DE3783157T2

DE3783157T2 - Strahlungsdetektoranordnung.

Info

Publication number: DE3783157T2
Application number: DE8787302912T
Authority: DE
Inventors: Clyde G Bethea; Daniel Brasen; Barry Franklin Levine; Ronald Howard Willens
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-04-03
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2007-04-04
Also published as: EP0241237B1; KR870010409A; JPH0650344B2; JPS62294990A; DE3783157D1; EP0241237A3; HK117593A; KR950009930B1; CA1281440C; EP0241237A2; ES2036206T3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Bauelemente, die einen Sensor oder Detektor für Strahlung, beispielsweise elektromagnetische oder Teilchenstrahlung, enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Abhängig vom Typ der Strahlung und weiterhin abhängig von der speziellen, zu beobachtenden Strahlungs-Besonderheit wurde eine große Vielfalt von Strahlungssensoren und -detektoren für elektromagnetische sowie für Teilchenstrahlung entwickelt, siehe beispielsweise R. J. Keyes, (Herausgeber), Optical and Infrared Detectors, Springer- Verlag, 1977 und E. Kowalski, Nuclear Electronics, Springer- Verlag, 1970.
Sensoren und Detektoren sind in großem Umfang einsetzbar, wenn sie eingebaut sind in unterschiedlichsten Geräten zur Verwendung in Gebieten, wie beispielsweise Meßgeräteausrüstung, Nachrichtentechnik und Robotik; bezüglich Robotik und verwandter Gebiete werden Stellungsfühl-Anwendungen als besonders bedeutsam eingeschätzt. Kommerziell verfügbare Stellungssensor-Photodetektoren basieren auf dem photoelektrischen Effekt des p-n-Übergangs, typischerweise ausgeführt in Form eines Silicium-Bauelements. Siehe diesbezüglich beispielsweise B. Schmidt et al., "Positionsensitive Photodetectors Made with Standard Silicon-planar Technology", Sensors and Actuators, Vol. 4 (1983), Seiten 439 - 446.
Sensoren mit p-n-Übergang basieren auf einem als Wallmark- Effekt oder, mehr beschreibend, als seitlicher Photovoltaic-Effekt bekannten physikalischen Phänomen. Ein solcher Effekt besteht in dem Auftreten einer Spannung parallel zu einem p-n-Übergang, wenn der Übergang ungleichmäßig bestrahlt wird. Bezüglich weiterer Einzelheiten und einer Diskussion des lateralen Photovoltaic-Effekts siehe beispielsweise G. P. Petersson et al., "Position-sensitive Light Detectors with High Linearity", IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. SC-13 (1978), Seiten 392 - 399 und H. Niu et al., "Application of Lateral Photovoltaic Effect to the Measurement of the Physical Quantities of P-N Junctions - Sheet Resistivity and Junction Conductance of H&sub2;&spplus;-implanted Si", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 15 (1976), Seiten 601 - 609.
Während zufriedenstellende Bauelemente mit p-n-Übergang solange hergestellt werden können, wie ihre Abmessungen einige Mikrometern nicht übersteigen, lassen sich größer bemessene Bauelemente nur schwierig mit ausreichender Gleichförmigkeit fertigen. Sind außerdem derartige Bauelemente als Stellungssensor vorgesehen, so erwies es sich als schwierig, eine Ansprechspannung zu erhalten, die als Funktion der Lage eines Strahls ausreichend linear ist. Es besteht folglich der Bedarf an Photodetektoren und Strahlungssensoren mit einem im wesentlichen linearen Ansprechverhalten auf die Lage einfallender Strahlung.

