專利名稱：光子混合器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子混合器件，該器件包括一個光敏層，至少兩個調(diào)制柵極和至少兩個連接著光敏層的讀出電極，調(diào)制柵極連接著一個調(diào)制器件，該調(diào)制器件可以對應(yīng)于所需調(diào)制功能來提升和降低調(diào)制柵極相互之間的電位以及相對于讀出電極的最好是恒定的電位。
(2)背景技術(shù)用于記錄電磁波的幅值和相位的光子混合器件和方法在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的技術(shù)，例如，DE 198 21 974A1專利中所披露的。現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知地測量原理使用了一種光學(xué)探測器，該光學(xué)探測器包括一層光敏層，在該光敏層中使得入射光子產(chǎn)生電荷載流子；和兩個讀出電極或讀出柵極，使得它有可能從探測器讀出正比于入射光子數(shù)量的電流或電壓信號。此外，調(diào)制柵極設(shè)置成接近于讀出電極，調(diào)制柵極可以采用調(diào)制電壓來偏置以便于驅(qū)動在光敏層中所產(chǎn)生的電荷載流子流向讀出電極。調(diào)制電壓信號施加在調(diào)制柵極上，它可以采用調(diào)制的方式進(jìn)行校正，該調(diào)制是以所檢測到的電磁輻射的密度調(diào)制預(yù)先外加的。一般來說，就實(shí)現(xiàn)而言，入射電磁輻射的密度調(diào)制和調(diào)制柵極的調(diào)制顯示出相同的頻率。關(guān)鍵的因素不僅僅是電磁輻射的調(diào)制和調(diào)制柵極的調(diào)制電壓顯示出相同的頻率，而且是信號也可以產(chǎn)生相互間的相位鎖定。調(diào)制信號可以遵循余弦形狀的圖形，而且還可以具有任何其它周期性或者準(zhǔn)周期性的結(jié)構(gòu)。因此，施加在調(diào)制柵極上的信號也可以稱之為參考信號。通過兩個調(diào)制柵極的參考信號顯示出相互間相位偏移180°，其結(jié)果是，調(diào)制柵極產(chǎn)生光子混合器件中的電位梯度，從而可驅(qū)動電荷載流子流向一個讀出電極或另一讀出電極。通過讀出電極所測量到的電壓或電流信號是所產(chǎn)生的電荷載流子的數(shù)量和調(diào)制或參考電壓的函數(shù)。隨后，所測量到的信號基本上正比于入射電磁波的密度，并且它的相位偏移與調(diào)制電壓有關(guān)。如果入射電磁波的積分分量可以采用一個第二混頻元件進(jìn)行同步測量，且該第二混頻元件可方便地安放在相同的光子混合器件上，這樣，所入射電磁信號的幅值和相位信息可直接從混頻元件所讀取到的兩個數(shù)值中所獲取。于是，相對于第一混頻元件的調(diào)制電壓，施加在第二混頻元件的調(diào)制柵極上的調(diào)制電壓必須顯示出90°的相位偏移。
從德國專利申請DE 198 21 974A1中可了解到相對應(yīng)的光子混合器件，并且本文參考現(xiàn)有申請的完整披露盡可能多的討論了光子混合器件的基本工作模式、結(jié)構(gòu)以及可能的使用，在DE 198 21 974A1中所披露的光子混合器件具有至少兩個調(diào)制柵極和至少兩個讀出電極且還具有長窄的以及并行的條狀形狀。柵極或電極的該條狀形狀使得它有可能保持柵極的長度，即，柵極在電荷載流子運(yùn)動方向上的尺寸盡可能的小，同時為入射電磁輻射所產(chǎn)生的電荷載流子提供足夠大的表面面積。從而，即使短的柵極長度也可以使光子混合器件獲得非常高的效率。
讀出電極一般都具有金屬觸點(diǎn)，該觸點(diǎn)是采用蒸發(fā)或者濺射的方法直接形成在光敏層上的。光敏層包括一層半導(dǎo)體材料，例如，p-或者n-摻雜硅。半導(dǎo)體材料是對在觸點(diǎn)下區(qū)域中的其余晶圓進(jìn)行補(bǔ)充摻雜。于是，讀出電極可以由pn二極管構(gòu)成。然而，光子混合器件在本領(lǐng)域中是眾所周知的，其中，金屬觸點(diǎn)可應(yīng)用于本征或連續(xù)摻雜的半導(dǎo)體材料。隨后，讀出電極因?yàn)榻饘?半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移而顯示出類二極管的非歐姆的特性。
已經(jīng)證明采用現(xiàn)有技術(shù)所熟知的條狀形狀的讀出二極管或者類二極管讀出電極不利于顯示出當(dāng)使用電壓測量時可限制電荷變換效率(CCE)的許多功能。術(shù)語電荷變換效率可用于討論在光敏感材料中所產(chǎn)生的每個電荷載流子所引起的電壓。
此外，因?yàn)闂l狀讀出電極的二極管特性，所以所使用的條狀讀出電極存在著它們所顯示出的熱暗電流增加的缺點(diǎn)，這將影響電流測量方法的使用。
