專利名稱：利用基于晶閘管的像素單元的成像陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電器件.更具體地說，本發(fā)明涉及基于由諸如砷化
鎵(GaAs)之類的半導(dǎo)體形成的電荷耦合器件(CCD)的成像陣列， 其能夠響應(yīng)光而產(chǎn)生電信號(hào)。本發(fā)明尤其可應(yīng)用于成像和電信技術(shù)領(lǐng) 域，而它并不局限于此。
2.
背景技術(shù)：
在成像技術(shù)領(lǐng)域中，下一代成像系統(tǒng)必須在很高的頻率下操作， 并對(duì)于輻射通量具有高電阻，因此成像器被說成是"硬化的輻射"。 目前的成像器被構(gòu)造為CCD或有源像素陣列形式的硅集成電路。在 CCD中，線性像素陣歹'J按順序被脈沖式地輸出到公共輸出放大器。在 有源像素陣列中，該陣列是x-y可尋址的，并且每個(gè)像素輸出到它自己 專用的放大器(該陣列以逐行或逐列為基礎(chǔ)輸出)》
硅工藝受到在集成電路的有源和無源區(qū)中都存在氧化硅的多種方 式的限制。主要限制是氧化物對(duì)輻射通量的靈敏度。輻射在絕緣體中 產(chǎn)生陷阱和其它帶電的缺陷，其改變了集成電路內(nèi)的有源和無源區(qū)中 的內(nèi)部電壓閾值。在一定累積膝光電平之后，這些閾值變化致使電路 不能工作。柵極氧化物也產(chǎn)生其它方式的限制.硅CCD通過交疊柵極 將一個(gè)像素耦接到另一個(gè)。每個(gè)交疊柵極在像素之間建立小的較厚氧 化物區(qū)域，其禁止電荷傳輸并因此對(duì)CCD造成速度限制。這些氧化物 勢(shì)壘對(duì)硅CCD是基本的，并構(gòu)成傳輸速度限制.已經(jīng)采用一些方法來 消除這些影響，例如虛擬相位CCD,然而，這些結(jié)構(gòu)接著要面對(duì)由于 注入未對(duì)準(zhǔn)和缺少阱容量而造成的勢(shì)壘.不管怎樣，硅CCD的傳輸速 度很少超過幾MHz。
硅CCD的另一限制是它的光譜靈敏度。硅CCD吸收跨越其能隙 的輻射，因此對(duì)具有長(zhǎng)于約liam的波長(zhǎng)的輻射不敏感。它還對(duì)紫外線 (UV)輻射不敏感。
如母案申請(qǐng)美國(guó)序列號(hào)No. 09/556,285中所公開的，基于GaAs襯 底的III-V器件結(jié)構(gòu)具有克服上述限制的潛能，具體來說，GaAsCCD具有吸收各個(gè)子帶之間的量子阱內(nèi)的電磁能量的潛能.這提供了具有 獨(dú)特的子帶間吸收能力和中波紅外、長(zhǎng)波紅外以及甚長(zhǎng)波紅外區(qū)內(nèi)的
靈敏度的GaAs器件。目前起子帶間探測(cè)器作用的GaAs器件結(jié)構(gòu)是 QWIP(量子阱紅外光探測(cè)器)器件.目前實(shí)現(xiàn)的該QWIP的兩個(gè)重要 限制是存在迫使將器件冷卻到77nK的相當(dāng)大的暗電流電平以及器件與 GaAs集成電路不兼容的事實(shí).在最初證明時(shí)，由于其與GaAs集成電 路的潛在兼容性，QWIP被認(rèn)為是有利的.然而，這種兼容性從未成 立過，因此目前的工藝將GaAs QWIP晶片以混合方式與Si讀出集成 電路組合在一起。
已經(jīng)存在多種嘗試使用MESFET (金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和 HEMT (高電子遷移率晶體管)器件的基本晶體管結(jié)構(gòu)來建立CCD移 位寄存器。參見Song等人的"A Resistive-Gate Al0,3Ga0.7As/GaAs 2DEG CCD with High Charge-Transfer Efficient at 1 GHz" ( 1991年4月的 IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.38， No.4，頁930-932); Ula等人的"Simulation, Design and Fabrication of ThinFilm Resistive-Gate GaAs Charge Coupled Devices" (1990年的Electron Devices Meeting,頁271 - 274); Bakker等人的"A Tacking CCD: a New CCD Concept" (1991年5月的IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.38， No.5，頁1193 - 1200); Davidson等人的"GaAs charge-coupled devices" (1989年的Can. J. Physics, Vol.67，頁225 - 231 ) ; Song 等人的"Characterization of Evaporated Cr-SiO cermet films resistive-gate CCD applications" (1989年9月的IEEE Transactions on Electron Devices, VoU6， No.9，頁1575- 1597) ; LeNoble等人的"A Two-Phase GaAs Cermet Gate Charge-Coupled Device"( 1990年8月的IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.37, No.8，頁1796 - 1799); Beggs等人的"Optical charge injection into a gallium arsenide acoustic charge transport device" (1988年的Journal of Applied Physics,巻63， 第7期，頁2425-2430) ; Ablassmeier等人的"Three-phase GaAs Schottky-barrier CCD Operated up to 100-MHz Clock Frequency" (1980年6月的IEEE Transactions on Electron Devices, Vol,27, No,6， 頁1181-1183) ; LeNobel等人的"Uniphase operation of a GaAs resistive gate charge-coupled device" (1992年的Can. J. Physics,Vol.70，頁1143- 1147); LeNobel等人的"Two-Phase GaAs cermet-gate charge-coupled device" (1991年的Can. J. Physics, Vol.69， 頁 224 - 227 ) ; Ula等人的"Optimization of thinfilm resistive-gate and capacitive國(guó)gate GAAs charge-coupled devices" (1992年5月的IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.39， No.5,頁1032-1040); k乂 及 LeNoble 等人的 "The Surface Potential Variation in the Interelectrode Gaps of GaAs Cermet-gate Charge-Coupled Devices" (1990年的Solid-State Electronics, VoU3， No.7，頁851 -857),這 些技術(shù)總是被陣列中像素之間的低傳輸效率的問題所困擾。所提出的 解決方案利用了像素之間的電阻耦合，其將提供漂移輔助的傳輸。問 題是沒有發(fā)現(xiàn)可行的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電阻耦合，試圖使用淀積的電阻層， 但是電阻控制問題阻礙了進(jìn)一步研究，
母案申請(qǐng)美國(guó)序列號(hào)No.09/556，285通過提供具有外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的 CCD克服了這些問題中的多個(gè)，其利用調(diào)制摻雜量子阱界面來建立反 型溝道用于電荷包的存儲(chǔ)。電荷傳輸通過包括兩個(gè)S摻雜的p型摻雜薄 層的外延生長(zhǎng)的獨(dú)特特征而變得容易， 一個(gè)p型薄層非常接近于反型 溝道并能夠通過非常薄的高摻雜材料的薄層在相鄰像素之間實(shí)現(xiàn)電阻 耦合。該電阻耦合能夠在傳輸階段期間在像素之間實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度電場(chǎng)和 最佳漂移速率，其引起非常高的傳輸速率。位于晶片表面處的笫二電 荷薄層能夠?qū)崿F(xiàn)與頂部金屬接觸的非常低電阻歐姆的接觸。正是這種 歐姆接觸能夠?qū)崿F(xiàn)HFET,其是該技術(shù)的基本場(chǎng)效應(yīng)器件。反型溝道 包括多個(gè)量子阱，這些量子阱可以吸收入射的處于MWIR(中波紅外) 和LWIR(長(zhǎng)波紅外)區(qū)的輻射，CCD還可以通過常規(guī)帶隙吸收使處 于光謙的UV、可見光和近紅外區(qū)的信號(hào)成像，
在母案申請(qǐng)序列號(hào)No.09/556，285的CCD器件中，耐火發(fā)射極或 柵極金屬接觸用于像素的傳輸部分.并且，在柵極上使用電介質(zhì)來形 成1/4波長(zhǎng)對(duì)用于像素的成像部分.這些電介質(zhì)當(dāng)與有源器件結(jié)構(gòu)下面 外延生長(zhǎng)的反射鏡一起考慮時(shí)構(gòu)成所關(guān)心的波長(zhǎng)的諧振腔。在所描述 的實(shí)施例中，離子注入用于多個(gè)目的.N型注入用于形成直到反型溝 道的源區(qū)和漏區(qū)，它還用于使反型溝道界面的閾值電壓偏移。外延結(jié) 構(gòu)生長(zhǎng)為常斷(增強(qiáng)型)器件，于是N型注入用于建立常開(耗盡型) 器件區(qū)，正是這些區(qū)域存儲(chǔ)電荷包.氧注入也可以用于在注入下面建立高阻區(qū)。該技術(shù)利用AlAs和其它具有高鋁百分比的層的氧化在結(jié)構(gòu) 下面實(shí)現(xiàn)鈍化、隔離和電介質(zhì)反射鏡。CCD中所采用的像素的基本結(jié) 構(gòu)和輸出放大器也可以用于設(shè)計(jì)有源像素傳感器。在這種設(shè)計(jì)中，每 個(gè)像素與輸出放大器對(duì)接，并且行或列被并行輸出.
雖然母案申請(qǐng)美國(guó)序列號(hào)No.09/556，285中所描述的器件代表了優(yōu) 于現(xiàn)有技術(shù)的較大進(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題提供了實(shí)際解決方案， 但是所公開的器件仍具有一定的局限性.例如，采用所提供的結(jié)構(gòu)， 電子響應(yīng)于所接收的光離開量子阱可能用1毫秒左右，因此成像過程 的速度受到該定時(shí)的限制。除此之外，由于在給定周期內(nèi)通過所公開 的器件產(chǎn)生的讀出信號(hào)是剩余在量子阱中的電荷量，因此當(dāng)阱相對(duì)滿 時(shí)，即當(dāng)光很弱時(shí)該讀出信號(hào)很大.由此，弱信號(hào)可能不理想地經(jīng)受 相對(duì)大量的噪聲.

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供像素單元的成像陣列，優(yōu)選利用具有
很高的傳輸速率能力的iii-v半導(dǎo)體系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供像素單元的成像陣列，其能夠適于通 過子帶間吸收來吸收處于3 pm-20 pm的寬譜范圍內(nèi)的電磁輻射，并
將該輻射轉(zhuǎn)換成電荷包以從其輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供像素單元的成像陣列，其可以適于通 過子帶間吸收來吸收處于電磁光謙的紫外線、可見光和近紅外區(qū)內(nèi)的 電磁輻射，并將該輻射轉(zhuǎn)換成電荷包以從其輸出.
