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 US 5,952,683 A beschrieben.A radiation-receiving semiconductor device is also in the US 5,952,683 A described.

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.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements anhand einer schematischen Schnittansicht. 1 shows an embodiment of a radiation-receiving semiconductor device with reference to a schematic sectional view.

2 zeigt anhand der 2A, 2B und 2C schematische Energiebanddiagramme für verschiedene Betriebszustände des Halbleiterbauelements gemäß 1. 2 shows by the 2A . 2 B and 2C schematic energy band diagrams for different operating states of the semiconductor device according to 1 ,

3 zeigt eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen. 3 shows a plan view of an embodiment of a semiconductor device having a plurality of semiconductor devices.

4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors. 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of a radiation detector.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements anhand einer schematischen Schnittansicht. 5 shows a further embodiment of a radiation-receiving semiconductor device based on a schematic sectional view.

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.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 anhand einer schematischen Schnittansicht. 1 shows an embodiment of a radiation-receiving semiconductor device 1 using a schematic sectional view.

Das strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterkörper 2 auf. Das Halbleiterbauelement weist weiterhin eine Strahlungseintrittseite 3 auf.The radiation-receiving semiconductor device 1 has a semiconductor body 2 on. The semiconductor device further has a radiation entrance side 3 on.

Der Halbleiterkörper 2 weist zwei elektrische Kontaktbereiche 4, 5 auf. Zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5, insbesondere von dem Kontaktbereich 5 bis zu und in den Kontaktbereich 4, erstreckt sich ein elektrischer Strompfad 6 im Halbleiterkörper 2. In dem Strompfad 6 zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 und insbesondere auch räumlich zwischen den Kontaktbereichen ist ein Detektionsbereich 7 des Halbleiterbauelements 1 im Halbleiterkörper 2 angeordnet. Der Halbleiterkörper 2 weist ferner einen Barrierebereich 8 auf. Der Barrierebereich 8 ist im Strompfad 6 zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 und insbesondere auch räumlich zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 angeordnet. Der Barrierebereich 8 ist vorzugsweise auf der von der Strahlungseintrittsseite 3 abgewandten Seite des Detektionsbereichs 7 angeordnet.The semiconductor body 2 has two electrical contact areas 4 . 5 on. Between the contact areas 4 and 5 , in particular of the contact area 5 up to and into the contact area 4 , extends an electrical current path 6 in the semiconductor body 2 , In the current path 6 between the contact areas 4 and 5 and in particular also spatially between the contact areas is a detection area 7 of the semiconductor device 1 in the semiconductor body by 2 arranged. The semiconductor body 2 also has a barrier area 8th on. The barrier area 8th is in the current path 6 between the detection area 7 and the contact area 5 and in particular also spatially between the detection area 7 and the contact area 5 arranged. The barrier area 8th is preferably on the from the radiation entrance side 3 opposite side of the detection area 7 arranged.

Weiterhin weist der Halbleiterkörper 2 einen Sperrbereich 9 auf. Der Sperrbereich 9 ist im Strompfad 6 zwischen dem Barrierebereich 8 und dem Kontaktbereich 5 und insbesondere auch räumlich zwischen dem Barrierebereich 8 und dem Kontaktbereich 5 angeordnet.Furthermore, the semiconductor body 2 a restricted area 9 on. The restricted area 9 is in the current path 6 between the barrier area 8th and the contact area 5 and in particular also spatially between the barrier area 8th and the contact area 5 arranged.

Der Halbleiterkörper 2 kann einen Schichtstapel aufweisen, wobei jeweils Schichten für den Kontaktbereich 5, den Sperrbereich 9, den Barrierebereich 8, den Detektionsbereich 7 und/oder den Kontaktbereich 4 vorgesehen sind. Es kann also eine Kontaktschicht 4, eine Detektionsschicht 7, eine Barriereschicht 8, eine Sperrschicht 9 und/oder eine Kontaktschicht 5 vorgesehen sein. Die jeweiligen Schichten können als gesonderte Schichten ausgeführt sein. Insbesondere können die jeweiligen Schichten epitaktisch gewachsen sein, zum Beispiel mittels MBE (MBE: Molekularstrahlepitaxie) oder mittels eines CVD-Epitaxieprozesses (chemische Gasphasenepitaxie). Der Kontaktbereich 5 kann dabei durch das Aufwachssubstrat, auf dem die Schichten epitaktisch abgeschieden werden, gebildet sein. Es muss also nicht notwendigerweise eine gesondert gewachsene Kontaktschicht 5 vorgesehen sein, vielmehr kann dazu das Aufwachssubstrat eingesetzt werden, wie dies in 1 dargestellt ist.The semiconductor body 2 may comprise a layer stack, wherein in each case layers for the contact area 5 , the restricted area 9 , the barrier area 8th , the detection area 7 and / or the contact area 4 are provided. So it can be a contact layer 4 , a detection layer 7 , a barrier layer 8th , a barrier layer 9 and / or a contact layer 5 be provided. The respective layers may be embodied as separate layers. In particular, the respective layers may be grown epitaxially, for example by MBE (MBE: molecular beam epitaxy) or by means of a CVD epitaxy process (chemical vapor epitaxy). The contact area 5 may be formed by the growth substrate on which the layers are epitaxially deposited. So it does not necessarily have a separately grown contact layer 5 be provided, but this can be used to the growth substrate, as in 1 is shown.

Das in 1 dargestellte Bauelement ist als vertikales Bauelement ausgeführt. Bei einem vertikalen Bauelement können Schichten für die einzelnen Bereiche übereinander aufgeschichtet sein. Ein Stromfluss kann in vertikalen Bauelementen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer lateralen Haupterstreckungsrichtung des Schichtstapels des Halbleiterkörpers 2 erfolgen, welche entlang einer Hauptfläche des Substrats ausgerichtet sein kann.This in 1 shown component is designed as a vertical component. In a vertical component layers for the individual areas can be stacked one above the other. A current flow can be vertical or substantially perpendicular to a lateral main extension direction of the layer stack of the semiconductor body in vertical components 2 take place, which can be aligned along a main surface of the substrate.

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 3 des Halbleiterbauelements 1, welche bevorzugt die vom Substrat abgewandte Seite des Halbleiterschichtstapels ist, bis zu oder auch noch in den Kontaktbereich 5, also eventuell bis in das Substrat, erstrecken.After the epitaxial growth of the individual layers for the semiconductor body, a mesa can be formed from the epitaxial layers. For example, reactive ion etching using a suitable mask, for example a (metal or nitride) hard mask, is suitable for this purpose. The mesa may be from the radiation entrance side 3 of the semiconductor device 1 which is preferably the side of the semiconductor layer stack facing away from the substrate, up to or even into the contact region 5 , So possibly extend into the substrate.

Der Kontaktbereich 5, der Sperrbereich 9, der Barrierebereich 8, der Detektionsbereich 7 und/oder der Kontaktbereich 4 kann Silizium enthalten oder aus Silizium bestehen, wobei einzelne Bereiche gegebenenfalls dotiert ausgeführt sein können.The contact area 5 , the restricted area 9 , the barrier area 8th , the detection area 7 and / or the contact area 4 may contain silicon or consist of silicon, wherein individual areas may optionally be carried out doped.

Das strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 weist zwei elektrische Anschlüsse 10, 11 auf. Dabei ist zweckmäßigerweise der Anschluss 10 auf dem Kontaktbereich 4 und der Anschluss 11 auf dem Kontaktbereich 5 angeordnet. Der jeweilige Anschluss 10; 11 ist mit dem diesem zugeordneten Kontaktbereich 4 beziehungsweise 5 zweckmäßigerweise elektrisch leitend verbunden. Über die Anschlüsse 10 und 11 kann ein Signalstrom, welcher durch die Kontaktbereiche 4, 5 und den Halbleiterkörper 2 fließt, vereinfacht erfasst werden. Die Anschlüsse können beispielsweise jeweils als Anschlussmetallisierung oder Anschlusslegierung ausgeführt sein. Ein Metall oder ein metallartiges Material ist für den Anschluss 10 oder 11 besonders geeignet.The radiation-receiving semiconductor device 1 has two electrical connections 10 . 11 on. It is expediently the connection 10 on the contact area 4 and the connection 11 on the contact area 5 arranged. The respective connection 10 ; 11 is with the associated contact area 4 respectively 5 suitably connected electrically conductive. About the connections 10 and 11 may be a signal current passing through the contact areas 4 . 5 and the semiconductor body 2 flows, be detected in a simplified manner. The connections can be designed, for example, in each case as a connection metallization or connection alloy. A metal or metal-like material is for the connection 10 or 11 particularly suitable.

Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 eine Steuerelektrode 12 auf. Die Steuerelektrode 12 kann sich entlang einer Seitenfläche des Halbleiterkörpers 2, welche diesen lateral begrenzt und sich vorzugsweise von der Strahlungseintrittsseite 3 in Richtung des Kontaktbereichs 5 erstreckt, erstrecken. Die Steuerelektrode 12 kann sich insbesondere über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 erstrecken. Die Steuerelektrode 12 kann Silizium, zum Beispiel hochdotiertes Poly-Silizium, oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel ein Metall oder eine Metalllegierung, enthalten. Die Steuerelektrode 12 ist bevorzugt mit einem Steueranschluss 13, zum Beispiel einer Metallisierung oder Metalllegierung elektrisch leitend verbunden. Die Steuerelektrode kann den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 umlaufen. Über die Steuerelektrode 12 und insbesondere den Steueranschluss 13 kann eine Steuerspannung beziehungsweise ein elektrisches Steuerfeld an den Halbleiterkörper 2 und insbesondere an den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 angelegt werden.Furthermore, the semiconductor device 1 a control electrode 12 on. The control electrode 12 may be along a side surface of the semiconductor body 2 which bounds this laterally and preferably from the radiation entrance side 3 in the direction of the contact area 5 extends, extend. The control electrode 12 can be especially about the detection area 7 , the barrier area 8th and / or the restricted area 9 extend. The control electrode 12 may include silicon, for example highly doped poly-silicon, or another electrically conductive material, for example a metal or a metal alloy. The control electrode 12 is preferred with a control port 13 , For example, a metallization or metal alloy electrically conductively connected. The control electrode may be the detection area 7 , the barrier area 8th and / or the restricted area 9 circulate. About the control electrode 12 and in particular the control terminal 13 may be a control voltage or an electric control field to the semiconductor body 2 and in particular to the detection area 7 , the barrier area 8th and / or the restricted area 9 be created.

Zwischen der Steuerelektrode 12 und dem Halbleiterkörper 2 ist eine Dielektrikumsschicht 14 angeordnet. Über die Dielektrikumsschicht 14 ist die Steuerelektrode 12 elektrisch von dem Halbleiterkörper 2 isoliert. Die Dielektrikumsschicht kann beispielsweise durch thermisches Anwachsen oder durch Abscheiden auf den Halbleiterkörper realisiert sein. Für die Dielektrikumsschicht eignet sich beispielsweise ein Siliziumoxyd, ein Siliziumnitrid oder ein anderes elektrisch isolierendes Material. Eine Dicke der Dielektrikumsschicht 14 ist zweckmäßigerweise derart bemessen, dass beim Anlegen einer vorgegebenen Kontaktspannung zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 und beim gleichzeitigen Anlegen einer für den Betrieb des Bauelements geeigneten Steuerspannung beziehungsweise eines geeigneten Steuerpotentials mittels der Steuerelektrode ein elektrischer Durchschlag von einem der Kontaktbereiche 4, 5 oder einem der Anschlüsse 10, 11 zu der Steuerelektrode 12 vermieden wird. Beispielsweise weist die Dielektrikumsschicht eine Dicke von 10 nm oder mehr, bevorzugt von 20 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 50 nm oder mehr, zum Beispiel von 70 nm oder mehr oder von 100 nm oder mehr auf.Between the control electrode 12 and the semiconductor body 2 is a dielectric layer 14 arranged. Over the dielectric layer 14 is the control electrode 12 electrically from the semiconductor body 2 isolated. The dielectric layer can be realized for example by thermal growth or by deposition on the semiconductor body. For example, a silicon oxide, a silicon nitride or another electrically insulating material is suitable for the dielectric layer. A di bridge of the dielectric layer 14 is suitably dimensioned such that when applying a predetermined contact voltage between the contact areas 4 and 5 and the simultaneous application of a suitable for the operation of the device control voltage or a suitable control potential by means of the control electrode, an electrical breakdown of one of the contact areas 4 . 5 or one of the connections 10 . 11 to the control electrode 12 is avoided. For example, the dielectric layer has a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 50 nm or more, for example, 70 nm or more, or 100 nm or more.

Die Dielektrikumsschicht 14 kann den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und/oder den Sperrbereich 9 außenseitig lateral umlaufend verkleiden.The dielectric layer 14 can the detection area 7 , the barrier area 8th and / or the restricted area 9 Dress up laterally on the outside.

Der Detektionsbereich 7 ist für die Absorption von zu detektierender Strahlung vorgesehen, welche über die Strahlungseintrittsseite in den Halbleiterkörper 2 einfällt. Um eine unerwünschte Strahlungsabsorption in in dem Detektionsbereich 7 strahlungseintrittsseitig vorgeordneten Elementen zu vermeiden, kann im Halbleiterkörper 2 ein bis zum Detektionsbereich 7 reichendes Fenster 15 ausgebildet sein. Der strahlungseintrittsseitig angeordnete Kontaktbereich 4 kann für das Fenster 15 ausgespart sein. Insbesondere kann auch der Anschluss 10 ausgespart sein.The detection area 7 is intended for the absorption of radiation to be detected, which via the radiation entrance side into the semiconductor body 2 incident. To an unwanted radiation absorption in the detection area 7 Radiation inlet side upstream elements to avoid, in the semiconductor body 2 on to the detection area 7 reaching window 15 be educated. The radiation inlet side arranged contact area 4 can for the window 15 be omitted. In particular, the connection can also 10 be omitted.

Strahlung kann so ungehindert vom Material des Halbleiterkörpers 2 beziehungsweise des Anschlusses 10, in dem ein maßgeblicher Anteil an Strahlung absorbiert werden kann, wobei die absorbierte Strahlung dementsprechend nicht mehr zum Detektionsbereich 7 gelangt, in den Detektionsbereich eintreten. Die Gefahr von Absorptionsverlusten wird so verringert. Besonders hohe Absorptionsverluste ergeben sich häufig in dotiertem Halbleitermaterial oder in Metallen.Radiation can thus unhindered by the material of the semiconductor body 2 or the connection 10 , in which a significant proportion of radiation can be absorbed, the absorbed radiation is therefore no longer to the detection area 7 enters, enter the detection area. The risk of absorption losses is thus reduced. Particularly high absorption losses often result in doped semiconductor material or in metals.

Um den Strahlungseintritt in den Detektionsbereich 7 zu erleichtern, kann auf dem Detektionsbereich 7 strahlungseintrittsseitig eine Antireflexbeschichtung 16, zum Beispiel eine geeignete Siliziumoxyd- oder Siliziumnitridbeschichtung, angeordnet sein. Reflexionsverluste an einer Strahlungseintrittsfläche 17 in den Detektionsbereich können so zumindest verringert werden. Die Antireflexbeschichtung 16 ist bevorzugt innerhalb des Fensters 15 angeordnet.To the radiation entry into the detection area 7 To facilitate, may be on the detection area 7 Radiation inlet side an antireflection coating 16 , For example, a suitable Siliziumoxyd- or Siliziumnitridbeschichtung be arranged. Reflection losses at a radiation entrance surface 17 in the detection area can be at least reduced. The anti-reflective coating 16 is preferably within the window 15 arranged.

Das strahlungsempfangende Halbleiterbauelement 1 ist bevorzugt zur Detektion von Einzelphotonen oder Strahlungspulsen, insbesondere ultrakurzen Strahlungspulsen, zum Beispiel mit einer Pulsdauer von 500 ns oder weniger, von 900 ps oder weniger oder von 100 fs oder weniger, geeignet und insbesondere ausgebildet. Bei geringen Photonenzahlen fällt eine Absorption außerhalb des Detektionsbereichs oder eine Reflexion am Detektionsbereich, welche jeweils nicht zu einem Strahlungseintritt in den Detektionsbereich führen, natürlich besonders ins Gewicht.The radiation-receiving semiconductor device 1 is preferably suitable for the detection of single photons or radiation pulses, in particular ultrashort radiation pulses, for example with a pulse duration of 500 ns or less, of 900 ps or less or of 100 fs or less, suitable and in particular designed. At low numbers of photons, an absorption outside the detection range or a reflection at the detection range, which in each case does not lead to a radiation entry into the detection range, of course, particularly significant.

