DE102011013229B4

DE102011013229B4 - Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE102011013229B4
Application number: DE102011013229.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wiest Florian; Sergei Klemin
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: DE202010012735U1; DE102011013229A1

Abstract

Strahlungsdetektor (100) mit zumindest einer Detektorzelle (1), wobei ein Halbleiterkörper (2) der Detektorzelle (1) – einen ersten Elektrodenbereich (3) umfasst, – einen zweiten Elektrodenbereich (5) umfasst, der weiter von einer einer Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) abgewandten Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) entfernt ist als der erste Elektrodenbereich (3), und – eine aktive Zone (4) umfasst, die sich zwischen dem ersten Elektrodenbereich (3) und dem zweiten Elektrodenbereich (5) befindet und die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist, wobei – der zweite Elektrodenbereich (5) mindestens stellenweise von der Unterseite (70) beabstandet ist, – sich an der Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) oder an einer dem Halbleiterkörper (2) abgewandten Bodenseite (82) eines Trägers (8), auf dem der Halbleiterkörper (2) angebracht ist, mindestens stellenweise eine zu einer Strahlungsablenkung eingerichtete Strukturierung (22) befindet, und – die Strukturierung (22) eine mittlere Strukturlänge zwischen einschließlich 200 nm und 2,5 μm aufweist.

Description

Es wird ein Strahlungsdetektor angegeben.
Die Druckschrift US 2010/0053594 A1 ist auf eine Lawinenfotodiode gerichtet, bei der zur optischen Isolierung benachbarter Detektorzellen eine lichtabsorbierende Schicht angebracht ist.
In der Druckschrift US 2011/0291218 A1 findet sich eine Lawinenfotodiode, bei der an einer Unterseite stellenweise eine unregelmäßige Aufrauung erzeugt ist.
Die Druckschrift WO 2010/057835 A2 betrifft einen Strahlungsdetektor.
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlungsdetektor anzugeben, der ein vermindertes optisches Übersprechen zwischen benachbarten Detektorzellen aufweist.
Erfindungsgemäß ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Die zu detektierende Strahlung weist zum Beispiel Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3000 nm auf, insbesondere im Spektralbereich zwischen 300 nm und 800 nm. Bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, Wellenlängen im Bereich zwischen 380 nm und 450 nm zu detektieren. Weiterhin bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, einzelne Photonen der Strahlung zu detektieren. Der Strahlungsdetektor kann zum Betrieb als Photonenzähler geeignet sein.
Erfindungsgemäß weist der Strahlungsdetektor zumindest eine Detektorzelle auf, bevorzugt eine Vielzahl von Detektorzellen. Die Detektorzelle ist hierbei eine Einheit, die dazu eingerichtet ist, ein Detektorsignal zu generieren. Insbesondere ist eine Detektorzelle eine separat betreibbare Einheit.
Erfindungsgemäß weist die Detektorzelle einen Halbleiterkörper auf. Beispielsweise umfasst der Halbleiterkörper Silizium oder besteht aus Silizium. Alternativ oder zusätzlich kann der Halbleiterkörper auch andere Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleiter, zum Beispiel Germanium oder GaAs, beinhalten oder aus solchen bestehen.
Erfindungsgemäß weist der Halbleiterkörper eine Strahlungseintrittsfläche auf. Bevorzugt stellt die Strahlungseintrittsfläche einen Teil einer Oberseite des Halbleiterkörpers dar. Die Oberseite ist hierbei einer Unterseite des Halbleiterkörpers abgewandt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche planar oder eben gestaltet. Die Strahlungseintrittsfläche ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil einer vom Strahlungsdetektor zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper eintreten zu lassen.
Erfindungsgemäß umfasst der Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich. Insbesondere ist der erste Elektrodenbereich ein zusammenhängender Bereich. Bevorzugt ist der erste Elektrodenbereich ein flächig gestalteter Bereich des Halbleiterkörpers. Der erste Elektrodenbereich kann planar gestaltet sein und sich an der Strahlungseintrittsfläche und/oder an der Oberseite des Halbleiterkörpers befinden. Der erste Elektrodenbereich weist, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche, bevorzugt eine Dicke von weniger als 200 nm, insbesondere von weniger als 100 nm auf. Weiterhin beträgt die Dicke bevorzugt mindestens 20 nm oder mindestens 40 nm. Der erste Elektrodenbereich kann dotiert ausgeführt sein. Zum Beispiel ist der erste Elektrodenbereich durch Implantation von Ionen in den Halbleiterkörper erzeugt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der erste Elektrodenbereich teilweise oder vollständig epitaktisch gewachsen ist.
Erfindungsgemäß umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich. Auch der zweite Elektrodenbereich bildet bevorzugt einen zusammenhängenden elektrisch leitenden Bereich aus. Zum Beispiel ist der zweite Elektrodenbereich durch Implantation und Dotierung mit Ionen erzeugt. Es befindet sich der zweite Elektrodenbereich weiter von einer Oberseite des Halbleiterkörpers entfernt als der erste Elektrodenbereich. Mit anderen Worten ist ein Abstand des ersten Elektrodenbereichs zur Oberseite des Halbleiterkörpers kleiner als ein Abstand des zweiten Elektrodenbereichs zur Oberseite.
