DE102009049793B3

DE102009049793B3 - Halbleiter-Photodetektor und Strahlungsdetektorsystem

Info

Publication number: DE102009049793B3
Application number: DE102009049793A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Pierschel; Frank Dr. Kudella
Original assignee: Silicon Sensor International AG
Current assignee: Kudella Frank Dr De; Pierschel Michael Dr De
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2029-10-17
Also published as: WO2011044896A3; US20120248562A1; US8796802B2; WO2011044896A2; EP2489080A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Photodetektor, mit: einem Halbleitersubstrat (1), einer oberen Dotierungszone (3), die einem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und sich in dem Halbleitersubstrat (1) an einer Oberseite (2) lateral erstreckt, einer unteren Dotierungszone (4), die einem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und der oberen Dotierungszone (3) zum Ausbilden von Avalanche-Bereichen (6) zugeordnet ist, derart, dass die untere Dotierungszone (4) sich in dem Halbleitersubstrat (1) der oberen Diodendotierungszone (3) gegenüberliegend lateral erstreckt und unterbrochen ausgeführt ist, indem zumindest ein Zwischenbereich (5) gebildet ist, einem Löschwiderstandsbereich (9), der in dem Halbleitersubstrat zwischen der unteren Dotierungszone (4) und einer rückseitig an dem Halbleitersubstrat (1) gebildeten Kontaktierungsschicht (8) gebildet ist, eine erste zusätzliche Dotierungszone (11), die dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, in dem Halbleitersubstrat (1) im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone (4) und der Kontaktierungsschicht (8) angeordnet ist, sich unterhalb des zumindest einen Zwischenbereiches (5) und bis in den Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone (4) hinein lateral erstreckt und im Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone (4) unterbrochen ist, und eine zweite zusätzliche Dotierungszone (12), die dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, in dem Halbleitersubstrat (1) im Bereich zwischen der ...

Description

Die Erfindung betrifft neue Technologien auf dem Gebiet der Halbleiter-Photodetektoren.
Hintergrund der Erfindung
Halbleiter-Photodetektoren, die den sogenannten Avalanche-Effekt zur Signalverstärkung nutzen, weisen in einem oberflächennahen Bereich des Halbleitersubstrats Bereiche hoher elektrischer Feldstärke auf, mit deren Hilfe Ladungsträger, die aufgrund von Strahlungsabsorption in dem Halbleitersubstrat erzeugt werden und den Bereich hoher elektrischer Feldstärke passieren, vervielfältigt werden. Die Bereiche hoher elektrischer Feldstärke werden zum Beispiel dadurch erzeugt, dass in dem Halbleitersubstrat des Photodetektors einander zugeordnete Dotierungszonen erzeugt werden, die unterschiedlichen Dotierungstypen entsprechend dotiert sind.
Zum Nachweis kleinster Strahlungsmengen bis hin zu einzelnen Photonen werden solche Halbleiter-Photodetektoren mit einer Vorspannung betrieben, die oberhalb der für einen dauerhaften Durchbruch der Bauelementstrukturen liegt. Beim Betrieb des Halbleiter-Photodetektors dringen nach einer bestimmten Zeit thermisch generierte Ladungsträger oder aufgrund von Strahlungsabsorption generierte Ladungsträger in den Bereich hoher Feldstärke ein und werden dort aufgrund des sogenannten Avalanche-Lawinendurchbruchs vervielfältigt, wodurch ein hoher Strom zwischen den elektrischen Anschlüssen oder Kontakten des Halbleiter-Photodetektors entsteht. Wird nun die Spannung an den elektrischen Kontakten des Halbleiter-Photodetektors nicht abgesenkt und unterbleibt es, dass in dem Halbleiter-Photodetektor innere Serienwiderstände eine Verringerung der hohen Feldstärke bewirken, so erfolgt der Durchbruch dauerhaft, da in der entstandenen Ladungsträgerlawine stets neue Ladungsträger erzeugt werden.
Wird jedoch zwischen die Betriebsspannung und die Kontakte des Halbleiter-Photodetektors ein Serienwiderstand eingebracht, so kann aufgrund des Stromimpulses und des hiermit verbunden Spannungsabfalls an den elektrischen Kontakten die Feldstärke in dem Bereich hoher Feldstärke derart verkleinert werden, dass eine dauerhafte Lawinenmultiplikation nicht mehr aufrechterhalten werden kann. In der Folge geht der Strom zurück, und die hohe Feldstärke in dem Bereich hoher Feldstärke stellt sich wieder ein. Ein derartiger Serienwiderstand wird auch als Löschwiderstand (Quench-Widerstand) bezeichnet.
