Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры



Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры
Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры
Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры
Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры

 


Владельцы патента RU 2617281:

КОММИССАРИАТ А Л'ЭНЕРЖИ АТОМИК Э ОЗ ЭНЕРЖИ АЛЬТЕРНАТИВ (FR)

Использование: для обнаружения и/или измерения электромагнитных излучений. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковая структура, способная принимать электромагнитное излучение (λ) и преобразовывать его в электрический сигнал, содержит первую и вторую области одного и того же типа проводимости, которые состоят из одних и тех же элементов, барьерную область между первой и второй областями для действия в качестве барьера для основных носителей первой и второй зон на толщине барьера, причем барьерная область имеет наименьшую ширину запрещенной зоны, определяющую барьерное соотношение для барьера, первую граничную область, расположенную так, чтобы граничить с первой областью и барьерной областью с первой граничной толщиной, причем первая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется от соотношения, соответствующего соотношению первого материала, до барьерного соотношения, и первая граничная толщина равна, по меньшей мере, половине толщины барьера. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обнаружения и/или измерения электромагнитных излучений и устройствам, позволяющим выполнять такое обнаружение и/или измерение.

Быстрое развитие оптоэлектроники, связанное с пригодностью микроэлектронных технологий для прямозонных полупроводников, позволило разработать компактные устройства, позволяющие обнаруживать и/или измерять электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного излучения.

Такие устройства обычно реализуются на полупроводниковых структурах, способных принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал.

Более конкретно, изобретение относится к полупроводниковой структуре, способной принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, к полупроводниковому компоненту, содержащему по меньшей мере одну такую полупроводниковую структуру, и к способу изготовления такой полупроводниковой структуры.

Предшествующий уровень техники

Полупроводниковые структуры, способные принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, обычно являются полупроводниковыми структурами диодного типа, предназначенными для работы с обратным смещением.

Такие структуры, когда используются для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения, имеют темновой ток. Такой темновой ток, соответствующий току диода в режиме, когда структура не подвергается электромагнитному излучению, представляет главный источник шума структуры и, таким образом, ограничивает отношение сигнал-шум, а значит и чувствительность. Этот темновой ток при низкой температуре, которой является температура ниже 170 K, существенно связан с областью пространственного заряда. Фактически, это место тока, связанного с генерацией и рекомбинацией электронно-дырочных пар туннельного тока, связанного с ловушками и межзонного туннельного тока, что является причиной большей части низкотемпературного темнового тока.

Для ограничения низкотемпературного темнового тока известно использование полупроводниковых структур барьерного типа, которые являются полупроводниковыми структурами, содержащими первую и вторую области одного и того же типа проводимости, разделенные барьерной областью. Первая область и вторая область, имеющие один и тот же тип проводимости, содержат идентичные основные носители, которые по определению являются основными носителями структуры. Барьерная область имеет запрещенную зону, подходящую для действия в качестве барьера для основных носителей и позволяющую пропускать неосновные носители. Для этого барьерная область имеет ширину запрещенной зоны, которая превосходит ширину запрещенных зон первой и второй областей, причем разность энергий между различными областями, насколько возможно низкая для энергетической зоны, соответствующей неосновным носителям, то есть валентной зоны для неосновных носителей, которыми являются дырки, и зоны проводимости для неосновных носителей, которыми являются электроны. Таким образом, барьерная область создает, через разность в ширине запрещенной зоны с первой и второй областями, мощный потенциальный барьер для основных носителей. Он является низким и даже аннулируется для неосновных носителей из-за низкой разности энергий для энергетической зоны, соответствующей неосновным носителям.

Таким образом, когда первая область обратно смещена относительно второй области и электронно-дырочная пара генерируется фотоном в первой области, генерированный неосновной носитель переходит из первой области во вторую область и ускоряется напряжением смещения. Неосновной носитель, таким образом, собирается в этой последней области. Такая структура, обходясь без присутствия области пространственного заряда в материале с узкой запрещенной зоной, также не создает шума, возникающего в области пространственного заряда, и, таким образом, имеет низкотемпературный темновой ток, который ниже по сравнению со структурами диодного типа.

Однако если такая структура позволяет получить для низкотемпературной работы пониженный темновой ток, то такая структура обязательно является гетероструктурой, благодаря разности в ширине запрещенной зоны, которая используется для формирования барьера. Структура, таким образом, в общем, содержит граничные дефекты между различными областями структуры для материалов, содержащих различные элементы и таким образом имеющих, в целом, высокие различия в параметрах кристаллической решетки. Такие дефекты, потенциально дающие увеличение шума, ограничивают применение приборов с такой структурой.

Известно, как показано, в частности, в патенте США 4679063, для ограничения количества граничных дефектов используют материалы, состоящие из одних и тех же элементов, таких как материалы типа теллурида кадмия ртути CdXHg1-XTe. Такие материалы для различных соотношений элементов имеют различия в параметрах кристаллической решетки, которые, в целом, снижены, а когда эти различия высоки, могут содержать тонкий согласующий слой, в котором соотношение элементов изменяется так, чтобы снизить напряжения и, таким образом, количество дефектов, на граничных поверхностях.

Однако если структура, содержащая такие материалы, обладает пониженной плотностью граничных дефектов, материалы, используемые для формирования упомянутой структуры, должны удовлетворять двум критериям:

- материалы должны иметь сильное изменение ширины запрещенной зоны в зависимости от соотношения элементов,

- материалы должны предлагать, по меньшей мере для одного типа проводимости, возможность сильного изменения ширины запрещенной зоны, имея низкую разность энергий для энергетической зоны, соответствующей неосновному носителю.

Решением, описанным в документе США 4679063, для выполнения этого второго критерия, является использование соответствующего легирования барьерной области. Это решение трудно осуществимо для некоторых материалов, соответствующих первому критерию, таких как теллурид кадмий-ртуть, адекватное легирование которого имеет технические ограничения, плохо совместимые с промышленным производством.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на преодоление этого недостатка.

Одной из задач изобретения должно быть обеспечение полупроводниковой структуры барьерного типа, способной принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, где полупроводниковые материалы, из которых изготавливается структура, состоят из одних и тех же элементов, при этом не требуется легирование барьерной области, в отличие от первой и второй областей, и при работе отсутствует потенциальный барьер для неосновных носителей, потенциальный барьер имеется для основных носителей, которые остаются активными даже при высоком напряжении обратного смещения структуры.

