DE3622879C2 - Detektoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

Aus der EP 0 061 803 A2 ist eine Infrarot-Detektoranordnung auf einem Silizium-Substrat bekannt. Das strahlungsempfindliche Material ist in eine Mehrzahl von Rasterelementen unterteilt, die mit einer im Substrat angeordneten Ladungsverschiebeschaltung verbunden sind.

Bei einer aus der US-PS 4 553 152 bekannten Anordnung sind auf einem einkristallinen Ga As-Substrat seitlich nebeneinander eine Ladungsverschiebeschaltung und ein Halbleitersensor aus Hg Cd Te oder Pb Sn Te vorgesehen, die über eine Kontaktschicht miteinander verbunden sind.

Detektoranordnungen mit Ladungsverschiebe-Auslesung auch CCD (charge coupled device) genannt, werden unter anderem im Bereich der Sensorik, Bildaufnahme und Weltraumerkundung benötigt. Diese Detektoranordnungen sollten für einen möglichst weiten Spektralbereich ausgelegt sein und eine hohe Bildpunktzahl ermöglichen. Hohe Bildpunktzahlen erreicht man durch monolithisch integrierte Detektoranordnungen. Derartige monolithisch integrierte CCD-Detektoranordnungen, die vollständig aus Silizium bestehen, werden bereits in vielfältiger Weise verwendet (siehe z. B. DE-OS 24 02 654).

Die reinen Si-CCD-Detektoranordnungen haben jedoch den Nachteil, daß ihr Spektralbereich auf der langwelligen Seite lediglich bis ungefähr 1 µm reicht und somit nur ein geringer Teil des Infrarot(IR)-Spektrums erfaßt wird. IR-Detektoren, die für eine Strahlung mit der oberen Grenzwellenlänge λ = 1,6 µm empfindlich sind, werden aus den Halbleitermaterialien Si und Ge hergestellt. Si-Ge-Detektoren ohne CCD-Auslegung sind aus der Veröffentlichung von S. Luryi et al., IEEE Transactions on Electron Devices ED-31 (1984), 1135-1139 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Detektoranordnung anzugeben, die eine hohe Bildpunktzahl und einen Spektralbereich von 0,4 µm bis 1,6 µm besitzt und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 oder 2 angegebenen Merkmale gelöst. Eine zweckmäßige Ausgestaltung ist dem Unteranspruch entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Detektoranordnung ermöglicht für die Ausleseschaltung und ggf. weitere Schaltungsgruppen den Einsatz der bewährten Si-Technologie in Verbindung mit im sichtbaren und nahen infraroten empfindlichen Detektorelementen, wobei durch die unterschiedlichen Bandabstände der verschiedenen Halbleitermaterialien des Sensors ein gewünschter Spektralbereich des Detektors einstellbar ist. Weiterhin ist von Vorteil, daß durch die integrierte Bauweise der Ladungsverschiebeschaltung im Siliziumsubstrat und durch das Aufwachsen der Halbleiterschichten des entsprechenden Sensors auf dem Siliziumsubstrat ein geringes Rastermaß und eine hohe Bildpunktzahl erreicht werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die durch differentielle Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) auf die CCD-Si-Detektoranordnung aufgewachsenen Halbleiterschichten;

Fig. 2 zeigt die Ätz-, Passivierungs- und Metallisierungsschritte, die zur Fertigung der erfindungsgemäßen Detektoranordnung notwendig sind;

in Fig. 3 ist eine mögliche geometrische Anordnung von zwei CCD's und mehreren Halbleitersensoren dargestellt.