(3)發(fā)明內(nèi)容與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的目的是進(jìn)一步開發(fā)所熟知的光子混合器件，使之顯示出增加的電荷變換效率和減小的暗電流。
本目的的獲得在于所提供的光子混合器件包括一層光敏層，至少兩層調(diào)制柵極和至少兩層連接著光敏層的讀出電極，該調(diào)制柵極能夠連接著調(diào)制器件，該調(diào)制器件可以對應(yīng)于所需調(diào)制功能來提升和降低調(diào)制柵極相互之間的電位以及相對于讀出電極的最好是恒定的電位，在各種情況下，讀出電極都至少具有兩個分離的電極部分且以相隔一定距離來設(shè)置。
在電壓測量的操作中，光子混合器件的電荷變換效率正比于讀出電極能夠接受的良好近似值。讀出電極的能力，即，十分類似于產(chǎn)生暗電流的能力，是讀出電極的表面面積的函數(shù)。這適用于在金屬接觸和基片之間金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移的能力以及在讀出電極中的pn轉(zhuǎn)移的能力。通過使用至少兩個分離的電極部分且以隔一定距離來設(shè)置，而不是連續(xù)條狀形狀的讀出電極，電極的整個表面面積就可減小以及它的能力也因此而減小。
讀出電極的整個長度最好是對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的一片讀出電極的長度。
希望讀出電極的電極部分是以行一個接一個設(shè)置的。幾個電極部分是相互間接著設(shè)置允許在具有電極讀出能力的電極中形成電荷載流子的有效俘獲。為了讀出電極的有效讀出，各個電極部分必須是相互間電連接的，但是在各個電極部分之間的電連接不應(yīng)該形成對光敏層的直接電連接，否則分離電極部分的優(yōu)點(diǎn)就會消失。
本發(fā)明的一個實(shí)施例特別適用于具有諸如較佳的是鋁的金屬接觸的讀出電極。這些金屬接觸可采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方式直接形成在光敏層上。
讀出電極較佳的是設(shè)計成pn二極管，在讀出電極所接觸下的面積中的光敏層或者基片是采用p-或n-補(bǔ)充摻雜的剩余基片。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是讀出電極的分離電極部分的長度最多是它們寬度的三倍，較佳的是兩倍，并且更佳的是，等于它們的寬度。分離電極部分的寬度是0.5至5微米，較佳的是1至3微米，并且更佳的是1.8微米。
本發(fā)明的實(shí)施例較佳的是讀出電極的各個電極部分所具有的它們側(cè)向邊緣之間的距離為2微米和10微米之間，較佳的是在4微米和8微米之間，更佳的是6微米。
希望讀出電極的金屬接觸具有一個T形的剖面，且它們可以部分凸出于相鄰的金屬層的。采用這種方法所設(shè)計的金屬接觸具有適用于建立接觸所需的適當(dāng)尺寸，同時它們與光敏感材料的接觸表面能夠盡可能得小。
在現(xiàn)有技術(shù)所熟知的CMOS技術(shù)中，可以有效地產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)。然而，在其它技術(shù)的實(shí)施例中，例如，在GaAs中也是有利的并且可能沒有任何功能上的限制。
本發(fā)明的一個實(shí)施例更佳的是調(diào)制柵極基本上是條狀的，即，長度大于寬度。它們可以并行于讀出電極以行設(shè)置的分離電極部分延伸。
如果調(diào)制電極對于入射的電磁輻射是透明的，且入射探測器的輻射可以通過調(diào)制電極到達(dá)在其下面的光敏層。調(diào)制柵極可以由透明的p-或n-摻雜的半導(dǎo)體曾和透明的金屬層來形成的。
如果調(diào)制柵極可籍助于絕緣層，較佳的是氧化層，與光敏層電分離的是有利的。這可以保持對在光敏層中在絕緣層下所產(chǎn)生的電荷載流子的影響，而這是調(diào)制柵極難以俘獲的。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是讀出電極的電極部分空間毗鄰調(diào)制電極，但與其電絕緣。從而就能夠獲得讀出電極對電荷載流子的有效俘獲。
一個實(shí)施例較佳的是調(diào)制柵極可以是由p-或n-摻雜半導(dǎo)體材料所制成的。
希望讀出電極在其不毗鄰調(diào)制柵極的一側(cè)是由絕緣層所環(huán)繞著的。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是讀出電極的電極部分是空間設(shè)置在調(diào)制柵極的區(qū)域中，且與其是電絕緣的。于是，在讀出電極的電極部分上至少有三側(cè)能夠流出電荷載流子。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是讀出電極的各個電極部分顯示出在它們側(cè)向邊緣之間的距離在2微米和10微米之間，較佳的是在4微米和8微米之間，且更佳的是6微米。所引用的距離允許有效收集在讀出電極的各個電極部分上的電荷載流子。