Der Detektionsbereich 7 ist derart ausgebildet, dass Sekundärladungsträger über Stoßionisation von Primärladungsträgern erzeugbar sind. Ein Primärladungsträger kann beispielsweise ein durch Absorption von Strahlung im Detektionsbereich erzeugtes Elektron oder Loch sein. Der Detektionsbereich weist entlang des Strompfads 6 bevorzugt eine Ausdehnung, zum Beispiel eine Dicke, auf, die groß genug ist, um mit dem Primärladungsträger eine oder eine Mehrzahl von Stoßionisationen erzielen zu können. Die zur Beschleunigung der Ladungsträger für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation zur Verfügung stehende Weglänge ist dann mit Vorteil ausreichend groß. Allerdings kann es auch vorteilhaft sein, den Detektionsbereich nicht mit einer zu großen Ausdehnung, zum Beispiel der Dicke, auszubilden, um eine Rekombination von durch Stoßionisation erzeugten Sekundärladungsträgern im Detektionsbereich zu vermeiden.The detection area 7 is designed such that secondary charge carriers can be generated via impact ionization of primary charge carriers. A primary charge carrier may be, for example, an electron or hole produced by absorption of radiation in the detection region. The detection area points along the current path 6 preferably has an extension, for example a thickness, which is large enough to be able to achieve one or a plurality of impact ionizations with the primary charge carrier. The path length available for accelerating the charge carriers for the generation of secondary charge carriers by impact ionization is then advantageously sufficiently large. However, it may also be advantageous not to form the detection area with too great an extent, for example the thickness, in order to avoid a recombination of secondary charge carriers generated by impact ionization in the detection area.

Eine Ausdehnung des Detektionsbereichs 7 entlang des Strompfads, zum Beispiel die Dicke, von zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 800 nm, beispielsweise zwischen 350 nm und 500 nm, wie etwa 400 nm, hat sich als besonders geeignet erwiesen. Derartige Ausdehnungen stellen sowohl eine ausreichend lange Strecke zur Erzeugung von Sekundärladungsträgern zur Verfügung und Erhöhen gleichzeitig das Risiko von Rekombinationen nicht unnötig.An extension of the detection area 7 along the current path, for example the thickness, of between and including 100 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 200 nm and 900 nm inclusive, more preferably between 300 nm and 800 nm inclusive, for example between 350 nm and 500 nm, such as 400 nm, has proved to be particularly suitable. Such expansions both provide a sufficiently long distance to create secondary carriers and at the same time do not increase the risk of recombination.

Der Barrierebereich 8 ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass im Betrieb des Bauelements ein Ladungsträgerfluss von im Detektionsbereich 7 durch Absorption und/oder Stoßionisation erzeugten Ladungsträgern durch den Barrierebereich hindurch und zum Kontaktbereich 5, vorzugsweise nur temporär, verhindert werden kann. Mittels des Barrierebereichs 8 kann insbesondere eine Potentialbarriere zwischen dem Detektionsbereich 7 und dem Kontaktbereich 5 ausgebildet sein. Die Höhe der Potentialbarriere kann über die an die Steuerelektrode 12 angelegte Steuerspannung beziehungsweise das angelegte Steuerpotential eingestellt werden.The barrier area 8th is expediently designed such that during operation of the device, a charge carrier flow in the detection area 7 charge carriers generated by absorption and / or impact ionization through the barrier region and to the contact region 5 , preferably only temporarily, can be prevented. By means of the barrier area 8th in particular, a potential barrier between the detection area 7 and the contact area 5 be educated. The height of the potential barrier can via the to the control electrode 12 applied control voltage or the applied control potential can be set.

Über den Sperrbereich 9 kann ein Ladungsträgertunneln von dem Barrierebereich 8 in den Kontaktbereich 5 verhindert werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Tunnelstrom nicht oder nur stark erschwert zum Dunkelstrom des Bauelements beitragen kann. Der Sperrbereich kann eine Ausdehnung entlang des Strompfades aufweisen, die geringer ist als die des Detektionsbereichs. Die Ausdehnung des Sperrbereichs 9, zum Beispiel die Dicke, kann 20 nm oder mehr und/oder 50 nm oder weniger betragen.About the restricted area 9 may be a charge carrier tunneling from the barrier area 8th in the contact area 5 be prevented. This has the advantage that a tunnel current can not contribute to the dark current of the component, or can do so only with great difficulty. The stopband may have an extension along the current path that is less than that of the detection region. The extent of the restricted area 9 For example, the thickness may be 20 nm or more and / or 50 nm or less.

Der Detektionsbereich 7 kann eine Ausdehnung entlang des Strompfades 6 aufweisen, die das Achtfache oder mehr der Ausdehnung des Sperrbereichs entlang des Strompfades 6 beträgt.The detection area 7 can be an extension along the current path 6 which is eight times or more the extension of the stop band along the current path 6 is.

Der Barrierebereich 8 kann entlang des Strompfades eine Ausdehnung, zum Beispiel eine Dicke, von 20 nm oder weniger, bevorzugt von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 12 nm oder weniger aufweisen. Die Ausdehnung beträgt bevorzugt 3 nm oder mehr, besonders bevorzugt 5 nm oder mehr, zum Beispiel 10 nm oder mehr. Eine Ausdehnung des Barrierebereichs von zwischen jeweils einschließlich 10 nm und 20 nm hat sich für den Barrierebereich als besonders geeignet herausgestellt.The barrier area 8th may have an extension along the current path, for example, a thickness of 20 nm or less, preferably 15 nm or less, more preferably 12 nm or less. The extent is preferably 3 nm or more, more preferably 5 nm or more, for example, 10 nm or more. An extension of the barrier area of between each including 10 nm and 20 nm has been found to be particularly suitable for the barrier area.

Die Kontaktbereiche 4, 5 und der Barrierebereich 8 sind zweckmäßigerweise dotiert ausgeführt, insbesondere n-leitend oder p-leitend dotiert. Die Kontaktbereiche und der Barrierebereich können dabei für den gleichen Leitungstypen (p-leitend beziehungsweise n-leitend) dotiert sein. Die Kontaktbereiche können alternativ für verschiedene Leitungstypen dotiert sein. Der Barrierebereich 8 kann für einen anderen Leitungstypen dotiert sein als einer der Kontaktbereiche 4, 5 oder beide Kontaktbereiche.The contact areas 4 . 5 and the barrier area 8th are expediently doped, in particular n-type or p-type doped. The contact regions and the barrier region can be doped for the same conductivity type (p-type or n-type). The contact areas may alternatively be doped for different types of lines. The barrier area 8th may be doped for a different type of line than one of the contact areas 4 . 5 or both contact areas.

Der Detektionsbereich 7 und/oder der Sperrbereich 9 ist bevorzugt intrinsisch, also undotiert, ausgeführt.The detection area 7 and / or the restricted area 9 is preferably intrinsic, that is undoped, executed.

Die Struktur des strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 kann also derjenigen eines modifizierten MOSFETs entsprechen, wobei der Kontaktbereich 5 als Source, der Kontaktbereich 4 als Drain und die Steuerelektrode 12 als Gateelektrode dient. Zwischen dem Barrierebereich 8 und der Drain ist der Detektionsbereich 7 angeordnet. Zwischen der Source und dem Barrierebereich 8 ist der Sperrbereich 9 angeordnet.The structure of the radiation-receiving semiconductor device 1 can thus correspond to that of a modified MOSFETs, wherein the contact area 5 as source, the contact area 4 as drain and the control electrode 12 serves as a gate electrode. Between the barrier area 8th and the drain is the detection area 7 arranged. Between the source and the barrier area 8th is the restricted area 9 arranged.

Aufgrund einer an die Steuerelektrode 12 angelegten Steuerspannung beziehungsweise eines angelegten Steuerpotentials kann sich ein elektrisch leitender Kanal, zum Beispiel ein n-Kanal oder ein p-Kanal, entlang des Strompfades 6 in Bereichen des Halbleiterkörpers 7, über die sich die Steuerelektrode 12 erstreckt, zum Beispiel in dem Detektionsbereich 7 und/oder dem Sperrbereich 9, ausbilden.Due to a to the control electrode 12 applied control voltage or an applied control potential may be an electrically conductive channel, for example, an n-channel or a p-channel, along the current path 6 in areas of the semiconductor body 7 over which the control electrode 12 extends, for example in the detection area 7 and / or the restricted area 9 to train.