Gemäß Fig. 1 sind auf einem Si-Substrat 3 mehrere Oxidschichten 6a, 6b, 6c und polykristalline Si-Schichten 9a, 9b aufgebracht und bilden mit den entsprechenden Eingangsspeicher- und Übergangselektroden 10, 11, 12 sowie einem Kanal 13 ein CCD. Die Eingangselektrode 10 des CCD's schließt sich an die Detektorkontaktschicht 5 an, die durch As-Diffusion erzeugt wird und eine Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 10²⁰ pro cm³ und eine Schichtdicke von ungefähr 3 µm besitzt. Durch die Kopplung von Detektor und CCD kann das Ladungspaket der optisch erzeugten Minoritätsträger über die Speicherelektrode 12 in einem festzulegenden Takt ausgelesen werden. Da das CCD einen Kanal 13 besitzt, kann das Ladungspaket unterhalb der Substrat-Oberfläche 1 verschoben werden. Die i-Ge- und p-Ge-Halbleiterschichten 7 bzw. 8 werden mit differentieller Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) bei einer Temperatur von 375°C und mit einer Wachstumsrate von 0,5 nm pro Sekunde aufgewachsen. Die Schichtdicke der i-Ge-Halbleiterschicht beträgt 3 µm, die der p-Ge-Halbleiterschicht 0,1 µm mit einer Dotierstoffkonzentration von ungefähr 10¹⁹ Ladungsträger pro cm³. Als Dotierstoffe werden vorzugsweise Bor oder Gallium verwendet. Die Dicke der obersten Halbleiterschicht, in unserem Ausführungsbeispiel die p-Ge-Halbleiterschicht, ist dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß die Dicke der Halbleiterschicht kleiner als die Eindringtiefe der Strahlung ist und somit die Strahlung nicht vollständig absorbiert wird.

Das differentielle MBE-Verfahren hat den Vorteil, daß ein genau bestimmbarer Übergang zwischen poly- und einkristallinem Ge-Material entsteht: auf der Detektorkontaktschicht 5 bilden sich einkristalline i-Ge- und p-Ge-Schichten 7, 8 aus, auf der Oxidschicht 6b entsteht eine polykristalline Ge-Schicht 14. Diese polykristalline Ge-Schicht 14 wird mit Hilfe der in der Halbleitertechnik üblichen Ätzverfahren entfernt. Zum Schutz gegen die einfallende Strahlung werden anschließend eine Passivierungs- und Metallschicht 15, 16 aufgetragen (Fig. 2). Nur der Bereich des einkristallinen Halbleitersensors 4 bleibt für die Strahlung durchlässig.

Die Halbleitermaterialien Si und Ge besitzen unterschiedliche Abstände zwischen Leitungs- und Valenzband. Ein Si-Detektor hat einen Bandabstand der Wellenlänge λ = 1,1 µm, während ein Ge-Detektor einen Bandabstand von λ = 1,6 µm aufweist.

Der Halbleitersensor 4 kann beispielsweise auch aus einer Halbleiterschichtenfolge aufgebaut sein, die Schichten aus Si und SiGe enthält.

Die Bandabstände in einer derartigen Halbleiterschichtenfolge sind durch geeignete Wahl der Schichtdicken und Dotierungskonzentration gezielt einstellbar. Der Spektralbereich des Detektors läßt sich dadurch noch erweitern (Λ < 1,6 µm).

In Fig. 3 sind beispielsweise zwei CCD's mit den entsprechenden Ge-Sensoren 4a, 4b auf einem Si-Substrat versetzt angeordnet. Die Anordnung besitzt zwei CCD-Kanäle 13a, 13b, die über eine CCD-Detektor-Kopplungsstruktur 17a, 17b mit den Ge-Sensoren 4a, 4b verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Impulsfolgen der CCD-Si-Detektoren um 180° phasenverschoben. Die Ausgangssignale der beiden CCD's werden über einen Multiplexer 18 weitergegeben, wobei die Leersignale der CCD-Zwischenstufen durch die Signalinformationen der gegenüberliegenden CCD-Kette ersetzt werden. Das Ausgangssignal erscheint mit der gleichen Frequenz mit der auch die beiden CCD's ausgelesen werden.

Claims (3)

1. Detektoranordnung, bei welcher auf einem Substrat aus Silizium (3) mindestens ein strahlungsempfindlicher, aus Schichten aufgebauter Halbleitersensor (4) und bei welcher eine mit diesem über eine Kontaktschicht (5) verbundene Ladungsverschiebeschaltung (2) in dem Substrat (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitersensor eine i-Germanium-Schicht und eine p-Germanium-Schicht enthält.

2. Detektoranordnung, bei welcher auf einem Substrat aus Silizium (3) mindestens ein strahlungsempfindlicher, aus Schichten aufgebauter Halbleitersensor (4) und bei welcher eine mit diesem über eine Kontaktschicht (5) verbundene Ladungsverschiebung (2) in dem Substrat (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitersensor (4) aus einer Schichtenfolge aus Si- und SiGe-Halbleiterschichten aufgebaut ist.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Kontaktschicht eine in das Substrat eindiffundierte Zone ist, dadurch gekennzeichnet, daß Arsen als Dotierstoff dient.