DE102008011280B4 - A radiation-receiving semiconductor device, method for operating and using the same, and radiation detector and semiconductor device with the semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und einer Strahlungseintrittsseite angegeben, wobei der Halbleiterkörper einen für den Strahlungsempfang vorgesehenen Detektionsbereich, zumindest zwei elektrische Kontaktbereiche und zumindest einen dotierten Barrierebereich aufweist, sich ein Strompfad zwischen den Kontaktbereichen im Halbleiterkörper erstreckt, der Barrierebereich und der Detektionsbereich in dem Strompfad zwischen den Kontaktbereichen angeordnet sind und der Barrierebereich zur Ausbildung einer Potentialbarriere geeignet ist, die zwischen dem Detektionsbereich und demjenigen Kontaktbereich ehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs liegt.The invention relates to a radiation-receiving semiconductor component having a semiconductor body and a radiation entrance side, the semiconductor body having a detection region provided for radiation reception, at least two electrical contact regions and at least one doped barrier region, a current path extending between the contact regions in the semiconductor body, the barrier region and the detection region in the current path are arranged between the contact regions and the barrier region is suitable for forming a potential barrier which lies between the detection region and the contact region on the side of the barrier region facing away from the detection region.
Description
Die Erfindung betrifft ein strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement, ein Verfahren zum Betreiben des Halbleiterbauelements und die Verwendung des Halbleiterbauelements. Weiterhin werden ein Strahlungsdetektor und eine Halbleiteranordnung mit einem derartigen Halbleiterbauelement angegeben.The The invention relates to a radiation-receiving semiconductor component, a method of operating the semiconductor device and the use of the semiconductor device. Furthermore, a radiation detector and a semiconductor device having such a semiconductor device specified.
Für Strahlungsdetektoren auf Halbleiterbasis können zum Beispiel Lawinen-Photodioden als Halbleiterbauelemente eingesetzt werden (englisch: Avalanche Photo Diode, kurz: APD). Als Lawinen-Photodiode eignet sich zum Beispiel eine in Sperrrichtung vorgespannten p-i-n-Diode. Die Betriebsspannung (Sperrspannung) der Diode wird dabei so gewählt, dass die Diode beim Auftreten eines einzelnen Elektronen-Loch-Paares in der intrinsischen (i) Zone in den Zustand des Lawinendurchbruchs übergeht. Über Lawinenmultiplikation der Elektronen und Löcher im Durchbruchszustand kann ein signifikantes messbares Signal erhalten werden, zu dem sowohl die Elektronen als auch die Löcher beitragen. Für das Erreichen des Durchbruchszustandes sind typischerweise hohe Feldstärken, zum Beispiel von 105 V/cm oder mehr, und damit hohe Sperrspannungen, zum Beispiel von 100 V oder mehr, erforderlich.For radiation detectors based on semiconductors, for example, avalanche photodiodes can be used as semiconductor components (English: Avalanche Photo Diode, in short: APD). As an avalanche photodiode is suitable, for example, a reverse biased pin diode. The operating voltage (blocking voltage) of the diode is chosen so that the diode goes into the state of avalanche breakdown when a single electron-hole pair in the intrinsic (i) zone occurs. By avalanche multiplication of the electrons and holes in the breakdown state, a significant measurable signal can be obtained to which both the electrons and the holes contribute. Achieving the breakdown state typically requires high field strengths, for example of 10 5 V / cm or more, and thus high reverse voltages, for example of 100 V or more.
Bei konstanter Betriebsspannung bleibt die Diode im Durchbruchszustand. Um die Diode wieder in den Ausgangszustand – also den nicht durchgebrochenen Zustand – zu bringen und die Diode somit wieder für eine weitere Strahlungsdetektion bereit zu machen, kann ein hochohmiger Widerstand in Serie zu der Diode geschaltet werden. Der Lawinenstrom kann über den Widerstand abfließen. Der Spannungsabfall über dem Widerstand führt zu einer Reduzierung der Spannung an der Diode (so genanntes Quenching). Aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand sinkt die Feldstärke in der Diode bis unter den für den Lawinendurchbruch erforderlichen Wert. Der durch die Diode fließende Strom versiegt in der Folge.at constant operating voltage, the diode remains in the breakdown state. To the diode back to the initial state - so the unbroken Condition - too bring and the diode thus again for a further radiation detection To make ready, a high impedance resistor can be used in series with the Diode are switched. The avalanche current can flow away via the resistor. Of the Voltage drop over leads the resistance to a reduction of the voltage at the diode (so-called quenching). Due to the voltage drop across the resistor, the field strength drops in the Diode up under the for value required for avalanche breakthrough. The current flowing through the diode dried up in the episode.
Bei der APD können auch thermisch oder durch Tunneleffekte, zum Beispiel Band-zu-Band-Tunneln, generierte Elektronen-Loch-Paare den Lawinendurchbruch auslösen. Die Diode kann also ein Signal liefern, ohne dass überhaupt ein zu detektierendes Photon eingefallen ist.at the APD can also thermally or by tunneling, for example band-to-band tunneling, generated electron-hole pairs trigger the avalanche breakdown. The So diode can deliver a signal without any to be detected Photon has invaded.
Ein
strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement ist auch in der
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Bauelements anzugeben.A to be solved The object is an improved radiation-receiving semiconductor component and to provide a method of operating this device.
