DE1589616A1 - Halbleiter-Strahlungsdetektor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Halbleiter-Strahlungsdetektor und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
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F 3022
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Halbleiter - Strahlungsdetektor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Detektion einer Strahlung deren Wellenlänge zwischen Infrarot und Ultraviolett liegt, kann bekanntlich mit
Hilfe von Fotozellen, Fotodioden, Halbleiter-Fototransistoren oder Fotowiderständen erfolgen. Bekannt, isi ebanfalls
das Prinzip der Detektion von (sichtbaren oder unsichtbaren) Lichtstrahlen durch halbleitende, in Sperrrichtung
polarisierte pn-Ubergänge bei einer ihrer Durchbruchspannung benachbarten, jedoch unter dieser
liegenden Spannung; durch eine derartige Polarisation entsteht eine Raumladungszone im Halbleitermaterial, in
dem der pn-übergang hergestellt wurde.
Sobald ein Lichtstrahl in die Raumladungszone eines solchen
Überganges eindringt, erzeugt er in ihr durch lichtelektrischen Effekt Defektelektronen-Paare, und jeder auf
diese Weise entstandene Ladungsträger erzeugt seinerseits infolge des als Trägervervielfachung bekannten Phänomens
Sekundärträger in den in Sperrichtung polarisierten Übergängen.
Bine derartige Fotodiode bietet zum Beispiel im Vergleich
Fotowideretand den Vorteil, aufgrund der Trägerver- ;hung bedeutmd schneller zu arbeiten und empfind-
• A
00M21/07M
licher zu sein. V
Fotodioden werden in der Regel einem Verstärker zugeordnet, der ein Signal einer Spannung oder Leistung abgibt, das
für die verschiedenen Verwendungszwecke stark genug ist. Sobald die Intensität der Lichtstrahlung bei einer höheren
Frequenz variiert, wird die Anpassung der Impedanz zwischen Fotodiode und Verstärker schwierig, und die Empfindlichkeit
verringert sich.
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, der eine Fotodetektordiode mit pn-Ubergang aufweist, die ihrerseits
an einem Transistor liegt, dessen Emitter-Basis-Diode in Durchlassrichtung und dessen Basis-Kollektor-Diode in
Sperrichtung polarisiert ist, wobei die p- und n-leitenden Schichten der Fotodiode an der Basis, bzw. am Kollektor
des Transistors liegen.
Der erfindungsgemässe Strahlungsdetektor zeichnet sich dadurch aus» dass die Durchbruchspannung des Basis-Zollektor-Uberganges
des Transistors höher als diejenige des pn-Uberganges der Fotodiode ist, so dass letztere in sog.
"Lawinen''-Betrieb arbeitet. Die zwischen Emitter und Kollektor des*Transistors angelegte und somit auch am
pn-Ubergang der Fotodiode liegende Speisespannung entspricht in der G-rössenordnung der Durchbruchspannung des
betreffenden Überganges, Unter diesen Umständen wird durch jede teilweise Leitung der Fotodiode der Transistor mit
Basisstrom gespeist, und diese bewirkt dessen teilweise Leitung bei einer Stromverstärkung, die gleich der Strom
verstärkung des Transistors in der Emitterschaltung ist. Hierdurch ergibt sich eine Stromverstärkung von mehreren
zehn Einheiten im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung.
Entsprechend einem weiteren, wichtigen Merkmal der Er
findung sind die Fotodiode und der Transistor in ein und
7.
O0SI21/Ö?··
demserben halbleitenden Träger untergebracht, und der
Emitter-Basis-Ubergang des Transistors und der pn-Ubergang
werden gleichzeitig hergestellt, so dass beide übergänge die gleiche Durchbruchspannung in Sperrichtung
aufweisen. Diese ist bedeutend niedriger als die Basis-Kollektor-Durchbruchspannung
des Transistors, wenn die Herstellung einer solchen integrierten Vorrichtung nach
der Technik der doppelten Diffusion erfolgt. Es ist ferner möglich, die Oberfläche der integrierten Vorrichtung
durch eine dünne Oxydschicht zu schützen, durch die die Lichtstrahlen leicht hindurchgehen.