Zusammenfassung der Erfindung

Strahlungsinduzierte elektrische Effekte wurden in geschichteten Strukturen von Leiter- und Halbleitermaterialien entdeckt, beispielsweise in Strukturen abwechselnder Schichten aus Titan und Silicium. Die erhaltenen Strukturen eignen sich als Sensoren und Detektoren für elektromagnetische Strahlung, und diese Strukturen sind auch empfindlich auf Teilchenstrahlung, beispielsweise auf einen Strahl von Alphateilchen. Die sich ergebenden Sensoren wiederum eignen sich für den Einschluß in eine Vielfalt von Bauelementen, beispielsweise in Positionssensoren und Digital-Analog-Umsetzern.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Strahlungsstärke-Sensorbauelements gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Positionssensorbauelements gemäß der Erfindung;
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein alternatives Positionssensor-Bauelement gemäß der Erfindung, welches eine stark nicht-lineare Ansprechspannung als Funktion der Lage eines einfallenden Strahls aufweist; und
Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines Digital- Analog-Umsetzerbauelements gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 zeigt ein Substrat 1, einen Film 2 aus abwechselnd metallischen und Halbleiterschichten, Kontakte 3, einen Widerstand 4, ein Voltmeter 5 und eine optional vorgesehene Vorspannungsquelle 6. Bei Bestrahlung mit elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung 7 ändert sich die Spannung an dem Widerstand 4 als eine Funktion der Strahlungsstärke. Man kann ein Vorspannpotential dazu verwenden, die Empfindlichkeit eines Bauelements zu beeinflussen. Die Empfindlichkeit steigt, wenn eine Vorspannung in die gleiche Richtung wie die Photospannung angelegt wird, und umgekehrt verringert eine entgegengesetzte Vorspannung die Empfindlichkeit.
Figur 2 zeigt ein Substrat 1, einen Film 2 aus abwechselnden metallischen und Halbleiterschichten, Kontakte 3 und ein Voltmeter 5. Bei Bestrahlung mit Strahlung 7 ändert sich die Spannung zwischen den Kontakten 3 als eine Funktion der Stelle x des einfallenden Strahls. Wenn eine einzelne, X-Abmessung zu bestimmen ist, besteht der Film 2 typischerweise aus einem schmalen Streifen, der abhängig vom Weg eines Lichtstrahls geradlinig oder gekrümmt sein kann. Folglich läßt sich ein solches Bauelement als Wandler zur Messung einer Stellung, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung, einer Drehung, einer Belastung, einer Temperatur oder anderer skalarer Größen verwenden. Wenn man außerdem einen Film nicht als Streifen ausbildet, sondern eine Fläche abdeckt, und wenn man in geeigneter Weise Elektroden wählt, lassen sich mit dem sich dadurch ergebenden Bauelement zweidimensionale Daten, beispielsweise eine x-y-Position, erfassen.
Figur 3 zeigt ein Substrat 1, einen Film 2 aus abwechselnden metallischen und Halbleiterschichten, elektrische Kontakte 3 auf der Oberseite des Films 2 und ein Voltmeter 5. Wenn sich ein Fleck einer einfallenden Strahlung 7 quer über einen schmalen Streifen 10 in dem Film bewegt, ändert sich die Spannung zwischen den Kontakten 3 abrupt von einer anfänglichen Polarität auf die entgegengesetzte Polarität.
Durch geeignete Wahl der Filmgeometrie ist es außerdem möglich, die Kennwerte der Bauelemente nach Figuren 2 und 3 zu kombinieren. Dadurch erhaltene Bauelemente weisen eine geringe Empfindlichkeit für Strahlpositionen weitab von dem Spalt auf, während sie eine erhöhte Empfindlichkeit besitzen, wenn sich der Strahl dem Spalt nähert.
Figur 4 zeigt ein Substrat 1, einen Film 2 aus abwechselnden metallischen und Halbleiterschichten, Kontakte 3 und ein Voltmeter 5. Drei Strahlen auftreffender Strahlung 7, 8 und 9 entsprechen gemäß Darstellung digitalen Eingangswerten, so daß das Vorhandensein des Strahls 7 einem Digitalwert von 4, das Vorhandensein des Strahls 8 einem Digitalwert von 1 und das Vorhandensein des Strahls 9 einem Digitalwert von 2 entspricht (ein fehlender Strahl bedeutet einen entsprechenden Wert von 0). Die zwischen den Kontakten 3 gemessene Ausgangsspannung ist eine analoge Darstellung der Summe der in Form von Strahlen gelieferten digitalen Information.
Bauelemente gemäß der Erfindung sind empfindlich bezüglich elektromagnetischer Strahlung wie typischerweise optischer, Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung. Außerdem sind die Bauelemente empfindlich gegenüber Teilchenstrahlung, wie zum Beispiel Elektronen, Protonen und Alphateilchen.
