DE3425309C2 - Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung - Google Patents

Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens eine strahlungsempfindliche Diode aufweist mit mindestens einem pn-Übergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp, das mit einem Anschlußgebiet versehen ist, und einer schichtförmigen Halbleiterzone vom zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, welche schichtförmige Halbleiterzone mit einem weiteren Anschluß­ gebiet versehen ist und mit einer derartigen geringen Dicke und einer so niedrigen Dotierungskonzentration, daß sie im Betriebszustand über praktisch die ganze Dicke und Ober­ fläche an Ladungsträgern verarmt ist.
Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnungen der obengenannten Art werden u. a. zum unmittelbaren Umwandeln elektromagnetischer Strahlung verwendet, namentlich sicht­ baren Lichtes und IR-Strahlung in einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische Spannung. Derartige Photodioden werden beispielsweise in der elektrooptischen Kommunikationstech­ nik verwendet. Auch werden derartige Halbleiteranordnungen in medizinischen Geräten, wie in einem Röntgenabtaster, der mit einem Szintillator aus beispielsweise Zäsiumjodid versehen ist, der die Röntgenstrahlung in Strahlung um­ wandelt, für die die Photodiode insbesondere empfindlich ist. Außerdem werden derartige Anordnungen zum Detektieren von Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Elektronenstrahlung, benutzt.
Ein Problem bei derartigen Strahlungsdetektoren ist oft die große Kapazität des genannten pn-Überganges. Eine derartige große Kapazität beeinträchtigt das HF- Verhalten eines derartigen Strahlungsdetektors und verur­ sacht außerdem, namentlich bei einem schwachen Signal (d. h. bei einer geringen Strahlungsintensität), ein schlech­ tes Signal-Rausch-Verhältnis.
Diese Kapazität wird meistens u. a. durch die Größe der Oberfläche eines Diffusionsgebietes (meistens ein p-leitendes Diffusionsgebiet in einem n-leitenden Halbleiterkörper) bestimmt. Die betreffende Oberfläche wird jedoch vorzugsweise möglichst groß gewählt um eine möglichst hohe Strahlungsempfindlichkeit des Detektors und damit einen möglichst großen Photostrom zu erhalten. Um die damit einhergehende hohe Kapazität teilweise auszu­ schalten kann die Oberfläche des Diffusionsgebietes dadurch etwas verkleinert werden, daß dieses Gebiet beispielsweise eine Fingerstruktur erhält.
Eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der Japanischen Kokai Nr. 53-136 987 bekannt.
Die Kapazität des darin dargestellten strahlungs­ empfindlichen pn-Überganges wird dadurch wesentlich ver­ ringert, daß im Betriebszustand die schichtförmige Halb­ leiterzone vom zweiten Leitungstyp völlig verarmt ist.
In einer derartigen Anordnung können, namentlich wenn die Anschlußkontakte des Gebietes vom ersten sowie, des Gebietes vom zweiten Leitungstyp sich auf der Seite der eintreffenden Strahlung befinden, Probleme auftreten. Die Kontaktmetallisierungen, also auch diejenigen der schichtförmigen Zone, werden nämlich vorzugsweise möglichst klein gehalten um eine möglichst große wirksame Oberfläche des Strahlungsdetektors zu erhalten. Die in der verarmten schichtförmigen Zone durch Strahlung erzeugten Minoritäts­ ladungsträger müssen den Anschlußkontakt durch Diffusion erreichen, was die Geschwindigkeit der strahlungsempfind­ lichen Halbleiteranordnung beeinträchtigt. Namentlich im medizinischen Bereich ist es von Bedeutung, daß diese Geschwindigkeit hoch genug ist, da sie auch die Belichtungs­ zeit bei Röntgenaufnahmen bestimmt und damit die Strahlungs­ dosis, der der Patient ausgesetzt wird.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Anordnung zu schaffen, in der diese Nachteile zum großen Teil aus­ geschaltet sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die schichtförmige Halbleiterzone Teilzonen aufweist, die von dem weiteren Anschlußgebiet ausgehen und deren Breite oder deren Dicke mit wachsender Entfernung von dem weiteren Anschlußgebiet abnimmt.