Durch die Integration von Fotodiode und Transistor und das Entfallen der Anschlüsse zwischen ihnen wird die
FrequenJzleistung der integrierten Vorrichtung erhöht f
und die Empfindlichkeit gegenüber Störgeräuschen ist geringer. Solche Vorrichtungen eignen sich besonders gut
zur Herstellung von Matrizen.
Zum besseren Verständnis des Gegenstandes der Erfindung folgt die Beschreibung einiger nicht einschränkender
Ausführungsbeispiele.
In Fig. 1 ist eine Fotodiode an sich bekannten Typs mit einem pn-übergang gezeigt, der in einem halbleitenden
Träger, z.B. aus Silizium, untergebracht ist. Mit 1 ist eine p-leitende Siliziumschicht, mit 2 eine weitere leitende
Schicht bezeichnet, die durch Diffusion von Störstellen des Typs η in die Schicht 1 erzielt wurde; 3 bezeichnet
einen elektrischen Anschluss auf der Siliziumschicht 1, und 4 einen elektrischen Anschluss auf der
Schicht 2. Der Pfeil 5 gibt die Richtung der die Fotodiode treffenden Strahlung an.
Fig. 2 veranschaulicht die Strom-Spannungs-Kurvenschar
in Abhängigkeit von der Belichtung eines Strahlungsdetektors, dessen pn-übergang in Sperrichtung polarisiert
009821/0761
ist. Die Kennlinie der Diode oder des in Sperrichtung polarisierten pn-Ub er ganges "bei fehlender Strahlung
ist mit 21 "bezeichnet; diese stellt die sog. Dunkel-Kennlinie
dar. Mit 22, 23, 24, 25 sind die Strom-Spannungskurven des pn-Uberganges bei unterschiedlicher
Belichtung und in deren zunehmender Grössenordnung bezeichnet, in dieser Fig. stellt V-g den
Durchbruchspannungswert der Diode und V aen Wert der
in Sperrichtung polarisierten Spannung dar, die fast gleich der an den pn-Ubergang gelegten Spannung V^ ist.
In Fig. 3 ist ein Schaltbild mit den Anschlüssen zwischen einer Fotodiode, einem Transistor und dem Verbraucherstromkreis
gezeigt. Emitter, Basis und Kollektor eines Transistors sind mit N1, P1 bzw. N2 gekennzeichnet;
Pp und N-, sind die pn-Ubergänge der Fotodiode.
Der Anschluss 36 verbindet die Basis P1 des Transistors
mit der Schicht P? der Fotodiode; 35 verbindet den Kollektor N2 äes Transistors und die Schicht N, der
Fotodiode. Der Emitter N1 ist an die negative Klemme
einer G-leichspannungsversorgung V angeschlossen, und
der Kollektor N2 liegt an deren positiven Klemme 33
über einen Widerstand 31 oder dergleichen. Die auf die
Fotodiode P2N-, fallende und diese belichtende Strahlung
ist durch den Pfeil 37 dargestellt. Das Ausgangssignal wird zwischen den Klemmen Vr und 33 des
Widerstandes 31 abgegriffen. Die Speisespannung 7 zwischen den Klemmen 32 und 33 fliesst derart, dass
der übergang N1P1 in Durchlassrichtung und die übergänge
P1^2 und P2N, in Sperrichtung polarisiert sind.
Erfindungsgemäss wird die Durchbruchspannung des Überganges P2N^ der Fotodiode beträchtlich schwächer
als diejenige des Basis-Kollektor-Überganges J^N2
des Transistors gewählt. Die Durchbruchspannung
E5
in Sperrichtung bestimmt somit den Wert der Speisespannung V. Fällt auf den Detektor P3N, eine Strahlung
37, so erzeugt sie im Detektor Defektelektronenpaare, die die Träger im in Sperrichtung polarisierten
Übergang PpIi, vervielfachen; hierdurch wird der Sperrstrom
im Übergang verstärkt.
Dieser Sperrstrom als Folge der Strahlung wird in
die Basis P, des Transistors eingespeist und von diesem um den Wert ß verstärkt, der der Stromverstärkung
des Transistors in Emitterschaltung entspricht; an den Klemmen 33, 34 des Widerstandes 31 wird
eine der Belichtung der Fotodiode proportionale Spannung abgegriffen. Diese Spannung ist bei fehlender
Belichtung äusserst schwach, der Sperrstrom des Überganges
Pp1^? is^ se^r gerinS>
und die Speisespannung
liegt unter der Durchbruchspannung.
