DE4114821B4

DE4114821B4 - Semiconductor detector

Info

Publication number: DE4114821B4
Application number: DE19914114821
Authority: DE
Inventors: Josef Kemmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-07
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: DE4114821A1

Abstract

Positionsempfindlicher Halbleiterdetektor mit einem vollständig verarmten Grundgebiet einer ersten Leitfähigkeit und Isolationsschichten auf beiden Hauptoberflächen sowie leitenden Elektroden auf diesen Isolationsschichten (MIS-Struktur),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die zur Verarmung des Grundgebietes der ersten Leitfähigkeit erforderlichen Gebiete der ersten und zweiten Leitfähigkeit auf beiden Hauptoberflächen werden durch die Ausbildung von Inversions- und Akkumulationsschichten, die im Oberflächenbereich des Grundgebietes an zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen angrenzen, im Oberflächenbereich unter den MIS Kontakten (A, E) erzeugt, an denen gleichzeitig die influenzierte Signalladung abgegriffen wird;
b) die zur Verarmung des Grundgebietes der ersten Leitfähigkeit erforderlichen Gebiete der ersten und zweiten Leitfähigkeit sind vollkommen von Gebieten entgegengesetzter Leitfähigkeit umschlossen, die durch Akkumulation und Inversion von Ladungsträgern gebildet werden und deren Leitfähigkeit über MIS Kontakte (G, F) gesteuert wird;
c) die externe Spannungszuführung zu den Gebieten der ersten und zweiten Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers erfolgt von Gebieten der ersten und zweiten Leitfähigkeit (B, S,...Position-sensitive semiconductor detector having a completely depleted base region of a first conductivity and insulation layers on both main surfaces and conductive electrodes on these insulation layers (MIS structure),
characterized by the following features:
a) the areas of the first and second conductivity on both main surfaces required for depletion of the base area of the first conductivity are formed in the surface area under the MIS contacts (A, B) by the formation of inversion and accumulation layers which adjoin two main surfaces in the surface area of the base area. E), at which simultaneously the influenzierte signal charge is tapped;
b) the regions of the first and second conductivity necessary for depletion of the base area of the first conductivity are completely enclosed by areas of opposite conductivity, which are formed by accumulation and inversion of charge carriers and whose conductivity is controlled by MIS contacts (G, F);
c) the external voltage supply to the regions of the first and second conductivity of the semiconductor body is effected by regions of the first and second conductivity (B, S, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen positionsempfindlichen Halbleiterdetektor mit einem vollständig verarmten Grundgebiet gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a position-sensitive semiconductor detector with a completely impoverished Basic area according to the preamble of claim 1

Derartige Halbleiterdetektoren werden zum Nachweis ionisierender Strahlung benutzt und erlauben das Auslesen sowohl von Majoritäts- als auch Minoritätsladungsträgern. Sie werden insbesondere in Form der so genannten Streifendetektoren zur Positionsbestimmung von ionisierender Strahlung eingesetzt.such Semiconductor detectors are used to detect ionizing radiation used and allow the reading of both majority and also minority carriers. she especially in the form of the so-called strip detectors used to determine the position of ionizing radiation.

Bekanntermaßen werden zum Nachweis ionisierender Strahlung u.a. klassische pin-Dioden benutzt. wesentliches Merkmal dieser pin-Diode ist ein hochohmiger Halbleiterkörper aus n-Silizium, der mit einer passivierenden Oxidschicht versehen ist. Auf der vorderen Hauptoberfläche ist ein Fenster in der Passivierungsschicht geöffnet und in diesem Bereich eine hohe p-Dotierung vorgenommen worden. Auf der hinteren Hauptoberfläche befindet sich ebenfalls im Oberflächenbereich eine dünne leitfähige Schicht hoher n-Dotierung. Auf beiden Gebieten hoher Leitfähigkeit befinden sich Metallelektroden. Die hochdotierte p-Schicht erzeugt einen asymmetrischen pn-Übergang, dessen Raumladungszone sich in den niedrigdotierten Halbleiterkörper ausdehnt, wenn die Diode in Sperrichtung gepolt wird, d.h. wenn eine negative Spannung an der p-Seite angelegt wird. Die Raumladungszone kann zum Nachweis elektromagnetischer und partikulärer Strahlung benutzt werden. Eine hohe Dotierung der beiden Kontakte ist vorteilhaft, um den Diffusionsstrom der Diode zu begrenzen.Be known for the detection of ionizing radiation u.a. classic pin diodes used. key feature of this pin diode is a high-impedance Semiconductor body made of n-silicon, which is provided with a passivating oxide layer is. On the front main surface is a window in the passivation layer open and in this area a high p-doping has been made. On the rear main surface is also located in the surface area a thin conductive layer higher n-type doping. In both areas of high conductivity are metal electrodes. The highly doped p-layer creates an asymmetric pn junction, whose space charge zone expands into the low-doped semiconductor body, when the diode is reverse biased, i. if a negative Voltage is applied to the p-side. The space charge zone can be used for the detection of electromagnetic and particulate radiation. A high doping of the two contacts is advantageous to the diffusion current to limit the diode.

