DE3240180A1

DE3240180A1 - Halbleiter-strahlungsdetektor, insbesondere fuer infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE3240180A1
Application number: DE19823240180
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. 8130 Söcking Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-03

Description

Halbleiter-Strahlungsdetektor, insbesondere für Infra-
rotstrehlung.
Aus der europäischen Patentschrift 0 003 130 isteXneREDleiter-Dreischichtstruktur bekannt. bei der die mittlere der Schichten mit einer derart geringen Dicke bemessen ist, daß bei einer vorgegebenen Höhe der Dotierung dieser Schicht diese Schicht nicht nur in allen Betriebsfällen, sondern auch bereits ohne eine an diese Schichtstruktur angelegte elektrische Spannung an freien, beweglichen Ladungsträgern verarmt ist. Diese Struktur kann einep-n-p- oder auch eine n-p-n-Folge sein.
Elne aus dieser Patentschrift bekannte, als Halbleiterdiode zu verwendende Struktur kann mit Hilfe der Ionenimplantation oder der Molekular-Strahlepitaxie hergestellt werden. Vorzugsweise wird einer solchen Diode die Form eines Mesa-Aufbaues gegeben. Bevorzugt hierfür zu verwendendes Halbleitermaterial sind Silizium und im Zusammenhang mit Lumineszenz Galliumarsenid.
In der genannten europäischen Patentschrift sind Diagramme zum örtlichen Verlauf der Raumladungsdichte in einer derartigen bekannten Dreischichtstruktur angegeben. Die bereits oben erwähnte, als Basis bezeichnete mittlere Schicht der Schichtstruktur enthält im Gegensatz zu sonstigen bekannten Injektionstransistoren keinen neutralen Bereich. Die Raumladungsdichten dieser Diode werden in den einzelnen Schichten durch die entsprechend zu wählenden Dotierungsschichten bestimmt.
Die Höhe des Potentialberges, der in der Dreischicht- struktur dieser Diode auftritt, hängt von der Dicke und der Dotierungsdichte dieser mittleren Basisschicht ab.
Das durch Wahl der Dicke und des Dotierungsgrades der mittleren Schicht dieser bekannten Dreischichtstruktur vorgegebene Maß der Verarmung an freien Ladungsträgern in dieser Schicht ist derart groß, daß eine technisch ausnutzbare Abhängigkeit der Höhe der Potentialbarrieren von einer an die Dreischichtstruktur anzulegenden elektrischen Spannung auftritt. Mit steigender, an die als Diode geschaltete Dreischichtstruktur angelegter elektrischer Spannung sinkt die Potentialbarriere und sie ist bei Erreichen der Flachbandspannung UF ganz abgebaut. Für Dotierungsdichten der bekannten Dreischichtstruktur mit NE;> NB»NC gilt die Gleichung (6) der obengenannten Patentschrift, nämlich: Für diese Dreischichtstruktur als Diode ergibt sich eine Strom-Spannungs-Kennlinie nach Art einer Diodenkennlinie mit steilem Anstieg im Durchlaßbereich und erst bei höherer Spannung in Sperrichtung auftretendem durchbruchartigen Verhalten.
Für ein solches bekanntes Bauelement ist neben der Verwendung als Elemmdiode und als Frequenzwandler-Diode dieJenige als foto-voltaischer Detektor angegeben.
In einer parallelen Patentanmeldung P .. .. ... ...
(VPA 82 P 8027) ist eine technische 1.Meiterbildung einer als Diode betriebenen Halbleiter-Dreischichtstruktur angegeben, die als Temperatursensor zu verwenden ist.
Eine derartige Sensordiode ist mit thermisch gutem Wärmeübergang mit denjenigen Körper zu koppeln, dessen Temperatur mit dieser Diode festgestellt ui#/oder überwacht werden soll.
