(57)【要約】【課題】入射光子を捕獲するように設計され、第1導電型を有する半導体材料の少なくとも3つの重ね合わせた層のスタックを含むフォトダイオードを提供することである。【解決手段】前記スタックは、光キャリアを生成するために入射光子と相互作用するように設計された相互作用層(1)と、前記光キャリアを集めるコレクション層(2)と、前記コレクション層(2)内に前記光キャリアを閉じ込めるように設計された閉じ込め層(3)とを備える。コレクション層(2)は前記相互作用層(1)および閉じ込め層(3)のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する。そのフォトダイオードは、前記層の面に対して横断して延在する領域(4)も含み、前記領域はコレクション層(2)と閉じ込め層(3)に接触し、前記スタックとp-n接合を形成するために前記第1導電型と反対の導電型を有する。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1導電型を有する半導体材料の少なくとも3つの積層した層のスタックを含む、入射光子を捕獲するように設計されたフォトダイオードにおいて、
前記スタックは、
光キャリアを生成するために入射光子と相互作用するように設計された相互作用層(1)と、
前記光キャリアを集めるコレクション層(2)と、
前記コレクション層(2)内に前記光キャリアを閉じ込めるように設計された閉じ込め層(3)とを備え、
前記コレクション層(2)は前記相互作用層(1)および閉じ込め層(3)のバンドギャップより小さいバンドギャップを有し、
前記フォトダイオードは、前記層の面に対して横断して延在する領域(4)も含み、前記領域はコレクション層(2)と閉じ込め層(3)に接触し、前記スタックとp-n接合を形成するために前記第1導電型と反対の導電型を有するフォトダイオード。
【請求項２】
領域(4)が部分的に相互作用層(1)に延在することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
コレクション層(2)が相互作用層(1)より薄いことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のフォトダイオード。
【請求項４】
コレクション層(2)が0.5μm未満の厚さを有し、それに対し相互作用層(1)が1μmより大きな厚さを有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
相互作用層(1)を構成する前記材料が組成勾配を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項６】
閉じ込め層(3)が第1保護層(5)で覆われることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項７】
領域(4)に接触し、また光キャリアによって生成された電気信号を分析回路に転送することが可能である読出し接点(6)を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項８】
領域(4)が、くぼみ形状から始めて延在することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項９】
前記第1導電型がp型であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１０】
相互作用層(1)およびコレクション層(2)が、式Hg1-xCdxTeをもつ水銀、カドミウム、およびテルルの合金からなり、割合xがコレクション層(2)に対して0.1から0.5として選択されることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１１】
相互作用層(1)およびコレクション層(2)が、式Hg1-xCdxTeをもつ水銀、カドミウム、およびテルルの合金からなり、割合xが相互作用層(1)に対して0.1から1として選択されることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１２】
コレクション層(2)が、周辺の層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する中心層と共に、半導体材料でできた重ね合わせた層のスタックを含むことを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１３】
くぼみ部分であり、前記コレクション層(2)および閉じ込め層(3)の全高さにわたり、また前記相互作用層(1)の高さの一部にわたり、深さ方向に延在する領域(7)によって区切られ、前記スタックのその部分が、第2保護層(8)で覆われる前記領域(7)内に位置することを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１４】
第2保護層(8)がメタライゼーション層(9)によって覆われることを特徴とする請求項13に記載のフォトダイオード。
【請求項１５】
保護層(5)および(8)が単一の同一層であることを特徴とする請求項6、13又は14のいずれか一項に記載のフォトダイオード。
