DE2629245C2 - Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement - Google Patents

Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement

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DE2629245C2 DE19762629245 DE2629245A DE2629245C2 DE 2629245 C2 DE2629245 C2 DE 2629245C2 DE 19762629245 DE19762629245 DE 19762629245 DE 2629245 A DE2629245 A DE 2629245A DE 2629245 C2 DE2629245 C2 DE 2629245C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein strahlungsempflndllches Halbleiterbauelement entsprechend den Merkmalen Im Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Halbleiterbauelemente sind aus B. L. Sharma/R. K. Purohlt: »Semiconductor Heterojunctions«, Pergamon Press, Oxford 1974, S. 119 bis 127 bekannt. Die bekannte Anordnung weist jedoch einen »n-n-Heterojunci!on« auf.
Üblicherweise werden strahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente mit »pn-Homojunctlon« zum Nachwels einfallender Lichtquanten und Röntgenstrahlen benutzt. Dabei wird der Energieunterschied der Ladungsträger zwischen den Halblelterberelchen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt. Bei diesen Bauelementen Ist aber der nutzbare Spektralbereich von vornherein festgelegt, denn bei dem durch das verwendete Halbleitermaterial festgelegten Bandabstand AL· gilt für die detektlerbare Lichtfrequenz ν > Δ£/Α, wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum ist und δ£ den Energieunterschied zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband angibt. Die bei der oben genannten bekannten Anordnung zwischen den Leitungsbändern der beiden verschiedenen Halbleitermaterialien gleichen Leitungstyps bestehende Potentialbarriere kann zwar zur Detektion der langwelligen Grenze der einfallenden Strahlung benutzt werden, Bauelemente mit Heteroübergängen sind jedoch relativ schwierig herzustellen, wobei Insbesondere Strukturstörungen an den Übergangsstellen problematisch sind.
Es sind ferner strahlungsempfindllche Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen die Kontaktbarriere zwischen einem Metallkontakt und einem Halbleiterkörper ausgenutzt wird.
Bei diesen Anordnungen bestimmt die Barrierenhöhe Halblelter-Leltungsbandkante zu Metall-Fermlniveau die langwellige Empflndllchkeltsgrenze, die dann vom Bandabstand Δ£ des Halbleiterkörpers unabhängig Ist. Ein Nachteil dieser den Scholtky-Effekt ausnutzenden Anordnung besteht darin, daß die Empfindlichkeitsgrenze durch die Austrittsarbeitsdifferenz !Metall-Halbleiter vorgegeben Ist, die nur In sehr beschränktem Maß durch Wahl unterschiedlicher Materialien verändert werden kann. Ferner muß bei diesen Anordnungen die Llchtelnstrahlung von der Halbleiterseite aus erfolgen, um an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem Metallkontakt durch Paarbildung Ladungsträ-
ger zu erzeugen. An der Übergangsstelle treten auch hler Strukturstörungen auf, die als Fangstellen wirken und die Empfindlichkeit der Anordnung verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte strahlungsempfindliche Halbleiterbauelement zur Detektion der langwelligen Grenze der einfallenden Strahlung dahingehend zu verbessern, daß an den Übergangsstellen zwischen den beiden Halbleiterbereichen keine Strukturstörungen auftreten, das Halbleiterbauelement einfacher herzustellen ist und trotzdem einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruches I gelöst.
Bei dem erflndungsgemäBen Bauelement, im folgenden auch als »Detektor« bezeichnet, wird einer der beiden Halbleiterbereiche sehr hoch, vorzugsweise bis zur Entartung, dotiert. Hierdurch entsieht eine Potentialbarriere zu dem schwach dotierten Halbleiterbereich, in den die Träger abgesaugt werden, die an der Übergangsstelle beim Einfall von Lichtquanten durch Ladungsträgerpaarblldung entstehen.
Das strahlungsempftndllche Halbleiterbauelement nach der Erfindung besteht beispielsweise aus einer n"n--Schichtenfolge aus einkristallinem Silizium oder Germanium, wobei der entartet dotierte Halblelterberelch dünn ist gegenüber dem schwach dotierten Bereich. Es kann auch aus anderen Halbleitermaterialien bzw. aus Halbleiterverblndungen bestehen. Geeignet hierfür sind beispielsweise die Ill-V-Verbindungen wie GaAs oder GaAIAs.
Bei einer bevorzugten Ausfflhrungsform Ist der sehr stark dotierte Halbleiterbereich beispielsweise 0,1 bis 0,5 \im dick und weist eine Störstellenkonzentration von ca. 10" bis 1020 Atomen/cm1 auf. Dagegen Ist der schwach dotierte Bereich des Halbleiterkörper, der vielfach vom Grundkörper der Anordnung gebildet wird, ca. 100 bis 200 ^m dick und mit einer Störstell en konzentration von ca. 10u bis 10" Atomen/cm' versehen.
Beide Bereiche des strahlungsempflndllchen Halbleiterbauelementes sind mit ohmschen Anschlußelektroden versehen. Zwischen diese Anschlußelektroden wird eine derart große Betriebsspannung mit der die Potentialbarriere zur Wirkung bringenden Polarität angeschlossen, daß die durch die einfallenden Quanten erzeugten Ladungsträger im schwach dotierten Bereich des Dektektors durch Stoßionisation vervielfacht werden.
In einer weiteren bevorzugten AusfOlirungsform wird das strahlungsempflndllche Halbleiterbauelement mit einem Halblelter-Lumlneszeiizbauelement so kombiniert, daß die Im Detektor erzeugten Ladungsträger Im Lumineszenzbauelement Lichtquanten auslösen. Beide Bauelemente werden dann vorzugsweise In einem gemeinsamen Halbleiterkörper untergebracht. Durch die flächenhafte Aneinanderreihung einer Vielzahl von Elnzelanordnungen aus Detektor und Lumineszenzbauelement kann auf diese Welse eine Vorrichtung geschaffen werden, die für die Detektion und Wiedergabe ganzer Bilder geeignet Ist. Derartige Bildwandler sind aus dsr DE-AS 14 39 687 bekannt, wobei das strahlungsempfindliche Halbleiterbauelement jedoch anders aufgebaut Ist. Das an den Detektor angrenzende Lumlneszenzbauelement besteht bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorzugsweise uus zwei Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps. Eimer dieser Bereiche grenzt an den schwach dotierten Bereich des Detektors und weist vorzugsweise dessen LeI-tungstyp auf. Das Lumlneszenzbauelement besteht beispielsweise aus GaAIAs, wobei der Detektor aus Silizium oder beispielsweise GaAs bestehen kann. Die beiden Bereiche des Lumineszen?baue|ernentes haben beispielsweise eine Dicke von ca, 10 μιτι und eine Slörstellenkonzentratlon "on ca, 10" Atomen/cm1, Das Lumlpeszen."-bauelement kann auch aus nur einem zusätzlichen HaIbleiterbereich bestehen, der dann unter Bildung eines pn-Überganges an den hochohmigen Bereich des Detektors angrenzt. Dieser zusätzliche Bereich besteht dann beispielsweise aus GaP und weist gleichfalls eine Störstellenkonzentration von etwa 1017 Atomen/cm1 auf.
ίο Die Erfindung soll Im weiteren noch an Hand von In der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In der Fig. 1 Ist ein den Grundkörper bildender Halbleiterbereich 1 dargestellt, der beispielsweise aus schwach
is dotiertem ^-leitendem Silizium besteht und eine Störstellenkonzentratlon von ca. 10M Atomen/cm3 aufweist. Der Halbleiterbereich 1 ist 100 bis 500 μπ\ dick und auf seiner einen Oberflächensette mit einem dünnen Halblelterberelch 2 bedeckt, der bis zur Entartung dotiert sein kann. Die Störstellenkonzentration der n^-leitenden Siliziumschicht 2 beträgt beispielsweise 5 / IC" Atome/cm3. Die Schicht 2 ist beispielsweise 0,3 μπι dick. Auf der Oberfläche der dünnen Halblelterschicht 2 Ist ein ohmscher Anschlußkontakt 3 vorgesehen, während der HaIbleiterbereich 1 von der Rückseite der Anordnung her mit einem M^.tallkontakt 4 versehen ist. Die zu detektierende Strahlung 5 trifft auf die Oberfläche der dünnen Halbleiterschicht 2 auf und erzeugt Im Übergangsbereich zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Bereichen 1 und 2 Ladungsträgerpaare.
