DE2340950A1

DE2340950A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleiter-photokathode und nach dem verfahren hergestellte halbleiter-photokathode

Info

Publication number: DE2340950A1
Application number: DE19732340950
Authority: DE
Inventors: Kenneth Elwood Bean; Victor Harrap; Frank Lee Skaggs
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-08-31
Filing date: 1973-08-13
Publication date: 1974-03-14
Also published as: JPS4965791A; FR2198257A1; US3810796A; GB1434083A; NL7309021A; FR2198257B1

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expreßway

'Dallas, Texas 75222
V.St.A.

Unser Zeichen; T 1403

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Photokatode und nach dem Verfahren hergestellte Halbleiter-Photokatode

Die Erfindung bezieht sich auf ein als Photokatode einer Kameraröhre zu verwendendes Siliziumdiodenfeld- und insbesondere auf ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Dioden eines Siliziumdiodenfeldes dielektrisch isoliert werden können, damit eine durch eine in seitlicher Richtung erfolgende Diffusion oder Streuung von Photo-Ladungsträgern verursachte Überstrahlung im wesentlichen verhindert wird.

Wenn in der Fernsehtechnik mit niedrigen Beleuchtungswerten gearbeitet wird und eine Szene mit sehr niedriger durchschnittlicher Beleuchtungsstärke betrachtet wird, in der eine Punktlichtquelle von großer Intensität vorhanden ist, dann wird in der Bildebene im Abtastorgan selbst ein "Überstrahlung" genannter Effekt

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erzeugt, bei dem ein eingegrenzter Leuchtpunkt mit hoher Intensität viel größer wird, als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht. Er kann so weit wachsen, daß er einen großen Anteil des Bildes verdeckt, das betrachtet wird, Mit Hilfe der Erfindung wird eine im wesentlichen vollständige Lösung des Überstrahlungsproblems erzielt. Grundsätzlich ist beobachtet worden, daß in den zur Zeit- hergestellten Kameraröhren, nämlich den SIT-Röhren (Silicon intensified tubes), bei denen als Abtastorgan eine Siliziumscheibe verwendet wird, das Hauptproblem aufgrund einer seitlichen Ladungsdiffusion innerhalb des Körpers des Elektronenfüllermaterials auftritt. Im Fall von η-leitendem Silizium erfolgt eine Löcherdiffusion. Die Diffusion der Löcher oder Ladungsträger muß eingeschränkt werden, so daß sich diese nicht parallel zur Oberfläche des Elektronenabtastorgans bewegen können.

Nach der Erfindung werden in den Körper des Abtastorgans dielektrische Wände eingebettet. Dies wird mit Hilfe eines photolithographischen Schritts erzielt.

Mit Hilfe der Erfindung wird eine aus einem Siliziumdiodenfeld aufgebaute Kameraröhren-Photokatode geschaffen, die im wesentlichen frei von Inversionsstreuungen ist, die infolge, von intensiven örtlich begrenzten Lichtpunkten oder Elektronenpunkten auftreten,ferner soll die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Photokatode relativ frei von Überstrahlungen sein. Mit Hilfe der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumdiodenfeldes geschaffen, bei dem im wesentlichen keine in seitlicher Richtung erfolgende Diffusionsstreuung von Löchern oder Ladungsträgern auftritt, so daß Überstrahlungen im wesentlichen eliminiert werden.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Siliziumphotokatode, bei der der Grund für die Überstrahlung angegeben ist,

Fig. 2 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Siliziumphotokatode mit Überstrahlungskontrolle,

Fig. 3 eine Darstellung der Schritte zur Durchführung einer ersten Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Photokatode mit einem dielektrisch isolierten Siliziumdiodenfeld für eine Kameraröhre,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer Vidikc-n-Photokatode mit einem dielektrisch isolierten Siliziumdiodenfeld nach der Erfindung und

Fig. 5 eine dritte Ausführungsmöglichkeit zur Erzeugung einer Vidikon-Photokatode mit einem dielektrisch isolierten Siliziumdiodenfeld nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Silizium-Photokatode dargestellt, bei der die mit gekrümmten Linien angegebenen Pfeile das Licht (oder die Elektronen) darstellen, das auf die Photokatode trifft. Es ist zu erkennen, daß von der η-leitenden Zone einer der Dioden zu benachbarten Dioden eine Diffusion in seitlicher Richtung erfolgt, die die Ursache der Überstrahlung in der Photokatode

