DE3124238A1

DE3124238A1 - "strahlungsempfindliche halbleiteranordnung"

Info

Publication number: DE3124238A1
Application number: DE19813124238
Authority: DE
Inventors: Arthur Marie Eugène 5621 Eindhoven Hoeberechts
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-07
Filing date: 1981-06-20
Publication date: 1982-06-16
Also published as: CA1189175A; JPS5748275A; ATA301081A; JPS622710B2; AU7255681A; NL8003906A; IT1137597B; GB2080026B; US4791468A; IT8122750A0; DE3124238C2; GB2080026A; FR2486309B1; ES503658A0; ES8302364A1; AT387106B; FR2486309A1; AU546782B2

Description

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PHN 9796 ' ^ " "12"."2. 1981

Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer praktisch ebenen .Oberfläche mindestens eine strahlungsempfindliche Diode mit mehreren Teilelementen enthält, von denen mindestens eines mit einem Anschluss' zum Registrieren des durch Strahlung erzeugten Stromes durch das Teilelement versehen ist.

Unter einer strahlungsempfindlichen Diode sind sowohl eine Photodiode als auch z.B. ein strahlungsempfind— licher Basis—/Kollektor—Übergang eines Phototransistors oder andere strahlungsempfindliche Halbleiterübergänge oder Metall/Halbleiterübergänge zu verstehen. Im Falle eines Phofcotranwistors ist der Anschluss zum Registrieren des erzeugten Stromes in der Regel mit einem Emitter des· Phototransistors verbunden.

Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnungen .· der obengenannten Art werden z.B. in lichtempfindlichen Schaltungen für Bildwiedergabe und in Vorrichtungen für Spurverfolgung oder Positionierung von Lichtbündeln (oder Bündeln von Strahlung anderer Art) verwendet..Andere Anwendungen von Strahlungsdetektion liegen auf dem Gebiet spektroskopischer Analyse, namentlich im. Wellenlängenbereich von 200 —1100nm, und sind z.B. weicher Röntgenstrahlung. Ausserdem werden derartige Vorrichtungen für

²^ Detektion von Teilchenstrahlung (z.B. Elektronen und Alphateilchen) vorwendet.

In bekannten strahlungsempfindlichen Anordnungen, z.B. Quadrantendioden, werden die Teilelemente durch an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Halbleiterzonen gebildet, die mit einem Anschluss zum Registrieren des photoelektrischen Stroms durch das Teilelement versehen sind und die mit dem umgebenden Teil des Halbleiterkörpers gleichrichtende Übergänge bilden. Wenn die strahlungs-

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empfindliche Diode in der Sperrichtung vorgespannt ist, sind an den Stellen der Teilelemente im Halbleiterkörper (und in den Halbleiterzonen) Erschöpfungsgebiete vorhanden. In diesen Erschöpfungsgebieten ist ein elektrisches Feld vorhanden, das nahezu völlig durch die Spannung über der Diode bestimmt wird. Wenn infolge einfallender Strahlung in den Erschöpfungsgebieten Ladungsträger erzeugt werden, tragen diese unter dem Einfluss des vorhandenen elektrischen Feldes zu einem photoelektrischen Strom durch, die Teilelemente bei.

In derartigen strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnungen ergibt .sich das Problem des Ubersprechens zwischen den Teilelementen. In bekannten Anordnungen wurde dieses- Problem dadurch gelöst, dass eine genügend grosse räumliche Trennung zwischen den Teilelementen und den zugehörigen Erschöpfungsgebieten angebracht wird. Ladungsträger, die in oder nahe bei dem Erschöpfungsgebiet eines Teilelements erzeugt werden, tragen dann praktisch nicht zu dem photoelektrischen Strom durch andere Teilelemente bei,

²" Eine derartige räumliche Trennung geht aber auf

Kosten, des Auflösungsvermögens der Anordnung; insbesondere werden zwischen zwei Teilelementen schmale Bündel oder kleine Verschiebungen eines Bündels nicht deutlich als Änderung des photoelektrischen Stromes durch benachbarte Teilelemente detektiert.'

Auch zwischen den Ersch.opfungsgebi.eten werden

Ladungsträger erzeugt. Diese können entweder durch Rekombination wieder verschwinden oder durch Diffusion ein Erschö'pfungsgebiet eines Teilelements erreichen und dor.t einen Beitrag zu dem photoelektrischen Strom liefern. Dieser Beitrag ist träger und kann sich, ausserdem zu anderen als den benachbarten Teil elementen erstrecken.

In der US-PS 3 858 233 werden Massnahmen vorgeschlagen, Strahlung, die etwa in der Mitte zwischen zwei Teilelementen einfällt, einen praktisch vernachlässigbaren Beitrag zu dem photoelektrischen Strom liefern zu lassen. Dazu wird zwischen benachbarten Teilelementen über wenigstens einen Teil der zwischen den Teileleitiünteu liegenden

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Oberfläche eine Schicht aus strahlungsabsorbierendem Material angebracht. Auf diese Weise wird zwischen zwei Teilelementen ein Trennstreifen angebracht, in dem einfallende Strählung die Halbleiteroberfläche nicht erreicht, g Durch das Vorhandensein einer strahlungsabsor-

biereriden Schicht trägt an der Stelle dieser Schicht einfallende Strahlung nicht oder nahezu nicht zu einem photoelektrischen Strom bei. Dadurch wird die Empfindlichkeit einer derartigen Anordnung herabgesetzt.