All die beschriebenen Prozesse sind zeitabhängig. Für Halbleiter-Photodetektoren mit größerer Detektorfläche werden Schaltzeiten beziehungsweise Erholungszeiten zwischen dem Auslösen einer Ladungsträgerlawine und dem Erlöschen der Lawine, also die Zeit, bevor erneut ein Einzelereignis registriert werden kann, sehr groß. Deshalb wurde vorgeschlagen, die aktive Fläche des Halbleiter-Photodetektors in viele einzelne Pixelelemente aufzuteilen und jedem Pixelelement einen Löschwiderstand zuzuordnen (vgl. beispielsweise Sadygov Z.: „Three advanced designs of micro-pixel avalanche photodiodes: Their present status, maximum possibilities and limitations”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 70–73). Bei einer Bauvariante bekannter Avalanche-Photodioden liegt der Löschwiderstand teilweise im Bereich des Strahlungseintrittsfensters. Hierdurch entstehen Nachteile bezüglich der nutzbaren Detektorfläche, da Widerstandsschichten und Metallkontaktierungen diese einschränken.
In dem Dokument 10 2007 037 020 B3 wurde vorgeschlagen, den Löschwiderstand in dem Halbleitersubstrat des Photodetektors zwischen dem Bereich hoher Feldstärke und einer rückseitigen Kontaktierungsschicht auszubilden. Der Löschwiderstand ist auf diese Weise in der Tiefe des Halbleitersubstrats angeordnet. Diese Bauweise hat jedoch den Nachteil, dass sehr spezielle Anforderungen an das Design des Halbleitersubstrats gestellt werden und eine besondere Abhängigkeit von Materialparametern und Strukturgrößen der Pixelelemente entsteht.
Das Dokument DE 10 2007 037 020 B3 offenbart eine Avalanche-Photodiode zur Detektion von Strahlung.
In dem Dokument WO 2008/011617 A2 wird eine Einzelphotonen-Avalanche-Photodiode beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es neue Technologien für Halbleiter-Photodetektoren anzugeben, mit denen einerseits eine optimierte Ausnutzung der aktiven Detektorfläche und andererseits eine möglichst einfach herstellbare und konfigurierbare Photodetektorstruktur ermöglicht sind. Insbesondere soll die Abhängigkeit des Halbleiter-Photodetektors von speziellen Materialparametern und Struktureigenschaften verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Halbleiter-Photodetektor nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Strahlungsdetektorsystem nach dem unabhängigen Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus der DE 10 2007 037 020 B3 bekannt.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Halbleiter-Photodetektors mit:

– einem Halbleitersubstrat,
– einer oberen Dotierungszone, die einem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und sich in dem Halbleitersubstrat an einer Oberseite lateral erstreckt,
– einer unteren Dotierungszone, die einem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und der oberen Dotierungszone zum Ausbilden von Avalanche-Bereichen zugeordnet ist, derart, dass die untere Dotierungszone sich in dem Halbleitersubstrat der oberen Diodendotierungszone gegenüberliegend lateral erstreckt und unterbrochen ausgeführt ist, indem zumindest ein Zwischenbereich gebildet ist,
– einem Löschwiderstandsbereich, der in dem Halbleitersubstrat zwischen der unteren Dotierungszone und einer rückseitig an dem Halbleitersubstrat gebildeten Kontaktierungsschicht gebildet ist,
– einer ersten zusätzlichen Dotierungszone, die dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, in dem Halbleitersubstrat im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone und der Kontaktierungsschicht angeordnet ist, sich unterhalb des zumindest einen Zwischenbereiches und bis in den Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone hinein lateral erstreckt und im Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone unterbrochen ist, und
– einer zweiten zusätzlichen Dotierungszone, die dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, in dem Halbleitersubstrat im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone und der ersten zusätzlichen Dotierungszone angeordnet ist, sich unterhalb des zumindest einen Zwischenbereiches lateral erstreckt und eine Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone und der ersten zusätzlichen Dotierungszone bildet.

Weiterhin ist mit der Erfindung ein Strahlungsdetektorsystem geschaffen, welches die folgenden Merkmale aufweist: einen Halbleiter-Photodetektor der vorgenannten Art, bei dem mindestens ein der ersten zusätzlichen Dotierungszone zugeordneter Kontaktanschluss gebildet ist und eine Steuerschaltung, die an den mindestens einen Kontaktanschluss gekoppelt und konfiguriert ist, ein Steuersignal für ein an die erste zusätzliche Dotierungszone anzulegendes Ansteuerpotential bereitzustellen.
Erfindungsgemäß sind in dem Halbleiter-Photodetektor unterhalb der Avalanche-Bereiche eine erste und eine zweite zusätzliche Dotierungszone vorgesehen, die unterschiedlichen Dotierungstypen entsprechend dotiert sind. Die tiefer im Halbleitersubstrat, welches seinerseits dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, liegende erste zusätzliche Dotierungszone verarmt vorzugsweise niemals an Ladungsträgern. Sie kann insoweit als eine tiefliegende Gate-Elektrode (Subgate-Elektrode) benutzt werden, weshalb die erste zusätzliche Dotierungszone auch als eine Subgate-Dotierungszone bezeichnet werden kann.
