利用基於晶閘管的像素單元的成像陣列的製作方法
2023-12-02 03:26:56 2
專利名稱：利用基於晶閘管的像素單元的成像陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電器件.更具體地說，本發明涉及基於由諸如砷化
鎵(GaAs)之類的半導體形成的電荷耦合器件(CCD)的成像陣列， 其能夠響應光而產生電信號。本發明尤其可應用於成像和電信技術領 域，而它並不局限於此。
2.
背景技術：
在成像技術領域中，下一代成像系統必須在很高的頻率下操作， 並對於輻射通量具有高電阻，因此成像器被說成是"硬化的輻射"。 目前的成像器被構造為CCD或有源像素陣列形式的矽集成電路。在 CCD中，線性像素陣歹'J按順序被脈衝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，並且每個像素輸出到它自己 專用的放大器(該陣列以逐行或逐列為基礎輸出)》
矽工藝受到在集成電路的有源和無源區中都存在氧化矽的多種方 式的限制。主要限制是氧化物對輻射通量的靈敏度。輻射在絕緣體中 產生陷阱和其它帶電的缺陷，其改變了集成電路內的有源和無源區中 的內部電壓閾值。在一定累積膝光電平之後，這些閾值變化致使電路 不能工作。柵極氧化物也產生其它方式的限制.矽CCD通過交疊柵極 將一個像素耦接到另一個。每個交疊柵極在像素之間建立小的較厚氧 化物區域，其禁止電荷傳輸並因此對CCD造成速度限制。這些氧化物 勢壘對矽CCD是基本的，並構成傳輸速度限制.已經採用一些方法來 消除這些影響，例如虛擬相位CCD,然而，這些結構接著要面對由於 注入未對準和缺少阱容量而造成的勢壘.不管怎樣，矽CCD的傳輸速 度很少超過幾MHz。
矽CCD的另一限制是它的光譜靈敏度。矽CCD吸收跨越其能隙 的輻射，因此對具有長於約liam的波長的輻射不敏感。它還對紫外線 (UV)輻射不敏感。
如母案申請美國序列號No. 09/556,285中所公開的，基於GaAs襯 底的III-V器件結構具有克服上述限制的潛能，具體來說，GaAsCCD具有吸收各個子帶之間的量子阱內的電磁能量的潛能.這提供了具有 獨特的子帶間吸收能力和中波紅外、長波紅外以及甚長波紅外區內的
靈敏度的GaAs器件。目前起子帶間探測器作用的GaAs器件結構是 QWIP(量子阱紅外光探測器)器件.目前實現的該QWIP的兩個重要 限制是存在迫使將器件冷卻到77nK的相當大的暗電流電平以及器件與 GaAs集成電路不兼容的事實.在最初證明時，由於其與GaAs集成電 路的潛在兼容性，QWIP被認為是有利的.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。
已經存在多種嘗試使用MESFET (金屬半導體場效應電晶體)和 HEMT (高電子遷移率電晶體)器件的基本電晶體結構來建立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 題是沒有發現可行的技術來實現電阻耦合，試圖使用澱積的電阻層， 但是電阻控制問題阻礙了進一步研究，
母案申請美國序列號No.09/556，285通過提供具有外延生長結構的 CCD克服了這些問題中的多個，其利用調製摻雜量子阱界面來建立反 型溝道用於電荷包的存儲。電荷傳輸通過包括兩個S摻雜的p型摻雜薄 層的外延生長的獨特特徵而變得容易， 一個p型薄層非常接近於反型 溝道並能夠通過非常薄的高摻雜材料的薄層在相鄰像素之間實現電阻 耦合。該電阻耦合能夠在傳輸階段期間在像素之間實現高強度電場和 最佳漂移速率，其引起非常高的傳輸速率。位於晶片表面處的笫二電 荷薄層能夠實現與頂部金屬接觸的非常低電阻歐姆的接觸。正是這種 歐姆接觸能夠實現HFET,其是該技術的基本場效應器件。反型溝道 包括多個量子阱，這些量子阱可以吸收入射的處於MWIR(中波紅外) 和LWIR(長波紅外)區的輻射，CCD還可以通過常規帶隙吸收使處 於光謙的UV、可見光和近紅外區的信號成像，
在母案申請序列號No.09/556，285的CCD器件中，耐火發射極或 柵極金屬接觸用於像素的傳輸部分.並且，在柵極上使用電介質來形 成1/4波長對用於像素的成像部分.這些電介質當與有源器件結構下面 外延生長的反射鏡一起考慮時構成所關心的波長的諧振腔。在所描述 的實施例中，離子注入用於多個目的.N型注入用於形成直到反型溝 道的源區和漏區，它還用於使反型溝道界面的閾值電壓偏移。外延結 構生長為常斷(增強型)器件，於是N型注入用於建立常開(耗盡型) 器件區，正是這些區域存儲電荷包.氧注入也可以用於在注入下面建立高阻區。該技術利用AlAs和其它具有高鋁百分比的層的氧化在結構 下面實現鈍化、隔離和電介質反射鏡。CCD中所採用的像素的基本結 構和輸出放大器也可以用於設計有源像素傳感器。在這種設計中，每 個像素與輸出放大器對接，並且行或列被並行輸出.
雖然母案申請美國序列號No.09/556，285中所描述的器件代表了優 於現有技術的較大進展，並對現有技術的問題提供了實際解決方案， 但是所公開的器件仍具有一定的局限性.例如，採用所提供的結構， 電子響應於所接收的光離開量子阱可能用1毫秒左右，因此成像過程 的速度受到該定時的限制。除此之外，由於在給定周期內通過所公開 的器件產生的讀出信號是剩餘在量子阱中的電荷量，因此當阱相對滿 時，即當光很弱時該讀出信號很大.由此，弱信號可能不理想地經受 相對大量的噪聲.
發明內容
因此，本發明的目的是提供像素單元的成像陣列，優選利用具有
很高的傳輸速率能力的iii-v半導體系統。
本發明的另一個目的是提供像素單元的成像陣列，其能夠適於通 過子帶間吸收來吸收處於3 pm-20 pm的寬譜範圍內的電磁輻射，並
將該輻射轉換成電荷包以從其輸出。
本發明的另一個目的是提供像素單元的成像陣列，其可以適於通 過子帶間吸收來吸收處於電磁光謙的紫外線、可見光和近紅外區內的 電磁輻射，並將該輻射轉換成電荷包以從其輸出.
本發明的另一個目的是以集成的方式與HFET技術一起實現像素 單元的成像陣列。
本發明的另一個目的是將像素單元的成像陣列實現為包括其它光 電電路和/或電子電路的單片光電集成電路的一部分，
根據本發明的目的，提供具有採用互補型調製摻雜量子阱界面的 外延生長結構的成像陣列(及相應的操作方法)； 一個建立電子的反 型溝道， 一個建立空穴的反型溝道.這種外延生長結構優選是在前引 入的涉及調製摻雜的晶閘管的美國序列號No. 09/798，316所公開的相 同結構，更具體地說，彼此分開的兩個調製摻雜量子阱結構位於p+層 之下和n +層之上，第一調製摻雜量子阱結構(被稱為"n型調製摻雜 量子阱界面")建立電子的反型溝道，而笫二調製摻雜量子阱結構(被稱為"p型調製摻雜量子阱界面")建立空穴的反型溝道。在頂部P +
層之上和底部n+層之下使用電介質來形成1/4波長對用於像素的成像 部分；即，它們構成所關心的波長的諧振腔。
在優選實施例中，成像陣列的像素單元按照下述被金屬化，對於 每個像素單元來說，鄰近高摻雜的頂部P +層形成耐火的陽極端；即， 頂部"p"結構.陽極端用於控制電荷傳輸到像素單元中和/或從該像素 單元傳輸，p溝道注入端可操作地耦接到p型調製摻雜量子阱界面上， 並且陰極端可操作地輛接到底部n+層.p溝道注入端用於使p型量子 阱界面失去電荷(例如空穴).陰極端用於實現啟動/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；信號獲取模式； 和信號傳輸模式。在像素建立模式期間，n型量子阱界面失去電荷(例 如電子)。在信號獲取模式期間，電荷積累在像素單元的n型量子阱 界面內。積累電荷的量與在該像素單元處接收的所需波長的電磁輻射 的量成比例，在信號傳輸模式期間，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(並在CCD型應用中在像素單 元之間傳輸該積累電荷)。在CCD型應用中，接觸最後一個像素單元 的n型量子阱界面的n溝道注入接觸是成像陣列的輸出，並且如果需 要的話可被直接放大。
根據以下結合附圖的詳細描述，本發明的另外的特徵和優點將變 得更容易地顯而易見。
圖l是示出示例性的量子阱基雙極電晶體器件的示意圖。
圖2是示出圖1的量子阱基雙極電晶體器件響應於提供給該器件
的量子阱基區的輻射的操作的能帶圖.
