DE2327480A1 - PHOTO-SENSITIVE SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT - Google Patents
PHOTO-SENSITIVE SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENTInfo
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Description
P. PHK. 6525 Voor/YA/Y/R. P. PHK. 6525 Voor / YA / Y / R.
GÜNTHER M. DAVID ^GÜNTHER M. DAVID ^
AnmuMnr: N.V. PIIiMPy οί.Π:ILAMPEiV1FABRiEKEWNote no: NV PIIiMPy οί.Π: ILAMPEiV 1 FABRiEKEW
Akte: PHW- 6523
Anmeldung vom» 29. Mai 1973File: PHW- 6523
Registration from »May 29, 1973
Photoempfindliche Halbleiteranordnung. ■ - ■Photosensitive semiconductor device. ■ - ■
Die Erfindung bezieht sich auf eine HalbleiteranordnungThe invention relates to a semiconductor device
mit einem photoempfindlichen Halbleiterbauelement, die einen Halbleiterkorper mit einem einkristallinen Substrat mit niedrigem spezifischem Widerstand, einer epitaktischen photoempfindlichen Schicht aus kompensiertem Halbleitermaterial mit sehr hohem.spezifischem Widerstand, einem ersten nichtgleichrichtenden Kontakt auf dem Substratgebiet und einem zweiten nichtgleichrichten'den Kontakt auf der photoempfindlichen Schicht enthält. "with a photosensitive semiconductor component that has a semiconductor body with a single crystal substrate with low resistivity, an epitaxial photosensitive layer compensated semiconductor material with very high specific resistance, a first non-rectifying contact on the substrate area and a second non-rectifying contact on the photosensitive Layer contains. "
Unter dem oben angewandten Ausdruck "kompensiertes Halbleitermaterial" ist hier ein Halbleitermaterial mit sehr hohem spezifischem Widerstand zu verstehen, das durch Kompensation infolge einer geeigneten Dotierung mit einem Element mit einem aktiven Energiepegel, der vorzugsweise in der Nähe der Mitte des verbotenen Bandes ^ des genannten Halbleitermaterials liegt, erhalten wird. Ein derartigesUnder the expression "compensated semiconductor material" used above, a semiconductor material is here with a very high level to understand resistivity, which is achieved by compensation as a result of suitable doping with an element with an active energy level, which is preferably near the center of the forbidden tape ^ of said semiconductor material is obtained. Such a thing
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-2- P.PHW. 652J-2- P.PHW. 652J
hochohmiges kompensiertes Material kann den n- oder den'p-Leitfähigkeitstyp aufweisen, je nachdem die verbleibenden nichtkompensierten Majoritätsladungsträger Elektronen oder Löcher sind.High resistance compensated material can be of the n or p conductivity type have, depending on whether the remaining uncompensated majority charge carriers are electrons or holes.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen photoempfindlichen Y/iderstand, dessen photoempfindliches Material mit Gold kompensiertes Silicium ist.The invention particularly relates to a photosensitive Y / iderstand, its photosensitive material with gold is compensated silicon.
Es ist bekannt, dass die üblichen halbleitenden Photowiderstände im allgemeinen verhäl'tnisniässige lange Ansprechzeiten aufweisen (in der Grössenordnung von einigen Zehn MikroSekunden oder sogar einigen Millisekunden), wobei unter der Ansprechzeit das Zeitintervall zu verstehen ist, das verläuft zwischen dem Zeitpunkt, zu dem Strahlung auf den Photowiderstand einzufallen beginnt, und dem Zeitpunkt, zu dem dieser Photowiderstand den Gleichgewichtswert erreicht, der der genannten Strahlung entspricht.It is known that the usual semiconducting photoresistors generally have relatively long response times (on the order of tens of microseconds or even a few milliseconds), whereby the response time is to be understood as the time interval that runs between the point in time at which the radiation occurs begins to fall on the photoresistor, and the point in time at which this photoresistor reaches the equilibrium value, that of the mentioned Radiation corresponds.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Photowiderstände aus mit Gold kompensiertem Silicium Ansprechzeiten in der Grössenordnung von 1 /usec oder weniger aufweisen können.However, it has been found that photoresistors made of silicon compensated with gold have response times of the order of magnitude of 1 / usec or less.
Ein zu diesem Typ gehöriger Photowiderstand ist in z.B. der USA Patentschrift 3*436.613 beschrieben. Nach dieser Patentschrift wird die η-leitende photoempfindliche Schicht durch epitaktisches Anwachsen auf einem Substrat aus hochdotiertem Silicium gebildet und dann mit einer ebenfalls hochdotierten Überflächenschicht versehen, die durch Diffusion erhalten wird. Die benötigten Kontakte werden einerseits auf dem Substrat und andererseits auf der genannten Oberflächenschicht angebracht.A photoresistor belonging to this type is described in, for example, U.S. Patent 3 * 436,613. According to this patent specification the η-conductive photosensitive layer is formed by epitaxial growth on a substrate made of highly doped silicon and then provided with a highly doped surface layer, which is obtained by diffusion. The contacts required are on the one hand attached on the substrate and on the other hand on said surface layer.
Die photoempfindliche Schicht wird dadurch mit Gold kompensiert, dass dieses Metall von der Oberfläche der genannten Oberflächenschicht her diffundiert wird, wobei die elektrisch aktive Goldkonzentration derartig ist, dass sie etwa gleich dem DreifachenThe photosensitive layer is compensated with gold that this metal from the surface of the mentioned Surface layer is diffused forth, wherein the electrically active gold concentration is such that it is approximately equal to three times
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-3- F.PHM. 652J-3- F.PHM. 652J
der Konzentration der Donatoratome in der photοempfindlichen Schicht ist.the concentration of donor atoms in the photosensitive layer is.
Die Ansprechzeit exnes Photowiderstandes mit der auf obenbeschriebene Weise erhaltenen Struktur beträgt etwa 1 /us.ec·The response time of the exne photoresistor with the structure obtained in the manner described above is about 1 / usec.
