DE1614348A1 - Photoelectric semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
Photoelectric semiconductor device and method of manufacturing the sameInfo
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Description
Telejön; 83 15 10 .Telejön; 83 15 10.
8Q00 München 60,8Q00 Munich 60,
L·» 12. OKt. 1967 L · » October 12th. 1967
P 1935P 1935
THE PLESSEY COMPANY LIMITED ' 56 Vicarage Lane, Ilford, Essex/GroßbritannienTHE PLESSEY COMPANY LIMITED '56 Vicarage Lane, Ilford, Essex / Great Britain
Lichtelektrische Halbleiteranordnung; und Verfahren zur Herstellung derselben*Photoelectric semiconductor device; and procedure to make the same *
Die Erfindung bezieht sich auf lichtelektrische Anordnungen und insbesondere auf Halbleiterphotodioden-Pühlelemente.The invention relates to photoelectric assemblies and particularly to semiconductor photodiode sensing elements.
Bei optisch-elektronischen Anwendungen, bei welchen sowohl hohe Empfindlichkeit als auch hohes Auflösungsvermögen erforderlich ist, ist es notwendig, daß die Phptodioden-Pühlelemente kleine Qberfl&chenbereiche einnehmen und sehr geringe Dunkelströjn» aufweisen»In optoelectronic applications in which both high sensitivity and high resolution are required, it is necessary that the phptodiode Pühlelemente occupy small surface areas and very small ones Dark streams »show»
Bu/ßrt.Bu / ßrt.
EsIt
0 09827/04660 09827/0466
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Erfordernisse zu erfüllen und gleichzeitig die Möglichkeit für die Ansammlung von Elektronen-Lochpaaren aufrechtzuerhalten, welche durch tiefes Eindringen einfallender Strahlung in das Halbleitermaterial erzeugt werden.It is an object of the present invention to meet these needs and at the same time enable the possibility for the accumulation of electron-hole pairs to be maintained, which by deep penetration is incident Radiation can be generated in the semiconductor material.
Die Erfindung schafft daher eine lichtelektrische Halbleiteranordnung, gekennzeichnet durch ein Stück Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps mit einer ebenen Oberfläche, welches einen ersten Bereich aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, und durch einen elektrischen Anschluß zu diesem ersten Bereich, welcher durch einen zweiten, einen Verbindungsbereich aus dem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bildenden Bereich hergestellt wird, der sich vorzugsweise mindestens bis zu der ebenen Oberfläche erstreckt und dessen Querschnittsfläche in Ebenen parallel zu dieser Oberfläche bezüglich der entsprechenden Querschnittsfläche des ersten Bereichs in diesen Ebenen klein ist.The invention therefore creates a photoelectric semiconductor arrangement, characterized by a piece of semiconductor material of one conductivity type having a planar Surface containing a first region of semiconductor material of the opposite conductivity type, and by an electrical connection to this first area, which by a second, a connection area made of the semiconductor material of the opposite conductivity type forming region which preferably extends at least up to the flat surface and whose cross-sectional area in Planes parallel to this surface with respect to the corresponding one The cross-sectional area of the first area in these planes is small.
Da der Dunkelstrom einer Photodiodenanordnung hauptsächlich durch die Länge der PN-Trennfläche oder -Grenzschicht in der ebenen Oberfläche bestimmt wird, ergibt die vorliegende Erfindung den bedeutenden Vorteil, daß Halbleitermaterial des entgegengesetzten LeitfähigkeitstypsBecause the dark current of a photodiode array is mainly determined by the length of the PN interface or boundary layer is determined in the flat surface gives the present Invention the significant advantage that semiconductor material of the opposite conductivity type
009827/0466 innerhalb 009827/0466 within
innerhalb des Trägers oder Körpers der Anordnung enthalten sein kann, so daß ein großes Ansammlungsvolumen für durch" einfallende Strahlung erzeugte Elektronen-Lochpaare gebildet wird* während der elektrische Anschlußbereich eine verhältnismäßig kleine Querschnitts fläche mindestens dort besitzt, wo er die ebene Oberfläche der Anordnung erreicht, wodurch der Umfang der PN-Trennflache oder -Grenzschicht in der Oberfläche klein ist und dadurch einen geringen Dunkelstrom hervorruft.contained within the support or body of the assembly can be, so that a large accumulation volume for by " incident radiation generated electron-hole pairs is formed * while the electrical connection area is a relatively small cross-sectional area has at least where it reaches the flat surface of the arrangement, whereby the Perimeter of the PN interface or boundary layer in the surface is small and thus causes a low dark current.