Diese Aufgabe wird zum Beispiel durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These Problem is solved for example by the subject matters of the independent claims. advantageous Embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement ist im Patentanspruch 1 angegeben. Der unabhängige Patentanspruch 49 hat eine erfindungsgemäße Verwendung und der unabhängige Patentanspruch 50 hat ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren des Halbleiterbauelements zum Gegenstand.One inventive semiconductor device is specified in claim 1. The independent claim 49 has a use according to the invention and the independent one Claim 50 has an inventive method of operation of the semiconductor device to the subject.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper und eine Strahlungseintrittsseite auf. Über die Strahlungseintrittsseite kann zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper gelangen, dort absorbiert werden und in der Folge ein Ladungsträgerpaar, insbesondere ein Elektron-Loch-Paar, erzeugen.According to one embodiment a radiation-receiving semiconductor component has a semiconductor body and a radiation entrance side. About the radiation entrance side can reach radiation to be detected in the semiconductor body, there are absorbed and subsequently generate a charge carrier pair, in particular an electron-hole pair.
Der Halbleiterkörper weist einen für den Strahlungsempfang vorgesehenen Detektionsbereich, zumindest zwei elektrische Kontaktbereiche und zumindest einen Barrierebereich auf. Zwischen den Kontaktbereichen erstreckt sich ein Strompfad im Halbleiterkörper. Über den Strompfad können im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger im Halbleiterkörper von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließen. Der Barrierebereich und der Detektionsbereich sind in dem Strompfad zwischen den Kontaktbereichen angeordnet. Der Barrierebereich ist vorzugsweise dotiert ausgeführt.Of the Semiconductor body has a for the radiation reception provided detection area, at least two electrical contact areas and at least one barrier area on. Between the contact areas, a current path extends in Semiconductor body. On the Rung can In the operation of the semiconductor device charge carriers in the semiconductor body of flow one contact area to the other contact area. Of the Barrier area and the detection area are in the current path arranged between the contact areas. The barrier area is preferably carried out doped.
Der Barrierebereich ist weiterhin bevorzugt zur Ausbildung einer Potentialbarriere geeignet und insbesondere vorgesehen. Die Potentialbarriere ist bevorzugt zwischen dem Detektionsbereich und demjenigen Kontaktbereich ausgebildet und insbesondere angeordnet, welcher entlang des Strompfades gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordnet ist. Über die Potentialbarriere kann im Betrieb des Halbleiterbauelements, zum Beispiel bei einer zwischen den Kontaktbereichen angelegten Kontaktspannung, ein Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich in den anderen Kontaktbereich behindert oder sogar verhindert werden. Der Barrierebereich kann derart ausgebildet sein, dass ein Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich in den anderen Kontaktbereich vor einer Strahlungsabsorption im Detektionsbereich unterbleibt und nach einer Strahlungsabsorption Ladungsträger von dem einen in den anderen Kontaktbereich fließen können.Of the Barrier region is furthermore preferred for forming a potential barrier suitable and in particular provided. The potential barrier is preferred formed between the detection area and that contact area and in particular, which is seen along the current path on the side of the barrier area facing away from the detection area is arranged. about In the operation of the semiconductor device, the potential barrier can For example, at a created between the contact areas Contact voltage, a charge carrier flow from hindering one contact area in the other contact area or even prevented. The barrier area can be designed in this way be that a charge carrier flow from one contact area to the other contact area in front of one Radiation absorption in the detection area is omitted and after a Radiation absorption charge carriers from one to the other contact area can flow.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass in dem Halbleiterkörper, vorzugsweise im Detektionsbereich, ein Primärladungsträger, zum Beispiel ein Elektron oder ein Loch, mittels Stoßionisation Sekundärladungsträger, zum Beispiel ein Elektron-Loch-Paar oder eine Mehrzahl von Elektron-Loch-Paaren, erzeugen kann. Der Primärladungsträger, vorzugsweise ein Elektron, kann durch Absorption von zu detektierender Strahlung im Detektionsbereich erzeugt sein.In a preferred embodiment, the semiconductor component is designed and in particular operable such that in the semiconductor body, preferably in the detection region, a Primärla tion carrier, for example an electron or a hole, by impact ionization secondary charge carriers, for example, an electron-hole pair or a plurality of electron-hole pairs can produce. The primary charge carrier, preferably an electron, can be produced by absorption of radiation to be detected in the detection region.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass ein Fluss von Ladungsträgern, zum Beispiel von Sekundärladungsträgern und/oder von Ladungsträgern eines einheitlichen Ladungsträgertyps (Elektronen oder Löcher), welche im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich erzeugt werden, aus dem Detektionsbereich durch den Barrierebereich und in denjenigen Kontaktbereich, welcher entlang des Strompfads gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordnet ist, im Betrieb des Bauelements mittels der Potentialbarriere behindert oder sogar verhindert werden kann. Bevorzugt wird der Ladungsträgerfluss von dem einen in den anderen Kontaktbereich temporär, besonders bevorzugt nur temporär, verhindert oder behindert.In Another preferred embodiment is the semiconductor device designed and in particular operable such that a flow of Carriers, for example, of secondary load carriers and / or of carriers a uniform charge carrier type (Electrons or holes), which in the semiconductor body and in particular be generated in the detection area, from the detection area through the barrier area and into that contact area which along the path as seen on the detection area the opposite side of the barrier area is arranged, in operation of the device impeded by the potential barrier or even can be prevented. The charge carrier flow is preferred from one to the other contact area temporarily, especially preferably only temporary, prevented or impeded.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet und insbesondere betreibbar, dass im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich erzeugte Ladungsträger, zum Beispiel Sekundärladungsträger, eines Ladungsträgertyps zu dem Barrierebereich driften und sich im Barrierebereich sammeln können. Durch im Barrierebereich angesammelte Ladungsträger kann die Höhe der Potentialbarriere verringert werden.In Another preferred embodiment is the semiconductor device designed and in particular operable such that in the semiconductor body and in particular in the detection area generated charge carriers, for Example secondary carriers, one Charge carrier type drift to the barrier area and collect in the barrier area can. By The charge carriers accumulated in the barrier region can be the height of the potential barrier be reduced.
