DE102007037020B3

DE102007037020B3 - Avalanche-Photodiode

Info

Publication number: DE102007037020B3
Application number: DE102007037020A
Authority: DE
Inventors: Rainer Richter; Ladislav Andricek; Gerhard Lutz
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; PNSensor GmbH
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; PNSensor GmbH
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: WO2009018872A1; JP2010536165A; JP5523317B2; US8258594B2; EP2174355A1; US20110095388A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Photodiode (1) zur Detektion von Strahlung, mit (a) einem Halbleitersubstrat (11), (b) einer oberen Diodenschicht (15), (c) einer gegensätzlich dotierten, lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16), (d) einem Avalanche-Bereich, der sich zwischen der oberen Diodenschicht (15) und der unteren Diodenschicht (16) befindet, wobei die zu detektierende Strahlung in dem Avalanche-Bereich einen Lawinendurchbruch auslöst, sowie mit (e) einer Kontaktierungsschicht (12) an der Unterseite (10) des Halbleitersubstrats (11), (f) einer lateral begrenzten Löschwiderstandsschicht (18), die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der unteren Diodenschicht (16) und der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet ist, wobei die Löschwiderstandsschicht (18) den strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch in dem Avalanche-Bereich löscht, sowie mit (g) einer Verarmungselektrode (15), die seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) angeordnet ist, so dass die Verarmungselektrode (15) das Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) verarmt, während die Löschwiderstandsschicht (18) von der unteren Diodenschicht (16) gegenüber der Verarmungselektrode (15) abgeschirmt wird und deshalb nicht verarmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Avalanche-Photodiode zur Strahlungsdetektion gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus Sadygov Z.: "Three advanced designs of micro-pixel avalanche photodiodes: Their present status, maximum possibilities and limitations", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 70–73 ist eine derartige Avalanche-Photodiode bekannt, die zur Strahlungsdetektion eingesetzt werden kann. Hierbei befindet sich in einem Halbleitersubstrat ein Avalanche-Bereich, der durch einen pn-Übergang zwischen einer Kathodenschicht und einer Anodenschicht gebildet wird und in dem die zu detektierende Strahlung einen Lawinendurchbruch auslöst. Darüber hinaus ist hierbei ein Löschwiderstand (Quench-Widerstand) vorgesehen, der mit dem Avalanche-Bereich in Reihe geschaltet ist und die Aufgabe hat, einen strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch zu beenden, indem der Spannungsabfall über dem Löschwiderstand den Strom soweit absenkt, dass die Ladungsträgermultiplikation in dem Avalanche-Bereich abstirbt.
In einer Variante dieser bekannten Avalanche-Photodiode liegt der Löschwiderstand teilweise auf dem Strahlungseintrittsfenster und muss zumindest teilweise noch mit dünnen metallischen Schichten kontaktiert werden. Der Löschwiderstand bildet hierbei also ein Hindernis für die zu detektierende Strahlung, wodurch sich die Nachweiseffizienz gerade für ultraviolettes (UV) und blaues Licht drastisch verschlechtert.
In einer anderen Variante sieht die vorstehend erwähnte Veröffentlichung von Sadygov et al. vor, dass der Löschwider stand zusammen mit einem Koppelkondensator in das Halbleitersubstrat (bulk) integriert wird, wobei sich der Avalanche-Bereich tief vergraben in dem Halbleitersubstrat an einer Epitaxieschichtgrenzfläche befindet.
Zum einen ist dies, wie in der genannten Veröffentlichung ausgeführt, mit technologischen Schwierigkeiten verbunden, da eine tiefe Ionenimplantation und ein Epitaxialwachstum auf hochreinen Silizium-Wafern erforderlich ist.
Zum anderen ist jeweils für viele Avalanche-Photodioden ein gemeinsamer Löschwiderstand vorgesehen, so dass nach dem Ansprechen einer Diode große Nachbarschaftsbereiche insensitiv werden.
Ein weiteres Problem der bekannten Avalanche-Photodioden beruht darauf, dass Strahlungsdetektoren in der Regel in einer strahlenbelasteten Umgebung betrieben werden. Speziell bei Weltraumanwendungen sind deshalb umfangreiche Vortests erforderlich, um eine ausreichende Langzeitstabilität der Avalanche-Photodioden sicherzustellen. Zwar besitzt Silizium als Halbleitermaterial für Avalanche-Photodioden den großen Vorteil eines passivierenden Oxids, das vorzügliche dielektrische Eigenschaften besitzt und mit relativ geringen Defekten und Verspannungen an der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche herstellbar ist. Dennoch bildet diese Grenzfläche den empfindlichsten Teil gegenüber ionisierender Strahlung. Sowohl die zusätzlich entstehenden Grenzflächenladungen als auch der Grenzflächengenerationsstrom (Leckstrom) können die Ausgangswerte vor der Bestrahlung um Größenordnungen übersteigen. Vor allem die Isolationsstrukturen der herkömmlichen Strahlungsdetektoren fallen aus diesem Grund häufig aus. Es sind deshalb strahlenhärtere Detektoren wünschenswert.
Aus EP 1 840 967 A1 ist eine Avalanche-Photodiode bekannt, die jedoch einen Widerstand aus Polysilizium aufweist, ohne auf ein Quenching einzugehen.
Auch aus JP 09-64398 AA ist eine gattungsgemäße Avalanche-Photodiode bekannt, wobei jedoch ebenfalls nicht auf das Quenching eingegangen wird.
EP 1 755 171 A1 offenbart eine gattungsgemäße Avalanche-Photodiode mit einem Quench-Widerstand.
US 2006/0249747 A1 behandelt Avalanche-Photodioden und das Quenchen bzw. terminieren derer Entladungen und beschreibt ein Konzept mit einem integrierten Widerstand.
Schließlich ist zum Stand der Technik noch hinzuweisen auf US 6 222 209 B1 .
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene herkömmliche Avalanche-Photodiode entsprechend zu verbessern.