Bei der Ausführung des Erfindungsgedankens kann der Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Diffundieren eines Bereichs dieses Materials in eine ebene Oberfläche einer Scheibe des Trägermaterials gebildet werden, sodann auf die ebene Oberfläche Material aufgebracht werden, aus welchem der Träger gebildet ist, und sodann kann man den Anschlußbereich oder Yerbindungsbereich in dieses letztere Material diffundieren lassen.When carrying out the inventive idea, the area of the opposite conductivity type by diffusion an area of this material into a flat surface a disc of the substrate are formed, then material can be applied to the flat surface which the carrier is formed, and then the connection area or area of connection in this latter Allow material to diffuse.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es selgtThe invention is illustrated in greater detail, for example, with the aid of the figures explained. It sucks
Figur 1 einen Schnitt durch, einen Halbleiterträger nachFigure 1 shows a section through a semiconductor carrier
Leitfähigkeitstyps
Diffusion eines/ÄK! wan Halbleitermaterial in denselben,.Conductivity type
Diffusion of a / ÄK! wan semiconductor material in the same.
Figur 2 einen Schnitt du^ah 'fieri, in Figu^.l dargas teilten Halbleiterträger a welcher ψοτ> &®w Diffusion einem At><L@ck«Figure 2 a section through ^ ah 'fieri, in Figu ^ .l dargas divided semiconductor carrier a which ψοτ>& ®w diffusion an At><L @ ck "
■0.9:12 7/0-4!■ 0.9: 12 7 / 0-4!
16H34816H348
verfahren unterzogen wurde, undprocedure, and
Figur 3 einen Schnitt durch die fertige Photodiode gemäß der Erfindung.FIG. 3 shows a section through the finished photodiode according to the invention.
Wie in Figur 1 gezeigt,' ist in einen N-Typ-Träger 1 ein P-Typ-Bereich 5 diffundiert. Um diesen diffundierten Bereich zu erzeugen, wird der Träger 1 mit einem geeigneten Oxyd 2 (Figur 2) überzogen und sodann wird auf den Oxydüberzug 2 eine Schicht aus Photowiderstandsmaterial 3 aufgebracht, von welchem Teile mit Hilfe einer geeigneten Abdeckung oder Blende 4 mit Ultraviolettstrahlung belichtet werden. Das Photowiderstandsmaterial wird sodann entwickelt und zusammen mit der unterhalb dieser belichteten Teile gelegenen Oxydschicht abgeätzt, wodurch Bereiche des Trägers freigelegt werden, in welchen man das P-Typ-Halbleitermaterial in den Träger 1 diffundieren läßt. Die unbelichteten Teile des Photowiderstandsmaterials werden nun zusammen mit den Resten der Oxydschicht entfernt, wodurch die in Figur 1 gezeigte Anordnung zurückbleibt. Auf die in Figur 1 gezeigte Anordnung wird eine weitere Schicht 9 aus N-Typ-Halbleitermaterial aufgebracht, wobei das Aufbringen nach dem allgemein bekannten epitaktischen Verfahren durchgeführt wird. Durch ähnliche Verfahren wie das oben beschriebene wird ein weiterer Bereich von P-Typ-Halbleitermaterial in die N-Typ-Schicht 9 diffundiert, bis eine Berührung; .009827/0466As shown in FIG. 1, in an N-type carrier 1, a P-type region 5 is diffused. To create this diffused area, the carrier 1 is coated with a suitable oxide 2 (Figure 2) and then a layer of photoresistive material 3 is applied to the oxide coating 2, parts of which are exposed to ultraviolet radiation with the aid of a suitable cover or screen 4 . The photoresist material is then developed and etched away together with the oxide layer located below these exposed parts, whereby areas of the carrier are exposed in which the P-type semiconductor material is allowed to diffuse into the carrier 1. The unexposed parts of the photoresist material are now removed together with the remains of the oxide layer, leaving the arrangement shown in FIG. 1. A further layer 9 of N-type semiconductor material is applied to the arrangement shown in FIG. 1, the application being carried out according to the generally known epitaxial method. By methods similar to that described above, another area of P-type semiconductor material is diffused into the N-type layer 9 until contact; .009827 / 0466
