DD151242A1 - SEMICONDUCTOR BARRIER DETECTOR - Google Patents
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Abstract
Bei einem Halbleiter-Sperrschicht-Detektor zum Nachweiss von Elektronenstrahlen sollen die Nachweisgenauigkeit, die Nachweisempfindlichkeit und die Grenzfrequenz erhoeht werden. Aus diesem Grunde soll fuer den Energiebereich der Elektronenstrahltechnik bei konstanter Spannung und moeglichst hoher Nachweisempfindlichkeit eine hohe Grenzfrequenz und ein verbessertes Signal-Rauschverhaeltnis bezueglich der Nachfolgeelektronik geschaffen werden. Erfindungsgemaess wird fuer diesen niederenergetischen Bereich der Elektronen ein hochohmiges Basismaterial derart dotiert, dass an seiner Oberflaeche zu Sperrschicht eine duenne niederohmige Schicht entsteht.In a semiconductor barrier detector for detecting electron beams, the detection accuracy, the detection sensitivity and the cut-off frequency are to be increased. For this reason, a high cutoff frequency and an improved signal-to-noise ratio with respect to the following electronics are to be created for the energy range of electron beam technology at constant voltage and as high as possible detection sensitivity. According to the invention, a high-resistance base material is doped for this low-energy region of the electrons in such a way that a thin, low-resistance layer is formed on its surface to barrier layer.
Description
-ι- 2 2 15 0 62 2 15 0 6
Titel: Halbleiter-Sperrschicht-Detektor Anwendungsgebiet der Erfindung: Title: Semiconductor Barrier Detector Field of the Invention:
Die Erfindung betrifft einen Hal^bleiter-Sperrschicht-Detektor zum Nachweis ν on Elektronen, insbesondere für den Einsatz in der Elektronenstrahl·!;echnik, der eine Halbleiterstruktur mit einer aus einem pn- bzw. Metall/ Halbleiter-Übergang bestehenden Sperrschicht und mit einem hochohmigen Basishalbleitermaterial besitzt.The invention relates to a semiconductor barrier detector for the detection of electrons, in particular for use in electron beam technology, which has a semiconductor structure with a barrier layer consisting of a pn or metal / semiconductor junction and with a owns high-impedance base semiconductor material.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Characteristic of the known technical solutions:
Als Vorrichtung zum Nachweis rückgestreuter Elektronen im Energiebereich ^ 50 keV werden in der Elektronenstrahl echnik Halbleiterdetektoren eingesetzt.As a device for detecting backscattered electrons in the energy range ^ 50 keV semiconductor detectors are used in the electron beam technology.
Bei üen in der Elektronenstrahlechnik üblichen Strahlströmen ist zur Realisierung eines günstigen Signal-Rausch-Verhältnisses des registrierten Signals eine relativ große strahlungsempfindliche Nachweisfläche des Detektors ( ca. 1 c/j erforderlich (z.B. Ortec technical Dateli:3ilicon Surface-Barrier and Ion-implanted Detectors f or charged particles'';.In ueen customary in Elektronenstrahlechnik beam currents for realizing a low signal-to-noise ratio of the registered signal, a relatively large radiation-sensitive detection surface of the detector (approximately 1 c / j required (eg Ortec technical Date li: 3ilicon Surface-Barrier and ion-implanted Detectors for charged particles '';
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Außerdem muß wegen der geringen Eindringtiefe der Strahlung die Totschichtdicke der Detektoren klein sein.In addition, the dead layer thickness of the detectors must be small because of the low penetration depth of the radiation.
Bekannte Vorrichtungen zum Nachweis niederenergetischer Elektronen verwenden als Basismaterial Silizium mit einem spezifischen Widerstand j> = 5k0hm.cm. Diese Vorrichtungen haben geringe Totschichtdicken des Einschußfensters f ür die Elektronenstrahlung und realisieren dadurch eine große El ektronennacJtiwe is empfindlichkeit (z.B. USA-Konferenz RMA Chicago 1975). Bedingt durch ihren niedrigen Basiswiderstand haben diese Vorrichtungen eine relativ große Kapazität C der Baumladungszone.Known devices for the detection of low-energy electrons use as a base material silicon with a resistivity j> = 5k0hm.cm. These devices have low dead-band thicknesses of the electron beam shot-in window, thereby realizing high electron e ciency sensitivity (e.g., US Conference RMA Chicago 1975). Due to their low base resistance, these devices have a relatively large capacity C of the tree-loading zone.
