專利名稱：光控場效應(yīng)晶體管和使用它的集成光電檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對光控場效應(yīng)晶體管(此后亦稱為光控FET)的改 進(jìn)，其中光電二極管和場效應(yīng)晶體管(此后亦稱為FET)被集成于單 片中。
背景技術(shù)：
在醫(yī)藥、災(zāi)害預(yù)防和工業(yè)檢測領(lǐng)域等各種應(yīng)用中，對近紅外區(qū)域 的光電檢測器，尤其是以一維或者二維排列了多個光電檢測器的光電 檢測器陣列作為用于光鐠系統(tǒng)或者紅外線照相機(jī)的紅外光電檢測器 具有很高需求。例如，在醫(yī)學(xué)和生物測量學(xué)領(lǐng)域，非介入行為被重新 肯定并商品化為利用紅外附近區(qū)域中的0.7~0.9nm之間的血色素光 鐠特征的"活體內(nèi)氧分監(jiān)控裝置"或者"血管圖像認(rèn)證系統(tǒng)"。適用范圍
還可擴(kuò)展至利用光斷層照相術(shù)的診斷或者測量波長設(shè)定為1.2至 1.5jim的紅外區(qū)域的生物測量。在此條件下，活體滲透性進(jìn)一步增加， 能夠?qū)崿F(xiàn)即使注視光源也是安全的所謂"眼睛安全"條件。
同樣，鑒于由單質(zhì)氧造成的活體發(fā)射波長為1269nm等事實(shí)，與 近來廣受關(guān)注的利用熒光標(biāo)簽進(jìn)行的單分子檢測有關(guān)，對于紅外區(qū)域 內(nèi)的弱光的檢測系統(tǒng)的需求很大。在災(zāi)害預(yù)防和安全領(lǐng)域，比較強(qiáng)的 光照是可的，因此，期待實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化了利用物質(zhì)的特定紅外光吸收特性、 例如溫度和濕度、進(jìn)行活體識別以及溫度測量功能的夜視照相機(jī)。此 外，當(dāng)波長范圍擴(kuò)展至4jim時，就可以檢測熱圖像或者有毒氣體，如 CO，以及服務(wù)于災(zāi)害預(yù)防和遙感。
另 一重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔镁哂兴^"智能像素"功能的成像裝置 進(jìn)行距離識別或者移動體識別。例如，如在文獻(xiàn)l中所公開的，已開 發(fā)出了一種照相機(jī)，該照相機(jī)根據(jù)數(shù)MHz頻率的調(diào)制光的相位來測
量距離。該照相機(jī)利用與硅CCD (電荷耦合元件)以調(diào)制頻率同步的 開關(guān)進(jìn)行所謂的鎖定檢測。
文獻(xiàn) 1 : Robert Lange and Peter Seitz， "Solid-State Time-of-Flight Range Camera", IEEE JOURNAL of QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37, NO.3 ， p.390-397 (MARCH 2001)。
在此，根據(jù)基本光電檢測器自身的結(jié)構(gòu)，可檢測紅外區(qū)域的現(xiàn)有 光電檢測器可大致分為以下所示的l)至3)三類。
1) 光電倍增管(PMT)，將由入射光激發(fā)而從光電轉(zhuǎn)換表面發(fā) 射的電子倍增來檢測電荷，或者具有電子倍增機(jī)制(例如，電子轟擊 CCD照相機(jī)Hamamatsu Photonics K.K生產(chǎn)的EB-CCD照相機(jī))。
2) 檢測化合物半導(dǎo)體中的光產(chǎn)生電流的PIN 二極管。
3) 將半導(dǎo)體內(nèi)的光產(chǎn)生電流倍增的雪崩光電二極管。
但是，在PMT和光電二極管的情況下，在建立檢測器陣列方面 存在內(nèi)在問題，原因是需要高加速電壓用于加速和倍增在真空管或者 固體物質(zhì)中由光產(chǎn)生的電子，以及其倍增特性的變化比較大。
同樣，在EB-CCD照相機(jī)中，由于感應(yīng)靜電放電在數(shù)伏電壓下 會破壞微CCD,事實(shí)上難以將CCD與需要IKV加速電壓的電子倍 增板組合。因此，EB-CCD照相機(jī)作為產(chǎn)品太過昂貴，達(dá)不到滿足廣 泛需求的程度。另一方面，盡管使用化合物半導(dǎo)體的PIN光電二極管 的結(jié)構(gòu)簡單和相對易于集成，但PIN光電二極管的檢測限制遠(yuǎn)差于硅 CCD,其原因在于其感光度低并受到來自外部放大器的讀出噪聲的極 大影響，以及不像硅CCD那樣具有電荷存儲機(jī)制。
由現(xiàn)有光電檢測器引起的另 一嚴(yán)重問題是感光波長區(qū)域有限。盡 管開發(fā)出了在可見光區(qū)域內(nèi)的各種攝像器件，但在波長在150nm~ 300nm的紫外區(qū)域和波長大于lpm的紅外區(qū)域的感光度不足。為了 處理寬范圍的波長區(qū)域需要設(shè)置多個具有不同感光特性的光電檢測 器，導(dǎo)致復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。
在不是化合物半導(dǎo)體系光電檢測器，而是具有硅感光層并處理從 可見光到近紅外區(qū)域的波長的光電檢測器中，將利用集成于半導(dǎo)體中
的晶體管放大光感生電流的光電晶體管用于光中繼或者攝像器件。尤
其是，CMOS圖像傳感器作為高分辨率照相機(jī)或者攝像機(jī)的攝像器件 越來越普及。因其采用了具有光電檢測器和組合于單個像素內(nèi)的 MOSFET的有源單元系統(tǒng)，故易于進(jìn)行高密度集成。
此外，下述的文獻(xiàn)2和3公開了一種被稱為VMIS (閾值電壓調(diào) 制圖像傳感器)的硅基光電檢測器，其中試圖利用元件內(nèi)的p型阱將 來自內(nèi)置光電二極管的輸出與MOSFET的背柵互連，從而將光電檢 測器和FET組合起來。
文獻(xiàn)2: JP-A2004-241487
文獻(xiàn)3 : "Principle of Operation of VMIS"， Transistor Technology, p.l60， February 2003， CQ Publishing Co., Ltd.， 1-14-2 Sugamo, Toshima誦Ku, Tokyo。
但是，光產(chǎn)生的栽流子在不采取任何措施的情況下會消散，原因 是必須剝離源極和漏極各自的接觸部分的作為柵絕緣層的氧化硅膜。 因此，例如需要采用額外的工藝以在柵電極和源電極周圍提供空穴存 儲層和沿側(cè)方向的雜質(zhì)濃度梯度，從而產(chǎn)生防止載流子流出源電極的 勢壘。為了形成這樣的雜質(zhì)分布，還需要進(jìn)行多次離子注入工藝。 VMIS的元件隔離工藝更為困難，因其為雙極元件。這樣，與一般 CMOS圖像傳感器相比，元件制造工藝變得復(fù)雜。
作為利用在紅外區(qū)域內(nèi)具有感光度的化合物半導(dǎo)體元件的集成 圖像傳感器，到目前為止已經(jīng)開發(fā)出了利用具有集成規(guī)模從320x256 像素至VGA ( 640x480像素)的焦平面陣列(FPA )的紅外照相機(jī)。 由于該紅外線照相機(jī)與傳統(tǒng)的攝像管系統(tǒng)的紅外線照相機(jī)相比，重量 輕、感光度高以及視覺殘像低，而逐漸普及。但是，由于用于FPA 的光接收元件本身沒有尋址功能，故攝像器件的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的工 序，例如二維化合物半導(dǎo)體PIN光電檢測器陣列的晶片減薄工藝，以 及將其貼合至二維硅電荷放大陣列。此外，F(xiàn)PA尚未解決由外部放大
器引起的讀出噪聲的較大影響的問題，這是因?yàn)轭愃朴诜至IN光電 檢測器的情形，其需要將最多與入射光中光子的數(shù)量相對應(yīng)的由光產(chǎn)
生的電子-空穴對所感應(yīng)的微弱電流進(jìn)行放大。
諸如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT )和高電子遷移率晶體管(HEMT ) 之類的組合了有源元件的高敏光電檢測器，同樣作為具有紅外區(qū)域感 光度的化合物半導(dǎo)體元件，也得到了研究。其中，F(xiàn)ET具有簡單的結(jié) 構(gòu)，主要作為單極元件廣泛應(yīng)用于高頻和無線電傳輸。如果該FET 也可以被用作包含光電檢測器部分的單元元件，則除了易于集成和元 件面積增大之外，還有提供高速低功耗元件的很大的可能性。此外， 由于實(shí)質(zhì)上的工作區(qū)域靠近前表面，故可以期待得到寬光譜范圍的感 光度。事實(shí)上，大量的研究結(jié)果可歸結(jié)為以下所述。
例如，具有化合物半導(dǎo)體系FET作為基本結(jié)構(gòu)的光控FET最初 在GaAs襯底上的GaAs/AlGaAs系材料上被開發(fā)。但是，當(dāng)GaAs 層用于還充當(dāng)光的入射區(qū)域并流過電流的溝道區(qū)域的緩沖層時，感光 波長的上限為850nm以下，如下述文獻(xiàn)4所述。
文獻(xiàn)4: Hongjoo Song， Hoon Kim， "Analysis of AlGaAs/GaAs Heterojunction Photodetector with a Two國Dimensional Channel Modulated by Gate Voltage", Extended Abstract of the 2003 International Conference on Solid State Device and Materials, Tokyo, 2003， p.l86-187。
有鑒于此，為了保證更高速度和擴(kuò)大感光波長范圍，使用了含銦 的材料，諸如In0.53Gao.47As、 InGaAsP、 In。.52Al。.48As等。在InP襯底 上的InGaAs系材料的情況下，波長范圍即使在應(yīng)變狀態(tài)下其界限也 為2.5jim。但是，已經(jīng)開發(fā)出了利用在從4 6nm波長具有感光度的 InSb或者InAsSb感光層的FPA，并將其用于熱成像或者有毒氣體檢 測。
在GaAs/AlGaAs系材料中，在襯底和外延層之間或者在外延生 長結(jié)束后的表面與電介質(zhì)絕緣膜之間的界面處引入深雜質(zhì)能級，將費(fèi) 米能級固定在中間能級附近。因此，載流子被耗盡，在界面處形成了 半絕緣層。在含銦的材料中，與此相反，在表面或者界面處傾向于形 成導(dǎo)電層。
