DE1957335C3 - Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement und seine Verwendung in einer Bildaufnahmeröhre - Google Patents

Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement und seine Verwendung in einer Bildaufnahmeröhre

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DE1957335C3 DE1957335A DE1957335A DE1957335C3 DE 1957335 C3 DE1957335 C3 DE 1957335C3 DE 1957335 A DE1957335 A DE 1957335A DE 1957335 A DE1957335 A DE 1957335A DE 1957335 C3 DE1957335 C3 DE 1957335C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
ίο Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines solchen Halbleiterbauelementes in einer Bildaufnahmeröhre.
Ein Halbleiterbauelement der genannten Art ist aus der US-PS 34 03 284 bekannt.
Um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen, ist es erforderlich, daß die strahlungsempfindlichen Elemente klein sind und daß die an einer bestimmten Stelle erzeugten Ladungsträger von dem dieser Stelle entsprechenden strahlungsempfindlichen Element auf gefangen werden und nicht an ein benachbartes Element oder an die zwischenliegende Halbleiteroberfläche gelangen. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Mosaikelemente möglichst nahe beieinander angeordnet werden. Außerdem wird versucht, wenn die Strahlung auf die den Mosaikelementen gegenüberliegende Oberfläche der Auftreffplatte einfällt, diese Platteotöglichstdünn zu machen.
Aus technologischen Gründen ist aber kaum möglich die Halbleiterscheibe beliebig dünn zu machen. Weiter muß die Scheibe auch zur Beibehaltung einer genügenden Empfindlichkeit bei großen Wellenlängen eine bestimmte Mindestdicke haben, die in der Größenordnung von 10—100 μπι liegt. Außerdem ist es im allgemeinen ungünstig, wenn die strahlungsempfindlichen Elemente sehr nahe aneinander angeordnet werden, weil die Kapazität der Auftreffplatte dadurch unerwünscht hoch werden kann, wodurch die Trägheit der Auftreffplatte vergrößert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei Anwendung vieler nahe
•»o aneinander angeordneter sehr kleiner Elemente der Gesamtleckstrom (Dunkelstrom) verhältnismäßig groß wird.
Wenn die Trägheit der Auftrcffplatte verkleinert werden soll, muß die Platte kleiner gemacht werden, oder müssen bei gleichbleibender Oberfläche der Auftreffplatte die Mosaikelementc in größeren Abständen voneinander angeordnet werden. In beiden Fällen wird aber die Auflösung beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das
M Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß sowohl eine geringe Trägheit, als auch eine hohe Auflösung erreicht werden. Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß durch ein in den Halbleiterkörper eingebautes geeigne-
tes Dotierungsprofil verhindert wird, daß örtlich von Strahlung erzeugte Ladungsträger von benachbarten Elementen aufgefangen werden, oder daß Ladungsträger zu der zwischen den Elementen liegenden Halbleiteroberfläche abfließen, wobei außerdem diese
bo Ladungsträger zu dem entsprechenden Element geschickt werden können.
Die genannte Aufgabe wird in Anwendung dieser Erkenntnis erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Halbleiterbauelements wird erreicht, daß durch die vorhandene inhomogene Substratdotierung um jedes strah-
lungsempfindliche Element wenigstens unterhalb des gleichrichtenden Überganges ein solches eingebautes Feld vorhanden ist, daß in der Nähe jedes der genannten gleichrichtenden Obergänge die Minoritätsladungsträger im Substrat von allen Richtungen her zum Obergang getrieben werden. Dadurch werden die von der Strahlung erzeugten Minoritätsladungsträger zum nächstliegenden Element getrieben und so vermieden, daß sie zu einem benachbarten Element gelangen.
Hierdurch wird erreicht, daß die Auflösung verbessert wird und daß die Abmessungen der strahlungsempfindlichen Elemente nicht mehr das Einfangvermögen bestimmen, so daß diese Elemente viel kleiner als üblich ausgebildet werden können, was auch eine erhebliche Verringerung der Kapazität und des Dunkelstromes zur Folge hat
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch einen Querschnitt rJurch ein Halbleiterbauelement,
F i g. 2,3,5,6,7 und 8 schematisch Querschnitte durch das Bauelement nach F i g. 1 in aufeinanderfolgenden Herstellungstufen,
Fig.4 eine Draufsicht auf das Bauelement nach Fig. 1 in der Herstellungstufe, die in Fig.5 im Querschnitt längs der Linie V-V dargestellt ist,
Fig.9 schematisch einen Querschnitt durch eine jo andere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements,
Fig. 10 schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung,
Fig. 11 und 12 schemalisch Querschnitte durch eine .is weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements in auffolgenden Herstellungsstufen und
Fig. 13 schematisch einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement in einer Aufnahmeröhre.