如果探測器的兩個相鄰混頻元件具有一個共同的讀出電極的話，就能夠獲得根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的特殊緊湊到實(shí)施例，共同讀出電極的電極部分可以是空間設(shè)置在兩個探測器的共同調(diào)制柵極的區(qū)域中或者空間相鄰兩個探測器的兩個分離調(diào)制柵極。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是環(huán)繞著讀出電極設(shè)置至少兩個額外的存儲器柵極。存儲器柵極較佳的是與讀出電極電絕緣并具有電偏置電壓。存儲器柵極在讀出電極周圍至少形成兩個電勢阱，由電磁輻射所產(chǎn)生的電荷載流子在經(jīng)過調(diào)制柵極所產(chǎn)生的電位梯度之后收集在電勢阱中。如果是采用諸如硅之類的半導(dǎo)體作為光敏層的話，就能夠充分的提供具有正向偏置電壓的存儲器柵極，其結(jié)果是產(chǎn)生確定電流的電子電勢阱。
存儲器柵極較佳的是采用一層對于諸如電磁輻射不透明的層覆蓋，其結(jié)果是，在存儲器柵極區(qū)域中就不會產(chǎn)生電荷載流子。此外，希望讀出電極的電極部分是與存儲器柵極電絕緣的。
通過讀出電極的分離電極部分與其周圍較佳的條狀存儲器柵極的組合，就可以將現(xiàn)有技術(shù)中的條狀讀出電極的優(yōu)點(diǎn)與根據(jù)本發(fā)明的讀出電極的分離電極部分的優(yōu)點(diǎn)相組合。現(xiàn)有技術(shù)中的條狀讀出電極有可能得到一個有效的電荷載流子的流量，即，所有光子產(chǎn)生的電荷載流子，這是因?yàn)樵诖怪庇跅l狀讀出電極地方向上的電場加速光子所產(chǎn)生的電荷載流子，使之到達(dá)讀出電極和能夠流到這些電極。類似于條狀讀出電極，根據(jù)本發(fā)明的存儲器柵極也可以收集在垂直于條狀電極方向上加速的所有電荷載流子。隨后，可以籍助于讀出電極的分離電極部分進(jìn)行讀出，讀出電極的分離電極部分顯示出比現(xiàn)有技術(shù)所熟知的條狀讀出電極更小的讀出能力。在讀出電極中俘獲來自存儲器柵極的電荷載流子也是十分有效的。
此外，根據(jù)本發(fā)明包括存儲器柵極的光子混合器件可以具有兩級電荷轉(zhuǎn)移效率，該效率取決于照明的強(qiáng)度。如果照明強(qiáng)度是低的，則光子所產(chǎn)生的電荷載流子就少，探測器的積分能力等于讀出電極的金屬-半導(dǎo)體接觸或者pn二極管的本征能力。如果讀出電極通過電荷載流子的流量達(dá)到存儲器柵極的電勢，則探測器的積分能力就等于讀出電機(jī)的本征能力和存儲器柵極的能力之和。對于入射電磁輻射的低強(qiáng)度來說，所討論的流程可引起高的靈敏度或者電荷轉(zhuǎn)移效率，而對于高的強(qiáng)度(許多光子產(chǎn)生的電荷載流子)，假定電荷轉(zhuǎn)移效率為第二較低的數(shù)值。根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件，隨著對于高強(qiáng)度的敏感性降低，與沒有存儲器柵極的探測器相比較，就只能夠在較高的強(qiáng)度下達(dá)到飽和，其結(jié)果是可以改善光子混合器件的動態(tài)范圍。通過采用存儲器柵極的偏置電壓，就可以隨意設(shè)置可達(dá)到降低轉(zhuǎn)移效率的閾值數(shù)值。
由恒定偏置電壓所提供的存儲器柵極可減少光子混合器件的調(diào)制柵極和讀出電極之間的邊與邊的串?dāng)_。用這種方式，由于調(diào)制信號而使得讀出電極的可能干擾最小化。理想的是，高頻干擾完全與讀出二極管相分離。因此，存儲器柵極又可以稱為“分離柵極”。
當(dāng)探測器的兩個相鄰混頻器元件使用一個共用的存儲器柵極時，就可以得到特別緊湊的設(shè)計。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是光子混合器件至少有一個附加的存儲器結(jié)構(gòu)。希望該存儲器結(jié)構(gòu)是由至少有一個存儲器柵極且在其周圍環(huán)繞著的讀出電極所構(gòu)成的，其中，讀出電極是由相互電連接的分離電極部分所構(gòu)成，讀出電機(jī)的電極部分與存儲器柵極是電絕緣的，存儲器的結(jié)構(gòu)是被一層對電磁波不透明的層所覆蓋，且存儲器結(jié)構(gòu)的讀出電極電連接混頻元件的至少一個讀出電極。
更為有利的是，存儲器結(jié)構(gòu)的存儲器柵極是處于在混頻元件的存儲器柵極和電位和混頻元件的讀出電極的電位之間的電位上。
根據(jù)本發(fā)明的存儲器結(jié)構(gòu)，通過將存儲器結(jié)構(gòu)的附加功能附加在三級變換效率上，來延伸原先所討論的兩級電荷變換效率的存儲器柵極的原理。因此，提供了一個具有三級靈敏度的光子混合器件，該器件具有進(jìn)一步改善的動態(tài)范圍。