Die Ladungsträger des Ladungsträgertyps können im Barrierebereich von ionisierten Dotierstoffatomrümpfen elektrostatisch angezogen werden. Die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger können mit den ionisierten Dotierstoffatomrümpfen rekombinieren. Elektronen als Ladungsträger dieses Ladungsträgertyps werden zweckmäßigerweise von positiv geladenen Donatoratomrümpfen angezogen. Löcher werden als Ladungsträger dieses Ladungsträgertyps zweckmäßigerweise von negativ geladenen Akzeptoratomrümpfen angezogen. Die sich im Barrierebereich sammelnden Ladungsträger sind vorzugsweise Sekundärladungsträger. Aufgrund der höheren effektiven Masse sind Löcher für die Akkumulation im Barrierebereich besonders geeignet. Elektronen eignen sich dagegen besonders für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation, insbesondere aufgrund der geringeren effektiven Masse im Vergleich zu Löchern.The charge carrier of the charge carrier type can in Barrier region of ionized Dotierstoffatomrümpfen electrostatically attracted become. The charge carriers accumulated in the barrier region can interact with recombine the ionized Dotierstoffatomrümpfen. Electrons as charge carriers this charge carrier type are expediently attracted by positively charged Donatoratomrümpfen. Be holes as a charge carrier this charge carrier type expediently attracted by negatively charged acceptor atoms. The in the barrier area collecting charge carriers are preferably secondary carriers. by virtue of the higher one effective mass are holes for the Accumulation in the barrier area particularly suitable. Electrons are suitable especially for the generation of secondary carriers by impact ionization, especially due to the lower effective mass in comparison to holes.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement derart ausgebildet oder insbesondere betreibbar, dass nach Verringerung der Potentialbarriere Ladungsträger von einem Kontaktbereich durch den Barrierebereich und den Detektionsbereich in den anderen Kontaktbereich fließen können. Die Ladungsträger, die von dem einen in den anderen Kontaktbereich fließen, sind vorzugsweise Ladungsträger des anderen Ladungsträgertyps – zum Beispiel Ladungsträger des Typs, welche sich nicht im Barrierebereich sammeln oder durch die Potentialbarriere behindert werden. Vorzugsweise sind die Ladungsträger des anderen Ladungsträgertyps Elektronen.In Another preferred embodiment is the semiconductor device designed or in particular operated so that after reduction the potential barrier charge carrier from a contact area through the barrier area and the detection area can flow into the other contact area. The charge carriers, the from the one flow into the other contact area are preferably carriers of the other type of charge carrier - for example charge carrier of the type that does not collect in the barrier area or through the potential barrier is hindered. Preferably, the charge carriers of other type of charge electron.
Dies hat den Vorteil, dass ein Signal des Detektors nicht ausschließlich von der Stoßionisation wie bei einer Lawinen-Photodiode getragen wird, sondern vielmehr durch einen Ladungsträgerfluss von dem einen Kontaktbereich zum anderen Kontaktbereich, der nach ausreichender Verringerung der Potentialbarriere einsetzt. Das Halbleiterbauelement kann als unipolares Bauelement, also als Bauelement, bei dem nur Ladungsträger eines Ladungsträgertyps, vorzugsweise Elektronen, signifikant zum Signal beitragen, ausgebildet sein.This has the advantage that a signal from the detector is not exclusive of the impact ionization like in an avalanche photodiode but rather by a charge carrier flow of one contact area to the other contact area, which after sufficient Reduction of the potential barrier begins. The semiconductor device can as a unipolar component, ie as a component in which only carriers of a Charge carrier type, preferably electrons contribute significantly to the signal formed be.
Das Halbleiterbauelement weist eine Steuerelektrode auf. Diese ist für das Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes an den Barrierebereich geeignet und bevorzugt vorgesehen. Das Steuerfeld kann mittels einer an die Steuerelektrode angelegten Steuerspannung beziehungsweise einem an die Steuerelektrode angelegten Steuerpotential erzeugt werden. Die Steuerelektrode kann sich über den Barrierebereich erstrecken. Über die Steuerelektrode und insbesondere die dort angelegte Steuerspannung beziehungsweise das dort angelegte Steuerpotential kann die Höhe der Potentialbarriere gesteuert werden. Zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper ist ein Dielektrikum angeordnet. Das Dielektrikum, zum Beispiel eine Dielektriumsschicht, isoliert mit Vorzug die Steuerelektrode, insbesondere vollflächig, vom Halbleiterkörper. Das Dielektrikum ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass ein elektrisches Durchschlagen zur Steuerelektrode im Betrieb des Halbleiterbauelements vermieden wird. Die Steuerelektrode erstreckt sich bevorzugt über den Detektionsbereich. Durch das Anlegen einer geeigneten Steuerspannung beziehungsweise eines geeigneten Steuerpotentials an die Steuerelektrode kann im Detektionsbereich ein leitender Kanal für den Ladungsträgerdurchtritt durch den Detektionsbereich ausgebildet werden. Der Kanal kann zum Beispiel ein n-Kanal sein. Der Ladungsträgerdurchtritt durch den Detektionsbereich nach dem Abbau der Potentialbarriere wird so erleichtert.The Semiconductor device has a control electrode. This is for mooring an electric control panel suitable for the barrier area and preferably provided. The control panel can by means of a to the control electrode applied control voltage or one to the control electrode created control potential. The control electrode can over extend the barrier area. about the control electrode and in particular the control voltage applied there or the control potential applied there can be the height of the potential barrier to be controlled. Between the control electrode and the semiconductor body is a dielectric arranged. The dielectric, for example a Dielektriumsschicht, isolated with preference the control electrode, in particular the entire surface of the Semiconductor body. The dielectric is suitably such designed such that an electrical breakdown to the control electrode is avoided during operation of the semiconductor device. The control electrode preferably extends over the Detection range. By applying a suitable control voltage or a suitable control potential to the control electrode can in the detection area, a conductive channel for the charge carrier passage be formed by the detection area. The channel can for Example be an n-channel. The charge carrier passage through the detection area after the degradation of the potential barrier is facilitated.