Fig. 4 zeigt die Kurvenscharen bei Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 3. Als Abszisse sind die Kollektor-Emitter-Spannungen
VCE des Transistors und als Ordinate die Kollektorströme des Transistors aufgetragen.
Die Kurven 41, 42, 43, 44, 45 entsprechen dem Normalbetrieb dea Transistors N1P1Np. V ist die
Speisespannung und R die dem Widerstand 31 in Fig. 3 entsprechende Lastgerade. Die Kurven 410, 411, 412,
413, 414 veranschaulichen den Strom-Spannunga-Verlauf
der aus dem Transistor N1P1Np und dem Detektor PJ.
bestehenden, wie in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung. Die Kurve 410 gilt für keine Strahlung (Dunkelheit),
und die Kurven 411 bis 414 entsprechen zunehmender Belichtung.
Die Stromstärke im Widerstand 31 ist durch den Schnittpunkt der Geraden R mit jeder der Kurven 410 bis 414
für den jeweiligen Belichtungswert gegeben.
009121/0761
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer, wie in Fig. 5 dargestellten integrierten
Vorrichtung. In dieser Fig. bezeichnet 51 einen Träger, zB. aus Silizium des Typs n+ mit
geringem spezifischen Widerstand, auf dem eine η-leitende Schicht 52 gegebenen höheren spezifischen
Widerstandes epitaktisch aufgewachsen wird. Birch die "bekannte Technik der Abdeckung mit einem Oxyd
und einem lichtempfindlichen Lack erzielt man
durch Diffusion eine p-leitende Schicht gegebenen spezifischen Widerstandes und durch Eindiffusion in
die Schicht 53 die η-leitenden Schichten 54 und 55 mit bedeutend geringerem spezifischen Widerstand aio
demjenigen der Schicht 52.? die Schicht 55 ist kreisförmig. Durch Eindiffusion in die η-leitende Schicht
wird schliesslich eine n+-leitende, stark dotierte kreisförmige
Schicht 56 geringen spezifischen Widerstandes geschaffen. Die drei η-leitenden Schichten geringen
spezifischen Widerstandes 54, 55, 56 können gleichzeitig oder getrennt hergestellt werden. Eine Oxydschicht
57 wird nur auf bestimmten Teilen der Ober-
flÄOhe hergestellt. Ein ringförmiger Metallüberzug 58
verbindet die Schichten 55 und 56; der Metallüberzug 59 in der Mitte dient zur Anlage- eines Kontaktes
591 lind der Metallüberzug 50 auf der Schicht 51 zur
Anlage des Kontaktes 500.
In der Vorrichtung nach Fig. 5 bilden die Schichten 55 und 53 den pn-tf bergang der Fotodiode; die Schichten
54 und 53 stellen * den Emitter bzw. die Basis des Transistors dar, dessen Kollektor aus den Schichten
52 und 51 besteht. Die Metallschicht 58 verbindet die η-leitende Schicht 55 der Fotodiode und die
n+-leitende Schicht 56, die Teil des Kollektors ist.
Diese Schicht 56 ist Btark dotiert, um eine Verbindung
009121/07·*
geringen Widerstandes zwischen der Fotodiode und dem Kollektor des Transistors herzustellen. Die kreisförmige
Schicht 55 empfängt die Strahlung. Die Gxyd-.schicht 57 auf der Oberfläche dieser Schicht ist dünn,
um nicht die Lichtstrahlen zu absorbieren und trotzdem den Schutz der Oberfläche dieser Schicht zu gewährleisten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann als ein sog. "diskretes" Bauelement verwendet werden, dessen Anschlüsse
nach Pig. 5 angeordnet sind. Ebenfalls kann sie Teil einer integrierten Schaltung bilden. Tm
folgenden wird ohne jede Einschränkung eine aus einer Matrix von halbleitenden Elementen bestehende integrierte
Schaltung beschrieben.
Fig. 6 stellt im Schnitt eine derartige aus zwei mal
zwei Vorrichtungen bestehende Matrix dar. Das elektrische Schaltbild zeigt Fig. 7.