本發(fā)明的另一個(gè)目的是以集成的方式與HFET技術(shù)一起實(shí)現(xiàn)像素 單元的成像陣列。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是將像素單元的成像陣列實(shí)現(xiàn)為包括其它光 電電路和/或電子電路的單片光電集成電路的一部分，
根據(jù)本發(fā)明的目的，提供具有采用互補(bǔ)型調(diào)制摻雜量子阱界面的 外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的成像陣列(及相應(yīng)的操作方法)； 一個(gè)建立電子的反 型溝道， 一個(gè)建立空穴的反型溝道.這種外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)選是在前引 入的涉及調(diào)制摻雜的晶閘管的美國(guó)序列號(hào)No. 09/798，316所公開的相 同結(jié)構(gòu)，更具體地說，彼此分開的兩個(gè)調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)位于p+層 之下和n +層之上，第一調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)(被稱為"n型調(diào)制摻雜 量子阱界面")建立電子的反型溝道，而笫二調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)(被稱為"p型調(diào)制摻雜量子阱界面")建立空穴的反型溝道。在頂部P +
層之上和底部n+層之下使用電介質(zhì)來形成1/4波長(zhǎng)對(duì)用于像素的成像 部分；即，它們構(gòu)成所關(guān)心的波長(zhǎng)的諧振腔。
在優(yōu)選實(shí)施例中，成像陣列的像素單元按照下述被金屬化，對(duì)于 每個(gè)像素單元來說，鄰近高摻雜的頂部P +層形成耐火的陽極端；即， 頂部"p"結(jié)構(gòu).陽極端用于控制電荷傳輸?shù)较袼貑卧泻?或從該像素 單元傳輸，p溝道注入端可操作地耦接到p型調(diào)制摻雜量子阱界面上， 并且陰極端可操作地輛接到底部n+層.p溝道注入端用于使p型量子 阱界面失去電荷(例如空穴).陰極端用于實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/停止像素單元的 電荷積累操作的電子快門。
像素單元工作在三種不同模式下像素建立模式；信號(hào)獲取模式； 和信號(hào)傳輸模式。在像素建立模式期間，n型量子阱界面失去電荷(例 如電子)。在信號(hào)獲取模式期間，電荷積累在像素單元的n型量子阱 界面內(nèi)。積累電荷的量與在該像素單元處接收的所需波長(zhǎng)的電磁輻射 的量成比例，在信號(hào)傳輸模式期間，利用n型量子阱界面作為電荷傳 輸路徑，將積累電荷從像素單元中讀出(并在CCD型應(yīng)用中在像素單 元之間傳輸該積累電荷)。在CCD型應(yīng)用中，接觸最后一個(gè)像素單元 的n型量子阱界面的n溝道注入接觸是成像陣列的輸出，并且如果需 要的話可被直接放大。
根據(jù)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將變 得更容易地顯而易見。


圖l是示出示例性的量子阱基雙極晶體管器件的示意圖。
圖2是示出圖1的量子阱基雙極晶體管器件響應(yīng)于提供給該器件
的量子阱基區(qū)的輻射的操作的能帶圖.
圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)示例性的基于晶閘管的像素單元 的示意圖。
圖3B是示出圖3A的基于晶閘管的像素單元響應(yīng)于在其中被共振 吸收的入射輻射的操作的能帶圖.
圖4A、 4B和4C是示出在成像周期期間圖3A的基于晶閘管的像 素單元的工作模式的能帶困，由此電荷積累在根據(jù)本發(fā)明的相應(yīng)像素 單元中并從該像素單元中轉(zhuǎn)移出來.圖5示出示例性的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用III-V族材料來實(shí)現(xiàn) 根據(jù)本發(fā)明的圖3A的基于晶閘管的像素單元和由該結(jié)構(gòu)形成的光電/ 電學(xué)/光學(xué)器件。
圖6A、 6B1和6B2是結(jié)合圖5的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形成的兩個(gè)基于晶 閘管的像素單元的示例性實(shí)現(xiàn)的示意困；圖6A是這兩個(gè)基于晶鬧管的 像素單元的示意平面圖；圖6B1是這兩個(gè)基于晶閘管的像素單元的示 意截面圖；圖6B2是這兩個(gè)基于晶閘管的像素單元的p溝道注入端的 示意截面圖.
圖6C是示出在圖6A和6B的兩個(gè)基于晶閘管的像素單元之內(nèi)(和
之間)在由這些像素單元執(zhí)行的成像操作期間沿n型調(diào)制摻雜量子阱
界面的電勢(shì)的圖。
圖7A是示出全幀型成像陣列的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的功能方框圖。 圖7B是示出線間型成像陣列的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的功能方框圖。 圖8A是結(jié)合圖5的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形成的基于晶閘管的像素單元和
傳輸柵極的示例性實(shí)現(xiàn)的示意截面困。
圖8B是示出在困8A的基于晶閘管的像素單元和傳輸柵極之內(nèi)(和
之間)在由像素單元執(zhí)行的成像操作期間沿n型調(diào)制摻雜量子阱界面
的電勢(shì)的圖.
圖8C是示出利用基于圖8A和圖8B的基于晶閘管的像素單元和圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供一種成像器件，該成像器件包括形成在頂部P + 層結(jié)構(gòu)和底部n +層結(jié)構(gòu)之間的互補(bǔ)型調(diào)制摻雜量子阱界面.在頂部卩+ 層之上和底部iT層之下使用電介質(zhì)來形成1/4波長(zhǎng)對(duì)用于像素的成像 部分；即，它們構(gòu)成所關(guān)心的波長(zhǎng)的諧振腔.在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè) 像素單元由包括鄰近高摻雜的頂部p+層結(jié)構(gòu)形成的耐火的陽極端的臺(tái) 面形成。陽極端用于控制電荷傳輸?shù)较袼貑卧泻?或從該像素單元傳 輸。p溝道注入端可操作地耦接到p型調(diào)制摻雜量子阱界面上，并且陰 極端可操作地耦接到底部iT層。p溝道注入端用于使p型量子阱界面 失去電荷(例如空穴)。陰極端用于實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/停止像素單元的電荷積 累操作的電子快門.式下像素建立模式；信號(hào)獲取模式; 和信號(hào)傳輸模式.在像素建立模式期間，n型量子阱界面失去電荷(例 如電子)，在信號(hào)獲取模式期間，電荷積累在像素單元的n型量子阱 界面內(nèi)。積累電荷的量與在信號(hào)獲取模式期間在該像素單元處接收的 所需波長(zhǎng)的電磁輻射的量成比例。在信號(hào)傳輸模式期間，利用n型量
子阱界面作為電荷傳輸路徑將積累電荷從給定的像素單元中讀出(并 在CCD型應(yīng)用中在像素單元之間傳輸該積累電荷)。在CCD型應(yīng)用 中，接觸最后一個(gè)像素單元的n型量子阱界面的n溝道注入接觸是成 像陣列的輸出，并且如果需要的話可被直接放大.
本發(fā)明的成像陣列(和由其產(chǎn)生的信號(hào))可用于多種應(yīng)用中。例 如，它可用于隨著納秒到毫秒的時(shí)間遞增(由于二維氣的高速響應(yīng)的 原因)而執(zhí)行成像操作。而且，本發(fā)明的成像陣列可以用寬范圍的光 學(xué)和電子器件來有效地集成，例如以提供集成陣列以及相關(guān)的光電器 件和/或邏輯電路和/或信號(hào)處理電路.
優(yōu)選地，本發(fā)明的成^f象陣列(和可能的與其整體制造的其它光電 器件、邏輯電路和/或信號(hào)處理電路)用如以下專利申請(qǐng)中詳細(xì)描述的 反型量子阱溝道器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這些專利申請(qǐng)是美國(guó)專利 6,031,243; 2000年4月24日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 09/556,285; 2001 年3月2日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 09/798,316; 2002年3月4日提交 的國(guó)際申請(qǐng)No. PCT/US02/06802; 1997年10月14日提交的美國(guó)專利 申請(qǐng)No. O8/949，50^ 2002年7月23日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/200,967; 2000年11月10日提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 09/710,217; 2002 年4月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 60/376,238; 2002年12月19日 提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/323,390; 2002年10月25日提交的美國(guó)專 利申請(qǐng)No. 10/280,892; 2002年12月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 薦23，390; 2002年12月19曰提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/323,513; 2002年12月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/323,389; 2002年12月 19曰提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/323,388; 2003年1月13日提交的美 國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/340,942;在此引入所有這些申請(qǐng)的全文作為參考. 采用這些結(jié)構(gòu)，使用一種制造程序來在公共襯底上制作所有器件，包 括成像陣列、電學(xué)器件(例如晶體管)和光電器件(例如激光器/探測(cè) 器/調(diào)制器)。換句話說，n型和p型接觸、關(guān)鍵刻蝕、電介質(zhì)淀積等用于在公共襯底上同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有這些器件.這種器件結(jié)構(gòu)的基本特征
包括l) n型調(diào)制摻雜界面和n型調(diào)制摻雜量子阱界面，2)通過離子 注入形成的自對(duì)準(zhǔn)n型和n型溝道接觸，3)與n型離子注入和底部n 型層結(jié)構(gòu)的n型金屬接觸，以及4)與n型離子注入和頂部n型層結(jié)構(gòu) 的n型金屬接觸。
n型調(diào)制摻雜量子阱界面和n型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)的電荷狀 態(tài)通過受晶閘管器件的偏壓條件支配的陽極或陰極的導(dǎo)通來控制。除 此之外，可以借助電耦接到相應(yīng)界面的注入端的電流源(或脈沖源) 將電荷從n型調(diào)制摻雜量子阱界面和n型調(diào)制摻雜量子阱界面除去. 利用這些結(jié)構(gòu)通過將金屬陽極分成借助P+層沿頂表面被電連接的兩個(gè) 部分來建立光學(xué)器件。有源器件結(jié)構(gòu)形成在底部分布布拉格反射器 (DBR)反射鏡和頂部電介質(zhì)反射鏡之間，由此形成具有中心在調(diào)制 摻雜量子阱界面附近的光模的波導(dǎo)。
量子阱基雙極晶體管的截面在圖1中示出。該量子阱基雙極晶體 管由于它將典型異質(zhì)結(jié)FET ( HFET)器件的單極導(dǎo)通和典型異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管(HBT)的雙極導(dǎo)通合并的方式的原因而令人感興趣，實(shí)際 上，它是基于調(diào)制摻雜的童子阱基雙極晶體管。與調(diào)制摻雜溝道的接 觸充當(dāng)具有以常規(guī)方式施加的柵極偏壓的典型HFET的源極/漏極接 觸。溝道電荷充當(dāng)雙極晶體管的少數(shù)電荷.然后，當(dāng)電荷流入溝道時(shí)， 它加偏壓到器件的內(nèi)勢(shì)壘以便多數(shù)栽流子從發(fā)射極流入集電極。由于 它合并雙極和FET的原理的原因，該器件有時(shí)被稱為雙極反型溝道場(chǎng) 效應(yīng)晶體管(BICFET)。有利地，量子阱基雙極晶體管的熱電子發(fā)射 沿外延生長(zhǎng)的方向垂直地發(fā)生，并且路程很短(大約100A)以便在不 需要器件的極短的光刻尺寸的情況下能夠獲得大于1 THz的截止頻 率。
該器件包括，從半絕緣襯底10開始，n+GaAs接觸層12 (其電連 接到子集電極端金屬層13) 、 n型AlGaAs層14、 n型AlGaAs層16 (其電連接到集電極端金屬層17) 、 n型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)18 (其 通過n型離子注入21電連接到基極端金屬層19 )、未摻雜的隔離層20、 p+型電荷薄層22、 n型AlGaAs勢(shì)壘層24、和P+GaAs接觸層26 (其 電連接到發(fā)射極端金屬層27)。所接收的輻射可操作地通過基極端金 屬層19耦接到n型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)18,圖1器件的響應(yīng)度取決于二維氣的電子溫度(Te)的改變和所接
收的輻射的輸入功率Pin。此關(guān)系可通過下面的分析來理解。如果電子
(或空穴)在擾動(dòng)電場(chǎng)Eoe^存在時(shí)用它的運(yùn)動(dòng)方程來表示，并且一個(gè) 求解電子的位移xoe^，則一個(gè)可以求解速度、電流和RF電場(chǎng)吸收的 平均功率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，這通過由極性光學(xué)聲子的發(fā)射引起的晶格 的熱損耗來平衡。根據(jù)此能量平衡，我們得到以下結(jié)果
其中m是電子質(zhì)量，Cth是電子的比熱(大約等于玻爾茲曼常數(shù)k)，
Te是電子溫度，T!是晶格溫度，Tm是動(dòng)量關(guān)系時(shí)間，以及Te是能量弛 豫時(shí)間。輸入功率Pin通過^-^"^而與輻射場(chǎng)有關(guān)，其中T1是材料的
固有阻抗。重要的靈敏度參數(shù)是Qh.其固有的小值導(dǎo)致對(duì)于小的Pta 值的相當(dāng)大的Te值，可以看出，由于時(shí)間常數(shù)Tm—般是大約0.1皮秒，
因此對(duì)于電子氣的響應(yīng)的高頻衰減是大約lOTHz.