1Q Die Erfindung hat die Aufgabe, eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung eingangs genannter Art mit einem grossen Auflösungsvermögen und einer grossen Strahlungsempfindlichkeit zu schaffen, bei der das Übersprechen zwischen Teilelementen sehr gering ist. Ausserdem hat sie die Aufgabe, eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit hoher Geschwindigkeit zu schaffen. ■ . ' Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Diffusion bestimmte Beiträge zu dem photoelektrischen Strom zu einem grossen Teil dadurch vermieden werden können, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Eino erste Ausfflhrun^sforni einer strahluugs— empfindlichen Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Teilelementen derart klein sind, dass durch das Anlegen einer Sperrspannung über der strahlungsempfindlichen Diode zwischen benachbarten Teilelementen liegende Gebiete völlig durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden können.

Eine zweite Ausführungsform einer strahlungs— empfindlichen Halbleiteranordnung nach der Erfindung-, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens ein Schaltungselement enthält, mit dem eine derartige Sperrspannung über der strahlunfjseinp (."liidlichen Diode angelegt werden kann, dass zwischen benachbarten Teilelementen liegende Gebiete völlig durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden können.

Dadurch, dass nun das Gebiet zwischen zwei Teilelementen völlig erschöpft ist, sind in dem ganzen Gebiet

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zwischen den Teilelementen gerichtete elektrische Felder vorhanden. Ladungsträger, die hier infolge einfallender Strahlung erzeugt werden, werden unter der Einwirkung dieser Felder zu den zugehörigen Teilelementen geführt und tragen dort zu dem photoelektrischeh Strom bei.

Da die Erschöpfungsgebiete benachbarter Teilelemente sich berühren (oder sich gleichsam teilweise überlappen), kann der gegenseitige Abstand zweier Teilelemente sehr klein (in der Grössenordnung von einigen /um)

ig sein. Dadurch wird nach der Erfindung eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem sehr grossen Auflösungsvermögen erhalten.

Der völlig erschöpfte Zustand des zwischenliegenden Gebietes hat u.a. zur Folge, dass praktisch

^g keine Ladungsträger, die durch Diffusion zu dem photoelektrischen Strom beitragen, vorhanden sind. Der photoelektrische Strom enthält daher praktisch keinen durch Diffusion bestimmten Beitrag, wodurch eine kurze Ansprechzeit der Diode erhalten werden kann.

Weiter hat der völlig erschöpfte Zustand des zwischenliegenden Gebietes, wodurch ein durch Diffusion bestimmter Beitrag zu dem photoelektrischen Strom fehlt, zur Folge, dass dieses zwischenliegende Gebiet nicht teilweise vor einfallender Strahlung geschützt zu werden braucht. Eine strahlungsabsorbierende Schicht über einem Teil des zwischenliegenden Gebietes ist daher nicht erforderlich. Dadurch wird eine grosse Empfindlichkeit erzielt, weil nun nahezu alle Strahlung in einen Halbleiterkörper eindringen und dort Ladungsträger erzeugen kann, die zu dem photoelektrischen Strom beitragen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die strahlungsempfindliche Diode eine Anzahl symmetrisch um einen Punkt der Oberfläche liegender Teilelemente. Eine derartige Ausführungsform eignet sich u.a. besonders gut zur Bestimmung von Bündellagen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthalten mehrere strahlungsempfindliche Dioden ein gemeinsames Teilelement.

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α λ β fa β β· <i

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Eine derartige Anordnung, bei der eine Anzahl von Dioden den Basis/Kollektor-Ubergang von Phototransistor en'bilden, kann z.B. in einer kombinierten Spurverfolgungs- und Positionierungsschaltung für z.B. Platteng abspielgeräte unter Verwendung optischer Auslesung (z.B. VLP-Systeme) benutzt werden.

•Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung nach der Er- · findung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ^O mindestens einen Stromdetektor für von einfallende Strahlung erzeugten Strom enthält. Ein derartiger Stromdetektor kann zum Erzeugen eines Regelsignals, z.B. in der genannten Spurverfolgungs- und Positionierungsschaltung, oder zum Detektieren eines photoelektrischen Stromes, z.B. in einem die strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung enthaltenden • Spektrometer, verwendet werden.·

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden· im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Halbleiteranordnung längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 ein Messverfahren zur Bestimmung des Auflösungsvermögens einer derartigen Halbleiteranordnung,

Fig. K einige Ergebnisse, die mit dem Verfahren nach Fig. 3 erhalten sind,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine andere strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch-die Halbleiteranordnung in Fig. 5 längs der Linie VI-VI,'

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, in der die Halbleiteranordnung nach den Fig. 1 und 2 verwendet wird,

Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII- ·' VIII in Fig. 7,

Fig. 9 einen Teil einer Bildplattenwiedergabe-

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vorrichtung , in der die Anordnung nach, den Fig. 7 und 8 verwendet wird,

Fig. -IO eine Draufsicht auf eine andere stralilungsempfindliche Halbleiteranordnung nach.der Erfindung,.

Flg. 11 einen Querschnitt längs der Linie XI-XI

in Fig. 10, ' ·.