Weil der Frequenzgang dieser Halbleiterdetektorvorrichtung durch das RC-Glied bestimmt wird, der Arbeitswiderstand R aus Gründen des Signal-Rausch-Verhältnisse a einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf, die Nachweisfläche der Detektoren aus den gleichen Gründen relativ groß sein muß, können die bekannten Vorrichtungen nur geringe obere Grenzfrequenzen realisieren (z.B. Electron and Ion beam Science and Techn. 1978).Since the frequency response of this semiconductor detection device is determined by the RC element, the working resistance R must not fall below a certain value for reasons of signal-to-noise ratios a, the detection surface of the detectors must be relatively large for the same reasons, the known devices can only realize low upper limit frequencies (eg Electron and Ion Beam Science and Techn. 1978).
Es ist bekannt, daß die Kapazität der Raumladungszone bei steigendem Widerstand des Basismaterials abnimmt und deshalb hochohmige Detektoren höhere Grenzfrequenzen realisieren können. Doch weisen sie auf Grund ihrer Detektorstruktur größere Totschichten des Einschußfensters auf. Damit verschiebt sich die Nachweisgrenze für Elektronen nach höheren Energien bzw. die Vorabsorption in der Totschicht bewirkt für die hoch energetischen Elektronen wesentlich geringere Nachweisempfindlichkeit gegenüber Vorrichtungen mit geringerem spezifischem Widerstand. Verbunden damit ist ein weiterer nachteiliger Effekt, indem sich der Strom durch die Halbleiterstruk-It is known that the capacity of the space charge zone decreases with increasing resistance of the base material and therefore high-impedance detectors can realize higher cutoff frequencies. However, due to their detector structure, they have larger dead layers of the injection window. Thus, the detection limit for electrons shifts to higher energies and the pre-absorption in the dead layer causes the high-energy electrons significantly lower detection sensitivity compared to devices with lower resistivity. Connected with this is another disadvantageous effect, in that the current through the semiconductor structure
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tür sowie das Eigenrauschen erhöhen (z.B. Nucl.Instr. and Methods Bd. 12). Deshalb 3ird hochohmige Detektoren für den Einsatz in der Elektronenstrahlechnik im o.g. Energiebereich nicht geeignet.door and self-noise (e.g., Nucl. In., and Methods, Vol. Therefore 3ird high-impedance detectors for use in electron beam technology in o.g. Energy range not suitable.
Die Kapazität der Raumladungszone ist zwar nicht nur von der Strukturgröße, sondern auch von einer an die Vorrichtung angelegten Sperrspannung abhängig, doch ist man in der Elektronenstrahlechnik zumindest auf eine Größenordnung dieser Spannung festgelegt. Außerdem. erhöht eine angelegte Sperrspannung den Strom durch die Halbleiterstruktur und damit das Eigenrauschen. Deshalb wird bei den meisten bekannten Vorrichtungen auf das Anlegen einer Sperrspannung verzichtet bzw. diesel 10V gehalten (z.B. Thornton: Scanning electron microscopy, London 1974, S.191 oder USA-Konferenz EMA Chicago 1975)· Es ist bekannt, daß durch eine die nachweisempfindliche Fläche des Detektors umgebende Schutzdiode der Strom durch die Struktur gesenkt werden kann (z.B. Nucl.Instr. and Methods Bd. 159;·Although the capacitance of the space charge zone depends not only on the structure size but also on a blocking voltage applied to the device, electron beam technology sets at least an order of magnitude of this voltage. Also. An applied reverse voltage increases the current through the semiconductor structure and thus the inherent noise. Therefore, in the case of most known devices, the application of a blocking voltage is dispensed with or kept at 10V (eg Thornton: Scanning electron microscopy, London 1974, p.191 or United States Conference EMA Chicago 1975). It is known that the detection sensitive Protective diode surrounding the surface of the detector, the current through the structure can be lowered (eg Nucl.Instr and Methods Bd 159;
Ziel cfe-T Erfindung:Goal cfe-T invention:
Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Nachweisgenauigkeit und Empfindlichkeit sowie die universellere Anwendbarkeit des Detektors, insbesondere für höhere Frequenzen.The aim of the invention is to increase the accuracy of detection and sensitivity and the universal applicability of the detector, especially for higher frequencies.