С этой целью, изобретение относится к полупроводниковой структуре, способной принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, структура имеет номинальную рабочую температуру и содержит:

- первую и вторую области одного и того же типа проводимости, которые соответственно выполнены из первого и второго полупроводниковых материалов, причем упомянутые первый и второй полупроводниковые материалы состоят из одних и тех же элементов, называемых составляющими элементами, при этом различное соотношение по меньшей мере двух из этих составляющих элементов соответствует разности ширины запрещенной зоны упомянутых материалов, причем первый материал является прямозонным полупроводниковым материалом,

- барьерную область, сформированную между первой и второй областями, предназначенную для функционирования в качестве барьера для основных носителей первой и второй областей на толщине барьера, причем упомянутая барьерная область состоит из составляющих элементов и имеет по всей толщине барьера такое соотношение составляющих элементов, что барьерная область имеет минимальное значение ширины запрещенной зоны, более высокое, чем ширина запрещенной зоны первой области, при этом разность в абсолютном значении между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю для минимума запрещенной зоны барьерной области, и энергией такого же экстремума второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при указанной номинальной рабочей температуре, причем соотношение составляющих элементов, для которых барьерная область имеет самую малую ширину запрещенной зоны, определяет барьерное соотношение,

- первую граничную область, расположенную на границе первой области и барьерной области на толщине первой границы, причем первая граничная область имеет состав составляющих элементов, который изменяется по всей толщине границы от первой области к барьерной области от соотношения, соответствующего соотношению для первого материала, до барьерного соотношения, и толщина первой границы равна по меньшей мере половине толщины барьера,

при этом вторая граничная область сформирована на границе барьерной области и второй области на толщине второй границы, причем вторая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется по всей толщине второй границы от барьерной области до второй области от барьерного соотношения до состава, соответствующего соотношению для второго материала, причем толщина второй границы меньше половины толщины барьера.

Барьерная область означает область структуры, в которой экстремум энергетической зоны, соответствующий основному носителю, имеет разность с «дном» зоны проводимости второй области, равную по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при максимальной рабочей температуре. Под шириной, толщиной барьера понимается толщина барьерной области.

Под прямозонным полупроводниковым материалом понимается полупроводниковый материал, у которого для максимума энергии валентной зоны и минимума энергии зоны проводимости значения волнового вектора к, по существу, совпадают на энергетической диаграмме упомянутого полупроводникового материала.

Под номинальной рабочей температурой полупроводниковой структуры понимается максимальная температура, при которой полупроводниковая структура обеспечивает работу с номинальным отношением сигнал-шум. Конечно, такие структуры, например, для обнаружения излучения в дальней инфракрасной области, должны работать при четко определенных температурах, которые в этом примере составляют приблизительно 80 K, и имеют для более высоких температур худшую чувствительность, связанную с уменьшенным отношением сигнал-шум. В соответствии с другим примером, полупроводниковая структура, предназначенная для работы при комнатной температуре, будет иметь номинальную рабочую температуру 80°C, т.е. 353 K.

Эта номинальная рабочая температура определяет тепловую энергию, соответствующую средней кинетической энергии молекул при номинальной температуре. Эта тепловая энергия ET определяется через постоянную Больцмана k и равна E=kT, где T - температура. Рассматривая снова пример полупроводниковой структуры для обнаружения излучения в дальней инфракрасной области, получается тепловая энергия приблизительно 7 мэВ.

Такая первая граничная область, существующая на толщине первой границы толщины, равна, по меньшей мере, половине толщины барьера, и изменение в составляющих элементах между соотношением, соответствующим первой области, и барьерным соотношением, позволяет, когда первая область обратно смещена относительно второй области, «поглотить» часть разности потенциалов между первой и второй областями, так что деформация валентной зоны, вызванная этой частью, удаляет потенциальный барьер для неосновных носителей, создаваемый из-за разности ширины запрещенной зоны в барьерной области и первой и второй области. Таким образом, такая структура не требует специального легирования барьерной области, поскольку она не имеет потенциального барьера для неосновных носителей при обратном смещении первой области относительно второй области.

Вторая граничная область, при малой толщине по сравнению с барьерной областью и первой граничной областью, позволяет обеспечивать крутой потенциальный барьер для основных носителей с деформацией, понижающей барьер, при обратном смещении первой области относительно второй области. Структура допускает при такой второй граничной области напряжение обратного смещения первой области, при котором деформация барьера становится достаточной для того, чтобы основные носители были способны пройти барьер, которое (напряжение) является высоким.

Таким образом, структура с такими первой и второй граничными областями имеет при работе потенциальный барьер только для основных носителей, которые остаются активными даже для высоких обратных смещений структуры, это обеспечивается без барьерной области, тип проводимости которой отличается от первой и второй областей.

Структура может быть nBn-структурой, в которой первая и вторая области имеют тип проводимости, для которого основными носителями являются электроны, барьерная область образуется составляющими элементами и имеет по всей толщине барьера такое соотношение составляющих элементов, что барьерная область имеет минимум ширины запрещенной зоны, который больше ширины запрещенной зоны первой области и который таков, что разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующего основному носителю, для минимума запрещенной зоны в барьерной области, и энергией того же самого экстремума зоны проводимости второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.

Таким образом, изобретение также относится к полупроводниковым структурам nBn-типа, способным принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, причем упомянутая структура имеет номинальную рабочую температуру и такая структура содержит:

- первую и вторую области одного и того же типа проводимости, в которых основными носителями являются электроны и которые, соответственно, изготовлены из первого и второго полупроводниковых материалов, причем упомянутые первый и второй полупроводниковые материалы оба состоят из одних и тех же элементов, называемых составляющими элементами, и отличное соотношение по меньшей мере двух из этих составляющих элементов соответствует отличию в ширине запрещенной зоны упомянутых материалов, где первый материал является прямозонным полупроводниковым материалом,

- барьерную зону, сформированную между первой и второй областями, предназначенную для функционирования в качестве барьера для основных носителей первой и второй областей на толщине барьера, причем упомянутая барьерная область состоит из составляющих элементов и имеет по всей толщине барьера такое соотношение составляющих элементов, что барьерная область имеет минимум ширины запрещенной зоны, больший, чем ширина запрещенной зоны первой области, и разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующего основному носителю, для минимума запрещенной зоны барьерной области, и энергией того же экстремума зоны проводимости второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре, причем соотношение составляющих элементов, для которых барьерная область имеет самую малую ширину запрещенной зоны, определяется как барьерное соотношение,

- первую граничную область, расположенную на границе первой области и барьерной области на первой граничной толщине, причем первая граничная область имеет состав составляющих элементов, который изменяется по всей толщине границы от первой области к барьерной области, от соотношения, соответствующего соотношению для первого материала, до барьерного соотношения, и первая граничная толщина равна по меньшей мере половине толщины барьера,

при этом вторая граничная область сформирована на границе барьерной области и второй области на толщине второй границы, причем вторая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется по всей толщине второй границы и от барьерной области по второй области, от барьерного соотношения до состава, соответствующего составу второго материала, причем толщина второй границы меньше половины толщины барьера.

Толщина первой границы может быть равна или больше, чем толщина барьера.

Первый и второй материалы могут иметь по существу идентичные соотношения составляющих элементов.

Первый и второй материалы, таким образом, имеют по существу одну и ту же ширину запрещенной зоны, делающую более легким прохождение неосновных носителей от первой области ко второй.

В соответствии с конкретным применением изобретения, составляющими элементами являются кадмий, ртуть и теллур.