Fig. 12 eine Draufsicht auf eine noch weitere strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach der Erfindung , und

]q Fig. 13 einen Querschnitt durch diese Halbleiteranordnung längs der Linie XIII-XIII in Fig. 12.

Die Figuren sind schematisch und nicht massstäblich gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber in den Querschnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung übertrieben gross dargestellt sind. Halbleiterssonen vom gleichen Leitungstyp sind im allgemeinen in der gleichen Richtung schraffiert; in den verschiedenen Ausführungsformen sind entsprechende Teile in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Fig. 1 und 2 enthält einen Halbleiterkörper 1 aus Silicium. Dieser Halbleiterkörper 1 enthält ein niederohmiges Substrat 2, auf dem eine η-leitende epitaktische Schicht 3 mit einer Dicke von etwa 10 /um und einem spezifischen Widerstand in der Grössenordnung von 100-20OjTi, . cm angewachsen ist.

Der Halbleiterkörper 1 ist an einer praktisch ebenen Oberfläche h mit voneinander getrennten gleichrichtenden übergängen 5 versehen. Der Halbleiterkörper 1· ist dazu an seiner Oberfläche k mit'Oberflächengebieten 6 vom p-Leitungstyp versehen, die mit der epitaktischen Schicht 3 die genannten gleichrichtenden Übergänge 5 (pn-Ubergänge) bilden; dabei sind vier Teilelernentü 6,0,

GD
6 und 6 symmetrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet. Diese Teilelemente bilden einen Teil einer sogenannten Quadrantendiode.

Die Oberfläche k des Halbleiterkörpers 1 ist weiter mit einer passivierenden Antireflexionsschicht 7

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aus Siliciumoxid überzogen. In der Schicht 7 befinden sich Kontaktfenster 8 für Kontakte 9 (9^A, 9^B, 9° und 9°). Auf der Unterseite des Halbleiterkörpers ist das Substrat 2 durch eine Kontaktmettalisierung 10 kontaktiert. •5 Mit Hilfe einer elektrischen Spannung an- den

Kontakten 91 10 können die pn-Ubergänge 5 in der Sperrrichtung vorgespannt werden. Dadurch wird an jedem pn-Ubergang 5 in der epitaktischen Schicht 3 und dem zugehörigen ■ Oberflächengebiet 6 ein Erschöpfungsgebiet erzeugt, das in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angegeben ist. Sofern sich diese Erschöpfungsgebiete in der epitaktischen Schicht 3 erstrecken, sind sie mit den Bezugsziffern 12 bezeichnet. Die elektrischen Feldlinien infolge in derartigen Gebieten12 vorhandener elektrischer Felder sind durch Pfeile 13.angedeutet. ' . -

Yenn auf die Oberfläche h des Halbleiterkörpers ' Licht oder Strahlung genügend hoher Energie einfällt, • (mindestens gleich der Breite des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials) werden im Halbleiterkörper zusätzliche Ladungsträger (Löcher und Elektronen) erzeugt. In den Erschöpfungsgebieten werden diese zusätzlichen Ladungsträger infolge des vorhandenen Feldes abgeleitet und tragen somit zu einem photoelektrischen Strom durch den zugehörigen pn-Ubergang bei.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung sind die Abstände zwischen den Teilelementen derart klein, dass durch das Anlegen'einer Sperrspannung über der strahlungsempfindlichen Diode zwischen benachbarten Teilelementen liegende Gebiete durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden können.

Bei einem gegenseitigen Abstand zwischen den p—Gebieten 6 von etwa h /um ist eine Sperrspannung" von etwa 8 V über den benachbarten pn-Ubergängen 5 ausreichend, um zu bewirken, dass sich in der epitaktischen Schicht 3 die zugehörigen Erschöpi'ungsgeb Le te 12 gleichsam berühren. An dor Stelle der Berührungsfläche der zu nebeneinander liegenden pn-Ubergängen 5 gehörigen Erschöpfungsgebiete werden die elektrischen Feldlinien derart abgelenkt, dass

Λ » · * OP·»

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. 41·

infolge des vorhandenen elektrischen Feldes die in dem Erschöpfungsgebiet erzeugten Ladungsträger sich praktisch immer zu dem zugehörigen pn-Ubergang bewegen. Auf diese Weise tragen sie.zu dem in diesem pn-Ubergang erzeugten

κ photoelektrischen Strom bei.

Der gegenseitige Abstand zwischen den p-leitenden Gebieten 6 ist viele Male kleiner als in den bekannten strahlungsempfindlichen Anordnungen, so d.ass mit der Anordnung nach Fig. 1 ein viel besseres Auflösungsvermögen

ig erhalten wird. Ausserdem ist die epitaktische Schicht 3 übex den grössten Teil ihrer. Dicke erschöpft, so dass namentlich im Wellenlängenbereich von 4θΟ - 1100 nm nahezu kein Beitrag zu dem photoelektrischen Strom durch Diffusion · erzeugter Ladungsträger geliefert wird. Dadurch wird die' Anordnung erheblich schneller. Ausserdem ist die Halbleiteroberfläche über das. ganze Gebiet zwischen den Oberfläche}!,... gebieten 6 empfindlich für einfallende .Strahlung. Dies bedeutet, dass sehr schmale Bündel detektiert werden können. Nach einem zweiten Aspekt■der Erfindung enthält die Anordnung mindestens ein Schaltungselement, mit dem eine derartige Sperrspannung über der strahlungsempfindlichen Diode angelegt werden kann, dass zwischen benach- ·' barten Teilelementen liegende Gebiete völlig durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden.