Die zweite zusätzliche Dotierungszone dient zur Ausbildung einer Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone des Avalanche-Bereiches und der ersten zusätzlichen Dotierungszone. Aufgrund dieser Entkopplung ist es ermöglicht, den Löschwiderstand unabhängig und individuell einzustellen, indem an die erste zusätzliche Dotierungszone (Subgate-Dotierungszone) ein entsprechendes Ansteuerpotential angelegt wird.
Ganz generell bilden die Avalanche-Bereiche zusammen mit den zwischen ihnen befindlichen nicht-aktiven Bereichen eine zusammenhängende Detektorfläche des Halbleiter-Photodetektors. Die Avalanche-Bereiche bilden insoweit sogenannte Pixelelemente der Detektorfläche. Einem solchen Pixelelement können ein oder mehrere untere Dotierungszonen zugeordnet sein. Die unterhalb der Detektorfläche angeordneten ersten zusätzlichen Dotierungszonen bilden ein Netz von sogenannten Subgate-Elektroden.
Die konstruktive Ausgestaltung des Halbleiter-Photodetektors mit den zusätzlichen Dotierungszonen macht den Betrieb des Detektors unabhängiger von herstellungsbedingten Material- und Strukturgestaltungen wie Schichtdicke, Dotierungskonzentrationen, Layouttoleranzen oder anderen Parameterschwankungen. Auch schwankende Temperatureinflüsse können so ausgeglichen werden. An die obere Dotierungszone des Avalanche-Bereiches und die erste zusätzliche Dotierungszone können unterschiedliche Potentiale angelegt werden, obwohl beide Dotierungszonen dem gleichen Dotierungstyp entsprechend dotiert sind. Hierdurch ist es ermöglicht, den Avalanche-Arbeitspunkt und den für das Löschen der Ladungslawine erforderlichen Löschwiderstand getrennt einzustellen.
Die Erfindung ermöglicht es, auch kleinere Detektorstrukturen funktionsgerecht zu betreiben, so dass die Ausbeute funktionierender Detektorstrukturen auf einem Wafer gesteigert wird. Große und sehr großflächige funktionierende Strukturen werden hierdurch überhaupt erst ermöglicht. Mittels Nutzbarmachung von großflächigeren Bauelementen wird die Integration von Arrays mit einer unterbrochen ausgeführten oberen Dotierungszone ermöglicht.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die zweite zusätzliche Dotierungszone lateral wenigstens über die gesamte Breite des zumindest einen Zwischenbereiches erstreckt. In einer Blickrichtung von oben auf dem Halbleiter-Photodetektor erstreckt sich die zweite zusätzliche Dotierungszone bei dieser Ausführungsform über den gesamten Bereich des zumindest einen Zwischenbereiches, welcher in lateraler Richtung zwischen den Abschnitten der unteren Dotierungszone gebildet ist. Hierbei kann sich die zweite zusätzliche Dotierungszone wahlweise bis in den Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone hinein erstrecken. Eine derartige Ausbildung der zweiten zusätzlichen Dotierungszonen ist mittels maskierter Herstellung der Dotierungszone ausführbar.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite zusätzliche Dotierungszone als durchgehende Dotierungszone gebildet ist, die in dem zumindest einen Zwischenbereich verarmt ist. Die Herstellung der durchgehenden Dotierung für die zweite zusätzliche Dotierungszone ist bei dieser Ausgestaltung mittels maskenloser Herstellung möglich. Es kann also auf die Verwendung von Masken bei der Dotierung verzichtet werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht einen der ersten zusätzlichen Dotierungszone zugeordneten Kontaktanschluss vor, über den eine Steuerschaltung an die erste zusätzliche Dotierungszone angeschlossen werden kann. In einer Fortbildung sind mehrere solche Kontaktanschlüsse gebildet, die jeweils einer oder mehreren ersten zusätzlichen Dotierungszonen zugeordnet sind. Mittels des wahlweisen Anschlusses der Steuerschaltung an den oder die Kontaktanschlüsse, welche der oder den ersten zusätzlichen Dotierungszonen zugeordnet sind, kann an die erste zusätzliche Dotierungszone, die im Vergleich zur zweiten zusätzlichen Dotierungszone im Halbleitersubstrat tiefer liegend gebildet ist und den oben gemachten Ausführungen entsprechend auch als Subgate-Dotierungszone bezeichnet werden kann, ein Ansteuerpotential angelegt werden. Beim Vorsehen mehrerer Kontaktanschlüsse können diese mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Auf diese Weise ist es in einer Ausgestaltung sogar ermöglicht, dass an mehrere erste zusätzliche Dotierungszonen, die einem gemeinsamen Pixelelement zugeordnet sind, unterschiedliche Potentiale angelegt werden. In einer zweckmäßigen