換言之，為了在制造GaAs/AlGaAs系FET時得到溝道的導(dǎo)電性， 需要引入能夠補(bǔ)償在元件界面處感應(yīng)的表面能級的影響的施主。反 之，在制造InGaAs/InP系FET時需要抑制由形成于表面或者界面處 的導(dǎo)電層引起的泄漏電流。
由于肖特基勢壘易于在與InP晶格匹配的InAlAs中形成，如下 文獻(xiàn)5中所述，提出了利用InP襯底上的InGaAs溝道的FET。通常， 由InAlAs形成夾著溝道層的勢壘層。目前已基于此材料實(shí)現(xiàn)了最高 速的HEMT元件。
文獻(xiàn)5: Yoshimi Yamashita， Akira Endoh, Keisuke Shinohara, Kohki Hikosaka, Toshiaki Matsui， Satoshi Hiyamizu, and Takashi Mimura， "Pseudomorphic Ino.52Alo.4sAs/I1io.7Gao.3As HEMTs with an Ultrahigh f or 562GHz"， IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.23, NO.IO， P.573 (OCTOBER 2002)。
但是，另一方面，該元件有一些缺點(diǎn)。由于作為光吸收層的 InGaAs溝道層薄，對長波長光的吸收效率不好，需要諸如波導(dǎo)耦合 等改進(jìn)。在波導(dǎo)耦合中，元件端面被用作受光表面，需要精確對準(zhǔn)。 此外，由于InAlAs勢壘層與氧或者空氣中的水分反應(yīng)，從可靠性角 度看元件存在問題。另一個問題是，由于InAlAs中的雜質(zhì)容易移動， 閾值容易不穩(wěn)定。
盡管無Al的InP作為柵極材料在可靠性上較好，但仍存在一些 困難難以形成肖特基結(jié)；發(fā)生表面泄漏電流；以及在襯底與外延層 之間的界面上發(fā)生泄漏電流等。
這些問題已經(jīng)被認(rèn)識到，也提出了一些解決方法。例如下迷文獻(xiàn) 6， 一&開了一種具有HEMT結(jié)構(gòu)作為其基本結(jié)構(gòu)的光控FET，其中由 p型InAlAs對表面能產(chǎn)生的固定效應(yīng)(pinning effect)被用于在暗狀 態(tài)下使耗盡層從表面延伸，從而切斷源-漏電流，并在光照射時通過 在柵極區(qū)域積累空穴來感應(yīng)電子，從而試圖制造具有放大功能的光電 檢測器。
文獻(xiàn)6: JP腸A 2001-111093
此外，下述文獻(xiàn)7公開了一種無需考慮光控FET的結(jié)構(gòu)而對普 通FET的改進(jìn)方法，其中形成了到達(dá)InP襯底的溝道以消除因襯底 和外延層之間的界面處的導(dǎo)電缺陷引起的影響。
文獻(xiàn)7: JP-A HEI 5-275474
此外，如本發(fā)明人所提出的如下文獻(xiàn)8中，公開了利用量子線限 制電流通路，以及如下述文獻(xiàn)9和文獻(xiàn)10中所公開的，利用量子點(diǎn) 接觸進(jìn)行限制以比現(xiàn)有技術(shù)大幅度地增強(qiáng)光檢測的靈敏度。
文獻(xiàn)8: JP-A 2005-203428
文獻(xiàn)9: JP - A 2001-332758
文獻(xiàn)10: JP-A HEI 9-260711
但是，即使特別考慮由不是硅系而是化合物半導(dǎo)體系的FET結(jié) 構(gòu)構(gòu)成的光電檢測器，使用被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)中的優(yōu)秀者的文獻(xiàn)6中 公開的技術(shù)并按其構(gòu)思實(shí)際地制造元件，也還不能獲得具有足夠令人 滿意的感光度的光控FET。尤其是需要形成足夠厚的光吸收層，以實(shí) 現(xiàn)適用于攝像器件的表面?zhèn)裙庹盏墓饪谾ET。此外，未采取防止泄漏 電流的措施，無法抑制來自與溝道長度方向正交的溝道寬度方向的邊 緣的泄漏電流。即使包含了文獻(xiàn)7中公開的開槽技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明人 的經(jīng)驗(yàn)，由于電介質(zhì)絕緣膜的形成引起泄漏電流穿過溝槽表面，這不 能成為一種有效的方法。
在文獻(xiàn)8、 9和10中公開的結(jié)構(gòu)必須通過利用電子束啄光方法的 超精密微加工技術(shù)形成。此外，為了形成文獻(xiàn)10中所公開的電流限 制部分，必須使用亞微米光刻機(jī)，原因在于需要進(jìn)行能級間距的微調(diào)。 顯然，不希望元件制造需要這么高的精度、這么大量的工序以及復(fù)雜 性。由于還未取得令人滿意的感光度，現(xiàn)有技術(shù)還沒有達(dá)到可以不做 修正地在將來推薦的程度。首先，量子結(jié)構(gòu)對于獲得高感光度光控 FET必不可少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術(shù)的情況而提出的，其目的在于提供一種光控FET,作為有利于擴(kuò)展波長范圍的化合物半導(dǎo)體系光電檢測器，而 不是像文獻(xiàn)2和3中爿>開的珪系光電檢測器。該光控FET消除或減 小了現(xiàn)有技術(shù)的元件組的缺點(diǎn)，即使以利用分辨率最高為0.5pm左右 一般的光刻機(jī)的即可制造的元件尺寸就能夠獲得足夠高的感光度，并 且具有有效抑制泄漏電流的、二維或者三維可重復(fù)性良好的元件結(jié)
構(gòu)o
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種具有以下結(jié)構(gòu)的光控FET 作為光電檢測器的一種改進(jìn)，它不是具有較長的光產(chǎn)生載流子壽命的 硅基光電檢測器，而是一種具有短的光產(chǎn)生載流子壽命的化合物半導(dǎo) 體系的光電檢測器。
具體來講，本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體系光控FET具有形成于襯底 上的溝道層，該溝道層構(gòu)成源電極和漏電極之間的電流通路并且充當(dāng) 光電二極管的一部分且作為感光區(qū)域的一部分，該光控FET包括
襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層，設(shè)置于襯底和溝道層之間，形成 對溝道層的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)，使襯底側(cè)耗盡層從襯底向溝道層延伸， 并通過利用對溝道層照射光而光產(chǎn)生的載流子對背柵施加偏置；
設(shè)置于溝道層表面?zhèn)鹊膭輭緦樱鋷侗葴系缹拥膶?，使得光產(chǎn) 生的載流子中的一種在溝道層中運(yùn)動，而光產(chǎn)生的載流子中的另一種 停滯或者被阻擋；
置于溝道層表面?zhèn)鹊谋砻鎮(zhèn)群谋M層生成層，使表面?zhèn)群谋M層從該 表面?zhèn)妊由爝M(jìn)溝道層，當(dāng)無光照時使表面?zhèn)群谋M層與襯底側(cè)耗盡層相 接觸以關(guān)閉溝道層中的電流通路，從而使光控FET為截止?fàn)顟B(tài)。
通過以上構(gòu)造，現(xiàn)有FET相比，在無光照時的暗電流(泄漏電 流)得到了大幅度的抑制，可提供一種易于制造且可以在光照時有效 檢測泄漏電流的光控FET 。
除以上基本結(jié)構(gòu)之外，本發(fā)明還公開了一種希望進(jìn)一步增加的配 置。即首先，提出了一種光控FET，當(dāng)把通過溝道層的載流子設(shè)計(jì)為 電子時，勢壘層在與該溝道層的界面上的價帶的帶偏移比導(dǎo)帶的帶偏 移大，從而使得僅將空穴選擇性地禁閉在在界面處。
另外，還希望設(shè)置成如下結(jié)構(gòu)村底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層具 有與溝道層中的多數(shù)載流子相反的極性或者是半絕緣的、并具有比溝 道層寬的帶隙的結(jié)構(gòu)；或者襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層的側(cè)表面為 半絕緣的或者具有相反極性、并具有由帶隙大的所覆蓋的嵌入結(jié)構(gòu)。
另外，還非常希望配置成如下結(jié)構(gòu)對上述基本結(jié)構(gòu)附加與溝道 層的下面相接觸的梯度化層，從而利用該梯度化層所具有的能帶傾斜 結(jié)構(gòu)使由光照射所發(fā)生的載流子從襯底一側(cè)向表面?zhèn)绕啤?br> 此外，還可以提出一種方案，其中作為對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在表面?zhèn)?耗盡層生成層中呈點(diǎn)狀設(shè)置多個開口 ，在具有開口的表面?zhèn)群谋M層生 成層上以將該開口完全填充的方式形成源電極和漏電極之一。
作為對結(jié)構(gòu)的另一種設(shè)計(jì)，可以在溝道層中形成多個盲孔，該盲 孔在沿該溝道層的截面方向看至少切除了溝道層并且具有間隔地排 列，溝道層的介于相鄰盲孔之間的部分充當(dāng)電流狹窄區(qū)域，溝道層內(nèi) 的電流只能通過該電流狹窄區(qū)域流過，以進(jìn)一 步有效地提高感光度。 另外，在此構(gòu)造的情況下，表面?zhèn)群谋M層生成層最好覆蓋暴露于盲孔 的內(nèi)壁表面的層結(jié)構(gòu)的側(cè)表面。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，為了結(jié)構(gòu)性地防止泄漏電流， 最好采用這樣一種結(jié)構(gòu)從俯視圖上看，源電極和漏電極中的一個由 溝道層包圍，而另一個電極包圍溝道層。
本發(fā)明可以構(gòu)造所謂的柵開路光控FET，但相反，當(dāng)然還可以 提供一種具有柵電極的光控FET;除上述結(jié)構(gòu)之外，還可以構(gòu)成柵電 極，該柵電極在形成于源電極和漏電極之間的中途的溝道層上的表面 側(cè)耗盡層生成層上形成肖特基結(jié)或者pn結(jié)。當(dāng)然，這種柵電極能夠 發(fā)揮利用柵偏置的感光度調(diào)整以及輸出的開關(guān)功能。