Vorzugsweise sollte die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode in Matrixform in einem Strahlungsdetektor angeordnet werden können, um einzelne optische Photonen zu detektieren.
Weiterhin sollte die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode möglichst einfach herstellbar sein.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode gegenüber ionisierenden Strahlen möglichst resistent ist.
Ferner soll die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine hohe Quantenausbeute sowie eine hohe Empfindlichkeit im ultravioletten und blauen Spektralbereich haben.
Die vorstehenden Aufgaben werden durch eine erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode gemäß dem Hauptanspruch bzw. den Unteransprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode ist teilweise herkömmlich aufgebaut und weist ein Halbleitersubstrat mit einer Oberseite und einer Unterseite auf, wobei das Halbleitersubstrat entsprechend einem ersten Dotierungstyp (z. B. n-Dotierung) dotiert ist. Vorzugsweise besteht das Halbleitersubstrat aus Silizium, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich des Halbleitermaterials nicht auf Silizium beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Halbleitermaterialien realisierbar.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode in herkömmlicher Weise zwei übereinander angeordnete, gegensätzlich dotierte Diodenschichten (Kathode und Anode) auf, die in dem Halbleitersubstrat oberflächennah an der Oberseite angeordnet sind und einen Avalanche-Bereich einschließen, in dem die zu detektierende Strahlung bei einer entsprechenden Vorspannung einen Lawinendurchbruch auslöst.
Vorzugsweise befindet sich die Kathodenschicht hierbei oben und die Anodenschicht unten, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Vielmehr ist es grundsätzlich auch möglich, dass die Anodenschicht oben angeordnet ist, während sich die Kathodenschicht darunter befindet.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine Kontaktierungsschicht auf, die an der Unterseite des Halbleitersubstrats angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (z. B. n-Dotierung) dotiert ist. Die Kontaktierungsschicht ermöglicht es beispielsweise, eine elektrische Vorspannung an die Avalanche-Photodiode anzulegen, damit die Avalanche-Photodiode in dem so genannten Geiger-Modus betrieben wird, so dass sowohl Elektronen als auch Löcher zur Trägermultiplikation beitragen und dadurch einen Lawinendurchbruch verursachen, in dem der Strom im Prinzip nur durch serielle Widerstände begrenzt ist.
Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode einen Löschwiderstand (Quench-Widerstand) vor, der elektrisch mit dem Avalanche-Bereich in Reihe geschaltet ist und bei einem Lawinendurchbruch in dem Avalanche-Bereich dafür sorgen soll, dass der Lawinendurchbruch mittels einer Strombegrenzung durch den Löschwiderstand gelöscht wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Löschwiderstand bei der Erfindung jedoch als Löschwiderstandsschicht ausgebildet und in das Halbleitersubstrat integriert, wobei sich die Löschwiderstandsschicht zwischen dem Avalanche-Bereich und der Kontaktierungsschicht befindet, d. h. unter der unteren Diodenschicht, wobei es sich vorzugsweise um die Anodenschicht handelt. Dies ist vorteilhaft, weil die untere Diodenschicht die Löschwiderstandsschicht auf diese Weise gegenüber der verarmenden Wirkung der oberen Diodenschicht abschirmt, wie noch detailliert beschrieben wird.
Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode eine Verarmungselektrode vor, die zumindest teilweise seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht angeordnet und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist. Die Verarmungselektrode hat die Aufgabe, das Halbleitersubstrat seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht zu verarmen, um die Avalanche-Photodiode in seitlicher Richtung elektrisch zu isolieren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in einem Avalanche-Strahlungsdetektor zahlreiche erfindungsgemäße Avalanche-Photodioden nebeneinander angeordnet sind, da die Verarmungselektrode dann dafür sorgt, dass die unmittelbar benachbarten Avalanche-Photodioden elektrisch voneinander isoliert sind.
Die über der Löschwiderstandsschicht befindliche untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) schirmt hierbei die Löschwiderstandsschicht elektrisch gegenüber der Verarmungselektrode ab, so dass die Löschwiderstandsschicht nicht oder nur teilweise verarmt ist.
Die Verarmung des Halbleitersubstrats in dem Bereich seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht erfolgt vorzugsweise vollständig über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats, d. h. das Halbleitersubstrat ist seitlich neben der unteren Diodenschicht von der Oberseite bis zur Unterseite vollständig verarmt.
Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die Verarmungswirkung der Verarmungselektrode in dem Halbleitersubstrat nur bis in eine bestimmte Tiefe reicht, so dass sich in dem Halbleitersubstrat seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht lediglich Verarmungsinseln ausbilden, die in vertikaler Richtung nicht bis zu der Unterseite des Halbleitersubstrats reichen.
In einer Variante der Erfindung wird die Verarmungselektrode durch die obere Diodenschicht gebildet, die hierzu mit einem Seitenabschnitt seitlich über die lateral begrenzte untere Diodenschicht hinausragt und mit dem hinausragenden Seitenabschnitt die Verarmungselektrode bildet. Hierbei ist keine separate elektrische Ansteuerung der Verarmungselektrode erforderlich, da die obere Diodenschicht ohnehin elektrisch kontaktiert ist.
In einer anderen Variante der Erfindung ist die Verarmungselektrode dagegen von der oberen Diodenschicht elektrisch und räumlich getrennt und als separate Elektrode ausgebildet. Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Verarmungselektrode mit einem unabhängigen elektrischen Potential anzusteuern, um die gewünschte Verarmungswirkung in dem Halbleitersubstrat zu erreichen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Abstände zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden sehr klein sind und die Kathodenspannung nicht mehr für eine vollständige Verarmung des Halbleitersubstrats in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden ausreicht.
Darüber hinaus bildet die erfindungsgemäße Löschwiderstandsschicht eine Koppelkapazität, wie es bereits von herkömmlichen Avalanche-Photodioden bekannt ist.