Wird im Betrieb des Halbleiterbauelements ein Photon im Detektionsbereich absorbiert, können mittels der durch Absorption erzeugten Ladungsträger weitere Ladungsträger durch Stoßionisationen im Detektionsbereich erzeugt werden. Durch zum Barrierebereich driftende Ladungsträger kann die Barrierenhöhe verringert werden und es kann ein Signalstrom fließen. Das Halbleiterbauelement ist besonders zur Detektion von Einzelphotonen oder Strahlungspulsen, insbesondere ultrakurzen Pulsen, zum Beispiel im Nanosekunden-, Picosekunden- oder Femtosekundenbereich, geeignet und vorzugsweise ausgebildet. Weiterhin eignet sich das Halbleiterbauelement als Photonenzähler.If a photon is absorbed in the detection region during operation of the semiconductor component, additional charge carriers can be generated by impact ionization in the charge carrier generated by absorption Detection area are generated. By charge carriers drifting to the barrier region, the barrier height can be reduced and a signal current can flow. The semiconductor component is particularly suitable and preferably designed for the detection of single photons or radiation pulses, in particular ultrashort pulses, for example in the nanosecond, picosecond or femtosecond range. Furthermore, the semiconductor device is suitable as a photon counter.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Halbleiteranordnung eine Mehrzahl von strahlungsempfangenden Halbleiterbauelementen der weiter oben beschriebenen Art. Die Halbleiteranordnung kann monolithisch integriert ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Halbleiteranordnung zehn oder mehr, vorzugsweise zwanzig oder mehr, Halbleiterbauelemente umfassen. Durch eine Mehrzahl an Halbleiterbauelementen wird die zur Verfügung stehende Detektionsfläche vergrößert. Die Halbleiteranordnung kann insbesondere ein für alle Halbleiterbauelemente der Halbleiteranordnung gemeinsames Substrat, insbesondere ein Halbleitersubstrat, aufweisen. Dieses Substrat kann einen der Kontaktbereiche bilden.According to one embodiment a semiconductor device comprises a plurality of radiation-receiving Semiconductor devices of the type described above. The semiconductor device can monolithic integrated running be. For example, the semiconductor device may be ten or more, preferably twenty or more, semiconductor devices. By a plurality of semiconductor devices, the available detection area increased. The semiconductor device can in particular a for all semiconductor components of the semiconductor device common substrate, in particular a semiconductor substrate. This substrate can form one of the contact areas.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Strahlungsdetektor ein Halbleiterbauelement oder eine Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art. Der Strahlungsdetektor ist bevorzugt zur Detektion von Strahlung mit Wellenlängen außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs geeignet und besonders bevorzugt ausgebildet. Dabei weist der Strahlungsdetektor bevorzugt ein Umwandlungselement auf, welches einfallende Strahlung, also Strahlung, die im Detektionsbereich nicht absorbiert und dementsprechend auch kein Elektronen-Loch-Paar erzeugen würde, in Strahlung umwandelt, die im Detektionsbereich absorbiert werden kann. Der Strahlungsdetektor kann hierdurch an spezielle Wellenlängenbereiche der zu detektierenden Strahlung angepasst werden, ohne dass der Detektionsbereich verändert werden müsste. Dies hat Vorteile bei der Fertigung der Halbleiterbauelemente für einen Strahlungsdetektor, da diese gleichartig vorgefertigt werden können und mit verschiedenen Umwandlungselementen an verschiedene zu detektierende Wellenlängen angepasst werden können. Beispielsweise kann der Strahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet sein. Hierzu kann ein Szintillator als Umwandlungselement vorgesehen sein.According to one embodiment For example, a radiation detector includes a semiconductor device or a semiconductor device Semiconductor device of the type described above. The radiation detector is preferred for the detection of radiation with wavelengths outside the spectral sensitivity range of the detection range suitable and particularly preferably formed. In this case, the radiation detector points prefers a conversion element which receives incident radiation, So radiation that does not absorb in the detection area and accordingly also would not produce an electron-hole pair, converted into radiation, which can be absorbed in the detection area. The radiation detector This can be used to specific wavelength ranges of the detected Radiation can be adjusted without changing the detection range would. This has advantages in the manufacture of the semiconductor devices for a Radiation detector, since these can be prefabricated similar and with different conversion elements to different to be detected wavelength can be adjusted. For example For example, the radiation detector can be designed to detect X-radiation be. For this purpose, a scintillator can be provided as a conversion element be.
Ein Halbleiterbauelement, eine Halbleiteranordnung oder ein Strahlungsdetektor wie oben beschrieben eignet sich auch für die Analyse der Zusammensetzung eines Probenmaterials, zum Beispiel über Detektion von mittels des Probenmaterials generierter Strahlung, insbesondere von γ-Strahlung oder von Röntgenstrahlung.One Semiconductor device, a semiconductor device or a radiation detector as described above is also suitable for the analysis of the composition a sample material, for example via detection of means of Sample material generated radiation, in particular γ-radiation or of X-rays.