圖3A是示出根據本發明的兩個示例性的基於晶閘管的像素單元 的示意圖。
圖3B是示出圖3A的基於晶閘管的像素單元響應於在其中被共振 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的基於晶閘管的像 素單元的工作模式的能帶困，由此電荷積累在根據本發明的相應像素 單元中並從該像素單元中轉移出來.圖5示出示例性的外延生長結構，該結構利用III-V族材料來實現 根據本發明的圖3A的基於晶閘管的像素單元和由該結構形成的光電/ 電學/光學器件。
圖6A、 6B1和6B2是結合圖5的外延生長結構形成的兩個基於晶 閘管的像素單元的示例性實現的示意困；圖6A是這兩個基於晶鬧管的 像素單元的示意平面圖；圖6B1是這兩個基於晶閘管的像素單元的示 意截面圖；圖6B2是這兩個基於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的兩個基於晶閘管的像素單元之內(和
之間)在由這些像素單元執行的成像操作期間沿n型調製摻雜量子阱
界面的電勢的圖。
圖7A是示出全幀型成像陣列的系統體系結構的功能方框圖。 圖7B是示出線間型成像陣列的系統體系結構的功能方框圖。 圖8A是結合圖5的外延生長結構形成的基於晶閘管的像素單元和
傳輸柵極的示例性實現的示意截面困。
圖8B是示出在困8A的基於晶閘管的像素單元和傳輸柵極之內(和
之間)在由像素單元執行的成像操作期間沿n型調製摻雜量子阱界面
的電勢的圖.
圖8C是示出利用基於圖8A和圖8B的基於晶閘管的像素單元和圖。
具體實施例方式
根據本發明，提供一種成像器件，該成像器件包括形成在頂部P + 層結構和底部n +層結構之間的互補型調製摻雜量子阱界面.在頂部卩+ 層之上和底部iT層之下使用電介質來形成1/4波長對用於像素的成像 部分；即，它們構成所關心的波長的諧振腔.在優選實施例中，每個 像素單元由包括鄰近高摻雜的頂部p+層結構形成的耐火的陽極端的臺 面形成。陽極端用於控制電荷傳輸到像素單元中和/或從該像素單元傳 輸。p溝道注入端可操作地耦接到p型調製摻雜量子阱界面上，並且陰 極端可操作地耦接到底部iT層。p溝道注入端用於使p型量子阱界面 失去電荷(例如空穴)。陰極端用於實現啟動/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；信號獲取模式; 和信號傳輸模式.在像素建立模式期間，n型量子阱界面失去電荷(例 如電子)，在信號獲取模式期間，電荷積累在像素單元的n型量子阱 界面內。積累電荷的量與在信號獲取模式期間在該像素單元處接收的 所需波長的電磁輻射的量成比例。在信號傳輸模式期間，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(並 在CCD型應用中在像素單元之間傳輸該積累電荷)。在CCD型應用 中，接觸最後一個像素單元的n型量子阱界面的n溝道注入接觸是成 像陣列的輸出，並且如果需要的話可被直接放大.
本發明的成像陣列(和由其產生的信號)可用於多種應用中。例 如，它可用於隨著納秒到毫秒的時間遞增(由於二維氣的高速響應的 原因)而執行成像操作。而且，本發明的成像陣列可以用寬範圍的光 學和電子器件來有效地集成，例如以提供集成陣列以及相關的光電器 件和/或邏輯電路和/或信號處理電路.
優選地，本發明的成^f象陣列(和可能的與其整體製造的其它光電 器件、邏輯電路和/或信號處理電路)用如以下專利申請中詳細描述的 反型量子阱溝道器件結構來實現，這些專利申請是美國專利 6,031,243; 2000年4月24日提交的美國專利申請No. 09/556,285; 2001 年3月2日提交的美國專利申請No. 09/798,316; 2002年3月4日提交 的國際申請No. PCT/US02/06802; 1997年10月14日提交的美國專利 申請No. O8/949，50^ 2002年7月23日提交的美國專利申請No. 10/200,967; 2000年11月10日提交的美國申請No. 09/710,217; 2002 年4月26日提交的美國專利申請No. 60/376,238; 2002年12月19日 提交的美國專利申請No. 10/323,390; 2002年10月25日提交的美國專 利申請No. 10/280,892; 2002年12月19日提交的美國專利申請No. 薦23，390; 2002年12月19曰提交的美國專利申請No. 10/323,513; 2002年12月19日提交的美國專利申請No. 10/323,389; 2002年12月 19曰提交的美國專利申請No. 10/323,388; 2003年1月13日提交的美 國專利申請No. 10/340,942;在此引入所有這些申請的全文作為參考. 採用這些結構，使用一種製造程序來在公共襯底上製作所有器件，包 括成像陣列、電學器件(例如電晶體)和光電器件(例如雷射器/探測 器/調製器)。換句話說，n型和p型接觸、關鍵刻蝕、電介質澱積等用於在公共襯底上同時實現所有這些器件.這種器件結構的基本特徵
包括l) n型調製摻雜界面和n型調製摻雜量子阱界面，2)通過離子 注入形成的自對準n型和n型溝道接觸，3)與n型離子注入和底部n 型層結構的n型金屬接觸，以及4)與n型離子注入和頂部n型層結構 的n型金屬接觸。
n型調製摻雜量子阱界面和n型調製摻雜量子阱界面內的電荷狀 態通過受晶閘管器件的偏壓條件支配的陽極或陰極的導通來控制。除 此之外，可以藉助電耦接到相應界面的注入端的電流源(或脈衝源) 將電荷從n型調製摻雜量子阱界面和n型調製摻雜量子阱界面除去. 利用這些結構通過將金屬陽極分成藉助P+層沿頂表面被電連接的兩個 部分來建立光學器件。有源器件結構形成在底部分布布拉格反射器 (DBR)反射鏡和頂部電介質反射鏡之間，由此形成具有中心在調製 摻雜量子阱界面附近的光模的波導。
量子阱基雙極電晶體的截面在圖1中示出。該量子阱基雙極晶體 管由於它將典型異質結FET ( HFET)器件的單極導通和典型異質結雙 極電晶體(HBT)的雙極導通合併的方式的原因而令人感興趣，實際 上，它是基於調製摻雜的童子阱基雙極電晶體。與調製摻雜溝道的接 觸充當具有以常規方式施加的柵極偏壓的典型HFET的源極/漏極接 觸。溝道電荷充當雙極電晶體的少數電荷.然後，當電荷流入溝道時， 它加偏壓到器件的內勢壘以便多數栽流子從發射極流入集電極。由於 它合併雙極和FET的原理的原因，該器件有時被稱為雙極反型溝道場 效應電晶體(BICFET)。有利地，量子阱基雙極電晶體的熱電子發射 沿外延生長的方向垂直地發生，並且路程很短(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於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型調製摻雜量子阱結構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勢壘層24、和P+GaAs接觸層26 (其 電連接到發射極端金屬層27)。所接收的輻射可操作地通過基極端金 屬層19耦接到n型調製摻雜量子阱結構18,圖1器件的響應度取決於二維氣的電子溫度(Te)的改變和所接
收的輻射的輸入功率Pin。此關係可通過下面的分析來理解。如果電子
(或空穴)在擾動電場Eoe^存在時用它的運動方程來表示，並且一個 求解電子的位移xoe^，則一個可以求解速度、電流和RF電場吸收的 平均功率。在穩定狀態下，這通過由極性光學聲子的發射引起的晶格 的熱損耗來平衡。根據此能量平衡，我們得到以下結果
其中m是電子質量，Cth是電子的比熱(大約等於玻爾茲曼常數k)，
Te是電子溫度，T!是晶格溫度，Tm是動量關係時間，以及Te是能量弛 豫時間。輸入功率Pin通過^-^"^而與輻射場有關，其中T1是材料的
固有阻抗。重要的靈敏度參數是Qh.其固有的小值導致對於小的Pta 值的相當大的Te值，可以看出，由於時間常數Tm—般是大約0.1皮秒，
因此對於電子氣的響應的高頻衰減是大約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，其包括複合分量Jrb (來自發射極的空穴流)、從n型 調製摻雜層流向量子阱的熱電子發射電流(標註為"1")、從量子阱 流向n型調製摻雜層的熱電子發射電流(標註為"2")、以及集電極
