DE19618593A1 - Strahlungsempfindliches Detektorelement und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsempfindliches Detektorele­ ment sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung desselben.

Bekannte strahlungsempfindliche Detektorelemente, insbesondere Photo­ elemente, dienen zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungssignale in elektrische Signale. Für derartige Detektorelemente existieren vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang etwa der Ein­ satz in der Abtasteinheit von lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtungen. Dort dienen die vorgesehenen Detektorelemente zum Erfassen der amplitu­ denmodulierten Strahlungssignale, die beim Relativversatz einer. Maßstabs- Teilung und einer Abtastplatte resultieren. Gefordert wird ein möglichst kompakter Aufbau der Abtasteinheit, das heißt es ergeben sich bestimmte Anforderungen an die darin eingesetzten strahlungsempfindlichen Detek­ torelemente. Darüberhinaus ist auch eine möglichst einfache Fertigung der verwendeten Bauelemente, insbesondere der Detektorelemente, wün­ schenswert.

Die üblichen strahlungsempfindlichen Detektorelemente weisen einen akti­ ven Bereich auf, in dem Schichten mit unterschiedlichen Ladungsträgerkon­ zentrationen benachbart angeordnet sind, beispielsweise Halbleiterschich­ ten unterschiedlicher Dotierung. Es handelt sich hierbei etwa um pn-Über­ gänge, in denen innerhalb eines aktiven Bereiches bzw. innerhalb einer sich ausbildenden Raumladungszone durch die einfallende elektromagnetische Strahlung freie Ladungsträger erzeugt werden. So bestehen handelsübliche Photoelemente auf Silizium-Basis aus n-dotiertem Silizium, in dessen Ober­ fläche eine dünne Schicht p-dotiertes Silizium eindiffundiert wurde. Der er­ wähnte aktive Bereich, in dem beim Einfall von Strahlung eine Ladungsträ­ gertrennung erfolgt, liegt hierbei knapp unterhalb der strahlungsempfindli­ chen Oberfläche. Um die derart erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteschaltung zu übermitteln, sind am Detektorelement angeordnete Kontaktelemente oder -Elektroden erforderlich.

Derart aufgebaute strahlungsempfindliche Detektorelemente können in der Abtasteinheit nunmehr beispielsweise in eine Leiterplatte integriert werden, auf der darüberhinaus auch Teile der nachgeordneten Auswerteelektronik angeordnet sind. Es bietet sich somit eine Ausbildung der Detektorelemente als sogenannte SMD-Elemente (Surface Mounted Devices) an. Hierunter versteht man miniaturisierte Bauelemente, die direkt auf die Oberfläche von Leiterplatten oder anderen Substraten montiert werden können. Bei einer derartigen Ausgestaltung der strahlungsempfindlichen Detektorelemente resultieren jedoch gewisse Anforderungen insbesondere an die Kontaktie­ rung. Als vorteilhaft erweist sich dabei, wenn die Detektorelemente auf der­ jenigen Seite mit geeigneten Anschlußkontakten versehen werden, die ge­ genüberliegend zur strahlungsempfindlichen Oberfläche angeordnet ist. Eine solche rückseitige Kontaktierung ist bei Solarzellen beispielweise aus der US 4,897,123 oder aber aus der EP 0 452 588 grundsätzlich bekannt. In der US 4,897,123 wird hierzu vorgeschlagen, einen der beiden Kontakte über eine klammerartige Verbindung von der strahlungsempfindlichen Ober­ fläche in Richtung der gegenüberliegenden Oberfläche, d. h. zur Rückseite zu führen. Der zweite Kontakt befindet sich bereits auf dieser gegenüberlie­ genden Oberfläche, so daß eine Kontaktierung von der Rückseite des Bau­ elementes her möglich ist. Nachteilig hieran erweist sich insbesondere der fertigungstechnische Aufwand zur Ausbildung der klammerartigen Verbin­ dung zwischen Vorder- und Rückseite des Bauelementes.

Aus der EP 0 452 588 ist bekannt, mittels geeignet dimensionierter Durch­ brüche durch den aktiven Bereich eine rückseitige Kontaktierung zu ermög­ lichen, d. h. die Anschlußkontakte auf derjenigen Seite vorzusehen, die der strahlungsempfindlichen Seite gegenüberliegt. Bei einer derartigen rücksei­ tigen Kontaktierung wird aufgrund der vorgesehenen Durchbrüche die Kri­ stall-Struktur der verschiedenen Halbleiterschichten unerwünscht beeinflußt bzw. gestört.