【請求項１６】
請求項1から15のいずれか一項に記載された、少なくとも2つの並置されたダイオードを含む電磁放射検出器。
【請求項１７】
アバランシェダイオードのカットオフ波長より小さい波長(λ<λAPD)を有する第1エネルギスペクトル中に光子を捕獲するように設計された請求項1から14のいずれかに記載の少なくとも1つのフォトダイオードであって、その上に、前記アバランシェダイオードの前記カットオフ波長と吸収層(12)のカットオフ波長の間の波長(λAPD<λ<λC12)をもつ第2エネルギスペクトル中に光子を捕獲するように設計された前記吸収層(12)、ならびに導電接点(16)に接続されたp-n接合領域(13)を含むプレーナ型ダイオードがあるフォトダイオードを備え、前記吸収層(12)が、領域(4)、前記吸収層(12)を覆う保護層(17)、および前記領域(4)を覆うメタライゼーション層(15)と連絡するウェルを有し、前記ウェルの一部の上の前記保護層(17)、接点(16)およびメタライゼーション層(15)が電気信号を前記フォトダイオードから分析回路に導くことができることを特徴とするデュアルスペクトル電磁放射検出器。
【請求項１８】
相互作用層(1)上で、コレクション層(2)を収容する面と反対側のその面上に配置される層(18)を含み、前記層(18)が、前記アバランシェフォトダイオードの前記カットオフ波長と前記コレクション層(2)の前記カットオフ波長の間の波長λ(λAPD<λ<λC2)を有する光子を透過しないかあるいはほんの僅かだけ透過し、しかし前記アバランシェフォトダイオードの前記カットオフ波長λAPDより小さい波長λ、あるいは前記コレクション層(2)のカットオフ波長λC2より大きい波長λを有する光子は透過することを特徴とする請求項17に記載のデュアルスペクトルスペクトル電磁放射検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、文字通り、特に、それが逆バイアスのアバランシェ動作モードで作動する場合に、光子の捕獲を意図したフォトダイオードに関する。
【０００２】
本発明は、この種の並置されたフォトダイオードを含む検出器にも関する。
【０００３】
したがって本発明は、オプトエレクトロニクス部品と検出器の分野に関する。
【背景技術】
【０００４】
既知の方法では、アバランシェダイオードは、比較的感度のよい、および/または比較的速い方法で、つまり短い応答時間で入ってくる光子流を検出するために使用される。実際に、アバランシェフォトダイオードは、増倍領域内でアバランシェ作用をトリガするのに十分な逆バイアスである場合、光キャリアを増幅することで検出可能にする。
【０００５】
したがって、アバランシェフォトダイオードは、アクティブイメージング用に実装の検出焦点面、遠距離通信分野の高速検出、分光、微弱光束の検出、および光子カウントさえも含む種々の可能な用途を有する。
【０００６】
既知の方法では、逆バイアスのダイオードは、n型ドープ層とp型ドープ層の間に位置した空乏領域に印加される電界の作用により自由電荷キャリアを加速することが可能になる。自由電荷キャリアのそのような加速は、ダイオードの特性により、自由電荷キャリアに、衝撃イオン化を生じるのに十分なエネルギを与え、それによりさらなる電子正孔対を生成する。
【０００７】
これが、アバランシェ作用、すなわち、少ない数の初めの光キャリアに始まる光キャリアの数の増倍を生み出す。この場合に、フォトダイオードにより検出された電流は、
IDA=M.ICC、
ここで、
IDAはアバランシェダイオードにより検出された電流であり、ICCは加えたバイアスがゼロの場合にダイオードにより検出される電流であり、Mはダイオードの利得、つまりアバランシェ作用による増倍率である。
【０００８】
しかし、従来技術によるほとんどのアバランシェダイオードでは、小電流に対するそのような増幅が電気的ノイズの増幅を引き起こし、したがって検出器のS/N比を低下させる。アバランシェダイオードの増幅された電流中の電子雑音の平均密度は、
iB-DA=M.(2.q.ICC.F)1/2であり、
ここで、qは電子の電荷であり、Fは雑音係数である。
【０００９】
雑音係数Fは、理想的には1である。つまり、そのアバランシェダイオードは、検出器により受け取った信号に雑音を付加することなく電流を増幅する。
【００１０】
既知であるが、雑音係数Fは電荷キャリアの増倍プロセスに強く依存する。その結果、雑音係数はダイオードのp-n接合の形状、および増倍が行われる空乏領域を形成する材料に依存する。
【００１１】
雑音係数は、ダイオードで生成される光キャリアに対する利得確率分布に
【００１２】
【数１】
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【００１３】
で関連付けられる。
ここで、σMおよびMは、それぞれアバランシェ利得確率分布の標準偏差および平均値である。
この分布は使用する材料とその接合形状に依存する。詳細には、衝撃イオン化が、正孔と電子によって生成される場合、増倍はきわめてランダムで雑音係数はかなり大きい(F>2)。それに対し増倍が、電子または正孔によって支配される材料中では雑音係数は小さく、2以下である。この場合には、雑音係数は空乏領域中での加速プロセスおよびキャリアのイオン化プロセスに依存し、さらにこのプロセスが接合の材料と形状に依存する。