另外，在本發(fā)明中，還提出了包括多個這樣的光控FET的集成 光電檢測器。在此情況下，相鄰的各個光控FET之間最好由到達(dá)襯 底的隔離槽相互分離開。另外，溝槽的內(nèi)壁表面最好由與充當(dāng)襯底側(cè) 耗盡層生成層的極性相反、并且?guī)侗葴系缹踊蛘咭r底側(cè)耗盡層生成 層兼背柵層的大的層所覆蓋。 多個這種光控FET通常以行-列(二維矩陣配置)形式配置； 但在本發(fā)明中，還提出了在此時對于每個行，利用相同的外延層結(jié)構(gòu) 形成上述FET作為讀出用場效應(yīng)晶體管而不是用于光探測。這使得 可以容易地形成智能像素混合集成電路，大大促進(jìn)具有鎖定檢測模塊 的小型照相機(jī)以及高靈敏度小型分光儀、以及光學(xué)外差顯微鏡的開 發(fā)。


圖1為作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的利用了肖特基勢壘的 光控FET的結(jié)構(gòu)概要圖。
圖2為作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的利用了肖特基勢壘的 光控FET的結(jié)構(gòu)概要圖。
圖3為作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的利用了通過再生長形 成的側(cè)面埋入層的光控FET結(jié)構(gòu)的概要圖。
圖4 (A)為沿橫截面方向觀察圖1所示的本發(fā)明的光控FET的 包括表面?zhèn)群谋M層的部分在深度方向上的能帶分布概圖。
圖4(B)為圖1所示的光控FET沿溝道長度方向的能帶分布該圖。
圖5為作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的具有帶有開口的表面 側(cè)耗盡層生成層的光控FET的結(jié)構(gòu)概要圖。
圖6為作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式的利用幾何地形成的電 流狹窄區(qū)域來進(jìn)一步提高感光度的光控FET的結(jié)構(gòu)概要圖。
圖7(A)為在如圖6所示的優(yōu)選實(shí)施方式的光控FET的一種制造 工序示例中確定電流狹窄區(qū)域的工藝步驟說明圖。
圖7(B)為在圖7(A)的步驟之后在電流狹窄區(qū)域中形成凹進(jìn)結(jié)構(gòu) 的工藝步驟的說明圖。
圖7(C)為在圖7(B)的步驟之后形成表面?zhèn)群谋M層生成層的工藝 步驟的說明圖。
圖7(D)為在圖7(C)的步驟之后，根據(jù)需要在蒸鍍形成柵電極31 時的i兌明圖。
圖8(A)為通過將圖1所示的本發(fā)明的光控FET元件集成化以將 光接收面積擴(kuò)展至數(shù)十nm2以上的說明圖。
圖8(B)為圖8(A)中切除了由假想線框Ea包圍的部分的部分切除 的說明圖。
圖9(A)為集成了如圖6所示的光控FET的示例的結(jié)構(gòu)概要圖。 圖9(B)為圖9(A)中的主要部分的說明圖。
圖IO為集成了由圖1所示的本發(fā)明元件的二維矩陣結(jié)構(gòu)的一例 的概要圖。
圖11為構(gòu)成圖10所示矩陣結(jié)構(gòu)的一個光控FET分別在光照時 和非光照時的靜態(tài)特性的說明圖。
圖12為利用本發(fā)明的光控FET構(gòu)成的智能像素混合集成電路元 件的示意圖。
圖13為利用圖12所示的智能像素混合集成電路元件的具有USB 端口的紅外線照相機(jī)的示意圖。
圖14為利用圖12所示的智能像素混合集成電路元件的具有USB 端口的小型分光光度儀的示意圖。
圖15為利用圖12所示的智能像素混合集成電路元件的光學(xué)外差 顯微鏡的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1給出了根據(jù)本發(fā)明制造的具有比較基本的結(jié)構(gòu)的光控FET 的一種優(yōu)選實(shí)施方式。
一般，在利用MOCVD制備的長波長半導(dǎo)體材料中，由于殘留 雜質(zhì)的影響，背景載流子濃度在用于波長達(dá)2.5nm的近紅外區(qū)域的 InGaAs/InP系材料中為n型且為約2x10"至2xlO"cnT3左右，而在 用于波長達(dá)6nm的紅外區(qū)域的InSb基或者InAsSb系材料中為約 lxlO"cit^左右。另一方面，為了提高光吸收系數(shù)，作為光電檢測器， 需要具有厚度至少為l-2fim的光吸收層(感光層)的。因此，作為
光控FET,為了在暗狀態(tài)的情況下切斷溝道電流，并且在光照下獲得 與感應(yīng)電荷相對應(yīng)的放大電流，必須預(yù)先使在背景電平下為導(dǎo)通狀態(tài) 的溝道耗盡化。因此，如圖1所示，在本發(fā)明的本實(shí)施方式的光控FET 中，從半絕緣的InP襯底10的側(cè)面形成后述的p型摻雜層并使未摻 雜n-InGaAs溝道層15的一部分耗盡，同時，以圍繞源電極30的整 個周圍的方式環(huán)繞由后述的由肖特基結(jié)導(dǎo)致的表面?zhèn)群谋M層21 ，并從 表面?zhèn)惹袛鄬?dǎo)電通路。以下對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。
現(xiàn)有已認(rèn)識到了這樣的化合物半導(dǎo)體系的結(jié)構(gòu)本身在被光照射 而開啟時(導(dǎo)通時)構(gòu)成源電極與漏電極之間的電流通路、同時也是 光電二極管的一部分和感光區(qū)域的一部分的溝道層，設(shè)有從上下夾著 該溝道層且?guī)侗葴系缹拥膶挼漠愘|(zhì)結(jié)層。但是如在圖1中的本發(fā)明 的實(shí)施方式中所示，當(dāng)在摻雜有Fe的半絕緣InP襯底10上將未摻雜 的InGaAs溝道層15形成在InP或者InAlGaAs緩沖層12上時，與 是否有意無關(guān)地，存在作為形成該緩沖層12的基底層而在襯底10的 表面上形成呈電子導(dǎo)電的n型化層11的情況。
在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，該層11的形成是引起沿溝道15的底側(cè)的泄漏電 流的原因之一。因此，在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方式中，首先在n 型化層11上形成InP緩沖層12，然后形成既是利用p-InAlGaAs的 襯底側(cè)耗盡層生成層也是后述的襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13。作 為本發(fā)明的一個特征，盡管以從襯底一側(cè)延伸耗盡層為目的而設(shè)置的 襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13可具有單層結(jié)構(gòu)，但最好具有如圖 所示的雙層結(jié)構(gòu)13a和13b，在InP緩沖層11上形成p-InAlGaAs層 13a并在其上形成p-InGaAs層13b。
當(dāng)在僅由p-InAlGaAs層13a的單層構(gòu)成襯底側(cè)耗盡層生成層兼 背柵層13,并且在其上形成與溝道層15的異質(zhì)PN結(jié)時，由n型化 層11和未摻雜的InGaAs溝道層15中的殘留雜質(zhì)產(chǎn)生的正電荷被由 離子化的受主所產(chǎn)生的負(fù)電荷補(bǔ)償，從而使溝道層15從襯底10 —側(cè) 耗盡，將由光照射而在溝道層和村底側(cè)耗盡層中產(chǎn)生的空穴積累在柵 下方和該襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13內(nèi)，據(jù)此可以施加(調(diào)制)
在表面形成的FET的背柵偏置。重復(fù)一遍，無論是否存在n型化層 11,該p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵13 (13a )具有上述 的耗盡襯底附近的電子、防止作為感光區(qū)域的溝道層15的底面的泄 漏電流的功能；此外，它可以在控制向沿溝道層15下側(cè)延伸的、村 底10 —側(cè)的耗盡層22的深度的同時生成該耗盡層22。
同樣，即使僅采用利用p-InGaAs的襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵 層13b，也可以期待其動作，在保證光吸收層的厚度的同時可以獨(dú)立 地設(shè)置FET的閾值電壓。之所以采取兩層疊層結(jié)構(gòu)，是因?yàn)閷τ谂c 其上的溝道層15形成同質(zhì)pn結(jié)的p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層 兼背柵層13a，如果存在成為異質(zhì)結(jié)的p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生 成層兼背柵層13b，則可以進(jìn)一步提高對于所產(chǎn)生的電子和空穴的勢 壘。
在這種單層或者疊層結(jié)構(gòu)的襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13 上，通過對圖示的光控FET繼續(xù)進(jìn)行MOCVD工序來進(jìn)行外延生長， 還充當(dāng)感光層的未摻雜的InGaAs溝道層15被設(shè)置為厚度為0.5 -lnm，進(jìn)而在其上按順序生長厚度為50nm左右的未摻雜InP勢壘層 16、厚度為50nm左右的作為肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層兼層17 的未摻雜的InAlGaAs層17、以及厚度為50nm左右的n-InP調(diào)制摻 雜層18。
在上述結(jié)構(gòu)上，利用現(xiàn)有技術(shù)，使用適當(dāng)?shù)臍W姆金屬材料如 AuGe/Ni/Au，設(shè)置漏電極32，使得該漏電極32以距圖中的中央所示 的源電極30為預(yù)定距離并圍繞該源電極30。在制造工序中，在形成 了電極30和32之后，通過等離子增強(qiáng)CVD等形成SiC)2或者SiNx 絕緣膜24，通過選擇性千法刻蝕以圍繞源電極30的方式露出形成柵 電極的空間，通過使用作為InP的選擇性刻蝕液的鹽酸、酒石酸系刻 蝕液的選擇性刻蝕來選擇性地去除n-InP調(diào)制摻雜層18。由此，由于
向擴(kuò)寬，因此不會使包圍源極30而設(shè)置的柵電極31在其側(cè)面與具有 高導(dǎo)電性的n-InP調(diào)制摻雜層18接觸，而可以使該柵電極31與肖特
基接觸兼刻蝕阻擋層17相接觸。柵電極31的材料例如可以是 Ti/Pt/Au。