為了理解圖1器件的熱電子行為，考慮困2的能量圖.示出了重 要的電流分量，其包括復(fù)合分量Jrb (來自發(fā)射極的空穴流)、從n型 調(diào)制摻雜層流向量子阱的熱電子發(fā)射電流(標(biāo)注為"1")、從量子阱 流向n型調(diào)制摻雜層的熱電子發(fā)射電流(標(biāo)注為"2")、以及集電極
內(nèi)的產(chǎn)生電流Jgen，該電流給量子阱增加電子并且還提供流向背結(jié) (back junction)的空穴電流。在圖中示出了電流方程，其中復(fù)合是等 于流入和流出量子阱的大發(fā)射電流(對(duì)于零偏壓、Jrb = 0并且發(fā)射電 流剛剛平衡來說)之間的差的小電流.在不存在輻射(具有某一額定
偏壓Va)的情況下，晶格溫度T!和電子溫度Te相等，并且JU代表器 件中的暗電流。另一個(gè)重要分量是Jpb,代表通過勢(shì)壘的熱電子發(fā)射。 電流Jpb的變化代表探測(cè)器的輸出.代表這種電流平衡的方程是
<formula>formula see original document page 17</formula>
其中左手側(cè)(LHS)是如圖2所示流入發(fā)射極的復(fù)合電流。這是根據(jù) 調(diào)制摻雜的觀點(diǎn)寫入的連續(xù)電流，在右手側(cè)(RHS)的兩項(xiàng)代表量子阱和調(diào)制摻雜層之間的熱電子發(fā)射分量，并且這兩項(xiàng)在指數(shù)項(xiàng)的指數(shù)
中都包含T。然而，在輻射耦合到量子阱中的情況下，量子阱部分的
溫度變成Te，并且從調(diào)制摻雜層到量子阱的部分的溫度保持在TL.因
此，從量子阱到調(diào)制摻雜層存在凈熱電子流.這引起no值降低，該值
是量子阱中的電子密度。Te變化將很小.我們可以展開該項(xiàng)得到以下
方程<formula>formula see original document page 18</formula>
(3)
我們看到最后一項(xiàng)是驅(qū)動(dòng)力，其與變化ATe成比例.從(l)中我們還 可以看出，這個(gè)Te變化與所接收的輻射的輸入功率成比例。因此，附
加項(xiàng)對(duì)應(yīng)于R*Pi ，其中R是將電子傳輸?shù)秸{(diào)制摻雜的基本機(jī)制的以安 /瓦為單位的響應(yīng)度。這樣，R的值是
及<formula>formula see original document page 18</formula>
(4)
描述流過器件的電流的另 一方程是
<formula>formula see original document page 18</formula>(5)
其簡(jiǎn)單地表明由于輻射作用僅僅將內(nèi)部電荷移到器件，因此在該過程 期間流過期間的凈電流必須保持恒定。電荷從阱到薄層區(qū)的移動(dòng)引起 no降低。根據(jù)等式(5)，由于J，是恒定的，因此AVb將增加.AVb 增加將引起圖2中的電流J—增加.正是這個(gè)電流增量代表器件的凈輸 出電流，并與所接收的輻射的輸入功率成比例。通過重新整理(5)并
i十算電流AJpb，我們得到 乂 、2
<formula>formula see original document page 18</formula>
(6)
輸出電流是響應(yīng)于所接收的輻射的輸入功率Pin而流動(dòng)的集電極電流的
增量。代入典型數(shù)值得到Reff 0.05A/W。與長(zhǎng)波紅外(LWIR)輻射的典型響應(yīng)度相比，該數(shù)值完全合理.
這里應(yīng)當(dāng)注意重要的一點(diǎn).流入系統(tǒng)的暗電流是Jgen,并且這是跨
越AlGaAs的能隙的產(chǎn)生電流。這不是從板低能量的辨中熱激發(fā)的電
流。該流入和流出阱的熱電流總是處于平衡狀態(tài)，即使在保持平衡狀
態(tài)和在偏壓下，因而它們不產(chǎn)生噪聲.只有凈暗電流Jgen產(chǎn)生噪聲。這 意味著將不需要低溫冷卻來消除暗電流噪聲的影響.這樣，入射輻射 的探測(cè)在室溫下進(jìn)行。
或者，晶閘管結(jié)構(gòu)可以用作輻射探測(cè)器.如圖3A所示，晶閘管結(jié) 構(gòu)包括垂直設(shè)置以共享公共集電區(qū)的n型量子阱基雙極晶體管和p型 量子阱基雙極晶體管。該晶閘管結(jié)構(gòu)形成在諧振腔(由底部和頂部電 介質(zhì)反射鏡提供)內(nèi)部，該諧振腔適于接收處于電磁波譜的所需部分 的電磁輻射。類似于圖1的量子阱基雙極晶體管的n型量子阱結(jié)構(gòu)的 操作，所吸收的輻射將使晶閘管的p型量子阱界面變空，由此將電荷 積累在p型調(diào)制摻雜層中并對(duì)p型量子阱界面勢(shì)壘產(chǎn)生正向偏壓Avb，
其結(jié)果產(chǎn)生如圖3B所示的電流Iw。電流Inb經(jīng)過p型量子醉界面勢(shì)壘
流向n型量子阱界面。積累電荷Qn代表所接收的輻射的強(qiáng)度.基于異
質(zhì)結(jié)晶閘管的輻射探測(cè)器的操作適于多種成像應(yīng)用，包括下面詳細(xì)描
述的CCD型成像應(yīng)用和有源像素型成像應(yīng)用.
圖3A示出了兩個(gè)基于晶閘管的像素單元101A、 IOIB的結(jié)構(gòu)。注 意，圖3A的普通結(jié)構(gòu)可以被配置成如同寬范圍的電子器件(例如場(chǎng)效 應(yīng)晶體管、雙極晶體管)那樣工作，以便這些器件可以集成以形成如 這里所描述的單片光電集成電路.該結(jié)構(gòu)包括形成在襯底110上的底 部電介質(zhì)分布布拉格反射器(DBR)反射鏡112.該底DBR反射鏡112
一般通過淀積具有不同折射率的半導(dǎo)體或介電材料對(duì)來形成。當(dāng)具有 不同折射率的兩種材料放置在一起形成結(jié)時(shí)，光將在該結(jié)處被反射.
在一個(gè)這樣的邊界處反射的光的量很小.然而，如果多個(gè)結(jié)/層對(duì)周期 性地堆疊并且每個(gè)層具有四分之一波長(zhǎng)(A74n )的光學(xué)厚度，則從每個(gè) 邊界的反射將同相相加以產(chǎn)生大的在特定中心波長(zhǎng)XD的反射光的量 (例如大的反射系數(shù))。淀積在底DBR反射鏡112上的是有源器件結(jié) 構(gòu)，其邏輯上包括兩個(gè)HFET器件。其中第一個(gè)是包括層114、 116、 118、和120的p溝道HFET器件111 (這里稱為PHFET 111)。具有 一個(gè)或多個(gè)P型調(diào)制摻雜量子阱溝道的PHFET器件111被放置成柵極端在下側(cè)(即在底DBR反射鏡112上)以及集電極端在上側(cè)。其中第 二個(gè)是包括層120、 122、 124、和126的n溝道HFET器件113 (這里 稱為NHFET 113).該NHFET器件113具有一個(gè)或多個(gè)n型調(diào)制摻
雜量子阱溝道并被放置成柵極端在頂側(cè)以及集電極端在下側(cè)，其是P 溝道器件的集電極，因此，未倒置的N溝道器件堆疊在倒置的p溝道 器件上以形成有源器件結(jié)構(gòu).
該有源器件層結(jié)構(gòu)以n型層114為起點(diǎn)。優(yōu)選地，n型層114包括 能夠在該處形成歐姆接觸的至少一層和應(yīng)當(dāng)在器件的任何操作范圍內(nèi) 都不耗盡的重?fù)诫s層，即該層內(nèi)的總摻雜應(yīng)當(dāng)超過包含在下面描述的p 型調(diào)制摻雜量子阱界面118的調(diào)制摻雜層內(nèi)的總摻雜電荷。該層114 還在光學(xué)上用作該結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的光學(xué)器件的下波導(dǎo)包層的一小部分. 注意，多數(shù)下波導(dǎo)包層由下DBR反射鏡112本身提供。淀積在層114 上的是未摻雜的隔離層116。層114和116在電學(xué)上用作p溝道HFET 111的柵極的一部分。在該結(jié)構(gòu)中，層114實(shí)現(xiàn)低接觸電阻，以及層 116限定p溝道HFET 111相對(duì)于p型調(diào)制摻雜量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)118的 電容.淀積在層116上的是限定與p型調(diào)制摻雜層隔開的一個(gè)或多個(gè) 量子阱(其可以由應(yīng)變或非應(yīng)變異質(zhì)結(jié)材料形成)的p型調(diào)制摻雜量 子阱界面118。淀積在p型調(diào)制摻雜量子阱界面118上的是未摻雜的隔 離層120，其形成P溝道HFET器件111的集電極。至此生長(zhǎng)的所有 層形成在底部上具有柵極歐姆接觸的P溝道HFET器件111 。
未摻雜的隔離層120形成N溝道HFET器件113的集電區(qū)。淀積 在層120上的是限定與n型調(diào)制摻雜層隔開的一個(gè)或多個(gè)量子阱(其 可以由應(yīng)變或非應(yīng)變異質(zhì)結(jié)材料形成)的n型調(diào)制摻雜量子阱界面 122。淀積在n型調(diào)制摻雜量子阱界面122上的是未摻雜的隔離層124。 淀積在層124上的是p型層126。優(yōu)選地，該p型層126包括應(yīng)當(dāng)在器 件的任何操作范圍內(nèi)都不耗盡的重?fù)诫s層，即該層內(nèi)的總摻雜應(yīng)當(dāng)超 過包含在下面描述的n型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)122的調(diào)制摻雜層內(nèi)的 總摻雜電荷。除此之外，該p型層126優(yōu)選包括能夠在該處形成歐姆 接觸的至少一層。在該結(jié)構(gòu)中，層126實(shí)現(xiàn)低接觸電阻，以及層124 限定n溝道HFET 113相對(duì)于n型調(diào)制摻雜量子阱界面122的電容.層 126和128在電學(xué)上用作n溝道HFET 113的柵極的一部分。
或者，有源器件結(jié)構(gòu)可以被描述為形成在底DBR反射鏡112上的一對(duì)堆疊量子阱基雙極晶體管。其中第一個(gè)是n型量子阱基雙極晶體 管(包括層114、 116、 118、和120)，其具有與p型調(diào)制摻雜層隔開
的一個(gè)或多個(gè)量子阱并被放置成發(fā)射極端在下側(cè)(即在上述反射鏡 上)以及集電極端在上側(cè).其中笫二個(gè)是包括層120、 122、 124、和 126的n型量子阱基雙極晶體管。該n型量子阱基雙極晶體管具有與n 型調(diào)制摻雜層隔開的一個(gè)或多個(gè)量子阱并被放置成發(fā)射極端在上側(cè)以 及集電極端在下側(cè)(其是p型量子阱基雙極晶體管的集電極)。因此， 未倒置的n溝道器件堆疊在倒置的p溝道器件上以形成有源器件結(jié) 構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，p溝道HFET器件lll的柵極端對(duì)應(yīng)于p型量子阱基 雙極晶體管的發(fā)射極端，p型量子阱界面118對(duì)應(yīng)于p型量子阱基雙極 晶體管的基區(qū)，隔離層120對(duì)應(yīng)于p型量子阱基雙極晶體管和n型量 子阱基雙極晶體管兩者的集電區(qū)，n型量子阱界面122對(duì)應(yīng)于n型量子 阱基雙極晶體管的基區(qū)，以及n溝道HFET器件113的柵極端對(duì)應(yīng)于n 型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極電極。
為了形成諧振腔器件，頂部電介質(zhì)反射鏡128形成在器件的p型 層126上方。入射輻射沿垂直方向通過器件的頂表面(或底表面)內(nèi) 的光學(xué)孔(未示出)進(jìn)入諧振腔。底DBR反射鏡和頂部電介質(zhì)反射鏡 之間的光程長(zhǎng)度優(yōu)選代表在指定波長(zhǎng)處的整數(shù)個(gè)1/2波長(zhǎng)。優(yōu)選地，該 光程長(zhǎng)度通過調(diào)節(jié)其間的一個(gè)或多個(gè)層的厚度以實(shí)現(xiàn)該條件來控制.