Vorteilhaft an der Integration des Löschwiderstands als Löschwiderstandsschicht in das Halbleitersubstrat ist die Tatsache, dass die obere Diodenschicht an der Oberseite des Halbleitersubstrats völlig unstrukturiert sein kann, wodurch die Nachweiseffizienz gerade im ultravioletten und blauen Spektralbereich drastisch verbessert wird.
Darüber hinaus bietet dies die Möglichkeit, dass auf die Oberseite der Avalanche-Photodiode eine optische Filterschicht aufgebracht wird, die über dem Avalanche-Bereich ebenfalls lateral unstrukturiert sein kann.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die Löschwiderstandsschicht die Aufgabe hat, einen strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch zu beenden. Der Löschwiderstand muss deshalb einen so großen Widerstand aufweisen, dass der Strom bei einem Lawinendurchbruch kleiner als circa 20 μA ist. Bei einem Strom dieser Größe wird es sehr wahrscheinlich, dass die ihn repräsentierende Ladungsträgerdichte in dem Avalanche-Bereich zumindest kurzzeitig auf den Wert null fluktuiert, was zu dem gewünschten Absterben der Ladungsträgerlawine führt. Bei der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode weist die Löschwiderstandsschicht deshalb vorzugsweise einen so großen Widerstandswert auf, dass der Strom in dem Avalanche-Bereich bei einem Lawinendurchbruch zumindest zeitweise abstirbt und damit den Lawinendurchbruch beendet. Die Löschwiderstandsschicht sollte hierzu einen Widerstandswert von mindestens 0,1 MΩ, 0,5 MΩ, 1 MΩ oder mindestens 2 MΩ aufweisen. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Widerstandswertes der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehenden Grenzwerte beschränkt, sondern in Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen auch mit anderen Widerstandswerten realisierbar.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Löschwiderstandsschicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 100 μm aufweist. Vorzugsweise ist die Dicke der Löschwiderstandsschicht also größer als 10 μm, 20 μm oder 50 μm. Weiterhin ist die Dicke der Löschwiderstandsschicht vorzugsweise kleiner als 1000 μm, 500 μm, 200 μm, 100 μm oder 50 μm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt.
Ferner ist zu erwähnen, dass die untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) in der Regel eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke des Avalanche-Bereichs. Vorzugsweise ist die Dicke der unteren Diodenschicht größer als 1 μm, 2 μm, 5 μm oder 10 μm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der unteren Diodenschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die obere Diodenschicht vorzugsweise eine Dicke aufweist, die einige 10 nm bis wenige 100 nm beträgt. Vorzugsweise ist die Dicke der oberen Diodenschicht also größer als 5 nm, 10 nm, 20 nm oder 50 nm. Darüber hinaus ist die Dicke der oberen Diodenschicht vorzugsweise kleiner als 1000 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm oder 100 nm. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dicke der oberen Diodenschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenwerte beschränkt.
Zu der Löschwiderstandsschicht ist weiterhin zu erwähnen, dass deren Dotierungskonzentration vorzugsweise im Bereich von 0,5·10¹² cm^–3 bis 10¹⁴ cm^–3 liegt. Die Dotierungskonzentration in der Löschwiderstandsschicht ist insbesondere größer als 0,5·10¹² cm^–3, 0,7·10¹² cm^–3 oder 10¹² cm^–3. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Dotierungskonzentration in der Löschwiderstandsschicht nicht auf die vorstehend genannten Zahlenbereiche beschränkt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass es sich bei dem ersten Dotierungstyp vorzugsweise um eine n-Dotierung handelt, während der zweite Dotierungstyp vorzugsweise eine p-Dotierung ist. Die Erfindung ist jedoch auch mit einer inversen Dotierung realisierbar, wobei der erste Dotierungstyp eine p-Dotierung ist, während der zweite Dotierungstyp eine n-Dotierung ist.
Ferner ist zu erwähnen, dass die obere Diodenschicht und die Kontaktierungsschicht vorzugsweise relativ stark dotiert sind, während das Halbleitersubstrat und damit die Löschwiderstandsschicht vorzugsweise relativ schwach dotiert sind.
Ferner ist zu erwähnen, dass das Halbleitersubstrat vorzugsweise monokristallin ist.
Weitere konstruktive Einzelheiten von Avalanche-Photodioden sind beispielsweise bekannt aus Lutz, G.: "Semiconductor Radiation Detectors", 2. Auflage, Springer Verlag 2001, Seite 239–242, so dass der Inhalt dieses Fachbuchs der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass bei der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode das Strahlungseintrittsfenster zur Aufnahme der zu detektierenden Strahlung vorzugsweise an der Oberseite angeordnet ist, also auf der selben Seite wie der Avalanche-Bereich.
Die vertikale Ausdehnung des Halbleitersubstrats und damit auch die Dicke der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode wird im Wesentlichen durch die Dicke der Löschwiderstandsschicht bestimmt. Normalerweise sind übliche Halbleiter-Wafer jedoch mehrere 100 μm dick, um eine für die Prozessierung erforderliche mechanische Stabilität zu gewährleisten. Die in der Regel n-dotierte Kontaktierungsschicht an der Unterseite der Avalanche-Photodiode kann natürlich in vertikaler Richtung fast beliebig ausgedehnt werden.
Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn die Löschwiderstandsschicht ein laterales und/oder vertikales Dotierungsprofil aufweist. Es kann z. B. ein Dotierungsgradient vorgesehen sein, bei dem die Dotierungskonzentration in der Löschwiderstandsschicht nach oben zunimmt. Insbesondere bei flächenmäßig kleinen Avalanche-Photodioden oder bei relativ dicken Widerstandsschichten kann es, vor allem im oberen Bereich der Widerstandsschicht, durch die Wirkung der Verarmungselektrode (Raumladungszone) zu einer starken seitlichen Verarmung kommen. Dies kann sogar zum Abschnüren (pinch off) der Löschwiderstandsschicht führen. Durch eine Anhebung der Dotierungskonzentration im oberen Bereich des Halbleitersubstrats wird die laterale Ausdehnung der Raumladungszone vorteilhafterweise unterdrückt und die Abschnürung vermieden. Die Änderung der Dotierungskonzentration kann z. B. lokal, durch eine unterhalb der Anoden mit hoher Energie eingebrachte Ionenimplantationsschicht vom n-Typ erfolgen. Wenn die Löschwiderstandsschicht epitaktisch aufgewachsen wird, ist es aber auch möglich, während des Epitaxievorgangs gezielt ein vertikales, lateral unstrukturiertes, Dotierungsprofil, insbesondere innerhalb der schwach dotierten n-Schicht einzustellen.
