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Strahlungsdetektoren
dienen zur Detektion ionisierender Strahlung, wie z. B. von Beta-Strahlung oder
Gamma-Strahlung.
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Strahlungsdetektoren
auf Halbleiterbasis weisen einen Halbleiterkörper mit zwei
komplementär zueinander dotierten Halbleiterzonen auf,
die einen pn-Übergang bilden. Bei Betrieb des Strahlungsdetektors
wird dieser pn-Übergang in Sperrrichtung gepolt, indem
mittels Anschlusselektroden eine elektrische Spannung an die Halbleiterzonen
angelegt wird. Hieraus resultiert ein elektrisches Feld im Innern
des Halbleiterkörpers. Tritt während des Betriebs
des Strahlungsdetektors ionisierende Strahlung in den Halbleiterkörper
ein, so werden Ladungsträger generiert, die bedingt durch
das elektrische Feld einen zwischen den Anschlusselektroden messbaren
Stromimpuls erzeugen.
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In Kenney
et al.: "Silicon Detectors with 3-D Electrode Arrays: Fabrication
and Initial Test Results", IEEE Transactions an Nuclear
Sciences, Vol. 46, No. 4, August 1999, Seiten 1224–1236 ist
ein sogenannter 3-D-Sensor beschrieben, bei dem pn-Übergänge
zwischen säulenförmigen p-dotierten Gebieten aus
Polysilizium und einem die säulenförmigen Gebiete
umgebenden n-dotierten Halbleitersubstrat gebildet sind.
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Die
Nachweisempfindlichkeit eines solchen Sensors mit p-dotierten Gebieten
aus Polysilizium ist allerdings dadurch reduziert, dass an dem Grenzgebiet
zwischen dem Substrat und dem polykristallinen Halbleitermaterial
die zuvor durch Strahlung erzeugten Ladungsträger – zumindest
teilweise – wieder rekombinieren können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlungsdetektor und
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungsdetektors
zur Verfügung zu stellen, der eine erhöhte Nachweisempfindlichkeit
besitzt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch einen
Strahlungsdetektor nach Anspruch 21 gelöst. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Strahlungsdetektors, der einen Halbleiterkörper mit
einer ersten Basiszone eines ersten Leitungstyps und wenigstens eine
in der ersten Basiszone angeordnete, sich in einer vertikalen Richtung
des Halbleiterkörpers erstreckende und komplementär
zu der Basiszone dotierte zweite Basiszone aufweist, wobei das Verfahren
aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats; Herstellen mehrerer übereinander
angeordneter Epitaxieschichten auf dem Halbleitersubstrat, die jeweils eine
Grunddotierung des ersten Leitungstyps aufweisen und die zusammen
mit dem Halbleitersubstrat den Halbleiterkörper bilden;
Herstellen von Halbleiterzonen eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären
zweiten Leitungstyps in den Epitaxieschichten derart, dass sich
die komplementär dotierten Halbleiterzonen in vertikaler
Richtung aneinander anschließen und so die zweite Basiszone
bilden.
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Bei
einem mit diesem Verfahren hergestellten Strahlungsdetektor sind
die ersten und die zweiten Basiszonen, zwischen denen einen pn-Übergang gebildet
ist, Teil von Epitaxieschichten, und damit monokristalline Halbleitergebiete.
Eine erhöhte Rekombination im Bereich des pn-Übergangs
tritt damit nicht auf.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft einen Strahlungsdetektor, der aufweist:
einen Halbleiterkörper mit einer ersten Seite und einer
zweiten Seite; eine in dem Halbleiterkörper angeordnete
erste Basiszone eines ersten Leitungstyps; wenigstens eine in der
ersten Basiszone angeordnete zweite Basiszone eines zum ersten Leitungstyp
komplementären zweiten Leitungstyps, die sich in einer
vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers erstreckt; eine
erste Anschlusselektrode, die an die erste Basiszone angeschlossen ist
und eine zweite Anschlusselektrode, die an die zweite Basiszone
angeschlossen ist, wobei der Halbleiterkörper ein Halbleitersubstrat
und mehrere auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte Epitaxieschichten
aufweist, wobei die erste und die zweite Basiszone wenigstens teilweise
in diesen Epitaxieschichten angeordnet sind und wobei die erste
Anschlusselektrode das Halbleitersubstrat an einer den Epitaxieschichten
abgewandten Seite kontaktiert.
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Verschiedene
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Die Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der
Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips.
In den Figuren sind dabei lediglich die zum Verständnis
dieses Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens
zur Herstellung einer ersten und einer zweiten Basiszone eines Strahlungsdetektors
anhand von Querschnittsdarstellungen eines Halbleiterkörpers
während verschiedener Verfahrensschritte.
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2 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens
zur Herstellung der zweiten Basiszone in der ersten Basiszone.
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3 veranschaulicht
ein Beispiel eines Verfahrens zur gemeinsamen Herstellung der ersten und
der zweiten Basiszone.
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4 veranschaulicht
anhand eines Querschnitt durch den Halbleiterkörper in
einer in 1 dargestellten Querschnittsebene
ein erstes Beispiel einer Geometrie der zweiten Basiszone.
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5 veranschaulicht
anhand eines Querschnitt durch den Halbleiterkörper in
einer in 1 dargestellten Querschnittsebene
ein zweites Beispiel einer Geometrie der zweiten Basiszone.
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6 zeigt
ein erstes Beispiel eines Strahlungsdetektors.
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7 zeigt
ein zweites Beispiel eines Strahlungsdetektors.
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8 zeigt
ein drittes Beispiel eines Strahlungsdetektors.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung komplementär
zueinander dotierter erster und zweiter Basiszonen eines Strahlungsdetektors,
insbesondere eines 3-D-Strahlungsdetektors, wird nachfolgend anhand
der 1A und 1B erläutert.