Diese neue Temperatursensor-Diode weist außer der bekannten Merkmalskombination einer mit ohmschen Kontakten versehenen Dreischichtstruktur und einer Dicke und einem Dotierungsgrad der mittleren Schicht, derart, daß in dieser mittleren Schicht eine Verarmung an freien beweglichen Ladungsträgern vorliegt, zusätzlich noch die Merkmale auf, daß diese Schichtdicke und der Dotierungsgrad in Abhängigkeit voneinander derart bemessen sind, daß im Bereich der im Betrieb der Diode auftretenden Temperaturen in dieser mittleren Schicht die Dichte gAkk dieser freien Ladungsträger dennoch ein solches Maß hat, daß eine starke Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands dieser Diode vorliegt.
Gegenüber der voranstehend erörterten bekannten Diode mit Dreischichtstruktur gilt für diese neue Diode für Dotierungsdichten NE »NB i>NC die Beziehung: worin9Akk eine Funktion der Temperatur der Diode ist.
Schon phänomenologisch ist das Vorliegen einer solchen neuen Diode daran zu erkennen, daß die Temperaturabhängigkeit der an dieser Diode bei eingeprägtem Strom abzugreifenden elektrischen Spannung bzw. des bei angelegter konstanter Spannung durch die Diode jeweils fließenden Stromes eine überraschenderweise ausgeprägte Sprungcharakteristik aufweist. Diese Sprungcharakteristik ist Grundlage für die außerordentlich hohe Thermoempfindlichkeit der Diode.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Effekt dieser neuen Diode für ein neues Bauelement nutzbar zu machen.
Diese Aufgabe wird mit einem im Patentanspruch 1 angegebenen Strahlungsdetektor gelöst. Eine Weiterbildung der Erfindung ist der Bildsensor nach dem Unteranspruch 7.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, der oben erwähnten neuen Diode mit in der mittleren Schicht ihrer Dreischichtstruktur vorliegender, vorgegebener Verarmung an freien beweglichen Ladungsträgern, d.h. mit im Bereich der Betriebstemperaturen derart hoher thermisch generierter, akkumulierter Raumladung so sodaß die starke Temperaturabhängigkeit des Widerstandsverhaltens dieser Diode vorliegt, einen derartigen Aufbau zu geben, daß ein hochempfindlicher Infrarotdetektor mit hoher Meßgenauigkeit vorliegt. Die erfindungsgemäße Diode ist in einem dünnen Streifen aus dem vorgesehenen Halbleitermaterial realisiert. Das Material ist insbesondere Silizium. Dieser Aufbau hat die Eigenschaft einer minimalen urårmekapezität, so daß auf bzw. in den Halbleiterstreifen der Diode eInfallende, zu detektierende Strahlung maximale Temperaturänderung im Halbleitermaterial der Diode bewirkt, Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist durch Anpassung des Wertes des Lastwiderstands RL, der in dem Stromkreis in Serie mit der Strahlungsdetektor-Diode liegt, derart bemessen, daß bei Änderung der Spannung U bzw.
des Stromes I an der Diode als Folge der Strahlunesabsorption keine Änderung-der elektrischen Verlustleistung I~U in der Diode auftritt, so daß eine thermische Rückkopplung weitgehend vermieden wird. Auf jeden Fall zu vermeiden ist eine thermische Gegenkopplung, d.h. eine Verkleinerung der elektrischen Verlustleistung in der Diode bei Temperaturerhöhung als Folge der Strahlungsabsorption. Soweit es Stabilitätsbetrachtungen des Systems zulassen, kann der Arbeitswiderstand so dimensioniert werden, daß eine geringe thermische Mitkopplung auftritt. In diesem Falle führt die Temperaturerhöhung als Folge der Strshlungsabsorption zu einer geringfügigen Erhöhung der elektrischen Verlustleistung. Bei sehr hochohmigem Arbeitswiderstand, d.h. bei einem Betrieb mit im wesentlichen eingeprägtem Strotn, a.nirde die Temperaturerhöhung nämlich durch die zu detektierende Strahlung eine thermische Gegenkopplung bewirken. Bei Betrieb mit eingepragter Spannung tritt dagegen eine thermische Mitkopplung auf. Kompensation dieser Effekte ist erreicht, wenn erfindungsgemäß ein solcher Lastwiderstand RL für die Diode gewählt wird, daß die Arbeitsger ade im Arbeitspunkt eine Tangente zur Leistungshyperbel ist, wobei U die anliegende elektrische Spannung und Pel die zugehörige elektrische Verlustleistung ist. Es gilt.
