整流器的制作方法

专利名称：整流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如电磁波检测器件的整流器，并且更特别地涉及用于范围从毫米波 带到太赫兹波带(等于或大于30GHZ并且等于或小于30THZ)的频带的电磁波检测器件和 整流器、以及使用该电磁波检测器件或整流器的设备。
背景技术：
迄今为止，已经知道热检测器件和量子检测器件作为用于范围从毫米波带到太赫 兹波带(等于或大于30GHz并且等于或小于30THz)的频带的电磁波检测器件。热检测器 件的示例包括微测辐射热计(a-Si或V0X)、焦热电器件(LiTaO3或TGS)和戈莱盒(Golay cell)。上述热检测器件将由电磁波能量引起的特性的变化转换成热，并且随后将温度的变 化转换成热电动势或电阻以便检测特性的变化。热检测器件不一定要求冷却，但是由于热 交换而具有相对慢的响应。量子检测器件的示例包括本征半导体器件(例如MCT (HgCdTe) 光电导器件)和非本征半导体器件。量子检测器件捕获电磁波作为光子，并且检测具有小 的带隙的半导体的光电动势或其电阻的变化。量子检测器件具有相对快的响应但是要求冷 却，因为在频率范围中在室温的热能不能被忽略。近年来，使用用于范围从毫米波带到太赫兹波带(等于或大于30GHz并且等于或 小于30THz)的频带的整流器的电磁波检测器件已经被开发作为具有相对快的响应并且不 需要冷却的检测器。检测器捕获电磁波作为高频电信号，并且检测从天线接收并且由整流 器整流的高频电信号。根据这种系统，随着频带变得更高，检测通常更加困难。这是因为随 着频带变得更高，在检测器的所有部分中引起的滤波效应(filter effect)不能被忽略。因 此，在很多情况下，使用如下的系统，在该系统中天线与具有微结构的整流器直接耦接，以 便抑制滤波效应。日本专利申请公开No. H09-162424公开了如上所述的检测器。整流器是具有通过 微加工被设为0. 0007 μ m2 (直径为0. 03 μ m)的肖特基电极面积的肖特基势垒二极管，其通 过CO2激光器来检测大约28THz(波长为10.6μπι)的电磁波。已知肖特基势垒二极管被设 置有具有肖特基势垒中的结电容Cj和串联电阻Rs的RC低通滤波器。结电容Cj与肖特基 电极面积成比例。因此，增大截止频率fc(= (2 π XRsCj)-1)的最简单的方法可以是减少 肖特基电极面积。如下计算典型肖特基势垒二极管的这种关系。当肖特基电极面积通过微 加工而被设为Iym2(直径大约为1 μ m)时，fc被估计为大约300GHz。当肖特基电极面积 通过微加工而被设为作为上述的1/10的0. 1 μ m2 (直径大约为0. 3 μ m)时，fc被估计为大 约3THz。当肖特基电极面积通过微加工而被设为作为上述的1/10的Ο.ΟΙμπι2(直径大约 为0. 1 μ m)时，fc被估计为大约30THz。

发明内容
然而，通过在包括肖特基势垒二极管的传统的检测器中使用微结构来增大截止频 率的方法具有以下问题。
第一个问题是要求高度精密的微加工技术来形成亚微米或纳米结构。即，特性的 稳定性、产出率的改进和成本的降低是必需的，因此仅仅依赖于微加工的方法是不期望的。第二个问题是串联电阻随着结构的尺寸减小而增大。称为扩展电阻(spreading resistance)的电阻成分被认为是在亚微米或纳米结构中串联电阻增大的因素之一。在 肖特基势垒二极管的结构中，扩展电阻更可能随着肖特基电极的直径变小而增大(参见 Dickens 的 IEEETrans. Microwave Theory and Techniques，Vol. MTT-15，101(1967))。因 此，没有准确地估计肖特基电极面积与截止频率之间的关系。实际上，串联电阻随着尺寸的 减小而增大，由此减小截止频率。因此，进一步要求尺寸的减小，并且因此存在对通过减小 结构的尺寸来增大截止频率的限制。鉴于上述情形，根据本发明的检测器包括包括肖特基电极的肖特基势垒部分； 至少一个对于肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的势垒部分；以及与具有整流 特性的势垒部分电接触的欧姆电极。