DE1808406B2

DE1808406B2 - Strahlungsdetektor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1808406B2
Application number: DE1808406A
Authority: DE
Inventors: Gerard Cane Maret (Frankreich)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-11-14
Filing date: 1968-11-12
Publication date: 1979-01-04
Also published as: US3619621A; CH483125A; GB1242006A; BE723728A; FR1552072A; DE1808406A1; AT314677B; NL6816002A; DE1808406C3; JPS4837235B1; SE339728B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungsdetektors.

Bekanntlich können mittels solcher Detektoren, bei denen der laterale Photospannungseffekt benutzt wird und wie sie aus der US-PS 33 51 493 bekannt sind, die Auftreffpunkte der den Detektor treffenden Strahlung bestimmt werden. Der detektierende Übergang dieser positionsempfindlichen Detektoren kann z. B. ein Übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps oder ein Übergang zwischen zwei Zonen gleichen Leitungstyps aber unterschiedlicher Leitfähigkeit sein. Bei Bestrahlung des Detektors kann die Position des Auftrsffpunktes aus dem Potentialunterschied zwischen den Elektroden bestimmt werden.

Die einfachste Ausführungsform dieser Detektoren, die nur in einer Koordinatenrichtung eine Information in bezug auf den Auftreffpunkt erteilen, ist langgestreckt rechteckig, wobei auf einer Hauptfläche zwei Elektroden in Form schmaler, langer Kontakte parallel zu den kurzen Rechteckseiten angebracht sind. Die Erfindung wird an Hand dieser Art von Detektoren beschrieben, aber es sei bemerkt, daß die Erfindung ebenfalls bei Detektoren mit geometrisch anders orientierten Kontakten durchführbar ist.

Diese Detektoren mit lateraler Photospannung werden zur Ortsbestimmung des Auftreffpunktes elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung; verwendet. Diese Detektoren können verschiedenartig konstruiert werden je nachdem sie zum Detektieren von Lichtstrahlen z. B. Sonnenstrahlen oder von Teilchenstrahlung benutzt werden.

Insbesondere beim Studieren von Teilchenstrahlung ist es häufig wichtig, sowohl die Energie als auch den Auftreffpunkt der Teilchen zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird im aligemeinen durch Metallisierung eine weitere Elektrode auf praktisch der ganzen, nicht mit den beiden Elektroden versehenen Hauptflächen angebracht. Die zu detektierende Strahlung trifft diese hauptfläche und die weitere Elektrode dient sowohl zum Erzielen eines Signals gleich der Summe der an den beiden erstgenannten Elektroden erhaltenen Signale, welches Signal das entgegengesetzte Vorzeichen hat und eine von der Energie des delektierten Teilchens abhängige Amplitude aufweist, als auch zum Vorspannen des Überganges, so daß die Dicke der Verarmungszone und der Widerstand der mit den beiden Elektroden versehenen Schicht geändert werden können.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei Strahlungsdetektoren die Elektron-Loch-Paare, die in dem Halbleitermaterial in die Diffusionslänge A überschreitenden Abständen von dem Übergang generiert werden, den Übergang nicht erreichen und somit nicht zum photoelektrischen Effekt beitragen, wodurch der Wirkungsgrad des Detektors beschränkt wird. Das Halb-

leitermaterialvolumen in einem Abstand von dem Übergang, der kleiner als λ ist, bildet gleichsam das Nutzvolumen des Detektors. Das Nutzvolumen der bekannten Detektoren ist gleich S · λ, wobei S den Flächeninhalt des Oberganges bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Detektors der eingangs genannten Art zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere in einer durch Steigerung der Empfindlichkeit des lateralen Photodetekr.ors erreichten Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber der eingangs genannten, bekannten Bauart eines Strahlungsdetektors zu sehen, bei '.er der photoempfindliche zweite Übergang nicht zur Empfindlichkeitssteigerung beiträgt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß der Strahlungsdetektor ohne eine besondere Speisung verwendbar ist.