Erfindungsgemäß weist der Halbleiterkörper der Detektorzelle eine aktive Zone auf. Die aktive Zone befindet sich hierbei zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich. Weiterhin ist die aktive Zone zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet. Beispielsweise ist die aktive Zone eine so genannte Avalanchezone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist, in Draufsicht auf die Oberseite gesehen insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich von der Oberseite des Halbleiterkörpers weiter entfernt als innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder erstreckt sich von der Oberseite weg. Der Rand stellt hierbei insbesondere eine laterale Begrenzung der aktiven Zone dar. Beispielsweise ist der Rand eine fiktive Fläche, die die aktive Zone lateral umlaufend umgibt.
Zum Beispiel grenzen erster Elektrodenbereich oder zweiter Elektrodenbereich unmittelbar an die aktive Zone. In diesem Angrenzbereich weisen die Elektrodenbereiche bevorzugt einen konstanten Abstand zueinander auf. In einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone erstreckt sich dann der zweite Elektrodenbereich, zumindest stellenweise, von der Oberseite weg und/oder weist in einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone einen größeren Abstand zu dieser Oberseite auf als in einem in Draufsicht auf die Oberseite von der aktiven Zone überdeckten Bereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors befindet sich an der Unterseite des Halbleiterkörpers oder an einer Bodenseite eines Trägers, der den Halbleiterkörper mechanisch stützt, eine Absorberschicht. Die Bodenseite ist hierbei eine solche Hauptseite des Trägers, die dem Halbleiterkörper abgewandt ist. Die Absorberschicht ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, beispielsweise durch eine Ladungsträgerlawine im Halbleiterkörper erzeugte Sekundärphotonen zu absorbieren. Bevorzugt beträgt eine Absorption der Absorberschicht für Strahlung insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und 1500 nm mehr als 50%, bevorzugt mehr als 60% oder mindestens 80%. Das heißt, aus dem Halbleiterkörper auf die Absorberschicht auftreffende Strahlung gelangt überwiegend nicht mehr zurück in den Halbleiterkörper sondern wird an der beziehungsweise von der Absorberschicht absorbiert.
Erfindungsgemäß befindet sich an der Unterseite oder an der Bodenseite eine Strukturierung, die zu einer Strahlungsablenkung eingerichtet ist. Die Strukturierung ist also optisch wirksam. Zum Beispiel handelt es sich bei der Strukturierung um eine Aufrauung oder um ein optisches Gitter. Auf die Strukturierung aus dem Halbleiterkörper auftreffende Strahlung wird bevorzugt derart umgelenkt, dass ein überwiegender Teil dieser Strahlung nicht mehr zurück in die aktive Zone gelangt. Zum Beispiel wird die auf die Strukturierung auftreffende Strahlung transmittiert oder in eine Richtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Unterseite oder zur Bodenseite umgelenkt. Es ist möglich, dass die Strukturierung aus oder mit einem im relevanten Spektralbereich absorbierenden Material geformt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist dieser dazu eingerichtet, in einem Geiger-Modus betrieben zu werden. Es wird an die bevorzugt mehreren Detektorzellen also eine Spannung zwischen den Elektrodenbereichen angelegt, die eine Durchbruchspannung übersteigt, zum Beispiel um mindestens ein 1,04-Faches und/oder um höchstens ein 1,20-Faches.
Erfindungsgemäß umfasst der Strahlungsdetektor zumindest eine Detektorzelle, wobei ein Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich aufweist. Weiterhin umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich, der sich weiter von einer Oberseite des Halbleiterkörpers entfernt ist als der erste Elektrodenbereich. Zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich befindet sich eine aktive Zone, die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. In Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen erstreckt sich, insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich bevorzugt weg von der Oberseite. Der zweite Elektrodenbereich ist mindestens stellenweise von der Unterseite beabstandet, insbesondere in dem von der aktiven Zone überdeckten Bereich, in Draufsicht gesehen. An der Unterseite des Halbleiterkörpers oder an einer dem Halbleiterkörper abgewandten Bodenseite eines Trägers, auf dem der Halbleiterkörper angebracht ist, befindet sich mindestens stellenweise eine zu einer Strahlungsablenkung eingerichtete Strukturierung. Die Strukturierung weist eine mittlere Strukturlänge zwischen einschließlich 200 nm und 2,5 μm auf.
Die mindestens eine Detektorzelle ist zur Detektion insbesondere einzelner Primärphotonen eingerichtet. Ein auf die Detektorzelle auftreffendes, zu detektierendes Primärphoton löst speziell in der aktiven Zone eine Ladungsträgerlawine aus. Bei einem Verstärkungsfaktor von zum Beispiel zirka 10⁶ umfasst die Ladungsträgerlawine in etwa 10⁶ Lawinenelektronen. Im Mittel entsteht pro zirka 10⁵ Lawinenelektronen ein sekundäres Photon im Geiger-Entladungsprozess. Es werden also um die 10 Sekundärphotonen pro Primärphoton gebildet. Die Sekundärphotonen können in benachbarte Detektorzellen eindringen und in diesen ein zusätzliches, nicht gewolltes Signal generieren.