Damit wird erreicht, daß wenn der pn-Übergang zwischen der schichtförmigen Zone und dem ersten Halbleiter­ gebiet in der Umkehrrichtung vorgespannt wird, ein der­ artiger Verlauf des Potentialabfalles in den herausragenden Teilen auftritt, daß dadurch ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die Minoritätsladungsträger in der Richtung des zentralen Teils beschleunigt, wo sie abgeführt werden. Durch diese Maßnahme ist der Transport der Minoritäts­ ladungsträger wesentlich beschleunigt und es wird schneller ein zuverlässiges Signal erhalten; bei Anwendung für Rönt­ genaufnahmen wird dadurch die Aufnahmezeit bzw. die Strah­ lungsdosis verringert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Tatsache, daß die herausragenden Teile nahezu völlig verarmt sind, die Kapazität des pn-Überganges wesentlich verringert ist. Dadurch weist eine derartige Halbleiter­ anordnung ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis auf.
Die schichtförmige Zone ist in Draufsicht vorzugs­ weise sternförmig, wobei die herausragenden Teile die Zacken eines sechs- oder achtzackigen Sterns bilden. Im Bereich der Computerröntgentomographie enthält nur eine Diode meistens eine Matrix derartiger Teildioden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungs­ gemäßen strahlungsempfindlichen Diode,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Potential­ verlaufes und der zugeordneten elektrischen Felder in einem Teil einer Diode nach den Fig. 1, 2,
Fig. 5 einen Teil einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung, die mehrere Dioden aufweist,
Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines Teils einer Scheibe, in der die Anordnung nach den Fig. 5, 6 her­ gestellt ist.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßgerecht, wobei deutlichkeitshalber in den Schnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben sind. Halbleiterzonen von demselben Leitungstyp sind im allge­ meinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile meistens mit denselben Bezugs­ zeichen angegeben.
Die Anordnung 1 aus den Fig. 1, 2, enthält einen Halbleiterkörper 2 mit in diesem Beispiel einem n-leitenden Oberflächengebiet 4 mit einem Flächenwiderstand von 10 Qhm · cm, entsprechend einer Donatorkonzentration von etwa 5·1014 Ato­ men/cm3. An der Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers befindet sich eine p-leitende schichtförmige Oberflächenzone 5, 6, die mit dem n-leitenden Gebiet 4 einen pn-Übergang 7 bildet. Die mittlere Dotierung der Halbleiterzone 5, 6 beträgt 2·1014-1015 Akzeptoratome/cm3, während die Dicke etwa 1 µm beträgt. Dies bedeutet, daß die Zone 5, 6 bei einer ge­ ringen Spannung an dem pn-Übergang 7 in der Umkehrrichtung völlig verarmt ist.
Nach der Erfindung enthält die Halbleiterzone 5, 6 in Draufsicht (siehe Fig. 1) mehrere herausragende Teile 6, die von der Mitte nach außen in der Breite abnehmen, bei­ spielsweise von 5 µm zu 2 µm über einen Abstand von 50 µm. In dem betreffenden Fall ist dies dadurch erreicht worden, daß die betreffende Zone die Form eines sechszackigen Sterns erhalten hat. In dem zentralen Teil 5 ist eine p⁺- Zone 8 vorgesehen, für Kontaktierung der Zone 5, 6. Zur Kontaktierung des n-leitenden Oberflächengebietes 4 ist die sternförmige p⁻- Zone in dem betreffenden Beispiel von einer n⁺-Kontaktdiffusion 9 umgeben. Die Oberfläche 3 ist mit einer Isolierschicht 10 bedeckt, worin Kontaktlöcher 11 und 12 vorgesehen sind, über die die p⁺-Zone 8 und die n⁺-Kon­ taktdiffusion 9 mit den Metallisierungsmustern 13, 14 kon­ taktiert werden.