Herstellungsmäßig bietet es sich an, die schwach n-dotierte Löschwiderstandsschicht auf einem hoch n-dotierten Wafer epitaktisch aufwachsen zu lassen. In einer Variante der Erfindung wird die Kontaktierungsschicht also durch einen hoch dotierten Wafer gebildet, auf den die Löschwiderstandsschicht aufgebracht ist.
Eine alternative Möglichkeit besteht im Einsatz des als Wafer-Bonding bekannten Verfahren, das beispielsweise in Tong, Q. Y.; Gösele, U.: "Semiconductor Wafer Bonding", John Wiley and Sons, New York, 1999 beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Technik des Wafer-Bonding in vollem Umfang zuzurechnen ist. Hierbei werden zwei Silizium-Wafer nach einer geeigneten Oberflächenvorbehandlung monolithisch miteinander verbunden. Der untere Wafer dient hierbei als stabiler mechanischer Träger und ist hoch n-dotiert, so dass er im Rahmen der Erfindung die Funktion der Kontaktierungsschicht erfüllt. Der obere Wafer ist dagegen schwach dotiert und wird nach dem Wafer-Bonding etwa auf die Zieldicke der Löschwiderstandsschicht abgeschliffen und danach geläppt und poliert, um die erforderliche Oberflächenqualität herzustellen. In der weiteren Prozessierung kann die so gewonnene Sandwich-Struktur wie ein Standard-Wafer behandelt werden. Häufig werden die Wafer hierbei vor dem Bonding oxidiert, wodurch eine SOI-Struktur (SOI: Silicon an Insulator) entsteht, wie in dem vorstehenden Fachbuch von Tong/Gösele beschrieben ist. Der Vorteil des Wafer-Bonding gegenüber dem Epitaxieverfahren besteht darin, dass man mehr Flexibilität bei der Dotierungswahl für die Löschwiderstandsschicht gewinnt. Obwohl moderne Epitaxieanlagen heutzutage schon sehr hochohmige Schichten aufwachsen können, ist das für die Wafer-Herstellung zur Verfügung ste hende FZ-Kristallzüchtungsverfahren (FZ: Float Zone) für die Herstellung höchst reinen Siliziums überlegen.
In dieser Variante der Erfindung weist die Avalanche-Photodiode also eine Trägerschicht auf, die an der Unterseite der Kontaktierungsschicht angeordnet ist und die Avalanche-Photodiode mechanisch trägt. Die Trägerschicht kann beispielsweise aus Silizium, Siliziumdioxid, Glas, insbesondere Quarzglas, Saphir, einer Keramik oder einem hochdotierten Halbleitermaterial bestehen, jedoch sind grundsätzlich auch andere Materialien für die Trägerschicht möglich.
Weiterhin ist zwischen der Kontaktierungsschicht und der Trägerschicht vorzugsweise eine Isolierschicht angeordnet, die beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann. Dies ist insbesondere bei der vorstehend erwähnten SOI-Struktur der Fall, bei der zwei Wafer miteinander verbunden werden, wobei zumindest ein Wafer vor dem Bonding oxidiert wurde.
Für die Realisierung von Detektormatrizen mit Matrixelementen größer 100 × 100 μm, mit denen hohe Nachweiseffizienzen erzielt werden können, werden aufgrund des großen Querschnitts der vertikalen Löschwiderstände sehr hochohmige Widerstandsschichten benötigt. Für derartig große Matrixelemente bietet es sich an, von einem hochohmigen FZ-Wafer auszugehen. Aufgrund seiner Dicke kann der Isolationsbereich nur teilweise verarmt werden, so dass die Löschwiderstände im unteren Bereich nicht separiert sind. Beim Ansprechen eines Matrixelementes (d. h. einer der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodioden) werden die Anoden der Nachbarelemente ebenfalls etwas entladen. Wenn diese Nachbarn innerhalb der Wiederaufladezeit triggern, reduziert sich deren Signal, was zu einer Verbreiterung der Einzelphotonenspektren führt. Für Anwendungen mit kleinen Signalraten fällt dieser Nachteil nicht ins Gewicht, so dass dort zugunsten eines kostengünstigen Prozesses auf die vollständige Separation der benachbarten Avalache-Photodioden verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wirkung der Verarmungselektrode durch die Bereitstellung eines dotierten Bereiches im Halbleitersubstrat verstärkt werden. Der dotierte Bereich ist seitlich neben der Löschwiderstandsschicht vorgesehen und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert. Vorteilhafterweise wird damit (neben der separierten Verarmungselektrode) eine weitere Möglichkeit erreicht, den isolierenden, verarmten Teil des Halbleitersubstrats mit kleineren Spannungen zu verarmen. Das zwischen der p-dotierten Schicht und der(den) benachbarten n-dotierten Schicht(en) entstehende build-in-Potential führt zu einer intrinsischen Raumladungzone, die gerade in dem schwach dotierten Halbleitersubstrat eine signifikante Ausdehnung hat. Wegen der wurzelförmigen Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone von der Spannung ist eine solche p-Schicht besonders wirksam, wenn sie sich an der Unterseite des Halbleitersubstrats befindet.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Avalanche-Photodiode als einzelnes Bauelement beschränkt, sondern umfasst auch einen Avalanche-Strahlungsdetektor mit mehreren nebeneinander angeordneten Avalanche-Photodioden gemäß der Erfindung. Die Avalanche-Photodioden sind vorzugsweise matrixförmig in geraden Reihen und Spalten oder mit einer regulär hexagonalen Geometrie oder mit einer abgewandelten Geometrie angeordnet. Die regulär hexagonale Geometrie hat den Vorteil, dass die Avalanche-Photodioden besonders hoher Dichte und wenig Totfläche angeordnet werden können.