內的產生電流Jgen，該電流給量子阱增加電子並且還提供流向背結 (back junction)的空穴電流。在圖中示出了電流方程，其中複合是等 於流入和流出量子阱的大發射電流(對於零偏壓、Jrb = 0並且發射電 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，並且JU代表器 件中的暗電流。另一個重要分量是Jpb,代表通過勢壘的熱電子發射。 電流Jpb的變化代表探測器的輸出.代表這種電流平衡的方程是
formula see original document page 17
其中左手側(LHS)是如圖2所示流入發射極的複合電流。這是根據 調製摻雜的觀點寫入的連續電流，在右手側(RHS)的兩項代表量子阱和調製摻雜層之間的熱電子發射分量，並且這兩項在指數項的指數
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，並且從調製摻雜層到量子阱的部分的溫度保持在TL.因
此，從量子阱到調製摻雜層存在淨熱電子流.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.我們可以展開該項得到以下
方程formula see original document page 18
(3)
我們看到最後一項是驅動力，其與變化ATe成比例.從(l)中我們還 可以看出，這個Te變化與所接收的輻射的輸入功率成比例。因此，附
加項對應於R*Pi ，其中R是將電子傳輸到調製摻雜的基本機制的以安 /瓦為單位的響應度。這樣，R的值是
及formula see original document page 18
(4)
描述流過器件的電流的另 一方程是
formula see original document page 18(5)
其簡單地表明由於輻射作用僅僅將內部電荷移到器件，因此在該過程 期間流過期間的淨電流必須保持恆定。電荷從阱到薄層區的移動引起 no降低。根據等式(5)，由於J，是恆定的，因此AVb將增加.AVb 增加將引起圖2中的電流J—增加.正是這個電流增量代表器件的淨輸 出電流，並與所接收的輻射的輸入功率成比例。通過重新整理(5)並
i十算電流AJpb，我們得到 乂 、2
formula see original document page 18
(6)
輸出電流是響應於所接收的輻射的輸入功率Pin而流動的集電極電流的
增量。代入典型數值得到Reff 0.05A/W。與長波紅外(LWIR)輻射的典型響應度相比，該數值完全合理.
這裡應當注意重要的一點.流入系統的暗電流是Jgen,並且這是跨
越AlGaAs的能隙的產生電流。這不是從板低能量的辨中熱激發的電
流。該流入和流出阱的熱電流總是處於平衡狀態，即使在保持平衡狀
態和在偏壓下，因而它們不產生噪聲.只有淨暗電流Jgen產生噪聲。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 的探測在室溫下進行。
或者，晶閘管結構可以用作輻射探測器.如圖3A所示，晶閘管結 構包括垂直設置以共享公共集電區的n型量子阱基雙極電晶體和p型 量子阱基雙極電晶體。該晶閘管結構形成在諧振腔(由底部和頂部電 介質反射鏡提供)內部，該諧振腔適於接收處於電磁波譜的所需部分 的電磁輻射。類似於圖1的量子阱基雙極電晶體的n型量子阱結構的 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型調製摻雜層中並對p型量子阱界面勢壘產生正向偏壓Avb，
其結果產生如圖3B所示的電流Iw。電流Inb經過p型量子醉界面勢壘
流向n型量子阱界面。積累電荷Qn代表所接收的輻射的強度.基於異
質結晶閘管的輻射探測器的操作適於多種成像應用，包括下面詳細描
述的CCD型成像應用和有源像素型成像應用.
圖3A示出了兩個基於晶閘管的像素單元101A、 IOIB的結構。注 意，圖3A的普通結構可以被配置成如同寬範圍的電子器件(例如場效 應電晶體、雙極電晶體)那樣工作，以便這些器件可以集成以形成如 這裡所描述的單片光電集成電路.該結構包括形成在襯底110上的底 部電介質分布布拉格反射器(DBR)反射鏡112.該底DBR反射鏡112
一般通過澱積具有不同折射率的半導體或介電材料對來形成。當具有 不同折射率的兩種材料放置在一起形成結時，光將在該結處被反射.
在一個這樣的邊界處反射的光的量很小.然而，如果多個結/層對周期 性地堆疊並且每個層具有四分之一波長(A74n )的光學厚度，則從每個 邊界的反射將同相相加以產生大的在特定中心波長XD的反射光的量 (例如大的反射係數)。澱積在底DBR反射鏡112上的是有源器件結 構，其邏輯上包括兩個HFET器件。其中第一個是包括層114、 116、 118、和120的p溝道HFET器件111 (這裡稱為PHFET 111)。具有 一個或多個P型調製摻雜量子阱溝道的PHFET器件111被放置成柵極端在下側(即在底DBR反射鏡112上)以及集電極端在上側。其中第 二個是包括層120、 122、 124、和126的n溝道HFET器件113 (這裡 稱為NHFET 113).該NHFET器件113具有一個或多個n型調製摻
雜量子阱溝道並被放置成柵極端在頂側以及集電極端在下側，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構.
該有源器件層結構以n型層114為起點。優選地，n型層114包括 能夠在該處形成歐姆接觸的至少一層和應當在器件的任何操作範圍內 都不耗盡的重摻雜層，即該層內的總摻雜應當超過包含在下面描述的p 型調製摻雜量子阱界面118的調製摻雜層內的總摻雜電荷。該層114 還在光學上用作該結構中實現的光學器件的下波導包層的一小部分. 注意，多數下波導包層由下DBR反射鏡112本身提供。澱積在層114 上的是未摻雜的隔離層116。層114和116在電學上用作p溝道HFET 111的柵極的一部分。在該結構中，層114實現低接觸電阻，以及層 116限定p溝道HFET 111相對於p型調製摻雜量子阱異質結構118的 電容.澱積在層116上的是限定與p型調製摻雜層隔開的一個或多個 量子阱(其可以由應變或非應變異質結材料形成)的p型調製摻雜量 子阱界面118。澱積在p型調製摻雜量子阱界面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。澱積 在層120上的是限定與n型調製摻雜層隔開的一個或多個量子阱(其 可以由應變或非應變異質結材料形成)的n型調製摻雜量子阱界面 122。澱積在n型調製摻雜量子阱界面122上的是未摻雜的隔離層124。 澱積在層124上的是p型層126。優選地，該p型層126包括應當在器 件的任何操作範圍內都不耗盡的重摻雜層，即該層內的總摻雜應當超 過包含在下面描述的n型調製摻雜量子阱結構122的調製摻雜層內的 總摻雜電荷。除此之外，該p型層126優選包括能夠在該處形成歐姆 接觸的至少一層。在該結構中，層126實現低接觸電阻，以及層124 限定n溝道HFET 113相對於n型調製摻雜量子阱界面122的電容.層 126和128在電學上用作n溝道HFET 113的柵極的一部分。
或者，有源器件結構可以被描述為形成在底DBR反射鏡112上的一對堆疊量子阱基雙極電晶體。其中第一個是n型量子阱基雙極晶體 管(包括層114、 116、 118、和120)，其具有與p型調製摻雜層隔開
的一個或多個量子阱並被放置成發射極端在下側(即在上述反射鏡 上)以及集電極端在上側.其中笫二個是包括層120、 122、 124、和 126的n型量子阱基雙極電晶體。該n型量子阱基雙極電晶體具有與n 型調製摻雜層隔開的一個或多個量子阱並被放置成發射極端在上側以 及集電極端在下側(其是p型量子阱基雙極電晶體的集電極)。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 構。在該結構中，p溝道HFET器件lll的柵極端對應於p型量子阱基 雙極電晶體的發射極端，p型量子阱界面118對應於p型量子阱基雙極 電晶體的基區，隔離層120對應於p型量子阱基雙極電晶體和n型量 子阱基雙極電晶體兩者的集電區，n型量子阱界面122對應於n型量子 阱基雙極電晶體的基區，以及n溝道HFET器件113的柵極端對應於n 型量子阱基雙極電晶體的發射極電極。
為了形成諧振腔器件，頂部電介質反射鏡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 的光學孔(未示出)進入諧振腔。底DBR反射鏡和頂部電介質反射鏡 之間的光程長度優選代表在指定波長處的整數個1/2波長。優選地，該 光程長度通過調節其間的一個或多個層的厚度以實現該條件來控制.