Das Verfahren gemäß Anspruch 9 hat den Vorteil, daß die Zwischenschicht, d. h. das Gebiet, in dem die Mehrheit der Elektronen-Loch-Paare auftreten, eine hohe Kristallgüte aufweist, woraus sich eine Vergrößerung der Diffusionslänge und somit eine Vergrößerung des Nutzvolumens und eine Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I einen schematischen Schnitt durch einen Strahlungsdetektor,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor nach Fig. I,

Fig. 3 und 4 schematisch zwei Stufen eines Verfahrens /ur Herstellung eines Strahlungsdetektors,

Fig. 5 ein Beispiel einer Vorrichtung mit einem Strahlungsdetektor,

Fig.6 und 7 zwei weitere Beispiele von Vorrichtungen mit einem Strahlungsdetektor.

Der Strahlungsdetektor nach den F i g. 1 und 2 enthält zwei praktisch parallele Übergänge 3 und 5. Auf einer Unterlage 1 des einen Leitungstyps mit einer hohen Dotierung und somit einem niedrigen spezifischen Widerstand und mit hinreichender Dicke zur Sicherstellung der mechanischen Festigkeit des Detektors wird eine epitaklische Schicht 2 des anderen Leitungstyps mit einer Dicke von einigen Zrhn um angebracht, die einen ersten Übergang 3 bildet. An der Oberfläche der Schicht 2 wird eine Schicht 4 des einen Lei'.ungstyps örtlich diffundiert, die eilen zweiten Übergang 5 bildet. Die diffundierte Schicht muß dünn sein, so daß die zu delektierenden Teilchen ein hohes Signal liefern können, während die Geometrie derart sein soll, daß auf der Schicht 2 durch Elektroden 6a und 6b bequem Kontakte hergestellt werden können.

Wenn bei einer Vorrichtung mit einem solchen Detektor die Übergänge durch Anlegen einer Spannung in der Kehrrichtung vorgespannt werden soll, muß wie vorstehend gesagt eine Elektrode auf der Unterlage 1 und eine Elektrode auf der Schicht 4 angebracht werden.

Zum Herstellen eines solchen Detektors kann z. B. auf einer η-leitenden Siliciumunterlage 1 eine p-leitende Schicht mit einer Dicke von 50 μπι durch ein bekanntes epitaktisches Verfahren mit Bor als Dotierung angebracht werden, wobei z. B. B₂He als Quelle benutzt werden kann. In die Schicht 2 wird darauf Phosphor z. B. ϊ aus der Verbindung P2O5 eindiffundiert, nachdem die für die Elektroden 6a und 6b bestimmten Zonen maskiert worden sind. Durch diese Diffusion bis zu einer geringen Tiefe (z. B. 0,5 μιη) entsteht eine n-Ieitende Schicht 4. Die Elektroden 6a und 6b werden darauf durch ein

iu bekanntes Metallisierungsverfahren angebracht

Der spezifische Widerstand der nutzbaren Zone 2 beträgt z. B. einige Zehn Ohm.cm, der der Unterlage 1 z. B. etwa 0,1 Ohm.cm und der der diffundierten Schicht 4 z. B. etwa 03 Ohm.cm.

Ii Die Vorteile eines solchen Verfahrens liegen in der Homogenität der Dotierungskonzentration, der Gleichmäßigkeit der Dicke und dem spezifischen Widerstand der epitaktischen Schicht, wodurch eine lineare Kennlinie erhalten wird.

-'ι Der Strahlungsdetektor nach den F i g. 1 und 2 kann auch auf andere Weise erhalten -erden. Ein Beispiel wird an Hand der F i g. 3 und 4 beschrieben. Auf einer der Schicht 2 entsprechenden Oberfläche der Unterlage 11 des p-Typs und hoher Kristallgüte mit einem

