DE102017207315B4 - UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale - Google Patents

UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale Download PDF

Info

Publication number
DE102017207315B4
DE102017207315B4 DE102017207315.2A DE102017207315A DE102017207315B4 DE 102017207315 B4 DE102017207315 B4 DE 102017207315B4 DE 102017207315 A DE102017207315 A DE 102017207315A DE 102017207315 B4 DE102017207315 B4 DE 102017207315B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
base
forming
layer
emitter
semiconductor layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102017207315.2A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102017207315A1 (de
Inventor
Tobias Erlbacher
Christian Matthus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102017207315.2A priority Critical patent/DE102017207315B4/de
Publication of DE102017207315A1 publication Critical patent/DE102017207315A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102017207315B4 publication Critical patent/DE102017207315B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0312—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIVBIV compounds, e.g. SiC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

UV-Strahlungssensor, der als Bipolartransistor mit Kollektor, Basis und Emitter ausgebildet ist und einen vertikalen Schichtaufbau aus mehreren Halbleiterschichten aufweist, bei dem eine die Basis bildende Halbleiterschicht (4) über einer den Kollektor bildenden Halbleiterschicht (2) angeordnet ist, wobei der Emitter (5) als Schottky-Kontakt ausgeführt ist oder als dotierter Halbleiterbereich in die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) integriert und lateral so strukturiert ist, dass er weniger als 60% der Fläche der die Basis bildenden Halbleiterschicht (4) einnimmt, und die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) eine Dicke von ≤ 50 nm aufweist.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale, der als Bipolartransistor mit Kollektor, Basis und Emitter ausgebildet ist und einen vertikalen Schichtaufbau aus mehreren Halbleiterschichten aufweist.
  • Zur Detektion schwacher Strahlungssignale sind Sensoren mit interner Verstärkung erforderlich. Dabei sollte mit diesen Sensoren eine möglichst hohe Verstärkung bei gleichzeitig niedrigem Rauschen erreicht werden.
  • Stand der Technik
  • Strahlungssensoren für die Detektion von Licht oder kürzerwelliger Strahlung können aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien gebildet sein. Speziell für die selektive Detektion von UV-Licht ist Siliciumkarbid (SiC) durch die große Bandlücke und niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration hervorragend geeignet. SiC-Sensoren zur Detektion von UV-Licht sind in Form pin-Dioden bereits hinreichend bekannt. So zeigt beispielsweise die US 5 093 576 A einen derartigen Sensor, der als Photodiode ausgebildet ist. Diese Bauelemente werden ohne interne Verstärkung betrieben und erlauben die Messung bei entsprechend hoher Beleuchtungsintensität. Sie erzielen typischerweise eine externe Quanteneffizienz bis zu 70% und eine Responsivität von 150mA/W bei einer Wellenlänge von 290nm. Diese Strahlungssensoren können durch entsprechende Dimensionierung der Halbleiterschichten für die Detektion von UV-Licht bestimmter Wellenlängen optimiert werden. Auch eine selektive Detektion des UV-Anteils von Sonnenlicht ist dadurch möglich, wie dies in der DE 102014018722 B3 beschrieben ist.
  • Eine interne Verstärkung von SiC-UV-Sensoren wird bisher überwiegend durch Nutzung von Avalanche-Photodioden durch den gezielten Lawinendurchbruch realisiert. So zeigt beispielsweise die Veröffentlichtung von X. Cai et al., „4H-SiC SACM Avalanche Photodiode With Low Breakdown Voltage and High UV Detection Efficiency“, IEEE Photonics Journal, 2016, Vol. 8, No. 5, Seiten 1 bis 7 eine derartige Ausgestaltung eines SiC-UV-Sensors mit einer Quanteneffizienz von etwa 80% bei 270nm. Dabei wird ein hohes elektrisches Feld benötigt, in dem die Ladungsträgermultiplikation stattfindet. Das hohe elektrische Feld bewirkt allerdings einen erhöhten Dunkelstrom, der bei SiC insbesondere auf Punktdefekte im Halbleitermaterial zurückzuführen ist. Durch diese Punktdefekte ist auch der gezielte Lawinendurchbruch nur schwer zu kontrollieren.