基於晶閘管的像素單元101A、 101B適於執行包括像素建立模式、 信號積累模式、和信號傳輸模式的成像周期.
在像素建立模式中，像素單元的n型調製摻雜量子阱界面122失 去自由電子，由此促使n型調製摻雜量子阱界面122進入深耗盡狀態。 優選地，這通過對像素單元的陽極端電極施加多相時鐘方案以類似於 下面描述的信號傳輸模式的方式來完成。這些操作通過n型調製摻雜 量子阱界面122從像素單元中時鐘輸出電荷，在CCD型應用中，從給 定的基於晶閘管的像素單元(例如晶閘管器件101A)中時鐘輸出的電 荷利用各個相鄰的基於晶閘管的像素單元之間的n型調製摻雜量子阱 界面122作為電荷傳輸路徑被時鐘輸入到相鄰的基於晶閘管的像素單 元(例如晶閘管器件101B)中.接觸最後一個像素的n型調製摻雜量 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於 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於晶閘管的像素單元的陰 極端電極上並使該陰極端電極保持高阻抗狀態(即，換句話說該陰極 端電極浮置)，以便由此停止信號積累.
在信號積累模式中，在基於晶閘管的像素單元的P型調製摻雜量
子阱界面118內吸收入射輻射。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型調製摻雜層內並對p型量 子阱勢壘產生正向偏壓AVb，其結果產生如圖3B所示的電流Ia。該電 流Inb經過p型勢壘流向基於晶閘管的像素單元的n型調製摻雜量子阱 界面122。該電流引起電荷Qn積累在像素單元的n型調製摻雜量子阱 界面122內，該積累電荷Qn代表在信號積累模式的時間周期(有時稱 為"積累時間周期")內所接收的輻射的強度。優選地，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，耦接到基於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 從該陰極端導通，如圖4B的電勢圖所示.
在信號傳輸模式中，在前面信號積累模式期間積累到n型調製摻 雜量子阱界面122內的電荷Qn從基於晶閈管的像素單元中讀出。優選 地，這通過對像素單元的陽極端電極施加多相時鐘方案來完成，其通 過n型調製摻雜量子阱界面122從像素單元中時鐘輸出電荷，在CCD 型應用中，從給定的基於晶閘管的像素單元(例如晶閒管器件101A) 中時鐘輸出的電荷利用各個相鄰的基於晶閘管的像素單元之間的n型 調製摻雜量子阱界面122作為電荷傳輸路徑被時鐘輸入到相鄰的基於 晶閘管的像素單元(例如晶閘管器件101B)中。接觸最後一個像素的 n型調製摻雜量子阱界面122的n溝道注入接觸是CCD型成像陣列的 輸出，並且如果需要的話可被直接放大。CCD技術領域中公知的很多 種多相時鐘控制方案(例如4相、3相、偽2相、真2相和虛擬相位時 鍾控制方案)可以用於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相時鐘控制方案中，大約0伏的電壓電平可以施加 到給定的基於晶閘管的像素單元(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基於晶閒管的像素單 元(例如晶閘管101B)的陽極端電極，以便由此利用其間的n型調製 摻雜量子阱界面122作為電荷傳輸路徑將所存儲的電荷從給定的像素 單元中轉移出並轉移到下一個像素單元中。在信號傳輸模式結束時， 成像周期結束並且操作繼續進行下一成像周期的像素建立模式。
在信號傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極的電子快門 電路使信號積累停止.優選地，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不發生導通來完成. 在信號傳輸模式期間，優選地，基於晶閈管的像素單元的p型調製摻 雜量子阱界面U8失去自由空穴，由此促使p型調製摻雜量子阱界面 118進入深耗盡狀態，優選地，這通過對像素單元的p溝道注入端施加 負時鐘脈衝以便如圖4C所示p型調製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溝道注入端的電勢保持在恆定電 平並對像素單元的陰極端電極施加正電壓脈衝以便P型調製摻雜量子 阱界面失去空穴來完成.
上述外延生長結構可以用基於III-V族材料(例如GaAs/AlGaAs) 的材料系統來實現.或者，採用矽鍺(SiGe)層的應變矽異質結構可 用於實現這裡所描述的多層結構.圖5示出示例性的外延生長結構， 該結構利用IH-V族材料來實現根據本發明的圖3A的結構和由該結構 形成的光電/電學/光學器件。
圖5的結構可以例如使用已知的分子束外延(MBE)技術來製作。 如所示，第一AlAs半導體層1151和第二GaAs半導體層1152依次交 替地澱積(優選至少7對)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層的數目優選總是大 於GaAs層的數目，因此反射鏡的第一層和最後一層顯示為層1151. 在優選實施例中，AlAs層11M經受高溫蒸汽氧化以產生化合物 AlxOy，這樣反射鏡將形成在所設計的中心波長處.該中心波長是這樣 選擇的，即陣列的各種腔的所有諧振波長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的最後 的光學厚度是中心波長入D的四分之一波長，或者，反射鏡可以生長為 在所設計的波長的四分之一波長厚度的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(典型數目例如是22對)來獲得有效激射所需的反射率.
澱積在反射鏡上的是包括兩個HFET器件的有源器件結構.其中 第一個是P溝道HFET (PHFET) 111 (參見圖3A)，其具有一個或 多個p型調製摻雜量子阱並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，其中第二個是n溝道HFET (NHFET) 113，其具有一個或多個n型調製摻雜量子阱並被放置成柵極端在頂部 以及集電極端在下面.NHFET器件113的集電區還用作PHFET器件 lll的集電區。然而，NHFET器件113的集電極端與設置在集電區下 面(上面)的p型量子阱是p型接觸，而PHFET器件111與設置在集 電區上面的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構。
該有源器件層結構以能夠在該處形成歐姆接觸的N+型GaAs層 1153為起點(例如，當連接到晶閘管器件的陰極端時，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。澱積在層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 於層1154來說，參數xl優選處於70。/。和80y。之間的範圍內(例如， 大約70% ),該層用作PHFET柵極的一部分並在光學上用作器件的 下波導包層的一小部分。注意，用於在由器件的光學有源區形成的波 導中傳播的波的下波導包層的多數由下DBR反射鏡本身提供。該下 DBR反射鏡使光部分被電介質波導引導且部分被反射鏡波導引導.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，並且其中x2是大約 15%,第一層1155a為大約60-80 A厚，並且是S摻雜形式的N+型摻 雜。第二層1155b為大約200 - 300 A厚，並且是未摻雜的。笫三層1155c 為大約80A厚，並且是S摻雜形式的P+型摻雜.第四層1155d為大約 20-30 A厚，並且未摻雜以形成隔離層。該層形成用於雷射器、放大 器和調製器件的下分別限制異質結構(SCH)層。N+摻雜的GaAs層 1153、 n型AlGaAs層1154和n型AlGaAs層1155a對應於圖3A的n 型層114，並且未摻雜的AlGaAs層1155b對應於圖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。 對於應變量子阱來說，這包括約10-25 A厚的未摻雜的GaAs隔離層 1l56，其後是約40 - 80 A厚的量子阱層1157和未摻雜的GaAs勢壘層 1158的組合。量子阱層1157可以包括一個組份範圍。在優選實施例中， 該量子阱由In(uGao.sAsN組份形成，並且根據所需的固有發射頻率氮 含量從0%變化到5%,這樣，對於.98iim的固有發射頻率來說，氮含 量將是0%;對於1.3 nm的固有發射頻率來說，氮含量將是大約2%; 以及對於1.5nm的固有發射頻率來說，氮含量將是大約4-5%.阱勢 壘組合一般是重複的(例如，如所示的三次)，然而，也可以使用單 量子阱結構。非應變量子阱也是可以的。在最後未摻雜的GaAs勢壘之 後是未摻雜的Alx2Gai-x2As層1159，其形成PHFET器件111的集電極， 並且其厚度是大約0.5 至此生長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和最後未摻雜的GaAs 勢壘層1158之間的層對應於圖3A的p型調製摻雜異質結量子阱結構 118。未摻雜的AlGaAs層1159對應於圖3A的未摻雜的隔離層120。