, Ein derartiger- Photowiderstand weist jedoch den grossen Nachteil auf, dass er nicht-linear ist.However, such a photoresistor has the large Disadvantage is that it is non-linear.
Es ist bekannt, dass die Uichtlinearität eines Photowiderstandes durch Vergrösserung der Dicke der photoempfindlichen -Schicht dieses Widerstandes herabgesetzt werden kann, aber ;die Vergrösserung der genannten Dicke bringt unvermeidlich den Nachteil mit sich, dass die Verstärkung der Anordnung abnimmt (es ist bekannt, dass die Verstärkung der Dicke der photoempfindlichen Schicht umgekehrt proportional ist).It is known that the non-linearity of a photoresistor can be reduced by increasing the thickness of the photosensitive layer of this resistor, but ; increasing said thickness inevitably brings with it the disadvantage that the gain of the device decreases (it is known that the gain is inversely proportional to the thickness of the photosensitive layer).
Einerseits weist ein Photowiderstand, in dem die GoIdkonzentration beträchtlich grosser als die Donatorkonzentration der photoempfindlichen Schicht und sogar, wie dies bei der hier beschriebenen Anordnung der Fall ist, gleich dem Dreifachen dieser Donatorkonzentratxon ist, einen hohen und praktisch konstanten Wert auf.On the one hand there is a photoresistor in which the gold concentration considerably greater than the donor concentration of the photosensitive layer and even as in the case of the one described here Arrangement is equal to three times this donor concentrate is, a high and practically constant value.
Andererseits wurde gefunden, dass es bei niedrigeren GoIdkonzentrationen bei der beschriebenen Struktur praktisch unmöglich ist, dem Dunkelstromwiderstand den gewünschten Wert zu erteilen, und dass die Streuung in den so erhaltenen Photowiderständen sehr gross ist. Dies ist ein Nachteil, durch den die Massenherstellung von Photowiderständen dieses Typs erschwert wird.On the other hand, it was found that it was at lower gold concentrations is practically impossible with the structure described, to give the desired value to the dark current resistance, and that the spread in the photoresistors obtained in this way is very large. This is a disadvantage that causes the mass production of photoresistors this type is made more difficult.
Auch muss die Tatsache berücksichtigt werden, das der elektrische Kontakt auf der genannten Oberflächenschicht, die infolge der Golddiffusion in erheblichem Masse gestört ist, nicht die gewünschte Qualität aufweist, und dass sieh der Wert des PhotoWiderstandes also je nach der Richtung des den Photowiderstand durchfliessenden Stromes ändern kann. Auch bleibt, gleichfalls wegen der schlechten Qualität desAlso, the fact must be taken into account that the electrical contact on said surface layer, which as a result the gold diffusion is disturbed to a considerable extent, not the desired one Quality, and that see the value of the photo resistor depending on the direction of the current flowing through the photoresistor can change. Also remains, also because of the poor quality of the
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-4,- ' F.PHN. 6523-4, - 'F.PHN. 6523
genannten Kontakts, eine hohe Verschiebungsspannung übrig, d.h., dass der auf eine Stromstärke UuIl extrapolierte Wert der Spannung nicht gleich Hull ist.called contact, a high displacement voltage is left, i.e. that the value of the voltage extrapolated to a current intensity UuIl is not is equal to Hull.
Die Erfindung bezweckt u.a., die der beschriebenenThe invention aims inter alia that of the described
bekannten Anordnung anhaftenden Nachteile zu vermeiden oder erheblich zu verringern. Die photoempfindliche Halbleiteranordnung nach der Erfindung spricht schnell an und weist eine gute Linearität auf.known arrangement to avoid inherent disadvantages or considerably to reduce. The photosensitive semiconductor device according to the invention responds quickly and has good linearity.
Die Erfindung bezweckt- auch, eine photoempfindlicheThe invention also aims at a photosensitive
Halbleiteranordnung mit einer photoempfindlichen Schicht aus mit Gold kompensiertem Silicium zu schaffen, die sich auf reproduzierbare Weise in Masse herstellen lässt. . .Semiconductor device with a photosensitive layer made of gold to create compensated silicon that can be mass-produced in a reproducible manner. . .
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dassThe invention is based, inter alia, on the knowledge that
die Linearität, die i,Iöglichkeit zur Einstellung des gewünschten ohmschen Basiswertes und die Reproduzierbarkeit eines eine kompensierte photoempfxndliche Schicht enthaltenden Photowiderstandes in hohem Masse durch die Homogenität der Verteilung des kompensierenden Elements aui den verschiedenen Pegeln der Struktur bestimmt werden.the linearity, the i, possibility of setting the desired ohmic Base value and the reproducibility of a compensated photosensitive Layer containing photoresistor to a high degree due to the homogeneity of the distribution of the compensating element aui the different levels of the structure can be determined.
Insbesondere bei Anwendung von Gold als Akzeptor zumEspecially when using gold as an acceptor for
Kompensieren einer epitaktischen Schicht aus η-leitendem Silicium müssen, im Zusammenhang mit der Tatsache, dass Gold ein Element ist, das eine sehr starke Neigung aufweist, sich vorzugsweise an den Stellen zu fixieren, an denen Kristallfehler auftreten, z.B. an der Überfläche, an Grenzflächen mit Gitterstörungen und in diffundierten Zonen, die Struktur und die Herstellung der genannten Anordnung derartig sein, dass die Anzahl Störungszentren möglichst gering ist.Compensating an epitaxial layer of η-conductive silicon must related to the fact that gold is an element, the one has a very strong tendency to fix itself preferably at the points where crystal defects occur, e.g. on the surface, at interfaces with lattice disturbances and in diffused zones that The structure and manufacture of the said arrangement must be such as to that the number of fault centers is as low as possible.