Photoelemente sowie IR-Detektorelemente mit rückseitig angeordneten Kontaktelektroden sind desweiteren aus den Veröffentlichungen R.S. Sussmann et al. "Ultra-Low-Capacitance Flip-Chip-Bonded GalnAs PIN Photodetector For Long-Wavelentgh High-Data-Rate Fibre-Optic Systems", Electronics Letters July 1985 Vol. 21, No. 14, S. 593-595 sowie "SDI needs Alter detector′s mission", Photonics Spectra, Januar 1986, S. 86, 88 be­ kannt. Details zur Herstellung derartiger Detektorelemente finden sich in diesen Veröffentlichungen jedoch nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungsempfindliches Detektorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaf­ fen, welches über die SMD-Technik montierbar und einfach bzw. kosten­ günstig zu fertigen ist. Gefordert ist dabei insbesondere eine Möglichkeit zur Kontaktierung auf der Seite, die gegenüberliegend zu derjenigen Oberfläche angeordnet ist, auf die die einfallende Strahlung auftrifft.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein strahlungsempfindliches Detektorele­ ment mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen strahlungsemp­ findlichen Detektorelementes ergeben sich aus den Merkmalen in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsempfindlichen Detektorele­ mentes wird durch die Maßnahmen in Anspruch 15 angegeben.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsver­ fahrens ergeben sich aus den Maßnahmen in den von Anspruch 15 abhän­ gigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen Detek­ torelementes ermöglicht nunmehr die SMD-Montage auf einer Leiterplatte, da eine Kontaktierung des Detektorelementes von der Rückseite her mög­ lich ist, d. h. von derjenigen Seite, die gegenüberliegend zur strahlungs­ empfindlichen Seite angeordnet ist. Im Fall des Einsatzes des Detektorele­ mentes innerhalb der Abasteinheit einer lichtelektrischen Positionsmeßein­ richtung lassen sich somit die erwähnten Anforderungen hinsichtlich des gewünschten geringen Platzbedarfes erfüllen.

Desweiteren ergeben sich Vorteile bei der Massenfertigung derartiger Bau­ elemente, wenn diese in sogenannten Batch-Prozessen analog zur Halblei­ ter-Fertigung hergestellt werden können. Hierbei werden auf einem einzigen Trägersubstrat, z. B. aus Silizium, eine große Anzahl identischer Bauele­ mente gleichzeitig fertigen.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lösung erge­ ben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbei­ spiele anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine erstes Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen strahlungsempfindlichen De­ tektorelementes;

Fig. 2a-2d jeweils einen Verfahrensschritt zur Herstellung des Detektorelementes aus Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen strahlungsempfindlichen Detek­ torelementes;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen strahlungsempfindlichen Detek­ torelementes;

Fig. 5a eine vierte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen strahlungsempfindlichen Detek­ torelementes;

Fig. 5b die Ausführung der Kontaktierung in der Aus­ führungsform der Fig. 5a;

Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen strahlungsempfindlichen Detek­ torelementes;

Fig. 7a-e jeweils einen Verfahrensschritt zur Herstellung des Detektorelementes aus Fig. 6.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen strah­ lungsempfindlichen Detektorelementes (1) in einer seitlichen Schnittdarstel­ lung. Dieses umfaßt eine Trägerstruktur (2), auf der eine Schichtanordnung (3) mit mehreren unterschiedlichen Schichten (5, 6) aufgebracht ist, im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel mit zwei verschiedenen Schichten (5, 6). Die Oberseite des Detektorelementes (1) ist mit zwei Kontaktelementen (8a, 8b) versehen. Als Material für die Kontaktelemente (8a, 8b) ist in der dargestell­ ten Variante Gold vorgesehen.

Die zu detektierende elektromagnetische Strahlung (hν) beaufschlagt dem­ zufolge in der Darstellung der Fig. 1 die Unterseite des Detektorelementes (1), d. h. die Unterseite fungiert als eigentliche strahlungsempfindliche Flä­ che. Die Kontaktelemente (8a, 8b) zur Verbindung des Detektorelementes (1) mit einer schematisiert dargestellten, nachgeordneten Auswerteschal­ tung (100) sind hingegen an der Oberseite vorgesehen, also an derjenigen Seite, die gegenüberliegend zur strahlungsempfindlichen Seite angeordnet ist. Diese Anordnung eignet sich wie vorab erläutert insbesondere zur ge­ wünschten SMD-Montage des Bauelementes auf einer Leiterplatte und wird durch die nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglicht.

Die auf der Trägerstruktur (2) befindliche Schichtanordnung (3) umfaßt zwei aneinandergrenzende Schichten (5, 6) bzw. Schichtbereiche, in denen un­ terschiedliche Ladungsträger jeweils in definierter Konzentration vorhanden sind. Als untere Schicht (5) ist eine n-dotierte Silizium-Halbleiterschicht vor­ gesehen, darüber befindet sich eine p-dotierte Silizium-Halbleiterschicht (6).

Im Grenzbereich zwischen den beiden Schichten (5, 6) bildet sich eine Sperrschicht aus, die nachfolgend als aktiver Bereich (7) bezeichnet wird und die in der Darstellung der Fig. 1 vergrößert eingezeichnet ist. Im akti­ ven Bereich (7) der Schichtanordnung (3) resultiert beim Einfall der elektro­ magnetischen Strahlung (hν) eine Erzeugung von Ladungsträgerpaaren (9a, 9b), die wiederum als elektrische Signale in der nachgeordneten Auswerte­ schaltung (100) detektiert werden können. Hierzu sind die beiden Halbleiter­ schichten (5, 6) auf der Oberseite mit den bereits erwähnten Kontaktele­ menten (8a, 8b) versehen.

Unterhalb der Schichtanordnung (3) mit den beiden verschieden dotierten Schichten (5, 6) ist noch eine weitere Schicht (4) vorgesehen, die als SiO₂- Schicht ausgebildet ist und deren Funktion im Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird. An dieser Stelle sei lediglich erwähnt, daß diese Schicht (4) aufgrund der Einfallsrichtung der zu detektierenden Strahlung (hν) selbstverständlich durchlässig für die jeweilige Strahlungs-Wellenlänge λ sein muß.