  • Aus Y. Bai et al., „ Structural Optimization of 4H-SiC BJT for Ultraviolet Detection with High Optical Gain", Materials Science Forum, 2016, Vol. 858, Seiten 1036 bis 1039 ist es beispielsweise auch bekannt, bipolare Transistoren auf Basis von SiC für die UV-Detektion zu nutzen. Der in dieser Veröffentlichung vorgeschlagene Bipolartransistor weist einen vertikalen Schichtaufbau aus epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten auf, wobei die p-dotierte Basisschicht über der n-dotieren Emitterschicht liegt und von der Kollektorschicht bedeckt ist.
  • V.S.N. Chava et al., „Epitaxial graphene (EG)/SiC based Schottky emitter bipolar phototransistors for UV detection and effect of hydrogen intercalationon device I-V characteristics“, 2016 IEEE Sensors, DOI: 10.1109/ICSENS.2016.7808587, zeigen ebenfalls einen als Bipolartransistor ausgebildeten UV-Sensor, bei dem der über der Basisschicht liegende Emitter des Bipolartransistors als Schottky-Emitter in Form einer epitaktisch gewachsenen Graphen-Schicht ausgebildet ist.
  • Bei beiden Ausgestaltungen wurde die p-dotierte Basisschicht mit einer Schichtdicke von über 400nm realisiert. Homogen dotierte, sehr dünne Basisweiten, wie sie für eine höhere interne Verstärkung erforderlich wären, lassen sich bei derartigen Ausgestaltungen allerdings nur mit hohem technischen Aufwand realisieren. Weiterhin absorbiert die über der Basisschicht liegende Kollektor- bzw. Emitterschicht dieser Ausgestaltungen einen Teil des (kurzwelligen) UV-Lichts. Dadurch ist die Sensitivität je nach Dicke dieser Schicht für Wellenlängen kleiner 230nm, kleiner 250nm oder kleiner 275nm gering.
  • J. Zhang et al., „Fabrication and Characterization of High-Current-Gain 4H-SiC Bipolar Junction Transistors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 55, No. 8, 2008, Seiten 1899 bis 1906 zeigen den Aufbau eines Bipolartransistors für die Leistungselektronik, bei dem die n-dotierte Emitterschicht als Mesa-Struktur über der p-dotierten Basisschicht angeordnet ist. Die Emitterschicht nimmt dabei nur einen Teil der Fläche der Basisschicht ein. Die Veröffentlichung befasst sich in erster Linie mit der Herstellung eines derartigen Bipolartransistors aus epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten.
  • Die US 2016/0315211 A1 beschreibt einen SiC-Phototransistor bzw. Photodetektor, bspw. als UV-Strahlungssensor, der als Bipolartransistor mit vertikalem Schichtaufbau ausgebildet ist. Der Emitter oder der Kollektor des Bipolartransistors ist dabei als Schottky-Kontakt ausgeführt und kann auch lateral strukturiert sein, um nur einen Teil der Substratoberfläche zu bedecken. Die Dicke der Basisschicht liegt im Bereich zwischen 0,1 µm und 100 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 µm und 10 µm.
  • Die US 2007/0170462 A1 beschreibt einen Photosensor mit einem sehr speziellen Aufbau, der ebenfalls einen integrierten vertikalen Bipolartransistor aufweist. Diese Druckschrift befasst sich nicht speziell mit UV-Strahlungssensoren, sondern nur allgemein mit Photosensoren und gibt keine Hinweise zu den Dimensionen der Basisschicht.
  • Auch die WO 2016/168808 A1 befasst sich nicht speziell mit UV-Strahlungssensoren. Sie zeigt einen ganz besonderen Aufbau eines bipolaren Phototransistors mit entkoppelten Bereichen für Absorption und Verstärkung, wobei die Dicke der Basisschicht in der Größenordnung einiger µm vorgeschlagen wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen UV-Strahlungssensor mit interner Verstärkung anzugeben, der eine hohe Verstärkung bei gleichzeitig niedrigem Rauschen aufweist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit dem UV-Strahlungssensor gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Strahlungssensors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
  • Der vorgeschlagene UV-Strahlungssensor ist als Bipolartransistor mit Kollektor, Basis und Emitter ausgebildet und weist einen vertikalen Schichtaufbau aus mehreren Halbleiterschichten auf. Die Halbleiterschicht, durch die die Basis des Bipolartransistors gebildet wird, im Folgenden auch als Basisschicht bezeichnet, ist dabei in einer ersten Alternative des Strahlungssensors über der den Kollektor bildenden Halbleiterschicht angeordnet. Der vorgeschlagene Strahlungssensor zeichnet sich bei dieser Alternative dadurch aus, dass der Emitter als Schottky-Kontakt ausgeführt oder als dotierter Halbleiterbereich in die Basisschicht integriert und lateral so strukturiert ist, dass er weniger als 60% der Fläche der Basisschicht einnimmt. In einer zweiten Alternative sind lediglich Basis und Kollektor im vertikalen Schichtaufbau gegenüber der ersten Alternative vertauscht, so dass in diesem Fall der Kollektor als Schottky-Kontakt ausgeführt oder als dotierter Halbleiterbereich in die Basisschicht integriert ist. Bei beiden Alternativen weist die Basisschicht eine Dicke von ≤ 50 nm auf.