希望每一個檢測元件能能夠設(shè)置兩個真正的存儲器結(jié)構(gòu)，其中存儲器結(jié)構(gòu)的讀出電極都能夠電連接探測器元件。因此，可以獲得檢測元件的動態(tài)范圍的擴(kuò)展。
此外，希望在同一光學(xué)混合器件上的兩個相鄰混頻元件具有一個共同的存儲器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個實(shí)施例較佳的是光子混合器件具有多個混頻元件。該混頻元件可以連接成使得它們的信號疊加在一起，但是它們也可以施加相位相差90°的調(diào)制信號，這樣在一次測量中就能夠記錄下用于確定入射電磁信號的正交分量。
較佳實(shí)施例的下列討論有助于使得本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用的可能性變得更加清晰。
(4)


圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中具有條狀讀出電極的探測器元件的俯視圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第一實(shí)施例的俯視圖。
圖3示出圖2所示光子混合器件沿著線A-A’的垂直剖面圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第二實(shí)施例的俯視圖。
圖5示出圖4所示光子混合器件沿著線B-B’的垂直剖面圖。
圖6示出圖2和圖4所示光子混合器件沿著線A-A’的電位分布。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第三實(shí)施例的俯視圖。
圖8A根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第四實(shí)施例的俯視圖。
圖8B示出圖8A所示光子混合器件沿著線A-A’的電位分布。
圖9A示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第五實(shí)施例的俯視圖。
圖9B示出圖9A所示光子混合器件沿著線B-B’和A-A’的電位分布。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的另一實(shí)施例的俯視圖。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的一例實(shí)施例的俯視圖。
(5)具體實(shí)施方式
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中具有條狀讀出電極的探測器元件的俯視圖?？梢郧宄刈R別出探測器元件的兩個讀出電極1’和2’以及調(diào)制柵極3’和4’。附圖中沒有顯示由硅所制成的光敏層設(shè)置在柵極1’，2’，3’，和4’的下面。在實(shí)際操作中，讀出電極1’和2’采用正向偏置電壓，其結(jié)果是電極或柵極可起到在光敏層中產(chǎn)生的電荷載流子的電勢阱的作用。正向偏置電壓是可選擇的，因?yàn)榭昭ň哂休^低的遷移率，它有助于忽略電流的傳輸。參考電壓Uref施加在調(diào)制柵極3’和4’上，調(diào)制柵極的調(diào)制作用與入射電磁輻射的調(diào)制是相同的。電磁輻射的調(diào)制和調(diào)制柵極3’和4’的調(diào)制電壓可以顯示相位偏置φ。一旦采用強(qiáng)度調(diào)制的輻射照明時，在光敏層中就會產(chǎn)生電荷載流子，并且隨后加速到處于由調(diào)制柵極3’和4’所產(chǎn)生的電位梯度中的讀出電極1’和2’中。這時，兩個調(diào)制柵極必須采用相反相位的調(diào)制信號來偏置，以便于在調(diào)制柵極3’和4’之下的兩個光敏層區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。到達(dá)讀出電極1’和2’的電荷載流子的數(shù)量是入射電磁輻射強(qiáng)度的函數(shù)且具有相位差φ。于是，入射電磁輻射的強(qiáng)度以及在入射電磁輻射的調(diào)制信號和調(diào)制柵極3’和4’的調(diào)制信號之間的相位差φ可以采用電壓和電流測量的幫助下進(jìn)行記錄。
讀出電極1’和2’具有與鋁的歐姆接觸，該鋁是直接涂覆在半導(dǎo)體材料上，在p摻雜硅的情況下，在金屬接觸之下的區(qū)域中，半導(dǎo)體材料是對剩余材料進(jìn)行n+補(bǔ)充摻雜的材料，其結(jié)果是讀出電極是由pn二極管所制成的。如果n摻雜的半導(dǎo)體材料拉替代的話，則在讀出電極1’和2’接觸之下的區(qū)域是p摻雜的。