Vorzugsweise sind die einzelnen Avalanche-Photodioden hierbei parallel mit einem gemeinsamen Verstärker verbunden. Zwar wird dadurch auf die Ortsauflösung des Avalanche-Strahlungsdetektors verzichtet, jedoch bietet eine derartige Anordnung den Vorteil, dass beim Ansprechen einer der Avalanche-Photodioden die anderen Avalanche-Photodioden sensitiv bleiben und damit die Möglichkeit besteht, Photonen zu zählen, wenn sie in verschiedenen Elementen eintreffen. Aus der Stärke des von dem Verstärker gemessenen Signals kann dann auf die Anzahl der angesprochenen Dioden und damit auf die Strahlungsstärke geschlossen werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors erstreckt sich die obere Diodenschicht (vorzugsweise die Kathodenschicht) der einzelnen Avalanche-Photodioden in lateraler Richtung über mehrere benachbarte Avalanche-Photodioden, wobei die obere Diodenschicht vorzugsweise sämtliche Avalanche-Photodioden erfasst. Die untere Diodenschicht (vorzugsweise die Anodenschicht) der einzelnen Avalanche-Photodioden ist dagegen in dieser Variante jeweils zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden unterbrochen und weist einen Zwischenraum auf. Die obere Diodenschicht wird also in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden nicht von der unteren Diodenschicht abgeschirmt, so dass die obere Diodenschicht in den Zwischenräumen als Verarmungselektrode wirkt und das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen verarmt, wodurch die benachbarten Avalanche-Photodioden elektrisch voneinander isoliert werden.
Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, dass auch die obere Diodenschicht jeweils zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden unterbrochen ist, wobei dann in den Zwischenräumen eine separate Verarmungselektrode angeordnet ist, um das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen zu verarmen. Bei ei ner matrixförmigen Anordnung der einzelnen Avalanche-Photodioden können dann auch die Verarmungselektroden gitterförmig angeordnet und unabhängig von den Avalanche-Photodioden angesteuert werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors sind die einzelnen Avalanche-Photodioden über eine gemeinsame Anschlussleitung mit dem Verstärker verbunden, wobei die Anschlussleitung die gemeinsame obere Diodenschicht kontaktiert, die sämtliche Avalanche-Photodioden gemeinsam haben.
Es besteht jedoch alternativ die Möglichkeit, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden über mehrere parallele Anschlussleitungen mit dem Verstärker verbunden sind, wobei die einzelnen Anschlussleitungen jeweils die obere Diodenschicht in der Umgebung der jeweiligen Avalanche-Photodioden kontaktieren. Dies bietet den Vorteil, dass entlang der oberen Diodenschicht nur geringere Spannungsabfälle auftreten, da das Signal direkt über die nächstgelegenen Anschlussleitungen abgeführt wird.
Weiterhin ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die benachbarten Avalanche-Photodioden optisch voneinander isoliert sind, um ein optisches Übersprechen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden zu verhindern. Diese optische Isolation besteht vorzugsweise aus Isolationsgräben, die zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden geätzt sind und in den Avalanche-Photodioden generierte Photonen absorbieren oder reflektieren. Die Isolationsgräben können hierbei Grabenwände aufweisen, die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert sind und/oder auf dem Potential der oberen Dioden liegen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode, einschließlich Löschwiderstand und Koppelkapazität,
2 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Avalanche-Photodiode gemäß 1,
3 eine Querschnittsansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektors, wobei die Querschnittsansicht zwei erfindungsgemäße Avalanche-Photodioden zeigt,
4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3 mit einem Träger-Wafer an der Unterseite,
5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 4, das durch Wafer-Bonding hergestellt ist,
6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei das Halbleitersubstrat in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden nicht vollständig bis zur Unterseite verarmt ist,
7 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei die Kathodenschicht in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden unterbrochen ist und die Verarmung durch eine separate Verarmungselektrode erfolgt,
8 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei in dem Zwischenraum zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden eine optische Isolierung vorgesehen ist,
9 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei mehrere Anschlussleitungen vorgesehen sind,
10 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 3, wobei ein dotierter Bereich vorgesehen ist,
11 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 5, wobei zusätzlich für jede Diode jeweils ein Verstärker vorgesehen ist.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode 1, die in einem Avalanche-Strahlungsdetektor mit zahlreichen weiteren Avalanche-Photodioden 1 matrixförmig angeordnet ist und zur Strahlungsdetektion dient.
Die Avalanche-Photodiode 1 besteht als reales Bauelement aus einer Parallelschaltung einer idealen Avalanche-Diode AD mit einer idealen Diodenkapazität CD, die zusammen zwischen einem Ausleseknoten 2 (virtuelle Masse) und einem Umladeknoten 3 geschaltet sind.
Weiterhin weist die Avalanche-Photodiode 1 als reales Bauelement eine Parallelschaltung aus einem idealen Löschwiderstand R_Q und einer idealen Koppelkapazität C_C auf, wobei diese Parallelschaltung zwischen den Umladeknoten 3 und einen Vorspannungsknoten 4 geschaltet ist.
Der Ausleseknoten 2 ist mit einem Verstärker 5 verbunden, der die Ausgangssignale sämtlicher Avalanche-Photodioden 1 der matrixförmigen Detektorstruktur misst.