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darstellt. Die in Fig. 1 angegebene Ladungsträgerwanderung (oder auch Löcherwanderung, je nach Fall) soll kontrolliert werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführung einer Silizium-Photokatode dargestellt, in der das auf die Photokatode fallende Licht (oder die Elektronen) wieder mit gekrümmten Pfeilen angegeben ist. Es ist zu erkennen, daß die sich in der n-leitenden Zone in seitlicher Richtung bewegenden Ladungsträger von dem Dielektrikum in ihrer seitlichen Bewegung gehindert sind, das quer zu den pn-übergang en der angrenzenden Dioden in der gesamten Länge der Dioden angebracht ist. In gewissen Ausführungsformen muß sich die isolierende Dielektrikumschicht nicht über die ganze Länge der η-leitenden Zone wie bei der in Fig. 2 angegebenen Ausführungsform erstrecken.

In Fig 3 A ist ein η-leitendes Siliziumplättchen 1 dargestellt, das einen spezifischen Widerstand von vorzugsweise 10 Ω«cm hat und eine (110)-Kristallorientierung aufweist. Vorzugsweise ist das Silizium mit Phosphor dotiert, doch können auch andere Dotierungsstoffe verwendet werden. Auf dem Siliziumplättchen ist eine Siliziumnitridschicht 3 abgeschieden, über der eine Siliziumdioxidschicht 5 angebracht ist. Dann sind durch die Schichten 3 und 5 mit Hilfe eines geeigneten Ätzmittels Nuten 6 geätzt, und in das Siliziumplättchen 1 sind dann nach Fig. 3B unter Verwendung einer Vorzugsätzung für minimale Nutverbreiterung, was für ein (110)-Material charakteristisch ist, Nuten 7 geätzt. Wie Fig. 3C zeigt, wird das Plättchen dann oxidiert, wobei das Silizium in der Nut oxidiert wird und in seinem Volumen zunimmt, wie es in der Technik bekannt ist, damit ein Teil der Nut im wesentlichen aufge-

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füllt wird, wie in Fig. 3C bei 9 dargestellt ist. Die Nitridschicht 3 und die Oxidschicht 5 werden dann nach Fig. 3D entfernt, wobei die Entfernung der Oxidschicht 5 vor der Oxidation erfolgen hätte können. Zur Erzeugung einer p-leitenden Zone 11 wird dann Bor oder ein ähnliches Material in die n-leitende Schicht 1 diffundiert, wie in Fig. 3E dargestellt ist. Die p-leitende Zone 11 könnte auch auf andere Weise und bei anderen Schritten im Arbeitsablauf hergestellt werden. Beispielsweise könnte der Arbeitsablauf mit einem Plättchen beginnen, auf dessen Oberfläche eine epitaktische Schicht mit p-Leitung angebracht ist. Die Glasschicht auf dem Siliziumplättchen wird dann entfernt, und das Oxid in den Nuten wird dann tiefer geätzt, -jedoch nicht über den pn-übergang 10 hinaus. Dadurch bleiben die pn-Übergänge passiviert. Dies ist in Fig. 3F dargestellt. Die Hinterfläche oder die Endzone des Siliziumplättchens 10 wird dann bis auf das Oxidmaterial in den Nuten abgeätzt, wie in Fig. 3G dargestellt ist, wodurch die Dioden voneinander isoliert werden. Es sind zwar nur zwei Dioden dargestellt, doch ist dem Fachmann klar, daß eine Million oder mehr Dioden auf einem einzigen Plättchen hergestellt werden können und daß sich die geätzte Hinterfläche mit Ausnahme des Randes über das gesamte Plättchen erstreckt. Bei einer unten noch erläuterten anderen Ausführung wird das Silizium bis geringfügig unterhalb des Oxidmaterials weggeätzt, wie mit gestrichelten Linien 13 angegeben ist. Dann wird auf der Hinterfläche des Siliziumplättchens beispielsweise durch Dotieren mit Phosphor eine (n+)-leitende Zone 15 gebildet, wie in Fig. 3H dargestellt ist. Dies

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verringert die Rekombination an den licht- oder elektronenempfindlichen Flächen. Über der (n+)-leitenden Zone 15 kann dann eine dünne, für Elektronen durchlässige und elektrisch leitende Schicht 17» beispielsweise eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 300 Angström angebracht werden, wie in Fig. 31 dargestellt ist. Diese Schicht verbindet die isolierten Dioden mit dem (n+)-leitenden Rand für das Anbringen externer elektrischer Kontakte.