Ein Halbleiterdetektor dieser Art ist in der DE 37 15 674 A1 bzw. der US 4, 896, 201 beschrieben. Durch die Integration der Auslesekapazitäten und der Vorwiderstände konnte eine Reduktion des Aufwandes für die externe elektronische Auslese erreicht werden, die den Einsatz dieser Detektoren in vielen Fällen erst möglich machte. A semiconductor detector of this kind is in the DE 37 15 674 A1 or the US 4,896,201 described. By integrating the read-out capacitances and the series resistors, it was possible to reduce the outlay for the external electronic readout, which in many cases made the use of these detectors possible in the first place.

Diese bisher bekannten Detektoren erfordern einen hohen technischen Aufwand bei der Fabrikation, da mehrere Maskenschritte und Implantationen auf beiden Seiten des Halbleiterkörpers durchgeführt werden müssen. Insbeson dere im Hinblick auf den Einsatz sehr großer Stückzahlen derartiger Detektoren in der Grundlagenforschung spielen fertigungstechnische Fragen zukünftig eine immer wichtigere Rolle. Weiterhin ist aus der US 4,837,607 ein Halbleiterdetektor mit geringer Kapazität zum Erfassen von Strahlung und Teilchen bekannt, wobei z.B. in einer Ausführungsform der Erfindung auf einer der zwei Hauptoberflächen zwischen Bereichen mit einer zweiten Leitfähigkeit, Zonen mit einer ersten Leitfähigkeit vorhanden sind die im Vergleich zu den Bereichen mit der zweiten Leitfähigkeit in entgegengesetzter Richtung betrieben sind. Aus US 4,028,719 ist ein ARRAY von speicherfähigen Infrarotdetektoren zum Speichern und Auslesen von Signalinformationen durch Majoritätsladungsträger bekannt, wobei die Detektorenelemente aus einem Halbleitersubstrat, wie z.B. entsprechend dotiertes Silizium, bestehen. Des Weiteren ist aus US 3,877,057 ein Gerät zum Aufspüren von Strahlung und der Bereitstellung einer entsprechend elektrischen Anzeige bekannt. Ein ARRAY von Strahlungs-Aufspürungsgeräten umfasst hierbei eng miteinander verbundene Halbleiterzellen auf einem gewöhnlichen Substrat und jedes der Geräte wird in einer Sequenz ausgelesen.These previously known detectors require a high level of technical complexity in the fabrication, since several mask steps and implantations must be performed on both sides of the semiconductor body. In particular, with regard to the use of very large numbers of such detectors in basic research, manufacturing issues will play an increasingly important role in the future. Furthermore, from the US 4,837,607 a semiconductor detector with low capacity for detecting radiation and particles is known, for example, in one embodiment of the invention on one of the two main surfaces between regions having a second conductivity, zones having a first conductivity are compared to the regions with the second conductivity in operated in the opposite direction. Out US 4,028,719 For example, an ARRAY of memory-capable infrared detectors for storing and reading signal information by majority carriers is known, wherein the detector elements consist of a semiconductor substrate, such as appropriately doped silicon. Furthermore, it is off US 3,877,057 a device for detecting radiation and the provision of a correspondingly electrical display known. An ARRAY of radiation detectors in this case comprises closely connected semiconductor cells on a common substrate and each of the devices is read in a sequence.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine fertigungstechnische Vereinfachung bei gleichen oder ähnlichen elektrischen Eigenschaften erzielt werden kann.Of the Invention is based on the object, a semiconductor detector according to the preamble of claim 1 such that a manufacturing technology Simplification for the same or similar electrical properties can be achieved.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, die für den Aufbau einer Raumladungszone in einem Halbleiterkörper der ersten Leitfähigkeit erforderlichen Elektroden hoher Leitfähigkeit in beiden Oberflächenbereichen nicht durch Dotierung zu erzeugen, sondern durch die Schaffung von Akkumulationsschichten bzw. Inversionsschichten auf beiden Hauptoberflächen. Um die Raumladungszone in den Halbleiterkörper ausdehnen zu können, müssen leitende Verbindungen zwischen den Inversions- bzw. Akkumulationsschichten und externen Spannungsquellen über geeignete Kontakte geschaffen werden. Die Kontakte werden hochohmig durch eine extern steuerbare Widerstandsschicht zu Elektroden des gleichen Leitungstyps hergestellt und befinden sich auf einer einzigen der beiden Hauptoberflächen. Diese Elektroden stellen die alleinige galvanische Verbindung zur Außenwelt dar. Die Auskopplung der Signalladung erfolgt kapazitiv über die Akkumulations- bzw. Inversionsschicht an den äußeren Elektroden.The Essence of the invention is that for the construction of a space charge zone in a semiconductor body the first conductivity required electrodes of high conductivity in both surface areas not by doping, but by creating Accumulation layers or inversion layers on both main surfaces. Around The space charge zone in the semiconductor body to be able to expand must conductive Connections between the inversion and accumulation layers and external power sources via appropriate contacts are created. The contacts become high impedance by an externally controllable resistance layer to electrodes of the same Conductor type manufactured and are on a single of the both main surfaces. These electrodes provide the sole galvanic connection outside world The decoupling of the signal charge takes place capacitively via the Accumulation or inversion layer on the outer electrodes.