Ausführung sind am Rand der vom Feld der Pixelelemente gebildeten Detektorfläche, also noch innerhalb und/oder schon außerhalb der Detektorfläche, mehrere getrennte Kontaktanschlüsse für die ersten zusätzlichen Dotierungszonen hergestellt. Aber auch die ausschließliche oder die ergänzende Ausbildung und Nutzung von Kontaktanschlüssen in nicht-randbezogenen Bereichen des Detektorfeldes kann vorgesehen sein. Auf diese Weise können im Betrieb in beliebigen über die Detektorfläche verlaufenden Richtungen systematische Fehler korrigiert werden, indem einander zugeordnete Kontaktanschlüsse mit Fehler korrigierenden Potentialen beaufschlagt werden. Die Zuordnung zwischen Kontaktanschlüssen mittels entsprechender Potentialbeaufschlagung kann beispielsweise für benachbarte und/oder einander gegenüberliegende Kontaktanschlüsse ausgeführt werden. Auf diese Weise ist die Korrektur von systematischen Fehlern für beliebige Abschnitte und Bereiche der Detektorfläche ermöglicht. Hierbei kann vorgesehen sein, dass mehrere Seiten des Feldes der Pixelelemente, zum Beispiel gegenüberliegende Seiten, mit getrennten Kontaktanschlüssen gebildet sind, die den ersten zusätzlichen Dotierungszonen zugeordnet sind. Aufgrund der mittels der zweiten zusätzlichen Dotierungszone ausgebildeten Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone, welche dem Avalanche-Bereich zugeordnet ist, und der ersten zusätzlichen Dotierungszone kann eine unabhängige Ansteuerung der ersten zusätzlichen Dotierungszone(n) erfolgen. Insoweit umfasst die Erfindung auche in Verfahren zum Betreiben des Halbleiter-Photodetektors, bei dem an Kontaktanschlüsse, die den ersten zusätzlichen Dotierungszonen zugeordnet sind, systematische Fehler korrigierende Potentiale angelegt werden.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Kontaktanschluss mit einem Außenkontakt und sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen gebildet ist, die dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert sind. Die Ausbildung der sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen ist beispielsweise mit Hilfe einer Mesa-Struktur oder eine V-Groove-Ätzung und nachfolgender Dotierung an der Oberfläche ausführbar. Aber auch die Nutzung von Technologien in Verbindung mit Bereichen geeigneter Breite, die mit dotiertem Polysilizium verfüllt sind, kann vorgesehen sein. Es ist in diesem Zusammenhang ausreichend, nur einen Kontaktanschluss für die erste zusätzliche Dotierungszone bereitzustellen, da diese sich in dem Halbleitersubstrat flächig erstreckt, wobei sie Ausnehmungen gegenüberliegend den Avalanche-Bereichen aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kontaktanschluss außerhalb einer Detektorfläche gebildet ist. Bevorzugt ist der Kontaktanschluss am Rande der Detektorfläche gebildet, also benachbart zu der Fläche, welche von den die Pixelelemente definierenden Avalanche-Bereichen und den hierzwischen gebildeten Bereichen eingenommen wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen der unteren Dotierungszone zugeordneten weiteren Kontaktanschluss vor, über den eine Steuerschaltung an die untere Dotierungszone angeschlossen werden kann. In einer Fortbildung sind mehrere solche weiteren Kontaktanschlüsse gebildet, die jeweils einer oder mehreren unteren Dotierungszonen zugeordnet sind. Bevorzugt ist die an den weiteren Kontaktanschluss koppelbare Steuerschaltung ausgelegt, den Löschwiderstand für den Löschwiderstandsbereich zu messen. Wird die derart ausgeführte Steuerschaltung kombiniert mit der Schaltung zum Anlegen des Ansteuerpotentials über den Kontaktanschluss an die erste zusätzliche Dotierungszone, ist eine Regelungsmöglichkeit für das Ansteuerpotential derart geschaffen, dass dieses in Abhängigkeit vom gemessenen Löschwiderstand eingestellt und geregelt werden kann.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Kontaktanschluss mit einem weiteren Außenkontakt und einer Dotierungszone gebildet ist, die dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist. Es gelten die in Verbindung mit der zugehörigen Ausführung des Kontaktanschlusses gemachten Erläuterungen entsprechend.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der weitere Kontaktanschluss innerhalb der Detektorfläche in einem unterbrochenen Bereich der oberen Dotierungszone gebildet ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der weitere Kontaktanschluss im Wesentlichen mittig zu einem zugeordneten Löschwiderstandsbereich angeordnet ist.
