DE3415426A1

DE3415426A1 - Kombinierter halbleiterdetektor

Info

Publication number: DE3415426A1
Application number: DE19843415426
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. 8048 Haimhausen Kemmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-25
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1985-10-31
Also published as: JPS61502854A

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen kombinierten Halbleiterdetektor.
Kombinierte Halbleiterdetektoren sind beispielsweise als dE/E-Detektoren von Interesse: Mit dem dE-Teil wird zunächst der spezifische Energieverlust der einfallenden Strahlung gemessen, der ein Maß für die Teilchen- bzw. Strahlungsart ist, und dann mit dem E-Teil die Restenergie und damit die Gesamtenergie der einfallenden Teilchen bestimmt. Weitere Anwendungsgebiete für kombinierte Halbleiterdetektoren sind Diskriminatoren oder Spektralanalysatoren.
Bislang ist nur ein dE/E-Halbleiterdetektor mit "Buried Layer"-Aufbau bekannt geworden (Diplomarbeit J.Kemmer, 1965 MPI-Heidelberg). Derartige Halbleiterdetektoren sind vergleichsweise schwierig herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdetektor anzugeben, mit dem bei einfachem Aufbau beispielsweise sowohl der spezifische Energieverlust als auch die Gesamtenergie gleichzeitig ohne störende Totschichten gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß ein Aufbau eines Halbleiterdetektors, durch den ein Potentialminimum für die Majoritätsträger, beispielsweise die Elektronen geschaffen wird, gleichzeitig den Halbleiterkörper in zwei praktisch voneinander unabhängige Gebiete für die Minoritätsträger teilt. Einer dieser Teile kann beispielsweise als dE-Detektor verwendet werden, während das andere Gebiet als E-Detektor dient.
Ferner kann der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor auch als Diskriminator oder als Spektralanalysator für Licht mit Wellenlängen vom UV bis zum Infrarot verwendet werden.
Diese erfindungsgemäße Erkenntnis erlaubt es darüberhinaus, Halbleiterdetektoren vom Driftkammertyp, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung 33 523 des Brookhaven National Laboratory beschrieben sind, als kombinierte Halbleiterdetektoren zu betreiben.
Ferner ist es auch möglich, transversale elektrische Felder, wie sie bei derartigen Driftkammern verwendet werden, auch bei kominierten Halbleiterdetektoren einzusetzen.
Durch die Ausbildung des Halbleiterdetektor gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die Driftzeiten der Majoritätsträger wesentlich herabgesetzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterdetektors. In einer Hauptoberfläche 1 eines Halbleiterkörpers k aus n-Silizium befindet sich ein großflächiges niederohmiges p+-Gebiet p+1 mit einer Elektrode El aus Aluminium oder ITO; in einer zweiten Hauptoberfläche 2 befindet sich ebenfalls ein großflächiges p+-Gebiet p+2, das niederohmig oder als Widerstandsschicht ausgeführt sein kann und mindestens zwei Elektrodenanschlüsse E2 und E3 aufweist, wobei E3 E2 ringförmig umschließt.
Ferner befindet sich in der Hauptoberfläche 2 ein ringförmiges n+-Gebiet n+.
Bei Fig. 1 soll angenommen werden, daß die Strahlung durch die Hauptoberfäche 1 einfällt.
Legt man an die Elektrode El eine Spannung -U1 und an die Elektrodenanschlüsse E2 und E3 die Spannungen -U2 und -U3 mit -U2=-U3 an, die jeweils so groß sind, daß sich die Raumladungszonen berühren, so erhält man ein Potentialminimum PM für die Majoritätsträger (bei der exemplarisch gewählten Leitfähigkeit des Grundgebiets die Elektronen).
Wählt man die Spannungen -U1 und -U2 unterschiedlich groß, so liegt das Potentialminimum nicht in der Mitte des Körpers k, sondern ist zu dem mit der niedrigeren Spannung beaufschlagten Gebiet hin verschoben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spannung U1 kleiner als die Spannung U2, so daß das Potentialminimum näher bei dem Gebiet p+1 liegt.
Diese Betriebsart ermöglicht in einfacher Weise die Erzeugung zweier für die Minoritätsträger unabhängiger Halbleitergebiete, wie sie sonst nur durch Epitaxie oder Ionenimplantation (buried layer) herstellbar sind.