Die weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist den Patentansprüchen zu entnehmen.The Further development of the solution according to the invention is the claims remove.

Besonders bemerkenswert an Struktur und Betriebsart des neuen Halbleiterdetektors ist, daß auf seiner Rückseite keinerlei Kontakte zum Halbleiterkörper selbst erforderlich sind (Merkmal 1c). Diese Seite weist lediglich eine Elektrodenstruktur auf dem Isolator auf. Damit ist ein besonders einfaches Herstellungsverfahren von doppelseitigen Streifendetektoren oder ähnlichen Elementen gefunden worden.Especially remarkable in structure and mode of operation of the new semiconductor detector is that on his back no contacts to the semiconductor body itself are required (Feature 1c). This page has only one electrode structure on the insulator. This is a particularly simple production process found by double-sided strip detectors or similar elements Service.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zu bekannten Streifendetektoren besteht darin, daß auf beiden Hauptoberflächen die leitfähigen Gebiete der Streifen durch Inversion bzw. Akkumulation von Ladungsträgern gebildet werden und daß diese völlig von Gebieten entgegengesetzter Leitfähigkeit umschlossen sind, die ebenfalls durch Akkumulation bzw. Inversion der Ladungsträger erzeugt werden.One another distinguishing feature to known strip detectors is that on both main surfaces the conductive ones Regions of the stripes formed by inversion or accumulation of charge carriers and that these completely from Areas of opposite conductivity surrounded by accumulation or inversion the charge carrier be generated.

Die einzigen technologisch dotierten Bereiche sind die Source S und Drain D Gebiete der Transistoren und ein Kontaktbereich B zum Halbleiterkörper. Diese Dotierungen können durch Ionenimplantation hergestellt werden. In einer besonders einfachen Ausführung kann auf die Dotierung des Kontaktes zum Halbleiterkörper verzichtet werden, so daß lediglich ein Dotierschritt (Source und Drain) erforderlich ist.The only technologically doped areas are the Source S and Drain D regions of the transistors and a contact region B to the semiconductor body. These Dopings can be prepared by ion implantation. In a particularly simple embodiment can are dispensed with the doping of the contact to the semiconductor body, so that only a doping step (source and drain) is required.

Der erfindungsgemäße Detektor weist eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Detektoren ähnlicher Ausführung auf. Einer der wesentlichen Vorteile besteht darin, daß die Photolithographieschritte vereinfacht und ihre Anzahl reduziert werden kann. In gleicher Weise kann die Zahl der Dotierschritte zumindest stark eingeschränkt werden. Da die Dotierung in der Regel durch Ionenimplantation erfolgt und entsprechende Maskierschritte voraussetzt, erlaubt das neue Verfahren eine einfachere und kostengünstigere Fertigung bei höheren Ausbeuten. So ist es beispielsweise möglich, einen doppelseitigen Streifendetektor zu konzipieren, der aus einem passivierten Halbleiterkörper besteht, auf dessen zweiter Hauptoberfläche als einziger Technologieschritt Metallelektroden aufgebracht werden. Die Kontaktierung und Spannungszuführung zu den leitfähigen Bereichen erfolgt von der ersten Hauptoberfläche aus.Of the inventive detector has a number of advantages over known detectors more similar execution on. One of the significant advantages is that the photolithography steps simplified and their number can be reduced. In the same way the number of doping steps can be at least severely limited. There the doping is usually done by ion implantation and corresponding Masking steps requires, the new procedure allows a simpler and cost-effective Manufacturing at higher Exploit. So it is possible, for example, a double-sided To design a strip detector consisting of a passivated semiconductor body, on its second main surface As the only technology step metal electrodes are applied. The contacting and voltage supply to the conductive areas takes place from the first main surface.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die äußeren Elektroden nicht notwendiger Weise auf dem Detektor selbst aufgebracht werden müssen, sondern sich auf einem getrennten Leiterbahn-Substrat, z.B. einer Mylarfolie befinden können, die lediglich gegen die Isolationsschicht des Halbleiterkörpers gepreßt wird. In einem derartigen externen Leiterbahn-Substrat lassen sich komplizierte Leiterbahnen in nötigenfalls mehreren Lagen leichter und kostengünstiger realisieren als auf dem Siliziumkörper selbst. In diesem Fall braucht die entsprechende Halbleiteroberfläche überhaupt nicht struktuiert zu werden. Unter gewissen Voraussetzungen ist es sogar möglich, auf die Isolierschichten auf dem Halbleiterkörper zu verzichten und diese in die äußere Elektrodenvorrichtung zu integrieren.One Another advantage is the fact that the outer electrodes are not necessary Way to be applied to the detector itself, but on a separate track substrate, e.g. a Mylar film can be located which is merely pressed against the insulating layer of the semiconductor body. In such an external wiring substrate can be complicated Tracks in case of need several layers easier and cheaper to realize than on the silicon body itself. In this case, the corresponding semiconductor surface needs at all not to be structured. Under certain conditions it even possible to dispense with the insulating layers on the semiconductor body and this into the external electrode device to integrate.