基于晶閘管的像素單元101A、 101B適于執(zhí)行包括像素建立模式、 信號(hào)積累模式、和信號(hào)傳輸模式的成像周期.
在像素建立模式中，像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱界面122失 去自由電子，由此促使n型調(diào)制摻雜量子阱界面122進(jìn)入深耗盡狀態(tài)。 優(yōu)選地，這通過對(duì)像素單元的陽極端電極施加多相時(shí)鐘方案以類似于 下面描述的信號(hào)傳輸模式的方式來完成。這些操作通過n型調(diào)制摻雜 量子阱界面122從像素單元中時(shí)鐘輸出電荷，在CCD型應(yīng)用中，從給 定的基于晶閘管的像素單元(例如晶閘管器件101A)中時(shí)鐘輸出的電 荷利用各個(gè)相鄰的基于晶閘管的像素單元之間的n型調(diào)制摻雜量子阱 界面122作為電荷傳輸路徑被時(shí)鐘輸入到相鄰的基于晶閘管的像素單 元(例如晶閘管器件101B)中.接觸最后一個(gè)像素的n型調(diào)制摻雜量 子阱界面122的n溝道注入接觸耦接到處理在像素建立模式中從基于 晶閘管的像素單元中讀出的電荷的電路上.在像素建立模式的初始化到基于晶閘管的像素單元的陰 極端電極上并使該陰極端電極保持高阻抗?fàn)顟B(tài)(即，換句話說該陰極 端電極浮置)，以便由此停止信號(hào)積累.
在信號(hào)積累模式中，在基于晶閘管的像素單元的P型調(diào)制摻雜量
子阱界面118內(nèi)吸收入射輻射。如上所述，所吸收的輻射將使p型量 子阱界面118變空，由此將電荷積累到p型調(diào)制摻雜層內(nèi)并對(duì)p型量 子阱勢(shì)壘產(chǎn)生正向偏壓AVb，其結(jié)果產(chǎn)生如圖3B所示的電流Ia。該電 流Inb經(jīng)過p型勢(shì)壘流向基于晶閘管的像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱 界面122。該電流引起電荷Qn積累在像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱 界面122內(nèi)，該積累電荷Qn代表在信號(hào)積累模式的時(shí)間周期(有時(shí)稱 為"積累時(shí)間周期")內(nèi)所接收的輻射的強(qiáng)度。優(yōu)選地，這些電荷積 累操作通過使陽極端電極的電壓電平保持在正電壓(例如大約3伏) 來完成。除此之外，耦接到基于晶閘管的像素單元的陰極端電極的電 子快門電路通過偏置電阻(未示出)使該陰極端電極接地，以便能夠 從該陰極端導(dǎo)通，如圖4B的電勢(shì)圖所示.
在信號(hào)傳輸模式中，在前面信號(hào)積累模式期間積累到n型調(diào)制摻 雜量子阱界面122內(nèi)的電荷Qn從基于晶闬管的像素單元中讀出。優(yōu)選 地，這通過對(duì)像素單元的陽極端電極施加多相時(shí)鐘方案來完成，其通 過n型調(diào)制摻雜量子阱界面122從像素單元中時(shí)鐘輸出電荷，在CCD 型應(yīng)用中，從給定的基于晶閘管的像素單元(例如晶閑管器件101A) 中時(shí)鐘輸出的電荷利用各個(gè)相鄰的基于晶閘管的像素單元之間的n型 調(diào)制摻雜量子阱界面122作為電荷傳輸路徑被時(shí)鐘輸入到相鄰的基于 晶閘管的像素單元(例如晶閘管器件101B)中。接觸最后一個(gè)像素的 n型調(diào)制摻雜量子阱界面122的n溝道注入接觸是CCD型成像陣列的 輸出，并且如果需要的話可被直接放大。CCD技術(shù)領(lǐng)域中公知的很多 種多相時(shí)鐘控制方案(例如4相、3相、偽2相、真2相和虛擬相位時(shí) 鐘控制方案)可以用于在像素之間傳輸電荷.在2003年4月24日從
"Kodak CCD Primer，#KCN001，CHARGE-COUPLED DEVICE(CCD) IMAGE SENSORS"中詳細(xì)描述了這些方案，在此引入其全文作為參 考。在示例性的1相時(shí)鐘控制方案中，大約0伏的電壓電平可以施加 到給定的基于晶閘管的像素單元(例如晶閘管器件101A)的陽極端電極，以及大約1.5伏的電壓電平可以施加到下一個(gè)基于晶閑管的像素單 元(例如晶閘管101B)的陽極端電極，以便由此利用其間的n型調(diào)制 摻雜量子阱界面122作為電荷傳輸路徑將所存儲(chǔ)的電荷從給定的像素 單元中轉(zhuǎn)移出并轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素單元中。在信號(hào)傳輸模式結(jié)束時(shí)， 成像周期結(jié)束并且操作繼續(xù)進(jìn)行下一成像周期的像素建立模式。
在信號(hào)傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極的電子快門 電路使信號(hào)積累停止.優(yōu)選地，這通過使像素單元的陰極端電極偏置 以便從像素單元的陰極端到n型量子阱界面122不發(fā)生導(dǎo)通來完成. 在信號(hào)傳輸模式期間，優(yōu)選地，基于晶闬管的像素單元的p型調(diào)制摻 雜量子阱界面U8失去自由空穴，由此促使p型調(diào)制摻雜量子阱界面 118進(jìn)入深耗盡狀態(tài)，優(yōu)選地，這通過對(duì)像素單元的p溝道注入端施加 負(fù)時(shí)鐘脈沖以便如圖4C所示p型調(diào)制摻雜量子阱界面失去空穴來完 成?；蛘?，這可通過使像素單元的p溝道注入端的電勢(shì)保持在恒定電 平并對(duì)像素單元的陰極端電極施加正電壓脈沖以便P型調(diào)制摻雜量子 阱界面失去空穴來完成.
上述外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以用基于III-V族材料(例如GaAs/AlGaAs) 的材料系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn).或者，采用硅鍺(SiGe)層的應(yīng)變硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)可 用于實(shí)現(xiàn)這里所描述的多層結(jié)構(gòu).圖5示出示例性的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)利用IH-V族材料來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的圖3A的結(jié)構(gòu)和由該結(jié)構(gòu) 形成的光電/電學(xué)/光學(xué)器件。
圖5的結(jié)構(gòu)可以例如使用已知的分子束外延(MBE)技術(shù)來制作。 如所示，第一AlAs半導(dǎo)體層1151和第二GaAs半導(dǎo)體層1152依次交 替地淀積(優(yōu)選至少7對(duì))在半絕緣的砷化鎵襯底1149上，以形成底 部分布布拉格反射器(DBR)反射鏡112. AlAs層的數(shù)目?jī)?yōu)選總是大 于GaAs層的數(shù)目，因此反射鏡的第一層和最后一層顯示為層1151. 在優(yōu)選實(shí)施例中，AlAs層11M經(jīng)受高溫蒸汽氧化以產(chǎn)生化合物 AlxOy，這樣反射鏡將形成在所設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)處.該中心波長(zhǎng)是這樣 選擇的，即陣列的各種腔的所有諧振波長(zhǎng)都必須得到高反射率。因此， 反射鏡中的層1151和1152的厚度這樣選擇，即GaAs和AlxOy的最后 的光學(xué)厚度是中心波長(zhǎng)入D的四分之一波長(zhǎng)，或者，反射鏡可以生長(zhǎng)為 在所設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)的四分之一波長(zhǎng)厚度的GaAs和AlAs的交變層，這樣 不使用氧化步驟。在該情況下，需要更多的對(duì)(典型數(shù)目例如是22對(duì))來獲得有效激射所需的反射率.