肖特基势垒部分与具有整流特性的势垒部分连接，使 得当在肖特基电极与欧姆电极之间感应要被检测的电磁波的电场成分时，流过肖特基势垒 部分的检测电流的方向与流过具有整流特性的势垒部分的电流的检测方向一致。同样鉴于上述情形，根据本发明的图像形成装置包括多个上述的检测器，其中 所述多个检测器被布置成阵列；以及所述多个检测器检测电磁波的电场，基于所述电磁波 的电场来形成电场分布图像。此外，鉴于上述情形，根据本发明的整流器包括包括肖特基电极的肖特基势垒部 分；对于在肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的势垒部分；以及与整流势垒部 分电接触的欧姆电极。肖特基势垒部分和整流势垒部分中的每一个具有在一侧的坡度比另 一侧的坡度大的不对称的能带轮廓(band profile).此外，肖特基势垒部分和整流势垒部 分彼此连接，使得能带轮廓的大的坡度的一侧位于肖特基电极的一侧。本发明的目的是提供出于与减小结构尺寸的观点不同的观点而可以增大截止频 率的检测器或整流器。即，根据本发明，相同的多数载流子连续通过的整流势垒部分和肖特 基势垒部分整体地用作整流器。因此，根据本发明，增大截止频率的方法不仅仅依赖于结构 的尺寸的减小，并且因此检测器可以通过比传统情况低的精度的微加工技术来制造。不太 可能产生串联电阻，并且因此截止频率的上限可以被增大为比传统情况中的更高。从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。


图IA是示出根据本发明第一实施例的器件的结构图。图IB示出根据本发明第一实施例的器件的能带轮廓。图IC示出能带轮廓上的检测电流，其在根据本发明第一实施例的器件中流动。图2A是示出根据本发明第二实施例的器件的结构图。图2B示出根据本发明第二实施例的器件的能带轮廓。图2C示出增大根据本发明第二实施例的器件中的截止频率的原因。图3A是示出根据本发明第三实施例的器件的结构图。图3B是示出根据本发明第四实施例的器件的结构图。图4A、图4B和图4C是示出根据本发明第五实施例的器件的结构图。
图5A是示出根据本发明的示例1的器件的结构图。图5B示出根据本发明的示例1的器件的能带轮廓。图5C示出根据本发明的示例1的器件的多数载流子浓度分布。图6A示出在根据示例1的器件的能带轮廓中与施加的电场(电压)的关系。图6B示出在根据示例2的器件的能带轮廓中与施加的电场(电压)的关系。图7A和图7B示出在根据示例1的器件中在检测响应度(responsibility)与施 加的电场(电压)之间的关系。图8A和图8B示出通过将根据示例1的器件的作为检测性能的效率和噪声等效功 率(NEP)的频率相关性与传统肖特基势垒二极管的作为检测性能的效率和NEP的频率相关 性进行比较而获得的结果。图8C示出根据示例1的器件的检测性能与肖特基电极直径Φ之间的关系。图9Α是示出根据本发明的示例2的器件的结构图。图9Β示出根据本发明的示例2的器件的能带轮廓。图9C示出根据本发明的示例2的器件的多数载流子浓度分布。图IOA和图IOB示出通过将根据示例2的器件的作为检测性能的效率和噪声等效 功率(NEP)的频率相关性与传统肖特基势垒二极管的作为检测性能的效率和NEP的频率相 关性进行比较而获得的结果。图IlA是示出根据本发明的示例3的器件的结构图。图IlB示出根据本发明的示例3的器件的能带轮廓。图IlC示出根据本发明的示例3的器件的多数载流子浓度分布。
具体实施例方式在下文中，参考附图描述本发明的实施例。根据本发明的诸如检测器的整流器的要点在于，相同的多数载流子连续通过的整 流势垒和肖特基势垒整体地用作整流器，并且在于肖特基电极被用作整流器的一部分。基 于这种想法，根据本发明实施例的检测器的基本结构包括包括肖特基电极的肖特基势垒 部分、对于肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的整流势垒部分、以及与整流势 垒部分电接触的欧姆电极。肖特基势垒部分与整流势垒部分连接，使得当在肖特基电极与 欧姆电极之间感应要被检测的电磁波的电场成分时，流过肖特基势垒部分的检测电流的方 向与流过整流势垒部分的检测电流的方向一致。在基本结构中，如下面在第二实施例中所描述的，可以设置多个整流势垒部分。在 该情况下，多个整流势垒部分彼此连接，使得当在肖特基电极与欧姆电极之间感应要被检 测的电磁波的电场成分时，流过各个整流势垒部分的检测电流的方向彼此一致。