DE3507763A1

DE3507763A1 - Halbleiterdetektor mit niedriger kapazitaet

Info

Publication number: DE3507763A1
Application number: DE19853507763
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. 8048 Haimhausen Kemmer; Gerhard Dr. 8000 München Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1986-09-18

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine großflächige Halbleiteranordnung niedriger Kapazität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Halbleiteranordnungen können beispielsweise als Stahlungsdetektoren für Korpuskularstrahlung -Strahlung, Röntgenstrahlung oder Licht mit Wellenlängen vom UV bis Infrarot verwendet werden.
Eine derartige Halbleiteranordnung niedriger Kapazität ist aus der nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 34 15 439.6 bekannt, zuder diese Anmeldung eine Zusatzanmeldung darstellt.
Bei den in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispielen sind an Gebiete auf beiden Hauptoberflächen Spannungen angelegt, die so gewählt sind, daß sich im Halbleiterkörper ein Potentialminimum (genauer gesagt ein Potentialtal) für die Majoritätsträger, also beispielsweise die Elektronen bei n-leitendem Grundkörper, bildet.
Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß es bei einem Halbleiterelement, wie es in der älteren Patentanmeldung P 34 15 439.6 beschrieben ist, ausreicht, an (einige ausgewählte) Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps sowie an die auf der gleichen Hauptoberfläche vorgesehenen Gebiete des ersten Leitfähigkeitstyps Spannungen anzulegen. Die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche sowie die gegebenenfalls auf der Hauptoberfläche, in der die angeschlossenen Gebiete vorgesehen sind, vorhandenen weiteren Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps stellen sich von selbst auf Potentiale zwischen dem Potential, auf dem die Gebiete des ersten Leitfähigkeitstyps liegen, und dem Potential ein, auf dem die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps liegen. Dabei berührt das Potentialminimum nahezu die nicht angeschlossene Hauptoberfläche.
Dieses in Anspruch 1 gekennzeichnete Halbleiterbauelement hat gegenüber dem in der älteren Anmeldung beschriebenen Halbleiterbauelement den Vorteil, daß alle Gebiete auf einer Hauptoberfläche nicht angeschlossen sein müssen, so daß die notwendigen Kontaktierungsmaßnahmen entfallen können.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 4 bis 7 mögliche Anordnungen der n+ und p+-Gebiete, In den folgenden Figuren sind gleiche Elemente immer mit den selben Bezugszeichen versehen, so daß bei der Vorstellung der einzelnen Figuren auf die nochmalige Beschreibung bereits beschriebener Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen Halbleiterkörper k aus nleitendem Silizium mit zwei Hauptoberflächen 1 und 2 aufweist. In der Hauptoberfläche 2 befinden sich eine Vielzahl von voneinander getrennten p+-Gebieten p+1, p+2, p+3, und n+-Gebieten n+5, n+13,.... In der Hauptoberfläche 1 ist eine großflächige Schicht p+ eingebracht, die nicht kontaktiert ist, und einen niedrigen Flächenwiderstand aufweist.
Legt man zwischen den ausgewählten p+-Gebiete p+1, p+9,...
und den n+-Gebieten n+5, n+13, ... eine genügend hohe Spannungsdifferenz in Sperrichtung an, so stellt sich im Halbleiterkörper ein Potentialminimum bzw. ein Potential PM für die Elektronen ein, das fast die Hauptoberfläche 1 berührt. Das Potentialminimum verläuft dabei nicht parallel zu einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers k, sondern bogenförmig von einem n+-Gebiet zum nächsten.
Die nicht angeschlossenen p+-Gebiete auf Hauptoberfläche 2 p+2, p+3, p+4, p+6,.. .p+8, p+10... dienen zur Erzeugung eines geeigneten Potentialgradienten im Potentialtal. Dies ist möglich durch geeignete Wahl der Breite dieser Gebiete und des Abstandes zwischen ihnen. Die sich einstellende Spannungsdifferenz zwischen benachbarten, nicht angeschlossenen p+-Gebieten ist in erster Linie von deren Abstand und der Dotierung des Grundkörpers abhängig. Die Breite der Gebiete erlaubt eine weitere Beeinflußung der elektrischen Feldstärke im Potentialtal. Die maximale Anzahl von nicht angeschlossenen p+-Gebieten wird durch die Bedingung gegeben, daß das Potentialtal die Hauptoberfläche 2 erst in den angeschlossenen +-Gebiete erreichen darf.