Bezugnehmend auf 1A wird bei diesem Verfahren
zunächst ein Halbleitersubstrat 110 zur Verfügung
gestellt. Dieses Halbleitersubstrat weist eine erste Seite 103 und
eine der ersten Seite 103 abgewandte zweite Seite 102 auf. 1A zeigt
einen Ausschnitt dieses Halbleitersubstrats 110 in einer vertikalen
Schnittebene. Die vertikale Schnittebene ist dabei eine senkrecht
zu der ersten und der zweiten Seite 103, 102 verlaufende
Schnittebene. Dieses Halb leitersubstrat 110 kann Teil eines
Halbleiterwafers sein, der die Grundlage für die Herstellung
einer Vielzahl gleichartiger Strahlungsdetektoren bildet, die bei
Bedarf nach Abschluss des Herstellungsprozesses vereinzelt werden.
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Als
Halbleitermaterial für die Herstellung der Strahlungsdetektoren
eignet sich beispielsweise Silizium. Das Halbleitersubstrat 110 ist
in diesem Fall ein monokristallines Halbleitersubstrat aus Silizium.
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Bezugnehmend
auf 1B werden auf diesem Halbleitersubstrat 110 während
nachfolgender Verfahrensschritte mehrere Epitaxieschichten 121–125 hergestellt,
die übereinander angeordnet sind. Die Gesamtheit dieser übereinander
angeordneten Epitaxieschichten 121–125 wird
nachfolgend als Epitaxieschichtstapel 120 bezeichnet. Eine
zuerst hergestellte Epitaxieschicht 121, die unmittelbar
auf die erste Seite 103 des Halbleitersubstrats 110 aufgebracht
ist, wird nachfolgend als unterste Epitaxieschicht 121 bezeichnet,
und eine zuletzt hergestellte Epitaxieschicht 125 des Epitaxieschichtstapels 120 wird
nachfolgend als oberste Epitaxieschicht bezeichnet. Das Halbleitersubstrat 110 und
der auf dem Halbleitersubstrat 110 angeordnete Epitaxieschichtstapel 120 bilden
zusammen einen Halbleiterkörper 1000 mit einer
ersten Seite 101, die durch die oberste Epitaxieschicht 125 gebildet
ist, die nachfolgend auch als Vorderseite bezeichnet wird, und mit
einer zweiten Seite 102, die durch die zweite Seite des Halbleitersubstrats 110 gebildet
ist und die nachfolgend auch als Rückseite bezeichnet wird. 1B zeigt
diesen Halbleiterkörper 100 in einer vertikalen Schnittebene,
also in einer senkrecht zu der Vorder- und Rückseite 101, 102 verlaufenden
Schnittebene.
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Lediglich
zum besseren Verständnis der nachfolgenden Ausführungen
sind in 1B ”Grenzen” zwischen
den einzelnen Epitaxieschichten 121–125 als
strichpunktierte Linien dargestellt. Hierdurch wird deutlich, wie
weit die einzelnen Epi taxieschichten während jeweils eines
Abscheideprozesses aufgewachsen werden. Tatsächlich sind
innerhalb des Epitaxieschichtstapels 120 die Grenzen zwischen
den einzelnen Epitaxieschichten nicht unmittelbar erkennbar, da
die Epitaxieschichten monokristalline Schichten sind, von denen
die unterste Schicht 121 monokristallin auf das Halbleitersubstrat 110 aufwächst
und von denen die anderen Epitaxieschichten 122–125 monokristallin
auf die jeweils zuvor hergestellte Epitaxieschicht aufwachsen. Zur Herstellung
der Epitaxieschichten eignen sich beliebige, grundsätzlich
bekannte Epitaxieverfahren, so dass auf weitere Ausführungen
hierzu verzichtet werden kann.
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Die
einzelnen Epitaxieschichten 121–125 werden
so hergestellt, dass sie eine Grunddotierung eines ersten Leitungstyps,
beispielsweise eine n-Grunddotierung, besitzen. Eine Dotierungskonzentration
dieser Grunddotierung liegt beispielsweise im Bereich zwischen einigen
1012 cm–3 bis
zu einigen 1013 cm–3.
Der die Grunddotierung aufweisende Bereich des Epitaxieschichtstapels 120 bildet
wenigstens einen Teil der ersten Basiszone 11 des späteren Strahlungsdetektors.
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In
den einzelnen Epitaxieschichten 121–125 werden
außerdem komplementär zu der Grunddotierung dotierte
Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps derart hergestellt, dass
sich die in den einzelnen Epitaxieschichten hergestellten Halbleiterzonen
des zweiten Leitungstyps in vertikaler Richtung aneinander anschließen.
Auf diese Weise entsteht ein in vertikaler Richtung zusammenhängendes,
sich über die einzelnen Epitaxieschichten 121–125 erstreckendes
komplementär zu der Grunddotierung dotiertes Halbleitergebiet.
Dieses komplementär zu der Grunddotierung der Epitaxieschichten
dotierte Halbleitergebiet bildet die zweite Basiszone 21 des
späteren Strahlungsdetektors. Die maximalen Dotierungskonzentrationen
dieser Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps sind beispielsweise
höher als die Grunddotierung der Epitaxieschichten. Diese
Dotierungskonzentrationen sind beispielsweise zwischen einer und
zwei Größenordnungen (Faktor 10 bis 100) größer
als die Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125.
Hierdurch kann erreicht werden, dass die in den einzelnen Epitaxieschichten
hergestellten Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps rasch ”zusammendiffundieren”,
was noch erläutert werden wird.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung dieser zweiten Basiszone 21 wird
nachfolgend anhand der 2A und 2B erläutert.