如下面在第三实施例中所描述的，肖特基势垒部分可以包括用于肖特基电极的金 属和半金属之一、以及耗尽多数载流子的实质上本征的(在本申请中，也被仅仅称为“实质 上本征的”)半导体或本征的半导体。如下面在第一实施例中所描述的，整流势垒部分可以包括多层膜结构，在所述多 层膜结构中依次设置用于提供多数载流子的导电类型半导体、本征或实质上本征的半导 体、与上述导电类型半导体相反的导电类型半导体、比上述本征或实质上本征的半导体厚并且其为本征或实质上本征的半导体以及用于提供多数载流子的导电类型半导体。如下面在第三实施例中所描述的，整流势垒部分可以包括多层膜结构，在所述多 层膜结构中依次设置用于提供多数载流子的导电类型半导体、半金属、本征或实质上本征 的半导体、以及用于提供多数载流子的导电类型半导体。如下面在第四实施例中所描述的，整流势垒部分可以包括多层膜结构，在所述多 层膜结构中依次设置用于提供多数载流子的导电类型半导体、具有比所述导电类型半导体 的带隙大的带隙并且为本征或实质上本征的半导体、以及用于提供多数载流子的导电类型 半导体。还可以在同一个衬底上设置用于产生检测信号的晶体管。如下面在第五实施例中所描述的，可以设置用于在肖特基电极与欧姆电极之间感 应要被检测的电磁波的电场成分的天线。在本申请中，肖特基电极和欧姆电极被设置作为 天线的输出端口。多个检测器(其中每一个检测器为上面描述的检测器)可以被布置成阵列，以便 实现用于基于由多个检测器检测的电磁波的电场(即，电场差异)来形成电场分布图像的 图像形成装置。此外，根据本发明实施例的整流器的基本结构包括包括肖特基电极的肖特基势 垒部分、对于肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的整流势垒部分、以及与整流 势垒部分电接触的欧姆电极。肖特基势垒部分和整流势垒部分中的每一个具有不对称的能 带轮廓，在该能带轮廓中一侧为陡的坡度而另一侧为缓的坡度。肖特基势垒部分和整流势 垒部分彼此连接，使得能带轮廓的陡的坡度侧位于肖特基电极的一侧。上述整流器可以被 用作例如检测器。根据实施例的检测器或整流器，增大截止频率的方法不仅仅依赖于结构的尺寸的 减小，因此检测器或整流器可以通过具有比传统情况低的精度的微加工技术来制造。另外， 难以产生串联电阻，因此截止频率的上限可以被增大为比传统情况高。在具有增大的截止频率的检测器和整流器中，即使在例如范围从毫米波带到太赫 兹波带(等于或大于30GHz且等于或小于30THz)的频带中，滤波效应也被减少，并且因此 不容易增大响应度和噪声等效功率(NEP)。因此，可以提供如下的器件，在该器件中，在频带 中，包括响应度和NEP的基本的检测性能是足够的，响应相对快速，并且不需要冷却。器件 结构不仅仅依赖于肖特基势垒，因此可以减少或期望地省略典型肖特基势垒二极管的必需 的偏置。因此，检测器期望地被配置为使得响应度的合适的操作点被设置为零偏置。在该 情况下，可以减少由偏置电流产生的噪声并且实现不需要偏置布线的简化的结构。具有如上所述的效果的器件可以被用作用于感测的高响应度检测器或用于在范 围从毫米波带到太赫兹波带(等于或大于30GHz并且等于或小于30THz)的频带中成像的 阵列检测器。 在下文中，参考附图描述本发明的实施例。(第一实施例)图IA IC示出根据第一实施例的检测器。图IA是示出器件的结构的截面图，并 且图IB示出在该器件的结构中的能带轮廓的部分。在根据本实施例的器件中，包括肖特基 电极111的肖特基势垒部分101与具有整流特性的整流势垒部分102连接。图IB中示出的肖特基势垒110是例如在本征或实质上本征的半导体112与由金属制成的肖特基电极111 连接时产生的能量势垒。具有整流特性的势垒120是例如由包括依次设置的半导体121 125的多层膜结构产生的能量势垒。半导体121具有用于提供相同的多数载流子的导电类 型。半导体122是本征或实质上本征的。半导体123具有与半导体121的导电类型相反的 导电类型。半导体124比半导体122厚并且是本征或实质上本征的。半导体125具有与半 导体121相同的导电类型。在图IA中，附图标记11表示衬底。整流势垒部分102具有公知的被称为平面掺杂的势垒二极管的多层膜结构。