Ein durch die Hauptoberfläche 1 einfallendes Teilchen bzw.
Strahlung erzeugt in bekannter Weise Elektron/Loch-Paare.
Die erzeugten Elektronen werden im Potentialminimum PM gesammelt und laufen in diesem zu den n+-Gebieten, während die Löcher jeweils zu den p+-Gebieten auf der Hauptoberfläche 1 bzw. auf der Hauptoberfläche 2 wandern.
Von der Hauptoberfläche i wandern die Löcher an der oder den Stellen an denen das PM die Flächengerade berührt zu den gegenüberliegenden an -U2 angeschlossenen p+-Gebieten. Die in den nicht angeschlossenen p+-Gebiete der Hauptoberflä- che 2 gesammelten Löcher wandern nahe der Oberfläche zu dem nächsten angeschlossenen p+-Gebiet.
Eine entsprechende Wahl der Anzahl sowie des Abstandes d und der Breite b der nichtangeschlossenen p+-Gebiete läßt eine Optimierung der Ladungssammlungszeit gegen die Kapazität des Detektors zu. Bei großem Abstand der n+-Gebiete erhält man eine kleine Kapazität, andererseits natürlich eine vergleichsweise große Ladungssammlungszeit des Detektors und umgekehrt.
Dabei können in sehr vorteilhafter Weise sowohl das Elektronen- als auch die beiden Löchersignale als Informationsquel len benutzt werden. Dies ist an einem modifizierten Ausführungsbeispiel in Fig. 1b veranschaulicht, wo im Gegensatz zu Fig. 1a das p+1 Gebiet eine von den übrigen angeschlossenen p+-Gebieten getrennte Spannungsversorgung -U1 aufweist.
Bei geeigneter Größe der Spannungen -U1 und -U2 läßt sich erreichen, daß das Potentialtal lediglich an der dem angeschlossenen p+1 Gebiet gegenüberliegenden Stelle die Hauptoberfläche 1 berührt. Die zur Hauptoberfläche fließenden Löcher können also nur an dieser Stelle aus der Hauptoberfläche 1 austreten und zur p+1-Elektrode wandern.
Somit ist es also möglich, Strahlung kurzer Reichweite von solcher langer Reichweite zu unterscheiden. Strahlung kurzer Reichweite, die durch die Hauptoberfläche 1 eintritt und zwischen Hauptoberfläche 1 und dem PM absorbiert wird, liefert lediglich ein Löchersignal an der Hauptoberfläche 1 und damit am p+1-Gebiet. Strahlung langer Reichweite erzeugt auch Löcher zwischen dem Potentialminimum und der Hauptoberfläche 2. Da letztere zu den angeschlossenen p+-Gebieten in der Hauptoberfläche 2 laufen, liefern sie ein zweites Löchersignal. Strahlung kurzer und langer Reichweite läßt sich ganz einfach dadurch unterscheiden, daß entweder lediglich 1 Löchersignal an p+1 registriert wird oder zwei Löchersignale an p+1 und den anderen angeschlossenen p+-Gebieten. Bei Eintritt der Strahlung durch die Hauptoberfläche 2 gilt sinngemäß das Gleiche.
Die in Fig. 1 gezeigte Halbleiteranordnung hat gegenüber der Halbleiteranordnung bzw. deren Betriebsart, wie sie in der älteren Patentanmeldung P 34 15 439.6 beschrieben ist, verschiedene Vorteile: 1. Es ist keine Kontaktierung der Hauptoberfläche erforderlich. Damit kann die Halbleiteranordnung nicht nur direkt angrenzend an eine Meßanordnung angeordnet werden, durch den Wegfall einer Elektrode auf der Hauptoberfläche 1 wird zusätzlich auch die Nachweisempfindlichkeit für durch diese Hauptoberfläche einfallende Strahlung erhöht. Zudem verringert sich der Herstellungsaufwand.
2. Zwischen der von dem großflächigen Gebiet p+ und dem Halbleiterkörper k gebildeten Diode und dem angrenzenden, nicht depletierten Halbleiterkörper k stellt sich nur eine sehr kleine (oder auch keine) Spannungsdifferenz in den Randzonen der Anordnung ein. Hierdurch ist es unter Umständen möglich, das großflächige Gebiet p+ großflächig ohne Photolithographie zu implantieren.