【００１４】
近赤外線を検出する遠距離通信およびレーザ遠隔計測では、フォトダイオードを形成するのに使用される半導体材料は、InGaAsおよびInGaAsPなどインジウム(In)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、およびリン(P)の合金である。
【００１５】
そのようなフォトダイオードは、適切に逆バイアスした場合、電子と正孔が均等に寄与することによりキャリアを増倍させる。したがって、これらのフォトダイオードは、通常、2より大きい高い雑音係数Fを有する。
【００１６】
このために、フォトダイオードは、一般式Hg1-xCdxTeをもつカドミウム(Cd)、水銀(Hg)、およびテルル(Te)の合金を用いて製造されており、ここでxは0から1の間で変わり、合金組成中のカドミウムの割合を表す。
【００１７】
ここで割合xが約0.3であり、赤外の平均波長の放射を検出するために使用される材料が、基本的に電子によってトリガされる増倍を生じさせ、したがって比較的低い雑音係数Fと比較的小さいS/N比の劣化をもたらす。さらに、低温(77K)での低い逆バイアス(10V未満)に対して、この増倍により代表値で100を超える高い利得Mになる。
【００１８】
それに対し、割合xが0.55を超え、近赤外線を検出するのに使用される合金の場合には、キャリア増倍をほんの僅かであるが支配する正孔により、雑音係数Fは2以上となり、したがって検出器のS/N比を悪くする。
【００１９】
アバランシェフォトダイオードを通して流れる暗電流を最小化しようとする試みもなされている。既知の方法では、暗電流は、測定されるべき最小の光子流に対し検出器のS/N比の低下を引き起こすもととなり、したがって所与のバイアスに対し検出器の感度を制限することになる。アバランシェ利得を増加しようとする試みもなされている。
【００２０】
これを達成するために、従来技術による一解決策は、光キャリアが増倍する領域を入射光子との相互作用が生じる領域から分離することを伴う。実際には、この分離は、例えば相互作用領域のバンドギャップより大きなバンドギャップをもつ増倍領域を形成することによって得られる。
【００２１】
ダイオードの他の動作パラメータ、例えばその利得の均一性を改善することを可能にし、あるいは動作の間のダイオードのバイアス電圧を下げ、その雑音係数を減少させることを可能にする他の機能領域を追加することもできる。
【００２２】
ダイオードを構成する材料とそれらのドープの選択の他に、従来技術は、暗電流を減少させるために特別の構成も提案している。この構成としてガードリングが、p-n接合を囲んでそこからある距離の所に形成される。このガードリングは、ダイオード内に生じる電界集中の影響を制限することを可能にする。
【００２３】
従来技術によるフォトダイオードは、入射光子が吸収される相互作用層などの機能層のスタックに実質的に垂直な表面上に形成されたp-n接合をもつ共通の特性を有する。「The HgCdTe Electron Avalanche Photodiode」という表題のSPIE Proc.(Vol. 5564、44〜53ページ)に掲載された文献には、そのような「垂直」構造のフォトダイオードについて説明している。p型領域、空乏領域、さらにn型領域の間の界面が、アレイ検出器の場合に検出面の表面に垂直である。
【００２４】
検出すべき波長が5μm未満である、77Kで30〜1000の利得と、ほぼ1におおむね維持されている雑音係数で、利得で規格化した0.1μA/cm2〜1μA/cm2の暗電流が従来技術によるフォトダイオード中に流れる。
【非特許文献１】「The HgCdTe Electron Avalanche Photodiode」、SPIE Proc.(Vol. 5564、44〜53ページ)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
この暗電流は検出器の感度を制限する。フォトダイオードの動作温度が高くなればなるほど、暗電流も大きくなる。その結果、検出器が高温で動作しているときは、感度が低下する。
【００２６】
本発明の目的は、従来技術の伴う欠点をもたないフォトダイオードおよび検出器である。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、1に近い雑音係数Fと相対的に低い暗電流を有する並置されたフォトダイオードを含むフォトダイオードおよび検出器に関する。特に赤外および/または可視放射を検出する場合、低い逆バイアスでも、それにより検出器のS/N比を劣化させずに、本発明の目的であるフォトダイオードの利得を高くできる。
【００２８】
本発明の目的は、入射光子を捕獲するように設計され、第1導電型を有する半導体材料の少なくとも3つの重ね合わせた層のスタックを含むフォトダイオードである。そのスタックは、
−光キャリアを生成するために光子と相互作用するように設計された相互作用層と、
−これらの光キャリアを集めるコレクション層と、
−コレクション層内に光キャリアを閉じ込めるように設計された閉じ込め層と、を備える。
【００２９】