Dadurch, daß die p-leitende Zone 5, 6 in dem Betriebszustand über nahezu die ganze Dicke und Oberfläche verarmt ist, ist die zugeordnete Verarmungskapazität nahezu vernachlässigbar, was für die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ein sehr günstiges Signal-Rausch-Verhältnis bedeutet.
Die Halbleiterzone 5, 6 kann beispielsweise durch Ionenimplantation angebracht werden und braucht auch nicht unbedingterweise an der Oberfläche zu liegen, wie dies in der Anordnung nach Fig. 3 dargestellt ist, die weiterhin der nach Fig. 2 entspricht mit Ausnahme der Oberflächen­ schicht 15 vom n⁺-Typ. Eine derartige hochdotierte Ober­ flächenschicht erzeugt ein elektrisches Feld, wodurch Minoritätsladungsträger (in diesem Fall Löcher) zu dem unten liegenden n-leitenden Gebiet 4 beschleunigt werden. Dadurch wird bekanntlich die Gefahr vor Oberflächenrekombi­ nation verringert, was die Empfindlichkeit der strahlungs­ empfindlichen Halbleiteranordnung erhöht.
Wie obenstehend erwähnt, sind die herausragenden Teile 6 im Betriebszustand völlig verarmt. Obschon dies bei einer geeigneten Dotierung bereits bei 0 V erreicht werden kann, wird dies im allgemeinen dadurch erreicht, daß der pn-Übergang 7 in Umkehrrichtung vorgespannt wird. In Fig. 4 ist ein derartiger Teil 6 auf schematische Weise mit der zugeordneten Verarmungszone 16 dargestellt. Der Potentialverlauf durch die Umkehrspannung an dem pn-Über­ gang 7 ist durch strichpunktierte Linien 17 dargestellt. Mit der von den Enden zu der Mitte hin zunehmenden Breite der Teile 6 wird der zugehörige Spannungsabfall an dem pn-Übergang 7 immer größer, was zu einem elektrischen Feld führt, das in Fig. 4 auf schematische Weise mit Hilfe des Pfeiles 18 dargestellt ist. Dieses Feld hat auf die Elek­ tronen, die den Teil 6 erreichen, einen beschleunigenden Einfluß in Richtung des zentralen Teils 5.
Elektronen, die in dem n-leitenden Gebiet 4 erzeugt werden, werden nun sobald sie die Verarmungszone, die zu dem pn-Übergang 7 gehört, erreichen, durch die Umkehrspannung an diesem pn-Übergang zu einem der herausragenden Teile 6 oder zu dem zentralen Teil 5 beschleunigt. Wenn diese Elektronen einen der herausragenden Teile 6 erreichen, werden sie durch die besondere Form dieser Teile 6 zu dem zentralen Teil 5 beschleunigt. Auf diese Weise werden die durch Strahlung erzeugten Elektronen schnell und auf wirk­ same Weise zu der Kontaktmetallisierung 13 abgeführt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Teil einer erfin­ dungsgemäßen Halbleiteranordnung, die sich zum Gebrauch in einem Röntgenabtastgerät eignet. Die aufzuzeichnende Röntgenstrahlung wird in diesem Beispiel mit Hilfe eines Szintillators 19 aus beispielsweise Zäsiumjodid zu Strahlung umgewandelt, für die die Anordnung 1 besonders empfindlich ist. Die Anordnung 1 enthält mehrere Dioden, die ihrerseits wieder aus einer Anzahl von Teildioden 20 zusammengesetzt sind, die im allgemeinen eine sternförmige Geometrie auf­ weisen und zwar auf dieselbe Art und Weise wie obenstehend an Hand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Zum Abführen des Gesamtsignals von den Teildioden 20 nur einer Diode enthält die Anordnung ein Metallisierungsmuster 21 mit u. a. einer Anschlußfläche (bonding pad) 22. Jede der Dioden ist von einem p-leitenden Gebiet 23 umgeben, das untenstehend noch näher beschrieben wird. Die Umkehrspannung an dem pn-Übergang 7 der Teildioden 20 wird zwischen den p-leitenden Gebieten 5, 6, 8, die über das Kontaktloch 11 mit Hilfe des Metallisierungsmusters 21 kontaktiert wenden und ein Kontakt 24 auf die Unterseite der Anordnung angelegt.
