury telluride can be varied during deposition by periodically varying the cadmium:mercury ratio, thereby defining a stack of layers at which the value of x in the formula C<d>xHg1_xTe varies periodically.

En utførelsesform av oppfinnelsen skal nå bli beskrevet ved hjelp av et eksempel med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et diagrammessig tverrsnitt av en fotoledende I.R. detektor i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser et energinivådiagram som angår epitaksial-sjiktene på fig. 1. Fig. 3 viser en perspektivskisse av detektoren på fig. 1. An embodiment of the invention will now be described by means of an example with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows a diagrammatic cross-section of a photoconductive I.R. detector in accordance with the invention. Fig. 2 shows an energy level diagram relating to the epitaxial layers of fig. 1. Fig. 3 shows a perspective sketch of the detector in fig. 1.

Fig. 1 viser en stabel med epitaksielt avsatte kadmium-kvikksølvtelluridsjikt på et substrat 1. Et sett med vekselvise sjikt 2 er n-dopet og det andre settet 3 er p- dopet, p-sjiktene er isolert fra n-sjiktene ved hjelp av områder 4 og 5 av n-typen. Avsatte metallkontakter 6 og 7 er anordnet for å generere en feltgradient i planet til sjiktene 2, 3. Fig. 1 shows a stack of epitaxially deposited cadmium-mercury telluride layers on a substrate 1. One set of alternating layers 2 is n-doped and the other set 3 is p-doped, the p-layers are isolated from the n-layers by areas 4 and 5 of the n-type. Deposited metal contacts 6 and 7 are arranged to generate a field gradient in the plane of layers 2, 3.

Båndyttergrensene som en funksjon av avstanden langs vekstaksen er vist på fig. 2. Det fremgår at energinivåene E til ledebåndet C og valensbåndet V er svært sinusformet over detektorens tykkelse. The band outer limits as a function of the distance along the growth axis are shown in fig. 2. It appears that the energy levels E of the conduction band C and the valence band V are very sinusoidal across the thickness of the detector.

Prinsippet ved driften er også antydet på fig. 2. Absorp-sjonen av strålingen hY mellom direkte mellombåndovergan-ger er følt av relaksjon av fotoeksiterte bærere til til-liggende båndytterpunkt (elektroner e i ledebåndet, hull h i valensbåndet). Periodisk doping av konstruksjonen bevir-ker fotoeksiterte elektron- og hullbærere til å oppta statisk diskre plan Pe og P-^ og rekombinas jonshastighetene (vist med striplede piler) kan bli redusert sammenlignet med det jevnt dopede materialet med følgelig økning av effektiv minoritetsbærerlevetid. The principle of operation is also indicated in fig. 2. The absorption of the radiation hY between direct intermediate band transitions is felt by relaxation of photoexcited carriers to adjacent band extremes (electrons e in the conduction band, holes h in the valence band). Periodic doping of the structure causes photoexcited electron and hole carriers to occupy static discrete planes Pe and P-^ and the recombination ion rates (shown by striped arrows) can be reduced compared to the uniformly doped material with a consequent increase in effective minority carrier lifetime.

Elektronenes og hullenes mobilitet i retningen perpendiku-lært på dopeplanet blir redusert sammenlignet med jevnt dopet materiale og driften eller diffusjonen til fotoeksiterte bærere mot detektoroverflaten som ligger parallelt med dopeplanet blir sperret ved periodisk interne elektri-ske felt i detektoren. Lave overflaterekombinasjonshastig-heter blir tilveiebrakt ved denne metoden. The mobility of the electrons and holes in the direction perpendicular to the doping plane is reduced compared to uniformly doped material and the drift or diffusion of photoexcited carriers towards the detector surface which lies parallel to the doping plane is blocked by periodic internal electric fields in the detector. Low surface recombination rates are provided by this method.

Elektron- og hullmobiliteten ved de to dimensjonene parallelt med dopeplanene er ikke sperret av periodiske elek-triske felt og lange minoritetsbærerdriftlengder er resul-tat i disse retningene. Electron and hole mobility in the two dimensions parallel to the doping planes is not blocked by periodic electric fields and long minority carrier drift lengths are the result in these directions.

Detektorgeometrien vist som eksempel på fig. 3 gjør opti-mal bruk av denne periodiske dopede konstruksjonen når L, W >> t og L kan være lang sammenlignet med konvensjonelle detektorer og kan ha fordelen av svært jevne store områ-desampler kjennetegnet av epitaksial vekst. Som et eksempel kunne denne konstruksjonen være fordelaktig ved den typen av detektorer som er kjent som "TED" eller "SPRITE" The detector geometry shown as an example in fig. 3 makes optimal use of this periodically doped construction when L, W >> t and L can be long compared to conventional detectors and can have the advantage of very uniform large area desamplers characterized by epitaxial growth. As an example, this construction could be advantageous in the type of detectors known as "TED" or "SPRITE"

(Dr.C.T.Elliott, "The SPRITE-detector" I.E.E. Conference of Advanced Infrared Detectors and Systems, October 1981). Som sådan vil den tilveiebringe en betydelig forbedring i forhold til tidligere kjente anordninger. (Dr.C.T.Elliott, "The SPRITE detector" I.E.E. Conference of Advanced Infrared Detectors and Systems, October 1981). As such, it will provide a significant improvement over previously known devices.

Generelt vil spesielle kontakter være nødvendig for å drive anordningen vist på fig. 3. p-sjiktene skulle være isolert fra metallkontakten for å ta vare på økningen av minoritetsbærerlevetiden ved n-materialet, gjort mulig ved bruk av multisjiktkonstruksjonen. CMT-overflaten umiddel-bart under metallkontaktene skulle være av n-typen, som kan bli tilveiebrakt ved f.eks. ione-innpoding. In general, special contacts will be necessary to operate the device shown in fig. 3. The p-layers should be isolated from the metal contact to take care of the increase of the minority carrier lifetime of the n-material, made possible by the use of the multi-layer construction. The CMT surface immediately below the metal contacts should be of the n-type, which can be provided by e.g. ion implantation.

Anordningen er hovedsakelig en fotodetektor av n-typen med begravde isolerte sjikt av p-typen. The device is mainly an n-type photodetector with buried p-type insulated layers.

Claims

1. Photodetector including several superimposed thin epitaxial layers (2, 3) extending between a pair of contacts (6, 7) arranged to generate an electric field in use mainly in the plane of the layers, characterized in that the layers are composed of cadmium-mercury telluride, that one set of alternating layers (3) is isolated from the other set of alternating layers (2), and that the sets differ in their conductivity characteristics so as to tend in use to separate photoexcited electrons from photoexcited holes.

2. Photo detector according to claim 1, characterized in that it has 10 or more layers.

3. Photo detector according to claim 1 or 2, characterized in that the layer is up to 1 pm thick.

4. Photodetector according to any one of the preceding claims, characterized in that one set of layers has conductivity of the n-type and that the other set of layers has conductivity of the p-type.

5. Photodetector according to claims 1 to 3, characterized in that both layers have conductivity of the n-type or both sets of layers have conductivity of the p-type, but differ in their degree of resp. n- or p-type.

6. Photodetector according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes a device for scanning detected radiation over the layers in the same direction as and at substantially the same speed as the operation of the holes in the layers.