Bei diesem Verfahren werden nach Herstellen der einzelnen Epitaxieschichten 121–125 jeweils
Dotierstoffatome eines zu der Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125 komplementären
Leitungstyps in die Epitaxieschichten 121–125 implantiert. 2A veranschaulicht
eine solche Implantation von Dotierstoffatomen anhand der zuerst
auf dem Halbleitersubstrat 110 hergestellten untersten
Epitaxieschicht 121. Die Implantation der Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps erfolgt unter Verwendung einer Maske 200,
die wenigstens eine Aussparung 201 aufweist, die eine Implantation
von Dotierstoffatomen im Bereich dieser Aussparung 201 in
die Epitaxieschicht 121 ermöglicht. Die Maske 200 kann
beabstandet zu der Epitaxieschicht 121 gehalten werden,
kann jedoch auch unmittelbar auf die Epitaxieschicht 121 aufgebracht
sein. Die Maske 200 kann eine Aussparung 201 oder
kann mehrere in horizontaler Richtung beabstandet zueinander angeordnete
Aussparungen aufweisen. Die Abmessungen und der gegenseitige Abstand
dieser Aussparungen 201 bestimmen in nachfolgend noch näher
erläuterter Weise die Geometrie der späteren zweiten
Basiszone 21.
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Im
Bereich der wenigstens einen Aussparung 201 der Maske 200 entsteht
ein Implantationsbereich 21' in der Epitaxieschicht 121,
in dem konzentriert Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps angeordnet
sind. Die Position dieses Implantationsbereichs 21' in
vertikaler Richtung innerhalb der Epitaxieschicht 121 ist
abhängig von der Implantationsenergie, also der Energie,
mit der die Dotierstoffatome in die Epitaxie schicht 121 implantiert
werden. Wie in 2A dargestellt ist, können
diese Dotierstoffatome in einen oberflächennahen Bereich
der Epitaxieschicht 121 implantiert werden. Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit, diese Dotierstoffatome tiefer
in die Epitaxieschicht 121 zu implantieren.
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Anstatt
die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps mittels eines Implantationsverfahrens
in die Epitaxieschichten einzubringen, besteht alternativ die Möglichkeit,
die Epitaxieschichten in solchen Bereichen, in denen Halbleiterzonen
des zweiten Leitungstyps hergestellt werden sollen, mit einem Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps enthaltenden Material zu belegen und anschließend
die Dotierstoffatome aus diesem Material in die Epitaxieschicht einzudiffundieren.
Nach der Diffusion und vor Herstellen einer nächsten Epitaxieschicht
ist das die Dotierstoffatome enthaltende Material dabei zu entfernen.
Alternativ können die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps
auch direkt lokal eindiffundiert werden.
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Nach
dem anhand von 2A erläuterten Einbringen
der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in eine Epitaxieschicht – die
unterste Epitaxieschicht 121 in dem dargestellten Beispiel – wird die
nächste Epitaxieschicht 122 hergestellt, in der wiederum
ein Implantationsbereich 21' erzeugt wird. Diese Verfahrensschritte
werden solange wiederholt, bis eine gewünschte Anzahl von
Epitaxieschichten erreicht ist, bzw. bis eine gewünschte
vertikale Abmessung der ersten Basiszone 11 erreicht ist. 2B zeigt
den Halbleiterkörper 100 im Querschnitt nach Abscheiden
aller Epitaxieschichten 121–125 und Herstellen
von Implantationsbereichen 21' in den einzelnen Epitaxieschichten 121–125.
Das Herstellen eines Implantationsbereiches 21' in der zuletzt
abgeschiedenen obersten Epitaxieschicht 125 ist optional.
Dieser Implantationsbereich 21' der obersten Epitaxieschicht 125 ist
in 2B daher gestrichelt dargestellt.
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Die
Implantation der Dotierstoffatome in die einzelnen Epitaxieschichten 121–125 erfolgt
derart, dass die Implantationsbereiche 21' in vertikaler
Richtung des Halbleiterkörpers 100 übereinander
angeordnet sind, wie dies in 2B dargestellt
ist. Werden Masken mit mehreren Aussparungen verwendet, so sind
an mehreren Stellen in dem Epitaxieschichtstapel 120 Implantationsbereiche 21' vorhanden,
die in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordnet
sind.
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Nach
dem Herstellen der Epitaxieschichten 121–125 und
dem gezielten Einbringen der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps
in die einzelnen Epitaxieschichten 121–125 wird
ein Temperaturprozess durchgeführt, bei dem die Epitaxieschichten 121–125 aufgeheizt
werden. Die Dauer und die Temperatur dieses Temperaturprozesses
sind hierbei so gewählt, dass die implantierten Dotierstoffatome
ausgehend von den Implantationsbereichen 21' weiter in die
Epitaxieschichten 121–125 eindiffundieren,
wodurch um die Implantationsbereiche 21' herum komplementär
zu der Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125 dotierte
Halbleiterzonen entstehen, die nachfolgend als Diffusionsbereiche
bezeichnet sind. Die Dauer und die Temperatur des Temperaturprozesses
sind hierbei so gewählt, dass die Diffusionsbereiche, die
sich um zwei in vertikaler Richtung benachbart angeordnete Implantationsbereiche 21' herum
bilden, sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 aneinander
anschließen, wodurch die in vertikaler Richtung durchgehende,
sich über die einzelnen Epitaxieschichten 121–125 erstreckende zweite
Basiszone 21 entsteht.
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Zum
besseren Verständnis der Vorgänge während
des Diffusionsprozesses sind in 1B in der
ersten und zweiten Epitaxieschicht 121, 122 die ursprünglichen
Implantationsbereiche 21' gestrichelt dargestellt. Werden – wie
in dem dargestellten Beispiel – die Implantationsbereiche 21' in
den einzelnen Epitaxieschichten oberflächennah erzeugt,
so diffundieren die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps aus
einem Implanta tionsbereich 21' sowohl in die Epitaxieschicht,
in der der Implantationsbereich 21' erzeugt wurde, als
auch in die darüber liegende Epitaxieschicht. Werden die
Implantationsbereiche 21' in nicht näher dargestellter
Weise nicht oberflächennah, sondern tief im Innern der
einzelnen Epitaxieschichten hergestellt, so entstehen die Diffusionsgebiete
im Wesentlichen innerhalb der einzelnen Epitaxieschichten um die
Implantationsbereiche 21' herum und schließen
sich im Bereich der Grenzen der einzelnen Epitaxieschichten aneinander
an.