Die Figuren sind der Deutlichkeit halber insbesondere in der Dickenrichtung nicht maßstäblich gezeichnet. Entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. I ist schcmalisch ein Querschnitt durch einen Teil eines Halbleiterbauelements dargestellt. Das Bauelement enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper I aus Silicium mit einem N-Ieitenden Substratgebiel (3, 4), das mit einem Anschlußleiter 2 versehen ist. An einer Oberfläche 5 der Siliciuinscheibe ist ein strahlungsempfindliches Mosaik angebracht, das aus w identischen strahlungsempfindlich^ Dioden (7, 4) besteht, di·; je einen gleichrichtenden PN-Übergang 6 zwischen einer P-Ieitenden Zone 7 und einer ersten N-Ieitenden Substratzonc 4 enthalten. Dabei ist diese erste Substratzono 4 niedriger als das Gebiet 3 (die zweite Substratzonc) dotiert, das sich zwischen den Dioden bis zu der Halbleiteroberfläche 5 erstreckt und bei jeder der Dioden die Zone 4 innerhalb des Halbleiterkörpers völlig umgibt. Die Oberfläche 5 ist zwischen den Dioden (7, 4) mit einer Schicht 12 aus Siliciumoxyd überzogen.
Die zweite Substratzone 3 hat eine Phosphordotierungskonzentration von I019 Atomen/cmJ. Die erste Substratzone 4 hat eine Dotierungskonzentration, die von einem Wert von \0]q Phosphoratomen/cm3 an der Stelle des Übergangs zwischen den Zonen 3 und 4 her kontinuierlich auf einer Wert von 10" Atomen/cmJ an der Stelle des gleichrichtenden Übergangs 6 abnimmt.
Infolge der beschriebenen inhomogenen Dotierung ist im Subsiratgebiet(3,4) von jedem Übergange her im sämtlichen Richtungen ein elektrisches Driftfeld vorhanden, das auf den betreffenden Übergang gerichtet ist und durch das sich Löcher im Substratgebiet in Richtung auf den Übergang 6 bewegen werden.
Die zweite Substratzone 3 hat, wie oben erwähnt wurde, an der Oberfläche 5 eine Dotierungskonzentration von 1019 Atomen/cm3. Dies ist im allgemeinen ausreichend um die Bildung eines Inversionskanals an dieser Oberfläche zu verhindern, der einen Leckweg zwischen Dioden bilden könnte.
Das Bauelement nach F i g. 1 läßt sich z. B. auf folgende Weise herstellen. Es wird (siehe F i g. 2) von einer N-Ieitenden Siliziumscheibe 3 mit einem Durchmesser von 25 mm, einer Dicke von 200 μπι und einer Phosphordotierung von 1019 Atomen/cm3 ausgegangen, weiche Scheibe derart orientiert ist, daß ihre Hauptflächen nahezu parallel zu der (lOO)-Kristallfläche verlaufen.
Von dieser Siliziumscheibe wird tine der Hauptflächen poliert und geätzt, so daß die Oberfläche eine möglichst fehlerlose Kristallstruktur aufweist. Diese Oberfläche wird dann bei 11000C in feuchten Sauerstoff oxydiert, bis eine Oxydschicht 8 mit einer Dicke von 0,5 μιη erhalten ist (siehe F i g. 3).
In dieser Oxydschicht werden mit Hilfe in der Halbleitertechnik allgemein üblicher Photoätztechniken quadratische Löcher 9 mit Abmessungen von 27 χ 27 μίτι mit in Richtung der Seiten der Löcher einem Stich von 30 μιη angebracht (siehe F t g. 4 und den Querschnitt längs der Linie V-V nach F i g. 5). Anschließend wird mit einem Gemisch aus 250 g KOH, 850 g H2O und 25 g Isopropanol während etwa 15 Minuten geätzt, wobei (siehe Fig.6) im Silizium Hohlräume 10 mit einer Tiefe von 13 μπι gebildet werden. Infolge der (lOO)-Orientierung der Siliziumscheibe wird praktisch nur in der Dickenrichtung der Scheibe geätzt, während in seitlicher Richtung nahezu kein Silizium unter der Oxydschicht weggeätzt wird.