層1159還形成NHFET器件113的集電區。澱積在層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型量子阱的勢壘。對於InGaAs的生長來說，由於層1160 適應生長中斷以將生長溫度從610°C (根據All2Gai_x2As層的光學性能 的需要)改變到約530°<:，因此該層1160比約IOOA的普通勢壘層厚， 因此，層1160包括約150 A的單層1160a和約100 A的勢壘層U60b。 下一層1161是Infl.2Gao.8As量子阱，其是未摻雜的並且其厚度是大約 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的勢壘層1160b和量子阱層1161可以重複例如三次。 然後是約10-30A的未摻雜的GaAs勢壘層1162，其適應生長中斷和 生長溫度變化。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)的調製摻雜層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效應輸入。層1163d的摻雜種類優選是碳(C)以保證擴散穩定性。 與總是耗盡的層1163b相反，層1163d應當在操作中完全不耗盡。對 於光電器件操作來說，層1163是上SCH區.在未摻雜的GaAs勢壘層 1160a和N十AlGaAs層1163b之間的層對應於圖3A的n型調製摻雜異 質結量子阱結構122。未摻雜的AlGaAs層1163c對應於圖3A的未摻 雜的隔離層124。
接著澱積一個或多個p型AlxlGai_xlAs層(總稱為1164)以形成用 於雷射器、放大器和調製器件的上波導包層的一部分。注意，用於在 由器件的光學有源區形成的波導中傳播的波的上波導包層的多數由上 電介質反射鏡本身提供。該上電介質反射鏡使光部分被電介質波導引 導且部分被反射鏡波導引導.優選地，層1164具有大約500-1500 A 的厚度，並且包括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 x 1017 - 5 x 10"cm3的P摻雜的第二子層 1164b。層1164的參數xl優選是大約70。/。，接著澱積的是歐姆接觸層 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，並且被摻雜成很高 水平的P+型摻雜(大約1 x 102011-3)以便能夠在該處形成歐姆接觸(例 如，當與晶閘管器件的陽極端接觸時).p型層1163b、 U64a、 H64b、 1165a和1165b對應於圖3A的p型層126。
或者，有源器件結構可以被描述為形成在底DBR反射鏡(層 1151/1152)上的一對堆疊量子阱基雙極電晶體。其中第一個是p型量 子阱基雙極電晶體(包括層1153 ~ 1159)，其具有一個或多個p型調 制摻雜量子阱並被放置成發射極端在下側(即在上述底部反射鏡上) 以及集電極端在上側.其中第二個是n型量子阱基雙極電晶體(包括 層1159 1165b)，其具有一個或多個n型調製摻雜量子阱並被放置成 發射極端在頂側以及集電極端在下側，其是p型量子阱基雙極電晶體 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 形成有源器件結構。在該結構中，晶閘管器件的陰極端對應於p型量 子阱基雙極電晶體的發射極電極，p型量子阱結構(層1155c 1158) 對應於P型量子阱基雙極電晶體的基區，隔離層U59對應於p型量子 阱基雙極電晶體和n型量子阱基雙極電晶體兩者的集電區，n型量子阱 結構(層1160a 1163b)對應於n型量子阱基雙極電晶體的基區，以及晶閘管器件的陽極端對應於n型量子阱基雙極電晶體的發射極電 極。
為了形成諧振腔器件，頂部電介質反射鏡形成在頂部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)內的光學 孔(未示出)進入諧振腔。底DBR反射鏡和頂部電介質反射鏡之間的 光程長度優選代表在指定波長處的整數個1/2波長.優選地，該光程長
度通過調節其間的一個或多個層的厚度以實現該條件來控制。
圖5的結構還可以用於實現多種光電器件，包括電晶體器件(例 如n溝道HFET器件、p溝道HFET器件、n型量子阱基雙極電晶體和 p型量子阱基雙極電晶體)，以及其它光電和波導器件。在2002年12 月19日提交的美國專利申請No. 10/323,388;和2003年1月13日提交 的美國專利申請No. 10/340,942中詳細描述了這些器件；其全文在上面 被引入作為參考.
圖6A、 6B1、 6B2和6C示出兩個基於晶閘管的像素單元的示例性 實現的示意圖。提供以上相對於圖5所描述的層1149 1165b的結構。 為了連接到基於晶閘管的像素單元的陽極，通過刻蝕限定對準標記(未 示出)，其後澱積SbN4或入1203或其它適當的電介質(未示出)層以 用作表面層的保護和隨後離子注入的阻擋層。基於晶閘管的像素單元 的耐火的陽極端136A和136B被澱積並優選通過金屬層610的剝離來 限定。
然後形成臺面以限定陣列的像素單元的成像區域.每個給定像素 單元的成像區域(像素單元A的標為620a，像素單元B的標為620b ) 鄰近給定像素單元的陽極端金屬層610設置，如圖6A和6B1所示。優 選地，像素單元臺面通過向下刻蝕到(或接近)p+型層1163d來形成。
在像素單元臺面形成的同時，在臺面沒有被陽極金屬層覆蓋的部 分中執行n+型離子注入170，如圖6B1所示。n+型注入170的目的是 將每個像素單元的n型調製摻雜量子阱界面的注入區191的閾值移到 常開條件(即，零陽極電壓的導通條件)。注意，陽極金屬層下面的n 型調製摻雜量子阱界面的沒有經受n+型注入170的區域192具有常斷 條件(即，零陽極電壓的關斷條件)的閾值.在該結構中，注入區191 用作電荷存儲區，並且區域192用作下面更詳細描迷的電壓控制勢壘，
在像素單元臺面形成的同時，像素間傳輸區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622中的n型調製 摻雜界面用於這裡所詳細描述的各相鄰像素單元之間的電荷傳輸，優 選地，n+型離子注入171使用光掩模來執行，該光掩模與對準標記對 準以將n型離子注入到像素間傳輸區622的n型調製摻雜量子阱界面 內。n+型離子注入171提供用於如下所述的改善電荷傳輸效率。
除此之外，p+型離子注入172使用光掩模來執行，該光掩模與對 準標記對準以由此形成與每個像素單元的p型調製摻雜量子阱界面的 接觸，如圖6B2所示.在該操作期間，臺面通過優選向下刻蝕到未摻 雜的隔離層1159來形成，所得到的臺面接著經受P+離子注入172.該 注入172隨後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。
基於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來製作。n型歐姆接觸層1153的暴露部分隨後如下所述被金屬 化以形成如圖6A所示的陰極端140。
接著，基於晶閘管的像素單元經受大約卯0。C或更高的快速熱退 火(RTA)以激活所有注入。然後，基於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。除此之外，AlAs層1151 (和其它高鋁百分比層)被氣 化以實現鈍化、隔離和底DBR反射鏡。
製作的下一步是澱積(優選通過剝離)金屬接觸.這些接觸形成 為三種形式. 一種是澱積在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 (優選包括n型Au合金金屬，例如 AuGe/Ni/Au ),第二種是澱積在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 個或多個基於晶閘管的像素單元的n溝道注入端電極的金屬層616(優 選包括n型Au合金金屬，例如AuGe/Ni/Au).在所示的示例性實現 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溝道注入端優選形成用於陣列的最後一個^f象素。該n溝道注入
端是陣列的輸出並且如果需要的話可以直接放大，
為了形成適於垂直光學注入諧振垂直腔的基於晶閘管的像素，優 選通過澱積一個或多個介電層對196/197 (困6B中示出一對)將頂部電介質反射鏡加到結構上.這種電介質對一般分別包括Si02和高折射 率材料，例如GaAs、 Si、或GaN.