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Bei
dem anhand der 2A und 2B erläuterten
Verfahren wird die Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125 bereits
während des Abscheideprozesses hergestellt. Die Epitaxieschichten werden
also während des Abscheideprozesses insitu mit Dotierstoffatomen
des ersten Leitungstyps dotiert, die so die Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125,
und damit die Dotierung der ersten Basiszone (11 in 1B)
bewirken. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Implantationsdosis
zur Herstellung der Implantationsbereiche 21' ausreichend
hoch gewählt ist, dass im Bereich der zweiten Basiszone
die Grunddotierung der Epitaxieschichten kompensiert wird und eine
zweite Basiszone 21 mit einer Nettodotierung des zweiten
Leitungstyps entsteht. Die Implantationsdosis DP für
die Herstellung eines Implantationsbereichs in einer Epitaxieschicht entspricht
beispielsweise der Summe der Grunddotierung ND der
Epitaxieschicht, die zu kompensieren ist, und der gewünschten
Dotierung der zweiten Basiszone NP multipliziert
mit der Dicke d der jeweiligen Epitaxieschicht, es gilt also: DP = (ND +
NP)·d (1)
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Anstatt
die Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125 bereits
während der Abscheideprozesse herzustellen, besteht die
Möglichkeit, die einzelnen Epitaxieschichten zunächst
undotiert bzw. intrinsisch herzustellen und nach Herstellung jeder Epitaxieschicht
ganzflächig Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in
die einzelnen Epitaxieschichten zu implantieren. Bezugnehmend auf 3,
die einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 nach Herstellen
aller Epitaxieschichten 121–125 zeigt,
entstehen hierdurch Implantationsbereiche 11' des ersten
Leitungstyps in den einzelnen Epitaxieschichten 121–125.
Zusätzlich zu diesen Implantationsbereichen 11' des
ersten Leitungstyps werden in zuvor erläuterter Weise die
Implantationsbereiche 21' des zweiten Leitungstyps erzeugt.
Anschließend wird der bereits erläuterte Temperaturprozess
durchgeführt. Während dieses Temperaturprozesses
diffundieren sowohl die Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps aus
den ersten Implantationsbereichen 11' als auch die Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps aus den Implantationsbereichen 21' des
zweiten Leitungstyps in die Epitaxieschichten ein. Als Dotierstoffatome
für die Implantationsbereiche 11' des ersten Leitungstyps
werden dabei beispielsweise Dotierstoffatome gewählt, die
bei einer gegebenen Temperatur schneller diffundieren als die Dotierstoffatome der
Implantationsbereiche 21' des zweiten Leitungstyps. Hierdurch
ist gewährleistet, dass während des für
die Herstellung der Grunddotierung der Epitaxieschichten 121–125 und
des für die Herstellung der zweiten Basiszone 21 gemeinsamen
Temperaturprozesses die Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in
vertikaler Richtung über die gesamte Tiefe der einzelnen
Epitaxieschichten diffundieren und so eine Grunddotierung bewirken,
während die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in
vertikaler Richtung lediglich so weit diffundieren, dass sich die
einzelnen Diffusionsgebiete aneinander anschließen. Als
Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps eignen sich beispielsweise
Phosphoratome, die eine n-Dotierung bewirken, oder auch schneller
diffundierende Selen- oder Schwefelatome. Zur Erzeugung der p-dotierten Zone
ist z. B. die Dotierung mit Boratomen geeignet. Die Temperatur während
des Temperaturprozesses liegt beispielsweise zwischen 1000°C
und 1250°C, die Dauer des Temperaturprozesses liegt beispielsweise
zwischen 1 Stunde und 10 Stunden.
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Bezugnehmend
auf 4 ist bei einem Beispiel vorgesehen, die zweite
Basiszone 21 derart zu erzeugen, dass sie mehrere säulenförmige
Basiszonenabschnitte aufweist, die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers
beabstandet zueinander angeordnet sind. 4 zeigt
einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 im
Bereich des Epitaxieschichtstapels 120 in einer in 1B dargestellten
Schnittebene A-A.
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Eine
solche zweite Basiszone 21 mit mehreren säulenförmig
ausgebildeten und in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordneten
Basiszonenabschnitten kann bezugnehmend auf die Erläuterungen
zu den 2 und 3 dadurch
hergestellt werden, dass die zur Implantation der Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps verwendete Maske (200 in 2A)
mehrere in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordnete
Aussparungen (201 in 2A) aufweist.
Der gegenseitige Mittenabstand dieser Aussparungen 201 bestimmt
dabei den gegenseitigen Mittenabstand der einzelnen säulenförmigen
Basiszonenabschnitte. Unter ”Mittenabstand” ist
hierbei der laterale Abstand von der Mitte eines Basiszonenabschnittes
zur Mitte eines benachbarten Basiszonenabschnittes zu verstehen.
Die einzelnen Basiszonenabschnitte können bezugnehmend
auf 4 in einem rechteckförmigen, insbesondere
einem quadratischen, Raster angeordnet sein. Es sind jedoch auch
beliebige andere Raster, insbesondere hexagonale Raster, anwendbar.