本発明によれば、コレクション層は相互作用および閉じ込め層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有し、そのフォトダイオードは、これらの層の面に対して横断して延在する領域も含み、この領域はコレクション層と閉じ込め層に接触し、スタックとp-n接合を形成するために第1導電型と反対の導電型を有する。
【００３０】
言い換えると、本発明によるフォトダイオードの構造は、重ね合わせた平行な層を横切って配置され、p-n接合を形成するために反対にドープされている領域から離れて、検出面と平行に延在する層を含む。
【００３１】
本発明の一実施形態では、前記領域は、相互作用層中に部分的に延在する。
【００３２】
コレクション層は、相互作用層より薄いほど有利である。実際に、前記層が薄くなればなるほど、それだけ暗電流が弱くなり、干渉放射との相互作用も弱くなることになる。実際には、コレクション層の厚さは0.5μmより薄くてよく、それに対し相互作用層の厚さは1μmを超えてよい。
【００３３】
そのような厚さは、コンパクトな全体寸法で、また干渉放射に対して無視し得る感度で、これらの層が、これらのコレクション層と相互作用層の機能を満たすことを可能にする。
【００３４】
相互作用層を構成する材料は、バンドギャップの勾配を有することが有利である。
【００３５】
実際には、閉じ込め層は第1保護層で覆われてよい。
【００３６】
読出し接点は、前記領域と接触するように為されており、光キャリアによって生成された電気信号を分析回路に転送するように設計されていることが有利である。
【００３７】
本発明の特定の一実施形態では、この横断して延在する領域は、くぼみ形状から始めて延在させることができる。
【００３８】
実際には、第1導電型はp型である。そのような相互作用層、コレクション層、および閉じ込め層のドープは、高性能のフォトダイオードの形成を可能にする。
【００３９】
本発明の特定の一実施形態では、相互作用層とコレクション層は、一般式Hg1-xCdxTeをもつ水銀、カドミウム、およびテルルの合金からなってよい。さらに割合xの選択された値は、コレクション層に対し0.1から0.5の間にあり、相互作用層に対して0.1から1の間にある。
【００４０】
そのような合金は、低い雑音係数と低い暗電流であるが、低いバイアスでかなり大きい増倍利得を有するフォトダイオードを形成することを可能にする。
【００４１】
本発明の他の実施形態では、コレクション層は、周辺層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する中央層を備える半導体材料からなる重ね合わせた層のスタックを含んでよく、したがってコレクション層と相互作用層の間、ならびにコレクション層と閉じ込め層との間の遷移を減少させる。言い換えると、コレクション層は、一方では相互作用層への、他方では閉じ込め層への段階的な遷移を示す2つの挿入層の間に挟まれている。これは、コレクション層の界面のヘテロ接合の所で欠陥の発生を減少させるか、あるいは防止することさえ可能にし、これに基づいて暗電流を減少させ、逆バイアス電圧に対しダイオードの抵抗を増加させる。
【００４２】
本発明は、「メサ」、つまり平坦な高台(flat-topped elevation)の形をしているフォトダイオードに関する。本発明によれば、このフォトダイオードは、コレクションおよび閉じ込め層の全高さにわたり、また相互作用層の高さの一部にわたり、深さ方向に延在するくぼみ領域によって区切られており、この領域内に位置するスタックのその部分は第1保護層でもよい第2保護層で覆われている。
【００４３】
言い換えると、それぞれのフォトダイオードは個別化され、並置された全てのフォトダイオードの相互作用層からなる共通の基板の上方に突出部を形成している。これは、光キャリアがp-n接合に収集される前に通過しなければならない拡散ボリュームを減少させることを可能にする。実際に、第1導電型をもたせてドープした層が反対の導電型の層に向かって、概して集中する形状を有する。その結果、この特徴により、そのような検出器の応答時間、ならびにその暗電流を減少させることが可能になる。
【００４４】
本発明による検出器の実用的な一実施形態では、第2保護層はメタライゼーション層で覆われてよい。
【００４５】
そのようなメタライゼーション層により、半導体材料と、本来、電気的に中性の、つまり「メサ」の側面上にある保護層との間の界面の所に、適切なバイアス電圧を印加することによって電荷キャリアを蓄積することが可能になる。したがって蓄積された電荷キャリアが、p-n接合の方に光キャリアをいっそう速く加速することができる電界を形成し、これが検出器の応答時間を減少させる働きをする。
【００４６】
本発明は、少なくとも2つのこの種の並置されたフォトダイオードを含む電磁放射検出器にも関する。
【００４７】
本発明は、先に説明したように、第2エネルギスペクトル内の光子を捕獲するように設計された吸収層を含むプレーナ型ダイオードがある、第1エネルギスペクトル内の光子を捕獲するように設計された少なくとも1つのフォトダイオード、ならびに導電接点に接続されるp-n接合領域を含むデュアルスペクトルスペクトル電磁放射検出器にも関し、この吸収層が、この吸収層を覆う保護層と前記p-n接合領域を覆うメタライゼーション層と共に前記p-n接合領域と連絡するウェルを有し、前記ウェル部分の上のこの保護層、この接点、およびこのメタライゼーション層が電気信号を前記フォトダイオードから分析回路に伝えることを可能にする。