  • Durch diesen Aufbau des Strahlungssensors mit einem Emitter bzw. Kollektor, der als Schottky-Kontakt ausgeführt oder als dotierter Halbleiterbereich in die Basisschicht integriert ist und nur einen Teil von weniger als 60% der Fläche der Basisschicht einnimmt, kann eine hohe Verstärkung bei niedrigem Rauschen erreicht werden. Während bei typischen Bipolartransistoren etwa 90% der Fläche der Basisschicht vom Kollektor oder Emitter bedeckt sind, wird die photosensitive bzw. aktive Basisschicht bei dem vorgeschlagenen Strahlungssensor nicht in diesem Ausmaß durch eine Kollektor- oder Emitter-Schicht überdeckt, so dass Strahlungsverluste durch den Emitter bzw. Kollektor weitgehend vermieden werden. In der bevorzugten Ausgestaltung nimmt der Emitter bzw. Kollektor auch nur einen Anteil von weniger als 25%, besonders bevorzugt weniger als 10%, der Fläche der Basisschicht ein.
  • Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht die Realisierung einer sehr dünnen Basisschicht und somit einer sehr geringen Basisweite, die ≤ 50nm, insbesondere zwischen 20 und 50nm beträgt. Eine dünne Basis sorgt für eine hohe Stromverstärkung bei angelegter Spannung und gleichzeitig niedrigem Dunkelstrom, ohne einen gezielten elektrischen Durchbruch herbeiführen zu müssen. Die dünne Basis lässt sich unter Verwendung halbleitertechnologischer Verfahren wie beispielsweise der Ionenimplantation sehr gut kontrollierbar und reproduzierbar herstellen.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Herstellungstechniken des vorgeschlagenen Strahlungssensors anhand einer Ausgestaltung erläutert, bei der der Bipolartransistor als NPN-Transistor mit einem in die Basisschicht integrierten Emitter realisiert ist. Diese Ausführungen lassen sich jedoch analog auch auf andere Ausgestaltungen des Bipolartransistors als PNP-Transistor und/oder mit in die Basisschicht integriertem Kollektor übertragen. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird der Bipolartransistor entweder in Form eines Schottky-Injection Bipolar Junction Transistors (SI-BJP) oder als Bipolar Junction Transistor mit implantiertem n-Emitter (IEBJT) realisiert. Dabei wird eine extrem dünne Basis unter Verwendung der Ionenimplantation mit niedriger Beschleunigungsenergie und geringer Dosis hergestellt. Beispielsweise wird hierzu die SiC-Halbleiterscheibe mit einer Siliciumdioxidschicht maskiert, um durch die anschließende Ionenimplantation durch diese Schicht hindurch ein flaches Dotierungsprofil mit geringer Maximaldotierung in der Basisschicht realisieren zu können. Typische Dotierungen und Schichtdicken der Basisschicht liegen im Bereich von 7 × 1015 bis 2 × 1017cm-3 bzw. 20nm bis 50nm.