Dieser Vorgang wird auch als optisches Übersprechen bezeichnet. Die Sekundärphotonen weisen überwiegend Wellenlängen vom ultravioletten Spektralbereich bis hin zum nahen Infrarot auf. Zur Unterdrückung des Übersprechens kann insbesondere eine optische Barriere zwischen den einzelnen Detektorzellen herangezogen werden. Bei herkömmlichen Strahlungsdetektoren befinden sich optische Barrieren an oder in Gräben zwischen benachbarten Detektorzellen, also in lateraler Richtung zwischen den Detektorzellen.
Überraschend hat sich allerdings herausgestellt, dass ein wesentlicher Beitrag des optischen Übersprechens durch Sekundärphotonen, insbesondere im roten und/oder infraroten Spektralbereich, verursacht wird, die nicht lateral, sondern zur Unterseite des Halbleiterkörpers hin emittiert werden. Solche langwelligen Sekundärphotonen bewegen sich im Halbleiterkörper mit vergleichsweise geringen Absorptionsverlusten zur Unterseite, werden dort reflektiert und erreichen wieder die aktiven Zonen. Da in den aktiven Zonen die Absorptionslänge deutlich geringer ist und daher die Sekundärphotonen in den aktiven Zonen vergleichsweise stark absorbiert werden, können solche Sekundärphotonen einen erheblichen Beitrag zum optischen Übersprechen liefern.
Das optische Übersprechen, besonders von großflächigen Strahlungsdetektoren mit Flächen von mehr als 1 mm², kann erheblich reduziert werden, wenn die Sekundärphotonen aus den einzelnen Geiger-Entladungsprozessen nicht an der Unterseite in die aktiven Zonen zurück reflektiert werden. Dies kann mit Hilfe der Absorberschicht an der Unterseite oder an der Bodenseite unterhalb der aktiven Zonen erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Strukturierung der Unterseite und/oder der Bodenseite ein Reflektionswinkel der Sekundärphotonen so abgeändert werden, dass die Sekundärphotonen nicht in die aktiven Zonen zurück reflektiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist die Absorberschicht an der Unterseite und/oder an der Bodenseite durch eine Schichtabscheidung erzeugt. Die Absorberschicht ist dann eine separate, von dem Halbleiterkörper verschiedene Schicht. Zum Beispiel weist die Absorberschicht ein amorphes, polykristallines oder kristallines Halbleitermaterial wie Germanium oder Silizium auf oder besteht hieraus. Das Halbleitermaterial der Absorberschicht kann dotiert sein. Ebenso kann die Absorberschicht mit oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein. Weiterhin kann die Absorberschicht eine Polymerschicht aufweisen oder aus einer Polymerschicht bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist die Absorberschicht durch einen Bereich des Halbleiterkörpers und/oder des Trägers gebildet, in dem intrinsische optische Eigenschaften eines Basismaterials des Halbleiterkörpers, der insbesondere auf Silizium basiert, oder des Trägers verändert sind. Zum Beispiel ist eine Dotierstoffkonzentration oder eine Störstellenkonzentration beziehungsweise Defektdichte etwa durch Implantation oder Diffusion in der Absorberschicht, im Vergleich zu dem Basismaterial, verändert. Eine mittlere Zusammensetzung der Absorberschicht weicht also von dem Basismaterial ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist ein Reflexionsverhalten an der Unterseite und/oder an der Bodenseite verändert, insbesondere durch die Strukturierung. Die Strukturierung ist erzeugt zum Beispiel mittels Ätzen wie Plasmaätzen oder mittels Sägen, beispielsweise mit einer Wafersäge. Ebenso kann die Strukturierung in Form einer separaten, strukturierten Schicht aufgebracht sein. Die Strukturierung ist insbesondere stellenweise oder vollständig als unregelmäßige Aufrauung oder regelmäßig, etwa in Form eines Beugungsgitters oder eines mikromechanischen Gitters, realisiert. Eine mittlere Strukturlänge der Strukturierung, zum Beispiel eine Gitterkonstante oder ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen einer Aufrauung, liegt bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und 2,5 μm, insbesondere zwischen einschließlich 300 nm und 1,5 μm. Ein Material, in das die Strukturierung geformt ist, ist zum Beispiel ein Metall, eine Metalllegierung, ein Halbleitermaterial oder ein Kunststoff.