In Verbindung mit der Strahlungsdetektorsystems kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass an dem Halbleiter-Photodetektor weiterhin ein der unteren Dotierungszone zugeordneter weiterer Kontaktanschluss gebildet ist und die Steuerschaltung an den weiteren Kontaktanschluss gekoppelt und weiterhin konfiguriert ist, einen Messwert für den Löschwiderstand des Halbleiter-Photodetektors zu erfassen und abgeleitet hieraus das Steuersignal für das an die erste zusätzliche Dotierungszone anzulegende Ansteuerpotential bereitzustellen. Es können mehrere Steuerschaltungen und/oder eine Steuerschaltung mit mehreren Widerstandsmess- und Regelstrukturen vorgesehen sein.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines bekannten Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt,
2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors mit zusätzlichen Dotierungszonen im Querschnitt,
3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors mit zusätzlichen Dotierungszonen im Querschnitt, wobei eine zweite zusätzliche Dotierungszone unterbrochen gebildet ist,
4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Halbleiter-Photodetektors nach 3, wobei ein Kontaktanschluss für eine der zusätzlichen Dotierungszonen gebildet ist,
5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors mit zusätzlichen Dotierungszonen im Querschnitt, wobei der Kontaktanschluss für die zusätzliche Dotierungszone in 4 in geänderter Ausführung gebildet ist,
6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors mit zusätzlichen Dotierungszonen im Querschnitt, wobei ein weiterer Kontaktanschluss für eine untere Dotierungszone des Avalanche-Bereiches gebildet ist,
7 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Photodetektorsystems im Querschnitt, bei dem zwischen eine untere Dotierungszone des Avalansche-Bereiches und eine zusätzliche Dotierungszone eine Steuerschaltung gekoppelt ist, und
8 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Detektorfläche eines Halbleiter-Photodetektors.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines bekannten Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt. In einem von einem Halbleitermaterial gebildeten Substrat 1 ist auf einer Oberseite 2 eine obere Dotierungszone 3 sich lateral erstreckend und durchgehend gebildet. Die obere Dotierungszone 3 ist einem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert, bei dem es sich um eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung handelt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden angenommen, dass es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine p-Dotierung handelt. Der oberen Dotierungszone 3 gegenüberliegend ist eine untere Dotierungszone 4 gebildet, die sich lateral erstreckend und in Zwischenbereichen 5 unterbrochen ausgebildet ist. Die untere Dotierungszone 4 ist einem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert, welcher von dem ersten Dotierungstyp verschieden ist. Im gewählten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass die untere Dotierungszone 4 mit einer n-Dotierung versehen ist.
Zwischen der oberen Dotierungszone 3 und der unteren Dotierungszone 4 bildet sich ein Bereich hoher Feldstärke 6, welcher in dem Halbleiter-Photodetektor bei der Strahlungsdetektion zum sogenannten Avalanche-Effekt führt und deshalb auch als Avalanche-Bereich bezeichnet werden kann. In dem Bereich hoher Feldstärke 6 erfolgt nach der Erzeugung von Ladungsträgern aufgrund von Strahlungsabsorption, insbesondere einzelner Photonen, eine lawinenartige Vervielfachung.
Auf einer Rückseite 7 des Substrats 1 ist eine Kontaktierungsschicht 8 mittels n-Dotierung hergestellt. Bei der Herstellung eines Halbleiter-Photodetektors kann die rückseitige Kontaktierungsschicht 8 direkt oder vermittelt über eine oder mehrere Schichten auf einem Trägersubstrat (nicht dargestellt) angeordnet werden. Zwischen der unteren Dotierungszone 4 und der Kontaktierungsschicht 8 erstreckt sich gemäß 1 bei dem bekannten Halbleiter-Photodetektor ein Löschwiderstandsbereich 9, bei dem es sich hinsichtlich von Ladungsträgern um einen unverarmten Bereich des Substrates 1, welches seinerseits dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, was im gewählten Ausführungsbeispiel einer n-Dotierung entspricht, handelt. Zwischen den Löschwiderstandsbereichen 9 sind Bereiche einer Verarmungszone 10 gebildet. Diese bilden Trennungsgebiete zwischen den Löschwiderstandsbereichen 9. Die Löschwiderstandsbereiche 9 sowie die Verarmungszonen 10 bilden sich im Betrieb des Halbleiter-Photodetektors beim Anlegen einer Arbeitsspannung aus, derart, dass im Arbeitspunkt die Löschwiderstandsbereiche 9 immer noch leitfähig sind, wohingegen die Verarmungszonen 10 gigaohmig sind. Zusammen mit den unteren Dotierungszonen 4 entsteht eine räumliche Struktur, die pilzartig oder zylindersymmetrisch ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 näher erläutert. Für gleiche Merkmale werden in den 2 bis 8 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt, welcher im Vergleich zu dem bekannten Detektor in 1 zusätzliche Dotierungszonen in dem Substrat 1 aufweist. Zunächst ist eine erste zusätzliche Dotierungszone 11 vorgesehen, die dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, was bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel einer p-Dotierung entspricht. Die erste zusätzliche Dotierungszone 11 ist in dem Substrat 1 im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone 4 und der Kontaktierungsschicht 8 sich lateral erstreckend angeordnet. Hierbei ist die erste zusätzliche Dotierungszone 11 in einem Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone 4 unterbrochen. In diesem Bereich erstreckt sich die Verarmungszone 10. Die Abschnitte der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 erfassen in lateraler Richtung zumindest den Bereich des Zwischenbereiches 5 und erstrecken sich bis unterhalb der unteren Dotierungszone 4.