【００４８】
さらに、一変形態様では、そのようなデュアルスペクトル検出器の動作は、フィルタとして機能する追加の層と共にコレクション層を収容するのとは反対側にある相互作用層の面を覆うことによっていっそう最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
したがって、図1は、相互作用層1が、赤外線または可視光線などの電磁放射の入射光子と相互作用するように設計された本発明の第1実施形態によるダイオードを示す。したがって相互作用層1は、好ましくは、横方向に、つまり検出すべき入射光子の方向にちょうど直角の角度で延在する。
【００５０】
実際には、層1は、第1導電型の、例えば一般式Hg1-xCdxTeをもつ水銀、カドミウムおよびテルルの合金を用いる半導体材料からなる。相互作用層の厚さ、つまり図1〜6の高さ寸法は、検出すべき放射の波長によって選択される。
【００５１】
したがって、短波長赤外線(λ<3μm)、中間波長赤外線(3μm<λ<6μm)、または長波長赤外線(λ>6μm)を検出する場合、相互作用層1の厚さはそれぞれ、1μm、3μm、または6μmを超えてよい。
【００５２】
従来の堆積手法が使用され、相互作用層1を、入射光線と相互作用層1の間の相互作用の間に放出された光キャリアを集めるように設計されたコレクション層2で覆う。相互作用層1と同様にコレクション層2は、一般式Hg1-xCdxTeであり、相互作用層1と同じ導電型であるが、より小さいバンドギャップを有する水銀、カドミウムおよびテルルの合金などの半導体材料からなる。
【００５３】
コレクション層2の厚さは、相互作用層1から発生した光キャリアを流すことを十分可能にするものである。この厚さは、フォトダイオードの暗電流を最小にするために減らされる。ここで、層2の厚さは0.1μmであるが、その厚さは、より薄い、例えば50nmでも、あるいはさらに薄くてもよい。さらにコレクション層2を薄くすることにより、p-n接合の空乏領域内の電荷キャリア生成または再結合現象を制限することが可能になり、トンネル効果によるこれらのキャリアの流れも制限することも可能になる。さらに、この厚さを減らしたために層2は、熱赤外線などの干渉放射とほんの僅かしか相互作用しない。
【００５４】
コレクション層2内に実質的に光キャリアを閉じ込めるように設計された閉じ込め層3がコレクション層2上に堆積される。層1および2と同様、閉じ込め層3は、第1導電型、つまりこの場合は、p導電型を有し、コレクション層2より大きなバンドギャップをもつ半導体材料でできている。閉じ込め層3の厚さは0.2μmから数μmである。好ましくは、p導電型が層1、2および3のために選択される。
【００５５】
フォトダイオードは、層1、2および3を形成する実質的に平行な面に対し横断的に延在する領域4も含む。したがって領域4は、層2および3と交差し、したがってそれらと電気的に接触している。
【００５６】
実際には、例えば領域4を形成するために、図2に示したように、閉じ込め層3の表面上に、任意の深さまで、しかし相互作用層1で終端するよう、イオン注入するか、初めにエッチングでくぼみをあける。次いで、p-n接合を積層1、2および3に形成するために、領域4が、エッチングの間に導電型を反転させることによって、あるいはイオン注入によるか、またはエッチング後の拡散によって形成される。その領域は、層1、2および3の導電型と反対の導電型を有する。したがって、この場合、層1、2および3がp型であれば、領域4はn型ドープ半導体からなる。
【００５７】
領域4を形成する工程は、従来通り実施され、その形状は光キャリアを集めるために必要とされるp-n接合界面の表面積により決定される。
【００５８】
領域4は、必ずしも層1の中に侵入させる必要はない。しかし、製造技術上の固有の制限のために、前記領域4が層2を貫通することを確保するため領域4は(できるだけ)僅かに層1の中に侵入させる。
【００５９】
図1および2に示した実施形態では、3つの層1、2および3は、第1導電型の、この場合p型で約NA=1.1016cm-3(ここでNAはアクセプタ状態の濃度を表す)のレベルにドープされ、それに対しエッチング部分の底の所にある領域4は、反対の導電型、つまりn型で、約ND=5.1016cm-3(ここでNDはドナー状態の濃度を表す)のドープレベルを有する。
【００６０】
次いで、閉じ込め層3が電気的に中性である第1保護層5で覆われる。領域4は、p-n接合内に集められた光キャリアによって生成された電気信号を検出器の分析回路(図に示されていない)に転送するために、例えば読出し接点である接点6を形成することを意図した導電材料と接触して配置される。読出しプロット6を構成する材料は、領域4を形成する材料と電気的に接触しているが、閉じ込め層3とは保護層5によって絶縁されている。この層5が形成された後、領域4が形成されてよい。図2の場合には、エッチングしたウェルは導電材料によって蓋をされている。
【００６１】