Zwecks einer guten Kontaktierung befindet sich zwischen diesem Kontakt 24 und der n-leitenden Schicht 4 eine hoch­ dotierte n-leitende Kontaktzone 25.
Mit Hilfe der Anschlußfläche 26, die über das Metallisierungsmuster 27 und das Kontaktlock 28 das p-lei­ tende Gebiet 23 kontaktiert, kann der pn-Übergang 29 zwi­ schen diesem p-leitenden Gebiet 23 und dem n-leitenden Gebiet 4 ebenfalls in der Umkehrrichtung vorgespannt werden und zwar derart, daß das zugeordnete Verarmungsgebiet sich bis an die Verarmungsgebiete des benachbarten pn-Überganges der Teildioden 20 erstreckt. Auf diese Weise werden Rand­ effekte vermieden, wie diese in der DE-OS 31 24 238 der Anmelderin beschrieben werden.
Im wesentlichen würde nur eine Anschlußfläche 26 für alle Dioden in einer derartigen Anordnung, die bei­ spielsweise 24 derartiger Dioden enthält, ausreichen, da das mittels des Metallisierungsmusters 26, 27 kontaktierte p⁺-Gebiet alle Dioden umgibt. Dadurch, daß jede der Dioden einen einzelnen Anschluß hat, kann jedoch eine erhöhte Ausbeute bei der Herstellung erreicht werden. Dies wird an Hand der Fig. 7 näher beschrieben.
Fig. 7 zeigt in Draufsicht einen Teil einer Scheibe, worin sich zwischen zwei n-leitenden Ritzbahnen 30, bei­ spielsweise 72 Dioden, wie diese an Hand der Fig. 5 und 6 beschrieben wurden, befinden. Wenn zum Gebrauch in Röntgen­ geräten Anordnungen mit Reihen von 24 Dioden erforderlich sind, könnte es ausreichen, beispielsweise die erste, die fünfundzwanzigste und die neunundvierzigste Diode mit einem Kontaktloch 28 und mit Kontaktmetallisierungen 26, 27 zu versehen. Damit würden dann die umgebenden Gebiete 23 der Dioden 1 bis 24 bzw. 25 bis 48 und 49 bis 72 angeschlossen werden, mit den obengenannten Vorteilen in bezug auf Aus­ schaltung von Randeffekten.
In der Praxis können bei der Herstellung weniger gute oder sogar defekte Dioden entstehen. Wenn nun jede der Dioden eine derartige Kontaktmetallisierung 26, 27 er­ hält, können dennoch eine oder mehrere Anordnungen aus einer Reihe mit schlecht funktionierenden oder defekten Dioden erhalten werden, wenn in nur einer Reihe 24 gut arbeitende Dioden nebeneinander vorhanden sind.
Wenn beispielsweise in einer Reihe die dritte Diode (Bezugszeichen 31 in Fig. 7) defekt ist, während die vierte bis zu der siebenundzwanzigsten Diode nicht defekt sind, kann mindestens eine einwandfrei funktionierende Anordnung mit Hilde der Kratzer 36 und 37 zwischen der dritten Diode 31 und der vierten Diode 32 bzw. der siebenundzwanzigsten Diode 33 und der achtundzwanzigsten Diode 34 erhalten werden. In den zur rechten Seite des Kratzers 37 liegenden 45 Dioden können nun auch wieder einige Dioden defekt sein, beispiels­ weise die neunundzwanzigste Diode (Bezugszeichen 35) oder eine Anzahl Dioden nach der zweiundfünfzigsten Diode. Auf diese Weise werden zwei gute Anordnungen erhalten während bei nur einer Kontaktmetallisierung 26, 27 je 24 Dioden keine oder höchstens nur eine gute Anordnung erhalten werden würde. Die Möglichkeit mehr gute Anordnungen je Reihe zu erhalten kann noch etwas dadurch vergrößert werden, daß die Anzahl Dioden je Reihe etwas größer gewählt wird als 3 x 24, beispielsweise 80, zumal derartige schlecht funktio­ nierende Dioden sich meistens an dem Rand des Kristalls befinden.