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors beträgt eine mittlere Dicke der Absorberschicht zwischen einschließlich 50 nm und 25 μm, insbesondere zwischen einschließlich 0,5 μm und 5 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors erstrecken sich die Absorberschicht und/oder die Strukturierung mindestens über solche Teile der Unterseite oder der Bodenseite, die, in Draufsicht auf die Oberseite gesehen, von der aktiven Zone überdeckt sind. Ebenso ist es möglich, dass sich die Absorberschicht und/oder die Strukturierung über die gesamte Detektorzelle oder über den gesamten Strahlungsdetektor insbesondere ununterbrochen und zusammenhängend erstreckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist die aktive Zone, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur Ebene, eine Dicke zwischen einschließlich 0,4 μm und 3 μm auf, bevorzugt zwischen einschließlich 0,7 μm und 1,8 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist an der Unterseite des Halbleiterkörpers der Träger angebracht. Über den Träger kann der Halbleiterkörper mechanisch gestützt sein. Durch den Einsatz eines Trägers ist eine geringe Dicke des Halbleiterkörpers, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ebene und/oder zur Oberseite des Halbleiterkörpers, realisierbar. Durch die geringe Dicke des Halbleiterkörpers ist beispielsweise ein Störstrom von einer dem ersten Elektrodenbereich abgewandten Rückseite des Halbleiterkörpers her reduzierbar, wodurch sich die Detektionsgenauigkeit erhöhen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der Träger mechanisch mit dem Halbleiterkörper über eine Verbindungsschicht verbunden, die dielektrisch sein kann. Die Verbindungsschicht kann eine Bondschicht, zum Beispiel eine Siliziumdioxidbondschicht, sein. Es ist möglich, dass die Verbindungsschicht ein Teil der Absorberschicht und/oder der Strukturierung ist oder dass die Verbindungsschicht die Absorberschicht und/oder die Strukturierung umfasst. Beispielsweise können der Bondschicht absorbierende Bestandteile wie Partikel beigegeben sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst dieser eine Mehrzahl von insbesondere gleichartigen Detektorzellen. Beispielsweise beinhaltet der Strahlungsdetektor mindestens 16 Detektorzellen, bevorzugt mindestens 64 Detektorzellen oder mindestens 256 Detektorzellen. Bevorzugt sind die Detektorzellen einander benachbart. Benachbart kann bedeuten, dass in einer lateralen Richtung die Detektorzellen aneinander grenzen. Laterale Abmessungen des Strahlungsdetektors betragen dann zum Beispiel mindestens 1 × 1 mm² oder mindestens 3 × 3 mm².
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind alle Detektorzellen gleichartig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst die Detektorzelle oder umfasst mindestens eine der Detektorzellen oder umfassen alle Detektorzellen wenigstens einen Löschwiderstand. Der Löschwiderstand ist hierbei bevorzugt mit dem jeweiligen ersten Elektrodenbereich oder dem jeweiligen zweiten Elektrodenbereich der betreffenden Detektorzelle elektrisch leitend verbunden. Elektrisch leitend verbunden kann hierbei bedeuten, dass zwischen dem Löschwiderstand und dem ersten Elektrodenbereich kein signifikanter elektrischer Widerstand vorliegt, insbesondere wenn kein Lawinendurchbruch erfolgt. Beispielsweise beträgt der Widerstand einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem Löschwiderstand höchstens 1 eines Wertes des Löschwiderstandes. Bevorzugt ist der Widerstand der Verbindungsleitung ein ohmscher Widerstand.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors, bei dem dieser mehrere Detektorzellen aufweist, ist der mindestens eine zweite Elektrodenbereich durch eine, insbesondere durch Ionenimplantation erzeugte, Dotierzone im Halbleiterkörper gestaltet, die Erhebungen aufweist, die beispielsweise kappenartig gestaltet sind.
Jeder der aktiven Zonen ist hierbei bevorzugt eine der Erhebungen der Dotierzone zugeordnet.
Beispielsweise ist die Dotierzone bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der Umgebung abgegrenzt, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Dotierzone eine elektrische Leitfähigkeit der Umgebung insbesondere um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um mindestens einen Faktor 50, speziell um mindestens einen Faktor 100, übersteigt. Eine Dotierstoffkonzentration der Dotierzone ist bevorzugt um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um einschließlich einen Faktor 5 bis einen Faktor 1000, gegenüber der Umgebung erhöht. Zum Beispiel beträgt die Dotierstoffkonzentration der Dotierzone zumindest stellenweise wenigstens 10¹⁷ pro cm³.
Kappenartige Erhebungen kann bedeuten, dass die Dotierzone ähnlich einem Eierkarton gestaltet ist. Beispielsweise ist ein Teilbereich der Dotierzone eben ausgestaltet und parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene ausgerichtet. Ausgehend von diesem Teilbereich der Dotierzone erstrecken sich die Erhebungen der Dotierzone dann hin zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene und/oder hin zur Oberseite. Die Erhebungen sind beispielsweise pyramidenstumpfartig oder kegelstumpfartig geformt. Ein zu dem Teilbereich der Dotierzone paralleler Teil der Erhebungen, der sich näher als der Teilbereich an der Oberseite und/oder an der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene befindet, grenzt bevorzugt an die aktive Zone.