/ - ;1BH348/ -; 1BH348
rührung mit der P-Typ~Sehicht 5 hergestellt :wird3wie in Figur 3 gezeigt. v Contact with the P-type layer 5: becomes 3 as shown in FIG. 3. v
Weiter, wird durch ähnliche ÄuiTsringverfahren, wie sie vorher beschrieben wurden., ein Metallkontakt 8 auf den P-Typ-Bereich 6 aufgebracht« Die Oxydschicht 7 dient zum Schutz der in der· Oberfläche liegenden PN-Trennfläche vor ungew&ischten Änderungen der Umgebungstemperatur,Next, by a similar ringing method as her previously described., a metal contact 8 on the P-type area 6 applied «The oxide layer 7 is used to protect the PN interface lying in the surface against unwanted changes in the ambient temperature,
Die Dicke des P-iyp-Bereiohs 5 wird durch die Wärmebehandlungszeifen und -temperaturen und die Diffusionskonstante der P-Typ-Verunreinigung bestimmt. The thickness of the P-iyp area 5 is determined by the heat treatment time and temperatures and the diffusion constant of the P-type impurity are determined.
Bei Betrieb der Vorrichtung werden ElektrΌnen-L·ochpaare durch einfallende Strahlung erzeugt, welche sowohl in das P» als auch N-Typ-Material eindringt. Wenn die PN-Trennflache umgekehrt vorgespannt ist, diffundieren die Minoritätaträger s dohe Eiektronen im P-Typ-Material und Löcher im N-Tyρ-Material9 zur Trennfläche und sodann überqueren diese Träger infolge der Wirkung des an der Trennfläche dureh die umgekehrte Vorspahnung erzeugten Feldes die Trennfläche und erzeugen einen Strom im äußeren Kreis.When the device is in operation, pairs of electrons and holes are generated by incident radiation which penetrates both the P and N-type material. When the PN interface is reversely biased, the minority carriers s d o h e eeelectrons in the P-type material and holes in the N-type material 9 diffuse to the interface and then cross these carriers due to the action of the at the interface through the reverse Premonition generated the interface and generate a current in the outer circle.
Für die wirksame Ansammlung von Elektronen-Lochpaaren ist es nötig, da& die eirtfallende Strahlung in das Halbleitermaterial bis au einer Tiefe eindringts welche nahezu gleichFor the effective accumulation of electron-hole pairs is necessary because the & eirtfallende radiation into the semiconductor material to a depth penetrating au s which is nearly equal
dgg ■dgg ■
.16U348.16U348
■ der Tiefe der PN-Trennflache von der Oberfläche IO aus ist. Da bei der oben beschriebenen Anordnung die PN-Trennflache in zwei verschiedenen Höhen liegt, d.h. an der oberen und unteren Oberfläche des P-Typ-Bereichs 5, wird eine wirkungsvollere Ansammlung von Elektronen-Lochpaaren sowohl bei flachem als auch tiefem Eindringen der Strahlung hervorgerufen, oder, etwas technischer ausgedrückt, da das Eindringen eine Funktion der Wellenlänge ist, kann eine Photodiode gemäß der Erfindung auf Strahlung eines weiteren Frequenzbereiches ansprechen als es bei bekannten Photodioden möglich ist.■ the depth of the PN interface from the surface IO is. Since in the arrangement described above, the PN interface is at two different heights, i.e. on the upper and lower surfaces of the P-type area 5 a more efficient accumulation of electron-hole pairs with both shallow and deep penetration of the radiation caused, or, to put it more technically, because the Penetration is a function of the wavelength, a photodiode according to the invention can react to radiation of another Address the frequency range than is possible with known photodiodes.
Ein weiteres Merkmal der Anordnung besteht darin, daß der Hauptteil des Reststroms proportional zum umfang der von dem F-T-yp-Bereieh 6 und dem N-Typ-Träger 9 gebildeten PN-Trennflache ist. Wenn daher der P-Typ-Bereich 5,groß genug gemacht wird, so daß ein Reststrom erzeugt wird, welcher dem durch einen ungeladenen P-Typ-Bereich 6 erzeugten Dunkelstrom vergleichbar ist, so ist die Anordnung ohne Erhöhung des Rauschens oder Reststroms so empfindlich, daß sie anstelle eines Photoelektronen-Vervielfachers verwendet werden kann. Another feature of the arrangement is that the main part of the residual current is proportional to the extent of the formed by the F-T-type region 6 and the N-type carrier 9 PN interface is. Therefore, if the P-type area is 5, large enough is made so that a residual current is generated, which is generated by an uncharged P-type area 6 Dark current is comparable, the arrangement is so sensitive without increasing the noise or residual current, that it can be used in place of a photoelectron multiplier.
Diese Ausführungsform wurde nur beispielsweise beschrieben und die P- und N-Typ-Bereiche können nach irgendeinem bekannten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise könnenThis embodiment has only been described as an example and the P- and N-type ranges can be according to any known one Process can be applied, for example
diethe
00 9 827/0 48800 9 827/0 488
die P-Typ-Bereiche 5 und 6 durch loneneinimpfung -erzeugt werden, wobei der Bereich 5 jede geeignete Form, Größe oder Tiefe besitzen'kann. Außerdem kann der Bereich 6 an jeder geeigneten Stelle ausgebildet werden, vorausgesetzt, daß eine Berührung mit dem Bereich 5 hergestellt wird.the P-type regions 5 and 6 are generated by ion inoculation, the region 5 being of any suitable shape, size or depth. In addition, the area 6 can be formed in any suitable location provided that contact with the area 5 is made.
Dieser Aufbau bietet den Vorteil, daß er eine hohe Dichte von Komponenten je Oberflächeneinheit besitzt"a da Komponenten eines integrierten Stromkreises in den N-Typ-Bereichen zwischen der Oberfläche 10 und der oberen Oberfläche des P-Typ-Bereichs 5 ausgebildet werden können, beispielsweise Metalloxyd-Halbleiter-Feldtransistoren. Dementsprechend kann die oben beschriebene Anordnung auf einemHalbleiterplättehen in großen Anzahlen zusammen mit irgendeiner erforderlichen Schaltung, beispielsweise Verstärkersehaltungen oder Impulsgeneratorschaltungen für Abtastzwecke, ausgebildet werden, wobei solche Strukturen vorteilhaft in Fernsehkamera-Röhren oder als Empfangseinrichtung bei der Infrarotphotographie praktisch angewendet werden.This construction offers the advantage that it has a high density of components per unit surface area "a since components can be formed of an integrated circuit in the N-type regions between the surface 10 and the upper surface of the P-type region 5, for example Metal oxide semiconductor field transistors. Accordingly, the arrangement described above can be formed on a semiconductor plate in large numbers together with any necessary circuit such as amplifier circuits or pulse generator circuits for scanning purposes, such structures being advantageously used in television camera tubes or as receiving means in infrared photography .
Aus dem Vorstehenden 1st zu entnehmen, daß die beschriebene Anordnung insbesondere für den Nachweis Irgendeiner Art von Strahlung geeignet ist, welche in das Halbleitermaterial der Anordnung eindringen kann, wie beispielsweise Infrarotstrahlung Atomstrahlung (Gamma- und Beta-Strahlen) und dergleichen.From the foregoing it can be seen that the described The arrangement is particularly suitable for the detection of any type of radiation which may enter the semiconductor material of the Arrangement can penetrate, such as infrared radiation, atomic radiation (gamma and beta rays) and the like.
00982 7/0466-00982 7 / 0466-
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