這樣，在通過刻蝕開出了溝槽、失去了上面的n-InP調(diào)制摻雜層 18的部分上的肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17的該部分成為產(chǎn)生 表面?zhèn)群谋M層22的"表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域"。在此意義上，該肖特 基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17還可稱為表面?zhèn)群谋M層生成層17。盡 管在本實(shí)施方式中，柵電極31形成于表面?zhèn)群谋M層生成層17的表面 側(cè)耗盡層形成區(qū)域上，但在不需要利用柵電位進(jìn)行電工作特性調(diào)整的 情況下，例如像所謂的柵開路FET那樣，即使沒有柵電極31也能夠 作為光控FET工作，因此如果將通過刻蝕去除了導(dǎo)電性高的n-InP 調(diào)制摻雜層18的部分形成為肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17,并 將該處作為表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域，則可以如圖所示表面?zhèn)群谋M層21 在溝道層15內(nèi)深入地擴(kuò)展。換言之，作為滿足本發(fā)明的要素之一， 可以在源電極30和漏電極32之間的沿溝道長度方向的中途，設(shè)置用 于使表面?zhèn)群谋M層沿溝道深度方向延伸的表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域。而 是否在此處設(shè)置柵電極31則根據(jù)使用上的需求確定。
盡管比較容易對于溝道層15形成肖特基勢壘層，但也可以使用 包括p-InAlGaAs與p-InGaAs的疊層結(jié)構(gòu)和未摻雜的n型溝道層的 pn結(jié)來代替該肖特基勢壘層，其原因是這種pn結(jié)的表面泄漏電流比 較小。
圖2中示出了這種情況下的本發(fā)明的實(shí)施方式，在以下的說明中 省略的部分援引關(guān)于圖1的實(shí)施方式的說明。在圖2所示的實(shí)施方式 中，在以與圖1所示光控FET相同的方式形成了未摻雜InGaAs溝道 層15和未摻雜InP勢壘層16之后，繼續(xù)以150nm左右的厚度形成 由p-InAlGaAs構(gòu)成的表面?zhèn)群谋M層生成層19,其功能將在以后詳述。 如圖所示，該層19僅保留在最終結(jié)構(gòu)的柵電極31的下方。換言之， 該層19的下表面成為表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域。
在表面?zhèn)群谋M層生成層19之上形成厚度20nm左右的p摻雜 InGaAs蓋層20。該層20提高了光刻膠的附著性并防止氧化膜的形成，
使得濕法刻蝕工藝容易進(jìn)行，同時有降低歐姆接觸電阻的效果。不過，
InAlGaAs表面?zhèn)群谋M層生成層19也有最好相當(dāng)于其成分中的Ga成 分為零的層、即實(shí)質(zhì)上為InAlAs層的情況。
在圖2所示的光控FET的制造工序中，利用作為InGaAs選擇 性刻蝕的磷酸過氧化氬系選擇性刻蝕液對p摻雜InGaAs蓋層20和由 p-InAlGaAs構(gòu)成的表面?zhèn)群谋M層生成層19進(jìn)行選擇性刻蝕以留下矩 形框狀的形狀；然后，利用適當(dāng)?shù)碾姌O材料，例如AuGe/Ni/Au等材 料，利用自對準(zhǔn)技術(shù)和剝離工藝，在p摻雜InGaAs蓋層20和 p-InAlGaAs表面?zhèn)群谋M層生成層19的附近蒸鍍形成將來要被柵電極 31圍繞的源電極30和將包圍柵電極31的漏電極32;進(jìn)而，在400°C 下在氮?dú)庵羞M(jìn)行1分鐘左右的合金化處理以確保歐姆特性。然后形成 柵電極31，該柵電極31也是在p摻雜InGaAs蓋層20上利用適當(dāng)?shù)?金屬材料例如Ti/Au等形成的。
在具有圖2所示結(jié)構(gòu)的光控FET中，由于在作為感光層的溝道 層15上存在本發(fā)明有意設(shè)置的襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13,襯 底側(cè)耗盡層22到達(dá)光了表面而耗盡了電子，因此，作為FET,為了 放置溝道電流被切斷，源電極30和漏電極32必須盡可能地靠近柵極 31.
如前所述，該結(jié)構(gòu)還可以改造為柵開路結(jié)構(gòu)；在此情況下，僅需
形成表面?zhèn)群谋M層生成層19即可，而無需在其上形成蓋層20和柵電 極31。
在以這種供需制造的本發(fā)明的光控FET中，成為以下結(jié)構(gòu)當(dāng) 從俯視圖看時，由肖特基結(jié)(圖1的實(shí)施方式的情況下)或者pn結(jié) (圖2的實(shí)施方式的情況下)產(chǎn)生的表面?zhèn)群谋M層21其整個周圍圍 繞著源極30，在該表面?zhèn)群谋M層21的表面上形成了柵電極。
但是，當(dāng)使用pn結(jié)時，由適合的金屬制成的柵電極31不需完 全包圍源電極30,只要其至少一部分與表面?zhèn)群谋M層生成層19和p 摻雜InGaAs蓋層20相連接就可即可。此外，在圖示實(shí)施方式的情況 下，盡管從俯視圖看漏電極32也圍繞著柵電極31或者表面?zhèn)群谋M層 形成區(qū)域，但是即使與柵電極一樣其一部分欠缺也沒有問題。這一點(diǎn)
適也用于才艮據(jù)圖l所示實(shí)施方式的光控FET,通過避免完全封閉的曲 線形狀，可以抑制在金屬電極的剝離工藝中形成金屬碎片。
在這種光控FET元件的集成化的情況下，通過刻蝕在所制成的 每個光控FET的外部周邊形成到達(dá)半絕緣InP襯底10的溝槽以與相 鄰元件分離。
在圖l所示的實(shí)施方式中，由于n-InP調(diào)制摻雜層18覆蓋元件 的整個區(qū)域，寄生電阻得到抑制；此外， 一般來講，盡管肖特基勢壘 易于制造，其但與pn結(jié)相比其泄漏電流和時間穩(wěn)定性有惡化的傾向。 另一方面，在圖2所示的光控FET中，由于柵結(jié)為pn結(jié)，可以抑制 柵泄漏電流；但是，由于對于未摻雜InP勢壘層16直接形成歐姆接 觸，寄生電阻趨于增大。此外，為了防止FET的溝道電流被切斷， 如前所述，漏電極32和源電極30必須盡可能靠近柵電極31。此外， 在圖1和圖2的兩種光控FET中，都存在在分離元件后形成的刻蝕 端面成為引起泄漏電流的原因的情況。
當(dāng)然，圖l和2中的實(shí)施方式較傳統(tǒng)方式提供了優(yōu)良的特性；但 這些實(shí)施方式中仍存在上述的問題可以通過采用例如圖3中所示的元 件結(jié)構(gòu)來解決。即，與圖2的實(shí)施方式中的p-InAlGaAs表面?zhèn)群谋M 層生成層19 一樣，將表面?zhèn)群谋M層生成層19的內(nèi)外周邊部分由合適 的電介質(zhì)薄膜24以加框的方式包圍；或者，將除了該薄膜24的元件 的幾乎整個面積用例如利用MOCVD法選擇性再生長的n-InP層23 所覆蓋。然后，將薄膜24的一部分開口并形成柵電極31，在n-InP 層23上形成源電極30和漏電極32。由此，由于在柵區(qū)域使用結(jié)特性 優(yōu)良的pn結(jié)，并在元件表面上覆蓋了紅外透過性和導(dǎo)電性均優(yōu)良的 n-InP層23，所以減小了元件電阻；此外，由于在側(cè)表面上InGaAs 溝道層(感光層)15被具有寬帶隙的該n-InP層23所覆蓋，因此可 以獲得一種還抑制了端面處載流子復(fù)合的埋入型光控FET。此外， p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13b以及p-InAlGaAs襯底側(cè) 耗盡層生成層兼背柵層13a利用反向pn結(jié)而作為孤立的阱在元件內(nèi)
被隔離。另外，當(dāng)將InP緩沖層12的形成為厚度為0.5pm左右時， 襯底10也可以具有n型導(dǎo)電性。在本實(shí)施方式的情況下，由于InP 再生長層23保持了元件表面與襯底IO間的導(dǎo)通，使用n型襯底則可 以使省略漏電極32，并對于將微小像素以陣列狀集成的情況是有利 的。
在圖3所示結(jié)構(gòu)的光控FET中，也可以采用柵開路結(jié)構(gòu)，在此 情況下，無需耗盡層生成層19上的蓋層20和柵電極31。
圖4(A)和4(B)給出了圖1所示的本發(fā)明的光控FET的工作原理。 圖4(A)給出了沿斷面方向觀察包含表面?zhèn)群谋M層21的部分時的深度 方向的仿真獲得的能帶分布概圖。圖4(B)給出了沿溝道長度方向的能 帶分布概圖。
實(shí)線示出了當(dāng)元件受到1 W/cm2的光照時得到的能帶發(fā)布該圖， 虛線表示未被照射時的能帶分布概圖；InGaAs溝道層15夾在表面?zhèn)?的InAlGaAs肖特基接觸形成用刻蝕阻擋層(表面?zhèn)群谋M層生成層) 17和InP勢壘層16與襯底側(cè)的p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背 柵層13b和p-InAlGaAs村底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13a之間。此 時，襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13具有疊層結(jié)構(gòu)；其一部分的區(qū) 域、即此時成為襯底側(cè)的層部分的p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層 兼背柵層13a的帶隙充分寬于溝道層15的帶隙。
未摻雜InAlGaAs層17和InP勢壘層16的厚度分別為50nm; 未摻雜InGaAs溝道層15具有2xl014cm—3的n型背景雜質(zhì)量和ljim 的厚度；p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13b具有l(wèi)xl017cm — 3的摻雜量和lnm的厚度；而p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背 柵層13a具有l(wèi)xl017cm —3的摻雜量和0.2nm的厚度。
如圖所示，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，在不照射光時光控FET可以進(jìn) 入完全截止?fàn)顟B(tài)；事實(shí)上，進(jìn)而，根據(jù)所制成的每個元件的元件表面 乃至襯底與外延層界面各層的電荷狀態(tài)，對各層的殘留雜質(zhì)濃度進(jìn)行 細(xì)微調(diào)整，得到了更加滿意的結(jié)果。