  • Durch mehrstufige Temperschritte lässt sich die Ladungsträger-Lebensdauer zumindest in den n-dotierten Bereichen gezielt beeinflussen. Dort wird die Ladungsträger-Lebensdauer hauptsächlich durch die Dichte von Kohlenstoffvakanzen (Z1/2-Defekten) bestimmt. Diese werden bei Temperung bei hohen Temperaturen (> 1600°C) vermehrt gebildet und bei Temperung mit niedrigeren Temperaturen (1300°C < T < 1600°C) bei gleichzeitiger Erzeugung von Kohlenstoff-Überschuss abgebaut. Damit können die Diffusionslängen im Kollektor (bei SI-BJT und IEBJT) und Emitter (bei IEBJT) gezielt beeinflusst werden, wodurch sich die Verstärkung anpassen lässt. Zusätzlich wird über die Diffusionslänge im Kollektor innerhalb des Absorptionsgebiets die spektrale Empfindlichkeit bei längeren Wellenlängen (UV-A) eingestellt. Die spektrale Empfindlichkeit bei kürzeren Wellenlängen (UV-B/C) ergibt sich aus der Dicke der Basisschicht. Der Emitter und Emitterkontakt werden vorzugsweise nur in äußeren Bereichen der Basis realisiert. Damit steht eine große optisch aktive Fläche für die Absorption der zu detektierenden Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern zur Verfügung, die die Potentialbarriere am Emitter bzw. Emitterkontakt absenken und damit zu einer erhöhten Injektion von Elektronen führen. Diese Elektronen können die extrem schmale Basis überwinden und führen zur Verstärkung im Transistor. Damit sind für dieses Bauelement Punktdefekte weniger kritisch bei der Verstärkung von Elektronen-Loch-Paaren aus UV- oder Röntgenbestrahlung (oder sonstiger ionisierender Strahlung) als für Avalanche-Photodioden und es lässt sich eine höhere Auflösung erzielen.
  • Der Bipolartransistor ist bei dem vorgeschlagenen Strahlungssensor vorzugsweise als SiC-Bipolartransistor ausgebildet, so dass er für die selektive Detektion von UV-Licht eingesetzt werden kann.
  • Der vorgeschlagene Strahlungssensor lässt sich beispielsweise für die UV-Detektion bei der Wasser-Desinfektion, die Dosiskontrolle in technischen Anlagen, beispielsweise in der Lithographie, als UV-Detektor in optischen Brandmeldeanlagen, für die Röntgendetektion in medizinischen Anlagen, zur Messung ionisierender Strahlung in Anlagen, die dem Strahlenschutz unterliegen, oder auch zur effizienten Detektion kleiner Mengen ionisierender Strahlung ohne externe Verstärkung einsetzen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
  • Figurenliste
  • Der vorgeschlagene UV-Strahlungssensor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Strahlungssensors mit in die Basisschicht integriertem Emitter;
    • 2 ein Beispiel für ein Dotierprofil der Basis- und Kollektorschicht bei dem vorgeschlagenen Strahlungssensor; und
    • 3 Charakteristika eines beispielhaft realisierten erfindungsgemäßen Strahlungssensors im Vergleich zu einer herkömmlichen SiC-UV-Diode.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Der vorgeschlagene UV-Strahlungssensor wird im Folgenden anhand einer Realisierung mit einem in die Basisschicht integrierten Emitters nochmals näher erläutert. 1 zeigt hierbei in Teilabbildung 1A eine schematische Querschnittsdarstellung und in Teilabbildung 1B eine Draufsicht auf den realisierten Sensor. In 1A ist der vertikale Aufbau des NPN-Transistors mit den übereinanderliegenden SiC-Halbleiterschichten zu erkennen. Oberhalb des n+-dotierten SiC-Halbleitersubstrats 1 liegt die den Kollektor bildende n--dotierte Halbleiterschicht 2, gefolgt von einem Ladungstrennungsbereich 3 und der p-dotierten Basisschicht 4, die durch Ionenimplantation mit einem flachen Dotierungsprofil mit geringer Maximaldotierung realisiert wurde. In diese p-dotierte Basisschicht 4 ist der Emitter 5 integriert. Es kann sich hierbei wie im vorliegenden Beispiel eines SI-BJT um einem Schottky-Kontakt oder auch um einen implantierten n-Emitter handeln. Auf der Vorderseite dieses UV-Strahlungssensors ist dann noch eine Antireflexionsschicht 6 für die zu detektierende UV-Strahlung aufgebracht, durch die sich der Emitter 5 erstreckt. Der Emitter 5 wird dann über entsprechende metallische Oberseitenkontakte 7 kontaktiert. Der Kollektor wird über den metallischen Rückseitenkontakt 8 kontaktiert.
  • 1B zeigt eine Draufsicht auf diesen Sensor, in dem die Emitter-Kontakte (Oberseitenkontakte 7) in den Ecken des Sensors zu erkennen sind. Der integrierte Emitter 5 ist hierbei umlaufend nur im Randbereich der von der Basis eingenommenen Fläche realisiert, wie dies in der Figur zu erkennen ist. Die Basisschicht selbst ist hier durch eine SiO2-Schicht als Maskierung für die Ionenimplantation bedeckt, die gleichzeitig als Antireflexionsschicht 6 dienen kann. Dadurch kann die einfallende UV-Strahlung 9 die strahlungssensitive Basisschicht 4 nahezu ungehindert erreichen. In Verbindung mit einer dünnen Basisschicht von beispielsweise nur 20 bis 50nm Dicke kann dabei eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Verstärkung erreicht werden. Die dünne Basis kann unter Verwendung der Ionenimplantation mit niedriger Beschleunigungsenergie und geringer Dosis hergestellt werden. 2 zeigt ein typisches Dotierprofil einer derartig realisierten Basisschicht 4 beim vorgeschlagenen Strahlungssensor. In der Figur ist auch das Dotierprofil der unter der Basisschicht 4 liegenden Kollektorschicht zu erkennen.