Das Halbleiterbauelement 1 ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass sich im Betrieb im Energiebanddiagramm entlang des Strompfades 6 zwischen den Kontaktbereichen 4 und 5 eine Potentialbarriere ausbildet. Die Potentialbarriere hat vorzugsweise eine dreieckige Form. Eine dreieckige Formgebung der Potentialbarriere hat sich als für eine Erzeugung von Ladungsträgern durch Stoßionisation im Detektionsbereich 7 besonders geeignet herausgestellt. Die Potentialbarriere wird zweckmäßigerweise mittels des Barrierebereichs 8 gebildet.The semiconductor device 1 is further preferably designed such that in operation in the energy band diagram along the current path 6 between the contact areas 4 and 5 forms a potential barrier. The potential barrier preferably has a triangular shape. A triangular shaping of the potential barrier has proven to be a generation of charge carriers by impact ionization in the detection area 7 particularly suitable. The potential barrier is expediently by means of the barrier region 8th educated.

2 zeigt anhand der 2A, 2B und 2C schematische Energiebanddiagramme für verschiedene Betriebszustände des Halbleiterbauelements 1 gemäß 1. 2 shows by the 2A . 2 B and 2C schematic energy band diagrams for different operating states of the semiconductor device 1 according to 1 ,

2A zeigt den Energiebandverlauf entlang des Strompfades 6 von dem Kontaktbereich 4 über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8, den Sperrbereich 9 zu dem Kontaktbereich 5. Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist keine Potentialdifferenz (Kontaktspannung) angelegt. Weiterhin ist auch keine Steuerpotentialdifferenz (Steuerspannung) mittels der Steuerelektrode 12 an den Halbleiterkörper angelegt. 2A shows the energy band course along the current path 6 from the contact area 4 over the detection area 7 , the barrier area 8th , the restricted area 9 to the contact area 5 , Between the contact areas 4 . 5 there is no potential difference (contact voltage) applied. Furthermore, no control potential difference (control voltage) by means of the control electrode 12 applied to the semiconductor body.

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 4, 5 sind zum Beispiel n-leitend dotiert. Der Detektionsbereich 7 und der Sperrbereich 9 sind zum Beispiel intrinsisch (i) ausgeführt. Der Barrierebereich 8 ist beispielsweise p-dotiert. Der Barrierebereich 8 ist vorzugsweise hochdotiert (p++), zum Beispiel mit einer Dotierstoffkonzentration von 1 × 1019 1/cm3 oder mehr, bevorzugt von 1 × 1020 1/cm3 oder mehr, besonders bevorzugt von 5 × 1020 1/cm3 oder mehr ausgebildet. Die Kontaktbereiche 4, 5 können mit einer Dotierstoffkonzentration von 1 × 1020 1/cm3 oder weniger ausgebildet sein.The contact areas 4 . 5 are doped n-type, for example. The detection area 7 and the restricted area 9 are for example intrinsically (i) executed. The barrier area 8th is for example p-doped. The barrier area 8th is preferably highly doped (p ++ ), for example with a dopant concentration of 1 × 10 19 1 / cm 3 or more, preferably of 1 × 10 20 1 / cm 3 or more, particularly preferably of 5 × 10 20 1 / cm 3 or more trained. The contact areas 4 . 5 may be formed at a dopant concentration of 1 × 10 20 1 / cm 3 or less.

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 7 zu dem Barrierebereich 8 vorzugsweise einen steilen Anstieg in der Dotierstoffkonzentration auf. Beim Übergang von dem Barrierebereich 8 zu dem Sperrbereich 9 kann ein steiler Abfall in der Dotierstoffkonzentration vorliegen.Furthermore, the Dotierprofilverlauf along the current path at the transition from the detection area 7 to the barrier area 8th preferably a steep increase in dopant concentration. At the transition from the barrier area 8th to the restricted area 9 For example, there may be a steep drop in the dopant concentration.

Das Dotierstoffprofil des Barrierebereichs gegenüber den angrenzenden Bereichen – zum Beispiel dem (intrinsischen) Detektionsbereich 8 und insbesondere dem (intrinsischen) Sperrbereich 9 – kann an eine Dirac'sche δ-Funktion angenähert sein. Daher kann eine solche hochdotierte und vorzugsweise dünne Barriereschicht Schicht auch als δ-Schicht bezeichnet werden.The dopant profile of the barrier area with respect to the adjacent areas - for example the (intrinsic) detection area 8th and in particular the (intrinsic) stopband 9 - may be approximate to a Dirac δ function. Therefore, such a highly doped and preferential wise thin barrier layer layer can also be referred to as δ layer.

Die Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs des Barrierebereichs 8 kann sich beim Übergang von außerhalb des Barrierebereichs in den Barrierebereich oder innerhalb des Barrierebereichs auf einer Strecke von 10 nm oder weniger entlang des Strompfads um das Fünffache oder mehr, bevorzugt um das Siebenfache oder mehr, besonders bevorzugt das Neunfache oder mehr, erhöhen. Ein mit einem derartig scharfen Übergang im Dotierstoffprofil dotierter Barrierebereich ist für das Ausbilden eines elektrischen Feldes durch das Potentialgefälle im Detektionsbereich, wobei das elektrische Feld für die Erzeugung von Sekundärladungsträgern durch Stoßionisation im Betrieb des Halbleiterbauelements geeignet ist, besonders vorteilhaft.The dopant concentration of the dopant of the barrier region 8th may increase fivefold or more, preferably seven times or more, more preferably nine times or more, in the transition from outside the barrier area to the barrier area or within the barrier area over a distance of 10 nm or less along the current path. A barrier region doped with such a sharp transition in the dopant profile is particularly advantageous for the formation of an electric field by the potential gradient in the detection region, the electric field being suitable for generating secondary charge carriers by impact ionization during operation of the semiconductor component.

Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist eine dreiecksartige geformte Potentialbarriere P ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind der Detektionsbereich 7 und der Barrierebereich 8 sowie gegebenenfalls der Sperrbereich 9 derart aufeinander abgestimmt, dass sich die dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm ergibt. Der Barrierebereich 8 ist dabei im Bereich der Spitze des Dreiecks angeordnet, wobei die Dreiecksspitze wie dargestellt abgeflacht ausgeführt sein kann. Die Länge des abgeflachten Stücks kann der Dicke des Barrierebereichs entsprechen oder kleiner als die Dicke des Barrierebereichs sein.Between the contact areas 4 . 5 a triangular shaped potential barrier P is formed. Conveniently, the detection area 7 and the barrier area 8th and optionally the restricted area 9 coordinated so that the triangular-shaped potential barrier results in the energy band diagram. The barrier area 8th is arranged in the region of the tip of the triangle, wherein the triangular tip can be made flattened as shown. The length of the flattened piece may be the thickness of the barrier area or less than the thickness of the barrier area.

2B zeigt das Energiebanddiagramm aus 2A mit einer an den Kontaktbereichen 4, 5 angelegten Kontaktspannung VK. Die Spannung wird derart angelegt, dass das elektrische Potential am Kontaktbereich 4 größer als das elektrische Potential am Kontaktbereich 5 ist (positive Kontaktspannung). Dies führt dazu, dass die Energiebänder L, V sich seitens des Kontaktbereichs 4 nach unten verschieben. Die Verschiebung kann proportional zu VK sein. 2 B shows the energy band diagram 2A with one at the contact areas 4 . 5 applied contact voltage V K. The voltage is applied so that the electrical potential at the contact area 4 greater than the electrical potential at the contact area 5 is (positive contact voltage). This results in the energy bands L, V being on the contact area 4 move down. The shift may be proportional to V K.

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 7 abfallen.In this case, the majority of the contact voltage over the detection range 7 fall off.

Es bildet sich insbesondere ein steiles Potentialgefälle vom Barrierebereich 8 über den Detektionsbereich 7 zu dem Kontaktbereich 4. Das Potentialgefälle kann 104 V/cm größer, bevorzugt 5 × 104 V/cm oder größer sein. Ein derart großes Potentialgefälle ist für die Stoßionisation besonders geeignet.In particular, a steep potential gradient forms from the barrier area 8th over the detection area 7 to the contact area 4 , The potential gradient may be 10 4 V / cm larger, preferably 5 × 10 4 V / cm or larger. Such a large potential gradient is particularly suitable for impact ionization.

Zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 ist die Potentialbarriere P ausgebildet. Es fließt also kein Signalstrom vom Kontaktbereich 5 zum Kontaktbereich 4. Das Halbleiterbauelement 1 ist also derart vorgespannt, dass kein Signalstrom von dem Kontaktbereich 5 zu dem Kontaktbereich 4 fließt.Between the contact areas 4 . 5 the potential barrier P is formed. So no signal current flows from the contact area 5 to the contact area 4 , The semiconductor device 1 is thus biased so that no signal current from the contact area 5 to the contact area 4 flows.

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 4 beschleunigt und kann sekundäre Elektronen-Loch-Paare (Es, Hs) durch Stoßionisation erzeugen. Dies ist durch die Pfeile beim Leitungsband L und die Doppelpfeile zwischen Leitungsband L und Valenzband V angedeutet. Die Elektronen – Primär- und Sekundär-Elektronen – fließen zum Kontaktbereich 4 (Drain) ab.If a photon is absorbed in the detection area, a primary electron-hole pair (E p , H p ) is formed. The electron E p is along the potential gradient, which is in particular caused by the potential barrier and the contact voltage, in the direction of the contact region 4 accelerates and can generate secondary electron-hole pairs (E s , H s ) by impact ionization. This is indicated by the arrows in the conduction band L and the double arrows between conduction band L and valence band V. The electrons - primary and secondary electrons - flow to the contact area 4 (Drain).

Die durch Stoßionisation im Detektionsbereich 7 erzeugten Löcher – Primär- und Sekundär-Löcher – fließen zum Barrierebereich 8. Dabei werden die Löcher durch das Potentialgefälle insbesondere in Richtung des Barrierebereichs 8 beschleunigt. In dem Barrierebereich 8 sind aufgrund der p-Dotierung zahlreiche negativ geladene Akzeptoratomrümpfe vorhanden. Durch die in den Barrierebereich 8 gelangenden, positiv geladenen und sich dort ansammelnden Löcher wird zumindest ein Teil der negativen Ladungen der Akzeptoratomrümpfe kompensiert, so dass die Höhe der Potentialbarriere P verringert wird. Die Löcher können mit den Dotierstoffrümpfen im Barrierebereich insbesondere rekombinieren.The by impact ionization in the detection area 7 generated holes - primary and secondary holes - flow to the barrier area 8th , The holes are characterized by the potential gradient especially in the direction of the barrier area 8th accelerated. In the barrier area 8th are due to the p-type doping numerous negatively charged acceptor atomic hulls available. Through the in the barrier area 8th At least part of the negative charges of the acceptor atomic bodies are compensated, so that the height of the potential barrier P is reduced, reaching, positively charged and accumulating holes. The holes can in particular recombine with the dopant fumes in the barrier region.

2C zeigt die Situation nach Verringerung der Potentialbarriere P. 2C shows the situation after reducing the potential barrier P.

Die Höhe der Potentialbarriere kann alleine durch die Akkumulation von Sekundärladungsträgern in dem Barrierebereich 8 derart stark verringert werden, dass ein Signalstrom I, der insbesondere von den Majoritätsladungsträgern der Kontaktbereiche – vorliegend den Elektronen – getragen wird, von dem Kontaktbereich 5 (Source) zu dem Kontaktbereich 4 (Drain) fließt. Der Signalstrom kann eine Stärke von 0,1 mA oder mehr, bevorzugt von 1 mA oder mehr aufweisen. Zweckmäßigerweise ist das Halbleiterbauelement 1 derart dimensioniert, dass es derartige Ströme zerstörungsfrei durchleiten kann.The height of the potential barrier can be solely due to the accumulation of secondary charge carriers in the barrier region 8th be reduced so much that a signal current I, in particular of the majority charge carriers of the contact areas - in the present case the electrons - is worn, from the contact area 5 (Source) to the contact area 4 (Drain) flows. The signal current may have a magnitude of 0.1 mA or more, preferably 1 mA or more. Conveniently, the semiconductor device 1 dimensioned such that it can pass through such streams non-destructive.

Die im Barrierebereich 8 akkumulierten Löcher verbleiben nach dem Abbau der Potentialbarriere bis zum Signalstromfluss vorzugsweise im Barrierebereich. Die Löcher können insbesondere durch die vormals ionisierten Dotierstoffatome im Barrierebereich gehalten werden und/oder mit diesen bereits rekombinert sein. Weiterhin weisen Löcher eine höhere effektive Masse als die Elektronen auf, so dass bereits eine vergleichsweise kleine Restpotentialbarriere genügt, um die Löcher im Barrierebereich zu halten, während die Elektronen eine derartige Restpotentialbarriere im Gegensatz zu den Löchern überwinden können.The in the barrier area 8th Accumulated holes remain after the degradation of the potential barrier to the signal current flow preferably in the barrier area. The holes can be held in the barrier region in particular by the previously ionized dopant atoms and / or already with them to be recombinant. Furthermore, holes have a higher effective mass than the electrons, so that already a comparatively small residual potential barrier is sufficient to keep the holes in the barrier region, while the electrons can overcome such a residual potential barrier in contrast to the holes.

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 4, 5 fließt. Weiterhin ist die Höhe der Potentialbarriere auf den Detektionsbereich 7 und/oder die Kontaktspannung VK zweckmäßigerweise derart abgestimmt, dass die Potentialbarriere durch mittels Stoßionisation erzeugte Ladungsträger soweit verringerbar ist, dass – mit Vorteil bereits durch den Einfall eines einzelnen Photons verursacht – ein Signalstrom zwischen den Kontaktbereichen fließen kann.The height of the potential barrier is preferably dimensioned such that at a predetermined contact voltage before the radiation incidence no signal current between the contact areas 4 . 5 flows. Furthermore, the height of the potential barrier is on the detection area 7 and / or the contact voltage V K expediently adjusted such that the potential barrier can be reduced by charge carriers generated by impact ionization to such an extent that, advantageously already caused by the incidence of a single photon, a signal current can flow between the contact regions.

Die Barrierenhöhe kann dabei zweckmäßigerweise durch die Steuerelektrode 12 und insbesondere über ein mittels dieser Steuerelektrode an den Barrierebereich angelegtes elektrisches Steuerfeld beziehungsweise eine angelegte Steuerspannung beziehungsweise Steuerpotential VS eingestellt werden. Mittels der Steuerelektrode 12 kann der Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements eingestellt werden. Es ist also insbesondere nicht erforderlich, das Bauelement bereits mit einer vorgegebenen Barrierenhöhe zu fertigen, sondern die Höhe der Barriere kann über die Steuerelektrode – zum Beispiel mittels einer zuvor ermittelten vorgegebenen Steuerspannung beziehungsweise eines Steuerpotentials – geeignet eingestellt werden.The barrier height can expediently by the control electrode 12 and in particular via an electric control field applied to the barrier area by means of this control electrode or an applied control voltage or control potential V S. By means of the control electrode 12 the operating point of the semiconductor component can be adjusted. In particular, it is therefore not necessary to manufacture the component already with a predetermined barrier height, but the height of the barrier can be suitably adjusted via the control electrode, for example by means of a previously determined predetermined control voltage or a control potential.

Wird beispielsweise eine positive Steuerspannung VS an das Bauelement angelegt, so kann sich zwischen den Kontaktbereichen 4, 5 der in 2B gestrichelt dargestellte Bandverlauf ergeben. Die Barriere kann also zum Beispiel abgesenkt werden.If, for example, a positive control voltage V S is applied to the component, then it is possible for there to be between the contact areas 4 . 5 the in 2 B dashed band shown result. The barrier can therefore be lowered, for example.

Es kann insbesondere ein einziges Photon genügen, um ein signifikantes messbares Stromsignal des Halbleiterbauelements 1 auszulösen. Wird das Signal erfasst, so kann ein einzelnes Photon oder auch ein Strahlungspuls auf effiziente Weise nachgewiesen werden.In particular, a single photon may suffice to produce a significant measurable current signal of the semiconductor component 1 trigger. If the signal is detected, a single photon or even a radiation pulse can be detected efficiently.

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 1 in den Ausgangszustand über Quenching wie bei der Lawinen-Photodiode kann vermieden werden.A comparatively time-consuming reset of the semiconductor device 1 in the initial state via quenching as in the avalanche photodiode can be avoided.