Bei bekannten strahlungsempfindlichen Detektorelementen bzw. Photoele­ menten trifft die einfallende Strahlung (hν) üblicherweise von der entgegen­ gesetzten Seite auf das Bauelement, d. h. auf der Seite der in der Regel dünneren der beiden Halbleiter-Schichten (6) auf, weshalb eine Kontaktie­ rung von der Rückseite und damit die gewünschte SMD-Montage nicht möglich ist.

Erfindungsgemäß ist deshalb nunmehr vorgesehen, die Schichtanordnung (3) so zu dimensionieren, daß das Detektorelement (1) von der eigentlichen "Rückseite" mit der zu detektierenden Strahlung (hν) beaufschlagt werden kann. Die elektromagnetische Strahlung (hν) trifft demzufolge zunächst auf die dickere (5) der beiden Halbleiterschichten des pn-Überganges, bevor im aktiven Bereich (7) die Erzeugung von Ladungsträgern (9a, 9b) erfolgt. Hierzu muß insbesondere die Lage des aktiven Bereich (7) des strahlungs­ empfindlichen Detektorelementes (1) relativ zur stahlungsempfindlichen Oberfläche definiert eingestellt werden. Zur definierten Einstellung der räumlichen Ausdehnung bzw . . Lage des aktiven Bereiches (7) relativ zu den begrenzenden Oberflächen werden bevorzugterweise die Dotierungskon­ zentrationen in den beiden aneinandergrenzenden Schichten (5, 6) variiert.

Je nach nach gewählter Konzentration bildet sich der aktive Bereich (7) ge­ eignet aus.

Die Eindringtiefe der zu detektierenden Strahlung (hν) muß demzufolge aus­ reichen, um die Ladungsträgertrennung im aktiven Bereich (7) zu ermögli­ chen, auch wenn zunächst die dickere (5) der beiden Halbleiterschichten (5, 6) durchtreten wird, d. h. der Strahlungseinfall aus dieser Richtung erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wurde hierzu die Dicke d der Schichtanordnung (3) derart dünn gewählt, daß die erwähnten Vorausset­ zungen erfüllt sind, d. h. die Ladungsträgertrennung im aktiven Bereich (7) erfolgt. Der aktive Bereich (7) nimmt in dieser Ausführungsform demzufolge fast die gesamte Dicke der Schichtanordnung (3) ein.

Da die unterhalb der Schichtanordnung (3) vorgesehene Schicht (4) trans­ parent für die einfallende Strahlung (hν) ausgelegt ist, ist deren Dicke in diesem Zusammenhang von untergeordneter Bedeutung.

Bei einer zu detektierenden Wellenlänge von 830 nm ergibt sich auf Grund­ lage dieser Überlegungen bei den gewählten Materialien eine Schichtdicke d der beiden Halbleiterschichten (5, 6) in der Größenordnung 2-5 µm. Der ak­ tive Bereich (7) bildet sich demzufolge in dieser Ausführungsform entspre­ chend der Darstellung nach Fig. 1 nahezu in der gesamten Schichtanord­ nung (3) aus.

Analog hierzu ändern sich selbstverständlich die zu wählenden Parameter mit anderen Strahlungswellenlängen bzw. anderen Materialien. So ist es etwa auch möglich, dickere Schichtanordnungen einzusetzen, bei denen der aktive Bereich nicht die gesamte Schichtdicke ausmacht, sondern relativ zur strahlungsempfindlichen Oberfläche in Abhängigkeit der Strahlungswellen­ länge passend eingestellt wird. Entscheidend ist wiederum, daß die Ein­ dringtiefe der zu detektierenden Strahlung auf jeden Fall ausreicht, um durch die dickere Schicht hindurch in den aktiven Bereich bzw. in die sich ausbildende Sperrschicht oder Raumladungszone der benachbart angeord­ neten Schichten zu gelangen.

Zur Ermittlung der geeigneten Lage des aktiven Bereiches bzw. Dicken der Schichtanordnung ist auch in anderen Fällen die wellenlängenabhängige Absorptionscharakteristik dieser Materialien heranzuziehen. In diesem Zu­ sammenhang sei beispielsweise auf eine entsprechende graphische Darstellung dieser Zusammenhänge für verschiedene geeignete Materialien in S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd edition, New York 1981, S. 750, Fig. 5 verwiesen.

Diese Überlegungen gelten selbstverständlich auch für andere Übergangs- Arten bei strahlungsempfindlichen Detektorelementen, also nicht nur für reine Halbleiter-Halbleiter-Übergänge, sondern beispielsweise auch für Schottky-Kontakte mit Metall-Halbleiter-Übergängen. Ebenso können selbstverständlich auch andere Halbleitermaterialien gewählt werden, wie GaAs, InP usw.