In Fig. 2 sind dazu die Teilelemente 6,6,6 und 6 über Widerstände \h mit einer Spannungsquelle 11 verbunden. Für die Kontaktierung sind die Teilelemente 6 ,

Ti Γ¹ Ή

6 , 6 und 6 über Kontaktlöcher 8 in der Passivierungsschicht 7»die den Halbleiterkörper bedeckt, mit Kontaktmetallisierungen 9 » 9 > 9 und 9 versehen. Von der Spannungsquelle 11 wird eine derartige Spannung über den pn—Übergängen 5 angelegt, dass die epitaktische Schicht 3 wieder über den grössten Teil ihrer Dicke erschöpft ist. Dies ergibt wieder die obengenannten Vorteile in bezug auf Geschwindigkeit und Empfindlichkeit.

Es wurde gefunden, dass die dargestellten Anordnungen eine Frequenzkennlinie mit einem flachen Verlauf bis oberhalb 100 MHz aufweisen, d.h. dass ein Teilelement, "

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das mit einer Impulsreihe von Lichtsignalen bestrahlt wurde, keine merkliche Änderung in der Ansprechfähigkeit bis zu einer Signalfrequenz von mehr als 100 MHz aufwies.

Ein in einem pn-Ubergang 5 erzeugter photoelektrischer Strom führt einen Spannungsabfall über dem zugehörigen Widerstand 1^ herbei und liefert dadurch ein Ausgangssignal τ · Venn nun z.B. ein Lichtbündel in der Mitte der Quadrantendiode (in Fig. 1 durch den schraffierten Teil 15 dargestellt)" senkrecht zu der Oberfläche Λ einfällt,

■ - ABC T)

¹Q sind in den vier Teilelementen 6,6,6 und 6 die erzeugten photoelektrischen Ströme praktisch einander gleich. ¥enn die Lage des einfallenden Bündels gegen die Mitte 15 etwas verschoben ist, werden Unterschiede in den Ausgangssignalen '[ ., Ψ-αϊ 4 p und V auftreten. Diese Ausgangs- . signale können dann wieder einem Regelsystem zugeführt werden, das die Lage des einfallenden Bündels regelt. Im Aufsatz "Optical Video-Disks with Undulating Tracks" von J.J.M. Braat und G. Bouwhuis in der Zeitschrift "Applied . Optics", Band 17, Nr. 13, S. 2022 - 2028 (vom I.Juli 1978) ^ wird beschrieben, wie eine derartige Quadrantendiode, in einem Bildplattenabspielgerät verwendet werden kann.

Die Quadrantendiode nach den Fig. 1 und 2 enthält ausser den. Teilelementen 6,6,6 und 6 ein Teilelement, das diese Gebiete völlig umgibt. Der zu diesem Teilelement

9R " E

" gehörige pn-Ubergang 5 ist mittels der Spännungsquelle 11 derart gesperrt, dass das zugehörige Erschöpfungsgebiet 12 wenigstens die Erschöpfungsgebiete 12, die zu den pn-Ubergängen 5 zwischen der epitaktischen Schicht 3 und den Oberflächengebieten 6,6,6 und 6 gehören, berührt.

Diese Massnahme hat zur Folge, dass von nicht auf die Teilelemente 6,6,6 und 6 einfallendem Licht erzeugte Ladungsträger.und parasitär erzeugte Ladungsträger (die z.B. vom Rande des Kristalls stammen) praktisch ausschliess-

E lieh zu einem Strom durch den pn-Ubergang 5 beitragen, so dass s:Lo nicht infolge von Diffusion parasitäre Beiträge zu dem photoelektrischen Strom durch einen der pn-Ubergänge5 der Teilelemente 6,6,6 und 6 liefern können.

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•43.

Die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 und 2 kann

durch in der Halbleitertechnologie allgemein bekannte Techniken hergestellt werden. Es wird von einem n-leitenden Siliciumsubstrat 2 ausgegangen, auf dem die n-leitende epitaktische Schicht angewachsen wird. Die Oberflächengebiete 6 werden z.B. durch Implantation von p-Verunreinigungen und einen anschliessenden Diffusions- oder Ausglühschritt erhalten. Die Oberflächengebiete 6 können auch unmittelbar durch Diffusion erzeugt werden.

Fig. 3 zeigt schotnatisch eine Messung zur Bestimmung des Auflösungsvermögens zwischen zwei strahlungsempfindlichen Übergängen in einem gemeinsamen Halbleiterkörper, wie oben beschrieben wurde.

Fig. h zeigt einige Messergebnisse sowohl für eine Halbleiteranordnung, bei der zwischen zwei Oberflächengebieten 6 Mittel vorgesehen sind, um zu bewirken, dass weniger Strahlung als an anderen Stellen in den Halbleiterkörper eindringt, als auch für eine Halbleiteranordnung, bei der dies nicht der Fall ist, z..B. dadurch, dass nach der Herstellung die Oberfläche k gereinigt und mit einer passivierenden Antireflexschicht 7 versehen wurde.

Ein Bündel 16, z.B. ein Laserstrahl, bewegt sich über die Oberfläche 4.des Halbleiterkörpers 1, der einen Teil einer Halbleiteranordnung nach "der Erfindung bildet.