能量 势垒110和120中的每一个具有在施加某一方向上的电场时多数载流子可以首先通过的结 构。即，通过某一方向上的电场从能量势垒110和120发射多数载流子(热电子场致发射 (thermionic field emission))，并且因此多数载流子不能通过在与上述某一方向相反的 方向上的电场而隧穿通过能量势垒110和120。能量势垒110和120中的每一个的结构具 有这样的机制。当在被包括于能量势垒中且位于一侧的半导体112和124中多数载流子的 数量足够小时该机制出现。根据本实施例的器件的特征是如下的能带轮廓，在该能带轮廓 中只有当施加某一方向上的电场(被称为正向电压)时相同的多数载流子才连续地通过整 流势垒120和肖特基势垒110。因此，肖特基势垒部分101与整流势垒部分102连接，使得 当在肖特基电极111和欧姆电极103之间施加正向电压时，相同的多数载流子连续地通过 整流势垒部分102和肖特基势垒部分101。换句话说，能量势垒110和120中的每一个具有 不对称的能带轮廓，在该能带轮廓中在一侧的坡度比另一侧的坡度大，并且大的坡度侧位 于肖特基电极111侧。如上所述的关系在图IC中示出。如图IC中所示出的，在正向电压的情况下电流在 一个方向上流动，并且在反向电压的情况下电流不流动。在该情况下，必须将欧姆电极103 与位于与肖特基电极111相对一侧的整流势垒部分102的导电半导体125电连接。在根据 本实施例的器件中，当在肖特基电极111与欧姆电极103之间感应要被检测的电磁波的电 场成分时，电流基于上面描述的机制在一个方向上流动。电流包括频率与要被检测的电磁 波的频率相等的频率成分，但是其有效值不为零，并且因此该频率成分是检测电流。因此， 根据本实施例的器件被认为是所谓的整流器，因此可以被用作整流类型检测器。本发明适用的器件为什么具有增大截止频率的效果的原因在于，相同的多数载流 子连续通过的整流势垒120和肖特基势垒110整体地用作整流器。因此，根据本实施例的 器件的RC—阶低通滤波器具有肖特基势垒110中的结电容Cj11Q、整流势垒120中的结电容 Cj120和串联电阻Rs。关于总的结电容Cj，Cj-1 (Cjllt^Cj12cT1)，因此，与具有相同的肖特基电 极面积的肖特基势垒二极管结构相比，根据本实施例的器件的总的结电容Cj可以被抑制 为更小的值，毫无例外。请注意，当肖特基电极111被用作整流器的一部分时，在肖特基电 极111处的接触电阻不成为串联电阻Rs的成分。可以以这样的方式减少RsCj，因此本发明适用的器件可以具有增大截止频率的效 果。换句话说，与具有相同的结电容Cj的肖特基势垒二极管结构相比，本发明适用的器件 的肖特基电极111的面积可以被增大以具有更大的值。因此，根据本实施例的器件，增大截 止频率的方法不仅仅依赖于结构的尺寸的减小，并且因此器件可以通过具有比传统情况低 的精度的微加工技术来制造。例如，在肖特基电极111的直径比传统的肖特基电极大的亚 微米结构中的扩展电阻可以被抑制为小的值，并且因此截止频率可以被增大到等于或大于30THz的值。根据本实施例的具有如上所述的增大的截止频率的器件期望地作为用于范围 从毫米波带到太赫兹波带(等于或大于30GHz并且等于或小于30THz)的频带的检测器。 例如，根据本实施例的器件可以被用作用于感测的高响应度检测器或用于成像的阵列检测
ο(第二实施例)参考图2A 2C描述根据本发明第二实施例的检测器。图2A和图2B示出根据本实施例的检测器。图2A是示出检测器的结构的截面图， 并且图2B示出在该检测器的结构中的能带轮廓的部分。根据本实施例的检测器的特征是 如下的能带轮廓，在该能带轮廓中当施加正向电压时相同的多数载流子连续地通过多个整 流势垒230和220以及肖特基势垒210。分离的整流势垒部分202和203以及肖特基势垒 部分201彼此连接，使得当在肖特基电极211和欧姆电极204之间施加正向电压时相同的 多数载流子连续地通过肖特基势垒部分201以及整流势垒部分202和203。因此，根据本实 施例的检测器被认为是所谓的整流器，因此可以被用作整流类型检测器。在图2A中，检测器包括衬底21、欧姆电极204、实质上本征的半导体212、用于提供 多数载流子的导电类型半导体221、实质上本征的半导体222、具有相反的导电类型的半导 体223以及实质上本征的半导体224。