當(dāng)該元件受到光照時，位于還充當(dāng)肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋
層的表面?zhèn)群谋M層生成層17下方或者柵電極31下方的未摻雜InP勢 壘層16與溝道層15的界面處累積作為與多數(shù)載流子極性相反的載流 子的空穴，其結(jié)果，導(dǎo)致表面?zhèn)群谋M層21向上側(cè)收縮。同時，電子 作為少數(shù)栽流子從p-InAlGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13a和 p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13b向溝道層15 —側(cè)擴(kuò)散； 而且，產(chǎn)生于溝道層15中的空穴流入p-InGaAs村底側(cè)耗盡層生成層 兼背柵層13b，據(jù)此，有效地施加背柵偏置以使整體正偏置，同樣地， 縮小表面?zhèn)群谋M層21和襯底側(cè)耗盡層22。其結(jié)果，在表面?zhèn)群谋M層 21和村底側(cè)耗盡層22之間形成間隙以形成所謂溝道打開狀態(tài)，從而 在源極30和漏極32之間引起電子電流，實(shí)現(xiàn)光探測功能。
實(shí)際上，在暗狀態(tài)下，InGaAs溝道層15的導(dǎo)帶在0.14V處具有 平穩(wěn)點(diǎn)(stationary point);與此相對，在光照射后，InGaAs溝道層 15和p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13b大致平坦，降低至 -0.68V。即，利用光照，等效于從襯底一側(cè)加上了 0.82V背柵偏置 電壓，使源-漏電流根據(jù)FET的跨導(dǎo)而增加。
作為與Ino.53Ga。.47As晶格匹配并具有大帶隙的材料，可以給出 InP和In。.52Ga。.48As;但是，由于這些材料的電子親和能不同，導(dǎo)帶 和價帶的能帶偏移在In。.53Ga。.47As和InP的界面處按照40%: 60%的 比例分配，在Ino.53Ga。.47As和InAlAs或者InAlGaAs的界面處大致 按照70%: 30%的比例分配，如以下文獻(xiàn)ll所述。
文獻(xiàn)11: "Properties of Lattice-matched and Strained Indium Gallium Arsenide", p.86， edited by Pallab Bhattacharya, INSPEC， the Institute of Electrical Engineers, London, United Kingdom 。
即，InAlGaAs對電子為高勢壘，而與InP的界面對空穴的禁閉 效應(yīng)大。
在利用GaAs作為襯底的材料系列中，作為構(gòu)成異質(zhì)勢壘的系 列，InGaP比AlGaAs更為理想。其原因是，如以下文獻(xiàn)12所述，In0.5_ Ga。.5P與GaAs的能帶間隙按照導(dǎo)帶側(cè)13% 、價帶側(cè)87%的比例分配， 因此，導(dǎo)帶的能帶偏移為0.06eV，而價帶的能帶偏移變?yōu)?.40eV，與
上述InGaAs/InP系列類似，雖然對空穴成為高勢壘，但電子可以自 由移動。以下的文獻(xiàn)13中給出了類似的傾向。
另外，在GaAs系列中也允許一定程度的應(yīng)變，也可以使用 Ino,2Gao.8As來替代GaAs溝道。其結(jié)果，溝道電子遷移率提高，對空 穴的勢壘進(jìn)一步加強(qiáng)。為了在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)圖1的結(jié)構(gòu)，可以利 用半絕緣GaAs襯底10作為襯底10, GaAs緩沖層12作為緩沖層12， 未摻雜InGaP勢壘層16作為勢壘層16，由未摻雜AlGaAs構(gòu)成的肖 特基接觸兼刻蝕阻擋層17作為肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17， n-InGaP調(diào)制摻雜層18作為調(diào)制摻雜層18。
文獻(xiàn)12: Kwan-Shik Kim， Yong曙Hoon Cho， and Byung-Doo Choe， "Determination of Al mole fraction for null conduction band offset in Ino.5Gao.5P/AlxGahxAs heterojunction by photoluminescence measurement", Appl. Phys. Lett. 67(12)， 18 September 1995。
文獻(xiàn)13: JianhuiChen， J. R. Sites, L L Spain M.丄Hafich and G. Y. Robinson, "Band offset of GaAs/In0.48Ga0.52P measured under hydrostatic pressure", Appl. Phys. Lett" Vol. 58， No. 7， p.1719-1720, 18 February 1991。
如前所述，已開發(fā)出了將在波長4 7jim具有敏感度的InSb和 InAsSb用于感光層的FPA陣列，用于熱圖像傳感和有毒氣體感測。 尤其是，如以下文獻(xiàn)14中所述，根據(jù)Sb與As的成分比例，InAsSb 具有對應(yīng)于3nm (Sb成分0.07)至8.5nm ( Sb成分0.6)的能帶 吸收邊。例如，盡管CO的基本吸收波長為4.65nm，但與需要以77K 左右的液氮溫度冷卻的InSb (7.3nm)元件不同，InAsSb系元件可以 根據(jù)目的選擇對應(yīng)于更短波長的成份，具有可以在能夠用珀耳帖 (peltiert)元件實(shí)現(xiàn)的程度的冷卻狀態(tài)下使用的優(yōu)點(diǎn)。雖然在使用 InAsSb作為感光層(溝道層)實(shí)現(xiàn)光控FET時，可以使用AlAsSb 和InAsP系作為勢壘層；但類似于GaAs/InGaP系列或者InP/InGaAs 系列，與InAsSb相比，使用InAsP作為勢壘層能夠增強(qiáng)對空穴的禁 閉效應(yīng)。
文獻(xiàn)14: Z. M， Fang， K. Y. Ma， D. H. Jaw， R. M. Cohen, and G. B. Stringfellow, "Photoluminescene of InSb， InAs， and InAsSb grown by organometallic vapor phase epitaxy, "J. Appl. Phys. Vol. 67， No. 11， p.7034-7039， 1 June 19卯。
簡言之，對于還用作感光區(qū)域的溝道層15,使用空穴傳輸率低 于電子傳輸率的異質(zhì)勢壘層是有效的。換言之，通過將使與溝道層15
溝道層15上，從而將所產(chǎn)生的空穴有選擇地保持在外延層內(nèi)，據(jù)此 可以得到期望的增益。
回到圖4(A),可知，在InP勢壘層16和InGaAs溝道層15之間 的界面處形成了電子可以通過而空穴難以通過的異質(zhì)勢壘層結(jié)構(gòu)35， 在光照時，對于電子，勢壘消失；而對于空穴，殘留有勢壘。如上所 述，圖4(B)給出了溝道層15從源電極30朝外側(cè)方向沿著柵電極31、 感光層33和漏電極32的能帶分布概圖，源-柵電壓設(shè)置為0V，漏 極電壓設(shè)置為4V的情況。在虛線所示的暗狀態(tài)下，由于形成了利用 肖特基柵極的表面?zhèn)群谋M層21 (圖1)，阻止了電子從源極向漏極的 移動。另一方面，在由實(shí)線所示的光照下，能帶整體下降，同時對電 子的勢壘消失。另外，在本實(shí)施方式中，由于表面?zhèn)群谋M層21從俯 視圖上看以閉合的矩形形狀包圍著源電極30的整個外圍，這意味著 最終漏電極32與源電極30之間的溝道層15在其電流通路的中途部 分被完全阻斷，極為有效地抑制了源-漏電極之間的電子電流(暗電 流)。
此外，如該實(shí)施方式那樣，如果漏極32本身也是包圍源電極30 的結(jié)構(gòu)，則由于溝道層15在其端面處既不暴露于源電極30和漏電極
部分或任何層相連接，因此還構(gòu)成了可選擇性地在元件內(nèi)流動的電流 在幾何結(jié)構(gòu)上不向其他外部電路泄漏的結(jié)構(gòu)。溝道的一端必然在其某 個部位只與漏電極32相連接而另一端也必然在其某一部位只與源電 極30相連接，沒有其他的連接路徑。換言之，如上所述，源-漏電
極之間的溝道層15在其整個區(qū)域，在其電流通路的中途，被表面?zhèn)?耗盡層21或者表面?zhèn)群谋M層21與襯底側(cè)耗盡層22所切斷。
通過施加正的漏極電壓，空穴受到從周邊的漏電極32經(jīng)感光區(qū) 域33向著柵區(qū)31和源區(qū)30的漂移電場的作用，因此有效地向元件 中心附近積累。從圖4(A)和4(B)所示的元件的能帶分布概圖可以看 出，根據(jù)這種機(jī)制，使得感光度充分高。
在表面?zhèn)壬仙说哪軒Х植疾糠质沟猛ㄟ^光照在InGaAs溝道層 15附近產(chǎn)生的空穴可以向表面?zhèn)绕?，而電子可以沿相反方向向溝?中心部分移動；其結(jié)果，電子能夠累積在InGaAs溝道層15的中間， 而空穴能夠累積在InP勢壘層16與溝道層15之間的界面處以及 p-InGaAs襯底側(cè)耗盡層形成膜13b處。即，雖然實(shí)質(zhì)上光生載流子 的積累區(qū)域與多數(shù)載流子的移動路徑從俯視圖上看是一致的，但在深 度方向上彼此分離。
其結(jié)果，在空穴累積過程中，結(jié)型FET的柵等效于保持正向偏 置狀態(tài)，緩沖層界面附近的耗盡層21和22收縮，從而增大了電流密 度。這樣，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，如前所述，空穴和電子的空間分布雖 然從俯視圖上看是一致的，但在元件的截面方向(深度方向)上看則 是分離的，因此，抑制了載流子復(fù)合，提高了栽流子壽命。特別是， 在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于所產(chǎn)生的空穴由InP勢壘層16與InGaAs 溝道層15的界面處的異質(zhì)勢壘結(jié)構(gòu)35而選擇性地停留在界面上，因 此，所產(chǎn)生的空穴累積在表面?zhèn)群谋M層21 (柵極31正下方，或者被 認(rèn)為是肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17的表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域 的正下方)中，局部地打開表面?zhèn)群谋M層下方的溝道。由于光控FET 的感光度由光感生電荷的積累時間與電子遷移時間之比所決定，通過 減小電子和空穴的空間重疊，延長空穴的復(fù)合壽命，選擇性地提高價 帶側(cè)的異質(zhì)勢壘以阻止空穴的散失路徑，反應(yīng)速度能夠降低數(shù)ns至 數(shù)十HS,而感光度也能夠大大提高。此外，本元件的有源部分由于可 以配置在極淺的表面上( 100nm以內(nèi))，因此具有不僅在紅外區(qū)域， 而且在紫外區(qū)域也表現(xiàn)出高感光度的特征。