Eine Halbleiteranordnung mit einem photοempfindliehen Halbleiterelement der in der Einleitung beschriebenen Art ist daher nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige photoempfindliche üchicht auf einer auf dem Substratgebiet erzeugten epitak-A semiconductor device with a photosensitive Semiconductor element of the type described in the introduction is therefore according to the invention characterized in that the high-resistance photosensitive layer on an epitaxial layer produced on the substrate area
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-5- F.PHN. 6523-5- F.PHN. 6523
tischen Zwischenschicht mit einem spezifischen Widerstand, der zwischen dem des Substratgebietes und dem der photoempfindlichen Schicht liegt, gebildet ist, und dass die hochohmige photoempfindliche Schicht wenigstens teilweise mit einer epitaktischen halbleitenden Oberflächenschicht mit niedrigem spezifischem Widerstand überzogen ist.table intermediate layer with a specific resistance that is between that of the substrate area and that of the photosensitive layer, is formed, and that the high-resistance photosensitive layer at least partially with an epitaxial semiconducting surface layer is coated with low resistivity.
Im allgemeinen ermöglicht die Struktur nach der Erfindung die Herstellung kompensierter Photowiderstände, die ein gutes lineares Verhalten aufweisen. Dieser Vorteil ist wenigstens teilweise darauf zurückzuführen, dass die GkLtterstörungen zwischen dem Substratgebiet und der photoempfindlichen Schicht durch das Vorhandensein der epitaktischen Zwischenschicht stark herabgesetzt werden. .In general, the structure according to the invention enables making compensated photoresistors that have a good linear Exhibit behavior. That benefit is at least in part due to this attributed to the cold weather disturbances between the substrate area and the photosensitive layer are greatly degraded by the presence of the epitaxial interlayer. .
Die Tatsache, dass zwischen dem Substratgebiet und der photoempfindlichen Schicht eine Zwischenschicht gebildet wird, deren spezifischer Widerstand einen Wert aufweist, der zwischen den bedeutend voneinander verschiedenen Werten der spezifischen Widerstände des Substratgebietes und der photoempfindlichen Schicht liegt, wird ja eine Herabsetzung der kristallinen Diskontinuität zur Folge haben. Da überdies das Anbringen der Zwischenschicht und der photoempfindlichen Schicht durch epitaktisches Anwachsen.stattfindet, können die Konzentrationsgradienten der verwendeten Dotierungen eine gewisse Kontinuität aufweisen.The fact that an intermediate layer is formed between the substrate area and the photosensitive layer, the specific resistance has a value between the significantly different values of the specific resistances of the Substrate area and the photosensitive layer, will indeed have a reduction in the crystalline discontinuity result. There, moreover the application of the intermediate layer and the photosensitive Layer by epitaxial growth. Takes place, the concentration gradient of the dopings used have a certain continuity.
Andererseits wird die Linearität durch das Erzeugen einer hochdotierten epitaktischen Oberflächenschicht auf der photoempfindlichen Schicht erheblich verbessert, wobei diese epitaktische Oberflächenschicht Z.U der regelmässigen Verteilung des Kompensations element es über die Dicke der photoempfindlichen Schicht beiträgt.On the other hand, the linearity is achieved by creating a highly doped epitaxial surface layer on the photosensitive Layer considerably improved, with this epitaxial surface layer Z.U the regular distribution of the compensation element it contributes to the thickness of the photosensitive layer.
Die Grenzfläche zwischen der genannten Oberflächenschicht und der photoempfindlichen Schicht, die beide durch Epitaxie erhalten werden und, trotz ihrer sehr verschiedenen spezifischen Widerstandswerte, auf kontinuierlichem. Wege gebildet werden können, ist weniger stark alsThe interface between said surface layer and the photosensitive layer, both obtained by epitaxy and, despite their very different resistivity values, on continuous. Paths can be made is less powerful than
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die Grenzfläche zwischen einer photoempfindlichen Schicht und einer direkt in diese photoempfindliche Schicht eindiffundierten Schicht gestört, wie dies bei der beschriebenen bekannten Anordnung der Fall ist. Die photoempfindliche Schicht weist also eine bessere Homogenität auf.the interface between a photosensitive layer and a The layer diffused directly into this photosensitive layer is disturbed, as is the case with the known arrangement described is. The photosensitive layer therefore has a better homogeneity.
Vorzugsweise wird die epitaktische Oberflächenschicht, durch die ein Element zum Kompensieren der photoempfindlichen Schicht hindurchdiffundiert wird, einer Aetzbehandlung unterworfen, bevor die Kontaktelektrode auf der Oberflächenschicht erzeugt wird. The epitaxial surface layer through which an element for compensating the photosensitive layer is diffused is preferably subjected to an etching treatment before the contact electrode is produced on the surface layer .
Diese Aetzbehandlung hat .den Zweck, von der genanntenThis etching treatment has the purpose of the above
Oberflächenschicht eine Oberflächenzone zu entfernen, die nach Diffusion ' des Kompensationselements stark gestört ist, um auf diese Y/eise einen elektrischen Kontakt hoher Güte zu erhalten.Surface layer to remove a surface zone, which after diffusion ' of the compensation element is severely disturbed to this Y / eise a to obtain high quality electrical contact.
Die Struktur der Halbleiteranordnung nach der Erfindung gestattet ein optimales Kompromiss zwischen der Linearität einerseits und der Photoverstärkung andererseits. Die Kompensationshomogenität, die durch die Herabsetzung der Anzahl Kriatallfehler an den Grenzflächen zwischen"den nacheinander angebrachten Schichten erhalten wird, vorzugsweise in Verbindung mit dem Entfernen einer Oberflächenzone mit starker Konzentration am Kompensationselement, ermöglicht es, der photoempfindlichen Schicht eine optimale Dicke zu erteilen, die mit der gewünschten Photoverstärkung vereinbar ist, ohne dass dabei die Linearität herabgesetzt wird.The structure of the semiconductor device according to the invention allows an optimal compromise between the linearity on the one hand and the photo amplification on the other hand. The compensation homogeneity, by reducing the number of crystal defects at the interfaces is obtained between "the successively applied layers, preferably in connection with the removal of a surface zone with high concentration on the compensation element, the to give the photosensitive layer an optimal thickness, which is compatible with the desired photo amplification, without affecting the Linearity is decreased.