Oann wird durch Ätzen in Fluorwasserstoff die Oxydschicht 8 entfernt und durch epitaktisches Anwachsen auf der Oberfläche und in den Hohlräumen 10 eine Schicht 11 aus N-Ieitendem Silizium mit einer Phosphordotierung von 1015 Atomen/cm3 mi' einer Dicke von 15 μιη angebracht (siehe F i g. 7).
Die epitaktische Schicht 11 wird anschließend abgeschliffen, bis das hochdotierte N-Ieitende Substrat 3 erreicht ist, und dann geätzt, so daß voneinander getrennte epitaktische Gebiete 4 zurückbleiben (siehe Fig.8). Dann wird die Siliziumscheibe auf 1200°C während 3 Stunden in einer Atmosphäre von bei 25°C mit Wasser gesättigtem Sauerstoff erhitzt. Dabei bildet sich \sit-he Fi g. 8) eine Oxydschicht 12 mit einer Dicke von 0,6 μτη, während auch von dem N+-Substrat 3 her Phosphor in die Gebiete 4 hineindiffundierl, so daß in diesen Gebieten 4 eine von dem Substrat 3 her abnehmende Phosphorkonzentration vorhanden ist, wobei an der S'elle der gestrichelten Linie 13 die Phosphorkonzentration auf 1015 Atome/cm3 abgenommen hai. Diese Fläche 13 gleicher Konzentration verläuft größtenteils parallel zu der Oberfläche 5 und liegt etwa 2 μπι unter dieser Oberfläche. Infolge der Tatsache, daß die Phosphoratome weniger leicht in das Siliziumoxyd als in f las Silizium eindiffundieren, wird die Fläche 13, in der die Konzentration 10" Atome/cm3 beträgt, an der Oberfläche 5 nach innen abgebogen, so daß längs der Oxydschicht 12 die Phosphorkonzentra-
tion langsamer als vom übrigen Teil des Übergangs zwischen den Zonen 3 und 4 her abnimmt.
In die Oxydschicht 12 werden wieder mit Hilfe bekannter Photoätztechniken runde Fenster 14 (siehe F i g. I) mit einem Durchmesser von 10 μπι geätzt. Über '< diese Fenster wird auf übliche Weise bei 11000C Bor in einer geschlossenen Kapsel eindiffundiert, wobei die Diffusionsquelle aus Siliziumpulver mit einer Borkonzentration von 1019 Atomen/cm3 besteht, bis die eindiffundierten p-leitenden Zonen 7 (siehe Fig. I) mit PN-Übergängen 6 auf etwa 2 μπι unter der Oberfläche gebildet sind. Da diese Bordiffusion von viel kürzerer Dauer als die vorangehende Ausdiffusion von Phosphoratomen aus der Zone 3 in die epitaktische Zone 4 ist, ändert sich die Phosphorverteilung in den ι ^ epitaktischen Gebieten 4 während dieser Bordiffusion nahezu nicht. Die PN-Übergänge 6 liegen somit etwa auf dem Pegel, auf dem die vom Substrat her abnehmende Phosphorkonzentration auf die ursprüngliche Donalorkonzentration der epitaktischen Schicht Il 2n abgenommen hat.
Der Absland der PN-Übergänge 6 von dem Substratgebict 3 ist in diesem Beispiel überall kleiner als 50 μηι, d. h. kleiner als die mittlere Diffusionslänge der Löcher in den Gebieten 4. so daß ein optimaler Einfang r> von Ladungsträgern durch die Übergänge 6 erreicht wird.
Die weitere Bearbeitung der Auftreffplatte ist von dem Anwendungszweck abhängig. Wenn der Elektronenstrahl zum Abiasten der Dioden und der Lichtstrahl ><> zur Erzeugung eines Strahlungsgebildes beide auf die Seite der Platte einfallen, auf der sich die Dioden befinden, was z. B. erzielt werden kann, wenn man den Elektronenstrahl und den bilderzeugenden Lichtstrahl unter verschiedenen Winkeln auf die Auftreffplatte *"> einfallen läßt, ist es ausreichend, eine Elektrodenschicht 2 auf der ganzen von den Dioden abgekehrten Oberfläche der Platte anzubringen (siehe F ig. 1). Wenn der Lichtstrahl von der anderen Seite her auf die Auftreffplatte einfällt, empfiehlt es sich, die Platte durch i(i Abschleifen und Ätzen von dor von den Dioden aDgekenrten UDemache auf eine Gcsamtaicke herabzusetzen, die höchstens gleich der Absorptionslänge der Strahlung im Substrat ist. für die die Elemente empfindlich sind, im vorliegenden Beispiel z. B. auf eine ■»■ Dicke von 20 μπι. Auf der Oberfläche, auf die der Lichtstrahl einfällt, wird dann am Rande ein ringförmiger Kontakt angebracht, wobei erforderlichenfalls zur Vergrößerung der Festigkeit die Auftrcffplatte noch auf einem für Strahlung durchlässigen Träger angebracht ϊο werden kann.