Bei einem gemäß dem obigen Verfahren hergestellten Diodenfeld sind die Inyersionsschichtstreuung und die Löcheroder Ladungsträgerdiffusion in seitlicher Richtung wegen der vollständigen Isolierung jeder Diode im wesentlichen vollständig eliminiert.

Wenn nach Fig. 3G die Ätzung bis zu der gestrichelten Linie 13 ausgeführt werden soll, ergibt sich eine Abwandlung, bei der das Anbringen der. dünnen, für Elektronen durchlässigen leitenden Schicht 17 von Fig. 31 nicht erforderlich ist. Bei dieser zweiten Ausführung wird auf dem durch Ätzen entfernten Abschnitt des Siliziumplättchens 1 eine (n+)-leitende Zone 19 gebildet, wie in Fig. 31^f dargestellt ist. Diese zweite Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine größere Empfindlichkeit erzeugt wird, da die gesamte Fläche zur Signalerzeugung verwendet wird. Ladungsträger oder Löcher, die unter einem Isolationskanal erzeugt werden, können zu einer benachbarten Diode diffundieren. Die zweite Ausführungsform hat natürlich den Nachteil, daß ein sehr großes Signal, das eine große Konzentration beweglicher Löcher erzeugt, zu einer übergroßen seitlichen Diffusion der Löcher führen kann, was das Anti-Überstrahlungsverhalten

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der Anordnung verschlechtert. Beim Entwurf einer solchen Anordnung gibt es jedoch Gesichtspunkte, die zu einer optimalen Restphotokatodendicke f ühiien, die nicht durch Ätzen entfernt ist. Es muß also darauf geachtet werden, bis wieweit der Ätzvorgang ausgeführt wird.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsmöglichkeit eines Verfahrens zur Erzeugung eines Siliziumdiodenfeldes. In Fig. 4A ist ein Siliziumplättchen 31 dargestellt, das im wesentlichen dem SiIiziumplättchen 1 von Fig. 3A gleicht; auf diesem Plättchen befindet sich eine thermisch aufgewachsene Oxidschicht 33, in der in bekannter Weiae Nuten 35 gebildet sind. In das Plättchen 31 sind dann durch die in der Oxidschicht gebildeten Nuten 35 Schlitze 37 geätzt, wie in Fig. 4B dargestellt ist. Der Ätzvorgang wird vorzugsweise unter Anwendung des bekannten richtungsabhängigen Ätzens ausgeführt. Die Schlitze 37 werden dann mit Siliziumoxid entweder durch Abscheiden des Oxids in den Schlitzen oder durch Auffüllen der Schlitze in der im Zusammenhang mit Fig. 3C beschriebenen Weise gefüllt, damit das Oxid 39 in den Schlitzen gebildet wird. Die Oxidschicht 33 wird dann von der Oberfläche des Plättchens 31 entfernt, wie in Fig. 4D dargestellt ist. Anschließend wird eine p-leitende Zone 41 beispielsweise durch Eindiffundieren von Bor in die Oberfläche des Plättchens 31 gebildet. Es ist zu erkennen, daß das in Fig. 4E dargestellte Plättchen im wesentlichen dem in Fig. 3E dargestellten Plättchen gleicht. Die restlichen Verfahrensschritte stimmen mit den in den Figuren 3F bis 31

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dargestellten Verfahrensschritten zur Erzeugung der fertigen Silizium-Photokatode überein.