注意，光電器件(例如，雷射器、光探測器、光調製器、光放大 器)包括進入頂接觸層1165b的n型離子注入(未示出).光學孔由 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 形成nn結，並且這些注入之間的孔限定電流可以在其中流動的區域， 並由此限定器件的光學有源區。由於電流注入的勢壘的原因，電流不 能流入n型注入區中.除此之外，為了形成適於平面內光學注入到諧 振垂直腔和/或從諧振垂直腔平面內光學發射的器件，衍射光柵(未示 出)加到如上所述的結構上，美國專利6,021,243中更詳細地描述了這 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的多層結構實現晶閘管器件(和其它光電 器件)的操作可容易地適於用圖5的多層結構實現很多種電子器件(例 如HFET電晶體、量子阱基電晶體等，以及相關的邏輯和信號處理電 路)。
圖6A-6C的基於晶閘管的像素單元適於執行包括像素建立模 式、信號積累模式、和信號傳輸模式的成像周期。
在像素建立模式中，基於晶閘管的像素單元的n型調製摻雜量子 阱界面(層1160a-1163b)失去自由電子，由此促使n型調製摻雜量 子阱界面進入深耗盡狀態。優選地，這通過對像素單元的陽極端電極 136A、 136B、…施加多相時鐘方案以類似於下面描述的信號傳輸模式 的方式來完成。這些操作通過其間的像素間傳輸區的n型調製摻雜量 子阱界面(層1160a-1163c)在像素單元之間傳輸電荷。接觸最後一 個像素的n型調製摻雜量子阱界面(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於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 路優選耦接到基於晶閘管的像素單元的公共陰極端電極140上並使該 公共陰極端電極140保持高阻抗狀態(即，換句話說該陰極端電極浮 置)，以便由此停止信號積累.
在信號積累模式中，在基於晶閘管的像素單元的P型調製摻雜量 子阱界面(層1155c-1158)內吸收入射輻射.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型調製摻雜層內並對p型量子阱界面勢壘產生正向偏壓Avb，其結果產生如圖3B所示的 電流Inb。該電流Inb經過P型QW勢壘流向n型調製摻雜量子阱界面。 該電流引起電荷Qn積累在n型調製摻雜量子阱界面內.該積累電荷Qn 代表在信號積累模式的時間周期(有時稱為"積累時間周期")內在 給定的像素單元處所接收的輻射的強度。優選地，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導通，如困4B的電勢圖所示。
在信號傳輸模式中，在前面信號積累模式期間積累到n型調製摻 雜量子阱界面內的電荷Qn從基於晶閘管的像素單元中讀出。優選地， 這通過對像素單元的陽極端電極136A、 136B、…施加多相時鐘方案來 完成，其通過n型調製摻雜量子阱界面從像素單元中時鐘輸出電荷. 在CCD型應用中，從基於晶閘管的像素單元A中時鐘輸出的電荷利用 其間的像素間傳輸區622的n型調製摻雜量子阱界面(層1160a-1163c)作為電荷傳輸路徑被時鐘輸入到相鄰的基於晶閘管的像素單元 B中。這些操作通過CCD型陣列的各像素單元重複進行。接觸最後一
個基於晶閘管的像素單元的n型調製摻雜量子阱界面的n溝道注入接 觸是CCD成像陣列的輸出，並且如果需要的話可被直接放大.在信號
傳輸模式結束時，成像周期結束並且操作繼續進行下一成像周期的像
素建立模式。
如上所述，CCD技術領域中公知的很多種多相時鐘控制方案(例 如4相、3相、偽2相、真2相和虛擬相位時鐘控制方案)可以用於在 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相時鐘控制方案中，大約O伏的電壓電平可以 施加到給定的基於晶閘管的像素單元(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基於晶閘管的像素單 元(例如像素單元B)的陽極端電極，以便由此利用n型調製摻雜量 子阱界面作為電荷傳輸路徑將所存儲的電荷從給定的像素單元中轉移出並轉移到下一個像素單元中。這種1相時鐘控制方案依賴於如上所
述並在圖6B中示出的像素單元的n型調製摻雜量子阱界面內的注入區 191和電壓控制勢壘區192之間的電勢差，在該結構中，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 累到基於晶閘管的像素單元A中，如圖6C中標註"電荷積累"的電勢 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.在該偏壓狀態下，勢壘區192-A和192-B充當電 荷在像素單元之間流動的勢壘。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的注入區191-A傳輸到像素單元 B的注入區191-B的注入區，如圖6C中標註"電荷傳輸"的電勢輪廓 所示。在該偏壓狀態下，由勢壘區192-B提供的電勢勢壘被消除(或 大大降低)，因此電荷通過其間的n型調製摻雜量子阱界面從像素單 元A的注入區191-A自由地流到注入區191-B的注入區，這些電荷傳 輸操作通過CCD型陣列的各像素單元重複進行，以將積累在基於晶閘 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電壓差施 加到n型離子注入像素間傳輸區622上，該傳輸區622設置在像素臺 面之間，如圖6A和6B1所示。優選地，電晶體的長度(即，像素臺面 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 通過選擇適當的電阻器長度來獲得)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622的n+注入170來獲得)來將漂移 電流最大化。
在信號傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極140的電子 快門電路使信號積累停止。優選地，這通過使像素單元的陰極端電極 偏置以便從基於晶閘管的像素單元的陰極端到n型量子阱界面(層 1160a-層1163b)不發生導通來完成。在信號傳輸模式期間，優選地， 基於晶閘管的像素單元的p型調製摻雜量子阱界面(層1155c-1158) 失去自由空穴，由此促使p型調製摻雜量子阱界面進入深耗盡狀態. 優選地，這通過對像素單元的p溝道注入端139施加負時鐘脈衝以便如圖4C所示p型調製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的電勢保持在恆定電平並對像素單 元的陰極端電極140施加正電壓脈衝以便p型調製摻雜量子阱界面失 去空穴來完成。
如上所述的基於晶閘管的像素單元可用於多種成像陣列中。例 如，圖7A示出全幀型成像陣列，其中基於晶閘管的像素單元設置成 CCD型元件列。每列中的最後一個像素/CCD耦接到水平CCD移位寄 存器上。在該結構中，存儲在像素/CCD元件中的電荷垂直地傳輸到水 平CCD移位寄存器以從該處輸出.
圖7B示出線間型成像陣列，其中基於晶閘管的像素單元設置成 列。給定列的像素電耦接到CCD寄存器以形成垂直像素陣列.每個垂 直像素陣列的最後一個CCD寄存器耦接到水平CCD移位寄存器上。 在該結構中，存儲在給定垂直像素陣列的像素單元中的電荷傳輸到相 應的CCD寄存器.存儲在CCD寄存器中的電荷接著傳輸到水平CCD
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於以上相對於圖6A-6C所 描述的那些的基於晶閘管的CCD元件來實現，這些CCD元件適於執 行這裡所描述的CCD型電荷傳輸操作.這些元件不執行成像操作。因 此，可以省略公共p溝道注入端139和公共陰極端140.