In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements, einer Halbleiteranordnung oder eines Strahlungsdetektors der oben beschriebenen Art wird zunächst eine Kontaktspannung zwischen den beiden Kontaktbereichen angelegt. Hierdurch kann sich ein sich durch den Detektionsbereich erstreckendes elektrisches Feld im Halbleiterbauelement und insbesondere im Halbleiterkörper ausbilden. Die Kontaktspannung und der Halbleiterkörper, insbesondere die Kontaktspannung und der Detektionsbereich, werden dabei derart aufeinander abgestimmt, dass im Detektionsbereich durch Absorption erzeugte Ladungsträger eines Ladungsträgertyps im Halbleiterkörper und insbesondere im Detektionsbereich durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen können. Die mittels des Barrierebereichs gebildete Potentialbarriere und die Kontaktspannung werden weiterhin derart aufeinander abgestimmt, dass ein Signalstromfluss von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich unterbunden ist.In an embodiment a method of operating a radiation-receiving semiconductor device, a semiconductor device or a radiation detector of the above described type is first a contact voltage between the two contact areas created. This can be a extending through the detection area form electrical field in the semiconductor device and in particular in the semiconductor body. The contact voltage and the semiconductor body, in particular the contact voltage and the detection area, are matched to each other, that in the detection range generated by absorption charge carriers of a Charge carrier type in the semiconductor body and in particular generate additional charge carriers by impact ionization in the detection area can. The potential barrier formed by the barrier region and the contact voltage will continue to match each other so that a signal current flow from one contact region to the other Contact area is prohibited.
Als Signalstromfluss ist ein sich von einem Hintergrundrauschen, welches zum Beispiel durch einen Dunkelstrom verursacht ist, signifikant unterscheidendes Stromsignal zu verstehen.When Signal flow is a signal from a background noise, which caused for example by a dark current, significantly to understand different current signal.
Nachfolgend wird Strahlung, insbesondere ein Einzelphoton oder ein Strahlungspuls, im Detektionsbereich absorbiert. Dabei wird zumindest ein Primärladungsträger eines Ladungsträgertyps, zum Beispiel ein Elektron oder ein Loch, im Detektionsbereich erzeugt. Mittels Stoßionisation durch den Primärladungsträger werden daraufhin Sekundärladungsträger, insbesondere Elektron-Loch-Paare, im Detektionsbereich erzeugt. Für die Stoßionisation wird der Primärladungsträger zweckmäßigerweise im elektrischen Feld im Detektionsbereich derart beschleunigt, dass Stoßionisation auftritt. Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps, zum Beispiel Löcher, driften zu dem Barrierebereich und sammeln sich dort, so dass die Potentialbarriere verringert wird. Auch durch Sekundärladungsträger können gegebenenfalls über Stoßionisation weitere Sekundärladungsträger erzeugt werden. Insgesamt kann sich so eine Vielzahl von Sekundärladungsträgern im Barrierebereich sammeln. Die Potentialbarriere kann durch die Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps insbesondere derart verringert werden, dass ein Signalstrom von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließt. Dabei fließt der Signalstrom zweckmäßigerweise durch den Barrierebereich und den Detektionsbereich.following is radiation, in particular a single photon or a radiation pulse, absorbed in the detection area. At least one primary charge carrier of a Charge carrier type, For example, an electron or a hole generated in the detection area. By impact ionization through the primary carrier then secondary charge carriers, in particular Electron-hole pairs generated in the detection area. For impact ionization will the primary charge carrier expediently accelerated in the electric field in the detection area such that impact ionization occurs. Secondary carrier of a Charge carrier type, for example holes, drift to the barrier area and gather there so the Potential barrier is reduced. Also by secondary carriers can optionally impact ionization generates additional secondary carriers become. Altogether so can a multiplicity of secondary load carriers in the Collect barrier area. The potential barrier can be controlled by the secondary charge carriers of a Charge carrier type be reduced in particular such that a signal current of flows one contact area to the other contact area. there flows the signal current expediently through the barrier area and the detection area.
Der fließende Signalstrom kann nachfolgend erfasst werden. Fließt ein Strom, so bedeutet dies, dass Strahlung auf den Detektionsbereich getroffen ist.The flowing signal current can subsequently be detected. If a current flows, it means that radiation has hit the detection area is.
Die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger tragen mit Vorzug nicht oder nicht wesentlich zum Signalstrom bei.The Charge carriers accumulated in the barrier region are not preferred or not essential to the signal current.
Die Höhe der Potentialbarriere ist zweckmäßigerweise derart gewählt, dass diese durch Ladungsträgerakkumulation von durch Stoßionisation erzeugten Sekundärladungsträgern soweit verringerbar ist, dass ein Signalstrom durch die Kontaktbereiche fließen kann.The height of Potential barrier is expediently chosen so that these are due to charge carrier accumulation of generated by impact ionization Secondary load carriers so far reducible is that a signal current through the contact areas flow can.
Vor der Strahlungsabsorption kann eine vorgegebene Steuerspannung beziehungsweise ein vorgegebenes Steuerpotential, welche(s) zur Ausbildung einer bis zum Signalstromfluss mittels der Sekundärladungsträger abbaubaren Potentialbarriere geeignet ist, ermittelt und an den Barrierebereich angelegt werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise über die Steuerelektrode. Über die Steuerelektrode kann die Höhe der Potentialbarriere variiert werden. Die Steuerelektrode kann damit zur Arbeitspunkteinstellung des Halbleiterbauelements verwendet werden.In front the radiation absorption can be a predetermined control voltage or a predetermined control potential, which (s) to form a suitable for the signal current flow by means of the secondary charge carrier degradable potential barrier is, determined and applied to the barrier area. This conveniently takes place over the Control electrode. about the control electrode can adjust the height the potential barrier can be varied. The control electrode can thus used for operating point adjustment of the semiconductor device become.