Eine derartige Anordnung ist insbesondere bei solchen Halbleitern vorteilhaft, die sich gar nicht oder nur sehr schwer passivieren oder dotieren lassen.A Such arrangement is particularly advantageous in such semiconductors, who do not or only passivate or endow them with great difficulty to let.

Die Elektrodenanordnung auf einem externen Leiterbahn-Substrat, z.B. einer dünnen Folie ermöglicht die Herstellung von Detektoren, die keinerlei Bondverbindungen auf dieser Seite benötigen. Damit läßt sich ein bisher unlösbares Problem beim Einsatz von Streifendetektoren in medizinischen Anwendungen, wo der direkte Kontakt zur Probe erforderlich ist, einfach lösen.The Electrode arrangement on an external circuit substrate, e.g. one thin Slide allows the production of detectors that do not have any bond connections need this page. This can be a previously insoluble one Problem with the use of strip detectors in medical applications, In case of direct contact with the sample, simply loosen.

Diese Anordnung ist auch besonders vorteilhaft für die Herstellung sogenannter Pad- oder Pixeldetektoren, bei denen jedes Pixel bzw. Pad getrennt ausgelesen werden soll. Bei Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit externem Leiterbahn-Substrat können sowohl die Padelektroden als auch die dazugehörende Elektronik direkt auf diesem integriert werden. Damit entfällt das Kontaktieren einer großen Anzahl von Pads auf dem Detektor selbst.These Arrangement is also particularly advantageous for the production of so-called Pad or pixel detectors where each pixel or pad is read out separately shall be. When using the method according to the invention with external Track substrate can both the Padelektroden and the associated electronics directly on to be integrated. This eliminates contacting a huge Number of pads on the detector itself.

Ein weiterer Vorteil der Elektrodenanordnung auf einem externen Leiterbahn-Substrat besteht darin, daß Pinholes in der Isolationsschicht des Halbleiters nicht notwendigerweise Kurzschlüsse zwischen den Metallelektroden und der leitfähigen Schicht unter dem Oxid zur Folge haben. Solche Kurzschlüsse führen bei den nach dem Stand der Technik gefertigten Detektoren zum Versagen der kapazitiven Kopplung und damit zum Ausfall.One further advantage of the electrode arrangement on an external conductor substrate is that Pinholes in the insulating layer of the semiconductor is not necessarily shorts between the metal electrodes and the conductive layer under the oxide have as a consequence. Such short circuits lead to the state-of-the-art detectors for failure the capacitive coupling and thus the failure.

Ein zusätzlicher Nutzen der externen Elektrodenanordnung ist auch darin zu sehen, daß bei geeigneter Wahl des Leiterbahn-Substratmaterials, dieses als Absorber für einen bestimmten Wellenlängen- bzw. Energiebereich der einfallenden Strahlung dienen kann (Absorber, Filter).One additional The use of the external electrode arrangement can also be seen therein that at suitable choice of the conductor substrate material, this as an absorber for one certain wavelengths or energy range of the incident radiation can serve (absorber, Filter).