相互作用層1は、また光キャリアを相互作用層1からコレクション層2の方へ移動可能にする電界を生じるのに適した組成勾配を有することが有利である。したがってフォトダイオードを逆バイアスで動作した場合、この内部電界が光キャリアをコレクション層2の方へ「プッシュ」する。
【００６２】
相互作用層1に対して図2の左のグラフによって示したように、カドミウムの割合xは、検出表面上の0.62からコレクション層2の0.5まで変化する。コレクション層2に対して、コレクション層2内に含まれるカドミウムの割合xは0.3である(x<0.5)。この構成が、約1の低い雑音係数(F=1)で検出が得られることを可能にする。
【００６３】
同様に、閉じ込め層3の組成は、コレクション層2内に光キャリアをいっそう効果的に閉じ込める電界を形成するために段階的に変えることができる。そのような段階的変化は、図2、図3、図6および図7の左のグラフにも見ることができる。
【００６４】
その結果、p-n接合が特定の逆バイアスにかけられる場合、入射光線と相互作用層の間で相互作用することによって放出された光キャリアが、コレクション層2のバンドギャップを狭めたためにアバランシェ効果により増倍される。実際、同じ逆バイアス電圧で、領域4とそれぞれ層1および3の間に位置するp-n接合の空乏領域内の光キャリアの増倍は無視でき、それはこれらの層のバンドギャップの幅が大きいためである。その結果、光キャリアの大多数は領域4とコレクション層の間に位置するp-n接合によって増倍される。
【００６５】
このように、本発明によるフォトダイオードは、コレクション層2が薄いために、微々たる暗電流(拡散電流による)と微々たるトンネル電流を伴い低い逆バイアス電圧で高い利得を得ることが可能である。そのような電流は、コレクション層2のバンドギャップ(5〜10μm)に近いエネルギを有する放射を検出するのに適した厚さをもつ検出器に比べ10〜1000の間のファクタで減らせる。同様に、空乏領域内の光キャリアの生成および再結合現象が制限される。
【００６６】
その結果と、デバイスが低い暗電流で動作することを留意すると、検出器の感度を増加することおよび/または従来技術によるフォトダイオードによって支持されたものを超えて、その動作温度を上げることが可能であり、またそうしてもS/N比を悪くすることはない。
【００６７】
その上に、本発明によるフォトダイオードの構成は、ガードリングを形成する必要がないので、従来技術によるプレーナ型検出器に比べ単純化される。実際に、領域4が相互作用層1の中で終端するときは、接合の最大曲率は、大きなバンドギャップと共に、層1内に位置しているので、接合の曲率の影響は限られる。
【００６８】
さらにフォトダイオードはコンパクトな寸法を有するので、その全体寸法および容量は減少し、これがフォトダイオードの応答時間を減少させる。したがって、これにより、従来技術によるフォトダイオードを使用するときより、イメージ取得を早くすることが可能になる。
【００６９】
したがって、図1および2のアバランシェフォトダイオードは以下の利点、
―短い波長の放射を検出する場合でも低い逆バイアス電圧で高い利得と、
―通常、1に等しい低い雑音係数と、
−低い暗電流および/または高いフォトダイオードの動作温度と、
−常温物体（warm object）によって放出される熱放射に対する低い感度と、
−低い容量と、を有する。
【００７０】
図3は、図2に示したフォトダイオードと類似の構造をもつフォトダイオードを示す。しかし図3は、図2のフォトダイオード内の層2の代わりに置き換えられた3つの層20、21、22があることにより図2とは異なる。
【００７１】
フォトダイオードの半導体材料の組成xの変化を表すグラフに見られるように、層21を挟む、層20と22が組成勾配を有する。この段階的に組成の変わる層20および22により、光キャリアを層1から層22へ循環をさせるための「ソフト」な遷移を達成することが可能になり、この層22は、コレクション層2と同じ、すなわち光キャリアを集める働きをする。
【００７２】
図3の場合には、層20〜22は、熱赤外放射などの特定の放射に対して、これらの層の感度を特に最小にするために比較的薄い層として形成されている。「遷移」層20および22を加えることによりコレクション層21の界面によって示されるヘテロ接合の所で欠陥が発生するのを減らすことができる。このために、これらの層により、暗電流を減らすことができ、逆バイアスの抵抗を増大させるので、検出器の性能が改善される。
【００７３】
図4は、本発明の他の実施形態の2つの並置されたフォトダイオードを示す。ここの半導体材料の積層は、図2に示したものと類似である。層1、2および3、領域4、および層5ならびに接点6は、図2の同じ参照番号をもつ構成要素と同じ機能を果たす。
【００７４】
さらに、それぞれのフォトダイオードは、くぼみ領域であり、コレクション層2および閉じ込め層3の全高さにわたり、また相互作用層1の高さの一部にわたり、深さ方向に延在する領域7によって区切られている。領域7では、フォトダイオードを構成するスタックが第2保護層8によって覆われている。第2保護層8は、有利には第1保護層5と同時に形成されてよい。これら2つの層は単一の同一層であってもよい。
【００７５】