Wenn sich das Bündel 16 an der Stelle des Punktes a befindet, wird der in dem unterliegenden pn-Ubergang 5 erzeugte photoelektrische Strom praktisch ausschliesslich in einem flachen Teil dieses Übergangs parallel zu der Oberfläche h erhalten. Dies führt zu einem Strom mit einem Wert I (Kurve 17, 19 in Fig. k) durch diesen "Übergang. Der Strom durch den nächstliegenden pn—Übergang 5 ist vernachlässigbar klein .(Kurve 18, 20 in Fig. k) . Nicht alle vom Bündel i6 erzeugten Ladungsträger tragen im Punkt a zu dem photoelektrischen Strom bei, weil ein Teil durch Rekombination in dem Oberflächengebiet 6 (und auch etwas in dem gegebenenfalls nicht erschöpften Teil der epitaktischen Schicht 3) verloren geht. Auch wird die einfallende Stx'uhlung, sei es in geringem Masse, von der Passivierungs-

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schlicht 7 reflektiert und in dem Oberflächengebiet 6 etwas absorbiert, bevor diese Strahlung das Erschöpfungsgebiet des pn-Ubergangs 5 erreicht. ¥enn sich das Bündel l6 an der Stelle des Punktes b befindet, wird der Einfluss der Krümmung des pn-Ubergangs 5 wahrnehmbar. Der Abstand zwischen der Oberfläche k und dem Erschöpfungsgebiet ist geringer, sodass weniger Ladungsträger durch Rekombination verloren gehen und auch weniger Strahlung im Oberflächengebiet 6 absorbiert wird. Dadurch wird bei gleichbleibender Dicke der Schicht 7 ein zusätzlicher Beitrag zu dem photoelektrischen Strom.geliefert (Kurve 19 in Fig.4). Je nachdem sich das Bündel 16 weiter über die Oberfläche 4 verschiebt, nimmt dieser zusätzliche Beitrag zunächst schnell auf einen Vert I₁ zu, wonach jenseits des Punktes c praktisch in. d.er Mitte zwischen den .zwei Oberflächengebieten der photoelektrische Strom 19 schnell abnimmt, dadurch, dass die elektrischen Felder (durch Pfeile 13 angedeutet) im Erschöpfungsgebiet 15 bewirken, dass praktisch alle erzeugten Ladungsträger zu.dem photoelektrischen Strom 20· durch den nächstliegenden pn-Ubergang beitragen. Der zu diesem nächstliegenden pn-Ubergang gehörige Strom nimmt, wenn sich das Bündel 16 weiter verschiebt, zunächst schnell, auf den Wert I₁ zu, wonach er wieder auf den Wert T abnimmt, (siehe Kurve 20 in Fig. k).

Die Schicht 7 zwischen den Oberflächengebieten kann, eine .Verdickung 36 aufweisen, z.B. dadurch, dass die ursprüngliche Diffusions- oder .tmpl.an tationsmaske ειιιΓ der Oberfläche k zurückgeblieben isb. Diese Verdickung kann derart gewählt werden, dass an der Stelle dieser Verdickung 36 ein grösserer Teil des einfallenden Lichtes reflektiert wird. Die erzeugten photoelektrischen Ströme verlaufen dann etwa gemäss den Kurven 17, 18 in Fig. k statt gemäss den Kurven I9» 20. Derartige abgeflachte Kurven 17» 18 eignen sich viel besser für Anwendungen in Regelvorrichtungen als die Kurven 19, 20.

Die gegenseitige optische Trennung zwischen den Oberflächengebieten 6 erwies sich bei der Messung nach dem in Fig. 3 gezeigten Verfahren als besonders befriedigend.

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φ β ft «

α β β β • aft

Das Übersprechen in einer Anordnung nach der Erfindung zwischen zwei benachbarten pn-Ubergängen 5 bei einem Abstand zwischen den Oberflächengebieten 6 von etwa h /um war kleiner als 6θ dB, mit anderen Worten: bei Belichtung

_K des einen Übergangs betrug der Wert des gemessenen Photostroms durch den .nächstliegenden unbelichteten Übergang . weniger als 1^o des Photostroms in dem belichteten Übergang;

Fig. 5 und G zeigen eine Photodiode, bei der ein Teilelement 6 mit einem Anschluss zum Detektieren des

ig erzeugten Photostrotns versehen ist. Der Halbleiterkörper 1 enthält ein niederohmiges Substrat 2 und eine darauf angewachsene epitaktische Schicht 3> beide vom η-Typ. Die · epitaktische Schicht weist eine Dicke von etwa 5/um und einen spezifischen Widerstand von 50 - 200-Ί. .cm auf. Die epitaktische Schicht 3 ist an der Oberfläche k mit einem kreisförmigen Oberflächengebiet 6 und einem zweiten ring-

"Π\ α"

förmigen Oberflächengebiet 6 versehen, das das Gebiet 6 völlig umgibt. Die beiden. Öberflächengebiete 6 sind p-leitend. Der gegenseitige Abstand zwischen den Gebieten 6 und 6 beträgt etwa k ,um. Bei einer Sperrspannung von etwa

' ,-A
10 V über dem zu dem Gebiet 6 gehörigen pn—Übergang 5 ist die epitaktische Schicht 3 praktisch völlig erschöpft. Dadurch, dass zwischen d.en Gebieten 6 und 6 die Erschöpfungsgebiete 12 sich gleichsam berühren, werden dort erzeugte Ladungsträger durch das Vorhandensein gerichteter elektrischer Felder (die durch Pfeile 13 angedeutet sind) wieder schnell zu den .Gebieten 6 bzw. 6 abgeleitet. Damit ist eine sehr schnelle Photodiode erhalten, wobei praktisch keine Streueffekte auftreten. Ausserdem spielt

30' dadurch der vom Rande des Gebietes 6 stammende Beitrag zu der Diodenkapazität praktisch keine Rolle. Übrigens haben die Bezugsziffern wieder die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 1 und 2.