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Detektors soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden, die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Operation of the detector according to the invention shall now be based on embodiments described in more detail become, the associated drawings demonstrate:

1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Löcher-Inversionsschicht und kapazitiver Auslese der Minoritätsträger (Löcher) sowie mit einer Elektronen-Akkumulationsschicht und kapazitiver Auslese der Majoritätsträger (Elektronen), 1 a cross section through a first embodiment of a hole inversion layer and capacitive readout of the minority carriers (holes) and with an electron accumulation layer and capacitive readout of the majority carrier (electrons),

2 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel nach 1 mit schematischer Darstellung der Elektrodenanordnung auf der oberen Hauptoberfläche, 2 a cross section through a first embodiment according to 1 with a schematic representation of the electrode arrangement on the upper main surface,

3 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel nach 1 mit schematischer Darstellung der Elektrodenanordnung auf der unteren Hauptoberfläche. 3 a cross section through a first embodiment according to 1 with a schematic representation of the electrode assembly on the lower main surface.

1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen positionsempfindlichen Streifendetektors. Er besteht aus einem Array von streifenförmigen Metallelektroden auf beiden Hauptoberflächen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind (Merkmale 1a und 1b des Anspruchs 1) und Elektrodenanordnungen für die Spannungsversorgung. 1 to 3 show a first embodiment of a position sensitive strip detector according to the invention. It consists of an array of strip-shaped metal electrodes on both main surfaces which are electrically insulated from each other (features 1a and 1b of claim 1) and electrode arrangements for the power supply.

Aus zeichnerischen Gründen sind die Streifensysteme auf den beiden Hauptoberflächen parallel zueinander angeordnet. Im praktischen Fall sind sie jedoch unter einem bestimmten Winkel, vorzugsweise um 90°, gegeneinander verdreht, um die Positionsbestimmung in beiden Koordinatenrichtungen zu ermöglichen.Out drawing reasons the strip systems on the two main surfaces are parallel arranged to each other. In the practical case, however, they are under at a certain angle, preferably by 90 °, rotated against each other to to enable the position determination in both coordinate directions.

Die Querschnittsdarstellung in 1A zeigt einen Schnitt durch die beiden Streifensysteme in Längsrichtung. Abgebildet ist ein Halbleiterkörper HK aus n-Silizium auf dessen beiden Hauptoberflächen sich eine ca. 2000 A dicke Isolationsschicht IS aus Siliziumoxid befindet. Darüber sind Metallelektroden aus Aluminium AL aufgebracht. Auf der oberen Hauptoberfläche befinden sich die Streifenelektrode A und an ihrer Stirnseite ein Transistor (Anspruch 18) mit den Gebieten S (Source), G (Gate) und D (Drain), der zur Spannungsversorgung der Inversionsschicht unter der Elektrode A dient. Umschlossen werden die Streifen A gemäß Merkmal 1b des Anspruchs 1 auf allen vier Seiten durch die Gateelektrode G (siehe 2B). Daneben ist noch ein Kontakt B vorgesehen, der nach dem Merkmal 1c des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 zum Kontaktieren des Halbleiterkörpers dient. Auf der Isolationsschicht der unteren Hauptoberfläche ist ein Metallkontakt E und das ihn umschließende Elektrodensystem F sowie eine Hilfselektrode H (Anspruch 17) aufgebracht.The cross-sectional view in 1A shows a section through the two strip systems in the longitudinal direction. Depicted is a semiconductor body HK made of n-silicon on whose two main surfaces there is an approximately 2000 A thick insulating layer IS of silicon oxide. In addition, metal electrodes made of aluminum AL are applied. On the upper main surface are the strip electrode A and on its front side a transistor (claim 18) with the areas S (source), G (gate) and D (drain), which serves to supply voltage to the inversion layer under the electrode A. The strips A according to feature 1b of claim 1 are enclosed on all four sides by the gate electrode G (see FIG 2 B ). In addition, a contact B is still provided, which serves according to the feature 1c of claim 1 or of claim 3 for contacting the semiconductor body. On the insulating layer of the lower main surface, a metal contact E and the surrounding him electrode system F and an auxiliary electrode H (claim 17) is applied.

Um den Detektor zu betreiben (1B) wird an die Streifenelektroden A eine kleine negative Spannung –Ua angelegt, die zu einer positiven Inversionsschicht unter dem Isolator an der Halbleiteroberfläche führt. Kontaktiert wird diese Inversionsschicht durch das Sourcegebiet S des danebenliegenden Transistors. Eine geringe positive Spannung +Ug an dem Elektrodensystem G (Transistorgate) isoliert die einzelnen Streifen hochohmig gegeneinander und stellt gleichzeitig über den Transistorkanal K und das Draingebiet D den Kontakt zu einer äußeren Spannungsquelle –U1 her (Merkmale 1a, b, c und Ansprüche 3, 4, 18).To operate the detector ( 1B ), a small negative voltage -Ua is applied to the strip electrodes A, resulting in a positive inversion layer under the insulator at the semiconductor surface. This inversion layer is contacted by the source region S of the adjacent transistor. A small positive voltage + Ug on the electrode system G (transistor gate) insulates the individual strips from each other in a high-impedance manner and at the same time establishes contact with an external voltage source -U1 via the transistor channel K and the drain region D (features 1a, b, c and claims 3, 4, 18).