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Bezugnehmend
auf 5, die einen lateralen Querschnitt durch den Epitaxieschichtstapel 120 in
der Schnittebene A-A für ein weiteres Beispiel zeigt, kann
die zweite Basiszone 21 auch so realisiert werden, dass
sie mehrere streifenförmige bzw. plattenförmige
Basiszonenabschnitte aufweist, die in lateraler Richtung beabstandet
zueinander angeordnet sind. Die Herstellung solcher streifenförmiger
Basiszonenabschnitte erfolgt bezugnehmend auf die Ausführungen
zu den 2 und 3 dadurch,
dass die Implantationsmaske 200 streifenförmige Aussparungen 201 aufweist,
die in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
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Darüber
hinaus kann die zweite Basiszone 21 beispielsweise auch
so realisiert werden, dass sie eine gitterförmige Struktur
besitzt, wie dies in 5 gestrichelt dargestellt ist.
Eine solche gitterförmige Basiszone 21 wird beispielsweise
dadurch erzeugt, dass die Implantationsmaske (200 in 2A)
eine gitterförmige Aussparung 201 aufweist.
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6 zeigt
einen vertikalen Querschnitt durch einen Strahlungsdetektor gemäß einem
ersten Beispiel, der erste und zweite Basiszonen 11, 21 aufweist,
die anhand des zuvor erläuterten Verfahrens hergestellt
wurden. Außer der ersten Basiszone 11 des ersten
Leitungstyps, die wenigstens teilweise durch die Grunddotierung
der Epitaxieschichten gebildet ist, und der sich in vertikaler Richtung
des Halbleiterkörpers 100 erstreckenden zweiten
Basiszone 21 weist dieser Strahlungsdetektor eine erste
Anschlusselektrode 13 zum Anlegen eines elektrischen Potenzials
an die erste Basiszone 11 und eine zweite Anschlusselektrode 23 zum
Anlegen eines elektrischen Potenzials an die zweite Basiszone 21 auf.
Die erste Anschlusselektrode 13 ist bei dem dargestellten
Strahlungsdetektor auf die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 aufgebracht
und über das Halbleitersubstrat 110 an die erste
Basiszone 11 angeschlossen. Das Halbleitersubstrat 110 ist
bei diesem Strahlungsdetektor so gewählt, dass es vom gleichen
Leitungstyp wie die erste Basiszone 11, d. h. vom ersten
Leitungstyp ist. Das Halbleitersubstrat 110 ist hierbei
insbesondere höher dotiert als die erste Basiszone 11,
um einen niederohmigen Anschluss der erste Anschlusselektrode 13 an
die erste Basiszone 11 zu gewährleisten und bildet
eine erste Anschlusszone 12. Die erste Anschlusselektrode 13 besteht
beispielsweise aus einem Metall oder einem hochdotierten polykristallinen
Halbleitermaterial, wie Polysilizium, und wird beispielsweise nach
Herstellen der ersten und zweiten Basis zone 11, 21 auf
die Rückseite des Halbleiterkörpers 100 aufgebracht.
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Bei
einem Beispiel des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, das Halbleitersubstrat 110 vor Herstellen
der ersten Anschlusselektrode 13 ausgehend von der Rückseite 102 wenigstens
teilweise abzutragen, beispielsweise mittels eines Ätz-,
Schleif- oder Polierverfahrens, um dadurch die vertikalen Abmessungen
einer durch das Halbleitersubstrat 110 gebildeten Anschlusszone 12 zu
reduzieren und dadurch den elektrischen Widerstand zwischen der
Anschlusselektrode 13 und der ersten Basiszone 11 zu reduzieren.
In nicht näher dargestellter Weise kann das Halbleitersubstrat 110 dabei
vollständig, d. h. bis zu der untersten Epitaxieschicht 121 abgetragen werden.
Die erste Anschlusselektrode 13 wird in diesem Fall unmittelbar
auf die erste Epitaxieschicht 121 aufgebracht, wobei vor
Aufbringen der ersten Anschlusselektrode Dotierstoffatome des ersten
Leitungstyps in einen oberflächennahen Bereich dieser Epitaxieschicht
implantiert werden können, um einen niederohmigen Anschluss
der Anschlusselektrode an die Basiszone 11 zu erreichen.
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Die
zweite Anschlusselektrode 23 ist im Bereich der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 angeordnet und ist über
eine zweite Anschlusszone des zweiten Leitungstyps an die zweite
Basiszone 21 angeschlossen. Die zweite Anschlusszone 22 kann dabei
höher als die zweite Basiszone 21 dotiert sein und
dient zum niederohmigen Anschließen der zweiten Anschlusselektrode 23 an
die zweite Basiszone 21. Die zweite Anschlusszone 22 kann
hinsichtlich Ihrer Ausdehnung in lateraler Richtung auf solche Bereiche
beschränkt sein, in denen die zweite Basiszone angeordnet
ist. In nicht näher dargestellter Weise kann sich die zweite
Anschlusszone 22 jedoch auch über Bereiche der
ersten Basiszone 11 erstrecken und in diesem Fall zusätzlich
zu dem pn-Übergang zwischen den ersten und zweiten Basiszonen 11, 21 einen
pn-Übergang zwischen der ersten Basiszone 11 und
der zweiten Anschlusszone 22 bilden.
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Diese
zweite Anschlusszone 22 wird beispielsweise durch Implantieren
von Dotierstoffatomen über die Vorderseite 101 und
Durchführen eines anschließenden Temperatur-Aktivierungsschritt
hergestellt. Die zweite Anschlusszone 22 kann sich dabei
ausgehend von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung
soweit in den Halbleiterkörper 100 hineinerstrecken,
dass sie sich an das Diffusionsgebiet anschließt, das von
dem Implantationsbereich 21' der als vorletztes hergestellten
Epitaxieschicht 124 ausgeht. Dieser Implantationsbereich 21' ist
in 6 gestrichelt dargestellt. In diesem Fall kann
darauf verzichtet werden, in der als letztes hergestellten obersten
Epitaxieschicht 125 einen Implantationsbereich 21' zu
erzeugen.