Ein weiterer Vorteil der Struktur der photoempfindlichen Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist der, dass mit dieser Struktur leichter reproduzierbare Widerstandswerte erhalten werden können, was ebenfalls auf eine bessere Homogenität der ,empfindlichen Schicht zurückzuführen ist. Die Reproduzierbarkeit wird auch für verhältnismässig kleine Widerstandswerte·beibehalten, die kompensierenden Verunreinigungskonzentrationen in der Grössenordnung der KonzentrationAnother advantage of the structure of the photosensitive semiconductor device according to the invention is that with this Structure more easily reproducible resistance values can be obtained can, which is also due to a better homogeneity of the, sensitive Layer is due. The reproducibility is also maintained for relatively small resistance values, the compensating ones Impurity concentrations in the order of magnitude of the concentration
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-7- F.PHN-. 6523-7- F.PHN-. 6523
de-r den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Dotierungsmuster der photoempfindlichen Schicht entsprechen, was, wie bereits beschrieben, bei bekannten Strukturen /nicht der Fall ist...de-r the conductivity type determining doping pattern of the photosensitive Layer, which, as already described, is not the case with known structures / ...
Eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung.mit einem Photοwiderstand aus mit' Gold kompensiertem Silicium weist sowohl eine kurze für die Kombination Silicium-Gold charakteristische Ansprechzeit als auch eine gute Linearität und eine gutePhotoverstärkuhg auf.A semiconductor device according to the invention. With a Photo resistance from silicon compensated with gold has both a short response time characteristic of the silicon-gold combination as well as good linearity and photo amplification.
Die .Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein VerfahrenThe invention also relates to a method
.zur Herstellung einer derartigen Anordnung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zwischenschicht, die photoempfindliche Schicht und. die halbleitende Oberflächenschicht in demselben epitaktischen Anwachsvorgang nacheinander angebracht werden, wobei die Überflächenschicht eine ursprüngliche Dicke Von mindestens 5 /umund höchstens 10/um aufweist, wonach das kompensierende Element in die photoempfindliche Schicht durch Diffusion von einer der Oberflächen der erhaltenen Struktur her eingeführt wird. Dabei wird vorzugsweise Silicium als Kalbleitermaterial und Gold als kompensierendes Element verwendet..To produce such an arrangement, which is characterized is that the intermediate layer, the photosensitive layer and. the semiconducting surface layer in the same epitaxial growth process are applied one after the other, the surface layer being a original thickness of at least 5 / µm and at most 10 / µm, after which the compensating element is introduced into the photosensitive layer by diffusion from one of the surfaces of the structure obtained is introduced. The preferred material is silicon and gold used as a compensating element.
Wie oben erwähnt, wird dabei vorzugsweise nach Eindiffusion des kompensierenden Elements die Oberflächenschicht teilweise weggeätzt, wonach auf der geätzten Oberfläche eine Elektrodenschicht gebildet wird.As mentioned above, this is preferably done after diffusion of the compensating element, the surface layer is partially etched away, after which an electrode layer is formed on the etched surface.
Eine weitere wichtige bevorzugte Ausführungsform istAnother important preferred embodiment is
dadurch gekennzeichnet, dass nach der Golddiffusion die Oberflächenschicht bis zu einer Dicke von mindestens 3 und höchstens 5/um abgeätzt wird, wonach auf.dieser Schicht eine Metallschicht erzeugt wird, die anschliessend in das gewünschte Elektrodenmuster gebracht wird, worauf die nicht mit der Metallschicht überzogenen Teile der Oberflächenschicht nochmals geätzt werden, bis die Dicke der Oberflächenschicht höchstens 1 /um beträgt» ■ " . . .characterized in that after the gold diffusion, the surface layer is etched off to a thickness of at least 3 and at most 5 μm, after which a metal layer is produced on this layer, which is then is brought into the desired electrode pattern, whereupon the not parts of the surface layer coated with the metal layer again be etched until the thickness of the surface layer is at most 1 / µm is »■"...
Die Herstellung könnte' schneller vor sich gehen, wenn durchManufacturing could 'go faster if through
3 0985 0 /096 9 '3 0985 0/096 9 '
-ö- J«1.FiLH, -ö- J « 1 . FiLH,
eine einzige Aetzbehandlung die Dicke der Oberfläche direkt auf 1 /um herabgesetzt werden würde, "wonach die Metallschicht erzeugt und der Kontakt gebildet wird. Der Kontakt wäre dann jedoch einerseits weniger gut infolge der Tatsache, dass er auf einem weniger günstigen Pegel der' epitaktischen Oberflächenschicht gebildet ist, während er sich andererseits schwerer anbringen liesse infolge der Tatsache, dass die gemeinsame Basis dünner und somit leichter verletzbar ist, wodurch die Güte der photoempfindlichen Schicht beeinträchtigt werden könnte.a single etching treatment reduces the thickness of the surface directly to 1 / µm would be reduced, "after which the metal layer is generated and the Contact is formed. On the one hand, however, the contact would then be less good as a result of the fact that it is at a less favorable level the 'epitaxial surface layer is formed while it is moving on the other hand, it would be more difficult to attach due to the fact that the common base is thinner and therefore more vulnerable, which makes the The quality of the photosensitive layer could be impaired.
Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below for an embodiment explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Figuren 1a bis 1c schematische Querschnitte durch eine photoempfindliche Halbleiteranordnung nach der Erfindung in drei auleir anderfolgenden Herstellungsstufen,FIGS. 1a to 1c show three schematic cross sections through a photosensitive semiconductor arrangement according to the invention also for other production stages,
' i'ig. 1d einen schematisehen tiuerschnitt durch die endgültig erhaltene Struktur der genannten Anordnung, und Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufes des'i'ig. 1d a schematic tiu section through the final obtained structure of said arrangement, and FIG. 2 is a graphical representation of the course of the
spezifischen Widerstandes in den verschiedenen Zonen, die die in Fig. 1d gezeigte Struktur bilden.resistivity in the different zones, which are shown in Fig. Form 1d structure shown.
in Fig. 1a wird die photoempfindliche Halbleiteranordnungin Fig. 1a the photosensitive semiconductor device
- die in diesem Falle z.B. ein Photowiderstand aus mit Gold kompensiertem Silicium ist - zu dem Zeitpunkt dargestellt, zu dem durch epitaktisches Anwachsen aus der Gasphase aul dem Substrat (in Form einer Siliciumscheibe 10.) die Zwischenschicht 11, die photoempfindliche Schicht 12 und die Oberflächenschicht 13 in der genannten Reihenfolge erzeugt sind.- In this case, for example, a photoresistor made of gold compensated Silicon is represented at the point in time at which by epitaxial growth from the gas phase onto the substrate (in the form of a silicon wafer 10.) the intermediate layer 11, the photosensitive layer 12 and the surface layer 13 are produced in the order named.
Das Substrat 10 in Form einer einkristallinen biliciumscheibe ist vorzugsweise η-leitend und weist eine mittlere DotierungThe substrate 10 in the form of a monocrystalline bilicium disk is preferably η-conductive and has a medium doping
1R 1S1R 1 S
von 5·10 Donatoratomen/cm . aui, wodurch das Silicium einen spezifischen Widerstand in der Grossenordnung von 0,01-"· .cm aufweist. Das Verfahren zum Anbringen dünner Schichten durchof 5x10 donor atoms / cm. aui, which gives silicon a specific Has resistance on the order of 0.01- "· .cm. The process of applying thin layers through
309 8 50/0969309 8 50/0969
-9- · F.PHN. 6523-9- F.PHN. 6523
epitaktisches Anwachsen aus der Gasphase ist bekannt und lässt sich mit grosser Genauigkeit durchführen; das durch die Struktur gebildete Ganze kann in einem einzigen kontinuierlichen Vorgang hergestellt werden.epitaxial growth from the gas phase is known and can be used with perform with great accuracy; the whole formed by the structure can be manufactured in a single continuous operation.
Die η-leitende epitaktische Zwischenschicht 11 ist z.B. mit Arsen bis zu einer Konzentration von 10 - 5»10 Atomen/cm dotiert, wodurch diese Zwischenschicht einen spezifischen Widerstand von etwa 0,.15-£^.cm aufweist. Die Dicke der genannten Zone liegt zwischen 5/um und 20/tun. Die optimale Dicke dieser Zone im Falle eines Photowiderstandes aus mit Gold dotiertem Silicium beträgt etwa 15/um.The η-type intermediate epitaxial layer 11 is e.g. with arsenic up to a concentration of 10 - 5 »10 atoms / cm doped, which gives this intermediate layer a specific resistance of about 0.15- £ ^ .cm. The thickness of said zone is between 5 / um and 20 / do. The optimal thickness of this zone in the case of a photoresistor of silicon doped with gold is about 15 µm.
Auch die photoempfindliche Schicht 12 ist mit Arsen bei einer Konzentration dotiert, die, im Vergleich zu der der Schicht 11, aber niedriger ist,- und zwar in der Grössenordnung von 5 «10 - 5 «10 Atomen/cm liegt. Zu diesem Zweck soll nur in dem verwendeten Reaktor die Arsenzuführung verringert werden. Der spezifische Widerstand, derThe photosensitive layer 12 is also doped with arsenic at a concentration which, compared to that of the layer 11, but is lower - in the order of magnitude of 5 «10 - 5« 10 Atoms / cm. For this purpose, the Arsenic intake can be reduced. The resistivity that
15/3 einer Arsenkonzentration von 10 Atomen/cm entspricht, beträgt etwa 1,5-Cl.cm. Die Dicke der Schicht 12 wird in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand bestimmt, der erreicht werden soll und der einae möglichst grosse Photoverstärkung ergibt. Eine Dicke zwischen 10 und /um ergibt einen Photowiderstand aus mit Gold kompensiertem Silicium, dessen Basiswert (bei Dunkelstrom) in der Grössenordnung von 300 bis 400 fL liegt - -15/3 corresponds to an arsenic concentration of 10 atoms / cm, is about 1.5-Cl.cm. The thickness of the layer 12 is determined as a function of the electrical resistance which is to be achieved and which results in the greatest possible photo amplification. A thickness between 10 and / µm results in a photoresistor made of silicon compensated with gold, whose base value (with dark current) is in the order of magnitude of 300 to 400 fL - -
Zur Dotierung der epitaktischen Oberfläche 13» die ebenfalls η-leitend ist, wird Arsen oder vorzugsweise Phosphor verwendet, weil diese Substanz eine höhere Dotierungskonzentration liefern kann. Die Dotierung dieser Oberflächenschicht I3 muss sehr hoch sein, um einen niedrigen spezifischen Widerstand zu erhalten und die Bildung eines guten ohmschen Kontakts zu ermöglichen. Eine Dotierungskonzentration von mindestens 10 Atomen/cm3 ist für die genannte Schicht I3 wünschenswert, die in diesem Falle 'einen spezifischen. Widerstand in der Grössenordnung von 0,001JCL.cm aufweist. Nach dem epitaktischen Anwachsen liegt die Dicke der Schicht 13 zwischen 5 und 10/um (Vorzugs-"Arsenic or preferably phosphorus is used to dop the epitaxial surface 13 », which is also η-conductive, because this substance can provide a higher doping concentration. The doping of this surface layer I3 must be very high in order to obtain a low specific resistance and to enable the formation of a good ohmic contact. A doping concentration of at least 10 atoms / cm 3 is desirable for the said layer I3, which in this case 'has a specific. Has resistance in the order of magnitude of 0.001JCL.cm. After the epitaxial growth, the thickness of the layer 13 is between 5 and 10 μm (preferred "
3098 50/09893098 50/0989
-10- F.PHN. 6523-10- F.PHN. 6523
weise 7/um)·wise 7 / um)
Es sei "bemerkt, dass die Bedingungen, unter denen die drei epitaktischen Zonen angebracht werden, derartig sein müssen, dass die Konzentrationsänderungen zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten mehr öder weniger kontinuierlich sind, um Kristallfehler an den Grenzflächen möglichst zu vermeiden. Derartige Kristallfehler können nämlich die Ursache' von vielerlei Unregelmässigkeiten, insbesondere in bezug auf die Linearität des Widerstandes, sein.It should be noted that the conditions under which the three epitaxial zones are attached, must be such that the Changes in concentration between the successive layers more or less are continuous to identify crystal defects Avoid interfaces as much as possible. Such crystal defects can namely the cause of many irregularities, especially in with respect to the linearity of the resistance.