Nachdem der Signalstrom geflossen und insbesondere erfasst worden ist, können durch Anlegen einer geeignet gepolten Spannung, zum Beispiel einer geeignet gepolten Steuerspannung beziehungsweise einem geeigneten Steuerpotential, an den Barrierebereich die in den Barrierebereich gedrifteten Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich abgezogen (”abgesaugt”) werden. Dieses Abziehen führt dazu, dass sich die Barriere wieder aufbauen kann und der Signalstromfluss in der Folge unterbunden wird.After this the signal flow has flowed and in particular has been detected by Applying a suitably poled voltage, for example a suitable polarized control voltage or a suitable control potential, At the barrier area, the secondary charge carriers drifted into the barrier area the barrier area deducted ("sucked"). This removal leads to allow the barrier to rebuild and the signal current flow is subsequently suppressed.
Nach dem Entfernen der Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich ist der Strahlungsdetektor wieder im Ausgangszustand, so dass ein weiterer Detektionsvorgang begonnen werden kann.To removal of the secondary carrier the barrier area, the radiation detector is back in the initial state, so that another detection process can be started.
Der Vorgang des Absaugens der Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich ist mit Vorteil schneller durchführbar als der Abbau der sehr hohen Sperrspannung über der Lawinen-Photodiode durch das eingangs beschriebene Quenching.Of the Process of sucking the secondary carrier from The barrier area is advantageously feasible faster than the degradation of the very high reverse voltage across the avalanche photodiode by the initially described quenching.
Weiterhin kann das Halbleiterbauelement verglichen mit einer Lawinen-Photodiode mit einer vorteilhaft geringen Spannung betrieben werden. Dies ergibt sich daraus, dass durch Stoßionisation erzeugte Ladungsträger im wesentlichen nur dem Abbau der Barriere dienen und nicht wie bei der Lawinen-Photodiode signifikant zum Signal beitragen müssen. Die Kontaktspannung kann 75 V oder weniger, bevorzugt 60 V oder weniger, besonders bevorzugt 50 V oder weniger, betragen. Die Kontaktspannung kann 20 V oder mehr, bevorzugt 30 V oder mehr, besonders bevorzugt 40 V oder mehr betragen. Aufgrund der vorteilhaft geringen Kontaktspannung können bei einer Halbleiteranordnung die einzelnen Halbleiterbauelemente dichter gepackt werden, ohne die Gefahr eines elektrischen (Spannungs)Durchschlags zwischen zwei benachbarten Halbleiterbauelementen zu erhöhen. Die Quanteneffizienz pro Fläche kann so mit Vorteil erhöht werden.Farther For example, the semiconductor device can be compared with an avalanche photodiode be operated with a low voltage advantageous. This results from it, that by impact ionization generated charge carriers essentially serve only the degradation of the barrier and not how at the avalanche photodiode must contribute significantly to the signal. The contact voltage can 75 V or less, preferably 60 V or less, more preferably 50 V or less. The contact voltage can be 20V or more, preferably 30 V or more, more preferably 40 V or more be. Due to the advantageous low contact voltage can at a semiconductor device, the individual semiconductor devices denser be packed without the risk of electrical (voltage) breakdown between two adjacent semiconductor devices to increase. The Quantum efficiency per area can be increased with advantage become.
Weitere Vorteile, Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.Further Advantages, features and advantageous embodiments arise from the following description of the embodiments in conjunction with the figures.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Einzelelemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr können einzelne Elemente in den Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Same, similar and equally acting elements are in the figures with provided the same reference numerals. The individual elements shown in the figures are not necessarily to scale shown. Rather, you can individual elements in the figures are exaggerated for better understanding shown big be.
Das
strahlungsempfangende Halbleiterbauelement
Der
Halbleiterkörper
Weiterhin
weist der Halbleiterkörper
Der
Halbleiterkörper
Das
in
Nach
dem epitaktischen Aufwachsen der einzelnen Schichten für den Halbleiterkörper kann eine
Mesa aus den Epitaxieschichten ausgebildet werden. Dazu eignet sich
beispielsweise reaktives Ionenätzen
unter Einsatz einer geeigneten Maske, zum Beispiel einer (Metall-
oder Nitrid-)Hartmaske. Die Mesa kann sich von der Strahlungseintrittsseite
Der
Kontaktbereich
Das
strahlungsempfangende Halbleiterbauelement
Weiterhin
weist das Halbleiterbauelement
Zwischen
der Steuerelektrode
Die
Dielektrikumsschicht
Der
Detektionsbereich
Strahlung
kann so ungehindert vom Material des Halbleiterkörpers
Um
den Strahlungseintritt in den Detektionsbereich
Das
strahlungsempfangende Halbleiterbauelement
Der
Detektionsbereich
Eine
Ausdehnung des Detektionsbereichs
Der
Barrierebereich
Über den
Sperrbereich
Der
Detektionsbereich
Der
Barrierebereich
Die
Kontaktbereiche
Der
Detektionsbereich
Die
Struktur des strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements
Aufgrund
einer an die Steuerelektrode
Das
Halbleiterbauelement
Dargestellt sind das Valenzband V, das Leitungsband L sowie das Ferminiveau F.shown are the valence band V, the conduction band L and the Fermi level F.
Die
Kontaktbereiche
Die einzelnen Bereiche können auf Silizium basieren. Für eine n-Dotierung eignet sich zum Beispiel Phosphor als Dotierstoff und für eine p-Dotierung eignet sich beispielsweise Bor als Dotierstoff.The individual areas can based on silicon. For For example, an n-doping is phosphorus as a dopant and for For example, boron is used as dopant for a p-type doping.