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Wird
ein solcher Implantationsbereich 21' hingegen auch in der
obersten Epitaxieschicht 125 hergestellt, so reicht die
zweite Basiszone 21 bis an die Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers, was für den Strahlungsdetektor
in 7 dargestellt ist. In diesem Fall genügt
als zweite Anschlusszone 22 eine Halbleiterzone, die in
vertikaler Richtung nur geringe Abmessungen besitzt und die lediglich
zur Reduktion eines Kontaktwiderstandes zwischen der zweiten Anschlusselektrode 23 und
der zweiten Basiszone 21 dient.
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Während
des Betriebs des Strahlungsdetektors wird über die Anschlusselektroden 13, 23 eine elektrische
Spannung zwischen der ersten und zweiten Basiszone 11, 21 angelegt,
die so gewählt ist, dass ein zwischen der ersten und zweiten
Basiszone 11, 21 vorhandener pn-Übergang
in Sperrrichtung gepolt ist. Ausgehend von diesem pn-Übergang
bereitet sich bedingt durch diese Spannung eine Raumladungszone
aus. Die Spannung kann dabei insbesondere so gewählt sein,
dass diese Raumladungszone den gesamten Bereich der ersten Basiszone 11 zwischen
benachbarten Basiszonenabschnitten der zweiten Basiszone 21 erfasst.
Das gesamte Gebiet der ersten Basiszone 11 zwischen benachbarten
Basiszonenabschnitten der zweiten Basiszone 21 weist dann
keine freien Ladungsträger mehr auf, ist also vollständig
ausgeräumt. Tritt nun ionisierende Strahlung in die erste
Basiszone 11 ein, so werden Ladungsträgerpaare
in dieser ersten Basiszone 11 erzeugt, deren Ladungsträger
bedingt durch das vorherrschende elektrische Feld zu der ersten
und zweiten Anschlusselektrode 13, 23 transportiert
werden und einen zwischen diesen Anschlusselektroden 13, 23 fließenden
und messbaren Stromimpuls erzeugen.
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Bei
dem dargestellten Strahlungsdetektor, bei dem sich die zweite Basiszone 21 in
vertikaler Richtung in die erste Basiszone 11 hinein erstreckt, steht
während des Betriebs des Strahlungsdetektors das gesamte
Volumen der ersten Basiszone 11 als Detektionsvolumen zur
Verfügung. Unter ”Detektionsvolumen” ist
in diesem Zusammenhang ein Volumen des Halbleiterkörpers
zu verstehen, das zur Detektion von Strahlung zur Verfügung
steht, in dem also freie Ladungsträger generiert und unter
Einfluss eines elektrischen Feldes zu den Anschlusselektroden transportiert
werden, wenn ionisierende Strahlung eintritt.
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Das
erläuterte Verfahren ermöglicht auf einfache Weise
die Herstellung eines Strahlungsdetektors mit einem sehr großen
Detektionsvolumen und insbesondere mit sich in vertikaler Richtung
tief in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckenden
ersten und zweiten Basiszonen 11, 21. Die Abmessungen der
ersten und zweiten Basiszone 11, 21 in vertikaler Richtung
des Halbleiterkörpers 100 sind dabei wesentlich
bestimmt durch die Abmessungen der einzelnen Epitaxieschichten 121–125 und
die Anzahl der übereinander hergestellten Epitaxieschichten 121–125.
Die Dicke und die Anzahl der einzelnen Epitaxieschichten 121–125 sind
beispielsweise so gewählt, dass eine Abmessung d1 der ersten
Basiszone 11 in vertikaler Richtung zwischen 100 und 300 μm
liegt. Die zweite Basiszone 21 kann so hergestellt werden,
dass sie sich in vertikaler Richtung wenigstens annähernd über
die gesamte Tiefe der ersten Basiszone 11 erstreckt. Sie
kann jedoch auch so herge stellt werden, dass sie lediglich in einem
oberen, d. h. der Vorderseite 101 zugewandeten Bereich
der ersten Basiszone 11 angeordnet ist. Ein Abstand eines
ausgehend von der Vorderseite 101 unteren Endes der zweiten
Basiszone 21 zu der Vorderseite 101 beträgt
beispielsweise zwischen 30 μm und 300 μm. Das
Verhältnis d1/d3 der Abmessungen d1 und d3 der ersten und
zweiten Basiszone 11, 21 beträgt beispielsweise
zwischen 1 und 10. Eine zweite Basiszone 21, die lediglich
im oberen Bereich der ersten Basiszone 11 angeordnet ist,
kann auf verschiedene Weise hergestellt werden: Bei einem ersten
Verfahren ist vorgesehen, auf dem Halbleitersubstrat 110, das
die spätere erste Anschlusszone 12 bildet, zunächst
eine im Vergleich zu den übrigen Epitaxieschichten dicke
Epitaxieschicht hergestellt wird oder dass mehrere Epitaxieschichten
ohne Implantationsbereiche hergestellt werden, die lediglich die erste
Basiszone 11 bilden, bevor eine Epitaxieschicht mit Implantationsbereichen
hergestellt wird, die dann sowohl zur Herstellung eines Teils der
ersten Basiszone 11 als auch eines Teils der zweiten Basiszone 21 dient.
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Bei
einem zweiten Verfahren ist vorgesehen, ein niedrig dotiertes Halbleitersubstrat
zu verwenden, dessen Grunddotierung so gewählt ist, dass
sie der gewünschten Dotierung der ersten Basiszone 11 entspricht.
Die Dotierungskonzentration dieser Grunddotierung liegt beispielsweise
zwischen 1012 cm–3 und einigen
1013 cm–3.
Dieses Halbleitersubstrat bildet einen Teil dieser ersten Basiszone 11.
Auf diesem Substrat werden anschließend eine oder mehrere
Epitaxieschichten hergestellt, in denen Halbleiterzonen des zweiten
Leitungstyps hergestellt werden und die somit einen weiteren Teil
der ersten Basiszone 11 und die zweite Basiszone 21 bilden.