Die gemäss Fig. 1a zusammengese-tzte photoleitende Halbleiteranordnung wird mit einer sehr dünnen Goldschicht (0,02 - 0,2 /um) versehen, die durch Aufdampfen entweder auf der Schicht I3 oder auf der Oberfläche 10A des Substrats 10 erzeugt wird, wobei die Scheibe auf eine Temperatur von etwa 1100C erhitzt wird. Die Anordnung wird dann in einem Ofen während 15 bis 20 Minuten auf eine Temperatur von 41Ö°C gebracht, damit eine Gold-Silicium-Legierung gebildet wird.The photoconductive semiconductor device assembled according to FIG. 1 a is provided with a very thin gold layer (0.02-0.2 μm), which is produced by vapor deposition either on the layer I3 or on the surface 10A of the substrate 10, the Disc is heated to a temperature of about 110 ° C. The assembly is then brought to a temperature of 410 ° C. in a furnace for 15 to 20 minutes so that a gold-silicon alloy is formed.
Anschliessend wird die Scheibe in. einem DiffusionsofenThe pane is then placed in a diffusion furnace
angebracht. Während der Diifusion verteilen sich die Kompensationsatome auf derartige Weise, dass die Konzentration in der ganzen Struktur etwa homogen ist. Die Diffusion wird aber derart geregelt, dass die Golddotierung praktisch nur in der Schicht 12 von Bedeutung ist, in der die Dotierung vom η-Typ niedrig ist, wobei in diesem Beispiel die Golddotierung etwa .einen Wert von 10 Atomen/cm3 aufweist, der der Donatorkonzentration in der genannten Schicht 12 entspricht. Die Goldkonzentration wird im wesentlichen durch die Temperatur im Diffusionsofen bestimmt und diese Temperatur kann zwischen 9OO und 12000C variieren (105O0C während 20 Minuten bei einer Goldkonzentration von 10 Atomen/ cmb). Wie bereits erwähnt wurde, ist es oberhalb· eines Kompensationsgrades = 1 (Kompensationsgrad = Donatorkonzentration) nicht mehr möglich, eine gute Reproduzierbarkeit der Photowiderstände zu erhalten, während dann ausserdem die Gefahr besteht-, dass sich der Leitfähigkeitstyp derappropriate. During diffusion, the compensation atoms are distributed in such a way that the concentration is approximately homogeneous throughout the structure. The diffusion is regulated in such a way that the gold doping is practically only of importance in the layer 12 in which the η-type doping is low, the gold doping in this example having a value of about 10 atoms / cm 3 , the corresponds to the donor concentration in said layer 12. The gold concentration is substantially determined by the temperature in the diffusion furnace and this temperature can vary between 0 and 1200 9OO C (105O 0 C for 20 minutes at a gold concentration of 10 atoms / cm b). As already mentioned, above a degree of compensation = 1 (degree of compensation = donor concentration) it is no longer possible to obtain good reproducibility of the photoresistors, while then there is also the risk that the conductivity type will change
309850/0969309850/0969
"'■■■- -11- F.PHN. 6523"'■■■ - -11- F.PHN. 6523
photoempfindlichen Schicht ändert und sich pn-TJebergänge bilden, wodurch die Eigenschaften der Photowiderstände in erheblichem. Masse beeinträchtigt werden. -photosensitive layer changes and pn-T junctions are formed, thereby the properties of the photoresistors in considerable. Mass will be affected. -
Um die Kompensation unter optimalen Bedingungen durchführen zu können, müssen vorangehende Messungen an Strukturen vorgenommen werden, die bei verschiedenen Temperaturen und während verschiedener Zeitdauern mit Gold diffundiert wurden. Diese Messungen können nach allgemein üblichen Verfahren erfolgen, z.B. durch Gammaspektrometrie oder durch Messung des Streuungswiderstandes. Es hat sich herausgestellt, dass die Diffusion und die endgültigen Konzentrationen von der Dicke der angebrachten uoldschicht px-aktisch nicht beeinflusst werden.In order to be able to carry out the compensation under optimal conditions, previous measurements must be carried out on structures diffused with gold at different temperatures and for different periods of time. These measurements can be carried out according to generally accepted methods, e.g. by gamma spectrometry or by measuring the scatter resistance. It has found that the diffusion and the final concentrations are not affected px-actically by the thickness of the applied uold layer will.
Die Golddiffusion ändert in erheblichem Hasse den anfänglichen spezifischen Widerstand der Schicht 12 und'dieser spezifische Widerstand stabilisiert sich zwischen 10 und 10 Xl.cm, je nach der Goldkonzentration. Die Golddiffusion beeinflusst den spezifischen Widerstand der anderen Schichten der Struktur,nicht merklich.-The gold diffusion changes the initial one in considerable hatred specific resistance of the layer 12 and this specific Resistance stabilizes between 10 and 10 Xl.cm, depending on the Gold concentration. The gold diffusion affects the specific Resistance of the other layers of the structure, not noticeable.