Gemäß 2 ist weiterhin eine zweite zusätzliche Dotierungszone 12 vorgesehen, die dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, was im gewählten Ausführungsbeispiel einer n-Dotierung entspricht. Die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 ist in dem Substrat 1 in einem Bereich gebildet, welcher die untere Dotierungszone 4 und die erste zusätzliche Dotierungszone 11 sowie den Bereich hierzwischen umfasst. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 überlappend mit der unteren Dotierungszone 4 hergestellt. Alternativ (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 tiefer liegend in dem Substrat 1 anzuordnen, beispielsweise benachbart zu oder sogar überlappend mit der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11. Die Darstellung in 2 zeigt, dass die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 lateral nicht begrenzt ist, sich vielmehr durchgehend erstreckt.
Die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 verarmt hinsichtlich der Ladungsträger in dem zwischen den Avalanche-Bereichen 6 liegenden Zwischenbereich 5 vollständig, sodass eine Trennung der Avalanche-Bereiche 6 und insoweit eine Trennung von Pixelelementen der Detektorfläche des Halbleiter-Photodetektors gewährleistet ist. Gleichzeitig bildet die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 eine Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone 3 und der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11, sodass diese beiden Dotierungszonen an unterschiedliche elektrische Potentiale angeschlossen werden können. Hierdurch wird eine Steuerung des Avalanche-Durchbruches in dem Bereich hoher elektrischer Feldstärke 6 unabhängig von der Einstellung des Löschwiderstandes in dem Löschwiderstandsbereich 9 ermöglicht.
In 2 symbolisiert die gestrichelte Linie 13 das Zentrum des Avalanche-Bereiches 6, das heißt, eines zugehörigen Pixelelementes. Hinsichtlich ihrer zweidimensionalen Gestaltung können diese Bereiche beispielsweise kreisförmig oder hexagonal gestaltet sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt, welcher wie der Detektor in 2 über eine erste und eine zweite zusätzliche Dotierungszone 11, 12 verfügt, wobei im Unterschied zu der Ausführungsform in 2 die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 lateral begrenzt ist, derart, dass sie sich ausschließlich in dem Zwischenbereich 5 erstreckt und hierdurch der Bereich der unteren Dotierungszone 4 in lateraler Hinsicht nicht erfasst wird. Auch bei dieser Ausgestaltung verarmt die zweite zusätzliche Dotierungszone 12 im Zwischenbereich 5 und bildet die Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone 3 und der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt, bei dem die erste zusätzliche Dotierungszone 11 mit einem Kontaktanschluss 20 verbunden ist, welcher in der dargestellten Ausführungsform mit sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen 21, ..., 23 sowie einem Außenkontakt 24 gebildet ist. Auf diese Weise ist ein elektrischer Anschluss an die erste zusätzliche Dotierungszone 11 ermöglicht, beispielsweise um ein Ansteuerpotential anzulegen. Die sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen 21, ..., 23 sind dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert, was in dem gewählten Ausführungsbeispiel einer p-Dotierung entspricht. Der Anschlusskontakt 20 ist von der oberen Dotierungszone 3 elektrisch isoliert und befindet sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb der aktiven Detektorfläche, welcher von den den Avalanche-Bereichen 6 zugeordneten Pixelelementen und den hierzwischen befindlichen nicht-aktiven Zwischenbereichen 5 gebildet wird.