Zum Beispiel weist die Dotierzone, durch die der mindestens eine zweite Elektrodenbereich gebildet ist, eine gleichmäßige Dicke auf. Bevorzugt ist dann die Dicke über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg gleichmäßig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der zweite Elektrodenbereich außerhalb der aktiven Zone zumindest stellenweise parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zu der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene orientiert. Die den zweiten Elektrodenbereich bildende Dotierzone ist zwischen zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen bevorzugt eine durchgehende Zone. Insbesondere ist die Dotierzone eine über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg durchgehende Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors beträgt ein Anteil einer Fläche des ersten Elektrodenbereichs an einer Gesamtfläche des Strahlungsdetektors, in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen, mindestens 25%, bevorzugt mindestens 30%, insbesondere mindestens 45%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der erste Elektrodenbereich in Draufsicht auf die Oberseite am Rand der aktiven Zone einen Bereich auf, der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckt als ein Bereich innerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Gebiets. Mit anderen Worten erstreckt sich der erste Elektrodenbereich an dem Rand von der Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder von der Ebene weg. Der erste Elektrodenbereich kann am Rand der aktiven Zone eine wannenartige Gestaltung aufweisen. Bevorzugt umläuft der sich tiefer in den Halbleiterkörper ersteckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs die aktive Zone vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs einen größeren Abstand zum zweiten Elektrodenbereich auf als der Bereich des ersten Elektrodenbereichs, der sich innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Gebiets befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors durchdringt der erste Elektrodenbereich den Halbleiterkörper, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und/oder zur Ebene, nicht. Der erste Elektrodenbereich reicht also nicht bis zur Unterseite des Halbleiterkörpers oder bis zum zweiten Elektrodenbereich.
In mindestens einer Ausführungsform wird der Strahlungsdetektor mit einer elektrischen Spannung betrieben, die gleich oder größer einer Durchbruchspannung der Detektorzelle ist. Die Spannung liegt hierbei zwischen dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Elektrodenbereich an.
Durchbruchspannung kann hierbei bedeuten, dass an dem ersten Elektrodenbereich und an dem zweiten Elektrodenbereich eine Spannung in Sperrrichtung anliegt. Die Durchbruchspannung entspricht der Spannung, bei der ohne eine äußere Störung, etwa durch Absorption eines Photons, gerade noch kein signifikanter Stromfluss vom ersten Elektrodenbereich zum zweiten Elektrodenbereich, oder umgekehrt, erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Verwendung beträgt die elektrische Spannung mindestens ein 1,05-faches und bevorzugt höchstens ein 1,15-faches der Durchbruchspannung. Beispielsweise liegt die Durchbruchspannung zwischen einschließlich 20 V und 100 V, insbesondere zwischen einschließlich 30 V und 40 V.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors ist in der Druckschrift WO 2010/057835 A2 angegeben.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Strahlungsdetektor unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch nicht unbedingt maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Strahlungsdetektors,
2 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Detektorzelle,
3 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Strahlungsdetektors mit einer Mehrzahl von Detektorzellen,
4 bis 6 schematische Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Strahlungsdetektoren, und
7 eine graphische Darstellung einer Reduzierung eines optischen Übersprechens durch Absorberschichten.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Detektorzelle 1 eines Strahlungsdetektors 100 in einer Schnittdarstellung gezeigt. In einem Halbleiterkörper 2, der bevorzugt auf Silizium basiert, ist ein zweiter Elektrodenbereich 5 über Ionenimplantation erzeugt. An einer Strahlungseintrittsfläche 32 des Halbleiterkörpers 2, die einen Teil einer Oberseite 30 des Halbleiterkörpers darstellt, befindet sich ein erster Elektrodenbereich 3. Zwischen einem Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 ist eine aktive Zone 4 gebildet. Die aktive Zone 4 ist in einer lateralen Richtung von einem Rand 46 begrenzt. Beispielsweise stellt der Rand 46 eine fiktive laterale Begrenzungsfläche der aktiven Zone 4 dar.
Durch die aktive Zone 4 ist, in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche 32, ein Zentralbereich 40 definiert. Mit anderen Worten überdeckt die aktive Zone 4 in Draufsicht auf die Oberseite 30 den Zentralbereich 40. In einer lateralen Richtung schließt sich an den Zentralbereich 40 ein Randbereich 6 an, der den Zentralbereich 40 vollständig in einer lateralen Richtung umgibt. In dem Zentralbereich 40 befindet sich der zweite Elektrodenbereich 5 näher an der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 als in den Randbereichen 6. In einem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 erstreckt sich der zweite Elektrodenbereich 5 von der Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 weg. In diesem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 sind, von der Oberseite 30 her gesehen, tiefer in den Halbleiterkörper 2 reichende Gebiete 3b des ersten Elektrodenbereichs 3 geformt. In dem Übergangsbereich verläuft der zweite Elektrodenbereich 5 weiterhin schräg zu der Oberseite 30 und zu einer Unterseite 70. Durch den Teil 3b des ersten Elektrodenbereichs 3 und die sich von der Oberseite 30 wegerstreckenden Teile des zweiten Elektrodenbereichs 5 werden insbesondere elektrische Feldüberhöhungen in diesem Übergangsbereich vermieden.