另外，雖然Al成分為0.48的In0,52Al0.48As形成了陡峭的導(dǎo)帶輪 廓，在性能上是有利的；但是，由于有自然氧化從而使元件性能惡化 的傾向，也有需要采取利用電介質(zhì)膜來保護(hù)元件表面的措施的情況。 鑒于此，可以使用將Al成分降低至0.3的IiK^AlojGa^As來提高可 靠性。在采用Inn.52Alo.3Ga。.18As的情況下，可以確保約0.3eV程度的 與In。.53Ga。.47As的導(dǎo)帶偏移，也能夠充分滿足光控FET的功能。當(dāng) 使用InAlGaAs作為表面?zhèn)群谋M層生成層17的材料時，由于最好對襯 底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13也使用相同的材料，以簡化晶體生長 條件的設(shè)置，因此在如圖l所示的實(shí)施方式中采用了該結(jié)構(gòu)；但如果 改變各個InAlGaAs材料的Al成分或者只使用InAlAs單層，也都沒 有問題。
在圖1所示的實(shí)施方式中，作為溝道層15，使用了未摻雜InGaAs 作為其材料，這是為了提高電子遷移率而希望盡量減小散射因素，最 好不有意地引入任何雜質(zhì)(保持n型背景)。盡管在分子束外延(MBE ) 中，背景摻雜由于碳雜質(zhì)而表現(xiàn)為p型，但在該情況下，最好通過對 勢壘層16或者n-InP層18調(diào)制摻雜來調(diào)整溝道的導(dǎo)電性，而不有意 引入任何雜質(zhì)。另外，在此情況下可以解釋為，襯底側(cè)耗盡層生成層 13是自然形成的。還可以使用添加了 Fe等深雜質(zhì)能級的半絕緣半導(dǎo) 體來代替在InP緩沖層12。
此外，盡管在上述的圖l所示的實(shí)施方式中，表面電勢由肖特基 勢壘型柵電極31固定，但可以不提圖1的實(shí)施方式中的元件，而在 圖2和3所示的實(shí)施方式中，構(gòu)造去除了柵電極31的柵開路光控FET; 在該情況下，通過根據(jù)溝道層15的雜質(zhì)濃度來調(diào)整該溝道層15的厚 度、表面?zhèn)群谋M層形成區(qū)域的位置以及襯底側(cè)耗盡層生成層的位置， 因此表面電勢的變動是自由的，與固定了柵電極31電勢的情況比， 感光度提高約兩倍。
圖5給出了本發(fā)明的另一個實(shí)施方式。其特征為，源電極30和 按預(yù)定間隔開出了多個開口 26的帶開口表面?zhèn)群谋M層生成層19從俯 視圖上看配置于元件的中央，并成彼此相互接觸的關(guān)系；而由表面?zhèn)?br> 耗盡層生成層19在包圍源電極30的整個周圍的同時，在周圍將漏電 極32形成為框狀，從平面看，源電極30也由漏電極32完全包圍。 源電極30同時與未摻雜InP勢壘兼刻蝕阻擋層16、 p-InGaAs蓋層 20和p-InAlGaAs表面?zhèn)群谋M層形成膜19相接觸，固有地成為柵電 極與源電極相連接的結(jié)構(gòu)。此外，漏電極32通過與表面?zhèn)群谋M層形 成膜19相鄰接的ITO膜25而被連接，確保了 FET溝道的導(dǎo)電性。 其他的結(jié)構(gòu)部分可以援引到此為止的實(shí)施方式的說明。
在本實(shí)施方式的元件結(jié)構(gòu)中，在源極30的整個周圍由表面?zhèn)群?盡層生成層19和溝道層15完全包圍、以及表面?zhèn)群谋M層生成層19 可靠地置于源電極30和漏電極32之間的、溝道層15的電路通路的 中途等方面與上述實(shí)施方式相同，可以期待其動作和效果也與上述實(shí) 施方式相同。即，利用無光照時延伸入溝道層15中的表面?zhèn)群谋M層 21，可以徹底切斷源電極30和漏電極32之間的電流通路。
此外，在本實(shí)施方式的光控FET中，還獲得了另一個期望的效 果。即，當(dāng)在同一襯底上形成多個元件時，盡管元件之間的邊界存在 某些不清晰的情況，但由于可以相對地縮小聚積空穴電荷的帶開口的 表面?zhèn)群谋M層生成層19的面積，故可以提高感光度。
在圖6所示的本發(fā)明的實(shí)施方式中，示出了利用幾何地形成的電 流狹窄區(qū)域38進(jìn)一步提高了感光度的元件結(jié)構(gòu)的例子，圖7給出了 其制造工藝的示例。
以下就具體制造例進(jìn)行說明。在摻Fe半絕緣InP襯底10上、 或者在自然形成于其上的n型化層上，利用MOCVD，按順序形成由 半絕緣或者p-InP隔離層構(gòu)成的厚度為50nm左右的襯底側(cè)耗盡層生 成層兼背柵層13、厚度為0.5nm左右的InP緩沖層14、厚度為lpm 左右的未摻雜InGaAsP梯度化層27、厚度為10nm左右的未摻雜 InGaAs溝道層15、厚度為15nm左右的未摻雜InP間隔層28、厚度 5nm左右的n-InP調(diào)制摻雜層29、厚度為25nm左右的未摻雜InP勢 壘層16、和厚度為20nm左右的iTlnGaAs接觸層39。由p-InP隔離 層構(gòu)成的襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層13與溝道層15的下側(cè)(襯底 側(cè))形成了電接觸；但在本實(shí)施方式中，該連接關(guān)系是通過未摻雜
InGaAsP梯度化層27和InP緩沖層14建立的，該未摻雜InGaAsP 梯度化層27具有與導(dǎo)電類型無關(guān)地擴(kuò)展耗盡層的效果。即，加入該 層的優(yōu)點(diǎn)為，相對于材料特性的改變，易于保持元件的特性。但是， 作為最基本的外延層結(jié)構(gòu)，也可以采用與圖l相同的元件結(jié)構(gòu)。類似 地，在本實(shí)施方式中，未摻雜InP勢壘層16也經(jīng)由未摻雜InP間隔 層28和n-InP調(diào)制摻雜層29電連接至溝道層15。
在本實(shí)施方式中，在這種層結(jié)構(gòu)中，如圖7(A)所示，例如利用 Br2/HBr系非選擇性刻蝕溶液，以例如間隔0.2 ~ 0.5nm左右的適當(dāng)間 隔，以沿截面方向至少切除溝道層15的方式，形成多個橢圓形盲孔 37，每個盲孔37具有1.5nm的寬度和3jim的長度；相鄰的盲孔37、 37之間的部分被確定為電流狹窄區(qū)域38;以使電流僅經(jīng)由該電流狹 窄區(qū)域38在溝道層15內(nèi)流過的方式來調(diào)節(jié)電流。也可以共同使用利 用HI/氫氣的干法刻蝕和濕法刻蝕以進(jìn)一步將電流狹窄區(qū)域38微細(xì) 化，這對提高電流狹窄效應(yīng)是有利的。
接下來，如圖7(B)所示，利用磷酸過氧化氫系的選擇性刻蝕來去 除電流狹窄區(qū)域38部分的表面上的n + InGaAs接觸層39，以在電流 狹窄區(qū)域38中形成凹陷(溝槽)結(jié)構(gòu)36，從而將感光區(qū)域分割成源 極側(cè)和漏極側(cè)。
如圖7(C)所示，在該結(jié)構(gòu)上，以40nm左右的厚度再生長p型或 者半絕緣InP或者InAlGaAs (或InAlAs)，最終形成化合物半導(dǎo)體 再生長薄膜19作為表面?zhèn)群谋M層生成層。該表面?zhèn)群谋M層生成層19 還覆蓋暴露于盲孔37內(nèi)壁的層結(jié)構(gòu)的側(cè)表面，即使在盲孔37中人填 充了其他材料的情況下，也能防止泄漏電流經(jīng)由包括溝道層15的該 層結(jié)構(gòu)的側(cè)表面流過。
在該結(jié)構(gòu)上全面涂敷SiNx形成的電介質(zhì)膜，然后，將該電介質(zhì) 膜和再生長了的化合物半導(dǎo)體薄膜19的一部分去除，利用剝離工藝 蒸鍍適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料、例如AuGe/Ni/Au作為源電極30和漏電極32。 此時為了選擇性地去除InP再生長薄膜19，可以使用鹽酸:磷酸:乳酸: 水-1:2:1:1;而為了選擇性地去除InAlAs再生長膜19，可以使用稀 釋的鹽酸(HC1水溶液:H20-3:1)。
此外，根據(jù)需要，如圖7(D)所示，在選擇性地去除電介質(zhì)膜后， 利用剝離工藝蒸鍍形成由Ti/Pt/Au等制成的柵電極31 。
因此，在本實(shí)施方式的元件中，元件整體上構(gòu)成了電流通路被沿 溝道寬度方向形成的一對盲孔37所狹窄化了的肖特基柵FET或者pn 結(jié)FET。本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)的元件之處在于，如將在后面詳述的 圖10所示，按照本發(fā)明的構(gòu)思，在整體上，從俯視圖上看，源電極 和漏電極中的一方包圍著另一方，其結(jié)果，溝道層15本身和由表面 側(cè)耗盡層生成層19形成的耗盡層包圍著細(xì)長的源電極30，以形成了 可以可靠地遮蔽溝道層15的電流通路的中途部分的結(jié)構(gòu)。
通常，在普通的GaAs系或者InAlAs系HEMT中，當(dāng)緩沖層或 者溝道層為弱p型時，能帶電勢在緩沖側(cè)上升，所產(chǎn)生的空穴有向襯 底側(cè)散失的趨勢。在圖6所示的實(shí)施方式中，在構(gòu)成表面?zhèn)群谋M層生 成層的p-InP或者InAlGaAs再生長層34引起表面?zhèn)葘?dǎo)帶上升這一點(diǎn) 上也是相同的，但可以抑制光產(chǎn)生的空穴向襯底以側(cè)散失。即，通過 并用未摻雜InGaAsP梯度化層27和n-InP調(diào)制摻雜層29作為夾著溝 道層15的異質(zhì)結(jié)層的構(gòu)成層中的一個，可以實(shí)現(xiàn)這樣一種能帶分布 概圖在由溝道層15形成的量子阱中感應(yīng)電子，另一方面，利用由 梯度化層27形成的能帶傾斜結(jié)構(gòu)將空穴從襯底一側(cè)向表面一側(cè)漂移。 其結(jié)果，可以確保高的感光度。有另外，嵌入了這種梯度化層27以 及調(diào)制摻雜層29的結(jié)構(gòu)也可以適當(dāng)?shù)赜糜谄渌麑?shí)施方式的元件。
