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Beschreibung
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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.
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Eine derartige Halbleiteranordnung niedriger Kapazität ist aus der
nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 34 15 439.6 bekannt, zuder
diese Anmeldung eine Zusatzanmeldung darstellt.
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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.
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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.
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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.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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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.
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Legt man zwischen den ausgewählten p+-Gebiete p+1, p+9,...
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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.
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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.
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Ein durch die Hauptoberfläche 1 einfallendes Teilchen bzw.
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Strahlung erzeugt in bekannter Weise Elektron/Loch-Paare.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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Wird das p+2-Gebiet nicht an eine externe Spannung angeschlossen,
so wandern die Löcher von beiden Hauptoberflächen in das p+1-Gebiet.
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Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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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.
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Die p+- und n+-Gebiete auf der Hauptoberfläche 2 können aber auch,
wie in Fig. 4 gezeigt, kammartig angeordnet sein.
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Die kammartige Anordnung vereinfacht die Kontaktierung der einzelnen
Gebiete.
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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.
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sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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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