Такие составляющие элементы наиболее подходят для обнаружения и измерения электромагнитного излучения при низкой температуре в инфракрасном диапазоне, причем изменение соотношения кадмия и ртути позволяют изменить, при рабочей температуре 80 K, ширину запрещенной зоны в диапазоне значений от 0 эВ до более чем 1,6 эВ, то есть для заданной концентрации основных носителей разность между «дном» зон проводимости составляет приблизительно 1,2 эВ. Дополнительно, такие составляющие элементы также позволяют сформировать материалы со схожими параметрами кристаллической решетки во всем диапазоне изменения соотношения составляющих элементов, ограничивая, таким образом, появление граничных дефектов при изготовлении такой структуры.

Первая граничная толщина может быть в пределах между толщиной барьера и удвоенной толщиной барьера.

Такая структура имеет граничную толщину, достаточно широкую для того, что при обратном смещении первой области относительно второй области потенциальный барьер для основных носителей снимается даже при низком напряжении обратного смещения первой области относительно второй области.

Соотношение составляющих элементов может по существу равномерно изменяться по всей первой граничной толщине.

При таком изменении соотношения составляющих элементов первая граничная область имеет непрерывное изменение ширины запрещенной зоны и, таким образом, энергии энергетической зоны, соответствующей неосновным носителям, причем такое изменение позволяет получить существенную деформацию валентной зоны.

Соотношение составляющих элементов может изменяться по существу линейно по всей первой граничной толщине.

В соответствии с другой возможностью изобретения, соотношение составляющих элементов может по существу изменяться в соответствии с функцией ошибок, также известной как функция вероятности ошибок Гаусса, по всей первой граничной толщине.

Такое изменение в соотношении соответствует взаимно диффундирующему линейному градиенту одного из составляющих элементов.

Вторая граничная область может быть расположена так, чтобы граничить с барьерной областью и второй областью по второй граничной толщине, причем вторая граничная область имеет состав составляющих элементов, который изменяется по всей второй граничной толщине от барьерной области до второй области от барьерного соотношения до соотношения, соответствующего второму материалу, причем вторая граничная толщина составляет меньше половины толщины барьера.

Вторая граничная толщина может быть меньше одной трети толщины барьера и предпочтительно меньше одной десятой толщины барьера.

Такая вторая граничная область при наличии особо низкой толщины по отношению к барьерной области и первой граничной области позволяет обеспечивать крутой потенциальный барьер для основных носителей с пониженной деформацией барьера во время обратного смещения первой области относительно второй области. Таким образом, структура допускает напряжение обратного смещения первой области, при котором деформация барьера достаточна, чтобы основные носители способны были пройти барьер, который более высокий.

Толщина барьера составляет между 100 и 300 нм.

Такая толщина позволяет обеспечивать достаточно широкий потенциальный барьер, чтобы ограничить туннельный ток через барьер и, таким образом, заблокировать прохождение основных носителей между второй областью и первой областью, который в то же время является достаточно тонким, чтобы быстро обеднеть во время обратного смещения первой области относительно второй области.

Изобретение также относится к полупроводниковому устройству, содержащему множество полупроводниковых структур, причем по меньшей мере одна из структур является структурой, соответствующей изобретению.

Такое устройство позволяет выполнять обнаружение и/или измерение низкотемпературного электромагнитного излучения с помощью по меньшей мере одной из структур, которая при работе не имеет потенциального барьера для неосновных носителей, когда изготовлена из полупроводниковых материалов, состоящих из одних и тех же составляющих элементов и не требующих легирования барьерной области, отличающейся от первой и второй областей.

Могут быть обеспечены оптическая часть и процессорная часть, причем оптическая часть содержит множество полупроводниковых структур, называемых оптическими структурами, способных принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал, причем по меньшей мере одна из структур является по меньшей мере одной из структур, соответствующих изобретению, а процессорная часть содержит полупроводниковые структуры, расположенные между ними, чтобы обрабатывать электрические сигналы от оптических структур.

Расположение оптических полупроводниковых структур на оптической части компонента и расположение полупроводниковых структур для обработки сигналов от оптических структур на другой части компонента, отличной от оптической части, позволяет объединить в одном компоненте преимущества оптических структур, изготовленных из полупроводниковых материалов, оптимизированных для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения, которое должно обнаруживаться, с преимуществами структур, пригодных для обработки электрических сигналов от оптических полупроводниковых структур, изготовленных из материала, подходящего для такой обработки, например, кремния.

Изобретение также относится способу изготовления полупроводниковой структуры, соответствующей изобретению, и содержит этапы, на которых:

- обеспечивают первую область первого типа проводимости и изготовленную из первого полупроводникового материала, причем первый материал состоит из так называемых составляющих элементов, таких, что различное соотношение по меньшей мере двух из упомянутых составляющих элементов соответствует изменению ширины запрещенной зоны упомянутого материала,

- формируют первую граничную область в контакте с первой областью, причем первая граничная область имеет первую граничную толщину и состав из составляющих элементов, который изменяется по всей граничной толщине от соотношения, соответствующего первому материалу, до барьерного соотношения,

- формируют барьерную область в контакте с граничной областью таким образом, что граничная область граничит с первой областью и барьерной областью, причем барьерная область имеет толщину барьера по меньшей мере в два раза меньшую, чем первая граничная толщина, а барьерная область состоит из составляющих элементов и имеет по всей толщине барьера такое соотношение, что барьерная область имеет ширину запрещенной зоны выше, чем ширина запрещенной зоны в первой области, и соотношение составляющих элементов, при котором барьерная область имеет самую низкую ширину запрещенной зоны, равно барьерному соотношению,

- формируют вторую граничную область на второй граничной толщине, причем эта вторая граничная область располагается так, чтобы граничить с барьерной областью и второй областью, при этом состав составляющих элементов второй граничной области изменяется от барьерного соотношения до соотношения, соответствующего второму материалу, и вторая граничная толщина составляет меньше половины толщины барьера, предпочтительно в 10 раз меньше толщины барьера,

- формируют вторую область того типа проводимости, что и первая область, причем вторую область выполняют из второго полупроводникового материала, состоящего из составляющих элементов, и вторая область расположена таким образом, что между первой и второй областями обеспечивается барьерная область, ширина запрещенной зоны второй области является такой, что разность между дном зоны проводимости при минимуме ширины запрещенной зоны в барьерной области и дном зоны проводимости второй области равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при максимальной рабочей температуре.

Такой способ позволяет формировать структуру, способную принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал без легирования барьерной области, которая отличается от первой и второй областей. Дополнительно, такой способ позволяет обеспечивать структуру с крутым потенциальным барьером для основных носителей и понижающую деформацию барьера при обратном смещении первой области относительно второй области. Таким образом, такая структура допускает такое напряжение обратного смещения первой области, при котором деформация барьера достаточна для того, чтобы основные носители смогли пройти барьер, который является высоким.

Таким образом, такой способ позволяет сформировать структуру, которая имеет такие первую и вторую граничные области, что обладает при работе потенциальным барьером только для основных носителей, которые остаются активными даже при высоких обратных смещениях структуры без барьерной области, имеющей тип проводимости, отличающийся от типа проводимости первой и второй областей.