des Wesens der Erfindung:the essence of the invention:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfache Weise einen Halbleiter-Detektor·.; für den Einsatz in der Elektronens.trahltechnik zu schaffen, der bei konstanter Spannung trotz möglichst hoher Nachweisempfindlichkeit eine höhere Grenzfrequenz und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis des Detektorsignals in bezug auf die Nachfolgeelektronik realisiert. Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiter-Sperrschicht-The invention is based on the object in the simplest possible way a semiconductor detector ·.; for use in the Elektronens.trahltechnik to create at constant voltage despite the highest possible detection sensitivity, a higher cutoff frequency and an improved signal-to-noise ratio of the detector signal with respect to the subsequent electronics. This task is used in a semiconductor junction
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Detektor zum Nachweis von Elektronen, insbesondere für den Einsatz in der Elektronenstrahltechnik, der eine Halbleiterstruktur mit einer aus einem pn- bzw. Metall/ Halbleiter-Übergang bestehenden Sperrschicht und mit einem Basishalbleitermaterial besitzt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Basishalbleitermaterial hochohmig ist und in einer dünnen an die Sperrschicht grenzenden Schicht eine höhere Dotantenkonzentration enthält,1 daß die Dicke der Schicht kleiner oder gleich der maxima-Detector for detecting electrons, in particular for use in electron beam technology, which has a semiconductor structure with a barrier layer consisting of a pn or metal / semiconductor junction and with a base semiconductor material, according to the invention achieved in that the base semiconductor material is high-resistance and in one thin layer adjacent to the barrier layer contains a higher dopant concentration, 1 that the thickness of the layer is less than or equal to the maximum
tO len Reichweite der auf den Detektor auftreffenden Strahlung von Elektronen im Basishalbleitermaterial ist und daß die Flächenabmessungen der Schicht kleiner oder gleich den Abmessungen der darüberliegenden Sperrschicht sind. Es ist vorteilhaft, wenn bei pn-Übergängen die Do-tO len range of incident on the detector radiation of electrons in the base semiconductor material is and that the surface dimensions of the layer are smaller than or equal to the dimensions of the overlying barrier layer. It is advantageous if, in the case of pn junctions, the
1:5 tier ungskonzent rat ion und Dicke der Schicht einer Verschiebung des pn-Übergangs zur Oberfläche entsprechen.1: 5 tierkonzent rat ion and thickness of the layer correspond to a shift of the pn junction to the surface.
Barüberhinaus ist von Vorteil, wenn mehrere strahlungsempfindliche elektrisch voneinander getrennte Detektorsegmente in einer separaten flächenhaften Schutzdiode eingebettet sind.Barüberhinaus is advantageous if several radiation-sensitive electrically separate detector segments are embedded in a separate planar protective diode.
Bei Anwendung der Erfindung wird zur Kapazitätsverringerung bewußt ein hochohmiges Basismaterial eingesetzt,was normalerweise die Totschicht dicke erhöht und mit einer Effektivitätsminderung verbunden ist. Erfindungsgemäß wird das hochohmige Basismaterial derart dotiert, daß eine dünne niederohmige Schicht der genannten Größe und Lage an der Oberfläche des Basismaterials zur Sperrschicht geschaffen wird. Der Detektor mit dieser erfindungagemäßen Halbleiterstruktur weist den nachteiligen Effekt der Erhöhung der Totschicht dicke und der Effektivitätsminderung nicht auf. Es wird somit ein Halbleiterdetektor realisiert, der auch für den Energiebereich der Elektronenstrahltechnik eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzt, eine hohe Grenzfrequenz und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis für die anzusteuernde Nachfolgeelektronik er-When using the invention, a high-resistance base material is deliberately used for capacity reduction, which normally increases the dead layer thickness and is associated with a reduction in effectiveness. According to the invention, the high-resistance base material is doped in such a way that a thin low-resistance layer of the stated size and position is provided on the surface of the base material to the barrier layer. The detector with this inventive semiconductor structure does not have the adverse effect of increasing the dead layer thickness and the effectiveness reduction. Thus, a semiconductor detector is realized which also has a high detection sensitivity for the energy range of electron beam technology, a high cutoff frequency and a good signal-to-noise ratio for the follow-on electronics to be triggered.
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möglicht. Durch die Einbettung mehrerer voneinander unabhängiger Detektorsegmente in eine gemeinsame Schutzdiode werden die Oberflächenbeiträge zum Strom und damit zum Rauschen der Detektorsegmente reduziert,. Dadurch wird, was besonders für eine hohe Grenzfrequenz bedeutsam ist, das Signal-Rausch-Verhältnis zusätzlich verbessert.made possible. By embedding several independent detector segments in a common protective diode, the surface contributions to the current and thus to the noise of the detector segments are reduced. As a result, what is particularly significant for a high cutoff frequency, the signal-to-noise ratio is further improved.