Nach einer Variante des beschriebenen Verfahrens kann nach dem Anbringen der P-leitenden Zonen 7 auf übliche Weise noch selektiv in dies Zonen eine N-leitende Zone 15 mit einer Eindringtiefe von z. B. 1 um eindiffundiert werden (siehe F i g. 9). Die strahlungsempfindlichen Elemente werden dann durch Phototransistoren (15, 7, 4) gebildet, deren Übergang 6 den Kollektor-Basis-Übergang bildet.
Das beschriebene Verfahren kann nach einer feo Abwandlung auch ohne Abschleifen der epitaktischen Schicht 11 durchgeführt werden. Dabei wird eine etwas andere Struktur erhalten. Ein Detail dieser Struktur mit zwei Dioden (16,4)und (17,4) ist in Fig. 10 dargestellt. Dabei erstreckt sich die zweite Substratzone 3 nicht bis zu der Halbleiteroberfläche, sondern nur bis über die gemeinsame Berührungsfläche 18 hin. die durch die gleichrichtenden Übergänge J9 und 20 bestimmt wird.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements wird anhand der Fig. Il und 12 beschrieben. Gleich wie bei der vorangehenden Ausführungsform wird von einer N-Ieitenden Siliciumscheibe 31 (siehe Fig. 12) mit einem Durchmesser von 25 mm, einer Dicke von 200 μηι und einer Phosphorkonzentration von IO19 Atomen/cm3 ausgegangen. Von dieser Scheibe wird wieder eine der Hauptflächen poliert und geätzt, wonach bei 1IOO°C in feuchtem Sauerstoff oxidiert wird, bis eine Oxidschicht 32 mit einer Dicke von etwa 0.5 μηι erhalten ist.
In diese Oxidschicht werden runde Fenster 35 mit einem Durchmesser von 6 μηι und in zueinander senkrechten Richtungen einem Stich von 20 μηι geätzt, so daß eine Struktur erhalten wird, clic in F i g. 11 schematisch im Querschnitt dargestellt ist.
Die Siliciumscheibe wird dann auf eine Temperatur von 115O0C während 150 Stunden in einer evakuierten Quarzampulle in Gegenwart von schwachdotiertem Siliciumpulver (Dotierung 10'5 Atomen/cm1) erhitzt. Während dieser Erhitzung diffundieren Phosphoratome aus der Scheibe über die Fenster 33 aus. Dadurch bilden sich (siehe Fig. II) in der Scheibe niedriger dotierte Gebiete 34, in denen die Konzentration von der Oberfläche her auf einen Wert von 5 ■ 10'* Atomen/cm1 an der Stelle der gestrichelten Linie 35 auf etwa 7 um unter der Oberfläche zunimmt.
Anschließend wird über die Fenster 3Ϊ Bor bis zu eitler Tiefe von 1 μηι zur Bildung der P-Icitenden Zonen 36 cindiffundiert (siehe Fig. 12). Auf dieser Tiefe beträgt die Phosphorkonzentration etwa IOlb Atome/ cm'. Die Dioden (36. 34) mit den PN-Übergängcn 37 bilden das strahlungsempfindliche Mosaik.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der. daß ein epitaktisches Anwachsen und ein zusätzlicher Ausrichtschritt nicht erforderlich sind: die Ausdiffusions/cit ist dagegen aber verhältnismäßig lang.
Die weitere Bearbeitung der Auftrcffpl.itte erfolgt auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform.