Der Verlauf des Dotierprofils von dem Kontaktbereich 4 entlang des Strompfads 6 über den Detektionsbereich 7, den Barrierebereich 8 und insbesondere den Sperrbereich 9 zum Kontaktbereich 5 ist in 2 lediglich exemplarisch als n-i-p-i-n angegeben. Auf analoge Weise arbeitende Bauelemente können gegebenenfalls auch mit folgenden Dotierprofilverläufen ausgebildet werden:
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 4 along the current path 6 over the detection area 7 , the barrier area 8th and in particular the blocking area 9 to the contact area 5 is in 2 merely exemplified as nipin. Optionally, components operating in an analogous manner may also be formed with the following doping profile curves:
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.

3 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine derartige Halbleiteranordnung 100 mit einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen 1, die zweckmäßigerweise wie oben beschrieben ausgeführt und insbesondere betreibbar sind. Die Halbleiteranordnung kann monolithisch integriert ausgebildet sein. Ein einziger Kontaktbereich 5 kann allen Halbleiterbauelementen 1 der Halbleiteranordnung 100 gemein sein. 3 schematically shows a plan view of such a semiconductor device 100 with a plurality of semiconductor devices 1 which are expediently designed and in particular operable as described above. The semiconductor device may be monolithically integrated. A single contact area 5 can all semiconductor devices 1 the semiconductor device 100 to be mean.

Die Halbleiterbauelemente 1 können zum Beispiel aus einer gemeinsamen Epitaxieschichtenfolge, welche auf einem Substrat gewachsen wurde, gefertigt sein. Das Substrat kann dabei den allen Halbleiterbauelementen 1 der Halbleiteranordnung 100 gemeinsamen Kontaktbereich 5 bilden.The semiconductor devices 1 For example, they may be made from a common epitaxial layer sequence grown on a substrate. The substrate can be the all semiconductor devices 1 the semiconductor device 100 common contact area 5 form.

4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsdetektors 200. Der Strahlungsdetektor 200 weist dabei eine Halbleiteranordnung 100 oder ein Halbleiterbauelement 1 wie weiter oben beschrieben auf. Strahlungseintrittsseitig ist der Halbleiteranordnung oder dem Halbleiterbauelement ein Umwandlungselement 18 vorgeordnet. 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of a radiation detector 200 , The radiation detector 200 has a semiconductor device 100 or a semiconductor device 1 as described above. Radiation entrance side of the semiconductor device or the semiconductor device is a conversion element 18 upstream.

Im Umwandlungselement 18 kann Strahlung 19, deren Wellenlänge außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs liegt und daher keinen Primärladungsträger erzeugen kann, in Strahlung 20 umgewandelt werden, deren Wellenlänge innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs liegt und die daher einen Primärladungsträger erzeugen kann.In the conversion element 18 can radiation 19 whose wavelength is outside the spectral sensitivity range of the detection range and therefore can not generate a primary charge carrier in radiation 20 whose wavelength is within the spectral sensitivity range of the detection region and which can therefore generate a primary charge carrier.

Die Strahlung 19 kann beispielsweise Röntgenstrahlung oder γ-Strahlung sein. Als Umwandlungselement eignet sich hierfür zum Beispiel ein Szintillator. Dieser kann Strahlung 20 innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs des Halbleiterbauelements 1 beziehungsweise der Halbleiteranordnung 100, das beziehungsweise die vorzugsweise auf Silizium basiert, erzeugen.The radiation 19 may be, for example, X-rays or γ-radiation. As a conversion element, for example, a scintillator is suitable. This can be radiation 20 within the sensitivity range of the detection region of the semiconductor device 1 or the semiconductor device 100 , which is preferably based on silicon, generate.

Dabei ist die Anzahl an im Umwandlungselement 18 erzeugten Photonen der Strahlung 20 vorzugsweise proportional zur Energie der auf das Umwandlungselement einfallenden Strahlung 19 beziehungsweise der Energie des einfallenden Strahlungsquants. Das in der Halbleiteranordnung 100 beziehungsweise dem Halbleiterbauelement 1 erhaltene Signal ist vorzugsweise proportional zur Anzahl der absorbierten Photonen der Strahlung 20. Auf diese Weise kann eine energieaufgelöste Messung der einfallenden Strahlung 19 erreicht werden.The number is in the conversion element 18 generated photons of radiation 20 preferably proportional to the energy of the radiation incident on the conversion element 19 or the energy of the incident radiation quantum. That in the semiconductor device 100 or the semiconductor device 1 The signal obtained is preferably proportional to the number of absorbed photons of the radiation 20 , In this way, an energy-resolved measurement of the incident radiation 19 be achieved.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements 1 anhand einer schematischen Schnittansicht. Im Gegensatz zu dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Halbleiterbauelement, welches als vertikales Bauelement ausgeführt ist, ist das Bauelement gemäß 5 als laterales Bauelement ausgeführt. Der grundsätzliche Aufbau entspricht jedoch dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement. Im Gegensatz dazu sind die einzelnen Bereiche, also die Kontaktbereiche 4, 5, der Detektionsbereich 7, der Barrierebereich 8 und/oder der Sperrbereich 9 lateral nebeneinander im Halbleiterkörper 2 angeordnet und vorzugsweise in einer Halbleiterschicht 21 ausgebildet. Die Dielektrikumsschicht 14 kann für das Fenster 15 ausgespart sein. Die Antireflexbeschichtung 16 kann im Fenster 15 der Dielektrikumsschicht angeordnet sein. Die grundsätzliche Funktionsweise des Bauelements entspricht der oben im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen. 5 shows a further embodiment of a radiation-receiving semiconductor device 1 using a schematic sectional view. Unlike that related to 1 described semiconductor device, which is designed as a vertical component is the device according to 5 designed as a lateral component. However, the basic structure corresponds to the semiconductor device described above. In contrast, the individual areas, so the contact areas 4 . 5 , the detection area 7 , the barrier area 8th and / or the restricted area 9 laterally next to each other in the semiconductor body 2 arranged and preferably in a semiconductor layer 21 educated. The dielectric layer 14 can for the window 15 be omitted. The anti-reflective coating 16 can in the window 15 be arranged the dielectric layer. The basic mode of operation of the component corresponds to that described above in connection with the other exemplary embodiments.

Die Halbleiterschicht 21 kann auf einem Substrat 22 angeordnet sein. Zwischen dem Substrat 22 und dem Halbleiterkörper 2, der vorliegend durch eine einzelne Halbleiterschicht 21 gebildet sein kann, kann eine Isolationsschicht 23 angeordnet sein. Eine vorgefertigte Struktur mit dem Substrat 22 der Isolationsschicht 23 und der Halbleiterschicht 21 kann beispielsweise als Silicon-on-Insulator-Substrat von der Firma SOITEC erworben werden.The semiconductor layer 21 can on a substrate 22 be arranged. Between the substrate 22 and the semiconductor body 2 in the present case by a single semiconductor layer 21 can be formed can be an insulation layer 23 be arranged. A prefabricated structure with the substrate 22 the insulation layer 23 and the semiconductor layer 21 For example, it can be purchased as a silicon-on-insulator substrate from SOITEC.

Der Strompfad 6 erstreckt sich lateral entlang einer lateralen Haupterstreckungsrichtung oder -ebene der Halbleiterschicht 21 beziehungsweise des Substrats 22. Die Halbleiterschicht 21 kann monokristallin und insbesondere epitaktisch gewachsen sein.The current path 6 extends laterally along a main lateral extension direction or plane of the semiconductor layer 21 or the substrate 22 , The semiconductor layer 21 can be grown monocrystalline and in particular epitaxially.

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 23 kann das Abfließen von Ladungsträgern aus dem Halbleiterkörper 2 in das Substrat verhindern.The insulation layer 23 can the flow of charge carriers from the semiconductor body 2 into the substrate.