检测器还包括用于提供多数载流子的导电类型半导 体231、实质上本征的半导体232、具有相反的导电类型的半导体233、实质上本征的半导体 234、以及用于提供多数载流子的导电类型半导体235。根据本实施例的检测器的RC—阶低通滤波器具有肖特基势垒210中的结电容 Cj21。、在分离的整流势垒220和230中的结电容Cj220和Cj230、以及串联电阻Rs。关于总的 结电容Cj，Cf1 (Cj2icACj22cACj23tT1)，因此，根据本实施例的检测器的总的结电容Cj可以 被抑制为比在具有相同的肖特基电极面积的肖特基势垒二极管结构中的值小的值，毫无例 外。整流势垒部分的数量可以是任意的。期望地，肖特基势垒部分201以及多个整流势垒 部分202和203彼此连接，使得当在肖特基电极211和欧姆电极204之间施加正向电压时， 相同的多数载流子连续地通过分离的整流势垒部分。根据本实施例的检测器的总的结电容 Cj可以被抑制为比设置单个整流势垒部分的情况中的值小得多的值。当整流势垒部分的数量太大时，作为串联电阻的因素之一的外延层的电阻成分不 能被忽略，并且因此增大截止频率的效果饱和。在分离的整流势垒部分之间的连接部分处 产生外延层的电阻。因此，在典型的情况下，即使在电阻较小时，外延电阻也与整流势垒部 分的数量成比例。与此相反，结电容与整流势垒部分的数量成反比，因此，当整流势垒部分 的数量太大时RsCj变为恒定值。因此，当串联电阻成分中的扩展电阻比外延层的电阻大 时，RsCj的减少效果可以是有效的。例如，当亚微米结构中的整流势垒部分的数量少时，扩 展电阻比外延电阻大。如从示出关系的图2C中可见的，整流势垒部分的有效数量可以达到 大约10。根据本实施例的如上所述地增大截止频率的检测器期望地作为用于范围从毫米波 带到太赫兹波带(等于或大于30GHz并且等于或小于30THz)的频带的检测器。(第三实施例)参考图3A描述根据本发明第三实施例的检测器。图3A是示出根据本实施例的检测器的结构的截面图。在根据本实施例的检测器 中，肖特基势垒部分301与整流势垒部分302连接，使得当在肖特基电极(半金属)311与欧姆电极303之间施加正向电压时，相同的多数载流子连续地通过整流势垒部分302和肖 特基势垒部分301。在根据本实施例的检测器中，肖特基势垒是例如在半金属311与本征或 实质上本征的半导体312连接时产生的能量势垒。用作肖特基电极的半金属311本身具有 低导电性，并且因此还可以设置具有高导电性的金属313。整流势垒可以具有例如以下的多层膜结构。该多层膜结构包括依次设置的用于提 供与肖特基势垒部分301的多数载流子相同的多数载流子的导电类型半导体321、半金属 322、本征或实质上本征的半导体323以及具有与半导体321相同的导电类型的半导体324。 势垒部分301和302中的每一个具有多层膜结构，该多层膜结构具有半金属/半导体结，并 且被公开在例如 Brown 等人的 IEEE MicrowaveMagazine,Vol. 8,54(2007)中。半金属 311 和322中的每一个是例如ErAs薄膜，并且在NaCl结构的情况中具有与GaAs衬底或InP衬 底的晶格常数接近的晶格常数。期望地选择GaAs系统或InP系统(包括InGaAs)作为半 导体312、321、323和324中的每一个。即使在本实施例中，在整流势垒部分302中的能量 势垒也具有只在施加正向电压之后多数载流子才可以通过的结构。因此，根据本实施例的 检测器的结构也被认为是所谓的整流器，因此可以被用作整流类型检测器。在图3A中，附 图标记31表示衬底。与具有相同的肖特基电极面积的肖特基势垒二极管结构相比，根据本实施例的检 测器的总的结电容Cj可以被抑制为更小的值，毫无例外。根据本实施例的检测器，可以从 传统已知的多层膜结构中选择整流势垒部分的结构。即使当选择任何多层膜结构时，与具 有相同的肖特基电极面积的肖特基势垒二极管结构相比，根据本实施例的检测器的总的结 电容Cj也可以被抑制为更小的值，毫无例外。因此，根据其它附加的目的来选择本发明适 用的检测器的整流势垒部分。根据本实施例的具有半金属/半导体结的多层膜结构(整流 势垒部分302)的特征，在调整半导体组成时，可以设计响应度的合适的操作点。