DD233244A1 - SEMICONDUCTOR DOUBLE DIODE FOR SPECTRAL ANALYSIS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdoppeldiode zur Spektralmessung. Ziel ist die Verringerung des Aufwandes zur Spektralanalyse. Aufgabe ist es, auf moeglichst einfache Art und Weise und gut automatisierbar die spektrale Zusammensetzung der Strahlung, insbesondere ohne separate, aufwandintensive spektrale Zerlegung, zu ermitteln. Erfindungsgemaess lassen sich die Raumladungszonen der Halbleiterdoppeldiode durch Variation ihrer Sperrspannungen jeweils von den pn-Uebergaengen ueber nahezu die gesamte Substratdicke ausdehnen. Aus den Stromanteilen von Vorder- und Rueckdiode bei unterschiedlichen Sperrspannungen ist die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ermittelbar. Fig. 3The invention relates to a semiconductor double diode for spectral measurement. The goal is to reduce the effort for spectral analysis. The task is to determine the spectral composition of the radiation in the simplest possible way and with good automation, in particular without separate, costly, spectral decomposition. According to the invention, the space charge zones of the semiconductor double diode can be expanded by varying their blocking voltages in each case from the pn transitions over almost the entire substrate thickness. The spectral composition of the radiation can be determined from the current components of the front and rear diode at different blocking voltages. Fig. 3
Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdoppeldiode zur Spektralanalyse mit zwei in Strahlungseinfallsrichtung nacheinander angeordneten pn-Übergängen bzw. Sperrschichten, die eine Vorder- und eine Rückdiode bilden. Die Strahlung wird nach den Stromanteilen von Vorder- und Rückdiode bewertet bzw. kontrolliert.The invention relates to a semiconductor double diode for spectral analysis with two in the direction of radiation incidence successively arranged pn junctions or barrier layers, which form a front and a back diode. The radiation is evaluated according to the current components of the front and rear diode.
Bekannt ist z.B. (DE-OS 3217227) ein relativ aufwendiges und kompliziertes Halbleiterbauelement, das vier mit jeweils unterschiedlichen Farbfiltern ausgestattete fotoelektrische Wandler, lateral auf einem Substrat verteilt, enthält und in einer Farbfeststellungsvorrichtung eingesetzt wird.It is known e.g. (DE-OS 3217227) a relatively complex and complicated semiconductor device, the four equipped with different color filters photoelectric converter, laterally distributed on a substrate containing and is used in a color detection device.
Allgemein bekannt ist weiter (z.B. Firmenprospekt des Kombinates VEB Carl Zeiss JENA, Specord M40) die Strahlzerlegung durch Prismen, Beugungsgitter oder Filter in Wellenlängenbereiche, deren Strahlungsfluß nacheinander mittels bekannter Fotodioden ausgemessen wird. Durch diese klassische Spektralzerlegung ist zwar eine sehr genaue Spektralanalyse möglich, jedoch ist der technisch-ökonomische Aufwand immens hoch.It is also generally known (for example, company brochure of the combine VEB Carl Zeiss JENA, Specord M40), the beam separation by prisms, diffraction gratings or filters in wavelength ranges whose radiation flux is measured successively using known photodiodes. Although a very accurate spectral analysis is possible by this classical spectral decomposition, but the technical-economic effort is immensely high.
Darüber hinaus ist eine Fotodiode bekannt (DE-AS 1806624), die einen Vorder- und einen Rückkontakt mit einem zum Leitfähigkeitstyp des Substrates entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp besitzt. Diese Fotodiode ist jedoch aufgrund des Dunkelstromes nicht bzw. nur sehr bedingt zur Spektralanalyse anwendbar.In addition, a photodiode is known (DE-AS 1806624), which has a front and a back contact with a conductivity type of the substrate opposite conductivity type. However, due to the dark current, this photodiode is not or only conditionally applicable for spectral analysis.