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

Claims (57)

Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und einer Strahlungseintrittsseite, 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, – der Barrierebereich zur Ausbildung einer Potentialbarriere geeignet ist, die zwischen dem Detektionsbereich und demjenigen Kontaktbereich angeordnet ist, welcher entlang des Strompfads gesehen auf der von dem Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs liegt, – das Halbleiterbauelement eine Steuerelektrode für das Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes an den Barrierebereich aufweist und – zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper ein Dielektrikum angeordnet ist.Radiation-receiving semiconductor device with a semiconductor body and a radiation entrance side, wherein - The semiconductor body one for the Radiation reception provided detection area, at least two electrical contact areas and at least one doped barrier area having, - yourself a current path extends between the contact regions in the semiconductor body, - the barrier area and the detection area in the current path between the contact areas are arranged - of the Barrier area suitable for forming a potential barrier that is, between the detection area and the contact area is arranged, which seen along the current path on the of the detection area facing away from the barrier area, - The semiconductor device a control electrode for the Applying an electrical control panel to the barrier area and - between the control electrode and the semiconductor body arranged a dielectric is. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das derart ausgebildet ist, dass ein Primärladungsträger in dem Detektionsbereich mittels Stoßionisation Sekundärladungsträger erzeugen kann.Semiconductor component according to Claim 1, which is such is formed, that a primary charge carrier in the Detection area by impact ionization Create secondary carriers can. Halbleiterbauelement Anspruch 2, das derart ausgebildet ist, dass der Primärladungsträger durch Absorption von Strahlung im Detektionsbereich erzeugbar ist.Semiconductor component according to claim 2, which is designed in this way is that the primary charge carrier by absorption of radiation in the detection area can be generated. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart ausgebildet und betreibbar ist, dass ein Fluss von Ladungsträgern, welche im Halbleiterkörper erzeugt werden, aus dem Detektionsbereich durch den Barrierebereich in den 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 werden kann.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, which is designed and operable such that a flow of charge carriers, which in the semiconductor body be generated from the detection area through the barrier area in the contact area, which is seen along the current path the side of the barrier area facing away from the detection area is arranged, during operation of the device by means of the potential barrier can be hampered. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart ausgebildet und betreibbar ist, dass im Halbleiterkörper erzeugte Ladungsträger eines ersten Ladungsträgertyps zu dem Barrierebereich driften, sich im Barrierebereich sammeln und so die Höhe der Potentialbarriere verringern können.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, which is designed and operable in such a way that generated in the semiconductor body charge carrier a first charge carrier type drift to the barrier area, gather in the barrier area and so the height can reduce the potential barrier. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, das derart ausgebildet und betreibbar ist, dass Ladungsträger eines zweiten Ladungsträgertyps nach Verringerung der Potentialbarriere von dem einen Kontaktbereich durch den Barrierebereich und den Detektionsbereich in den anderen Kontaktbereich fließen können.Semiconductor component according to claim 5, which is designed and operable such that charge carriers of a second charge carrier type after reduction of the potential barrier from the one contact region through the barrier region and the Deti onsbereich in the other contact area can flow. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Steuerelektrode über den Barrierebereich erstreckt.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the control electrode extends beyond the barrier region. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem die Höhe der Potentialbarriere über die Steuerelektrode steuerbar ist.Semiconductor component according to Claim 7, in which the height of Potential barrier over the control electrode is controllable. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem entlang des Strompfads gesehen auf der vom Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs ein Sperrbereich im Halbleiterkörper vorgesehen ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, when viewed along the current path on the side facing away from the detection area Side of the barrier area provided a blocking region in the semiconductor body is. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sperrbereich derart ausgeführt ist, dass im Betrieb des Bauelements ein Tunneln von Ladungsträgern von dem Barrierebereich in den entlang des Strompfades gesehen auf der vom Detektionsbereich abgewandten Seite des Barrierebereichs angeordneten Kontaktbereich vermeidbar oder minderbar ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the blocking region is designed in such a way that during operation of the Device tunneling of carriers from the barrier area in the along the current path seen on the from the detection area remote side of the barrier area arranged contact area is avoidable or reducible. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Steuerelektrode über einen oder eine Mehrzahl folgender Bereiche erstreckt: Detektionsbereich, Sperrbereich.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the control electrode over one or a plurality of following Ranges extends: detection range, stopband. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einer oder eine Mehrzahl folgender Bereiche intrinsisch ausgeführt ist: Detektionsbereich, Sperrbereich.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which one or a plurality of the following ranges is intrinsically executed: Detection area, restricted area. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktbereiche dotiert ausgeführt sind.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the contact areas are made doped. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktbereiche für den gleichen Leitungstypen dotiert sind.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, where the contact areas for are doped to the same type of line. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Kontaktbereiche für verschiedene Leitungstypen dotiert sind.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 13, in which the contact areas for different types of cables are doped. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Barrierebereich für den gleichen Leitungstypen dotiert ist wie die Kontaktbereiche.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 14, where the barrier area for the same type of line is doped like the contact areas. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Barrierebereich für einen anderen Leitungstypen dotiert ist als die Kontaktbereiche.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 14, where the barrier area for another line types is doped as the contact areas. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig einer der Kontaktbereiche vorgeordnet ist und in diesem Kontaktbereich ein Fenster für den Strahlungseintritt in den Detektionsbereich ausgebildet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in the case of the detection area, the radiation entry side of one of the contact areas is upstream and in this contact area a window for the radiation entry is formed in the detection area. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem Detektionsbereich strahlungseintrittsseitig eine Antireflexionsschicht vorgeordnet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the detection area radiation entry side, an anti-reflection layer is upstream. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 und 19, bei dem die Antireflexionsschicht im Fenster angeordnet ist.A semiconductor device according to claims 18 and 19, wherein the anti-reflection layer is arranged in the window. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich hochdotiert ausgeführt ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the barrier area is highly doped. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich eine Dotierstoffkonzentration von 1·1019 1/cm3 oder mehr aufweist.A semiconductor device according to at least one of the preceding claims, wherein the barrier region has a dopant concentration of 1 × 10 19 1 / cm 3 or more. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich eine Dotierstoffkonzentration von 1·1020 1/cm3 oder mehr aufweist.A semiconductor device according to at least one of the preceding claims, wherein the barrier region has a dopant concentration of 1 × 10 20 1 / cm 3 or more. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich eine Dotierstoffkonzentration von 1·1021 1/cm3 oder mehr aufweist.A semiconductor device according to at least one of the preceding claims, wherein the barrier region has a dopant concentration of 1 × 10 21 1 / cm 3 or more. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich derart dotiert ist, dass ein scharfer Anstieg in der Dotierstoffkonzentration gegenüber Bereichen des Halbleiterkörpers ausgebildet ist, die entlang des Strompfads an den Barrierebereich angrenzen.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the barrier region is doped such that a sharp rise formed in the dopant concentration with respect to regions of the semiconductor body is adjacent to the barrier area along the current path. Halbleiterbauelement nach Anspruch 25, bei dem sich die Dotierstoffkonzentration entlang des Strompfads beim Übergang von außerhalb des Barrierebereichs in den Barrierebereich oder innerhalb des Barrierebereichs auf einer Strecke von 10 nm oder weniger entlang des Strompfads um das Fünffache oder mehr, bevorzugt um das Siebenfache oder mehr, besonders bevorzugt das Neunfache oder mehr, erhöht.A semiconductor device according to claim 25, wherein the dopant concentration along the current path at the transition from outside of the barrier area into the barrier area or within the barrier area on a distance of 10 nm or less along the current path fivefold or more, preferably seven times or more, more preferably nine times or more, increased. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich derart dotiert ist, dass das Halbleiterbauelement entlang des Strompfades eine dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm zwischen den Kontaktbereichen aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the barrier region is doped such that the semiconductor device along the current path a triangular shaped potential barrier has in the energy band diagram between the contact areas. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich, der Detektionsbereich und vorzugsweise der Sperrbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Halbleiterbauelement entlang des Strompfades eine dreiecksartig geformte Potentialbarriere im Energiebanddiagramm zwischen den Kontaktbereichen aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the barrier area, the detection area and preferably the stopband are matched to one another such that the semiconductor device along the current path a triangular shaped potential barrier has in the energy band diagram between the contact areas. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich entlang des Strompfades gesehen eine Ausdehnung von 20 nm oder weniger, bevorzugt von 15 nm oder weniger, besonders bevorzugt von 12 nm oder weniger aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, where the barrier area along the current path seen a Extension of 20 nm or less, preferably 15 nm or less, particularly preferably 12 nm or less. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Barrierebereich entlang des Strompfades gesehen eine Ausdehnung von 3 nm oder mehr, bevorzugt von 5 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 10 nm oder mehr, aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, where the barrier area along the current path seen a Extension of 3 nm or more, preferably 5 nm or more, especially preferably of 10 nm or more. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung von 100 nm oder mehr, bevorzugt von 300 nm oder mehr, besonders bevorzugt von 500 nm oder mehr aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the detection area along the current path is an extension of 100 nm or more, preferably 300 nm or more, especially preferably of 500 nm or more. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung von zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 800 nm, aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, wherein the detection area along the current path is an extension from between inclusive 100 nm and inclusive 1000 nm, preferably between 200 nm and 900 inclusive nm, more preferably between 300 nm inclusive and 800 inclusive nm. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 32, bei dem der Detektionsbereich entlang des Strompfades eine Ausdehnung aufweist, die größer ist als die Ausdehnung des Sperrbereichs entlang des Strompfades.Semiconductor component according to one of Claims 9 to 32, wherein the detection area along the current path an extension which is larger as the extent of the stopband along the current path. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Detektion eines Einzelphotons oder eines Strahlungspulses geeignet und insbesondere ausgebildet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, that for the detection of a single photon or a radiation pulse suitable and in particular designed. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Photonenzähler geeignet und insbesondere ausgebildet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, that as a photon counter suitable and in particular designed. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper auf Silizium basiert.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the semiconductor body based on silicon. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das als unipolares Bauelement ausgeführt ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims that designed as a unipolar device is. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper eine oder eine Mehrzahl von Epitaxieschichten aufweist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the semiconductor body having one or a plurality of epitaxial layers. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das als vertikales Bauelement ausgebildet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, which is designed as a vertical component. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper einen Halbleiterschichtstapel aufweist, wobei der Halbleiterschichtstapel jeweils eine gesonderte Schicht für einen, eine Mehrzahl oder alle der folgenden Bereiche aufweist: den einen Kontaktbereich, den anderen Kontaktbereich, den Barrierebereich, den Detektionsbereich, den Sperrbereich.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, in which the semiconductor body a semiconductor layer stack, wherein the semiconductor layer stack each a separate layer for one, a plurality or all of the following areas: the one contact area, the other contact area, the barrier area, the detection area, the restricted area. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 38, das als laterales Bauelement ausgebildet ist.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 38, which is formed as a lateral component. Halbleiterbauelement nach Anspruch 41, bei dem die Kontaktbereiche, der Barrierebereich und der Detektionsbereich lateral nebeneinander in einer gemeinsamen Halbleiterschicht ausgebildet sind.A semiconductor device according to claim 41, wherein the Contact areas, the barrier area and the detection area lateral formed side by side in a common semiconductor layer are. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Substrat aufweist, auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist.Semiconductor component according to at least one of the preceding Claims, which has a substrate on which the semiconductor body is arranged is. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 41 bis 43, bei dem der Detektionsbereich elektrisch von dem Substrat isoliert ist.Semiconductor component according to one of Claims 41 to 43, in which the detection area is electrically isolated from the substrate is. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 44, bei dem das Bauelement eine modifizierte MOSFET-Struktur, aufweist, wobei ein Kontaktbereich für die Source, der andere Kontaktbereich für die Drain sowie die Steuerelektrode als Gateelektrode vorgesehen ist und wobei der Detektionsbereich zwischen dem Barrierebereich und der Drain angeordnet ist.Semiconductor component according to one of Claims 1 to 44, wherein the device has a modified MOSFET structure, being a contact area for the source, the other contact area for the drain and the control electrode is provided as a gate electrode and wherein the detection area between the barrier area and the drain is arranged. Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von nebeneinander ausgebildeten strahlungsempfangenden Halbleiterbauelementen nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterbauelemente monolithisch integriert ausgeführt sind.Semiconductor arrangement with a plurality of side by side trained radiation-receiving semiconductor devices according to at least one of the preceding claims, wherein the semiconductor components monolithic integrated running are. Strahlungsdetektor mit einem Halbleiterbauelement oder einer Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Detektion von Strahlung außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs, wobei der Strahlungsdetektor ein Umwandlungselement aufweist, das einfallende Strahlung in Strahlung innerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs des Detektionsbereichs umwandelt.A radiation detector comprising a semiconductor device or a semiconductor device according to at least one of the preceding claims for detecting radiation outside the spectral sensitivity range of the detection region, wherein the radiation detector comprises a conversion element that converts incident radiation into radiation within the spectral sensitivity range of the detection region. Strahlungsdetektor nach Anspruch 47, der zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet ist.Radiation detector according to claim 47, for detection of X-rays is trained. Verwendung eines Halbleiterbauelements, einer Halbleiteranordnung oder eines Strahlungsdetektors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche für die Analyse der Zusammensetzung eines Probenmaterials.Use of a semiconductor device, a semiconductor device or a radiation detector according to at least one of the preceding claims for the analysis of Composition of a sample material. Verfahren zum Betreiben eines strahlungsempfangenden Halbleiterbauelements, einer Halbleiteranordnung oder eines Strahlungsdetektors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend die Schritte: a) Anlegen einer Kontaktspannung zwischen den beiden Kontaktbereichen, wobei die Kontaktspannung und der Detektionsbereich derart aufeinander abgestimmt werden, dass im Detektionsbereich durch Absorption erzeugte Ladungsträger eines Ladungsträgertyps im Detektionsbereich durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen können, und wobei die mittels des Barrierebereichs gebildete Potentialbarriere und die Kontaktspannung derart aufeinander abgestimmt werden, dass ein Signalstromfluss von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich unterbunden ist; b) Absorption von Strahlung, insbesondere eines Einzelphotons oder eines Strahlungspulses, im Detektionsbereich unter Erzeugung von zumindest einem Primärladungsträger eines Ladungsträgertyps im Detektionsbereich durch die absorbierte Strahlung; c) Erzeugung von Sekundärladungsträgern mittels Stoßionisation durch den Primärladungsträger im Detektionsbereich; d) Verringerung der Potentialbarriere durch Sekundärladungsträger eines Ladungsträgertyps, die zu dem Barrierebereich driften und sich dort sammeln, derart, dass ein Signalstrom von dem einen Kontaktbereich zu dem anderen Kontaktbereich fließt.Method for operating a radiation-receiving Semiconductor device, a semiconductor device or a radiation detector according to at least one of the preceding claims, comprising the steps: a) Applying a contact voltage between the two contact areas, in which the contact voltage and the detection range so be matched to each other in the detection area by absorption generated charge carriers of a charge carrier type in the detection area by impact ionization additional charge carriers can generate and wherein the potential barrier formed by the barrier region and the contact voltage are matched to one another such that a signal current flow from one contact region to the other Contact area is prohibited; b) absorption of radiation, in particular a single photon or a radiation pulse, in Detection area to produce at least one primary charge of a Charge carrier type in Detection area by the absorbed radiation; c) production of secondary carriers by impact ionization through the primary charge carrier in the detection area; d) Reduction of the potential barrier by secondary carriers of a charge carrier type, which drift to the barrier area and collect there, thus, a signal stream from one contact area to the other Contact area flows. Verfahren nach Anspruch 50, bei dem vor Schritt b) eine vorgegebene Steuerspannung, die zur Ausbildung einer bis zum Signalstromfluss mittels der Sekundärladungsträger abbaubaren Potentialbarriere geeignet ist, ermittelt und an den Barrierebereich angelegt wird.The method of claim 50, wherein prior to step b) a predetermined control voltage, the formation of a to for signal current flow by means of the secondary charge carrier degradable potential barrier is suitable, determined and applied to the barrier area. Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, bei dem nach Schritt d) durch Anlegen einer geeignet gepolten Steuerspannung an den Barrierebereich die in den Barrierebereich gedrifteten Sekundärladungsträger aus dem Barrierebereich entfernt werden.A method according to claim 50 or 51, wherein Step d) by applying a suitably poled control voltage At the barrier area, the secondary charge carriers drifted into the barrier area be removed from the barrier area. Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 52, bei dem nach dem Entfernen der Sekundärladungsträger das Verfahren mit Schritt b) neu begonnen wird.A method according to any one of claims 50 to 52, wherein the removal of the secondary charge carrier the Procedure with step b) is restarted. Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 53, bei dem die Kontaktspannung 75 V oder weniger, bevorzugt 60 V oder weniger, besonders bevorzugt 50 V oder weniger, beträgt.Method according to one of Claims 50 to 53, in which the Contact voltage 75 V or less, preferably 60 V or less, more preferably 50V or less. Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 54, bei dem die Kontaktspannung 20 V oder mehr, bevorzugt 30 V oder mehr, besonders bevorzugt 40 V oder mehr beträgt.A method according to any one of claims 50 to 54, wherein the Contact voltage 20 V or more, preferably 30 V or more, especially preferably 40 V or more. Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 55, bei dem die Steuerspannung die Hälfte der Kontaktspannung oder weniger beträgt.A method according to any one of claims 50 to 55, wherein the Control voltage half the contact voltage or less. Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 56, bei dem der Signalstrom 0,1 mA oder mehr beträgt.A method according to any one of claims 50 to 56, wherein the Signal current is 0.1 mA or more.
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