淀積在反射鏡上的是包括兩個(gè)HFET器件的有源器件結(jié)構(gòu).其中 第一個(gè)是P溝道HFET (PHFET) 111 (參見圖3A)，其具有一個(gè)或 多個(gè)p型調(diào)制摻雜量子阱并被放置成柵極端在底部(即在上述反射鏡 112上)以及集電極端在上面，其中第二個(gè)是n溝道HFET (NHFET) 113，其具有一個(gè)或多個(gè)n型調(diào)制摻雜量子阱并被放置成柵極端在頂部 以及集電極端在下面.NHFET器件113的集電區(qū)還用作PHFET器件 lll的集電區(qū)。然而，NHFET器件113的集電極端與設(shè)置在集電區(qū)下 面(上面)的p型量子阱是p型接觸，而PHFET器件111與設(shè)置在集 電區(qū)上面的n型量子阱是n型接觸.因此，未倒置的n溝道器件堆疊 在倒置的p溝道器件上以形成有源器件結(jié)構(gòu)。
該有源器件層結(jié)構(gòu)以能夠在該處形成歐姆接觸的N+型GaAs層 1153為起點(diǎn)(例如，當(dāng)連接到晶閘管器件的陰極端時(shí)，倒置的p溝道 HFET器件的柵極端、n溝道HFET器件的子集電極端、或p型量子阱 基雙極器件的發(fā)射極端)，層1153具有1000-3000 A的典型厚度和 3.5 x 1018cnT3的典型n型摻雜。淀積在層1153上的是具有500 - 3000 A 的典型厚度和1 x 1017cm-3的典型摻雜的n型AlxlGai-xlAs層1154。對(duì) 于層1154來說，參數(shù)xl優(yōu)選處于70。/。和80y。之間的范圍內(nèi)(例如， 大約70% ),該層用作PHFET柵極的一部分并在光學(xué)上用作器件的 下波導(dǎo)包層的一小部分。注意，用于在由器件的光學(xué)有源區(qū)形成的波 導(dǎo)中傳播的波的下波導(dǎo)包層的多數(shù)由下DBR反射鏡本身提供。該下 DBR反射鏡使光部分被電介質(zhì)波導(dǎo)引導(dǎo)且部分被反射鏡波導(dǎo)引導(dǎo).接 下來是4層Alx2Ga^2As層(U55a、 U55b、 U55c、和1155d),這4 層(總稱為1155)具有約380-500 A的總厚度，并且其中x2是大約 15%,第一層1155a為大約60-80 A厚，并且是S摻雜形式的N+型摻 雜。第二層1155b為大約200 - 300 A厚，并且是未摻雜的。笫三層1155c 為大約80A厚，并且是S摻雜形式的P+型摻雜.第四層1155d為大約 20-30 A厚，并且未摻雜以形成隔離層。該層形成用于激光器、放大 器和調(diào)制器件的下分別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層。N+摻雜的GaAs層 1153、 n型AlGaAs層1154和n型AlGaAs層1155a對(duì)應(yīng)于圖3A的n 型層114，并且未摻雜的AlGaAs層1155b對(duì)應(yīng)于圖3A的未摻雜的隔 離層116。接下來的層限定在PHFET 111操作期間形成反型溝道的量子阱。 對(duì)于應(yīng)變量子阱來說，這包括約10-25 A厚的未摻雜的GaAs隔離層 1l56，其后是約40 - 80 A厚的量子阱層1157和未摻雜的GaAs勢(shì)壘層 1158的組合。量子阱層1157可以包括一個(gè)組份范圍。在優(yōu)選實(shí)施例中， 該量子阱由In(uGao.sAsN組份形成，并且根據(jù)所需的固有發(fā)射頻率氮 含量從0%變化到5%,這樣，對(duì)于.98iim的固有發(fā)射頻率來說，氮含 量將是0%;對(duì)于1.3 nm的固有發(fā)射頻率來說，氮含量將是大約2%; 以及對(duì)于1.5nm的固有發(fā)射頻率來說，氮含量將是大約4-5%.阱勢(shì) 壘組合一般是重復(fù)的(例如，如所示的三次)，然而，也可以使用單 量子阱結(jié)構(gòu)。非應(yīng)變量子阱也是可以的。在最后未摻雜的GaAs勢(shì)壘之 后是未摻雜的Alx2Gai-x2As層1159，其形成PHFET器件111的集電極， 并且其厚度是大約0.5 至此生長(zhǎng)的所有層形成在底部具有柵極接 觸的PHFET器件111。在P+ AIGaAs層1155c和最后未摻雜的GaAs 勢(shì)壘層1158之間的層對(duì)應(yīng)于圖3A的p型調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu) 118。未摻雜的AlGaAs層1159對(duì)應(yīng)于圖3A的未摻雜的隔離層120。
層1159還形成NHFET器件113的集電區(qū)。淀積在層1159上的是 總厚度為大約200-2S0A的兩層未摻雜的GaAs層(總稱為1160)， 其形成第一n型量子阱的勢(shì)壘。對(duì)于InGaAs的生長(zhǎng)來說，由于層1160 適應(yīng)生長(zhǎng)中斷以將生長(zhǎng)溫度從610°C (根據(jù)All2Gai_x2As層的光學(xué)性能 的需要)改變到約530°<:，因此該層1160比約IOOA的普通勢(shì)壘層厚， 因此，層1160包括約150 A的單層1160a和約100 A的勢(shì)壘層U60b。 下一層1161是Infl.2Gao.8As量子阱，其是未摻雜的并且其厚度是大約 40-80A。注意，n型量子阱層1161不必是與p型量子阱層1157相同 的成分。100 A的勢(shì)壘層1160b和量子阱層1161可以重復(fù)例如三次。 然后是約10-30A的未摻雜的GaAs勢(shì)壘層1162，其適應(yīng)生長(zhǎng)中斷和 生長(zhǎng)溫度變化。接著是總厚度為大約300-500 A的四層Alx2Gai_x2As 層(總稱為11。)。這四層(1163)包括約20-30 A厚的未摻雜的 Alx2Gat.x2As隔離層1163a、約80 A厚的N+型摻雜的AlrfGa"2As (摻 雜為大約3.5 x 10"cm3)的調(diào)制摻雜層U63b、約200-300 A厚的未 摻雜的Alx2Gai_x2As隔離層H63c、以及約60-80A厚的P+型S摻雜的 Alx2Ga!-x2As層1163d (摻雜為大約3.5 x 10"cm'3).層1163b和1163d 形成平行板電容器的頂板和底板，該平行板電容器形成所有有源器件的場(chǎng)效應(yīng)輸入。層1163d的摻雜種類優(yōu)選是碳(C)以保證擴(kuò)散穩(wěn)定性。 與總是耗盡的層1163b相反，層1163d應(yīng)當(dāng)在操作中完全不耗盡。對(duì) 于光電器件操作來說，層1163是上SCH區(qū).在未摻雜的GaAs勢(shì)壘層 1160a和N十AlGaAs層1163b之間的層對(duì)應(yīng)于圖3A的n型調(diào)制摻雜異 質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)122。未摻雜的AlGaAs層1163c對(duì)應(yīng)于圖3A的未摻 雜的隔離層124。
接著淀積一個(gè)或多個(gè)p型AlxlGai_xlAs層(總稱為1164)以形成用 于激光器、放大器和調(diào)制器件的上波導(dǎo)包層的一部分。注意，用于在 由器件的光學(xué)有源區(qū)形成的波導(dǎo)中傳播的波的上波導(dǎo)包層的多數(shù)由上 電介質(zhì)反射鏡本身提供。該上電介質(zhì)反射鏡使光部分被電介質(zhì)波導(dǎo)引 導(dǎo)且部分被反射鏡波導(dǎo)引導(dǎo).優(yōu)選地，層1164具有大約500-1500 A 的厚度，并且包括10 - 20 A厚且具有1019CnT3的P+摻雜的第一薄子層 1164a和700 A厚且具有l(wèi) x 1017 - 5 x 10"cm3的P摻雜的第二子層 1164b。層1164的參數(shù)xl優(yōu)選是大約70。/。，接著淀積的是歐姆接觸層 1165 (其可以包括單層GaAs或如所示的GaAs (1165a)和InGaAs (1165b)的組合)。層1165為大約50-100A厚，并且被摻雜成很高 水平的P+型摻雜(大約1 x 102()011-3)以便能夠在該處形成歐姆接觸(例 如，當(dāng)與晶閘管器件的陽極端接觸時(shí)).p型層1163b、 U64a、 H64b、 1165a和1165b對(duì)應(yīng)于圖3A的p型層126。
或者，有源器件結(jié)構(gòu)可以被描述為形成在底DBR反射鏡(層 1151/1152)上的一對(duì)堆疊量子阱基雙極晶體管。其中第一個(gè)是p型量 子阱基雙極晶體管(包括層1153 ~ 1159)，其具有一個(gè)或多個(gè)p型調(diào) 制摻雜量子阱并被放置成發(fā)射極端在下側(cè)(即在上述底部反射鏡上) 以及集電極端在上側(cè).其中第二個(gè)是n型量子阱基雙極晶體管(包括 層1159 1165b)，其具有一個(gè)或多個(gè)n型調(diào)制摻雜量子阱并被放置成 發(fā)射極端在頂側(cè)以及集電極端在下側(cè)，其是p型量子阱基雙極晶體管 的集電極。因此，未倒置的n溝道器件堆疊在倒置的p溝道器件上以 形成有源器件結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，晶閘管器件的陰極端對(duì)應(yīng)于p型量 子阱基雙極晶體管的發(fā)射極電極，p型量子阱結(jié)構(gòu)(層1155c 1158) 對(duì)應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管的基區(qū)，隔離層U59對(duì)應(yīng)于p型量子 阱基雙極晶體管和n型量子阱基雙極晶體管兩者的集電區(qū)，n型量子阱 結(jié)構(gòu)(層1160a 1163b)對(duì)應(yīng)于n型量子阱基雙極晶體管的基區(qū)，以及晶閘管器件的陽極端對(duì)應(yīng)于n型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極電 極。
為了形成諧振腔器件，頂部電介質(zhì)反射鏡形成在頂部p型層1165b 上方。入射輻射沿垂直方向通過器件的頂表面(或底表面)內(nèi)的光學(xué) 孔(未示出)進(jìn)入諧振腔。底DBR反射鏡和頂部電介質(zhì)反射鏡之間的 光程長(zhǎng)度優(yōu)選代表在指定波長(zhǎng)處的整數(shù)個(gè)1/2波長(zhǎng).優(yōu)選地，該光程長(zhǎng)
度通過調(diào)節(jié)其間的一個(gè)或多個(gè)層的厚度以實(shí)現(xiàn)該條件來控制。
圖5的結(jié)構(gòu)還可以用于實(shí)現(xiàn)多種光電器件，包括晶體管器件(例 如n溝道HFET器件、p溝道HFET器件、n型量子阱基雙極晶體管和 p型量子阱基雙極晶體管)，以及其它光電和波導(dǎo)器件。在2002年12 月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/323,388;和2003年1月13日提交 的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/340,942中詳細(xì)描述了這些器件；其全文在上面 被引入作為參考.
圖6A、 6B1、 6B2和6C示出兩個(gè)基于晶閘管的像素單元的示例性 實(shí)現(xiàn)的示意圖。提供以上相對(duì)于圖5所描述的層1149 1165b的結(jié)構(gòu)。 為了連接到基于晶閘管的像素單元的陽極，通過刻蝕限定對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(未 示出)，其后淀積SbN4或入1203或其它適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)(未示出)層以 用作表面層的保護(hù)和隨后離子注入的阻擋層?；诰чl管的像素單元 的耐火的陽極端136A和136B被淀積并優(yōu)選通過金屬層610的剝離來 限定。
然后形成臺(tái)面以限定陣列的像素單元的成像區(qū)域.每個(gè)給定像素 單元的成像區(qū)域(像素單元A的標(biāo)為620a，像素單元B的標(biāo)為620b ) 鄰近給定像素單元的陽極端金屬層610設(shè)置，如圖6A和6B1所示。優(yōu) 選地，像素單元臺(tái)面通過向下刻蝕到(或接近)p+型層1163d來形成。
在像素單元臺(tái)面形成的同時(shí)，在臺(tái)面沒有被陽極金屬層覆蓋的部 分中執(zhí)行n+型離子注入170，如圖6B1所示。n+型注入170的目的是 將每個(gè)像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱界面的注入?yún)^(qū)191的閾值移到 常開條件(即，零陽極電壓的導(dǎo)通條件)。注意，陽極金屬層下面的n 型調(diào)制摻雜量子阱界面的沒有經(jīng)受n+型注入170的區(qū)域192具有常斷 條件(即，零陽極電壓的關(guān)斷條件)的閾值.在該結(jié)構(gòu)中，注入?yún)^(qū)191 用作電荷存儲(chǔ)區(qū)，并且區(qū)域192用作下面更詳細(xì)描迷的電壓控制勢(shì)壘，
在像素單元臺(tái)面形成的同時(shí)，像素間傳輸區(qū)622形成在陣列的各像素單元之間，如圖6A和6B1所示.像素間傳輸區(qū)622中的n型調(diào)制 摻雜界面用于這里所詳細(xì)描述的各相鄰像素單元之間的電荷傳輸，優(yōu) 選地，n+型離子注入171使用光掩模來執(zhí)行，該光掩模與對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記對(duì) 準(zhǔn)以將n型離子注入到像素間傳輸區(qū)622的n型調(diào)制摻雜量子阱界面 內(nèi)。n+型離子注入171提供用于如下所述的改善電荷傳輸效率。
除此之外，p+型離子注入172使用光掩模來執(zhí)行，該光掩模與對(duì) 準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)以由此形成與每個(gè)像素單元的p型調(diào)制摻雜量子阱界面的 接觸，如圖6B2所示.在該操作期間，臺(tái)面通過優(yōu)選向下刻蝕到未摻 雜的隔離層1159來形成，所得到的臺(tái)面接著經(jīng)受P+離子注入172.該 注入172隨后如下所述被金屬化以形成如圖6A和6B2所示的p溝道注 入端139。
基于晶閘管的像素單元的陰極連接通過向下刻蝕到n型歐姆接觸 層1153來制作。n型歐姆接觸層1153的暴露部分隨后如下所述被金屬 化以形成如圖6A所示的陰極端140。
接著，基于晶閘管的像素單元經(jīng)受大約卯0。C或更高的快速熱退 火(RTA)以激活所有注入。然后，基于晶閘管的像素單元通過向下 刻蝕到半絕緣的襯底1149而彼此隔離。可以使用氧注入在這些注入下 面形成高阻區(qū)。除此之外，AlAs層1151 (和其它高鋁百分比層)被氣 化以實(shí)現(xiàn)鈍化、隔離和底DBR反射鏡。
制作的下一步是淀積(優(yōu)選通過剝離)金屬接觸.這些接觸形成 為三種形式. 一種是淀積在n型接觸層1153上以形成如圖6A所示的 陰極端電極140的金屬層612 (優(yōu)選包括n型Au合金金屬，例如 AuGe/Ni/Au ),第二種是淀積在P+型注入172上以形成如圖6A和6B2 所示的p溝道注入端電極139的金屬層614 (優(yōu)選包括p型Au金屬合 金，例如AuZn/Cr/Au),第三種是電極在N+型注入171上以形成一 個(gè)或多個(gè)基于晶閘管的像素單元的n溝道注入端電極的金屬層616(優(yōu) 選包括n型Au合金金屬，例如AuGe/Ni/Au).在所示的示例性實(shí)現(xiàn) 中，像素單元共享公共p溝道注入端和公共陰極端，如圖6A最佳所示。 注意，n溝道注入端優(yōu)選形成用于陣列的最后一個(gè)^f象素。該n溝道注入
端是陣列的輸出并且如果需要的話可以直接放大，
為了形成適于垂直光學(xué)注入諧振垂直腔的基于晶閘管的像素，優(yōu) 選通過淀積一個(gè)或多個(gè)介電層對(duì)196/197 (困6B中示出一對(duì))將頂部電介質(zhì)反射鏡加到結(jié)構(gòu)上.這種電介質(zhì)對(duì)一般分別包括Si02和高折射 率材料，例如GaAs、 Si、或GaN.