dann RL = Uo/Io, wobei UO und 1o Spannungs- und Stromwert des Arbeitspunktes sind. Thermische Mitkopplung tritt auf für RL<Uo/Io. Die thermische Instabilität, deren Eintreten für den gesamten Betriebsbereich unbedingt vermieden sein muß D. h. Instabilität beginnt mit einem Wert für RT, der die voranstehende Beziehung erfüllt. ist darin der Koeffi- zient der Spannungsänderung der betreffenden Halbleiterdiode des Detektors.
Von besonderem Vorteil ist, daß der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor ein integrierter Bestandteil eines Halbleiterchips aus insbesondere Silizium sein kann, der auch noch die notwendigen elektronischen Verstärkerele.-mente (in integrierter Bauweise) enthält.
Eine wichtige Weiterbildung der Erfindung ist, eine Vielzahl erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor-Dioden als Zeile oder als Array bzw. Matrix aufzubauen. Ein solches Array bzw. eine solche Matrix bildet ein Bildaufnahme-Gerät bzw. einen Bildwandler.
Zusätzliche Erläuterungen der Erfindung gehen anhand der zu den Figuren gegebenen weiteren Beschreibung hervor.
Fig.1 zeigt ein Diagramm, aus dem die Temperaturabhängigkeit einer Diode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich ist.
Fig.2 zeigt ein erfindungsgemäßes Detektorelement.
Fig.3 zeigt eine Ubersichtadarstellung zu einem Array und Fig.4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig.3.
Aus Fig.1 ist ersichtlich, daß bereits eine geringe Änderung #T in der Dreischichtstruktur zu erheblicher Änderung BU der an einer solchen Struktur im Betrieb auftretenden elektrischen Spannung U führt. Die auftreten- den Spannungsänderungen sind ausreichend, einen Verstatkungs-Feldeffekttransistor genügend auszusteuern, um technisch verwendbare Signal zu erhalten.
Die Fig.2 zeigt ein erfindungsgemäßes Einzelelement mit einer einzelnen Dreischichtstruktur, das bzw. die als Strahlungsdetektor zu verwender ist. Mit 1 ist die gesamte Struktur bezeichnet. Sie besteht aus den drei übereinanderliegenden Schichten 2, 3, 4, die eine npn-oder eine pnp-Struktur bilden. Die mittlere Schicht 3 hat abhängig voneinander eine Dicke und Dotierungsdichte, derart, daß diese Struktur das voranstehend und in der parallelen Patentanmeldung .. .. ... .-..beschriebene und in Fig.1 als Diagramm wiedergegebene Sprungverhalten ihrer Temperaturabhängigkeit hat.