Eine Dicke der aktiven Zone 4, in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche 32 beträgt beispielsweise zirka 1,2 μm. Ein Abstand des zweiten Elektrodenbereichs 5 zur Oberseite 5 in den Randbereichen 6 beträgt zum Beispiel zirka 1,8 μm. Eine Dicke des zweiten Elektrodenbereichs 5, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 30, liegt insbesondere zwischen einschließlich zirka 300 nm und 500 nm. In den Randbereichen 6 befindet sich der zweite Elektrodenbereich 5 um mindestens 300 nm oder um mindestens 500 nm näher an der Unterseite 70 als in dem Zentralbereich 40. Der zweite Elektrodenbereich 5 ist über die gesamte Detektorzelle 1 hinweg von der Unterseite 70 beabstandet, berührt also die Unterseite 70 nicht. Sowohl die Oberseite 30 als auch die Unterseite 70 sind eben geformt und verlaufen parallel zueinander. Bevorzugt ist die Unterseite 70 glatt ausgebildet, insbesondere mit einer mittleren Rauheit von höchstens 300 nm, von höchstens 200 nm oder von höchstens 100 nm. Die genannten Werte bezeichnen zum Beispiel eine rms-Rauheit, wobei rms für root mean square steht. Zum Beispiel weist der Teil 3a des ersten Elektrodenbereichs 3 eine Fläche von 60 μm mal 60 μm oder 120 μm mal 120 μm auf.
Der zweite Elektrodenbereich 5 ist n-dotiert und weist eine hohe Dotierstoffkonzentration zum Beispiel in der Größenordnung von 10¹⁸ pro cm³ auf. Zwischen dem zweiten Elektrodenbereich 5 und der Oberseite 30 liegt ein n-dotierter Bereich 17 vor. In dem n-dotierten Bereich 17 ist eine Dotierstoffkonzentration zum Beispiel mit 10¹⁵ bis 10¹⁶ pro cm³, deutlich geringer als in dem zweiten Elektrodenbereich 5. Der erste Elektrodenbereich 3 ist p-dotiert und weist eine Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von 10¹⁹ pro cm³ bis 10²⁰ pro cm³ auf. Die p-Dotierungen und n-Dotierungen können auch jeweils umgekehrt vorliegen.
Im Betrieb des Strahlungsdetektors 100 liegt in Sperrrichtung eine Spannung beispielsweise von zirka 38 V zwischen dem ersten Elektrodenbereich 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 an. Die angelegte Spannung liegt bevorzugt 5% bis 15% über der Durchbruchspannung. Im Falle eines n-dotierten zweiten Elektrodenbereichs 5 und eines p-dotierten ersten Elektrodenbereichs 3 liegt an dem ersten Elektrodenbereich 3 bevorzugt eine negative Spannung an und der zweite Elektrodenbereich 5 ist bevorzugt geerdet.
An der Unterseite 70 befindet sich über die gesamte Detektorzelle 1 hinweg eine Absorberschicht 20, die dazu eingerichtet ist, Sekundärphotonen zu absorbieren und hierdurch ein optisches Übersprechen zwischen benachbarten Detektorzellen zu reduzieren. Zum Beispiel ist die Absorberschicht 20 durch ein unmittelbar auf den Halbleiterkörper 2 aufgebrachtes, Strahlung absorbierendes Material wie Germanium gebildet. Eine Dicke der Absorberschicht 20 beträgt etwa 1,4 μm. Alternative Materialien für die Absorberschicht 20 können Metalle oder Polymere sein. Ebenso ist es möglich, dass die Absorberschicht durch Ionenimplantation oder durch Diffusion gebildet wird, wodurch eine insbesondere höhere Dotierstoffkonzentration oder eine höhere Defektkonzentration in dem die Absorberschicht 20 bildenden Bereich des Halbleiterkörpers 2 erreichbar ist, wodurch eine Strahlungsabsorption steigerbar ist.
Zusätzlich zu der Absorberschicht 20 ist an der Unterseite 70 eine Strukturierung 22 erzeugt, durch Aufbringen von Material oder durch Materialwegnahme aus dem Halbleiterkörper 2, etwa durch Erzeugen einer Mikrostrukturierung durch Sägen. Beispielsweise werden in der aktiven Zone 4 erzeugte Sekundärphotonen an der Strukturierung überwiegend in eine Richtung parallel zu der Unterseite 70 umgelenkt oder durch die Unterseite 70 transmittiert. Die Strukturierung ist insbesondere als Beugungsgitter oder als unregelmäßige Aufrauung ausgeformt, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Ebenso kann die Strukturierung als Laminargitter, zum Beispiel durch ein Sägen erzeugt, oder als Echelettegitter ausgeformt sein.
An der der Oberseite 30 abgewandten Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 befindet sich optional ein Bodenbereich 7 des Halbleiterkörpers 2. In diesem Bodenbereich 7 ist der Halbleiterkörper 2 nur schwach dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von beispielsweise 10¹² pro cm³. Das heißt, der Halbleiterkörper 2 ist im Bodenbereich 7 hochohmig. Ein spezifischer Widerstand des Halbleiterkörpers 2 in dem Bodenbereich 7 beträgt beispielsweise mindestens 0,5 kΩcm oder mindestens 3 kΩcm. Hierdurch ist eine Ladungsträgerlebensdauer in dem hochohmigen Bodenbereich 7, im Vergleich zu einem niederohmigeren Halbleitermaterial mit einer herkömmlichen Dotierstoffkonzentration, besonders groß. Daher eignet sich der Bodenbereich 7 insbesondere als Sperrschicht und als Rückseitenisolation der Detektorzelle 1.