Bekannt ist weiterhin ein Halbleiter-Farbsensor (N. Kako, et all. Sensorsand Actuators 4 [1983] S. 655-660), derbzgl. der Strahlungseinfallsrichtung zwei nacheinander angeordnete pn-Übergänge in pnp-Struktur besitzt, die eine vorder- und eine rückseitige Fotodiode bilden, wobei die Tiefe der Vorderdiode klein gegen die Tiefenausdehnung der Rückdiode ist. Aus dem Verhältnis der Fotoströme der Rück- und Vorderdiode werden Informationen über die spektrale Zusammensetzung der einfallenden Strahlung gewonnen. Diese Informationen können gegenüber der spektralen Strahlungszerlegung sehr aufwandgering gewonnen werden. Mit diesem Farbsensor ist jedoch nur die Lage des Strahlungsschwerpunktes in Bezug auf die Wellenlänge nachzuweisen. Eine Analyse der spektralen Verteilung der Strahlungsintensität ist damit nicht möglich. Diese Informationen wären dann wiederum aufwandintensiver durch die besagte klassische spektrale Zerlegung der Strahlung zu gewinnen.Also known is a semiconductor color sensor (N. Kako, et al., Sensors and Actuators 4 [1983] pp. 655-660), derbzgl. the radiation incident direction has two successively arranged pn junctions in pnp structure forming a front and a back photodiode, wherein the depth of the front diode is small compared to the depth dimension of the back diode. Information about the spectral composition of the incident radiation is obtained from the ratio of the photocurrents of the back and front diode. This information can be obtained very costly compared to the spectral radiation decomposition. With this color sensor, however, only the position of the radiation center with respect to the wavelength is to be detected. An analysis of the spectral distribution of the radiation intensity is thus not possible. In turn, this information would then be more expensive to obtain by the said classical spectral decomposition of the radiation.
Ziel der Erfindung ist die entscheidende Verringerung des technisch-ökonomischen Aufwandes sowie eine wesentliche Analysezeiteinsparung. The aim of the invention is the decisive reduction of the technical-economic effort and a substantial analysis time savings.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfache Art und Weise und gut automatisierbar bei der Spektralanalyse nicht nur den Schwerpunkt des Strahlungsspektrums, sondern auch dessen spektrale Zusammensetzung, insbesondere ohne separate aufwandintensive spektrale Zerlegung, zu erhalten.The object of the invention is to obtain not only the center of gravity of the radiation spectrum, but also its spectral composition, in the simplest possible manner and with good automation in the spectral analysis, in particular without a separate expenditure-intensive spectral decomposition.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Halbleiter-Doppeldiode zur Spektralanalyse mit zwei in Strahlungseinfallsrichtung nacheinander angeordneten pn-Übergängen bzw. Sperrschichten, die eine Vorder- und eine Rückdiode bilden, wobei die Vorderdiode der Strahlungsquelle zugekehrt ist, dadurch gelöst, daß beidseitig auf oder in ein Substrat des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Ladungsträgerkonzentration < 1015cm~3 je eine Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Ladungsträgerkonzentration (> 1017ατΓ3) auf- bzw. eingebracht sind, die mit jeweils einer zum Substrat einstellbaren elektrischen Potentialdifferenz beaufschlagt sind.According to the invention this object is achieved with a semiconductor double diode for spectral analysis with two successive arranged in the direction of radiation incidence pn junctions or barrier layers, which form a front and a back diode, wherein the front diode of the radiation source is facing, achieved in that on both sides or in a Substrate of the first conductivity type with a carrier concentration <10 15 cm ~ 3 per a layer of the second conductivity type with a carrier concentration (> 10 17 ατΓ 3 ) are applied or introduced, which are each subjected to an adjustable to the substrate electrical potential difference.