Der Kontakt B gewährleistet die elektrische Verbindung zum Halbleiterkörper bzw. zur rückseitigen Hauptoberfläche und ist im Ausführungsbeispiel mit der Masse verbunden.Of the Contact B guaranteed the electrical connection to the semiconductor body or to the rear side main surface and is in the embodiment with connected to the mass.

Wird nun eine zusätzliche negative Spannung –U1 (siehe 1B) an das Draingebiet D des Transistors, den Gatebereich G (–U1+Ug) und an die Streifenelektrode A (–U1–Ua) angelegt, so bildet sich eine Raumladungszone unter der Inversionsschicht der vorderen Hauptoberfläche aus, die sich mit zunehmender Spannung in den Halbleiterkörper ausdehnt. Der Detektor verhält sich also genau wie eine pin-Diode, deren Raumladungszone noch nicht bis zum Rückkontakt durchgreift. Ladungsträger, die durch ionisierende Strahlung im Volumen der Raumladungszone gebildet werden, werden durch das elektrische Feld getrennt. Die Löcher, die zur Vorderseite laufen, können kapazitiv über die Metallelektrode A ausgelesen werden (Anspruch 1a) und fließen über den Transistor zur Spannungsquelle –U1 (Merkmal 1c des Anspruchs 1, Ansprüche 3 und 18). Die Elektronen wandern durch den Halbleiterkörper zum Massekontakt B (Merkmal 1c und Anspruch 2).Now an additional negative voltage -U1 (see 1B ) is applied to the drain region D of the transistor, the gate region G (-U1 + Ug) and the strip electrode A (-U1-Ua), so a space charge zone forms under the inversion layer of the front main surface, which with increasing voltage in the Semiconductor body expands. The detector behaves exactly like a pin diode, whose space charge zone does not reach through to the back contact. Charge carriers, which are formed by ionizing radiation in the volume of the space charge zone, are separated by the electric field. The holes that run to the front can be capacitively read through the metal electrode A (claim 1a) and flow through the transistor to the voltage source -U1 (feature 1c of claim 1, claims 3 and 18). The electrons travel through the semiconductor body to ground contact B (feature 1c and claim 2).

Bei weiterer Erhöhung der Sperrspannung auf –U2 (siehe 1C) kann der Detektor völlig verarmt werden und erlaubt auch das kapazitive Auskoppeln des Elektronensignals (Merkmal 1a). Dazu wird durch eine geringe positive Spannung +Ue an der Rückseitenelektrode eine leitende Akkumulationsschicht von Elektronen auf der unteren Hauptoberfläche generiert. Die Elektrode E wird vollständig von einer Schutzelektrode F umschlossen, die schwach negativ gepolt ist (–Uf) und eine hochohmige Verbindung zu einer weiteren äußeren Akkumula tionsschicht unter der positiv gepolten Hilfselektrode H (+Uh) (Anspruch 17) darstellt. Die Breite der Hilfselektrode H ist so bemessen, daß die darunter liegende Akkumulationsschicht sich bis in den nicht verarmten Halbleiterkörper ausdehnt. Damit ist nach den Merkmalen 1b und 1c des Anspruchs 1 sowie Anspruch 2 eine leitende Verbindung zwischen dieser Schicht und der Masseelektrode B durch den Halbleiterkörper hindurch gewährleistet.If the reverse voltage is increased further to -U2 (see 1C ), the detector can be completely depleted and also allows the capacitive decoupling of the electron signal (feature 1a). For this purpose, a conductive accumulation layer of electrons on the lower main surface is generated by a low positive voltage + Ue at the backside electrode. The electrode E is completely enclosed by a protective electrode F, which is slightly negative poled (-Uf) and a high-resistance connection to another outer Akkumula tion layer under the positively poled auxiliary electrode H (+ Uh) (claim 17). The width of the auxiliary electrode H is dimensioned so that the underlying accumulation layer expands into the non-depleted semiconductor body. Thus, according to the features 1b and 1c of claim 1 and claim 2, a conductive connection between this layer and the ground electrode B is ensured by the semiconductor body.

Eine Signalladung von Elektronen, die unter den beschriebenen Betriebsbedingungen zur Akkumulationsschicht unter der Elektrode E wandern, kann kapazitiv ausgelesen werden. Der Stromkreis der Elektronen ist von der Akkumulationsschicht unter E über die hochohmige Inversionsschicht der Elektrode F zur Akkumulationsschicht unter H und weiter über den Halbleiterkörper HK zum Massekontakt B geschlossen.A Signal charge of electrons under the operating conditions described migrate to the accumulation layer under the electrode E, can capacitively be read out. The circuit of electrons is from the accumulation layer below E above the high-resistance inversion layer of the electrode F to the accumulation layer below H and further over the semiconductor body HK to ground contact B closed.