.'■> spezifischen Widerstand von 40 bis 50 Ohm.cm und einer jroßen Dicke wird epitaktisch eine n-leitende Schicht 12 (entsprechend der Schicht 1) mit einer Dicke von mindestens 100 μπι angebracht, die die mechanische Festigkeit des Detektors schaffen soll, und die mit der

w p-leitenden Schicht einen Übergang 1Λ (gleich dem Übergang 3) bildet. Darauf wird die gegenüberliegende Oberfläche der Unterlage 11 auf 50 μπι mechanisch abgeschliffen und chemisch geätzt und auf der erhaltenen Oberfläche wird die η-leitende Schicht 14

i'i (gleich der Schicht 4) diffundiert, wodurch ein Übergang 15 (gleich dem Übergang 5) entsteht. Die Diffusion der Schicht 14 und die Anbringung der Kontakte 16 erfolgen in der vorstehend beschriebenen Weise.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in der hohen

«1 Kristallgüte der p-Ieitenden Unterlage und in der Möglichkeit einer Wahl des spezifischen Widerstandes in einem weiten Bereich, wodurch eine größere Diffusionslänge, ein größeres Nutzvolumen, ein höherer Photostrom und somit eine Zunahme der Empfindlich-

f> keit erzielt werden.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer Verwendung des Strahlungsdetektors nach den Fig. I und 2. Die Strahlung fällt in Richtung des Pfeiles Fein.

Es ist bekannt, daß sogar bei Abwesenheit einer

>" Vorspannung eine Verarmungszone an den Übergängen auftritt; die im Nutzvolumen der Schichten 1 und 2 erzeugten Elektron-Loch-Paare können somit voneinander getrennt werden. Wenn diese Paare im Nur. ooimen der Schicht 1 erzeugt werden, bleiben die

"> "■ Elektronen in der Schicht 1 zurück, während die Löcher sich dem Übergang entlang in der Schicht 2 verteilen. Die überschüssigen Löcher werden wieder in die Schicht I in einem bestimmten Abstand von dem Auftreffpunkt injiziert und ziehen die in der Schicht 1 zurückgebliebenen Elektronen an. Wenn die Elektronen-Loch'Paarc im Nutzvolumen der Schicht 2 erzeugt v/erden, bleiben die Löcher in dieser Schicht zurück, während die Elektronen auf die Schichten 1 und 4 übergehen und sich längs der zwei Übergänge verteilen. Der Überschuß kehrt in die Schicht 2 zurück in einem bestimmten Abstand von dem Auftreffpunkt und zieht die Löcher der Schicht 2 an. Infolge der Verschiebung von Elektronen und Löchern werden beiderseits des

Aufireffpunktes Strome erzeugt, die Potentialunterschiede hervorrufen, deren Werte über die Elektroden 6.7 und 6b mittels eines Meßgerätes M des Voltmetertyps gemessen werden können.

Nötigenfalls können die Signale verstärkt werden und kann das Meßgerät an den Widerstand zwischen den Elektroden 6a und %b angepaßt werden, welcher Widerstand wegen des hohen spezifischen Widerstandes des Materials der Schicht 2 hoch ist.

Der Vorteil dieser Verwendung liegt darin, daß keine äußere Spannungsquellc notwendig ist.

Die F-" i g. 6 und 7 zeigen scheinatisch zwei Schaltungen mit dem Strahlungsdetektor nach den K i g. 1 und 2. wobei die beiden Übergänge 3 und 5 in der Kehrrichtung vorgespannt werden, wodurch die Dicke der Verarmungszone vergrößert werden kann. Zu diesem Zweck wird zunächst ein Kontakt 7 auf der diffundierten Schicht 4 und eine Elektrode 8 auf der I \nmr\ja(* 1 anffphrarhl In Af*r **,r\in\\\\r\a f!^anh F ! ^lT ^ werden zwei Spcisequcllen benutzt, von denen eine (Ah) zwischen einer der mit der Schicht 2 verbundenen Fllektroden (z. B. 6a) und dem Kontakt 7 und die zweite (Al₂) zwischen einer der beiden letzteren Elektroden 6a und 7 und der Elektrode 8 eingeschaltet werden. In der Schaltung nach F"ig. 7 wird nur eine Speisequelle Ali verwendet, die parallel zu einem Spannungsteiler R\. Ri geschaltet ist. Die Enden dieses Spannungsteilers werden mit den Elektroden 6a bzw. 8 verbunden, während der Abgriff mit dem Kontakt 7 verbunden wird. In beiden Fällen wird das Meßgerät M zwischen den Elektroden 6a und 66 eingeschaltet.