На этапе формирования второй области вторая область может быть выполнена из второго полупроводника, состоящего из составляющих элементов, причем вторая область располагается таким образом, что обеспечивается барьерная область между первой и второй областями, ширина запрещенной зоны второй области является такой, что разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю, при минимуме ширины запрещенной зоны барьерной области, и энергией того же экстремума зоны проводимости второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет более понятно после прочтения описания примерных вариантов осуществления, приведенного с целью указания задач и никоим образом не для создания ограничений в отношении приложенных чертежей, на которых:

фиг. 1 - схематичное изображение в поперечном разрезе примерной структуры, соответствующей изобретению,

фиг. 2 - график, представляющий изменение доли кадмия вдоль оси Ζ структуры, показанной на фиг. 1,

фиг. 3a и 3b - диаграммы энергетической зоны структуры, показанной на фиг. 1, соответственно, в отсутствие смещения и во время обратного смещения первой зоны относительно второй зоны,

фиг. 4 - вид в поперечном сечении оптической части полупроводникового компонента, соответствующего изобретению.

Идентичные, подобные или эквивалентные части различных чертежей обозначены одними и теми же ссылочными позициями, чтобы облегчать переход от одного чертежа к другому.

Различные части, представленные на чертежах, не обязательно изображены в едином масштабе, чтобы сделать чертежи более понятными.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 показана полупроводниковая структура 5, способная принимать электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрический сигнал. Структура 5 имеет номинальную рабочую температуру, ниже которой она имеет номинальное отношение сигнал-шум.

Такая структура 5 может быть пригодна для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения на длине волны λ, лежащей в пределах диапазона длин волны от ультрафиолетового излучения до инфракрасного. Значения, указанные в этом документе, подходят для обнаружения и/или измерения инфракрасного излучения λ. Такие значения приводятся для чисто иллюстративных целей изобретения. Это конкретное применение называется в этом документе частным случаем применения изобретения.

Такая структура 5 содержит:

- полупроводниковую подложку 10,

- первую полупроводниковую область 20, контактирующую с подложкой 10, причем первая область 20 снабжена первым электрическим контактом 70 и изготовлена из первого материала,

- первую граничную область 30, контактирующую с первой областью 20, причем первая граничная область 30 имеет первую граничную толщину e2,

- барьерную область 40, контактирующую с первой граничной областью 30, причем барьерная область 40 имеет толщину барьера e1,

- вторую граничную область 50, контактирующую с барьерной областью 40, причем вторая граничная область 50 имеет вторую граничную толщину e3,

- вторую полупроводниковую область 60, контактирующую со второй граничной областью 50, причем вторая область 60 снабжена вторым электрическим контактом 75 и изготовлена из второго материала, и

- слой 80 поверхностного пассивирования, пригодный для пассивирования поверхности структуры 5, кроме первого и второго электрических контактов 70, 75, причем упомянутый слой пассивирования также действует в качестве электрической изоляции.

Первая область 20, первая граничная область 30, барьерная область 40, вторая граничная область 50 и вторая область 60 изготовлены из одних и тех же так называемых составляющих элементов.

Составляющие элементы выбираются таким образом, что два полупроводниковых материала, содержащих различное соотношение по меньшей мере двух составляющих элементов, имеют различную ширину запрещенной зоны. Диапазон, в котором может изменяться ширина запрещенной зоны, должен быть таким, что разность ширины запрещенной зоны между материалом, имеющим соотношение составляющих элементов, обеспечивающих самую узкую ширину запрещенной зоны, и материалом, имеющим соотношение составляющих элементов, обеспечивающих самую большую ширину запрещенной зоны, подходит для формирования потенциального барьера по меньшей мере для одного типа проводимости.

Такое условие выполняется, например, для составляющих элементов, для которых разность ширины между нижним краем зоны проводимости для минимума и максимума соответственно ширины запрещенной зоны, которая может быть получена путем изменения соотношения составляющих элементов, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при максимальной рабочей температуре (для основных носителей, которыми являются электроны, и при концентрации основных носителей, идентичной в первой и второй областях, а также в барьерной области). Составляющими элементами являются кадмий Cd, ртуть Hg и теллур Te, для материалов, состав которых имеет вид CdXHg1-XTe. Такие составляющие элементы позволяют выполнить последнее условие. Действительно, для номинальной рабочей температуры 80 K, для двух материалов типа CdXHg1-XTe, имеющих долю кадмия X, равную 0,18 и 1, соответственно, разность приблизительно составляет 1,2 эВ. Тепловая энергия при 80 K составляет приблизительно 7 мэВ, разность, которая может быть получена, намного выше, чем 10-тикратная тепловая энергия, составляющая приблизительно 70 мэВ.

То же самое справедливо для более высоких температур. Таким образом, при комнатной температуре тепловая энергия составляет приблизительно 26 мэВ, т.е. разность должна быть более 260 мэВ. Это значение также доступно, если составляющими элементами являются кадмий Cd, ртуть Hg и теллур Te.

В дальнейшем, для конкретного применения изобретения под соотношением составляющих элементов понимается относительное содержание кадмия, которое напрямую дает соотношение для ртути и теллура, материалов, образующих структуру, соответствующую конкретному применению изобретения, имеющую вид CdXHg1-XTe, где X - относительное содержание кадмия.

Полупроводниковая подложка 10 является полупроводниковым материалом, пригодным для наращивания материала, формирующего первую область 20. Таким образом, для конкретного применения изобретения, для которого составляющими элементами являются кадмий Cd, ртуть Hg и теллур Te, полупроводниковой подложкой является, например, теллурид кадмий-цинк (CdZnTe).

Полупроводниковая подложка 10, как показано на фиг. 1, является по существу плоской подложкой, имеющей первую и вторую поверхности.

Первая область 20 находится в контакте со второй поверхностью подложки 10. Первая область 20 является по существу плоским слоем, одна поверхность которого контактирует с подложкой 10.

Первая область 20 изготовлена из первого материала. Первый материал состоит из составляющих элементов. Первый материал является прямозонным полупроводниковым материалом. Ширина запрещенной зоны первого материала адаптирована к длине волны электромагнитного излучения λ, которое должно детектироваться и/или измеряться. Эта адаптация по ширине запрещенной зоны первого материала достигается за счет соотношения составляющих элементов X1, подходящего для того, чтобы ширина запрещенной зоны первого материала соответствовала более низкой энергии, чем энергия электромагнитного излучения λ, которое детектируется.

Первый материал имеет первый тип проводимости для основных носителей и неосновных носителей. В дальнейшем, под основными носителями и неосновными носителями понимаются носители, которые являются основными носителями и неосновными носителями в первом материале, соответственно.

Первый электрический контакт 70 является электрическим контактом, адаптированным к первому материалу и типу проводимости, который он имеет.

В соответствии с конкретным применением изобретения, первый материал может содержать, для структуры, подходящей для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения λ в диапазоне средней ИК-области спектра, ниже 3 мкм, соотношение X1 составляющих элементов, равное 0,4, а для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения λ в диапазоне средней ИК-области спектра ниже 5 мкм, соотношение X1 составляющих элементов, равное 0,3. Для обнаружения и/или измерения электромагнитного излучения λ в диапазоне дальней ИК-области спектра ниже 10 мкм, соотношение X1 составляющих элементов первого материала равно 0,22.