Tn Fig. 6 verbinden "getrennte Felder" die in einer Linie liegenden Kollektoren 61 nach dem bekannten Verfahren,
das darin besteht, monokristalline, in diesem Fall stabförmige Siziliumblöcke/ in einem polykristallinen
Siziliumträger 62 herzustellen; letzterer ist
lediglich mechanisch von Bedeutung. Die Trennung des Monokristalls und des Polykristalls erfolgt durch eine
Oxydschicht 63. Die stärkste n+-leitende Schicht 61
wird beispielsweise durch Diffusion auf dem mono kristallinen, η-leitenden Silizium 64· erzielt; und
zwar vor der Oxydation und beim epitaktischen Aufwachsen des polykristallinen Siliziums. Diese
n+-leitende Schicht stellt einen Weg schwachen Widerstandes in Richtung der "getrennten Felder" dar.
Die Brücke 66 zwischen dem Kollektor 61 und der
η-leitenden Schicht 65 der Fotodiode sowie die Anschlüsse 67 zwischen den Emittern einer gleichen Reihe
werden durch Oberflächenmetallisierung, beispielsweise mit Aluminium, erzielt.
Die ebenfalls durch Diffusion hergestellte p-leitende
Schicht 68 ist der Fotodiode und dem Transistor gemeinsam, dessen Basis sie darstellt. Die η-leitende Schicht
bildet den Emitter des Transistors.
In Fig. 7, die den elektrischen Schaltungsaufbau der Matrix nach Fig. 6 zeigt, sind die Bezugszeichen die
gleichen wie in Fig. 6. Die Fotodiode ist mit ihrem aus den Schichten 65 und 68 gebildeten übergang darstellt.
Der Transistor besteht aus dem Emitter 69» der Basis 68 und dem Kollektor 61 . Mit 66 ist die
Verbindung zwischen der η-leitenden Schicht des Überganges der Fotodiode und dem η-leitenden Kollektor des Transistors
bezeichnet.
009121/0718
Claims (5)
- Patentansprüch/1)!Halbleiter-Strahlungsdetektor mit einer Fotodiode mit in Sperrichtung polarisiertem pn-Ubergang, die zwischen Basis und Kollektor eines Verstärker-Transistors geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ourchbruchspannung des Basis-Kollektor-ITberganges des Transistors höher als die Durchbruchspannung des Überganges der Fotodiode ist, und dass der Arbeitspunkt der letzteren in der Lawinenzone liegt.
- 2) Halbleiter-Strahlungsdetektor nach Anspruch d) dadurch gekennzeichnet, dass Transistor und Fotodiode eine integrierte Vorrichtung bilden, in der die Basis des Transistors eine der beiden Schichten des pn-Uberganges der Fotodiode bildet und die andere Schicht dieses Überganges, die die strahlungsempfindliche Oberfläche darstellt, durch eine Metallschicht mit dem Kollektor des Tranaistors verbunden ist.
- 3) Matrix für integrierte Strahlungadetektoren nach Anspruch 2) dadurch gekennzeichnet, dass sie getrennte Felder aus einem monokristallinen Halbleitermaterial in einem polykristalinen Halbleitermaterial aufweist, wobei die beiden Halbleitermaterialien durch eine Oxydschicht getrennt aind, und dass jedes Feld eine bestimmte Anzahl von integrierten Strahlungadetektoren enthält, deren Kollektoren miteinander durch ein monokriatallinea Halbleitermaterial verbunden sind, und die Emitter der Transietoren miteinander entsprechend dem der Matrix 2x1 verleihende. Schaltungeaufbau verbunden werden,009021/076840 -Vj-
- 4) Verfahren zur Herstellung eines integrierten Strahlungsdetektors nach Anspruch 2), der mit einer eine n+-leitende Schicht aufweisenden Fotodiode ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die n+-leitende und die den Emitter des Transistors "bildende Schicht in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
- 5) Verfahren zur Herstellung eines integrierten Strahlungsdetektors nach Anspruch 4) dadurch gekennzeichnet, dass eine η - leitende Kontaktschicht auf dem Kollektor des Transistors während des genannten Arbeitsganges hergestellt wird.009821/0711
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