Um die erste zusätzliche Dotierungszone 11 anzuschließen, reicht grundsätzlich ein einziger Kontaktanschluss 20 aus, da sich die erste zusätzliche Dotierungszone 11 in der Fläche lateral zusammenhängend erstreckt, wobei unterhalb der Avalanche-Bereiche 6 Ausnehmungen gebildet sind. Da mittels der von der zweiten zusätzlichen Dotierungszone 12 zur Verfügung gestellten Potentialbarriere die obere Dotierungszone 3 und die erste zusätzliche Dotierungszone 11 getrennt beziehungsweise entkoppelt sind, kann über den Kontaktanschluss 20 an die erste zusätzliche Dotierungszone 11 ein anderes Potential angeschlossen werden als and die obere Dotierungszone 3. Es ist auf diese Weise eine unabhängige Steuerung voneinander ermöglicht.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt, wobei der Kontaktanschluss 20 für die erste zusätzliche Dotierungszone 11 in 4 in geänderter Ausführung gebildet ist. Im Vergleich zu der Ausführungsform in 4 sind zwei der sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen 21, 22 weggelassen. Trotzdem kann das Potential der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 über den Kontaktanschluss 20 gesteuert werden. Da in einem Halbleiterbereich 25 zwischen der Dotierungszone 23 und der zugeordneten ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 keine direkte Potentialbarriere ausgebildet ist, führt eine Potentialerhöhung am Außenkontakt 24 dazu, dass Ladungsträger aus der zugeordneten ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 über den Halbleiterbereich 25 bis in die Dotierungszone 23 fließen, wo das Potential der zugeordneten ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 ebenfalls recht schnell erhöht wird. Der umgekehrte Fall einer Potentialverminderung ist ein sehr langsamer Prozess, da sich in diesem Fall eine zweidimensionale Potentialbarriere zwischen der Dotierungszone 23 und der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 ausbildet, welche einen direkten Ladungsträgeraustausch stark behindert. Das Potential der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 verbleibt also zunächst auf einem eingestellten Wert und wird ausschließlich durch in das Gebiet um die erste zusätzliche Dotierungszone 11 einströmende licht- oder dunkelgenerierte Ladungsträger bis zur Raumladungsweite solange verändert, bis die zweidimensional ausgebildete Potentialbarriere abgebaut worden ist. Weiter in dieses Gebiet einströmende Ladungsträger fließen zur Dotierungszone 23 hin ab. Das Potential der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 verändert dann seinen Wert im Wesentlichen nicht weiter.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Halbleiter-Photodetektors im Querschnitt, bei dem ein weiterer Kontaktanschluss 30 im Bereich der Oberseite 2 des Substrats 1 gebildet ist, welcher mit der unteren Dotierungszone 4 eines einzelnen Pixels in Kontakt ist. Im Bereich des weiteren Kontaktanschlusses 30 ist die obere Dotierungszone 3 unterbrochen. Der weitere Kontaktanschluss 30 ist mit einer Kontaktanschluss-Dotierungszone 31 und einem Außenkontakt 32 hergestellt. Der laterale Abstand zwischen der oberen Dotierungszone 3 und der Kontaktanschluss-Dotierungszone 31 ist ausreichend, um eine Avalanche-Durchbruch zwischen den beiden Dotierungszonen zu verhindern.
Mit einer Vorspannung am Außenkontakt 32 gegen das Potential am Substrat 1 an der Kontaktierungsschicht 8 kann nun ein Strom durch die Kontaktanschluss-Dotierungszone 31, die untere Dotierungszone 4, den Löschwiderstandsbereich 9 sowie die Kontaktierungsschicht 8 eines einzelnen Pixels gemessen werden. Aufgrund der gewählten Dotierungsverhältnisse bestimmen hierbei die Höhe der Substratdotierung im Löschwiderstandsbereich 9 und die Ausbildung der Form dieses Bereiches wegen der Verschiebung der Grenzen von Verarmungszonen über die Vorspannung an der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 maßgeblich die Größe des zu messenden Löschwiderstandes. Die Löschwiderstandsbereiche 9 dominieren gegenüber anderen Strom durchflossenen Gebieten den Messwert für den Löschwiderstand.
Dieses kann nun gemäß 7 dazu genutzt werden, bei einem Strahlungsdetektorsystem zwischen den weiteren Kontaktanschluss 30 und die erste zusätzliche Dotierungszone 11 eine Steuerschaltung 40 zu koppeln, die insbesondere zu Arbeitspunktstabilisierung nutzbar ist. Von einem Referenzpotential 41 ausgehend wird hierbei mittels einer Stromquelle 42 ein Strom in den weiteren Kontaktanschluss 30 eingespeist. Je nach Arbeitspunktpotential an den ersten zusätzlichen Dotierungszonen 11 stellt sich nun eine Spannungsdifferenz wischen dem weiteren Kontaktanschluss 30 und dem Potential an der rückseitigen Kontaktierungsschicht 8 ein. Diese Spannungsdifferenz wird von der Steuerschaltung 40 ausgewertet und in ein zugeordnetes Steuersignal für das Potential an den ersten zusätzlichen Dotierungszonen 11 umgesetzt. Alternativ ist die Ausführung als Brückenschaltung ohne Stromquelle möglich. Zur Regelung ist die Steuerschaltung 40 stets so konfiguriert, dass der Löschwiderstand gemessen und hiervon abgeleitet ein Steuersignal für das Potential an der ersten zusätzlichen Dotierungszone 11 bereitgestellt werden kann.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Detektorfläche 70 für einen Halbleiter-Photodetektor mit einzelnen Pixelelementen 71 und hierzwischen gebildeten nicht-aktiven Bereichen 72. Im Bereich der Detektorfläche 70 ist der weitere Kontaktanschluss 30 hergestellt, welcher über eine Kontaktierung 73 zum Rand hin verbunden ist.