Damit ist in einfacher Weise ein kombinierter Detektor, beispielsweise ein Diskriminator, ein Spektralanalysator, oder - wie bei dem in Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel -ein dE/E-Detektor realisierbar. Der zwischen dem Potentialminimum PM und dem Gebiet p+1 liegende Teil des Halbleiterkörpers k mit der Dicke dl stellt den dE-Detektor dar, während der darunterliegende Teil des Körpers k mit der Dicke d2 den E-Detektor ergibt.
Dabei kann die Dicke der beiden Gebiete bzw. Detektoren beliebig durch Änderung der Spannungsverhältnisse eingestellt werden, d.h. dl kann auch gößer als d2 sein. Die Lage des Potentialminimums, d.h. die Dicken dl und d2 lassen sich über den Dunkelstrom der Löcher in Abwesenheit von Teilchen bzw. Strahlung ermitteln, wobei evtl. eine zusätzliche Belichtung mit einer Infrarotleuchtdiode erfolgt. Bei Unterteilung der Elektrode E3 z.B. in Form von Streifen ist eine zweidimensionale Ortsauflösung möglich.
Wenn das Gebiet p+2 als Widerstandsschicht ausgeführt ist, kann das Verhältnis des an den Elektrodenanschlüssen E2 und E3 abgegriffenen Löcherstroms zusätzlich zu einer Grobbestimmung des Einfallorts dienen.
Im folgenden soll die Funktionsweise des in Fig.1 dargestellten Detektors erläutert werden: Fällt ein Teilchen auf die Hauptoberfläche 1 des dE/E-Detektors ein, so wird es bei genügend großer Reichweite den dE-Detektor vollständig durchqueren und erst im E-Detektor gestoppt werden. Die Menge der im dE-Detektor erzeugten Ladungen (Löcher) liefert den spezifischen Energieverlust, während die Ladungen (Löcher) im E-Detektor die Restenergie ergeben. Somit ist es möglich, gleichzeitig die Energie und über den spez. Energieverlust die Art des Teilchens zu bestimmen. Darüberhinaus kann sogar eventuell eine zumindest grobe Information über den Ort des einfallenden Teilchens gewonnen werden.
Weiterhin kann die Dicke des dE-Detektors je nach Anwendungsfall leicht verändert werden.
Der in Fig.1 gezeigte Detektor hat den Vorteil, daß keine beispielsweise aus Elektroden bestehenden Totschichten zwischen dem dE-Detektor und dem Detektor zur Bestimmung der Restenergie benötigt werden.
Ferner hat der beschriebene Detektor und auch allgemein entsprechend aufgebaute kombinierte Detektoren den Vorteil, daß die Kapazität der einzelnen Detektoren sehr niedrig ist, da nicht die Dicke eines einzelnen Detektors für die Größe der Kapazität bestimmend ist, sondern die Gesamtdicke (d1+ d2). Damit weist der dE-Detektor ein geringes Rauschen auf.
Weiterhin ist der Sperostrom des dE-Detektors sehr klein, da der sonst sehr kritische Rückkontakt entfällt. Schließlich ist der Detektor unabhängig von der Dicke sehr stabil.
In der in Fig.1 gezeigten Form überlagert jedoch das von den Majoritätsträgern (Elektronen) influenzierte Signal das Minoritätsträgersignal (Löchersignal) im dE-Detektor bei geringem Abstand des Potentialminimums fast vollständig. Es ist deshalb vorteilhaft, Maßnahmen vorzusehen, die den Einfluß der Influenz durch Absaugen der Elektronen reduzieren.
Ein vollständiges schnelles Absaugen der Elektronen ist dadurch möglich, daß unmittelbar nach dem Auftreffen eines Teilchens das Potentialminimum durch Verkleinern der Spannung U3 gekippt wird. Hierdurch laufen die Elektronen vergleichsweise schnell entlang des Potentialminimums aus dem Bereich der Elektrode El in das ringförmige n+-Gebiet.
Nachdem diese zum "Herauslaufen" der Elektronen erforderliche Zeit abgewartet worden ist, stellt man den ursprünglichen Zustand (U2=U3) wieder her und liest die gespeicherte Löcherinformation aus.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Einfluß der Influenz der Elektronen weitgehend ausgeschaltet ist. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel soll angenommen werden, daß die Strahlung durch die Hauptoberfläche 2 einfällt. Hierbei sind in der Hauptoberfläche 2 abwechselnd Gebiete p+1, n+2, p+3,...
vorgesehen, die p+bzw. n+-dotiert sind. Die an den Gebieten n+2,n+# anliegende Spannung U3 ist um einen kleinen Betrag weniger negativ als die Spannung U2, die an den Gebieten p+1, p+3, ... anliegt: -U3 = -(U2-dU), so daß durch diese Vorspannung des pn-Übergangs in Sperrichtung die Injektion von Majoritätsträgern, d.h. von Elektronen verhindert wird (Fig. 2a).