Es ist vorteilhaft, wenn die beiden Schichten hoher Ladungsträgerkonzentration gleichartig oder unterschiedlich aus ein oder zwei hochdotierten Schichten, aus ein oder zwei Inversionsschichten bzw. aus ein oder zwei Oberflächenbarrieren bestehen. Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn zumindest im Bereich der Vorderdiode, der klein gegenüber der Dicke des Substrates ist, die Ladungsträgerkonzentration des Substrates erhöht ist, vorzugsweise hervorgerufen durch Implantation relativ geringer lonendosen (< 1013cnrT2) mit bis zu relativ hohen Energien z. B. Bor: > 50 keV; Phosphor: > 100 keV), und daß damit das SubstratIt is advantageous if the two layers of high carrier concentration consist identically or differently of one or two highly doped layers, of one or two inversion layers or of one or two surface barriers. It is also advantageous if, at least in the region of the front diode, which is small compared to the thickness of the substrate, the charge carrier concentration of the substrate is increased, preferably caused by implantation of relatively low ion doses (<10 13 cnrT 2 ) with up to relatively high energies z , B. boron:> 50 keV; Phosphorus:> 100 keV), and thus with the substrate
nen Ladungsträgerdichteübergang (p+p- bzw. n+n-Übergang) aufweist. Von Vorteil ist darüber hinaus, wenn die idungsträgerkonzentration des Substratbereiches mit erhöhter Ladungsträgerkonzentration des Substrates jeweils in Richtung r Substratmitte konstant oder stetig abfallend bzw. ansteigend bis zur projezierten Reichweite der höchsten lplantationsenergie ist.has a charge carrier density transition (p + p or n + n junction). It is also advantageous if the carrier concentration of the substrate region with increased carrier concentration of the substrate in each case in the direction of the center of the substrate is constant or steadily decreasing or rising to the projected range of the highest implantation energy.
jrteilhaft ist weiterhin, wenn die sich beidseitig nahezu ganzflächig in oder auf dem Substrat befindlichen Schichten des zeiten Leitfähigkeitstyps jeweils von einem die jeweils empfindlichen Mittelgebiete der Schichten umschließenden und !grenzenden sowie einen niederohmigen Kontakt zum Substrat herstellenden an sich bekannten Kontaktrahmen des ersten litfähigkeitstyps durchbrochen sind.It is also advantageous if the layers of the time conductivity type which are located almost on the entire surface in or on the substrate are in each case interrupted by a contact frame of the first type which is known per se and produces a low-resistance contact with the substrate which produces the sensitive middle regions of the layers.
jrch die erfindungsgemäße Doppeldiodenstruktur und durch die an diesen Halbleiterdioden anliegenden Sperrspannungen ird ein Fotosensor mit variierbaren Raumladungszonen der pn-Übergänge geschaffen.jrch the double diode structure of the invention and by the voltage applied to these semiconductor diodes reverse voltages ird a photosensor with variable space charge zones of the pn junctions created.
e Diodenströme, die sich aus den Fotoströmen und den Dunkelströmen zusammensetzen, werden gemessen, wobei die den eßbereich der Fotoströme einschränkenden Dunkelströme möglichst gering zu halten sind.E diode currents, which are composed of the photocurrents and the dark currents, are measured, wherein the dark areas of the photoelectric current limiting dark currents are to be kept as low as possible.
e Raumladungszone jedes pn-Überganges, die durch das Substratmaterial, deren Dotierung und von der an der Diode igelegten Sperrspannung bestimmt wird, kann von jedem pn-übergang durch Variation der Sperrspannung nahezu über die isamte Substratdicke ausgedehnt werden. Damit werden die über die Strahlungsabsorbtion generierten Ladungsträger sktrisch steuerbar über Rück- bzw. Vorderdiode abgeführt. Auf diese Art und Weise kann im Gegensatz zum Stand der Technik irch Wahl der Spannungen an den beiden Dioden des Halbleiterbauelementes beeinflußt werden, in welchen Stromanteilen uf die beiden Dioden bezogen) die generierten Ladungsträger zur Auswertung abgeführt werden.e space charge zone of each pn junction, which is determined by the substrate material, their doping and by the blocking voltage applied to the diode can be extended from each pn junction by variation of the blocking voltage almost over the isamte substrate thickness. Thus, the charge carriers generated via the radiation absorption are removed in a controllable manner via the rear or front diode. In this way, in contrast to the prior art, it is possible to influence the selection of the voltages on the two diodes of the semiconductor component, in which parts of the current relative to the two diodes) the generated charge carriers are removed for evaluation.