Mit 5 ist eine für die zu detektierende Strahlung 10 beispielsweise stark absorbierende Schichtelektrode bezeichnet. Sie befindet sich auf der dieser Strahlung 10 zugewandten Seite der Dreischichtstruktur, d.h. hier auf der Schicht 4. Es kann auch eine absorbierende Schicht 105 an der Unterseite der Dreischichtstruktur angebracht sein. In diesem Fall soll die obere Elektrode 5 transparent (und gut leitend) sein. Es ist somit eine möglichst starke Absorption der einfallenden Strahlung 10 in der Schicht struktur 1 und/oder in der Elektrode 5 oder in der Schicht 105 an der Unterseite vorgesehen, damit maximale Erwärmung der Schichtstruktur und damit maximales elektrisches Signal erreicht wird. Die Elektrode 5 ist mit einer Leiterbahn oder über vorhandenes HalbleItermaterial mit einem Anschluß 9 elektrisch verbunden. Vorzugsweise bildet die in der Fig.2 unterste Schicht 2 die zugehörige zweite Elektrode, die mit dem anderen An- schluß verbunden ist, der z.B'. mit 8 bezeichnet dargestellt ist. Wie auch insbesondere aus der Fig.2 ersichtlich, ist die Dreischichtstruktur als eine Art Brücke mit möglichst geringer Wärmekapazität und Wärmeableitung ausgebildet. Die Abstände u, v, w und die Breite s haben z.B. Abmessungen in der Größe von etwa 30/um. Die Dicke z kann 3/um betragen. Die Schichten 2, 3 und 4 haben z.B. Dotierungen von 1015 cm 3 bzw. 1017 cm 3 bzw.
1019 cm 3.
Der erfindungsgemäße Detektor kann als eine Art Mesa-Struktur ausgeführt sein, wobei die Schicht 2 im wesentlichen den Substratkörper bildet und die Schichten 3 und 4 mit z.B. 100 nm und 150 nm bemessen sind.
Mit 6 ist ein Trägerkörper bezeichnet, der nur geringe Wärmeableitung aus der als eigentlicher Detektor arbeitenden Dreischichtstruktur 1 wirken kann.
Fig.3 zeigt einen Anteil eines Arrays, das aus einzelnen Elementen 31 besteht, die einzeln für sich einen prinzipiellen Aufbau wie in Fig.2 haben können. Für ein Array nach Fig.3 ist zu beachten, daß möglichst geringe Wärmeleitung zwIschen den einzelnen Elementen-31 auftreten kann und daß die einzelnen Elemente 31 auch möglichst gut wärmeisoliert gegenüber dem Trägerkörper 32 sind.
Weitere Einzelheiten werden im Zusammenhang mit der Fig.4 erörtert.
Fig.4 zeigt eine Ausschnittsdarstellung der Fig.3 mit Detektoren 31, von denen zu dem Detektor 31' die zugehörige elektronische Schaltung, ausgeführt in integrierter Technologie, dargestellt ist. Ein wesentlicher Yorteil eines erfindungsgemäßen Detektors ist, daß er zu- sammen mit seiner in Fig.4 im einzelnen dargestellten elektronischen Schaltung (und zusammen mit den übrigen Detektoren 31 eines Arrays oder wenigstens einer Sensorzeile) in einem Halbleiterchip in integrierter Technik aufgebaut werden kann. Mit 41 ist eine Leiterbahn bezeichnet, die insbesondere als Masseleitung dient und die mit dem einen Anschluß 8 eines erfindungsgemäß vorgesehenen Detektors verbunden ist. Die eigentliche Dreischichtstruktur ist auch in Fig.4 mit 1 bezeichnet. Der zweite, wieder mit 9 bezeichnete Anschluß geht In eine Leiterbahn 48 über, die für einen insgesamt mit 42 bezeichneten Feldeffekttransistor auch als Gate angeordnet und wirksam ist. Die Leiterbahn 48 ist über einen jewelligen erfindungsgemäß bemessenen Lastwiderstand 43 mit dem Versorgungsspannungspotential U verbunden. Der Lastwiderstand kann, wie in der IC-Technik üblich, als Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Mit 44 ist eine gemeinsame Leiterbahn aller Source-Elektroden der einzelnen, dem jeweiligen Detektor 31 des Arrays zugeordneten Verstärkungs-Feldeffekttransistoren 42 bezeichnet.
Der Drain-Anschluß dieses Feldeffekttransistors 42 ist mit einem Steuertransistor 45 verbunden, dessen Gate Teil einer Steuerleitung 46 ist. Lediglich andeutungsweise ist mit 47 auf eine CCD-Halbleiterschaltung hingewiesen, die z.B. zum zellenweisen Auslesen eines Arrays nach Fig.3 zu verwenden ist.