Der Löschwiderstand 9 an der Oberseite 30 ist mit Polysilizium gestaltet und beträgt zum Beispiel mehrere 100 kΩ. Der Löschwiderstand 9 ist bevorzugt in eine Deckschicht 16, beispielsweise aus Siliziumdioxid, eingebettet. Die Deckschicht 16 kann, mit Ausnahme der Strahlungseintrittsfläche 32, die gesamte Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 bedecken. Eine Dicke der Deckschicht 16, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 30, liegt insbesondere im Bereich zwischen einschließlich 100 nm und 300 nm.
Optional kann an der Strahlungseintrittsfläche 32 eine Antireflexionsschicht 15, zum Beispiel aus Siliziumnitrid, aufgebracht sein. Eine Dicke der Antireflexionsschicht 15 beträgt zum Beispiel zirka 40 nm. Bevorzugt dient die Antireflexionsschicht 15 als Maske beim Auftragen der Deckschicht 16.
Bevorzugt ist weiterhin auf, an oder über einer Grabenwand 12, die den Halbleiterkörper 2 in einer lateralen Richtung begrenzt, eine Beschichtung 13 aufgebracht. Über die Beschichtung 13, die durch ein Metall gebildet sein kann, können benachbarte Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 optisch voneinander isoliert sein. Die Grabenwand 12 weist zur Oberseite 30 einen Winkel α zwischen einschließlich 75° und 130° auf, insbesondere zwischen einschließlich 85° und 105°.
In 2 ist eine Draufsicht auf eine der Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 dargestellt. Beispielsweise ist die Detektorzelle 1 gemäß 1 gestaltet. In Draufsicht auf den Halbleiterkörper 2 weist der erste Elektrodenbereich 3a, 3b zwei zueinander senkrecht orientierte Haupterstreckungsrichtungen H1, H2 auf. Über diese Haupterstreckungsrichtungen H1, H2 ist eine Ebene 35 definiert. Die Ebene 35 schneidet den ersten Elektrodenbereich 3a. Insbesondere stellt die Strahlungseintrittsfläche 32 und/oder die Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 2 einen zweidimensionalen Teil der Ebene 35 dar, vergleiche 1.
In Draufsicht auf den Halbleiterkörper 2 ist der erste Elektrodenbereich 3a rechteckig oder quadratisch gestaltet. In dem Zentralbereich 40 und in dem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich 40 und den Randbereichen 6 weist der zweite Elektrodenbereich 5 eine pyramidenstumpfartige Formgebung auf.
Entlang aller vier Seiten des ersten Elektrodenbereichs 3a befinden sich Gräben 11a, 11b. Die Gräben 11a, 11b weisen Beschichtungen 13 auf, über die benachbarte Detektorzellen 1 optisch voneinander isoliert sind. Die Beschichtung 13 ist zum Beispiel eine Metallschicht. Eine Signalleitung 19, die über eine elektrische Leitung 18b mit dem Löschwiderstand 9 verbunden ist, verläuft entlang einer der Seiten des ersten Elektrodenbereichs 3a.
In 3 ist eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor 100 zu sehen. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst eine Vielzahl der Detektorzellen 1. Die Detektorzellen 1 sind matrixartig angeordnet. Jede der Detektorzellen 1 ist identisch gestaltet, etwa gemäß 2.
Alle Signalleitungen 19 der Detektorzellen 1 sind zu einem elektrischen Anschlussbereich 50 geführt, der beispielsweise als Bondpad gestaltet ist. Elektrische Leitungen 18c sind über die elektrischen Anschlussbereiche 31 kontaktierbar. Über die elektrischen Leitungen 18c sind die zweiten Elektrodenbereiche 5 auf ein definiertes elektrisches Potenzial legbar.
Die einzelnen Detektorzellen 1 sind bevorzugt elektrisch parallel geschaltet. Signale der einzelnen Detektorzellen 1 können bevorzugt kumuliert und zu einem Gesamtsignal verarbeitet werden. Insbesondere kann die Anzahl an Detektorzellen 1, die auf einen Lichtstrom auf den Strahlungsdetektor 100 ein Signal liefert, näherungsweise proportional zu dem Lichtstrom sein. Das Gesamtsignal gibt dann zum Beispiel wieder, wie viele einzelne Detektorzellen 1 ein Signal liefern. Hierdurch ist eine Stärke des Lichtstroms bestimmbar.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Detektorzelle 1 oder des Strahlungsdetektors 100 dargestellt. An der Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 befindet sich eine dielektrische Verbindungsschicht 80. Über diese Verbindungsschicht 80 ist der Halbleiterkörper 2 mit einem Träger 8 fest verbunden. Der Halbleiterkörper 2 ist hierbei insbesondere nicht epitaktisch auf dem Träger 8 oder der Verbindungsschicht 80 gewachsen.
Der Träger 8 stützt den Halbleiterkörper 2 mechanisch. Die Verbindungsschicht 80 ist insbesondere elektrisch isolierend, so dass der Halbleiterkörper 2 mit dem Träger 8 dann nicht elektrisch leitend verbunden ist. Eine Dicke der Verbindungsschicht 80, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ebene 35, beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und 2,4 μm, insbesondere zwischen einschließlich 50 nm und 100 nm.