因此，根据 本实施例，可以执行在肖特基势垒二极管中困难的零偏置操作，因此可以减少通过偏置电 流产生的噪声并且可以实现不需要偏置布线的简化的结构。(第四实施例)参考图3B描述根据本发明第四实施例的检测器。图3B是示出根据本实施例的检测器的结构的截面图。在根据本实施例的检测器 中，肖特基势垒部分401与整流势垒部分402连接，使得当在肖特基电极411与欧姆电极 403之间施加正向电压时，相同的多数载流子连续地通过整流势垒部分402和肖特基势垒 部分401。在根据本实施例的检测器中，整流势垒可以具有例如以下的多层膜结构。该多层 膜结构包括依次设置的具有用于提供与肖特基势垒部分401的多数载流子相同的多数载 流子的导电类型的半导体421、具有比半导体421的带隙大的带隙并且为本征或实质上本 征的半导体422、以及具有与半导体421相同的导电类型的半导体423。整流势垒部分402具有如下的多层膜结构，所述多层膜结构具有所谓的半导体异 质结，并且在例如Chen等人的Appl. Phys. Lett.，Vol. 70，1551 (1997)中被讨论。具有大的 带隙的半导体422是例如GaP，并且具有更小的带隙的半导体421是例如InAs (薄膜)。期 望地选择GaP系统作为半导体412和423中的每一个。此外，在本实施例中，在整流势垒部 分402中的能量势垒具有只在施加正向电压之后多数载流子才可通过的结构。因此，根据 本实施例的检测器的结构也被认为是所谓的整流器，因此可以被用作整流类型检测器。在
10图3B中，附图标记41表示衬底。根据本实施例的检测器的总的结电容Cj可以被抑制为比具有相同的肖特基电极 面积的肖特基势垒二极管结构中的值小的值，毫无例外。即使在根据本实施例的检测器的 情况下，也可以从迄今为止已知的多层膜结构中选择整流势垒部分的结构。即使当选择任 何多层膜结构时，根据本实施例的检测器的总的结电容Cj也可以被抑制为比具有相同的 肖特基电极面积的肖特基势垒二极管结构中的值小的值，毫无例外。因此，根据其它附加的 目的来选择本发明适用的检测器的整流势垒部分。根据在本实施例中的具有半导体异质结 的多层膜结构(整流势垒部分402)的特征，表示是否执行理想的热电子场致发射的η值 (理想因子)接近于理想值。因此，响应度可以接近最大理论响应度。在根据上述的第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例中的每个实施 例的检测器中，电子或空穴可以被用作多数载流子。在例如图IB中示出的能带轮廓是导带 轮廓，并且因此多数载流子是电子。在表示能量的纵座标被颠倒以用于价带时，表现出多数 载流子是空穴的能带轮廓。在典型的情况下，期望选择具有高迁移率的电子，因为可以缩短 延迟时间。延迟时间可以根据所选择的半导体而被抑制为足够小的值。例如，可以选择Si 系统、GaAs系统、InP系统(包括InGaAs)、InAs系统或InSb系统作为半导体中的每一个。 在这些系统中后面的系统是期望的，因为多数载流子具有高迁移率并且因此可以增大截止 频率。与此相反，在选择Si系统时，使用互补金属氧化物半导体场效应晶体管(CM0SFET) 或双极型互补金属氧化物半导体异质结双极晶体管(BiCMOS HBT)的放大器可以被集成在 相同的衬底上。(第五实施例)参考图4Α 4C描述根据本发明的第五实施例的检测器。图4Α 4C示出根据本实施例的检测器。图4Α是示出检测器的结构的部分的截 面图，图4Β是示出检测器的结构的顶视图，并且图4C是示出使用根据本实施例的检测器的 阵列检测器的透视图。图4Α与图4Β的4Α-4Α的截面对应。在根据本实施例的检测器中， 肖特基势垒部分501与整流势垒部分502连接，使得当在肖特基电极511与欧姆电极503 之间施加正向电压时，相同的多数载流子连续地通过整流势垒部分502和肖特基势垒部分 501。因此，根据本实施例的检测器的结构被认为是所谓的整流器，因此可以被用作整流类 型检测器。在图4Α中，检测器包括实质上本征的半导体512、具有用于提供多数载流子的导 电类型的半导体521、实质上本征的半导体522、具有相反的导电类型的半导体523、实质上 本征的半导体524以及具有用于提供多数载流子的导电类型的半导体525。在根据本实施例的检测器中，为了在肖特基电极511与欧姆电极503之间感应要 被检测的电磁波的电场成分，最简单的是使用天线504。