В соответствии с тем же частным случаем применения изобретения, первый материал имеет такую проводимость, что основными носителями первой области 20 являются электроны, неосновными носителями, таким образом, являются дырки h+. Такой тип проводимости достигается легированием первого материала, добавлением составляющих элементов, обеспечивающих избыток электронов, таких как индий (In). Концентрация основных носителей находится в пределах между 5*1014 и 5*1015 см-3.

В соответствии с частным случаем применения изобретения, первый электрический контакт 70 является золотым контактом, таким, который подходит для электрического контакта с материалом типа CdXHg1-XTe.

Первая область 20, являющаяся областью структуры, выполненной с возможностью поглощения электромагнитного излучения λ, имеет толщину, подходящую для такого поглощения. Таким образом, для конкретного применения изобретения толщина первой области 20 равна по меньшей мере 2 мкм и имеет предпочтительно такой же порядок, что и порядок длины волны, к которой адаптируется структура.

Выше и в остальной части этого документа «толщина» области структуры означает размер области вдоль оси, проходящей от первой области ко второй области. Такая ось, в соответствии с вариантом, показанным на фиг. 1, и для каждой из областей, по существу, перпендикулярна граничной поверхности с другой областью, с которой эта область контактирует. В варианте осуществления изобретения, описанном в этом документе, этой осью является ось Ζ, показанная на фиг. 1.

Первая область 20 имеет поверхность, контактирующую с подложкой 10, и поверхность, противоположную подложке 10.

Первая граничная область 30 находится в контакте с первой областью 20 на поверхности первой области, противоположной подложке 10. Первая граничная область 30 является по существу плоским слоем, контактирующим с первой областью 20 на поверхности первой области 20, противоположной подложке 10.

Первая граничная область 30 имеет состав из составляющих элементов, который изменяется от первой области 20 к барьерной области 40 на всей граничной толщине e2 и от первой области 20 к барьерной области 40, от соотношения, соответствующего соотношению X1 для первого материала, до барьерного соотношения Xb.

Соотношение составляющих элементов в первой граничной области 30 изменяется по существу равномерно на всей граничной толщине e2.

Соотношение составляющих элементов в первой граничной области 30 изменяется, как показано на фиг. 2, по существу линейно по всей граничной толщине e2.

Первая граничная область 30 имеет поверхность, контактирующую с первой областью 20, и поверхность, противоположную этой поверхности, контактирующей с первой областью 20, которая находится в контакте с барьерной областью 40.

Барьерная область 40 является областью структуры 5, действующей в качестве барьера для основных носителей первой и второй областей 20, 60. Барьерная область 40 является по существу плоским слоем.

Толщина барьера e1 - это толщина, при которой барьерная область 40 имеет такую запрещенную зону, что разность, в абсолютном значении, между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю при минимуме запрещенной зоны этой барьерной области, и энергией того же экстремума зоны проводимости второй области равняется по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.

Толщина барьера e1 имеет достаточно большой размер для того, чтобы барьерная область действовала как барьер для основных носителей и блокировала прохождение основных носителей между второй областью 60 и первой областью 10. Толщина барьера e1 также достаточно малая, чтобы обеспечить быстрое обеднение барьерной области при обратном смещении первой области 20 относительно второй области 60.

Барьерное соотношение Xb - это соотношение составляющих элементов, которое необходимо для ширины запрещенной зоны материала, при этом барьерное соотношение Xb, чтобы разность в абсолютном значении между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю, для минимума ширины запрещенной зоны указанной барьерной области, и энергией того же экстремума зоны проводимости указанной второй области, равнялась по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.

Соотношение составляющих элементов в барьерной области изменяется, как показано на фиг. 2, между барьерным соотношением Xb и соотношением Xm максимальной ширины. Соотношение Xm максимальной ширины является соотношением составляющих элементов, при котором барьерная область 40 имеет максимальную ширину запрещенной зоны.

В соответствии с конкретным применением изобретения, барьерное соотношение Xb и соотношение Xm максимальной ширины соответственно равны 0,8 и 0,85 для структуры, подходящей для обнаружения электромагнитного излучения λ в средней ИК-области спектра ниже 3 мкн (X1=0,4), и 0,6 и 0,65 для обнаружения электромагнитного излучения λ в средней ИК-области спектра ниже 5 мкн (X1=0,3). Для обнаружения в дальней ИК-области спектра ниже 10 мкм (X1=0,22), барьерное соотношение Xb и соотношение Xm максимальной ширины соответственно равны 0,55 и 0,6. Номинальные рабочие температуры для структур, соответствующих этим конкретным условиям, равны, соответственно, 80 K, 120 K и 170 K для обнаружения в ближней ИК-, средней ИК- и дальней ИК-областях спектра, критерий 10-тикратного кТ в большой степени выполняется в каждой из этих конфигураций, и даже для более высоких температур (близких к комнатной температуре).

Барьерная область 40 имеет протяженность толщины барьера e1, начинается от первой граничной области 30 и проходит до второй граничной области 50, и последовательно включает:

- первую часть, вдоль которой соотношение составляющих элементов линейно изменяется от барьерного соотношения Xb до соотношения Xm максимальной ширины,

- вторую часть, вдоль которой соотношение составляющих элементов по существу постоянно и равно соотношению Xm максимальной ширины,

- третью и последнюю часть, вдоль которой соотношение составляющих элементов линейно изменяется от соотношения Xm максимальной ширины до барьерного соотношения Xb.

Чтобы иметь эффективный потенциальный барьер, вторая часть является наибольшей частью барьерной области 40.

В соответствии с конкретным применением изобретения, толщина e1 барьера составляет между 100 и 300 нм, предпочтительно, равна 300 нм.

Барьерная область 40 имеет поверхность, контактирующую с первой граничной областью 30, и поверхность, которая будучи противоположной поверхности, контактирующей с граничной областью 30, контактирует со второй граничной областью 50.

Вторая граничная область 50 является по существу плоским слоем, контактирующим с барьерной областью 40 по поверхности барьерной области 40, которая противоположна первой граничной области 30.

Вторая граничная область 50 имеет состав составляющих элементов, который изменяется по всей второй граничной толщине e3 от барьерной области 40 до второй области, от соотношения, соответствующего барьерному соотношению Xb, до соотношения, соответствующего второму материалу X2.

Соотношение составляющих элементов во второй граничной области 50 по существу равномерно изменяется по всей второй граничной толщине e3. Соотношение составляющих элементов во второй граничной области 50 изменяется, как показано на фиг. 2, по существу равномерно по всей второй граничной толщине e3.

Вторая граничная толщина e3 является настолько незначительной, насколько возможно, и меньше одной трети толщины барьера e1 и, предпочтительно, меньше одной десятой толщины барьера e1.

Согласно конкретному применению изобретения, толщина барьера e1 меньше 30 нм.

Вторая граничная область 50 имеет поверхность, контактирующую с барьерной областью 40, и поверхность, которая является противоположной поверхности, контактирующей с барьерной областью, и контактирует со второй областью 60.