Die 2 und 3 zeigen das gleiche Ausführungsbeipiel mit einer schematischen Darstellung der Streifenkonfigurationen auf den beiden Hauptoberflächen. Des besseren Verständnisses halber sind die Source-, Gate- und Draingebiete der Transistoren vergrößert dargestellt. In der praktischen Ausführung genügt entgegen der Zeichnung ein kleinflächiger Kontakt zu dem implantierten Draingebiet.The 2 and 3 show the same Ausführungsbeipiel with a schematic representation of the strip configurations on the two main surfaces. For better understanding, the source, gate and drain regions of the transistors are shown enlarged. In the practical embodiment, contrary to the drawing, a small-area contact with the implanted drain region is sufficient.

Nach Anspruch 5 können die auf den Isolationsschichten des Halbleiterkörpers aufgebrachten Metallelektroden ganz oder teilweise durch ein entsprechend metallisiertes Kontakt-Substrat ersetzt werden. Für diese Ausführungsform eignet sich besonders nach den 1 bis 3 die untere Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers.According to claim 5, the on the Isolati Onsschichten the semiconductor body applied metal electrodes are completely or partially replaced by a corresponding metallized contact substrate. For this embodiment is particularly suitable for 1 to 3 the lower main surface of the semiconductor body.

Das Kontakt-Substrat wird gegen die Oberfläche des Halbleiters gepreßt, wobei der Anpreßdruck durch die elektrostatischen Kräfte beim Anlegen der Potentiale an den Elektroden schon ausreichend hoch sein kann, um einen innigen Kontakt zur Isolatoroberfläche herzustellen. Gemäß Anspruch 11 sind auf diesem Substrat Teile der Ausleseelektronik integrierbar und es kann gleichzeitig nach Anspruch 13 und 14 als Schutz gegen Kontaminationen und Streulicht dienen.The Contact substrate is pressed against the surface of the semiconductor, wherein the contact pressure by the electrostatic forces when applying the potentials at the electrodes already sufficient may be high to make intimate contact with the insulator surface. According to claim 11 parts of the readout electronics can be integrated on this substrate and it can simultaneously according to claim 13 and 14 as protection against Contaminations and scattered light serve.

Nach Anspruch 5, 6, 7, 11 bis 16 lassen sich mit Hilfe eines oder mehrerer Kontakt-Substrate leicht Arrays oder Sandwichanordnungen von mehreren Detektoren konzipieren.To Claim 5, 6, 7, 11 to 16 can be with the help of one or more Contact substrates easily arrays or sandwich assemblies of several Design detectors.

Die erfindungsgemäße Detektoranordnung unter Nutzung eines getrennten Kontakt-Substrates stellt eine wesentliche Vereinfachung dar, da die Elektronik zusammen mit den Leiterbahnen auf dem Kontakt-Substrat untergebracht werden kann. Bei Zerstörung des Halbleiterdetektors durch Strahlenschäden ist es möglich, die Kontakt-Substrate mit integrierter Elektronik wieder zu verwenden.The inventive detector arrangement under Use of a separate contact substrate constitutes an essential Simplification, because the electronics together with the tracks can be accommodated on the contact substrate. In destruction of the Semiconductor detector due to radiation damage, it is possible the Reuse contact substrates with integrated electronics.

Bei der thermischen Oxidation von Silizium bildet sich immer eine positive Oxidladung aus, die bei n-Typ Silizium zu einer Elektronenakkumulationsschicht unter dem Oxid führt. Dieser Umstand kann im Ausführungsbeispiel nach 1 bis 3 dazu genutzt werden, auf die externen Spannungen (+Ue und +Uh) an den Elektrodengebieten E und H der unteren Hauptoberfläche zu verzichten. Damit ist für die untere Hauptoberfläche lediglich die Steuerspannung –Uf zum Einstellen des Serienwiderstandes zwischen den beiden Akkumulationsgebieten unter E und H erforderlich.In the thermal oxidation of silicon, a positive oxide charge always forms, which leads to an electron accumulation layer under the oxide in the case of n-type silicon. This circumstance can according to the embodiment 1 to 3 be used to dispense with the external voltages (+ Ue and + Uh) at the electrode areas E and H of the lower main surface. Thus, only the control voltage -Uf for setting the series resistance between the two accumulation areas under E and H is required for the lower main surface.