Wach der Golddiffusion wurde eine bedeutende Erhöhung der Goldkonzentration'auf der Oberfläche der Schicht 13 gemessen. Diese ■ Erscheinung, die für das Verhalten'von Gold kennzeichnend ist, ergibt sich besonders deutlich in dem beschriebenen"Fall, in dem die Schicht anfänglich stark η-leitend "iöi^ was die maximale Akzeptorkonzentration vergrössert.Wake the gold diffusion was a significant increase in Gold concentration measured on the surface of the layer 13. These ■ Appearance which is characteristic of the behavior of gold, results is particularly evident in the described "case in which the layer initially strongly η-conductive "iöi ^ which is the maximum acceptor concentration enlarged.
Die Schicht 13 ist also sehr stark in der Nähe der Oberfläche gestört und diese Störung setzt sich bis zu einer Tiefe von mindestens 2 /um fort. Bevor die Elektroden angebracht werden, ist es wünschenswert die genannte störende Zone zu beseitigen.The layer 13 is therefore very strong near the surface disturbed and this disturbance continues to a depth of at least 2 / µm. Before the electrodes are attached, it is desirable to eliminate said disturbing zone.
Durch eine erste Aetzbehandlung wird der Teil 13a der ■Schicht 13 entfernt, deren Dicke auf dem verbleibenden Teil 13b auf . einen Wert zwischen 3 und 5/um herabgesetzt ist (siehe Fig. 1b)o DiePart 13a of layer 13 is removed by a first etching treatment, the thickness of which extends to the remaining part 13b. a value between 3 and 5 / um is reduced (see Fig. 1b) o The
309bbü/0969.309bbü / 0969.
-12- F.PHH. 6523-12- F.PHH. 6523
Aetzbehandlung erfolgt auf übliche Weise, z.B. dadurch., dass die Struktur während etwa 3 Minuten in ein Gemisch von Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure eingetaucht wird.Etching is done in the usual way, e.g. by the Structure is immersed in a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid for about 3 minutes.
Durch Aufdampfen wird dann die Oberfläche der Zone 13b mit einer Aluminiumschicht überzogen. Die Aluminiumschicht, die diese Zone 13h bedeckt, wird auf photolithographischem Wege geätzt, um die Elektroden, z.B. die Metallschichtteile I4 und I5, zu bilden (siehe Fig. 1c)j im allgemeinen wird eine kontinuierliche Elektrode oder ein kontinuierliches Kontaktgitter mit einer derartigen Konfiguration gebildet, dass die. photoempfindliche Schicht auf richtige Weise der Strahlung ausgesetzt werden kann und eine praktisch gleiche Potentialverteilung über die ganze Oberfläche dieser empfindlichen Schicht erhalten wird·The surface of zone 13b is then deposited by vapor deposition covered with an aluminum layer. The aluminum layer that covers this zone 13h is etched photolithographically around the To form electrodes, e.g. the metal layer parts I4 and I5 (see Fig. 1c) j in general is a continuous electrode or a continuous contact grid formed with a configuration such that the. photosensitive layer in the correct way Radiation can be exposed and a practically equal potential distribution over the entire surface of this sensitive layer is obtained
Die Kontaktelektrodej die auf der Oberfläche der Zone 1OA des Substratgebietes 10 gebildet wird, wird erst zu dem Zeitpunkt der Herstellung der Verbindung zwischen dem genannten Substrat und der Trägerplatte gebildet. Die genannte zweite Kontaktelektrode und die genannte Trägerplatte sind in den Figuren nicht dargestellt.The contact electrode is the one on the surface of the zone 10A of the substrate area 10 is formed, is only at the time of making the connection between said substrate and the Carrier plate formed. The mentioned second contact electrode and the mentioned carrier plate are not shown in the figures.
Schliesslich wird die Zone 13h einer letzten Aetzbehandlung unterworfen, durch die die Dicke dieser Zone auf einen Höchstwert von 1 /um herabgesetzt wird. Diese zweite Aetzbehandlung lässt sich naturgemäss etwas schwieriger als die erste durchführen, was darauf zurückzuführen ist, dass sieh die photoempfindliche Schicht 12 in der unmittelbaren Nähe befindet. Die genannte zweite Aetzbehandlung wird während 2 Minuten in der obengenannten Lösung durchgeführt. Das Aetzmittel soll selbstverständlich die gebildeten Aluminiumschichten nicht angreifen.Finally, zone 13h is given a final etching treatment by which the thickness of this zone is reduced to a maximum of 1 / µm. This second etching treatment can of course be done slightly more difficult to perform than the first, which is due to the fact that see the photosensitive layer 12 in the in the immediate vicinity. The mentioned second etching treatment is carried out for 2 minutes in the above solution. The caustic should of course not attack the aluminum layers formed.
Fig. 1d zeigt die so erhaltene Halbleiteranordnung nach der Erfindung.Fig. 1d shows the semiconductor arrangement thus obtained the invention.
309850/0969309850/0969
-13- F.PHN. 6523-13- F.PHN. 6523
Die graphische Darstellung nach Fig. 2 veranschaulicht die Werte der spezifischen Widerstände in £1·cm, die auf den verschiedenen Pegeln einer gemäss der Erfindung hergestellten Photowiderstandsstruktur aus mit Gold dotiertem Silicium gemessen werden. ·The graph of FIG. 2 illustrates the Values of the resistivities in £ 1 · cm, which are based on the various Levels of a photoresist structure produced according to the invention can be measured from silicon doped with gold. ·
Die senkrechten gestrichelten Linien deuten hei A die mittlere Grenzfläche zwischen dem Substrat 10 und der epitaktischen Zwischenschicht 11,, bei B die mittlere Grenzfläche zwischen der Schicht 11 und der photoempfindlichen Schicht 12 und bei C die mittlere Grenzfläche zwischen der Schicht 12 und der epitaktischen Oberflächenschicht 13b an, während der. Ursprung 0 der X-Werte der freien Oberfläche der Schicht 13b zwischen den Elektroden (14 und 15) entspricht.The vertical dashed lines indicate the mean interface between the substrate 10 and the epitaxial one Intermediate layer 11 ,, at B the middle interface between the layer 11 and the photosensitive layer 12 and at C the middle interface between the layer 12 and the epitaxial surface layer 13b, during the. Origin 0 of the X values of the free surface of the Layer 13b between the electrodes (14 and 15) corresponds.