Вторая область 60 является по существу плоским слоем, контактирующим со второй граничной областью 50 по поверхности второй граничной области 50, противоположной барьерной области 40.

Вторая область 60 выполнена из второго материала, соотношение составляющих элементов X2 для которого, как показано на фиг. 2 по существу идентично соотношению составляющих элементов X1 первого материала.

Второй материал обладает типом проводимости и концентрацией основных носителей по существу идентичными первому материалу.

Вторая область 60 снабжена вторым электрическим контактом 75, подходящим для обеспечения смещения второй области 60 и, таким образом, подходящим для второго материала.

В соответствии с конкретным применением изобретения, второй электрический контакт 75 является титановым и/или золотым контактом и такой контакт подходит для материала HgXCd1-XTe.

Структура 5 снабжена слоем 80 с пассивированной поверхностью на поверхностях структуры 5, кроме первого и второго электрических контактов 70, 75, причем этот пассивированный поверхностный слой 80 также имеет функцию электрической изоляции для поверхностей структуры 5.

В соответствии с конкретным применением, пассивирование поверхности 80 выполняется теллуридом кадмия CdTe или сульфидом цинка Zns.

Такая структура 5, когда она является структурой, соответствующей конкретному применению изобретения, без смещения имеет зонную структуру, показанную на фиг. 3a.

Первая область имеет постоянную ширину запрещенной зоны по всей толщине первой области, причем ширина запрещенной зоны немного меньше, чем энергия электромагнитного излучения λ, которая должна обнаруживаться и/или измеряться.

Первая граничная область 30 из-за изменения соотношения составляющих элементов вдоль первой граничной толщины e2 имеет ширину запрещенной зоны, которая увеличивается по всей первой граничной толщине e2. Так как составляющими элементами являются ртуть, кадмий и теллур, расширение энергии запрещенной зоны, связанное с увеличенным соотношением кадмия, является асимметричным, почти 20% от увеличения идет к валентной зоне, и почти 80% от увеличения идет к зоне проводимости.

В барьерной области ширина запрещенной зоны быстро увеличивается, чтобы достигнуть максимальной ширины запрещенной зоны. Когда достигнута максимальная ширина запрещенной зоны, барьерная область 40 имеет на большей части толщины барьера e1 по существу постоянную ширину запрещенной зоны.

Зонная структура барьерной области, главным образом, соответствует смещению зоны проводимости Ee в направлении высоких энергий относительно первой и второй зон, формируется потенциальный барьер для электронов, являющихся основными носителями. Зонная структура также имеет смещение валентной зоны Ev в направлении низких энергий по сравнению с первой и второй областями, поэтому формируется потенциальный барьер также для дырок, являющихся неосновными носителями. Барьерная область, таким образом, имеет, также и из-за асимметрии смещения для зон проводимости и валентной зоны, высокий и низкий потенциальный барьер для электронов и дырок соответственно.

На конце толщины барьера ширина запрещенной зоны снижается, чтобы достигнуть значения ширины запрещенной зоны, соответствующей материалу, имеющему барьерное соотношение Xb.

Во второй граничной области 50 изменения соотношения составляющих элементов вдоль второй граничной толщины e3 приводит в результате к уменьшению ширины запрещенной зоны по всей второй граничной толщине e3. Благодаря адаптации второй граничной толщины e3, изменение ширины запрещенной зоны является резким по сравнению с изменением в первой граничной области 30.

Вторая граничная область 50 имеет ширину запрещенной зоны по существу такую же, как в первой области 20, что должно облегчить операцию перехода неосновных носителей из первой области во вторую область 20, 60.

При реализации структуры 5, соответствующей изобретению, первая область 20 является обратно смещенной относительно второй области 60, причем это смещение выполняется посредством первого и второго электрических контактов 70, 75. По сути, структура 5 при наличии смещения, которое дает зонную структуру такого же типа, как показано на фиг. 3b, способна обнаруживать электромагнитное излучение λ. Действительно, для любой пары электрон-дырка, генерируемой в первой области 20, неосновной носитель пары ускоряется разностью потенциалов, приложенной между первой и второй областями 20, 60, и напрямую собирается электрическим полем, создаваемым в барьере 40 и на его границе 30. Конечно, основной носитель не встречает потенциального барьера, когда проходит барьерную область.

Фиг. 3b, относящаяся к структуре 5, соответствующей конкретному применению изобретения, позволяет лучше понять всю операцию.

Для такой структуры 5 напряжение, требующееся для измерения и/или обнаружения инфракрасного электромагнитного излучения λ, должно быть порядка нескольких сотен милливольт. На фиг. 3b можно видеть, что во время обратного смещения первой области относительно второй области, изменение потенциала передается, главным образом, на первую граничную область 30 и барьерную область 40.

В результате, поэтому в первой граничной области 30 и в барьерной области 40 происходит подъем валентной зоны и зоны проводимости до более высоких энергий. Этот подъем в первой граничной области 30 и начиная с порогового напряжения достаточно деформирует валентную зону, с тем чтобы устранить потенциальный барьер для неосновных носителей. Деформация зоны проводимости и валентной зоны во второй граничной области 50 остается пониженной и барьерная область продолжает формировать потенциальный барьер, предотвращающий любой ток основных носителей между второй областью 60 и первой областью 20.

Таким образом, в отсутствие электромагнитного излучения λ никакой ток основных носителей не проходит через структуру 5. При воздействии на структуру 5 электромагнитного излучения λ с достаточной энергией, для пары электрон-дырка, генерируемой фотоном в первой области 20, дырка из пары ускоряется и проходит, не встречая потенциального барьера, во вторую область 60, где этот носитель собирается. Таким образом, генерируемый ток с помощью соответствующих электронных устройств позволяет обнаруживать и/или измерять электромагнитное излучение λ.

Структура 5, соответствующая конкретному варианту, может изготавливаться в соответствии со способом изготовления, содержащим этапы, на которых:

- обеспечивают полупроводниковую подложку 10 из теллурида кадмия и цинка (CdZnTe);

- осаждают на подложку 10 составляющие элементы, чтобы сформировать слой первого материала, образующего первую область 20;

- осаждают на первую область 20 составляющие элементы, чтобы сформировать первую граничную область 30, причем составляющие элементы осаждаются как слой и с составом составляющих элементов, который изменяется от соотношения X1, соответствующего первому материалу, до барьерного соотношения Xb на первой граничной толщине e1;

- осаждают на первую граничную область 30 составляющие элементы, чтобы сформировать барьерную область 40, причем составляющие элементы осаждаются как слой, толщина которого является толщиной e1 барьера, и соотношение составляющих элементов в барьерной области 40 находится между барьерным соотношением Xb и соотношением Xm максимальной ширины;

- осаждают на барьерную область 40 составляющие элементы, чтобы сформировать вторую граничную область 50, причем составляющие элементы осаждаются, чтобы сформировать слой и с соотношением составляющих элементов, которое изменяется от барьерного соотношения Xb до соотношения X2, соответствующего второй области на второй граничной толщине e3;

- осаждают на вторую граничную область 50 составляющие элементы, чтобы сформировать слой второго материала, формирующего вторую область 60,

- формируют первый и второй электрические контакты 70, 75 на первой и второй областях 60 соответственно,

- формируют слой поверхностного пассивирования 80 на поверхностях структуры, отличных от поверхностей металлических контактов 70, 75.