天线将接收的电磁波的电流和电场 (电压)输出到输出端口。在频带低时，通常使用在其中输出端口与传输线连接以便将电压 和电流输入到整流器的电路。然而，在范围从毫米波带到太赫兹波带(等于或大于30GHz 且等于或小于30THz)的频带中，传输线引起损失并且在传输线的连接部分处的寄生电抗 不能被忽略。当在根据本实施例的检测器中与肖特基电极511和欧姆电极503这两个电极对应 地设置天线504的输出端口时，可以去除上述的影响。因此，整流器被形成为台面(mesa)形状以用于隔离，并且半绝缘衬底51和电介质52被用来设置这两个电极。台面形状可以 是台面类型或反向台面类型。本发明不限于此。可以使用公知的离子注入执行该隔离。在 两个电极与读取布线505连接时，可以读取检测电流。阵列检测器可以被用于包括用于基 于变化的检测电流来形成电场分布图像的图像形成部分的图像形成装置。在根据本实施例的检测器中，例如，对数周期天线被用作天线504。可以根据其它 附加的目的来选择用于本发明适用的检测器的天线。诸如对数周期天线或螺旋天线的自互 补天线具有优秀的宽带特性，并且因此作为能够检测具有非常宽频带的电磁波的检测器是 有效的。具有谐振频率特性的缝隙天线和偶极子天线中的每一个作为用于限制接收的频带 的检测器是有效的。可以存在使用现有的微波技术改进特定的频带中的效率的方法，诸如 设置具有短截线(stub)的输出端口的方法。频带的控制可以用于诸如颜色分离(频率分离)的应用。如图4C中所示出的硅 半球形透镜506可以被设置在天线的上表面之上，作为用于改进与平面天线的耦接效率的 耦接部件。可替代地，通过微机电系统(MEMS)工艺制造的喇叭天线可以被设置在上表面之 上。如上所述的根据本实施例的检测器期望地作为用于范围从毫米波带到太赫兹波带(等 于或大于30GHz并且等于或小于30THz)的频带的检测器。[示例]在下面的示例中描述更具体的结构。(示例 1)图5A 5C示出根据示例1的检测器。图5A是示出检测器的结构的截面图，图5B 示出检测器的结构中的设计的能带轮廓的部分，并且图5C示出检测器的结构中的设计的 电子密度分布。在根据本示例的检测器中，包括Pt/Au肖特基电极811的肖特基势垒部分801与 包括对于电子具有整流特性的GaAs半导体多层膜的整流势垒部分802连接。当Pt/Au肖 特基电极811与其电子密度为2X IO18CnT3的n-GaAs层812连接时产生肖特基势垒810。 n-GaAs层812由实质上本征的半导体形成的状态可以从如下的点看出如图5C中所示出 的，n-GaAs层812的电子密度足够低并且是缺乏的。n-GaAs层812的厚度被设为50nm从 而等于耗尽层的厚度。基于肖特基金属(811)和实质上本征的半导体(812)的较少的组合 的相容性来确定肖特基势垒810的高度。在本示例中，选择Pt层811和GaAs层812的组 合，并且因此用实验方法已知高度为大约0. SeV0通过以下的多层膜结构产生整流势垒820。该多层膜结构包括依次设置的、其电子 密度为3X IO18CnT3的n+GaAs层821、未掺杂的GaAs层822、通过δ掺杂而将其空穴面密度 (sheet density)设为1 X IO12CnT2的δ掺杂的p-GaAs层823、比未掺杂的GaAs层822厚 的未掺杂的GaAs层824、以及其电子密度为3 X 1018cm_3的n+GaAs层825。在平面掺杂的势 垒二极管结构中，已知的是δ掺杂的p-GaAs层823的空穴密度确定能量势垒高度。在本 示例中，进行设计使得高度为大约0. 3eV。已知的是，未掺杂的GaAs层822与未掺杂的GaAs层824之间的厚度比确定η值。 必须使未掺杂的GaAs层824比未掺杂的GaAs层822厚。在本示例中，进行设计使得在 20nm 400nm的情况下η值为1.05。为了供应载流子，使n+GaAs层821和825在具有相 对高的电子密度的情况下变得足够地厚。为了减少在n+GaAs层825和欧姆电极803之间的扩展电阻，还设置其电子密度为1 X IO19CnT3的n+GaAs层826。可以设置典型用于GaAs系 统的AuGe/Ni/Au电极作为欧姆电极803。在GaAs衬底81被用作用于肖特基势垒部分801 和整流势垒部分802的衬底时，实现晶格匹配。例如，各个半导体层的厚度如表1所示。在 表1中，例如，2E17表示2X IO170(表 1)