In dem Halbleiterkörper 1 nach Fig. 1 und 2 können ausser den photoempfindlichen Dioden auch andere Halbleiterbauelemente, wie Transistoren, Widerstände usw., hergestellt werden. Auch können z.B. Phototransistoren in ;■ dem Halbleiterkörper gebildet werden. Ein einen Teil einer

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strahlungsempfindlichen Halbleiteranordnung bildender Halbleiterkörper 1, der neben Dioden auch. Phototransistoren F, G enthält, wird in Fig. 7 in Draufsicht dargestellt, während Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7 zeigt. Die Anordnung nach den Fig. 7 und 8 enthält wieder getrennte pn-TJbergänge zwischen der n-leitenden epitaktischen Schicht 3 und den p-leitenden Oberflächen-

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gebieten 6. Die p-leitenden Oberflächengebiete 6,6,6

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und 6 bilden dabei zusammen mit dem umgebenden Gebiet 6

jQ wieder eine Quadrantendiode, wie sie oben beschrieben ist, während die p-leitenden Oberflächengebiete 6 , 6 die Basen von Phototranaisfcoren mit η-leitenden Emittergebieten 2 1 , 21 bilden. Das Oberflächengebiet 6 bildet dabei ein gemeinsames Teilelement der Quadrantehdiode und der beiden Phototransistoren F, G. Eine derartige Halbleiteranordnung kann in einer Bildplattenwiedergabevorrichtung für sowohl die Positionierung als auch die Spurverfolgung benutzt . werden.

Fig. 9 zeigt beispielsweise eine derartige Wiedergabevorrichtung. Ein von einem Laser 22 erzeugtes monochromatisches Bündel 23 wird mit Hilfe einer Linse 2k, eines Spiegels 25 und eines Objektivs 26 auf einer Bildplatte 27 abgebildet. Das von. der Bildplatte 27 modulierte Bündel 28 wird über das Objektiv 26 und den Spiegel 25 reflektiert und mittels eines polarisierenden Spiegels 29 auf einem Detektor 30 abgebildet. Eine -^ Λ-Platte 31 trennt zusammen mit dem polarisierenden Spiegel 29 das hingehende Bündel von dem zurückkehrenden Bündel, das auf dem Detektor 30 abgebildet wird und dort z.B. für Positionierungszwecke auf einer Quadrantendiode abgebildet werden kann.

Für Spurverfolgungszwecke werden mit Hilfe eines Gitters zwei zusätzliche Bündel erzeugt, die die Spur auf der Bildplatte gerade vor und gerade hinter dem Bündel 23, sei es etwas exzentrisch, treffen. Diese.Bündel werden nach Reflexion gleichfalls auf dem Detektor 30 abgebildet.

Der Unterschied in Lichtintensität auf in dem Detektor angebrachten Photodioden (oder -transistoren) ist ein Mass für eine etwaige Fehlanpassung zwischen der

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. /17,

Richtung der Videospur und der Auslesevorrichtung. Um diese Fehlanpassung zu vermeiden bzw. zu beseitigen, werden die' ■Signale der Photodioden einem Regelsystem zugeführt. Für eine ausführlichere Beschreibung der Bildwiedergabevor-

g richtung und deren Wirkung sei auf die Aufsätze "Laser Beam Reading of Video Records" von C.H.F. Velzel in "Applied Optics", Band I7, Nr. I3, S. 2029-203^+ (vom 1.JuIi 1978) und "The Optical Scanning System of the Philips "VLP"-Record Player" von G^ Bouwhuis und P. Burgstede in "Philips Technical Review" 33, Nr. 7, S. 186 - I89 (1973) verwiesen.

Wenn eine Halbleiteranordnung nach den Fig. 7 und 8 einen Teil eines Detektors 30 in einer Wiedergabevorrichtung nach Fig. 9 bildet, wird· das modulierte Bündel 28 auf der Quadrantendiode abgebildet, die dux-ch die

15' Oberflächengebiete 6,6,6 und 6 gebildet wird. Die beiden zusätzlichen Bündel werden auf den Phototransistoren F, G abgebildet (die Auftreffstellen des Bündels 28 und der beiden zusätzlichen Bündel sind in Fig. 7 durch schraffierte Kreise 28, 33> 3^ dargestellt). Infolge der von den zusätzlichen Bündeln erzeugten Ladungsträger werden die' Phototransistoren F, G leitend; der Basisstrom durch die pn-Ubergänge 5 wird verstärkt und die Emitterströme führen an den Ausgängen Signale '''„, T₁-. herbei, die dem Regelsystem für die Spurverfolgung zugeführt werden können.