在圖1所示的平面視圖中，僅僅是只表示了讀出電極的補(bǔ)充摻雜區(qū)域的基礎(chǔ)。在該基礎(chǔ)上的條狀結(jié)構(gòu)是第二重要的。如讀出電極是采用電壓測量方式讀出的話，則測量電壓信號正比于1/CA，CA是讀出電極的電容。讀出電極1’和2’的pn躍遷具有本征電容，該本征電容基本上是由讀出電極的電容CA所確定的。為了獲得盡可能大的由于在光子混合器件中產(chǎn)生電荷載流子所引起的電壓變化，讀出電極的本征電容必須保持盡可能地小。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的第一實(shí)施例的俯視圖，在該實(shí)施例中，讀出電極1和2是由分離的電極部分1A-I和2A-I所構(gòu)成的。于是，各個讀出電極1和2的電容小于條狀讀出電極的電容，且其長度基本對應(yīng)于分別分開的兩個分離電極部分1A，1E和2A之間的距離。讀出電極1和2的電極在空間上直接毗鄰調(diào)制柵極，且在所討論的實(shí)施例中，是與調(diào)制柵極電絕緣的。
圖3示出圖2所示光子混合器件沿著線A-A’的垂直剖面圖，該部分是直接穿過分離電極。可以清楚地識別出電極部分2A-2E的垂直結(jié)構(gòu)。光敏層是由硅所制成的p摻雜基片5。正如圖3的剖面視圖所表示的，在各個情況中，基片的電極部分區(qū)域具有n+摻雜6，其結(jié)果是，電極部分2A-2E是由pn二極管所構(gòu)成，它在其上面具有金屬接觸20A-20E。如果是采用n摻雜半導(dǎo)體基片替代的話，則在電極部分的區(qū)域中，材料是p摻雜的。歐姆接觸直接施加在補(bǔ)充摻雜區(qū)域6中。
氧化硅層7可設(shè)置在電極或其周圍之間的基片5上。接觸20A-20E各自具有一種T形的剖面。電極部分1A-2E和2A-1E的補(bǔ)充摻雜區(qū)域6的基礎(chǔ)部分9各自是1.8微米邊長的平方。從圖3中可以清楚地看到，正如在圖2和4以及下列附圖中所表示的，讀出電極的電極部分僅僅是由電極部分的補(bǔ)充摻雜區(qū)域6的基礎(chǔ)部分9所表示。
圖4所示的分離電極部分101A至101E，102A至102E的結(jié)構(gòu)不同于圖2所示的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，電極部分是延伸至調(diào)制柵極103和104的區(qū)域中。調(diào)制柵極103和104與讀出電極是電絕緣的，如同以前一樣。該結(jié)構(gòu)允許改善在電極部分上的電荷載流子的流動，這電荷載流子的流動大多來自三個邊的110、111和112，正如電極102C所表示的。
圖5示出圖4所示光子混合器件沿著線B-B’的垂直剖面圖?？梢郧宄刈R別出電極部分102A至102E凸出進(jìn)入調(diào)制柵極104的區(qū)域中，調(diào)制柵極分別與電極部分102A至102E和它們的接觸120A至120E電絕緣，或與其保持著一定的距離。剖面圖也清楚地示出調(diào)制柵極104可采用氧化硅層122與其下面的p摻雜硅基片相分離。氧化硅層122可用于在調(diào)制柵極104和硅基片105之間的電絕緣。
圖6示出圖2和圖4所示光子混合器件沿著線A-A’的電位分布。很顯然，由于正向偏置電壓，讀出電極1，2，101，和102的電極部分形成了電勢阱，采用這些電勢阱可以俘獲光子所產(chǎn)生的電子。
圖7示出光子混合器件包括三個混頻元件213、214和215。混頻元件213至215各自具有兩個讀出電極201、202、216和217在這種情況下所構(gòu)成的這些讀出電極形成了五個分離的電極部分，正如從圖2和圖4中所知道的。
混頻元件213和215各自使用讀出電極216和217分別與在這兩個元件之間所設(shè)置的混頻元件214相結(jié)合。分別使用混頻元件213之215結(jié)合的讀出電極216和217可設(shè)置在兩個大的表面調(diào)制柵極218和219的區(qū)域中。兩個調(diào)制電極218和219各自的寬度基本上是圖2和圖4所顯示的光子混合器件的調(diào)制柵極的兩倍寬。調(diào)制電極218和219，正如讀出電極216和217，各自用于和兩個相鄰的光子混合器件相結(jié)合。調(diào)制柵極218至221相連接，使得各個相鄰的調(diào)制柵極可由調(diào)制信號的相反相位的激發(fā)。在各種情況下，四個讀出電極201、202、216和217中的兩個電極相互連接著且共同讀出。兩個柵極始終是與相鄰設(shè)置且提供同相調(diào)制信號的調(diào)制柵極相互連接在一起。
探測器元件213和215的兩個外部的讀出電極201和202各自是以類似于圖4所示的讀出電極201和202的結(jié)構(gòu)來構(gòu)成的，但是圖7所示的整個讀出電極201和202處于在調(diào)制柵極220和221的區(qū)域中，并且不是像圖4所示的調(diào)制柵極201和202的一半。
在另一實(shí)施例中，不同于圖7所示的實(shí)施例，多于三個混頻元件也可以連接構(gòu)成一個光子混合器件。也有可能將圖7所示的兩個三級混頻元件相互設(shè)置在一個光子混合器件上，兩個三級混頻元件的調(diào)制信號顯示出相互間90°的相位偏置，其結(jié)果是能夠采用信號測量的方法讀出正交分量以及同時入射電磁輻射的強(qiáng)度和相位。