权利要求
1.一种检测器，包括包括肖特基电极的肖特基势垒部分；至少一个对于在所述肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的势垒部分；以及与所述具有整流特性的势垒部分电接触的欧姆电极，其中所述肖特基势垒部分与所述具有整流特性的势垒部分连接，使得当在所述肖特基 电极与所述欧姆电极之间感应要被检测的电磁波的电场成分时，流过所述肖特基势垒部分 的检测电流的方向与流过所述具有整流特性的势垒部分的电流的检测方向一致。
2.根据权利要求1所述的检测器，还包括多个所述具有整流特性的势垒部分，其中所述多个所述具有整流特性的势垒部分连接，使得当在所述肖特基电极和所述欧 姆电极之间感应要被检测的电磁波的电场成分时，流过所述多个所述具有整流特性的势垒 部分的各个检测电流的方向彼此一致。
3.根据权利要求1所述的检测器，其中所述肖特基势垒部分包括形成所述肖特基电 极的金属和半金属之一、以及能够耗尽多数载流子的实质上本征的半导体和本征半导体之一。
4.根据权利要求1所述的检测器，其中所述具有整流特性的势垒部分包括多层膜结 构，在所述多层膜结构中依次设置具有用于提供多数载流子的导电类型的半导体、能够耗 尽多数载流子的实质上本征的半导体和本征半导体之一、导电性与具有所述导电类型的所 述半导体相反的半导体、比所述实质上本征的半导体和本征半导体之一厚的能够耗尽多数 载流子的另一实质上本征的半导体和另一本征半导体之一、以及具有用于提供多数载流子 的导电类型的另一半导体。
5.根据权利要求1所述的检测器，其中所述具有整流特性的势垒部分包括多层膜结 构，在所述多层膜结构中依次设置具有用于提供多数载流子的导电类型的半导体、半金属、 能够耗尽多数载流子的实质上本征的半导体和本征半导体之一、以及具有用于提供多数载 流子的导电类型的另一半导体。
6.根据权利要求1所述的检测器，其中所述具有整流特性的势垒部分包括多层膜结 构，在所述多层膜结构中依次设置具有用于提供多数载流子的导电类型的半导体、具有比 具有所述导电类型的所述半导体大的带隙的能够耗尽多数载流子的实质上本征的半导体 和本征半导体之一、以及具有用于提供多数载流子的导电类型的另一半导体。
7.根据权利要求1所述的检测器，其中所述多数载流子包括电子。
8.根据权利要求1所述的检测器，还包括用于产生检测信号的晶体管，其中所述检测器和所述晶体管被设置在同一衬底上。
9.根据权利要求1所述的检测器，还包括用于在所述肖特基电极与所述欧姆电极之间 感应要被检测的电磁波的电场成分的天线，其中所述肖特基电极和所述欧姆电极被设置作为所述天线的输出端口。
10.一种图像形成装置，包括多个根据权利要求1所述的检测器，其中所述多个检测器被布置成阵列；以及所述多个检测器检测电磁波的电场，基于所述电磁波的电场形成电场分布图像。
11.一种整流器，包括包括肖特基电极的肖特基势垒部分；对于在所述肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的势垒部分；以及 与所述具有整流特性的势垒部分电接触的欧姆电极，其中所述肖特基势垒部分和所述具有整流特性的势垒部分中的每一个具有不对称的能带 轮廓，所述能带轮廓在一侧的坡度比另一侧的坡度大；以及所述肖特基势垒部分和所述具有整流特性的势垒部分彼此连接，使得能带轮廓的大的 坡度的一侧位于所述肖特基电极一侧。
全文摘要
提供了出于与减小结构尺寸的观点不同的观点而可以增大截止频率的诸如检测器的整流器。该整流器包括包括肖特基电极(111)的肖特基势垒部分(101)；对于在肖特基势垒部分中的多数载流子具有整流特性的势垒部分(102)；以及与具有整流特性的势垒部分电接触的欧姆电极(103)，其中肖特基势垒部分和具有整流特性的势垒部分中的每一个具有其在一侧的坡度比另一侧的坡度大的不对称的能带轮廓，以及肖特基势垒部分和具有整流特性的势垒部分彼此连接使得能带轮廓的陡的坡度侧位于肖特基电极一侧。
文档编号H01L31/108GK102113122SQ20098012946
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年8月6日
发明者关口亮太 申请人:佳能株式会社