Weiterhin
weist der Dotierprofilverlauf entlang des Strompfades beim Übergang
von dem Detektionsbereich
Das
Dotierstoffprofil des Barrierebereichs gegenüber den angrenzenden Bereichen – zum Beispiel
dem (intrinsischen) Detektionsbereich
Die
Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs des Barrierebereichs
Zwischen
den Kontaktbereichen
Die Kontaktspannung kann 75 V oder weniger, bevorzugt 60 V oder weniger, besonders bevorzugt 50 V oder weniger betragen. Die Kontaktspannung kann insbesondere zwischen jeweils einschließlich 20 V und 75 V, bevorzugt zwischen jeweils einschließlich 30 V und 60 V, besonders bevorzugt zwischen jeweils einschließlich 40 V und 50 V, liegen.The Contact voltage may be 75 V or less, preferably 60 V or less, particularly preferably 50 V or less. The contact voltage in particular between in each case including 20 V and 75 V, preferred between each one inclusive 30V and 60V, more preferably between each including 40 V and 50 V, lie.
Dabei
kann der überwiegende
Teil der Kontaktspannung über
dem Detektionsbereich
Es
bildet sich insbesondere ein steiles Potentialgefälle vom
Barrierebereich
Zwischen
den Kontaktbereichen
Wird
nun im Detektionsbereich ein Photon absorbiert, so entsteht ein
primäres
Elektronen-Loch-Paar (Ep, Hp).
Das Elektron Ep wird entlang des Potentialgefälles, welches
insbesondere durch die Potentialbarriere und die Kontaktspannung
hervorgerufen wird, in Richtung des Kontaktbereichs
Die
durch Stoßionisation
im Detektionsbereich
Die
Höhe der
Potentialbarriere kann alleine durch die Akkumulation von Sekundärladungsträgern in
dem Barrierebereich
Die
im Barrierebereich
Löcher tragen mit Vorzug nicht oder zumindest nicht signifikant zum Signalstrom I bei. Das Bauelement ist somit als unipolares Bauelement, dessen Strom nur von Ladungsträgern eines Ladungsträgertyps (im vorliegenden Beispiel: Elektronen) getragen wird.Wear holes preferably not or at least not significant to the signal current I at. The device is thus a unipolar device whose current only from load carriers of a charge carrier type (in the present example: electrons) is worn.
Die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger Hs tragen nicht signifikant zum Signal bei, sondern dienen vielmehr nur dem Barriereabbau und ermöglichen durch den Abbau der Barriere einen Signalstromfluss.The charge carriers H s generated by impact ionization do not contribute significantly to the signal, but rather serve only for barrier degradation and enable a signal current flow through the degradation of the barrier.
Die
Höhe der
Potentialbarriere ist dabei bevorzugt derart bemessen, dass bei
einer vorgegebenen Kontaktspannung vor dem Strahlungseinfall kein Signalstrom
zwischen den Kontaktbereichen
Die
Barrierenhöhe
kann dabei zweckmäßigerweise
durch die Steuerelektrode
Wird
beispielsweise eine positive Steuerspannung VS an
das Bauelement angelegt, so kann sich zwischen den Kontaktbereichen
Es
kann insbesondere ein einziges Photon genügen, um ein signifikantes messbares
Stromsignal des Halbleiterbauelements
Wird nach dem Signalstromfluss an die Steuerelektrode eine geeignet gepolte Spannung angelegt, zum Beispiel für Löcher eine negative Spannung, so können die im Barrierebereich akkumulierten Ladungsträger wieder aus dem Barrierebereich entfernt (”abgesaugt”) werden. In der Folge erhöht sich die Barriere wieder. Ein Signalstromfluss kann dann wieder unterbunden werden. Der Detektor ist dann im Ausgangszustand und wieder bereit für eine erneute Strahlungsdetektion.Becomes after the signal current flow to the control electrode a suitably poled Voltage applied, for example for holes a negative voltage, so can the charge carriers accumulated in the barrier area are removed from the barrier area ("Sucked off"). As a result, it increases the barrier again. A signal current flow can then be prevented again become. The detector is then in the initial state and ready again for a renewed Radiation detection.
Der Strahlungsdetektor kann über die Steuerelektrode, insbesondere ab dem Signalstromfluss, in einem Zeitintervall von 1 ms oder weniger, bevorzugt von 1 μs oder weniger, besonders bevorzugt von 50 ns oder weniger, zum Beispiel von 10 ns oder weniger, von 1 ns oder weniger, von 100 ps oder weniger oder von 50 ps oder weniger in den Ausgangszustand versetzt werden. Das Zeitintervall kann zwischen jeweils einschließlich 1 ns und 10 ns liegen.Of the Radiation detector can over the control electrode, in particular from the signal current flow, in one Time interval of 1 ms or less, preferably 1 μs or less, more preferably 50 ns or less, for example 10 ns or less, from 1 ns or less, from 100 ps or less, or from 50 ps or less to the initial state. The Time interval can be between each including 1 ns and 10 ns.
Aufeinanderfolgende Detektionsvorgänge können dementsprechend insbesondere mit einer Frequenz von 1 kHz oder mehr, bevorzugt von 50 kHz oder mehr, besonders bevorzugt von 300 kHz oder mehr, zum Beispiel von 1 MHz oder mehr, von 20 MHz oder mehr, von 100 MHz oder mehr, von 1 GHz oder mehr, von 10 GHz oder mehr oder von 20 GHz oder mehr durchgeführt werden.successive Detection operations can accordingly in particular with a frequency of 1 kHz or more, preferably from 50 kHz or more, more preferably 300 kHz or more, for Example of 1 MHz or more, 20 MHz or more, 100 MHz or more, 1 GHz or more, 10 GHz or more, or 20 GHz or more become.
Ein
vergleichsweise zeitintensives Rückversetzen
des Halbleiterbauelements
Der
Verlauf des Dotierprofils von dem Kontaktbereich
p-i-n-i-p,
n-i-n-i-p, p-i-p-i-n, p-i-p-i-p oder n-i-n-i-n.The course of the doping profile of the contact area
pinip, ninip, pipin, pipip or ninin.