Der Vorspannungsknoten 4 wird dagegen im Betrieb mit einer Vorspannung U_BIAS beaufschlagt, wobei die Vorspannung U_BIAS größer ist als die Durchbruchsspannung U_AVALANCHE der Avalanche-Photodiode 1, so dass eine strahlungsgenerierte Erzeugung eines Signalladungsträgers in der Avalanche-Diode sofort einen Lawinendurchbruch erzeugt. Die Avalanche-Photodiode geht dann in dem Kennliniendiagramm gemäß 2 von einem Betriebspunkt 6 entlang der gestrichelten Linie zu einem Betriebspunkt 7 über. In dem Betriebspunkt 7 begrenzt dann die über dem Löschwiderstand R_Q abfallende elektrische Spannung zunehmend den elektrischen Strom, so dass die Avalanche-Photodiode 1 entlang der Kennlinie von dem Betriebspunkt 7 in einen Betriebspunkt 8 übergeht. In dem Betriebspunkt 8 beträgt der elektrische Strom durch die Avalanche-Photodiode 1 dann nur noch ungefähr 20 μA. Dies hat zur Folge, dass der elektrische Strom zumindest kurzzeitig auf Null fluktuiert, was zum Erlöschen der Lawine führt, so dass die Avalanche-Photodiode 1 von dem Betriebspunkt 8 in den Betriebspunkt 9 und dann in den ursprünglichen Betriebspunkt 6 übergeht.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf 3 der Aufbau der erfindungsgemäßen Avalanche-Photodiode 1 beschrieben, wobei hier nebeneinander zwei Avalanche-Photodioden dargestellt sind. Eine Vielzahl der Avalanche-Photodioden bilden den erfindungsgemäßen Avalanche-Strahlungsdetektor.
An einer Unterseite 10 eines Halbleitersubstrats 11 weist die Avalanche-Photodiode 1 eine lateral durchgehende und hoch n-dotierte Kontaktierungsschicht 12 auf.
Auf einer gegenüberliegenden Oberseite 13 befindet sich eine optische Filterschicht 14, wie sie an sich, z. B. zur Reflektionsminderung, aus dem Stand der Technik bekannt ist und nicht weiter beschrieben werden muss.
Unter der optischen Filterschicht 14 befindet sich eine hoch p-dotierte Kathodenschicht 15 mit eine Schichtdicke d_K von 10 nm bis wenigen 100 nm. Die Kathodenschicht 15 ist lateral unstrukturiert und geht über die gesamte Breite der Detektorstruktur durch, wie noch eingehend erläutert wird. Im Avalanche-Strahlungsdetektor ist die Kathodenschicht 15 über einen Kontakt 24 mit dem Verstärker 5 verbunden.
Unterhalb der Kathodenschicht 15 befindet sich eine n-dotierte Anodenschicht 16, wobei die Anodenschicht 16 lateral begrenzt ist und zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden 1 einen Zwischenraum 17 freilässt. Der Zwischenraum 17 ermöglicht es, dass die Kathodenschicht 15 das Halbleitersubstrat 11 in dem Zwischenraum 17 zwischen den beiden benachbarten Avalanche-Photodioden 1 vollständig verarmt, so dass die benachbarten Avalanche-Photodioden 1 durch die Verarmung in dem Zwischenraum 17 elektrisch voneinander isoliert werden.
Zwischen der Kathodenschicht 15 und der darunter befindlichen Anodenschicht 16 befindet sich ein Avalanche-Bereich, in dem die einfallende Strahlung einen Lawinendurchbruch erzeugt.
Unterhalb der Anodenschicht 16 befindet sich weiterhin eine Löschwiderstandsschicht 18, die schwach n-dotiert ist. Die Anodenschicht 16 schirmt hierbei die lateral begrenzte Löschwiderstandsschicht 18 gegenüber der Verarmungswirkung der darüber befindlichen Kathodenschicht 15 ab, so dass die Löschwiderstandsschicht 18 nicht verarmt.
Wichtig ist in diesem Ausführungsbeispiel also, dass die Kathodenschicht 15 in seitlicher Richtung über die Anodenschicht 16 in den Zwischenraum 17 hinausragt, so dass die Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 eine Verarmungselektrode bildet, welche das Halbleitersubstrat 11 in dem Zwischenraum 17 verarmt.
Die Anodenschicht 16 weist hierbei eine Dicke d_A Im Bereich von Mikrometern auf, während die Löschwiderstandsschicht 18 eine Dicke d_R im Bereich von 10 μm bis etwa 100 μm aufweist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die untere Kontaktierungsschicht 12 durch einen hoch n-dotierten Träger-Wafer gebildet wird.
Bei der Herstellung dieses Ausführungsbeispiels wird die Löschwiderstandsschicht 18 epitaktisch auf die Kontaktierungsschicht 12 aufgewachsen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 stimmt wieder weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass unter der Kontaktierungsschicht 12 noch eine Isolierschicht 19 angeordnet ist.
Unter der Isolierschicht 19 ist hierbei wiederum eine Trägerschicht 20 angeordnet, die beispielsweise aus Silizium oder Glas bestehen kann.
Hierbei handelt es sich also um die bereits eingangs erwähnte SOI-Struktur, die durch Wafer-Bonding hergestellt wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 stimmt wieder weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Verarmungswirkung der Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 nicht bis zu der Kontaktierungsschicht 12 an der Unterseite 10 reicht. Vielmehr bildet die als Verarmungselektrode wirkende Kathodenschicht 15 in dem Zwischenraum 17 nur eine Verarmungsinsel, die nur teilweise in die Tiefe hineinreicht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Kathodenschicht 15 nicht lateral durchgeht, sondern in dem Zwischenraum 17 unterbrochen ist.
Stattdessen ist in dem Zwischenraum 17 eine separate Verarmungselektrode 21 angeordnet, die unabhängig von den Avalanche-Photodioden 1 angesteuert werden kann, was hier zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
Darüber hinaus sind die Kathodenschichten 15 der benachbarten Avalanche-Photodioden hierbei durch ein Leitungselement 22 elektrisch miteinander verbunden.
Ferner zeigt 8 wieder ein Ausführungsbeispiel, das wiederum weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit besteht darin, dass in dem Zwischenraum 17 zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden eine optische Isolierung vorgesehen ist, welche die benachbarten Avalanche-Photodioden optisch voneinander isoliert, um ein optisches Übersprechen zu verhindern.