現在轉到圖8A-8C，基於晶閘管的像素單元還可以用於有源像素 型成像陣列中。如圖8A所示，基於晶閘管的像素單元801與傳輸柵極 803 —起工作。基於晶閘管的像素單元801由圖5的多層結構以上述方 式實現。傳輸柵極803由圖5的多層結構以類似於以上相對於基於晶 閘管的像素單元所描述的方式實現；然而，金屬層610被構圖以基本 覆蓋形成傳輸柵極803的臺面，如所示.除此之外，省略了閣值調節 注入171以便傳輸柵極803在常斷條件下工作。基於晶閘管的像素單 元801適於執行包括如下所述的像素建立模式、信號積累模式、和信 號傳輸模式的成像周期。
在像素建立模式中，基於晶閘管的像素單元801的n型調製摻雜 量子阱界面(層1160a-1163b)失去自由電子，由此促使n型調製摻 雜量子阱界面進入深耗盡狀態.優選地，這通過對像素單元的陽極端下面描述的信號傳輸模式的方式來完成。這些操作將電荷從像素單元
傳輸到傳輸柵極803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於晶閘管的像素單元中讀出的電荷的電路 上。根據圖4A的電勢圖所描述的該操作使基於晶閘管的像素單元801
的n型調製摻雜量子阱界面進入不穩定的耗盡狀態(沒有電子)，該 狀態將在信號積累模式期間通過熱處理最終轉變到電子的穩定狀態。 在像素建立模式的初始化操作期間，電子快門控制電路優選耦接到基 於晶閘管的像素單元的陰極端電極140上並使該陰極端電極140保持 高阻抗狀態(即，換句話說該陰極端電極浮置)，以便由此停止信號 積累。
在信號積累模式中，在基於晶閘管的像素單元801的p型調製摻 雜量子阱界面(層1155c-1158)內吸收入射輻射.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型調製摻雜層內並 對p型量子阱勢壘產生正向偏壓Avb，其結果產生如圖3B所示的電流 Inb。該電流U經過p型QW勢壘流向基於晶閘管的像素單元801的n 型調製摻雜量子阱界面，該電流引起電荷Qn積累在n型調製摻雜量子 阱界面內.該積累電荷Qn代表在信號積累模式的時間周期(有時稱為
"積累時間周期")內在像素單元處所接收的輻射的強度。優選地， 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導通，如圖4B的電勢圖所示。
在信號傳輸模式中，在前面信號積累模式期間積累到n型調製摻 雜量子阱界面內的電荷Qn從基於晶閘管的像素單元801中讀出.優選 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勢 壘大大降低，如圖8B中標註"電荷傳輸"的電勢輪廓所示。存儲在像 素單元801的存儲區中的電荷流過傳輸柵極803的n型調製摻雜量子 阱界面並通過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型調製摻雜量子阱界面。
在信號傳輸模式期間，耦接到像素單元的陰極端電極的電子快門電路使信號積累停止。優選地，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於晶閈管的像素單元的n型量子阱界面(層1160a -層1163b)不發生導通來完成.在信號傳輸模式期間，優選地，基於 晶閈管的像素單元801的p型調製摻雜量子阱界面(層1155c-1158) 失去自由空穴，由此促使p型調製摻雜量子阱界面進入深耗盡狀態。 優選地，這通過對《象素單元801的p溝道注入端139施加負時鐘脈衝 以便如圖4C所示p型調製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的電勢保持在恆定電平並對像 素單元的陰極端電極140施加正電壓脈衝以便p型調製摻雜量子阱界 面失去空穴來完成。
基於晶閘管的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—般設置為如圖8C所示的線性陣列。每個像素的 傳輸柵極803的輸出電極142電耦接到相應的輸出放大器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。在該結構 中，存儲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)到相應的輸出放大器807以通過公共輸出線809提供到S/H 緩衝器811和讀出電路813，如所示，
在上述示例性實施例中，每個像素單元的諧振腔的垂直尺寸對應 於所需的電磁能量波長，該電磁能量在器件的部分圖像感測操作中將 被吸收.在替換實施例中，像素單元的諧振腔的垂直尺寸可以對應於 不同的電磁能量波長來變化.例如， 一些像素單元可以對應於處於短 波紅外區(SWIR; l-3_m)、中波紅外區(MWIR; 3-5 一m)、長波 紅外區(LWIR; 8-12—m)、以及甚長波紅外區(VLWIR; >12—m) 中的一個中的第一波長，而其它像素單元對應於處於這些區域中的另 一個中的第二波長。這可以通過使用形成在頂部和底部反射鏡之間的 限定腔的一個或多個隔離層的負外延(subtractive epitaxy)來完成， 這在2003年7月25日提交的美國申請No.10/627，043中有闡述，在此 引入其全文作為參考。在該結構中，像素單元將擇優吸收光謙的特定 部分。這種能力能夠實現多光譜成像.這種多光譜響應還可以集成在 像素單元本身中.例如，假設量子阱結構的光謙響應足夠寬(這可以 通過調節這種結構的量子阱的寬度來完成)，那麼像素單元可以分成 多個部分(例如，每行3個、並排、交錯排列等等)來執行成像，由此^f象素的這些部分對應於不同的波長。
還要注意，通過子帶間吸收探測長波紅外(LWIR)區的能量需要 入射能量沿電場與像素單元的量子阱垂直的方向傳播。這種限制源於 量子選擇規則.實際上，由於多種因素這種限制並不令人滿意，這些 因素包括阱內應變和高電場.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模式。這種衍射優選用在像素單元的頂 部反射鏡和有源器件結構之間引入的笫二級衍射光柵來完成.在該結 構中，光柵的間距優選等於所需材料中的波長.不需要閃光。LW1R 能量可以沿兩個方向同等地傳播。該光柵與垂直腔一致地起作用，諧 振腔僅僅引起所關心的預期波長諧振。諧振LWIR能量的每次通過光 柵都將LWIR能量衍射成平面內模式(其平行於像素單元的表面和量 子阱)。該模式在像素單元的有源結構中來回諧振並被吸收.如果量 子選擇規則禁止吸收，則這些修改將增強像素單元的吸收.
在替換實施例中，基於晶閘管的像素結構及相應的操作方法可用 於探測THz輻射.在該結構中，不需要諧振腔，由此省略了頂部和底 部反射鏡。代替地，適於接收所需的THZ光謙的一個或多個天線元件 可操作地通過相應的p溝道注入端耦接到基於晶閘管的探測器的p型 調製摻雜量子阱界面。在國際申請No. PCT/US03/13183中闡述了示例 性的基於晶閘管的THz探測器的細節，其全文在上面被引入作為參 考。優選地，這種基於晶閘管的THz探測器在每個成像周期的信號傳 輸模式期間工作以使該基於晶閘管的THz探測器的p型調製摻雜量子 阱界面(層1155c-1158)失去自由空穴，由此促使p型調製摻雜量子 阱界面進入深耗盡狀態.優選地，這通過使基於晶閘管的探測器的陰 極端電極偏置以便從基於晶閘管的探測器的陰極端到n型量子阱界面 不發生導通以及對基於晶閘管的探測器的p溝道注入端施加負時鐘脈 衝以便p型調製摻雜量子阱界面失去空穴來完成.或者，這可通過使 基於晶閘管的探測器的P溝道注入端的電勢保持在恆定電平並對基於 晶閘管的探測器的陰極端電極施加正電壓脈衝以便P型調製摻雜量子 阱界面失去空穴來完成，
這裡已經描述並示出基於晶閘管的成像陣列、基於晶閘管的CCD 元件和基於晶閘管的探測器的多個實施例，雖然已經描述了本發明的 具體實施例，但並不意味著本發明局限於此，而是意指本發明範圍應當與本領域允許的一樣寬並且說明書應當同樣理解。由此，儘管已經 公開了具體的材料、製造工藝、電路元件、和電路結構，但是應當理 解其它的也可以使用，除此之外，雖然已經公開了具體的器件結構， 但是應當認識到其它的也可以使用。因此，本領域的技術人員應當認 識到，在不脫離所要求的本發明的精神和範圍的情況下可以對所提供 的發明進行另外的修改。
權利要求
1. 一種成像器件，包括多個像素單元，每個像素單元包括形成在襯底上的諧振腔內並彼此隔開的互補型第一類型和第二類型調製摻雜量子阱界面，其中預定波長範圍內的電磁輻射在所述像素單元處被接收並注入到所述諧振腔內，由此產生積累到所述像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面內的電荷。
2. 根據權利要求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製摻雜量子阱界面內的電 荷的量與在所述像素單元處接收的預定波長範圍內的電磁輻射的功率 成比例。
3. 根據權利要求l的成像器件，其中預定波長範圍內的電磁輻射提高了在所述第一類型調製摻雜量子 阱界面處的二維電子氣的電子溫度，由此產生因通過由所述第"類型 調製摻雜量子阱界面提供的電勢勢壘的熱電子發射所得到的電流，其 中所述電流引起電荷在所述第二類型調製摻雜量子阱界面內積累。
4. 根據權利要求3的成像器件，其中所述電流與在像素單元處接收的預定波長範圍內的電磁輻射的功 率成比例。
5. 根據權利要求l的成像器件，其中所述第一類型調製摻雜量子阱界面和所述第二類型調製摻雜量子 阱界面在垂直尺度上彼此隔開。
6. 根據權利要求l的成像器件，其中 每個像素單元適於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製摻雜量 子阱界面失去電荷；ii) 信號積累模式，由此電荷通過積累時間周期而積累在所述第二 類型調製摻雜量子阱界面內；以及iii) 信號傳輸模式，由此電荷從所述第二類型調製摻雜量子阱界面 讀出。
7. 根據權利要求6的成像器件，其中每個像素單元適於執行一成像周期序列，每個周期包括所述像素建立模式、所述信號積累模式、以及所述信號傳輸模式。
8. 根據權利要求6的成像器件，其中在所述信號傳輸模式期間所述第一類型調製摻雜量子阱界面失去 自由電荷。
9. 根據權利要求6的成像器件，其中在所述信號傳輸模式中電荷在像素單元之間傳輸以便由此實現 CCD型成像陣列。
10. 根據權利要求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製摻雜界面限定的路徑在 4象素單元之間傳輸.