Strukturen aus abwechselnden Schichten gemäß der Erfindung können auf isolierenden Substraten oder, vozugsweise, auf n- oder p-leitenden Halbleitersubstraten aufgebracht werden. Halbleitersubstrate sind im Hinblick auf verstärkte strahlungsinduzierte elektrische Effekte, wobei das Substrat als Pumpe dient, bevorzugt.
Ist ein Substratmaterial bezüglich der interessierenden Strahlung ausreichend transparent, kann die auftreffende Strahlung durch das Substrat hindurchgelangen, wobei solches Auftreffen im Hinblick auf den direkten elektrischen Kontakt mit der Schichtstruktur in Abwesenheit einer rückseitigen Elektrode erleichtert wird. Dieser Aspekt der Erfindung ist von besonderem Interesse bei Infrarotdetektoren auf Siliciumsubstraten. Weiterhin ist das Fehlen von Kontakten an den Halbleitersubstraten von besonderer Bedeutung dann, wenn die Anbringung von Kontakten besondere Sorgfalt erfodern würde, wie es zum Beispiel im Fall von III-IV- und II-VI-Halbleitermaterialien der Fall ist. Spezielle Beispiele in dieser Hinsicht sind Substrate aus Galliumarsenid und Quecksilber-Kadmium-Tellurid.
Halbleiterschichten, wie zum Beispiel Schichten aus Silicium, Germanium oder Silicium-Germanium, werden typischerweise in amorpher Form niedergeschlagen und haben eine zweckmäßige Dicke in einem bevorzugten Bereich von 0,1 bis 10 Nanometern. Halbleitermaterialien können p-leitend dotiert, n-leitend dotiert oder undotiert sein.
Metallische oder Leiterschichten können elementar oder legiert sein, und sind hier zweckmäßig dadurch definiert, daß ihr spezifischer Widerstand im massiven Material kleiner als 200 Mikroohm-cm ist. (Dieser Wert ist für Isolator- oder Halbleitermaterialien größer als 10000 Mikroohm-cm.) Im wesentlichen reines Titan wird als besonders geeignet als metallisches Schichtmaterial angesehen, Zirkon und Niob werden in ähnlicher Weise empfohlen. Vorzugsweise liegen die metallischen Schichten im wesentlichen in amorpher Form vor, wobei diese Form bei einer bevorzugten Schichtdicke von weniger als 8 und vorzugsweise weniger als 5 Nanometer realisiert wird. Zum leichten Aufbringen kontinuierlicher Schichten beträgt die Dicke sämtlicher Schichten vorzugsweise mindestens 0,1 Nanometer. Die Anzahl von Perioden abwechselnder Schichten beträgt typischerweise bis zu 500. Im geeignetsten Fall besteht eine Struktur aus abwechselnden Schichten aus genau zwei Materialtypen, eines metallisch und das andere halbleitend; allerdings ist eine Änderung der Zusammensetzung solcher Schichten nicht ausgeschlossen.
Photoelektrische Effekte, die gemäß der Erfindung beobachtet werden, lassen sich theoretisch gemäß folgender Beschreibung erklären. Bei einem Substrat mit abwechselnden Schichten auf einem p-Substrat erzeugt bei lokal auffallendem Licht die in dem Substrat absorbierte Strahlung Loch-Elektronen-Paare. Elektronen in der Verarmungszone innerhalb der Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge werden durch das Schottky- Feld in den Film aus abwechselnden Schichten gefegt. Ladungstrennung beseitigt einen Teil der Raumladung, und dies wiederum reduziert das interne Barrierenpotential. Der Schottky-Sperrleckstrom, bestehend aus sich zu der p- Zone zurückbewegenden Elektronen, bringt die Barriere in einen Gleichgewichtszustand durch Einstellung des lokalen Barrierenpotentials derart, daß die Raten der Photo- Generation und -Rekombination gleich sind.
In dem Substrat wird eine laterale Photospannung als Ergebnis des Trennungsvorgangs von Löchern und Elektronen und der Verringerung der Potentialbarriere am Punkt auftreffender Strahlung erzeugt. Löcher in dem Substrat bewegen sich seitlich unter dem Einfluß dieses Potentialgradienten. In der metallischen Schicht kommt die seitliche Antriebskraft für den Strom von Elektronen zu der aufgrund des Konzentrationsgradienten erfolgenden Diffusion hinzu. Es entwickelt sich ein Potentialgradient, wenn die Elektronen durch den Widerstandsfilm diffundieren.
Die seitlichen Elektronenströme und Löcherströme beseitigen einen Teil der Barrierenraumladung seitlich entlang des Übergangs, und dies würde zu einer erhöhten Rekombination von Elektronen und Löchern seitlich am Übergang führen, wenn es nicht das hohe Maß an Anisotropie der Struktur abwechselnder Schichten gäbe. Als Ergebnis wird wahrscheinlich der Quer-Schottkystrom von dem Transport durch Mehrfachschichten unter thermoionischer Emission und/oder Diffusion gesteuert, was zu einem hochgradigen Schottky- Übergang mit einer Rekombination führt, die nicht durch die anfänglichen Grenzschichtzustände des Substrats gesteuert wird.