注意，光電器件(例如，激光器、光探測(cè)器、光調(diào)制器、光放大 器)包括進(jìn)入頂接觸層1165b的n型離子注入(未示出).光學(xué)孔由 這些注入之間的分隔限定.這些注入在n型量子阱和表面之間的層內(nèi) 形成nn結(jié)，并且這些注入之間的孔限定電流可以在其中流動(dòng)的區(qū)域， 并由此限定器件的光學(xué)有源區(qū)。由于電流注入的勢(shì)壘的原因，電流不 能流入n型注入?yún)^(qū)中.除此之外，為了形成適于平面內(nèi)光學(xué)注入到諧 振垂直腔和/或從諧振垂直腔平面內(nèi)光學(xué)發(fā)射的器件，衍射光柵(未示 出)加到如上所述的結(jié)構(gòu)上，美國(guó)專利6,021,243中更詳細(xì)地描述了這 種衍射光柵，其全文在上面被引入作為參考。
還要注意，上述用圖5的多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)晶閘管器件(和其它光電 器件)的操作可容易地適于用圖5的多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)很多種電子器件(例 如HFET晶體管、量子阱基晶體管等，以及相關(guān)的邏輯和信號(hào)處理電 路)。
圖6A-6C的基于晶閘管的像素單元適于執(zhí)行包括像素建立模 式、信號(hào)積累模式、和信號(hào)傳輸模式的成像周期。
在像素建立模式中，基于晶閘管的像素單元的n型調(diào)制摻雜量子 阱界面(層1160a-1163b)失去自由電子，由此促使n型調(diào)制摻雜量 子阱界面進(jìn)入深耗盡狀態(tài)。優(yōu)選地，這通過對(duì)像素單元的陽極端電極 136A、 136B、…施加多相時(shí)鐘方案以類似于下面描述的信號(hào)傳輸模式 的方式來完成。這些操作通過其間的像素間傳輸區(qū)的n型調(diào)制摻雜量 子阱界面(層1160a-1163c)在像素單元之間傳輸電荷。接觸最后一 個(gè)像素的n型調(diào)制摻雜量子阱界面(層1160a-1163c)的n溝道注入 接觸耦接到處理在像素建立模式中從基于晶閘管的像素單元中讀出的 電荷的電路上。在像素建立模式的初始化操作期間，電子快門控制電 路優(yōu)選耦接到基于晶閘管的像素單元的公共陰極端電極140上并使該 公共陰極端電極140保持高阻抗?fàn)顟B(tài)(即，換句話說該陰極端電極浮 置)，以便由此停止信號(hào)積累.
在信號(hào)積累模式中，在基于晶閘管的像素單元的P型調(diào)制摻雜量 子阱界面(層1155c-1158)內(nèi)吸收入射輻射.如上所述，所吸收的輻 射將使p型量子阱界面變空，由此將電荷積累到p型調(diào)制摻雜層內(nèi)并對(duì)p型量子阱界面勢(shì)壘產(chǎn)生正向偏壓Avb，其結(jié)果產(chǎn)生如圖3B所示的 電流Inb。該電流Inb經(jīng)過P型QW勢(shì)壘流向n型調(diào)制摻雜量子阱界面。 該電流引起電荷Qn積累在n型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi).該積累電荷Qn 代表在信號(hào)積累模式的時(shí)間周期(有時(shí)稱為"積累時(shí)間周期")內(nèi)在 給定的像素單元處所接收的輻射的強(qiáng)度。優(yōu)選地，這些電荷積累操作 通過使陽極端電極136A、 136B、…的電壓電平保持在正電壓(例如大 約3伏)來完成。除此之外，耦接到公共陰極端電極140的電子快門 電路通過偏置電阻(未示出)使該公共陰極端電極140接地，以便能 夠從該公共陰極端140導(dǎo)通，如困4B的電勢(shì)圖所示。
在信號(hào)傳輸模式中，在前面信號(hào)積累模式期間積累到n型調(diào)制摻 雜量子阱界面內(nèi)的電荷Qn從基于晶閘管的像素單元中讀出。優(yōu)選地， 這通過對(duì)像素單元的陽極端電極136A、 136B、…施加多相時(shí)鐘方案來 完成，其通過n型調(diào)制摻雜量子阱界面從像素單元中時(shí)鐘輸出電荷. 在CCD型應(yīng)用中，從基于晶閘管的像素單元A中時(shí)鐘輸出的電荷利用 其間的像素間傳輸區(qū)622的n型調(diào)制摻雜量子阱界面(層1160a-1163c)作為電荷傳輸路徑被時(shí)鐘輸入到相鄰的基于晶閘管的像素單元 B中。這些操作通過CCD型陣列的各像素單元重復(fù)進(jìn)行。接觸最后一
個(gè)基于晶閘管的像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱界面的n溝道注入接 觸是CCD成像陣列的輸出，并且如果需要的話可被直接放大.在信號(hào)
傳輸模式結(jié)束時(shí)，成像周期結(jié)束并且操作繼續(xù)進(jìn)行下一成像周期的像
素建立模式。
如上所述，CCD技術(shù)領(lǐng)域中公知的很多種多相時(shí)鐘控制方案(例 如4相、3相、偽2相、真2相和虛擬相位時(shí)鐘控制方案)可以用于在 像素之間傳輸電荷，在 2003 年 4 月24日從
"Kodak CCD Primer，#KCN001，CHARGE-COUPLED DEVICE(CCD) IMAGE SENSORS"中詳細(xì)描述了這些方案，其全文在上面被引入作 為參考。在示例性的1相時(shí)鐘控制方案中，大約O伏的電壓電平可以 施加到給定的基于晶閘管的像素單元(例如像素單元A)的陽極端電 極，以及大約1.5伏的電壓電平可以施加到下一個(gè)基于晶閘管的像素單 元(例如像素單元B)的陽極端電極，以便由此利用n型調(diào)制摻雜量 子阱界面作為電荷傳輸路徑將所存儲(chǔ)的電荷從給定的像素單元中轉(zhuǎn)移出并轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素單元中。這種1相時(shí)鐘控制方案依賴于如上所
述并在圖6B中示出的像素單元的n型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)的注入?yún)^(qū) 191和電壓控制勢(shì)壘區(qū)192之間的電勢(shì)差，在該結(jié)構(gòu)中，在電荷傳輸操 作期間，通過在陽極端136A、 136B之間分別施加反向偏壓而將電荷積 累到基于晶閘管的像素單元A中，如圖6C中標(biāo)注"電荷積累"的電勢(shì) 輪廓所示。在陽極端136A和前一像素單元的陽極端(未示出)之間也 分別施加反向偏壓.在該偏壓狀態(tài)下，勢(shì)壘區(qū)192-A和192-B充當(dāng)電 荷在像素單元之間流動(dòng)的勢(shì)壘。通過在陽極端136A、 136B之間分別施 加正向偏壓，積累電荷從像素單元A的注入?yún)^(qū)191-A傳輸?shù)较袼貑卧?B的注入?yún)^(qū)191-B的注入?yún)^(qū)，如圖6C中標(biāo)注"電荷傳輸"的電勢(shì)輪廓 所示。在該偏壓狀態(tài)下，由勢(shì)壘區(qū)192-B提供的電勢(shì)勢(shì)壘被消除(或 大大降低)，因此電荷通過其間的n型調(diào)制摻雜量子阱界面從像素單 元A的注入?yún)^(qū)191-A自由地流到注入?yún)^(qū)191-B的注入?yún)^(qū)，這些電荷傳 輸操作通過CCD型陣列的各像素單元重復(fù)進(jìn)行，以將積累在基于晶閘 管的像素單元中的電荷順序地讀出。
在電荷傳輸操作期間，提供到相鄰像素的陽極端的相對(duì)電壓差施 加到n型離子注入像素間傳輸區(qū)622上，該傳輸區(qū)622設(shè)置在像素臺(tái) 面之間，如圖6A和6B1所示。優(yōu)選地，晶體管的長(zhǎng)度(即，像素臺(tái)面 之間的間距)被選擇成將像素之間的電荷速度最大化，其由此最大化 傳輸效率。更具體地說，為了最大化傳輸效率，有必要最大化像素之 間的漂移電流。更具體地說，漂移電流由J-q ^給出，其中v是栽 流子速度，q是電荷，以及n是載流子密度.通過獲得v的最大值(這 通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮杵鏖L(zhǎng)度來獲得)以及通過獲得n的最大值(這通 過如圖6B1所示的像素間傳輸區(qū)622的n+注入170來獲得)來將漂移 電流最大化。
在信號(hào)傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極140的電子 快門電路使信號(hào)積累停止。優(yōu)選地，這通過使像素單元的陰極端電極 偏置以便從基于晶閘管的像素單元的陰極端到n型量子阱界面(層 1160a-層1163b)不發(fā)生導(dǎo)通來完成。在信號(hào)傳輸模式期間，優(yōu)選地， 基于晶閘管的像素單元的p型調(diào)制摻雜量子阱界面(層1155c-1158) 失去自由空穴，由此促使p型調(diào)制摻雜量子阱界面進(jìn)入深耗盡狀態(tài). 優(yōu)選地，這通過對(duì)像素單元的p溝道注入端139施加負(fù)時(shí)鐘脈沖以便如圖4C所示p型調(diào)制摻雜量子阱界面失去空穴來完成，或者，這可通 過使像素單元的p溝道注入端139的電勢(shì)保持在恒定電平并對(duì)像素單 元的陰極端電極140施加正電壓脈沖以便p型調(diào)制摻雜量子阱界面失 去空穴來完成。
如上所述的基于晶閘管的像素單元可用于多種成像陣列中。例 如，圖7A示出全幀型成像陣列，其中基于晶閘管的像素單元設(shè)置成 CCD型元件列。每列中的最后一個(gè)像素/CCD耦接到水平CCD移位寄 存器上。在該結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)在像素/CCD元件中的電荷垂直地傳輸?shù)剿?平CCD移位寄存器以從該處輸出.