3. Weiterhin ist die Kapazität der Anordnung kleiner als die bereits geringe Kapazität der Anordnungen mit angeschlossener Hauptoberfläche 1 da sich die Gesamtkapazität als Serienschaltung der (kleinen) Kapazität zwischen n+-Gebieten und Hauptoberfläche 1 und der Kapazität zwischen angeschlossener p+-Gebieten und Hauptoberfläche 1 ergibt.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist anstelle eines großflächigen Gebietes p+ mit niedrigem Flächenwiderstand eine Vielzahl von Gebieten p'+1, p'+2, p'+3,.... in der Hauptoberfläche 1 vorgesehen. Das dem Gebiet p+1 in der Hauptoberfäche 2 gegenüberliegende Gebiet p'+1 hat eine größere Breite b' als das Gebiet p+1. Aufgrund der Vielzahl von in der Hauptoberfläche 1 vorgesehenen Gebieten p'+.. kann die Differenz der Spannungen -U2 und +U3 größer als bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel sein, da die Gebiete p'+2, p'3,.... die Funktion eines Spannungsteilers aufweisen.
Damit läßt sich erreichen, daß das PM aus dem p'+1 Gebiet in den Halbleiterkörper k gedrückt wird und in einer definierten Tiefe parallel zu den Hauptoberflächen verläuft und erst kurz vor dem nächsten angeschlossenen n+-Gebiet zu diesem hin abbiegt. Aufgrund der Potentialdifferenzen an den p+-Gebieten in der Hauptoberfläche 1 und 2 wird ein transversales Driftfeld erzeugt, so daß Elektronen, die an irgend einer Stelle durch einfallende Strahlung gebildet werden und in das Potentialtal wandern, in diesem Tal weiter zu den n+-Gebieten driften. Entsprechend verhalten sich die Löcher, wobei die zur Hauptoberfläche 1 laufenden Löcher in das p'+1-Gebiet und von dort zu dem p+1-Gebiet gelangen.
Die zur Hauptoberfläche 2 wandernden Löcher dagegen laufen zu dem nächsten angeschlossenen p+-Gebiet. Versieht man die Gebiete p+1 und p+2 mit getrennten Spannungsversorgungen, so lassen sich wie in Fig. 1b beschrieben die beiden Löchersignale wieder getrennt auslesen, so daß die Diskriminination Strahlung unterschiedlicher Reichweite wiederum möglich ist. Während das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b den Vorteil aufweist daß in der Hauptoberfläche 1 lediglich ein großflächiges p+-Gebiet vorgesehen ist, liegt der Vorteil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 darin, daß durch den oberflächenparallelen Verlauf des Potentialminimums über eine größere Distanz eine exakte Diskrimination der Strahlung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Einfallsort der Strahlung über die Drift zeit der Elektronen bestimmt werden kann. Ein solcher Strahlungsdetektor erlaubt damit folgende gleichzeitige Messungen: Bestimmung der Energie der Strahlung, Bestimmung des Einfallsortes und Diskrimination von Strahlung verschiedener Reichweite. Weiterhin ist die Kapazität dieser Anordnung kleiner, da die Entfernungen zwischen den angeschlossenen p+- und n+-Gebieten größer sind. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die zu den p+-Gebieten laufenden Löcher kapazitiv auszulesen, so daß eine weitere Ortsinformation erhalten werden kann.
Wird das p+2-Gebiet nicht an eine externe Spannung angeschlossen, so wandern die Löcher von beiden Hauptoberflächen in das p+1-Gebiet.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Beispiel sind in der Hauptoberfläche 2 großflächige p+-Gebiete mit einem großen Flächenwiderstand vorgesehen. An diese sind Spannungen U4 und -U2 angelegt, an die dazwischen eingeschobenen n+-Zonen Spannungen +U3. Diese Spannungen erfüllen die Beziehung U3 > U4 >-U2 Damit stellt sich das großflächige Gebiet in der Hauptoberfläche 1 auf eine Spannung U5 ein, für die gilt: U3 > U5 >-U2 Ein möglicher Vorteil dieser Anordnung ist, daß an die Qualität der Photolithographie bei der Herstellung der großflächigen p+-Gebiete keine hohen Anforderungen gestellt werden. Zu dem kann der Verlauf des PM durch die angelegten Spannungen -U2 und U4 beeinflußt werden.