在圖8中，呈現(xiàn)的光子混合器件的另一例實(shí)施例。讀出電極301和302可以由相鄰著調(diào)制柵極303和304的其它存儲器柵極323和324所環(huán)繞著。存儲器柵極323和324都可以采用正向直流電壓偏置，這里圖8B示出沿著圖8A中的A-A’線的電位分布的發(fā)展。工作的偏置電壓可以選擇，使得由其下面的硅基片中的存儲器柵極所產(chǎn)生的電勢阱處于比讀出電極302的電極更高的電位上。存儲器柵極對光子產(chǎn)生電子形成了一個大的電勢阱。在低照明時，在讀出電極301和302中或者周圍的電位分布的序列是電荷載流子引起大的電壓電平差，因?yàn)榉謮憾O管小的本征電容。另一方面，如果在光子混合器件具有強(qiáng)照明時，就會產(chǎn)生許多電子，它們會迅速填滿讀出電極的電勢阱，并且還在存儲器柵極323和324中收集其它電子，因?yàn)樵诖鎯ζ鳀艠O存在著大的容量，每一個電荷載流子只產(chǎn)生小的電壓電平差。總之，一旦由存儲器柵極的偏置電壓所確定的指定閾值數(shù)值超出了所假定的低的數(shù)值，其結(jié)果是在低照明下仍具有高的靈敏度。這樣，根據(jù)本發(fā)明的光子混合器件的動態(tài)范圍就可以比沒有存儲器柵極的光子混合器件大得多。
圖9A示出具有存儲器柵極423和424的光子混合器件的擴(kuò)展變型，在該變型中，在硅基片上和實(shí)際混合器件一起設(shè)置了另一存儲器柵極425和426。另一存儲器柵極425和426相互間電絕緣，以及與光子混合器件的其余柵極電絕緣。在另一存儲器柵極425和426的區(qū)域中，還設(shè)置了以分離、點(diǎn)電極所構(gòu)成的讀出電極427和428。這些讀出電極427和428分別電連接讀出電極401和402。具有讀出電極427和428的另一存儲器柵極425和426可以采用金屬層覆蓋，其結(jié)果是沒有電磁輻射可以輻射到這些電極(在圖9A中沒有顯示)。另一存儲器柵極425和426業(yè)可以采用直流電壓的相同偏置方法。另一存儲器柵極425和426的偏置電壓的絕對數(shù)值大于存儲器柵極423和424的偏置電壓的絕對數(shù)值。
圖9B清楚地示出另一存儲器柵極425和426的工作模式，它示出沿著圖9A所示線B-B’和A-A’的電位分布。由讀出電極的電極所形成的電勢阱429可以更加清楚地識別出。具有存儲器柵極425和426的存儲器結(jié)構(gòu)的附加容量形成了根據(jù)所輻射強(qiáng)度地光子混合器件的變換效率的第三級。因?yàn)閺?qiáng)度與變換效率或者靈敏度之間的關(guān)系，該探測器的實(shí)施例清楚地示出增大的動態(tài)范圍。
圖10和11示出兩例三個探測器元件513至515和613至615的集成實(shí)施例，在光子混合器件的各種情況下，讀出電極501、502、516、517以及601、602、616、617分別環(huán)繞著存儲器柵極。兩例實(shí)施例的不同之處在于，在圖10所示實(shí)施例的情況下，存儲器柵極是采用在讀出電極和其周圍的調(diào)制柵極之間的兩個窄的條狀電極531和532來形成的，而在圖11所示實(shí)施例的情況下，讀出電極是設(shè)置在較寬的存儲器柵極633中的。
圖8A、9A、10和11所示的存儲器柵極323、324、423、424、531、532和633，因?yàn)樗鼈兊暮愣ㄆ秒妷?，起到了減小在調(diào)制柵極303、304。403、404和讀出電極301、302、401、402、501、502、516和517之間的電氣邊與邊的串?dāng)_。這樣，讀出電極與在調(diào)制柵極303、304。403和404上的高頻調(diào)制電壓的干擾是完全解耦的。
權(quán)利要求
1.一種光子混合器件，該器件包括一個光敏層，至少兩個調(diào)制柵極(3、4、103、104、203、204、303、304、403、404)和至少兩個連接著光敏層的讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)，調(diào)制柵極(3、4、103、104、203、204、303、304、403、404)能夠連接著一個調(diào)制器件，該調(diào)制器件可以對應(yīng)于所需調(diào)制功能來提升和降低調(diào)制柵極相互之間的電位以及相對于讀出電極的最好是恒定的電位，其特征在于，讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)在各種情況下都具有至少兩個分離的電極部分(1A-1E，2A-2E)且以相隔一定距離來設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)都具有金屬接觸(20A-20E)，較佳的是鋁的金屬接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子混合器件，其特征在于，在所述讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)的金屬接觸之下區(qū)域中的光敏層是對剩余光敏層進(jìn)行補(bǔ)充摻雜的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)是pn二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)的分離電極部分(1A-1E，2A-2E)的長度至多是其寬度的三倍，較佳的是兩倍。