圖7B示出線間型成像陣列，其中基于晶閘管的像素單元設(shè)置成 列。給定列的像素電耦接到CCD寄存器以形成垂直像素陣列.每個(gè)垂 直像素陣列的最后一個(gè)CCD寄存器耦接到水平CCD移位寄存器上。 在該結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)在給定垂直像素陣列的像素單元中的電荷傳輸?shù)较?應(yīng)的CCD寄存器.存儲(chǔ)在CCD寄存器中的電荷接著傳輸?shù)剿紺CD
移位寄存器以從該處輸出。
注意，圖7A的水平CCD移位寄存器以及圖7B的垂直CCD移位 寄存器和水平CCD移位寄存器可以由類似于以上相對(duì)于圖6A-6C所 描述的那些的基于晶閘管的CCD元件來實(shí)現(xiàn)，這些CCD元件適于執(zhí) 行這里所描述的CCD型電荷傳輸操作.這些元件不執(zhí)行成像操作。因 此，可以省略公共p溝道注入端139和公共陰極端140.
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖8A-8C，基于晶閘管的像素單元還可以用于有源像素 型成像陣列中。如圖8A所示，基于晶閘管的像素單元801與傳輸柵極 803 —起工作?；诰чl管的像素單元801由圖5的多層結(jié)構(gòu)以上述方 式實(shí)現(xiàn)。傳輸柵極803由圖5的多層結(jié)構(gòu)以類似于以上相對(duì)于基于晶 閘管的像素單元所描述的方式實(shí)現(xiàn)；然而，金屬層610被構(gòu)圖以基本 覆蓋形成傳輸柵極803的臺(tái)面，如所示.除此之外，省略了閣值調(diào)節(jié) 注入171以便傳輸柵極803在常斷條件下工作?；诰чl管的像素單 元801適于執(zhí)行包括如下所述的像素建立模式、信號(hào)積累模式、和信 號(hào)傳輸模式的成像周期。
在像素建立模式中，基于晶閘管的像素單元801的n型調(diào)制摻雜 量子阱界面(層1160a-1163b)失去自由電子，由此促使n型調(diào)制摻 雜量子阱界面進(jìn)入深耗盡狀態(tài).優(yōu)選地，這通過對(duì)像素單元的陽極端下面描述的信號(hào)傳輸模式的方式來完成。這些操作將電荷從像素單元
傳輸?shù)絺鬏敄艠O803的n溝道注入端142。 n溝道注入端142耦接到處
理在像素建立模式中從基于晶閘管的像素單元中讀出的電荷的電路 上。根據(jù)圖4A的電勢(shì)圖所描述的該操作使基于晶閘管的像素單元801
的n型調(diào)制摻雜量子阱界面進(jìn)入不穩(wěn)定的耗盡狀態(tài)(沒有電子)，該 狀態(tài)將在信號(hào)積累模式期間通過熱處理最終轉(zhuǎn)變到電子的穩(wěn)定狀態(tài)。 在像素建立模式的初始化操作期間，電子快門控制電路優(yōu)選耦接到基 于晶閘管的像素單元的陰極端電極140上并使該陰極端電極140保持 高阻抗?fàn)顟B(tài)(即，換句話說該陰極端電極浮置)，以便由此停止信號(hào) 積累。
在信號(hào)積累模式中，在基于晶閘管的像素單元801的p型調(diào)制摻 雜量子阱界面(層1155c-1158)內(nèi)吸收入射輻射.如上所述，所吸收 的輻射將使p型量子阱變空，由此將電荷積累到p型調(diào)制摻雜層內(nèi)并 對(duì)p型量子阱勢(shì)壘產(chǎn)生正向偏壓Avb，其結(jié)果產(chǎn)生如圖3B所示的電流 Inb。該電流U經(jīng)過p型QW勢(shì)壘流向基于晶閘管的像素單元801的n 型調(diào)制摻雜量子阱界面，該電流引起電荷Qn積累在n型調(diào)制摻雜量子 阱界面內(nèi).該積累電荷Qn代表在信號(hào)積累模式的時(shí)間周期(有時(shí)稱為
"積累時(shí)間周期")內(nèi)在像素單元處所接收的輻射的強(qiáng)度。優(yōu)選地， 這些電荷積累操作通過使像素單元801的陽極端電極136和傳輸柵極 803的柵極端電極141兩者的電壓電平保持在正電壓(例如大約3伏) 來完成。除此之外，陰極端電極140通過偏置電阻(未示出)耦接到 地，以便能夠從該陰極端140導(dǎo)通，如圖4B的電勢(shì)圖所示。
在信號(hào)傳輸模式中，在前面信號(hào)積累模式期間積累到n型調(diào)制摻 雜量子阱界面內(nèi)的電荷Qn從基于晶閘管的像素單元801中讀出.優(yōu)選 地，這通過在陽極端電極136和傳輸槺極803的柵電極141之間施加反 向偏壓來完成，這樣由傳輸柵極803的n型量子阱界面提供的電勢(shì)勢(shì) 壘大大降低，如圖8B中標(biāo)注"電荷傳輸"的電勢(shì)輪廓所示。存儲(chǔ)在像 素單元801的存儲(chǔ)區(qū)中的電荷流過傳輸柵極803的n型調(diào)制摻雜量子 阱界面并通過n溝道注入端電極142從傳輸柵極803輸出。電極142 通過n+型注入170耦接到傳輸柵極803的n型調(diào)制摻雜量子阱界面。
在信號(hào)傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極的電子快門電路使信號(hào)積累停止。優(yōu)選地，這通過使像素單元的陰極端電極偏置
以便從該陰極端到基于晶闬管的像素單元的n型量子阱界面(層1160a -層1163b)不發(fā)生導(dǎo)通來完成.在信號(hào)傳輸模式期間，優(yōu)選地，基于 晶闬管的像素單元801的p型調(diào)制摻雜量子阱界面(層1155c-1158) 失去自由空穴，由此促使p型調(diào)制摻雜量子阱界面進(jìn)入深耗盡狀態(tài)。 優(yōu)選地，這通過對(duì)《象素單元801的p溝道注入端139施加負(fù)時(shí)鐘脈沖 以便如圖4C所示p型調(diào)制摻雜量子阱界面失去空穴來完成.或者，這 可通過使像素單元的p溝道注入端139的電勢(shì)保持在恒定電平并對(duì)像 素單元的陰極端電極140施加正電壓脈沖以便p型調(diào)制摻雜量子阱界 面失去空穴來完成。
基于晶閘管的t^素單元801和傳輸柵極803形成有源像素陣列的 像素805。像素805—般設(shè)置為如圖8C所示的線性陣列。每個(gè)像素的 傳輸柵極803的輸出電極142電耦接到相應(yīng)的輸出放大器807。給定的 線性像素陣列的輸出放大器807電耦接到公共輸出線809。在該結(jié)構(gòu) 中，存儲(chǔ)在給定的線性像素陣列的像素單元中的電荷選擇性地輸出(每 次一個(gè))到相應(yīng)的輸出放大器807以通過公共輸出線809提供到S/H 緩沖器811和讀出電路813，如所示，
在上述示例性實(shí)施例中，每個(gè)像素單元的諧振腔的垂直尺寸對(duì)應(yīng) 于所需的電磁能量波長(zhǎng)，該電磁能量在器件的部分圖像感測(cè)操作中將 被吸收.在替換實(shí)施例中，像素單元的諧振腔的垂直尺寸可以對(duì)應(yīng)于 不同的電磁能量波長(zhǎng)來變化.例如， 一些像素單元可以對(duì)應(yīng)于處于短 波紅外區(qū)(SWIR; l-3_m)、中波紅外區(qū)(MWIR; 3-5 一m)、長(zhǎng)波 紅外區(qū)(LWIR; 8-12—m)、以及甚長(zhǎng)波紅外區(qū)(VLWIR; >12—m) 中的一個(gè)中的第一波長(zhǎng)，而其它像素單元對(duì)應(yīng)于處于這些區(qū)域中的另 一個(gè)中的第二波長(zhǎng)。這可以通過使用形成在頂部和底部反射鏡之間的 限定腔的一個(gè)或多個(gè)隔離層的負(fù)外延(subtractive epitaxy)來完成， 這在2003年7月25日提交的美國(guó)申請(qǐng)No.10/627，043中有闡述，在此 引入其全文作為參考。在該結(jié)構(gòu)中，像素單元將擇優(yōu)吸收光謙的特定 部分。這種能力能夠?qū)崿F(xiàn)多光譜成像.這種多光譜響應(yīng)還可以集成在 像素單元本身中.例如，假設(shè)量子阱結(jié)構(gòu)的光謙響應(yīng)足夠?qū)?這可以 通過調(diào)節(jié)這種結(jié)構(gòu)的量子阱的寬度來完成)，那么像素單元可以分成 多個(gè)部分(例如，每行3個(gè)、并排、交錯(cuò)排列等等)來執(zhí)行成像，由此^f象素的這些部分對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)。
還要注意，通過子帶間吸收探測(cè)長(zhǎng)波紅外(LWIR)區(qū)的能量需要 入射能量沿電場(chǎng)與像素單元的量子阱垂直的方向傳播。這種限制源于 量子選擇規(guī)則.實(shí)際上，由于多種因素這種限制并不令人滿意，這些 因素包括阱內(nèi)應(yīng)變和高電場(chǎng).克服這些限制的一種方式是將入射LWIR 輻射從垂直模式衍射成平面內(nèi)模式。這種衍射優(yōu)選用在像素單元的頂 部反射鏡和有源器件結(jié)構(gòu)之間引入的笫二級(jí)衍射光柵來完成.在該結(jié) 構(gòu)中，光柵的間距優(yōu)選等于所需材料中的波長(zhǎng).不需要閃光。LW1R 能量可以沿兩個(gè)方向同等地傳播。該光柵與垂直腔一致地起作用，諧 振腔僅僅引起所關(guān)心的預(yù)期波長(zhǎng)諧振。諧振LWIR能量的每次通過光 柵都將LWIR能量衍射成平面內(nèi)模式(其平行于像素單元的表面和量 子阱)。該模式在像素單元的有源結(jié)構(gòu)中來回諧振并被吸收.如果量 子選擇規(guī)則禁止吸收，則這些修改將增強(qiáng)像素單元的吸收.