Zur Herstellung der ersten Anschlusszone 11 wird anschließend
eine Dotierungskonzentration des Substrats im Bereich der zweiten
Seite 102 angehoben, indem Dotierstoffatome des ersten
Leitungstyps oder – je nach Dotierungstyp – als
Donatoren oder Akzeptoren wirksame Atome über die zweite
Seite 102 in das Halbleitersubstrat eingebracht werden,
z. B. durch Implantation.
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Eine
anzulegende Spannung, bei der die erste Basiszone 11 vollständig
ausgeräumt wird, ist abhängig von der Dotierungskonzentration
der ersten Basiszone 11 und der zweiten Basiszone 21 und
ist außerdem abhängig von einem Mittenabstand
benachbarter Basiszonenabschnitte der ersten Basiszone 21.
Unter ”Basiszonenabschnitte” sind in diesem Zusammenhang
die zuvor erläuterten säulenförmigen
Basiszonenabschnitte oder die plattenförmigen Basiszonenabschnitte
zu verstehen. Bei einer gitterförmigen zweiten Basiszone 21 sind
Basiszonenabschnitte solche Abschnitte des Gitters, die in einer
lateralen Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Dieser
gegenseitige Mittenabstand d2, der auch als ”Pitch” bezeichnet
wird, beträgt beispielsweise zwischen 20 μm und
160 μm.
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Bei
einem gegebenen Volumen des Halbleiterkörpers 100 kann
das Detektionsvolumen dadurch maximiert werden, dass das Volumen
der zweiten Basiszone 21 möglichst klein gewählt
wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Dotierstoffkonzentration
der zweiten Basiszone 21 höher gewählt
wird als die Dotierstoffkonzentration der ersten Basiszone 11.
Trotz des im Vergleich zur ersten Basiszone 11 kleineren
Volumens der zweiten Basiszone 21 kann in diesem Fall die
erste Basiszone 11 dennoch wenigstens annäherungsweise
vollständig ausgeräumt werden, und zwar bereits
bei einer geringen an den Detektor angelegten Spannung. Ein Verhältnis D21/D11
zwischen einer maximalen Dotierungskonzentration D21 der zweiten
Basiszone 21 und einer maximalen Dotierungskonzentration
D11 der ersten Basiszone 11 liegt beispielsweise zwischen
2 und 105. Absolut liegt die Dotierungskonzentration
der ersten Basiszone 11 beispielsweise unter 1013 cm–3, während
die maximale Dotierungskonzentration der zweiten Basiszone beispielsweise
zwischen 1014 cm–3 und
1019 cm–3 liegt.
Die Dotierungskonzentrationen in der ersten bzw. zweiten Anschlusszone 12, 22 liegen
beispielsweise oberhalb von 1016 cm–3 bzw. 3·1019 cm–3.
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Die
Dotierungen der ersten und zweiten Basiszone 11, 21 können
insbesondere so gewählt sein, dass die in der zweiten Basiszone 21 vorhandene Dotierstoffladung
des zweiten Leitungstyps größer ist als die in
der ersten Basiszone 11 vorhandene Dotierstoffladung des
ersten Leitungstyps. Betrachtet man eine Ebene des Epitaxieschichtstapels 120,
in der sowohl Abschnitte der ersten als auch der zweiten Basiszone 11, 21 vorhanden
sind, so bedeutet dies, dass in dieser Ebene die Anzahl der Dotierstoffatome des
zweiten Leitungstyps die Anzahl der Dotierstoffatome des ersten
Leitungstyps übersteigt. Für den Betrieb des Strahlungsdetektors
bedeutet dies, dass die zweite Basiszone 21 bei Anlegen
einer für den Detektorbetrieb typischen Spannung, durch
welche die erste Basiszone 11 vollständig ausgeräumt
wird, nicht vollständig ausgeräumt wird. Eine
für den Detektorbetrieb typische Spannung kann beispielsweise zwischen
5% und 95% der Durchbruchsspannung betragen. Die Detektorspannung
und die Abmessungen der zweiten Basiszone 21 in lateraler
Richtung können insbesondere so aufeinander abgestimmt sein,
dass eine laterale Ausdehnung eines bei Anlegen der Detektorspannung
nicht ausgeräumten Bereiches in der zweiten Basiszone 21 geringer
ist als eine in dieser zweiten Basiszone 21 vorherrschende Ladungsträgerdiffusionslänge.
Die Breite dieses nicht ausgeräumten Bereiches ist beispielsweise kleiner
als 50% der Diffusionslänge oder kleiner als 10% der Diffusionslänge.
Hierdurch wird eine Rekombination von durch Strahlung erzeugte freie
Ladungsträger in der zweiten Basiszone 21 minimiert, wodurch
die Nachweisempfindlichkeit des Strahlungsdetektors maximiert wird.
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Die
zweite Basiszone 21 kann insbesondere so hoch dotiert sein,
dass eine laterale Dosis an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps
zwischen dem 0,1-fachen und dem 1000-fachen, insbesondere zwischen
dem 2-fachen und dem 10-fachen der Durchbruchsladung des für
den Strahlungsdetektor verwendeten Halbleitermaterials beträgt.
Diese Durchbruchsladung ist ein für das jeweilige Halbleitermaterial
spezifischer Wert, der für Silizium beispielsweise ca.
2·1012 cm–2 beträgt.
Unter der ”lateralen Dosis” ist in diesem Zusammenhang
das Integral Dotierstoffkonzentration zu verstehen, das in einer
lateralen Richtung senkrecht zu dem pn-Übergang zwischen
der ersten und zweiten Basiszone 21 ausgehend von der Mitte
eines Basiszonenabschnitts der zweiten Basiszone 21 bis
zu dem pn-Übergang ermittelt wird.