Для конкретного применения изобретения этапы, состоящие из осаждения составляющих элементов, могут выполняться посредством молекулярно-лучевой эпитаксиальной технологии или металлоорганической газофазной эпитаксиальной технологии.

Следует также заметить, что для определения типа проводимости и концентрации основных носителей в областях 10, 20, 30, 40, 50, 60 структуры, осаждаются легирующие элементы, вместе с осаждением составляющих элементов для формирования различных областей 10, 20, 30, 40, 50, 60. В соответствии с типом легирующих элементов, способ изготовления структуры 5 может содержать этап активации легирующих элементов, такой как, например, этап отжига.

Изобретение также относится к устройству 1, такому как частично показано на фиг. 4, содержащему структуры 5a, 5b, 5c, 5d, соответствующие изобретению.

Такое устройство 1 содержит первую часть 2, так называемую оптическую, и вторую часть, так называемую процессорную, которая не показана.

Оптическая часть 2, показанная на фиг. 4, имеет четыре структуры 5a, 5b, 5c, 5d, соответствующие изобретению.

Оптическая часть 2 содержит:

- полупроводниковую подложку 10, общую для всех структур 5a, 5b, 5c, 5d, первую полупроводниковую область 20, контактирующую с полупроводниковой подложкой 10, причем первая область имеет первый электрический контакт 70 и изготовлена из первого материала, и упомянутая первая область 20 является общей для всех структур 5a, 5b, 5c, 5d,

- первую граничную область 30, контактирующую с первой областью 20, причем упомянутая первая граничная область 30 является общей для всех структур 5a, 5b, 5c, 5d,

- барьерную область 40, контактирующую с первой граничной областью 30, причем барьерная область 40 является общей для всех структур 5a, 5b, 5c, 5d,

- вторую граничную область 50, контактирующую с барьерной областью 40, причем вторая граничная область 50 является общей для всех структур 5a, 5b, 5c, 5d,

- вторую полупроводниковую область 60a, 60b, 60c, 60d в каждой структуре, контактирующую со второй граничной областью 50, причем каждая вторая область 60a, 60b, 60c, 60d имеет второй электрический контакт 75a, 75b, 75c, 75d и изготовлена из второго материала, и

- слой 80 для пассивирования поверхности, подходящий для пассивирования поверхности оптической части 2, кроме первого и второго электрических контактов 70, 75a, 75b, 75c и 75d.

Структуры 5a, 5b, 5c, 5d оптической части 2 используют идентичный принцип работы, ранее описанный для структуры 5, причем различные области 10, 20, 30, 40, 50, 60a, b, c, d оптической части 2 имеют признаки, идентичные признакам описанной ранее структуры.

Чтобы обеспечить гибридизацию индия оптической части 2 на процессорной части устройства, все электрические контакты оптической части 2 располагаются так, чтобы определить схему гибридизации, подходящую для того, чтобы обеспечить посредством гибридизации индия связь оптической части с процессорной частью, чтобы сформировать устройство.

Процессорная часть является частью, содержащей полупроводниковые структуры, взаимосвязанные между собой, чтобы сформировать схемы обработки, подходящие для обработки электрических сигналов оптических структур 5a, 5b, 5c, 5d. В такой процессорной части используются структуры транзисторного типа, и она изготавливается из кремния. Процессорная часть также содержит электрические контакты, подходящие для обеспечения связи с оптической частью путем гибридизации индия. Таким образом, такое устройство позволяет объединить преимущества использования оптического полупроводникового материала, такого как CdXHg1-XTe, с преимуществами обработки сигналов посредством малошумящей быстродействующей электроники, построенной на кремниевых структурах.

Реализация такого устройства 1 в отношении его оптической части подобна структуре, соответствующей изобретению.

Способ изготовления такого устройства 1 подобен способу изготовления структуры 5, соответствующему изобретению, за исключением выполнения этапов нанесения маски, связанных с созданием вторых областей 60a, b, c, d и их вторых электрических контактов, которые конкретны для каждой из оптических структур 5a, b, c, d.

Если в варианте осуществления, описанном выше, структура 5, соответствующая изобретению, имеет барьерную область 40 с тремя частями, представляющими большую часть барьерной области, и имеет по существу постоянное соотношение элементов, барьерная область 40 может содержать любую вариацию соотношения составляющих элементов на большей части толщины e1 барьера, не отступая от объема изобретения. В соответствии с этой возможностью, изменение соотношения составляющих элементов вдоль толщины e1 барьера должно быть таким, чтобы ширина запрещенной зоны по всей барьерной области 40 была равна или больше, чем ширина запрещенной зоны, соответствующая барьерному соотношению Xb.

Если в описанном выше варианте осуществления, структура 5, соответствующая изобретению, имеет соотношение X2 составляющих элементов во втором материале, по существу идентичное соотношению X1 составляющих элементов в первом материале, то соотношение X2 составляющих элементов во втором материале может отличаться от соотношения составляющих элементов в первом материале, не отступая от объема изобретения.

В конкретном применении изобретения основными носителями являются электроны, и структура является типичной nBn-структурой (n-типа легирование первой и второй областей и B-барьер). Структура, соответствующая изобретению, может также, не отступая от объема изобретения, иметь тип проводимости, для которой основными носителями являются дырки, причем структура, соответствующая этой возможности, является типичной pBp-структурой (p-типа легирование первой и второй областей и B-барьер).

Дополнительно, если в варианте осуществления, описанном в этом документе, первая и вторая граничные области каждая имеет линейное изменение соотношения для составляющих элементов вдоль соответствующей толщины, изменение соотношения элементов по меньшей мере в первой или второй областях может быть отличным от линейного, не отступая от объема изобретения.

Если в варианте осуществления, описанном в этом документе, соотношение составляющих элементов изменяется линейно в первой и второй граничных областях, следует считать, не отступая от объема изобретения, что соотношение составляющих элементов в любой или обеих граничных областях изменяется иначе, чем линейно. Таким образом, также следует считать, что для любой или обеих граничных областей соотношение составляющих элементов изменяется в соответствии с функцией ошибок, также известной как гауссова функция ошибок.