Die optische Isolierung besteht aus Isoliergräben 23, die in dem Zwischenraum 17 in das Halbleitersubstrat 11 geätzt sind, wobei die Isoliergräben Photonen absorbieren und/oder reflektieren.
Schließlich stimmt auch das Ausführungsbeispiel gemäß 9 weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Ver meidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Verbindung mit dem Verstärker 5 nicht durch eine einzige Anschlussleitung erfolgt, sondern durch mehrere Anschlussleitungen 24, 25, die elektrisch parallel geschaltet sind. Hierdurch wird verhindert, dass entlang der Kathodenschicht 15 übermäßig hohe Spannungsabfälle auftreten.
Die 10 und 11 zeigen weitere Abwandlungen des oben beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Besonderheit des in 10 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht in der Bereitstellung eines p-dotierten Bereiches 25 im unteren Teil des Zwischenraums 17. Der dotierte Bereich 25 erzeugt eine intrinsische Raumladungszone, durch die das Halbleitersubstrat 11 seitlich neben dem Löschwiderstand 18 zusätzlich verarmt wird. Die Raumladungszone ist mit der oberen Raumladungszone überlagert, die durch die Verarmungselektrode 15 seitlich zur Anodenschicht 16 erzeugt wird.
Der p-dotierte Bereich 25 muss aber nicht auf den unteren Teil des Zwischenraumes 17 begrenzt sein. Durch eine seitliche Ausdehnung dieses Bereiches unterhalb der Anodenschicht 16 kann die Löschwiderstandsschicht 18 weiter begrenzt werden und damit deren Widerstandswert erhöht werden.
Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Auslese-Verstärker 5 auf der Rückseite der Photodiode angeordnet, welche ein ortsaufgelöstes Auslesen von Messsignalen ermöglichen.
Die bisher beschriebenen geometrischen Anordnungen ermöglichen das zeitlich aufgelöste Zählen von einzelnen Photonen, jedoch nicht deren ortsaufgelöste Erfassung (Imaging). Um dieses Ziel zu erreichen, muss einer der Ausleseknoten segmentiert werden, wodurch im Idealfall jede Avalanche-Photodiode ihren eigenen Ausleseknoten erhält. Bei größeren feinsegmentierten Detektoren können aus Platzgründen die erforderlichen Anschlussleitungen aber nicht mehr seitlich zugeführt werden. Mittels dreidimensionaler Integrationstechniken wie Bumpbonding oder SLID (Solid Liquid Interdiffusion, siehe A. Kumpp et al. "Vertical System Integration by using interchip vias arid solid liquid interdiffusion bonding", "J. Jap. Appl. Phys.", Bd. 43, Nr. 7A, 2004) können in verschiedenen Technologien hergestellte Systemkomponenten vertikal über Metallkontakte verbunden werden. Ein solches System kann z. B. aus einem Avalanche-Dioden-Sensorchip und einem mehrere Verstärker enthaltenden hochintegrierten Auslese-Chip bestehen. Der Auslese-Chip muss in diesem Fall an der Rückseite angebracht werden, um auf der Oberseite das optische Eintrittsfenster nicht zu verdecken.
Das in 5 illustrierte Ausführungsbeispiel, in dem das Waferbonding-Verfahren verwendet wird, kann gemäß 11 zu einem positionsempfindlichen Detektor verändert werden. Dazu wird die rückseitige Kontaktierungsschicht 12 vorzugsweise vor dem Waferbonding strukturiert eingebracht. Bei der Ausführung mit einer n+ dotierten Kontaktierungsschicht 12 ist eine isolierende p-Schicht 25 in den Zwischenräumen erforderlich (11). Nach der Prozessierung des Wafers mit den Sensor-Chips wird der Trägerwafer 20 vorzugsweise durch Ätzen entfernt, wobei die Isolierschicht 19 als Ätzstopp dienen kann. In die Isolierschicht werden anschließend Kontaktlöcher geätzt und metallisiert. Mit Hilfe der erwähnten Techniken wird der Auslese-Chip kontaktiert. In 11 sind die Verstärker 5 auf dem Auslese-Chip schematisch dargestellt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

1: Avalanche-Photodiode
2: Ausleseknoten
3: Umladeknoten
4: Vorspannungsknoten
5: Verstärker
6: Betriebspunkt
7: Betriebspunkt
8: Betriebspunkt
9: Betriebspunkt
10: Unterseite
11: Halbleitersubstrat
12: Kontaktierungsschicht
13: Oberseite
14: optische Filterschicht
15: Kathodenschicht
16: Anodenschicht
17: Zwischenraum
18: Löschwiderstandsschicht
19: Isolierschicht
20: Trägerschicht
21: Verarmungselektrode
22: Leitungselement
23: Isoliergräben
24: Kontakt
25: dotierter Bereich
AD: Avalanche-Diode
C_C: Koppelkapazität
C_D: Diodenkapazität
R_Q: Löschwiderstand
U_BIAS: Vorspannung

Claims

Avalanche-Photodiode (1) zur Detektion von Strahlung, mit a) einem Halbleitersubstrat (11) mit einer Oberseite (13) und einer Unterseite (10), wobei das Halbleitersubstrat (11) entsprechend einem ersten Dotierungstyp (n^–) dotiert ist, b) einer oberen Diodenschicht (15), die in dem Halbleitersubstrat (11) an der Oberseite (13) angeordnet ist, entsprechend einem zweiten Dotierungstyp (p⁺) dotiert ist und kontaktierbar ist, c) einer lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16), die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der oberen Diodenschicht (15) und der Unterseite (10) des Halbleitersubstrats (11) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n) dotiert ist, d) einem Avalanche-Bereich, der sich unterhalb der oberen Diodenschicht (15) erstreckt, wobei die zu detektierende Strahlung in dem Avalanche-Bereich einen Lawinendurchbruch auslöst, sowie mit e) einer Kontaktierungsschicht (12), die an der Unterseite (10) des Halbleitersubstrats (11) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n⁺) dotiert ist, gekennzeichnet durch f) eine lateral begrenzte Löschwiderstandsschicht (18; R_Q), die in dem Halbleitersubstrat (11) zwischen der unteren Diodenschicht (16) und der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet und entsprechend dem ersten Dotierungstyp (n) dotiert ist, wobei die Löschwiderstandsschicht (18; R_Q) den strahlungsgenerierten Lawinendurchbruch in dem Avalanche-Bereich löscht, sowie g) eine Verarmungselektrode (15; 21), die zumindest teilweise seitlich zu der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) angeordnet und entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (p) dotiert ist, so dass die Verarmungselektrode (15; 21) das Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der lateral begrenzten unteren Diodenschicht (16) verarmt, während die Löschwiderstandsschicht (18; R_Q) von der unteren Diodenschicht (16) gegenüber der Verarmungselektrode (15; 21) abgeschirmt wird und deshalb nicht oder nur teilweise verarmt ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Diodenschicht (15) mit einem Seitenabschnitt seitlich über die lateral begrenzte untere Diodenschicht (16) hinausragt und mit dem hinaus ragenden Seitenabschnitt die Verarmungselektrode bildet.
Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarmungselektrode (21) von der oberen Diodenschicht (15) getrennt ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Filterschicht (14), die auf die Oberseite (13) aufgebracht ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die obere Diodenschicht (15) und/oder die Kontaktierungsschicht (12) a) in lateraler Richtung unterbrechungsfrei über die gesamte Breite der Avalanche-Photodiode (1) erstreckt und/oder b) lateral unstrukturiert ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optische Filterschicht (14) unterbrechungsfrei über den Avalanche-Bereich (3) erstreckt.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschwiderstandsschicht (18; R_Q) einen so großen Widerstandswert aufweist, dass der Strom in dem Avalanche-Bereich bei einem Lawinendurchbruch zeitweilig abstirbt und damit den Lawinendurchbruch beendet.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die obere Diodenschicht (15) eine Kathodenschicht ist, während die untere Diodenschicht (16) eine Anodenschicht ist, oder b) dass die obere Diodenschicht (15) eine Anodenschicht ist, während die untere Diodenschicht (16) eine Kathodenschicht ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an der Oberseite (13) angeordnetes Strahlungseintrittsfenster zur Aufnahme der zu detektierenden Strahlung.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (12) ein hochdotierter Wafer ist, auf den die Löschwiderstandsschicht aufgebracht ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Trägerschicht, die an der Unterseite (10) der Kontaktierungsschicht (12) angeordnet ist und die Avalanche-Photodiode (1) mechanisch trägt.
Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Saphir, eine Keramik und/oder ein hochdotiertes Halbleitermaterial umfasst.
Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (19), die zwischen der Kontaktierungsschicht (12) und der Trägerschicht angeordnet ist.
Avalanche-Photodiode (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Siliziumdioxid besteht.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (11) mindestens ein Dotierungsprofil vom ersten Dotierungstyp aufweist.
Avalanche-Photodiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleitersubstrat (11) seitlich neben der Löschwiderstandsschicht (18; R_Q) ein dotierter Bereich (25) vorgesehen ist, in dem das Halbleitersubstrat (11) entsprechend dem zweiten Dotierungstyp dotiert ist.
Avalanche-Strahlungsdetektor, der eine Vielzahl von Avalanche-Photodioden (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden (1) parallel mit einem gemeinsamen Verstärker verbunden sind.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, a) dass sich die obere Diodenschicht (15) der einzelnen Avalanche-Photodioden (1) in lateraler Richtung über mehrere benachbarte Avalanche-Photodioden (1) erstreckt, b) dass die untere Diodenschicht (16) der einzelnen Avalanche-Photodioden (1) jeweils zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) unterbrochen ist und einen Zwischenraum (17) aufweist, c) dass die obere Diodenschicht (15) das Halbleitersubstrat (11) in dem Zwischenraum (17) zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) verarmt und die benachbarten Avalanche-Photodioden (1) dadurch elektrisch voneinander isoliert.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden (1) über eine gemeinsame Anschlussleitung mit dem Verstärker verbunden sind, wobei die Anschlussleitung die gemeinsame obere Diodenschicht (15) kontaktiert.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Avalanche-Photodioden (1) über mehrere parallele Anschlussleitungen mit dem Verstärker verbunden sind, wobei die einzelnen Anschlussleitungen jeweils die obere Diodenschicht (15) in der Umgebung der jeweiligen Avalanche-Photodiode (1) kontaktieren.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Anschlussleitungen die obere Diodenschicht (15) jeweils in dem Zwischenraum (17) zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) kontaktieren.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Verarmungselektroden der einzelnen Avalanche-Photodioden (1) jeweils von der oberen Diodenschicht (15) getrennt sind, b) dass die Verarmungselektroden jeweils in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) angeordnet sind, c) dass die Verarmungselektroden gemeinsam mit einer Spannungsquelle verbunden sind, und/oder d) dass die oberen Diodenschichten der benachbarten Avalanche-Photodioden (1) jeweils durch eine Leitung miteinander verbunden sind, die den Zwischenraum (17) zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) überbrückt.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 17 bis 23, gekennzeichnet durch eine optische Isolation zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1), um ein optisches Übersprechen zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) zu verhindern.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Isolation aus Isolationsgräben (23) besteht, die zwischen den benachbarten Avalanche-Photodioden (1) geätzt sind und in den Avalanche-Photodioden (1) generierte Photonen absorbieren oder reflektieren.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsgräben (23) Grabenwände aufweisen, die entsprechend dem zweiten Dotierungstyp (p) dotiert sind und/oder auf dem Potential der oberen Diodenschicht (15) liegen.
Avalanche-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Avalanche-Photodioden (1) einzeln mit jeweils einem Verstärker verbunden sind.