Beispiel 1

Durch Elektronenstrahlaufdampfung wurden auf einem p- leitenden 50-Ohm-cm-Siliciumsubstrat mit einer Störstellenkonzentration von annähernd 2x10¹&sup4;/cm³ abwechselnde Schichten aus Titan und Silicium aufgebracht. Während der Aufbringung wurde die Substrattemperatur in der Nähe von 5º C gehalten, die Aufbringung erfolgte in einem Vakuum mit einer Restatmosphäre, die im wesentlichen aus Wasserstoff bei einem Teildruck von angenähert 10&supmin;&sup8; Torr (oder angenähert 133x10&supmin;&sup8; Pascal) bestand. Die Niederschlagsgeschwindigkeit betrug angenähert 0,1 Nanometer/Sekunde. Einzelne Schichten aus Titan und Silicum hatten eine jeweilige Dicke von 0,6 Nanometer beziehungweise 1,3 Nanometer, und auf eine Fläche, die angenähert 20 mm mal 2 mm betrug, wurde ein Streifen aufgebracht, der aus 264 Perioden abwechselnder Titan- und Siliciumschichten bestand. An die Enden des Streifen wurden Ohmsche Kontakte in Form eines Silberanstrichs angebracht.
Der Streifen wurde lokal mit Hilfe eines Helium-Neon-Lasers einer Wellenlänge von angenähert 0,63 Mikrometer einer Laserstrahlung ausgesetzt, und es wurde die Photospannung als Funktion der Strahlungsstärke beobachtet. Die Photospannung nahm als Funktion der Stärke zu, wobei die Zunahme in einem signifikanten Bereich von Intensitäten etwa linear war.

Beispiel 2

Wie im oben beschriebenen Beispiel 1 wurde ein Schichtaufbau niedergeschlagen, mit der Ausnahme, daß der Aufbau 20 Perioden besaß, die Breite des Streifens angenähert 1 mm betrug und die Länge des Streifens etwa 16 mm betrug. Mit Hilfe einer von einem Niederleistungs-Helium-Neon-Laser erzeugten Laserstrahlung wurde eine laterale Photospannung als Funktion der Lage des Auftreffpunkts auf dem Streifen bestimmt. Es ergab sich, daß die laterale Photospannung im wesentlichen linear zwischen Null bei Bestrahlung in der Nähe eines Endpunkts und etwa 10mV bei Bestrahlung in der Nähe des Mittelpunkts des Streifens war. (Die Abweichung von der Linearität betrug weniger als 4 %.) Außerdem wurde der Photostrom gemessen, und man beobachtete eine herausragende Linearität des Stroms als Funktion der Strahlposition.

Beispiel 3

Ein als hochempfindlicher Positionsdetektor dienendes Bauelement wurde hergestellt, indem eine Schichtstruktur geritzt wurde, die wie oben in Beispiel 1 beschrieben über eine Fläche von angenähert 20 x 20 mm aufgebracht worden war. Es wurden Kontakte geschaffen, wie es schematisch in Figur 3 gezeigt ist. Als der Film links von dem Ritz bestrahlt wurde, betrug die Ausgangsspannung etwa 80 mV. Als der Strahl über den Ritz bewegt wurde, fiel die Ausgangsspannung abrupt auf -80 mV ab.