Claims

Halbleiter-Photodetektor, mit: – einem Halbleitersubstrat (1), – einer oberen Dotierungszone (3), die – einem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und – sich in dem Halbleitersubstrat (1) an einer Oberseite (2) lateral erstreckt, – einer unteren Dotierungszone (4), die – einem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist und – der oberen Dotierungszone (3) zum Ausbilden von Avalanche-Bereichen (6) zugeordnet ist, derart, dass die untere Dotierungszone (4) sich in dem Halbleitersubstrat (1) der oberen Diodendotierungszone (3) gegenüberliegend lateral erstreckt und unterbrochen ausgeführt ist, indem zumindest ein Zwischenbereich (5) gebildet ist, – einem Löschwiderstandsbereich (9), der in dem Halbleitersubstrat zwischen der unteren Dotierungszone (4) und einer rückseitig an dem Halbleitersubstrat (1) gebildeten Kontaktierungsschicht (8) gebildet ist, gekennzeichnet durch – eine erste zusätzliche Dotierungszone (11), die – dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, – in dem Halbleitersubstrat (1) im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone (4) und der Kontaktierungsschicht (8) angeordnet ist, – sich unterhalb des zumindest einen Zwischenbereiches (5) und bis in den Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone (4) hinein lateral erstreckt und – im Bereich unterhalb der unteren Dotierungszone (4) unterbrochen ist, und – eine zweite zusätzliche Dotierungszone (12), die – dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist, – in dem Halbleitersubstrat (1) im Bereich zwischen der unteren Dotierungszone (4) und der ersten zusätzlichen Dotierungszone (11) angeordnet ist, – sich unterhalb des zumindest einen Zwischenbereiches (5) lateral erstreckt und – eine Potentialbarriere zwischen der oberen Dotierungszone (3) und der ersten zusätzlichen Dotierungszone (11) bildet.
Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite zusätzliche Dotierungszone (12) lateral wenigstens über die gesamte Breite des zumindest einen Zwischenbereiches (5) erstreckt.
Photodetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zusätzliche Dotierungszone (12) als durchgehende Dotierungszone gebildet ist, die in dem zumindest einen Zwischenbereich (5) verarmt ist.
Photodetektor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der ersten zusätzlichen Dotierungszone (11) zugeordneten Kontaktanschluss (20), über den eine Steuerschaltung an die erste zusätzliche Dotierungszone (11) angeschlossen werden kann.
Photodetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktanschluss (20) mit einem Außenkontakt (24) und sich leitfähig überlappenden Dotierungszonen (21, 22, 23) die dem ersten Dotierungstyp entsprechend dotiert sind.
Photodetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktanschluss (20) außerhalb einer Detektorfläche gebildet ist.
Photodetektor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der unteren Dotierungszone (4) zugeordneten weiteren Kontaktanschluss (30), über den eine Steuerschaltung an die untere Dotierungszone (4) angeschlossen werden kann.
Photodetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kontaktanschluss (30) mit einem weiteren Außenkontakt (32) und einer Dotierungszone (31) gebildet ist, die dem zweiten Dotierungstyp entsprechend dotiert ist.
Photodetektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kontaktanschluss (30) innerhalb der Detektorfläche in einem unterbrochenen Bereich der oberen Dotierungszone (3) gebildet ist.
Photodetektor nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kontaktanschluss (30) im Wesentlichen mittig zu einem zugeordneten Löschwiderstandsbereich (9) angeordnet ist.
Strahlungsdetektorsystem, mit: – einem Halbleiter-Photodetektor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein der ersten zusätzlichen Dotierungszone (11) zugeordneter Kontaktanschluss (20) gebildet ist, und – eine Steuerschaltung (40), die an den mindestens einen Kontaktanschluss (20) gekoppelt und konfiguriert ist, ein Steuersignal für ein an die erste zusätzliche Dotierungszone (11) anzulegendes Ansteuerpotential bereitzustellen.
Strahlungsdetektorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – an dem Halbleiter-Photodetektor weiterhin mindestens ein der unteren Dotierungszone (4) zugeordneter weiterer Kontaktanschluss (30) gebildet ist und – die Steuerschaltung (40) an den mindestens einen weiteren Kontaktanschluss (30) gekoppelt und weiterhin konfiguriert ist, einen Messwert für den Löschwiderstand des Halbleiter-Photodetektors zu erfassen und abgeleitet hieraus das Steuersignal für das an die erste zusätzliche Dotierungszone (11) anzulegende Ansteuerpotential bereitzustellen.