Ajisf ührungsbeispiel;Ajisf ührungsbeispiel;
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing:
Die Zeichnung zeigt einen Sperrschicht detektor in Schnittdarstellung. Dieser Sperrschichtdetektor enthält einen Basishalbleiter 1 eines Lei^tungstyps A (z.B. Lei^tungstyp n) mit einem sehr hohen spezifischen Widerstand (S -10 kOhm.cm). Der Basishalbleiter 1 ist aus einer n-Siliziumsaheibe nach an sich bekannten Verfahren (geläppt, ätzpoliert und mit Phosphor implantiert) hergestellt. An der Unterseite des Basishalbleiters 1 schließt sich eine Halbleiterschicht 5 des Lei^tungstyps A an, die einen geringen spezifischen Widerstand aufweist. Die Halbleiterschicht 5 wird an der Rückseite des Basishalbleiters 1 durch Implantation mit Phosphor bei einer Implantations-The drawing shows a junction detector in a sectional view. This barrier-type detector contains a base semiconductor 1 of a conductivity type A (eg, conduction type n) with a very high specific resistance (S- 10 kOhm.cm). The base semiconductor 1 is produced from an n-silicon wafer by methods known per se (lapped, etched and implanted with phosphorus). On the underside of the base semiconductor 1, a semiconductor layer 5 of the Lei ^ tion type A connects, which has a low resistivity. The semiconductor layer 5 is applied to the rear side of the base semiconductor 1 by implantation with phosphorus at an implantation
14 -2 energie von ca. 15 keV und einer Dosis von 1.10 cm erzeugt und mit einer Metallschicht 8 überzogen. In die Oberfläche des Basishalbleiters 1 ist eine Halbleiterschi&ht 3 eingefügt, die aus einem Halbleiter des Lei- $tungstyps B (z.B. Lei^tungstyp p) mit einem geringen spezifischen Widerstand besteht. Ander Unterseite der Halbleiterschicht 3 ist zwischen der Halbleiterschicht 3 und dem Basishalbleiter 1 eine Halbleiterschicht 2 des Lei^tungstyps A mit einem geringen spezifischen Widerstand angeordnet. Diese Struktur des Basishalbleiters 1 an der Oberfläche wird so hergestellt, indem die Halbleiter-14 -2 energy of about 15 keV and a dose of 1.10 cm generated and coated with a metal layer 8. Inserted in the surface of the base semiconductor 1 is a semiconductor layer 3 made of a semiconductor of lead type B (e.g., lead type p) having a low resistivity. On the lower surface of the semiconductor layer 3, between the semiconductor layer 3 and the base semiconductor 1, a semiconductor layer 2 of the low resistivity type A is disposed. This structure of the base semiconductor 1 at the surface is made by applying the semiconductor
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schicht 2 durch Implantation des Basishalbleiters 1 in den Oberflächenbereich bei einer ImplantationsenergieLayer 2 by implantation of the base semiconductor 1 in the surface region at an implantation energy
10-2 von 1CO keV und einer Dosis von 5.10 cm erzeugt wird Nach dem bekannten Ausheilungsprozeß wird die Oberfläehe des Basishalbleiters 1 zur Erzeugung eines pn-Übergangs mit Bor bei einer Energie von 15 keV und einer Dosis von 5·Ί0 cm~ in einem Winkel ν on 7° zur Scheibennormalen implantiert. Darüberhinaus wird auf gleiche Art und Weise, wie die Halbleiterschicht 3 hergestellt wurde, an der Oberfläche des Basishalbleiters 1 als10-2 of 1CO keV and a dose of 5.10 cm is produced. According to the known annealing process, the surface of the base semiconductor 1 is made to form a pn junction with boron at an energy of 15 keV and a dose of 5 · Ί0 cm ~ at an angle ν implanted at 7 ° to the disc normal. Moreover, in the same manner as the semiconductor layer 3 was produced, on the surface of the base semiconductor 1 as
Schutzdiode eine Halbleiterschicht 4 des Leiitungstyps . B erzeugt. Zur Kontaktierung sind die Halbleiterschicht 3 mit einer Metallschicht 6 und die Halbleiterschicht 4 mit einer Metallschicht 7 Überzogen. Enthält der im Schnitt dargestellte Sperrschichtdetektoi? mehrere pn-Übergänge (strahlungsempfindliche Segmente)5so sind diese gemeinsam von der Halbleiterschicht 4 als Schutzdiode umgeben.Protective diode, a semiconductor layer 4 of the Leiitungstyps. B generated. For contacting, the semiconductor layer 3 with a metal layer 6 and the semiconductor layer 4 with a metal layer 7 are coated. Does the barrier detection shown in the section contain? a plurality of pn junctions (radiation-sensitive segments) 5 so they are jointly surrounded by the semiconductor layer 4 as a protective diode.
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