Positive Ladungen können z.B. auch durch die Behandlung von Oxidschichten in einem Gasplasma oder durch Behandlung mit UV Licht bzw. ionisierender Strahlung gebildet werden.positive Charges can e.g. also by the treatment of oxide layers in a gas plasma or by treatment with UV light or ionizing radiation be formed.

Vorstehend sind Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung der Allgemeinheit beschrieben worden. Selbstverständlich sind im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens die verschiedensten Modifikationen möglich wie z.B. die Verwendung anderer Halbleitermaterialien, Isolatoren und Leiter. Insbesondere kann anstelle eines n-Typ Halbleiters auch sinngemäß ein p-Typ Halbleiter verwendet werden. Weiterhin ist es möglich Detektoren zu konzipieren, bei denen MIS Strukturen und technologisch dotierte Gebiete beider Leitfähigkeiten nebeneinander eingesetzt werden.above are exemplary embodiments without restriction described to the general public. Of course they are Within the scope of the general concept of the invention a variety of modifications possible such as. the use of other semiconductor materials, insulators and ladder. In particular, instead of an n-type semiconductor also analogously a p-type Semiconductors are used. Furthermore, it is possible to design detectors where MIS structures and technologically-doped areas of both conductivities be used side by side.

Claims

Position sensitive semiconductor detector with a Completely depleted ground area of a first conductivity and insulation layers on both main surfaces and conductive electrodes on these insulating layers (MIS structure), marked by the following features: a) the impoverishment of the base area the first conductivity required areas of the first and second conductivity on both main surfaces through the formation of inversion and accumulation layers, in the surface area of the Base area on two opposing main surfaces, in the surface area generated under the MIS contacts (A, E), at which simultaneously the influenzierte signal charge is tapped; b) the impoverishment the baseline area of the first conductivity required areas the first and second conductivity are perfect of regions of opposite conductivity enclosed, formed by accumulation and inversion of charge carriers and their conductivity via MIS Controlled contacts (G, F); c) the external power supply to the regions of the first and second conductivity of the semiconductor body takes place of regions of the first and second conductivity (B, S, D), the preferably both are located in the region of one of the two main surfaces, and contacted by means of electrodes (B, D).

Detector according to Claim 1, characterized that only an electrode for the voltage supply provided to the areas of the first conductivity is.

Detector according to claim 1 or 2, characterized that only an electrode for the voltage supply is provided to the regions of the second conductivity.

Detector according to one of Claims 1 to 3, characterized that the Insulation layer and the conductive Contacts form a unit with the semiconductor base body (MIS structure).

Detector according to one of Claims 1 to 3, characterized that the external conductive Contacts are applied to a separate interconnect substrate and this with the semiconductor body connected is.

A detector as claimed in any one of claims 1 to 3, characterized in that both the insulating layer and the external conductive contacts of the MIS structure are on a separate conductive line sub strat are applied, which is connected to the semiconductor body.

Detector according to one of Claims 1 to 6, characterized that the Insulation layer consists of several layers.

Detector according to one of Claims 1 to 7, characterized that inversion and accumulation layers by charges in or on the insulation layer be generated.

Detector according to one of Claims 1 to 8, characterized that the Charges in the insulation layer due to electromagnetic or particulate Radiation generated.

Detector according to one of Claims 1 to 9, characterized that charges in the insulation layer during the manufacturing process of this layer are generated.

Detector according to one of Claims 1 to 10, characterized that this external trace substrate also contains parts of the electronics.

Detector according to one of Claims 1 to 11, characterized that he designed as a detector arrangement is by putting multiple single detectors together on an outer trace substrate are applied.

Detector according to one of Claims 4 to 7, characterized that this external trace substrate at the same time serves as protection of the semiconductor against contamination.

Detector according to one of Claims 1 to 13, characterized that this external interconnect substrate simultaneously defined as an absorber for radiation wavelength or to use energy.

Detector according to one of Claims 1 to 14, characterized that he is designed as a sandwich arrangement in such a way that between two layers of semiconductors is a common external interconnect substrate.

Detector according to one of Claims 1 to 15, characterized that as external trace substrate a second semiconductor body used by the same or different kind.

Detector according to one of Claims 1 to 16, characterized that he is designed as a double-sided strip detector, wherein the voltage supply to the strip of the first conductivity high impedance over a MOS structure and an adjacent region of the first conductivity he follows.

Detector according to Claim 17, characterized that the voltage supply to the strips of the second conductivity high impedance via a transistor structure where the regions of the stripes are the source regions of the transistors contain.

Detector according to Claim 17, characterized that at strip-shaped Arrangement of the metal electrodes or the conductive contacts on both main surfaces of the Detector these electrodes or contacts under a certain Angle, preferably by 90 degrees, are rotated against each other.