Diese graphische Darstellung, die jedoch keine genaueThis graphical representation, however, is not an accurate one
Darstellung ist sofern es die Werte der spezifischen Widerstände selber anbelangt, hat den Zweck, zu zeigen, dass einerseits diese Werte über die Dicke der verschiedenen angebrachten Schichten, wenigstens in genügender Entfernung von den Grenzflächen zwischen diesen Schichten, sehr homogen sind (naturgemäße mit Ausnahme der dünnen Zone 13b, in der sich der spezifische Widerstand sehr schnell ändert) und dass andererseits an den Grenzflächen die Aenderungen des spezifischen Widerstandes, wenn auch bedeutend, dennoch kontinuierlich sind; wie bereits erwähnt wurde, ist dies erforderlich, um eine Struktur zu erhalten, deren Widerstand unter übrigens gleichbleibenden Bedingungen in Abhängigkeit von dem Strom oder von der angelegten Spannung konstant bleibt·Representation is provided that it is the values of the specific resistances themselves As far as is concerned, the purpose is to show that on the one hand these values are about the thickness of the various layers attached, at least in sufficient distance from the interfaces between these layers, are very homogeneous (natural with the exception of the thin zone 13b, in which the specific resistance changes very quickly) and that on the other hand the changes in the specific resistance at the interfaces, if significant, nonetheless continuous; As already mentioned this is necessary in order to obtain a structure whose resistance is dependent on, incidentally, the same conditions of the current or of the applied voltage remains constant
Es dürfte einleuchten, dass sich die Erfindung nicht auf das beschriebene Aueführungsbeispiel beschrankt, sondern dass im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen möglich sind. So können statt Gold andere kompensierende Elemente und statt Silicium andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Das kompensierende Element kann auch statt durch Diffusion z.B. durch Ionenimplantation angebracht werden. Das photοempfindlich· Element kann weiter einen Teil eines Halbleiterkörpers bilden, der auch andere Halbleiter-schaltungselement·It should be clear that the invention is not limited to the described embodiment example, but that in Many modifications are possible within the scope of the invention. So can take place Gold other compensating elements and instead of silicon other semiconductor materials be used. The compensating element can also be applied by ion implantation, for example, instead of by diffusion. The photosensitive element can further be part of a Form a semiconductor body, which is also used by other semiconductor circuit elements
309850/0969' enthält309850/0969 '
-14- F.PHH. 6^23-14- F.PHH. 6 ^ 23
Pat entanspruchePatent claims tt
f 1· ) Halbleiteranordnung mit einem photoempflindlichen Halbleiterbauelement, die einen Halbleiterkörper mit einem einkristallinen Substratgebiet mit niedrigem spezifischem Widerstand, einer epitaktisch.en photoempfindlichen Schicht aus kompensiertem Halbleitermaterial mit sehr hohem spezifischem Widerstand, einem ersten nichtgleichrichtendan Kontakt auf dem Substratgebiet und einem zweiten nichtgleiehrichtenden Kontakt auf der photoempfindlichen Schicht enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige photoempfindliohe Schicht auf einer auf dem Substratgebiet erzeugten epitaktischen Zwischenschicht gebildet ist, deren spezifischer Widerstand zwischen dem des Substratgebietes und dem der photoempfindlichen Schicht liegt, und dass die hochohmige photoempfindliche Schicht wenigstens teilweise mit einer epitaktischen halbleitenden Oberflächenschicht mit niedrigem spezifischem Widerstand überzogen ist·f 1) semiconductor arrangement with a photo-sensitive semiconductor component, which have a semiconductor body with a monocrystalline substrate region with low specific resistance, one epitaxially photosensitive layer made of compensated semiconductor material with a very high specific resistance, a first non-rectifying layer Contact on the substrate area and a second non-aligning one Contains contact on the photosensitive layer, characterized in that that the high-resistance photosensitive layer is formed on an epitaxial intermediate layer produced on the substrate area is whose specific resistance is between that of the substrate area and that of the photosensitive layer, and that the high-resistance photosensitive Layer at least partially with an epitaxial semiconducting surface layer with low specific resistance is covered
2· Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratgebiet und die darauf erzeugten Halbleiterschichten den n-Leitfähigkeitstyp aufweisen, und dass die photoempfindliche Schicht aus Halbleitermaterial besteht, das durch Dotierung mit einem Dotierungsstoff mit einem aktiven Energiepegel in der. Nähe der Mitte des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials der photοempfindlichen Schicht kompensiert ist·2 · Semiconductor arrangement according to Claim 1, characterized in that the substrate region and the semiconductor layers produced thereon have the n-conductivity type, and that the photosensitive layer consists of semiconductor material which is doped with a Dopant with an active energy level in the. Near the center of the forbidden tape of the semiconductor material of the photosensitive Shift is compensated
3· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das Substratgebiet und die darauf erzeugten Halbleiterschichten aus Silicium bestehen, und dass der kompensierende Dotierungsetoff
Gold ist.
4· Halbleiteranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,
dass die kompensierende Dotierung der photoempfindlichen Schicht annähernd gleich der Donatorkonzentration in dieser Schicht ist.3. Semiconductor arrangement according to Claim 2, characterized in that the substrate region and the semiconductor layers produced thereon consist of silicon, and that the compensating dopant is gold.
4 · Semiconductor arrangement according to claim 5 »characterized in that the compensating doping of the photosensitive layer is approximately equal to the donor concentration in this layer.
309850/0 969309850/0 969
Claims (1)
cm , die mittlere Dotierungskonzentration der Zwischenschicht / tr
cm, the mean doping concentration of the intermediate layer
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |