DE3015527A1 - Halbleitervorrichtung zum abfuehlen von optischer strahlung - Google Patents

Halbleitervorrichtung zum abfuehlen von optischer strahlung

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DE3015527A1 DE19803015527 DE3015527A DE3015527A1 DE 3015527 A1 DE3015527 A1 DE 3015527A1 DE 19803015527 DE19803015527 DE 19803015527 DE 3015527 A DE3015527 A DE 3015527A DE 3015527 A1 DE3015527 A1 DE 3015527A1
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Description

  • Halbleitervorrichtung zum Abfühlen von optischer Strahlung
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Strahlungsdetektoren und betrifft insbesondere Vorrichtungen dieser Art zum Umwandeln von Strahlung in Form von optischer Strahlung in elektrische Signale.
  • Die vorliegende Patentanmeldung steht in Beziehung zu einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No.
  • 33 259 vom 25. April 1979 in Anspruch genommen worden ist (Anwaltszeichen 8365-D-11092) Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strahlungsdetektor zu schaffen, der einen hohen Sammelwirkungsgrad, eine hohe Empfindlichkeit für optische Strahlung und eine niedrige Empfindlichkeit für Strahlung mit wesentlich höherer Energie, wie Röntgenstrahlung, hat.
  • Außerdem soll der Detektor nach der Erfindung einen besseren Rauschabstand haben.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Substrat aus Halbleitermaterial eines Leitungstyps geschaffen, das eine Hauptfläche zum Empfangen von optischer Strahlung hat. Das Substrat hat eine erste Schicht neben der Hauptfläche, eine unter der ersten Schicht liegende zweite Schicht und ein dünnes Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps in der ersten Schicht neben der Hauptfläche, das mit dieser einen PN-Ubergang bildet. Das dünne Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps wird mit einer Dicke geschaffen, die einen Hauptteil der optischen Strahlung durchläßt. Die erste Schicht wird mit einer Dicke geschaffen, die ausreicht, um einen vorbestimmten Hauptteil der optischen Strahlung zu absorbieren.
  • Die erste Schicht hat einen spezifischen elektrischen Widerstand, der wesentlich größer als der spezifische elektrische Widerstand der zweiten Schicht ist, und eine lange Minoritätsträgerlebensdauer. Die zweite Schicht ist wesentlich dicker als die erste Schicht und hat eine kurze Minoritätsträgerlebensdauer. Eine Ausgangseinrichtung ist mit dem Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps gekoppelt, um die in der ersten Schicht auf die Absorption der optischen Strahlung hin darin erzeugte Minoritätsträgerladung zu sammeln und abzufühlen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 in Draufsicht eine Strahlungsabfühlvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung von Fig.1 längs der Schnittlinie 2-2, die deren inneren Aufbau zeigt, und Fig. 3 eine weitere Schnittansicht der Vorrichtung von Fig. 1 auf der Schnittlinie 3-3, die weitere Einzelheiten von deren innerem Aufbau zeigt.
  • Die Fig, 1,2 und 3 zeigen eine Strahlungsabfühlvorrichtung 10 mit einem Substrat 11 aus monokristallinem Siliciumhalbleitermaterial vom N-Leitungstyp mit einer Hauptfläche 12.
  • Das Halbleitermaterial kann auch aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Galliumarsenid, Indiumantimonid, Germanium und Quecksilbercadmiuratellurid besteht. Das Substrat hat eine erste Schicht 13 und eine zweite Schicht 14. Die erste und die zweite Schicht haben die gleiche Ausdehnung wie der Grundriß des Substrats, und die erste Schicht 13 ist der zweiten Schicht 14 überlagert.
  • Ein dünnes P-leitendes Gebiet 15 ist neben der Hauptfläche 12 des Substrats und in der ersten Schicht 13 vorgesehen und bildet mit dieser einen PN-Übergang 16. Das Gebiet 15 ist zweckmäßig mit im wesentlichen rechteckigem Umriß dargestellt. Ein Anschluß 21 bildet eine leitende Verbindung mit dem P-Gebiet 15. Ein Anschluß 22, der an der unteren Fläche der zweiten Schicht 14 befestigt ist, bildet eine leitende Verbindung mit dem Substrat.
  • Die zweite Schicht 14 hat eine beträchtliche Dicke, beispielsweise 0,25 mm (10 mils), und eine sehr geringe Lebensdauer der darin erzeugten Minoritätsträger, damit sich eine sehr kurze Diffusionslänge ergibt. Die kurze Lebensdauer wird durch starkes Dotieren erreicht, beispielsweise durch Do-19 tieren von etwa 10 Antimonatomen pro Kubikzentimeter, was einem spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohm cm entspricht.
  • Eine möglichst niedrige Lebensdauer wird in der zweiten Schicht bevorzugt, um die Minoritätsträger zu verringern, die an der Grenzfläche zwischen der zweiten Schicht und der ersten Schicht infolge der Absorption von Streustrahlung hoher Energie, wie Röntgenstrahlung, durch die zweite Schicht vorhanden sind. Vorzugsweise wird die Lebensdauer durch starkes Dotieren dieser Schicht mit Donatoratomen verringert.
  • Eine beträchtliche Verringerung der Minoritätsträgerlebensdauer kann durch starkes Dotieren mit Aktivatoren erzielt werden, was bekannt ist, vgl. beispielsweise den Aufsatz "Auger Recombination" von J. Krausse in Solid State Electronics, 1974, Band 17, S. 427-429. Dieses starke Dotieren verringert die Gleichgewichtskonzentration von Minoritätsträgern darin und verringert damit auch die Dunkelstromerzeugung darin. Die erste Schicht 13 ist wesentlich dünner als die zweite Schicht, und ihre Dicke kann, beispielsweise, in der Größenordnung von mehreren Mikrometern liegen, was ausreicht, um einen vorbestimmten Hauptteil der optischen Strahlung, die abgefühlt werden soll, zu absorbieren. Die erste Schicht ist mit einer Minoritätsträgerlebensdauer versehen, die vorzugsweise so hoch wie möglich ist, um eine sehr große Diffusionslänge für Minoritätsträger zu schaffen, die darin infolge der Absorption von optischer Strahlung erzeugt werden, und um so dem Detektor eine hohe Empfindlichkeit zu geben. Der spezifische elektrische Widerstand der ersten Schicht kann, beispielsweise, 10 Ohm cm betragen, bei einer Lebensdauer für die Minoritätsträger von etwa 100 ps.
  • Eine solche Schicht kann durch epitaxiales Aufwachsen der ersten Schicht auf der zweiten Schicht bis zu der gewünschten Dicke unter Verwendung eines Dotierungsstoffes, wie Phosphor, gebildet werden. Das Gebiet 15 entgegengesetzten Leitungstyps ist wesentlich dünner als die erste Schicht 13 und hat, beispielsweise, eine Dicke in der Größenordnung von 0,2 um, und sein spezifischer Widerstand ist wesentlich höher als der spezifische Widerstand der zweiten Schicht und beträgt, beispielsweise, 0,05 Ohm cm. Das Gebiet 15 entgegengesetzten Leitungstyps kann durch Ionenimplantation unter Verwendung eines Akzeptors, wie Bor, hergestellt werden.
  • Das Gebiet 15 wird ausreichend dünn gemacht, damit es optische Strahlung, die auf ihm auffällt, im wesentlichen ungedämpft zu der ersten Schicht durchläßt. Wenn der spezifische Widerstand der ersten Schicht vergrößert wird, wird die zwischen den Ausgangsanschlüssen 21 und 22 erscheinende Ersatzkapazität verringert. Die erste Schicht 13 wird nicht so dünn gemacht, daß für die zu benutzende Betriebsart, d.h.
  • entweder Nullvorspannung oder Vorspannung in Sperrichtung, das Verarmungsgebiet, das in der ersten Schicht erzeugt wird, sich zu der zweiten Schicht erstreckt.
  • Fig. 1 zeigt eine Schaltung zum Betreiben der Vorrichtung 10, mit einem Differenzverstärker 30, der eine invertierende Klemme 31, eine nichtinvertierende Klemme 32 und eine Ausgangsklemme 33 hat. Die nichtinvertierende Klemme 32 ist mit Masse und mit dem Substratanschluß 22 verbunden. Die invertierende Klemme 31 ist mit dem Anschluß 21 des P-Gebietes 15 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 34 ist zwischen die Ausgangsklemme 33 und die nichtinvertierende Klemme 31 geschaltet. Der einen hohen Verstärkungsfaktor und eine Widerstandsrückkopplung aufweisende Differenzverstärker 30 hält die Differenz in der Spannung zwischen der invertierenden Klemme 31 und der nichtinvertierenden Klemme 32 nahe bei null. Massepotential der nichtinvertierenden Klemme 32 erscheint an dem P-Gebiet 15 und bildet null Vorspannung an dem PN-Übergang 16.
  • Bei im wesentlichen null Vorspannung an den Anschlüssen 21 und 22 erzeugt das eingebaute Feld des PN-Übergangs ein Verarmungsgebiet in der ersten Schicht 13, das sich in dieser von dem PN-Übergang aus erstreckt. Photonen von einfallender Strahlung, die in dem Verarmungsgebiet absorbiert wird, erzeugen darin Minoritätsträger, die unter dem Einfluß des elektrischen Feldes des Verarmungsgebietes über den PN-Übergang in das P-Gebiet geleitet werden und als ein Strom an dem Anschluß 21 erscheinen. Photonen von in der ersten Schicht 13 außerhalb des Verarmungsgebietes absorbierter Strahlung erzeugen Minoritätsträger, die zu dem Verarmungsgebiet diffundieren und über den PN-Übergang zu dem Anschluß 21 geleitet werden. Photonen von in der zweiten Schicht 14 absorbierter Strahlung erzeugen Minoritätsträger, die kombinieren, bevor sie eine nennenswerte Strecke diffundieren können, weil die Minoritätsträgerlebensdauer dieser Schicht sehr niedrig ist und diese damit eine Diffusionslänge für Minoritätsträger hat, welche ziemlich kurz ist. Minoritätsträger, die in der zweiten Schicht 14 aufgrund von Strahlung hoher Energie, wie Röntgenstrahlung, erzeugt werden, erzeugen somit zwar eine reichliche Zufuhr an Minoritätsträgern, die Lebensdauer dieser Schicht bewirkt aber, daß sie rekombinieren und daß deshalb eine beträchtliche Anzahl nicht die erste Schicht erreicht, in der sie zu dem dem PN-Übergang zugeordneten Verarmungsgebiet diffundieren und eine Hintergrundstromkomponente bilden würden. Angesichts der Tatsache, daß die zweite Schicht 14 eine sehr niedrige Gleichgewichtskonzentration von Minoritätsladungsträgern pro Kubikzentimeter hat, wird die Komponente des Dunkelstroms, die dieses Gebiet zum Hintergrundrauschen beiträgt, ebenfalls wesentlich verringert.
  • Somit wird jedwede Minoritätsträgerladung, die in der ersten Schicht infolge einer einfallenden optischen Strahlung erzeugt wird, an dem PN-Übergang 16 gesammelt, und es fließt ein Strom zum Anschluß 22, der diese Ladung darstellt. Das eingebaute Potential zwischen der ersten Schicht 13 und der stärker dotierten zweiten Schicht 14 ist bestrebt, die in der ersten Schicht 13 erzeugten Minoritätsträger auf diese Schicht zu beschränken und sie zu dem PN-Übergang 16 zu leiten, wo sie gesammelt werden. Eine Minoritätsträgerladung, die in der zweiten Schicht 14 entweder aufgrund einer Strahlung hoher Energie oder als Dunkelstrom erzeugt wird, rekombiniert im wesentlichen, bevor sie die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht erreicht, und wird nicht an dem PN-Übergang 16 gesammelt. Es wird daher ein besserer Rauschabstand erzielt. Da die Klemmen 31 und 32 infolge der Wirkung des Verstärkers 30 auf demselben Potential gehalten werden, fließt die erzeugte Ladung über den Widerstand 34 zu der Ausgangsklemme 33. Das Potential an der Ausgangsklemme 33 ist somit zu dem durch Strahlung hervorgerufenen Stromfluß in dem Widerstand 34 proportional.
  • Für die Verwendung der Vorrichtung zum Abfühlen von Strahlung, für die das Halbleitersubstrat im wesentlichen durchlässig ist, beispielsweise für Röntgenstrahlung, wird eine geeignete Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln dieser Strahlung in optische Strahlung, wie beispielsweise Licht, auf das das Halbleitermaterial anspricht, vorgesehen. Zu diesem Zweck ist in den Fig. 1, 2 und 3 ein Szintillator 35 gezeigt, der für die Umwandlung von Strahlung hoher Energie oder Röntgenstrahlung in Licht, auf das das Siliciumhalbleitermaterial besser anspricht, geeignet ist und der mit der Hauptfläche 12 des Substrats 11 optisch gekoppelt ist. Der Szintillator 35 ist auf einer dünnen Isolierschicht 36 angeordnet, die beispielsweise aus Siliciumdioxid besteht und der Hauptfläche 12 des Substrats überlagert ist. Der Szintillator 35 kann aus einem Material, wie mit Thallium aktiviertem Cäsiumjodid, bestehen.
  • Bei der Verwendung eines Detektors, wie er beschrieben worden ist, zum Abfühlen von Röntgenstrahlen kann eine kleine Menge an Röntgenstrahlung in der Umgebung vorhanden sein, in der der Detektor benutzt wird, und auf das Halbleitermaterial auftreffen. Obgleich das Halbleitermaterial Röntgenstrahlen relativ wenig absorbiert, wird ein Teil dieser Strahlung durch das Halbleitermaterial immer absorbiert, was zur Freisetzung von Elektronen hoher Energie führt. Solche Elektronen hoher Energie erzeugen durch eine multiplizierende Wirkung eine relativ große Anzahl von Minoritätsträgern, die ein Hintergrundrauschen darstellen und die Empfindlichkeit oder den Rauschabstand des Detektors beträchtlich verringern können. Eine solche Minoritätsladungserzeugung erfolgt in dem gesamten Volumen des Substrats 11. Gemäß der Erfindung wird die Wirksamkeit des Volumens des Substrats 11 hinsichtlich des Zuführens dieser aufgrund von Hintergrundstrahlung hoher Energie erzeugten Ladung zu dem PN-Übergang 16 sehr beträchtlich verringert, weil ein wesentlicher Teil des Substrats 11 aus einem Material mit sehr niedriger Lebensdauer aufgebaut ist, d.h. durch Vorsehen der zweiten Schicht 14 mit niedriger Lebensdauer für die Minoritätsträger. Die Verwendung eines solchen Aufbaus in Röntgenstrahlungsdetektoren ist besonders erwünscht, wenn die Szintillatoren, die einen sehr niedrigen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Röntgenstrahlen in optische Strahlung haben, in Verbindung mit den Detektoren benutzt werden. Es ist gelegentlich erwünscht, solche Szintillatoren mit niedrigem Umwandlungswirkungsgrad zu benutzen, weil sie andere erwünschte Eigenschaften haben können, wie beispielsweise eine hohe Ansprechgeschwindigkeit.
  • Ein solcher Szintillator ist Wismutgermanat. Durch die Verbesserung des Rauschabstandes, die sich durch die Erfindung ergibt, kann von den besonderen Eigenschaften von Szintillatoren mit niedrigem Wirkungsgrad praktischer Gebrauch gemacht werden.
  • Bei dem Betrieb des Detektors nach der Erfindung wird eine wesentliche Verbesserung des Rauschabstandes gegenüber herkömmlichen Strahlungsdetektoren erzielt. Die Verbesserung ergibt sich aus der Tatsache, daß das Volumen des Substrats 11, in welchem eine Hintergrundladung durch Strahlung hoher Energie erzeugt wird, aus einem Material mit sehr niedriger #iinoritätsträgerlebensdauer besteht, das deshalb die Anzahl von solchen Trägern, welche den PN-Übergang 16 erreichen, wesentlich verringert.
  • Ein besonders vorteilhafter Aufbau von Materialien für den Detektor nach der Erfindung umfaßt ein Siliciumsubstrat, welches eine zweite N-Schicht 14 mit einer Dicke von etwa 0,25 mm (10 mils) und einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 0,01 Ohm cm sowie eine Minoritätsträgerlebensdauer von etwa 0,04 us hat. Eine erste Schicht 13 wird auf der zweiten Schicht 14 epitaxial aufgewachsen, indem ein Phosphordotierungsstoff benutzt wird, um eine Schicht mit einer Dicke von etwa 5 pm, einem spezifischen Widerstand von etwa 50 Ohm cm und einer Minoritätsträgerlebensdauer von etwa 100 ps zu schaffen. Ein dünnes P-Gebiet 15 wird bis zu einer Tiefe von etwa 0,2 pm und mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm cm ionenimplantiert. Das Vorsehen einer zweiten Schicht mit einer Dicke von etwa 5 Fm führt zu einer wesentlichen Absorption eines Hauptteils der Strahlung in dem sichtbaren Bereich des optischen Spektrums.
  • Eine Passivierungsschicht aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von etwa 0,1 pm kann über dem Substrat vorgesehen werden.
  • Ein Substrat mit einer Dicke von 0,25 mm (10 mils) hat zwar eine zweckmäßige Dicke für die Herstellung, Substrate, die dünner als 0,25 mm (10 mils) sind, könnten jedoch in dem Detektor ebenfalls benutzt werden. Die Grenze für die Dicke des Substrats wird durch praktische Verarbeitungs- und Herstellungsüberlegungen bestimmt. Als ein praktischer Anhaltspunkt sei angegeben, daß Substrate, die dünner als etwa 100 pm sind, Verarbeitungs- und Herstellungsprobleme mit sich bringen würden.
  • Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit Vorrichtungen aus Siliciumhalbleitermaterial beschrieben worden, sie ist jedoch in gleicher Weise bei Vorrichtungen aus anderen Halbleitermaterialien anwendbar.
  • Ferner ist die Erfindung zwar in Verbindung mit Vorrichtungen beschrieben worden, die aus einem N-leitenden Halbleitersubstrat mit einem P-Ausgangsgebiet 15 bestehen, es ist jedoch klar, daß P-Substrate, die eine erste Schicht 13 und eine zweite Schicht 14 enthalten, mit einem N-Ausgangsgebiet 15 ebenfalls benutzt werden könnten.
  • In der Schaltung von Fig. 1 wurde das P-Gebiet 15 zwar ohne Vorspannung betrieben, es ist jedoch klar, daß das P-Gebiet 15 mit Sperrvorspannung bezüglich des Substrats betrieben werden kann. Negatives Vorspannen der nichtinvertierenden Klemme 32 gegenüber Masse würde eine solche Schaltung ergeben.
  • L e e r s e i t e

Claims (11)

  1. Patentansprüche: Halbleitervorrichtung zum Abfühlen von optischer Strahlung, mit einem Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial eines Leitungstyps, der eine Hauptfläche zum Empfangen der optischen Strahlung hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine erste Schicht (13) neben der Hauptfläche, eine unter der ersten Schicht (13) liegende zweite Schicht (14) und ein dünnes Gebiet (15) entgegengesetzten Leitungstyps in der ersten Schicht neben der Hauptfläche (12), das mit dieser einen PN-Ubergang bildet, aufweist, daß das dünne Gebiet (15) entgegengesetzten Leitungstyps eine Dicke hat, die einen Hauptteil der optischen Strahlung durchläßt, daß die erste Schicht (13) eine Dicke hat, die ausreicht, um einen vorbestimmten Hauptteil der optischen Strahlung zu absorbieren, daß die erste Schicht (13) einen spezifischen elektrischen Widerstand hat, der wesentlich größer als der spezifische elektrische Widerstand der zweiten Schicht (14) ist, daß die zweite Schicht wesentlich dicker als die erste Schicht ist und eine Minoritätsträgerlebensdauer hat, welche wesentlich kürzer als die Minoritätsträgerlebensdauer in der ersten Schicht (13) ist, und daß eine Ausgangseinrichtung (30) mit dem Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps (15) gekoppelt ist, um die Minoritätsträgerladung zu sammeln und abzufühlen, welche in der ersten Schicht (13) infolge der Absorption der optischen Strahlung erzeugt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurze Minoritätsträgerlebensdauer in der zweiten Schicht (14) durch die darin vorhandene Gesamtaktivatorkonzentration geschaffen wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (13) einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm cm oder mehr hat und daß der spezifische Widerstand der zweiten Schicht (14) etwa 0,05 Ohm cm oder weniger beträgt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Schicht (13) etwa 5 pm oder wenigerbeträgt und daß die Dicke der zweiten Schicht (14) etwa 100 pm oder mehr beträgt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitungstyp der N-Typ ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitungstyp der P-Typ ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Szintillator (35) mit der Hauptfläche (12) des Substrats optisch gekoppelt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid, Indiumantimonid, Germinium oder Quecksilbercadrniumtellurid ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung (30, 34) eine linrichtung (34) zum Nullvorspannen des PN-Übergangs aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung (30, 34) eine Einrichtung zum Sperrvorspannen des PN-Ubergangs aufweist.
DE19803015527 1979-04-25 1980-04-23 Halbleitervorrichtung zum abfuehlen von optischer strahlung Withdrawn DE3015527A1 (de)

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JPS55144512A (en) 1980-11-11

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