Um die Dicke d der Schichtanordnung (3) bzw. die Dicke der beiden Halblei­ terschichten (5, 6) derart dünn einstellen zu können, erweisen sich für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel bestimmte fertigungstechnische Maßnahmen als vorteilhaft. So ist vorgesehen, daß die beiden Halbleiter­ schichten (5, 6) bzw. der aktive Bereich (7) durch eine Trennschicht (4) von der Trägerstruktur (2) separiert sind. Wie bereits angedeutet, ist die Trenn­ schicht als SiO₂-Schicht ausgebildet, die für die zu detektierende Wellen­ länge von 830 nm durchlässig ist.

Bei der nachfolgend anhand der Fig. 2a-2d erläuterten Fertigung des erfindungsgemäßen Detektorelementes (1) fungiert diese Trennschicht (4) als Ätzstopschicht. Die Erzeugung dieser Schicht erfolgt im sogenannten SIMOX-Verfahren (Separation by Implanted Oxygen). Zu weiteren Details dieses Verfahrens sei beispielsweise auch auf die Veröffentlichung von A. Müller et al. mit dem Titel "Ein thermoelektrischer Infrarotsensor als Bei­ spiel für den Einsatz von SIMOX-Substraten für die Herstellung von Senso­ ren und Mikrosystemen" in SENSOR 93, Kongreßband III, S. 238-245 verwiesen.

In Fig. 2a ist ein erster Verfahrensschritt des Fertigungsprozesses darge­ stellt, bei dem eine Sauerstoff-Implantation in ein n-dotiertes, einkristallines Si-Substrat erfolgt. Im zweiten Verfahrensschritt der Fig. 2b wird der knapp unterhalb der Oberfläche eingebrachte Sauerstoff in einem mehrstündigem Prozeß bei hohen Temperaturen von ca. 1300°C getempert. Hierbei heilen Strahlungsschäden aus und es verbindet sich der implantierte Sauerstoff mit dem Silizium zur SiO₂-Schicht, die scharfe Übergänge zum benachbarten Si-Substrat aufweist. Typische Dicken der SiO₂-Schicht liegen in der Größ­ enordnung mehrerer hundert nm (Nanometer). Der Abstand der einge­ brachten Schicht von der darüberliegenden Oberfläche beträgt ebenfalls einige hundert nm.

Im nachfolgenden Prozeßschritt der Fig. 2c dient die SiO₂-Schicht nun­ mehr als Trennschicht während eines Ätzprozesses, bei dem mittels Kali­ lauge (KOH) der untere Teil des Si-Substrates bis zur SiO₂-Trennschicht bzw. Ätzstopschicht selektiv weggeätzt wird, so daß die auch in Fig. 1 er­ kennbare Trägerstruktur (2) resultiert, die das komplette Detektorelement (1) mechanisch stabilisiert. Im Fall einer runden Ausführung des Detektor­ elementes (1) ist die Trägerstruktur (2) demnach zylinderförmig ausgebildet; selbstverständlich sind aber auch andere Geometrien realisierbar. Der zen­ trale, freigeätzte Bereich des Detektorelementes (1) mit der begrenzenden SiO₂-Schicht fungiert nachfolgend als strahlungsempfindliche Oberfläche.

Im Bereich der darunter befindlichen Ausnehmung kann zusätzlich noch ein nicht dargestelltes - Füllmaterial eingebracht werden, das für die zu detek­ tierende Strahlung transparent ist und eine zusätzliche mechanische Stabi­ lisierung das Detektorelementes (1) bewirkt.

Im Prozeßschritt der Fig. 2d wird schließlich mittels bekannter Diffusi­ onstechniken in die oberhalb der Trennschicht befindliche dünne Silizium- Schicht eine räumlich begrenzte p-dotierte Zone (6) geringer Dicke einge­ bracht, so daß der bereits anhand von Fig. 1 beschriebene Aufbau der Schichtanordnung resultiert. Typische Dicken dieser Schicht liegen etwa im Bereich mehrerer hundert nm.

Nicht mehr dargestellt ist die abschließende Kontaktierung der Oberseite mit den Kontaktelektroden, was über bekannte Bonding-Verfahren in Form von Sputtern oder Bedampfen erfolgt.

Neben der Verwendung einer SiO₂-Schicht als Trennschicht bzw. Ätzstop­ schicht im erfindungsgemäßen Detektorelement, ist es desweiteren möglich, alternativ zur Sauerstoff-Implantation eine Bor-Implantation vorzunehmen, so daß sich eine entsprechende Trennschicht in Form einer Silizium-Bor- Verbindung knapp unterhalb der Oberfläche ausbildet. Bei geeignet gewähl­ ter Bor-Konzentration, etwa im Konzentrations-Bereich 10²⁰ Atome/cm³, wirkt diese Schicht dann ebenfalls als Ätzstopschicht und eine Herstellung des erfindungsgemäßen Detektorelementes ist analog zu den Fertigungs­ schritten in den Fig. 2a-2d möglich.