在圖6所示的本發(fā)明的元件結(jié)構(gòu)中，在利用n-InP調(diào)制摻雜層 29感應(yīng)了電子的未摻雜InGaAs溝道層15、凹陷結(jié)構(gòu)36、電流狹窄 區(qū)域38以及襯底側(cè)耗盡層生成層13中，根據(jù)表面固定電荷的種類和 濃度有效地組合四種參數(shù)來設(shè)計(jì)能帶偏移結(jié)構(gòu)，據(jù)此，防止多數(shù)載流 子或者少數(shù)載流子的散失，根據(jù)相鄰的斷續(xù)的盲孔之間的間距使多數(shù) 載流子的電流通路狹窄化，使電流通路與柵區(qū)的光載流子的積累部分 相一致，從而可以提高光控FET的感光度。
這樣，通過增加對表面?zhèn)群谋M層生成層19的再生長工藝，與圖 1所示元件結(jié)構(gòu)相比元件設(shè)計(jì)的自由度高，即使在具有大的表面和界 面泄漏電流的長波長半導(dǎo)體中、以及具有p型背景濃度的化合物半導(dǎo) 體材料中，也可以實(shí)現(xiàn)感光度比現(xiàn)有技術(shù)高的光控FET。
圖8(A)和8(B)給出了將圖1所示本發(fā)明的元件集成以將受光面 積擴(kuò)展至數(shù)十jur^以上的實(shí)施方式。圖8(A)為整體透視圖，圖8(B) 為概要圖，給出了切除了由圖8(A)中虛線框Ea包圍部分的、剖開了 主要部分的局部剖面概要圖。在被多個集成了的每個元件中，各個源 電極30的整個周圍被肖特基接觸形成用兼表面?zhèn)群谋M層生成層21(在 圖示情況下，如上所述，在肖特基接觸形成用兼刻蝕阻擋層17的凹 陷區(qū)域17，下方形成，該區(qū)域17，是通過將上表面的n-InP調(diào)制摻雜層 18 (圖1)以凹槽的形狀刻蝕掉而形成的)和漏電極32所包圍，如此 滿足了本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。源電極30和漏電極32通過在覆蓋元件表 面的絕緣層40中開出的用于三維布線的通孔41分別連至鍵合焊盤 30，，和32"。隔離槽34環(huán)繞整個感光區(qū)域的外周。該隔離槽也示于圖 1至3中，尤其是如圖3所示，最好其壁表面由具有與襯底側(cè)耗盡層 生成層兼背柵層13極性相反、且具有比溝道層15或者襯底側(cè)耗盡層 生成層兼背柵層13的帶隙大的層所覆蓋。
圖9(A)給出了另一個集成化示例，圖9(B)僅給出了其主要部分， 這些圖給出了這樣一種實(shí)施方式其中通過將圖6所示的光控FET 在源電極30和漏電極32形成為嵌套的梳狀電極結(jié)構(gòu)44之間形成多 個來擴(kuò)大了受光面積。當(dāng)然，在此情況下也采用了本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。 由于包括相當(dāng)于多個梳齒共用的梳脊的部分的整個源極30的周圍被 表面?zhèn)群谋M層生成層19所環(huán)繞包圍，漏電極32也同樣圍繞著源電極 30，因此，圍繞源電極30的溝道層沒有與源電極和漏電極之外接觸 的部分。當(dāng)該梳狀結(jié)構(gòu)在空間上延伸時，等效于這樣的平面結(jié)構(gòu)其 中表面?zhèn)群谋M層生成層19是與中央的源電極的同心圓狀，而在該層 19的外測是同心圓狀的漏電極。事實(shí)上，這種結(jié)構(gòu)也是可以的。并排 放置的多個源電極布線均連接至用于源電極的鍵合焊盤30"，用于漏 電極的布線連接至用于漏電極的焊盤32"。
當(dāng)然，如就圖6的說明所述，在源-漏電極之間且圍繞電流狹窄 區(qū)域38的溝道層在無光照時被以由表面?zhèn)群谋M層生成層的存在而生 成的耗盡層有效地切斷，將多數(shù)栽流子的電流路徑狹窄化，并且，同 樣可以獲得通過在俯視圖上使電流通路與耗盡層生成層下方的光載 流子積累部分相一致來提高感光度的效果。另外，在圖9(A)中，還同 時表示了如下結(jié)構(gòu)將圖6中所示的光控FET僅作為場效應(yīng)晶體管 使用的獨(dú)立的讀出用FET45，將該FET45設(shè)置在元件組的附近，并 利用三維布線46提供地址信號，據(jù)此，形成能夠讀出檢測器陣列中 的單個元件的結(jié)構(gòu)。
圖IO給出了集成了圖1所示發(fā)明元件的二維矩陣結(jié)構(gòu)的一例。 在按行列排列了多個的圖1所示的元件中，屬于同一行的源電極30 之間通過布線30，互相導(dǎo)通，并與設(shè)置在合適襯底上的源電極用鍵合 焊盤30"相連接；另一方面，屬于同一列的柵電極31之間通過布線 31，同樣通過布線31，互相導(dǎo)通，并與柵電極用的鍵合焊盤31"相連接。 由于圖1所示的光控FET的基本形態(tài)具有上述的光電檢測器與FET 三維組合的形態(tài)，因此，除了具有通過將光產(chǎn)生的空穴收集在柵的下 方、使得FET的閾值發(fā)生改變來放大并讀出光感應(yīng)電荷的功能外， 還具有即使在光照射時也將柵電壓設(shè)為負(fù)偏置從而且斷光電流輸出 的陣列開關(guān)的功能。
參照圖ll說明這一點(diǎn)。圖中，實(shí)線所示為光照時、虛線所示為 無光照時漏極電流對柵偏置電壓的曲線；從作為光照時柵偏置為+ O.IV下的漏極電流對漏極電壓特性的實(shí)線的最上方的曲線可以看出， 如果將柵電壓設(shè)為-0.3V,即使在光照時也可以切斷漏極電流。另一 方面可以看出，在暗狀態(tài)下，即使柵偏置為+0.1￥，在漏極偏置為0.5V 左右處，也沒有漏極電流，有效地發(fā)揮光檢測器的功能。在圖10所 示陣列結(jié)構(gòu)中，利用矩陣開關(guān)功能，順序地對特定的柵電極施加正偏 置、而對其它的柵電極施加負(fù)偏置，據(jù)此可以按列順序地讀出。
圖12給出了智能像素混合集成電路器件(IC) 50的示意圖，其
中在化合物半導(dǎo)體FET陣列51的每個單元內(nèi)設(shè)置了使用了本發(fā)明的 讀出FET 45，用于讀出每列像素信號。現(xiàn)有的化合物半導(dǎo)體攝像器 件采用上述的所謂FPA結(jié)構(gòu)，通過貼合工藝連接至由硅LSI形成的 二維電荷放大陣列。與此相反，當(dāng)將本發(fā)明的元件用于光控FET陣 列51或者讀出FET 45時，來自光控FET陣列51的信號可以通過像 素列選擇信號52逐行地利用既存的珪信號處理電路53讀出，顯著地 簡化了組裝方法或者驅(qū)動方法。盡管沒有關(guān)于利用化合物半導(dǎo)體的智 能像素的報告例，但本發(fā)明可以提供更好的智能像素。
在需要二維的讀出放大陣列的FPA結(jié)構(gòu)中，由于不允許讀出電 路占據(jù)比像素電路大的面積，不可能超出緩沖放大器和陣列開關(guān)。另 一方面，由于圖示的模塊所需的IC為一維陣列，每個溝道的寬度限 制在lOOjun左右，而進(jìn)深方向的長度可擴(kuò)展至數(shù)十mm,可將一萬個 左右的晶體管元件一維地排列。因此，可以進(jìn)行復(fù)雜度遠(yuǎn)高于二維陣 列的信號處理。與普通PIN光電二極管相比，本發(fā)明的光控FET具 有數(shù)千倍的感光度，但因此需要對數(shù)nA量級的電流進(jìn)行積分，利用 無源CR電路難以保證足夠的積分時間，因此必須采用數(shù)字信號處理。 但是，該問題可以容易地解決，作為由硅IC形成的信號處理電路53， 利用高通濾波器從調(diào)制了的光信號中去除DC成分后，與參考信號的 相位同步地進(jìn)行檢波以取出僅具有調(diào)制頻率的分量(鎖定放大檢測)， 進(jìn)而將來自AD轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行數(shù)字加法運(yùn)算，并可以利用并行-串行轉(zhuǎn)換電路將各個溝道的積分值作為串行數(shù)據(jù)順序地送出；利用 USB連接器等可以將處理結(jié)果很容易地連接到個人計(jì)算機(jī)。
例如，圖13給出了內(nèi)建有利用了智能像素混合IC50的USB模 塊54的紅外線照相4幾55?？梢酝ㄟ^將照明光源調(diào)制為脈沖，進(jìn)行上 述的鎖定探測，或同時利用紅外濾波器57，可以得到對應(yīng)于特定波長 的高感光度的紅外圖像。處理后信息如上所示地經(jīng)由USB連接器56 等送至個人計(jì)算機(jī)。
圖14給出了將與圖13所示的USB模塊54相同的USB模塊54 嵌入在小型分光儀58中的情形。在該應(yīng)用例中，入射光從光纖59
入射，根據(jù)通常的Czerny-Turner分光儀的結(jié)構(gòu)，順序地經(jīng)由集光 鏡60、衍射光柵61、和聚光鏡62投影于USB模塊54的感光面(智 能像素混合IC 50的光控FET陣列51)上，來測量其光譜。另外， 在分光測量的情況下，由于無需柵極功能，通常將圖9所示的凹陷 區(qū)域17，保持原狀而不形成柵電極，作為柵開路光控FET的一維陣 列使用。如上所述，對于本模塊，如果與本模塊同步地同步驅(qū)動半 導(dǎo)體激光器或者LED，則可以附加鎖定檢測功能。利用本模塊可以 以極高的感光度測量與光源波長對應(yīng)的紅外光的透射光譜特性，并 可檢測如CO和C02的有毒氣體，以及高靈敏度地檢測體內(nèi)的血色 素的氧濃度等。此外，當(dāng)利用二維陣列并利用置于輸入狹縫部分中 的MEMS反射鏡進(jìn)行空間掃描時，可以測量光鐠的空間分布。
如圖1、 2、 3、 6和10所示，在具有柵電極的光控FET的柵極 上直接施加對應(yīng)于調(diào)制頻率的高頻信號，以數(shù)十KHz到數(shù)MHz調(diào)制 光控FET的感光度，據(jù)此能夠?qū)崿F(xiàn)高速鎖定檢波。如上述文獻(xiàn)1所 公開的，與已開發(fā)的利用可見光的智能像素測距儀的示例相同，通過 偏移90。相位同時進(jìn)行鎖定檢波，能夠同時對像素信號強(qiáng)度和相位兩 者進(jìn)行測量，可以構(gòu)成利用智能像素的緊湊的紅外實(shí)時測距儀。由于 紅外光對于霧具有很好的透過性并且對人眼安全，因此其與高亮度半 導(dǎo)體光源的組合適用于車輛的防碰撞裝置等。
圖15給出將了圖12所示智能像素混合IC 50應(yīng)用于作為非侵入 性診斷技術(shù)而受到關(guān)注的光斷層成像系統(tǒng)的一例。盡管在可見光區(qū)域 硅CCD或者CMOS攝像器件利用了平行光，但在紫外區(qū)域或者紅外 區(qū)域中，沒有能夠與硅CCD照相機(jī)相比的高感光度的陣列器件，因 此迄今一直在使用PMT或者分立的雪崩光電二極管。因此，要得到 二維或者三維數(shù)據(jù)沒有別的選擇，只有依賴于光圏的機(jī)械掃描機(jī)制， 需要消耗大量時間。