Zum Beseitigen, d.h. zum schnellen Absaugen der Elektronen im Potentialminimum wird die Spannung U3 kurzzeitig auf den Wert Null oder auf einen positiven Wert angehoben. Hierdurch wird das Potentialminimun in Richtung auf die n+-dotierten Gebiete n+2, n+d,...hin verschoben, so daß die Elektronen im Potentialminimum in die n+-Gebiete fließen können (Fig.2b). Das Elektronensignal kann zur Bestimmung der Gesamtenergie benutzt werden.
Ferner können die Elektronen im Potentialminimum auch dadurch rasch abgesaugt werden, daß die Spannungen Ul, U2 und U3 vorübergehend so verändert werden, daß sich die Raumladungszonen nicht mehr berühren, d.h. das Potentialminimum verschwindet und eine dünne n-Schicht entsteht.
Eine weitere Betriebsart ist möglich, wenn die Spannungen so gewählt werden, daß zwischen dem oberen p+n-Übergang und dem unteren p+n-Gebiet eine dünne Zone n-Silizium verbleibt, in der die Elektronen abfließen können. Eine derartige Anordnung hat allerdings eine vergleichsweise große Kapazität, da die Dicke der einzelnen Detektoren und nicht die Gesamtdicke die Kapazität bestimmt.
Bei einer weiteren Betriebsart kann die Konzentration der Elektronen im Potentialminimum PM beispielsweise durch eine zusätzliche Belichtung so gesteigert werden, daß eine elektrisch gut leitende Schicht entsteht, die die beiden Teile des Halbleiters trennt. Auch hier ist allerdings eine höhere Kapazität die Folge. Eine derartige Struktur ist vergleichbar einer p+n+p+-Schicht mit vergrabener n+-Schicht (buried layer oder p+pn+»p+ -Struktur).
Da der Verlauf des Potentialminimums von der Spannung und der Dotierung des Halbleiterkörpers abhängig ist, lassen sich Dotierungsunterschiede ermitteln, z.B. Anderungen des Widerstandes und/oder des Dotierungsprofils. Daneben ist es auch möglich, Effekte wie Rekombination, Trapping oder die Lebensdauer von Ladungsträgern zu untersuchen.
Die Lage des Potentialminimums läßt sich z.B. aus dem Verhältnis der Dunkelströme der Löcher ermitteln.
Bei der vorstehenden Beschreibung ist angenommen worden, daß der Halbleiterkörper k n-dotiert und die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps p-leitend sind. Sinngemäß können natürlich p und n-Halbleitergebiete vertauscht werden; außerdem können in an sich bekannter Weise anstelle von pn-Strukturen auch Oberflächen-Sperrschichten oder Schottky-übergänge sowie heterogene Halbleiterstrukturen verwendet werden.
Schließlich ist auch die Verwendung von MIS (Metall-Isolator-Halbleiter)-Kontakten möglich. Anstelle planarer Halbleiter sind sinngemäß auch zylindrische Anordnungen realisierbar. Hat man z.B. einen n-Halbleiter, so lassen sich die p+-Elektroden in Form von geschlossenen Ringen oder einer Widerstandsschicht an der Mantelfläche anordnen. Ferner ist es möglich, ähnlich wie bei Halbleiterdetektoren vom Driftkammertyp ein transversales elektrisches Feld zu erzeugen und aus der Driftzeit der Majoritätsträger (bei einem n-dotierten Halbleiterkörper k der Elektronen) die Position der einfallenden Strahlung bzw. des einfallenden Teilchens zu bestimmen.
Leerseite

Claims

Kombinierter Halbleiterdetektor 1. Kombinierter Halbleiterdetektor zum Nachweis von Strahlung und Teilchen mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet , daß in beiden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers (k) Gebiete eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p+) vorgesehen sind, die mit dem Halbleiterkörper derart vorgespannte Sperrschichten bilden, daß im Halbleiterkörper ein parallel zu den Hauptoberflächen verlaufendes Potentialminimum (PM) für die Majoritätsträger vorgesehen ist, und der Halbleiterkörper in zwei voneinander unabhängige Gebiete für die Minoritätsträger geteilt ist, und daß auf mindestens einer der Hauptoberflächen (2) eine Sammelelektrode (n+) für die Majoritätsträger aufgebracht ist.
2. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich auf einer der Hauptoberflächen (2) eine Vielzahl von Gebieten (n+) des ersten Leitfähigkeitstyps befinden, zwischen die ein oder mehrere Gebiete (p+) des zweiten Leitfähigkeitstyps eingeschoben sind.
3. Halbleiterdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gebiete des ersten Leitfähigkeitstyps die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps umschließen.