Während dor Herstel Lung dor Halblei Leraiiurdiiurig imcli tion Fig. 7 und 8 können aber infolge von Prozesstoleranzen die Abmessungen und andere Eigenschaften der Transistoren F und-G etwas voneinander verschieden sein. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass bei gleicher Belichtung und Einstellung diese Transistoren doch verschiedene Ströme liefern. Um einen derartigen Stromunterschied auszugleichen, ist die Anordnung mit einem regelbaren Widerstand 35 versehen, mit dem sie kalibriert werden kann.

Fig. 10 zeigt in Draufsicht und Fig. 11 im Querschnitt längs der Linie XI-XI in Fig. 10 eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach der.Erfindung für z.B. spektroskopische Anwendungen (z.B. kurzwelliges Licht, Röntgenstrahlung). Wenn einer der pn-Ubergänge ^r>

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infolge von Bestrahlung in der unmittelbaren Umgebung des zugehörigen Gebietes 6 einen ph.otoelektrisch.en Strom liefert, wird ein Spannungsabfall über dem zugehörigen Widerstand 14 erhalten, was zu einem Ausgangssignal T führt.

Die Lage des pn-Ubergangs bestimmt dabei, welcher Ausgang υ in Signal liei'ei't. Dadurch, dass die Ersohöpi'ungsschlchten der unterschiedlichen pn—Übergänge 5 sich gleichsam' wieder berühren, ist die Anordnung schnell und über praktisch ihre ganze Oberfläche empfindlich für einfallende Strahlung.

Um den Einfluss unerwünschter Strahlung und vom Rande

•stammender Leckströme zu unterdrücken, sind die Oberin

flächengebiete 6 von einem ringförmigen Oberflächengebiet in einem derartigen Abstand umgeben, dass beim Gebrauch

E das zu dem pn-Ubergang 5 zwischen dem Gebiet 6 und der epitaktischen Schicht 3 gehörige Erschöpfungsgebiet 12 wenigstens die zu den anderen pn-Ubergangen 5 gehörigen Erschöpfungsgebiete 12 berührt. Übrigens haben die Bezugs— ziffern wieder die gleiche Bedeutung wie in den vorhergehenden Büisx>lolon. .

Fig. 12 und 13 zeigen eine Abwandlung der Anord- "

nung nach den Fig. 1 und 2. Die Oberflächengebiete 6

C D
6 und 6 bilden nun d

Quadrantentransistors.

C D
6 und 6 bilden nun die Basen von Teilelementen eines

Die_t Gebiete 6,6,6 und 6 sind an der Oberfläche h mit Emittergebieten 21^A, 21^B, 21 bzw. 21^D versehen, die über Kontakte 9 j 9 > -9 bzw. 9 mit einer Spannungsquelle 11 verbunden werden können (Fig'. 13)·

Um den von den strahlungsempfindlichen Übergängen 5 erzeugten Strom zu detektieren, enthält die Anordnung wieder Widerstände 14, über denen ein Signal gemessen w±i-d. Die Anordnung nach Fig. 12 und 13 ist im vorliegenden Beispiel insbesondere für Detektion von Teilchenstrahlung geeignet gemacht, dadurch, dass sie zwischen den Gebieten 6 mit einer Teilchen absorbierenden Schicht "37 versehen wird. Diese Schicht erfüllt eine ähnliche Funktion wie die Strahlungsreflektierende Schicht3j6 in der Anordnung nach Fig. 1 und 2, und zwar die Herabsetzung der- Menge erzeugter Ladungsträger im Gebiet zwischen

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den Oberflächengebieten 6, so dass die Spitzenströme I (Kurven 19, 20 in Fig. h) vermieden werden. Übrigens ist die Wirkung der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 analog, mit der Massgabe, dass der in den pn-Ubergängen 5 erzeugte Strom durch die Transistorwirkung verstärkt wird. Die übrigen Bezugsziffern haben wieder die gleiche Bedeutung wie in den vorhergehenden Beispielen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die obenstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern

^q sind für den Fachmann Lm Rahmen der Erfindung verschieden« • Abwandlungen möglich. So können (zu gleicher Zeit) die Leitungstypen der Halbleiteranordnung (zusammen mit der Polarität der Spannungsquelle 11) umgekehrt werden. Auch können andere Halbleitermaterialien als Silicium, wi'e z.B. Germanium oder Verbindungen vom ΙΙΣ-V-Typ, wie Galliumarsenid, verwendet werden. Statt mit Hilfe des pn-Ubergangs5 können die Erschöpfungsgebiete 12 auch mit Hilfe von Schottky-Kontakten auf dem Halbleitermaterial erzeugt werden, die dann aber für Strahlung durchlässig sein müssen. Dazu werden sie z.B. aus mit Antimon dotiertem Zinnoxid oder aus gegebenenfalls mit Zinn dotiertem Indiumoxid (p-Typ- oder η-Typ) hergestellt.

Statt diese Ob or Γ lüchüjifjebielie 6 in der ept taktischen Schicht 3 anzubringen, können sie auch unmittelbar in dem .Substrat angebracht werden, wobei das Substratmaterial einen spezifischen Widerstand von z.S. 10 -11 . cm . aufweist.

In der Anordnung nach den Fig. :7 und 8 kann

•ex

der schmale Streifen des gemeinsamen Teileletnents 6 zwischen den Teilen 6,6,6 und. 6 und den Basen, der

Phototransistoren 6. und 6 erwünschtenfalls weggelassen werden, vorausgesetzt, dass die zugehörigen· Erschöpfungs-.