在替換實(shí)施例中，基于晶閘管的像素結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的操作方法可用 于探測(cè)THz輻射.在該結(jié)構(gòu)中，不需要諧振腔，由此省略了頂部和底 部反射鏡。代替地，適于接收所需的THZ光謙的一個(gè)或多個(gè)天線元件 可操作地通過相應(yīng)的p溝道注入端耦接到基于晶閘管的探測(cè)器的p型 調(diào)制摻雜量子阱界面。在國(guó)際申請(qǐng)No. PCT/US03/13183中闡述了示例 性的基于晶閘管的THz探測(cè)器的細(xì)節(jié)，其全文在上面被引入作為參 考。優(yōu)選地，這種基于晶閘管的THz探測(cè)器在每個(gè)成像周期的信號(hào)傳 輸模式期間工作以使該基于晶閘管的THz探測(cè)器的p型調(diào)制摻雜量子 阱界面(層1155c-1158)失去自由空穴，由此促使p型調(diào)制摻雜量子 阱界面進(jìn)入深耗盡狀態(tài).優(yōu)選地，這通過使基于晶閘管的探測(cè)器的陰 極端電極偏置以便從基于晶閘管的探測(cè)器的陰極端到n型量子阱界面 不發(fā)生導(dǎo)通以及對(duì)基于晶閘管的探測(cè)器的p溝道注入端施加負(fù)時(shí)鐘脈 沖以便p型調(diào)制摻雜量子阱界面失去空穴來完成.或者，這可通過使 基于晶閘管的探測(cè)器的P溝道注入端的電勢(shì)保持在恒定電平并對(duì)基于 晶閘管的探測(cè)器的陰極端電極施加正電壓脈沖以便P型調(diào)制摻雜量子 阱界面失去空穴來完成，
這里已經(jīng)描述并示出基于晶閘管的成像陣列、基于晶閘管的CCD 元件和基于晶閘管的探測(cè)器的多個(gè)實(shí)施例，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的 具體實(shí)施例，但并不意味著本發(fā)明局限于此，而是意指本發(fā)明范圍應(yīng)當(dāng)與本領(lǐng)域允許的一樣寬并且說明書應(yīng)當(dāng)同樣理解。由此，盡管已經(jīng) 公開了具體的材料、制造工藝、電路元件、和電路結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)當(dāng)理 解其它的也可以使用，除此之外，雖然已經(jīng)公開了具體的器件結(jié)構(gòu)， 但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到其它的也可以使用。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn) 識(shí)到，在不脫離所要求的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對(duì)所提供 的發(fā)明進(jìn)行另外的修改。
權(quán)利要求
1. 一種成像器件，包括多個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括形成在襯底上的諧振腔內(nèi)并彼此隔開的互補(bǔ)型第一類型和第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面，其中預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射在所述像素單元處被接收并注入到所述諧振腔內(nèi)，由此產(chǎn)生積累到所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)的電荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中積累到所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)的電 荷的量與在所述像素單元處接收的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的功率 成比例。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射提高了在所述第一類型調(diào)制摻雜量子 阱界面處的二維電子氣的電子溫度，由此產(chǎn)生因通過由所述第"類型 調(diào)制摻雜量子阱界面提供的電勢(shì)勢(shì)壘的熱電子發(fā)射所得到的電流，其 中所述電流引起電荷在所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)積累。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的成像器件，其中所述電流與在像素單元處接收的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的功 率成比例。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面和所述第二類型調(diào)制摻雜量子 阱界面在垂直尺度上彼此隔開。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中 每個(gè)像素單元適于工作在下述模式中的至少一種模式下i) 像素建立模式，由此所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量 子阱界面失去電荷；ii) 信號(hào)積累模式，由此電荷通過積累時(shí)間周期而積累在所述第二 類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)；以及iii) 信號(hào)傳輸模式，由此電荷從所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面 讀出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的成像器件，其中每個(gè)像素單元適于執(zhí)行一成像周期序列，每個(gè)周期包括所述像素建立模式、所述信號(hào)積累模式、以及所述信號(hào)傳輸模式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的成像器件，其中在所述信號(hào)傳輸模式期間所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面失去 自由電荷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的成像器件，其中在所述信號(hào)傳輸模式中電荷在像素單元之間傳輸以便由此實(shí)現(xiàn) CCD型成像陣列。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的成《象器件，其中電荷通過由像素單元之間的第二類型調(diào)制摻雜界面限定的路徑在 4象素單元之間傳輸.
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的成像器件，其中像素單元之間的所述第二類型調(diào)制摻雜界面摻雜了施主離子以增加栽流子密度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的成像器件，其中對(duì)于像素單元之間所需的電荷速度選擇像素單元之間的所述第二 類型調(diào)制摻雜界面的長(zhǎng)度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中每個(gè)像素單元包括設(shè)置在所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面和所 述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面之間的未摻雜的隔離層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的成像器件，其中每個(gè)像素單元包括與所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面電接觸的至少一個(gè)第一類型 離子注入，和與所述第二類型調(diào)制摻雜量子醉界面電接觸的第二類型離子注入。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的成像器件，其中 每個(gè)像素單元包括由淀積在所述至少一個(gè)第一類型離子注入上的金屬層形成的至少 一個(gè)第一溝道注入端，和由淀積在所述第二類型離子注入上的金屬層形成的第二溝道注入端。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的成像器件，其中每個(gè)像素單元包括以這樣的方式形成的陽極和陰極，即所述第一類型調(diào)制摻雜量子 阱界面和所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面設(shè)置在所述陽極和所述陰 極之間，與所述陽極電耦接的陽極端，和與所述陰極電耦接的陰極端，由此在所迷襯底上整體地形成基于 晶閘管的^f象素單元。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的成像器件，進(jìn)一步包括 在像素建立模式中與給定像素單元的第二溝道注入端電耦接的電路，該電路在所述像素建立模式中使所述給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面失去自由電荷。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的成像器件，其中每個(gè)像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面包括電勢(shì)勢(shì)壘 部分和電荷存儲(chǔ)部分，所述電荷存儲(chǔ)部分通過閾值調(diào)節(jié)離子注入形成 在其中，所述電勢(shì)勢(shì)壘部分設(shè)置在所述陽極端下面并提供電壓控制電 勢(shì)勢(shì)壘。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的成像器件，其中與所述像素單元的陽極端電耦接的電路對(duì)所述陽極端施加時(shí)鐘脈 沖以利用由所述像素單元的所述電勢(shì)勢(shì)壘部分提供的所述電勢(shì)勢(shì)壘的 電壓控制調(diào)節(jié)在相鄰像素單元之間傳輸電荷。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16的成像器件，進(jìn)一步包括在信號(hào)傳輸模式中與給定像素單元的第一溝道注入端電耦接的電 路，該電路在所述信號(hào)傳輸模式中使所述給定像素單元的所述笫一類 型調(diào)制摻雜量子阱界面失去自由電荷。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16的成像器件，進(jìn)一步包括與給定像素單元的所述陰極端電耦接的電子快門電路，該電子快端置于高阻抗?fàn)顟B(tài).
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的成像器件，其中在信號(hào)積累模式期間所述電子快門電路將給定像素單元的所述陰 極端耦接到負(fù)栽元件，由此電荷積累在給定像素單元的所述第二類型 調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的成像器件，其中在下述中的至少一個(gè)期間所述電子快門電路將給定像素單元的所 述陰極端置于高阻抗?fàn)顟B(tài)像素建立模式，由此給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子 阱界面失去電荷，和信號(hào)傳輸模式，由此電荷從給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻 雜量子阱界面讀出.
24. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中 所述多個(gè)像素單元是全幀型成像陣列的一部分。
25. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中所述多個(gè)像素單元是線間型成像陣列的一部分.
26. 根據(jù)權(quán)利要求l的成像器件，其中所述多個(gè)像素單元是有源像素型成像陣列的一部分.
27. —種產(chǎn)生所接收的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的圖像的方 法，包括提供多個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括形成在襯底上的諧振腔內(nèi) 并彼此隔開的互補(bǔ)型第一類型和第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面，其中 預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射在所述像素單元處被接收并注入到所述諧 振腔內(nèi)；使所述像素單元適于工作在信號(hào)積累模式下，由此電荷通過積累 時(shí)間周期而積累在所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面 內(nèi)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中積累到所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)的電荷的量與在所述像素單元處接收的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的功率成比例。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射提高了在所述第一類型調(diào)制摻雜量子 阱界面處的二維電子氣的電子溫度，由此產(chǎn)生因通過由所述第一類型 調(diào)制摻雜量子阱界面提供的電勢(shì)勢(shì)壘的熱電子發(fā)射所得到的電流，其 中所述電流引起電荷在所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)積累.
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述電流與在像素單元處接收的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的功 率成比例。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面和所述第二類型調(diào)制摻雜量子 阱界面在垂直尺度上彼此隔開.
32. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中每個(gè)像素單元適于工作在下述模式中的至少一種模式下i) 像素建立模式，由此所述像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量 子阱界面失去電荷；和ii) 信號(hào)傳輸模式，由此電荷從所述笫二類型調(diào)制摻雜量子阱界面 讀出。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中每個(gè)像素單元適于執(zhí)行一成像周期序列，每個(gè)周期包括所述像素 建立模式、所述信號(hào)積累模式、以及所述信號(hào)傳輸模式。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中在所述信號(hào)傳輸模式期間所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面失去 自由電荷，
35. 根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中在所述信號(hào)傳輸模式中電荷在像素單元之間傳輸以便由此執(zhí)行 CCD型成像操作，
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中電荷通過由像素單元之間的第二類型調(diào)制摻雜界面限定的路徑在 像素單元之間傳輸。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中像素單元之間的所述笫二類型調(diào)制摻雜界面摻雜了施主離子以增 加載流子密度.
38. 根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中對(duì)于像素單元之間所需的電荷速度選擇像素單無之間的所述第二 類型調(diào)制摻雜界面的長(zhǎng)度。
39. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中每個(gè)像素單元包括設(shè)置在所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面和所 述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面之間的未摻雜的隔離層.
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中 每個(gè)像素單元包括與所述第一類型調(diào)制摻雜量子阱界面電接觸的至少一個(gè)第一類型 離子注入，和與所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面電接觸的第二類型離子注入。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中 每個(gè)像素單元包括由淀積在所述至少一個(gè)第一類型離子注入上的金屬層形成的至少 一個(gè)第一溝道注入端，和由淀積在所述第二類型離子注入上的金屬層形成的第二溝道注入。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中 每個(gè)像素單元包括以這樣的方式形成的陽極和陰極，即所述第一類型調(diào)制摻雜量子 醉界面和所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面設(shè)置在所述陽極和所述陰 極之間，與所述陽極電耦接的陽極端，和與所述陰極電耦接的陰極端，由此在所述襯底上整體地形成基于晶閘管的像素單元。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括在像素建立模式中使所述給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面失去自由電荷。
44. 根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中每個(gè)像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面包括電勢(shì)勢(shì)壘 部分和電荷存儲(chǔ)部分，所述電荷存儲(chǔ)部分通過閾值調(diào)節(jié)離子注入形成 在其中，所述電勢(shì)勢(shì)壘部分設(shè)置在所述陽極端下面并提供電壓控制電 勢(shì)勢(shì)壘。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述陽極端施加時(shí)鐘脈沖以利用由所述像素單元的所述電勢(shì)勢(shì) 壘部分提供的所述電勢(shì)勢(shì)壘的電壓控制調(diào)節(jié)在相鄰像素單元之間傳輸 電荷。
46. 根據(jù)權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括在信號(hào)傳輸模式中使所述給定像素單元的所述第一類型調(diào)制摻雜 量子阱界面失去自由電荷.
47. 根據(jù)權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括在信號(hào)積累模式期間選擇性地將所述陰極端耦接到負(fù)栽元件，由 此電荷積累在給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面內(nèi)。
48. 根據(jù)權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括在下述中的至少一個(gè)期間將給定像素單元的所述陰極端置于高阻 抗?fàn)顟B(tài)像素建立模式，由此給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子 阱界面失去電荷，和信號(hào)傳輸模式，由此電荷從給定像素單元的所述第二類型調(diào)制摻雜量子阱界面讀出。
49. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述多個(gè)像素單元是全幀型成像陣列的一部分。
50. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述多個(gè)像素單元是線間型成像陣列的一部分.
51. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中 所述多個(gè)像素單元是有源像素型成像陣列的一部分。
全文摘要
一種改善的成像陣列(及相應(yīng)的操作方法)包括設(shè)置在形成在襯底上的諧振腔內(nèi)的基于異質(zhì)結(jié)晶閘管的多個(gè)像素單元。每個(gè)基于晶閘管的像素單元包括彼此隔開的互補(bǔ)型n型和p型調(diào)制摻雜量子阱界面。預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射輻射在給定像素單元的腔內(nèi)諧振以在其中吸收，該吸收引起電荷積累。積累電荷與入射輻射的強(qiáng)度有關(guān)?；诋愘|(zhì)結(jié)晶閘管的像素單元適于多種成像應(yīng)用，包括基于CCD的成像陣列和有源像素成像陣列。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101421849SQ200480030871
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月20日
發(fā)明者G·W·泰勒 申請(qǐng)人:康涅狄格大學(xué);歐寶公司