Bei den vorstehend zur exemplarischen Erläuterung der Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Einfachheit halber die einzelnen Gebiete in der Hauptoberfläche 2 als streifenförmige Gebiete dargestellt worden.
Die p+- und n+-Gebiete auf der Hauptoberfläche 2 können aber auch, wie in Fig. 4 gezeigt, kammartig angeordnet sein.
Die kammartige Anordnung vereinfacht die Kontaktierung der einzelnen Gebiete.
Ferner können auch - wie in Fig. 5 gezeigt - die n+-Gebiete von den p+-Gebieten völlig umgeben sein. Die p+-Gebiete können dabei - wie in Fig. 5 gezeigt - eine rechteckige Form haben, sie können aber auch wabenförmig etc.
sein.
Die punktförmige Anordnung der n+-Gebiete bringt eine weitere Verkleinerung der Kapazität. Außerdem kann durch ein separates Ausleses der einzelnen Gebiete eine zweidimensionale Ortsinformation erhalten werden.
In den Fig. 6 und 7 sind weitere mögliche Geometrien der p+-und der n+-Gebiete dargestellt, bei denen die Randzonen des Detektors auf gleichem Potential liegen.
In den vorstehend beschriebenen Beispielen können selbstverständlich die in der Hauptoberfläche angeschlossenen n+-und p+-Gebiete auch mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. Insbesondere kann es von Vorteil sein, sowohl die einzelnen n+-Gebiete, als auch die p+-Gebiete getrennt auszulesen, so daß eine zusätzliche Ortsinformation der gemessenen Strahlung möglich ist.
Bei der vorstehenden Beschreibung ist angenommen worden, daß der Halbleiterköper k n-dotiert und die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps p-leitend sind. Natürlich können die p-und die n-Gebiete 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-Kontakten (Metall-Isolator-Halbleiter-Kontakten) möglich. Anstelle planarer Halbleiter sind sinngemäß auch hohle zylindrische oder kugelförmige Anordnungen realisierbar.
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Claims

Halbleiterdetektor mit niedriger Kapazität Patentanspriiche Halbleiterdetektor mit niedriger Kapazität zum Nachweis von Strahlung und Teilchen mit einem Halbleiterkörper eines erstes Leitfähigkeitstyps, auf dem mindestens eine Sammelelektrode für die Majoritätsträger aufgebracht ist, Gebieten eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf beiden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers, die mit dem Halbleiterkörper derart vorgespannte Sperrschichten bilden, daß der Halbleiterkörper praktisch vollständig an Majoritätsträgern verarmt und im Halbleiterkörper ein Potentialgradient vorhanden ist, und auf einer der beiden Hauptoberflächen vorgesehenen Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den Gebieten des zweiten Leitfähigkeitstyps, die gegenüber den Gebieten des zweiten Leitfähigkeitstyps in Sperrichtung vorgespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur an Gebiete auf der Hauptoberfläche, auf der Gebiete des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, Spannungen angelegt sind.
2. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps und die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps kammartig ineinander eingeschoben sind.
3. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Gebieten des ersten Leitfähigkeitstyps von mindestens einem zusammenhängenden Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps umgeben ist.
4. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hauptoberfläche, auf der keine Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, mindestens ein großflächiges Gebiet (p+) vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit niedrigem Flächenwiderstand vorgesehen ist.
5. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gebieten vom ersten Leitfähigkeitstyp und vom zweiten Leitfähigkeitstyp, an die Spannungen angelegt sind, weitere Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps eingeschoben sind, an die keine Spannungen angelegt sind.
6. Halbleiterdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hauptoberfläche, auf der keine Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, eine Vielzahl von Gebieten des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist.
7. Halbleiterdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps, die Gebieten des zweiten Leitfähigkeitstyps gegenüberliegen, an die Spannungen angelegt sind, breiter als diese Gebiete sind.
8. Halbleiterdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps, die den Gebieten des ersten Leitfähigkeitstyps gegenüberliegen, breiter als diese Gebiete sind.
9. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hauptoberfläche, auf der Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, mindestens ein großflächiges Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem definierten Flächenwiderstand vorgesehen ist.
10. Halbleiterdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das großflächige Gebiet einen großen Flächenwiderstand hat.
11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Gebieten des ersten und des zweiten Leitfähigkeitstyps mäanderartig ineinander eingeschoben sind.