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Bezugnehmend
auf 1 kann das Halbleitersubstrat 110 zwei
unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten, nämlich eine
höher dotierte erste Halbleiterschicht 111, die
die zweite Seite 102 bildet, und eine niedriger dotierte
zweite Halbleiterschicht 112, die die erste Seite 103 bildet,
aufweisen. In diesem Fall bildet die höher dotierte erste
Halbleiterschicht 111 die erste Anschlusszone 12,
während die niedriger dotierte Halbleiterschicht 112 einen
Teil der ersten Basiszone 11 des Strahlungsdetektors bildet.
Die Dotierungskonzentration dieser zweiten Halbleiterschicht 111 kann
dabei der Grunddotierung der Epitaxieschichten entsprechen. Diese
zweite Halbleiterschicht 112 kann jedoch auch höher
oder niedriger dotiert sein als die Grunddotierung dieser Epitaxieschichten.
Anzumerken ist noch, dass die erste und zweite Halbleiterschicht 111, 112 vom
gleichen Leitungstyp sind.
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Ein
vertikaler Abstand d4 der zweiten Basiszone 21 zu der ersten
Anschlusszone 12 liegt beispielsweise im Bereich des gegenseitigen
lateralen Abstandes d2 der Basiszonenabschnitte. Der Abstand d4
kann jedoch auch ein Vielfaches des Abstands d2 betragen, wie z.
B. das 2- bis 5-fache. Dieser Abstand d4 kann über die
Dicke der zuerst abgeschiedenen Epitaxieschicht 121 eingestellt
werden, wenn das Halbleitersubstrat 110 homogen dotiert
ist. Besitzt das Halbleitersubstrat 110 eine höher
dotierte Halbleiterschicht 111, die die erste Anschlusszone 12 bildet,
und eine niedriger dotierte Halbleiterschicht 112, so kann
dieser Abstand d4 sowohl über die Dicke dieser niedriger
dotierten Schicht 112 als auch über die Dicke
der zuerst abgeschiedenen Epitaxieschicht 121 eingestellt
werden.
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Bei
Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens,
bei dem das Halbleitersubstrat 110 vor Herstellen der ersten
Anschlusselektrode 13 zurückgeschliffen wird,
besteht bei Verwendung eines Halbleitersubstrats 110 mit
zwei Halbleiterschichten die Möglichkeit, die höher
dotierte Halbleiterschicht 111 vollständig zu
entfernen und die erste Anschlusselektrode 13 unmittelbar
auf die niedriger dotierte Halbleiterschicht 112 aufzubringen,
wobei zur Reduktion eines Kontaktwiderstandes ggf. zuvor noch Dotierstoffatome
des ersten Leitungstyps in einen oberflächennahen Bereich
dieser niedriger dotierten Halbleiterschicht 112 implantiert
werden.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch einen Strahlungsdetektor gemäß einem
weiteren Beispiel. Dieser Strahlungsdetektor unterscheidet sich
von den zuvor erläuterten Strahlungsdetektoren dadurch, dass
die zweite Basiszone 21 so hergestellt wird, dass sie sich
an das Halbleitersubstrat 110 anschließt. Das
Halbleitersubstrat 110 weist bei diesem Strahlungsdetektor
eine Dotierungskonzentration des zweiten Leitungstyps auf und bildet
bei diesem Strahlungsdetektor die zweite Anschlusszone 22.
Die auf die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers
aufgebrachte Anschlusselektrode bildet bei diesem Bauelement die
zweite Anschlusselektrode 23. Die erste Basiszone 11 ist
bei diesem Bauelement durch eine auf die Vorderseite 101 aufgebrachte
erste Anschlusselektrode 12 kontaktiert. Zur Verringerung
eines Kontaktwiderstandes zwischen dieser ersten Anschlusselektrode 12 und
der zweiten Basiszone 11 ist eine höher dotierte
erste Anschlusszone 12 vorgesehen, die beispielsweise durch
Implantation von Dotierstoffatomen hergestellt wird. Die Herstellung
der zweiten Basiszone 21 erfolgt bei dem in 8 dargestellten
Strahlungsdetektor unter Anwendung des anhand der 2 und 3 erläuterten
Verfahrens. Dass sich die zweite Basiszone 21 an die durch
das Halbleitersubstrat 110 gebildete zweite Anschlusszone 22 an schließt,
wird bei diesem Verfahren dadurch erleichtert, dass während
des Temperaturprozesses Dotierstoffatome aus dem hochdotierten Halbleitersubstrat 110 in
die zuerst abgeschiedene Epitaxieschicht 121 eindiffundieren.
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Grundsätzlich
eignet sich das zuvor erläuterte Verfahren auch zur Herstellung
einer Solarzelle. Ein Strahlungsdetektor und eine Solarzelle besitzen den
gleichen Aufbau. Im Unterschied zu einem Strahlungsdetektor wird
an die Solarzelle allerdings keine Spannung angelegt, sondern ein
durch Strahlung induzierter Strom wird an den Anschlussklemmen abgegriffen.
Der bisher erläuterte Strahlungsdetektor kann somit auch
als Solarzelle eingesetzt werden.
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Abschließend
sei darauf hingewiesen, dass Bauelementmerkmale oder Verfahrensmerkmale,
die nur im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurden,
auch dann mit Bauelementmerkmalen oder Verfahrensmerkmalen aus anderen
Beispielen kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht
explizit erläutert wurde. So können insbesondere
Merkmale, die in einem der nachfolgenden Ansprüche wiedergegeben
sind, mit Merkmalen beliebiger anderer Ansprüche kombiniert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Kenney et
al.: ”Silicon Detectors with 3-D Electrode Arrays: Fabrication
and Initial Test Results”, IEEE Transactions an Nuclear
Sciences, Vol. 46, No. 4, August 1999, Seiten 1224–1236 [0003]