Die Energieverhältnisse sind aus der Fl g. 2 ersichtlich. Im Bereich der Schicht 2 fällt das Ferminlveau praktisch mit dem Niveau des Leitungsbandes zusammen, da diese Schicht Im wesentlichen die Eigenschaften metallisch IeI-tender Schichten hat. Im Grenzbereich zwischen den Bereichen 1 und 2 springt die Energie des Leitungsbandes um den Betrag ΔΕ', da Im Bereich 2 das Ferminlveau zwischen dem Leitungsband EL und dem Valenzband E1 liegt. Mit ΔΕ Ist der Abstand zwischen dem Leiiungsband und dem Valenzband definiert. Die langwellige Grenze der detektlerbaren Strahlung wird vom Energiedlfft/enzbetrag ί\Ε' bestimmt. Dieser Betrag AE' kann durch unterschiedliche Dotierung der Bereiche 1 und 2 variiert werden.
In der Fig. 3 Ist schematisch die Wirkungsweise des Detektors dargestellt. Zwischen die ohmschen Metallkontakte 3 und 4 wird eine Spannung so angelegt, daß die Potentialbarriere zwischen den Halbleiterbereichen 1 und 2 wirksam wird. Die einfallende Quantenenergie Λν,
so erzeugt Im Halbleiterkörper, Insbesondere im Übergangsbereich zwischen den Bereichen 1 und 2, Ladungsträgerpaare, wobei die Elektronen zum positiven Pol an der Anschlußelektrode 4 und die Löcher zum negativen Pol arr f/.:U]|anschlußkontakt 3 abgesaugt werden. Die Spannung U und die Dicke des Halbleiterbereichs 1 wird so gewählt, daß die im Halblelterberelch 1 entstehende Feldstärke eine Ladungsträgervervielfachung durch Stoßionlsatlon auslöst. Diese Wirkungsweise Ist In der Flg. 3 symbolhaft dargestellt; ferner zeigt die Fig. 3 den Verlauf der Energlcbänuer bei den gewählten Spannungsverhaitnlssen, Durch die Ladungsirägervervlelfachung Im hochohmigen Bereich 1 wird eine Verstärkungen Irkung erzielt, durch die die Empfindlichkeit des Detektors wesentlich erhöht wird. Die bis zur Entartung dotierte Halbleitersrhlrht 2 (Flg. 1) weist gegenüber dem schwach dotierten Bereich 1 einen möglichst abrupten Übergang In den Dotierungsverhältnissen auf. Dieser abrupte Übergang kann beispielsweise dadurch erzeugt
werden, daß die Dotierung der Halblelterschlcht 2 durch Ionenimplantation erfolgt. Andererseits kann die Halblelterschlcht 2 auch mit der gewünschten hohen Störstellenkonzentration epllatklsch auf dem Bereich 1 abgeschieden werden.
In der Fl g. 4 ist eine Halbleiteranordnung schematisch dargestellt, bei der der Detektor mit einem Halblelter-Lumlneszentbauelement Integriert ist. Der Detektor besteht beispielsweise aus der n-leltenden Schicht I aus Germanium, deren eine Oberflächenselte mit einer dünnen n"-leitenden Schicht 2, die gleichfalls aus Germanium besteht, bedeckt Ist. Wahrend die Schicht 2 bis zur Entartung dotiert Ist, weist der Halbleiterberelch 1 nur eine relativ schwache Störstellenkonzentratlon auf. Der Halbleiterberelch 1 Ist auf der der dünnen Schicht 2 gegenüberliegenden Oberflächenselte mit einer Halbleiterschicht 6 bedeckt, die beispielsweise aus η-leitendem GaAlAs besteht und ca. 10 um dick Ist. Die Halblelterschicht 6 Ist Ihrerseits wiederum mit einer p*-lcltenden Halblelterschlcht 7 bedeckt, die gleichfalls aus GaAIAs bestehen kann. Im Bereich des pn-Überganges zwischen den Halblelterberelchen 6 und 7 rekombinieren die Im Detektor erzeugten Ladungsträger unter Abgabe von Lichtquanten hv} (8). Die Halbleiteranordnung der Fi g. 4 stellt somit einen Bildwandler dar. der ein einfallendes Lichtquant der Energie /iv, (5) In ein Lichtquant der Energie hv2 (8) umwandelt. Die Halblelterberelche 6 und 7, die jeweils beispielsweise 10 um dick sind, weisen eine Störstellenkonzentratlon von ca. I0'7 Atomen/cmJ auf.