したがって、図4に示した検出器のそれぞれのフォトダイオードは、隣接フォトダイオードと共通の相互作用層1の上に突出している「メサ」型の形状をしている。保護層8は、層2および3、ならびにフォトダイオードスタックの層1の一部を形成する部分の側面を保護することができる。この他に、第2保護層8は、光キャリアが、半導体層1、2および3と保護層8の界面の所に位置する欠陥と再結合するのを最小にすることができる。
【００７６】
本発明による検出器の「メサ」構成は、図1および2に示したフォトダイオードと比べて、光キャリアがp-n接合によって集められる前に横切らなければならない拡散表面を減らすことが可能になる。したがって光キャリアは、p-n接合に向かって領域4のレベルの所に集束するよう「強制」される。その結果、そのような検出器の応答時間はかなり短縮される。この実施形態は、図1および3に示したフォトダイオードにも適用できることは明らかである。
【００７７】
図5は図4に示した検出器の変形態様を示しており、ここでは第2保護層8がメタライゼーション層9で覆われている。図5の例では、メタライゼーション層9が、「メサ」を画定するエッチング部の側面および底部を覆っている。しかしメタライゼーション層9は層2および3に対向する保護層8だけを覆えば十分であり、実際に領域7の底部は堆積した金属がなくてよい。
【００７８】
動作の間に、検出器を構成する全てのフォトダイオードに対し共通であるメタライゼーション層に、半導体層1、2および3と第2保護層8の間の界面上に電荷キャリアを蓄積するためにバイアス電圧がかけられる。この電荷キャリアの蓄積により、p-n接合に向かって光キャリアを加速することを可能にする電界を生成することができる。したがって、そのような電界により、それぞれのフォトダイオードの応答時間の削減が可能になり、それによってアレイ検出器の性能が改善される。
【００７９】
上で説明したフォトダイオードは単一のセンサとして動作させることもでき、あるいは検出アレイ内の基本センサを形成してもよい。
【００８０】
図6は本発明の別の実施形態、つまり2つの分離したエネルギスペクトルを有する2種類の放射を検出することが可能なデュアルスペクトル検出器を示す。
【００８１】
より正確に言うと、図6は、本発明による、図2に示したものと類似のフォトダイオードを含む、そのような検出器の基本センサを示す。図2と同様の半導体層1、2および3を含むこのアバランシェフォトダイオードは、赤外域バンドを検出することができる。この第1フォトダイオードの動作は、図2に関連して説明したフォトダイオードのものと類似であり、したがってここでは、重ねて説明しない。
【００８２】
プレーナ型ダイオードは、アバランシェダイオード1〜4上に重畳される。このプレーナ型フォトダイオードの特性は、第1バンドから分離され、例えばアバランシェフォトダイオードによって検出されるものより大きな波長を有する赤外線などの第2スペクトルバンドを検出するように決められる。
【００８３】
通常、アバランシェフォトダイオードは、3μmより短い波長λに感度のある増幅される検出器を形成することが可能であり、プレーナ型ダイオードは、3μmより大きな波長を有する熱放射に感度のある受動検出器を形成する。これらの増幅される検出器と受動検出器の動作は時間的コヒーレンスを示す。
【００８４】
実際には、追加相互作用層12は、直接、アバランシェフォトダイオードの閉じ込め層3を覆い、つまり、閉じ込め層は、第1保護層によって覆われていない。追加相互作用層12は、層1〜3と同じ導電型、この場合にはp型を有する半導体材料からなる。さらに、この層は閉じ込め層3のそれより狭いバンドギャップを有する。したがって、層3と12のバンドギャップの間の差が与えられると、入射光線と追加相互作用層12の間の相互作用の間に放出された光キャリアは、検出器の動作温度では、ヘテロ接合を通って層3の方に移動しない。
【００８５】
層12内に放出された光キャリアを集めるために、追加相互作用層12の領域13が、局部的に反転され、つまり、そのドープがp-n接合を形成するように修正される。通常、領域13は層12の上面に配置される。領域13は、光キャリアによって生成された電気信号を分析回路へ転送することができる導電接点16と接触している。
【００８６】
保護層17が追加相互作用層12のほとんどを覆い、追加層を機械的、または化学的損傷から保護する。
【００８７】
層12は、やはり、くぼみ領域14を有する。領域14は、閉じ込め層3の深さまで下にエッチングすることによって得られる。次いで、アバランシェフォトダイオード内に光キャリアによって生成された電気信号を導電接点16へ導通させるために、エッチング部分14の底部内、および少なくとも1つの側面上にメタライゼーション層15を堆積することができる。導電メタライゼーション層15により、これらの電気信号を分析回路へ転送することができる。
【００８８】
したがって、アバランシェフォトダイオードとプレーナ型ダイオードは別個にメタライゼーション層15および16によって接続され、次いで、それからインジウム(In)バンプを介して、または他の任意の接続手段によって分析回路に接続されてよい。そのような基本センサの並置によりデュアルスペクトル検出用のアレイ検出器を形成できる。
【００８９】