"p\ Λ TQ /~< O T)

gebiete 12 der Gebiete 6 und 6 , 6 bzw. 6 und 6 , 6 sich infolge der erfindungsgemässen Massnahmen' gleichsam wieder berühren.

In dor DLoilo nach Fig. 5 und 0 kann das Obex·- flächengebiet 6 erwünschtmifalls gegen einfallende Stx'a mit einer Metallschicht üb {',Ό s ohirm t werdoii, währt-ml d Lu

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• £0-

Anordnung mit Mitteln versehen wird, mit deren Hilfe der Leckstrom durch den zugehörigen pn-Ubergang 5 gemessen wurden kann. AnT diese Woise kann doc· thermisch erzeugte Leckstrom durch den pn-Ubergang gemessen werden, dessen

g Wert dazu benutzt werden kann, das über .das Teilelement gemessene Signal für diese thermische Komponente zu korrigieren.

Weiter können statt der Widerstände i4 Transistoren für Signalverarbeitung verwendet werden; diese Transistoren ('Bipolar- oder erwünschte'nfalls Feldeffekttransistoren) können, gleich wie z.B. Schaltungen für die beschriebenen Regelsysteme, in dem Halbleiterkörper integriert werden.

Die Passivierungsschicht 7 kann ausserdem für bestimmte Wellenlängen derart dick gewählt werden, dass gar keine Reflexion auftritt. Gegebenenfalls können dazu Oxid-Nitridschichten verwendet werden. Zu gleicher Zeit kann die zwischen den Gebieten 6 liegende Verdickung 36 derart gewählt werden, dass die Kurven 17, 1"8 in Fig. k einen optimalen Verlauf aufweisen.

Leerseite

Claims

• fr ** · ρ«

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PATENTANSPRÜCHE

: β

' Strahlungsempfindlich^ Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer praktisch, ebenen Oberfläche mindestens eine strahlungsempfindliche Diode mit mehreren Teilelementen enthält, von denen mindestens'eines mit einem Anschluss zum Registerieren des durch Strahlung erzeugten Stromes durch das Teilelement versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Teilelementen derart klein sind, dass durch das Anlegen einer Sperrspannung über der strahlungsempfindlicheri Diode zwischen benachbarten .Teilelementen liegende Gebiete völlig durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden können.

2. ■ Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwi- ^

sehen zwei Teilelementen höchstens 10 /um beträgt. ■;.

3· ■ Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach % Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Teilelementen etwa 5/um beträgt. h. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung.nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Diode eine' Anzahl symmetrisch um einen Punkt der Oberfläche liegender Teilelemente enthält.
5· Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Diode mindestens eine Reihe von zwei nebeneinander liegenden Teilelementen enthält.

6. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Diode ein Teilelement enthält, das die anderen Teilelemente praktisch völlig umschliesst.

7. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach ·% einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, |

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dass mehrere strahlungsempfindliche Dioden ein gemeinsames Teilelement enthalten.

8. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer praktisch ebenen

g Oberfläche mindestens eine strahlungsempfindliche Diode
mit mehreren Teilelementen enthält, von denen mindestens
eines mit einem Anschluss zum Registrieren des durch
Strahlung erzeugten Stromes durch das Teilelement versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens

jQ ein Schaltungselement enthält, mit dem eine derartige

Sperrspannung über der strahlungsempfindlichen Diode angelegt werden kann, dass zwischen.benachbarten Teilelementen liegende Gebiete völlig durch zu den Teilelementen gehörige Erschöpfungsgebiete erschöpft werden.

9· Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Teilelementen höchstens 10/um beträgt.

10. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand

zwischen zwei Teilelementen etwa 5/um beträgt.

11. Strahlungsempfindliche· Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,-dass die Anordnung einen Stromdetektor, für durch .einfallende
Strahlung erzeugten Strom enthält.

12. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdetektor einen Widerstand enthält, über dem der erzeugte Strom
einen Spannungsabfall hervorruft.
13. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Anprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die strahlungsempfindliche Diode eine Anzahl symmetrisch
um einen Punkt der Oberfläche liegender Teilelemente enthält. ~ik. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Diode mindestens eine Reihe
nebeneinander liegender Teilelemente enthält.
15. Strahlungsernpfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

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die Strahlungsempfindliche Diode ein Teilelement enthält, das die anderen Teilelemente praktisch völlig umschliesst. 16. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass

g mehrere strahlungsempfindliche Dioden ein gemeinsames Teilelement enthalten. ■ 17· Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel enthält,' mit

1Q deren Hilfe an jenen Stellen der Oberfläche, an denen Erschöpfungsgebiete die Oberfläche erreichen können., weniger Strahlung als an anderen Stellen eindringt.

18. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Schicht aus antireflektierendem Material überzogen ist, die an den Stellen · der Erschöpfungsgebiete stärker als an den Stellen der Teilelemente reflektiert. · '

19· Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung zum Detektieren von Teilchenstrahlung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Schicht aus Teilchen absorbierendem Bassivierungsmaterial enthalten. 20. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnimg nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Dotierungsmaske enthalten, über die zu den Teilelementen gehörige Halbleitergebiete in dem Halbleiterkörper angebracht sind.