Eine Möglichkeit zur Optimierung des erfindungsgemäßen Detektorelemen­ tes hinsichtlich der verwendeten Wellenlänge besteht desweiteren darin, wenn in einem separaten Verfahrensschritt nach der erfolgten Sauerstoff- oder Bor-Implantation und dem nachfolgenden Temper-Prozess eine Silizi­ umschicht definierter Dicke auf die Ätzstopschicht epitaktisch aufgewachsen wird. Derart läßt sich die Dicke der Schichtanordnung und damit auch die Lage des aktiven Bereiches relativ zur strahlungsempfindlichen Oberfläche in der gewünschten Art und Weise einstellen. Dies ist insbesondere zur An­ passung der Dicke der Schichtanordnung an die Eindringtiefe der verwende­ ten elektromagnetischen Strahlung von Vorteil, da sich derart eine einfache Möglichkeit zur wellenlängen-optimierten Dimensionierung ergibt. Der aktive Bereich innerhalb der Schichtanordnung liegt somit immer in einer an die wellenlängenabhängige Eindringtiefe angepaßten Entfernung von der strahlungsempfindlichen Oberfläche. Die erforderliche p- und n-Dotierung der beiden Schichten erfolgt nach dem Epitaxie-Prozeß durch entspre­ chende Diffusionsverfahren, bei-denen in räumlich getrennten Bereichen der Schichtanordnung die verschiedenen Ladungsträger definiert eingebracht werden.

Darüberhinaus läßt sich eine Optimierung des erfindungsgemäßen Detek­ torelementes bei zu detektierender Strahlung im infraroten Spektralbereich auch dadurch erreichen, wenn in die epitaktisch aufgewachsene Silizium­ schicht zusätzlich Germanium-Atome in einer definierten Konzentration ein­ gebracht werden, so daß ein Si-Ge-Übergitter resultiert. In diesem Spektral­ bereich läßt sich die Detektorelement-Empfindlichkeit somit über die ent­ sprechende Konzentration an eingebrachtem Germanium vorteilhaft beein­ flussen.

Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen strahlungsempfindli­ chen Detektorelementes (31) sei im folgenden anhand von Fig. 3 be­ schrieben. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Dicke d der Schichtanordnung (33) mit den beiden unterschiedlich dotierten Halbleiter­ schichten (35, 36) und dem aktiven Bereich (37) derart dimensioniert, daß die strahlungsempfindliche Fläche des Detektorelementes (31) gegenüber derjenigen Fläche liegt, an der die Kontaktelemente (38a, 38b) in Form von Kontaktelektroden angeordnet sind. Es ist alternativ zur Ausführungsform aus Fig. 1 jedoch nunmehr die Schichtanordnung (33) mit dem aktiven Be­ reich (7) als entsprechend dünne Membran ausgebildet. Die erforderliche Dotierung der Membran (33), d. h. die Ausbildung von p- und n-dotierten Schichten bzw. Bereichen ist bereits in der entsprechend den Anforderun­ gen hergestellten Membran (33) enthalten.

Im Hinblick auf solche Halbleitermembranen sei etwa auf die Informations­ schrift der Fa. Virginia Semiconductor; Inc. aus dem Mai 1992 verwiesen, in der derartige Membranen, ausgeführt als Silizium-Membranen, beschrieben werden.

Vorteilhaft an einer derartigen Ausführung der Schichtanordnung ist die Möglichkeit zur großflächigen und damit rationellen Fertigung der Halblei­ termembranen (33) und damit auch der Detektorelemente. Grundsätzlich ist hierbei auch der Einsatz anderer Halbleiter-Membran-Materialien möglich.

Auf der der einfallenden Strahlung (hν) zugewandten Seite des Detek­ torelementes (31), ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 des­ weiteren eine transparente Passivierungsschicht (34) angeordnet. Diese Passivierungsschicht (34) dient zur Stabilisierung der elektrischen Eigen­ schaften der Membran (33) bzw. des Bauelementes, d. h. zum Schutz gegen verschiedenste Umwelteinflüsse. Als Passivierungsschichten (34) eignen sich beispielsweise SiO₂ oder aber Si₃N₄, die jeweils aus der Gasphase auf die entsprechende Oberfläche abgeschieden werden können.

Zur weiteren mechanischen Stabilisierung ist in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorelementes (31) vorgesehen, die Membran (33) inclusive der Passivierungsschicht (34) auf einem, z. B. zylinderförmigen, Trägerelement (32) anzuordnen. Hierbei erweist sich zudem als günstig, wenn das verwendete Trägerelement (32) den gleichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten aufweist wie die Membran (33), um eventuell auftretende mechanische Spannungen beim Erwärmen zu vermeiden. Im Fall einer Sili­ zium-Membran (32) eignet sich hinsichtlich gleicher Wärmeausdehnungs­ koeffizienten demzufolge ein aus Silizium gefertigtes Trägerelement (32); alternativ hierzu wäre auch der Einsatz von Pyrex möglich.

Ferner ist eine möglichst stabile mechanische Verbindung zwischen der Membran (33) und dem Trägerelement (32) vorteilhaft, um die Stabilität des Detektorelementes (31) gegen Erschütterungen und dgl. zu gewährleisten.

Ein hierfür besonders geeignete Verbindungstechnologie ist das sogenannte "Anodic Bonding", bei dem unter dem Einfluß von definierten Temperaturen und/oder elektrischen Feldern eine Verbindung mit kristallinen Über­ gangstrukturen realisierbar ist. Geeignete Trägermaterialien auf Silizium- Basis für ein Verbinden mit Silizium-Membranen werden etwa von der Fa. HOYA angeboten. Hierzu sei auf die Firmendruckschrift "SD-2 Glass for Anodic Bonding" verwiesen, in der ein hierfür geeignetes Trägermaterial beschrieben wird.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht jeweils des­ weiteren noch die Möglichkeit, in die Schichtanordnung mit dem aktiven Be­ reich weitere elektronische Bauelemente in integrierter Form einzubauen, beispielsweise Verstärker-Elemente oder aber Temperatursensor-Elemente.