  • Ein Beispiel für die Quanteneffizienz/ Responsivität eines derart hergestellten SI-BJT ist in 3 dargestellt. 3A zeigt hierbei die spektrale Responsivität bei 355nm im Vergleich zu einer herkömmlichen SiC-UV-Diode. 3B zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik ohne Lichteinfall (dark) unter UV-A- und UV-B-Bestrahlung. Durch die interne Verstärkung kann eine externe Quanteneffizienz deutlich größer als 350 Elektronen/Photonen bei 355nm und einer angelegten Spannung von 90V erzielt werden. Bei 255nm kann beispielsweise eine Quanteneffizienz von 2.555 Elektronen/Photonen bei einer Sperrspannung von 100V erzielt werden. Bei dieser Wellenlänge wirkt der demonstrierte SI-BJT ab einer Sperrspannung von 18V verstärkend (EQE > 1 Elektron/Photon).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    n+-dotiertes SiC-Halbleitersubstrat
    2
    n--dotierte Kollektorschicht
    3
    Ladungstrennungsbereich
    4
    p-dotierte Basisschicht
    5
    Emitter
    6
    Antireflexionsschicht
    7
    Oberseitenkontakt
    8
    Rückseitenkontakt
    9
    UV-Strahlung

Claims (7)

  1. UV-Strahlungssensor, der als Bipolartransistor mit Kollektor, Basis und Emitter ausgebildet ist und einen vertikalen Schichtaufbau aus mehreren Halbleiterschichten aufweist, bei dem eine die Basis bildende Halbleiterschicht (4) über einer den Kollektor bildenden Halbleiterschicht (2) angeordnet ist, wobei der Emitter (5) als Schottky-Kontakt ausgeführt ist oder als dotierter Halbleiterbereich in die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) integriert und lateral so strukturiert ist, dass er weniger als 60% der Fläche der die Basis bildenden Halbleiterschicht (4) einnimmt, und die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) eine Dicke von ≤ 50 nm aufweist.
  2. UV-Strahlungssensor, der als Bipolartransistor mit Kollektor, Basis und Emitter ausgebildet ist und einen vertikalen Schichtaufbau aus mehreren Halbleiterschichten aufweist, bei dem eine die Basis bildende Halbleiterschicht (4) über einer den Emitter bildenden Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei der Kollektor als Schottky-Kontakt ausgeführt ist oder als dotierter Halbleiterbereich in die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) integriert und lateral so strukturiert ist, dass er weniger als 60% der Fläche der die Basis bildenden Halbleiterschicht (4) einnimmt, und die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) eine Dicke von ≤ 50 nm aufweist.
  3. UV-Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) eine Dotierung aufweist, die zwischen 7*1015 und 2*1017 cm-3 beträgt.
  4. Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (5) oder der Kollektor eine Fläche einnimmt, die weniger als 25% der Fläche der die Basis bildenden Halbleiterschicht (4) entspricht.
  5. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (5) oder der Kollektor in einem Randbereich der Fläche ausgebildet ist, die von der die Basis bildenden Halbleiterschicht (4) eingenommen wird.
  6. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Basis bildende Halbleiterschicht (4) p-dotiert ist.
  7. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten aus SiC gebildet sind.