Unabhängig von der gewählten Schallung wird ein angepaßtes Meßgerät für die Ablesung verwendet, dem nötigenfalls ein Verstärker vorangeht. Die angelegten Spannungen müssen niedrig sein, damit die Durchbruchspannung nicht überschritten wird. Obgleich hier zwei Übergänge vorhanden sind, sei bemerkt daß diese Vorrichtung nicht wie ein Transistor wirksam ist, da die Übergänge beide in der Kehrrichtung vorgespannt werden.

Der Vorteil eines solchen Detektors liegt in einer erheblichen Erhöhung des Ausgangspegels und der Eripfindlichkeit.

L I r/wlpn Ln

nnnArt im

dene Paare von Elektroden auf der Zwischenschicht angebracht werden, wodurch Information in bezug auf die Auftreffstelle in zwei Koordinaten erhalten werden kann. Weiterhin lassen sich andere Halbleitermaterialien, wie z.B. Germanium und A¹¹¹ — B^v-Verbindungen verwenden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlungsdetektor mit einem Halbleiterkörper mit zwei zueinander praktisch parallelen Hauptflächen, der zwei praktisch parallel zu den Hauptflächen verlaufende Obergänge (3,5) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale und drei aufeinanderfolgende Schichten (1, 2, 4) unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften enthält, wobei eine dieser Schichten an einer der beiden Hauptflächen mit mindestens zwei in einem Abstand voneinander liegenden Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den beiden anderen Schichten liegende Schicht (2) sich an der Stelle der Elektroden (6a, 6b) bis zu der Hauptfläche erstreckt, auf die die Strahlung einfällt und die an diese Hauptfläche grenzende äußere Schicht (4) wenigstens größtenteils zwischen den beiden Elektroden liegt

2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übergänge (3,5) zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Signale PN-Übergänge sind, wobei die beiden äußeren Schichten (1,4) von einem Leitungstyp sind und die zwischen diesen Schichten liegende Schicht (2) vom anderen Leitungstyp iiL

3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Hauptfläche, auf die die Strahlung einfällt, grenzende äußere Schicht (4) eine Dicke von etwa 0,5 μιη aufweist.

4. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ^,kennzeichnet, daß die zwischen den beiden ,-nderen Schichten liegende Schicht (2) eine Dicke von etwa Γ 1 μπι aufweist.

5. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Schichten (I, 4) mit je mindestens einer Kontaktelektrode (8,7) versehen sind.

6. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (6a, 6b) der zwischen den beiden anderen liegenden Schicht mit einem Meßgerät (M) zum Messen des Potentialunterschiedes zwischen diesen Elektroden verbunden sind.

7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übergänge (3, 5) mit Hilfe mindestens einer Speisespannungsquelle (Al)\n der Sperrichtung vorgespannt sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einem Halbleiterkörper mit zwei zueinander praktisch parallelen Hauptflächen durch Diffusion eine Oberflächenschicht des einen, dem ursprünglichen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Einkristall-Halbleiterunterlage des einen Leitungstyps eine epitaktische Schicht des anderen Leitungstyps aufgebracht wird, und daß die Oberflächenschicht des einen Leitungstyps örtlich durch Diffusion in der freien Oberfläche der epitaktischen Schicht erzeugt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einem Halbleiterkörper mit zwei zueinander praktisch parallelen Hauptflächen durch Diffusion eine Oberflächenschicht des einen, dem ursprünglichen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps er

zeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Einkristall-Halbleiterunterlage des anderen Leitungstyps eine epitaktische Schicht des einen Leitungstyps aufgebracht wird, worauf die Unterlage durch Schleifen und Ätzen dünner gemacht und danach die Oberflächenschicht des einen Leitungstyps örtlich durch Diffusion in der freien Oberfläche der Unterlage erzeugt wird.