Beispiel 4

Ein als Digital-Analog-Umsetzer dienendes Bauelement wurde hergestellt durch Aufbringen eines 25 mm langen und 2 mm breiten Streifens mit zehn Perioden von abwechselnd Titan und Aluminium, wie es oben in Beispiel 1 beschrieben wurde.
Drei Galliumarsenid-Laserstrahlquellen wurden eingesetzt, wie schematisch in Figur 4 gezeigt ist, und es wurden die folgenden jeweiligen ungefähren Ausgangsspannungen für die acht möglichen Digitalwerte 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 0 erhalten, welche folgenden Ein-Aus-Kombinationen der drei Strahlen entsprachen: 5 mV, 10 mV, 15 mV, -20 mV, -15 mV, -10 mV, -5 mV und 0 mV.

Beispiel 5

Es wurde wie im Beispiel 1 oben ein Schichtaufbau aufgebracht, mit der Ausnahme, daß der Aufbau zehn Perioden besaß, die Breite des Streifens etwa 2 mm betrug und die Länge des Streifens etwa 15 mm war. Die Struktur wurde lokal mit einer Strahlung bestrahlt, deren Wellenlänge von 0,7 bis 1,1 Mikrometer variiert wurde. Bei Wellenlängen von 0,2 bis angenähert 0,25 Mikrometer zeigte sich die laterale Photospannung in direkter Beziehung zur Wellenlänge; als die Wellenlänge weiter erhöht wurde, beobachtete man einen flachen Spannungsabfall.

Claims

1. Strahlungsempfindliches Bauelement, umfassend:

- ein Substrat,

- einen Schichtaufbau auf dem Substrat und

- ein Paar elektrischer Kontakte zu dem Bauelement, wobei zumindest einer der Kontakte zu dem Schichtaufbau führt, welcher aus mehreren Schichtpaaren, sukzessiv von dem Substrat ausgehend, besteht, wobei das Material einer Schicht in jedem Paar sich von dem Material der anderen Schicht in dem Paar unterscheidet,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat aus einem Material besteht, welches aus einem Isolator und n-leitenden oder p-leitenden Halbleitermaterialien ausgewählt ist,

- die eine Schicht jeden Paares aus einem Halbleitermaterial besteht, welches aus n-leitenden, p-leitenden oder undotierten Halbleitermaterialien ausgewählt ist und eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 Nanometer aufweist, und

- die andere Schicht des Paares aus einem metallischen Leitermaterial besteht, dessen spezifischer Widerstand im massiven Material weniger als 200 Mikro-Ohm-cm beträgt, und das eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 8 Nanometer aufweist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in jeder der einen Schichten das gleiche oder unterschiedlich in verschiedenen Paaren ist, und das metallische Leitermaterial in jeder anderen Schicht dasselbe oder ein anderes in verschiedenen Paaren ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtaufbau bis zu 500 Schichtenpaare, von dem Substrat sukzessiv ausgehend, aufweist.

4. Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Leitermaterial aus Titan, Zirkon und Niob ausgewählt ist.

5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in dem Schichtaufbau ausgewählt ist aus IV-, III/V- und II/VI-Halbleitermaterialien.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das IV-Halbleitermaterial aus Silicium, Germanium und Silicium-Germanium ausgewählt ist.

7. Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in dem Schichtaufbau Silicium ist, und daß das metallische Leitermaterial Titan ist.

8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte auf derselben Fläche des Schichtaufbaus vorgesehen sind.

9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement als Strahlungsstärkesensor oder als Stellungssensor dient, oder als hochlinearer Positionssensor oder als stark nicht-linearer Positionssensor, oder als Sensor für elektromagnetische Strahlung, oder als Sensor für Teilchenstrahlung oder jede geeignete Kombination daraus.

10. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl abwechselnder Schichten aus metallischen Leitermaterialien und Halbleitermaterialien bei einer relativ niedrigen Temperatur auf dem Substrat niedergeschlagen werden.