DE102017207315.2A 2017-05-02 2017-05-02 UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale Active DE102017207315B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017207315.2A DE102017207315B4 (de) 2017-05-02 2017-05-02 UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017207315.2A DE102017207315B4 (de) 2017-05-02 2017-05-02 UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102017207315A1 DE102017207315A1 (de) 2018-11-08
DE102017207315B4 true DE102017207315B4 (de) 2019-10-10

Family

ID=63895426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017207315.2A Active DE102017207315B4 (de) 2017-05-02 2017-05-02 UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017207315B4 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115394875B (zh) * 2022-09-23 2024-06-21 西北核技术研究所 一种基于SiC的BJT垂直结构半导体辐射探测器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5093576A (en) 1991-03-15 1992-03-03 Cree Research High sensitivity ultraviolet radiation detector
US20070170462A1 (en) 2006-01-26 2007-07-26 Fronted Analog And Digital Technology Corporation Photo sensor and preparation method thereof
DE102014018722B3 (de) 2014-12-16 2016-03-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren, SiC-Halbleiterdetektor und dessen Verwendung und Detektoranordnung diesen aufweisend zur Detektion von Sonnenlicht
WO2016168808A1 (en) 2015-04-17 2016-10-20 The Regents Of The University Of California Decoupled absorption/gain region bipolar phototransistor
US20160315211A1 (en) 2015-02-20 2016-10-27 University Of South Carolina OPTICALLY SWITCHED GRAPHENE/4H-SiC JUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5093576A (en) 1991-03-15 1992-03-03 Cree Research High sensitivity ultraviolet radiation detector
US20070170462A1 (en) 2006-01-26 2007-07-26 Fronted Analog And Digital Technology Corporation Photo sensor and preparation method thereof
DE102014018722B3 (de) 2014-12-16 2016-03-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren, SiC-Halbleiterdetektor und dessen Verwendung und Detektoranordnung diesen aufweisend zur Detektion von Sonnenlicht
US20160315211A1 (en) 2015-02-20 2016-10-27 University Of South Carolina OPTICALLY SWITCHED GRAPHENE/4H-SiC JUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR
WO2016168808A1 (en) 2015-04-17 2016-10-20 The Regents Of The University Of California Decoupled absorption/gain region bipolar phototransistor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAVA, Venkata SN, et al.: Evidence of minority carrier injection efficiency> 90% in an epitaxial graphene/SiC Schottky emitter bipolar junction phototransistor for ultraviolet detection. In: Applied Physics Letters, 2016, 108. Jg., Nr. 4, S. 043502, ISSN 0003-6951. *
J. Zhang et al., „Fabrication and Characterization of High-Current-Gain 4H-SiC Bipolar Junction Transistors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 55, No. 8, 2008
Y. Bai et al., „ Structural Optimization of 4H-SiC BJT for Ultraviolet Detection with High Optical Gain", Materials Science Forum, 2016, Vol. 858

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017207315A1 (de) 2018-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9627569B2 (en) Integrated Avalanche Photodiode arrays
JP5386764B2 (ja) 光検出素子
US20160329369A1 (en) Integrated Avalanche Photodiode Arrays
DE102011075103B4 (de) Photodetektor
US4910570A (en) Photo-detector for ultraviolet and process for its production
DE69120849T2 (de) Lawinenphotodiode
US10971538B2 (en) PiN diode structure having surface charge suppression
DE68909929T2 (de) Photodetektor mit mehrfacher heterostruktur.
US7855098B2 (en) Method of forming, modifying, or repairing a semiconductor device using field-controlled diffusion
US7723754B2 (en) Ge photodetectors
US10312391B2 (en) Apparatus and method for single-photon avalanche-photodiode detectors with reduced dark count rate
EP2175497B1 (de) Lawinen-fotodiode zur detektion von photonen im ultravioletten bereich
DE102017207315B4 (de) UV-Strahlungssensor zur Detektion schwacher Strahlungssignale
EP1705716A1 (de) Halbleiter-Photodetektor und Verfahren zum Herstellen desselben
DE102005007358B4 (de) Lichtempfindliches Bauelement
D'Ascenzo et al. Possible layout solutions for the improvement of the dark rate of geiger mode avalanche structures in the GLOBALFOUNDRIES BCDLITE 0.18 μm CMOS technology
DE112009004341B4 (de) Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodioden
DE112020007122T5 (de) Fotodiode und verfahren zum betrieb einer fotodiode
US10644114B1 (en) Reticulated shallow etch mesa isolation
DE112021000488T5 (de) Verbesserungen der lichtdetektion mit halbleiter-fotodioden
KR20200066435A (ko) 항복전압이 개선된 수직형 pin 다이오드 및 이의 제조방법
Harmon Integrated avalanche photodiode arrays
DE102014225632B3 (de) Photodetektor und Vorrichtung zur Desinfektion von Wasser diesen umfassend
DE3015527A1 (de) Halbleitervorrichtung zum abfuehlen von optischer strahlung
DE4326754A1 (de) Halbleiter-Photodetektor

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R006 Appeal filed
R007 Decision rectified on appeal
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R082 Change of representative