另一方面，如圖15所示，如果將由具有從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域 的高感光度的化合物系光控FET的二維陣列和用于并行信號處理的 硅集成電路混合集成而形成的智能像素混合IC 50嵌入光外差顯微鏡
70中，可以以由光外差形成的數(shù)十MHz迅速地測量弱紅外光的強(qiáng)度 和相位，從而能夠得到生物體的三維斷層圖像。這種光外差顯微鏡70 具有相當(dāng)于將數(shù)百臺PMT和鎖定放大器集成在一起的功能，并能夠 將現(xiàn)有技術(shù)則大到需要占據(jù)一個房間的光學(xué)CT (計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)) 系統(tǒng)等輕量化為能夠應(yīng)用于臨床等的緊湊的便攜型。
在圖示的應(yīng)用例中，從飛秒(femtosecond)激光器或者白色光 源78出射的不相千光由分叉光纖71分開， 一個分支的光穿過延遲元 件72由聲學(xué)光學(xué)調(diào)制器73以第一頻率A Hz調(diào)制后導(dǎo)入照明系統(tǒng)以 照射樣品75;而另一個分支的光由聲學(xué)光學(xué)調(diào)制器74以第二頻率f2 Hz調(diào)制后導(dǎo)入?yún)⒖脊庀到y(tǒng)，被樣品75反射并由物鏡76會聚了的調(diào) 制頻率為A的物體光與參考光在光束分裂器67中合并，并在智能像 素混合IC 50中提取對應(yīng)于物體光與參考光的頻率差的f2)的分 量。這樣，僅檢測物體光與參考光的干涉分量，其結(jié)果，可以以電子 的方式獲得由樣品65反射的光的相位信息，即全息圖。
工業(yè)適用性
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在具有期望獲得本質(zhì)上高速度的、利用 單極系的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的光控FET中，可以提供一種光控FET， 能夠大大地解決現(xiàn)有技術(shù)中制造困難的問題，很好地抑制泄漏電流或 者暗電流，且感光度充分地高。
本發(fā)明的光控FET在去除了柵電極的狀態(tài)下能夠用作二端子光 電檢測器，而在設(shè)有柵電極的狀態(tài)下能夠用作具有電子感光度調(diào)節(jié)、 高速調(diào)制以及ON-OFF開關(guān)功能的三端子光電檢測器。
此外，由于本發(fā)明的光控FET具有臨時積累光載流子作為耗盡 層生成層內(nèi)的多數(shù)栽流子的功能，因此受光面積不依賴于少數(shù)載流子 的擴(kuò)散長度，能夠比較自由地增大元件面積。因此，像現(xiàn)有的PMT 那樣，能夠比較容易地提供毫米量級的受光區(qū)域。此外，由于本發(fā)明 的光控FET具有利用作為化合物半導(dǎo)體FET的 一種的HEMT的底部 勢壘層作為光吸收層的結(jié)構(gòu)，可以通過利用相同外延層的相同制造工 藝容易地將光控FET與普通FET集成。另外，可以僅利用例如適合
大批量生產(chǎn)的i線曝光機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)曝光裝置和濕法刻蝕以及電極 剝離工藝制造，無需精密而復(fù)雜的制造工藝。
本發(fā)明還可以通過利用小型而高性能的化合物半導(dǎo)體系元件的 智能像素混合集成電路器件，從而還能夠提供極小型的、高可靠性的、 高感光度的照相機(jī)，分光檢測儀和光外差顯微鏡。
權(quán)利要求
1、一種化合物半導(dǎo)體系的光控場效應(yīng)晶體管，具有形成在襯底上的溝道層，該溝道層構(gòu)成源電極與漏電極之間的電流通路并且在該源電極與漏電極之間充當(dāng)光電二極管的一部分以及感光區(qū)域的一部分，其特征在于，包括襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層，設(shè)置在所述襯底與所述溝道層之間，與該溝道層構(gòu)成同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)，使襯底側(cè)耗盡層從襯底一側(cè)向該溝道層延伸，并且利用照射光而光產(chǎn)生的載流子對該溝道層施加背柵偏置；勢壘層，設(shè)置在該溝道層的表面一側(cè)，其帶隙比該溝道層的帶隙寬，使所述光產(chǎn)生的載流子中的一種在所述溝道層中移動，而使光產(chǎn)生的載流子中的另一種停止或者被阻擋；表面?zhèn)群谋M層生成層，設(shè)置在該溝道層表面一側(cè)，使表面?zhèn)群谋M層從表面?zhèn)妊由爝M(jìn)該溝道層，使表面?zhèn)群谋M層在未被光照射時與襯底側(cè)耗盡層相接觸以關(guān)閉所述溝道層內(nèi)部的電流通路，使元件為截止?fàn)顟B(tài)。
2、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 流過所述溝道層的所述載流子為電子；所述勢壘層在與所述溝道層的界面處使價帶的能帶偏移大于導(dǎo) 帶的能帶偏移，從而僅將空穴選擇性地禁閉在該界面上。
3、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層具有與所述溝道層中的多數(shù)栽流子相反的極性或者是半絕緣的，并具有比所述溝道層寬的帶隙。
4、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層的側(cè)表面是半絕緣的或者具有相反極性，并具有由帶隙大的層所覆蓋的埋入結(jié)構(gòu)。
5、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 還包括與溝道層的下表面接觸的梯度化層； 利用該梯度化層所具有的能帶傾斜化結(jié)構(gòu)，使上述由光照射而產(chǎn) 生的載流子從所述襯底一側(cè)向所述表面一側(cè)漂移。
6、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 在所述表面?zhèn)群谋M層生成層上開出有呈點(diǎn)狀分布的多個開口 ； 在該帶有開口的表面?zhèn)群谋M層生成層上，以將該開口完全填充的方式形成了所述源電極和所述漏電極中的一方。
7、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 在所述溝道層中形成了多個盲孔，該盲孔在沿所述截面方向看時至少切除了所述溝道層并且具有間隔地排列，相鄰的該盲孔之間的部 分成為電流狹窄區(qū)域，該溝道層內(nèi)流過的電流只能通過該電流狹窄區(qū) 域流過。
8、 如權(quán)利要求8所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述表面?zhèn)群谋M層生成層還覆蓋著暴露于所述盲孔的內(nèi)壁表面的層結(jié)構(gòu)的側(cè)表面。
9、 如權(quán)利要求1所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 從俯視圖上看，所述源電極和所述漏電極中的一方由所述溝道層包圍，而另一方則包圍著該溝道層。
10、 如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 還包括在所述源電極和所述漏電極之間的中途的、在形成于所述溝道層上的所述表面?zhèn)群谋M層生成層上形成肖特基結(jié)或者pn結(jié)的柵 電極。
11、 一種集成型光檢測器，其特征在于，是將多個如權(quán)利要求1所述的光控場效應(yīng)晶體管的集成而制成的；相鄰的各個該光控場效應(yīng)晶體管之間由到達(dá)所述襯底的隔離槽 相互隔離。
12、 如權(quán)利要求ll所述的集成型光檢測器，其特征在于， 所述溝槽的壁表面由與所述襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層的極性相反、并且具有比所述溝道層或者所述襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵 層的帶隙大的帶隙的層所覆蓋。
13、 如權(quán)利要求ll所述的集成型光檢測器，其特征在于， 所述多個光控場效應(yīng)晶體管被設(shè)置為矩陣形式，在各個行中以相同的外延層結(jié)構(gòu)形成了如權(quán)利要求l所述的光控場效應(yīng)晶體管作為并 非用于光檢測而是用于讀出的場效應(yīng)晶體管。
14、 如權(quán)利要求13所述的集成型光檢測器，其特征在于， 在所述多個光控場效應(yīng)晶體管的每一個中設(shè)置有在所述源電極和所述漏電極之間的中途的、在形成于所述溝道層上的所述表面?zhèn)群?盡層生成層上形成肖特基結(jié)或者pn結(jié)的柵電極，其中，該多個光控場效應(yīng)晶體管的每個除了具有在被光照射時將 光感應(yīng)的電荷進(jìn)行放大并讀出的功能外，還具有在被光照射時根據(jù)對 所述柵電極施加的電壓來切斷光電流輸出的矩陣開關(guān)的功能。
全文摘要
本發(fā)明的光控FET具有襯底側(cè)耗盡層生成層兼背柵層(13；13a，13b)，設(shè)置于襯底(10)和溝道層之間，形成對溝道層(10)的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)，使襯底側(cè)耗盡層(22)從襯底(10)一側(cè)向溝道層(15)延伸，并通過利用對溝道層(15)照射光而光產(chǎn)生的載流子對背柵施加偏置。在溝道層(15)的表面?zhèn)仍O(shè)置有勢壘層(16)，其帶隙比溝道層(15)的寬，使得光產(chǎn)生的載流子中的一種在溝道層(15)中運(yùn)動，而光產(chǎn)生的載流子中的另一種停滯或者被阻擋。在溝道層(15)表面?zhèn)仍O(shè)有表面?zhèn)群谋M層生成層(17)，使表面?zhèn)群谋M層(21)從該表面?zhèn)妊由爝M(jìn)溝道層(15)，當(dāng)無光照時使表面?zhèn)群谋M層(21)與襯底側(cè)耗盡層(22)相接觸以關(guān)閉溝道層(15)中的電流通路，從而使元件為截止?fàn)顟B(tài)。
文檔編號H01L29/808GK101356653SQ20078000129
公開日2009年1月28日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者小倉睦郎 申請人:獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所