更佳的是等于其寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述分離電極部分的寬度是0.5微米至5微米，較佳的是1微米至3微米，且更佳的是1.8微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極1、2、101、102)的各自電極部分具有在其側(cè)向邊緣之間的距離在2微米和10微米之間的距離，較佳的是在4微米和8微米之間，且更佳的是6微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)的接觸剖面部分是T形，且部分向相鄰的材料層凸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2、101、102)的分離電極部分在各種情況下都是相互連接著的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述調(diào)制柵極(3、4、103、104)是以條狀且相互并行的方式形成的，較佳的是也基本并行于所述讀出電極的分離電極部分的行。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述調(diào)制柵極(3、4、103、104)對所入射的電磁輻射是透明的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述調(diào)制柵極(3、4、103、104)包括p-或者n-摻雜的半導(dǎo)體材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述調(diào)制柵極(3、4、103、104)與所述光敏層是電絕緣的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述調(diào)制柵極(102A-102E)采用一層氧化硅層(122)與所述光敏層(105)電絕緣。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(1、2)的電極部分(1A-1E、2A-2E)在空間上與所述調(diào)制電極(3、4)相鄰。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一所述的光子混合器件，其特征在于，在所述各個讀出電極(1、2)的電極部分的接觸之間設(shè)置一層電絕緣層(7)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(101、102)的電極部分在空間上設(shè)置在所述調(diào)制柵極(103、104)的區(qū)域內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述讀出電極(101、102)的接觸是與所述調(diào)制柵極(103、104)電絕緣的。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述探測器的兩個相鄰混頻元件(213、214、215)具有一個共同的讀出電極(216、217)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述探測器的兩個相鄰混頻元件(213、214、215)具有一個共同的調(diào)制柵極(218、219)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一所述的光子混合器件，其特征在于，至少有兩個存儲器柵極(323、324)設(shè)置成環(huán)繞著所述讀出電極(301、302)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)是條狀的。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)是采用對入射電磁輻射不透明的材料覆蓋的。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)是與讀出電極(301、302401、402)電絕緣的。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)是與光敏層電絕緣的。