In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsmöglichkeit des Verfahrens zur Herstellung eines Siliziumdiodenfeldes dargestellt. Fig. 5A zeigt ein vorzugsweise n-leitendes Siliziumplättchen 45 mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ωόπι und mit einer (110)-Kristallorientierung, wie oben im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 erwähnt würde. Das Plättchen wird geläppt und poliert, und anschließend wird eine Siliziumnitridschicht 51 auf ihm abgeschieden. Dies ist in Fig. 5B dargestellt. Das Plättchen wird dann mit einer geeigneten Maskierungsschicht entsprechend den bekannten Verfahren zum selektiven Ätzen durch die Nitridschicht in das Silizium versehen, damit Schlitze 47 erzeugt werden, wie in Fig. 5C dargestellt ist. Das Plättchen wird dann in der oben im Zusammenhang mit Fig. 3C beschriebenen Weise oxidiert, damit in den Schlitzen ein Oxidbereich 49 entsteht; dies ist in Fig. 5D dargestellt. Das Nitrid oder Oxynitrid, das in der Nitridschicht gebildet werden kann, wird dann abgelöst, ohne daß das Siliziumdioxid angegriffen wird, wobei dazu Materialien wie Phosphorsäure oder dergleichen in bekannter Weise verwendet werden. Dabei ergibt sich die in Fig. 5E dargestellte Struktur, die der in Fig. 3D dargestellten Struktur gleicht. Die restlichen Verfahrensschritte sind die gleichen wie die, die im Zusammenhang mit den Figuren 3F bis 31 beschrieben worden sind.

Wenn die Dioden vollständig isoliert sind, können sie als direkte Photonenfühler nicht richtig verwendet werden.

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Der Grund dafür besteht darin, daß außer darch Metallisierung oder direkte Verdrahtung keine Möglichkeit zur direkten Kontaktierung des Diodenfeldes von der Rückseite her besteht. Das Feststellen von Photonen ist daher wegen der Reflexions- und Absorptionseigenschaften des Metalls unmöglich. Aus diesem Grund ist es notwendig, nur eine teilweise Isolation vorzusehen, wie sie in der im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform zur Verwendung als direkter Photonenfühler beschrieben worden ist. Als Elektronenfühler (d.h. als Aufprallionisierungs- Photokatode) können die Dioden mit Hilfe einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von 300 Angström auf der Rückseite verbunden sein, die Elektronen mit einer Energie von 5000 bis 10000 eV ohne weiteres durchläßt.

Es ist klar, daß es wünschenswert ist, einen Kompromiß zwischen einer totalen Isolation und einer teilweisen Isolation anzuwenden, wobei bei diesem Kompromiß erforderlich ist, daß das Überstrahlungsproblem immer noch vollständig oder im wesentlichen vollständig beseitigt ist. Ein weiterer Grund, der eine teilweise Isolation wünschenswert macht, besteht darin, daß das fertige Plättchen steifer ist, wenn sich die dielektrische . Säule nicht durch die gesamte Dicke des Plättchens erstreckt. Es ist zu erkennen, daß ein Diodenfeld und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Diodenfeldes angegeben worden sind, bei denen das in der bisherigen Technik bekannte Überstrahlungsproblem im wesentlichen eliminiert ist.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Photokatode, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in einer Ebene im Abstand voneinander liegende pn-Übergänge geschaffen werden, daß in einer im wesentlichen senkrecht zur Ebene dieser pn-Übergänge verlaufende Schlitze gebildet werden, die diese Übergänge umgeben, und daß die Schlitze mit dielektrischem Material aufgefüllt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dielektrisches Material Siliziumoxid verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photokatode aus (110)-orientiertem Silizium gebildet wird und daß das Siliziumoxid durch Oxidieren des Siliziums in den Schlitzen gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil einer Fläche der Photokatode entfernt wird, so daß die Schlitze durch einander gegenüberliegende Flächen der Photokatode verlaufen.
5. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellte Halbleiter-Photokatode, gekennzeichnet durch mehrere im Abstand voneinander liegende, dielektrisch isolierte Dioden, von denen jede eine p-leitende Zone und eine η-leitende Zone aufweist, die einen pn-übergang bilden.

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6. Photokatode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
7. Photokatode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium eine (110)-Kristallorientierung aufweist.
8. Photokatode nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die p-leit enden Zonen bis zu einer Fläche der Photokatode erstrecken und daß sich die η-leitenden Zonen bis zu einer dieser einen Fläche entgegengesetzten Fläche der Photokatöde erstrecken.
9. Photokatode nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Flächen ein lichtdurchlässiges Kontaktglied angebracht ist, das mehrere der p- oder η-leitenden Zonen miteinander verbindet.

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