τ der Vorderdiode wird hauptsächlich der vom Strahlungsanteil geringer Eindringtiefe generierte Fotostrom anfallen, an der jckdiode hauptsächlich der vom Strahlungsanteil großer Eindringtiefe generierte Fotostrom. Bei schrittweiser Erhöhung der jerrspannung an der Rückdiode werden von dieser Diode zunehmend von kurzreichweitiger Strahlung generierte itostromanteile erfaßt, um die sich dabei der Fotostrom der Vorderdiode verringert. Somit läßt sich durch die Variationen der 3errspannung der von der jeweiligen Diode hauptsächlich erfaßte Spektralbereich variieren. Aus dem Vergleich der Fotoströme ir Vorder- und Rückdiode bei verschiedenen Sperrspannungen läßt sich dadurch nach Eichung der Meßanordnung mit älbleiterbauelement die spektrale Verteilung der Strahlungsanteile ermitteln. Die Eichung erfolgt z. B. mit einem nienspektrum durch Zuordnung typischer Stromänderungen zwischen Vorder- und Rückdiode bei bestimmten Spannungen den jeweiligen Spektrallinien.τ of the front diode is mainly the photocurrent generated by the radiation portion of low penetration depth incurred at the jckdiode mainly generated by the radiation component of large penetration depth photocurrent. With gradual increase of the jerr voltage at the back diode, this diode is increasingly detected by short-range radiation generated itostromanteile to which thereby reduces the photocurrent of the front diode. Thus, by the variations of the 3-voltage, the spectral range mainly detected by the respective diode can be varied. The spectral distribution of the radiation components can be determined from the comparison of the photocurrents ir front and rear diode at different blocking voltages by calibration of the measuring device with älbleiterbauelement. The calibration is done z. B. with a nienspektrum by assigning typical current changes between the front and rear diode at certain voltages the respective spectral lines.
jrch die Erfindung lassen sich mit einem relativ einfach herzustellenden Bauelement nebst Auswerteeinheit nicht nur der rahlungsschwerpunkt, sondern auch die spektrale Zusammensetzung der Strahlung und ihre Intensität analysieren. Dadurch, iß hierfür lediglich elektrische Parameter variiert werden müssen und auch nur elektrische Parameter zur Auswertung !langen, läßt sich die spektrale Analyse der Strahlung relativ gut automatisieren und zeitschnell gestalten, it einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration gegenüber der Substratladungsträgergrundkonzentration (zumindest im jreich der Vorderdiode) kann die Raumladungszone in dem Tiefenbereich des Substrates durch die variierbare Sperrspannung sr entsprechenden Diode empfindlicher gesteuert werden.The invention makes it possible, with a component which is relatively easy to manufacture, not only to evaluate the evaluation center, but also to analyze the spectral composition of the radiation and its intensity. Thus, if only electrical parameters have to be varied for this purpose and only electrical parameters for evaluation, the spectral analysis of the radiation can be automated relatively well and can take place quickly, increasing the charge carrier concentration relative to the substrate charge carrier concentration (at least in the front of the front diode) the space charge zone in the depth region of the substrate are more sensitively controlled by the variable reverse voltage sr corresponding diode.
jsführungsbeispieljsführungsbeispiel
e Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.e invention will be explained below with reference to an embodiment shown in the drawing.
; zeigen:; demonstrate:
g. 1: Schematisch struktureile Schnittdarstellung der Halbleiterdoppeldiode g.2: Laterale Struktur der HalbleiterdoppeldiodeG. 1: Schematically structurally sectional view of the semiconductor double diode g.2: Lateral structure of the semiconductor double diode
g. 3: Schematisch strukturelle Schnittdarstellung der Halbleiterdoppeldiode im Meßaufbau der Figur 1 ist der Aufbau der Halbleiterdoppeldiode (schematisch, im Schnitt) dargestellt.G. 3: Schematic structural cross-sectional view of the semiconductor double diode in the measuring structure of FIG. 1, the structure of the semiconductor double diode (schematically, in section) is shown.
gur 2 zeigt die laterale Struktur des erfindungsgemäßen Bauelementes, die sich auf der einen Seite der Siliziumscheibe !findet. Die gleiche Struktur (durch die Siliziumscheibe hindurch projeziert) befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite.FIG. 2 shows the lateral structure of the component according to the invention, which is located on one side of the silicon wafer. The same structure (projected through the silicon wafer) is on the opposite side.
e empfindliche Fläche der Fotodiode beträgt 1 cm χ 1 cm. Solche Fotodioden werden beidseitig auf den einzelnen Chips einer iidseitig polierten Siliziumscheibe durch Anwendung der Si-Planartechnologie hergestellt.The sensitive area of the photodiode is 1 cm χ 1 cm. Such photodiodes are produced on both sides of the individual chips of a silicon wafer polished on the side by the use of Si planar technology.
η P+-Siliziumsubstrat 1 (spezifischer Widerstand cpp = 2kßcm; Dicke d = 0,25mm) wird durch einen p+-Kontaktrahmen 2 ntaktiert, der gleichzeitig die empfindliche Fläche der Fotodiode nach außen begrenzt. Ein n+-Kontaktrahmen 3 kontaktiert eine Inversionsschicht 4, die positive Ladungen in einer Isolatordeckschicht 5 influenziert wird und die in einem Mittelgebiet 6, in is von der Vorderseite her die Strahlung einfällt, stärker und in ein Randgebiet 7, das wesentlich den Dunkelstrom und die jrchbruchspannung der Diode bestimmt, schwächer ausgeprägt ist.η P + -Siliziumsubstrat 1 (resistivity cp p = 2kßcm, thickness d = 0.25mm) is ntaktiert by a p + contact frame 2, which limits the sensitive surface of the photodiode outwards at the same time. An n.sup. + Contact frame 3 contacts an inversion layer 4, which is induced positive charges in an insulator cap layer 5 and which becomes stronger in a central region 6 where the radiation is incident from the front side and into a peripheral region 7 which substantially affects the dark current and the jrchbruchspannung the diode is determined to be weaker.
jrch die unterschiedliche Stärke der η-Inversion im Mittelgebiet 6 und im Randgebiet 7 lassen sich ein weiter oportionalitätsbereich zwischen Strahlungsfluß und Fotostrom, kurze Impulsanstiegszeiten, ein niedriger Dunkelstrom und isreichend hohe Sperrspannungen erreichen. Durch Al-Kontakte 8 werden die p+- und n+-Kontaktrahmen 2,3 über gebondete ähte (nicht dargestellt) nach außen kontaktiert und ermöglichen das getrennte Anlegen von variablen Spannungen Uy und Ur ι Vorder-und Rückdiode (siehe Fig.3I),The different strength of the η-inversion in the central region 6 and in the peripheral region 7 can achieve a wide range of proportionality between radiation flux and photocurrent, short pulse rise times, a low dark current and sufficiently high blocking voltages. Al contacts 8 contact the p + and n + contact frames 2, 3 via bonded seams (not shown) to the outside and allow the separate application of variable voltages Uy and Ur ι the front and rear diodes (see FIG. .
Anhand der Figur 3 wird die Funktionsweise der Halbleiter-Doppeldiode bei der Spektralanalyse beschrieben. Die einfallenden Photonen y werden entsprechend ihrer Energie bzw. Wellenlänge mit einer speziellen (exponentiell) abfallend) Tiefenverteilung im Substrat 1 absorbiert und erzeugen dort Elektronen-Loch-Paare, die im elektrischen Feld einer Raumladungszone 9 getrennt werden und als Fotostrom lv der Vorderdiode bzw. IR der Rückdiode über die angeschlossenen Strommesser 10 abfließen. Aus der feldfreien Zone des Substrates 1 gelangen die fotogenerierten Ladungsträger durch Diffussion in die beiden Raumladungszonen 9. Die Dicke der feldfreien Zone ist gering zu halten, da sie die spektrale Auflösung verschlechtert. Zur definierten Abführung der Fotoströme lvund IR ist jedoch eine endliche Dicke dieser Zone notwendig. Die Tiefe der Raumladungszonen 9 ist von der angelegten Sperrspannung Uvbzw. Ur abhängig. (In Fig.3 ist z. B. der Fall Uy Ur dargestellt). Durch angepaßte Variation der Spannungen Uy und Ur können somit unterschiedliche Tiefenbereiche von den jeweiligen Raumladungszonen 9 der Vorder- und Rückdiode erfaßt werden (d. h. Verschiebung der feldfreien Zwischenzone über die Substrattiefe). Über die Messung der Fotoströme lv und IR kann dabei die Tiefenverteilung der Strahlungsabsorption und damit die spektrale Zusammensetzung der einfallenden Strahlung analysiert werden. Bei diesem hochohmigen Substrat 1 wird durch das Auftreten der Diffussionsspannung und der damit verbundenen minimalen Tiefe der Raumladungszone 9 am pn-Übergang der Vorderdiode (ohne äußere Spannung Uv) der Analysebereich auf langwellige Strahlung (oberhalb des gelben Lichtes) beschränkt. Durch die zusätzliche Dotierung des Substrates 1 (vorteilhaft wegen der Dosierbarkeit durch Ionenimplantation) im Bereich der Vorderdiode kann der Analysebereich nach kurzen Wellenlängen hin (bis zum UV-Bereich) erweitert werden. Durch die Form des zusätzlichen Dotierungsprofils kann die Spannungsabhängigkeit der Raumladungszonentiefe modifiziert werden.The mode of operation of the semiconductor double diode in spectral analysis will be described with reference to FIG. The incident photons y are absorbed according to their energy or wavelength with a special (exponentially) decreasing) depth distribution in the substrate 1 and generate there electron-hole pairs, which are separated in the electric field of a space charge zone 9 and photocurrent l v of the front diode or I R of the diode return via the connected ammeter 10. From the field-free zone of the substrate 1, the photo-generated charge carriers pass through diffusion into the two space charge zones 9. The thickness of the field-free zone is to be kept low because it degrades the spectral resolution. For defined discharge of the photocurrents l v and I R , however, a finite thickness of this zone is necessary. The depth of the space charge zones 9 is dependent on the applied blocking voltage U v or Ur. (In Fig. 3, for example, the case Uy Ur is shown). By adapted variation of the voltages Uy and Ur different depth ranges of the respective space charge zones 9 of the front and rear diode can thus be detected (ie shift of the field-free intermediate zone on the substrate depth). The depth distribution of the radiation absorption and thus the spectral composition of the incident radiation can be analyzed by measuring the photoelectric currents I v and I R. In the case of this high-resistance substrate 1, the analysis area is restricted to long-wave radiation (above the yellow light) due to the occurrence of the diffusion voltage and the associated minimum depth of the space charge zone 9 at the pn junction of the front diode (without external voltage Uv). Due to the additional doping of the substrate 1 (advantageous because of the metering by ion implantation) in the region of the front diode, the analysis range can be extended to short wavelengths (up to the UV range). Due to the shape of the additional doping profile, the voltage dependence of the space charge zone depth can be modified.
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| DD27181384A DD233244A1 (en) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | SEMICONDUCTOR DOUBLE DIODE FOR SPECTRAL ANALYSIS |
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| DD233244A1 true DD233244A1 (en) | 1986-02-19 |
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| DD27181384A DD233244A1 (en) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | SEMICONDUCTOR DOUBLE DIODE FOR SPECTRAL ANALYSIS |
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| DD (1) | DD233244A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010043822A1 (en) * | 2010-11-12 | 2012-05-16 | Namlab Gmbh | Photodiode used for detection of color images in digital camera, has one doped region and low doped region that are applied with variable voltage to vary extent of space charge zone via pn junction |
-
1984
- 1984-12-27 DD DD27181384A patent/DD233244A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010043822A1 (en) * | 2010-11-12 | 2012-05-16 | Namlab Gmbh | Photodiode used for detection of color images in digital camera, has one doped region and low doped region that are applied with variable voltage to vary extent of space charge zone via pn junction |
| DE102010043822B4 (en) * | 2010-11-12 | 2014-02-13 | Namlab Ggmbh | Photodiode and photodiode array and method for their operation |
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Legal Events
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