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die obenstehend dargestellten Beispiele sondern sind für den Fachmann im Rahmen der Erfindung mehrere Ab­ wandlungen möglich. So können die Leitungstypen aller Halb­ leitergebiete und -zonen (gleichzeitig) umgekehrt werden. Außerdem können für die Zonen 5, 6 abweichende Dicken und Dotierungen gewählt werden, während auch die Form der herausragenden Teile 6 anders gewählt werden kann. So können die Teilzonen 6 in den Fig. 1 bis 3 sich auch von einer Anzahl Kontaktzonen aus erstrecken, die sich beispielsweise in den Ecken des Quadrates 40 befinden, auf ähnliche Weise wie in Fig. 5 können manche Teildioden 20 sich in den Ecken des Gefüges aus Teildioden befinden.
Außerdem kann statt der Breite auch die Dicke der halbleitenden Zonen 6 allmählich abnehmen, was zu dem­ selben Effekt führt und zwar zu einem beschleunigenden Feld in dieser Zone. Eine derartige Halbleiterzone braucht dabei nicht unbedingt in Teilzonen aufgeteilt zu sein und kann in Fig. 1 praktisch die ganze Oberfläche des Quadrates 40 bestreichen. Eine derartige Zone mit abnehmender Dicke kann beispielsweise durch Ionenimplantation durch eine Maske mit zunehmender Dicke hindurch erhalten werden.

Claims (6)

1. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung (1) mit einem Halbleiterkörper (2), der mindestens eine strahlungsempfindliche Diode aufweist mit mindestens einem pn-Übergang (7) zwischen einem ersten Halbleitergebiet (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, das mit einem Anschlußgebiet (9) versehen ist, und einer schichtförmigen Halbleiterzone (5) vom zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähig­ keitstyp, welche schichtförmige Halbleiterzone (5) mit einem weiteren Anschlußgebiet (8) versehen ist und mit einer derartigen geringen Dicke und einer so niedrigen Dotierungskonzentration, daß sie im Betriebszustand über praktisch die ganze Dicke und Oberfläche an Ladungsträgern verarmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die schichtförmige Halbleiter­ zone (5) Teilzonen (6) aufweist, die von dem weiteren Anschlußgebiet (8) ausgehen und deren Breite oder deren Dicke mit wachsender Entfernung von dem weiteren Anschluß­ gebiet (8) abnimmt.
2. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schichtförmige Halbleiter­ zone (5, 6) einen Zentralteil (5) aufweist, der das weitere Anschlußgebiet (8) umfaßt und von dem aus sich die Teilzonen (6) wie herausragende Teile erstrecken.
3. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Teilzonen (6) mindestens 5 und höchstens 25 mal ihrer maximalen Breite entspricht.
4. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schichtförmige Halbleiter­ zone (5, 6) in Draufsicht etwa sternförmig ist.
5. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter­ anordnung eine Gruppe von strahlungsempfindlichen Dioden (20) mit pn-Übergängen (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Dioden (20) mit gemeinsamen Kontaktmetallisierungen (21) versehen ist.
6. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mehrere Gruppen von strahlungsempfind­ lichen Dioden (20) aufweist und jede Gruppe umgeben ist von einem Gebiet (23) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das mit einer einzelnen Kontaktmetallisierung (26) versehen ist.
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