Die in Fig.4 als vergrößerter Ausschnitt zu Fig.3 enthaltens bzw. dargestellte Integration eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors mit seiner elektronischen Ausgangsschaltung, die wenigstens einen Feldeffekttransistor 42 enthält, ist auch für einen erfindungsgemäßen Einzel-Strahlungsdetektor, wie er in Fig.2 dargestellt ist, von technischem Vorteil. Ein solcher wie in Fig.
4 enthaltener integrierter Aufbau, der mit dem Detektor 31', dem Feldeffekttransistor 42, dem Lastwiderstand 43 und Versorguflgsspannungsleitungen auf einem Halbleiterchip zu realisieren ist, kann, mit 51 in Fig.2 zusätzlich lich angedeutet, (zusammen mit einen einzelnen Detektor 1) in dem Halbleitermaterial der Schicht 2 der dargestellten dünnen Brücke ausgeführt sein.

Claims

Patentanspniche: 9 Halbleiterdiode mit einer Dreischichtstruktur und mit ohmschem Kontakt, bei der durch Wahl der Dicke. und/ oder des Dotierungsgrades der mittleren Schicht eine Verarmung an freien Ladungsträgern in dieser mittleren Schicht vorliegt, wobei Dicke (d) und Dotierungsgrad (NB) dieser mittleren Schicht in Abhängigkeit voneinander derart bemessen sind, daß im Bereich der vorgesehenen Betriebstemperaturen eine solche durch thermische Generation erzeugte Raumladung (gAkk) in dieser mittleren Schicht vorliegt, daß eine sprungartige (Fig.1) Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands dieser Halbleiterdiode vorliegt, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß zur Verwendung einer derartigen Halbleiterdiode (1) als Strahlungsdetektor (Fig.2) die Dreischichtatruktur (2, 3; 4) Teil und Zusatz eines derart dünnen (z) Streifens (2) aus dem vorgesehenen Halbleitermaterial ist, daß diese Halbleiterdiode (1) minimale Wärmekapazität und geringe Wärmeableitung zu ihrer Halterung (6) aufweist, und daß die Größe des in Betrieb mit dieser Diode (1) in Serie geschaltetenLastwiderstands (RL) derart bemessen ist, daß im Betrieb thermische Gegenkopplung in der Diode (1) verhindert ist.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß der Lastwiderstand (RL) so bemessen ist, daß die Arbeitsgerade im Arbeitspunkt des Strom-Spannungs-Kennlinienfeldes eine Tangente an die Leistungshyperbel (RL = U2/Pel) ist, worin U die am Lastwiderstand (RL) auftretende elektrische Spannung und Pel die elektrische Verlustleisturg in diesem tastwiderstand (RL) ist.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß für eine Vergrößerung der Empfindlichkeit des Detektors durch eine Mitkopplung der Lastwiderstand bemessen wird, wobei die untere Grenze für den Lastwiderstand (RL) mit der Beziehung gegeben ist, worin 10 und UO Strom und Spannung im Arbeitspunkt und der Koeffizient der Spannungs/Leistungsänderung der Halbleiterdiode des Strahlungsdetektors ist.
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die zu der Halbleiterdiode (1) gehörende elektronische Schaltung (51) in das Halbleitermaterial des Streifens (2) integriert ist.
5. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die der einfallenden Strahlung zugewandte Elektrode (5) der Halbleiterdiode (1) für diese Strahlung absorbierend ist.
6. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Seite der Halbleiterdiode (1) eine diese Strahlung gut absorbierende Schicht (105) vorgesehen ist.
7. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Vielzahl derartiger Detektoren (31, 31') als eine Matrix (Fig.3) in der Oberfläche eines Halbleiterchips (32) angeordnet ist, wobei dieser Halbleiterchip (32) auch die zu den Detektoren (31, 31') gehörenden elektronischen Zusatzelemente (42, 45, 47) und die Leiterbahnen (41, 44, 46) enthält.