Eine dritte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen strahlungs­ empfindlichen Detektorelementes (41) ist in Fig. 4 dargestellt. Wiederum ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Schichtanordnung (43) mit den beiden unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen (45, 46) und dem aktiven Be­ reich (47) so zu dimensionieren, daß eine Kontaktierung auf der der Licht­ einfalls-Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche möglich ist.

Auf einem Trägersubstrat (49), das für die zu detektierende Strahlung (hν) transparent ist, beispielsweise Glas, ist hierbei die Schichtanordnung (43) der Dicke d aufgebracht. Als Ausgangsmaterial für die Schichtanordnung (43) ist im Gegensatz zum in Fig. 1 erwähnten einkristallinem oder aber amorphem Silizium nunmehr sogenanntes nano- oder mikrokristallines Sili­ zium vorgesehen, das in den beiden Schichten (45, 46) bzw. Schichtberei­ chen unterschiedlich dotiert ist. Ein derartiges Material hat im infraroten Wellenlängenbereich eine hohe spektrale Empfindlichkeit; zudem erweist es sich als hinreichend langzeitstabil. Aufgrund der definierten Einstellbarkeit der internen Kristallitstruktur läßt sich beim Herstellungsprozeß zudem die gewünschte spektrale Empfindlichkeit definiert variieren. Das Aufbringen des nano- oder mikrokristallinen Siliziums auf das Trägersubstrat (49) er­ folgt durch eine Abscheidung aus der Gasphase. Zu weiteren Einzelheiten hinsichtlich dieses Materiales sei ferner auf den Konferenzbeitrag "Initial stages of microcrystalline silicon film growth" von S. Koynov et al. anläßlich der Int. Conf. on Amorph. Semicond. (Kobe, JP, Sept. 95) hingewiesen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist das Trägersubstrat (49) zur weiteren mechanischen Stabilisierung außerdem noch auf einem zylin­ derförmigen Trägerelement (42) angeordnet.

Eines der beiden Kontaktelemente (48a) ist über eine geeignete Verbin­ dungstechnik an der Detektorelement-Rückseite mit einem der beiden un­ terschiedlich dotierten Schichtbereiche (46) verbunden. Zur Kontaktierung des anderen Schichtbereiches (45) ist eine leitfähige Zwischenschicht­ anordnung (44) zwischen der Schichtanordnung (43) und dem Träger­ substrat (49) vorgesehen. Hierbei besteht die Zwischenschichtanordnung (44) aus einer für die zu detektierende Strahlung (hν) transparenten Indi­ umzinnoxid-Schicht. Typische Dicken dieser Zwischenschichtanordnung (44) liegen zwischen 30 und 200 nm.

Die Zwischenschichtanordnung (44) erstreckt sich hierbei über eine Fläche, die größer als die benachbarte Fläche der Schichtanordnung (43) mit dem aktiven Bereich (47) dimensioniert ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel also über die komplette Fläche des Trägersubstrates (49). Auf dem Kontak­ tierungsbereich der Zwischenschichtanordnung (44), welche über die Schichtanordnung (43) mit dem aktiven Bereich (47) hinausragt, ist die Indi­ umzinnoxid-Schicht (44) desweiteren mit einer darüberliegenden Haftschicht (44.1) aus Titan versehen. Auf der Haftschicht (44.1) ist das zweite Kon­ taktelement (48b) in Form einer Kontaktelektrode angeordnet, die beispiels­ weise aus Gold Titan oder Nickel aufgedampft wurde.

Auch auf diese Art und Weise ist somit eine Kontaktierung des Detek­ torelementes (41) von derjenigen Oberfläche her möglich, die entgegenge­ setzt zur strahlungsempfindlichen Oberfläche orientiert ist.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen strahlungsempfind­ lichen Detektorelementes zeigen die Fig. 5a und 5b. Die dabei darge­ stellte Variante unterscheidet sich von derjenigen aus Fig. 3 lediglich hin­ sichtlich der gewählten Art der Kontaktierung und der Form des Detek­ torelementes (51). So ist nunmehr vorgesehen, die beiden Kontaktelemente (58a, 58b) jeweils großflächig auf einem im Querschnitt quadratisch aus­ gebildeten Detektorelement (51) auszuführen. Hierbei ist auf der entgegen­ gesetzt zur Strahlungseinfalls-Seite angeordneten Oberfläche eine quadra­ tisch ausgebildete erste Kontaktelektrode (58b) mit einem der beiden Schichtbereiche (55, 56) unterschiedlicher Dotierung verbunden. Die zweite Kontaktelektrode (58a) ist ringförmig um die erste Kontaktelektrode (58b) angeordnet und mit dem zweiten Schichtbereich (55) verbunden. Durch eine derartige großflächige Kontaktieren lassen sich eventuell vorhandene, lokal unterschiedliche Empfindlichkeiten des Detektorelementes (51) vermeiden.