In der Halbleiteranordnung gemäß der FI g. 4 kann auf den Bereich 6 unter Umständen verzichtet werden. Dann grenzt an den Halblelterberelch I nur ein p-leltender Bereich 7 an, der mit dem Detektorbereich 1 einen pn- Übergang bildet. In diesem Fall besteht beispielsweise der Bereich 7 aus p-leltendem GaP mit einer Störstellenkonzentratlon von 10" Atomen/cm' und einer Dicke von ca. 10 bis .'Ίμπι. Die Im Detektor erzeugten Ladungsträger rekombinieren dann am pn-t ber^ane. der zwischen dem Bereich 1 und dem Bereich 7 entsieht. Bei einem aus GaP bestehenden Bereich 7 können die Halblelterbereiche 1 und 2 des De';ktors beispielsweise auch aus Silizium bestehen.
Eine Anordnung gemäß der Flg. 4 Ist Insbesondere
dann von Bedeutung, wenn das dargestellte tinz.eibauelement Teil einer zahlreiche Bauelemente umfassenden Integrierten Anordnung Ist. Die Einzelelemente stellen dann einzelne Bildpunkte dar und sind In großer Anzahl flächenhaft aneinandergereiht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Strahlungsempfindllches Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper aus mindestens zwei aneinander angrenzenden Halblelterberelchen gleichen Leitungstyps und unterschiedlicher Dotierung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden HaIbIeI-lerbereiche (1, 2) aus einkristallinem gleichen Halbleitermatertal bestehen, daß die beiden Halblelterberel- ehe (1, 2) derart unterschiedlich dotiert sind, daß die Ladungsträger In den beiden Bereichen an der abrupten Übergangsstelle zwischen dem sehr stark dotierten einen Halbleiterbereich (2) und dem schwach dotierten anderen HaJbleiterberelch (1) einen Energieunter- is schied (Δ£0 aufweisen, der die langwellige Grenze der detektierbaren Quanten bestimmt, und daß die Dicke des schwach dotierten Halbleiterbereichs (1) und die zwischen den beiden Bereichen angelegte Betriebsspannung so groß gewählt wird, daß die durch die ein- fallenden Quanten erzeugten Ladungsträger durch StoBIonlsation im schwach dotierten Halbleiterbereich (1) vervielfacht werden.
2. Strahlungsempfindlich« Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr stark dotierte Halbleiterbereich (2) entartet dotiert und dünn gegenüber dem schwach dotiertem Halbleiterbereich (1) Ist.
3. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer n~n~-Schichtenfolge aus Silizium oder Germanium tx^teht.
4. StrahlungsempfindUches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus IH-V-Verbin- düngen wie GaAs oder GaAIAs besteht.
5. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr stark dotierte Halblelterberelch (2) ca. 0,1 bis 0,5 \im dick Ist und eine StOr- «0 Stellenkonzentration von 10" bis 1020 Atomen/cm' aufweist.
6. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schwach dotierte Halbleiterbereich (1) ca. 100 bis 200 pm dick Ist und eine Störstellenkonzentration von ca. 1014 bis 10" Atomen/cm3 aufweist.
7. Strahlungsempfindlich^ Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Halblelter-Lumlneszenzbauelemen'. so Integriert ist, daß die Im strahlungsempflndllchen Halbleiterbauelement (1, 2) erzeugten Ladungsträger Im Lumineszenzbauelement (6, 7) Lichtquanten (8) auslösen.
8. Strahlungsempflndllches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die flächenhafte Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelanordnungen aus strahlungsempfindlichem Halbleiterbauelement und Lumlneäzenzbauelement zur Detek- w (lon und Wiedergabe von Bildern.
9. Strahlungsempflndllches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das angrenzende Lumineszenzbauelement aus zwei Halblelterberelchen unterschiedlichen Leitungstyps besteht.
10. Strahlungsempflndllches Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der angrenzende Helbleiterbereicb (6) des Lumineszenzbauelementes den Leitungstyp des strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelements aufweist
11. Strahlungsempflndllches Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der angrenzende Halbleiterbereich (G) des Lumineszenzbauelementes aus η-leitendem GaAIAs und dessen zweiter Bereich (7) aus p+-leitendem GaAIAs besteht.
12. Strahlungsempflndllches Halblelterba'ielement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterbereiche (6, 7) des Lumineszenzbauelementes jeweils ca. 10 pm dick sind.
13. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Lumineszenzbauelementes nur ein zusätzlicher Halbleiterbereich vorgesehen Ist, der unter Bildung eines pn-Überganges an den schwach dotierten Halbleiterbereich (1) des strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelementes angrenzt.
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