Fig. 13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Aufnahmeröhre, die eine Auftreffplatte der
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enthält eine Elektronenquelle in Form eines Elektronenstrahlerzeugungssystems 41. das einen Elektronenstrahl erzeugen kann, mit dem die Platte 42 durch Ablenkung des Elektronenstrahls mit Hilfe eines geeigneten Spulensystems 43 abgetastet werden kann. Durch Sekundäremission erhaltene Elektronen werden von einem Gitter 44 aufgefangen. Die Linse 45 projiziert über die Glasplatte 46 ein Strahlungsbild auf die Auftreffplatte 42. Die Auftreffplatte ist auf der von den strahlungsempfindlichen Dioden 47 abgekehrten Seite am Umfang mit einem ringförmigen Anschlußkontakt 48 versehen, der im Betriebszustand über den Widerstand 49 an die positive Klemme einer Spannungsquelle 50 angeschlossen ist, deren negative Klemme mit der Elektronenquelle 41 verbunden ist. Die Dioden werden von der Spannungsquelle 50 mittels des Elektronenstrahls aufgeladen und dann durch einfallende Strahlung völlig oder teilweise entladen. Die Stromsignale, die dadurch erhalten werden, daß die Dioden beim nächstfolgendem Durchgang des Elektronenstrahls wieder aufgeladen werden, können z. B. über den Widerstand 49 an den Klemmen 51 und 52 entnommen werden.
Das strahlungsempfindliche Mosaik kann unter Umständen statt durch einen Elektronenstrahl durch andere Mittel abgetastet werden. Zum Beispiel kann
jedes der strahlungsempfindlichen Elemente auf der dem Mosaik zugekehrten Seite mit einem gesonderten Anschlußleiter versehen werden, über den die Elemente auf galvanischem Wege aufgeladen werden können. Auch können statt Dioden oder Transistoren andere strahlungsempfindliche Elemente, z.B. PNPN-Struktu-
ren, verwendet werden.
Als Materialien können statt Silizium auch andere Halbleitermaterialien, z. B. Germanium oder lll-V-Verbindungen verwendet werden; die unterschiedlichen Haibleilerzonen können aus verschiedenen Halbleitermaterialien aufgebaut sein.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein mit einem Anschlußleiter versehenes, unterschiedlich stark dotierte Substratzonen aufweisendes Substratgebiet vom einen Leitungstyp enthält und von dem eine Oberfläche wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht überzogen ist, wobei der Körper ein Mosaik aus nahezu identischen, in regelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordneten, jeweils in einer öffnung in der Isolierschicht gebildeten, strahlungsempfindlichen Elementen zur Umwandlung eines Strahlungsbildes in elektrische Signale enthält, jedes Element einen mit einer niedrig dotierten Substratzone des einen Leitungstyps gebildeten gleichrichtenden Übergang aufweist und das Substratgebiet außerdem eine an die niedrig dotierte Substratzone grenzende, höher dotierte Substratzone der einen Leitungstyp enthält, wodurch ein elektrisches Driftfeld erzeugt wird, welches Minoritätsladungsträger im Substratgebiet in Richtung auf die strahlungsempfindlichen Elemente treibt, dadurch.gekennzeichnet, daß jeder einzelne gleichrichtende Übergang {6,37) und die angrenzende niedrig dotierte Substratzone (4, 34) im Halbleiterkörper nahezu völlig von der höher dotierten Substratzone (3,31) umgeben sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die höher dotierte Substratzone (3) sich ^wischen den strahlungsempfindlichen Elementen bis zu der Oberfläche (5) des Halbleiterkörpers (l)vrstreckt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höher Jotierte Substratzone (3, 31) zwischen den slrahlungsempfindlichen Elementen wenigstens an der Oberfläche eine derart hohe Dotierungskonzentration aufweist, daß sich dort kein Inversionskanal bilden kann.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrig dotierte Substratzone (4, 34) eine Dotierungskonzentration aufweist, die von der höher dotierten Substratzone (3,31) her, bis zu dem gleichrichtenden Übergang (6,37) kontinuierlich abnimmt.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der niedrig dotierten Substratzone (4), von dem Übergang zwischen der niedrig (4) und der höher dotierten Substratzone (3) her gesehen, längs der Isolierschicht (12) langsamer als vom übrigen Teil des erwähnten Übergangs her abnimmt.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des gleichrichtenden Übergangs (6,37) von der höher dotierten Subslratzone (3, 31) höchstens gleich der mittleren Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der niedrig dotierten Subslratzone ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Elemente aus Phototransistoren bestehen, deren Basis-Kollektor-Übergang durch den gleichrichtenden Übergang (6) gebildet wird (F ig. 9).
8. Verwendung eines Halbleiterbalielementes nach einem der vorangehenden Ansprüche I bis 7 als AiiftrcffDlattc in einer Bildaufnahmeröhre, in der die Auftreffplatte (42) durch einen von einer Elektronenquelle (41) erzeugten Elektronenstrahl abgetastet wird.
DE1957335A 1968-11-27 1969-11-14 Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement und seine Verwendung in einer Bildaufnahmeröhre Expired DE1957335C3 (de)

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