Selbstverständlich sind auch alternative Geometrien für die großflächig aus­ geführte Kontaktelektroden möglich, etwa rotationssymmetrisch angeord­ nete Kontaktelektroden etc.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen strahlungsemp­ findlichen Detektorelementes ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist auf einem Trägerelement (62) eine Trennschicht (64) angeordnet, über der sich die Schichtanordnung (63) mit zwei unterschiedlich dotierten Schichtbereichen (65, 66) und dem sich in der Grenzzone ausbildenden aktiven Bereich (67) befindet. Hierbei sind zwei unterschiedlich dotierte Schichtbereiche (65, 66) vorgesehen, von denen die untere unmittelbar benachbart zur SiO₂-Ätzstop­ schicht angeordnet ist eine größere Grundfläche wie die darüber angeord­ nete, anders dotierte Schicht (66) aufweist, so daß ein rückseitig zugängli­ cher Kontaktierungsbereich zur Verfügung steht, wenn das darüber liegend Material entfernt wurde. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel als p-do­ tierte Schicht ausgebildete Schichtbereich (65) kann dann einfach kontak­ tiert werden, wozu analog zum Beispiel aus Fig. 4 zwischen dem leitfähi­ gen Schichtbereich (65) und der Kontaktelektrode (68b) noch eine Haft­ schicht (64.1) angeordnet ist. Das zweite erforderliche Kontaktelement (68a) wird mit dem anderen Schichtbereich (66) leitend verbunden. Aufgrund der Wahl der Dicke d der Schichtanordnung (63) ist wiederum sichergestellt, daß eine Kontaktierung des Detektorelementes (61) auf der rückseitigen Oberfläche möglich ist.

Ein geeignetes Herstellungsverfahren für das in Fig. 6 dargestellte Detek­ torelement (61) sei im folgenden anhand der Fig. 7a-e erläutert.

Zunächst wird hierzu ausgehend von einem n-dotiertem, einkristallinem Sili­ zium-Substrat über das vorab erläuterte SIMOX-Verfahren eine SiO₂- Schicht (64) eingebracht. Anschließend wird im folgenden Schritt über einen Ionenimplantationsprozeß ein p-dotierter Schichtbereich (65) in einer be­ stimmten Tiefe unterhalb der Substratoberfläche erzeugt die über der SiO₂- Schicht liegt. Die SiO₂-Schicht (64) übernimmt im nächsten Prozeßschritt wie vorab erläutert wiederum die Funktion einer Ätzstopschicht, d. h. im Rahmen eines Ätzprozesses wird mittels Kalilauge (KOH) der strahlungs­ empfindliche Oberflächenbereich des Detektorelementes (61) freigeätzt. An den Randbereichen verbleibt wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 eine Trägerstruktur stehen, die die mechanische Stabilität des Bauelementes erhöht. Über einen anschließenden Lithographie- und Ätzprozeß wird dar­ aufhin ein Randbereich des n-dotierten Siliziums bis hin zur p-dotierten Schicht entfernt.

Die p-dotierte und damit leitfähige Schicht (64) dient in dieser Ausführungs­ form demnach als ganzflächige Kontaktierungsfläche, an der ein geeignetes Kontaktelement (68b) angeordnet werden kann.

Auch in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorelemen­ tes (61) ist demnach eine Kontaktierung von derjenigen Seite her möglich, die entgegengesetzt zur strahlungsempfindlichen Oberfläche orientiert ist. Selbstverständlich lassen sich die verschiedenen erwähnten Materialien für die erfindungsgemäß dimensionierte Schichtanordnung aus den erläuterten Ausführungsbeispielen mit den unterschiedlichen Kontaktierungs-Arten kombinieren. Das gleiche gilt für die vorab erläuterten anderen Maßnahmen in den einzelnen Ausführungsbeispielen. Es ergeben sich somit eine Reihe weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Detektorelementes, die in der vorangehenden Beschreibung nicht explizit erwähnt wurden, aber nichtsdestotrotz auf den erfindungsgemäßen Erkenntnissen beruhen.

Claims (19)

1. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) mit einem aktiven Bereich (7; 27; 37; 47; 57; 67), der sich zwischen zwei aneinan­ dergrenzenden Schichtbereichen (5, 6; 25, 26; 35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 66) einer Schichtanordnung (3; 33; 43; 53; 63) mit unterschiedlichen Ladungsträgern ausbildet und innerhalb dessen eine Umwandlung ein­ fallender, elektromagnetischer Strahlung (hν) in elektrische Signale erfolgt, wobei die Lage des aktiven Bereiches (7; 27; 37; 47; 57; 67) re­ lativ zu den beiden begrenzenden Oberflächen unter Berücksichtigung der Eindringtiefe der Strahlung (hν) derart gewählt ist, daß mindestens zwei Kontaktelemente (8a, 8b; 38a, 38b; 48a, 48b; 58a, 58b; 68a, 68b) zum Anschluß des Detektorelementes (1; 31; 41; 51; 61) an eine Aus­ werteschaltung (100) an einer Oberfläche montierbar sind, die gegen­ über der strahlungsempfindlichen Oberfläche liegt, auf die die einfal­ lende Strahlung (hν) auftrifft.

2. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 1, wobei die Dicke (d) der Schichtanordnung (3; 33; 43; 53; 63) derart dimensioniert ist, daß die eindringende Strahlung (hν) auf jeden Fall in den aktiven Bereich (7; 27; 37; 47; 57; 67) gelangt.

3. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 1, wobei die Schichtanordnung (3; 33; 43; 53; 63) in Richtung der einfallenden Strahlung (hν) mit einer für die einfallende Strahlung (hν) transparenten Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) versehen ist.

4. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 3, wobei die Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) als SiO₂-Schicht aus­ gebildet ist.

5. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 1, wobei die Schichtanordnung (3; 33; 43; 53; 63) als epitaktisch aufgewachsene Silizium-Schicht ausgebildet ist, die mindestens zwei Schichtbereiche (5, 6; 25, 26; 35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 66) unter­ schiedlicher Dotierung aufweist.

6. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 5, wobei in die epitaktisch aufgewachsene Silizium-Schicht Germanium-Ionen in definierter Konzentration eingebracht sind.

7. Strahlungsempfindliches Detektorelement (31) nach Anspruch 1, wobei die Schichtanordnung (33) als dünne Halbleitermembran mit definierter Dicke (d) ausgebildet ist, die Schichtbereiche (35, 36) unterschiedlicher Dotierung aufweist.

8. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 1 oder 7, wobei die der einfallenden Strahlung (hν) zugewandte Oberfläche mit einer strahlungsdurchlässigen Passivierungsschicht (34) zur Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften versehen ist.

9. Strahlungsempfindliches Detektorelement (1; 31; 41; 51; 61) nach An­ spruch 8, wobei die Passivierungsschicht (34) als SiO₂- oder Si₃N₄- Schicht ausgebildet ist.

10. Strahlungsempfindliches Detektorelement (31) nach Anspruch 7, wobei die Halbleitermembran (33) auf einem Trägersubstrat (32) angeordnet ist, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Halbleitermembran.

11. Strahlungsempfindliches Detektorelement (41) nach Anspruch 1, wobei die auf einem Trägersubstrat (42) angeordnete Schichtanordnung (43) mindestens eine Schicht nano- oder mikrokristallinem Siliziums umfaßt.

12. Strahlungsempfindliches Detektorelement (51; 61) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Kontaktelemente (58a, 58b; 68a, 68b) als großflächiger Kontaktierungsbereich ausgebildet ist.

13. Strahlungsempfindliches Detektorelement (51; 61) nach Anspruch 12, wobei einer der beiden Schichtbereiche (55, 56; 65, 66) der Schicht­ anordnung (53; 63) eine größere Grundfläche aufweist als der jeweils andere Schichtbereich (55, 56; 65, 66) und der größere Schichtbereich (55, 56; 65, 66) mit einem großflächigen Kontaktierungsbereich (58a, 58b; 68a, 68b) versehen ist, welcher über ein weiteres Kontaktelement (58a, 58b; 68a, 68b) mit der nachgeordneten Auswerteschaltung ver­ bunden ist.

14. Verwendung eines strahlungsempfindlichen Detektorelementes (1; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorangehenden Ansprüche in der Ab­ tasteinheit einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung.

15. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsempfindlichen Detektorele­ mentes (1; 41; 51; 61) mit folgenden Prozeßschritten:

• a) Erzeugung einer Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) in einem definiert do­ tiertem Halbleiter-Substrat knapp unterhalb einer begrenzenden ersten Oberfläche;
• b) Räumlich selektives Wegätzen des unterhalb der Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) vorhandenen Substratmateriales, bis die Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) eine begrenzende zweite Oberfläche bildet;
• c) Erzeugung eines räumlich begrenzten Schichtbereiches (6; 46; 56; 66) oberhalb der Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64), der eine unterschiedli­ che Dotierung als das Halbleiter-Substrat aufweist;
• d) Kontaktieren des Detektorelementes (1; 31; 41; 51; 61) auf einer Seite, die gegenüberliegend zur zweiten Oberfläche angeordnet ist mit mindestens zwei Kontaktelementen (8a; 8b; 48a, 48b; 58a, 58b; 68a, 68b).

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Erzeugung der Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) folgende Teilprozeßschritte umfaßt:

• a1) Sauerstoff-Implantation in ein definiert-dotiertes Halbleiter-Substrat;
• a2) Tempern des Halbleiter-Substrates zur Ausbildung einer Halbleiter- Sauerstoff-Verbindung als Ätzstopschicht (4; 44; 54; 64) mit scharf de­ finierten Grenzen knapp unterhalb der Oberfläche des Halbleiter- Substrates.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der räumlich begrenzte Schichtbe­ reich (65) mit anderer Dotierung wie das Halbleiter-Substrat als unmit­ telbar an die Ätzstopschicht (64) angrenzende Schicht in das Halbleiter- Substrat eingebracht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei zur Kontaktierung

• d1) ein Teil des Halbleitersubstrates bis zum Schichtbereich (65) ande­ rer Dotierung in einem Kontaktierungsbereich entfernt wird;
• d2) im Kontaktierungsbereich eine Haftschicht (64.1) aufgebracht wird;
• d3) auf die Haftschicht (64.1) ein Kontaktierungselement (68b) aufge­ bracht wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei auf das Substratmaterial oberhalb der Ätzstopschicht weiteres Substratmaterial in definierter Dicke epitak­ tisch aufgewachsen wird.