図1〜図5に関連して前に説明したが、コレクション層2を薄くすることにより、熱放射に対する感度を制限することができる。例えば、波長λが1μm〜3μmである弱いレーザ光束の検出では、熱放射による影響は比較的少ない。なぜなら熱放射はコレクション層2によってほんの僅かしか吸収されないからである。したがって、プレーナ型ダイオードによるサーマルイメージ取得とあわせて時間的コヒーレンスと共にレーザ反射光測定を用いる距離測定が実施できる。この構成は層2と12の組成が個別に選択できるので都合がよい。
【００９０】
図7は図6の変形態様を示し、さらにいっそう熱放射の吸収を減らすために光学フィルタを形成するように、検出されるべき感度をもつ放射に対して透明である誘電体層が、検出器の背面18上に配置されてよい。そのようなフィルタは以下の特性、すなわち
−アバランシェダイオードのカットオフ波長λAPDより短い波長に対し、通常90%を超える高い透過度と、
−アバランシェダイオードのカットオフ波長λAPDとコレクション層2のカットオフ波長λC2の間の波長バンドに対し通常1%未満の低い透過度と、
−コレクション層2のカットオフ波長λC2より長い波長に対し高い透明度と、を有する。
【００９１】
図6と違い、このフィルタ18を用いることにより、相互作用層12が、相互作用層2のそれより低いバンドギャップレベルを有することが必要になる。したがって、相互作用層2のカットオフ波長、つまり検出可能な最大の波長は、相互作用層12のカットオフ波長より短い。このフィルタは、明らかに前述したフォトダイオードの変更態様の全てに合うように適応させることができる。
【００９２】
図8は、図7に示したアバランシェフォトダイオードの感度曲線と、その上に重ね合わせたプレーナ型ダイオードの感度曲線を示す。縦軸は、ダイオードの量子効率ρおよびフィルタの透過率Tを表し、横軸は問題にしている波長λを表す。
【００９３】
フィルタなし(曲線71)、またはフィルタあり(曲線72)の場合の本発明の対象であるアバランシェフォトダイオードは、λAPDより短い波長の第1スペクトルバンドを検出することができる。フィルタを用いることにより、λAPDとλC2の間の波長に対する検出レベルを下げることができる(曲線72の平坦部が曲線71の平坦部より低くなっている)。
【００９４】
いわゆる「感熱」のプレーナ型フォトダイオードは、フィルタなしで(曲線73)、λAPDと層12のカットオフ波長λC12の間の第2スペクトルバンドを検出することにより「飽和」してしまう。
【００９５】
フィルタ付(曲線74)のプレーナ型ダイオードは、λC2からλC12の間の波長を検出できる。
【００９６】
曲線75は使用したフィルタの透過率を示す。
【００９７】
これらの2つのダイオードを合体することでスペクトルデュアルスペクトル基本センサを形成することができ、次いで、いくつかの基本センサがアレイの形に並置されるとデュアルスペクトルル検出器になる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】任意のエッチングに先立つフォトダイオードの概略断面図である。
【図２】本発明によるフォトダイオードの概略断面図である。図2の左のグラフは、このフォトダイオードのいくつかの層を構成する半導体材料の組成を表す。バンドギャップのエネルギレベルはこのグラフから推定できる。
【図３】図2に示したフォトダイオードの変形態様であるフォトダイオードの概略断面図である。図3の左のグラフは、このフォトダイオードのいくつかの層を構成する半導体材料の組成を表す。バンドギャップのエネルギレベルはこのグラフから推定できる。
【図４】本発明による検出器の一部である2つの並置されたフォトダイオードの概略断面図である。
【図５】図4に示した検出器の変形態様である検出器の一部の、2つの並置されたフォトダイオードの概略断面図である。
【図６】デュアルスペクトル検出器のフォトダイオードの概略図である。
【図７】図6の変形態様を示すデュアルスペクトル検出器のフォトダイオードの概略図である。
【図８】図7に示した検出器の実施形態のスペクトル応答の図である。
【符号の説明】
【００９９】
1    相互作用層
2    コレクション層
3    閉じ込め層
4    領域
5    第1保護層
6    読出し接点
7    くぼみ領域
8    第2保護層
9    メタライゼーション層
12    追加相互作用層
13    領域
14    くぼみ領域
15    導電材料層
16    導電接点
17    保護層
18    フィルタ
20    段階的組成「遷移」層
21    コレクション層
22    段階的組成「遷移」層
71    フィルタなしアバランシェフォトダイオードの検出感度
72    フィルタ付アバランシェフォトダイオードの検出感度
73    フィルタなし熱赤外放射に対する「飽和」特性
74    フィルタ付プレーナ型ダイオードの検出感度
75    フィルタの透過率
λAPD    アバランシェフォトダイオードのカットオフ波長
λC2    相互作用層2のカットオフ波長
λC12    相互作用層12のカットオフ波長
ρ    量子効率
T    透過率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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