1. Полупроводниковая структура (5) для приема электромагнитного излучения (λ) и преобразования его в электрический сигнал, причем структура имеет номинальную рабочую температуру, содержащая:

- первую и вторую области (20, 60) одного и того же типа проводимости, которые соответственно изготовлены из первого и второго полупроводниковых материалов, причем упомянутые первый и второй полупроводниковые материалы состоят из одних и тех же элементов, называемых составляющими элементами, причем различное соотношение по меньшей мере для двух из составляющих элементов соответствует различию в ширине запрещенной зоны упомянутого материала, при этом первый материал является прямозонным полупроводниковым материалом,

- барьерную область (40), сформированную между первой и второй областями (20, 60), предназначенную для функционирования в качестве барьера для основных носителей первой и второй областей (20, 60) на толщине (e1) барьера, причем барьерная область (40) состоит из указанных составляющих элементов и имеет по всей толщине (e1) барьера такое соотношение составляющих элементов, что барьерная область (40) имеет минимум ширины запрещенной зоны, больший по величине, чем ширина запрещенной зоны в первой области (20), при этом разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю, при минимуме ширины запрещенной зоны в барьерной области, и энергией того же экстремума во второй области равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при указанной номинальной рабочей температуре, причем соотношение составляющих элементов, при котором барьерная область (40) имеет запрещенную зону с наиболее малой шириной, определяется как барьерное соотношение (Xb),

отличающаяся тем, что содержит первую граничную область (30), сформированную на первой граничной толщине (e2) так, что она граничит с первой областью (20) и барьерной областью (40), причем первая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется на всей граничной толщине (e2) от первой области (20) к барьерной области (40), от соотношения, соответствующего соотношению первого материала, до барьерного соотношения (Xb), и первая граничная толщина (e2) равна по меньшей мере половине толщины барьера (e1), при этом сформирована вторая граничная область (50) на второй граничной толщине (e3), расположенная так, что граничит с барьерной областью (40) и второй областью (60), причем вторая граничная область (50) имеет состав из составляющих элементов, который изменяется на всей второй граничной толщине (e3) от барьерной области (40) ко второй области (60), от барьерного соотношения (Xb) до состава, соответствующего составу второго материала (X2), и вторая граничная толщина (e3) меньше половины толщины (e1) барьера.

2. Структура (5) по п. 1, которая является nBn-структурой, первая и вторая области имеют тип проводимости, для которого основными носителями являются электроны, барьерная область (40) образована составляющими элементами и имеет по всей толщине (e1) барьера такое соотношение составляющих элементов, что барьерная область (40) имеет минимум ширины запрещенной зоны, который больше ширины запрещенной зоны первой области (20), и разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю, при минимуме ширины запрещенной зоны в барьерной области, и энергией того же экстремума зоны проводимости второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.

3. Структура (5) по п. 1, в которой первый и второй материалы имеют по существу идентичные соотношения составляющих элементов.

4. Структура (5) по п. 1, в которой составляющими элементами являются кадмий (Cd), ртуть (Hg) и теллур (Te).

5. Структура (5) по п. 1, в которой первая граничная толщина (e2) находится в пределах между толщиной (e1) барьера и двойной толщиной (e1) барьера.

6. Структура (5) по п. 1 , в которой соотношение составляющих элементов изменяется по существу равномерно по всей первой граничной толщине (e2).

7. Структура (5) по п. 1, в которой вторая граничная толщина (e3) меньше одной трети толщины (e1) барьера и предпочтительно меньше одной десятой толщины (e1) барьера.

8. Структура (5) по п. 1, в которой толщина (e1) барьера имеет значение между 100 и 300 нм.

9. Полупроводниковое устройство (1), содержащее множество полупроводниковых структур (5a, b, c, d), отличающееся тем, что по меньшей мере одна из структур (5a, b, c, d) является структурой по п. 1.

10. Полупроводниковое устройство (1) по п. 9, которое включает в себя оптическую часть (2) и процессорную часть, причем оптическая часть (2) содержит множество полупроводниковых структур (5a, b, c, d), называемых оптическими структурами, способными принимать электромагнитное излучение (λ) и преобразовывать его в электрический сигнал, причем по меньшей мере одна из структур (5a, b, c, d) является по меньшей мере одной структурой по одному из пп. 1-8, а процессорная часть содержит полупроводниковые структуры, расположенные между ними, чтобы обрабатывать электрические сигналы оптических структур (5a, b, c, d).

11. Способ изготовления полупроводниковой структуры (5) по п. 1, содержащий этапы, на которых:

- обеспечивают первую область (20) первого типа проводимости, изготовленную из первого полупроводникового материала, причем первый материал состоит из так называемых составляющих элементов, таких, что различное соотношение по меньшей мере двух из упомянутых составляющих элементов соответствует изменению ширины запрещенной зоны упомянутого материала,

- формируют первую граничную область (30) в контакте с первой областью (20), причем первая граничная область (30) имеет первую граничную толщину (e2) и состав из составляющих элементов, который изменяется по всей граничной толщине (e2) от соотношения, соответствующего первому материалу, до барьерного соотношения,

- формируют барьерную область (40) в контакте с граничной областью таким образом, что граничная область (40) граничит с первой областью (20) и барьерной областью (40), причем барьерная область (40) имеет толщину барьера (e1), по меньшей мере в два раза меньшую, чем первая граничная толщина (е2), а барьерная область состоит из составляющих элементов и имеет на всей толщине (e1) барьера такое соотношение, что барьерная область (40) имеет ширину запрещенной зоны, которая больше ширины запрещенной зоны для первой области (20), и соотношение составляющих элементов, при котором барьерная область (40) имеет самую низкую ширину запрещенной зоны, равно барьерному соотношению (Xb),

- формируют вторую граничную область (50) на второй граничной толщине (e3), причем состав составляющих элементов второй граничной области изменяется от барьерного соотношения (Xb) до соотношения, соответствующего второму материалу, а вторая граничная толщина (e3) меньше половины толщины барьера (e1),

- формируют вторую область (60) того же типа проводимости, что и первая область (20), причем вторую область (20) изготавливают из второго полупроводникового материала, состоящего из указанных составляющих элементов, и вторая область (60) расположена таким образом, что между первой и второй областями (20, 60) обеспечивается барьерная область (40), причем ширина запрещенной зоны второй области является такой, что разность по абсолютному значению между энергией экстремума энергетической зоны, соответствующей основному носителю, при минимуме ширины запрещенной зоны в барьерной области, и энергией того же экстремума второй области, равна по меньшей мере 10-тикратной тепловой энергии при номинальной рабочей температуре.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия.

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано при изготовлении микроболометрических матриц, детектирующих излучение в двух инфракрасных (ИК) диапазонах с длинами волн 3-5 мкм и 8-14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы.

Изобретение относится к оптоэлектронике и вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании сверхширокополосных фотодетекторов в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра для оптической спектроскопии и диагностики, систем оптической связи и визуализации.

Использование: для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что автономный приемник для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения включает металлический корпус, прозрачную диэлектрическую подложку, фоточувствительный слой из АФН-пленки и металлические контакты, при этом между прозрачной диэлектрической подложкой и металлическим корпусом помещено отражающее покрытие, приемник снабжен полусферической зеркальной крышкой, имеющей окно, прозрачное для рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

Изобретение относится к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам и может быть использовано при изготовлении детекторов электромагнитного излучения, преимущественно оптического, с наноструктрированным поглощающим (фоточувствительным) слоем.

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок.

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, точнее к компактным фотоприемникам излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, применяемым в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к излучению, и может быть использовано для разработки фотоприемников, в частности, предназначенных для регистрации инфракрасного излучения.

Изобретение относится к приемникам оптического излучения, а именно для применения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах для регистрации параметров оптического излучения.
Наверх