11. 根據權利要求10的成像器件，其中像素單元之間的所述第二類型調製摻雜界面摻雜了施主離子以增加栽流子密度。
12. 根據權利要求10的成像器件，其中對於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 類型調製摻雜界面的長度。
13. 根據權利要求l的成像器件，其中每個像素單元包括設置在所述第一類型調製摻雜量子阱界面和所 述第二類型調製摻雜量子阱界面之間的未摻雜的隔離層。
14. 根據權利要求13的成像器件，其中每個像素單元包括與所述第一類型調製摻雜量子阱界面電接觸的至少一個第一類型 離子注入，和與所述第二類型調製摻雜量子醉界面電接觸的第二類型離子注入。
15. 根據權利要求14的成像器件，其中 每個像素單元包括由澱積在所述至少一個第一類型離子注入上的金屬層形成的至少 一個第一溝道注入端，和由澱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. 根據權利要求15的成像器件，其中每個像素單元包括以這樣的方式形成的陽極和陰極，即所述第一類型調製摻雜量子 阱界面和所述第二類型調製摻雜量子阱界面設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於 晶閘管的^f象素單元。
17. 根據權利要求16的成像器件，進一步包括 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製摻雜量子阱界面失去自由電荷。
18. 根據權利要求16的成像器件，其中每個像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面包括電勢勢壘 部分和電荷存儲部分，所述電荷存儲部分通過閾值調節離子注入形成 在其中，所述電勢勢壘部分設置在所述陽極端下面並提供電壓控制電 勢勢壘。
19. 根據權利要求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所述陽極端施加時鐘脈 衝以利用由所述像素單元的所述電勢勢壘部分提供的所述電勢勢壘的 電壓控制調節在相鄰像素單元之間傳輸電荷。
20. 根據權利要求16的成像器件，進一步包括在信號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，該電路在所述信號傳輸模式中使所述給定像素單元的所述笫一類 型調製摻雜量子阱界面失去自由電荷。
21. 根據權利要求16的成像器件，進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，該電子快端置於高阻抗狀態.
22. 根據權利要求21的成像器件，其中在信號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 極端耦接到負栽元件，由此電荷積累在給定像素單元的所述第二類型 調製摻雜量子阱界面內。
23. 根據權利要求21的成像器件，其中在下述中的至少一個期間所述電子快門電路將給定像素單元的所 述陰極端置於高阻抗狀態像素建立模式，由此給定像素單元的所述第二類型調製摻雜量子 阱界面失去電荷，和信號傳輸模式，由此電荷從給定像素單元的所述第二類型調製摻 雜量子阱界面讀出.
24. 根據權利要求l的成像器件，其中 所述多個像素單元是全幀型成像陣列的一部分。
25. 根據權利要求l的成像器件，其中所述多個像素單元是線間型成像陣列的一部分.
26. 根據權利要求l的成像器件，其中所述多個像素單元是有源像素型成像陣列的一部分.
27. —種產生所接收的預定波長範圍內的電磁輻射的圖像的方 法，包括提供多個像素單元，每個像素單元包括形成在襯底上的諧振腔內 並彼此隔開的互補型第一類型和第二類型調製摻雜量子阱界面，其中 預定波長範圍內的電磁輻射在所述像素單元處被接收並注入到所述諧 振腔內；使所述像素單元適於工作在信號積累模式下，由此電荷通過積累 時間周期而積累在所述像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面 內。
28. 根據權利要求27的方法，其中積累到所述像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面內的電荷的量與在所述像素單元處接收的預定波長範圍內的電磁輻射的功率成比例。
29. 根據權利要求27的方法，其中預定波長範圍內的電磁輻射提高了在所述第一類型調製摻雜量子 阱界面處的二維電子氣的電子溫度，由此產生因通過由所述第一類型 調製摻雜量子阱界面提供的電勢勢壘的熱電子發射所得到的電流，其 中所述電流引起電荷在所述第二類型調製摻雜量子阱界面內積累.
30. 根據權利要求29的方法，其中所述電流與在像素單元處接收的預定波長範圍內的電磁輻射的功 率成比例。
31. 根據權利要求27的方法，其中所述第一類型調製摻雜量子阱界面和所述第二類型調製摻雜量子 阱界面在垂直尺度上彼此隔開.
32. 根據權利要求27的方法，其中每個像素單元適於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製摻雜量 子阱界面失去電荷；和ii) 信號傳輸模式，由此電荷從所述笫二類型調製摻雜量子阱界面 讀出。
33. 根據權利要求32的方法，其中每個像素單元適於執行一成像周期序列，每個周期包括所述像素 建立模式、所述信號積累模式、以及所述信號傳輸模式。
34. 根據權利要求32的方法，其中在所述信號傳輸模式期間所述第一類型調製摻雜量子阱界面失去 自由電荷，
35. 根據權利要求32的方法，其中在所述信號傳輸模式中電荷在像素單元之間傳輸以便由此執行 CCD型成像操作，
36. 根據權利要求35的方法，其中電荷通過由像素單元之間的第二類型調製摻雜界面限定的路徑在 像素單元之間傳輸。
37. 根據權利要求36的方法，其中像素單元之間的所述笫二類型調製摻雜界面摻雜了施主離子以增 加載流子密度.
38. 根據權利要求36的方法，其中對於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 類型調製摻雜界面的長度。
39. 根據權利要求27的方法，其中每個像素單元包括設置在所述第一類型調製摻雜量子阱界面和所 述第二類型調製摻雜量子阱界面之間的未摻雜的隔離層.
40. 根據權利要求39的方法，其中 每個像素單元包括與所述第一類型調製摻雜量子阱界面電接觸的至少一個第一類型 離子注入，和與所述第二類型調製摻雜量子阱界面電接觸的第二類型離子注入。
41. 根據權利要求40的方法，其中 每個像素單元包括由澱積在所述至少一個第一類型離子注入上的金屬層形成的至少 一個第一溝道注入端，和由澱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. 根據權利要求41的方法，其中 每個像素單元包括以這樣的方式形成的陽極和陰極，即所述第一類型調製摻雜量子 醉界面和所述第二類型調製摻雜量子阱界面設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於晶閘管的像素單元。
43. 根據權利要求42的方法，進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製摻雜量子阱界面失去自由電荷。
44. 根據權利要求42的方法，其中每個像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面包括電勢勢壘 部分和電荷存儲部分，所述電荷存儲部分通過閾值調節離子注入形成 在其中，所述電勢勢壘部分設置在所述陽極端下面並提供電壓控制電 勢勢壘。
45. 根據權利要求44的方法，進一步包括對所述陽極端施加時鐘脈衝以利用由所述像素單元的所述電勢勢 壘部分提供的所述電勢勢壘的電壓控制調節在相鄰像素單元之間傳輸 電荷。
46. 根據權利要求42的方法，進一步包括在信號傳輸模式中使所述給定像素單元的所述第一類型調製摻雜 量子阱界面失去自由電荷.
47. 根據權利要求42的方法，進一步包括在信號積累模式期間選擇性地將所述陰極端耦接到負栽元件，由 此電荷積累在給定像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面內。
48. 根據權利要求42的方法，進一步包括在下述中的至少一個期間將給定像素單元的所述陰極端置於高阻 抗狀態像素建立模式，由此給定像素單元的所述第二類型調製摻雜量子 阱界面失去電荷，和信號傳輸模式，由此電荷從給定像素單元的所述第二類型調製摻雜量子阱界面讀出。
49. 根據權利要求27的方法，其中所述多個像素單元是全幀型成像陣列的一部分。
50. 根據權利要求27的方法，其中所述多個像素單元是線間型成像陣列的一部分.
51. 根據權利要求27的方法，其中 所述多個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(及相應的操作方法)包括設置在形成在襯底上的諧振腔內的基於異質結晶閘管的多個像素單元。每個基於晶閘管的像素單元包括彼此隔開的互補型n型和p型調製摻雜量子阱界面。預定波長範圍內的入射輻射在給定像素單元的腔內諧振以在其中吸收，該吸收引起電荷積累。積累電荷與入射輻射的強度有關。基於異質結晶閘管的像素單元適於多種成像應用，包括基於CCD的成像陣列和有源像素成像陣列。
文檔編號H01L27/146GK101421849SQ200480030871
公開日2009年4月29日 申請日期2004年10月20日 優先權日2003年10月20日
發明者G·W·泰勒 申請人:康乃狄克大學;歐寶公司