Weiterhin sind an einer dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Bodenseite 82 des Trägers 8 die Absorberschicht 20 und die Strukturierung 22 ausgebildet. Die Absorberschicht 20 und die Strukturierung 22 können wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgebildet sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist der Löschwiderstand 9 auf, an oder über der Grabenwand 12 in dem Graben 11 angebracht. Mit anderen Worten erstreckt sich der Löschwiderstand 9 entlang der Grabenwand 12. Hierdurch verringert sich ein lateraler Platzbedarf des Löschwiderstands 9. Die Verbindungsschicht 80 umfasst die Absorberschicht 20 und die Strukturierung 22. Anders als dargestellt können sich die Absorberschicht 20 und die Strukturierung 22 auch zusätzlich zu der Verbindungsschicht 80 teilweise oder vollständig zwischen dem Träger 8 und dem Halbleiterkörper 2 befinden.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Gräben 12 ist in 6 illustriert. Der Winkel α zwischen der Grabenwand 12 und der Ebene 35 beziehungsweise der Oberseite 30 beträgt zirka 90°. Der Graben 11 ist mit einem Material einer Füllung 38 bevorzugt vollständig gefüllt. Bei dem Material der Füllung 38 handelt es sich beispielsweise um Wolfram. An der Oberseite 30 ist der Graben 11 vollständig von der Deckschicht 16 abgedeckt. An einer der Oberseite 30 abgewandten Seite der Deckschicht 16 kann die Signalleitung 19 und/oder der Löschwiderstand 9 aufgebracht sein.
In 7 ist ein optisches Übersprechen C zwischen benachbarten Detektorzellen verschiedener Strahlungsdetektoren in willkürlichen Einheiten gegenüber einer Überspannung ΔU in V aufgetragen. Die Überspannung ΔU ist die angelegte Spannung minus der Durchbruchspannung. Mit steigender Überspannung ΔU nimmt das optische Übersprechen C jeweils zu.
Die Kurven a betreffen Strahlungsdetektoren, bei denen die Unterseite 70 des Halbleiterkörpers 2 nur mittels Plasmaätzen behandelt wurde und keine Absorberschicht vorhanden ist. Demgegenüber weisen die Strahlungsdetektoren 100, die den Kurven b, c zugrunde liegen, eine Absorberschicht 20 auf. Im Falle der Kurven b ist die Absorberschicht 20 durch eine Beschichtung der Unterseite 70 mit Aluminium mit einer Dicke von zirka 300 nm realisiert. Bei den Kurven c ist die Absorberschicht 20 durch eine zirka 1,4 μm dicke Germaniumschicht gebildet. Das optische Übersprechen C ist bei den Kurven b, c gegenüber den Kurven a deutlich reduziert, insbesondere bei der besonders bevorzugten Ausführungsform im Falle der Kurven c mit der Absorberschicht 20 als Germaniumschicht.

Claims

Strahlungsdetektor (100) mit zumindest einer Detektorzelle (1), wobei ein Halbleiterkörper (2) der Detektorzelle (1) – einen ersten Elektrodenbereich (3) umfasst, – einen zweiten Elektrodenbereich (5) umfasst, der weiter von einer einer Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) abgewandten Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) entfernt ist als der erste Elektrodenbereich (3), und – eine aktive Zone (4) umfasst, die sich zwischen dem ersten Elektrodenbereich (3) und dem zweiten Elektrodenbereich (5) befindet und die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist, wobei – der zweite Elektrodenbereich (5) mindestens stellenweise von der Unterseite (70) beabstandet ist, – sich an der Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) oder an einer dem Halbleiterkörper (2) abgewandten Bodenseite (82) eines Trägers (8), auf dem der Halbleiterkörper (2) angebracht ist, mindestens stellenweise eine zu einer Strahlungsablenkung eingerichtete Strukturierung (22) befindet, und – die Strukturierung (22) eine mittlere Strukturlänge zwischen einschließlich 200 nm und 2,5 μm aufweist.
Strahlungsdetektor (100) nach Anspruch 1, bei dem die Strukturierung (22) eine von einem Basismaterial des Halbleiterkörpers (2) oder des Trägers (8) verschiedene mittlere Zusammensetzung aufweist.
Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Material der Strukturierung (22) auf die Unterseite (70) oder auf die Bodenseite (82) aufgebracht ist.
Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich an der Unterseite (70) mindestens stellenweise eine Absorberschicht (20) befindet, wobei die Absorberschicht (20) ein Halbleitermaterial, ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist oder hieraus besteht.
Strahlungsdetektor (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Absorberschicht (20) Silizium oder Germanium aufweist oder hieraus besteht.
Strahlungsdetektor (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem eine mittlere Dicke der Absorberschicht (20) zwischen einschließlich 50 nm und 25 μm beträgt.
Strahlungsdetektor (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die mittlere Dicke der Absorberschicht (20) zwischen einschließlich 0,5 μm und 5 μm beträgt.
Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturierung (22) mindestens stellenweise durch eine unregelmäßige Aufrauung gebildet ist.
Strahlungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturierung (22) mindestens stellenweise regelmäßig ausgebildet ist.