26.根據(jù)權(quán)利要求21至25中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)連接著一個可調(diào)電壓源。
27.根據(jù)權(quán)利要求21至26中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)是采用正向或反向電壓偏置的。
28.根據(jù)權(quán)利要求21至27中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424、531、532、633)各自形成一個分離的柵極。
29.根據(jù)權(quán)利要求21至28中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(323、324、423、424)各自處于不同于所述讀出電極的電位上。
30.根據(jù)權(quán)利要求21至29中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述探測器的兩個相鄰混頻元件(613、614、615)具有一個共同的存儲器柵極(633)。
31.根據(jù)權(quán)利要求1至30中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述光子混合器件具有至少一個附加的存儲器結(jié)構(gòu)。
32，根據(jù)權(quán)利要求31所述的光子混合器件，其特制在于，所述存儲器結(jié)構(gòu)具有至少一個讀出電極(427、428)且具有存儲器柵極(425、426環(huán)繞著它，所述讀出電極(427、428)具有相互電連接的分離電極部分，所述讀出電極(427、428)的電極是與所述存儲器柵極(425、426)電絕緣的，所述存儲器結(jié)構(gòu)是采用一層對電磁輻射不透明的層覆蓋著，以及，所述存儲器結(jié)構(gòu)的讀出電極(427、428)是與混頻元件的讀出電極(401、402)電連接的。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的光子混合器件，其特征在于，在每一個混頻元件中實(shí)際上設(shè)置了兩個存儲器結(jié)構(gòu)。
34.根據(jù)權(quán)利要求31至33中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述探測器的兩個相鄰混頻元件具有一個共同的存儲器結(jié)構(gòu)。
35.根據(jù)權(quán)利要求31至34中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器柵極(425、426)連接著一個第二可調(diào)電壓源。
36.根據(jù)權(quán)利要求31至35中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述混頻元件的存儲器柵極(423、424)處于不同于所述存儲器件的存儲器柵極(425、426)的電位。
37.根據(jù)權(quán)利要求31至36中任一所述的光子混合器件，其特征在于，所述存儲器件的存儲器柵極(425、426)處于不同于所述混頻元件的存儲器柵極(423、424)的電位且處于比所述混頻元件的輸出電極(401、402)更高的電位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子混合器件，該器件包括一個光敏層，至少兩個調(diào)制柵極(3、4、103、104、203、204、303、304、403、404)和至少兩個連接著光敏層的讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)，調(diào)制柵極(3、4、103、104、203、204、303、304、403、404)能夠連接著一個調(diào)制器件，該調(diào)制器件可以對應(yīng)于所需調(diào)制功能來提升和降低調(diào)制柵極相互之間的電位以及相對于讀出電極較佳是恒定的電位。為了能夠進(jìn)一步開發(fā)所熟知光子混合器件，使得它能夠顯示出增加的電荷變換效率和減小的暗電流，根據(jù)本發(fā)明的提議，在各種情況下的讀出電極(1、2、101、102、201、202、301、302、401、402、501、502、601、602)都具有至少兩個分離的電極部分(1A－1E，2A－2E)且相隔一定距離來設(shè)置。
文檔編號G01J9/00GK1680792SQ200510064890
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月5日
發(fā)明者許展平, T·莫勒, H·科拉夫特, J·弗雷, M·阿爾布雷克特 申請人:Pmd技術(shù)有限公司