Wird dabei der Barrierebereich mittels eines n-leitend dotierten Barrierebereichs gebildet, so wäre die Rolle von Elektronen und Löchern entsprechend vertauscht. Auch die Polung der angelegten Spannungen/Potentiale wäre eventuell geeignet umzukehren.Becomes in this case, the barrier area by means of an n-type doped barrier area formed, that would be Role of electrons and holes swapped accordingly. Also the polarity of the applied voltages / potentials would be possible suitable to reverse.
Da die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger nicht wesentlich zum Signal beitragen, kann das Halbleiterbauelement bei erheblich geringeren Spannungen betrieben werden als eine Lawinen-Photodiode. Der Signalstrom kann vielmehr ausschließlich oder überwiegend durch den zwischen Kontaktbereichen fließenden Strom gebildet werden, wobei die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger im Wesentlichen nur dem Abbau der Potentialbarriere dienen. Insbesondere kann der volle Verstärkungsfaktor des dem Halbleiterbauelement zu Grunde liegenden modifizierten Transistors zum Signal führen. Der Verstärkungsfaktor kann 104 oder mehr, vorzugsweise 105 oder mehr, betragen.Since the charge carriers generated by impact ionization do not contribute significantly to the signal, the semiconductor device can be operated at significantly lower voltages than a law NEN photodiode. Rather, the signal current can be formed exclusively or predominantly by the current flowing between contact regions, the charge carriers generated by impact ionization essentially serving only for breaking down the potential barrier. In particular, the full amplification factor of the modified transistor underlying the semiconductor component can lead to the signal. The amplification factor may be 10 4 or more, preferably 10 5 or more.
Da die Stoßionisation nicht der für die Signalstromstärke maßgebliche Mechanismus ist, kann das Halbleiterbauelement bei analoger Dimensionierung zu einer vorgegebenen Lawinen-Photodiode im Vergleich mit der Lawinen-Photodiode mit wesentlich geringeren Kontaktspannungen (Betriebsspannungen) betrieben werden.There the impact ionization not the one for the signal current strength authoritative Mechanism is, the semiconductor device can with analog sizing too a given avalanche photodiode compared with the avalanche photodiode with much lower Contact voltages (operating voltages) are operated.
Dies hat einen besonderen Vorteil bei der Ausbildung einer Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von derartigen Halbleiterbauelementen. Da die Betriebsspannung (Kontaktspannung) vergleichsweise gering ist, können die Halbleiterbauelemente gegenüber Lawinen-Photodioden dichter gepackt werden und/oder eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen kann geringer, zum Beispiel dünner, ausgeführt werden, ohne dass die Gefahr eines Übersprechens oder eines elektrischen Durchschlags zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen erhöht ist.This has a particular advantage in the formation of a semiconductor device with a plurality of such semiconductor devices. Because the Operating voltage (contact voltage) is comparatively low, the Semiconductor devices opposite Avalanche photodiodes are packed more densely and / or an electrical Isolation between adjacent semiconductor devices may be lower, for example thinner, accomplished be without the risk of crosstalk or electrical Punch is increased between adjacent semiconductor devices.
Bei einer Erhöhung der Packungsdichte der Halbleiterbauelemente wird die zur Strahlungsdetektion zur Verfügung stehende Fläche der Halbleiteranordnung und darüber insbesondere die Quantenausbeute pro Flächeneinheit erhöht.at an increase the packing density of the semiconductor devices becomes that for radiation detection to disposal standing area the semiconductor device and above In particular, the quantum yield per unit area increased.
Die
Halbleiterbauelemente
Im
Umwandlungselement
Die
Strahlung
Dabei
ist die Anzahl an im Umwandlungselement
Die
Halbleiterschicht
Der
Strompfad
Die einzelnen dotierten Bereiche der Halbleiterschicht können mittels Implantation von Dotierstoffen ausgebildet werden. Ein laterales Bauelement ist gegenüber einem vertikalen Bauelement weniger kostenintensiv in der Fertigung. Damit eignet sich ein laterales Bauelement besonders für die Massenfertigung.The individual doped regions of the semiconductor layer can by means of Implantation of dopants are formed. A lateral Component is opposite a vertical component less expensive in manufacturing. Thus, a lateral component is particularly suitable for mass production.
Die
Isolationsschicht
- 11
- HalbleiterbauelementSemiconductor device
- 22
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 33
- StrahlungseintrittsseiteRadiation input side
- 4, 54, 5
- elektrischer Kontaktbereichelectrical contact area
- 66
- elektrischer Strompfadelectrical current path
- 77
- Detektionsbereichdetection range
- 88th
- Barrierebereichbarrier region
- 99
- Sperrbereichstopband
- 10, 1110 11
- elektrischer Anschlusselectrical connection
- 1212
- Steuerelektrodecontrol electrode
- 1313
- Steueranschlusscontrol connection
- 1414
- Dielektrikumsschichtdielectric
- 1515
- Fensterwindow
- 1616
- AntireflexbeschichtungAntireflection coating
- 1717
- StrahlungseintrittsflächeRadiation entrance area
- 1818
- Umwandlungselementconversion element
- 19, 2019 20
- Strahlungradiation
- 2121
- HalbleiterschichtSemiconductor layer
- 2222
- Substratsubstratum
- 2323
- Isolationsschichtinsulation layer
- 100100
- HalbleiteranordnungA semiconductor device
- FF
- FerminiveauFermi
- VV
- Valenzbandvalence
- LL
- Leitungsbandconduction band
- PP
- Potentialbarrierepotential barrier
- VK V K
- KontaktspannungContact voltage
- Ep E p
- Primär-ElektronPrimary electron
- Hp H p
- Primär-LochPrimary hole
- Es E s
- Sekundär-ElektronSecondary electron
- Hs H s
- Sekundär-LochSecondary hole
- II
- Signalstromsignal current
- VS V S
- Steuerspannungcontrol voltage
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